KR20110087713A

KR20110087713A - 유연한 투명 전극 및 그를 이용한 고분자 액츄에이터

Info

Publication number: KR20110087713A
Application number: KR1020100007270A
Authority: KR
Inventors: 구종민; 홍순만; 황승상; 곽순종; 백경열; 민경호; 박윤덕; 김보리; 김명희; 곽희라; 황보민영
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2010-01-27
Filing date: 2010-01-27
Publication date: 2011-08-03

Abstract

본 발명은 에너지변환소자의 하나인 액츄에이터에 관한 것으로, 적어도 한 개의 투명한 탄성 유전체층(1a)에 유연한 제1 투명 전극층(2a) 및 제2 투명 전극층(2b)을 적층하고 각 전극층에 전원연결부(11a, 11b)를 장착하여 제조된 액츄에이터를 제공한다. 본 발명의 액츄에이터의 전원연결부에 전압을 스위칭 인가하는 경우 균일한 형태적인 갭을 유지하여 높은 전압에서도 안정적으로 변위가 유지되며, 이러한 우수한 특성으로 인해, 본 발명의 액츄에이터는 카메라 조리개, LCD, 스마트폰 등과 같이 휴대성, 경량화, 초박막화(ultra-slim)등의 특성이 요구되는 산업 분야에 응용 가능성이 높다. 전극층 사이에 샌드위치되는 유전체층로서는 유연하면서도 탄성을 갖는 고투명성 고분자 필름을 사용할 수 있으며, 상기 제1 투명 전극층 및 제2 투명 전극은 전도도가 높은 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT), 이중벽 탄소나노튜브(DWCNT), 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT), 그라펜(Graphene) 등에 분산제의 특성도 임의로 발현할 수 있는 바인더를 혼합 사용함으로써, 투명하고 유연한 전극층 및 이를 이용한 액츄에이터를 제공할 수 있다.

Description

유연한 투명 전극 및 그를 이용한 고분자 액츄에이터{FLEXIBLE TRANSPARENT ELECTRODE AND POLYMER ACTUATOR USING THE SAME}

본 발명은 일반적으로 전기 에너지와 기계적 에너지 사이의 전환을 시켜주는 전기활성 액츄에이터에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 투명 전극층을 포함하는 고분자 액츄에이터에 관한 것이다. 본 발명의 액츄에이터는 투명성을 가짐과 동시에 전압이 인가되는 경우 유연하게 변형이 되며, 이러한 특성에 따라 디스플레이, 스마트폰, 카메라 조리개, 스피커 등 소자 자체가 투명성을 요구하는 분야에 특히 유용하게 사용될 수 있다.

산업의 발전에 따라 정확성, 편의성, 고효율성 등이 요구됨에 따라 자동화시스템과 인공지능, 바이오 기술들이 개발되면서 거대한 기계적 로봇과 생체에 투입할 수 있는 마이크로 로봇 등 이전보다 고도로 복잡한 장치 및 소자에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러한 장치에 사용되는 재료들은 무거운 중량 등으로 인한 과부하로 인해 에너지 효율을 감소시키므로 마이크로 스케일 등의 극도로 미세한 장치를 구성하는 재료로서는 한계가 있는 실정이다. 따라서, 중량이나 가공성 등에 있어서 우위에 있는 고분자 재료를 이용하여 그러한 기계장치의 일부분을 대체하고자 하는 동기에서 액츄에이터라는 시스템이 도입되게 되었다.

액츄에이터는 전기적 에너지 또는 열적 에너지를 기계적 일로 옮겨주는 제어 공정에서 센서들의 대응물로서, 전기 에너지와 기계적 에너지 사이를 변환시키는 것이 가능하므로 다수의 응용 분야에서 유용하다. 예를 들어, 이러한 분야로는 로보틱스, 펌프, 스피커, 디스크 드라이브, 카메라 렌즈, 프린터, 오토매틱 및 인공 바이오 재료 등이 포함된다. 이들 응용 분야에서는 저전압 내지 고전압을 인가하는 경우 전기 에너지를 기계적 에너지로 전환하여 작거나 큰 변위를 제공하는 액츄에이터가 사용될 수 있다. 또한, 경량성 면에서도 액츄에이터는 장점을 가지고 있으므로 그 적용범위가 넓어질 수 있다.

