UNIST, 물방울 충격과 수압에 강한 초발수 표면 개발

생체모사로 안정적 초발수성 구현 성공

오목 기둥 구조, 산업 효율성 향상

자연 모사 초발수성 표면 제작의 개요. 암컷 잎벌레에 붙어 있는 수컷 잎벌레(왼쪽)와 잎벌레의 발을 확대한 주사전자현미경 이미지(가운데). 이에 영감을 받아 새롭게 개발한 오목 기둥 구조의 초발수성 표면의 현미경 이미지(오른쪽). 연구그림=유니스트

유니스트(UNIST·울산과학기술원)는 잎벌레 구조를 모방해 물방울 충격과 수압에 강한 초발수 표면을 개발했다고 16일 밝혔다.

초발수성은 물이 표면에 스며들지 않고 쉽게 떨어지는 성질을 의미한다. 이 성질은 자가 세정, 얼음 방지, 오염 방지 등의 다양한 분야에 활용된다. 이번에 개발한 기술은 해양, 항공, 에너지 등 여러 산업에서 효율을 높이고 유지 비용 절감에 기여할 것으로 전망된다.

이동욱 유니스트 에너지화학공학과 교수팀은 잎벌레와 같은 생물체에서 발견되는 오목한 구조를 생체모방했다. 이 구조를 기반으로 가혹한 환경에서도 초발수성을 유지할 수 있는 오목 기둥 형태의 표면을 구현했다. 자연에서 볼 수 있는 독창적인 구조를 차용해 표면이 젖는 것을 억제하고, 기존보다 더 향상된 초발수성을 확보했다. 이 오목 기둥 구조는 기존 초발수 표면 보다 충격과 수압에 대한 저항력이 뛰어난 것으로 입증됐다.

기존 초발수 표면은 물방울이 충격을 받거나 수압이 가해질 때 쉽게 젖는 한계가 있었다. 이를 극복하려면 안정적인 젖음 방지 기능이 필요하며, 가혹한 환경에서도 초발수성을 유지할 수 있어야 한다.

오목 기둥 구조의 수중 젖음 안정성. 수중에 초발수성 표면이 들어갔을 때, 공기층이 갇히면서 거울과 같은 효과를 내며 상을 반사함(왼쪽). 일반 기둥 구조(NP)와 비교했을 때 더 높은 수압에서도 젖음 안정성을 보이는 오목 기둥 구조(CP)(오른쪽). 연구그림=유니스트

연구팀은 잎벌레와 톡토기의 오목한 구조에서 힌트를 얻었다. 이 구조를 바탕으로 오목한 공극이 있는 기둥 형태의 표면을 제작했다. 이 표면은 물방울이 고속으로 충돌하거나 높은 수압의 수중 환경에서도 안정적인 초발수성을 보였다. 실험 결과, 오목 기둥 구조는 일반 기둥 구조보다 약 1.6배 더 높은 충격에도 젖지 않았다. 수압이 높은 환경에서 일반 기둥 구조는 약 87%가 젖은 반면, 오목 기둥 구조는 단 7%만 젖었다. 오목한 공극은 물방울이 표면에 닿았을 때 공기쿠션을 형성했다. 이 쿠션이 스프링처럼 작용해 물이 표면에 스며드는 것을 방지했다. 덕분에 오목 기둥 표면은 24시간 이상 초발수성을 안정적으로 유지할 수 있었다.

이동욱 교수는 “안정적인 초발수 표면 디자인에 새로운 방향을 제시했다”며 “이 디자인이 실용화된다면 다양한 산업 현장에서 중요한 기여를 할 것으로 기대된다”고 전했다.

연구는 이진훈 박사과정생과 박진우 박사가 제1저자로 참여했으며, 한국연구재단의 중견연구자지원사업, 나노 및 소재기술개발사업으로 수행됐다. 연구 결과는 세계적인 학술지 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)에 10월 2일 온라인에 게재됐다.