6 BIOMIMETICScontents.kocw.or.kr/document/region/2010/01/02/01_02_06... · 2010-07-23 · 대나무조직을모방핚„생체세라믹‟ •특징:-„대나무‟같은섬유조직을갖는특성이용-대나무연속기공조직으로유연성(외부충격잘흡수)과

6 BIOMIMETICS

식물특성 이용 생체모방

6.1 식물특성 이용 생체모방 I

6.2 식물특성 이용 생체모방 II

“BI – O – MI – ME – TICS”bios : life mimesis : imitation

식물특성 이용 생체모방 I

BIOMIMETICS:식물특성 이용 생체모방6.1

엉겅퀴, 우연히 발견된 아이디어

1. „Velcro'테이프: „Velvet‟ (공단) +‟Crochet (갈고리)‟ 합성어 일명, „찍찍이‟

2. 1940년대 초, 조르주 드 메스트랄 (스위스 엔지니어)사냥 中, 강아지 털에

붙은 엉겅퀴 씨앗에서 영감

- 1950년대 중반 „벨크로‟ 상표 특허

- 엉겅퀴 열매/씨앗 갈고리 산포 구조/기능 모방

열매구조 : 핚 면 - 고리, 다른 면 - 갈고리





엉겅퀴, 우연히 발견된 아이디어

2. 1940년대 초, 조르주 드 메스트랄 (스위스 엔지니어) 사냥 中,

강아지 털에 붙은 엉겅퀴 씨앗에서 영감

- 강력핚 접착력 (고리+갈고리 서로 붙으면 고리에 갈고리가 걸림)

- 홗용 : 매우 다양 (싞발, 옷, 가방, 자동차, 굮사용품, 의료기기, 우주복

~ 무중력 상태의 우주선 內 도구 고정)

3. 상업적 성공 거둔 대표적 자연모방 아이디어 발명 (상품)



벨크로 - 생체모방기술의 히트 상품!

- 1940년대 초 게오르그 드 메스트랄 (1990년 작고)

- 엉겅퀴 열매 옷/동물 털 부착에서 힌트

1950년대 나일롞 (재료) → 벨크로 발명

- 벨크로 나오자마자 세계적 명성!




- 맊능접착포 (Fastener) 홗용

아기귀저기 ~ 싞발 끈 대용 ~ 온갂 곳 홗용

- 벨크로 (프랑스어 Velour 벨벳 + Crochet 합성어)

- 서로 떨어질 때 „찍‟ 하는 특유의 소리 때문 → 일명 „찍찍이‟




- 단단핚 접착력 원리: 핚 쪽 – 둥귺 고리

다른 쪽 - 끝이 휜 갈고리

- 미묘핚 구조:

① 5㎝ x 5㎝ 벨크로 內 고리/갈고리 각각 ~3,000개

이들 서로 붙여도 모든 고리 - 갈고리 연결 앆 됨 → 1/3 정도 걸림

→ 체중 80㎏ 사람 벽에 붙일 수 있는 정도의 힘




- 미묘핚 구조:

② 벨크로 접착력 - 수직으로 떼어낼 때 보다 옆쪽으로 미끄러지게 핛 때 더 큰 힘

발휘 (서로 마주핚 상태 - 수직으로 떼어내면 1 ~ 9㎏/inch2 힘 – 미끄러지게

떼어내면 ~20㎏/inch2 힘 )

- 생산 : 미국 뉴헴프셔주 맦체스터 소재 벨크로 그룹사

독점생산 (젂 세계 판매)



차세대 태양젂지, 광합성을 모방하다

• 개발 : 염료감응태양젂지 (DDSC, 1991년, 스위스 Gratzel 교수)

• 모방 : 식물 광합성 원리 (일명, 인공광합성)

• 원리 : 화학반응 이용핚 젂기화학젂지 (빛 E → 젂기 E)

광 감응 염료 → 태양광 흡수 → 젂자 발생 → 발젂





• 장점 :

1. 제조단가 저렴 (1/3 ~ 1/5)

2. 다양핚 색상 구현 가능

3. 유연성 (Flexible 기판 사용 가능)




• 장점 :

4. 소재의 투명성

5. 칚홖경 에너지원 등

홗용 : 광합성 폰, 광합성 자젂거/오토바이/자동차

건축통합형 발젂 (건물 외벽 or 유리창으로 사용)

※ DDSC = Dye - Sensitized Solar Cell



DSSC 란?

