창의력과 꿈의 신기술 첨단 바이오 산업: ’나노 바이오’의 만남 계명대학교 생물학과 김인선교수

Part I : 생체모방기술 Part II : 미래 메가트랜드 창의력과 꿈의 신기술 Part I : 생체모방기술 Part II : 미래 메가트랜드 계명대학교 생물학과 김인선교수

창의력과 꿈의 신기술 Part I : 생체모방기술 계명대학교 생물학과 김인선교수

BIOMIMETICS: 동물특성 이용 생체모방 1. 도마뱀붙이의 벽 타는 기술 (발바닥의 비밀) - 2000, 버클리大 연구팀 ‘Nature Material’ 발표 미끄러운 발바닥 이용, 벽 타는 이유 연구 - 발바닥의 튀어나온 부분에 수억 개 가는 털 (섬모) 밀집 → 착생/부착/밀착에 핵심역할! - 발가락당 200㎚ 섬모 650만개 (다섯 발가락!) 650만개의 섬모 (200㎚ Ø) - 총 수억 개의 가는 털

BIOMIMETICS: 동물특성 이용 생체모방

BIOMIMETICS: 동물특성 이용 생체모방

BIOMIMETICS: 동물특성 이용 생체모방 1. 도마뱀붙이의 벽 타는 기술 (발바닥의 비밀) - 체중: 100~300g 발바닥 수억 개 나노섬모로 (이론상) 자기 체중의 10~100배 무게를 발바닥에 붙일 수 있다 - 나노섬모 재질: 케라틴 단백 이유) 먹이사냥 or 포식자로부터 피하기 위한 자기방어 상황 대비

BIOMIMETICS: 동물특성 이용 생체모방 1. 도마뱀붙이의 벽 타는 기술 (발바닥의 비밀) - 반데르발스힘으로 미끄러지지 않고 유리판/벽면 기어올라 감! - 잘 붙고, 잘 떨어지는 발바닥 (No 접착제, 털 빠짐 無) 특성으로 매우 높은 활용도

BIOMIMETICS: 동물특성 이용 생체모방 동물특성 이용 생체모방 II STICKYBOT / 스티키봇 - 도마뱀붙이 (Gecko) 발의 접착력 모방 - 미국 스탠포드大 연구팀 개발 - 2006년 타임지 선정 ‘올해 최고의 발명품’ - 벽을 타고 오르는 모습 공개 - 발가락당 200㎚ 섬모 650만개 - ‘게코테이프’ 개발 연구

BIOMIMETICS: 동물특성 이용 생체모방

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BIOMIMETICS: 동물특성 이용 생체모방 STICKYBOT / 스티키봇 - 라이즈 로봇 (Rise Robot: 유리, 나무 등 울퉁불퉁한 표면을 올라감) - 로봇 (사람들이 들어가기 어려운 구조물 침투 가능) 우주선 외부 작업 (우주인 우주선 밖 작업 시 쉽게 매달려 작업 가능) 반도체 제작공정 웨이퍼 (반도체의 몸통) 옮기는 작업 (최고의 청정진공 상태 유지 필수!)

I BIOMIMETICS: 해양생물 이용 생체모방 2. 상어의 힘, 그 비밀은 비늘에 - 피부표면의 방패비늘 이용 → 빠르게 헤염 (~30 ㎞/hr) - 비늘: 작은 돌기들 (리블렛, Riblet) 多 ※ 상어비늘의 돌기들이 작은 갈비뼈 모양으로 생겨 리블렛으로 이름 붙여짐 - 리블렛의 역할: 와류에 의한 속도 감소를 최소화 = 움직임을 방해하는 저항의 최소화 물의 마찰 저항력 ↓ → 빠른 speed 가능

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I BIOMIMETICS: 해양생물 이용 생체모방 2. 상어의 힘, 그 비밀은 비늘에 - 제조방법: 매끄러운 물질 → 옷감제조 → 섬유표면 위 돌기 처리 - 활용: 비행기 날개 표면 (공기저항↓) 자동차 타이어 전신수영복 (기록단축) - ‘상어의 지혜’ 본뜨다! 물 저항 받는 운송 수단 - 잠수함, 요트 등에 모두 응용 가능 ※ 가장 빠른 물고기: 돛새치 (110㎞/hr) - Not Small, But 큰 돌기 有 현재 연구 中!!

