자연모사 기반 고출력 하이드로 액추에이터 개발

최창순 동국대 융합에너지신소재공학과 교수(교신저자)와 천성우 고려대 전자및정보공학과 교수(공동 교신저자)가 이끄는 연구팀이 기존 하이드로 액추에이터의 한계를 뛰어넘는 강력하고, 빠른 전열 복구(electrothermal recovery)가 가능한 고출력 하이드로 액추에이터를 개발하는 데 성공했다.

쥐손이풀과 식물의 줄기는 평소 곧고 긴 모양을 하고 있지만, 건조한 환경이 되면 스스로 꼬여 스프링 형태가 된다. 꼬임이 한계에 다다르면 씨앗을 퍼트리게 위해 튕겨져 나가는데, 비가 내릴 때 물방울과 만나 빙빙 회전하면서 땅속을 드릴처럼 파고 들어간다. 최창순 교수 연구팀은 이처럼 수분에 반응하여 기계적 움직임을 발생시키는 식물의 회전 원리를 모사하여 섬유형 하이드로 액추에이터(hydro-actuator)를 개발했다.

액추에이터는 스위치나 모터처럼 전기적 신호 변화를 이용해 물리적 상태를 바꿔주는 장치를 말한다. 특히, 수분에 반응하는 섬유형 하이드로 액추에이터는 주변의 물을 자극원으로 하여 실처럼 부드러운 특성 덕분에 소프트 로봇 분야 등 다양한 분야에 활용성이 높다. 하지만 지금까지 보고된 하이드로 액추에이터는 민감한 반응에 비해 현저히 느린 회복 과정 때문에 총 작동시간 기준 출력값이 매우 낮은 한계가 있었다.

이를 해결하기 위해, 연구팀은 물과 반응 후 스스로 다시 꼬이는 국화쥐손이 식물의 움직임으로부터 영감을 받아, 액추에이터에 빠른 전열 복구가 가능하도록 설계했다. 이렇게 개발된 액추에이터는 높은 물 반응성과 전열 특성을 동시에 보유한 탄소나노튜브 섬유를 바탕으로 5볼트의 인가전압에서 기존 하이드로 액추에이터의 약 120배(143.8W/kg)에 버금가는 초고출력 밀도, 15배(6초) 의 빠른 구동 속도를 보였다. 반복 싸이클 테스트를 통해 매우 높은 내부 온도(102oC)에도 성능 저하가 없는 우수한 기계적 열적 내구성을 보였다.

최창순 교수는 “이번 연구는 민감한 수분 반응성을 보이게 처리한 탄소나노튜브 섬유의 우수한 전열 특성을 이용하여 고성능의 하이드로 엑추에이터를 구현한 것에 의미가 있다”며 “새롭게 개발한 전열 복구 하이드로 액추에이터는 매우 강하고 작동이 빠르기 때문에 인공근육, 스마트 직물, 의수, 인공 손가락 등 산업계와 생체의학을 아우르는 융복합 분야에 활용될 수 있을 것”이라고 기대감을 나타냈다.