피는 빨간데 정맥은 왜 파랄까 — 파란 피

탐구 주제

IYPT 1997 문제 5 ‘Blue blood’에 관한 원리 해설과 탐구 설계입니다.

IYPT 1997 공식 문제 보기

교육과정 연결

중학교 과학 「빛과 파동」(물체의 색 — 빛의 반사·흡수) / 고등학교 통합과학1 「물질과 규칙성」(생명체 구성 물질 — 헤모글로빈) · 과학탐구실험1(측정과 오차) / 물리학 「빛과 물질」 · 생명과학 「항상성과 몸의 조절」(혈액과 산소 운반) (2022 개정 교육과정, 단원 코드는 NCIC에서 최종 확인).

핵심 개념

빛의 산란, 레일리·틴들 산란, 파장에 따른 산란·흡수, 광 침투 깊이, 확산 반사(diffuse reflectance), 탁한 매질(turbid medium), 조직 광학(tissue optics), 헤모글로빈, 산소헤모글로빈·환원헤모글로빈, 산소포화도, 흡수 스펙트럼, 동시 색 대비(색채 지각), 광학 팬텀(모형), 몬테카를로 광 수송, 혈관의 깊이·지름 의존성

원리 살펴보기

피는 분명 새빨간데, 왜 살갗 아래 정맥은 파랗게 비칠까? 먼저 오해부터 풀자. 사람의 피는 언제나 빨갛다 — 산소를 실은 동맥피는 선홍색, 산소를 내려놓은 정맥피는 검붉을 뿐 파란 피란 없다. 뽑아낸 정맥피가 검붉은 것만 봐도 알 수 있다. 정맥의 파란빛을 만드는 것은 피가 아니라, 피부에 들어갔다 되돌아 나오는 빛이다.

빛이 피부에 닿으면 곧장 튕기지 않고 살 속으로 파고들며 흩어지고(산란) 조금씩 삼켜진다(흡수). 이때 짧은 파장의 파란빛은 얕은 층에서 이내 되흩어져 깊이 들어가지 못하고, 긴 파장의 빨간빛은 더 깊이 파고든다. 정맥은 살갗에서 1~2 mm 안팎 깊이라, 거기 내려간 빨간빛은 헤모글로빈에 대부분 흡수되고 파란빛은 얕은 층에서 대부분 되흩어져 정맥까지 거의 닿지 못한다. 그래서 정맥 위에서는 빨강만 크게 줄고 파랑은 거의 그대로다. 여기에 반전이 있다 — 정맥 자리에서도 눈에 오는 빛은 여전히 파랑보다 빨강이 더 많다. 다만 발그레한 둘레 살갗에 견주면 정맥 자리만 빨강이 유독 빠져 있어, 그 대비 때문에 파랗게 보이는 것이다. 정맥이 너무 얕으면 붉게, 너무 깊으면 안 보이고, 알맞은 깊이의 굵은 혈관일수록 더 파랗다.

빛이 살 속에서 파장마다 다르게 흡수·산란된다는 원리는 의료·영상 곳곳에서 일한다. 맥박 산소측정기(펄스 옥시미터)(손끝에 빨강·근적외선을 비춰 헤모글로빈의 흡수 차이로 산소포화도를 잰다), 근적외선 정맥 투영기(근적외선으로 팔의 혈관을 피부에 비춰 주사·채혈을 돕는다), 비침습 광학 진단(새어 나온 빛의 색으로 신생아 황달이나 조직 혈액량을 바늘 없이 살핀다), 피부색의 컴퓨터 재현·화장품 개발(산란·흡수 모형으로 화면 속 피부·정맥을 사실적으로 그린다)에 두루 쓰인다.

실험 설계

준비물

투명한 가는 관(실리콘·비닐 튜브나 유리관, 지름 몇 mm)과 양 끝을 막을 점토, 붉게 물들일 식용색소(빨강에 파랑·초록을 소량 더해 검붉게)와 물, 얕고 투명한 수조(유리·아크릴 트레이), 탁한 매질용 무지방(스킴) 우유, 흰색·회색 무광 배경판, 색온도가 일정한 백색 LED 스탠드, 스마트폰(수동 노출·화이트밸런스 고정), 자와 스포이트, (선택) 무료 이미지 분석 앱이나 컴퓨터의 색 추출 도구.

