[Machine] 기계와 자연의 만남 ‘나노 자연 모사’ 한국기계연구원 김완두 박사 “자연은 정교한 기계” [Machine] 기계와 자연의 만남 ‘나노 자연 모사’한국기계연구원 김완두 박사 “자연은 정교한 기계”‘자연모사기술(Nature-inspired Technology)’이란 자연의 생태계와 자연 현상 그리고 살아있는 생명체의 기본 구조, 원리와 메커니즘에서 영감을 얻어 공학적으로 응용하는 기술이다. 나라마다, 사람마다 자연모사기술의 개념은 다른 용어로 사용되고 있다. 생태모방(biomimicry), 생체모방(biomimetics)이라는 용어가 많이 통용되고 있으며, 바이오닉스(bionics), 바이오그노시스(biognosis), 바이오모방공학(bio-inspired engineering), 바이오 창조공학(bionical creativity engineering), 의생학 등의 용어들도 같은 의미다. ‘자연모사 나노기술’이란 자연모사기술 중 나노기술과 관련된 분야를 뜻하며, 자연에 존재하는 나노구조나 물질, 나노의 개념이 포함된 기능 및 메커니즘에서 영감을 얻어 공학적으로 응용하는 기술이라 할 수 있다. 자연에 있는 나노기술 개념의 대표적인 예는 연잎의 청결함, 게코 도마뱀 종 도마뱀붙이의 접착력을 들 수 있다. 더러운 연못에 살면서도 항상 고귀함과 청결함을 잃지 않고 있는 연잎은 물에 젖지 않는 놀라운 기능이 있다. 연잎의 표면을 전자현미경으로 확대해 보면 10~20 마이크로미터(μm)의 돌기가 있고 그 위에 100 나노미터(nm) 크기 정도의 나노털이 덮여 있는 것을 관찰할 수 있다. 연잎의 표면을 이루는 왁스 성분이 마이크로 크기와 나노 크기의 복합 미세 구조물을 이루고 있고 이러한 계층적인 구조는 연잎에 맺히는 물이 퍼지지 않고 잘 굴러서 표면의 모래나 먼지를 닦게 해주는 것이다. 자신의 몸보다 50배가 무거운 물건을 가지고도 벽이나 천정을 자유자재로 붙어 다니는 도마뱀붙이의 발바닥에도 나노털이 존재한다. 나무가 큰 기둥에서 줄기를 통해 작은 나뭇가지로 뻗어 나가는 것처럼 도마뱀붙이의 발바닥에도 굵은 털부터 뻗어 나간 미세 털들이 궁극적으로는 200 나노미터(nm)의 굵기의 나노 털가지로 갈라져 있으며, 이러한 나노 털의 존재는 부스럼이나 화합물의 흔적을 남기지 않는 도마뱀붙이의 놀라운 부착력의 원인이다. 또한, 이러한 계층구조는 울퉁불퉁한 표면을 만나도 부착력의 감소가 없으며 먼지도 잘 붙지 않는 기능도 있다.한국기계연구원 나노자연모사연구실의 주요 연구 이처럼 다양한 나노자연모사연구 중 한국기계연구원 나노자연모사연구실에서 진행되고 있는 주요 연구 과제는 아래와 같다.첫째, 생체모사 나노융합기술 분야둘째, 조직공학용 바이오기계기술셋째, 생태모사 나노그린기술 먼저 ‘생체모사 나노융합기술 분야’는 미래창조과학부(이하 미래부) 미래유망파이오니아사업 지원으로 2009년 7월부터 2015년 2월까지 생체청각기구를 모사한 인공감각계 원천기술을 개발했다. 이어 미래부의 신성장동력사업 지원으로 수행한 청각장애우를 위한 MEMS 마이크로폰 제작 기술을 개발했으며, 미래부의 ‘생체모사 메카트로닉스 융합기술사업 지원으로 ‘생체모사 피부형 센서 3차원 집합체를 개발했다. 또한, 산업통상자원부(이하 산업부) 산업원천기술개발사업 지원으로 조직공학용 바이오기계기술 중 하나인 ‘환부 맞춤형 피부 재생을 위한 직접 도포용 3D 바이오 프린팅 장비 개발’을 지난해 6월부터 다가올 2019년 5월까지 총 4년 동안 수행할 계획이다. 