색소 없이 태양광 반사로만 모든 색을 선명하게 구현하는 ‘에너지세이빙’ 구조색 페인트 개발 

△ 붓으로 칠할 수 있는 구조색 잉크와 야외 응용 예시. 나노입자 크기를 조절해 다양한 색의 구조색 잉크를 만들고, 이를 칠한 뒤 자외선으로 굳혀 다색 그림을 구현하였다. 야외 햇빛 아래에서도 여러 각도에서 색이 유지된다.

빛을 흡수해서 색을 내는 기존 색소를 쓰지 않고, 오히려 빛을 반사하는 원리를 이용해 모든 색을 선명하게 구현했다. 고려대학교(총장 김동원) KU-KIST융합대학원/공과대학 융합에너지공학과 이승우 교수 연구팀이 금-실리카 나노입자와 빛 산란 설계를 결합한 에너지세이빙 구조색 페인트를 개발했다.

구조색은 나비 날개나 공작 깃털처럼 색소(염료분자)가 아니라, 아주 작은 구조가 빛을 골라 반사하면서 만들어지는 색이다. 기존 페인트와 달리 태양광을 흡수하지 않고 반사해 색을 내기 때문에 건물 및 차량 내부 온도 상승을 효과적으로 억제하여 에너지 절약 효과를 기대할 수 있다. 또한 색이 바래거나 화학 염료가 흘러나올 걱정이 없어 차세대 색 구현 기술로 주목받는다.

그러나 기존 구조색은 보는 방향에 따라 색이 무지갯빛처럼 변하는 한계가 있었다. 특히 빨간색이 분홍색 또는 흰색처럼 탁하게 보이기 일쑤였다. 빨간색을 만들려면 긴 파장 영역의 빛만 잘 반사되어야 하지만, 입자에서 새어 나오는 파란 배경빛이 함께 섞이며 색이 흐려지기 때문이다. 연구팀은 이 문제를 ‘파란빛은 줄이고, 필요한 빨간빛은 남기는’ 방식으로 해결했다.

연구팀은 약 20 nm 크기의 금 중심부를 실리카 껍질로 감싼 ‘금-실리카 코어-쉘 나노입자(Au@SiO2)’를 자외선을 비추면 빠르게 굳는 투명 수지(액체 플라스틱) 안에 분산시켜 구조색 페인트를 만들었다. 여기서 나노입자의 금 중심부는 500 nm 이하의 짧은 파장인 파란빛 영역을 선택적으로 흡수하고, 수지는 실리카와 굴절률을 맞춰 빛이 흩어지는 현상을 억제하는 역할을 한다. 또 투명 수지에 소금을 첨가하고 농도를 조절해 입자들이 완전히 규칙적인 결정이 아니라 ‘광자유리’ 구조를 형성하도록 했다. 

*광자유리: 나노입자들이 유리처럼 불규칙하게 흐트러져 있는 것 같지만, 가까운 거리에서는 질서를 갖는 구조

그 결과, 연구팀이 개발한 구조색 페인트는 600~800 nm의 붉은빛 영역에 반사광을 집중시켜, 파란빛 섞임이 거의 없는 선명한 빨간색을 구현했다. 입자의 크기를 160 nm, 180 nm, 230 nm로 조절하면 파랑·초록·빨간색이 만들어지며, 이를 조합하면 가시광 전 영역의 모든 색을 표현할 수 있는 ‘구조색 팔레트’ 구현이 가능하다.

이 구조색 페인트는 일반 페인트처럼 액체 형태로 보관하고 편리하게 칠할 수 있다. 붓으로 그림을 그린 뒤 자외선을 쬐어주면 순식간에 굳기 때문에, 건물 외벽과 같이 넓은 면적을 칠하는 것부터 정교한 다색 그래픽까지 활용 범위가 넓다. 야외 햇빛 아래에서도 색이 선명하며, 어느 각도에서 보더라도 색상이 변하지 않는 뛰어난 안정성을 지닌다.

연구팀은 “본 기술은 친환경/에너지세이빙 색소 대체, 위조방지 표식, 장식용 코팅, 디스플레이 및 건축 외장재 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다. 

본 연구 성과는 국제 학술지인 ‘미국국립과학원회보(Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS)’ 온라인에 5월 27일 게재됐다. 

*논문명: Metallodielectric photonic glass paints enable hyperchromatic, angle-independent structural color across the full visible spectrum

*DOI: 10.1073/pnas.2608405123

*URL: https://doi.org/10.1073/pnas.2608405123

본 연구 성과는 한국연구재단 나노소재기술개발 사업 미래기술연구실(RS-2022-NR068141)과 the KIST Institutional Program(Project No.: 2V09840-23-P023)의 지원을 받아 수행됐다. 

[연구진 사진]

△ (왼쪽부터) 고려대 KU-KIST융합대학원전유원 석사(공동제1저자), 이재원 박사(공동제1저자), 이승우 교수(교신저자)