제 12 회 전국 과학 전람회

인조 편광판의 제작과

그 이용

논산 여자 고등학교

교사 김 우 진

< 목 차 >

I. 개요 ·····································································································1

Ⅱ. 내용 ····································································································2

1. 인조 편광 판의 제작 ·············································································2

2. 인조 편광 판의 이용 ·············································································5

(1) 광탄성 실험장치 ····························································································5

(2) 내부 왜 검사기 ····························································································6

(3) 착색실험 ···········································································································7

(4) 입체 시환등 ····································································································9

(5) 간이편광 현미경 ····························································································9

(6) 염료 이색성 실험 ························································································10

(7) 기타에의 이용 ······························································································10

Ⅲ. 전망 ··································································································12

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I. 개요

편광 판의 활용범위는 넓으나 아직 국내에서 제조하지 못하고 외국산의 수입품

에만 의지하고 있는 실정이므로 그 가격이 고가(직경 5㎝ 1조 4,500원 정도)일뿐

아니라 크기에도 제한을 받아 새로운 편광 이용연구에 크게 애로를 느껴 오던 바

이를 타개하고자 인조 편광 판의 제작방법을 연구 자작하였으며 이를 이용한 각

종 기계 기구를 고안 제작하여 가능한 한 다방면에서 실용화할 수 있도록 노력하

여 보았습니다.

인조 편광 판의 이용

1. 광탄성 실험장치

○ 토목 건축 공업에서의 응력 측정

○ 학교 실험용

2. 내부 왜 실험기

○ plastic 편육검사

○ plastic 접착검사

○ 결정축 검사

○ 초자왜 검사

○ 광학유리 및 동환 제품 검사

3. 착색실험

광고 display용

4. 입체시 환등

시청각 교구

5. 간이편광 현미경

○ 광물검사

○ 채품의 결정연구

○ 식물조직 시찰

6. 염료 이색성 실험

○ 광고 display용

○ 색의 가변색 실험(보색)

7. 기타에의 이용

○ 빛의 파동실험

○ 사진용 필터 및 선글라스

○ 헤드라이트 방현 장치

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○ 교통기관의 반사방지 창용

○ 색 포화도의 연속변화 실험

○ 쇼윈도의 반사 방지용

Ⅱ. 내용

1. 인조 편광판의 제작

본 인조 편광판은 고분자의 배향성인 인조 수지 막에 옥소를 흡착시켜 다색

성인 편광소자로 한 것으로 2매의 셀룰로오즈판 사이에 샌드위치 하여 접착시

킨 것임.

(1) 원리

고분자의 배향성을 가진 인조 수지 막에 옥소를 흡착시킨 다음 일정한 방

향으로 잡아 늘리면 옥소 분자도 일정한 방향으로 정렬되므로 늘린 방향에

수직방향으로 진동하는 빛의 파동만을 통과시키는 편광성을 띄우게 된다.

<편광 판을 투과한 빛의 벡터>

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(2) 제작

a. 비닐 막의 제조

i) 폴리비닐 알코올(P V A) 10g를 물 100cc에 넣고 탕열기로 가열한다.

ii) 점도가 높아지면 가열을 중지하고 약 8시간 방치한 다음 떠오른 거품을

거두어 낸다. 이 액체를

iii) 20㎝ × 30㎝ 되는 유리판에 두께가 고르도록 부은 다음 4-5일간 건조

시킨다.

iv) 건조되었으면 막의 한쪽 끝을 면도날로 떼어낸 다음

v) 힘을 주어 한 번에 유리판에서 막을 잡아떼어 엷은 종이에 끼워 둔다.

이로써 투명한 비닐 막을 얻게 된다.

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b. 옥소액의 조정

옥화가리(KI) 5g를 물 20cc에 용해시킨 용액에 옥소 1g를 용해시키고 전

용량을 200cc로 조정한다.

c. 옥소분자의 흡착

i) a에서 만든 비닐 막을 b의 옥소액에 약 4.5초간 침적시킨 다음 꺼내어 건

조시킨다.

ii) 강한 탄성을 띄울 정도가 되었으면 길이가 3-4배가 되도록 잡아 늘린다.

iii) 이때 갈색이었던 것이 갑자기 회청색으로 변화되며 편광성을 띄우게 된

다. 이것이 편광막이다.

d. 편광 판의 제작

위에서 얻은 편광막을 적당한 크기의 유리판 또는 셀룰로오즈판에 샌드위

치 시킨 다음 셀로판 테이프로 고정시킴으로써 완성된 편광 판이 된다.

(3) 특성

본 제품은 옥소계의 다색성 직선 편광 판으로서 부도와 같이 투과도가 33%

정도이다.

