Bio-inspired design and fabrication for multiscale reversible interlocking

Abstract

본 논문은 자연계에 존재하는 기능성 미세 구조물에 대한 멀티스케일 분석을 통해 그 특성을 파악하고, 이를 활용한 새로운 개념의 체결형 건식 접착제 (인터락커: Interlocker)와 다기능 유연 센서에 대한 공학적 설계와 제조방법을 제시한다. 즉, 딱정벌레 날개 잠금 장치의 마이크로 구조물을 관찰하여 반데르 발스 힘 (Van der Waals force)에 의한 가역적 (Reversibility)이고 방향성 (Directionality)을 갖는 체결 (Interlocking)현상에 대한 메커니즘을 규명하고, 결합력의 크기를 예측해 제어하기 위한 재료적, 구조적 모델링을 통해 자연의 기능을 초월하는 체결형 건식 접착제와 초감도 다기능 유연 센서와 같은 초기능성 응용시스템을 구현하는데 그 의미와 중요성이 있다. 구체적으로, 본 논문에서는 날개가 접힐 때는 몸체와 겉날개 면의 미세 섬모 배열이 반데르 발스 힘에 의해 상호 접촉하면서 안정적으로 결합하며, 날개를 펼칠 때에는 가장자리에서부터 방향성을 갖고 섬모가 분리되는 (벗겨냄: Peeling off) 방식을 가지는 딱정벌레의 날개 잠금 장치를 관찰하고, 여기에서 영감을 받아 기존의 벨크로형 (Hook&Loop)의 체결 방식과는 전혀 다른 새로운 개념의 체결형 건식 접착제를 제시하였다. 또한, 이를 구현하기 위해서 대면적 공정에 유리한 UV-경화성 폴리우레탄 계열의 고분자를 사용하여 다양한 종류의 마이크로/나노 구조물을 제작하여, 동일한 형태의 상하 두 개의 접착부재를 서로 결합시키는 방식으로 멀티스케일 설계와 제조의 방법을 제시하였다. 접착력 테스트 결과 고종횡비 나노 구조물의 전단 접착력은 최대 ~40 N/cm2으로 측정되었고, 이는 현존하는 고분자 건식 접착제 중 최고의 수치에 해당된다. 또한 이러한 접착력 측정값들은 구조와 재료적 특성에 의존하는 미세 섬모들 간의 힘들의 상호작용과 섬모의 결합 가능성에 기반을 둔 간단한 수학적 모델과 잘 일치하는 것을 확인 할 수 있었다. 나아가, 본 논문은 이러한 가역적 체결장치의 예압 (프리로드: Preload)에 의존한 전단 접착력의 강도 변화를 분석하였다. 상하 각각의 마이크로 및 나노 섬모들간의 접착되는 길이가 프리로드 (0.1~10 N/cm2)에 의존함에 따라 전체 전단 접착력과의 상관 관계를 모델링 하였다. 즉, 결합된 섬모들 간의 반데르 발스 힘과 구조적 굽힘력 (Bending force)이 프리로드에 따라 변화하는 것을 이용하여, 섬모의 움직임을 분석하고 전체 섬모의 밀도로부터 전단 접착력을 예측할 수 있음을 제시하였다. 다음으로, 본 논문은 딱정벌레 날개 잠금 장치의 굽어 있는 상하 미세 섬모간의 결합을 관찰하여, 비대칭적인 접착 특성을 가진 건식 체결형 접착제의 연구에 관해 기술하였다. 진공 상태에서 대면적 이온빔 조사 (ion beam irradiation) 공정을 이용하여 고종횡비의 마이크로 및 나노 구조물의 굽은 정도를 조절 할 수 있으며, 최대 굽은각이 40o 이내인 다양한 마이크로 및 나노 구조들을 제작할 수 있었다. 이러한 굽은 구조의 나노 섬모로부터 굽은 방향으로 당겼을 때 최대 ~60 N/cm2, 굽은 방향과 반대 방향으로 당겼을 때 최소 ~20 N/cm2의 전단 접착력을 갖는 비대칭적이고 쌍방향성의 건식 체결형 접착제를 제작할 수 있었으며, 당기는 방향에 따른 비대칭 이력이 ~3임을 확인 할 수 있었다. 이러한 현상을 간단한 이론적 모델을 통해 분석하였고, 실험 결과를 잘 뒷받침할 수 있음을 확인하였다. 마지막으로, 본 논문에서는 반데르 발스 힘에 의한 미세 고분자 섬모의 체결 현상을 기반으로 한 초감도의 유연한 피부 부착형 센서를 개발하여 새로운 센서의 개념과 이를 통한 다양한 응용 방법을 제시하였다. 즉, 기존에 보고된 피부 부착형 다기능 센서는 나노스케일의 여러 층의 복잡한 패터닝 (Patterning) 및 조합 (Assembly) 공정이 필요한 문제점을 가지고 있는 반면, 본 논문의 다기능 피부접착 센서는 상대적으로 간단한 나노섬모 체결 현상을 통해 미세한 기계적 자극들 (압력, 전단, 뒤틀림)을 실시간으로 모니터링할 수 있는 새롭고 효율적인 개념을 가지고 있다. 반데르 발스 힘에 의한 나노 구조물들 간의 기계적 체결 구조를 기반으로 전기적 특성을 얻기 위해 나노섬모와 기판에 백금 (플레티늄: platinum)을 나노스케일로 증착하였고, 상하 나노섬모 간의 간단한 조합과 PDMS (polydimethylsiloxane)의 박막 실링 (Sealing)을 통해 센서를 제작하였다. 또한, 금속 증착 시 간단히 마스킹 (Masking)을 통하여 64개의 픽셀 (Pixel)들로 공간 분할이 가능함을 보여주었다. 그 결과, 압력의 경우 최소 5 Pa의 매우 미세한 힘을 감지할 수 있었으며, 표면 전단의 경우 최소 0.001N, 토션의 경우 0.0002 Nm의 힘을 감지할 수 있었다. 이러한 힘의 변화를 저항 변화값과 센서의 물리적 변형률에 대한 실시간 모니터링을 통해 G.F.(Gauge Factor)값을 분석함으로써 세 가지 각기 다른 물리적인 힘을 구분해 낼 수 있었다. 즉, 본 연구에서는 미세한 물리적 외력 (압력, 전단, 뒤틀림)에 의해 발생하는 전기 저항의 선형적인 변화를 통해 미세 힘의 종류와 크기를 감지할 수 있음을 증명하였다. 또한, 본 연구의 실용적 응용이 가능함을 확인하기 위해 초소수성 표면이 코팅된 센서 위에서 20 μl의 물방울을5 cm 높이에서 떨어뜨려 운동에너지에 의해 발생한 표면의 물리적인 힘의 변화를 모니터링하였으며, 더 나아가 맥박을 잴 수 있는 손목에 센서를 접촉하여 운동 전후의 맥박의 변화 및 혈관 압력의 차이를 관찰 할 수 있었다. 이러한 결과를 통해 본 연구가 정밀 기계적인 응용과 생체 신호를 관찰하는 의공학 분야 및 인공 피부 기술로의 응용에 사용될 수 있음을 보여주었다.

