[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경 

자연계 생물이 가지는 방오(防汚, Antifouling)1) 특성은 ‘생체적합성’과 ‘지속성’이 뛰어나며, 장기적으로 활동하기 좋은 특성을 보여준다. 그러나 기존 자연모사 방오 연구들은 주로 자연계 표면의 물질적인 측면이나 정적 구조에 집중했을 뿐, 표면 형상의 변화나 동적인 측면에서는 크게 연구된 바가 없다. 이에 이번 연구에서는 표면에서 움직임을 생성할 수 있는 ‘자기장 반응 복합 다층 구조’를 제안했다. 개발된 자기 반응 복합 방오 구조는 표면 근처에 와류(渦流, Vortex)2)를 유도해 표면으로부터 오염물질을 쓸어내어 박테리아 같은 오염물의 초기 부착을 근본적으로 억제한다. 결과적으로 동적 표면 형상 변화를 보이는 자기장 반응 복합 구조는 화학적 개질 또는 나노 구조 없이도 바이오 필름 형성을 억제하기 위한 효과적인 수단을 제공한다.

2. 연구내용  

본 연구는 역동적이고 지속 가능한 방오성 구조 개발에 대한 것으로, 자연계 생물 중 ‘가오리’의 지느러미 움직임에서 영감을 받아 진행됐다. 자기 반응성 복합재(magnetic field-responsive composite)의 동적 표면 형상 변화(dynamic surface topographical change)를 사용해 강한 와류와 높은 전단응력(剪斷應力, Shear stress)3)을 유도하고 이에 기반해 표면 오염을 방지할 수 있다.

이번에 개발된 방오성 표면은 피부표면 역할을 하는 폴리우레탄 아크릴레이트(PUA), 인공근육역할을 하는 자기반응성 복합재4) 등으로 구성돼 있다. 자기반응성 복합재는 유연한 고분자와 강자성(자석에 달라붙는 성질)을 띠는 카르보닐철 입자를 포함하고 있어 외부자기장에 반응한다.

이번에 개발된 방오구조에서는 자기장에 반응해 인공근육의 수축이 일어나는데, 이 수축된 형상이 표면을 따라서 이동하면서 유체의 흐름(유동, 流動)이 발생된다. 이 때 발생되는 유동은 와도(vorticity,와류의 크기)와 전단응력(shear stress)을 동시에 가지는 특성이 있다. 본 연구에서 밝혀진 바에 따르면, 와도와 전단응력은 방오(anti-fouling)효과를 증대시키는 요소로 작용한다.

연구팀은 입자영상유속계(Particle image velocimetry, PIV)5), 유한요소법(FEA)6)등을 이용해, 방오효과를 극대화 할 수 있는 움직임을 고안했다. 그 결과 동적 방오 표면의 변형 깊이(H)와 주기(T)의 조절을 통해 표면의 유동을 증가시키고, 이를 통해 와도(vorticity)와 전단응력(shear stress)을 증가시킬 수 있다는 사실을 알아냈다.

박테리아의 움직임을 추적해 형상변화에 의해 유도되는 유동의 표면보호효과를 확인한 결과, 인공 근육층 수축 부분에서 만들어지는 강력한 와류와 전단응력이 박테리아가 표면으로 접근하는 것 자체를 차단해 우수한 오염 방지 효과를 보임을 확인할 수 있었다. 이는 유한 요소분석법(FEA)을 통해 자기장-구조 변형-유동 발생-유체 내 오염물질 거동을 복합적으로 계산한 결과와도 일치 했다.

3. 기대효과

해당 연구는 지속적이고 근본적인 오염 방지가 필요한 의료기기나 해양 구조체, 선박 표면 등에 적용 가능하다. 본 연구에서는 표면 형상 변화를 유도하기 위해 자기장 기반 작동을 사용했으나, 외부의 유체 흐름 또는 기타 환경적인 힘을 이용해 표면 변화를 생성할 수도 있다. 이런 수동적 메커니즘을 활용하면 더 넓은 범위로 적용 가능한 동적 방오 표면을 고안할 수 있다.

[붙임] 용어설명

1. 방오(Anti-biofouling)

오염 방지의 약자로 박테리아를 비롯한 미생물과 미생물로 이뤄진 얇은 막(생물막)이 표면에 붙지 못하게 하는 것. 

2. 와류(Vortex)

유체의 회전운동에 의해 주류와 반대 방향으로 소용돌이치는 흐름. 본 연구에서 와류는 표면에 대한 오염물질 접근을 방해하는 방오 기능의 주요 요소로 분류됨. 

3. 전단응력(Shear stress)

표면에 접하는 방향으로 작용하는 힘에 의한 응력. 본 연구에서는 방오 표면에 수평한 방향으로 작용하는 유체의 힘을 정의하기 위해 사용함.

4. 자기반응성 복합재(Magnetoresponsive composite)

자기장에 의해 변형되도록 제작한 소재로, 강자기성 미세 입자와 유연 탄성 고분자로 이루어져 있음.

5. 입자 영상 유속계(PIV, Particle image velocimetry)

광학 원리를 이용해 유동장 내부 흐름 패턴을 시각화해 여러 지점에서 흐름 속도를 동시에 계측하는 유동가시화 실험 방법. 본 연구에서는 설계된 방오 구조의 표면 형상 변화에 따른 주변 유동 관측을 위해 사용함. 

6. 유한요소법(FEA, Finite element analysis)

해석 대상을 유한한 숫자의 ‘요소’로 분할해 각 영역에 관한 계산을 해나가는 시뮬레이션 기법. 본 연구에서는 자기장-구조 변형-유동 발생-유체 내 오염물질 거동을 복합적으로 계산하기 위해 사용함.

[붙임] 그림설명

그림1. 가오리 모사 동적 방오 구조와 작동 원리. (좌측상단) 가오리의 지느러미 움직임 이미지, 지느러미 단면 조직 확대 이미지(빨강: 근육, 파랑: 콜라겐과 뼈), 오른쪽 상단은 지느러미 표면상의 나노 구조 SEM 이미지. (우측상단) 가오리 지느러미 움직임에 따른 주변부 와류 형성. (좌측하단) 방오성 다층 복합 구조(움직이는 표면)의 단면 확대 사진. (우측하단) (i) 외부 자기장 이동에 따른 동적 표면 변화 전달 개념도 및 (ii) 동적 표면 변화에 의한 오염물질 접근 방지 개념도.

그림2. 다층 복합 구조의 동적 표면 형상 변화 단면 연속 촬영. (A) 구형(spherical) 자석 이동에 따른 동적 표면 형상 변화 흑백 촬영 이미지. (B) 형광 염색된 동적 표면 형상 변화 촬영 이미지.