* 반사율 부분 설명에 잘못된 부분이 있어 고쳤습니다(2013. 4. 23.).
망원경의 가장 기본적인 역할은 빛을 모으는 것입니다. 커다란 렌즈나 거울을 이용하여 빛을 많이 모아서 어두워서 눈으로 볼 수 없는 천체를 볼 수 있게 도와주는 것, 이것이 가장 기본적인 역할이지요. 천체를 확대하여 더 자세하고 세부적인 모습을 보여주는 것이나, 분광관측을 통해 천체의 물리적인 특성을 파악할 수 있게 해주는 것도 기본적으로 빛을 많이 모아줄 수 있기 때문에 가능한 것입니다.
어두운 천체에서 방출되는 빛을 모으는데 가장 중요한 요인은 물론 구경입니다. 구경이 클수록 많은 양의 빛을 모을 수 있죠. 빛을 모으는 능력을 '집광력'이라고 부르는데, 집광력은 구경의 제곱에 비례합니다.
그러나 광학계의 구조에 따라서 실제의 집광력은 약간 달라집니다. 빛이 렌즈를 통과하거나 거울에 반사되는 과정에서 손실이 생기기 때문인데요, 광학구조가 복잡한 망원경은 광학구조가 단순한 망원경에 비하여 빛의 손실이 많기 때문에 물리적인 구경이 더 크더라도 망원경을 통해 전달되는 빛의 양이 더 적어지기도 합니다. 광학구조가 복잡한 구경 120mm 짜리 망원경은 단순한 구조의 구경 100mm 망원경보다 빛을 모으는 능력이 떨어질 수도 있는 것이죠. 망원경 시스템의 전체적인 빛 투과율은 특히 천체처럼 어두운 대상을 관측할 때 중요합니다. 밝은 낮이라면 50%의 빛 손실도 충분히 감수할 수 있겠지만, 어두운 천체라면 10%의 빛 손실도 아쉬운 것이죠. 특히 사진촬영이 목적이라면, 빛의 투과율에 따라 노출 시간에 매우 큰 차이가 생길 수 있으므로 중요성은 더욱 높아집니다.
망원경에서 빛 손실은 렌즈 표면에서의 빛 반사, 렌즈의 빛 흡수, 반사경의 낮은 반사효율, 부경과 스파이더의 빛 차단로 인해서 나타납니다.
렌즈 표면에서 일어나는 빛의 반사에 의한 손실이 가장 심각한데요, 아무런 처리를 하지 않은 유리 표면은 정면에서 들어오는 빛에 대하여 약 4%의 반사율을 가집니다. 들어오는 빛의 양이 100이라면 96만큼만 렌즈를 통과하고, 4만큼의 빛은 그대로 외부로 튕겨나간다는 뜻입니다. 하나의 렌즈로 이루어진 망원경이라면, 렌즈의 앞면과 뒷면에서 각각 4%씩 손실되므로 92.2%만의 빛만 통과시킬 수 있는 것이지요. 단 한장의 렌즈만 통과해도 무려 8%의 손실이 생깁니다. 빛의 손실은 거듭제곱 형태로 일어나므로, 만약 2장의 렌즈를 쓰는 망원경이라면 투과율이 85.0%(=0.922*0.922)로 낮아지며 3장의 렌즈를 쓰는 망원경이면 78.4%(=0.850*0.922)로 낮아지게 되지요. 보통의 굴절망원경은 대물렌즈에만 2~3장의 렌즈를 겹쳐서 쓴다는 점을 고려하면 상당히 심각한 수준의 손실입니다. 렌즈의 표면 반사는 빛의 손실 외에도 상의 대비를 떨어뜨리는 부수적인 문제도 일으키므로, 상당히 골치아픈 문제입니다.
