KR101005537B1 - 선택적으로 성장한 복 수개의 전극판을 갖는 고분자 작동기및 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다중 전극판의 선택적 성장 기법을 통한 다양한 움직임이 가능한 고분자 작동기 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 다양한 움직임이 가능한 복 수개의 전극판을 제작한 후 선택적으로 전극판을 추가 성장시킴으로써, 작동기의 기계적 물성치 및 생체모방 움직임을 향상시킬 수 있는 고분자 작동기 및 제조방법에 관한 것이다.
IPMC actuator(이온성 고분자 금속 복합체 작동기), Multiple electrode(다중 전극판), Selective growth(선택적 성장), Electroplating(전기도금)
Description
본 발명은 다중 전극판을 갖고 다양한 움직임이 가능한 고분자 작동기 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 다양한 패턴이 형성된 다중 전극판을 전체적으로 무전해 도금 처리를 통해 성장시킨 후, 상기 다중 전극판중 특정 전극판을 선택적으로 추가 적층 시킴으로써, 기계적 물성치가 향상되고, 굽힘 및 비틀림과 같은 생체 모방 움직임의 성능이 개선된 다양한 움직임이 가능한 고분자 작동기 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 들어 인공 근육, 의료 장비, 초소형 로봇, 생체 모방학 등에 요구되는 새로운 센서 및 작동기의 연구가 활발히 진행 중에 있다. 특히 전기장 하에서 형상의 변화가 일어나는 전기활성고분자(Electro Active Polymer)에 대한 관심이 집중되고 있다.
다만, 종래의 이온성 고분 막에 전극층을 형성하는 과정에 있어서, 무전해 도금 처리방법이 이용되고 있었으나, 상기 무전해 도금 처리 방법은 제작기간에 있어서, 장시간이 소요되는 문제점이 있었다.
또한, 단순한 패터닝에 의한 전극판의 형성에 의하여, 고분자 작동기의 움직임이 다양하지 못하였고, 그 변형도 크지 못하였다.
아울러, 종래의 고분자 작동기의 경우 낮은 주파수 영역대에 의해서, 작동기의 작동범위에 한계가 있었다.
본 발명의 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 다양한 움직임이 가능하도록 복 수개의 전극판을 갖는 고분자 작동기의 제조방법을 제공하는 것을 제 1 목적으로 한다.
또한, 이온성 고분자 막의 전극판에 선택적으로 전극층을 성장함으로써, 기계적 물성치를 변화시키고, 고분자 작동기의 낮은 주파수 영역대를 향상할 수 있는 고분자 작동기의 제조방법의 제공을 제 2 목적으로 한다.
또한, 고분자 막에 전극판을 형성함에 있어서, 전기도금 처리과정을 수행함으로써, 제작기간을 단축하는 고분자 작동기 제조방법의 제공을 제 3 목적으로 한다.
아울러, 상기 제조방법에 의하여 제조되는 고분자 작동기의 제공을 제 4 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 선택적으로 성장한 복 수개의 전극판을 갖는 고분자 작동기의 제조방법에 있어서, 이온성 고분자 막을 준비하는 제 1 단계, 상기 이온성 고분자 막의 양면을 복 수개의 영역으로 분할하는 제 2 단계, 상기 분할된 영역의 이온성 고분자 막에 제 1 전극층을 형성하는 제 3 단계 및 상기 제 1 전극층이 형성된 이온성 고분자 막 중 선택된 영역에 제 2 전극층을 형성 하는 제 4 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 이온성 고분자 막은 Nafion, Flemion, Aciplex으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나로 구비되는 것을 특징으로 한다.
한편 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 제 2 단계는 마스킹 테이프를 이용하여 상기 이온성 고분자 막 양면을 복 수개의 영역으로 분할하며, 상기 제 3 단계 이후 상기 마스킹 테이프를 제거하는 제 3-1 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 제 3 단계는 무전해 도금처리 또는 전기도금을 포함한 처리과정을 통하여 수행하는 것을 특징으로 하며, 상기 제 4 단계는 전기도금 처리과정을 통하여 수행하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 제 1 단계 이후에 상기 이온성 고분자 막 표면과 전극층의 접착력을 높이기 위하여 상기 이온성 고분자 막 표면을 거칠게 가공하는 제 1-1 단계를 더 포함하는 제조방법을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 고분자 작동기는 이온성 고분자 막, 상기 이온성 고분자 막의 양면에 형성된 복 수개의 전극판 및 상기 이온성 고분자 막 일측에 구비되며, 상기 복 수개의 전극판에 각각 전압을 인가하는 전압 인가부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 복 수개의 전극판 중 어느 하나는 제 1 전극층 및 제 2 전극층이 순차적으로 적층 되어 구비되되, 상기 제 1 전극층은 무전해 도금처리 또는 전기도금 처리로 형성되며, 상기 제 2 전극층은 전기도금을 포함한 처리에 의해서 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과가 있다.
