[별별 과학] 레인 센서의 원리, 전반사

빗길에 운전하다 보면 강우량에 따라 와이퍼 속도를 조절해야 하는데 번거로울 때가 많다. 하지만 요즘 고급 사양의 자동차에는 자동으로 속도가 조절되는 와이퍼가 장착되었다. 자동차 유리창에 내리는 빗물의 양을 어떻게 감지해서 와이퍼를 조절할까? 여기에는 빛의 굴절률을 이용한 광학 센서가 사용된다. 빛은 물체 속을 진행할 때 속도가 느려진다. 빛이 물체의 분자들에 흡수되었다가 방출되는 현상이 반복되면서 정체되기 때문이다. 물체 별로 빛의 통과 속도는 다르며 속도가 느려진 비율이 그 물체의 굴절률이다. 빛이 유리를 지나갈 때는 진공보다 1.5배 느린 초속 20만㎞이고, 유리의 굴절률은 1.5가 된다.

굴절률이 다른 두 물체를 빛이 통과할 때는 그 경계면에서 반사하기도 하고 굴절되어 투과하기도 한다. 반사하는 빛의 양, 즉 반사율은 두 물체 사이의 굴절률 차이와 빛이 경계에 입사하는 각도에 따라 달라진다. 표면에 비스듬하게 입사할수록 반사율이 높아지고 투과율은 낮아진다. 특히, 굴절률이 큰 물질에서 작은 물질로 어느 정도 비스듬하게 입사할 때는 경계면이 마치 완벽한 거울처럼 전체를 반사하는 현상이 발생한다. 예를 들어, 물속에서 물고기를 수중 촬영하면, 물 표면이 물고기를 전부 반사하여 마치 거울처럼 보인다. 이를 ‘전반사 현상’이라고 한다. 레인(雨滴) 센서는 차량 안에서 LED 빛을 유리창에 전반사가 일어나도록 비스듬하게 쏘아주고 반사되어 돌아오는 빛을 감지한다. 만약 비가 내리면, 빗물과 접촉한 유리창 경계면에서 전반사 조건이 틀어지고 반사광 세기가 줄어든다. 빗물이 많이 내릴수록 전반사되는 영역이 줄어들어 반사광 세기는 더 약해진다. 레인 센서는 이를 감지해서 와이퍼 속도를 조절한다. 광통신도 전반사 현상을 이용한 기술이다. 광섬유 내부에서 전반사가 일어나 광신호를 먼 거리까지 전달할 수 있다. 전 세계를 초고속 인터넷 망으로 연결할 수 있는 원리다.

이남영 과학칼럼니스트



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