◎ 미리생각해보기

TV나 컴퓨터 모니터는 약 십만가지 이상의 색을 표현합니다. 수많은 색을 표현할 수 있는 방법은 무엇일까요?

⇒ TV화면을 고배율로 자세히 보면 빨간색, 초록색, 파란색 영역이 반복되고 있는 것을 볼 수 있습니다. 이 세 가지 색은 빛의 삼원색이며, 이들의 세기를 조절하면서 합성하면 모든 색의 빛을 만들 수 있습니다.

◎ 실험 전 주의사항!

1. 실험에 포함된 작은 부품이나 시약 등은 삼키지 않도록 주의합니다.

2. 실험에 포함된 준비물은 실험 외 다른 용도로 절대 사용하지 않도록 합니다.

3. 실험용 도구와 시약으로 절대 장난치지 않도록 합니다.

4. 날카로운 도구를 사용할 때는 다치지 않도록 주의합니다.

5. 실험 후에는 주변 지역을 정리하고 손을 깨끗이 씻습니다.

◎ 실험 전 반드시 확인하기!

이번 실험에 필요한 재료들을 확인해주세요.

실험 전 실험보고서를 꼭 읽어주세요.

끈팽이 돌리는 요령 ⇒ 양쪽 손잡이를 잡고 크게 돌려 끈을 꼬아 줍니다. 그리고 잡아당겼다 놓았다를 반복합니다.
※ 주의 : 끈팽이를 돌릴 때 친구와 장난치지 않도록 합니다.

재접착풀은 여러번 붙였다 떼었다 할 수 있습니다.

1. 끈팽이 손잡이의 구멍과 원판의 구멍에 끈을 끼워 줍니다.	2. 다른 손잡이 구멍에 끈을 끼우고 묶어 끈팽이를 완성합니다. 그리고 원판에 재접착풀을 발라줍니다.

◎ 실험방법

3. 도안의 ‘빛의 합성’ 그림을 오려내어, 끈팽이 원판에 도안을 붙입니다. (주의! 색깔 예] ⇒ 빨강+초록, 파랑+초록, 빨강+파랑, 7가지색)	4. 끈팽이를 돌려 어떤 색이 나오는지 관찰합니다. 색깔을 바꿔가며 관찰합니다. ※ 끈팽이 돌리는 요령 ⇒ 양쪽 손잡이를 잡고 크게 돌려 끈을 꼬아 줍니다. 그리고 잡아당겼다 놓았다를 반복합니다.

SZ-F-R-005(Rev.3)                                                                                                      호기심의 시작 사이언스존                                                                                                     A4(210mm ×297mm)

5. 나무팽이를 조립한 후 팽이 윗면에 재접착풀을 발라줍니다. (주의! 나무팽이의 ‘팽이심’ 부분이 헐거울 경우 양면테이프를 이용하여 붙입니다.)	6. 도안의 ‘벤함의 원반’을 오려 나무 팽이를 붙인 후, 팽이를 돌려 관찰합니다. 모양을 바꿔가며 관찰합니다. (주의! ‘벤함의 원반’의 빈 원에는 학생들이 직접 그리게 하여 어떤 색이나 모양이 나타나는지 관찰하도록 실험하도록 해주세요..)

◎ 실험결과 및 생각해보기

1. 끈팽이에 색깔을 바꿔가며 돌렸을 때 관찰되는 색을 적으세요.

합쳐진 색	나타난 합성색	합쳐진 색	나타난 합성색	합쳐진 색	나타난 합성색	합쳐진 색	나타난 합성색
빨강	노란색	빨강	자홍색	파랑	청록색	빨, 주, 노, 초, 파, 남, 보	흰색
초록		파랑		초록

2. 위 실험에서 끝행이의 색깔이 원래의 색과 다르게 보이는 이유는 무엇일가요?

⇒ 우리의 눈은 한번 본 색깔이나 모양을 잠시 동안 기억하고 있는 기능이 있습니다. 끈팽이를 돌리게 되면 팽이에 붙어있던 색깔들이 순서대로 기억되고, 이 색깔들이 섞여 새로운 색으로 보이게 되는 것입니다. 실제 실험을 해보면 빛을 합성했을 때 우리가 생각하는 색깔이 잘 나오지 않는 것을 알 수 있습니다. 이는 색이 어두워지는 것이 아니라 주변의 밝기가 어둡기 때문에 나타나는 현상입니다. 강한 후레쉬를 비추게 되면 우리가 생각하는 색을 관찰할 수 있습니다.