▲ 광학면에서 일어나는 빛의 반사
천체망원경은 이러한 문제를 줄이기 위해 렌즈의 표면에 렌즈의 주된 소재와는 굴절률이 다른 여러가지 물질로 얇게 코팅 처리를 하여 표면에서 일어나는 반사를 줄입니다(이를 반사방지코팅이라 부릅니다, Anti-Reflective Coating, AR Coating). 흔히 불화마그네슘(MgF2)을 이용하여 하나 또는 여러 개의 아주 얇은 막을 입히는 방식으로 반사율을 낮추는데, 한 번의 코팅으로도 반사율은 약 1.5% 수준으로 떨어지며, 여러 층을 입히는 코팅 처리를 하면 표면 반사율을 0.2%(하나의 파장대에서는 0.1%)까지 떨어뜨릴 수 있습니다. 만약 표면 반사율이 0.3%라면, 3장의 렌즈를 써도(광학면이 6개) 98.2%에 이르는 투과율을 얻을 수 있습니다. 코팅 처리를 하지 않은 것과는 비교할 수도 없을 정도죠. 즉 잘 설계된 코팅처리를 통해 렌즈(또는 프리즘)의 표면 반사로 인한 빛의 손실은 거의 없앨 수 있게 된 것입니다.
물론 코팅이 모든 문제를 해결해주는 것은 아닙니다. 넓은 파장대에 대응하는 반사방지 코팅은 개발하기가 어렵고, 코팅처리를 잘 하더라도 빛의 반사율은 입사각에 따라 달라집니다. 정면에서 들어오는 빛에 대해 0.2%의 반사율을 가진다 하더라도 10도 각도로 들어오는 빛에 대해서는 1~2%로 반사율이 증가할 수도 있는 것이지요. 또한 파장에 따라 반사율이 달라지기 때문에 색상이 틀어지는 현상이 생기기도 합니다. 그러나 이런 문제가 있더라도 대부분 관측에 영향을 주지 못하는 정도이며 빛의 손실 감소로 인한 효용이 훨씬 큽니다.
유리(렌즈, 프리즘)를 통과하며 빛이 흡수되면서 빛의 손실이 발생하기도 하는데요, 반사로 인한 손실에 비하면 흡수로 인한 손실은 거의 문제가 되지 않습니다. 대부분의 광학유리는 가시광 영역에서 매우 투명하므로 손실을 거의 무시할 수 있을 정도입니다. 다만 자외선이나 적외선 파장의 관측이 필요한 경우는 이야기가 달라지는데, 가시광선과는 달리 이들 파장에서는 투명도가 상당히 낮아지는 경우가 많기 때문입니다. 예를 들어 두께 10mm의 N-BK7은 가시광선과 근적외 영역에서 99.5% 이상의 투과율을 보여주지만, 자외선 영역인 300nm의 투과율은 29%에 불과합니다. 그렇지만 이러한 경우에도 별다른 문제가 되지 않는데, 그 까닭은 애초에 관측 목적에 맞는 소재를 사용해서 망원경을 만들기 때문입니다. 자외선 관측이 목적이라면 처음부터 N-BK7과 같은 소재 대신 자외선 투과율이 높은 소재로 만들게 되죠. 다만 하나의 망원경으로 자외선, 적외선, 가시광선 관측에 모두 활용하려는 경우라면 소재의 선택이나 광학설계에 주의를 기울여야 합니다.
▲ 빛의 파장에 따른 N-BK7 소재의 투과율 특성. 가시광선과 적외선에 대해 투명하지만 자외선에는 불투명합니다.
반사망원경은 빛을 모으기 위하여 거울을 쓰는데, 거울의 낮은 반사율은 빛 손실의 가장 큰 원인으로 작용합니다. 망원경에 쓰는 반사경은 대부분 유리로 만든 광학면에 알루미늄이나 은과 같은 금속을 코팅하여 만듭니다. 가장 흔하게 쓰는 재료는 알루미늄인데1), 알루미늄은 가시광선 영역에서 약 92%, 적외선에서는 95% 이상으로 조금 더 높은 반사율을 보여줍니다. 실제로 반사경을 만들 때에는 코팅면 보호2)를 위해 알루미늄 코팅 위에 얇은 산화규소(SiO2 또는 SiO) 막을 입히는 방식으로 만드는데 이때 반사율이 약간 낮아져, 가시광선 영역에서 평균 88% 정도의 반사율을 보여주고요. 이 말은 알루미늄 거울에 반사된 빛은 12%의 손실이 생긴다는 뜻이지요.
