1. 서 론
1)
친수성 고분자가 3차원 네트워크를 이루고 이 안 에 다량의 물 분자가 강한 수소결합으로 고정돼 있 어, 90% 이상이 물로 이루어져 있는 고분자 연성 재 료를 ‘하이드로겔’이라고 한다. 자극 감응성 하이드 로겔은 외부환경 변화에 의해 수축, 팽창, 굽힘, 신장 등의 변형을 통한 역동적인 움직임이 가능하며, 이를 이용한 소프트 액추에이터 연구가 최근 주목받고 있 다[1]. 액추에이터란 외부로부터 가해진 물리적, 화 학적, 또는 열 에너지를 제어 가능한 기계적인 운동 으로 변환시키는 재료를 뜻한다. 그 중에서도 하이드 로겔 액추에이터는 유연한 고분자 사슬과 물로 구성 되었다는 재료의 특성 때문에 인체 근육과 비슷한 탄 성과 강도를 갖고 있으며 생물체의 부드럽고 유연한
저자(E-mail: [email protected])
운동을 재현할 수 있기 때문에 생체 모방 액추에이터 로서의 응용 가능성이 매우 높다. 하이드로겔의 움직 임을 발생시킬 수 있는 외부환경 변화, 즉 외부 자극 요인으로는 빛, 열, 자기장, 전기장 등 다양한 종류가 있으며, 이러한 외부 자극에 의해 하이드로겔 액추에 이터를 구성하는 고분자들의 친수성도가 바뀌게 된 다. 그 결과 외부 자극에 의해 하이드로겔은 물 분자 를 방출하거나 흡수하게 되고 이는 부피 변화와 변형 을 발생시키게 된다.
액추에이터에게 요구되는 성능에는 빠른 응답 속 도, 큰 작동 변위 및 구동력, 변형 방향 제어, 높은 변형 효율 등이 있다. 생체 조직은 생체고분자와 다 량의 물로 구성되었다는 점에서 큰 의미에서는 하이 드로겔이며, 근육은 궁극의 구동력, 구동 효율을 나 타내는 가장 이상적인 하이드로겔 엑추에이터이다.
근육은 근절이라고 하는 단위조직 내에서 액틴과 미 오신이라고 하는 두 종류의 단백질 분자의 상호작용
Recent Research Trend in Nanocomposite Hydrogel Actuators
Taehun Chung, Im Kyung Han, and Youn Soo Kim†
Department of Materials Science and Engineering, Pohang University of Science and Technology (POSTECH), 77 Cheongam-Ro, Nam-Gu, Pohang, Gyeongbuk 37673, Republic of Korea
Abstract: 소프트 로봇의 수요와 관심이 증가함에 따라 생체 모방형 액추에이터 연구가 큰 관심을 받고 있다. 액추에이터란 외부 에너지를 기계적인 동작으로 변환하는 장치이며, 재료 자체가 유연하여 부드러운 움직임을 재현할 수 있는 소프트 액추 에이터의 연구가 활발히 진행되고 있다. 고분자 연성 재료 중에 하나인 하이드로겔은 90% 이상이 물로 구성되어 있기 때문 에 생체 친화적이면서 동시에 환경 친화적인 재료이며 이를 기반으로 한 액추에이터 연구가 새로이 각광받고 있다. 최근에는 하이드로겔 액추에이터의 성능 향상을 위해 나노재료를 하이드로겔에 첨가하는 연구가 진행되고 있으며, 나노재료가 갖는 고유의 특성을 활용함으로써 하이드로겔 액추에이터의 자극 감응성 향상, 변형 방향의 제어, 높은 변형 효율 그리고 기계적 물성 증가가 보고되고 있다. 이는 헬스케어를 위한 웨어러블 장치, 재활을 목적으로 한 인공 근육 등에 적용이 가능하다.
본 기고문에서는 자극 감응성 고분자와 나노재료를 이용한 하이드로겔 액추에이터 연구에 대해 자극(전기장, 빛, 열, 자기장) 의 종류에 따라 분류하여 소개하고, 합성 전략 및 구동 원리에 대해 간략하게 설명하고자 한다.
