빛과 색의 신비(쿠와지마 미키, 카와구치 유키토 저)

빛의 색에 대해 궁금해서 알아보고 잇는 책을 찾다가 재미있게 읽을 수 있는 책을 만났다.

https://www.youtube.com/watch?v=H2hyLKkKi0c

우리는 빛이 있기에 색을 느낀다.

그러나 빛, 눈, 사물 가운데 어느 하나가 조금이라도 변하면 색은 변한다. 다시 말해서 색이란 빛의 성질이며 시감각의 성질이면 사물의 성질이기도 하다.

색의 세계는 물리적 현상인 빛의 성질과 사람의 시각적ㆍ심리적ㆍ생리적인 성질이라는 두 요소가 만나서 빚어지는 세계이다.

 

 

태양풍의 하전입자가 공기 중의 질소나 산소에 부딪혀서 빛을 내는 것이 오로라이다. 오로라의 다양한 색깔은 하전입자에 충돌하는 원자나 분자의 스펙트럼에 의해 만들어진다.

 

거울은 모든 색깔의 광선을 반사하는데 기체분자처럼 대단히 작은 입자와 충돌하면 파장이 짧은 파란빛이 다른 색깔의 빛보다 강하게 반사되어 산란하게 된다. 파장이 짧은 빛은 진동수가 큰 빛 즉 에너지가 큰 빛이다. 따라서 파란빛이 기체분자에 충돌하면 원자 내의 전자를 위아래로 격렬하게 흔든다. 그렇게 흔들리는 전자의 움직임에 따라 다시 동일한 진동수를 가진 파란빛이 강하게 방출된다.

즉, 맑게 갠 한낮의 하늘이 파랗게 보이는 까닭은 흔들리며 움직이고 있는 무수한 기체분자들과 태양광이 충돌하여 그 가운데 파란빛이 기체분자의 전자를 뒤흔들고 그 전자의 움직임으로 다시 산란 되는 파란빛을 우리가 보고 있기 때문이다.

 

본래 태양광은 아무 색깔이 없는 것처럼 보이지만 무지개색으로 알려진 빨주노초파남보 일곱 가지 색깔의 빛으로 이루어져 있다. 한 잔 정도의 물에서는 빛들이 거의 그래도 통과하므로 투명해 보인다. 하지만 물 분자에는 빨간색의 빛을 조금 흡수하는 성질이 있다.

바다와 같은 물에서는 빛이 통과하는 동안 빨간색 계열의 빛이 상당 부분 흡수되고 파란색 계열의 색이 상대적으로 강해 파랗게 보인다.

 

사람은 정보의 80-90%퍼센트를 시각으로 얻는다.

눈으로 들어온 빛은 먼저 동공에서 적당한 광량으로 축소된다. 그리고 렌즈 및 유리체를 통과해서 안구 제일 안쪽에 있는 망막의 시세포에 감지된다. 여기에서 얻어진 색의 농담이나 대비, 빛 정보는 시신경에 의해 뇌로 전달되고, 기억이나 기타 감각기관에서 오는 정보를 참고로 하여 영상으로 변환된다.

플래시를 터뜨려 사진을 찍으면 눈동자가 빨갛게 찍히는 경우가 있다. 어두운 장소에 있으면 우리 눈은 보다 많은 빛을 받아들이려고 동공을 크게 연다. 망막은 빨간색인데 플래시를 터뜨리면 그 빛이 망막에서 반사되어 카메라에 찍히는 것이다.

 

일반적으로 우리가 보는 색은 물체의 표면에서 나오는 빛의 색이다. 즉 태양광이나 형광등 등 여러 색이 섞인 빛이 물체를 비추면 그 빛을 받는 물체가 반사한 빛을 우리 눈이 감지하여 색을 판단하는 것이다. 그런데 아래 그림에서 보면 주변색에 의해 영향을 받는다.

빛의 삼원색의 응용사례는 컬러tv이다. 컬러 텔레비전은 빛의 삼원색을 구사하여 수많은 색을 만들어 내고 있다.

물감 등의 색의 재현은 사이언, 마젠타, 엘로의 삼색물감으로 색을 재현하는데 성공하여 색의 삼원색이 되었다. 이는 컬러 잉크젯 프린터를 비롯한 컬러 인쇄에서 찾아볼 수 있다.

 

우리는 색을 어떻게 식별할까?

사람의 망막에는 간체와 추체라는 두 종류의 시세포가 있다.

간체와 감도는 매우 뛰어나지만 색을 식별하지 못한다. 색과 움직임을 감지하는 것은 추체이다.

추체에는 청, 녹, 적 추게의 세 종류가 있는데 빛에 대한 각각의 반응을 조사해보면 약 430, 530, 560나노미터 파장의 빛에서 최고의 감도를 보여준다.

