안경이 김 서리는 이유 — 코팅은 물을 없애지 않는다

겨울 아침, 식당 문을 밀고 들어서는 순간 안경이 뿌옇게 하얗게 덮인다. 눈앞 30cm의 메뉴판 글자가 사라지고, 손으로 문지르면 이번엔 손때가 묻어 더 흐려진다. 이 흐림은 몇 초 만에 시작됐지만, 사실은 20도 안팎의 온도 차이가 만든 정확한 계산의 결과다.

흐림은 김 서림이 아니라 물방울의 숲이다

흔히 "따뜻한 김이 차가운 렌즈에 닿아서 그렇다"고 말한다. 방향은 맞지만 원인이 설명되지 않는다. 수증기는 눈에 보이는 김이 아니고, 렌즈에 닿았다고 저절로 물이 되는 것도 아니다. 흐림의 정체는 렌즈 표면에 달라붙은 아주 작은 물방울 수천만 개다.

물방울 하나는 볼록 렌즈처럼 빛을 꺾는다. 크기가 제각각이고 아무 방향으로 굴절시키기 때문에, 렌즈를 통과해야 할 상(像) 정보가 표면에서 먼저 흩어진다. 표면이 한 번만 뿌옇게 되면 안쪽이 아무리 정확한 유리라도 소용이 없다. 그래서 "안경을 닦는 것"이 아니라 "물이 맺히지 않게 하는 것"이 문제의 본질이다.

차가운 세로 표면에 맺힌 응결. 방울이 뭉쳐 있어 뒤가 뒤집혀 보인다 — Realmboy, CC BY 4.0 (Wikimedia Commons)

이슬점 계산: 5도 렌즈에 25도의 공기가 닿으면

공기는 온도마다 담을 수 있는 수증기 양에 한계가 있다. 그 한계를 포화수증기압(공기가 품을 수 있는 수증기의 최대 압력)이라 하고, 한계에 도달한 온도를 이슬점이라 부른다. 25도, 상대습도 60%인 실내 공기를 예로 들면 이슬점은 약 16.7도다.

밖에서 들어온 안경 렌즈 온도가 5도라면, 렌즈 바로 옆의 공기는 금세 5도까지 식는다. 5도 공기가 품을 수 있는 수증기량은 25도일 때의 3분의 1도 안 된다. 남는 수증기는 갈 곳이 없어 렌즈 표면에서 물로 응결한다. 반대로 여름철 무더위에 렌즈가 30도라면 같은 습도에서도 이슬점 아래로 떨어지지 않아 아무 일도 일어나지 않는다. 겨울에만 안경이 흐리는 이유가 여기 있다.

표면이 물을 밀어내면 왜 더 나빠지나

많은 사람이 "물을 튕겨내는 방수 코팅이 김 서림도 막아줄 것"이라고 기대한다. 하지만 안경 렌즈에 흔히 쓰이는 발수(소수성) 처리는 김 서림 방지에 오히려 불리하다. 물을 밀어내는 표면에서는 물이 얇게 퍼지지 못하고 작고 둥근 방울로 뭉친다. 방울이 작고 많을수록 빛이 더 여러 번 산란되고, 굴절되는 각도도 커져 시야가 더 심하게 가려진다.

이 차이는 접촉각(표면과 물방울이 이루는 각도)이라는 숫자로 정리된다. 접촉각이 90도보다 크면 소수성, 150도를 넘으면 초소수성이라 부르는데, 이런 표면에서는 물이 구슬처럼 서 있어 굴러떨어지기 전까지 그 자리를 가린다. 10도 안팎의 아주 낮은 접촉각을 가진 친수성 표면에서는 물이 납작하게 퍼져 방울 자체가 생기지 않는다. 같은 양의 물인데 보이는 결과가 정반대인 셈이다.

접촉각 측정 장비(고니오미터). 표면 위에 물방울을 떨어뜨리고 옆에서 각도를 재 코팅의 성질을 판정한다 — Jyrkorpela, CC BY-SA 4.0 (Wikimedia Commons)

친수성 코팅의 작동 순서

김 서림 방지 코팅은 대개 이산화규소(실리카) 계열의 아주 얇은 막으로 만든다. 표면에 친수성 작용기(물과 잘 붙는 분자 말단)를 촘촘히 세워 두면, 응결한 물 분자가 표면에 강하게 끌려 옆으로 퍼진다. 방울이 커지기 전에 막으로 번지는 것이다.

단계로 보면 이렇다. 첫째, 렌즈에 닿은 수증기가 미세한 물 분자 덩어리로 응결한다. 둘째, 친수성 막이 그 물 분자를 붙잡아 옆으로 끌어당긴다. 셋째, 물 분자들이 서로 이어져 두께 수 마이크로미터 수준의 균일한 물막을 만든다. 넷째, 그 막은 빛을 거의 같은 방향으로 통과시켜 상이 흐트러지지 않는다. 흐림이 사라진 것이 아니라, 흐림이 눈에 안 보이는 형태로 바뀐 것이다.

코팅이 있다고 다 되는 건 아니다

친수성 코팅에도 한계가 있다. 표면이 먼지나 피지로 오염되면 물과 붙는 성질이 약해져 방울이 다시 생기고, 그 위에 물이 계속 맺히면 막이 두꺼워져 결국 흐려진다. 또 코팅은 마모에 약하다. 안경닦이 대신 옷자락으로 문지르는 습관은 막을 조금씩 벗겨내고, 몇 달이 지나면 효과가 눈에 띄게 줄어든다.

반대의 예외도 있다. 마스크를 쓸 때처럼 습한 공기가 계속 올라오는 상황에서는 어떤 코팅도 완전히 버티지 못한다. 이때는 렌즈에 맺히는 양 자체를 줄여야 한다. 마스크 윗선을 코 위로 밀착시키는 것이 코팅보다 효과가 큰 이유다.

생활에 적용되는 판단 세 가지

첫째, 흐림이 잦다면 발수 스프레이보다 친수성 김서림 방지제를 고른다. 이름이 비슷해도 원리가 반대다. 둘째, 닦을 때는 전용 극세사 천과 중성 세제만 쓴다. 알코올이나 옷자락은 코팅을 깎는다. 셋째, 실내에 들어오기 전에 안경을 조금 따뜻하게 해 두면 이슬점 아래로 떨어지는 시간을 벌 수 있다. 렌즈 온도가 이슬점보다 높으면 흐림은 시작되지 않는다.

결국 이 현상은 렌즈가 아니라 공기와 표면의 대화다. 온도가 정하고, 접촉각이 결과를 바꾼다. 같은 20도의 차이라도 표면이 어떻게 준비돼 있느냐에 따라 보이는 세상이 달라진다.

독자에게

여러분은 안경이 흐릴 때 어떻게 대처하시나요? 옷자락으로 닦는 편인가요, 아니면 김서림 방지제를 따로 쓰시나요?

참고 자료

- Magnus J. Beesley, Dew point, Wikipedia (이슬점 정의 및 계산)
- Contact angle, Wikipedia (접촉각·친수성/소수성 구분)
- Contact angle meter, Jyrkorpela, CC BY-SA 4.0
- Water condensation on vertical surface, Realmboy, CC BY 4.0