Internet of Things, 사물인터넷과
웨어러블 열전 발전 소자

 

 

사물인터넷이라는 말을 들어보신 적이 있나요? 사물인터넷은 다른 말로 Internet of Things, 줄여서 IoT라고 하는데요, 인터넷을 기반으로 사람과 사물, 사물과 사물이 서로 연결되는 지능형 기술 및 서비스를 의미합니다. 데이터를 수집하고 연결하여 우리의 삶의 질을 향상시킬 수 있는 기술입니다. 과거에는 데이터의 송수신이 가능한 기기에 제한이 있었지만, 현재는 스마트기기의 빠른 발전과 더불어 IoT 기술이 우리 삶 곳곳에 스며들고 있습니다.

<그림 1> IoT, internet of things. 모든 사물과 사람 간의 데이터(정보)교류가 일어납니다. 특히 현대 사회에서는 스마트폰을 통해 각종 엔터테인먼트 활동을 즐길 수 있고, 스마트 홈 시스템을 통해 냉난방 등을 조절할 수 있습니다. 또한 SNS 등을 통해 전 세계 사람들과 연결할 수 있고, 자신의 건강상태를 수시로 확인하여 건강한 삶을 살 수 있습니다.

IoT의 시대엔 모든 사물과 사람 간의 데이터(정보)교류가 일어납니다. 이미 스마트폰을 통해 각종 엔터테인먼트 활동을 즐기고, 스마트 홈 시스템을 통해 집 밖에서도 냉난방을 조절합니다. 또한 SNS 등을 통해 전 세계 사람들과 교류할 수 있고, 자신의 건강상태를 수시로 확인하여 질병을 사전에 예방할 수도 있습니다. 또 사물인터넷을 이용하면 냉장고 안에 식품의 양이 얼마나 있는지 실시간으로 확인하고, 부족할 경우 곧바로 주문을 하게 됩니다. 가전제품 뿐 아니라 우리가 항상 착용하고 다니는 시계와 같은 스마트 웨어러블 기기는 우리에게 다양한 정보를 보내줄 수 있으며 반대로 혈압과 심박수, 혈당 등 착용자의 건강상태에 대해 실시간으로 정보를 습득할 수 있습니다. 이렇게 습득한 건강정보를 이용하여 새로이 가공된 정보를 제공함으로써 우리는 더욱 건강한 삶을 유지할 수 있을 것입니다. 실제로 최근 발매되고 있는 스마트 웨어러블 기기를 이용하면 물건을 주문하는 기능 뿐 아니라, 실시간 심박수 트랙킹까지 가능합니다.

<그림 2> 현재 상용화된 스마트 워치와 스마트 이어폰, 앞으로 상용화 될 스마트 안경과 렌즈의 이미지

하지만 현재까지는 웨어러블 기기에 치명적인 단점이 존재하고 있습니다. 그것은 바로 전원 문제인데요. 물론 사물인터넷이 탑재된 냉장고 등 대형 가전제품의 경우는 항상 전력원에 연결되어있기 때문에 문제가 되지 않습니다. 반면 스마트 웨어러블 기기는 점차 다양한 기능이 포함되며, 소형이고, 항상 들고 다니는 물건이기 때문에 전원 문제가 항상 발생하고 있습니다. 실제로 제가 사용하고 있는 스마트 워치도 사용시간이 20시간이 채 되지 않습니다.


배터리를 이용한 제품들은 매번 충전을 해야 합니다. 이런 문제를 해결하기 위해서 다양한 자가발전 기술이 개발되고 있습니다. 예를 들면 자가발전이 가능한 열전발전소자는 이런 문제를 해결할 수 있습니다. 열전 발전 소자는 온도의 차이를 이용해서 전기를 생산하는 소자인데요, 사람의 체온은 항상 일정하기 때문에 밖으로 방출되는 열을 이용하여 발전시키는 것이 웨어러블 열전 발전 소자입니다.

 

열전발전소자의 역사는 짧지 않습니다. 1787년과 1821년에 이탈리아의 과학자 Alessandro Volta에 독일의 과학자 Thomas Johann Seebeck이 반도체 물질의 양 끝에 다른 온도를 주었을 때 전기가 생산된다는 지벡효과를 발견했습니다. 하지만 200년의 시간이 흐를 때까지 커다란 반도체 물질에 대해서만 알려졌기 때문에 웨어러블 열전발전소자에 적용하기에는 문제가 있었습니다.

