색이 보이는 원리:푸르킨예 현상과 색채 항등성

빛은 우리 주변의 모든 것을 밝히는 데 없어서는 안 될 요소입니다. 그러나 빛 자체는 색이 없습니다. 그렇다면 하늘이 파랗고 사과가 빨간색으로 보이는 이유는 무엇일까요? 이 질문에 대한 해답을 간단한 과학정보와 함께 누구라도 이해하기 쉽게 풀어보겠습니다.

 

빛의 이중성: 광파와 광자

물리학자들은 빛이 입자와 파동의 특성을 동시에 가지고 있다고 설명합니다. 이렇게 빛의 파동 형태를 '광파'라고 부르며, 이 광파는 '광자(Photon)'라는 기본 입자로 구성되어 있습니다. 이를 사진 촬영에 관한 용어로 간단히 표현하면, 광자는 카메라의 노출로 생각할 수 있습니다. 빛의 특정 범위, 즉 '가시광선'에서 파장이 긴 빛은 빨간색 계열의 이미지를 만들어내고, 파장이 짧은 빛은 파란색 계열의 이미지를 생성합니다.

 

 

색의 생성

빛의 파장은 색상을 결정하는 주요 요소입니다. 스펙트럼은 빛의 파장에 따라 분해되며, 이를 로이그비브(ROYGBIV, 무지개 색깔의 앞글자)로 표현하면, 빨강(Red), 주황(Orange), 노랑(Yellow), 녹색(Green), 파랑(Blue), 남색(Indigo), 보라(Violet) 순서로 나타납니다.

 

가시광선의 범위는 약 380nm~780nm로, 이 범위를 벗어나는 빛(X-선, 자외선과 같은 전자기파)은 우리 눈에 보이지 않습니다. 파장은 빛의 한 주기와 다음 주기 사이의 거리를 의미하며, 일반적으로 나노미터(nm) 단위로 표현됩니다.

 

파장에 따른 빛의 나타내는 색상은 다음과 같습니다

• 빨간색 계열: 640nm~780nm
• 주황색 계열: 590nm~640nm
• 노란색 계열: 560nm~590nm
• 녹색 계열: 480nm~560nm
• 청색 계열: 360nm~480nm
• 보라색: 380nm 이하

 

색상은 빛과 물체의 상호작용에 의해 생성됩니다. 물체는 특정 색상의 빛을 반사하고, 다른 색상의 빛은 흡수합니다. 다시 말해, 사과가 빨간색으로 보이는 이유는 사과의 표면이 빨간색 빛을 제외한 다른 색상의 빛을 흡수하고 빨간색 빛만을 반사하기 때문입니다. 이렇게 반사된 빛이 우리 눈에 들어와 우리는 그 물체의 색상을 인식하게 됩니다.

 

하늘의 색이 변화하는 이유

하늘의 색상은 빛의 산란 현상 때문에 변화합니다. 다시 말해 대기 중의 작은 입자들이 태양빛을 산란시키는 것에 따라 다양한 색상을 띠게 됩니다.

 

• 파란 하늘:
  • 태양빛은 다양한 색상의 빛을 포함하고 있습니다. 이 중 파란색 빛의 파장은 짧아 쉽게 산란됩니다. 따라서, 낮에는 파란색 빛이 대기 중에서 가장 많이 산란되어 하늘이 파란색으로 보입니다.
• 일출, 일몰 시간대의 붉은 하늘:
  • 해가 지평선 근처에 있을 때, 태양빛은 대기를 더 많이 통과해야 합니다. 이로 인해 파란색 빛이 더 많이 흡수되고 산란되어 남은 빨간색과 주황색 빛이 우리 눈에 들어오게 됩니다. 따라서 해가 뜨거나 질 때 하늘이 빨간색이나 주황색으로 보이는 것입니다.
• 대기의 상태에 따른 변화:
  • 대기 중의 먼지나 수증기의 양에 따라 하늘의 색상이 달라질 수 있습니다. 특히, 먼지나 오염 물질이 많은 경우 더 진한 빨간색이나 주황색으로 보일 수 있습니다.

