구조색
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1. 개요
구조색은 빛의 간섭, 회절, 산란 현상을 통해 나타나는 색으로, 1665년 로버트 훅에 의해 처음 발견되었다. 얇은 막의 간섭, 회절 격자, 광자 결정, 산란 등 다양한 원리에 의해 발생하며, 생물체에서는 곤충, 조류, 어류 등에서 나타난다. 구조색은 위장, 신호 전달 등 생물학적 기능뿐만 아니라, 광학, 섬유, 위조 방지 기술 등 다양한 기술 분야에 응용되고 있다.
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| 구조색 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 정의 | 미세한 구조에 의해 빛의 간섭을 일으켜 나타나는 색 |
| 특징 | 보는 각도에 따라 색이 변함 염료나 안료 없이 색을 냄 |
| 원리 | 박막 간섭 회절격자 미산란 |
| 생물학적 중요성 | |
| 역할 | 짝짓기 위장 경고 |
| 예시 | |
| 동물 | 새 (예: 공작, 벌새) 곤충 (예: 나비, 딱정벌레) 어류 (예: 만다린피쉬) |
| 식물 | 일부 꽃잎 일부 잎 |
| 응용 | |
| 분야 | 화장품 섬유 보안 예술 |
| 간섭 효과 | |
| 박막 간섭 | 설명: 얇은 막에서 빛이 반사될 때 경로 차이에 의해 발생 예시: 비눗방울, 기름 막 |
| 회절 격자 | 설명: 규칙적인 간격의 구조에 의한 빛의 회절 예시: 모르포나비 날개 |
| 미산란 | 설명: 미세한 입자에 의한 빛의 산란 예시: 오팔 |
| 추가 정보 | |
| 관련 용어 | 무지개 간섭 (물리) 회절 산란 |
2. 역사
로버트 훅은 1665년 저서 ''마이크로그라피아''에서 공작 깃털의 "환상적인" 색깔을 현미경으로 관찰했다.[1] 훅은 깃털 윗면이 얇고 매우 가깝게 붙어 있는 얇은 판 모양의 몸체로 구성되어 진주 조개 껍질처럼 빛을 반사하고 착색하는데, 물이 닿으면 색이 사라지는 것을 통해 빛의 굴절로 인한 '환상적인 색깔'임을 확인했다.[1]
구조색은 빛의 파장과 비슷한 크기의 미세 구조에 의해 빛이 간섭, 회절, 산란되어 나타나는 색이다.
아이작 뉴턴은 1704년 저서 ''광학''에서 공작 꼬리 깃털 색깔이 깃털의 미세한 구조, 즉 얇은 투명한 부분에 의한 것임을 설명했다.[2][3]
토마스 영은 1803년에 빛이 날카로운 모서리나 틈새에서 회절하여 간섭 패턴을 만들 수 있음을 보여주며 빛의 파동성을 증명했다.[4][5]
프랭크 에버스 베다드는 1892년 저서 ''동물 채색''에서 벌새 등 새 깃털의 금속 광택이 깃털 표면의 미세한 줄무늬 때문이라고 언급하며 구조색을 인정했다.[6] 그러나 구조색이 어두운 색소 배경을 필요로 하고 희귀하다고 주장하며 중요성을 간과했다.[6] 다만, 케이프 황금 두더지 털에 "눈부신 색상을 발생시키는" 구조적 특이성이 있음을 인정했다.[6]
한국에서는 전통적으로 옥충이나 비단벌레 날개를 장신구나 공예품에 사용하여 구조색의 아름다움을 활용해 왔다.
3. 원리
로버트 훅은 1665년 저서 ''마이크로그라피아''에서 공작 깃털의 색깔이 얇은 판 모양 구조에 의한 것이며, 물에 젖으면 색이 사라지는 현상을 통해 빛의 굴절과 반사에 의한 것이라고 설명했다.[1] 아이작 뉴턴은 1704년 저서 ''광학''에서 공작 꼬리 깃털의 색깔이 미세한 섬유 구조에 의한 것이라고 설명했다.[3] 토마스 영은 1803년에 빛의 파동성을 증명하고 빛이 날카로운 모서리나 틈새에서 회절하여 간섭 무늬를 만들 수 있음을 보여주었다.[4][5]
1892년, 프랭크 에버스 베다드는 저서 ''동물 채색''에서 벌새와 같은 새들의 깃털에 있는 미세한 줄무늬가 구조색을 만들어 낸다고 언급했다. 그러나 그는 구조색이 드물고 색소에 종속적이라고 생각했다.[6]
구조색은 박막 간섭, 회절, 산란 등 다양한 방식으로 나타난다.
