색이란 정말 무엇일까요?

색은 빛에서 시작돼요. 창문으로 쏟아져 들어오는 하얀 빛은 모든 색이 한꺼번에 섞여 있는 빛이에요. 1666년, 아이작 뉴턴은 햇빛을 유리 프리즘에 통과시켜 가시 스펙트럼으로 펼쳐지는 모습을 지켜봤어요. 빨강, 주황, 노랑, 초록, 파랑, 남색, 보라예요. 뉴턴은 색이 빛에 더해지는 것이 아니라, 이미 빛 속에 들어 있다가 갈라져 나오는 것임을 증명했어요.

색마다 빛의 파장이 달라요. 빨강은 파장이 가장 길고 보라는 가장 짧으며, 지금까지 본 모든 색은 그 사이 어딘가에 있어요. 빛이 물체에 닿으면 일부 파장은 흡수되고 나머지는 눈으로 되돌아와요. 흡수되지 않고 빠져나온 파장이 우리가 보는 색이에요. 레몬이 노란 이유는 파란 빛을 삼키고 나머지를 돌려보내기 때문이에요.

눈은 어떻게 색을 볼까요?

이 페이지의 다른 모든 내용 밑에 숨어 있는 비밀이 있어요. 색은 사실 빛 속에 있는 게 아니에요. 머릿속에서 만들어져요. 빛은 길이가 서로 다른 전자기파일 뿐이에요. 빨강의 빨강다움과 파랑의 파랑다움은 뇌가 만들어 낸 것으로, 어떤 파장이 도착했는지 구별하려고 붙이는 이름표예요.

눈 안쪽 뒤편에는 두 종류의 빛 감지 세포가 줄지어 있어요. 막대세포는 어두운 빛을 담당하고 회색만 봐요. 색을 보는 일은 원뿔세포가 맡고 있고, 거의 모든 사람이 정확히 세 종류를 가지고 있어요. S 원뿔세포는 짧은 파장인 파란색에 가장 잘 반응하고, M 원뿔세포는 중간 파장인 초록색에, L 원뿔세포는 우리가 빨강이라 부르는 긴 파장에 맞춰져 있어요(사실 L 원뿔세포의 진짜 정점은 노란빛이 도는 초록색에 있어요. 색각의 작은 농담이죠). 그게 전부예요. 지금까지 본 모든 색, 모든 노을의 모든 빛깔은 뇌가 단 세 개의 숫자를 읽은 결과예요. 각 원뿔세포가 얼마나 강하게 반응하는지를 나타내는 숫자예요.

그래서 3원색이 계속 등장해요. 화면은 빨강, 초록, 파랑 빛만 있으면 세 가지 원뿔세포를 속여 어떤 색이든 보이게 할 수 있어요. 프린터나 CMY Cube는 시안, 마젠타, 옐로우만으로 알맞은 양을 덜어내요. 감지기 세 개가 들어오고, 원색 세 개가 나가는 거예요. 색 기술은 모두 그것을 읽는 눈에 맞춰 만들어졌어요.

이것은 색각 이상도 설명해 줘요. 한 종류의 원뿔세포가 없거나 어긋나 있으면, 주로 L 또는 M 원뿔세포가 그럴 때, 어떤 색들은 구별하기 어려워져요. 남성 약 12명 중 1명, 여성 약 200명 중 1명이 이렇게 색을 다르게 봐요. 그래서 CMY Cube는 아주 좋은 교육 도구예요. 각자의 원뿔세포가 어떻게 맞춰져 있든 함께 나눌 수 있을 만큼 색 변화가 뚜렷하니까요. 그리고 아주 드물게 4색각자라고 불리는 사람들은 네 번째 원뿔세포를 가지고 있어서, 우리가 전혀 구별하지 못하는 차이를 볼 수도 있어요.

빛 휘게 하기: 굴절과 반사

빛은 매질이 바뀌기 전까지 직진해요. 빛줄기가 공기에서 유리나 물 같은 투명한 물질로 들어가면 속도가 느려지면서 휘어요. 이것을 굴절이라고 해요. 빛이 통과하지 않고 표면에서 튕겨 나오면 그것은 반사예요. 세상에서 빛이 하는 거의 모든 일은 이 두 가지의 조합이에요.

굴절에는 비밀이 숨어 있어요. 파장마다 휘는 정도가 달라요. 파장이 짧은 보라색 빛은 가장 많이 휘고, 파장이 가장 긴 빨간색은 가장 적게 휘어요. 그래서 하얀 빛이 프리즘이나 크리스털에 들어가면, 색마다 조금씩 다른 길을 따라 부채처럼 갈라져요. 빛줄기가 나올 때쯤에는 색들이 스펙트럼으로 나뉘어 있어요. 이렇게 나뉘는 현상을 분산이라고 하고, 1666년 뉴턴이 벽에서 본 바로 그 현상이에요.

그럼 무지개는 어디서 올까요?

무지개는 하늘이 해 주는 똑같은 실험이에요. 빗방울 하나하나는 작은 물방울 구슬이고, 햇빛이 닿으면 세 가지 일이 연달아 일어나요. 빛이 물방울에 들어가면서 굴절하며 색이 갈라지기 시작하고, 물방울 뒷면에서 반사되고, 나오는 길에 다시 굴절하면서 색이 더 넓게 퍼져요.

물방울 하나는 눈에 한 가지 색만 보내요. 무지개 전체는 수백만 개의 물방울이 각자 스펙트럼의 한 조각씩을 전달한 결과예요. 기하학은 엄격해요. 물방울을 떠나는 빛은 햇빛이 진행하던 방향과 약 42도의 각을 이루기 때문에, 눈에 빛을 보낼 수 있는 물방울은 태양의 정반대 지점(재빨리 찾는 법: 내 머리 그림자가 있는 곳이에요)에서 42도 떨어진 곳에 있는 것들뿐이에요. 그 지점에서 42도 떨어진 모든 방향이 하늘에 원을 그리고, 그 원이 바로 무지개예요. 땅이 가로막기 때문에 아래쪽 절반은 좀처럼 볼 수 없어요. 그렇다면 쌍무지개는요? 물방울 안에서 빛이 두 번 반사된 뒤 나가면서, 색 순서가 뒤집힌 더 희미한 두 번째 호를 약 51도에 보내는 거예요.

비눗방울은 어떻게 작동할까요?

비눗방울은 공기 한 방울을 감싼 비눗물 막이에요. 두께는 수백 나노미터로, 사람 머리카락보다 훨씬 얇아요. 소용돌이치는 색은 안료도 프리즘도 필요 없는 빛의 세 번째 비법에서 나와요. 바로 간섭.

빛이 막에 닿으면 일부는 바깥 표면에서 반사되고, 일부는 통과해 안쪽 표면에서 반사돼요. 같은 빛의 두 반사광이 파장의 몇 분의 일 차이를 두고 비눗방울을 떠나요. 파동의 마루끼리 맞으면 서로 강해져서 그 색이 빛나요. 마루와 골이 만나면 서로 상쇄되어 그 색이 사라져요. 어떤 색이 살아남는지는 막의 두께에 달려 있어서, 비눗방울이 일렁이며 얇아지면 색도 함께 일렁여요.

가만히 지켜보면 비눗방울이 곧 터질 거라고 알려 주기도 해요. 막이 흘러내려 눈에 보이는 어떤 파장보다 얇아지면 반사광이 거의 모든 것을 상쇄하고, 터지기 직전에 방울 윗부분이 유령처럼 거의 검게 변해요. 같은 물리학이 젖은 도로 위 기름띠, 공작 깃털, CD의 반짝임을 그려 내요. 과학자들은 이것을 구조색이라고 불러요. 물질이 아니라 모양이 만드는 색이에요.

왜 하늘은 파란색일까요?

여기까지 읽었다면 이미 짐작하셨을 거예요. 답은 "하늘이 파란색으로 칠해져 있어서"가 아니에요. 빛이 색을 만드는 네 번째 방법은 산란.

햇빛은 모든 색을 한꺼번에 실은 하얀 빛으로 도착해요. 공기를 지나는 동안 빛의 파장보다 훨씬 작은 수많은 질소와 산소 분자에 부딪혀요. 이 작은 분자들은 모든 색을 똑같이 흩뜨리지 않아요. 짧은 파란 파장을 긴 빨간 파장보다 훨씬 강하게, 색에 따라 다섯 배에서 열 배까지 사방으로 흩뿌려요(이 효과의 수학을 밝힌 물리학자의 이름을 따 레일리 산란이라고 해요). 그래서 태양에서 떨어진 하늘 어느 곳을 올려다보든, 눈에 닿는 빛은 햇빛에서 흩어져 나온 파란빛이 분자에서 분자로 튕기다 마침내 나를 찾아온 거예요. 보라색은 파란색보다 더 많이 산란하는데 왜 하늘이 보라색이 아닌지 궁금하다면, 햇빛에는 애초에 보라색이 적고 우리 원뿔세포도 도착한 약간의 보라색에 거의 반응하지 않기 때문이에요. 하늘은 보라색에 투표하지만, 우리 눈은 파란색을 뽑아요.

같은 물리학이 하루의 나머지 절반도 설명해요. 해 질 녘에는 빛이 눈에 닿기까지 훨씬 두꺼운 대기를 스치듯 지나오기 때문에, 도착할 즈음에는 파란빛이 모두 흩어져 사라지고 긴 빨강과 주황이 쏟아져 들어와요. 파란 한낮과 붉은 노을은 같은 햇빛, 같은 공기이고 경로의 길이만 다를 뿐이에요. 색은 이번에도 안료가 아니라 빛이 눈까지 오는 여정이 만들어요.

CMY Cube는 어떻게 작동할까요? 감법 혼색이에요.

시안, 마젠타, 옐로우는 세 가지 감법 혼색의 원색이에요. 각각 무엇을 덜어내는지로 정의돼요. 시안은 빨간 빛을, 마젠타는 초록 빛을, 옐로우는 파란 빛을 흡수해요. 필터를 통과하고 살아남은 빛이 눈에 닿는 색이에요.

CMY Cube는 세 가지 필터를 한 물체에 담았어요. 한 면으로 보면 그 면의 색이 보여요. 두 면을 한꺼번에 통해 보면 필터가 겹쳐지면서, 각각 스펙트럼에서 자기 몫을 덜어내요.

이것이 감법 혼색이에요. 물감, 잉크, 스테인드글라스, 컬러 인쇄 뒤에 있는 것과 같은 물리학이죠. 큐브를 돌리면 조합이 끊임없이 바뀌어서 똑같은 모습이 두 번 나오지 않아요. 세 가지 색에서 수십 가지 색이 나와요.

감법 혼색과 가법 혼색: 화면이 다른 이유

색을 만드는 방법은 두 가지이고, 서로 거울에 비친 모습이에요. 휴대폰 화면은 가법 혼색을 써요. 어둠에서 시작해 빨강, 초록, 파랑 빛을 더해 가요. 셋을 모두 더하면 흰색이 돼요. 안료, 잉크, CMY Cube는 감법 혼색을 써요. 하얀 빛에서 시작해 파장을 덜어내요. 전부 덜어내면 검정에 가까워져요.

아이들이 꼭 한 번 묻지만 어른들은 대부분 답하지 못하는 질문에 대한 답이에요. 물감을 섞으면 왜 빛을 섞을 때와 다른 색이 나올까요? 이제 책상 위에서 직접 보여 줄 수 있어요.

K는 무엇의 약자일까요?

이론상 시안, 마젠타, 옐로우를 섞으면 검정이 돼요. 하지만 실제로 섞은 잉크는 탁한 짙은 갈색이 되기 때문에, 인쇄업계는 네 번째 잉크를 더해요. K는 "key"의 약자예요. 그것이 CMYK이고, 지금까지 인쇄된 거의 모든 것 뒤에 있는 모델이에요. K Cube는 스펙트럼의 그늘진 끝을 탐구해요. 깊은 투명 블랙으로, CMY 형제들과 똑같은 정밀함으로 색의 부재를 연구해요.

투명한 색으로 만나는 다섯 가지 플라톤 입체

2,000년도 더 전에 플라톤은 다섯 가지 완벽한 3D 도형을 설명했어요. 면이 모두 똑같은 정다각형이고, 모든 꼭짓점에서 똑같이 만나는 유일한 입체들이에요. 플라톤은 이 도형들에 푹 빠져 각각을 고전 원소에 짝지었어요. 정확히 다섯 개뿐이고, 여섯 번째는 앞으로도 없어요. 우리의 기하학 시리즈는 이 다섯 가지를 모두 살려 냈어요.

평면에서 입체로: 2D와 3D

모든 플라톤 입체에는 평면의 사촌이 있어요. 정다각형은 같은 아이디어의 2D 버전이에요. 모든 변의 길이가 같고, 모든 각의 크기가 같아요. 정삼각형, 완벽한 정사각형, 정오각형처럼요. 그리고 2D에서는 목록이 끝나지 않아요. 정육각형, 정팔각형, 정17각형, 정1,000각형도 그릴 수 있어요. 평평한 공간은 한없이 너그러워요.

한 차원 올라가면 그 너그러움이 사라져요. 같은 완벽한 다각형으로 3D를 만들면서 모든 꼭짓점에서 똑같은 규칙을 요구하면, 무한했던 목록은 정확히 다섯 개의 입체로 줄어들어요. 차원 사이의 이 절벽은 기하학에서 가장 놀라운 결과 중 하나이고, 증명은 다음 섹션에서 알 수 있을 만큼 간단해요.

2D에서는 정다각형이 끝없이 이어져요

삼각형, 사각형, 오각형, 육각형, 17각형, 1,000각형...

3D에서는 평평한 전개도가 입체로 접혀요

정사각형 여섯 개가 정육면체가 돼요. 가능한 입체는 다섯 개뿐이에요.

두 세계를 잇는 다리는 전개도예요. 정육면체를 모서리를 따라 펼치면 정사각형 여섯 개의 십자 모양으로 납작해지고, 3D 입체가 2D로 펼쳐져요. 하나 인쇄해서 접어 보면 플라톤 입체를 손으로 직접 만든 셈이고, 교실에서 인기가 많은 데는 이유가 있어요. 그 패턴이 위 차원에서도 이어질지 궁금하다면, 4차원에는 정확히 여섯 개의 정다포체가 있고 5차원부터는 세 개뿐이에요. 다섯 개의 완벽한 입체가 있는 3차원은 정말 흥미로운 곳이에요. 우리는 운이 좋아요.

어떤 입체가 플라톤 입체일까요? 그리고 왜 다섯 개뿐일까요?

자격 조건은 엄격해요. 플라톤 입체는 볼록해야 하고(움푹 들어간 곳이 없어야 해요), 모든 면이 같은 정다각형이어야 하고(정삼각형이나 완벽한 정사각형처럼 모든 변과 모든 각이 같아요), 모든 꼭짓점에서 같은 수의 면이 만나야 해요. 이 중 하나라도 어기면 이 클럽에서 탈락이에요.

왜 다섯 개뿐일까요? 꼭짓점에서 일어날 수 있는 일에 달려 있어요. 평평한 도형들을 접어 3D 꼭짓점을 만들려면, 거기서 만나는 각의 합이 360도 미만이어야 해요. 정확히 360도에 닿으면 도형들은 타일처럼 평평하게 놓여요. 넘으면 아예 닫히지 않아요. 가능한 경우를 하나씩 따져 보면 목록이 바닥나요.

• 정삼각형(각각 60°): 꼭짓점에 세 개가 모이면 180°(정사면체), 네 개면 240°(정팔면체), 다섯 개면 300°(정이십면체)예요. 여섯 개면 360°로 평평해져요. 막다른 길이에요.
• 정사각형(각각 90°): 꼭짓점에 세 개가 모이면 270°(정육면체)예요. 네 개면 360°로 평평해져요. 막다른 길이에요.
• 정오각형(각각 108°): 꼭짓점에 세 개가 모이면 324°(정십이면체)예요. 네 개면 360°를 넘어요. 불가능해요.
• 정육각형(각각 120°): 세 개만 모여도 이미 360°예요. 욕실 바닥에는 아름답게 깔리지만, 입체로는 절대 접히지 않아요.

육각형 3개 = 360°

영원히 평평해요

오각형 3개 = 324°

틈이 닫히며 3D가 되고, 정십이면체가 시작돼요

세어 볼까요? 삼각형으로 만드는 입체가 셋, 정사각형이 하나, 정오각형이 하나예요. 다섯. 정확히 다섯, 영원히. 새로운 발견도, 기발한 공학도, 미래의 어떤 수학도 여섯 번째를 더하지 못해요. 유클리드가 기원전 300년경 『원론』의 대미로 이를 증명했고, 지금도 기하학에서 가장 깔끔한 결과 중 하나예요.

