나노기술 개발동향
나노기술을 이용한 생체모방 기능성 표면 제조와 응용
이 호 신 † ⋅소 대 섭⋅이 일 형⋅서 갑 양*
한국과학기술정보연구원, *서울대학교
Fabrication and Application of Biomimetic Functional Surfaces Using Nanotechnology
Ho-Shin Lee † , Dae-Sup So, Il-Hyung Lee, and Kahp-Yang Suh*
Korea Science and Technology Information (KISTI)
*Seoul National University
Abstract: 최근 들어 초소수성 및 초접착성 기능성 표면의 원리를 이론적으로 분석하고 이를 공학적으로 구현하 고 응용하려는 연구가 전 세계적으로 급격히 증가하고 있다. 그 이유는 자연계에 존재하는 많은 기능성 원리 가 운데 초소수성 표면과 초접착성 표면을 우리가 정확히 모사할 수 있다면, 일상생활의 편의성을 높이는 새로운 제 품에서부터 마이크로 유체역학 같은 전문 연구영역에 이르기까지 그 응용범위가 무궁무진하기 때문이다. 본고에 서는 최근 많은 관심을 끌고 있는 초소수성 및 초접착성 표면에 관한 이론적 배경 및 이러한 기능성 표면을 구현 하기 위한 최신 연구동향과 응용현황을 기술하였으며, 이와 함께 생체모방기술분야의 정보적 측면에서의 동향을 분석하였다.
Keywords: biomimetic, superhydrophobic, nanotechnology, information analysis, functional surfaces
1. 서 론
1)
나노 기술에 대한 각국의 막대한 투자에도 불구하고 아직까지 전 세계적으로 나노기술의 산업화 및 응용 사례는 그리 많지 않은 실정 이다. 그 이유는 나노 기술의 실질적 적용을 위해서는 나노스케일의 현상을 이해하고 이를 바탕으로 최적화된 나노구조물을 설계함과 동 시에 이를 구현할 수 있는 공정 기술을 개발 해야 하기 때문이다. 이처럼 원리규명, 설계 및 제조 분야가 유기적, 조직적으로 연구되어 야 하지만 실제적인 응용을 위해서는 아직까 지 더 많은 연구가 필요하며, 현재 여러 분야 에서 다양한 연구가 진행 중이다. 이러한 노력 의 일환으로 자연에 존재하는 최적화된 기능 성 나노 표면을 모사하여 우리 생활 및 산업
†주저자(E-mail: [email protected])
전반에 적용할 수 있다면 매우 유익할 것이다.
나노기술을 이용하지 않더라도 이미 자연의
최적화된 기능을 모방하고 응용하려는 연구가
활발히 이루어지고 있다. 그 예로, 올림픽에서
남자 수영선수가 기존의 삼각수영복 대신 ‘전
신수영복’이라 불리는 첨단 제품을 입고 올림
픽 수영 금메달을 휩쓴 바 있다. 상어비늘을
모방하여 물의 저항을 최소화하고 수중운동
속도를 증가시키는 ‘전신수영복’ 역시 생체모
방공학의 한 갈래라고 할 수 있다. 이외에도,
미국을 비롯한 나노 기술 분야의 선도 국가들
은, 자연모사공학을 이용한 기술 개발을 통해
기존 기술이 가지고 있지 않은 새로운 개념의
신 기능성 소재를 개발하고, 이를 우주산업 및
국방 산업으로까지 응용하고자 하는 노력을
활발히 진행시키고 있다. 이는 이 분야의 연구
가 현 기술에 새로운 돌파구를 마련해 줄 커
다란 가능성을 가지고 있음과 동시에 큰 경제 적 잠재력 역시 가지고 있음을 반영하는 것이 라 할 수 있다. 나아가 직접적인 경제적 이익 뿐만 아니라 자연모사기술은 나노기술 및 바 이오 기술과 밀접한 관계를 가지며 향후 미래 기술과 관련한 원천 기술 확보 및 제품 개발 에 큰 도움을 줄 것으로 기대된다.
2. 기술 동향
2.1. 초소수성 표면 제조기술의 국내외 연구동향 초소수성 표면 제조의 대표적인 방법은 물 체 표면을 테플론과 같이 낮은 표면에너지(∼
14 mJ/m 2 )를 갖는 화학물질로 코팅하는 방식 으로서, 매우 간단한 방법이나 150도 이상의 높은 접촉각을 얻기에는 한계가 있으며, 이에 따라 표면에 물리적 구조를 형성시키는 것이 필요하다. 이때 초소수성 표면의 구현은 마이 크로/나노 복합 구조가 아닌 단순 마이크로 구조물 또는 나노구조물을 통해서도 가능하며, 이는 ‘Cassie-Baxter 방정식’을 통해 기하학적 형상 설계가 가능하다. 이에 대한 대표적인 방 법은 탄소나노튜브의 수직성장, 알루미나 템플 릿을 이용한 몰딩, MEMS 공정을 통한 마이 크로 구조물 제조, 노광 공정 및 전자빔을 통 한 마이크로 또는 나노 구조 제조법 등이 있 다. 한편 최근 들어 자정 능력을 가지는 초소 수성 표면 제조를 위해서는 150° 이상의 높은 접촉각뿐 아니라 5° 이하의 낮은 미끄러짐 각 도(sliding angle) 특성을 동시에 가지고 있어 야 함이 밝혀졌는데, 이를 위해서는 마이크로 구조와 나노 구조가 함께 존재하는 복합 구조 가 필수적인 것으로 밝혀지고 있으며, 이에 따 라 최근의 초소수성 표면 제조에 관한 연구는 자연의 복합구조를 모사하고자 하는 방향으로 이루어지고 있다.
2.1.1. 상향식 방법(Bottom-up approach) 지금까지 연꽃 잎을 모사한 마이크로/나노
복합구조의 제조는 주로 화학적 방식으로 이 루어져 왔다. 화학적 방식을 통한 초소수성 표 면 제조 기술은 그 연구가 수년간 전 세계적 으로 매우 활발하게 이루어져 오고 있으며, 여 기서 몇 가지 대표적인 예를 소개한다.
