대한민국 학술원 선정 2014년 우수학술도서
물리학, 생명 과학, 심리학을 아우르는
KAIST 세 교수님의 즐거운 융합 수업
“디자이너, 신경과 전문의, 그리고 기계 공학자 세 사람이 모여 앉았습니다.
디자이너에게 빛은 색채이며 인간의 감성을 자극하는 시각물입니다.
신경과 전문의에게 빛은 세포와 생명체를 자극하는 상호 작용 물질입니다.
기계 공학자에게 빛은 물리 현상을 일으키는 전자기파입니다.
우연하게도 셋의 공통 화두는 빛이었습니다.
어쩌면 셋이서 시작한 빛에 대한 공부의 진정한 융합은 이 책을 읽는 독자들의 몫일 수도 있습니다. 빛에 대한 관점은 이 책에서 다루는 내용보다 훨씬 더 다양하고 광범위하리라 생각합니다. 이 책은 단지 그 첫 발걸음입니다.
새로운 시도로서 빛을 매개로 한 융합 연구의 잠재력을 꿈꾸어 봅니다.”
—본문에서
생각해 보자. 빛이 없다면 우리 생활은 어떻게 달라질까?
먼저 빛이 없는 암흑 속에서는 이 글을 읽는 일마저 불가능할 것이다. 그리고 태양 빛으로 전달되는 복사 에너지가 없다면 지구는 곧 어떤 생명도 살지 못하는 영원한 겨울의 땅이 되어 버린다. 시간을 더 거슬러 올라가 보면, 지구에 생명이 탄생하는 일 자체가 불가능하며 우주가 큰 불덩어리에서 시작했다는 빅뱅 우주론에 따르면 우주도 존재하지 못한다. 이런 점에서 아침마다 하늘에서 떠오르는 태양과 빛 때문에 우리가 존재한다는 말은 과언이 아니다. 인류 문명 초기부터 수많은 세계관이 빛을 세상의 시작으로 생각하고 물리학, 철학, 의학, 등 여러 학문이 모두 빛을 연구한 것에는 이런 이유가 있었다.
인류의 역사와 함께 시작된 빛에 대한 연구는 태양광을 프리즘에 지나가게 하는 실험으로 빛의 입자성을 주장한 아이작 뉴턴과 빛을 일종의 파동으로 생각해 빛의 반사와 굴절을 설명한 크리스티안 하위헌스를 통해 일대 계기를 맞았다. 또한 빛이 파동과 입자라는 성질을 모두 가지고 있음을 밝혀낸 20세기의 양자 역학은 컴퓨터의 재료인 반도체를 만들고 인간을 달에 보내는 일을 가능하게 했다. 현재에도 빛은 PDP, LCD, 3D 디스플레이 등의 영상 분야에서 군사 목적의 레이저, 빛으로 인체 내부를 촬영하기 위해 생체 형광을 사용하는 생물학에 이르기까지 현대인의 생활의 많은 부분에 혁명을 일으키고 있다.
이번에 (주)사이언스북스에서 펴낸 『빛의 공학: 색채 공학으로 밝히는 빛의 비밀』은 우리 삶의 처음부터 끝까지, 모든 것의 기반이면서 그만큼 다양한 모습으로 나타나는 빛을 바르게 분석하고 이해하기 위해 대한민국 과학 기술의 요람 KAIST의 교수 3명이 함께한 결과물이다.
빛으로 일군 융합 과학!
물리학, 생물학, 색채학으로 빛의 본질을 탐구하다
2012년 KAIST에서 “미래형 융합 교과목”을 시작하면서 각기 서로 다른 분야에 몸담고 있지만 빛을 주제로 최첨단 과학을 일구어 가고 있던 세 명의 교수가 한자리에 모이게 되었다. 빛의 기본 성질을 파악하는 빛의 물리학에서부터 빛과 생명의 상호 작용을 연구하는 빛의 생물학, 빛과 색채가 우리 인간의 마음과 나아가 우리 사회의 여러 산물에 끼치는 영향 등을 탐구하는 빛의 색채학을 넘나드는 이 유례없는 융합 수업은 KAIST 재학생들에게 큰 인기를 끌었고, 그 결실로 대한민국 최초의 색채 공학 교과서 『빛의 공학』을 출간하기에 이르렀다.
