▲ 화려한 색깔을 자랑하는 공작새(사진-위키피디아)

자연에 존재하는 나비의 날개, 공작새의 깃털, 카멜레온의 몸, 오팔 보석 등은 휘황찬란한 색깔을 자랑한다. 색깔의 미묘한 변화가 신비스러움을 자아낸다. 나비나 공작새가 아름답고 변화무쌍한 색깔을 갖고 있는 것은 그런 색소를 갖고 있기 때문이 아니라 나노 크기로 이뤄진 표면의 구조에 있다. 이 같은 현상을 흔히 ‘구조색(structural coloration)’이라고 부른다. 빛의 간섭(light interference) 또는 빛의 산란(scattering light)으로 인해 자연계에는 현란한 색깔을 갖고 있는 동물이나 광물들이 존재한다.

과학자들은 자연계에 존재하는 구조색을 물체에 구현하기 위해 ‘광자결정(photonic crystal)’에 관한 연구를 오랫동안 해왔다. 광자결정(photonic crystal)이란 굴절률이 다른 물질이 규칙적으로 쌓인 3차원 결정체를 의미한다. 빛이 들어오는 방향에 따라서 반사되는 빛의 색깔이 다르게 보인다. 광자결정 기술을 정밀하게 구현할 수 있다면 휘황찬란하고 화려한 빛깔의 물체를 만들어낼 수 있다.

▲ 3D프린터를 이용해 다양한 색깔을 갖고 있는 카멜레온 모형을 제작했다.

과학 전문 매체인 ‘피즈닷오알지(Phys.org)’에 따르면 미국 일리노이대(어반-샴페인 캠퍼스) 잉 디아오(Ying Diao) 교수 연구팀은 광자결정의 원리를 이용해 단일의 잉크 재료로 다양한 색깔을 구현할 수 있는 3D 프린팅 기술을 개발하고 연구 성과를 전문 저널인 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 발표했다.

연구팀은 나노 수준으로 구조화된 폴리머의 조립 과정을 세심하게 조정하는 방식으로 광자결정을 만들고 단일 잉크에서 여러 색깔을 구현하도록 했다. 폴리머는 2개의 화학적으로 분리된 요소를 갖고 있으며 서로 접합되어 있다. 연구팀은 3D 프린팅 작업을 하기 전에 재료를 폴리머 체인으로 연결해주는 용액을 만들었다. 용액은 3D 프린팅후 건조 단계를 거치면 조립의 속도에 따라 서로 다른 속성을 갖는 나노 구조의 층(layer)들을 형성한다. 매우 얇은 나노 구조 층들이 어떻게 생기는가에 따라 빛의 간섭이 달라진다.

연구팀은 ‘폴리머 결합시 가장 큰 도전 과제는 나노 구조의 조립에 필요한 '정밀성'과 3D프린팅에 필요한 대량의 재료 생산을 결합하는 것에 있었다“고 말했다. 연구팀은 일반 상업용 3D프린터를 개조하고 조립의 속도와 잉크의 온도를 제어하는 방식으로 변화를 줘 3D 프린팅 공정을 수행하도록 했다.

연구팀이 현재 이 기술로 구현할 수 있는 색깔은 제한되어 있다. 앞으로 멀티 레이어의 형성을 통해 보다 다양한 색깔을 구현할 수 있도록 한다는 계획이다.