먼저, 전극층 형성단계에 있어서, 전기도금 처리과정을 수행함으로써, 고분자 작동기의 제작 시간을 단축하는 효과가 있다.
또한, 이온성 고분자 막에 다양한 패턴이 형성된 복 수개의 전극판을 형성함으로써, 다양한 움직임이 가능한 고분자 작동기를 얻을 수 있다.
아울러, 복 수개의 전극판 중 선택된 특정 영역에 제 2 전극층을 성장함으로써, 기계적 물성치의 변화 및 고분자 작동기의 낮은 주파수 영역대를 확장하는 효과가 있다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 본 발명에 따른 선택적으로 성장한 복 수개의 전극판을 갖는 고분자 작동기 제조방법의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적으로 성장한 복 수개의 전극판을 갖는 고분자 작동기 제조방법의 순서도다.
도 1 을 참조하면, 먼저 이온성 고분자 막을 준비하며(S100), 이때 상기 이온성 고분자 막은 다양한 고분자 막을 이용가능하나, 본 발명의 실시예에 있어서는 Nafion, Flemion, Aciplex으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나로 구비된다.
한편, 상기 준비된 이온성 고분자 막에 SiO, NaO, MgO 등 micro 단위의 세라믹 화합물을 3bar 압력으로 고분자 막 표면에 분사하여, 상기 고분자 막 표면을 거칠게 가공하는 제 1-1 단계를 더 포함하며,이는 상기 고분자 막 표면을 거칠게 가공함으로써, 후술할 제 1 전극층 형성시 고분자 막의 표면적을 넓힘으로써, 고분자 막과 전극층의 접착력을 향상시키기 위함이다.
또한, 상기 제 1-1 단계 이후 다음과 같은 처리를 할 수 있다.
즉, 초음파 세척을 통하여 상기 고분자 막 표면의 잔유물을 제거한 후, 상기 고분자 막을 끓는 염산에 담궈 막 내부에 존재하는 불순물과 이온들을 제거하는 산 처리 과정을 수행하고, 마지막으로 상기 고분자 막을 끓는 증류수에 담궈 남아 있는 산 성분을 제거하는 수 처리과정을 거칠 수 있다.
이어서, 상기 이온성 고분자 막의 양면을 복 수개의 영역으로 분할한다.(S200)
본 발명의 일 실시예에 있어서, 마스킹 테이프를 상기 이온성 고분자 막의 양면에 접착함으로써 복 수개의 영역으로 분할하며, 상기 마스킹 테이프는 후술할 제 3 단계 이후에 제거되는 제 3-1 단계를 더 포함한다.
이때, 상기 마스킹 테이프는 고분자 막의 양면이 대칭이 되도록 부착되며, 부착되는 마스킹 테이프의 폭은 분할되는 영역들 사이의 경계가 된다.
상기 마스킹 테이프는 접착력이 있는 다양한 재질의 테이프로 구비 가능하나, 본 발명의 일 실시예에 있어서는 도금처리 과정 중 도금에 영향을 미치지 않고, 내열성, 내화학성이 우수한 테이프로써, 0.28mm의 폴리에틸렌 3M 5423을 사용하였다.
이어서, 상기 분할된 이온성 고분자 막에 제 1 전극층을 형성한다.(S300)
상기 제 1 전극층의 형성방법으로는 무전해 도금 또는 전기 도금 처리방법을 사용할 수 있으며, 상기 방법을 통하여 상기 이온성 고분자 막에 금 또는 백금으로 이루어진 제 1 전극층을 형성하게 된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서는 무전해 도금 처리를 통하여 제 1 전극층을 형성한다.
이하, 무전해 도금 처리 과정을 상세히 설명하면, 상술한 이온성 고분자 막 준비단계, 이온성 고분자 막을 분할하는 단계 이후, 이온흡착 과정을 통하여 상기 이온성 고분자 막에 Pt Complex를 뿌려 H+를 [Pt(NH3)4]+ 2으로 이온흡착시킨다. 이는, 6시간 이상 백금 염 용액에 상기 고분자 막을 담궈 백금염이 고분자 막 표면 속에 흡착되도록 하는 과정이다.
