자연의 생물체들은 오래 전부터 색을 통해 주변 환경과 소통을 하고, 실제로 이러한 빛에 의해서 역사적으로 선택적인 발전 및 진화를 해왔다. 아름다운 색을 내기 위해 색소를 이용할 수도 있지만, 많은 자연의 생물체들은 빛의 회절, 간섭, 산란과 같은 광학 현상에 의한 구조색을 활용하고 있다. 특히, 꽃은 규칙적인 곡면의 회절 격자 구조에 의해 무지갯빛의 색을 발하고, 이로 인해서 벌들이 꽃을 찾아 수분을 하게 된다. 한 예로, 본 연구에서 주로 참고한 수박풀꽃은 빨간색의 색소를 가진 부분과 함께 전반적으로 흰색을 띄고 있는데, 이 빨간색에 해당하는 부분은 독특한 회절 격자 구조에 의해서 무지갯빛을 내지만, 흰색을 띄는 부분은 격자 구조가 없어 무지갯빛을 띄지 않는다.

많은 자연 생물체들이 활용하고 있는 구조색을 모사하기 위해 지난 십 년 간 마이크로 입자에 구조색을 인코딩하는 연구가 활발히 진해되어 왔지만, 대부분 콜로이드 나노입자의 자가조립 구조체에 기반을 두고 있어 다양한 구조색 기술을 향상시키는 데 한계가 있어왔다. 또한, 콜로이드 나노입자 기반의 구조색 구현은 3차원의 광학 현상, 즉 브랙 회절(Bragg diffraction)이나 앤더슨 국부화(Anderson localization)에 기인하고 있어 단색의 구현에만 적합하다는 단점이 있다. 상대적으로 꽃잎의 구조색의 현상, 즉 표면의 회절 격자에 의한 다양한 구조색 구현에 대한 연구는 아직 미흡한 실정이다.

따라서, 본 연구에서는 꽃잎의 구조를 모사한 다양한 회절 격자 기반의 구조색 구현을 위해, 먼저미세유체 시스템을 이용하여 아조벤젠 고분자로 이루어진 마이크로 입자를 제작하였다. 그리고 아조벤젠 고분자의 독특한 성질 중 하나인 방향성 광유체화(directional photofluiziation) 현상을 이용하여 아조벤젠 마이크로 입자 표면에 다양한 표면요철격자(surface relief gratings)를 새겨 3차원의 인공 물질 구조를 성공적으로 제작하였다.

기존의 bulk emulsification 방법과는 다르게 미세유체 시스템을 활용하게 되면 크기 조절이 용이하면서도 매우 균일하고 매끈한 마이크로 입자를 생성할 수 있다. 또한, 사용된 용매, 고분자 농도, 유속 등의 조건에 따라서 라즈베리, 아콘, 구형과 같은 다양한 모양의 마이크로 입자를 형성할 수 있다. 형성된 구형의 마이크로 입자에 1차 간섭 패턴을 가진 편광 빛을 조사하게 되면 검게 보이던 마이크로 입자가 1차, 2차 회절 모드가 생기게 되면서 아주 예쁜 색을 띄는 것을 확인할 수 있다 (그림). 두 간섭 빔의 입사각을 조절하여 1차 표면요철격자의 간격 또한 조절할 수 있으며, 1차 회절 빛을 회전시켜가며 반복적으로 빛을 조사하게 되면, 1차뿐만 아니라 4각형(tetragonal), 6각형(hexagonal), 준결정형(quasi-crystal)의 다양한 2차 표면요철격자도 새길 수가 있다. 게다가, 아조벤젠 고분자의 표면 제한적인 광유체화 성질을 이용하여 위아래가 다른 표면요철격자를 가지는 야누스 입자도 생성할 수 있다. 따라서, 본 기술은 여러 변수를 통하여 구조색 재현에 다양성을 부여하였으며, 인코딩, 센서 등의 실질적 응용에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구 결과는 세계적 권위의 학술지 ‘Advanced Materials’ 5월 6일자에 온라인 게재되었다.
*논문명: Microfluidic generation of monodisperse and photoreconfigurable microspheres for floral iridescence-inspired structural colorization
*연구팀: 이승우(교신저자, 성균관대 교수), 유필진(교신저자, 성균관대 교수), 여선주(제1 공동저자, 성균관대 박사과정), 박경진(제1 공동저자, 성균관대 석박통합과정), Kai Guo(공저자, 성균관대학교 박사후연구원)
*관련 영상 초록: http://onlinelibrary.wiley.com/journal/10.1002/(ISSN)1521-4095/homepage/video/2089_video_abstract_gallery.html