액츄에이터는 그 원리에 따라 다양한 종류들이 존재한다. 오꾸로 [K. Oguro, et al., Proceedings of 4th International Symposium on Micro Machine and Human Science Nagoya., 39, (1993)]등에 의해 처음으로 발견된 이온 폴리머 금속 복합체(IPMC)는 물로 팽윤시킨 이온 교환막의 양면에 전압을 인가하였을 때 내부에 하전된 양이온이 음극으로 이동하면서 굽힘변형이 발생하는 것으로서 전압의 극성을 교대로 바꾸게 되면 굽힘 운동을 반복하게 된다. 하지만 이러한 구동원리에서는 수분이 증발함에 따라 동작이 멈추게 되는 문제점이 있다. 이멕스(Eamex)사에서는 대기 중에서 장시간 안정한 소프트 액츄에이터를 개발하여 이를 카메라의 손 흔들림 방지장치나 렌즈의 오토 포커스용으로 상품화를 시도하고 있다.

또한, 다양한 분야의 적용가능성 및 넓은 응용성 등을 감안하여 전도성 고분자 내의 π 전자로 인한 산화-환원 기전을 이용한 액츄에이터도 개발되었으나, 저전압 구동에는 이점이 있는 반면, 높은 전압에 의해 전기 화학적인 산화가 발생하게 되므로 이러한 산화에 의한 분해 또는 부화학반응으로 인해 전도성 고분자의 열화를 촉진하게 되므로, 높은 전압을 인가하기 어렵다는 문제가 있다.

앞서 살펴본 바와 같이, 상기한 액츄에이터들에는 각각 작동 환경의 제한, 불충분한 응답성, 복잡한 구조, 또는 낮은 유연성 등의 문제점이 있으며, 이러한 문제들로 인하여 그 용도가 제한되거나 액츄에이터 기술의 응용에 있어서 보완된 기술력들이 필요로 하게 되었다. 그래서, 미국 에스알아이 인터내셔널(SRI International)에서 유전성 중합체 (dielectric elastomer)에 의한 유연성 액츄에이터가 개발되었는데, 이는 유전체의 맥스웰 응력을 이용한 것으로, 아크릴 (3M VHB 4910 acrylic)계 폴리머를 사용하여 고속응답이 가능하고, 380%의 변형율, 8MPa의 출력응력, 3.4J/g의 에너지 밀도, 최대 90% 정도의 변환효율 등의 특성이 보고되어 있다. [R. Pelrine, et al., Science., 287 , 836 (2000)]

이러한 강유전성 중합체를 이용한 액츄에이터에 대해서 많은 연구들이 진행되어 액츄에이터의 기계적인 측면이나 가공설계적인 측면에서 종래기술의 문제점을 해결하여 출력/질량비 및 출력/용적비를 향상시킨 고분자 유전체를 이용한 액츄에이터에 관하여 많은 선행문헌들이 존재하고 있으나, 아직까지도 정확한 작동 메카니즘이나 유전체에 대한 정보와 유전체와 전극간의 어떠한 물성관계 등 재료 자체의 특성에 대하여 충분히 연구되지 못하였으며, 이에 따라 모든 요건을 만족시키는 액츄에이터는 개발되지 못하였다. 예를 들어, 강유전체를 이용한 액츄에이터를 구동하였을 때 나타나는 문제점 중 하나는, 전압이 인가되었을 때 기계적 변형에 의해 내부에 많은 응력이 발생되며 이와 같은 응력의 발생에 따라 액츄에이터가 파단 혹은 균열된다는 것이다. 액츄에이터의 응력발생은 이와 같은 기계적 변형에 의해서뿐만 아니라 전기 에너지에 의해서도 기인된다.

