[기획특집 - 생체모방기술] 생체모방공학적 나노 구조 응용: 광결정과 표면 기술

기획특집 생체모방기술^－

생체모방공학적 나노 구조 응용: 광결정과 표면 기술

이 승 엽 서강대학교 기계공학과

Biomimetic Applications of Nanostructures:

Photonic Crystal and Surface Technologies

Seung-Yop Lee

Department of Mechanical Engineering, Sogang University, Seoul 121-742, Korea

Abstract: 최근 국내외적으로 생명체의 특징을 모방하여 이를 새로운 과학적 원리나 공학적인 제품에 응용하는 생체모방 공학(Biomimetics)에 활발히 연구되고 있다. 본 논문에서는 생체모방공학의 개요를 소개하고 특별히 생명체의 표면 구조 와 관련된 생체모방공학적 연구 동향을 소개한다. 공작새의 깃털이나 모포나비의 화려한 색깔은 색소에 의한 빛의 발광이 아닌 구조색(Structural color)이라 불리우는 나노 격자 구조에 의한 특정 색깔의 반사나 회절을 통하여 발생하며 이를 광 결정(Photonics Crystal)이라 한다. 또한 연꽃잎 표면의 나노 패턴에 의한 초발수 특성, 게코 도마뱀 발바닥의 나노 섬모 에 의한 놀라운 건식 접착력, 모든 파장대의 빛을 흡수하는 나방 눈의 표면 구조, 유체와의 마찰력을 줄여주는 상어 지느 러미의 돌기 구조 등 다양한 생명체의 표면 구조와 관련하여 이에 대한 기초 원리 및 응용 연구들을 소개한다.

Keywords: Biomimetics, Nanostructure, Nano Technology, Photonics Crystal, Surface Technology, Lotus Effect

1. 서 론¹⁾

생체모방공학(Biomimetics)은 살아 있는 생 물의 행동이나 구조, 그들이 만들어 내는 물질 등을 모방함으로써 새로운 기술을 만드는 전 자⋅기계 기술로, ‘생체(Bio)’와 ‘모방(mime- tics)’이란 단어의 합성어이다. 여기에서는 생 체모방공학의 여러 응용 분야 중 나노 구조와 관련된 연구들을 소개하고자 한다. 자연에 존 재하는 생명체는 수많은 나노스케일의 유기분 자로 구성되어 상호 연관성을 가지고 최적화/

고효율화 된 고도의 기능화된 시스템이다. 아 직까지는 기존의 연구가 마이크로 크기 구조 의 수준에서 머물러 있었으나, 최근에 나노 기 술의 등장과 더불어 자연모사분야는 연구개발 에 있어서 급물살을 타고 있다.

자연계에 존재하는 생체물질의 표면은 현존

저자 (E-mail: [email protected])

하는 엔지니어링 소재를 이용해 제작한 표면 에 비해 매우 뛰어난 성능을 가지고 있다. 표 면 자체의 마찰을 줄이는 것과 같은 기본적인 성능뿐 아니라 자기조립(self-assembly), 자기 세정(self-cleaning), 자기 회복(self-healing), 외부 환경에 대한 지능적 특성 조절 기능과 같은 다양한 기능을 가지는 표면을 형성하고 있을 뿐 아니라 광결정(photonic crystal)이라 불리우는 주기적인 나노 격자 구조를 통하여 특정한 파장대의 빛을 발광하기도 한다. 자연 계에 존재하는 생체 물질들로부터 얻어진 이 러한 표면을 모사하는 것은 기존의 공학적인 방법론을 뛰어넘어서 새로운 기능과 새로운 소자, 새로운 시스템을 개발하는 데 획기적인 전기를 마련할 수 있는 한 방법이다. 자연계에 서 흔히 볼 수 있는 연꽃 잎(lotus leaf), 상어 피부(shark skin), 새의 깃털, 게코도마뱀 발바 닥, 공작새 깃털, 나비와 나방의 날개 표면과 같이 동⋅식물의 표면 구조물로부터 얻을 수

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Figure 1. 생명체의 나노 구조 표면 기술의 예: 연 꽃잎의 소수성 효과와 공작색 깃털의 광결정 구조.

있는 생체 구조물의 특성에 대한 원리를 밝혀 내고 이를 나노 기술을 이용하여 실생활이나 여러 공학적 시스템에 적용하기 위해서는 원 천기술의 개발이 필요하다.

본 글에서는 생체모방공학적으로 생명체의 나노 구조 표면 기술을 이용하는 여러 응용 분야 중 Figure 1과 같이 연꽃잎의 표면 구조 를 이용한 초발수(super hydrophobic) 연구 및 공작새 깃털 구조와 같은 광결정의 발광 효과에 대한 연구를 소개한다.

