자연에는 보는 시각에 따라 색깔이 달라지는 존재들이 있다. 예를 들면 전복 껍데기나 비단벌레의 표피 등이 그런 존재들인데, 볼 때마다 색깔이 달라지는 이유는 전복 껍데기나 비단벌레의 표피가 독특한 구조로 이루어져 있기 때문이다. 다시 말해 껍데기나 표피의 색상 때문이 아니라 구조에 의해 색이 달리 보인다는 것이다.
전복 껍데기나 비단벌레 표피의 사례에서 알 수 있듯이 색은 일반적으로 물질 고유의 색에 의하지만 빛의 반사나 간섭에 의해서도 나타난다. 이러한 색을 구조색(schemochromes)이라고 한다.
구조색의 또 다른 사례로는 공작의 깃털을 꼽을 수 있다. 청색과 녹색, 금색 등 보는 각도에 따라 색깔이 변하는 깃털은 공작의 아름다움을 나타내는 상징이기도 하다. 깃털의 배열이 달라질 때마다 반사하는 색깔이 달라지기 때문에 사람들이 보는 각도에 따라 색이 달라지는 것이다.
그런데 최근 들어 이런 조류의 깃털이 가진 신비로운 구조색 현상을 모방하여 국내 연구진이 디스플레이 기술을 개발한 연구성과가 발표되어 관심이 모아지고 있다. 바로 전력 소모가 적고 선명한 영상을 자랑하는 반사형 디스플레이다.

조류 깃털의 구조색 현상을 활용한 반사형 디스플레이 개발

반사형 디스플레이는 일반적인 디스플레이와 달리 백라이트(backlight) 없이도 자연광을 이용하는 디스플레이를 말한다. 백라이트가 없어서 전력 소모가 적으며, 자연광을 이용하기 때문에 주변이 밝을수록 더 선명하게 보이는 장점이 있다. 반면에 단점이라면 색의 구현이 힘들다는 점이다.
국립생태원 생태모방 연구팀 소속 연구진은 조류 깃털에서 나타나는 구조색 발현 현상을 생태모방하여 이를 디스플레이에 적용하는 연구에 착수했다. 일부 조류 깃털에서 나타나는 파란색이나 녹색 등의 화려한 색채가 색소가 아닌 깃털 내부의 특수한 미세구조에 의한 것이라는 점에 착안한 것이다.
생태모방이란 인류에게 당면한 기술적 문제 해결을 위해 생태계의 원리를 모방한 것을 의미한다. 지난 1997년 미국의 생물학자인 ‘재닌 베니어스(Janine Benyus)’가 ‘자연이 가져다준 혁신’이라 정의하며 본격적으로 주목받기 시작한 생태모방은 미래사회 지속가능한 발전을 위한 친환경 기술로서 그 중요성이 커지고 있다.
대표적인 생태모방 제품으로는 식물인 도꼬마리의 가시를 모방하여 작은 돌기를 가진 잠금장치인 ‘벨크로(일명 찍찍이)’나 물총새 머리를 모방하여 디자인한 초고속 열차 등이 있다.
연구진은 가장 효과적인 구조색을 파악하기 위해 각 지역별 야생동물구조센터에서 보관 중인 파랑새와 어치 등 국내에서 서식하는 10여 종의 조류에서 깃털을 확보하여 구조색이 발현하는 원리를 분석했다.
그 결과, 연구진은 조류 깃털의 구조색이 베타케라틴(β-keratin)과 멜라닌 나노입자의 배열에 따른 빛의 선택적 반사에 의해 나타난다는 사실을 밝히는데 성공했다. 그리고 이 구조를 모방한 광학소자를 제작하여 구조색을 재현하는 연구에도 성공했다.
이 같은 성과는 컬러필터나 백라이트를 사용하는 기존 디스플레이와는 달리 자연광 반사에 의해 색상을 재현하는 방식으로서, 저전력 디스플레이 개발을 위한 핵심기술로 활용할 수 있을 것으로 전망되고 있다.

조류 충돌 방지에도 구조색 발현 기술 적용

조류 깃털의 구조색 발현 기술은 반사형 디스플레이 외에도 ‘조류 충돌 방지를 위한 광학 요소 어레이(array)’에도 적용될 예정이다. 구조색을 구현하기 위한 작은 입자들의 배열을 가리킨다.
이 같은 기술을 개발한 이유는 해마다 약 800만 마리의 야생 조류들이 건물 유리와 방음벽에 부딪혀 폐사하는 현상을 막기 위해서다.
유리창이나 방음벽 등 투명한 구조물 표면을 선형이나 방사형처럼 특정한 형태의 나노구조 배열로 제작하면 이 나노구조에서 반사되는 빛을 감지한 조류가 구조물을 인식하고 충돌을 피하는 것이 광학 요소 어레이의 개발 원리다.
현재는 조류 충돌 방지를 위해 투명한 구조물 표면에 스티커나 필름 등을 부착하는 방식이 널리 이용되고 있다. 하지만 이러한 제품들은 주변 환경에 따라 색의 대조가 명확하지 않아서 조류가 인식하는 데 어려움이 있거나 쉽게 손상될 수 있다는 단점을 갖고 있다.
오히려 스티커나 필름은 조류보다 사람의 눈에 잘 띄기 때문에 조류가 충돌하는 것은 막지 못하고 시야만 방해한다는 부정적 의견이 많은 편이다.
반면에 새롭게 개발된 구조색 모방 기술은 자외선 및 가시광을 구조적으로 회절 또는 산란시키는 광학 요소를 투명 구조물 표면에 적용하는 기술이다.
구조물이 조류에게는 인식되나 사람의 시야는 방해하지 않기 때문에 투명 벽과의 충돌로부터 조류를 보호하면서도 사람의 시야를 가리지 않는 장점을 갖고 있다.
특히 이 광학 요소 어레이는 투명 벽의 제작 공정에서 설치되기 때문에 설치 이후에 별도의 재료나 장치를 부착하는 번거로움이 없으며 오염 및 손상 위험도 적다.
따라서 이 기술을 활용하면 사람의 시야는 방해하지 않으면서도 조류는 선택적으로 빛을 감지할 수 있기 때문에 앞으로 충돌로 인해 조류가 죽거나 다치는 일은 대폭 줄어들 것으로 예상되고 있다.