빛(light)과 시각(visual perception)

가시광선(visible light)

전자기파(electromagnetic wave) 중 대략 400~700nm의 파장을 가진 것은 사람의 눈으로 감지할 수 있습니다. '가히 볼 수 있는 빛'이란 뜻에서 가시광선(可視光線, visible light)이라고 합니다. 380nm보다 짧은 파장의 전자기파는 자외선 영역으로 연결되고, 750nm보다 긴 파장의 전자기파는 적외선 영역으로 연결됩니다.

 

{By Gringer - 자작, 퍼블릭 도메인, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4639774}

 

위 그림은 같은 세기의 여러 색깔의 빛을 사람이 보았을 때 느끼는 것을 보여줍니다. 사람의 눈은 초록색의 빛(약 555nm)에서 최대 감도를 가집니다. 도로표지판이 초록색 바탕인 이유도 어두운 밤에도 잘 보이라고 그렇다네요. 

 

빛의 색깔 중 R(red), G(green), B(blue)는 빛의 원색입니다. 원색이므로 다른 색깔의 빛을 섞어서 R, G, B 색깔의 빛을  만들 수 없습니다. 그러므로 섞어서 여러 색깔의 빛을 만들려고 하면 R, G, B 색깔의 빛을 갖추어야 합니다. 원색의 빛은 일정한 하나의 파장을 가집니다. 원색 외의 빛은 그에 맞는 파장을 가진 단색광(monochromatic light)이거나 원색의 빛이 섞인 복합광(complex light)입니다. 단색광은 가스등, LED, LASER 등 특별한 장치를 가지고 만들 수 있습니다. 우리가 보는 빛 중 빛의 3원색이 아닌 것은 거의 대부분 여러 빛이 섞인 복합광입니다. 

 

물체를 볼 수 있는 이유

본다는 것은 가시광선이 눈으로 들어왔을 때 가능합니다.

 

광원(light source)에서 나온 빛이 눈 앞으로 지나가더라도 눈으로 들어오는 빛이 없으면 볼 수 없습니다. 예로, 레이저 포인터의 빛을 눈 앞으로 지나가게 하더라도 볼 수 없습니다. 먼지, 안개, 연기가 있는 곳에서는 레이저 포인터의 빛이 나아가는 것을 볼 수 있는데, 이것은 레이저 포인터에서 나오는 빛을 직접 보는 것이 아니고, 나아가던 빛이 작은 입자에 반사되어 흩어지는 것 중 눈으로 들어오는 것을 보는 것입니다.

 

광원이 아닌 물체를 보는 것은 주변의 빛이 그 물체에 반사되어 눈으로 들어와서 볼 수 있습니다. 표면이 매끈하지 않은 물체는 빛이 여러 방향으로 반사됩니다. 이럴 경우, 우리 눈으로 보는 빛은 원래 빛보다 약한 빛을 보게 됩니다. 그러므로 적당한 밝기로 물체를 볼 수 있습니다. 또 여러 방향으로 빛이 흩어지기 때문에 주변의 다른 사람도 그 물체를 볼 수 있습니다. 강의실에서 레이저 포인터로 스크린에 빛을 쐈을 때 여러 사람이 모두 레이저 포인터의 점을 볼 수 있는 것도 표면이 거친 스크린에서 빛이 여러 방향으로 반사되기 때문입니다. 만일 스크린 대신 거울을 놓는다면 거울의 표면이 매끈하기 때문에 레이저 포인터에서 나온 빛은 반사의 법칙에 맞는 각도로만 반사됩니다. 그러면 일정 각도에 있는 사람만 레이저 포인터의 빛을 볼 수 있고, 빛의 세기 또한 강합니다. (눈에 해로우니 직접 보지 마세요.)

 

물체의 색을 보는 것은 반사된 빛의 색을 보는 것입니다. 물체에 비춘 빛은 물체의 표면에서 반사(reflection)되거나 투과(transmission)됩니다. 투과된 빛은 진행하면서 에너지를 잃는데, 에너지를 별로 잃지 않고 반대쪽으로 나올 때에 그 물체를 투명하다고 이야기합니다. 반면, 투과된 빛이 에너지를 잃고 반대쪽으로 나오지 못하면 불투명하다고 합니다. 

 

눈(eye)

눈은 빛을 감지하는 감각기관입니다. 눈은 빛을 감지하여, 전기신호로 변환한 다음 시신경을 통하여 뇌로 보냅니다.

 

눈의 구성 부분 중 카메라의 필름에 해당하는 역할을 하는 것이 망막(retina)입니다. 망막에 있는 광수용 세포(photoreceptor cell)로는 간상세포(rods)와 원추세포(cone cell)가 있습니다. 간상 세포는 원기둥 모양을 하고 있는데, 원추세포보다 더 민감해서 어두울 때 시각의 대부분을 담당합니다. 원추세포는 원뿔 모양을 하고 있는데, 색상을 감지하는 기능을 합니다. 원추세포가 색상을 감지하는 것에 대해 좀 더 설명드리겠습니다.

 

원추세포와 빛의 색깔 감지

망막에는 세 가지의 원추세포가 있습니다; L 원추세포, M 원추세포, S 원추세포. 아래에 각 원추세포가 빛의 파장에 대해 반응하는 정도를 보여줍니다.

 

원추세포의 반응 {출처: By BenRG - Own work, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=7873848}

 

각 원추세포는 빛의 파장에 대해 다소 넓은 수용범위를 가집니다. 그러므로 가시광선의 범위 내라면 어떤 파장의 빛이든 다 감지할 수 있습니다. 노란색을 보는 경우를 생각해 보겠습니다.

 

과학 장치를 이용하여 단색광인 노란색의 빛을 만들었다고 할 때, 이를 사람이 보면 M 원추세포와 L 원추세포가 모두 반응하게 됩니다. 이 신경신호가 뇌로 전달되어 뇌는 노란색이라고 인식하게 됩니다.

 

빨간색 단색광과 초록색 단색광이 섞인 복합광인 노란색을 보았을 때는 상황이 달라집니다. 빨간색에는 L 원추세포가 많이 반응하고, M 원추세포는 약 1/5 정도밖에 반응하지 않습니다. 초록색의 빛에 대해서는 M 원추세초가 가장 많이 반응하지만 L 원추세포도 꽤 많이 반응합니다. 결국 M 원추세포는 거의 초록색에 대한 신호만 뇌로 전달하고, L 원추세포는 빨간색과 초록색 모두에 대한 신호를 뇌로 전달됩니다. 뇌에서는 전달된 신호를 조합하여 노란색으로 인식하게 됩니다.

 

결국, 중간 과정은 다르지만 단색광의 노란색이든 여러 색이 섞인 노란색이든 뇌는 노란색으로 인식합니다. 우리는 눈으로는 단색광인지 복합광인지 구분하지 못합니다. 

 

광합성을 할 때의 빛의 색깔

식물이 광합성을 할 때에도 가시광선을 사용합니다. 인간의 눈은 가시광선의 모든 빛에 대해 광 수용체가 반응합니다. 하지만 식물의 광합성 색소는 광합성에 필요한 색깔의 빛만 선별적으로 흡수합니다(빛과 식물). 이것이 식물생장용 LED가 개발되는 계기가 되었습니다(식물생장용 LED의 추세).