<그림 3> 지벡효과(좌)와 세라믹을 이용한 열전 발전소자(우). 반도체만을 이용해서 제작한 열전 발전소자는 두껍고 유연성을 가지지 않습니다. 또한 반도체 물질을 연결하는 전극 물질과의 접촉저항으로 인해 전체 내부 저항이 커진다는 단점이 있습니다.

반도체만을 이용해서 제작한 열전 발전소자는 두껍고 유연하지 않습니다. 또한 반도체 물질을 연결하는 전극 물질과의 접촉저항으로 인해 전체 내부 저항이 커진다는 단점이 있습니다. 최근에는 유연하고 튼튼한 유기물을 이용한 열전 발전 소자에 대한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 유기열전재료는 무기열전재료에 비해서 낮은 열전 성능을 가지고 있지만, 웨어러블기기에 적용하기에 알맞은 특성인 가벼움, 유연함, 낮은 가격 등의 장점을 갖고 있기 때문에 차세대 열전소자로 각광받고 있습니다.

<그림 5> 다양한 유기재료 중, 전도성고분자(좌)와 탄소나노튜브, 그래핀 같은 나노카본(우)이 열전 재료에 많이 응용되고 있는 추세입니다.

한국과학기술연구원(KIST)의 광전하이브리드센터 김희숙 박사 연구팀은 서울대학교 재료공학부와의 공동연구를 통해 탄소나노튜브 실을 이용한 웨어러블 열전 발전 소자에 대한 연구를 진행하고 있습니다. 탄소나노튜브는 단일 튜브만으로 충분히 튼튼하지만, 실 형태로 제작할 경우 강철의 100배에 해당하는 강도를 가지게 됩니다. 이번 연구에서는 탄소나노튜브 실을 직접적으로 직물에 바느질하여 직접적인 열전발전소자로 사용하였습니다. 기존의 연구에서는 새로운 열전발전소자를 제작하여 피부에 부착해야했지만, 탄소나노튜브 섬유를 이용한다면 기존에 입던 의류에 바느질을 통해 열전 발전이 가능합니다. 그리고 가닥 하나로 이루어진 탄소나노튜브 실을 이용하였기 때문에 각각의 소자를 연결할 금속 전극을 사용할 필요가 없어 더욱 유연하고 내부 저항이 적으며 전기전도도도 매우 높아 좋은 발전 성능을 기대할 수 있습니다.

<그림 6> 탄소나노튜브를 이용한 유연 열전 모듈의 제작 과정의 모식도입니다. 탄소나노튜브를 끊지 않고 연속적으로 N, P 형으로 도핑하여 높은 성능을 가지는 탄소나노튜브 섬유를 제작할 수 있습니다.

연구진이 개발한 열전 소자는 먼저 탄소나노튜브 실을 합성한 후, n-, p- 타입으로 도핑하여 열전소자를 제작되었으며, 이 자체를 전극으로 사용함으로써 소자의 저항을 낮춰 발전 밀도를 향상시켰습니다. 사람의 체온과 바깥의 온도 차이가 약 5도 정도 날 경우, 10.85 마이크로 와트(μW/g)의 에너지 발전 밀도를 기록하였는데, 이 발전량은 현재 보고된 유연열전재료 기반 소자 중 세계최고 수준의 결과입니다. 이 연구결과는 국제학술지 ACS Nano에 개제되었습니다.

<그림 7> 사람의 체온을 이용한 열전 발전기의 모습입니다. 적은 온도 차이를 가지지만, 높은 발전량을 보이고 있습니다.

탄소나노튜브 섬유를 기반으로 한 열전 발전소자는 매우 가볍고 기계적 성질이 뛰어납니다. 또 높은 열전 발전 성능을 보이며 다양한 섬유 등에 직접적인 적용도 가능합니다. 이런 열전 발전 소자를 활용한다면 향후 체온으로부터 웨어러블 디바이스에 직접 전원 공급이 가능하게 될 것으로 보입니다. 모든 물건이 인터넷을 통해 데이터의 공유를 하는 시대에는 이런 열전발전과 같은 차세대 에너지원이 웨어러블 디바이스의 전력원을 담당할 것입니다. 머지않은 미래에는 더 이상 스마트폰의 배터리를 충전하러 콘센트를 찾아다니는 일은 벌어지지 않겠죠?

