Physically, light is an electromagnetic wave, and color is the information that the light intensity depending on the wavelength is interpreted by visual system. Objects around us have their own colors because the degree of interaction with light depends on the wavelength. Among them, the color generated by interference of light waves scattered from structure is called structural color, and a typical example that generates the structural color is multilayer structure. Because the multilayer structure can selectively reflect light of a desired wavelength band, it has been widely applied to color filter, textile, paint, and so on. However, its viewing angle is narrow, since the reflection only occurs at specular angle. The solution to the narrow viewing angle can be found from the wide-angle color reflection phenomenon from the two-dimensional multilayered ridge structure of Morpho butterfly wing.
In this dissertation, two-dimensional multilayered ridge structures were investigated to widen the viewing angle of one-dimensional multilayer structure. First, the effects of the width and shape of a single multilayered ridge structure on the viewing angle and the reflected color were investigated by numerical simulation. And, to achieve a macroscopic reflected intensity, an array of single ridge structures was fabricated by arranging them on the surface. The fabricated array structure may cause an abrupt color change depending on viewing angle due to the light dispersion caused by the periodicity of arrangement. In this research, the problem of the color change has been solved by introducing inter-structural disorder among the single ridge structures by using spin-coating of randomly sized microspheres, directional deposition, lithography, and so on. Lastly, the color reflection property of an actual Morpho butterfly wing could be explained based on the principles investigated.
빛은 물리적으로 전자기적 파동이며, 빛의 파장에 따른 세기가 시각 시스템에 의해 해석되는 정보를 색이라고 한다. 우리 주변의 물체는 각자 고유의 색을 갖는데, 이 것은 빛이 물체를 만나 상호작용하는 정도가 파장에 따라 다르기 때문이다. 그 중에서도 구조를 만나 산란되는 빛들이 서로 간섭하여 발생하는 색을 구조색이라고 하는데, 그 대표적인 예로 다층막 구조를 들 수 있다. 다층막 구조는 원하는 파장대의 빛을 선택적으로 반사시킬 수 있기 때문에 컬러 필터뿐만 아니라 섬유, 페인트 등으로 널리 응용되고 있지만, 반사가 오직 거울 반사각에서만 이루어지기 때문에 시야각이 좁다는 한계가 있다. 이러한 한계에 대한 해법은 몰포 나비 날개의 2차원 다층막 릿지 구조에 의한 광각 색 반사 현상에서 찾을 수 있다.
본 논문에서는 1차원 다층막 구조의 시야각을 넓히기 위해 2차원 다층막 릿지 구조를 연구하였다. 먼저, 전산 모사를 통해 단일 다층막 릿지 구조의 너비와 모양이 시야각과 반사색에 미치는 영향을 연구하였다. 그리고 거시적인 수준의 반사 세기를 얻기 위해 단일 다층막 릿지 구조들을 표면에 배열하여 제작하였다. 제작된 배열 구조는 배열된 주기성에 의해 분광 현상이 생겨 각도에 따라 색이 급격히 변할 수 있지만, 본 연구에서는 렌덤한 크기의 구슬의 스핀코팅, 방향적 증착법, 리쏘그래피 방법 등을 통해 단일 릿지 구조들 사이의 불규칙성을 도입함으로써 이를 해결하였다. 마지막으로, 연구된 원리를 통해 실제 몰포 나비 날개의 색 반사 특성 또한 설명할 수 있었다.
