KR101767817B1

KR101767817B1 - h-BN을 이용한 전기활성 고분자 유연 구동기

Info

Publication number: KR101767817B1
Application number: KR1020160024823A
Authority: KR
Inventors: 전민현; 최현광; 박민정; 김효선
Original assignee: 인제대학교 산학협력단
Priority date: 2016-03-02
Filing date: 2016-03-02
Publication date: 2017-08-14

Abstract

본발명은 h-BN을 이용한 전기활성 고분자 유연 구동기에 관한 것으로, 이온성 고분자 층 아래, 위로 각각 h-BN층을 전이시켜 기계적 특성이 향상되는 것이며,
본발명은 조밀한 판상구조를 가지고 유전 상수가 작은 h-BN을 이온성 고분자 층을 덮는 층으로 사용함으로써 이온성 고분자 내부 수분이 금속전극의 크랙을 통해 빠져나가는 자연 증발 감소 효과를 가지며, 유전체의 삽입으로 유발될 수 있는 전계감소 효과가 미미하여 기존의 금속 전극을 사용한 IPMC와 유사한 구동 변위, 구동력을 가지면서 장시간 운전에 대한 안정성이 향상된 구동기 제작이 가능하다.
또한, 좋은 절연특성을 가지는 h-BN을 사용함으로써 향후 적층형 IPMC 개발에 유리하다는 현저한 효과가 있다.

Description

h-BN을 이용한 전기활성 고분자 유연 구동기{electro active polymer soft actuator by h-BN}

본 발명은 h-BN을 이용한 전기활성 고분자 유연 구동기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이온성 고분자 층 아래, 위로 각각 h-BN층을 전이(transfer)시켜 기계적 특성이 향상되는 h-BN을 이용한 전기활성 고분자 유연 구동기에 관한 것이다.

일반적으로 공개특허공보 공개번호 제10-2012-0001166호의 전기활성고분자 구동기에 의하면, 최근 몇 년 동안, 전기활성고분자(Electro-Active Polymer, EAP)는 경량성과 신축성 때문에 많은 공학 분야에서 연구되었다. 이온 폴리머 금속 복합물(Ionic Polymer-Metal Composite, IPMC)은 낮은 전기 구동 포텐셜과, 큰 변형과 경량으로 가장 인기 있는 전기활성고분자 구동기 중 하나이다. 이러한 이온 폴리머 금속 복합물은 생체의학과 로보틱스 공학의 많은 분야에서 구동기 또는 센서로서 아주 매력적이다.

종래기술로서 공개특허공보 공개번호 제10-2012-0001166호의 전기활성고분자 구동기에 의하면, 이온교환 고분자 재료와, 상기 이온교환 고분자 재료의 표면에 서로 이격되어 형성된 두 쌍 이상의 표면 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기활성고분자 구동기라고 기재되어 있다.

다른 종래기술로서 등록특허공보 등록번호 제10-1384772호의 전기 활성 고분자 작동기의 제조 방법에 의하면,

a) 방향족 디아민계 모노머와 방향족 무수물계 모노머를 반응시켜 카르복실기를 포함하는 고분자 전구체를 합성하는 단계;

b) 상기 고분자 전구체와 금속염 화합물을 반응시켜 양이온 교환을 수행하는 단계; 및

c) 상기 양이온 교환을 통해 얻어진, 금속 이온이 포함된 고분자 전구체를 150 ℃ 이상에서 열처리하여 고분자 전구체의 이미드화 반응과 동시에 상기 금속 이온을 환원시키는 단계; 를 포함하고,

상기 a) 단계의 방향족 디아민계 모노머로는 설폰화된 방향족 디아민계 모노머와 비설폰화된 방향족 디아민계 모노머를 함께 사용하며, 상기 설폰화된 방향족 디아민계 모노머는 2,2-벤즈인딘디설포닉 에시드(2,2-benzidinedisulfonic acid, BDSA), 4,4'-디아미노 바이페닐-2,2'-디설포닉 에시드(BDSA), 2,4-디아미노벤젠설포닉 에시드(2,5-DASA), 3,5-디아미노 벤젠설포닉 에시드(3,5-DASA), 4,4'-설포닉 디아민(4,4'-DDS), 3,3'-설포닉 디아민(3,3'-DDS), 9,9-비스(4-아미노페닐)플로오린-2,7-디설포닉 에시드(BAPFDS), 및 2,4-디아미노벤젠 설포닉 에시드(2,4-DABSA)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이고, 상기 비설폰화된 방향족 디아민계 모노머는 3,5-디아미노벤조익 에시드(3,5-DABA), 4,4'-옥시디페닐렌 디아민(4,4'-oxydianiline, 4,4'-ODA), 3,4'-옥시디페닐렌 디아민(3,4-ODA), 1,4-페닐렌 디아민(PDA), 1,4-비스(4-아미노페녹시)벤젠(TPE-Q), 1,3-비스(4-아미노페녹시)벤젠(TPE-R), 4,4'-비스(4-아미노페녹시)-바이페닐, 탄소수4 내지 10의 디아미노 알칸(H2N∼(CH)ℓ∼NH2, 여기서, ℓ= 4 내지 10)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이고,

