투명
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1. 개요
투명은 빛이 물질을 통과하여 반대편에서 보이는 현상을 의미하며, 어원은 라틴어에서 유래했다. 물질의 투명성은 빛의 흡수, 산란, 반사와 관련이 있으며, 빛의 파장, 물체의 원자, 전자의 성질에 따라 달라진다. 투명도 단위로는 세키판을 이용한 투명도, 투과율, 광섬유의 감쇠 계수 등이 사용된다. 투명한 재료는 유리, 합성수지, 광섬유 등에 활용되며, 해파리와 같은 생물이나 인체의 일부 조직도 투명하다. 또한, 픽션에서는 투명인간과 같은 소재로 널리 사용된다.
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| 투명 | |
|---|---|
| 지도 정보 | |
| 기본 정보 | |
| 정의 | 빛이 산란 없이 물체를 통과하는 성질 |
| 반대 개념 | 불투명 |
| 관련 개념 | 반투명 |
| 설명 | |
| 투명 물질 | 유리가 대표적이며, 액체와 기체도 투명할 수 있음. |
| 투명도의 원인 | 물질의 원자 구조와 빛의 상호작용에 따라 결정됨. 빛의 파장보다 작은 입자들로 구성된 물질은 빛을 산란시키지 않아 투명함. 물질의 전자 구조와 에너지 준위가 빛의 파장을 흡수하지 않으면 투명함. |
| 투명도 측정 | 물질을 통과한 빛의 양을 측정하여 투명도를 정량화할 수 있음. |
| 투명도 응용 | 창문, 렌즈, 광학 장치, 포장재 등 다양한 분야에서 활용됨. 과학 연구 분야에서 물질의 성질을 분석하고 새로운 기술을 개발하는 데 중요한 역할을 함. |
| 광학적 특성 | |
| 흡수 | 빛이 물질 내부로 흡수되는 정도. 투명한 물질은 빛을 거의 흡수하지 않음. |
| 반사 | 빛이 물질 표면에서 반사되는 정도. 투명한 물질은 빛을 거의 반사하지 않음. |
| 굴절 | 빛이 물질을 통과하면서 진행 방향이 꺾이는 현상. |
| 산란 | 빛이 물질 내부에서 여러 방향으로 흩어지는 현상. 투명한 물질은 빛을 거의 산란시키지 않음. |
| 투과 | 빛이 물질을 통과하는 정도. 투명한 물질은 빛을 잘 투과시킴. |
| 관련 용어 | |
| 투과율 | 빛이 물질을 통과하는 정도를 나타내는 값. |
| 반사율 | 빛이 물질 표면에서 반사되는 정도를 나타내는 값. |
| 흡수율 | 빛이 물질에 흡수되는 정도를 나타내는 값. |
| 불투명도 | 투명도의 반대 개념으로, 빛이 물질을 통과하지 못하는 정도를 나타냄. |
| 반투명 | 빛이 일부 통과하지만 사물이 흐릿하게 보이는 성질. |
2. 어원
투명성(Transparency)은 '통하여'를 의미하는 라틴어 'trans'와 '보이다'를 의미하는 'parere'가 결합된 transparere|트란스파레레la에서 유래했다. 이는 빛이 물질을 통과하여 반대편에서 보이는 현상을 나타낸다. 불투명(Opake)은 '어두워진'을 의미하는 라틴어 opacus|오파쿠스la에서 유래했다.
물질의 투명성은 빛의 흡수, 산란, 반사와 관련이 있다. 유리는 비결정질 물질이면서 액체이기 때문에 분자 사이의 거리가 멀어 가시광선을 잘 통과시켜 투명하다. 다른 물질도 가시광선을 통과시키면 보통 투명하다고 하며, 넓은 의미에서는 적외선 등 다른 파장의 빛에도 적용할 수 있다.
3. 투명성의 원리
일반적으로 "투명"은 가시광선에 대해 말하는 것이며, 빛은 전자기파의 일종이다. 따라서 어떤 물질이 특정 전자기파에 대해 "투명하다"는 것은 그 물질과 전자기파 사이에 상호 작용이 일어나지 않아 흡수 및 산란이 발생하지 않는다는 것을 의미한다.
