UNIST 김지윤 교수팀, 서울대 권민상 교수팀과
자화 형태 재설계 가능한 자성 스마트 소재 개발
의공학, 유연 소자, 소프트 로봇 등에 응용 전망


자기장에 반응해 스스로 움직이는 자성 스마트 소재의 모양을 더욱 다양하게 만들 수 있게 됐다.

UNIST 신소재공학부 김지윤 교수팀은 3일, 서울대학교 재료공학부 권민상 교수팀과 공동으로 자화 형태(magnetization pattern)를 바꿀 수 있는 자성 스마트 소재를 개발했다고 밝혔다.

자성 스마트 소재는 내부에 미리 입력된 자화 형태와 외부 자기장 간 상호작용을 통해 움직인다. 자석에 다른 자석(자기장)을 갖다 대면 발생하는 인력이나 척력을 이용하는 것이다. 자화 형태는 자석 힘의 세기와 N-S극 방향을 결정하는 설계도다. 자화 형태에 따라 자성 스마트 소재가 특정한 방향으로 굽혀지거나 접힌다.

하지만 자화 형태는 소재 제작과정에서 한 번 고정되면 바꾸기 쉽지 않다. 움직임을 원격으로 제어할 수 있고, 외부 자극에 빠르게 반응하는 장점이 있음에도 불구하고 자성 스마트 소재가 널리 쓰이지 못하는 이유다. 공동연구팀은 온도에 따라 상태가 바뀌는 물질을 이용해 이 문제를 해결했다.

개발된 소재는 자석입자(자성물질)와 상변화 물질(Polyethylene glycol; PEG)이 혼합된 마이크로미터(10^-6m) 크기의 알갱이(자성 미소 구체)가 고분자 기질에 박혀 있는 구조를 갖는다. 고체에서 액체로 변하는 상변화 물질인 PEG 때문에 자화 형태를 여러 번 반복해서 바꾸는 것이 가능하다.

얼음 속 구슬은 단단하게 고정되지만, 물속에선 자유롭게 움직이듯, 액체가 된 상변화 물질 때문에 자석 입자가 외부 자기장을 이용해 자화 형태를 새롭게 입력할 수 있다. 반면 온도가 상온으로 내려가면 고체가 된 상변화 물질 때문에 자석 입자가 물리적으로 움직일 수 없어 자화 형태가 고정된다.

제1 저자인 송현서 UNIST 신소재공학부 석박사통합과정 연구원은 “PEG의 고체 액체 간 상변화는 가역 반응이라 위의 과정을 반복하는 것만으로도 부드러운 복합소재의 자화 형태를 원하는 만큼 쉽게 재설계할 수 있다”라고 설명했다.

연구팀은 또한, 개발한 복합소재로 자가 종이접기가 가능한 자성 소프트 액추에이터도 개발했다. 액추에이터의 자화 형태를 실제 작동 환경(in situ)에서 재설계하고, 이를 자기장에 노출해 복잡한 3차원 형태를 다양하게 구현한 것이다. 가역 반응을 이용하기 때문에 동일한 액추에이터에 반복적으로 새로운 자화 형태를 입력해도 소재의 성능이 유지된다는 장점이 있다.

김지윤 교수는 “기존 연구와 달리 자성 입자나 고분자 기질의 고유 특성을 바꾸지 않으면서도 쉽게 자화 형태 재설계가 가능한 소재를 개발했다는 데 의의가 크다”라며 “이번에 개발된 소재는 유연성도 갖춰 의공학, 유연 전기소자, 소프트 로봇 등 가변 구조형 스마트 소재가 필요한 다양한 분야에서 역할을 할 것”이라고 설명했다.

한편, 이번 연구(Reprogrammable Ferromagnetic Domains for Reconfigurable Soft Magnetic Actuators)는 나노분야 권위지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 7월 8일 자로 게재됐다. 연구 수행은 한국연구재단과 한국산업기술평가관리원의 지원을 받아서 이뤄졌다.