편광자
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1. 개요
편광자는 빛의 편광 상태를 변화시키는 장치로, 선형 편광자와 원형 편광자로 구분된다. 선형 편광자는 빛의 특정 진동 방향만 통과시키거나 흡수하며, 흡수형 편광자와 빔 분리형 편광자로 나뉜다. 흡수형 편광자는 특정 결정의 이색성을 이용하거나, 폴라로이드 필터와 같이 특정 물질의 정렬된 구조를 활용한다. 빔 분리형 편광자는 입사 빔을 서로 다른 선형 편광을 가진 두 빔으로 분리하며, 브루스터 각 반사나 복굴절 현상을 이용한다. 원형 편광자는 빛의 진동 방향이 회전하는 원형 편광을 생성하며, 4분의 1 파장판과 선형 편광자를 조합하여 만들 수 있다. 편광자는 액정 디스플레이, 선글라스, 사진 촬영, 3D 디스플레이, 광학 센서 등 다양한 분야에서 활용되며, 말루스의 법칙을 통해 편광자의 빛 통과량을 설명할 수 있다.
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| 편광자 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 종류 | 광학 필터 |
| 용도 | 빛의 편광 상태를 조작 |
| 영어 명칭 | Polarizer (폴라라이저) |
| 일본어 명칭 | 偏光板 (へんこうばん, 헨코우반) |
| 한국어 명칭 | 편광자 (偏光子) |
| 상세 정보 | |
| 기능 | 특정 방향으로 편광된 빛만 통과시키거나 편광 상태를 변환 |
| 작동 원리 | 특정 방향의 전기장 성분만 통과시키는 이색성 물질 또는 복굴절 물질 사용 |
| 활용 분야 | 사진 촬영 시 반사광 제거 및 색상 향상 액정 디스플레이 (LCD) 3D 영화 현미경 광학 실험 비디오 게임 |
| 주의사항 | 편광판을 통과한 빛의 밝기가 감소할 수 있음 |
2. 편광판의 종류
편광판은 크게 선형 편광판과 원형 편광판으로 나눌 수 있다.
선형 편광판은 원치 않는 편광 상태를 흡수하는 흡수형 편광판과, 비편광 빔을 반대 편광 상태의 두 빔으로 분리하는 빔 분리형 편광판으로 나뉜다.
원형 편광판(''CPL'' 또는 ''원형 편광 필터'')은 원형 편광된 빛을 생성하거나, 특정 회전 방향의 편광된 빛을 선택적으로 흡수하거나 통과시키는 데 사용된다. 비금속 표면의 반사를 줄이기 위해 사진에서 편광 필터로 사용되며, 일부 입체 영화를 보기 위한 3D 안경(특히 RealD 3D 방식)의 렌즈로도 쓰인다.
2. 1. 선형 편광판 (Linear Polarizer)
선형 편광자는 크게 두 가지 일반적인 범주로 나눌 수 있다. 하나는 원치 않는 편광 상태가 장치에 의해 흡수되는 흡수형 편광판이고, 다른 하나는 비편광 빔이 반대 편광 상태의 두 빔으로 분리되는 빔 분리형 편광판이다.입사각이 변해도 동일한 편광축을 유지하는 편광자는 종종 '데카르트 편광자'라고 불린다. 이는 편광 벡터를 편광자 표면의 방향과 무관하게 간단한 데카르트 좌표 (예: 수평 대 수직)로 설명할 수 있기 때문이다. 두 편광 상태가 표면의 방향과 관련된 경우 (보통 프레넬 반사에서 발견됨), 일반적으로 ''s''와 ''p''로 지칭된다. 데카르트 편광과 ''s''–''p'' 편광 간의 이러한 구분은 많은 경우에 무시할 수 있지만, 높은 대비를 달성하고 입사광의 넓은 각도 분포를 사용할 때 중요해진다.
2. 1. 1. 흡수형 편광판 (Absorptive Polarizer)
흡수형 편광판은 특정 방향의 편광된 빛은 흡수하고, 그 수직 방향으로 편광된 빛은 투과시키는 방식으로 작동한다.특정 결정은 결정 광학에서 설명하는 이색성이라는 특성을 나타낸다. 이색성은 결정의 특정 축 방향으로 편광된 빛을 더 강하게 흡수하는 현상으로, 이를 이용해 선형 편광판을 만들 수 있다. 대표적인 이색성 결정으로는 전기석이 있지만, 이색성 효과가 빛의 파장에 따라 크게 달라지고 결정 자체의 색이 짙어 실제 편광판으로는 거의 사용되지 않는다. 헤라파사이트 역시 이색성을 띠며 색이 강하지는 않지만, 큰 크기의 결정을 만들기 어렵다는 단점이 있다.
가장 널리 알려지고 흔하게 사용되는 흡수형 편광판은 폴라로이드 필터이다. 초기 폴라로이드는 미세한 헤라파사이트 결정을 사용했지만, 현재 주로 사용되는 H-시트 형태는 폴리비닐 알코올 (PVA) 플라스틱 필름에 요오드를 첨가하여 만든다. 제조 과정에서 필름을 특정 방향으로 늘리면 PVA의 긴 분자 사슬이 그 방향으로 정렬된다. 이때 첨가된 요오드의 원자가 전자는 정렬된 PVA 사슬 방향으로는 자유롭게 이동할 수 있지만, 사슬에 수직인 방향으로는 이동하기 어렵다. 따라서 빛이 폴라로이드 필터를 통과할 때, 전기장 진동 방향이 PVA 사슬 방향과 평행한 빛은 요오드 원자에 의해 흡수되고, 사슬 방향과 수직인 빛은 흡수되지 않고 투과된다. 폴라로이드는 내구성이 좋고 실용적이며 다른 유형의 편광판에 비해 가격이 저렴하여 선글라스, 사진 필터, 액정 디스플레이 (LCD) 등에 널리 사용된다.
