페이지_ 화상학회 19권 2호_최종-1.pdf1.48MB

1. 서 론

 회절 현상은 분광학의 핵심 내용으로, 빛에만 국한되지 않고 음파, X선, 라디오파 등 전반적인 과학 분야에 걸쳐 다루어진다. 흔히 우리 생활 주변에서 나타나는 회절 현상으로 CD와 DVD 뒷면에 나타나는 무지개 색깔을 언급하는데, 이는 정성적으로 판단한 것으로 정량적으로 CD와 DVD의 회절 성능을 파악하는 경우는 드물다.

 따라서 본 연구에서는 CD와 DVD의 기본적인 구조를 파악하여 회절격자와의 공통점을 알아보고, 나아가 CD와 DVD의 회절격자로서의 성능을 회절격자와 비교하여 측정하였다. 실험에 사용된 광원인 Ar-ion 레이저는 동시에 457.9 nm, 488 nm 및 514.5 nm 등 다양한 파장을 발진시킨다. 입사된 빔은 CD나 DVD의 트랙에 의해 회절 되어, 1차 회절 광 내에서 파장에 따른 광 분포를 나타내기 때문에 본 실험에 적합하다. 기록 전의 CD와 DVD, 기록 후의 CD와 DVD, 회절 성능 비교를 위한 회절격자가 샘플로 활용되었다.

 CD, DVD 또는 회절격자에 의한 1차 회절광 내에서, 파장에 따른 광 분포의 세기를 측정하여 각각의 회절 성능을 파악하고, 이를 정량적으로 비교 분석하였다.

2. 이 론

광학에서 회절은 파동이 장애물이나 좁은 틈을 통과할 때 그 뒤로 파가 퍼지면서 진행하는 현상이다.^[1] 회절 현상은 슬릿 또는 회절격자와 같이 촘촘한 틈에서 발생하는 것으로, 음파나 물결파와 같은 다른 파동 또한 구멍 또는 날카로운 모서리를 통과할 때, 이와 같이 퍼지는 성질을 갖고 있다.^[2] 모든 슬릿으로부터 파동이 슬릿을 떠날 때는 위상이 동일하다고 가정할 수 있다. 그러나 수직 방향으로부터 θ만큼 기울어진 임의의 방향으로 향하는 파동은 스크린에 도달하기 전에 각각 다른 경로를 지나게 된다. 슬릿의 간격이 d라면 경로차는 d = sinθ 가 되고 따라서 간섭 무늬의 세기가 최대가 되려면 Eq. (1)과 같은 조건을 만족해야한다.

 여기에서 λ는 광의 파장을 의미한다.

 Fig. 1의 입사각과 회절각을 활용하여 Eq. (2)와 같이 슬릿의 간격 a를 구할 수 있다.

Figure 1. Slit spacing according to incidence angle and diffraction angle. θ_i : incidence angle, θ_m : diffraction angle.

 여기에서 슬릿의 간격 a의 역수는 단위 길이당 슬릿의 개수, 즉 Groove 수가 된다.^[3]

CD와 DVD 역시 회절현상이 나타나는데 그 원인은 회절격자와 유사한 구조에 기인한다.^[4-7] CD와 DVD의 표면에는 하나의 트랙이 파여 있으며, 이 트랙은 CD의 안쪽으로부터 바깥쪽으로 돌아나간다. 따라서 트랙과 트랙 사이에는 높이 차이가 있는 구조를 보인다.^[8-10] Fig. 2는 SEM으로 측정한 CD와 DVD의 표면이미지이고, Table 1은 Fig. 2를 정리한 것이다. DVD의 경우, 내부에서도 기록할 수 있는 2중구조 이므로 내부 표면과 외부 표면을 모두 관찰하였다. 

Figure 2. Surfaces of CD and DVD obtained by SEM.

Table 1. Informations of CD and DVD in Fig. 2.

Fig. 2를 보면 기록 후 CD와 DVD의 표면에는 흠집이 난 격자구조가 나타나고, 기록 전 CD와 DVD의 표면에는 흠집 없이 일정한 격자구조가 나타나는 것을 알 수 있다. 