[각주]----
1) 은(銀, Ag)은 알루미늄보다 비싸고, 공기 중에서 쉽게 변색되므로 반사경 코팅 재료로는 잘 쓰지 않습니다. 은 코팅면 위에 이산화규소나 다른 재료로 보호 코팅을 해 놓더라도 변색이 일어나는 속도가 느려질 뿐, 변색을 막을 수는 없습니다.
2) 아무런 보호처리를 하지 않은 알루미늄 코팅은 매우 손상되기 쉽습니다. 대기중의 산소와 반응하여 산화알루미늄으로 산화되기도 하고(산화층의 두께가 깊어지면 반사율 손실이 생기긴 하지만, 산화알루미늄은 투명하므로 큰 문제는 안 됩니다.), 작은 힘에도 쉽게 긇히므로 12~24개월에 한 번씩 새롭게 코팅을 해야 성능을 유지합니다. 이러한 문제를 하기 위해 알루미늄 표면에 이산화규소나 불화마그네슘 같은 소재로 알루미늄 위에 얇은 코팅 처리를 하는데(이러한 코팅을 한 반사경을 보통 'Protected Aluminium Coating'이라 부름), 이렇게 하면 10년 이상 새롭게 코팅을 하지 않아도 될 정도로 내구성이 향상됩니다. 다만 이 과정에서 약간의 반사율 손실이 일어나는 단점이 있습니다. 보호코팅 소재로는 산화규소를 많이 쓰는데, 불화마그네슘 코팅에 비해 500nm 부근의 반사율은 더 높지만 가시광선 전체로 보면 반사율 손실이 조금 더 심한 편입니다. 흔히 SiO-일산화규소-로 코팅을 한다는 광고를 볼 수 있는데, 일산화규소는 공기중에 노출되면 대기중의 산소와 반응하여 서서히 이산화규소로 산화되므로, 이산화규소를 쓰는 코팅과 실질적으로 동일한 것입니다.
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▲ 빛의 파장에 따른 금과 은, 알루미늄의 반사율(출처: http://en.wikipedia.org/wiki/Reflectivity )
그런데 반사망원경에서는 최소한 2개의 거울을 씁니다(허셸식 반사망원경 제외). 따라서 보통의 알루미늄 코팅 거울을 쓴다면 망원경의 끝단에는 77%의 빛만 도달하게 되므로, 23%(=1-0.88*0.88)의 빛 손실이 생깁니다. 렌즈의 표면 반사와 소재에 의한 흡수만 고려하면 되는 굴절망원경에 비하여 상당히 큰 빛의 손실이 발생하게 되죠. 여기에 부경으로 인한 차폐를 감안하면 손실량은 더욱 커집니다.
따라서 반사경의 반사율을 높이기 위하여 여러 방법을 씁니다. 그 중 하나는 알루미늄 코팅면 위에 이산화티타늄(TiO2)이나 삼산화알루미늄(Al2O3)같은 물질을 여러 층으로 코팅하는 방법인데, 이를 보통 'Enhanced Aluminium Coating'이라고 부릅니다(알루미늄 코팅 위에 유전체 막을 몇 층 덧씌우는 방법임). 이 방법을 쓰면 거울의 반사율을 95~97%까지 끌어올릴 수 있으므로, 흔히 쓰는 코팅인 Protected Aluminium Coating 보다는 빛 손실을 크게 줄일 수 있습니다. 이 방법은 일부 망원경 제조회사에서 실제로 주경과 부경의 코팅에 이용하고 있습니다3). 또 다른 해결책으로는 유전체를 이용하여 코팅을 하는 것인데요, 유전체 코팅 처리를 한 거울을 '유전체 거울(dielectric mirror)'이라고 부릅니다. 유전체 거울은 가장 뛰어난 성능을 가진 거울 가운데 하나로, 99% 이상의 매우 높은 반사율을 보여줍니다. 낮은 반사율로 인한 빛의 손실을 최소화할 수 있고, 반사면의 내구성도 알루미늄 거울보다 훨씬 뛰어나므로 반사망원경의 재료로는 이상적이지요. 다만 이 종류의 거울을 채용한 망원경은 극히 드물어서 시중에서 구하기가 어렵고, 가격도 비싸다는 문제가 있습니다. 빛 손실을 충분히 보상할 수 있을 만큼 더 큰 구경의 망원경을 구하는 것이 비용이나 시간 측면에서 더 유리한 상황이죠. 다만 최근들어서 비교적 저렴한 가격에 유전체 거울을 쓴 천정미러가 시판되고 있는 것으로 보아 망원경의 주경과 부경 모두에 유전체 거울을 채용하는 망원경이 좀 더 보급화되리라는 기대를 가질 수는 있습니다.
