JP4178148B2 - 固体電気活性駆動機及びその製造方法 - Google Patents

固体電気活性駆動機及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は固体電気活性駆動機に関するものであって、より詳しくは伝導性ポリマーと固体電解質の接触問題を解決した新たな単層構造の電気活性駆動機に関するものである。
一般に電気活性駆動機は電気活性ポリマー(electroactive polymer: EAC)を用いた駆動機のことをいう。電気活性ポリマーは他の小型駆動機用物質である形状記憶合金(shape memory alloy: SMA)や電気活性セラミック(electroactive ceramic: EAC)に比して速い応答特性を有し大きい変位と小さい密度を有する利点により自然筋肉の特性値と最も類似する材料とされており、現在は多様な小型ロボットアクチュエータに適用するための材料として最も活発に研究開発されている。
従来の電気活性駆動機は液体電解質を利用する方式を用いるが、その変位が制限され適用電流範囲も低いとの問題があり、最近は液体電解質を固体電解質で代替した固体電気活性駆動機の開発が進んでいる。
通常、固体電気活性駆動機はシリコンゴム及びアクリル物質のような電気活性ポリマー(electroactive polymer)シートとそのシートの両表面に形成された一対の軟性電極から成る3重積層体構造を有する。図1には従来の固体電気活性駆動機の一例が示してある。
図1によると、上記固体電気活性駆動機(10)は固体電解質膜(11)とその両面に形成された伝導性ポリマー層(13a、13b)を含む。上記伝導性ポリマー層(13a、13b)は軟性電極で提供される別途の層であって電圧印加部(17)の両電極(15a、15b)に各々連結される。
上記両電極(15a、15b)を通して電圧が印加されると、各々の伝導性ポリマー層(13a、13b)は極性を帯びるようになり、固体電解質膜(11)の陽イオン成分が陰極である一側伝導性ポリマー層(13aまたは13b)に移動する。こうして、一側伝導性ポリマー層(13aまたは13b)の隣接した電解質部分では膨張が起こり反対側の伝導性ポリマー層(13bまたは13a)の隣接した電解質部分は収縮して反対側の伝導性ポリマー層(13bまたは13a)の方向へ曲がるようになる。こうした駆動は印加電圧の極性と大きさに応じて多様に制御されることができる。
このように、従来の固体電気活性駆動機(10)は基本的に3重構造、即ち伝導性ポリマー層(13a)/高分子電解質膜(11)/伝導性ポリマー層(13b)構造を有する。こうした3重構造は予め設けられた高分子電解質膜(11)の表面に伝導性ポリマー層(13a、13b)を接合する方式で製造されるので、接着工程が複雑になるばかりでなく、接触不良が発生し易いとの問題がある。とりわけ、こうした弱い接着力は駆動時発生する変位のため望まぬ剥離現象を引き起こしかねなく、これは駆動機の致命的な不良原因となる。
したがって、当技術分野においては従来の固体電気活性駆動機が有する3重構造による問題を改善してより安定した駆動を保障できる新たな技術が要求されてきた。
本発明は上述した従来の技術の問題を解決するためのものとして、その目的は伝導性ポリマーに該当するモノマーを固体電解質表面において合成し固体電解質膜 両面に伝導性ポリマー層を形成することにより単層構造を有する固体電気活性駆動機を提供することにある。
本発明の異なる目的は上記固体電気活性駆動機の製造方法を提供することにある。
上記技術的課題を成し遂げるために、本発明は
相互対向する第1及び第2主面を有する高分子固体電解質膜と、上記高分子固体電解質膜の第1及び第2主面の表面に各々浸潤して形成された第1及び第2伝導性ポリマー層を含む固体電気活性駆動機を提供する。
