훈색
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1. 개요
훈색은 관찰 각도와 조명 각도에 따라 색상이 변하는 광학 현상을 의미한다. 이는 박막 간섭, 회절, 광결정 등 다양한 메커니즘에 의해 발생하며, 물체의 표면 구조나 얇은 막의 간섭 현상으로 인해 빛이 반사되거나 굴절되면서 나타난다. 훈색은 생물, 광물, 기상 현상, 인공물 등 다양한 곳에서 관찰되며, 공작 깃털이나 비눗방울, 콤팩트 디스크 등에서 그 예시를 찾아볼 수 있다.
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| 훈색 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 이름 | 유색 효과 (遊色効果) |
| 영어 이름 | Iridescence |
| 훈색 (暈色) | 빛깔 고리 |
| 설명 | 보는 각도에 따라 표면 색상이 다르게 보이는 광학 현상이다. 빛의 간섭, 회절, 또는 산란으로 인해 발생한다. 진주, 나비 날개, 비눗방울 등에서 관찰할 수 있다. |
| 어원 | 그리스 신화의 무지개 여신 이리스 (Ἶρις)에서 유래되었다. |
| 발생 원리 | |
| 간섭 | 박막 간섭: 얇은 막의 표면에서 반사된 빛이 서로 간섭하여 특정 파장의 빛이 강화되거나 상쇄되어 색상이 나타난다. 다층 박막 간섭: 여러 층의 얇은 막에서 반사된 빛이 서로 간섭하여 색상이 나타난다. |
| 회절 | 회절 격자: 표면에 규칙적인 간격으로 새겨진 홈이나 패턴에 의해 빛이 회절되어 색상이 나타난다. |
| 산란 | 미 산란: 작은 입자들에 의해 빛이 산란되어 색상이 나타난다. 구조색: 미세한 구조에 의해 빛이 산란되어 색상이 나타난다. |
| 예시 | |
| 자연 | 진주 나비 날개 공작 깃털 딱정벌레 껍질 새 깃털 조개 껍데기 광물 (방해석, 장석, 공작석) 비눗방울 기름 막 |
| 인공 | CD/DVD 표면 홀로그램 일부 직물 자동차 페인트 코팅 보석 |
| 응용 | |
| 산업 | 위조 방지 기술 특수 페인트 및 코팅 화장품 (진주 광택 안료) 광학 소자 장식용 재료 |
| 예술 | 미술 작품 패션 디자인 사진 영화 |
2. 어원
단어 ''iridescence''는 부분적으로 그리스어 단어 ἶρις|이리스grc (''îris'', 속격: ἴριδος|이리도스grc ''íridos'')에서 유래되었으며, 이는 ''무지개''를 의미하고, 라틴어 접미사 ''-escent''가 결합되어 "~한 경향이 있는"이라는 의미를 갖는다.[1] ''Iris''는 다시 그리스 신화의 여신 이리스에서 유래되었으며, 이리스는 무지개의 화신이자 신들의 메신저 역할을 했다. ''Goniochromism''은 그리스어 단어 gonia|고니아grc("각도"를 의미)와 chroma|크로마grc("색상"을 의미)에서 유래되었다.
훈색(무지개색)은 표면에서 나타나는 광학 현상으로, 보는 각도나 빛이 비추는 각도에 따라 색상이 변하는 것을 말한다.[2][3] 이는 주로 표면이나 내부의 미세 구조가 빛과 상호작용하여 발생하며, 대표적인 원리로는 박막 간섭, 회절, 그리고 구조색이 있다.
3. 메커니즘
빛이 여러 층의 반투명한 표면에서 반사될 때 위상 변화와 간섭이 일어나 특정 색의 빛이 강해지거나 약해지면서 다채로운 색을 띠게 된다.[2][4] 이러한 간섭 현상이 얇은 막에서 일어나는 것을 박막 간섭이라고 하며, 비눗방울이나 물 위에 뜬 기름 막에서 나타나는 무지개색이 대표적인 예이다. 막의 두께에 따라 보이는 색이 달라진다.
