본문이 장문이니 좀 짜증나시는 분은 그냥 맨 아래 결론만 참조하세요. 심심하신분만 공부차 즐독하시고요.

편광(polarization, polarized light)이란 용어자체는 물리학 전문용어로서 요약하여 말하면 “특정방향으로 진동하는 광파”로 설명됩니다. 광파는 뭐고, 진동은 또 뭐고, 거기다 특정방향은 또 뭐냐고 감이 좀 잡히지 않죠? 이제부터 차근차근 설명해보죠.

아시는 분도 계시겠지만, 여기서 광파라 함은 우리가 늘상 눈으로 보는 빛(light)을 전자기파 즉 전기장과 자기장이 상호진동하면서 광속으로 전파해 나가는 파동의 개념으로 해석하는 하나의 물리학적 이론입니다. 물론 현대물리학에서는 빛의 근원을 다른 개념으로도 설명하지만 편광현상과 관련해서는 빛을 전자기파로 보는게 타당해 보입니다.

경험적으로 우리가 빛이라고 말할 때는 사람의 눈으로 볼 수 있는 영역 즉 가시광선에 해당하는 스펙트럼입니다. 아직도 외우는 빨주노초파남보 보남파초노주빨 색깔 즉 무지개빛 색깔이 우리가 경험하는 빛이요, 물리학에서는 전자기파의 가시광 스펙트럼이라고 합니다. 자연에는 사람의 눈으로는 감응되지 않는 빛, 즉 다른 색깔의 빛이 존재하며 가시광보다 에너지가 큰 놈(또는 진동수가 높은)을 자외선, 극자외선, 에너지가 너무 커서 사람의 살은 그냥 통과하고 뼈까지는 차마 잘 통과하지 않는 x-선, 금속까지도 마구 통과하는 감마선 등등이 있고, 에너지가 작은 것들은 적외선, 위성TV 또는 핸드폰에 쓰이는 마이크로파, TV, FM 라디오 등에 쓰이는 전파, 아주 진동이 느리게는 워키토키 통신용 전파가 있습니다. 즉 우리 인간이 눈으로 경험하는 빛은 우주만물에 존재하는 전자기파 중의 극히 일부 가시광이라고 명명한 스펙트럼을 통해서 찌를 보고 낚시대의 휘어진 커브를 보고 옆조사님의 환호하는 모습에 서로 교감합니다.

이러한 전자기파는 자연에 존재하는 전기 및 자기를 띤 입자들, 대부분의 경우는 전자(electron)의 진동과 관련이 있습니다. 마치 연못에 돌을 던지면 물결진동이 발생하듯이 공간에 전자라는 알갱이가 어떤 이유로 진동을 하면 전자기파가 발생하여 퍼져 나갑니다. 우리가 보는 빛은 원자나 분자속에 존재하는 전자의 진동 또는 플라즈마 상태의 전자의 진동 때문에 발생합니다. 좋은 예가 태양광입니다. 태양은 수소가스의 덩어리이며 수소 핵융합반응이 일어나는 한마디로 상상을 초월하는 거대 수소핵융합발전소라고 할 수 있습니다. 막대한 양의 에너지가 거의 모든 스펙트럼 형태의 전자기파로 또는 태양풍이라는 막대한 양의 입자들을 방출하여 그중 일부가 지구까지 도달하고 그나마 생물에 무척 해로운 감마선, x-선, 자외선 등은 지표면 대기층에 의해 걸러져서 제한적으로 지표면에 도달하게 되어 조사님이 하루종일 갯가에서 낚시대를 휘둘러도 살갗이 잘 타지 않습니다.

