개질 poly(ethylene oxide) 전해질 또는 개질 poly(ether ether ketone) 막으로 제조된 전기활성고분자 구동체

Abstract

전기활성고분자는 외부 자극에 의해 형상이 변화하는 형태 의 구동체로, 큰 외부 에너지원과 구동부의 필요 없이 자체적으로 움직일 수 있는 소재이다. 이에 따라 MEMS, 우주과학 등 미소화, 다기능화된 구동 소재를 필요로 하는 분야에서 현재 다양한 연구가 진행 중이다. 이 중 이온성 전기활성 고분자는 저전압에서 큰 변형을 가져올 수 있는 장점으로 차세대 구동체 소재로 각광받고 있지만, 이온의 이동에 따른 구동에 기인한 낮은 구동력 및 외부 전해질의 필요성에 의한 응용 분야의 제한이 있었다. 본 연구에서는 개질 폴리에틸렌옥사이드 (poly (ethylene oxide), PEO) 와 개질 폴리이써이써케톤 (poly (ether ether ketone), PEEK) 을 두 종류의 이온성 전기활성고분자 구동체에 적용하여 각각이 가지는 한계점을 개선하고자 하였다. 가교 반응을 통해 개질된 고체 고분자 전해질과 수소 결합으로 개질된 이온 교환막을 제조하여 이를 전도성 고분자와 이온성 고분자-금속 복합체 (IPMC) 구동체에 응용하였다. 첫째로 광가교반응을 이용하여 고체 고분자 전해질을 제조, 공기 중 구동이 가능한 전도성 고분자 구동체를 제작하였다. 가교도를 변화시키며 고체 고분자 전해질을 제조하여 이에 따른 기계적 물성 및 막특성의 변화를 관찰하였으며 최종적으로 구동 성능과의 관계를 확인하여 전도성 고분자 구동체의 구동에는 적절한 가교도가 수반되어야 함을 확인하였다. 다음으로 이온 교환막을 수소 결합을 이용하여 개질, 기계적 물성이 향상된 IPMC 구동체를 제작하였다. 높은 함수율이 단점인 술폰화된 PEEK (sulfonated PEEK, SPEEK) 에 수소 결합을 이용한 개질 반응을 도입하여 함수율을 제약함과 동시에 기계적 물성을 강화하여 IPMC 구동체의 구동력을 향상시켰다. 두 가지 종류의 다이아민계 단량체를 도입하여 반응을 실시하였으며 이때 이온 교환막과 전극 간의 결합력을 강화시키기 위하여 백금 입자를 추가로도입한 구동체를 제작하였다. 제작된 IPMC는 기존 이온교환막을 이용한 구동체 대비 우수한 구동력을 보였으며, 개질에 의한 치수 안정성과 물성 향상이 이온 교환막의 형성에 기여하였음을 확인하였다.