첨단 광학기술이 만드는 '쉐도우 아트'

첨단 광학기술이 만드는 '쉐도우 아트'

코오스틱스 효과를 활용한 자유렌즈 기술

 

▲ 플렉시글래스 소재로 만든 허공에 떠있는 듯한 투명 수영장 ⓒdubai4U

두바이에 있는 인터컨티넨탈 페스티벌 시티 호텔은 ‘허공에 떠있는 듯한 투명 수영장’으로 유명하다. 이 수영장은 외관이 투명한 플렉시글래스(plexiglass) 소재로 처리돼 있어 마치 허공에 수영장이 떠 있는 것 같은 풍경을 연출한다고 한다.

흔히 아크릴 유리라고 불리는 플렉시글래스는 전통적인 유리보다 장점이 많은 투명한 물질로, 탄소와 수소, 그리고 산소의 결합으로 형성된 단순한 중합체이지만 여러 용도로 쓰인다.

내구성이 있으며 모양을 바꾸기 쉽기 때문에 초기에는 유리를 대신하여 사용할 수 있는 대안 물질로 간주되기도 했다. 최근에는 유리의 절반도 안되는 무게로 17배나 높은 강도를 가진 특성 때문에 플렉시글래스는 수족관이나 채광창 등 압력이 필요한 투명 물질로 유용하게 사용되고 있다.

그런데, 최근 스위스의 과학자들이 플렉시글래스에 첨단의 광학기술을 적용해 마치 마술과도 같은 ‘쉐도우 아트(shadow art)’ 기술을 개발했다는 소식이 전해져 화제가 되고 있다.

첨단 광학기술이 선보이는 쉐도우 아트

과학전문 매체인 뉴사이언티스트(NewScientist)는 온라인 판을 통해, 스위스 로잔공대(EPFL) 기하학 연구소의 과학자들이 빛이 물 표면이나 플렉시글래스같은 투명한 소재에 부딪혔을 때 나타나는 패턴인 ‘코오스틱스(caustics, 焦線)’ 효과를 제어하는 방법을 발견했다고 보도했다.

▲ 코오스틱스을 활용한 쉐도우 아트 ⓒEPFL

코오스틱스란 빛을 고체나 액체, 혹은 기체 등의 재질에 반사나 굴절, 혹은 산란 등의 방법으로 만들어지는 일정한 패턴으로서, 흔히 볼 수 있는 수영장 바닥에 반사되어 춤추는 듯 보이는 환한 빛무리를 떠올리면 된다.

뉴사이언티스트는 어두운 배경의 공간에서 두터운 플렉시글래스에 전등을 비췄을 때, 반대 쪽 배경 화면에 컴퓨터의 선구자인 앨런 튜링(Alan Turing)의 초상이 선명하게 나타났는데, 여기서 놀라운 사실은 플렉시글래스에 아무것도 내장되어 있지 않았으며, 플렉시글래스의 표면에도 인쇄된 흔적이 없었다는 사실이라고 보도했다.

로잔공대 연구진이 개발한 정교한 코오스틱스 알고리즘 덕분에, 선명하면서도 일관된 영상을 반영하는 투명 개체를 형성할 수 있었던 것으로 알려졌자. 연구진은 이런 현상이 나타나는 과정 중에 그 어떤 속임수도 들어있지 않다고 강조하면서 해답의 열쇠에는 플렉시글래스의 투명 재질도 포함된다고 설명했다.

현재, 코오스틱스 프로젝트의 공동 책임자인 마크 폴리(Mark Pauly) 박사는 “이 기술을 활용하여 우리는 원하는 어떠한 영상도 만들 수 있다”며, “별 모양 처럼 간단한 도형부터 시작하여 얼굴이나 풍경 같은 복잡한 이미지도 충분히 표현할 수 있다”고 덧붙였다.

흔히 접할 수 있는 코오스틱스 효과
코오스틱스 효과는 생소한 이름과는 달리 주위에서 흔히 볼 수 있는 현상이기 때문에 관찰하기도 쉽다. 가장 널리 알려진 사례로는 햇빛이 수영장을 비출때 주위의 타일이나 벽에 춤추는 형상이 만들어지는 현상으로서, 물 표면이나 웅덩이에 빛이 부딪쳤을 때 만들어진다.

