초록 ▼

연구의 목적 및 내용
본 연구의 목적은 종이접기 기술을 이용한 기계적 물성 가변형 초고강도 복합소재의 개발로 빛, 열, 화학물질 등과 같은 외부자극에 반응할 수 있는 액정 고분자와 고강도 보강재의 복합재료를 합성하여 초고강도의 기계적 물성을 구현하고 강도나 유연성을 자유자재로 조절할 수 있는 재료를 개발하는 것이다. 해당 1차년도의 연구에서 저밀도 고강도 소재인 셀룰로오스 나노결정(cellulose nanocrystal, CNCs)과 그래핀 산화물 (graphene oxide, GO)을 보강재로 이용하여 액정 고분자와 같이 패

연구의 목적 및 내용
본 연구의 목적은 종이접기 기술을 이용한 기계적 물성 가변형 초고강도 복합소재의 개발로 빛, 열, 화학물질 등과 같은 외부자극에 반응할 수 있는 액정 고분자와 고강도 보강재의 복합재료를 합성하여 초고강도의 기계적 물성을 구현하고 강도나 유연성을 자유자재로 조절할 수 있는 재료를 개발하는 것이다. 해당 1차년도의 연구에서 저밀도 고강도 소재인 셀룰로오스 나노결정(cellulose nanocrystal, CNCs)과 그래핀 산화물 (graphene oxide, GO)을 보강재로 이용하여 액정 고분자와 같이 패터닝된 bilayer 형태로 합성하여 빛에 의한 형태 변화와 기계적 물성 변화를 측정하였다.

연구결과
일반적으로 1 GPa정도의 modulus를 갖는 액정고분자를 패터닝된 CNCs와 복합재 필름으로 합성하여 3.4 GPa로 엔지니어링 고분자 수준으로 기계적 강도를 향상하였다. 또한, broadband UV (320 ~ 500 nm)의 빛 조사시 패터닝 조건에 따라 동일 물질에서도 굽힘 변형의 방향을 자유자재로 변경하고 특히, 코일 형태의 트위스팅 액츄에이션을 구현하였다.이와같은 유연한 변형과 더불어 기계적 물성 또한 3.4 GPa의 modulus가 broadband UV 조사 시 0.9 GPa로 무려 72% 정도 감소시킬 수 있을뿐더러 광원 제거시 본래의 기계적 물성인 3.4 GPa를 회복하는 것을 실시간으로 측정하였다.

액정고분자-그래핀 산화물의 복합재 필름 또한 충진재의 패터닝에 따라 광기계적 굽힘,뒤틀림 등의 액츄에이션 모드를 관찰하였으며 나노셀룰로오스보다 더 큰 변형률을 확인하였다. 더 큰 변형률을 보였음에도 불구하고 modulus는 최대 4.5 GPa로 나노셀룰로오스 복합재보다 32% 가량 큰 기계적 물성이 구현되었다. 또한, broadbannd UV 조사 시 0.5GPa로 약 90%가량의 기계적 강도 변화를 확인할 수 있었다.

이러한 물성의 변화의 메커니즘을 규명하기 위하여 적외선 카메라를 통해 광열효과를 측정하였다. 액정 고분자의 경우 유리전이온도가 45℃인데 복합재 필름에 빛 조사 시 순간적으로 온도가 유리전이온도 이상인 60~70℃로 상승하여 액츄에이션 및 기계적 물성 변화를 유도하였고 광원 제거시 단시간에 유리전이온도 이하로 냉각되어 다시 원래의 물성으로 복구되는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 엔지니어링 고분자 수준의 액정고분자 복합재를 합성하고 나노보강재의 패터닝에 따라 기계적 강도 및 유연성을 변화시키는 기술을 확보하였다.

