보도자료
배포일	2025년 5월 2일(금) 08:00			엠바고	온라인 : 2025년5월4일(일) 12:00 지 면 : 2025년5월5일(월) 조간
문 의	연구부서	화학소재연구본부 김현 선임연구원(042-860-7109, 010-6425-8557)
	홍보부서	대외협력실 양경욱 실장(042-860-7998, 010-5564-1700) 대외협력실 강가람 선임행정원(042-860-7815, 010-4699-2639)

물속에서 빛으로 움직이는 소프트 로봇용 인공 근육 개발 - 기존 광화학 액추에이터(인공 근육) 대비 3배 높은 작동 거리, 2배 높은 구동 성능 확보 - 기존 열∙전기 기반 액추에이터와 달리 물속에서 작동 가능, 수축∙이완 동작 방향 조절로 복잡한 구동 가능 - 원격 소프트 로봇 등 소형 장치 외에도, 의료, 국방, 및 극한 환경용 구동기 등 다양한 분야 활용 기대

□ 국내 연구진이 물속에서도 자유롭게 작동하는 광(光)화학 기반 소프트 로봇용 인공 근육을 개발했다.

◯ 한국화학연구원(원장 이영국) 김현 박사와 부산대학교(총장 최재원) 이하범 교수, 미국 Texas A&M(텍사스 에이 앤 엠) 대학교 Taylor H. Ware(테일러 에이치 웨어) 교수 공동 연구팀은 빛으로 움직이는 결정성 액정 탄성체 기반의 수중 로봇용 인공 근육을 개발했다.

□ 기존 소프트 로봇용 동력 장치는 전기·공압·유압·열 등을 이용하여 구동되는데, 배터리, 모터, 기어 등 복잡한 부품이 물에 노출되면 안정적으로 작동을 제어하기 어려워 물속에서 사용에 제약이 있었다. 이에 빛을 이용해 변형을 유도하는 광열 또는 광화학 소재가 주목받았다.

◯ 다만 광열 소재는 빛·열에 노출되어 형태가 변형되더라도, 수중에서 냉각 때문에 즉시 원래대로 돌아가 원하는 동작을 유지하기 힘들었다. 또한 기존 광화학 소재는 분자구조의 변형이 표면에 국한되어 단순한 굽힘 동작만 가능하다는 한계가 있었다.

◯ 수중 환경에서 소프트 로봇이 생물체와 같은 강력한 구동력을 얻으려면 섬유, 코일, 스프링 형태 등의 꼬인 선형 형상으로 수축 및 이완을 반복할 수 있는 인공 근육 구조 구현이 필요했던 것이다.

□ 연구팀은 ‘아조벤젠 기능화된 결정성 액정 탄성체(AC-LCE)’ 소재를 활용해 물속에서 더 많은 형태 변형과 강력한 운동 능력을 구현했다.

* Azobenzene-Functionalized Semicrystalline Liquid Crystal Elastomer, AC-LCE

◯ 액정 탄성체는 소재 안의 분자 배열을 정밀하게 설계할 수 있어서, 작은 자극만으로도 크게 움직일 수 있는 특징이 있다. 반면 마치 고무줄처럼 말랑말랑한 특성 때문에 물체를 움직이는 힘이 비교적 약하고 강성도 부족하여, 스프링 구조 같은 형태로는 활용이 힘들었다.

◯ 연구팀은 강성이 조절되는 새로운 액정 고무 소재를 만들고 여기에 광화학 분자 ‘아조벤젠’을 넣어, 빛을 받으면 움직이도록 만들었다. 기존 광열 소재와 달리 이번 AC-LCE 소재는 빛을 꺼도 바로 원래대로 돌아가지 않고 일정 시간 동안 수축 또는 이완된 상태를 고정할 수 있다. 이런 ‘구동 자물쇠’를 인공 근육 부위별로 적용하자 원하는 동작 순서와 위치를 조절할 수 있었다.

