액추에이터는 기본적으로 체적 혹은 무게 당 파워밀도가 커야 된다. 복잡한 동작을 요구하는 로봇의 동력은 자유도에 따라 여러 개의 소자를 사용해야 하며, 이로 인해 로봇 전체가 무거워 진다. 이때 생물의 근육이 로봇용의 이상적인 액추에이터로서 생각되며, 근육을 모방한 인공재료 시스템, 즉 인공근육을 목표로 한 연구가 추진되고 있다.
근육을 액추에이터에 비유하자면 그 특성은 골격근의 경우 효율(~40%), 신축율(~20%)을 비롯해 응답성 0.1초, 응력 350kPa라 할 수 있으며, 신축에 따른 강성의 변화도 고려되어야 한다. 또한 이러한 수치들이 고작 수십mV의 전기신호에서 동작하며, 내장된 ATP의 화학결합 에너지를 사용해 작업을 수행한다. 더불어 반복 내구성은 심근을 예로 들 경우 109회 이상, 비중은 1에 가깝고, 가벼우면서도 다양한 치수나 형상의 생물, 기관을 구동할 수 있다.
현재 연구되고 있는 주된 전기구동 고분자 액추에이터는 이온 도전성 고분자, 도전성 폴리머, 카본나노튜브, 전왜 폴리머, 유전 엘라스토머 등이 있으며 고분자 재료 또는 고분자 재료와 금속의 복합체로 구성되어 전압에 따라 변형되는 재료를 액추에이터로 사용한다.
고분자의 특징은 가공성이 뛰어나고 경량이며 연질로서 소형화가 용이하다. 또한 센서나 구조재료와 일체화 될 수 있다는 점 또한 장점이다. 구동원리로는 크게 전장 구동형과 전류 구동형으로 구분되고, 전자는 유전체를 기반으로 한 고분자 재료로 구동원리가 전의 현상이나 정전 효과를 이용한 것이며, 후자는 도전성 재료를 기반으로 하여 산화환원전류 또는 전기 2중층의 충전 및 방전전류에 기초한 이온류에 의해 고분자가 변형되는 원리를 이용한다.
특히 전압 구동형은 신축률, 작업밀도, 효율 등 여러 면에서 장점이 많아 오히려 근육보다 뛰어나지만 단지 전압이 지나치게 고압이라 실용화에 문제가 있다는 단점이 있다.
전류 구동형은 응답성이 이온 이동으로 제어된다는 문제가 있지만 구동전압이 1V 정도로, 고분자 액추에이터의 가공성, 경량, 콤팩트한 점이 조합되어 타 액추에이터보다 사용이 용이하다.
고분자 액추에이터 재료
▲이온 도전성 고분자 액추에이터
고분자 전해질 겔 액추에이터의 일종이다. 고분자 전해질 겔인 나프 이온 등의 이온교환수지에 전극을 접합한 구조를 지니며, 전극 간에 전압을 인가하면 전극에 전기 침투류에 의한 체적변화와 전극에 흡착한 이온에 의해 발생되는 침투압 그리고 정전기력이 구동력이 되어 굴곡변형이 된다.
전극은 금, 백금을 무전해도금하는 방법이나 금속산화물 및 카본입자의 이혼교환수지 분산액을 도포하는 방법이 있다. 이온교환수지는 나프 이온, 프레미온 등의 불소계 이온교환수지가 사용되지만 탄소 이온교환수지 등에 관해서도 연구되고 있다. 응답특성은 저전압 구동(3V 이하)에 응답속도가 비교적 빠르고(~100Hz) 변형도 크다.
구동 특성은 이온교환수지에 포함되는 용매 및 이온에 크게 의존하며 용매는 실온에서 액체 상태인 염으로, 더불어 난휘발성인 이온 액체를 사용하여 공중에서 코팅 없이 사용할 수 있다. 기본적으로 변형은 굴곡이며 응답성, 발생력, 변위 등은 소자의 두께에 의존한다.
▲ 도전성 고분자 액추에이터
도전성 고분자는 전자 또는 홀 등의 도전 캐리어를 이중결합의 공역계를 통해 흘림으로써 전자도전성을 나타내는 고분자이다.
여러 가지가 합성되어 전해 콘덴서, 2차 전지, 유기EL 등에 이미 응용되고 있으며, 전해질 중에서 산화환원반응을 통해 도전성 고분자에 도전 캐리어를 주입시켰을 때 카운터 이온이 고분자 내에서 도핑되어 큰 체적변화를 일으킨 부분을 액추에이터로 연구하고 있다.
포리아니링, 포리피로르, 포리티오펜 등이 도전성 고분자 액추에이터의 주된 재료이며 최적조건은 뛰어난 액추에이터 성능, 저전압 구동(<2V), 발생력(5MPa), 고변형률(10%)로 표시한다. 통상적으로 전해액 중에서 도전성 고분자 및 대전극을 담가 대전극에 전류를 흘림으로써 액추에이터를 구동시킨다.
디바이스화를 위해 전해액을 겔화 하고 도전성 고분자를 전극으로서 접합시켜 바이모르프형 소자의 개발을 추진하고 있다. 이때 전극과 전해질 겔의 박리가 반복되어 내구성의 문제가 있지만 도전성 고분자와 전해질 겔의 상호함입구조로 내구성을 향상시키는 연구를 하고 있다.
