강한 흡착력을 가진 문어 빨판의 원리를 규명하고. 이를 바탕으로 붙였다 떼었다 할 수 있는 고점착 패치 소재를 개발한 연구가 나왔다.
접착제를 사용하지 않는 이 패치는 물 속이든 젖은 곳이든 마른 곳이든 쓸 수 있고 떼었을 때 오염물도 남지 않는 데다가 낮은 가격으로 생산할 수 있어 웨어러블 기기, 반도체, 의료용·미용 패치 등 여러 분야에 응용될 것으로 기대된다.
미래창조과학부에 따르면 성균관대 화학공학·고분자공학부 나노과학기술학과 방창현 교수 연구팀은 15일 과학 학술지 ‘네이처’에 이런 내용의 논문을 발표했다.
스티커 등에 사용되는 기존의 점착 화합물 소재는 젖은 표면에서 점착력이 사라지거나 끈적이는 오염물을 남기는 문제를 갖고 있다. 점착 소재를 쓰지 않는 흡착 컵도 있지만, 유리창 등 평평하고 깨끗하며 건조한 표면이 아니면 사용이 어렵다.
그러나 수중 생물인 문어의 빨판은 물 속이든 물 밖이든 강한 흡인력을 갖고 있다.
연구진은 이 점에 착안해 탄성고분자(elastomer)로 이뤄진 미세 구형(球形) 돌기를 지닌 문어 빨판과 비슷한 구조로 인공 빨판을 만들어 실험함으로써 그 원리를 세계 최초로 밝혔다.
인공 빨판을 표면에 붙일 때 외부에서 힘을 가하면, 이로 인해 점착 표면의 수분이 밀려 나간다. 남은 수분은 모세관 효과에 의해 구형 돌기와 그 주변 표면 사이의 공간에 포집 된다.
이어 외부의 힘을 제거하면 포집된 수분은 응집력에 의해 유지되며, 이와 동시에 인공 빨판과 부착 표면 사이의 공간에는 큰 흡인력이 생긴다. 이 때문에 빨판이 표면에 단단하게 붙어 있게 된다.
연구진은 미세 입체구조의 내부에서 물 분자들이 실제로 거동하는 형태를 특수 현미경으로 관찰해 이런 원리를 확인하고 수학적 모델을 통해서도 타당성을 확인했다.
연구진은 이런 원리를 실제 산업에 응용할 수 있도록 비교적 간단한 공정으로 고점착 패치를 만드는 기술도 개발했다.
자외선이나 열이 가해지면 딱딱하게 굳는 고분자 물질을 이용해 내부에 미세 구형 돌기를 가지는 인공 빨판이 고밀도로 배열된 가로세로 3cm 크기의 고점착 패치를 실제로 만들어 시험한 결과, 다양한 환경에서 강한 점착력이 유지되는 것으로 나타났다.
이 패치는 물방울이 맺힌 습한 유리표면에서 3 N/㎠(제곱센티미터당 뉴턴), 물속 유리표면에서 4 N/㎠, 실리콘 오일 속 유리표면에서 15 N/㎠의 수직 점착력을 나타냈다. 또 습한 피부 표면에서도 3 N/㎠의 수직 점착력을 보였다.
수직 점착력이 높을수록 패치와 표면 사이의 부착이 강하게 이뤄진다.
수직 점착력이 1N/㎠이면 가로세로 1㎝의 조그만 표면에 약 100g짜리 물체를 매달아서 버틸 수 있는 수준이다.
이 패치는 1만 번 이상 반복해서 붙였다 떼었다 해도 점착력이 유지됐다.
연구진은 물기가 있는 환경에서 이 패치의 점착 성능이 세계 최고 수준이라며 이를 이용해 반도체 산업에 쓰이는 8인치 웨이퍼를 물속에서 고정하거나 이동시킬 수 있다고 설명했다.
또 굴곡이 있고 거칠며 기름기도 있는 표면에서도 점착 효과가 뛰어나 사람의 피부 상처를 봉합하거나 치료하는 데도 쓰일 수 있으며, 생체신호 모니터링 소자를 부착하는 데도 적용할 수 있다고 덧붙였다.
연구책임자인 방창현 교수는 “청정 전자소자의 공정, 반도체 패키징 소재 산업, 의료용 패치, 진단 치료용 웨어러블 디바이스, 장기 조직 봉합, 치료용 패치 등 다양한 분야에 획기적 원천 기술을 제공할 것으로 기대한다”고 연구의 의의를 설명했다.