KR101177981B1

KR101177981B1 - 3차원 나선형 액추에이터의 제조방법

Info

Publication number: KR101177981B1
Application number: KR1020100019370A
Authority: KR
Inventors: 정광운; 진광용
Original assignee: 전북대학교산학협력단
Priority date: 2010-03-04
Filing date: 2010-03-04
Publication date: 2012-08-28
Also published as: KR20110100409A; WO2011108803A2; WO2011108803A3

Abstract

본 발명은 포토닉 액추에이터의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 실리카나노 콜로이드 면심입방(face-centered cubic, FCC) 단결정을 불소가 치환된 몰드의 표면에 형성하는 제 1단계와, 상기 단결정을 자가 조립하여 포토닉 결정을 형성하는 제 2단계와, 상기 포토닉 결정의 빈 공간에 비극성 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 전구체를 첨가, 침윤시켜 열경화 반응시키는 제 3단계와, 메타크릴옥시프로필 트리메톡시실란(methacryloxypropyl trimethoxysilane) 단층을 산소 플라즈마 처리한 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)층에 올리는 제 4단계와, 극성인 PU/HEMA층을 적용하여 자외선경화를 실시하는 제 5단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 하이드로 젤, 포토닉 결정, 그리고 액추에이터의 결합에 의한 외부자극에 의하여 색과 형태를 동시에 조율을 할 수 있는 새로운 1차원 스크롤 구조와 3차원 포토닉 액추에이터를 구현할 수가 있어서 다양한 기술이 접합된 새로운 액추에이터를 제조할 수 있다.

Description

3차원 나선형 액추에이터의 제조방법 {Process for the Preparation of 3D Spiral and Helical Photonic Actuators}

본 발명은 고분자 하이드로 젤, 포토닉 결정, 그리고, 3차원 나선형구조를 결합시켜, 외부의 자극에 따라 형태와 색깔, 그리고 구조가 변하는 특성을 이용하여 새로운 디바이스 등을 제작하는데 응용할 수 있는 새로운 액추에이터를 구현하는 것이다.

본 발명에 사용된 하이드로 젤, 포토닉 결정, 그리고 액추에이터에 대한 연구개발은 이전에도 많은 관심을 가지고 연구가 되었는데, 각각의 기술에 대한 연구와 시장 적용사례는 쉽게 찾아볼 수 있으나, 각각의 기술에만 치중되어 있으며 이러한 다양한 기술의 결합에 대한 연구 자체는 이루어지지 않았다. 유기화합물인 고분자 소재를 사용하여 제조된 다양한 형태의 고기능성의 포토닉 액추에이터는 기존의 어느 기술 분야에도 존재하지 않았다. 나노/마이크로 단위의 기계, 전기, 전자 바이오의 분야에서 새로운 디바이스를 제작하는 데 있어서 응용성이 풍부한 고기능성의 포토닉 액추에이터의 필요성이 대두되었다.

본 발명에 의한 3차원 나선형 액추에이터의 제조방법은 기존의 액추에이터의 기본적인 원리에 기초하여 포토닉 결정과 하이드로 젤의 도입을 통하여 다양한 색상과 형태 변화의 기초를 마련하여 기존의 액추에이터에 비하여 더욱 고집적이고 고기능성을 갖추어 광자, 전기, 자기 디바이스와 화학, 생물학적 센서와 같은 기술분야에 적용 가능한 3차원 나선형 액추에이터의 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명에 의한 3차원 나선형 액추에이터 제조방법은

실리카 나노 콜로이드 면심입방(face-centered cubic, FCC) 단결정을 불소가 치환된 몰드의 표면에 형성하는 제 1단계;

상기 단결정을 자가 조립하여 포토닉 결정을 형성하는 제 2단계;

상기 포토닉 결정의 공간에 비극성 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 전구체를 첨가, 침윤시켜 열경화 반응시키는 제 3단계;

메타크릴옥시프로필 트리메톡시실란(methacryloxypropyl trimethoxysilane) 단층을 산소 플라즈마 처리한 폴리디메틸실록산층에 올리는 제 4단계;

극성인 폴리우레탄/2-하이드로에틸메타크릴레이트(PU/HEMA)층을 PU 70 : HEMA 30 중량%로 적층하여 자외선경화를 실시하는 제 5단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제3단계의 열경화 반응시키는 과정에서 상기 몰드를 0.1°~45°로 기울이는 것을 특징으로 한다.