 

 

 

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저온에서 프린팅 가능한 고분자 소재로
고효율 유기태양전지 만든다  

  - 저온공정용 전도성고분자 개발로 최고수준의 고효율 유기태양전지 구현
  - 향후 플라스틱 기반의 플렉시블(Flexible) 태양전지 제작에 활용 기대

 

프린팅 방식을 이용한 고분자 유기태양전지 모듈 제작 과정

미래의 핵심 친환경 에너지원으로 자리 잡을 태양전지는 공정을 단순화하는 것이 주요한 과제이며, 특히 프린팅 방식을 이용한 태양전지 생산은 차세대 태양전지를 선도해나갈 기술로 두각을 나타내며 활발한 연구가 진행 중이다. 유기태양전지는 고분자 소재의 가볍고 유연한 특성으로 프린팅 방식을 이용한 태양전지 구현에 가장 적합한 기술 방식이라 할 수 있다. 하지만 현재까지 전 세계적으로 보고된 많은 고효율 유기태양전지는 작은 활성영역(0.1 cm2이하)에서는 고효율을 보이나, 넓은 면적에서는 재현성이 낮아 실제 프린팅 공정을 이용한 유기태양전지 상업화에 많은 제약을 갖고 있었다. 최근 국내 연구진이 저온에서 높은 공정 신뢰성을 보이며 대면적 제작이 가능한 고효율 유기태양전지를 개발했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 손해정 박사팀은 대면적으로 프린팅이 가능한 저온공정용 고분자 신소재를 개발하는데 성공하여 이를 태양전지의 광활성층* 소재로 사용, 고효율의 유기태양전지를 개발했다.
*광활성층(photo-active layer) : 태양빛을 흡수하여 얻은 빛 에너지로 전력을 생산하는 전극사이의 층

KIST 손해정 박사팀은 기존 고분자 광활성층 소재를 대체하는 새로운 고결정성의 전도성 고분자를 개발하여 태양전지 광활성층 소재로 이용하였다. 연구진이 개발한  고분자는 기존보다 높은 용해도를 보여 저온에서 용액을 이용한 공정으로 넓은 면적에서도 손쉽게 광활성층 제작이 가능하였다. KIST 연구진은 기존의 고결정성 고분자의 지나친 뭉침 현상을 해결할 수 있는 제3의 물질(단량체, monomer)를 고분자 공중합체**에 도입 및 합성을 통해, 높은 결정성과 우수한 전기적 특성을 보이고, 용액에서 잘 녹아 용액공정에 적합한 새로운 고분자 소재 제작에 성공했다. 따라서 기존 고분자의 경우 광활성층의 면적을 넓혀서 태양전지를 제작 했을 때 효율의 저하를 보였으나, KIST 연구진이 개발한 신규 고분자의 경우 상대적으로 매우 작은 효율 변화를 보였다. 결과적으로 1cm2 활성영역을 기준으로 기존 고분자를 이용한 소자에 비해서 30% 가량의 효율 향상을 보였으며, 최고 9.45%의 높은 광전변환효율을 기록하였다. 이러한 성능은 보고된 비슷한 면적의 유기태양전지 소자 중 최고 수준의 결과이다.
**공중합체(copolymer) : 2종류 이상의 단량체가 연결되어 이루어진 고분자.

기존의 유기태양전지의 광활성층 두께가 100 나노미터(nm, 10억분의 1m) 이상인 경우 낮은 전하이동도 특성으로 효율이 감소하는 경우가 대부분이었다. 이러한 점은 태양광을 흡수하는데 제한이 되고, 대면적 프린팅 공정시 활성층의 두께 조절에 있어서 제약이 되어왔다. KIST 연구진은 개발한 신규 광활성층 고분자 소재로 광활성층의 두께를 350 나노미터(nm) 이상으로 제작했을 때, 오히려 광전변환효율이 향상되는 특징을 보임으로써 대면적 유기태양전지 모듈 제작에 우수한 적합성을 보였다. 

