2026년 9월 30일 · 용티IYPT 1988 · 문제 8 · 광학

빨강·초록·파랑에 색 하나를 더하면 — 4색 텔레비전

V2 공개자료 교차확인 — 둘 이상의 독립된 자료로 확인

탐구 주제

IYPT 1988 문제 8 ‘Color television’에 관한 원리 해설과 탐구 설계입니다.

IYPT 1988 공식 문제 보기

교육과정 연결

중학교 과학 「빛과 파동」(빛의 합성·빛의 삼원색) / 고등학교 통합과학1 「물질과 규칙성」(빛의 스펙트럼) / 물리학 「빛과 물질」(빛·색·파장) / 생명과학 「항상성과 몸의 조절」(눈의 구조·원뿔세포와 색각) / 진로선택 「물질과 에너지」 (2022 개정 교육과정, 단원 코드는 NCIC에서 최종 확인).

핵심 개념

삼자극치 색각(trichromacy), 원뿔세포(L·M·S), 가법 혼색, 빛의 삼원색(RGB), 원색(primary), 그라스만 법칙, CIE 1931 색공간, 색도도(chromaticity diagram), 스펙트럼 궤적(spectral locus), 색역(color gamut), 다각형 색역, 백색점, 색측정(colorimetry), 메타머리즘·관찰자 메타머리즘, 색역 매핑(gamut mapping), 다원색 디스플레이, RGBY(Quattron)·RGBW, 다분광 촬영, 연색성

원리 살펴보기

텔레비전은 딱 세 가지 색(빨강·초록·파랑)의 빛만 섞어 세상의 온갖 색을 만들어 낸다. 왜 하필 셋일까? 사람의 망막에서 빛을 감지하는 원뿔세포가 긴·중간·짧은 파장에 민감한 세 종류(L·M·S)뿐이라, 우리가 느끼는 색은 결국 이 세 세포가 얼마나 자극됐는지를 나타내는 세 개의 숫자(삼자극치)로 정해진다. 그래서 원색 세 개의 빛을 밝기만 조절해 더하면(가법 혼색) 대부분의 색을 감쪽같이 흉내 낼 수 있다. 이 관계를 한눈에 보여 주는 것이 CIE 색도도다. 사람이 볼 수 있는 모든 색은 말굽 모양 안에 담기고 원색 세 개는 그 안의 세 점이 되는데, 세 점을 이은 삼각형 안쪽이 바로 그 화면이 재현할 수 있는 색의 범위, 곧 색역(color gamut)이다.

그렇다면 원색을 하나 더해 넷으로 만들면? 색도도에서 네 번째 점이 기존 삼각형 바깥에 놓이면 삼각형이 사각형으로 넓어지고 재현할 수 있는 색역도 그만큼 커진다. 특히 빨강·초록·파랑 삼각형은 말굽의 청록~초록 쪽 볼록한 부분을 잘 담지 못하는데, 이 방향으로 원색을 하나 더 두면 진한 청록·초록까지 살려 낼 수 있다. 그래서 네 번째 기본색은 삼각형이 가장 많이 비어 있는 곳을 겨냥해 고르는 것이 이치에 맞다. 실제로 샤프의 콰트론(Quattron)은 RGB에 노랑을 더한 4원색(RGBY) 텔레비전으로 노랑·금색 재현을 넓혔다. 반면 흔히 쓰는 RGBW는 흰색 부화소를 더하는데, 흰색은 삼각형 안쪽에 있어 색역을 넓히지는 못하고 화면을 더 밝고 효율적으로 만드는 쪽이라, 네 번째 색을 ‘어디에’ 두느냐에 따라 목적이 갈린다.