따라서, 위와 같은 문제점들을 해소하기 위해서는 유전체 자체의 탄성력이나 유연성, 유전율 등이 모두 중요하며, 특히 유전체 필름의 양쪽 면에 적층되는 전극 재료 또한 유전체의 변형에 따라 유연하게 변형되어야 하는 등의 요건을 만족해야하기 때문에, 전극 재료 또는 전극 형성을 위해 사용되는 전도성 탄소 재료, 용매, 바인더 등의 재료 선정은 상당히 까다로운 과제이다. 특히, 최근 카메라 조리개, 스피커, 스마트폰 등의 광학적 특성을 요구하는 전자 제품에서는 경량화 및 박막화가 더욱더 요구된다. 예컨대, 투명 스피커의 경우 휴대폰에 평판형 투명스피커기술을 적용하여 휴대폰 상단부의 수화기부분이 사라지게 하면 액정패널창을 통해서 음성을 바로 듣는 심플한 제품디자인을 가능하게 한다. 또한 액츄에이터가 투명하고 유연하다면 플렉시블 디스플레이(flexible display) 등에 적용할 수 있다. 액츄에이터가 이러한 제품에 사용되기 위해서는 에너지 변환 소자 자체도 높은 투명성이 필요하게 되었다. 이는 액츄에이터가 각종 센서, 예를 들면, 전기장을 가하였을 때 물체의 움직임이나 위치를 인식하는 센서, 지자기 센서, 가속도 센서 등과 접목되거나, 광학적인 포토닉 시스템과 유연하게 연계되는 경우가 많기 때문이며, 경우에 따라서는, 소자 자체에 레이저를 투과하여 액츄에이터 소자를 활용하는 경우도 있다.

이미 공지된 특허 문헌 중 재료 자체에 관한 것으로 알려진 특허 문헌 1 [일본특허공개 2009-046562], 특허문헌 2 [일본특허공개 2009-059856]에서는 도전 특성 및 내구성이 우수하고, 큰 변형에도 대응 가능한 유연성을 가지고 있는 유연 전극을 채용함으로써 탄성 유전체와 일체가 되어 변형이 가능한 액츄에이터가 개시되어 있다. 하지만 이들 문헌의 특징이 투명성 부여에 있는 것이 아닐 뿐만 아니라 이들 방법을 사용하여 투명성을 부여한다면 저항값이 현저하게 높아질 수 있어 투명성을 부여하기에는 부적합하다고 인식되었다. 본 발명에서는 이러한 종래기술의 문제점들을 개선하여 좀 더 유연하면서도 높은 전도성 및 투명성을 갖는 전극을 제조하고 이를 활용하여 액츄에이터에 적용하고자 한다.

앞서 살펴본 바와 같이 종래 문헌에서는 탄성 유전체와 일체화된 전극층에 유연성을 부여하는 내용에 대해서는 기재하고 있으나, 액츄에이터가 갖는 투명성 및 그로 인한 유용성에 대해서는 인식하고 있지 않다. 특히, 종래의 액츄에이터는 투명성이 요구되는 적용분야에는 사용하기 어려웠으나, 본 발명에 이르러 이러한 문제점을 개선하여 유연성과 함께 높은 투명도를 부여하여 더 많은 분야에 적용가능한, 투과율이 40% 이상, 바람직하게는 70% 이상, 더욱 바람직하게는 80% 이상인 높은 투명도를 갖는 유연성 액츄에이터를 완성하게 되었다.

본 발명에서는, 하나 이상의 탄성 유전체층; 상기 탄성 유전체층의 양쪽 표면에 부착된 제1 투명 전극 및 제2 투명 전극; 및 상기 투명 전극들에 장착된 전원 연결부를 포함하며, 자외선 및 가시광선에 대한 투과도가 40% 이상인 액츄에이터를 제공하여 상기한 목적을 달성하였다. 또한, 상기 액츄에이터는 최근에 활발히 연구되고 있는 유전성을 이용한 액츄에이터로서 전해질이 필요하지 않으며, 제1 투명 전극과 제2 투명 전극에 전압(3a)이 인가되었을 때 공간 전하차가 발생하여 맥스웰 스트레스가 일어나 수축과 팽창이 일어나는 것으로써, 브레이크다운 전압(break down voltage)가 크고, 비교적 낮은 인가 전압에서 변위가 일어날 수 있는 장점이 있다.

본 발명은 도 1에 보여진 바와 같이, 전도성 탄소재료 및 바인더를 용매 중에서 배합하여 전극 코팅 용액을 제조하는 단계; 탄성 유전체 필름의 양쪽면에 상기 전극 코팅 용액(7b)을 도포하여 제1 투명전극 및 제2 투명 전극을 형성하는 단계; 및 상기 투명 전극들에 전원 연결부(11a,11b)를 장착하는 단계를 통해 투명하고 유연한 일정한 두께를 갖는 탄성 유전체층(1a)과, 이 유전체층에 적층된 제1 투명 전극, 제2 투명 전극(2a, 2b) 및 상기 투명 전극들에 장착된 전원 연결부를 포함하는 액츄에이터를 제공한다. 이렇게 제조된 액츄에이터는 제1 투명 전극, 제2 투명 전극에 전압(3a)을 인가함에 따라서 안정한 전기장 내에서 두께 방향으로 압축/팽창하여 체적 변화를 일으키도록 구성되어 있다.

