JP4819100B2 - 高速高分子アクチュエーター及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、高分子アクチュエーター（ポリマーアクチュエーター、Polymer actuators）の製造方法及びこれから得た高速高分子アクチュエーターに関するものであって、特にカメラモジュールのモーター部分を代替する高速、高変位の高分子アクチュエーター製造方法及びこれから得た高速高分子アクチュエーターに関する。
本発明は、韓国情報通信部及び情報通信研究振興院のＩＴ源泉技術開発事業の一環として行った研究から導き出されたものである［課題管理番号：２００６−Ｓ−００６−０２、課題名：ユビキタス端末用部品／モジュール］。
最近、エレクトロアクティブポリマー（electroactive polymer：ＥＡＰ）の１つであるイオン伝導性高分子金属複合体（ionic polymer metal composite:IPMC）に関する研究が多くの科学者らによって進行中にある［参照：Geoffrey M. Spinks, etc., SPIE, 5051, 2003, 21-28］。
ＩＰＭＣは、フッ素で置換されたイオン伝導性高分子膜と導電性金属の複合体であって、ナフィオン（ｎａｆｉｏｎＴＭ）膜の両面に金属電極を被覆した形態で構成されている。金属電極に電界を加える場合、膜の内部のイオン移動によって膜が部分的に膨脹し曲がるようになる。このような膜の特性に起因して電場内で膜の変形が起きるようになり、その変形程度は、膜の両表面に位置する電極に印加する電圧の大きさや周波数によって調節が可能である［参照：Barbar J. Akle and Donald J. Leo, SPIE, 5051, 2003, 214-225］。
ＩＰＭＣの簡単な駆動原理を図１に示した。図１から分かるように、ナフィオン膜の両面に形成した金属電極に電圧を印加する場合、左側と右側のように、陽イオン（cation）と極性溶媒（polar solvent）は、印加される電圧の方向と反対方向に動くことになり、ナフィオン膜の変形が起きるようになる。
このようなＩＰＭＣの製造において、ナフィオンとの表面接着力を向上させるために、一般的にサンドブラスティング（sand blasting）、サンドペーパー（sand paper）、コットンフランネル(cotton flannel)を利用した研磨などの前処理を行う［参照：Boyko L. Stoimenovetc., SPIE, 6413, 2006, 641302/1-641302/10］。
しかし、このような表面処理方法では均一な表面を得ることができず、これにより、ナフィオンと金属電極との接着力が悪くなり、ナフィオンの変形速度が減少する問題点がある。
このような問題点を解決するために、ナフィオンの内部に存在するイオンの種類を変化させるか、または金属電極の形成時にメッキすなわち還元の回数を変化させてナフィオンの変形速度を増加させる方法が開示されている［参照：Keisuke Oguro etc., SPIE, 3669, 1999, 64-71:Mohsen Shahinpoor and Kwang J. Kim, SPIE, 3987, 2000, 110-120:Kazuo Onishi etc., SPIE, 3987, 2000, 121-128］。
しかし、このような方法は、ナフィオン自体を改善させる方法ではない。そこで、本発明者らは、ナフィオンの表面に着目し、シャドーマスクを利用してナフィオンを非等方及び等方プラズマ処理する場合、ナフィオンが高速、高変位を有することができることを知得し、本発明を完成した。
Proc. of IEEE-sensors (2004), Vol. 2, pp 619-622, Lakshmi Supriya and Richard O. Claus, "Fabrication of Electrodes for Polymer Actuators and Sensors via Self-Assembly" Proc. of SPIE (2006), Vol. 6413, pp 641302/1-10, Boyko L. Stoimenov et al., "Anisotropic surface roughness enhances bending response of ionic polymer-metal composite (IPMC) artificial muscles"
