[Undergraduate LAB Intern] Light and Lighting | PT

빛은 자연빛과 인공빛으로 존재하며 빛이 생기면 그림자가 생긴다.
그렇다면 이 빛은 우리의 눈에 어떻게 보이고 어떻게 존재하게 되는 걸까?

빛의 물리학적 정의는 Visual Specturm 으로 우리 사람 눈에 지각 될 수 있는 구간인 가시광선 영역의 파장대를 갖는 전자기파의 복사 에너지를 뜻한다. 이때 가시광선은 380nm 부터 700nm 까지의 구간을 이야기한다. 이 빛은 우리가 사물을 정확하게 보고 판단할 수 있기에 반드시 필요하다.

이 빛을 정의하기 위한 노력으로 과거에도 일어났다. 빛이 파동인가 입자인가에 대한 대립이 진행되었다. 입자설은 빛이 하나의 물질로 다른 물질에 충돌하면 충돌된 물질을 움직이게 하는 운동 에너지를 갖고 있다는 것이고 파동설은 빛의 에너지가 마치 물결처럼 일정한 굴곡을 형성하고 있어 그 파장으로 인해 여러가지 색깔을 나타내고 있는 것이다.
당시 17세기에 뉴턴은 입자설을 주장했고 호이겐스는 파장설을 주장하면서 빛의 굴절과 회절을 증명했지만 뉴턴의 영향력으로 입자설에 주장이 더 실렸다. 하지만 토머스 영과 추후의 멕스웰과 헤르츠의 이중 슬릿에 의한 간섭 실험으로 빛이 전자기파의 일종이라는 것을 증명해냈으며 20세기로 들어와 아인슈타인이 광전효과를 설명하면서 다시 빛이 입자의 흐름이라는 입장이 우세해졌다. 이후 현대 물리학에서는 빛의 성질을 입자성과 파동성을 모두 정의한다고 한다. 이때 빛의 이중성이 입자성과 파동성을 동시에 갖는다고 표현하기보다 파동성을 보이는 현상에서는 입자적인 성질이 보이지 않고 입자성을 보이는 현상에서는 파동성을 보이는 성질이 보이지 않는다는 것을 의미한다. 빛을 설명하기 위해서는 과거 학자들이 노력이 이렇게 있었으며 현재에도 계속 진행되고 있다. 

다음은 빛의 구성에 대한 이야기이다. 먼저 빛은 우리 사람 눈에 보이는 가시광선과 보이지 않는 비가시광선으로 이루어져 있다. 비가시광선에는 자외선, 적외선, 우주선, X선, 감마선, 극초단파, 라디오 전파 등이 있다. 자외선은 인체의 건강과 관련이 되며 파장이 작은 순으로 C,B,A라고 한다. C는 보통 소독용으로 B에서는 보통 살균 작용을 하고 피부 노화와 피부암을 일으키는 것을 A와 B라고 한다. 마찬가지로 적외선도 파장이 작은 순으로 A,B,C라고 한다.

다음은 프리즘에 대한 이야기이다. 이 가시광선은 여러가지 색으로 이루어진 백색광으로 파장이 긴 쪽부터 빨간색으로 이루어져 있다. 이 백색광을 굴절 률로 분리할 수 있는데, 굴절 지수가 클수록 굴절 각은 작아지게 된다. 보면 빨간 빛은 굴절각이 가장 크고 굴절 지수가 가장 작게 된다. 

그렇다면 빛은 어떻게 보이게 될까? 빛의 우리 눈에 어떻게 보이는지 설명하려면 우리 눈의 구조도 알아 봐야 한다.  눈의 구성 중 주요한 것에 대해 말하면, 먼저 각막은 외부로 부터 우리 눈을 보호하며 투명하고 튼튼한 막의 형태를 지닌다. 동공은 이 빛의 양이나 심리적 화학적 상태에 따라 크기가 바뀌는 홍채 안에 비어있는 공간을 말하며 빛의 양을 조절하는 기능을 가진다. 수정체는 표면 곡률을 조절하며 들어오는 빛을 적당한 각도로 굴절시켜서 망막에 실상을 만들어준다. 먼 곳은 수정체가 얇아지게 됩니다. 망막은 카메라 필름 같은 역할을 하며 이렇게 신경절 세포, 양극세포, 광수용체로 이루어져있다. 

