윤복원의 "물리상식 마당"

상식처럼 자주 얘기되지만 그 자세한 원리는 잘 알려지지 않은 물리현상들을 윤복원 박사가 그림을 곁들여 자세하고 친절하게 설명한다. 그는 과학지식을 널리 공유하자는 바람으로 글을 쓴다.

매직아이 같은 ‘색깔의 과학’

[11] 빛과 색의 상식에서 분광 분석 원리까지


00fig1_big.jpg » 그림 1. 가운데 파란 점에 시선을 고정하고 고개를 좌우로 천천히 돌리면서 본다. 안경 쓴 사람에게는 점들이 색깔별로 다르게 움직이는 것처럼 보인다.


번 글은 위의 [그림 1]을 보는 것으로 시작합니다. 조금 독특한 방법으로 봐야 합니다. 그림 가운데 부분에 시선을 고정하고서 고개를 좌우로 또는 상하로 천천히 움직입니다. 이때 동그라미들이 어떻게 보이는지 주의 깊게 살펴봅니다.


특별한 점을 느낄 수 없는 사람도 있지만 색깔에 따라 동그라미가 다르게 움직이는 것처럼 보인다는 사람이 의외로 많습니다. 동영상이 아닌데도 말입니다. 이렇게 보이는 사람들에게는 공통점이 있습니다. 안경을 쓰고 있다는 사실입니다.



안경 쓴 눈엔, 어떻게 보이세요?

00dot.jpg

아래의 [그림 2]는 다른 색깔의 네모들을 가로와 세로로 정렬해서 나열했습니다. 마찬가지로 시선을 고정하고 고개를 좌우로 또는 상하로 천천히 움직이면서 봅니다. 안경을 쓴 사람에게는 같은 색깔의 네모 묶음들이 색깔별로 따로 움직이는 것처럼 보일 수 있습니다. 특히 돗수 높은 안경을 쓴 사람에게는 다른 색깔의 네모 묶음과의 경계면이 살짝 겹치거나 더 벌어져 보일 수도 있습니다. 이런 독특한 현상이 뚜렷하게 보이는 사람일수록 시력이 안 좋은(고도근시인) 사람입니다.


00fig2_big.jpg » 그림 2. 그림 1을 보는 것과 마찬가지로 시선을 한 곳에 고정하고 고개를 좌우로 천천히 돌리면서 본다. 안경을 쓴 사람에게 색깔별로 네모 묶음들이 엇갈려 보일 수 있다.


아래 세 번째 [그림 3]은 고개를 돌리지 않고 보겠습니다. 될수록 그림을 눈에 가까이에 놓고 다른 색깔의 글자들과 비교해 가면서 좀 더 주의 깊게 봐야 합니다. 안경 쓴 사람에게는 색깔에 따라 글자가 좀 더 가까이 보이거나 좀 더 멀리 보이는 일종의 원근감을 느낄 수 있습니다. ([그림 1][그림 2]에서 이미 색깔별로 원근감을 느낀 사람들도 있을 수 있습니다.)


00fig3_big.jpg » 그림 3. 안경 쓴 사람이 고개를 고정하고서 주의깊게 다른 색깔의 글자들을 비교하면 미세하나마 상대적으로 더 가깝게 또는 더 멀게 보이는 원근감을 느낄 수 있다.


경 쓴 사람이 위 그림들을 볼 때 이렇게 독특하게 보이는 현상은 왜 나타나는 걸까요?

누구나 초등학교 때 한 번쯤은 해봤을 법한 프리즘 실험의 결과가 위의 독특한 현상과 밀접한 관계가 있습니다.


일반 프리즘은 단면이 삼각형인 두터운 유리막대 모양을 하고 있습니다. 햇빛처럼 광원이 하얀색인 빛을 가늘게 만들어 적절한 각도로 프리즘을 통과시키면 여러 색깔의 무지개 빛이 나옵니다 (햇빛 자체는 색이 없으나 광원인 태양을 대낮에 보면 하얀 색에 가깝습니다. 편의상 광원이 하얀 빛을 하얀색 빛이라고 부르겠습니다). 이 프리즘 실험 결과에서, 우리는 빛과 관련한 세 가지 중요한 사실을 알 수 있습니다.


[1] 빛이 서로 다른 물질의 경계면을 통과할 때 빛의 진행 방향은 꺾인다.
[2] 빛이 꺾이는 정도는 빛의 색깔에 따라 다르다.
[3] 하얀 빛은 여러 색깔의 빛이 합쳐진 빛이다.


00fig04.jpg » 그림 4. 프리즘 실험: 하얀 빛이 프리즘을 통과하면 여러 색깔의 빛으로 분해된다. 출처/ Wikimedia Commons



빛의 굴절: 빛은 다른 물질을 통과할 때 꺾인다

00dot.jpg

공간에 변화가 없으면 빛은 직선 방향으로 곧바로 날아갑니다. 중력에 의해서 빛의 진행 방향이 꺾이기는 하지만, 별 또는 블랙홀과 같은 매우 무거운 천체 주변을 지나칠 때 꺾이는 정도가 의미가 있고 이마저도 아주 먼 천문학적 거리를 지나가야 측정할 수 있을 만큼 꺾입니다. 실험실, 교실, 또는 건물 안과 같은 한정된 공간 안에서 중력에 의해 빛이 꺾이는 정도는 아주 미미해 눈으로 보는 것으로는 측정이 불가능한 수준입니다.


