"범블비"는 어떻게 움직일 수 있을까? :

로봇을 움직이는 액츄에이터에 관하여

 

최근 영화 ‘트랜스포머’의 새로운 시리즈가 개봉하였습니다. 이 영화의 주인공은 자동차와 같이 일상 속 기계들이 변신한 로봇입니다. 영화의 주연 로봇 ‘범블비’는 스포츠카가 변신한 로봇입니다. 이 범블비와 같은 로봇은 복잡한 기계장치를 가지고 있는데요, 온몸이 쇳덩이로 이루어져 상당히 무거운 몸을 가지고 있음에도 불구하고 사람과 같이 자유자재로 움직입니다. 이런 로봇들은 대체 어떤 부품을 사용하였기에 움직임도 자유롭고 강력한 힘을 발휘 할 수 있는걸까요?

<그림 1> 영화 트랜스포머와 다양한 로봇들(출처 : http://www.comingsoon.net)

이런 로봇을 움직이게 하는 부품을 액츄에이터(Actuator)라고 부릅니다. 오늘은 4차 산업혁명의 주인공으로 급부상하고 있는 로봇! 그리고 이 로봇을 움직이게 하는 액츄에이터에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

액츄에이터는 어떤 시스템을 물리적으로 움직일 때 필요한 기계장치로 압축공기, 유압, 전기 또는 자기 등을 이용하는 구동장치를 말합니다. 사람의 몸에 비유하면 팔과 다리를 움직이는 커다란 근육부터 손가락을 움직일 수 있는 섬세한 근육이 바로 액츄에이터입니다. 따라서 로봇이 사람과 같은 움직임을 보이기 위해서는 필요한 부분에 따라 적절한 힘과 민감도를 가지는 액츄에이터를 선택해야합니다. 산업현장이나 화재현장과 같은 곳에서 필요로 하는 로봇은 강력한 힘을 가질 필요가 있습니다. 반면에 나비나 새처럼 날아다니며 관찰이나 가벼운 물건을 배달하는데 사용되는 드론은 강력한 힘보다 가벼운 몸체가 필요할 것입니다. 이처럼 로봇이 어느 분야에서 어떤 목적으로 사용되느냐에 따라서 다양한 액츄에이터가 필요 합니다.

<그림 2> 로봇에서 사용되는 액츄에이터. 로봇 손이나 로봇 팔 등에서 사용되는 액츄에이터는 그 용도에 따라 다양한 종류가 있습니다.
(출처 : mindtrans.narod.ru)

액츄에이터의 역사는 세계 2차 세계대전까지 거슬러 올라갑니다. 지터 안켈레만(Xhiter Anckeleman)은 1938년, 세계에서 처음으로 공압과 수압을 기반으로 한 액츄에이터를 개발하였습니다. 사실 안켈레만은 성능이 뛰어나고 내구성이 좋은 브레이크를 개발하고 싶어서 이와 같은 발명을 했다고 합니다. 아무튼 이 발명 이후 액츄에이터에 대한 개발이 급격하게 이루어졌습니다. 현재 사용되고 있는 대표적인 액츄에이터 동력으로는 수압(유압)(Hydraulic actuator), 전기(Electrical actuator), 공압(Pneumatic actuator) 그리고 자기장(Magnetic actuator) 등이 있습니다.

<그림 3> 다양한 액츄에이터의 종류. 액츄에이터는 에너지를 기계적인 움직임으로 바꾸어주는 장치의 통칭입니다.

전기, 기름이나 물, 공기 혹은 자기장 등을 사용하여 에너지를 기계적인 움직임으로 바꾸어주게 됩니다.

(출처 : https://www.youtube.com/watch?v=vWn5nc5AS9s)

