[기획특집- 생체모방기술] 생체모방 기능성 표면의 제조와 응용

기획특집 생체모방기술^－

생체모방 기능성 표면의 제조와 응용

방 창 현ㆍ서 갑 양*^,†

서울대학교 기계항공공학부, *WCU 멀티스케일 기계 디자인 프로그램

Fabrication and Applications of Biomimetic Functional Surfaces

Changhyun Pang and Kahp-Yang Suh*^,†

School of Mechanical and Aerospace Engineering

*WCU program for Multiscale Mechanical Design, Seoul National University, Seoul 151-742, Korea

Abstract: 자연모사공학의 다양한 연구 분야 중, 연꽃잎의 초소수성, 게코도마뱀의 초접착성과 같은 기능성 표면을 모 사하여 재현하려는 연구가 세계적으로 활발히 진행되고 있다. 우리 일상생활에 밀접한 연관을 가지고 있는 표면의 소수 성 및 친수성 성질의 제어는 매우 중요한 물리적 특성이며 높은 경제적인 잠재성을 가지고 있다. 또한, 게코도마뱀의 나노구조를 이용한 신개념 접착방식은 높은 접착력, 쉬운 탈착 및 오염 없는 접착 특성 등의 많은 장점과 함께 다양한 연구가 보고되고 있다. 생체모방 기능성 표면을 제조하기 위해 많은 연구진들은 마이크로/나노 병합 구조의 이론적 접 근, 재료 및 공정 기술을 개발하여 자연을 보다 완벽히 모사하기 위해 노력해 왔다. 본 논문에서는 최근 발표된 생체모 방 기술을 고찰하여 초소수성 및 건식 접착성 시스템의 제조와 그 응용에 대해 정리하였다.

Keywords: biomimetics, lotus, superhydrophobic surface, gecko, dry-adhesive

1. 서 론¹⁾

자연모사공학(Biomimetics)은 자연계의 최적 화된 구조나 메커니즘, 시스템 등을 공학적인 방법으로 모사하여 경제적인 가치를 추구하는 학문 분야로 정의할 수 있으며, 최근 나노기술 을 이용하여 자연의 최적화된 기능을 모방하 고 응용하려는 연구가 활발히 이루어지고 있 다. 산우엉 씨앗의 형태를 모사하여 만든 벨크 로와 상어비늘을 모방하여 물의 저항을 최소 화하고 수중운동 속도를 증가시키는 전신수영 복 등이 생체모방공학의 성공적인 예라고 할 수 있다. 최근 나노 기술의 발전과 더불어 자 연모사공학을 이용한 기술 개발을 통해 기존 기술이 가지고 있지 않은 새로운 개념의 신 기능성 소재를 개발하고, 이를 우주산업 및 국 방 산업으로까지 응용하고자 하는 노력이 활

†주저자 (E-mail: [email protected])

발히 진행되고 있다. 이는 이 분야의 연구가 현재의 기술에 새로운 돌파구를 마련해 줄 커 다란 가능성을 가지고 있으며, 동시에 높은 경 제적 잠재력을 가지고 있음을 보여준다. 나아 가 자연모사기술은 직접적인 경제적 이익뿐만 아니라 기존의 나노기술 및 바이오 기술과 밀 접한 관계를 가지며 신개념의 미래 기술연구 및 산업적 제품개발에 큰 역할을 할 것으로 기대된다.

자연모사공학 중에서도 연꽃잎의 초소수성, 게코도마뱀의 건식접착성과 같은 기능성 표면 을 모사하여 재현하려는 연구가 최근 많은 관 심을 받고 있다. 특히, 표면의 소수성 및 친수 성 성질에 대한 연구는 매우 중요한 물리적 특성이며 우리의 일상생활과도 밀접한 연관을 가지고 있다. 예를 들어 건물 외벽, 자동차 및 항공기 외관, 의류 및 식기 등의 표면을 수요 자가 원하는 방식으로 제조할 수 있다면 경제 적이고 편리한 생활환경을 제공받을 수 있을

20 공업화학 전망, 제12권 제6호, 2009

것이다. 이와 더불어 초소수성 표면에 대한 연 구는 최근 급격하게 발전하고 있는 마이크로 유체역학 및 미세소자 내 유체의 흐름을 제어 하기 위한 기술로써도 활발히 이루어지고 있다.