현대적인 흡수형 편광기의 한 유형은 얇은 (0.5mm 이하) 유리판 내부에 길쭉한 은 나노입자를 배열하여 만들어진다. 이 유리 편광판은 플라스틱 폴라로이드 필름보다 내구성이 뛰어나고 편광 성능도 우수하여, 100,000:1 이상의 높은 편광 비율을 가지며 원하는 방향으로 편광된 빛의 흡수율은 1.5% 미만으로 매우 낮다.[5] 이러한 특성 덕분에 장파장 적외선 영역에서 주로 사용되며, 광섬유 통신 분야에서 중요한 역할을 한다.
2. 1. 2. 빔 분리형 편광판 (Beam-splitting Polarizer)
빔 분할 편광자는 입사 빔을 서로 다른 선형 편광을 가진 두 개의 빔으로 분할한다. 이상적인 편광 빔 분할기의 경우, 이 두 빔은 직교 편광을 가지며 완전히 편광된다. 그러나 흔히 사용되는 많은 빔 분할 편광기에서는 두 개의 출력 빔 중 하나만 완전히 편광된다. 다른 빔은 편광 상태의 혼합물을 포함한다.흡수성 편광기와 달리, 빔 분할 편광기는 거부된 편광 상태의 에너지를 흡수하고 소산할 필요가 없으므로, 레이저 광과 같이 고강도 빔에 사용하기에 더 적합하다. 진정한 편광 빔 분할기는 두 개의 편광 성분을 동시에 분석하거나 사용해야 하는 경우에도 유용하다.
=== 프레넬 반사 기반 편광판 ===
빛이 두 개의 투명한 물질 사이의 경계면에서 각도로 반사될 때(프레넬 반사), 입사면에 편광된 빛(''p''-편광)과 입사면에 수직으로 편광된 빛(''s''-편광)의 반사율은 다르다. 브루스터 각도라고 알려진 특수한 각도에서는 표면에서 ''p''-편광된 빛이 반사되지 않으므로 모든 반사된 빛은 ''s''-편광이어야 하며, 전기장은 입사면에 수직이다.
간단한 선형 편광자는 빔에 대해 브루스터 각도로 유리판을 여러 겹 쌓아 만들 수 있다. 각 판의 각 표면에서 ''s''-편광된 빛의 일부가 반사된다. 판 여러 겹의 경우, 각 반사는 입사 빔에서 ''s''-편광된 빛을 감소시키고, 각 단계에서 투과 빔에 더 많은 비율의 ''p''-편광된 빛을 남긴다. 공기 중의 가시광선과 일반적인 유리의 경우, 브루스터 각도는 약 57°이며, 빔에 존재하는 ''s''-편광된 빛의 약 16%가 각 공기-유리 또는 유리-공기 전이마다 반사된다. 이 방법으로는 투과 빔의 중간 정도의 편광조차도 달성하기 위해 많은 판이 필요하다. 10장의 판(20번 반사)의 경우, ''s''-편광된 빛의 약 3%(= (1 − 0.16)20)가 투과된다. 반사된 빔은 완전히 편광되지만 퍼져서 그다지 유용하지 않을 수 있다.
더 유용한 편광 빔은 입사 빔에 대해 판을 더 가파른 각도로 기울여 얻을 수 있다. 직관에 반하여, 브루스터 각도보다 큰 입사각을 사용하면 전체 투과율이 감소하는 대신 ''투과된'' 빔의 편광 정도가 더 높아진다. 80°보다 가파른 입사각의 경우, 투과된 빔의 편광은 4개의 판만으로도 100%에 가까워질 수 있지만, 이 경우 투과된 강도는 매우 낮다.[6] 판을 더 추가하고 각도를 줄이면 투과율과 편광 사이에서 더 나은 절충점을 달성할 수 있다.
프레넬 반사를 기반으로 하는 편광자는 편광 벡터가 입사각에 따라 달라지기 때문에 본질적으로 데카르트 편광보다는 ''s''–''p'' 편광을 생성하는 경향이 있으며, 이는 일부 응용 분야에서 사용을 제한한다.
=== 복굴절 프리즘 ===
다른 선형 편광자는 복굴절 특성을 활용하는데, 예를 들어 석영과 방해석과 같은 결정이 사용된다. 이 결정들에서, 표면에 입사하는 편광되지 않은 빛의 빔은 굴절에 의해 두 개의 광선으로 분리된다. 스넬의 법칙은 두 광선 모두에 적용되며, ''일반'' 광선 또는 ''o'' 광선과 ''이상'' 광선 또는 ''e'' 광선은 각각 다른 굴절률을 경험한다(이를 이중 굴절이라고 한다). 일반적으로 두 광선은 서로 다른 편광 상태에 있게 되지만, 결정 축에 대한 특정 전파 방향을 제외하고는 선형 편광 상태는 아니다.
니콜 프리즘은 초기 유형의 복굴절 편광자였으며, 캐나다 발삼으로 분할되어 다시 결합된 방해석 결정으로 구성되어 있다. 이 결정은 ''o'' 광선과 ''e'' 광선이 직교 선형 편광 상태가 되도록 절단된다. ''o'' 광선은 발삼보다 방해석에서 더 큰 굴절률을 경험하기 때문에 발삼 계면에서 전반사가 발생하며, 광선은 결정의 측면으로 굴절된다. 방해석에서 더 작은 굴절률을 보이는 ''e'' 광선은 굴절 없이 계면을 통과한다. 니콜 프리즘은 매우 높은 순도의 편광된 빛을 생성하며, 현미경에 광범위하게 사용되었지만 현대에는 글랜-톰슨 프리즘, 글랜-푸코 프리즘, 글랜-테일러 프리즘과 같은 대안으로 대부분 대체되었다. 이 프리즘은 투과된 빔만 완전히 편광되기 때문에 진정한 편광 빔 분리기는 아니다.
