인간에게 시각은 오감 중 가장 축복받은 감각일 것이다. 우리가 받아들이는 정보의 80% 정도는 시각으로 얻어진다. 시각을 담당하는 사람의 눈은 녹색 빛에 가장 민감하다. 이는 지난 수백만년 동안 녹색 부근에서 가장 강렬한 빛을 내는 태양에 적응하며 진화해 온 결과이다. 인류사에서 가장 획기적인 전환점을 들라면 아마 인간이 불을 이용하게 된 시점일 것이다. 알타미라와 같은 동굴 속 벽화가 말해주는 것처럼 불은 인간의 활동 시간을 밤까지 연장했고 문명의 태동을 이끌어 냈다.

고재현 한림대 교수·물리학

19세기 후반까지 인류가 이용한 인공 빛은 무언가를 태워서 얻게 되는 화염이었다. 고래기름, 천연가스, 석탄에서 추출한 가스 등이 조명등을 밝히는 원료로 사용됐다. 그러나 이러한 조명은 연기, 그을음, 냄새뿐만 아니라 화재의 위험이 동반됐다. 본격적인 인공 광원의 탄생은 1879년 발명가 에디슨의 연구실에서 이뤄졌다. 공기를 빼낸 유리구 속의 탄소필라멘트에 전기를 흘려 높은 온도를 만들 때 나오는 백열광을 조명으로 이용하게 된 것이다. 백열전구의 탄생은 본격적인 인공 광원 시대의 출발을 알리는 신호탄이었다.

지난 100여년간 인류의 밤을 밝혀 온 쌍두마차는 백열등과 형광등이다. 그런데 이 견고한 두 광원을 제치며 부상하고 있는 조명 광원이 있다. 고체발광다이오드(LED)가 바로 그것이다. 두 종류의 화합물 반도체를 결합해 (-)와 (+)전하가 만나는 결합에너지를 빛으로 바꾸는 LED는 부피가 작고 에너지 효율이 좋으며 다양한 색감을 자유로이 구현할 수 있어 각광받고 있다. 아직 가격이 비싸 시장점유율이 그리 높지 않지만 차세대 조명기술의 선두자리를 LED가 꿰차리라는 점은 분명한 것 같다.

LED의 약점 중 하나는 빛이 반도체 내에서 만들어진다는 것이다. 반도체 내에서 빛이 만들어지면 생성된 빛의 상당량이 반도체와 공기의 표면에서 반사돼 내부로 돌아가 버린다. 이는 기본적으로 반도체와 공기가 가지는 굴절률의 차이 때문이다. 이러한 문제 해결을 위해 연구자는 LED의 표면에 다양한 형상을 새기거나 렌즈를 씌워 갇혀 있는 빛을 밖으로 빼내는 기법을 활용한다. 이러한 광추출기술은 LED의 발광효율을 획기적으로 향상시킨다.

최근 KAIST의 한 연구진이 반딧불이 발광기관의 표피에 있는 미세한 형상을 조사해 LED의 렌즈로 활용한 연구 결과가 미국 국립과학원 회보집에 실렸다. 반딧불이는 배에 위치한 기관에서 나오는 빛을 상대방에 대한 구애 신호로 활용하는데 배의 표피에는 머리카락 굵기의 1000분의 1 정도에 불과한 미세 패턴이 새겨져 있다. 이것이 표피와 공기 사이의 경계에서 빛의 투과를 도와 손실 없이 빛이 빠져나가도록 한다.

연구진은 이 미세 패턴의 3차원 형상을 연구해 LED의 렌즈로 적용할 경우 LED의 효율이 높아질 수 있음을 보여줬다. 흥미로운 사실은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 빛이 가장 잘 투과되는 나노 패턴을 구한 결과가 반딧불이 배에 새겨진 미세 구조와 동일한 형상이라는 점이다. 반딧불이와 같은 곤충은 오랜 진화의 시간 속에서 이미 최적의 조건을 스스로 만들어 온 것이다.

이러한 생체모방 기술은 이미 다양한 기술분야에 적용되고 있다. 나방 눈에 새겨진 미세 렌즈를 모방해 빛의 반사를 방지하는 막을 형성하는 기술은 한 예에 불과하다. 곤충이 연출하는 무지개 색깔이나 빛을 선택적으로 반사시키는 특이한 현상 뒤에는 모두 나노 스케일의 구조나 패턴이 형성돼 있음을 고려하면 자연 그 자체가 인간의 기술적 진화에 필요한 풍부한 디자인의 보고임이 분명하다. 자연으로부터 지혜를 구하는 노력이 필요한 때이다.

고재현 한림대 교수·물리학