[논문]생체모방 액츄에이터용 다중탄소나노튜브/고분자 나노복합체

이세종; 이득용; 이명현; 김배연

생체모방 액츄에이터용 다중탄소나노튜브/고분자 나노복합체
Tailored biomimetic actuators made with multiwalled carbon nanotube loaded ionomeric nanocomposites 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.15 no.3, 2005년, pp.108 - 113

이세종 (경성대학교 신소재공학과) , 이득용 (대림대학 재료정보학과) , 이명현 (KICET 차세대사업단) , 김배연 (인천대학교 신소재공학과)

초록
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부드럽지만 큰 변위를 발생시키는 생체모방 액츄에이터는 관심의 대상이 되어왔다. 특히, 듀폰사의 나피온 고분자는 작은 전기장하에서도 큰 변위를 나타내었다. 전기기계적 특성을 향상시키기 위하여 탄소나노튜브/고분자 나노복합체를 제조하였다. 다중 탄소나노튜브/나피온 나노복합체를 캐스팅법으로 제조하고 탄소나노튜브 첨가량에$(0{\sim}7wt%)$ 따른 나노복합체의 전기기계적 특성을 조사하였다. 탄소나노튜브가 첨가된 나노복합체는 탄소나노튜브가 없는 고분자 액츄에이터와 비교하여 우수한 탄성계수와 응력이 관찰되었다. 다중 탄소나노튜브의 첨가는 고기능성 생체모방 액츄에이터 특성을 증진시키는데 효과적이었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Biomimetic actuators that can produce soft-actuation but large force capability are of interest. Nafion, an effective ionomeric material from DuPont, has been shown to produce large deformation under low electric fields (<10V/mm). Carbon nanotube/polymer nanocomposites were cast to enhance the electromechanical properties of the composites. Multiwalled carbon nanotube (M-CNT)/Nafion nanocomposites were prepared by a solution casting to investigate the effect of M-CNT loading in the range of 0 to 7 wt% on electromechanical properties of the M-CNT/Nafion nanocomposites. The measured elastic modulus and actuation force of the M-CNT/Nafion nanocomposites are drastically different, showing larger elastic modulus and improved electromechanical coupling, from the one without M-CNT.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이와같은 전도성 고분자의 문제점들을 탄소나노튜브를 첨가하여 나노복합체를 제조하여 향상시켰다[5-8]. 본 연구에서는 전도성 고분자에 다중 탄소나노튜브(multi availed carbon nanotube, M-CNT)를 0~7 wt% 첨가한 나노복합체를 제조하여 전도성 고분자에 생체모방용 인공근육에 필요한 전기기계적 특성을 부여하고자 하였다 [7].

제안 방법

M-CNT/IPMC 나노복합체를 캐스팅법으로 제조하여 M-CNT 첨가량에 따른 나노복합체의 전기기계적 액츄에이터 특성을 조사하였다. M-CNT 첨가량이 1 % 이상 증가함에 따라 균일하게 분포되었던 M-CNT는 고분자 기지상내에서 불균일하게 분포되어져 있는 것이 TEM 관찰로부터 확인되었다.
전극에 사용된 백금의 양은 5 wt% 이하가 되도록 하였다. M-CNT/IPMC(ionic polymer-metal composite) 나노복합체 시편은 외팔보(5mmX15mm) 형태로 절단하여 Fig. 2의 실험장치을 이용하여 탄성계수와 blocking 응력을 측정하였다. 로드셀은 10g 트랜스듀서를 이용하였고 변위는 비접촉식 레이저를 이용하여 측정하였다.
M-CNT/나피온 나노복합체의 전기기계적 특성을 조사하기 위하여 TEM을 이용하여 미세조직을 관찰하였다. 전압을 인가 시 나노튜브 번들 표면에 주입된 전하는 반대 전해질 표면층에 의하여 전하가 균형을 이룬다고 발표되었다[7].
M-CNT7나피온 나노복합체의 blocking force 특성은 Fig. 2에서 보는 것처럼 10 g의 로드셀을 이용하여 시편에 전압을 인가하여 측정하였다. 실험결과는 d-Space에 연결된 Matlab을 통하여 컴퓨터에 저장되었다.
제조방법은 M-CNT 분말을 나피온 용액에 혼합한 후 초음파를 이용하여 24시간, high shear stirring을 72시간 행한 후 상온에서 건조하였다. 건조방법은 공기중에서에 1차 건조 후 진공에서 24시간 2차 건조를 행 하였다. 나노복합체가 물이나 알코올에 용해가 되지 않도록 건조된 나노복합체 필름은 70℃에서 2시간 열처리하였다[6].
나노복합체가 물이나 알코올에 용해가 되지 않도록 건조된 나노복합체 필름은 70℃에서 2시간 열처리하였다[6]. 나노복합체의 전극은(Fig. 1) 백금염을 이용하여 화학적 환원반응으로 전극처리를 하였다[1-4]. 전극에 사용된 백금의 양은 5 wt% 이하가 되도록 하였다.
제조방법은 M-CNT 분말을 나피온 용액에 혼합한 후 초음파를 이용하여 24시간, high shear stirring을 72시간 행한 후 상온에서 건조하였다. 건조방법은 공기중에서에 1차 건조 후 진공에서 24시간 2차 건조를 행 하였다.