빛이 매우 좁은 틈이나 장애물을 만났을 때 퍼져나가는 회절 현상 역시 훈색을 만든다. CD나 DVD 표면의 미세한 홈에 빛이 반사되면서 무지개색을 나타내는 것이 회절에 의한 훈색의 예이다.[7]
색소나 염료 없이 물질 자체의 미세 구조에 의해 색이 나타나는 것을 구조색이라고 한다. 구조색 중 일부는 보는 각도에 따라 색이 변하는 훈색의 특징을 보인다. 공작 깃털의 화려한 색은 복잡한 광자 결정 구조에 의해 나타나는 대표적인 구조색이자 훈색이다.[12][15] 로버트 훅은 이미 17세기에 공작 깃털의 색이 단순한 색소 때문이 아님을 관찰을 통해 지적한 바 있다.[13][14]
3. 1. 박막 간섭
훈색(무지개색)은 표면에서 나타나는 광학 현상으로, 보는 각도나 빛이 비추는 각도에 따라 색상이 변하는 것을 말한다.[2][3] 박막 간섭은 훈색을 일으키는 주요 원인 중 하나이다. 이는 두 개 이상의 반투명한 표면에서 빛이 여러 번 반사되면서 발생하는데, 이때 반사된 빛들 사이에 위상 변화와 간섭 현상이 일어난다. 이러한 간섭은 특정 파장(색)의 빛은 강해지게(증폭) 하고 다른 파장의 빛은 약해지게(감쇠) 만들어, 표면에서 다채로운 색이 보이게 한다.[2][4]
간섭 패턴, 즉 나타나는 색깔은 막의 두께에 따라 결정된다. 박막 간섭은 물 위에 뜬 기름 막이나 비눗방울 표면에서 흔히 볼 수 있는 무지개색 현상의 원리이다. 이는 특정 파장의 빛만 선택적으로 통과시키는 파브리-페로 간섭계와 작동 방식이 유사하다. 자연에서는 식물, 동물 등 다양한 대상에서 박막 간섭에 의한 훈색을 관찰할 수 있다. 다만, 자연적인 훈색은 색상 범위가 좁아서 보는 각도에 따라 두세 가지 색상 사이에서만 변화하는 경우가 많다.[5][6]
3. 2. 회절
훈색은 회절에 의해서도 나타날 수 있다. 이는 CD, DVD, 일부 종류의 프리즘, 구름 무지개색 등에서 관찰된다.[7] 표면에 규칙적으로 배열된 미세한 구조(회절 격자)에 의해 빛이 여러 방향으로 분산되면서 색이 나타나는 현상이다. 회절에 의한 훈색은 일반적으로 보는 각도를 바꾸면 무지개처럼 모든 색상이 나타나는 특징이 있다.
생물학에서는 표면에 회절 격자 구조가 만들어져 이러한 훈색이 나타나기도 한다. 예를 들어 가로무늬근의 길게 늘어선 세포나 공작 거미 중 ''Maratus robinsoni'' 및 ''M. chrysomelas'' 종의 특수한 배 비늘에서 이런 현상을 볼 수 있다.[8] 어떤 종류의 꽃잎 역시 회절 격자를 만들 수 있지만, 식물 색소 때문에 생기는 색에 가려져 사람이나 꽃을 찾는 곤충에게는 훈색이 잘 보이지 않는다.[9][10][11]
3. 3. 광결정
광결정은 빛의 특정 파장만을 선택적으로 반사하거나 투과시키는 주기적인 나노 구조이며, 이 구조에 의해 색이 나타나는 현상을 의미하기도 한다. 이는 색소나 염료를 사용하지 않고 물질의 미세 구조 자체로 색을 만들어 내는 구조색의 한 예이다.[12] 구조색은 로버트 훅이 1665년에 쓴 책 ''마이크로그래피''에서 이미 언급되었다. 훅은 공작 깃털의 화려한 색깔이 물에 젖으면 사라졌다가 마르면 다시 나타나는 것을 관찰하고, 이것이 단순한 색소 때문이 아니라고 정확히 지적했다.[13][14] 이후 연구를 통해 공작 깃털의 훈색(무지개색)은 복잡한 광자 결정 구조 때문에 나타나는 현상임이 밝혀졌다.[15]
4. 진주광택
진주광택은 채색효과와 관련된 효과로, 비슷한 원리를 가진다. 이는 표면 내부의 구조가 빛을 반사하면서 나타나는 현상인데, 진주광택의 경우 반사된 빛의 일부 또는 대부분이 흰색을 띠어 물체에 진주와 같은 은은한 광택을 부여한다.[16] 이러한 특징 때문에 진주나 조개껍데기 등에서 자연적으로 관찰될 뿐만 아니라, 인공 안료나 페인트에서도 활용된다. 예를 들어 자동차 페인트에 사용되어 채색효과를 나타내는 경우에도 진주광택으로 묘사되기도 한다.[17]
5. 예시
훈색 현상은 우리 주변의 다양한 곳에서 찾아볼 수 있다. 생물계에서는 동물의 깃털, 비늘, 외골격이나 식물의 잎, 열매 등에서 나타나며, 비생물계에서는 특정 광물의 표면, 기상 현상, 그리고 여러 인공물에서도 관찰된다. 아래에서는 각 분야별 구체적인 예시를 살펴본다.
