< Science >‘움직이는 표면’으로 모래 털듯… 의료기기에 미생물 접근 차단

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■ 가오리 지느러미 움직임 같은 ‘방오(防汚) 기술’

- 정훈의·이상준 교수팀 개발

자석에 잘 달라붙는 소재 활용
가오리 지느러미의 동작 구현
빗자루로 쓸듯 이물질 막아내

표면 특성 아닌 ‘움직임’으로
기존 화학물질 분해 약점 극복
지속적으로 청결 유지 가능해

국내 연구진이 가오리 지느러미의 움직임을 모방한 능동적 ‘방오(防汚) 기술’을 선보였다. 물질 표면의 구조 특성을 이용한 기술은 있었지만, 동작을 모사한 것은 처음이다. 의료기기, 선박 표면 등의 청결 유지에 유용하게 쓰일 것으로 보인다. 연구결과는 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 11월 30일 자에 게재됐다.

울산과학기술원(UNIST) 정훈의·포항공대(POSTECH) 이상준 교수팀은 자석에 잘 달라붙는 소재를 이용해 가오리 지느러미를 모방한 ‘움직이는 표면’을 개발했다. 이 표면을 의료기기나 선박 등에서 액체에 닿는 부분에 적용하면 미생물 오염을 막을 수 있다. 바닷속 모랫바닥에 사는 가오리는 지느러미를 유연하게 움직여 모래 같은 이물질을 털어낸다. 이 모습에서 영감을 얻었다. ‘방오 기술’에 자연 모사 기법이 이용되지만, 그동안 매미 날개의 독특한 표면구조처럼 주로 생명체 표면을 구성하는 물질의 화학적 특성이나 미세구조를 본떴다. 그러나 화학물질이 분해되거나 표면이 마모되면 기능을 잃어버리는 단점이 있었다. 그래서 주름 형상의 반복적 변화를 이용하는 기술도 연구됐으나, 이 또한 이미 부착된 오염물질 제거에 초점이 맞춰져 원천적으로 미생물의 표면 부착을 막지 못한다는 한계가 있다.

정훈의-이상준 교수팀은 표면 특성이 아닌 ‘표면의 움직임’을 모방해 기존 자연 모사 방오 기술의 한계를 극복했다. 가오리 지느러미가 파도타기를 하듯 연속적으로 바뀌며 이물질을 털어내는 모습에서 실마리를 얻어 움직이는 방오 표면을 만든 것이다.

제1 저자인 고한길 UNIST 기계공학과 석·박사통합과정 연구원은 “가오리 지느러미 모양이 변하면서 그 표면에 소용돌이 흐름인 ‘와류(渦流)’가 형성된다”며 “와류는 오염물질이 지느러미 표면에 접근하지 못하게 막는 보호막 역할을 한다”고 설명했다. 지느러미 위에는 와류뿐 아니라 다른 힘도 만들어진다. 표면에 수평 방향으로 작용하는 ‘전단응력(剪斷應力)’이다. 이 힘은 지느러미 표면을 마치 빗자루로 쓸어내듯 훑어서 오염물질의 부착을 막는다.

연구팀은 자석에 반응하는 복합소재로 만들어진 ‘인공 근육’으로 가오리 지느러미의 움직임을 구현했다. 자석(자기장)이 이동하면 자석 위에 있는 인공 근육이 수축하도록 만든 것이다. 입자영상유속계, 유한요소법 등을 활용, 인공 근육이 수축하는 깊이와 주기까지 조절해 오염물질 부착을 최소화하는 동작도 찾아냈다. 공동 제1 저자인 박현하 UNIST 기계공학과 박사과정 연구원은 “‘움직이는 방오 표면’은 박테리아로부터 표면을 잘 보호했다”며 “가오리 지느러미와 마찬가지로 표면에 강력한 와류와 전단응력이 유도돼 박테리아가 달라붙는 현상을 근본적으로 억제했기 때문”이라고 말했다. 동적 표면 형상 변화를 보이는 자기장 반응 복합 구조는 화학적 개질 또는 나노 구조 없이도 바이오 필름 형성을 억제하기 위한 효과적인 수단을 제공했다.

정훈의 UNIST 기계 항공 및 원자력공학부 교수는 “기존의 표면구조 모방 방오 시스템의 구조와 성능한계를 넘어서는 것”이라며 “지속적이고 근본적인 오염 방지가 필요한 의료기기나 해양 구조체, 선박 표면 등에 적용할 수 있다”고 밝혔다.


■ 용어설명

방오(Anti-biofouling) : 오염 방지의 약자로 박테리아를 비롯한 미생물과 미생물로 이뤄진 얇은 막(생물막)이 표면에 붙지 못하게 하는 기술.

자기 반응성 복합재(Magnetoresponsive composite) : 자기장에 의해 변형되도록 제작한 소재로, 강자기성 미세 입자와 유연 탄성 고분자로 이루어져 있음.

입자 영상 유속계(PIV:Particle image velocimetry) : 광학 원리를 이용해 유동장 내부 흐름 패턴을 시각화해 여러 지점에서 흐름 속도를 동시에 계측하는 유동가시화 실험 방법.

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 사용.

노성열 기자 nosr@munhwa.com