고무탄성의 본질과 새로운 응용기술 동향 · 2016-11-09 · 528 Polymer Science and Technology Vol. 27, No. 5, October 2016 고무탄성의 본질과 새로운 응용기술

528 Polymer Science and Technology Vol. 27, No. 5, October 2016

고무탄성의 본질과

새로운 응용기술 동향Rubber Elasticity and New Application Technologies

이기쁨1ㆍ하지민1ㆍ김연주1ㆍ허양일2ㆍ나창운1 | Gi-Bbeum LeeㆍJimin HaㆍYeonju KimㆍYang Il HuhㆍChangwoon Nah

1Department of Polymer-Nano Science and Technology, Chonbuk National University, 567 Baekje-daero, Deokjin-gu, Jeonju-si, Jeollabuk-do 54896, Korea

2Department of Polymer and Fiber System Engineering, Chonnam National University, 77 Yongbong-ro, Buk-gu, Gwangju 61186, Korea

E-mail: [email protected]

이기쁨2009 전북대학교 고분자나노공학과

(공학사)2011 전북대학교 고분자나노공학과

(공학석사)현재 전북대학교 고분자나노공학과

(박사과정)

하지민 2015 전북대학교 고분자나노공학과

(공학사)현재 전북대학교 고분자나노공학과

(석사과정)

김연주2015 전북대학교 고분자나노공학과

(공학사)현재 전북대학교 고분자나노공학과

(석사과정)

허양일1983 전남대학교 화학공학과 (공학사)1985 전남대학교 고분자공학과

(공학석사)1993 일본 동경공대 고분자공학과

(공학박사)

나창운1984 아주대학교 화학공학과 (공학사)1986 아주대학교 화학공학과

(공학석사)1995 미국 Akron대 고분자공학과

(공학박사)

1. 고무탄성의 본질

고무소재가 없다면 우리는 하루도 생활을 이어갈 수 없다. 고무줄, 신발, 축구공, 골프공, 벨트, 씰링, 타이어

등 매일 일상적으로 사용하는 많은 제품은 고무소재가 주원료이다. 또한 고무소재는 국내에서도 관심이 고조되

고 있는 지진에 효과적인 방진고무나 교량고무 지지대, 한번 시공되고 나면 교체가 거의 어려운 원전용 고무전

선 등 안전에 관련된 제품부터 복사기와 현금지급기용 고무롤, 비디오 카메라와 정밀기계의 타이밍 벨트 등 고

도의 정밀기술이 필요한 제품에서도 매우 중요한 역할을 담당하고 있다. 최근에는 엑추에이터, 제너레이터, 센

서, 유연/신축성 디스플레이용 전극소재 등 하이테크 제품에도 고무소재가 활용되고 있다. 이러한 고무제품들

은 예외 없이 ‘탄성’이라는 고무소재의 독특한 성질을 이용하고 있다. 역사적으로도 1900년대 두 차례의 세계

전쟁을 겪으면서 고무소재는 전략물질로 확인된 바 있다. 천연고무산지를 확보하지 못할 경우 타이어, 호스, 벨

트를 만들 수 없기 때문에 군용 차량이나 항공기 등을 움직일 수가 없어 전쟁에서 매우 불리한 입장이 되었다.

천연고무에 대한 절실한 필요성은 결국 합성고무의 탄생과 고분자과학의 발전으로 이어져 3명의 노벨수상자(H.

Staudinger 1953, F. J. Flory 1943, P. G. de Gennes 1991)가 배출되었다. 그렇다면 고무탄성은 무엇인가? 상식

적인 수준에서 고무탄성은 ‘약 1,000% 가까이 잘 늘어나고, 다시 복원시키면 거의 원상태로 복원되는 고무의

성질’로 정의할 수 있다. 그런데 고무탄성의 원인을 조금 더 깊히 살펴보면 이는 고무를 변형함에 따라 ‘랜덤사

슬모양’의 거대한 고분자의 사슬에 대한 형태자유도가 달라지기 때문에 기인된 현상이다. 이러한 현상을 입증

하기위해 많은 과학자들이 끈질긴 탐구와 다양한 실험 그리고 Boltzmann의 통계 열역학적 접근을 이용하여 많

은 부분이 밝혀졌다. 고무탄성에 대한 가장 핵심적인 원리는 다음과 같이 설명할 수 있다.