이 밖에도 산업통상자원부의 산업원천기술개발 지원으로 표준형과 맞춤형 인공지지체 제작 기술 개발, 미래부 바이오의료기술개발 지원으로 인공지지체와 세포프린팅 제조 장비를 개발 중이다. 이어 ‘생태모사 나노그린기술’로는 산업부 산업원천기술개발사업 지원으로 2010년부터 2016년까지 5년간 ‘자연모사 응용 스마트 물/용제 순환기술’을 개발한다. 이뿐만 아니라 같은 사업의 지원으로 2008년부터 2013년까지 5년 동안 ‘생태모사청정표면가공기술개발’을 한 바 있다. 인공감각계 원천 기술 개발 ‘달팽이관 모사’ 이 모든 연구의 책임자인 UST의 교수이자, 대한기계학회 수석 부회장인 한국기계연구원 나노융합기계연구본부 영년직 연구원 김완두 공학박사는 청각기능 회복을 위한 생체청각기구 모사 인공와우를 지난해에 개발했다. 이 기술은 ‘인공와우장치’라는 이름으로 지난해 1월 26일 특허를 받은 바 있다. 2014년 11월 9일 자 의 “메이드인 코리아 ‘사이보그’ 기술 어디까지 왔나” 기사에 따르면 이비인후과에서 청력을 잃은 사람에게 인공 와우를 이식하는 것은 이미 보편화 됐으나, 미세한 소리 자극에는 반응이 어렵다고 했다. 김 공학박사가 청각기구를 모사한 인공감각계 원천 기술 개발에 성공할 수 있었던 이유는 미래창조과학부 미래유망파이오니아사업 지원에 힘입어 연구팀과 협업으로 함께 수고하고 땀 흘린 결과였다. 체내 완전 이식이 가능한 생체모사 ‘인공와우’ ‘인공와우’는 체내 완전 이식을 할 수 있는 달팽이관 ‘내이 와우’를 모사한 인공기저막 기술이다. ▲인공유모세포 기술 ▲신호처리 전자모듈 기술 ▲임상시험 기술로 구성됐다. 김완두 공학박사는 “이러한 핵심기술을 통합해 생체 청각기구를 모사한 신개념 인공달팽이관 및 감각 센서 기술을 개발하고자 했다”고 말했다. 생체모사 인공기저막 기술과 인공유모세포기술은 기계적/전기적 주파수 분리대역이 0.3~6.0/0.3~5.0 kHz다. 김 공학박사는 인공기저막의 10개 전극에서 평균 6.4mV 전기가 발생하는 소자를 연구하고 개발했다. 또한, 신호처리 전자모듈 기술은 디지털 컨트롤러, 센서 출력 신호에 대응하는 전류 자극 펄스를 생성하는 전류 자극기가 모두 집적된 analog/digital mixed ASIC 칩 소자가 개발됐다. 인공와우장치 연구사업의 총괄책임자인 김완두 공학박사는 연꽃잎의 나노 구조나 아프리카 사막의 딱정벌레 날개의 친수, 소수 복합 구조 등 자연에서 영감을 얻어 새로운 기술을 개발하는 자연모사연구실을 만들어 연구해오던 중 2005년 미국 조지아공대 왕중린 교수팀이 표지에 발표한 ‘나노압전소자’ 논문의 사진을 보고 무릎을 쳤다. ‘압전소자’는 누르거나 당기는 등 변형을 가하면 전기가 흐르는 특수한 물질로 만든 소자를 말한다. 사람 귀는 여러 감각기관 가운데 유일한 기계적 초소형 고감도 기관이어서 이를 모방해 만들면 어떤 공학센서보다 우수할 것이라는 생각을 해오던 터였다. 김 공학박사는 “나노압전소자 사진을 보니 사람의 달팽이관 안에 있는 특수 섬모인 부동섬모와 모양이 똑같았으며, 이것을 이용하면 전기를 자체 생산하는 인조 부동섬모를 제작해 인공달팽이관을 만들 수 있겠다는 생각으로부터 아이디어를 얻었다”고 전했다.세계적인 인공와우 기술 수준은 아직 미약 세계적인 인공와우 기술 수준은 어디까지 왔을까. 