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핵심내용

-Nature Materials 표지논문 선정, ‘자연을 닮은 구조물’ 제작에 새로운 가능성 열어-

 □ 신진 여성과학자가 스트레스에 의해 생긴 잔주름이 성장하면서 깊은 주름으로 발전하는 전 과정을 가시화하여 그 원인을 규명함으로써 표면주름 제어기술 개발에 새로운 전기를 마련하였다.

 ○ 카이스트 김필남 연구교수(32세)가 주도한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 직무대행 김병국)이 추진하는 학문후속세대양성사업(박사후 국외연수)의 지원을 받아 미국 프린스턴 대학에서 수행되었고, 연구결과는 세계 최고 권위의 과학전문지 ‘네이처(Nature)’의 대표적인 자매지인 ‘Nature Materials' 12월호(12월 1일자)에 표지논문으로 선정되는 영예를 얻었다. 

□ 김필남 박사 연구팀은 얇은 박막이 극심한 스트레스를 받으면서 생기는 잔주름이 깊은 골짜기 형태의 접힌 구조물로 변형해가는 일련의 과정을 밝히고, 이를 통해 자연계에서 나타날 수 있는 다양한 복합 구조물을 모방해내는 기반기술을 개발하는데 성공하였다.

 ○ 표면주름은 여러 개로 적층된 구조에서 그 중 어느 한 층이 극도로 빠른 팽창(또는 수축)이 일어날 때 그 불안정성으로 나타나는 구조이다. 이러한 불안정성을 갖는 적층구조는 동·식물의 표피(피부)와 같은 생물의 조직뿐만 아니라, 최근 활발히 연구되고 있는 구겨지는 플렉시블 디스플레이(또는 소자)에서도 흔히 나타난다. 

 ○ 특히 생체조직에서는 주름이 지속적으로 성장하는 과정을 겪는데, 지금까지 이러한 이차원적인 표면에서 잔주름의 성장이 만들어내는 삼차원적인 구조의 변형에 대해서는 밝혀진 바가 없다. 이번 연구를 통해서 김 박사팀은 주름(wrinkle)이 곡률이 극심한 접힘(fold)이라는 구조로 변형되어가는 메커니즘을 규명하였다.

 ○ 또한 연구팀은 실시간 분석을 통해 잔주름 구조물이 일련의 자기조직화 과정*을 거쳐 궁극적으로 그물망 형태의 접힘 구조물로 변형된다는 사실을 밝혀냈다.

     *) 자기 조직화 과정 : 계층적 방식(Hierarchical process), 자발적 제어과정 (Self-regulation process), 연속적인 구획화(Subdivision process) 및 분지화(Branching process) 등

 ○ 흥미롭게도 연구팀은 이 과정을 통해 만들어진 구조는 건조한 땅이 갈라지면서 만들어내는 균열구조와 매우 흡사하고, 나뭇잎에서 볼 수 있는 맥관구조 뿐만 아니라, 인체에서 볼 수 있는 혈관 네트워크와도 매우 흡사한 구조를 가지고 있다는 사실을 발견하였다.

 ○ 이번 연구는 무생물뿐만 아니라 생물계에서 보여주는 다양하지만 일관된 구조(그물망 구조 등)의 발생 원리를 기계적·물리학적 입장에서 재해석할 수 있음을 보여주는 결과이다. 따라서 이번 연구 결과는 모든 발생과정을 볼 수 없는 생물계에서의 구조화, 패턴화를 이해하는데 크게 기여할 것으로 평가된다.

□ 김필남 박사는 “이번 연구는 오랫동안 연구되어왔던 ‘주름 또는 접힘’이라는 생물학적, 자연발생적 구조물을 이해하고 직접 제어·조절하여 ‘자연을 닮은 구조물’을 보다 쉽게 만들어 낼 수 있는 새로운 가능성을 제시하였다”고 연구의의를 밝혔다.

상세내용

연 구 결 과 개 요

Hierarchical patterns of localized folds show intriguing resemblance to fracture patterns in drying s and to venation networks in leaves. (접힘으로 인해 만들어지는 계층적 패턴은 젖은 분말의 건조과정에서 나타나는 균열패턴 그리고 나뭇잎에 있는 그물망 맥관구조와 흡사하다)
 
적층된 구조물에서의 내/외부 스트레스 주입을 통해서 발생되는 주기성을 가진 주름구조는 휘어지는 디바이스(stretchable electronics), 미세구조제작공정(microfabrication) 등에 다양하게 이용되고 있지만, 다양한 형태의 균열과 같은 기계물리적인 변형 (mechanical failure)으로 인해서 그 응용성에 제한이 있다. 특히 주름의 극심한 스트레스는 높은 곡률을 가진 접힘(folding) 구조로의 변형을 유발한다.  

