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한국인 오지영 박사, 다섯 번째 ‘사이언스’ 논문 발표 |
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효율적인 고강도 인공 근육으로 응용 가능한 왁스 첨가 탄소나노튜브섬유 개발
“인간 근육보다 85배 효율적으로, 자신보다 10만 배 무거운 물체 든다”
전기, 열, 화학 또는 빛 에너지를 이용해 역학적 운동이 가능한 탄소나노튜브섬유를 로봇의 인공 근육은 물론, 의료용 삽입관인 카테테르(catheter), 소형 모터, 그리고 기능성 직물 제조에 이르기까지 다양한 분야로 확대 응용 가능한 연구 결과가 한국인 오지영 박사가 포함된 국제공동연구팀에 의해 발표됐다. 이 효율적인 고강도 탄소나노튜브섬유의 개발 성과는 세계적인 학술지 ‘사이언스(Science)’ 11월 15일자에 소개됐다.
오지영 박사 등 미국 텍사스 주립대(UTD, The University of Texas at Dallas) 알렌 맥달마이드 나노텍 연구소(Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute)의 과학자들은 새로운 인공근육 형태인 파라핀 왁스가 첨가된 탄소나노튜브섬유가 자신의 무게보다 10만 배나 무거운 물체를 들어 올릴 수 있고, 같은 무게를 가지는 인간의 근육과 비교할 때 85배 효율적인 힘을 구현할 수 있음을 증명했다. 이 놀라운 연구 결과는 한국, 호주, 중국, 캐나다, 그리고 브라질의 국제공동연구팀이 이루어낸 결과로 주목받고 있다.
이번 논문의 공동 저자인 부산대 출신(물리학과 학사 95학번, 석사 99학번, 박사 01학번) 젊은 물리학자 오지영(37세) 박사는 부산대에서 박사과정까지 모두 마친 순수 국내파로, 지난 2006년부터 알렌 맥달마이드 나노텍 연구소에서 연구원으로 지내고 있다.
오지영 박사는 2006년 부산대 박사과정 재학 중 연료 전지의 원리를 슈퍼 캐패시터 특성을 보이는 탄소나노튜브섬유와 결합시켜, 에너지 저장체이면서 동시에 인공 근육의 특성을 보이는 다기능성 인공 근육 관련 연구를 수행해 처음으로 ‘사이언스’ 논문을 발표했다. 이번 연구는 오 박사의 다섯 번째 ‘사이언스’ 논문이다.
연구에 사용된 인공 근육은 일반적으로 사용되는 연필의 흑연 층을 구성하는 그라파이트가 속이 빈 원통 구조로 말려 있는 형태인 탄소나노튜브섬유로 제작됐다. 인간의 머리카락보다 1만 배나 가는 지름을 가지는 탄소나노튜브 한 가닥은 단위 무게로 비교할 경우 강철보다 100배나 더 강한 물질이다.
“우리가 개발한 인공 근육은 인간의 실제 근육보다 200배나 더 강하고 빠른 동작을 구현할 수 있다”고 팀의 리더인 로버트 A 웰치스 화학과 교수이자, 알렌 맥달마이드 나노텍 연구소 소장인 레이 바우만 교수는 밝혔으며, “가까운 시일 내에 실용화시킬 수 있는 다양한 응용에 관한 연구가 진행 중이다. 하지만, 우리가 개발한 인공 근육을 인간의 몸에 직접 삽입하여 인공 근육의 역할을 대신할 수 있기까지는 좀 더 많은 연구가 필요하다”고 말했다.
오늘자 Science에 발표된 연구 결과에 따르면, 새로운 형태의 인공 근육은 촛불에 이용되는 파라핀 왁스를 꼬임 구조를 가지는 탄소나노튜브 섬유의 부피 변화를 증가시키는 첨가제로 이용했다. 왁스가 첨가된 탄소나노튜브 섬유는 전기 에너지, 또는 카메라 플래시의 빛 에너지를 이용해 가열될 경우 왁스의 부피 팽창에 의해 탄소나노튜브 섬유 전체의 부피 증가가 일어나게 되어 길이 방향의 수축이 일어나게 된다.
