KR101766963B1 - 전기화학적 반응성 액추에이터, 브레이드 구조의 액추에이터 및 메쉬구조의 액추에이터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 탄소나노튜브를 이용한 액추에이터에 관한 것으로서 적어도 둘 이상의 합연사를 포함하고, 상기 각각의 합연사는 이격되어 배치되거나, 브레이딩 또는 메쉬구조로 짜여져 구비되는 것을 특징으로 하며, 유연하고 가벼운 섬유 형태를 유지하면서도, 기계적 강도가 높아, 전기 자극에 의해 수축되는 구동 성능이 우수하며, 전해질 내 이온들과 접촉하는 단위표면적이 넓어 에너지 저장밀도가 우수하고, 이온의 원활히 이동 가능하므로 충/방전 속도가 높다는 장점이 있다. 또한, 상기 적어도 둘 이상의 합연사 각각을 제1 전극 및 제2 전극으로 이격하여 배치함으로써, 마찰력에 의해 구동 성능을 저하시키는 고체 전해질 외에도 전해질에도 쇼트현상을 방지할 수 있다.
Description
본 발명은 다양한 형태의 탄소나노튜브를 이용한 액추에이터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 적어도 둘 이상의 합연사를 포함하고, 상기 각각의 합연사를 이격되rp 배치하거나, 브레이드 구조 또는 메쉬 구조로 제조함으로써, 인장 강도, 부피당 표면적을 향상시키고, 낮은 전압에서 크고 빠른 구동 성능을 나타내는 합연사를 포함하는 액추에이터, 브레이드 구조의 액추에이터 및 메쉬구조의 액추에이터에 관한 것이다.
최근 굽힘(bending), 스트레칭(stretching), 비틀림(torsion)을 가지는 액추에이터(actuator)의 연구개발이 다양하게 이루어지고 있다. 액추에이터란 외부에서 투입되는 에너지에 의해 그 형상의 변화를 가져옴으로써, 기계 전기 장치 등에서 스위치, 트랜스듀서, 구동원 등의 요소로서 작용할 수 있는 기능을 가지는 원동 구동장치를 말한다.
이들 중에서 전기에 반응하여 가역적인 기계적 움직임을 보이는 전기화학적 반응성 액추에이터는 로보틱스, 마이크로센서, 인공근육 등의 생체 모방형 기술에 적용가능성이 높아 주목 받고 있다.
그러나, 대부분의 공지된 물질은 외부 자극에 대한 반응으로 제한적인 위치 변형 또는 형태의 변경과 같은 매우 제한적인 변형을 나타낸다. 일 예로, 고압 물질은 1% 미만의 변형을 나타내고, 형체 기억 합금은 8% 미만의 변형을 나타내며, 철 전기 중합체는 5% 미만의 변형을 나타낸다.
상술한 물질들을 이용한 액추에이터는 생체 골격근과 같이 길이방향으로 수축/인장하는 것이 아닌, 만곡 변위를 가지므로, 로봇의 관절 등에 이용하는 것이 어렵고, 만곡 변형으로부터 얻어지는 발생력은 일반적으로 현저히 약하다는 문제가 있다.
따라서, 상기 문제를 해결하기 위하여, 액체 전해질, 3 전극 시스템으로 구성된 액추에이터가 개발되었으나(비특허 문헌 1.), 전해질 누수 문제가 존재하고, reference, counter 전극으로 사용한 Ag/AgCl, 백금은 가격이 매우 비싸고, 비틀림 성능은 우수하나, 길이방향으로 수축/인장되는 성능이 현저히 낮다.
비특허 문헌 1. Torsional carbon nanotube artificial muscle, Science (2011).
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 적어도 둘 이상의 합연사를 이용하여 기계적 강도가 우수하고, 가벼우며, 구동가능한 전압의 범위가 넓고, 구동성능도 향상된 전기화학적 반응성 액추에이터를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 기계적 강도를 향상시키면서, 양극과 음극의 쇼트현상을 효과적으로 방지할 수 있는 브레이드 구조의 액추에이터 및 메쉬구조의 액추에이터를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 목적을 이루기 위하여, 이격되어 배치된 적어도 둘 이상의 합연사(ply yarn); 및 상기 합연사 사이를 채우는 전해질을 포함하고, 상기 탄소나노튜브 단사는 내측을 기준으로 제1 단 및 제2 단의 양말단부를 구비하고, 상기 합연사는 상기 탄소나노튜브 단사 제1 단 및 제2 단의 양말단부가 서로 대향하여 접지시킨 후 일방향으로 꼬아 형성되거나, 상기 탄소나노튜브 단사 둘 이상을 서로 접지시킨 후 일방향으로 꼬아 형성된 것을 특징으로 하는 액추에이터를 제공한다.
상기 탄소나노튜브 단사는 50 내지 100 장의 탄소나노튜브 시트를 일방향으로 꼬아서 제조한, 코일형태의 실일 수 있다.
상기 합연사의 꼬임 방향과 상기 탄소나노튜브 단사의 꼬임 방향이 서로 반대방향일 수 있다.
상기 탄소나노튜브 단사는 백금(Pt), 금(Au), 구리(Cu), 아연(Zn), 니켈(Ni), 코발트(Co), 팔라듐(Pd), 주석(Sn), 알루미늄(Al) 와이어, 이들의 합금 와이어 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나를 더 포함하는 것일 수 있다.
상기 전해질은 대입경의 양이온 및 음이온을 포함할 수 있다.
상기 양이온은 모노알킬암모늄 양이온, 디알킬암모늄 양이온 및 트리알킬암모늄 양이온으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나이고, 상기 양이온의 알킬기 각각은 C1~C4의 알킬기일 수 있다.
상기 음이온은 니트레이트 음이온, 니트라이트 음이온, 테트라플루오로보레이트 음이온, 헥사플루오로포스페이트 음이온, 폴리플루오로알칸설포네이트 음이온, 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드 음이온, C1∼C6 알킬 설페이트 음이온 및 C1∼C6 알칸 설포네이트 음이온, 아세테이트 음이온 및 플루오로알칸산 음이온으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 액추에이터에 전압이 인가되는 여부에 따라 상기 둘 이상의 합연사가 각각 체적변화를 일으켜 각각 동일한 길이방향으로 가역적으로 동시에 수축 또는 동시에 이완하도록 구성된 것일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 목적을 이루기 위하여, 적어도 둘 이상의 합연사 중 서로 이웃하는 합연사끼리 상호 교차하도록 브레이딩하여 구비된 제1 전극; 상기 제1 전극에 구비되는 전해질; 상기 전해질 상에 구비되되 적어도 둘 이상의 합연사 중 서로 이웃하는 합연사끼리 상호교차하도록 브레이딩하여 구비된 제2 전극; 및 상기 제2 전극에 구비되는 전해질;을 포함하고. 상기 합연사는 내측을 기준으로 제1 단 및 제2 단의 양말단부로 이루어진 탄소나노튜브 단사를 포함하며, 상기 탄소나노튜브 단사 제1 단 및 제2 단의 양말단부가 서로 대향하도록 접지시킨 후 일방향으로 꼬아 형성된 것이거나, 상기 탄소나노튜브 단사 둘 이상을 서로 접지시킨 후 일방향으로 꼬아 형성된 것을 특징으로 하는 브레이드 구조의 액추에이터를 제공한다.
상기 탄소나노튜브 단사는 50 내지 100 장의 탄소나노튜브 시트를 일방향으로 꼬아서 제조한, 코일형태의 실인 것일 수 있다.
상기 합연사의 꼬임 방향과 단사의 꼬임 방향이 서로 반대방향일 수 있다.
상기 탄소나노튜브 단사는 백금(Pt), 금(Au), 구리(Cu), 아연(Zn), 니켈(Ni), 코발트(Co), 팔라듐(Pd), 주석(Sn), 알루미늄(Al) 와이어, 이들의 합금 와이어 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 전해질은 대입경의 양이온 및 음이온을 포함하는 것일 수 있다.
상기 양이온은 모노알킬암모늄 양이온, 디알킬암모늄 양이온 및 트리알킬암모늄 양이온으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나이고, 상기 양이온의 알킬기 각각은 C1~C4의 알킬기인 것일 수 있다.
상기 음이온은 니트레이트 음이온, 니트라이트 음이온, 테트라플루오로보레이트 음이온, 헥사플루오로포스페이트 음이온, 폴리플루오로알칸설포네이트 음이온, 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드 음이온, C1∼C6 알킬 설페이트 음이온 및 C1∼C6 알칸 설포네이트 음이온, 아세테이트 음이온 및 플루오로알칸산 음이온으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것일 수 있다.
상기 전해질은 겔 전해질이고, 상기 겔 전해질은 프로필렌카보네이트(PC)에 PVDF-co-HFP(폴리(비닐리덴-플루오라이드-co-헥사플루오로프로필렌))와 TEABF(테트라에틸암모늄테트라플루오로보레이트)가 용해된 것일 수 있다.
상기 액추에이터에 전압이 인가되는 여부에 따라 상기 둘 이상의 합연사가 각각 체적변화를 일으켜 각각 동일한 길이방향으로 가역적으로 동시에 수축 또는 동시에 이완하도록 구성된 것일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 목적을 이루기 위하여, 적어도 둘 이상의 합연사가 얽혀 관통형의 메쉬 구조로 짜여진 제1 전극; 상기 제1 전극에 구비되는 전해질; 상기 전해질 상에 구비되되 적어도 둘 이상의 합연사가 얽혀 메쉬 구조로 짜여진 제2 전극; 및 상기 제2 전극에 구비되는 전해질;을 포함하고, 상기 합연사는 내측을 기준으로 제1 단 및 제2 단의 양말단부로 이루어진 탄소나노튜브 단사를 포함하며, 상기 탄소나노튜브 단사 제1 단 및 제2 단의 양말단부가 서로 대향하도록 접지시킨 후 일방향으로 꼬아 형성된 것이거나, 상기 탄소나노튜브 단사 둘 이상을 서로 접지시킨 후 일방향으로 꼬아 형성된 것을 특징으로 하는 메쉬구조의 액추에이터를 제공한다.
상기 전해질은 대입경의 양이온 및 음이온을 포함하는 것일 수 있다.
상기 양이온은 모노알킬암모늄 양이온, 디알킬암모늄 양이온 및 트리알킬암모늄 양이온으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나이고, 상기 양이온의 알킬기 각각은 C1~C4의 알킬기인 것일 수 있다.
상기 음이온은 니트레이트 음이온, 니트라이트 음이온, 테트라플루오로보레이트 음이온, 헥사플루오로포스페이트 음이온, 폴리플루오로알칸설포네이트 음이온, 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드 음이온, C1∼C6 알킬 설페이트 음이온 및 C1∼C6 알칸 설포네이트 음이온, 아세테이트 음이온 및 플루오로알칸산 음이온으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것일 수 있다.
본 발명에 따른 전기화학적 반응성 액추에이터, 브레이드 구조의 액추에이터 및 메쉬구조의 액추에이터는 전기 자극에 의해 수축/인장되는 구동 성능을 나타낼 뿐만 아니라, 에너지를 저장할 수 있는 캐패시터로도 사용이 가능하다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 전기화학적 반응성 액추에이터, 브레이드 구조의 액추에이터 및 메쉬구조의 액추에이터는 유연하고 가벼운 섬유 형태를 유지하면서도, 기계적 강도가 높아, 전기 자극에 의해 수축되는 구동 성능이 우수하며, 전해질 내 이온들과 접촉하는 단위표면적이 넓어 에너지 저장밀도가 우수하고, 이온의 원활한 이동 가능하므로 충/방전 속도가 높다는 장점이 있다. 또한, 상기 적어도 둘 이상의 합연사 각각을 양극 음극으로 이격되어 배치함으로써, 마찰력에 의해 구동 성능을 저하시키는 고체 전해질 외에도 전해질에도 쇼트현상을 방지할 수 있다.
따라서, 본 발명의 전기화학적 반응성 액추에이터, 브레이드 구조의 액추에이터 및 메쉬구조의 액추에이터는 마이크로 로봇이나 이식용 의료장치와 같은 다양한 분야에 응용이 가능하다.
