(대전=세종충청뉴스) 송윤영 기자 = 우리 일상에 스며든 소프트 로봇, 의료기기, 웨어러블 장치 등에 적용시킬때 초저전력으로 구동되며 무게 대비 34배의 큰 힘을 내는 이온성 고분자 인공근육을 이용한 유체 스위치가 개발됐다. 유체 스위치는 유체 흐름을 제어함으로써 특정 방향으로 유체가 흐르게 하여 다양한 움직임을 유발하도록 한다.

KAIST(총장 이광형)는 기계공학과 오일권 교수 연구팀이 초저전력에서 작동하며 협소한 공간에서 사용할 수 있는 소프트 유체 스위치를 개발했다고 4일 밝혔다. 

인공근육은 인간의 근육을 모방한 것으로 전통적인 모터에 비해 유연하고 자연스러운 움직임을 제공해 소프트 로봇이나 의료기기, 웨어러블 장치 등에 사용되는 기본 소자 중 하나이다. 이러한 인공근육은 전기, 공기 압력, 온도 변화와 같은 외부 자극에 반응하여 움직임을 만들어 내는데, 인공근육을 활용하기 위해서는 이 움직임을 얼마나 정교하게 제어하는지가 중요하다. 

또한 기존 모터를 기반으로 한 스위치는 딱딱하고 큰 부피로 인해 제한된 공간 내에서 사용하는데 어려웠다. 이에, 연구팀은 좁은 관 속에서도 큰 힘을 내며 유체 흐름을 제어할 수 있는 이온성 고분자 인공근육을 개발하여 이를 소프트 유체 스위치로써 활용하였다.

연구팀이 개발한 이온성 고분자 인공근육은 금속 전극과 이온성 고분자로 구성되어 있으며, 전기에 반응하여 힘과 움직임을 발생시킨다. 초저전력(~0.01V)에서 구동하면서 무게 대비 큰 힘을 낼 수 있도록 인공근육 전극의 표면에 유기 분자가 결합하여 만든 다공성의 공유결합성 유기 골격구조체 (pS-COF)를 활용했다. 

그 결과, 머리카락 정도의 얇은 180 m의 두께로 제작된 인공근육은 가벼운 무게 (10mg) 대비 34배 이상의 큰 힘을 내며 부드러운 움직임을 보였고, 이를 통해 연구팀은 낮은 전력으로 유체 흐름 방향을 정교하게 제어하는데 성공했다.

이번 연구를 주도한 오일권 교수는 “초저전력으로 작동하는 전기화학적 연성 유체 스위치는 유체 제어를 기반으로 하는 소프트 로봇, 소프트 일렉트로닉스, 미세유체공학 분야에서 많은 가능성을 열어줄 수 있다”며, “스마트 섬유에서 생체 의료 기기에 이르기까지, 이 기술은 우리 일상에서 초소형 전자 시스템에 쉽게 적용함으로써 다양한 산업현장에서 즉시 활용할 수 있는 잠재력을 지니고 있다”고 말했다.

KAIST 기계공학과 연구 교수인 만마싸 마하토 박사가 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 2023년 12월 13일에 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴스드 (Science Advances)’에 게재됐다. (논문명: Polysulfonated Covalent Organic Framework as Active Electrode Host for Mobile Cation Guests in Electrochemical Soft Actuator)

이번 연구는 한국연구재단의 리더과학자지원사업(창의연구단)과 미래융합파이어니어 사업을 지원받아 수행되었다. 

