안녕하세요, 현재 포항공과대학교 기계공학부 극한구조역학 연구실 통합과정 2년차 곽현수라고 합니다. 저는 소프트한 연성 물질의 구조 분석, 얇은 층을 코팅하는 공정과 관련되어 연구를 진행하고 있습니다. 제 연구 분야는 두께가 얇은 판 구조 혹은 유체의 불안전성과 관련된 문제에 대하여 공부를 하고 있습니다.

저는 기본적인 이론에서 시작하여 실제 현상을 예측할 수 있는 식을 개발하고 이를 실험적으로 증명하고 상관관계를 분석하는 연구에 초점을 두고 있습니다. 말로만 들어보면 매우 어려워 보일 수 있으나 연구적인 관점에서는 필수적인 사항이 아닐까 생각이 됩니다. 간략한 소개는 마치도록 하고 이번 원고를 통하여 여러분들께 제 연구 주제를 공유하고 관련된 과학이야기를 나눠보려고 합니다.
또한 연구외적으로도 연구 생활의 팁이 될 수 있는 노하우(프로그램 사용법, 논문작성법, 학회 준비 등)을 공유하면서 유익하고 흥미로운 주제로 다양하게 적어보려고 합니다.


이번에 제가 처음으로 소개드릴 연구내용은 주변에서 흔히 볼 수 있는 나뭇잎의 주름 구조에 대해서 이야기를 해보려고 합니다. 여름철 무성한 나뭇잎을 자세히 관찰하게 되면 대부분 끝 부분 혹은 중앙 부분에 물결이 치는 구조를 볼 수 있을 것입니다.

Fig. 1은 나뭇잎의 주름지는 구조와 이를 모방하여 시편을 제작한 사진입니다. 이들 연구에 따르면 나뭇잎의 성장속도가 끝부분과 중앙부분이 다르기 때문에 상대적으로 큰 성장 속도를 가지는 끝단 부분에 주름이 생긴다고 보고하였습니다. 나뭇잎의 이러한 구조는 과거 오래전부터 외부 환경으로 살아남고자 주름을 갖는 구조로 보호받거나 표면에 수분을 흡수하는 최적의 구조로 진화해왔습니다.

몇몇 연구진들은 나뭇잎의 구조를 분석하기 위하여 여러가지 방법으로 접근하고 있으며 이를 통하여 스마트 윈도우, 소프트 로봇틱스 등 다양한 산업군에 적용하려고 노력하고 있습니다.

또한 이러한 현상은 저희가 샤워를 할 때 손가락이 끝 부분이 주름지는 현상과 매우 유사합니다. 나뭇잎이나 피부와 같이 얇은 두께를 갖는 구조물이 수분이나 열적 팽창을 하게 되면 표면에 주름이 발생하게 됩니다. 물론 많은 사람들이 수분에 의해서 손이 쭈글쭈글해진다는 것을 예측할 수 있습니다. 그러면 과연 어느 정도의 변형을 수반하는지, 물에 담겨 진 시간에 비례하는 지 등 보다 디테일 한 관계를 파악하는 것에 대해서는 어려운 문제일 것입니다.

나뭇잎의 주름지는 현상에서부터 시작하여 여기에 담겨있는 과학적인 원리와 이를 분석하는 방법에 대해서 소개를 하고자 합니다. 관련된 심도 있는 이론 부분은 생략을 하고 핵심적인 내용을 위주로 여러분들께 소개하려고 합니다.


주름 현상(Wrinkling)은 매우 얇은 구조(Thin structure)를 갖는 구조체에서 발생되는 표면 불안전성 현상으로 특정한 웨이브의 패턴을 가지면서 표면에 규칙 및 불규칙적인 패턴이 형성되는 것을 의미합니다. 과거에 일부 제조업에서는 이러한 주름지는 현상이 제품의 품질을 낮추고 공정상 비효율을 초래하는 주 원인이 되었으며 이를 예방하고 개선하고자 다양한 노력들을 하였습니다.

대표적인 사례로 철강 제조업에서 평판을 제조하는 과정에서 이러한 현상을 볼 수 있습니다. 아래 Fig. 2를 참조하면 얇은 평판이 압연 공정 이후 표면이 우는 현상이 종종 발생됩니다. 이는 공정 중에 매우 높은 압력과 온도로 인하여 표면에 비 균일한 잔류 응력 혹은 소성 변형이 발생되어 나뭇잎의 구조처럼 주름이 지는 모습을 확인할 수 있을 것입니다. 그러나 주름 구조를 갖는 것은 나뭇잎에게 있어서는 생존하기 위한 최적 구조였으나 제조업에게 있어서 이렇게 표면이 우는 현상은 좋지 않습니다. 왜냐하면 이후 공정에 차질이 생길 수 있고 표면 조도가 하락하게 되면 고객들의 불만이 증가하기 때문입니다. 또한 주름을 피는 추가적인 공정을 도입하게 되고 단가가 증가하게 됩니다.

