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'찍찍이 원리'에 해당되는 글 1

  1. 2012.02.06 딱정벌레 날개에서 새로운 잠금장치 구조를 배우다

생존을 위해 전략적, 기능적으로 최적화된 자연 생태계의 동물과 곤충의 몸체들을 유심히 관찰하고, 이를 응용하는 것이 생체모사 공학입니다.

대표적으로 물에 젖지 않는 연꽃잎에 관한 연구나 잠자리의 눈, 곤충의 날개구조 등이 있습니다.

그런데 딱정벌레의 날개에서는 독특한 구조와 형태의 잠금장치가 있다고 합니다.

이 딱정벌레 날개에 있는 잠금장치인 미세섬모의 결합 기본원리를 모사해 신개념 나노구조 잠금장치가 개발됐습니다.


□ 서울대 서갑양 교수팀은 최근 전 세계적으로 주목받고 있는 생체모사 공학분야 중 딱정벌레 날개의 결합원리를 이용해 기존의 결합제인 벨크로(일명 찍찍이)와는 전혀 다르게, 강한 접착력을 띄면서도 소음이 발생하지 않고 반복적으로 사용할 수 있는 신개념 나노구조 잠금 테이프 개발에 성공했습니다.

서 교수팀은 우선 딱정벌레의 섬모와 유사한 크기인 마이크로와 나노 크기의 규칙적인 섬모를 다양한 길이비율과 재료들을 이용해 제작하여 접착력을 상호 비교 분석하고, 섬모간의 결합력과 형태를 직접 확인했습니다.

특히 연구팀은 미세섬모 사이에 작용하는 다양한 미세한 힘(반데르발스 힘 포함)들을 분석하고 시뮬레이션하여, 섬모 사이의 결합 현상이 일어나는 재료, 형태 및 설계의 특징을 처음으로 규명했습니다.

연구결과 딱정벌레 날개잠금장치의 구조와 현상을 모방하여 간단한 미세섬모 제조기술을 이용해 결합력도 뛰어나고 소음도 없는 획기적인 나노구조 잠금장치를 개발할 수 있었습니다.

이번 연구결과는 기존 제품을 대체할 수 있는 생활용품을 포함해 얇고 가벼운 스마트기기 및 의료장비, 강한 접착력이 필요한 우주 항공 등 다양한 분야에 활용되는 원천기술로서 파급효과가 상당히 클 것으로 기대받고 있습니다.

특히 향후 생체모사 공학분야의 나노크기 구조의 결합과 접촉을 이용한 전기접합 등 초고효율 에너지 전달과, 피부에 부착하여 생체신호를 모니터링하는 센서 등 융합기술 개발에 초석이 될 전망입니다.

연구결과는 나노기술 및 재료 분야의 권위 있는 학술지인 'Advanced Materials'지 1월호(4권, 1월 24일자) 표지논문으로 게재됐습니다.
(논문명 : Bioinspired Reversible Interlocker Using Regularly Arrayed High Aspect-Ratio Polymer Fibers)

딱정벌레 날개 잠금 장치를 모사한 가역적 나노 구조 잠금장치 논문 표지 (The front cover of Advanced Materials: Bioinspired Reversible Interlocker Using Regularly Arrayed High Aspect-Ratio Polymer Fibers). 딱정벌레의 날개는 몸체에 비해 상대적으로 크고 섬세하며, 주변 환경에 최적화되어 딱정벌레의 생존에 중요한 기능을 담당하고 있다. 이러한 날개를 보호하기 위하여 몸체와 겉날개의 맞닿는 여러 부분에 가역적 미세 섬모 배열이 존재하며, 미세 섬모의 결합을 통해 날개의 쓸림이나 자연계의 외부 힘에 대해 날개를 보호하는 기능을 가지고 있는 것으로 알려져 있다. 본 연구진은 딱정벌레 날개의 잠금장치를 모사하여 신개념 나노구조 잠금장치를 개발하였다.