◯ 연구팀은 스프링 형태의 AC-LCE 인공 근육 소재를 선형 및 고리형으로 제작하여 마치 로봇의 부품처럼 조립하여 성능을 실험했다. 그 결과 기존 광화학 기반 인공 근육 소재보다 늘어나거나 줄어드는 길이는 3배 이상, 움직이는 힘은 포유류의 일반적인 근육보다 2배 이상 강했다.

◯ 또한 AC-LCE 소재는 인공 근육의 특정 구조(호모키랄, 헤테로키랄)를 설계하여 확장 및 수축 동작 방향 또한 자유롭게 조절할 수 있다. 덕분에 수중 환경에서 자외선과 가시광선을 비추며 수축·이완을 원격 조절함으로써 소프트 로봇의 몸통에 동력을 제공해 물속을 이동하게 하거나, 로봇 손이 물체를 쥐거나 놓도록 하는 모습을 보여주었다. 이때 배터리, 기계장치, 와이어, 펌프 등 어떠한 연결 없이도 빛 만으로 100회 이상 반복적으로 조작할 수 있었다.

□ 연구팀은 다양한 응용 분야에 적용하기 위한 융합 연구 및 대량 소재 생산 기술 등 추가연구를 통해 2030년 이후 실용화를 목표로 하고 있다.

◯ 연구진은 “이번 연구는 기존 기계·전기 장치 기반 동력 장치의 한계를 극복하고, 수중 환경에서도 별도의 전원이나 기계장치의 연결 없이 작동할 수 있는 차세대 소프트 로봇 소재 기술을 제시한 점에서 큰 의미가 있다.”라고 말했고, 화학연 이영국 원장은 “이 기술이 발전하면 첨단 로봇, 헬스케어 기기 등 다양한 분야에서 혁신적인 응용이 가능할 것으로 기대된다.”라고 밝혔다.

◯ 이번 논문은 2025년 2월 국제 학술지 ‘스몰(Small(IF: 13))’에 후면 표지 논문으로 게재되었다. 화학연 김현 박사와 부산대 이하범 교수, 미국 Texas A&M 대학교 Taylor H. Ware 교수가 교신저자로 참여했고, 부산대 서원빈 학생이 1저자로 참여했다. 이번 연구는 이번 연구는 한국화학연구원 기본사업, 국제협력사업, 및 과학기술정보통신부 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.

※ 논문 주요 사항

2025.2.25. 후면 표지 논문 채택 (온라인 2024.10.21게재)

◦저널명 : Small(IF=13) ◦논문명(영문):Azobenzene-Functionalized Semicrystalline Liquid Crystal Elastomer Springs for Underwater Soft Robotic Actuators ◦논문명(국문):수중 소프트 로봇 액추에이터용 아조벤젠 기능화 반결정성 액정 엘라스토머 스프링 ◦저자 정보 : 김현 선임연구원(교신저자, 화학연), 이하범 교수(교신저자, 부산대), Taylor H. Ware 교수(교신저자, 미국 Texas A&M대), 서원빈 학생(1저자, 부산대) ◦DOI : https://doi.org/10.1002/smll.202406493