물질이 전자기파를 흡수하면 흡수한 파장의 보색으로 보인다. 예를 들어, 엽록소는 적색(680–700 nm) 빛을 흡수하여 보색인 녹색으로 보인다. 전자기파를 산란하는 경우에도 물질은 색깔을 띤다. 산란은 물질이 전자기파 파장과 비슷한 단위 구조를 가질 때 발생한다. 물은 가시광선을 흡수하지 않아 투명하지만, 미세 입자가 되면 빛을 산란시켜 불투명해진다. 안개나 수증기가 희게 보이는 것은 이 때문이다.
따라서 투명성 여부는 대상 전자기파의 파장을 특정해야 평가할 수 있다. 창유리는 가시광선에는 투명하지만, 자외선은 잘 투과하지 않으므로 자외선을 감지하는 생물에게는 투명하지 않다. 반대로 X선을 감지하는 생물이 있다면 인간은 반투명하게 보일 것이다.
3. 1. 빛의 흡수
물질이 빛을 흡수하는 정도는 전자, 원자 또는 분자 수준에서 결정된다.
전자 수준에서, 자외선 및 가시광선 영역의 흡수는 전자 궤도의 간격과 관련이 있다. 전자가 특정 진동수의 빛 양자(광자)를 흡수할 수 있는 에너지 준위가 존재하면 빛이 흡수된다. 예를 들어, 대부분의 유리에서 전자는 가시광선 범위 내에서 이용 가능한 에너지 준위가 위에 없거나, 있다 하더라도 이로의 전이는 선택 규칙을 위반하게 되어 순수한(도핑되지 않은) 유리에서는 눈에 띄는 흡수가 없다.[3]
원자 또는 분자 수준에서, 적외선 영역의 흡수는 원자 또는 분자 진동이나 화학 결합의 진동수와 선택 규칙에 따라 달라진다.[4] 질소와 산소는 분자 쌍극자 모멘트가 없기 때문에 온실 가스가 아니다.
흡수되지 않은 빛은 반사되거나 투과되어 우리 눈에 색깔로 인식된다. 어떤 물체가 녹색 빛을 반사하고 가시광선의 다른 모든 주파수를 흡수하면, 우리 눈에는 녹색으로 보인다. 가시광선이 물체와 상호 작용하는 방식은 빛의 주파수, 물체의 원자의 성질, 그리고 종종 물체의 전자의 성질에 따라 달라진다.[8][9]
흡수 중심은 우리 주변의 특정 가시광선 파장의 모양에 크게 기여한다. 긴 파장(0.7 μm)에서 짧은 파장(0.4 μm)으로 이동하면서 빨강, 주황, 노랑, 초록, 파랑(ROYGB)은 모두 특정 빛파 주파수(또는 파장)의 선택적 흡수에 의해 색깔로서 우리 감각으로 확인할 수 있다.
3. 2. 빛의 산란
확산 반사(Diffuse reflection)는 빛이 비금속 및 비유리질 고체 물질의 표면에 부딪힐 때, 물질 ''내부''의 미세한 불규칙성(예: 다결정(polycrystalline) 물질의 입계)이나 유기 물질의 세포 또는 섬유 경계)과 표면의 거칠기에 의해 다중 반사되어 모든 방향으로 튕겨 나오는 현상이다. 확산 반사는 전방향 반사 각도로 특징지어진다. 육안으로 볼 수 있는 대부분의 물체는 확산 반사를 통해 식별되며, 이러한 유형의 반사를 "빛 산란"이라고도 한다.[3][4]
액체와 고체에서의 빛 산란은 산란되는 빛의 파장에 따라 달라진다. 가시광선은 0.5 μm 정도의 파장을 가지며, 1 μm만큼 작은 산란 중심(또는 입자)은 광학 현미경으로 직접 관찰되었다.[5][6]
다결정 재료의 광학적 투명도는 미세구조적 특징에 의한 빛의 산란량에 의해 제한된다. 빛의 산란은 빛의 파장에 따라 달라지는데, 예를 들어 가시광선의 파장은 마이크로미터 정도이므로 산란 중심의 크기도 이와 비슷한 규모를 갖는다. 다결정 재료에서 주요 산란 중심에는 기공 및 입계와 같은 미세구조적 결함이 포함된다. 산란 중심(또는 입계)의 크기가 산란되는 빛의 파장보다 작아지면 산란이 더 이상 상당한 정도로 발생하지 않는다.
