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제목
여종석 교수팀, 어치 깃털의 주기적 색 변화 원리 규명 및 모방 기술 개발
작성일
2023.03.16
작성자
일반대학원
게시글 내용

여종석 교수팀, 어치 깃털의 주기적 색 변화 원리 규명 및 모방 기술 개발

나노구조체 두께에 따른 다중 산란 차이로 색 표현 원리 규명

나노공정에 기반한 생태친화적 구조색 모방 기술 개발

광학 분야 국제 학술지 ‘Advanced Optical Materials (IF 10.050)’ 표지 선정


[사진 1. 여종석 교수(교신저자)와 전덕진 박사(제1저자) 및 생태 모방 연구팀]


인공지능융합대학 IT융합공학과 여종석 교수 연구팀은 벨기에 겐트대 매튜 D. 쇼키(Matthew D. Shawkey) 교수 연구팀, 국립생태원 이은옥 박사와의 공동연구를 통해 어치(Eurasian jay) 깃털의 주기적인 색 변화 원리가 깃털 내부 나노구조체의 두께에 따른 다중 산란(multiple scattering)의 차이로 인한 것임을 밝혀냈다. 또한 자연의 색 재현 원리에 따라 나노공정에 기반한 생태친화적 구조색 모방 기술을 개발했다.


구조색은 색소, 염료 등 화학 성분에 의해 나타나는 색이 아닌, 물체 표면의 미세 구조로 인해 빛이 반사, 산란, 회절되며 만들어지는 색이다. 자연에서 나노구조체를 이용해 구조색을 보이는 개체들은 수없이 많고 구조색을 보이는 원리 또한 개체마다 상이해, 어치를 비롯한 많은 개체들의 색 표현 원리는 아직 미지로 남아 있다. 


이 원리를 밝히면 순환적인 유기물 기반 나노구조체 형성 원리를 이해해, 친환경적인 색 구현 기술을 개발할 수 있다. 또한 구조색은 색소와 달리 자외선에 의해 색이 바래지 않고 자연광에서 밝은색을 반사한다는 장점이 있어, 반사형 디스플레이, 디지털 사이니지, 색 변이 센서 등 여러 분야에 응용될 수 있다.


여종석 교수(교신저자) 연구팀의 전덕진 박사(제1저자)는 어치 깃털 내부의 케라틴 나노구조체를 확인하기 위해 색이 다른 영역에 대한 3차원 주사전자현미경 이미지(3D tomography)를 얻었다. 이를 통해 어치 깃털의 색이 파란색에서 흰색으로 밝아질수록 나노구조체의 두께가 두꺼워진다는 사실을 밝혀냈다. 3차원 나노구조체 정보에 대한 유한 차분 시간 영역법 시뮬레이션(Finite-Difference Time-Domain method, FDTD)을 수행한 결과, 나노구조체가 두꺼울수록 다중 산란도 증가해 가시광선에서 반사하는 파장 영역이 넓어지는 것을 확인했다.


또한, 보로노이(Voronoi) 분석법을 통해 깃털 내 나노구조체가 두꺼울수록 깃털의 깃가지 내 수질 세포(medullary cell)의 수가 많아져 깃가지의 크기가 커진다는 사실을 확인했다. 이로써 연구팀은 자연에서 어치가 깃털의 크기를 조절하고 구조색을 표현하는 원리를 규명했으며, 생태 모방 원리에 기반해 주기적으로 나노구조체 두께를 조절함으로써 색을 변조하는 모방 기술을 개발했다.


[사진 2. ‘Advanced Optical Materials’ 표지논문 선정]


우리 대학교 여종석 교수팀과 벨기에 겐트대의 매튜 쇼키(Matthew Shawkey) 교수팀, 프랑스 콜레주 드 프랑스(College de France)의 마리 망소(Marie Manceau) 교수팀은 공학자, 생태학자, 생물학자가 다학제적으로 협력해 나노 단위의 구조가 어떻게 자연적으로 조직되는지에 대한 오랜 의문을 밝혀내며 국제 공동 연구 성과를 ‘Integrative and Comparative Biology’, ‘Royal Society Open Science’ 등의 저널에 보고해 오고 있다. 


본 연구는 노벨상 펀드라고 불리는 HFSP 해외재단, 국립생태원 및 한국연구재단의 연구 지원으로 수행됐다. 연구 성과는 광학 분야 세계적인 학술지인 ‘어드밴스드 옵티컬 머티리얼즈(Advanced Optical Materials, IF 10.050, 광학 분야 상위 9%)’에 2월 20일(현지시간) 표지논문으로 게재됐다. 


논문정보

● 논문제목: How the Eurasian Jay Expands its Color Palette by Optimizing Multiple Scattering

● 논문주소: https://doi.org/10.1002/adom.202202210

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