염료 없이 고흐의 ‘별이 빛나는 밤’ 그렸다…더 선명한 구조색 구현

△ 나노입자 잉크로 다시 그린 ‘별이 빛나는 밤’. 왼쪽은 만년필로 그리는 모습, 오른쪽은 완성한 그림이다. 고흐의 원작을 모티프로 연구진이 직접 그리고 촬영했다. 왼쪽과 오른쪽 눈금은 각각 1cm와 6cm다

영원히 바래지 않는 그림을 만들 수 있을까. 고려대학교(총장서리 정순영) KU-KIST융합대학원/융합에너지공학과 이승우 교수 연구팀이 금과 셀레늄을 결합해 색의 선명도를 높인 구조색 나노안료를 개발했다.

일반 염료는 빛에 노출되면 염료 분자가 분해돼 시간이 지날수록 색이 바랜다. 반면 나비 날개나 공작 깃털처럼 물질의 미세한 구조가 특정 파장의 빛을 반사하는 원리를 이용한 구조색은 염료 분자에 의존하지 않아 색을 오래 유지할 수 있는 대안으로 주목받는다. 그러나 기존 단일성분 구조색 안료는 빛에 반응하는 파장 범위가 넓어 특정한 색을 선명하게 구현하는 데 한계가 있었다.

연구팀은 이를 극복하기 위해 금으로 만든 나노입자를 셀레늄으로 감싼 ‘코어-셸(Core–Shell)’ 구조를 설계했다. 금 중심부와 셀레늄 껍질이 빛에 반응하는 과정에서 서로 간섭하도록 만든 것이다. 이러한 ‘파노형 간섭’으로 특정 파장에 대한 반응을 뚜렷하게 만들고, 단일성분으로 만든 입자보다 색순도를 높이는 동시에 표현할 수 있는 색의 범위를 넓혔다.

*파노형 간섭: 빛에 대한 서로 다른 반응이 간섭하면서 특정 파장에서 빛의 반응이 강화되거나 억제되는 현상 

*색순도: 무채색의 영향을 받지 않고 특정 색이 얼마나 순수하게 표현되는지를 나타내는 지표

특히, 특정 파장의 빛에 얼마나 선택적으로 반응하는지를 나타내는 품질계수(Q-factor) 값이 최대 약 15로 나타났다. 기존 구조색 안료에 사용되는 금 나노입자의 품질계수가 일반적으로 10 미만인 것과 비교하면, 연구팀이 개발한 나노안료가 더욱 선명한 색을 구현할 수 있다는 의미다. 

△ 같은 나노입자에서 나타나는 두 가지 색. 각 시료를 빛이 통과하도록 관찰한 색(왼쪽)과 반사된 빛으로 관찰한 색(오른쪽)이다. 금 중심부의 크기와 셀레늄 껍질의 두께를 조절하면 색을 바꿀 수 있다

연구팀은 개발한 안료를 물 기반 잉크로 만들어 만년필에 넣고, 빈센트 반 고흐의 명화 ‘별이 빛나는 밤’을 종이에 직접 그렸다. 또 자외선을 쬐면 고체로 굳는 ‘자외선 경화 수지’에 혼합해 254ppi(인치당 화소 수)의 빨강·초록·파랑 컬러필터를 제작했다. 이를 통해 이번 기술이 그림이나 인쇄 잉크뿐 아니라 광학 소재에도 활용될 수 있음을 보여줬다.

*컬러필터: TV나 스마트폰 등의 화면에서 특정 색의 빛을 선택적으로 통과시켜 다양한 색을 구현하는 광학 부품 

색의 유지 가능성도 확인했다. 연구팀이 2025년 11월부터 2026년 7월까지 실내에 보관한 나노입자 분산액과 건조된 그림, UV 경화 필름에서는 눈에 띄는 색 변화가 나타나지 않았다. 또한 자외선 조사와 가열·동결 시험에서도 UV 경화 필름의 광학적 특성이 유사하게 유지됐다. 다만 영구적인 색 보존이 검증된 것은 아니며, 실제 제품 적용을 위해서는 장기간의 내구성과 제조 비용 등을 추가로 평가해야 한다.

*UV 경화 필름: 액체 상태의 수지에 자외선을 쬐어 굳힌 얇은 막으로, 안료를 고체 소재에 적용했을 때 색이 안정적으로 유지되는지 확인하는 데 사용된다

이번 연구는 염료 없이 선명하고 다양한 색을 구현하면서 색의 지속성까지 높일 수 있는 새로운 안료 설계 방향을 제시했다는 점에서 의미가 있다. 향후 도료와 인쇄 잉크, 장식용 코팅, 광학 필름 등 다양한 분야에 활용될 것으로 기대된다.

본 연구 성과는 재료과학 분야 국제학술지인 ‘Advanced Materials’ 온라인에 10월 13일 게재됐으며, 한국연구재단과 고려대학교 연구비 지원을 받아 수행됐다.

*논문명: Fano-Engineered Au@Se Core–Shell Colloidal Pigments for Dual-Mode Structural Color

*DOI: 10.1002/adma.75316

*URL:https://doi.org/10.1002/adma.75316

[연구진 사진]

△ (왼쪽부터) 고려대 KU-KIST융합대학원 조용덕 교수(제1저자), 이승우 교수(교신저자)