문어빨판 비밀 밝혀 물속에서 떼고 붙이는 패치 소재 개발...전자소자, 의료용 패치 등 적용 기대 | 뉴스 > Bio뉴스 > 동향

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문어빨판 비밀 밝혀 물속에서 떼고 붙이는 패치 소재 개발...전자소자, 의료용 패치 등 적용 기대

Bio통신원(미래창조과학부)

등록일2017.06.15
조회10854

미래창조과학부·한국연구재단 기초연구지원사업(개인연구), 교육부 글로벌박사양성사업, 보건복지부 질환극복 기술개발사업을 수행한 방창현 교수 연구팀(성균관대)은 문어 빨판의 독특한 돌기 원리를 밝히고, 이를 모사하여 습한 환경에서도 접착제 없이 탈부착할 수 있는 고점착 패치 소재를 개발하였다.

기존의 화합물로 만든 점착 소재들은 젖은 표면에서 점착력이 사라지거나 끈적이는 오염물을 남기는 등의 문제를 안고 있다. 연구팀은 문어의 빨판 내부에 존재하는 입체 돌기구조에 주목하여 문어의 점착 메커니즘을 최초로 규명하였다. 그리고 이를 공학적으로 디자인·분석·모사하여 다양한 환경(건조하거나 습한 표면, 물 속, 굴곡진 피부 등)에서 반복적으로 탈부착(10,000회 이상) 할 수 있으며 오염물을 남기지 않는 고점착 패치를 개발하였다.

국내 연구진으로 구성된 방창현 교수 연구팀(성균관대)의 이번 연구는 네이처(Nature) 6월 15일자에 게재되었다.

논문명과 저자 정보는 다음과 같다.
- 논문명 : A wet-tolerant adhesive patch inspired by protuberances in suction cups of octopi
- 저자정보 : 방창현 교수(교신저자, 성균관대), 백상열(제 1저자, 성균관대), 방석호 교수(공저자, 성균관대)

논문의 주요 내용은 다음과 같다.

1. 연구의 필요성
○ 홍합 단백질, 게코도마뱀의 발, 딱정벌레 날개잠금장치, 깡총거미의 발, 엉겅퀴 씨앗 등 자연계에 존재하는 화학적·물리적 현상을 모방하여 이용하는 생체모방 기술이 다양한 분야(의료, 로봇, 항공, 의류 등)에서 주목을 받고 있다.
○ 또한 최근 의료 및 반도체의 소재 시장이 커짐에 따라 건조하거나 습한 표면, 굴곡진 표면 등에 반복적으로 탈부착할 수 있으며 오염물을 남기지 않는 점착 소재 개발의 필요성이 커지고 있다.
○ 그러나 기존에 개발된 점착 소재들은 습한 환경에서 접착력이 급격하게 저하되거나, 반복적인 탈부착에 한계가 있으며, 청정을 요구하는 유리 및 반도체에 오염물을 남기는 문제점이 있다.

