며칠분량을 몰아서 쓴다.

실험에 사용하는 비싼 CCD가 있다. 1개에 100만원정도 한다. 환율이 오르면 가격이 더 올라간다고 한다. 더군다나, 이건 발주 후 납기가 2~3개월정도 걸리기 때문에 돈을 주고도 구하기 힘든 것이다. 이 CCD의 촛점을 맞추고 배율을 측정한 후 실험용 챔버 안에 넣는 것이 나의 임무였는데…

이놈이 작동을 안한다. 어디가 문제가 발생했는지 찾기 위해서 이것저것 해보다가, CCD를 제어하는 보드가 고장난 것 같다는 진단을 내렸다. 이 CCD는 비싸기 때문에 별도의 보드를 이용해서 제어한다. 영상을 찍는것도 별도의 프로그램이 제공된다. 스팀팩이라 부르는 “정품 하드락 USB 키”를 먹여줬는데도 안된다. 그래서 CCD를 멀쩡히 돌아가는 다른 보드에 꽂아보았더니 정상작동한다. 보드의 문제였다. 보드를 갈아치웠더니 잘 된다.

이제 CCD의 보정을 마치고 챔버 안에 넣었다. 근데 다시 안된다. 보드에 다른 CCD를 연결해서 체크해 봤는데 잘 된다. CCD를 다른 보드에 연결해 보았더니 역시 잘 된다. 그렇다면 연결하는 선의 문제일 것이다. 선을 뽑아서 하나씩 체크해 봤는데 문제는 없었다. 최종적으로 우리의 결론은 피드스루의 문제라는 것이었다. 그래서 피드스루의 연결을 체크해 보았더니 역시나…

이 CCD는 별종이라서 그런지 보드와의 연결에 랜선을 쓴다. 랜선은 RJ-45라고 부르는 선이다. 당연하겠지만, RJ-45 선에는 8개의 선이 있는데, 각 1번부터 8번까지 번호가 붙어 있다. 피드스루는 챔버의 안과 밖을 연결해주는 놈이니까 당연히 1번은 1번으로, 8번은 8번으로 넣어줘야 하는데 1번이 8번으로, 8번이 1번으로 들어가게 되어 있었다. 아…

하지만 피드스루를 고쳐올 시간은 없다. 그것도 10만원인가 하는데다가, 주문하면 두어달 걸린다. 결국 랜선을 끊어서 1번부터 8번을 역순으로 꽂아서 해결했다.

별게 다 말썽이다.

며칠분량을 몰아서 쓰려고 했는데 하나밖에 기억나지 않는다. 어쩌지…

이번엔 자외선을 어쨌든 차단하도록 코팅을 잘 해보자.

지난번 그림을 다시한번 복습해 보자.

일단, 코팅-공기 경계면에서 반사되는 것은 당연히 고정단 반사가 될 것이다. 따라서, 위상이 180도가 반전된다. 이말은, 다시 바꿔 말하면, 들어갔다가 나올 때의 위치가 뒤집혀진다는 것을 뜻한다. 그리고 움직이는 방향도 반대로 뒤집혀서 나온다는 뜻이다. 그림에서 볼 때는, 좌-우가 뒤집히면서(반사) 위-아래가 뒤집혀진 것(위상 반전)을 생각하면 된다. 렌즈-코팅 경계면에서는 어떨까? 이 경우, 코팅은 굴절률이 좀 더 높고 렌즈는 상대적으로 낮기 때문에 자유단 반사가 될 것이다. 이것은 곧 들어갈 때의 위치가 그대로 나온다는 뜻이다. 그림에서는 좌-우가 뒤집히면서(반사) 위-아래는 그대로인 것을 생각하면 된다.

이제 다시한번 생각해 보자. 렌즈-코팅 경계면에서 반사된 빛은 코팅의 두께만큼 조금 더 진행하게 된다. 파동은 언제나 진동하고 있기 때문에 오래 진행하면 그만큼 더 진동되어서 위상이 바뀌게 된다. 즉, 렌즈-코팅 경계면에서 반사된 빛이 코팅을 통과해서 코팅-공기 경계면으로 빠져나오는 순간의 위상과 코팅-공기 경계면에서 바로 반사된 빛이 가지는 위상이 딱 일치한다면 그것은 곧 보강간섭이 된다는 것을 의미한다. 그렇다면, 어떻게 하면 자유단에서 반사된 빛이 조금 더 진행되어서 고정단에서 반사된 빛과 위상을 맞춰줄 수 있을까? 어차피 파동은 진동한다. 위상이 반전되는 순간은 파동이 갖고 있는 자기 파장의 절반 만큼 진행했을 때이다. 즉, 자유단에서 반사된 빛이 조금 더 진행해서 고정단의 빛과 일치하려면 정확히 반파장만큼 진행하면 된다.