수압 액츄에이터는 수압을 기반으로 움직이는데, 펌프를 이용해 액체를 액츄에이터 내부로 집어넣는 방식으로 작동합니다. 액체는 거의 압축이 안되기 때문에 액츄에이터 중에 가장 강력한 힘을 낼 수 있습니다. 하지만 가속하는데 제한이 있기 때문에 빠른 움직임을 보이기 힘듭니다. 트랜스포머의 커다란 로봇이 매우 느리게 움직이는 것은 아무래도 수압 액츄에이터를 사용하였기 때문이 아닐까요? 공압 액츄에이터는 진공이나 압축공기를 이용하여 에너지를 생산합니다. 다른 액츄에이터에 비해 굉장히 빠른 반응속도를 보이는데, 공압 액츄에이터의 작동을 위한 공기/진공을 채우는 것이 따로 필요하지 않기 때문입니다. 수압에 비해 약하긴 해도 공압 액츄에이터 또한 상대적으로 큰 힘을 낼 수가 있습니다. 가장 일반적으로 사용되는 액츄에이터는 전기 액츄에이터 입니다. 전기에너지를 이용하여 모터를 돌리는 등 여러가지 기계적 힘으로 변형하는 액츄에이터인데요, 오일 등을 전혀 사용하지 않기 때문에 가장 깨끗하고 쉽게 사용할 수 있는 액츄에이터입니다. 전자기장 액츄에이터는 주로 상업용으로 많이 사용됩니다. 다른 액츄에이터에 비해 가장 작고 가볍지만, 조그만 크기에 비해 큰 힘을 낼 수 있는 액츄에이터 입니다. 형상기억물질(Shape memory materials)을 이용하여 제작하기도 합니다. 소형 로봇이나 드론에 적용하기 좋은 액츄에이터이기 때문에 잠자리같은 모양을 가지는 비행 드론 등에 적용을 할 수 있습니다. 한국과학기술연구원 광전하이브리드센터의 김희숙 박사님 연구팀과 이상수 박사님 연구팀에서는 이러한 분야에 적용되는 고분자 재료와 나노 카본 물질, 은 나노 와이어의 복합체를 제조하여 높은 액츄에이터 성능을 가지는 복합체 제작 연구를 진행하고 있습니다. 위에서 언급한 액츄에이터의 종류 중 자기장 액츄에이터에 해당하는데요, 단순히 고분자만 사용한 액츄에이터 성능의 경우 움직이는 힘이 그리 크지 않았지만 나노카본과 복합체를 제조하자 액츄에이터 성능이 향상되는 것을 확인하였습니다. 또한 은 나노와이어를 고분자 위에 얹음으로써 전류가 흐르면 팽창하는 방식의 액츄에이터를 제작하기도 하였습니다.


<그림 4> 은 나노 와이어와 고분자를 기반으로 한 액츄에이터. 전류를 흘렸을 때 은 나노 와이어/고분자

복합체는 팽창하고, 전류를 가하지 않았을 때 원래 모습으로 돌아오며 기계적인 움직임을 만들게 됩니다.

(출처 : http://www.nextdaily.co.kr)

최근 인공지능과 더불어 크게 성장하고 있는 로봇산업에서는 다양한 종류의 로봇과 인공 근육 등에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있습니다. 전기에너지 등을 기계적인 움직임으로 바꾸어주는 액츄에이터는 나비의 날갯짓과 같은 작은 움직임부터 거대한 로봇의 강력한 움직임까지 넓은 범위에서 필수적인 요소이며, 앞으로 우리의 일상에 다양하게 접목되어 사용될 것입니다.

 

<그림 5> 다양한 로봇과 액츄에이터

(출처 : Nanoscale, 2015 (7) 16437)

참고문헌
1)
http://www.comingsoon.net/
2) mindtrans.narod.ru
3)
https://www.youtube.com/watch?v=vWn5nc5AS9s
4) http://www.nextdaily.co.kr
5) Nanoscale, 2015 (7) 16437
6)
http://www.machinedesign.com/
7) https://www.cs.rochester.edu/

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  1. Dr.정 2017.10.18 15:01 신고  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    근데 영화의 범블비도 정말 액츄에이터를 써서 움직인 걸까요?

열전 재료는 온도의 차이를 전류의 흐름으로 바꿀 수 있는 재료를 의미합니다. 이 열전 재료를 이용하여 제작한 열전발전기는 열에너지를 터빈과 같은 다른 기기를 통하지 않고 전기에너지로 변환하기 때문에 효율이 높고, 다양한 폐열(waste heat)을 이용하여 발전을 할 수 있다는 점 때문에 최근 각광받고 있는 분야입니다.

<그림 1> 열전 재료는 온도 차이에 의해 전압 차이를 가져오는 재료입니다. 즉, 전기를 만들 수 있는 재료입니다.<그림 1> 열전 재료는 온도 차이에 의해 전압 차이를 가져오는 재료입니다. 즉, 전기를 만들 수 있는 재료입니다.

