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나비 날개에 나타나는 창조주의 광학설계
허진우
한국전자통신연구원 박사

   아마 대부분의 사람들은 초등학생 시절 여름방학 때 나비를 채집하여 표본을 해본 기억이 한두 번쯤은 있을 것으로 안다. 나비의 모양도 모양이지만 나비 날개의 화려하고 아름다운 색상에 매료되어서일 것이다. 나비 날개에서 보이는 그 아름다운 색의 비밀은 어디서 오는 것일까?   

옛날 사람들은 붉은 꽃잎을 으깨면 붉은 색소가 묻어나듯이 나비날개도 비슷할 것으로 생각하여 나비 날개를 으깨어 보았지만 색을 얻을 수 없었다. 나비의 몸에서는 분명 화려한 색깔이었는데, 그것을 으깨면 아무런 색이 묻어나오지 않았다. 왜냐하면, 나비 날개에는 처음부터 색소가 없었기 때문이다. 색소가 없는데 어떻게 색을 만들어 낼 수 있을까? 그것은 바로 구조색(structural color)이라는 것으로, 색소가 없어도 나비 날개에 있는 매우 정교하고 독특한 나노구조로 인해 빛을 만들어내기 때문이다. 

중앙 및 남 아메리카에 서식하는 몰포(Morpho) 나비는 영롱하고 아름다운 파란색 날개로 유명한데, 이는 보는 각도에 거의 무관하게 여전히 아름다운 청색을 가지기 때문이다. 앞에서 언급한 바와 같이 나비의 날개에는 색소가 전혀 없다. 다만 날개의 표면구조가 독특해 파란색 파장의 빛만을 반사함으로써 그렇게 보이는 것이다. 이러한 구조색은 보통 다층박막과 회절격자 구조에 의해 나타난다. 스넬(Snell)의 법칙과 프레넬(Fresnel)의 법칙에 의하면, 빛이 굴절율이 서로 다른 박막으로 입사할 때, 박막의 각 경계면에서는 빛의 반사가 일어나며 이때 반사되는 빛들은 일정한 위상차를 가지게 된다. 그런데 이때 반사를 최대한으로 하기 위해서는 반사하는 각 빛이 서로 위상차가 없게 되는 조건, 즉 보강간섭(constructive interference)의 조건을 만족시켜야 하는데, 입사각에 따라 박막의 두께, 굴절율의 조건이 잘 만족되어야 하며, 이에 따라 반사가 극대가 되는 파장이 결정된다.
 
또 다른 빛의 간섭 현상으로 회절격자에 의한 것이 있는데, 이는 마치 다중 슬릿과 같은 일정한 주기의 광구조에 빛이 입사하면, 광구조의 크기 및 입사, 회절 각도에 따라 특정한 파장의 빛이 반사되므로, 예를 들어 파란색 파장을 반사시키기 위해선 각 조건이 이에 맞게 기하 광학적으로 잘 설계되어야 한다.

그렇다면 몰포 나비 날개의 구조를 살펴보도록 하자. 그림에서 보이는 것처럼 나비의 날개는 ‘scale’과 scale 내부의 ‘cuticle’로 이루어져 있다. 실제, 날개의 scale은 ~100um 크기이며 마치 꽃잎처럼 보이는데 이것이 마치 기와와 같이 규칙적인 배열을 하고 있으며, 하나의 scale의 단면을 전자 현미경으로 확대해보면, 높이 2um 정도의 여러 개 다층박막이 마치 세로로 빽빽이 약 700nm 간격으로 세워져 있는 ‘ridge’(산등성이) 구조로 형성돼 있는데, 이를 좀 더 확대하면, 하나의 ridge는 그림에서처럼 정교한 주름구조를 가지며, 각 주름의 너비는 수십 나노 정도에 불과한 라멜라(lamella)구조로 이루어져 있다.[1] 즉, 몰포 나비의 날개는 표면이 scale로 이루어져 있는데, scale 내부에 다층박막 구조가 있고, 이를 이루는 박막 하나가 그 단면이 실제 박막이 아닌 회절격자의 형태를 가짐으로 파란색의 구조색을 가지며, 앞에서 언급한 광학적 조건에 의해 파란색 파장만을 잘 반사시키도록 다층박막의 두께와 날개의 굴절률 및 회절격자의 주기성 등이 최적으로 설계되어 있는 것이다.


