0. 목차
- 색과 빛의 관계
- 반사와 흡수
- 빛의 삼원색
- 색의 삼원색
- 색깔은 '심리적인 양'
- 색각의 메커니즘
- 색의 식별
1. 색과 빛의 관계
태양광은 하얗게 보여, '백색광'이라고 부르기도 한다. 하지만 사실 태양광은 다양한 색깔이 섞여 있는 빛의 집합체이다. 이는 프리즘을 사용해보면 잘 알 수 있다. 프리즘에 햇빛을 통과시키면 여러 가지 색깔로 나눠져 다양한 띠가 나타난다. 이 빛의 띠를 '태양광의 스펙트럼'이라고 한다. 그리고 빛이 다양한 색깔의 빛으로 분해되는 것을 '빛의 분산'이라고 한다. 이러한 '빛의 분산'은 무지개에서도 볼 수 있다.
1-1. 스펙트럼(spectrum)
전자기파를 파장별로 분해해 그 세기를 나타낸 것을 '스펙트럼(Spectrum)'이라고 한다. 태양광의 '스펙트럼(Spectrum)'은 순서대로 빨강, 주황, 초록, 파랑, 남색, 보라의 7색을 볼 수 있다. 하지만 색깔에 명확한 경계가 있는 것이 아니라, 7색이라고 부르는 것에는 아무런 의미가 없다. 실제로 무지개를 여섯 색깔이라고 하는 나라도 있다. 스펙트럼에 포함되어 있는 여러 가지 색깔의 차이는 '파장'의 차이 때문에 나타난다. 파장이란 '마루와 마루의 사이의 길이' 혹은 '골과 골 사이의 길이'를 말한다. 빨강, 주황, 노랑, 초록, 파랑, 남색, 보라의 순으로 빛의 파장이 짧아진다.
항성이 방출하는 전자기파의 스펙트럼은 '항성의 표면 온도'에 의해 결정된다. 약 3300℃의 항성은 가시광선보다 파장이 긴 적외선을 많이 내보낸다. 6300℃의 항성에서는 노란색 부근의 가시광선이 가장 강하다. 약 12300℃의 항성에서는 가시광선보다 파장이 짧은 자외선 등이 강해진다. 이처럼 온도가 높아질수록 파장이 짧은 전자기파를 강하게 방출한다. 반대로, 항성의 전자기파 스펙트럼을 알면 그 항성의 표면 온도를 할 수 있다.
태양광의 경우, '가시광선' 뿐만 아니라 '자외선'과 '적외선'도 포함되어 있다. 태양광의 영역 중 약 47%는 가시광선이 차지하고, 약 50%는 적외선, 약 3%는 자외선이 차지한다. 적외선은 빨간색 가시광선보다 파장이 길고, 자외선은 보라색 가시광선보다 파장이 짧다.
1-2. 프리즘(prism)
'아이작 뉴턴(Isaac Newton)'은 '색'의 정체를 실험적으로 밝혀낸 색체학읜 원조 격의 사람이다. 뉴턴은 유리와 수정으로 된 투명한 다면체인 '프리즘(prism)'을 사용해 태양광을 분해했다. 그리고 빨강부터 보라까지 띠모양의 '그라데이션(gradation)'를 관찰했다. 또 뉴턴은 그라데이션 전체를 '집광 렌즈'를 써서 하나로 모으기도 했다. 그러자 다시 하얀색으로 돌아왔다. 그리고 이 하얀색 빛을 다시 프리즘에 통과시켜 보았더니, 역시 그라데이션이 나타났다고 한다. 이로써 뉴턴은 하얀색 빛이 다양한 '기본색'의 빛이 섞여서 이루어져 있음을 증명하였다.
2. 반사와 흡수
조명이나 디스플레이를 제외한 물체는 어떤 광원에서 온 빛이 반사되지 않으면 우리가 그 물체를 볼 수 없다. 태양광이나 조명에서 나온 백색광은 여러 가지 색깔의 성분을 포함하고 있는데, 그 광원의 빛이 물체에 닿고 다시 반사되는 것이 우리에 눈에 닿는 것이다.
예를 들어 어떤 참외가 노란색으로 보이는 이유는 광원에서 나온 백색광에서 노란색 이외의 빛을 흡수하고, 노란색 빛만 반사하기 때문에 노란색으로 보이는 것이다. 또 빨간색 사과가 빨갛게 보이는 이유는, 빨간색 이외의 빛은 모두 흡수하고 빨간색 빛만 반사하기 때문이다. 이처럼 우리의 눈에 보이는 물체는 광원에서 온 빛의 일부를 '난반사(울퉁불퉁한 표면에 빛이 여러 방향으로 반사되어 나가는 것)'한다. 그래서 우리는 물체의 위치를 바꿔도 변함없이 보인다.