프린팅 방식을 이용한 유기태양전지 모듈

KIST 손해정 박사는 “이번 연구를 통해 유기태양전지의 성능뿐 아니라 대면적화에 중요한 기여를 할 것으로 보인다.”고 말하며, “향후 유기태양전지의 상업화를 위한 소재 개발에 가이드라인을 제시 할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 또한 연구진은 후속 연구로 프린팅 공정을 이용한 유기 태양전지 모듈을 제작하고 있으며, 향후 건물 창호나 아웃도어 제품에 적용이 가능할 것이라고 밝혔다. 

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업으로 수행되었으며, 연구결과는 에너지 분야의 국제학술지 ‘Advanced Energy Materials’(IF: 16.721, JCR 분야 상위 2.05%) 12월 27일(수) 온라인 게재되었으며, 2018년 최신호에 표지논문(Front Cover)으로 선정되어 게재될 예정이다.

  * (논문명) ‘High-Performance and Uniform 1 cm2 Polymer Solar Cells with D1-A-D2-A-Type Random Terpolymers’
     - (제1저자)  한국과학기술연구원 신인정 학생연구원(석사과정)
     - (교신저자) 한국과학기술연구원 손해정 박사(책임연구원)

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탄소나노튜브 실을 이용하여 열전소자로?

탄소나노튜브 실로 구성된 유연한 열전소자 개발, 뛰어난 발전 밀도 보여
향후 열에너지를 변환하는 플렉서블, 웨어러블 열전소자에 적용 기대

 

열전소자는 소자 양끝의 온도 차이를 이용하여 열에너지를 전기에너지로 변환하는 소자이다. 최근 외부 온도와 체온의 온도 차이를 통해 생산되는 전력을 웨어러블 기기의 전력원으로 사용하려는 연구가 꾸준히 이루어지고 있다. 하지만, 기존의 상용화된 열전소자는 무기 반도체 재료를 기반으로 하여 무겁고, 유연하지 않아 웨어러블 기기에 적용하기가 어려웠다. 최근 국내 연구진이 탄소나노튜브 실*을 이용하여 전기 발전을 가능케하는 유연한(flexible) 열전 소자를 개발했다고 밝혔다.
*탄소나노튜브 실(Carbon Nanotube Yarn) : 두께 5 nm(나노미터, 십억 분의 1m)의 탄소나노튜브 수천가닥을 꼬아서 실 형태로 제작, 강철의 100배 정도의 강도를 지니며 첨단섬유에 사용

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 국가기반기술연구본부 광전하이브리드연구센터 김희숙, 최재유 박사 연구팀은 서울대학교 재료공학부 박종래 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 탄소나노튜브를 실 형태로 제작한 후 별도의 금속 전극 없이 열전 소자에 적용하여 기존 열전 소자의 한계를 해결했다고 밝혔다. 연구진이 개발한 열전소자는 기존 연구와 달리 금속 전극을 사용하지 않아 더욱 유연하고, 내부에서 발생하는 저항이 적어 높은 발전 성능을 가지게 된다.

(그림1)탄소나노튜브 실 이용 플렉서블 열전모듈 제작과정

먼저, 탄소나노튜브 실을 합성하고 n-, p- 타입으로 도핑하여 열전소자를 제작하였고, 또한 금속 전극을 추가로 도입하지 않고 탄소나노튜브 자체의 고전도성을 활용하여 전극으로 사용함으로써 소자의 저항을 낮추어 발전밀도를 향상시켰다. 본 연구에서 5도의 온도 차이로부터 10.85 마이크로 와트(μW/g)의 에너지 발전 밀도를 기록하였으며, 이 발전량은 보고된 유연 열전 재료 기반 소자 중 최고 수준의 결과이다.

  (그림2)사람의 체온을 이용한 열전발전 모듈

 KIST 김희숙 박사는 “이번에 개발한 탄소나노튜브 실을 이용한 열전소자는 가볍고, 기계적 성질이 뛰어나며 높은 열전발전 성능을 보인다.”고 말하며, “이를 활용하면 향후 체온으로부터 웨어러블 디바이스에 직접 전원 공급이 가능하게 될 것”이라고 밝혔다.