.몰포 나비 날개의 표면구조 형상과 실제 나비 날개의 표면 이미지
          
한 가지 더 놀라운 것은 라멜라의 주름 구조가 마치 나뭇가지의 형상으로 이루어져 있는데, 가지의 뻗어나간 위치나 너비는 그 어느 것 하나도 동일하지 않아 이 구조를 구현하기 위해서는 복잡한 변수들에 의해서도 다 표현될 수 없을 정도이다. 즉 나비 날개의 구조는 마이크로 크기의 다층박막 배열에서는 규칙성을 가지지만 동시에 그것을 구성하는 나노 구조에서는 불규칙성을 가진다는 것이다. 이러한 구조는 도저히 인위적으로 모방할 수 없는 구조라 할 수 있는데, 미국의 한 대학에서 이를 모방하여 파란색만을 반사시키는 구조를 제작하였으나, 불규칙적인 나노구조를 구현할 수 없었고, 그렇게 제작한 구조는 몰포 나비의 날개와 비교했을 때, 시야각에 따라 반사 파장과 빛의 강도가 불안정한 특성을 보여주었다.[2] 규칙성 속의 불규칙성, 복잡하나 정교한 이러한 나노구조를 통해 안정적인 반사특성을 얻을 수 있다는 것이 그저 놀라울 따름이다.

이러한 구조와 특성이 우연에 의해 만들어진 것이라고 누가 말할 수 있겠는가? 영롱하고 아름다운 파란색을 안정적으로 나타내기 위해, 기하 광학적으로 이에 맞게 독특한 나노구조로 설계되었다고 밖에는 말할 수 없을 것이다. 그동안 자연에 감춰졌던 나노세계의 형상과 현상들은 나노과학이 발달된 현 시대에서는 더 이상 숨길 수 없는 것이 되었으며, 이를 설계하고 만드신 창조주의 지혜와 능력을 분명히 보여주는 증거가 된다. 어느 누구도 자연에 나타나 있는 창조주 하나님의 섭리를 볼 수 없다고 핑계하지 못할 것이다.  

”창세로부터 그의 보이지 아니하는 것들 곧 그의 영원하신 능력과 신성이 그가 만드신 만물에 분명히 보여 알려졌나니 그러므로 그들이 핑계하지 못할지니라” (롬 1:20)

<참고자료>
1. Kyungjae Chung et al, 'Flexible angle-independent structural color reflectors inspired by morpho butterfly wings', Adv mat., 24, p 2375-9 (2012)
2. Rebecca E. Coath, 'Investigating the use of replica morpho butterfly scales for colour displays', University of southhampton, school of electronics and computer science, p 1-9, MAY (2007)

 


관련 자료 링크:

1. 몰포 나비의 날개는 다윈의 자연선택에 도전한다. (Brilliant Butterfly Feature Challenges Darwinian Selection)
2. 나비 날개의 경이로운 나노구조 (Butterfly Wings Flash Shiny Optical Tricks)
3. 생물에서 발견되는 경이로운 기술들 : 나비 날개의 광흡수, 소금쟁이의 부양성, 생물학적 배터리 (From Wonders of Nature to Wonders of Technology)
4. 아름다운 파란색의 딱정벌레, 새, 그리고 나비들 (Blue-t-ful Beetles, Birds, `n Butterflies)
5. 비둘기와 제왕나비는 위성항법장치를 가지고 있다. (Animals Have Biological GPS)
6. 미션 임파서블 : 제왕나비 (Mission Impossible : the Monarch Butterfly)
7. 발광다이오드는 나비들이 최초로 발명했다 (Butterflies Invented LEDs First)
8. 나비 폭풍 : 세계적인 나비 전문가가 진화를 거부하였다. (Butterfly blast)
9. 나비는 ‘놀라운 슈퍼유전자’로 다른 곤충의 모습을 모방하고 있다. (Butterflies Mimic Other Species with 'Amazing Supergene')
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11. 나노기술과 창조주
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