KR100924772B1 - 고속 고분자 구동기의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고속 고분자 구동기의 제조방법 및 이로부터 얻은 고속 고분자 구동기에 관한 것으로, 플라즈마 처리 공정을 이용하여 이온 전도성 고분자막의 표면이 균일하게 되도록 표면 처리함으로써, 기존의 샌드 블라스팅(sand blasting), 샌드 페이퍼(sand paper) 등의 표면 처리를 거쳐 제작된 고분자 구동기보다 균일한 표면을 갖게 되어 고분자막의 팽창과 수축이 쉽게 이루어지므로, 이에 따라 반응속도가 빠르며 고변위를 갖는 고분자 구동기를 제조할 수 있다.
플라즈마 처리, 고분자 구동기, 고속, 고변위
Description
본 발명은 고분자 구동기(폴리머 액추에이터, Polymer actuators)의 제조방법 및 이로부터 얻은 고속 고분자 구동기에 관한 것으로, 특히 카메라 모듈의 모터부분을 대체할 고속, 고변위의 고분자 구동기 제조방법 및 이로부터 얻은 고속 고분자 구동기에 관한 것이다.
본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2006-S-006-02, 과제명: 유비쿼터스 단말용 부품/모듈].
최근에 전기활성 고분자(electroactive polymer : EAP)의 하나인 이온성 고분자 금속 복합물(ionic polymer metal composite : IPMC)에 대한 연구가 많은 과학자들에 의해서 진행 중이다[참조: Geoffrey M. Spinks, etc., SPIE, 5051, 2003, 21-28].
IPMC는 플루오르로 치환된 이온성 고분자막과 전도성 금속의 복합물로서 나피온(nafion™)막의 양면에 금속 전극을 입힌 형태로 구성되어 있다. 금속 전극에 전계를 가하면 막 내부의 이온 이동에 따라 막이 부분적으로 팽창하고 구부러지게 되는데, 이러한 막의 특성에 기인하여 전기장 내에서 막의 변형이 일어나게 되며 그 변형 정도는 막의 양 표면에 위치한 전극에 인가하는 전압의 크기나 주파수에 따라 조절이 가능하다[참조: Barbar J. Akle and Donald J. Leo, SPIE, 5051, 2003, 214-225].
IPMC의 간단한 구동 원리를 도 1에 나타내었다. 도 1에서 보듯이 나피온의 양면에 입힌 금속 전극에 전압을 인가하는 경우, 양이온(cation)과 극성용매(polar solvent)는 인가되는 전압의 방향과 반대방향으로 움직임으로써 움직이는 쪽의 막의 변형이 일어나게 된다.
이와 같은 IPMC 제조에 있어서, 나피온의 표면 접착력을 향상시키기 위해 일반적으로 샌드 블라스팅(sand blasting), 샌드 페이퍼(sand paper), 융을 이용한 연마 등의 전처리를 수행한다[참조: Boyko L. Stoimenov etc., SPIE, 6413, 2006, 641302/1-641302/10].
하지만, 이러한 표면 처리 방법으로는 균일한 표면을 얻을 수 없으며, 이로 인해 나피온과 금속 전극과의 접착력이 나빠져 나피온의 변형 속도가 감소되는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 나피온 내부에 존재하는 이온의 종류를 변화시키거나 또는 금속 전극 형성시 도금의 환원 횟수를 변화시켜 나피온의 변형 속도를 증가시키는 방법이 개시되어 있다[참조: 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].
하지만, 이와 같은 방법은 나피온 자체의 재질을 개선시키는 방법이 아니며, 이에 본 발명자들은 나피온의 재질 측면에서 접근하여, 섀도 마스크를 이용하여 나피온을 비등방 및 등방 플라즈마 처리하는 경우, 나피온의 표면이 고속, 고변위를 가질 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 비등방 및 등방 플라즈마 처리를 이용하여 고분자막이 균일한 표면을 갖도록 함으로써, 고분자막의 팽창과 수축이 쉽게 이루어질 수 있도록 하여 고속, 고변위로 동작이 가능한 고분자 구동기 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 이온 전도성 고분자막의 표면이 균일하게 되도록 상기 이온 전도성 고분자막을 섀도 마스크, 포토 레지스트, 나노임프린트 중 어느 하나를 이용하여 비등방 플라즈마 처리한 후 상기 비등방 플라즈마 처리를 거친 이온 전도성 고분자막을 등방 플라즈마 처리하는 단계; 상기 이온 전도성 고분자막의 양면에 금속 전극을 흡착하는 단계; 상기 이온 전도성 고분자막의 양면에 고분자 금속 복합물을 환원하는 단계; 및 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 고속 고분자 구동기의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 비등방 및 등방 플라즈마 표면 처리를 거쳐 제작된 고분자 구동기는, 고속, 고변위를 가질 뿐만 아니라, 재현성이 뛰어나고 생산성이 높아 대량생산에도 이용가능하다.
