하늘은 파란색이며, 구름은 흰색인 이유는?

빛이나 색상들이 생명체들에게 어떤 의미를 가지는지, 생명체가 가진 아름다운 색상들에는 어떤 비밀이 숨어 있는지 과학적 관점에서 살펴보도록 하겠습니다. 아름다운 나비의 날개 색상은 어떻게 그런 빛을 내는지, 비눗방울의 무지개색은 왜 그런지, 우유는 왜 하얀색인지, 하늘은 왜 파란지, 아름다운 빛을 가진 곤충의 날개를 털면 색소들이 나올까 등에 대한 많은 의문을 풀어 볼까 합니다.

어떤 생명체는 살아가기 위해 주위의 빛을 인지하기도 하고 또 어떤 생명체는 자체적으로 빛을 내거나 다양한 방법을 이용해 고유의 색을 띠곤 합니다.

위장의 천재라고 불리우는 카멜레온은 어디에 있느냐에 따라 주위 환경의 색상에 맞게 자신의 색을 바꾸는 생물인데요. 
이렇듯 색은 위장하는 데 쓰이기도 하고 무언가를 유혹하거나 경쟁자를 물리치기 위한 수단으로 사용되기도 합니다.

색을 띠는 것은 색소 분자 때문인데 이 색소 분자에는 반사와 흡수의 원리가 있습니다. 
보통 우리가 보는 색이란 물체에서 반사되어 나온 빛의 색을 말합니다.

 

예를 들어 흰종이는 모든 색의 빛을 반사하기 때문에 흰색으로 보이는 것이라고 할 수 있습니다.
이 흰종이 위에 파란색 펜으로 글자를 쓰고 나면 파란색 잉크가 묻어있는 부분은 특정 색소가 파란색 빛은 반사하지만 다른 색은 흡수해서 우리 눈에는 파란색으로 보이게 됩니다.

 

하지만 이런 특정 색소가 없어도 물체가 가지고 있는 구조의 특성에 의해서 빛이 반사와 산란을 일으키면서 색을 만들기도 합니다. 이를 가리켜 구조색(Structual Colors)이라 부릅니다.

 

 

비눗방울이나 물위에 뜬 기름막이 무지개색을 나타내는 것과 같은 원리입니다. 
물이나 기름은 대체로 투명해서 특정 색을 흡수하지 않지만 적절한 두께의 막이 되면 빛이 지나가며 특별한 색을 강하게 반사시키고 특정 색을 약하게 반사시키게 됩니다. 

 

빛의 색에 따라 고유한 길이가 있는데요.
이를 빛의 파장이라고 합니다. 파란색 빛은 파장이 짧고 빨간색 빛은 파장이 깁니다.
비눗방울이나 기름막의 두께가 파장과 특별한 관계가 있을 때에는 그 파장의 빛이 강하게 반사되거나 아니면 약하게 반사되기도 하는데, 기름막이나 비눗방울의 막의 두께가 매우 얇긴 하지만 위치에 따라서 그 두께가 다 다르고 또 그 두께가 계속 변하기도 합니다.

이러한 이유로 빛이 반사가 될 때 위치에 따라 빨간색에서부터 주황색 노란색 이런 식으로 반사가 강하게 되고 우리는 그것을 무지개색으로 느끼게 되는 것입니다.

 

남미에 서식하는 모르포 나비

 

그럼 이러한 구조색의 개념이 밝혀진 최초의 이유는 바로 나비의 날개가 그 시작이었습니다. 나비 하면 날개의 아름다운 빛깔이 떠오르는데, 많은 사람들이 이 아름다운 나비의 날개에서 화려한 색을 내는 물질을 추출하려는 시도를 했었습니다. 
색을 추출해 물감으로 사용하려 했지만 번번이 실패하고 말았습니다. 
바로 이때 구조색이라는 개념이 생겼습니다. 즉, 나비의 날개에는 실제로 색을 내는 색소가 있었던 것이 아니라 나비 날개의 미세한 구조에 의해 색이 나타나는 것이었습니다.

시간이 많이 흘러 나중에 개발된 전자 현미경으로 나비 날개의 구조를 살펴보니 매우 미세하면서도 정교한 구조로 되어 있어 빛이 반사가 될 때 특정 색만 강하게 반사될 수 있다는 것을 깨닫게 됩니다. 
즉 이렇듯 우리가 구조색이라는 것을 알게 된 것이 바로 나비로부터였죠.

