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곽현수(포항공과대학교 기계공학부)
2022-05-10
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최근에는 이러한 연구를 이어 받아 다양한 아이디어로 보다 넓게 활용한 사례들이 제안되고 있습니다. 미국 Boston대학교 연구팀 [6]들은 비늘 구조의 재료를 LMPA(Low Melting Point Allow)라고 하는 재료들로 변경하여 다재다능한 기능을 수행하는 "강성 변화 비늘 (Tunalbe Stiffness Scales)"를 개발하였습니다. 이는 2020년도 Nature 자매지인 Scientific Reports에 게재되었습니다. Fig. 1을 보게 되면 [생체모방기술 2] 3D 프린팅 기반 비늘 구조의 생체 모사 연구 사례-1 Fig. 1에서 제조했던 비늘과 다소 다른 것을 확인할 수 있는데, [생체모방기술 2] 3D 프린팅 기반 비늘 구조의 생체 모사 연구 사례-1 Fig. 1에서 제작되었던 비늘 구조는 단순히 열가소성 폴리머로 하나의 물질로 제작되었으나 Boston 대학 연구팀에서 제안한 모델의 비늘은 LMPA라고 하는 낮은 온도에 용융되는 합금을 사용하여 DLS(Double Layer), SLS(Single Layer)의 형태로 비늘 내부에 별도로 탑재시킨 것임을 알 수 있습니다. 여기서 LMPA는 매우 낮은 온도임에도 불구하고 자발적으로 용융되는 형상기억합금의 종류라고 볼 수 있습니다. 해당 문헌에서는 두 가지의 형태의 LMPA를 사용하였는데 첫 번째 LMPA1은 용융점의 온도가 47도 이상이고 두 번째 LMPA2는 용융점의 온도가 62도 이상입니다.  따라서 만약에 우리가 상온 즉, 25도라고 가정을 하게 되면 LMPA1이나 LMPA2 모두 고체 상태일 것이며 그런 경우에 비늘의 상태(DLS 혹은 SLS)는 모두 매우 딱딱하다고 이해할 수 있습니다. 하지만 온도가 조금 증가하여 약 47도 ~ 62도 사이가 되면 LMPA 1은 녹는 상태가 될 것이고 LMPA 2는 여전히 고체 상태일 것입니다. 그러면 LMPA1 과 LMPA 2로 구성된 DLS 비늘의 경우는 보다 물렁해지고 강성 자체가 약해질 수 있다는 것을 의미합니다. 그에 반면 LMPA2로 구성된 순수한 SLS 비늘은 온도가 62도 이하까지는 지속적으로 고체 상태를 유지하기 때문에 강성이 상대적으로 높을 것입니다. 하지만 62도 이상이 돼버리면 DLS 나 SLS 비늘 모두 LMPA의 상태가 액체로 전환되기 때문에 매우 유연한 비늘로 변형될 수 있다는 것을 의미합니다. 즉 다시 말해서 자연계에 존재하는 비늘 구조의 형태와 LMPA라 하는 저용융점 물질을 기반으로 외부 온도와 환경에 따라서 표피 구조가 단단해지기도 하고 물렁해지기도 하는 다재다능한 표피 구조체를 개발한 것으로 볼 수 있습니다. 구체적인 사항은 Fig. 2를 보면 비늘의 구조를 쉽게 이해할 수 있을 것입니다.  그래서 이들은 주변 온도에 따라서 SLS 비늘과 DLS 비늘이 외부 하중에 대해서 어떻게 거동하는지 다음과 같은 실험 결과를 보여주었습니다.  상대적으로 매우 높은 65도 이상의 온도에서는 DLS, SLS 모두 액체 상태이고 매우 유연한 성질을 갖기 때문에 세 가지의 결과가 모두 큰 차이가 없다는 것을 Fig. 3 C에서 알 수 있습니다. 하지만 온도가 다소 내려감에 따라서 DLS와 SLS가 모두 용융점을 지나게 될 때 이 둘 모두 Stiffness가 다소 비슷한 경향으로 올라가는 것을 알 수 있습니다. 특정 온도를 지나게 되면 SLS는 더 이상의 녹을 비늘 구조가 없고 DLS는 한 층 더 남아있기 때문에 이 경우에는 DLS의 경우가 급격하게 증가하는 것을 알 수 있습니다. 따라서 최종적으로 온도가 낮아지게 되면 모두 고체 상태의 경우에서는 DLS, SLS, NO scale 순으로 Stiffness가 변화하였다고 볼 수 있습니다. 이들은 더 나아가 세계 최초로 수중 어류들의 표피 비늘 구조와 재료의 변환을 활용하였으며 외부 온도 및 환경에 따라서 표면 강성이 달라지는 연구를 진행하였습니다. 이들이 제안한 비늘 구조 모델은 추후에 소프트 로봇의 그리퍼 혹은 Smart 소재로 이루어진 미래형 갑옷 등 다양한 곳에 가능성을 열어두었다고 보고합니다.  |
- LMPA(Low Melting Point Allow)
- 생체모방기술
- 3D 프린팅 기반 비늘 구조의 생체 모사 연구
- DLS(Double Layer)
- SLS(Single Layer)
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