이러한 주름-접힘현상(wrinkle-to-fold transition)과 관련하여 현재까지는 1차원적인 접근 (unidirectional system)과 해석만이 이루어지고 있는 실정이었다. 즉, 보편적인 시스템에서 흔히 일어나는 2차원적인 평판에서의 양방향 스트레스(Biaxial stress)에 의한 접힘구조의 생성, 진화, 변형 등과 같은 현상의 가시화 및 메커니즘 분석은 풀어야 할 중요한 과제였다.

 본 연구를 통해 적층된 박막구조물이 2차원적인 시스템에서 양방향 압축스트레스 (Biaxial compressive stress)를 받게 되면 연속적인 주름-접힘 전환(Wrinkle-to-fold transition)을 거치게 되고 이러한 과정에서 스트레스의 재정립화/재조직화(Stress re-organization)를 통해서 접힘구조로 이루어진 계층적인 네트워크 구조물(Hierarchical network of folds)이 형성됨을 밝혔다. 이러한 박막에서의 기계/물리적 스트레스의 재정렬 및 재조직화는 자기조립화 과정에 의해서 구조를 형성하는 자연계에서 볼 수 있는 중요한 메커니즘으로 자발적 패턴화의 본질을 말해준다. 특히 이러한 자발적 패턴화 과정을 실시간으로 가시적 분석을 함으로써, Branching process(분기화), Subdivision process(구획화), Self-regulation process(자발적 제어과정), Spatial-temporal process(시공간 동시 변형 과정) 등과 같은 특징을 밝혀냈다. 흥미롭게도, 이러한 일련의 과정들은 식물 또는 동물에서 볼 수 있는 맥과 또는 혈관 구조물의 형성과정과 맥락을 같이 하고 있을 뿐만 아니라, 그 최종적인 구조 역시 비슷한 형태를 가지고 있음을 확인하였다. 이는 동/식물의 성장과정에서 만들어지는 여러 가지 형태들이 생물학적/화학적 작용만이 아니라, 기계/물리학적 변형들도 동반되어서 만들어졌을 가능성을 제시하였다는데 그 의의가 있다. 

 이러한 연구결과는 자연계의 패턴화 연구뿐만 아니라, 적층된 박막을 사용해서 구김, 휨 등을 제어하고자 하는 플렉시블 디바이스, 디스플레이 연구에서 중요한 소자의 내구성 평가, 향상 등과도 밀접한 관계가 있기 때문에 실질적 응용가치가 있을 것으로 기대된다.

현재 박막의 자발적 패턴화를 통한 다양한 응용연구는 대통령 Post.Doc. 지원과제를 통해서 활발하게 진행하고 있다. 

용 어 설 명

표면주름 제어기술
일반적으로 얇은 필름은 주름이 생기기 쉽다. 특히 박막에 기계/물리적인 스트레스(수축)가 가하게 되면 주기성을 가지는 주름이 만들어진다. 이러한 주름은 가깝게는 피부 표면, 또는 손가락에 있는 지문 무늬가  대표적이다. 이러한 주름구조물은 고분자 박막을 수축 또는 팽창을 가하는 공정을 통해서 수십 나노에서 수백 마이크로 사이즈의 주기성을 가질 수 있도록 제작할 수 있고, 이러한 미세 구조물은 현재 광학적, 전기적 특성을 제어하는 연구에서 응용되고 있다.

자기조직화 과정
자기 조직화 과정은 시스템의 내/외적 환경에 의해서 자발적으로 안정한 상태, 균형 있는 상태로 나아가는 과정에서 만들어지는 구조화 과정을 의미 한다. 이러한 구조화 또는 조직화 과정은 주어진 조건이 만들어낼 특정 패턴이 정해져 있지 않는 상황에서 시스템 자체의 동적작용을 통해서 최적화된 패턴을 만들어내는 것이다. 이는 자연계의 대부분의 패턴에서 볼 수 있는 구조화 과정으로 자연 발생적, 환경에 적응하는 과정에 기인한다. 이러한 자기조직화 과정은 최적화된 시스템을 만들어내고자 하는 자연모방연구에서 요구하는 다양한 삼차원적 복합 구조물을 제작할 수 있는 새로운 접근 방법으로 앞으로 많은 기대 가치가 있는 분야이다.

커  버  이  미  지  설  명

마치 융단이 접힌 듯 보이는 이 그림은 스트레스에 의해서 얇은 탄성필름 면에 사방에 불규칙한 주름이 생겨있고 그 중간에는 접힘이라는 새로운 구조물에 의해서 주변의 주름들이 재 정렬되는 다이내믹한 과정을 표현한 주사전자현미경 이미지이다. 본 이미지는 접힘 구조에 의한 주변 주름의 재정렬이라는 새로운 물리학적 메커니즘을 사실적으로 표현하고 있어서 커버로 선정되는 영예를 안게 되었다.

사   진   설   명

(왼쪽) 고분자로 모방된 나뭇잎맥 패턴
(오른쪽) 실제 나뭇잎의 패턴