[과학] 빛의 3원색 vs 색의 3원색, 그리고 색의 인식

우리가 색을 보는 기본, 빛의 3원색

빛과 파장

1. 빛의 색과 파장

사람이 눈으로 볼 수 있는 영역대의 빛은 전자기파의 넗은 영역 중 파장이 380 nm~750 nm 사이로 가시광선이라고 불린다. 간단한 프리즘으로 햇빛을 분산시키면, 우리 눈으로 볼 수 있는 빨간색에서 보라색까지 가시광선 영역의 연속적인 스펙트럼이 나타난다. 이때 빨간색이 보라색보다 파장의 길이가 길며, 반대로 진동수는 더 작다. 

다음 그림은 파장과 진동수에 따라 전자파의 종류를 구분하는 것을 보여준다. 

 

전자기파의 진동수와 파장

 

2. 빛의 진동수와 파장
● 빛의 속력은 어떤 색의 빛이든 진공 중에서 항상 3 ×10m/s이다.
● 빛의 속력은 진동수(f)와 파장(λ)의 곱이다.

 

3. 무지개 색

무지개는 가장 매혹적인 색 분산 현상이다. 눈에 보이는 모든 색을 포함하고 있는 백색광인 햇빛이 빗방울을 비추면 빛의 일부가 빗방울에 들어가면서 굴절되고, 내부에서 한 번 반사된 후 공기 중으로 나가면서 다시 굴절되면서 무지개를 만들어낸다. 

무지개 빛은 보통 빨간색, 주황색, 노란색, 초록색, 파란색, 남색, 보라색, 이렇게 7가지 색으로 알려져 있다. 하지만, 이는 우리가 편의상 구분한 것이고 인디언들은 3가지색, 우리나라의 선조들은 5가지 색으로 보았다. 

 

표. 빛의 색에 따른 파장과 진동수

색	보라	파랑	초록	노랑	주황	빨강
파장 (nm)	380 ~ 450	450 ~ 495	495 ~ 570	570 ~ 590	590 ~ 620	620 ~ 780
진동수 (×10^12Hz)	790 ~ 666	666 ~ 606	606 ~ 526	526 ~ 508	508 ~ 483	483 ~ 384

빛의 3원색 > 가산혼합

1. 빛의 3원색 : 자연에는 다양한 색의 빛이 있는데, 자연에 있는 이 모든 색의 빛들을 3가지 색의 빛만으로 만들 수 있다. 이 3가지 빛이 빨간색, 초록색, 파란색 빛이고, 이를 빛의 3원색이라고 한다.

2. 빛의 합성 : 빨간색, 초록색, 파란색 빛 외 다른 3가지 색의 빛을 합성하더라도 많은 색을 만들 수 있으나, 3원색의 빛을 적절히 합성하면 거의 모든 색을 만들 수 있다.

3. 각 스펙트럼의 빛이 더해져서 색을 만들어내는 가산혼합은 동시혼색에 속하며 가법혼합, 빛의 혼합, 플러스혼합이라고도 한다. 빛을 가하여 색을 혼합할 때 혼합한 색이 원래의 색보다 밝아지는 혼합방식이라서 가산혼합이라고 한다. 

● 빨간색(R) + 파란색(B)=자홍색(Magenta)
● 파란색(B)+초록색(G)=청록색(Cyan)
● 빨간색(R)+초록색(G)=노란색(Yellow)
● 빨간색(R)+파란색(B)+초록색(G)=흰색

 

 

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색의 3원색은 빨강, 노랑, 파랑이 아니다. 자홍, 노랑, 청록이다.

빨강, 노랑, 파랑을 종종 물감의 3원색이라고 불러왔는데, 이것은 색료의 3원색 혹은 인쇄 잉크의 3원색 이라고도 불리웠다. 그런데 이 색료의 3원색은 엄격히 말해서, 빨강, 노랑, 파랑이 아니다. 어릴때부터 사용하던 크레파스에는 빨강, 노랑, 파랑을 색의 3원색이라며 더 큰 사이즈로 제공되기도 했었기에 당연히 색의 3원색은 빨강, 노랑, 파랑이라고 생각하고 살았다. 

정확한 색의 3원색은 자주에 가까운 빨강인 마젠타(Magenta; 또는 Achlor)와, 순노랑(Zanth)과, 초록에 가까운 파랑인 시안(Cyan; 또는 Turquoise 또는 Peacock)이다. 믿을 수 없다면, 혹 집에 칼라프린터가 있으면 토너를 살펴보면 된다. 그 토너통의 색이 정말 빨강이고 파랑이던가?

 

색의 3원색 > 감산혼합

여러 색의 빛을 혼합하면 할수록 혼합된 빛은 흰색으로 나타나는 반면, 물감은 여러 색을 혼합하면 할수록 검은색으로 나타난다. 색을 혼합하면 할수록 순색의 강도가 낮아져 어두워기 때문에 감산혼합, 감법혼합, 색료의 혼합이라고도 한다.  색의 3원색에 의한 감산혼합은 색, 물감, 색료, 잉크, 인쇄의 혼합 등으로 볼 수 있다.

