모터 없이 열자극으로 1초만에 움직이는 구동장치

왼쪽부터 배상윤 KAIST 박사과정생, 김성수 교수, 강다정 박사과정생, 김원빈 연구원. KAIST 제공

기존 로봇 팔 등 모터로 작동하는 시스템은 무겁고 구조가 복잡하다는 근본적인 한계가 제시된다. 국내 연구팀이 모터 없이 열 자극을 통해 1초 내로 빠르게 작동하는 구동장치(액추에이터)를 개발했다. 로봇 팔이나 우주 구조물 등 차세대 장비 구현에 응용될 것으로 기대된다.

KAIST는 김성수 기계공학과 교수팀이 외부 열 자극에 반응해 스스로 형태를 바꾸고 다시 원래 상태로 돌아올 수 있는 양방향 형상 기억물질 기반 하이브리드 스마트 액추에이터를 개발했다고 22일 밝혔다. 연구결과는 1월 19일(현지시간) 국제학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈'에 공개돼 3월호 표지논문으로 채택됐다.

기존 형상기억 소재는 반복 사용할 경우 처음 상태로 돌아오지 못하거나 회복 속도가 매우 느리다는 한계가 있었다. 

연구팀은 형상기억합금과 형상기억고분자 소재를 결합해 각 소재의 장점을 모두 살렸다. 형상기억합금은 열을 가하면 원래 형태로 돌아가는 금속이고 형상기억고분자는 열이나 외부 자극에 따라 형태가 변하는 고분자 소재다.

형상기억합급-고분자복합재 하이브리드 양방향 액추에이터 작동 과정. KAIST 제공

연구팀은 형상기억고분자의 화학 조성을 조절하고 탄소섬유로 보강해 소재 강도를 높였다. 전체 액추에이터에는 줄자처럼 휘어지는 '테이프 스프링' 구조를 적용했다. 변형 과정에서 에너지를 저장했다가 순간적으로 방출하도록 유도해 움직이는 속도와 정확도를 높인다.

개발된 액추에이터는 열을 가하면 구부러지고 온도가 내려가면 다시 펴지는 양방향 구동이 구현됐다. 비슷한 기존 기술보다 변형 범위가 늘어났고 변형 속도도 정방향에서 1초 이내로 완료될 정도로 빠르다. 정방향 100%, 역방향 98% 이상의 초기 형상 복원율을 달성했다.

김 교수는 "소재의 물성적 한계를 독창적인 구조 설계를 통해 극복하고 형상기억 액추에이터의 성능을 한 단계 끌어올린 결과"라며 "반복적인 그리핑 동작이 필요한 로봇 손이나 우주용 전개 구조물 등 다양한 응용 분야에 적용될 수 있을 것으로 기대한다"고 밝혔다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1002/adfm.202528863

국제학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈' 3월호 표지. Advanced Functional Materials 제공

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]