한국과학기술원(KAIST) 연구팀이 별도의 복잡한 기계장치 없이도 열과 같은 외부 자극에 반응해 스스로 형태를 바꾸고 다시 원래 상태로 돌아올 수 있는 소재를 개발했습니다.
22일 KAIST에 따르면 기계공학과 김성수 교수 연구팀은 '가역적 자가 변형(Self-shape change)'이 가능한 '양방향(Two-way) 형상 기억물질 기반 하이브리드 스마트 액추에이터'를 개발했습니다.
연구팀은 형상기억합금(Shape Memory Alloy, SMA)과 형상기억고분자(Shape Memory Polymer, SMP)를 결합해 두 소재의 장점을 동시에 활용할 수 있는 하이브리드 복합재 액추에이터를 설계했습니다.
형상기억합금은 열을 가하면 원래 형태로 돌아가는 금속 소재이며, 형상기억고분자는 열이나 외부 자극에 따라 형태가 변하는 고분자 소재입니다.
기존 형상기억 소재는 한 번 변형되면 원래 상태로 돌아오지 못하거나, 회복 속도가 매우 느리다는 한계가 있었습니다. 또한 금속 합금과 고분자 소재는 강도가 달라 반복적으로 사용할 경우 원래 형태로 정확히 복원되지 않는 문제도 있었습니다.
이를 해결하기 위해 소재와 구조를 함께 개선했습니다.
먼저 형상기억고분자의 화학 조성을 조절하고 탄소섬유로 보강해 소재를 더 단단하게 만들었습니다. 또 액추에이터에 줄자처럼 휘어지는 '테이프 스프링(Tape spring)' 형태의 구조를 적용했습니다. 이 구조는 변형 과정에서 에너지를 저장했다가 순간적으로 방출하는 '스냅-스루(Snap-through)' 현상을 만들어 움직임의 속도와 정확도를 높여줍니다.
그 결과, 개발된 액추에이터는 열을 가하면 굽혀지고 온도가 내려가면 다시 펴지는 완전한 양방향 구동을 구현했습니다. 기존 기술보다 변형 범위가 크게 늘어나 거의 100%에 가까운 초기 형상 복원률을 보였고, 원래 형태로 돌아오는 속도도 크게 향상됐습니다.
이를 통해 복잡한 제어 없이도 반복적으로 작동할 수 있음을 확인했습니다.
이 액추에이터는 양방향 변형이 가능하면서도 1초 이내의 빠른 변형 속도(Sub-second actuation)와 높은 전개 정확도를 동시에 구현했다는 점에서 의미가 큽니다. 이는 형상기억 소재 기반 구동 기술의 실용 가능성을 크게 높인 성과로 평가됩니다.
김성수 교수는 “이번 연구는 소재의 물성적 한계를 독창적인 구조 설계를 통해 극복하고, 형상기억 액추에이터의 성능을 한 단계 끌어올린 결과”라며 “앞으로 반복적인 그리핑 동작이 필요한 로봇 손(Gripper)이나 우주용 전개 구조물(Deployable structure) 등 다양한 분야에 적용할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했습니다.
강다정 박사과정이 제1저자로 참여한 이번 논문은 국제 학술지 와일리(Wiley)사가 발행하는 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)'에 2026년 1월 19일자로 온라인 게재됐으며, 그 우수성을 인정받아 같은 해 3월 해당 학술지의 표지 논문으로 채택됐습니다.
최성훈 기자 csh87@etnews.com