도 1a는 본 발명에 따른 액추에이터의 단면도이다.
도 1b는 본 발명에 따른 액추에이터에 전압이 인가되어, 수축한 모습을 촬영한 사진(좌)과 이를 현미경으로 확대 촬영한 사진(우)이다.
도 1c는 본 발명의 탄소나노튜브 단사의 측면도이다.
도 1d는 본 발명의 탄소나노튜브 단사 한 가닥을 이용하여 합연사를 제조하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 1e는 본 발명의 탄소나노튜브 단사 두 가닥을 이용하여 합연사를 제조하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 2a는 본 발명에 따른 브레이드 구조의 액추에이터의 측면도이다.
도 2b는 본 발명에 따른 메쉬구조의 액추에이터의 측면도이다.
도 3은 탄소나노튜브 숲으로부터 당김 방법으로 제조된 탄소나노튜브 시트를 제조하고, 여기에 꼬임을 인가하여 코일 형태의 단사를 제조하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 브레이드 구조의 액추에이터를 제조하는 각 과정을 나타낸 실제 사진이다. 도 4a는 합연사 네 쌍을 준비한 모습; 도 4b는 상기 합연사 네쌍을 편조하여 제조한 양극의 모습; 도 4c는 상기 음극 표면에 겔 전해질을 코팅한 모습; 도 4d는 상기 양극의 외측 주위에 복수개의 합연사를 편조하여 음극을 형성한 모습;을 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명에 따른 합연사의 구조를 확인하기 위하여, 본 발명의 실시예 1로 제조된 합연사 한 쌍을 SEM으로 촬영한 이미지이다.
도 6a는 본 발명에 따른 액추에이터 하단에 다양한 무게의 추를 연결하고, 이로 인해 액추에이터 구동 성능이 받는 영향을 확인하기 위한 것으로, 사각파 인가전압(5 v using 50% duty cycle, 0.1 Hz)에서 실시예 1로부터 제조된 액추에이터의 하단에 다양한 무게의 추를 연결한 다음, 각각에 대한 수축률(%)을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 6b는 사각파 인가전압의 인가 시간이 액추에이터 구동 성능에 미치는 영향을 확인하기 위한 것으로, 실시예 1로부터 제조된 액추에이터의 하단에 180 MPa의 하중을 갖는 추를 연결하고, 사각파 인가전압(4 V, 5 V)를 가해주는 시간만을 1 내지 5s로 변화시켰을 때, 각각 경우에 액추에이터의 에너지 전환 효율(%)을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 액추에이터 하단에 다양한 무게의 추를 연결하고, 이로 인해 액추에이터 구동 성능이 받는 영향을 확인하기 위한 것으로, 사각파 인가전압(4 v using 50% duty cycle, 0.1 Hz)에서 실시예 1로부터 제조된 액추에이터의 하단에 다양한 무게의 추를 연결한 다음, 각각에 대한 수축률을 측정하여 나타낸 그래프(a)와 수축일(J/kg) 및 에너지 전환 효율(%)을 나타낸 그래프(b)이다.
도 8은 실시예 3으로부터 제조된 액추에이터에 대한 에너지 저장 성능과 구동 성능을 나타낸 것으로, 사이클릭 볼타메트리(cyclic voltammetry)를 통한 실시예 3으로부터 제조된 액추에이터의 충전되는 에너지와 되돌아오는 에너지를 계산하여 나타낸 그래프(a)와 수축률(%)을 나타낸 그래프(b)이다. 상기 사이클릭 볼타메트리는 전압범위 0 V~3.5 V, 스캔속도 200 mV/sec로 순환시켰을 때, 실시예 3로부터 제조된 액추에이터의 산화-환원 반응을 실험하였다. 이때, 상기 실시예 3로부터 제조된 액추에이터의 어느 한 말단에 400 g의 추를 연결하였다.
도 9는 실시예 1로부터 제조된 액추에이터에서 하단부에 아무것도 연결되지 않은 상태, 즉, 전기 자극에 대해 각각 따로 움직일 수 있도록 제조하였을 때, 사이클릭 볼타메트리(cyclic voltammetry)를 통한 시간에 따른 전압(V), 전류(A) 및 수축률(%)을 나타낸 그래프(a)과 전압에 따른 구동 성능(수축률(%))을 측정한 그래프(b)이다.
도 10은 전해질의 종류에 따라 액추에이터의 전하 이동 저하에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 고분자와 전해 물질의 혼합 중량비를 2-8:1로 변화하여 제조한 겔 전해질을 사용한 실시예 1로부터 제조된 액추에이터에 대한 나이퀴스트(Nyquist) 곡선이다. 여기서, 상기 겔 전해질은 제조예 2로부터 제조된 겔 전해질을 사용하나, 고분자와 전해 물질의 혼합 중량비를 2:1, 3:1, 4:1, 5:1, 7:1 및 8:1로 각각 제조한 것을 사용한다.
도 11은 본 발명에 따른 액추에이터의 수명 특성을 확인하기 위한 것으로, 사각파 인가전압(4 v using 50% duty cycle, 0.1 Hz)에서 실시예 4로부터 제조된 액추에이터의 하단에 300 g 무게의 추를 연결한 다음, 시간에 따른 수축률(%)을 측정하여 나타낸 그래프이다. 이때, 수축률(%)을 계산하기 위한 초기 액추에이터의 길이는 추가 연결되고 전압이 인가되지 않은 실시예 4의 액추에이터(8.46 mm)를 기준으로 하였다.
도 12a는 사각파 인가전압(2.5 v using 50% duty cycle, 0.1 Hz)에서 실시예 5로부터 제조된 액추에이터의 하단에 다양한 무게의 추를 연결한 다음, 각각에 대한 수축률(%)을 측정하여 나타낸 그래프이다. 이때, 도 12b는 상기 실시예 5로부터 제조된 액추에이터에 인가된 사각파를 나타낸 그래프이다.
도 13a는 사각파 인가전압(2.5 V using 50% duty cycle, 0.1 Hz)에서 실시예 6으로부터 제조된 액추에이터의 하단에 다양한 무게의 추를 연결한 다음, 각각에 대한 수축률(%)을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 13b는 사각파 인가전압(2.5 V using 50% duty cycle, 0.1 Hz)에서 전압을 가해주는 시간(stimuli time(s))에 따른 36.8 g의 무게추가 연결된 실시예 6으로부터 제조된 액추에이터의 수축률(%)을 측정한 그래프이다.
도 14a는 실시예 1의 액추에이터에 포함되는 단사의 SEM 사진이고, 도 14b는 도 14a를 확대한 SEM 사진이며, 도 14c는 도 14a의 표면을 확대하여 촬영한 SEM 사진이다.
도 15는 사각파 인가전압(1 V using 50% duty cycle, 0.1 Hz)에서 비교예 1 및 비교예 2로부터 제조된 액추에이터의 하단에 다양한 무게의 추를 연결한 다음, 각각에 대한 수축률(%)을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 16a는 사각파 인가전압(4 V using 50% duty cycle, 5 s)에서 실시예 7로부터 제조된 브레이드 구조를 갖는 액추에이터의 하단에 다양한 무게의 추를 연결한 다음, 각각에 대한 수축률(%)을 측정하여 나타낸 그래프이고,
도 16b는 사각파 인가전압(5 v using 50% duty cycle, 5 s)에서 실시예 7로부터 제조된 브레이드 구조를 갖는 액추에이터의 하단에 다양한 무게의 추를 연결한 다음, 각각에 대한 수축률(%)을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 16c는 실시예 7로부터 제조된 액추에이터의 에너지 저장성능을 확인하기 위하여, 사이클릭 볼타메트리(cyclic voltammetry)로 측정한 결과를 나타낸 그래프(b)이다. 도 16d는 실시예 7로부터 제조된 액추에이터의 나이퀴스트 그래프이다. 이때, 주사속도는 10, 50, 100 mV/s로 하여 각각 측정하였다.
도 1b는 본 발명에 따른 액추에이터에 전압이 인가되어, 수축한 모습을 촬영한 사진(좌)과 이를 현미경으로 확대 촬영한 사진(우)이다.
도 1c는 본 발명의 탄소나노튜브 단사의 측면도이다.
도 1d는 본 발명의 탄소나노튜브 단사 한 가닥을 이용하여 합연사를 제조하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 1e는 본 발명의 탄소나노튜브 단사 두 가닥을 이용하여 합연사를 제조하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 2a는 본 발명에 따른 브레이드 구조의 액추에이터의 측면도이다.
도 2b는 본 발명에 따른 메쉬구조의 액추에이터의 측면도이다.
도 3은 탄소나노튜브 숲으로부터 당김 방법으로 제조된 탄소나노튜브 시트를 제조하고, 여기에 꼬임을 인가하여 코일 형태의 단사를 제조하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 브레이드 구조의 액추에이터를 제조하는 각 과정을 나타낸 실제 사진이다. 도 4a는 합연사 네 쌍을 준비한 모습; 도 4b는 상기 합연사 네쌍을 편조하여 제조한 양극의 모습; 도 4c는 상기 음극 표면에 겔 전해질을 코팅한 모습; 도 4d는 상기 양극의 외측 주위에 복수개의 합연사를 편조하여 음극을 형성한 모습;을 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명에 따른 합연사의 구조를 확인하기 위하여, 본 발명의 실시예 1로 제조된 합연사 한 쌍을 SEM으로 촬영한 이미지이다.
도 6a는 본 발명에 따른 액추에이터 하단에 다양한 무게의 추를 연결하고, 이로 인해 액추에이터 구동 성능이 받는 영향을 확인하기 위한 것으로, 사각파 인가전압(5 v using 50% duty cycle, 0.1 Hz)에서 실시예 1로부터 제조된 액추에이터의 하단에 다양한 무게의 추를 연결한 다음, 각각에 대한 수축률(%)을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 6b는 사각파 인가전압의 인가 시간이 액추에이터 구동 성능에 미치는 영향을 확인하기 위한 것으로, 실시예 1로부터 제조된 액추에이터의 하단에 180 MPa의 하중을 갖는 추를 연결하고, 사각파 인가전압(4 V, 5 V)를 가해주는 시간만을 1 내지 5s로 변화시켰을 때, 각각 경우에 액추에이터의 에너지 전환 효율(%)을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 액추에이터 하단에 다양한 무게의 추를 연결하고, 이로 인해 액추에이터 구동 성능이 받는 영향을 확인하기 위한 것으로, 사각파 인가전압(4 v using 50% duty cycle, 0.1 Hz)에서 실시예 1로부터 제조된 액추에이터의 하단에 다양한 무게의 추를 연결한 다음, 각각에 대한 수축률을 측정하여 나타낸 그래프(a)와 수축일(J/kg) 및 에너지 전환 효율(%)을 나타낸 그래프(b)이다.
도 8은 실시예 3으로부터 제조된 액추에이터에 대한 에너지 저장 성능과 구동 성능을 나타낸 것으로, 사이클릭 볼타메트리(cyclic voltammetry)를 통한 실시예 3으로부터 제조된 액추에이터의 충전되는 에너지와 되돌아오는 에너지를 계산하여 나타낸 그래프(a)와 수축률(%)을 나타낸 그래프(b)이다. 상기 사이클릭 볼타메트리는 전압범위 0 V~3.5 V, 스캔속도 200 mV/sec로 순환시켰을 때, 실시예 3로부터 제조된 액추에이터의 산화-환원 반응을 실험하였다. 이때, 상기 실시예 3로부터 제조된 액추에이터의 어느 한 말단에 400 g의 추를 연결하였다.
도 9는 실시예 1로부터 제조된 액추에이터에서 하단부에 아무것도 연결되지 않은 상태, 즉, 전기 자극에 대해 각각 따로 움직일 수 있도록 제조하였을 때, 사이클릭 볼타메트리(cyclic voltammetry)를 통한 시간에 따른 전압(V), 전류(A) 및 수축률(%)을 나타낸 그래프(a)과 전압에 따른 구동 성능(수축률(%))을 측정한 그래프(b)이다.