우리가 목표로 하는 빛은 자외선이다. 자외선은 얼마나 되는 파장을 갖고 있을까?


http://en.wikipedia.org/wiki/Ultraviolet


위키백과를 찾아보면 UV는 UVA, UVB, UVC가 있다. 일반적으로 알려진 것은 UVA랑 UVB다. UVA는 400nm에서 320nm의 파장을 갖는다. UVB는 320nm에서 280nm를 갖는다. 위키백과의 내용을 참고하면 UVA가 UVB보다 더 위험하다고 한다. 그럼 우리의 목표는 UVA를 차단하는 것으로 하자.

아무튼 400에서 320의 파장 대역을 갖고 있으니까, 그 중간정도인 360nm의 파장을 차단하기로 하면 대충 잘 맞지 않을까? 앞에서 얘기한대로, 360nm를 차단하려면 위상을 뒤집어 주는 만큼만 빛이 더 진행해야 하니까 코팅의 두께는 파장의 절반만큼인 180nm로 맞추면 될 것이다. 뭐, 여기에 10%정도는 오차가 있더라도 우리가 차단하려는 자외선의 파장 범위 안에 들어오니까 그다지 문제는 되지 않을 것 같다. 자. 이제 결론을 짓자. 코팅은 180nm로 하면 된다. 끝?

그럴리가 있나. 우리의 생각이 너무 짧았다. (내 생각이 짧았을지도…)

생각해보면 지금 이 상황은 통과해버리는게 아니라 반사되는 상황이다. 반사라는 것은 “들어갔다가” “빠져나오는” 두가지 과정이 한번에 일어난다. 만약 180nm로 코팅을 해버린다면 빛은 들어갈때 180nm를 진행하고, 나올때 다시한번 180nm를 진행하므로 파장의 전체 길이 만큼 진행하게 된다. 이것은 위상이 전혀 변하지 않는다는 것을 뜻한다. 또한 결과적으로 반사된 빛들 사이의 보강간섭이 아니라 상쇄간섭이 일어나게 되므로 투과율이 높아진다. 선글라스에 이런식으로 코팅을 만드는 것은 안과적 자살행위라 할 수 있겠다. 그러지 말자.

들어갔다가 나올 때의 전체 진행거리가 파장의 절반이 되려면, 코팅의 두께는 파장의 절반의 절반이 되어야 한다. 즉 90nm일 필요가 있다.

이제 90nm두께로 코팅을 만들면 되는건가? 글쎄. 아직 끝난게 아니다. 우린 코팅을 어떤 물질을 사용할지도 정해야 한다. 어떤 물질을 사용할지는 모르겠지만, 그 물질의 굴절률을 n이라고 불러보자. 굴절률은 또 무슨 놈인가…왜 snowall은 자꾸 새로운 개념을 도입하는가. 단지 선글라스의 자외선 차단 코팅이 어떤 녀석인지 알고 싶었을 뿐인데.

굴절률은 빛이 물질을 지나갈 때 얼마나 느려지는지 알려주는 수다. 그냥 하나의 숫자로 주어진다. 절대굴절률과 상대굴절률이 있는데, 절대굴절률은 진공에 대해서 물질이 어떤 특징을 갖고 있는지 알려주는 수이고, 상대굴절률은 진공이 아닌 다른 물질에 대해서 서로 빛의 속력이 어떻게 달라지는지 알려주는 수이다. 솔직히 말해서 절대굴절률은 진공에 대한 물질의 상대굴절률을 뜻한다. 진공의 굴절률은 1이다.


http://en.wikipedia.org/wiki/Refraction


다시한번 우리 모두의 백과사전인 위키백과를 찾아보자. 스넬의 법칙이라는 것이 있는데, 어떤 매질에서든지 굴절률과 빛의 속력을 곱하면 일정한 수가 된다. 진공의 굴절률이 1이니까 그 일정한 수라는 것은 결국 빛의 속력과 같은 수이다. 아무튼 매질에서는 빛의 속력은 진공에서보다 느려지기 때문에 매질이 가지는 굴절률은 언제나 1보다 크다. 그럼, 빛의 속력이 바뀌면 대체 뭐가 어떻게 되길래 우리가 앞에서 계산한 코팅의 두께가 틀렸다고 하는 걸까?

