검은색 빛 흡수 - geom-eunsaeg bich heubsu

빛 흡수율 99.965%…모든 물체를 평면으로 만들어 버리는 경이로움 선사
탄소나노튜브 수직으로 매우 촘촘히 배열해 빛을 가두는 원리 이용

같은 두 개의 조각상이지만 반타블랙을 입힌 왼쪽의 조각상은 평면으로 보인다. 사진=서리 나노시스템즈(Surrey Nanosystems) 홈페이지.

‘세상에서 가장 검은 검은색’. ‘가장 순수한 검은색’. ‘인간이 만든 블랙홀’. 이 수식어들이 가리키는 대상은 바로 ‘반타블랙(Vanta Black)’이다. 도대체 얼마나 검기에 이 같은 수식어들이 붙었을까. 보통 검정 페인트도 빛을 일정 정도는 반사한다. 하지만 이 반타블랙은 거의 모든 빛을 빨아들인다.

보통 우리가 느끼는 색이란 것은 물체가 반사한 가시광선의 파장을 보는 것을 의미한다. 검정은 빛을 흡수하기에 검정으로 보인다. 비록 검정이라 하더라도 모든 빛을 흡수할 수는 없어 음영이나 질감 등은 느낄 수 있다. 반타블랙은 예외다. 이 물질은 빛 흡수율 99.965%를 자랑한다. 사실상 모든 빛을 먹어 버리는 셈이다. 또 반타블랙은 가시광선 뿐만 아니라 사람이 볼 수 없는 자외선과 적외선까지 흡수한다. 이 때문에 이 반타 블랙은 모든 물체를 평면으로 만들어 버린다.

3차원 조각상도 반타블랙을 입히면 2차원의 평면이 된다. 반타블랙 옷을 입으면 평생 다림질은 할 필요가 없다. 이 경이로운 물질은 지난 2014년 영국 기업 ‘서리 나노시스템즈(SurreyNanosystems)의 탄소나노튜브 제작 공정을 통해 탄생했다. ’반타(VANTA)‘는 ’VerticallyAligned Nano Tube Arrays‘의 약자로 수직으로 나란히 만들어진 나노튜브 배열을 뜻한다.

머리카락 굵기의 1만분의 1 정도로 아주 작고 미세한 탄소나노튜브를 서로 수직으로 매우 촘촘하게 배열하면 튜브와 튜브 사이에서 빛이 갇혀 버리게 되는 원리다. 금이나 다이아몬드보다 단위당 가격이 더 비싸다고 알려진 이 반타블랙은 기밀을 요하는 인공위성의 위장을 위한 용도로 만들어졌다고 알려져 있다. 이 밖에 열과 물에도 강한 이 반타블랙의 용도는 확장성이 크다. 천체 관측을 하는 망원경 내부에 반타블랙을 적용하면 이 반타블랙이 빛의 산란을 막아 주는 역할을 해 별의 관찰을 도울 수도 있다.

구겨진 은박지의 한가운데 반타블랙을 칠하면 반타블랙으로 된 부분은 구김이 전혀 보이지 않는다. 사진=서리 나노시스템즈(Surrey Nanosystems) 홈페이지.

예술계에서도 반타블랙 사용 독점권을 두고 논란이 일기도 했다. 인도 출신의 영국 유명 조각가 애니쉬 카푸어(Anish Kapoor)는 지난 2016년 거액을 주고 반타블랙의 예술적 사용에 대한 독점권을 확보하면서 표현의 자유 침해를 두고 잡음이 생기기도 했다.

(원문: 여기를 클릭하세요~)

‘역대 가장 완벽한 블랙’ 개발…99.995% 빛 차단

‘리뎀션 오브 베니티’(Redemption of Vanity). MIT 연구진과 예술가는 16.78캐럿 옐로 다이아몬드를 ‘가장 완벽한 검은색’ 물질로 코팅했다.(사진=MIT 뉴스)

‘리뎀션 오브 베니티’(Redemption of Vanity). MIT 연구진과 예술가는 16.78캐럿 옐로 다이아몬드를 ‘가장 완벽한 검은색’ 물질로 코팅했다.(사진=MIT 뉴스)

미국의 과학자들이 역대 가장 완벽한 검은색을 보여주는 나노 물질을 개발했다.