도 10은 전해질의 종류에 따라 액추에이터의 전하 이동 저하에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 고분자와 전해 물질의 혼합 중량비를 2-8:1로 변화하여 제조한 겔 전해질을 사용한 실시예 1로부터 제조된 액추에이터에 대한 나이퀴스트(Nyquist) 곡선이다. 여기서, 상기 겔 전해질은 제조예 2로부터 제조된 겔 전해질을 사용하나, 고분자와 전해 물질의 혼합 중량비를 2:1, 3:1, 4:1, 5:1, 7:1 및 8:1로 각각 제조한 것을 사용한다.
도 11은 본 발명에 따른 액추에이터의 수명 특성을 확인하기 위한 것으로, 사각파 인가전압(4 v using 50% duty cycle, 0.1 Hz)에서 실시예 4로부터 제조된 액추에이터의 하단에 300 g 무게의 추를 연결한 다음, 시간에 따른 수축률(%)을 측정하여 나타낸 그래프이다. 이때, 수축률(%)을 계산하기 위한 초기 액추에이터의 길이는 추가 연결되고 전압이 인가되지 않은 실시예 4의 액추에이터(8.46 mm)를 기준으로 하였다.
도 12a는 사각파 인가전압(2.5 v using 50% duty cycle, 0.1 Hz)에서 실시예 5로부터 제조된 액추에이터의 하단에 다양한 무게의 추를 연결한 다음, 각각에 대한 수축률(%)을 측정하여 나타낸 그래프이다. 이때, 도 12b는 상기 실시예 5로부터 제조된 액추에이터에 인가된 사각파를 나타낸 그래프이다.
도 13a는 사각파 인가전압(2.5 V using 50% duty cycle, 0.1 Hz)에서 실시예 6으로부터 제조된 액추에이터의 하단에 다양한 무게의 추를 연결한 다음, 각각에 대한 수축률(%)을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 13b는 사각파 인가전압(2.5 V using 50% duty cycle, 0.1 Hz)에서 전압을 가해주는 시간(stimuli time(s))에 따른 36.8 g의 무게추가 연결된 실시예 6으로부터 제조된 액추에이터의 수축률(%)을 측정한 그래프이다.
도 14a는 실시예 1의 액추에이터에 포함되는 단사의 SEM 사진이고, 도 14b는 도 14a를 확대한 SEM 사진이며, 도 14c는 도 14a의 표면을 확대하여 촬영한 SEM 사진이다.
도 15는 사각파 인가전압(1 V using 50% duty cycle, 0.1 Hz)에서 비교예 1 및 비교예 2로부터 제조된 액추에이터의 하단에 다양한 무게의 추를 연결한 다음, 각각에 대한 수축률(%)을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 16a는 사각파 인가전압(4 V using 50% duty cycle, 5 s)에서 실시예 7로부터 제조된 브레이드 구조를 갖는 액추에이터의 하단에 다양한 무게의 추를 연결한 다음, 각각에 대한 수축률(%)을 측정하여 나타낸 그래프이고,
도 16b는 사각파 인가전압(5 v using 50% duty cycle, 5 s)에서 실시예 7로부터 제조된 브레이드 구조를 갖는 액추에이터의 하단에 다양한 무게의 추를 연결한 다음, 각각에 대한 수축률(%)을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 16c는 실시예 7로부터 제조된 액추에이터의 에너지 저장성능을 확인하기 위하여, 사이클릭 볼타메트리(cyclic voltammetry)로 측정한 결과를 나타낸 그래프(b)이다. 도 16d는 실시예 7로부터 제조된 액추에이터의 나이퀴스트 그래프이다. 이때, 주사속도는 10, 50, 100 mV/s로 하여 각각 측정하였다.
이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.
본 명세서에서 “수축률”은 아래 [수학식 1]을 통해 계산할 수 있다.
상기 식에서,
L0는 초기 액추에이터의 길이이고, L2는 전압이 인가된 후의 액추에이터 길이이다.
상기 [식 1]의 초기 액추에이터의 길이(L0)를 기준으로 선정하느냐에 따라서 수축률이 달라질 수 있다. 구체적으로, 상기 초기 액추에이터의 길이(L0)를 추가 연결되지 않은 즉, 하중이 0 MPa인 액추에이터의 길이를 기준으로 하여 계산한 경우에는, non-loaded length로 표기하였고, 상기 초기 액추에이터의 길이(L0)를 전압이 인가되기 전의 액추에이터 길이를 기준으로 하여 계산한 경우에는, loaded length로 표기하였다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 용어 “에너지 전환 효율(%)”은 전기 자극이 역학적 일로 전환되는 정도를 나타낸 것으로, 구체적으로 전기 자극에 대한 에너지와 일정 무게를 들어올리는 일에 대한 비를 의미하는 것이다.
본 발명의 일 측면은 전기화학적 반응성 액추에이터에 관한 것으로, 구체적으로 이격되어 배치된 적어도 둘 이상의 합연사(2 ply yarn); 및 상기 합연사 사이를 채우는 전해질을 포함하고,
상기 탄소나노튜브 단사는 내측을 기준으로 제1 단 및 제2 단의 양말단부를 구비하고, 상기 합연사는 상기 탄소나노튜브 단사 제1 단 및 제2 단의 양말단부가 서로 대면하도록 일방향으로 꼬아 형성되거나, 상기 탄소나노튜브 단사 둘 이상을 서로 일방향으로 꼬아 형성된 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 형성된 합연사는 2-플라이 구조를 갖는 실 형태로, 이의 일 구현예를 하기 도 1에 나타내었다.
도 1a에 나타난 바와 같이, 상기 액추에이터(100)는 이격되어 배치된 적어도 둘 이상의 합연사(2 ply yarn)(120); 및 상기 합연사(120) 사이를 채우는 전해질(130)을 포함하고, 상기 탄소나노튜브 단사는 내측을 기준으로 제1 단(111) 및 제2 단(112)의 양말단부(111', 112')를 구비하며, 상기 합연사(120)는 상기 탄소나노튜브 단사(110) 제1 단(111) 및 제2 단(112)의 양말단부(111', 112')가 서로 대향하도록 접지시킨 후 일방향으로 꼬아 형성되거나, 상기 탄소나노튜브 단사(110) 둘 이상을 서로 접지시킨 후 일방향으로 꼬아 형성된 것을 특징으로 한다.
도 1c에 나타난 바와 같이, 상기 탄소나노튜브 단사(110)는 내측 즉, 어느 특정 지점(점선)을 기준으로 제1 단(111) 및 제2 단(112)으로 구비되어있고(ⅰ), 상기 제1 단(111)과 상기 제2 단(112)의 양말단부(111', 112')를 서로 대향하여 접지시킨 후(ⅱ) 이를 일방향으로 꼬아서, 상기 합연사(120)를 형성한다(ⅲ).
즉, 상기 탄소나노튜브 단사(110)가 한 가닥인 경우, 상술한 과정으로 상기 합연사(120)를 형성할 수 있는데, 이때 상기 합연사(120)는 어느 한 말단(121')이 연결되어 있는 꽈배기 형태의 2-플라이 구조의 실 형태이다.
한편, 상기 탄소나노튜브 단사(110)가 두 가닥 이상인 경우, 도 1d에 나타난 바와 같이 둘 이상의 상기 탄소나노튜브 단사(110)(ⅰ)를 서로 접지시킨 후 이를 일방향으로 꼬아 상기 합연사(120)를 형성한다(ⅱ). 이와 같은 과정으로 형성된 합연사(120)는 어느 한 말단(121')이 끊어져 있는, 연결되어 있지 않은 2-플라이 구조의 실형태이다.
상기 합연사(120)는 도 1c에서와 같이 어느 한 말단(121')이 연결되어 있는 꽈배기 형태의 2-플라이 구조의 실 형태인 것이 가장 바람직한데, 왜냐하면, 상기 제1 단(111)과 상기 제2 단(112)의 양말단부(111', 112')를 서로 대향하여 접지시킨 후 말단부에 장력이 걸렸을 때 자발적으로 꼬이며 상기 합연사(120)가 형성되기 때문에 제조 과정이 도 1d 보다 간단하기 때문이다.
상기 탄소나노튜브 단사(110)는 일축정렬되어 형성된 탄소나노튜브 시트에 꼬임을 인가하여 제조된 것으로써, 상기 탄소나노튜브 단사(110)의 표면은 주름진 구조를 갖게 되고, 이로 인해, 높은 표면적 및 다수의 기공을 갖는 것을 특징으로 한다.
보다 구체적으로, 상기 탄소나노튜브 단사(110)는 50 내지 100 장의 탄소나노튜브 시트를 일방향으로 꼬아서 제조한, 코일형태의 실로, 상기 탄소나노튜브 시트가 50 장 미만으로 제조될 경우, 기계적 강도가 낮고, 표면적이 작아, 전기 자극에 의한 구동 성능이 낮다는 단점이 있다. 또한, 상기 탄소나노튜브 시트가 100 장을 초과하여 제조될 경우에는 상기 액추에이터(100)의 내부 저항이 증가하는 문제가 발생할 수 있다.
상기 탄소나노튜브 시트는 적어도 하나 이상의 탄소나노튜브들이 일축정렬되어 형성된 것을 특징으로 하는데, 이는 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)에 의해 수직성장하여 형성된 탄소나노튜브 층(CNT forest)으로부터 당김 방법(draw)으로 제조하여 유도할 수 있다.
또한, 상기 합연사(120)의 일방향 즉, 상기 합연사(120)가 꼬인 방향(이하, ‘꼬임 방향’이라고도 한다.)과 상기 탄소나노튜브 단사(110)의 일방향은 서로 반대방향인 것을 특징으로 하는데, 이들은 서로 자물쇠(lock)로 작용하여 인가된 꼬임이 쉽게 풀어지지 않고 장시간 유지될 수 있어, 구조를 매우 안정적이게 한다. 따라서, 상기 합연사(120)의 꼬임 방향과 상기 탄소나노튜브 단사(110)의 꼬임 방향이 서로 반대 방향인 액추에이터는 풀림을 방지하기 위한 별도의 장치없이도 구조를 안정적으로 유지할 수 있기 때문에, 심플하게 제조가 가능하다.
또한, 상기와 같은 구조로 인해, 본 발명에 따른 액추에이터(100)내에 작용되는 마찰력을 사방으로 분산하기 때문에 기계적 강도도 향상된다.
구체적으로, 상기 합연사(120)가 우연(S 방향) 방향으로 꼬아 형성된 것이면, 상기 탄소나노튜브 단사(110)는 좌연(Z 방향) 방향으로 꼬아 형성된 것일 수 있고,
상기 합연사(120)가 좌연(Z 방향) 방향으로 꼬아 형성된 것이면, 상기 탄소나노튜브 단사(110)는 우연(S 방향) 방향으로 꼬아 형성된 것일 수 있다.
본 발명에 따른 액추에이터에 전기전도성을 향상시키기 위해, 상기 탄소나노튜브 단사(110)는 금속 와이어를 더 포함할 수 있는데, 상기 금속 와이어는 백금(Pt), 금(Au), 구리(Cu), 아연(Zn), 니켈(Ni), 코발트(Co), 팔라듐(Pd), 주석(Sn), 알루미늄(Al) 와이어 및 이들의 합금 와이어로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 금속 와이어를 더 포함한 상기 탄소나노튜브 단사(110)는 상기 금속 와이어를 상기 탄소나노튜브 시트와 같이 일방향으로 꼬아서 제조된 것일 수 있다.
상기 금속 와이어는 유연성이 낮기 때문에, 도 1c와 같이 한 가닥의 탄소나노튜브 단사(110)의 제1 단(111) 및 제2 단(112)의 양말단부(111‘, 112’)를 서로 대향하도록 접지시킨 후 일방향으로 꼬아 상기 합연사(120)를 형성하는 경우에 한해서 상기 탄소나노튜브 단사(110)는 상기 금속 와이어를 전체적으로 포함하는 것보다 상기 탄소나노튜브 단사(110) 제1 단(111)과 제2 단(112) 각각에 상기 금속 와이어를 포함시키는 것이 바람직하다.