대상 데이터

10nm의 직경과 순도가 99.5% 이상인 다중 탄소나노튜브를 미국 Catalytic Materials 사에서 구입하였다. 구입한 분말은 황산과 질산을 3 : 1의 부피비를 가진 혼합용액에 120℃에서 15분간 끓인 후 냉각시켜 증류수로 세척하였다.

이론/모형

M-CNT7나피온 나노복합체는 M-CNT를 5 % 나피온 용액 (Nafion 117, DuPont)에 분산시키고 캐스팅법으로 제조하였다. 제조방법은 M-CNT 분말을 나피온 용액에 혼합한 후 초음파를 이용하여 24시간, high shear stirring을 72시간 행한 후 상온에서 건조하였다.
실험결과는 d-Space에 연결된 Matlab을 통하여 컴퓨터에 저장되었다. 탄성계수측정은 로드셀과 비접촉식 레이저 센서를 이용하여 측정하고 standard beam theory를 이용하여 결정하였다[1]. 탄성계수는 Fig.

성능/효과

특성을 조사하였다. M-CNT 첨가량이 1 % 이상 증가함에 따라 균일하게 분포되었던 M-CNT는 고분자 기지상내에서 불균일하게 분포되어져 있는 것이 TEM 관찰로부터 확인되었다. 불균일한 M-CNT의 분포는 고분자 기지상내의 연속성 (connectivity)에 좋지 못한 영향을 미쳐 전기기계적 액츄에이터 특성을 저하시켰다.
5초에서 응력률(stress rate)도 나노튜브가 1 wt% 첨가된 M-CNT/나피온 나노복합체에서 관찰되었다. M-CNT/IPMC 나노복합체의 전기기계적 특성은 M-CNT7} 1 % 첨가되었을때 최대값을 보이다가 감소하는 현상이 관찰되었다.
3은 M-CNT 분말의 SEM/TEM 결과이다. SEM/EDS 분석결과, 구입한 M-CNT 분말의 순도는 99.5 % 이상이었고(Fig. 4(a)) 직경은 10-20 nm, 길이는 수 pm이었다(Fig.
최대 탄성계수와 blocking force는 M-CNT가 1 % 첨가된 나노복합체에서 관찰되었다. 균일한 M-CNT의 고분자 기지상내의 분포는 전기기계적 특성을 나타내는 커플링 상수를 향상시켜 고분자 자체값보다 두배이상의 전기기계적 특성이 관찰되었다. 하지만, 나노튜브의 국부적인 불균일한 분포는 고분자 기지상내의 연속성을 저하시켜 탄성계수와 응력을 저하시키는 것으로 추정된다.
M-CNT가 1 % 첨가되었을때, 최대의 전기기계적 특성인 탄성계수와 응력이 관찰되었다. 본 실험결과, 나노복합체의 전기기계적 특성은 M-CNT의 첨가량에 의하여 결정되었다.
하지만, 나노튜브의 국부적인 불균일한 분포는 고분자 기지상내의 연속성을 저하시켜 탄성계수와 응력을 저하시키는 것으로 추정된다. 본 연구결과, M-CNT/IPMC 복합체의 전기기계적 특성은 M-CNT 첨가량 및 M-CNT의 분포에 의하여 결정되었다.

후속연구

전도성 고분자는 낮은 전기장하에서(1~4V)에서 유전체보다 두배이상 우수한 기계적 변위를 보여준다. 이러한 전도성 고분자의 전기기계적 특성은 향후 의공학 분야의 마이크로(micro)에서 매크로(macro)까지 큰 변우]가 필요한 분야에 가장 효과적으로 사용 가능하다.

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