게코도마뱀의 신개념 접착방식은 지금까지 알려진 접착 메커니즘과는 전혀 다른 새로운 방식으로서, 높은 접착력, 쉬운 탈착 및 비오 염(Non-fouling) 등 다양한 장점을 가지고 있 다. 만일 이를 모사하여 새로운 방식의 기능성 접착물질의 개발이 이루어질 경우, 경제적으로 큰 부가가치를 창출할 것으로 기대된다. 실제 로 우리 일상생활에서 다양한 접착용품이 차 지하고 있는 비중과 유용성을 볼 때 새로운 개념의 접착물질 역시 무한한 가능성을 가지 고 있다고 판단된다. 이는 일상생활 제품뿐 아 니라 수많은 산업용 제품에도 다양하게 응용 될 것으로 기대된다[1]. 이처럼 나노기술을 기 반으로 하는 자연모사공학 혹은 생체모방공학 은 기계, 화학, 재료 및 전자기술 분야 등 실 로 다양한 분야에서 활용이 가능하며 정보기 술, 생명공학 기술, 환경 기술 등과 융합되어 학술적, 그리고 산업의 경제적 가치가 높이 평 가 받고 있다.

2. 초소수성 표면

초소수성 표면 제조의 대표적인 방법은 물 체 표면을 낮은 표면에너지를 갖는 화학물질 로 코팅하는 간단한 방식이 있으나 150° 이상 의 높은 접촉각을 얻기 위해서는 표면에 물리 적 구조를 형성시키는 것이 필요하다. 이때 초 소수성 표면의 구현은 마이크로/나노 복합 구 조가 아닌 단순 마이크로 구조물 또는 나노구 조물을 통해서도 가능하며, 이는 ‘Cassie-Baxter 방정식’을 통해 기하학적 형상 설계가 가능하 다. 이에 대한 대표적인 방법은 탄소나노튜브 의 수직성장, 알루미나 템플릿을 이용한 몰딩, MEMS 공정을 통한 마이크로 구조물 제조, 노광 공정 및 전자빔을 통한 마이크로 또는

나노 구조 제조법 등이 있다.

한편, 최근 연구자들은 자정능력을 가지는 초소수성 표면 제조를 위해서는 150° 이상의 높은 접촉각뿐 아니라 5° 이하의 낮은 미끄러 짐 각도(Sliding angle) 특성을 동시에 가지고 있어야 함을 규명하였다. 이를 위해서는 마이 크로 구조와 나노 구조가 함께 존재하는 복합 구조가 필수적이며, 최근의 초소수성 표면 제 조에 관한 연구는 연꽃잎과 같은 자연의 복합 구조를 모사하고자 하는 방향으로 이루어지고 있다. 연꽃잎을 모사한 마이크로/나노 복합구 조의 제조는 크게 상향식 방법(Bottom-up approach), 하향식 방법(Top-down approach), 그리고 이 두 가지를 병용한 혼합식 방법 (Hybrid technique)으로 나눠진다. 주로 상향 식 방법과 하향식 방법이 주를 이루어 왔으나 최근 공정 개선을 통하여 경제적이고 대면적 화에 효과적인 혼합식 방법이 개발되고 있다.

이러한 제조 방법에 따라 최근의 연구를 구체 적으로 살펴보면 다음과 같다.

첫째로, 상향식 방법(Bottom-up approach) 으로 상 분리(Phase separation) 방법이 있다.

2003년 Science에 발표된 내용에 의하면 이소 택틱 폴리프로필렌(Isotactic polypropylene, i-pp) 을 p-xylene에 녹인 후 슬라이드 글라스 상에 코팅 후 증발과정을 거치면 160° 이상의 접촉 각을 가지는 초소수성 마이크로/나노 구조를 형성시킬 수 있다. 이는 아주 간단한 공정으로 도 초소수성을 얻을 수 있었다는 점에서 주목 받을 만한 결과이다[2](Figure 1(a)).