시넷 등 외신에 따르면, 미국 매사추세츠공과대(MIT) 연구진이 만든 이 물질은 가시광선의 99.995%를 흡수한다. 이는 지금까지 가장 완벽한 검은색으로 알려진 ‘반타 블랙’의 가시광선 흡수율인 99.965%보다 0.03% 더 높은 것.

특히 흥미로운 점은 이 물질이 우연히 개발됐다는 사실. 연구진은 전기 전도성 물질의 특정 특성을 높이기 위한 실험에서 알루미늄 포일 표면에서 산화층을 제거하고 그 위에 신소재인 탄소나노튜브(CNT)를 만드는 공정에서 이 탄소 구조물이 더욱더 어둡게 보이는 현상을 발견했다.

이에 대해 실험에 참여한 한 연구원은 표본의 광학 반사율을 측정해야겠다고 생각했었다고 설명했다.

또 연구진은 이 물질이 얼마나 검은지 보여주기 위해 유명 예술가 디무트 슈트레베와 협력했다. 연구를 주도한 브라이언 워들 교수(항공우주공학과)와 슈트레베는 이 물질을 가지고 200만 달러(약 23억7000만 원)의 가치를 지닌 천연 옐로 다이아몬드를 코팅해 예술작품으로 만들었다.

‘리뎀션 오브 베니티’(Redemption of Vanity)라는 이름이 붙여진 이 작품은 지난 12일 미국 뉴욕 증권거래소에서 전시되기 시작했다. 전시 기간은 오는 11월 25일까지다.

영국 서리 나노시스템스가 만들어낸 ‘반타 블랙’.(사진=서리 나노시스템스)

이뿐만 아니라 연구진은 자신들이 개발한 물질을 비상업적인 활동에 한해서 예술가들에게 제공하고 있다. 이는 반타 블랙을 개발한 영국 업체 서리 나노시스템스가 영국 조각가 아니쉬 카푸어에게만 기존 가장 검은색을 사용할 독점권을 준 것과 대조되는 부분이다.

이에 대해 워들 교수는 우리가 만든 물질에 캐치풀한 이름을 붙일 계획은 없으며 그 대신 MIT의 미션을 예술과 과학 분야에 활용할 수 있도록 해서 지식을 창출하고 보급하는 데 주력하고 있다고 말했다.

자세한 연구 성과는 미국 화학학회(ACS) 회보인 ‘응용 재료와 계면’(Applied Materials and Interfaces) 12일자에 실렸다.

(원문: 여기를 클릭하세요~)

이토록 황홀한 블랙을 본 적이 있는가

독일 자동차회사 BMW는 2019 프랑크푸르트 모터쇼에서 제품화된 가장 검은색 물질인 밴타블랙으로 칠한 X6 2020년 모델(VMX6)을 공개했다. 다만 VBX6를 출시할 계획은 없다고 한다. BMW 제공“

검은색은 색이 아니다.”- 레오나르도 다빈치
“검은 물체는…물론 극소량이기는 하지만 하얀빛을 반사한다.” -토마스 영

5년 전쯤 어느 날 볼 일이 있어 백화점에 갔다가 가전 코너를 지나가게 됐다. 한 매장 입구에 커다란 TV가 있었는데 옆으로 돌아가다 무심코 돌아보니 그사이 사라졌다. 순간 이상해서 발걸음을 멈추고 자세히 보니 화면 두께가 너무 얇아 안 보인 것이다.

