건물의 외부 페인트는 실내 온도를 적당하게 유지하는 데 중요한 역할을 한다. 사람들은 단열 효과를 높일 수 있는 새로운 혼합물 개발에 힘써 왔지만 안타깝게도 현대의 합성 페인트에 포함된 휘발성 유기화합물은 사람과 환경 모두에 해로운 영향을 미치는 것으로 나타났다. 무엇보다도 단열이 중요한 이유로 에어컨의 전력 소비량이 미국 전체 전력 소비량의 10% 이상을 차지한다는 점을 들 수 있다. 다행히 과학자들은 나비에 주목했다.

센트럴 플로리다 대학교 나노과학 기술센터의 한 연구원은 나비에서 영감을 얻어 환경적으로 안전한 초경량 ‘플라즈모닉 페인트’를 개발했다. 플라즈모닉 페인트는 빛을 조작할 수 있는 작은 입자가 포함된 페인트의 일종이며 이러한 입자는 플라즈모닉 나노 입자라고 하는데 금이나 은과 같은 금속으로 만들어진다. 플라즈모닉 페인트에 빛이 닿으면 나노 입자가 빛과 상호작용하여 빛을 반사·흡수·산란하는 등 다양한 광학 효과를 만들어낸다.

이번에 개발된 페인트는 기존의 안료 대신 알루미늄과 산화알루미늄의 나노 단위 구조 배열을 사용하여 색상을 생성한다. 사이언스 어드밴시스에 게재된 데바시스 찬다의 최근 논문에서 설명하듯이 기존 안료 페인트 착색제는 분자의 광 흡수성 특성에 의존하여 색상을 결정한다. 반면 찬다의 플라즈모닉 페인트는 나노 구조의 기하학적 배열을 기반으로 시각적 팔레트를 생성한다.

찬다는 발표문에서 ”다채로운 꽃, 새, 나비부터 물고기와 두족류(오징어, 문어, 앵무조개 등) 같은 수중 생물에 이르기까지 자연계의 다양한 색상과 색조는 놀랍다.“라고 말했다. 그는 이어서 두 가지 무색(색상이 없는) 재료가 결합하여 색을 만들어 내는 구조적 색상이 색조 변화 매커니즘으로 작용한다고 설명했다.

찬다 연구팀의 플라즈모닉 페인트는 기존 페인트에 비해 훨씬 더 오래 지속되고 친환경적이며 효율적이다. 그는 일반 페인트는 안료가 빛 전자를 흡수하는 능력을 상실하면 색이 바래지만 플라즈모닉의 나노 구조 특성은 ”수백 년 동안“ 처음 칠한 날처럼 생생한 색상을 유지할 수 있다고 주장한다.

플라즈모닉 페인트는 두께가 150나노미터에 불과해 세계에서 가장 가벼운 페인트라고 할 수 있다. 1나노미터는 10억분의 1미터이다. 이러한 특성 덕분에 더 적은 양으로 작업을 수행할 수 있다. 찬다는 플라즈모닉 페인트 약 1.35kg만 있으면 보잉747 제트기 외관을 모두 칠할 수 있을 것이라 예상했다. 일반적으로 이 제트기의 표면을 칠하는 데는 약 453kg의 합성 페인트가 필요하다.

새로운 페인트에는 에너지 절약 효과도 있다. 플라즈모닉 페인트는 전체 적외선 스펙트럼을 반사하기 때문에 열을 훨씬 적게 흡수한다. 실험 결과 이 새로운 물질로 도장된 표면은 일반적으로 시중에 판매되는 상업용 옵션으로 칠한 표면보다 약 1~4도가량 더 차갑게 유지되었다. 이는 에어컨을 가동하는 데 필요한 에너지를 획기적으로 줄일 수 있으며 소비자가 막대한 비용을 절약할 수 있다는 것을 의미한다.

찬다는 플라즈모닉 페인트의 상업성을 개선하고 합성 페인트를 대체할 수 있도록 생산능력을 확대하기 위해서는 아직 미세한 조정이 필요하다고 말했다. 하지만 나비처럼 자연에서 얻은 영감은 궁극적으로 나비의 아름다움을 수 세기 동안 보존하는 데 도움이 될 수 있다.

그는 ”어렸을 때부터 항상 나비를 만들고 싶었다.“라면서 ”색은 내 흥미를 끌었다.“라고 전했다. (논문명: Ultralight plasmonic structural color paint)

※이 기사는 popsci.com 원문을 바탕으로 작성됐으며, 번역은 파퓰러사이언스코리아 소속 기자가 도왔습니다. 

/글 ANDREW PAUL & 신희승 기자