광탄성

1. 본문

광탄성(光彈性, Photoelasticity)은 특정 투명한 재료가 외부 응력을 받을 때 복굴절(double refraction) 현상을 일으키는 것을 말합니다. 복굴절은 빛이 물질을 통과할 때 두 개의 굴절된 광선으로 나뉘는 현상입니다.
광탄성의 원리:

• 등방성 vs. 이방성: 응력을 받지 않는 상태에서 광탄성 재료는 광학적으로 등방성(isotropic)입니다. 즉, 빛의 굴절률이 모든 방향에서 동일합니다. 하지만 응력을 받으면 재료는 광학적으로 이방성(anisotropic)이 되어 굴절률이 방향에 따라 달라집니다.
• 응력과 굴절률 변화: Maxwell은 굴절률이 하중에 선형적으로 비례하여 응력 또는 변형에 비례한다고 보고했습니다. 재료에 가해지는 응력의 크기와 방향에 따라 굴절률이 변화하고, 이로 인해 빛이 복굴절을 겪게 됩니다.
• 상대 지연: 빛이 광탄성 재료를 통과할 때, 주응력 방향에 따라 굴절률이 달라 두 개의 광선으로 분리됩니다. 이 두 광선은 서로 다른 속도로 진행하며, 이로 인해 두 광선 사이에 위상차(phase difference), 즉 상대 지연(relative retardation)이 발생합니다.

• 광탄성 실험: 광탄성 실험은 투명한 재료로 만든 모형에 하중을 가하고 편광판(polarizer)과 검광판(analyzer) 사이에서 관찰합니다. 하중에 의해 발생하는 응력 분포는 다채로운 줄무늬 패턴(fringe pattern)으로 나타납니다.
• 응력 분석: 줄무늬 패턴을 분석하여 재료 내부의 응력 크기와 분포를 정량적으로 파악할 수 있습니다. 이를 광탄성 응력 해석법이라고 합니다.
• 응용 분야:
• 구조물의 응력 분석: 교량, 건물 등 실제 구조물의 응력 분포를 파악하여 안전성을 평가하고 설계 개선에 활용합니다.
• 재료 시험: 재료의 파괴 거동, 균열 전파 등을 연구하는 데 사용됩니다.
• 잔류 응력 측정: 제품 제조 과정에서 발생하는 잔류 응력을 측정하여 품질 관리 및 성능 향상에 기여합니다. (예: 사출 성형된 안전 안경)
• 실험 예시:
• 중앙에 하중이 가해지고 단순 지지되는 7개의 부재로 구성된 모델 브리지 트러스의 응력
• 굽힘 상태의 광탄성 빔
• 압축 하중을 받는 광탄성 빔

• [2015-08-14] 네이버 블로그 글에서는 광탄성 측정 실험에 대해 설명하며, 실험을 통해 응력이 집중되는 곳(홈이나 흠)에서 무늬가 먼저 나타나는 것을 확인할 수 있다고 언급합니다.
• [2022-08-28] 해피캠퍼스 자료에서는 광탄성 효과를 외력에 의해 변형된 탄성체가 복굴절을 일으키는 현상으로 정의하고, 줄무늬 형태를 분석하여 내부 응력의 크기나 분포를 알 수 있다고 설명합니다.
• [2003-12-16] 광탄성 감도 측정 레포트에서는 광탄성 현상과 줄무늬를 통한 응력 분포와 크기를 알 수 있다고 설명합니다.