최근 들어 광, 온도, pH, 전기, 자성, 압력 등과 같은 외부 환경의 작은 변화에도 반응하여 모양/부피가 변하거나 기계적, 광학적, 전기적, 화학적 특성 등이 가역적으로 바뀌는 스마트 소재에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 스마트 소재들 중 광조사에 의해 소재의 다양한 특성을 가역적으로 제어할 수 있는 광응답 스마트 소재가 많은 관심을 받고 있다. 본 논문에서는 광에너지를 받아 기계적 에너지로 바로 전환되어 인공근육, 모터 등과 같은 액츄에이터 기능을 할 수 있는 광구동형 스마트 고분자 소재들에 대해 소개하고자 한다. 특히, 광구동형 스마트 고분자 소재 중에서도 마이크로와 매크로 스케일 변형이 가능한 아조벤젠을 함유한 비결정성 고분자, 액정 고분자, 자기 조립형 초분자에 대한 다양한 연구들에 대해 설명하고자 한다.
최근 들어 광, 온도, pH, 전기, 자성, 압력 등과 같은 외부 환경의 작은 변화에도 반응하여 모양/부피가 변하거나 기계적, 광학적, 전기적, 화학적 특성 등이 가역적으로 바뀌는 스마트 소재에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 스마트 소재들 중 광조사에 의해 소재의 다양한 특성을 가역적으로 제어할 수 있는 광응답 스마트 소재가 많은 관심을 받고 있다. 본 논문에서는 광에너지를 받아 기계적 에너지로 바로 전환되어 인공근육, 모터 등과 같은 액츄에이터 기능을 할 수 있는 광구동형 스마트 고분자 소재들에 대해 소개하고자 한다. 특히, 광구동형 스마트 고분자 소재 중에서도 마이크로와 매크로 스케일 변형이 가능한 아조벤젠을 함유한 비결정성 고분자, 액정 고분자, 자기 조립형 초분자에 대한 다양한 연구들에 대해 설명하고자 한다.
Control of shape/volume, mechanical, optical, electrical, and chemical switching of materials by external stimuli such as light, temperature, pH, electric field, and pressure has attracted great attention. Among these materials, photo-responsive materials containing photochromic compounds such as az...
Control of shape/volume, mechanical, optical, electrical, and chemical switching of materials by external stimuli such as light, temperature, pH, electric field, and pressure has attracted great attention. Among these materials, photo-responsive materials containing photochromic compounds such as azobenzene, spiropyran, and cinnamic acid groups have been the subject of intense interest in recent years. In this review, we describe the recent progress in the area of azobenzene containing polymer materials that can convert light energy into mechanical energy directly. Especially we focus our attention on light-driven actuators such as artificial muscle, motor, and valve. We summarize the photomechanical effects in liquid crystal elastomer, amorphous polymer, monolayer, and supramolecules containing azobenzene, respectively.
Control of shape/volume, mechanical, optical, electrical, and chemical switching of materials by external stimuli such as light, temperature, pH, electric field, and pressure has attracted great attention. Among these materials, photo-responsive materials containing photochromic compounds such as azobenzene, spiropyran, and cinnamic acid groups have been the subject of intense interest in recent years. In this review, we describe the recent progress in the area of azobenzene containing polymer materials that can convert light energy into mechanical energy directly. Especially we focus our attention on light-driven actuators such as artificial muscle, motor, and valve. We summarize the photomechanical effects in liquid crystal elastomer, amorphous polymer, monolayer, and supramolecules containing azobenzene, respectively.
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문제 정의
본 논문에서는 광에너지를 받아 기계적 에너지로 전환하여 인공근육과 같은 액츄에이터 기능을 할 수 있는 광구동형 스마트 고분자 소재들에 대해 주로 소개하고자 한다. 특히, 광구동형 스마트 고분자 소재 중에서도 마이크로와 매크로 스케일 변형이 가능한 아조벤젠을 함유한 비결정성 고분자, 액정 고분자, 자기 조립형 초분자들에 대한 다양한 연구들에 대해 설명하고자 한다.
본 논문에서는 광에너지를 받아 기계적 에너지로 전환하여 인공근육과 같은 액츄에이터 기능을 할 수 있는 광구동형 스마트 고분자 소재들에 대해 주로 소개하고자 한다. 특히, 광구동형 스마트 고분자 소재 중에서도 마이크로와 매크로 스케일 변형이 가능한 아조벤젠을 함유한 비결정성 고분자, 액정 고분자, 자기 조립형 초분자들에 대한 다양한 연구들에 대해 설명하고자 한다.
가설 설정
(b) Agitation of the gels for several minutes led to the assembly of an α-CD-gel/Azo-gel.
제안 방법
이와 같이 제조된 비닐이서 타입의 광응답형 고분자 필름은 아조벤젠의 배향성을 제어하여 물질의 변형을 유도하는 기존 연구들과 달리 광조사 과정중에 달라지는 재료의 elasticity 변화를 통해 필름의 변형을 유도하였다. 또한 광조사에 의한 물질의 가역적 변형을 위해서 자외선과 가시광선을 교대로 조사해야 하는 기존 연구들과 다르게 Kim에 의해 제조된 광응답형 고분자 필름은 광의 온-오프 스위칭 만으로도 필름의 가역적인 strain 변형(광조사-팽창, 광차단-회복)을 확인할 수 있었다.