윌라스톤 프리즘은 서로 직교하는 결정축을 가진 두 개의 삼각 방해석 프리즘으로 구성된 또 다른 복굴절 편광자이며, 함께 접착된다. 내부 계면에서 편광되지 않은 빔은 15°–45°의 발산각으로 프리즘을 빠져나가는 두 개의 선형 편광 광선으로 분리된다. 로숑 프리즘 및 세나몽 프리즘도 유사하지만, 두 프리즘에서 서로 다른 광축 방향을 사용한다. 세나몽 프리즘은 윌라스톤 및 로숑 프리즘과 달리 공기 간격을 둔다. 이 프리즘은 빔을 수직 편광을 가진 두 개의 완전히 편광된 빔으로 실제로 분할한다. 노마르스키 프리즘은 미분 간섭 대비 현미경에 널리 사용되는 윌라스톤 프리즘의 변형이다.
=== 와이어 그리드 편광자 ===
가장 간단한 선형 편광자 중 하나는 평면에 배치된 많은 미세한 평행 금속 와이어로 구성된 ''와이어 그리드 편광자''(WGP)이다. WGP는 주로 비투과 편광을 반사하므로 편광 빔 분할기로 사용할 수 있다. 기생 흡수는 대부분의 유전체 편광자에 비해 비교적 높지만 흡수성 편광자보다는 훨씬 낮다.
와이어와 평행하게 정렬된 전기장 성분을 가진 전자기파는 와이어 길이를 따라 전자의 움직임을 유도한다. 전자는 이 방향으로 자유롭게 움직일 수 있으므로 편광자는 빛을 반사할 때 금속 표면과 유사하게 동작하며, 파동은 입사 빔을 따라 뒤로 반사된다(와이어의 줄 가열로 손실되는 소량의 에너지를 제외).[8]
와이어에 수직인 전기장을 가진 파동의 경우 전자는 각 와이어의 너비를 가로질러 멀리 이동할 수 없다. 따라서 에너지가 거의 반사되지 않고 입사파가 그리드를 통과할 수 있다. 이 경우 그리드는 유전체처럼 동작한다.
전반적으로, 이것은 투과파가 와이어에 완전히 수직인 전기장을 가진 선형 편광되도록 한다. 파동이 와이어 사이의 틈새를 "통과한다"는 가설은 잘못되었다.[8]
실용적인 목적을 위해 와이어 사이의 간격은 입사 방사선의 파장보다 작아야 한다. 또한 각 와이어의 너비는 와이어 사이의 간격에 비해 작아야 한다. 따라서 마이크로파, 원-적외선, 중-적외선 방사선에 대한 와이어 그리드 편광자를 비교적 쉽게 제작할 수 있다. 원적외선 광학의 경우 편광자는 투과 광학 없이 완전히 독립형 메쉬로 만들 수도 있다. 또한, 진보된 리소그래피 기술은 시각광 또는 적외선의 편광을 유용한 정도로 허용하는 매우 좁은 피치 금속 그리드(일반적으로 50~100 nm)를 구축할 수도 있다. 편광도는 파장 및 입사각에 거의 의존하지 않으므로 투사 등 광대역 응용 분야에 사용된다.
와이어 그리드 편광자에 대한 엄격한 결합파 분석을 사용한 해석 솔루션은 와이어에 수직인 전기장 성분의 경우 매질이 유전체처럼 동작하고 와이어에 평행한 전기장 성분의 경우 매질이 금속(반사)처럼 동작한다는 것을 보여주었다.[9]
2. 2. 원형 편광판 (Circular Polarizer)
'''원형 편광자'''(''CPL'' 또는 ''원형 편광 필터'')는 원형 편광된 빛을 생성하거나, 시계 방향 및 시계 반대 방향의 편광된 빛을 선택적으로 흡수하거나 통과시키기 위해 사용될 수 있다.이들은 비금속 표면의 사선 반사를 줄이기 위해 사진에서 편광 필터로 사용되며, 일부 입체 영화를 보기 위해 착용하는 3D 안경의 렌즈이기도 하다(특히 RealD 3D 종류). 여기서는 빛의 편광이 왼쪽 눈과 오른쪽 눈이 어떤 이미지를 봐야 하는지 구별하는 데 사용된다.
원형 편광을 생성하는 방법에는 여러 가지가 있으며, 가장 저렴하고 일반적인 방법은 4분의 1 파장판을 선형 편광자 뒤에 배치하고 비편광 빛을 선형 편광자를 통과시키는 것이다. 선형 편광자를 떠나는 선형 편광은 4분의 1 파장판에 의해 원형 편광으로 변환된다. 선형 편광자의 투과축은 4분의 1 파장판의 빠른 축과 느린 축 사이에 반(45°) 있어야 한다.
위의 배열에서 선형 편광자의 투과축은 오른쪽 수평선에 대해 +45° 각도를 가지며 주황색 선으로 표시된다. 4분의 1 파장판은 수평 느린 축과 수직 빠른 축을 가지며 주황색 선을 사용하여 표시된다. 이 경우 선형 편광자에 들어가는 비편광 빛은 진폭과 선형 편광 각도가 갑자기 변하는 단일 파동으로 표시된다.
비편광 빛을 선형 편광자를 통과시키려고 시도하면 전기장이 +45° 각도를 갖는 빛만 선형 편광자를 떠나 4분의 1 파장판에 들어간다. 그림에서 표시된 비편광 빛의 세 가지 파장은 선형 편광자의 반대편에서 세 가지 파장의 선형 편광으로 변환된다.