Keywords: hydrogel actuator, stimuli-responsive polymer, anisotropic material, composite material, soft robot
에 의해 나노미터 레벨의 변형, 피코뉴톤 레벨의 힘 을 발생시킨다. 이러한 근절 단위의 변화가 자발적으 로 집적되고 동시다발적으로 발생되어, 그 결과 근육 은 센티미터 레벨의 변위와 킬로그램 단위의 힘을 발 생시킬 수 있게 된다. 근육 조직은 부드러운 성질을 갖고 있음에도 불구하고 고효율 및 고출력으로 움직 일 수 있다. 이것은 운동 단백질의 상호작용에 기반 한 분자 레벨에서의 변형이 개별적으로 발생되는 것 이 아니라, 동시다발적이고 동조적으로 발현되기 때 문이다. 추가적으로 근절 단위가 근육 섬유를 구성할 때 규칙적이고 계층적으로 적층되어있기 때문에 근 육이 단일방향으로만 수축 또는 이완하도록 한다.
즉, 이상적인 하이드로겔 액추에이터는 최대의 구동 효율 및 구동력을 단일방향으로 발생시킬 수 있어야 한다.
반면에 합성 과정을 통해 인공적으로 제작된 하이 드로겔의 경우에는, 고분자 사슬이 물리적 또는 화학 적으로 불규칙하게 가교되어 있기 때문에 근육과 같 이 그 움직임을 단일방향으로 구현시키는 것이 불가 능할 뿐만 아니라, 변형 효율이 낮고 구동력이 작으 며 응답 속도 또한 매우 느리다. 만약 단일 방향으로 배향될 수 있는 나노재료를 하이드로겔에 도입하여 재료에 방향성을 부여한다면, 근육 운동과 유사한
“빠르고 방향성 있는 움직임”을 구현하여 새로운 생 체 모방 재료를 개발할 수 있을 것이다. 이러한 관점 에서, 다양한 차원(0D, 1D, 2D)의 나노재료를 하이 드로겔에 적용시키는 연구들이 보고되었으며, 이렇 게 제작된 하이드로겔 액추에이터는 자극 감응성 향 상, 변형 방향 제어 가능, 높은 변형 효율, 기계적 물 성 증가 등의 성능 향상을 보여주었다[2].
본 기고에서는 최근에 많이 연구되고 있는 나노복 합재료 기반 하이드로겔 액추에이터 연구들을 외부 자 극의 종류에 따라 분류하여 설명하고자 한다. 또한 합 성 전략들을 소개하며 소프트 액추에이터의 연구 동 향에 대하여 알아본다.
2. 하이드로겔 액추에이터에 첨가되는 나노재료
본 기고문에서 다루는 나노복합재료 기반 하이드 로겔 액추에이터에서는 0D, 1D, 2D의 다양한 차원
의 나노재료가 적용되었다. 본 파트에서는 적용된 나 노재료를 열거하고 간략하게 설명하고자 한다 (Figure 1 참고). 먼저 대표적인 0D 나노재료인 금 나노입자(gold nanoparticle, AuNP)는 표면 플라즈 몬 공명(surface plasmon resonance, SPR)에 의한 광열 현상 때문에 특정 파장대의 빛을 조사하면 열을 발생시킨다[3,4]. 자성 나노입자인 산화철 나노입자 (iron oxide nanoparticle, IONP)는 자기장에 의해 자기조립되는 특성을 갖고 있으며 자기 열 효과로 인 하여 교류 자기장에서 열을 발생시킨다[5,6]. 폴리도 파민 나노입자(polydopamine nanoparticle, PDA-NP) 또한 광열 현상에 의해 특정 파장대의 빛 을 조사하면 열을 발생시킨다[7]. 1D 나노재료에는 탄소 나노 튜브(carbon nanotube, CNT)가 있으며 CNT는 근적외선(near-infrared, NIR) 파장의 빛을 흡수하여 열을 발생 시킬 수 있고 높은 전기전도성을 가진다[8]. 2D 나노재료로는 전기전도성을 갖는 그 래핀 옥사이드(graphene oxide, GO)와 광열 현상을 나타내는 전이 금속 디칼코게나이드(transition met- al dichalcogenides, TMD)가 광범위하게 사용되어 진다[9-13]. 티타늄 나노시트(titanium nanosheet, TiNS)는 높은 표면 전하 밀도에 의해 강한 정전기적 반발력을 갖고 있으며 이는 하이드로겔에서 변형을 야기 시키는 힘으로 활용될 수 있다[14]. 그 외에도 알루미나판을 포함한 다양한 종류의 나노시트는 자 기장에 의해 배향이 가능하며 이를 하이드로겔 내에 서 배향시키면 하이드로겔 액추에이터의 변형에 방 향성을 부여할 수 있게 된다. 따라서 2D 나노재료는 변형 방향을 제어하기 위한 이방성 나노재료로 활용 가능하다.
