복굴절이란(Birefringence)?

복굴절(또는 이중 굴절)은 특정 재료에 존재하는 광학 현상입니다. 대부분의 투명 재료에는 빛이 재료를 통과할 때 빛의 경로를 바꾸는 단일 굴절률이 있습니다. 하지만 복굴절 재료에서는 빛이 두 개의 굴절률을 만나게 되어 서로 다른 궤적을 따라 두 개의 광선으로 갈라집니다. 

복굴절 현상은 재료의 구조(즉, 재료의 원자 격자)와 입사광선의 편광 및 진행 방향 모두에 따라 달라집니다. 비편광된 빛이 복굴절 재료에 입사하면 보통선(o-ray)과 이상선(e-ray)이라는 두 개의 다른 광선으로 갈라집니다. 보통선은 광축에 수직(또는 직교)으로 편광되며, 이 방향으로는 빛이 복굴절되지 않습니다. 반면 이상선은 광축에 수직이 아닌 방향으로 편광됩니다. 두 편광된 광선은 굴절된 후 서로 다른 각도와 속도로 진행합니다.

자연적으로 이방성 및 복굴절 거동을 나타내는 다양한 결정이 있습니다. 광학에서 이방성은 측정 방향에 따라 달라지는 재료의 속성을 의미합니다. 이러한 속성을 지닌 재료로는 다음이 있습니다.

• 탄산칼슘(석회석)
• 석영
• 전기석
• 루비
• 이산화티타늄(금홍석)
• 불화마그네슘(셀라이트)

또한 비결정질 이방성 구조를 가지며 복굴절을 나타낼 수 있는 합성 재료로는 다음이 있습니다.

• 섬유 재료
• 장쇄 고분자
• 수지
• 복합 재료

응력 복굴절이라고 하는 특수한 유형의 복굴절이 있으며, 이 유형은 재료에 외력 또는 변형이 적용될 때 발생합니다. 응력 복굴절은 광탄성 효과(또는 압전광학 효과)에 의해 발생하며, 이 효과는 일반적으로 플라스틱, 늘어난 필름 등의 재료에서 흔히 나타납니다.

응력이 가해지면 분자 수준에서 변화가 일어나 원자의 불균일한 분포와 서로 다른 기계적 속성을 초래합니다. 이 효과로 인해 가해진 응력이나 하중에 따라 재료의 굴절률이 변합니다.

광탄성 효과는 여러 면에서 압전 효과와 비슷합니다. 압전 효과는 재료가 기계적 응력을 받을 때 전하를 생성하는 물리적 현상인 반면, 광탄성 효과는 가해진 하중이 재료의 전하 분포를 변화시키는 현상입니다. 그러나 재료의 전기적 속성이 변하는 대신, 원자 재배열에 따라 재료의 광학적 속성이 변합니다.

복굴절은 기계적 하중이 가해질 때 발생하므로 재료의 응력 분포를 시각화할 수 있습니다. 이는 인공 및 가상 현실(AR/VR) 헤드셋 등의 대형 시스템에 통합된 광학 부품에 가해지는 응력과 변형률을 테스트하는 데 유용한 방법입니다.

복굴절은 다양한 과학 및 기술 응용 분야에서 활용됩니다.

과학 기기

복굴절은 다음과 같은 다양한 분석 특성화 기술에서 재료의 속성을 연구하는 데 사용됩니다.

편광 현미경: 이 기술은 편광된 빛을 시료에 비추는 것으로, 시료의 복굴절 속성이 빛의 편광을 변화시킵니다. 현미경의 분석기 구성 요소는 편광이 변한 빛만 선택적으로 통과시켜 이미지 대비를 높이고 구조적 및 구성적 세부 사항과 같은 시료의 고유 속성에 대한 정보를 제공합니다. 

광학 간섭 단층 촬영(OCT): 이 기술은 인체 조직과 같은 다양한 생체 재료의 복굴절을 이용하여 현미경 이미지의 대비를 향상시킵니다.

LCD 화면

LCD 화면은 복굴절 액정을 사용하여 이미지와 비디오를 표시합니다. 이러한 액정은 전기장이 가해지면 굴절률을 변화시킵니다. 액정의 방향을 제어함으로써 화면은 통과하는 빛의 편광과 강도를 모두 제어할 수 있습니다.

광통신

복굴절은 광섬유 케이블에서 신호를 전송하는 데 사용됩니다. 복굴절은 파장 선택 스위치라고 하는 광섬유 구성 요소에 사용됩니다. 이 스위치는 광 게이트 역할을 하여 케이블 내 특정 경로를 따라 특정 파장의 빛만 선택적으로 통과시킵니다. 복굴절 재료는 빛이 케이블을 통과할 때 편광을 유지하여 왜곡을 최소화하고 더욱 신뢰할 수 있는 통신 회선을 제공합니다.

