생체로봇과 의족과 의수처럼 생체의료기기에 사용되는 인공 근육. 인공 근육은 이름 그대로 인간의 근육을 인공의 과정을 거쳐 제작한 것으로 보다 자연스러운 의족이나 의수의 사용을 가능케 한다는 점에서 매우 필요한 기술로 언급된다.
인체에 근육이 잘 발달하면 몸을 자유자재로 움직이는 게 용이하듯, 인공 근육 역시 몸을 움직이는 게 부자연스러운 장애인이나 로봇에 부착하면 보다 자연스러운 움직임을 보장해 준다. 하지만 현재 의수나 의족에 사용되는 인공 근육은 전기모터나 유압식펌프 방식으로, 소음이 크고 움직임도 자연스럽지 못했다.
이를 극복하기 위한 연구들이 진행됐지만 진짜 근육과 비슷한 결과물을 만들어내는 데는 한계가 작용할 수밖에 없었다. 이에 따라 오일권 카이스트 교수팀은 내구성이 뛰어난  에 대한 연구를 지속했다. 보다 나은 근육을 만들어 보다 편리한 삶을 누릴 수 있도록 돕기 위해서였다.

보다 자연스러운 근육을 위해

“기존의 인공 근육은 물에 뜨지 못해 다양한 분야에 적용하는 게 어려웠습니다. 저희가 최초로 개발한 물에 뜨는 인공 근육은 박막형태의 그래핀 종이 전극이 물과 친하지 않은 성질을 이용해 개발한 것입니다. 물과 친하지 않을 뿐 아니라 인공 근육 자체의 무게도 매우 가벼워 물 표면 위에 뜰 수 있는 새로운 형태의 인공 근육이죠.”
오일권 교수팀은 환원된 그래핀 산화물 입자를 두껍게 쌓아 5㎛(마이크로미터, 100만분의 1미터) 두께로 제작한 종이형태의 전극을 제작해 액체 투과성 실험을 진행했다. 그 결과 연구팀은 전해액이 거의 빠져나가지 않는 것을 확인할 수 있었다. 내부 전해액 이온의 크기보다 그래핀의 입자간 공간이 좁기 때문이었다. 이에 따라 연구팀은 그래핀 전극이 이온성 고분자와 맞닿는 부분에 레이저 처리를 시도했고, 이를 통해 표면적을 늘려 접착성을 높일 수 있었다. 이에 따라 인공 근육의 움직임에 대한 내구성을 확보하는 게 가능했다.
“기본적으로 인공 근육 제품을 상용화하기 위해서는 제작의 용이성, 비용, 성능 등 많은 측면이 고려돼야 합니다. 하지만 지금까지 연구된 유연한 인공 근육은 일반적으로 고가의 백금이나 금을 이용했기 때문에 상용화 하기에는 비용적인 측면에서 문제가 많았습니다. 제작 방법 역시 시간이 오래 걸리고 복잡한 방법들이 이용됐기 때문에 상용화는 어려운 상황이었죠. 무엇보다도 인공 근육이 상용화되지 못한 가장 큰 이유는 장시간 운용했을 때 성능이 많이 떨어지는 단점 때문이었습니다. 금속 전극으로 이뤄진 인공 근육의 경우, 전극 표면에 무수한 균열들이 존재해요. 때문에 오랜 시간 작동하게 되면 내부 이온들이 균열들로 빠져 나오게 되죠. 이는 곧 성능의 저하로 연결됩니다. 그래서 저희 연구실에서는 위에서 언급한 기존의 문제점들을 해결하기 위해 새로운 개념의 고성능 인공 근육에 대해 중점적으로 연구하고 있습니다.”
그렇게 지속한 오일권 교수팀의 연구는 성과 측면에서도 탁월한 결과를 보였다. 기존 백금전극으로 만들어진 인공 근육은 4.5V(볼트), 1Hz(헤르츠) 조건으로 6시간 동안 실험한 결과 30분이 지난 후 움직임이 절반 이하로 떨어졌지만 오 교수 연구팀이 개발한 인공 근육은 동일 조건에서 성능이 지속적으로 유지되며 안정적인 작동이 가능했던 것이다.

