▲Nature Nanotechnology

변형이 없을 땐 분홍색을 나타내던 필름이 늘어나면 노란색, 압축되면 파란색을 띤다. 필름을 변형시켰을 때 필름에 코팅된 갈륨방울 사이의 거리가 바뀌며 편광되는 빛이 달라진다.

타파요티 다스 굽타 인도과학원 계측 및 응용물리학과 교수팀이 2월 22일 늘리거나 구부리기만 하면 다양한 색상을 나타낼 수 있는 필름을 만들어 국제학술지 ‘네이처 나노테크놀로지’에 발표했다. ^{doi: 10.1038/s41565-024-01625-1}

색을 표현하는 데에는 색소 말고도 다양한 방법이 있다. 연구팀은 두 가지 방법을 선택했다. 첫째, 금속을 나노미터 단위의 작은 입자로 만들었을 때 금속 표면의 자유전자가 공명하면서 색을 표현할 수 있다. 이때 나노입자의 크기에 따라 표현되는 색이 달라진다. 다음으로 물질 표면이 반복적인 구조를 가지고 있을 때, 빛의 회절과 간섭이 일어나 특정 파장의 빛이 증폭되는 경우가 있다. 이를 ‘구조색’이라 부른다.

연구팀은 이 두 가지 현상을 이용하기 위해 작은 갈륨 나노방울을 생체적합성 고분자인 폴리디메틸실록산(PDMS) 표면에 반복적인 구조로 입혔다. 갈륨은 녹는점이 30℃가량으로 낮은 은색 금속이다. 갈륨은 액체처럼 방울의 형태로 만들 수 있는 특징이 있으나, 서로 뭉치려는 응집력이 커 작은 방울을 만들기 어렵다.

연구팀은 PDMS와 갈륨 사이의 모세관현상을 이용해서 나노미터 단위의 작은 방울을 만들었다. 갈륨을 PDMS 위에 올렸을 때 발생하는 PDMS와 갈륨 사이 부착력에 의해 큰 방울이 만들어지지 못하게 한 것이다. 이때 PDMS 소재의 유연성을 조정하면 갈륨 나노방울의 크기도 조절할 수 있었다.

연구팀은 갈륨 나노방울로 코팅한 PDMS 필름을 잡아당기면 색이 달라지는 현상을 확인했다. PDMS 표면 위의 갈륨 나노방울 사이가 멀어지면서 빛이 간섭을 일으키는 파장이 달라졌기 때문이다. 연구팀은 이 현상을 이용해 다양한 색들을 표현하는 데 성공했다. 필름은 변형이 없는 기존 상태에서는 분홍색을 띠다가, 늘어나면 노란색, 압축되면 파란색으로 변했다.

필름을 1000번 이상 늘렸다가 줄이는 행위를 반복해도 필름은 지속적으로 같은 색 변화를 나타냈다.

연구팀은 논문을 통해 “움직임을 측정하는 센서나, 디스플레이 등에 이번에 개발한 필름을 사용할 수 있을 것”이라고 설명했다.