420 Polymer Science and Technology Vol. 19, No. 5, October 2008 1. 서론 인공 근육(artificial muscle)은 인공적인 합성 재료를 이용하여 인 간의 근육을 모방하고 이를 이용하여 기계적 동작을 하는 소자를 통 칭하여 부르는 용어이다. 현대 사회에서 로봇(robot)은 다양한 분야 에서 활용된다. 일부 외제차의 제작에서만 사용되던 100% 로봇공정 이 기아자동차의 광주공장에서 이미 적용되고 있고 위험하고 복잡한 난치병의 수술 또한 로봇을 이용하여 정교하게 수행된다. 인간이 발 자국을 남길 수 없는 곳은 하나도 없다고 여겨졌지만 21세기에 들어 선 지금도 수천미터 이하의 심해와 달 이외의 행성 탐험에는 아직도 다양한 로봇이 인간을 대신하여 그 역할을 다해주고 있다. 이와 같은 다양한 로봇에는 다양한 기계적 장치들이 부착되어 있다. 최근 각종 첨단 센서와 인공지능으로 무장된 휴머노이드 로봇 들이 등장하여 사 람들을 즐겁게 해주고 있고 로봇의 발전은 끝이 보이지 않을 정도로 하루하루 다르게 진행되고 있는 상태이다. 하지만 그 근원적 면모에서 로봇은 인간이나 다른 동물이 가지고 있 는 근육 자체와는 작동 방식이 틀리다. 통상적으로 로봇은 모터의 회 전력이나 압축공기의 압축/팽창력을 이용하여 동력을 여러 가지 부품 에 전달하고 다양한 동작을 수행하게 된다. 하지만 현재에도 로봇춤 이 그러하듯 로봇의 움직임은 무엇인가 부자연 스럽고 인간의 움짐임 과는 많은 차이점을 가지고 있는 것이 현실이다. 이는 인간의 근육이 매우 섬세하고 정밀한 다양한 근육 운동을 할 수 있는 것에 반하여 로 봇의 움직임이 단순한 회전과 수축/팽창을 다양한 기어를 사용하여 수행하는 것이기 때문이다. 따라서 최근에는 더욱더 정교하고 인간과 유사한 로봇을 제작하기 위하여 생체 근육을 모방한 다양한 인공 근 육 시스템이 개발되고 있다. 본 총설에서는 다양한 고분자-이온 복합 체를 이용하여 인공 근육 소재를 개발하고 이를 이용하여 다양한 인공 근육 시스템을 제작하는 연구를 고분자 재료적인 측면에서 설명하고 자 한다. 현재 인공 근육 제작을 위하여 사용되고 있는 전기적 인공 근육 재료와 이온성 인공 근육 재료, 두 가지 분류하여 다양한 고분자 복합체가 어떻게 인공 근육 재료로서 사용되는지를 설명하고자 한다. 2. 인공 근육에 사용되는 고분자 재료 인공 근육에 고분자가 사용되기 위해서는 전기장이 가해졌을 때 실 질적으로 변형이 일어나는 것이 가장 중요한 핵심 요소이다. 다음으 로는 이와 같은 변형된 상태에서 다시 가역적으로 초기 상태로 완벽 히 전환되는 것이 중요하다. 이와 같은 구동 방식은 근육의 원리와 유 사한 것으로 전압이 가해졌을 때 길이나 부피에서 많은 변위를 나타 내는 것은 우수한 고분자 인공 근육 소재라고 이야기할 수 있다. 인공 근육에 사용되는 고분자 재료를 설명하기 전에 용어의 정리가 필요하다. 실제 인공 근육 소재 중의 한 분류인 electroactive polymer (EAP)는 전기장에 의하여 재료의 면적 혹은 부피가 변화하는 소재 로서 유기 발광(EL) 재료 분야의 연구에서도 종종 EAP라는 용어를 사용하기 때문에 혼선이 있을 수 있다. 최근 EAP는 인공 근육 분야에 주로 국한되어 사용되기도 하지만 아직도 많은 경우에 혼용되기 때문 에 특허 분석과 같은 경우 혼선을 초래할 수 있다. EAP에 속하는 인 공 근육 소재로서 dielectric actuator(DEA), relaxor ferroelectric polymers, 그리고 액정 고무를 포함할 수 있다. 다음으로 인공 근육 소재로서 구동시 이온이 필요하고 이와 같은 이온의 이동이 필수적인 인공 근육 소재가 있다. 이들 소재는 이온성 EAP라고 불리우는데 이 온들이 이동을 해야하기 때문에 전해질의 사용이 필수적이고 전해질 이 액체일 경우 wet EAP라고 불리운다. 그리고 전해질로서 고체 물 질을 사용할 경우 아직 따로 분류되지는 않고 있으며 전도성 고분자 를 사용하는 경우, 탄소 나노튜브(CNT)를 사용하는 경우, 그리고 이 온성 고분자 금속 복합체(inonic polymer metal composite, IMPC) 를 사용하는 경우 해당 물질의 이름을 인공 근육 소재로서 그대로 사 용한다. 그림 1 은 실제 포유류의 뼈 주변의 근육의 특성을 표시한 것이다. 실제로 본 총설에서 소개될 인공 근육 소재들을 생체내의 근육보다 더 우수한 성능을 보여주기도 한다. 이는 더 응답 속도가 빠르고 더 전기 응답형 지능형 고분자(인공 근육) 정성엽 특 집 Electroactive Smart Polymer(Artificial Muscle) 충주대학교 기계공학과 (Seong Youb Chung, Mechanical Engineering, Chungju National University, 72 Daehak-ro, Chungju-si, Chungbuk 380-702, Korea)) e-mail:[email protected]정성엽 1994 1996 2005 2005∼ 2007 2007∼ 현재 연세대학교 기계공학과(학사) 한국과학기술원 기계공학과(석사) 한국과학기술원 기계공학과(박사) 삼성중공업 매카트로닉스센터 책임연구원 충주대학교 기계공학과 전임강사
