그래핀 이용해 인공근육형 액추에이터의 상용화 앞당겨
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그래핀 이용해 인공근육형 액추에이터의 상용화 앞당겨
  • 전철호 기자
  • 승인 2014.06.04 21:55
  • 댓글 0
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그래핀 종이 표면에 레이저 처리 통해 접촉 면적 넓혀… 값비싼 백금 전극 사용하지 않아 가격 경쟁력 갖춘 액추에이터 개발
우리 학교 해양시스템공학전공 오일권 교수팀이 공기 중에서 성능과안정성을 향상한 고분자 기반의 인공근육형 액추에이터를 개발했다. 이번연구 결과는 액추에이터의 고질적 문제였던 수명을 크게 개선했다. 뿐만 아니라 기존의 비싼 백금 전극을 저렴한 그래핀 전극으로 대체해 제작비용도 크게 절감했다. 이번 연구는실용성이 떨어졌던 인공근육형 액추에이터의 상용화의 길을 열었다는 평가를 받고 있다. 이번 연구 결과는<ACS 나노(ACS Nano)> 3월호에 게재되었다.
 
 
▲ 그래핀 전극 사이에 고분자 이온과 전해질이 들어가 있다. 전극에 전기가 가해져 전기장이 형성되면 고분자 이온과 전해질이 한쪽으로 쏠려 액추에이터가 구부러진다
 
공기 중 활용 어려웠던 기존의 인공근육형 액추에이터
인공근육형 액추에이터(actuator)는 두 전극이 고분자 이온과 전해액을 감싸고 있는 모양의 작은 전자 소자다. 엑추에이터의 전극에 전압을 가하면 내부의 이온이 전기장에 의해 한쪽으로 쏠려 상대적으로 이온의 밀도가 높아진 쪽이 팽창하고 반대쪽은 수축해 굽힘 운동을 하는 것이다. 미래의 인공근육형 엑추에이터는 기계식 모터와 유압식 작동기를 대체해 전자기기에 동력을 공급할 것으로 기대되고 있다. 기존의 인공근육형 액추에이터는 백금과 같은 귀금속을 전극으로 사용했다. 하지만 백금 전극의 표면에는 미세한 균열이 많아 작동 중에 그 틈으로 전해액이 지속해서 빠져나가 액추에이터의 수명이 저하되었다. 액추에이터의 전해액이 균열을 통해 빠져나가면 팽창, 수축량이 줄어들기 때문이다. 따라서 공기 중에서 기존 액추에이터는 장기간 사용하기 어려웠다. 비싼 제조 가격과 수명의 한계로 기존 액추에이터는 상용화가 불가능했다.
 
백금을 그래핀으로 대체해전해액 누출 막아
오 교수팀은 기존의 백금 전극 대신 그래핀 종이(graphene sheet)전극을 도입했다. 그래핀 종이는 유연하고 전기전도성이 높아 좋은 전극으로 활용될 수 있다. 또한, 백금과 달리 구부러짐이 반복되어도 쉽게 금이 가지 않아 액추에이터가 공기 중에서도 장기간 안정적으로 작동할 수 있고, 가격 또한 아주 저렴하다. 하지만 단순 그래핀 종이는 이온성 고분자와 잘 결합하지 않아 그래핀을 전극으로 사용한 액추에이터 제작이 어려웠다. 오 교수팀은 이 문제를 그래핀 종이 표면을 레이저 처리해 해결했다. 그래핀 종이와 이온성 고분자
의 접촉 면적을 넓혀 접착력을 향상시킨 것이다. 
 
저렴한 가격으로 대량 생산 가능해 
그래핀 제조 공정에는 다양한 방법이 있는데, 그중 비교적 널리 쓰이는 두 방법은 화학적 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition)과 용액 공정을 이용한 휴머법(modifiedHummer’s method)이다. 화학적 기상 증착법은 고온의 구리판에 메탄가스를 흘려 구리판 위에 그래핀을 형성하는 방식이다. 이 방법
을 사용하면 불순물이 섞이지 않은질 좋은 그래핀을 만들 수 있지만, 제조 공정이 오래 걸리고 비용이 많이든다. 용액 공정을 이용한 휴머법을 사용하면 화학적 기상 증착법으로 제작된 그래핀과 달리 그래핀에 약간의 불순물이 섞이지만, 저렴한 가격으로 많은 양의 그래핀을 만들 수 있는 장점이 있다. 이번 연구는 용액 공정을 이용한 휴머법으로 제조된 그래핀을 전극으로 이용해 인공근육형 액추에이터의 상용화에 한 걸음 더 다가갔다는 평가를 받고 있다.
 
뿐만 아니라, 오 교수팀의 새로운액추에이터는 그래핀 박막의 소수성때문에 물에 뜰 수 있어 다양한 활용이 기대된다. 물에 뜨는 고분자 액추에이터는 오 교수팀이 세계 최초로 개발한 것이다. 오 교수는 “그래핀의낮은 반응성과 소수성을 활용하면 생체 내부에서 작동하는 액추에이터를 만들 수 있을 것”이라고 이번 연구의 의미를 설명했다. 또, 오 교수는 “제작된 액추에이터의 굽힘 성능이나 출력을 높이는 연구를 진행하고 있다”라며“ 수년 내 다양한 분야에서 상용화될 수 있을 것”이라며 연구 전망을 전했다.

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