변인

독립변인은 붉은 관을 덮은 탁한 매질(우유 물)의 두께다(대조 실험에서는 우유 농도, 곧 산란 세기만 바꾼다). 종속변인은 위에서 찍은 사진에서 관과 바로 옆 배경의 빨강(R)·파랑(B) 세기와 그 비(R/B)다. 통제변인은 색소 농도와 관 지름, 광원의 색온도·밝기, 카메라의 노출·화이트밸런스(자동 보정 끄기), 촬영 거리·각도, 배경판이다.

실험 순서

1. 가는 투명 관에 검붉게 물들인 물(빨강에 파랑·초록을 조금 섞어 정맥피 같은 어두운 붉은색)을 기포 없이 채우고 양 끝을 점토로 막는다 — 정맥을 흉내 낸 ‘핏줄’이다.

2. 흰색·회색 배경판 위 얕은 수조에 관을 눕히고 무지방 우유 탄 물로 얕게 덮는다. 백색 LED를 위에서 고르게 비추고, 노출·화이트밸런스를 고정한 스마트폰으로 바로 위에서 찍는다 — 이때 관은 아직 붉다.

3. 덮은 두께를 단계적으로 늘리며(또는 우유 농도를 높이며) 같은 설정으로 촬영한다. 관은 붉음이 빠지며 푸르스름해지는데, 우유 배경은 여전히 발그레한 흰빛인지 함께 본다.

4. 각 사진에서 관과 바로 옆 배경의 평균 R·G·B를 이미지 도구로 읽어 R/B를 구한다. 관에서도 R가 B보다 크지만(절대량은 빨강 우세) 관의 R/B가 배경보다 작은지(대비로 파랗게 보임)를 확인한다.

5. 우유 농도를 고정하고 관의 깊이만 바꿔 같은 측정을 되풀이해, 파랑 대비가 가장 뚜렷한 깊이와 관이 배경에 묻혀 사라지는 깊이를 찾아 깊이–색 지도를 그린다.

안전 안내

이 탐구는 사람의 피나 주삿바늘을 절대 쓰지 않는 모형 실험이다 — 채혈·정맥 주사 흉내는 어떤 경우에도 하지 않는다. 우유는 오래 두면 상하고 미끄러우니 실험 뒤 바로 치운다. 물 담긴 수조 곁에서 전기 스탠드를 쓰므로 전선·플러그에 물이 닿지 않게 하고 젖은 손으로 만지지 않는다. 유리관 단면에 베이지 않게 조심하고, 밝은 LED를 오래 응시하지 않으며, 식용색소가 물드니 앞치마·장갑을 낀다.

예상과 해석

먼저 예상해 보기

우유 물을 두껍게 덮을수록 붉은 관은 점점 파랗게 보일까? 그리고 그때 관에서 눈으로 오는 빛은 정말 파랑이 더 많아진 것일까, 아니면 빨강이 빠져 그렇게 ‘보이는’ 것일까?

자료 정리

덮은 두께(또는 우유 농도)별 관·배경의 R/B를 표로 모아, 가로축을 두께로 두 R/B를 겹쳐 그린다(두 곡선의 간격이 곧 파랑 대비다). 관의 R가 B보다 큰데도 관의 R/B가 배경보다 작은 구간이 있는지, 대비가 어떤 깊이에서 최대인지 본다. 심화에서는 색상(hue)으로 ‘얼마나 파란가’를 한 숫자로 나타낸다. (수치는 실제 측정으로 — 여기서는 축·개형만.)