더 나아가, 상기 PU/HEMA층에서 PU : HEMA의 조성비는 70 : 30중량%인 것을 특징으로 한다.

기타 본 발명의 구현 예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.

본 발명에 의한 3차원 나선형 액추에이터 제조방법은 하이드로 젤, 포토닉 결정, 그리고 액추에이터의 결합에 의한 외부자극에 의하여 색과 형태를 동시에 조율할 수 있는 새로운 1차원 스크롤 구조와 3차원 포토닉 액추에이터를 구현할 수가 있어서 다양한 기술이 접합된 새로운 액추에이터의 제조로 광자, 전기, 자기 디바이스와 화학, 생물학적 센서 등의 분야와 관련 소재분야에 적용할 수 있는 우수한 기능을 갖는 것이다.

도 1은 PU/HEMA복합체에서 HEMA 함량에 의한 유리전이온도(Tg)와 PU/HEMA 조성비에 의한 물리적 특성을 나타낸 도면으로서, (a)는 HEMA의 함량에 의한 Tg의 변화를 나타낸 그래프이고, (b)는 PU/HEMA의 조성비에 따른 물성(stress) 변화를 나타내는 그래프.
도 2(a)는 1차원 켄티레버 구조의 액추에이터 제조공정.
도 2(b)는 [111]로 표현된 콜로이드 단결정의 SEM 사진.
도 2(c)는 [011]로 표현된 단결정의 SEM 사진.
도 2(d)는 PDMS를 첨가한 후 단결정의 SEM 사진.
도 2(e)는 1차원 켄티레버 구조의 액추에이터 사진.
도 3은 도 2의 제조공정으로 제작된 270 실리카 콜로이드 포토닉 결정.
도 4는 조립된 포토닉 결정의 반사 스펙트럼의 도면.
도 5a는 제조된 스크롤 액추에이터 사진.
도 5b는 용매에 의하여 y축을 따라 작용하는 액추에이팅 과정을 나타내는 사진.
도 6은 도 5a와 도 5b의 측면과, 위, 중간을 나타내는 사진으로 (a)는 극성아세트산 용매에서의 왼손 스크롤 액추에이터, (b)는 비극성 핵산 용매에서의 오른손 스크롤 액추에이터.
도 7의 (a)는 1차원 스크롤 포토닉 액추에이터 구조, (b)는 3차원 폴리 펩타이드 스프링 나선형 액추에이터 구조도, (c)는 3차원 DNA 이중 나선형 액추에이터의 모식도.
도 8은 3차원 나선형 포토닉 액추에이터의 제조공정을 나타내는 도면.
도 9는 모세관 안에서의 3차원 스프링 포토닉 액추에이터의 작동 사진.
도 10은 비극성의 헥산 용매 조건하의 3차원 이중 나선형 액추에이터의 작동사진.
도 11은 3차원 이중 나선형 액추에이터의 컴퓨터 시뮬레이션자료를 나타내는 사진.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 의한 3차원 나선형 액추에이터의 제조방법은

극성인 PU/HEMA층을 적용하여 자외선경화를 실시하는 제 5단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

나아가, 상기 몰드는 상기 몰드는 눈으로 관찰할 수 있는 범위인 단위를 사용해 제작하며, 상기 액추에이터의 크기는 100㎛~1m까지 제작이 가능한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제3단계의 열경화 반응시키는 과정에서 상기 몰드를 0.1°~ 45°기울이는 것을 특징으로 한다.

부가적으로, 상기 PU/HEMA층에서 PU : HEMA의 조성비는 70 : 30중량%인 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 포토닉 결정을 이용한 신개념의 다양한 광자/전기/디바이스, 화학/생물학적 센서, 그리고 포토닉 액추에이터 등을 개발하여 다른 많은 산업분야에 적용 가능한 장점이 있는 것이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 양호한 실시예를 상세히 설명하도록 한다.