또한, 미셀 뭉침(Micelle aggregation) 현상 을 통하여 초소수성 표면의 구현이 가능한데 PP-PMMA 블록 혼성중합체(A block copoly- mer of polypropylene and poly(methyl meth- acrylate))를 DMF(N, N'-dimethylformamide) 에 녹여 미셀 용매를 만든 후, 이를 유리 기판 위에 코팅을 하고 용매를 증발시키면, 미셀들 이 서로 뭉쳐 나노/마이크로 복합구조를 형성 하게 된다. 이 때 접촉각은 약 160°의 초소수성 성질을 가지게 된다[3](Figure 1(b)). 2003년

Figure 1. 상향식 방법에 의한 초소수성 표면: (a) 이소택틱 폴리프로필렌[2], (b) Micelle 뭉침 현상[3], (c) 탄 소나노튜브 구조[4], (d) 벌집형태 탄소나노튜브의 나노구조[5].

MIT의 연구자들은 PECVD (Plasma enhanced chemical vapor deposition)를 통하여 직경 50 nm, 높이 2 µm의 탄소나노튜브를 성장시킨 후, 표면을 PTFE (Poly(tetrafluoroethylene)) 로 코팅한 결과, 접촉각이 거의 180°에 이르는 초소수성 표면을 얻을 수 있었다[4](Figure 1(c). 한편, 2002년 J. Phys. Chem. B에 발표 한 중국의 Jiang 그룹은 철 프탈로시아닌(Iron phthalocyanine)을 열분해(Pyrolysis)함으로써 벌집형태의 초소수성 CNT 복합구조를 만들 수 있음을 보여주었다. 이 표면의 경우 접촉각 은 약 163.4°이였으며, 접촉각 이력은 5° 이하 로 매우 우수한 특성을 보였다[5](Figure 1(d)).

이러한 화학적 방식의 경우, 공정이 용이하다 는 장점과 초소수성 표면을 만들기 위한 매우 유용한 방식이지만, 마이크로/나노 구조체가 화학반응에 의해 임의적으로 형성됨으로써 고 체 표면상 액체의 접촉각(Wetability)에 대한 제어가 용이하지 않은 것으로 판단되고 있다.

하향식 방법은 상향식 방법의 기술적인 문 제점을 극복하기 위해 화학적 방식에서 벗어 나 기계적 몰딩 방식에 의하여 마이크로/나노 복합구조를 형성하는 기술이다. 이 기술은 2단 계 열성형 모세관 리소그라피 방식에 의한 것

으로, 온도를 고분자의 유리전이 온도 이상으 로 가해줌으로써 모세관 현상을 유발하여 1차 마이크로 구조물을 형성시키고, 뒤이어 형성된 마이크로 구조물 상에 나노 크기의 음각 패턴 을 가진 rigiflex PUA 몰드를 접촉시킨 후 다 시 2차 가열을 통해 기 형성된 마이크로 구조 물 상에 나노 구조물을 형성시키는 방법으로 161°의 접촉각을 얻었다[6](Figure 2(a)). 이 방법의 경우 정밀하게 제어된 마이크로/나노 복합 구조물을 원하는 위치에 형성시킬 수 있 다는 장점을 가지고 있어 초소수성 표면의 제 조뿐 아니라 표면의 젖음(Wetting) 정도를 제 어할 수 있다는 장점 역시 지니고 있다. 하지 만, 열 성형 방식을 이용함에 따라 적절한 공 정 조건을 확보하지 못할 경우 기형성된 마이 크로 구조물이 붕괴되는 기술적인 어려움이 존재한다.

Figure 2(b)와 같이 2단계 UV성형 모세관 몰딩 공정은 비교적 공정의 조건이 간단하며 재현성이 높은 방법으로 원하는 크기 및 형상 의 마이크로/나노 복합 구조물 제조를 가능케 할 뿐 아니라, 열 성형 방식이 가지고 있었던 문제점을 극복할 수 있다. 기판 위에 스핀코팅 을 하여 균일한 UV 경화성 고분자 박막 위에

22 공업화학 전망, 제12권 제6호, 2009

Figure 2. 하향식 방법에 의한 초소수성 표면: (a) 2단계 열성형 모세관 리소그라피[6], (b) 2단계 UV성형 모세 관 리소그라피[7].

