입력 2025.07.17 11:28
한양대학교 유기나노공학과 위정재 교수, 부산대학교 응용화학공학부 김채빈 교수, 동의대학교 화학공학과 정소담 교수로 구성된 국내 공동연구팀이 자기장·빛·열에 반응하는 다중 감응 스마트 소재를 개발해, 자연의 상어비늘 구조를 모사한 3차원 표면 구현에 성공했다.
상어는 ‘리블렛(riblet)’이라 불리는 미세한 골판 구조를 피부 표면에 갖고 있어, 물속에서 마찰 저항을 줄이며 유연하고 빠르게 헤엄칠 수 있다. 이러한 구조는 항공기 표면이나 수영복에 응용되며 기술적으로도 오랫동안 연구돼 왔다. 실제로 1980년대 미국항공우주국(NASA)은 인공 상어비늘을 비행기에 적용하는 실험을 했으며, 2000년 시드니올림픽에서는 상어비늘을 모사한 전신 수영복을 착용한 선수가 3관왕에 오르며 그 효과를 입증했다.
그러나 상어비늘은 중첩되고 엇갈린 3차원의 복잡한 구조를 지니고 있어 기존 기술로는 이를 실제처럼 재현하는 데 어려움이 있었다. 이에 한양대 위정재 교수팀은 지난 2024년, 자성 입자를 포함한 탄성 고분자에 외부 자기장을 가하고, 여기에 열경화성 고분자 수지를 도포해 구조를 고정하는 방식을 개발하여 국제 학술지 『Advanced Materials』에 게재되며 주목받은 바 있다.
하지만 당시 방식은 열경화성 고분자 수지를 도포하는 양을 정밀하게 조절하기 어려웠고, 수지가 미세한 돌기 사이의 빈 공간까지 채워지면서 구조의 세밀한 재현에 한계가 있었다. 또한, 한 번 고정된 구조는 다시 변형하기 어려워 반복적인 형태 조절이 불가능했다.
이러한 한계를 극복하기 위해 이번 공동연구팀은 광 자극을 통해 실시간으로 구조를 고정하고 해제할 수 있는 스마트 소재를 새롭게 개발했다. 이 소재는 빛을 받으면 분자 간 결합이 재배열되는 이황화 결합(disulfide bond) 기반의 ‘가역 공유결합 네트워크(CAN, Covalent Adaptable Networks)’로 설계됐다.
연구팀은 소재의 기계적 물성뿐만 아니라 빛과 온도에 따라 이 소재가 어떻게 반응하는지 정밀하게 분석했으며, 분자동역학 시뮬레이션을 통해 분자 수준에서의 반응 메커니즘도 명확하게 규명했다.
해당 구조체는 이황화 결합 기반 CAN과 자성 입자를 포함한 마이크로 텍스처로 제작되며, 외부 자기장에 따라 원하는 방향으로 유연하게 형태가 변형된다. 이 상태에서 빛을 쬐면, 소재 내부의 동적 결합이 반응해 응력을 완화하고 형상을 고정한다. 이러한 과정을 통해 실제 상어비늘과 유사한 3차원 중첩 구조를 구현할 수 있으며, 자기장의 방향을 바꾸고 다시 빛을 조사하면 구조가 새롭게 재구성돼 반복적인 형상 조절이 가능해진다.
이 기술은 정밀한 생체모사 구현과 반복 가능한 구조 제어를 모두 가능하게 했다는 점에서 기존 연구의 한계를 뛰어넘은 성과로 평가받고 있다.
이번 연구는 한국연구재단의 지원으로 수행됐으며, 부산대 윤여명 박사과정생과 한양대 문호준 석박사통합과정생이 공동 제1저자, 한양대 조웅비 박사후연구원과 동의대 이동욱 석사과정생이 공동저자, 부산대 김채빈 교수, 동의대 정소담 교수, 한양대 위정재 교수가 공동 교신저자로 참여했다.
해당 논문 “Light-Fueled In-Operando Shape Reconfiguration, Fixation, and Recovery of Magnetically Actuated Microtextured Covalent Adaptable Networks”는 국제 학술지 『Advanced Materials』에 6월 1일 온라인 게재됐으며, 연구의 우수성을 인정받아 표지 논문(Front cover)으로 선정됐다.'
■ 논문명: Light-Fueled In-Operando Shape Reconfiguration, Fixation, and Recovery of Magnetically Actuated Microtextured Covalent Adaptable Networks
■ 저자정보 : 윤여명, 문호준, 조웅비, 이동욱, 정소담, 위정재, 김채빈