KR20140008631A - Dry type ionic polymer actuator and method for fabricating the same - Google Patents

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KR20140008631A KR1020120075260A KR20120075260A KR20140008631A KR 20140008631 A KR20140008631 A KR 20140008631A KR 1020120075260 A KR1020120075260 A KR 1020120075260A KR 20120075260 A KR20120075260 A KR 20120075260A KR 20140008631 A KR20140008631 A KR 20140008631A
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Abstract

The present invention relates to a dry ionic polymer actuator, to which graphene buckypaper electrodes with low moisture permeability and hydrophobic properties are applied, and a manufacturing method thereof. According to the present invention, the problem of the reduced performance due to a long time operation of the ionic polymer actuator can be solved by using a graphene electrode which does not have cracks compared with a traditional platinum electrode and has high electrical conductivity and hydrophobic properties as an electrode of the ionic polymer actuator. Also, manufacturing costs and time of the ionic polymer actuator can be reduced by using the graphene electrode which uses low-cost graphite. [Reference numerals] (AA) Start; (BB) End; (S101) Generate oxide graphite; (S102) Obtain oxide graphene; (S103) Generate oxide graphene buckypaper; (S104) Generating graphene buckypaper; (S105) Graphene buckypaper & ionic polymer hot pressing

Description

건식형 이온성 고분자 작동기 및 그의 제조 방법{Dry type ionic polymer actuator and method for fabricating the same}Dry type ionic polymer actuator and method for manufacturing the same {Dry type ionic polymer actuator and method for fabricating the same}

본 발명은 이온성 고분자 작동기 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 낮은 수분 투과성과 소수성 특징을 가지는 그래핀 버키페이퍼 전극을 적용한 건식형 이온성 고분자 작동기 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an ionic polymer actuator and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a dry ionic polymer actuator using a graphene bucky paper electrode having a low water permeability and hydrophobic characteristics, and a manufacturing method thereof.

외부의 전기적인 자극에 의하여 부피나 길이가 변화하는 기전고분자(electroactive-polymer, EAP)는 압전세라믹재료(piezoelectric material, PZT)나 형상기억합금(shape memory alloy, SMA)에 비해 가볍고 가공이 용이하며 생체모방형과 생체적합성 및 저전력으로 구현 가능한 특징을 가진다. 따라서, 전기활성 소재로 이용되고 있으며, 최근에는 기전고분자 중 특히 이온성 고분자 금속 복합물(ionic polymer metal composite, IPMC)에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.Electroactive polymer (EAP) whose volume or length is changed by external electrical stimulation is lighter and easier to process than piezoelectric material (PZT) or shape memory alloy (SMA). It has biomimetic and biocompatible and low power. Therefore, it has been used as an electroactive material, and recently, research on ionic polymer metal composite (IPMC) among mechanical polymers has been actively conducted.

종래 이온성 고분자 금속 복합물(IPMC)는 플루오르(fluorine)로 치환된 이온성 고분자막과 전도성 금속의 복합물로서 나피온(nafion)막의 양면에 금속 전극을 입힌 형태로 구성되어 있다.Conventional ionic polymer metal composite (IPMC) is a composite of a fluorine-substituted ionic polymer membrane and a conductive metal is composed of a metal electrode coated on both sides of the nafion (nafion) membrane.

상기 금속 전극에 전계를 가하면 막 내부의 이온 이동에 따라 상기 막이 부분적으로 팽창하고 구부러지는 변형이 일어나며, 상기 변형 정도는 상기 막의 양 표면에 위치한 전극에 인가하는 전압이나 주파수에 따라 조절 가능하다.When an electric field is applied to the metal electrode, the membrane partially expands and bends as a result of ion movement inside the membrane, and the degree of deformation is adjustable according to voltage or frequency applied to electrodes located on both surfaces of the membrane.

또한, 상기 이온성 고분자 금속 복합물(IPMC)은 10V 이하의 비교적 낮은 전압에서도 빠른 감응을 나타내고 변형량이 크기 때문에 저전력 구동이 가능하며 높은 주파수에서 빠른 응답 특성을 가진다.In addition, the ionic polymer metal composite (IPMC) has a fast response even at a relatively low voltage of 10V or less, and the deformation is large, thus enabling low power driving and having a fast response at high frequencies.

