‘네이처’게재, 전자소자, 의료용 패치 등 적용 기대

생체모방기술(Biomimetics)*의 발달과 함께 자연계에 존재하는 홍합 단백질, 게코도마뱀의 발, 딱정벌레 날개잠금장치, 깡총거미의 발, 엉겅퀴 씨앗 등의 다양한 화학적·물리적 현상을 모방한 기능성 점착 소재, 의료용 소재, 반도체 점착 소재, 로봇 기술들이 주목을 받고 있다. 또한 최근 반도체 공정 및 소재 기술과 의료용 소재 기술의 시장이 커짐에 따라 건조하거나 습한 반도체, 유리 표면, 굴곡진 피부표면 등에 반복적인 탈부착 후 오염물을 남기지 않는 점착소재 개발의 필요성이 커지고 있다. 그러나 기존에 개발된 점착제들은 물속, 젖은 표면, 땀에 의한 습한 피부 등에서 접착력이 급격하게 저하되는 문제점이 있거나, 청정을 요구하는 유리 및 반도체 그리고 피부 표면에 오염물을 남기는 문제점이 있다. 또한 습한 환경에서 반복적인 탈부착이 어려운 한계가 있어 이에 대한 개발이 필요하다.

연구팀은 문어의 빨판 내부에 존재하는 독특한 돌기를 관찰하여 미세 돌기와 빨판 내부표면에서의 유체의 응집력을 통해 빨판의 부압(negative pressure)*이 증가됨을 최초로 증명하였고, 이를 모사하여 다양한 습한 환경(물속, 젖은 유리 및 피부 표면)에서 탈부착이 가능하며 오염물도 남기지 않는 점착제를 개발하였다. 연구팀이 개발한 물속이나 젖은 환경에서 발생하는 점착제 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.

연구팀은 유체의 부분적인 젖음*(wetting) 현상을 이용하여 고분자 몰드(mold)*를 제작하였으며, 열에 의해 경화되는 고분자를 이용하여 문어모사 빨판이 고밀도로 배열된 고점착 패치(3cm×3cm)를 개발하였다. 이 패치는 고분자 주조(casting)*를 통해 쉽고 저렴하게 생산이 가능하다는 장점이 있다. 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(건조한, 젖은 상태, 물속, 오일속)의 표면에서 10,000회 이상의 반복적인 탈부착에도 점착력이 유지되었다. 나아가 습한 피부표면에도 안정적인 점착력(3 N/cm2)을 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.

문어빨판의 3차원 구조를 모사하여 습한 환경 하에서 고점착을 갖으며 반복적으로 탈부착 가능한 생체모사 점착 패치의 초저가 대면적 제조기술을 개발 하였다. 기존에 알려지지 않은 물속 문어의 점착에 있어 빨판 내부의 구형 돌기의 역할을 최초로 규명하고 이론적 모델을 제시하였다. 이를 토대로 물속이나 습한 환경 하에서도 높은 부압을 유도하는 문어빨판에 돌출된 구조와 결합한 진화된 생체모방 점착 기술로 발전할 수 있다. 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 의료패치에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.