유기나노공학과 위정재 교수팀이 지난 11일 자연의 상어비늘을 모사한 3차원 표면을 구현하고 다양한 이방적 기능성을 구현하는 연구결과를 발표했다. 많은 해양생물 중 상어는 피부의 특별한 비늘구조 덕분에 깊은 바다 속에서 아주 빠르게 헤엄칠 수 있다. 상어비늘에는 홈 모양의 리블렛(Riblet)을 여럿 가진 돌기들이 엇갈리게 배열되어 있고 서로 중첩되어 있어 리블렛들 사이 한 쪽 방향으로 물을 미끄러지게 해 헤엄을 방해하는 항력을 줄인다. 또한 유연하게 헤엄치기 위해 피부 속은 부드럽지만 겉은 상대적으로 딱딱해 피부의 두께 방향으로 관통하는 힘에 대한 저항력이 세 외부로부터 몸을 보호할 수 있다.

이런 두 가지 구조적 장점을 가진 자연의 상어비늘을 모사해 인공 상어비늘을 개발하기 위해 이전에도 많은 연구들이 진행되어 왔지만, 물질을 쌓아 올려 겹치지 않는 형태로 제조하는 프린팅 방식이나 입체적이지 못하고 단순하게 표면형태만 떠내는 방식이었다. 이러한 기존 방식으로는 돌기들을 3차원으로 중첩시키면서 리블렛의 형태가 망가지는 것을 막기 어려웠다. 이를 해결하기 위해 위 교수팀은 마이크로 돌기 구조체를 자성 입자와 탄성 고분자의 복합재로 제조한 뒤 외부 자기장 하에서 한 돌기의 상단이 옆에 위치한 돌기의 하단에 닿을만큼 구부러지게 만들어 삼차원 중첩을 성공시켰다. 그 뒤 자기적으로 중첩된 돌기들 위에 액체 고분자 수지를 얇게 도포하고 열경화해 자기장을 제거한 후에도 중첩형태가 유지되는 3차원 인공 상어비늘을 제조하였다.

고분자 기반의 이 인공 상어비늘은 자연 상어비늘의 대표적 기능인 항력감소를 선보였다. 소수성 표면 위 리블렛 방향으로 물이 흐를 때 돌기들 사이에 마이크로 공기 버블들이 가둬지고, 이 공기 층 위로 물이 미끄러지며 압력강하가 발생한다. 나아가, 자연 상어비늘의 층상 구조 또한 모사하기 위해 부드러운 고분자 층 위로 나노 두께의 단단한 세라믹을 코팅했을 때 리블렛 방향으로 표면을 긁는 접촉에 대한 마찰계수가 감소한다. 이어, 세라믹 층 위에 더 단단한 금속을 나노 두께로 코팅하면 압입시험에 대한 기계적 강도와 복원력이 강화된다.

위 교수팀은 여기서 나아가 3차원 인공 상어비늘이 전기전도성을 띄는 데모 또한 구현했다. 강한 전기전도성 (5,000–10,000 S cm-1)을 띄는 것으로 최근 많이 알려진 신소재인 2차원 나노 시트 형태의 맥신 물질을 고분자 층 위로 코팅하면 5.3 Ω 정도로 낮은 전기 저항을 가지는 인공 상어비늘을 만들 수 있다. 여기에 작은 전압만 가해도 고온의 열을 낼 수 있고, 맥신의 친수성 덕에 젖음 특성 변화 또한 보인다. 이렇게 다기능성을 보이는 인공 상어비늘의 작동 원리를 선박에 활용한다면 유체와의 저항이 적어 사용연료를 줄이면서 사용연수를 늘리는 경제적 가치를 가져올 수 있다. 해상에서 감소된 항력으로 빠르게 항해하고, 주변 장애물과의 접촉에 대한 마찰도 줄이고, 외부 충격에 의한 파손 또한 줄이는 등의 미래 응용이 기대된다.

이번 연구는 미 공군연구소 (FA2386-22-1-4086), 한국연구재단 (NRF-2022R1A2C2002911, NRF-2022R1A2C44001521, NRF-2022R1A2C4002115), 그리고 교육부 (2021R1A6A1A03038858) 의 지원을 받아 수행되었다. 또한 카이스트 기계공학과 김산하 교수팀, 울산대학교 화학과 이승구 교수팀, 한양대학교 기계공학과 곽노균 교수팀, 그리고 한양대학교 유기나노공학과 한태희 교수팀과의 공동연구로 수행되었다.

해당 논문 (제목 : Programming Anisotropic Functionality of 3D Microdenticles by Staggered-Overlapped and Multilayered Microarchitectures)은 한양대학교 유기나노공학과 박사후연구원 박정은 박사가 1저자로 참여했고, 미국의 저명한 국제학술지 「어드밴스드 머티리얼즈 (Advanced Materials, IF= 29.4)」에 게재됐다.