30% 수축해 1㎏ 들었다…국립부경대 인공근육 개발

액정 닮은 분자 연결체 PBB-TT 설계
고온에서 물러지는 소재 약점 보완
필름 재접합 뒤 기능 회복도 확인

국립부경대 김대석 교수팀이 설계한 비등방성 가교제의 분자 구조와 액정 엘라스토머 인공근육의 수축·하중 실험 결과를 나타낸 모식도.(자료=국립부경대학교 제공)

국립부경대 연구진이 전기로 열을 가해 1㎏짜리 하중을 들어 올리는 액정 엘라스토머 인공근육을 개발했다.

고분자공학전공 김대석 교수팀은 고분자 사슬을 잇는 가교제의 모양과 방향성을 바꿔 높은 온도에서 힘이 떨어지는 기존 소재의 약점을 보완했다.

액정 엘라스토머는 열이나 빛을 받으면 줄어드는 물질이다. 그러나 수축이 활발한 온도에서는 재료가 무르게 변해 무게를 버티기 어려웠다.

연구진은 막대 모양의 액정 메소겐을 본뜬 비등방성 가교제 'PBB-TT'를 설계했다. 분자 사이의 연결 부위가 힘을 받치고 전달하도록 만들면서도 유연한 부분을 남겨 액정의 움직임을 방해하지 않게 했다.

새 소재는 하중이 걸린 상태에서 30% 이상 줄어들었고 반복 작동에서도 성능을 유지했다. 전기 가열 장치를 결합한 시제품은 실제로 1㎏을 들어 올렸다.

남아 있는 광반응성을 이용해 접착제 없이 필름끼리 붙이는 방법도 구현했다. 이를 바탕으로 물체를 집는 소프트 그리퍼를 만들었으며, 손상 부위를 다시 이은 인공근육에서도 기능 대부분이 돌아오는 것을 확인했다.

이번 접근은 탄소나노튜브나 그래핀 같은 별도 보강재를 넣지 않고 소재를 이루는 분자의 연결 구조 자체를 바꾼 것이 특징이다.

연구 결과는 지난 9월 8일 국제학술지 'Angewandte Chemie International Edition'에 실렸다.

김대석 교수는 크게 움직이면서 힘도 유지하는 구동 소재가 소프트 로봇과 웨어러블 구동기 등에 활용될 가능성을 제시했다고 설명했다.

부산=김성욱 기자