[교육자료] 비눗방울 색의 정체, 박막 간섭(film interference)

비눗방울

비눗방울에서는 어째서 이렇게 화려한 색깔들이 나타나는 걸까요?

비눗물 속에 포함된 기름 성분이 표면에 얇은 막을 만들어내기 때문입니다.

이렇게 물 위에 다른 성분의 얇은 막이 있는 비눗방울 표면에서 빛은, 반사되는 경로가 두개로 늘어납니다.  

첫번째 반사는 바로 그 얇은 기름 막 표면에서 반사되는 것입니다. 이것은 그냥 기름이나 물 표면에서 빛이 반사되는 것과 동일합니다. 따라서 색을 가질 이유가 없습니다. 두번째 반사는 얇은 기름을 뚫고 들어간 빛이 기름과 물 사이에서 반사하게 됩니다. 이 또한 그냥 반사가 일어나는 것이기에 색이 나타날 이유가 없습니다.

 

그런데 이렇게 두 경로로 반사된 빛은 서로 다른 경로를 지나쳐 다시 만나기 때문에, 미세한 경로차이가 발생하게 됩니다. 그리고 이 경로차이(path length difference)가 특정 빛, 특정 색을 나타내는 파장의 배수가 되면 두 빛이 서로 합쳐지면서 그 파장의 빛이 더 강해집니다. 당연히 경로차이가 특정 파장의 배수와 다르다면 두 빛은 마구 뒤섞여 더욱 약해지겠지요. 표면의 기름막 두께에 따라 두 빛의 경로차이는 달라지고, 그 경로차이로 인해 특정 색의 빛은 더 강해지고 나머지 빛들은 더 약해지는 현상을 빛의 "간섭"이라고 합니다. 이렇게 간섭은 빛의 파장, 즉 빛의 색에 따라 서로 다르게 일어나기 때문에, 간섭이 일어나면 보통 우리는 "색"을 보게 되는 것입니다.

 

이렇게 보이는 색이 무지개와 다른 이유는 뭘까요? 특정 색 파장의 두배, 세배가 되는 경로차이가 마구 뒤섞이면서 복잡한 패턴을 만들어내기 때문입니다. 그래서 우리는 무지개와 다르게 아름다운 보라빛과 청록빛, 그리고 노란빛을 더 강하게 마주하게 됩니다. 이런 과정은 그냥 단순히 글이나 수식으로는 이해하기 어렵기 때문에 직접 계산해 보는 것이 필요합니다. 우리가 눈으로 보는 파장을 모두 잘 섞어서 간섭을 일으켜주고, 그 간섭의 결과를 우리가 접하는 RGB 색으로 잘 표현하면 간단한 코드로 이런 색의 패턴을 알아볼 수 있습니다.

 

비눗방울은 기름막의 두께가 여기저기 제각각이기 때문에 더 아름답습니다만, 다음과 같이 수직으로 세워놓은 비눗방울 막은 아래쪽으로 갈 수록 기름막이 두꺼워지기 때문에 기름막의 두께 변화에 따른색의 변화를 조금 더 정량적으로 확인할 수 있습니다.

수직으로 세운 비눗방울 막의 패턴

 

물론 단순히 두께가 두꺼워지는 현상이기 때문에 이와 비슷한 작업을 Python 코드로 구현하여 살펴볼 수도 있습니다. 

다음 Python 코드를 실행시키면 아래와 같은 그림을 얻을 수 있습니다.  위의 사진과 조금 비슷한가요?

film_interference.py

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박막 간섭 코드 실행 결과