우리 몸속의 아주 작은 세포를 비롯, 우리를 둘러싼 주변 환경 그 어느 것에도 빛이 그 영향을 미치지 않는 데가 없다는 점에서 이미 ‘빛’이라는 주제에는 융합 학문적인 성격이 내포되어 있지만, 『빛의 공학』을 저술한 세 저자가 각기 의학 물리 학위를 가진 기계 공학자, 세포 생물학을 연구한 신경과 전문의, 심리학을 공부한 디자이너인 이 시대에 진정한 융합적 인재들이었기에, 빛의 융합 과학을 성공적으로 이루어 낼 수 있었다.
종양 생물학과 바이오 광학 분야에서 90편 이상의 논문을 발표한 연구자이면서 학생의 눈높이에 맞춘 강의로 수차례 KAIST 우수 강의상을 받은 최철희 교수(KAIST 바이오 및 뇌공학과), 하버드-MIT 의공학 및 의과학 박사 과정을 졸업하고 홀로그래피, 바이오 광학과 혈액학 분야에서 40편 이상의 논문을 발표한 박용근 교수(KAIST 물리학과), 그리고 KAIST 산업 디자인학과를 졸업하고 한국 감성 과학회 편집 위원장을 역임하고 있는 석현정 교수(KAIST 산업 디자인학과)가 학문 간 장벽을 뛰어넘어 빛을 주제 삼아 최신 과학의 면면을 들려주는 대한민국 최초의 색채 공학 교과서 『빛의 공학』을 만나 보자.
KAIST가 키워 낸 ‘양뇌형’ 인재 석현정 교수
『빛의 공학』이 탄생하는 데에는 감성 색채 공학의 국내 최고 전문가 석현정 교수의 역할이 무엇보다 주효했다. 석현정 교수는 KAIST 산업 디자인학과를 졸업하고 독일 만하임 대학교에서 심리학 박사학위를 받은, 분석력과 창의력을 골고루 갖춘 ‘양뇌형(Both-Brain) 인재’이다. 그 자신이 KAIST 출신으로서 후배들의 고민을 진솔하게 들어 주고 어울리는 한편으로, 그녀는 일상의 호기심을 학문으로 연결한 창의적이고 융합적인 연구로 유명하다.
정치인의 인터뷰 영상에서 영감을 얻어, 상대방의 감성을 이해하는 데 배경의 색채가 영향을 미친다는 실험 결과를 담은 논문을 발표했으며, 통화 연결음과 성격을 연결 지은 실험 논문은 국제 학술대회에서 논문상을 받았다. 최근에는 59가지 식품의 색을 분류한 ‘색-맛 스케일’을 개발하여 색의 조합이 식품의 이미지를 생성할 수 있음을 규명했다. 빛과 색채를 키워드로 세상만사를 흥미롭게 바라보고 분석하는 석현정 교수의 분야를 넘나드는 호기심이 전혀 다른 분야라고만 생각되던 세 명의 교수가 한자리에 모여 ‘빛’을 논하는 유례없는 기획인 이 책을 세상에 내놓는 데에 원동력이 되었다.
빛의 물리학
『빛의 공학』의 1부, ‘빛의 물리학’에서는 현대 과학 기술의 거의 모든 분야에서 핵심적으로 사용되고 있으며 우리 일상생활에서도 매우 중요한 역할을 하는 빛을 물리학으로 살펴본다. 물리학에서 빛은 시간과 공간에서 모두 주기적인 운동을 보이는 가시광선 영역대의 전자기 파동이다. 전자기 파동으로 빛을 보는 순간 우리는 굴절, 회절, 산란, 반사, 흡수 같은 빛의 성질을 쉽게 설명할 수 있다. 1부에서는 신기루, 비눗방울, 무지개 등의 일상생활에서 쉽게 찾아볼 수 있는 예를 통하여 빛의 성질을 설명하고, 레이저와 디지털카메라, LCD, 현미경 같은 장치가 빛의 이런 성질을 어떻게 응용하고 있는지를 소개한다. 3D 홀로그래피 텔레비전, 리트로 카메라, 소음 제거 헤드폰, 광섬유 통신 같은 최신 기술의 비밀에도 빛의 성질이 관여되어 있음을 1부에서 확인할 수 있다.