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I BIOMIMETICS: 해양생물 이용 생체모방 2. 상어의 힘, 그 비밀은 비늘에 - 상어 리블렛 모방 비늘필름 활용 예: 리블렛 – 유체 마찰저항 감소↓ Cathay Pacific 항공 - 비행기 날개 인공 상어 비늘필름 첫 시도 - 항공기 공기마찰 10%↓ - 연료절감 40%↑ 경제적 이익

I BIOMIMETICS: 해양생물 이용 생체모방 2. 상어의 힘, 그 비밀은 비늘에 전신수영복 - Speedo 사 개발 - 경기용 수영복으로 고안 ‘패스트스킨’ FastSkin - 첨단소재 이용, 가벼운 옷감, 탁월한 신축성, 근육 사용할 때마다 따라 움직이는 장점 - 2000년, 시드니 올림픽 27名 수영선수 착용

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I BIOMIMETICS: 해양생물 이용 생체모방 2. 상어의 힘, 그 비밀은 비늘에 전신수영복 - 수영복 표면에 미세한 삼각형돌기 - 0.01초 기록 단축 - 2008년, 베이징 올림픽, 기능 강화된 ‘레이저 레이서’ (LZR Racer) 도입 (Speedo + NASA 합작 개발)

I BIOMIMETICS: 해양생물 이용 생체모방 2. 상어의 힘, 그 비밀은 비늘에 전신수영복 - 핵심기술: 물의 비중보다 가벼운 신소재 사용 부력 증가 (물의 저항을 최소한으로 줄임) - 장점: ① 초음파 이용, 수영복 재봉선 외부로 노출되어 있지 않음 ② 수영복에 물이 스며들지 않고 근육에 더 많은 O2를 공급하는 기능 - 단점: 몸에 꽉 끼어 혼자 착용 힘들다

BIOMIMETICS: 곤충특성 이용 생체모방 3. 나비날개: 빨간색으로 변하는 흰색립스틱 (White Lipstick → Red Lipstick) - 나비날개 다양한 구조와 색 (분자구조) 모방 - 구조 차이에서 오는 색조현상 이용 - 나비날개의 빛깔이 햇빛에 반사되어 보는 각도에 따라서 화려하게 변하는 현상 모방 (날개 비늘가루의 물리적 성질 기인) - 컬러 없는 컬러, 차세대 립스틱, 흰색으로 보이나 바르면 분자구조 차이로 다양한 색 연출

BIOMIMETICS: 곤충특성 이용 생체모방

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BIOMIMETICS: 곤충특성 이용 생체모방 3. 나비날개: - 색채의 비밀을 지닌 나비 날개 Open (Unfold) - Blue, Red.. Close (Fold) - Black..

BIOMIMETICS: 곤충특성 이용 생체모방 3. 나비날개: - 화려한 색의 나비날개: If touched, fingers will be w/o color! ∵색소가 아닌 특이한 분자구조 때문 ↳ 기와를 층층이 쌓아놓은 구조 대부분의 빛 흡수 → 특정 파장 반사 → 색 표시 (층 수에 따라 다양한 색 표현 → 겹쳐진 기와모양에 빛이 부딪혀 굴절 → 각도에 따른 다양한 색채 나타남)

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BIOMIMETICS: 곤충특성 이용 생체모방 3. 나비날개: - 활용: 화장품 (흰색 립스틱, 아이 섀도우) 자동차 (각도에 따라 반사되는 빛의 색깔이 달라지는 자동차) 섬유/옷 (움직일 때 마다 색깔이 바뀌는 옷) 페인트 등 활용 연구

BIOMIMETICS: 곤충특성 이용 생체모방 3. 나비날개: - 나비날개 비늘가루의 물리적 성질 – 구조색: 나비날개 內 융기선 (길게 솟은 세로선, 多) 구조에 빛이 굴절하면서 보는 각도에 따라 여러 가지 색을 띄는 성질 = 색소 없이 내는 색 예: 검은색의 몰포나비, 파란 형광빛 → 날개 광 구조 (빛 반사구조) 기인

BIOMIMETICS: 식물특성 이용 생체모방 4. 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 : 한 면 - 고리, 다른 면 - 갈고리

