2022 주니어닥터 과학 DIY 챌린지 - 삼원색으로 빛 합성기 만들기 (한국기초과학지원연구원) ;by 성림초등학교 고준

2022 주니어닥터 과학 DIY 챌린지 - 삼원색으로 빛 합성기 만들기 

(한국기초과학지원연구원) 성림초등학교 고준

 

 

 

 

 

 

2022 주니어닥터 과학 DIY 챌린지 - 삼원색으로 빛 합성기 만들기 

(한국기초과학지원연구원) 성림초등학교 고준

 

 

 

 

 

 

 

2022 주니어닥터 과학 DIY 챌린지 - 삼원색으로 빛 합성기 만들기 

(한국기초과학지원연구원) 성림초등학교 고준

 

 

 

 

 

 

 

빛을 섞으면 어떤 일이 벌어질까

물감을 섞으면 다양한 색을 만들 수 있다는 사실을 잘 알고 있을 것이다. 그림을 그리다 보면 물감 세트에는 없는 색깔들이 필요할 때가 있다. 그럴 땐 물감을 섞어 원하는 색을 만들어 써야 한다. 하지만 새로운 색이 만들어지는 것이 신기하여 너무 이것저것 색을 섞으면 원하지 않았던 결과가 나타나기도 한다. 모든 색을 섞으면 검은색이 되어 버린다.

이와 마찬가지로 빛을 섞어도 다양한 색깔의 빛을 만들 수 있다.

색의 삼원색에는 두 가지가 있다. 물감의 삼원색은 빨강, 파랑, 노랑이고, 빛의 삼원색은 빨강, 초록, 파랑이다. 단, 이 둘의 차이점은 물감은 섞으면 섞을수록 진해져 검은색이 되는데, 빛은 섞으면 섞을수록 밝아지고 빛의 삼원색을 모두 섞으면 흰색이 된다는 사실이다.

물감의 삼원색

빛의 삼원색

빛의 삼원색
빨강, 파랑, 초록을 말하며, 이 세 가지 색깔의 빛을 적절히 섞으면 우리가 원하는 어떤 색깔의 빛도 만들 수 있다. 빛은 섞을수록 밝아지고 빛의 삼원색을 모두 합하면 흰색이 된다.

물감의 삼원색
빨강, 파랑, 노랑을 말하며, 이 세 가지 색만 섞으면 모든 색깔의 물감을 만들 수 있다.
물감은 섞을수록 어두워지고 물감의 삼원색을 모두 합하면 검정색이 된다.

빛의 삼원색

빛의 삼원색인 빨강, 초록, 파랑만 있으면 어떤 빛의 색이든 만들 수 있다. 하지만 가시광선은 분명히 일곱 가지 색으로 되어 있다고 했는데, 왜 이 세 가지만 빛의 삼원색이 되었을까?

그 이유는 우리 눈이 빛을 느끼는 방식 때문이다. 우리 눈의 망막에는 빛을 느끼는 시세포가 있는데, 시세포에는 원뿔 모양의 원추세포와 막대기처럼 생긴 간상세포가 있다. 이 중 간상세포는 색깔은 구별하지 못하고 밝고 어두움만 알아낸다.

원추세포에는 적추체·녹추체·청추체의 세 종류가 있다. 빛이 망막에 도달하면 빛의 스펙트럼을 이 세 종류의 추체가 감지하고, 이 세 종류의 추체가 느끼는 강도의 비율을 바탕으로 시신경, 뇌 등 모든 것들이 협동하여 그 물체의 색을 판단한다.

만약 파란색이 우리 눈에 들어오면 청추체만 작동하고 나머지는 작동을 하지 않기 때문에 우리 뇌가 파란색으로 느낀다. 삼원색 중에 둘을 섞은 색, 즉 노란색이 들어오면 적추체와 녹추체가 작동하고, 하늘색이 들어오면 녹추체와 청추체가 작동한다. 세 가지 원추세포가 동시에 작동하면 하얀색으로 해석한다.