연 구 결 과 문 답

이번 성과가 기존과 다른 점은? (기존 기술과 차이 비교)		(기존) - 소프트 로봇에 활용되기 위한 인공근육 또는 액추에이터는, 열, 빛, 공압, 유압, 자기장, 전기 자극 등 다양한 메커니즘으로 구현이 가능함. 특히, 공압, 유압, 외부 전원 등 전통적인 기계 시스템을 활용하지 않고, 소재 자체가 외부 환경 변화에 감응하여 기계적인 운동 또는 기능 변화를 제공할 수 있는 소재는 “스마트 소재”로 불리며, 미래에 로봇과 다양한 전자기기에 활용될 수 있는 잠재력을 지님. - 이중, 빛에 의해 소재의 기계적 운동을 조작할 수 있는 경우, 외부 전원 또는 전선으로의 연결 없이 시공간적 제어 (spatiotemporal control)가 가능하므로, 로봇이나 인공근육의 유망한 제어 메커니즘으로 활용될 수 있음. - 기존의 빛 기반 소프트 로봇 또는 액추에이터는, 빛에 의한 광열 (photothermal) 효과 또는 광화학 (photochemical) 효과에 기반하여 빛에 노출된 특정 표면에서의 소재 변형을 유도하여 움직이는 원리로, 주로 공기 중에서 평면의 필름을 굽히는 구동 (bending actuation)을 보이는 형태로 보고되고 있음. 그러나 수중과 같은 특수한 환경에서, 빛으로 수직 구동을 구현하며 실제 인간의 근육과 유사한 구동 성능을 나타내는 경우는 거의 보고되지 않음. (개선) - 이번 연구에서는, 수중 환경과 같이 소재의 온도 상승이 제한적인 환경에서, 광화학 효과 (즉, 빛을 받았을 때 고분자 소재의 분자구조가 바뀌는 현상) 기반으로 포유류의 일반적인 근육 2배 이상의 구동 성능을 제공할 수 있는 수직 구동 인공근육을 개발하였음. - 기존에 개발되었던 유사 시스템에서는 수직 구동의 변위 (초기 인공근육 길이 대비 수축시 길이 변화량)가 주로 20% 이하로 보고되었으나, 본 연구에서는 트위스트 공정 기반의 스프링 구조화를 통해 최대 60% 수직 구동을 가능하게 하였음 (기존 3배 이상의 변위 성능). - 특히, 가역적으로 결정화가 가능한 액정 탄성체를 매트릭스 고분자로 활용하여, 고무와 같이 유연한 물성의 소재를 섬유처럼 꼬아서 스프링 구조로 구조화 제조한 후, 이후 결정화를 유도하여 강건한 상태의 인공근육 스프링으로 활용할 수 있었음. 결정화가 가능한 특징은, 나아가 인공근육이 더욱 큰 구동력을 제공하는데 핵심적인 역할을 수행한다는 것 역시 실험결과에 추가로 성균관대 최준명 교수 연구팀과 함께 분자동역학 시뮬레이션을 기반으로 이론적으로 증명하였음. - 이와 같은 인공근육 스프링은 마치 자물쇠와 같은 구동 메커니즘 (latch-like actuation) 또한 구현할 수 있었음. 즉, 기존의 많은 열 기반 시스템에서는 계속적인 에너지 유입 (또는 소모)이 있어야만 인공근육의 수축 또는 이완상태를 유지할 수 있었음. 그러나 해당 시스템은 독특한 광화학 메커니즘과 매트릭스 고분자의 결정성 특성으로 인해, 에너지의 지속적인 소모 없이 빛 자극을 중단하여도 자물쇠 또는 스위치처럼 구동된 상태를 한동안 유지할 수 있음. - 종합적으로 해당 소재는 수중 환경에서 물체를 들어올리거나, 파이프를 타고 올라가는 등 (pipe-crawling) 의 복잡한 임무를 수행할 수 있는 소프트 로봇용 인공근육 소재로 활용이 가능함을 보고함.
어디에 쓸 수 있나? (활용 분야 및 제품)		- 수중환경, 저온환경, 또는 생체환경과 같이, 주변의 온도 변화가 제한적이며, 동시에 와이어 및 외부전원과의 연결의 어려운 특수한 환경에서, 로봇이나 가변형 전자소자를 구동할 수 있는 인공근육 (즉, 구동기=액추에이터)으로 활용이 가능함. - 나아가 웨어러블 로봇이나 형상가변 디스플레이 또는 전자기기 등 다양한 분야에 활용될 수 있음.
실용화를 위한 과제는?		실제 로봇 또는 전자기기에 응용되기 위해서는, 다학제 (다양한 학문분야) 융합연구, 즉, 기계공학, 전자공학, 의공학 등을 통해 복합 시스템을 구축하고, 각 적용기술에 맞춤형으로 해당소재의 구조 및 성능 최적화가 필요함. 나아가 소재의 대량 생산 스케일업 기술 등 제조기술의 개발과 경제성 평가가 요구됨.
실용화 가능 시기는?		- 현재는 연구실 규모의 연구개발 초기 단계로서, 소재 핵심기술이 확보된 상황이며, 융합연구 및 제조기술의 개발 등을 통해 2030년 이후 실용화를 목표로 함.
산업적, 경제적 파급효과는?		- 해당 소재기술은 인공근육, 로봇, 모빌리티, 전자기기, 의공학 등 다양한 산업 분야에 적용될 수 있는 잠재력을 지니므로, 산업 및 경제적 파급효과가 크다고 판단됨.

