‘샤크스킨’의 원리 구현한
3차원 인공 상어 비늘 개발

2000년 시드니올림픽에 처음 등장한 전신 수영복은 경기를 시청하던 세계인의 시선을 사로잡았다. 게다가 ‘인간 어뢰’로 불리는 호주의 이언 소프 선수가 이 전신 수영복을 입고 3관왕을 차지해 전신 수영복의 원리에 관심이 집중됐다. 전신 수영복의 비밀은 바로 상어의 비늘을 본떠서 만들었다는 것.

“물속에서는 물과의 마찰력인 유체저항 때문에 생각처럼 몸을 빠르게 움직일 수 없습니다. 예전에는 매끈한 표면을 가져야 유체저항을 최소화할 수 있다고 생각했습니다. 그 고정관념을 깨준 것이 상어 비늘입니다. 상어 비늘에는 미세한 돌기들이 중첩적으로 엇갈리게 배열돼 있습니다. 이 돌기들이 물과 충돌하면서 표면에 복잡한 형태의 작은 물줄기 흐름을 만들어 큰 물줄기와의 저항을 줄여주죠. 그래서 상어는 물속에서 매우 빠른 속도로 유영할 수 있는 것입니다.”

이에 많은 연구자들이 상어 비늘의 원리를 모사해 비행기의 공기저항이나 잠수함의 유체저항을 줄이는 기술을 연구해 왔다. 하지만 제조 기술의 한계로 3차원 구조의 상어 비늘을 실제처럼 모사하는 데 어려움이 있었다. 단일 소재로 단순한 형태의 마이크로 패턴을 2차원 형태로 만들거나 돌기들이 각각 떨어져 있는 형태가 대부분이었다. 이마저도 외부 충격에 약해 구조가 쉽게 무너져 기능성을 상실하는 경우가 많았다.

“기존의 연구들은 미세 돌기를 만들었다는 점에서 상어 비늘과 비슷하지만, 실제 3차원으로 겹겹이 쌓여있는 상어 비늘의 모습과는 거리가 있습니다. 실제 상어 비늘은 단단한 정도가 다른 여러 겹의 물질로 이루어져 있습니다. 부드러운 돌기의 가장 바깥면을 단단한 에나멜층이 덮고 있죠. 미세 돌기들이 갑옷처럼 겹겹이 쌓여 부드러운 피부를 보호해 줍니다.”

상어 비늘을 본뜬 인공 샤크스킨이 실제의 모습을 보다 정교하게 구현할 순 없을지 고민해 온 위정재 교수. 여러 선행연구의 한계를 뛰어넘기 위해 마이크로 돌기 구조체를 자성 입자와 탄성 고분자의 복합재로 제조했다. 더불어 외부 자기장의 힘을 통해 3차원으로 겹겹이 쌓인 형태를 구현했다. 아이디어 전환을 통해 자기장을 제거한 후에도 중첩 형태가 유지되는 3차원 인공 상어 비늘 개발에 성공한 것이다.

“단단한 정도가 다른 4겹의 물질을 사용해 미세 돌기를 만들었습니다. 특히 한 층은 자성 물질을 사용해 외부 자기장에 의해 원하는 방향으로 움직일 수 있게 했죠. 곧게 정렬돼 있던 미세 돌기들이 외부 자기장을 인가하면 누우면서 서로 겹겹이 포개집니다. 이를 통해 외부 충격에 강하면서도 저항을 줄일 수 있는 인공 상어 비늘을 제조했습니다.”

이러한 인공 상어 비늘의 작동 원리를 타이어 홈이나 항공기, 선박 등의 이동수단, 이동체에 적용하면 유체와의 저항을 줄여 낮은 항력으로 빠르게 움직일 수 있게 된다. 또 사용 연료도 절감해 항공이나 선박의 사용 연수를 늘리는 경제적 효용성으로 이어진다. 그뿐만 아니라 현대 사회의 중요한 이슈인 탄소중립 실현, 탄소배출 저감에도 기여할 수 있다. 본 연구는 미국 공군연구소, 한국연구재단, 교육부의 지원을 받아 수행됐고, 미국의 저명한 국제학술지 <어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials, IF= 29.4)>에 게재됐다.

