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| ▲ UNIST 신소재공학부 김지윤 교수(좌측)와 송현서 연구원(우측) | ||
자기장에 반응해 스스로 움직이는 이른바 ‘자성 스마트 소재’의 모양을 더 다양하게 만들 수 있게 됐다.
자성 스마트 소재가 움직이는 모양은 소재 내부의 ‘자화 형태(magnetization pattern)’가 결정하는데 이 자화 형태를 쉽게 지우고 다시 쓸 수 있는 기술이 개발됐기 때문이다.
UNIST 신소재공학부 김지윤 교수팀은 서울대학교 재료공학부 권민상 교수팀과 공동으로 자화 형태를 바꿀 수 있는 자성 스마트 소재를 개발했다. 자성 스마트 소재 제조과정에서 소재 내부에 만들어진 자화 형태는 바꾸기가 쉽지 않은데, 연구팀은 낮은 온도에서 녹는 물질을 이용해 이러한 한계를 극복했다.
자성 스마트 소재는 내부에 미리 입력된 자화 형태와 외부 자기장간 상호작용을 통해 움직인다. 자석에 다른 자석(자기장)을 갖다 대면 발생하는 인력이나 척력을 이용하는 셈이다. 자화 형태는 자석 힘의 세기와 N-S극 방향을 결정하는 ‘설계도’다. 자화 형태에 따라 자성 스마트 소재가 특정한 방향으로 굽혀지거나 접힌다. 하지만 자화 형태는 소재 제작과정에서 한 번 고정되면 바꾸기 쉽지 않다. 움직임을 원격으로 제어 할 수 있고, 외부 자극에 빠르게 반응하는 장점을 가짐에도 불구하고 자성 스마트 소재가 널리 쓰이지 못하는 이유다.
공동연구팀은 이 문제를 온도에 따라 상태가 바뀌는 물질을 이용해 해결했다. 개발된 소재는 ‘자석입자’(자성물질)와 ‘상변화 물질’(PEG·폴리에틸렌 글리콜)로 고무나 화장품 등의 원료 쓰인다.
이 혼합된 마이크로미터(10-6m)크기의 알갱이(자성 미소 구체)가 고분자 기질에 박혀 있는 구조를 갖는다. 고체에서 액체로 변하는 상변화 물질인 PEG 때문에 자화 형태를 여러 번 반복해서 바꾸는 것이 가능하다. 얼음 속 구슬은 단단하게 고정되지만 물속에선 자유롭게 움직이듯, 액체가 된 상변화 물질 때문에 자석 입자가 외부 자기장을 이용해 자화 형태를 새롭게 입력 할 수 있다. 반면 온도가 상온으로 내려가면 고체가 된 상변화 물질 때문에 자석 입자가 물리적으로 움직일 수 없어 자화 형태가 고정된다.
또 공동연구팀은 개발한 복합 소재로 ‘셀프 종이 접기’가 가능한 자성 소프트 액추에이터(actuator·구동장치)까지 만들었다. 가역 반응을 이용하기 때문에 동일한 액추에이터에 반복적으로 새로운 자화 형태를 입력해도 소재의 성능이 유지된다는 장점이 있다.
김지윤 교수는 “기존 연구와 달리 자성 입자나 고분자 기질의 고유 특성을 바꾸지 않으면서도 쉽게 자화 형태 재설계가 가능한 소재를 개발했다는데 의의가 큰 연구”라며 “이번에 개발된 소재는 유연성도 갖춰 의공학, 유연 전기소자, 소프트 로봇 등 가변 구조형 스마트 소재가 필요한 다양한 분야에서 핵심적인 역할을 할 것” 이라고 기대했다.
이번 연구는 나노분야 세계 최고 권위지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 7월 8일자로 게재됐다. 연구 수행은 한국연구재단(NRF)과 한국산업기술평가관리원의 지원을 받아서 이뤄졌다.