모터 없이 바다 위를…물에 뜨는 인공근육 개발(05.08)

KAIST 오일권 교수·기계연 임현의 박사 공동연구

내구성도 뛰어나…인간근육 대체 가능성도

▲ 왼쪽부터 KAIST 해양시스템공학전공 오일권 교수와 김재환 박사과정생, 임현

의 한국기계연구원 박사. ⓒ 2014 HelloDD.com

국내 연구진이 물에 뜨고 내구성이 뛰어난 인공근육을 개발했다.

모터 없이 물위를 이동하는 것은 물론 장기적으로는 인간의 근육도 대체할 수 있을 것으로 보인다.  

KAIST(한국과학기술원·총장 강성모)는 오일권 해양시스템공학전공 교수팀과 임현의 한국기계연구원 박사가 공동으로 그래핀을 이용해 기존보다 10배 이상 오랫동안 작동하고 물에 뜨는 인공근육을 개발했다고 8일 밝혔다.

인간의 근육을 모방한 이온성 고분자 인공근육은 소음이 없고 구조가 간단하며 단위 부피당 출력이 높아 기계식 모터와 유압식 작동기를 대체할 수 있어 많은 관심을 받아왔다. 그러나 백금 전극 표면에 존재하는 균열로 내부 전해액이 빠져나가 내구성이 부족해 상용화하는데 어려움이 있었다.

오 교수와 임 박사 연구팀은 귀금속인 백금과 비슷한 전기전도성을 가지면서도 그래핀 입자간 거리가 좁은 그래핀 종이를 전극으로 활용했다.

연구팀은 환원된 그래핀 산화물 입자를 두껍게 쌓아 5㎛(마이크로미터·100만분의 1미터) 두께로 제작한 종이형태의 전극을 제작해 액체투과성 실험을 한 결과, 전해액이 거의 빠져나가지 않는다는 사실을 확인했다. 그래핀 입자간 공간이 내부 전해액 이온의 크기보다 좁기 때문이다.

연구팀은 그래핀 전극이 이온성 고분자와 맞닿는 부분엔 레이저 처리를 통해 표면적을 늘려 접착성을 높였다. 이에 따라 인공근육의 움직임에 대한 내구성도 확보했다.

▲ 연구팀이 개발한 그래핀 기반 인공근육(왼쪽)과 그래픽. <사진=KAIST 제공>

기존 백금전극으로 만들어진 인공근육은 4.5V(볼트), 1Hz(헤르츠) 조건으로 실험하면 30분이 지난 후 움직임이 절반 이하로 떨어졌다. 반면 연구팀이 개발한 인공근육은 동일 조건에서 6시간 동안 성능이 지속적으로 유지되며 안정적으로 작동이 가능했다.

이와 함께 전극으로 사용된 그래핀은 물을 밀어내는 성질이 있어 이번에 개발된 인공근육 역시 물에 잘 뜨고 쉽게 구할 수 있고 저렴한 가격으로도 제작할 수 있다고 연구팀은 설명했다.

이처럼 물에 뜨고 내구성이 향상된 인공근육의 원천기술은 앞으로 ▲생체로봇 ▲유연 전자소자 ▲부드러운 햅틱 디바이스 ▲생체 의료기기 등 최근 각광 받고 있는 차세대 핵심 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

오일권 교수는 "이번에 개발한 그래핀 기반 인공근육은 간단히 전극만을 교체해 기존에 알려졌던 작동기의 근본적인 문제를 해결했다"며 "수년 내에 응용전자소자를 개발할 수 있을 것"이라고 말했다.

한편 이번 연구에는 김재환 KAIST 해양시스템공학전공 박사과정생이 참여했으며, 연구결과는 나노 분야의 세계적 학술지 'ACS Nano' 최근호에 게재됐다.