上記第1及び第2伝導性ポリマー層は上記伝導性ポリマー物質の単量体を各表面に浸透させた後重合させて得られ、上記第1及び第2伝導性ポリマー層はポリピロール、ポリアニリン、ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)、ポリアセチレン、ポリ(p-フェニレン)、ポリチオフェン、ポリ(p-フェニレンビニレン) 及び、ポリ(チエニレンビニレン)で成る群から選択された物質であることができる。
また、上記高分子固体電解質膜は固体ポリマー膜を液体電解質またはイオン性液体に沈浸して有機陽イオンまたは有機陰イオンを上記固体ポリマー膜に浸透させて得た固体電解質膜であることができる。
上記高分子固体電解質膜の基本層に用いられるポリマー膜としてはアクリロニトリルブタジエンゴム(acrylonitrile butadiene rubber: NBR)が好ましく使用されることができる。
さらに、本発明は固体電気活性駆動機の製造方法を提供する。上記方法は、相互対向する第1及び第2主面を有する固体ポリマー膜を設ける段階と、上記固体ポリマー膜の第1及び第2主面に伝導性ポリマーの単量体を浸透させた後これを重合させて第1及び第2伝導性ポリマー層を形成する段階と、上記固体ポリマー膜をイオン性液体または液体電解質に沈浸して伝導性ポリマーに変換させる段階を含む。
好ましくは、上記第1及び第2伝導性ポリマー層を形成する段階は、上記固体ポリマー膜を伝導性ポリマーの単量体溶液に沈浸させる段階と、上記固体ポリマー膜の表面に単量体成分を重合させ伝導性ポリマー層を形成する段階と、上記固体ポリマー膜の側面が露出するよう所定の大きさで切断する段階を含むことができる。本実施形態において、上記固体ポリマー膜は切断工程を通してその第1及び第2主面に形成され各々切断された側面により分離された第1及び第2伝導性ポリマー層を有するようになる。
上記伝導性ポリマー形成段階において使用される単量体はピロール、アニリン、エチレンジオキシチオフェン、アセチレン、フェニレン、チオフェン、フェニレンビニレン及びチエニレンビニレンで成る群から選択された少なくとも一種で得られる。
また、上記イオン性液体または液体電解質は、イミダゾリウム、ピリジウム及び第4級アンモニウムで成る群から選択された有機陽イオンと、BF4 -、CF3SO3 -及び(CF3SO2)2N- で成る群から選択された有機陰イオンを含むことができる。
上述したように、本発明によれば、単一層であるポリマー膜に浸潤工程を適用して伝導性ポリマー層と電解質部分を形成するので、伝導性ポリマー層と電解質膜の接合工程を省略できるばかりでなく、脆弱な層間接着力による接合不良などの問題を根本的に解決することができる。
以下、添付の図を参照しながら、本発明をより詳しく説明する。
図2は本発明の一実施形態による固体電気活性駆動機を示す断面図である。
図2によると、上記固体電気活性駆動機(20)は固体電解質膜(21)とその両面に形成された第1及び第2伝導性ポリマー層(23a、23b)を含む。上記第1及び第2伝導性ポリマー層(23a、23b)は軟性電極で提供される別途の層として電圧印加部(27)の両電極(25a、25b)に各々連結される。
本発明による固体電気活性駆動機(20)は図1に示した従来の構造と類似する構造を有するが、上記第1及び第2伝導性ポリマー層(23a、23b)は接合された別途の層でなく固体電解質膜の表面における重合反応から得た層で、上記固体電解質膜の一部として一体化した形態で説明することができる。したがって、従来の接合された3重構造と異なり、単一層で形成されるので、層間接合不良の問題を根本的に解決することができる。
本発明に用いられた伝導性ポリマー層(23a、23b)は上記伝導性ポリマー物質の単量体を各表面に浸透させた後重合させることで得られる。こうした伝導性ポリマー層(23a、23b)はポリピロール、ポリアニリン、ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)、ポリアセチレン、ポリ(p-フェニレン)、ポリチオフェン、ポリ(p-フェニレンビニレン)及びポリ(チエニレンビニレン)で成る群から選択された伝導性ポリマー物質であることができる。
