색깔은 어떻게 나타나는 것일까

[성모세]

•  색깔의 원리
•  천연색의 주인공
•  새로운 개념의 색의 과학

철철이 넘쳐나는 갖가지 색의 꽃과 과일들, 그리고 울긋불긋 온통 세상을 물들이는 단풍까지 온갖 경관을 자아내는 색깔의 근원은 무엇일까? 자연이 창조한 신비스런 색깔뿐만 아니라 인간의 힘으로 만들어낸 옷감의 고급스러운 색조, 선명하고 또렷한 컬러텔레비전, 휴대용 전화기의 색깔은 어떻게 나타나는 것일까?

색깔은 사람의 눈에 보이는 빛에 의해 결정된다. 태양빛은 여러 가지 파장의 빛으로 이루어져 있는데, 우리의 눈이 인식할 수 있는 영역은 가시 광선 영역이다. 빛이 물체에 부딪쳤을 때 물체를 구성하는 특정 분자가 특정한 파장의 빛은 흡수하고 나머지 빛을 반사하여 우리 눈의 망막에 위치하는 시신경을 자극하면 색을 인식할 수 있다. 사람의 망막에는 원추세포와 간상세포라는 두 종류의 시세포가 있는데 태양이나 전등 같은 밝은 빛에서는 원추세포가 작용하여 색채를 느끼고, 달빛 같은 어두운 빛에서는 간상세포가 작용하여 흑백 사진과 같은 명암을 느끼게 된다. 빨강, 파랑, 초록은 빛의 삼원색으로 상대적인 세기에 따라 모든 색을 표현할 수 있다. 붉은색을 나타내는 물질은 파랑과 초록색 영역의 빛을 흡수하고 붉은색 파장을 반사한 경우이고, 파란색 영역의 파장을 흡수한 물질은 빨강과 초록색 파장을 반사하기 때문에 그 혼합색인 노란색으로 보인다. 그리고 모든 빛을 흡수하는 분자는 검은색, 모든 빛을 반사하는 분자는 흰색으로 보인다.

물질에 따라 색깔이 다른 이유는 무엇일까? 왜 서로 다른 물질은 다른 파장의 빛을 흡수하는 것일까? 모든 물질은 원자나 분자의 집합체라고 볼 수 있다. 물질의 구성 성분인 원자나 분자는 핵과 전자로 구성되어 있는데 양자역학에 의하면 이 전자들은 여러 가지 에너지 준위를 가진다. 그중 에너지가 가장 높은 상태의 전자는 비어 있는 가장 낮은 에너지 상태로 이동을 할 수 있는데, 이때 필요한 에너지를 가지는 파장의 빛을 흡수하면 위의 그림에 도식적으로 표시한 것처럼 높은 에너지 상태로 전이가 일어난다. 이 두 에너지 상태의 차이에 따라 흡수하는 빛의 파장이 달라지는데, 에너지 차이가 크면 단파장, 작으면 장파장의 빛을 흡수한다. 물질의 구성 성분에 따라 이 두 에너지의 차이가 다르고, 따라서 흡수할 수 있는 빛의 파장이 다르다.

만약 흡수되는 에너지 영역이 가시광선 영역이 되면 우리의 눈으로 인식할 수 있는 색깔로 나타나는 것이다. 예를 들면 앞의 그림에서 보는 바와 같이 붉은색 꽃의 성분인 안토시아닌(anthocyanin) 분자는 가시광선 영역인 460~600 nm 영역의 빛을 흡수하고 붉은색 영역의 빛을 반사하기 때문에 붉은색으로 보인다.

가시광선 영역의 빛을 흡수하는 물질은 크게 유기물질과 무기물질로 나눌 수 있다. 대부분의 화장품이나 페인트가 내는 색은 전이금속류의 무기물질로 이루어져 있고, 옷감의 염료나 식물의 색은 다양한 종류의 유기분자에 기인한다.

