색채와 소재

색채와 소재

물체들이 가진 원자와 분자 구조는 여러 가지 특성으로 만들어지 유한 개체들이다. 이 개체들이 고유의 색을 띠게 되는 가장 중요한 원인은 가시광선에 있다. 물체의 색료를 구성하는 원자와 분자는 서로 다른 결정격자의 구조와 전자회로의 방식을 가지고 있고, 이로 인해 외부에서 입사하는 가시광선을 선택적으로 흡수하여 고유의 색을 따게 된다. 즉, 빛의 파장이 통과하는 물질에 따라 다른 분광 반사율을 나타내기 떄문에 물질마다 특정한 색을 떠는 것이다.

원자와 분자의 스펙트럼

위에서 설명한 것과 같이 색료의 고유한 색채는 색료를 구성하는 원자와 분자의 특성에 의하여 결정된다. 원자와 분자의 특성에 따라 빛 이 물질에 닿아 반사되는 각도, 흡수하고 투과되는 방식이 달라진다.

대부분 우리가 물체에서 보는 빛은 반사색인데, 예를 들어 녹색으로 보이는 채소들은 가시광선의 빛 중에서도 장파장의 붉은빛과 단파장의 푸른빛을 흡수하고 나머지 녹색의 중파장 부분만 반사하므로 녹색으로 보이게 되는 것이다.

한편, 원자의 예리한 스펙트럼은 빛의 정확한 파장을 일으키는 반면.

분자의 스펙트럼은 분자의 회전 운동과 진동 운동에 의해 정해진다. 분 자의 스펙트럼의 예로는 극지방에서 볼 수 있는 오로라를 들 수 있다.

 

극지방의 오로라

 

자기장이 강한 북극과 남극에 태양광이 비추었을 때 여러 겹으로 된 띠의 형체인 오로라가 출현 하게 된다. 이 오로라는 태양에서 날아온 전자가 대기 중에 남아 있는 질소와 충돌함으로써 그들을 여기 시켜 발생하는 것이다

원자는 일정한 에너지의 흐름을 지닌 전자 궤도를 가지고 있어서 가시광선을 선택적으로 반사하고 흡수하게 된다. 이 때 일어나는 반사를 분광 반사율이라고 한다. 다시 말해, 어떤 물체가 빛을 받았을 때 물체 자체의 특수한 성질로 인해 특정한 파장 영역대의 빛을 흡수 반사하여 일정한 색으로 표현되는 것은 이러한 분광 반사율에 의해서이다. 즉, 물질이 다르면 분광 반사율의 특성 또한 변화하게 되며, 같은 색이라도 조명하는 빛이 변한다면 분광 분포가 달라 지게 된다.

 

전자들은 전자의 궤도가 에너지 효율이 낮은 상태인 기저 상태Ground stake일 때 빛 에너지를 흡수한다. 그러나 전자들이 고압력의 고에너지 효율을 띠게 되는 여기 상태Bxoited state가 되면 다시 같은 양의에 너지를 방출하는 현상을 나타내게 된다. 식물이나 동물에서 볼 수 있는 많은 색은 이러한 기저 상태와 여기 상태의 반복을 통해서 나타나는 것이다.

1814년, 프라운호퍼 Joseph von Fraunhofer는 백색광이 가스를 통과하게 되면 고유한 색을 띠게 된다는 것을 발견하였다. 이것은 화염 테스트를 할 경우 특정한 물질이 서로 다른 색을 띠게 되는 예를 살펴보면 이 해하기 쉽다.

 

색재가 색을 내는 구조

색은 발색단 Chromophore과 조색단 Auxochrome이 적절히 짜여 있는 상태에서 나타나게 된다. 색을 내는 여러 유기물들 중에서 단일 결합과 이중 결합이 교대로 있어 가시광선을 흡수하여 색상을 나타내게 되는 색 재료를 공액 결합 Conjugated이라고 하는데, 이러한 공액 결합의 상태일 때 색을 띠게 된다.

 

특정한 색을 내기 위해서는 물체의 재료

에 따라 적합한 색재 colorant를 선택하여야 한다. 인류는 오랜 기간 동안 자연의 광물이 나 식물에서 추출한 색료를 얻어 사용해 왔다. 따라서 자연에서 소량만을 얻을 수밖에 없었던 선명한 빨강이나 자주 등의 색은 왕 족이나 제사장의 권력을 나타내는 데 쓰였 고, 이것으로 힘과 부를 표현하기도 했다.

자연에서 얻을 수 있는 색료는 천연 색료라고 부르고, 인간이 인공적으로 합성하여 만든 색료는 합성 색료라고 한다. 역사적으로 최초의 합성 염료로 알려진 것은 1856년 영국의 퍼킨이 합성에 성공한 보라색의 모브 Mauve이다. 그는 말라리아 치료제를 연구하던 중에 아닐린을 합성하여 산화시키다가 우연히 선명한 보라색으로 변화되는 것을 보았다. 이를 통해 그는 화학적인 구조의 변화를 이용하면 새로운 색을 띠는 물질이 나온다는 것을 알아냈고, 이때 변화되었던 선명한 보라를 모브 혹은 모베인 이라고 하였다.

 

색재의 기술력이 발전하던중, 유기화학 연구에 획기적인 특징을 발견한 사람도 등장하게 된다. 그넌 1876년 유기 분자에서 색을 내는 색소를 알아 낸 독일의 화학자 비트 Otto Nikolaus witt 이다.

그는 색을 띠는 유기 분자에 수소를 첨가하면 색을 없앨 수도 있고 , 다시 수소를 제거하면 원래 색을 얻을 수도 있다는 원리를 알아 냄으로써 여러가지 색소가 왜 발색 구조를 띠게 되는지에 대한 원리를 규명할 수 있었다.

식물계 색소의 색은 플라빈은 황색, 카사민은 불은색, 알리자린은 분홍색, 플라보노이드는 담황색을 띤다.