그러면 촬영 장비도 4색으로 바꿔야 할까? 원리상으로는 꼭 그렇지 않다. 눈이 삼자극치로만 색을 느끼므로, 원리상 이상적인 3색 카메라라면 눈이 구분하는 색 정보를 이미 담고 있고, 네 번째 원색의 구동값은 이 세 채널 신호에서 색역 매핑으로 계산해 낼 수 있다. 4원색 화면은 3채널 신호를 네 원색으로 나눠 켜는 것이지 카메라가 색을 네 번 따로 찍는 것이 아니다. 색역을 넓히고 다루는 이 기술은 여러 곳에 쓰인다. 넓은 색역 디스플레이는 콰트론의 노랑처럼 삼각형 밖에 원색을 더해 사각형으로 넓혀 더 진한 색을 재현하고, 디지털 시네마·방송 표준은 DCI-P3·Rec. 2020 같은 넓은 색역 규격과 다원색 프로젝터를 쓰며, 고품질 컬러 인쇄는 CMYK에 색을 더한 6색 인쇄로 잉크 색역을 넓히고, 색측정·조명 공학은 CIE 색도도로 화면·광원의 색역과 연색성을 수치로 평가한다.

실험 설계

준비물

빨강·초록·파랑 LED 각 1개와 네 번째 색 LED(청록 또는 노랑) 1개, 각 LED의 밝기를 따로 조절할 가변저항 또는 PWM 밝기 조절 회로와 건전지·브레드보드, 빛을 고루 섞을 확산판(유산지·탁구공·젖빛 아크릴)과 안쪽이 흰 통(적분 상자 대용), 스마트폰(색 측정·촬영, 화이트 밸런스·노출 고정 가능)과 삼각대, 회절격자 또는 간이 분광기(각 LED의 스펙트럼 관찰용), 비교용 색 견본(진한 청록·초록 색종이나 색표), 어두운 실험 공간.

변인

독립변인은 색을 섞는 데 쓰는 원색의 구성이다 — 빨강·초록·파랑 3원색만 쓸 때와, 여기에 네 번째 색 LED를 더한 4원색을 쓸 때를 비교한다(각 LED의 밝기 구동값도 함께 조절하는 변인이다). 종속변인은 이 원색들로 재현할 수 있는 색의 범위, 곧 색도도 위에서 원색들이 둘러싼 영역(삼각형/사각형)의 넓이와, 정해 둔 목표 색(진한 청록 등)을 얼마나 가깝게 맞출 수 있는지다. 통제변인은 전체 밝기 수준, 주변 조명(어둠), 확산판과 촬영 거리·각도, 스마트폰의 화이트 밸런스·노출 고정, 측정에 쓰는 색 견본이다.

실험 순서

  1. 어두운 곳에서 빨강·초록·파랑 LED를 확산판에 함께 비추고, 스마트폰의 화이트 밸런스와 노출을 고정한다. 이때 어느 색 채널도 최댓값에 닿아 포화되지 않도록 노출을 충분히 낮춘다. 먼저 LED를 하나씩만 켜서 각 원색의 색좌표(스마트폰 RGB 값에서 환산한 대략의 색도)를 재면, 이 세 점이 색역 삼각형의 꼭짓점이다.

  2. 두 LED, 세 LED를 여러 밝기 비율로 섞어(가법 혼색) 나오는 색좌표를 재어, 3원색이 만드는 삼각형 색역을 색도도 개형 위에 점으로 찍는다.

  3. 네 번째 색 LED를 켜서 그 색좌표를 재고, 그 점이 앞의 삼각형 바깥(또는 경계)에 놓이는지 본다. 이제 네 LED를 함께 섞어 재현 범위가 삼각형에서 사각형으로 넓어지는지 살핀다.

  4. 네 번째 LED가 색역을 넓혀 주는 방향의 색 견본을 목표로 정한다 — 청록 LED를 골랐다면 진한 청록을, 노랑 LED를 골랐다면 금·노랑을 목표로 삼는다. 먼저 3원색만으로 최대한 비슷하게 맞춘 뒤 네 번째 색을 더해 다시 맞춰, 어느 쪽이 목표 색에 더 가까운지 눈과 스마트폰 측정으로 견준다.