Proc. of IEEE-sensors (2004), Vol. 2, pp 619-622, Lakshmi Supriya and Richard O. Claus, "Fabrication of Electrodes for Polymer Actuators and Sensors via Self-Assembly" Proc. of SPIE (2006), Vol. 6413, pp 641302/1-10, Boyko L. Stoimenov et al., "Anisotropic surface roughness enhances bending response of ionic polymer-metal composite (IPMC) artificial muscles"
本発明の目的は、非等方及び等方プラズマ処理を利用して高分子膜が均一な表面を有するようにすることによって、高分子膜の膨脹や収縮が容易になされることができるようにして、高速、高変位で動作が可能な高分子アクチュエーター及びその製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る高速高分子アクチュエーターの製造方法は、プラズマ処理工程を利用してイオン伝導性高分子膜の表面が均一になるように表面処理する段階と、前記イオン伝導性高分子膜の両面に金属電極を吸着する段階と、前記イオン伝導性高分子膜の両面に高分子金属複合体を還元する段階と、コーティング層を形成する段階とを含む。
前記表面処理段階において、前記イオン伝導性高分子膜を非等方プラズマ処理した後、等方プラズマ処理することが好ましい。
また、前記イオン伝導性高分子膜は、ナフィオン（ＮａｆｉｏｎＴＭ）膜であることが好ましい。
一方、上記目的を達成するために、本発明の他の態様に係る高速高分子アクチュエーターは、プラズマ処理工程を利用してイオン伝導性高分子膜の表面が均一になるように表面処理する段階と、前記イオン伝導性高分子膜の両面に金属電極を吸着する段階と、前記イオン伝導性高分子膜の両面に高分子金属複合体を還元する段階と、コーティング層を形成する段階とを含む方法から製造される。
本発明の非等方及び等方プラズマ表面処理を経て製作された高分子アクチュエーターは、高速、高変位を有するだけでなく、再現性に優れており、且つ生産性が高いため、大量生産にも利用可能である。
以下、本発明による高速高分子アクチュエーター及びその製造方法について添付の図面を参照して詳細に説明する。
図２は、本発明による高速高分子アクチュエーターの製造方法を説明するための流れ図である。
図２を参照すれば、本発明による高速高分子アクチュエーターの製造方法は、イオン伝導性高分子膜の表面が均一になるように表面処理する表面処理段階（Ｓ２１０）と、イオン伝導性高分子膜の両面に金属電極を吸着する段階（Ｓ２３０）と、イオン伝導性高分子膜の両面に高分子金属複合体を還元する段階（Ｓ２５０）と、コーティング層を形成する段階（Ｓ２７０）とを含む。
図２を参照すれば、本発明による高速高分子アクチュエーターの製造方法は、イオン伝導性高分子膜の表面が均一になるように表面処理する表面処理段階（Ｓ２１０）と、イオン伝導性高分子膜の両面に金属電極を吸着する段階（Ｓ２３０）と、イオン伝導性高分子膜の両面に高分子金属複合体を還元する段階（Ｓ２５０）と、コーティング層を形成する段階（Ｓ２７０）とを含む。
前記イオン伝導性高分子膜として、この分野に使われることができるイオン伝導性高分子膜を使用することができ、好ましくは、ナフィオン（ＮａｆｉｏｎＴＭ）膜を使用することができる。
前記イオン伝導性高分子膜の両面に被覆されることができる金属電極としては、この分野に使われることができる金属を使用することができ、好ましくは、白金または金を使用することができる。そして、金属電極のメッキ厚さは、この分野に一般的に使われる厚さであることができ、１μｍ〜２０μｍの厚さであることが好ましい。
そして、電気的な装置によってイオン伝導性高分子膜の曲がり現象を得るために、高分子膜の両表面に金属電極を被覆するための電気メッキ方法は、Ｏｇｕｒｏ（参照：K. Oguro, http://ndeaa.Jpl.nasa.gov/nasa-nde/lommas/eap/IPMC_htm）グループで使う方法を使用することができる。
本発明は、表面処理段階（Ｓ２１０）でプラズマ処理工程を利用してイオン伝導性高分子膜の表面が均一になるように表面処理することによって、イオン伝導性高分子膜の膨脹や収縮が容易になされるようにしたことに最大の特徴がある。以下では、表面処理段階（Ｓ２１０）、これに後続する金属電極吸着段階（Ｓ２３０）、高分子金属複合体還元段階（Ｓ２５０）及びコーティング層形成段階（Ｓ２７０）についてさらに詳しく説明する。
（１）表面処理段階（Ｓ２１０）
表面処理段階（Ｓ２１０）は、プラズマ処理工程を利用してイオン伝導性高分子膜の表面が均一になるように表面処理することによって、イオン伝導性高分子膜の膨脹や収縮が容易になされるようにする段階である。これについて図３ａ乃至図３ｄを参照して具体的に説明する。