상기 투명 전극들을 형성하기 위해 사용되는 전극 코팅 용액에는, 유기계 용매, 분산제와 바인더 역할을 할 수 있는 유연한 고분자인 탄성체나 공중합체, 및 전도성 탄소 재료, 예컨대, 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT), 이중벽 탄소나노튜브(DWCNT), 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT) 및 그라펜(Graphene)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이 포함되며, 이들 재료들을 혼합한 후 고성능 소니케이터와 볼-밀링 머신(5a)을 이용하여 분산시켜 제조한다. 바람직하게는 전극 코팅 용액은 1액형이다.

상기 바인더로서는 전도성 탄소 재료의 분산성을 향상시키고 용매 증발 후 형태를 유지시킬 수 있는 성분이면 제한없이 사용될 수 있으나, 바람직하게는 폴리에스테르계 탄성체, 아크릴계 탄성체, 실리콘계 탄성체, 부타디엔계 탄성체, 이소프렌계 탄성체, 스티렌계 탄성체, 실록산계 탄성체, 실세스퀴옥산계 탄성체, 이들의 단독 및 공중합체들로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상, 더욱 바람직하게는 스타이렌-에틸렌-부틸렌-스타이렌 블록 공중합체(SEBS), 폴리디메틸실록산(PDMS) 또는 폴리에틸렌디옥시티오펜(PEDOT), 가장 바람직하게는 폴리에틸렌디옥시티오펜(PEDOT)이 포함된다. 통상적으로 바인더는 전도성 탄소재료 대비 약 20 내지 99.99 중량%, 바람직하게는 40 내지 80 중량%의 양으로 사용된다.

본 발명에 따른 액츄에이터의 구조는 상기 제1 투명 전극 및 제2 투명 전극의 각 두께는 탄성 유전체층의 두께보다 작거나, 또는 각 두께가 약 0.05~5 ㎛이다.

본 발명의 전극은 얇은 두께의 일정한 원형 패턴과 연장된 전극선의 패턴을 동시에 갖고 있는 마스크(8a, 8b)를 양쪽에 붙여놓고 코팅을 함으로써 균일한 패턴과 균일한 전기장 형성에 도움을 줄 수 있게 하였다.

본 발명은 유연성과 함께 투명도를 나타내어, 전압이 인가되었을 때 전극 재료자체에서 균열이 발생되는 문제점을 보완하면서도 투명도가 필요한 많은 응용 분야에 적용가능한 유연성 액츄에이터를 제공한다.

도 1는 본 발명의 따른 액츄에이터의 측면도이다.
도 2는 본 발명의 따른 액츄에이터의 단면도이다.
도 3는 본 발명의 전극 제조과정에 있어 탄소재료와 바인더 및 용매와의 혼합물을 소니케이션하는 과정과 볼-밀링에 의한 분산 제조 과정의 모식도이다.
도 4는 혼합된 전극 코팅 용액을 원심 분리기로 침전 분리하여 균일하게 분산된 용액만을 분별하는 과정을 나타내는 모식도이다.
도 5는 탄성 유전체 필름 양면에 전극 코팅 용액을 도포하기에 앞서 마스크를 붙이는 과정을 나타내는 모식도이다.
도 6는 마스크 위에 본 발명에서 제조된 전극 코팅 용액을 도포하는 장비의 모식도이다.
도 7는 양쪽에 엇갈려 붙여진 마스크 안에 코팅된 전극층과 탄성 유전체 필름의 측면도이다.
도 8는 적층된 액츄에이터의 1축 연신에 따른 표면저항 측정에 관한 모식도이다.
도 9는 본 발명에 따른 액츄에이터의 변위 측정에 관한 인가된 전압의 파장과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10은 도 9에서 본 발명에 따른 액츄에이터의 변위 측정에 있어 인가된 전압의 파장과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 액츄에이터의 변위값을 나타내는 그래프이다.