왼쪽부터 서갑양 교수, 방창현 박사과정, 배원규 박사과정

 용  어  설  명

전단 접착력 (Shear adhesion force) : 
물체의 어떤 단면에 평행으로 서로 반대방향인 한 쌍의 힘을 작용시키면 물체가 그 면을 따라 분리될 때까지의 작용하는 힘을 말하며 접착 강도의 척도이다. 

피일링 오프 탈착 방법 (Peeling-off) :
접착테이프의 탈착 시 테이프를 탈착 힘을 최소화하기 위해 테이프의 곡면을 주어 벗겨내는 방법을 말한다.
일반적인 테이프형 습식 및 건식 접착제의 탈착에 쓰이는 방법이다.

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. 화학결합에 비하면  약하나 재료와 표면 구조에 따라 강한 인력작용을 유발할 수 있다.

모세관력 리소그래피 (Capillary force lithography) :
모세관 현상은 고분자 물질을 이용한 패턴 형성에서 유용한 개념으로 액체가 모세관을 적실 때, 낮은 자유에너지를 갖게 되며, 그 젖음 현상은 액체의 모세관 오름 현상을 일으킨다.
이러한 현상을 이용하여 고분자의 나노 혹은 마이크로 크기의 패턴을 성형 및 제조하는 리소그래피 공정 중의 하나이다.

탄성계수(Young's modulus) :
고체 물질의 탄성계수는 응력-변형률곡선의 기울기로부터 구할 수 있으며, 하중이력(history)에 따라서 다양하게 존재할 수 있다.
즉, 접선영률은 일부 고정된 백분율에서 응력-변형률 곡선에서의 기울기가 된다. 일반적으로 최대압축강도의 50%를 선택하는 경우가 많다.

Advanced Materials :
세계적인 신소재 분야의 권위 있는 학술지로, 화학, 물리, 나노기술, 세라믹, 생체재료 등을 다루며, 연구논문(Communications), 리뷰(Review), 특집 기사 (Feature Articles)를 포함한다. (2010 SCI 피인용지수: 10.880)  

<연 구 개 요>

본 연구는 딱정벌레 날개 잠금장치를 분석하여 결합체의 구조물의 멀티스케일 (마이크로 및 나노) 분석을 통한 초강도 전단 접착력(Shear adhesion force)의 방향성을 가지며, 탈착 방법(Peeling-off)에 따라 비교적 손쉬운 탈착성을 지닌 가역적 잠금장치 개발에 관한 연구이다.
그림 1은 자연계에 존재하는 딱정벌레 잠금장치에 관한 분석 및 모식도를 나타낸다.

그림 1. 딱정벌레 날개 잠금장치. (a-c) 딱정벌레 날개 잠금장치 미세 섬모(d) 가역적 딱정벌레 날개 잠금장치 모식도


일반적으로 단추, 기존의 벨크로(Velcro)와 지퍼 같은 커넥터는 서로 결합되기 위해서 기계적 상호작용이나 짝끼리의 접합을 이용한다.
하지만, 신개념의 나노구조 잠금장치는 나노크기 치수를 최소화함에 따라 분자 간 반데르발스 상호작용(van der Waals interaction)이 급격하게 증폭되는 현상을 이용한다.
또한, 모세관력 리소그래피(Capillary force lithography)를 응용한 간단한 제조 공정으로 동일한 짝으로 간단한 접착이 가능하다.
(그림 2) 이것은 기존의 커넥터 기술과 대조적이고 다양한 곳에 더 쉽게 활용이 가능하며, 재료가 갖는 적정한 탄성계수(Young's modulus) 때문에 나노 구조들은 쉽게 붕괴되지 않는다.
 