  5. 색이 다양한 장면을 스마트폰(색 채널 3개짜리 보통 카메라)으로 한 장 찍고, 그 사진의 색 정보만으로 네 LED의 밝기 구동값을 정해(간단한 색역 매핑) 같은 색을 재현해 본다 — 4색을 따로 찍지 않아도 3채널 사진으로 4원색을 구동할 수 있는지 확인한다.

안전 안내

⚠ 안전

밝은 LED, 특히 파랑·청록·백색 LED의 강한 빛을 가까이서 오래 응시하지 않는다(확산판을 거쳐 보고, 고출력 LED는 피한다). 전원은 건전지 등 낮은 전압만 쓰고, 각 LED에는 알맞은 저항을 달아 과전류로 뜨거워지지 않게 한다. 회절격자·분광기로 태양이나 레이저 같은 강한 광원을 직접 겨누어 보지 않는다. 어두운 곳에서 실험하므로 주변 걸림돌을 미리 치우고 이동할 때 넘어지지 않게 주의한다.

예상과 해석

먼저 예상해 보기

빨강·초록·파랑 세 색만으로 만들 수 있던 색의 범위에 네 번째 색을 더하면 어떤 색 영역이 새로 재현될까? 그리고 이 4색 화면을 채우는 데 촬영용 카메라도 4색으로 바꿔야 할까?

자료 정리

단색 LED와 혼합색의 색좌표를 색도도 개형 위에 점으로 찍어, 3원색이 이루는 삼각형과 4원색이 이루는 사각형을 그려 두 영역의 넓이를 비교한다. 목표 색 맞추기 실험은 3원색일 때와 4원색일 때의 ‘목표와의 색 차이’를 나란히 정리한다. (스마트폰 RGB에서 환산한 색좌표는 어림값이므로 절대 수치보다 두 조건의 상대적 차이에 주목한다 — 여기서는 축과 개형만 제시하고 수치는 실제 측정으로 채운다.)

결과의 의미

네 번째 색을 더하면 재현 가능한 영역이 삼각형에서 사각형으로 넓어지고, 특히 청록~초록 쪽으로 확장되어, 3원색만으로는 맞추지 못하던 진한 청록 목표 색이 4원색에서는 더 가깝게 재현될 것으로 예상된다. 이는 색역이 곧 색도도 위에서 원색들이 둘러싼 다각형이라는 사실, 즉 삼자극치 색각과 가법 혼색의 직접적인 귀결을 눈으로 확인하는 순간이다. 한편 스마트폰 3채널 사진만으로 4원색 구동값을 계산해 색을 재현할 수 있다면, 촬영을 4색으로 바꾸지 않아도 4원색 화면을 채울 수 있다는 이 문제의 핵심 통찰을 스스로 확인하게 된다. 다만 흰색을 더한 RGBW처럼 네 번째 색을 삼각형 안쪽에 두면 색역은 그대로이고 밝기만 늘 뿐이어서, 네 번째 기본색을 ‘어디에’ 두는가가 결과를 가른다.

더 탐구하기

  1. 네 번째 LED를 청록·노랑·흰색으로 바꿔 가며 각각 색역이 어느 방향으로 얼마나 넓어지는지(또는 흰색처럼 넓어지지 않는지) 비교하고, 샤프가 왜 노랑을 골랐을지 생각해 보자.

  2. 각 LED를 분광기로 보아 원색의 스펙트럼 너비를 견주고, 원색이 좁을수록 색역은 넓어지지만 관찰자 메타머리즘이 커지는 맞바꿈을 조사해 보자.

  3. 보통 화면과 넓은 색역 화면(있다면)에 같은 사진을 띄우고 스마트폰으로 같은 부분의 색을 재어, 어떤 색에서 두 화면의 차이가 크게 나는지 확인해 보자.