이렇게 세 가지 색깔이 어떤 비율로 섞이는가에 따라 온갖 색깔이 만들어지게 된다.

이런 원리를 이용한 것이 컬러 텔레비전이다. 빨강, 파랑, 초록 세 개의 광선을 쏘아 수많은 색을 만들어 화면에 나타나게 하는 원리인데, 화면을 현미경으로 확대해 보면 무수히 많은 색의 조각을 볼 수 있다. 만약 화면에서 노랑으로 나타난 부분을 자세히 확대해 보면 빨강과 초록을 띤 작은 조각들이 같은 비율로 배치돼 있음을 알 수 있다.

원추세포
망막에서 빛의 구별을 담당하는 세포로, 빨간색, 초록색, 파란색에 각각 반응하는 세 가지 종류가 있다. 눈으로 들어온 빛이 원추 세포를 자극하면 뇌에서 이것을 가지고 어떤 색인지 판단한다.

간상세포
망막 전체에 골고루 퍼져 있으며, 밝고 어두운 것을 구분하는 역할을 한다.

화소
모니터나 텔레비전의 화면에서 영상을 나타내는 데에 필요한 최소의 단위를 말한다. 한 개의 화소는 빛의 삼원색을 나타내는 작은 구간들로 되어 있다.

하늘은 왜 파랄까

날씨가 맑게 갠 날엔 새파란 하늘을 볼 수 있다. 왜 하늘은 파랗게 보일까?

물리에서는 하늘이 파랗게 보이는 것을 공기 분자에 의한 빛의 산란 때문이라고 한다. 보통 산란이란 물체가 제멋대로 흩어지는 것을 뜻하는데, 빛의 산란이란 빛이 다른 물체에 부딪혀 사방으로 흩어지는 것을 말한다.

공기 분자에 의한 산란은 대기 중의 공기 분자들이 태양 빛을 흡수한 후 재방출하는 것을 말한다. 짧은 파장의 빛일수록 산란이 강하게 일어나는데, 파장이 0.45㎛인 푸른빛은 파장이 0.71㎛인 붉은빛에 비해 6배 정도 더 강하게 산란된다.

하늘이 파란 이유는 파장이 짧은 파란빛, 보랏빛이 파장이 긴 빨간빛, 주황빛보다 더 많이 산란되기 때문이다. 물론 가시광선 중 파장이 가장 짧은 것은 보랏빛이다. 그런데 하늘이 보랏빛으로 보이지 않는 까닭은 햇빛 중에 포함된 보랏빛의 양이 매우 적고 사람 눈이 보랏빛에 덜 민감하기 때문이다.

짧은 파장인 파란빛의 산란으로 파랗게 보이는 하늘

마이크로미터(micrometer)

100만분의 1미터 정도까지 잴 수 있는 기구이다. 나사의 이동과 회전을 이용하여 재는데, 보통은 종이의 두께나 철사 따위의 지름을 재는 데 쓰인다.
단위는 ㎛로 표기한다.

바다는 왜 파랄까

바다가 파랗게 보이는 것도 하늘이 파랗게 보이는 것과 같은 원리이다. 바닷물을 한 컵 정도 떠서 보면 보통의 물처럼 투명하게 보이지만 바다처럼 물의 깊이가 깊어지면 상황은 달라진다.

태양 광선이 물에 부딪히면 먼저 적외선과 붉은 계통의 빛부터 흡수되기 시작한다. 붉은 계통의 빛은 약 18m까지 내려가면 완전히 흡수돼 사라져 버린다. 반면에 파란 계통의 빛은 가장 느리게 흡수된다. 파란 빛은 물 밑으로 들어가면서 극히 일부만 흡수되고 나머지는 물 분자에 부딪혀 산란된다. 바로 이렇게 산란된 파란빛 때문에 바다가 파랗게 보이는 것이다.

