갑오징어의 색깔 변화는 TV 스크린 설계에 영감을 불어넣고 있다
갑오징어(cuttlefish)는 화려한 색깔들로 변화될 수 있다. 그래서 갑오징어는 ‘바다의 카멜레온(chameleons of the sea)’으로 알려져 있다. 갑오징어는 간혹 몸을 가로질러 이동하며 나타나는 얼룩말의 줄무늬 패턴을 만들기도 한다. 그들은 이러한 색깔 변화를 수행하는 데에 여러 방법들을 가지고 있다. 그리고 그것들 중 하나는 과학자들이 매우 적은 전력(일반 스크린의 1% 이하의 전력)으로도 작동되는 새로운 타입의 TV 스크린을 설계하는 데에 영감을 불어넣고 있다.
갑오징어는어떻게색깔들을변화시키는가?1
갑오징어는 빠르게 색깔들을 변화시킬 수 있는 몇몇 타입의 구조들을 가지고 있다.
색소세포(chromatophores)
이것은 색소가 들어있는 하나의 탄력적 소낭(elastic saccule)을 포함하는 세포들의 그룹으로서, 이 소낭에는 15-25 개의 근육들이 부착되어 있다. 근육이 수축할 때, 소낭은 잡아 늘려져서 넓은 영역을 뒤덮게 된다. 카멜레온의 색은2 대게 색소세포(chromatophores)들에 의해서 원인된다. 그러나 갑오징어의 색소세포들은 각각 하나의 신경 말단을 가지고 있다. 이것은 더 미세한 조절을 허락하고, 그래서 한 소낭은 이웃한 다른 소낭이 수축하는 동안 확장될 수 있다. 이것은 갑오징어가 빠르게 변화되는 복잡한 패턴의 색깔들을 만들 수 있게 한다.
광택세포(iridophore)
이것은 판들의 작은 더미(tiny stacks of plates)이다. 이것은 하나의 회절 격자(diffraction grating)로서 작용하여, 화려한 색깔들을 만들어낸다. 또한 나비와 새들에서도 보여지는 화려한 파란색은 회절(분산, diffraction)에 의해서, 즉 스펙트럼의 다른 색들을 분리시키고 펼침으로서 만들어진다. 관찰자의 각도와 간격에 따라, 다른 색들이 보여진다. 이것은 구조색(structural colours)으로 불려진다. 왜냐하면 그들은 색소보다는 물질들의 구조에 의존하기 때문이다. 갑오징어에서 광택세포에 의한 색들은 비교적 고정적이다. 그러나 호르몬들은 약간의 변화를 일으킬 수 있다.
백색소세포(leucophore)
이것은 광택세포와 유사하다. 그러나 빛을 회절하기 보다 빛을 반사하는 납작하고 더 규칙적인 판들로 되어있다. 그들의 색깔은 주변의 빛과 일치된다. 즉 백색의 빛은 흰 반짝거림을 만들어낸다. 그러나 들어오는 빛이 다른 색이라면, 그 색이 반사될 것이다. 이것은 위장하는 것을 돕는다.
발광포(photophore)
이것은 이미 존재하는 빛을 흡수하고, 회절하고, 반사하기보다 실제로 빛을 내보낸다. 그들은 생물발광(bioluminescence)을 사용하거나, 화학적 반응을 통해 매우 적은 열과 함께 빛을 만들어낸다. 간혹 이들 생물체들은 공생 관계(symbiotic relationship)에 있는 생물발광 박테리아들을 포함하고 있는 낭들을 가지고 있다.
새로운TV스크린설계.
매사추세츠 공대의 에드윈 토마스(Edwin Thomas)가 이끄는 한 연구팀은 갑오징어를 보았을때 그것이 매우 우수한 공학기술임을 알았다. 그리고 Advanced Materials 지에 그것을 기술하였다. 토마스 박사는 광택세포에 대해서 이렇게 설명하고 있었다 :
“갑오징어는 막들 사이의 간격을 변화시키기 위하여 다른 화학물질들을 분비함으로서 그들의 색깔을 변화시킨… 우리는 얇은 층들 사이의 간격을 조절하기 위한 인공적 전기 시스템을 만들어오고 있다.”3
이 원형 스크린은 수인치의 크기이지만, 단지 그 두께가 1 마이크론(1 mm의 1000분의 1) 정도이다. 1 마이크론의 두께는 폴리(2-vinylpyridine, 2VP)와 교차되는 ‘매우 저렴한 폴리스티렌(dirt cheap polystyrene)’의 매우 얇은 층들로 채워져 있다. 폴리스티렌은 불활성이다. 그러나 2VP는 작은 전류가 흐를 때 확장된다. 전류가 증가됨으로서 2VP 층의 두께는 증가하고, 관측자에게 그것으로 빛의 파장을 반사한다.4 그래서 낮은 전압에서는 보라색과 파란색이 만들어지고, 반면에 높은 전압에서는 스펙트럼이 붉은색 쪽으로 이동하여, 10V에서는 적색이 만들어진다.
그 스크린은 빛을 방출하지 않는다. 그것이 매우 낮은 전력을 필요로 하는 이유이다. 그러나 이것은 갑오징어를 빛나게 할 외부적 광원을 필요로 함을 의미한다. 그리고 앞쪽에서 바라보여질 필요가 있다. 왜냐하면 이미지의 색은 각도에 따라 변화되기 때문이다.
그러한 스크린을 조립하는 것은 매우 쉽다고 토마스는 말한다. 그래서 그는 화학 수업시간에 학생들이 만들기에 충분한 간단하고, 값싸고, 안전한 응용품을 만들기 위해서 한 고등학교 과학교사와 일하고 있다. 그러나 그것의 간결성에도 불구하고, 사우스캐롤라이나의 클렘슨 대학의 스테판 풀저(Stephen Foulger)는 이렇게 말하고 있었다 :
“이 시스템의 튜닝가능성(tunability)은 환상적입니다. 거기에는 매우 다양한 범위의 색들과 응용이 있습니다.”
이것은 자연(또는 오히려 자연의 설계자)이 정교한 색깔들과 패턴들을 만들어내는 그 복잡함과 효율성으로 인해 과학자들을 놀라게 하는 첫 번째의 경우가 아니다.(아래 기사 참조5)6
참고 문헌및 메모
- Wood, J., and Jackson, K., How Cephalopods Change Color, Bermuda Biological Station for Research, thecephalopodpage.org, accessed September 2004. Naturally this paper gives a fact-free homage to evolution, but it has good design information. Return to text.
- See also By Design, 2008 (above), ch. 3: Colours and patterns. Return to text.
- Bland, E., Color-shifting cuttlefish inspire TV screens: Prototype uses less than one-hundredth the power of traditional displays, msnbc.com, accessed 12 May 2009. Return to text.
- Reporting on Dr Thomas’ earlier research on the same lines, the article Gel Changes Color on Demand (azooptics.com)explains, “The key to manipulating the thickness of the poly–2-vinyl-pyridine (2VP) layer is to give the nitrogens on each segment of the 2VP block a positive charge, yielding a polyelectrolyte chain that can swell to more than 1,000 percent its volume in water.”Return to text.
- See also By Design, 2008 (above), ch. 3: Colours and patterns. Return to text.
- I was first alerted to this new biomimetics example in Cuttlefish Inspire Reflective Screens, Creation-Evolution Headlines, accessed 20 April 2009. Return to text.
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