이후, 1차 도금(reduction) 과정을 수행하는바, 이온흡착을 통해 상기 고분 자 막 내부로 흡착된 백금 염을 백금 금속으로 환원시켜 고분자 막의 깊이 방향으로 금속화 시키며, 그 결과 NaBH4 등의 적절한 환원제를 이용하여 백금이 상기 고분자 막 깊이 방향 및 표면에 석출되도록 한다.
상기 과정은 40℃의 증류수에 백금염이 흡착된 고분자 막을 담구고, 5시간에 걸쳐 30분 마다 온도를 올려주면서 환원제를 일정 양씩 첨가하여 최종적으로 60℃에 이를 때까지 도금을 진행한다.
이후, 2차 도금(developing) 과정으로써, 고분자 막의 표면 전극층의 표면 저항을 감소시키기 위해, 고분자 막의 표면의 백금 입자 사이에 백금염을 백금으로 환원시켜 결합시킴으로써 표면 전기저항을 감소시키는 표면 전극화 과정이 이루어진다.
마지막으로, 이온교환 과정을 수행하는바, 제작한 고분자 막 내부에 존재하는 H+이온을 양이온(Na+, Li+, Cu2 +)으로 교환하는 과정으로 1.5N의 NaCl, LiCl, CuSO4 용액에 담궈 이온 교환시킨다.
이어서, 상기 무전해 도금 처리과정 후 마스킹 테이프를 제거하는 제 3-1 단계로써, 마스킹 테이프가 제거된 부분에는 제 1 전극층이 형성되지 아니하며, 상기 마스킹 테이프로 분할된 복 수개의 전극층 간에는 전기적으로 영향을 미치지 아니한다.
마지막으로, 선택된 영역에 제 2 전극층을 형성한다.(S400)
전기 도금 처리는 일반적인 전기 도금 처리 방법을 이용할 수 있으나, 본 발 명의 일 실시예에서는, 표1 에 나타난 조건하에서 전기 도금을 수행한다.
표 1 은 전기도금 처리를 위한 조건을 나타내는 표로써,
상기 표 1 에 나타난 조건하에서 복 수개의 전극판 중 선택된 전극판에 전기도금 처리를 한다. 이로써, 복 수개의 전극판 중 어느 하나의 전극판만 제 1 전극층 및 제 2 전극층을 갖도록 한다.
한편, 고분자 작동기의 성능 발휘를 위해서는 표면 저항이 적고, 균일한 10㎛미터 이상의 전극층이 요구된다.
이를 위해서는 상기 무전해 도금 과정 중 일차도금 과정을 3~5회 정도 반복 수행하여야 하며, 한 번 수행에 24시간 이상의 제작 기간이 필요하다.
결과적으로, 원활한 움직임을 구현하는 고분자 작동기를 제조하기 위해서는 무전해 도금처리 과정만 일주일 이상이라는 제작 기간의 장기화 문제가 있고, 또한, 무전해 도금 처리 과정 중 상기 부착한 테이프의 일그러짐 및 이탈의 문제가 있다.
이를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 선택적으로 성장한 복 수개의 전극판을 갖는 고분자 작동기의 제조방법에서는 상기 무전해 도금처리를 통하여 이온흡착과 1차 도금을 1회한 후, 나머지 전극층은 전극층의 밀도와 시간 조절이 가능한 전기 도금처리를 통하여 수행함으로써, 2~3일이면, 원활한 움직임이 가능한 고분자 작동기의 전극층을 형성할 수 있다.
이하, 도 2 를 참조하여 본 발명에 따른 선택적으로 성장한 복 수개의 전극판을 갖는 고분자 작동기에 대해 상세히 설명한다.
먼저, 도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적으로 성장한 복 수개의 전극판을 갖는 고분자 작동기의 전체 구성도다.
도 2 에 도시된 바와 같이, 본 발명은 이온성 고분자 막(110), 상기 이온성 고분자 막(110)의 양면에 형성된 복 수개의 전극판(130) 및 상기 이온성 고분자 막(110) 일측에 구비되며, 상기 복 수개의 전극판(130)에 각각 전압을 인가하는 전압 인가부(120)를 포함한다.
