스스로 변형하고 이동하는 트랜스포머 전지 개발-IoT, 웨어러블 및 소프트 로봇 전원 원천기술로 활용 기대

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2022. 5. 25.

스스로 변형하고 이동하는 트랜스포머 전지 개발-IoT, 웨어러블 및 소프트 로봇 전원 원천기술로 활용 기대

등록일2022.05.04.

 

 

 

 

 

 

 

스스로 변형하고 이동하는 트랜스포머 전지 개발

IoT, 웨어러블 및 소프트 로봇 전원 원천기술로 활용 기대

  

 

□ 빛을 받으면 스스로 변형하고 이동하는 일명 ‘트랜스포머 전지’가 국내 연구진에 의해 개발되었다.

 

□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 이상영 교수(연세대학교, 제1저자 울산과학기술원 이권형), 위정재 교수(인하대학교, 제1저자 전지수) 공동 연구팀이 빛 자극에  의해 형태가 변하는 액정고분자*와 에너지를 저장할 수 있는 슈퍼커패시터**를 일체화한 ‘자유 형상 전원 시스템’을 구현하였다고 밝혔다.

  * 액정고분자 : 액정 분자를 기반으로 액정 특유의 이방적 반응으로 인해 빛, 열 등의 외부 자극에 의해 형태 변형이 가능한 고분자

  ** 슈퍼커패시터(supercapacitor) : 리튬 이차전지와 함께 다양한 분야에서 사용되는 충방전이 가능한 전지의 한 종류

 

□ 초소형 로봇이 적진 깊숙한 곳에 침투하여 기밀정보를 수집하거나, 인체 속으로 들어가서 상처 부위를 치료하기도 하는 장면은 SF 영화에서만 존재할까? 

 ○ 실제로 소프트 로보틱스* 분야에서는 스스로 변형되고 움직일 수 있으며 정보수집, 통신 등 다양한 역할을 수행하는 로봇을 구현하려는 시도가 활발히 이루어지고 있다. 

  * 소프트 로보틱스(soft robotics) : 딱딱한 금속이 아닌 유연한 소재를 사용한 로봇을 연구하는 분야. 주로 생체의 움직임을 모방하여 로봇을 구동함.

 ○ 하지만 기존 소프트 로봇은 외부 전선을 연결하거나 고정된 형태의 전지를 통해서만 전기에너지 공급이 가능한 한계가 있어, 소프트 로봇의 움직임 및 기능을 심각하게 저해하는 요소로 작용하였다.

 

□ 이에 연구팀은 트랜스포머 전지를 구현하기 위해 미세 복합 프린팅 공정을 이용, 전지 소재를 액정고분자와 일체화하였다. 

 ○ 특히, 빛 자극을 열로 변환시키는 광열효과*를 이용하여 빛을 이용한 형상 변형을 효과적으로 유도했다.

 ○ 또한, 반복된 움직임에도 안정하게 구동할 수 있도록 전도성 고분자** 및 탄소나노튜브***와 같은 매우 유연한 소재를 이용하여 전지를 설계했다.

    * 광열효과 : 물질에 빛에너지를 조사하면 물질의 성질과 특성에 따라 조사된 빛에너지가 흡수된 후 다시 열에너지로 방출되는 물리적인 현상

    ** 전도성 고분자 : 일반적인 고분자와 달리, 전기전도성을 갖는 고분자

    *** 탄소나노튜브 : 1차원 원통형 모양의 나노구조를 갖는 탄소 동소체

 

□ 개발된 전지는 프린팅 기법을 활용하여 코일(coil), 조리개, 혹은 손바닥 등 다양한 형상으로 제작 가능하였고 빛(또는 열) 자극에 의해 자유롭게 변형되었다. 

 ○ 나아가, 물건을 싣고 정해진 목적지까지 스스로 기어갈 수 있는 소프트 로보틱 전원 시스템을 구현하였다.

 

□ 이상영 교수는 “개발된 트랜스포머 전지가 소프트 로봇을 실질적으로 구현할 수 있는 원천 기술이 될 것으로 기대”한다고 전하며, “전지 스스로 형태를 바꾸고 움직일 수 있다는 최초의 개념을 제시한 것으로, 향후 실용화를 위해 전지의 에너지 향상과 다양한 형상변형을 위한 후속 연구를 수행할 예정”이라고 설명했다. 