그러면 흡수된 빛은 어떻게 될까? 물체에 흡수된 빛의 에너지는 일반적으로 물체의 온도를 올리는데 사용된다.
2-1. 검정색과 흰색
그러면 검은색과 하얀색은 어떨까? 검은색과 하얀색의 본질적인 차이는 '반사율(흡수율)'차이에 있다. 하얀색 종이의 빛 흡수율은 20~30%, 빛 반사율은 70~80%이지만, 반대로 검은색 종이의 빛 흡수율은 90%를 웃돌고, 반사율은 거의 10% 이하이다. 그리고 이 중간에 해당하는 반사율(흡수율)을 가진 물질은 회색으로 보인다.
그러면 빛을 100% 반사하는 하얀색이나 빛을 100% 흡수하는 검은색 물질은 없을까? 체조선수와 야구선수가 손에 미끄러지지 않기 위해 사용하는 흰 가루의 주성분은 '탄산마그네슘'이다. 그런데 이 '탄산마그네슘'의 빛 반사율은 98%나 되어 이상적인 하얀색에 가깝다. 또 영국의 기업 '써리 나노시스템즈(Surrey NonoSytems)'가 개발하고, 2014년 7월에 발표된 '반타 블랙(Vantablack)'이라는 신소재는 빛 흡수율이 무려 99.98%라고 한다. '반타블랙'은 빛이 미세하게 반사하거나 새는 것도 허용하지 않는 천체 망원경 등에 활용될 계획이다.
3. 빛의 삼원색
빛은 원리적으로 빨강(Red), 초록(Green), 파랑(Blue)의 '빛의 삼원색(RGB)'으로 모두 만들 수 있다. '빛의 삼원색'을 동그라미로 겹쳐 그리면 '가산 혼합(Additive Color Mixture)'된다. 여기서 2색이 겹치는 부분에 주목해보자. 그 색은 '시안(Cyan)', '마젠타(Magenta)', '옐로(Yellow)'이다. 이 3색을 '색의 삼원색(CMY)'라고 한다.
3-1. 빛의 삼원색 가운데 2색을 섞으면
'빛의 삼원색' 가운데 2색을 섞은 부분에 주목해보자.
- 빨간색 빛과 초록색 빛을 섞인 부분에서는, 백색광이 '노란색 잉크'에 반사되었을 때의 빛과 성분이 같으므로, '노란색(Yellow)' 빛이 보인다.
- 빨간색 빛과 파란색 빛을 섞인 부분에서는, 백색광이 '마젠타 색 잉크'에 반사되었을 때의 빛과 성분이 같으므로, '마젠타 색(Magenta)' 빛이 보인다.
- 초록색 빛과 파란색 빛을 섞인 부분에서는, 백색광이 '시안 색 잉크'에 반사되었을 때의 빛과 성분이 같으므로, '시안 색(Cyan)' 빛이 보인다.
3-2. 빛의 삼원색 가운데 3색을 섞으면
'빛의 삼원색' 가운데 3색이 섞은 부분에 주목해보자.
- 빨간색 빛과 초록색 빛과 파란색 빛이 섞인 부분에서는, 백색광처럼 파란색 빛, 초록색 빛, 빨간색 빛 성분이 모두 있으므로 '하얀색'으로 보인다.
4. 색의 삼원색
물체에 흡수, 반사된 후의 보이는 빛의 색은 원리적으로 '시안(Cyan)', '마젠타(Magenta)', '옐로(Yellow)'의 '색의 삼원색(CMY)'으로 모두 만들 수 있다. '색의 삼원색'을 아래와 같이 동그라미로 겹쳐 그리면 '감산 혼합(Subtractive Color Mixture)'된다. 여기서 2색이 겹치는 부분에 주목해보자. 그 색은 빨강(Red), 초록(Green), 파랑(Blue)이다. 이 3색을 '빛의 삼원색(RGB)'라고 한다.
그러면 '색의 삼원색' 잉크에 빛을 비추면, 왜 '빛의 삼원색' 중 하나가 나타나는 것일까?
