침투 깊이(skin-depth)보다 얇은 금속이 놓여있는 공간을 편광된 빛이 통과하면 금속-유전체 경계면에서 비고전적인 현상이 관찰된다.

금속-유전체 경계면으로 입사하는 빛에 의한 금속 내부의 자유전자가 재분배되어 표면 플라즈몬이 생성된다. 또한 주기적으로 배열된 금속판 어레이 매질 공간을 빛이 통과하는 과정에서 산란되는 빛과 금속 주위에 유도된 전자기장 사이에 상호작용이 발생한다.

그 결과로 음의 굴절(스넬의 굴절 법칙에서 굴절각이 음), 광투과율 증가, 포커싱, 금속 렌즈 효과가 이전 연구에서 보고되었다.

이러한 금속 매질의 미세구조에 의한 광학적 현상은 회절 한계 극복, 수차 보정, 다기능 광소자로 사용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

본 연구는 3차원 시뮬레이션 분석을 통해 침투 깊이보다 얇은 1차원적 금속판 배열로 구성된 매질에서의 광학적 특성을 조사하여 음의 굴절 현상에 대한 이전 연구 결과를 확인하였다. 또한 실린더 모양의 2차원 구조 금속 어레이 매질에서도 음의 굴절 현상이 발생함을 확인하였다. 뿐만 아니라 음의 굴절 빔의 갈라짐 현상이 확인되었는데, 이는 2차원 금속 배열에서의 다중 상호작용 효과로 분석하였다.

광학적 등방성은 빛의 입사 방향에 관계없이 동일한 광학적 결과가 나타나는 것으로 매질의 활용성을 넓혀주는 중요한 성질이다. 본 연구 결과를 3차원 금속 구 구조로 확대하면, 3차원 등방성 금속 매질에서의 다양한 나노 효과를 활용할 수 있을 것으로 기대한다.

양자점은 수 nm의 크기를 가진 나노 반도체 재료로, 양자 가둠 효과에 의해 크기에 따라 방출되는 빛의 파장이 조절된다. 특히 발광 선폭이 좁아서 디스플레이의 색역(color gamut)을 증가시키는 용도로 활용되고 있다. COVID-19 판데믹 이후 실내에서 생활하는 시간이 증가함에 따라 실내조명의 질이 중요해졌다. 특히 사물의 색상을 자연스럽게 연출하는 지표인 연색지수(color rendering index, CRI)를 개선하는 노력이 이루어지고 있다. 최근 급속히 공급되는 백색 발광다이오드(LED)는 보통 청색 LED에 황색 형광체를 코팅해 백색을 구현한다. 황색 형광체의 발광특성상 적색 영역의 빛이 부족해 연색지수가 다소 낮은 편이다. 이를 개선하기 위한 방법 중 하나는 적색 양자점을 활용하는 것이다. 다양한 모체(matrix) 속에 적색 양자점을 분산시켜 필름이나 원격 부품으로 활용하는 방법에 대한 다양한 연구가 진행 중이다.

본 연구에서는 직육면체 캡의 형태로 가공된 적색 양자점 부품을 기존 직하형 백색 LED 조명에 적용해 CRI 95 이상의 우수한 연색성을 구현한 연구 결과에 대해 보고한다. 그림에 보이는 양자점 캡은 체결될 백색 LED의 형상에 맞춰 자유롭게 가공될 수 있고 일부 백색 LED에만 체결되어 조명의 색감을 어느 정도 자유롭게 조절할 수 있다는 장점을 제공한다. 본 연구에서는 72개의 백색 LED의 일부에 적색 양자점 캡을 적용해 95 이상의 우수한 연색지수를 달성할 수 있었다. 특히 투광부에 사용되는 확산판의 투과율을 조절해서 확산판과 하부 반사판 사이에 형성되는 수직 공동 효과를 활용, 양자점 캡에서 발생하는 색상 변환 효율도 조절할 수 있었다. 이상의 결과를 활용한다면 고연색성 조명을 필요로 하는 전시관, 미술관, 백화점 등의 공간에 유용하게 활용될 수 있을 것이다.

물리학의 역사상 가장 위대한 과학자인 뉴턴은 <프린키피아>라는 책에서 드러나듯이 운동 법칙을 통해 고전 역학의 틀을 마련하였다. 뉴턴은 역학 분야 이외에도 광학과 관련된 많은 업적을 남겼는데, 빛이 ‘미립자(corpuscles)’로 구성되어 있다는 입자이론에 바탕을 두고 광학 현상을 설명하였고, 프리즘 실험을 통해 빛의 본성을 밝히고, 반사망원경을 만들었으며, 광학 분야의 고전인 <광학(Opticks)>을 남기기도 했다.