- 상 분리(Phase separation)
2003년 Science에 발표된 내용에 의하면 이 소탁틱 폴리프로필렌(isotactic polypropylene, i-pp)과 같이 아주 간단한 고분자를 적당한 용매 하에서 조건을 맞추어주면 마이크로/나노 구조를 형성시킬 수 있다. 보다 구체적인 공정 과정은 다음과 같다. 먼저 i-pp를 약 130 ℃에 서 p-xylene에 녹인 후 슬라이드 글래스 상에 코팅을 한다. 그 후 약 70 ℃의 진공 오븐에서 증발과정을 커지면 160도 이상의 접촉각을 가 지는 초소수성 표면을 만들 수 있게 된다. 이 는 아주 간단한 공정으로도 초소수성을 얻을 수 있었다는 점에서 주목 받을 만한 결과이다.
이 외에도 용매가 증발하면서 상 분리가 일어 나는 현상을 이용하여 초소수성 표면을 만들 수 있다는 연구가 수 차례 발표된 바 있다.
- 미셀 뭉침(Micelle aggregation)
미셀 뭉침 현상을 통하여 나노구조 또는 마 이크로/나노 복합 구조를 제조함으로써 초소 수성 표면을 구현할 수 있다. 예를 들어 PP- PMMA 블록 혼성중합체(a block copolymer of polypropylene and poly (methyl methacry- late))를 DMF (N, N′-dimethylformamide)에 녹여 미셀 용매를 만든 후, 이를 유리 기판 위 에 코팅을 하고 용매를 증발시키면, 미셀들이 서로 뭉쳐 나노/마이크로 복합구조를 형성하 게 된다. 이 때 접촉각은 약 160도의 초소수성 성질을 가지게 된다.
- 자가조립(Self assembly)
실리카(silica) 나노입자의 자가조립 현상을
이용하여서도 앞서 설명한 미셀 뭉침 현상과
비슷한 결과를 얻을 수 있다. 공정 과정은 미
Figure 1. 미셀 뭉침 현상의 개략도 및 공정 결과.
Figure 2. 나노파티클의 자가조립 현상의 개략도 및 공정 결과.
Figure 3. 표면 처리된 탄소나노튜브 구조와 이를 통한 접촉각의 변화.
셀 뭉침 과정과 매우 유사하며 실리카 입자가 포함된 용매를 적절히 증발시켜 약 200 nm 직경의 실리카 층을 형성 후, 직경 5 nm 이하 의 금나노 입자를 증착시키고 열을 가해주게 된다. 그 결과 접촉각 150도 이상, 접촉각 이 력 10도 이하의 초소수성 표면을 제조할 수 있었다.
- 탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT) 최고의 나노재료로 각광 받고 있는 탄소나 노튜브를 이용할 경우에도 초소수성 표면의 제조가 가능하다. 2003년 MIT의 연구자들은 PECVD (Plasma enhanced chemical vapor de- position)를 통하여 직경 50 nm, 높이 2 µm의 탄소나노튜브를 성장시킨 후, 표면을 PTFE (poly(tetrafluoroethylene))로 코팅한 결과, 접 촉각이 거의 180도에 이르는 초소수성 표면을 얻을 수 있었다.
한편 마이크로/나노 복합구조를 가지는 탄 소나노튜브 필름 제조 기술이 2002년 J. Phys.
Chem. B에 발표되었다. 탄소나노튜브를 수직 으로 배향, 나노 구조를 형성시킴으로써 초소 수성 표면을 제조하는 기술은 이전에도 수 차
례 발표된 바 있으나, 2002년 논문에서 중국의 Jiang 그룹은 철 프탈로시아닌(iron phthalo- cyanine)을 열분해(pyrolysis)함으로써 벌집형 태의 초소수성 CNT 복합구조를 만들 수 있음 을 보여주었다. 이 표면의 경우 접촉각은 약 163.4도였으며, 접촉각 이력은 5도 이하로써 매우 우수한 특성을 보였다.
이 외에도 초소수성 표면을 만들기 위해 수 많은 방법이 존재하나, 대부분 앞서 언급한 화 학적 방식에 기반하고 있다. 이러한 화학적 방 식의 경우, 공정이 용이하다는 장점을 지니며, 초소수성 표면을 만들기 위한 매우 유용한 방 식이지만, 마이크로/나노 구조체가 화학반응에 의해 임의적으로 형성됨으로써 일정한 형상을 의도된 크기로 제어하기가 어려우며, 또한 이 러한 형상을 원하는 위치에 선택적으로 형성 시키는 것 역시 불가능하다는 단점을 가지고 있어 고체 표면상 액체의 접촉각(wettability) 에 대한 제어가 어렵다.
2.1.2. 하향식 방법(Top-down approach)
최근에 화학적 방식에서 벗어나 기계적 몰
딩 방식에 의하여 마이크로/나노 복합구조를
Figure 4. 벌집형태로 성장한 탄소나노튜브 초소 수성 표면 및 접촉각.
Figure 5. 2단계 열성형 모세관리소그라피에 의한 복합구조 및 초소수.
형성하는 기술이 소개되고 있다. 이 기술은 2 단계 열성형 모세관리소그라피 방식에 의한 것으로, 먼저 기판 위에 스핀코팅을 하여 균일 한 고분자 박막을 형성하고, 형성된 고분자 박 막 위에 음각의 패턴을 가진 PDMS 몰드를 접촉시킨다. 그 후 온도를 고분자의 유리전이 온도 이상으로 가해줌으로써 모세관 현상을 유발하여 1차 마이크로 구조물을 형성시키고, 뒤이어 형성된 마이크로 구조물 상에 나노 크 기의 음각 패턴을 가진 PUA 몰드를 접촉시 킨 후 다시 2차 가열을 통해 기 형성된 마이 크로 구조물 상에 나노 구조물을 형성시키는 방법이다. 이 방법의 경우 앞서 소개한 화학적 방식과 비교할 때, 정밀하게 제어된 마이크로/
나노 복합 구조물을 원하는 위치에 형성시킬 수 있다는 장점을 가지고 있어 초소수성 표면 의 제조뿐 아니라 표면의 젖음(wetting) 정도 를 제어할 수 있다는 장점 역시 지니고 있다.
