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미세-작동기를 위한 전기방사 CNT/PVDF 나노섬유 기반의 탄소 복합재의 기계적 및 전기적 특성 평가
Mechanical and Electrical Properties of Electrospun CNT/PVDF Nanofiber for Micro-Actuator 원문보기

Composites research = 복합재료, v.26 no.1, 2013년, pp.14 - 20  

구가영 (경상대학교 나노.신소재공학부 대학원) ,  왕작가 (경상대학교 나노.신소재공학부 대학원) ,  권동준 (경상대학교 나노.신소재공학부 대학원) ,  박종만 (경상대학교 나노.신소재공학부, 공학연구원)

초록
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CNT를 포함하는 전기방사된 PVDF를 작동기 제조의 소재로 사용하였다. 기계적, 전기적특성과 함께 작동기 성능을 평가하기 위해 전기화학적 환경 내에서 전기화학 및 작동기 거동을 조사하였다. 전기방사된 시트의 특징 중 하나인 유연함을 가지며 분산이 잘 되어 접촉면이 많은 이점이 있기 때문에 작동기 제작방법으로 적합하다고 생각되었다. 전기방사는 여러 가지 요인들로 방사형태가 각각 다르게 나타났다. 본 연구에서는 콜렉터를 드럼형태를 사용하여 방사된 나노섬유의 방향성을 가지게 하였으며 형태를 확인하기 위해 전자현미경을 통해 나노섬유가 정렬된 형상을 확인하였다. 전자침 X-ray 미세분석기를 사용하여 PVDF내에 CNT가 함침 되어 나노섬유가 정렬 된 상태를 확인하였으며, 이러한 형태가 미치는 기계적, 전기적 물성에 영향을 평가하기 위해 인장시험을 통해 인장강도와 전기 저항도를 측정하였다. 정렬된 방향의 나노섬유 시트가 정렬의 직각 방향의 시트보다 상대적으로 기계적 그리고 전기적 물성이 좋게 나타났다. 전기방사된 CNT/PVDF 나노섬유 시트가 작동기로 사용 되었을 때 캐스팅으로 제작된 PVDF 시트의 작동기보다 좋은 효율을 확인하기 위해 전기화학적 환경 내에서 작동기 시험을 진행하여, 작동기 효율과 전기적 용량을 측정하였다. 전기방사된 CNT/PVDF 나노섬유 시트는 CNT와 PVDF간의 접촉면이 많기 때문에, 우수한 작동성을 나타내었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The electrospun PVDF containing CNT was made for fabricating materials of the actuator. The electrochemical and their actuating movement were evaluated for the actuator performance in the electrochemical environment. The actuator (which was fabricated by electrospinning) had some advantages, i.e., g...

주제어

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문제 정의

  • 전기방사를 통해 나노섬유의 형태를 SEM을 통해 알아보았으며, CNT/PVDF 나노섬유 기판의 인장시험 동안 기계적, 전기적 물성을 평가하였다. 나노복합재료의 작동기가 스마트소재로서의 성능을 평가하기 위해 전기화학적 환경에서 작동 된 연신율과 전류를 측정하여 작동기 성능을 연구하였다.
  • 또한 입자의 분산성 측면에서도 유리한 기술로 필터, 바이오케미컬, 배터리, 센서 등 많은 분야의 연구에 광범위하게 활용되고 있다[14-15]. 본 연구는 전극과 고분자기판의 접촉면을 넓히기 위해 전기방사를 통해 기판 내에 전도성 나노입자인 CNT를 도입함으로서 전극과 기판의 접촉면을 증가시켜 작동기 제작을 하였다. 전기방사를 통해 나노섬유의 형태를 SEM을 통해 알아보았으며, CNT/PVDF 나노섬유 기판의 인장시험 동안 기계적, 전기적 물성을 평가하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
이온성 고분자-금속 복합체 작동기는 무엇인가? 이온성 고분자-금속 복합체(ionic polymer-metal composites, IPMC) 작동기는 외부의 전기적인 자극에 의해 형상이 변하는 전기활성 고분자(electroactive polymer, EAP)의 하나로서 이온전도성 고분자의 면에 전극 층이 입혀진 구조로 되어 있다. 전도성 고분자 작동기와 IPMC는 기존의 작동기에 비해 저전압 구동이 가능하고 동작 시 열이나 전자기파 등을 발생하지 않으며 이러한 성질을 이용하여 인공근육의 제작 또는 팔다리의 동작을 모방하는데 이용된다[1-3].
전도성 고분자는 어떤 특징으로 인해 작동기의 구동원리로 이용되고 있는가? 전도성 고분자는 고분자의 산화/환원 시에 부피의 변화를 수반하는데 이러한 부피의 변화를 작동기의 구동원리로 이용하고 있다. IPMC는 고분자막의 양 표면에 금속 전극을 형성한 후에 전계를 인가하면 막 내부에서 이온의 이동에 의한 부피의 변화가 일어나며 결과적으로 전계의 방향에 따라 인장 압축되어 구동되는 작동기이다.
이온성 고분자-금속 복합체 작동기와 전도성 고분자 작동기는 기존의 작동기에 비해 어떤 장점을 갖는가? 이온성 고분자-금속 복합체(ionic polymer-metal composites, IPMC) 작동기는 외부의 전기적인 자극에 의해 형상이 변하는 전기활성 고분자(electroactive polymer, EAP)의 하나로서 이온전도성 고분자의 면에 전극 층이 입혀진 구조로 되어 있다. 전도성 고분자 작동기와 IPMC는 기존의 작동기에 비해 저전압 구동이 가능하고 동작 시 열이나 전자기파 등을 발생하지 않으며 이러한 성질을 이용하여 인공근육의 제작 또는 팔다리의 동작을 모방하는데 이용된다[1-3]. 본 연구에서 사용된 PVDF (poly(vinylidene fluoride))는 압전능을 가진 고분자로서 작동기 재료로 사용될 수 있는 스마트 재료로 연구되고 있다[4,5].
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참고문헌 (16)