연구결과의 활용계획
현재 첨단미래기술로 주목받기 시작한 형태가변형 물질은 대체로 그 물성이 뛰어나지 않아 상용화가 어렵거나 별도의 패키징 기술이 요구되어진다. 또한, 광열을 메커니즘으로 사용하는 경우 그 온도가 종종 150-200 ℃에 달해 실제 적용이 어렵거나 방열 기술이 추가로 구비되야 한다. 열전도도와 전기전도도가 동시에 높은 일반 소재와 달리 높은 열전도도를 갖는 전기절연 소재인 나노셀룰로오스는 특히 배향을 통해 원하는 방향으로 방열이 가능하므로 기계적 보강 및 형태가변 유도에 참여하는 물질임과 동시에 그 자체로 방열용 패키징 소재로 활용이 가능하다. 전기가 통하는 형태가변형 전자소재를 원할 경우는 그래핀 산화제를 통한 복합재를 사용할 수 있다. 따라서, 본 연구는 형태가변형 복합재료의 상용화에 있어 새로운 방향성을 제시할 수 있을 것이라 기대되어진다.

( 출처 : 한글요약문 4p )

Abstract ▼

Purpose&contents
The objective of this research is to develop origami inspired mechanically tunable, elastic rubber to high strength polymer, ultra high strength nanocomposites by using liquid crystalline polymer and high strength filler which can respond to external stimuli such as light, heat a

Purpose&contents
The objective of this research is to develop origami inspired mechanically tunable, elastic rubber to high strength polymer, ultra high strength nanocomposites by using liquid crystalline polymer and high strength filler which can respond to external stimuli such as light, heat and chemicals. In this research, bi-layer patterned cellulose nanocrystals and graphene oxide is used as fillers in liquid crystalline polymer nanocomposites, and observed the shape deformation and measured the mechanical properties via light irradiation.

Result
The CNCs patterned liquid crystalline polymer composites has 3.4 GPa elastic modulus which similar to engineering plastic, while general liquid crystalline polymer has 1 GPa elastic modulus. Also, it has tunable bending direction and demonstrates the coil shape twisting actuation via broadband UV (320 ~ 500 nm) irradiation. With this flexible deformation, the elastic modulus of nanocomposites decreased up to 72 % (0.9 GPa) with broadband UV irradiation and rapidly recovered to initial elastic modulus when the light removed.

Liquid crystalline polymer-graphene oxide composite also has photomechanical bending, twisting actuation mode. This composites has the modulus up to 4.5 GPa,which is 32% higher than liquid crystalline polymer-CNCs composite. Also, modulus decreased to 0.5 GPa, 90% decreased.

To verify this modulus transition, we use the FLIR can observe the photothermal effect. The glass transition temperature of liquid crystalline polymer is 45℃. For the photo-actuation and transition of mechanical property, the temperature of composite film was heated to 60~70℃ with broadband UV irradiation. And remove the light, the mechanical property was recovered to initial state because the film cooled down below glass transition temperature. From these results, we have the technology which synthesizing the liquid crystalline polymer composites, which has mechanical property of engineering plastic level, and tunable mechanical strength and flexibility via photomechanical effect.

Expected Contribution
Recently developed shape reconfigurable materials have relatively low mechanical properties, and hard to commercilize. In addition, using photothermal effect, it needs to heat above 150 ~ 200 ℃, which is difficult to apply in real life, or additional heat dissipation technology is required. Unlike general materials, which have high thermal conductivity and electrical conductivity at the same time. Cellulose nanocrystals, which is an electrical insulation material with high thermal conductivity, is a material participating in mechanical reinforcement and the shape reconfigurable devices because heat can be radiated in a desired direction through orientation. Therefore, it is expected that this research present a new direction for the commercialization of shape-reconfigurable composite materials.

( 출처 : SUMMARY 5p )

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• 연구계획 요약문 ... 3
• 연구결과 요약문 ... 4
• 한글요약문 ... 4
• SUMMARY ... 5
• 연구내용 및 결과 ... 6
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 6
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 8
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 10
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 11
• 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 11
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 12
• 8. 참고문헌 ... 12
• 9. 연구성과 ... 13
• 10. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 13
• 11. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 13
• 12. 기타사항 ... 13
• [별첨1] 대 표 연 구 성 과 ... 14
• 끝페이지 ... 15