물속에서 더 강하게 붙는 접착체?
물속에서 더 강하게 붙는 접착체?
  • 정한영 기자
  • 승인 2017.12.19 14:11
  • 댓글 0
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습식 접착제는 물속에서 더 강하게 붙고, 형상 복원도 가능한 특징을 가졌다
ACS 매크로 래터 12월호 표지로 선정된 정훈의 교수팀의 습식 접착제(하이드로겔 마이크로후크 어레이)(사진:논문캡쳐)

우리 생활 속에 접착제란 늘 가까이하고 있지만 물기 많은 습한 환경에서 표면에 무언가를 붙이기는 상당히 까다롭다. 이는 물 분자가 표면 사이의 틈에 쉽게 들어가서 수화(水化) 작용을 일으키기 때문이다. 이렇게 되면 물질 표면이 물렁물렁해지거나(연화·軟化) 물에 녹아버려서(용해·溶解) 접착 재료의 성능이 월등하게 떨어진다.

젖은 상태의 표면에 다른 물질을 안정적으로 붙이는 기술은 생명공학과 의료 분야에서 매우 필요하다. 여기에 필요한 ‘습식 접착제’는 공학(engineering)뿐 아니라 일상생활에서도 매우 유용하게 쓰일 수 있어 수요도 증가하고 있다.

이런 어려움을 극복하기 위한 대표적인 연구 중 하나는 홍합 단백질을 모방한 ‘3,4-디하이드록시-페닐 알라닌(3,4-dihydroxy-l-phenyl alanine, DOPA)’라는 ‘합성 습식 접착제’ 개발이다. 그러나 DOPA 기반의 접착제는 본래의 상태로 다시 돌아갈 수 없는 ‘비가역적 접착’인데다 습식 산화로 인한 성능 저하, 고비용 등의 한계를 가지고 있다.

하이드로겔 부분이 물에 의해서 팽창되는 모습

또 시아노아크릴레이트 같은 다른 종류의 화학 기반 습식 접착제도 접착력이 낮고, 독성이 있는데다 특정 작용기가 필요한 등 여러 한계를 가지고 있다. 또한 이들은 일반적으로 영구접착제이기 때문에 다시 원래대로 되돌리는 ‘가역성’이 없고, 재사용할 수 있는 접착제로서는 제한적이었다. 

하지만 축축한 표면에서 더 단단하게 달라붙는 접착제가 국내연구진에 의해 개발된 것이다. 유연하고 형상 복원이 가능한 특징도 가졌다. 물에 닿으면 접착력이 약해지거나 한 번 붙이면 다시 쓸 수 없는 기존 접착제의 한계를 뛰어넘은 기술로 주목받고 있다.

UNIST(총장 정무영) 기계항공 및 원자력공학부의 정훈의 교수팀은 새로운 방식의 ‘습식 접착제’를 개발해 ‘ACS 매크로 레터스(ACS Macro Letters)’ 12월호 표지 논문으로 발표됐다.

이번 연구의 교신저자인 정훈의 기계항공 및 원자력공학부 교수(사진:UNIST)

또한 이 논문은 기존 통념을 깨뜨린 연구로 평가받으며 ‘미국화학회 편집자의 선택(ACS Editor’s choice)’에도 뽑혔다. 편집자의 선택은 과학계에서 새롭고 중요한 연구를 해낸 논문을 골라 발표하며, 더 많은 사람들이 볼 수 있도록 무료로 공개된다.

정훈의 교수팀은 미세구조를 이용해 이런 문제를 모두 해결한 것이며, 표면에 볼록하게 솟은 미세구조들이 ‘서로 맞물리면서(Interlocking)’ 달라붙도록 만든 것이다. 미세구조를 이루는 고분자인 ‘하이드로겔(Hydrogel)’은 물을 먹으면 팽창하기 때문에 습한 환경에서 접착력이 더 강해진다. 반대로 물기를 제거하면 원래 모양대로 되돌아가기 때문에 다시 사용할 수 있다.

기계공학과 박사과정 박현하 연구원의 모습(사진:UNIST)

제1저자인 박현하 UNIST 기계공학과 박사과정 연구원은 “이 접착제는 넓적한 머리에 얇은 기둥을 가진 미세구조가 표면에 펼쳐진 얇고 유연한 필름”이라며 “두 장을 겹치면 미세구조가 맞물리면서 접착력을 가지는데, 물이 스며들면 하이드로겔이 사방으로 팽창해 더 단단하게 달라붙는다”고 설명했다.

또한 이 접착제는 구조적인 특징을 이용하기 때문에 화학처리로 표면의 성질을 바꾸지 않아도 된다. 또 물기만 제거하면 모양이 원래대로 되돌아오기 때문에 얼마든지 다시 사용할 수 있다.

유연하고 투명한 습식 접착제(하이드로겔 마이크로후크 어레이 필름)

정훈의 교수는 “이번 기술은 기존 접착제가 가지지 못한 새로운 특징을 보였다는 데 큰 의미가 있다”며 “물기가 많은 환경에서 써야 하는 생명공학 분야 접착제를 비롯해 습한 환경에서 안정적이고 강력한 접착제로 광범위하게 응용될 것”이라고 기대했다.

한편 논문은 ‘ACS 매크로 레터스(ACS Macro Letters)’ 지의 온라인 속보로 공개된 11월 16일 이후 한 달 사이 가장 많은 사람들이 읽은 논문 5편에 선정되기도 했다. (논문명: Flexible and Shape-Reconfigurable Hydrogel Interlocking Adhesives for High Adhesion in Wet Environments Based on Anisotropic Swelling of Hydrogel Microstructures)

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