고무소재에 일정한 변형()을 가하면 고무탄성에 의한 복원력(f)는 다음과 같이 주어진다.1

특별기고

이기쁨ㆍ하지민ㆍ김연주ㆍ허양일ㆍ나창운

고분자 과학과 기술 제27권 5호 2016년 10월 529

그림 1. EAR 작동원리.

(1)

여기서 F는 Helmholtz 자유에너지, U는 내부에너지, S는 엔

트로피이다. 이상적인 고무를 가정하면 변형에 의한 에너지

변화는 0에 근사하기 때문에 고무탄성의 복원력은 대부분 고

무분자 사슬의 형태자유도의 변화에 기인된 엔트로피에 좌

우될 수밖에 없다. 실제 천연고무 황가교체에 대해서 응력-

변형 특성을 측정하고, 이를 에너지와 엔트로피 항으로 분리

하여 조사한 결과에 따르면 엔트로피 영향이 약 90% 이상 차

지하는 것으로 보고되고 있다.2 따라서 고무탄성의 본질은

결국 고무분자 사슬의 형태자유도의 변화에서 기인된다고

할 수 있다. 따라서 기존 소재의 탄성과는 근원적인 차이가

있기 때문에 고무소재를 실제 제품에 이용할 경우 이 부분에

대한 고려가 필요하다. 이러한 고무탄성의 독특한 거동을 단

적으로 표현할 수 있는 예는 온도의 영향일 것이다. 즉, 일정

한 힘을 받는 고무에 열을 가했을 때 고무의 변형은 다음 식

으로 표현된다.1

(2)

식 (2)의 우변에서 첫 번째 항은 에너지 항이고, 두 번째 항

은 엔트로피 항이다. 전술한바와 같이 고무탄성은 엔트로피

에 의해 큰 영향을 받고, ( )항은 양의 값을 갖기 때

문에 ( )항은 음의 값을 갖게 된다. 즉, 다른 대부분

의 소재와 달리 열적수축의 거동을 나타낸다. 따라서 고무소

재를 활용한 제품의 설계에서는 고무탄성에 대한 고려가 반

드시 필요하다고 할 수 있다. 본고에서는 최근 새롭게 고무탄

성의 활용이 시도되고 있는 전기활성고무(electro-active rubber,

EAR)를 이용한 엑추에이터 및 제너레이터 그리고 유연/신

축성 디스플레이 개발에 필수적인 유연/신축성 전극에 대한

연구동향을 간략히 살펴보고자 한다.

2. 고무탄성의 새로운 응용기술

2.1 전기활성고무(Electro-Active Rubber, EAR)

2.1.1 작동원리

EAR은 외부전기장에 기계적 반응을 보이는 고무소재로

써 엑추에이터, 제너레이터, 센서 등으로 적용 가능성이 매

우 크다.3,4

EAR의 작동원리는 Pelrine 등에 의해 제시된 바

와 같이 기존의 전도성고분자, 카본나노튜브, ionic polymer

metal composite(IPMC) 등과는 사뭇 다르다.5-8

즉, 얇은 고

무필름 양면에 카본그리스와 같은 신축성전극을 코팅하고

여기에 전기장을 인가하면 양극 사이에 Maxwell 인력이 발

생한다(그림 1).6,7

물론 발생하는 인력은 고무필름의 유전율,

가해준 전압 및 필름두께 등에 따라 결정된다. 이 인력의 크

기가 고무필름의 압축 모듈러스를 능가하면 필름이 더욱 얇

게 펴지게 된다. 부과된 전압을 제거하면 고무탄성 복원력에

의해 원래의 상태로 돌아가게 된다. 이러한 기계적 작동원리

를 이용하는 것이 소위 ‘유전탄성체 엑추에이터(dielectric

elastomer actuator, DEA)’ 이다. 한편 ‘유전탄성체 제너레이

터(dielectric elastomer generator, DEG)’의 개념은 역으로

외부의 기계적임 힘을 이용하여 고무를 펴지게 하여 높은 하

전용량(높은 커패시터) 상태를 만들어 대전시키고, 복원시

키면 낮은 커패시터 상태로 되면서 발생되는 정전기를 모아

특별기고 | 고무탄성의 본질과 새로운 응용기술 동향


그림 2. 인공근육 연구동향 사례: (a) 유연 집게로봇,12 (b) 6족 보행로봇,13

(c) 해파리 수중로봇.14그림 3. 광학로봇 연구동향: (a) 프리즘 조절로봇,15 (b) 액상 광학렌즈,16 (c)박막 광학렌즈.17

서 전기를 생산하는 것이다. 고무 필름을 변형시키기 위한

기계적 에너지는 풍력, 파력 등 자연의 힘을 이용할 수 있다.