예로부터 청색의 색소로 사용된 인디고(indigo)는 ‘쪽’이라는 식물에서 채취하였다. 현재는 굵은 무명실로 짠 능직물인 데님 청바지를 만드는 색소로 널리 사용되고 있다. 서양에서도 인디고는 가장 먼저 알려진 색소이며 1890년 독일의 BASF라는 회사에 의해 상업화되었다. 알리자린(alizarin)은 꼭두서니의 뿌리에서 추출한 주황색을 띤 색소이다. 1868년에 구조가 결정되었고 1871년에 BASF에 의해 합성되어 상용화되었다. 이 분자는 어떤 금속과 결합하고 있느냐에 따라 색깔이 달라진다. 알루미늄[Al(III)]과는 빨간색, 주석[Sn(II)]과는 분홍색, 철[Fe(II)]과는 갈색을 나타낸다.

이렇게 자연에서 색소를 추출하여 사용하다가 1865년 영국의 윌리엄 퍼킨즈가 모브(mouve)라는 보라색 염료를 화학적으로 합성하면서 합성화학이 발전했다. 현재는 수많은 종류의 천연 또는 합성 염료나 페인트를 개발하여 아주 풍부한 색상을 만들어낼 수 있다. 그렇다면 염료가 어떻게 옷감에 착색되는 것일까?

다음 예를 보면 간단하게 알 수 있다. 값비싼 울이나 실크의 표면은 단백질 성분이므로 음전하와 양전하를 가지고 있는 산(COO-)과 아민(NH3+)이 잔뜩 모여 있다. 따라서 염료에 양전하, 혹은 음전하를 가지고 있는 것들을 붙여 천과 반응시키면 정전기적 인력이나 화학 결합에 의해 염료가 천에 착색되는 것이다. 일반적으로 옷감에 염료를 착색시키는 과정에는 분자들이 결합하는 기본적인 원리인 이온결합, 공유결합, 배위결합, 수소 결합 등이 이용된다.

라이코핀(lycophene)이나 카로티노이드(carotinoid) 화합물은 비슷한 구조로 식물에서 주로 발견되는 붉은색이나 노란색을 내는 물질인데, 이들은 수십 개의 탄소가 이중결합으로 연결되어 있는 형태이다. 당근, 해바라기 같은 노란색 꽃들의 색은 카로티노이드 분자에 의해 나타난다. 수박, 토마토에 있는 빨간색은 라이코핀에 의한 색이고, 체리, 딸기, 블루베리, 포도 등에 있는 빨간색은 안토시아닌 계열의 분자들이 보여주는 색이다. 자연이 이러한 다양한 색에 해당하는 분자들을 만들어내는 것을 보면 정말 신비로울 따름이다.

가을을 더욱 풍성하게 하는 단풍은 어떤 물질들의 조화일까? 단풍의 색을 나타내는 분자들을 크게 세 가지로 구분하면, 녹색의 클로로필a(chlorophyl a), 노란색의 카로티노이드와 붉은색의 안토시아닌 분자들을 들 수 있다. 카로티노이드와 안토시아닌 계열의 분자는 양이 적기 때문에 잎이 왕성하게 일을 하는 여름에는 많은 양의 초록색에 해당하는 엽록소에 가려져 눈에 띄지 않는다. 기후가 차고 건조해져 수분이 부족해지면 잎에서 엽록소가 분해되어 사라지고 노란색 또는 붉은색의 단풍으로 나타나게 된다. 이러한 색소들의 함량에 따라 갖가지의 아름다운 단풍색을 연출하게 된다.

최근 화학자들은 1~100 nm만큼 작은 물질을 만들어 레고 블록으로 집을 쌓듯 나노 화학의 세계를 열어 가고 있다. 우리가 알고 있는 금과 은덩어리의 색깔은 몇 개의 금이나 은 원자가 모여 있는 나노 크기로 줄여놓으면 더이상 노란색과 흰색이 아니라 그 크기에 따라 색깔이 달라진다. 최근 이 기술을 화장품에 적용하여 다양한 색조의 화장품을 제조할 수 있는 기술이 국내에서도 개발되었다. 이것은 색이 물질 고유의 특성이라는 기존의 과학 상식이 더이상 적용되지 않음을 의미하는 중요한 발견이다.

