KR100953442B1 - 탄소집합체가 혼입된 이온성 고분자 구동기 및 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이온성 고분자막에 탄소집합체 혼입된 고분자 구동기 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 이온성 고분자막을 용해시켜 용해된 이온성 고분자막에 탄소집합체를 분산시켜 고분자 구동기를 형성함으로써, 높은 구동력과 변위를 갖는 구동기와 센서로 활용가능한 복합체(IPMC) 및 이의제조 방법에 관한 것이다.

탄소집합체, 풀러렌(Fullerene), IPMC, Straightening back

Description

탄소집합체가 혼입된 이온성 고분자 구동기 및 제조방법{Carbon aggregate mixed IPMC actuator and method of it}

본 발명은 높은 구동력과 변위를 갖는 구동기 및 센서로 활용가능한 고분자 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 이온성 고분자막에 탄소집합체를 혼입시켜, 이온성 혼합막을 갖는 구동기 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 IPMC(Ionic Polymer Metal Composite;이온교환 고분작 복합체)는 양이온만을 선택적으로 통과시키는 이온-교환 고분자막에 금속전극층을 형성시켜 전압을 인가했을 때 고분자 자체가 구동되어지는 전기활성고분자(Electro Active Polymer)중의 하나로서, 고유의 성질이 인간의 근육과 비슷하게 질기고, 힘의 변경이 가능하여 인체 내 장기를 이동하면서 진료행위를 할 수 있는 의료용 로봇을 비롯하여 인공 근육, 의료용 센서 등 다양한 분야에의 적용이 가능하다.

그러나, 현재 제공되고 있는 IPMC는 이온-교환막으로 사용시 이온성 고분자 막의 두께가 180㎛정도의 얇은 두께로 정해져 있어 응용범위에 한계가 있고, 또한 이러한 얇은 두께의 이온성 고분자막으로 제조된 IPMC는 저전압에서의 변위는 뛰어나나 구동력이 현저히 떨어지는 문제점이 있었다.

아울러, 순수 이온성 고분자막으로 제작된 IPMC 구동기는 시간이 지날수록 양이온과 결합하고 있는 물 분자가 이탈함으로써 변위유지를 잃게 되는 현상(Straightening back)이 있었다.

본 발명에 따른 탄소집합체가 혼입된 이온성 고분자 구동기는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 높은 구동력과 변위를 갖는 고분자 구동기의 제공을 제 1 목적으로 한다.

또한, 순수 이온성 고분자막으로 제작된 IPMC 구동기가 DC전압 인가시 변위유지를 잃게 되는 현상(Straightening back)을 완화할 수 있는 이온성 고분자 구동기의 제공을 제 2 목적으로 한다.

또한, 이온성 고분자막에 탄소집합체를 분산시킴으로써, 낮은 전력으로도 작동이 가능한 이온성 고분자 구동기의 제공을 제 3 목적으로 한다.

아울러, 상술한 목적을 달성하기 위한 이온성 고분자 구동기의 제조방법의 제공을 제 4 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소집합체가 혼입된 이온성 고분자 구동기는 이온성 고분자막에 탄소집합체가 혼입된 혼합막 및 상기 고분자막의 양면에 형성된 금속층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 혼합막의 양면과 상기 금속층 사이에는 이온성 고분자막이 더 형성된 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소집합체가 혼입된 이온성 고분자 구동기는 이온성 고분자막, 상기 이온성 고분자막의 양면에 형성되며, 이온성 고분자에 탄소집합체가 혼입된 혼합막 및 상기 각각의 혼합막 일면에 형성된 금속층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

아울러, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소집합체가 혼입된 이온성 고분자 구동기의 제조방법은 이온성 고분자막을 용해시켜 액상으로 형성하는 제 1 단계, 액상의 상기 이온성 고분자막에 탄소집합체를 분산시켜 혼합액을 형성하는 제 2 단계, 상기 혼합액을 필름 막 형태로 형성하는 제 3 단계 및 상기 필름 막에 금속층을 형성하고 절단하여 구동기를 완성하는 제 4 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 다음과 같은 우수한 효과가 있다.

이온성 고분자막에 탄소집합체를 분산시킴으로써, 고분자 구동기가 높은 구동력과 변위를 갖는 효과가 있다.

또한, 순수 이온성 고분자막으로 제작된 구동기가 전압 인가시 변위유지를 잃게 되는 현상(Straightening back)을 완화할 수 있는 효과가 있다.

아울러, 이온성 고분자막에 전기 전도성 있는 탄소집합체를 분산시킴으로써, 소비전력을 절감할 수 있는 효과가 있다.

이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.

그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 탄소집합체가 혼입된 이온성 고분자 구동기(100)의 전체구성도다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 탄소집합체가 혼입된 이온성 고분자 구동기(100)는 이온성 고분자막(110)에 탄소집합체(120)가 혼입된 혼합막 및 상기 고분자막(110)의 양면에 형성된 금속층(130)을 포함한다.

상기 혼합막은 상기 이온성 고분자막(110)에 상기 탄소집합체(120)를 분산시켜 구비하며, 혼합막의 제조방법에 대해서는 이하, 후술할 본 발명의 실시예에 따른 탄소집합체가 혼입된 이온성 고분자 구동기의 제조방법에서 상세하게 설명한다.

이때, 상기 이온성 고분자막(110)은 PVDF(Poly vinyl difluoride), SSEBS(Sulfonated poly(stylene-b-[ethylene/butylene]-b-styrene)), Nafion 등으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나를 이용할 수 있다.

다만 본 발명의 제 1 실시예에 있어서는 Nafion을 이용하며, 이하 후술 되는 본 발명의 모든 실시예에서는 Nafion을 이용한다.

한편, 상기 이온성 고분자막(110)에 분산되는 탄소집합체(120)는 탄소개수가 60, 70, 72, 84, 180 등 다양한 탄소 동위원소 중 어느 하나로 구비될 수 있다.

다만, 본 발명의 제 1 실시예에 있어서는 탄소의 결합개수가 60개로써 축구공 형 탄소결합구조를 갖는 풀러렌(Fullerene)을 상기 이온성 고분자 막(110)에 분산시켜 상기 혼합막을 구비하였으며, 이하 후술 되는 본 발명의 모든 실시 예에서는풀러렌(Fullerene)을 이용하여 상기 혼합막을 형성하였다.

상기 금속층(130)은 필름 막 형태로 상기 혼합막의 양면에 형성된다.

상기 금속층(130)은 전기전도성이 있는 다양한 재료로 구비될 수 있으나, 본 발명의 모든 실시예에 있어서는 상기 금속층(130)은 백금으로 구비된다.

이하, 도 2를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 탄소집합체가 혼입된 이온성 고분자 구동기(200)는 이온성 고분자막(140), 상기 이온성 고분자막(140)의 양면에 형성되며, 이온성 고분자에 탄소집합체(120)가 혼입된 혼합막 및 상기 각각의 혼합막 일면에 형성된 금속층(130)을 포함한다.

상기 이온성 고분자막(140), 혼합막 및 금속층(130)은 본 발명의 제 1 실시예에서 상술한바와 동일하므로 상세한 설명을 생략한다.

다만, 본 발명에 따른 탄소집합체가 혼입된 이온성 고분자 구동기(200)의 제 2 실시예에 있어서는, 순수 이온성 고분자막(140)의 양면에 상기 혼합막을 형성하고, 상기 혼합막의 각각의 일면에 금속층(130)을 형성하여, 적층구조를 이루는 탄소집합체(120)가 혼입된 이온성 고분자 구동기(200)를 이룬다.

이하, 도 3을 참조하면, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 탄소집합체가 혼입된 이온성 고분자 구동기(300)는 혼합막의 양면에 순수 이온성 고분자 막(140)을 형성하고, 상기 형성된 순수 이온성 고분자 막(140)의 각각의 일면에 금속층(130)을 형성하여, 적층구조로 구비된 탄소집합체(120)가 혼입된 이온성 고분자 구동기(300)를 이룬다.

이하, 도 4 내지 도 7 을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 탄소집합체가 혼입된 이온성 고분자 구동기(100)(200)(300)의 효과에 대해서 상세히 설명한다.

