스스로 움직이는 “트랜스포머 전지”로 소프트 로봇 구현한다 (과학이 경제가 되기까지]

[한국금융신문 이근영 기자] ‘ 초소형 로봇이 적진 깊숙한 곳에 침투하여 기밀정보를 수집하거나, 인체 속으로 들어가서 상처 부위를 치료하기도 하는 SF 영화가 현실화할 수 있을까? ’ ‘ 전지가 스스로 움직이면 어떨까?’

“ 단순한 물음에서 시작되었다. 식사하는 자리에서 공동연구 아이디어가 제안되었고 아이디어를 다듬는 과정 중 기능성 소프트 로봇을 구동하기 위한 전원 공급이 사실을 알게 되었다. 전자소자가 결합한 소프트로봇은 다수 보고가 되었으나, 이를 구동하기 위해 외부에서 도선을 연결한다던가, 시중에 파는 건전지를 사용하는 것을 보고 이러한 문제점을 우리가 해결할 수 있겠다 생각하였다.”

빛을 받으면 스스로 변형하고 이동하는 일명 ‘트랜스포머 전지’를 개발한 연세대학교 화공생명공학과이상명 교수의 연구 시작은 우연이었다.
한국연구재단(이사장 이광복)은 이상영 교수 (연세대학교, 제1저자 울산과학기술원 이권형), 위정재 교수(인하대학교, 제1저자 전지수) 공동 연구팀이 빛 자극에 의해 형태가 변하는 액정고분자와 에너지를 저장할 수 있는 슈퍼커패시터를 일체화한 자유 형상 전원 시스템을 구현하였다고 밝혔다.

액정고분자란 액정 분자를 기반으로 액정 특유의 이방적 반응으로 인해 빛, 열 등의 외부 자극에 의해 형태 변형이 가능한 고분자를 말한다. 슈퍼커패시터(supercapacitor) 는 리튬 이차전지와 함께 다양한 분야에서 사용되는 충·방전이 가능한 전지의 한 종류이다.

실제로 딱딱한 금속이 아닌 유연한 소재를 사용한 로봇을 연구하는 분야로 주로 생체의 움직임을 모방하여 로봇을 구동하는 소프트 로보틱스(soft robotics) 분야에서는 스스로 변형되고 움직일 수 있어 정보 수집, 통신 등 다양한 역할을 수행하는 로봇을 구현하려는 시도가 활발히 이루어지고 있다.

하지만 기존 소프트 로봇은 외부 전선을 연결하거나 고정된 형태의 전지를 통해서만 전기에너지 공급이 가능한 한계가 있어, 소프트 로봇의 움직임 및 기능을 심각하게 저해하는 요소로 작용하였다.

이에 연구팀은 트랜스포머 전지를 구현하기 위해 미세 복합 프린팅 공정을 이용, 전지 소재를 액정고분자와 일체화하였다. 특히, 빛 자극을 열로 변환시키는 광열효과를 이용했다. 광열효과란 물질에 빛에너지를 조사하면 물질의 성질과 특성에 따라 조사된 빛에너지가 흡수된 후 다시 열에너지로 방출되는 물리적인 현상을 말한다. 빛을 이용한 형상 변형을 효과적으로 유도했다. 또한, 반복된 움직임에도 안정하게 구동할 수 있도록 전기전도성을 갖는 고분자 전도성 고분자 및 1차원 원통형 모양의 나노구조를 갖는 탄소 동소체인 탄소나노튜브*와 같은 매우 유연한 소재를 이용하여 전지를 설계했다.
개발된 전지는 프린팅 기법을 활용하여 코일(coil), 조리개, 혹은 손바닥 등 다양한 형상으로 제작 가능하였고 빛(또는 열) 자극에 의해 자유롭게 변형되었다. 나아가, 물건을 싣고 정해진 목적지까지 스스로 기어갈 수 있는 소프트 로보틱 전원 시스템을 구현하였다.

기존에는 유연전지 (플렉서블 전지) 혹은 신축성전지(스트레쳐블 전지) 등 외력에 의해 변형되는 전지는 다수 보고가 되었으나, 외력 없이 스스로 변형하는 전지를 최초 보고했다는 데 의미가 크다.

이상영 교수는 “개발된 트랜스포머 전지가 소프트 로봇을 실질적으로 구현할 수 있는 원천기술이 될 것으로 기대”한다고 전하며, “전지 스스로 형태를 바꾸고 움직일 수 있다는 최초의 개념을 제시한 것으로, 향후 실용화를 위해 전지의 에너지 향상과 다양한 형상 변형을 위한 후속 연구를 수행할 예정”이라고 설명했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구, 나노‧소재기술개발사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 재료 분야 국제학술지 ‘머티리얼스 투데이(Materials Today)’에 4월 26일 온라인 게재되었다.

이근영 기자 geunyunglee@gmail.com