상기 이온성 고분자 막(110)은 Nafion, Flemion, Aciplex으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나로 구비될 수 있다.
상기 전극판(130)은 하나 이상의 복 수개로 구비될 수 있으나, 본 발명의 일 실시예에서는 도 2 에 도시된 바와 같이, 제 1 전극판(130a), 제 2 전극판(130b) 및 제 3 전극판(130c)으로 구비된다.
또한, 상기 복 수개의 전극판(130)은 상술한 고분자 작동기(100)의 제조방법에 의해서 형성된 것을 특징으로 하며, 상기 복 수개의 전극판(130) 중 어느 하나는 제 1 전극층 및 제 2 전극층이 순차적으로 적층 되어있다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 제 1 전극판(130a), 제 2 전극판(130b) 및 제 3 전극판(130c)에는 모두 제 1 전극층이 형성되어 있으며, 상기 제 1 전극판(130a)에 제 2 전극층이 형성된다.
상기 제 1 전극층의 형성방법은 상술한 선택적으로 성장한 복 수개의 전극판을 갖는 고분자 작동기 제조방법에서 설명한 바와 동일하며, 제 2 전극층의 형성방법 또한, 상술한 방법과 동일하므로 이하에서는 생략한다.
한편, 상기 전압 인가부(120)는 상기 이온성 고분자 막(110)의 일측에 구비되고, 상기 전극판(130)들에 각각 연결되어 있으며, 본 발명의 일 실시예에서 상기 전압 인가부(120)는 임의파형 발생기로 구비된다.
따라서, 상기 전압 인가부(120)에 의해 상기 전극판(130)들에 전압 인가시, 상기 이온성 고분자 막(110)의 타측은 변형을 일으킨다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 전극판(130)들의 변형에 대해서 상세히 설명한다.
먼저, 상기 전압 인가부(120)에 의해서 상기 제 1 전극판(130a)과 상기 제 2 전극판(130b) 및 제 3 전극판(130c)에 반대 위상의 전압을 인가하면, 상기 제 1 전극판(130a)과 상기 제 2 전극판(130b) 및 제 3 전극판(130c)의 끝단은 반대방향으로 굽혀져 파동형 움직임을 구현할 수 있고, 반대로 상기 제 1 전극판(130a), 제 2 전극판(130b) 및 제 3 전극판(130c)에 동일 위상의 전압을 인가하면, 진동형 움직임이 구현된다.
한편, 제 2 전극판(130b)과 제 3 전극판(130c)에만 반대 위상의 전압이 인가되는 경우, 상기 제 2 전극판(130b) 및 제 3 전극판(130c)의 끝단은 비틀림 움직임을 하게 된다.
따라서, 상기 전극판(130)들을 복 수개로 구비하고, 각각에 인가되는 전압의 위상과 어떤 전극판에 전압을 인가하느냐에 따라 상기 고분자 작동기(100)의 다양한 움직임이 구현된다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 상기 제 1 전극판(130a)에 제 2 전극층이 형성된 경우의 효과에 대해서 상세히 설명한다.
먼저, 도 3 은 고분자 작동기(100)의 끝단 변위를 나타낸 도이며, 제 1 전극판(130a), 제 2 전극판(130b) 및 제 3 전극판(130c)에 같은 위상의 전압을 인가하여 고분자 작동기(100)가 굽힘 움직임을 갖도록 한 후, 끝단의 변위를 측정한 것으로 인가한 전압은 1.5Volts에 0.1Hz 사인파를 인가였고, 제 1 전극판(130a)에 전극층을 추가로 적층 한 것이다.
도 3 에 도시된 바와 같이, 선택적으로 전극층이 성장된 제 1 전극판(130a)(230)의 굽힘 움직임이 더 큼을 알 수 있다.
도 4 는 상기 고분자 작동기(100)의 끝단에서 측정한 blocking force를 나타내는 도이다.
도 4 에 도시된 바와 같이, 제 1 전극판(130a)에 전극층이 추가 적층 된 점선의 blocking force가 향상됨을 알 수 있고 이는 제 1 전극판(130a)의 구동력이 향상되었음을 보여주고 있다.
도 5 는 복 수개의 전극판(130)을 갖는 고분자 작동기(100)의 주파수 응답 함수를 나타낸 도이며, 도 5 를 참고하면, 실선은 전체적으로 무전해 도금 처리된 시편의 응답이고, 점선은 상지 제 1 전극판(130a)에 추가로 전극층을 적층 시킨 시편의 주파수 응답을 보여준다.