 

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구, 나노‧소재기술개발사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 재료 분야 국제학술지 ‘머티리얼스 투데이(Materials Today)’에 4월 26일 온라인 게재되었다. 

 

주요내용 설명

 

 <작성 : 연세대학교 이상영 교수>

 

논문명

Light-triggered Autonomous Shape-reconfigurable and Locomotive Rechargeable Power Sources

저널명 

Materials Today

키워드 

Photothermal stimuli(광열자극), Autonomous shape-morphing (자가형상변형), Supercapacitors(슈퍼커패시터), Liquid crystalline polymer networks(액정고분자), Soft electronics(유연전자)

DOI

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2022.04.003

저  자

이권형 석박사통합과정 연구원(제1저자/울산과학기술원), 전지수 석박사통합과정 연구원(제1저자/인하대학교), 위정재 교수 (교신저자/인하대학교), 이상영 교수 (교신저자/연세대학교)

 

1. 연구의 필요성

 ○ 소프트 로보틱스(soft robotics) 분야에서는 스스로 변형되고 움직일 수 있으며, 정보수집, 통신 등 다양한 역할을 수행하는 로봇을 구현하려는 시도가 활발히 이루어지고 있다. 이는 로봇의 몸체가 되며 자극에 의해 형태가 변하는 유연물질(soft material)과 특정 기능을 수행하는 전자소자(electronics)를 이용하여 특수 기능을 수행할 수 있는 소프트 로봇을 구현하는 것이다. 하지만, 이러한 소프트 로봇을 구현하는데 가장 걸림돌이 되어왔던 것은 바로 이들을 구동하기 위한 적합한 전원이 없었다는 것이다. 기존의 소프트 로봇 연구는 전력을 공급하기 위해 외부 전선을 연결하거나 고정된 형태의 전지를 이용해 전기에너지를 공급하였으나, 이는 소프트 로봇의 움직임 및 기능성을 심각하게 저해하는 요소가 되었다. 

 

 2. 연구내용 

  ○ 빛(또는 열) 자극에 의해 형태가 변하는 액정고분자*와, 에너지를 저장할 수 있는 슈퍼커패시터(supercapacitor)**를 일체화 하여, 마치 영화 속 트랜스포머와 같이 스스로 변형되고 이동할 수 있는 자유 형상 전원 시스템을 구현하였다. 

     * 액정고분자 : 액정 분자를 기반으로 액정 특유의 이방적 반응으로 인해 빛, 열 등의 외부 자극에 의해 형태 변형이 가능한 고분자

     * 슈퍼커패시터 : 리튬 이차전지와 함께 다양한 분야에서 사용되는 충방전이 가능한 전지의 한 종류

 ○ 원하는 변형 형태에 따라 액정고분자 내의 액정 분자 배향방향을 제어하였으며, 이에 맞추어 프린팅 공정으로 전지의 외관을 설계하였다. 또한, 반복된 움직임에도 전지가 안정하게 구동할 수 있도록 전도성 고분자 및 탄소나노튜브 기반 슈퍼커패시터 복합전극과 이온성 액체* 기반 준고체 전해질**을 설계하였으며, 이를 프린팅을 통해 직접 일체화 하였다. 특히, 빛 자극을 열로 변환시키는 광열효과***(Photothermal-effect)를 이용하여, 빛을 쬐어줬을 때 전도성 고분자와 탄소나노튜브의 발열효과를 유도하여 빛을 이용한 형상 변형을 효과적으로 구현하였다. 

    * 이온성액체 : 이온만으로 이루어져있으며, 상온에서 액체인 특성을 가지는 물질

    ** 준고체 전해질 : 고체전해질과 액체전해질의 중간에 해당하는 전해질로써, 액체전해질의 화학적 특성과 고체전해질의 물리적인 특성을 동시에 보임.

    *** 광열효과 : 물질에 빛에너지를 조사하면 물질의 성질과 특성에 따라 조사된 빛에너지가 흡수된 후 다시 열에너지로 방출되는 물리적인 현상

 ○ 개발된 트랜스포머 전지는, 프린팅 기법을 이용하여 코일(coil), 조리개, 혹은 손바닥 등원하는 형상으로 제작이 가능하였으며, 빛(또는 열) 자극에 의해 자유롭게 변형되었다. 특히 물건을 싣고 정해진 목적지까지 스스로 기어갈 수 있는 소프트 로보틱(soft robotic) 전원 시스템을 구현하여 자유 형상 전원 시스템의 활용 가능성을 입증하였다. 