 

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업과 국가과학기술연구회 R&D 컨버젼스 프로그램의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 나노재료 분야의 국제학술지 ‘ACS Nano’(IF: 13.942) 8월 23일에 온라인 게재되었다.

 

 * (논문명) ‘Flexible and robust thermoelectric generators based on all-carbon nanotube yarn without metal electrodes’
     - (제1저자) 한국과학기술연구원 최재유 박사
     - (교신저자) 한국과학기술연구원 김희숙 박사, 서울대학교 박종래 교수

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탄소나노튜브 실로 구성된 유연한 열전소자 개발

뛰어난 발전 밀도로 향후 열에너지를 변환하는

플렉서블, 웨어러블 열전소자에 적용 기대

 

열전소자는 소자 양끝의 온도 차이를 이용하여 열에너지를 전기에너지로 변환하는 소자이다. 최근 외부 온도와 체온의 온도 차이를 통해 생산되는 전력을 웨어러블 기기의 전력원으로 사용하려는 연구가 꾸준히 이루어지고 있다. 하지만, 기존의 상용화된 열전소자는 무기 반도체 재료를 기반으로 하여 무겁고, 유연하지 않아 웨어러블 기기에 적용하기가 어려웠다. 최근 국내 연구진이 탄소나노튜브 실*을 이용하여 전기 발전을 가능케하는 유연한(flexible) 열전 소자를 개발했다고 밝혔다.
*탄소나노튜브 실(Carbon Nanotube Yarn) : 두께 5 nm(나노미터, 십억 분의 1m)의 탄소나노튜브 수천가닥을 꼬아서 실 형태로 제작, 강철의 100배 정도의 강도를 지니며 첨단섬유에 사용

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 국가기반기술연구본부 광전하이브리드연구센터 김희숙, 최재유 박사 연구팀은 서울대학교 재료공학부 박종래 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 탄소나노튜브를 실 형태로 제작한 후 별도의 금속 전극 없이 열전 소자에 적용하여 기존 열전 소자의 한계를 해결했다고 밝혔다. 연구진이 개발한 열전소자는 기존 연구와 달리 금속 전극을 사용하지 않아 더욱 유연하고, 내부에서 발생하는 저항이 적어 높은 발전 성능을 가지게 된다. 먼저, 탄소나노튜브 실을 합성하고 n-, p- 타입으로 도핑하여 열전소자를 제작하였고, 또한 금속 전극을 추가로 도입하지 않고 탄소나노튜브 자체의 고전도성을 활용하여 전극으로 사용함으로써 소자의 저항을 낮추어 발전밀도를 향상시켰다.

<그림1>탄소나노튜브 실을 이용한 플렉서블 열전 모듈의 제작 과정

본 연구에서 5도의 온도 차이로부터 10.85 마이크로 와트(μW/g)의 에너지 발전 밀도를 기록하였으며, 이 발전량은 보고된 유연 열전 재료 기반 소자 중 최고 수준의 결과이다.  KIST 김희숙 박사는 “이번에 개발한 탄소나노튜브 실을 이용한 열전소자는 가볍고, 기계적 성질이 뛰어나며 높은 열전발전 성능을 보인다.”고 말하며, “이를 활용하면 향후 체온으로부터 웨어러블 디바이스에 직접 전원 공급이 가능하게 될 것”이라고 밝혔다.

<그림 2> 사람의 체온을 이용한 열전 발전 모듈

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업과 국가과학기술연구회 R&D 컨버젼스 프로그램의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 나노재료 분야의 국제학술지 ‘ACS Nano’(IF: 13.942) 8월 23일에 온라인 게재되었다.

 

 * (논문명) ‘Flexible and robust thermoelectric generators based on all-carbon nanotube yarn without metal electrodes’
     - (제1저자) 한국과학기술연구원 최재유 박사
     - (교신저자) 한국과학기술연구원 김희숙 박사, 서울대학교 박종래 교수

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영화 속 영웅 스파이더맨!

스파이더맨처럼 거미줄을 사용할 수 있을까요?

