부산대 연구팀, 나노 구조 3D 프린팅 신소재 개발

부산대학교 응용화학공학부 연구팀은 최근 3D 프린팅으로 자연을 모방한 구조색을 인쇄하고, 물리적 힘을 가해 색상을 변경하는 기술을 구현하는 데 성공했다고 7일 밝혔다.

구조색이란 물체의 색깔이 기존에 사용되는 안료나 염료로 결정되는 것이 아니라 물체를 이루고 있는 나노 구조에 의해 빛이 산란되며 나타나는 색이다.

구조색은 주로 자연에서 공작새의 깃털이나 카멜레온 등에서 볼 수 있고, 반짝이고 신비로워 보이는 색감이 특징이다.

인공적으로 구조색을 만드는 것으로는 광결정이나 광자 유리, 콜레스테릭 액정을 수백 나노 크기로 쪼개 반복된 구조를 형성하도록 짜맞추는 방법 등이 있다. 

그중 이번에 연구진이 착안한 방식인 콜레스테릭 액정은 막대 모양 액정 분자들이 일정하게 배향된 나선 구조를 형성해 특정한 파장의 빛을 반사한다.

기존 콜레스테릭 액정은 표면 배향법과 이방성 건조 방식 등의 제작 방법이 있으나, 원하는 구조와 패턴을 디자인하기 어렵다는 단점이 있었다.

이에 연구팀은 3D 프린팅을 사용해 콜레스테릭 액정을 원하는 방식대로 출력하는 공법을 개발했다.

기존에도 3D 프린팅을 접목시키려는 시도는 있어왔으나, 이를 이용한 실제 구조색 구현 연구는 이번이 최초이다.

부산대 연구팀이 개발한 3D프린팅 콜레스테릭 액정 [부산대학교 제공]

연구팀은 새로 개발한 콜레스테릭 액정의 기존과 가장 큰 차이점은 바로 보는 방향에 따라 다른 반사색을 띠는 것이라고 밝혔다.

또 해당 액정은 보는 방향만 아니라 힘을 가해 늘리는 방향에 따라서도 다른 색상을 반사했다.

만약 프린팅된 방향과 수직으로 늘리면 나노 구조의 격자 간격이 좁아져 늘리기 전에는 빨간색을 반사했던 필름이 파란색을 반사하게 된다.

반면 프린팅된 방향으로 늘리면 격자 간격이 좁아짐과 동시에 나선 축이 기운 각도가 줄어들어 늘리기 전후의 색상 변화가 훨씬 적다.

연구팀은 이렇게 프린팅 방향과 늘리는 방향의 조합에 따라 반사되는 색상에 차이를 줄 수 있다는 점을 이용하면 한 가지 잉크만으로도 다양한 기계 변색 패턴을 만들 수 있다고 밝혔다.

부산대 안석균 교수는 "이번 결과는 콜레스테릭 액정 탄성체를 3D 프린팅 기술과 접목해 원하는 형태와 패턴을 자유롭게 디자인하고, 보는 방향과 늘리는 방향에 따라 서로 다른 구조색을 발현한 최초 연구 성과라는 점에서 중요한 의미가 있다"라고 강조했다.

이어 "보안기술이나 건물구조 안정성 진단 기술뿐만 아니라 가상현실(VR)·증강현실(AR) 기술 등 디스플레이 및 홀로그램용 광학 소자 개발 등에 활용될 수 있을 것"이라고 덧붙였다.