망막에 도달한 빛의 스펙트럼을 이 세 종의 추체로 감지하고, 그 정보를 바탕으로 시세포에서 망막 및 시신경을 거쳐 뇌에 이르는 시각계 전체로 색을 판단하는 것이다.

물체의 색이란 그 물체가 가시광선에 대하여 어떤 흡수 및 반사의 특성을 가지고 있느냐에 따라 결정된다.

 

새나 물고기는 눈속에 색을 감지하는 세포를 4종이나 가지고 있다. 추체의 종류가 많을수록 색각 능력이 뒤어나다.

새의 경우, 우선 사람은 거의 볼 수 없는 자외선이나 적외선의 일부를 볼 수 있다.

그러나 사람과 같은 포유류인 개나 고양이의 경우 추체가 두 종류밖에 없다. 이는 사람과 일부 원숭이를 제외하고는 추체가 두 개밖에 없는데 이는 포유류의 선조가 야행성 동물이었던 흔적이다. 지구를 공룡이 휩쓸고 다닐 무렵, 약소한 존재였던 포유류의 선조는 육식 공룡을 피해 야간에 활동하였고 어두운 곳에서는 색을 식별할 필요가 없어 진화과정에서 색각 능력이 퇴화한 것이다. 그러다가 주행성 원숭이가 탄생할 즈음, 세 번째의 추체를 다시 얻게 되었다. 그 덕분에 지금 우리는 선명한 컬러 세계를 즐길 수 있는 것이다.

 

눈과 카메라는 같은 구조일까?

망막에 투영된 상이 움직이면 시세포 하나하나는 밝기나 색이 변화한다. 망막에 있는 신경회로가 이 변화를 처리하여 그 결과를 뇌에 보내면 뇌에서 다시 그 모습을 만들어낸다.

바꾸어 말하면 우리가 인식하고 있는 주위 풍경이나 색은 대부분 뇌에서 만들어진 가상현실이다. 수정체는 모양체 근육이라 불리는 근육의 작용으로 당겼다 풀었다 하면서 두께를 바꿀 수 있다. 즉 굴절력을 자유자재로 바꿀 수 있다.

수정체의 단백질은 가지런한 층을 이루어 배치되어 있어 빛의 난반사를 방지하고 투명성이 높다. 수정체는 하나의 캡슐에 싸여 있어서 세포는 물론 크리스털린을 비롯한 단백질도 캡슐 밖으로 나올 수 없다. 이 때문에 노화가 진행되면 다양한 문제가 일어난다.

우선 늙은 세포가 점점 중심부로 밀려들어 압축되어 수정체가 딱딱해져서 탄력성을 잃는다. 그 결과 초점조절을 하지 못하게 되고 이것이 노안의 한 원인이 된다.

또한 나이가 들면 자외선 가운데 파장이 긴 A파가 수정체까지 도달하면 활성산소 등과 만나 화학변화를 일으킨다. 안정성이 뛰어난 투명한 수정체의 단백질이 탁해지고 누런 기운을 띠게 되어 백내장의 원인이 된다. 누렇게 되는 것은 특히 그 보색인 파란색이 망막에 도달하기 어렵게 된다는 것을 말한다.

같은 색이라도 사람에 따라 다르게 보인다.

생후 4개월된 아기의 색감각은 어른과 비슷하나, 그보다 어린 시기에는 파란색의 감도가 강한 것 같다. 탄생 직후의 아기의 눈에는 어른보다 밝게 보인다. 생후 한 달까지는 아기방의 커튼을 한낮에는 내려두고 밤에는 올려두는 것이 좋다.

대부분의 사람의 경우에는 세가지 색각 옵신(파랑, 녹색, 빨강의 빛을 감지하는 센서물질)을 가지고 있지만 개중에는 두 가지밖에 가지지 못한 사람이 있다. (또는 세 가지가 있어도 두 개가 매우 유사해서 세 가지 색각 옵신을 가지고 있다고 말하기 힘든 경우도 있다. 이런 사람들은 색각이상이라는 진단을 받는데 남성의 5퍼센트가 모종의 이상이 있다.

CRT모니터

화면의 R,G,B 부분에는 각각 R,G,B로 빛나는 형광물질이 칠해져 있다. 그리고 브라운관 제일 안쪽에 전자총이라는 장치가 있는데 이것이 전자빔을 방출하여 형광물질을 빛나게 한다.

자석으로 전자빔의 방향을 조절해서 전자빔이 화면에 닿는 부분을 화면 왼쪽 위의 끝에서 오른쪽 위의 끝, 다시 조금 내려서 또 왼쪽 끝에서 오른쪽 끝으로, 또 조금 내려서 이런 식으로 움직이고 있다.

