한수원블로그
삶에 활력(力)을 더하는 이야기
모바일메뉴 열기
검색창 닫기

색(色)과 빛(光)의 원리

  • 2015.11.16.
  • 2147
  • 블로그지기
  • 페이스북
  • 트위터
  • 카카오
  • 인쇄

khnp_01

 

가을이 되면 산이 붉고 노랗게 물들어 가을의 아름다움을 느낄 수 있는데요.
노란색 단풍은 포근하고 따뜻한 느낌을 주고, 붉은색 단풍은 강렬하여 가을의 쓸쓸함을 느낄 수 있게 해주는 것 같습니다.

이처럼 단풍잎의 노랑, 빨강, 주황 빛깔은 햇빛을 받아 만들어지게 되는데요.
단풍잎과 마찬가지로 모든 물체의 색은 그 물체가 품고 있는 색소에 의해 결정됩니다.

또한 색소는 물체의 색깔이 나타나게 해주는 성분으로 스스로 빛을 내지 않고 햇빛이나 전등과 같은 빛을 받아 빛깔을 만들어 내게 되죠. 즉 빛이 없으면 색소는 어떤 색깔도 낼 수 없게 되는 것입니다.

오늘은 색과 빛에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

 

khnp_02

 

◆ 우리가 느끼는 빛

전기에너지를 이용한 전등이 발명되기 전까지 인간이 빛을 만들어낼 수 있는 방법은 유일하게 불을 피우는 것뿐이었습니다.
색이 주는 온도에 대한 직관적 느낌은 오래전부터 사용한 불에 대한 경험 때문일 것입니다.

우리는 주황색 계열의 모닥불 불빛에서 따뜻함을 느끼게 됩니다. 모닥불의 열기가 우리가 느끼는 색의 온도에 영향을 받았기 때문인데요.

비슷한 이유로 우리는 콘크리트처럼 회색이나 푸르스름한 색에서 차가움을 직감하게 됩니다. 흐리고 추웠던 날에 대한 경험이 차가운 색 느낌으로 전달되는 것이죠.

 

◆ 빛의 원리

태양, 모닥불, 반딧불, 등잔불, 백열등, 형광등, 레이저, 발광다이오드(LED), 유기발광다이오드(OLED) 등 여러 광원이 빛을 내는 방법은 다양하게 존재합니다. 하지만 그 배경에는 모두 전자, 즉 전하 입자의 움직임이 있습니다.

높은 전압에서 낮은 전압으로 움직이는 전하 입자는 두 전압 차이에 의한 전기장의 힘을 받아 가속 운동을 하게 되고 이 과정에서 빛이 만들어지게 되는 것입니다. 전자가 전기력을 받아 가속 운동을 하는 과정에서 전기에너지의 일부가 전자기장 파동을 만들어 에너지를 내뿜기 때문입니다.

백열등이나 형광등, LED 전등은 모두 빛을 내기 위해 전기에너지를 소모한다는 공통점이 있습니다.
전자의 전기에너지가 열에너지와 빛에너지로 전환된다고 생각하면 쉽습니다.

그러나 LED에서 빛을 내는 전자는 가속 운동을 하면서 전자기장에 파문을 남긴다고 말하기는 어렵습니다.

실제로 LED 반도체 내부의 불과 수십 나노미터 공간에 갇혀 있는 전자는 그 에너지 상태가 순식간에 바뀌는 양자역학적 전이과정을 통해 빛을 내기 때문입니다. 그렇기 때문에 LED는 그 안에 갇힌 전자 상태의 에너지 차이에 해당하는 특별한 파장의 빛만 낼 수 있게 되는 것입니다.

 

khnp_03

 

◆ 태양의 스펙트럼

뜨거운 불의 빛은 어떻게 나오는 것일까요?

태양을 예를 들어 보겠습니다. 태양의 빛은 여러 파장의 빛을 품고 있는데요. 프리즘을 통과한 햇빛이 무지개 스펙트럼을 보이는 것이 그 증거입니다. 우리가 흔히 알고 있는 무지개 스펙트럼에는 빨-주-노-초-파-남-보 일곱 색깔만 있는 것이 아닙니다.

잘 살펴보면 약 400나노미터 파장의 보라색에서 약 700나노미터의 빨간색까지 모든 파장의 색이 연속적인 스펙트럼을 이루고 있습니다. 더 정확히 말하면 햇빛에는 빨간색보다 파장이 긴 적외선 빛과 보라색보다 파장이 짧은 자외선까지 포함돼 있습니다.

뜨거운 태양 표면에서는 분자나 고체 형태의 물질은 존재할 수 없고 양성자와 전자가 분리된 플라즈마 상태로 존재하게 되는데요. 이 때문에 LED 반도체와 같이 특정 파장의 빛을 내는 양자 에너지 구조는 더 이상 존재하지 않게 됩니다.

대신 자유롭게 움직이는 전자와 양성자가 거의 모든 파장의 빛을 흡수하거나 방출하는 가속 운동을 하게 되죠. 전자와 양성자가 서로 부딪치면서 흡수하고 방출하는 여러 파장의 전자기파가 섭씨 6200도에서 열적 평형을 이루어 방출한 결과 무지개 스펙트럼의 빛으로 나타나는 것입니다.

섭씨 6000도가 넘는 태양광은 노란색과 초록색 사이에서 최대 밝기를 유지하는데 반해, 백열등은 빨간색과 적외선의 밝기가 상대적으로 강하게 됩니다. 백열등 필라멘트의 온도가 섭씨 2500도 정도로 낮아서 빨간색 쪽으로 스펙트럼의 분포가 쏠리기 때문입니다. 백열등 필라멘트의 온도가 바로 색의 온도를 나타내게 됩니다.

우리가 느끼는 따뜻한 색은 광원의 온도로는 섭씨 2500도 입니다. 그런데 섭씨 1000도 이하의 잿불과 섭씨 2500도의 백열등은 따뜻한 색인데 반해, 섭씨 3000도 이상의 높은 온도인 할로겐 램프의 색은 태양광의 색에 가깝고, 파란색 성분이 많아 오히려 차가운 느낌을 주게 됩니다.

 

오늘은 색과 빛에 관련된 이야기를 해보았는데요.

색을 통해 느끼는 온도는 오랜 경험에 의해 본능적으로 습득했다는 걸 알 수 있었습니다.
또한 빛이 없으면 색 또한 구별되지 않는다는 사실도 알 수 있었습니다.

요즘 가을산에 단풍이 절정인데요. 이번 주말 가을의 색을 몸소 느껴보신 건 어떠신가요?

 

블로그지기

0

댓글 남기기

블로그지기
블로그지기
한수원의 생생한 소식과 한수원사람들의 이야기를 전합니다
목록