Biomimetic electro-mechanical actuators: sulfonated nanoporous ionic polymer composites and their applications

Abstract

생체모사공학에서 인공근육 형태의 전기활성 고분자 액츄에이터를 이용한 생체모사 메커니즘 구현을 위한 연구가 활발하다. 생체모사형 액츄에이터는 기존 모터에 비해 가볍고, 효율적이며 분포형 특성을 지닌다. 특히 최근에는 차세대 능동형의 인간 친화형 소프트 일렉트로닉스 분야로서 웨어러블 디바이스, 촉감-햅틱 유연 전자소자, 차세대 디스플레이 관련 소재/소자 원천 기술이 급성장함에 따라 공간 절약·저전력화·자가 발전·지능형/생체 모사형 액츄에이션 기능 구현이 가능한 유연 고분자 액츄에이터 개발이 요구되고 있다. 이에 본 연구에서는 기존 이온성 고분자 액츄에이터의 한계를 극복하고, 이온성 전기활성 고분자의 이온 전송 물성, 전기-기계-화학적 물성과 작동 성능을 향상시키기 위한 결과를 제시하였다. 특히 술폰화된 나노 포러스 이온성 고분자 복합재를 제안하고 이들의 공학적 응용에 관한 연구를 수행하였다. 첫째, 술폰화된 키토산과 기능성 산화 그래핀을 기반으로 고성능 전기활성 바이오 나노 복합재를 개발하였다. 두 번째로, 술폰화된 PEEK와 PVDF를 블렌딩한 값싸고 친환경적이며, 효과적으로 기계적 물성과 전기-화학-기계적 성능을 조절 할 수 있는 SPEEK/PVDF 기반의 고분자 액츄에이터를 개발하였다. 세 번째로, 이온성 고분자 내부에서 이온들이 쉽게 이동할 수 있는 3차원의 네트워크형 이온채널형태로 조립되는 이온성 고분자에서 나아가 금속전극 대신 유연한 전도성 고분자 전극을 적용, 완전 유기고분자로 된 유연한 인공근육형 액츄에이터로서, SPI 블록 공중합체의 소수성 블록간의 π-π 적층 결합과 SPI의 친수성-소수성 블록과 이온성 액체의 친수-소수성 이온들 간의 이온성 결합을 유도한 자기 조립 방법을 이용하였다. π-π 적층되고 자가 조립된 3차원 이온성 네트워크 멤브레인은 연속적이며 상호 연결된 이온 전송 나노체널을 가지며, 친수-소수성 SPI 블록들과 이온성 액체의 양이온과 음이온 간의 강한 상호 결합에 의해 친수성의 3차원 지그-재그형 이온성 나노 체널을 형성하였다. 더불어 용액공정으로 고전도성, 유연성과 전기화학특성을 갖는 전도성 고분자 전극을 쉽고 빠르게 만들 수 있어 고성능의 유기 전기활성 고분자 액츄에이터를 개발하였다. 마지막으로, 이들 액츄에이터를 이용한 공학적 응용 분야를 제시하고자 한다. 이온성 고분자 액츄에이터의 백금 전극을 선택적 성장시킴으로써, 물고기 지느러미의 움직임을 부드럽게 모사할 수 있는 다자유도 움직임을 구현하였다. 패턴된 전극의 모든 패치에 무전해 도금을 통해 전극을 적층한 후, 패턴된 IPMC 액츄에이터의 성능 개선을 위하여 특정 패턴만 선택적으로 전기 도금을 실시하였다. 이 방법은 각 전극 패치의 두께를 효과적으로 조절할 수 있어서, IPMC 액츄에이터의 강성과 유연성의 조절이 가능하다. 더불어 구조적으로 곡률을 갖는 외팔보 형태의 IPMC 액츄에이터를 제작하여 동적 스냅-스루 특성을 평가하였고, 기존의 평평한 형태의 IPMC와 달리 방향성 및 급격한 대변형을 이루어 작동 특성이 우수해지는 동적 스냅-스루 현상을 발견하고, 양단 지지형태의 IPMC 에서는 빔의 형상 및 초기변형에 따라 작동기의 쌍안정 동적 스냅-스루 현상을 살펴, 능동형 생체의료 기기에 적용 가능한 안정성과 재현성을 지닌 대변형 쌍안정성 IPMC 액츄에이터를 살펴보았다. 이러한 노력들은 웨어러블 디바이스나 햅틱 전자소자, 차세대 디스플레이 등 유연한 생체 모사형 액츄에이터가 필요한 각종 기기에 응용될 수 있을 것이다.