빛은 파동이다. 이건 누구나 다 아는 사실이라고 보자. 파동이 가지는 여러가지 특징중에서, 파동을 특정하는 여러가지 수를 생각해 볼 수 있다. 진폭(Amplitude), 파장(Wavelength), 진동수(주파수, Frequency), 종파/횡파/편광 방향(Polarization) 등등. 이중에서 빛의 경우 진동수는 색과 관련이 있다. 빛의 색이 물질에 들어간다고 해서 바뀔까? 그렇지 않다. 물질의 색은 그 물질이 어떤 빛을 좀 더 흡수하고 좀 더 반사하느냐에 따라서 달라지는 것이지 빛 자체가 바뀌어서 되는 것이 아니다. 빛의 색을 바꾸어주는 물질은 굉장히 특별한 놈이고, 따라서 비싸다.

빛의 색이 바뀌지 않는다는 것은 진동수가 바뀌지 않는다는 뜻이다. 하지만 빛은 느려진다. 그렇다면 무엇이 바뀔까? 바로 파장이 바뀌게 된다. 빛의 속력은 진동수와 파장의 곱이다. 즉, 빛이 느려지면 파장은 짧아진다.

일단은 출근시간이 다 되어서…나머지는 3부에서 쓴다.

http://snowall.tistory.com/1408

http://xkcd.com/610/


원본은 위의 URL에 있다.

“여기 인간들 좀 봐, 그저 멍한 눈빛으로 매일을 살아가는, 절대로 주변을 둘러보거나 생각하려고는 하지도 않지. 이런 양들의 세상에, 오직 나만이 정신차리고 살아가는 인간이야”



(ExtraD 님의 댓글을 참고하여 수정함.)


“여기 이 인간들 좀 봐, 매일매일의 생활을 열심히 살아가는 렌즈같은 눈빛을 가진, 주변을 두리번 거리고 생각하는걸 결코 멈추지 않는 자동 로봇들이지. 이런 양들의 세상에서 오직 나만이 의식있는 인간이야.”

(근데 다들 그렇게 생각한다…)

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접어 두었다.

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나는 입자물리학을 전공하였지만 운명의 장난으로 레이저-플라즈마 실험실에서 일한다. 레이저도 있고 플라즈마도 있다. 그 레이저는, 대한민국에서는 가장 강력한 것이고, 세계적으로는 현재까지는 세번째로 강한 레이저다. 물론 맞는다고 죽지는 않지만, 옷에 구멍 정도는 날 수 있다. 물론 눈에 맞으면 망막이 타버려서 그대로 실명해 버리므로 언제나 주의해야 한다. 이곳에서 사용하는 레이저는 800nm의 파장을 가지는 적외선 레이저와 532nm의 파장을 가지는 Nd:Yag 레이저가 있다. 적외선 레이저는 눈에 보이지 않기 때문에 어떻게 조심할 수도 없다.

아무튼, 그런 연유로 빛에 대해서 조금 소개해볼까 한다. 오늘의 주제는 적외선도 아니고 가시광선도 아닌 자외선이다.

즉, 앞에 나온 얘기는 다 헛소리고…

여름에 작렬하는 태양을 보면 자외선이 눈으로 쏟아질 것이다. 너무 눈이 부시기 때문에 사람들은 흔히 선글라스를 사용하여 눈을 보호한다. 선글라스는 어두운 색의 렌즈를 사용하여 빛의 밝기를 줄여주는 역할을 한다. 하지만 이러한 선글라스는 대부분 플라스틱 재질을 이용하기 때문에 자외선이나 적외선을 막지 못한다. 유리 재질이라면 자외선과 적외선을 흡수하기 때문에 걱정할 필요가 없지만 플라스틱은 자외선을 투과시키므로 좋지 않다. 당연한 얘기지만 무거운 유리로 된 선글라스를 쓰는 사람은 없을 것이다.

