청색기술의 스승: 생물모방과 현란한 무지갯빛 구조색 ②

구조색은 자연에서 영감을 얻은 혁신으로 의류, 화장품, 건축, 위조 방지 등 모든 분야에서 널리 활용되고 있다. 이번 2편에서는 우리가 가장 좋아하는 구조색을 활용하는 청색기술(생물영감 및 모방 기술) 산업화 사례를 소개하고자 한다.

생물모방 및 구조색의 7가지 적용 사례

① 스팍셀(Sparxell) - 차세대 색상 및 효과 제작

스팍셀이 개발한 반짝이, 동그란 옷 장식용 금속편, 필름용 신물질로 공작새 깃털의 구조색을 모방했다. [사진=Biomimicry]

영국에 본사를 둔 스타트업이자 2023년 '희망의 빛(Ray of Hope) 상을 받은 스팍셀은 식물성 셀룰로오스로 만든 생생한 금속과 같은 안료로 차세대 색상과 효과를 구현하는 데 주력하고 있다. 스팍셀은 식물성 셀룰로오스를 활용함으로써 채굴 및 합성 광물의 유해한 환경적, 사회적 영향 없이 생생한 금속과 같은 물감으로 차세대 색상과 효과를 구현한다.

화장품, 직물, 페인트, 포장재를 밝고 화려하게 만드는 데 사용되는 기존의 물질에는 금속이나 석유에서 추출한 성분이 포함되어 있는 경우가 많다. 예컨대, 가장 일반적인 물감인 이산화티타늄은 흰색을 띠는 색소로 치약부터 종이까지 다양한 제품에 사용된다. 이산화티타늄은 최근 발암물질로 인정되어 유럽연합(EU)에서 식품 및 의약품에 사용이 금지되었다. 일부 바이오 대체 물질이 있지만 그 때까지 비용 면에서 경쟁할 수 있는 제품은 없었다... 스팍셀이 등장하기 전까지는.

② 센트럴 플로리다 대학 - 세상에서 가장 가벼운 플라즈모닉 페인트

플라즈모닉 페인트 - 나비에서 영감을 받은 연구원들이 안료가 없는 새로운 페인트를 발명했다. 이 페인트는 합성 페인트의 위험한 영향으로부터 안전하게 지켜줄 뿐만 아니라 건물을 더 시원하게 유지해준다. [사진=Interesting Engineering]

이 플라즈모닉 페인트(Plasmonic Paint)는 세계에서 가장 가벼운 페인트이다.
미국 센트럴 플로리다 대학에서 개발한 이 페인트는 모르포(Morpho) 나비 날개에서 영감을 얻어 개발한 것으로, 일반적으로 보잉 747 비행기를 도색하는데 500kg의 페인트가 필요한데 이 플라즈모닉 페인트는 불과 1.5kg만 있으면 충분할 정도로 가볍다.

자연에서 영감을 얻은 이 대학 혁신가들은 이 기술을 통해 자동차와 비행기의 에너지 효율을 높일 수 있다고 말한다. 얼마나 효율적일까? 상업용 비행기에 1kg의 무게만 줄여도 제트연료를 연간 106kg까지 절약할 수 있어, 이렇게 되면 제트연료를 천문학적으로 절약하고 항공여행 시 탄소발자국(carbon footprint)을 줄이는 데도 큰 도움이 된다.

이 페인트는 알루미늄과 산화알루미늄으로 만들어져 나노 단위의 특정 구조를 만들어낸다. 그리고 내장된 색상은 시간이 지나도 변색이 없다. 또한 열을 덜 흡수하여 에어컨 사용량도 줄여준다. 이제 여러분 집에 칠하고 싶다면 망설일 필요가 없을 것 같다.

③ 메타머티어리얼즈 - 화려함 속의 '컬러옵틱' 위조 방지 장치

나노 기술을 적용한 컬러옵틱은 미세구조를 사용하여 제품을 보호하고 위조를 어렵게 만든다.

도전 과제

매년 위조(僞造)로 인한 피해로 미국에서만 기업과 정부가 수십 억 달러의 비용을 지출하고 있다고 알려져 있다. 여권, 지폐, 면책 증명서, 신분증 및 납세 인지는 모두 위조 방지를 위해 보안을 강화해야 한다. 그래서 캐나다의 메타머티어리얼즈(MetaMaterials)사는 위조 방지용 보안 조치를 할 수 있는 방법을 모색했다.

