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Academic year: 2022

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STEAM R&E 연구결과보고서

(검은물잠자리(Calopteryx atrata)의 방수 기술을 배워보자!)

2015. 11.

세종과학예술영재학교

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< 연구결과 요약 >

과 제 명 검은물잠자리(Calopteryx atrata)의 방수 기술을 배워보자!

연구목표

학교 기숙사 내에서 미닫이문 사이로 물이 들어가 곰팡이가 생기는 현상이 일어났 었다. 이로 인해 우리 팀은 생활 방수 기술에 대해 관심을 가지게 되었다. 우리가 초점을 맞춘 생물은 잠자리목 중에서도 검은물잠자리로, 물가에 서식하기 때문에 물에 빠졌을 때 큰 위험요소가 될 수 있는 물로부터 안전해지기 위해 물가에 적응한 형태적 특징을 가지고 있을 것으로 유추되었다. 그 중에서도 날개 부분은 물에 젖게 되었을 때 치명적일 수 있으므로 방수 특성이 두드러질 것으로 생각되어 이를 규명하여 활용하고자 한다.

연구방법

① 시료의 준비

검은물잠자리(C. atrata)를 연구하기에 앞서, 실험 재료 및 표본을 구하기 위해 충남 금산군 에 위치한 천내 습지를 방문하여 검은물잠자리를 비롯한 잠자리를 채집했다. 채집한 잠자리 를 냉장실(4°C)에 보관하였다.

② 화학적 방수 특성 실험

- 화학적 방수 특성을 연구하기 위해 첫 번째로는 날개를 물에 지속적으로 넣었다 빼보았고, - 두 번째로는 세제를 처리한 날개가 어떻게 되는지에 대한 실험을 했다. 화학적 방수의

성질을 더 깊게 연구하기 위해서 세제의 농도를 다르게 한 다음에 날개의 방수 능력을 측정하였다.

③ 물리적 방수 특성 실험

- 물리적 방수특성을 연구하기 위하여 한국생명공학연구원의 도움을 받아 검은물잠자리 의 날개와 일반 잠자리의 날개에 대한 전자현미경촬영을 했다.

- 연꽃의 미세구조와 방수특성과의 비교를 통해서 검은물잠자리의 날개의 방수 특성을 간접적으로 유추하였다.

- KAIST에 검은물잠자리의 날개의 접촉각(방수 능력을판단하는 기준)의 측정을 의뢰했다.

연구성과

구조적인 측면에서 물잠자리 날개가 방수구조를 가지는 이유를 규명하였다. 먼저 SEM분석 결과 미세구조의 돌기 수가 일반적인 날개, 연꽃보다 많았고 이는 Cassie-Baxter식에 의해 큰 접촉각을 가질 수 있는 조건이다. 또한 물방울이 날개위 에서 바깥쪽으로 이동하는 것을 통해 ‘결’이 존재함을 알 수 있었고 이 결의 방향성 을 알기 위해 진행한 실험 결과 날개의 골격이 뻗어나가는 방향이 결의 방향임을 알 수 있었다.

주요어 (Key words)

검은물잠자리, 소수성, 결, 접촉각, 미세구조

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1. 개요

□ 연구 동기 및 목적

○ 세종과학예술영재학교 근처, 충남 금산군 제원면 용화리에 위치한 천내 습지는 검은 물잠자리의 서식지 중 하나이다. 유속이 빠른 등의 주변 환경에서 생존할 수 있도록 하는 검은 물잠자리의 특성은 무엇 일까라는 의문이 생겼다.

검은 물잠자리(Calopteryx atrata)는 절지동물문 곤충강 잠자리목 물 잠자리과로 분류된다. 서식지의 특이점은 물이 자주 튀기는 유속이 있는 하천이나 계곡의 수생식물이 많은 곳에 산다는 점이고 하천에서 서식함에도 불구하고 낮게 난다. 산란기에는 몸이 물에 거의 잠기지 만 물방울을 흘려보내고 다시 비행한다. 그러나 물은 많은 물질에 대해 부착력이 크고 날개에 비해 상대적으로 밀도가 커서, 가볍고 얇은 잠자리의 날개에 매우 치명적이다. 따라서 이러한 환경에서 검은 물잠자리가 어떻게 생존할 수 있었는지 직접 서식지에서 검은 물잠자리를 관찰하였다. 검은 물잠자리는 비행하지 않는 동안 날개 를 수평하게 접고 있는 일반잠자리와 달리 날개를 위로 접고 있는 것을 관찰할 수 있었고 날개를 물에 담가도 날개에는 물기가 거의 남아있지 않았다. 남아 있는 물방울들은 날개의 한 번의 펄럭임에도 모두 떨어졌다. 물잠자리는 비교적 자연에서 자주 관찰되는 곤충임 에도 불구하고 관련된 생태는 물론 생명주기에 대하여 자세히 조사된 자료가 없었다. 본 연구를 통해 검은 물잠자리의 날개가 가지는 방수 의 특성을 알아내고 잔류로 남아 있는 물방울을 쉽게 털어 낼 수 있는 구조를 밝히어 실생활에 적용하고자 하였다.

