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기·원의 전당 2012. 6. 11. 18:27

20세기 초, 스위스의 엔지니어 메스트랄(Georger de Mestral)은 등산길에 나섰다가 옷에 붙어 떨어지지 않는 도꼬마리(국화과의 한해살이풀)를 발견한다. 이를 현미경으로 자세히 관찰한 메스트랄은 도꼬마리에 수많은 미세 갈고리가 있어 올가미 모양으로 된 옷감에 잘 달라붙어 있었음을 알게 된다. 자연에 대한 관찰력과 호기심이 인류를 편리한 벨크로(Velcro)의 세계로 인도하게 되는 첫 순간이었다.

 

[자연에 존재하는 미세 갈고리 구조와 이를 모방하여 만든 벨크로의 모습] 사진출처: Wikipedia

 

뗄 때 발생하는 '찍' 하는 소음 때문에 일명 '찍찍이'로도 불리는 벨크로는 부착식 직물의 상표명이다. 사용하기 편한데다 가볍고 내구성이 있어 단추나 지퍼를 대신해 다양한 용도로 사용된다. 보통 벨크로는 두 쪽의 나일론 섬유로 구성되는데, 한 쪽에는 갈고리가 빼곡하게 자리 잡고 있으며 다른 한 쪽에는 작은 원형 고리들이 촘촘히 들어서 있다. 둘을 맞붙이면 갈고리와 원형 고리가 서로 착 엉겨 붙으면서 접착되는 것이 벨크로의 특징이다.

 

반세기가 지난 오늘날 현대판 메스트랄들이 ‘생체모사공학’이라는 학문 아래 수많은 발명품을 만들어내는 가운데, 최근 국내 한 연구진이 딱정벌레의 날개를 본 따 기존의 벨크로를 뛰어넘는 초강력 잠금장치를 개발했다.

 

딱정벌레를 모사한 신개념 나노구조 잠금장치 개발

 

서울대 서갑양 교수 연구팀은 딱정벌레 날개의 결합원리를 이용해, 소음 없이 강한 접착력을 보이며 반복적으로 사용할 수 있는 신개념 나노구조 잠금 테이프를 개발했다.

 

갑충(甲蟲)이라고도 불리는 딱정벌레는 모든 동물 중에서도 가장 큰 목(目)에 해당한다. 국가생물종지식정보시스템(www.nature.go.kr)에 의하면, 한국에 서식하는 종수만 해도 3,090종에 이르며 수가 많은 만큼 종에 따라 모양, 크기, 빛깔 등이 다양하다. 딱정벌레류의 전형적인 특징은 앞날개로서, 두껍고 딱딱하며 몸체에 비해 상대적으로 크다. 또한 다양한 역학적 조건과 주변 환경에 최적화된 매우 섬세한 구조를 가지고 있어 딱정벌레의 생존에 중요한 기능을 담당하고 있다. 따라서 딱정벌레는 자연계의 외부 힘 등에 의한 쓸림으로부터 날개를 보호하는 수단으로, 몸체와 겉날개의 맞닿는 부분에서 이루어지는 미세 섬모간의 가역적인 결합을 이용하는 것으로 알려져 있다.

 

연구팀은 이러한 딱정벌레의 날개 잠금 장치를 모사하여 나노 크기의 미세 섬모 배열 구조를 만들었고, 이를 통해 반복적인 탈/부착이 가능하며 소음이 나지 않는 나노 벨크로를 제작하였다. 일반적인 벨크로는 상하 구조가 서로 다른 갈고리-걸림고리 구조(hook and loop)를 가지고 있는 반면, 이번 연구에서는 서로 동일한 두 나노섬모 부재를 접촉시켜 섬모 사이에 작용하는 인력(표면적에 비례하는 반데르발스 상호작용)을 극대화시키는 원리를 이용하였다.

 

[딱정벌레의 날개 잠금장치에 존재하는 미세 섬모의 모습과 작동 원리를 나타낸 모식도]

출처 : Advanced Materials 24(4), 475 (2012)

 

연구팀이 제작한 나노구조 잠금 장치는 1㎠당 약 1억 개의 나노 섬모를 가지고 있으며, 그 결과 1㎠의 면적에 최대 40N의 접착력을 가지는 나노 벨크로를 만들 수 있었다. 이는 고분자 기반의 건식 접착제 중에서 가장 강한 수준이라고 할 수 있으며, 강한 접착력 이외에도 쉬운 탈착 및 반영구적인 사용, 오염에 의한 점착력 감소 영향 최소화, 무소음 탈착 등 여러 장점을 가지고 있다. 또한, 모세관력 리소그래피 공정을 이용해 간단하게 제작이 가능한 나노구조 잠금 장치는 형성된 미세 섬모의 밀도, 구조, 재료적 특성에 따라 미세 섬모 간 접촉에 의한 반데르발스 힘이 변화하기 때문에 접착 환경에 최적화된 설계가 가능하다.

 

[가역적 신개념 나노구조 잠금장치의 제조와 탈부착]

 

반데르발스 상호작용(van der Waals interaction)

무극성 분자에서 전자의 운동으로 순간적인 쌍극자가 형성되면 그 옆의 분자도 일시적인 편극이 일어나 유발 쌍극자가 생성된다. 이런 순간적인 쌍극자와 유발 쌍극자의 인력 작용을 반데르발스 상호작용이라고 한다. 화학결합과 비교하면 약한 편이나, 재료와 표면 구조에 따라 강한 인력작용을 유발할 수 있다.

 

모세관력 리소그래피(Capillary force lithography)

모세관 현상은 고분자 물질을 이용한 패턴 형성에서 유용한 개념이다. 액체가 모세관을 적실 때 낮은 자유에너지를 가지게 되며 이 현상은 액체의 모세관 오름 현상을 일으킨다. 이 현상을 이용해 고분자의 나노/마이크로 크기의 패턴을 성형 및 제조하는 리소그래피 공정 중 하나를 모세관력 리소그래피라고 한다.


메스트랄의 벨크로가 일반 의류에서부터 군사물품에 이르기까지 여러 분야에서 활용되고 있는 것처럼, 이번에 새로 개발된 잠금장치 역시 간단한 스마트 기기에서부터 의료장비, 강한 접착력이 필요한 우주 항공 등 다양한 분야에 활용될 것으로 기대되고 있다.

 

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