왼쪽부터 부산대 안석균 교수, 부산대 이진형 학생, 한국화학연구원 김동균 박사. (사진=부산대 제공)

부산대학교는 응용화학공학부 안석균 교수 연구팀이 한국화학연구원 김동균 박사 연구팀과의 공동 연구를 통해 액정 탄성체(액정과 고무의 특성이 결합된 고분자)를 기반으로 한 새로운 인공근육 소재를 합성하는 데 성공했다고 30일 밝혔다.

연구팀에서 개발한 물질은 자기 몸무게의 660배의 무게를 들어 올리고 열을 이용한 용접, 용액 재활용 및 자가치유가 가능한 소재로, 기존 액정 탄성체 기반 인공근육 소재의 재활용 문제를 극복하고 동시에 기계적 물성까지 강화했다는 점에서 의미가 있다.

이번 연구 성과는 소재분야의 세계적인 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 지난 23일자에 게재됐고, 표지논문(Inside Front Cover)으로 선정됐다. 논문 제목은 튼튼하고 재가공 가능한 동적 티오우레아 함유 액정 탄성체 기반 인공근육(Robust and Reprocessable Artificial Muscles Based on Liquid Crystal Elastomers with Dynamic Thiourea Bonds) 이다.

‘액정 탄성체’는 디스플레이에 사용되기도 하는 액정물질을 고무에 도입해 만든 스마트 소재다. 특히, 특정방향으로 배향된 액정 탄성체의 경우 온도변화에 따라 높은 변형률(최대 약 400%)로 가역적인 수축과 팽창을 할 수 있다. 이러한 특성으로 1980년대 개발 초기부터 인공근육 개발을 위한 후보물질로 주목 받아 왔다. 그러나, 우리가 흔히 사용하는 고무와 같이 그물형태로 ‘가교(架橋)’된 분자구조로 인해 한 번 망가지면, 다시 사용하기 어렵다는 문제가 있었다.

이에 연구진은 액정 탄성체를 재사용할 수 있도록 하기 위해 기존의 비가역적 공유 결합을 대신해 가역적 동적 공유 결합을 도입한 액정 탄성체를 설계하고 합성에 성공했다.

특히, 이 과정에서 동적 공유 결합 특성뿐 아니라 수소 결합 특성까지 보유한 폴리티오우레아(polythiourea) 가교제를 핵심 물질로 사용해 가공성과 동시에 기계적 물성까지 강화시켰다. 이러한 티오우레아 가교제를 액정 탄성체에 도입해 인공근육을 구현한 사례는 이번 연구가 최초다.

이번에 새롭게 개발된 액정 탄성체는 열을 이용한 용접 및 용액 재활용과 함께 자가치유(상처 부위에 열을 가하면 회복) 능력을 나타냈으며, 특히 사람의 근육보다 3배 이상 우수한 성능을 보였다. 연구진은 액정 탄성체 내에 열선을 삽입해 전기로 구동할 수 있는 인공근육을 제작·시연 및 재활용하는 데까지 성공했다.

연구책임을 맡은 부산대 안석균 교수는 “이번 결과는 재활용이 어려웠던 기존 액정 탄성체의 문제점을 해결할 수 있는 새로운 분자구조의 액정 탄성체를 개발했다는 점에서 중요한 의미가 있다”고 말했다. 특히, “본 소재기술이 향후 지속가능한 인공근육 및 연성 액추에이터, 소프트 로봇 등의 개발에 활용될 수 있을 것”이라고 기대했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 한국연구재단 우수신진연구지원사업과 나노 및 소재기술개발사업의 지원을 받아 부산대 응용화학공학부 대학원생 이진형(제1저자), 배재희 및 연구책임자인 안석균(교신저자) 교수 주도로 진행됐다. 또 한국화학연구원의 김동균(교신저자) 박사와 김용석·박성민 박사 그리고 충남대 나준희(공동저자) 교수가 참여했다.