[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

종이 접기, 일명 오리가미(Origami)는 공예 활동에만 국한되지 않고 예술, 과학, 공학, 건축, 및 산업 분야에서 오리가미 설계 원리가 활용되고 있다. 다양한 분야에서 활용할 수 있는 이유는 오리가미 설계 원리가 물질의 구성성분 및 규모에 관계없이 적용 가능하기 때문이다. 현재 기술분야에서 오리가미의 응용이 점차 증가하고 있으며, 태양전지, 리튬이온 베터리, 생체 의료 기기 등에서 활용되었다. 오리가미 설계는 다양한 패턴을 기반으로 발전되고 있으며, 대표적으로 Miura(미우라), Double Cougation surface (DCS)와 같은 패턴이 있다. 각각의 오리가미 패턴은 동일하거나 다른 반복 패턴으로 이루어져 있다. 흥미로운 점은 동일한 반복 패턴을 갖고 있더라도 접힘-펴짐에 따라 오리가미 작동원리가 바뀔 수 있다는 점이다. 오리가미 패턴을 기반으로 다양한 규모에서의 물질이 연구되어 왔지만, 분자 수준의 물질을 설계하는 것은 여전히 어려운 과제이다.

2. 연구내용

분자 수준에서 오리가미 기반 물질을 설계하기 위해 금속-유기 골격체 (metal-organic framework)는 이상적인 플랫폼으로 활용될 수 있다. MOF를 구성하는 금속 노드 및 유기 리간드는 거의 무한하고 정교하게 조절할 수 있으며, 유연한 토폴로지를 기반으로 설계하여 구조를 합성할 수 있는 장점이 있다. 이번 연구에서는 유연성이 있는 포피린(Porphyrin) 기반의 2차원 금속-유기 골격체(2D MOF)를 합성하고, 종이접기 작동 원리에 기반한 구조 변화에 따라 메타물질의 특성인 음성 푸아송 비(NPR)의 특성을 발견하는데 성공했다. 연구진은 합성된 2D MOF 구조 내에 종이접기 패턴과 유사한 내부 분자 배열을 확인하였다. 온도에 따른 단결정 싱크로트론 엑스레이 회절(Synchrotron X-ray diffraction) 실험을 통해 오리가미 작동 원리를 확인하고, 이론적 계산(DFT calculation)을 통해 특별한 기계적 특성, 음성 푸아송 비의 특성을 규명했다.

3. 기대효과

이번 연구를 통해 분자 레벨에서 종이접기 형식의 작동 원리를 확인하고 메타물질로서 음성 푸아송 비의 특성을 확인했다. 이는 기존에 보고된 다양한 MOF 구조에서의 기계적 특성과 연계성을 생각할 수 있다.

[붙임] 용어설명

1. 메타물질 (Metamaterial)

메타물질은 인공적으로 합성된 물질로서 자연계에서 나타나지 않는 새로운 물리적 특성을 갖는다. 물질을 구성하는 성분이나 크기보다는 내부 구조에서 특이성이 발현되는게 특징이다. 물질을 이루는 구조의 배열과 패턴 등이 중요하게 작용해 기존에 나타나지 않던 물리적 특성을 만든다.

2. 종이접기 (Origami, 오리가미)

오리가미(Origami)는 종이를 접어서 다양한 형태의 예술작품이나 물건을 만드는 일본 전통 공예 기술이다. “ori”는 접다, “kami”는 종이를 나타내며, 이 두 단어가 합쳐져 “종이접기”를 의미한다. 오리가미는 일반적으로 2차원의 종이를 사용하여 시작된다. 종이를 접고 펼치면서 다양한 접기 기술을 사용하여 원하는 형태로 만든다. 이때 접은 선을 따라 종이를 접고 펼치는 것은 주요한 작업이며, 접히고 펼쳐진 선은 다양한 패턴을 만들어 낸다. 흥미로운 점은 다양한 소재의 물질이 동일한 오리가미 패턴을 가진다면, 물질의 구성성분이나 재료에 관계없이 같은 형태의 작품이 만들어진다는 것이다.

3. 음성 푸아송 비(Negative Poisson’s ratio, NPR)

푸아송 비(Poisson’s ratio, v)는 물체에 압력이 주어질 때 수축이나 팽창 정도를 나타내는 계수(v=et/el, et=transverse strain, el=longitudinal strain)이다. 물체가 수평 장력을 받으면 대부분 수직 방향으로 팽창하는 반면(v > 0), 몇몇 특정한 물질은 수직 방향으로 수축하는 특성(v < 0)을 보여준다. 이때 나타나는 계수를 ‘음성 푸아송 비’라 일컫는다. 음성 푸아송 비의 특성을 갖는 물질은 메타물질의 한 종류로서 기존 자연계에서 찾아보기 어려운 새로운 현상을 품고 있다. 음성 푸아송 비의 특성을 갖는 물질은 내부 구조와 밀접한 연관성이 있다.

4. 금속-유기 골격체(Metal-Organic Frameworks, MOFs)

금속-유기 골격체(MOF)는 금속 노드(Metal Node)와 유기 리간드(Organic Ligand)를 기반으로 자기조립을 통해 합성되는 다공성 고체 물질이다. 금속 노드와 유기 리간드의 조합에 따라 다양한 구조로 설계하고 합성할 수 있다는 게 장점이다. 금속-유기 골격체를 이루는 구성성분의 특성에 따라 고체 물질에 유연성 (Flexibility)을 부여할 수 있으며, 이러한 구조의 특성은 가스 흡착과 분리 및 기계적 특성 등 다양한 영역에서 활용될 수 있다.

[붙임] 그림설명

그림1. 다양한 오리가미 패턴과 패턴을 활용한 응용물질의 모식도

6세기경 종이가 발명되고, 종이접기는 18세기부터 시작되었다고 전해진다. 놀이를 넘어 다양한 오리가미 패턴이 연구되며 1980년대에 들어서야 처음으로 오리가미 기반 물질 개발이 이루어졌다. 2차원의 물질을 종이접기하듯 접어 3차원의 물질을 만들 수 있고, 유연한 움직임을 갖는 물리적 특성을 보인다.

그림2. 개발된 2차원 금속-유기 골격체

금속 노드와 유연한 작용기를 갖는 포피린 기반 유기 리간드의 자가조립을 통해 합성된 2차원의 금속-유기 골격체의 분자구조 그림이다. 이 구조는 오리가미 패턴의 형태로 단순화 할 수 있으며, 오리가미 작동 원리에 따라 구조의 유연성을 증명했다

그림3. 유사한 형태의 오리가미 패턴

다음과 같은 오리가미 패턴은 접힘-펴짐에 따라 2차원의 물질을 3차원으로 만들 수 있다. 또한, 오리가미 작동원리에 따라 음성 푸아송 비의 특성을 확인할 수 있다.

그림4. 2D MOF의 오리가미 메커니즘

DFT 계산 기반 결정구조의 변화 모습. 회색으로 칠해진 영역은 u 방향으로 응력이 가해질 때 점차 펴지며, 그림의 왼쪽에서 오른쪽으로 회색 화살표를 따라 펼쳐짐 (상단 그림). DCS 오리가미 패턴의 변화 메커니즘 (하단 그림).