선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본고에서는 전기 활성 고분자 및 응용에 있어 국내외 기술의 동향과 함께 주요 연구내용으로 전기 활성 고분자 소재 및 전극소재와 이를 이용한 전기 활성 고분자복합재 센서 및 액추에이터 응용에 대해 기술하고자 한다.
제안 방법
- 대변형을 유도하기 위해 PVDF에 가소제를 첨가하기도 하나 탄성계수가 감소하는 단점이 있다. 높은 탄성계수와 대변형을 일으키기 위해 poly (vinylidene fluoride - co-trifluoroethylene) 공중합체에 전자를 조사하여 고분자의 결정 구조에 결점을 만들어 유전 손실을 최소화하는 방법이 적용되었다. 이를 통해거의 IGPa의 탄성계수에 5%의 변형이 가능하였다.
- 또한 카이스트에서는 우수한 광 투과도와 전도성을 갖는 투명 그래핀(graphene) 전극을 사용하여 IPMC 작동기를 제작하고 그 성능을 평가하였다. 투명 그래핀 전극은 Thermal CVD 방법을 이용하여 약 1000℃의 고온에서 메탄, 수소 혼합가스를 구리 (25/m thick Cu foil) 촉매층에 반응시 켜 적절한 양의 탄소를 촉매층에 흡착시 켜 제조하였고, roll-to-roll 방법을 이용하여 전극을 이온성 고분자 양면에 전사하였다.
- 투명 그래핀 전극은 Thermal CVD 방법을 이용하여 약 1000℃의 고온에서 메탄, 수소 혼합가스를 구리 (25/m thick Cu foil) 촉매층에 반응시 켜 적절한 양의 탄소를 촉매층에 흡착시 켜 제조하였고, roll-to-roll 방법을 이용하여 전극을 이온성 고분자 양면에 전사하였다. 또한 투명 그래핀 전극의 전기전도도를 향상시키기 위해 무전해도금(Pt)과 스퍼터링 (Au, 약 10nm)으로 추가 적층하는 방법을 도입하였다. 투명 그래핀 필름으로 제작된 IPMC 작동기의 사진이다.
- 이러한 문제를 해결하기 위하여 투명하면서도 높은 전도성을 가지는 단일벽 탄소나노튜브(single-walled carbon nanotubes, SWCNT) 필름 기반의 전극이 최근에 개발되었다". 유기용매에 SWCNT를 분산시키고 anodized alumina membrane에 필터를 해서 만들어진 탄소나노튜브 전극은 고온에서도 높은 전도도(280S/cm)를 유지하며 IPMC 작동 시 높은 변위 (electric field-induced strain 240%)를 기록하였다. 그림 6은 SWCNT를 이용한 IPMC의 제작 과정과 SWCNT 전극을 보여준다.
- 2001년 Naval Research Laboratory에서 액정 탄성체가 인체 근육에 필적하는 탄성을 나타낼 수 있다는 것을 발표하였다. 이방성 nematic 필름을 액정 단량체, 가교 밀도 및 가교 방법을 달리하여 평가하였으며 400% 변형을 나타내기도 하였다.
- 제작하고 그 성능을 평가하였다. 투명 그래핀 전극은 Thermal CVD 방법을 이용하여 약 1000℃의 고온에서 메탄, 수소 혼합가스를 구리 (25/m thick Cu foil) 촉매층에 반응시 켜 적절한 양의 탄소를 촉매층에 흡착시 켜 제조하였고, roll-to-roll 방법을 이용하여 전극을 이온성 고분자 양면에 전사하였다. 또한 투명 그래핀 전극의 전기전도도를 향상시키기 위해 무전해도금(Pt)과 스퍼터링 (Au, 약 10nm)으로 추가 적층하는 방법을 도입하였다.
대상 데이터
- NASA 에서는 1990년대 초부터 소형우주탐사 로봇의 핵심 부품 소재로 LPMC를 연구한 결과 집게, 와이퍼, 초경량.비행체의 날개 등의 소재로 IPMC를 적용하였다. 특히 수분을 함유하고 있는 IPMC의 특성상 물 속에서 더욱 안정적 인 구동이 가능하므로 해양탐사를 위한 소형 로봇도 제작중이며 , 일본 이맥스사와 다이 치 고게이사가 공동 개발한 EA 소재 분야 최초의 상업적 제품인 장난감, 로봇물고기, 가 시판된 바 있다.
성능/효과
- Polydimethyl siloxane (PDMS) 으로 제조된 고분자 필름이 안정된 높은 변형을 나타내는 대표적인 유전성 EAP로알려져 있으며 다른 여러 가지의 유전성 고분자들도 큰 변형을 나타내는 것으로 파악되었다. 그 중 acrylic계 탄성 중합체를 사용했을 때 300% 이상의 평면 변형이 가능함이 확인되었다.