□ 연구범위

○ 검은 물잠자리의 날개가 가지는 방수 특성을 알아내기 위하여 본 연구에서는 먼저 검은 물잠자리의 날개의 표면이 소수성을 가지는 지의 여부 확인한 후 겉 표면이 어떻게 이루어져 있는 지를 알아보기 위해 SEM을 통해 표면을 관찰하고 분석하였다. 또한 팀 내에서 미세 적인 구조를 전자현미경 사진을 통해 분석하는 쪽과 거시적 구조인

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결의 방향성을 실험을 통해 연구하는 쪽으로 나누어 구조에 대한 분석을 진행했다. 실험 결과 방사형 구조인 날개가 물이 떨어지는 위치에 따라 각기 다른 방향성을 가진다는 데이터를 얻었고, 이를 통해 사용 방안을 유체를 고루 퍼트리는 사용처로 고려하게 되었다.

2. 연구 수행 내용

□ 이론적 배경 및 선행 연구

○ 검은물잠자리(Calopteryx atrata)

- 검은물잠자리는 곤충강 잠자리목 물잠자리과에 속한 곤충으로 수 컷의 경우 날개는 검은 색을 띄고 가슴과 배 청록색으로 금속 광택을 띄지만 암컷의 경우 날개가 흑갈색이고 가슴과 배가 흑갈색을 띈다.

성충은 5월∼10월경 물가의 숲에서 볼 수 있다. 배의길이는 약 46∼

50mm이고 뒷날개의 길이는 40∼43mm이다. 앉을 때는 날개를 위로 곧게 세운다. 짝짓기 후 암컷은 혼자 수생식물의 줄기 속에 알을 낳는데 알로 월동한다. 유충은 몸길이 27∼29mm로 홀쭉하고 담갈색 이며, 계곡이나 평지의 물 흐름이 약한 하천 가장자리의 수생식물이 많은 곳에서 볼 수 있다. 더듬이의 제3마디는 제2마디 길이의 약 2배이다. 아랫입술 중편 앞 가장자리 홈은 대체로 깊고, 강모는 적다.

넓적다리마디는 길고, 갈색 띠가 2개 있다. 꼬리아가미에는 뚜렷하지 않은 가로 줄이 2개 있다. 우리나라의 남부지역에서 더 많이 관찰되 며, 중국·일본 등지에 분포한다[1].

○ 방수 능력[2],[3],[4]

-모든 물질을 방수의 정도에 따라서 친수성, 소수성, 초소수성 물질 로 나뉜다. 일반적으로 방수의 능력에 대한 측정은, 접촉각(Contact

Angle)을 기준으로 한다. 고체의 면에 액체를 떨어뜨리면 일반적으로

렌즈의 모양을 띠는데, 이 때 액체의 면과 고체의 면이 이루는 각을 안쪽에서 측정한 것을 접촉각이라고 한다.

현재 우리는 방수를 다루고 있기 때문에 특정 고체 표면과 물방울이 이루는 각을 접촉각이라고 정의한다. 접촉각을  라고 하면, 친수성, 소수성, 초소수성은 다음의 기준을 따라서 나뉜다.

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접촉각() 0<<90 90<<150 150<

물질 분류 친수성 소수성 초소수성

- 1805년에, 토마스 영은 기체로 쌓여져 있는 표면 위에 있는 물방울에 작용하는 힘들을 분석하여 접촉각  을 정의했다.

그림 2 Young's Equation 설명

그는     cos 라는 식을 만들었는데, 여기서 각각의 문자가 의미하는 것은, 차례대로 고체(Solid)와 기체(Gas) 사이의 계면장력, 고체(Solid)와 액체(Liquid) 사이의 계면장력, 그리고 액체(Liquid)와 기체(Gas)사이의 계면장력이다.[2]

- 다음으로 Wenzel이라는 사람은, 물방울이 Wenzel State에 있 을 때, 미세 구조가 있는 표면의 접촉각과 똑같은 재질로 이루 어진 평면의 접촉각 사이의 관계를 나타내는 식을 발표했다[4].

위와 같은 미세구조를 가진 평면이 있다고 하면, Wenzel 식은 그림 3 미세 구조

그림 4 Wenzel State 그림 1 액체와 고체 평면이 이루는 접촉각

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cos    

  

이다 (r은 실제 넓이에 대한 솟아 오른 부피를 말한다).