다시 말해 상기 금속 와이어는 상기 탄소나노튜브 단사(110) 제1 단(111)과 제2 단(112) 각각에 포함되어 형성되는데, 상기 제1 단(111) 또는 제2 단(112)에만 포함되거나, 제1 단(111)과 제2 단(112) 모두에 포함될 수 있으나, 바람직하게는 상기 금속 와이어는 탄소나노튜브 단사(110) 제1 단(111)과 제2 단(112) 각각에 포함된 것일 수 있다.
상기 전해질(130)은 양이온과 음이온을 포함하는 것으로, 상기 양이온과 음이온의 입경이 크면 이들의 이동속도는 저하될 수 있으나, 이로 인해 본 발명의 액추에이터를 구성하는 합연사의 체적변화량이 증대되기 때문에, 이들의 입경은 큰 것이 바람직하다.
즉, 상기 양이온과 음이온의 입경은 이동속도는 크게 저하되지 않으면서도 액추에이터의 수축률은 10% 이상이 되도록 유도할 수 있는 범위인 0.46 nm 내지 0.69 nm 인 것이 가장 바람직하다.
따라서 상기 양이온과 음이온의 입경이 0.46 nm 내지 0.69 nm 인 것이면 특별히 이에 제한되지 않으나, 바람직하게는 상기 양이온은 모노알킬암모늄 양이온, 디알킬암모늄 양이온, 트리알킬암모늄 양이온 및 테트라알킬암모늄 양이온으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나이고, 상기 양이온의 알킬기 각각은 C1~C4의 알킬기이다.
상기 음이온은 니트레이트 음이온, 니트라이트 음이온, 테트라플루오로보레이트 음이온, 헥사플루오로포스페이트 음이온, 폴리플루오로알칸설포네이트 음이온, 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드 음이온, C1∼C6 알킬 설페이트 음이온 및 C1∼C6 알칸 설포네이트 음이온, 아세테이트 음이온 및 플루오로알칸산 음이온으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 전해질(130)은 가장 바람직하게 테트라에틸암모늄 양이온과 테트라플루오로보레이트 음이온을 포함하는 테트라에틸암모늄테트라플루오로보레이트(TEABF4)일 수 있는데, 왜냐하면 2.5 V의 낮은 전압뿐만 아니라 5 V의 높은 전압에서도 효과적으로 구동될 수 있기 때문이다.
상기 전해질(130)은 전자와 전하의 이동속도를 증대시키기 위하여 전도성 고분자를 더 포함할 수 있는데, 전해질 내에 사용되는 전도성 고분자이면 특별히 이에 제한되지 않으나, 바람직하게는 PVDF-co-HFP(폴리(비닐리덴-플루오라이드-co-헥사플루오로프로필렌))일 수 있다.
이때, 상기 전도성 고분자와 전해질의 혼합 중량비는 2:1 내지 8:1일 수 있고, 전자와 전하의 이동이 최대인 4:1, 5:1인 것이 가장 바람직하다.
상기 전도성 고분자와 전해질의 혼합 중량비가 2:1 미만이거나, 8:1을 초과하게 될 경우, 전자와 전하의 이동이 오히려 느려지기 때문에, 액추에이터의 반응 속도가 현저히 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
상기 전해질에 포함되는 상기 양이온 및 음이온의 입경이 0.46 nm 내지 0.69 nm 인 대입경을 가지게 되면, 본 발명에 따른 액추에이터는 전압이 인가됨에 따라 최대 20 %의 우수한 수축률(%)로 구동될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 액추에이터가 작동할 때, 동시에 동일한 수축률(%)로 수축되도록 하기 위해서, 상기 양이온과 음이온의 크기가 유사한 것이 바람직하지만, 양이온과 음이온의 크기 차이가 많이 나도록 하여 액추에이터가 작동할 때, 수축되는 길이 변화 폭(수축률(%))을 크게 하도록 유도할 수도 있다.
상기 탄소나노튜브 단사(110)로 형성된 상기 합연사(120) 단일 가닥만으로 액추에이터를 제조할 경우, 상기 합연사(120)를 구성하는 각각의 탄소나노튜브 단사(110)가 제1 전극과 제2 전극 즉, 양극과 음극으로 작동하기 때문에, 이들 간에 쇼트현상이 쉽게 발생된다는 단점이 있다. 또한, 상기 단점을 해결하기 위해서 상기 합연사(120)를 구성한 상기 탄소나노튜브 단사(110) 사이에 세퍼레이트 막을 포함하거나, 이러한 역할을 하는 고체 전해질을 추가 구비하여야 하므로, 유연성이 현저히 저하될 뿐만 아니라, 전압이 인가되었을 때 액추에이터로써 구동할 수 없다는 문제가 있다.
도 1b는 본 발명에 따른 액추에이터에 전압이 인가되어, 수축한 모습을 촬영한 사진(좌)과 이를 현미경으로 확대 촬영한 사진(우)으로, 이에 따르면, 상기 액추에이터에 전압이 인가여부에 따라 상기 둘 이상의 합연사가 각각 체적변화를 일으켜 각각 동일한 길이방향으로 가역적으로 동시에 수축 또는 동시에 이완한다는 것을 확인할 수 있다.
구체적으로 본 발명에 따른 액추에이터는 전기의 자극에 의해, 전해질 내의 이온들의 이동이 일어나며 공간 상의 변화가 발생하게 되면서, 액추에이터의 길이방향에 따른 수축/이완과 같은 빠른 전기화학적 에너지가 기계적 에너지로 변환되는 전기기계적인 변화를 가져오게 된다. 다시 말해, 본 발명에 따른 액추에이터는 전압이 인가되면 액추에이터의 길이방향으로 수축하게 되고, 전압이 인가되지 않으면, 전압이 인가되기 이전의 초기상태로 이완되는 가역적인 구동을 한다.
이때, 상기 액추에이터의 전해질에 포함된 양이온과 음이온의 크기를 다르게 하여, 도 1b의 좌측 사진에서와 같이 액추에이터에 전압이 인가되어 수반되는 각 합연사의 체적변화에 차이가 발생하도록 유도할 수 있다.
본 발명에 따른 액추에이터는 적어도 둘 이상의 합연사가 이격되어 배치되어 있고, 상기 각각의 합연사는 적어도 하나의 탄소나노튜브 단사가 꼬여 형성된 것으로, 이러한 구조로 인해 종래 액추에이터의 문제점이였던 기계적 강도와 표면적을 향상시켰을 뿐만 아니라, 쇼트현상도 효과적으로 방지할 수 있고, 제조과정도 단순하다는 점에서 장점이 있다.
게다가, 본 발명에 따른 액추에이터는 종래 액추에이터들과는 달리, 복수개의 합연사로 이루어진 개선된 구조를 가짐으로써, 곡면 변형이 아닌 길이방향으로의 수축/이완 변형을 발생시키는 발명이기 때문에, 생체 근육과 같은 다양한 분야에 이용이 가능하다는 장점이 있다.
또한, 공기 중에서도 우수한 구동을 발생시키고, 에너지 저장 특성을 가지기 때문에, 커패시터로도 사용할 수 있다.
상기 액추에이터는 0.46 nm 내지 0.69 nm의 대입경을 갖는 양이온과 음이온을 포함하는 전해질을 이용함으로써, 구동 가능한 전압의 범위가 2 내지 5 V까지 광범위하고, 상기 범위의 전압 조건 하에서, 우수한 구동 성능을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면은 적어도 둘 이상의 합연사 중 서로 이웃하는 합연사끼리 상호 교차하도록 브레이딩하여 구비된 제1 전극(210); 상기 제1 전극(210)에 구비되는 제1 전해질(220); 상기 제1 전해질(220) 상에 구비되되 적어도 둘 이상의 합연사 중 서로 이웃하는 합연사끼리 상호교차하도록 브레이딩하여 구비된 제2 전극(230) 및 상기 제2 전극(230)에 구비되는 제2 전해질(240);을 포함하는 브레이드 구조의 액추에이터(200)에 관한 것으로, 상기 제1 전극과 제2 전극(210, 230)을 구성하는 상기 합연사(120)는 내측을 기준으로 제1 단 및 제2 단의 양말단부로 이루어진 탄소나노튜브 단사를 포함하며, 상기 탄소나노튜브 단사 제1 단 및 제2 단의 양말단부가 서로 대향하도록 접지시킨 후, 일방향으로 꼬아 형성된 것이거나, 상기 탄소나노튜브 단사 둘 이상을 서로 접지시킨 후, 일방향으로 꼬아 형성된 것을 특징으로 하며, 이의 구조를 하기 도 2a에 나타내었다.
도 2a를 참조하면, 상기 브레이드 구조의 액추에이터(200)는 상기 제1 전극과 제2 전극(210, 230)이 하나의 가닥처럼 행동하며 그 구조가 매우 안정적이다.
이러한, 상기 제1 전극과 제2 전극(210, 230)은 브레이드 구조 즉, 적어도 둘 이상의 합연사(120) 중 서로 이웃하는 합연사끼리 상호교차하도록 브레이딩하여 구비한 것으로써, 상기 액추에이터 하단에 하중이 걸리게 되면, 상기 액추에이터는 길이방향으로는 이완되고, 직경이 작아지는 방향으로 균일한 힘이 작용하여 수축하게 된다. 여기에, 전압이 가해지면 전해질 내 이온이 상기 제1 전극(210)과 상기 제2 전극(230)으로 원활하게 이동함으로써 길이방향으로 수축하게 되고, 전압이 인가되지 않으면 초기 상태로 돌아가게 되는 구동을 보여준다.
또한, 상기 합연사(120)의 꼬임 방향과 상기 탄소나노튜브 단사의 꼬임 방향은 서로 반대방향인 것을 특징으로 하는데, 이들은 서로 자물쇠(lock)로 작용하여 인가된 꼬임이 쉽게 풀어지지 않고 장시간 유지될 수 있어, 구조를 매우 안정적이게 한다. 따라서, 상기 합연사(120)의 꼬임 방향과 상기 탄소나노튜브 단사의 꼬임 방향이 서로 반대 방향인 액추에이터(200)는 풀림을 방지하기 위한 별도의 장치없이도 구조를 안정적으로 유지할 수 있기 때문에, 심플하게 제조가 가능하다.
또한, 상기와 같은 구조로 인해, 본 발명에 따른 액추에이터(200)내에 작용되는 마찰력을 사방으로 분산하기 때문에 기계적 강도도 향상된다.
구체적으로, 상기 합연사(120)가 우연(S 방향) 방향으로 꼬아 형성된 것이면, 상기 탄소나노튜브 단사는 좌연(Z 방향) 방향으로 꼬아 형성된 것일 수 있고,
상기 합연사(120)가 좌연(Z 방향) 방향으로 꼬아 형성된 것이면, 상기 탄소나노튜브 단사는 우연(S 방향) 방향으로 꼬아 형성된 것일 수 있다.
상기 탄소나노튜브 단사는 일축정렬되어 형성된 탄소나노튜브 시트에 꼬임을 인가하여 제조된 것으로써, 상기 탄소나노튜브 단사의 표면은 주름진 구조를 갖게 되고, 이로 인해, 높은 표면적 및 다수의 기공을 갖는 것을 특징으로 한다.
보다 구체적으로, 상기 탄소나노튜브 단사는 50 내지 100 장의 탄소나노튜브 시트를 일방향으로 꼬아서 제조한, 코일형태의 실로, 상기 탄소나노튜브 시트가 50 장 미만으로 제조될 경우, 기계적 강도가 낮고, 표면적이 작아, 전기 자극에 의한 구동 성능이 낮다는 단점이 있다. 또한, 상기 탄소나노튜브 시트가 100 장을 초과하여 제조될 경우에는 상기 액추에이터(200)의 내부 저항이 증가하는 문제가 발생할 수 있다.
상기 탄소나노튜브 시트는 적어도 하나 이상의 탄소나노튜브들이 일축정렬되어 형성된 것을 특징으로 하는데, 이는 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)에 의해 수직성장하여 형성된 탄소나노튜브 층(CNT forest)으로부터 당김 방법(draw)으로 제조하여 유도할 수 있다.
