며칠전 권규혁님의 만화 '자동차이야기' 에 등장한 박강우님의 S2000  에 도색된 검정색휠이 '열발산을 돕는다' 라는 설명으로 인해  의구심이 발동해, 저 아래 지난 글에서 긴 토론이 있었습니다. 색과 열발산율에 대해 관심이 없으신 분은 재미없는 얘기가 되겠지만, 지난 며칠간 틈틈이,  물리학 전공인 김순익님 외 몇몇 공학전공자 분과의 대화와 조언을 참고로, 상식과 검증된 기초학문의 조합을 통해 색의 열발산 효율에 대해, 나름의 결론에 도달했습니다.  아래 내용은 타당성 있는 가설이고, 반례(예외의 수) 가 예상되지 않는 내용이기도 합니다. 제 말씀을 이해하시려면 몇가지 어의를 정확히 알아야 합니다. 용어를 먼저 예시할게요.



*열역학적 평형상태 -  특정물체에 일정한 열에너지(복사,전도,대류)를 투여했을때, 꾸준히 가열되어 정점에 이르러 더이상 온도상승이 이루어지지 않는 상태.

*흑체(black body) - 완벽한 열 흡수율을 보이는 물체로,  열역학적 평형상태에서 흡수율과 발산율이 똑같아지는 물체. 대표적인 예로 태양은 흑체에 가장 가까운 물체이고 완전히 검지는 않다(deep grey),  흑체를 전제로 한 실험에서는 내면공간이 둥근 검정색 물체에 구멍을 뚫고, 그곳을 통해  열에너지를 투여하는 완벽에 가까운 상황을 모델로 한다.

*복사, 전도, 대류 -  열에너지의 전달 형태로, 복사는 적외선 가시광선 자외선등이 있고, 전도는 열원이 직접 닿아서 일어나고, 대류는 공기에 의해 전달된다.



가정의 결론부터 말씀드리면,  '검정색을 비롯한 모든 색은 열흡수율과 발산율에 연관이 있다.' 입니다.
또한 물체의 재질과 구조는 당연히 열흡수율과 발산율에 연관이 있습니다.  이는 서로 다른 전제라기 보다는 특정현상을 그냥보느냐 현미경으로 보느냐의 차이여서 전제가정의 범위만 다를뿐이지 둘 다 맞는 말이 됩니다.  재질과 구조의 변수가 색변수의 상위개념이 되는것이죠.   공학적인 관점에서 반론이 있을 수도 있지만, 제 가정의 범위 내에서는 반례가 예상되지 않습니다.  순수한 의미의 색도 결국 분자구조를 이루기 때문이죠.

여기서 말하는 검정색은, 빨주노초파남보를 칭하는 color 의 의미가 아니라,  밝고 어둡기를 말하는 tone 의 개념으로 봐야합니다.  명도를 말하는 darkness  vs lightness 외에 수없이 다양한 middle tone 을 포함합니다.  칼라 그레이가 아니라, 색은 달라도 밝기가 비슷한 물체는 같은 톤으로 보는 전제를 말합니다.  곧, 모든 어두운색은 열흡수력과 발산력이 좋다는 말씀이죠.

어제밤 남산에서 공학전공자 분 7분과 7대1로 만나(흑흑) 이러저런 조언을 듣고, 가장 많은 토론을 나눈 김순익님과도 함께 만나, 물리학적인 개념얘기를 들었습니다. 열역학적 평형상태가 정확히 무엇인지 알게됐고요.  지구과학을 전공한 윤정준님에게서 의외의 팁을 얻었네요.  그 내용은.. ' 검정색은 분자구조에 있어 공동(구멍)의 비율이 높다'  (분자밀도가 낮다.) 란 사실입니다. 공동이 적으면서 검정색인 경우가 존재하긴 하지만, 이에 대한 말씀은 나중에 드릴게요.

검정색(어두운색)의 특성은 빛을 받지않는 어두운부분과 연관있습니다. 지구의 밤과 낯, 그림자, 그늘, 동굴 등등 빛을 받지않거나 적게받는 부분은 어둡고 검습니다. 대표적인 검정체인 그을음(숯) 의 경우, 물질속에 산화하는 물질들이 빠져나가 분자구조에 수많은 공동이 발생한거라 여겨집니다. 그래서 검은 것이죠.  태양의 흑점은 대류의 자성에 의해 생긴 공동의 형태이고, 다른 외표부에 비해 상대적으로 검습니다.

**물체의 열에너지는 일정한 열이 전달될때, 받아들이는 표면적과 깊은 연관이 있습니다. 공동이 많은 물질은 일정 열에 대하여 표면적이 넓어 더 많은 에너지를 받는것입니다. 발산율도 마찬가지로 cooling 환경에서는 더많은 표면적에 의해 방열성이 좋아집니다. 간단한 예로 자동차나 온열용 라지에이터를 생각하면 됩니다. 이로 인해 검정색은, 복사, 대류, 전도의 모든 예에서 열흡수성과 발산율이 좋아지게 됩니다.


 
분자구조에 있어 공동의 비율이 높지않으면, 빛에 대하는 명도에 있어 검게 보일 수 없습니다.  구멍이 많아야 빛을 적게받는 비율이 높아져 어둡게 보이기 때문이지요.  공동의 비율이 높은 검정색(어두운색)은 공동의 비율이 높으므로 열에너지를 받는 표면적이 넓어지고, 이에 의해 흡열력이 좋아집니다.  지난 글의 emissivty 표에서 보면, 물체 표면의 편평도( flat) 나 광택(glossy) 이 높은 물체일수록 색의 영향을 덜 받는걸 알 수 있습니다.

이는, 검정색 위에 코팅된(개념적으로 봤을때) 투명물질(oil) 에 의해 표면적이 일정해지면 열흡수와 발산력이 같아지는 셈이 되는것이죠. 그래서 오일페인트나 글로시하게 폴리슁된 물체들은 색의 차이에 상관없이 열흡수력과 발산율이 비슷해지는겁니다. 여기서 예외의 변수가 있었는데, 그게 바로 Grey  입니다.

여기서의 그레이 개념은 다시, 밝기를 나타내는 tone 의 개념이 아니라, 색재료의 물성 차이인 color  grey 로 조건이  바뀌어야 합니다. color 로서의 Grey 는,  Black 과 White 의 조합인걸 초등학교만 다닌분은 알고있습니다. 검정과 흰색을 섞어 칠하면 바로 Grey 가 되지요.  제 추론에 의하면.. 분자구조가 가장 편평한(분자밀도가 높은) white 와 공동율이 가장높은 black 을 섞으면 바로...  위에 말씀드린 가상의 흑체모델과 비슷한 형태의 구조가 됩니다.  분자내부가 항아리형태를 이루며 같은 면적에서 최대의 표면적을 이루게 되는것이죠. (이는, 완벽한 흑체는 완벽한 검정이 아니다. 라는 이론과 연관됩니다.)

또 한가지 김순익님이 반례로 제시한 내열성, 내마찰성이 우수하고, 방열성이 현존하는 최상의 물질이라는 테프론(Tefron) 이 있습니다.  테프론은 제 상식 안에서 화학합성물질로 카본처럼 섬유구조를 갖고있어 섬유처럼 복잡하게 서로 얽힌 구조를 갖습니다.  여기서 제 가정은,  검정색 고유의 공동율(구멍의 비율) 보다 더 많은 표면적을 확보했을거고, 여기에 Silver 가 더해졌을때 열발산율이 가장좋다고 했는데,  주의깊게 봐야 할  사실은,  Silver 자체가 가시광선 안에서 유일한 색(단일색)을 내는 색상환표상의 color 가 아니라는 겁니다. 색채학의 범주에 제외된 색으로  '특수색' 으로 규정되어 있고, 색상 중에 메탈성분을 포함함으로 다른 색의 고유코드와 다릅니다. 가장 구분하기 쉽고 간과하지 말아야 할 포인트는..  빛의 각도에 따라 사람의 눈에  Grey 로 보이기도 한다는 사실이지요.  이로써.. 위에 언급한 Grey 와  Silver 의 연관성을 무시할 수 없게 됩니다.




애초에 예시되었던 SR-71 블랙버드의 동체는 검은색으로 칠해졌고,  상세하게 표현하면 Blue Black  이라고 했습니다.  중간색(middle tone)인 블루와 가장어두운색인 블랙의 조합인  블루블랙은 Tone 에 있어 Deep Grey 와 같습니다. 그러나  여기서의 블루에 white color 가 조합되지 않았다면,  이는 단지 산화에 의해 변화된 블루와 블랙의 조합이 될수도 있습니다.  중요한건.. 위에 기술한 바를 적용해보면,  SR-71 의 열발산 효율에 있어,  Black 은 분명한 효과를 줄것이고,  이는 Glossy 하지 않은 black 이여야 합니다.  곧.. 무광블랙이라는 것이죠. 또한 무광블랙은 칼라의 속성에 의해 복사/ 대류/ 전도에 모두 흡발산율이 적용됩니다.  대기권 밖에서는 '대류' 만 빠지게 되는것이죠.

이 사실을 자동차의 휠이나 몸체에 적용해보면,  기존의 페인트로 도색된 oily color 는 방열효과가  없고,  무광검정이라야 방열효과를 기대할 수 있게 되는겁니다.  여기까지가 제 잠정 결론입니다.^^   아마도 화학이나 재료학에서는 이미 검증된 내용일 수 있다는 생각입니다.   예상되는 반례를 제시해주시면, 또 생각해볼 여러가지 경우의 수가 생길 듯 합니다. 여러분의 다양한  의견을 기다릴게요. ㅋ



** 위 내용중, 윤정준님이 말했던 ' 공동이 많지않은 검정도 있다.' 는 존재의 예는, 제 가정으로 볼때 자연색소 물질 (stone 이나 기타 광물질) 중, 투명한 물질을 포함하는 색료인 경우 가능한 일이라고 여겨집니다. 그렇지 않고는 가시광선 내에서 검정(Dark color) 으로 보여질 수 없습니다.




깜장독수리..

*** ps -  oily paint Grey  의 열발산 효율이 다른색에 비해 미미하게 좋은 이유를 추가로 생각해봤습니다.  이상적인 흑체의 모델과 비슷한 구조가 된 Grey 는, 투명재질인 oil 성분이 침투할 입구가 검정의 공동에 비해 좁아, 이론적 비율상 공동의 빈공간이 생기게 됩니다. 표면적이 다시 달라지는 것이죠.