귀금속 보석공예사, 보석디자인 전공 등 보석 감정사 요점 정리 16. 반사와 굴절

16. 반사와 굴절

 

빛은 이동하면서 성질이 다른 매질을 만나면 방향이 꺾이기도 하고, 뒤로 되돌아 나
오기도 하고, 진행을 방해하는 벽을 만나면 벽을 에워싸고 돌아가기도 하고, 두 개의 파
동이 만나면 두 파동이 섞여서 새로운 모양을 만들기도 한다.

(1) 반사의 정의
빛이 물체 표면에 도달하면 일부는 흡수 또는 투과하고, 일부는 되돌아온다. 이와 같
이 빛의 일부가 물체의 표면으로부터 되돌아오는 현상을 반사(反射, reflection)라고 한
다. 이때에 물체의 표면이 매끈할수록 빛의 반사가 많아짐으로 반사의 효과는 커진다.
빛이 반사되는 면에 수직인 가상의 선을 법선이라 부른다. 그리고 면에 도달하는 빛
을 입사광, 반사되어 면을 떠나는 빛을 반사광, 입사한 빛이 매질 안에서 굴절되는 빛을
굴절광이라 부르고, 입사광선, 반사광선, 굴절광선이 법선과 이루는 각을 각각 입사각,
반사각, 굴절각이라 부른다. 반사가 일어날 때에는 입사각과 반사각이 항상 같으며, 입
사광선과 반사광선은 항상 같은 평면 내에 있다[그림 2-17].

입사각, 반사각, 굴절각

 

(2) 반사의 효과
1) 광택
① 광택의 정의
광택(光澤, luster)은 보석의 표면에서 빛이 반사될 때 육안으로 보여 지는 상태 또
는 느낌을 말한다. 반사된 빛의 양은 입사각에 따라서 다르며, [그림 2-18]에서 보
듯이 입사각(i)이 크면 클수록 반사된 빛의 양은 커지고 보석으로 굴절되어 진입하
는 굴절된 빛의 양은 적어진다. 반대로 입사각이 작아지면 반사된 빛의 양은 작아
지고 보석으로 굴절되어 진입하는 굴절된 빛의 양은 많아진다. 광택은 보석의 다
양한 성질 중 굴절률, 경도, 표면의 연마상태 그리고 빛이 흡수되는 양에 따라 크게 좌우된다.

 

② 광택의 분류
보석의 광택은 크게 금속광택과 비금속광택으로 나눈다. 금속광택의 대표적인 보
석으로 헤마타이트가 있으며, 그 밖에 대부분의 보석은 비금속광택을 보인다. 그
리고 비금속광택은 금강광택, 아금강광택, 유리광택, 지방광택, 수지광택, 진주광
택, 견사광택 등으로 세분된다[그림 2-19].
㉮ 금속광택(metallic luster : Metal) : 보석의 표면에 반사된 빛이 금속의 반사광처
럼 나타나는 광택이며, 헤마타이트와 파이라이트에서 나타난다.
㉯ 금강광택(adamantine luster : Adam) : 잘 연마된 다이아몬드에서 반사광이 보
이는 것과 같은 광택이며, 굴절률과 경도가 높은 보석에서 볼 수 있다.
㉰ 아금강광택(sub-adamantine luster : S-adam) : 금강광택에 가까운 광택을 보이
며, 지르콘과 데만토이드 가닛, 스핀 등 굴절률이 높은 보석에서 볼 수 있다.

㉱ 유리광택(vitreous luster : Vit) : 유리와 같은 표면 외관을 가진 보석에서 나타나
는 광택으로, 루비, 사파이어, 에메랄드, 수정 등 가장 많은 보석들에서 볼 수 있는 광택이다.
㉲ 아유리광택(sub-vitreous luster : S-vit) : 유리광택에 가까운 광택을 보이고 표면
이 약간 그리시(greasy) 할 수 있으며, 오팔, 문스톤, 로도나이트 등에서 볼 수 있다.
㉳ 지방광택(greasy luster : Gre) : 표면에 기름기가 있는 것처럼 보이거나 기름을
바른 것처럼 보이며, 반사광은 밝지만 날카롭지 못하다. 일반적으로 비취나 연옥에서 보인다.
㉴ 수지광택(resinous luster : Res) : 반사광이 날카롭거나 밝지는 않으며, 일반적으
로 호박과 같이 낮은 굴절률을 가진 보석들에서 보인다.
㉵ 왁스광택(waxy luster : Wx) : 표면이 왁스나 손톱에서 나타나는 반사광과 비슷
하게 희미하고 흐릿하게 보이며, 대표적인 보석으로 산호와 터키석이 있다.
㉶ 진주광택(pearly luster : Prl) : 구조적 특징에 의해서 생기는 광택으로서, 일반적
으로 진주와 셸에서 볼 수 있다.
㉷ 견사광택(silky luster : Sky) : 광택은 밝으나 확산되어 보이며, 방향성이 있는 실크
구조로 인해 여러 효과를 유발한다. 일반적으로 호안석과 혹스아이에서 볼 수 있다.
㉸ 둔한광택(dull luster : Dl) : 반사광이 매우 희미하고 흐리며 연마가 되지 않았거
나, 좋지 않을 경우, 표면이 지나치게 마모된 보석에서 보인다.