다결정 재료(금속 및 세라믹)의 형성에서 결정립의 크기는 원료에 존재하는 결정질 입자의 크기에 크게 좌우되며, 입계의 크기는 입자 크기에 비례한다. 따라서 원래 입자 크기를 가시광선 파장보다 훨씬 작은 약 40 nm로 줄이면 빛의 산란이 크게 줄어들어 반투명하거나 투명한 재료가 된다.
컴퓨터 모델링에 따르면 입계 근처에 갇힌 미세 기공이 주요 산란 중심으로 작용하며, 고품질 광학적 투과(이론 밀도의 99.99%)를 위해서는 기공의 부피 분율을 1% 미만으로 줄여야 했다. 이 목표는 졸-겔 화학 및 나노기술 방법을 포함하는 새로운 화학 처리 방법을 통해 달성되었다.[7]
투명 세라믹은 고에너지 레이저, 투명 방탄 유리, 열 추적 미사일용 노즈 콘, 비파괴 검사용 방사선 검출기 등 다양한 분야에서 활용된다.
물질이 전자기파를 산란하면 색깔이 있어 보인다. 산란은 물질이 전자기파의 파장과 동등한 단위 구조를 가질 때 발생한다. 예를 들어 물은 가시광선을 흡수하지 않아 많은 양에서는 투명하게 보이지만, 미세한 입자가 되면 빛을 산란시켜 불투명해진다.
따라서, 투명 여부는 대상 전자기파의 파장을 특정하지 않고서는 평가할 수 없다. 창유리는 가시광선에는 거의 투명하지만, 자외선은 잘 투과하지 않기 때문에 자외선을 감지하는 생물에게는 투명하다고 할 수 없다.
3. 3. 빛의 반사
확산 반사(Diffuse reflection)는 일반적으로 빛이 (비금속 및 비유리질) 고체 물질의 표면에 부딪힐 때, 물질 ''내부''의 미세한 불규칙성(예: 다결정(polycrystalline) 물질의 입계(grain boundaries) 또는 유기 물질의 세포 또는 섬유(fiber) 경계)과 표면이 거칠 경우 표면에 의한 다중 반사로 인해 모든 방향으로 튕겨 나오는 현상이다. 확산 반사는 일반적으로 전방향 반사 각도에 의해 특징지어진다. 육안으로 볼 수 있는 대부분의 물체는 확산 반사를 통해 식별된다. 이러한 유형의 반사에 일반적으로 사용되는 또 다른 용어는 "빛 산란"이다. 물체의 표면에서의 빛 산란은 우리의 주요 물리적 관찰 메커니즘이다.[3][4]
3. 4. 투명한 물질
유리는 비결정질 물질이면서 액체이기 때문에 분자 사이의 거리가 멀어 가시광선을 잘 통과시킨다. 다른 물질의 경우에도 가시광선을 통과시키면 보통 투명하다고 한다. 그렇지만 투명하다는 말을 넓게 보면 꼭 가시광선만을 가리키는 것이 아니며, 적외선 등 다른 파장의 빛에도 적용할 수 있다.
빛의 산란과 관련하여 가장 중요한 요소는 산란되는 빛의 파장에 대한 이러한 구조적 특징들의 길이 척도이다. 주요 물질적 고려 사항은 다음과 같다.
확산 반사(Diffuse reflection)는 일반적으로 빛이 (비금속 및 비유리질) 고체 물질의 표면에 부딪히면, 물질 ''내부''의 미세한 불규칙성(예: 다결정(polycrystalline) 물질의 입계(grain boundaries) 또는 유기 물질의 세포 또는 섬유(fiber) 경계)과 표면이 거칠 경우 표면에 의한 다중 반사로 인해 모든 방향으로 튕겨 나온다. 확산 반사는 일반적으로 전방향 반사 각도에 의해 특징지어진다. 육안으로 볼 수 있는 대부분의 물체는 확산 반사를 통해 식별된다. 이러한 유형의 반사에 일반적으로 사용되는 또 다른 용어는 "빛 산란"이다.[3][4]
액체와 고체에서의 빛 산란은 산란되는 빛의 파장에 따라 달라진다. 가시광선은 0.5 μm 정도의 파장 척도를 갖는다.