- 접촉각에 대한 또 다른 식을 발표한 사 람들이 있는데, 바로 Cassie와 Baxter이다.

Cassie-Baxter식은

cos cos       

cos   

이다.[3]

(는 고체 표면에서 액체와 닿는 비율이다).

일반적으로 초소수성 물질은 Cassie-Baxter 상태, 소수성 물질은 Wenzel 상태라고 한다.

○ 연꽃잎의 방수 특성[6]

-연꽃잎은 세포들 위에 큰 왁스 기둥이 하나 솟아올라 있고, 거 기에 매우 작은, 마이크로 단위의 작은 왁스 기둥들이 나있다[6]. 연꽃잎의 이러한 기둥들의 빽빽함은 다른 식물들보다 매우 크 다. 연꽃잎의 구조는 연꽃잎의 엄청난 방수 효과에 일조하는데, 큰 기둥들이 있고 빽빽이 들어서 있다는 점이 연꽃잎에 맺힌 물 을 Cassie-Baxter 상태로 만들고, 큰 기둥들이 각각 다른 크기로 솟아올라 있어서 몇 몇 개의 기둥만이 물방울과 접촉한다. 또한 이 큰 기둥들의 지름은 아래에 있는 세포에 비해 현저히 작고, 첨두아치의 모양을 띠어서 매우 큰 방수 효과를 나타낸다. 물과 잎의 접촉 면적을 최소화한다.

○ 곤충의 날개 방수 특성

-대부분의 곤충의 날개 표면은 약 130도 이상의 각을 가지며, 그중 많은 비율은 초소수성 표면을 가진다고 한다. 곤충의 날개가 초소수 성과 소수성으로 나뉘는 기준이, pitch/width이 20일 때라고 한다.

즉, pitch/width이 20보다 작으면 초소수성 표면이고, 20보다 크면 소수성 표면이라고 한다.[5]

그림 5 Cassie-Baxter State

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□ 연구주제의 선정

○ 실생활에서 방수기술은 우리에게 노출도가 높은 기술이다. 이 때문에 방수기술은 신체에 피해를 줄 수도 있는 화학적 물질이 최대한 배제 되어야한다고 생각한다. 때문에 물리적 영향이 더 큰 방수가 필요하 다고 생각한 우리 팀은 연구된 바가 많지만 새로운 방식의 방수에 대해 탐구해보자는 얘기 사이에서 맨 처음 제시된 연구소재는 검은물 잠자리의 날개 그 자체였다. 날개에 대해 지속적인 관찰을 이루어내 면서 검은물잠자리의 날개가 방수 소재로서의 성질이 있다는 것을 확인했고, 현미경 사진을 찍고 방수 능력에 대한 실험을 하는 과정에 서 검은물잠자리의 거시적 구조 및 미세적 구조가 띄는 방수 성질에 대한 연구를 시작할 수 있게 되었다. 팀 내에서 사진을 분석하는 쪽은 미세 구조를 찍은 현미경 사진 데이터를 통해 다른 방수 사진과 비교하여 방수 구조의 특이성을 알아냈고, 거시적 구조의 경우 실험 담당을 따로 마련하여 데이터를 모으기 위한 실험을 지속했다. 적용 방안에서는 데이터 해석에 대한 의견이 뚜렷하지 못해 후반기까지 난항을 겪었으나, 서로 데이터를 공유하고 회의를 하면서 적용한다면 어떤 방식으로 해야 할지 진행 방향을 제시하는 것까지 이루어낼 수 있었다.

□ 연구 방법

○ 방수의 지속성을 확인

-검은 물잠자리의 날개를 500mL의 비커의 물에 핀셋을 이용하여 1초 간격으로 증류수 담구고 빼는 과정을 1분, 5분, 10분, 15분 동안 반복하 였다.

○ 계면활성제를 처리한 날개의 방수 능력 확인

-세제를 처리한 물에 날개를 넣어보고 방수 능력을 관찰했다.

○ 날개의 접촉각 측정

-접촉각 측정을 의뢰하여 검은물잠자리의 날개와 물방울의 접촉각을 촬영하고, 이미 나와 있는 자료들과 비교하여 방수 정도를 추정했다.

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○ 세제의 농도에 따른 접촉각 측정

-위의 실험에서, 일반적인 물과 농도를 다르게 한 세제 용액에 담근 날개의 접촉각을 측정했다.

○ SEM 촬영

-한국생명공학연구원에 찾아가 검은물잠자리의 날개의 SEM 촬영을 의뢰하였다.