表面処理段階（Ｓ２１０）は、プラズマ処理工程を利用してイオン伝導性高分子膜の表面が均一になるように表面処理することによって、イオン伝導性高分子膜の膨脹や収縮が容易になされるようにする段階である。これについて図３ａ乃至図３ｄを参照して具体的に説明する。
図３ａ乃至図３ｄは、本発明の表面処理段階（Ｓ２１０）で行われるプラズマ処理工程を説明するための図であって、イオン伝導性高分子膜としてナフィオンが使用された。
まず、図３ａのようなナフィオンを用意した後、図３ｂに示されたシャドーマスク（shadow mask）を利用して２４０Ｗ以上の高い電力で酸素非等方プラズマ処理を行う場合、図３ｃに示されたように、前記ナフィオンは、トレンチ（trench）形状でエッチングされた表面を得るようになる。
ここで、前記シャドーマスクは、図３ｂに示されたように、選択的なエッチングのためにレーザーを利用して金属薄膜１０に１０乃至１００μｍの幅で長く切断して製作されたもので、高分子アクチュエーターが容易に動作することができる形状、例えばストライプ形状２０でパターニングされることが好ましい。
一方、本実施例では、シャドーマスクを利用して非等方プラズマ処理を行うものとして説明したが、シャドーマスク以外にフォトレジスト、ナノインプリント（nanoimprint）などを利用して本工程を行うことも可能であることは勿論である。
次に、シャドーマスクなしに１２０Ｗ以下の低い電力で等方プラズマ処理を行う場合、図３ｄに示されたように、前記ナフィオンは、小さい柱が反復的にパターニングされた形態の均一な表面を得るようになる。
このような非等方及び等方プラズマ処理工程を経たナフィオンの表面状態が図４ａ及び図４ｂに示されている。
図４ａは、本発明によってナフィオンを非等方及び等方プラズマ処理した後、ナフィオンの表面を１９０倍に拡大した走査型電子顕微鏡写真であり、図４ｂは、図４ａのナフィオンの表面を１００００倍に拡大した走査型電子顕微鏡写真である。
図４ａ及び図４ｂに示されたように、本発明のプラズマ処理工程を利用した表面処理段階を経たナフィオンの表面状態は、非常に均一であることを確認することができる。
すなわち、本発明によってプラズマ処理工程を利用した表面処理を行う場合、非常に均一な表面を有するナフィオンを得ることができ、これにより、後続する金属電極吸着段階（Ｓ２３０）でナフィオンの表面に金属電極を吸着させる時、ナフィオンの表面と金属電極との吸着力が向上する。
したがって、本発明による表面処理段階（Ｓ２１０）を経て製造された高分子アクチュエーターの金属電極に電界を加える場合、金属電極がナフィオンの膨脹や収縮がなされる面と同一側に容易に曲がることによって、一層速い変位速度とさらに大きい変位を得ることができる。
（２）金属電極吸着段階（Ｓ２３０）
金属電極吸着段階（Ｓ２３０）は、大きく、イオン交換（吸着）、１次メッキ（還元）、２次還元（表面電極化）段階に分けられる。以下、各段階についてさらに詳しく説明する。
金属電極吸着段階（Ｓ２３０）は、大きく、イオン交換（吸着）、１次メッキ（還元）、２次還元（表面電極化）段階に分けられる。以下、各段階についてさらに詳しく説明する。
（２−１）イオン交換（吸着）：白金錯体（例えば、［Ｐｔ（ＮＨ３）４］Ｃｌ２または［Ｐｔ（ＮＨ３）６］Ｃｌ４使用）を使用して、ナフィオンの親水性基であるスルホン酸基（−ＳＯ３Ｈ）のＨ＋をＰｔイオン基［Ｐｔ（ＮＨ３）４］２＋に置換する。
（２−２）１次メッキ（還元）：ナフィオンに吸着（２−１過程）された白金塩を白金金属に還元する。
ＮａＢＨ４＋４［Ｐｔ（ＮＨ３）４］２＋＋８ＯＨ−→４Ｐｔ０（ｓ）＋１６ＮＨ３（ｇ）＋ＮａＢＯ２＋６Ｈ２Ｏ（ｌ）
ここで、還元剤としてＮａＢＨ４を使用した。
ＮａＢＨ４＋４［Ｐｔ（ＮＨ３）４］２＋＋８ＯＨ−→４Ｐｔ０（ｓ）＋１６ＮＨ３（ｇ）＋ＮａＢＯ２＋６Ｈ２Ｏ（ｌ）
ここで、還元剤としてＮａＢＨ４を使用した。
（２−３）２次還元（表面電極化）：高分子（ナフィオン）表面の白金層上に金属（白金）を追加し、電極が白金（金属）でメッキされるようにする。
図４ｃは、本発明による表面処理段階（Ｓ２１０）とこれに後続する金属電極吸着段階（Ｓ２３０）を経た後、金属電極がメッキされたナフィオンの表面を１００００倍に拡大した走査型電子顕微鏡写真である。図４ｃに示されたように、メッキ後にも均一な表面がそのまま維持されることが分かる。
（３）高分子金属複合体還元段階（Ｓ２５０）
高分子金属複合体還元段階（Ｓ２５０）は、大きく、イオン置換、水除去、溶媒置換段階に分けられる。以下、各段階についてさらに詳しく説明する。
高分子金属複合体還元段階（Ｓ２５０）は、大きく、イオン置換、水除去、溶媒置換段階に分けられる。以下、各段階についてさらに詳しく説明する。
（３−１）イオン置換：ナフィオンに存在しているＨ＋イオンをＬｉ＋イオンに置換する。