한편, 이 방식의 경우 원하는 크기의 마이크로
/나노 복합구조물 제조가 가능함을 제시하였 다는 의의가 있으나, 열 성형 방식을 이용함에 따라 적절한 공정 조건을 확보하지 못할 경우 기 형성된 마이크로 구조물이 붕괴되는 단점 이 존재하였다. 이러한 단점을 극복하고자 최 근 UV 방식에 기반을 둔 2단계 UV성형 모세 관 몰딩 공정이 개발되었다. 이 경우 원하는 크기 및 형상의 마이크로/나노 복합 구조물 제조를 가능케 할 뿐 아니라, 열 성형 방식이 가지고 있었던 단점을 극복할 수 있다.
2.2. 초접착성 표면 제조기술의 국내외 연구동향
2.2.1. 탄소나노튜브(CNT)를 이용한 초접착성 표 면 제조
탄소나노튜브의 경우 이미 알려진 바와 같 이 매우 높은 강도를 가지고 있으며, 화학기상 증착(chemical vapor deposition)방식을 통하 여 매우 높은 종횡비로 성장이 가능하다는 장 점을 가지고 있어 초접착성 표면 제조에 적합 한 재료 물성을 가지고 있다. 이에 따라 탄소 나노튜브를 이용하여 초접착성 표면을 제조하 고자 하는 연구가 진행되어 왔다. 먼저 2006년 미국 University of California의 연구그룹에서 는 다중벽 탄소나노튜브(multiwalled carbon nanotube)를 이용하여 길이 약 4 µm, 직경 20
∼30 nm의 고종횡비 구조체를 형성하였으며,
약 11.7 N/cm 2 의 접착력을 얻었음을 보고하였
다. 이는 게코도마뱀의 접착력(∼10 N/cm 2 )과
대등한 수준이다. 한편, 미국 Akron 대학의 연
구그룹은 다중벽 탄소나노튜브(multiwalled
carbon nanotube)를 일정한 마이크로 패턴 형
상으로 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 2006
년 발표된 이전 그룹의 결과에 비하여 형성된
Figure 6. MWCNT를 이용한 마이크로/나노 이 중구조 초접착성 표면.
탄소나노튜브의 수준이 우수할 뿐만 아니라, 마이크로/나노 이중구조를 형성시킴으로써 보 다 높은 접착력을 얻었다는 점에서 매우 우수 한 연구 결과라 할 수 있다. 약 0.16 cm 2 면적 에 탄소나노뷰트를 성장시켰으며, 부착력 테스 트 결과 최대 36 N/cm 2 의 전단 접착력을 얻 을 수 있었다. 또한 유리와 같은 친수성 표면 뿐 아니라, 테플론(teflon)과 같은 소수성 표면 에서도 높은 수준의 접착력을 얻을 수 있었다.
또한 일반적인 접착테이프가 부착횟수에 비례 하여 접착력이 현저하게 감소함에 비해, 약 1000회의 반복적인 부착시험에서도 거의 일정 한 접착력을 유지가 가능하였다.
한편, 거의 같은 시기에 미국 Dayton 대학 의 연구진들은 단일벽 탄소나노튜브(Single walled carbon nanotube)를 이용한 초접착성 표면을 제조하였다. 이들 역시 0.16 cm 2 면적 에 탄소나노튜브를 성장시켰으며, 그 결과 최 대 약 29 N/cm 2 의 부착력을 얻을 수 있었다.
이처럼 탄소나노튜브를 이용할 경우, 매우 높 은 종횡비(직경: 수 나노∼수십 나노, 높이:
수십∼수백 마이크로)의 구조물을 얻을 수 있 으며, 탄소나노튜브의 강도가 매우 커서 섬모 가 부러지거나 self-matting 문제가 거의 발생 하지 않는다는 장점이 있다. 또한 무엇보다 이 렇게 형성된 구조물의 접착력이 약 10∼30 N/cm 2 으로 게코도마뱀의 접착력을 능가한다 는 우수한 장점을 가지고 있다. 그러나, 탄소 나노튜브의 성장을 위해서는 포토리소그라피,
촉매증착, 화학기상증착 등의 복잡한 공정 과 정이 필요하고 형성 가능한 패턴의 면적도 수 mm 2 로 매우 좁다는 단점이 존재한다. 이에 따라 아직까지 탄소나노튜브를 이용할 경우 생산성이 현저히 떨어진다는 단점이 존재한다.
2.2.2. 고분자(polymer)를 이용한 초접착성 표 면 제조
고분자를 이용할 경우, 탄소나노튜브에 비하 여 강도가 떨어지고 높은 종횡비의 구조물을 얻기가 어렵다는 단점이 존재한다. 그러나 탄 소나노튜브에 비하여 원하는 형상으로 가공이 쉽고 원하는 물성을 추가할 수 있으며 대면적 가공 또한 용이하여 높은 생산성을 가지고 있 다는 장점이 있다. 이에 따라, 형상이 최적화 된다면 고분자를 이용한 초접착성 표면은 일 상생활에서 폭넓게 사용될 수 있다는 높은 가 능성을 가지고 있다. 고분자를 이용한 가공방 식은 기존의 전자빔 또는 포토리소그라피 방 식에서 최근 개발되고 있는 소프트 리소그라 피 방식에 이르기까지 다양한 가공 방식이 개 발되고 있다.