2. 연구 내용
○ 연구팀은 문어의 빨판 내부에 존재하는 독특한 돌기를 관찰하여 미세 돌기와 빨판 내부표면에서 유체의 응집력을 통해 빨판의 부압(negative pressure)*이 증가됨을 최초로 증명하였고, 이를 모사하여 다양한 환경(건조하거나 습한 표면, 물 속, 굴곡진 피부 등)에서 탈부착이 가능하며 오염물도 남기지 않는 점착 소재를 개발하였다.
     * 부압(negative pressure): 물체 내부가 외부와 단절되어 있을 때, 물체 내부의 기압을 감소될 때 나타나는 외부기압과 압력 차이로 흡인력이라고도 함
○ 연구팀이 개발한 점착 소재의 물속이나 젖은 환경 내 성능의 원리는 다음과 같다. 탄성고분자(elastomer)*의 미세 구형 돌기를 가지는 음각의 문어모사 빨판 컵은 점착 시 외부의 힘에 의해 표면의 수분을 밀어내고, 남은 수분은 구형돌기와 돌기 주변 표면 사이의 공간으로 모세관 효과*에 의해 포집된다. 그리고 점착을 위한 외부의 힘을 제거하면 포집된 수분은 응집력에 의해 유지되며, 동시에 문어빨판 모사 컵과 부착 표면 사이의 공간은 진공상태로 변해 높은 부압이 유도된다. 연구진은 이러한 현상을 최초로 분석하고 수학적 모델을 제시하였다.
     * 탄성고분자(elastomer): 외력(外力)을 가해서 잡아당기면 몇 배나 늘어나고, 외력을 제거하면 원래의 길이로 돌아가는 성질을 가지는 고분자 화합물
     * 모세관 현상: 액체가 가는 관을 따라 상승하는 현상
     * 응집력: 액체 또는 고체에서 그 물질을 구성하고 있는 원자·분자 또는 이온 간에 작용하는 인력
○ 연구팀은 유체의 부분적인 젖음*(wetting) 현상을 이용하여 고분자 몰드(mold)*를 제작하였으며, 열에 의해 경화되는 고분자를 사용하여 문어모사 빨판이 고밀도로 배열된 고점착 패치(3cm×3cm)를 개발하였다. 이 패치는 고분자 주조(casting)*를 통해 쉽고 저렴하게 생산이 가능하다는 장점이 있다.
     * 젖음(wetting): 액체가 고체 표면에서 기체를 밀어내는 현상
     * 몰드(mold): 주조에 사용하는 형틀이며 거푸집이라고도 함
     * 주조(casting): 액체 상태의 재료를 형틀에 부어 넣어 굳혀 모양을 만드는 방법
○ 연구팀이 개발한 문어모사 패치는 점착표면에 오염물을 남기지 않으며 물방울이 맺힌 습한 유리표면에 대해 3 N/cm2, 물속의 유리표면에 대해 4 N/cm2, 그리고 실리콘 오일 속의 유리표면에서 15 N/cm2의 수직 점착력*을 나타냈다. 수직 점착력이 높을수록 패치와 표면과의 부착이 강하게 이루어짐을 의미한다. 또한 다양한 환경(건조하거나 습한 표면, 물 속, 굴곡진 피부 등)의 표면에서 10,000회 이상의 반복적인 탈부착에도 점착력이 유지되었다. 나아가 습한 피부표면에도 안정적인 점착력(3 N/cm2)을 갖는 것을 확인하였다.
     * 수직 점착력(normal adhesion): 두 개의 고체면이 접착제가 되는 제 3물질을 사이에 두고 서로 접합된 상태를 분리하기 위해 필요한 단위 면적당 힘(단위: N/cm2)
○ 반복적 탈부착이 가능한 문어모사 패치의 고점착 성능은 수분환경 하에서 세계 최고의 성능 수준이며, 이를 이용하여 반도체 산업에서 사용하는 8인치 웨이퍼를 물속에서 고정/이동시키는 응용기술 구현에 성공하였다. 또한 피부 상처에 안정적으로 점착하여 창상 치료패치로 응용할 수 있는 가능성을 확인하였다.

3. 연구 성과
○ 문어빨판의 3차원 구조를 모사하여 습한 환경 하에서 고점착을 가지며 반복적으로 탈부착 가능한 생체모사 점착 패치의 초저가 대면적 제조기술을 개발하였다.
○ 기존에 알려지지 않은 문어의 물속 점착에 있어 빨판 내부의 구형 돌기의 역할을 최초로 규명하고 이론적 모델을 제시하였다.
○ 오염물을 남기지 않는 문어빨판 모사 점착 소재는 청정 반도체 및 디스플레이 공정의 이송/고정 시스템 및 전자부품의 점착소재로 응용이 가능하다. 또한 사람의 피부와 같이 거칠고 유분이 존재하는 표면에도 효과적으로 점착되며, 추후 피부부착 의료용 생체신호 모니터링 소자의 부착소재 및 약물을 로딩한 창상치료 의료패치에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

방창현 교수는 “이 연구는 습한 환경 및 피부표면에서 끈적이는 화학 접착제 없이 반복적으로 탈부착이 가능한 고점착 패치 소재를 개발한 것으로, 청정 전자소자의 공정, 패키징* 소재 산업과 의료용 패치, 진단 치료용 웨어러블 디바이스, 장기 조직 봉합 및 치료용 패치 등 점착과 관련된 다양한 분야에 획기적인 원천 기술을 제공할 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다.
* 패키징 소재: 집적 회로를 외부물질(습기, 먼지 등)로부터 보호하기 위해 싸는 소재