3. 나무팽이에 ‘벤함의 원반’ 도안을 붙이고 돌렸을 때 관찰되는 현상에 대해 말해보세요.

⇒ 돌아가는 팽이를 계속 관찰하고 있으면 갑자기 색이 나타나기 시작합니다. 속도나 돌아가는 방향, 모형의 종류에 따라 [초록, 노랑, 보라 등]의 여러 색깔이 보이게 되며, 이러한 현상을 벤함의 원반효과라고 합니다.

4. 위 실험의 결과가 나타난 이유는 무엇인가요?

⇒ 색깔의 지각은 물체에서 반사된 빛의 파장에 의해 모두 결정되는 것이 아니라, 망막의 신경세포들에서 신경신호가 상위 시스템으로 전달되는 시간차 특성에 의하여 결정 됩니다. 망막에는 세 종류의 원뿔세포[빨강, 노랑, 파랑]들이 있는데 종류별로 [자극에 반응하는 정도, 지속하는 정도]가 달라, 원반의 흑백 자극이 세 가지 원뿔세포들을 조금씩 다르게 흥분시켜 뇌로 전달되는 시간 차이를 일으키고, 이러한 정보의 차이가 처리되는 과정에서 다른 색깔이 느껴지는 것입니다.

◎ 원리이해

1. 빛의 합성

⇒ 두 가지 이상의 단색광이 합쳐져서 다른 색으로 보이는 현상입니다. 여러 가지 색으로 구성된 팽이를 회전시키거나 흰 종이 위에 여러 가지 단색광의 빛을 겹쳐서 비추면 합성된 결과를 확인할 수 있습니다.

빛의 삼원색인 빨강, 초록 파란색의 빛을 각각 합성하면 다음과 같은 결과를 얻을 수 있습니다

① 빨강+초록 ⇒ 노랑

② 초록+파랑 ⇒ 청록

③ 빨강+파랑 ⇒ 자홍

④ 빨강+파랑+초록 ⇒ 흰색

이러한 빛의 합성의 원리는 연극에서 조명으로도 활용하는데, 배우를 돋보이게 하는 흰색의 조명을 만들기 위해서는 빨강, 파랑, 초록색의 빛을 합성합니다. 또한 TV, 컴퓨터의 모니터, 디지털카메라 등 픽셀단위로 구성된 화면 대부분에 이용됩니다.

2. 벤함의 원반

⇒ 이 원반은 1895년에 장난감 제조공이었던 벤함(C.E.Benham)이 개발한 특별한 원반이었습니다. 그는 검은색과 흰색의 무늬만 있는 이 원반을 돌리면 원반에는 없는 색들을 볼 수 있다는 것을 알게 되었으며, 무늬를 조금씩 다르게 하면 또 다른 색들을 경험할 수 있음을 발견한 것입니다. 그는 이 원반에 ‘인공 스펙트럼 탑’(Artificial spectrum top)이라는 이름을 붙인 후 ‘뉴턴씨 회사’(Messrs. Newton and Co)를 통해 팔았습니다. 어떤 사람은 이것을 ‘벤함의 코마’(coma, 혼수상태)라고도 한 것을 보면 당시 이 특별한 팽이가 얼마나 사람들의 마음을 홀렸는지 알 수 있습니다. 과학자들은 눈으로 보고도 믿기 어려운 이 현상에 대해 100년 이상 고민해야 했습니다.

사실 이 현상은 1838년 독일의 정신물리학자인 페히너(Fechner)가 처음 발견한 것입니다. 그는 원반의 반을 흰색, 반을 검은색으로 칠한 후 회전시켰는데 이 때 색감을 느끼는 현상을 [페히너 효과] 또는 [페히너 색채]라고 하였으며, 벤함은 이것을 응용하여 더욱 다양한 색들을 끌어내었던 것입니다.

