김대석 교수 연구팀, 비등방성 가교제 개발…고온 연화 극복 및 '앙게반테 케미' 게재
액정 메소겐 모사 가교제 'PBB-TT' 설계…하중 상태서 30% 수축률 유지
소프트 로봇과 인공근육의 핵심 소재로 꼽히는 액정 엘라스토머(LCE)의 최대 약점이었던 고온 연화 문제를 고분자 내부의 '분자 연결점' 구조 재설계로 극복한 연구 성과가 나왔다.
부경대학교는 김대석 고분자공학전공 교수 연구팀이 액정 메소겐 구조를 모사한 '비등방성 가교제'(PBB-TT)를 개발하고, 이를 통해 높은 온도에서도 강한 기계적 지지력을 유지하는 고출력 액정 인공근육을 구현했다고 14일 밝혔다.
액정 엘라스토머는 열이나 빛 등 외부 자극에 따라 유연하게 수축·팽창해 인공근육 소재로 주목받고 있다. 그러나 수축이 활발해지는 고온 상태에 이르면 소재 자체가 무러지며(연화 현상) 큰 하중을 지탱하지 못하는 기술적 한계가 존재했다.
연구팀은 기존의 유연하고 방향성이 없던 단순 가교제 구조에 착목했다. 가교제 역시 주사슬의 길쭉한 막대형 액정 메소겐과 유사한 단단한 중심 구조를 갖도록 새롭게 설계해, 가교점 자체를 '분자 보강점'으로 승격시켰다.
동시에 단단한 구조 사이에 유연한 연결 부위를 배치해 액정 분자의 자유로운 움직임과 높은 수축률을 그대로 보존하도록 유도했다.
이렇게 개발된 인공근육은 실제 하중을 매단 상태에서도 30% 이상의 수축률을 기록했으며, 전기 가열 방식을 적용한 구동 실험에서 1kg의 하중을 들어 올리는 데 성공했다. 또한 남아 있는 광반응성을 활용해 접착제 없이 LCE 필름을 직접 접합하거나, 손상된 인공근육을 복원하는 셀프 히어링(재접합) 기술도 입증했다.
김 교수는 "가교제에 액정 메소겐과 닮은 방향성 구조를 부여해 단순한 연결점을 실제 힘을 지지하고 전달하는 보강점으로 바꾼 것이 핵심"이라며 "움직임의 크기와 지지력을 동시에 확보한 이번 분자 설계 전략은 향후 소프트 로보틱스 및 웨어러블 구동기 분야의 원천 기술이 될 것"이라고 설명했다.
이번 연구 성과는 화학·소재 분야 국제 권위지인 '앙게반테 케미'(Angewandte Chemie International Edition, IF 17.6) 9월8일 자에 게재됐다.