솔루션

이 회사가 개발한 '컬러옵틱(KolourOptik®)'은 하위 파장(sub-wavelength)의 미세한 나노구조를 이용하여 고유하고 사용자 정의가 가능한 보안 기능을 만들어 이 문제를 해결했다. 이러한 기능은 뚜렷한 시각 효과를 만드는데, 컬러옵틱의 순수한 플라즈몬 컬러 화소(畵素ㆍpixel)는 나비 날개에서 발견되는 나노구조를 모방하여 구조색을 구현한다. 그 결과 복제하기 매우 어려운 풀 컬러의 3차원 깊이의 움직임을 제공하는 탁월한 식별 방법을 탄생시켰다.

주요 특징

다목적성: 두께가 5마이크로미터(㎛ㆍ1㎛=백만분의 1미터) 미만이며 지폐 및 기타 안전한 정부 문서에 사용된다.
다양한 응용 분야: 이 나노기술을 아크릴 인쇄의 극치를 보여주는 '루마크롬(LumaChrome®)에 적용하여 포장 및 의약품과 같은 소비자 제품의 라벨을 만드는 데까지 사용을 확장했다.

요컨대, 혁신적인 컬러옵틱은 다양한 부문에서 위조를 방지하기 위한 효과적이고 다재다능한 솔루션을 제공함으로써 중요한 문서와 소비자 제품의 무결성을 보장한다.

④ 사이프리스 머티어리얼즈 - 지속가능한 차세대 색상 페인트

사이프리스 머티어리얼즈사는 제조, 적용 및 배합을 단순화하는 동시에 지속가능한 차세대 색상을 제공하고 있다.

작동 원리 : 미국 캘리포니아주 버클리에 소재한 사이프리스 머티어리얼즈(Cypris Materials)사가 개발한 페인트는 투명한 백색 결정(crystal)의 두 가지 다른 조합으로 시작한다. 이 결정 역시 모르포 나비 기반의 파란색과 빨간색의 고체 폴리머(polymer)를 형성하게 된다. 이 페인트를 개발하기 위해 결정체를 유기 용매와 혼합하여 투명한 페인트가 될 때까지 녹인 다음 이 투명한 페인트를 표면에 도포한다. 그리고 페인트가 마르면서 용매가 용해되고 고체 폴리머가 모르포 나비의 날개처럼 작용하는 나노구조를 형성하여 파란색 또는 빨간색의 구조색을 제공한다.

장점 : 이 회사는 파란색과 빨간색 고체를 형성하는 두 가지 유형의 결정을 용매에 첨가하기 전에 서로 다른 비율로 조합하여 무지개의 모든 색상을 만들 수 있다. 비율에 따라 주황색, 노란색, 녹색 또는 보라색으로 조합할 수도 있다.

이 페인트는 브러시 사용 페인트와 스프레이 페인트 형태로 제공되며 캔버스에서 집 벽에 이르기까지 모든 것을 코팅하는 데 사용할 수 있다. 또한 구조색으로 만들어진 페인트는 독성이 전혀 없기 때문에 인체에 매우 해로운 장기 시스템의 손상, 신경계 손상, 피부암 발병 등과 같은 영향을 미칠 수 있는 무기질 물감과 염료가 불필요하다. 결과적으로 이 페인트는 소비자에게 매우 친환경적이고 지속가능한 건강을 보장한다.

한편, 사이프리스 머티리얼즈의 공동 창업자이자 노벨상 수상자인 로버트 그럽스(Robert Grubbs) 박사는 사이프리스 머티리얼즈의 구조색 물질인 코폴리머(copolymer) 생산에 사용되는 '고리 모양의 개방형 메타테시스 중합체(ROMP: Ring Opening Metathesis Polymerization)'를 개발한 바 있다.

⑤ 임파서블 머티어리얼즈 - 사이포칠러스 딱정벌레에서 영감 얻은 무독성 초백색 페인트

이제는 전 세계적으로 독성 화학물질 사용과 작별할 때가 된 것 같다. 바로 이번에 소개하는 혁신적인 무독성 초백색 소재 때문이다.