(참고) 연구 내용 관련 상세 참고 자료

□ 관련 기술 분야 용어 설명

◯ 광화학 소재(photochemical materials) : 빛을 받으면 화학적인 변화가 일어나면서 물성이 바뀌는 소재를 말한다. 이 변화는 분자의 구조가 바뀌는 것인데, 그 결과로 모양·색·굴절률·전기성질 등이 달라진다. 이번 연구에서는 ‘아조벤젠 (Azobenzene)’ 소재를 이용했다.

* 자외선(UV)을 쬐면 구조가 trans(펴진 형태) → cis(접힌 형태)로 바뀜

* 가시광선(또는 시간이 지나면) cis(접힌 형태) → trans(펴진 형태)로 다시 돌아감

* 이 변화가 모양·길이·부피에 영향을 줘서 인공 근육처럼 작동 가능

◯ 아조벤젠 기능화 반결정성 액정 탄성체(Azobenzene-Functionalized Semicrystalline Liquid Crystal Elastomer, AC-LCE) : 빛을 받으면 분자 구조가 바뀌어 모양이 변하고, 그 구조가 고무처럼 유연하면서도 강하고 튼튼하여 다양한 형태로 만들 수 있으며, 반복해서 줄어들었다가 다시 늘어날 수 있는 인공 근육 스마트 소재를 말한다.

* 아조벤젠 기능화 : 빛을 받으면 구조가 바뀌는 분자 특성을 갖췄으며

* 반결정성 : 소재 안에 질서 정연하게 정렬된 영역(결정 부분, 형태 유지력 높음)과 무질서한 영역(비결정 부분, 유연성 높음)이 혼합된 구조(튼튼하면서 유연함)

* 액정 탄성체 : 액정처럼 분자가 정렬된 고무 재료

특성	설명
광반응성	아조벤젠이 빛에 반응해 분자 구조 변화 발생
유연성 + 강성	반결정성 구조로 유연하면서도 튼튼함
분자 정렬	액정 특성으로 정렬된 구조 → 방향성 있는 움직임
반복 가능	수축·이완을 수백 번 반복해도 성능 유지
환경 적응	물속, 진공 등 다양한 환경에서도 작동 가능

◯ 호모키랄(homochiral), 헤테로키랄(heterochiral) : 스프링을 어떻게 꼬았느냐에 따라, 동일한 빛을 쬐었을 때 줄어들거나 늘어나는 구조를 말한다. 같은 소재라도 꼬는 방향과 감는 방향을 조절하면 수축하거나 팽창하는 동작의 방향을 조절할 수 있다. 이번 연구에서는 이를 이용하여 물건을 잡는 집게, 앞뒤로 꿈틀거리며 기어가거나 파이프를 타고 올라갈 수 있는 크롤러 로봇을 만들었다.

* 호모키랄 스프링 : 비틀린 방향과 감긴 방향이 같은 스프링. 예를 들어 시계 방향으로 섬유를 비틀고, 시계 방향으로 스프링 구조를 감은 경우, 자외선(빛)을 쬐면 수축(줄어듦)

* 헤테로키랄 스프링 : 비틀린 방향과 감긴 방향이 서로 반대인 스프링. 예를 들어 시계 방향으로 섬유를 비틀고, 반시계 방향으로 스프링 구조를 감은 경우, 자외선(빛)을 쬐면 팽창(늘어남)

□ 글로벌/국내 동향, 시장 규모 등

◯ 소프트 로봇 공학(Soft Robotics) 관련 세계 시장 규모 : 소프트 로봇 세계 시장 규모는 2025년 약 20억 달러로 예상되며, 연평균 성장률(CAGR) 34.45%로 성장하여 2030년 약 88억 달러에 이를 것으로 예측되고 있다.* 길이가 매우 작은 고성능 소프트 로봇을 이용해 혈관 내에서 튕기거나 꿈틀거리며 심혈관 질환을 치료 또는 시뮬레이션하는 등 의료 분야에서도 활용 확대가 예상되고 있다.

