초록 ▼

고령화 사회, 고도산업사회로 진입함에 따라 인체 근골격계 관련 질환 인구가 증가하면서 운동기능을 보완, 복원하기 위한 초경량 첨단 소재를 응용한 인공근육 개발 필요성이 크게 증가하고 있다. 외부의 전기적인 자극에 의하여 형상이 변화되는 전기활성고분자(electroactive-polymer, EAP)는 다양하게 응용될 수 있으므로 여러 분야의 과학자, 기술자들이 많은 관심을 가지고 있는 재료이다. Ionomeric polymer-metal composite(IPMC)는 EAP의 일종으로, 얇은 고분자 막의 양쪽 면에 금속 전 극이 있

고령화 사회, 고도산업사회로 진입함에 따라 인체 근골격계 관련 질환 인구가 증가하면서 운동기능을 보완, 복원하기 위한 초경량 첨단 소재를 응용한 인공근육 개발 필요성이 크게 증가하고 있다. 외부의 전기적인 자극에 의하여 형상이 변화되는 전기활성고분자(electroactive-polymer, EAP)는 다양하게 응용될 수 있으므로 여러 분야의 과학자, 기술자들이 많은 관심을 가지고 있는 재료이다. Ionomeric polymer-metal composite(IPMC)는 EAP의 일종으로, 얇은 고분자 막의 양쪽 면에 금속 전 극이 있는 구조를 가지며, 금속 전극은 보통 금속이온을 화학적으로 환원시켜 형성시킨다. IPMC는 양전극 사이에 전압을 가하면 양극(anode) 쪽으로 구부러지는데, 10V 이하의 비교적 낮은 외부 전압에 빨리 감응하며, 변형양이 크므로 가볍고 유연한 소형 구동체(actuator)를 설계할 수 있다. IPMC에 관한 지금까지의 연구들은 대부분 상업적으로 생산되고 있는 불소화 이온성 고분자 물질, 즉 Dupont 의 Nafion 등을 사용하고 있는데, 이들 고분자 재료들은 대부분 두께 0.1∼0.3㎜ 정도인 필름 형태로 판매되고 있으며, 용융가공이 되지 않는다. 따라서 용도에 적합한 모양으로 성형하여 기능을 극대화하는 것이 쉽지 않다.
본 과제의 제1세부과제에서는 Nafion을 대체하여 IPMC를 제작할 수 있으면서 casting 혹은 용융가공이 가능한 고분자 재료를 찾기 위한 연구를 수행하고 그 생체적합성을 평가하였다. 제2세부과제에서는 IPMC를 이용하여 생체 모방형 인공 근육의 전기/기계적 구동 거동 연구 및 근육 운동 재건을 위한 제어/구동 시스템 개발하였다.
제1세부과제에서는 다섯 가지 Series의 재료들을 설계, 합성, 평가하였다. 첫 번째 Series 1에서는 DuPont의 Zonyl TA-N과 아크릴산(AA)을 공중합하여 얻은 공중합체(PFAA)들이 IPMC의 제조에 효과적으로 이용될 수 있음을 본 연구과정을 통해 세계 최초로 발견하였다. 이 공중합체는 지금까지 IPMC 제조에 널리 이용되어 오던 Nafion 둥과는 달리 casting에 의해 다양한 형상의 것을 제조할 수 있는 장점이 있으며, 라디칼 공중합에 의해 쉽게 합성할 수 있으므로 분자 설계 변수가 다양한 장점을 가지고 있다. 아크릴공중합체 중 친수성 AA 반복단위의 함량은 구동특성에 중대한 영향을 미쳐 함량이 10.6 wt.%인 경우 가장 좋은 구동특성을 보였다. AA 함량이 너무 적은 경우는 이온이동에 필요한 충분한 친수성 통로를 형성하지 못하며, 너무 많은 경우는 이온농도 증가에 의해 수분 흡수량이 증가하여 외부전위에 의한 감응이 오히려 감소하는 것으로 생각되었다. 따라서 추후 연구는 고분자의 이온기 수는 증가시키되 수분 흡수를 최소화하는 방향으로 진행되어야 할 것으로 판단되었다. Series 2에서는 fluoromethacrylate(FMA), 즉 DuPont의 Zonyl TM과 아크릴산(AA)의 공중합체(PFAA)들을 제조, 평가하였는데, 이들도 IPMC의 제조에 효과적으로 이용될 수 있었으며, 압축성형법에 의해 다양한 형상을 제조할 수 있는 장점을 가졌다. 양이온의 종류에 따라$(CH_3)_4N^{+}의 순서로 구동성이 증가하였다. 또, 사용한 membrane의 두께가 0.17㎜인 경우 이보다 두께가 두껍거나 얇은 membrane을 사용하여 제조한 IPMC보다 좋은 구동 특성을 가졌다. Series 3에서는 sodium montmorillonite를 고분자 matrix에 분산시킨nanocomposite를 제조하면 고분자 matrix에 이온 농도를 크게 증가시킬 수 있다는 점에 착안하여, FMA와 AA를 공중합한 불소화 아크릴계 이온성 고분자 (PFMAA) matrix에 sodium montmorillonite를 분산시킨 namocomposite를 제조하고, 이를 이용하여 IPMC를 제조하여 구동 특성을 조사하였는??온의 농도는 증가시키나 이온의 이동을 방해하여 전류와 변위 값의 감소를 가져옴을 보여주었다.