최근 이와 같은 원리를 이용하기 위한 활발한 연구가 진행되

고 있고, 다음절에 DEA와 DEG의 연구현황에 대해 간략히

소개하였다.

2.1.2 유전탄성 엑추에이터(Dielectric Elastomer Actuator, DEA)

DEA용 소재로는 아크릴 및 실리콘계 고무와 우레탄 탄성

체가 일반적으로 사용되고 있으나 보다 우수한 전기역학적

특성을 위해 최근 다양한 블록 공중합체를 활용한 성능개선

연구도 진행되고 있다.9 그러나 DEA 작동전압이 ~500 V 이

상으로 상당한 고전압이기 때문에 작동전압을 최소화하기

위한 소재측면의 기초연구가 반드시 필요한 실정이다. 이를

위한 연구방향으로는 첫째, 탄성체의 압축 모듈러스와 두께

를 최대한 낮추어야 하고, 둘째, 탄성체의 유전상수를 최대한

높여야 한다. 그러나 이러한 추구방향은 DEA의 전기적 안

정성과는 상반성(trade-off)을 갖기 때문에 이를 돌파하기위

한 연구가 반드시 필요하다.

DEA는 대변형(>300%)이 가능하고 응답속도도 ~ms으로

비교적 빠르고, 가볍고, 저렴할 뿐만 아니라 인간의 근육과

유사한 기계적 모듈러스를 가지기 때문에 인공근육 및 로봇

분야에서 많은 관심을 받아왔다.6,10

곤충의 움직임을 모사하

는 초기 로봇 단계를 넘어 점자 디스플레이 및 회전운동에

이르기까지 다양한 연구결과가 보고되고 있다.5,8,11

최근에

시도되고 있는 몇 가지 응용사례를 그림 2에 요약하였다. Shea

연구팀은 기존로봇이 쉽게 구현하기 어려웠던 날계란, 풍선,

얇은 종이카드 등을 옮길 수 있는 부드럽고 유연한 집게로봇

을 보고하였다(그림 2a).12

또한 물체의 형상을 인식할 수 있

어서 인간의 손처럼 필요한 힘만을 가하여 물체를 다룰 수

있는 특징도 보고하고 있다. Choi 연구팀은 3D 프린팅 기법

을 도입하여 6족 보행 로봇을 제조하였는데 다양한 운동모드

(전진, 후진, 선회, 회전 등)와 속도조절이 가능하다고 보고하

였다(그림 2b).13

Zhu 연구팀은 해파리의 움직임을 모사한

수중로봇을 개발하였다(그림 2c).14

해파리의 머리구조 내에

구형 에어챔버 DEA를 위치하여 공기의 압력을 조절하여 해

파리의 추진동력을 얻는다.

최근 새롭게 시도되는 DEA 응용으로는 인간이나 동물의

눈과 같이 빛의 양과 초점을 조절할 수 있는 광학로봇이 있

다.15-17 Nah 연구팀은 광학 조리개(프리즘)를 버블모양 DEA

를 활용하여 정밀하게 조절함으로써 초점을 맞추는 방법을

보고하였다(그림 3a).15

또한 그림 3b와 같이 DEA 필름 중앙

에 작은 홀을 만들고 투명액체를 주입하여 렌즈곡면을 구성한

액체렌즈를 보고하였다.16

여기에 전압을 가하면 필름두께가

얇아지면서 홀의 크기는 작아져 액체렌즈의 곡면이 달라지

는 원리를 이용하였다. 액체 렌즈는 홀의 크기를 여러 가지로

조절할 수 있고, 박막필름 상태이기 때문에 소형장치에 활용이

용이할 것으로 전망되고 있다. 한편, Kyung 연구팀은 그림

3c와 같이 연질렌즈를 DEA 중앙에 도입하여 DEA가 상하로

작동하면서 초첨을 조절하는 박막 광학렌즈 시스템을 개발

하였다. 약 500 μm 두께의 얇은 필름으로 되어 있어 실체 안

구의 초점조절을 모사할 수 있을 것으로 기대하고 있다.17

2.1.3 유전탄성 제너레이터(Dielectric Elastomer Generator, DEG)

