태양광과 같은 빛은 공기 중에 존재하는 입자들에 의해 다양한 광학적 특징을 가지게 된다. 비가 온 뒤에 자주 볼 수 있는 무지개는 공기 중 수중기에 의해 백색광인 태양빛이 반사 및 굴절되고, 파장이 다른 각각의 빛의 다른 각도로 산란되어 나타나는 현상이고, 미 산란(Mie scattering)의 현상 중 하나인 구름이 하얗게 보이는 이유는 상대적으로 크기가 큰 구름의 구성 입자가 백색광을 그대로 산란하기 때문이며, 레일리 산란(Rayleigh scattering)의 사례인 하늘이 파랗게 보이는 이유는 미 산란에서의 경우와는 달리 산란체의 크기가 작아 파장이 짧은 푸른색 빛을 주로 산란하기 때문이다. 색 이외에도 산란은 빛의 광학적 특성 중 하나인 편광 상태에 영향을 주며, 예시로 틴들(Tyndall) 효과라고 알려진 빛의 파장과 비슷한 크기의 입자에 의해 산란광의 편광이 변화하는 현상이 존재한다. 빛은 공기 중의 입자를 만나 산란하면서 다양한 편광 상태를 가지게 되고, 이러한 편광 상태를 분석하여 디스플레이의 편광판을 개선, 야외 시인성 확보 및 광 효율을 향상시키기도 하며[1], 인위적으로 생성된 에어로졸이 기후에 미치는 영향을 알아볼 수 있는 기상학적 데이터를 산정하기도 한다[2].

빛이 산란체에 의해 산란 특성이 변하는 것을 이용하는 분석법은 특정 성분의 농도 측정에 이용하기도 한다. EPLS(Elliptically Polarized Light Scattering) 방법은 기포로부터 발생한 산란광의 편광 변화를 측정하는 기법으로, 기포발생장치를 사용하여 액체 속 기포를 발생시키고 기포에 빛을 조사해 산란되는 산란광을 분석함으로써 액체의 특정 성분의 농도를 측정할 수 있다. 해당 방법 역시 빛의 산란 특성을 이용한 분석 기법으로, 현장 측정이 가능하고 시간이 비교적 짧게 걸린다는 장점이 있다[3].

이렇듯, 편광 관측은 산업적으로 연구 가치가 막대하기에 해당 분야 종사자 및 전문가에 대한 수요는 꾸준히 늘어가고 있으며, 고등 교육기관인 대학을 중심으로 관련 학과를 신설하는 움직임도 잦아지고 있다. 이러한 기술의 실무자 양성을 위해선 산업 및 교육 현장에서의 편광 상태 관측 및 실습이 필요하지만, 공기 중 입자의 광학적 특징을 측정할 용도로 개발된 MPHS(Multi-angle Polarimetric Hyper-spectrometer)[2]와 같은 장비는 기기의 사용법 및 접근성이 전문적인 관계로 비교적 접근성이 용이한 교육적 목적의 실험 설계의 필요성이 요구되고 있다.

본 논문에서는 밀리칸 실험장치를 이용하여 입자에 의한 산란광의 편광 상태를 비교, 분석하여 산란광이 특정 각도에서 가지는 편광 상태를 관측하고 측정할 수 있는 장치를 구현하였다. 대전된 기름 분자에 의한 산란광을 입사광과 수평방향으로 90°인 지점에서 광학 현미경을 통해 관측한다. 현미경에 부착된 선형 편광기(Linear Polarizer)를 Horizontal 및 Vertical 두 가지 방향으로 번갈아 설정하여 관찰하고, 이미지 센서를 이용해 언급한 두 방향에서의 사진을 얻는다. 촬영한 사진은 Python을 통해 RGB값을 정량적으로 구한다. 실험에서 Laser source는 파장 550-nm의 Green laser를 사용하므로 Green값을 중점으로 값을 비교하는데 초점을 둔다. 본 논문은 실험 장비로 자주 이용하는 밀리칸 실험 키트를 활용하여 빛의 편광 상태를 간단하게 관측 및 이론과 비교를 하였다.

