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- 100년이 넘은 홀로그래피와 사진기법.
- Lippmann 기술 사용해 몇 분 안에 얇고 탄력 있는 홀로그램 필름에 이미지를 투사
- 생성된 소재를 늘려서 이미지를 사라지게 하는 것도 가능
- 운동복은 트레이너와 분석가가 정확한 움직임과 근육 긴장을 기록할 수 있어

신축성 있는 사진의 색상을 변경한다.
고대 사진 기술과 가장 현대적인 홀로그램 필름을 결합한 신소재

오래된 것에서 새로운 것으로:
과학자들이 19세기 사진 기술을 이용해 최첨단 홀로그램 재료를 햇빛에 노출시켰다. 리프만*(Lippmann, 1908 노벨 물리학상, 소르본대학교 물리학 교수) 사진기술을 활용해 기계적으로 늘릴 때 나타나는 색상 변경 필름을 만들 수 있었다. 연구원들이 "Nature Materials" 저널에 보고한 바와 같이 미래에 이러한 색상 변경 필름은 로봇에게 촉각을 주고, 비밀 메시지를 숨기거나, 붕대와 석고의 긴장을 나타낼 수 있다. 

▲ 재료를 더 늘리면 MIT의 마스코트 Tim을 나타내는 녹색 이미지가 파란색으로 표시되고 늘리지 않은 경우 빨간색이다. © Mathias Kolle, Benjamin Miller et. al / MIT

 

자개, 나비 날개, 게 껍질 - 자연에는 특별한 방식으로 빛을 반사하는 표면이 있다.
이것은 일반적으로 각도와 방향에 따라 다르게 반짝이는 특수하게 배열된 나노구조의 결과다. 등가(等價) 구조는 지금까지 재료 연구자들에게 합성하기 어려웠다. 이것들은 정밀한 나노 물질의 작은 샘플만 생산할 수 있거나 광학적 정밀도가 낮은 것들을 다량 생산할 수 있다.

MIT(Massachusetts Institute of Technology)의 벤자민 밀러(Benjamin Miller)와 그의 동료들은 "잠재적으로 매우 효과적인 많은 응용 프로그램을 가질 수 있지만 둘 다 제공하는 접근 방식을 찾는 것은 여전히 어렵다"라고 설명했다.

100년이 넘은 홀로그래피와 사진기법

과학자들은 이제 확장이 가능하면서도 정밀한 나노구조의 문제를 해결하기 위한 방법을 제시했다. MIT 박물관을 방문하는 동안 Miller는 해결책을 떠올렸다. 그는 그곳에서 큐레이터의 권유로 홀로그래피 전시를 관람했다. Miller는 "나는 홀로그래피가 자연이 구조적 색상으로 하는 것과 거의 같은 일을 한다는 것을 깨달았다"라고 말했다.

박물관 방문에서 영감을 받은 Miller는 홀로그래피의 역사를 연구하고 이미 19세기에 다중 스펙트럼 이미지를 만드는 데 사용된 노벨상을 수상한 기술인 리프만(Lippmann) 사진을 접했다. 이를 위해 Lippmann은 알루미늄으로 만들어진 유리판과 거울 사이에 위치한 감광성 에멀젼을 사용했다. 들어오는 빛과 반사된 빛은 작은 입자가 재구성되어 작은 거울처럼 모티브를 재현하도록 한다. 홀로그래피와 유사하게 이미지는 두 광선의 간섭에 의해 생성되었다.

그러나 오래된 기술의 문제는 실제 적용에는 너무 느리다는 것이다. Lippmann이 사용한 유제는 이미지를 캡처하는 데 며칠이 걸렸다. Miller는 동일한 방식으로 작동하는 현대적인 홀로그램 재료로 프로세스를 가속화할 수 있는지 궁금했다. "현대 재료의 화학 반응은 매우 반응적이어서 표준 프로젝터를 사용해 매우 짧은 시간 단위로 프로세스를 수행할 수 있다"라고 MIT의 Mathias Kolle 수석 저자가 설명했다. 

▲ 홀로그램 필름에서 상세한 동전 각인이 보인다. © Mathias Kolle, Benjamin Miller et al / MIT

늘였을 때 색상 변화

마지막으로 Lippmann 기술을 사용해 과학자들은 몇 분 안에 얇고 탄력 있는 홀로그램 필름에 이미지를 투사할 수 있었다. 그런 다음 그들은 이것을 실리콘 테이프에 적용하고 재료의 거의 마법 같은 반응을 관찰했다. 필름이 팽창하면 이미지의 색상이 변하는 것이다. 이 속성은 착색이 나노구조에 의해 결정된다는 사실과 관련이 있으며, 이는 재료가 늘어나면 변한다.