‘저게 뭐지?’ 궁금한 마음에 가서 보니 OLED(유기발광다이오드) TV다. OLED TV가 출시된 건 알았지만 관심이 없어 이때 실물을 처음 봤다. LCD(액정디스플레이) TV와 달리 백라이트가 없어 두께가 얇다는 얘기는 들었지만 이 정도일 줄은 몰랐다.

갑자기 관심이 생긴 필자는 매장 안으로 들어가 구경하다 또 한 번 놀랐다. OLED TV와 LCD TV를 나란히 놓고 심해탐사 다큐멘터리로 보이는 동일한 영상을 보여주는데 뭔가 차이가 느껴졌다. OLED TV 화면은 탐사선의 빛이 닿지 않는 심해가 정말 캄캄한 반면 LCD TV 화면은 꽤 어두웠지만 검은색이 아니라 짙은 회색과 남색 중간으로 느껴졌다.

LCD는 늘 백라이트가 켜져 있어 검은색을 내려면 편광판이 이를 100% 차단해야 하는데 그렇지 못하기 때문에 약간의 빛이 새어나간다. 반면 소자 자체가 빛을 내는 OLED는 그 영역을 꺼버리면 되므로 완벽한 블랙이 구현된다는 것이다.

LCD TV(왼쪽)는 백라이트 때문에 OLED TV(오른쪽)에 비해 검은색이 제대로 구현되지 못한다. 백라이트만의 효과를 보기 위해 어두운 곳에서 비교했다. 필립스 제공

비교하는 순간 불행이 시작된다고 했던가. LCD 제품(TV, 노트북, 스마트폰)을 쓰면서도 검은색이 제대로 나오지 못하고 있다는 생각을 한 번도 해보지 않았던 필자는 이날 이후 완벽한 블랙이 구현되지 못하는 것에 대해 불만이 생겼다.

그런데 생각해보면 OLED 디스플레이도 완벽한 블랙을 만들 수는 없을 것이다. 디스플레이 자체에서 빛을 내보내지는 않지만 우리가 동굴이나 지하실에서 TV를 보지 않는 이상 외부에서 들어오는 빛 가운데 일부는 반사시킬 것이기 때문이다.

물론 전원을 끈 상태의 화면은 LCD와 OLED 디스플레이 모두 검은색으로 보인다. 그러나 LCD가 검은색을 구현할 때 백라이트를 100% 흡수하지 못하듯이 OLED 디스플레이도 외부에서 온 빛을 100% 흡수하지 못할 것이다(물론 LCD도). 다만 밖에서 온 빛이 백라이트에 비해 광량이 적을 것이므로 검은색일 때 나오는 빛의 양에서 차이가 날 뿐이다.

OLED TV도 바깥에서 오는 빛을 100% 흡수할 수 없기 때문에 동굴이나 지하실에서 불을 끄고 시청하지 않는 이상 완벽한 블랙을 보여주지는 못한다. 공간이 밝을수록 반사하는 빛도 많아질 수밖에 없어 직사광선이 닿은 면과 닿지 않은 면의 검은색에 차이가 난다.

세상에서 가장 검은 차 선보여

그런데 필자만 완벽한 블랙에 집착하는 건 아닌가 보다. 독일의 자동차회사 BMW는 12일부터 열리고 있는 2019 프랑크푸르트 모터쇼에서 ‘세계에서 가장 검은 차’를 선보였다. X6 2020년 모델에 세계에서 가장 검은 검은색 안료 밴타블랙(Vantablack)을 칠했는데 너무 검다보니 차의 형태만 알 수 있을 뿐 문의 손잡이가 어디 있는지도 보이지 않는다고 한다.

밴타블랙은 들어온 빛의 99.9%를 흡수한다. 빛의 입자 관점에서 보면 광자(photon) 1000개가 들어오면 1개만 반사되거나 투과해 빠져나가는 셈이다. 밴타블랙은 알루미늄 포일 같은 금속 박막 위에 탄소나노튜브가 촘촘히 배열된 구조다. 담양 대나무 숲을 떠올리면 대나무가 탄소나노튜브다.