* 논문DOI : https://www.science.org/doi/abs/10.1126/sciadv.adk9752
□ 연구개요
1. 연구 배경
유체 스위치는 특정 방향으로 유체가 흐르도록 제어함으로써 서로 다른 액체를 선별하거나, 유체의 흐름을 통해 또 다른 형태의 움직임을 유발하는 데 사용된다. 기존 모터를 기반으로 한 스위치는 무거운 무게와 큰 부피로 인해 협소한 공간에서 사용하기 불가능하다. 따라서, 기존 모터 기반의 스위치는 전자 및 생체 시스템 내 협소한 관에 사용하는데 어려움을 보였다. 이에, 연구팀은 협소한 공간에서도 큰 힘을 발생시켜 유체의 흐름을 제어할 수 있는 소프트 유체 스위치를 개발하고자 하였다. 

연구팀은 초소형의 소프트 인공근육을 개발하여 소프트 유체 스위치로서 응용하고자 하였다. 소프트 인공근육은 작고 가벼우면서 부드러운 움직임을 낼 수 있다. 특히, 이온성 고분자를 기반으로 한 인공근육은 전기 활성화된 고분자 재료를 기반으로 하여 전기 자극을 받을 때 변형되거나 움직여 힘을 발생시킨다. 이온성 고분자 인공근육은 실제 근육과 유사한 방식으로 작동하고 높은 유연성과 경량성을 가져 로봇공학, 의료용 장치, 웨어러블 기술 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다. 하지만, 작동 전력, 힘, 변위 등 구동 성능에서 일부 한계를 보여 이온성 고분자 인공근육을 유체 스위치로서 응용하는 데 어려움이 있었다.

이에 연구팀은 이온성 고분자 인공근육의 전극 표면에 기능성 나노 물질을 활용해 저전력에서도 큰 힘을 내고, 빠른 반응 속도를 통해 유체의 흐름을 효과적으로 제어할 수 있도록 하였다.

2. 연구 내용
본 연구는 이온성 고분자 인공근육을 구성하는 전극과 이온성 고분자 사이의 이온교환을 촉진 시켜 빠른 반응 속도를 갖고, 낮은 전력에서도 높은 변형을 갖도록 개발하고자 하였다. 이를 위해 설포네이트 (sulfonate) 작용기를 갖는 다공성의 공유 유기 골격체 (pS-COF)라는 새로운 기능성 나노 물질을 합성하여 이온성 고분자 인공근육의 전극으로서 활용하였다.

pS-COF는 다공성의 구조 내에 다량의 이온을 함양할 수 있고, 설포네이트 (sulfonate) 표면 작용기를 갖음으로써 원활한 이온교환을 유발할 수 있다. 따라서, 이를 이온성 고분자 인공근육의 전극으로써 활용하면 180m의 얇은 두께와 10mg의 가벼운 무게로도 무게 대비 34배 이상의 큰 힘을 낼 수 있게 된다. 또한, 빠른 이온교환을 통해 기존 이온성 고분자 인공근육 대비 빨라진 반응 속도를 구현하고, 5 Hz 속도의 반복된 구동에서도 안정적인 움직임을 보이도록 개발하였다. 

이를 통해, 협소한 관 내에서 이온성 고분자 인공근육을 활용하여 서로 다른 두 액체의 흐름을 정밀하게 제어함으로써 두 액체를 공간적으로 분리시킬 수 있는 소프트 유체 스위치의 높은 정밀도와 뛰어난 성능을 보여주었다.

3. 기대 효과
본 연구를 통해 개발된 이온성 고분자 인공근육은 초소형 전자 및 생체 시스템을 구성하는 유체 채널의 흐름을 제어하는 소프트 스위치로써 활용할 수 있다. 본 연구를 통해 개발된 이온성 고분자 인공근육은 매우 가벼우면서도 작아 협소한 공간에서 높은 정밀도를 가지면서 유체의 흐름을 제어할 수 있다. 따라서 이를 통해, 유체 흐름제어를 통해 부드럽게 작동하는 소프트 로봇, 마이크로유체채널을 갖는 전자 칩, 생체 내 혈액의 흐름을 제어하는 판막 등 로봇, 전자, 바이오 등 다양한 산업현장에 응용이 가능할 것으로 기대된다.

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