▲ 다양한 각도의 조명으로 서로 다른 형상으로 그림자를 만드는 알고리즘이 개발됐다. ⓒEPFL

이런 현상은 빛 굴절로 설명될 수 있다. 빛이 투명한 표면과 부딪치면, 빛은 자신의 궤도를 계속 이어가려 하지만, 표면의 기하학적 구조나 물질의 광학적 속성 때문에 구부러지게 된다. 따라서 투과하는 빛은 균일하게 분산되지 못하고 특정 지점에 집중되어 좀 더 밝게 빛나거나 혹은 반대로 그늘진 영역을 만들게 된다.

폴리 박사와 그의 동료는 이런 분포의 원칙을 연구하여 빛이 원하는 곳으로 직접 갈 수 있도록, 표면에 가하는 곡선과 기복을 식별하는 연구를 하였다. 그리고 그 결과 연구진은 이 궤도를 정확하게 계산하고 특정 영상을 형성하는 알고리즘을 개발할 수 있었다.

폴리 박사는 “다양한 각도의 조명으로 서로 다른 형상으로 그림자를 만드는 물체를 설계할 수 있도록 알고리즘을 개발했다”며, “최근 개발한 유리로 만든 실험적 작품 중 하나는 빛을 위에서 비추면 앤디 워홀의 그림자가 나타나고, 어느 한 측면에서 비추면 마릴린 먼로가, 그리고 또 다른 측면에서 비추면 워홀의 스프 캔 이미지가 나타난다”고 밝혔다.

다양한 용도에 사용 될 자유렌즈 기술

코오스틱스 현상을 연구하는 것은 로잔공대뿐만이 아니다. 현재 독일 카이저슬로테른의 프라운호퍼 공업 및 산업 수학 연구소에서도 탐구중이다. 노르베르트 지이도우(Norbert Siedow) 박사와 그의 연구팀은 ‘자유렌즈(freedom lenses)’라 불리는 기술을 개발중인 것으로 알려졌다.

지이도우 박사의 설명에 따르면 “자유렌즈 기술이란 빛을 차단하는 대신 모으거나 굴절시키는 방식으로서, 같은 광원을 사용한다고 해도 기존의 조명보다는 더 밝으면서도 명암의 대비가 커지는 것을 말한다”며, “자유렌즈 개발의 기본이 되는 자유광학(freedom optics) 기술의 하나가 빛과 에너지를 보존하는 것으로, 이 기술은 사용하는 빛을 필요로 하는 곳에 낭비하지 않고 사용하는 것을 의미한다”고 설명했다.

▲ 유리 표면의 굴곡 방향에 따라 빛이 모아지거나 분산되면서 이미지의 밝기를 조절하게 된다 ⓒTU Vienna

단 하나의 광원으로 일반 조명과 스포트라이트 역할을 모두 해낼 수 있는 자유렌즈는 예를 들어 가정용 조명시 방 안을 고르지 못한 빛의 패턴으로 밝히기를 원할 때 유용하게 사용될 것으로 보인다.

가령 테이블 위라든가 편안한 안락의자 쪽은 환하게 하고 TV 근처는 보다 어둡게 비추기를 원할 때, 보통 같으면 이 경우 여러 개의 스포트라이트를 사용하거나 혹은 차단막과 렌즈 시스템을 하나의 광원 위에 드리워 사용하게 된다.

하지만 양 쪽 모두 빛과 에너지를 낭비하는 시스템인 것은 분명한데, 이를 대신해 자유렌즈를 하나의 중앙 광원에 적용하면 이 일을 모두 한번에 해낼 수 있게 된다.

이에 대해 지이도우 박사는 “자유렌즈 방식의 조명 제어는 박물관이나 극장, 그리고 자동차 헤드라이트 등에 유용할 것”이라고 예상하며, “특히, 자동차 헤드라이트의 경우는 전방을 보다 밝게 비추되 마주 다가오는 차량에게 비춰지는 빛은 줄일 수 있게 된다”고 언급했다.

한편, 뉴욕 로체스터대 광학연구소의 미구엘 알론소(Miguel Alonso) 박사도 “자유광학 기술은 다양한 용도의 렌즈 설계를 가능하게 할 것”이라며, “앞으로는 보다 소형이면서도 더 나은 성능의 영상 및 조명 시스템이 선을 보일 것”이라고 예측했다.

김준래 객원기자 | joonrae@naver.com 저작권자 2013.02.22 ⓒ ScienceTimes