KAIST 기계공학과 오일권 교수 연구팀이 2개의 서로 상반된 그래핀 구조체를 전극으로 사용해 소프트 액추에이터(작동장치)의 성능을 높이는데 성공했다고 7일 밝혔다.

차세대 전자기기에 능동형 소프트 액추에이터를 적용하기 위해서는 액추에이터의 전극이 유연성과 높은 전기 전도성 및 전기 화학적 활성, 내구성 등과 동시에 높은 효율성도 가져야 한다.

하지만 기존의 소프트 액추에이터는 백금 또는 금 등의 고가 귀금속이 사용됐기 때문에 실제 적용이 어려웠다.

연구팀은 문제 해결을 위해 기능적인 길항성(두 요인이 동시에 작용해 서로의 효과를 상쇄시키는 성질)을 갖는 각기 다른 두 종류의 그래핀 전극을 동시에 사용했다.

연구팀은 전기전도성은 매우 좋지만 전기화학적 활성이 낮은 그래핀 그물망의 단점을 보완하기 위해 질소가 증착된 구겨진 그래핀 입자들을 추가로 적용했다. 그물망 그래핀 메쉬(mesh)와 질소가 증착된 구겨진 그래핀을 결합해 전기화학적으로 기능적 길항성을 갖는 하이브리드 전극을 제작해 소프트 액추에이터에 적용했다.

연구팀이 합성한 그래핀 메쉬 구조는 그래핀 튜브들이 서로 엮인 그물망 형태의 구조다. 특히 그물망 구조의 물결 모양 패턴 덕분에 다른 유형의 그래핀 구조보다 우수한 신축성을 갖는다.

또 화학기상증착법(CVD, Chemical vapor deposition)으로 합성하기 때문에 높은 전기 전도도를 갖는 고품질 그래핀 그물망을 제작할 수 있다.

이 하이브리드 전극에서 그래핀 그물망은 신속하고 균일한 전하 분포를 촉진하고, 질소가 증착된 구겨진 그래핀은 전하를 효율적으로 저장하는 서로 상반된 역할을 각각 수행한다. 이를 통해 재료의 비용적 단점을 보완함과 동시에 전극의 성능 요건을 충족했다.

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

오 교수는 "소프트 액추에이터의 성능향상 원리를 이해하는 기반 연구"라면서 "차세대 유연 전자산업에서의 소프트 액추에이터 기술 활용도 가속화되는 계기가 될 것"이라고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 리더연구자지원사업의 지원으로 수행됐으며, 연구 결과를 담은 논문은 국제학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)' 지난 달 31일자에 표지논문으로 실렸다.

송강섭 기자 successnews@successnews.co.kr

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