DEG는 사람이나 동물의 움직임, 자연적으로 발생되는 풍

력, 수력, 또는 파력등과 같은 동력 에너지를 전기 에너지로

변환할 수 있으므로 어떠한 오염 물질도 배출되지 않는 청정

에너지원으로서 발전 가능성이 매우 크다. DEG 개념은 미국

을 중심으로 군인의 신발 밑창에 가해지는 기계적 충격을 전

기로 바꾸는 소위 ‘Heel-Strike’ 개념을 시작으로 오늘날 일

상생활에서 발생하는 다양한 인체 움직임을 활용하려는 연

구로 확대되고 있다(그림 4).18,19

사람의 팔, 다리 등 일정한

움직임이 발생하는 신체에 DEG를 부착하여 움직일 때마다

전기를 생산해내는 방식으로 약 10-25 W의 전력을 생산할

수 있어 개인이 휴대하고 있는 전자 제품이나 개인 의료 장

비를 실시간으로 충전시킬 수 있는 가능성이 있다.

DEG를 이용한 상업적인 발전은 풍력, 파력 등과 같은 자연



그림 4. 인체의 움직임을 활용한 DEG.19

그림 5. 자연에너지를 활용한 DEG 연구동향: (a) 수차 DEG,8 (b) Wave DEG,8 (c) Donut DEG.20

의 에너지를 이용하는 방향으로 연구가 진행되고 있다. Pelrine

연구팀은 간단한 실린더 DEG를 수차에 적용시킨 수차 제너

레이터(그림 5a)를 개발하였다.8,18

오른쪽 수차의 회전 힘을

이용하여 DEG 원통을 변형함으로써 약 35 mJ/cycle 전기

가 생성된다고 보고하였다. 또한 동 연구팀은 발전용량의 확

대를 위해 파력을 활용한 부표형 DEG를 개발하였다(그림

5b).8 부표의 중앙에 가해지는 수직힘을 실린더형 DEG에 연

결하여 보다 높은 전기 생산을 확인하였다. Nah 연구팀은

사용이 간편한 도넛형 DEG를 개발하였다(그림 5c).20

원형

의 유전탄성체 필름 중앙에 원형 아크릴 판을 고정시키고 상

하로 움직이면 발전되는 구조인데, 약 12 μJ/cycle의 전기 생

산을 보고하였다. DEG 연구는 전술한 DEA 연구 분야에 비

해 아직 연구 성과가 미미한 단계이지만 최근 대두되고 있는

환경오염을 피할 수 있는 천정에너지원이기 때문에 향후 활

발한 연구가 필요한 분야라 할 수 있다.

2.2 신축성 전극(Stretchable Electrode, SE)

최근 유연디스플레이, 웨어러블 전자기기, 바이오 센서, 신

축성 유기태양전지, DEA, DEG 등 다양한 분야에서 구부리

거나 늘릴 수 있는 유연/신축성 전극에 대한 수요가 증가하

고 있다.21-28

신축성 전극의 핵심기술은 높은 전기전도성을

유지하면서도 다양한 형태와 크기의 정적 및 동적 변형조건

에서 기계적으로 견딜 수 있는 유연성 및 신축성을 확보하는

것이다. 이러한 목적을 달성하기 위해 많은 연구가 진행되고

있는데, 현재까지 진행된 연구동향을 분석하면 대략 3가지

방향에서 접근되고 있다.