음각의 패턴을 가진 PDMS 몰드를 접촉시킨 후 UV조사를 통하여 부분적으로 경화된 마이 크로 구조물을 형성시킨다. 형성된 마이크로 구조물 상에 나노크기의 음각 패턴을 가진 PUA 몰드를 접촉시킨 후 다시 2차 UV 조사를 통 하여 나노 구조물을 형성하여 165°의 접촉각 을 얻었다. PUA몰드의 경우 두께가 50 µm로 서 유연함과 동시에 PDMS 몰드보다는 높은 기계적 강도(Tensile modulus of ∼40 MPa) 를 가지고 있어, 대면적 나노패터닝이 가능하 게 된다. 뿐만 아니라 열 방식을 통한 2단계 모세관 몰딩 방식에서 나타난 마이크로 구조 물의 붕괴현상이 전혀 나타나지 않아 본 방식 을 사용할 경우, 보다 높은 신뢰성이 있으며, UV 성형 방식의 경우 수초에서 수십 초가 소 요되어 공정 효율성 역시 크게 향상되었다[7].

상향식 방법(Bottom-up approach)과 하향 식 방법(Top-down approach)을 병용한 혼합 식 방법(Hybrid technique)이 최근 연구진들 에 의해 보고되고 있다. 이 방법은 앞의 두 가

지 방법의 장점을 모두 가지고 있는 방법으로, 대면적화에 효과적이며 제어가 용이한 하향식 방법과 물질 특성을 이용한 간단한 화학적 방 법을 함께 이용하여 표면의 계층적 구조를 구 현하게 된다. 한 예로, 균일한 ∼40 nm 크기 의 알루미나 입자를 포함한 UV 경화성 고분 자를 마이크로 크기의 구조물로 경화시킨 후 강한 UV를 조사하여 나노크기의 알루미나 입 자가 노출이 되도록 식각하여 나노 마이크로 계층구조를 제작할 수 있다. 표면에 Hydroxy- 기와 Fluorin-기의 화학물질을 코팅하여 선택 적 Wetting이 가능한 표면구현이 보고되었다[8]

(Figure 3(a)). 또한, 마이크로 구조물을 PDMS 로 제작한 후 DLC (Diamond-Like Carbon)을 이용하여 표면의 버클링(Buckling)을 유도하 여 나노 마이크로 계층구조를 제작하는 방법 도 최근 개발되었다[9](Figure 3(b)). 이러한 혼합식 방법을 이용하면 표면 성질을 효과적 으로 제어할 수 있으며 향후 경제적, 재현성 있는 공정으로 대면적 초발수성 표면을 만드

Figure 3. 혼합식 방법에 의한 초소수성 표면: (a) UV 몰딩에 의한 직접 및 선택적 wetting[8], (b) Diamond- Like Carbon (DLC)의 Dual-Scale Structure 제조와 예[9].

는 연구가 활발히 진행될 것이다.

3. 건식접착성 표면

게코도마뱀은 개미나 파리에 비해 상대적으 로 매우 큼에도 불구하고 매끈하거나 거친 벽 을 수직으로 빠르게 이동할 수 있을 뿐 아니 라, 천장에 거꾸로 붙어서도 이동할 수 있는 능력을 가지고 있어 많은 관심을 끌고 있다.

최근 들어 접착 원리가 나노기술의 발전과 더 불어 많은 부분 밝혀지고 있는데, 그 이유는 게코도마뱀의 발바닥에 존재하는 고종횡비의 계층적 마이크로/나노 섬모로부터 기인한다는 것이 밝혀졌다. 게코도마뱀의 발바닥에는 수백 만 개의 단일 마이크로 섬모(Setae)가 존재하 며 이 단일 섬모는 다시 약 100∼1000개의 나 노섬모(Spatulae)로 구성되어 있다. 이러한 마 이크로/나노 섬모가 접촉면적과의 분자 간 인 력(Van der Waals force)을 극대화시켜 매우 큰 접착력을 발생시킨다는 것이 밝혀졌다[10].