[실시예]

실시예 1

탄성 유전체층으로는 크라톤(KRATON)사에서 구입한 투명 스타이렌-에틸렌-부틸렌-스타이렌 블록 공중합체 (품명: G1650, 분자량 : 110,000) 를 사용하였으며,유연성을 더욱 높이기 위해 미창사에서 구입한 가소제 파라핀 오일 (무색, T-150)을 위 블록 공중합체 70 중량부 대비 30 중량부의 비율로 배합하여 진공 오븐에서 120℃ 24h 동안 방치하여, 블록 공중합체를 파라핀 오일 중에 스웰링시켰으며, 핫-프레스를 사용하여 스웰링된 블록 공중합체를 60 × 60 × 0.5 mm 판상의 필름(1a)으로 제작하였다.

전극 코팅 용액을 제조하는 과정(도 3, 도 4 참조)에서는, 전도성 탄소 재료로서 (Carbon Solutions, Inc. 품번: P3-SWCNT)에 제공받은 단일벽 탄소나노튜브 (SWCNT)를 산처리하여 COOH 작용기를 부여시킨 것을 사용하였으며, 바인더로서는 강신산업에서 제공받은 아크릴계 고무에 Cl과 같은 극성기를 포함하는 탄성체 (PA-402s, Noxtite)와 상기 탄성 유전체층에서와 동일한 재료를 각각 동등하게 사용하여 전극 코팅 용액(도 4)을 다음과 같은 비율로 제조하였다.

바인더의 함량을 전도성 탄소 재료인 단일벽 탄소 나노튜브에 대해 각각 100 중량%, 50 중량%, 25 중량%로 3종류로 혼합하였다. 우선, 전도성 탄소 재료를 첨가하고 바인더 중 아크릴계 탄성체는 아세톤에 4시간 정도 용해시켰으며 스타이렌계 공중합체는 톨루엔에 4시간정도 용해되게 하였다. 투명성을 높이기 위해 총 바인더와 탄소 재료 함량이 용매 대비 1% 정도 되도록 하는 양으로 과량 희석시켜 혼합(도 3의 4a)한 후, 직경이 5 mm, 3 mm인 볼과 함께 볼-밀링을 2시간 정도 행한 후(도 3의 5a) 울트라-소닉으로 5분 간격으로 1시간 동안 처리하여 분산시켰다. 제작된 분산액을 윈심분리기를 이용해 균일한 분산액(7a, 7b)만을 선별하여 투명 전극층(2a, 2b)용 코팅액으로 사용하였다.

탄성 유전체 필름에 투명 전극층을 코팅하기에 앞서 상기 유전체층과 같은 사이즈로 알루미늄 마스크(8a, 8b)를 제작하였으며, 그 안에 3cm 정도의 전극 패턴에 맞도록 모양을 내고 상기 유전체 필름 양쪽면에 전극 접지 부분이 엇갈리도록 마스크를 부착시켰다. 상기 마스크가 입혀진 유전체 필름 위에 코팅하는 방식을 스프레이 또는 바코터 방식으로 하였고, 코팅 방법에 따른 용액의 점도 제한이 있기 때문에 다양한 바인더 함량을 갖는 전극 코팅 용액 중에서 바인더 함량이 50 중량%로 함유한 용액을 최적의 코팅 용액으로 선정하였다. 스프레이 코터 장비(도 6)를 사용하여 같은 두께, 같은 스케일로 하여 전극 코팅(도 7)을 하였다.

실시예 2

상기 액츄에이터의 유전체층은 실시예 1에서와 동일한 종류의 유전체 필름을 사용하였다.

실시예 2의 전극 코팅 용액 제조과정에 있어서, 전도성 재료는 알드리치사(Aldrich Co.)부터 제공 받은 그라파이트(graphite flakes, 7782-42-5)를 H₂SO₄와 H₂O₂에 담지하여 팽창된 그라펜 옥사이드(graphene oxide)를 초음파로 분쇄하여 그라펜(graphene)을 제조하였으며 별다른 표면 처리 없이 분산된 그라펜을 실시예 1에서 사용된 스타이렌계 바인더와 함께 사용하여 그라펜 전극 용액을 제조 하였다. [Appl. Phys. Express 2 (2009) 075502]

그라펜과 바인더의 배합비는 실시예 1에서 분산된 용액의 점도상 등을 고려하여 바인더의 양을 탄소 재료 대비 25중량%로 배합하였으며, 용매는 톨루엔과 에탄올 함께 1:1 비율로 공 용매를 사용하였으며 공 용매 대비 그라펜의 농도는 0.6 mg/L 단위로 분산시켰다. 사용된 톨루엔과 에탄올의 양은 총 200 mL정도였으며, 분산과정, 코팅 방법은 실시예 1과 동일한 방식으로 행하였다.

