색 생성을 위한 구조적 흡수. (A) 많은 화학 물질은 분자 전자 전이와 일치하는 주파수를 선택적으로 흡수하여 색을 생성한다. 포모사 진달래의 분홍색은 시안화 분자의 흡수에 의한 것이다. (B) 구조적 착색의 예는 페루의 모포 디디우스에서 발견된다. 날개에서 발견되는 라멜라 나노 구조는 입사광의 파란색 성분을 산란시켜 특유의 금속성 파란색을 생성한다. (C) 산화물 코팅 거울 위에 금속 나노섬이 자체 조립되어 형성된 서브파장 플라즈몬 공동은 특정 파장을 선택적으로 흡수하고 다른 파장을 강하게 역반사하여 색을 생성한다.
“화려한 꽃, 새, 나비부터 물고기, 두족류 같은 수중 생물에 이르기까지 자연계의 다양한 색상과 색조는 놀랍습니다. 구조적 색은 일반적으로 두 가지 무색 재료의 기하학적 배열이 모든 색을 생성하는 매우 생생한 여러 종에서 기본 색 생성 메커니즘으로 작용합니다. 반면에 인공 색소를 사용하면 모든 색을 구현하기 위해 새로운 분자가 필요합니다.”라고 찬다는 프로젝트를 설명한다.
이러한 생물학적 영감을 바탕으로 찬다의 연구팀은 무색 물질인 알루미늄과 나노 크기의 구조 배열을 활용한 플라즈몬 페인트를 개발했는데, 이 페인트는 안료 대신 무색 물질인 알루미늄과 산화알루미늄의 나노 단위 구조 배열을 활용하여 색을 만들어낸다.
안료 착색제는 안료 재료의 전자적 특성에 따라 빛 흡수를 제어하므로 모든 색에 새로운 분자가 필요한 반면, 구조 착색제는 나노 구조의 기하학적 배열에 따라 빛이 반사, 산란 또는 흡수되는 방식을 제어한다.
이러한 구조적 색은 인공 합성 분자를 사용하는 기존 안료 기반 색과 달리 금속과 산화물만 사용하기 때문에 환경 친화적이다.
연구원들은 구조적 컬러 플레이크와 상업용 바인더를 결합하여 모든 색의 오래 지속되는 페인트를 만들었다.
“색소가 광자를 흡수하는 능력을 잃기 때문에 정상적인 색이 희미해집니다. 여기서는 그런 현상에 구애 받지 않습니다. 구조적 색으로 무언가를 칠하면 그 색은 수세기 동안 유지될 것입니다.” 또한 플라즈모닉 페인트는 전체 적외선 스펙트럼을 반사하기 때문에 페인트에 흡수되는 열이 적기 때문에 아래 표면이 표준 상업용 페인트로 덮여 있을 때보다 화씨 25~30도 더 시원하게 유지된다고 연구진은 설명한다.
“미국 전체 전력의 10% 이상이 에어컨 사용에 사용됩니다. 플라즈모닉 페인트가 약속하는 온도 차이는 상당한 에너지 절감으로 이어질 것입니다. 냉방에 사용하는 전력을 줄이면 이산화탄소 배출량도 줄어들어 지구 온난화도 완화할 수 있습니다.”
플라즈모닉 페인트는 또한 매우 가볍다고 연구진은 말한다.
이는 페인트의 넓은 면적 대 두께 비율 덕분으로, 150나노미터에 불과한 페인트 두께로 완전한 색을 구현할 수 있어 세계에서 가장 가벼운 페인트라고 찬다는 설명한다. 플라즈모닉 페인트는 매우 가벼워서 보통 1,000파운드 이상의 일반 페인트가 필요한 보잉 747을 약 3파운드의 플라즈모닉 페인트만으로 도색할 수 있다고 한다. 찬다의 구조적 색에 대한 관심은 나비의 생동감에서 비롯되었다고 한다.
“어렸을 때부터 항상 나비를 만들고 싶었습니다. 색이 제 흥미를 끌었죠.”라고 그는 말한다.
향후 연구
찬다는 이 프로젝트의 다음 단계로 상업용 페인트로서의 가능성을 높이기 위해 페인트의 에너지 절약 측면을 더 탐구할 것이라고 한다.
“기존의 안료 페인트는 수백 갤런의 페인트를 만들 수 있는 대규모 시설에서 만들어집니다. 현재로서는 스케일업 과정을 거치지 않는 한 학술 연구소에서 생산하기에는 여전히 비용이 많이 듭니다.”
“무독성, 냉각 효과, 초경량 등 기존 페인트가 제공할 수 없는 차별화된 기능을 제공해야 합니다.”라고 찬다는 향후 연구 과제에 대해 밝힌다.