김 공학박사는 “달팽이관 속의 기저막을 모사해 소리 주파수 특성을 분리하려는 연구는 일부 진행되고 있으나, 부동섬모까지 모사해 인공달팽이관에 새롭게 적용하려는 연구는 아직 보고된 바 없다”고 말했다. 생체 청각기구를 모사해 개발되는 신개념의 인공와우, 즉 고감도 광대역의 관성 센서 기술 연구는 국내외적으로 연구개발 초기 단계로서 이번 연구를 통해 김 공학박사와 연구팀은 관련 원천특허 확보와 원천 기술 개발을 달성했다. 이를 토대로 시제품이 추가 실용화 연구를 통해서 개발될 때, 기존 인공와우와 국내외 신시장 선점에 매우 유리하며, 인공와우의 수요 증가추세에 비춰볼 때 경제적, 사회적 파급효과가 클 것으로 예상된다. ‘인공유모 세포기술’ 치료기기와 재난방지 역할 기대 김 공학박사는 본 기술을 기반으로 파생될 응용기술로 앞으로 ▲보건복지 의료산업 ▲자동차 ▲엔터테인먼트 산업 ▲국방 ▲기타 산업체 등의 영역을 꼽으며, “이러한 분야에서 파급효과가 기대된다”고 말했다. 생체모사 인공와우 핵심요소 기술은 완전이식형 신개념 인공와우 장치로서 활용뿐만 아니라, 수중의 음향 신호 측정과 해저 지진 감지 등에 사용할 수 있는 하이드로폰 소자 또는 전자적인 FFT 기능 없이 주파수를 실시간으로 측정할 수 있는 특수 음향소자에도 응용 가능하며, 고효율 압전박막기술을 이용해 압전에너지 수확기술로 활용할 수 있다. 또한, ‘체내이식형 전자모듈’은 매우 작고 잡음이 심한 신호에 대한 감지율이 높아 극소형 인공와우와 전기적 신경신호 측정도 할 수 있다. ‘인공유모 세포기술’은 전정기관, 촉각기관, 고유수용체 등 다른 감각기관의 모사에도 유용하게 사용될 수 있다. 김 공학박사는 “인공유모 세포기술이 치료기기로 개발될 수 있으며, 초자연적인 현상의 감지기기로 활용돼 재난방지 등의 역할을 수행할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다. 생태모사청정표면가공기술개발 이뿐만이 아니다. 김 공학박사는 연구팀과 함께 청정생산기반전문기술개발초발수 청정표면 공정기술을 이용한 태양전지 커버유리와 실리콘 음료 용기 양산기술을 개발했다. 비가 오면 저절로 청소되는 연잎 효과를 모사해 넓은 면적의 태양전지 커버 유리의 표면과 실리콘 음료 용기 내부 표면을 청정하게 만드는 친환경 나노마이크로 구조물 양산 가공 공정기술이다. 김 공학박사는 이에 관한 연구를 2011년 10월부터 2013년 9월까지 2년 동안 2단계까지 진행했다. 청정생산기반전문기술개발사업의 성과 발생 시기는 2013년 10월부터 현재까지로 본다. 전 세계의 초발수 표면 연구 수준 아직... 김 공학박사의 말에 따르면 전 세계적으로 나노와 마이크로 구조를 이용한 초발수 표면에 대한 연구는 기초 이론 연구에서부터 응용까지 다양한 물질과 표면에 대해 광범위하게 연구가 진행되고 있으나, 기술의 상용화는 초발수 표면의 내구성 문제와 양산 공정 개발의 어려움으로 인해 지지부진한 상황이다. 국내에서는 중소기업을 중심으로 화합물을 이용한 발수코팅을 개발 중이며, 대학과 연구기관을 중심으로 고가의 공정을 이용하는 방법으로 초발수, 초발유 표면을 제작해 논문으로 발표한 정도다. 김 공학박사는 “연잎의 초발수 효과를 모방한 Lotusan 페인트와 기타 방수 의류 등의 분야에 제한적으로 초발수 기술의 제품화가 이뤄지고 있다. 그러나 태양전지 커버유리와 같은 투명 제품에 대한 초발수 표면처리 기술의 제품화는 전무한 상황”이라며, “최근 국내에서 요구르트 용기의 커버에 초발수 표면 처리 기술을 적용해 내용물이 커버에 묻지 않도록 해 제품화한 예가 있으나, 음료 용기의 내부에 초발수 표면처리 기술을 적용해 제품화에 성공한 예는 없는 상황”이라고 제언했다. 