▲ 왼쪽부터 최재호 학생, 김희탁교수, 김신현 교수

원시 곤충 ‘톡토기(Springtail)’는 땅속에 서식하면서도 물이나 유기 물질에 젖지 않고 피부로 호흡한다.

톡토기의 피부 표면에 버섯 모양의 구조체가 빽빽이 배열돼 있어 물과 기름을 미끄러지게 함으로써 땅속에서도 물에 젖지 않고 피부로 호흡이 가능한 것이다.

KAIST(총장 신성철)는 생명화학공학과 김희탁·김신현 교수 연구팀이 원시 곤충 톡토기의 피부구조를 모방, 물과 기름 등에 젖지 않는 저렴한 표면을 개발했다고 6일(수) 밝혔다.

마치 버섯 모양의 이중요각구조체는 지난 2014년 사이언스 논문에서 최초로 보고된 구조체로 물뿐 아니라 기름과 같이 표면 에너지가 낮은 액체에 대해서도 젖지 않는 성질을 갖고 있다.

하지만 기존 이중요각구조체는 딱딱한 실리콘을 기반으로 해 유연한 소재에 적용하기 어렵고, 여러 단계의 복잡한 공정을 거쳐야 해 제작비용이 비싸다는 한계가 있었다.

연구팀은 다른 방식으로 이중요각구조체를 제작하기 위해 아조고분자의 독특한 광학적 특성인 국부적 광유체화 현상(빛을 받는 동안 물질이 액화되는 현상)에 주목했다. 광유체화 현상은 아조고분자가 빛을 받으면 마치 액체처럼 유체화가 되는 현상을 말한다.

이 유체화는 빛을 흡수하는 아조고분자 표면의 얇은 층에서만 부분적으로 일어난다. 연구팀은 이 광유체화 현상을 아조고분자 원기둥 구조에서 일어나게 해 원기둥 윗부분 표면만 선택적으로 흘러내리는 방식으로 버섯 모양의 이중요각구조체를 형성했다.

연구팀이 제작한 구조체의 표면은 매우 낮은 표면에너지를 갖는 액체, 즉 핵산과 같이 표면에 금방 스며들려는 특성을 갖는 액체에도 뛰어난 초발수성, 초발유성을 갖는다. 이 특성은 표면 물질이 고분자 기반이기 때문에 구부러진 상태에서도 유지될 수 있다.

또한 연구팀의 구조체 제작은 아조고분자 원기둥 구조의 틀을 잡고 빛을 조사하는 정도의 간단한 과정만 거치기 때문에 경제적, 실용적으로 큰 장점이 있다.

김희탁 교수는 “이번 연구에서 제안한 새로운 이중요각구조 제작방식을 통해 뛰어난 초발수성, 초발유성 특성을 갖는 표면을 쉽게 제작할 수 있을 것이다”며 “임의의 굴곡을 갖는 표면의 초발수, 초발유성 특성을 부여할 수 있어 생물오손방지 튜브, 얼룩부식 방지 표면 등 다양하게 응용 가능할 것이다”고 말했다.

김신현 교수는 “이번 연구에서 설계한 이중요각구조는 피부로 호흡하며 땅 속에 서식하는 곤충인 톡토기(springtail)의 피부 구조를 모방한 것으로 인간은 자연으로부터 배우고 공학적으로 창조한다는 사실을 다시 한 번 깨달았다”고 말했다.

최재호 박사과정 학생이 제1저자로 참여한 이번 연구결과는 나노기술분야 국제 학술지 'ACS 나노'(ACS Nano) 8월 호에 게재됐다.