빛을 멀리 보내주는 광섬유

1. 빛의 성질

 빛은 앞에 방해하는 장애물이 없으면 공기 중에서 직진해서 곧게 뻗어 나갑니다. 이러한 빛의 성질을 빛의 직진이라고 합니다. 일상생활에서도 빛의 직진과 관련된 현상은 많이 볼 수 있습니다. 자동차의 전조등, 레이저, 틈으로 들어오는 햇빛 등이 있습니다. 

 

 빛이 직진하다가 어떤 물체를 만나게 되면 물체의 표면에서 방향이 꺾여 되돌아 나오게 되는 데 이러한 현상을 빛의 반사하고 합니다. 우리가 매일 보는 거울도 빛의 반사를 볼 수 있는 도구입니다. 

 이러한 빛의 반사에는 정반사와 난반사가 있습니다. 정반사는 거울의 면, 금속의 면, 유리면과 같이 매끄러운 면에서 빛이 반사될 때에 반사된 빛이 일정한 방향으로 나가는 반사를 말합니다.

 

 빛이 직진하다가 어떤 물질의 경계면에서 진행 방향이 이는 현상을 빛의 굴절이라고 합니다. 앞에서 빛은 물질의 경계면에서 반사된다고 이야기를 했다가 이번엔 굴절된다고 하는 것일까요?  빛은 공기 중에서 직진하다가 물, 유리와 같은 다른 성질의 매질을 만나면, 두 매질의 경계면에서 반사도 일어나지만, 그 일부는 굴절되어 매질 속으로 들어가게 됩니다. 이때 빛은 직진하는 방향으로 들어가지 못하고 꺾여 들어가게 되는데 이는 다른 매질을 만나 빛의 속도가 달라지기 문입니다. 

 빛의 속도는 진공에서는 약 30만km/s 이고, 빛이 공기에서 다른 매질(물, 유리 등)로 들어가면, 경계면에서 일부는 반사되고 매질 속으로 들어간 빛은 속도가 느려져 아래로 이게 됩니다.

빛의 굴절의 예로는 렌즈(안경, 돋보기 등), 망원경, 빨대가 물속에서 꺾여 보이는 현상, 수영장 물속에서 다리가 더 통통해 보이는 현상이 있습니다.

 

2. 광섬유 

광섬유는 직진하는 빛을 섬유 안에서 굴절하게 하여 원하는 곳까지 멀리 이동하게 해주는 가늘고 긴 관입니다.  광섬유가 중간에 휘어지더라도 빛의 굴절에 의해 휘어진 길을 따라 빛이 끝까지 이동하게 됩니다.

 

광섬유는 빛을 멀리까지 어떻게 전달하는 것일까요? 

 광섬유 안 중심에는 둥근 모양의 코어가 들어 있고 그 주변을 클래딩이 감싸고 있습니다. 코어는 굴절률이  크고, 클래딩은 굴절률이 낮 굴절률이 높은 코어에서 굴절률이 낮 클래딩으로 빛이 진행하게 되면, 그 경계면에서 빛은 100% 반사가 일어납니다. 빛을 광섬유 한쪽 끝에다가 쏘면 광섬유 안으로 빛이 들어가게 됩니다. 광섬유 안의 코어 통과한 빛은 클래딩에 부딪는데 그러며 래딩은 빛을 안쪽으로 반사시켜 코어로 보내고, 이렇게 코어에서  클래딩으로 또다시 클래딩에서 코어로 계속 반사되며 빛을 섬 끝까지 전달하게 됩니다.

광섬

3. 광섬유는 어디에 이용될까요?

1. 조명

 괌성유로 만든 조명은 보통의 다른 조명과 다르게 특별한 효과를 낼 수 있습니다. 광섬유를 길게 아래 떨어트려 비가 내리는 것 같은 조명을 만들 수 있고, 분수 물줄기 같은 조명을 만들기도 합니다.

 

2. 의료용 내시경

우리가 병원에 가서 몸속  내장의 건강상태를 의사에게 진료받을 수 있는 것은 광섬유 덕분입니다. 내시경은 내장 속을 들여다보는 도구로 한쪽 끝에는 광섬유로 연결된 카메라나 확대경이 달려있습니다. 의사는 내시경을 내장 안에 넣고 휘어진 내장을 따라가며 카메라가 내장의 안을 화면으로 보여줍니다.

 

3. 광케이블

우리는 멀리 떨어진 전 세계의 사람들과 실시간으로 소통할 수 있습니다. 이것은 나라와 나라  설치된 케이블 덕분입니다. 멀리 떨어진 지역 간에는 바다 밑에 설치된 해 케이블을 이용해서 통신합니다. 최초의 해저 케이블은 전기가 잘 통하는 구리선을 사용했습니다. 구리선 위를 고무와 납으로 감쌌습니다. 그러나 먼 거리를 구리선을 따라 전송되던 신호는 케이블 밖으로 송출되었습니다. 이렇게 신호가 중간에 사라지니 장거리의 전화 등은 자꾸 끊길 수에 없었고 해저에 있는 케이블이 물고기의 공격을 받거나 사람의 실수로 잘리는 일이 생겨 고장 나는 일이 많았습니다. 그 후에 광섬유를 여러 가닥으로 묶은 광케이블이 개발되었습니다. 광섬유는 내부에서 전반사가 일어나 에너지 손실이 없어 장거리도 신호를 빠르게 전달 할 수 있습니다.  하지만 광케이블에도 단점이 있는데 보수가 힘들다는 점입니다. 문제가 생기면 전체를 다 들어낸 후 새로 구축해야 합니다.