다결정 재료의 광학적 투명도는 미세구조적 특징에 의한 빛의 산란량에 의해 제한된다. 다결정 재료에서 주요 산란 중심에는 기공 및 입계와 같은 미세구조적 결함이 포함된다. 산란 중심(또는 입계)의 크기가 산란되는 빛의 파장보다 작아지면 산란이 더 이상 상당한 정도로 발생하지 않는다.
다결정 재료(금속 및 세라믹)의 형성에서 결정립의 크기는 물체의 형성 중 원료에 존재하는 결정질 입자의 크기에 크게 좌우된다. 또한, 입계의 크기는 입자 크기에 비례한다. 따라서 원래 입자 크기를 가시광선 파장보다 훨씬 작게(빛 파장의 약 1/15, 또는 약 600 nm / 15 = 40 nm) 줄이면 빛의 산란이 크게 줄어들어 반투명 또는 투명한 재료가 된다.
투명 세라믹은 고에너지 레이저, 투명 방탄 유리, 열 추적 미사일용 노즈 콘, 비파괴 검사용 방사선 검출기, 고에너지 물리학, 우주 탐사, 보안 및 의료 영상 응용 분야에서 관심을 불러일으켰다.
thumb
현재 사용 가능한 적외선 투명 재료는 일반적으로 광학 성능, 기계적 강도 및 가격 사이에 절충이 있다. 예를 들어, 사파이어(결정질 알루미나)는 매우 강하지만 비싸고 3–5 μm 중적외선 범위 전체에서 완전한 투명성이 부족하다. 이트리아는 3–5 μm에서 완전히 투명하지만 고성능 항공 우주 응용 분야에 충분한 강도, 경도 및 내열 충격성이 부족하다.
대부분의 액체와 수용액은 매우 투명하다. 예를 들어, 물, 식용유, 알코올, 공기 및 천연가스는 모두 투명하다. 구조적 결함(보이드, 균열 등)의 부재와 대부분의 액체의 분자 구조가 우수한 광 투과율에 주로 기여한다.
광섬유는 전반사 과정을 통해 축을 따라 빛을 전송한다. 섬유는 코어와 이를 둘러싸는 클래딩 층으로 구성된다. 광 신호를 코어에 가두기 위해서는 코어의 굴절률이 클래딩의 굴절률보다 커야 한다. 빛은 섬유를 따라 경계면에서 앞뒤로 반사되면서 이동한다. 빛은 임계각보다 큰 각도로 경계면에 부딪혀야 하므로, 특정 각도 범위 내에서 섬유에 입사하는 빛만 전파된다. 이러한 각도 범위를 섬유의 수광각이라고 한다.
표면 가까이 떠다니는 많은 해양 동물들은 매우 투명하여 거의 완벽한 위장을 제공한다.[18] 해파리와 같은 일부 해양 동물은 주로 물로 구성된 젤라틴 같은 몸을 가지고 있는데, 두꺼운 중교층은 세포가 없고 매우 투명하다. 젤라틴 같은 플랑크톤성 동물은 50~90% 투명하다. 50%의 투명도는 깊이에서 대구와 같은 포식자에게 동물을 보이지 않게 하기에 충분하다.[18]
투명한 생물은 여러 종류가 있으며, 해파리나 물고기(글래스피쉬 등) 등이 있다.
4. 투명도의 단위
물질의 투명도를 평가하는 단위로는, 호소의 수질 평가 등에 사용되는 미터(m), 학술 분야에서 사용되는 투과율이나 광학적 깊이, 광섬유 등을 정량적으로 평가하기 위해 사용되는 데시벨 매 킬로미터(dB/km)가 있다.
호소 등에서의 투명도는 지름 30cm의 백색 원판(세키판)을 물속에 가라앉혀, 육안으로 수면에서부터 식별 가능한 한계의 깊이를 말한다. 어디서든 간단하게 측정할 수 있지만, 육안에 의한 측정이기 때문에 개인차가 크다. 일본의 호수 중에서도 투명도가 높은 마슈호는 투명도 약 20m이다.
