최근, 인간-기계 상호작용이 가능한 소프트 전자기기 관련 산업이 최근 각광받고 있으며, 이 산업을 선도하기 위해서는 우수한 물성을 갖는 소프트 소재의 생산기술 및 소프트 액추에이터 제작 기술 등을 확보할 필요가 있다.
현재까지 개발된 기존의 소프트 액추에이터들은 값비싼 귀금속 전극을 사용하며 굽힘 성능·반응속도 등의 성능 측면에서도 전자기기를 위한 성능 요구 사항을 만족하지 못하고 있기 때문에 아직까지 소프트 액추에이터가 전자기기 산업에 적용되지 못하고 있는 실정이다.
따라서 소프트 액추에이터의 유연 전자소자로의 적용을 위하여 귀금속 전극을 값싼 탄소 전극으로 대체함과 동시에 고성능 소프트 액추에이터의 개발이 무엇보다도 필요한 시점에 국내연구진 KAIST(총장 신성철) 기계공학과 오일권 교수 연구팀이 두 개의 서로 상반된 그래핀 구조체를 전극으로 사용해 소프트 액추에이터(작동장치)의 성능을 높이는데 성공한 것이다.
연구팀이 이번 연구를 통해 제작한 액추에이터는 웨어러블 전자기기, 소프트 로봇 등의 다양한 분야에서 사용 가능할 것으로 기대된다. 특히 연구팀은 이번 연구에 기능적인 길항성(두 요인이 동시에 작용해 서로의 효과를 상쇄시키는 성질)을 갖는 각기 다른 두 종류의 그래핀 전극을 동시에 사용했다.
전기전도성은 매우 좋지만 전기화학적 활성이 낮은 그래핀 그물망의 단점을 보완하기 위해 질소가 증착된 구겨진 그래핀 입자들을 추가로 적용했으며, 그물망 그래핀 메쉬(mesh)와 질소가 증착된 구겨진 그래핀을 결합해 전기화학적으로 기능적 길항성을 갖는 하이브리드 전극을 제작해 소프트 액추에이터에 적용했다.
특히 연구팀이 합성한 그래핀 메쉬 구조는 그래핀 튜브들이 서로 엮인 그물망 형태의 구조를 갖는다. 특히 그물망 구조의 물결 모양 패턴 덕분에 다른 유형의 그래핀 구조보다 우수한 신축성을 갖는다. 또한 화학기상증착법(Chemical vapor deposition, CVD) 방법으로 합성하기 때문에 높은 전기 전도도를 갖는 고품질 그래핀 그물망을 제작할 수 있다.
이 하이브리드 전극에서 그래핀 그물망은 신속하고 균일한 전하 분포 촉진, 질소가 증착된 구겨진 그래핀은 전하를 효율적으로 저장하는 서로 상반된 역할을 각각 수행한다. 이를 통해 재료의 비용적 단점을 보완함과 동시에 전극의 성능 요건을 충족했으며, 이번 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 “이번 연구결과를 통해 소프트 액추에이터의 성능향상 원리를 이해하는 기반 연구가 될 것이다”며 “차세대 유연 전자산업에서의 소프트 액추에이터 기술 활용이 가속화되는 계기가 될 것으로 기대한다”고 말했다.
한편 타바시안 라솔(Tabassian Rassoul) 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 온라인 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 1월 31일자에 게재됐으며 표지논문에 선정됐다.(논문명: Functionally Antagonistic Hybrid Electrode with Hollow Tubular Graphene Mesh and Nitrogen-Doped Crumpled Graphene for High-Performance Ionic Soft Actuators)