상기 a) 단계의 방향족 무수물계 모노머는 4,4'-(헥사플루오로이소프로필리덴)디프탈산 이무수물(6FDA), 2,2-비스(3,4-디카르복시페닐)헥사플루오로프로판 이무수물(2.2-bis(3.4-dicarboxyphenyl)hexafluoropropane dianhydride, 6FDA), 피로펠리트산 이무수물(PMDA), 3,3',4,4'-바이페닐테트라카르복실산 이무수물(BPDA), 4,4'-옥시디프탈산 이무수물, 3,3',4,4'-벤조페논테트라카르복실산 이무수물(3,3',4,4'- Benzophenonetetracarboxylic dianhydride, BTDA), 3,3',4,4'-디페닐설폰테트라카르복실산 이무수물, 및 1,4,5,8-나프탈렌테트라카르복실산 이무수물(1,4,5,8-naphthalenetetracarboxylic dianhydride, NTDA)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이며,

상기 b) 단계의 금속염 화합물은 실버 나이트레이트(silver nitrate, AgNO3), 실버 플루오라이드(silver fluoride, AgF), 디암미노 실버 하이드록사이드(diammino silver hydroxide, (NH2)2AgOH), 포타슘테트라플레티네이트(K2PtCl4), 테트라아민플래티늄(Ⅱ) 나이트레이트(Pt(NH3)4(NO3)2), 염화금산 (HAuCl4), 염화금 (AuCl3), 아황산금나트륨(Na3Au(SO3)2), 염화팔라듐 (PdCl2), 테트라암민팔라듐 디클로라이드(Pd(NH3)4Cl2), 디암민디클로로팔라듐(Pd(NH3)2Cl2), 및 염화팔라듐산(H2PdCl6)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이며,

상기 a) 단계에서 방향족 디아민계 모노머와 방향족 무수물계 모노머는 25 내지 100 ℃의 조건 하에서 반응시키는 전기 활성 고분자 작동기의 제조 방법이라고 공개되어 있다.

기존 IPMCs는 단점이 많으며, 예를 들어, IPMCs의 이온성 고분자 층에서 자연증발과 인가된 전압에의 한 전기분해로 인해 이온성 고분자 층의 수분이 금속전극의 크랙을 통해 빠져나가고 결과적으로 IPMCs의 구동 특성이 감소하며 straightening-back 현상 등이 유발될 수 있다.

또한, 기존 IPMCs의 경우 구동력을 향상시키기 위해 구조적으로는 이온성 고분자 층의 두께를 두껍게 설계할 필요성이 있으나, 이온성 고분자 층의 두께 증가는 이온성 고분자 내부에서 동일 전압대비 낮은 전계형성과 소자의 무게증가로 인해 구동 변위가 대폭 감소될 가능성이 있다.

또한, 기존 IPMCs의 경우 구동력을 향상시키기 위해 구조적으로는 적층형 IPMCs 개발을 할 필요성이 있으나, 적층형 IPMCs에 필요한 절연체 층으로 사용할 적절한 절연물질의 선정이 어렵다는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 조밀한 판상구조를 가지고 유전 상수가 작은 h-BN을 이온성 고분자 층을 덮는 층으로 사용함으로써 이온성 고분자 내부 수분이 금속전극의 크랙을 통해 빠져나가는 자연 증발 감소 효과를 가지며, 유전체의 삽입으로 유발될 수 있는 전계감소 효과가 미미하여 기존의 금속 전극을 사용한 IPMC와 유사한 구동 변위, 구동력을 가지면서 장시간 운전에 대한 안정성이 향상된 구동기 제작이 가능하고, 좋은 절연특성을 가지는 h-BN을 사용함으로써 향후 적층형 IPMC 개발에 유리한 h-BN을 이용한 전기활성 고분자 유연 구동기를 제공하고자 하는 것이다.

본발명은 h-BN을 이용한 전기활성 고분자 유연 구동기에 관한 것으로, 이온성 고분자 층 아래, 위로 각각 h-BN층을 전이시켜 기계적 특성이 향상되는 것을 특징으로 한다.

따라서 본발명은 조밀한 판상구조를 가지고 유전 상수가 작은 h-BN을 이온성 고분자 층을 덮는 층으로 사용함으로써 이온성 고분자 내부 수분이 금속전극의 크랙을 통해 빠져나가는 자연 증발 감소 효과를 가지며, 유전체의 삽입으로 유발될 수 있는 전계감소 효과가 미미하여 기존의 금속 전극을 사용한 IPMC와 유사한 구동 변위, 구동력을 가지면서 장시간 운전에 대한 안정성이 향상된 구동기 제작이 가능하다.

또한, 좋은 절연특성을 가지는 h-BN을 사용함으로써 향후 적층형 IPMC 개발에 유리하다는 현저한 효과가 있다.

도 1은 본발명 h-BN을 이용한 전기활성 고분자 유연 구동기 설명도.
도 2는 본발명 h-BN을 이용한 전기활성 고분자 유연 구동기에서 상하부에 전극이 설치되는 설명도.