BIOMIMETICS: 식물특성 이용 생체모방

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BIOMIMETICS: 식물특성 이용 생체모방 4. 엉겅퀴, 우연히 발견된 아이디어 2. 1940년대 초, 조르주 드 메스트랄 (스위스 엔지니어) 사냥 中, 강아지 털에 붙은 엉겅퀴 씨앗에서 영감 - 강력한 접착력 (고리+갈고리 서로 붙으면 고리에 갈고리가 걸림) - 활용 : 매우 다양 (신발, 옷, 가방, 자동차, 군사용품, 의료기기, 우주복 ~ 무중력 상태의 우주선 內 도구 고정) 3. 상업적 성공 거둔 대표적 자연모방 아이디어 발명 (상품)

BIOMIMETICS: 식물특성 이용 생체모방 4. 벨크로 - 생체모방기술의 히트 상품! - 1940년대 초 게오르그 드 메스트랄 (1990년 작고) - 엉겅퀴 열매 옷/동물 털 부착에서 힌트 1950년대 나일론 (재료) → 벨크로 발명 - 벨크로 나오자마자 세계적 명성!

BIOMIMETICS: 식물특성 이용 생체모방 4. 벨크로 - 생체모방기술의 히트 상품! - 만능접착포 (Fastener) 활용 아기귀저기 ~ 신발 끈 대용 ~ 온간 곳 활용 - 벨크로 (프랑스어 Velour 벨벳 + Crochet 합성어) - 서로 떨어질 때 ‘찍’ 하는 특유의 소리 때문 → 일명 ‘찍찍이’

BIOMIMETICS: 식물특성 이용 생체모방 4. 벨크로 - 생체모방기술의 히트 상품! - 단단한 접착력 원리: 한 쪽 – 둥근 고리 다른 쪽 - 끝이 휜 갈고리 - 미묘한 구조: ① 5㎝ x 5㎝ 벨크로 內 고리/갈고리 각각 ~3,000개 이들 서로 붙여도 모든 고리 - 갈고리 연결 안 됨 → 1/3 정도 걸림 → 체중 80㎏ 사람 벽에 붙일 수 있는 정도의 힘

BIOMIMETICS: 식물특성 이용 생체모방 4. 벨크로 - 생체모방기술의 히트 상품! - 미묘한 구조: ② 벨크로 접착력 - 수직으로 떼어낼 때 보다 옆으로 미끄러지게 할 때 더 큰 힘 발휘 (서로 마주한 상태 - 수직으로 떼어내면 1 ~ 9㎏/inch2 힘) - 미끄러지게 떼어내면 ~20㎏/inch2 힘 - 생산 : 미국 뉴헴프셔주 맨체스터 소재 벨크로 그룹사 독점생산 (전 세계 판매)

BIOMIMETICS: 식물특성 이용 생체모방 5. LOTUS EFFECT / 연잎효과 - 빌헬름 바르트로 (V. Barthlott)교수 (본 大學) - 연잎 표면 돌기구조 모방 (자가세척 & 자기정화 효과) - 수 ㎜ ~ 수 ㎛크기 초소수성 돌기 (Superhydrophobicity) 多: - 잎 표면 물방울 떨어졌을 때: 미세구조들 사이 공기층 형성 형성 공기층 → 물방울 잎 접촉면적 극소화 (접촉면 90%↑ 감소) → 표면장력 극대화

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BIOMIMETICS: 식물특성 이용 생체모방 5. LOTUS EFFECT / 연잎효과 ※ 물방울 - 물질표면 각도 (접촉각) ≧ 90°, 소수성 (사람피부 90°정도 : 약한 소수성) 연잎: 물방울 170° → 강한 소수성 - 물 입자 서로 뭉침 - 중력에 의해 경사면 따라 흘러내림 (물방울 내부에 포함된 이물질과 함께 흘러 내려간다!)