헤마타이트-금속광택

다이아몬드-금강광택

스핀-아금강광택

사파이어-유리광택

2) 윤
윤(sheen)은 광택의 범주로서 일부 보석의 표면 바로 아래에서 발생하는 반사의 현상
으로 실키와 펄리로 구분한다.
① 실키(silky)
광택은 밝으나 확산된 효과를 보이며, 실크 또는 방향성 구조가 실크나 공단 같은
직물과 비슷한 윤을 유발한다. 일반적으로 옵시디언, 호안석,아마조나이트에서 볼
수 있다.
② 펄리(pearly)
구조적 특징에 의해서 생기는 윤기로서, 빛이 보석의 얇은 층들과 부딪쳐 일어난
다. 일반적으로 문스톤, 진주에서 볼 수 있다.

옵시디언

문스톤

 

(3) 굴절
굴절(屈折, refraction)이란 빛이 광학밀도가 서로 다른 두 매질을 통과할 때 빛의 진
행방향이 변하는 것을 말한다. 다시 말해 진행하던 빛이 새로운 매질을 만나면 매질의
속성이 달라지기 때문에 빛의 속도도 달라진다. 먼저 도달한 빛과 나중에 도달한 빛 사
이의 속도 차이 때문에 빛은 새로운 매질에서 경로가 꺾이는 현상을 빛의 굴절이라 한
다. 단 입사광이 경계면의 90° 위치에서는 모든 빛이 밀도가 큰 매질에 동시에 도달하므로 굴절이 일어나지 않는다. 굴절의 법칙은 [그림 2-23]에서 설명되는 스넬의 법칙을 통해 설명할 수 있다.

공기 중의 굴절(a)과 물 속에서의 굴절(b)

 

지르콘에서 나타나는 더블링

1) 스넬의 법칙
빛이 공기 중에서 물로 들어가는 것처럼 한 매질에서 다른 매질로 진행할 때 꺾이는
이유는 두 매질에서의 빛의 속도가 다르기 때문이다. 입사각과 굴절각은 두 매질에서의
빛의 속도에 비례하며, 일정한 물질에 대해서는 일정한 값(굴절률)을 갖는데 이를 스넬
의 법칙(snell’s law)이라 하며, 스넬의 법칙에서 다음과 같은 사실을 알 수 있다.
① 빛이 광학적으로 소한 매질에서 밀한 매질로 들어가면 빛은 법선을 향해 굴절하며
굴절각은 입사각보다 작다.
② 빛이 광학적으로 밀한 매질에서 소한 매질로 들어가면 빛은 법선에서 멀어지게 굴
절하며 굴절각은 입사각보다 항상 크다.

굴절의 법칙(스넬의 법칙)

2) 전반사와 임계각
밀도가 밀한 매질(굴절률이 높은 물질)에서 소한 매질(굴절률이 낮은 물질)로 빛이 진
행하다가 두 경계면에서 굴절률이 작은 매질로 굴절하지 않고 굴절률이 큰 원래의 매질
로 다시 돌아오는 현상을 전반사라 부르고, 전반사가 일어나기 시작하는 입사각을 임계
각이라 한다.
① 임계각
[그림 2-24]에서 보는 바와 같이 빛이 밀도가 높은 물질에서 낮은 물질로 들어갈
때는 네 가지 경우가 있다. ①과 같이 면에 수직한 선과 평행으로 입사한 빛은 그
대로 통과하며, ②와 ③의 진로로 빛이 입사하면 굴절 법칙에 의하여 외부(밀도가
작은 물질)로 굴절된다. 그러나 ③보다 더 큰 입사각으로 빛이 입사하면 ④와 같이
빛이 굴절하지 못하고 빛의 전부가 내부로 반사하며, 전반사가 최초로 시작되는
굴절각이 90°일때의 입사각을 임계각(臨界角, critical angle)이라 한다.