지만 의외로 간단한 방법으로 빛의 진행 방향을 꺾을 수 있습니다. 물이나 유리와 같은 물질을 통과시키는 방법입니다. 일부 예외가 있기는 하지만, 빛이 다른 물질의 표면에 직각이 아닌 기울어진 방향으로 들어가면 빛의 진행 방향은 경계면에서 꺾입니다.[1] ‘빛의 굴절’이라고 부르는 현상입니다.


빛이 경계면에서 꺾이는 이유는 빛 속도가 통과하는 물질에 따라 달라지기 때문입니다. 한 예로 빛이 유리속을 지나갈 때의 속도는 공기중을 지나갈 때의 속도보다 약 3분의 1 정도 느려집니다. 공기중에서는 초속 30만 킬로미터, 유리속에서는 초속 20만 킬로미터의 속도로 빛이 날아갑니다.


빛은 전자기장의 떨림, 즉 파동입니다. 빛과 같이 공간을 이동하는 파동에서는 얼마나 자주 떨리는지를 의미하는 진동수(또는 주파수)와 떨림의 결 간격인 파장을 잴 수 있습니다. 빛이 다른 물질을 통과하면서 속도가 줄 때 파동의 진동수는 변하지 않습니다. 대신 파장이 줄어듭니다.


[그림 5]의 왼쪽과 같이 경계면에 직각으로 빛이 들어갈 때, 빛의 진행 방향은 바뀌지 않으며 파동의 결이 경계면에서 잘 맞물려 지나갑니다. 반면 [그림 5]의 오른쪽처럼 빛이 경계면에 비스듬하게 들어가면, 빛의 진행 방향이 꺾여야만 파동의 결이 경계면에서 잘 맞물려 지나갑니다.


fig05.gif » 그림 5. 빛이 공기와 유리 사이를 통과할 때 전자기장의 떨림인 빛은 두 물질에서 같은 진동수(주파수)를 유지한다. 속도가 줄어드는 유리에서는 그림과 같이 떨림의 결 간격, 즉 파장이 줄어든다. 빛이 경계면에 직각으로 들어올 때에는 빛의 진행 방향이 변하지 않아야만 파동의 결이 잘 맞물려 지나가지만, 비스듬한 각도로 들어올 때에는 빛의 방향이 꺾여야만 파동의 결이 잘 맞물려 통과한다.


빛의 속도 차이가 클수록 빛이 꺾이는 정도는 커집니다. 빛의 속도가 4분의 1이 줄어드는 물보다 3분의 1이 줄어드는 유리의 표면에서 빛이 더 많이 꺾입니다. 투명한 물질 중에서 값비싼 보석으로 잘 알려진 다이아몬드에서는 빛의 속도가 60% 가량 줄어듭니다. 그만큼 다이아몬드 표면에서는 빛이 훨씬 더 많이 꺾입니다.



빛 색깔에 따라 꺾이는 정도(굴절률)가 다르다

00dot.jpg

빛이 꺾이는 정도는 빛의 색깔에 따라서도 약간씩 다릅니다. 다시 말하면 같은 물질을 통과하더라도 빛 색깔에 따라 빛 속도가 약간씩 차이가 있음을 의미합니다.


진공을 통과할 때에는 색깔에 관계없이 빛 속도는 초속 30만 킬로미터(정확하게는 초속 29만 9792 킬로미터)로 일정합니다. 어떤 물질을 통과할 때에 빛의 속도는 진공속의 빛 속도보다는 느려집니다. 한 예로 유리속에서 빛 속도를 색깔별로 측정해보면 아래 [표 1]에서 보는 것과 같습니다. 빛의 색깔에 따라 빛의 속도에 미세한 차이가 있음을 알 수 있습니다.


[표 1] 유리를 통과할 때 색깔에 따른 빛의 속도.[2][3]

    색깔     

    파장 (nm)    

    중간파장 속도 (km/s)     

   굴절률      

     빨강

     650

       197948

    1.5145

     주황

     590

       197661

    1.5167

     노랑

     570

       197543

    1.5176

     초록

     510

       197128

    1.5208

     파랑

     475

       196817

    1.5232

     남색

     445

       196482

    1.5258

     보라

     400

       195840

    1.5308

 진공속 속도


       299792

    1

[※ 굴절률은 속도(진공)÷속도(유리) 파장은 진공에서의 파장이다.

굴절률이 클수록 빛의 진행방향이 물질의 경계면에서 더 많이 꺾인다.]


리속에서 빛 속도는 빨강 > 주황 > 노랑 > 초록 > 파랑 > 보라색 순서이고, 유리의 경계면에서 빛의 진행 방향이 꺾이는 정도는 거꾸로 빨강 < 주황 < 노랑 < 초록 < 파랑 <보라색 순서입니다. ‘꺾이는 정도’를 수치로 나타낸 것이 ‘굴절률’입니다. [표 1]에 보이는 굴절률은 빛의 진행 방향이 얼마나 많이 꺾이는지를 나타내는 양입니다. 미미하나마 빨간색에서 보라색으로 갈수록 더 커짐을 알 수 있습니다.