이하, 본 발명에 따른 고속 고분자 구동기 및 그 제조방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 고속 고분자 구동기의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 고속 고분자 구동기의 제조 방법은, 이온 전도성 고분자막의 표면이 균일하게 되도록 표면 처리하는 표면 처리 단계(S210)와, 이온 전도성 고분자막의 양면에 금속 전극을 흡착하는 단계(S230)와, 이온 전도성 고분자막의 양면에 고분자 금속 복합물을 환원하는 단계(S250)와, 코팅층을 형성하는 단계(S270)를 포함한다.
상기 이온 전도성 고분자막으로 이 분야에 사용될 수 있는 이온 전도성 고분자막이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 나피온(Napion™)막이 사용될 수 있다.
상기 이온 전도성 고분자막의 양면에 입혀질 수 있는 금속 전극으로는 이 분야에 사용될 수 있는 금속이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 백금 또는 금이 사용될 수 있다. 그리고, 금속 전극의 도금 두께는 이 분야에 일반적으로 사용되는 두께일 수 있으며, 1 ㎛ ~ 20 ㎛의 두께인 것이 바람직하다.
그리고, 전기적인 장치에 의해 이온 전도성 고분자막으로부터 구부러짐 현상을 얻기 위해서 고분자막의 양 표면에 금속 전극을 입히기 위한 전기도금 방법은 Oguro(참조: K. Oguro, http://ndeaa.jpl.nasa.gov/nasa-nde/lommas/eap/IPMC_htm) 그룹에서 사용하는 방법을 사용할 수 있다.
본 발명은 표면 처리 단계(S210)에서 플라즈마 처리 공정을 이용하여 이온 전도성 고분자막의 표면이 균일하게 되도록 표면 처리함으로써, 이온 전도성 고분자막의 팽창과 수축이 쉽게 이루어지도록 한 것에 가장 큰 특징이 있으며, 이하의 설명에서 표면 처리 단계(S210)와 이에 후속하는 금속 전극 흡착 단계(S230), 고분자 금속 복합물 환원 단계(S250) 및 코팅층 형성 단계(S270)에 대하여 보다 자세히 설명하면 다음과 같다.
(1) 표면 처리 단계(S210)
표면 처리 단계(S210)는 플라즈마 처리 공정을 이용하여 이온 전도성 고분자막의 표면이 균일하게 되도록 표면 처리함으로써 이온 전도성 고분자막의 팽창과 수축이 쉽게 이루어지도록 하는 단계로, 이에 대하여 도 3a 내지 도 3d를 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 표면 처리 단계(S210)에서 수행되는 플라즈마 처리 공정을 설명하기 위한 도면으로, 이온 전도성 고분자막으로 나피온이 사용되었다.
우선, 도 3a와 같은 나피온을 준비한 후, 도 3b에 도시된 섀도 마스 크(shadow mask)를 이용하여 240W 이상의 높은 전력에서 산소 비등방 플라즈마 처리를 수행하면, 도 3c에 도시된 바와 같이 큰 우물(trench)형태로 식각된 형태의 표면을 얻게 된다.
여기에서, 상기 섀도 마스크는 도 3b에 도시된 바와 같이 선택적인 식각을 위해 레이저를 이용하여 박막 금속(10)을 10 내지 100 ㎛ 굵기로 길게 절단하여 제작된 것으로, 고분자 구동기가 쉽게 이동할 수 있는 형상, 예를 들어 스트라이프 형상(20)으로 패터닝되는 것이 바람직하다.
한편, 본 실시예에서는 섀도 마스크를 이용하여 비등방 플라즈마 처리를 수행하는 것으로 설명하였지만, 섀도 마스크 외에 포토 레지스트, 나노임프린트(nanoimprint) 등을 이용하여 비등방 플라즈마 처리 공정을 수행하는 것도 가능함은 물론이다.
