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송현서(UNIST 신소재공학부)
2021-05-10
 스마트 소재(Smart material)는 빛, 온도, 전∙자기장 등 다양한 환경 자극에 스스로 반응, 적응하는 소재를 의미한다. 이러한 스마트 소재는 기존 소재로는 구현하기 어려웠던 소프트 로봇의 특성을 구현하기 위해 많은 연구가 이루어지고 있다. 그중에서도 자성 스마트 소재(Magnetic smart material)는 외부 자기장에 스스로 반응하는 소재를 뜻하며, 외부 자기장 인가에 반응하는 소재의 반응 속도가 빠르다는 점, 자기장 인가를 통한 원격 제어가 가능하다는 점, 다양한 환경에 자기장 침투력이 높다는 장점 덕분에 활발한 연구가 이루어지고 있다.  자성 스마트 소재의 일반적인 제작 방법은 다음과 같다. 먼저, 탄성 중합체(elastomer)와 경자성 입자(hard magnetic particle)을 혼합하여 자성 복합체(magnetic composite)를 만든다. 그리고 자성 복합체가 경화되는 동안 외부 자기장을 인가함으로써 고유 자기 모멘트(intrinsic magnetic moment)를 가진 각각의 경자성 입자를 원하는 방향으로 정렬시킨다. 이 과정을 통해 우리는 자성 스마트 소재의 자화 패턴(magnetization pattern) 방향과 크기를 결정할 수 있고, 일반적으로 이 과정을 자화 패턴을 프로그래밍한다고 부른다.  자성 복합체가 완전히 경화된 후 자성 스마트 소재에 외부 자기장을 인가하면, 자기장과 제작 과정에서 프로그래밍 된 소재의 자화 패턴 간 상호작용이 일어난다. 가령, 자성 스마트 소재의 자화 패턴 방향과 외부 자기장 간의 상호작용에 의해 자기 토크(Tmb)가 발생되고, 이것이 소재의 복원 토크(Telas)보다 클 때 자성 스마트 소재의 형상 변형으로 이어지는 것이다. (Fig 1.) 자화 패턴을 프로그래밍 하여 형상 변형을 제어 할 수 있는 특성을 활용하여 자성 스마트 소재는 소프트 로봇, 소프트 센서, 체내 삽입형 소형 로봇 개발 등 다양한 분야에서 활용되었다.(Fig. 2)  하지만, 기존 자성 스마트 소재 연구에서는 소재 제작 과정에서 자화 패턴이 결정 된 후에는, 이를 수정하기가 어렵다는 단점이 있었다. 제작 과정에서 이미 탄성 중합체에 경자성 입자의 위치가 고정이 되기 때문에, 자화 패턴 수정을 위해서는 자성 스마트 소재에 경자성 입자의 보자력 이상의 강한 자기장을 인가하거나 보자력을 감소시키기 위해 고온의 온도를 가해야 했다. 앞선 설명과 같이 자성 스마트 소재의 형상 변형 및 움직임 구현에 자화 패턴이 중요한 역할을 하기 때문에, 자화 패턴을 쉽게 수정할 수 있는 소재 개발은 자성 스마트 소재 가능성 및 활용성을 더 넓힐 수 있을 것이라 생각했다. 이에, 기존 자성 스마트 소재는 자화 패턴이 ‘프로그래밍’이 가능했다면, 자화 패턴 ‘재프로그래밍’이 가능한 소재를 개발하고자 했다. 이러한 자화 패턴 재프로그래밍이 가능한 소재를 개발하기 위해 우리 공동 연구팀(UNIST 김지윤 교수님과 서울대학교 권민상 교수님 연구팀)은 상변이 물질(Phase change material)을 활용했다. 구체적으로는, 상변이 물질인 PEG (polyethylene glycol)와 자성 입자(NdFeB)를 활용해 자성 미소 구체(Magnetic microsphere)를 제작하고 이것을 탄성 중합체와 혼합하여 제작한 자성 스마트 소재를 개발하였다. 즉 기존 자성 스마트 소재가 단순히 자성 입자와 탄성 중합체로만 구성된 것과 다르게 자성 입자와 상변이 물질 그리고 탄성 중합체로 구성된 계층적 구조를 가진 소재를 개발한 것이다. 개발한 자성 스마트 소재에 상변이 물질의 용융 온도(58℃) 이상의 온도를 가하면, 상변이 물질이 액체 상태가 된다. 이후, 자성 스마트 소재에 외부 자기장을 인가하면 액체가 된 상변이 물질 내에서 자성 입자 배열을 원하는 방향으로 쉽게 정렬할 수 있기 때문에 소재의 자화 패턴을 프로그래밍 할 수 있다. 또한 이 소재를 상온에 두면 소재의 온도가 상변이 물질 용융 온도 이하로 떨어지면서, 상변이 물질이 액체에서 고체로 상변화가 이루어지게 되고 이 과정에서 프로그래밍된 자화 패턴이 고정된다. 상변이 물질의 상변화는 가역 반응으로 반복적으로 이루어질 수 있기 때문에 이러한 자화 패턴 프로그래밍 과정도 반복적으로 진행할 수 있다. 물 속에 구슬이 들어있을 때는 구슬을 쉽게 움직이게 할 수 있지만, 얼음 속에 갇힌 구슬은 움직일 수 없는 것처럼 상변이 물질이 액체일 때는 자성 미소 구체 내에서 자성 입자가 쉽게 움직일 수 있고 고체일 때는 자성 입자가 움직일 수 없는 것이다.  이번에 개발한 소재는 원하는 형상으로 변형한 채 외부자기장을 인가하며 냉각시키면, 불균일하고 연속적인 자화 패턴도 쉽게 재프로그래밍할 수 있다는 장점도 있다. 이를 활용하여 실제 종이 접기를 하듯 다양한 형상으로 변형이 가능한 연속적인 한 장의 자성 멤브레인(magnetic membrane)을 보여주었다. 이외에도 유연한 층(layer) 위에 여러 개의 자성 스마트 소재를 부착한 구조를 제안하고 해당 구조도 원하는 모형으로 가역적으로 형상이 변형된다는 것을 보여줌으로써, 자성 스마트 소재가 기능성 층으로 활용이 가능하다는 것을 입증했다. 또한 in situ 에서 자화 패턴 재프로그래밍이 가능하도록 자성 스마트 소재에 열 전도층(conductive heating layer)를 덧붙여 제작한 자성 소프트 액츄에이터를 제안하여, 가변 구조형 자성 스마트 소재가 활용되고 있는 다양한 분야에 자화 패턴 재프로그래밍이 가능한 소재가 널리 활용될 수 있을 것으로 기대를 높였다.  |
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