청정 초발수 표면 양산 기술 개발 생태모사 표면제어기술을 이용한 청정 초발수 제품 양산 기술이 핵심 기술이다. 김 공학박사는 연구팀과 청정표면 태양전지 커버유리 가공기술 자기 세정이 가능하며, 광투과도가 우수해 태양전지의 효율을 높일 수 있는 초발수 태양전지 커버유리 제작기술을 개발했다. 또한, 태양전지 커버유리의 표면을 대기압 플라스마 나노 식각 공정을 이용, 표면 거칠기를 형성한 후 발수 물질을 표면에 매우 얇게 코팅함으로써 자기세정기능을 가지면서도 광투과도가 기존 커버 유리에 비해 우수한 ‘자기세정 태양전지 커버유리’를 제작했다. 태양전지 커버유리에 대한 초발수 표면처리 기술을 양산에 적용하기 위해 이에 적합한 양산 공정을 개발하고, 대면적 대기압 플라스마 나노 식각 장비를 개발했다. 초발수 청정표면 실리콘 용기 생산기술은 세척이 쉽고 항균성이 뛰어난 초발수 실리콘 음료 용기 제작 기술 개발이다. 이 기술은 환경친화적이면서도 대량 생산성이 우수한 실리콘 사출성형공정과 sub-micro 크기 이하의 미세 패턴 성형에 유리한 실리콘 사출 성형의 장점을 활용해 초발수 표면 구현 제품 양산 기술을 개발했다. 이 제품은 환경호르몬이 없으면서도 미생물 및 기타물질의 접착력이 약해 세척이 쉬운 장점이 있다.생태모사 표면제어기술 이용 ‘청정 초발수 제품 양산 기술 개발’ “250W급 태양전지 모듈용 커버유리를 장당 1만5천 원 정도의 비용으로 표면 처리가 가능하다면 유리가 가지는 자기세능 성능을 고려할 때, 제품 상용화가 가능할 것으로 생각됐습니다. 따라서 저비용 공정을 개발에 총력을 다 하고 있습니다” 김 공학박사의 말에 따르면 리엔리하이테크는 PuttiAtti라는 자체 상표를 가지고 실리콘 유아용 젖병을 이미 시장에 출시해 판매 중이다. 초발수 기능을 가지는 실리콘 음료수 용기를 이용해 시장을 확대할 계획을 세우고 있다. 김 공학박사는 이러한 자연친화 제품기술을 통해 환경성 개선 효과를 기대했다. “청정표면을 구현함으로써 물 자원 절약, 생활하수 중 포함된 유해물질 저감 등의 효과와 더불어 친환경 기술의 실현을 통해 환경오염 문제 및 에너지 문제에 대처하려는 사회적 합의가 더욱 구체화 될 것입니다” 또한, 초발수 청정표면 가공 원천기술 확보로 첫째, 초발수 표면을 제작하기 위한 미세패턴의 대량생산 기술개발로 고부가가치 구현. 둘째, 반영구적인 초발수 투명 유리는 현재까지 시판되지 않고 있어 향후 자동차 산업, 건설 산업 등에 응용될 수 있는 블루오션 분야로 봤다. 마이크로 나노 성형기술은 생활 전반에 폭넓게 응용돼 초발수 표면 조명 부품, 플라스틱 식품 용기, 위생용품의 표면뿐 아니라 하이테크인 바이오센서, 마이크로 플루이딕스 칩 표면을 구현할 수 있다. 이뿐만 아니라 김 공학박사는 현재 수출보다 수입이 월등히 많은 음료수병 시장에서 국내외 매출을 증가함으로써 수입을 대체하고 수출을 증대를 기대했다. 이 밖에도 한국기계연구원 나노자연모사연구실에서는 기능성 표면의 제조방법, 초발수 표면 제조 방법 등 국외 특허 3개와 기체의 응축 거동을 이용한 마스크리스 식각 장치와 이를 이용한 나노 또는 마이크로 패턴의 식각 방법, 모재의 표면에 마스킹에 의한 돌기 형성방법과 장치 등 총 17건을 특허 출원하며, 국내 먹거리 산업 발전에 이바지하는 중이다.