기존 연구 결과에 따르면, 게코도마뱀은 약 10

N/cm²의 접착력을 발휘한다는 것이 밝혀진 바 있다. 이는 약 단위 센티미터 제곱 면적당 약 1 kg 접착력을 발휘함을 의미한다.

기존 접착 방식과는 다른 이러한 획기적인 특성으로 인하여, 게코도마뱀의 발바닥에 존재 하는 고종횡비 나노구조물을 인공적으로 모사 하고 이를 이용하여 새로운 개념의 고기능성 접착물질을 제조하고자 하는 노력이 전 세계 적으로 활발히 진행되고 있다. 게코도마뱀의 접착 능력은 분자 간 인력을 이용하므로 이를 건식 접착제(Dry adhesive) 또는 지능형 접착 제(Smart adhesive)로 이용할 수 있다. 이러 한 원리는 기존에 알려진 발톱(Claws)을 이용 한 기계적 부착 방식이나 액체분비물의 모세 관 힘을 이용한 습식 접착 방식(Wet adhesive pads)과는 다른 매우 독특한 메커니즘으로서, 기존의 3M 테이프 또는 기타 인공 화학적 접 착 시스템과 뚜렷이 구별된다. 즉, 영구적인 사용이 가능함, 매끈한 표면뿐 아니라 거친 표 면에도 접착 가능함, 쉽게 탈착(Detachment) 이 가능함, 깨끗한 표면의 유지가 가능함, 섬 모구조로 인해 초소수성 표면의 성질, 그리고

24 공업화학 전망, 제12권 제6호, 2009

Figure 4. 게코도마뱀의 발바닥 단일섬모 구조[1].

Figure 5. 높은 접착력을 가지는 인공 건식 접착제의 구조적 특성[1].

자정효과(Self-cleaning)와 같은 명확한 차이 점이 있다. 또한, 게코도마뱀의 섬모를 모사한 인공적인 건식 접착제로서 요구되는 중요한 구조적인 특징이 있는데 이를 Figure 5에 정 리하였다.

즉, 구조적 특성을 나열하면, 고종횡비(High aspect ratio) 나노구조, 기울어진(Slanted) 구 조, 주걱 모양(Spatulate head)의 구조, 그리 고 계층(Hierarchical) 구조 등이며, 이러한 원 리에 대한 체계적인 분석이 정리된 바 있다 [1]. 이러한 특성을 가지고 있는 게코도마뱀의 섬모를 모사하여 새로운 개념의 기능성 접착 표면을 제조하기 위해서는 재료 선정에서부터

앞에서 언급한 구조물의 다양한 형상에 이르 기까지 고려해야 할 요인이 많다. 지금까지는 주로 단순한 고종횡비의 마이크로 또는 나노 구조물을 만들고 이들의 접착력을 측정하는 방식으로 이루어져 왔으며, 사용되는 가공 재 료는 주로 탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT) 또는 고분자(Polymer)를 사용하였다. 또한 상 당부분 게코도마뱀 섬모와 유사한 기울어진 형태의 마이크로/나노 이중구조물을 형성하는 구조가 최근에 소개된 바 있다. 지금부터는 상 기한 건식 접착 표면 제조에 대한 대표적인 연구결과를 살펴보고자 한다.

공정 및 재료적인 측면에서 볼 때, 탄소나노

Figure 6. CNT를 이용한 초접착성 표면: (a) MWCNT를 이용한 마이크로/나노 이중구조[11], (b) SWCNT 구 조물[12].