연구결과 개요

1. 연구 배경
○ 자연에 존재하는 계층적 미세구조물은 연꽃잎과 같은 초소수성 표면, 게코도마뱀 발처럼 끈적이지 않고 고점착을 갖는 표면, 기계적으로 강도가 높으며 물을 포집하는 거미줄 등을 가능하게 한다. 이러한 자연에 존재하는 다양한 미세 구조물은 표면과 끊임없이 기계적, 물리적, 생물학적 상호작용을 하고 있으며, 최근에는 자연에서 지혜를 배워 모방하고 응용하는 생체모방공학(biomimetics) 연구들이 각광을 받고 있다.
○ 또한 최근 반도체 공정 및 소재 기술과 의료용 소재 기술의 시장이 커짐에 따라 건조하거나 습한 반도체 및 유리 표면 또는 굴곡진 피부표면에 높은 점착력을 가지며 반복적으로 탈부착 후에도 오염물을 남기지 않는 점착소재 개발의 필요성이 커지고 있다. 하지만 화합물 기반 접착제를 포함한 기존에 개발된 점착 소재들은 물속이나 젖은 표면과 땀에 의한 습한 피부에 접착력이 급격하게 저하되는 문제점이 있거나, 청정을 요구하는 유리 및 반도체 그리고 피부 표면에 오염물을 남기는 문제점들이 있다. 또한 기존의 점착 소재들은 습한 환경에서 반복적인 탈부착이 불가능하다는 한계점이 존재한다.
○ 이러한 맥락에서 최근 젖은 표면 환경에서도 높은 점착력을 유지하면서 표면의 오염을 최소화하는 새로운 개념의 점착 소재 개발이 요구되고 있다. 이는 청정 반도체/디스플레이의 이송/고정 소재, 모바일 디스플레이 패키징 점착 부품, 웨어러블 디바이스 구현을 위한 피부/소자 접합용 건식 접착 시스템 및 의료용 패치 등의 전도유망한 산업에 응용될 수 있다.

2. 연구 내용
○ 연구팀은 기존에 알려지지 않은 문어의 흡착판 내부 미세 구형 돌기의 접착 메커니즘을 분석/규명하였고, 이를 모사한 미세 삼차원 계층 구조 디자인하고, 초저가 대면적 제조공정 기술을 개발하였다. 이를 이용하여 습한 표면 환경 및 굴곡진 피부에 안정적이고 높은 점착력을 가지며, 오염물을 남기지 않는 점착 소재를 개발하였다.
○ 이 연구에서는 문어의 빨판 내부에 존재하는 독특한 돌기를 관찰하여 미세 돌기와 빨판 내부표면에서 유체의 응집력을 통해 빨판의 부압(negative pressure)이 증가됨을 최초로 증명하였고, 이를 모사하여 다양한 환경(건조하거나 습한 표면, 물 속, 굴곡진 피부 등)에서 탈부착이 가능하고 오염물을 남기지 않는 점착 소재를 개발하였다.
○ 구체적으로 탄성고분자(elastomer)의 미세 구형 돌기를 가지는 음각의 문어모사 빨판 컵은 점착을 위한 외부의 힘에 의해 점착 표면의 수분을 밀어내고, 남은 수분은 구형 돌기와 돌기 주변 표면 사이의 공간으로 모세관 효과에 의해 포집된다. 그리고 점착을 위한 외부의 힘을 제거하면 포집된 수분은 응집력에 의해 유지되며, 동시에 문어빨판 모사 컵과 부착 표면 사이의 공간은 높은 부압이 유도된다. 이러한 결과는 실제로 미세 입체구조의 내부에서 물 분자들이 거동하는 형태를 ‘공초점 현미경(Confocal Microscopy)*’을 이용하여 관찰 및 증명하였고, 수학적 모델을 통해 검증하였다.
* 공초점 현미경: 일반적인 현미경과는 달리 대물렌즈 뒤편에 바늘구멍을 두어 시료의 한 점에서 출발한 빛만이 통과하게 하여 명암비와 분해능을 높인 현미경
○ 연구팀은 문어 빨판의 미세 돌기구조에 영감을 얻어 상대적으로 간단한 액상공정을 이용하여 문어빨판모사 점착 소재 제조 공정을 개발하였다. 먼저 유체의 부분적인 젖음(wetting) 현상을 이용하여 고분자 몰드(mold)를 제작 후, UV 또는 열에 의해 경화되는 고분자(PUA; Poly-urethane acrylate, PDMS, Polydimethylsiloxane)를 이용하여 내부에 미세 구형 돌기를 가지는 문어모사 빨판들이 고밀도로 배열된 고점착 패치(3cm×3cm)를 개발하였다. 이 제작 공정은 고분자* 주조(casting)를 통한 간단하며 저가로 생산이 가능하다.
* 고분자: 분자량이 큰 화합물. 고분자는 저분자와 크게 다른 성질(점성률 등의 물리적 성질과 고분자 효과라 불리는 화학적 성질 등)을 가지고 있음

