[국내논문]전기활성 IPMC(ion-exchange Polymer Metal Composite) 구동기 제조 및 구동특성 연구 Preparation and Characterization of Electro-Active IPMC(Ion-exchange Polymer Metal Composite) Actuator원문보기
연구는 electro-active polymer(EAP)의 특성을 가지는 ion-exchange polymer metal composite(IPMC)을 이용하여 지능형 대장내시경 개발에 목적을 두고 있다. IPMC는 낮은 구동전압과 빠른 반응속도로 인하여 매우 매력적인 물질이다. 본 연구에서는 IPMC구동기의 전극을 무전의 도금 방법을 이용하여 용액함침-환원방법(impregnation-reduction method)으로 제조하였으며 코팅된 백금전극의 횟수에 따라 변위와 변화를 측정하였다. 구동특성을 알아보기 위하여 길이, 주파수에 대한 변위, 힘을 측정하였으며, 주파수 대역은 저주파 대역과 공명주파수 대역을 사용하는 것이 적합하다는 결론을 얻었다. 또한 다양한 구동적 특성과 수분의 함량에 따른 영향에 대해 고전적 적층 이론 (classical laminate theory, CLT)을 이용하여 이방성 IPMC의 응력분포와 수분이동에 따른 모멘트, 변형률, 곡률(cuvature)을 모델링 하였다.
연구는 electro-active polymer(EAP)의 특성을 가지는 ion-exchange polymer metal composite(IPMC)을 이용하여 지능형 대장내시경 개발에 목적을 두고 있다. IPMC는 낮은 구동전압과 빠른 반응속도로 인하여 매우 매력적인 물질이다. 본 연구에서는 IPMC구동기의 전극을 무전의 도금 방법을 이용하여 용액함침-환원방법(impregnation-reduction method)으로 제조하였으며 코팅된 백금전극의 횟수에 따라 변위와 변화를 측정하였다. 구동특성을 알아보기 위하여 길이, 주파수에 대한 변위, 힘을 측정하였으며, 주파수 대역은 저주파 대역과 공명주파수 대역을 사용하는 것이 적합하다는 결론을 얻었다. 또한 다양한 구동적 특성과 수분의 함량에 따른 영향에 대해 고전적 적층 이론 (classical laminate theory, CLT)을 이용하여 이방성 IPMC의 응력분포와 수분이동에 따른 모멘트, 변형률, 곡률(cuvature)을 모델링 하였다.
The low actuation voltage and quick bending response of IPMC(ion-exchange polymer metal composite) are considered attractive for the construction of various types of actuators. In this study, in order to develop a new type actuators by using the IPMC platinum electrode of IPMC are fabricated by usin...
The low actuation voltage and quick bending response of IPMC(ion-exchange polymer metal composite) are considered attractive for the construction of various types of actuators. In this study, in order to develop a new type actuators by using the IPMC platinum electrode of IPMC are fabricated by using electroless impregnation-reduction method plating. As the platinum-plating times are increased, IPMC performance was improved in terms of bending displacement and force due to the enhanced surface conductivity. In addition, we investigated the basic actuation characteristics of resonance frequency and actuator length as well as the effect of water uptake and ion mobility. Using the classical laminate theory(CLT), a modeling methodology was developed to predict the deformation, bending moment, and residual stress distribution of anisotropic IPMC thin plates. In this modeling methodology, the internal stress evolved by the unsymmetric distribution of water inside IPMC was quantitatively calculated and subsequently the bending moment and the curvature were estimated for various geometry of IPMC actuator.
The low actuation voltage and quick bending response of IPMC(ion-exchange polymer metal composite) are considered attractive for the construction of various types of actuators. In this study, in order to develop a new type actuators by using the IPMC platinum electrode of IPMC are fabricated by using electroless impregnation-reduction method plating. As the platinum-plating times are increased, IPMC performance was improved in terms of bending displacement and force due to the enhanced surface conductivity. In addition, we investigated the basic actuation characteristics of resonance frequency and actuator length as well as the effect of water uptake and ion mobility. Using the classical laminate theory(CLT), a modeling methodology was developed to predict the deformation, bending moment, and residual stress distribution of anisotropic IPMC thin plates. In this modeling methodology, the internal stress evolved by the unsymmetric distribution of water inside IPMC was quantitatively calculated and subsequently the bending moment and the curvature were estimated for various geometry of IPMC actuator.