Fig. 3은 SEM으로 측정한 CD와 DVD의 단면으로, 트랙의 상태를 확인할 수 있다. (a)는 기록 전 CD의 트랙이고, (b)는 기록 후 CD의 트랙으로, 두 그림을 비교해보면 (b)의 트랙에는 홈이 패인 것을 볼 수 있다. 이 홈은 CD에 저장된 정보로 열에 의해 트랙이 일정하게 패인 것이다. 기록 전 DVD의 트랙 (c)와 기록 후 DVD의 트랙 (d)를 비교해 보면, 기록 전 트랙의 상태에 비해 기록 후 트랙은 홈이 패인 것 이외에도 기록되는 과정에서 열에 의해 트랙이 녹아 트랙의 높이가 낮아진 것을 볼 수있다. 기록 과정에서 발생하는 홈, 흠집, 열에 의한 표면 변화와 이에 따른 CD 또는 DVD의 반사율 변화 등은 회절 성능을 저하시킬 것으로 예상된다. 

Figure 3. Cross section of CD and DVD obtained by SEM. (a) Unwritten CD, (b) Written CD, (c) Unwritten DVD, (d) Written DVD.

Fig. 4는 백색광이 입사될 때 CD 또는 DVD가 회절격자로 작용하는 것을 나타낸 것이다. 백색광은 모든 파장의 빛으로 이루어져 있으므로, 각각의 파장에 따라 회절각이 다양하게 발생한다. 이로 인해 CD와 DVD의 표면을 눈으로 볼 때 회절광이 무지개 색으로 보이게 된다.^[11]

Figure 4. A diffraction from the surface of CD and DVD.

3. 실험

 Fig. 5는 CD(CD-R 52x, Millenium)와 DVD(DVD-R16x, Imation)의 트랙에서 발생하는 회절무늬를 정량적으로 측정하기 위한 실험 장치도를 나타낸 것이다.

Figure 5. A schematic diagram for quantitative measurement of diffraction patterns from CD and DVD.

457.9 nm, 488 nm 및 514.5 nm등 다양한 파장이 동시에 발진하는 Ar-ion 레이저(Stellar-PRO, Modu- Laser)는 렌즈를 통과한 후 평행광이 되어 샘플에 도달하여 회절된다. 회절광을 검출할 때 노이즈를 제거하기 위해 지름 0.3 cm 구멍을 낸 가림막을 검출기 앞에 고정시켰다. 샘플에 의해 발생된 회절광들은 마이크로미터가 부착된 검출기에 의해 측정되었으며, 이 때 검출기를 10 μm 단위로 이동시키면서 광세기를 검출하였다.

 Fig. 6은 Ar-ion 레이저에서 발진한 광이 회절격자에 의해 발생한 0차 회절광 및 1차 회절광의 분포를 나타낸 것이다. 1차 회절광 내에서도 발진하는 광원의 파장에 따른 회절광의 분포가 발생했다. 본 실험은 1차 회절광 내에 발생한 회절각와 광세기를 분석하여 샘플의 성능을 판단하였다.

Figure 6. 0-order and 1st-order diffracted beam by grating.

4. 실험 결과 및 논의

 Table 2는 실험에 샘플로 활용된 CD, DVD 및 회절격자(Grating-047886, Edmund)의 정보를 정리한 것이다.

Table 2. Informations of the samples.

실험을 통하여 각 샘플들의 입사각, 1차 회절각을 구하였고, 이 결과를 Eq. (2)에 적용하여 격자 간격과 groove수를 도출하여 Table 3에서 정리하였다. 

Table 3. Informations relating diffraction of the sample.

회절격자인 샘플 (a)와 기록하기 전 DVD인 샘플 (b), 기록하기 전 CD인 샘플 (e)의 격자 간격을 비교해보면 DVD가 가장 좁은 격자 간격을 보였다. 샘플 (b)와 (c), 그리고 샘플 (e)와 (f)를 비교해보면 기록 전과 기록 후의 트랙간격은 크게 변화가 없다. 샘플 (d)의 DVD 격자 간격이 (c)와 차이가 나는 것은 금속 필름을 제거하면서 손상이 발생한 것으로 생각된다.