오른쪽 그림은 4분의 1 파장판에 들어가기 직전의 선형 편광의 전기장이다. 빨간색 선과 관련된 벡터는 전기장의 크기와 방향이 이동 방향에 따라 어떻게 변하는지를 나타낸다. 이 평면 전자기파의 경우 각 벡터는 이동 방향에 수직인 전체 평면에 대한 전기장의 크기와 방향을 나타낸다.
빛과 다른 모든 전자기파에는 이러한 그림에 표시된 전기장과 위상이 같고 수직인 자기장이 있다.
4분의 1 파장판이 선형 편광에 미치는 영향을 이해하려면 빛을 서로 직각인(직교) 두 개의 구성 요소로 나눈다고 생각하는 것이 유용하다. 이를 위해 파란색과 녹색 선은 빨간색 선을 각각 수직 및 수평 평면에 투영한 것으로, 전기장이 해당 두 평면의 방향에서 어떻게 변하는지를 나타낸다. 두 구성 요소는 동일한 진폭을 가지며 위상이 같다.
4분의 1 파장판은 복굴절 재료로 만들어졌기 때문에 파장판 내에서 빛은 전기장의 방향에 따라 다른 속도로 이동한다. 즉, 파장판의 느린 축을 따라 있는 수평 구성 요소는 수직 빠른 축을 따라 있는 구성 요소보다 느린 속도로 이동한다. 처음에 두 구성 요소는 위상이 같지만, 두 구성 요소가 파장판을 통과하면서 빛의 수평 구성 요소가 수직 구성 요소보다 더 뒤쳐진다. 파장판의 두께를 조절하여 빛이 파장판을 떠나 동일한 속도로 다시 이동하기 시작하기 전에 수평 구성 요소가 수직 구성 요소에 비해 얼마나 지연되는지를 제어할 수 있다. 빛이 4분의 1 파장판을 떠나면 오른쪽 수평 구성 요소가 수신자에서 볼 때 빛을 좌수 원형 편광으로 만들면서 수직 구성 요소보다 정확히 4분의 1 파장 뒤에 있게 된다.[11]
오른쪽 그림 상단에는 파장판을 떠난 후 원형 편광이 있다. 비교를 위해 바로 아래에는 4분의 1 파장판에 들어간 선형 편광이 있다. 위쪽 이미지에서 이것은 평면파이므로 축에서 나선으로 이어지는 각 벡터는 이동 방향에 수직인 전체 평면에 대한 전기장의 크기와 방향을 나타낸다. 모든 전기장 벡터는 전기장의 세기가 변하지 않음을 나타내는 동일한 크기를 갖는다. 그러나 전기장의 방향은 꾸준히 회전한다.
파란색과 녹색 선은 나선을 각각 수직 및 수평 평면에 투영한 것으로, 전기장이 해당 두 평면의 방향에서 어떻게 변하는지를 나타낸다. 오른쪽 수평 구성 요소가 이제 수직 구성 요소보다 4분의 1 파장 뒤에 있음을 알 수 있다. 전기장의 회전 특성을 나타내는 것은 이 4분의 1 파장의 위상 변화이다. 한 구성 요소의 크기가 최대일 때 다른 구성 요소의 크기는 항상 0이다. 이것이 두 구성 요소의 최대값과 정확히 일치하는 나선 벡터가 있는 이유이다.
방금 언급한 경우, 많은 광학 교과서에서 사용되는 수지 규칙을 사용하면 빛은 좌수/반시계 방향 원형 편광으로 간주된다. 첨부된 애니메이션을 참조하면, 왼쪽 엄지손가락을 이동 방향 ''반대''로 가리키면 파동이 공간의 특정 지점을 통과할 때 손가락이 전기장의 회전 방향으로 구부러지기 때문에 좌수로 간주된다. 나선도 공간에서 좌수 나선을 형성한다. 마찬가지로, 이 빛은 정지된 관찰자가 이동 방향 ''반대''를 향하면, 파동이 공간의 특정 지점을 통과할 때 전기장이 반시계 방향으로 회전하는 것을 관찰하므로 반시계 방향 원형 편광으로 간주된다.[11]
우수, 시계 방향 원형 편광을 생성하려면 선형 편광자에 상대적인 4분의 1 파장판의 축을 90° 회전하기만 하면 된다. 이렇게 하면 선형 편광자의 투과축에 상대적인 파장판의 빠른 축과 느린 축이 반전되어 어떤 구성 요소가 선행하고 어떤 구성 요소가 뒤쳐지는지 반전된다.
4분의 1 파장판이 선형 편광을 변환하는 방식을 이해하려고 할 때, 논의된 두 구성 요소는 그 자체로 실체가 아니라 발생하는 일을 이해하는 데 도움이 되는 정신적 구조일 뿐이라는 것을 깨닫는 것이 중요하다. 선형 편광 및 원형 편광의 경우, 공간의 각 지점에는 항상 고유한 벡터 방향을 가진 단일 전기장이 있으며, 4분의 1 파장판은 단순히 이 단일 전기장을 변환하는 효과만 있다.
원형 편광자는 또한 우원 또는 좌원 편광된 빛을 선택적으로 흡수하거나 통과시키는 데 사용될 수 있다. 이는 RealD Cinema와 같은 스테레오 영화관의 3D 안경에서 활용되는 기능이다. 주어진 편광자는 두 가지 편광 중 하나를 생성하며, 빛이 반대 방향으로 통과할 때 동일한 편광의 빛을 통과시킨다. 반대로 반대 편광의 빛은 차단한다.
위 그림은 좌원 원형 편광된 빛이 반대 방향에서 편광기에 접근하고 선형 편광된 빛이 편광기를 나와 오른쪽으로 향한다는 점을 제외하면 이전 그림과 동일하다.