- '노란색(Yellow)' 잉크에 '백색광(빨강+초록+파랑)'을 비추면, 파란색 성분을 흡수한다. 그리고 빨간색 성분과 초록색 성분이 반사되어, 이것들이 섞여 '노란색(Yellow)'로 보인다.
- '마젠타 색(Magenta)' 잉크에 '백색광(빨강+초록+파랑)'을 비추면, 초록색 성분을 흡수한다. 그리고 파란색과 빨간색 성분이 반사되어, 이것들이 섞여 '마젠타 색(Magenta)'으로 보인다.
- '시안 색(Cyan)' 잉크에 '백색광(빨강+초록+파랑)'을 비추면, 빨간색 성분을 흡수한다. 그리고 파란색과 초록색 성분이 반사되어, 이것들이 섞여 '시안 색(Cyan)'으로 보인다.
4-1. 색의 삼원색 가운데 2색을 섞으면
'색의 삼원색' 그림에서 두 가지 색이 겹쳐져 있는 부분에 주목해보자.
- '노란색(Yellow)'과 '마젠타 색(Magenta)'이 겹쳐져 있는 부분을 보자. '노란색(Yellow)' 부분은 파란색 성분을 흡수하고, '마젠타 색(Magenta)' 부분은 초록색 성분을 흡수한다. 따라서 '노란색(Yellow)'과 '마젠타 색(Magenta)'이 겹친 부분에서 반사되는 빛에는 빨간색 성분밖에 남지 않는다. 즉, '빨간색(Red)'으로 보인다.
- '노란색(Yellow)'과 '시안 색(Cyan)'이 겹쳐져 있는 부분을 보자. '노란색(Yellow)' 부분은 파란색 성분을 흡수하고, '시안 색(Cyan)' 부분은 빨간색 성분을 흡수한다. 따라서 '노란색(Yellow)'과 '시안 색(Cyan)'이 겹친 부분에서 반사되는 빛에는 초록색 성분밖에 남지 않는다. 즉, '초록색(Green)'으로 보인다.
- '마젠타 색(Magenta)'과 '시안 색(Cyan)'이 겹쳐져 있는 부분을 보자. '마젠타 색(Magenta)' 부분은 초록색 성분을 흡수하고, '시안 색(Cyan)' 부분은 빨간색 성분을 흡수한다. 따라서 '마젠타색(Magenta)'과 '시안 색(Cyan)'이 겹친 부분에서 반사되는 빛에는 파란색 성분밖에 남지 않는다. 즉, '파란색(Blue)'으로 보인다.
4-2. 색의 삼원색 가운데 3색을 섞으면
'색의 삼원색' 그림에서 세 가지 색이 겹쳐져 있는 부분에 주목해보자.
- '마젠타 색(Magenta)'과 '시안 색(Cyan)'과 '노란색(Yellow)'이 겹쳐져 있는 부분을 보자. 이 부분에서는 '마젠타 색(Magenta)' 부분은 초록색 성분을 흡수하고, '시안 색(Cyan)' 부분은 빨간색 성분을 흡수하고, '노란색(Yellow)' 부분은 파란색 성분을 흡수하므로, 모든 색이 흡수된다. 즉, 반사되는 빛의 성분이 없으므로, 검게 보이는 것이다.
5. 색깔은 '심리적인 양'
초기 광학 발전에 지대한 영향을 미친 뉴턴은 '광선에는 색깔이 없다'라고 말했다고 한다. 색깔은 물리적인 양이라기보다는 인간의 시각이 만들어 내는 '심리적인 양'이다. 빛에는 색깔의 감각을 유발하는 성질이 있을 뿐이다.
5-1. 색순응
당신이 오렌지색이 강한 빛을 내는 전구를 켠 방에 있다고 하자. 그러면 맨 처음에는 흰 종이가 오렌지색으로 보이겠지만, 잠시 거기에 있으면 흰 종이가 희게 보일 것이다. 인간의 시간은 주위의 환경에 맞추어 색깔을 보정하기 때문인데, 이것을 '색순응(chromatic adaptation)'이라고 한다. 또 착색된 선글라스를 껴도 곧 위화감이 없어지는 이유 '색순응' 때문이다.
5-2. 문커 착시(Munker Illusion)
같은 색깔이지만 주위의 배색에 의해 색깔이 달라 보이는 경우도 있다. 아래의 그림에서 왼쪽 원은 진한 녹색으로 보이지만, 오른쪽 원은 연두색으로 보인다. 하지만 이 원 2개는 모두 같은 녹색이다. 이것도 색깔이 '심리적인 양'임을 나타낸다.