* (출처) Mordor Intelligence, 소프트 로보틱스 시장 규모 및 점유율 분석 - 성장 동향 및 예측 https://www.mordorintelligence.kr/industry-reports/soft-robotics-market

□ 기존 기술 한계 및 개발 현황 등

◯ 기술의 발전과 더불어 다양한 전자소자 및 기계장치는 점차 소형화되고 있으며, 이에 따라, 배터리 및 외부 장치와의 연결 없이 소재 자체가 자극에 감응해서 스스로 모양이나 기능을 변화할 수 있는 지능형 소재 (또는 스마트 소재)가 큰 주목을 받고 있다.

◯ 그동안 나노소재, 고분자, 하이드로젤 등 다양한 자극감응소재를 센서 또는 인공근육 (즉, 액추에이터)로 활용하는 연구가 진행되고 있다. 특히, 자극감응소재를 인공근육으로 이용하기 위해서는, 분자 수준에서 소재 자체의 물리화학적 성질을 디자인하는 소재 기반의 접근법과 더불어 소재의 거시적인 구조 (1D 섬유, 2D 면, 3D/4D 프린팅)를 디자인하는 공정 기반의 접근법이 모두 활발하게 보고되고 있다.

◯ 이러한 스마트 인공근육 소재는, 열, 전기, 빛, 전기장, 자기장 등 다양한 자극원을 활용하여 거시적인 움직임을 구현할 수 있는데, 소재 자체의 물리화학적 특성, 구조, 및 각각의 자극감응 메커니즘에 따라 구동 성능과 환경 또한 달라지게 되므로, 타겟 응용을 위한 성능과 환경을 고려하여 정밀한 소재 및 공정기술의 설계와 이의 개발이 중요하다.

◯ 액정 탄성체는 저밀도 가교에 기반해서 큰 구동 범위로 자극에 감응하여 움직일 수 있을 뿐 아니라, 고분자 내에서 분자배향을 마치 액정 디스플레이처럼 자유롭게 설계할 수 있어, 인공 근육과 소프트 로봇의 핵심 소재로 큰 주목을 받고 있다. 하지만 상용 고무줄과 비슷한 수준의 낮은 강성으로 인한 기계적 특성으로 구동시 힘에 제한이 있으며, 지지체 없이는 스프링 형태와 같은 3D 구조로 구현할 수 없었다.

◯ 또한, 빛으로 열을 발생하여 구동되는 광열 기반 인공 근육은 수중 환경에서 구동에 한계를 지니며, 광화학 기반의 액추에이터 소재는 열에 의존하지 않는 등온 상태로 구동이 가능하지만 빛에 의한 소재 내부 분자의 변형이 표면으로부터 수 마이크로 미터 수준에 국한되어, 주로 굽힘 운동을 구현하는 연구로 대부분 보고되었다. 최근 일부 광화학 액정 탄성체가 수중 환경에서 구동 가능함이 보고되었으나, 구동 거리가 주로 10% 이내로 작은 범위에서 작동되는 한계가 명확하였다.

◯ 따라서 열을 발생하지 않으면서 빛을 직접적으로 기계적 움직임으로 전환하는 광화학 기반의 액추에이터 시스템에서, 큰 구동 거리와 성능을 달성하기 위해서는 새로운 소재와 공정 기술의 개발 및 접목이 요구되는 상황이다.

□ 개발 기술 상세 설명

◯ 본 연구진은 기존 액정 탄성체의 기계적 및 기능적 한계를 뛰어넘는 새로운 결성성 광기능성 액정 탄성체 (AC-LCE로 본 연구에서 명명함)를 합성하였다. 특히, 가역적으로 결정상의 유도가 가능한 액정 탄성체를 기반으로, 아조벤젠 (광화학 분자)으로 이를 기능화하였다. 이에 따라 기계적으로 유연한 상태에서 소재를 트위스트 (실처럼 꼬는 공정)하였으며, 섬유를 다시 스프링 형태의 인공근육으로 구조화하였다. 이후 결정상 전이를 유도하여 강성을 약 100배 가까이 강하게 변화시켜, AC-LCE 인공근육 스프링을 제작하였다.

