초저전력으로 34배의 큰 힘을 내는 이온성 고분자 인공근육

이온성 고분자 인공근육 모식도

기존의 모터 기반 스위치의 한계를 극복하고 초저전력으로 구동되는 이온성 고분자 인공근육을 개발함으로써 새로운 기술적 발전을 이룬 연구가 최근에 알려졌다. 오일권 교수 연구팀이 주도한 이 연구는 소프트 로봇, 의료기기, 웨어러블 장치 등에 적용 가능한 유체 스위치를 제작하는 데 성공했다. 

연구팀이 개발한 이 인공근육은 금속 전극과 이온성 고분자로 이루어져 있으며, 무게 대비 34배의 큰 힘을 낼 수 있다. 이 연구 결과는 '사이언스 어드밴시스'에 게재되었으며, 한국연구재단의 지원을 받아 수행되었다. 이 기술은 소프트 일렉트로닉스와 미세유체공학 분야에서 새로운 가능성을 열어줄 것으로 기대된다.

 

< (왼쪽부터) 기계공학과 유현준 박사과정, 오세웅 박사과정, 만마싸 마하토 연구교수, 오일권 교수 >

 

 

 

초저전력으로 구동되는 이온성 고분자 인공근육의 개발

우리 일상에 스며든 소프트 로봇, 의료기기, 웨어러블 장치 등에 적용할 수 있는 초저전력으로 구동되는 이온성 고분자 인공근육을 이용한 유체 스위치가 개발되었다. 이 유체 스위치는 유체 흐름을 제어하여 특정 방향으로 유체가 흐르도록 해 다양한 움직임을 유발한다.

< 그림 1. 초저전압에서 연성 유체 스위치를 사용하여 유체 방울을 분리하는 모습 >

 

연구팀의 성과 및 연구 목적

우리 대학 기계공학과 오일권 교수 연구팀은 이러한 초저전력에서 작동하며 협소한 공간에서 사용할 수 있는 소프트 유체 스위치를 개발했다고 발표했다.

 

 

인공근육의 원리 및 응용

인공근육은 인간의 근육을 모방하여 유연하고 자연스러운 움직임을 제공한다. 이는 전기, 공기 압력, 온도 변화 등 외부 자극에 반응하여 움직임을 생성하는데, 이 움직임의 정교한 제어가 중요하다.

 

 

기존 모터 기반 스위치의 한계와 새로운 접근

기존의 모터 기반 스위치는 딱딱하고 부피가 커서 제한된 공간에서의 사용이 어려웠다. 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 이온성 고분자 인공근육을 개발하고 이를 소프트 유체 스위치로 활용했다.

< 그림 2. 전기 활성 연성 유체 스위치의 공통 전극-전해질 호스트로서 pS-COF의 합성 및 사용. A, pS-COF의 합성 모식도. B, 전기화학 소프트 스위치의 작동 원리에 대한 개략도. C, 동적 동작에서 유체 흐름을 제어하기 위해 pS-COF 기반 전기화학 소프트 스위치를 사용하는 모식도 >

 

이온성 고분자 인공근육의 특징 및 연구 결과

연구팀이 개발한 이온성 고분자 인공근육은 금속 전극과 이온성 고분자로 구성되어 있으며, 전기에 반응하여 힘과 움직임을 발생시킨다. 이 인공근육은 초저전력에서 구동하면서 무게 대비 큰 힘을 낼 수 있도록 특별한 구조체를 활용하였고, 이를 통해 낮은 전력으로 유체 흐름 방향을 정교하게 제어하는 데 성공했다.

 

 

오일권 교수의 연구 주도 및 기술의 응용 가능성

이번 연구를 주도한 오일권 교수는 초저전력으로 작동하는 전기화학적 연성 유체 스위치의 중요성을 강조했다. 그는 이 기술이 소프트 로봇, 소프트 일렉트로닉스, 미세유체공학 분야에서 새로운 가능성을 제시할 수 있다고 말했다. 또한, 스마트 섬유에서 생체 의료 기기에 이르는 다양한 분야에서 초소형 전자 시스템으로 쉽게 적용될 수 있는 잠재력을 갖고 있다고 설명했다.

< 오일권 교수 연구팀 사진 >

 

연구의 학술적 공표

기계공학과 연구 교수인 만마싸 마하토 박사가 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 2023년 12월 13일에 국제 학술지 '사이언스 어드밴시스 (Science Advances)'에 게재되었다. 논문의 제목은 "Polysulfonated Covalent Organic Framework as Active Electrode Host for Mobile Cation Guests in Electrochemical Soft Actuator"이다.

 

 

연구 지원 및 후원

이 연구는 한국연구재단의 리더과학자지원사업(창의연구단)과 미래융합파이어니어 사업의 지원을 받아 수행되었다. 이러한 지원은 연구의 진행과 결과 도출에 중요한 역할을 했다.