[Machine] 기계와 자연의 만남 ‘나노 자연 모사’

한국기계연구원 김완두 박사 “자연은 정교한 기계”

기사입력 2016-03-31 17:22:34

[산업일보]
[Machine] 기계와 자연의 만남 ‘나노 자연 모사’
한국기계연구원 김완두 박사 “자연은 정교한 기계”

도마뱀붙이(Gekko japonicus)의 접착력은 자연모사 나노기술 개념의 대표적인 예다. 도마뱀붙이의 발바닥에는 나노 털이 존재해 자신의 몸보다 50배나 무거운 물건을 가지고도 벽을 자유자재로 붙어 다닌다.

‘자연모사기술(Nature-inspired Technology)’이란 자연의 생태계와 자연 현상 그리고 살아있는 생명체의 기본 구조, 원리와 메커니즘에서 영감을 얻어 공학적으로 응용하는 기술이다. 나라마다, 사람마다 자연모사기술의 개념은 다른 용어로 사용되고 있다. 생태모방(biomimicry), 생체모방(biomimetics)이라는 용어가 많이 통용되고 있으며, 바이오닉스(bionics), 바이오그노시스(biognosis), 바이오모방공학(bio-inspired engineering), 바이오 창조공학(bionical creativity engineering), 의생학 등의 용어들도 같은 의미다.

‘자연모사 나노기술’이란 자연모사기술 중 나노기술과 관련된 분야를 뜻하며, 자연에 존재하는 나노구조나 물질, 나노의 개념이 포함된 기능 및 메커니즘에서 영감을 얻어 공학적으로 응용하는 기술이라 할 수 있다. 자연에 있는 나노기술 개념의 대표적인 예는 연잎의 청결함, 게코 도마뱀 종 도마뱀붙이의 접착력을 들 수 있다.

더러운 연못에 살면서도 항상 고귀함과 청결함을 잃지 않고 있는 연잎은 물에 젖지 않는 놀라운 기능이 있다. 연잎의 표면을 전자현미경으로 확대해 보면 10~20 마이크로미터(μm)의 돌기가 있고 그 위에 100 나노미터(nm) 크기 정도의 나노털이 덮여 있는 것을 관찰할 수 있다.

연잎의 표면을 이루는 왁스 성분이 마이크로 크기와 나노 크기의 복합 미세 구조물을 이루고 있고 이러한 계층적인 구조는 연잎에 맺히는 물이 퍼지지 않고 잘 굴러서 표면의 모래나 먼지를 닦게 해주는 것이다.

비가 오면 저절로 청소되는 자연 연잎 효과 사례.

자신의 몸보다 50배가 무거운 물건을 가지고도 벽이나 천정을 자유자재로 붙어 다니는 도마뱀붙이의 발바닥에도 나노털이 존재한다. 나무가 큰 기둥에서 줄기를 통해 작은 나뭇가지로 뻗어 나가는 것처럼 도마뱀붙이의 발바닥에도 굵은 털부터 뻗어 나간 미세 털들이 궁극적으로는 200 나노미터(nm)의 굵기의 나노 털가지로 갈라져 있으며, 이러한 나노 털의 존재는 부스럼이나 화합물의 흔적을 남기지 않는 도마뱀붙이의 놀라운 부착력의 원인이다.
또한, 이러한 계층구조는 울퉁불퉁한 표면을 만나도 부착력의 감소가 없으며 먼지도 잘 붙지 않는 기능도 있다.

한국기계연구원 나노자연모사연구실의 주요 연구
이처럼 다양한 나노자연모사연구 중 한국기계연구원 나노자연모사연구실에서 진행되고 있는 주요 연구 과제는 아래와 같다.

첫째, 생체모사 나노융합기술 분야
둘째, 조직공학용 바이오기계기술
셋째, 생태모사 나노그린기술

먼저 ‘생체모사 나노융합기술 분야’는 미래창조과학부(이하 미래부) 미래유망파이오니아사업 지원으로 2009년 7월부터 2015년 2월까지 생체청각기구를 모사한 인공감각계 원천기술을 개발했다. 이어 미래부의 신성장동력사업 지원으로 수행한 청각장애우를 위한 MEMS 마이크로폰 제작 기술을 개발했으며, 미래부의 ‘생체모사 메카트로닉스 융합기술사업 지원으로 ‘생체모사 피부형 센서 3차원 집합체를 개발했다.

MEMS 마이크로폰

또한, 산업통상자원부(이하 산업부) 산업원천기술개발사업 지원으로 조직공학용 바이오기계기술 중 하나인 ‘환부 맞춤형 피부 재생을 위한 직접 도포용 3D 바이오 프린팅 장비 개발’을 지난해 6월부터 다가올 2019년 5월까지 총 4년 동안 수행할 계획이다. 이 밖에도 산업통상자원부의 산업원천기술개발 지원으로 표준형과 맞춤형 인공지지체 제작 기술 개발, 미래부 바이오의료기술개발 지원으로 인공지지체와 세포프린팅 제조 장비를 개발 중이다.