 

일반적으로 열전재료로 사용되는 물질은 밴드갭을 가지고 있는 반도체재료입니다. 반도체 재료는 효율은 높지만 매우 딱딱하고 전기전도도가 낮으며 가격이 매우 비쌉니다. 따라서 반도체재료는 몸에 부착할 수 있는 웨어러블 열전발전기로 사용하기에 제약이 있습니다. 이에 많은 연구자들이 유연하고 늘어날 수 있는 열전소자에 대해 연구하고 있습니다. 최근에는 PEDOT:PSS 라는 전도성 고분자와 같은 물질이 좋은 열전 성능을 가진다고 보고가 되고 있습니다. 하지만 고분자 물질의 낮은 제벡계수 때문에 상용화 단계에는 이르지 못하고 있습니다. 또 다른 후보군으로는 탄소나노튜브나 그래핀과 같은 탄소나노재료가 있습니다. 탄소나노재료는 다른 유기재료에 비해 월등히 높은 기계적 물성, 유연성, 전기전도도 등으로 많은 관심을 받고 있습니다. 이러한 이유에서 그래핀이나 탄소나노튜브를 열전 소자로 사용할 수 있다면, 사람의 체온을 이용하여 발전할 수 있는 웨어러블 열전 발전기 등에 적용 할 수 있을 것입니다.

<그림 2> 열전재료로 사용되는 세라믹은 낮은 전기전도도와 딱딱한 성질을 가지고 있지만, 유기물질은 세라믹에 비해 높은 전기전도도를 가지고 유연한 성질을 가지고 있습니다. 특히 탄소나노재료의 경우 매우 우수한 기계적 물성과 전기적 특징을 가지고 있기 때문에 유기열전재료를 포함한 다양한 분야에서 응용이 많이 되고 있습니다.

한국과학기술연구원 광전하이브리드센터의 손정곤, 김희숙 박사님 팀은 반도체 물질이 아닌 그래핀을 열전 재료로 사용하는 연구를 진행하고 있습니다. 하지만 그래핀을 열전재료로 사용하는 것에는 큰 문제점이 있습니다. 바로 열전 성능인 제벡계수가 낮다는 점과 열전도도가 매우 높다는 점입니다. 그래핀의 제벡계수가 매우 낮은 이유는 그 안의 전자 밀도가 높기 때문이며 같은 이유로 열전도도 또한 높습니다, 손정곤 박사님 팀의 오진우 학생은 해당 문제를 해결하기 위해서 그래핀을 나노사이즈로 패턴하였습니다.

<그림 3> 열전재료로 사용하기 위해 그래핀은 높은 전기전도도를 유지한 채, 전자밀도와 열전도도를 낮추어야 합니다.
오진우 학생은 원자 1개 두께를 가지는 그래핀을 나노패턴하기 위해서 블록공중합체(block copolymer)를 이용하였습니다. 블록공중합체를 이용하면 10나노 이하의 복잡한 패턴을 매우 간단하고 빠른 공정으로 제작할 수 있습니다. 오진우 학생은 이것을 이용하여 그래핀으로 나노메쉬(나노 사이즈의 체 형태)를 제작하였습니다.

<그림 4> 블록공중합체를 이용한 패터닝은 블록공중합체가 친수성-소수성 물질로 이루어져 있기 때문에 나타나는 매우 특이한 현상입니다. 이 현상을 이용하면 복잡한 패턴까지 손쉽게 만들 수 있습니다.
그래핀이 나노메쉬가 된다면 열전도도가 급격히 감소하는데 열 전달 매개체인 포논(phonon)이 산란되기 때문입니다. 또한 그래핀 나노메쉬는 밴드차이가 커지며, 따라서 전자밀도가 감소할 수 있습니다. 즉 앞서 단점으로 지적되었던 낮은 제벡계수를 증가시키고 결과적으로 열전 성능을 높이는 것입니다.

<그림 5> 물질이 나노사이즈가 되었을 때 물질의 성질은 완전히 바뀌게 됩니다. 2 차원 물질인 그래핀이 메쉬가 되면 1차원 물질인 그래핀 나노리본과 비슷한 형태가 되며, 특징 또한 크게 바뀌게 됩니다.
해당 연구에서 오진우 연구원은 기존의 그래핀에 비해 최대 40배 좋은 제벡계수를 가지고, 열전도도 역시 기존 대비 30배 이상 낮은 그래핀 나노메쉬를 제작하여 열전소자로서의 한계점을 극복하였습니다.

<그림 6> 40배 이상 좋은 제벡계수를 가지며 30배 이상 낮은 열전도도를 가지는 그래핀 나노메쉬의 모습입니다. 사이즈 조절 등을 통해 높은 성능을 가지는 그래핀 나노메쉬를 제작할 수 있습니다.
물론 그래핀과 탄소나노튜브의 단일 재료로는 열전발전기를 제작할 수 없을 것입니다. 하지만 다른 유기재료 혹은 무기재료와의 복합체를 제작한다면 유연한 웨어러블 열전발전의 가능성을 열었습니다.

