KAIST 기계공학과 오일권 교수 연구팀이 두 개의 서로 상반된 그래핀 구조체를 전극으로 사용해 소프트 액추에이터(작동장치)의 성능을 높이는데 성공했고, 이 장치는 웨어러블 전자기기, 소프트 로봇 등의 분야에서 사용 가능할 것으로 기대된다.

타바시안 라솔(Tabassian Rassoul) 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 온라인 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 1월 31일자 표지논문에 선정됐다.

4차 산업의 도래 이후 인간-기계 상호작용이 가능한 소프트 전자기기 관련 산업을 선도하기 위해서는 우수한 물성을 갖는 소프트 소재의 생산기술 및 소프트 액추에이터 제작 기술 등이 요구된다.

현재 개발된 기존의 소프트 액추에이터들은 백금이나 금 등 값비싼 귀금속 전극을 사용하며 굽힘 성능·반응속도 등의 성능 측면에서도 전자기기를 위한 성능 요구 사항을 만족하지 못해 아직 소프트 액추에이터가 전자기기 산업에 적용되지 못하고 있다.

연구팀은 문제 해결을 위해 기능적인 길항성(두 요인이 동시에 작용해 서로의 효과를 상쇄시키는 성질)을 갖는 각기 다른 두 종류의 그래핀 전극을 동시에 사용했다.

연구팀은 전기전도성은 매우 좋지만 전기화학적 활성이 낮은 그래핀 그물망의 단점을 보완하기 위해 그물망 그래핀 메쉬(mesh)와 질소가 증착된 구겨진 그래핀을 결합해 전기화학적으로 기능적 길항성을 갖는 하이브리드 전극을 제작해 소프트 액추에이터에 적용했다.

또 화학기상증착법(Chemical vapor deposition, CVD) 방법으로 합성하기 때문에 높은 전기 전도도를 갖는 고품질 그래핀 그물망을 제작할 수 있다.

합성된 그래핀 메쉬-질소 도핑된 구겨진 그래핀 하이브리드 전극은 질소 도핑된 그래핀 전극보다 훨씬 우수한 전기 전도성을 갖고, 그래핀 메쉬 전극보다 향상된 전기화학성능을 갖는 것이 확인됐다.

이 하이브리드 전극을 소프트 액추에이터에 적용한 결과, 광범위한 입력 주파수에서 하이브리드 전극 기반 소프트 액추에이터가 다른 액추에이터들보다 최대 620 %의 최대 굽힘 변형과 10 배 빠른 상승 시간 및 훨씬 낮은 위상 지연을 보이는 것을 확인했다.

이번 연구를 통해 제작된 액추에이터는 햅틱 피드백 시스템, 웨어러블 핼스케어 전자기기, 능동촉각 시스템, VR 및 AR용 능동형 디스플레이, 소프트 로봇 등의 분야에서 사용될 전망이다.

오일권 교수는 “이번 연구결과를 통해 소프트 액추에이터의 성능향상 원리를 이해하는 기반 연구가 될 것이다”며 “차세대 유연 전자산업에서의 소프트 액추에이터 기술 활용이 가속화되는 계기가 될 것으로 기대한다”고 말했다.