과학자들의 실험은 필름이 더 긴 파장을 반사하기 위해 점점 더 늘어나는 것을 보여주었다. 따라서 원래 붉은 꽃은 녹색 또는 파란색으로 표시된다. 또한, 생성된 소재를 늘려서 이미지를 사라지게 하는 것도 가능하다. 빨간색 모티프가 그 위에 투영되고 필름이 이완되면 적외선 영역으로 사라진다.

화려한 꽃, 로봇, 체조 유니폼 

사진으로 놀이 장난감과 더불어, 신소재는 실용화도 가능하다. 예를 들어 동전이나 손가락 끝과 같은 물체의 정확한 압형(눌러서 각인)을 만들어 로봇이 촉각으로 피부를 가질 수 있도록 할 수 있다. 의료 분야에도 옵션이 있다. 필름으로 덮인 붕대나 패치는 위험한 스트레칭이나 긴장을 나타낼 수 있다.

과학자들은 또한 고급 재료로 옷 전체를 만드는 것을 상상할 수 있다.
“Lippmann은 원래 재료로 작은 수영복 한 켤레도 만들 수 없었다. 이제 전체 운동복을 생산할 수 있다”라고 Kolle은 말했다. 이러한 운동복은 예를 들어 트레이너와 분석가가 정확한 움직임과 근육 긴장을 기록할 수 있도록 한다.

▲ Sorbonne 물리학 연구소의 Lippmann 교수 (Bibliothèque de la Sorbonne, NuBIS)

<참고>

* 가브리엘 리프만(Gabriel Lippmann)은 출생 직후 프랑스로 이주한 룩셈부르크 유대인 가정의 아들로 프랑스에서 학교를 다녔다. 그는 1883년에 수리 물리학 교수가 되었고 1886년에는 소르본 대학에서 실험 물리학 교수가 되었다. 무엇보다도 그는 간섭을 기반으로 한 Lippmann 컬러 사진 방법을 개발했으며, 이를 1891년 과학 아카데미에 제출했다. 1908년 노벨 물리학상을 받았다. 1881년에 그가 이론적으로 정당화한 "상호적" 또는 "역 피에조 효과"는 Jacques Curie와 Pierre Curie 형제에 의해 실험적으로 입증되었다. 리프만은 당대 최고의 물리학자 중 한 사람으로 여겨지며 런던 왕립 학회, 에든버러 왕립 학회, 프로이센 과학 아카데미, 러시아 과학 아카데미 및 아카데미 데 과학을 비롯한 많은 과학 조직의 회원이었다. 컬러 사진에 대한 Lippmann의 작업은 오늘날 대부분 잊혀졌다. 전기모세관에 대한 그의 연구는 오늘날의 관점에서 중요하다. 1872년 그는 모세관 전위계를 개발했다. 전기습윤에 대한 연구와 함께 그는 미세유체학 분야의 중요한 토대를 마련했다. 이 방법을 사용하면 가장 작은 액체 방울을 목표 방식으로 표면에서 앞뒤로 이동할 수 있다. 생명공학적 미세유체 응용 분야 외에도 전기적으로 전환 가능한 초점 거리를 가진 디스플레이(전자 종이) 및 렌즈도 이러한 방식으로 생산할 수 있다. Lippmann은 또한 고정 망원경, 특히 타워 망원경(1893)으로 하늘의 매일 자전을 추적하기 위해 실용 천문학의 보조 기구인 장치(coelostat 또는 zölostat)를 발명했다. 연구 센터 Center de Recherche Public - 룩셈부르크 벨레스(프랑스어: Belvaux)에 있는 Gabriel Lippmann은 Gabriel Lippmann의 이름을 따서 명명되었다. 그는 또한 남극의 그레이엄 랜드(Graham Land) 서쪽 해안에 있는 리프만 제도(Lippmann Islands)와 달 분화구 리프만(Lippmann)도 그의 이름을 따 명명됐다. (편집자 주)
(Nature Materials, 2022; doi: 10.1038/s41563-022-01318-x)
출처: Massachusetts Institute of Technology

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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