○ 연구팀이 개발한 문어모사 패치는 점착표면에 오염물을 남기지 않고, 건조한 표면, 물방울이 맺힌 습한 유리표면, 물속의 유리표면, 그리고 실리콘 오일 속의 유리표면의 높은 수직 점착력을 가지며, 다양한 여러 환경의 표면들에 대해 10,000회 이상의 반복적인 탈부착에도 점착력이 유지되었다. 또한 습한 피부표면에도 안정적인 점착력을 갖는 것을 확인하였다. 반복적 탈부착이 가능한 문어모사 패치의 고점착 성능은 수분환경 하에서 세계 최고의 성능 수준이며, 이를 이용하여 반도체 산업에서 사용되는 8인치 웨이퍼를 물속에서 고정/이동시키는 응용기술의 구현에 성공하였다. 또한 피부 상처에 안정적인 점착을 통하여 창상 치료 패치로의 응용 가능성을 확인하였다.

3. 기대 효과

○ 기존의 여러 화합물 기반 접착시스템들이 가지고 있던 젖은 표면, 물속, 굴곡진 표면에서의 접착성능 문제, 탈부착 시 표면의 오염 문제, 반복성 문제들을 해결할 수 있는 새로운 개념의 고점착 패치를 제안하였다. 이는 기존에 알려지지 않은 자연의 현상규명을 통하여 기초 물리, 생물학과 연관된 깊이 있는 과학적 연구가 가능하며, 생체모사 공학의 기술적, 교육적 새로운 패러다임을 제시할 것으로 기대된다.
○ 기존의 전자빔 가공(electron beam machining)*, 집속 이온빔 노광(focused ion-beam lithography)*, 3D-프린팅* 등과 달리 상대적으로 간단한 용액의 부분 젖음(wetting) 방법을 이용하여 문어빨판과 같은 3차원의 미세 구조를 제조 기술을 개발하였다. 이러한 미세한 입체 구조의 제조공정을 활용하여 셀프클리닝(self-cleaning) 표면*, 구조색(structural coloration)*, 방향성 점착력(directional adhesion)* 등을 갖는 다양한 생체모방 공학의 응용에 저가 대량생산이 가능하도록 하는 새로운 방향을 제시하였다.
     * 전자빔 가공 (electron beam machining): 전자총(電子銃)에서 방출되는 전자빔을 물체에 쬐어서 금속 ·보석류 그 밖의 재료를 가공하는 가공법
     * 집속 이온빔 노광 (focused ion- beam lithography): 가늘게 죈 이온 빔에 의해 웨이퍼 상의 레지스트를(마스크를 쓰지 않고) 직접 조사(照射)하여 원하는 패턴대로 컴퓨터 제어를 통해 그리는 것
     * 3D-프린팅: 3차원의 입체적인 물체를 제조하는 기술
     * 셀프클리닝 (self-cleaning) 표면: 자동 세척하는 표면
     * 구조색 (structural coloration): 물체의 본연의 색이 아닌 빛의 회절과 간섭에 의해 나타나는 색
     * 방향성 점착력 (directional adhesion):　떼어내는 방향에 따라 점착력이 다른 성질. 예를 들어 아래에서 위로의 점착력과 위에서 아래로의 점착력이 다른 성질을 갖는 것

○ 또한 산업적으로 오염물을 남기지 않는 문어빨판 모사 점착 소재는 청정 반도체 및 디스플레이 공정의 이송/고정 시스템 및 전자부품의 점착소재로 응용이 가능하며 산업적 파급력 및 잠재력이 높으며, 경제적 가치가 매우 크다고 할 수 있다. 사람의 피부와 같이 거칠고 유분이 존재하는 표면에서도 효과적인 점·접착력을 가지며, 추후 피부부착 의료용 생체신호 모니터링 소자의 부착소재 및 약물을 로딩 가능한 창상치료 패치로 적용될 수 있을 것을 기대된다.

연구이야기

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존에 알려지지 않은 물속 문어의 점착에 있어 빨판 내부의 구형 돌기의 역할을 최초로 규명하였다. 기존의 접착시스템들이 가지고 있던 가장 큰 한계점인 물속이나 젖은 표면에서의 접착성능 문제를 극복하였으며, 탈부착 시 표면의 오염 문제, 반복성 문제들을 해결할 수 있는 새로운 개념의 고점착 시스템을 제안하였다.

□ 어디에 쓸 수 있나?

오염물을 남기지 않는 문어빨판 모사 점착 소재는 청정 반도체 및 디스플레이 공정의 이송/고정 시스템 및 전자부품의 점착소재로 응용이 가능하다. 또한, 사람의 피부와 같이 거칠고 유분이 존재하는 표면에서도 효과적인 점착력을 가지며, 추후 피부부착 의료용 생체신호 모니터링 소자의 부착소재 및 약물을 로딩 가능한 창상치료 패치로 적용될 수 있을 것으로 산업적 가치가 큰 것으로 기대된다.