일반적으로 사람은 빛의 파장으로 색깔을 인식합니다. 벤함의 원반은 색을 느끼는 또다른 기전이 있음을 보여줍니다. 망막에 있는 시세포(photoreceptor cell)에는 명암을 구분하는 막대세포(rod cell)와 색깔을 구분하는 세 종류의 원뿔세포(cone cell)가 있는데, 다른 기전이란 바로 세 종류의 원뿔세포와 관련이 있었습니다. 원반을 돌릴 때 검은 색 뒤에 나타나는 흰색은 원뿔세포를 자극 합니다. 물론 빨강, 노랑, 파랑 세 종류의 원뿔세포가 똑같이 자극을 받는다면 색은 그대로 흰색이 보일 것입니다. 그러나 원뿔세포는 종류별로 자극에 반응하는 정도, 지속하는 정도가 다른데, 그 중 파랑 원뿔세포는 가장 느리게 그리고 오래 반응을 합니다. 그러므로 원반의 흑백 자극이 세 가지 원뿔세포들을 조금씩 다르게 흥분시켜 뇌로 전달되는 시간 차이를 일으키고, 이러한 정보의 차이가 처리되는 과정에서 다른 색깔이 느껴지는 것이라고 할 수 있습니다. 간혹 검은색과 흰색의 미세한 패턴을 자세히 들여다 볼 때 갑자기 색깔이 느껴지는 것은 바로 벤함의 원반효과라고 할 수 있습니다. 필즈(Pilz)와 마레(Marre)는 벤함의 원반을 이용하여 시신경의 문제를 찾아내기도 하였습니다.

우리 주변에 있는 사물들의 크기, 모양, 깊이 등은 물리적 특성에 그대로 대응할 수 있어서 우리의 지각이 참인지를 가릴 수 있습니다.

그러나 실제 자극에는 없는데 느끼게 되는 색깔은 참인지 가리기 어려워 색 착시(color illusion)라고도 하며 ‘패턴이 유발한 깜빡거리는 색깔’(pattern-induced flicker colors) 또는 주관적 색깔(subjective color)이라고 합니다.

3. 옵티컬아트(Optical Art)

⇒ 눈의 생리적인 착시 현상을 이용한 회화를 옵티컬아트, 또는 옵아트라고 합니다. 1960년대 미국과 유럽에서 발전한 옵티컬아트는 주관색의 개념을 작품제작에 도입하였습니다. 옵티컬아트는 시각 예술을 뜻하며, 특히 착시에 의한 시각적 효과를 강조 하는 작품들입니다. 대표 작가로는 바자렐리(Victor Vasarely)와 라일리(Briget Louise Riley), 세질리(Peter Sedgley)등이 있습니다. 이들의 작품은 물결치는 선들과 기하학적 모형 그리고 눈부신 색의 조화를 사용하여 제작되었습니다. 이미지와 바탕과의 관계는 움직이는 듯한 모습을 보여주고 있습니다.

옵티컬아트는 시각적 사실보다는 시각적 효과에 집착하는 미술운동으로 이론이나 사상과는 무관한, 망막에서 느껴지는 예술의 극한이라고 할 수 있어 오래 지속되지는 못했습니다.

3. 나무팽이에 ‘벤함의 원반’ 도안을 붙이고 돌렸을 때 관찰되는 현상에 대해 말해보세요.

4. 위 실험의 결과가 나타난 이유는 무엇인가요?

학습목표

두 가지 팽이를 이용하여 빛의 합성과 벤함의 원반에 대해 알아보고, 눈의 생리적인 착시현상을 이용한 회화(옵티컬아트)에 대해 알아봅니다.

실험날짜          년      월      일

학년   반    이름 :

TV나 컴퓨터 모니터는 약 십만가지 이상의 색을 표현합니다. 수많은 색을 표현할 수 있는 방법은 무엇일까요?

◎ 미리생각해보기

끈팽이 1개, 나무팽이 1개, 도안 1매, 재접착풀, 양면테이프

(※ 직접 준비하세요 : 가위)

◎ 실험준비물

1. 끈팽이에 색깔을 바꿔가며 돌렸을 때 관찰되는 색을 적으세요.

합쳐진 색	나타난 합성색	합쳐진 색	나타난 합성색	합쳐진 색	나타난 합성색	합쳐진 색	나타난 합성색
빨강		빨강		파랑		빨, 주, 노, 초, 파, 남, 보
초록		파랑		초록

2. 위 실험에서 끈팽이의 색깔이 원래의 색과 다르게 보이는 이유는 무엇일까요?

◎ 실험결과 및 생각해보기

◎ 새롭게 알게 된 사실

◎ 느낀점