 

3. 연구성과/기대효과

 ○ 본 연구는 다양한 소프트 로봇을 실질적으로 구현할 수 있는 원천 전원 기술이 될 것이라 기대한다. 또한, 전지가 스스로 형태를 바꾸고 움직일 수 있다는 개념은 최초로 보고한 연구결과이며, 이를 통해 IoT, 초소형 전자기기 등 미래형 디바이스의 전원 연구에 새로운 방향을 제시해 줄 것이라 기대한다. 

 

그림 설명

 

 

 

 

(그림1) 다양한 형상의 트랜스포머 전지

액정고분자 내의 분자 배향방향과 전지의 형상을 자유롭게 제어하여, 트랜스포머 전지의 다양한 형상 및 변형을 구현하였으며, 변형 중에도 전지가 안정적으로 구동됨을 보여준다. 사진 내의 모식도는 액정 분자의 배향 방향을 의미한다.

 

그림설명 및 그림제공 : 연세대학교 이상영 교수

 

 

 

 

(그림2) 목적지까지 스스로 움직이는 트랜스포머 전지

트랜스포머 전지가 빛 자극을 통하여 스스로 이동하며, 목적지까지 안전하게 전기에너지를 전달하여 LED를 켜는 모습을 보여준다. 좌측 아래 그림은 전지의 구성 모식도를 표시하였다.

 

그림설명 및 그림제공: 연세대학교 이상영 교수

 

 

 

동영상 설명 (첨부파일 참고)

동영상1: 목적지까지 스스로 움직이는 트랜스포머 전지 응용 영상

동영상2: 전지 부피의 약 49배에 달하는 물체 운반하는 트랜스포머 전지 예시

동영상3: 반복된 빛 자극에 의한 트랜스포머 전지의 온도변화를 보여주는 적외선 영상

 

 

연구 이야기

 

 

                                           <작성 : 연세대학교 이상영 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

 

이번 연구는 ‘전지가 스스로 움직이면 어떨까?’ 하는 단순한 물음에서 시작되었다. 마침 액정고분자 형태 변형을 연구하는 위정재 교수와 식사를 하는 자리에서 이번 공동연구 아이디어를 제안하였고, 아이디어를 다듬는 과정 중 기능성 소프트 로봇을 구동하기 위한 전원의 필요성이 시급하다는 사실을 알게 되었다. 전자소자가 결합된 소프트로봇은 다수 보고가 되었으나, 이를 구동하기 위해 외부에서 도선을 연결 한다던가, 시중에 파는 건전지를 사용하는 것을 보고, 이러한 문제점을 우리가 해결할 수 있겠다 생각하였다.

 

 

 

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

 

전지가 움직인다는 개념을 전 세계적으로 처음 보고하여야 했기 때문에, 이 연구의 개념 및 이를 파급력 있도록 전달하는 것이 무척 어려웠다. 또한, 아직 아무도 하지 않았던 처음 시도되는 연구인만큼 비교 대상이 없었기 때문에 아무것도 없는 황무지를 더듬어나가는 기분으로 연구를 진행하였다. 그래서 최대한 우리의 연구를 연결 지을 수 있는 소프트로봇 분야를 함께 공부하면서, 전지 개발자의 시각이 아닌 전지 사용자의 시각으로 바라보도록 노력하였다.

 

 

 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

 

기존에는 유연전지(플렉서블전지) 혹은 신축성전지(스트레쳐블 전지) 등 외력에 의해 변형되는 전지는 다수 보고가 되었으나, 외력 없이 스스로 변형하는 전지는 이번 연구를 통해 최초로 보고하였다. 프린팅을 이용하여 전지를 제조하는 기술 또한 우리 연구실만의 독보적인 기술로써, 수년간 쌓아왔던 프린터블 전지 기술을 이용하여 스스로 움직이는 전지를 구현할 수 있었다.

 

 

 

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는? 

 

현재는 움직이는 전지 개념을 입증하기 위해 비교적 활용하기 쉬운 소재를 사용하였기 때문에, 저장할 수 있는 전기에너지에 한계가 있었다. 이를 해결하기 위해 향후에는 고에너지밀도를 갖는 전지 소재 및 공정을 도입하여 전지의 에너지밀도를 높힐 뿐만 아니라, 좀 더 고차원적인 형상변형을 위한 소재 및 구조에 대한 연구를 진행할 예정이다.