3. 자극 감응성 하이드로겔 액추에이터
3.1. 전기장 감응성 하이드로겔 액추에이터 먼저, GO를 나노재료로 사용하여 전기장 하에서 하이드로겔의 굽힘 운동을 보여준 연구를 소개하고 자 한다[15]. GO 나노재료가 첨가된 poly(acrylic acid) (PAA)/poly(acrylamide) (PAAm)/GO 하이드로겔 은 알칼라인 전해질 상에서 PAAm의 일부분 이 카
*출처: Soft Matter., 7, 7231-7239 (2011).
Figure 2. GO가 첨가된 전기장 감응성 하이드로겔 액추에이 터의 굽힘 거동.
르복실 그룹으로 가수분해가 되어 음전하를 띄게 되 고, 그 결과 양극 쪽을 향해 굽혀진다(Figure 2 참고).
다음은 GO/PAAm/sodium alginate (SA) 하이드 로겔 섬유를 합성하여 전기장 하에서 굽힘 운동을 보 여준 연구를 소개하고자 한다[16]. 이러한 굽힘 운동 은 하이드로겔 내부와 외부의 이온 농도 불균형에 따 른 삼투압 차이에 의해 설명할 수 있다. 인가된 전기
*출처: European Polymer Journal, 103, 335-341 (2018).
Figure 3. GO/PAAm/SA로 구성된 하이드로겔 액추에이터의 GO 첨가량에 따른 굽힘 정도 차이.
장에 의해 하이드로겔을 구성하는 음이온성 고분자 의 짝양이온 및 주변 용액의 양이온은 음극을 향해 이동하기 때문에 이온 농도 불균형이 발생된다. 그 결과 양극 쪽의 하이드로겔은 삼투압이 증가하여 팽 윤하게 되고 양극을 향해 굽어지는 거동을 보였다.
GO의 함량이 증가함에 따라 하이드로겔 섬유의 굽 힘 각도 및 변형 속도가 증가하는 것을 보여주었다 (Figure 3 참고).
또한 환원된 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxide, rGO)를 하이드로겔 액추에이터에 적용하여
Figure 1. 나노복합 하이드로겔 액추에이터를 구성하는 다양한 나노재료.
*출처: ACS Appl. Mater. Interfaces, 9, 15758-15767 (2017).
Figure 4. rGO 첨가에 의한 poly(AMPS-co-AAm)/rGO 하 이드로겔 액추에이터의 향상된 굽힘 거동.
기계적 성질의 개선 및 빠른 전기 응답성을 기대할 수 있다[17]. rGO를 포함하는 poly(2-acrylamido-2-me- thylpropane sulfonic acid(AMPS)-co- AAm)/rGO) 하이드로겔은 내부에 균일하게 분산된 rGO에 의해 이온 수송을 촉진시킬 수 있어 우수한 전도성 플랫폼 을 제공한다. 이와 동시에 나노복합재료 하이드로겔 의 외부와 내부 사이에 큰 삼투압 차이를 일으킬 수 있어 하이드로겔의 전기 반응 속도 및 부피 변화를 촉진시킬 수 있다. Poly(AMPS-co-AAm)/rGO 하이 드로겔이 전해질 용액에서 가역적 굽힘 거동을 나타 내었으며, 2분 동안 전기장을 가해 주었을 때 약 58~68% 가량 수축하였다(Figure 4 참고). 또한 전 기장을 제거한 직후 6분 이내에 초기 상태를 빠르게 회복하였다. 더 나아가 하이드로겔의 반응 속도와 변 화율은 rGO 나노재료의 첨가 비율에 따라 쉽게 조절 이 가능하다는 것을 보여주었다.