임계각

주요 보석의 굴절률과 임계각

보석명	굴절률	임계각(°)
합성 루틸	2.62 - 2.90	22.5
다이아몬드	2.42	24.5
지르콘	1.92 - 1.98	31.5
Y.A.G.	1.83	32.5
커런덤	1.76 - 1.77	34.5
합성 스피넬	1.73	35.5
토파즈	1.61 - 1.62	38.0
베릴	1.57 - 1.58	39.3
수정	1.54 - 1.55	40.3

임계각은 보석의 굴절률과 반비례 관계가 있으며, 굴절률이 높을수록 임계각은 작아
진다. 그리고 임계각이 작아지면 내부 전반사가 많이 일어나 보석의 내부에서 나오는
빛의 휘광성이 좋아진다.
② 전반사
빛이 광학적으로 밀한 매질(굴절률이 높은 물질)에서 소한 매질(굴절률이 낮은 물
질)로 입사할 때, 입사각이 특정 각도(임계각) 이상이면 그 경계면에서 빛이 굴절
하지 않고 전부 반사되는 현상을 전반사(全反射, total reflection)라 한다. [그림
2-25]를 보면 세 보석의 빛의 입사각은 같지만, 그 중 다이아몬드에 입사되는 빛은
임계각 범위 밖에서 입사하여 외부로 굴절시키지 못하고 다시 보석 내부로 전반사
되는 반면에, 스피넬과 수정은 빛이 임계각 범위 안으로 입사하여 외부로 굴절시키
는 현상을 볼 수 있다. 보석용 굴절계는 이러한 전반사의 원리를 이용해 굴절률 측
정이 가능하다.

 

임계각에 따른 굴절과 반사

3) 반사도 측정기
보석의 반사도와 굴절률은 서로 상관관계가 있기 때문에, 보석의 반사도를 측정하
여 보석을 감별하는데 이용한다<표 2-7>. 보석의 연마된 면에 적외선 방출 다이오드
(diode)를 입사광원으로 사용하여 빛을 입사한 후 다시 반사되어 나오는 광량을 측정한
후 조견표의 수치와 비교하여 보석을 감별하는데 이용된다. 특히 이 방법은 굴절률이 높
아 일반 보석용 굴절계로는 굴절률을 측정할 수 없는 경우에 더욱 유용하게 사용이 된다.
[ 표 2-7 ] 주요 보석의 반사도와 굴절률

보석명	반사도(°)	굴절률
합성 모이사나이트	69.0-69.3	2.648-2.691
합성 루틸	68.2-70.2	2.616-2.903
다이아몬드	67.4	2.417
C.Z.	64.8-65.1	2.150
G.G.G.	62.9	1.970
지르콘	62.0-63.0	1.925-1.984
Y.A.G.	61.2	1.833
커런덤	60.3-60.4	1.762-1.770

반사(反射, reflection) - 빛의 일부가 물체의 표면으로부터 되돌아오는 현상 굴절(屈折, refraction) - 파동이 서로 다른 매질(媒質)의 경계면을 지나면서 진 행방향이 바뀌는 현상 임계각(臨界角, critical angle) - 굴절률이 높은 물질에서 낮은 물질로 빛이 입 사할 때, 입사각이 점점 커져 굴절각이 90°가 될 때의 입사각 전반사(全反射, total reflection) - 굴절률이 높은 물질에서 낮은 물질로 빛이 진행할 때, 특정 임계각보다 큰 입사각으로 입사한 빛이 굴절하지 않고 모두 반 사되는 현상

(4) 굴절률
굴절률(屈折率, refraction index : RI)은 공기 중에서의 빛의 속도와 어떤 물체 속에
서의 빛의 속도와의 비율이며, 다음 식으로 표현할 수 있다. 그리고 이 비율은 빛이 공
기 중에서 어떤 물체로 입사한다고 가정할 때, 입사각과 굴절각의 sine값의 비율과도 일치한다.

 

예를 들자면, 빛의 속도가 공기 중에서 약 300,000km/sec이고, 루비 안에서는 약
170,000km/sec이다. 따라서 루비의 굴절률은 300,000/170,000 = 약 1.76임을 알 수
있다. 보석은 각각 고유의 굴절률을 지니고 있는데<표 2-8> 빛의 전반사 원리를 이용
한 보석용 굴절계를 통해 굴절률을 측정할 수 있으며, 일반 보석학적 감별에 있어 매우
중요한 검사 과정이다.

(5) 단굴절과 복굴절
보석에 입사한 빛은 보석의 결정 구조와 방향에 따른 광학 밀도의 차이로 인하여 입
사한 빛이 굴절되는데, 빛이 한 방향으로 굴절되면 단굴절, 두 방향으로 분리되어 굴절
되는 경우에 복굴절이라 한다.

1) 단굴절
빛의 진동 방향에 관계없이 항상 한 방향으로 굴절하는 현상을 단굴절(單屈折, single
refraction : SR)이라 한다[그림 2-26(a)]. 단굴절성 보석으로는 다이아몬드, 가닛, 스
피넬, 유리, 호박, 오팔 등이 있다.