결과의 의미

매질이 두꺼워질수록 관의 붉음은 빠지고 관의 R/B가 배경보다 작아지며, 어떤 깊이에서 파랑 대비가 가장 커질 것으로 예상된다. 중요한 것은 관에서 오는 빛도 여전히 빨강이 파랑보다 많다는 점이다 — 정맥이 파랗게 보이는 까닭은 파란빛이 더 많아서가 아니라, 둘레보다 빨강이 크게 빠져 생기는 대비 때문이라는 뜻이다 — 눈이 색을 이웃과 견줘 판단하기 때문이다. 배경 없이 관만 오려 보면 그저 탁한 붉은색임을 확인하면, ‘파란 피’ 속설이 왜 틀렸는지가 분명해진다.

더 탐구하기

1. 관의 색을 동맥피 같은 밝은 선홍색으로 바꿔, 정맥 색(검붉음)일 때만큼 파래 보이는지 견주어 산소포화도의 영향을 알아보자.

2. 우유 대신 물에 잉크를 몇 방울 탄 ‘흡수는 세지만 산란은 약한’ 매질로 바꿔, 파란 대비가 사라지는지 확인해 산란이 이 현상의 핵심임을 보이자.

3. 수조를 옆에서 비춰 보면 관 너머 투과광은 오히려 붉어지는데(노을·달걀흰자와 같은 산란), 위의 파랑과 옆의 빨강이 한 매질의 앞뒷면임을 확인해 보자.

4. 실제 팔의 정맥을 빨강·초록·파랑 필터(또는 근적외선 카메라)로 각각 찍어, 어느 파장에서 정맥이 가장 또렷한지 살펴보자.

연결 주제

물리 2004 문제 13 ‘달걀흰자’ — 백색광이 삶은 흰자나 우유 수조 같은 탁한 매질에서 파장별로 다르게 산란되어 색이 갈리는 같은 물리다. 그쪽은 투과광이 붉어지는 앞면을, 이 편은 반사광이 대비로 파래지는 뒷면을 보는 셈이라, 우유 수조·스마트폰 색 측정을 그대로 이어 쓸 수 있다.

참고문헌

[학생] Larry Scheckel, Ask a Science Teacher(붉은 물을 채운 관을 스킴 우유에 담그면 붉음이 푸른 기로 옮겨 가는 시범 — 이 실험의 원형) / C. Baird, “Why are veins blue?”, West Texas A&M University Science Questions(정맥의 파랑은 피부의 산란·흡수 탓이라는 교육자 해설) / 위키백과 ‘Hemoglobin’(사람 피는 파랗지 않다 — 동맥피 선홍, 정맥피 검붉음) / 영상 검색어 “why are veins blue” / [심화] A. Kienle, L. Lilge, I. A. Vitkin, M. S. Patterson, B. C. Wilson, R. Hibst, R. Steiner, “Why do veins appear blue? A new look at an old question,” Applied Optics 35(7), 1151–1160, 1996, DOI 10.1364/AO.35.001151(정맥의 파랑이 파란빛의 과다가 아니라 둘레보다 빨강이 더 크게 줄어드는 대비임을 몬테카를로 확산 반사 모의로 밝힌 고전) · M. Wagner, D. Hevisov, C. Konrad, H. Schmidt, F. Foschum, A. Kienle, “Visual appearance of blood vessels: a phantom study,” Biomedical Optics Express 17(2), 1049–1063, 2026, DOI 10.1364/BOE.579246(깊이 0.5~2 mm 혈관을 심은 실리콘 팬텀으로 정맥의 파랑이 조직 광학과 색 지각의 상호작용임을 보인 모형 연구) · R. R. Anderson, J. A. Parrish, “The optics of human skin,” Journal of Investigative Dermatology 77(1), 13–19, 1981, DOI 10.1111/1523-1747.ep12479191(피부의 파장별 산란·흡수와 침투 깊이를 정리한 광의학 기초). ※ 학교 재료 모형이 Kienle의 대비(관의 R/B가 배경보다 낮아짐)를 정량 재현하는지, 파랑 대비가 최대인 깊이·산란 세기를 색 측정으로 지도화하는 것이 이 탐구의 개방 지점이다.