また、上記高分子固体電解質膜(21)は上記伝導性ポリマー層(23a、23b)をより容易に形成するために固体ポリマー膜を利用して製造することができる。即ち、上述した方法により固体ポリマー膜の両面に伝導性ポリマー層(23a、23b)を形成し、続いて液体電解質またはイオン性液体に沈浸して有機陽イオンまたは有機陰イオンを上記固体ポリマー膜に浸透させ所望の高分子固体電解質膜(21)に変換させることができる。
こうした高分子固体電解質膜(21)のための固体ポリマー膜はその表面に適切な伝導性ポリマーの単量体が浸潤して重合されることができ、内部に有機陽イオンまたは陰イオンが浸透できるポリマー物質であれば適切に使用することができる。上記条件を満足する代表的な固体ポリマーとしてはアクリロニトリルブタジエンゴム(acrylonitrile butadiene rubber: NBR)がある。
基本構造が単一なポリマー膜である固体電気活性駆動機は厳しくいうと単一層構造を有する。即ち、伝導性ポリマー層は別途の層が接合された構造でなく、両表面に単量体が浸潤し重合されたものとしてポリマー膜の表面部分に該当する。したがって、別途の接合工程を省略できるばかりでなく、弱い接着力による層間接合不良の問題を根本的に解決することができる。
本発明による固体電気活性駆動機は、大きく固体ポリマー膜を設ける段階と、上記固体ポリマー膜の両面に伝導性ポリマーの単量体を浸透させ第1及び第2伝導性ポリマー層を形成する段階と、上記固体ポリマー膜をイオン性液体または液体電解質に沈浸して伝導性ポリマーに変換させる段階とにより製造することができる。本発明の製造方法は量産体制に適合するよう具現できる。好ましい製造方法中一例を図3を参照しながら説明する。
図3は本発明の好ましき実施形態による固体電気活性駆動機の製造方法を説明するための工程フロー図である。
図3によると、本製造方法は相互対向する第1及び第2主面を固体ポリマー膜を設ける段階(S31)から始まる。上記固体ポリマー膜は先に説明したように、その表面に適切な伝導性ポリマーの単量体が浸潤して重合されることができ、内部に有機陽イオンまたは陰イオンが浸透可能なポリマー物質であれば適切に使用することができる。好ましき、固体ポリマーとしてはアクリロニトリルブタジエンゴム(acrylonitrile butadiene rubber: NBR)がある。本発明に好ましく使用できるNBRは約28〜40%のアクリロニトリル成分を含む。
次いで、段階(S33)においては上記固体ポリマー膜を伝導性ポリマーの単量体溶液に沈浸させる。本段階に使用される好ましき単量体としてはピロール(pyrrole)、アニリン(aniline)、エチレンジオキシチオフェン(ethylenedioxythiophene)、アセチレン(acetylene)、フェニレン(phenylene)、チオフェン(thiophene)、フェニレンビニレン(phenylene vinylene)、チエニレンビニレン(thienylene vinylene)またはその組み合わせであることができるが、これに限定されるわけではない。本沈浸過程において伝導性ポリマーを構成する単量体成分はポリマー膜の表面に浸透し、上記固体ポリマーは膨潤する。この際、単量体成分の好ましき浸透深さはポリマー厚さの約5%ないし約20%程度である。浸透深さが5%未満である場合には全表面に均一に形成された適切な伝導性ポリマー層が得がたく、20%超過の場合には後続工程において充分な厚さの電解質部分が得がたいためそれぞれ好ましくない。
次いで、段階(S35)においては上記固体ポリマー膜の表面に浸透した単量体を重合させる。こうした重合反応は上記固体ポリマー膜を再びFeCl3のような酸化剤溶液に所定の時間沈浸させ行うことができる。酸化剤溶液のような重合条件において上記浸透した単量体は重合し所望の伝導性ポリマーを形成する。したがって、単一層構造において所望の伝導性ポリマー層を得ることができる。上記工程後にさらなる洗浄工程を行うことができる。
例えば、メチルアルコールなどを用いて表面を洗浄させることにより一層表面の均一な伝導性ポリマー層を得ることができる。
