자연에는 가혹한 환경에 적응하는 과정에서 최적화된 무궁무진한 생체시스템이 존재한다. 이를 자세히 들여다보면, 매우 다양한 기능성 미세구조물이 존재하며, 그 특성에 따라 복잡한 다차원 및 계층구조를 보여주는 것을 알 수 있다.

최적화된 생체시스템 모사해 시스템 설계

흥미로운 것은 자연에 존재하는 복잡하면서도 규칙적인 미세 패턴들은 생물의 생존 환경에 알맞게 적응하는 방식으로 발달되었다는 것이다. 이러한 특징으로부터 자연에서 영감을 얻어 시스템을 설계ㆍ제조하는 자연모사 연구가 최근 큰 관심을 받고 있고 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다.

몇 가지 예로, 나노 및 마이크로 구조를 이용하여 곤충의 다층 눈 구조를 모사한 인공눈, 게코 도마뱀의 발바닥 형태를 모사한 건식접착제, 물에 젖지 않는 연꽃잎의 특성을 활용한 초발수성·초발유성 표면, 특정한 방향으로 물방울이 흐르는 거미줄 구조에 대한 연구 등을 들 수 있다. 이 외에도 생체조직을 정밀히 모사하여 손상되었거나 기능이 상실된 조직 및 장기를 대체하는 조직공학 및 인공장기칩 연구가 세계적으로 활발히 진행되고 있다.

이러한 자연모사공학의 맥락에서 기존에 알려지지 않은 ‘자연의 아이디어’로 ‘딱정벌레의 날개 잠금장치’를 들 수 있다. 딱정벌레의 날개 부분을 면밀히 들여다보면, 신기하게도 미세한 섬모들이 날개가 맞닿는 부분에 규칙적으로 배열되어 있는 것을 발견할 수 있다.이렇게 섬모들이 아주 고르게 정렬되어 있는형태를 보면 단순한 관찰자의 입장에서는 자연에 존재하는 구조에 대해 호기심을 갖는 정도로 끝날 수도 있지만, 필자와 같이 자연모사 분야를 연구하는 공학자들은 여기에서 한 발 더 나아가 ‘이러한 독특한 구조가 가져다 주는 장점이 무엇이며, 이를 어떻게 응용해서 인간 생활을 보다 편리하게 해 주는 장치를 만들 수 있을까?’라는 생각을 자연스럽게 품게 된다.

딱정벌레 겉날개와 몸통, 미세 섬모로 반복적 결합

딱정벌레는 우리 주위에서 매우 흔하게 볼 수 있는 곤충이다. 일부 극한 환경을 가진 지역을 제외하고는 전 지구상에 골고루 분포하고 있으며, 전 세계적으로 약 30여 만 종, 우리나라에서는 약 8천여 종이 분포한다고 알려져 있다. 종수가 많은 만큼 딱정벌레는 모양, 크기, 빛깔 등도 매우 다양하다. 몸길이는 가장 작은 무궁화버섯벌레의 0.25㎜에서부터 헤라클레스풍뎅이의 15.5㎝(뿔 포함)까지 있으며, 모양도 원형이나 공 모양에서부터 가늘고 긴 원통형이나 판 모양의 것, 호리병형 등이 있다. 몸 빛깔은 검은색, 황갈색, 적갈색 또는 아름다운 금속광택이 나는 것도 있으며, 붉은색, 노란색, 초록색 등 다양한 색상의 종이 존재한다.

딱정벌레는 이렇게 종에 따라 매우 다양한 신체 특성을 가지고 있지만, 일반적으로 딱정벌레의 날개는 다른 곤충의 날개와 비교했을 때 상대적으로 두꺼우며, 날개 길이는 몸체에 비해 약 3배 이상 긴 특징을 가지고 있다. 또한, 다양한 역학적 조건과 극한 환경에 적응하기 위해 날개 표면은 매우 섬세한 구조를 갖고 있다. 이러한 특징 때문에 딱정벌레의 날개는 몸통에 비해 상대적으로 손상에 취약하므로, 딱정벌레는 날개를 쓰지 않을 때에는 몸통에 날개를 접은 후 날개 잠금장치를 통해 고정시켜, 날개가 마찰로 인해 쓸리는 것을 막고 외부 힘과 같은 환경적 요인에 의한 날개 손상을 최소화하고 있다.