현재 철강업계 제조 공정은 Fig. 2와 같이 후처리 과정 (Finishing Mill, Roughing Mill, Edger Roll) 등을 배치하고 있습니다.


이 외에도 많은 산업군에서 이런 현상을 방지하고자 노력을 하고 있습니다. 위험을 방지하기 위해서 많은 연구진들은 다양한 방법으로 표면의 웨이브를 예측하고 이를 억제하는 시스템을 개발하고 있습니다. 하지만 최근 연구에서는 이를 반대로 역 이용하는 사례들이 보고됩니다. 즉 인위적으로 주름을 형성하여 새로운 응용분야를 찾아낸 것입니다. 몇몇 연구진들은 마이크로 및 나노 수준에서 제작되는 박막의 경우 주름 구조는 이들의 광학적인 특성을 바꾸거나 표면의 물성을 변화하여 기계적인 성능이나 전기적 성능을 향상시킬 수 있다고 보고하였습니다.

표면이 울퉁불퉁하다는 것은 에너지적 관점에서 보았을 때 변형의 에너지를 갖고 있다는 것이고 가해주는 에너지에 따라서 이 변형 정도를 조절할 수 있다는 것을 의미합니다. 표면의 조도에 따라서 물과의 젖음각이 달라질 수 있고 이에 따라 친수성이 었던 표면이 소수성을 바뀔 수 있습니다.


또한 투과율 혹은 투명성에 영향을 주어 각도에 따라서 내부가 보일 수도 있고 안보일 수 있는 조절을 할 수 있습니다. 대표적으로 투명한 폴리머 재질의 PDMS 로 제작된 물질 표면위에 얇은 전도성 박막을 코팅한 상태로 전기를 가하게 되면 표면에 주름이 형성됩니다. 그리고 전기의 강도에 따라서 표면 주름 현상을 컨트롤 할 수 있고 친수성과 소수성을 자유자재로 컨트롤 할 수 있는 일종의 액츄 에이터가 개발되었습니다. [4]

표면 조도를 변화시키는 것은 굴절률 및 투과성에 영향을 미칠 수 있으므로 이를 잘 활용한다면 스마트 윈도우에 사용하여 우리가 원하는 각도에서 시야를 투시하고 혹은 차단하는 기능을 할 수 있습니다. 또 다른 연구는 이 주름현상을 이용하여서 두 가지 의 안정된 모드를 갖는 이중 안정화 구조를 구현하여 접히거나 들어올릴 수 있는 소프트 로봇틱스를 개발한 사례가 존재합니다. [5]


지금까지 살펴본 사례들은 주름 현상을 일종의 불량 문제로 간주하여서 이를 개선하는 노력들과 반대로 역 이용하여서 색다른 목적에 사용되는 연구 사례들을 살펴보았습니다.

나뭇잎의 구조 역시 그 예시 중 하나입니다. 즉 우리가 일상생활에서 쉽게 관측될 수 있는 나뭇잎의 주름지는 구조를 이해하는 것이 위와 같은 문제들을 해결할 수 있는 열쇠가 되기도 하며 차세대 아이템에 적용될 수 있음을 시사합니다.


 

하버드대학교 연구팀은 나뭇잎의 구조를 분석하여서 왜 끝 부분에 웨이브가 발생되는지 그리고 어느 정도의 웨이브 형태를 갖고 그 크기를 예측할 수 있는 이론적인 분석을 한 연구가 제시되었습니다. [6] 이 논문은 세계적으로 저명한 PNAS 저널에 실렸으며 나뭇잎의 구조를 예측하기 위한 수학 모델을 제시하였습니다. 최근에 Physical Review Letters저널에는 표면에 소수성이 매우 강하여 물에 잘 젖지 않는 연잎의 구조를 분석하고 이를 실험적으로 모사하여 수치적으로 접근한 연구 사례가 있습니다. [6]

현재까지도 세계적으로 많은 연구진들이 나뭇잎의 구조를 분석하고 이해하려는 노력들이 진행되고 있습니다. 이렇게 주름이 지는 현상은 저희 주변에서 정말 흔하게 볼 수 있고 그 내부에 담겨 진 과학은 아직까지 연구가 무궁무진하다고 생각합니다. 축축히 젖은 종이가 우는 현상[7] 역시 이와 같은 맥락으로 설명이 가능합니다. 따라서 주름 구조에 대하여 이해하고 분석하는 것은 위에서 언급한 제조업 상의 문제라든지 스마트 윈도우와 같은 차세대 아이템에 적용할 수 있으며 이는 자연 속에서 흔히 관측될 수 있는 나뭇잎의 구조로부터 시작할 수 있습니다.