이런 구조를 가진 눈에 빛에 의해서 물체로 반사된 빛을 마주하게 되면 먼저 각막에 도달해 빛이 굴절되거나 투과되어 망막까지 도달하게 된다. 그럼 앞에서 본 망막의 광수용체에 빛이 인식하게 되는데 이게 생리적인 전기 신호로 변경이 되어 뇌로 전달하게 된다. 그럼 이 뇌가 신호를 회독하게 되고 최종적인 어떤 판단을 하게 된다. 
그리고 이 간상세포와 원추세포가 있는데, 
간상세포는 빛에 매우 민감하며 주로 거친 모양과 움직임을 감지하며 색상은 구분하지 못한다. 반면 원추세포는 빛에 덜 민감하지만 색상을 구별할 수 있는 특징을 가지고 있다. 

사람의 눈은 어떤 빛에 적응한 상태에 따라 민감도가 다르다. 보통 시각영역을 3가지로 크게 구분하는데, photopic vision인 주간시, scotopic vision인 야간시, Mesopic vision을 박명시라고 부른다. 주간시는 밝은 빛에 적응한 상태, 야간시는 빛이 없는 어두운 상태에 적응한 상황을 말한다. 여기 보면 cone이 원추세포, rod가 간상세포를 뜻한다. 어두운 환경에서는 원추세포가 제 기능을 하지 못하고 간상세포가 빛을 감지한다. 반대로 밝은 환경에서는 원추세포가 제 기능을 하며 간상세포가 제 기능을 하지 못한다. 마지막으로 박명시는 혼합시로 불리며 주간시와 중간 밝기의 상황을 뜻한다. 이때는 간상세포와 원추세포가 모두 활성화 된다. 

또 가시광선의 파장에 따라 사람의 눈이 느끼는 밝음의 정도를 시감도라고 한다. 육안으로 볼 때 파장이 555nm 일 때 최대감을 가집니다. 이때 555nm 파장일 때의 빛은 황록색이라고 한다. 또 사람의 눈이 가장 강하게 밝기를 느끼는 주파수를 1로 둔 후 다른 파장에서의 밝기의 정도를 표현한 것을 비 시감도라고 부른다. 그리고 보면 Night, Day 두 개의 그래프를 확인할 수 있습니다. Day 그래프를 명순응 Night 그래프를 암순응이라고 부른다. 터널로 예시를 들면 이해하기 쉬운데 밝은 곳에서 갑자기 어두운 곳으로 들어갈 때를 암순응, 어두운 곳에서 갑자기 밝은 곳으로 들어갈 때를 명순응이라고 한다. 이 명순응은 최대 비시감도가 555nm 인데 암순응의 최대 비시감도는 510nm로 파장이 더 짧다. 그래서 밝은 곳에서 같이 밝아보이는 청색과 적색이 어두운 곳에서 보면 빨간색이 어둡고 파란색은 더 밝게 보인다.

이런 효과를 푸르키네 효과 혹은 퍼킨제 효과라고 부른다. 예전 sns로 이슈된 드레스 사건이 있는데 흰색과 금색인지,  파란색과 검은색인지 논란이었다. 이 사건이 푸르카네 효과의 한 예시인데 파란색과 검은색이었다고 한다. 

이런 특징을 가진 눈이 시각조건이나 시야 범위에 따라 볼 수 있는 범위가 달라진다. 인간의 전제적인 시야는 3d로 보면 찌그러진 타원형의 모양이며 인간이 물체를 잘 보기 위해서는 물체의 밝기, 크기, 물체 주변의 배경 밝기, 보는 시간등 모두 충족이 되어야한다. 

 

그 외에도 나이가 들면서 수정체의 유연성이 떨어지면서 가까운 곳을 잘 못 보는 노안이라는 시각 조건도 존재한다.

이렇게 우리 눈에 빛이 보이는 과정과 우리 눈의 구조, 시각 조건 등을 알아보았다. 이제는 빛의 색에 대해 알아보려 한다. Cie라는 곳에서 1931년에 만들어서 지금까지도 통용되고 있는 표준 관측자 함수로 X,y,z의 각 가시광선 영역대의 값을 곱한 후 적분하면 대문자 x,y,z를 산출하는 체계로 3개의 변수를 조합하여 원하는 색을 만들어낼 수 있다.  이때 x는 빨강, y는 초록, z는 파랑색을 말한다. 

그런데 CIE1931에서 녹색부분이 지나치게 넓고 실제 색과의 차이와 왜곡이 많아 개선이 필요했다. 색도도 등색영역에서 동그랗게 표시된 부분이 우리 인간이 같은 색으로 느끼는 영역을 표시한 것, 등색영역이라고하는데 보면 파란색에비해 초록색이 10배 차이가 났다. 그래서 CIE1976 색도도가 발표되었고  파란색의 비중을 늘려 인간의 시각 특성에 맞게 개발되었다. 다시 요약하자면 빨강,초록,파랑에 해당하는 각 변수 X,Y,Z의 수식으로 빛의 색을 알 수 있다. 

