자유자재로 움직이는 인공근육

김선정 교수

굵기가 인간 머리카락의 10분의 1 수준이면서도 기존 인공근육보다 1000배 우수한 회전력을 가진 새로운 소재의 인공근육이 한양대 생체공학 김선정 교수와 신민국 박사가 참여하는 국제 나노연구팀에 의해 개발됐습니다.

연구팀이 개발한 '탄소나노튜브 인공근육'은 기존의 인공근육들이 가지고 있는 굽힘, 수축, 이완 기능에서 나아가 비틀림, 회전 운동까지 가능하도록 보완됐습니다.

쉽게 설명하면 마치 코끼리의 코와 문어의 다리가 나선형으로 회전 운동을 하는 것처럼 강하고 유연한 탄소나노튜브 실이 전기화학 에너지를 회전 운동 에너지로 변환시키는 형태입니다.

탄소나노튜브 인공근육 실에 패들(paddle)을 붙여 마이크로 액체 혼합 장치로서의 응용을 보여주는 모식도

이는 나선형으로 꼬인 탄소나노튜브 실이 전기화학적으로 충전이 일어나는 동안 다공성 인공근육 실의 부피 팽창이 일어나면서 회전 구동이 발생하는 원리를 이용한 것입니다.

이번에 개발된 탄소나노튜브 인공근육은 실 1mm만으로도 250도의 회전을 발생시키고, 가해지는 전압의 변화를 통해 회전력 방향 조절이 가능해 양방향 회전이 가능한 모터가 개발될 수 있게 됐습니다.

또한 기존의 인공근육보다 1000배나 우수한 단위 길이당 회전 성능을 자랑하며, 낮은 전압이 발생되는 소규모 전지만으로도 탄소나노튜브 섬유를 전기화학적으로 충전·방전하여 회전력을 만들어 낼 수 있습니다.

무엇보다 탄소나노튜브 인공근육은 일반적인 모터와 달리 적은 비용과 간단한 방법으로 작은 단위부터 큰 크기까지 다양하게 활용할 수 있다는 것이 큰 장점입니다.

일반 전기모터는 소형화, 경량화가 어렵지만, 탄소나노튜브 인공근육은 작게 제작해도 전기모터와 같은 성능을 발휘하고, 또 단위 무게당 출력도 상용화된 전기모터와 비슷해 소형화된 크기로 다양한 곳에서 활용할 수 있습니다.

뿐만 아니라 탄소나노튜브 섬유에 패들(paddle)을 붙이는 간단한 과정을 통해 마이크로 액체혼합장치 제작도 가능합니다.

이번 인공근육은 간단한 구동 원리, 큰 회전각, 높은 회전 속도 및 마이크로 크기의 실 직경 특성 등이 조합되어 마이크로 유체 펌프, 밸브 구동기나 믹서기 등의 응용에 크게 기여할 것으로 기대를 모으고 있습니다.

이번 연구결과는 세계적 권위의 학술지인 'Science'지 10월호(10월 14일)에 게재되었습니다.
     (논문명 : Torsional carbon nanotube artificial muscles)

 용  어  설  명

인공근육 :
전기적 에너지를 운동 에너지로 변환시켜 일상생활에 유용하게 이용할 수 있는 물질 혹은 액추에이터(구동기)이다. 

탄소나노튜브 :
단일벽 탄소나노튜브는 6각형 고리로 연결된 탄소들이 긴 대롱 모양을 이루는 지름 1나노미터(1나노미터는 10억분의 1 미터) 크기의 미세한 원통형 분자이다. 탄소원자가 결합해 벌집 모양의 구조를 갖게 된 탄소평면이 도르르 말려서 튜브모양이 됐다고 해서 붙여진 이름이다. 

탄소나노튜브 실(yarn) : 
직경이 10 나노미터인 다중벽 탄소나노튜브를 서로 꼬아 만든 길이가 매우 긴 실 형태이다. 탄소나노튜브 실은 매우 강하면서 유연하기 때문에 실제 사용되는 실처럼 매듭짓기, 꼬기, 바느질하기 등이 가능하다. 이 번 연구에서 사용된 탄소나노튜브 실은 직경이 15 마이크로미터 (1마이크로미터는 100만분의 1 미터)이다.

슈퍼커패시터 : 
배터리처럼 전기에너지를 저장할 수 있는 에너지 저장 장치 또는 물질이다. 배터리와 달리 빠른 충전 또는 방전이 가능하고 수명 또한 매우 길다. 이번 연구에서 사용된 탄소나노튜브 실은 전해질 속에서 전하의 충전 및 방전이 가능한 에너지 저장매체 이면서 전기화학적 에너지를 회전 구동에너지로 변환시킬 수 있는 인공근육으로 사용되었다.

전해질 :
소금물처럼 이온이 해리*되어 전류를 흐르게 하는 물질     
* 분자가 그 분자를 구성하고 있는 각각의 원자나 이온, 또는 보다 작은 분자들로 나누어지는 현상

마이크로 믹서(마이크로 액체 혼합 장치) :
서로 다른 종류의 유체를 채널 내에 소량 흘려 혼합시키는 장치로서 화학 또는 바이오 분석 등을 위해 사용되고 있다.