아름다운 다른 입체도 많지만, 규칙을 조금씩 어겨요. 둘 이상의 정다각형을 허용하면 아르키메데스 입체가 나와요. 육각형과 오각형을 섞은 깎은 정이십면체가 대표적인데, 흔히 축구공이라고 불러요. 꼭짓점이 서로 다른 것을 허용하면 각기둥과 엇각기둥이 나와요. 모든 규칙을 한꺼번에 따르는 유일한 도형이 플라톤의 다섯 입체라서 2천 년이 넘도록 사상가들을 매료해 왔고, 그래서 다섯 개를 모두 투명하게 만들었어요. 완벽한 기하학은 그냥 바라보는 것이 아니라 들여다보는 것이 어울리니까요. 다섯 개 모두 만나보기.

CMY Cube는 어떻게 만들어질까요

큐브는 광학적으로 투명한 상태에서 시작해 다이아몬드 연마로 완성돼요. 그래서 빛이 왜곡 없이 들어가고 나와요. 이후 모든 면을 색으로 밀봉하고, 그 밀봉이 색 혼합을 해내요. 정확한 제조 공정은 비공개인데, 우리만의 비밀로 남겨 둔다는 정중한 표현이에요.

색 밀봉 때문에 관리에도 신경을 써요. 물, 스프레이, 화학 세정제는 쓰지 마세요. 마른 극세사 천(또는 CMY Klean)으로 닦아 주면 물리학이 계속 눈부시게 빛나요.

왜 "CMY Kubes"가 아닐까요?

자주 받는 질문인데, 답은 1부에 숨어 있어요. CMYK의 K는 인쇄업계의 고백이에요. 섞은 잉크로는 진짜 검정에 이를 수 없어서 네 번째 잉크를 더해 마무리하는 거예요. 큐브는 그런 도움이 필요 없어요. 큐브를 빛에 비춰 세 면을 한꺼번에 통해 보면, 시안, 마젠타, 옐로우가 스스로 스펙트럼을 검정까지 걸러내요. 큐브에는 K가 없으니, 이름에도 K가 없어요.

CMY는 오타도 브랜딩 장난도 아니에요. 그것이 핵심이에요. 세 가지 색, 순수한 감법 혼색, 더한 것은 없어요. K에 가장 가까운 것은 K Cube로, 깊은 투명 블랙이에요. 그마저도 색이 방을 떠나면 어떻게 되는지 탐구하려고 존재해요. 그리고 우리끼리 얘기지만, 큐브(cube)를 K로 쓰면 두고두고 우리를 괴롭혔을 거예요.

우리 말만 믿지 마세요

세계에서 가장 사랑받는 과학 채널 중 하나인 Vsauce가 감법 혼색을 다룬 전용 쇼츠 영상에서 CMY Cube를 소개했어요. "cmycubes.com 팀"에게 특별한 감사도 전했어요. 큐브는 Vsauce의 과학 구독 박스인 Curiosity Box와 함께 등장한 적도 있어요. 과학 커뮤니케이터들이 큐브를 찾는 이유는 선생님과 부모님이 찾는 이유와 같아요. 추상적인 개념을 손에 쥐고, 돌리고, 직접 시험해 볼 수 있는 것으로 바꿔 주기 때문이에요.

화면 너머

디스플레이 업계가 광고하지 않는 비밀이 있어요. 어떤 화면도 눈이 볼 수 있는 모든 색을 보여 주지 못해요. 색채 과학자들은 사람의 시각을 1931년에 처음 표준화된 색도도라는 말굽 모양 영역으로 그려요. 모든 화면은 빨강, 초록, 파랑 빛의 세 점으로 색을 섞기 때문에, 재현할 수 있는 색은 그 세 점 사이에 그린 삼각형 안에 갇혀요. 이 영역을 화면의 색역(gamut)이라고 하고, 가장 깊은 스펙트럼 시안과 초록을 포함해 그 바깥의 색은 디스플레이에 나타날 수 없어요.

CMY Cube는 그 한계의 반대편에 있어요. 세 점의 빛으로 색을 만들어 내는 것이 아니라, 실제로 연속적인 하얀 빛을 걸러 내요. 햇살 가득한 창가나 책상 램프의 빛이요. 그래서 눈에 닿는 색은 색역이 아니라 오직 물리학에 의해 정해져요. 모니터로 보는 스펙트럼 시안과 아침 햇살에 큐브를 비춰 보는 스펙트럼 시안의 차이는, 어떤 장소의 사진을 보는 것과 그곳에 직접 서 있는 것의 차이와 같아요.