형상기억합금에 빛만 비추면 움직이는 메타모핑 구조 개발

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 전선도 구동 장치도 없다. 빛만 비추면 금속 표면이 버튼처럼 스스로 솟아오른다. 국내 연구진이 빛을 잘 흡수하기 위한 별도의 코팅 없이도 빛만으로 형태를 바꾸는 금속 구조를 개발했다.

실제 버튼처럼 솟아오르는 금속 구조는 촉각 인터페이스와 형상 디스플레이, 차세대 웨어러블 기기와 소프트 로봇 개발에 새로운 가능성을 열 것으로 기대된다.

한국과학기술원(KAIST)은 기계공학과 오일권 교수 연구팀이 하나의 자외선(UV) 레이저 공정만으로 평평한 니켈-티타늄 형상기억합금(SMA) 시트를 빛을 받으면 스스로 입체 구조로 변하는 메타모핑 구조로 만드는 기술을 개발했다고 20일 밝혔다.

연구팀은 평평한 금속판에 정교한 절개와 접힘 패턴을 설계해 미리 정한 입체 모양으로 변형되도록 구현했다. 종이를 오려 입체 구조를 만드는 키리가미 원리를 금속에 적용했다.

형상기억합금은 가볍지만 큰 힘을 낼 수 있어 웨어러블 기기와 소프트 로봇의 핵심 구동 소재로 활용되고 있다. 그러나 기존 기술은 형상 변화를 위해 별도의 광흡수 코팅이 필요했다. 그래핀 산화물이나 질화티타늄(TiN) 같은 코팅은 반복 사용하면 벗겨질 수 있고, 제작 공정이 복잡하며 반응 속도를 떨어뜨릴 수 있다는 한계가 있었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 UV 레이저 미세가공 기술을 활용했다. 레이저를 한 번 조사하는 것만으로 금속을 원하는 형태로 가공하는 동시에 표면이 빛을 잘 흡수하도록 만들어 별도의 광흡수 코팅이 필요 없는 제작 방식을 구현했다.

이번 연구의 핵심은 금속이 얼마나 변형될지 뿐만 아니라 어떤 순서로 형태를 바꿀지까지 하나의 금속 안에 미리 설계했다는 점이다. 연구팀은 레이저 가공 방식을 조절해 같은 빛을 비춰도 어떤 부분은 먼저, 다른 부분은 나중에 변형되도록 구현했다. 별도의 전기 신호나 복잡한 제어장치 없이도 금속 스스로 정해진 순서에 따라 형태를 바꾸도록 했다.

연구팀은 이 기술을 근적외선(NIR) LED와 결합해 화면 일부가 실제로 솟아오르는 형상 디스플레이와 햅틱 인터페이스를 구현했다. 문자를 순차적으로 표시하고 손끝으로 방향을 안내하는 촉각 신호를 구현하는데도 성공했다.

이 기술은 특히 진동 모터나 단순 압력 자극에 의존하는 현재의 웨어러블 촉각 인터페이스를 넘어 빛으로 제어되는 소프트 로봇 피부, 지능형 모핑 인터페이스의 핵심 플랫폼으로 확장될 수 있을 것으로 기대된다.

오 교수는 "이번 기술은 별도의 코팅 공정 없이 단일 금속 소재 안에 기계적 변형과 광학적 특성을 동시에 새겨 넣은 새로운 제조 플랫폼"이라며 "빛만으로 형상을 자유롭게 제어할 수 있어 적응형 표면, 인터랙티브 햅틱 인터페이스, 차세대 웨어러블 기기, 광열 기반 소프트 로봇 등 다양한 분야에 활용될 것으로 기대한다"고 말했다.

기계공학과 김현수 석사과정이 제1저자로, 오 교수가 교신저자로 참여한 이번 연구 성과는 국제 학술지 어드밴스드 사이언스(Advanced Science)​ 이면 표지 논문으로 실렸다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 재원으로 한국연구재단 중견연구지원사업, 미래융합파이오니어사업, 나노·소재기술개발사업 및 과학기술정보통신부 이노코어(InnoCORE) 프로그램의 지원을 받아 수행됐다.

jongseo12@news1.kr