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규칙적인 구멍을 형성한 그래핀 메쉬(mesh) 소재, 뛰어난 열전 성능 보여
향후 열에너지를 변환하는 웨어러블, 플렉시블 열전소자에 적용 기대 

 

전자 산업의 급속한 발전으로 웨어러블 및 스마트 밴드와 같은 고성능 모바일 전자기기의 사용이 급증하면서 신(新)개념의 자가발전 에너지 변환재료의 개발 필요성이 증대되고 있다. 그 중 열에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 열전 기술은 향후 원격 의료기기 및 IoT 모바일 기기 등의 자가 전원으로 널리 활용 가능한 기술이다. 최근 국내 연구진이 꿈의 나노 물질인 그래핀에 규칙적으로 구멍을 뚫어 그래핀 나노메쉬(graphene nanomeshes)* 구조를 제작하고 그 특성을 제어하여, 높은 열전성능을 보일 수 있는 열전소자 개발에 성공했다.
*그래핀 나노메쉬 : 그래핀에 미세패터닝을 통한 나노 크기의 규칙적인 구멍을 뚫은 구조

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 손정곤 박사팀은 단일층 혹은 이중층의 그래핀에 마치 연탄처럼 10 나노(nm) 수준의 규칙적인 구멍을 형성하여 그래핀 나노메쉬 구조를 제작했다. 이 구조는 그래핀의 높은 열전도도를 획기적으로 낮추고, 높은 열전계수를 확보할 수 있게 된다. 연구진은 매우 미세한 패턴을 넓은 면적에 균일하게 구현하여 이 구조의 열전도도와 열전 특성을 세계 최초로 측정, 그 특성 변화를 제어하는 기술을 확보했다고 밝혔다.

열전재료의 성능은 온도변화에 따른 기전력 변화인 열전계수와 전기전도도에 비례하며, 열전도도에 반비례한다고 알려져 있다. 그래핀은 기존 소재들과 다른 특이성을 지니고 있는데, 전기전도도와 열전도도가 높고, 열전계수가 비교적 낮아 열전 특성의 극대화에 걸림돌이 되고 있었다.

본 연구진이 개발한 10 나노 수준의 그래핀 나노메쉬 구조는 열을 전달하는 전자는 손실 없이 흐르게 하고, 포논의 움직임이 제어되어 포논 산란(phonon scattering)**만을 선택적으로 유발하여 전기전도도는 유지하면서 열전도도를 획기적으로 낮췄다. 동시에 패턴으로 인해 양자화되면서 밴드갭(band gap)***을 생성하여 열전계수를 증가시켜 열전 성능을 비약적으로 상승시킬 수 있음을 실험적으로 입증하였다.
** 포논 산란 : 결정 내의 주기적인 격자의 진동을 입자로 표현한 포논의 전달 현상이 결정이 왜곡된 부분에서 이동 경로가

                  변경되는 현상
*** 밴드갭 : 반도체, 절연체의 구조에서 전자에 점유된 가장 높은 에너지와 낮은 에너지의 차이

연구진은 주로 이론적인 시뮬레이션을 통해서 여러 구조의 나노패턴이 제안되었던 수준에 그치고 있었던 것을 블록공중합체(block copolymer)****를 기반으로 하는 나노크기의 패턴을 만드는 나노리소그래피(nano-lithography)기술을 통해 10 나노 이하의 대면적 나노 패턴을 그래핀 위에 형성할 수 있었고, 이를 통해 초미세 패턴된 그래핀 소재의 열전달 현상 및 열전 특성의 분석이 가능할 수 있었다.
**** 블록공중합체 : 2종류 이상의 단량체가 AAAA-BBBB의 블록 형태로 연결된 고분자로, 나노구조를 자연스럽게

                         형성할 수 있는 소재

KIST 손정곤 박사는 “본 연구의 그래핀 나노패턴을 통한 열전특성 제어 기술은 최근 대안 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 방법으로 떠오른 플렉시블 저온 열전소자의 적용에 새로운 패러다임을 제시할 것이며, 나노 구조화된 저차원 소재, 유연 열전소재의 원천 연구 및 웨어러블 자가 구동기기의 실현화에 획기적인 해결책이 될 것으로 기대한다”고 연구의의를 밝혔다.

본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 글로벌프론티어연구개발사업, KIST  기관고유연구사업, 국가과학기술연구회(이사장 이상천) R&D 컨버전스 프로그램의 지원으로 수행되었고, 연구 결과는 에너지 분야의 세계적 권위지인 ‘Nano Energy’에 3월 17일(금)자 온라인 판에 게재되었다.

 

   * (논문명) Significantly reduced thermal conductivity and enhanced thermoelectric properties of single- and

                bi-layer graphene nanomeshes with sub-10 nm neck-width
      - (제1저자)  한국과학기술연구원 오진우 박사과정
      - (교신저자) 한국과학기술연구원 손정곤 선임연구원

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