< 광학적 성질 >

투과율 (%) -------- 31 ± 5

편광도 (%) -------- 97 이상

해상력(본) -------- 40 이상

평행도(편각)(분) ----

선명도(확산각)(분) --

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<내구성> ---------

내용온도 ---------- 30℃～+ 80℃

내영수성 ---------- 해수 중에서도 변화 없음

2. 인조 편광 판의 이용

(1) 광탄성 실험장치

투명등 방질인 탄성체의 광탄성 효과를 이용하여 재료내부의 응력 분포 상

태를 정량적으로 구하는 장치로서 학생들에게 탄광성 실험법의 대요를 실제

로 실험하여 이해시키기 위하여 가능한 한 간소화하였으며 또한 보급될 수

있도록 설계 제작된 것임

a. 원리

투명등 방질인 탄성체는 보통 상태에서는 복굴절 현상을 나타내지 않으나

외력을 가하면 일시적으로 복굴절 성을 띄우게 외며 이러한 재료를 편광 판

사이에 넣으면 외력에 의하여 생긴 내부 응력 상태가 아름다운 무늬로 나타나

게 된다. 따라서 이를 해석하면 그 재료의 응력 분포를 구할 수 있게 된다.

사진 1. 무가중 사진 2. 9㎏중 사진 3. 18㎏중

<사진 해석>

사진 1 : 하중을 가하지 않았으므로 복굴절 현상이 일어나지 않는 상태

사진 2 : 하중 9㎏중

등경선이 상하 측으로 집중되어 가고 있다.

사진 3 : 하중 27㎏중

등경선이 더욱 심하게 집중되었다.

※ 응력이 증대되어 일정한 한도에 달하면 모든 물체는 기응력집중 개소에서

파괴된다.

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b. 광학계

사진 4. 광탄성 실험장치 P: 편 광자 A: 검광자

B: 가중장치 C: 카메라 T: 시료

c. 탄광성 실험의 필요성

최근 기계공학, 토목 건축공학의 급속한 진보 발전에 의하여 각종 기계

건축 토목 구조물은 점점 대형 복잡화해 가는 경향이 있으며 동시에 기계

차량 등의 고속운전 요구도 커가고 있습니다. 그 결과 구조부분을 가능한

한 합리화시켜 크기나 중량의 증가를 방지하는 것이 대단히 중요하게 되었

습니다.

이 때문에 구조물의 설계에 있어서는 파괴에 대한 안전성에 충분한 고려

를 해야함과 동시에 강도의 과대함과 강도의 편중으로 인한 무리를 제거하

기 위하여 구조부분의 응력 분포를 정확히 조사한다는 것은 절대 필요합니

다.

따라서 투명등방질인 탄성체로 이러한 구조물의 모형을 만들어 비례되는

하중을 가하여 응력 분포를 정확히 조사하는 것이 본 장치가 목적하는 바입

니다.

(2) 내부왜 검사기

투명물체의 내부왜를 편광에 의하여 즉석에서 눈으로 검사하여

① 내부왜에 의한 파손

② 내부왜에 의한 변형

③ 경련적 파괴-/

④ 습도에 의한 파손

등을 미연에 방지할 수 있도록 설계 제작된 것임

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a. 원리

재료에 냉간 가공 열처리 및 용접을 하였을 때나 주조한 것에는 그 재료

에 외부에서 하중(외력)을 가하지 않은 상태라도 그 재료의 내부에 응력이

잔해되어 있으므로 이러한 재료를 편광 판 사이에 넣으면 복굴적 현상으로

잔유응력 분포상태가 아름다운 색무늬로 나타나 보이게 됩니다. 따라서 성

형품의 내부왜를 직접 봄으로서 주형을 개량하여 양질 가공할 수 있습니다.

b. 광학계

P : 편 광자

T: 검사재료

A: 검광자

c. 용도

① plastic 편내검사

② plastic 접착검사

③ 초자왜 검사

④ 광학유리 및 동조제품 검사

(3) 착색실험

편광 판 사이에 셀로판 테이프를 여러 겹 붙인 판을 넣으면 착색되어 보이

며 또한 이 판이나 편광 판을 회전시키면 색채의 변화를 가져온다. 이러한 성

질을 이용한 실험장치임.

a. 원리

편광판 사이에 복굴절성인 셀로판 테이프를 넣으면 편광자를 통과한 편광

이 셀로판 테이프를 통과할 때 서로 직각이며 속도가 다른 두 광선으로 분

리되어 위상 차가 생기게 된다.(위상 차가 있어도 진동방향이 직각이므로

간섭되지 않는다). 이 두 광선이 검광자에 이르면 두 광선 중 검광자의 편

광방향의 성분만이 통과하므로 위상 차를 갖고 또 그 진동방향이 같으므로

간섭되어 그 때의 조건을 만족시키는 색으로 된다.