상기 제1 전극(210)과 제2 전극(230)의 표면은 각각 제1 전해질(220)과 제2 전해질(240)이 구비되어 있는 것이 바람직한데, 상기 제1 전해질(220)과 제2 전해질(240)은 양이온과 음이온을 포함하는데, 상기 제1 전해질(220)과 제2 전해질(240)은 서로 동일한 물질이거나, 서로 다른 물질일 수 있다.
상기 제1 전해질(220)과 제2 전해질(240)에 포함되는 상기 양이온과 음이온은 입경이 큰 것이 바람직한데, 왜냐하면 상기 양이온과 음이온의 입경이 크면 이동속도는 저하되지만, 이로 인해 본 발명의 액추에이터를 구성하는 합연사(120)의 체적변화량은 증대되기 때문이다.
따라서 상기 양이온과 음이온의 입경은 이동속도는 크게 저하되지 않으면서도 액추에이터의 수축률은 10% 이상이 되도록 유도할 수 있는 범위인 0.46 nm 내지 0.69 nm인 것이 가장 바람직하다.
따라서 상기 양이온과 음이온의 입경이 0.46 nm 내지 0.69 nm인 것이면 특별히 이에 제한되지 않으나, 바람직하게는 상기 양이온은 모노알킬암모늄 양이온, 디알킬암모늄 양이온, 트리알킬암모늄 양이온 및 테트라알킬암모늄 양이온으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나이고, 상기 양이온의 알킬기 각각은 C1~C4의 알킬기이다.
상기 음이온은 니트레이트 음이온, 니트라이트 음이온, 테트라플루오로보레이트 음이온, 헥사플루오로포스페이트 음이온, 폴리플루오로알칸설포네이트 음이온, 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드 음이온, C1∼C6 알킬 설페이트 음이온 및 C1∼C6 알칸 설포네이트 음이온, 아세테이트 음이온 및 플루오로알칸산 음이온으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 제1 및 제2 전해질(220, 240)은 가장 바람직하게 테트라에틸암모늄 양이온과 테트라플루오로보레이트 음이온을 포함하는 테트라에틸암모늄테트라플루오로보레이트(TEABF4)일 수 있는데, 왜냐하면 2.5 V의 낮은 전압뿐만 아니라 5 V의 높은 전압에서도 효과적으로 구동될 수 있기 때문이다.
상기 제1 전해질(220)과 제2 전해질(240) 각각 또는 모두에는 전자와 전하의 이동속도를 증대시키기 위하여 전도성 고분자를 더 포함할 수 있는데, 전해질 내에 사용될 수 있는 전도성 고분자이면 특별히 이에 제한되지 않으나, 바람직하게는 PVDF-co-HFP(폴리(비닐리덴-플루오라이드-co-헥사플루오로프로필렌))일 수 있다.
이때, 상기 전도성 고분자와 전해질의 혼합 중량비는 2:1 내지 8:1일 수 있고, 전자와 전하의 이동이 최대인 4:1, 5:1인 것이 가장 바람직하다.
상기 전도성 고분자와 전해질의 혼합 중량비가 2:1 미만이거나, 8:1을 초과하게 될 경우, 전자와 전하의 이동이 오히려 느려지기 때문에, 액추에이터의 반응 속도가 현저히 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 상기 제1 전해질(220) 및 제2 전해질(240)은 겔 또는 액체 전해질일 수 있는데 바람직하게는 겔 전해질일 수 있다. 왜냐하면 상기 제1 전해질(220) 및 제2 전해질(240)이 고체 전해질일 경우, 유연성이 현저히 저하되어 전압의 인가에 따른 구동 성능이 작아지게 된다. 또한, 액체 전해질일 경우, 상기 액추에이터가 구조적으로 변형될 경우 제1 전극과 제2 전극 간에 쇼트현상이 발생하는 문제가 있을 수 있다.
본 발명에 따른 브레이드 구조의 액추에이터(200)에 전기전도성을 향상시키기 위해, 상기 탄소나노튜브 단사는 금속 와이어를 더 포함할 수 있는데, 바람직하게 상기 금속 와이어는 백금(Pt), 금(Au), 구리(Cu), 아연(Zn), 니켈(Ni), 코발트(Co), 팔라듐(Pd), 주석(Sn), 알루미늄(Al) 와이어 및 이들의 합금 와이어로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 금속 와이어는 유연성이 낮기 때문에, 도 1c와 같이 한 가닥의 탄소나노튜브 단사의 제1 단 및 제2 단의 양말단부를 서로 대향하도록 접지시킨 후 일방향으로 꼬아 상기 합연사(120)를 형성하는 경우에 한해서 상기 탄소나노튜브 단사는 상기 금속 와이어를 전체적으로 포함하는 것보다 상기 탄소나노튜브 단사 제1 단과 제2 단 각각에 상기 금속 와이어를 포함시키는 것이 바람직하다.
다시 말해 상기 금속 와이어는 상기 탄소나노튜브 단사 제1 단과 제2 단 각각에 포함되어 형성되는데, 상기 제1 단 또는 제2 단에만 포함되거나, 제1 단과 제2 단 모두에 포함될 수 있으나, 바람직하게는 상기 금속 와이어는 탄소나노튜브 단사 제1 단과 제2 단 각각에 포함된 것일 수 있다.
이러한 구조를 갖는 상기 브레이드 구조의 액추에이터(200)는 구부러지거나, 비틀리거나, 이완되는 등의 변형에도 저항의 증가가 크지 않아, 초기 성능을 유지하며, 손실없이 가역적으로 구동되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 상기 브레이드 구조의 액추에이터(200)는 전기의 자극에 의하여, 제1 전해질(220) 및 제2 전해질(240)에 포함된 양이온과 음이온들의 이동이 일어나, 상기 제1 전극(210)과 제2 전극(230)에 공간 상의 변화가 발생하게 되어, 액추에이터의 길이방향에 따라 수축/이완과 같이, 전기화학적 에너지가 기계적 에너지로 빠르게 변화되는 전기기계적인 변화를 가져오게 된다. 다시 말해, 본 발명에 따른 상기 브레이드 구조의 액추에이터(200)는 전압이 인가되면 동일한 길이방향으로 수축하게 되고, 전압이 인가되지 않으면 전압이 인가되기 이전의 초기 상태로 이완되는 가역적인 구동을 수행한다.
본 발명에 따른 브레이드 구조의 액추에이터(200)는 상술한 새로운 구조로 인하여, 종래 액추에이터가 가지고 있던 문제점인 낮은 기계적 강도와 좁은 표면적을 향상시켰을 뿐만 아니라, 쇼트현상도 효과적으로 방지하면서도, 전기의 자극에 대해 빠르고 크게 구동할 수 있다는 등의 효과를 나타내게 된다.
아울러, 상기 브레이드 구조의 액추에이터(200)는 종래 전기 자극에 의해 구동되는 액추에이터에 비해 제조과정도 단순하다는 점에서 장점이 있다.
또한, 상기 브레이드 구조의 액추에이터(200)는 종래 액추에이터들과는 달리, 복수개의 합연사(120)로 이루어진 개선된 구조를 가짐으로써, 곡면 변형이 아닌 길이방향으로의 수축/이완 변형을 발생시키는 발명이기 때문에, 생체 근육과 같은 다양한 분야에 이용이 가능하다는 장점이 있다.
또한, 공기 중에서도 우수한 구동을 발생시키고, 에너지 저장 특성을 가지기 때문에, 커패시터로도 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면은 적어도 둘 이상의 합연사(120)가 얽혀 관통형의 메쉬 구조로 짜여진 제1 전극(310); 상기 제1 전극(310)에 구비되는 제1 전해질(320); 상기 제1 전해질(320) 상에 구비되되 적어도 둘 이상의 합연사(120)가 얽혀 메쉬 구조로 짜여진 제2 전극(330); 및 상기 제2 전극(330)에 구비되는 제2 전해질(340);을 포함하는 메쉬구조의 액추에이터(300)에 관한 것으로, 상기 합연사(120)는 내측을 기준으로 제1 단 및 제2 단의 양말단부로 이루어진 탄소나노튜브 단사를 포함하며, 상기 탄소나노튜브 단사 제1 단 및 제2 단의 양말단부가 서로 대향하도록 접지시킨 후 일방향으로 꼬아 형성된 것이거나, 상기 탄소나노튜브 단사 둘 이상을 서로 접지시킨 후 일방향으로 꼬아 형성된 것을 특징으로 하며, 이의 구조를 하기 도 2b에 나타내었다.
도 2b를 참조하면, 상기 메쉬구조의 액추에이터(300)는 상기 제1 전극과 제2 전극(310, 330)이 하나의 가닥처럼 행동하며 그 구조가 매우 안정적이다.
이러한, 상기 제1 전극과 제2 전극(310, 330)은 메쉬구조 즉, 적어도 둘 이상의 합연사(120)가 얽혀 관통형의 메쉬 구조로 짜여져 구비된 것으로써, 상기 액추에이터 하단에 하중이 걸리게 되면, 상기 액추에이터는 길이방향으로는 이완되고, 직경이 작아지는 방향으로 균일한 힘이 작용하여 수축하게 된다. 여기에, 전압이 가해지면 전해질 내 이온이 상기 제1 전극(210)과 상기 제2 전극(230)으로 원활하게 이동함으로써 길이방향으로 수축하게 되고, 전압이 인가되지 않으면 초기 상태로 돌아가게 되는 구동을 보여준다.
또한, 상기 합연사(120)의 꼬임 방향과 상기 탄소나노튜브 단사의 꼬임 방향은 서로 반대방향인 것을 특징으로 하는데, 이들은 서로 자물쇠(lock)로 작용하여 인가된 꼬임이 쉽게 풀어지지 않고 장시간 유지될 수 있어, 구조를 매우 안정적이게 한다. 따라서, 상기 합연사(120)의 꼬임 방향과 상기 탄소나노튜브 단사의 꼬임 방향이 서로 반대 방향인 액추에이터(300)는 풀림을 방지하기 위한 별도의 장치없이도 구조를 안정적으로 유지할 수 있기 때문에, 심플하게 제조가 가능하다.
또한, 상기와 같은 구조로 인해, 본 발명에 따른 액추에이터(300)내에 작용되는 마찰력을 사방으로 분산하기 때문에 기계적 강도도 향상된다.
구체적으로, 상기 합연사(120)가 우연(S 방향) 방향으로 꼬아 형성된 것이면, 상기 탄소나노튜브 단사는 좌연(Z 방향) 방향으로 꼬아 형성된 것일 수 있고,
상기 합연사(120)가 좌연(Z 방향) 방향으로 꼬아 형성된 것이면, 상기 탄소나노튜브 단사는 우연(S 방향) 방향으로 꼬아 형성된 것일 수 있다.
상기 탄소나노튜브 단사는 일축정렬되어 형성된 탄소나노튜브 시트에 꼬임을 인가하여 제조된 것으로써, 상기 탄소나노튜브 단사의 표면은 주름진 구조를 갖게 되고, 이로 인해, 높은 표면적 및 다수의 기공을 갖는 것을 특징으로 한다.
보다 구체적으로, 상기 탄소나노튜브 단사는 50 내지 100 장의 탄소나노튜브 시트를 일방향으로 꼬아서 제조한, 코일형태의 실로, 상기 탄소나노튜브 시트가 50 장 미만으로 제조될 경우, 기계적 강도가 낮고, 표면적이 작아, 전기 자극에 의한 구동 성능이 낮다는 단점이 있다. 또한, 상기 탄소나노튜브 시트가 100 장을 초과하여 제조될 경우에는 상기 메쉬구조의 액추에이터(300)의 내부 저항이 증가하는 문제가 발생할 수 있다.
상기 탄소나노튜브 시트는 적어도 하나 이상의 탄소나노튜브들이 일축정렬되어 형성된 것을 특징으로 하는데, 이는 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)에 의해 수직성장하여 형성된 탄소나노튜브 층(CNT forest)으로부터 당김 방법(draw)으로 제조하여 유도할 수 있다.
상기 제1 전극(310)과 제2 전극(330)의 표면은 각각 제1 전해질(320)과 제2 전해질(340)이 구비되어 있는 것이 바람직한데, 상기 제1 전해질(320)과 제2 전해질(340)은 양이온과 음이온을 포함하는데, 상기 제1 전해질(320)과 제2 전해질(340)은 서로 동일한 물질이거나, 서로 다른 물질일 수 있다.