3. 1. 간섭
구조색은 색소보다는 간섭 효과에 의해 발생한다.[7][8] 색상은 재료에 미세한 평행선이 새겨져 있거나, 하나 이상의 평행한 박막으로 형성되어 있거나, 색상의 파장 크기의 미세 구조로 구성되어 있을 때 생성된다.[9]
토머스 영이 1803년에 설명했듯이, 무지개빛은 매우 얇은 막이 표면에 떨어지는 빛의 일부를 반사할 때 생성된다. 나머지 빛은 막을 통과하고, 그중 일부는 하단 표면에서 반사된다. 두 세트의 반사파는 같은 방향으로 위쪽으로 이동한다. 그러나 하단에서 반사된 파동은 막의 두께와 굴절률, 빛이 떨어지는 각도에 의해 제어되는 약간 더 먼 거리를 이동했기 때문에 두 세트의 파동은 위상이 다르다. 파동이 하나 이상의 전체 파장만큼 떨어져 있을 때, 즉 특정 각도에서 서로 더해져(보강 간섭), 강한 반사를 일으킨다. 다른 각도와 위상 차이에서는 서로 빼앗겨 약한 반사를 일으킨다. 따라서 얇은 막은 특정 각도에서는 단일 파장(순수한 색상)을 선택적으로 반사하지만, 다른 각도에서는 다른 파장(다른 색상)을 반사한다. 따라서 나비의 날개나 새의 깃털과 같은 얇은 막 구조가 움직이면 색상이 변하는 것처럼 보인다.[2]
빛의 파장 정도의 얇은 막(박막)에서는 막의 윗면에서 반사하는 빛과 아랫면에서 반사하는 빛이 간섭하기 때문에, 막의 두께에 대응하는 파장광이 색깔을 띠고 보인다. 비눗방울이나 유막에 색깔이 나타나는 것은 이러한 '''박막 간섭'''에 기인한다. 비누나 유막의 두께에 따라 다양하게 색깔이 나타난다. 이때 표면에 나타나는 분광되어 생긴 무지개색 고리 모양을 뉴턴 링이라고 부른다.
얇은 막을 여러 겹 겹쳐 놓은 듯한 구조에 의한 빛의 간섭이다. 막 두께의 조합, 각 층의 매수의 조합에 따라 간섭 방식이 변화하여 다양한 색채가 나타난다. 전복 등의 조개 껍데기 안쪽은 진주모라고 불리는 탄산 칼슘의 얇은 막이 층 구조를 형성하고 있으며, 각 층에서 반사되는 빛이 간섭함으로써 다양한 색조를 볼 수 있다.
옥충, 꽃무지와 같은 딱정벌레류에서 볼 수 있는 금속 광택이 풍부한 색채는 키틴질의 층 구조에 의한 것이다. 대만족과 같은 나비의 번데기도 마찬가지로 금속 광택이 있는 구조색을 볼 수 있다.
꽁치나 정어리와 같은 어류의 체색이 은색인 것은 체표에 있는 무지개 색소포에서 구아닌의 판상 결정(반사 소판)과 세포질의 적층 구조에 의한 간섭 효과이다. 가시광선이 거의 완전히 반사되면서 체색이 은색으로 보인다. 푸른 자리돔이나 네온 테트라에서는 반사 소판과 세포질의 막 두께비가 크게 다르기 때문에 특정 파장 영역의 빛만 반사되어 선명한 색채가 보인다.