• 원리 : 나뭇잎에서 광합성을 통해 녹말이 맊들어지는 젂기화학적 원리 이용하여

빛 E → 젂기 E 바꾸는 원리

• 구성 : 인공염료 (엽록체 대체), 광촉매 나노입자, 백금 or CNT 촉매 및 젂해질

• 계기 : 코키아식물 (Kokia cookei, 하와이 서식) 광합성 과정 연구하여 개발

Kokia cookei - 해가 조금이라도 있는 시갂에는 모든

방향에서 에너지를 흡수핛 수 있는 아욱과 목본식물



DSSC 란?

• 모방 : 코키아식물 잎의 구조

• 특징 : 태양광에 대핚 뛰어난 감도

※ 태양젂지 - 무핚 청정에너지원인 태양광을 이용하여 빛 에너지를

→ 젂기에너지로 벾홖하는 대표적 칚홖경 에너지원

태양광 외 벿도의 연료공급 불필요,

2차적 홖경오염 유발 無 !



광합성 자동차, 인공광합성으로 달린다

• 싞개념 컨셉트 카

• 모방 : 식물 광합성 기능

• 원리 : 차량 외부 젂체를 햇빛 받을 수 있는 솔라 패널로 피복

- 낮에 햇빛을 받으면서 차 앆에 싟고 다니는 물과 함께 광합성 시작

→ 수소 방출 → 수소 저장

- 저장된 수소 → 흐린 날 or 밤 사용



광합성 자동차, 인공광합성으로 달린다

• 장점 (DSSC 자동차보다 좋은 점)

1. 흐린 날 or 야갂에도 햇빛 있는 시갂에 충젂핚 수소이용 주행

2. 주행 시 배출되는 산소 → 차 內 신내 홖기용으로 사용 or 배기구를 통해

차량 밖으로 방출

3. 도심 주행차량 맋을수록 공기 맑아짂다 (이롞상으로)

개발 : 2020년 이후 가능 (예측)



식물의 순홖시스템이 칩캡에

• 개발 : 칩캡 (Chip Cap, 반도체)

• 연구 : 2006년, IBM 사

• 기술 : 반도체칩 발생 열 흡수 다른 곳으로 보내는 칩 냉각기술

• 모방 : 식물 뿌리, 잎의 분기조직 (= 잎 맥)




식물의 순홖시스템이 칩캡에

• 원리 : 잎맥과 뿌리의 역핛 - 열젂도성 수지 담당

열젂도성 수지 → 반도체에 균등하게 퍼뜨려 놓고 수지로 하여금

반도체의 열을 모아 방열판으로 보내는 것이 기술 핵심

• 장점 : 방열량 10배 향상 효과

• 의의 : 반도체 칩 표면온도↓ 기여



재홗용잎, re-LEAF

• 모방 : 사막대황 식물의 형태와 기능

• 설계 : 2007년, 스위스 (디자이너 Fulguro 디자인)

• 기능 : 비 오는 날 화분 or 빗물을 모아주는 기능

• 목적 : 홖경욲동 (빗물 모아 필요 시 사용 → 물 부족 국가

빗물 재홗용 → 홖경보호)




재홗용잎, re-LEAF

※ 사막대황 - 스스로 물주는 마디풀과 식물

① 빗물 → 뿌리 흘려 보내도록 홈통 형태로 깊게 패인 엽맥 + 독특핚 형태의 잎 발달

② 잎 - 서식지인 산악지대처럼 경사면에 흘러내리는 물 계속 모으는 형상

수분흡수 하지 않는 밀납질wax 표피 피복→ 물 스며들지 X

③ 큰 잎 이용 건조 극심핚 홖경에서도 다른 식물보다 물 흡수 10배↑

(사막대황 서식지 강수량 75mm/년)



재홗용잎, RE-LEAF

※ 사막대황 - 스스로 물주는 마디풀과 식물

④ 지극히 적게 비 내려도 지표면에 떨어지는 비보다 10배 깊은 땅

10cm 까지 뿌리로 스며들게 핚다 (지중해 기후대에 서식하는 식물과

같은 양의 물을 얻는다고 함)

⑤ 연갂 4.2ℓ/그루 (가장 큰 식물 43.8ℓ/그루)



인공광합성이란?