나노 물질이 이러한 현상을 보이는 것은 크기가 작아지면서 같은 원소로 되어 있음에도 전자의 배열에 의한 에너지 준위가 달라져 다른 빛을 흡수하기 때문이다. 마이크로미터(μm) 이상의 크기에서는 연속적인 에너지 준위를 갖다가 1~100 nm가 되면서 점차 분자의 성질을 갖게 되어 불연속적인 에너지 준위를 갖게 되고 에너지 준위 간의 차이(밴드갭)가 증가한다. 따라서 나노 물질의 색은 크기가 작아짐에 따라 더 큰 에너지 영역인 푸른색으로 보이게 된다.

파란 장미는 꽃말이‘불가능’인 것처럼 과학자들에게는 불가능의 상징이었다. 장미는 기원전 2천 년부터 재배되어 1만 5천 종이나 알려져 있지만 파란 장미만은 최근까지 만들어내지 못했다. 파란색의 델피니딘(delphinidin)은 안토시아닌 계열의 분자로, 붉은색의 시아니딘(cyanidin)분자에 수산기(OH)를 하나 더 첨가하면 된다.

장미에는 파란색을 내는 색소인 델피니딘을 합성하는 효소인 플라보노이드 3(flavonoid 3)이나 하이드록시라아제 5(hydroxylase 5)가 존재하지 않을 뿐 아니라, 델피니딘은 pH 6~7 정도의 액포 속에서 생성되지만 장미의 액포 속의 산도는 4.5~5.5이기 때문에 파란 장미는 존재할 수 없다. 하지만 최근 들어 청색을 만들어내는 플라보노이드 유전인자를 장미 유전인자에 넣어 줌으로써, 불가능하다고 여겨졌던 파란 장미를 볼 수 있게 되었다.

색이 물질의 고유한 특성이라는 기존의 생각을 뛰어넘는 개념은 우리 일상에 이미 깊숙이 파고들어 다양한 생활용품이 시판되고 있다. 일반적으로 분자들은 안정한 상태를 유지하므로 색깔의 변화가 없다. 하지만 어떤 분자들은 온도, 자외선, 산도(pH), 압력, 전기, 수분 등 외부 자극을 받으면 분자 내 전자 배열의 변화가 생기거나 분자 구조가 변화하여 색깔이 가역적으로 달라질 수 있다.

예를 들어 온도에 따라 색이 변하는 시온잉크는 오래전부터 일상에 응용하고 있다. 시온잉크는 마이크로캡슐(microcapsule)의 원리를 이용하는데, 온도 범위를 색으로 표시하는 여러 가지 용도로 사용된다. 색으로 온도 범위를 표시하는 온도계, 뜨거운 것을 감지하는 머그잔이나 주전자, 맥주가 가장 맛있는 온도인 7℃가 되면 병에 붙은 마크가 빨간색에서 파란색으로 변하는 맥주병, 음식을 굽는 데 가장 적당한 온도인 200℃를 표시하는 프라이팬, 온도에 따라 색이 변하는 수영복 등에 다양하게 응용되고 있다.

또한 빛에 따라 색이 변하는 원리를 이용한 시광안료도 실생활에서 자주 볼 수 있다. 이는 태양의 자외선(UV)을 받아 가역적으로 분자구조가 변하는 원리를 이용하고 있다. 자외선을 받으면 분자구조가 변했다가 자외선이 없으면 다시 원래 상태로 돌아간다. 이렇게 빛에 가역적으로 반응하는 유기 분자를 이용한 제품으로는 자외선의 세기 정도를 표시하는 옷이나 자외선을 차단하는 선글라스 등이 있다.