먼저 4분의 1 파장판은 항상 원형 편광된 빛을 선형 편광된 빛으로 변환한다는 점에 유의해야 한다. 4분의 1 파장판의 빠른 축과 느린 축의 방향과 원형 편광된 빛의 헬릭스 방향에 따라 선형 편광된 빛의 편광 각도가 결정된다. 그림에서 편광기에 들어가는 좌원 원형 편광된 빛은 선형 편광기의 투과축을 따라 편광 방향을 갖는 선형 편광된 빛으로 변환되어 통과한다. 반대로 우원 원형 편광된 빛은 선형 편광기의 흡수축을 따라 편광 방향을 갖는 선형 편광된 빛으로 변환되어 차단될 것이다. 흡수축은 투과축과 직각을 이룬다.
이 과정을 이해하려면 오른쪽 그림을 참조하십시오. 위쪽의 원형 편광된 빛이 왼쪽에서 편광기에 접근하는 것으로 간주한다는 점을 제외하면 이전 그림과 완전히 동일하다. 그림에서 (진행 방향을 따라 볼 때) 왼쪽으로 향하는 수평 성분이 수직 성분을 앞서고, 수평 성분이 파장의 4분의 1만큼 지연되면 아래에 표시된 선형 편광된 빛으로 변환되어 통과하는 것을 관찰할 수 있다.
주어진 헬릭스 방향의 원형 편광된 빛을 생성하는 편광기가 동일한 헬릭스 방향의 편광된 빛을 통과시키는 이유를 이해하는 비교적 간단한 방법이 있다. 먼저, 이 이미지의 이중적인 유용성을 고려하여, 위에 표시된 원형 편광된 빛이 4분의 1 파장판을 떠나 왼쪽으로 이동한다고 상상해 보십시오. 선형 편광된 빛의 수평 성분이 파장의 4분의 1만큼 두 번, 즉 반 파장 전체만큼 지연되었다면, 결과는 들어온 빛과 직각을 이루는 선형 편광된 빛이 되었을 것입니다. 이러한 직교 편광된 빛이 수평면에서 회전하여 원형 편광기의 선형 편광기 부분을 통해 다시 통과하면, 해당 방향으로 인해 분명히 통과할 것입니다. 이제 4분의 1 파장판을 한 번 통과한 원형 편광된 빛이 다시 뒤돌아 원형 편광기를 향한다고 상상해 보십시오. 위에 표시된 원형 편광된 빛이 이제 해당 빛을 나타낸다고 가정합니다. 이러한 빛은 선형 편광기에 도달하기 전에 4분의 1 파장판을 두 번째 통과할 것이고, 그 과정에서 수평 성분은 파장의 4분의 1만큼 두 번째로 지연될 것입니다. 해당 수평 성분이 두 개의 개별 단계로 파장의 4분의 1만큼 지연되든, 한 번에 반 파장 전체만큼 지연되든 관계없이, 결과적인 선형 편광된 빛의 방향은 선형 편광기를 통과하도록 설정될 것입니다.
만약 우원, 시계 방향 원형 편광된 빛이 왼쪽에서 원형 편광기에 접근했다면, 수평 성분도 지연되었을 것이지만, 결과적인 선형 편광된 빛은 선형 편광기의 흡수축을 따라 편광되었을 것이고 통과하지 못했을 것입니다.
대신 우원 편광된 빛을 통과시키고 좌원 빛을 흡수하는 원형 편광기를 만들려면, 파장판과 선형 편광기를 서로 상대적으로 90° 회전시키면 된다. 선형 편광기의 투과축과 흡수축의 위치를 4분의 1 파장판에 상대적으로 반전시키면, 어떤 헬릭스 방향의 편광된 빛이 투과되고 어떤 헬릭스 방향이 흡수되는지를 변경할 수 있다는 것을 쉽게 이해할 수 있다.
균질 원형 편광자는 한쪽 회전 방향의 원형 편광을 그대로 통과시키고 반대쪽 회전 방향의 원형 편광을 차단한다. 이는 선형 편광자가 특정 각도의 선형 편광된 빛을 완전히 통과시키고, 이에 수직인 선형 편광된 빛은 완전히 차단하는 방식과 유사하다.
균질 원형 편광자는 선형 편광자를 두 개의 4분의 1 파장판 사이에 끼워 넣어 만들 수 있다.[12] 구체적으로 앞서 설명한 원형 편광자, 즉 원형 편광된 빛을 선형 편광된 빛으로 변환하는 장치에 첫 번째 4분의 1 파장판과 90° 회전된 두 번째 4분의 1 파장판을 추가한다.
일반적으로 말해서, 위 그림을 직접 언급하지 않고, 원형 편광된 빛의 두 편광 중 하나가 첫 번째 4분의 1 파장판에 들어가면, 직교하는 한 쌍의 성분 중 하나가 다른 성분에 비해 파장의 4분의 1만큼 지연된다. 이는 원형 편광된 빛의 회전 방향에 따라 두 개의 선형 편광 중 하나를 생성한다. 4분의 1 파장판 사이에 끼워진 선형 편광자는 한 선형 편광을 통과시키고 다른 선형 편광을 차단하도록 정렬된다. 그런 다음 두 번째 4분의 1 파장판은 통과된 선형 편광된 빛을 받아 이전 4분의 1 파장판에서 지연되지 않은 직교 성분을 지연시킨다. 이렇게 하면 두 성분이 초기 위상 관계로 다시 돌아와 선택된 원형 편광을 재설정한다.
원형 편광된 빛을 어느 방향으로 통과시키든 상관없다는 점에 유의해야 한다.