- SPSE는 응답속도는 빠르나 tip 변형이 작은 단점이 있다. Tip 변형이 작은 단점을 극복하기 위해 SPSE에 UV를 조사하고 vinyl silane을 반응시켜 silane 가교된 SPSE를 제조하였다 Vinyl silane이 결합됨에 따라 흡수율은 떨어지지만 tip 변형은 SPSE에 비해 대폭 향상되었다. Sulfonated poly (ether ether ketone) (SPEEK) 와 PVDF 블렌드로 제조된 필름은 높은 내화학성과 강성을 가지고 있다.
- 있으며 다른 여러 가지의 유전성 고분자들도 큰 변형을 나타내는 것으로 파악되었다. 그 중 acrylic계 탄성 중합체를 사용했을 때 300% 이상의 평면 변형이 가능함이 확인되었다. 그러나 PDMS와 비교하면 점탄성 손실이 크고 반응 속도가 느린 단점이 있어 더욱 연구가 필요하다.
- 2010 년 인하대에서 세계 최초로 개발된 셀룰로오스 기반 EAPape 식물성 고분자인 셀룰로오스를 기반으로 한 전기 활성 고분자(electro-active polymer, EAP)의 일종으로 전기적인 신호에 반응하여 기계적 변형을 일으키는 천연 고분자 물질로 인장 변형률 및 굽힘 변형률을 측정하는 센서 및 액추에이터로의 응용 가능성을 확인하였다. 셀룰로오스 EAPap는 인장 응력을 천천히 가하였을 때 발생하는 유발 전류가 재료의 점탄성 성질로 인하여 비선형적으로 변하며, 자유진동에 대한EAPap의 유발 전압특성은 변형에 비례하는 결과를 얻었으며, 이는 셀룰로오스 EAPap 가 환경 친화적 인 변형율 센서로 응용이 가능하다는 것을 보여주고 있다. 또한 EAPape 0.
- 더욱이 EAPape 특별히 수분을 공급하지 않고도 건조한 상태에서 장시간 동작할 수 있기 때문에 초소형 벌레 로봇. 초소형 비행체, 오락산업의 기구들과 같이 초경량, 대변형이 요구되는 응용분야에서 원격구동을 통해 소모전원을 탑재하지 않고 사용 가능한 초경량 EAP 액추에이 터에 대한 응용 가능성을 보여주었다.
후속연구
- 한국기계연구원, 한국생산기술연구원, 인하대학교, 한국과학기술원, 서강대학교 및 서울대학교 등에서 압전식 에너지 수확을 위한 재료 연구, 진동 발생장치를 구현하는 연구, 최적의 에너지 변화기술을 위한회로 연구들이 이루어지고 있다. EAP를 이용 한신재생 에너지 개발 분야에서 국내의 기술은 압전소자 보다 더 늦게 연구가 진행되어 미국, EU 및 일본에 비해 크게 뒤떨어져 좀 더 활발한 연구가 진행되어야 할 것으로 사료되며, 동국대학교, 인하대학교, 기능성 고분자 신소재 연구센터 및 재활연구소에서 EAP 재료와 응용분야에 대한 연구가 진행 중이다. 국내에서는 EAP power generation 분야에 대한 연구는 연구 태동기에 있으며 한국전자통신연구원에서 기초 연구를 수행하고 있다.
- 그 중 acrylic계 탄성 중합체를 사용했을 때 300% 이상의 평면 변형이 가능함이 확인되었다. 그러나 PDMS와 비교하면 점탄성 손실이 크고 반응 속도가 느린 단점이 있어 더욱 연구가 필요하다.
- 특히 KAIST/전남대학교에서는 기존의 나피온계 이온성 고분자를 대체할 수 있는 다양한 신고분자를 이용한 IPMC 액추에이터 제작 연구를 선도하고 있으며, 더 나아가 CNT, Fullerine, Graphene등의 탄소나노소재를 활용한 IPMC 연구에도 왕성한 활동을 보이고 있다. 또한 서강대학교 및 고려대학교 등에서는 IPMC 액추에이터의 구동 수치해석 및 모델링 연구를 진행하고 있으며 건국대학교의 AMRC 센터와 재활공학연구소에서는 생체 및 근육의 작동원리를 구현할 수 있는 인공근육형 작동기를 개발하는 것을 목표로 하여 압전세라믹 작동기와 EAP형 작동기를 연구하고 있으며, 곤충 날개 구조를 공학적으로 모방한 인공근육 제작에 적용할 예정이다. 또한 최근에 Hanson Robotics와 KAIST가 EAP 재료를 사용하여 Albert Hubo의 artificial face를 공동으로 제작하였다.
- 이를 통해 국내뿐만 아니라 세계를 선도하는 기술의 확보가 가능하며, 인공심장, 스마트 피부, 초정밀기계, 센서/액추에이터, 개인군사 장비의 발전기, 의료용 로봇. 우주항공 분야, 연료전지, 펌프 등의 다양한 분야에 응용될 것으로 판단된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.