그 다음, 섀도 마스크 없이 120W 이하의 낮은 전력에서 등방 플라즈마 처리를 수행하면, 도 3d에 도시된 바와 같이 작은 기둥들이 반복적으로 패터닝된 형태의 균일한 표면을 얻게 된다.
이와 같은 비등방 및 등방 플라즈마 처리 공정을 거친 나피온의 표면 상태가 도 4a 및 도 4b에 도시되어 있다.
도 4a는 본 발명에 따라 나피온을 비등방 및 등방 플라즈마 처리한 후에 나피온의 표면 상태를 190배로 확대한 주사현미경 사진이고, 도 4b는 도 4a의 나피온의 표면 상태를 10000배로 확대한 주사현미경 사진이다.
도 4a 및 도 4b에서와 같이, 본 발명의 플라즈마 처리 공정을 이용한 표면 처리 단계를 거친 나피온의 표면 상태는 매우 균일한 것을 확인할 수 있다.
즉, 본 발명에 따라 플라즈마 처리 공정을 이용한 표면 처리를 수행하는 경우, 매우 균일한 표면을 갖는 나피온을 얻을 수 있으며, 이에 따라 후속하는 금속 전극 흡착 단계(S230)에서 나피온의 표면에 금속 전극을 흡착시킬 때, 나피온의 표면과 금속 전극의 흡착력이 향상된다.
따라서, 본 발명에 따른 표면 처리 단계(S210)를 거쳐 제조된 고분자 구동기의 금속 전극에 전계를 가하면 금속 전극이 나피온의 팽창과 수축되어지는 면과 동일한 쪽으로 쉽게 구부러짐으로써 더 빠른 반응속도와 더 큰 변위를 얻을 수 있다.
(2) 금속 전극 흡착 단계(S230)
금속 전극 흡착 단계(S230)는 크게 이온 교환(흡착), 1차 도금(환원), 2차 환원(표면 전극화) 단계로 나뉘며, 각 단계에 대하여 더 자세히 설명하면 다음과 같다.
(2-1) 이온 교환(흡착) : 백금 착물(예를 들면, [Pt(NH3)4]Cl2 또는 [Pt(NH3)6]Cl4 사용)을 사용하여, 나피온의 친수성기인 술폰산기(-SO3H)의 H+를 Pt 이온기[Pt(NH3)4]2+로 치환한다.
(2-2) 1차 도금(환원) : 나피온 내부로 흡착(2-1 과정)된 백금염을 백금 금속으로 환원한다.
NaBH4 + 4[Pt(NH3)4]2+ + 8OH- → 4Pt0 (s) + 16 NH3 (g) + NaBO2 + 6H2O (l)
여기에서, 환원제로는 NaBH4를 사용하였다.
(2-3) 2차 환원(표면 전극화) : 고분자 표면의 백금층위에 금속(백금)을 추가하여 전극이 백금으로 도금되도록 한다.
도 4c는 본 발명에 따른 표면 처리 단계(S210)와 이에 후속하는 금속 전극 흡착 단계(S230)를 거친 후에 금속 전극이 도금된 나피온의 표면을 10000배로 확대한 주사현미경 사진으로, 도 4c에 도시된 바와 같이, 도금 후에도 균일한 표면이 그대로 유지됨을 알 수 있다.
(3) 고분자 금속 복합물 환원 단계(S250)
고분자 금속 복합물 환원 단계(S250)는 크게 이온 치환, 물 제거, 용매 치환 단계로 나뉘며, 각 단계에 대하여 더 자세히 설명하면 다음과 같다.
(3-1) 이온 치환 : 나피온에 존재하고 있는 H이온을 Li이온으로 치환한다.
여기에서, 상기 치환된 Li 이온이 나피온 내부에서 움직여서 막의 변형을 가져오게 된다.
(3-2) 물 제거 : 고분자 구동기를 진공 상태에서 건조시켜 물을 제거한다. 이 경우, 건조 온도는 물의 끓는점 이상의 온도, 예를 들면 110℃이고, 건조 시간은 10 내지 14시간이다.