선형 편광 필터는 사진술에 처음 사용된 유형으로, 현재도 비반사식 및 구형 일안 반사식 카메라 (SLR)에 사용할 수 있다. 그러나 렌즈를 통한 측광 (TTL) 및 자동 초점 시스템을 갖춘 카메라, 즉 모든 최신 SLR 및 DSLR은 선형 편광된 빛을 통과시키는 광학 요소에 의존한다. 카메라에 들어오는 빛이 이미 선형 편광되어 있으면 노출 또는 자동 초점 시스템이 방해받을 수 있다. 원형 편광 필터는 선형 편광된 빛을 차단하므로 하늘을 어둡게 하고 채도를 높이며 반사를 제거하는 데 사용할 수 있지만, 통과시키는 원형 편광된 빛은 렌즈를 통한 시스템을 손상시키지 않는다.[13]
3. 편광판의 응용
편광판은 빛의 편광 특성을 이용하여 다양한 분야에서 응용된다. 대표적으로 액정 디스플레이(LCD)에는 편광판과 액정을 조합한 셔터가 내장되어 화면을 표시하는 데 핵심적인 역할을 한다.
또한, 반사된 빛에는 편광 성분이 많이 포함되어 있다는 점을 이용하여 실생활에 유용하게 사용된다. 선글라스에 편광판을 적용하면 수면이나 젖은 노면 등에서 반사되는 강한 빛을 효과적으로 줄여 눈부심을 방지할 수 있다. 사진 촬영 시에도 렌즈 필터로 편광판을 사용하면 유리창이나 수면 등의 반사광을 제거하여 피사체를 더 선명하게 촬영하거나 수중 촬영을 용이하게 하는 등의 효과를 얻을 수 있다.
안경식 3차원 디스플레이 역시 편광판을 활용하는 대표적인 예시다. 좌우 눈에 서로 다른 편광 방향을 가진 영상을 보여줌으로써 입체감을 느끼게 하는 원리이다.
특수한 응용 사례로는 적외선 투명체 센서가 있다. 일반적인 광학 센서로는 감지하기 어려운 완전히 투명한 물체도 편광판을 이용하면 감지할 수 있다. 이는 두 장의 직교된 편광판 사이에 투명 물체가 놓일 경우, 빛이 물체를 통과하면서 산란되어 편광 방향이 변하는 현상을 이용한 것이다. 이 변화를 감지하여 물체의 존재 유무를 파악한다.[16]
3. 1. 액정 디스플레이 (LCD)
LCD에 사용되는 편광판은 폴리비닐알코올( PVAeng )을 주재료로 하여, 요오드( Ieng ) 화합물 분자를 흡착시켜 특정 방향으로 배열하여 만든다. 실제 제품에서는 트리아세틸셀룰로스( TACeng )나 폴리에틸렌 테레프탈레이트( PETeng )와 같은 여러 층의 보호 필름으로 감싸며, 각 층은 PVAeng 계열의 접착제로 붙인다.표면에서 본 일반적인 구성은 다음과 같다.
- TACeng 층: 40μm 이하
- PVAeng 층: 25μm 에서
- TACeng 층: 40μm 이하
- 접착제 층: 이하
가장 바깥쪽에는 PETeng 등으로 만든 보호 필름층이 붙는 경우도 있다. 액정 디스플레이용 편광판을 제조할 때는 접착제층을 보호하기 위해 PETeng 재질의 박리 필름(이형 필름)이 약 에서 두께로 부착된다. 보호 필름층이 없는 경우, 표면 쪽 TACeng 층에는 필요에 따라 하드 코트 처리( Hard Coateng ), 방현 처리( Anti Glareeng, AGeng ), 저반사 처리( Anti Reflectioneng, AReng ), 대전 방지 처리( Anti Staticeng ) 등이 이루어진다.
- 하드 코트 처리: 실리콘계와 같은 자외선 경화형 수지를 사용하여 미세한 이산화 티타늄 입자를 포함하는 경화 피막을 TACeng 층 외면에 형성한다.
- AGeng 처리: 필러라고 불리는 약 3μm 크기의 미립자를 수지로 도포하는 방식이 일반적이며, 샌드 블라스트나 엠보스 처리 방식도 있다.
- 저반사 처리: 고성능이지만 비용이 많이 드는 SiO2나 TiO2를 증착하여 여러 층의 막을 만드는 방법보다는, 굴절률이 다른 층과 다른 경화성 불소 수지를 습식으로 도포하는 경우가 많다.
- 대전 방지 처리: AReng 처리 과정에서 약 1010Ω 정도의 전도성을 부여하여 먼지 부착을 방지한다.
TACeng 층은 PVAeng 내의 요오드를 손상시키는 자외선을 흡수해야 하므로 어느 정도 두께가 필요하지만, 동시에 경량화를 위해 얇게 만들 필요도 있다. 액정 디스플레이의 시인성을 개선하는 위상차 필름의 일종인 와이드 뷰 필름을 편광판의 TACeng 층에 포함시키는 방안도 있다.
PVAeng 필름은 친수성과 광학 성능을 동시에 만족시켜야 했기 때문에 오랫동안 TACeng 필름이 사용되어 왔다. TACeng 필름은 원래 사진 필름용 수성 감광 재료 지지체로 개발되었으나, 디지털 카메라의 등장으로 사진 필름 사용량이 급감하면서 현재는 편광판용으로 더 많이 사용된다. TACeng 외에 친수성이 좋고 저렴한 광학 필름이 마땅치 않아 편광판의 사실상 표준으로 자리 잡았다. 그러나 최근에는 소수성 필름을 사용하는 기술이 개발되어, 아크릴 수지(폴리메타크릴산 메틸 주성분) 등 다른 투명 수지 필름도 사용되기 시작했다.