파동을 한번 생각해 볼까요. 잔잔한 호수에 돌을 던지면 물결파동이 생기면서 동그랗게 퍼져나갑니다. 멀리서부터 너울파도가 밀려와 갯바위를 덮치곤 합니다. 그렇다고 물 자체가 이동하지는 않으면서 진동만 전해주고 즉 에너지만 전달해 줍니다. 이때 진동의 방향은 물표면에 대해 수직방향이라고 말할 수 있습니다. 이런게 파동이죠. 전자기파동은 이러한 물결파동과는 다르게 전기장과 자기장이라는 에너지파가 함께 수반되면서 전파해 나갑니다. 이때 발생된 전기장의 크기와 자기장의 크기를 비교하면 자기장은 전기장의 세기에 비해 새발의 피도 안될만큼 작습니다. 즉 우리는 빛의 전기장성분을 눈으로 보고 핸드폰에서는 전기장으로 통신하는 셈이 됩니다. 따라서 물리학에서는 자연스럽게 전기장의 진동면을 전자기파의 기준진동면으로 정합니다. 빛의 전기장의 진동면이 관측자의 편의에 따라 설정된 기준면에 대해 평행하게 진동하면 수평편광빛, 수직으로 진동하면 수직편광빛이라고 합니다. 이렇듯 편광은 전기장이 어느 방향으로 진동하느냐에 따라 상대적입니다. 물론 더 깊게 들어가면 편광상태는 수평, 수직 뿐만아니라 우원편광, 좌원편광, 또 거기다 타원편광 등 여러 가지가 있습니다만 논의를 편광썬글래스에 국한하면 그냥 수직편광 수평편광만 고려해도 충분합니다. 빛이 광파이고 광파는 전자기파의 일부이고, 그렇기 때문에 편광이 존재할수 있다라는 물리학적인 지식을 얻기까지는 지금부터 200-300년전부터의 많은 뛰어난 연구자들의 종합산물입니다.

아무튼 왜 편광안경이 작동하느냐에 대해 설명하겠습니다. 갯바위에서든, 선상이든, 아니면 잔잔한 저수지이든 간에 낚시행위의 상황을 머릿속에 그려보겠습니다. 태양이 수면을 비춥니다. 바람이 불어 물결이 있어 반사된 광이 낚시인의 눈에 직빵으로 들어와 어른어른 거려 좀체로 오랫동안 찌를 볼 수 없습니다. 거울처럼 잔잔하면 더하겠죠. 경험적으로 태양이 낮게 비추면 더 심하고 태양이 머리에 높이 올라가 있으면 좀 덜할겁니다.

태양광은 자연광이라 합니다. 자연적으로 발생된 빛이라는 얘기이죠. 우주만물이 공평하게도 수면을 내리 쬐는 태양광의 편광은 수평편광빛 50%, 수직편광빛 50%로 이루어져 있습니다. 재보지는 않았지만 그렇다고 되어 있습니다. 여기서 수평 수직의 기준은 낚시인의 입장에서 태양-물표면-낚시인의 눈으로 이어지는 삼각형 면을 상상하고 이 기준면에 평행하게 진동하면 수평빛, 수직하게 진동하면 수직빛으로 정합니다. 어떻게 기준을 정해도자연 태양광의 반은 수평편광파이고 나머지 반은 수직편광파입니다. 어떤 광파는 45도 삐딱하게 내리쬐는 경우도 있겠지만, 통계적으로 평균적으로 보았을때 수직, 수평성분의 총합이 각각 반반이 된다는 그런 얘기입니다. 한편으로 그렇기 때문에 이런 경우를 굳이 편광이 50대50으로 되어 있다 라고 할 것이 아니라, 아예 편광이 되어 있지 않다 (unpolarized, 비편광) 라고 하는 경우도 있습니다. 암튼 험험..

이놈의 물표면이 문제를 일으킵니다. 요게 찌를 뚫어지게 봐야하는 우리 낚시꾼으로 하여금 편광안경이라는 거추장스런 것을 끼도록하는 주범입니다. 무슨 말이냐하면 물표면에서 반사되는 반사광은 더 이상 공평하게 수평 50%, 수직 50%의 편광빛이 아닙니다. 즉 물표면이 비편광상태의 자연 태양광을 어느정도 편광빛으로 만들어줍니다. 공평하게 50대 50이라면 굳이 편광글래스가 필요없고, 그냥 선글래스만 있으면 됩니다. 왜냐하면 일반 선글래스는 편광에 관계없이 모든 편광에 대해 동일하게 빛을 차단하여 주기 때문입니다.

지금부터는 아무리 쉽게 설명을 하려해도 아직 경지에 오르지 못해 전문용어를 좀 사용하겠습니다. 물표면이 왜 편광상태를 변경하느냐는 물리적인 질문에 답하려면 앞으로 2-3페이지는 더 써내려가야 하고 또 이글이 그것의 목적이 아니기 때문에 아하 그런 현상이 있구나 하는 정도로만 이해하고 넘어가겠습니다. 광파의 입장에서는 물표면은, 아니 물이라는 자체는 자신이 지나가는 길목에 어떻게 해서든 부딪쳐야 하는 장애물이며 전문적인 용어로 매질이라고 합니다. 즉 경계면에서 일부는 투과하고 일부는 반사하고 또 일부는 흡수도 하게 됩니다. 빛에 대해서 투명, 반투명한 매질은 유리도 있고 찌에 덧칠하는 투명페인트도 있습니다. 이러한 투면 반투명 매질을 유전체라고 합니다. 유전체는 빛에 대해서 특유의 굴절율 이라는 성질을 갖게 됩니다. 물의 굴절율은 빛의 색깔에 따라 다르겠지만 대충 1.33 정도이고, 유리도 종류에 따라 천차만별이지만 창유리 같은 경우는 대충 1.5 정도입니다.

