울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 구강희 교수팀이 화학 염료 없이 선명하고 바래지 않는 색을 구현하는 고분자 입자 합성 기술을 개발했다고 1일 밝혔다.

연구팀은 선형 블록 공중 합체 소재를 활용해 각도와 무관하게 고유한 색을 내는 역오팔 구조의 미세 구형 입자를 제작했다. 이 기술은 화장품, 보안 소재, 디스플레이 등 다양한 산업 분야에 적용될 것으로 보인다.

10월의 탄생석 오팔은 내부에 수백 나노미터 크기의 실리카 구슬이 규칙적으로 쌓여 있어 특유의 구조색을 만들어낸다. 연구팀이 개발한 입자는 오팔과 달리 고분자 내부에 나노 구멍 배열을 형성해 역오팔 구조를 구현했다.

수십 마이크로미터 크기의 고분자 입자 안에 수백 배 더 작은 나노 구멍을 만드는 과정에서 연구팀은 계면과학 원리를 활용했다. 물이 고분자 입자 내부로 스며들게 한 뒤 증발시켜 나노 구멍을 형성하는 방식이다.

입자 겉면은 소수성 폴리스타이렌(PS) 성분으로 이뤄져 있지만, 유기 용매가 증발하는 과정에서 계면 불안정화 현상이 나타나 물이 침투할 수 있게 된다.

블록 공중 합체의 자기 조립 특성도 핵심 요소다. 친수성과 소수성 성분으로 구성된 블록 공중 합체를 유기 용매에 녹여 계면활성제와 함께 물에 넣으면 바깥쪽은 소수성 성분, 안쪽은 친수성 성분 분자(P4VP)로 자동 조립된다.

이 입자는 천연 오팔과 달리 보는 각도에 관계없이 단일 색상을 유지한다. 연구팀은 계면활성제 종류, 입자 내부 성분의 화학 구조, 전체 고분자 분자량 조절을 통해 가시광선 전 영역의 색상 입자를 제작했다.

또 이 입자를 수분 함량이 높은 하이드로겔에 분산시켜 광학 잉크를 만들고, 프린팅 공정으로 다양한 패턴을 인쇄하는 데 성공했다.

구강희 교수는 "비교적 간단한 구조의 선형 블록 공중 합체 소재로 다양한 빛깔을 쉽게 만들 수 있는 기술을 개발했다"며 "디스플레이, 보안 소재, 기능성 코팅 기술로도 발전될 수 있을 것"이라고 기대했다.

이번 연구는 화학분야 권위 학술지인 앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition) 9월 6일 출판됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF) 나노미래소재원천기술 개발사업, 기초연구실 지원사업, 우수신진연구사업과 한국도레이과학진흥재단의 지원을 받아 진행됐다.