[실시예]

본 발명에 의한 3차원 나선형 액추에이터의 제조과정은 고분자 하이드로 젤, 포토닉 결정, 그리고 3차원 나선형 구조를 결합시켜, 외부 자극에 따라 형태와 색깔이 동시에 변하는 새로운 3차원 포토닉 액추에이터를 구현하고자 하였다

기존에 존재하는 가장 만들기 쉽고 간단한 액추에이터는 MEMS (microelectromechanical systems)에서 주로 사용되고 있는 1차원 켄티레버 (cantilever) 구조이다. 본 발명의 1차원 켄티레버 액추에이터는 실리콘 나노입자와 고분자를 이용해 제작하였다. 액추에이터에 사용된 고분자 물질은 실리콘 무기물에 비해 표면을 자유자재로 바꿀 수 있고 외부 환경에 반응하여 모양과 크기를 쉽게 바꿀 수 있어 이상적인 물질로 인식된다. 또한 고분자 물질은 분자구조를 용이하게 바꿀 수 있고 화학, 기계적인 안정성을 갖기 때문에 실리콘을 바탕으로 하는 전자 디바이스와 현재 다양한 분야로 많이 연구되고 있는 바이오 디바이스의 소재로 쓰이고 있다.

본 발명에서 켄티레버(cantilever) 형태의 바이레이어 구조를 구현하기 위해 유연하고 투명하며 열 경화가 가능한 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)과 자외선경화가 가능한 폴리우레탄/2-하이드로에틸메타크릴레이트(polyurethane/2-hydroxyethylmethacrylate, PU/HEMA) 엘라스토머 복합체를 각각 비극성(소수성)과 극성(친수성) 물질로 선택함으로써 극성/비극성 용매에서 선택적인 팽윤실험을 실시하였다. 도 1은 PU/HEMA복합체에서 HEMA 함량에 의한 유리전이온도(Tg)와 PU/HEMA 조성비에 의한 물리적 특성을 나타낸 도면이다. 도 1의 (a)는 HEMA의 성분비 차이에 의한 Tg의 변화도이고, 도 1의 (b)는 PU/HEMA의 조성비 차이에 따른 물성 변화이다. 여기에 도시되었듯이, 선택된 PU/HEMA의 최적의 반응조건을 찾기 위해 PU와 HEMA의 조성비를 달리하여 차별스캐닝 열량측정기(differential scanning calorimeter, DSC), 동력학적 열분석기(dynamic mechanical analysis, DMA), 만능기계시험기(universal mechanical tester, UMT) 실험을 실시함으로써 PU/HEMA 복합체에서 HEMA 함량에 따른 유리전이온도(Tg)와 PU/HEMA조성비에 의한 물리적 특성을 파악하였다.

PU와 HEMA는 다양한 조성비로 제조되어 열분석과 기기분석을 통해 70 : 30중량%에서 가장 우수한 열적, 기계적 특성을 보이는 것을 확인하였으며 액추에이터의 제작을 위한 최적의 PU/HEMA 조성비로 선택되었다.

3차원 나선형 포토닉 액추에이터를 구현하기에 앞서, 용매의 극성 또는 비극성에 따라 양방향으로 가역적으로 색깔과 형태를 조율할 수 있는 1차원 스크롤 포토닉 액추에이터를 구현할 수 있는 것이다.

이하에서는 1차원 스크롤 포토닉 액추에이터의 제조과정에 관하여 설명하기로 한다.

1차원 스크롤 포토닉 액추에이터의 제조

1차원 스크롤 포토닉 액추에이터는 도 2의 (a)에 나타낸 것처럼 총 5단계 공정을 거쳐 제조되었으며, 도 2의 (b)에서 도 2의 (d)까지의 조립공정 중에 형성된 포토닉 결정의 결정 구조를 주사전자현미경(SEM)으로 관측하였다.

이에 관한 과정을 설명하면, 액추에이터 제조방법에 있어서,

실리카 나노 콜로이드 면심입방(face-centered cubic, FCC) 단결정을 불소가 치환된 몰드(mold)의 표면에 형성하는 제 1단계;

상기 포토닉 결정의 공간에 비극성 PDMS 전구체를 첨가, 침윤시켜 열경화 반응시키는 제 3단계;

메타크릴옥시프로필 트리메톡시실란(methacryloxypropyl trimethoxysilane) 단층을 산소 플라즈마 처리한 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)층에 올리는 제 4단계;

극성인 PU/HEMA층을 PU 70 : HEMA 30중량%로 적층하여 자외선경화를 실시하는 제 5단계를 거치게 되는 것이다.