탄소나노튜브는 육각형 그물망 구조인 그래핀이 말려 죽부인 형태를 띤 분자로 탄소원자들 사이에 단일결합과 이중결합이 교대로 있다. 이를 켤레이중결합(conjugated double bond)라고 부르고 여기에 참여하는 전자를 파이전자라고 부른다. 파이전자는 분자 전체에 퍼져 있으면서 가시광선 영역을 포함한 넓은 범위의 빛을 흡수할 수 있다.

밴타블랙의 전자현미경 사진으로 알루미늄 표면(가운데 노출돼 있다) 위에 수십 마이크로미터 길이의 탄소나노튜브가 빽빽이 심어진 형태다. 앞쪽에 떨어진 탄소나노튜브 덩어리가 꼭 담배 필터를 헤집어놓은 것 같다. 서리나노시스템스 제공

따라서 켤레이중결합을 지닌 탄소 기반 물질은 대체로 검은색이다. 대표적인 예가 수많은 그래핀이 층을 이룬 광물인 흑연이다. 나무나 기름이 불완전연소할 때 생기는 그을음(검댕)도 이런 분자의 덩어리다. 문방사우 가운데 하나인 먹(墨)은 송진을 태울 때 나오는 그을음을 모아 만든다.

밴타블랙이 이런 평범한 탄소 기반 물질들보다 훨씬 뛰어난 검은색을 구현할 수 있는 건 대나무 숲의 대나무처럼 배열된 나노구조 덕분이다. 개별 나노튜브에 흡수되지 못한 빛이 옆의 나노튜브에 흡수되기 때문이다. 나노튜브의 숲으로 들어간 빛이 지그재그를 그리며 진행하면서 소멸하는 모습이 떠오른다. 말 그대로 블랙홀이다.

영국 회사 서리나노시스템스는 2014년부터 밴타블랙을 팔고 있다. 주 고객은 천체 망원경이나 적외선 카메라 같은 특수 광학기기를 만드는 곳이다. 밴타블랙으로 코팅을 하면 주변에서 들어온 빛을 거의 완벽하게 흡수하기 때문에 이로 인해 데이터가 교란되는 것을 크게 줄일 수 있다. 참고로 밴타블랙은 적외선 영역의 빛도 대부분 흡수한다.

빛의 99.99% 흡수하는 신물질

미국 MIT 연구자들은 최근 세상에서 가장 검은 물질을 만들었다. 단면의 전자현미경 사진(위)과 도식적 표현(아래)으로 거친 알루미늄 표면에 탄소나노튜브가 자라면서 서로 엉켜있는 모습이다. 이 물질이 밴타블랙보다 더 검은 이유는 아직 설명하지 못하고 있다. ‘ACS 응용 재료 및 계면’ 제공

학술지 ‘ACS 응용 재료 및 계면’ 9월 12일자 온라인판에는 밴타블랙을 능가하는 새로운 검은색 물질을 만드는 데 성공했다는 논문이 실렸다. 이 물질은 가시광선 영역에서 99.99% 이상을 흡수한다. 광자 1만 개가 들어왔을 때 다 흡수되고 단 한 개만 반사되거나 투과해 빠져나간다는 말이다.

미국 MIT 재료과학 공학부 브라이언 와들 교수팀은 처음부터 이런 물질을 만들 생각은 아니었다. 알루미늄 포일 같은 금속 박막에 전기 및 열 특성이 우수한 탄소나노튜브를 성장시키는 방법을 찾는 게 목적이었다. 그런데 알루미늄 표면이 산화돼(녹이 슬었다는 말이다) 전기적 물성이 좋지 않았다.