한편, TACeng 필름은 친수성 때문에 습기를 잘 흡수하며, 흡습 후 팽창하여 편광판이 변형되면 액정 패널에서 빛샘 현상이 발생하는 원인이 된다. 이 문제는 TACeng 필름을 얇게 만들수록 개선되기 때문에, TACeng 제조사들은 필름 박형화를 추진하고 있다. 또한, 같은 소재를 사용한 사진 필름처럼 습기에 의해 가수 분해되어 열화되는 비네거 신드롬이 발생하면 디스플레이 화면 표시가 불가능해질 수도 있다.
액정 디스플레이용 편광판의 일반적인 제조 과정은 다음과 같다.
- PVAeng 필름에 요오드 화합물을 염색하여 내부에 침투시킨다.
- 필름을 한 방향으로 늘린다(연신).
- 붕산을 첨가하여 가교 처리(분자 구조를 강화)를 한다.
- 세척 및 건조한다.
- PVAeng 필름 앞뒷면에 보호 필름 역할을 하는 TACeng 필름을 접착한다.
- 뒷면에 접착제 층과 이형 필름(박리 필름)을 접착한다.
- 필요에 따라 표면 보호용 PETeng 필름을 접착한다.
- 검사를 진행한다.
- 완성된 편광판을 롤 형태로 감는다.
- 완성 및 출하한다.
이후 액정 디스플레이 제조 공정에서는 큰 롤 형태로 공급된 편광판을 사용한다. 편광판은 롤에서 풀려나와 액정 디스플레이 크기에 맞는 금형으로 45도 각도로 잘라낸다(타공). 이때 이형 필름을 제거하고, 디스플레이 앞면과 뒷면에 부착되는 편광판의 편광 방향이 서로 직교하도록 부착한다. 45도 각도로 타공하기 때문에 잘려나가고 남는 부분이 많아 재료 낭비가 발생한다. 액정 디스플레이의 배향막에 의한 액정 분자 배열과 편광판에 의한 빛의 편광은 서로 다른 과정이다. 배향막은 천의 섬유 등으로 유기막 표면을 일정 방향으로 문질러 미세한 홈을 만드는 방식으로 제작된다.
3. 2. 선글라스
반사된 빛에는 편광 성분이 많이 포함되어 있다. 선글라스에 편광판을 사용하면, 수면에서 반짝이는 태양광과 같이 반사된 빛에 포함된 편광 성분을 효과적으로 차단하여 눈부심을 줄일 수 있다.3. 3. 사진 촬영
사진 촬영 시 렌즈 필터로 편광판을 사용하면 물 표면이나 유리창 등 계면에서의 반사광을 줄여 피사체를 더 선명하게 담거나 수중 촬영을 용이하게 하는 효과를 얻을 수 있다.선형 편광 필터는 사진술에 처음 사용된 유형으로, 구형 일안 반사식 카메라(SLR)나 비반사식 카메라에는 여전히 사용할 수 있다. 하지만 렌즈를 통한 측광(TTL)이나 자동 초점(AF) 시스템을 갖춘 최신 SLR 및 DSLR 카메라는 작동 원리상 선형 편광된 빛에 영향을 받는다. 만약 카메라로 들어오는 빛이 이미 선형 편광되어 있다면, 노출 측정이나 자동 초점 기능이 제대로 작동하지 않을 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 원형 편광 필터가 사용된다. 원형 편광 필터는 선형 편광 필터처럼 하늘을 더 파랗게 만들고 색의 채도를 높이며, 불필요한 반사를 제거하는 효과를 가지면서도, 필터를 통과한 빛이 원형 편광 상태가 되기 때문에 카메라의 TTL이나 AF 시스템을 방해하지 않는다.[13]
3. 4. 3차원 디스플레이 (3D Display)
안경식 3차원 디스플레이는 좌우 눈에 서로 다른 영상을 보여주기 위해 편광판을 이용한다. 원형 편광자(CPL)는 일부 입체 영화를 보기 위해 착용하는 3D 안경의 렌즈로 사용되기도 하는데, 특히 RealD 3D와 같은 방식에서 활용된다. 이러한 시스템에서는 빛의 편광 특성을 이용하여 왼쪽 눈과 오른쪽 눈이 보아야 할 이미지를 구별함으로써 입체감을 구현한다.3. 5. 광학 센서
일반적인 광학식 센서로는 완전히 투명한 물체를 감지할 수 없지만, 적외선 투명체 센서라고 불리는 편광판을 사용한 광학식 센서에서는 가능하다. 2장의 직교된 편광판 사이에 아무 물체가 없으면, 편광판의 바깥쪽에 놓인 발광부와 수광부 사이에는 광신호가 통과하지 않는다. 하지만 투명한 물체가 2장의 편광판 사이에 있는 동안에는, 한번 편광된 빛이 투명 물체 안에서 산란을 받아 편광 방향에 혼란이 생기게 된다. 이로 인해 어느 정도는 수광부에서 광신호를 감지할 수 있게 된다[16].4. 말루스의 법칙 (Malus' law)
'''말루스의 법칙'''은 에티엔루이 말루스(Étienne-Louis Malus)의 이름을 따서 명명된 법칙이다. 이 법칙은 이미 편광된 빛이 또 다른 완벽한 편광자를 통과할 때, 통과한 빛의 조도 ''I''가 어떻게 변하는지를 설명한다. 공식은 다음과 같다.
:
여기서 ''I''0는 편광자에 들어오기 전 빛의 초기 세기이고, ''θi''는 들어오는 빛의 편광 방향과 편광자의 편광 축 사이의 각도이다.
편광되지 않은 빛은 모든 가능한 각도로 편광된 빛들이 균일하게 섞여 있는 상태로 생각할 수 있다. 이 경우, 여러 각도에 대한 값의 평균은 1/2이 된다. 따라서 편광되지 않은 빛이 편광자를 통과할 때의 투과율(세기 비율)은 이론적으로 다음과 같다.