빛의 밝기가 줄어들게 되면 우리 눈은 더 많은 빛을 받아들이기 위해 동공을 확장시킨다. 어두운 곳에서 잘 보기 위해서는 빛을 더 많이 받아들일 필요가 있기 때문이다. 하지만 자외선을 차단시키지 않는다면 확장된 동공으로 더 많은 자외선이 들어가게 되므로 눈에는 더 나쁜 영향을 주게 된다. 따라서 선글라스를 고를 때는 꼭 자외선 차단 코팅이 되어 있는지를 살펴보아야 한다. 또는, 선글라스의 재질이 자외선을 차단하는(흡수하는) 재질인지를 확인해 보자. (유리 말고 자외선을 차단하면서 가시광선에는 투명한 물질이 뭐가 있는지는 모르겠다.)

http://www.eye2000.net/glass.html


안경 렌즈의 종류는 여기에 잘 나와 있는 것 같다.

아무튼, 자외선을 차단하는 코팅의 원리를 알아보자. 본론이다.

빛이 어떤 물질을 만나면, 3가지 현상이 동시에 일어난다. 빛이 그 물질을 투과하거나, 흡수되거나, 반사된다. 빛의 밝기는 에너지와 관련이 있으므로, 투과된 빛의 에너지와 흡수된 빛의 에너지와 반사된 빛의 에너지를 모두 합치면 처음에 물질로 들어간 에너지의 크기가 된다. 이것을 에너지 보존법칙이라 부른다. 우리가 원하는 것은 투과된 빛의 에너지를 줄이는 것이므로, 흡수와 반사를 최대로 만들면 자연스럽게 투과는 줄어들게 된다. 수식으로 쓰면 다음과 같다.

흡수율은 물질의 특성과 관련이 있다. 즉, 어두운 물질은 흡수가 많다는 뜻이다. 아무튼, 흡수율은 어쩔 수 없으니 놔두고 반사율을 높여보자. 여기에는 빛이 파동이라는 성질이 사용된다.

반사율이 높다는 것은 무슨 뜻일까? 들어간 빛 중에서, 반사된 빛의 밝기가 더 세다는 뜻이다. 밝기가 세다는 뜻은 진폭이 크다는 뜻이다. 빛의 밝기는 진폭의 제곱에 비례하기 때문이다. 그렇다면! 진폭을 크게 하기 위해서는 파동의 어떤 현상을 이용하면 좋을까? 고등학교 물리 시간에 배운 “파동의 간섭”을 이용하면 된다. 물론 내가 지금 이 글에 쓰고 있는 물리적인 원리 또한 이과생인 분은 고등학교 물리 시간에 배웠을 것이다. (시험 보고나서는 다 잊었겠지만…)

간섭 중에서, 진폭이 커지는 간섭은 “보강 간섭(Constructive Interference)”이라고 부른다. 물론 진폭이 작아지는 간섭은 “상쇄 간섭(Destructive Interference)”이라고 부른다. 그럼, 반사한 빛의 진폭이 커지게 하려면 반사한 빛이 보강간섭을 일으키도록 하면 된다. 잠깐. 근데 간섭이라는 것은 일단 두개의 빛이 상호작용하는 것이라고 들었다. 다른 하나는 어디에 있지? 이때 다른 하나의 빛은 렌즈의 저편에서 만들어진다. 렌즈를 벗어서 형광등 불빛에 비춰가며 이리저리 돌려보다 보면 렌즈에 반사된 형광등이 여러개가 보이는 것을 확인할 수 있다. 이것은 곧 한쪽 면에서만 반사가 일어나지 않고 양쪽에서 모두 반사가 일어난다는 뜻이다. 좀 더 정확히 말하면, 빛이 렌즈에 들어갈 때 한번 반사되고, 나올 때 한번 반사되고, 나머지는 투과한다는 뜻이다. 물론, 한번 반사된 빛이 다시 반대쪽 면에서 또 반사될 수도 있다. 그리고 그게 또다시 반사될 수도 있고. 하지만 이런 것들은 반사율이 낮기도 하고, 한번 반사되는 것만 이해하면 나머지는 쉽게 이해할 수 있기 때문에 무시하고 넘어가도록 하자.

http://www.eyeng.com/news/?m=1&category=0402&mode=view&no=353


여길 보면, 렌즈의 굴절률은 1.5~1.7정도 된다고 한다. 다시말해서, 공기보다 굴절률이 높다는 뜻이다. 굴절률이 높다는 것은 빛의 속력이 느려진다는 뜻이다. 빛의 속력이 느려진다는 것은 빛이 진동하기 힘든 매질을 지나간다는 뜻이다. 파동이 전달되는 특성을 잘 생각해 보면 알 수 있는 특징중의 하나가, 반사가 일어나는 면이 고정되어있느냐 아니면 자유롭게 움직이느냐에 따라서 반사가 일어날 때의 위상(Phase)이 달라진다는 것이다. 잠깐. 위상? 그게 뭐지?!