이 문제를 해결하기 위해 연구자들은 포일을 소금물에 담그고 초음파를 처리했다. 그 결과 포일 표면의 산화층은 없어지고 대신 표면이 거칠어졌다(미세한 수준에서). 이 포일에 촉매를 바른 뒤 산소가 없는 상태에서 아세틸렌과 이산화탄소를 넣어준 뒤 열을 가해 탄소나노튜브를 합성했다. 그 결과 무수한 탄소나노튜브 가닥이 서로 엉커있는 결과물이 나왔는데 연구자들은 이를 ‘탄소나노튜브 숲(CNT forest)’라고 불렀다.

그런데 탄소나노튜브 숲의 검은색이 심상치 않아 반사도를 측정하게 됐고 그 결과 기존에 알려진 어떤 물질보다도 반사도가 낮게 나왔다. 빛 흡수율이 가장 높은 물질로 밝혀졌다. 이 물질이 빛을 흡수하는 메커니즘은 밴타블랙과 비슷한 것으로 보이는데 그 효율이 훨씬 더 높은 이유는 아직 모른다.

한편 이 소식을 들은 MIT의 미술가 디무트 슈트레베는 와들 교수를 찾아가 시료를 요청했다. 밴타블랙에 한이 맺혔기 때문이다. 어찌 된 영문인지 서리나노시스템스는 밴타블랙을 조각가 아니쉬 카푸어의 스튜디어에만 공급하기로 독점 계약을 맺어 다른 예술가들의 원성을 사고 있다.
슈트레베는 와들 교수에게서 얻은 세계에서 가장 검은 물질을 가지고 기발한 예술품(?)을 만들었다. 시가 200만 달러(약 24억 원)인 16.78캐럿짜리 다이아몬드 표면에 이 물질을 코팅한 뒤 역시 이 물질로 코팅된 배경 앞에 둔 것이다. ‘허영의 구원(The Redemption of Vanity)’이라는 이름을 붙인 이 작품은 12일부터 뉴욕 증권거래소에서 전시되고 있다. 이 앞에서 아무리 눈을 부릅뜨고 봐도 코팅된 다이아몬드의 윤곽을 찾지 못할 것이다.

MIT의 예술가 디무트 슈트레베는 16.78캐럿인 노란 다이아몬드(왼쪽) 표면에 세상에서 가장 검은 물질을 코팅해 사라지게 한 작품 ‘허영의 구원’(오른쪽)을 만들어 뉴욕 증권거래소에서 전시하고 있다. Diemut Strebe 제공

빛이 아니라 색의 부재

사실 과학이나 예술이 아닌 일상에서는 완벽과 거리가 먼 검은색도 우리가 검은색으로 지각하는 데 전혀 문제가 없다. 영국의 문학비평가인 존 하비는 2017년 번역출간된 ‘이토록 황홀한 블랙’에서 “칠판이나 검은 천 조각이 반사하는 빛의 양은 하얀 종이가 반사하는 빛의 10% 정도”라고 쓰고 있다. 우리는 주위 대상에서 오는 빛의 상대적인 양을 바탕으로 검은색을 ‘본다’.

하비는 “이렇게 반사된 빛이 완전히 흰색이 아니라 빨간색이나 파란색이 깃들어 있는 빛이라면, 우리는 그것을 검은색이라고 하지 않고 흑갈색이나 흑청색이라고 할 것이다”라고 덧붙였다. 중요한 건 가시광선 영역에서 특정 파장에 치우치지 않고 최대한 균일하게 빛을 흡수하는 것이다. 검은색은 색의 부재이지 빛(광자)의 부재는 아니라는 말이다.

5년 전 매장에서 본 LCD TV의 화면에서 심해가 검은색으로 보이지 않았던 건 아마도 바로 옆에 같은 화면을 내보내는 OLED TV가 있었기 때문일 것이다. 우리가 상대적으로 색을 지각한다는 사실을 떠올렸더라면 당시 비교 화면을 보면서 그렇게 충격을 받지는 않았을 거라는 생각이 문득 든다.

(원문: 여기를 클릭하세요~)