ここで、前記置換されたＬｉ＋イオンが、高分子アクチュエーターの動作時には、ナフィオンの内部で動いて膜の変形をもたらすようになる。
ここで、前記置換されたＬｉ＋イオンが、高分子アクチュエーターの動作時には、ナフィオンの内部で動いて膜の変形をもたらすようになる。
（３−２）水除去：高分子駆動器（ナフィオン膜）を真空状態で乾燥させて水を除去する。この場合、乾燥温度は、水の沸騰点以上の温度、例えば１１０℃であり、乾燥時間は、１０乃至１４時間である。
（３−３）溶媒置換：５０乃至７０℃の温度で加熱しながら高分子駆動器を置換溶媒で膨脹する。溶媒が置換された高分子駆動器を真空状態で乾燥する。この場合、乾燥温度は、１００乃至１２０℃であり、乾燥時間は、２乃至４時間である。
（４）コーティング層形成段階（Ｓ２７０）
コーティング層形成段階（Ｓ２７０）では、前記メッキされた金属電極の表面上にコーティング層を形成する。
コーティング層形成段階（Ｓ２７０）では、前記メッキされた金属電極の表面上にコーティング層を形成する。
前記コーティング層は、弾性及び耐化学性を有するコーティング物質で形成されることが好ましく、前記コーティング物質の具体的な例としては、ポリウレタンまたはシリコーンが使用されることができる。
図５は、本発明の非等方及び等方プラズマ処理工程を利用して表面処理されたナフィオンの変位と変位にかかる時間と、等方プラズマ処理工程だけを利用して表面処理されたナフィオンの変位と変位にかかる時間をそれぞれ測定したグラフである。
実験条件として、ポリマーアクチュエーターの大きさは、３ｘ８ｍｍ２、印加直流電圧は、３Ｖ、印加周波数は、０．１Ｈｚ、使用された溶媒は、ＥＭＩＭ−ＴｆＯ、表面コーティング層は、シリコーン材質である。
図５の実験結果を時間と変位の関係について要約すれば、次の表１のように示すことができる。
表１で、変位を２５０μｍに固定した理由は、カメラモジュールの自動焦点時に、接写モードを可能にするために、実際レンズが動かなければならない距離が約２５０μｍであるから、変位を２５０μｍに固定し、変位にかかる時間を示した。
表１から分かるように、本発明の非等方及び等方プラズマ処理工程を利用して表面処理されたナフィオンの変位時間が、等方プラズマ処理工程だけを利用して表面処理されたナフィオンの変位時間よりほぼ半分以下となり、変位も１．５倍大きくなったことが分かる。
したがって、本発明の非等方及び等方プラズマ表面処理工程を経て製作された高分子アクチュエーターは、従来のサンドブラスティング（sand blasting）、サンドペーパー（sand paper）などの表面処理を経て製作された高分子アクチュエーターより均一な表面を有するようになり、高分子膜の膨脹や収縮が容易になされるので、これにより、変位速度が速く、且つ高変位を有するようになるという長所がある。
以上、本発明についてその好ましい実施例を中心にして説明したが、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者は、本発明が本発明の本質的な特性から脱しない範囲で変形された形態で具現されることができることを理解することができる。それゆえ、開示された実施例は、限定的な観点でなく、説明的な観点で考慮すべきものである。本発明の範囲は、前述した説明でなく、特許請求範囲に示されており、それと同等な範囲内にある全ての差異点は、本発明に含まれたものに解すべきである。
Claims (5)
- イオン伝導性高分子膜の表面をストライプ形状のシャドーマスクを利用して非等方プラズマ処理する段階と、
前記非等方プラズマ処理された前記イオン伝導性高分子膜の表面をマスクなしに等方プラズマ処理する段階と、
表面処理された前記イオン伝導性高分子膜の両面に金属電極を吸着する段階と、
前記イオン伝導性高分子膜の両面に高分子金属複合体を還元する段階と、
コーティング層を形成する段階と、
を含むことを特徴とする高速高分子アクチュエーターの製造方法。 - 前記イオン伝導性高分子膜は、ナフィオン（ＮａｆｉｏｎＴＭ）であることを特徴とする請求項１に記載の高速高分子アクチュエーターの製造方法。
- 前記第１段階を経た前記イオン伝導性高分子膜は、トレンチ（trench）形態でエッチングされた形態の表面を有することを特徴とする請求項１に記載の高速高分子アクチュエーターの製造方法。
- 前記第２段階を経た前記イオン伝導性高分子膜は、小さい柱が反復的にパターニングされた形態の均一な表面を有することを特徴とする請求項１に記載の高速高分子アクチュエーターの製造方法。
- 請求項１乃至４のいずれかに記載の方法によって製造された高速高分子アクチュエーター。
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