6. 색각의 메커니즘
그러면 3색을 섞으면 원리적으로는 모든 색을 표현할 수 있는 이유는 무엇일까? 우리가 무언가를 볼 때, 빛은 눈의 안쪽에 있는 '망막'에 도달한다. 망막에는 3종의 '원뿔 세포'가 약 600만~800만 개가 있는데, 이것들이 '색 센서'로 작용하고 있다. 3종의 원뿔 세포는 주로 흡수하는 빛의 파장이 다른데, 흡수하는 파장이 긴 것부터 차례대로 Long, Middle, Short의 머리글자를 따서 'L추체', 'M추체' 'S추체'라고 한다. 원뿔 세포가 3종이기 때문에 색과 빛의 원색도 3종인 것이다.
망막에 들어온 빛은 그 성분에 따라 일반적으로 3종의 원뿔 세포에 다른 크기의 반응을 일으킨다. 이 반응의 양 차이가 색의 차이를 만들어 내는 것이다. 흡수율이 가장 높은 빛의 파장은 사람에서 'L추체'가 560nm(노랑) 부근, 'M추체'가 530nm(초록) 부근, 'S추체'가 420nm(보라) 부근이다. 다만, '원뿔 세포'는 달밤 이상의 밝기에 해당하는 환경에서만 기능한다. 즉, 어두우면 감도가 떨어져 색이 잘 보이지 않게 된다.
6-1. '눈의 노화'와 '색 인지'
빛은 우리의 눈에 들어와서 망막에 도달하기까지, 눈의 렌즈 역할을 하는 '각막(Cornea)'과 '수정체(Lens)' 그리고 안구를 채우고 있는 '유리체(Vitreous Body)'를 투과한다. 그런데 이 구간을 통과하는 사이에 일부 파장이 흡수된다.
예컨대, 수정체는 노랑 기가 돌기 때문에 주로 파란빛을 흡수한다. 그런데 수정체가 흡수하는 파랑 빛의 양은 노화가 될수록 많아져, 더 노랑 기가 짙어진다. 그래서 고령자의 '시력이 미치는 범위'는 더 노랑기가 돌고 있다. 물론, 수정체의 노랑 기는 오랜 세월에 걸쳐 조금씩 짙어지므로, 눈에 도달하는 파장이 변해도 색의 변화를 알아차리기는 어렵다.
7. 색의 식별
보통의 컴퓨터 화면은 RGB가 각각 256단계 있으므로 256×256×256, 즉 1677만 7216가지의 색을 표현할 수 있다. 또한 일반적인 인쇄의 '색 견본'은 300~1200가지 정도의 색을 망라하고 있다. 그러면 우리의 눈은 이 색들을 모두 식별할 수 있을까?
파장이 다른 두 빛을 보게 하고, 그것이 같은 색으로 보이는지 조금 다른 색으로 보이는지를 조사한 실험이 있다. 실험에 의하면 파장 490nm와 파장 590nm에서 가장 예민하게 색을 구분할 수 있다고 한다. 이 부근에서는 불과 파장 1~2nm의 차이를 색 차이로 인식할 수 있다. 하지만 파장 530nm 부근은 둔감하고, 낮은 파장인 보라색 쪽의 끝과 높은 파장인 빨간색 쪽의 끝에 가까울수록 색의 차이에 둔감해진다. 그래서 인간의 눈으로 실제로 식별할 수 있는 '단색광(단일 파장의 빛)'은 200~250색 정도가 된다.
하지만 색은 '색상(Hue)'뿐만 아니라 '명도(Value)', '채도(Saturation)' 등 세 가지 속성으로 나타난다. 파장의 변화에 해당하는 색상에 덧붙여 '명도'나 '채도'의 차로도 색은 달라 보인다. 두 가지 색 사이에서 이 세 가지 속성이 모두 같으면 같은 색으로 보이게 된다. 어느 하나의 속성의 차를 구별하기 어려울 정도의 한계를 조사해보면, 구별할 수 있는 색의 총수를 추정할 수 있다. 이런 조건을 모두 합쳐 생각해 보면, 인간의 눈으로 일상에서 식별할 수 있는 색은 '수백만 가지 색'이다. 뿐만 아니라 네온사인처럼 발광하는 물체의 색과, 발광하지 않는 물체의 색을 보느냐에 따라서도 보이는 색은 바뀐다. 컴퓨터 모니터로 보는 화면과, 그것을 종이 프린터로 인쇄해서 보는 것은 확실히 다르게 느껴진다.