- 전자빔 리소그라피
(Electron beam lithography)
영국 Manchester 대학의 연구자들은 2003년
전자빔리소그라피 기술(electron beam litho-
graphy)을 이용하여 폴리이미드(polyimide) 나
노섬모를 제작하였다. 섬모의 직경은 약 500
nm였으며, 높이는 약 2 µm였다. 제작된 섬모
의 접착력은 약 3 N/cm 2 수준으로서 게코도마
뱀 및 최근 연구된 탄소나노튜브의 접착력에는
미치지 못하나, 이 연구는 인공적인 나노섬모
를 성공적으로 제작한 대표적 연구성과로써
초접착성 표면 제조의 대표적 예라고 할 수
있다. 그러나 이 방식 또한 전자빔 리소그라피
를 사용함으로써 고비용과 많은 시간이 소요
된다는 점에서 큰 단점이 존재한다.
Figure 7. 전자빔리소그라피를 이용하여 형성된 폴리이미드 나노섬모.
Figure 8. AFM tapping mode를 통해 구현한 나 노 섬모.
- AFM 리소그라피
미국 버클리 대학의 메틴시티(M. sitti) 교 수 그룹은 AFM 리소그라피를 이용한 나노몰 딩공정을 연구하였다. 이는 AFM에 사용하는 탐침을 이용하여 AFM을 tapping mode로 동 작시킴으로써 나노섬모 하나하나를 제작하는 방법이다. 이 방법을 사용하면 나노섬모를 상 당히 작은 사이즈로 만들 수 있는 장점이 있 으나 공정 속도가 현저하게 느리고 재현성 문 제가 있으며 고종횡비의 구조물을 형성하기 어렵다는 단점이 있다.
- 나노 신장 기술(nanodrawing)
앞서 언급한 바와 같이 접착물질의 성능은 종횡비에 비례하고 구조물의 직경에 반비례한 다. 이에 따라 종횡비 10 이상, 직경 200 nm 이하 수준의 구조물을 형성하여야 원하는 수 준의 높은 접착력을 얻을 수 있다. 하지만, 전 자빔 또는 포토 리소그라피 방식은 구조의 제 약성, 고비용, 저효율의 한계를 가지고 있다.
이에 따라 최근 비전통적 패터닝 기술인 나노 임프린트 기술 또는 소프트 리소그라피 기술 에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이들 은 기존의 전통적 노광공정에 비하여 단순하 며 높은 효율성으로 인해 공정비 절감 효과가 크다. 뿐만 아니라 나노 임프린트의 경우 100 nm 이하의 패터닝도 가능하다는 장점을 가지 고 있다. 그러나 나노 임프린트의 경우 높은 압력과 딱딱한 몰드를 사용함으로써 대면적 패터닝이 어렵고 형성 가능한 종횡비에도 한 계가 있으며, 그 외에도 air trap 문제 등이 존 재한다. 한편, 소프트 리소그라피 기술의 경우
부드러운 몰드를 사용함으로써 대면적 패터닝 이 가능하나 100 nm 이하의 패터닝이 어렵다 는 단점을 가지고 있다.
이에 따라 최근, 기존 기술로는 가공이 어려
운 직경 200 nm 이하, 종횡비 20 이상의 고종
횡비 고분자 나노구조체를 새로운 방식으로
형성할 수 있는 기술이 개발되었다. 이 방식에
서는 PUA (poly urethane acrylate)라는 새로
운 몰드가 사용되었는데, 이 몰드는 나노임프
린트에서 사용되었던 딱딱한 몰드(예: quartz,
silicon)와 소프트 리소그라피에서 사용되었던
부드러운 몰드(PDMS)의 장점을 결합하였다
고 할 수 있다. 실제로 quartz의 Young's
modulus는 수십 GPa이고, PDMS의 경우 3.2
MPa인 것에 반하여, PUA 몰드의 경우 그 중
간 정도인 약 40 MPa로써, 어느 정도 딱딱하
면서도(rigid) 유연한 성질(flexible)을 가지고
있다. 이에 따라 PUA 몰드를 사용할 경우,
나노 임프린트가 가지고 있는 고해상도라는 장
점과 소프트 리소그라피가 가지고 있는 대면적
패터닝이라는 장점의 결합이 가능하다. 한편
PUA 몰드의 또 다른 장점은 표면에너지 조절
이 가능하다는 점인데, 이는 PUA resin 속에
포함되는 releasing agent의 혼합비를 조절함
으로써 가능하다. 최근 연구결과에 따르면 몰
드의 표면에너지를 조절해 줌으로써 자유롭게
Figure 9. 나노신장(nanodrawing) 기술의 공정 개념도.
Figure 10. 포토리소그라피를 이용한 경사진 구 조물의 공정 개념도.
종횡비를 조절할 수 있다는 결과가 확인되었 다. 분석 결과, 기존의 나노 임프린트나 소프 트 리소그라피의 경우 ‘몰드와 고분자 박막 사 이에서의 표면에너지’와 ‘고분자 박막과 기판 사이에서의 표면에너지’의 상대적 크기가 1보 다 훨씬 작은 조건에서 공정이 일어나며, 표면 에너지의 상대적 크기가 1보다 클 경우에는 기존 연구되었던 많은 ‘Detachment’ 기반의 패터닝 공정에 해당된다는 것을 확인하였다.
한편, ‘몰드와 고분자 박막 사이에서의 표면에 너지’와 ‘고분자 박막과 기판 사이에서의 표면 에너지’의 상대적 크기가 서로 대등할 경우, 고분자가 PUA 몰드의 천정과 적절한 친화력 을 형성함으로 몰드 제거 시 길이방향으로 신 장되어 매우 높은 종횡비의 나노 구조체를 형 성할 수 있음이 확인되었다. 나노신장기술은 새로운 가공 방식으로써, 기존의 포토리소그라 피 기술이 갖고 있던 복잡성, 고비용, 나노구 조체 형성의 어려움 등의 단점을 극복하고, 나 노 임프린트 또는 소프트 리소그라피 기술로 가공이 어려운 종횡비 20 이상의 고종횡비 나 노 구조체 형성이 가능하다는 점에서 여러 가 지 장점이 있다.