탄소나노튜브 섬유의 길이 수축과 동시에 부피 증가라는 놀라운 조합은 나선형 구조로 꼬여 있는 탄소나노튜브 섬유의 특성에 따른 결과다. 이러한 현상은 흔히 나선형으로 만들어진 원통 구조의 끝에 손가락을 끼워 노는 아이들의 손가락 커프 장난감에서 볼 수 있다. 양끝에 끼워진 손가락은 두 손가락을 함께 안으로 밀어 넣어 원통의 길이를 수축시킴으로써 원통의 부피와 지름을 증가시키게 될 경우에만 끼워진 손가락을 뺄 수 있다.
“본 연구에서 사용된 인공 근육은 단순한 제작 조건과 뛰어난 인공 근육 성능으로 인해 로봇부터 신체 손상을 최소화 시키는 수술용 카테테르, 마이크로 로봇, 유체 회로 믹서, 광학 시스템 조절기, 마이크로 벨르, 포지셔너, 그리고 단순한 장난감에 이르기까지 그 응용이 무한하다”고 레이 바우만 교수는 밝혔다.
왁스 첨가 탄소나노튜브 인공 근육은 초당 2,500회의 수축 동작을 반복할 정도로 빠른 성능을 보여준다. 이러한 수축/이완 운동이 일어나는 한 주기 동안 4.2kW/kg의 높은 수축성 출력파워밀도가 측정됐으며, 이러한 결과는 일반 내부 연소 엔진의 무게당 출력파워와 비교할 때 4배나 높은 값이다. 연구진은 이러한 뛰어난 인공 근육의 특성을 이끌어내기 위해서 왁스가 첨가된 탄소나노튜브 섬유를 고무밴드의 코일링(coiling)에 의해 움직이는 모형 비행기와 같이 코일링 구조를 가질 수 있도록 인위적으로 꼬아주었다.
“왁스 첨가 탄소나노튜브 섬유를 자유로운 회전이 가능하게 두면 전기나 빛 에너지에 의해 가열될 경우 꼬임이 풀어지게 되고, 열의 공급을 멈추게 되면 원래의 꼬임 상태로 돌아가게 된다. 이러한 회전 현상을 관찰하기 위해서 탄소나노튜브 섬유에 패들을 부착한 결과, 분당 11,500번의 회전 동작이 관찰됐으며 이러한 회전 운동은 2만 번 이상 안정적으로 측정됐다. 이 때 발생하는 단위 무게당 회전력은 일반적인 대용량 전기 모터에 의한 것보다 높은 값을 보였다”고 레이 바우만 교수는 말했다.
섬유의 형태로 존재하는 인공근육은 다른 물질과 함께 꼬는 방법을 통해 쉽게 복합물로 제작될 뿐만 아니라 매듭을 짓고, 바느질을 하고, 직물을 제조할 수 있는 등 일반 섬유의 특성을 그대로 가지고 있어서 다양한 형태로 제작이 가능하다. 또한 첨가제의 부피 변화에 의해 인공 근육의 변위 변화가 결정되기 때문에 주변 환경의 온도 변화나 화학 약품의 존재 여부를 감지할 수도 있어서, 환경 조건을 감지한 후 자동으로 필요한 동작을 결정하는 셀프 지능형 물질로도 사용될 수 있다. 섬유나 직물의 다공성을 직접적으로 조절할 수 있는 이러한 특성은 일반 의복을 사람이 느끼는 편안한 온도로 유지시킬 수 있으며, 화학 약품으로부터 신체를 보호하는 특수 장비 제작, 화학 물질에 대한 반응을 통해 유량을 조절하는 밸브, 주변 온도에 따라 창문의 블라인드 개폐 정도를 조절할 수 있는 장치로의 응용도 가능하다.
