비눗방울이 무지개색으로 빛나는 이유, 얇은 막의 빛 간섭

비눗방울이 무지개색으로 빛나는 것은 색소 때문이 아니라 빛의 간섭 때문이다. 비눗물 막은 두께가 수백 나노미터에 불과한데, 빛이 막의 바깥 면에서 한 번, 안쪽 면에서 한 번 반사된다. 두 빛은 막의 두께만큼 다른 거리를 지나왔기 때문에, 어떤 색은 서로 마루가 겹쳐 밝아지고 어떤 색은 마루와 골이 만나 지워진다. 막의 두께가 곳곳마다 다르므로 보이는 색도 곳곳마다 달라진다.

두 번 반사된 빛

빛은 파동이다. 같은 파장의 두 빛이 만나면 마루와 마루가 겹치는 곳에서는 더 밝아지고, 마루와 골이 겹치는 곳에서는 어두워진다. 이를 간섭이라고 한다. 비눗방울에 닿은 햇빛의 일부는 바깥 면에서 바로 튕겨 나오고, 일부는 막 속으로 들어갔다가 안쪽 면에서 튕겨 나온다. 안쪽에서 반사된 빛은 막을 한 번 왕복한 만큼 더 먼 길을 간다.

이 추가 거리가 어떤 색의 파장과 딱 맞아떨어지면 그 색의 두 반사광은 서로 보강된다. 반대로 반 파장만큼 어긋나면 서로 지워진다. 햇빛에는 여러 색이 섞여 있으므로, 어떤 두께에서는 붉은빛이 지워져 푸른 기운이 남고, 다른 두께에서는 푸른빛이 지워져 노란 기운이 남는다. 우리가 보는 비눗방울의 색은 지워지고 남은 빛의 조합이다.

반사할 때 뒤집히는 파동

여기에는 한 가지 세부가 더 있다. 빛이 공기에서 비눗물처럼 빛이 느려지는 물질로 들어가며 반사될 때는 파동이 뒤집혀, 반 파장만큼 어긋난 것과 같은 효과가 생긴다. 반대로 비눗물 안에서 공기 쪽으로 반사될 때는 뒤집히지 않는다. 그래서 막이 아주 얇아 두 빛이 지나온 거리 차이가 거의 없을 때도, 두 반사광은 서로 반대 모양이 되어 모든 색에서 지워진다.

비눗방울이 터지기 직전 꼭대기가 검게 보이는 것은 이 때문이다. 막이 수십 나노미터 이하로 얇아지면 반사광이 거의 사라져 그 부분이 투명하게 비어 보이고, 어두운 배경 앞에서는 검은 점처럼 보인다. 검은 부분이 나타나면 그 비눗방울은 곧 터진다.

색이 흘러내리는 이유

비눗방울의 색은 가만히 있지 않고 계속 움직인다. 중력 때문에 비눗물이 아래로 흘러내려 꼭대기는 점점 얇아지고 아래쪽은 두꺼워진다. 표면의 물이 증발하면서 막 전체가 얇아지기도 하고, 공기의 흐름에 따라 막이 소용돌이치기도 한다. 두께가 변할 때마다 보강되는 색이 달라지므로, 무늬가 흐르고 색이 위에서부터 바뀌어 가는 모습이 보인다.

막의 두께	보이는 모습
아주 두꺼움	색이 섞여 거의 무색
수백 나노미터	선명한 무지개색 띠
수십 나노미터 이하	반사가 사라져 검게 보임

막이 지나치게 두꺼워도 색은 흐려진다. 두께가 클수록 여러 색이 동시에 보강되고 지워지는 조건을 만족하게 되어, 색들이 다시 섞이며 하얗게 보이기 때문이다. 그래서 막 두께가 빛의 파장과 비슷한 범위일 때 색이 가장 선명하다.

물웅덩이의 기름과 공작의 깃털

같은 원리는 주변에서 쉽게 볼 수 있다. 비 온 뒤 아스팔트 위 물웅덩이에 기름 한 방울이 퍼지면 무지개색 얼룩이 생긴다. 물 위에 아주 얇게 퍼진 기름막이 비눗물 막과 같은 역할을 한다. 안경과 카메라 렌즈에 입힌 반사 방지 코팅도 간섭을 이용한다. 코팅의 두께를 알맞게 정해 반사광끼리 서로 지워지게 하면, 렌즈 표면에서 반사되는 빛이 줄어 더 많은 빛이 렌즈를 통과한다.

생물도 이 방법을 쓴다. 공작의 깃털이나 일부 딱정벌레의 등껍질, 나비의 날개가 보는 각도에 따라 색이 바뀌는 것은 색소가 아니라 아주 작은 규칙적인 구조가 빛을 간섭시키기 때문이다. 이런 색을 구조색이라고 하며, 색소처럼 바래지 않는다는 특징이 있다.

남은 질문

비눗물 막이 왜 그렇게 얇게 늘어나면서도 한동안 버티는지는 표면에 늘어선 비누 분자의 성질로 설명된다. 그러나 막이 정확히 언제, 어디서부터 터지는지는 미세한 먼지, 증발, 막 속 흐름이 얽혀 있어 예측하기 어렵다. 막 속 흐름은 지구 대기의 소용돌이와 닮은 점이 있어, 비눗방울을 대기의 축소 모형으로 삼아 연구하는 실험도 이루어지고 있다. 아이들의 놀잇감이 유체역학의 실험실이 되는 셈이다.