DGIST, 에너지 생산·저장이 동시에 가능한 바이오매스 기반 형상기억고분자 섬유 개발 / 섬유 무게의 56,000배 이상 하중 견디는 인공근육섬유, 첨단 섬유 및 웨어러블 산업 전반 활용 기대

DGIST, 에너지 생산·저장이 동시에 가능한 바이오매스 기반 형상기억고분자 섬유 개발

섬유 무게의 56,000배 이상 하중 견디는 인공근육섬유, 첨단 섬유 및 웨어러블 산업 전반 활용 기대

▶(좌측부터) DGIST 에너지환경연구부 임상규 책임연구원, 서혜진 전임연구원, 김영광 전임연구원, 홍성희 전임연구원

▶에너지 생산 및 저장이 가능한 바이오매스 기반 인공근육섬유 개념도 및 주요 성능 비교 및 그림

그림설명 : 설명 : 바이오매스기반의 PLA/TPU 소재를 활용해 인체근섬유를 모사한 내구성이 뚸어한 인공근육섬유를 제조했다. 이 연구를 통해 기존의 열제어를 통한 형상기억현상 기반의 인공근육섬유의 성능을 향상시켰을 뿐만 아니라 압전 에너지생산 및 에너지저장 기능까지 구현한 다기능성 인공근육섬유를 개발했다.

 

 

 

 

DGIST(총장 이건우) 에너지환경연구부 임상규 책임연구원팀이 에너지를 생산하고 저장할 수 있는 새로운 인공근육섬유를 개발했다.

 

연구팀은 이번 성과가 첨단 섬유, 의료 로봇, 웨어러블 장치 등 다양한 분야에서 활용 가능성을 보여줄 것으로 기대하고 있다.

 

연구팀은 농작물 기반 원료로 만든 친환경 소재인 폴리락트산(Poly(Lactic Acid), 이하 ‘PLA’)과 내구성이 뛰어난 바이오기반 열가소성 폴리우레탄(Thermoplastic Polyurethane, 이하 ‘TPU’)을 사용해 실제 근육을 모방한 인공근육섬유를 제작했다.

 

특히, 기존에 열로 제어되는 형상기억 기능을 개선해 성능을 크게 높였으며, 이 섬유는 에너지를 생산하고 저장하는 기능까지 더한 다기능 섬유로 개발됐다.

 

PLA는 옥수수와 사탕수수에서 추출한 포도당으로 만든 친환경 생분해성 소재로, 일정 조건에서 자연적으로 분해된다.

 

TPU는 강한 내구성과 복원력을 가진 소재로 산업용 시트, 전자기기 보호 필름, 운동화, 인조가죽 등 다양한 제품에 널리 사용되고 있다.

 

이번 연구에서는 PLA와 TPU의 비율과 섬유 구조를 정밀하게 조절해 대량 생산이 가능한 방식으로 설계했다.

 

섬유를 꼬아서 만든 특수 공정을 통해 기존 형상기억섬유보다 강도가 4.18배 향상됐고, 내구성도 뛰어나 50번 이상 반복 사용 후에도 98% 이상의 복원력을 유지했다.

 

또한 이 섬유는 자기 무게의 56,000배에 달하는 하중을 견딜 수 있는 강력한 성능을 자랑한다.

 

인공근육섬유는 단순히 형태를 기억하는 기능 외에도 압력으로 에너지를 생성할 수 있으며, 1,000번 이상 충전과 방전을 반복해도 초기 성능의 90% 이상을 유지하는 안정적인 에너지 저장 능력을 갖췄다.

 

임상규 책임연구원은 “이번 연구를 통해 에너지를 생산하고 저장할 수 있는 새로운 인공근육섬유 기술을 개발했다”며, “로봇, 첨단 섬유, 웨어러블 장치 등 다양한 산업에서 활용되기를 기대한다”고 말했다.

 

한편, 이번 연구는 산업통상자원부와 한국산업기술진흥원의 산업기술국제협력사업(국제공동기술개발사업)과 DGIST 기관 고유사업의 지원을 통해 수행됐으며, 연구 결과는 국제 학술지 ‘Chemical Engineering Journal’에 게재됐다.

 

 

연 구 결 과 문 답

이번 성과 무엇이 다른가		본 연구에서는 기존 열에 의해 유도되는 형상기억현상을 기반으로 작동하는 인공근육섬유에 에너지 생산 및 저장 기능이 통합한 다기능성 섬유를 개발했습니다.
어디에 쓸 수 있나		개발된 인공근육섬유는 미세한 힘 조절이 필요한 의료용 로봇의 작동 부위에 활용이 가능하며 자가구동 기능을 요구하는 웨어러블 장치에 적용하여 로봇, 첨단섬유 및 웨어러블 산업 전반에서 사용이 가능합니다.
실용화까지 필요한 시간과 과제는		실용화를 위해서는 인공근육섬유에 적용할 정밀 온도제어 시스템 개발이 필요합니다.
연구를 시작한 계기는		기존 유압식 엑추에이터를 대체할 수 있는 친환경적인 바이오매스 기반의 고강도 다기능성 인공근육섬유를 개발하고자 했습니다.
어떤 의미가 있는가		본 연구는 열에 의해 유도되는 형상기억현상을 기반으로 작동되는 고성능 인공근육섬유를 대량 생산할 수 있는 용융방사기술을 적용였으며 에너지 생산 및 저장 기능을 통합하여 인공근육섬유의 다기능성을 구현한 점에서 큰 의의를 가집니다.
꼭 이루고 싶은 목표는		연구팀의 궁극적인 목적은 친환경적인 에너지 생산 및 저장 섬유소재를 기반으로 한 자가구동이 되는 섬유 응용 기술을 개발하는 것입니다.

 

<김진일 기자>

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