나비 날개의 색깔은 화려한 색깔을 띄고 있다. 색깔은 앞서 물체 고유의 에너지 간격으로 가시광선대의 진동수를 가진 에너지 준위의 파장대를 흡수하면서 열로 바뀌고 나머지를 방출하는데 방출하는 색이 우리가 보는 색깔로 나타난다.이런 물질들을 색소라고 부른다. 자세한 내용은 Scandal 1 (Part 1, Part 2) 에서 확인해 보기 바란다.
Scandal 1 ( Part 1). 빛은 왜 검은색에서 흡수되고 흰색은 반사 할까?
흔히들 검은색은 흡수하고 흰색은 반사시킨다고 한다.그런데, 검은색이라서 흡수하고 흰색이라서 반사하는 것이 아니다.주객이 전도된 표현이다.정확한 표현은 빛이 다 흡수가 되면 검은색으
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Scandal 1 (Part 2). 빛은 왜 검은색에서 흡수되고 흰색은 반사 할까?
Part 1에 이어서 그 원리를 보어의 원자 모델에서 알아보도록 하자 Part 1 1. 빛은 어떠한 색깔을 가지고 있을까? 2. 색깔은 어떻게 나타나는 걸까? 3. 빛은 어떻게 흡수 되는것일가?
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위의 나비는 남미에 서식하는 Morpho 나비로 인위적으로 만들수 없는 푸른빛의 날개를 가지고 있다. 과학자들은 이 나비 날개의 색깔을 사용하고 싶어서 나비 날개의 물질을 채취할려고 하였으나, Morpho 나비의 날개 색이 채취할려고 알코올을 붙는 순간 파란색이 초록색으로 변하였다. 물은 구슬 모양으로 솟아오르고 처리되지 않은 나비 날개에서 굴러다닌다.
그러면 Morpho 나비 날개의 구조를 살펴보자. Morpho 나비 날개는 비늘처럼 형성된 Scale로 형성되어 있고 Scale은 높이 2um 높이의 세로로 약 700nm 간격으로 세워져 있는 Ridge(산등성이) 구조로 되어 있다. 이 Ridge는 수십나노의 주름으로 이루어진 lamella 구조로 이루어져 있다.
Morpho 나비의 Scale의 Lamellae의 나노 구조들이 회절 격자 형태 역할을 해서 윗면에서 아래로 내려 가만서 반복적으로 반사하고 투과되면서 간섭이 일어나면서 파란색 빛만 반사하게 된다. Lamellase와 같이 나노사이즈의 규칙적인 배열의 기하학적 형태를 광구조(Photonic Structure)라고 부르고 이러한 매우 정교하고 독특한 광구조는 구조색(Structural color)을 띄게 된다.
1. 구조색 (Structureal coloration)
2. 광결정 (Photonic crystal)
3. Morpho 나비의 광결정에 의한 구조색
4. 광결정을 이용한 구조색 응용 제품
1. 구조색 (Structural coloration)
구조색(Structural coloration)은 가시광선에 영향을 줄 만큼 미세한 구조물 표면(수nm~수백nm) 에 의한 광결정 구조에서 색이 생성되는 것이다. 이러한 현상은 동물이나 생물이 색소 대신 구조색으로 색깔을 나타내고 아래 종류들이 이에 해당한다.
새의 깃털이나 나비의 비늘과 같은 동물에서는 회절 격자, 일부 고기 부위에서는 근육 섬유의 주기적인 배열, 소수의 식물에서는 세포 내의 구조에 의한 화려한 색상 등으로 다양한 광자 메카니즘에 의해 간섭이 생성된다.
구조색은 1665년 로버트 훅의 저서 <<Micrographia>> 에서 "공작의 환상적인 색상"으로 표현하면서 물에 의해 이러한 색상이 파괴되어 빛의 굴절에서 직접 발생하는 색상이라고 표현하였다.
이후 뉴턴은 로버트 훅과의 관계로 훅이 세상을 떠난 후 1704년에 "Opticks"(지금의 광학의 시초)에서 공작 꼬리 깃털의 갈색 색소 이외의 색상 메커니즘을 언급하였다.