유리 프리즘에 빛을 통과시키면, 빛은 들어갈 때 한 번, 나올 때 한 번, 모두 두 번을 유리와 공기의 경계면을 지나갑니다. 따라서 최종적으로 나오는 빛은 진행 방향이 두 번 꺾입니다. 프리즘은 빛이 들어오는 경계면과 나오는 경계면이 평행하지 않고 각도를 가지고 있는데, 이 각도로 인해 최종적으로 나오는 빛은 같은 방향으로 두 번 꺾여 한 번만 꺾일 때보다 더 많이 꺾입니다. 이로 인해 빛의 색깔에 따른 꺾임의 차이도 프리즘을 통과하면 더 커지고, 최종적으로 나오는 방향도 달라집니다. 한 예로 [그림 6]과 같이 빨간색, 초록색, 파란색 빛이 같은 방향(또는 각도)으로 프리즘에 들어가는 예를 보여줍니다. 프리즘을 통과한 빛은 색깔에 따라 다른 방향으로 나옵니다.


00fig06.jpg » 그림 6. 다른 색깔의 빛이 같은 각도로 프리즘에 들어가는 경우. 빨간색보다 초록색이, 초록색보다 파란색이 더 많이 꺾여 나온다.



하얀 빛의 정체: 여러색의 빛이 섞여 있는 빛

00dot.jpg

빛이 색깔에 따라 다르게 꺾여 나옴을 볼 수 있는 프리즘에, 햇빛처럼 색깔 없는 빛을 통과시키면, 빛은 여러 색깔로 갈라져 나옵니다. 하얀색 빛의 정체가 드러나는 대목입니다.


[표 1]에서 볼 수 있듯이 색깔이 있는 빛은 파장이 정해져 있습니다. 반면, 하얀색 빛의 파장을 알려주는 곳은 어디에도 없습니다. 하얀색 빛은 여러 색깔의 빛이 섞여 있는 빛이기 때문입니다. 사실상 가시광선 전체의 파장을 다 포함하고 있습니다. 여러 색깔의 빛이 모여 한다발을 이루고 있는 것으로 보면 되겠습니다. 이런 하얀색 빛을 가늘게 만들어 프리즘을 통과시키면, 하얀색 빛을 만드는 여러 색깔의 빛은 서로 다른 각도로 꺾여 나와 여러 색깔의 무지개 빛처럼 보이는 것입니다.


렇게 빛이 여러 색깔의 빛으로 나누어지는 현상을 ‘빛의 분산’이라고 부릅니다. 프리즘을 사용하는 것도 빛의 분산을 관찰하는 하나의 방법입니다. 처음으로 프리즘을 이용해 빛의 분산 실험을 한 뉴턴은 이렇게 여러 색깔로 나뉘어진 빛을 ‘스펙트럼’이라고 불렀습니다. 지난 번 ‘중력파 논문을 해설하는 글’(중력파 첫 관측 논문의 ‘그림1’에 대한 10000자 해설)에서 언급했듯이 ‘진동수-진폭’ 그래프를 스펙트럼이라고 부릅니다.


‘빛 속도 = 파장 × 진동수’인 관계를 이용하면, 특정 파장에 해당하는 진동수는 ‘빛 속도 ÷ 파장’임을 알 수 있습니다. 여기에 더해 각 색깔의 밝기는 진폭으로 결정됩니다. 결국 프리즘을 통과해 여러 색깔로 갈라진 빛은 ‘진동수-진폭’ 그래프를 다르게 표현한 것이라고 볼 수 있습니다.


‘스펙트럼’이라는 용어는 진동수나 파장에 한정되지 않습니다. 질량을 측정해 얻은 질량분포도 스펙트럼이라고 부르고, 다른 정치 성향을 가진 사람들의 분포 등도 스펙트럼이라고 불리는 등 다양한 분야에서 사용되는 용어이기도 합니다. 이제 안경 쓴 사람이 그림 1, 2, 3을 볼 때 나타나는 독특한 현상이 일어나는 원리를 알아보겠습니다.



안경 쓰고 볼 때 나타나는 매직아이: 그림 1, 2의 경우

00dot.jpg

먼 곳을 잘 못 보는 ‘근시’를 지닌 사람들은 오목렌즈 안경을 사용해 시력을 교정합니다. 오목렌즈는 렌즈의 가운데 부분은 얇고, 렌즈 가장자리로 갈수록 두꺼워지는 모양을 하고 있습니다. 렌즈의 양쪽 면이 만드는 각도를 보면([그림 7]에서 주황색 선으로 표시), 렌즈의 가운데에서는 평행해 각도 차이가 없지만, 가장자리로 갈수록 평행에서 벗어나 양쪽 면이 만드는 각도가 점점 커집니다. 마치 프리즘처럼 되는 상황입니다.


00fig07.jpg » 그림 7. 렌즈의 양쪽 면이 이루는 각도. 가운데는 평행이고 가장자리로 갈수록 양쪽 면이 이루는 각도는 커진다. 가장자리일수록 프리즘과 같은 효과를 나타난다.


