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곽현수(포항공과대학교 기계공학부)
2022-05-24
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지금까지는 다소 거시적이고 가시적으로 볼 수 있는 어류의 표피에 대해서 생체 모사 연구에 대해서 알아보았습니다. 이번에는 보다 작은 스케일에서 나타나는 자연 속의 비밀에 대해서 말해보려고 합니다. 소개해 드릴 대상은 바로 나비의 날개입니다. 여러분들은 "모르포 나비"의 비밀에 대해서 들어보셨나요? 일반적으로 동물의 표피가 나타내는 색이 달라지는 이유에는 구조 색(Structural Coloration)을 달리하거나 색소에 의한 색으로 나누어지게 됩니다. 색소란 것은 일반적으로 화학적으로 멜라닌, 카로티노이드 등 특정한 색소를 갖게 되어 나뭇잎처럼 표면이 색을 갖는 것을 의미합니다. 하지만 구조 색이라 하는 것은 피부의 결정구조, 격자 구조 등 표면이 갖는 기하학적 형상이 달라짐에 따라서 빛의 광학적 특성을 활용한다고 볼 수 있습니다. 특히 가장 대표적으로 볼 수 있는 것이 모르포 나비입니다. 매우 화려한 구조색을 갖는 것으로 유명한 모르포 나비는 실제로 파란색의 색소는 없으나 나비 표면에 존재하는 독특한 나노 구조 형태에 의하여 파란빛을 반사하는 모습을 볼 수 있습니다. 이러한 나비의 날개 구조를 모방하여 유용한 신 기술을 개발하는 연구가 최근에 많이 진행되었습니다. 한번 알아보도록 합시다.  본격적인 설명에 앞서 반사 방지 필름, ARF(Anti-Reflection Film)이라고 들어보셨나요? 반사 방지 필름은 일반적으로 렌즈 및 유리에 특정한 파장을 투과시켜 선명한 시야를 확보하게 도와주는 광학필름입니다. 일반적으로 창문을 보게 되면 외부 햇빛으로 반사로 인하여 선명한 조망이 안되는 경우를 볼 수 있습니다. 특히 이러한 ARFs를 제조하는데 다음과 같은 필수적인 조건이 있습니다. 첫 번째로는 반 파장 법칙입니다. 이는 단일 AR film Layer의 경우 반드시 N2 = N1N2 의 조건을 만족해야만 한다는 것 입니다. 여기서 N, N1 , N2 가 의미하는 것은 각각 반사율을 의미합니다. 그리고 이와 동시에 ARF의 두께 L은 λ/4 로 결정되게 됩니다. 하지만 일반적으로 1/4 의 비율로 두께가 결정되기 때문에 너무 얇은 필름 두께는 파손의 위험이 존재합니다. 또한 반사를 방지하기 위해서는 반드시 필름 표면에 Micro/Nano 수준의 구조물들이 존재하여 표면 거칠기가 증가하고 이에 따라 Curved Surface 구현에 매우 어려움을 느끼고 있습니다. 또한 제조하는 공정 자체도 Coating, Etching, Sol-Gel 공정 등 단일 제조에 어려움을 느끼고 있으며 오랜 시간이 걸린다는 문제가 있습니다. 하지만 2021년에 한 연구팀 [7] 은 나비의 Vanessa cardui 라 하는 나비의 구조물을 사용한다면 매우 효과적인 ACF film을 제조할 수 있다고 보고하였습니다. 만약 나비의 날개 구조에 영감을 받아 ARF film을 제조한다면 우수한 광학적 특성과 높은 투명도, 그리고 낮은 반사율을 갖게 됩니다. 이러한 것이 가능한 것은 바로 크리스탈 형태의 격자 구조, 수직형태의 Ridge 와 같은 특이한 형태들이 가능하게 한다는 연구 결과가 있습니다.  Fig. 1 (a)를 보면 Vanessa cardui 나비의 날개의 각지 다른 색깔별로 파장에 따른 다른 Reflectance를 보여줍니다. 여기서 주목해야 할 것은 특히 BR(Black Region) 부분입니다. BR 부분은 나비 날개의 다른 영역에 비해 Reflectance가 20 % 미만으로 매우 낮은 것을 확인할 수 있습니다. 또한 Wavelength의 영역이 500 ~ 1000 nm까지 폭넓은 영역대에서 높은 투명도와 낮은 Reflectance를 갖는 것을 확인할 수 있습니다. 이러한 신기한 광학적 특성이 나비 날개의 검은색 부분에서 관찰되어 이들인 해당 영역에 대해서 어떤 구조를 갖는지 SEM으로 확인하였습니다. Fig. 1 (b)를 보게 되면 SEM 이미지를 확인할 수 있는데 매우 특이한 Spinal Ridge 형태와 Lamellar tissue 구조가 반복적으로 형성되고 있음을 알 수 있습니다.  