BIOMIMETICS: 식물특성 이용 생체모방 5. LOTUS EFFECT / 연잎효과 - 고온 방수 옷감 (기능성) : 연잎 If 50℃↑ 뜨거운 액체 접촉 → 잎에 스며듦 (∵왁스 녹음) 40~85℃ → 돌기: 물 끌어당기는 성질로 바뀜 ⇓ 해결책: 탄소나노튜브 + 코팅제 사용 ※ 탄소나노튜브 (Carbon Nano Tube, CNT)

BIOMIMETICS: 식물특성 이용 생체모방 5. LOTUS EFFECT / 연잎효과 - 면 옷감 75℃ 물/우유/커피 쏟아져도 옷감에 스며들지 않음 - 뜨거운 액체라도 옷감 표면에 방울방울 떨어짐 - 단점: 옷감 약간 딱딱해짐 & 어두워지는 색 - 해결책: 옷감 색/촉감 유지할 수 있는 새로운 기술 개발 中 탄소나노튜브 + 테프론혼합액 담근처리

BIOMIMETICS: 식물특성 이용 생체모방 5. LOTUS EFFECT / 연잎효과 - 기능성 나노의류 (No 세탁, No 얼룩) → 나노텍스(Nano-Tex) 사 → 나노수염(Nano Whisker) 개발 → 스위스 쉘러사 (Schoeller) → 나노스피어기술 (Nanosphere)

BIOMIMETICS: 식물특성 이용 생체모방 5. LOTUS EFFECT / 연잎효과 Nano Whisker 기술: 섬유표면에 10㎚ 길이 나노수염 처리하면 물/오염물질 섬유표면에 떨어져도 나노수염이 액체 방울을 강하게 떠 받쳐 바로 굴러 떨어지게 한다 (Nano-Tex Co.) Nanosphere 기술: 연잎효과 모방 직물표면을 미세한 굴곡 구조로 바꾸는 기술 생활방수/음료수/케첩 등이 흘러도 얼룩이 남기 전에 표면을 따라 미끄러진다. 오염물질 묻어도 세제 없이 물만 뿌리면 간단히 씻겨 내려간다. 스포츠 의류 시판 (스위스, Schoeller Co.)

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BIOMIMETICS: 식물특성 이용 생체모방 5. LOTUS EFFECT / 연잎효과 활용 : - 로투산 페인트(Lotusan , 초미세 실리콘수지 페인트, 1999년 시판) → 연잎효과 가진 페인트 - 욕실 김 서림방지 필름, 자동차 사이드 미러에 뿌리는 스프레이 - 오염방지 스프레이 (독일 바스프사) - 슈퍼 소수성 금속물질 - 자기정화용 태양전지

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BIOMIMETICS: 식물특성 이용 생체모방 5. LOTUS EFFECT / 연잎효과 - 슈퍼소수성 금속물질(물이 금속물질에 떨어지면 퍼지거나 달라붙지 X 물방울 형성 후 표면에서 굴러 떨어지게 함) → 비행기 날개/엔진 코팅 (엔진/터빈 내 물 혼합되거나 오염되지 않기 때문에 높은 효율성 & 보수 유지 용이, 항상 건조, 겨울 냉동으로부터 해방 – 겨울에도 얼지 않는 비행기 운항), 비행장 코팅 (비행장 얼음 녹이는데 사용하는 독성 화학액체 제거)

BIOMIMETICS: 식물특성 이용 생체모방 5. LOTUS EFFECT / 연잎효과 - 자기정화용 태양전지 (손목시계, 전자계산기 등): 손목시계/계산기 사용 필름형 비결정 태양전지표면을 연잎처럼 돌기들이 나있는 형태로 제조 ↓ - 물방울 굴러 떨어져 표면 항상 깨끗 & 발전효율 4.7% → 5.9% 향상 - If 발전용 실리콘 결정 태양전지 적용 → 발전효율 25%까지 향상 가능

BIOMIMETICS: 식물특성 이용 생체모방 5. LOTUS EFFECT / 연잎효과 - 고속도로 톨게이트 감시카메라 코팅용 연구 중 (독일) - 핸드폰 기판 사용 위한 처리 방법 개발 중 (한국)

BIOMIMETICS: 식물특성 이용 생체모방 6. 스텔스전투기, 황칠나무 수액과 만나다 황칠나무: 세상 존재 모든 전자파 완전 흡수해버리는 수액 (황칠액) 분비 수액 원료 가공도료: 환상적 Golden Color! 응용: 황칠액을 스텔스전투기에 피복 (칠) → 스텔스 化 기술보유국: 미국, 일본 원조도장사: 일본 (레이더에 포착 안 되는 전투기 개발 위해 한국의 황칠나무 사용)