Multi Head 3D 바이오프린팅 장비

이어 ‘생태모사 나노그린기술’로는 산업부 산업원천기술개발사업 지원으로 2010년부터 2016년까지 5년간 ‘자연모사 응용 스마트 물/용제 순환기술’을 개발한다. 이뿐만 아니라 같은 사업의 지원으로 2008년부터 2013년까지 5년 동안 ‘생태모사청정표면가공기술개발’을 한 바 있다.

자연모사 제습기

일반 냉각핀 → 자연모사 제습기 냉각핀

인공감각계 원천 기술 개발 ‘달팽이관 모사’
이 모든 연구의 책임자인 UST의 교수이자, 대한기계학회 수석 부회장인 한국기계연구원 나노융합기계연구본부 영년직 연구원 김완두 공학박사는 청각기능 회복을 위한 생체청각기구 모사 인공와우를 지난해에 개발했다. 이 기술은 ‘인공와우장치’라는 이름으로 지난해 1월 26일 특허를 받은 바 있다. 2014년 11월 9일 자 <동아사이언스>의 “메이드인 코리아 ‘사이보그’ 기술 어디까지 왔나” 기사에 따르면 이비인후과에서 청력을 잃은 사람에게 인공 와우를 이식하는 것은 이미 보편화 됐으나, 미세한 소리 자극에는 반응이 어렵다고 했다.

김 공학박사가 청각기구를 모사한 인공감각계 원천 기술 개발에 성공할 수 있었던 이유는 미래창조과학부 미래유망파이오니아사업 지원에 힘입어 연구팀과 협업으로 함께 수고하고 땀 흘린 결과였다.

체내 완전 이식이 가능한 생체모사 ‘인공와우’

‘인공와우’는 체내 완전 이식을 할 수 있는 달팽이관 ‘내이 와우’를 모사한 인공기저막 기술이다. ▲인공유모세포 기술 ▲신호처리 전자모듈 기술 ▲임상시험 기술로 구성됐다. 김완두 공학박사는 “이러한 핵심기술을 통합해 생체 청각기구를 모사한 신개념 인공달팽이관 및 감각 센서 기술을 개발하고자 했다”고 말했다.

생체모사 인공기저막 기술과 인공유모세포기술은 기계적/전기적 주파수 분리대역이 0.3~6.0/0.3~5.0 kHz다. 김 공학박사는 인공기저막의 10개 전극에서 평균 6.4mV 전기가 발생하는 소자를 연구하고 개발했다.

또한, 신호처리 전자모듈 기술은 디지털 컨트롤러, 센서 출력 신호에 대응하는 전류 자극 펄스를 생성하는 전류 자극기가 모두 집적된 analog/digital mixed ASIC 칩 소자가 개발됐다.

신호처리 전자모듈을 포함한 인공와우 패키지 (자료: 한국기계연구원)

인공와우장치 연구사업의 총괄책임자인 김완두 공학박사는 연꽃잎의 나노 구조나 아프리카 사막의 딱정벌레 날개의 친수, 소수 복합 구조 등 자연에서 영감을 얻어 새로운 기술을 개발하는 자연모사연구실을 만들어 연구해오던 중 2005년 미국 조지아공대 왕중린 교수팀이 <네이처> 표지에 발표한 ‘나노압전소자’ 논문의 사진을 보고 무릎을 쳤다.

‘압전소자’는 누르거나 당기는 등 변형을 가하면 전기가 흐르는 특수한 물질로 만든 소자를 말한다. 사람 귀는 여러 감각기관 가운데 유일한 기계적 초소형 고감도 기관이어서 이를 모방해 만들면 어떤 공학센서보다 우수할 것이라는 생각을 해오던 터였다.

김 공학박사는 “나노압전소자 사진을 보니 사람의 달팽이관 안에 있는 특수 섬모인 부동섬모와 모양이 똑같았으며, 이것을 이용하면 전기를 자체 생산하는 인조 부동섬모를 제작해 인공달팽이관을 만들 수 있겠다는 생각으로부터 아이디어를 얻었다”고 전했다.

세계적인 인공와우 기술 수준은 아직 미약

세계적인 인공와우 기술 수준은 어디까지 왔을까. 김 공학박사는 “달팽이관 속의 기저막을 모사해 소리 주파수 특성을 분리하려는 연구는 일부 진행되고 있으나, 부동섬모까지 모사해 인공달팽이관에 새롭게 적용하려는 연구는 아직 보고된 바 없다”고 말했다.

생체 청각기구를 모사해 개발되는 신개념의 인공와우, 즉 고감도 광대역의 관성 센서 기술 연구는 국내외적으로 연구개발 초기 단계로서 이번 연구를 통해 김 공학박사와 연구팀은 관련 원천특허 확보와 원천 기술 개발을 달성했다.