- 포토리소그라피(Photolithography) /MEMS
포토리소그라피를 이용할 경우, 노광(expo- sure)을 비스듬히 시킴으로써 경사진 구조물 을 만들 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이 게코 도마뱀의 섬모는 실제 약 30∼40도 가량 기울 어져 있어, 쉬운 탈착 및 마찰성 접착력 형성 등의 여러 기능을 가지게 되는데, 이러한 경사 진 구조물의 제조를 위해 포토리소그라피가 사용될 수 있음이 제안되었다. 그러나 포토리 소그라피를 이용할 경우 전자빔 리소그라피와 같이 공정이 복잡하다는 단점이 존재하며, 빛 의 파장의 한계로 나노 크기의 구조물을 얻을 수 없다는 한계가 있다. 한편 포토리소그라피 와 MEMS 공정을 이용하여 섬모 구조물의 끝부분을 게코도마뱀의 끝부분 형상(spatula) 과 같이 형성 시킬 수도 있다. 이 경우 섬모의 끝부분 모양이 둥글거나 단순히 평평한 구조 에 비해 높은 접착성능을 가지게 된다.
- 소프트 리소그라피(Soft lithography)
소프트 리소그라피를 이용할 경우 다양한 형
상의 구조물을 복잡한 실험 설비없이 저비용으
로 제작할 수 있다는 장점이 있다. 소프트 리소
그라피는 제작된 Si 또는 SU-8 원판(master)을
주로 PDMS (polydimethlysilloxane)라는 물질
을 사용하여 복제해 내는 몰딩 방식(replica
molding)이 주로 사용된다. 소프트몰딩 방식
Figure 11. 형상기억고분자를 이용한 마이크로 섬모 제조 공정 개념도.
을 사용하여 여러 가지 형태의 마이크로 섬모 구조를 제작하는 연구는 많이 이루어지고 있 다. PDMS를 이용하여 제작된 마이크로 섬모 는 PDMS가 가지는 부드러운 성질로 인하여 어느 정도 이상의 접착능력을 가지게 된다. 그 러나 PDMS의 경우 Young’s modulus가 낮아 해상도가 떨어져 나노수준의 구조물 형성이 어렵기 때문에 탄소나노튜브의 경우와 같은 아주 높은 수준의 접착력을 얻기에는 어느 정 도 한계가 있다. 하지만 제작의 편리성으로 인 하여 여전히 연구대상자들에게 많은 관심을 받고 있다.
- 홍합단백질을 이용한 소프트 리소그라피 (Soft lithography)
단순히 게코도마뱀의 섬모구조를 모사하는데 그치지 않고 섬모구조를 화학적으로 처리하여 더욱 높은 접착력을 얻을 수 있다는 연구가 2007년 Nature에 발표되었다. 미국 North- western 대학의 연구자들은 PDMS로 약 400 nm 직경의 섬모구조를 만들고 그 표면을 홍합 단백질로 코팅하였다. 게코도마뱀이 건식접착 (dry adhesive)의 대표적 예라면 홍합단백질은 습식접착(wet adhesive)의 대표적인 예로써, 홍합은 젖은 표면에서도 강력하게 접착할 수 있는 능력을 가지고 있다. 그 원인은 홍합이 분비하는 DOPA (catecholic amino acid 3,4- dihydroxy-L-phenylalanine)라는 특정 단백질 에 기인하며, 인공 홍합단백질 역시 DOPA 및 그 유도체를 포함하고 있다. 이러한 특성에 기 인하여 건식접착과 습식접착의 장점을 결합한 새로운 형태의 접착방식을 제안하였으며, 접착 력 측정 결과, 홍합단백질을 코팅하지 않았을 경우에 비하여 그 접착력이 3배 이상 증가하 는 것으로 확인되었다. 또한 공기 중에서 뿐 아니라 물속에서도 강한 접착력을 가지는 것 으로 확인되었는데, 물속에서의 접착력은 약 9 N/cm 2 수준이었으며 공기 중에서는 약 12 N/cm 2 로써 게코도마뱀의 접착력에 필적하는
수준으로 나타났다. 이는 탄소나노튜브의 접착 력에는 미치지 못하나 젖은 표면에서도 강력 한 접착력을 가질 수 있다는 점에서 의료, 생 활 및 기타 산업 분야에서 다양한 응용이 가 능할 것으로 기대된다. 하지만 동시에 표면이 특정 단백질로 처리되어 있어 접착표면에 원 하지 않는 화학물의 흔적을 남길 수 있다는 단점이 존재한다.
- 형상기억고분자
게코도마뱀의 섬모는 약 30도 가량 기울어
져 있어 쉽게 부착과 탈착을 조절할 수 있음
은 이미 앞서 설명한 바 있다. 이에 착안하여
독일 Max-Plank 연구소의 연구자들은 Teco-
flex 72D라는 형상기억고분자를 이용하여 마
이크로 섬모의 기울기를 조절할 수 있는 기술
을 개발하였다. 공정 과정은 Figure 11과 같
다. 먼저 Hot plate 위에 코팅된 형상 기억 고
분자를 유리전이 온도(120∼140 ℃) 이상으로
가열시킨 상태에서 PDMS 몰드를 이용하여
패터닝한다. 패터닝 후 고분자를 식혀준 후
PDMS 몰드를 제거한다. 이렇게 형성된 마이
크로 섬모 구조를 다시 특정 온도(Ttrans ∼
51 ℃) 이상으로 가열시켜 준 상태에서 슬라
이드 글래스를 이용하여 한쪽방향으로 변형을
Table 1. 문헌 정보 분석 대상 DB
DB 명 내 용
SCI-Expanded
저널 수 : 5,900여개
※ SCI CD롬 버전보다 저널 2,100종 많음 과학분야 : 150개 과학분야 포괄 포괄년도 : 1900년 이후부터 현재까지
자료 갱신 : 매주 평균 19,000건 추가, 인용참고문헌은 423,000건 추가 비고 : 1991.1 이후는 영문 문헌의 abstract 검색 가능
시키고, 그 상태를 유지한 상태에서 다시 온도 를 내려준다. 이 상태가 되면 섬모가 한쪽 방 향으로 기운 상태로 고정되어 접착력이 거의 나타나지 않게 된다. 반면 온도를 다시 Ttrans 이상으로 가열해주면 섬모가 다시 수직방향으 로 배열되는데, 이 경우 기울어진 경우에 비해 약 200 이상 증가하게 된다고 보고되었다. 그 러나 섬모의 기울기를 반복적으로 변화시켜주 었을 경우, 접착력이 원래의 경우에 비해 현저 하게 감소하는 단점이 있다. 그 이유는 일부 섬모가 반복과정에서 온도변화에 둔감해져 기 울어진 상태로 남아 있기 때문으로 추정된다.
