색

가시 스펙트럼

뉴턴은 색이 빛의 성질이라는 것을 보임으로써 색을 이해하기 위해서는 빛에 관하여 알아야 한다고 생각했다. 빛은 전자기 복사의 한 형태로 파동과 입자의 성질을 모두 갖고 있으며, 다양한 진동수의 파동 형태로 복사되는 미세한 에너지 다발로 생각할 수 있다.

빛살은 특정한 값의 진동수, 파장 및 이들과 연관 있는 에너지를 갖는다. 빛의 에너지는 빛의 속도로 움직이는 작은 입자가 가진 에너지로 볼 수 있다. 어떤 파장을 가지는 빛의 가장 작은 양을 광자라고 하며, 광자의 에너지는 그 빛의 진동수에 비례하고, 파장에는 반비례한다.

빛의 가시 스펙트럼은 400nm의 파장을 가진 보라에서부터 700nm의 파장을 지닌 빨강에 걸쳐 있다(표 참조). 보라보다 짧은 파장의 빛은 자외선, 빨강보다 긴 파장의 빛은 적외선이라 하며 사람의 눈으로는 볼 수 없다.

혼합법칙

일반적으로 색은 무채색과 유채색으로 구분되는데 흰색·회색·검정색 등과 같이 색상이나 채도가 없는 색을 무채색이라 하며 그외의 색을 유채색이라 한다. 유채색은 다시 빨강·노랑·주황과 같은 순색과 갈색·분홍색과 같이 순색에 무채색을 섞을 때 생기는 혼합색으로 구분한다. 보고된 바에 의하면 사람의 눈은 수천 만 가지의 색을 구분할 수 있다고 하며, 이러한 색은 모두 가산과 감산의 2가지 형태의 빛의 혼합으로부터 나온다.

가산혼합은 빛살들이 조합될 때 각 스펙트럼의 성분들이 더해지는 것으로 색수가 많을수록 명도가 높아지며 밝아진다. 가산혼합의 3원색은 일반적으로 빨강·녹색·파랑이라고 알려져 있으나 과학적으로는 빨강·녹색·남색이 정확하다. 이 3원색의 양을 바꾸면서 가산혼합하면 거의 모든 색이 만들어지고, 똑같은 양을 혼합하면 흰색으로 된다. 예를 들면 빨간 필터가 부착된 환등기와 녹색 필터가 부착된 환등기를 흰색 화면에 비추면 화면에는 노란 빛이 나타나며, 빨간빛을 더 많이 비추고 녹색빛을 줄여주면 화면은 주황빛을 띠게 된다.

감산혼합은 빛의 흡수와 선택적 투과 또는 반사와 관계가 있다. 감산혼합은 안료나 염료 같은 착색제를 섞을 때나, 단일 백색광선에 여러 개의 착색 필터가 부착되어 있을 때 일어난다. 예를 들어 환등기에 빨간 필터가 부착되어 있으면 필터는 빨간 색을 투과시키고 다른 색은 흡수한다.

그러므로 만일 환등기에 빨간 필터와 녹색 필터가 함께 부착되어 있으면 어떤 빛도 투과되지 못하기 때문에 검정색이 나타나게 된다. 이와 유사하게 노란 안료는 파란빛과 보랏빛을 흡수하고, 노랑·녹색·빨강 빛을 반사한다. 파란 안료는 주로 노랑·주황·빨강 빛을 흡수한다. 이 두 안료를 섞으면 녹색이 나타나게 되는데, 이것은 두 안료에 의해서 강하게 흡수되지 않는 단 하나의 스펙트럼 성분이 녹색이기 때문이다. 감산 3원색은 일반적으로 빨강·노랑·파랑이라고 알려져 있으나, 과학적으로는 자주(magenta)·노랑·청록(Cyan)이 정확하며, 이 색들은 각각 빨강·녹색·남색을 흡수한다. 두 색을 섞을 때 가산혼합으로 흰색이 되거나 감산혼합으로 검정색이 되면 이 색들을 서로 보색이라고 한다. 그림1은 빨강·녹색·남색의 가산혼합과 자주·노랑·청록의 감산혼합을 보여주고 있다. 여기에서 3원색의 두 색을 혼합하면 나머지 한 색의 보색이 되는 것을 알 수 있다.

측정

개요

색을 측정하는 것은 측색법(測色法)으로 알려져 있다.

이 분야에는 다양한 기구들이 사용되고 있는데, 분광광도계는 가장 복잡한 장치로서 빛을 각각의 스펙트럼 파장에 존재하는 에너지 양으로 분석한다. 그림2는 분광광도계로 측정한 여러 가지 광원의 방출 곡선이며, 그림3은 분광광도계에 의한 에메랄드 녹색 페인트 안료의 반사율 곡선이다. 색 스펙트럼의 에너지 분포를 명확하게 기술하기는 어렵다.