○ 결의 방향성 실험

-날개의 부위별로 일정량의 물방울을 떨어트려 떨어진 부분을 철 조망을 기준으로 좌표로 표시한다. 좌표 데이터를 모두 모은 후 는 각 좌표의 빈도를 보고 물방울이 흐르는 경향성을 파악한다.

□ 연구 활동 및 과정 ○ 검은물잠자리 채집

-세종과학예술영재학교와 멀지않은 충남 금산군에 소재한 천내습지는 무릎높이에서 허벅지 높이 높이의 하천 물이 흐르고 있었고, 달뿌리 풀(Phragmites japonica Steud)을 비롯한 다양한 수초가 하천의 중간 중간에 덤불을 이루고 있었다. 물은 깨끗하고 다슬기(Semisulcospira libertina), 물자라(Muljarus japonicus) 등 다양한 생명체가 서식하고 있었으며, 검은물잠자리(Calopteryx atrata)를 비롯한 고추좀잠자리 (Sympetrum frequens), 밀잠자리(Orthetrum albistylum speciosum), 방울실잠자리(Platycnemis phyllopoda Djakonov)와 같은 잠자리과 곤 충을 많이 관찰할 수 있었다. 우리는 이곳에서 6월 중순 ~ 7월 말까지 3회에 걸쳐 검은물잠자리의 수컷, 암컷과 일반 고추좀잠자리를 채집 하였다.

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○날개의 방수 특성

-날개 방수의 지속성 실험

검은 물잠자리의 날개가 지속성을 가지고 있는지를 확인하기 위해 검은물잠자리의 날개를 500mL의 비커에 담긴 증류수에 1초 간격 으로 핀셋을 이용하여 담구고 빼내는 과정을 1분, 5분 10분, 15분 동안 반복하였다. 그 이후 네 개의 날개를 자연 건조시켰고 다시 1초간 물에 담구고 공기막이 생기는지, 물에 젖는지를 확인하였 다.

-날개의 접촉각 측정

방수의 정도를 나누는 기준인 접촉각기 위해 마이크로피펫을 이용 하여 물방울 100L 을 날개의 안쪽에 떨어뜨려 날개 위의물방울을 사진기로 찍었다. 그리고 Geogebra(www.geogebra.org)를 이용해 날개 표면과 물방울의 접선을 각각 직선으로 나타낸 다음 둘 사이 의 각도를 프로그램으로 측정해 접촉각을 측정하였다. 정확한 측 정을 위해 KAIST 신소재공학과 공동기기원 SEO Phoenix 300(접촉 각 측정기)을 이용하여 측정한 접촉각 측정치를 재확인하였고 사 전 조사 때 찾은 식(pitch/width<20)[3]을 적용시켜보았다.

그림 6 검은물잠자리를 채집하는 모습

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-계면활성제를 처리한 날개의 방수 능력 확인

물에 대한 잠자리의 날개의 접촉각을 측정한 뒤 이를 활용하여 계면활성제를 처리한 잠자리의 날개의 방수능력을 확인하는 실험 을 하였다. 전자저울(ME 204)을 이용하여 0.558g의 세제를 측정한 뒤 이 세제를 이용하여 1% 수용액 55.8g 제조하였다. 이를 튜브에 마이크로피펫을 통해 옮기었다. 이 용액의 0.5g을 다른 튜브에 옮 기고 위와 같은 방법으로 0.01% 수용액 50g을 만들었다. 농도가 다른 위의 용액들을 마이크로피펫을 이용하여 200g 의 방울을 날개 위에 떨어 뜨려 날개와의 접촉각을 이용하여 촬영한 뒤 위와 같이 Geogebra 프로그램과 위의 카이스트의 기기를 이용하여 측 정했다.

○ 미세구조

-한 마리의 검은 물잠자리에 달려 있는 날개 4개를 가지고 한국생명공 학연구원을 방문하였다. 거기서, SEM 촬영을 하기에 앞서 작은 직사 각형으로 날개를 자르고 금가루를 입히는 전처리를 하였다. 그것을 SEM(Quanta FEG MK2)을 이용하여 미세한 구조를 촬영을 의뢰하였 다.

○ 격자무늬와 결 구조

-현미경(Primostar zeiss)을 이용하여 배율 400배로 확대하여 날개의 거시적인 구조를 관찰하였다. 격자무늬 혹은 골격 구조를 중심으로 검은 물잠자리와 일반잠자리의 날개 구조 차이점을 관찰하였다.