튜브와 고분자를 사용한 초접착성 표면의 연 구가 다수의 연구진에 의해 진행되었으며 탄 소나노튜브로 제작된 건식접착성 표면의 연구 를 먼저 소개하고자 한다. 탄소나노튜브의 경 우 매우 높은 강도를 가지고 있으며, 화학기상 증착(Chemical vapor deposition)방식을 통하 여 매우 높은 종횡비로 성장이 가능하다는 장 점을 가지고 있어 표면 제조에 유리한 재료적 특성을 가지고 있다. 미국 Akron 대학의 연구 그룹은 다중벽 탄소나노튜브(Multiwalled car- bon nanotube)를 일정한 마이크로 패턴 형상 으로 성장시켜 게코도마뱀 섬모의 마이크로/

나노 이중구조와 유사한 형태의 인공 접착표 면을 제조하였다. 이들은 포토리소그라피 방식 을 이용하여 먼저 마이크로 패턴을 형성 후, 철 촉매를 증착하였다. 그 후 화학기상증착 과 정을 통하여 마이크로 패터닝된 탄소나노튜브 를 형성시킬 수 있었다. 이 연구 결과는 형성 된 탄소나노튜브의 특성이 기존에 비해 우수 할 뿐만 아니라, 마이크로/나노 이중구조를 형 성시킴으로써 보다 높은 접착력을 얻었다는 점에서 매우 우수한 연구 결과라 할 수 있다.

결과적으로 약 0.16 cm² 면적에 최대 36 N/cm² 의 전단 접착력을 얻을 수 있었으며, 친수성 표면뿐 아니라 소수성 표면에서도 높은 수준 의 접착력을 얻을 수 있었다. 또한, 약 1,000회 의 반복적인 부착시험에서도 거의 일정한 접 착력을 유지가 가능하였다[11](Figure 6(a)).

한편, 거의 같은 시기에 미국 University of Dayton 대학의 연구진들은 단일벽 탄소나노튜 브(Single walled carbon nanotube)를 이용한 건식접착성 표면을 제조하였다. 이들 역시 0.16 cm² 면적에 탄소나노튜브를 성장시켰으 며 그 결과 최대 약 29 N/cm²의 부착력을 얻 을 수 있었다[12](Figure 5(b)). 이처럼 탄소 나노튜브를 이용할 경우, 매우 높은 종횡비의 구조물, 높은 기계적 강도, 그리고 게코도마뱀 의 접착력을 능가한다는 우수한 장점을 가지 고 있다. 그러나 탄소나노튜브의 성장을 위해 서는 포토리소그라피, 촉매증착, 화학기상증착 등의 복잡한 공정 과정이 필요하고 형성 가능 한 패턴의 면적도 수 mm²로 매우 좁다는 문 제점이 있다.

고분자를 이용할 경우, 탄소나노튜브에 비하 여 원하는 형상으로 가공이 쉽고 원하는 물성 을 추가할 수 있으며 대면적 가공 또한 용이 하여 높은 생산성을 가지고 있다는 장점이 있 다. 이에 따라, 형상이 최적화 된다면 고분자 를 이용한 건식접착성 표면은 일상생활에서 폭넓게 사용될 수 있다는 높은 가능성을 가지 고 있다. 고분자를 이용한 가공방식은 기존의 전자빔 또는 포토리소그라피 방식에서 최근 개발되고 있는 소프트 리소그라피 방식에 이 르기까지 다양한 가공 방식이 개발되었으며, 본 연구 그룹에서는 유연하면서도 단단한 PUA 몰드를 사용하여 상당부분 섬모와 유사한 기

26 공업화학 전망, 제12권 제6호, 2009

Figure 7. 게코도마뱀 모사 고종횡비 구조물[1]: (a) 전자빔을 이용한 굽은 나노섬모, (b) rolling process에 의한 굽은 나노헤어, (c) 경사에칭으로 얻은 마스터 구조, (d) 경사에칭 마스터로부터 복제한 고분자 섬모구조.

울어진 형태의 마이크로/나노 이중구조물을 형 성하는 구조와 접착력을 갖는 구조물을 제작 이 보고하였고 이에 대해 살펴보고자 한다.