 

최근 마블의 새 히어로 영화 ‘스파이더맨’이 개봉됐습니다. 이 영화에서 스파이더맨은 거미줄에서 영감을 받은 화학물질을 손목에서 분사하여 강력한 거미줄을 발사합니다. 이 거미줄을 건물과 건물에 쏘아대며 이동하기도 하며, 다양한 범죄자들을 제압하거나 심지어 무거운 물건을 가볍게 들어 올립니다. 이런 다양한 기술들을 선보이기 위해선 힘(strength)과 탄성력(elasticity)이 매우 우수해야 합니다. 물론 영화 속 이야기라고 얘기할 수도 있는데요, 과연 가느다란 거미줄이 이렇게 튼튼하고 강력한 힘을 낼 수 있을까요?

<그림 1> 영화 속 스파이더맨. 스파이더맨은 튼튼한 거미줄을 손목에서 발사하여

빌딩 사이에서 움직이거나 적을 붙잡고 공격합니다.
<출처>1. http://movie-rater.com/


거미는 거미줄을 방적돌기라는 부위에서 생성합니다. 이렇게 생성한 거미줄은 일반적으로 먹이를 잡기위한 집을 짓고, 그물을 짜는데 사용합니다. 거미줄은 가늘고 가볍지만 매우 튼튼하고 잘 늘어나며, 내구성이 강합니다. 거미줄의 탄력성과 내구성을 이용한 물건을 제작하려는 시도가 많이 되었습니다. 거미줄이 실제로 쓰이는 곳은 꽤나 다양합니다. 예를 들어, 인도-태평양의 어부는 튼튼한 거미줄을 이용하여 작은 물고기를 잡기 위한 그물로 사용했습니다. 또한 가느다란 거미줄의 굵기를 이용하여 망원경과 현미경, 소총 등의 십자선으로 사용하기도 했습니다. 거미줄을 이용하여 광통신에 응용하거나 바이올린의 현으로 이용이 되기도 합니다.

<그림 2> 거미줄을 이용한 십자선과 바이올린의 현. 가느다란 거미줄을 이용하여 십자선을 만들었고,

거미줄을 이용하여 제작한 바이올린은 아주 특이한 소리를 낸다고 합니다.
<출처> (좌)https://www.thestrad.com/ (우)http://www.dehilster.info/

2009년 마다가스카르에서는 황금 원형 거미(Golden Orb Spider)의 실을 이용하여 ‘거미줄 비단’을 제작하였습니다. 11 피트 X 4 피트 크기의 비단을 만들기 위하여 백만 마리 이상의 암컷 거미가 사용되었고 4년 이상의 시간이 소요되었다고 합니다. 거미줄 비단은 황금빛을 띠는 아름다운 비단이지만 필요로 하는 거미의 수와 시간이 어마어마합니다. 이런 이유로 인공 거미줄을 만들고자 하는 연구가 진행되고 있습니다.

<그림 3> 마다가스카르의 거미줄 비단 사진과 황금원형거미의 거미줄. 황금원형거미 100만 마리의 거미줄을 이용하여

4~5년 동안 거미줄을 모아 실크옷을 제작하였다고 합니다. <출처> (좌)http://www.studiozna.com/ (우)https://www.yatzer.com/

 

거미줄은 실크(Silk)의 일종입니다. 실크는 단백질 섬유를 전반적으로 이르는 말입니다. 거미의 방적돌기에서 생성된 실크단백질은 스프링 모양으로 꼬여있습니다. 스피링 각 코일이 주변의 다른 스프링 코일과 결합하고 있는 구조가 거미줄의 높은 강도의 비밀입니다. 분자 단위로 수없이 많은 결합을 하고 있기 때문에 가벼운 무게에도 불구하고 보다 튼튼한 성질을 가지고 있습니다.

<그림 4> 거미줄의 분자구조. 베타 시트라는 붉은 부분과 비정형 단백질인 푸른 부분이 거미줄에 특별한 탄성과 강성을 부여합니다.
<출처> Biophysical Journal, 2011 (100) 1298