런 오목렌즈 안경을 쓴 사람은 고개를 정면으로 향해 바라볼 때 안경 렌즈의 거의 가운데 부분을 통과하는 빛으로 사물을 보게 됩니다. 이때 렌즈를 통과해서 눈동자에 도달하는 빛의 경로를 보면, 빛은 렌즈와 거의 직각으로 들어오기 때문에 빛이 거의 꺾이지 않습니다. 따라서 가운데에 있는 파란점은 렌즈를 통과하면서 거의 꺾이지 않고 통과합니다. 실제 점의 위치와 보이는 점의 위치가 거의 차이가 없습니다. ([그림 8]의 가운데 그림)


고개를 돌린 상태로 보게 되면, 눈은 렌즈의 가장자리를 통과한 빛으로 보게 됩니다 ([그림 8]의 왼쪽과 오른쪽 그림). 이곳은 렌즈의 양면이 평행하지 않고 각도를 이루고 있는 부분입니다. 눈동자에 도달하는 빛의 경로를 보면, 빛은 렌즈를 만나는 순간 비스듬한 각도로 렌즈에 들어옵니다. 따라서 프리즘에 빛을 통과시키는 것과 유사한 상황이 만들어집니다.


00fig08.jpg » 그림 8. [왼쪽 그림] 고개를 왼쪽으로 돌렸을 때에는 렌즈의 오른쪽 가장자리를 통해 그림을 본다. 렌즈의 양쪽 면이 프리즘 역할을 해 점에서 눈동자까지 오는 경로는 왼쪽으로 치우친다. 눈은 점이 실제보다 더 왼쪽에 있는 것으로 인식한다. 색깔에 따라 다른 굴절률로 인해 파란색 > 초록색 > 빨간색 순으로 더 많이 왼쪽으로 치우쳐 보인다. [가운데 그림] 고개를 똑바로 하고 있을 때에는 렌즈의 중간 부분을 통해 그림을 본다. 눈동자에 도달하는 빛의 경로가 거의 꺾이지 않아 원래 그림과 같은 위치에 있는 것으로 보인다. [오른쪽 그림] 고개를 오른쪽으로 돌려서 보는 경우, 파란색 > 초록색 > 빨간색 순으로 더 많이 오른쪽으로 치우쳐 보인다.


렌즈의 재료인 유리의 경우, 파란색인 빨간색보다 더 많이 꺾입니다. 색깔별로 그림의 점에서 눈동자까지 오는 빛의 경로를 그려보면 굴절률이 큰 파란색 빛은 빨간색에 비해 더 많이 꺾여 들어옵니다. [그림 8]의 왼쪽 경우처럼 고개를 왼쪽으로 돌려서 보는 경우는 파란색 > 초록색 > 빨간색 순으로 빛의 경로가 더 왼쪽으로 치우쳐 눈동자에 도달합니다.


이 상황에서 뇌는 빛이 렌즈를 통과하면서 꺾이는 것을 인식하지 않고, 직선 방향으로 들어오는 것으로 인식합니다. 좀 더 구체적으로 설명하면, 빛의 경로 중에 눈동자에서 렌즈까지의 경로를 한 직선으로 연장한 선을 그릴 수 있습니다. [그림 8]에서 연하게 그린 빨간색, 초록색, 파란색 선이 이 연장선을 나타냅니다. 뇌는 점이 이 연장선 상에 있는 것으로 인식합니다. 세 가지 색깔 중에 가장 많이 꺾이는 파란색이 가장 왼쪽에 치우치고, 그 다음으로 초록색, 빨간색 순으로 치우쳐 보입니다. 고개를 오른쪽으로 돌려서 보는 경우는 오른쪽으로 치우쳐 보입니다 ([그림 8]의 오른쪽 그림).


고개를 많이 돌려서 볼수록 한쪽으로 치우쳐 보이는 정도가 커지고, 치우지는 정도도 색깔에 따라 다릅니다. 이 때문에, [그림 1]과 같이 가로 세로로 잘 정렬된 점들이 고개를 정면으로 하고서 볼 때는 그림 그대로 반듯이 정렬되어 보지만, 고개를 돌려보면 이 정렬이 흐트러져 보이는 것입니다. [그림 2]를 볼 때 네모 블록들이 엇갈려 보이는 것도 같은 원리로 이해할 수 있습니다.



안경 쓰고 볼 때 나타나는 매직아이: 그림 3의 경우

00dot.jpg

00fig09.jpg » 그림 9. 보는 대상의 위치에 따른 빛의 경로 변화. 가까운 곳에 있는 대상을 볼수록 두 눈까지 오는 경로가 만드는 각도는 커지고, 먼 곳에 있는 대상일수록 두 경로가 만드는 각도는 작아진다. 무한히 멋 곳에 있는 대상의 경우 두 경로는 평행하게 된다. 고개를 돌리지 않고 [그림 3]을 볼 때 미미하나마 원근감을 느끼는 현상을 설명할 차례입니다. 그 전에 먼저 실제로 우리 눈이 어떻게 먼 곳과 가까운 곳에 있는 것을 비교해 인식하는지를 알아볼 필요가 있습니다.


눈의 가운데에서 좀 떨어져 있는 한 점을 본다고 가정해보겠습니다. ([그림 9]의 눈에 가까운 점의 경우) 점에서 눈동자까지 오는 빛의 경로를 그려볼 수 있습니다. 왼쪽 눈으로는 오른쪽 방향에서 빛이 오고, 오른쪽 눈으로는 왼쪽 방향에서 빛이 오는 것을 알 수 있습니다. 따라서 왼쪽 눈에는 점이 오른쪽으로 치우쳐 보이고, 오른쪽 눈에는 점이 왼쪽으로 치우쳐 보입니다. [그림 9]에서 볼 수 있듯이, 먼 곳에 있는 점일수록 치우쳐 보이는 정도가 줄어듭니다. 무한히 멀리 떨어져 있는 점은 각각의 눈에는 사실상 가운데에 있는 것으로 보입니다.


