[색채학] 2. 빛의 물리적 특성과 색의 형성

지난 페이지에서 색은 빛과 시신경의 상호작용에 의해 인지되는 정신물리학^[각주:1]적 현상이라는 것을 살펴보았다. 이번 페이지에서는 빛의 색과 관련된 물리적 개념을 정리하고, 자연에서 물체가 색을 만들어내는 2가지 과정(색의 가산, 색의 감산)을 살펴본다.

#빛의 파장과 색, 가시광선

물리적으로 빛은 맥스웰 방정식에 의해 설명되는 전자기장이다. 가장 이해하기 쉬운 형태는 전기장과 자기장이 서로 교차하면서 진동하는 모습이다.

SuperManu, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

파란색 화살표가 그 지점에서의 전기장, 빨간색 화살표가 그 지점에서의 자기장이다. 위 그림은 z축 방향으로 전파되어 가는 빛을 표현한 것이다. 보통 전기장을 정확히 알면 자기장은 계산해 낼 수 있으므로, 전기장에만 집중하여 분석하기도 한다. 위의 3차원 그래프에서 전기장만 남겨 놓으면, 다음과 같은 2차원 그래프를 얻을 수 있다.

Dicklyon (Richard F. Lyon), CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

이 때, x축 방향으로 전기장의 최대점에서 다음 최대점까지의 거리를 파장(wavelength)라고 부르고, 기호로 \(\lambda\) 를 사용한다. 그리고 y축 방향으로 0에서 전기장의 최대점까지의 서리를 진폭(amplitude)라고 부르고, 기호로 \(A\) 를 사용한다. 즉, 위의 그래프는 진폭이 4, 파장이 8인 빛을 표현하고 있다.

빛의 진폭(즉, 전기장의 진폭)은 빛의 세기(intensity)를 표현한다.^[각주:2] 진폭이 큰 빛은 더 밝게 보이고, 진폭이 작은 빛은 더 어둡게 보인다.

반면, 빛의 파장(즉, 전기장의 파장)은 빛의 색을 표현한다. 그러나 인간의 눈은 모든 파장의 빛을 볼 수 있는 것은 아니고, 380 nm ~ 750 nm 사이의 파장인 빛만 볼 수 있고, 그 외의 빛은 볼 수 없다. 예를 들어, 5G 통신에 사용되는 빛은 약 8 mm(=8000000 nm) 파장이기 때문에 우리 눈에 보이지 않는다. 이렇게 인간이 눈으로 볼 수 있는 빛을 가시광선(visible light)라고 부른다. 다음 그림에서 볼 수 있듯이 가시광선 영역은 수많은 빛 중에서 아주 작은 영역이다.

Philip Ronan, Gringer, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

가시광선 영역에서 짧은 파장으로 갈수록 보라색, 긴 파장으로 갈수록 빨간색이 된다. 

maxhurtz, Public domain, via Wikimedia Commons

#빛의 중첩, 파장-세기 그래프

만약 여러개의 빛이 만나게 되면 어떻게 될까? 아래 그림은 2개의 빛이 만났을 때 생기는 전기장을 그래프로 나타낸 것이다.

[REF] https://courses.lumenlearning.com/physics/chapter/16-10-superposition-and-interference/

각 x지점에서 y방향 전기장은 [빛1 전기장 y값] + [빛2에 전기장 y값] 이 된다. 이러한 현상을 파동의 중첩(superposition)이라고 부른다. 다음 그림에서 첫번째 그림은 아래쪽 2개의 파동이 완전히 똑같아서 둘이 합쳐지면 위쪽과 같이 진폭이 2배로 커지는 결과를 가져온다. 두번째 그림은 아래쪽 2개의 파동이가 크기는 똑같지만 y방향이 반대이므로 합쳐지면 진폭이 0이 되는 결과를 가져온다. 빛도 전기장의 파동이므로 이러한 파동의 중첩 원리가 적용된다.

original version: Haade;vectorization: Wjh31, Quibik, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

아마 대부분의 경우 단일 파장의 빛보다는 중첩된 빛을 다루게 될 것이다. 그러나 중첩된 빛의 그래프를 보고, 어떤 파장의 빛들이 결합된 것인지 파악하는 것은 쉽지 않다. 따라서 색 이론 관점에서는 지금까지와 같은 전기장 그래프 보다는, 다음과 같이 파장-세기 그래프를 사용한다.

