일반적으로 색깔을 표현하기 위해서는 가시광선 내의 특정 파장의 빛을 흡수하는 화학 색소가 필요하다. 그런데 KAIST 연구진이 화학 색소를 사용하지 않아 친환경적이며, 변색이나 퇴색 없이 컬러 그래픽을 영구 보존할 수 있는 초정밀 컬러 그래픽으로 조선시대 ‘일월오봉도’를 구현하는데 성공했다.

KAIST(총장 이광형)는 생명화학공학과 김신현 교수 연구팀이 반구 형태의 미세구조를 이용해 화학 색소를 전혀 사용하지 않고 고해상도의 컬러 그래픽을 구현하는 기술을 개발했다고 26일 밝혔다.

영롱한 파란색을 띄는 몰포 나비나 피부색을 바꾸는 팬서 카멜레온은 화학 색소 없이도 발색하는데, 이는 물질을 이루는 규칙적인 나노구조가 빛의 간섭 현상을 통해 가시광선의 빛을 반사해 나타나는 구조색이다. 구조색은 물질이 아니라 구조에 따라 색깔이 달라지기 때문에 한가지 소재로도 다양한 색깔을 나타낼 수 있다.

그러나 구조색 발색을 위한 규칙적인 나노구조는 인공적으로 구현하기 위한 기술적 난이도가 높고, 다양한 색 표현이 어려울 뿐만 아니라 다양한 색을 정교하게 패턴으로 나타내기 매우 어렵다.

김신현 교수 연구팀은 규칙적인 나노구조 대신 부드러운 표면을 갖는 반구 형태의 미세구조만을 이용해 다양한 구조색을 높은 정밀도로 패턴화할 수 있는 새로운 기술을 개발했다.

뒤집어진 반구 형태의 미세 구조체에 빛이 입사할 때 측면으로 입사한 빛은 곡면을 따라 전반사돼 재귀반사가 일어나게 된다. 이때 반구의 직경이 10마이크로미터 내외(머리카락 굵기의 10분의 1 수준) 일때 재귀반사가 일어나는 서로 다른 경로의 빛이 가시광선 영역에서 간섭해 구조색이 나타난다.

구조색은 반구의 크기에 따라 조절 가능하며, 팔레트에서 물감을 섞듯 서로 다른 크기의 반구를 배열함으로써 발현 가능한 색을 무한히 늘릴 수 있다.

연구팀은 다양한 크기의 반구형 미세구조를 정밀하게 패턴화하기 위해 반도체 공정에 사용되는 양성 감광성 고분자를 광식각법을 통해 미세기둥 형태로 패턴화한 다음 온도를 올려 감광성 고분자의 리플로우를 유도함으로써 반구형 미세구조를 형성했다.

이러한 방식을 이용하면 원하는 크기와 색깔을 갖는 반구형 미세구조를 원하는 위치에 미리 설계한 방식대로 단일 단계에 형성할 수 있으며, 임의의 컬러 그래픽을 색소 없이 단일 물질만을 이용해 재현해 낼 수 있다.

색의 영구 보존이 가능한 초정밀 컬러 그래픽 기술은 빛의 입사 각도나 시야 각도에 따라 변색이 가능하며, 패턴의 한쪽 방향으로만 색깔을 보이며, 반대편으로는 투명한 야누스 형태의 특징을 갖는다. 이러한 구조색 그래픽은 최신 LED 디스플레이에 준하는 높은 해상도를 가지며 손톱 크기에 복잡한 컬러 그래픽을 담을 수 있고, 이를 대면적 스크린에 프로젝션도 가능하다.

연구를 주도한 김신현 교수는 “새롭게 개발한 무색소 컬러 그래픽 구현 기술이 향후 예술과 접목해 새로운 형태의 예술 작품을 표현하는 참신한 방법이 될 수 있으며 광학 소자 및 센서, 위변조 방지 소재, 심미성 포토카드 등을 포함한 광범위한 분야에 적용할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

KAIST 손채림 연구원이 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 재료 분야의 권위있는 국제학술지‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’ 2월 5일 자에 게재됐다. (논문명: Retroreflective Multichrome Microdome Arrays created by Single-Step Reflow, 단일 단계 리플로우 공정을 이용한 재귀반사형 다색 미세돔 배열 설계, DOI:10.1002/adma.202413143)

이번 연구는 한국연구재단의 미래융합파이오니어사업 및 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다.