이 상황을 점에서 눈으로 향하는 직선 경로 두 개로 만들어지는 각도로도 설명할 수 있습니다 ([그림 9]에서 빨간색 곡선으로 표시). 가까운 곳에 있는 점은 두 경로가 만드는 각도가 크지만, 멀어질수록 이 각도가 줄어듭니다. 뇌가 인식하는 눈과 점 사이의 거리도 이 두 경로가 만드는 각도에 의해 결정된다고 볼 수 있습니다.


이제 점과 두 눈 사이에 렌즈가 있는 경우를 보겠습니다. 고개는 정면을 향하는 경우로 한정하겠습니다. 점이 무한히 멀리 있는 경우는 렌즈의 가운데로 보지만, 가까이 있는 점을 볼 때는 렌즈 가운데에서 살짝 벗어난 부분을 통해 봅니다. 이 부분에서는 렌즈의 양면이 미미하나마 약간의 각도를 가지고 있어 프리즘의 효과가 나타납니다. 이때 점에서 두 눈동자까지의 빛의 경로를 그리면 렌즈를 통과하는 부분에서 경로가 살짝 꺾입니다([그림 10]).


00fig10.jpg » 그림 10. 같은 위치에 있는 점을 보더라도 색깔에 따라 안경을 통해 눈까지 오는 경로가 달라진다. 빨간색은 덜 꺾이는 경로로, 파란색은 더 많이 꺾이는 경로로 눈까지 온다. 뇌는 안경에서 눈동자까지 온 경로를 안경 밖으로 연장했을 때 연장된 두 직선이 만나는 지점에 점이 있는 것으로 인식한다. 같은 위치에 있는 빨간색과 파란색을 오목렌즈 안경을 쓰고 보는 경우를 보겠습니다([그림 10]의 진한 파란색과 빨간색 경로). 점과 눈의 위치가 같지만, 빛이 꺾이는 정도가 색깔에 따라 달라지기 때문에, 렌즈를 통과해서 오는 빛의 경로는 색깔에 따라 약간의 차이가 생깁니다. 빨간색은 전체적으로 덜 꺾이는 경로를 통해서 눈에 도달하고, 파란색은 더 많이 꺾이는 경로로 눈에 도달합니다.


[그림 10]에서 보듯이, 렌즈에서 눈동자까지 그 경로를 렌즈 바깥쪽으로 연장해보겠습니다 (연한 파란색과 연한 빨간색 직선). 왼쪽 눈과 오른쪽 눈에서 이렇게 연장한 직선은 한 점에서 만납니다. 이 점이 바로 뇌가 인식하는 점의 위치입니다. .실제로는 같은 위치에 있다고 해도 점의 색깔이 다르면 눈이 인식하는 점의 위치는 달라집니다.


덜 꺾이는 빨간색은 더 가까이 보이고, 더 많이 꺾이는 파란색은 더 멀리 보입니다. [그림 3]과 같이 색깔이 다른 글자가 비슷한 위치에 있는 경우, 안경 쓴 사람에게는 색깔에 따라 원근감이 다르게 보이는 이유가 여기에 있습니다.


점이 멀리 떨어져 있을수록 눈까지 오는 경로는 렌즈의 가운데 부분에 더 가까운 부분을 통과해, 빛이 렌즈를 통과할 때 그만큼 덜 꺾입니다. 따라서 아주 멀리 있는 점을 볼 때에는 빛이 거의 안 꺾이기 때문에 색깔에 따라 다른 위치에 있는 것처럼 보이는 효과가 없어집니다. 근시가 심한 사람일수록 더 성능이 좋은 오목렌즈를 사용한 안경을 쓰기 때문에 색깔에 따른 원근감이 더 커집니다.



‘색수차’ 문제

00dot.jpg

이번엔 돋보기라고도 불리는 볼록렌즈를 보겠습니다. 작은 것을 크게 보는 렌즈입니다. 평행하게 날아오는 빛이 볼록렌즈로 들어오면 빛이 꺾여서 한 점에 모이게 됩니다. 돋보기로 햇빛을 모아 먹지를 태우는 경우를 생각하면 되겠습니다. 이때 렌즈의 중심에서 빛이 모이는 점까지 그 거리를 ‘초점 거리’라고 부릅니다. 이 초점 거리가 렌즈의 성능을 결정하는 중요한 요소입니다. 초첨 거리가 짧을수록 더 크게 볼 수 있습니다. 다시 말해 배율이 커집니다.


런데 문제는 유리에서 빛이 꺾이는 정도가 빛 색깔에 따라 다르다는 점입니다. 이로 인해 볼록렌즈에서 초점 거리는 일정하지 않고 색깔에 따라 다릅니다. 덜 꺾이는 빨간색 빛은 초점 거리가 크고, 파란색 빛은 초점 거리가 더 작습니다. 같은 렌즈로도 색깔에 따라 ‘배율’이 달라짐을 의미합니다. 이를 ‘색수차’라고 부릅니다. 영어로는 ‘chromatic aberration’라 하는데, 직역을 하면 ‘색깔로 인한 벗어남’으로 해석할 수 있습니다.