본 연구진은 기존 기술로는 가공이 어려운 직경 200 nm 이하, 종횡비 20 이상의 고종횡 비 고분자 나노구조체를 새로운 열공정 모세 관 리소그라피 방식으로 형성할 수 있음을 보 고하였다. ‘몰드와 고분자 박막 사이에서의 표 면에너지’와 ‘고분자 박막과 기판 사이에서의 표면에너지’의 상대적 크기가 서로 대등할 경 우, 고분자가 PUA 몰드의 천정과 적절한 친 화력을 형성하므로 몰드 제거 시 길이방향으 로 신장되어 매우 높은 종횡비의 나노 구조체 를 형성할 수 있음이 확인되었다. 나노신장 기 술은 새로운 가공 방식으로써, 기존의 포토리 소그라피 기술이 갖고 있던 복잡성, 고비용, 나노구조체 형성의 어려움 등의 단점을 극복 하고, 나노임프린트 또는 소프트리소그라피 기

술로 가공이 어려운 종횡비 20 이상의 고종횡 비 나노 구조체 형성이 가능하다는 점에서 여 러 가지 장점이 있다[13].

최근에는 PUA 몰드를 이용하여 고종횡비 의 나노섬모를 만들고 e-beam을 조사하여 게 코도마뱀의 섬모와 유사한 형태의 경사진 섬 모를 만들고 그 접착성을 분석한 연구를 발표 하였다. 이러한 정밀한 공정으로 각각의 나노 섬모의 기울어진 각도에 따른 나노섬모의 분 자간의 인력, 즉 접착력을 분석하였고, 1 cm² 의 면적으로 최대 12 N의 접착력을 가지며 100회 반복 테스트에도 접착력이 유지됨을 확 인하였다[14](Figure 7(b)).

또한, 실제 게코도마뱀의 나노섬모와 상당히 유사한 기울어진 형태의 마이크로/나노 이중 구조물을 형성하는 방법과 접착력 분석에 대 한 결과를 발표하였다. Figure 8의 SEM 이미 지와 같이 균일하게 굽은 나노스케일 섬모들

Figure 8. 본 연구진에 의해 보고된 기울어진 형태의 마이크로/나노 이중구조물: (a) 대면적 계층구조 섬모의 예, (b) (a)의 확대된 사진, (c) (b)의 확대된 사진, (d) 다른 각도에서 본 계층구조 섬모 사진, (e) 실제 게코도 마뱀 발바닥에서 발견되는 계층 섬모사진.

을 5 µm의 PUA 섬모 위에 견고하게 제작하 였다. 이러한 계층 구조의 굽은 나노/마이크로 섬모구조는 기존의 구조물과는 달리, 어느 정 도 거친 표면에서도 접착력이 평평한 표면의 접착력 대비 ∼80% 가량 유지됨을 확인하였 다. 또한 탈부착이 용이함을 이용하여 실용적 인 예로 2세대 LCD 패널을 운반하는 새로운 운반시스템을 제작하여 보고하였다[15].

4. 맺음말

오래전부터 과학자들은 자연이 가지고 있는 최적화된 표면구조, 작동 메커니즘, 시스템 등 에 관심을 가지고 이를 이해하고 응용하려는 노력을 지속해 왔다. 최근 나노기술의 발전에 힘입어 현재의 과학자들은 과거보다 미시적인 영역에 대한 비약적인 탐험할 수 있었고, 그 결과 연꽃잎의 초소수성, 소금쟁이의 부양 능 력, 나비 날개의 아름답고 다양한 빛깔 및 게 코도마뱀의 건식접착 능력 등 자연의 우수한 기능성의 신비를 밝혀내고 있고, 이들 대부분 이 표면에 존재하는 독특한 마이크로/나노 병 합 구조에서 기인함을 보고하고 있다. 미세한

자연계의 기능성 표면을 모사하기 위해서는 구조적 특징을 정확히 이해하고 이를 이론적 으로 설명하는 연구가 선행되어야 할 뿐만 아 니라 제조 공정에 대한 깊이 있는 고찰이 필 요하다. 특히 이번에 살펴본 연꽃잎의 초소수 성과 게코도마뱀의 건식접착성을 구현하기 위 해 많은 연구진들이 상향식과 하향식 방법 그 리고 이들을 접목한 혼합식 방법 등을 적용하 고 있으며, 마이크로/나노 공정기술의 눈부신 발달로 어느 정도 실제 구조와 비슷하고 기능 이 뛰어난 구조를 제작할 수 있음을 본 글을 통하여 확인하였다.

