잎벌레 구조를 모방해 물방울 충격과 수압에 강한 초발수 표면이 개발됐다. 이 기술은 해양, 항공, 에너지 등 여러 산업에서 효율을 높이고 유지 비용 절감에 기여할 것으로 전망된다.
에너지화학공학과 이동욱 교수팀은 잎벌레와 같은 생물체에서 발견되는 오목한 구조를 생체모방했다. 이 구조를 기반으로 가혹한 환경에서도 초발수성을 유지할 수 있는 오목 기둥 형태의 표면을 구현했다.
그림1. 자연 모사 초발수성 표면 제작의 개요
자연에서 볼 수 있는 독창적인 구조를 차용해 표면이 젖는 것을 억제하고, 기존보다 더 향상된 초발수성을 확보했다. 이 오목 기둥 구조는 기존 초발수 표면 보다 충격과 수압에 대한 저항력이 뛰어난 것으로 입증됐다.
초발수성은 물이 표면에 스며들지 않고 쉽게 떨어지는 성질을 의미한다. 이 성질은 자가 세정, 얼음 방지, 오염 방지 등의 다양한 분야에 활용된다.
그림2. 두 가지 구조의 초발수성 표면에 대한 물방울 충돌 결과
기존 초발수 표면은 물방울이 충격을 받거나 수압이 가해질 때 쉽게 젖는 한계가 있었다. 이를 극복하려면 안정적인 젖음 방지 기능이 필요하며, 가혹한 환경에서도 초발수성을 유지할 수 있어야 한다.
연구팀은 잎벌레와 톡토기의 오목한 구조에서 힌트를 얻었다. 이 구조를 바탕으로 오목한 공극이 있는 기둥 형태의 표면을 제작했다. 이 표면은 물방울이 고속으로 충돌하거나 높은 수압의 수중 환경에서도 안정적인 초발수성을 보였다.
그림3. 오목 기둥 구조의 수중 젖음 안정성
실험 결과, 오목 기둥 구조는 일반 기둥 구조보다 약 1.6배 더 높은 충격에도 젖지 않았다. 수압이 높은 환경에서 일반 기둥 구조는 약 87%가 젖은 반면, 오목 기둥 구조는 단 7%만 젖었다.
오목한 공극은 물방울이 표면에 닿았을 때 공기쿠션을 형성했다. 이 쿠션이 스프링처럼 작용해 물이 표면에 스며드는 것을 방지했다. 덕분에 오목 기둥 표면은 24시간 이상 초발수성을 안정적으로 유지할 수 있었다.
이동욱 교수는 “안정적인 초발수 표면 디자인에 새로운 방향을 제시했다”며, “이 디자인이 실용화된다면 다양한 산업 현장에서 중요한 기여를 할 것으로 기대된다”고 전했다.
연구는 이진훈 박사과정생과 박진우 박사가 제1저자로 참여했으며, 한국연구재단의 중견연구자지원사업, 나노 및 소재기술개발사업으로 수행됐다. 연구 결과는 세계적인 학술지 Advanced Materials에 10월 2일 온라인에 게재됐다.