지금까지 나노스케일의 단일 스케일 구조의 형성 방법에 초점을 맞추어 연구가 진행되어 왔다. 이에 따라 수십 이상의 고종횡비 나노구 조물이나, 마이크로/나노 복합구조 및 기울어 진 형상의 구조물 등 자연계의 생명체가 가지 고 있는 복잡한 구조를 모사하기에는 여전히 많은 한계가 존재한다.
3. 정보분석
앞서 기술동향분석 부문에서는 나노기술을 이용한 생체모방 표면제조 기술분야에 대하여 기술하였으나 본 장에서는 생체모방 표면제조 기술을 포함한 생체모방기술 전반으로 범위를 확대하였다. 따라서 본 장에서는 “나노기술을 이용한 생체모방과학” 분야에 관한 기술문헌 분석을 통하여 정보적 측면에서의 기술개발추
이 및 국가별 기술수준을 다각적으로 살펴보 았다. 활용한 기술문헌 DB는 세계적으로 가장 지명도가 높은 SCI 저널을 DB로 한 Thomson 사의 SCIE DB를 활용하였다. 구체적인 분석 결과는 다음과 같다.
3.1. 정보분석 대상 DB와 검색조건
문헌정보분석은 특정기술영역별로 등장하는 키워드(keyword)를 이용하여 문헌자료를 분 석하는 것으로 정성적인 연구개발동향분석과 함께 기술개발동향을 가늠해 보는 주요한 정 보를 제공해 준다. 키워드를 통한 문헌검색과 검색결과에 대한 통계분석방식이기에 연구개 발에 관한 객관적인 현황 정보를 제공해 주고 있다. 연도별 논문발표건수의 변화, 국가별 논 문발표수, 주요연구기관별, 저자별 발표현황에 대한 정보와 같은 정량적인 문헌정보분석결과 는 대학, 기업, 연구소 등의 기술개발연구진에 게 기술동향분석에 대한 입체적인 정보를 제 공해 주는 주요한 참고 자료로도 활용될 수가 있다.
본 연구는 과학기술분야의 대표적인 데이터 베이스인 ISI의 Web of Science SCI-Expanded (Science Citation Index Expanded) DB를 대 상으로 하여 문헌분석을 수행하였다. SCI- Expanded는 전세계 150개 과학분야의 5900개 의 저널의 논문, 학회발표자료, 리뷰 등을 색 인한 것으로 주요 과학기술동향을 분석하는 DB로 활용되고 있다.
본 “나노기술을 이용한 생체모방과학”에 대
Table 2. 문헌정보분석 주요 검색어
제한분야 주요검색어
나노 nano*
생체모방기술 biomimetic*, bionik*, biomimic*, bioinspired*, biologically inspired*, superhydrophobic*, dry adhesive*, lotus*, gecko*, nanohair*
Table 3. 검색식 및 검색결과
검색식 검색결과
#1 TS=biomimetic* 6,446
#2 TS=bionik* 3
#3 TS=biomimic* 180
#4 TS=bioinspired* 226
#5 TS=superhydrophobic* 578
#6 TS=lotus* 3,057
#7 TS=nanohair* 2
#8 TS="dry adhesive*" 43
#9 TS="biologically inspired*" 584
#10 TS=gecko* 1,283
#11 #10 OR #9 OR #8 OR #7 OR #6 OR #5 OR #4 OR #3 OR #2 OR #1 12,043
#12 TS=nano* not TS=(nano2* or nano3* or Nanog*) and #11 1,335
한 검색을 위하여 Table 2에 나타난 바와 같이 주제어별 검색어를 추출하였으며 검색시점은 2008년 1월 16일 현재를 기준으로 하였다. 생체 모방기술은 biomimetic, biomimic, bioinspired 등을 검색어로 하였으며, 나노 분야로의 제한 을 위해서는 nano를 사용하였다. 검색제한은 제목, 키워드, 초록으로 하였으며, 이때 사용되 는 필드명은 TS이다.
이들 검색어를 Table 3에 나타낸 바와 같은 검색순으로 검색하였으며, 그 결과 1335편의 SCI 논문이 “나노기술을 이용한 생체모방기술”
과 관련된 논문인 것으로 조사되었다. Biomi- metic, Biomimic 등 생체모방 용어를 직접적 으로 포함하는 생체모방 관련논문은 7천여 건 발표되었으며, 이중 biomimetic을 포함하는 논 문이 6446건으로 90% 이상을 차지한다. 키워 드에 포함된 “Bionik”은 독일에서 일부 생체
모방관련하여 사용되는 용어로 생물학과 물리 학 사이의 간극을 기술적으로 좁히고, 두 분야 를 융합해 기술혁신에 활용하는 것으로 생물 모델을 그대로 1:1 모방 또는 복사하는 것은 아니며 생체모방기술의 산업적 활용에 초점을 맞추는 기술분야이다.
생체모방의 가장 대표적인 연구분야인 초소
수성 관련논문을 포함하기 위하여 superhy-
drophobic, lotus 등을 키워드로 하여 검색한
결과, 3600여 건의 관련논문이 조사되었다. 이
외에 “biologically inspired”, “gecko" 등을 포
함하여 전체 생체모방관련 논문은 12000편으
로 조사되었으며, 이들 조사결과를 나노기술분
야와 최종조합한 결과 1335편이 분석대상으로
선정되었다. 이들을 대상으로 다음의 정량적
분석을 수행하였다. 문헌 정보분석은 문헌 및
특허 분석 전문 소프트웨어인 Vantage Point
Figure 12. 연도별 추이 분석.