○ 결의 방향성 실험

-이 실험은 날개에 빗방울이나 강에서 튄 물이 닿았을 때 물방울이 날개 위에서 어떤 움직임 경로를 나타내는지 파악하는 실험이다. 물 을 떨어트릴 지점을 날갯죽지 근처인 날개 안쪽, 날개의 중간 부분 중 아래쪽, 날개 바깥 부분 중 아래쪽, 날개 끝 부분이다. 정성적인 관찰로는 방향성을 입증하기 어려웠기 때문에 정확한 수치를 얻어내 기 위해서 날개와 방충망의 좌표를 설정했다. 좌표를 설정하기 위한 장치는 물과의 부착력이 적어 정확한 결과를 얻을 수 있는 알루미늄

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방충망을 사용했다. 연구 준비로는 마이크로피펫을 10μL 용량으로 맞추어 물을 뽑아 올린 뒤 스탠드에 클램프로 마이크로피펫을 고정하 였다. 피펫으로 물을 떨어트리고 나면 물방울의 최종 좌표를 기록하 였다. 그 후 물의 경향성을 Microsoft Excel을 이용하여 나타내었다.

실험 당시 클램프의 지면으로부터의 높이는 20cm이고, 마이크로피펫 의 끝부분과 클램프 사이의 거리는 4.5cm이었다. 또한 좌표를 표시할 만한 판을 만들기 위해, 알루미늄 철조망은 1.00mm x 1.00mm 크기의 정사각형 형태 구멍들이 있다. 이 때 철조망 위의 날개는 날갯죽지가 가로좌표에서 y칸의 중간에 위치하였다.(단, 날개 끝 부분을 다루는 실험에서는 예상되는 물의 방향성이 바깥쪽이었기 때문에 좌표 위치 를 고쳐 가로좌표가 0, 세로좌표가 3칸과 4칸의 경계선으로 두었다.) 좌표를 기록할 때 물방울이 완전히 칸을 채운 경우는 1로, 물방울의 일부가 반 쯤 칸을 채운 경우는 0.5로 기록하였다. 실험은 10번씩 반복하였다.(단, 안쪽 실험은 20회 반복하여 데이터가 기존 좌표 빈도 수x1/2로 기록되었다.)

○월별 추진 실적

주요 활동 시기

연구계획 수립 15.05

문헌 조사 15.05

잠자리 생태 행동 관찰 장비 및 채집 준비 15.05~15.06 잠자리 생태 행동 관찰 및 채집 15.06~15.07

날개의 소수성 특성 검증 15.06~15.09

미세구조 관찰 및 날개 맥 조사 15.09~15.10 검은물잠자리가 물가에 적응한 특성 확인 및

연구 보고서 작성 및 추후 연구 제안 15.11

연구 결과의 보고 및 정산 15.11

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3. 연구 결과 및 시사점

□ 연구 결과

-검은물잠자리는 다른 잠자리와는 달리 물가에 서식하면서 알을 낳는 동안 몸이 거의 물에 잠기기도 한다. 잠자리 날개의 넓은 표면과 물의 표면장력을 생각해 볼 때, 물에 대한 반발력인 소수성 특성은 검은물잠자리의 독특한 환경적응 방식일 것으로 추측되었다. 우리 Hi-MSG팀은 이 점에 착안하여 검은물잠자리가 가지는 소수성적 특성을 조사하고 그 활용방안을 찾고자 하였다. 연구 활동은 먼저 검은물잠자리 날개가 가지는 소수성 특성을 조사하고, 그 특성이 나타나는 원인 규명을 위하여 미시적 구조를 조사하였다. 또한 날개 에 물이 묻었을 때, 최대한 효과적으로 물을 털어내는 방식이 있을 것으로 추론하고 날개의 형태와 결의 구조를 조사하였다.

○ 날개의 소수성 특성

-채집지인 천내습지에 서식하는 많은 수의 검은물잠자리를 관찰할 수 있었다. 이들 잠자리를 채집 후, 살아있는 상태에서 준비해 간 수조에 담갔더니 얇은 막 형태의 공기막이 생성되며 날개가 젖지 않는 특성을 나타내었다(그림7). 몇 번이고 반복해서 실험을 했을 때에도 이러한 특성은 계속 되었으나 반복실험을 했을 때는 날개 표면에 조금씩의 물방울이 남는 것을 관찰할 수 있었다. 천내습지 주변으로부터 채집한 고추좀잠자리(Sympetrum frequens)와 나비 잠자리(Rhyothemis fuliginosa Selys)를 동일한 과정으로 실험해 본 결과, 검은물잠자리 외 다른 잠자리들은 처음 한 두번 동안은 날개 표면에 물이 잘 묻지 않은 특성을 나타내었지만 반복실험을 하는 동안 이내 물의 표면에 달라붙고 더 이상 날 수 없는 상태가 되었다.

반면에 검은물잠자리의 경우 과도하게 물속에 완전히 담가두고 20~30초간 있었을 때에도 날개를 털고 날아올랐다.