3. 2. 회절
'''회절 격자'''는 키틴과 공기의 층으로 구성되어 있으며, 다양한 나비 날개 비늘의 무지갯빛 색상과 공작과 같은 새의 꼬리 깃털을 만들어낸다.[7][8] 훅(Hooke)과 뉴턴(Newton)은 공작의 색상이 간섭에 의해 생성된다고 주장했는데, 이는 옳았다. 그러나 비늘 내에서 빛의 파장에 가까운(현미경 사진 참조) 구조는 그들이 광학 현미경으로 볼 수 있는 줄무늬 구조보다 작았다.[9] 회절 격자를 생성하는 또 다른 방법은 일부 화려한 열대 ''Morpho'' 나비의 날개 비늘에서와 같이 나무 모양의 키틴 배열을 사용하는 것이다. 또 다른 변형은 극락조인 ''Parotia lawesii'', 로스 극락조에서 존재한다. 이 새의 밝은 가슴 깃털은 V자형으로 되어 있으며, 밝은 청록색과 오렌지-노란색의 두 가지 다른 색상을 강하게 반사하는 박막 미세 구조를 생성한다. 새가 움직일 때 색상은 무지갯빛으로 흐르기보다는 이 두 가지 색상 사이에서 날카롭게 전환된다. 구애하는 동안 수컷 새는 암컷을 유인하기 위해 체계적으로 작은 움직임을 만든다. 따라서 구조는 성 선택을 통해 진화했을 것이다.[10][15]
'''광자 결정'''은 다양한 방식으로 형성될 수 있다.[16] ''Parides sesostris''(에메랄드 패치 소머리나비)에서는,[17] 광자 결정이 날개 비늘의 키틴에 있는 나노 크기 구멍의 배열로 형성된다. 구멍의 직경은 약 150 나노미터이며 서로 거의 같은 거리에 있다. 구멍은 작은 패치에 규칙적으로 배열되어 있다. 인접한 패치에는 서로 다른 방향으로 배열이 포함되어 있다. 결과적으로, 이 에메랄드 패치 소머리나비 비늘은 무지갯빛을 띠는 대신 다양한 각도에서 녹색 빛을 균일하게 반사한다.[18] 브라질산 바구미인 ''Lamprocyphus augustus''에서는 키틴 엑소 스켈레톤이 무지갯빛 녹색의 타원형 비늘로 덮여 있다. 이 비늘에는 모든 방향으로 정렬된 다이아몬드 기반 결정 격자가 포함되어 있어 각도에 따라 거의 변하지 않는 밝은 녹색 색상을 제공한다. 비늘은 효과적으로 약 1마이크로미터 너비의 픽셀로 나뉜다. 이러한 각 픽셀은 단일 결정이며 인접한 픽셀과 다른 방향으로 빛을 반사한다.[19][20]
'''결정 섬유'''는 속이 빈 나노섬유의 육각형 배열로 형성되어, 해양 환형동물인 ''Aphrodita'', 바다쥐의 강모의 밝은 무지갯빛 색상을 생성한다.[10] 색상은 경고색이며, 포식자에게 공격하지 말라는 경고이다.[21] 속이 빈 강모의 키틴 벽은 육각형 벌집 모양의 광자 결정을 형성한다. 육각형 구멍은 0.51 μm 떨어져 있다. 이 구조는 88개의 회절 격자가 쌓인 것처럼 광학적으로 작동하여, ''Aphrodita''를 해양 생물 중 가장 무지갯빛을 띠는 생물 중 하나로 만든다.[22]
CD나 DVD 등의 "광학 기억 매체"에서는 알루미늄 박막 표면에 새겨진 요철에 의해 디지털 정보를 기록한다. 이 요철이 회절 격자처럼 빛을 간섭하기 때문에 기록면 쪽은 무지개색으로 보인다.
'살아있는 보석'이라고도 불리는 모르포나비의 날개는 선명한 청색을 띠는데, 이는 인편 표면에 새겨진 격자 모양의 구조에 의한 구조색이다.[40][41] 이 구조는 청색 빛의 파장의 정확히 절반에 해당하는 200nm 간격으로 배열되어 있으며, 간섭에 의해 청색 빛만이 반사된다.