00fig11.jpg » 그림 11. 볼록렌즈에서 빛 색깔에 따른 초점 거리 차이(색수차). 빨간색 > 초록색 > 파란색 순으로 초점 거리가 짧아진다.


안경 쓴 사람이 그림 1, 2, 3을 볼 때 생기는 현상들도 결국 색수차로 인해 나타나는 현상입니다. 렌즈로 만들어지는 현미경이나 망원경도 색수차 문제에서 자유로울 수 없습니다. 일반적으로 현미경과 망원경은 한 가지 색깔만 가려서 보지 않고 여러 색깔을 한꺼번에 다 봅니다. 색깔에 따라 배율이 달라지는 상황에서는 확대된 최종 영상이 그만큼 덜 또렷해집니다. 색수차로 인한 성능 저하입니다. 색수차를 피하기 위해 한 가지 색깔의 빛만 걸러내서 볼 수도 있지만, 이 경우는 그만큼 빛의 밝기가 줄어드는 불이익을 감수해야 합니다.


색수차를 줄이는 방법에는 여러 방법이 있는데, 그 중의 하나가 렌즈 대신 반사경을 사용하는 방법입니다. 빛의 반사는 빛의 색깔과 관계가 없어 이론적으로 반사경에는 색수차 문제가 없기 때문입니다. 반사경을 사용하는 대표적인 경우가 천체 망원경입니다.


색깔에 따라 빛이 꺾이는 정도가 달라지는 것이 문제를 일으키기도 하지만, 한편으로 과학 분야에서는 강력한 힘을 발휘하기도 합니다. 대표적인 예가 분광계(spectrometer)로 사용하는 경우입니다.



사람눈의 색깔 식별능력과 ‘RGB 색깔 모델’

00dot.jpg

웬만한 물질은 고유의 색깔을 가지고 있습니다. 금, 은, 동(구리) 중에 더 값나가는 금속을 골라낼 수 있는 것도, 오래된 빵에 핀 곰팡이를 식별해 배탈 나는 것을 피할 수 있는 것도 색깔로 구분할 수 있기 때문입니다. 사람의 시각기관에서 이렇게 색깔을 구분하는 데 중요한 역할을 담당하는 것이 원추세포(cone cell)입니다.[4]


람은 세 종류의 원추세포를 가지고 있습니다. 각 종류의 원추세포는 일정 영역에 걸친 파장의 빛을 감지합니다. 원추세포가 종류별로 얼마만큼 빛을 감지하느냐에 따라 뇌가 인식하는 빛의 색깔이 결정됩니다. 텔레비전이나 컴퓨터 모니터에 사용되는 색깔 재현 방법의 하나인 ‘RGB 색깔 모델’이 이러한 사람의 색깔 감지 및 인식 과정에 기반을 두고 있습니다.[5]


RGB 색깔 모델에서는 세 개의 기본 색인 빨간색(Red), 초록색(Green), 파란색(Blue) 빛을 내는 세 가지 광원의 밝기를 조절하는 방식을 사용해 사람이 볼 수 있는 대부분의 색을 만듭니다. RGB도 이들 광원의 색깔에 해당하는 영어단어 첫 글자를 따서 만든 용어입니다. 무지개와 같은 색깔의 빛도 RGB 방식으로 만들 수 있습니다.


00fig12.jpg » 그림 12. 빨간색, 초록색, 파란색의 광원으로 여러 색깔의 빛을 만드는 RGB 색깔 모델의 한 예. 출처/ Wikimedia Commons


런데 이렇게 RGB 방식으로 만든 무지개 색깔의 빛은 햇빛을 프리즘에 통과시켜 만든 무지개 색깔의 빛과는, 일부를 제외하고, 다른 빛입니다. 프리즘으로 만든 무지개 빛 각각의 색은 그에 해당하는 하나의 빛의 파장을 가지고 있습니다. 반면 RGB 광원으로 만들어낸 색은 빨간색, 초록색, 파란색 빛이 각각의 파장을 가지고 있지만, 이들을 제외한 다른 색들은 그에 해당하는 각각의 파장을 지정할 수 없습니다. RGB 광원 중 두 개 또는 세 개 광원에서 나오는 빛을 합쳐서 만들기 때문입니다.


노란색 빛을 예로 들어 보겠습니다. 프리즘에서 만들어지는 노란색 빛은 빨간색 빛과 초록색 빛 사이에 있으며 그 빛의 파장은 대략 570 nm입니다. 이 노란색 빛을 볼 때 사람의 눈은 두 종류의 원추세포만 이 빛을 감지하고 각각의 원추세포에서 나오는 신호를 종합해 뇌가 이를 노란색으로 인지합니다. 이 노란색 빛을 다시 프리즘을 통과시키면 여전히 노란색으로 나옵니다.


RGB 방식으로 만드는 노란색 빛은 빨간색 빛과 초록색 빛을 섞어 만듭니다. 이 빛을 볼 때에도 두 종류의 원추세포가 감지하고 뇌가 이를 노란색으로 인지합니다. 두 종류의 원추세포가 감지한다는 면에서는 프리즘에서 나오는 노란 빛을 감지하는 것과 유사합니다. 하지만 이 빛을 프리즘에 통과시키면 빨간색 빛과 초록색 빛으로 갈라져 나옵니다. 프리즘에서 나온 대략 570 nm 파장의 노란색 빛과는 다른 노란색 빛인 것입니다. 다시 말해 사람의 눈은 이 다른 노란색 빛을 거의 구분하지 못합니다. 바로 이 부분에서 사람이 직접 눈으로 색깔을 구별할 때의 한계가 드러납니다.


