- 2019년 5월 25일

[지식더하기] 오팔, 아름다운 색채의 비밀

최종 수정일: 2020년 10월 16일

보석 오팔은 그 다채로운 빛깔로 잘 알려져 있다. 다양하고 아름다운 색채로 인해 오팔은 미의 상징으로 여기거나 보석의 여왕이라 칭송받기도 하였다. 오팔은 한자어로 단백석 (蛋白石)이라고 불리는데, 이는 SiO2·nH2O , 즉 규산염에 수분이 포함된 조성을 가진다.

<Figure1> 천연 오팔 원석

오팔의 '유색효과'

오팔은 그 복잡한 색상과는 달리 상당히 단순한 구조를 가지는데, 오팔을 전자현미경으로 보면 150~300nm의 균일한 실리카 구가 규칙적으로 배열된 구조를 이룬다. 오팔의 광학적 성질은 이러한 나노크기의 균일한 구형 구조로 인하여 발생되며, 이러한 현상을 '유색효과(play of color)' 라고 부른다.

<Figure2> 오팔의 나노구조

이러한 유색효과는 실리카 구의 직경, 균일성과 정렬, 입사광의 각도, 관찰자의 각도 그리고 돌의 방위로 인해 결정된다. 150~300nm 직경의 실리카 구들에 부딪친 빛은 회절(diffraction)되어 각각의 방향으로 나아가고, 이들이 중첩되며 간섭(interference)을 일으킨다. 이로 인해 특정 파장의 빛은 보강이 일어나고, 다른 파장의 빛들은 상쇄되어 결과적으로 특정 색상을 띄게 된다. 이러한 파장이 입사광과 반사광의 각도에 딸라 달라지기 때문에 오팔은 각도에 따라 다양한 색상을 가지게 된다. 반면, 300 nm 보다 크거나 또는 150 nm보다 작은구, 또는 비정형의 구들에서는 검정색 또는 백색의 색상을 볼 수 있으며 그런 단백석을 포취(potch)라고 한다. 반면, 150nm정도의 직경을 가진 오팔 구조는 청색 계열의 색깔을 띄며, 240~300nm의 대체로 큰 직경의 오팔 구조는 적색 계열의 색깔을 가진다.

<Figure3> 빛의 회절현상

<Figure4> 다양한 색상의 오팔

광결정 구조와 Photonic band gap

오팔구조와 같이 빛의 파장과 비슷한 균일한 격자구조를 가져 특정 색깔을 띄게 되는 구조를 광결정 구조라 한다. 이러한 광결정 구조를 이해하기 위해서 Photonic band gap에 대하여 이해해야 하는데, 이는 반도체의 electronic bandgap을 생각하면 쉽게 이해할 수 있다. 결정구조를 갖는 물질들은 분자들의 규칙적인 배열로 인해 일정한 퍼텐셜의 갭을 가지는 띠 간격이 형성된다. 이 갭은 특정한 에너지를 가진 전자기파를 선택적으로 통과시키거나 막을 수 있다는 것이다.

생물학과 광결정 구조

이러한 유색효과를 가지는 것은 자연에서 오팔 뿐만이 아니다. 아름다운 공작새의 깃털은 다양한 색깔로 보이지만, 실제로 공작새의 깃털을 분해해보면 갈색 색소밖에 가지고 있지 않다. 왜 그럴까? 그것은 공작새의 깃털 또한 광결정 구조를 가지고 있기 때문이다.

<Figure5> 공작새의 꼬리깃털

코스타리카의 가장 인기있는 수출용 나비, 모포나비는 신비한 파란색의 날개로 잘 알려져 있다. 이러한 모포나비의 날개에는 색소가 없는 대신 날개에 덮여 있는 비늘 표면이 <Figure7>과 같은 광결정 구조가 가진다. 이러한 나무모양의 키틴(chitin) 구조는 사진과 같이 파란색 빛만 우리 눈에 보이도록 만든다.

<Figure6> 모포나비의 파란색 날개

<Figure7> 모포나비 날개의 광결정 구조

<Figure8> 모포나비의 날개 비늘 확대

세소스트리스 나비(Paride Sesostris) 는 나노 크기의 일정한 구멍의 광결정 구조들 지닌다. 이 나비는 아름다운 색상의 날개를 가진다.

<Figure9> 세소스트리스 나비의 초록색 날개

<Figure10> 세소시스트 나비의 나노구조

또한 습도에 따라 변하는 헤라클라스 장수풍뎅이의 껍질 색 또한 광결정 원리에 의한 것이다. 헤라클라스 장수풍뎅이는 사각형 구명이 규칙적으로 배열된 다공성 구조를 가지는데. 습도에 따라 굴절률이 달라져 band gap이 달라지며, 이로 인해 우리 눈으로 들어오는 빛의 파장이 달라지게 된다.

<Figure11> 헤라클라스 장수풍뎅이의 습도에 대한 껍질 색 변화와 나노구조

광결정 구조의 활용

이러한 광결정 구조는 다양한 분야에서 활용된다. 먼저, 광결정 구조를 이용해 광자회로를 구성하는 소자를 만들 수 있다. 이 때는 지름 0.1μm 이하의 나노입자들을 50μm 물방울에 넣고 물을 증발켜 오팔구조를 만들게 한다. 이는 똑같은 파장의 빛을 반사시키도록 한다.

또한 광결정구조를 모방해 햇빛 아래에서도 선명히 볼 수 있는 디스플레이를 개발하는 기술도 연구 중이다.

'inverse opal' 구조 또한 존재한다. 이는 오팔 구조를 역전시킨 나노구조로, 오팔구조를 모방한 틀의 빈공간에 재료를 채워넣어 만들며, 이는 훨씬 분명한 생상을 띈다. 뿐만 아니라 이러한 inverse opal 구조는 안정된 구조와 넓은 표면적으로 촉매 분야에서 주로 활용되기도 한다.