다음은 빛의 물리량과 측정법이다. 빛의 단위로는 광속과 광도, 조도, 휘도, 더하여 광속발산도가 있다. 먼저 광속은 광원으로 부터 나오는 가시광선의 총량을 뜻하고 수도꼭지에서 물을 계속 틀어놓을 때 단위 시간당 나오는 물의 양에 비유할 수 있다. 광도는 설정된 방향에서의 빛의 양을 뜻하고 수도꼭지에서 나오는 물의 압력에 비유할 수 있다. 조도는 단위면적당 광속의 양을 뜻하며 휘도는 눈에 의해 감지되는 표면의 밝기를 뜻하고 휘도는 표면의 크기와 표면에서 반사되는 광도에 따라 달라지는 특성을 가지고 있다. 마지막으로 광속발산도는 발광면에서 부터 나오는 빛의 양을 뜻한다. 

다음은 조명심리와 감성조명에 대해 말하고자 한다. 이렇게 보면 같은 공간인데도 조명의 디자인에 따라 조명의 색 온도에 따라 다르게 보인다. 이때 색 온도에 따른 관련 효과가 있는데 바로 크루이토프 효과라고 부른다. 크루이토프 효과란 낮은 조도에서는 공간이 차갑고 어둡게 느껴지고 조도가 높으면 공간이 따뜻하고 화려하게 느껴지는 것을 말한다. 

마찬가지로 이렇게 조명 디자인에 따라 조명의 가로 세로 방향 설정에 따라 다른 느낌을 준다. 이렇게 조명을 사용하여 공간에 맞게 공간의 목적에 맞게 사용되고 있다. 

 

그리고 조명의 배치 뿐만 아니라 조명의 색상에도 공간의 이미지에 영향을 준다. 먼저 색상 병리학자 헤세이에 따르면 파란빛은 동맥을 수축하여 혈압을 상승시켜 피부질환 및 류마티스 등 각종 염증에 효과를 줄 수 있다고 하였고 초록빛은 혈압을 낮추고 신경계에 영향을 미치며 신경계나 두통 등 심리적으로 효과가 있다고 밝혔다. 그리고 노란빛은 정신적 흥분제로 1차적으로는 유쾌하게 해주나 나중에는 비몽사몽 상태로 유도시켜 결핵치료와 신경쇠약으로 효과가 있다고 한다. 자주빛은 우울증이나 파란빛의 효과를 동시에 가진다고 한다.

이렇게 종합을 해보면 어떠한 조명이 선택되고 이 조명이 어떻게 배치되고 설치되느냐에 따라서 공간의 느낌을 다르게 만들어주며 조명의 색상에 따라서 인간에게 심리적 효과와 더불어 나아가 생리적인 영향을 미치도록 한다. 

 

다음은 감성 조명에 대한 이야기이다. 감성조명은 조명환경이 인간의 심리인지에 영향을 주는 상태와 인간의 시각인지를 통한 생리에 직접 영향을 주는 것으로 분류를 할 수 있는데 이 시각인지를 통해 생리적으로 영향을 주는 것이 써케디언, 생체리듬이라고 생각하시면 된다. 특히 이 생리적으로 영향을 주는 것을 이용하여 뇌파와 근전, 심박수와 심전도 등에 관한 연구도 이루어지고 있으며 써케디언조명 및 라이트 테라피 등을 이용하여 인간에게 적절한 써케디언 사이클을 돕도록 하고 있다. 

내가 보는 색이 자연광에 바라보았을 때 정말 자연 그대로 존재하는 색인지, 또 이 물건이 내가 바라보는 물체의 고유한 색인가인지 의문이 들기도 했고 단순히 시각적으로 아름다워 보이고 미적으로 예뻐보이는 것이 사람들의 흥미를 일으킬 수 있다고 생각했는데 내가 바라보는 게 이상적인 판단 기준이 아닐 수 있고 사람마다 눈이 가진 특징이 다르기에 책을 읽으면서 또 다양성을 인식하게 되었다. 더해서 뇌와 심리, 인지등에 관심이 있었는데 이번 기회를 통해서 학문적으로 이론을 습득해보았던 것 같다. 

또 HTML, CSS 등과 같이 클라이언트 언어를 배울 때 초반에 웹페이지를 단순히 예쁘게 만들기보다 누구나 빠짐없이 어떤 정보를 차별없이 받아들이고 정확하게 전달해주기 위함이라는 것이 떠올랐고 이런 여러가지 다양성을 받아들이며 이전 학자들이 연구해온 노력과 이론들을 살펴보는 시간이 흥미로웠고 PPT를 준비하면서 빛의 존재의 이유에 대해 알아가는 시간이었다.