물에 뜨는 성질을 가지면서도 뛰어난 내구성을 자랑하는 인공근육이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 인공근육에 대한 기존의 한계를 다시 한 번 뛰어넘은 쾌거로 기록될 이번 연구는 향후 로봇의 움직임을 구현하거나 사람의 근육을 대체하는 용도로 다양하게 활용될 수 있을 것으로 전망돼 로봇계의 주목을 끌고 있다.

연구팀이 개발한 그래핀 기반 인공근육

내구성이 뛰어나면서도 물에 뜨는 인공근육이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 이는 모터 없이도 로봇을 움직이는데 활용될 수 있으며, 향후 인간의 근육도 대체가능할 것으로 기대를 모으고 있다.

인공근육이 6V 전압을 인가했을 시 작동하는 모습

10배 이상 오래 작동하면서도 물에 뜨는 인공근육
KAIST 해양시스템공학전공 오일권 교수와 김재환 박사과정 학생은 한국기계연구원 임현의 박사와 공동으로 그래핀을 이용해 기존보다 10배 이상 오랫동안 작동할 수 있으면서도 물에 뜨는 인공근육을 개발했다.
이 연구는 최근 다각적으로 펼쳐지고 있는 국내 인공근육 연구의 의미 있는 성과로, 나노 분야 세계적 학술지 ‘ACS Nano’에 연구 결과가 게재되는 영예도 함께 안으며 쾌거를 거두기도 했다.

입자간 간격 좁혀 상용화 가능성 제시
지금까지 진행됐던 인간 근육을 모방한 이온성 고분자 인공근육의 경우, 소음이 없고 구조가 간단한 것은 물론 단위 부피당 출력이 높아 기계식 모터와 유압식 작동기를 대체할 수 있는 기술로 많은 관심을 받아왔다.
하지만 이 구조는 백금 전극 표면에 존재하는 균열을 통해 내부 전해액이 빠져나가게 되면서 내구성에 한계를 갖게 돼 상용화가 어렵다는 문제가 끊임없이 제기되기도 했다.
이를 해결하기 위해 오 교수 연구팀은 귀금속인 백금과 비슷한 전기전도성을 가지면서도 그래핀 입자간 거리가 좁은 그래핀 종이를 전극으로 활용해 인공근육 개발에 나선 것으로 알려졌다.
연구팀은 “환원된 그래핀 산화물 입자를 두껍게 쌓아 5㎛(마이크로미터, 100만분의 1미터) 두께로 제작한 종이형태의 전극을 제작해 액체투과성 실험을 한 결과 전해액이 거의 빠져나가지 않았다”며 기술의 배경을 전했다. 이러한 결과가 가능했던 것은 내부 전해액 이온의 크기보다 그래핀의 입자간 공간이 좁기 때문이었다.

기존 무전해 도금으로 제작된 이온성 고분자-금속 복합체 작동기(上)와
연구팀이 개발한 환원된 그래핀 산화물 페이퍼 전극 기반의 이온성 고분자
-그래핀 복합체 작동기(下)

보다 안정적인 근육 움직임 가능
또한 연구팀은 그래핀 전극이 이온성 고분자와 맞닿는 부분에 레이저 처리를 함으로써 표면적을 늘려 접착성을 높이기도 했다. 이에 따라 인공근육은 움직임에 대한 내구성도 충분히  확보할 수 있었다.
연구팀은 “기존 백금전극으로 만들어진 인공근육을 4.5V(볼트), 1㎐(헤르츠) 조건으로 6시간 동안 실험한 결과, 30분이 지난 후 움직임이 절반 이하로 떨어졌다”며 “반면 이번에 개발한 인공근육은 동일 조건에서도 성능이 지속적으로 유지되며 안정적으로 작동이 가능했다”고 기술을 우수성을 밝혔다.
뿐만 아니라 이 인공근육의 전극으로 사용된 그래핀은 물을 밀어내는 성질도 갖추고 있어 개발된 인공근육 역시 물어 잘 뜨고 쉽게 구할 수 있다는 장점도 함께 가지게 됐다.
관계자는 “저렴한 가격으로도 제작이 가능한 인공근육이 탄생했다”며 “우수한 기술력을 갖춘 인공근육의 상용화가 머지않았다”는 기대감을 전하기도 했다.
이처럼 물에 뜨고 내구성이 향상된 인공근육의 원천기술은 향후 △생체로봇 △유연 전자소자 △부드러운 햅틱 디바이스 △생체 의료기기 등 최근 각광 받고 있는 차세대 핵심 분야에 응용될 수 있을 것으로 전망된다.
이번 연구를 주도한 오일권 교수는 “이번에 개발한 그래핀 기반 인공근육은 간단히 전극만을 교체해 기존에 알려졌던 작동기의 근본적인 문제를 해결했다”며 “수년 내 응용전자소자를 개발할 수 있을 것”이라고 연구에 대한 소감을 전했다.

레이저 처리한 환원된 그래핀 산화물 페이퍼 전극 제작과정

(a) 물이 전해액일 때의 IPMC 작동기와 IPGC 작동기의 성능 지속성 실험 결과
(b) 60℃의 오븐에서 12시간 이상 건조 후 실험 결과
(c),(d)이온성 액체가 전해액일 때의 IPMC 작동기와 IPGC 작동기의 성능 지속성 실험 결과
(e),(f) IPGC 작동기의 굽힘 거동 성능과 곡률

KAIST www.kaist.ac.kr