:
하지만 실제 편광자에서는 빛의 일부가 흡수되거나 반사되어 손실되므로, 실제 투과율은 이론값인 1/2(50%)보다 약간 낮다. 예를 들어, 흔히 사용되는 폴라로이드형 편광자의 투과율은 약 38% 정도이며, 복굴절을 이용하는 글란-테일러 프리즘과 같은 일부 편광자는 49.9%보다 높은 투과율을 보이기도 한다.
두 개의 편광자를 나란히 놓는 경우, 첫 번째 편광자를 통과하여 편광된 빛이 두 번째 편광자(보통 '분석기'라고 부름)를 통과하게 된다. 이때 통과하는 빛의 세기는 두 편광자의 편광 축 사이의 각도(θ)에 따라 말루스의 법칙을 따른다. 만약 두 편광자의 축이 서로 수직(90도)을 이루면, 편광자들은 '교차'되었다고 말하며 이론적으로는 빛이 전혀 통과하지 못해야 한다. 그러나 실제 편광자는 완벽하지 않아서 약간의 빛이 통과하며, 투과율이 정확히 0이 되지는 않는다. 예를 들어, 교차된 폴라로이드 시트는 파란색 빛을 약간 통과시키는 경향이 있는데, 이는 폴라로이드의 소멸비가 붉은색 영역에서 더 좋기 때문이다.
교차된 편광자 사이에 투명한 물체를 놓으면, 그 물체가 가진 편광 관련 특성(예: 복굴절)에 의해 빛의 편광 상태가 변하고, 결과적으로 빛이 일부 통과하게 된다. 이러한 투과율의 변화를 측정하여 물체의 광학 활성 등을 알아내는 방법을 편광계법이라고 한다.
실제 편광자는 원하는 편광 방향의 빛만 통과시키고 그에 수직한 편광 방향의 빛은 완벽하게 차단하지 못한다. 원하지 않는 수직 편광 성분이 통과하는 비율과 원하는 편광 성분이 통과하는 비율의 비를 '''소멸비'''라고 한다. 소멸비는 편광자의 성능을 나타내는 지표 중 하나로, 폴라로이드의 경우 약 1:500 정도이며, 글란-테일러 프리즘과 같은 고성능 편광자는 약 1:106에 달한다.
X선과 같이 파장이 매우 짧은 빛에 대해서는 상대론적 효과를 고려한 말루스의 법칙을 사용해야 한다. 그 공식은 다음과 같다.
:
여기서 는 편광자에 입사하는 X선의 주파수, 는 편광자를 통과한 X선의 주파수, 는 전자의 컴프턴 파장, 는 진공에서의 광속이다.[10]
5. 추가 정보
'''말루스의 법칙'''은 에티엔루이 말루스(Étienne-Louis Malus)의 이름을 따서 명명되었으며, 완벽한 편광자를 통과하는 편광된 빛의 조도 ''I''는 다음과 같다.
:
여기서 ''I''0는 초기 세기이고 ''θi''는 빛의 초기 편광 방향과 편광자의 축 사이의 각도이다.
비편광된 빛은 모든 가능한 각도의 선형 편광이 균일하게 섞인 것으로 간주할 수 있다. 의 평균값은 1/2이므로, 이상적인 편광자를 통과하는 비편광된 빛의 투과 계수는 다음과 같다.
:
하지만 실제 편광자에서는 빛의 일부가 흡수되거나 반사되어 손실이 발생한다. 따라서 실제 투과율은 이론값보다 낮다. 예를 들어, 폴라로이드 형태의 편광자는 약 38%의 투과율을 가지며, 일부 복굴절 프리즘 형태(예: 글란-톰슨 프리즘)는 49.9% 이상의 높은 투과율을 보이기도 한다.
두 개의 편광자를 연달아 놓을 경우(두 번째 편광자는 보통 '분석기'라고 부른다), 두 편광자의 편광 축 사이의 각도가 말루스의 법칙에서 ''θ'' 값이 된다. 만약 두 축이 서로 수직이면 편광자는 '교차'되었다고 하며, 이론적으로는 빛이 전혀 통과하지 못한다. 그러나 실제 편광자는 완벽하지 않아서 투과율이 정확히 0이 되지는 않는다. 예를 들어, 교차된 폴라로이드 시트는 빨간색 빛보다 파란색 빛을 더 잘 차단하지 못하기 때문에(즉, 소멸비가 파란색에서 더 낮기 때문에) 약간 푸른색을 띠기도 한다. 교차된 편광자 사이에 투명한 물체를 놓으면, 물체가 가진 복굴절과 같은 편광 효과가 투과율 증가로 나타난다. 이 원리는 편광계법에서 물질의 광학 활성을 측정하는 데 사용된다.
'''소멸비'''
실제 편광자는 편광 축에 수직인 편광 성분을 완벽하게 차단하지 못한다. 원하지 않는 편광 성분의 투과율과 원하는 편광 성분의 투과율 사이의 비율을 '''소멸비''' (extinction ratio)라고 한다. 이 값은 편광자의 성능을 나타내는 중요한 지표이다. 소멸비는 편광자의 종류에 따라 다른데, 폴라로이드의 경우 약 1:500 정도이며, 글란-테일러 프리즘과 같은 고성능 편광자는 약 1:106에 달하는 매우 높은 소멸비를 가진다.
'''X선에서의 말루스의 법칙'''
X선 영역에서는 말루스의 법칙이 상대론적 효과를 고려하여 다음과 같은 형태로 표현된다.
:
여기서 는 편광자에 입사하는 X선의 주파수, 는 편광자를 통과한 X선의 주파수, 는 전자의 컴프턴 파장, 는 진공에서의 광속이다.[10]
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トコトンやさしい発光ダイオードの本
日刊工業新聞社
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