첫째, 신축성 고무필름위에 Au, Ag, Cr, Cu 등의 금속박

막을 여러 가지 패턴(S자, Z자, wavy, buckling 형태)로 증

착시키는 기술이다(그림 6).22,24,29-34

이 방법은 금속류를 사용

하기 때문에 금속성 전도도를 가질 수 있고, 인장이 가능한

패턴모양을 가지므로 작은 변형조건에서는 어느 정도 안정

적인 전기적 특성을 나타낸다. 그러나 인장변형 조건이 증가

함에 따라 전기전도도의 하락과 전극과 고무간의 박리현상

이 가장 시급히 해결해야할 문제점으로 대두되고 있다. Suo

연구팀은 PDMS 유연기질 표면에 Au를 wavy 형태로 패터

닝하여 높은 전기적 특성을 갖는 전극을 제작하였으나,

5~10% 정도의 작은 인장변형에서 금속 층에 크랙이 발생하

여 전기적 성질이 저하되는 문제점을 보고하였다.29,30

이를

개선하기 위해 Rogers 연구팀은 금속에 전도성 고분자를 코

팅함으로써 70~90% 인장조건에서도 안정적인 전기적 성질

을 보고하였다.32,33

따라서 해당 기술은 인장변형조건이 낮은

조건에서 사용될 수 있는 유연/신축성 장치에 사용 가능하다.

또한 금속박막을 미세한 패턴으로 증착하기 위해서는 고가

의 반도체 장비를 활용하기 때문에 공정비용이 비싸다는 단

점이 있다. Grigoropoulos 연구팀은 금속의 증기증착대신

원하는 패턴의 실리콘계 고분자몰드를 제작하고 이를 이용

하여 금속을 유연기질 위에 패턴닝하는 방법을 통해 전극제

작 공정비용의 단점을 개선하였으나, 인장변형에 대한 연구

가 진행되지 않아 대변형 조건하에서의 전기적 안정성은 보

고되지 않았다.34

둘째, 신축성 고무기재에 다양한 전도성 물질(카본나노튜

브, 그라파이트, 카본블랙 등)을 혼합하여 고분자복합체를



그림 8. 신축성 전극 최근 연구동향: (a) 카본나노튜브 숲(CNT forest)을 이용한 전극,39 (b) 은나노와이어를 이용한 전극,41 (c) 주름을 이용한 전극.43-45

그림 6. 다양한 패턴의 금속 증착을 이용한 전극.22,24,32

그림 7. 전도성 고분자 복합체를 이용한 전극.31,32

제조하여 전극으로 사용하는 방법이다(그림 7).35-38

본 접근

방법은 초기 전기전도성은 어느 정도 달성하더라도 인장변

형에 따라 급격한 전도성하락이 단점으로 보고되고 있다. 즉,

전도성 물질을 증량하면 전도성은 확보할 수 있지만, 고분자

복합체의 모듈러스가 증가하여 유연성과 신축성이 희생된

다. 따라서 전도성과 신축성간의 최적화기술이 중요하다.