1.1. 생명체의 광결정 구조에 의한 발광

공작 깃털의 환상적인 색상에는 생체모방공 학적인 나노물질의 비밀이 숨어있다. 암컷 앞 에서 한껏 펼쳐 보인 수컷 공작의 화려한 깃 털 색상이 바로 표면에 있는 500∼700 nm의 소시지 모양의 나노막대로 구성된 멜라닌 원 통이 만들어내는 것이다. 이 멜라닌 원통 자체 는 현미경으로 보면 색을 띠지 않지만 빛을

받아 산란하면서 공작 특유의 화려한 색상을 뽐내게 된다. 초록, 주황, 코발트블루의 화려한 색상은 바로 이 나노 크기 멜라닌 막대의 배 열 즉 나노소시지의 모양에 따라 만들어진다.

수컷 공작은 오래 전부터 이렇게 첨단 나노기 술로 암컷에게 구애해온 셈이다. 공작새 뿐 아 니라 전복껍질이나 피라미, 모포나비 등의 화 려한 색상도 모두 이런 나노 구조물이 빛에서 산란한 결과다. 공작새의 나노구조물 원리를 화려한 색상을 내주는 자동차 페인트나 반도 체 광소자 개발에 활용하고 있다.

이러한 3차원 주기성을 가진 유전물질(di- electrics)로 이루어진 광결정(photonic crys- tal)의 발광 원리는 살펴보자. 진동과 유사하 게 전자기파(또는 빛)가 자유공간에서 각속도 (angular frequency, ω=2πf)와 주파수(wave number, k=2πλ)는 ω = ck의 관계를 가진 다. Figure 2와 같이 굴절률이 n인 균일한 물 질에서는 식 (1)에서 빛의 속도 c 대신 c/n을 사용하면 되므로 빛의 파장에 대해 진동수(f) 는 항상 선형의 함수관계를 가지게 된다. 그러 나, 균일하지 않는 물질에서는 선형 함수관계 가 깨어지게 되는데, Figure 2(B)에서 보는 바와 같이 물질의 유전상수 또는 굴절률이 주 기적으로 변하는 경우 두 물리량의 관계가 더 이상 선형을 유지하지 못하고 비선형 함수 관 계로 변하게 된다. 특히, 특정 각속도영역은 Figure 2(B)에서 푸른색 띠 파수와 일대일 대 응도 못하게 되어 불연속 함수가 된다. 이와 같은 불연속의 진동수 영역의 빛은 해당 구조 의 물질에서는 Figure 2(B)의 아래 그래프에 x축에 어떠한 파수와도 함수관계에 있지 못한 다는 것으로, 실험적 관점에서 다시 설명하면 불연속 영역에 해당하는 주파수를 갖는 빛이 굴절률이 일정한 판의 수직 방향으로 입사할 경우 존재할 수 있는 어떠한 파수도 없으므로 내부로 들어가지 못하고 완전히 반사됨을 의 미한다. 이 각속도(또는 진동수)영역을 광밴 드갭(photonic bandgap, 광자띠 간격)이라 부 르고, 광밴드갭을 가진 물질을 광밴드갭 물질

Figure 2. (A) 균일한 물질과 (B) 1차원 주기구조에서 광분산관계(photon dispersion relation).

(photonic band gap materials) 또는 광결정 (photonic crystals)이라 부르게 되었다. 그래 프에서 알 수 있듯이 광밴드갭의 위치는 굴절 률 차이 또는 광결정의 주기에 따라 변한다.

광결정의 이론적 연구의 핵심은 방금 예로 든 1차원 주기 구조의 경우처럼 2차원 및 3차 원 주기 구조를 갖는 물질의 광밴드갭 또는, 광분산 관계를 찾는 것이다. 복잡한 구조의 경 우에도 주기적으로 반복되는 구조이므로 단위 구조만 이해하면, 해당 구조에 대하여 전자기 파의 거시 거동을 설명하는 맥스웰(Maxwell) 방정식의 해를 구하면서 얻어지는 고유모드 주파수를 전파 방향의 파수벡터의 함수로 계 산함으로써 주어진 주기 구조의 광분산 관계 를 얻을 수 있다.