[각주]----
3) 현재 셀레스트론(Celestron)사의 'StarBright XLT', 미드(Meade)사의 'UHTC' 적용 제품에는 반사경 코팅에 Enhanced Aluminium Coating을 쓰고 있습니다. 이들 제품은 기존의 반사망원경에 비해 약 15% 높은 빛 투과율을 보여줍니다. 각사에서 공개한 자료로 보면 UHTC보다는 StarBright XLT 쪽이 약간 더 우수해 보입니다.
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반사망원경에서 부경과 부경을 고정하는 지지대(스파이더)로 인한 빛 손실도 무시하기 어렵습니다. 반사망원경에 따라 차이는 있지만, 부경의 지름을 주경의 1/3로 가정한다면, 주경으로 들어가는 빛의 1/9을 가리게 되므로 약 11%의 빛 손실이 생깁니다. 스파이더에 의한 영향은 그보다는 적지만 1~2% 정도의 빛 손실을 일으키지요.
▲ 반사망원경의 부경과 부경 지지대(오른쪽 아래 사진 출처 : http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Newtonianscope-inside.JPG )
부경에 의한 빛의 차단을 줄이는 방법은 부경의 크기를 줄이는 것 외에는 없습니다. 그러나 이렇게 하면 관측 가능한 시야가 좁아지는 문제가 생깁니다. 이로 인해 부경의 크기를 줄이는데에는 한계가 있고, 주경 지름의 1/4~1/5 정도가 한계가 됩니다. 부경이 주경의 1/4 크기라면 빛의 손실은 약 6%로 충분히 수긍할 수 있는 정도로 줄어들게 되지요. 스파이더(부경 지지대)는 부경을 단단하게 지지할 수 있는 범위 안에서 가늘게 만들수록 좋습니다. 설계하기에 따라 스파이더가 가리는 면적을 주경 면적의 1% 미만으로 줄일 수 있을 것입니다.
이외에도 반사굴절식 망원경은 망원경 앞의 보정렌즈로 인해 유효구경이 줄어들면서 빛의 손실이 일어나기도 합니다. 특히 막스토프-카세그레인식 망원경은 앞쪽에 오목한 메니스커스 렌즈를 설치하는데, 내부에 충분한 여유를 두고 설계하지 않은 경우, 유효구경이 줄어드는 문제를 일으킵니다. 예를 들어 미국 오리온사에서 판매하는 5인치(127mm) 구경의 막스토프-카세그레인식 망원경(Apex 127)의 실질 유효구경은 약 4.7인치(120mm)로 알려져 있습니다.
이 외에도 잡광 유입 방지를 위한 배플(차광판) 설계 잘못이나 뉴턴식 망원경의 접안부 설치로 인한 차폐 등의 이유로 추가적인 빛 손실이 있습니다. 망원경을 오래 사용했을 때 유지관리의 부실이나 자연적인 손상으로 반사경이나 렌즈가 오염되었을 때에도 빛 손실이 일어나지만, 이 부분은 망원경 관리를 잘 해주면 해결할 수 있는 문제입니다.
다음 글에서는 망원경 전체 시스템에서의 빛 손실과 그에 따른 유효집광력 감소에 관해 다루겠습니다.
망원경의 실질 집광력에 관하여