또한, 뛰어난 수분 함유 능력으로 부드러운 조직을 가지며 생체 적합성이 우수한 고분자 물질을 포함함으로써 생체 내에서 구동 가능한 액추에이터 물질로 활용 가능하다는 장점을 가진다.In addition, it has the advantage that it can be utilized as an actuator material that can be driven in vivo by including a polymer material having excellent softness and excellent biocompatibility with excellent moisture content.

이러한 장점을 가진 상기 이온성 고분자 금속 복합물(IPMC)을 이용하여 가볍고 유연한 소형 작동기를 설계할 수 있으며, 의료분야에서 생체 기능을 모사하는 인공근육과 마이크로 로봇 및 마이크로 펌프 등으로 다양하게 응용 가능하다.By using the ionic polymer metal composite (IPMC) having such advantages can be designed a light and flexible small actuator, it can be applied to a variety of applications, such as artificial muscles and micro robots and micro pumps to mimic the biological function in the medical field.

그러나, 종래 이온성 고분자 금속 복합물(IPMC)은 전극 적층시 사용하는 무전해도금 과정이 전처리 과정과 이온 흡착 과정 및 환원 과정 등의 복잡한 과정을 거쳐 이루어짐으로써 상당한 제작 시간이 소요되며 전극 성능 재현성 확보에 어려움이 있다. 또한, 다수의 크랙을 통해 발생하는 백금 전극의 표면 특성 문제를 가진다.However, in the conventional ionic polymer metal composite (IPMC), the electroless plating process used for electrode stacking is performed through a complicated process such as pretreatment, ion adsorption process, and reduction process, which requires considerable manufacturing time and ensures electrode performance reproducibility. There is difficulty. In addition, there is a problem of the surface characteristics of the platinum electrode generated through a plurality of cracks.

본 발명의 실시예가 해결하려는 과제는 환원 과정을 통해 표면 전기전도도와 소수성 특성을 향상시킨 그래핀 버키페이퍼를 전극으로 활용함으로써 장시간 작동시 성능 저하를 방지하고, 제조 시간 및 제조 비용을 절감할 수 있는 건식형 이온성 고분자 작동기 및 상기 건식형 이온성 고분자 작동기의 제조 방법을 제시하는 것이다.The problem to be solved by the embodiment of the present invention by using a graphene bucky paper that improves the surface electrical conductivity and hydrophobic properties through the reduction process as an electrode to prevent performance degradation during long time operation, and to reduce the manufacturing time and manufacturing cost A dry ionic polymer actuator and a method for producing the dry ionic polymer actuator are provided.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 허머즈 방법(hummer's method)을 통해 시작물질인 그라파이트(graphite)로부터 합성한 산화 그라파이트를 생성하는 단계와, 초음파 분쇄와 원심 분리를 이용하여 상기 산화 그라파이트로부터 산화 그래핀을 제공하는 단계와, 진공 여과법을 이용하여 산화 그래핀 버키페이퍼(buckypaper)를 제조하는 단계와, 상기 산화 그래핀 버키페이퍼를 환원시켜서 그래핀 버키페이퍼를 생성하는 단계와, 상기 그래핀 버키페이퍼를 한쌍의 전극들로서 제공하는 단계 및 상기 한 쌍의 전극들 사이에 이온성 고분자를 위치시키고 열압착하는 단계를 포함하는 건식형 이온성 고분자 작동기의 제조 방법을 일 실시예로 제안한다.In order to solve the above problems, the present invention, by producing a graphite oxide synthesized from the starting material (graphite) through the Hummers' method (hummer's method), and oxidized from the graphite oxide by using ultrasonic grinding and centrifugation Providing graphene, preparing a graphene oxide buckypaper using vacuum filtration, reducing the graphene oxide bucky paper to produce graphene bucky paper, and the graphene bucky In one embodiment, a method of manufacturing a dry ionic polymer actuator comprising providing paper as a pair of electrodes and positioning and thermocompressing an ionic polymer between the pair of electrodes is provided.