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그림 7 검은물잠자리의 날개를 물에 넣으면, 공기층이 생기면서 방수 효과가 생긴다.

-채집한 검은물잠자리의 날개를 떼어낸 후, 물방울을 2~3cm 높이에서 떨어뜨렸을 때, 물방울은 튀어 날개 결을 따라 날개 밖으로 밀려나갔 다(그림8). 이러한 현상은 반복해도 그대로 나타났다. 날개를 편평하 게 고정하고 가만히 물을 떨어뜨리면 날개 위에 이슬 모양의 물방울 이 맺혀졌다(그림 8 오른쪽 방울). 하지만 세제를 스포이트로 2방울 섞은 혼합물을 동일한 날개에 떨어뜨리면 이슬 모양의 방울은 순수 한 물보다 넓게 퍼지는 모양을 띄었다(그림 8 왼쪽 방울). 검은물잠자 리 날개를 화학적 계면활성제 1%,수용액에 담그면 표면에 생기던 얇은 공기막이 사라지고 물에 젖는 형태를 띄게 되는 것을 관찰할 수 있었다.

-사용하는 물의 양과 정확한 계면의 정확한 설정 등과 같은 요인에 의해 유발되는 측정오차를 줄이고자, KAIST 신소재공학과 공동기기 실의 접촉각 측정장치 SEO Phoenix 300을 이용하였다. 하지만 이 경우에도 완전히 평평하지 않고 굴곡이 있는 날개 표면과 물방울 사이의 정확한 계면 설정에 한계가 있었다. 따라서 이전에 신소재공 학과에서 기존에 측정한 사진을 비교 분석한 결과 검은물잠자리의

그림 8 날개의 결과 접촉각 측정 실험

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날개가 약 138°의 접촉각을 가짐을 확인할 수 있었다. 검은물잠자리 를 1%와 0.01% 화학적 계면활성세제에 담가 둔 후, 1분간 증류수로 헹굼 세탁하여 동일과정으로 측정하였을 때, 그 접촉각은 각각 115°,121°로 나타나 물로만 측정했던 것보다 조금 낮은 값을 나타 내는 것을 확인하였다. 이는 소수성물질이 계면활성제에 의해 일부 씻겨 나감으로써 소수성 능력을 일부 잃게 되었음을 시사한다. 하지 만 이 부분에 대한 조금 더 정밀한 측정이 요구된다.

○ 날개가 소수성 특성을 나타내는 원인 규명

-물가 환경에의 적응으로 검은물잠자리의 날개는 우수한 소수성 특성 을 나타냄을 확인할 수 있었다. 이러한 특성을 나타낼 수 있는 원인 규명을 위해 우리는 화학적 특성과 물리적 특성의 두 가지 측면에서 접근하고자 하였다. 지금까지의 관찰 결과를 종합할 때, 검은물잠자 리의 소수성은 반복적으로 물속에 넣었다 뺐다를 반복하면 조금씩 그 성질을 잃어 갔다. 하지만 장시간 물에 담가 두거나 하여도 처음 만큼은 아니지만 소수성 능력을 유지하였다. 또한 계면활성제를 처 리한 후의 측정된 접촉각은 그냥 물을 사용했을 때보다 낮은 값을 보여주었다. 따라서 검은물잠자리의 날개는 물리적 소수성과 함께 화학적 소수성 특성은 어느 정도 가지고 있을 것으로 추론되었다.

하지만 이 화학물질에 대한 규명을 위하여 상당량의 시료가 확보되 어야 가능하며, 또한 어려운 과정을 통해 밝혀낸다 하더라도 소수성 을 나타내는 다른 물질과 크게 차이가 없을 수 있다는 중간 발표 심사위원님의 조언에 따라 검은물잠자리가 가지는 물리적 특성에 초점을 맞추어 실험을 진행하였다.

그림 9 계면활성제 용액에 담군 날개의 접촉각 측정

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-물리적 특성을 조사하기 위하여 전자현미경을 이용하여 표면의 미세 구조를 관찰하였다. 1차고정액(2.5% 글루타르알데하이드)에 처리한 경우에도 많은 부분의 미세 구조가 손상된 것이 관찰되었다. 하지만 여전히 소수성 특성은 유지하고 있었다(그림 10). 손상이 적은 곳에 대한 관찰 결과는 100~200nm 정도 크기의 일정하지 않은 크기의 수 많은 미세구조가 관찰되었다. 미세구조는 머리 부분이 살짝 나타 나있는 막대기 모양이며, 서로간의 간격이 일정하지 않고 2~6개씩 뭉쳐있었다. 물에 대한 반발력을 생각해 볼 때, 서로 불규칙하게 뭉쳐 있는 형태는 소수성 물질끼리 뭉쳐진 구조임으로 추론되었다. 가는 구조를 가진 구조체이며, 서로 간에 잡아당기는 힘을 가지는 구조가 쉽게 뭉개지는 현상이 예측되었다(그림 10).