물질의 유전상수를 주기적으로 변화시켜 특 정 주파수대역의 전자기파가 전달되지 않는 광밴드갭은 반도체에서의 전자밴드갭(electro- nic band gap)과 유사한 개념으로, 전자밴드 갭 반도체기술의 발전이 20세기 전자공학의 혁명을 가져온 것처럼, 21세기에는 광밴드갭 분야가 광전자(Optoelectronics) 부문의 혁명 을 일으킬 것으로 기대하고 있다. 광결정을 이 용한 광밴드갭 구조 물질은 특히 microlaser, filter, 고효율 LED, 광 switch, 저손실 wave- guide, 초소형 디스플레이 등 다양한 광전자

소자(optoelectronic devices)로 응용가능성이 매우 높아 전 세계적으로 많은 학자들이 연구 에 몰두하고 있다. 초기에는 Si 웨이퍼에 서로 평행한 방향으로 작은 구멍을 뚫거나 막대모 양의 유전물질을 서로 겹치게 쌓아 둠으로써, 유전체-공기 구조물의 유전율에 주기성을 두 어 마이크로 파장영역에서의 3차원 광밴드갭 을 실현하였다. 그러나, 적외선, 가시광선 파장 영역의 경우 위의 방법은 식각(etching) 간격 의 미세화를 필요로 하여 3차원 광밴드갭 형 성이 매우 힘들며 단지 2차원에서 구현이 가 능하였다. 3차원의 경우는 레이저광의 홀로그 램 리소그래피(holographic lithography)을 이 용하거나, 수백 nm 직경의 작은 구들의 자체 결합(self assembly) 방법에 대한 연구가 최근 에 이루어지고 있다.

이러한 광결정 구조는 자연의 생명체 속에 서 색을 구현하는 예를 쉽게 찾아 볼 수 있는 데 Figure 3에 보인 나비가 바로 대표적이 예다. 푸른색을 나타내는 몰포나비(Morpho peleides butterfly)의 날개는 광결정 구조 때 문에 나타나는 색으로 일반적인 천연 염료 (dye)때문에 나타나는 식물의 잎색과 근본적 으로 발색 원리가 다르다. 나비뿐만 아니라, 다양한 곤충이 이러한 방식으로 날개 또는 몸 의 색을 나타내는 것으로 알려져 있는데, 나방

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Figure 3. 자연 속에서 존재하는 광결정 구조에 의한 색깔 변화, 위로부터 나비, 공작 깃털 그리고 오팔 보석.

(moth, trichoplusia orichalcea 등의 종류), 성 게(sea urchin) 등의 구조를 관찰한 논문들이 발표되었다. 또한 Figure 3과 같이 공작새의 깃털의 화려한 색깔도 광결정 구조로 되어 있 음이 연구되었다. 또 다른 중요한 예는 Figure 3에 보인 바와 같은 구조를 갖는 오팔이다. 보 석으로 사용되어온 오팔은 전자현미경으로 관 찰하면, 수백 나노미터 크기의 실리카입자 한 종류 또는 두 종류가 규칙적으로 배열된 구조 임을 알 수 있는데, 오랜 세월 동안 자연에서 콜로이드 입자가 싸여 얻어진 것으로 보인다.

Figure 4는 광결정 특성으로 개발된 상용 제

품을 보여주는데 L'Oreal 회사의 광결정 화장 품(Photonic Cosmetics)과 일본의 광결정 옷 감인 Morphotex를 사용한 옷과 장신구를 보 여준다.

1.2. 생물학적 표면 구조의 특징과 생체모방공학 적 응용

Figure 5는 생명체의 표면 구조의 특징을 보여준다. 소금쟁이 털 구조, sandfish의 물결 무늬, 나방의 눈 구조, 연꽃잎 표면 구조, 게코 도마뱀의 발바닥 구조 등 다양한 표면 구조 등이 나타나 있다. 이 중 몇가지 표면 구조를

Figure 4. 광결정 특성을 이용한 제품으로 L'Oreal 회사의 광결정 화장품(Photonic Cosmetics)과 일본의 광결정 옷감인 Morphotex를 사용한 옷과 장신구.

Figure 5. 다양한 생명체의 표면 구조 특성.

설명하면 다음과 같다.

1991년 독일의 식물학자인 Wilhelm Barthlott 교수가 처음으로 연꽃의 잎사귀가 진흙과 같 은 불순물에 대해 표면을 깨끗하게 유지하는 현상을 밝혀내었다. 연꽃잎은 Figure 6과 같이 특이한 구조를 가지고 있기 때문에 물방울이

떨어졌을 때, 물방울이 연꽃잎의 표면에 퍼지 지 않고, 구형으로 뭉쳐져 먼지를 닦아내면서 굴러가게 되어 있다. 따라서 연꽃잎의 표면은 항상 깨끗한 상태를 유지하게 된다. 연꽃잎 표 면을 전자 현미경으로 관찰하면 Figure 6과 같이 미세한 나노 구조물들이 형성되어 있음

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Figure 6. 연꽃잎 표면의 나노 크기의 초발수 돌기 구조와 이를 모방한 자기 세정 효과의 페인트.

Figure 7. 연꽃잎 표면의 나노 크기의 돌기 구조에 의한 자기 세정 원리. 왼쪽으로 일반 표면 구조 및 오 른쪽은 나노 돌기 구조를 갖는 표면.

