편광현미경 이론의 모든 것 1 - 다색성과 간섭색, 이방체와 등방체의 소광현상

◎ 편광이란
 
편광이란 전자기파가 진행할 때 파를 구성하는 전기장이나 자기장이 특정한 방향으로 진동하는 현상을 말한다. 빛은 파동의 형태로 전달된다. 폴라로이드 판이나 결정축에 나란하게 자른 얇은 전기석과 같은 편광판을 두 장 겹쳐서 광원 앞에 놓고 그 중 하나를 서서히 돌려보면 밝게 보일 때와 어둡게 보일 때가 있는데, 이러한 현상은 편광판을 90°회전시킬 때마다 반복하여 나타난다.
 

편광의 원리 (사진출처 삼성디스플레이)

 
즉 편광판의 결정축이 평행일 때는 밝게 보이고 서로 수직일 때는 어둡게 보이는 것이다. 이와 같은 현상을 편광현상이라고 한다. 이것은 빛이 진행 방향과 수직하게 모든 방향으로 진동하는 횡파이므로 앞에 있는 편광판을 통과할 때 결정축과 평행한 진동 성분만 빠져 나와서 뒤에 있는 편광판에 도달할 때 빛의 진동 방향이 결정축과 평행하면 통과시키고 수직하면 통과시키지 못하기 때문이다. 이와 같이 편광판을 통과한 빛과 같이 한쪽 방향으로만 진동하는 빛을 편광이라고 한다. 따라서 일반적인 의미의 전자기파는 모든 방향으로 진동하는 빛이 혼합된 상태를 말하지만, 특정한 광물질이나 광학필터를 사용하면 편광 된 상태의 빛을 얻을 수 있다.
 

편광현미경 (사진출처 니콘)

 
 
◎ 편광현미경이란
 
광물의 광학적 성질을 조사하기 위한 특수 현미경을 편광현미경이라고 한다. 얇게 연마한 시료편에 편광을 통과시켜 그 광학적 성질을 조사하기 위한 특수한 현미경이다. 광물현미경 또는 암석현미경이라고도 한다. 편광현미경의 구조는 일반 생물 현미경과는 달리 재물대 상하에 각각 일정한 방향으로 진동하는 빛만을 통과시키는 편광판 2개가 부착되어 있고 회전하는 재물대가 있다. 아래 편광판은 고정되어 있고 위 편광판은 끼웠다 뺐다 할 수 있다. 편광판은 투명한 방해석이나 합성 수지로 만든다. 필요에 따라 하부니콜의 하부에 집광기, 대물경 상부에 제2의 대물렌즈를 장착할 수 있다
 
하부니콜과 상부니콜는 보통 편광면을 서로 90도로 어긋나게 놓이며, 재물대에 시료가 없을 때는 하부니콜을 통과한 직선편광이 상부니콜을 통과할 수 없어 시야가 어둡다. 그러나 광학적으로 이방성을 갖는 시료를 놓으면 직선편광이 시료를 통과하여 원편광이 된다. 이것이 상부니콜을 통과함으로써 서로 수직인 직선편광이 어느 광로차를 가지고 합성되어 시야에 그것에 의한 간섭상인 경우에는 간섭색으로 빛깔이 붙은 상이 나타난다.
 
검안법에는 오소스코프와 코노스코프의 두 가지 방법이 있다. 오소스코프에서는 콘덴서와 버트랜드 렌즈는 사용하지 않는다. 오소스코프 중 상부니콜을 빼고, 보통의 현미경과 마찬가지로 시료 전체의 모양이나 빛깔 및 다른 광물종과의 공존상태를 조사하는 것을 개방니콜이라 하며, 상부니콜을 넣고 간섭상을 관찰하여 빛의 흡수성과 굴절률 등을 판정하는 것을 직교니콜이라 한다.
 

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◎ 다색성과 간섭색
 
개방 니콜에서 광물의 박편을 재물대 위에 놓고 회전 시키면, 회전 각도에 따라 광물의 색과 밝기가 일정하게 변한다. 이러한 성질을 다색성이라 한다. 이것은 빛이 광물을 통과할 때 빛의 진행 방향에 따라 흡수되는 정도가 다르기 때문에 나타나는 성질로서, 다색성을 이용하면 광물을 정확하게 구별할 수 있다. 직교니콜 편광판을 서로 직각이 되게 낀 것이므로, 재물대에 광물을 놓지 않고 보면 캄캄할 뿐 아무 것도 보이지 않는다. 그러나 흑운모 등의 박편을 놓고 보면 찬란한 색이 나타나는데, 이를 간섭색이라 한다.
 

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◎ 이방체와 등방체의 소광현상
 
광물은 광학적 성질에 따라 광학적 이방체와 광학적 등방체로 나눌 수 있다. 직교 니콜하에서 간섭색이 나타나고 360도 돌릴 때 4번의 소광이 나타나는 광물을 광학적 이방체라고 한다. 또한 직교 니콜하에서 아무 것도 보이지 않는 광물을 광학적 등방체라 한다. 광학적 등방체의 경우 광물의 구조가 모든 방향으로 일정해서 빛이 어느 방향에서 통과해도 빛의 속도가 일정하다.
 
모든 광물에서 빛은 모든 방향에서 굴절률이 일정하며 굴절의 법칙을 따른다. 그런데, 광학적 이방체라고 하는 광물들은 방향에 따라 빛의 진행 속도가 바뀌고 또한 이런 광물을 통과할 때 빛은 서로 수직인 두 성분으로 나뉘어서 진행한다. 그래서 복굴절이라고 하는 현상이 나타난다. 그런데 이런 광물의 경우도 두 빛의 성분이 같은 속도로 진행하는 면이 있는데, 이런 면에 대한 축을 광축이라고 부른다. 즉, 광축으로 입사된 빛은 등방체처럼 행동을 한다.
 
일단 빛이 하부니콜에서 편광이 된 후 이방체 광물을 통과하게 되면 두가지의 성분으로 나뉘어 진행한다. 그런 후 재차 상부 니콜에서 편광될 때 두 빛의 경로차 때문에 간섭이 나타난다.
 
그런데 이 상태에서 재물대를 돌리면 광물의 광축과 편광판의 축이 맞게 되는 순간이 있는데, 이 때 이 광물 역시 편광되어 소광이 나타난다. 광물의 광축과 니콜의 편광 방향이 360도 돌릴 때 4번 일치하게 된다. 따라서 광학적 이방체 광물은 재물대를 한바퀴 돌릴 때마다 4번의 소광이 나타나게 되는 것이다.
 
직교 니콜하에서 이방체 광물을 재물대 위에 놓고 회전시킬 때 1회전 동안에 90˚마다 4번의 암흑이 생기는 현상을 소광이라고 하고, 소광된 위치를 소광위라고 한다.