실시예 3

상기 액츄에이터의 유전체 필름은 세왕 하이텍에서 투명한 실록산계 겔 용액(DC-184A, 경화온도 20℃～250℃)과 투명한 실리콘 오일(DC-184B), 그리고 경화제 (DC-561)를 얻어 실록산계 겔 용액:실리콘 오일을 80:20 중량비율로 충분히 배합하고 경화제를 4 중량% 넣은 다음 완전히 경화하기 전에 바-코터를 이용해 용액 캐스팅을 하고, 120℃ 4시간 경화를 시켜 실리콘 고무 필름을 얻었으며, 얻어진 실리콘 고무 필름을 실시예 1에서와 동일한 규격인 60 × 60 × 0.5 mm 필름(1a)으로 절단하여 제작하였고, 기타 코팅방법은 실시예 1과 동일하게 행하였다.

전극층의 용액제조과정에 있어서는, 투명성 및 유연성 향상 및 도전재료의 가격을 고려하여 전도성도 높으면서도 가격면에서 합리적인 다중벽 탄소나노튜브 (CM-100)를 한화 나노텍에서 제공 받아 사용하였으며, 실시예 1에서 사용된 스타이렌계 바인더를 다중벽 탄소나노튜브 대비 50중량%로 배합하였다. 용매로서는 톨루엔에 DMF를 1 중량%로 소량 혼합하여 사용하였으며, 이 때 사용된 톨루엔의 양은 200 ml였다. 분산과정과 적층 방법은 실시예 1과 동일한 방식으로 행하였다.

비교예 1

탄성 유전체 필름은 실시예 1과 동일한 물질로 사용하였다. 전극은 상업화 되어있는 일본 아사히(Asahi Chemical Research laboratory Co., Ltd.)에서 제공 받은 카본페이스트(carbon paste) (품명: FTU-60N-20)를 사용하였으며, 그 조성은 카본블랙(carbon black)이 63 중량%, 폴리에스테르계와 페놀계가 각각 29.4 중량%, 7.3 중량%이고 용매는 벤질알코올이다. 카본페이스트의 점성을 낮추기 위해 상기 카본 페이스트 5g을 벤질 알코올 3 ml로 희석하여 전극 코팅 용액으로 사용하였으며, 제작된 마스크를 탄성 유전체 필름 양면 위에 붙이고 스핀코팅을 각각 행하였다. 스핀코팅하였을 때, 회전속도(RPM)=2000 이었다.

비교예 2

탄성 유전체 필름은 실시예 1과 동일한 물질로 사용하였다. 전극 코팅 용액 제조 과정에 있어서 전도성 물질로 Denka Singapore Private Ltd.사의 덴카 블랙 (Denka black)을 사용하였으며, 바인더는 실시예 1에서 사용했던 아크릴계 고무에 Cl과 같이 극성기를 포함하는 아크릴계 바인더를 사용하였다.

우선, 바인더를 용매인 아세톤에 용해시키고, 이때 실제 사용된 용매의 양은 아세톤 200 ml이었다. 바인더의 양은 덴카 블랙 대비 100중량%, 50중량%, 25중량%로 각각 배합하여 3가지 용액을 제조하였고, 분산과정은 실시예 1과 동일한 조건으로 행하여졌다. 동일한 조건으로 코팅을 하기 위해서 함량비가 다른 3가지 분산된 용액 중에서 바인더가 50 중량% 함유된 것을 본 발명에서 사용하였으며, 그 코팅 과정은 실시예 1과 동일한 방식으로 행하였다.

비교예 3

탄성 유전체 필름은 실시예 1과 동일한 물질로 사용하였다. 전극층 전기전도도가 우수하여 안정한 전기장을 걸어 줄 수 있는 일본의 CANS(Chemical aerosol network system)에서 제공 받은 실버페이스트(P-100)를 사용하였으며, 그 조성은 실버(Ag)가 70 중량%, 에틸 락테이트(ethly lactate) 30 중량%이고 별다른 처리나 작업 없이 핸드 브러쉬를 이용하여 마스크가 붙여진 유전체 필름 한 면에 세밀하게 도포하였으며 한쪽 면을 코팅하고 나서 2 h 정도 건조시간을 두고 다른쪽 면에 도포하였다.

(표면 저항치의 측정)

UTM(도 7)을 이용하여, 1축 연신에 따른 연신 전후의 표면 저항값의 변화를 4-probe method를 이용하여 측정하였다.

