바이오인

ㅇ 전기모터 및 액추에이터는 전기차와 더불어 로봇 혁명의 핵심 부품으로 활발히 연구되고 있지만, 작동원리의 특성상 부피가 크고 단단하고 무거울 수밖에 없다는 근원적인 한계를 가진다. 이러한 한계를 극복하자 다양한 생명체 또는 사람의 근육의 움직임을 모방하는 인공근육 (소프트 액추에이터)에 대한 연구가 주목을 받고 있다. 그러나 보고된 전기 구동 소프트 액추에이터의 경우 그 성능이 낮거나 작동에 높은 전압 (수 kV)이 필요해 그 응용이 제한되어 왔다. 그래서 실제 보고된 소프트 액추에이터 기반 차세대 로봇들은 그 크기 (7cm 이상)가 클 수밖에 없었다. 즉, 저전압/저전력에서 높은 성능을 보이는 소프트 액추에이터의 개발이 필수적이라고 할 수 있다.

ㅇ 하이드로젤은 유망한 자극감응성 연성재료로, 미래형 로봇을 위한 소프트 액추에이터 재료로 주목받고 있다. 하지만 기존에 보고된 하이드로젤 기반 소프트 액추에이터의 경우 그 속도가 아주 느리고 제어가 어렵다는 한계를 가지고 있다. 전기자극을 사용할 경우 그 한계를 극복할 수 있다는 가능성이 알려져 있지만, 하이드로젤 전극 제작 기술의 한계로 효율적인 전지자극을 줄 수 있는 방법이 제한되어왔다. 따라서, 새로운 하이드로젤 전극 제작 기술은 기존의 소프트 액추에이터의 한계를 극복할 수 있는 핵심 기술이 될 것이다.

ㅇ 본 연구에서는 핵심기술로 친수/소수성 계면의 나노입자 상온 소결 현상을 이용한 고전도/고신축성 하이드로젤 전극 제작 기술을 제안한다. 해당 현상을 바탕으로 금나노입자의 단일 용액 공정으로 하이드로젤 표면에 다공성 전극층을 균일하게 코팅할 수 있게 되고, 이후 하이드로젤의 수축현상을 이용하여 전극충의 주름구조를 유도하여, 고전도/고신축성의 주름진 다공성 전극을 하이드로젤 표면에 안정적으로 형성시킬 수 있게 된다. 이렇게 제작된 하이드로젤 기반 전극은 기존의 제조 방법으로 이룰 수 없었던 높은 수준의 전기 전도도와 기계적 신축성을 동시에 얻을 수 있었다.

ㅇ 독특하게도 코팅된 주름진 다공성 전극층을 통해 하이드로젤 내부에 전기장을 가해줄 경우, 기존에 하이드로젤에서 발견하기 어려웠던 전기삼투 현상을 발견할 수 있었다. 전기삼투 현상은 전위차에 따라 이온성 유체가 이동하는 현상으로 보통 이온성 유체를 포함하는 다공성재료에 전기장을 가해주면 특정 전기장 방향으로 유체가 이동하는 현상이 발생하게 된다. 특히, 이 전기삼투를 하이드로젤 내부에서 낮은 전압 (3V 이하)에서 높은 효율로 발생하는 것을 확인하였고, 이를 바탕으로 하이드로젤의 변형을 유도하여, 소프트 액추에이터로 사용될 수 있음을 확인할 수 있었다.

ㅇ 해당 작동원리는 기존에 보고되지 않았던 것으로, 실제성능은 기존의 하이드로젤 기반 액추에이터에 비해 100배 이상의 에너지 밀도와 10배 이상의 출력 밀도를 가지는 것을 확인할 수 있었다. 뿐만 아니라, 기존에 보고된 전기구동 소프트 액추에이터가 높은 전압 (수 kV)이 요구되는 것에 비하면, 구동전압이 3 V이하로, 배터리로도 구동 가능한 소프트 액추에이터로 새로운 가능성을 제시한 것이라고 할 수 있다. 특히나, 작은 배터리와 회로만으로도 높은 성능을 보이기 때문에, 실제 로봇시스템에 적용 하였을 시 크기는 가장 작으면서 빠른 초소형 수상 로봇을 제작할 수 있었다.

ㅇ 핵심 기술인 하이드로젤 전극 제작 기술은 기존에 보고된 방법으로 힘들었던, 고전도도/고신축성 전극을 다양한 하이드로젤에 안정적으로 코팅할 수 있는 기술로, 향후 다양한 분야에 응용이 가능할 것이다. 특히, 다양한 기능성 하이드로젤에도 쉽게 적용하여 전자소재화 할 수 있는 기술로 차세대 전자/바이오 디바이스들의 핵심 부품을 제작하는데 활용 가능할 것이다.

ㅇ 핵심 성과인 저전압/저전력 구동 고성능 소프트 액추에이터의 개발은 기존의 소프트 액추에이터의 근본적인 한계를 극복한 새로운 개념의 소프트 액추에이터로, 향후 다양한 환경탐사로봇, 능동형 메디컬 부착형/삽입형 디바이스 등에 응용가능 할 것이다.