을 알 수 있다. 이를 보다 미세한 관점에서 살 펴보면 화학적으로 소수성(hydrophobic)의 표 면과 이를 가능하게 하는 미세 돌출 구조물의 결합을 통하여 연꽃잎 효과(Lotus-effect)가 발생하게 된다.

물이 연꽃잎 표면에서 접촉 각도가 162도까 지 될 정도로 강력한 초발수 특성을 갖는다.

이러한 구조물은 마이크로 크기보다 작은 나 노 구조물의 형태를 띠고 있으며, 나노 및 마 이크로 구조물간의 응착력을 줄일 수 있으므 로 산업화 할 수 있는 가능성이 매우 크므로 독일의 몇몇 회사에서는 이를 꾸준히 연구하

여 최근에 자동차용 유리나 고층건물의 유리 에 사용할 수 있는 페인트와 스프레이를 개발 하였다. 이러한 것들은 기존의 왁스나 실리콘 파우더에 비해 수 배에서 수십 배의 초발수성 을 가진다. 연꽃잎의 자기세정(self cleaning) 을 모방한 코팅시장 하나의 규모가 세계적으 로 100억불을 넘어설 것으로 예상되며, 이를 페인트와 같은 분야까지 확대하면 그 규모가 수백억불에 달할 것으로 전망된다. Figure 7과 같이 일반 표면 구조에 비해서 나노나 마이크 로 돌기 구조를 갖는 표면은 물방울에 의해서 세정 효과가 매우 우수하게 된다.

Figure 8. 게코 도바뱀의 발바닥 표면의 나노 털의 구조와 이를 모방한 로봇 Stickbot (2006년 스탠포드대학).

Figure 9. 게코 도바뱀의 발바닥의 나노 털에 의한 불규칙한 표면에 대해서 접착 면적을 확대하여 접착력 를 증가하는 원리.

나노 구조의 초발수 특징과 반대로 나노구 조의 접착력을 이용하는 경우가 있다. Figure 8과 같이 게코(Gecko) 도마뱀의 경우에는 벽 을 타고 올라가거나 천장에 거꾸로 기어 다닌 다. 큰 중량을 지탱하면서 벽에 흔적도 없이 붙어 있는 것에 대하여 메커니즘을 규명하려 는 많은 시도가 있었으며 그 결과 기본 메커 니즘은 van der Waals 힘을 이용한 접촉이라 는 것이 2000년 Nature에 보고되었다. 그 이 후로 Gecko Setae의 표면과의 마찰특성에 대 한 연구가 진행되어 왔으며, 이에 대한 상업화

연구가 본격적으로 시작되었다. Gecko 도마뱀 발바닥에 있는 나노 표면 구조물(seta)을 이 용한 Adhesion 분야는 기존의 테이프나 접착 제를 대체하는 것 뿐 아니라 물건의 이동을 용이하게 하기 위한 Gripper용으로도 사용이 가능하므로 기존의 용도뿐 아니라 새로운 용도 로써 시장을 개척할 수 있다. Figure 8에서는 이를 응용한 생체모방공학적인 로봇인 Stickbot 를 보여준다. Figure 9에서는 이러한 게코 도마 뱀의 발바닥의 나노 섬모가 어떻게 접착력을 증가시키는 지를 보여준다. 두 표면의 거칠기

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에 따라 보통의 경우 실제 접촉하는 면적은 매우 작은데 나노 털이 접착 면적을 매우 증 가시키므로 게코 도마뱀이 벽을 타고 올라갈 수 있는 충분한 건식 접착력을 만들 수 있다.

이 외에도 자연계에 존재하는 상어 표피에 는 저항력(drag force)을 최소화해 주기 위해 물이 마이크로 관점에서 보면 vortices에서 회 전하도록 표면에 채널이 형성되어 있다. 이를 이용해서 Speedo라는 회사에서는 수영복의 표 면을 이와 유사한 형태로 제작하여 시드니 올 림픽 수영 종목에서 이 수영복을 착용한 선수

% 저 자 소 개

이 승 엽

1989 서울대학교 기계공학과 학사 1990 U.C. Berkeley 기계공학과 석사 1995 U.C. Berkeley 기계공학과 박사 1997∼현재 서강대학교 기계공학과 교수

들이 33개의 메달 중 27개를 획득하는 큰 성 과를 이루었고 이후 대부분의 수영 선수들이 이러한 수영복을 착용하고 있다.

또한 모래에서 사는 sandfish라는 도마뱀은 거친 모래에서 저항을 줄이면서 매우 빠르게 움직일 수 있고 모래에 의한 마모를 줄일 수 있는 물결 모양의 nano-thresholds 구조로 되 어있으며 나방의 눈 표면의 나노 구조는 모든 파장의 빛을 흡수할 수 있는 구조로 되어 있 어서 광학회사에서 반사를 줄이는 코팅 구조 로 사용하고 있다.