즉, 딱정벌레의 날개가 접힐 때는 몸체와 겉날개 면의 미세 섬모 배열이 상호 접촉하면서 안정적으로 결합하며, 날개를 펼칠 때에는 가장자리에서부터 방향성을 갖고 섬모가 분리되는 방식을 가진 날개 잠금장치가 존재하는 것이다. 또한 딱정벌레의 날개 잠금장치는 표면에 존재하는 나노크기의 채널을 통해 오염을 방지하는 기능도 추가적으로 제공하며, 안정적인 결합을 유지하기 위해 미세 섬모의 접촉 세기를 감지하는 신경기관도 존재함이 동물학자들의 연구로 알려져 있다. 다시 말해 딱정벌레는 날개와 몸통 사이를 안정적으로 결합시킬 뿐만 아니라 반복적인 탈·부착에도 결합력의 세기가 유지되며, 표면 오염을 막고 결합의 세기도 감지할 수 있는 우수한 메커니즘을 보유하고 있다.

미세 섬모 결합에서 착안한 신개념 잠금장치 개발

일명 ‘찍찍이’라고 알려진 벨크로 테이프는 운동화, 의류, 가방 등 우리 주위에서 가장 쉽게 찾아볼 수 있는 일반적인 접착 재료 중의 하나이다. 벨크로는 1941년 스위스의 전기 엔지니어 조르주 드 메스트랄이 사냥 후 그의 옷과 개의 털에 여기저기 달라붙어 있는 산우엉가시(가시 돋친 껍데기를 가진 식물)가 옷과 개의 몸에서 쉽게 떨어지지 않는 것에 착안하여 만든 것이다. 그는 산우엉가시를 현미경으로 관찰해 한 쪽에는 갈고리가, 다른 한 쪽에는걸림 고리 구조가 있음을 발견하였고, 이와 같은 갈고리-걸림 고리 구조를 섬유로 만드는 기술을 이용해 지금의 벨크로와 유사한 벨크로 테이프를 고안하였다. 이 벨크로 테이프는 1950년대 이래로 수많은 분야에 사용되어 왔고 현재도 끊임없이 새로운 아이디어가 적용된 신제품이 만들어지고 있으며, 전 세계 160여 개의 국가에 300여 개에 달하는 벨크로 관련 기업이 존재할 정도로 세계적으로 널리 쓰이고 있다.

앞서 언급했듯 반복적인 탈부착이 필요한 접착 환경에 있어 벨크로는 획기적인 발명품이라고 할 수 있다. 또한 벨크로는 생활용품뿐만 아니라 산업에서의 다양한 활용이 가능하며, 우주에서와 같이 압력이 극히 낮고 온도 변화가 매우 심한 극한 환경에서도 사용이 가능한 특징을 가지고 있다. 하지만 벨크로는 사용 횟수나 사용 패턴에 따라 접착 부위의 마모가 심하고, 습도나 열 및 화학적 오염에 의해 접착력이 감소될 수 있으며, 탈착 과정에서 소음이 발생하고 구조의 크기가 제한돼 있어 얇고 가벼운 제품에 응용하는 데는 한계가 있다는 단점을 가지고 있다.

필자의 연구팀은 최근 생체 모사 공학과 나노 공정 기술의 비약적인 발전에 힘입어 기존 벨크로의 단점을 극복한 신개념 접착방식을 제시하였다. 딱정벌레 미세 섬모구조 접착 기관을 모사한 나노구조 체결시스템은 세계 여러 연구그룹에서 경쟁적으로 연구 중인 게코 도마뱀의 발바닥 구조를 모사하는 기존의 연구를 개선한 돌파구라고 볼 수 있다. 새로운 접착시스템은 기존의 메커니즘과는 다른 방식으로 높은 접착력, 쉬운 탈착 및 반영구적인 사용, 오염에 의한 접착력 감소 영향 최소화, 무소음 탈착 등과 같은 다양한 장점을 제시하고 있어 이를 이용한 새로운 응용 가능성이 대두되고 있다.

나노구조 체결시스템은 미세섬모가 형성된 서로 동일한 상하 두 개의 접착부재를 서로 접촉시키는 방식으로, 접착되는 두 나노 구조물이 동일한 모양으로 디자인되어 있기 때문에 공정이 간단하다. 일반적으로 나노구조물이 단위 면적당 많은 개수가 형성될수록 접착력이 우수해지는데, 이는 형성된 미세섬모의 밀도가 높을수록 미세섬모 간의 상호작용이 커지면서 중성 분자 간의 인력인 반데르발스 힘이 증가하기 때문이다. 연구진이 제작한 나노구조 잠금 장치는 1㎠당 대략 1억 개의 나노 섬모를 가지고 있다. 그 결과 나노섬모의 구조에 따라 1㎠의 면적에 약 40~60N의 접착력을 가지는 장치를 만들 수 있었다. 이는 고분자 기반의 건식 접착제 중에서 가장 강한 수준이라고 할 수 있다. 또한 미세섬모의 길이, 종횡비, 굵기, 형성 밀도 등을 조절해 접착시스템이 사용되는 환경 및 기능에 알맞게 변형시킬 수도 있다.