여기서, 상기 산화 그래핀을 제공하는 단계는, 열 또는 마이크로웨이브와 같은 외부 에너지원을 통해 상기 산화 그래핀을 생성한다.Here, the step of providing the graphene oxide, the graphene oxide is produced through an external energy source such as heat or microwave.

또한, 상기 그래핀 버키페이퍼를 생성하는 단계는 아이오딘화수소(hydrogen iodide, HI)산과 하이드라진 및 수소화붕소나트륨 등의 환원제를 사용하거나 아르곤과 수소 등의 환원 가스 환경에서 500℃ 이상의 열처리를 통해 상기 산화 그래핀 버키페이퍼를 환원시킨다.In addition, the step of producing the graphene bucky paper using the reducing agent such as hydrogen iodide (hydrogen iodide, HI) acid and hydrazine and sodium borohydride or the oxidation through a heat treatment of 500 ℃ or more in a reducing gas environment such as argon and hydrogen Reduce graphene bucky paper.

또한, 상기 이온성 고분자는 양이온과 물분자 또는 이온성 액체를 포함한다.In addition, the ionic polymer includes a cation and a water molecule or an ionic liquid.

또한, 상기 이온성 고분자는 나피온(Nafion)와 술폰화 폴리이미드(sulfonated polyimide, SPI) 등의 이온성 고분자, 폴리우레탄과 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane,PDMS) 등의 다공성 고분자 및 키토산과 셀룰로오스 계열의 바이오 고분자 또는 이들의 조합을 포함한다.In addition, the ionic polymer is an ionic polymer such as Nafion and sulfonated polyimide (SPI), porous polymer such as polyurethane and polydimethylsiloxane (PDMS), and chitosan and cellulose Biopolymers or combinations thereof.

본 발명의 실시예에 의하면 종래 백금 전극과 같은 크랙을 갖지 않으며 높은 전기전도도와 낮은 수분 투과성 및 소수성 특징을 가지는 그래핀 전극을 이온성 고분자 작동기의 전극으로 활용함으로써 이온성 고분자 작동기의 장시간 작동시 발생하는 성능 저하 문제를 해결할 수 있다. 또한, 저렴한 비용의 그라파이트로부터 제작한 그래핀 전극을 이용함으로써 이온성 고분자 작동기의 제조 시간 및 제조 비용을 절감할 수 있으며, 건식형 이온성 고분자 작동기를 구현할 수 있다.According to an embodiment of the present invention by using a graphene electrode having a high electrical conductivity, low moisture permeability and hydrophobic characteristics as the electrode of the ionic polymer actuator, which does not have the same crack as the conventional platinum electrode, it occurs during long time operation of the ionic polymer actuator. This can solve the problem of poor performance. In addition, by using a graphene electrode made from low-cost graphite, it is possible to reduce the manufacturing time and manufacturing cost of the ionic polymer actuator, and to implement a dry type ionic polymer actuator.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이온성 고분자 그래핀 복합체(ionic polymer graphene composite, IPGC) 작동기와 이온성 고분자 금속 복합물(IPMC) 작동기이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 버키페이퍼의 제조 과정을 순차적으로 도시한 플로우챠트이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 버키페이퍼 표면의 주사 전자현미경(scanning electron microscopy, SEM) 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 버키페이퍼의 두께 변화 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 버키페이퍼의 단면 주사 전자현미경(SEM) 이미지와 투과 전자현미경(transmission electron microscopy, TEM) 이미지이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화 그래핀과 환원된 산화 그래핀의 화학 구조이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 버키페이퍼의 라만(Raman) 스펙트럼과 XPS 스펙트럼 결과이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화 그래핀과 환원된 산화 그래핀의 XPS C1s 스펙트럼 결과이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 압착 기법 전후의 그래핀 버키페이퍼의 접촉각 비교결과이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 이온성 고분자 그래핀 복합체(IPGC) 작동기와 이온성 고분자 금속 복합물(IPMC) 작동기의 시간에 따른 성능 특성이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 시편 건조 후 이온성 고분자 그래핀 복합체(IPGC) 작동기와 이온성 고분자 금속 복합물(IPMC) 작동기의 조화 응답 특성이다.
1 is an ionic polymer graphene composite (IPGC) actuator and an ionic polymer metal composite (IPMC) actuator according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart sequentially illustrating a manufacturing process of graphene bucky paper according to an embodiment of the present invention.
3 is a scanning electron microscopy (SEM) image of the surface of graphene bucky paper according to an embodiment of the present invention.
4 is a thickness change image of the graphene bucky paper according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional scanning electron microscope (SEM) image and a transmission electron microscopy (TEM) image of graphene bucky paper according to an embodiment of the present invention.
6 is a chemical structure of graphene oxide and reduced graphene oxide according to an embodiment of the present invention.
7 is a Raman spectrum and XPS spectrum results of graphene bucky paper according to an embodiment of the present invention.
8 is XPS C1s spectrum results of graphene oxide and reduced graphene oxide according to an embodiment of the present invention.
9 is a contact angle comparison result of the graphene bucky paper before and after the pressing technique according to an embodiment of the present invention.
10 is a time-dependent performance characteristics of the ionic polymer graphene composite (IPGC) actuator and the ionic polymer metal composite (IPMC) actuator according to an embodiment of the present invention.
11 is a harmonic response characteristic of the ionic polymer graphene composite (IPGC) actuator and the ionic polymer metal composite (IPMC) actuator after drying the specimen according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.