눈은 어떤 주어진 에너지 분포에 대하여 단 하나의 색만을 인식하기 때문에 색의 측정을 인식과 관계된 방식으로 표현할 필요가 있다. 이러한 방법 가운데 대표적인 것들은 다음과 같다.

삼자극(三刺戟) 측정과 색도도표

삼자극 방법은 표준화된 조건에서 색을 빨강·녹색·파랑의 3원색에 대해 시각적으로 대응시키는 것을 기초로 한다.

이결과들은 각각 X, Y, Z로 표시되며, 이 값들을 삼자극값이라고 한다. 그림3의 에메랄드 녹색 안료의 삼자극값은 X＝22.7, Y＝39.1, Z＝31.0이다. 이 값은 색뿐만 아니라 시각적으로 인식된 반사율도 정할 수 있다. 예를 들면 Y값은 표준 관찰자가 평균 일광에서 시료를 표준 흰색 면과 시각적으로 비교했을 때 시료의 반사율과 같기 때문이다.

이러한 값들은 색도도표에 그래프로 나타낼 수 있다(그림4·5 참조). 1931년 국제조명위원회(Commission Internationale d'Éclairage/CIE)에 의하여 표준화된 이 색도도표는 x, y, z 값에 근거를 두고 있는데, x, y, z는 각각 x＝X/(X＋Y＋Z), y＝Y/(X＋Y＋Z), z＝Z/(X＋Y＋Z)이다.

단 x＋y＋z＝1이라는 것에 주의해야 하며 이 값 중에서 2개의 값만 알려져 있으면 충분하다. x와 y 값은 함께 시료의 색도를 구성한다. 동일한 색도를 가지고 있는 밝고 어두운 색은 그들의 Y값(휘도)의 차이에 의해 구분된다. 시료의 x와 y값이 색도도표에 그려지면 400~700nm 사이의 스펙트럼 색은 말굽형 곡선을 이루고, 보라와 빨강의 혼합색들은 400nm의 점과 700nm의 점을 잇는 직선상에 놓이게 된다.

모든 가시색들은 그림4에 나타낸 것과 같이 닫힌 곡선 속에 놓여 있다. 경계선상의 점들은 순색에 대응되며, 채도가 낮은 색일수록 도표의 중앙 부근에서 나타난다. 무채색에 대응되는 점은 x＝1/3, y＝1/3인 중심점이고, 그림5에 W로 표시되어 있다(무채점).

에메랄드 녹색 안료에 대하여 계산된 x값과 y 값인 0.245와 0.421을 그림5의 색도도표 상의 점E로 표시하고, 무채점 W와 점E를 잇는 선을 곡선의 경계선까지 연장하면 이 안료의 주된 파장을 511.9nm로 결정할 수 있다.

안료의 색상은 511.9nm의 색과 흰색을 각각 점W와 점E 사이의 거리 n과 점E와 경계선과 만나는 점 사이의 거리 m의 비율로 혼합한 것과 같다. 이 경우 순도는 100n/(n＋m)%이며, 이 안료의 경우 22.8%이다. 100%의 순도는 순색에 대응되고, 0%의 순도는 흰색·회색·검정색과 같은 무채색에 해당된다.

어떤 빨간 사과의 색은 Y＝13.0, x=0.460, y＝0.287로서 그림5의 점R로 표시될 수 있다. 점W로부터의 연장선은 직선상의 점 P와 만나는데, 이 점은 자주색에 해당되며 가시 스펙트럼에는 없는 색이다.

따라서 반대방향의 연장선이 만나는 점의 파장인 495nm의 보색을 이 사과의 주된 색깔이라 하고, 495c라고 나타낸다. 이 빨간 사과의 색상은 그림5에 표시된 거리 p와 q의 비율로 495c의 자주색과 흰색을 섞은 경우와 같고, 순도는 100p/(p＋q)%로 주어진다.

백열등에서 나오는 빛은 온도에 따라서 빨간색으로부터 주황·노랑·흰색, 파란색을 띤 흰색을 나타낸다.

그림5의 실선에 표시된 점 A,B,C는 각각 2,850K 정도의 100W 백열등, 4,800K 정도의 정오의 태양빛, 6,500K 정도의 평균 일광의 색 온도와 비슷한 CIE의 표준 발광체를 나타낸 것이다.

색지도

색을 과학적으로 결정하는 방법은 색도와 휘도(輝度)를 계산하는 것이다.

그러나 물체의 색을 시각적으로 빨리 결정할 수 있는 방법은 먼셀 표색계를 이용하는 것이다. 이 체계에서 색은 3개의 변수, 즉 색상·명도·채도를 지닌 3차원 색입체로 인쇄된 색 막대에 대응된다. 이 3개의 변수는 그림6에 대략적으로 설명되어 있다. 중앙의 수직축은 바닥의 검정색으로부터 윗줄의 흰색에 이르는 10개의 명도단계를 나타낸다. 수직축 주위에는 10개의 그룹으로 분류된 100개의 색상이 있는데, 각각의 그룹은 1~10의 숫자가 붙은 10개의 세부 영역으로 구성되어 있다.

