▲ 소프트 터치용 인공 손가락 개념도 / 제공 : KAIST 기계공학과 ACTIVE LAB   © 특허뉴스

최근 로봇공학 분야에서는 인간근육을 모방하여 섬세한 작업을 수행할 수 있는 인공근육형 소프트 액츄에이터 개발이 활발하다.

특히, 낮은 전압(±0.5V)에서 구동하는 작동기는 인간과 협업하는 로봇을 만들기 위한 필수기술이지만, 대부분의 구동기는 낮은 전압에서 움직이지 않거나 섬세한 움직임이 불가능하다.

낮은 전압에서 섬세하게 움직이는 구동기를 개발하기 위해서는 내구성, 경제성, 고전도성, 높은 정전용량, 유연성, 적절한 기계적 특성을 토대로 인공근육의 굽힘 변형을 높이는 것이 관건이다.

이러한 시가, 국내 연구진이 액정 같이 깨어지기 쉬운 화면을 부드럽게 터치해 다양한 작업을 할 수 있는 인공손가락을 선보였다.

한국연구재단은 한국과학기술원 기계공학과 오일권 교수 연구팀이 스마트폰이나 햅틱 반응형 디스플레이를 정교하게 터치할 수 있는 소프트 터치 액츄에이터 기술을 개발했다고 5일 밝혔다.

연구팀은 부드럽고 얇은 박막형의 소프트 터치 액츄에이터를 원격으로 조정, 스마트폰 화면 위에서 전자피아노 연주하기, 전자책 넘기기, 화면스크롤하기 등을 시연해냈다.

일종의 디지털 촉각인 ‘햅틱’을 구현, 사람 또는 전자디바이스와 섬세한 피드백을 주고받는 한편 가상현실이나 증강현실을 보다 실감나게 하려는 연구가 활발하다.

주로 부드러운 인공근육 기반 소프트 액츄에이터에 대한 연구가 많이 이뤄지고 있지만, 낮은 전압에서는 반응속도가 너무 느려 터치형 액츄에이터로 활용하기에 어려움이 있었다.

인체에 나쁜 영향을 주거나 디바이스의 오작동을 유발하지 않으면서 터치 피드백을 주고받기 위해서는 저전압 구동이 전제되어야 하기 때문이다.

▲ CTF 합성방법 / (a) 다공성 CTF는 PIM-1을 기반으로 400, 500, 600℃(TP4, TP5, TP6)에서 합성되었다. 최종 3차원 고리는 질소와 산소 원자에 의해 농축된 3차원 전도성 다공성 네트워크다. 합성된 CTF는 높은 전기전도도와 초고속충전 저장 용량, 넓은 표면적의 특징으로 작동기의 성능을 크게 향상시켰다. / (b) 인공 손가락의 작동 원리는 전해질의 양이온과 음이온의 부피 차를 이용한다. 전극에 전기 입력을 주면 양이온은 음극으로, 음이온은 양극으로 이동하여 굽힘이 발생한다. / 제공 : KAIST 기계공학과 ACTIVE LAB   © 특허뉴스

이에 연구팀은 저전압에서도 빠르게 반응할 수 있는 높은 효율의 소프트 액츄에이터를 위한 새로운 소재를 물색했다.

유연성을 위해 금속을 배제한 공유결합으로 된 다공성 고리화합물(트라이어진 고리)을 합성하고 널리 쓰이는 전도성 고분자(PE DOT-PSS)를 결합했다.

실제 이 소재의 액츄에이터로 만든 인공손가락은 낮은 전압(±0.5V)으로도 빠르게 큰 변형을 만들 수 있어 부드러운 터치반응을 유도할 수 있었다.

핵심은 다공성 탄소구조체로 인해 비표면적을 극대화한 것이다. 비표적을 넓혀 표면전하량을 늘리는 한편 작동속도와 반응성도 높일 수 있었다. 실제 0.5V에서 17mm 정도 구부러지는 변형을 확인했다.

개발된 소프트 터치 액츄에이터를 배열형태로 확장하여 스마트폰 전자피아노 어플리케이션 위에서 연속적 터치를 통해서‘Happy Birthday’를 연주하였으며 전자책넘기기와 화면스크롤 기능 등을 구현했다.

이번 연구의 성과는 국제학술지‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 10월 23일 게재되었다.