하지만 이러한 신개념의 잠금장치를 구현하기 위해서는 미세섬모의 스케일과 구조, 재료적 특성을 이해해야 한다. 딱정벌레 날개 잠금장치를 모사한 신개념 나노구조 잠금장치의 제작방법 및 그 원리에 대해 자세히 살펴보면 다음과 같다. 서로 다른 형태를 갖는 두 구조를 결합시키는 방식의 기존 벨크로와는 다르게, 딱정벌레를 모사한 나노구조 잠금장치는 모세관력 리소그래피를 응용한 간단한 공정으로 제조가 가능하며, 모양이 동일한 짝을 맞붙이는 것만으로 간단한 접착이 가능하다. 또한 재료가 갖는 적정한 탄성계수로 인해 나노 구조물들이 붕괴되지 않으며, 반복적인 결합 및 탈착 과정을 거쳐도 다시 원래의 형태로 복원될 수 있다.

연구진은 딱정벌레 날개 잠금장치의 원리를 이론적으로 설명하였으며, 이를 통해 기존 갈고리 구조의 벨크로와는 전혀 다른 방식인, 미세 섬모의 접촉이라는 물리적 원리를 가진 신개념 나노구조 잠금장치에 대한 공학적인 접근이 가능하도록 하였다. 이와 더불어 학문적으로는 미세 섬모의 거동에 관한 현상을 분석하여 신개념 나노구조 잠금장치의 구조적 및 재료적 형성 기준을 제시하였다. 즉, 상하 약 1억 개에 달하는 미세 섬모들이 모두 동시에 접촉하게 하기 위해서 주변의 미세 섬모 간의 거리, 섬모의 지름과 길이, 그리고 단단함의 정도에 대한 기준을 세우고 이에 따라 강한 접착력을 가질 수 있는 적정한 요소들을 분석하고 제시하였다.

생 활용품, 의료장비, 스마트기기 조립 등에 활용 가능

딱정벌레의 미세 섬모를 모사한 나노구조 잠금장치는 기존의 접착제 시장에 큰 영향을 주어 새로운 접착제 시장을 창출할 수 있을 것으로 기대된다. 우리 일상생활에서 다양한 접착용품이 차지하고 있는 비중과 유용성을 볼 때 신개념 나노구조 잠금장치는 잠재적인 시장 가치가 충분하다고 할 수 있다. 구체적으로는 피부에 쓸림이 없어 착용감이 우수하며, 소음이 발생되지 않는 특징을 이용한 군사 분야 및 고도의 집중력을 요구하는 스포츠 분야로의 응용을 들 수 있다.

또한, 세밀한 공정이 필요한 반도체 및 태양전지 산업에서 쓰이는 청정 이송 및 고정장치 제작에 도움이 될 것이다. 기존의 유압식, 전자기적 점착 장치를 사용하는 경우에 발생되어 왔던 오염, 정전기 및 파손 문제를 개선할 수 있는 신개념 나노구조 잠금장치에 관한 연구가 현재 국내에서 활발히 진행 중이다. 특히 신개념 나노구조 잠금장치의 특징인 높은 접착력과 반복접착 가능성, 얇고 가벼운 구조가 필요한 LCD 및 휴대폰 등의 스마트기기, 또는 2차 전지의 조립에 활용될 것으로 기대된다.

나아가 딱정벌레의 미세 결합 섬모의 나노 접착 현상에 대한 연구는 나노기술에 생소한 일반인들도 쉽게 이해하고 접근할 수 있을 것으로 기대한다. 또한 이 결과는 학문적인 측면에서 생체 및 자연 모사공학의 중요한 연구 성과로 인식되고 있으며, 생물학적 현상에 대한 기계적 해석 및 분석을 제시하여 가치를 인정받고 있다. 또한 나노 섬모의 접촉이라는 개념을 기반으로, 전기적 재료를 활용하여 고효율의 전기적 접합으로의 응용이 가능하며, 뿐만 아니라 응용 범위를 보다 넓혀본다면 미세섬모 나노구조의 접착을 기반으로 하는 에너지 및 생체 신호 전달 시스템 등의 새로운 분야로의 응용에 본 연구가 초석이 될 것으로 기대하고 있다.





글_ 서갑양 서울대학교 기계항공공학부 부교수 sky4u@snu.ac.kr
글쓴이는 서울대학교 화학공학과 졸업 후 동대학원에서 석사·박사학위를 받았으며, MIT ‘테크놀로지리뷰’에서 선정하는 젊은과학자 100인 및 한국과학기술원이 수여하는 젊은 과학자상을 수상하였다.



글_ 방창현 서울대학교 기계항공공학부 WCU 전공 박사과정
글쓴이는 성균관대학교응용화학부 졸업 후 현재 서울대 대학원에서 박사학위를 진행 중이다.