새로운 나노 공정 기술의 개발을 통하여 자 연의 우수한 기능성을 모사하려는 연구가 전 세계적으로 활발히 이루어지고 있음을 볼 때, 머지않아 우리의 일상생활에서부터 첨단 우주 산업 분야에 이르기까지 지금까지 볼 수 없었 던 새로운 기능을 가진 다양한 응용 기술들이 개발될 것으로 기대된다. 오랫동안 자연을 모 방하려는 것은 인류의 오랜 숙원이었으나, 최 근의 나노기술의 발전과 더불어 이러한 기대 는 이제 머지않은 현실로 다가오고 있다. 한 편, 오랜 시간에 걸쳐 자연환경에 최적화되어 온 자연을 모사하는 것은 에너지 효율의 최적

28 공업화학 전망, 제12권 제6호, 2009

방 창 현

2005 성균관대학교 화학공학과 학사 2005∼2006 삼성전자 LCD 연구원 2009 성균관학교 화학공학과 석사 2009∼현재 서울대학교 기계항공공학부

박사과정

서 갑 양

1996 서울대학교 화학공학과 학사 1998 서울대학교 화학공학과 석사 2002 서울대학교 화학공학과 박사 2002∼2004 MIT 박사후 연구원 2004∼현재 서울대학교 기계항공공학부

조교수/부교수

화나 친환경적인 공정 개발에 있어 필수적이 며 이는 앞으로 인류가 나아가야 할 방향과 정확히 일치하기도 한다. 이처럼 나노기술에 기반으로 하는 생체모방공학은 정보기술, 생명 공학 기술, 환경 기술 등과 융합되어 새로운 도약과 기회를 제공할 것으로 기대된다.

참 고 문 헌

1. H. E. Jeong and K. Y. Suh, Nano Today, 4, 335 (2009).

2. H. Y. Erbil, A. L. Demirel, Y. Avci, and O. Mert, Science, 299, 1377 (2003).

3. Q. Xie, G. Fan, N. Zhao, X. Guo, J. XU, J. Dong, L. Zhang, Y. Zhang, and C. C.

Han, Adv. Mater., 16, 1830 (2004).

4. K. K. S. Lau, J. Bico, K. B. K. Teo, M.

Chhowalla, G. A. J. Amaratunga, W. I.

Milne, G. H. McKinley, and K. K. Gleason, Nano Letters, 3, 1701 (2003).

5. S. Li, H. Li, X. Wang, Y. Song, Y. Liu, L. Jiang, and D. Zhu. J. Phys. Chem. B, 106, 9274 (2002).

% 저 자 소 개

6. H. E. Jeong, S. H. Lee, J. K. Kim, and K. Y. Suh, Langmuir, 22, 1640 (2006).

7. H. E. Jeong, M. K. Kwak, C. I. Park, and K. Y. Suh, J. Colloid and Interface Science, 339, 202 (2009).

8. S.-J. Choi, K. Y. Suh, and H. H. Lee, J.

Am. Chem. Soc., 130, 6312 (2008).

9. Y. Rahmawan, M.-W. Moon, K.-S. Kim, K.-R. Lee, and K.-Y. Suh, Langmuir, in press (2009).

10. K. Autumn, M. Sitti, Y. A. Liang, A.

M. Peattie, W. R. Hansen, S. Sponberg, T.

W. Kenny, R. Fearing, J. N. Israelachvili, and R. J. Full, P.N.A.S., 99, 12252 (2002).

11. C. Greiner, A. del Campo, and E. Arzt, Langmuir, 23, 3495 (2007).

12. L. Qu and L. D. Adv. Mater., 19, 3844 (2007).

13. H. E. Jeong, S. H. Lee, P. Kim, and K.

Y. Suh, Nano Letters, 6, 1508 (2006).

14. T.-I. Kim, H. E. Jeong, K. Y. Suh, and H. H. Lee, Adv. Mater., 21, 2276 (2009).

15. H. E. Jeong, J.-K. Lee, H. N. Kim, S. H.

Moon, and K. Y. Suh, P.N.A.S., 106, 5639 (2009).