3. 3. 산란
미세 입자에 의한 산란은 빛의 파장보다 작은 입자에 의해 빛이 산란되어 특정 색이 나타나는 현상이다. 대표적인 예로 레일리 산란과 미 산란이 있다. 레일리 산란은 파란 하늘을 만들어내며, 미 산란은 흰 구름을 만드는 원리이다.[26]
변형된 매트릭스에 의한 산란은 불규칙한 나노 채널 구조에 의해 빛이 산란되어 무지갯빛이 아닌 파란색을 낸다. 청황금강앵무의 깃털에서 이러한 현상을 관찰할 수 있다.[10][23]
나선형 코일에 의한 산란은 나선형으로 쌓인 셀룰로스 미세 섬유에 의해 빛이 산란되어 강렬한 파란색을 낸다. 폴리아 콘덴사타 열매에서 발견되는 이 현상은 자연에서 가장 강렬한 파란색으로 알려져 있다.[24]
4. 생물체에서의 구조색
로버트 훅은 1665년 저서 ''마이크로그라피아''에서 공작 깃털의 "환상적인" 색깔을 묘사했으며[1], 아이작 뉴턴은 1704년 저서 ''광학''에서 공작 꼬리 깃털의 갈색 색소를 제외한 다른 색깔의 메커니즘을 설명했다.[2] 토마스 영은 빛이 파동으로도 작용할 수 있음을 보여주며, 빛이 날카로운 모서리나 틈새에서 회절하여 간섭 패턴을 만들 수 있음을 보여주었다.[4][5]
프랭크 에버스 베다드는 1892년 저서 ''동물 채색''에서 구조색의 존재를 인정했지만, 구조색을 색소에 종속된 것으로 간주하거나 그 희귀성을 주장하며, 케이프 황금 두더지가 털에 "눈부신 색상을 발생시키는" "구조적 특이성"을 가지고 있음을 인정하는 정도였다.[6]
구조색은 색소보다는 간섭 효과에 의해 발생한다.[7][8] 재료에 미세한 평행선이 새겨져 있거나, 하나 이상의 평행한 박막으로 형성되어 있거나, 색상의 파장 크기의 미세 구조로 구성되어 있을 때 색상이 생성된다.[9]
구조색은 많은 조류(예: 벌매과, 물총새과, 파랑새과)의 깃털의 파란색과 녹색, 많은 나비의 날개, 딱정벌레의 날개 덮개(딱지날개) 및 (드물지만 꽃의 경우) 미나리아재비 꽃잎의 광택을 담당한다.[10][11] 공작의 깃털과 진주조개(Pteriidae) 및 ''앵무조개''와 같은 진주층 조개 껍질에서 볼 수 있듯이, 구조색은 종종 무지개 빛깔을 띤다. 이는 반사된 색상이 구조의 겉보기 간격을 제어하는 시야각에 따라 달라지기 때문이다.[12] 구조색은 색소 색상과 결합될 수 있는데, 공작 깃털은 멜라닌으로 갈색을 띠고,[1][10][13][14] 미나리아재비 꽃잎은 황색을 위한 카로티노이드 색소와 반사성을 위한 박막을 모두 가지고 있다.[11]
두족류를 포함한 일부 동물은 위장과 신호 전달을 위해 색상을 빠르게 변화시킬 수 있다. ''Doryteuthis pealeii'' 오징어 피부의 색소포 세포 내 리플렉틴 단백질의 구성은 전하에 의해 제어된다. 전하가 없을 때 단백질은 촘촘하게 쌓여 얇고 반사율이 높은 층을 형성하고, 전하가 있을 때는 분자가 느슨하게 쌓여 더 두꺼운 층을 형성한다. 색소포에는 여러 개의 리플렉틴 층이 포함되어 있으므로, 층 간 간격이 변경되면 반사되는 빛의 색상이 바뀐다.[10]
파란고리문어는 피부 색소포 세포로 효과적인 위장 패턴을 보이면서 틈새에 숨어 지내는 시간이 많다. 자극을 받으면 재빨리 색상을 바꿔 밝은 노란색이 되며, 50~60개의 각 고리 안에서 밝은 무지개빛 파란색이 0.3초 이내에 번쩍인다. 큰파란고리문어(''Hapalochlaena lunulata'')의 고리에는 다층 이리도포어가 들어 있는데, 넓은 시야 방향에서 청록색 빛을 반사하도록 배열되어 있다. 파란색 고리의 빠른 번쩍임은 신경 제어 하의 근육을 사용하여 이루어진다. 일반적인 상황에서 각 고리는 이리도포어 위의 근육 수축에 의해 가려지며, 이들이 이완되고 고리 외부의 근육이 수축하면 밝은 파란색 고리가 드러난다.[29]