하늘의 색상은 태양빛의 산란 현상과 대기의 상태에 따라 변화합니다. 이러한 자연 현상은 우리 주변의 아름다운 풍경을 만들어냅니다.

 

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색과 관련된 학문적 이론

다음은 우리가 빛과 색의 관계를 이해하는 데 도움을 주는 이론들을 살펴보겠습니다.

 

푸르킨예 현상 (Purkinje effect)

 

 

푸르킨예(푸르키네) 현상은 어두운 환경에서 파란색 빛에 대한 인간의 시각적 민감도가 상대적으로 높아지는 현상을 의미합니다. 이는 19세기 체코의 생리학자인 얀 에반겔리스타 푸르킨예의 이름을 따서 명명되었습니다.

 

이 현상은 밝은 환경에서는 빨간색과 노란색이 선명하게 보이고 파란색이 흐릿하게 보이는 반면, 어두운 환경에서는 파란색이나 초록색이 선명하게 보이고 빨간색이 흐릿하게 보이는 현상을 설명합니다.

 

푸르킨예 현상의 원인

이 현상의 원인은 망막의 광수용체인 원뿔세포(cone cell)와 막대세포(rod cell)의 기능과 관련 있습니다.

인간의 눈의 망막에는 두 가지 주요한 광수용체, 즉 원뿔세포와 막대세포가 있습니다. 이 두 세포는 각각 다른 조건에서 활성화되며, 그 결과로 다른 빛의 성질을 감지하게 됩니다.

 

• 원뿔세포(Cone Cell):
  • 이 세포는 주로 밝은 환경에서 활성화됩니다. 원뿔세포는 색상을 인식하는 데 중요하며, 세 가지 주요 타입 (빨간색, 초록색, 파란색에 반응하는)이 있습니다. 밝은 환경에서는 원뿔세포가 주로 활성화되어 다양한 색상을 구별하게 됩니다.
    • L 원뿔세포 (빨간색 감지): 이 세포는 'Long-wavelength'을 의미하는 L 원뿔세포로 알려져 있습니다. 주로 빨간색 빛, 즉 564 나노미터의 파장에 가장 민감하게 반응합니다.
    • M 원뿔세포 (초록색 감지): 'Medium-wavelength'을 의미하는 M 원뿔세포는 초록색 빛에 반응합니다. 특히 534 나노미터의 파장에서 가장 강한 반응을 보입니다.
    • S 원뿔세포 (파란색 감지): 'Short-wavelength'을 의미하는 S 원뿔세포는 파란색 빛에 가장 민감합니다. 이 세포는 420 나노미터의 파장에서 가장 강한 반응을 나타냅니다.
• 막대세포(Rod Cell):
  • 막대세포는 어두운 환경에서 주로 활성화됩니다. 이 세포는 색상을 구별하는 능력은 없지만, 빛의 밝기나 어둠을 감지하는 데 매우 민감합니다. 따라서 어두운 환경에서는 막대세포가 주로 활성화되어 빛의 밝기를 감지하게 됩니다.

 

푸르킨예 현상의 발생

어두운 환경에서 막대세포가 활성화되면서 원뿔세포의 활동은 상대적으로 줄어듭니다. 그럼에도 불구하고, 원뿔세포 중에서 파란색에 반응하는 세포(S-원뿔세포)는 어두운 환경에서도 상대적으로 더 활성화됩니다. 이로 인해 인간의 눈은 어두운 환경에서 파란색에 더 민감하게 반응하게 됩니다.

 

푸르킨예 현상의 예시

해 질 녘이나 밤에 길을 걷다 보면 주변의 물체나 풍경이 파란색으로 보이는 경우가 있습니다. 또한, 일부 지역에서 범죄 예방을 위해 파란색의 가로등을 설치하는 데에도 활용되었습니다.