상기 제1 전해질(320)과 제2 전해질(340)에 포함되는 상기 양이온과 음이온은 입경이 큰 것이 바람직한데, 왜냐하면 상기 양이온과 음이온의 입경이 크면 이동속도는 저하되지만, 이로 인해 본 발명의 액추에이터를 구성하는 합연사(120)의 체적변화량은 증대되기 때문이다.
따라서 상기 양이온과 음이온의 입경은 이동속도는 크게 저하되지 않으면서도 액추에이터의 수축률은 10% 이상이 되도록 유도할 수 있는 범위인 0.46 nm 내지 0.69 nm 인 것이 가장 바람직하다.
따라서 상기 양이온과 음이온의 입경이 0.46 nm 내지 0.69 nm 인 것이면 특별히 이에 제한되지 않으나, 바람직하게는 상기 양이온은 모노알킬암모늄 양이온, 디알킬암모늄 양이온, 트리알킬암모늄 양이온 및 테트라알킬암모늄 양이온으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나이고, 상기 양이온의 알킬기 각각은 C1~C4의 알킬기이다.
상기 음이온은 니트레이트 음이온, 니트라이트 음이온, 테트라플루오로보레이트 음이온, 헥사플루오로포스페이트 음이온, 폴리플루오로알칸설포네이트 음이온, 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드 음이온, C1∼C6 알킬 설페이트 음이온 및 C1∼C6 알칸 설포네이트 음이온, 아세테이트 음이온 및 플루오로알칸산 음이온으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 제1 및 제2 전해질(320, 340)은 가장 바람직하게 테트라에틸암모늄 양이온과 테트라플루오로보레이트 음이온을 포함하는 테트라에틸암모늄테트라플루오로보레이트(TEABF4)일 수 있는데, 왜냐하면 2.5 V의 낮은 전압뿐만 아니라 5V의 높은 전압에서도 효과적으로 구동될 수 있기 때문이다.
상기 제1 전해질(320)과 제2 전해질(340) 각각 또는 모두에는 전자와 전하의 이동속도를 증대시키기 위하여 전도성 고분자를 더 포함할 수 있는데, 전해질 내에 사용될 수 있는 전도성 고분자이면 특별히 이에 제한되지 않으나, 바람직하게는 PVDF-co-HFP(폴리(비닐리덴-플루오라이드-co-헥사플루오로프로필렌))일 수 있다.
이때, 상기 전도성 고분자와 전해질의 혼합 중량비는 2:1 내지 8:1일 수 있고, 전자와 전하의 이동이 최대인 4:1, 5:1인 것이 가장 바람직하다.
상기 전도성 고분자와 전해질의 혼합 중량비가 2:1 미만이거나, 8:1을 초과하게 될 경우, 전자와 전하의 이동이 오히려 느려지기 때문에, 액추에이터의 반응 속도가 현저히 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 상기 제1 전해질(320) 및 제2 전해질(340)은 겔 또는 액체 전해질일 수 있는데 바람직하게는 겔 전해질일 수 있다. 왜냐하면 상기 제1 전해질(320) 및 제2 전해질(340)이 고체 전해질일 경우, 유연성이 현저히 저하되어 전압의 인가에 따른 구동 성능이 작아지게 된다. 또한, 액체 전해질일 경우, 상기 액추에이터가 구조적으로 변형될 경우 제1 전극(310)과 제2 전극(330) 간에 쇼트현상이 발생하는 문제가 있을 수 있다.
본 발명에 따른 메쉬구조의 액추에이터(300)에 전기전도성을 향상시키기 위해, 상기 탄소나노튜브 단사는 금속 와이어를 더 포함할 수 있는데, 바람직하게 상기 금속 와이어는 백금(Pt), 금(Au), 구리(Cu), 아연(Zn), 니켈(Ni), 코발트(Co), 팔라듐(Pd), 주석(Sn), 알루미늄(Al) 와이어 및 이들의 합금 와이어로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 금속 와이어는 유연성이 낮기 때문에, 도 1c와 같이 한 가닥의 탄소나노튜브 단사의 제1 단 및 제2 단의 양말단부를 서로 대향하도록 접지시킨 후 일방향으로 꼬아 상기 합연사(120)를 형성하는 경우에 한해서 상기 탄소나노튜브 단사는 상기 금속 와이어를 전체적으로 포함하는 것보다 상기 탄소나노튜브 단사 제1 단과 제2 단 각각에 상기 금속 와이어를 포함시키는 것이 바람직하다.
다시 말해 상기 금속 와이어는 상기 탄소나노튜브 단사 제1 단과 제2 단 각각에 포함되어 형성되는데, 상기 제1 단 또는 제2 단에만 포함되거나, 제1 단과 제2 단 모두에 포함될 수 있으나, 바람직하게는 상기 금속 와이어는 탄소나노튜브 단사 제1 단과 제2 단 각각에 포함된 것일 수 있다.
이러한 구조를 갖는 상기 메쉬구조의 액추에이터(300)는 구부러지거나, 비틀리거나, 이완되는 등의 변형에도 저항의 증가가 크지 않아, 초기 성능을 유지하며, 손실없이 가역적으로 구동되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 상기 메쉬구조의 액추에이터(300)는 전기의 자극에 의하여, 제1 전해질(320) 및 제2 전해질(340)에 포함된 양이온과 음이온들의 이동이 일어나, 상기 제1 전극(310)과 제2 전극(330)에 공간상의 변화가 발생하게 되어, 액추에이터의 길이방향에 따라 수축/이완과 같이, 전기화학적 에너지가 기계적 에너지로 빠르게 변화되는 전기기계적인 변화를 가져오게 된다. 다시 말해, 본 발명에 따른 상기 메쉬구조의 액추에이터(300)는 전압이 인가되면 동일한 길이방향으로 수축하게 되고, 전압이 인가되지 않으면 전압이 인가되기 이전의 초기 상태로 이완되는 가역적인 구동을 수행한다.
본 발명에 따른 메쉬구조의 액추에이터(300)는 상술한 새로운 구조로 인하여, 종래 액추에이터가 가지고 있던 문제점인 낮은 기계적 강도와 좁은 표면적을 향상시켰을 뿐만 아니라, 쇼트현상도 효과적으로 방지하면서도, 전기의 자극에 대해 빠르고 크게 구동할 수 있다는 등의 효과를 나타내게 된다.
아울러, 상기 메쉬구조의 액추에이터(300)는 종래 전기 자극에 의해 구동되는 액추에이터에 비해 제조과정도 단순하다는 점에서 장점이 있다.
또한, 상기 메쉬구조의 액추에이터(300)는 종래 액추에이터들과는 달리, 복수개의 합연사(120)로 이루어진 개선된 구조를 가짐으로써, 곡면 변형이 아닌 길이방향으로의 수축/이완 변형을 발생시키는 발명이기 때문에, 생체 근육과 같은 다양한 분야에 이용이 가능하다는 장점이 있다.
또한, 공기 중에서도 우수한 구동을 발생시키고, 에너지 저장 특성을 가지기 때문에, 커패시터로도 사용할 수 있다.
이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 또한, 이하의 실시예를 포함한 본 발명의 개시 내용에 기초한다면, 구체적으로 실험 결과가 제시되지 않은 본 발명을 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있음은 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.
제조예
1. 탄소나노튜브 시트 제조.
우선, 실리콘 웨이퍼 상에 1-3 nm의 촉매층을 전자빔증착을 통해 코팅하고, 이를 750 sccm의 아르곤, 100 sccm의 수소를 혼합한 기체 분위기 하에서 700 ℃로 예열된 석영관로에 넣은 후, 동일한 온도로 5 분간 유지하고, 50 sccm의 아세틸렌을 주입하여 길이 400 ㎛ 이하, 외부직경 12 nm이하, 9개의 층으로 구성된 다중벽 탄소나노튜브 포레스트(CNT forest)를 제조하였다.
상기 제조된 다중벽 탄소나노튜브 포레스트의 일측 벽면으로부터 다중벽 탄소나노튜브 시트를 당김 방법(drqwing)으로 뽑아내었다. 이때, 제조된 탄소나노튜브 시트의 폭과 길이는 각각 2 cm, 24 cm였다.
제조예
2, 겔 전해질의 제조.
테트라에틸암모늄테트라플루오로보레이트(TEABF4, Mw: 217.6 g/mol), 프로필렌카보네이트(PC, anhydrous, 99.7%), 폴리(비닐리덴플루오로라이트-co-헥사플루오로프로필렌(P(VdF-co-HFP), Mw:~455,000, 평균 Mn ~110,000, 펠렛)을 시그마 알드리치(USA)에서 구입한다.
상기 프로필렌카보네이트에 PVDF-co-HFP(폴리(비닐리덴-플루오라이드-co-헥사플루오로프로필렌))와 TEABF(테트라에틸암모늄테트라플루오로보레이트)를 용해하여 겔 전해질을 준비한다.
실시예
1. 겔 전해질을 포함하는 액추에이터
상기 제조예 1로부터 제조된 탄소나노튜브 시트를 50 장 겹쳐 쌓은 후, 어느 한 말단은 고정하고, 다른 말단에 회전 모터를 연결한다. 상기 회전 모터로부터 탄소나노튜브 시트에 좌연으로 꼬임(Z 방향)을 인가하여 코일 형태의 단사를 제조한다.
다음으로, 상기 단사 한 쌍을 합쳐서 우연으로 꼬아서 S 방향으로 꼬임을 갖도록 합연사를 제조한다.
상기 합연사 한 쌍을 이격거리를 갖도록 서로 평행하게 배치한 후, 상기 각각의 합연사에 음극 또는 양극을 연결하고, 양말단을 고정한다. 이후, 상기 제조예 2로부터 제조된 겔 전해질을 상기 합연사 간에 전해질로 연결이 될 수 있도록, 상기 합연사 각각의 표면에 코팅하여 액추에이터를 제작한다.
실시예
2. 액체 전해질을 포함하는 액추에이터.
제조예 2로부터 제조된 겔 전해질 대신에 액체 전해질을 사용하였다는 점을 제외하고는 실시예 1의 액추에이터와 모두 동일하게 제조하여 액체 전해질을 포함하는 액추에이터를 제작한다.
실시예
3. 백금
와이어를
더 포함하는 액추에이터.
제조예 1로 제조된 탄소나노튜브 시트에 백금 와이어(직경: 25 μm)를 넣어, 함께 꼬아 만든 단사를 이용한다는 점을 제외하고는 모두 실시예 1과 동일하게 액추에이터를 제작한다.
실시예
4. 액추에이터.
제조예 1로 제조된 탄소나노튜브 시트를 70 장 겹쳐 쌓아 제조한다는 점을 제외하고는 모두 실시예 1과 동일하게 액추에이터를 제작한다.
실시예
5. 액추에이터.
제조예 1로 제조된 탄소나노튜브 시트를 90 장 겹쳐 쌓아 제조한다는 점과 1 M 프로필렌카보네이트(PC)에 TEABF4(테트라에틸암모늄테트라플루오로보레이트)가 용해된 액체 전해질을 사용한다는 점을 제외하고는 모두 실시예 1과 동일하게 액추에이터를 제작한다.
실시예
6. 액추에이터.
제조예 1로 제조된 탄소나노튜브 시트를 100 장 겹쳐 쌓아 제조한다는 점과 상기 탄소나노튜브 시트에 백금 와이어(직경: 25 μm)를 넣어, 함께 꼬아 만든 단사를 이용한다는 점 및 1 M 프로필렌카보네이트(PC)에 TEABF4(테트라에틸암모늄테트라플루오로보레이트)가 용해된 액체 전해질을 사용한다는 점을 제외하고는 모두 실시예 1과 동일하게 액추에이터를 제작한다.
실시예
7.
브레이드
구조를 갖는 액추에이터.
