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그래핀 기반 소프트 액추에이터 개발

오일권 KAIST 교수팀 연구···차세대 유연 전자산업에 활용 가능
웨어러블 전자기기, 소프트 로봇 등에 활용 가능한 유연한 소자가 구현됐다.

KAIST(총장 신성철)는 오일권 기계공학과 교수 연구팀이 두 개의 서로 상반된 그래핀 구조체를 전극으로 사용해 소프트 액추에이터의 성능을 높이는데 성공했다고 7일 밝혔다.

소프트 액추에이터(Soft Actuator)는 금속 전극과 이온성 고분자로 구성되어 있으며, 전기에 반응해 움직임을 나타내는 소자를 의미한다.

차세대 전자기기에 능동형 소프트 액추에이터를 적용하기 위해서는 액추에이터의 전극이 유연성, 높은 전기 전도성 및 전기 화학적 활성, 내구성 등과 함께 높은 효율성이 있어야 한다.

기존의 소프트 액추에이터는 백금 또는 금 등의 고가 귀금속이 사용됐기 때문에 실질적으로 활용되기 어려웠다. 

이에 연구팀은 두 요인이 동시에 작용해 서로의 효과를 상쇄시키는 성질인 길항성을 활용했다. 각기 다른 종류의 그래핀 전극을 동시에 사용하면서 문제점이 해결됐다.

연구팀은 전기전도성이 우수하지만 전기화학적 활성이 낮은 그래핀 그물망의 단점을 보완하기 위해 질소가 증착된 구겨진 그래핀 입자들을 추가로 적용했다.

또한, 그물망 그래핀 메쉬(mesh)와 질소가 증착된 구겨진 그래핀을 결합해 전기화학적으로 기능적 길항성을 갖는 하이브리드 전극을 제작해 소프트 액추에이터에 활용했다.  

연구팀이 합성한 그래핀 메쉬 구조는 그래핀 튜브들이 서로 엮인 그물망 형태의 구조를 갖는다. 특히 그물망 구조의 물결 모양 패턴 덕분에 다른 유형의 그래핀 구조보다 신축성이 좋다.

또한 화학기상증착법(Chemical vapor deposition, CVD) 방법으로 합성하기 때문에 높은 전기 전도도를 갖는 고품질 그래핀 그물망도 제작 가능하다. 

이 하이브리드 전극에서 그래핀 그물망은 신속하고 균일한 전하 분포 촉진을 수행하는 반면 질소가 증착된 구겨진 그래핀은 전하를 효율적으로 저장하는 역할을 수행한다. 이를 통해 재료의 비용적 단점을 보완하고 전극의 성능 요건을 충족할 수 있다.

연구팀은 이번 연구를 통해 제작된 액추에이터는 햅틱 피드백 시스템, 웨어러블 핼스케어 전자기기, 능동촉각 시스템, VR·AR용 능동형 디스플레이, 소프트 로봇 등의 분야에서 사용 가능할 것으로 기대된다.

오일권 교수는 "이번 연구는 소프트 액추에이터의 성능향상 원리를 이해하는 기반 연구가 될 것"이라며 "차세대 유연 전자산업에서의 소프트 액추에이터 기술 활용이 가속화되는 계기가 될 것으로 기대한다"고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 리더연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐으며, ​타바시안 라솔(Tabassian Rassoul) 박사과정이 1저자로 참여했다.

연구 결과는 온라인 국제 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 지난 달 31일자로 게재됐다. 

기능적 길항성을 갖는 그래핀 구조 전극 사진과 소프트 액추에이터 개요.<자료=KAIST 제공>기능적 길항성을 갖는 그래핀 구조 전극 사진과 소프트 액추에이터 개요.<자료=KAIST 제공>
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