(전극층의 두께 측정)

상기 실시예 1, 2, 3과 비교예 1에서 제조된 제조층의 두께를 α-step으로 측정 하였다.

(투과도 측정)

상기 실시예 1, 2, 3과 비교예 1에서 제조된 고분자 액츄에이터의 투과도를 자외선 및 가시선 분광분석기(UV-Visible Spectrophotometer, HP 8453E Hewlett Packard, U.S.A)를 이용하여 측정하였다.

(고분자 액츄에이터의 동작 시험)

도 9에 도시된 바와 같이 두개의 레이저 센서(10a, 10b)와 테프론 홀더(10c)를 이용하여 시험을 행하였다. 실시예와 비교예에서 제작된 고분자 엑츄에이터 필름을 도 9에서 도식화된 센서장치를 이용하여 측정하였다. 중앙에 구멍이 열려 있는 테프론 홀더(10c) 두개를, 실시예와 비교예의 각 필름 양쪽에 코팅된 전극층 가운데 부분이 중앙에 위치하고 양면에 엇갈리도록 코팅된 전극선이 홀더에 고정되어 있는 구리재질의 전극 리드판(10f, 10g)과 맞닿아 일직선이 되도록 놓은 다음 홀더를 양쪽에서 고정을 시켰다. 거기에 전압 인가장치(10d, 10e)를 연결하고, 전압을 2kV 내지 16kV 정도 인가하였을 때 그 변위를 양 쪽에 레이저 센서(10a, 10b)를 이용해 측정하였다. 실제 인가된 전압과의 파장관계를 도 10에 표시하였다. 여기에 설치된 레이저 센서는 테프론 홀더(10c) 중앙에 오도록 설치하였고, 그 레이저 빛이 반사되어 레이저 센서에 일정하게 감지되도록 균형 있게 설치를 하였다.

(실시예 1, 2, 3과 비교예 1, 2, 3의 결과)

표 1에서 측정된 값을 비교해 보면, 투명 탄성 유전체 필름의 종류에 따라 표면 젖음성이나 표면거칠기가 달라서 두께차나 표면 저항값에 있어 약간의 차이를 보이지만, 두께층에 비해 상당히 낮은 표면저항값을 나타낸다. 또한 실시예 1, 2에서는 투과율도 80% 넘는 것을 확인할 수 있고, 실시예 3에서는 다중벽 탄소 나노튜브의 사용시 다소 투과율이 저하되는 것을 보여주지만 표면저항값이 조금 높더라도 그 도전재의 농도를 낮춘다면 투과율이 80% 가까이 근접할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 실시예 1, 2에서 적층된 투명하고 유연한 전극층을 0 내지 30 % 정도로 연신하는 경우 그에 따른 그 표면저항율 변화가 불과 1×10¹ 내지 1×10² 정도인 점은 변위에 상응하는 유연특성을 가지면서도 전도성을 유지하고 있음을 나타낸다. 다만, 실시예 1, 2 및 3의 전도성 재료 간 구조적인 차이 및 그로 인한 분산성 및 용해도 차이에 의해 이들 실시예의 저항값은 약간의 차이가 있다.

반면, 비교예 1은 전극층의 두께가 다른 것과 비교하였을 때 두꺼움에도 불구하고 저항값이 크게 나타나고, 30% 연신율에도 그 표면저항이 측정할 수 없을 정도로 높다. 또한, 비교예 2는 비교적 표면저항값과 두께는 양호하고 연신에 따른 저항변화율도 작아 불투명한 액츄에이터 소자의 전극으로서는 적합하나, 본 발명이 목적으로 하는 투과율을 나타내지 못한다. 더구나, 비교예 2의 실버페이스트는 그 저항값이 상당히 낮아 우수한 전기장을 인가할 수 있으나, 유연성이 떨어져 15% 연신에도 겉보기 육안으로 크랙 성장으로 인한 표면 저항값의 상승을 확인할 수 있고, 비교예 1, 2 경우 두께층을 얇게 하여도 투명성 부여는 할 수가 없었다.