도면을 설명하면, 도 2의 (b)는 [111]로 표현된 콜로이드 단결정의 주사전자현미경(SEM) 사진이고, 도 2의 (c)는 [011]로 표현된 코로이드 단결정의 SEM 사진이다. 도 2의 (d)는 PDMS를 첨가한 후의 단결정의 SEM 사진이다.

또한, 액추에이터 조립공정을 거쳐 제조된 1차원 포토닉 액추에이터는 길이 단위를 확인하기 위해 도 2의 (e)에 사진으로 나타내었다.

상기 제5단계에서, 경화 후 몰드(mold)에서 분리해낸 1차원 스크롤 포토닉 액추에이터는 도 3과 같다. 제작한 1차원 스크롤 포토닉 액추에이터는 가시광선 영역에서 투명성을 띈다. 그 이유는 첫째로 PDMS 층과 PU/HEMA 층 물질이 가시광선 영역에서 빛을 흡수하지 않기 때문이며, 둘째로 PDMS 층과 실리카 콜로이드의 굴절률 (n)이 1.43으로 동일하기 때문이다.

도 4에 도시되었듯이, 포토닉 액추에이터의 투명성과 색깔 변화 사이의 연관성을 확인하기 위해 포토닉 결정을 [111] 영역에 수직하게 반사 스펙트럼을 측정하였다. 도 4는 조립된 포토닉 결정의 반사 스펙트럼으로 도 4의 (a)는 실리카, 도 4의 (b)는 PDMS/실리카이고, 도 4의 (c)는 헥산 용매내 PDMS/실리카이고, 도 4의 (d)는 아세트산 용매내 PDMS/실리카의 스펙트럼이다.

본 발명에서 사용된 270㎚ 직경을 갖는 실리카 콜로이드 결정은 596㎚의 녹색 파장에서 최대 강도 70%의 반사 피크를 나타내지만 실리카와 굴절률이 동일한 PDMS와의 침윤을 통해 반사 피크가 사라져 투명한 샘플을 얻을 수 있다. 반면에 용매 조건 하에서의 반사 스펙트럼은 다른 양상을 보이는데 헥산 용매에서 팽윤된 실리카/PDMS 포토닉 결정은 459㎚의 파장에서 넓고 낮은 강도 7%의 반사 피크를 보이는 반면, 아세트산 용매에서 팽윤된 실리카/PDMS 포토닉 결정은 659㎚의 파장에서 최대 강도 20%의 반사 피크를 나타내게 된다.

용매 조건 하에서 특정 파장에서의 반사 피크는 용매가 제거되면 원래의 투명성이 발현된다. 이러한 반사피크의 발생 원인은 콜로이드 템플레이트에 용매가 침윤되자마자 실리카/PDMS 층에서 실리카 콜로이드 결정의 높은 결정화도 때문에 낮은 투과율이 관측되기 때문이다.

상기와 같이 제작된 1차원 스크롤 포토닉 액추에이터의 엑츄에이팅 과정을 살펴보면, 도 5의 (a)에서 1차원 스크롤 포토닉 액추에이터는 3차원 카테시안 좌표계에 따라 x 축은 너비 방향, y 축은 xy-평면에 수직이면서 길이 방향이며, z 축은 두께 방향으로 표현하였다.

제조된 스크롤 포토닉 액추에이터를 장축 방향으로 연신시켰다 힘을 제거해주면 도 5의 (b)처럼 복원력이 보다 큰 PDMS층 방향으로 구부러진다. 따라서 액추에이터의 방향성을 부여하기 위해 카테시안 좌표계로 나타낸 것처럼 PDMS층을 +z축으로 기준으로 왼손/오른손 방향성을 정하였다. 액추에이터의 왼손/오른손 방향성은 액추에이터의 구동실험에서 용매에 따른 색깔과 형태를 구분하는데 중요한 구분 요인으로 작용한다.