전자빔을 화면 왼쪽 위의 끝에서 오른쪽 아래의 끝까지 비추는데 걸리는 시간은 불과 30분의 1초. 이 사이에 전자빔이 강하게 혹은 약하게 하여 형광물질이 빛나는 밝기를 조절해서 화면에 그림을 그리고 있는 것이다.

 

컬러 액정 디스플레이의 구조

LCD의 자세한 구조와 원리에 대해 알아보자.

 BLU – 백라이트 POL - 편광자

* TFT-LCD 구성과 동작원리

1) 맨 뒤에 백라이트를 통해 빛을 쏴주고 ( 백라이트로 요즘 LED를 사용)

2) 사방으로 퍼지는 빛을 편광자를 통해 빛을 한 방향으로 편광시켜준다

3) 스위치(on/off)역할을 하는 TFT가 열리면서(on이되면) 영상신호가 화소전극으로 입력된다.

4) 영상신호의 입력이 끝나면 TFT에는 off신호가 입력되고 화소는 다음 신호가 올 때까지 영상 신호를 유지하며 액정 배열을 변경 (수백만개의 픽셀 각각에 전압을 다르게 공급하여, 그 전압이 주는 신호에 따라 각 픽셀에 해당하는 액정이 움직인다)

5) color filter(R,G,B로 구성된)거쳐 편광자를 한번더 거친 후 외부로 나온 빛들이 화면을 구성하여 우리가 보게 된다.

* TFT-LCD 특징

  1) 백라이트를 통해 빛을 생성한다.

  2) TFT를 사용한다.

  3) 편광자를 두개 사용한다.

  4) 액정을 통해 빛의 방향을 바꿔준다.

각각의 특징에 대해서 알아보자.

 

1)백라이트를 통해 빛을 생성한다.

​LCD는 OLED와는 달리 스스로 빛을 내지 못한다. 뒤에 백라이트를 설치하여 빛을 생성한다.

백라이트인 BLU는 TFT-LCD(Thin film Transistor Liquid Crystal Display: 박막액정표시장치)의 핵심 부품이다.
LCD는 자체 광원이 없기 때문에 LCD 화면을 보기 위해서는 뒤에서 LCD 패널에 빛을 공급해주는 BLU(Back Light Unit)가 반드시 필요하고 BLU의 구성은 광원인 LED 및 Lamp(CCFL), 광반사 기능을 하는 Lamp housing과 반사판, 광전달 기능을 하는 LGP(Light Guide Plate)와 Sheet류(Reflector, Prism, Protector), 부품을 하나의 유닛으로 묶어주는 Chassis류, Mold Frame 등으로 구성되어 있다.

2) TFT를 사용한다.

AM-LCD(..TV에 대부분 쓰이는 LCD), TFT-LCD에서 쓰이는 TFT(Thin Firm Tr)에 대해서 먼저 알아봐야 할 거 같다.

TFT(Thin Firm Transistor,박막 트랜지스터) - 기판 위에 진공증착 등의 방법으로 형성된 박막을 이용하여 만든 트랜지스터. 전계효과 트랜지스터(FET)의 한 종류, 액정 디스플레이에 응용

즉, >TFT-LCD의 화소(pixel)는 소자로 이루어져 있음

     >화소하나에 sub-pixel이 3개(각각 R,G,B컬러를 내기 위한 소자)로 이러우져 있음

     >sub-pixel하나당 TFT하나씩 장착되어있음.(OLED는 4~6개씩 있음) 

  

 

LCD에 입력되는 신호는 크게 두 가지가 있는데

1) 각 화소마다 TFT를 On/Off 시키는 신호와

2) TFT를 거쳐 화소전극으로 들어가는 영상(video)신호가 있다.(액정은 영상 신호에 따라 움직인다.)

3) 편광자를 두개 사용한다.

​LCD는 편광자를 두개 사용하는데 각 각의 편광자는 액정 전 후면에 하나씩 붙고, 서로 90도 다른 방향을 가진 편광자이다. 편광판 사이에 액정을 넣는다. 액정이 움직여 빛의 통과여부를 결정짓는 원리를 이용한다.

(자연광이 편광되는 모습)

위의 사진은 자연광이 편광되는 모습을 나타낸 것이고 LCD에서 위의 사진처럼 두개의 편광판 사이에 액정이 들어간다.

 4)액정을 통해 빛의 방향을 바꿔준다.

​액정(Liquid Crystal)은 고체와 액체의 중간상태로 돼 있으며, 이 액정의 전기성질을 표시장치에 응용한 것이 바로 LCD이다. 액체와 같은 유동성을 갖는 유기분자인 액정이 결정과 같이 규칙적으로 배열되는 과정(복굴절)을 통해 빛을 조절하고 내보내는 것이다.