그림 10 SEM을 이용해 촬영한 날개 표면

-SEM으로 찍은 검은물잠자리 날개의 미세 구조와 연꽃잎의 미세 구조 를 비교 분석했다. 돌기의 전체적인 형태들은 검은물잠자리의 날개 와 연꽃잎에서 유사한 모습이 관찰되었다. 하지만 날개에서의 돌기 들이 길이가 더 길고 지름이 더 작았으며 더 빽빽하게 배치되어 있었 다(그림10,11). 미세돌기 구조가 연꽃 효과(Lotus effect)를 일으키는 원인이라면 더 작은 미세돌기 구조는 물방울과 닿는 면적이 더욱 좁아지기 때문에 날개에서의 소수성 능력이 연꽃에서의 효과보다 우수할 것으로 예상되었다.

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Ensikat et. al. (2011) Beilstein J. Nanotechnol.

그림 11 연꽃잎의 표면

○ 날개의 결 구조와 방향성

-미세구조가 물을 반발하는 특성을 지닌다고 하더라도, 날개의 전체 적인 구조상 물이 날개 사이사이에 고여 있게 되면 이것은 잠자리가 나는 것에 영향을 미치게 되어 결국 생존에도 영향을 미칠 수 있다.

우리는 날개의 미세 구조 이외에도 검은물잠자리의 전체적인 날개 구조가 어떻게 물을 효과적으로 배출할 수 있는지에 대하여 조사하 였다. 우선 형태적인 비교 분석을 위해 광학현미경과 주사전자현미 경(SEM)을 이용하여 검은물잠자리와 좀잠자리의 날개구조를 비교 관찰하였다. 좀잠자리와 비교할 때 검은 물잠자리의 날개는 사다리 형의 규칙적인 맥을 관찰할 수 있었는데 (그림 12), 물속에 담그는 실험을 반복할 때 사다리형 구조의 각 사각형 속에 물이 얇게 물막이 생기는 것을 관찰되었다(그림 12). 이러한 구조는 좀잠자리의 날개에 서 관찰할 수 있었던 불규칙한 다각형 구조와는 차이가 있는 날개 맥 구조였으며, 검은물잠자리에서의 구조가 좀잠자리에서 보다 작았 다(그림 12). 이러한 구조가 가질 수 있는 장점에 대하여 추후 조사 연구가 필요하다.

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그림 12 검은물잠자리와 일반잠자리의 실체현미경, SEM 사진

-각 부위마다 결이 향하는 방향과 일치하는 방향의 좌표가 가장 높은 빈도수를 가졌다. 그러나 결의 방향은 결 자체가 방사형구조와 유사 해 전체적인 빈도수는 물이 떨어진 좌표끼리는 거의 동일했다. 이를 통해 잠자리 날개의 결은 한쪽 방향으로 물을 보내기보다는 물을 고루 보내는데 더 효율적인 구조라고 볼 수 있다. 그러나 기존 방사 형 구조와 다른 점이 있다면 부채를 따라 유체가 흐르듯이 날개를 중심으로 일정한 각도의 범위 내에서 이것이 이루어지기 때문에 거미줄을 본뜬 방사형 구조와는 어느 정도의 차별성이 있다고 본다.

그림 13 안쪽 날개 정리 그림 14 중간 부분 데이터 정리

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그림 15 끝 부분 데이

터 정리 그림 16 바깥쪽 아래 데이터 정리

□ 연구 결론

○ 연구결과의 요약

-연구의 진행은 검은 물잠자리의 방수 특성을 알아내는 것과 그 방수 구조에 대한 정보를 수집하는 것으로 이루어졌다. 날개의 방수 효과 는 계면 활성제에 의해 그 방수효과가 감소했고, 이를 통해 우리는 방수 요인 중 화학적 요인이 있음을 알 수 있었으나 그 후에도 남아있 는 어느 정도의 방수성에 대해서는 물리적 방수의 존재를 알고 물리 적 구조에 초점을 맞추었다. 관찰된 검은 물잠자리의 구조는 특정 지점을 중심으로 선이 뻗어있는 방사성 구조였으며, 날개 바깥쪽으 로 곡선의 굴곡이 휘어져 있는 형태였다. 날개 위에 올려놓은 물방울 은 약간의 움직임에도 날개 밖으로 미끄러졌는데, 실험결과 물방울 의 이동방향이 날개의 골격이 뻗어나가는 방향과 일치함을 알 수 있었다. 날개의 주사현미경 사진 분석 결과 일반 잠자리에 비해 돌기 수가 많아 Cassie-Baxter식에 의해 물방울과 더 큰 접촉각을 이뤘다.