먼저, 도 4 는 0.5Volt 1Hz조건에서 구동시킨 경우이며, 도 5 는 1.5Volt 0.1Hz조건에서 구동시킨 경우, 순수 이온성 고분자막으로 구비된 구동기와 본 발명에 따른 탄소집합체가 혼입된 이온성 고분자 구동기의 구동상황 및 끝단의 변위차이를 나타내는 도이다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 0.1%의 플로렌을 혼입한 탄소집합체가 혼입된 이온성 고분자 구동기(330)의 끝단 변위가 순수 이온성 고분자막(320)으로 구비되는 구동기에 비해 더 증가함을 확인할 수 있다.

이를 통하여, 현재 제공되고 있는 IPMC의 두께가 180㎛로 정해져 있기 때문에 갖는 응용범위에 한계와, 또한 얇은 두께로 인하여 구동력이 현저하게 저하되는 문제점을 해결하였다.

한편, 종래의 순수 이온성 고분자막으로 제작된 IPMC 구동기는 인가 전압하에서 변위유지를 잃는 현상(Straightening back)이 있었다. 이 현상은 양이온이 물 분자와 결합하여 이동하고 분자의 밀도차에 의해 구동하는 IPMC의 특성에 따른 것으로, 시간이 지날수록 양이온과 결합하고 있는 물 분자가 이탈하게 됨으로써 발생하는 현상이다.

그러나, 본 발명의 실시예에 따른 탄소집합체가 혼입된 이온성 고분자 구동기의 경우 탄소집합체가 양이온과 결합하고 있는 물 분자의 이탈현상을 막아주어 어느정도 시간이 지난 후에도 구동변위를 유지하는 효과가 있다.

도 6 및 도 7은 1Volt 및 2Volt DC전압인가 조건하에서, 본 발명에 따른 탄소집합체가 혼입된 이온성 고분자 구동기의 변위를 유지시키는 특성을 나타내는 도이다.

도 6 및 도 7 에 도시된 바와 같이, 0.1%의 플로렌을 혼입한 고분자막 구동기(420)가 순수 이온성 고분자 막(410)으로 구비되는 구동기에 비해, 일정시간 경과 후, 변위가 계속 유지됨을 알 수 있다.

아울러, 첨부도면으로 도시하지 않았지만, 순수 이온성 고분자막에 전기전도성이 있는 탄소집합체를 혼입되면서, 양면의 금속층 뿐만 아니라 내부에 들어있는 탄소들이 전기를 전도함으로써, 소비전력이 절감되고 효율이 증대되는 효과가 있다.

이하, 도 8 을 참조하여 본 발명에 따른 탄소집합체가 혼입된 이온성 고분자 구동기의 제조방법에 대해 상세히 설명한다.

도 8은 본 발명의 상기 제 1 실시예에 따른 탄소집합체가 혼입된 이온성 고분자 구동기(100)의 제조방법에 대한 순서도다.

먼저, 이온성 고분자막을 용해시키는 단계(S100)는, 상기 이온성 고분자막을 다양한 방법으로 용해 가능하나, 본 발명의 제 1 실시예에 있어서는 상기 이온성 고분자막을 디메틸아세트아미드 용액 50㎖에 담구고 80℃에서 6시간 동안 녹인다.

이후, 5㎖의 오소디클로로벤젠을 혼합하여 액상으로 형성한다.

다음으로, 액상의 상기 이온성 고분자막에 탄소집합체를 분산시켜 혼합액을 형성하는 단계(S200)는 다양한 용매제, 온도, 분산시간을 통하여 혼합액 형성이 가능하다.

다만, 본 발명의 제 1 실시예에 있어서는 일정량의 탄소집합체를 10㎖의 클로로벤젠에 용해시킨 후, 액상의 상기 이온성 고분자막에 첨가하고, 80℃에서 24시간 동안 분산시켜 혼합액을 형성한다.

이후, 상기 혼합액을 필름 막 형태로 형성하는 단계(S300)는, 다양한 공정 수행을 통하여 형성가능하다.

본 발명의 제 1 실시예에 있어서는, 상기 혼합액을 필름 막 형태의 틀에 붓고 항온항습조 또는 진공오븐에 넣은 다음, 120℃에서 12시간 동안 디메틸아세트아미드 증발처리 과정을 수행한다.

