지식재산학(자연과학개론) 과제 #5 자연의 동식물의 형태를 모방한 제품 설명

지식재산학 필수과목인 자연과학개론을 배우면서 과제로 작성했던 내용들을 다시 정리해 보았다.학기마다 과제의 주제는 변경되어 출제되니 참고만 하면된다. 주로 강의교재 참고를 많이했고, 인터넷에서 다양한 정보들을 얻을 수 있었다.

 

 

 

지식재산학(자연과학개론) 과제 #5 자연의 동식물의 형태를 모방한 제품 설명

 

 

 

 

 [출처] 국가지식재산교육포털

 

 

 

국가지식재산교육포털에서 수업내용을 다시 볼 수 있다.

 

 

국가지식재산교육포털 : https://general.ipacademy.net/

 

 

 

 

 

 

 

 

자연과학개론 과제 주제

 

자연에 존재하는 동식물의 형태나 기능을 모방하거나 활용한 제품의 사례 3가지를 들고 이에 대해 설명하시오.

 

 

 

 

 

#1 홍합접착제

 

 

해양생명체인 홍합이 바다 속의 바위와 같은 젖은 고체표면에 단단히 부착하기 위해서 생산․분비하는 접착 단백질로, 생체접착제 및 생체재료로의 다양한 응용 잠재력을 가지고 있다.

홍합은 접착단백질을 만들어 내고 분비함으로써 바다 속의 바위와 같은 젖은 고체 표면에 강하게 부착하게끔 하여 강한 파도로 인한 충격이나 바다 속의 부력에 저항할 수 있다.

홍합 접착제는 현재 알려진 어떠한 화학 합성 접착제 보다도 강력한 자연적인 접착제로 알려져 있으며 큰 인장강도를 지닐 뿐 아니라 휘어질 수 있는 유연성을 가지고 있는 혁신적인 물질로 접착제 산업계에서 큰 관심을 끌고 있다.

홍합접착제는 플라스틱, 금속, 유리 및 생체 물질 등 다양한 종류의 표면에 접착할 수 있는 능력을 가지고 있다. 또 습한 표면이나 물속에서는 접착력이 떨어지는 기존의 화학접착제와는 달리 홍합접착제는 물에 젖을수록 더욱 강력한 접착력을 갖기 때문에 물속에서 이루어지는 공사에 획기적인 재료로 이용 가능하다. 생체에 직접 사용해도 세포를 공격하거나 면역반응을 일으키지 않으므로 의료용으로도 매우 용이하다.

홍합접착제는 기존 소재가 가졌던 한계인 충격, 인체에 대한 독성, 접착력의 문제를 모두 해결한 것으로 인체에서 염증반응을 일으키지 않으며 보다 빠르게 흉터를 최소화시킨다.

 

 

1) 홍합 접착단백질의 특성

   - 수중 및 접착표면 종류에 무관하면서도 화학 접착제보다 강한 접착력
   - 인장강도(에폭시 수지의 약 2 배) / 높은 유연성
   - 생체친화성(인간 세포를 공격하거나 면역반응을 일으키지 않음)

 

2) 의료접착제의 조건
   - 인체에 해가 적고
   - 물이 있는 환경에서 적용 가능하며
   - 충분한 기계적 물성
   - 생분해성 등을 갖추어야 함

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

#2 벨크로 테이프

 

 

스위스 전기 기술자 조르쥬 드 메스트랄(George de Mestral)은 1941년에 산토끼를 발견한 사냥개를 뒤쫓아 달리다가 산우엉이 우거진 숲으로 뛰어들게 되었다. 그 때 옷 여기저기에 산우엉의 씨가 붙어서 옷을 털었는데, 산우엉 씨가 잘 떨어지지 않았다. 호기심이 많은 데 메스트랄은 집에 돌아와서 산우엉 씨를 확대경으로 살펴보았고, 산우엉 씨(도꼬마리 씨)가 갈고리 모양으로 생겼다는 것을 발견하였다. 그는 이것을 이용하여 마침내 한 쪽에는 갈고리가 있고, 다른 쪽에는 실로 된 작은 고리가 있는 벨크로 테이프를 만들었다.