1. 빛과 편광

빛은 전자기 파동으로, 진동 방향에 따라 다양한 편광 상태를 가지게 된다. 일반적으로, 빛의 편광 상태는 수직한 두 축방향의 전기장상태로 다음과 같이 표현할 수 있다.

이 때, ε의 값이 0이면 합성파는

의 형태로 선형 편광이 된다.

선형 편광된 빛이 입자에 입사하면 산란된 빛의 진동방향은 진동 쌍극자와 같은 평면에 존재하게 되며, 진동 쌍극자는 자신의 축방향으로 복사하지 않으므로 입사광과 산란광 사이의 각도가 수평방향으로 90°에 가까워질수록 산란광의 편광 상태는 수직방향의 선형 편광으로 바뀌게 된다 (Fig. 1).

Figure 1. Scattering of polarized light by molecules of (a) vertical and (b) horizontal polarized light.

Figure 1의 그림은 입사된 빛이 산란체에 의해 편광상태가 변화하는 것을 보여준다. 여기서 Horizontal 및 Vertical은 각각 입사광이 수직 및 수평 편광된 빛을 의미한다. 그림에서 보면 Vertical 및 Horizontal 방향으로 편광된 빛이 입사하지만, 산란된 빛은 입사광과 측면으로 수직한 방향에 가까워질수록 Vertical 방향으로 편광된 빛이 나온다. 그러므로 Horizontal 방향의 입사광이 들어간 경우에는 산란광의 세기가 입사광과 측면 수직 방향에서 0이 된다. 해당 개념을 무작위로 편광된 빛에 적용시키면 입사광의 편광 상태와 무관하게 산란광의 빛의 편광은 모두 Vertical 방향으로 편광 되어 나오게 된다는 사실을 유추할 수 있다. 특히, 상대적으로 파장이 짧은 빛의 경우, 산란체에 의한 산란이 더 잘 발생하므로 이러한 경향을 더 쉽게 확인할 수 있다.

2. 백색광과 레이저

공기 중에 존재하거나 인공적으로 만들어진 백색광(White light)은 편광 상태가 수시로 바뀌어 편광 상태를 구분할 수 없는 빛을 나타낸다. 일반적으로는 부분 편광(Partially polarized)되어있다고 하며, 수학적으로 표현하면 진폭이 같은 2개의 결어긋난(Decoherence) 직교하는 선형 편광들로 표시한다[4]. 즉, 백색광 역시 선형 편광들의 집합으로 생각할 수 있다.

이를 토대로 해당 실험에서 백색광을 이용한 실험을 진행해도 기대했던 결과를 얻어내기에 무리가 없지만, 인공적인 백색광을 사용하는 것은 생각보다 많은 어려움이 산재되어 있다. 우선, 실험실은 정확한 각도에서의 편광 상태 관측을 위해 광원을 제외한 다른 빛 요소들은 제외되므로 광원이 없다면 암전 상태이다. 하지만 백색광은 일반적으로 발광원에서 넓게 퍼지는 형식으로 빛이 발생하므로 암전 환경을 유지하고 빛을 플레이트 안에 정확히 조사하기 위한 Collimation 및 Align의 과정에서 Source setting과정이 복잡해질 수 있다는 문제를 가지고 있다. 또한, 백색광에는 다양한 파장의 빛이 섞여 있으며, 파장 별 빛의 Intensity 또한 같지 않기에 특정한 파장의 빛을 관찰하고 싶은 경우에는 실험에 부적합할 수 있다는 단점이 있다.

따라서 본 논문에서는 또 다른 선형 편광 Source인 레이저를 사용하여 실험을 진행한다. 레이저는 유도방출을 이용한 빛의 증폭[5]으로, 레이저의 빛은 특정한 파장과 선형편광 상태를 가지고 있다. 레이저는 백색광과 달리 빔 형태로 나아가며, 이는 실험 과정에서 입사광의 경로 및 Collimation, Align조정을 간단하게 설정할 수 있게 만들어준다. 또한, 앞서 언급했듯, 특정 파장을 선택할 수 있으므로 원하는 파장의 레이저를 선택해 실험을 진행할 수 있으며, 상대적으로 광원의 크기가 작아 위치 조절에 유리하다는 장점을 가지고 있다. 전술한 바와 같이, 백색광은 여러 선형 편광들의 집합으로 생각할 수 있으므로 레이저를 이용한 실험이 백색광을 이용한 실험과 같은 결과를 낼 수 있다는 사실을 알 수 있다.