상기 제조예 1로부터 제조된 탄소나노튜브 시트를 50 장 겹쳐 쌓은 후, 어느 한 말단은 고정하고, 다른 말단에 회전 모터를 연결한다. 상기 회전 모터로부터 탄소나노튜브 시트에 좌연으로 꼬임(Z 방향)을 인가하여 코일 형태의 단사를 제조한다.
다음으로, 상기 단사 한 쌍을 합쳐서 우연으로 꼬아서 S 방향으로 꼬임을 갖도록 합연사를 제조한다.
상기 과정을 통해 제조된 4 개의 합연사 일 말단을 합쳐 고정한 다음, 이를 브레이드 구조로 편조하여 음극을 제조한다. 이후, 상기 음극의 표면에 제조예 2로부터 제조된 겔 전해질을 코팅하고, 상기 코팅된 음극의 외측 주위에 상기 합연사 4개를 이용하여 편조함으로써 양극을 형성한다. 이후, 상기 양극의 표면에 제조예 2로부터 제조된 겔 전해질을 다시 코팅하여 액추에이터를 제작한다.
브레이드 구조의 액추에이터에서 양극과 음극 사이에 겔 전해질을 포함함으로써, 양근과 음극 간의 쇼트현상을 효과적으로 방지할 수 있다.
비교예
1. 액추에이터.
제조예 1로 제조된 탄소나노튜브 시트를 2 장 겹쳐 쌓아 제조한다는 점과 1 M H2SO4액체 전해질을 사용한다는 점을 제외하고는 모두 실시예 1과 동일하게 액추에이터를 제작한다.
비교예
2. 액추에이터.
제조예 1로 제조된 탄소나노튜브 시트를 30 장 겹쳐 쌓아 제조한다는 점과 1 M H2SO4액체 전해질을 사용한다는 점을 제외하고는 모두 실시예 1과 동일하게 액추에이터를 제작한다.
도 5는 본 발명에 따른 합연사의 구조를 확인하기 위하여, 본 발명의 실시예 1로 제조된 합연사 한 쌍을 SEM으로 촬영한 이미지이다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 실시예 1의 액추에이터를 구성하는 합연사는 50 장의 탄소나노튜브 시트를 겹쳐 쌓아 제조한 단사를 이용한 것으로, 상기 합연사는 우연 즉 “S”방향의 꼬임 방향을 갖고, 단사는 좌연 “Z” 방향의 꼬임 방향을 갖고 있는 것을 확인할 수 있다.
이를 통해, 본 발명의 액추에이터에 포함되는 합연사는 단사와 꼬임 방향이 서로 반대 방향이기 때문에, 상기 합연사에 인가된 꼬임이 다시 풀어지지 않고 장시간 유지되므로 구조적으로 매우 안정하다. 따라서 상기 액추에이터들의 풀림을 방지하기 위한 별도의 장치없이 심플하게 제조가 가능할 뿐만 아니라, 마찰력을 사방으로 분산할 수 있기 때문에 기계적 강도가 향상되는 효과를 갖는다.
본 발명의 액추에이터는 합연사와 단사의 꼬임 방향을 서로 반대방향이 되도록 제어함으로써, 액추에이터의 토크를 교정하여 고효율을 달성하게 할 수 있다.
도 6a는 본 발명에 따른 액추에이터 하단에 다양한 무게의 추를 연결하고, 이로 인해 액추에이터 구동 성능이 받는 영향을 확인하기 위한 것으로, 사각파 인가전압(5 v using 50% duty cycle, 0.1 Hz)에서 실시예 1로부터 제조된 액추에이터의 하단에 다양한 무게의 추를 연결한 다음, 각각에 대한 수축률(%)을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 6a에 나타난 바와 같이, 실시예 1로부터 제조된 액추에이터는 추의 무게가 증가할수록 수축률이 25%까지 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, 에너지 전환 효율도 1.2%까지 증가함을 확인하였다.
즉, 실시예 1로부터 제조된 액추에이터는 추의 무게가 30~180 MPa에서 5 %이상의 수축률(%)을 제공할 수 있음을 확인하였다. 또한, 실시예 1로부터 제조된 액추에이터는 추의 무게가 30~180 MPa일 때, 인가된 사각파 인가전압이 역학적 일로 전환되는 효율이 0.2%이상인 것을 알 수 있다.
이러한, 결과를 통해, 본 발명에 따른 액추에이터는 전압이 인가되면, 무게가 30 MPa 이상인 물건에 대해 길이방향으로 우수한 수축 특성을 나타내고, 상기 물건에 대해 역학적 일을 제공할 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 6b는 사각파 인가전압의 인가 시간이 액추에이터 구동 성능에 미치는 영향을 확인하기 위한 것으로, 실시예 1로부터 제조된 액추에이터의 하단에 180 MPa의 하중을 갖는 추를 연결하고, 사각파 인가전압(4 V, 5 V)를 가해주는 시간만을 1 내지 5s로 변화시켰을 때, 각각 경우에 액추에이터의 에너지 전환 효율(%)을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 6b에 나타낸 바와 같이, 5 V의 사각파 전압이 인가되는 시간에 상관없이 모두 1 %이상의 우수한 에너지 전환 효율(%)을 나타내고 있음을 알 수 있고, 특히, 4 V의 사각파 전압은 모든 시간에서 1.4 %이상의 에너지 전환 효율(%)을 나타낸다는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 액추에이터는 4 또는 5 V를 비롯한 다양한 전압조건 하에서도 우수한 에너지 전환 효율(%)을 갖는다는 것을 알 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 액추에이터 하단에 다양한 무게의 추를 연결하고, 이로 인해 액추에이터 구동 성능이 받는 영향을 확인하기 위한 것으로, 사각파 인가전압(4 v using 50% duty cycle, 0.1 Hz)에서 실시예 1로부터 제조된 액추에이터의 하단에 다양한 무게의 추를 연결한 다음, 각각에 대한 수축률을 측정하여 나타낸 그래프(a)와 수축일(J/kg) 및 에너지 전환 효율(%)을 나타낸 그래프(b)이다.
도 7에 나타난 바와 같이, 실시예 1로부터 제조된 액추에이터는 최대 9%, 17 %의 수축률을 갖고, 최대 900 J/kg의 일 및 1.67%의 에너지 전환 효율을 나타내었다.
즉, 실시예 1의 액추에이터는 30~240 MPa의 추에 대해서 3% 이상의 우수한 수축률(%)을 가졌다. 그러나, 전압이 인가되었을 때, 실시예 1의 액추에이터는 50 MPa 이상의 추에 대해서 100 J/kg 이상의 역학적 일과 0.3% 이상의 에너지 전환 효율을 갖는 것으로 확인되었다.
따라서 본 발명에 다른 액추에이터는 전압이 인가될 때, 30 MPa의 물건에 대해 길이방향으로 3% 이상의 우수한 수축률(%)과 100 J/kg 이상의 역학적 일을 제공할 수 있음을 알 수 있다.
도 8은 실시예 3으로부터 제조된 액추에이터에 대한 에너지 저장 성능과 구동 성능을 나타낸 것으로, 사이클릭 볼타메트리(cyclic voltammetry)를 통한 실시예 3으로부터 제조된 액추에이터의 충전되는 에너지와 되돌아오는 에너지를 계산하여 나타낸 그래프(a)와 수축률(%)을 나타낸 그래프(b)이다. 상기 사이클릭 볼타메트리는 전압범위 0 V~3.5 V, 스캔속도 200 mV/sec로 순환시켰을 때, 실시예 3로부터 제조된 액추에이터의 산화-환원 반응을 실험하였다. 이때, 상기 실시예 3로부터 제조된 액추에이터의 어느 한 말단에 400 g의 추를 연결하였다.
도 8에 나타난 바와 같이, 실시예 3으로부터 제조된 액추에이터는 사이클릭 볼타메트릭을 통해, 에너지를 저장함과 동시에, 400 g의 추를 2% 들어올려 수축일 0.7 mJ을 제공하였음을 알 수 있다. 또한, 회복된 에너지는 41%였으며, 이를 통해 에너지 전환 효율을 계산한 결과 3.21%로 확인되었다. 종래 발표된 Lima et al. Science 338, 928 (2012)에서 측정된 효율이 0.55%임을 감안하였을 때, 매우 높은 수치임을 알 수 있다.
도 9는 실시예 1로부터 제조된 액추에이터에서 하단부에 아무것도 연결되지 않은 상태, 즉, 전기 자극에 대해 각각 따로 움직일 수 있도록 제조하였을 때, 사이클릭 볼타메트리(cyclic voltammetry)를 통한 시간에 따른 전압(V), 전류(A) 및 수축률(%)을 나타낸 그래프(a)과 전압에 따른 구동 성능(수축률(%))을 측정한 그래프(b)이다.
도 10은 전해질의 종류에 따라 액추에이터의 전하 이동 저하에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 고분자와 전해질의 혼합 중량비를 2-8:1로 변화하여 제조한 겔 전해질을 사용한 실시예 1로부터 제조된 액추에이터에 대한 나이퀴스트(Nyquist) 곡선이다. 여기서, 상기 겔 전해질은 제조예 2로부터 제조된 겔 전해질을 사용하나, 고분자와 전해질의 혼합 중량비를 2:1, 3:1, 4:1, 5:1, 7:1 및 8:1로 각각 제조한 것을 사용한다.
도 10에 나타난 바와 같이, 전하 이동 저항과 관련된 나이퀴스트 곡선으로부터 고분자와 전해질의 혼합 중량비가 4:1 또는 5:1인 겔 전해질이 전자와 전하의 이동이 가장 적절한 것을 알 수 있다.
도 11은 본 발명에 따른 액추에이터의 수명 특성을 확인하기 위한 것으로, 사각파 인가전압(4 v using 50% duty cycle, 0.1 Hz)에서 실시예 4로부터 제조된 액추에이터의 하단에 300 g 무게의 추를 연결한 다음, 시간에 따른 수축률(%)을 측정하여 나타낸 그래프이다. 이때, 수축률(%)을 계산하기 위한 초기 액추에이터의 길이는 추가 연결되고 전압이 인가되지 않은 실시예 4의 액추에이터(8.46 mm)를 기준으로 하였다.
도 11에 나타난 바와 같이, 5000 초 동안, 500 사이클을 수행하였다. 초기에는 실시예 4로부터 제조된 액추에이터가 2%까지 인장되고 1% 수축되는 구동 성능을 나타내었고 500 사이클 이후에는 1.5% 까지 인장되고 0.8% 수축되는 구동 성능을 보이고 있음을 알 수 있다. 이를 통해 본 발명에 따른 액추에이터는 장시간 사용 후에도 성능의 저하가 크게 없이 잘 유지되는 것을 알 수 있다.
도 12a는 사각파 인가전압(2.5 v using 50% duty cycle, 0.1 Hz)에서 실시예 5로부터 제조된 액추에이터의 하단에 다양한 무게의 추를 연결한 다음, 각각에 대한 수축률(%)을 측정하여 나타낸 그래프이다. 이때, 도 12b는 상기 실시예 5로부터 제조된 액추에이터에 인가된 사각파를 나타낸 그래프이다.
도 12에 나타난 바와 같이, 실시예 5로부터 제조된 액추에이터는 최대 15% 수축률(%)을 나타내었고, 이로부터 계산된 에너지 전환 효율은 최대 1.89%였다.
실시예 5로부터 제조된 액추에이터는 액체 전해질을 사용했음에도 불구하고 현저히 우수한 수축률을 나타낸다는 것을 확인하였다.
도 13a는 사각파 인가전압(2.5 v using 50% duty cycle, 0.1 Hz)에서 실시예 6으로부터 제조된 액추에이터의 하단에 다양한 무게의 추를 연결한 다음, 각각에 대한 수축률(%)을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 13b는 사각파 인가전압(2.5 v using 50% duty cycle, 0.1 Hz)에서 전압을 가해주는 시간(stimuli time(s))에 따른 36.8 g의 무게추가 연결된 실시예 6으로부터 제조된 액추에이터의 수축률(%)을 측정한 그래프이다.
도 13a에 나타난 바와 같이, 실시예 6으로부터 제조된 액추에이터는 추의 무게가 증가할수록 수축률(%)이 증가하였고, 최대 수축률이 19.4%로 확인되었다. 또한, 전압을 인가하는 시간이 증가할수록 수축률이 증가하였으나, 5초 이상이 되면 수축률(%)이 유지되는 것을 확인하였다.