□ 연구를 시작한 계기는?

연구실 내부 세미나에서 생체모방기술에 관한 아이디어 회의 중 문어 점착에 비밀이 있을 것 같아 호기심으로 관찰하고 시작하게 되었다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?

자연에 존재하는 다양하고 신기한 구조/현상들에는 모두 그 의미가 존재한다. 이러한 현상들을 심도 있게 공부하고 규명 및 분석하여, 우리의 일상생활과 다양한 산업 분야에 적용이 가능하고, 관련된 연구비를 집중 투자를 바탕으로 삶을 윤택하게 하는 연구를 하고 싶다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

적은 연구비로 시작하여 순수한 열정으로 박물관이나 생체 학습관도 아닌, 근처 마트에서 구입한 문어 빨판에서 논문의 입체 미세구조를 직접 눈으로 관찰하였을 때, 과학연구에 대한 모티브가 멀리 동떨어진 것이 아닌 우리의 주변에서 일어나고 있는 현상이라는 것을 알 수 있었다. 또한 이 연구결과의 구조는 기초적인 나노/마이크로 공정의 학습과정 중, 버려지는 실패한 샘플에서 발견하였다. 실패하였다고 생각한 실험에서 의미를 찾는 것이 더욱 창의적일 수 있고, 다른 관점에서 현상을 관찰해 보는 것이 좋은 연구가 될 수 있다는 것을 느꼈다.

그림 1. 미세 구형구조물을 갖는 문어의 흡착판을 모사한 고점착 패치 개념도
실제 문어의 빨판을 잘라 관찰하여 보면 (a)의 사진과 같이 미세 돌기의 구조(Protuberance)를 관찰할 수 있다. 이러한 독특한 구조는 물속의 환경에서 주변의 물방울 분자들과 물리적 상호작용을 통하여 부압(negative pressure)를 증폭시키는 특징을 가진다. (b) 연구팀은 위 구조를 모사하여 물속에서도 효율적으로 점착하는 패치 소재를 개발하였다.

그림 2. 다양한 건조한, 물속, 또는 습한 유리 표면들에 대한 소재 점착 성능 및 응용
(a) 개발한 소재의 다양한 환경에서의 수직 점착 성능을 보여준다. 특히, 물속의 환경에서도 0.5 kg의 무거운 중량을 지지할 정도로 높은 수직 점착력을 보였고, (b) 반도체 산업에서 사용되는 웨이퍼를 물속의 환경에서 청정하게 고정시키고, 이동시키는 장치를 개발하여 산업 응용가능성을 보여주었다. (c) 문어의 빨판을 모사한 구조는 건조한 환경보다 습하거나, 물속의 환경에서 높은 점착 성능을 나타내었으며 특히 실리콘 오일의 환경에서는 높은 점착 성능의 증폭을 확인하였다. (d) 이러한 점착 소재는 반복적으로 재사용이 가능하며, 최대 10,000회 이상까지 성능이 유지 되는 것을 확인하였다.

그림 3. 문어모사 구조의 접착 원리 분석 및 증명
문어모사 패치의 흡인 효과에 대한 이론적 메커니즘을 규명하였고, 이를 수식적으로 분석하였다. 또한 실제 제조한 미세 구조에서 발생하는 유체의 거동현상을 형광 공초점 현미경*을 사용하여 관찰하였다. 분석 결과, 유체의 모세관 현상에 의해서 물 분자들이 위쪽의 공간으로 채워져 들어가고 아래쪽의 공간에서는 진공의 상태가 유도되는 것을 증명하는 데 성공하였다.
* 공초점 현미경: 일반적인 현미경과는 달리 대물렌즈 뒤편에 바늘구멍을 두어 시료의 한 점에서 출발한 빛만이 통과하게 하여 명암비와 분해능을 높인 현미경

그림 4. 문어모사 패치의 피부 접착력 분석
매끈한 표면뿐만 아니라 굴곡이 존재하는 피부에서도 세계 최고 수준의 점착 성능을 나타내었다. 이러한 결과는 웨어러블 디바이스, 의료용 패치, 약물 전달 및 미용 패치 등 다양한 분야에서 응용이 가능할 것으로 기대된다.

본 기사는 네티즌에 의해 작성되었거나 기관에서 작성된 보도자료로, BRIC의 입장이 아님을 밝힙니다. 또한 내용 중 개인에게 중요하다고 생각되는 부분은 사실확인을 꼭 하시기 바랍니다.
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