또한 이후로 자연계의 생명체들은 원래의 색소에 의해 나타내는 색상과 이 구조색에 의한 효과를 단독으로 혹은 함께 나타냄으로써 다양한 색상을 띠고 있다는 것도 알게 되었습니다.
예를 들면 딱정벌레의 등껍질에서 광택이 있는 푸르른 색이나 수컷 공작새가 날개에서 보이는 화려한 색 등이 모두 구조색에 의한 현상이라는 사실 등입니다.

화려한 색을 가진 새들의 깃털들도 모두 구조색의 예라고 할 수 있습니다.

 

위의 이미지에 있는 모르포 나비의 날개는 매우 밝고 강렬한 푸른색을 띠고 있는 데, 이 나비의 표면을 전자현미경으로 확대해보면 기와를 쌓아 올린 것과 같은 규칙적인 구조가 보입니다.

바로 이 구조가 색을 만들어내는 것인데, 각 층에서 빛이 반사될 때 파란색 빛은 매우 효과적으로 반사가 될 수 있는 구조를 가지고 있습니다.  반대로 다른 색들은 거의 반사가 되지 않는 특수한 구조를 가지고 있죠 모르포 나비의 날개에는 파란색 잉크와 같은 색소가 전혀 없지만 날개의 표면에 특수한 미세 구조 때문에 날개가 파란색 파장의 빛을 반사하여 구조색을 내게 되는 것입니다.

최근 카이스트 연구실에서는 이러한 모르포나비의 구조색을 띄는 표면을 실제로 만드는 데 성공했습니다. 
특별히 색이 없는 플라스틱 재료를 가지고 몰포나비의 표면과 같은 미세한 구조를 만들었더니 몰포나비 날개에서 보이는 선명한 푸른색을 만들 수 있었습니다. 

 

또한 이런 구조색의 원리를 이용해서 더 밝고 선명한 차세대 tv를 만들려는 시도가 계속되고 있는데요.
반사형 디스플레이라고도 해서 외부 빛을 반사시켜 화면에 출력하는 데 사용하고 있습니다. 
이것은 전력 소모를 적게 하면서 빛을 낼 수 있는데요. 
화면을 출력할 때 외부 빛을 이용하기 때문에 에너지 효율을 크게 증가시킬 수 있습니다. 

이번에는 생명이 아닌 물질의 경우를 보도록 하겠습니다.

우유는 왜 하얗고 하늘은 왜 푸를까요?
이것은 바로 빛의 산란에 의한 현상입니다. 
빛의 산란이란 빛이 진행하다가 작은 물체를 만나면 빛이 여러 방향으로 퍼지게 되는 것을 말합니다.
우유가 하얗게 보이는 이유는 우유에 있는 영양소의 크기가 빛을 고르게 산란시키기 때문입니다. 

 

 

하늘은 왜 파란색으로 보이는 걸까요?
우유 영양소나 먼지보다 입자의 크기가 훨씬 더 작아지게 되면 빛이 산란되는 성질이 재미있게 변하게 됩니다. 
공기는 질소나 산소 분자로 이루어져 있습니다.
이 분자들의 크기는 먼지에 비하면 훨씬 더 작은 데, 이렇게 작은 분자는 분자를 이루는 원자들의 구조로 인해서 특정 색의 빛만 산란시키고 다른 색 빛은 그냥 통과시키는 성질을 가지고 있습니다. 
공기 분자의 경우 파란색 빛은 산란을 많이 시키고 다른 색의 빛은 거의 산란을 시키지 않습니다.
그래서 태양에서 온 빛이 대기권에 들어오게 되면 파란색 빛만이 산란이 되기 때문에 하늘이 푸르게 보이게 됩니다.

물은 왜 투명하게 보일까요?
우리가 마시는 물은 투명해서 빛이 물을 지나갈 때 산란되지 않고 그대로 지나가게 됩니다.
하지만 기체 상태에 물인 수증기는 양이 많아지면 빛을 산란시킵니다. 이것이 바로 구름인데, 구름은 빛을 매우 많이 산란시키기 때문에 하얗게 보이게 됩니다.

그리고 고체 상태의 물인 얼음은 잘 만들면 매우 투명한 얼음도 만들 수 있지만 중간에 공기 방울이 들어가면 뿌옇게 보이는 산란이 일어납니다. 
그리고 겨울에 내리는 눈도 얼음이 특수한 형태의 결정을 띠고 있는 경우인 데, 빛의 산란이 많이 일어나서 하얗게 보이게 되는 케이스라고 할 수 있습니다.

위에서 살펴본 바와 같이 빛의 산란은 우리 주위에서 흔히 일어나는 현상 중의 하나입니다.