(왼쪽부터) 이창연 교수, 김대석 교수, 김현성 석·박사 통합과정생, 하연경 석사과정생. 부경대 제공

중앙대학교와 국립부경대학교 공동연구팀이 기존 소프트 로봇(Soft robot)의 한계를 뛰어넘는 새로운 소재 기술을 개발해 주목받고 있다.

중앙대 화학공학과 이창연 교수 연구팀과 국립부경대 고분자공학전공 김대석 교수 연구팀, 펜실베이니아대학교 오스지(Osuji) 교수 연구팀은 영하 80도의 극저온에서도 성능 저하 없이 작동할 수 있는 액정 엘라스토머(LCE) 기반 소프트 액추에이터 개발에 성공했다.

고분자 물질인 액정 엘라스토머는 열이나 빛 등의 외부 자극에 의해 기계적 변형을 일으키는 특성으로 차세대 소프트 로봇, 인공 근육 등의 핵심 소재 기술로 주목받고 있다.

하지만 극지방이나 우주와 같이 대부분의 물질이 얼어붙는 극저온의 환경에서는 소재의 기계적 변형이 생기기 어렵기 때문에, 실제 기술 구현은 지금까지 불가능할 것으로 예상돼 왔다.

연구진은 액정 분자를 활용해 2차원 이황화몰리브덴(MoS2)과 같은 저차원 나노물질을 고농도로 박리하고, 1년 이상 안정하게 분산시키는 독자적인 공정 기술을 개발해 광열 나노물질을 액정 엘라스토머에 고농도로 포함시켰다.

극저온에서 작동 가능한 액정 엘라스토머 소프트 액추에이터. 부경대 제공

그 결과, 고농도 나노물질의 강력한 광열 반응 덕분에 영하 80도의 낮은 온도에서도 근적외선만으로 기계적 변형이 가능한 소프트 액추에이터가 성공적으로 구현됐다.

연구팀은 이렇게 구현한 유연한 구동장치인 소프트 액추에이터가 영하 80도의 온도에서도 성능 저하 없이 자기 무게의 100배 이상에 달하는 물체를 들어 올리는 작업을 수행하는 것을 확인했다.

이에 더해 연구팀은 개발된 액추에이터가 초저온의 심우주(3K)에서도 낮은 세기의 근적외선으로 작동가능할 것으로 모델링을 통해 예측했다.

이창연 교수는 “이번 연구는 기존 소프트 액추에이터의 작동온도 범위를 획기적으로 확장하는 성과로서 의미가 크고, 향후 극지방이나 우주와 같은 극한 환경에서 소프트 로봇을 활용하는 새로운 길을 열 것으로 기대한다.”라고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단 글로벌 기초연구실 지원사업, 한국산업기술진흥원(KIAT) 차세대 첨단 OLED 전문인력양성사업 지원을 받아 수행되었다.

이번 연구 결과를 담은 논문 ‘High-Concentration Mesogen-Assisted Exfoliation of Low-Dimensional Nanomaterials for Achieving Ultralow-Temperature Actuations of Liquid Crystal Elastomers’는 재료화학 분야 세계적 학술지인 (IF: 19)에 이달 게재됐다.