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BIOMIMETICS: 식물특성 이용 생체모방 6. 스텔스전투기, 황칠나무 수액과 만나다 ※ 황칠나무: 학명 Dendropanax morbifera 두릅나무과, 15 m 전남 서해안 & 섬 지역 자생, 나무껍질 상처 내어 노란색 액체 분비 (황칠액) 약용식물 - 탁월한 화상치료제, 생리활성제, 간염치료제, 항암치료제

BIOMIMETICS: 식물특성 이용 생체모방 6. 스텔스전투기, 황칠나무 수액과 만나다 ※ 스텔스: ‘은밀하게 조용히 이루어지는 일’ 이란 뜻 스텔스전투기 보이지 않는 것은 레이더에 대한 능력 의미 ※ 황칠나무와 일본: 레이더에 포착되지 않는 전투기 개발을 위해 우리나라 자생 황칠나무 일제시대~ ~1970년대까지 몰래 가져갔다고 함. 일본으로 이식되어 자란 황칠나무는 100년도 안되어 수액이 더 이상 분비하지 않게 되었다

BIOMIMETICS: 식물특성 이용 생체모방 6. 스텔스전투기, 황칠나무 수액과 만나다 ※ 황칠나무와 일본: 한국 자생 황칠나무는 수 백년 간 수액을 분비해왔다 (∵ 토양, 지질 차이 & 기타). 반면, 일본의 황칠나무는 제 기능을 하지 못하였다 ※ 향후 우리의 황칠나무 원료 개발 → 스텔스화된 무기 or 첨단기기 개발 우리의 스텔스기술 활용토록 연구 개발 필요! ※ 황칠액: 통일신라 때 해상왕 장보고의 교역상품 중 최상품!

세상을 바꾸는 꿈의 신기술 Part II : 미래 메가트랜드 계명대학교 생물학과 김인선교수

미래사회 메가 트랜드 A to H 1. Aging(저출산 고령화) 2. Blending(혼합, 지구촌 문화통합) 3. Climate Change(기후변화) 4. Development of S & T(과학기술발달) 5. Education(교육: unlearn, relearn) 6. Female(여성성 강화) 7. Globality(글로벌화, 국제화) 8. Home Alone(싱글 1인 가구 35%)

• artificial eyes / iris scan • e-ink / e-paper 뛰어난 창의력의 최첨단 발명품 • artificial eyes / iris scan (눈동자 스캔) • e-ink / e-paper • face recognition door (얼굴인식 door) • fresh watch (내용물이 상하면 색이 변하는 포장)

뛰어난 창의력의 최첨단 발명품 • teleportation • transparent toaster • vivo(voice-in-voice-out) • wearable computer • paper smart phone

뛰어난 창의력의 최첨단 발명품 • 무인자동차 • 자연조명(Glo-fish) • 팽창 가능한 벽 • 3-D printer • 무인자동차 • 자연조명(Glo-fish) • 팽창 가능한 벽 • 3-D printer (소모품 또는 물건 배달가능)

10년 후 유망 직종 & 직업들 1위: 바이오BT, 나노NT, 인포IT, 인지공학CT, Eco공학 2위: 에너지, 솔라산업(풍력, 조력, 원자력, 태양열) 3위: 감시공학(런던 5인당 CCTV, 저장된 정보가공업), 두뇌공학(인체통신, 두뇌이해, 우뇌 MFA) 4위: 노인의료사업 노인학, 간호학: 노화방지 스파, 헬스케어, 시니어산업, 노인공동체, 대체장기생산 산업, 제약산업, 방사선전문가 5위: 인력 공급업, 개인인력매니저(개인정보관리&개인능력 홍보), 구직 및 개인 지적자산보호 6위: 가상현실 네트워커(인구절반 가상현실에서 구직) 7위: 신 사회과학 부상, 사고패턴 연구필요

미래 사회 전망 2020~2060년: 세계인구 80-85억, 교육사회 2060~2100년: 세계인구 85-70억, 창조사회(창조가치↑) ~2020년: 아시아인 56억 명(세계 인구의 약 80%) 미래의 뜨는 산업과 유망 직종을 알 수 있는 사이트 ㆍwww.careervoyages.gov ㆍwww.secondlife.com ㆍwww.knowledgegarden.com

세상을 바꾸는 꿈의 신기술 THANK YOU 계명대학교 생물학과 김인선교수