물리 세특 주제 : 전반사의 활용

1. 전반사란?

  전반사가 무엇일까요? 보통 전반사는 내부 전반사를 일컫는 말로, 밀도가 높은 매질 내에서 이동하는 빛이 임계 각도보다 큰 각도로 매질이 더 낮은 매질의 경계에 부딫혔을 때, 빛이 굴절되는 대신 다시 밀도가 높은 매질로 반사되는 현상을 말합니다. 보통 두 물질 사이에서는 반사와 굴절이 함께 일어납니다. 여러분 집이나 학교의 창문을 바라보면, 바깥 풍경이 보임과 동시에 내 모습이 살짝 비쳐 보이는데요, 이것이 공기와 유리라는 두 물질 사이에서 빛이 통과됨과 동시에 반사됨을 보여주는 예시라고 할 수 있습니다. 하지만, 전반사의 경우에는 굴절이나 통과가 일어나지 않고, 반사만이 일어나게 되는 것이 큰 차이점입니다.

2. 전반사의 활용

  전반사는 다양한 기술에 적용되고 있습니다만, 크게 두 가지를 설명해 드리고자 합니다. 아마 다양한 교과서에서도 쉽게 접하실 수 있는 예시들이라 여러분들도 들어보셨을 확률이 높은데요, 뒤이어 등장할 에너지 측면에서의 해석을 위한 포석 정도로 생각하시면서 가볍게 읽어주시면 좋을 것 같습니다. 첫번째로는 광섬유 케이블인데요, 이는 데이터를 전송하기 위한 목적으로 사용되는 케이블입니다. 빛 신호를 굴절률이 다른 두 물질을 사용해 만든 케이블을 통해, 그 빛이 케이블 내에서 전반사되어 케이블 내를 이동하여, 신호의 손실을 최소화하도록 만들어진 원리입니다. 우리 주위의 인터넷, 텔레비전이나 전화 통신과 같은 다양한 정보를 빠른 속도로 주고받아야 하는 곳에서 매우 중요하게 사용되고 있습니다. 다음 예시는 안경인데요, 렌즈의 디자인에 내부전반사를 적용하여 빛의 경로를 조정하고, 더 선명한 시야를 얻어낼 수 있습니다, 그리고 이는 우리가 쓰는 안경 뿐 아니라, 더 정교한 빛의 사용이 필요한 현미경 같은 곳에서도 유용하게 사용됩니다.

3. 전반사의 에너지 측면에서의 해석

  우리는 전반사를 어떻게 에너지 측면에서 해석해볼 수 있을까요? 주위의 모든 것을 에너지로 해석해 보려는 자세를 가지면 편합니다. 우리가 보려고 하는 전반사의 경우에서도 그렇고요, 여기서는 빛이 에너지라는 사실에 집중해서 생각해 보면 좋겠지요. 또 하나 꼭 생각해야 할 점은, 에너지 보존 법칙입니다. 에너지는 아무런 이유 없이 생기거나 사라지지 않고, 반드시 그 양이 보존된다는 점입니다. 아인슈타인의 질량-에너지 동등성에 의해 에너지가 질량으로 변환되기도 하지만, 전반사에서 딱히 새로운 질량이 생기거나 질량이 사라지지는 않으므로, 무조건 에너지 보존 법칙을 절대적인 법칙으로 보아도 괜찮을 것입니다.

  앞서 말씀드렸다시피, 보통은 두 물체 사이에서 모든 빛이 흡수되거나, 통과(굴절)하거나, 반사되지는 않습니다. 흡수된 빛은 그 물질의 내부 에너지를 올리는 데 사용될 수도 있고, 통과된 빛은 뒤로 다시 나가서 빛에너지의 형태로 존재하게 되며, 반사된 빛 역시 빛에너지의 형태로 존재하게 되겠죠. 결국 100만큼의 빛이 들어왔다면, 그 총합 100만큼의 빛에너지는 다른 형태의 에너지나 다시 빛에너지의 형태로, 그 양은 유지되며 존재하게 되는 것입니다.

  따라서, 전반사가 유용한 이유를 생각해볼 수 있습니다. 전반사가 없을 때의 렌즈에서 70만큼 반사, 30만큼 굴절되었다고 가정하고, 빛으로 인해 렌즈가 데워져 열에너지의 형태로 소실되는 과정은 없다고 생각해 보겠습니다. 만약 전반사가 일어난다면, 100의 빛은 70만큼은 여전히 반사될 것입니다. 반사가 없어졌다면, 남은 30만큼의 빛은 굴절되지 않는데요, 그 빛은 어디로 간 것일까요? 에너지 보존 법칙에 따라 보면, 에너지가 다른 형태로 전환되지 않았는데 전반사가 일어나므로, 그 30만큼의 빛도 결국 반사되게 됩니다. 전반사가 유용한 이유는, 이 빛 형태의 에너지를 온전하게 사용할 수 있다는 데 있습니다. 이 원리가 사용되었기에 에너지를 온전하게 수송할 수 있고, 다양한 곳에서 기술적으로 활용할 수 있게 되는 것입니다.

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  에너지의 수송이나 저장에 관한 글들도 위에 넣어 봤고요, 다양한 에너지 생산과 효율에 관한 실험/세특들이 제 블로그에 글로 작성되어 있습니다. 분명 여러분의 세특에 도움이 될 것이라고 생각하니까요, 한번씩 읽어봐 주시면 좋을 것 같습니다. 긴 글 읽으시느라 수고하셨습니다. 감사합니다!