 

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색채  항등성(색채항등성, Color Constancy)

색상은 우리 주변 세계를 인식하는 데 중요한 역할을 합니다. 그러나 우리가 보는 색상은 단순히 물체의 표면에서 반사되는 빛의 파장만이 아닙니다. 실제로 우리가 어떤 색상을 인식하는 방식은 매우 복잡한데, 이 중 하나의 중요한 요소가 '색의 항상성'입니다.

 

어떤 사물을 볼 때, 인간의 시각시스템은 익숙한 햇빛의 변화에 근거해 눈에 보이는 색을 보정하게 됩니다. 시스템에서 푸른색 파장을 보정하면 '흰색-금색'을, 노란색 파장을 보정하게 되면 '파란색-검은색'을.... -웹슬리대학 신경과학자 베일 콘웨이

 

색채 항등성의 기본 개념

색채 항등성(색채 불변성)은 물체의 조명 조건이나 주변 환경이 변해도 우리가 그 물체의 색상을 일정하게 인식하는 현상을 의미합니다. 그리고 이러한 능력은 인간만이 가진 능력이라 알려져 있습니다. 예를 들어, 햇빛 아래에서의 흰색 셔츠는 백열등 아래에서도 흰색으로 보입니다, 비록 두 조명의 색온도가 다르더라도 말이죠.

 

 

색채 항등성 원리

이 현상의 원인은 인간의 뇌와 시각 시스템의 놀라운 능력에서 찾을 수 있습니다.

 

• 뇌의 정보 처리:
  • 우리의 뇌는 주변 환경의 정보를 바탕으로 물체의 진짜 색상을 추론하여 보정합니다. 이를 통해 우리는 다양한 조명 조건에서도 일관된 색상 정보를 얻을 수 있습니다.
• 뉴런의 적응:
  • 인간의 눈은 세 가지 다른 종류의 원뿔세포를 가지고 있어서 빨간색, 초록색, 파란색의 빛에 반응합니다. 이 세 가지 색상의 조합으로 우리는 다양한 색상을 인식할 수 있습니다. 뇌는 이러한 정보를 사용하여 현재의 조명 조건에서 물체의 색상을 보정합니다.

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색채 항등성의 예시

 

색채 항등성은 우리의 일상생활에서 매우 중요한 역할을 합니다. 예를 들어, 우리는 쇼핑을 할 때 상점의 조명 아래에서 본 옷의 색상이 밖의 자연광에서도 동일하게 보이기를 원합니다. 그리고 우리의 눈을 의심하게 만드는 아래의 예시를 통해 우리는 색채 항등성을 좀 더 직관적으로 이해할 수 있습니다. 

 

색채 항등성 예시, 네모 A와 네모 B는 같은 색입니다.

 

 

 

사진이나 영상의 경우를 볼 때, 사람은 앞서 살펴본 바 와 같이 무의식적으로 우리의 시각시스템이 안구의 화이트 밸런스를 조정하지만 카메라는 주어진 조건대로 장면을 솔직하게 담습니다. 이것은 카메라가 특정 상황에서 초점의 정확성이 떨어지는 이유입니다. 디지털 카메라는 초점을 정확하게 잡기 위해서 색상 정보를 이용하기 때문입니다. 특정한 상황에서 카메라의 자동초점 정확성이 떨어진다면 이를 의심해봐야 합니다. 

 

다시 말해, 위 이미지와 같이 대비가 있다고 생각했던 네모 A와 네모 B는 실제 같은 색상이었기 때문에 자동 보정 기능을 가진 우리의 눈과 달리 대비를 느끼지 못합니다. 그런 까닭으로 카메라가 특정 상황, 특정 영역에 초점을 잡는 것이 사람보다 어려울 수 있는 상황입니다.