유리가 투명한 이유

투명과 불투명

일반적으로 투명이란 어떠한 물체가 가시광선의 거의 모든 파장의 빛, 혹은 일부 파장의 빛을 투과해, 물체의 반대쪽을 볼 수 있는 상태를 말합니다. 예를 들어 무색 투명한 유리는 가시광선의 거의 모든 파장의 빛을 투과한다. 한편 색유리와 같이 가시광선의 일부 파장의 빛 밖에 투과하지 않는 것은 투명합니다만 색깔이 있는 것처럼 보입니다. 물체가 투명하기 위해서는 물체의 표면이나 내부에서 가시광선이 산란하지 않는 것, 그리고 가시광선이 물체를 구성하는 물질에 흡수되지 않고 투과하는 등의 조건이 필요합니다. 예를 들어 투명한 유리의 표면에 미세한 흠집을 넣으면 빛이 흠집에서 산란(난반사)하기 때문에 불투명한 연마 유리가 됩니다. 또한 유리 내부에 작은 미립자를 많이 분산시키면 빛이 미립자로 산란하기 때문에 불투명해집니다.

유리가 투명한 이유

고체에는 많은 원자와 분자가 규칙적으로 결합한 결정체와 불규칙하게 결합하여 결정을 만들지 않는 비정질(비결정성 고체)가 있습니다. 고체 물질의 대부분은 작은 단결정이 많이 모여 만들어진 다결정체입니다. 다결정체에는 결정립계라고 불리는 결정립의 경계가 있습니다. 결정립계의 크기가 빛의 파장과 같거나 그 이상이면 빛이 결정립계에서 산란하기 때문에 불투명해집니다. 한편, 결정을 만들지 않는 비정질은 결정립계가 없기 때문에 빛의 산란은 일어나지 않습니다. 유리는 결정 구조가없는 비정질입니다. 주성분의 이산화규소(SiO2)가 그물 모양으로 결합된 구조를 하고 있으며, 그 모습은 고체라고 하는 것보다 액체에 가까운 상태입니다. 이러한 상태에서는 결정립계가 존재하지 않기 때문에 빛은 산란하지 않습니다. 그리고 가장 중요한 것은 이산화규소가 빛을 흡수하지 않는다는 것입니다. 아무리 비정질이라도 물체를 구성하는 물질이 빛을 흡수하는 성질을 가지고 있으면 무색 투명하게 되지 않습니다. 보통 판유리는 무색 투명하게 보이지만 유리의 가장자리를 잘 보면 녹색으로 보입니다. 이것은 판유리에 포함되어 있는 불순물이 빛을 흡수하기 때문입니다. 유리가 얇은 경우는 흡수되는 빛의 양이 적기 때문에 무색 투명하게 보입니다만, 유리가 두꺼워지면 흡수되는 빛의 양이 늘어나기 때문에 색이 있는 것처럼 보입니다. 사진은 두께 1.5cm의 유리 1장일 때(오른쪽)와 2장을 겹쳤을 때(왼쪽)의 빛의 투과의 모습을 비교한 것 입니다. 2장 겹친 왼쪽이 어두워지고 있습니다. 두께가 1m가 되면 완전히 어두워지고 반대쪽이 보이지 않게 됩니다.

빛을 멀리 전송해야 하는 광섬유에는 고순도의 석영으로 만든 유리가 사용됩니다. 석영 유리는 매우 투명도가 높고 빛의 신호를 거의 감쇠시키지 않기 때문에 100km 이상 멀리까지 전달할 수 있습니다. 플라스틱 광섬유는 수십 미터까지만 빛의 신호를 전송할 수 있습니다.

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투명한 플라스틱과 크리스탈

용융된 액체를 냉각했을 때, 유리와 마찬가지로 결정화하지 않고 굳어진 상태를 유리 상태라고 합니다. 플라스틱에도 유리 상태인 것이 있습니다. 익숙한 예로는 슈퍼나 편의점의 폴리에틸렌이라는 플라스틱으로 만들어진 봉투가 있습니다. 이 봉투에는 투명한 것과 불투명한 것이 있습니다. 투명한 것은 폴리에틸렌이 결정 구조를 취하지 않습니다. 불투명한 것은 봉투의 강도를 올리기 위해 폴리에틸렌을 부분적으로 결정화시키고 있습니다. 또, 아크릴 수지에는 비정질로 투명도가 높아 안경의 렌즈 등 유리 대신에 사용되는 것도 있어 이를 유기 유리라고 부르기도 합니다. 다이아몬드를 비롯한 많은 보석은 결정체입니다. 그러나 보석은 하나의 결정으로 이루어진 단결정으로 결정립계가 없기 때문에 빛이 산란하지 않습니다. 다이아몬드와 수정은 가시광선의 거의 모든 파장의 빛이 투과하기 때문에 무색 투명합니다. 유리에도 굳이 결정화시킨 것도 있습니다. 나노 테크놀로지를 사용하여 결정립계를 빛의 파장보다 작게하여 투명하게 하는 기술이 사용되고 있습니다. 결정 구조를 가지고 있기 때문에 엄밀하게는 유리라고는 할 수 없지만 결정화 유리라고 불립니다. 결정화 유리에는 대표적으로 내열 유리가 있습니다. 조리 기구나 식기, 내열성을 필요로 하는 건축재료나 인테리어, 액정 패널이나 플라즈마 디스플레이에 사용되고 있습니다. 마찬가지로 다결정 세라믹을 투명화한 투광성 세라믹도 있습니다. 굴절률이 높기 때문에 렌즈 등에 사용되고 있습니다.

빛은 무색 투명 물질을 빠져나갈 뿐인가?

빛이 무색 투명 물질을 통과하면 빛의 속도가 떨어집니다. 이것은 빛이 물질과 상호 작용한다는 것을 의미합니다. 예를 들어 빛이 유리를 통과할 때 빛은 유리 분자와 부딪칩니다. 이 때 유리 분자의 전자는 빛의 에너지를 받지만 곧 빛을 방출합니다. 방출된 빛은 다른 전자가 받지만 전자는 다시 빛을 방출하는 과정이 반복됩니다. 이 때문에 빛의 속도가 진공중보다 느려집니다만, 빛은 유리 속에서 전파되며 전진해 갑니다. 무색 투명한 유리에서는 가시광선의 모든 파장의 빛이 같은 상태가 됩니다. 이것이 빛이 유리를 통과하는 방식입니다. 무색 투명한 물질에서는 같은 일이 일어나고 있습니다. 흡수된 빛이 어떻게 되는지는 물질에 따라 달라지지만, 종종 열에너지가 되어 손실됩니다. 물질에 따라서는 형광이나 인광으로서 재방출하는 것도 있습니다만, 잃어버린 만큼은 열에너지가 됩니다.