이산화티타늄(TiO₂)은 업계에서 가장 인기 있는 흰색을 만드는 데 널리 사용된다. 하지만 이것은 치명적인 성분을 함유하고 있다. 그런데 다행히도 영국 회사 임파서블 머티리얼즈(Imposssible Materials)의 연구팀이 더 좋고 안전한 흰색 물감을 만드는 방법을 찾아냈다. 연구팀은 초백색의 '사이포칠러스 딱정벌레(Cyphochilus beetle)'를 연구하여 백색광만 반사하는 딱정벌레 피부 내부의 나노구조를 모방하고 셀룰로오스 분자 사슬 내부에 이를 복제했다.

⑥ 퓨전 바이오닉 - 자연에서 영감 얻은 나노 규모의 표면 질감 구현

독일의 퓨전 바이오닉(Fusion Bionic)은 자연에서 영감을 받은 새로운 마이크로 및 나노급 표면 질감으로 이 분야에서 새로운 문을 연 회사이다. 제대로 된 표면 질감은 항공기의 결빙 방지부터 상어 피부의 상아질과 유사한 항균 기능을 갖춘 의료 제품에 이르기까지 무한한 가능성을 가지고 있다. 이 회사는 '직접 레이저 간섭 패터닝(DLIP: Direct Laser Interference Patterning) 장비를 사용하여 레이저로 생성된 기능성 표면 마감재(texture)를 제작하고 있다.

⑦ 워울파이버스 - 차세대 기능성 단백질 섬유

2018년 미국 뉴욕에서 스타트업으로 사업을 시작한 워울파이버(Werewool Fibers)는 자연에서 발견되는 단백질을 사용하여 독성 화학물질이나 염료를 사용하지 않고도 색상을 내는 생분해성 섬유를 만든다.

단백질은 피부, 근육, 머리카락 등 모든 것에서 발견되는 생명의 구성 요소이다.

이 회사는 DNA 수준에서 지속가능한 섬유를 설계하고 있다. 색상, 수분 관리, 신축성 등 섬유 고유의 특성을 통해 오늘날 소비자의 요구를 충족시켜주고 있다.

워울파이버 연구팀은 산호류의 일종인 디스코소마( Discosoma)에서 발견되는 붉은 형광 단백질과 같이 자연에서 발견되는 단백질 구조를 식별해내고 있다. 그런 다음 이 단백질에 의존하는 섬유를 배양하여 탄소 배출이 적은 무독성 염료와 마감재, 비(非)석유 기반 합성직물을 만든다.

왜 그렇게 훌륭한 구조색이 모든 곳에 적용되지 않을까?

좋은 질문이다. 이러한 나노 및 마이크로 크기의 구조는 복잡하고 이를 재현하는 것이 복잡하고 시간도 많이 소요되기 때문이다. 대부분의 경우, 지금까지는 구조색을 만들 수 있는 능력도 부족했던 것이 사실이다.

따라서 기존의 표준 컬러/전통 염료를 대체하려면 제조 공정을 단순화해야 한다.

기존의 염료 수준에 맞춰 비용을 절감하고 연속적인 대량생산의 요구 사항을 충족하는 것은, 생산의 복잡성과 밀접한 관련이 있는 중요한 다음 단계이다.

제조 공정의 단순화, 비용 절감, 효율성 증대, 성능 향상은 구조색 섬유 및 직물의 연구와 실용화를 위한 네 가지 중요한 방향이라 할 수 있다.

구조색의 장단점

구조색의 장단점은 다음과 같이 나열할 수 있다.

장점:

매우 가볍다
변색되지 않는다
열을 덜 흡수한다
무독성 및 환경친화적이다
초박형이다
광범위하게 적용 가능하다
탄소 배출, 폐기물 및 화학물질의 사용이 감소된다

단점:

제작이 어렵다
제작이 비효율적이다
비용이 많이 든다

그런데 이러한 단점들은 '현재'라는 전제가 필요하다. 빠르게 발전하는 기술로 인해 이러한 제조상의 어려움이 조만간 사라질 가능성이 높다.