Figure 13. 국가별 쉐어맵 분석.
(version 4.0)을 이용하였으며, Web of Science 에서 제공하는 기본적인 문헌 통계정보를 참조 하였다.
3.2. 통계분석
3.2.1. 연도별 추이 분석
문헌정보분석의 기본이 되는 연도별 논문건 수 추이를 먼저 살펴보면, Figure 12의 이동평 균선에 나타난 바와 같이 2000년대에 들어서 면서부터 현재까지 지속적으로 증가하는 양상 을 나타내고 있음을 알 수 있다. 이 시기는 생 체모방재료에 대한 인식확대와 함께 전 세계 적인 나노기술 연구개발 활성화에 기인한다고 할 수 있다. 이러한 증가세는 전년대비 256%
의 성장율를 나타낸 2003년 이후 더욱 가시화 되었으며, 현재까지 이러한 증가세는 지속되고 있는 실정이다. 향후 수년간 이러한 증가세는 나노기술의 지속적인 발전과 생체모방재료의 산업적 응용확대로 더욱 지속될 것으로 판단 된다. 2007년에는 상대적으로 증가세가 둔화되 었는데 이는 논문이 발표된 후 DB로 등록되 는 시간적 갭(Gap)이 발생하기 때문이다. 즉 현시점 분석에서 2007년 발표논문이 분석 모 집단에서 부분적으로 누락되기 때문에 발생하 는 현상으로 기간누락분 보정을 할 경우 (10%) 약 430편의 관련 SCI논문이 될 것으로 추정할 수 있다.
3.2.2. 국가별 분석
국가별 분석에 앞서 국가명에 대한 노이즈
를 제거하는 작업을 진행하였으며, 모든 논문
저자의 소속 국가를 분석하였기에, 전체 국가
수의 합계는 논문수 총계보다는 많게 나타난
다. 48개국이 “나노기술을 이용한 생체모방과
학”관련 논문을 발표하였으며, 국가별 비율을
보면, 미국이 전체 1335편 중 434편을 발표하
여, 가장 많은 연구논문을 발표한 것을 조사되
었다. 다음으로 중국이 282편(8%) 독일이 133
편(9%), 일본 89편(6%)으로 나타났으며 우리
나라는 73편(5%)으로 6위를 차지한 것으로
조사되었다. 이외에 상위국으로 프랑스, 영국,
이탈리아, 인도 등이 있다. 이와 같이 상위 10
개국이 전체 발표논문의 82%를 점유하고 있
어 실질적인 연구개발성과물의 대부분이 상위
10개국을 중심으로 이루어지고 있음을 알 수
있다. 최근 10년간 국가별 점유율 추이변화를
보면, 전체적으로 가장 많은 논문을 발표한 미
국은 2000년 32.3%의 가장 큰 점유율을 나타
내었으며, 2위인 중국과 25% 이상의 점유율
격차를 보였다. 그러나 이러한 점유율 격차는
지속적으로 감소하여 2007년에는 5% 이하로
되었으며 2010년경에는 중국의 추월이 예상된
다. 독일은 2002년까지 급속히 성장하였으나
이후 지속적으로 감소하고 있는 추세이다. 일
본은 2000년이후 비슷한 수준을 유지하고 있
으며, 한국은 2005년 8.6%로 급속히 확대되었
으나 이후 소폭의 감소세를 나타내고 있어 향
후 지속적인 연구개발과 응용연구가 필요한
실정이다. 이외에도 향후에는 영국, 인도, 이탈
Figure 14. 국가별 논문 점유율 비교.
Figure 15. 국가별 추이.
Figure 16. 주요 연구기관 추이.
리아 등의 약진이 예상된다.
연도별 국가현황을 보면, 영국, 독일, 프랑스 등 유럽연합국가들이 90년대 중반이후부터 가 장 먼저 관련연구를 시작하였으며 이후 독일, 중국, 일본 등이 관심을 갖기 시작하였다. 특히 미국이 90년대 후반에 들어 본격적인 연구를 시작함에 따라 나노기술을 이용한 생체모방기 술에 대한 연구가 세계적으로 급속히 확산되었 으며 우리나라는 2000년대 들어서면서 본격화 되어 최근까지 지속적으로 연구개발이 이루어 지고 있는 실정이다. 이러한 증가세는 최근 나 노기술의 급속한 발전과 연구개발 확대와 맞물 려 상업화 적용을 위한 생체모방재료 개발의 중요성은 더욱 부각될 것으로 예상된다.
3.2.3. 주요 기관 분석
주요 기관별 분석은 원문에 수록된 문헌 저 자의 소속기관명에 대한 통계분석이다. Figure
16과 같이 가장 많은 SCI 논문을 발표한 기관
으로는 중국 전지역에 84개 연구소를 보유한
중국과학원(CAS, Chinese Acad Sci)이 92편으
로 제일 많은 논문을 발표한 것으로 집계되었
다. 중국 과학원인 Chinese Acad Sci의 경우는
하부 연구소 별로 독자적인 연구가 진행되고
있기에, 단일 기관으로 보기는 어렵지만 분석
의 편의상 동일 기관으로 간주하였다. 이외에
중국에서는 칭화대학이 40편의 관련 논문을 발
표하여 상위기관에 속하였다. 다음 상위기관으
로는 독일 막스프랑크 연구소로, Postdam에
있는 콜로이드․계면연구소와 Stuttgart에 있
는 재료과학연구소가 각각 25편과 15편을 발
표한 것으로 조사되어 유럽지역에서 프랑스
CNRS와 함께 생체모방분야에 가장 많은 연
구논문을 발표하였다. 이외에 미국 캘리포니아
산타바바라 대학과 위싱턴 대학이 각각 26편
을, MIT가 24편을 발표하여 그 다음을 차지
하는 것으로 조사되었다. 10위권 내에 중국 3
개, 미국 4개, 프랑스와 독일, 한국이 각각 1개
기관이 포함되어 있다. 우리나라는 서울대가
유일하게 8위를 차지하였으며, 포항공대가 12
편으로 23위를 차지하였다. 중국 CAS, 독일
Max Planck, 프랑스 CNRS 등의 상위기관은
여러지역에 여러 개의 연구소와 센터를 보유
한 종합연구기관 성격을 지니고 있어, 연구기
관의 규모가 큰 기관을 중심으로 생체모방기
술에 대한 연구가 더욱 활발하게 이루어지고
있는 것으로 나타났다.