또한 연구팀은 열이 가해짐에 따라 수축이 일어나는 탄소나노튜브 섬유가 첨가제가 포함되지 않아도 코일링 구조만으로도 일반 나노튜브 섬유에 비해 10배 이상 높은 열팽창 계수를 가짐을 확인했다. 실온에서 섭씨 2500도까지 가열된 코일링 구조를 가지는 탄소나노튜브 섬유는 7%의 길이 수축을 보였으며, 다른 엑츄에이터 물질들이 버틸 수 없는 강철의 녹는점인 섭씨 1000도 이상에서도 변함없이 뛰어난 액츄에이터 특성을 나타냈다.
공동 저자인 오지영 박사는 “본 연구에서는 회전력을 기본으로 하는 탄소나노튜브 섬유 인공 근육(2011년 사이언스 논문 발표)의 특성을 본성은 그대로 유지하면서, 꼬임 조절을 통한 코일링 구조의 변화만을 이용해 향상시킬 수 있었다. 또한 바이 스크롤링(2010년 사이언스 논문 발표) 기술을 이용한 첨가제와의 간단한 결합 특성은 본 연구 결과의 응용 범위를 확대 시킬 수 있게 했다”고 말했다.
레이 바우만 교수는 “뛰어난 성능을 보이는 탄소나노튜브 섬유는, 본 연구소에서 이미 km 단위로 제작이 가능하여 cm 사이즈의 인공 근육으로 구동되는 소형 액츄에이터의 제작의 조기 상업화가 가능하다”며 “어려운 도전이 되겠지만, 하나의 인공 근육을 100개 혹은 1000개 이상 병렬 구조로 연결시킬 수 있다면 대 용량 엑츄에이터 제작도 가능할 것”이라고 말했다.
본 연구와 관련된 알렌 맥달마이드 연구팀의 목록은 다음과 같다.
마르시오 리마 박사 (Márcio Lima , 연구원)
모니카 정 안드래드 박사 (Mônica Jung de Andrade, 연구원)
샤오리 팽 박사 (Shaoli Fang, 연구교수)
오지영 박사 (Jiyoung Oh, 연구원)
마이크 박사 (Mikhail Kozlov, 연구 과학자)
카터 (Carter Haines, 대학원생)
서동석 박사 (Dongseko Suh, 연구원)
테일러 월 (Taylor Ware, 대학원생)
왈터 보잇 박사 (Walter Voit, 조교수)
본 연구와 관련된 국제 공동 연구팀의 목록은 다음과 같다.
나리 (Na Li, 대학원생, 중국 난카이대학)
스핑스 박사 (Geoffrey M. Spinks, 교수, 호주 울룽공대학)
제바드 박사 (Javad Foroughi, 박사 후 연구원, 호주 울룽공대학)
김선정 박사 (Seon Jeong Kim, 교수, 한국 한양대학)
첸용쉔 박사 (Yongsheng Chen, 교수, 중국 난카이대학)
신민균 박사 (Min Kyoon Shin, 박사 후 연구원, 한국 한양대학)
존매든 박사 (John D. W. Madden, 교수, 캐나다 브리티쉬 콜럼비아 대학)
메차도 레오나드로 (LeonardoD. Machado, 연구원, 브라질 캠피나스 주립대학)
폰세카 알렉산드라 박사 (Alexandre F. Fonseca, 교수, 브라질 산파울로 주립대학)
갤바오 더글라스 박사 (Douglas S. Galvao, 교수, 브라질 캠피나스 주립대학)
본 연구는 미 공군 과학 연구소의 지원을 기본으로 완성됐다. 그리고 추가적으로 해군 과학 연구소, 로버트 A 웰치스 재단, 바이오 인공 근육 창의 연구 센터, 한국-미국 공군 연구 협력 프로그램, 호주 연구 협의회, 중국 국립 자연과학 연구 재단, 그리고 캐나다 자연 과학과 공학 연구 협회의 지원을 받았다.
출처: 부산대학교 |
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phy3623@ikoreanews.com