Someya35

및 Park 연구팀은36 불소고무와 실리콘 고무에 단

층카본나노튜브를 혼합하여 10~102 S/cm의 비교적 우수한

초기 전도성을 구현했으나, 20~30%의 인장변형에서 전도성

이 저하되는 문제점을 보고하였다. Larsen 연구팀은 전도성

고분자와 우레탄을 혼합하여 100% 인장변형까지 102 S/cm

수준의 전극을 제작하였으나, 100% 이상의 변형에서 전도성

이 급격히 하락하였다.38

셋째, 신축성 고무기재 표면에 다양한 전도성 물질을 코팅하

는 기술이다. 최근 진행된 몇 가지 연구사례를 그림 8에 나타내

었다. Baughman39

및 Kim 연구팀은40 우레탄과 ecoflex 표면

에 수직으로 합성한 카본나노튜브 숲(CNT forest)을 성장시

켜 전극을 제작하였다(그림 8a). 두 전극 모두 굽힘 변형 하에

서는 매우 안정적인 전도성을 나타냈으나, 10% 인장변형에

서 급격한 전도성 감소를 보였다. 금속 나노와이어의 경우,

전기전도성이 높고 큰 종횡비 때문에 전도통로 확보가 비교

적 용이하여 안정적인 전도성을 나타내므로 전극에 많이 사

용된다(그림 8b). Huang 연구팀은 PDMS 표면에 은 나노와

이어를 코팅하여 전극을 제작하였다.41 이 전극은 높은 전기

전도성을 나타냈으나, 20% 변형에서 전도성이 급격히 감소

하였다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 Liao 연구팀은 형성

된 silver nanowire mesh의 교차점을 용접하는 기술을 도입

하여 120% 이상의 변형까지 전기 안정성을 실현하였다.42

그러나 유연/신축성 기기들이 반복적인 변형조건에 장시

간 노출되기 때문에 피로파괴에 의한 계면분리 등이 매우 중

요한 이슈가 되고 있다. 이러한 계면분리 현상을 최소화할 수

있는 접근 방법으로는 신축성 고무표면에 주름을 형성하고

그 위에 전도성 물질을 코팅하는 기술이다(그림 8c). 신축성

고무필름을 특정방향으로 신장시킨 후 표면에 전도성 물질

을 얇게 코팅하고 변형을 제거하면 고무탄성에 의해 원래의

상태로 복원되면서 전도성 층과 고무필름의 모듈러스 차이

에 의해 주름구조가 형성된다.43-46

Zheng 연구팀은 실리콘

고무 표면에 Cu를 코팅하여 주름구조 전극을 제작하였다.45

300% 인장변형까지 105 S/cm의 높은 전기 전도성을 유지하

면서 좋은 신축성을 나타냈으나, 70%의 동적변형 조건에서

50 cycle 만에 전도성이 저하되었다. 즉, 전도성 물질과 신축

성 고무 간의 안정적 물리화학적 결합에 대한 고려가 필요하

다는 것을 의미한다. 이러한 동적피로파괴 성능에 대한 문제

점을 해결하고자 Nah 연구팀은 신축성 고무층과 전도성 고

무층 간에 상호침투 고분자망상구조(IPN)을 이용하여 계면

분리를 원천적으로 방지할 수 있는 전극을 개발하였다(그림

9).46

가교된 아크릴 고무시트를 실리콘고무 용액에 팽윤시

켜서 실리콘 고무사슬이 아크릴고무 표면에 침투할 수 있도



그림 9. IPN을 이용한 주름구조 전극.46

록 하였다. 그 후 특정방향으로 인장변형을 가한 상태에서 전

도성 용액(단축 및 다축 카본나노튜브 함유)을 분사하여 실

리콘고무를 가교시키고 변형을 제거하면 역시 표면에 주름

구조를 갖는 전극이 만들어진다.47-49 이 경우 주름 형성 메커

니즘은 아크릴과 실리콘 고무의 모듈러스 차이는 물론이고

두 가교구조 내에 존재하는 응력의 차이에 기인된다. 제작된

전극은 140% 인장변형까지 102 S/cm의 안정적인 전기 전도

도를 나타냈으며, 33%의 동적변형 하에서 100,000 cycle 이

상 계면분리나 전도성 하락이 발견되지 않았기 때문에 장기

내구성의 확보기술에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

3. 결언

고무탄성은 고무소재를 나타내는 가장 중요한 특징이다.

최근 이를 이용한 새로운 응용분야가 점차 확대되어가고 있

다. 그 중에서 요즘 이슈로 떠오르는 두 가지 응용분야인 전

기활성고무와 유연/신축성 전극분야에 대한 최근 연구동향

을 소개하였다. 관련분야의 연구에 도움이 되기를 희망하고,

고분자 연구계의 따뜻한 관심을 기대한다.

아울러 우리나라는 고무제품 사용량 및 수출량에서 세계

5위권을 차지할 정도로 산업계에서 매우 큰 비중을 차지하고

있지만, 국가적 차원의 기초적이고 종합적인 연구지원은 인

근 일본이나 중국에 비해 매우 열악한 실정이다. 또한 최근

자동차산업 등에서 대두되고 있는 내구성과 고급성능은 결

국 고무소재의 탄성과 밀접하게 연결되어 있다. 아울러 나로

호 우주선 발사실패 원인의 하나인 액화헬륨 주입구의 고무

오링 문제점과 대지진방지용 고무시스템은 국가적인 차원의

관심과 지원이 절실하다.

참고문헌

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고무탄성의 본질과 새로운 응용기술 동향 · 2016-11-09 · 528 Polymer Science and Technology Vol. 27, No. 5, October 2016 고무탄성의 본질과 새로운 응용기술