편광 필터

복굴절은 카메라, 현미경 및 기타 광학 기기의 편광 필터에도 사용됩니다. 편광 필터는 격자 모양의 이방성 구조를 가진 재료로 구성됩니다. 이러한 필터는 빛의 두 편광 구성 요소 중 하나를 차단하여 서로 다른 파장의 빛이 통과하는 방식을 제어합니다. 이를 통해 고유한 시각적 효과를 구현할 뿐만 아니라 눈부심을 줄이고 이미지 선명도를 높일 수 있습니다.

복굴절은 다양한 분야에서 기능을 향상시킬 수 있지만, 응력 복굴절은 광학 구성 요소의 성능을 저하시킬 수 있습니다.

일부 응용 분야에서는 광학 시스템을 경량화하고 대량 생산하기 위해 렌즈에 유리 대신 플라스틱을 사용하는 추세입니다. 하지만 아크릴, PMMA 등의 고분자 소재는 응력 복굴절에 더 취약합니다. 유리에서는 이러한 현상이 두드러지지 않지만, 플라스틱 광학 구성 요소는 변형되어 분자 수준에서 빛이 재료와 상호 작용하는 방식이 바뀔 수 있습니다. 스마트폰, 헤드업 디스플레이(HUD), AR/VR 헤드셋 등의 고성능 기술에 사용되는 모든 플라스틱 렌즈에서 응력 복굴절을 고려해야 합니다.

광학 장치에서 응력 복굴절이 발생하는 주요 원인은 제조와 장착 두 가지입니다. 제조 과정에서 사출 성형과 같은 공정은 렌즈가 냉각될 때, 특히 바깥쪽 가장자리가 내부보다 빨리 냉각되면서 렌즈 내부에 잔류 응력을 가둘 수 있습니다.

또한 렌즈를 마운트나 하우징에 고정할 때 발생하는 기계적 응력으로 인해 플라스틱 렌즈 내부의 굴절률 분포가 변할 수 있습니다. 이러한 응력은 재료의 고유한 광학 속성을 변화시킬 수 있으므로, 최적의 렌즈 성능을 보장하고 밝기 및 강도 감소와 같은 광학 손실을 최소화하기 위해서는 시뮬레이션 및 모델링에서 이를 고려해야 합니다.

전체 광 투과율이 단 몇 퍼센트만 감소하더라도 이를 고려하지 않으면 이미지 품질과 밝기가 지정된 범위를 벗어나 저하될 수 있습니다. 이러한 현상은 HUD 및 AR/VR 헤드셋에서 두드러지게 나타나고, 저대비 이미지가 발생하며 시스템에 더 많은 전력을 공급해야 저대비 문제를 해결할 수 있습니다. 헤드셋의 경우 열을 추가로 발생시켜 착용자에게 불편함을 주고 배터리 소모를 가속화하기 때문에 바람직하지 않습니다.

복굴절로 인한 광학 오차는 항상 존재하지만, 제조자는 복굴절이 재료의 광학 성능에 미치는 영향에 대한 정보를 거의 제공하지 않습니다. 엔지니어가 고급 광학 구성 요소를 개발함에 따라 복굴절이 다양한 재료의 성능에 미치는 영향을 이해하는 것이 점점 더 중요해질 것입니다. 시뮬레이션 및 계산 모델링은 응력 복굴절과 같은 Multiphysics 효과를 고려하여 설계 통찰력을 제공할 수 있으며, 이러한 모델링은 차세대 광학 설계의 핵심 요소입니다.

첨단 광학 시스템의 개발, 프로토타입 제작, 테스트 및 생산 비용이 점점 더 높아지고 있습니다. 따라서 예산을 준수하면서 제품 개발을 가속화하려면 물리적 프로토타입 테스트 횟수를 줄이는 것이 필수적입니다. 시뮬레이션을 통해 첫 번째 물리적 프로토타입이 의도한 사양에 근접하도록 함으로써 시간, 노력 및 비용을 절약할 수 있습니다.

Ansys는 다양한 광학 장치 및 최종 응용 분야에서 다양한 재료와 복굴절 속성을 이해할 수 있도록 Ansys Zemax OpticStudio 광학 시스템 설계 및 분석 소프트웨어, Ansys Mechanical 구조 유한 요소 해석(FEA) 소프트웨어 등 다양한 툴을 제공합니다. 이러한 애플리케이션은 MATLAB, Moldex3D 등의 외부 툴과도 호환됩니다. 

Ansys 솔루션이 고급 광학 시스템 내의 응력 복굴절 시뮬레이션을 어떻게 지원하는지 알아보려면 지금 Ansys 기술 팀에 문의해 주십시오.

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