이후, 140℃에서 2시간 동안 풀림 과정을 수행하여 필름 막 형태로 형성한다.

마지막으로, 상기 필름 막에 금속층을 형성하고 절단하여 구동기를 완성하는 단계(S400)로 다양한 금속층 형성 공정을 수행하여 상기 금속층을 형성할 수 있다.

본 발명의 제 1 실시예에 있어서는 상기 필름 막을 금속염 용액에서 일정시간 이온-교환시켜 금속염을 흡착시켜 형성한 다음 이를 절단하여 상기 구동기(100)를 완성한다.

이하, 본 발명의 상기 제 2 실시예에 따른 탄소집합체가 혼입된 이온성 고분자 구동기(200)의 제조방법을 상세히 설명하면, 먼저, 순수 이온성 고분자막을 필름 막 형태의 틀에 위치시키고, 상술한 방법(S100~S200)에 의해 형성된 혼합액을 상기 틀에 부어, 상기 순수 이온성 막의 일면에 혼합막을 형성한다.

이후, 건조과정을 수행한 후 상기 일면에 혼합막이 형성된 순수 이온성 고분자막을 상기 틀에 반대로 위치시키고, 상술한 동일한 과정을 반복 수행하여, 양면에 혼합막을 형성한다.

다음으로, 양면에 혼합막이 형성된 이온성 고분자막에 금속층을 형성하고, 절단하여 복합체를 완성하는 단계(S400)를 거쳐 탄소집합체가 혼입된 이온성 고분자 구동기(200)를 제조한다.

다음으로, 본 발명의 상기 제 3 실시예에 따른 탄소집합체가 혼입된 이온성 고분자 구동기(300)의 제조방법을 상세히 설명하면, 먼저, 도 7에 도시된 S100부터 S300까지의 단계를 수행하여 형성된 혼합막을 필름 막 형태의 틀에 위치시킨다.

이후, 순수 이온성 고분자막의 용액을 상기 틀에 부어 상기 혼합막의 일면에 순수 이온성 고분작 막을 형성하고, 다음으로 건조과정 수행한다.

이후, 상기 혼합막을 상기 틀에 반대로 위치시키고, 상기 혼합막의 다른 일면에 순수 이온성 고분자막을 형성한다.

마지막으로, 상기 각각의 순수 이온성 고분자 막 각각에 금속층을 형성하고 절단하여 구동기(300)를 완성한다.

따라서, 상술한 본 발명에 따른 탄소집합체가 혼입된 이온성 고분자 구동기의 제조방법을 방법을 통하여 상술한 바와 같은 효과를 갖는 구동기의 제조가 가능하다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

도 1 은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 탄소집합체가 혼입된 이온성 고분자 구동기의 전체구성도다.

도 2 는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 탄소집합체가 혼입된 이온성 고분자 구동기의 전체구성도다.

도 3 은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 탄소집합체가 혼입된 이온성 고분자 구동기의 전체구성도다.

도 4 는 0.5Volt 1Hz조건에서 구동시킨 경우, 순수 이온성 고분자막으로 구비된 구동기와 본 발명에 따른 탄소집합체가 혼입된 이온성 고분자 구동기의 구동상황 및 끝단의 변위차이를 나타내는 도이다.

도 5 는 1.5Volt 0.1Hz조건에서 구동시킨 경우, 순수 이온성 고분자막으로 구비된 구동기와 본 발명에 따른 탄소집합체가 혼입된 이온성 고분자 구동기의 구동 상황 및 끝단의 변위차이를 나타내는 도이다.

도 6 은 1Volt DC전압인가 조건하에서, 본 발명에 따른 탄소집합체가 혼입된 이온성 고분자 구동기의 변위를 유지시키는 특성을 나타내는 도이다.

도 7 은 2Volt DC전압인가 조건하에서, 본 발명에 따른 탄소집합체가 혼입된 이온성 고분자 구동기의 변위를 유지시키는 특성을 나타내는 도이다.

도 8 은 본 발명에 따른 탄소집합체가 혼입된 이온성 고분자 구동기의 제조방법에 대한 순서도다.