 

접촉면적만 일정량 확보되면 상당히 훌륭한 접착, 봉합력을 보여주며 단추나 지퍼와 같은 도구와 비교하면 내구도가 상당히 좋고 여닫기 편리하다. 그냥 적당히 힘만 줘서 떼내면 된다. 대신 접촉면 중 갈고리 부분에 이물질이 끼거나 실고리 부분이 닳아 끊어지는 경우 접착력은 점점 떨어지는 단점이 있지만 그걸 감안해도 다른 도구보다 내구도가 월등하다. 접착된 천 자체가 찢어지는 경우가 아니면 파손되는 경우는 없다고 봐도 된다. 단추나 지퍼의 경우 억지로 충격이나 압력이 가해지면 단추나 지퍼 자체가 망가지는 단점이 있지만 벨크로테이프는 그냥 분리만 되고 파손되지는 않는다. 그냥 다시 붙여주면 끝이니 어짜피 뜯겨나갈 힘이면 망가지지도 않고 다시 복구가 쉬운 벨크로테이프 쪽이 이득이다.

 

쉬운 사용법 때문에 아동용 의류나 신발에 단추, 신발끈 등을 대체해서 사용되기도 하고, 군복 등 실용성을 목적으로 하는 의류에도 많이 채용된다. 특히 군복의 경우 과거에는 손바느질만으로 수선이 가능한 플라스틱 단추를 주로 채용했었으나 현재는 그마저도 필요없는 벨크로테이프로 바뀌는 추세이다. 미군의 경우 ACU를 채용하면서 벨크로를 대량으로 사용했으나 위에서 언급한, 이물질 등이 침투하는 상황 등에서 벨크로의 접착력이 크게 손실되는 문제점을 확인해 그런 이물질이 많이 붙는 부위(대표적으로 바지 건빵 주머니 등)에 대한 벨크로를 다시 단추로 바꾸는 등 다소의 사용 범위 차이는 존재하나, 일단 금속으로 된 똑딱이 단추는 현재 모두 벨크로로 바뀌었다. 또한 자주 교체하기도 하고 유사시 파기해버려야 하는 계급장, 부대마크 등의 패치도 최근에는 바느질 대신 벨크로를 이용해 쉽게 탈부착이 가능하게 만든다. 대신 격식을 갖추기 위해 입는 정장이나 구두에는 사용되지 않는다.

 

3M에서 만든 암수 구별이 없는 테이프인 듀얼락이라는 제품도 있다. 기존의 갈고리 부분과 고리부분의 구별이 있던 방식과 달리 버섯모양의 돌기가 서로를 걸면서 고정하는 방식이다. 기존의 벨크로 보다 강해서 적은 면적으로도 상당한 접착력을 낼 수 있는 편이다. 소화기도 벽에 고정 시킬 수 있을 정도이나 아직 가격은 상당히 비싼 편이다.

벨크로(Velcro)라는 명칭은 프랑스 단어인 벨루르(Velour, 벨벳)와 크로셰(Crochet, 갈고리)를 따서 만든 해당 제품의 상표명이었다. 개발자가 특허 연장에 실패해서 1978년에 특허권이 소멸되었지만 Velcro 사는 아직도 남아서 벨크로 테이프를 만들고 있다.

 

 

 

 

 

 

 

 

#3 게코 테이프

 

게코 도마뱀의 발바닥은 생체 모방 연구의 대표적인 사례중 하나로 꼽히고 있다. 수직의 벽을 자유자재로 오르내릴 수 있는 도마뱀붙이의 특징으로부터 착안된 제품이다. 분자간의 약한 인력을 이용하였기 때문에 접착력이 강함에도 불구하고 쉽게 붙였다 떼어냈다 할 수 있다.

