KAIST "양방향 형상 기억 물질로 '모터 없이' 로봇 손 구동"

모터 없이 스스로 형태를 바꾸거나 본래의 형태로 복원되는 형상기억 기반의 '스마트 구동 소자(Actuator)'가 국내에서 개발됐다. 이 기술은 로봇과 우주 구조물 등이 움직이는 과정에서 모터 기반 시스템으로부터 자유로워지는 것을 의미, 차세대 로봇·우주 장비 구현 가능성을 높인다.

(왼쪽부터) 배상윤 박사과정, 김성수 교수, 강다정 박사과정, 김원빈 박사. KAIST

KAIST는 기계공학과 김성수 교수 연구팀이 외부 자극(열 등)만으로 가역적 자가 변형(Self-shape change)이 가능한 '양방향 형상 기억물질 기반의 하이브리드 스마트 구동 소자'를 개발했다고 22일 밝혔다.

가역적 자가 변형은 모터처럼 복잡한 기계적 장치 없이도 스스로 형태를 바꾸거나 다시 본래의 상태로 되돌아갈 수 있는 성질을 말한다.

연구팀은 형상기억합금(Shape Memory Alloy·SMA)과 형상기억고분자(Shape Memory Polymer·SMP)를 결합해 두 소재의 장점을 동시에 활용할 수 있는 하이브리드 복합재 구동 소자를 설계했다. 형상기억합금은 열을 가했을 때 본래 형태로 돌아가는 금속 소재, 형상기억고분자는 열 또는 외부 자극으로 형태가 변하는 고분자 소재다.

기존에 형상기억 소재는 변형되면 원래 상태로 다시 돌아오지 못하거나(단방향), 회복 속도가 매우 느린 한계를 보였다. 더욱이 금속 합금과 고분자 소재는 서로 강도가 달라 반복적으로 사용할 경우 원래 형태로 복원되지 않는 문제도 있었다.

이를 해결하기 위해 연구팀은 먼저 형상기억고분자의 화학 조성을 조절하고 탄소섬유로 보강해 소재를 더 단단하게 만들었다.

또 구동 소자에 줄자처럼 휘어지는 '테이프 스프링' 형태의 구조를 적용했다. 테이프 스프링 구조는 변형 과정에서 에너지를 저장했다가 순간적으로 방출하는 '스냅-스루(Snap-through)' 현상을 만들어 움직임의 속도와 정확도를 높이는 역할을 한다. 결과적으로 연구팀은 소재와 구조를 동시에 개선한 셈이다.

'Advanced Functional Materials' 학술지 Front cover 이미지. KAIST

개발한 구동 소자는 열을 가하면 굽혀지고 온도가 내려가면 다시 펴지는 완전한 양방향 구동이 가능했다. 특히 기존보다 변형 범위가 늘어나면서 초기 형상 복원율이 100%에 근접했고 원래 형태로 돌아오는 속도가 향상돼 복잡한 제어 없이 반복적으로 작동할 수 있는 성능 확보가 가능해졌다는 게 연구팀의 설명이다.

형상기억 구동 소자는 양방향 변형이 가능한 데다 1초 이내의 빠른 변형 속도와 높은 전개 정확도를 동시 구현할 수 있다는 점에서 실용 가능성이 높은 것으로 평가받는다.

김 교수는 "이번 연구는 소재의 물성적 한계를 독창적 구조 설계로 극복하고, 형상기억 구동 소자의 성능을 한 단계 끌어올린 결과물"이라며 "향후 이 기술은 반복적 그리핑 동작이 필요한 '로봇 손'이나 '우주용 전개 구조물' 등 응용분야에 적용할 수 있을 것"이라고 말했다.

한편 이번 연구는 강다정 박사과정이 제1 저자로 참여해 수행했다. 연구 결과는 지난 1월 19일 국제 학술지 와일리(Wiley)사가 발행하는 '어드벤스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced functional materials)'에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr