미국의 액션 영화 ‘퍼시픽 림’을 보면 거대한 로봇 ‘예거’가 등장해 정체 모를 괴물로부터 인류를 구하기 위한 전투를 펼친다. 생체를 모방한 인공 근육이 탑재된 이 로봇은 강한 힘과 빠른 움직임으로 괴물을 무찌른다. 최근에는 이러한 예거와 같이 실제 로봇에도 인공 근육을 탑재하려는 연구가 이어지고 있다. 다만, 아직 인공 근육에서 강한 힘과 빠른 속도를 동시에 구현할 수는 없었다. 액추에이터 구동의 핵심 소재인 고분자 전해질의 기계적 강도(힘)와 전도도(속도)가 상충되는 특성이기 때문이다.

POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 화학과 박문정·손창윤 교수·루이양 왕 연구조교수 연구팀은 전하인력과 수소결합을 할 수 있는 서로 다른 관능기가 2옹스트롬(Å, 1Å=1,000만분의 1mm)의 거리에 위치한 신개념 고분자 전해질을 개발, 이러한 모순을 해결할 가능성을 열었다. 이 연구성과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’에 최근 게재됐다.

인공 근육은 로봇이 마치 사람처럼 자연스럽게 팔과 다리를 움직이도록 하는 데 사용된다. 이 인공 근육의 구동을 위해서는 저전압 조건에서 기계적 변형을 보이는 액추에이터(Actuator)1)가 필요한데, 액추에이터에 사용되는 고분자 전해질의 특성상 힘과 반응 속도라는 ‘두 마리 토끼’를 동시에 잡을 수는 없었다. 근육의 힘을 강하게 하면 반응 속도가 느려지고, 반대로 반응 속도를 빠르게 하면 힘이 약해졌다.

연구팀은 이종 관능기2) 고분자(Bifunctional Polymer)라는 혁신적인 개념을 도입해 지금까지의 한계를 뛰어넘었다. 유리처럼 딱딱한 이 고분자 매트릭스 속에 수 나노미터 폭의 1차원 이온 통로를 형성한 결과, 고분자 전해질의 기계적 강도 가 높으면서도 이온 전도도가 높은 초이온전도성 고분자 전해질을 구현할 수 있었다.

이번 연구성과는 휴대용 배터리(1.5V)를 연결해, 수 밀리 초(ms, 1ms=1,000분의 1초)의 빠른 스위칭 및 강한 힘을 내는 유례없는 인공 근육을 만드는 데 적용될 수 있어, 소프트 로봇 및 웨어러블 테크놀로지의 혁신을 이룰 수 있는 연구 결과로 여겨진다. 나아가, 안정성이 높은 리튬메탈 배터리를 비롯해 차세대 전고체 전기화학 기기에도 활용이 기대된다.

한편, 이 연구는 삼성미래기술육성센터의 지원을 받아 이뤄졌다.

데일리케이 김민준 기자 | minjun@dailyk.co.kr