In this thesis, we describe the bio-inspired design and fabrication using the wing locking device of beetles for exploitation to form a reversible interlocker and flexible and multiplex sensor. The binding of reversible interlocking is based on van der Waals force between high aspect-ratio polymer hairs. Multiscale analysis for reversibility and directionality of interlocking is investigated with structural parameters. Based on van der Waals-assisted interlocking, flexible skin-attachable sensor is demonstrated by utilizing of mechanically interlocking in a reversible, directional manner. Firstly, we present that the wing locking device of beetles can be exploited to form a reversible interlocker based on van der Waals force-assisted binding between high aspect-ratio polymer hairs. Such a reversible interlocking is inspired from the wing-locking device of beetle where densely-populated microhairs (termed microtrichia) on the cuticular surface form numerous hair-to-hair contacts to maximize lateral shear adhesion. We found that the interlocking is mediated by non-retarded van der Waals forces, which can be significantly amplified owing to the presence of high-density micro- or nanohairs. Especially, the maximum shear locking force of ~40 N/cm2 was observed for the nanopillar arrays of 50 nm radius and 1 micrometer height (AR = 10). The measured shear locking forces depend on geometric parameters as well as material rigidity of polymer hairs, in good agreement with a simple theory based on force balance and hair-merging probability. From the bio-inspired and reversible interlocker, we analyzed preload-dependent reversible interlocking between regularly-arrayed, high aspect-ratio (AR) polymer micro- and nanofibers. We fabricated various high AR, vertical micro- and nanopillars on flexible substrate and investigated the shear locking force with different preloads (0.1 ~ 10 N/cm2). A simple theoretical model is developed based on the competition between van der Waals (VdW) attraction and deflection forces of pillars, which can explain the preload-dependent maximum deflection, tilting angle, and total shear adhesion force. Next, we investigated bi-directional, asymmetric interlocking between tilted, high aspect-ratio (AR) micro- and nanohairs utilizing geometry-tunable replica molding and broad ion beam irradiation from the directionality of wing locking device. Using this method, various stooped micro- and nanohair arrays (tilting angle < 40 degree) were formed, and then reversibly interconnected each other to measure the shear locking force. It turned out that the maximum force was as high as ~60 N/cm2 when the two surfaces were pulled in the reverse direction with respect to the bending angle. The hysteresis in this asymmetric, bi-directional adhesion was measured to be ~3, which was in a good agreement with a simple theoretical model. Finally based on van der Waals-assisted interlocking, we developed a highly sensitive, flexible, and multiplex strain gauge sensor by utilizing a single active layer of high aspect-ratio Pt-coated polymeric nanofibers that can mechanically interlock in a reversible, directional manner. The sandwich-assembled, interconnected nanofibers that are supported by thin polydimethylsiloxane (PDMS) layers displayed specific, discernible strain-gauge factors (GF) for multiple sensing stimuli such as pressure, shear, and torsion even from an arbitrary input like finger touch. These GF factors were measured from the change in electrical resistance as a function of applied compressive strain (≤ 5%). Highly repeatable and reproducible responses were observed over multiple cycle tests (<10,000 cycle) with excellent on/off switching behaviors. In addition, the assembled device was used to monitor the continuous kinetic motion of a bouncing water droplet on a superhydrophobic surface, as well as the physical force of a heartbeat under different conditions.