4. 1. 기능
회절 격자는 키틴과 공기의 층으로 구성되어 있으며, 다양한 나비 날개 비늘의 무지갯빛 색상과 공작과 같은 새의 꼬리 깃털을 만들어낸다.[10] 예를 들어, ''Morpho'' 나비는 나무 모양의 키틴 배열을 사용한다.(그림 참조)[10] 로스 극락조의 경우, 가슴 깃털의 바불은 V자형으로, 밝은 청록색과 오렌지-노란색의 두 가지 색상을 강하게 반사하는 박막 미세 구조를 가지고 있다. 새가 움직일 때 색상은 무지갯빛이 아닌 두 가지 색상 사이에서 날카롭게 전환된다. 이는 성 선택을 통해 진화한 결과로 해석된다.[10][15]
광자 결정은 다양한 방식으로 형성될 수 있다.[16] ''Parides sesostris''(에메랄드 패치 소머리나비)의 경우, 날개 비늘의 키틴에 있는 나노 크기 구멍의 배열로 형성된다. 이 구멍들은 서로 다른 방향으로 배열된 작은 패치를 형성하여, 다양한 각도에서 녹색 빛을 균일하게 반사한다.[10][18] 브라질산 바구미 ''Lamprocyphus augustus''는 키틴 엑소 스켈레톤이 무지갯빛 녹색 비늘로 덮여 있으며, 이 비늘에는 다이아몬드 기반 결정 격자가 포함되어 각도에 따라 거의 변하지 않는 밝은 녹색을 띤다.[19][20]
선택적 거울은 에메랄드 제비나비의 날개 비늘에 있는 미크론 크기의 그릇 모양 구멍으로 형성되며, 여러 층의 키틴으로 안을 덮여 두 가지 빛의 파장에 대해 매우 선택적인 거울 역할을 한다. 노란색 빛은 구멍 중심에서, 파란색 빛은 측면에서 두 번 반사되어 조합하면 녹색으로 보인다.[10]
결정 섬유는 속이 빈 나노섬유의 육각형 배열로 형성되어, 바다쥐의 강모에 밝은 무지갯빛 색상을 부여한다. 이는 경고색으로, 포식자에게 공격하지 말라는 경고를 보낸다.[21] 속이 빈 강모의 키틴 벽은 육각형 벌집 모양의 광자 결정을 형성하여 ''Aphrodita''를 해양 생물 중 가장 무지갯빛을 띠는 생물 중 하나로 만든다.[22]
변형된 매트릭스는 청황금강앵무의 깃털에서 발견되며, 스펀지 같은 케라틴 매트릭스에 임의로 정렬된 나노 채널로 구성되어 확산된 무지갯빛이 아닌 파란색을 생성한다.[10][23]
나선형 코일은 셀룰로스 미세 섬유가 나선형으로 쌓여 ''Pollia condensata'' 열매에서 브래그 반사를 일으켜 자연에서 가장 강렬한 파란색을 만든다.[24] 각 세포는 쌓인 섬유의 두께가 달라 이웃 세포와 다른 색상을 반사하며, 픽셀화 또는 점묘주의 효과를 낸다. 또한 각 세포의 섬유는 왼쪽 또는 오른손잡이로, 반사하는 빛을 원편광시킨다.[25]
확산 반사판이 있는 박막은 미나리아재비 꽃잎의 상위 두 층을 기반으로 한다. 빛나는 노란색 광택은 노란색 색소와 구조적 착색의 조합으로, 매우 매끄러운 상피는 반사적이고 무지갯빛 박막 역할을 한다. 특이한 전분 세포는 확산되지만 강력한 반사판을 형성하여 꽃의 광채를 향상시킨다.[11]
표면 격자는 고기 절단면에서 정렬된 근육 세포의 노출로 인한 정렬된 표면 특징으로 구성된다. 근육 근원섬유의 정렬된 패턴이 노출되고 빛이 근원섬유의 단백질에 의해 회절된 후에만 나타난다.[26]
다중 전반사로부터의 간섭은 부동 물방울과 이중상 오일-인-워터 방울,[27] 폴리머 미세 구조 표면[28]과 같은 미세 스케일 구조에서 발생할 수 있다. 서로 다른 전반사 경로로 이동하는 빛은 간섭하여 무지갯빛 색상을 생성한다.