이때, 그래프의 peak 값에 x축은 공진 주파수를 y값은 magnitude로 상대적인 값을 의미한다.
결과적으로 추가로 전극층을 적층함에 따라 공진 주파수가 증가하였고, 이는 전기도금처리를 통하여 추가로 전극층을 적층함으로써, 고분자 작동기(100)의 기계적 물성치를 조절할 수 있음을 의미한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적으로 성장한 복 수개의 전극판(130)을 갖는 고분자 작동기(100) 및 제조방법은 무전해 도금 처리과정과 전기 도금 처리과정을 병행함으로써, 고분자 작동기(100)의 제작 기간을 획기적으로 단축할 수 있고, 복 수개의 전극판(130)을 형성함으로써, 고분자 작동기(100)의 다양한 움직임을 구현한다.
또한, 상기 표를 첨부하여 설명한 것처럼 전극층을 선택적으로 성장시킴으로써, 상기 고분자 작동기(100)의 보다 큰 변위의 움직임과 기계적 물성치 등을 향상 시킴으로서, 고분자 작동기(100)의 성능을 향상 내지 개선하는 효과가 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 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 일 실시예에 따른 선택적으로 성장한 복 수개의 전극판을 갖는 고분자 작동기 제조방법의 순서도다.
도 2 는본 발명의 일 실시예에 따른 선택적으로 성장한 복 수개의 전극판을 갖는 고분자 작동기의 전체 구성도다.
도 3 는 고분자 작동기의 끝단 변위를 나타낸 도이다.
도 4 은 상기 고분자 작동기의 끝단에서 측정한 blocking force를 나타내는 도이다.
도 5 는 선택적으로 성장한 복 수개의 전극판을 갖는 고분자 작동기(100)의 주파수 응답 함수를 나타낸 도이다.
Claims (9)
- 이온성 고분자 막을 준비하는 제 1 단계;상기 이온성 고분자 막의 양면을 복 수개의 영역으로 분할하는 제 2 단계;상기 이온성 고분자 막에 제 1 전극층을 형성하는 제 3 단계; 및상기 제 1 전극층이 형성된 이온성 고분자 막 중 선택된 영역에 제 2 전극층을 형성하는 제 4 단계;를 포함하며,상기 제 1 단계:는마이크로 단위의 세라믹 화합물을 상기 이온성 고분자 막에 일정압력으로 분사하여 상기 이온성 고분자 막 표면을 거칠게 가공하는 제1-1단계;초음파 세척을 통하여 상기 이온성 고분자 막 표면의 잔유물을 제거한 후, 상기 고분자 막을 산성 용액에 침지시켜 막 내부에 존재하는 불순물 및 이온들을 제거하는 제1-2단계: 및상기 이온성 고분자 막을 증류수에 침지시켜 남아있는 산성 용액을 제거하는 제1-3단계;로 이루어진 것을 특징으로 하는 선택적으로 성장한 복 수개의 전극판을 갖는 고분자 작동기의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 세라믹 화합물은 SiO, NaO 및 MgO로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 선택적으로 성장한 복 수개의 전극판을 갖는 고분자 작동기의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제1-1단계는 3bar의 압력으로 상기 이온성 고분자 막 표면에 분사하는 것을 특징으로 하는 선택적으로 성장한 복 수개의 전극판을 갖는 고분자 작동기의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 2 단계는 마스킹 테이프를 이용하여 상기 이온성 고분자막 양면을 복 수개의 영역으로 분할하며, 상기 제 3 단계 이후에, 상기 마스킹 테이프를 제거하는 제 3-1 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적으로 성장한 복 수개의 전극판을 갖는 고분자 작동기의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 이온성 고분자 막은 Nafion, Flemion, Aciplex으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 선택적으로 성장한 복 수개의 전극판을 갖는 고분자 작동기의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 3 단계는 무전해 도금처리 또는 전기도금 처리과정을 통하여 수행하는 것을 특징으로 하는 선택적으로 성장한 복 수개의 전극판을 갖는 고분자 작동기의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 4 단계는 전기도금 처리과정을 통하여 수행하는 것을 특징으로 하는 선택적으로 성장한 복 수개의 전극판을 갖는 고분자 작동기의 제조방법.
- 제 1항 내지 제 7 항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조되는 선택적으로 성장한 복 수개의 전극판을 갖는 고분자 작동기.
- 삭제
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