채도 단계는 수직축의 0에서부터 바깥쪽의 방사상으로 색상과 명도에 따라 10~18단계로 되어 있다.

다른 색지도로는 267개의 색의 명칭을 정해놓은 ISCC-NBS 중앙 색도표와 오스트발트 색체계, 메르츠와 폴 색사전, 플로커 색체계 및 리지웨이 색표준 등이 있다.

한국에서는 1965년 먼셀 표색계를 기준으로 한국 공업규격을 채택하여 사용하고 있으며, 1968년부터 학교 교육에서도 이를 이용하고 있다.

인식

색의 효과

색을 지닌 물체를 볼 때 우리는 단지 물체에서 반사된 빛에 대하여 눈과 뇌의 시각 과정이 동작할 뿐이다.

그림2에서와 같이 다른 발광체는 각기 다른 에너지 스펙트럼 분포를 가지고 있기 때문에 물체는 이러한 조명에 따라 각각 다른 분포의 에너지 스펙트럼을 반사한다. 그러나 사람의 눈과 뇌는 그러한 차이를 보상할 수 있는 뛰어난 체계이므로 보통 나타나는 색으로 인식한다. 이러한 현상을 색의 불변성이라 한다.

색의 불변성은 색이 미묘한 차이가 있을 경우에는 적용되지 않는다.

예를 들면 원래 주황색인 안료와 노란·빨간 안료를 섞은 주황색 안료는 일광에서는 정확하게 같아 보이지만, 텅스텐 등의 빛에서는 한 안료가 다른 안료보다 더 붉게 보일 수 있다. 색의 이성(異性)이라는 이 효과 때문에 사물의 색을 색지도와 비교할 때는 특정한 조명과 관찰 조건이 항상 필요하다.

조명의 세기도 색의 인식에 영향을 미친다.

세기가 아주 약한 빛에서 파란 물체나 녹색 물체가 빨간 물체에 비하여 상대적으로 밝게 보이는 것은, 사람의 눈은빛의 세기가 약해질수록 파장이 짧은 빛에 대한 감각이 더 좋아지기 때문이다. 이러한 효과를 푸르키네 편이라고 한다. 조명의 세기가 강할 때에는 베촐트-뷜커 효과라고 하는 색상의 상대적인 편이 현상이 나타나는데 대부분의 색은 조명의 세기가 증가할수록 빨강·녹색으로부터 노랑·파랑으로 색상이 바뀐다. 즉 주황이나 연두색은 노란색을 좀더 띠고, 보라색이나 청록색은 파란색을 좀더 띤다.

엷은 파란색으로 균일하게 조명된 화면의 일부분에 백색광의 밝은 빛을 비추면 자발적 색대비에 의해 백색광은 엷은 노랑으로 보이고 파란색은 더 어둡게 보인다.

색조감각

색조감각에 대한 가장 대표적 이론인 3색이론은 1801년경 영국의 물리학자 토머스 영이 처음으로 제안했으며, 약 50년 후 독일의 과학자 헤르만 폰 헬름홀츠가 정리했다.

헬름홀츠(Hermann von Helmholtz)

이 이론은 사람의 눈 속에 있는 3가지 형태의 색 수용체를 가정했다. 생김새 때문에 원추세포라고 하는 수용체 세포는 1960년초에 확인되었다. 3가지 형태의 원추세포는 스펙트럼의 빨강·파랑·녹색 영역에서 최대의 감도를 갖고 있으며, 각각의 최대흡수파장은 445nm, 535nm, 565nm 부근이다. 이 원추세포들은 주흡수 파장의 길이에 따라 각각 S, M, L의 기호로 표시되며 이들 중에서 1개 또는 그이상의 원추세포에 결함이 있는 경우 색맹이 된다는 것을 쉽게 알 수 있다.

3색이론이 색의 인식에 관하여 많은 것을 설명하고 있지만 다른 이론들도 많이 제안되고 연구되었다. 그 중에서 1878년에 독일의 생리학자 에발트 헤링이 처음 제안한 대립과정이론은 아주 중요하다. 이 이론은 3개의 대립쌍, 즉 밝음과 어둠, 빨강과 녹색, 파랑과 노랑의 대립쌍이 색을 인식한다는 것이다. 색의 대비현상과 잔상효과는 이 이론에 의해 간단히 설명될 수 있다. 현재 이 두 이론은 여러 개의 구역이론으로 결합되어 있다. 구역이론은 어떤 구역에서는 원추세포가 3색 방식으로 기능하고, 다른 구역에서는 원추세포에서 온 신호가 신경세포 속에서 합쳐져서 하나의 무채색 신호와 2개의 유채색 신호를 만들어낸다고 가정한 것이다.

이들 이론들이 색의 인식현상을 모두 잘 설명하지만, 자세한 과정은 아직도 연구중이다.