3. 밀리칸 실험 키트

톰슨(J.J Thomson)의 음극선 실험에 의해 비전하가 측정된 후, 밀리칸(Robert Millikan)은 밀리칸 실험 키트를 이용하여 전자의 전하량을 측정하였다[6]. 다만 본 논문에서는 전하량 측정이 아닌 산란체 고정 및 분석을 목적으로 해당 키트를 이용한다.

밀리칸 실험 키트는 산란광의 편광 상태 관측에 있어서 다양한 장점을 가지고 있다. 우선 산란체를 효율적이고 정확히 고정할 수 있다. 밀리칸 실험 키트의 원래 목적인 전자의 전하량 특성 실험에서도 기름 분자를 고정하기 위해 전기장 생성 장치를 이용하며, 이는 이온화된 산란체를 전기장을 이용해 공중에 고정할 수 있게 만들어준다. 두번째로, 광학 현미경을 통해 산란광을 관찰할 수 있다. 이 점 역시 기존의 실험에서 기름 분자의 크기를 특정하기 위해 사용되는 현미경을 이용한 것으로, 산란체에 의한 산란광을 육안으로 관찰하기에도 적합하다. 마지막으로, 대학 및 교육기관에서의 접근성이 용이하다. 밀리칸 기름방울 실험은 일반적인 기초 물리학 실험 교과 과정에 포함된 실험으로, 실험 키트의 접근성이 상대적으로 용이하여 추가적인 실험을 위한 교육용 키트로 사용할 수 있다는 장점을 가지고 있다.

이 논문에서는 미세 입자에 의한 산란광을 관측하기 위해 밀리칸 실험 키트를 사용하였다. 밀리칸 실험 키트는 기름 분자를 이용해 기본 전하를 측정하기 위해 제작된 키트로, 본 실험에서는 키트의 기름 분자 고정 기능 및 산란광 관측의 편리성을 활용한다. 밀리칸 실험 키트는 크게 오일 분사구, 플레이트, 광학 현미경으로 구성되어 있으며, 오일 분사구에서 대전된 기름방울이 플레이트 사이에서 고정되고, 이를 광학 현미경으로 관측한다[7].

Figure 2는 산란광 측정 실험의 전체적인 설계 개략도를 나타낸 것이다. Source setting은 Laser source, 조리개(Aperture), 2개의 반사 거울(Mirror), 2개의 볼록렌즈(Convex lens)로 구성되어 있다. 입사광은 파장이 상대적으로 짧아 산란에 유리하며 채도와 명도가 낮은 파장 550-nm의 Green laser를 사용했다. 레이저를 정확히 산란체에 조사하기 위해 Source setting에서 조리개 및 반사 거울들을 이용해 Lasor를 Align시킨 후 볼록렌즈를 이용해 Collimation한다. 이 때 2개의 볼록렌즈의 초점거리는 각각 25.4 mm, 30.0 mm를 사용했다. 레이저를 조사하기 전에 기름 분사구에 있는 분무기를 이용해 기름방울을 플레이트 안에 분사한다. 분사된 기름방울의 크기는 일정하지 않고 어느정도 차이를 보이며, 기름방울의 종단속도를 통해 특정한 기름방울의 크기는 대략 309 nm – 942 nm로 측정된다. 이후 Collimation된 Laser를 플레이트 사이에 있는 기름방울에 입사하면 산란체에 의해 산란광이 만들어진다. 입사광과 수평방향으로 90°지점에는 광학 현미경이 설치되어 있으며, 현미경을 통해 산란광을 직접적으로 관찰하게 된다. 산란광의 편광 성분을 분석하기 위해 광학 현미경에는 선형 편광기가 부착되어 있다. 산란광은 편광기의 필터 방향을 Vertical 및 Horizontal 방향으로 편광기를 설정 후 관측하고 두 결과를 비교한다. 여기서의 Vertical 및 Horizontal은 선형 편광기가 각각 수직, 수평 방향으로 설정되었음을 의미한다.