더 나아가서 이들은 이렇게 광학적으로 넓은 Range의 영역대와 낮은 반사율을 갖는 나비 구조 템플릿을 통해 반사 방지 필름을 실제로 제작을 시도하였다고 보고합니다.  Fig. 3에 따르면, 실제 나비를 C2H5OH가 담긴 수조에 초음파 진동을 통해 대략 5분 정도 산화처리를 진행하게 됩니다. 이렇게 진행하게 된 나비는 표면이 친수성으로 전환되게 됩니다. 이렇게 표면 개질이 된 나비를 기반으로 에탄올을 통해 나비 날개와 슬라이드 글라스 간의 접착력을 향상시킵니다. 이후 트위저를 통해서 나비의 날개를 슬라이드 글래스에서 벗겨내면 나비의 구조가 그대로 새겨진 Biological template이 완성됩니다. 최종적으로 이러한 템플릿 위에 PDMS를 스핀코팅하여 ARF 필름을 제조하는 모습을 보여주게 됩니다. 특히 PDMS로 제작된 필름은 유연한 소재이기 때문에 투명함과 동시에 플렉서블한 특성도 갖기 때문에 나비의 표면 Anti-Reflection 기능과 더해져 유연한 필름 개발이 가능하게 됩니다. 이렇게 제작된 생체 모사형 ARF 필름은 Vanessa cardui 의 검은 영역에서 발견된 특이한 Ridge 구조를 기반의 형태와 PDMS소자로 인하여 투명성 그리고 플렉서블한 유연성까지 결합되어 차세대 스마트 윈도우의 발판으로서 가능성을 보여주게 됩니다. 더 나아가서 기존의 ARF를 제조하는 대표적인 문제점인, 두께 자체가 매우 얇아지게 되어서 파손이라든지 외부 환경에 취약하단 문제를 극복할 수 있게 되었습니다. 예를 들어 설명하게 되면, 기존 ARF film의 경우 1/4 Quarter Law에 따라서 가시광선 영역대에서 Anti-reflection을 하기 위해서는 대략 100 ~ 200 nm 수준으로 제작이 되어야만 합니다. 하지만 100 nm 수준의 필름 막은 쉽게 벗겨지거나 표면이 균열이 가는 등 외부 환경에 쉽게 취약해질 확률이 높습니다. 이에 반면 만약 위와 같은 생체 모사형 Template 기반 위에 PDMS 스핀 코팅으로 제작된 Biological ARF 필름의 경우 스핀 코팅을 여러번 시도하여 두께 층을 지속적을 증가 시킬 수 있고 기존 Film 제조 공정에 비하여 값싸고 손쉽게 제작할 수 있기 때문에 공정적인 측면에서도 혁신적인 아이디어라고 생각합니다.  Fig. 4를 참조하면 정말 신기하게도 기존의 Brittle한 ARF 필름이 쉽게 굽혀질 수 있고 자유자재로 변형이 가능함을 볼 수 있습니다. 또한 더 나아가서 스핀 코팅을 여러번 진행하게 되면 Layer 층을 매우 쉽게 쌓을 수 있는데 이를 통하여 투명성을 더욱 조절 할 수 있다는 사실을 깨닫게 되었습니다. 오히려 신기한 것은 Layer가 6개 일 때 투명도 자체가 최대로 된다는 사실을 알 수 있습니다. 나비 표면의 신기한 Ridge 구조는 아직까지도 많은 궁금증을 유발하지만 위 연구와 같이 평소에 관측되지 않은 새로운 결과를 초래하기도 합니다. 지금까지 자연계에 존재하는 다양한 동식물들의 표면 조직으로부터 관측되는 다양한 생체모방 기술에 대해서 알아보았습니다. 거시적으로 어류 표면에 붙어있는 비늘에서 영감을 받아 지속적인 비늘구조가 그렇지 않은 것에 비해 강성이 상대적으로 높아지는 기계적 성질을 활용하여 강성이 외부 환경에 조절이 되는 연구에 대해서도 알아보았습니다. 미시적으로 나비의 날개 표면을 관찰하게 되면 기존의 광학적 특성을 뛰어넘는 우수한 반사 특성을 통하여 스마트 윈도우, 창, 자동차 창 등에 탑재되는 반사방지용 필름을 보다 효율적으로 대체할 수 있는 기술을 찾을 수 있었습니다. 이 뿐만 아니라 생체모사형 기술은 다양한 방향으로 연구되고 있으며 아직까지 현재 진행형에 있습니다  |
- 모르포 나비
- 구조 색(Structural Coloration)
- ARF(Anti-Reflection Film)
- Micro/Nano
- Curved Surface
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