 

2) 복굴절
복굴절은 보석으로 들어가는 빛이 두 방향으로 분리되고, 각각의 빛이 약간 다른 속
도와 방향으로 움직이는 현상때문에 각각 다른 굴절이 일어나는 현상을 복굴절(複屈折,
double refraction : DR)이라 한다[그림 2-26(b)]. 이 두 개의 굴절률 사이에서 분리의
양이 높은 쪽의 굴절률로부터 낮은 쪽의 굴절률의 차이를 복굴절량(複屈折量, 복굴절률
이라고도 함)이라 한다. 예를 들어 수정은 1.544와 1.553인 두 최소와 최대 굴절률을 가
지므로 수정의 복굴절량(복굴절률)은 두 굴절률의 차이인 0.009이다.
[ 표 2-9 ] 몇몇 복굴절성 보석과 복굴절량(복굴절률)

보석명	복굴절량(복굴절률)
합성 루틸	0.287
방해석	0.172
지르콘	0.059
페리도트	0.036
투어멀린	0.018
수정	0.009
루비, 사파이어	0.008

3) 등방성과 이방성
등축정계에 속하는 보석과 비정질 상태의 보석은 모든 방향에서 똑같은 속도로 빛을
통과시킨다. 따라서 모든 방향에서의 굴절률은 항상 동일하다. 이와 같이 모든 방향으
로 동일한 광학적 성질을 나타내는 것을 등방성(等方性, isotropic)이라고 하며, 등방성
을 띠는 보석을 단굴절 보석이라고 한다. 등축정계를 제외한 육방정계, 삼방정계, 정방
정계, 사방정계, 단사정계, 삼사정계에 속하는 보석은 빛을 진동 방향에 따라 분리시켜
서로 다른 속도로 통과시키는 성질을 가진다. 이와 같이 입사한 빛을 두 개의 빛으로 분
리시켜 각각 다른 속도로 통과시키는 광학적 성질을 이방성(異方性, anisotropic)이라
하며, 이방성을 띠는 보석을 복굴절 보석이라고 한다.

 

4) 일축성과 이축성
복굴절 보석에서도 복굴절이 일어나지 않는 방향, 즉, 빛의 분리가 일어나지 않는 방
향이 있는데 이 방향을 광축(光軸, optic axis)방향이라 하며, 광축방향을 따라서는 등방
성이 나타난다. 즉, 광축을 따라서 입사한 빛은 입사광이 가지는 원래의 진동 방향을 그
대로 유지한 채 보석을 통과한다. 복굴절성의 보석에는 이와 같은 광축이 하나 또는 두
개가 존재하는데 광축이 하나 존재할 때 일축성(uniaxial : U)이라 하고, 광축이 두 개
존재할 때는 이축성(biaxial : B)이라 한다. 일축성 보석은 육방정계, 삼방정계, 정방정계
에 속하는 보석이며, 이축성 보석은 사방정계, 단사정계, 삼사정계에 속하는 보석이다.

 

등방성과 이방성 보석의 예

성 질		결정정계	보석의 예
등방성		등축정계	다이아몬드, 가닛, 스피넬
		비정질	호박, 오팔, 유리, 프라스틱
이방성	일축성	육방정계	에메랄드, 아콰마린
		삼방정계	투어멀린, 루비, 사파이어, 수정
		정방정계	지르콘, 합성 루틸
	이축성	사방정계	크리소베릴, 아이올라이트, 페리도트
		단사정계	비취, 연옥, 공작석
		삼사정계	터키석, 선스톤, 래브라도라이트

단굴절(單屈折, single refraction : SR) - 빛의 진동 방향에 관계없이 항상 한 방향으로 굴절하는 현상 복굴절(複屈折, double refraction : DR) - 빛이 두 광선으로 분리되어 약간 다 른 속도와 방향으로 움직여 굴절이 각각 다른 현상 복굴절량(複屈折量, 복굴절률) - 한 보석에서 높은 굴절률로부터 낮은 굴절률 의 차이 등방성(等方性, isotropic) - 모든 방향으로 동일한 광학적 성질을 보이는 것을 등방성이라 하며, 이런 보석은 단굴절을 보인다. 이방성(異方性, anisotropic) - 방향성 있는 광학적 성질을 보이는 것을 이방성 이라 하며, 이런 보석은 복굴절을 보인다. 광축(光軸, optic axis) - 빛의 분리가 일어나지 않는 방향으로서 복굴절 보석에 서도 복굴절이 일어나지 않는 방향 일축성(uniaxial : U) - 복굴절성의 보석 중 광축이 하나 존재 이축성(biaxial : B) - 복굴절성의 보석 중 광축이 두 개 존재