1) 액정 분자는 길쭉한 형태, 복굴절(방향에 따라 굴절율이 달라지는데, 이렇게 하나 이상의 굴절율을 갖는 것)을 갖는다.

2)전기장과 자기장으로 구성되는 빛을 편광판에 투과하여 특정 방향의 빛만 투여되는데, 투여된 빛이 배향막을 거치면 액정분자의 위치를 틀어버리게 된다.

3)여기에 전압을 넣으면 액정 분자가 한 방향으로 배열해 빛을 차단하고, 전압을 막으면 전압 방향에 따라 액정이 나선형으로 배열돼 빛은 액정의 나선형 방향에 따라 흘러서 투과될 수 있다.

*LCD의 장점과 단점

1) 장점

  >저소비전력 (uW/cm2) 동작 가능 : 저전력 소모로 오랜 시간 구동 가능

  >저전압(수V~10V)동작 가능 : 저전압이므로 IC제어 회로의 소현 간략화가 가능

  >소자가 얇고(수mm) 대형 표시(수백mm)에서 소형 표시(수mm) 가능 : 휴대용 표시기에 적합

  >색상을 나타내기 쉽기 때문에 디스플레이의 다양화가 가능

  >해상도도 좋다.

2)단점

  >비발광형이므로 반사형 표시인 경우 어두운 곳에서 표시의 선명함이 떨어진다.

  >표시 콘트라스트가 보는 방향에 의존하는 경우가 많아서 시야각에 제한을 받는다.(..옆 면에서는 보면 괜찮지만 윗면에서는 안보인다.)

 

LCD와 OLED는 구조 비교

 

  OLED의 백라이트 이하 각종 구성요소들이 LCD보다 적다. 때문에 OLED가 더 가볍고 얇을 수 있다. OLED은 편광판의 숫자가 전면에 하나만 붙고, LCD는 액정 전 후면에 각각 하나씩 붙어 두 개입니다. 이런 차이는 서로 다른 발광원리에서 찾을 수 있다. LCD는 빛을 투과해서 내는 투과형으로 백라이트가 빛을 내주어 필요한 양만큼 빛을 통과시킨다. 하지만 OLED는 소자 하나하나가 빛을 내는 발광형으로, 각 소자에 흐르는 전류를 달리 주어 빛을 조절할 수 있기 때문에 백라이트가 필요없다.

OLED가  얇아질 수 있는 요소는 더 있습니다. OLED TFT 앞에 부착된 편광판은 빛을 내기 위해 필요한 것이 아니라 반사되는 빛을 막아주기 위해 있는 존재하는 것이라 다른 방식을 사용하면 제거가 가능합니다. 컬러필터 또한 White OLED 소자를 사용하는 경우에만 필요해서 사실상 OLED 구조물에는 TFT와 OLED 유기물이 증착되는 글래스 외에는 반드시 필요한 부분이 없어요. 그리고 이 글래스 마저도 훨씬 더 얇은 다른 물질로 대체될 수 있죠.

 

OLED는 어디까지 얇아질 수 있을까?

 

 

그렇다면 OLED는 얼마나 얇아질 수 있을까? 실제로 0.1mm 두께의 제품도 시연된 적이 있다. 물론 LCD도 백라이트를 엣지에 달아 부피를 줄이거나, 필름이나 액정두께를 줄이면 전체적으로 얇게 하는 것은 가능하다. 하지만 LCD는 구조적으로 OLED가 구현하는 두께를 따라오기가 힘들다..

 

피부가 그을리게 되는 것은 자외선의 A파 B파, C파로 세분할 수 있는데 이 가운데 파장이 가장 짧은 C 파는 오존층에 흡수되어 지표면까지 내려오지 않고 피부에 닿는 것은 A파와 B파 자외선이다. 그중에서 A파는 피부 속까지 도달하여 그을림보다는 오히려 피부 탄력을 유지시켜주는 조직에 영향을 주어 주름살이나 늘어짐의 원인이 된다.

B파 자외선이 피부에 닿으면 자외선 자극으로부터 피부를 보호하기 위해 표피 멜라노사이트가 멜라닌 색소를 만든다. 이 색소는 자외선을 흡수하여 자외선이 피부에 피해를 주는 것을 막아준다. 그러므로 멜라닌이 많이 생성되어 흡수가 제대로 되면 피부가 적당히 검게 되며 그 이상으로 피부가 상처를 받는 일 없어 건강한 수준의 그을림이 된다.

 

자외선 야에 피부 반응이 쫓아가지 못하는 경우, 피부가 붉게 부르트거나 통증이 따르는 병적인 그을림이 된다.

그런데 자외선 양에 피부 반응이 쫓아가지 못하는 경우, 피부가 붉게 부르트거나 통증이 따르는 통증이 따르는 병적인 그을림이 된다.