탄소나노튜브털을 이용, 게코 도마뱀의 강모를 흉내낸 '게코 테이프'가 개발됐고 2006년에는 유리벽을 수직으로 올라갈 수 있는 도마뱀 로봇인 '스티키봇(Stickybot)'이 개발되기도 했다. 게코 테이프의 접착성은 도마뱀붙이의 발바닥에 나 있는 강모의 특성을 응용한 것이다.

게코 도마뱀은 거꾸로 매달리기 선수로 잘 알려져 있다. 게코 도마뱀의 발바닥에는 접착성 점액 대신 길이 50∼100마이크로미터, 지름 5∼10마이크로미터인 수백만 개의 강모로 덮여 있고, 다시 하나의 강모는 수백 개에 달하는 주걱 모양의 섬모(길이 1∼2마이크로미터, 지름 200∼500나노미터)로 갈라진다. 이들 섬모의 개별적인 접착력은 약하지만 수억 개가 합쳐지면 도마뱀 무게의 수십 배까지도 벽면에 붙일 수 있다고 한다. 지난 2000년 미 버클리 캘리포니아대 연구팀은 이 털들과 물체 표면 사이에서 ‘반데르발스 힘’이라는 끌어당기는 힘이 작용한다는 사실을 밝혀냈다. 게코 도마뱀의 발바닥은 측정 결과 털 하나하나의 힘은 그리 크지 않지만 이것들이 모이면 어린 아이가 매달릴 수 있을 정도로 강력하다. 발을 붙였을 때 강력하게 붙으면서 떼어낼 때는 흔적없이 분리되는 것이 특징이다.

 

2003년 미국과 영국의 과학자들은 잇따라 게코 도마뱀의 발바닥에 나있는 미세 털 구조를 인공적으로 만드는 데 성공했다. 당시 영국 맨체스터대의 안드레 게임 교수가 네이처 머티리얼즈에 발표한 인공 도마뱀 발바닥은 사람도 천장에 붙어 있을 정도로 강력했다. 렌슬러공대와 아크론대 연구자들은 탄소나노튜브 털로 덮힌 고분자 표면을 이용해 실제 게코 도마뱀의 발바닥보다 4배나 접착력이 강한 인공 게코 테이프(gecko tape)를 개발했다. 이 테이프는 로봇용 발바닥은 물론이고 반도체 제조공정이나 우주인 활동 등에도 활용이 기대된다.

NASA는 게코 도마뱀 발바닥의 생체적인 특성을 모방한 로봇을 개발해 우주선 밖에서 우주선을 정비하거나 검사하는 일을 맡길 계획이다. 우주 쓰레기를 수집해 버리는 일도 할 수 있다. 현재 관련 연구를 진행중인 곳은 미국 캘리포니아 파사데나에 위치한 NASA 제트추진연구소(JPL)다. NASA는 게코 도마뱀을 모사한 우주 로봇 관련 동영상을 제작해 공개하기도 했다.

NASA 제트추진연구소는 게코 도마뱀의 발바닥을 모사한 '게코 그리퍼시스템'을 개발하고 있다. 현재까지 개발된 것은 사람의 머리카락보다는 가는 인공 미세강모를 만든 것으로 150뉴톤에 달하는 힘(16kg)을 지탱할 수 있다. 테이프와 달리 시간이 지나도 접착력을 잃지 않는게 특징이다. 또 극한 온도와 압력에도 견딜 수 있다. NASA는 이 그리퍼시스템을 극미중력(microgravity) 환경에서 테스트를 진행했다. 또 '리머(Lemur) 3'라고 불리는 로봇에 부착해 태양광 패널이나 다른 우주선 특정 부분을 기어오르는 테스트를 진행하기도 했다.

 

 

 

 

 

지금까지 지식재산학 필수과목중 하나인 자연과학개론을 배우면서 작성했던 과제를 정리해보았다.

 

 

 

 

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