(3-3) 용매 치환 : 50 내지 70℃의 온도로 가열하면서 고분자 구동기를 치환 용매에서 팽창한다. 용매가 치환된 고분자 구동기를 진공상태에서 건조한다. 이 경우, 건조 온도는 100 내지 120℃이며, 건조 시간은 2 내지 4시간이다.
(4) 코팅층 형성 단계(S270)
코팅층 형성 단계(S270)에서는 상기 도금된 금속 전극의 표면상에 코팅층을 형성한다.
상기 코팅층은 탄성 및 내화학성을 갖는 코팅 물질로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 코팅 물질의 구체적인 예로는 폴리우레탄 또는 실리콘이 사용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 비등방 및 등방 플라즈마 처리 공정을 이용하여 표면 처리된 나피온의 변위와 반응 시간과, 등방 플라즈마 처리 공정만을 이용하여 표면 처리된 나피온의 변위와 반응 시간을 각각 측정한 그래프이다.
실험 조건으로, 폴리머 액추에이터의 크기는 3 x 8 mm2, 인가 직류 전압은 3 V, 인가 주파수는 0.1 Hz, 사용된 용매는 EMIM-TfO, 표면 코팅층은 실리콘 재질이다.
도 5의 실험 결과를 반응 시간과 변위로 요약하면 다음의 표 1과 같이 나타낼 수 있다.
표 1에서, 변위를 250 ㎛로 고정한 이유는 카메라 모듈의 자동초점시 접사모드가 가능하기 위해서 실제 렌즈가 움직여야 할 거리가 약 250 ㎛이기 때문에 변위를 250㎛으로 고정하고 반응시간을 나타내었다.
표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 비등방 및 등방 플라즈마 처리 공정을 이용하여 표면 처리된 나피온의 반응시간이, 등방 플라즈마 처리 공정만을 이용하여 표면 처리된 나피온의 반응 시간 보다 거의 두 배 이상 빨라졌으며, 변위 또한 1.5배 커졌음을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 비등방 및 등방 플라즈마 표면 처리 공정을 거쳐 제작된 고분자 구동기는, 기존의 샌드 블라스팅(sand blasting), 샌드 페이퍼(sand paper) 등의 표면 처리를 거쳐 제작된 고분자 구동기보다 균일한 표면을 갖게 되어 고분자막의 팽창과 수축이 쉽게 이루어지므로, 이에 따라 반응속도가 빠르며, 고변위를 갖게 되는 장점이 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 고분자 구동기의 동작 원리를 도시화한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 고속 고분자 구동기의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 표면 처리 단계에서 수행되는 플라즈마 처리 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a는 본 발명에 따라 나피온을 비등방 및 등방 플라즈마 처리한 후에 나피온의 표면 상태를 190배로 확대한 주사현미경 사진이고, 도 4b는 도 4a의 나피온의 표면 상태를 10000배로 확대한 주사현미경 사진이다.
도 4c는 본 발명에 따른 표면 처리 단계와 이에 후속하는 금속 전극 흡착 단계를 거친 후에 금속 전극이 도금된 나피온의 표면을 10000배로 확대한 주사현미경 사진이다.
도 5는 본 발명의 비등방 및 등방 플라즈마 처리 공정을 이용하여 표면 처리된 나피온의 변위와 반응 시간과, 등방 플라즈마 처리 공정만을 이용하여 표면 처리된 나피온의 변위와 반응 시간을 각각 측정한 그래프이다.
Claims (7)
- 이온 전도성 고분자막의 표면이 균일하게 되도록 상기 이온 전도성 고분자막을 섀도 마스크, 포토 레지스트, 나노임프린트 중 어느 하나를 이용하여 비등방 플라즈마 처리한 후 상기 비등방 플라즈마 처리를 거친 이온 전도성 고분자막을 등방 플라즈마 처리하는 단계;상기 이온 전도성 고분자막의 양면에 금속 전극을 흡착하는 단계;상기 이온 전도성 고분자막의 양면에 고분자 금속 복합물을 환원하는 단계; 및코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 고분자 구동기의 제조방법.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 1항에 있어서,상기 비등방 플라즈마 처리를 거친 이온 전도성 고분자막은 큰 우물(trench)형태로 식각된 형태의 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 고속 고분자 구동기의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 등방 플라즈마 처리를 거친 이온 전도성 고분자막은 작은 기둥들이 반복적으로 패터닝된 형태의 균일한 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 고속 고분자 구동기의 제조방법.
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