이를 토대로 시제품이 추가 실용화 연구를 통해서 개발될 때, 기존 인공와우와 국내외 신시장 선점에 매우 유리하며, 인공와우의 수요 증가추세에 비춰볼 때 경제적, 사회적 파급효과가 클 것으로 예상된다.

‘인공유모 세포기술’ 치료기기와 재난방지 역할 기대

김 공학박사는 본 기술을 기반으로 파생될 응용기술로 앞으로 ▲보건복지 의료산업 ▲자동차 ▲엔터테인먼트 산업 ▲국방 ▲기타 산업체 등의 영역을 꼽으며, “이러한 분야에서 파급효과가 기대된다”고 말했다.

압전박막 위에 제작된 상부전극과 인공기저막 소자 패키지 (자료: 한국기계연구원)

생체모사 인공와우 핵심요소 기술은 완전이식형 신개념 인공와우 장치로서 활용뿐만 아니라, 수중의 음향 신호 측정과 해저 지진 감지 등에 사용할 수 있는 하이드로폰 소자 또는 전자적인 FFT 기능 없이 주파수를 실시간으로 측정할 수 있는 특수 음향소자에도 응용 가능하며, 고효율 압전박막기술을 이용해 압전에너지 수확기술로 활용할 수 있다.

또한, ‘체내이식형 전자모듈’은 매우 작고 잡음이 심한 신호에 대한 감지율이 높아 극소형 인공와우와 전기적 신경신호 측정도 할 수 있다.

‘인공유모 세포기술’은 전정기관, 촉각기관, 고유수용체 등 다른 감각기관의 모사에도 유용하게 사용될 수 있다. 김 공학박사는 “인공유모 세포기술이 치료기기로 개발될 수 있으며, 초자연적인 현상의 감지기기로 활용돼 재난방지 등의 역할을 수행할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

생태모사청정표면가공기술개발

이뿐만이 아니다. 김 공학박사는 연구팀과 함께 청정생산기반전문기술개발초발수 청정표면 공정기술을 이용한 태양전지 커버유리와 실리콘 음료 용기 양산기술을 개발했다. 비가 오면 저절로 청소되는 연잎 효과를 모사해 넓은 면적의 태양전지 커버 유리의 표면과 실리콘 음료 용기 내부 표면을 청정하게 만드는 친환경 나노마이크로 구조물 양산 가공 공정기술이다.

전투과도 94% 이상, 접촉각 120도 이상의 태양전지 커버 유리 (자료: 한국기계연구원)

김 공학박사는 이에 관한 연구를 2011년 10월부터 2013년 9월까지 2년 동안 2단계까지 진행했다. 청정생산기반전문기술개발사업의 성과 발생 시기는 2013년 10월부터 현재까지로 본다.

태양전지 커버유리 (자료: 한국기계연구원)

전 세계의 초발수 표면 연구 수준 아직...

김 공학박사의 말에 따르면 전 세계적으로 나노와 마이크로 구조를 이용한 초발수 표면에 대한 연구는 기초 이론 연구에서부터 응용까지 다양한 물질과 표면에 대해 광범위하게 연구가 진행되고 있으나, 기술의 상용화는 초발수 표면의 내구성 문제와 양산 공정 개발의 어려움으로 인해 지지부진한 상황이다.

국내에서는 중소기업을 중심으로 화합물을 이용한 발수코팅을 개발 중이며, 대학과 연구기관을 중심으로 고가의 공정을 이용하는 방법으로 초발수, 초발유 표면을 제작해 논문으로 발표한 정도다.

김 공학박사는 “연잎의 초발수 효과를 모방한 Lotusan 페인트와 기타 방수 의류 등의 분야에 제한적으로 초발수 기술의 제품화가 이뤄지고 있다. 그러나 태양전지 커버유리와 같은 투명 제품에 대한 초발수 표면처리 기술의 제품화는 전무한 상황”이라며, “최근 국내에서 요구르트 용기의 커버에 초발수 표면 처리 기술을 적용해 내용물이 커버에 묻지 않도록 해 제품화한 예가 있으나, 음료 용기의 내부에 초발수 표면처리 기술을 적용해 제품화에 성공한 예는 없는 상황”이라고 제언했다.