  4. 3채널 사진에서 4원색 구동값을 구하는 간단한 색역 매핑을 표 계산으로 만들어 보고, 반대로 스펙트럼까지 똑같이 재현하려면(관찰자 메타머리즘 제거) 촬영을 몇 채널로 늘려야 할지(다분광 촬영) 자료로 조사해 보자.

연결 주제

빛의 스펙트럼과 색을 다루고 분광·색 측정 방법을 공유하는 다른 탐구로 자연스럽게 이어진다. 이 문제가 원색 몇 개를 더해 색을 ‘재현’하는 쪽(가법 혼색·색역)이라면, IYPT 1999 문제 4 「비눗막의 색」은 박막 간섭이 백색광에서 특정 파장을 지워 색을 ‘만들어’ 내는 쪽이고, IYPT 2023 문제 4 「색깔 선」은 CD 회절 격자가 빛을 파장별로 갈라 특정 색만 남기는 쪽이다. 세 문제 모두 가시광선 스펙트럼과 파장이 어떻게 눈에 보이는 색으로 이어지는지를 다루므로, 회절격자·분광기로 스펙트럼을 관찰하고 스마트폰으로 색을 재는 같은 방법을 그대로 활용할 수 있다.

참고문헌

[학생] 위키백과 ‘Quattron’ — 샤프가 RGB에 노랑을 더한 4원색(RGBY) LCD 텔레비전(2010년 아쿠오스 출시)으로 색역을 넓힌 실제 사례(노랑·금색 재현 향상과 그 효과를 둘러싼 논쟁까지) / 위키백과 ‘PenTile matrix family’ — 빨강·초록·파랑에 흰색 부화소를 더한 RGBW 배열(색역 확장이 아니라 밝기·효율 향상이 목적) / 영상·검색어 “additive color mixing RGB”, “CIE 1931 chromaticity diagram color gamut”, “Quattron RGBY”, “gamut mapping” / [심화] R. W. G. Hunt, The Reproduction of Colour, 6th ed., John Wiley & Sons(Wiley–IS&T Series in Imaging Science and Technology), 2004, ISBN 978-0-470-02425-6 — 삼자극치 색각·가법 혼색·CIE 색도도·색역·메타머리즘 등 색 재현의 표준 교재. · L. Beke, Y. Kwak, P. Bodrogi, S.-D. Lee, D. Park, C.-Y. Kim, “Optimal color primaries for three- and multiprimary wide gamut displays,” Journal of Electronic Imaging 17(2), 023012 (2008), DOI 10.1117/1.2921012 — 3원색·다원색 디스플레이의 원색을 어떻게 골라야 색역이 최적이 되는지 분석. · D. Long, M. D. Fairchild, “Reducing observer metamerism in wide-gamut multiprimary displays,” Proc. SPIE 9394, Human Vision and Electronic Imaging XX, 93940T (2015), DOI 10.1117/12.2082635 — 원색을 넷 이상으로 늘린 다원색 디스플레이에서 관찰자 메타머리즘을 다루는 연구. ※ 개방 지점: 문헌들은 다원색 디스플레이가 표준 3채널(콜로리메트릭) 신호에서 색역 매핑으로 구동됨을 보인다 — 즉 네 번째 원색의 구동값은 3채널 신호에서 계산되므로, 원리상 촬영 장비를 4채널로 바꿀 필요는 없다는 것이 이 문제의 핵심 답이다. 다만 실제 카메라의 색 채널이 사람 눈의 색대응함수와 완전히 일치하지 않는 점(루터 조건)과, 사람마다 색이 다르게 보이는 관찰자 메타머리즘을 줄이거나 스펙트럼 자체를 재현하려는 목적에서는 촬영을 다분광(multispectral)으로 늘리는 것이 도움이 되는지가 열린 물음이다. 또 학교 장비의 스마트폰 색 측정으로 색역 다각형의 넓이를 얼마나 정확히 잴 수 있는지도 이 탐구의 개방 지점이다.

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