그 원리에 대해서는 1803년 토마스 영의 유명한 이중 슬릿 실험에 의해 빛이 파동이라는 사실을 증명함으로써 뉴턴의 빛 입자 이론이 확장되었고, 날카로운 모서리나 틈에서 회절되어 간섭 무늬를 만들수 있음을 보여 주었다.
또한 파동 간섭은 두개 이상의 얇은 필름에 빛이 들어 오고 나갈때 굴절률에 의해 반사되는 간섭의 파장 Shift 되면서 빛의 보강 간섭과 상쇄 간섭으로 무지개 빛을 설명한다.
관련해서는 Scandal 15 (Part 2) 에서 비눗방울의 무지개색에 대해서도 설명되어 있다.
Scandal 15 (Part 2). 비눗방울은 왜 무지개색이 변하고 있을까?
비눗방울의 무지개 색이 나타나고 변하는 원인에 대해서 Part 1 에 이어 Part 2에 대해서 알아보자 Part 1 1.비눗방울 형성원리 2. 물방울은 왜 오래 유지 할수 없을까? 3. 비눗방울은 왜 둥글
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2. 광결정 (Photonic crystal)
광결정은 굴절률이 주기적 으로 변하는 광학적 나노구조물로 인해 구조적 착색 및 동물 반사체 의 형태로 자연에서 발생을 기반으로 인공적으로 다양한 응용분에 연구되고 있는 분야 이다. 광결정은 1차원, 2차원, 3차원 구조가 존재할수 있다. 1차원 광결정은 서로 다른 박막층이 적층된 형태로 유전체 거울의 지정된 파장에서 초고반사 거울로 활용된다. 2차원은 포토리소그라피를 사용하여 기판에 구멍을 뚫은 형태로 광결정 섬유로 광섬유 통신에 사용 된다. 3차원 결정은 다양한 각도에서 드릴링하거나 2D layer로 쌓아서 형성 하는 구조로 광학 컴퓨팅이나 광전지에 사용할수 있다고 한다.
빛의 에너지는 광자 라는 단위로 양자화되지만 광결정 분석에는 고전 물리학 이론으로 해석된다. "Photonic"은 빛( 광학 ) 및 광학 공학 연구를 위한 현대 명칭인 포토닉스 (photonics)에 유래되었고, 광결정이라고 부르는 것에 대한 최초의 연구는 1887년 영국의 물리학자 레일리 경( Lord Rayleigh) 이 주기적인 다층 유전체 스택을 실험하여 1차원에서 광자 밴드갭에 영향을 미칠 수 있음을 보여 주었다.
그후 1987년 Eli Yablonovitch 와 Sajeev John이 현재 광결정이라고 불리는 1차원 이상의 주기적인 광학 구조에 대한 연구를 시작하면서 연구 관심이 커지게 되었다.
빛을 가두는 결정체 기술로 빛의 굴절률이 주기적으로 변화하는 나노 구조체는 내부에 입사하는 빛을 나노 구조를 통해 제어함으로써 빛을 매체로 삼는 양자 컴퓨터를 만들 수 있다.
3. Morpho 나비의 광결정에 의한 구조색
Morpho 나비의 Scale의 Lamellae 광결정 구조에 의해 구조색을 나타낸다. 2001년 엑서터 대학교의 Pete Vukusic는 나비의 푸른색이 광학 간섭으로 인해 발생한다는 사실을 발견했고, scales은 다양한 거리를 이동하도록 빛을 반사하는 다층 구조를 가지고 있다는 것을 발견했다.
Morpho 나비의 날개의 미세한 구조물인 다층의 회절격자 형태로 구성되어 입사한 빛은 윗면에서 아래로 내려 가면서 각 계층(Cuticle) 에서 반복적으로 반사를 하고 다시 위로 올라가게 되면서 상단과 하단표면에서 반사된 빛이 전체 파장 수의 이동거리를 가져서 보강 간섭이 가질수 있는 두께로 되어 있고, cuticle의 굴절률이 n=1.56 정도로 공기의 굴절률 n=1.0 보다 높아서 고굴절(cuticle)에서 저굴절(공기)로 갈때 강한 반사를 일으킨다.