Claims (12)

1. 이온성 고분자막;

   상기 이온성 고분자막의 양면에 형성되며, 전압을 상기 이온성 고분자막에 전달하기 위한 금속층; 및

   상기 금속층에 전압을 공급하기 위한 전원 공급부;

   를 포함하며, 상기 이온성 고분자막은 일정비율의 탄소집합체가 혼입된 혼합막으로 이루어져 있으며, 상기 금속층에 전압 인가시 상기 혼합막의 단부가 변위를 일으키는 것을 특징으로 하는 탄소집합체가 혼입된 이온성 고분자 구동기.
2. 이온성 고분자막;

   상기 이온성 고분자막의 양면에 형성되며, 이온성 고분자에 일정비율의 탄소집합체가 혼입된 혼합막;

   상기 각각의 혼합막 일면에 형성되며, 전압을 상기 혼합막에 전달하기 위한 금속층; 및

   상기 금속층에 전압을 공급하기 위한 전원 공급부;

   를 포함하고, 상기 금속층에 전압 인가시 상기 혼합막의 단부가 변위를 일으키는 것을 특징으로 하는 탄소집합체가 혼입된 이온성 고분자 구동기.
3. 제1항에 있어서,

   상기 혼합막의 양면과 상기 금속층 사이에는 이온성 고분자막이 더 형성된 것을 특징으로 하는 탄소집합체가 혼입된 이온성 고분자 구동기.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 탄소집합체는 풀러렌(Fullerene)을 이용하는 것을 특징으로 하며, 상기 혼합막의 전체 중량% 대비 0.1wt%가 혼입되는 것을 특징으로 하는 탄소집합체가 혼입된 이온성 고분자 구동기.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 이온성 고분자막은 PVDF, SSEBS, Nafion의 그룹 중에서 선택된 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 탄소집합체가 혼입된 이온성 고분자 구동기.
6. 이온성 고분자막을 용해시켜 액상으로 형성하는 제 1 단계;

   액상의 상기 이온성 고분자막에 탄소집합체를 분산시켜 혼합액을 형성하는 제 2 단계;

   상기 혼합액을 필름 막 형태로 형성하는 제 3 단계; 및

   상기 필름 막에 금속층을 형성하고 절단하여 구동기를 완성하는 제 4 단계;를 포함하며, 상기 제 1 단계는 상기 이온성 고분자막을 디메틸아세트아미드 용액 50㎖에 담구고 80℃에서 6시간 동안 녹인 후, 5㎖의 오소디클로로벤젠을 혼합하여 액상으로 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 탄소집합체가 혼입된 이온성 고분자 구동기의 제조방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 이온성 고분자막은 PVDF, SSEBS, Nafion의 그룹 중에서 선택된 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 탄소집합체가 혼입된 이온성 고분자 구동기의 제조방법.
8. 제 6 항에 있어서,

   상기 탄소집합체는 풀러렌을 이용하는 것을 특징으로 하는 탄소집합체가 혼입된 이온성 고분자 구동기의 제조방법.
9. 제 6 항에 있어서,

   상기 제 2 단계는 일정량의 탄소집합체를 10㎖의 클로로벤젠에 용해시킨 후, 액상의 상기 이온성 고분자막에 첨가하고, 80℃에서 24시간 동안 분산시켜 혼합액을 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 탄소집합체가 혼입된 이온성 고분자 구동기의 제조방법.
10. 제 6 항에 있어서,

    상기 제 3 단계는 상기 혼합액을 틀에 붓고 항온항습조 또는 진공오븐에 넣고 120℃에서 12시간 동안 디메틸아세트아미드 증발처리 과정을 수행하고, 140℃에서 2시간 동안 풀림 과정을 수행하여 필름 막 형태로 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 탄소집합체가 혼입된 이온성 고분자 구동기의 제조방법.
11. 제 6 항에 있어서,

    상기 제 4 단계는 상기 필름 막을 금속염 용액에서 일정시간 이온-교환시켜 금속염을 흡착시키는 단계인 것을 특징으로 하는 탄소집합체가 혼입된 이온성 고분자 구동기의 제조방법.
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