따라서, 본 발명에 따른 액추에이터는 하단에 연결된 물건의 무게가 3 MPa 이상이면 충분한 구동성능을 발휘할 수 있음을 알 수 있고, 가장 적절한 전압의 인가시간은 4 내지 10초인 것을 알 수 있다.
도 14a는 실시예 1의 액추에이터에 포함되는 단사의 SEM 사진이고, 도 14b는 도 14a를 확대한 SEM 사진이며, 도 14c는 도 14a의 표면을 확대하여 촬영한 SEM 사진이다.
도 14에 나타난 바와 같이, 실시예 1의 액추에이터에 포함되는 단사는 복수개의 탄소나노튜브 시트를 겹쳐 쌓아 꼬아서 제조한 코일 형태의 실(yarn)로, 이의 직경(d)은 31~34 ㎛이고, 상기 단사의 단위 코일의 너비(w)는 26.4 ㎛인 것을 알 수 있다.
도 15는 사각파 인가전압(1 v using 50% duty cycle, 0.1 Hz)에서 비교예 1 및 비교예 2로부터 제조된 액추에이터의 하단에 다양한 무게의 추를 연결한 다음, 각각에 대한 수축률(%)을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 15에 나타난 바와 같이, 탄소나노튜브 시트 30 장을 겹쳐 쌓아 제조한 단사를 이용한 비교예 2의 액추에이터는 오히려 2.2% 인장되었으며, 탄소나노튜브 시트 2장을 겹쳐 쌓은 단사를 이용한 비교예 1의 액추에이터는 전혀 움직임이 없음을 알 수 있다.
도 16a는 사각파 인가전압(4 V using 50% duty cycle, 5 s)에서 실시예 7로부터 제조된 브레이드 구조를 갖는 액추에이터의 하단에 다양한 무게의 추를 연결한 다음, 각각에 대한 수축률(%)을 측정하여 나타낸 그래프이고, 도 16b는 사각파 인가전압(5 v using 50% duty cycle, 5 s)에서 실시예 7로부터 제조된 브레이드 구조를 갖는 액추에이터의 하단에 다양한 무게의 추를 연결한 다음, 각각에 대한 수축률(%)을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 16a 및 도 16b에 나타난 바와 같이, 브레이드 구조의 액추에이터(실시예 7)는 4V 사각파 전압이 인가될 때, 최대 8%의 수축률(%)을 보였으며, 800 g이상의 무게를 갖는 추에 대해서는 수축률이 저하됨을 볼 수 있다. 반면, 5 V 전압을 인가하면 10% 이상의 수축률(%)을 나타내었고, 800 g 이상의 무게를 갖는 추에 대해서도 우수한 수축률(%)이 확인되었다.
도 16c는 실시예 7로부터 제조된 액추에이터의 에너지 저장성능을 확인하기 위하여, 사이클릭 볼타메트리(cyclic voltammetry)로 측정한 결과를 나타낸 그래프(b)이다. 도 16d는 실시예 7로부터 제조된 액추에이터의 나이퀴스트 그래프이다. 이때, 주사속도는 10, 50, 100 mV/s로 하여 각각 측정하였다.
도 16c 및 도 16d를 통해, 실시예 7로부터 제조된 액추에이터는 우수한 전기화학적 성능을 갖고 있다는 것과, 전하와 전자의 이동이 적절하게 이루어지고 있다는 것을 확인할 수 있다.
Claims (21)
- 소정의 공간을 두고 이격 배치된 한 쌍의 합연사(ply yarn); 및 상기 합연사 사이의 이격 공간에 배치되는 전해질을 포함하고,
상기 합연사는 나선형으로 꼬인 탄소나노튜브 단사를 포함하며,
상기 합연사는 1 개의 상기 탄소나노튜브 단사가 겹쳐지도록 접혀서 나선형으로 꼬인 형상이거나, 또는 적어도 2 개 이상의 상기 탄소나노튜브 단사가 겹쳐서 나선형으로 꼬인 형상으로 형성되고,
한 쌍의 상기 합연사 중 어느 하나는 제1 전극이며, 다른 하나는 제2 전극이며,
상기 전극에 전압이 공급되면 상기 합연사가 수축하고, 상기 전압이 제거되면 상기 합연사가 초기 상태로 이완되는 방식으로 작동하는 액추에이터. - 제1항에 있어서,
상기 탄소나노튜브 단사는 50 내지 100 장의 탄소나노튜브 시트를 일방향으로 꼬아서 제조한, 코일형태의 실인 것을 특징으로 하는 액추에이터. - 제2항에 있어서,
상기 탄소나노튜브 단사는 백금(Pt), 금(Au), 구리(Cu), 아연(Zn), 니켈(Ni), 코발트(Co), 팔라듐(Pd), 주석(Sn), 알루미늄(Al) 와이어, 이들의 합금 와이어 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액추에이터. - 제1항에 있어서,
상기 합연사의 꼬임 방향과 단사의 꼬임 방향이 서로 반대방향인 것을 특징으로 하는 액추에이터. - 제1항에 있어서,
상기 전해질은 0.46 nm 내지 0.69 nm의 대입경을 갖는 양이온 및 음이온을 포함하는 것을 특징으로 하는 액추에이터. - 제5항에 있어서,
상기 양이온은 모노알킬암모늄 양이온, 디알킬암모늄 양이온 및 트리알킬암모늄 양이온으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나이고,
상기 양이온의 알킬기 각각은 C1~C4의 알킬기인 것을 특징으로 하는 액추에이터. - 제5항에 있어서,
상기 음이온은 니트레이트 음이온, 니트라이트 음이온, 테트라플루오로보레이트 음이온, 헥사플루오로포스페이트 음이온, 폴리플루오로알칸설포네이트 음이온, 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드 음이온, C1∼C6 알킬 설페이트 음이온 및 C1∼C6 알칸 설포네이트 음이온, 아세테이트 음이온 및 플루오로알칸산 음이온으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 액추에이터. - 제1항에 있어서,
상기 액추에이터에 전압이 인가되는 여부에 따라 상기 한 쌍의 합연사가 각각 체적변화를 일으켜 각각 동일한 길이방향으로 가역적으로 동시에 수축 또는 동시에 이완하도록 구성된 액추에이터. - 브레이드(braid) 형태로 적어도 둘 이상의 제1 합연사가 지그재그로 교차되어, 소정의 길이를 갖는 봉 형상으로 형성된 제1 전극;
상기 제1 전극의 외면을 둘러싸도록 코팅되어 제1 코팅막을 형성하는 제1 전해질;
브레이드 형태로 적어도 둘 이상의 제2 합연사가 지그재그로 교차되어, 상기 제1 코팅막의 외면을 둘러싸는 중공관 형상의 제2 전극; 및
상기 제2 전극의 외면을 둘러싸도록 코팅되어 제2 코팅막을 형성하는 제2 전해질;을 포함하고,
상기 합연사는 나선형으로 꼬인 탄소나노튜브 단사를 포함하며,
상기 합연사는 1 개의 상기 탄소나노튜브 단사가 겹쳐지도록 접혀서 나선형으로 꼬인 형상이거나, 또는 적어도 2 개 이상의 상기 탄소나노튜브 단사가 겹쳐서 나선형으로 꼬인 형상으로 형성되고,
상기 전극에 전압이 공급되면 상기 합연사가 수축하고, 상기 전압이 제거되면 상기 합연사가 초기 상태로 이완되는 방식으로 작동하는 브레이드 구조의 액추에이터. - 제9항에 있어서,
상기 탄소나노튜브 단사는 50 내지 100 장의 탄소나노튜브 시트를 일방향으로 꼬아서 제조한, 코일형태의 실인 것을 특징으로 하는 브레이드 구조의 액추에이터. - 제10항에 있어서,
상기 탄소나노튜브 단사는 백금(Pt), 금(Au), 구리(Cu), 아연(Zn), 니켈(Ni), 코발트(Co), 팔라듐(Pd), 주석(Sn), 알루미늄(Al) 와이어, 이들의 합금 와이어 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 브레이드 구조의 액추에이터. - 제9항에 있어서,
상기 합연사의 꼬임 방향과 단사의 꼬임 방향이 서로 반대방향인 것을 특징으로 하는 브레이드 구조의 액추에이터. - 제9항에 있어서,
상기 전해질은 대입경의 양이온 및 음이온을 포함하는 것을 특징으로 하는 브레이드 구조의 액추에이터. - 제13항에 있어서,
상기 양이온은 모노알킬암모늄 양이온, 디알킬암모늄 양이온 및 트리알킬암모늄 양이온으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나이고,
상기 양이온의 알킬기 각각은 C1~C4의 알킬기인 것을 특징으로 하는 브레이드 구조의 액추에이터. - 제13항에 있어서,
상기 음이온은 니트레이트 음이온, 니트라이트 음이온, 테트라플루오로보레이트 음이온, 헥사플루오로포스페이트 음이온, 폴리플루오로알칸설포네이트 음이온, 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드 음이온, C1∼C6 알킬 설페이트 음이온 및 C1∼C6 알칸 설포네이트 음이온, 아세테이트 음이온 및 플루오로알칸산 음이온으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 브레이드 구조의 액추에이터. - 제9항에 있어서,
상기 전해질은 겔 전해질이고,
상기 겔 전해질은 프로필렌카보네이트(PC)에 PVDF-co-HFP(폴리(비닐리덴-플루오라이드-co-헥사플루오로프로필렌))와 TEABF4(테트라에틸암모늄테트라플루오로보레이트)가 용해된 것을 특징으로 하는 브레이드 구조의 액추에이터. - 제9항에 있어서,
상기 액추에이터에 전압이 인가되는 여부에 따라 상기 둘 이상의 합연사가 각각 체적변화를 일으켜 각각 동일한 길이방향으로 가역적으로 동시에 수축 또는 동시에 이완하도록 구성된 브레이드 구조의 액추에이터. - 메쉬(mesh) 형태로 적어도 둘 이상의 제1 합연사가 얽혀서, 중공관 형상으로 형성된 제1 전극;
상기 제1 전극의 외면을 둘러싸도록 코팅되어 제1 코팅막을 형성하는 제1 전해질;
메쉬 형태로 적어도 둘 이상의 제2 합연사가 얽혀서, 상기 제1 코팅막의 외면을 둘러싸는 중공관 형상의 제2 전극; 및
상기 제2 전극의 외면을 둘러싸도록 코팅되어 제2 코팅막을 형성하는 제2 전해질;을 포함하고,
상기 합연사는 나선형으로 꼬인 탄소나노튜브 단사를 포함하며,
상기 합연사는 1 개의 상기 탄소나노튜브 단사가 겹쳐지도록 접혀서 나선형으로 꼬인 형상이거나, 또는 적어도 2 개 이상의 상기 탄소나노튜브 단사가 겹쳐서 나선형으로 꼬인 형상으로 형성되고,
상기 전극에 전압이 공급되면 상기 합연사가 수축하고, 상기 전압이 제거되면 상기 합연사가 초기 상태로 이완되는 방식으로 작동하는 메쉬구조의 액추에이터. - 제18항에 있어서,
상기 전해질은 대입경의 양이온 및 음이온을 포함하는 것을 특징으로 하는 메쉬구조의 액추에이터. - 제19항에 있어서,
상기 양이온은 모노알킬암모늄 양이온, 디알킬암모늄 양이온 및 트리알킬암모늄 양이온으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나이고,
상기 양이온의 알킬기 각각은 C1~C4의 알킬기인 것을 특징으로 하는 메쉬구조의 액추에이터. - 제19항에 있어서,
상기 음이온은 니트레이트 음이온, 니트라이트 음이온, 테트라플루오로보레이트 음이온, 헥사플루오로포스페이트 음이온, 폴리플루오로알칸설포네이트 음이온, 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드 음이온, C1∼C6 알킬 설페이트 음이온 및 C1∼C6 알칸 설포네이트 음이온, 아세테이트 음이온 및 플루오로알칸산 음이온으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 메쉬구조의 액추에이터.
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