3.2.4. 연구자 분석
전체 1335편의 “나노기술을 이용한 생체모 방과학”관련 SCI 논문에 대하여 저자분석을 수행한 결과 4021명의 연구자가 관련연구를 수행하고 있었다. 중국 과학원 화학연구소의 L. Jiang 박사가 34편의 관련논문을 발표하여 1위로 조사되었으며, 주로 탄소나노튜브 등 나 노구조체를 응용한 초소수성 표면처리에 관한 다양한 연구를 수행하고 있다. 2위는 오스트리 아 비엔나 대학의 U. B. Sleytr 교수로 20편을 발표하였으며, S-layer 프로테인 결정을 이용 한 나노생체모방분야에 대한 연구가 주를 이 룬다. 다음으로는 미국 워싱턴 대학의 M Sarikaya 교수로 17편을 발표하였으며, 나노바 이오 기술을 이용한 분자생체모방분야에 대한 다양한 연구결과를 발표하였다. 4위인 오스트 리아 비엔나 대학 D. Pum 박사는 앞서 동 대 학의 U. B. Sleytr 교수와 공동으로 15편의 나 노생체모방분야 관련논문을 발표하였으며, 또 한 공동 4위인 L. Feng 박사는 중국 과학원 화학연구소의 L. Jiang 박사와 초소수성 표면 기술과 관련 공동연구를 통하여 15편의 발표 한 것으로 조사되었다. 이외에 영국 Bath대학 의 S. Mann 박사와 독일 막스 프랑크 연구소 의 H. Colfen 박사는 함께 나노-바이오 복합 체인 생체재료의 생성 원리를 분석하고, 생체 재료내 biopolymer중에서 수용성 단백질을 이 용하거나 이를 모사하여 물질의 형상제어 및 나노 물질을 합성하는 다양한 연구을 수행하 여 각각 14편의 관련 연구논문을 발표함으로 써 상위 연구자에 속하였다.
3.3. 네트워크 분석
3.3.1. 공동 연구자 네트워크
앞서 저자분석에 조사된 4021명의 “나노기 술을 이용한 생체모방과학”관련 논문 발표 연 구자들을 대상으로 동일한 문헌의 공동저자
분석을 실시하였다. 상위 50인의 주요저자들의 네트워크 분석결과 Figure 17과 같이 중국 CAS의 L. Jiang 박사를 중심으로 한 연구그 룹이 가장 견고한 연구네트워크를 형성하고 있는 것을 알 수 있다. 이들 연구그룹은 초소 수성 표면처리 기술분야를 주요 연구테마로 하고 있으며 공동저자로 활동한 사람으로는 총 70명으로 이 중 7편의 이상의 공동연구논문 을 발표한 연구자는 L. Feng (14편), J. Zhai (13편), D. B. Zhu (11편), Y. L. Song (7편) 등이다. 또 다른 견고한 연구자 네트워크로는 영국 Bath대의 S. Mann 교수를 중심으로한 네 트워크로, 수용성 단백질 모사를 응용한 나노물 질 합성 및 제어 분야에 대한 연구 네트워크이 다. 영국 Bristol 대학의 M. Breulmann, 독일 막 스프랑크 연구소의 H. Colfen 등이 참여하고 있 으며, 총 48명의 연구자가 활동하였다. 오스트 리아는 비엔나 대학의 U. B. Sleytr를 중심으로 한 연구자 네트워크가 활발하게 활동하고 있으 며, 독일, 캐나다, 영국 등의 총 44명의 연구자 가 참여하였다. 이들 네트워크는 나노바이오 기술을 응용한 생체모방분야에 대한 연구를 중 점적으로 하고 있다.
3.3.2. 공동 연구기관 네트워크
“나노기술을 이용한 생체모방과학”분야에
대한 연구기관들의 네트워크는 연구자 네트워
크보다 좀 더 활발한 연계구조를 확인할 수
있다. 상위 30개 연구기관의 상호 연계구조를
분석한 결과, Figure 18과 같이 크게 2개의 연
구기관 네트워크가 확인되었다. 먼저 좌측의
미국 Georgia 공대, 메사츄세츠대, UC 버클리
를 중심으로 한 미국 연구기관 네트워크를 확
인할 수 있는데 본 그룹은 다시 오스트리아
비엔나 대학, 독일 막스프랑크 연구소, 프랑스
CNRS와 연결되어 있다. 이들 네트워크는 유
럽과 미국을 연결하는 상당히 큰 네트워크 규
모를 가지고 있으며 기존 일반적인 네트워크
가 자국중심의 소규모 네트워크인 반면 생체
모방분야는 상대적으로 유기적인 연결구조를
Figure 17. 공동 연구자 네트워크.
Figure 18. 공동 연구기관 네트워크.
가지고 있음을 확인할 수 있다. 또 다른 네트 워크는 중국과학원을 중심으로 한 네트워크로 칭화대학, 북경대학 등 총 30개 기관이 연계되
었으며, 우리나라의 한국과학기술원과도 이에
포함되어 있다. 중국은 미국, 영국 등과도 일
부 연계되었으나 연결강도가 매우 낮아 그래
프에는 표시되지 않았다. 앞서 언급한 바와 같 이 2개의 연구기관 네트워크를 확인 할 수 있 었으나 이들간 연계강도는 0.25 이하로 낮게 형성되어 있어 향후 생체모방분야의 연구개발 활성화를 위해서는 기관간 좀 더 활발한 공동 연구협력체제가 필요하다고 할 수 있다.
참 고 문 헌
![[나노기술 개발동향] 나노섬유의 제조와 응용 기술동향](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAP///wAAACH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAICRAEAOw==)