그림 2. 가역적 신개념 나노구조 잠금장치의 제조와 탈부착


미세 섬모의 체결(interlocking)현상은 미세 섬모에 작용하는 반데르발스 힘과 섬모 고유의 구조적 변형(Deflection)의 상호 관계로부터 설명할 수 있다.
그림 3은 미세 섬모의 결합 및 강한 결합력에 의한 섬모의 분리 현상을 분석한 결과이다.
이로부터 이론적 모델을 확립함으로써 딱정벌레 날개 잠금장치의 원리를 설명하고, 기존의 벨크로와 전혀 다른 현상을 갖는 신개념 나노구조 잠금장치 개발의 기술적 토대를 확립하였다.

그림 3. 미세 섬모의 체결 메커니즘 및 결합 기준


그림 4와 같이 미세 섬모의 움직임의 반경을 계산하여 신개념 나노구조 잠금장치의 구조적 및 재료적 형성 기준을 마련하였다.

결과적으로 신개념 나노구조 잠금장치는 나노구조물의 단위면적당, 많은 개수의 섬모 체결 결합이 형성될수록 접착력이 우수해진다.
즉, 형성된 미세섬모의 밀도, 구조, 재료적 특성에 따라, 미세섬모 간의 접촉에 의한 반데르발스 힘이 커지기 때문에 접착력이 향상된다.

그림 4. 멀티스케일 미세 섬모의 결합 기준

<서갑양 교수>

1. 인적사항 
 ○ 소 속 : 서울대학교 기계항공공학부 부교수
 
2. 학력
  ○ 1996 : 서울대학교  학사 (화학공학)
  ○ 1998 : 서울대학교 석사 (반도체 공정)
  ○ 2002 :  서울대학교 박사 (나노공정)
 
3. 경력사항
○ 2002 ~ 2002 : 서울대학교 응용화학부, Postdoc Fellow & Lecturer
○ 2002 ~ 2004 : Massachusetts Institute of Technology (MIT), Postdoc Fellow
○ 2004 ~ 2008 : 서울대학교 기계항공공학부, 조교수
○ 2010 ~ 2011 : Johns Hopkins University, 방문 연구교수
○ 2008 ~ 현재 : 서울대학교 기계항공공학부, 부교수

4. 주요연구업적
1. M. K. Kwak, H.-E. Jeong, K.-Y. Suh, "Dry Adhesive Medical Skin Patch: Rational Design and Enhanced Biocompatibility," Adv. Mater. vol. 23, no 34, pp. 3949, 2011.
2. H. Yoon, S.-G. Oh, D. S. Kang, J. M. Park, S. J. Choi, K. Y. Suh, K. Char, H. H. Lee, "Arrays of Lucius microprisms for directional allocation of light and autostereoscopic three-dimensional displays," Nat. Commun. vol. 2, pp. 455, 2011.
3. P. Kim, S. J. Kim, J. Han, and K. Y. Suh, "Stabilization of Ion Concentration Polarization Using a Heterogeneous Nanoporous Junction," Nano Lett. vol. 10, pp. 16, 2010.
4. K.-J. Jang and K. Y. Suh, "A multi-layer microfluidic device for efficient culture and analysis of renal tubular cells," Lab Chip. vol. 10, pp. 36, 2010.
5. K. Y. Suh, M. C. Park, and P. Kim, "Capillary force lithography: a versatile tool for structured biomaterials interface towards cell and tissue engineering," Adv. Funct. Mater. vol. 19, pp. 2699, 2009.
6. T. I. Kim, H. E. Jeong, K. Y. Suh, and H. H. Lee, "Stooped nanohairs: geometry-controllable, unidirectional, reversible, and robust gecko-like dry adhesive," Adv. Mater. vol. 21, pp. 2276, 2009.
7. H. E. Jeong, J. K. Lee, H. N. Kim, S. H. Moon, and K. Y. Suh, "A nontransferring dry adhesive with hierarchical polymer nanohairs," Proc. Natl. Acad. Sci. vol. 106, pp. 5639, 2009.

posted by 글쓴이 과학이야기

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