그래핀을 이용해 거미줄보다 6배, 케블라보다 12배 이상 우수한 기계적 특성을 갖는 인공근육 섬유가 개발됐다.

한양대 김선정 교수팀이 주도한 이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단의 리더연구자지원사업(창의적 연구)으로 수행됐고, 연구 결과는 세계 최고 권위의 과학전문지 네이처(Nature)의 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)'에 2월 1일자로 게재됐다(논문명: Synergistic toughening of composite fibres by self-alignment of reduced graphene oxide and carbon nanotubes). 특히 이번 연구결과는 국내 연구진이 주축이 되어 일궈낸 값진 성과이며, Nature Communications에 이번호 Featured Image(특집기사 사진)로 선정됐다. 



김선정 교수 연구팀은 그래핀과 탄소나노튜브가 결합된 나노구조가 인공근육 섬유 제조 과정에서 스스로 배열하는 특성을 이용하여 거미줄 보다 6배, 방탄조끼로 사용되는 합성섬유인 케블라 보다 12배 이상 기계적 특성이 우수한 인공근육 신소재 개발에 성공했다. 

인공근육 소재는 강하고 유연하면서 전기적 특성이 우수해야 한다. 그래핀, 탄소나노튜브와 같은 나노물질은 기계적, 전기적 특성이 매우 우수해 고강도 나노복합소재 개발에 널리 사용돼 왔다. 그러나 2차원 면구조로 된 그래핀을 결합해 섬유 형태로 제조하는 것은 매우 어려워 주로 탄소나노튜브 기반의 인공근육 섬유 연구에 초점을 맞추어 왔다.

탄소나노튜브의 뛰어난 물리적 특성에도 불구하고 섬유 제조과정에서 탄소나노튜브들이 인력에 의해 서로 엉켜 탄소나노튜브 기반 섬유의 기계적 특성을 향상시키는데 한계가 있었다. 이는 인공근육 소재 개발에 있어 연구자들이 해결해야할 과제이기도 하다. 

일부 연구팀은 이를 해결하기 위해 탄소나노튜브 섬유 제조 후 엉킴을 강제로 풀어 추가적으로 배열하기 위한 후처리를 제시해 왔다. 그러나 후처리 방법이 복잡해, 기계적 물성을 향상시키기 위한 최적 조건을 찾는데 어려움이 있다. 


김 교수팀은 거미줄의 나노구조가 배열하는 원리인 생체모방 차원에서 아이디어를 얻어 그래핀과 탄소나노튜브를 물리적으로 결합시켜 그 나노구조가 스스로 배열하는 특성을 이용해 섬유제조 공정에서 추가적인 열처리 또는 인장 방법 없이 간단한 공정으로 섬유의 기계적 특성을 향상시켰고 대량생산도 가능하게 했다.

김 교수팀이 개발한 그래핀/탄소나노튜브 복합체 섬유는 기존 탄소 기반 섬유와 달리 고무 밴드에 바느질을 할 수 있는 질기고 유연함을 보이고, 고강도 스프링 형태로 만들어 질 수 있고, 외부 비틀림에 매우 강한 특성을 가지고 있다. 

김 교수는 “이번에 개발한 새로운 그래핀 섬유는 인공근육 뿐만 아니라 센서, 액추에이터, 에너지 저장 등으로 활용될 수 있어 에너지 기반 산업에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 연구의의를 밝혔다.