<사진. 두족류의 변장술의 일부를 모방한 새로운 합성 탄성중합체 재료의 질감(상단) 및 형광(하단)의 영상
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

빠르게 색상과 질감을 변화시킬 수 있는 재료

문어, 오징어 및 갑오징어와 같은 두족류(cephalopod)는 자연에서 가장 능수능란한 변장술을 가진 생물 중 하나로, 수 초 내에 피부의 색상과 질감(texture)을 주변 환경과 조화시키는 능력이 있다. 공학자들은 이런 특성을 가지는 물질을 합성하기 위한 노력을 오랫동안 해 왔다. 연구팀은 필요에 따라 원격으로 색상 혹은 형광 및 질감(texture)를 조절할 수 있는 유연한 물질을 개발하는데 성공함으로써, 궁극적인 목표에 한 걸음 다가설 수 있게 되었다.

본 연구결과는 Nature Communications지에 게재되었으며, MIT 기계공학과 조교수인 Xuanhe Zhao와 듀크대학(Duke University) 화학과 교수인 Stephen Craig가 연구를 이끌었다. 올해 듀크대학에서 MIT 교수로 영입된 Zhao는, 이 새로운 재료가 표준 제조공정에 매우 빠르게 활용될 수 있는 전기활성 탄성중합체(electro-active elastomer)에 필수적인 성분으로 사용될 것으로 예상된다고 밝혔다. 이로써 개별적으로 제조된 전자 모듈의 조합을 이용하는 다른 경우보다, 좀 더 경제적이고 역동적인 변장이 가능하게 된다.

비록 가장 선호하는 분야는 군사용이겠지만, 연구팀은 대량으로 플렉서블 디스플레이 스크린 및 선박의 오염방지 코팅에도 적용될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 초기 개념증명 실험에서, 이 물질은 질감 및 형광, 혹은 질감 및 색상을 동시에 변화시킬 수 있었다. 게다가 현재는 제한된 범위의 색상만을 만들어 낼 수 있지만, 더 범위는 충분히 확대될 여지가 남아있다.

두족류는 놀라운 색상 변화를 위해 피부 내에 존재하는 작은 색소주머니의 형태를 변화시키기 위해 근육을 사용한다. 얘를 들어 근육 수축을 통해, 거의 눈에 띄지 않는 둥근 방울 모양에서 명확히 보이는 넓고 편평해진 행태로 바뀐다. 이완된 상태에서는 매우 작지만, 근육이 수축될 때 공 모양이 팬케이크 형태로 변형되어 색상을 바꾸게 된다. 또한 근육의 수축은 피부의 질감도 변화시킨다. 문어는 이런 메커니즘을 통해 변장을 하기도 하고 신호를 보내기도 한다. 연구팀은 이것에서 아이디어를 얻었다.

새로운 합성물질은 일종의 탄성중합체로 유연하고 신장가능한 고분자이다. 이 물질은 인가되는 전압의 변화에 따라 형광과 질감을 동시에 변화시킬 수 있다. 연구팀은 2011년 발견한 물리적인 현상을 이용했는데, 그것은 전압을 통해 탄성체의 표면질감을 역동적으로 변화시킬 수 있었다고 Zhao는 밝혔다.

탄성중합체의 변형이나 구조를 통해 탄성체 내에 내장된 분자의 특별한 기계적 반응성을 유도함으로써, 형광 혹은 색상도 전압의 변화에 따라 함께 바뀔 수 있도록 하였다. 일단 전압이 중단되면 탄성중합체 및 내장된 분자 모두 이완된 상태로 복귀된다.

군대나 군용차량 주변의 환경이 변함에 따른 변장은 제한된 패턴으로 국한되어, 한 환경에서는 효과적이지만 환경이 바뀌면 그렇지 않은 경우가 많다. 이 새로운 탄성중합체 시스템을 사용하면, 유니폼 혹은 차량이 환경에 따라 끊임없이 변화하는 변장 패턴을 가질 수 있도록 할 수 있다. 미국은 국방예산중 수 백만 달러를 다른 종류의 변장 패턴을 개발하는데 소비하고 있지만 모두 정적(static)이다. 현대의 전쟁은 단일 미션 동안에도 다양한 환경에 노출된다. 이 시스템은 잠재적으로 서로 다른 환경에서의 역동적인 변장을 가능하게 해 줄 수 있다.

다른 중요한 분야는 선박 하부의 오염방지 코팅이다. 선박 하부는 미생물과 해양 생물체가 축적되어 서식함으로써 선박 추진력의 효율을 크게 저하시킨다. 이전 실험에 따르면, 표면 질감을 조금 변화(평활한 표면에서 거칠고 울퉁불퉁한 표면으로)시켜도 생물학적 오염의 90% 이상을 빠르게 제거할 수 있는 것으로 나타났다.

본 연구에 참여하지 않은 스탠퍼드대학(Stanford University) 화학공학과 교수인 Zhenan Bao는, 전기를 사용한 기계화학적 반응을 조합함으로써 필요에 따라 가역적으로 형광 패턴을 유도할 수 있다는데 좋은 평가를 하였다. 그러나 각 물질의 타입에 대해 한 가지 패턴만을 현재는 구현할 수 있기 때문에, 더 많은 연구가 필요하다고 강조하였다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr