[스투/포커스] 야광 물질들이 우리 도시의 밤을 밝혀줄까?

1603년 경, 이탈리아의 구두장이이자 아마추어 연금술사였던 빈첸초 카시아롤로는 볼로냐 근처의 파데르노 산 비탈에서 발견한 특별히 밀도가 높은 돌을 제련했다. 그가 바라던 대로 금이나 은, 다른 귀금속이 나오지 않았지만 흥미로운 현상이 나타났다. 돌이 식은 후, 어두운 방에서 빛이 났던 것이다.

‘볼로냐 스톤’은 인공적으로 제조된 최초의 발광 물질이었다. 요즘, 지속적인 발광 재료는 장식, 비상 조명, 포장 표시 및 의료 영상 촬영에 사용된다. 경매 사이트 스미소니언 홈페이지에 발광 물질과 관련된 글이 실렸다. 언젠가 발광 물질이 우리에게 더 시원하고 전기를 덜 쓰는 도시를 선사해 줄지도 모른다는 내용의 과학에 관한 글이었다. 그리고 가능성 면에서 공감이 되는 내용이었다.

발광 물질들은 빛을 받아 저장된 에너지를 다시 빛으로 방출함으로써 조명 기능도 하고 열을 방출해 도시를 식힐 가능성도 있다는 지적이다. 발광하는 인도, 빛나는 도로 표지판, 심지어 빛나는 건물들이 일부 거리 조명을 대체할 수 있어 에너지 사용을 줄일 수 있다. 유럽의 몇몇 도시들은 이미 밤에 빛나는 자전거 도로를 설치했고, 연구원들은 도로 표시를 위해 빛나는 페인트를 사용하는 것을 연구했다.

버클리 대학의 국립 로렌스연구소 출신 환경물리학자 폴 버달은 "발광 물질은 환경에 좋은 것으로 기술이 향상될 수 있다면 에너지 사용을 줄일 수 있을 것“이라고 진단했다.

광물 중입자의 한 형태인 볼로냐 스톤은 그 당시 자연 철학자들을 매료시켰지만, 특별히 유용하지는 않았다. 그러나 1990년대에 화학자들은 빛에 노출된 후, 빛이 사라진 후에도 몇 시간 동안 강한 빛을 유지하는 스트론튬 알루미네이트와 같은 새로운 종류의 지속적인 광발광 물질을 개발했다. 이 새로운 물질들 중 일부는 노란색, 빨간색 또는 주황색으로 빛나지만, 대부분은 파란색 또는 녹색 광채를 낸다.

이러한 발광 물질은 광자 에너지를 ‘가둬두고’ 그 에너지를 낮은 파장의 빛으로 다시 방출함으로써 작동한다. 때때로 형광등 전구처럼 빛이 즉시 방출되기도 한다. 대부분의 물질들은 에너지를 더 오래 저장하고 더 천천히 방출한다.

발광하는 보도와 건물들에 의해 빛을 발하는 ‘어둠 속에서 빛나는‘ 도시는 상상은 아니다. 몇 시간 동안 강하게 빛나는 물질들이 그 가능성을 열어준다. 건축 엔지니어 안나 로라 피셀로와 동료들은 2021년 연례 재료 관련 리서치(Anna Laura Pisello and the Evernual Review of Materials Research)에서 전 세계 에너지 사용의 19%가 조명, 특히 거리 조명에 약 1.6%를 사용하기 때문에 잠재적 에너지 절약량이 크다고 썼다.

한 가지 문제는 대부분의 발광 물질들이 밤새도록 빛나지는 않는다는 것이다. 페루자 대학에서 재료를 연구하는 피셀로 교수는 더 나은 자재가 이 문제를 해결하는데 도움이 될 것이라고 말한다.

발광 페인트 또한 실외 조명을 제공할 수 있다. 피셀로 연구소는 야광 페인트를 개발했고 2019년 보고서에서 기차역 근처의 공공 도로를 대상으로 시뮬레이션한 결과 페인트가 밤새도록 빛을 발함으로써, 인접한 지역의 조명에 필요한 에너지를 약 27% 줄일 수 있다는 사실을 발견했다.

도시의 밤에 빛 공해를 더하지는 않는다. 발광 재료는 기존의 조명을 대체할 뿐이지, 추가하지는 않기 때문이다. 발광 재료의 색은 야생 동물에게 특히 해로운 파란색 주파수를 피해 선택될 수 있다. 이는 조명공학을 통해 해결한다.

발광 물질은 또한 도시 열섬 효과와 싸우는 것도 도울 수 있다. 옥상과 포장도로는 태양으로부터 에너지를 흡수해 열로 방출한다. 그 결과 도시의 여름 기온은 주변 시골보다 평균 7.7도 더 높다. 높은 온도는 건강에 해로우며 또한 건물을 냉각하는 데 더 많은 에너지가 사용된다.

일반적인 해결책은 흰색 페인트와 밝은색 아스팔트처럼 빛을 반사하는 재료를 사용하는 것이지만 여기에 발광 물질을 추가하면 훨씬 더 도움이 되는 것으로 밝혀졌다.

피셀로 랩은 한 걸음 더 나아가 빛 에너지를 저장하고 천천히 방출하는 여러 가지 발광 물질을 콘크리트에 추가했다. 발광 물질은 현재까지 250개 정도가 알려져 있다. 이들 중 다수는 아직 실용적인 응용을 위해 연구되지 않았다. 피셀로는 더 오래 지속되고 더 많은 색상으로 밝게 빛나는 페인트나 포장도로가 가능하다고 주장했다.