Deglr6328, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

가로축은 빛의 파장을 나타내고 세로축은 빛의 세기를 나타낸다. 위 그래프에서는 세기가 3500인 460 nm 파장과 세기가 200인 550 nm 파장 (그리고 그 주변 460 nm, 550 nm 주변의 파장에서 각 세기) 들이 중첩된 빛을 표현하고 있다. 아래 그림에서 파랑, 초록, 빨강 그래프에서 파장과 세기를 분석해보고 이 3개의 빛이 중첩되면 어떤 그래프가 될 것인지 스스로 예측해보기 바란다.

Tijl Schepens, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

#가산적 색 형성

파동의 중첩 원리 때문에, 전구, LED(광원(light source)라고 부른다)에서 만들어진 빛이 직접 눈으로 들어오는 경우, 색은 더하면 더할 수록 점점 빛의 세기가 강해진다. 다음 그림에서 LED A와 LED B가 한 지점에서 빛을 내는 경우, LED A의 빛과 LED B의 빛이 중첩되어 맨 밑의 결과와 같이 된다. 이를 가산적 색(additive color)이라고 부른다.

아래 그림은 빛의 3원색인 RGB들을 섞었을 때 나오는 색을 표현한 그림이다.

    Red + Green = Yellow

    Red + Blue = Magenta

    Green + Blue = Cyan

Pko, Public domain, via Wikimedia Commons

#감산적 색 형성

우리가 자연에서 관찰하는 대부분을 물체는 광원에서 만들어진 빛을 반사하여 색을 띈다. 눈은 반사된 빛을 보는 것이기 때문에, 물체가 어떤 파장의 빛을 흡수하여 눈에 도달하지 않게 되는지가 물체의 색에 핵심이 된다. 

위 그림과 같이 ink A의 색을 보는 것은 광원에서 생성된 파랑, 초록, 빨강 파장에서 파랑 파장 일부와 초록 파장 전부를 흡수하고, 남은 파랑 파장 일부와 빨강 파장 전부가 눈에 들어와 분홍색으로 보이게 된다.

위 그림에서 ink B의 색은, 파랑 파장 전부와 초록 파장 일부, 빨강 파장 일부를 흡수하고 남은 부분이 눈에 들어와 노란색으로 보이게 된다.

만약 ink A와 ink B를 섞으면, 파랑 파장과 초록 파장은 ink A와 ink B에 의해 전부 흡수되고, 빨강 파장은 ink B에 의해 일부 흡수되어, 남은 빨강 일부만 눈에 들어와 빨간색으로 보이게 된다. 이렇게 물체에 빛을 반사시켜 색을 만들어 내는 경우, 반사되는 물질(여기에서는 잉크)를 섞으면 섞을 수록 더 많은 파장들이 흡수되기 때문에 빛이 점점 어두워 진다. 이를 감산적 색(subtractive color)이라고 부른다.

가산적 색이 Red, Green, Blue를 기초로 하듯이 감산적 색은 Cyan, Magenta, Yellow를 기초로 한다.^[각주:3] RGB와 CMY를 따로 생각하기 보다는, 위에서 설명한 반사 관점에서 이해하도록 하자. Cyan은 RGB에서 잉크가 Red만 완전히 흡수(즉, Green와 Blue가 눈에 들어옴), Magenta는 Green만 완전히 흡수(즉, Red와 Blue가 눈에 들어옴), Yellow는 Blue만 완전히 흡수(즉, Red와 Green이 눈에 들어옴)된 색으로 이해하면, 빛의 3원색과 연관지어 쉽게 이해할 수 있다. 또한 이들을 섞었을 때 어떤 색이 나올지 감산적 색으로 쉽게 이해된다. 예를 들어, Cyan과 Magenta를 섞으면, Red와 Green이 완전히 흡수되어 결국 Blue만 눈에 들어와 파란색으로 보인다. 다음은 CMY를 섞었을 때 나오는 색을 보면서, 빛의 3원색과 감산적 색을 이용해 스스로 해석해보자.

SharkD, CC0, via Wikimedia Commons

1. 정신물리학(psychophysics)는 물리적 자극과 이를 수용하는, 또는 지각하는 관계를 연구하는 심리학의 한 분야이다. [본문으로]
2. 정확히는 [빛의 세기] = [전기장 진폭의 제곱] [본문으로]
3. 첫글자만 따서 CMY라고 부른다. 보통은 경제적인 이유로, Black는 CMY를 섞어서 만들기 보다는 따로 만들어 사용하는데, 이를 CMYK라고 부른다.(k는 Key의 약자) [본문으로]