도 6에서 나타났듯이, 제작된 1차원 스크롤 포토닉 액추에이터를 극성/비극성 용매에 넣어서 팽윤 시간에 따른 구조 및 색깔의 변화를 관찰하였다 .

도 6의 (a)에서 왼손/오른손 방향성에 따라 1차원 스크롤 포토닉 액추에이터는 극성 용매인 아세트산에서 오른손 방향으로 변형이 일어나며 바라보는 시점에 따라 파란색, 노란색/녹색, 붉은색을 나타낸다. 반대로, 도 6의 (b)처럼 비극성 용매인 헥산에서는 왼손 방향으로 변형이 일어나며 시점에 관계없이 파란색을 나타낸다. 여기서 왼손/오른손 방향성을 갖는 1차원 스크롤 포토닉 액추에이터가 다른 색깔을 띄는 이유는, 낮은 굴절률(n=1.37)을 갖는 용매들이 PDMS 층에 흡수되어 있는 실리카와 충분한 유전율의 차이를 보이고, 시점에 따라 서로 간의 결정 구조의 격자간격(d-spacing)을 변화시키기 때문이다.

극성인 아세트산에서는 시점에 따라 다른 색깔을 보이지만 비극성인 핵산에서는 시점에 관계없이 파란색을 띄는데, 그 이유는 실리카 콜로이드 결정 안에서의 원거리분자위치 규칙성(long-range positional order)이 사라졌거나, 격자간격(d-spacing)이 너무 멀어져 첫 번째 포토닉 밴드 갭이 근적외선(near-IR) 영역으로 이동하고 눈에 보이는 파란색이 두 번째 포토닉 밴드 갭이기 때문이다.

그러므로 1차원 스크롤 포토닉 액추에이터는 1차원 대칭구조의 파괴에 의해 실현 가능하며, 용매의 극성/비극성에 따라 왼손/오른손 방향성과 다양한 색상을 나타내는 1차원 켄티레버(cantilever) 구조로 가역적인 액추에이팅 반응을 일으킨다.

3차원 스프링 나선형과 3차원 DNA 이중 나선형 액추에이터의 제조

발전된 형태의 3차원 나선형 포토닉 액추에이터는 1차원 스크롤 포토닉 액추에이터에 나선형 구조를 적용하여 외부 자극에 따라 색깔과 형태를 동시에 조율할 수 있는 액추에이터로써, 폴리펩타이드와 같은 스프링 나선형과 DNA와 같은 이중 나선형 구조의 두 가지 3차원 나선형 포토닉 액추에이터를 제작하였다. 3차원 나선형 포토닉 액추에이터는 바이레이어 구조를 갖는 1차원 스크롤 포토닉 액추에이터에서 대칭구조의 변화를 통해 나선형 구조를 구현하였으며 보다 민감하고 정확하게 외부의 환경 변화에 반응한다. 3차원 스프링 나선형 구조에서도 1차원 스크롤 구조와 동일하게 선택적인 팽윤작용이 액추에이터의 원동력으로 사용되며, PU/HEMA층이나 PDMS층에서 용매의 극성에 따라 선택적인 팽윤작용을 이용하여 팽창시킴으로써 왼손/오른손 방향의 3차원 스프링 나선형 구조를 구현하였다.

도 7에서 나타나 있듯이, 바이레이어 대칭구조의 기울기를 조절한 새로운 대칭구조의 구현을 통하여 외부의 환경변화에 따라 3차원 스프링 나선형이나 이중나선형의 포토닉 액추에이터를 제작하여 다양한 형태와 색상의 조절이 가능한 것이다.

도 7의 (a)에 나타낸 xz-평면에 평행한 바이레이어 대칭구조는 극성/비극성 용매에서 가역적으로 스크롤 구조로 변형되는 것을 1차년도 연구에서 확인하였으며, 도 7의 (b)처럼 바이레이어 대칭구조의 기울기를 조절하여 대각선으로 배치시키면 폴리펩타이드와 같은 스프링 나선형 구조를 구현할 수 있다. 보다 발전된 이중 나선형 구조를 구현하고자, PDMS층을 추가로 적용하여 2개의 PDMS층이 중앙의 PU/HEMA층을 대각선으로 양쪽에서 감싸서 DNA와 같은 이중 나선형 구조를 구현하였다(도 7의 (c)). 이 같은 대칭구조는 도 7의 (b)의 대칭구조 2개를 접착함으로써 제작 가능한 것이다.