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전기 응답형 지능형 고분자(인공 근육) · 420 Polymer Science and Technology Vol. 19, No. 5, October 2008 1. 서론 인공 근육(artificial muscle)은 인공적인 합성
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420 Polymer Science and Technology Vol. 19, No. 5, October 2008
1. 서론
인공 근육(artificial muscle)은 인공적인 합성 재료를 이용하여 인
간의 근육을 모방하고 이를 이용하여 기계적 동작을 하는 소자를 통
칭하여 부르는 용어이다. 현대 사회에서 로봇(robot)은 다양한 분야
에서 활용된다. 일부 외제차의 제작에서만 사용되던 100% 로봇공정
이 기아자동차의 광주공장에서 이미 적용되고 있고 위험하고 복잡한
난치병의 수술 또한 로봇을 이용하여 정교하게 수행된다. 인간이 발
자국을 남길 수 없는 곳은 하나도 없다고 여겨졌지만 21세기에 들어
선 지금도 수천미터 이하의 심해와 달 이외의 행성 탐험에는 아직도
다양한 로봇이 인간을 대신하여 그 역할을 다해주고 있다. 이와 같은
다양한 로봇에는 다양한 기계적 장치들이 부착되어 있다. 최근 각종
첨단 센서와 인공지능으로 무장된 휴머노이드 로봇 들이 등장하여 사
람들을 즐겁게 해주고 있고 로봇의 발전은 끝이 보이지 않을 정도로
하루하루 다르게 진행되고 있는 상태이다.
하지만 그 근원적 면모에서 로봇은 인간이나 다른 동물이 가지고 있
는 근육 자체와는 작동 방식이 틀리다. 통상적으로 로봇은 모터의 회
전력이나 압축공기의 압축/팽창력을 이용하여 동력을 여러 가지 부품
에 전달하고 다양한 동작을 수행하게 된다. 하지만 현재에도 로봇춤
이 그러하듯 로봇의 움직임은 무엇인가 부자연 스럽고 인간의 움짐임
과는 많은 차이점을 가지고 있는 것이 현실이다. 이는 인간의 근육이
매우 섬세하고 정밀한 다양한 근육 운동을 할 수 있는 것에 반하여 로
봇의 움직임이 단순한 회전과 수축/팽창을 다양한 기어를 사용하여
수행하는 것이기 때문이다. 따라서 최근에는 더욱더 정교하고 인간과
유사한 로봇을 제작하기 위하여 생체 근육을 모방한 다양한 인공 근
육 시스템이 개발되고 있다. 본 총설에서는 다양한 고분자-이온 복합
체를 이용하여 인공 근육 소재를 개발하고 이를 이용하여 다양한 인공
근육 시스템을 제작하는 연구를 고분자 재료적인 측면에서 설명하고
자 한다. 현재 인공 근육 제작을 위하여 사용되고 있는 전기적 인공
근육 재료와 이온성 인공 근육 재료, 두 가지 분류하여 다양한 고분자
복합체가 어떻게 인공 근육 재료로서 사용되는지를 설명하고자 한다.
2. 인공 근육에 사용되는 고분자 재료
인공 근육에 고분자가 사용되기 위해서는 전기장이 가해졌을 때 실
질적으로 변형이 일어나는 것이 가장 중요한 핵심 요소이다. 다음으
로는 이와 같은 변형된 상태에서 다시 가역적으로 초기 상태로 완벽
히 전환되는 것이 중요하다. 이와 같은 구동 방식은 근육의 원리와 유
사한 것으로 전압이 가해졌을 때 길이나 부피에서 많은 변위를 나타
내는 것은 우수한 고분자 인공 근육 소재라고 이야기할 수 있다.
인공 근육에 사용되는 고분자 재료를 설명하기 전에 용어의 정리가
필요하다. 실제 인공 근육 소재 중의 한 분류인 electroactive polymer
(EAP)는 전기장에 의하여 재료의 면적 혹은 부피가 변화하는 소재
로서 유기 발광(EL) 재료 분야의 연구에서도 종종 EAP라는 용어를
사용하기 때문에 혼선이 있을 수 있다. 최근 EAP는 인공 근육 분야에
주로 국한되어 사용되기도 하지만 아직도 많은 경우에 혼용되기 때문
에 특허 분석과 같은 경우 혼선을 초래할 수 있다. EAP에 속하는 인
공 근육 소재로서 dielectric actuator(DEA), relaxor ferroelectric
polymers, 그리고 액정 고무를 포함할 수 있다. 다음으로 인공 근육
소재로서 구동시 이온이 필요하고 이와 같은 이온의 이동이 필수적인
인공 근육 소재가 있다. 이들 소재는 이온성 EAP라고 불리우는데 이
온들이 이동을 해야하기 때문에 전해질의 사용이 필수적이고 전해질
이 액체일 경우 wet EAP라고 불리운다. 그리고 전해질로서 고체 물
질을 사용할 경우 아직 따로 분류되지는 않고 있으며 전도성 고분자
를 사용하는 경우, 탄소 나노튜브(CNT)를 사용하는 경우, 그리고 이
온성 고분자 금속 복합체(inonic polymer metal composite, IMPC)