청정 초발수 표면 양산 기술 개발

생태모사 표면제어기술을 이용한 청정 초발수 제품 양산 기술이 핵심 기술이다. 김 공학박사는 연구팀과 청정표면 태양전지 커버유리 가공기술 자기 세정이 가능하며, 광투과도가 우수해 태양전지의 효율을 높일 수 있는 초발수 태양전지 커버유리 제작기술을 개발했다.

또한, 태양전지 커버유리의 표면을 대기압 플라스마 나노 식각 공정을 이용, 표면 거칠기를 형성한 후 발수 물질을 표면에 매우 얇게 코팅함으로써 자기세정기능을 가지면서도 광투과도가 기존 커버 유리에 비해 우수한 ‘자기세정 태양전지 커버유리’를 제작했다.

태양전지 커버유리에 대한 초발수 표면처리 기술을 양산에 적용하기 위해 이에 적합한 양산 공정을 개발하고, 대면적 대기압 플라스마 나노 식각 장비를 개발했다.

청정표면 태양전지 커버유리 가공기술개발 개념도

초발수 청정표면 실리콘 용기 생산기술은 세척이 쉽고 항균성이 뛰어난 초발수 실리콘 음료 용기 제작 기술 개발이다. 이 기술은 환경친화적이면서도 대량 생산성이 우수한 실리콘 사출성형공정과 sub-micro 크기 이하의 미세 패턴 성형에 유리한 실리콘 사출 성형의 장점을 활용해 초발수 표면 구현 제품 양산 기술을 개발했다. 이 제품은 환경호르몬이 없으면서도 미생물 및 기타물질의 접착력이 약해 세척이 쉬운 장점이 있다.

[패턴설계]→[금형설계]→[금형코어가공]→[실리콘사출]→[초발수 특성평가] 초발수 청정표면 실리콘 용기 생산기술개발 개념도 (자료: 한국기계연구원)

생태모사 표면제어기술 이용 ‘청정 초발수 제품 양산 기술 개발’

“250W급 태양전지 모듈용 커버유리를 장당 1만5천 원 정도의 비용으로 표면 처리가 가능하다면 유리가 가지는 자기세능 성능을 고려할 때, 제품 상용화가 가능할 것으로 생각됐습니다. 따라서 저비용 공정을 개발에 총력을 다 하고 있습니다”

김 공학박사의 말에 따르면 리엔리하이테크는 PuttiAtti라는 자체 상표를 가지고 실리콘 유아용 젖병을 이미 시장에 출시해 판매 중이다. 초발수 기능을 가지는 실리콘 음료수 용기를 이용해 시장을 확대할 계획을 세우고 있다.

김 공학박사는 이러한 자연친화 제품기술을 통해 환경성 개선 효과를 기대했다. “청정표면을 구현함으로써 물 자원 절약, 생활하수 중 포함된 유해물질 저감 등의 효과와 더불어 친환경 기술의 실현을 통해 환경오염 문제 및 에너지 문제에 대처하려는 사회적 합의가 더욱 구체화 될 것입니다”

또한, 초발수 청정표면 가공 원천기술 확보로 첫째, 초발수 표면을 제작하기 위한 미세패턴의 대량생산 기술개발로 고부가가치 구현. 둘째, 반영구적인 초발수 투명 유리는 현재까지 시판되지 않고 있어 향후 자동차 산업, 건설 산업 등에 응용될 수 있는 블루오션 분야로 봤다.

마이크로 나노 성형기술은 생활 전반에 폭넓게 응용돼 초발수 표면 조명 부품, 플라스틱 식품 용기, 위생용품의 표면뿐 아니라 하이테크인 바이오센서, 마이크로 플루이딕스 칩 표면을 구현할 수 있다. 이뿐만 아니라 김 공학박사는 현재 수출보다 수입이 월등히 많은 음료수병 시장에서 국내외 매출을 증가함으로써 수입을 대체하고 수출을 증대를 기대했다.

좌측부터 실리콘 음료 용기 양산기술과 친환경 나노 마이크로 구조물 양산 가공 공정기술 (자료: 한국기계연구원)

이 밖에도 한국기계연구원 나노자연모사연구실에서는 기능성 표면의 제조방법, 초발수 표면 제조 방법 등 국외 특허 3개와 기체의 응축 거동을 이용한 마스크리스 식각 장치와 이를 이용한 나노 또는 마이크로 패턴의 식각 방법, 모재의 표면에 마스킹에 의한 돌기 형성방법과 장치 등 총 17건을 특허 출원하며, 국내 먹거리 산업 발전에 이바지하는 중이다.

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김현지 기자 press1@kidd.co.kr

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