3차원 스프링 나선형 포토닉 액추에이터의 제작은 도 8에서 나타낸 공정을 통해 이루어지는데, 제조공정은 1차원 스크롤 포토닉 액추에이터와 동일하며 제조에 사용된 물질 역시 1차원 스크롤 포토닉 액추에이터와 동일한 PDMS와 PU/HEMA를 사용하였다.

1차원 스크롤 포토닉 액추에이터와 3차원 스프링 나선형 포토닉 액추에이터의 제조공정상의 차이점은 실리카 나노 콜로이드 면심입방(face-centered cubic, FCC) 단결정을 형성한 후 비극성의 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 전구체를 침윤시켜 열 경화 과정에서 몰드를 0.1°~45°기울이는 것이다. 이는 PDMS층과 PU/HEMA층을 대각선으로 배치시켜 팽윤과정에서 나선형 구조를 구현하기 위해서이다. 몰드의 기울기는 x축과 z축의 길이를 고려하여 나온 각도로서 11.3°를 사용하였다.

3차원 이중 나선형 포토닉 액추에이터의 제조공정은 도 8과 동일하며, 제작된 스프링 나선형 포토닉 액추에이터를 두 개 준비하여 yz-평면으로 PU/HEMA층끼리 접착하여 제작하였다. 도 9와 도 10은 제작된 3차원 스프링 나선형 포토닉 액추에이터를 극성/비극성 용매 조건하에 시간의 경과에 따른 색깔과 형태를 관찰한 것이다.

3차원 스프링 나선형 포토닉 액추에이터는 나선형 구조내의 뒤틀림을 일으키는 것을 더욱 정확하게 관찰하기 위해 모세관이라는 한정된 공간 내에서 팽윤 실험을 실시하였다.

도 9는 모세관 안에서 3차원 스프링 포토닉 액추에이터의 작동 사진으로, 이를 설명하면, 1㎚ 직경의 모세관에서 (a) 비극성 헥산 용매에서 오른손 방향으로 팽윤된 상태, (b) 극성 아세트산 용매에서 왼손 방향으로 팽윤된 상태, (c) 오른손 방향으로 풀리는 상태, (d) 왼손 방향으로 풀리는 상태, 그리고 2㎜ 직경의 모세관에서 (e) 오른손 방향으로 풀리는 상태, (f) 왼손 방향으로 풀리는 상태이다.

팽윤 실험에 사용된 모세관의 직경은 1㎜ 도 11의 (a)~(d)와 2㎜ 도 11 (e)와 (f)를 사용하여 실험하였으며, 모세관 내의 3차원 스프링 나선형 포토닉 액추에이터는 극성/비극성 용매에 작용시켜 왼손/오른손 방향으로 배치시켰다.

도 9의 (a)와 도 9의 (b)는 용매 조건하에 팽윤 후의 액추에이터로써 스프링이 압축된 형태이며, 비극성 용매인 헥산에서는 오른손 방향성과 파란색을 나타내고 극성 용매인 아세트산에서는 왼손 방향성과 주황색을 나타났다. 여기에 용매를 제거해주면 도 9의 (c)와 (d)처럼 팽윤 상태가 풀리면서 펼쳐진 스프링 형태가 구현되며 원래의 투명한 액추에이터로 돌아왔다. 도 9의 (e)와 (f)에서 모세관의 직경을 2㎜로 증가시킴으로써 팽윤과정에서 액추에이터의 스프링 직경을 증가시킬 수 있는데, 도 9의 (c)와 도 9의 (d)와 비교하였을 때 모세관의 영향을 덜 받게 되어 뒤틀림각이 감소하는 것을 확인할 수 있다.

도 10을 보면, 3차원 이중 나선형 포토닉 액추에이터는 비극성의 헥산 용매 조건하에 팽윤과정을 거쳐 자발적으로 이중 나선형 구조가 구현된다.