5. 1. 생물
생물계에서는 무척추동물, 척추동물, 식물 등 다양한 분류군에서 훈색 현상을 관찰할 수 있다. 이는 동물의 외골격, 깃털, 비늘이나 식물의 잎, 열매 등 여러 구조에서 나타나며, 종종 구조색의 형태로 발현된다. 각 분류군별 구체적인 예시와 특징은 하위 문단에서 자세히 설명한다.5. 1. 1. 무척추동물
''긴다리문어''는 몸과 촉수를 따라 푸르스름한 무지갯빛을 띤다.[18]5. 1. 2. 척추동물
물총새,[19] 극락조,[20] 벌새, 앵무새, 별똥별,[21] 검은가슴까마귀, 오리, 공작[15] 등 다양한 조류의 깃털에서 훈색을 관찰할 수 있다. 네온테트라의 측선 역시 무지개 빛깔을 띤다.[5] 2009년 인도에서는 무지개 빛깔을 띠는 도마뱀붙이의 한 종류인 ''Cnemaspis kolhapurensis''가 발견되기도 했다.[22] 많은 척추동물의 눈에 있는 휘판도 무지개 빛깔을 띤다.[23] 또한 근육 조직에서도 훈색이 나타날 수 있다.[25]훈색은 드로마에오사우루스류, 에난티오르니테스, 리토르니티드와 같은 선사 시대의 공룡에게서도 나타난 것으로 알려져 있다.[24]
5. 1. 3. 식물
여러 식물군은 열대 우림의 하층부와 같이 빛이 부족한 어두운 환경에서 더 많은 빛을 활용하기 위해 적응하여 무지개빛을 띤다. 동남아시아의 공작 베고니아(''Begonia pavonina'') 잎은 이리도플라스트(iridoplast)라는 특별한 구조를 가지고 있는데, 이는 얇게 겹쳐진 엽록체 구조이다. 이 구조는 빛을 흡수하고 굴절시켜 마치 물 위에 뜬 기름 막처럼 사람의 눈에는 무지개빛이 도는 청록색으로 보이게 한다. 여러 겹의 세포 구조에 기반한 이러한 무지개빛은 석송류의 ''Selaginella'' 속 식물이나 여러 종의 양치류에서도 발견된다.[26][27]
5. 2. 비생물
비생물적 환경에서도 다양한 훈색 현상을 찾아볼 수 있다. 광물의 표면에 형성된 얇은 막이나 특정 기상 현상, 그리고 인간이 만든 여러 인공물에서 다채로운 색 변화가 나타난다.5. 2. 1. 광물
일부 광물은 표면에 얇은 산화막 등이 형성되어 무지개색을 띠기도 한다.
5. 2. 2. 기상 현상
5. 2. 3. 인공물
다양한 인공물에서 훈색 현상을 관찰할 수 있다. 펄 페인트로 마감된 자동차 표면, 콤팩트 디스크(CD)의 데이터 기록면, 오래된 동전 표면의 변색, 글리터가 포함된 매니큐어, 일부 스마트폰의 후면 패널 디자인, 물 위에 얇게 퍼진 엔진 오일 등에서 다채로운 색 변화가 나타난다.
템퍼링 과정에서 나타나는 색상 변화 역시 훈색의 예이다. 강철을 가열하면 표면에 얇은 산화막이 형성되는데, 이 막의 두께에 따라 다양한 색이 나타난다. 이 색깔은 강철이 도달했던 온도를 알려주는 지표가 되며, 훈색 현상을 실용적으로 이용한 초기 사례 중 하나로 꼽힌다.
또한, 나노셀룰로스는 때때로 무지개빛을 띠며,[28] 물 위에 얇게 퍼진 가솔린이나 일부 다른 탄화수소, 특정 알코올 필름에서도 훈색이 나타난다.[29]
참조
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[2]
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Iridescence: views from many angles
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[6]
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Pterin pigments amplify iridescent ultraviolet signal in males of the orange sulphur butterfly
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