프리즘을 사용하면 570 nm 파장의 노란색 빛과 빨강·초록으로 만드는 빛을 구분할 수 있듯이, 사람의 눈으로 구분하기 힘든 다른 색깔의 빛과 빛의 조합도 프리즘을 통과시켜 나오는 스펙트럼을 보면 쉽게 구분할 수 있습니다. 여기에 더해 사람의 눈으로 볼 때 감지하기 어려운 특정 파장 빛의 변화를 프리즘을 이용한 스펙트럼의 도움을 받으면 더 쉽게 감지해 낼 수 있습니다. 이 원리를 이용해 빛의 스펙트럼으로 물질이 어떻게 구성되어 있는지를 연구하는 분야가 ‘분광학’(spectroscopy)입니다.



분광계: 물질을 구성하는 원소를 알아내다

00dot.jpg

물질은 때로 빛을 흡수하고 방출합니다. 흡수하거나 방출하는 빛의 색깔, 즉 파장은 물질을 구성하는 원소에 따라 다릅니다. 사람이 볼 수 있는 가시광선 영역뿐 아니라, 보라색 빛 너머의 바깥 영역인 자외선에서도 특정 파장의 빛을 흡수하거나 방출합니다. 파장이 보라색 빛의 파장보다 작고 10 nm보다 큰 빛의 영역인 자외선은 사람 눈으로 거의 볼 수 없습니다. 빛의 최소 단위인 광자(photon)의 에너지를 기준으로 보면 가시광선보다 에너지도 큽니다.


00fig13.jpg » 그림 13. 빛(광자)을 흡수하면 원자 안에서 전자가 에너지가 낮은 곳에서 높은 곳으로 이동하고, 전자가 에너지가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하면 빛(광자)이 방출된다. 분광계의 스펙트럼에서는 전자의 에너지 차이에 해당하는 파장의 빛이 밝거나 어둡게 나온다.


‘자외선 스펙트럼’은 눈으로 직접 볼 수 없는 자외선을 탐지해내는 장치로서, 파장별로 밝기를 잰 다음에 ‘파장-밝기’그래프나 ‘진동수-밝기’ 그래프로 스펙트럼을 그려서 봅니다. 가시광선과 자외선 두 영역을 모두 훑어서 어느 파장에서 어떤 빛이 흡수되고 방출되는지를 측정하면, 웬만한 물질은 어떤 원소로 구성됐는지 알 수 있습니다. 상황에 따라 자외선보다 파장이 작고 에너지가 큰 엑스(X)선 영역의 스펙트럼으로 보는 방법도 물질의 구성원소를 파악하는 데 사용됩니다.


렇게 빛의 스펙트럼을 만들어 물질을 구성하는 원소 등을 알아낼 수 있는 장치를 ‘분광계’(spectrometer)라고 부릅니다. ‘빛을 나누는 장치’로 해석해볼 수 있습니다. 프리즘뿐만 아니라 다른 기구를 이용한 분광계도 있습니다. 회절격자(diffraction grating)를 이용한 분광계가 대표적입니다. 정확성은 많이 떨어지지만 주위에서 손쉽게 구할 수 있는 아주 간단한 분광계도 있습니다. 바로 시디(CD)나 디브이디(DVD)입니다. 기록하는 면에 빛을 비스듬히 반사시켜 보면 빛이 색깔별로 갈라지는 것을 볼 수 있습니다.


분광계는 물질을 구성하는 원소를 알아내는 것뿐만 아니라, 같은 원소들로 만들어진 서로 다른 화합물을 구분해낼 수 있습니다. 한 예로 똑같이 탄소(C)와 산소(O)로 만들어진 이산화탄소(CO2)와 일산화탄소(CO)를 보겠습니다. 두 화합물은 탄소와 산소가 화학적으로 결합하는 세기가 다릅니다. 이로 인해 탄소 원자와 산소 원자 사이의 거리도 다르고, 두 원자 사이의 거리가 늘었다 줄었다 하는 떨리는 정도가 다릅니다. 이 떨림의 차이를 분광계로 측정할 수 있습니다.


화학결합의 떨림을 측정하는 분광계는 빨간색 빛 너머의 영역인 적외선을 이용합니다. 파장이 가시광선보다 긴 빛의 영역입니다. 적외선의 광자 에너지 영역은 화학결합의 떨림에 의한 진동 에너지 영역을 공유하고 있습니다. 따라서 적외선의 광자가 화합물 분자에 흡수되면 원자 간의 결합이 줄었다 늘었다 하는 떨림으로 변환됩니다. 광자 에너지가 진동 에너지로 변환되는 것입니다. 이때 적외선의 스펙트럼을 보면 해당 파장의 적외선 밝기가 줄어듭니다. 적외선 분광계는 스펙트럼의 변화를 측정해 어떤 화학결합이 떨리는지를 탐지해 화합물의 정체를 알 수 있습니다.


00fig14.jpg » 그림 14. 적외선 광자가 분자에 흡수되면 화학결합 된 원자 간의 떨림으로 나타난다. 적외선 스펙트럼에서는 떨림의 진동 에너지에 해당하는 파장의 적외선 밝기가 줄어든다.