3.2. 빛 감응성 하이드로겔 액추에이터
빛 에너지를 열 에너지로 변환하는 광열 현상을 이용한 하이드로겔 액추에이터 연구가 보고되고 있 다. 대표적으로는 poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm)과 같은 열 감응성 고분자에 AuNP을 첨가하여 합성한 빛 감응성 하이드로겔이며, 광학적 으로 변형 방향을 제어할 수 있다. 이번 파트에서는 이처럼 빛에 감응하여 이방성 변형이 가능한 층상 나 노 복합체를 소개하고자 한다. PNIPAAm 고분자와 AuNP 및 금 나노쉘(gold nanoshell, AuNS)로 구성 된 층상 구조의 하이드로겔 복합체는, 특정 파장의 빛을 조사함으로써 부분적으로 하이드로겔이 수축하
도록 제어가 가능하다(Figure 5 참고). 546 nm 파장 영역의 빛을 조사하면 하이드로겔 내부에 AuNP를 포함한 부분만이 선택적으로 수축되는 반면, 785 nm 파장 영역의 빛을 조사하면 AuNS를 포함하는 부분 만이 수축하였다[18]. 나노복합 하이드로겔의 형상 변화는 15분 후에 평형에 도달하였고, 광 레이저가 꺼진 후 대략 5초 후에 초기 상태로 빠르게 복원되며 가역적인 변화를 보였다.
이어서 지렁이를 모방하여 기어가는 이방성 하이 드로겔 액추에이터 연구를 소개하고자 한다[19]. 원통 형의 하이드로겔은 AuNP, 열 감응성 고분자인 PNIPAAm, 그리고 배향된 TiNS으로 이루어져 있 다. PNIPAAm/TiNS/AuNP으로 구성된 하이드로겔 은 AuNP의 광열 효과에 의해 30초 동안 445 nm (5.6 W/cm2)의 빛을 조사하면 내부 온도가 85 ℃까 지 증가하는 것을 볼 수 있었다. PNIPAAm/TiNS/
AuNP 하이드로겔에 빛을 조사하는 지점을 서서히 이동함으로써 지렁이의 연동 운동과 유사한 움직임 을 구현하였다(Figure 6 참고). 즉, 배향된 TiNS에 의한 이방성 구조때문에 하이드로겔의 빠르고, 반복 적이며, 방향성 있는 움직임이 가능하였다.
PDA-NP는 광열 현상을 나타낼 수 있으며 열 감 응성 고분자인PNIPAAm와 복합화 함으로써 빛 감 응성 하이드로젤 액추에이터를 제작할 수 있다[20].
이중층 하이드로겔은 PNIPAAm/PDA-NP 층과 PNIPAAm 층으로 구성되어 있다. 이중층 하이드로 겔에 808 nm 파장 영역의 빛을 30초 동안 조사하 면 PDA-NP를 포함하는 층만 선택적으로 수축하여 액추에이터의 굽힘 거동을 볼 수 있었다(Figure 7 참고).
광열 현상을 나타내는 TMD의 종류 중 하나인 molybdenum diselenide nanosheet (MoSe2 NS)를 활용한 하이드로겔 액추에이터가 보고된 바 있다 [21]. 열 감응성 고분자인 PNIPAAm, MoSe2 NS의 효과적인 박리를 위해 첨가된 poly(ionic liquid) (PIL), 그리고 MoSe2 NS로 구성된 하이드로겔은 808 nm 파장 영역의 빛을 조사하였을 때 5.9 ℃에 서 28.1 ℃로 온도가 증가하였다. 그 결과 빛을 받은 부분이 수축하였고, 하이드로겔은 굽힘 거동을 보였
*출처: Angew. Chem. Int. Ed., 7, 15772-15776 (2018).
Figure 6. 지렁이의 연동 운동을 모방한 PNIPAAm/TiNS/
uNP 원통형 하이드로겔의 거동.
*출처: ACS Appl. Mater. Interfaces, 8, 29088-29100 (2016).
Figure 7. PNIPAAm/PDA-NP로 구성된 하이드로겔의 빛 조사에 따른 굽힘 운동.
다(Figure 8 참고). Molybdenium disulfide na- nosheet (MoS2 NS)도 광열 현상을 나타내는 재료이 며 하이드로겔 액추에이터에 적용된 바 있다[22]. 이중 층으로 구성된 하이드로겔 액추에이터는 MoS2 NS, PNIPAAm, 그리고 poly(N,N-dimethylacrylamide) (PDMA)로 구성된 층과, chitosan, PDMA, 그리고 무기물 나노재료 laponite로 구성된 층으로 이뤄져 있다. 808 nm 파장 영역의 빛을 조사해 주었을 때 10초 만에 하이드로겔이 수축할 수 있는 온도에 도달
*출처: Small, 12, 3112-3118 (2016).