5. 가변 구조색
두족류를 포함한 일부 동물은 위장과 신호 전달을 위해 구조색을 빠르게 변화시킬 수 있다. Doryteuthis pealeii 오징어 피부의 색소포 세포 내 리플렉틴 단백질의 배열은 전하 유무에 따라 달라지는데, 이에 따라 단백질이 쌓이는 형태가 변하여 반사되는 빛의 색상이 변화한다.[10]
파란고리문어는 평소에는 틈새에 숨어 지내지만, 자극을 받으면 신경 제어를 통해 근육을 이완/수축시켜 이리도포어의 색을 빠르게 변화시킨다. 이를 통해 0.3초 이내에 밝은 무지개빛 파란색 고리 무늬를 드러낸다.[29]
6. 기술적 응용
구조색은 산업 및 상업적으로 다양하게 활용될 수 있으며, 현재 여러 분야에서 연구가 진행 중이다. 예를 들어, 카멜레온이나 두족류처럼 주변 환경에 맞춰 색상과 패턴을 바꾸는 능동적 위장 군사 위장 직물을 만들 수 있다.[10] 빛의 반사율을 조절하여 트랜지스터처럼 작동하는 광학 스위치를 개발하여, 빠른 광학 컴퓨터나 라우터를 만드는 데에도 활용될 수 있다.[10]
집파리 겹눈 표면의 미세 돌기나 나방 눈의 기둥 배열과 같은 나노 구조는 반사를 줄이고 빛 투과율을 높이는 효과가 있다.[37][38] 이러한 "나방 눈" 나노 구조는 창문, 태양 전지, 디스플레이 장치, 군사용 스텔스 기술 등에 사용되는 저반사 유리를 만드는 데 응용될 수 있다.[38] "나방 눈" 원리를 이용한 반사 방지 표면은 금 나노 입자를 사용한 리소그래피와 반응성 이온 식각으로 제작할 수 있다.[39]
가브리엘 리프만은 색상 사진의 구조적 착색 방법인 리프만 판 연구로 1908년 노벨 물리학상을 수상했다.[30][31]
2010년, 의상 제작자 도나 스그로는 데이진 섬유의 Morphotex로 드레스를 만들었다. 이 드레스는 ''Morpho'' 나비 날개 비늘의 미세 구조를 모방한 구조색 섬유로 짜여 염색이 필요 없었다.[32][33][34] 이 섬유는 나일론과 폴리에스터 층이 번갈아 쌓여 있고, 각도에 따라 색이 변하지 않도록 배열되어 빨간색, 녹색, 파란색, 보라색으로 생산되었다.[35][36]
미국, 유럽 연합, 브라질 등에서는 보안을 위해 구조색 은행권을 사용한다. 이 진주광택 잉크는 보는 각도에 따라 색이 변하며, 복사나 스캔으로 재현하기 어려워 위조 방지에 효과적이다.
구조색이 적용된 제품은 다음과 같다.
| 종류 | 제품명 | 제조사 | 비고 |
|---|---|---|---|
| 도료 | 마조라 | 일본 페인트 | 크로마플레어 안료를 5층 구조로 하여 빛의 반사를 조절 |
| 섬유 소재 | 몰포텍스 | 테이진 | |
| 금속 소재 | TranTixxii(트란티시) 티타늄 | 신일본제철(현 일본제철) | 티타늄의 산화 피막을 제어하여 다양한 색상을 구현 |
6. 1. 한국의 기술 개발 현황
1995년 닛산 자동차, 테이진 파이버, 다나카 귀금속 공업 3사가 협력하여 구조색을 띠는 섬유 "몰포텍스"를 개발했다.[1] 몰포텍스는 굴절률이 다른 폴리에스터와 나일론을 수십 나노미터(nm) 크기로 다층 구조를 이루게 하여 빛의 간섭을 일으킨다. 이로 인해 보는 각도에 따라 빨강, 초록, 파랑, 노랑 등 다양한 색채를 나타내는 것이 특징이다.[1]2001년에는 신일본제철(현 일본제철)이 티타늄의 산화 피막 두께를 나노미터 단위로 제어하고 변화를 억제하는 기술을 확립하여, 다양한 색상의 구조색 티타늄을 선보였다.[2] 이 기술은 한국의 금속 가공 기술 발전에 영향을 주었다.
참조
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