신기하게도 반사된 수평 및 수직편광 빛은 태양이 물표면을 비추는 각도에 따라 상당히 다릅니다. 머리 굴려 계산기 두드려 가며 계산을 해보면 이렇습니다. 험험..

태양이 막떠오르는 경우는 표면에서 반사되는 빛은 수직 수평 편광성분이 거의 동일하며 거의 100% 반사됩니다.

태양이 약 10도 정도 떠오르면 수직편광빛은 약 46%가 반사되고 수평편광은 약 24% 정도만 반사됩니다.

태양이 약 20도 정도 떠오르면 수직편광빛은 약 22% 반사되고, 수평편광빛은 약 5%만 반사됩니다.

태양이 37도 정도 떠오르면 수직편광빛은 약 8% 반사되고, 수평편광빛은 거의 반사되지 않습니다 (이론적으로는 반사율이 0%입니다.)

태양빛이 45도가 되면 수직편광빛은 약 5% 반사되고, 수평편광빛은 거의 반사되지 않습니다.

태양빛이 60도까지 떠오르면 수직편광빛은 약 3% 반사되고, 수평편광빛은 1.2% 반사됩니다.

태양빛이 머리위에 있게 되면 (90도) 수직편광, 수평편광 동일하게 약 2% 씩 반사하게 됩니다.

여기서 각도는 어디까지나 태양-찌부근의 수면-낚시인의 눈으로 이어지는 면에서 태양과 수면사이의 각도입니다. 장타쳐서 찌가 멀리 있거나 참돔 사냥차 한 100m 전방까지 흘린다면 이 각도는 찌가 흘러감에 따라 변합니다.

태양이 지는 경우에도 똑같은 반사율을 가집니다. 태양이 머리위를 지나 서쪽 지평선으로 사라질 때까지의 각도에 따른 각 성분의 빛의 반사율은 위와 동일합니다.

각도에 따른 수직 수평빛에 대한 반사율의 경향을 주목하여 주십시오. 태양이 지평선에서 서서히 떠오름에 따라 또는 서서히 짐에 따라 수직빛은 입사량의 100%에서 2% 또는 2%에서 100% 까지 반사합니다. 반면 수평빛은 어느 특정각도에서는 반사가 되지 않고 전부 물속으로 투과하거나 투과하면서 흡수됩니다. 반사된 수직 수평 빛의 차이는 대강 40도에서 80도 사이에서 차이가 많이 납니다.

또한 여기서 알아야 할 것은 태양이 20도 각도로 비추면 반사되는 각도도 20도가 됩니다. 우리 눈은 수직편광 빛과 수평편광 빛을 구분하지 못하고 수직편광빛도 빛이요, 수평편광 빛도 빛이라고 동일하게 반응합니다. 찌를 본다는 얘기는 찌에서 반사되거나 산란된 빛을 우리 눈으로 이미지화하여 반응하는 것입니다. 태양광의 반사표면 부근에 찌가 있다면 찌에서 나오는 빛 외에반사 직사광이 있기 때문에 눈부셔서 당연히 찌를 보기가 힘들어집니다.

매질이 유리의 경우도 각도에 따른 반사율이 조금씩 다를 뿐이지 수직 수평편광 빛의 반사율이 다른 것은 동일합니다.

인내심가지고 여기까지 따라온 어떤 분은 벌써, 아하 이렇게 해서 편광글래스가 작동을 하는구나 그리고 한걸음 더 나아가 물속까지도 어느 정도 볼수 있겠구나 하고 눈치를 채실수도 있습니다. 눈치채지 못하신 분들은 다음 글 편광글래스의 구성편을 기대하시길.

암튼 오늘 여기까지의 <b>결론은 비편광상태의 자연태양광이 물표면에서 반사될 때 수직편광빛과 수평편광빛의 반사율, 즉 반사된 수평빛의 양과 수직빛의 양이 태양이 비추는 각도에 따라 다르다</b>라는 것입니다.

정말 할일 없이 공연한 짓을 하고 있는 것 같네요..