빛의 생물학
2부 ‘빛의 생물학’의 주제는 물리적 개념인 빛이 생명체와 만날 때 그 둘이 상호 작용하는 다양하고 복잡한 과정들이다. 자외선이 우리 몸에 침투했을 때 어떤 일이 일어나는지, 어둠과 밝음 정도만 구별할 수 있는 유글레나의 광 수용체 세포와 사물의 상을 뇌에 전달하는 인간의 정교한 눈이 어떤 점에서 같고 또 다른지, 물리학과 생물학을 모두 아우르는 융합적 시점에서 쉽고 명쾌하게 설명되어 있다.
또한 빛의 물리학적 성질을 이용해 생물학에서 일어나고 있는 놀라운 혁신을 소개한다. 엑스선이나 초음파 촬영같이 병의 진단에 주로 쓰이던 빛은 이제 종양에 강한 레이저를 선택적으로 쬐어 종양을 없애고 수술적인 접근이 힘든 부위를 손쉽게 제거하는 수준에까지 이르게 되었다. 2부에서는 생채 형광 영상, 광 역동 진단과 같은 광학 진단법의 미래와 함께 광 민감성 물질을 이용해 빛으로 활성화되는 화학 반응으로 암만을 선택적으로 제거하는 암 치료의 새로운 미래를 엿볼 수 있다.
빛의 색채학
마지막 3부에서는 우리 눈이 빛을 인지하는 방법인 색채의 비밀을 공부한다. 우리에게 색이라는 자극을 유발하는 물리적 자극은 가시광선 영역의 빛이다. 빛의 물리적 특성만으로 색을 설명하기란 불가능한데, 사람 눈의 망막에는 색을 인지하는 세포가 단 3종류뿐이기 때문이다. 이러한 한계 덕분에 우리는 텔레비전이나 책을 통해서도 실제 자연과 같은 색을 볼 수 있는 것이다.
3부에서는 빛, 물체, 눈의 작동 메커니즘을 수식화해 색을 정량적으로 분석하려는 색채 공학의 원리들을 배우고, 여기서 한 걸음 더 나아가 인간의 감성적인 부분까지 정량화하고자 하는 새로운 학문, 감성 색채 공학을 살펴본다. 사람들 사이에서 색이 연상시키는 공통된 감성을 정량화할 수 있다면, 더 객관적인 의사 결정이 가능해지고 이는 개인과 기업, 그리고 국가의 많은 의사 결정에 도움을 줄 것이다. 감성 색채 공학은 사람이 실제로 색을 인지하는 과정을 이해해야 하고 또한 그에 대한 생리학적 반응과 빛의 속성에 대한 물리학적 특성, 색이 적용되는 매체에 대한 연구도 있어야 하는 만큼 디자인·심리학·생리학·전자공학·물리학 등 여러 분야가 융합하는 지점이다. 3부에서는 저마다 주관적인 기준을 가지고 있다고 생각해 왔던 색이 사람의 마음에 어떤 영향을 일으키는지 미술 작품에서 환경 디자인에 이르는 다양한 사례를 통해 증명된다.
그리고 융합 과학의 미래를 만드는 최철희 교수와 박용근 교수
『빛의 공학』의 저자 중 한 명인 박용근 교수는 2013년 4월 ‘나노 입자 기반 신개념 슈퍼 렌즈’를 개발해 ‘2013년 대한민국 10대 과학 뉴스’에 이름을 올렸다. 렌즈에 빛의 산란을 더 심하게 하는 나노 입자층을 바른 후 산란된 빛들을 재구성해 기존 렌즈보다 해상도가 3배 더 높은 렌즈를 만든 것이다. 이 연구에서 놀라운 점은 연구에 사용된 나노 입자층이 우리 주변에서 쉽게 구할 수 있는 페인트 스프레이를 얇게 바른 것이라는 사실과, 신소재 공학, 기계 공학, 재료 공학과까지 참여한 폭넓은 융합 연구라는 사실이다. 앞으로 광학 영상은 물론 반도체 공정이나 광통신, 광 치료에도 사용될 것으로 기대되는 위 사례에서 볼 수 있듯이 빛을 주제로 한 연구는 그 가능성이나 이용 범위가 무궁무진하며, 거의 모든 현대 과학과 융합할 수 있는 분야이다.