  1. Shahinpoor, M., Bar-Cohen, Y., Simpson, J.O., and Smith, J., "Ionic polymer-metal composites(IPMC) as biomimetic sensors, actuators and artificial muscles - a review," Smart Materials and Structures, Vol. 7, No. 6, 1998, pp. 15-30. 

  2. Shahinpoor, M., and Kim, K.J., "Ionic polymer-metal composites: I. Fundamentals", Smart Materials and Structures, Vol. 10, No. 4, 2001, pp. 819-833. 

  3. Kim, H.I., Kim, D.K., and Han, J.H., "A study on mechanical propertied of IPMC actuator," Jonrnal of the korean society for composite materials, Vol.20, No. 3, 2007, pp. 50-54. 

  4. Choi, B.K., and Lee, W.H., "A study on the energy harvesting system using piezoelectric direct effect of piezo film," Jonrnal of the korean society for precision engineering, Vol. 25, No. 9, 2008, pp. 78-85. 

  5. Gu, G.Y., Wang, Z.J., Kwon, D.J., and Park, J.M., "Interfacial durability and electrical properties of CNT or ITO/PVDF nanocomposites for self-sensor and micro actuator," Jonrnal of the korean society for composite materials, Vol. 24, No. 6, 2011, pp. 12-16. 

  6. Thostenson, E.T., Ren, Z., and Chou, T.W., "Advances in the science and technology of carbon nanotubes and their composites: a review," Composites Science and Technology, Vol. 61, No. 13, 2001, pp. 1899-912. 

  7. Che, J., Cagin, T., and Goddard, W.A., "Thermal conductivity of carbon nanotubes," Nanotechnology, Vol. 11, No. 2, 2000, pp. 65-73. 

  8. Bennett, M.D., and Leo, D.J., "Ionic liquids as stable solvents for ionic polymer transducers," Sensor and Actuators A, Vol. 115, No. 1, 2004, pp. 79-90. 

  9. Onishi, K., Sewa, S., Asaka, K., Fujiwara, N., and Oguro, K., "Morphology of electrodes and bending response of the polymer electrolyte actuator," Electrochimica Acta, Vol. 46, No. 5, 2000, pp. 737-743. 

  10. Luqman, M., Lee, J.W., Moon, K.K., and Yoo, Y.T., "Sulfonated polystyrene-based ionic polymer.metal composite (IPMC) actuator," Journal of Industrial and Engineering Chemistry, Vol. 17, No. 1, 2011, pp. 49-55. 

  11. Man, M.J., Park, J.H., Lee, J.Y., and Jho, J.Y., "Ionic polymer-Metal composite actuators employing radiation-grafted fluoropolymers as ion-exchange membranes," Macromolecular Rapid Communications, Vol. 27, No. 3, 2006, pp. 219-222. 

  12. Lee, J.W., Kim, J.H., Goo, N.S., Lee, J.Y., and Yoo, Y.T., "Ion-conductive poly(vinyl alcohol)-based IPMCs," Journal of Bionic Engineering, Vol. 7 No. 1, 2010, pp. 19-28. 

  13. Noh, T.G., Tak, Y., Nam, J.D., and Choi, H., "Electrochemical characterization of polymer actuator with large interfacial area," Electrochimica Acta, Vol. 47, No. 13-14, 2002, pp. 2341-2346. 

  14. Huang, Z.M., Zhang, Y.Z., Kotaki, M., and Ramakrishna S., "A review on polymer nanofibers by electrospinning and their applications in nanocomposites," Composites Science and Technology, Vol. 63, No. 15, 2003, pp. 2223-2253. 

  15. Choi, S.W., Jo, S.M., Lee, W.S., and Kim, Y.R., "An electrospun poly(vinylidene fluoride) nanofibrous membrane and Its battery applications," Advanced Materials, Vol. 15, No. 23, 2003, pp. 2027-2032. 

  16. Rana, S., and Cho, J.W., "Core-sheath polyurethane-carbon nanotube nanofibers prepared by electrospinning," Fibers and Polymers, Vol. 12, No. 6, 2011, pp. 721-726. 

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