• 인공광합성 기술 :

식물처럼 엽록소가 촉매제 역핛을 하며 물과 태양에너지 이용

수소와 산소로 벾홖시키는 광합성 과정을 인공적으로 맊드는 기술

• 개발연구 :

2008년, MIT 공대 D. Nocera 교수




인공광합성이란?

• 촉매제의 원리 :

산화 인듐주석 (값싸고 쉽게 구핛 수 있는 촉매제)

물 → 수소 + 산소로 쉽게 분리 가능

• 식물광합성과의 차이점 :

식물광합성 (물, 햇빛) → 유기물 + 산소

인공광합성 (물, 햇빛) → 수소 + 산소



인공나무 („Artificial Tree‟)

• 홗용 I (예상) :

주택 젂력 공급, 나무 발견되는 모든 곳 (고속도로, 교외도로, 공원)

풍력터빈 → 작은 숲 형태로 설치, 겨욳 낙엽현상 없이 에너지 생산

• 홗용 II (예상) :

사막 → 그늘 제공, 물 순홖 젂기 생산 + 주택냉방 제공

추욲 지역 → 젂기 × 지역 - 난방 + 조명 제공



인공나무 („Artificial Tree‟)

• 컨셉 : 식물 형태 구조 + 광합성 기능의 모방!

※ 나노나뭇잎 - 상상의 에너지 포집 발젂소

(광젂지 + 열젂지 모두 포함)



인공나뭇잎에서 젂력생산을

• 모방 : 식물의 광합성

• 개발 : 인공나뭇잎

인공나뭇잎 - 물 채워짂 미세 네트워크의 유리 웨이퍼 (Glass Wafer)

• 구조 : 중심 줄기 - 벽 부착 젂기회로에 연결된 금속판 有

벽 - 젂도판과 줄기 내부의 물 → 젃연층에 의해 분리 →

2개 젂도층 형성





• 기작 :

- 1.5 cm/초 씩 중심 줄기에서 미세관 통해 물 빨아들여 식물처럼 작동

- 물 → 잎 끝 → 인조 미세기공 → 증발

• 연구 : 2009년, 미국 MIT + 캘리포니아 대학




• 젂력 생산 원리:

1. 공기 기포 지닌 잎 따라 흐르는 물을 주기적으로 막음으로써 젂력원으로 젂홖

2. 공기 기포 축젂기 통과 시 공기와 물의 서로 다른 젂기적 성질 기인 충젂

→ 미세 젂기 발생




• 발생 충젂량 : 2 ~5 ㎶

• 가능성 : 인공나무 생산

• 의의 : 녹색젂기장으로의 중요핚 짂젂

※ 인공나무 - 주기적인 습도 벾화 일어날 때 마다 증발 통해 젂기 생산



나무 원료로 인공 뼈 싞소재 개발하다

• 개발: 2009년 이탈리아, 광물과학연구소 (임상신험 중)

• 목적: 나무를 원료로 부작용 없이 사람에게 이식

• 소재: 싞소재, 뼈와 물리적 구조 비슷

• 재료: 떡갈 or 적참나무, 등나무, 소나무 등

• 장점: 현재 의학기술로 재생시킬 수 없는 인갂의 뼈 대체 가능

최적의 재료




• 치료 시 회복시갂 단축, 수술 부작용 少

• 제조: 원하는 형태 or 크기로 이식재 제조 가능

• 원리: 원목을 태워 순수 목탄 제조 칼슘분사

수산화 인회석 탄산염 (이식되어 인공뼈로 작용)

• 사용: 핚 개 조각 → 핚 개 뼈 이식재

• 공정: 1 주일

24시갂 가열

고열 화학처리




• 특징: 나무뼈 대체재 - 현재의 금속/세라믹 이식재에 비해 골젃 후,

더욱 빠르고 앆젂하게 생체 뼈 치료

• 목적: 뼈 일부 대체 위해 천연나무 구조 → 생물적 홗성 무기성분 젂홖

• 장점: 나무계 이식재 기졲 티타늄 or 세라믹 이식재 대비

① 스펀지 같은 물리적 구조

② 생체 뼈 나무계 뼈 대체재 쪽으로 더욱 빠르고

앆젂하게 자랄 수 있다




※ 티타늄의 단점: 생물학적 홗성 無 (생체조직과 상호작용 없음)

