방사선 그라프팅을 통한 이온 교환막의 개질과 이온성 고분자-금속 복합체 굽힘 센서에의 적용

Abstract

이온성 고분자-금속 복함체 (IPMC, ionic polymer-metal composites)는 가볍고, 유연하며, 생체에 무해하고, 수중 환경에서 사용할 수 있으며, 변형 시 빠른 반응속도로 전압이 발생하기 때문에 기존의 한계점을 극복할 수 있는 센서로서 주목받고 있다. IPMC는 금속 전극과 이온교환막으로 이루어져있는 구조이다. 이온교환막이 일부 상용화된 막으로 한정되어 있고, 이를 개질하기 어렵기 때문에 센서 성능을 개선시키는데 한계가 있다. 따라서 IPMC 굽힘 센서의 성능을 높이기 위하여 새로운 이온교환막의 개발이 필요하였다. 본 연구에서는 ETFE (poly(ethylene-co-tetrafluoroethylene))와, P(VDF-co-HFP) (poly(vinylidene-co-hexafluoropropylene)) 같은 불소계 고분자에 방사선 그라프팅 방법으로 styrene을 그라프트 시키고, 이온기를 갖도록 술폰화하여서 이온교환막을 제조하였다. 감마선의 조사량에 따라 그라프트 되는 양을 조절할 수 있기 때문에, 원하는 이온기 양을 갖도록 이온교환막을 제조할 수 있었다. 이온교환막의 그라프트된 정도에 따른 water uptake, IEC (Ion exchange capacity), 이온 전도도와, 구조적, 열적 특성을 조사하였다. IPMC로 제조하여 센서 실험한 결과 이온기의 양이 많을수록 이동 가능한 양이온의 수가 증가하여 발생 전압이 증가하였고, 구부리는 각도인 곡률이 증가할수록 양이온의 비편재화가 커져서 높은 발생전압이 나오는 것을 확인하였다. 그리고 기존의 전극형성 방법인 무전해 도금법에 추가적으로 은거울 반응으로 전극을 보완하여, IPMC 굽힘 센서의 성능을 개선하였고, 속도 의존성 실험 결과 굽힘 속도에 의한 영향을 받지 않아서 IPMC 센서에 곡률 외의 변수가 없음을 확인하였다. 나피온으로 제조한 IPMC와 비교하였을 때 새로운 이온교환막으로 제조한 IPMC가 상대적으로 더 높은 센서 전압을 보이고, 이로 인하여 노이즈 대비 큰 신호세기를 얻을 수 있어서, 굽힘 센서로서 활용 시 더 좋은 성능을 갖는 것을 확인하였다.