◯ 이렇게 만들어진 인공근육 스프링은 구조적 특성으로 인해 구동 거리와 성능이 극대화될 수 있었다. 예를 들면, 동일한 소재로 제작된 필름형 인공근육은 5% 이하의 구동 거리로 움질일 수 있는데 반해, 스프링 형태의 인공근육은 60% 이상의 큰 구동 거리로 움직일 수 있었다.

◯ 또한, 결정상 전이는 소재의 강성이 크게 증가함을 의미하므로, 구동 시 더욱 큰 힘 (구동력)을 발휘할 수 있는 효과 또한 제공할 수 있음을 실험적으로 확인하였을 뿐 아니라, 분자동역학 시뮬레이션을 통해 이론적 배경과 함께 계산 해석을 제시하였다.

◯ 스프링 인공근육은 호모키랄 또는 헤테로키랄 구조로 제작될 수 있으며, 이러한 구조에 따라 빛을 통한 작동 방향이 반대로 제시될 수 있으며 (호모키랄 인공근육은 UV 수축/가시광선 이완, 헤테로키랄 인공근육은 UV 이완/가시광선 수축), 스프링 구조의 최적화를 통해 구동 성능이 정밀하게 조절될 수 있음을 제시하였다.

◯ 또한, 광화학 지연 메커니즘 (빛에 의해 변형된 분자가 원래상태로 돌아오는데 시간이 걸리는 현상)을 이용하여, 한번 빛을 쪼이면 빛을 끄더라도 한동안 수축 또는 이완된 상태가 유지되도록 “구동 자물쇠”를 구현하여, 기존에 대부분의 인공 근육에서 구현되기 힘든 새로운 형태의 순차적 및 공간적 구동 컨트롤이 가능함을 제시하였고, 이를 기반으로 선형 스프링과 원형 스프링을 조합하여 수중 환경에서 복잡한 임무를 수행할 수 있는 그리퍼 및 파이프 크롤러 로봇 등으로 구현하였다.

연구 관련 이미지 및 사진

□ [그림 1] Small 2025년 2월호 후면 표지 논문 이미지

□ [그림 2] 결정성 액정 탄성체 스프링 인공근육 연구 개괄도

□ [그림 3] 스프링 구조 설계에 기반한 구동 방향 컨트롤

□ [그림 4] “구동 자물쇠” 구현 및 빛에 의한 소프트 로봇의 순차적 공간적 구동 컨트롤

□ [그림 5] AC-LCE 소재로 만든 스프링 구조 인공근육에 자외선을 비춰 동작을 유도하는 모습

□ [그림 6] 주요 연구진 사진 (왼쪽부터 화학연 김현 선임연구원(교신저자), 부산대 이하범 교수(교신저자), (미) Texas A&M 대 Taylor H. Ware 교수(교신저자), 부산대 서원빈 학생 (1저자))

연구자 이력사항

1. 인적사항

○ 성 명 : 김현
○ 소 속 : 한국화학연구원 화학소재연구본부 고기능고분자연구센터
○ 전 화 : 042-860-7109
○ 이메일 : hyunkim@krict.re.kr

2. 학력

○ 2010 인하대학교 생명화학공학부 학사

○ 2015 인하대학교 화학공학과 석사

○ 2019 미국 University of Texas at Dallas 의공학 박사

3. 경력사항

○ 2010 - 2013 SK 케미칼 엔지니어

○ 2019 – 2021 미국육군연구소 박사후연구원

○ 2021 – 현재 한국화학연구원 화학소재연구본부

고기능고분자연구센터 선임연구원

○ 2023 – 현재 과학기술연합대학원대학교 화학소재 및 공정 전공 조교수

4. 전문 분야 정보

○ 자극 감응 소재, 액정 탄성체, 연성 액추에이터, 유연 전자소자, 마이크로 및 나노 공정