1초 구동 스마트 소재
KAIST 형상기억 기술
우주·로봇 활용 가능성
▲ Advanced Functional Materials 학술지 Front cover로 선정 이미지
로봇이 물건을 집고 펼치는 움직임을 만들기 위해 반드시 모터가 필요하다는 통념이 흔들리고 있다. KAIST 연구진이 별도의 모터 없이도 스스로 움직이며 1초 이내에 굽혀졌다가 다시 펴지는 신개념 구동 기술을 구현했다.
KAIST 기계공학과 김성수 교수 연구팀은 열 자극만으로 형태가 바뀌고 원래 상태로 되돌아오는 '양방향 형상기억 기반 하이브리드 스마트 액추에이터'를 개발했다. 기계 장치와 구동 모듈을 최소화하면서도 빠른 작동과 높은 복원 정확도를 동시에 확보한 기술이다.
로봇 팔이나 우주 전개 구조물에는 반복적인 움직임을 안정적으로 수행하는 장치가 필수적이다. 그러나 기존 모터 기반 구동 시스템은 장비 무게 증가와 구조 복잡성이라는 구조적 부담이 있었다. 특히 우주 환경에서는 장치의 경량화와 단순화가 핵심 과제로 꼽힌다.
▲ 연구팀, 왼쪽부터 KAIST 배상윤 박사과정, 김성수 교수, 강다정 박사과정, 김원빈 박사
연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 형상기억합금(SMA)과 형상기억고분자(SMP)를 결합한 복합 소재 구조를 설계했다. 형상기억합금은 열을 가하면 원래 형태로 복원되는 금속 소재이며, 형상기억고분자는 온도나 외부 자극에 반응해 형태가 변하는 고분자 재료다. 두 소재의 장점을 동시에 활용해 안정성과 유연성을 모두 확보했다.
기존 형상기억 소재 기술은 변형 후 복원 속도가 느리거나 반복 사용 때 정확도가 떨어지는 문제가 있었다. 금속과 고분자 간 물성 차이로 인해 시간이 지날수록 원래 형태로 되돌아가는 정밀도가 낮아지는 현상도 지적돼 왔다.
연구팀은 소재 조성 개선과 구조 설계를 함께 적용해 이러한 한계를 극복했다. 형상기억고분자의 화학 구조를 조정하고 탄소섬유로 보강해 강도를 높였으며, 액추에이터에는 줄자처럼 휘어지는 '테이프 스프링' 구조를 도입했다. 이 구조는 변형 과정에서 에너지를 저장했다가 순간적으로 방출하는 '스냅 스루' 현상을 유도해 움직임의 속도를 크게 끌어올린다.
▲ 형상기억합급-고분자복합재 하이브리드 양방향 액추에이터 개발 과정
실험 결과 개발된 액추에이터는 열을 가하면 빠르게 굽혀지고 온도가 내려가면 다시 펴지는 양방향 변형을 안정적으로 구현했다. 변형 속도는 1초 이내이며, 초기 형태 복원률은 거의 100%에 가까운 수준을 기록했다. 복잡한 제어 장치 없이도 반복적인 구동이 가능하다는 점에서 실용 가능성이 크게 높아졌다는 평가다.
연구팀은 이 기술이 로봇 손의 반복적인 그리핑 동작이나 우주 전개 구조물 등 다양한 분야에서 활용될 수 있을 것으로 보고 있다. 특히 위성 구조물이나 우주 장비처럼 경량화와 안정성이 중요한 분야에서 새로운 설계 방식을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.
KAIST 기계공학과 김성수 교수는 "소재 특성과 구조 설계를 결합해 형상기억 액추에이터 성능을 크게 높였다"며 "로봇 그리퍼와 우주용 전개 장치 등 다양한 분야에서 활용 가능성이 있다"고 말했다.
연구 논문은 국제 학술지 'Advanced Functional Materials'에 2026년 1월 19일 온라인 게재됐으며 2026년 3월호 표지 논문으로 선정됐다. 연구에는 강다정 박사과정이 1저자로 참여했고 박성연 연구원, Yitro Samuel Aditya 연구원, 이하은 연구원, 김원빈 연구원, 배상윤 연구원과 김성수 교수가 공동으로 참여했다.
연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 나노·소재기술개발사업과 국가반도체연구실지원핵심기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다. /대전=이한영기자
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