빛의 색이 바뀌면 물체는 어떻게 보일까

물체의 색을 결정하는 것도 빛이 하는 일 중의 하나이다. 우리가 보는 물체의 색은 물체가 반사하거나 물체를 투과한 빛의 색이다. 사과처럼 불투명한 물체의 경우에는 물체가 반사한 빛을 보는 것인데, 사과의 빨간 색소는 빨간빛만 반사하고 나머지 색은 흡수하므로 사과는 빨갛게 보인다. 마찬가지로 초록색의 나뭇잎은 초록색만을 반사해서 그렇게 보이는 것이다.

그러나 유리나 셀로판지처럼 투명한 물체는 그 물체가 투과시킨 색으로 보인다. 즉, 빨간 셀로판지는 빨간색만 통과시키고 나머지 색은 모두 흡수한 것이다.

또한 같은 사과라도 아침에 볼 때와 해가 질 무렵에 볼 때는 서로 다르다. 이것을 통해 빛의 종류에 따라 물체의 색이 다르게 보인다는 것을 알 수 있다.

만약 사과에 파란 조명을 비추면 사과의 색소는 파란색을 흡수하므로 어떤 빛도 반사하지 않게 된다. 따라서 사과에서 반사되어 나오는 빛이 없으니 사과는 검은색으로 보인다. 이것은 정육점의 불빛을 보더라도 쉽게 확인할 수 있다. 소고기나 돼지고기처럼 붉은빛을 띠는 고기를 파는 정육점들은 한결같이 붉은 빛깔의 형광등을 사용한다. 고기에 붉은색 형광등을 비추는 이유는 붉은색을 더 많이 반사시켜 고기가 싱싱해 보이도록 하기 위해서이다. 그런데 만약 정육점의 형광등을 파란색으로 바꾼다면 어떻게 될까? 파란색 불빛 아래에서 붉은색 고기는 파란색은 흡수하고 붉은색은 반사할 수 없어 거무스름하게 보일 것이다. 그런 정육점이라면 곧 문을 닫을 것이다.

이처럼 같은 물체라도 비추는 빛의 종류에 따라 색깔이 달라진다.

붉은 색의 사과

푸른색 조명 아래서 어둡게 보이는 사과

확장 교양 의사들의 수술복이 초록색인 이유

의사 하면 흰색 가운을 입은 모습이 떠오르는데 수술실에서 수술을 하는 의사들은 어김없이 초록색이나 푸른색의 가운을 입는다. 의사들이 수술을 할 때 흰색 가운을 초록색으로 갈아입는 데는 다 이유가 있다.

대부분의 수술에는 출혈이 불가피한데 만약 의사가 강한 조명 아래서 오랫동안 수술하면서 붉은 피를 계속해서 보고 있으면 빨간색을 감지하는 원추세포가 피로해져 그 기능이 떨어진다. 그런데 파란색이나 초록색을 감지하는 다른 원추세포는 여전히 활력이 있으므로 이들 간에 균형이 깨지게 된다.

이때 하얀 가운을 입은 동료 의사나 간호사를 보면 파랑과 초록이 활성화되어 엷은 청록색으로 보이는 잔상 효과를 경험한다. 잔상 효과란 바라보던 물체가 사라져도 망막에 물체의 상이 잠시 남아 있는 것을 말한다. 이 잔상은 의사의 시야를 혼동시켜 집중력을 떨어뜨릴 수 있기 때문에 잔상을 느끼지 못하도록 수술실에서는 아예 수술복 자체를 초록색으로 입는 것이다.

[네이버 지식백과] 빛의 합성 (상위5%로 가는 물리교실2, 2008. 3. 13, 신학수, 이복영, 백승용, 구자옥, 김창호, 김용완, 김승국)

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대덕특구 연구기관과 함께하는 주니어닥터 (kbsi.re.kr)

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