	실시예1	실시예 2	실시예 3	비교예1	비교예2	비교예3
투과율 (%)	80	85	50	-	20	-
두께 (㎛)	0.21	0.16	0.25	20	15	25
미 연신 (Ω)	3.09 × 10³	2.01 × 10³	5.01 × 10³	3.09 × 10⁶	5.76 × 10⁵	0.4
15% 연신 (Ω)	3.12 × 10³	2.20 × 10³	8.20 × 10³	6.32 × 10⁷	6.43 × 10⁵	100.5
30% 연신 (Ω)	4.01 × 10⁴	2.99 × 10⁴	7.49 × 10⁴	-	7.70 × 10⁶	전극층 갈라짐

도 10에서 실시예 3의 변위 측정값을 보면, 실시예 1, 2 및 비교예 1, 3보다 상당히 그 변위가 크다는 것을 알 수 있고 특히 폴리디메틸실록산 같은 재료인 경우 매우 큰 변위값을 나타내었다. 또한 실시예 1, 2, 3, 비교예 1, 3의 변위값을 비교해보면 그 성능이 투명한 전극층으로 입혀진 실시예 1, 2, 3이 좋다는 것을 알 수가 있다. 그 외 비교예 2의 경우는 실시예들보다는 변위가 다소 작으나 비교예 1, 3 보다는 상당히 크다는 것을 알 수가 있다. 즉, 덴카 블랙의 사용은 다소 투명전극에는 바람직하지 못하다는 것을 보여주고 실시예들에서 사용된 탄소 재료들은 비교적 작은 두께 층에도 불구하고 유연하고 우수하고 안정한 전기장을 인가하여 준다는 것을 알 수 있다.

상기 측정결과를 토대로, 본 발명의 투명하고 유연한 전기 활성 고분자 액츄에이터가 본래 특성을 유지/개선하면서도 투명성을 실현하였음을 확인하였다. 그러한 투명하고 유연한 특성 때문에 이러한 특성들이 요구되는 많은 분야에 적용할 수 있다.

본 발명은 간단한 방법으로 분산제 및 바인더 역할을 할 수 있는 1액형 투명-전극 코팅 용액(7b)을 제공하며, 그 투명하고 유연한 성질과 전극층(2a, 2b)의 두께에 비해 높은 전도도를 갖고 있어 향후 디스플레이나 카메라 조리개, 스피커 등 광학적 특성을 요구하는 장치들에까지 적용 가능하고 또한 유연한 바인더를 사용함으로써 얻어진 고분자 액츄에이터가 높은 전압까지 안정한 전기장을 유지할 수 있게 되는 효과를 나타낸다.

Claims

하나 이상의 탄성 유전체층;
상기 탄성 유전체층의 양쪽 표면에 부착된 제1 투명 전극 및 제2 투명 전극; 및
상기 투명 전극들에 장착된 전원 연결부
를 포함하며, 가시광에 대한 투과도가 50% 이상인 액츄에이터.
제1항에 있어서, 상기 제1 투명 전극 및 제2 투명 전극이 전도성 탄소 재료를 포함하는 것인 액츄에이터.
제2항에 있어서, 상기 전도성 탄소 재료가 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT), 이중벽 탄소나노튜브(DWCNT), 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT) 및 그라펜(Graphene)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 액츄에이터.
제2항에 있어서, 상기 제1 투명 전극 및 제2 투명 전극이 추가로 바인더를 포함하는 것인 액츄에이터.
제4항에 있어서, 상기 바인더가 폴리에스테르계 탄성체, 아크릴계 탄성체, 실리콘계 탄성체, 부타디엔계 탄성체, 이소프렌계 탄성체, 스티렌계 탄성체, 실록산계 탄성체, 실세스퀴옥산계 탄성체, 이들의 단독 및 공중합체들로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인 액츄에이터.
제4항에 있어서, 상기 바인더가 폴리에틸렌디옥시티오펜(PEDOT)를 포함하는 것인 액츄에이터.
제4항에 있어서, 바인더의 함량이 전도성 탄소재료 대비 약 20중량% 내지 99.99 중량%인 액츄에이터.
제1항에 있어서, 제1 투명 전극 및 제2 투명 전극의 각 두께가 약 0.05~5 ㎛인 액츄에이터.
전도성 탄소재료 및 바인더를 용매 중에서 배합하여 전극 코팅 용액을 제조하는 단계;
탄성 유전체 필름의 양쪽면에 상기 전극 코팅 용액을 도포하여 제1 투명전극 및 제2 투명 전극을 형성하는 단계; 및
상기 투명 전극들에 전원 연결부를 장착하는 단계
를 포함하는 제1항에 따른 액츄에이터의 제조방법.