보조 용매 및 이온성 액체 도입을 통한 이온성 금속 고분자 복합 구동체의 성능향상 연구

Abstract

이온성 고분자-금속 복합체 (IPMC)는 작고 가벼우며, 수 볼트 이하의 낮은 전기적 신호에 의해 우수한 기계적 굽힘 변형 및 빠른 응답속도를 보이는 전기활성 재료로써, 인공 근육 및 생체 의료용 기기 등의 분야에서 생체 모방형 구동체로써 활용될 수 있을 것으로 기대되고 있다. 지금까지 개발된 IPMC들은 상대적으로 낮은 구동력, 낮은 동작 안정성 및 내구성, 정전압 인가시 발생하는 back-straightening 현상과 구동시 발생하는 수분 증발에 의해서 실제 구동 소재로 응용하는데 제약이 있어왔다. 또한 실제 구동 소재로 응용하기 위해서는 큰 힘을 발생할 수 있는 IPMC를 제조 해야 하는데 두꺼운 IPMC의 제조시 힘은 증가하지만 변위와 응답 속도는 현저히 감소하는 현상을 보이게 된다. 또한 큰 힘을 내기 위해서는 인가되는 전압을 크게 해야 하며, 이때 발생하는 용액의 전기 분해에 의한 에너지 손실이 가장 큰 문제로 대두되고 있다. 본 연구에서는 이러한 한계점을 극복하기 위해 다양한 시도를 하였다. 열압착법을 이용하여 삼차원 스케일 나피온을 제조하고, IPMC의 굽힘 강성, 구동력, 및 구동 속도를 향상 시키기 위하여 환원 과정시 알코올과 같은 보조 용매를 도입하고, 무전해 도금의 환원 횟수를 제어하여 구동 성능에 대한 전극 특성의 효과에 대해 파악 할 수 있었다. 다양한 알코올의 종류에 따라서 생성되는 전극의 두께, 전극의 함량 및 계면전극의 형태등을 파악 할 수 있었고, 이러한 전극의 요인들이 구동성능에 어떻게 영향을 미치는지 관찰하였다. 또한 성능이 향상된 IPMC의 기계적 성질, 전기적 성질, 및 전기화학적 성질등을 분석하고, 그 원인에 대하여 규명하였다. 나피온을 물과 다양한 알코올과 섞인 혼합 용액에 함침 시켰을 때 팽윤되는 성질에 대하여 관찰하였다. 다른 멤브레인과 다르게 나피온 멤브레인은 고유한 성질을 가지고 있으며, 나피온과 혼합 용액과의 거동을 기계적, 전기적, 및 분광학적으로 관찰함으로 IPMC 제조시 전극 형성에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 구동시 가장 크게 문제가 되고 있는 전기 분해에 의해 구동 성능 저하를 방지하기 위하여 다양한 이온성 액체 및 유기 용매를 도입하여 실험을 진행하였다. 기존 구동체에 비해 구동 변위와 구동 성능이 향상되는 것을 보았다. 또한 공기 중 연속 구동에도 성능이 안정적으로 유지되는 것을 보았다. 본 연구를 통하여, IPMC 구동체를 구성하는 전극, 멤브레인과 전극 사이의 계면 층 및 내부 용매들이 전기적-화학적-기계적 특성들에 상호 보완적으로 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다.