토토사이트 마무리 멘트학교 유기나노공학과 위정재 교수팀은 경북대학교 김학린 교수, 미국 시라큐스대학교 탱 장(Teng Zhang) 교수와 공동 연구를 통해 강성 분포를 조절해 점프 성능과 방향 제어력을 높이는 새로운 설계 전략을 제시했다고 밝혔다.

스냅스루(Snap-through)는 파리지옥이나 작은 곤충이 구조를 순간적으로 뒤집어 빠르고 강한 동작을 만들어내는 자연 현상으로, 최근 생체모사 기반의 에너지 증폭 기술로 주목받고 있다. 이 원리는 유연한 소재의 한계를 극복해 순간적으로 강한 힘을 생성할 수 있는 방법으로 활용된다.

위정재 교수팀은 이러한 스냅스루 메커니즘을 액정 고분자 네트워크 필름에 적용해 광기계적 점프 동작을 구현한 바 있다. 해당 필름은 빛에 반응하는 아조벤젠기를 포함해 자외선 자극에 반응해 형태 변화와 에너지 저장에 유리한 특성을 갖지만, 당시 구현된 시스템은 점프 방향성을 제어하기 위해 외부 빛의 분포를 조절해야 하는 한계가 있었다. 또한 점프 성능을 극대화하려면 에너지를 충분히 저장하면서도 구조가 효과적으로 구부러져야 하는데, 소재 강성과 유연성 간 상충 관계로 동시에 달성하기 어려웠다.

이러한 한계를 해결하기 위해 위정재 교수팀은 강성과 유연성을 조합한 ‘강성 패터닝 설계’ 방식을 새롭게 제안했다. 자외선 조사 시 필름의 부드러운 영역은 쉽게 휘어져 높은 초기 곡률을 형성하고, 단단한 영역은 탄성 에너지를 효과적으로 저장한 뒤 이를 순간적으로 방출하는 역할을 한다.

연구팀은 고강성 영역을 어떻게 위치시키는가에 따라서 다양한 점프 형태가 가능함을 확인했다. 필름 모서리에 단단한 영역을 배치하면 회전과 방향성 있는 점프가 가능했으며, 단단한 영역을 중앙에 배치했을 경우에는 최대 49 mm(필름 길이의 약25배)에 달하는 수직 점프가 나타났다. 이는 부드러운 영역이 곡률을 안정적으로 유지하고, 중앙의 단단한 영역이 바닥에 강한 힘을 전달해 점프력을 극대화한 결과이다.

또한 연구팀은 고분자 필름의 종횡비를 늘리고, 저강성·고강성 영역을 줄무늬 형태로 교차 배치하는 방식으로 수직 및 방향 제어 점프를 모두 가능하게 하는 설계 전략을 제시했다. 이 전략을 활용하면 외부 빛의 방향을 바꾸지 않고도 하나의 필름으로 점프 방식을 전환할 수 있으며, 연속 동작도 가능하다.

위정재 교수는 “이번 연구는 부드럽기 때문에 강한 힘을 발생시키기 어려운 유연소자 기반 소프트 로봇 분야에서 한계점을 극복한 것”이라며, “향후 소형 로봇 분야에서 효율적이고 강한 에너지 방출이 요구되는 시스템에 적용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐으며, 국제 저명 학술지인 『Science Advances』에 게재됐다. 해당 논문 「Spatially Patterned Stiffness Variation in a Light-Triggered Jumper for Symmetry Breaking and High Snap-Through Efficiency」는 함민정 석박통합과정생이 제1저자, 조웅비 박사후 과정생이 공동 제1저자로, 토토사이트 마무리 멘트 위정재 교수가 교신저자로 참여했다.