간단한 방식 이용한 높은 성능의 인공 근육

“저희가 개발한 인공 근육은 백금이나 금 등 고가의 금속전극을 사용하지 않고 최근 활발히 연구되고 있는 탄소소재인 그래핀을 이용해 전극을 제작했습니다. 흑연을 화학적으로 박리시켜 그래핀 산화물을 먼저 얻고 이를 진공펌프로 여과시키면 그래핀 산화물 종이를 손쉽게 제작할 수 있어요. 이를 다시 환원시키면 박막형태의 그래핀 종이 전극을 얻을 수 있죠. 연구팀은 그래핀 종이 전극과 이온성 고분자와의 접착력을 향상시키기 위해 한 쪽 면을 레이저로 처리한 후 거칠게 만들어 표면적을 넓혀줬습니다. 이렇게 제작된 그래핀 종이 전극을 이온성 고분자에 열접착 방식을 이용해 간단히 붙여줬죠. 이런 방법은 매우 쉽고 빠르거든요. 그리고 가격도 저렴하죠. 결국 저희 팀은 여러 면에서 탁월한 조건을 지닌 인공 근육을 제작할 수 있었습니다.”
해당 연구를 통해 오일권 교수팀의 연구는 인공 근육의 상용화에 한발 더 다가갈 수 있도록 기틀을 마련한 셈이다. 더불어 아직까지 물에 뜨는 형태의 인공 근육이 학계에 보고된 바가 없다는 점에서 오 교수팀의 연구는 큰 의의를 갖는다.
“그동안 인공 근육 분야를 오랜 시간 동안 연구해 오면서 인공 근육의 상용화를 위해 연구를 지속적으로 진행해 왔습니다. 저희 연구실과 더불어 세계의 저명한 연구자들 또한 다양한 방법을 이용해 인공 근육의 성능을 개선시키는데 성공했죠. 하지만 그 성능을 유지하는 연구에 관해서는 연구가 많이 진행되지 않았습니다. 저희는 조금 더 인공 근육의 상용화에 앞장서기 위해 성능적 측면과 성능 지속성 측면의 개선에 관한 연구를 진행했어요. 결과적으로 고가의 금속전극을 간단히 대체할 수 있는 그래핀 종이 전극을 이용해 성능 지속성이 뛰어나고 물에 뜨는 인공 근육을 개발할 수 있었죠.”
이번 연구는 약 2년에 걸친 기간 동안 진행됐다. 오일권 교수는 “인공 근육을 개발하기 위해 약 2년 동안 많은 시행착오를 겪었다”며 당시를 회고했다.
“연구 초기에는 어떤 식으로 실험을 설계해야 가장 효과적으로 비교를 할 수 있을지에 관한 고민이 굉장히 많았습니다. 가장 어려웠던 부분은 그래핀 종이 전극과 이온성 고분자의 접착이었어요. 처음에는 레이저를 처리하지 않은 그래핀 종이 전극을 이온성 고분자에 열 접착 방식을 통해 인공 근육을 제작하려고 시도했어요. 하지만 종종 실험을 하다가 전극이 떨어져 나갈 때도 있었고 아예 접착이 잘 안될 때도 많았죠. 그래서 저희는 고민 끝에 레이저 처리를 통해 그래핀 종이 전극의 표면적을 크게 만들어 이온성 고분자와 그래핀 종이 전극의 맞닿는 부분의 면적을 넓혔습니다. 그렇게 이 문제를 해결할 수 있었죠.”
오일권 교수팀의 이번 연구결과는 인공 근육 표면이 물을 밀어내는 소수성 특성을 나타내기 때문에 생체내부에서 작동기로 응용이 될 수 있을 것으로 기대되고 있다. 더불어 제작된 인공 근육은 상대적으로 유연하고 매우 얇은 형태로 이뤄져 있기에 유연 전자소자나 햅틱 소자에도 사용될 수 있을 것으로 예상되고 있다.
“저희가 개발한 유연한 인공 근육을 휘어지는 디스플레이나 헤드폰, 스피커 등의 진동소자를 이용해 소리와 함께 떨림, 즉 진동을 표현할 수 있습니다. 위와 같이 이러한 인공 근육을 이용한다면 다양한 분야에서의 적용이 용이할 거예요. 더불어 인공 근육 분야의 산업적, 경제적, 학문적 활성화를 기대할 수 있지 않을까요.”
오일권 교수팀의 연구는 금속전극을 간단히 그래핀 종이 전극으로 교체함으로써 인공 근육의 성능 지속성을 향상시켰다. 더불어 물에 뜨는 형태의 인공 근육인 만큼 추후 다양한 형태의 후속적 연구가 가능할 것으로 보인다. 보다 다양한 연구의 도화선이 될 수 있기를 바란다는 게 그의 바람이기도 했다. 오 교수는 “이번 연구는 기존의 인공 근육의 문제점을 아주 쉽게 극복할 수 있는 돌파형 기술로 간주될 수 있다”고 강조했다.
“저희 연구팀은 이번 연구결과를 상용화하기 위해, 제작된 인공 근육의 굽힘 성능이나 출력을 더욱 높이는 연구를 진행하고 있습니다. 앞으로 수년 내에 여러 분야에서 이 유연한 인공 근육이 상용화 되는 것을 볼 수 있지 않을까요. (웃음)”