글에서 설명한 분광학은 전체 분광학의 일부분에 불과합니다. 관련 과학기술이 오랜 기간에 걸쳐 발전되어 지금은 다양한 방식의 여러 분광계가 있습니다. 측정 정밀도로 지속적으로 향상되고 있고, 이를 이용한 과학적 성과도 꾸준히 나오고 있습니다. 노벨상이 처음 만들어진 20세기 초반부터 비교적 최근까지 분광학과 관련한 연구로 여러 명의 노벨상 수상자가 나왔습니다.[6] 분광학의 중요성을 알 수 있는 대목입니다. 기초과학인 물리, 천문, 화학, 생물, 의학 분야뿐 아니라, 환경, 나노과학, 응용공학 분야까지 다방면에서 기여하고 있는 분광학은 현대 과학기술에서 없어서는 안 될 중요한 분야로 자리잡고 있습니다.


[주]


[1] 빛이 두 물질의 경계면에 직각으로 들어가면 빛의 진행방향이 바뀌지 않는다. 유리내부에서 밖으로 나가는 특정 조건에서는 빛이 물질을 통과하지 못하고 반사만 되는 상황도 존재한다.

[2] Refractive Index Database http://refractiveindex.info/?shelf=glass&book=BK7&page=SCHOTT

[3] Visible spectrum, https://en.wikipedia.org/wiki/Visible_spectrum

[4] Cone cell, https://en.wikipedia.org/wiki/Cone_cell

[5] RGB color model, https://en.wikipedia.org/wiki/RGB_color_model

[6] Nobel prizes, http://web.mit.edu/spectroscopy/history/nobel.html


윤복원 미국 조지아공대 연구원(물리학)  

@한겨레 과학웹진 사이언스온  



  [사이언스온의 길목]

페이스북 페이지   https://www.facebook.com/scienceon

트위터   https://twitter.com/SciON_hani

한겨레 스페셜   http://special.hani.co.kr

  • 구글
  • 카카오
  • 싸이월드 공감
  • 인쇄
  • 메일
윤복원 미국 조지아공대 물리학과 전산재료과학센터 연구원
나노클러스터, 나노촉매 등 나노과학분야를 연구하고 있습니다. 함께 생각하고 나눌 수 있는 과학에 관심을 가지고 있습니다.
이메일 : bwyoon@gmail.com       트위터 : bwyoon      

최신글




최근기사 목록

  • 한발 물러서면 셀카 얼굴 얼마나 작아질까 –각크기의 원리한발 물러서면 셀카 얼굴 얼마나 작아질까 –각크기의 원리

    물리상식 마당윤복원 | 2017. 06. 08

    [16] 각크기로 보는 셀카 전략, 일식, 그리고 각분해능1990년대 초 가을 어느 날, 포도주로 유명한 프랑스 보르도의 한 스튜디오(방이 따로 구분되어 있지 않은 작은 집 구조를 프랑스에서 부르는 말)에 한국 사람 몇 명이 한 사람의 생일을 축...

  • ‘트라피스트 행성계로 날아간다면’ -물리상식의 상상여행‘트라피스트 행성계로 날아간다면’ -물리상식의 상상여행

    물리상식 마당윤복원 | 2017. 03. 02

    [15] 지난 글들에서 다룬 물리상식으로 펼쳐본 과학적 상상 최근 과학저널 <네이처>에 지구와 크기가 비슷한 외계행성 7개를 관측했다는 천문학자들의 연구결과가 논문으로 발표되었다.[1] 지구에서 약 39광년 떨어진 곳에 있는 ‘트라피스트-1’...

  • ‘빛속도 99.999999%’ 우주비행, 에너지는 얼마나 필요할까‘빛속도 99.999999%’ 우주비행, 에너지는 얼마나 필요할까

    물리상식 마당윤복원 | 2017. 02. 06

    [14] 광속에 가까운 속도로 하는 우주여행 ‘빛의 속도에 가까운 속도’로 날아갈 수 있는 우주선이 있다고 가정하자. 이 우주선을 타고 아주 먼 외계 행성에 갔다가 돌아오면 미래로 시간여행을 할 수 있다. 이것이 가능한 이유는 아인슈타인의 ...

  • ‘하늘은 파랗게, 구름은 하얗게…’ -파장 다른 빛들의 조화‘하늘은 파랗게, 구름은 하얗게…’ -파장 다른 빛들의 조화

    물리상식 마당윤복원 | 2017. 01. 13

    [13] 빛의 밝기와 종류 이해하기 뭔가를 본다고 하면, 첫째로 보려는 대상이 있어야 한다. 하지만 이것만으로는 부족하다. 빛도 필요하다. 보려는 대상이 자체적으로 빛을 내던지, 빛을 그 대상에 비춰야 한다. 이 글은 그중에 빛에 대한...

  • 무지개, 라디오, 무선통신, 레이더…전자기파 파동 이해하기무지개, 라디오, 무선통신, 레이더…전자기파 파동 이해하기

    물리상식 마당윤복원 | 2016. 07. 28

    [12] 빛의 파동, 파장, 주파수 기본개념들 자동차를 타고 가다가 열차 건널목 앞에서 차단기가 내려와 멈춘 적이 있다. 그것도 맨 앞에 서게 되어서 지나가는 화물열차를 바로 눈앞에서 보게 됐다. 미국의 화물열차는 상당히 길다는 것을 이미 알...