Figure 2. (Color online) Schematic diagram of the measuring device.

각각 관측된 Vertical 및 Horizontal 방향의 결과는 데이터 추출 및 분석적 입증을 위해 이미지 센서를 이용해 사진으로 촬영된다. 사용한 이미지센서의 감광 속도(ISO)는 6400으로 설정했으며, 노출시간(Integration time)은 1/6초이다. 촬영한 사진은 Python을 통해 RGB값이 추출하며, 이 중 직접 Lasor source로 이용된 Green값만을 이용한다.

편광 상태 확인은 육안을 통한 주관적 확인 및 데이터를 통한 객관적 확인 두 가지 방법으로 진행되었다. 산란체의 고정을 위해 공기 흐름에 영향을 줄 수 있는 요소는 모두 배제되었으며, 암실의 환경에서 실험을 진행하였다. 현미경에 부착한 Polarizer의 방향을 제외한 모든 실험조건은 동일하며, 두 편광 상태의 촬영은 순차적으로 진행되었다.

1. 육안을 통한 확인

Figure 3의 광학 현미경 관측 및 촬영을 통한 육안 확인에서 Vertical 방향의 관측에서는 보이는 산란광이 Horizontal 방향의 관측에서는 보이지 않았다. 이는 Laser의 산란광이 Vertical 방향으로 선형 편광 되었으며, 이로 인해 Horizontal 방향으로 편광기가 설정된 경우에는 관측할 수 없다는 결론을 내릴 수 있다.

Figure 3. (Color online) Pictures of (a) vertical and (b) horizontal polarized light.

2. 데이터를 통한 확인

Figure 4를 보면, 촬영 후 사진의 RGB값 중 Green의 데이터를 추출하여 비교한 결과 Horizontal 방향 데이터에 비해 Vertical 방향 데이터의 값이 특정 부분에서 Intensity가 높게 측정되었음을 알 수 있다. 산란광에 의해 Intensity가 높게 측정된 부분이 아닌 곳의 Intensity는 Horizontal에서의 Intensity 측정값과 거의 유사하게 나옴에 따라 Background는 두 경우가 동일하다는 것을 알 수 있다. 두 그래프의 적분값을 정량적으로 비교해보면 Horizontal보다 Vertical의 수치값이 235105 더 높다는 것이 확인되었다.

Figure 4. (Color online) Intensity of green light of (a) vertical and (b) horizontal polarized light.

본 논문에서는 밀리칸 실험 키트를 활용한 빛의 산란광 및 편광 상태 측정 방법을 제안하였으며, 해당 설계를 바탕으로 실험을 진행하여 설계의 이점을 입증하였다. 첫번째로, 레이저를 기름분자에 입사시킨 산란광을 현미경을 통해 관측하였으며 편광기를 Horizontal 및 Vertical 방향으로 설정하여 산란광의 편광 상태를 관측하였다. 육안 관측 결과, Horizontal 측정과 Vertical 측정에서의 차이가 두드러지게 나타났으며, 이를 명확히 확인할 수 있었다. 두번째로, 관측한 값을 이미지센서를 이용해 촬영하고 이를 Python을 활용해 RGB값 중 Green을 추출해 분석하였다. 데이터 추출 결과, 육안으로 측정했던 결과와 같은 이상적인 데이터가 도출됐으며, 이를 통해 산란광의 Intensity를 정량적으로 측정할 수 있었다.

최근까지 공기 중 산란체에 의한 빛의 편광 특성을 관측하고 이를 산업에 이용하려는 연구는 많이 진행되어 왔다. 하지만, 접근성이 용이한 교육적 목적의 편광 특성 설계 및 실험을 본 연구를 통해 알아낼 수 있었다. 본 연구에 서술된 산란 편광 관측 및 분석 설계법은 대학 및 산업체에서의 광학 연구 실무자 양성을 위한 교육 자료로써 활용될 수 있을 것으로 기대된다.