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문제 정의
본 연구에서는 이온변화에 따른 변화, 길이, 주파수, 힘에 대한 구동적 특성을 조사하였고 이온교환 고분자 막 내부의 수분이동에 따른 응력분포, 변형, 곡률, 기계적 모멘트를 이미 복합재료분야에서 검증이 된 고전적 적층 이론 (CLT)을 통하여 연구하였다.
본 연구에서는 IPMC를 이용한 새로운 형태의 구동 물질을 성공적으로 제조하였고 그에 따른 다양한 구동 특성을 연구하였으며 고전적 적층 이론을 이용하여 IPMC의 모멘트, 수분과 곡률의 관계를 해석하였다. 이로부터 실험적으로 관찰되는 IPMC의 구동현상을 수분의 이동에 의한 모델로서 묘사하였다.
가설 설정
21-26 그러나 이온 클러스터 유동성의 관점에서 모델제시를 입증할 만한 실험결과가 없다. 따라서 우리는 수분 집중분포가 고분자의 음극과 양극 사이에 선형적으로 존재한다고 가정하였고, 변형, 힘 잔여 응력분포에 대한 수분함량의 효과를 추측하였다. 본 연구에서는 Nafion 117이 똑 같은 두께를 가진 20개의 층으로 이루어져 있으며 음극에서의 Gnax와 양극에서 Cmin으로부터 각각 다른 수분함유를 포함한다고 가정하였다.
따라서 우리는 수분 집중분포가 고분자의 음극과 양극 사이에 선형적으로 존재한다고 가정하였고, 변형, 힘 잔여 응력분포에 대한 수분함량의 효과를 추측하였다. 본 연구에서는 Nafion 117이 똑 같은 두께를 가진 20개의 층으로 이루어져 있으며 음극에서의 Gnax와 양극에서 Cmin으로부터 각각 다른 수분함유를 포함한다고 가정하였다. 층의 개수가 20개를 넘는 경우 별로 차이를 보이지 않았다.
제안 방법
1-10 mM 농도 안에 이온교환막을 담근 후 환원제 sodium boro— hydride(NaBHt)를 사용하여 백금을 환원시켰다. 이러한 과정을 1~8회 반복하여 IPMC를 제조하였다.
백금존재여부와 백금전극의 형성분포를 알아보기 위하여 Philips 사의 XL 30 ESEM-FEG(SEM)으로 측정하였고 IPMC내의 수분존재 상태를 알아보기 위하여 TA Instrument사의 시차 주사 열량계인 DSC 2910을 질소 하에서 온도를 -100~280 ℃ 까지 10 ℃/ min로 사용하였다. 또한 IPMC수분함량에 따라 전류밀도의 차와 현상을 Perkin Elmer사 263A (Potentiostat/ Galvanostat)을 사용하였다.
또한 IPMC수분함량에 따라 전류밀도의 차와 현상을 Perkin Elmer사 263A (Potentiostat/ Galvanostat)을 사용하였다.
드라이브서킷은 D/A 컨버터의 전류를 증폭하기에 중분한 전원을 공급하도록 하였으며 모든 데이터와 조절은 퍼스널 컴퓨터에서 치리하였다.
이로부터 실험적으로 관찰되는 IPMC의 구동현상을 수분의 이동에 의한 모델로서 묘사하였다. 이모델을 이용하면 다양한 구동체를 제작하기에 필요한 특성들을 예측할 수 있다고 사료되어진다.