次いで、上記固体ポリマー膜の側面が露出するよう所定の大きさに切断する段階(S37)を行う。本段階を通して上記固体ポリマー膜の第1及び第2主面に伝導性ポリマー層が残留し、各伝導性ポリマー層は切断された側面により分離された構造を有することができる。また、本切断段階において露出した側面のポリマー部分は後続工程において有機陽イオンと陰イオンが浸透する空間として提供されることができる。本切断工程は最終製品の大きさと形態を考慮して適切に変形しながら行うことができる。
上記切断工程(S37)後に得られた個別の固体ポリマー膜をイオン性液体または液体電解質に沈浸して伝導性ポリマーに変換させる段階(S38)を行う。本段階において使用できるイオン性液体または液体電解質は上記ポリマー膜に浸透できる有機陽イオンと有機陰イオンを含む。有機陽イオンとしてはイミダゾリウム(imidazolium)、ピリジウム(pyridinium)及び第4級アンモニウムで成る群から選択されたイオンが使用されることができ、有機陰イオンとしてはBF4 -、CF3SO3 -及び(CF3SO2)2N-で成る群から選択されたイオンが使用されることができるが、これに限定されるものではない。例えば、1-エチル-3-メチルイミダゾル(EMI)にアルキルハライドと反応させ1-エチル-3-メチルイミダゾリウムハライド(EMIX)を合成し、これにBF4 -、CF3SO3 -及び(CF3SO2)2N- などを添加してEMIBF4 -、EMI CF3SO3 -及びEMI(CF3SO2)2N-などの多様なイオン性液体を設けることができる。これと異なり、ピラジウムでアルキルハライドを反応させアルキルピラジウムハライド(APX)を合成し、これにBF4 -、CF3SO3 -及び(CF3SO2)2N-などを添加して APBF4、AP CF3SO3及びAP(CH3SO2)2Nなどの多様なイオン性液体を設けることができる。
最後に、固体電解質膜に変換された結果物を乾燥させる(S39)ことにより両面に伝導性ポリマー層を有する固体電解質膜を得ることができる。本乾燥工程は変形などを最少化するために、常温において行うことが好ましい。
(実施例)
本実施例は固体ポリマー膜として32%のアクリロニトリル成分が含まれたNBR膜を使用した。上記NBR膜の厚さは約180μｍであった(図4a参照)。
上記NBR膜を単量体溶液であるエチレンジオキシチオフェン(EDOT)溶液に10分間沈浸した。以後、上記NBR膜を取り出しフィルターペーパーで表面を拭いた。
次いで、上記NBR膜をFeCl4溶液(1〜1.5M)に24時間沈浸してEDOT単量体が重合するようにした。その重合反応結果、上記NBR表面に浸透したEDOT単量体はポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)(PEDOT)となった。次に、表面をメチルアルコールで数回洗浄した。
洗浄後に、表面全体に伝導性ポリマー層が形成されたNBR膜を4側面が全て新たに露出するよう四角形に切断した。本切断過程において露出した側面を観察した結果、伝導性ポリマー層はNBR成分により相互分離した形態となり、上記伝導性ポリマー層の各厚さが約20〜30μｍとなった。
続いて、切断されたNBR膜をLiClO4/プロフィレンカルボネート電解液に24時間のあいだ沈浸して電解液のイオン成分をNBR内部に浸透させ、次いで真空オーブンを利用して常温において24時間のあいだ乾燥させた。その結果、得られた固体電気活性駆動機は図4bから確認することができる。ここで、黒く表れる部分は伝導性高分子が塗布された部分である。
本実施例を通して得られた結果物に対してイオン伝導度を測定した結果、常温において10-3S/ｃｍとして従来の固体電気活性駆動機と類似するレベルであり、機械的物性は従来の3層構造の固体電気活性駆動機に比して遥かに優れていた。
本発明は上述した実施形態及び添付の図に限定されるものではなく、添付の請求範囲により限定されるものである。したがって、請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内で当技術分野において通常の知識を有する者により多様な形態の置換、変形及び変更が可能で、これもまた本発明の範囲に属するものといえるであろう。