성능/효과
이와 같이 제조된 비닐이서 타입의 광응답형 고분자 필름은 아조벤젠의 배향성을 제어하여 물질의 변형을 유도하는 기존 연구들과 달리 광조사 과정중에 달라지는 재료의 elasticity 변화를 통해 필름의 변형을 유도하였다. 또한 광조사에 의한 물질의 가역적 변형을 위해서 자외선과 가시광선을 교대로 조사해야 하는 기존 연구들과 다르게 Kim에 의해 제조된 광응답형 고분자 필름은 광의 온-오프 스위칭 만으로도 필름의 가역적인 strain 변형(광조사-팽창, 광차단-회복)을 확인할 수 있었다. Strain의 변화 정도는 광조사 강도 조절에 따라 약 4~10 μm 정도인 것으로 나타났다.
Eisenbach는 아조벤젠 화합물에 의해 가교가 된 poly(ethylene acrylate) network 필름을 일정방향으로 연신을 시켜 아조벤젠 화합물이 연신 방향으로 배향되도록 필름을 제조하였다. 배향된 아조벤젠을 함유한 연신 필름은 자외선 조사에 의해 일정 방향으로 수축 현상을 보이고 가시광선을 조사하면 원상태로 회복하는 팽창현상을 보였다. 이러한 필름 수축 변형은 0.
즉 자외선 흡수가 LCE 표면에서 대부분 일어나기 때문에 LCE 표면에는 상대적으로 많은 cis-isomer가 형성되고 LCE 내부에는 다량의 trans-isomer가 여전히 남아 있기 때문이다. 이와 같은 표면과 내부의 불균형적인 trans-/cis-isomer의 분포는 결과적으로 광에너지를 기계적 에너지로 바로 변환되는 가역적인 bending/unbending 변형을 유도할 수 있었다. 이 후 Ikeda 연구팀은 지속적인 연구를 통해 등방성 LCE를 제조하고 linear polarizer를 이용하여 광의 조사 방향을 자유롭게 조절하고 광 조사 방향에 따라 bending/unbending 변형이 일어 나는 LCE를 개발하여 소개하기도 하였다(Figure 3).
후속연구
그러나 현재까지 소개된 대부분의 논문은 실험실적으로 실현된 기초 연구일 뿐 구체적인 응용 사례가 보고되지는 않았다. 따라서, 광응답형 소재의 약한 기계적 강도, 내구성, 응답속도 등을 지속적으로 개선하고 실제 응용 기술에 필요한 학문적 융합을 접목한다면 신개념의 기능성 스마트 소재를 개발할 수 있을 뿐만 아니라 첨단 산업 분야로의 응용 가능성이 매우 높아질 것으로 기대된다.
또한 해리된 겔에 가시광선을 조사하면 다시 접착상태로 되는 가역성을 나타냈다(Figure 15). 이는 선택된 파장 조사에 의해 겔의 접착력을 제어할 수 있음을 의미하며 이러한 연구결과는 앞으로 물체의 표면에 광응답성 게스트나 해당 호스트를 고정함으로써 다양한 재료를 광자극으로 잘라내거나 연결할 수 있는 가능성을 보여준 흥미로운 연구 결과라 할 수 있다.30
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
스마트 소재란 무엇인가?
스마트 소재란 과거 지능형 소재와 유사한 개념으로 광, 온도, pH, 전기, 자성, 압력 등과 같은 외부 환경의 작은 변화에도 반응하여 모양/부피가 변하거나 기계적, 광학적, 전기적, 화학적 특성 등이 가역적으로 바뀌는 소재를 말한다. 스마트 소재는 3대 소재로 알려진 금속, 세라믹, 고분자 분야에서 고유 응용 영역에 맞게 각각 다양한 연구가 진행 되고 있으며 일부스마트 소재는 이미 우리 일상생활에 적용되어 사용되고 있다.
현재까지 가장 잘 알려진 대표적인 스마트 소재는 무엇이 있는가?
스마트 소재는 3대 소재로 알려진 금속, 세라믹, 고분자 분야에서 고유 응용 영역에 맞게 각각 다양한 연구가 진행 되고 있으며 일부스마트 소재는 이미 우리 일상생활에 적용되어 사용되고 있다. 현재까지 가장 잘 알려진 대표적인 스마트 소재로는 압력에 의해 전압이 생기는 piezoelectric 소재, 기계적 압력에 의해 자성이 변해 형상이 변화되는 magnetostrictive 소재, 온도나 압력 변화에 의해 기억된 형태로 되돌아 가는 형상기억합금, 전기, 광학, 온도 변화에 따라 컬러가 변화되는 소재 등이 있으며 이들 중에 형상기억합금, 전기적 변형, 압전 소재가 산업분야에서 가장 보편적으로 많이 응용되고 있다.
광응답 재료의 특징은 무엇인가?
아조벤젠, spiropyran, cinnamic acid 등과 같은 광발색성(photochromic) 분자들이 대표적으로 알려진 광응답 재료들이다. 이와 같은 광발색성 분자들은 특정 파장에 따라 분자의 구조가 바뀌는 광이성화 특성을 갖고 있으며 이로 인해 재료의 물리 · 화학적 특성이 변화된다.
참고문헌 (30)
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