 

- 빛의 3원색 : 빨간색, 초록색, 파란색

- 색의 3원색 : 마젠타(자홍, M), 엘로우(노랑, Y), 시안(청록, C)

• 노랑(Yellow) + 마젠타(Magenta) = 빨강(Red)
• 마젠타(Magenta) + 시안(Cyan) = 파랑(Blue)
• 마젠타(Magenta) + 시안(Cyan) + 노랑(Yellow) = 검정(Black)

 

 

색의 혼합, 감산혼합의 특징

감산혼합의 3원색인 노랑(Yellow), 마젠타(Magenta), 시안(Cyan)을 혼합하면 명도가 낮아지며, 2차색으로 빨강, 녹색, 파랑인 빛의 3원색을 얻을 수 있다. 물론, 이 때의 혼색은 명도와 채도가 다 같이 낮아져 칙칙한 결과를 만들어내는 감법혼색이므로, 혼합으로 만들어진 색인 빨강,초록,파랑은 빛의 3원색보다 밝기가 어둡고 맑지도 않다. 또, 3원색을 모두 혼합하면 검정에 가까운 무채색이 된다.

 

감법혼합의 원리를 살펴 보면서 색(여기서는 색료를 의미)의 혼합에 있어서 밝기나 맑기에 특히 주의해야 한다는 점을 이해했을 것이다. 노랑과 파랑을 혼합하여 만든 2차색 초록과 제조과정에서 순도가 높여져 있는 원래의 초록물감과는 많은
차이가 나기 때문에, 화가들은 색상들을 서로 혼합해서 색을 만들어야 하면 약간의 흰색을 더함으로써 강도를 높이려 한다. 그러나 이 경우에는 밝기만 밝아질 뿐 맑은 느낌을 주는 채도에는 별로 효과를 보지 못한다. 이러한 이유로 전문가들이 색상수가 많은 수채물감, 포스터 컬러 등의 찾게 된다. 

 

 

* 감법혼색이나 가법혼색은 어떠한 경우이든간에 서로 인접한 두 색을 혼합하면 그 중간에 해당하는 새로운 색이 만들어진다. 이렇게 만들어진 색을 중간색, 혹은 2차색이라고 부른다.

 

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색은 어떻게 인식되는 걸까

광원에서 나오거나 물체에서 반사된 빛은 수정체를 지나 망막에 도달한다. 망막에는 시각세포들이 분포하고 있어서 빛을 감지할 수 있다.

 

시각 세포의 종류

1. 막대 세포
● 막대 모양의 세포로 물체의 형태와 명암을 감지한다.
● 막대 세포의 수는 약 1억 2천만 개이다.

2. 원뿔 세포
● 원뿔 모양의 세포로 빛의 색을 감지한다.
● 색을 감지하는 원뿔 세포에는 빨간색, 초록색, 파란색을 각각 잘 흡수하는 세 종류의 원뿔 세포가 있다.
● 원뿔 세포의 수는 약 650만 개이다.

 

 

시각 세포와 빛의 인식

원뿔세포(cone cell)는 막대세포(rod cell)와 함께 척추동물 망막을 구성하는 대표적인 광수용기로 색깔을 구별할 수 있게 해준다. 막대세포가 빛에 매우 민감하고 희미한 빛에서도 명암을 인식하는 반면에 원뿔세포는 강한 빛에서 고도로 예리한 색각에 관여한다. 사람에게는 빨강, 파랑, 초록에 흡광 특성이 있는 3종류의 원뿔세포가 있다.

 

1.  막대 세포

빛의 양에 민감하여 물체의 형태나 명암을 감지하지만 색은 구별하지 못한다. 주로 어두운 곳에서 잘 반응한다.

 

2. 원뿔 세포

빛의 색을 감지하며 밝은 곳에서 잘 반응한다. 원뿔 세포에는 R, G, B 원뿔 세포의 세 종류가 있다.
• R 원뿔 세포 : 빨간색 빛에 민감하게 반응한다.
• G 원뿔 세포 : 초록색 빛에 민감하게 반응한다.
• B 원뿔 세포 : 파란색 빛에 민감하게 반응한다.
• 빨간색 빛과 초록색 빛이 눈에 들어오면 R 원뿔 세포와 G 원뿔 세포가 자극되어 대뇌에서 노란색 빛으로 인식된다.

RGB 원뿔 세포의 상대적 감지 능력 (출처 : 소년한국일보)

 

영상 장치에서의 색의 표현

사람이 세 가지 색의 조합으로 모든 색을 인식할 수 있는 것과 같이, 우리가 다루는 다양한 영상장치도 R, G, B 세가지 빛의 조합으로 모든 색을 표현할 수 있다.
모니터는 수 많은 점으로 덮여 있고, 각 점은 R(Red), G(Green), B(Blue)의 색 컴퓨터 모니터의 구조 중 한가지 색을 나타낸다. 이 점들의 묶음을 화소라고 한다. 이때, 이 화소에 R, G, B 세 가지 색을 적절히 조합하여 다양한 색을 나타낸다. R, G, B의 색을 합칠 때 각각의 색의 밝기를 다르게 하여 합치면 같은 종류의 색의 조합이라도 다른 색을 얻을 수 있다.

 

R : 8비트 / 2*2*2*2*2*2*2*2 = 256 (0~255)

G : 8비트 / 2*2*2*2*2*2*2*2 = 256 (0~255)

B : 8비트 / 2*2*2*2*2*2*2*2 = 256 (0~255)

 

R 256가지 * R 256가지 * B 256가지의 조합으로 색표현이 가능해진다. 이와 같이 대부분의 영상장치는 빨간색, 초록색, 파란색의 세기를 어떻게 조합하느냐에 따라 다양한 색을 보여줄 수 있다. 흰색배경에 주황색로고가 있는 화면이지만, 카메라로 확대를 해서 보면 다음과 같이 보인다.