대상 데이터
기초 실험에 사용된 실험장치는 변위측정을 위한 레이져 변위기(LK-081), Force센서(GSO-30), 그리고 아날로그 신호 처리를 위한 12 bit A/D 컨버터, 인가하는 전압을 조절하기 위한 12 bit D/A 컨버터로 구성되었다. 드라이브서킷은 D/A 컨버터의 전류를 증폭하기에 중분한 전원을 공급하도록 하였으며 모든 데이터와 조절은 퍼스널 컴퓨터에서 치리하였다.
5 Gnax로 계산될 수 있었다. 구동체에 있어서 수분의 전체적인 양에 따라 구동체의 전체적인 두께는 P= 0.8425 C를 사용하였다.
이론/모형
재 료 본 연구에서 사용된 이온교환막은 Nafion 117(Dupont)을 사용하였으며 물리적, 화학적, 전기적 도금방식이 연구가 되어지고 있으나 본 연구는 무 전위 도금 방법, impregnation-reduction(I-R)method을 사용하였다."" 표면적을 넓히기 위해 브러쉬로 막의 표면을 처리한 다음 과산화수소(H2O2)10%를 이용하여 불순물을 제거했다.
성능/효과
그러나 단순히 백금전극을 두껍게 생성하여 표면 전도성을 증가시키는 것은 백금전극 자체의 강성으로 인하여 모멘트와 변위의 값의 감소를 초래한다. 본 연구에서는 9차 이상을 하였을 경우 표면 전도성보다 강성의 영향을 더 받는 것을 알 수 있었다.
1차에서 5차까지 순차적으로 코팅의 회수를 증가시켰을 때 변위의 차이는 크게 나타나지만 6차이상부터 곡률의 큰 변화를 나타내지 않았다. 이러한 결과는 위에서 언급한 바와 같이 표면 전도성이 증가함에 IPMC에 비교적 동등한 전압을 줄 수 있어 이온-수분 클러스터들의 움직임이 활발할 수 있으나 IPMC 강성으로 인하여 큰 변화를 얻을 수 없었으며 모델값 Figiure 10과 비교하여 곡률 값은 비교적 정확하게 묘사되었다.
있다. 모델에 따르면 수분이동이 약 3.5%인 경우에 약 0.25 cm의 곡률을 만들어낸다는 것을 알 수 있는데 이 정도의 곡률범위에서 실제 IPMC가 작동하므로 약 3-4%의 수분의 이동이 IPMC의 구동기에서 발생한다는 것을 유추할 수 있었다. 본 연구에서 제한하는 모델은 이방성(anisotropy)을 갖는 소재에 확장 적용할 수 있는 것으로써, 앞으로 IPMC 구동기의 응용에 사용될 이방성구동체의 설계에 유용하게 사용될 수 있을 것이다.
후속연구
25 cm의 곡률을 만들어낸다는 것을 알 수 있는데 이 정도의 곡률범위에서 실제 IPMC가 작동하므로 약 3-4%의 수분의 이동이 IPMC의 구동기에서 발생한다는 것을 유추할 수 있었다. 본 연구에서 제한하는 모델은 이방성(anisotropy)을 갖는 소재에 확장 적용할 수 있는 것으로써, 앞으로 IPMC 구동기의 응용에 사용될 이방성구동체의 설계에 유용하게 사용될 수 있을 것이다. 또한 백금전극의 두께, Nafion의 두께 및 양이온의 종류 및 수분이동능력 등의 설계 및 해석에 이용되어 구동기의 최적화 및 전기화학적 모델링에 접목될 수 있으리라 사료된다.
본 연구에서 제한하는 모델은 이방성(anisotropy)을 갖는 소재에 확장 적용할 수 있는 것으로써, 앞으로 IPMC 구동기의 응용에 사용될 이방성구동체의 설계에 유용하게 사용될 수 있을 것이다. 또한 백금전극의 두께, Nafion의 두께 및 양이온의 종류 및 수분이동능력 등의 설계 및 해석에 이용되어 구동기의 최적화 및 전기화학적 모델링에 접목될 수 있으리라 사료된다.
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