“앞으로도 지금까지 제조하기 힘들었던 3차원 다중 마이크로 구조의 생명체를 모사해 그 기능성을 재현하면서도 외부 충격에 강한 소재 연구를 진행할 계획입니다. 또한 외부 자성으로 형태가 계속 바뀌는 3차원 마이크로 구조를 통해 기능성을 자유자재로 On/Off 스위칭할 수 있는 가변형 신규 디바이스 연구도 진행 중입니다.”

한편, 위정재 교수는 푸른 날개를 가진 ‘모르포 나비’ 등 연구할 만한 생명체가 많다고 귀띔했다. 모르포 나비의 날개는 상어 비늘보다 더 복잡한 3차원 나노-마이크로 구조체인데 특정 파장의 빛만 반사한다. 이 구조와 기능성을 모사하면, 물에 젖지 않고 염료나 안료 없이 색을 구현하거나 각도에 따라 색상이 변하는 소재 제작이 가능해진다. 위정재 교수는 호기심 많은 연구자의 시선으로 세상을 바라보고 있다.

위정재 교수의 또 다른 연구주제는 황(sulfur)이다. 황은 석유화학의 부산물로 대량 생산돼 매년 약 7백만 톤이 잉여로 남는다. 우수한 품질의 석유를 생산하려면 석유를 정제할 때 불순물인 황을 제거해야 하는데 환경문제로 폐기가 마땅치 않아 석유공장 주변에 산더미처럼 쌓여있는 실정이다.

“황은 비록 석유화학의 부산물이지만 다른 산업의 부산물들과 달리 매우 고순도로 생성됩니다. 이러한 황을 고분자로 합성해 다양한 고부가 가치 제품을 만드는 연구를 진행하고 있습니다.”

대부분의 고분자는 탄소로 이루어진다. 그러나 황을 기반으로 고분자를 만들면 기존의 탄소 기반 플라스틱의 한계를 넘을 수 있다. 예를 들어 탄소 기반 고분자는 적외선의 빛을 잘 투과하지 못하기 때문에 적외선 렌즈를 만드는 소재로는 한계가 있다. 하지만 황 고분자는 적외선 투과도가 높아 적외선 렌즈에도 활용이 가능하다. 위정재 교수는 최근 황 고분자를 활용해 적외선 편광기를 개발했으며, 관련 논문을 <어드밴스드 머티리얼즈>에 게재한 바 있다. 현재 산업통상자원부 과제와 미국 공군연구소 과제를 수행하며 적외선 광학과 관련된 연구를 진행 중이다.

해외 연구소로부터 연구과제를 수주하는 것은 결코 쉬운 일이 아니다. 위정재 교수는 미국 공군연구소와 벌써 3번째 연구를 진행하고 있다. 그뿐만 아니라 같은 과 한태희 교수와 함께 미국 육군연구소 과제로 황 고분자를 이용한 마찰대전 디바이스 개발 연구도 수행하고 있다. 위정재 교수는 2019년부터 세계 최초로 황 고분자를 마찰대전에 활용하는 연구를 진행해 기존 마찰대전 고분자 대비 월등한 마찰대전 성능을 보고했다. 마찰대전은 두 가지 물질을 마찰시킬 때 전기가 발생하는 형태이므로 친환경적인 에너지 생산방법이다. 하지만 발생하는 전기량이 적다는 점이 상용화를 방해하는 큰 걸림돌이다. 위정재 교수 연구팀은 이러한 문제를 극복하는 데 초점을 맞추고 있다.

기존에 존재하지 않던 새로운 기능성 첨단소재를 개발하거나 폐기물을 고부가 가치 제품으로 만들어 상용화까지 이뤄보는 것이 꿈이라는 위정재 교수. 그는 한양인들에게도 항상 꿈을 크게 가질 것을 주문했다.

“현재 학업 성과가 부진하거나 원하는 목표에 도달하지 못했다고 해서 자신의 가치를 평가 절하하거나 꿈을 포기하지 마십시오. 여러분들은 모두 앞으로 우리나라를 이끌어갈 소중한 인재들이고 미래의 리더들입니다. 그리고 공부는 학생 때만 하는 것이 아닙니다. 평생, 꾸준히 발전해 나간다는 생각으로 자신의 분야에서 정진하면 훗날 자신이 기대했던 것 이상을 이루는 나를 발견하게 될 것입니다.”