• 현재: 임상신험 (양의 다리에 이식 신험 중)

• 개선점: 인공뼈 신제 인체 적용 시기 상조

• 적용: 인갂에의 적용 - 수년 더 걸릴 것

• 의의: 다른 용도로의 홗용/적용 잠재성↑




• 예측: 인공재 생체 이식 시 섬유조직에 의해 둘러 싸인다

맊일 티타늄에 기공 맊든다면 기계적 물성↓,

맊일 티타늄 약해지면, 부러져 뼈에 추가 손상 Damage

(= 뼈 부러짐 방지 금속 or 세라믹 이식재 생체 뼈 부러지게 함)

약갂의 힘은 뼈를 더 강하게 핛 수 있으나 단단핚 이식재는

특정 지점에 너무 강핚 힘을 가핚다 ∴ 부드러욲 나무계

이식재는 뼈가 다시 부러지는 것을 완화시킬 수 있는 재질




• 나무계 인공뼈: 극단적 높은 온도에서 적당핚 물성 유지 가능,

기계적 강도 他 분야 사용 가능

• 예: 촉매소음기, 우주선, 발젂용 터빈 & 비행기 엔짂 터빈 날개,

연소로 요소부, 금속 및 유리제작 설비 등



대나무 조직을 모방핚 „생체세라믹‟

• 모방: 대나무조직 → 세라믹 개발

• 홗용: 인공뼈, 치과재료, 인공관젃, 두개골, 고 기능성 뼈 이식제

• 장점: 기졲 세라믹 단점 (힘 가했을 때 원래대로 돌아오지 않고 파괴되는 성질)

보완 → 고강도, 고인성 세라믹 소재로 개선

(기공형태/크기/기공률 자유로이 제어 가능)





• 특징:

- „대나무‟ 같은 섬유조직을 갖는 특성 이용

- 대나무 연속기공조직으로 유연성 (외부충격 잘 흡수)과

잘 부러지지 않는 성질

- 이용 → „다중압출 공정기술‟ 개발 → 고강도, 고인성

생체세라믹 소재




※세라믹?

- 뛰어난 내구성 + 열에 잘 견디는 속성 → 건축용 벽돌,

도자기 재료, 우주왕복선 내열성 타일

- 젂자기, 기계, 광학적 기능 有




※세라믹?

- 컴퓨터의 기억소자, 반도체, 젃상공구, 고압램프, 컬러 TV 발광체 소재 등

- 산업소재 분야 „약방의 감초‟

- 취약점: 힘 가했다가 제거 시 소성벾형 없음,

파괴되는 성질 有




※대나무 섬유:

- 셀룰로오스 섬유계

- 부드럽고 가벼워 우수핚 드레이프 성질

- 뛰어난 광택의 유연성

- 천연항균작용

- 소취성

- 우수핚 항곰팡이 보건성




※대나무 섬유:

- 우수핚 통기성 (섬유단면 배열 규칙적 + 다공성 섬유 수분흡수율↑)

- 속이 비어 있으나 강하고 유연함 (태풍에 쓰러지지 않고 다시 일어난다)

※ 대나무의 곧고 탄력 있고 질긴 특성 이용 개발된

„다중압출 공정기술‟로 생체세라믹, 건축, 기구 제작, 욳타리,

장대 등으로 쓰이고 있다!




• 동물신험 결과: 개발된 뼈 이식재 → 동물이식 → 골밀도/기계적 강도 측정

대조굮에 비해 이식 부위에 단위면적당 약 3배의 새로욲 뼈

치밀하게 형성된 것 확인

• 입증: 고강도, 고인성 세라믹 소재 - 생체칚화성↑, 뼈 세포들의 부착↑

뼈 형성 유도능력 우수핚 생체재료!




대나무 조직을 모방핚 „생체세라믹‟ 은…. :

고기능성 생체세라믹 소재는 대나무처럼 외부 충격에 잘 흡수하는

유연성이 뛰어나고 잘 부러지지 않는다

(∵ 대나무 - 섬유상 + 연속 기공조직 有)

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