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중국 산동 대학(Shandong University), 캘리포니아 대학의 리버사이드 캠퍼스(University of California, Riverside), 로렌스 버클리 국립 연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory)의 연구진은 자외선으로 인쇄될 수 있는 종이를 개발했다. 인쇄된 내용은 120 °C (250 °F)에서 가열함으로써 제거되고, 80번 이상 다시 인쇄할 수 있다. 광으로 인쇄될 수 있는 비결은 나노입자의 색상 변환 특성 때문이다. 이 연구의 가장 중요한 부분은 새로운 종류의 고체 상태 광가역(photoreversible) 색상 변환 시스템을 개발했다는 것이다. 시스템은 기존의 종이와 동일한 느낌과 외관을 가져야 하고, 잉크 없이 반복적으로 인쇄되고 제거될 수 있어야 한다. 현재, 종이 생산 및 폐기는 환경에 큰 부정적인 영향을 미치고 있다. 종이 생산은 많은 공해 물질을 발생시키고, 폐기된 종이는 매립물의 거의 40%를 차지한다. 산림 벌채 문제도 심각해서 벌목된 나무의 약 1/3이 종이 및 판지 생산에 사용된다. 이러한 문제를 해결하기 위해서, 과학자들은 빛에 노출시켰을 때 색상이 변하는 능력을 활용하려고 노력했는데, 이것은 안정성, 제한적 가역성, 높은 비용, 독성 등으로 인해서 어려움을 겪었다. 이번 연구진은 두 개의 나노입자를 사용함으로써 이런 문제점을 극복했다. 한 개는 프러시안 블루(Prussian blue)인데, 이것은 전자를 얻을 때 무색으로 변하는 비독성 청색 안료이고, 다른 한 개는 티타늄 이산화물(TiO2)인데, 이것은 자외선 노출 시에 화학적 반응을 촉진하는 광촉매 물질이다. 프러시안 블루와 TiO2 나노입자를 균일하게 혼합해서 종이에 코팅하면, 인쇄되지 않은 인반 용지는 청색을 가진다. 글자 또는 이미지를 인쇄하려면, 종이를 자외선에 노출시키면 된다. 이런 나노입자들은 전자들을 방출하고, 이로 인해서 청색이 무색으로 변한다. 청색 배경에 무색 글자보다 무색 배경에 청색 글자가 더 쉽게 판독 가능하기 때문에, 배경을 무색으로 변화시키고 글자는 청색을 띄게 했다. 다른 색상을 원한다면, 프러시안 블루를 대체할 수 있는 안료를 적용하면 된다. 인쇄가 끝나면 용지는 최소한 5일 동안 고해상도를 유지하고, 산화를 통해서 서서히 청색으로 돌아온다. 원래 상태로 더 빨리 돌아오게 하려면, 약 10분 동안 용지를 가열하면 단색 상태로 되돌릴 수 있다. 광-인쇄 가능한 종이는 기존의 종이와 가격 경쟁력을 가지고 있다. 이런 코팅 재료들은 저렴하고, 침지 또는 분무와 같은 간단한 공정으로 기존의 종이 표면에 코팅할 수 있기 때문에 제조 단가도 낮을 것으로 예상된다. 광 인쇄 가능한 용지는 80번 이상 재사용할 수 있기 때문에 전체 비용을 크게 줄일 수 있다. 이후의 연구는 빠른 인쇄를 가능하도록 레이저 프린터를 이용하는 것이다. 그리고 풀-컬러 인쇄를 구현할 수 있는 연구가 수행되어야 할 것이다. 이 연구는 현대 사회에 큰 경제적, 환경적 이득을 제공할 것이다. 이번에 개발된 광-인쇄 종이는 인류의 삶을 향상시키고, 단기적인 정보를 저장하는 분야에 큰 영향을 끼칠 수 있을 것이다. 재기록 가능한 종이는 신문, 잡지, 포스터, 메모장, 산소 센서 등의 다양한 분야에 적용될 수 있을 것이다. 그러나 이런 코팅 공정 중에 발생하는 환경오염과 나노입자들이 끼치는 환경적 영향 등을 충분히 고려해야 하고, 이번 연구진은 기존의 종이와 가격 경쟁력이 있다고 생각하지만, 나노입자의 비용과 코팅 공정 등을 고려할 때, 더 큰 기술적인 향상이 필요할 것이다. 이 연구결과는 저널 Nano Letters에 “Photocatalytic Color Switching of Transition Metal Hexacyanometalate Nanoparticles for High-Performance Light-Printable Rewritable Paper” 라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b03909). |