위 그림에서 붉은색은 베타 시트(β-sheets)라고 불리는 결정체이고, 푸른색 부분은 단백질 펩타이드(peptide)가 비결정 상태로 연결되어 있습니다. 단순히 결정 상태 혹은 비결정 상태의 펩타이드만 존재한다면 그 섬유는 유연하지 못하여 부러지거나 힘을 지지하지 못하는 연약한 섬유가 될 것입니다. 이러한 분자구조 덕분에 거미줄은 단위면적당 강도가 강철에 비할 정도로 매우 튼튼합니다. 우리가 사용하는 물건에 거미줄 혹은 거미줄의 구조를 이용하여 튼튼하고 질긴 성능을 가지도록 하는 연구가 많이 진행되고 있습니다. 위에 소개한 마다가스카르의 거미줄 비단과 달리 더욱 손쉽게 거미줄의 성능을 가져오고자 한 연구들에 대해 간단히 소개해보고자 합니다.
거미줄에 대한 연구는 크게 두 가지로 이루어집니다. 첫 번째는 거미줄을 생물로부터 추출하게 만드는 연구이며 두 번째는 거미줄의 특이한 물리/화학적 결합구조를 흉내 낸 물질 구조를 가져오는 연구입니다. 두 방법은 각각 생명공학과 생체모방기술(Bio mimicry)이라는 다른 범주에 속하지만 결과적으로 강력한 섬유를 만들겠다는 같은 목표를 향하고 있습니다.
1960년대에는 거미줄을 이루는 아미노산의 구성 분석에 대한 연구가 주로 진행되었습니다. 이후 1980년대부터는 거미 실크 단백질에 대해 연구가 되었고, 1990년대 이후 대장균(E. coli)을 이용하여 거미 실크 단백질을 합성하려는 연구가 되었습니다. 이후 유전자 이식 기술을 이용하여 염소의 젖 등에서 거미줄을 추출하거나 누에에 거미줄 단백질 성분을 생산하게 만들어 거미줄 생산을 가능하게 하였습니다. 이런 방식으로 개발한 거미줄을 이용하여 방탄복보다 가볍고 성능은 뛰어난 새로운 군복 등으로 적용할 수 있다고 합니다.

<그림 5> 유전자 변형 염소의 젖에서 추출한 거미줄로 제작한 방탄섬유. 거미줄의 단백질구조를 염소의 젖에서 추출하였을 때

방탄 성능을 가지는 섬유를 제작할 수 있었습니다. 연구자들은 강철에 비해 10배 정도 강력하다고 말합니다.
<출처> https://sallyhanreck.com/


이렇게 다른 생물을 통해 거미줄을 연구하려는 시도 외에 ‘인공거미줄’을 제작하려는 연구도 많이 이루어지고 있습니다. 고분자(polymer)의 모양을 거미줄과 유사한 나노구조로 제작하거나 판상구조를 가지는 첨가물(그래핀 등)을 거미줄의 베타 시트처럼 넣음으로써 고분자의 강도를 증가시키려는 연구입니다. 국내 연구진에 의해 진행된 연구에서는 나노 탄소 물질을 이용하여 거미줄을 모방한 물질을 제작하였는데요, 거미줄이 젖은 상태에서 공기 중으로 배출되어 굳으면서 특별한 구조를 가진다는 것에 착안하여 wet-spinning 이라는 방식을 도입하였습니다. 그래핀과 탄소나노튜브의 복합체를 젖은 상태에서 뿜어내는 방식을 통해 섬유를 제작하였습니다. 이런 방식으로 제작한 필름은 다른 방식으로 제작한 섬유에 비해 크게 향상된 물성을 가진다는 것을 확인하였습니다. 탄소나노튜브와 그래핀을 이용하였기 때문에 검은색의 섬유가 얻어졌지만, 매우 튼튼하고 강력한 섬유인 것은 확실합니다.

<그림 6> 탄소나노튜브와 그래핀으로 제작한 거미줄 같은 섬유. 거미줄의 모습을 모방하여

케블라보다 더 높은 성능을 가지는 섬유를 제작할 수 있었습니다.
<출처> Nature communications, 2012 (3) 650

비록 영화 속 스파이더맨의 모습이 조금 많이 과장되었을지는 몰라도 튼튼한 강도의 거미줄은 현재도 많은 연구자들의 관심의 대상이 되고 있습니다. 영화처럼 손목에서 섬유를 발사할 수는 없겠지만 가볍고 가는 인공 거미줄을 통해서 무거운 하중을 지탱하는 것은 할 수 있을 것이라고 보입니다. 아마 멀지 않은 미래에 거미줄 같은 섬유가 무거운 쇠줄을 대체하는 모습을 볼 수 있지 않을까요?

Posted by KIST PR

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