Abstract ▼

The need for the lightweight and effective artificial muscle for rehabilitation is now being risen because the peoples who have some defects in the functions of muscles are increased recently as the industrialization of man's society and the average $pan of human's life is increased. Electoactive po

The need for the lightweight and effective artificial muscle for rehabilitation is now being risen because the peoples who have some defects in the functions of muscles are increased recently as the industrialization of man's society and the average $pan of human's life is increased. Electoactive polymers (EAPs), which can change shape in response to electric stimulation, have attracted great attentions among engineers and scientists from many different disciplines. Ionomeric polymer-metal composites (IPMCs), a class of EAP, consists of a thin polymer membrane with metal electrodes plated on both faces. IPMCs are an active actuator, which shows a large, and quick-bending responsed by a Low voltage applied between electrodes through the membrane. Therefore IPMC ate a premising candidate as a miniaturized, lightweight, and flexible micro-actuator ill the field of biomimetic applications such as artificial muscle. Almost all the studies about IPMC have used commercially available perfluorinated ionomeric membrane such as Nafion of Dupont. However, most of commercially available Nafion have a typical thickness in the range of approximately 0.1∼0.3㎜ and it is not melt-processable. So, it is net easy to fabricate IPMC with appropriate shape for the best performance in practical application.
In the first subject of this research, we tried to get a new material which can replace Nafion in the application of IPMC, and which can be fabricated easily by melt-processing or casting, In the second subject of this research we designed and evaluated an actuation system with IPMC which can be used as a biomimetic artificial muscle.
In the first subject of this research, we designed, synthesized, and evaluated five Series of materials. The Series 1 is the copolymer(PFAA) of fluoroalkyl acrylate (FA), Zonyl TA-N of DuPont, and acrylic acid (AA). To the best knowledge of the present author, this is the first report on the IPMC of acrylic polymer, and can be utilized variously because it can be easily polymerized and cast from a solution with many degrees of freedom in molecular and shape design. The responses of the current and the displacement by applied voltage decreased after the first increase, as the content of AA ill the copolymer was increased. The best performance of IPMC was observed when the AA content was 10.6 wt.%, This shows that the large water uptake accompanied by high ionic site content caused adverse effect in the actuation by electric stimulus. In the Series 2, the copolymer (PFMAA) of fluoroalkyl methacylate, Zonyl TM of DuPont and AA, which can be compression molded, was prepared and evaluated. The actuation by applied voltage increased according to the ordo. $(CH_3)_4N^{+}by the kind of counter-cation. The IPMC prepared tv the membrane with 0.17 ㎜ thickness showed better actuation compared the IPMC prepared with thicker of thicker membranes. The nano-composites of PFMAA intercalated with sodium montmorillonite was prepared in Series 3 to increase the ionic concentration in IPMC and mechanical properties.

목차 Contents

• 표지...1
• 제출문...2
• 목차...3
• I. 연구개발결과 요약문...4
• (한글) 재활 의료용 전위구동 인공근육의 개발...4
• (영문) Developement of artifical muscle for rehabilitation engineering...6
• II. 총괄연구개발과제 연구결과...8
• 1. 총괄연구개발과제의 최종 연구개발 목표...8
• 2. 총괄연구개발과제의 최종 연구개발 내용 및 결과...10
• 3. 총괄연구개발과제의 연구결과 고찰 및 결론...44
• 5. 총괄연구개발과제의 연구성과...46
• 6. 연구개발결과의 파급효과...53
• III. 제 1 세부연구개발과제 연구결과...55
• 1. 제 1 세부연구개발과제의 최종 연구개발 목표...56
• 2. 제 1 세부연구개발과제의 연구대상 및 방법...57
• 3. 제 1 세부연구개발과제의 최종 연구개발결과...63
• 4. 제 1 세부연구개발과제의 연구결과 고찰 및 결론...82
• 5. 제 1 세부연구개발과제의 연구성과...84
• 6. 참고문헌...89
• IV. 제 2 세부연구개발과제 연구결과...90
• 1. 제 2 세부연구개발과제의 최종 연구개발 목표...91
• 2. 제 2 세부연구개발과제의 연구대상 및 방법...92
• 3. 제 2 세부연구개발과제의 최종 연구개발결과...93
• 4. 제 2 세부연구개발과제의 연구결과 고찰 및 결론...119
• 5. 제 2 세부연구개발과제의 연구성과...121
• 6. 참고문헌...123