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b. 실험방법

① 재료를 만듦.

a. a 셀로판 테이프를 직교시킨다.

b. b 임의 방향으로 배열한다.

c. c 침층구조형으로 배열한다.

② 투영법

P: 편광자

T: 자료

A: 회전검광자

M: 모터

S: screen

③ 결과

i) 자료 a의 경우

○ P // A 일 때 : 1회전에 녹색이 4회 나타난다.

○ P ┴ A 일 때 : 녹색의 보색인 자색이 4회 나타난다.

○ 임의 각일 때 : 녹색과 자색이 각각 2회 나타난다.

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ii) 자료 c일 경우

○ P // A 일 때 : 1-5매 겹칠 때 청적자황녹색으로 된다.

○ P ┴ A 일 때 : 각각의 여색이 나타남.

※ 여색은 청-황, 자-녹, 적-청록

c. 용도

① 상업용 광고

② 이색성 실험

(4) 입체 현환등

한 쌍의 stereo 슬라이드를 그림과 같이 각각 편광필터를 통하여 동일 스크

린 상에 투영시켜 이 영상을 편광안경(검광자)으로 보도록 한 것.

※ 영사상의 주의

○ 편광판은 열에 약하므로 장시간 계속 사용함에 주의한다.

○ 스크린에 따라서는 편광이 자연광으로 변화하니 주의한다.

(5) 간이편광 현미경

a. 탄석 박편 채품 결정 모양 및 식물조직 등 복굴절 성을 가지는 물체의 현

미경 관찰에서는 편광 현미경이 절대 필요하나 고가이므로 각 학교에서 구

입 활용할 수 없는 실정이므로 자작 편광판을 생물 현미경의 대물렌즈 위

와 아래쪽에 삽입한 간이편광 현미경을 생각해 보았다.

※ 재료비 5-10원이면 2대 분을 만들 수 있음.

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b. 광학계

(6) 염료 이색성 실험

a. 색이 다른 2 매의 직선 편광판을 편광판이 직교되도록 겹쳐놓은 염료사의

가변색 직선 편광판과 옥소 사 편광판을 조합하여 사용하면 색이 두 가지

로 변화되어 보인다.

b. 용도

① 상업용 display 장치

② 색의 보색관계 실험용

(7) 기타에의 이용

a. 빛의 회절 및 간섭 실험용 광원장치

여러 방향으로 진동하는 광원인 자연광이나 전등 광을 빛의 회절 및 간

섭 실험에 사용하였을 경우와 편광을 광원으로 하였을 경우를 언뜻 생각하

면 착각하기 쉬우므로 PSSC 물리에서의 파동 모델인 수파 실험에서와 같

이 한 방향으로 진동하는 빛의 회절 및 간섭에 대하여 논한 다음 자연광원

으로 발전시킴이 이상적일 듯 싶어 본 실험을 하여 보았다.

※ 편광은 회전할 것인가? 라는 질문에 많은 학생이 모순된 답을 하였다.

b. 편광의 사진 효과

빛이 물체에 반사되어 일부가 편광 되어 진행하였을 경우 편광판을 적

당히 회전시켜 보면 반사에 의한 편광이 지워지고 물체가 똑똑히 보이게

된다. 이러한 결과를 위하여 만들어 진 것이,

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① 사진용 편광필터

② 선글라스 등이다.

※ 편광판의 사진에의 이용

⇨

⇨

(보통상태) (편광 필터 사용)

※ 흑판의 글씨가 반사로 인하여 보이지 않을 경우 편광판을 사용하면 똑

똑히 보인다.

c. 헤드라이트의 방현 장치

각 자동차의 헤드라이트와 프론트 글라스(front glass)에 편광판을 사용하면

야간 통행시 눈부시지 않게 자유롭게 운행할 수 있다.

※ 자기 차량의 헤드라이트 부분과 front glass에 장치한 편광판의 방향은

평행하게 해야한다.

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Ⅲ. 전망

이상과 같이 편광판의 이용은 넓으며 다채롭다. 그 이용의 가치로 보아도 경탄

할 만하다. 따라서 국가에서 보다 양질의 편광판을 다량 생산할 수 있도록 협력해

준다면 다음을 전망할 수 있다.

① 편광판을 이용, 기계 기구들을 다량 생산하여 외국에 수출, 외화를 벌어들인다.

② 토목 건축공업을 근대화시킬 수 있으며 이에 소요되는 재료를 절약할 수 있다.

③ 전국차량에 편광판을 사용하게 하여 야간 통행시의 교통사고를 감소시킨다.

④ 적은 경비로 아름답고 효과적인 상업용 선전 display를 만들어 사용하게 한다.

⑤ 학생들로 하여금 더욱 빛에 친근감을 갖도록 하여 (흥미가 있으므로) 과학 하

는 태도를 갖도록 한다.