Figure 8. MoSe2-PNIL로 구성된 하이드로겔 액추에이터의 빛 조사에 따른 굽힘 거동.
*출처: Nanoscale, 8, 18800-18807 (2016).
Figure 9. Poly(NIPAAm-co-DMA)/MoS2 NS로 구성된 하 이드로겔 액추에이터의 빛 조사에 따른 굽힘 거동.
하여 굽힘 거동을 보였다(Figure 9 참고).
3.3. 열 감응성 하이드로겔 액추에이터
열 감응성 하이드로겔 액추에이터는 온도 변화에 감응하는 고분자를 이용하여 제작할 수 있다. 대표적 인 온도 감응성 고분자인 PNIPAAm은 32 ℃ 이하 에서는 물에 용해되고, 그 이상의 온도에서는 침전된 다. PNIPAAm 수용액 내에 존재하는 PNIPAAm 고 분자는 온도가 올라감에 따라 고분자 사슬의 소수성 성질이 강해져 탈수화가 일어나게 되고, 물에 대한 용해도가 감소하면서 상분리가 일어나게 된다. 이 상 전이 온도를 아래임계용액온도(lower critical solution
*출처: ACS Nano, 6, 3152-3162 (2012).
Figure 5. AuNP/AuNS 층상 구조로 이루어진 PNIPAAm 기반 하이드로겔의 빛 조사에 의한 선택적 수축 거동.
*출처: Nano Lett., 11, 3239-3244 (2011).
Figure 10. PNIPAAm/SWCNT로 구성된 하이드로겔 액추에 이터의 온도 변화에 의한 가역적인 접힘과 펼침 거동.
temperature, LCST)라고 한다[23]. 본 파트에서는 PNIPAAm을 이용한 열 감응성 하이드로겔 액추에 이터에 대하여 살펴보고자 한다.
먼저, 종이 접기 방법을 사용하여 2D 시트로부터 3D 형상을 성공적으로 구현한 연구를 소개하고자 한 다[24]. 단일벽 탄소나노튜브(single-wall carbon nanotubes, SWCNT)가 첨가된 PNIPAAm 하이드 로겔은 기존의 PNIPAAm 하이드로겔과 비교할 때 최대 5배 향상된 열 응답 속도를 보인다. 열 응답 속 도가 빠른 이유는 SWCNT가 PNIPAAm 하이드로겔 내부에 다공성 구조를 많이 생성하여 물 분자의 빠른 확산을 유발하기 때문이다. PNIPAAm/SWCNT 액추 에이터가 육면체 모양으로 제작되었을 때 접힘과 펼 침의 제어가 가역적으로 가능해지며, 이는 태양광으 로 구동되는 스마트 소자 및 생체 조직 간에 연결해주 는 바이오 디바이스 등 다양한 분야에 새로이 응용될 것으로 예상된다(Figure 10 참고).
또한 열 감응성인 PNIPAAm 하이드로겔에 배향 된 TiNS를 적용함으로써, TiNS 간에 작용하는 정전 기적 반발력에 의해 작동되는 새로운 메커니즘에 기 반한 하이드로겔 액추에이터가 보고되었다[25]. 반 자기성인 TiNS는 강한 자기장에 의해 배향될 수 있 다. TiNS의 높은 표면 전하 밀도에 의한 강한 정전기 적 반발력 때문에 강한 자기장하에서 TiNS는 TiNS 간에 일정한 간격을 유지하며 자기력선에 대해 면을 수직으로 하여 배양된다. 이렇게 자기장에 의해 배향 된 TiNS의 구조는 고분자의 자유 라디칼 중합을 통 해 하이드로겔 내부에 고정화 될 수 있다. PNIPAAm 과 배향된 TiNS로 제작된 하이드로겔은 PNIPAAm 의 LCST 현상 때문에 하이드로겔 내부에 존재하는
*출처: Nat. Mater., 14, 1002-1007 (2015).
Figure 11. (a) PNIPAAm/TiNS로 구성된 L자 모양 하이드 로겔 액추에이터의 모식도, (b) 가역적인 온도 변화에 따른 액 추에이터의 보행 거동.