위상이란, 일반적으로는 운동 상태와 위치를 한번에 말하는 것이다. 뭔가 좀 이상한 얘기 같은데, 가령 입자의 움직임을 설명하고 싶다면, 어디에 있는지를 알려주는 3차원 벡터 1개와, 그 지점에서 어디로 가고 있는지 알려주는 3차원 벡터 1개가 필요하다. 즉, 6개의 수를 알고 있으면 입자의 움직임을 설명할 수 있다. 이때 6개의 수가 만들어 내는 공간을 위상 공간(Phase space)이라고 부르고, 위상 공간에 있는 어떤 입자를 지칭하는 벡터를 그 입자의 위상이라고 부른다.

파동에서의 위상이란, 삼각함수로 나타냈을 때 삼각함수(sin 또는 cos) 안에 들어가 있는 항이 어떤 값을 가졌느냐를 위상으로 생각한다. 파동은 삼각함수 안에 있는 값만 알면 파동의 위치와 움직임을 한번에 알 수 있기 때문이다. 잘 모르겠으면, 파동의 위상을 다음과 같이 이해하면 된다. 물 위에 물결이 일고 있을 때, 물결의 표면이 위에 있는지 아래에 있는지, 그리고 그 부분이 위로 움직이고 있는지 아래로 움직이고 있는지 알게 되면 그걸 한번에 합쳐서 위상이라고 부른다.

그런데, 반사가 일어나는 면에 파동의 끝이 고정되었는지 자유로운지에 따라서 반사된 후에 위상이 바뀌게 된다. 만약 고정되어 있다면 파동의 위상은 정 반대로 바뀌어 버리고, 자유롭다면 위상은 변하지 않고 반사된다. 즉, 고정된 면으로 파동이 들어가면 들어갈 때와 나올 때의 빛이 위아래가 바뀌어 있다. 그런데 자유로운 면으로 들어가면 위아래가 바뀌지 않고 그냥 나온다. 물론 이것은 반사할 때에만 적용되는 이야기이며 굴절되거나 투과할 때에는 적용되지 않는다.

고정단인 경우 위의 그림과 같이 위아래가 바뀌어서 반사된다.

자유단인 경우 위의 그림과 같이 위아래가 바뀌지 않고 반사된다.

워낙 중요한 개념이라 직접 그려보았다.

아무튼. 파동은 자기 자신과 겹칠 수도 있다는 점을 생각해 보면, 저렇게 반사되었을 경우라면, 자유단인 경우엔 보강간섭이 일어날 것이다. 아하. 그럼 반사를 보강간섭 시켜버리면 투과되는건 적어지겠네? 그러니까, 빛이 들어올 때 자유단이 되는 렌즈를 만들면 된다. 하지만 문제는 그게 불가능하다는 점이다. 빛이 들어올 때 자유단이 되려면, 렌즈의 굴절률이 공기의 굴절률보다 작아야 한다. 즉, 공기에서의 빛의 속력보다 렌즈 안에서의 빛의 속력이 더 빨라야 한다는 뜻이다. 그런데 공기는 기체고 렌즈는 고체다. 만약 고체 중에서 공기에 대해 빛의 굴절률이 더 낮은 물질을 찾을 수 있다면 왠지 대박이 날 것 같다. 내가 알기로는 그런 물질이 없기 때문이다.

따라서 다른 대책을 생각해 보아야 한다. 어떻게 할 수 있을까? 한가지 방법은, 반사를 두번 시키는 것이 가능할 것이다. 즉, 다음과 같은 구조를 생각한다.

입사하는 빛은 놔두고, 반사되는 빛만 두개를 그려보았다. 렌즈-코팅 경계면에서 반사된 빛과 코팅-공기 경계면에서 반사된 빛이 서로 보강간섭을 일으킨다면 어쩌면 투과되는 양을 최소한으로 줄일 수도 있을 것이다.

이제 우리가 고민해야 하는 것은 과연 코팅의 두께를 어떻게 하는 것이 좋을 것인가이다. 물론 코팅의 종류도 중요하다. 코팅을 무엇을 할 것인가는 굴절률을 결정하기 때문이다. 하지만 일단은 굴절률은 적당히 주어져 있다고 치고 두께부터 정해보자.

글이 너무 길어져서 나눈다. 쓰다가 지쳤다.

http://snowall.tistory.com/1405