반사 표면의 평면에 의해 간섭 무늬가 생성된다. 단색 광원에서 나온 광선은 Cuticle 를 통과하여 그 아래 Cuticle의 상면과 그 위 Cuticle의 바닥표면 모두에서 반사된다. 표면 사이의 작은 간격이 다르게 되면 반사된 두 광선의 경로 길이가 다르게 된다. 또한 바닥판에서 반사된 광선은 180° 위상 반전으로 경로차가 λ/2의 홀수배인 위치에서는 파동이 강화된다. 경로 차이가 λ/2의 짝수 배수인 위치에서는 파동이 상쇄된다. 표면 사이의 간격은 지점마다 너비가 약간 다르기 때문에 일련의 밝고 어두운 띠, 즉 간섭 무늬가 교대로 나타나면서 색깔이 나타나게 된다.
이때 각 계층에서 반사한 각각의 빛은 간섭이 일어나는데, 빛의 파장, 입사각 및 반사각에 따라 위상이 서로 달라지게 된다. 또한 Lamellae의 상단이나 날부분에서 산, 회절특성과 ridge 간의 간섭을 줄이고 회절 특성을 최대화하고 반사 각도 의존성을 줄이기 위해 ridge의 높이를 엇길린 배치로 구성되어 있다.
결과적으로 ridge 각각의 cuticle 의 반사에 의한 간섭효과로 중첩된 빛의 세기가 제각각 지며 관찰자가 보는 방향에 따라 구조색이 달라질 수 있으나, 다양한 각도에서 유사한 색을 나타내기 위해 서로 다른 배치로 구성되어 있어 실제로 보는 방향이 달라져도 Morpho 나비 날개의 색은 놀라울 정도로 일정하다.
자연계에서는 같은 나비라도 Morpho나비의 광결정 구조가 아닌 다른 구조로 다른 구조색을 나타내는 경우도 있고, 다른 생물도 다른 광결정 구조로 다른 구조색을 나타낸다. 아래는 비단벌레의 광결정 구조와 구조색, 나비 종류별 광결정 구조에 따른 구조색이 다르다는것을 알수 있다.
이런 자연계의 현상을 모방하여 과학계에서는 다양한 연구를 진행하고 있다.
4. 광결정을 이용한 구조색 구현 제품
1. 공작의 구조색 기반 응용
Sparxell은 식물 기반 셀룰로오스에서 추출한 생생한 금속 유사 안료를 사용하여 차세대 색상과 효과를 화장품, 직물, 페인트, 포장을 밝고 다채롭게 만드는 데 연구를 하고 있다.
2. 나비의 구조색을 응용
플라즈모닉 페인트(Plasmonic Paint) - 나비에서 영감을 받아 색소가 없는 새로운 페인트를 발명하였다.
3 . 위조 방지
나비 날개에서 발견되는 나노 구조를 모방하여 파장 이하의 나노 구조/미세 구조를 사용하여 순수 플라즈몬 컬러 픽셀을 구현 색상을 생성한다. 그 결과 복제가 극도로 어려운 풀 컬러, 3D 깊이 및 움직임을 제공하는 뛰어난 식별 방법이 만들어질수 있다.
References
1. Brittany A. Bober, "Investigating Nanoscopic Structures on a Butterfly Wing To Explore Solvation and Coloration", Journal of Chemical Education 2018 95 (6), 1004-1011, DOI: 10.1021/acs.jchemed.7b0046
2. Mohamed Ragaei, "Role of Color Interference on the Insect‟s Cuticle Coloration" International Journal of Science and Research (IJSR), Vol.4., Issue 6, June 2015
3. Haider Butt, "Morpho Butterflies : Morpho Butterfly-Insplired Nanostructrues", Advanced Optical Materials 4/2016, https://doi.org/10.1002/adom.201670018
4. Jiyu Sun et al., "Structural coloration in nature, RSC Advances", 2013.3.14862
7. Kolle, M., Steiner, U. (2012). Structural Color in Animals. In: Bhushan, B. (eds) Encyclopedia of Nanotechnology. Springer, Dordrecht. https://doi.org/10.1007/978-90-481-9751-4_384
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