유리 등, 일반적인 재료의 투명도는 특정한 두께의 재료에서의 입사광과 투과광의 강도비를 백분율로 나타낸 투과율로 나타낸다. 투과율은 대상으로 하는 빛의 파장에 따라 다르기 때문에, 어떤 파장으로 측정했는지를 명기한다. 가시광선의 경우, 550nm에서의 투과율을 기준으로 하는 경우가 많다.
광섬유 등, 매우 투과성이 높은 재료를 평가하기 위해서는, 어떤 파장의 빛이 물질 중을 1킬로미터 진행했을 때, 어느 정도의 빛이 "손실"되었는지를 데시벨로 나타낸다. 공기의 투명도는 거의 0dB/km, 아크릴 수지로 약 100–200dB/km, 보통의 창유리로 약 1000dB/km 정도이다.[22]
5. 투명성의 응용
투명한 재료는 제조에 높은 기술이 필요하다. 유리 용기나 보석류도 대량 생산이 가능해지기 이전에는 귀중한 존재였다. 현대에는 일반적인 유리 외에 비닐봉투, 랩 같은 투명한 합성수지는 저렴하게 대량 생산할 수 있다. 순도와 내구성이 높고 큰 투명 재료를 만드는 것은 어렵지만, 과학 기술의 발전에 따라 다양한 투명 소재가 개발·생산되게 되었다. 현재는 수족관의 수조에 사용되는 아크릴 수지나 광섬유에 사용되는 석영 유리 등 투명도가 매우 높은 소재가 만들어지고 있다.
죽은 생물의 표본이나 조직을 약품으로 투명화하여 관찰하는 방법도 있다. 골격을 눈에 띄게 하는 투명골격표본이 그 한 예이다. 이화학연구소 등에서는 보다 정밀한 연구에도 활용할 수 있는 투명화 시약을 개발하고 있다.[21]
6. 픽션에서의 투명
예로부터 동서양을 막론하고 "투명해진다면"이라는 상상은 널리 존재해왔다. 요정이나 콜로보클(コロポックル)이 모습을 감추는 이야기, 텐구(天狗)의 숨는 삿갓(隠れ蓑) 이야기 등 민화에서는 모습을 숨기고 장난이나 악행을 저지르는 존재가 등장한다.
근대에 들어서는 SF나 호러 장르에서 피츠제임스 오브라이언(フィッツ＝ジェイムズ・オブライエン)의 『그것은 무엇이었는가(あれは何だったのか)』(1859년), H.G. 웰스(H・G・ウェルズ)의 『투명인간(透明人間)』(1897년)과 같은 허구의 괴물이나 도구로서 "투명한 존재"가 등장하여, 이후 소설이나 영화에서 자주 다루어지는 소재가 되었다. 이러한 픽션에서 투명해지는 방법은 "그 생물·물체를 가시광선이 투과한다", "이차원적인 존재이기 때문에 체색을 인간의 시각이 포착할 수 없다", "환술이나 특수 능력으로 보는 쪽에게 없다고 생각하게 한다", "의태나 광학미채로 주위·배경의 광경에 섞여 있다" 등으로 설명된다.
광학미채처럼 현실의 과학 기술이 SF에서의 "투명"을 어느 정도 실현하고 있는 분야도 있다.
참조
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논문
What determines whether a substance is transparent?
1999-10-21
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Brillouin Light Scattering from Crystals in the Hydrodynamic Region
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Quasi Single-Mode Fiber With Record-Low Attenuation of 0.1400 dB/km
2024-04-15
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https://books.google[...]
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Optical power handling capacity of low loss optical fibers as determined by stimulated Raman and Brillouin scattering
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Green-boned glass frogs, monkey frogs, toothless toads
http://scienceblogs.[...]
scienceblogs.com
2013-02-14
[20]
간행물
爪半月はなぜ乳白色にみえるのか
[21]
웹사이트
生体をゼリーのように透明化する水溶性試薬「Scale」を開発－固定した生体組織を傷つけることなく、数ミリの深部を詳細に蛍光観察－
http://www.riken.jp/[...]
理研プレスリリース
2017-08-14
[22]
웹사이트
21世紀の光ファイバー
https://web.archive.[...]
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