명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.Means that a particular feature, region, integer, step, operation, element and / or component is specified and that the presence or absence of other features, regions, integers, steps, operations, elements, and / It does not exclude addition.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이온성 고분자 그래핀 복합체(IPGC) 작동기와 이온성 고분자 금속 복합물(IPMC) 작동기이다.1 is an ionic polymer graphene composite (IPGC) actuator and an ionic polymer metal composite (IPMC) actuator according to an embodiment of the present invention.

도 1에서 (a)는 소수성 전극을 갖는 이온성 고분자 그래핀 복합체(IPGC) 작동기가 물에 뜨는 현상을 나타낸 것이며, (b)는 물에 뜨는 이온성 고분자 그래핀 복합체(IPGC)와 물에 가라앉는 이온성 고분자 금속 복합물(IPMC) 작동기를 동시에 나타낸 것이다.In FIG. 1, (a) shows a phenomenon in which an ionic polymer graphene composite (IPGC) actuator having a hydrophobic electrode floats in water, and (b) shows ionic polymer graphene composite (IPGC) floating in water and water. Sitting ionic polymer metal composite (IPMC) actuators are shown simultaneously.

상기 이온성 고분자 그래핀 복합체(IPGC)는 소수성 그래핀 전극을 가지는 건식형 작동기뿐만 아니라 물에 젖지 않는 작동기로도 활용 가능하며, 능동형 바이오 메디컬 장치뿐만 아니라 다양한 분야에 응용 가능하다.The ionic polymer graphene composite (IPGC) can be utilized not only in a dry actuator having a hydrophobic graphene electrode, but also in an actuator that is not wet with water, and can be applied to various fields as well as an active biomedical apparatus.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 버키페이퍼의 제조 과정을 순차적으로 도시한 플로우챠트이다.2 is a flowchart sequentially illustrating a manufacturing process of graphene bucky paper according to an embodiment of the present invention.

먼저, 그라파이트를 시작물질로 하여 허머즈 방법(hummer's method)을 통해 산화 그라파이트를 생성한다(S101).First, graphite is used as a starting material to produce graphite oxide through the Hummers method (Summer's method) (S101).

이때, 상기 산화 그라파이트의 생성 방법은 열 또는 마이크로웨이브와 같은 외부 에너지원을 이용하여 수행할 수도 있다.In this case, the method of producing the graphite oxide may be performed using an external energy source such as heat or microwave.

이후, 초음파 분쇄와 원심 분리를 이용하여 상기 산화 그라파이트로부터 산화 그래핀을 획득하며(S102), 진공 여과법을 이용하여 산화 그래핀 버키페이퍼를 생성한다(S103).Subsequently, graphene oxide is obtained from the graphite oxide using ultrasonic grinding and centrifugation (S102), and graphene oxide bucky paper is produced using vacuum filtration (S103).