과학사에서 뉴턴이 차지하는 비중이 매우 크기 때문에 오래전부터 뉴턴에 대한 연구는 활발하게 진행되었다. 뉴턴 프로젝트(The Newton Project, www.newton project.ox.ac.uk/)를 통해 뉴턴이 만든 모든 저작물들을 디지털 자료로 복원하여 일반인들에게 공개하고 있다. 본 연구에서는 뉴턴이 작성한 <굴절에 대한 그림 발명>에 제시된 6개의 그림과 식을 증명하고 그 의미를 해석하였다.

뉴턴이 남긴 굴절에 대한 그림과 식은 뉴턴이 쓴 이라는 노트에 정리된 내용이다. 1664년에 작성된 것으로 뉴턴의 계부가 남긴 빈 노트에 뉴턴이 공부하고 연구한 내용을 정리한 후 이름을 붙인 것인데, 주로 수학과 관련된 내용이 대부분이다. 본 연구에서 관심을 두고 있는 <굴절에 대한 그림 발명>은 그중 일부로 왼쪽에 그림을 제시하고 오른쪽에 그 그림에 대한 식을 각각 1줄로 간단히 나타내었다.

본 연구에서는 이 그림으로부터 식이 어떻게 유도되었는지를 논리적으로 증명하고 그 의미를 해석하였다. 뉴턴의 굴절과 관련된 그림(식) 6개는 크게 나누면 3개로 구분될 수 있는데, 첫 번째 2개의 그림은 광축에 평행한 광선이 굴절 후 한 점에 모이는 무수차곡면(쌍곡면, 타원면)에 대한 해석이고, 3, 4번째 그림은 임의의 각도로 진행하는 광선의 굴절로 ‘정확한 광선추적’으로 설명할 수 있으며, 5, 6번째 그림은 광축에서 출발한 광선이 굴절 후 광축을 통과하는 그림으로 ‘단일굴절면의 가우스 공식’으로 설명하였다. 뉴턴의 <굴절에 대한 그림 발명>은 학부생 수준의 광학 지식으로 설명이 가능하기 때문에 대학 광학 교육에 활용이 가능하다. 뉴턴의 연구를 교육에 활용하는 것은 학생들의 동기유발에 긍정적인 영향을 미칠 수 있어 학부생 수준의 물리 학습에 적극 활용될 수 있기를 기대한다.

▲캡션

COVID-19의 발생과 확산으로 야기된 판데믹 현상은 우리 생활을 근본부터 흔들었다. 감염병에 대한 대처 과정 중 마스크 착용과 손소독제 사용은 모두에게 보편화되었다. 매우 다양한 마스크 및 손소독제 제품이 우후죽순으로 등장하며 방역 제품의 성능 관리도 중요한 이슈가 된 바 있다. 손소독제의 주성분은 에탄올이다. 손소독제의 효과를 위해 에탄올의 농도는 60% 이상을 유지해야 한다. 이를 간접적으로 측정하기 위한 다양한 방법이 제안되고 활용되고 있는데 비접촉, 비파괴 분석법 중 하나가 라만분광법을 포함한 비탄성 광산란 분광법이다. 에탄올의 특정 진동 모드의 주파수는 에탄올 농도와 선형적으로 비례한다는 사실이 선행연구에서 보고된 바 있다.

본 연구에서는 라만분광법 및 브릴루앙분광법을 활용해 총 7종의 손소독제를 분석한 후 그 결과를 순수한 물-에탄올 혼합용액과 비교했다. 라만분광법의 적용 결과 순수한 물-에탄올 용액 속 CCO 진동 주파수는 에탄올 농도에 선형적으로 의존함이 확인되었다. 그러나 일부 손소독제에서 측정된 CCO 모드의 주파수는 선형성에서 많이 벗어남을 확인했고 이는 라벨상 농도와 실제 농도가 다르다는 점을 시사한다. 손소독제에 대해 획득된 브릴루앙 산란 스펙트럼을 통해 손소독제 내 음속도 및 음향 흡수계수를 계산할 수 있었다. 그 결과 라만분광법에서 비선형성을 보인 손소독제의 음향 특성 역시 순수 물-에탄올 혼합용액의 음향 특성의 경향성에 현저히 벗어남이 확인되었다. 이는 손소독제의 분자 진동 특성과 음향 특성 사이에 상관성이 존재함을 보여주는 결과다. 이런 결과를 통한 추가적인 데이터베이스의 체계적 확보는 손소독제 내 포함된 에탄올 농도를 추정할 수 있는 간접적 방법으로 활용될 것으로 기대된다.