빛의 이런 성격을 감안하여 저자들은 서문에서 빛에 대한 관점은 다양하고 광범위하며, 이 책은 단지 그 첫걸음일 뿐이라고 겸손하게 밝힌 바 있다. 그러나 KAIST의 촉망받는 교수 3인이 협동하여 어떤 학문적 배경을 가진 사람이라도 빛을 폭넓고 깊게, 그리고 쉽게 이해할 수 있도록 서술하였으며 앞으로도 KAIST 미래 융합 수업의 교재로 활용될 『빛의 공학』은 빛을 매개로 한 융합 연구의 서막을 연 책인 동시에 하나의 기준서로 자리잡을 것이다.
차례
1부 빛의 물리학
1장 빛이란 무엇인가? 12
빛: 눈에 보이는 전자기파 / 파장: 빛의 색 / 빛의 속도 / 굴절률: 빛의 속도는 물질에 따라 느려진다 / 빛을 이용한 질량 측정 / 빛의 흡수
2장 빛을 광선으로 표현하는 기하 광학 30
광학 영상 / 빛의 반사: 거친 벽을 거울로?! / 빛의 굴절: 휘는 빛 / 전반사와 분산 / 렌즈: 가장 간단한 광학 영상 시스템 / 렌즈의 한계
3장 빛의 상호 작용, 파동 광학 56
위상과 파면: 빛의 진행 방향 정보 / 빛의 간섭: 여러 파동이 만드는 새로운 파동 / 회절 / 산란 / 구조색: 구조에 의한 산란과 간섭
4장 빛의 생성 86
전자기파 유도 / 자연 방출 / 흡광 스펙트럼 / 열복사 / 레이저
5장 광학 영상 표현 108
음극선관, CRT / 플라즈마 디스플레이 / 액정 화면 / 화소와 색 / 3차원 영상 기술 / 홀로그래피
6장 빛의 측정 138
광학 영상 시스템 / 렌즈를 사용한 영상 / 필름 현상의 원리 / 디지털 이미지 디바이스의 원리 / 현미경
2부 빛의 생물학
7장 빛과 물질의 상호 작용 164
빛과 물질의 이중성 / 전자 에너지 준위 / 빛과 물질의 상호 작용 / 형광으로 밝히는 생물학 / 생명의 계층적 구성
8장 빛과 생체의 상호 작용 190
이온화 복사 에너지 / 자외선과 건강 / 적외선과 생명 현상 / 전자기파가 건강에 미치는 영향
9장 빛의 의생명 과학적 응용 200
바이오 광학, 광학과 생물학의 만남 / 생체 형광 현상 / 광학 영상: 뇌 안을 들여다보기 / 빛을 이용한 암 치료 / 레이저를 이용한 의생물학적 응용
10장 빛에 대한 반응: 세포부터 개체까지 220
미생물이 감지하는 빛 / 광 유전학 / 망막의 광 수용체 / 로돕신과 신호 전달 / 망막에 맺힌 상을 뇌로
3부 빛의 색채학
11장 색채 경험으로서의 빛 238
색을 지각하는 과정 / 조명 환경에 따른 색채 경험 / 신광원과 새로운 색채 경험 / LED를 이용한 감성 조명
12장 색채의 표시와 소통 260
측색 / 측색에 따른 색 체계 / 지각적 특성에 따른 색 체계 / 색이름 / 문화적 속성에 따른 색의 배열
13장 색채 심리 296
기억에 의한 영향 / 상호 작용에 의한 영향 / 색채에 대한 감성적 반응 / 색채를 활용한 감성 이미지 표현 / 색채를 매개로 한 공감각적 현상 / 색채의 연상 및 상징 효과
14장 색채 디자인과 색채 마케팅 318
색채와 디자인 경쟁력 / 색채 표본 추출과 응용 / 색채 디자인의 기능적 측면 / 마케팅 요소로서 색채 / 선호색과 기피색 / 소비자의 색 선택권
참고 문헌 340
찾아보기 343
사진 및 그림 저작권 351