3차원 이중 나선형 포토닉 액추에이터는 비극성의 헥산 용매를 이용하여 극성의 PU/HEMA층을 양쪽에서 감싸고 있는 비극성의 PDMS층에 대한 선택적인 팽윤작용을 이용하여 이중 나선형 구조를 구현하였다(도 10의 (a)). 또한 PDMS층과 PU/HEMA층의 팽윤 정도를 확인하기 위해 도 10의 (b)에서 3차원 이중 나선형 포토닉 액추에이터의 yz-평면으로 양끝을 부분 절단하여 도 10의 (a)에서와 동일하게 비극성의 헥산 용매하에 팽윤작용을 관찰하였다.

반면에 3차원 이중 나선형 포토닉 액추에이터는 팽윤과정에서 1차원 스크롤 구조나 3차원 스프링 나선형 구조와는 왼손/오른손 방향성이 존재하지 않는다는 차이점을 보인다. 이는 PDMS층이 PU/HEMA층의 양쪽에 비대칭적으로 배열되어 왼손/오른손 방향성이 성립되지 않으며, 팽윤과정에서 PDMS층이 바깥쪽으로 둘러싼 형태로 이중 나선형 구조를 나타내기 때문에 PDMS와 반응하여 팽윤하는 비극성의 헥산 용매에서 뚜렷한 색상을 나타낸다.

도 11은 3차원 이중 나선형 액추에이터의 컴퓨터 시뮬레이션 자료로서, 3차원 이중 나선형 포토닉 액추에이터에서 액추에이터 내부에 걸리는 응력량을 측정한 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 이중 나선형 액추에이터의 구동과 뒤틀림에 대한 원리를 파악하였다.

3차원 이중 나선형 포토닉 액추에이터의 컴퓨터 시뮬레이션은 실험과 동일한 조건으로 실시하였으며 이중 나선형 구조의 팽윤반응 동안 PDMS층과 PU/HEMA층 사이의 응력량을 비교함으로써 두 층의 팽윤 정도를 파악하였다. 도 11의 (a) 측면 모습에서는 액추에이터의 중간에 위치한 PU/HEMA층에서 PDMS층의 팽윤과 액추에이터 자체의 뒤틀림에 의해 높은 응력이 생성되어 압축 작용이 발생하며, 바깥쪽으로 갈수록 PDMS층의 팽윤에 의해 낮은 응력이 생성되는 것을 확인할 수 있다. 도 11의 (b)에 나타낸 윗 모습에서는 액추에이터의 중심에서 PU/HEMA층의 영향으로 바깥쪽의 PU/HEMA층과 인접한 PDMS층에서 보다 높은 응력이 생성되어 팽윤이 충분히 일어나지 못하는 것을 확인하였다. 컴퓨터 시뮬레이션에서 측정된 응력의 분포를 살펴봄으로써 PDMS층의 팽윤반응에 의해 PU/HEMA층의 압축이 발생하고, 이를 통해 팽윤과 압축 작용 사이에서 뒤틀림이 발생하여 이중 나선형 구조가 구현되는 것을 확인하였다.

이상과 같이, 본 발명을 바람직한 실시예에 따라 도면을 참조하여 설명을 하였으나, 본 발명은 실시예에 의하여 설명되고 도면으로 도시된 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명의 다수의 변경과 수정이 가능하다는 것을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정이 본 발명의 범위에 속하는 것은 자명한 것이다.

Claims

3차원 나선형 액추에이터의 제조방법에 있어서,
실리카나노 콜로이드 면심입방(face-centered cubic, FCC) 단결정을 불소가 치환된 몰드의 표면에 형성하는 제 1단계;
상기 단결정을 자가 조립하여 포토닉 결정을 형성하는 제 2단계;
상기 포토닉 결정의 공간에 비극성 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 전구체를 첨가, 침윤시켜 열경화 반응시키는 과정에서 상기 몰드를 0.1°~45°기울이는 제 3단계;
메타크릴옥시프로필 트리메톡시실란(methacryloxypropyl trimethoxy silane) 단층을 산소 플라즈마 처리한 PDMS층에 올리는 제 4단계;
극성인 폴리우레탄/2-하이드로에틸 메타크릴레이트(polyurethane/2-hydroxyethyl-methacrylate, PU/HEMA)층을 PU 70 : HEMA 30 중량%로 적층하여 자외선경화를 실시하는 제 5단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 나선형 액추에이터의 제조방법.
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