TiNS 간의 정전기적 반발력이 가역적으로 조절될 수 있다. 그 결과, 배향된 TiNS에 의해 하이드로겔의 변 형 방향이 제어되어 가열-냉각 변화에 따라 하이드로 겔이 한 쪽 방향으로만 수축-팽창하였다. 관측된 변 형률(약 70%s-1)은 보고된 자극 감응성 하이드로겔 중에서 가장 큰 기록이었다. 더 나아가, 이 하이드로 겔을 이용하여 L자형 이족 보행 액추에이터를 개발 하였는데, 이는 반복적인 가열과 냉각에 의해 한 방 향으로만 자율적으로 움직이는 것을 확인할 수 있었 다(Figure 11 참고).
솔방울의 굽힘 및 비틀림 메커니즘에서 영감을 얻 은 열 감응성 액추에이터도 보고된 바 있다[26]. 솔 방울은 구조적으로 배향된 셀룰로스 미세 섬유(cellu- lose microfibers, CMF)에 의해 굽힘 빛 비틀림 거 동이 발현되는데, 이를 모방하기 위해 알루미나판을 하이드로겔에 첨가하였다. 첨가된 알루미나판은 초상 자성 나노입자인 IONP로 코팅되어 있기 때문에 자 기장에 의해 배향될 수 있다. 자기장에 의해 배향된 알루미나판을 함유하는 이중층 모양의 하이드로겔 엑추에이터는 솔방울에서 나타나는 비틀림 거동을 탈 수/수화 과정 중에 보여주었으며, 알루미나판의 배향 에 따라 비틀리는 방향을 제어할 수 있었다. 또한 열
*출처: Nat. Commun., 4, 1712 (2013).
Figure 12. PNIPAAm/알루미나판 감응성 하이드로겔 액추에 이터의 온도 변화에 의한 비틀림 운동.
감응성 고분자인 PNIPAAm을 이용한 PNIPAAm/
알루미나판 하이드로겔 액추에이터의 경우에는 가열 에 의해 나선형으로 꼬이는 움직임을 보여주었으며 이는 가열-냉각 변화에 대해 가역적으로 꼬임-풀림 변 형을 보였다(Figure 12 참고).
3.4. 자기장 감응성 하이드로겔 액추에이터 IONP는 자기 모멘트로 인해 자기장 하에서 자기 조립을 할 수 있으며 교류 자기장(alternating mag- netic field, AMF)을 통해 자기 열 효과를 보일 수 있 다. 이러한 IONP는 자기공명영상법(magnetic reso- nance imaging, MRI) 및 발열 요법과 같은 다양한 분야에서 사용되어 왔다. 본 파트에서는 IONP를 사용 하여 자기장에 감응할 수 있는 하이드로겔 액추에이 터에 대하여 살펴보고자 한다.
자기조립이 가능한 IONP를 고분자 네트워크에 고정시키게 되면 균일한 자기장 하에서 돌림힘 (torque)을 가질 수 있다. 이를 활용하여 다양한 움직 임을 구현할 수 있는 자기장 감응성 하이드로겔 액추 에이터가 개발되었다[27]. IONP를 poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) 고분자 네트워크 위에 굳혀서 제작된 하이드로겔은 균일한 자기장 하에서 자기력선의 방향으로 움직이는 거동을 보였다. 더 나 아가 서로 다른 방향으로 자기조립된 IONP들로 구성 된 IONP/PEGDA 액추에이터들을 이어 붙여 마이 크로 로봇을 제작하게 되면, 자기장의 방향을 변화시 킴에 따라 특정한 방향으로 이동하는 것을 볼 수 있 었다. 이는 애벌레의 연동운동과 유사한 모습을 보여
*출처: Nat. Mater., 10, 747-752 (2011).
Figure 13. (a) IONP의 자가조립특성을 이용하여 합성한 IONP/PEGDA 하이드로겔 액추에이터 모식도, (b) 자기장의 방향을 조절하여 애벌레의 운동을 모사한 액추에이터의 거동.
주었다(Figure 13 참고).