본발명을 첨부도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본발명 h-BN을 이용한 전기활성 고분자 유연 구동기 설명도, 도 2는본발명 h-BN을 이용한 전기활성 고분자 유연 구동기에서 상하부에 전극이 설치되는 설명도이다.

본 발명은 육방정계 질화 붕소(h-BN)를 이용한 전기활성 고분자 유연 구동기(IPMCs)의 기계적 특성을 향상시키는 방법에 관한 것이다.

본발명은 기존 IPMCs에 도 1, 2와 같이 h-BN을 이온성 고분자 층 아래, 위로 전이시켜 기계적 특성이 향상된 IPMCs를 만든다.

도 1은 h-BN을 이용한 전기활성 고분자 유연 구동기의 구성도면이다.

도 2는 전극 표면의 크랙을 통해 빠져나갈 수 있는 수분을 조밀한 판상구조의 h-BN이 막은 것이다.

본발명의 이온성 고분자는 가장 상용화가 잘 되어있는 ‘DuPont 사’의 액상 nafion을 주로 사용한다.

본발명의 h-BN층 형성방법은 두 가지 방법이 있으며 첫 번째 방법은 다음과 같다.

액상 nafion 용액을 원하는 두께의 8~9배 정도의 양으로 틀에 붓는다.

적정량의 액상 nafion의 용제가 증발하도록 상온에서 건조시킨 후 틀에서 분리한다.

100~160℃로 50~70분 동안 열처리하여 기계적 강도를 증가시킨다.

열처리 온도가 100℃ 미만 또는 열처리 시간이 50분 미만이면, 고분자화가 잘 일어나지 않는다.

열처리 온도가 160℃ 초과 또는 열처리 시간이 70분을 초과하면, 제조된 제품의 품질이 불량하다.

75~100℃ 과산화수소에서 50~70분, 60~100℃ D.I. water에서 50~70분 동안 끓이면 이온성 고분자 층(3)이 형성된다.

과산화수소수의 온도가 75℃ 미만 또는 끓이는 시간이 50분 미만이면, 이온성 고분자 층이 잘 형성되지 않는다.

과산화수소수의 온도가 100℃ 초과 또는 끓이는 시간이 70분 초과하면, 제조된 제품의 품질이 불량하다.

D.I. water 온도가 60℃ 미만 또는 끓이는 시간이 50분 미만이면, 이온성 고분자 층이 잘 형성되지 않는다.

D.I. water 온도가 100℃ 초과 또는 끓이는 시간이 70분 초과하면, 제조된 제품의 품질이 불량하다.

그리고 상기 이온성 고분자 층(3) 아래, 위로 각각 h-BN층(2)을 전이시키면 본발명의 h-BN을 이용한 전기활성 고분자 유연 구동기가 제조된다.

실시례로서, 액상 nafion 용액을 원하는 두께의 8.5배 정도의 양으로 틀에 붓는다.

140℃로 1시간 동안 열처리하여 기계적 강도를 증가시킨다.

80℃ 과산화수소에서 1시간, 80℃ D.I. water에서 1시간 동안 끓이면 이온성 고분자 층(3)이 형성되고, 상기 이온성 고분자 층(3) 아래, 위로 각각 h-BN층(2)을 전이시키면 본발명의 h-BN을 이용한 전기활성 고분자 유연 구동기가 제조된다.

본발명의 다른 실시례인 두 번째 제조 방법은 다음과 같다.

h-BN/Cu foil 형태로 시중제품을 구매하여 준비한다.

h-BN위에 PMMA 스핀코팅을 진행한다.

Cu foil을 질산 수용액, D.I. water에 순차적으로 각각 띄워서 back-side etching 진행(Cu foil 아랫면 불순물 제거)한다.

Cu foil을 APS(Ammoinum persulfate solution)에 띄워서 Cu foil etching한다.

APS 위에 남아있는 PMMA/h-BN 을 OH film을 이용하여 건져낸다.

그 후에 D.I. water를 이용하여 린스를 진행하고, 상기 이온성 고분자 층 위, 아랫면으로 h-BN층(2)을 각각 전이(transfer) 시킨다.

아세톤에 담궈서 PMMA을 제거하면 본발명의 h-BN을 이용한 전기활성 고분자 유연 구동기가 제조된다.

1 : 전극 2 : h-BN
3 : 이온성 고분자 층

Claims

h-BN/Cu foil을 준비하고, h-BN위에 PMMA 스핀코팅하며, Cu foil을 용액내에 띄워서 back-side etching 하여 Cu foil 아랫면의 불순물을 제거한 후, Cu foil을 APS(Ammoinum persulfate solution)에 띄워서 Cu foil을 etching하고, 상기 APS 위에 남아있는 PMMA/h-BN 을 OH film을 이용하여 건져내어 D.I water를 이용하여 린스를 진행하고, 이온성 고분자 층 위, 아랫면으로 각각 h-BN층(2)을 전이시키고, 아세톤에 담궈서 PMMA을 제거함으로써, 이온성 고분자 층(3) 아래, 위로 각각 h-BN층(2)을 전이시키는 것을 특징으로 하는 h-BN을 이용한 전기활성 고분자 유연 구동기