▲ 카본나노튜브
도전성 고분자처럼 전해액 중에 카본나노튜브로 된 전극과 대전극을 담가 대전극에 대해 전압을 인가하면 카본나노튜브가 신축됨을 알 수 있다. 이 메커니즘은 도전성 고분자와 달리 전기 이중층 충방전을 수반하는 이온이동에 의한 카본나노튜브 전극의 신축응답인 것이다.
탄소나노튜브는 단층과 다층이 있으며 또 단분자, 필름, 파이버 등 여러 가지 형상의 것이 합성되어 있지만 무엇이든 신축현상이 있다.
탄소나노튜브와 이온액체 및 폴리머로 된 전극과 이온액체 겔로 된 바이모르프형 소자가 개발됐다. 이 소자는 공중이동이 가능하며 저전압 구동(<3V), 고발생력(10MPa), 충분한 변형률(2%)을 나타내고 있다. 응답의 원리는 전극층에 이동한 이온의 체적효과에 의한 전극층의 신축 때문으로 생각된다. 한편 캐스팅 등으로 성형이 가능하며, 실용적인 소자로 개발되고 있다.
▲ 전왜 고분자 액추에이터
불화비니리덴 공중합체 등의 강유전체 폴리머에서는 역압전성이 나타난다. 전압을 인가함에 따라 배향한 분자쌍극자가 반전해 변형을 일으키며, 이 변형현상은 비선형 현상으로 변형량이 매우 작다. 이 재료에 전자조사 등을 실시하면 배향한 분자쌍극자의 결정구조에 결함을 넣는 것으로 선형에 큰 전기기계 응답을 얻을 수 있게 되어 미국을 중심으로 연구가 추진되고 있다. 구동원리는 유전 엘라스토머처럼 전극 간 Maxwell 응력 및 Maxwell 응력과 같은 전압의 2승에 비례하는 전왜 효과에 따른다. 양전압이나 음전압에서도 같은 방향에 수축 응답을 나타낸다. 구동전압은 50V/㎛ 이상 필요하지만 뛰어난 특성의 소자 연구가 추진되고 있다.
▲ 유전 엘라스토머
유전 엘라스토머는 실리콘, 아크릴, 폴리우레탄 등의 범용 엘라스토머에 카본 등의 전극을 도포한 구조를 지니고 있다.
전극 간에 1kV 이상의 전압을 인가함으로써 전극간의 Maxwell 응력과 엘라스토머의 탄력성으로 변형이 생긴다. 전극을 신축성이면서도 더욱 탄력성을 가질 수 있는 형으로 도포하는 기술과 엘라스토머를 늘려 엷게 하고 내전압성을 높이는 기술(프리스트레인)에 의해 신축성, 응답속도, 에너지 밀도도 근육을 훨씬 능가하는 특성의 액추에이터가 개발됐다.
이것은 단지 프리스트레인을 실행했을 때의 값으로, 고분자 본래의 형상 고유성은 프리스트레인 틀에 의해 나빠진다. 또한 kV의 고전압이 필요해 승압이 필요하며, 보다 높은 안전성이 필요하기 때문에 시스템 자체가 커진다. 유전 엘라스토머 액추에이터의 시스템을 생각하면 작업밀도 및 효율성이 크게 떨어질 수밖에 없기 때문에 프리스트레인이 필요치 않는 엘라스토머나 저전압에서 가동되는 소자의 연구개발이 필요하다.
고분자 액추에이터를 소프트 액추에이터라는 새로운 분야에 응용하기 위해서는 가공, 제어기술 등의 개발이 필요하다.
우선 어플리케이션에 맞춘 유한요소법 등을 사용해 시뮬레이션을 실행시켜 필요한 고분자 액추에이터를 디자인하고, 이에 따라 폴리머의 성형, 전극형상, 패터닝을 실시한 후 플렉시블 전선을 사용해 센서제어 컨트롤 회로 등과의 인티그레이션을 실행해 디바이스를 제작한다. 다음은 몇 가지 응용사례들이다.▲ 로봇여러 동물의 움직임을 모방한 바이오 미매틱 로봇의 연구가 고분자 액추에이터를 사용해 추진되고 있고, 특히 수중마이크로 로봇의 연구가 이온도전성 고분자 액추에이터, 도전성 고분자 액추에이터를 사용해 연구되고 있으며, 재활용 지원을 목적으로 한 엘라스토머 액추에이터를 사용해 연구하고 있다. 그 외에도 우주 분야에서의 응용과 센서 및 발전에도 응용된다.▲ 촉각 디바이스고분자 액추에이터의 경량 및 박형의 특성을 살려 각종 사용자의 촉각에 의한 점자 디바이스가 개발되고 있다. 특징은 피에조 바이모르프 액추에이터를 사용한 기존제품과 비교해 점자의 핀을 구동하기 위한 액추에이터의 소형화를 시작으로 복수형 표시의 페이지 디스플레이가 가능하다. 또한 검자 뿐만 아니라 속도 등의 촉각 페이지 디스플레이 개발이 가능하다.▲ 의료 복지 디바이스카테터 선단의 전기신호를 컨트롤하기 위한 디바이스가 고분자 액추에이터 개발 초기부터 연구가 진행되었고, 이후 체내에서 사용되는 제품은 전류구동형의 이온도전성 고분자, 도전성 고분자 액추에이터를 사용해 연구 및 개발되고 있다. 또한 의료에 응용되는 미니 폰도 연구가 추진되고 있다.
한국과학기술정보연구원
전문연구위원 마규하
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