従来の固体電気活性駆動機を示す断面図である。 本発明の一実施形態による固体電気活性駆動機を示す断面図である。 本発明の好ましき実施形態による固体電気活性駆動機の製造方法を説明するための工程フロー図である。 a及びbは各々本発明の実施例から得た結果物を撮影した写真である。 本発明の実施例から得た結果物における、伝導性ポリマーと固体ポリマー（ＮＢＲ）膜の関係を撮影した顕微鏡写真である。
符号の説明
20 固体電気活性駆動機
21 固体電解質膜
23a、23b 伝導性ポリマー層
25a、25b 電極
27 電圧印加部

Claims (8)

  1. 相互対向する第1及び第2主面を有する高分子固体電解質膜;及び、
    上記高分子固体電解質膜の第1及び第2主面の表面に各々浸潤して形成された第1及び第2伝導性ポリマー層を含む固体電気活性駆動機であって、
    上記高分子固体電解質膜はアクリロニトリルブタジエンゴム(acrylonitrile butadiene rubber: NBR)から得たことを特徴とする固体電気活性駆動機。
  2. 上記第1及び第2伝導性ポリマー層は上記伝導性ポリマー物質の単量体を各表面に浸透させた後重合させ得ることを特徴とする請求項1に記載の固体電気活性駆動機。
  3. 上記第1及び第2伝導性ポリマー層は、ポリピロール、ポリアニリン、ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)、ポリアセチレン、ポリ(p-フェニレン)、ポリチオフェン、ポリ(p-フェニレンビニレン)及びポリ(チエニレンビニレン)で成る群から選択された伝導性ポリマー物質であることを特徴とする請求項1に記載の固体電気活性駆動機。
  4. 上記高分子固体電解質膜は固体ポリマー膜を液体電解質またはイオン性液体に沈浸して有機陽イオンまたは有機陰イオンを上記固体ポリマー膜に浸透させ得たことを特徴とする請求項1に記載の固体電気活性駆動機。
  5. 相互対向する第1及び第2主面を有する固体ポリマー膜を設ける段階;
    上記固体ポリマー膜の第1及び第2主面に伝導性ポリマーの単量体を浸透させた後これを重合させることにより第1及び第2伝導性ポリマー層を形成する段階;及び
    上記固体ポリマー膜をイオン性液体または液体電解質に沈浸して伝導性ポリマーに変換させる段階を含む固体電気活性駆動機の製造方法であって、
    上記固体ポリマー膜はアクリロニトリルブタジエンゴム(acrylonitrile butadiene rubber: NBR)であることを特徴とする製造方法。
  6. 上記第1及び第2伝導性ポリマー層を形成する段階は、
    上記固体ポリマー膜を伝導性ポリマーの単量体溶液に沈浸させる段階と、上記固体ポリマー膜の表面に単量体成分を重合させ伝導性ポリマー層を形成する段階と、上記固体ポリマー膜の側面が露出するよう所定の大きさに切断する段階を含み、
    こうして上記切断された固体ポリマー膜はその第1及び第2主面に形成され各々切断された側面により分離された第1及び第2伝導性ポリマー層を有することを特徴とする請求項5に記載の固体電気活性駆動機の製造方法。
  7. 上記伝導性ポリマー形成段階において使用される単量体はピロール、アニリン、エチレンジオキシチオフェン、アセチレン、フェニレン、チオフェン、フェニレンビニレン及びチエニレンビニレンで成る群から選択された少なくとも一種であることを特徴とする請求項5に記載の固体電気活性駆動機の製造方法。
  8. 上記イオン性液体または液体電解質は、イミダゾリウム、ピリジウム及び第4級アンモニウムで成る群から選択された有機陽イオンと、BF4 -、CF3SO3 -及び(CF3SO2)2N-で成る群から選択された有機陰イオンを含むことを特徴とする請求項5に記載の固体電気活性駆動機の製造方法。
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