한양대 전기생체공학부 김선정 교수팀이 미국 텍사스대 및 다국적 연구팀과 함께 기존 인공근육보다 최대 3배의 힘을 내는 새로운 ‘단극성 인공근육(unipolar artificial muscle)’을 개발했다.

이번 연구로 새롭게 개발한 인공근육은 기존 탄소나노튜브 재료의 한계점을 극복한 것으로 향후 고성능 인공근육 연구에 큰 영향을 미칠 것으로 예상된다. 해당 연구결과는 과학 분야 세계 최고 권위지인 「사이언스(Science)」에 게재돼 29일 출간됐다.

공동 연구팀은 탄소나노튜브에 이온교환수지를 코팅했을 때 더 빠르고 강력한 인공근육을 제조할 수 있다는 것을 발견했다.
기존 탄소나노튜브 인공근육은 사용가능한 전압범위 내에서 양극성(bipolar) 움직임을 보여 구동 성능에 제한이 있었다. 또 전기화학적 원리에 의해 움직임의 속도가 빠를수록 그 크기가 작아지는 한계점이 있었다. 이에 반해 이온교환수지가 코팅된 탄소나노튜브 인공근육은 단극성 움직임으로 모든 전압범위 내에서 최대의 구동이 가능하며, 움직임의 속도가 빠를수록 더 큰 힘을 낼 수 있었다. 이번 논문의 공저자인 한양대 김 교수팀은 인공근육의 구동원리를 분석했고, 직물형 인공근육 개발에 공헌해 웨어러블 분야로의 응용 가능성을 열었다.

인공근육을 이용한 자가에너지 생성 원리는 향후 고성능 인공근육 개발 및 연구에 있어 계속해서 많은 활용이 가능할 것으로 기대된다. 또 한양대 팀은 실 형태의 인공근육을 직물로 제조해 기능성 스마트 의류로서의 응용 가능성을 보였다. 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단이 시행하는 리더연구지원사업(자가에너지구동연구단)의 지원을 받아 진행됐다.

한편 김 교수팀은 지난 2017년 「사이언스(Science)」에 발표한 자가에너지생성 원리를 이용해 인공근육의 양극성, 단극성 움직임의 이유인 영전하전위(potential of zero charge, PZC) 변화 현상을 밝힌 바 있다.

※ 용어 설명:
1) 이온교환수지: 이온 교환을 위한 매개체 역할을 하는 고분자
2) 단극성 움직임: 서로 다른 상태가 같은 전압 극성에서 나타나는 움직임.
3) 양극성 움직임: 서로 다른 상태가 서로 다른 전압 극성에서 나타나는 움직임.
4) 영전하전위(potential of zero charge, PZC): 표면전하의 총합이 0이 되는 전위.