이어서 굼벵이를 모방하여 방향성을 갖고 운동하 는 하이드로겔 크롤러(crawler) 연구에 대해 소개하 고자 한다[28]. PNIPAAm과 IONP로 구성된 하이 드로겔 액추에이터에 교류자기장이 인가되면, 자기 열 효과에 의해 하이드로겔 내부의 IONP가 발열하 게 된다. 교류자기장이 켜졌을 때, 하이드로겔의 내부 온도가 PNIPAAm의 LCST 온도보다 높아지기 때 문에 하이드로겔은 수축하였고, 이어서 교류자기장 이 꺼지면 하이드로겔의 내부 온도는 LCST 온도보 다 낮아지기 때문에 팽창하면서 원래의 형태로 복원 되었다. 이를 이용하면 래칫(ratchet)과 같은 거친 표 면에서 전방 및 후방의 마찰 계수를 변화시킬 수 있 기 때문에 교류자기장을 켜고 끔에 따라 액추에이터 는 미끄러지는 거동을 보일 수 있다(Figure 14 참고).
이와 더불어, 기계적 물성이 약한 하이드로겔의 한계를 극복하기 위해 SA가 코팅된 IONP 나노입자 와 물리, 화학적으로 가교된 PAAm 네트워크로 구 성된 자기장 감응성 하이드로겔이 개발되었다[29].
Fe3O4@Fe-alginate/PAAm으로 구성된 하이드로겔은 신축성과 견고성이 매우 뛰어났다. 20 wt%의 IONP 를 함유하는 원통 모양의 Fe3O4@Fe-alginate/PAAm 하이드로겔은 네오디뮴 자석(neodymium magnets, NdFeB)에 끌리면서 굽힘 운동을 하였다(Figure 15 참고).
*출처: Soft Matter., 11, 8253-8261 (2015).
Figure 15. (a) Fe3O4@Fe-alginate/PAAm로 구성된 하이드 로겔 액추에이터 이미지, (b) NdFeB 자석을 이용한 원통 모양 액추에이터의 굽힘 거동.
4. 결론 및 전망
소프트 로봇에 적용 가능한 나노복합 하이드로겔 액추에이터에 관한 최근 연구동향을 자극(전기장, 빛, 열, 자기장)의 종류에 따라 분류하여 살펴보았다.
일반적인 하이드로겔 액추에이터의 경우 물 분자를 등방적으로 방출, 흡수하기 때문에 생체 근육의 거동 을 모사하는데 한계가 있다. 이러한 하이드로겔에 나 노재료를 첨가함으로써 액추에이터에 요구되어지는
성능인 빠른 응답 속도, 큰 작동 변위 및 구동력, 변 형 방향 제어, 높은 변형 효율 등을 가능하게 하며, 기계적 강도 또한 향상시킬 수 있다. 최근 3D 프린팅 기술은 매우 정교하고 세밀한 구조체를 만들 수 있는 혁신적인 기술로 각광 받고 있으며 이를 활용하여 새 로운 하이드로겔 액추에이터를 개발하는 연구가 활 발히 진행되고 있다.
하이드로겔 액추에이터는 인공 근육, 인공 장기, 재활, 헬스케어, 마이크로 로봇 등의 의료 산업, 새로 운 음식, 요리 기법 등의 식품 산업, 섬유 개발 등의 의류 산업 등 광범위한 분야에 걸쳐 적용가능하다는 잠재성을 지니고 있다. 이를 실현 시키고 실용화와 상품화를 앞당기기 위해서는 하이드로겔 액추에이터 를 구성하는 고분자와 나노재료의 생체 적합성 및 안 전성을 확보하고 각각의 기능과 특성을 더욱 향상시 키면서 엑추에이터의 제조 기술 또한 간편화되어야 할 것이다.
References
1. L. Ionov, Hydrogel-based actuators: Possibili- ties and limitations, Materials Today, 17(10), 494-503 (2014).
2. I. K. Han, T. Chung, J. Han, and Y. S. Kim, Nanocomposite hydrogel actuators hybridized with various dimensional nanomaterials for stimuli responsiveness enhancement, Nano
*출처: Sci. Rep., 7, 16178 (2017).
Figure 14. (a) 굼벵이를 모사한 PNIPAAm/IONP 하이드로겔 크롤러 이미지, (b) 교류자기장에 따른 크롤러의 미끄러지는 거동.
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2012~2015 도쿄대학교 화학생명공학과 박사 2015~2017 도쿄대학교 재료공학과
박사후연구원
2017~현재 포항공과대학교 신소재공학과 조교수
한 임 경
2012~2016 서울여자대학교 화학과 학사 2016~2018 UNIST 화학공학과 석사 2018~현재 포항공과대학교 신소재공학과
박사과정