이 결과들을 통해 물잠자리 날개의 방수 특성을 밝히고, 물잠자리가 물방울이 튀는 환경에서도 서식할 수 있는 이유를 알 수 있었다.

○ 검은물잠자리 날개 구조의 적용 가능성

-우리는 이 구조를 오히려 유체를 균일하게 퍼트려야하는 사용처를 찾아야 한다. 그래서 떠올린 것이 농가에서 농약을 대체하기 위해 뿌리는 마늘 희석액을 뿌릴 때 호스의 입구에 잠자리 날개 구조를

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프린팅하거나 그 구조물을 호스의 입구에 붙인다면, 균일하게, 한 번에 넓은 면적을 해결하는 것이 가능해질 것이다. 그리고 균일성이 강해 고루 퍼트릴 수 있다는 점은 농가뿐만 아니라 유체를 이용한 산업에서 쉽게 응용될 수 있는 부분일 것이다.

□ 시사점

○ 본 연구를 통해 정보가 많지 않은 생물에 대하여 연구한다는 것의 어려움을 느낄 수 있었다. 그리고 정보가 없기 때문에 그 만큼의 오랜 시간에 걸쳐 준비를 해야 한다는 점을 깨달았다. 정보가 없을 경우에 는 먼저 그 생물에 대해 없는 정보가 무엇인지를 알고 이 정보에 대하여 기본적인 조사(현장에 나가서)가 이루어진 후에 연구를 진행 하여야 한다. 본 연구에서도 life cycle과 비행에 관한 정보를 포함하여 없는 정보가 많았기 때문에 어려움을 겪었다. 본 실험에서는 연구를 하기 전에 현장에서 검은 물잠자리에 대하여 좀 더 면밀히 관찰하고 기록을 꼼꼼히 해야 하였다는 개선점을 가지고 있다.

○ 생물을 연구하는 동안 많은 결과들을 얻었지만 일부에서는 수치화를 시키기 어려웠던 실험들이 있다. 가령 검은 물잠자리의 날개의 방수능 력이 물에 담궜다가 빼내는 과정 속에서 감소하는 것을 시각적으로는 확인 할 수 있었지만 그것을 대표할만한 정확한 수치화를 시키지를 못했다는 아쉬움을 가지고 있다.

○ 우리는 미세구조를 SEM을 이용하여 촬영을 했지만, 미세 구조의 발현 또는 미세 구조가 어떠한 식으로 나와있는지를 알아내지 못했다.

그러기 위해서는 미세 구조의 단면을 조사해야할 필요가 있는데, 이러 기 위해서는 단면을 매우 얇게 자른 다음 SEM을 이용해 촬영을 하는 방법을 적용하면 될 것이다. 그러면 pitch/width<20이라는 식을 적용 시킬 수 있을 것이다.

4. 홍보 및 사후 활용

○ 교내에서 이루어진 연구들을 모은 논문집을 만들고 이 논문집에 본 연구를 게재함으로써 후배들에게 검은 물잠자리의 특이한 방수특성을 알리고 연구의 과정과 결과를 학교 홈페이지와 SNS의 페이지 등에 무료로 볼 수 있도록 게재하여 일반인들도 이름만 알던 검은 물잠자리

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에 대한 흥미를 가지도록 할 것이다.

○ 본 연구는 잘 알려지지 않은 검은 물잠자리의 방수특성에 관한 연구의 기초 자료가 될 것이며, 자연 상에서 일어나는 방수 사례의 일부로서 자연계에서의 방수를 이해하고자 하는 데에 도움을 줄 것이다.

5. 참고문헌

○ [1]네이버 지식백과, 검은물잠자리 (물속 생물 도감, 2013.6.25., 자연 과생태)

○ [2]위키백과, 우리 모두의 백과사전, Hydrophobe, https://en.wikipedia.org/wiki/Hydrophobe

○ [3] Wettability of porous surfaces, 1944, Cassie & S. Baxter, Transactions of the Faraday Society

○ [4] Resistance of Solid Surfaces to Wetting by Water, 1936, R.Wenzel, Industrial & Engineering Chemistry

○ [5]Wetting Characteristics of Insect Wing Surfaces, 2009, Doyoung Byun 외 7명, Journal of Bionic Engineering

○ [6]Superhydrophobicity in Perfection: The Outstanding Properties of the Lotus Leaf, 2011, Hans J. Ensikat 외 3명, Beilstein Journal of Nanotechnology

참조

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