 Fig. 7은 회절격자와 DVD의 1차 회절광 내의 광 분포와 광세기를 비교한 것이다. 샘플마다 1차 회절광 내의 회절각의 범위가 다르므로 최초의 피크가 나타나는 457.9 nm에 의한 회절광을 기준으로 거리에 따른 광세기를 측정하였다. 따라서, 457.9 nm 회절광의 피크와 마지막 피크파장인 514.5 nm 회절광과의 거리가 멀수록 회절각이 크다는 것을 알 수 있다. 샘플 (b)의 457.9 nm에 의한 회절광의 세기가 38 μW로 다른 광에 비해 강하면서도, 가우시안 형태로 회절무늬가 나타난다. 이와 유사하게 다른 피크에서의 회절광 역시 샘플 (b)에서 강하게 나타난다. 또한, 샘플 (b)는 x축 상으로 가장 넓게 분포하여 회절각 또한 큰 것을 알 수 있다. 샘플 (c)의 경우 (b)와 동일한 DVD 제품에도 불구하고, DVD에 정보가 기록되었다는 차이로 낮은 회절성능을 보이고 있다. 이는 기록이 되는 과정에서 발생하는 홈 이외에도 흠집 또는 열에 의해 트랙의 표면이 녹는 등 회절 성능을 저하시킨 것으로 판단된다. Fig. 8은 회절격자와 CD의 회절무늬를 비교한 것으로, 샘플 (e)의 경우 샘플 (a)에 비해 강한 회절광이 나타나지만, 상대적으로 회절각이 좁았다.

Figure 7. A comparison graph of the diffraction patterns by grating and DVD samples.

Figure 8. A comparison graph of the diffraction patterns by grating and CD samples.

 Table 4는 Fig. 7과 Fig. 8에 나타난 각 샘플들이 457.9 nm 광에 의해 발생한 회절광의 Full Width at Half Maximum (FWHM)과 첫 번째 피크와 두 번째 피크의 거리를 정리한 것이다. 샘플 (a)와 (b)는 약 330 μm의 FWHM으로 다른 샘플에 비해 FWHM이 넓고, 첫 번째 피크와 두번째 피크의 거리는 샘플 (b)가 980 μm로 큰 회절각을 보였다. 이를 통해 샘플 (b)인 DVD가 회절격자인 샘플 (a)에 비해 회절 성능이 우수한 것으로 판단할 수 있다. 한편, 샘플 (c)와 (d)의 결과를 보면 같은 DVD라도 기록을 하거나 금속필름을 제거하면 DVD 표면의 격자를 손상시키므로 회절성능에 부정적인 영향을 끼치는 것으로 판단된다. CD인 샘플 (e)와 (f)는 다른 샘플에 비해 전체적으로 매우 좁은 회절각을 보였다. 대부분의 샘플들이 회절에 의해 5개의 피크를 나타내는데 비해, 샘플 (e)는 피크가 서로 겹치는 것으로 생각된다. 그 결과 샘플 (e)에서는 FWHM과 두 피크 사이의 거리를 정량적으로 구할 수 없었다.

Table 4. FWHM of 1st peak, and distance between 1st peak and 2nd peak.

5. 결론

 본 연구에서는 CD와 DVD, 회절격자의 회절무늬를 정량적으로 비교 및 분석하였다. 그 결과 좁은 회절간격을 가진 DVD가 가장 넓은 회절각과 가우시안 형태의 강한 회절광을 보였다. 같은 DVD도 기록하기 전의 DVD에 비해 기록된 DVD의 경우 표면에 홈이 패이고, 흠집이 생겨 회절각이 작아지고, 회절광도 약해져 활용 가능성이 떨어졌다. 값비싼 회절격자보다 주변에서 쉽게 구할 수 있는 저렴한 DVD가 우수한 회절 성능을 보인 것은 회절격자로 DVD의 활용 가치에 대해 다시 고려해야 할 부분이다. 따라서, 실험실 내의 정교한 실험이 아닌 교육 목적으로 회절현상을 파악 하는데 있어 비용이 저렴하고, 쉽게 구할수 있으며, 보다 넓은 회절각과 강한 회절광을 보이는 DVD의 활용성이 높을 것으로 생각된다.

Acknowledgement

 본 연구는 2012년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. 2012R1A1A2044140).