기계/조선

계측과 제어_Vol.59 No.11 특집

Active Soft Materials
로보틱스ㆍ메카트로닉스에 응용

릴레이 기사 FACE the future
《제 23회》 세미 액티브 서스펜션을 이용한 차량의 승차감 제어에 대해

총론 : 특집
● Active Soft Materials 응용을 목표로

1. 머리말
고분자와 액정, 교질(Colloid), 계면활성제 등의 유연한 물질(소프트 머티리얼)은 소프트 매터(Soft Matter)라고도 불린다. 소프트 매터 가운데에서도 전장이나 열, 용매 농도, 액성 등의 외부 자극에 응답하는 재료를 액티브 소프트 매터(Active Soft Matter) 또는 액티브 소프트 머티리얼(Active Soft Materials)이라고 부를 수 있을 것이다. 액티브 소프트 머티리얼 중 외부 자극에 응답해 변형되는 재료는 액추에이터로서 이용할 수 있고, 외부 자극에 응답해 전압과 전류, 온저항(Impedance) 변화가 발생하는 재료는 센서로써 이용할 수 있다.

사람이나 생물의 근육과 같은 특성을 실현하는 소프트 액추에이터에 대한 기대가 높아지고 있다. 경량에 유연하고 친환경적이며 역구동성(Backdrivability)을 가진 ‘인공 근육’을 이용해 새로운 로봇(소프트 로봇, 자율분산 시스템, 근골격 로봇 등)을 실현하려는 움직임이 추진되고 있다. 최근 큰 성장을 보이고 있는 소프트 로보틱스는 기존의 로봇으로는 실현이 어려웠던 유연한 구성 체계, 부드러운 동작, 지적인 행동을 실현하는 로봇을 목표로 하고 있다. 액티브 소프트 머티리얼은 소프트 로보틱스에서도 핵심이 되는 재료로서 기대되고 있다.

이번 특집에서는 액티브 소프트 머티리얼을 로봇의 ‘인공 근육’과 메카트로닉스 기기의 소프트 액추에이터, 소프트 센서로서 실용화하는 연구들을 소개한다. SICE SI부문 소프트머티리얼응용부회가 중심이 되어 기획했다. 소프트머티리얼응용부회는 전신인 조사연구회를 포함해 2003년부터 액티브 소프트 머티리얼에 관한 연구 활동을 진행하고 있다. 부회 활동의 큰 목적 중 하나는 학계의 재료 연구 및 기초 연구와 산업계의 제품화에 대한 기대와 요구를 연결시키는 것이다. 사실 우리 학회지에서는 ‘소프트 머티리얼 개발ㆍ응용의 최전선’이란 제목의 특집을 2015년에 기획했었다. 이전 특집이 재료에 초점을 맞춘 내용이었다면 이번 특집은 응용 측면을 보다 의식했다고 할 수 있다.

여기서는 액티브 소프트 머티리얼의 가능성, 현재 상황, 과제에 대해 정리한다. 우선, 재료의 종류, 분야의 역사를 간단하게 소개하고 이어 연구 동향과 향후 전망에 대해 설명한다. 마지막으로 이번 특집의 구성과 개요를 정리한다.

2. 액티브 소프트 머티리얼, 액추에이터ㆍ센서로의 이용
이 장에서는 액티브 소프트 머티리얼 가운데에서도 고분자 액추에이터 재료의 종류를 설명, 그 역사적 배경과 연구 동향을 소개한다.

2.1 액티브 소프트 머티리얼의 종류
여기서는 액티브 소프트 머티리얼의 종류를 분류하고 대표적인 것을 소개한다. 표 1은 액티브 소프트 머티리얼을 분류한 것이다. 지금까지 다양한 입력(전장(電場), 자장, 열, pH, 용매 등)에 응답해 변형하는 재료가 발견, 개발되고 있다. 로봇 등의 액추에이터로서 이용될 경우, 전기로 직접 제어할 수 있으면 편리하다.

특히 전장에 직접 응답하는 고분자를 전장 응답성 고분자(전기 활성 고분자, Electroactive polymers, Electromechanically active polymers: EAPs)라고 부른다. 전장 응답성 고분자는 크게 구별하면 그 구동 원리를 통해 Ionic EAP(전장으로 인해 체적 변화와 화학 변화가 발생해 변형되는 타입)와 Electronic EAP(전장으로 인해 직접 변형이 발생하는 타입)으로 나눠진다.

또한 전장에 직접 응답하지 않아도 간접적으로 전장을 통해 구동할 수 있을 경우도 있다. 예를 들어 열 응답성 고분자 재료는 줄(Joule) 가열에 의해 전류로 구동된다. 표 2에서는 이번 특집에 관련된 고분자 액추에이터로써 이용될 수 있는 재료의 대부분이 역으로 센서로서의 이용도 가능하다는 것을 알 수 있다.

 -- 끝 --