IoT·웨어러블·소프트 로봇 전원 활용 기대
미세 복합 프린팅 이용, 소재·액정고분자 일체화

 

빛을 받으면 스스로 변형하고 이동하는 일명 ‘트랜스포머 전지’가 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국연구재단은 이상영 교수(연세대학교, 제1저자 울산과학기술원 이권형), 위정재 교수(인하대학교, 제1저자 전지수) 공동 연구팀이 빛 자극에 의해 형태가 변하는 액정고분자와 에너지를 저장할 수 있는 슈퍼커패시터를 일체화한 ‘자유 형상 전원 시스템’을 구현했다고 밝혔다.
 

▲다양한 형상의 트랜스포머 전지 (사진 제공: 이상영 연세대학교 교수)

 

액정고분자 내의 분자 배향방향과 전지의 형상을 자유롭게 제어해 트랜스포머 전지의 다양한 형상 및 변형을 구현했다. 변형 중에도 전지가 안정적으로 구동됨을 보여준다. 사진 내의 모식도는 액정 분자의 배향 방향을 의미한다.

실제로 소프트 로보틱스 분야에서는 스스로 변형되고 움직일 수 있으며 정보수집, 통신 등 다양한 역할을 수행하는 로봇을 구현하려는 시도가 활발히 이루어지고 있다.

기존 소프트 로봇은 외부 전선을 연결하거나 고정된 형태의 전지를 통해서만 전기에너지 공급이 가능한 한계가 있어, 소프트 로봇의 움직임 및 기능을 심각하게 저해하는 요소로 작용했다.

이에 연구팀은 트랜스포머 전지를 구현하기 위해 미세 복합 프린팅 공정을 이용, 전지 소재를 액정고분자와 일체화했다.

특히, 빛 자극을 열로 변환시키는 광열효과를 이용하여 빛을 이용한 형상 변형을 효과적으로 유도했다. 또한, 반복된 움직임에도 안정하게 구동할 수 있도록 전도성 고분자 및 탄소나노튜브와 같은 매우 유연한 소재를 이용하여 전지를 설계했다.

개발된 전지는 프린팅 기법을 활용하여 코일(coil), 조리개, 혹은 손바닥 등 다양한 형상으로 제작 가능하였고 빛(또는 열) 자극에 의해 자유롭게 변형됐다.

나아가, 물건을 싣고 정해진 목적지까지 스스로 기어갈 수 있는 소프트 로보틱 전원 시스템을 구현했다.
 

▲목적지까지 스스로 움직이는 트랜스포머 전지 (사진 제공: 이상영 연세대학교 교수)
 

사진에서는 트랜스포머 전지가 빛 자극을 통하여 스스로 이동하며, 목적지까지 안전하게 전기에너지를 전달하여 LED를 켜는 모습을 보여준다. 좌측 아래 그림은 전지의 구성 모식도를 표시한 것이다.

이상영 교수는 “개발된 트랜스포머 전지가 소프트 로봇을 실질적으로 구현할 수 있는 원천 기술이 될 것으로 기대”한다며 “전지 스스로 형태를 바꾸고 움직일 수 있다는 최초의 개념을 제시한 것으로, 향후 실용화를 위해 전지의 에너지 향상과 다양한 형상변형을 위한 후속 연구를 수행할 예정”이라고 설명했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구, 나노‧소재기술개발사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 재료 분야 국제학술지 ‘머티리얼스 투데이(Materials Today)’에 4월 26일 온라인 게재되었다.