이후, 아이오딘화수소(hydrogen iodide, HI)산을 환원제로 사용하여 상기 산화 그래핀 버키페이퍼를 환원시킴으로써 그래핀 버키페이퍼를 생성한다(S104).Then, the graphene bucky paper is produced by reducing the graphene oxide bucky paper using hydrogen iodide (HI) acid as a reducing agent (S104).

마지막으로, 상기 그래핀 버키페이퍼를 한 쌍의 전극으로 하고, 상기 한 쌍의 전극 사이에 이온성 고분자를 위치시켜 열압착시킨다(S105).Lastly, the graphene bucky paper is used as a pair of electrodes, and an ionic polymer is placed between the pair of electrodes to be thermocompressed (S105).

상기 열압착 결과 그래핀 버키페이퍼 - 이온성 고분자 - 그래핀 버키페이퍼와 같은 샌드위치 구조의 이온성 고분자 그래핀 복합체(IPGC) 작동기를 생성한다.As a result of the thermocompression bonding, a ionic polymer graphene composite (IPGC) actuator having a sandwich structure such as graphene bucky paper-ionic polymer-graphene bucky paper is produced.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 버키페이퍼 표면의 주사 전자현미경(scanning electron microscopy, SEM) 이미지이다.3 is a scanning electron microscopy (SEM) image of the surface of graphene bucky paper according to an embodiment of the present invention.

이때, 상기 그래핀 버키페이퍼의 두께와 질은 상기 산화 그래핀 나노시트의 크기와 상기 산화 그래핀 용액의 농도 및 전극 제작을 위해 사용되는 진공 필터에서 걸러진 상기 산화 그래핀의 양에 따라 결정된다.At this time, the thickness and quality of the graphene bucky paper is determined according to the size of the graphene oxide nanosheets, the concentration of the graphene oxide solution and the amount of the graphene oxide filtered from the vacuum filter used for electrode production.

따라서, 상기 산화 그래핀 용액의 농도와 전극 제작을 위해 사용되는 진공 필터에서 걸러진 상기 산화 그래핀의 양에 따라 매끄러운 표면과 일정한 두께를 가지는 그래핀 버키페이퍼를 생성할 수 있다.Accordingly, the graphene bucky paper having a smooth surface and a predetermined thickness may be generated according to the concentration of the graphene oxide solution and the amount of the graphene oxide filtered in the vacuum filter used for fabricating the electrode.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 버키페이퍼의 두께 변화 이미지를 나타내며, 상기 그래핀 버키페이퍼가 다양한 두께를 갖도록 생성됨을 확인할 수 있다.Figure 4 shows the thickness change image of the graphene bucky paper according to an embodiment of the present invention, it can be seen that the graphene bucky paper is generated to have a variety of thickness.

도 5의 (a)는 주사 전자현미경(SEM) 이미지 분석을 통한 그래핀 버키페이퍼의 단면 특성을 나타내며, (b)와 (c)는 그래핀 버키페이퍼의 제조에 사용된 그래핀 나노시트의 층상구조와 결정성을 투과 전자현미경(TEM) 이미지 분석을 통해 나타낸 것이다.Figure 5 (a) shows the cross-sectional characteristics of the graphene bucky paper through a scanning electron microscope (SEM) image analysis, (b) and (c) is a layered layer of graphene nanosheets used in the production of graphene bucky paper Structure and crystallinity are shown through transmission electron microscopy (TEM) image analysis.

도 5의 (a)에서는 그래핀 버키페이퍼의 단면이 다공성 층간 구조를 가짐을 나타내고 있으며, 이를 통하여 그래핀 버키페이퍼가 수분 투과성이 낮으며 물에 뜰 수 있는 구조임을 확인할 수 있다.In Figure 5 (a) shows that the cross section of the graphene bucky paper has a porous interlayer structure, through which it can be confirmed that the graphene bucky paper has a low moisture permeability and can float on water.

또한, 도 5의 (b)를 통하여 합성된 그래핀이 4개 내지 5개의 층을 가지는 구조로 이루어져 있음을 확인할 수 있으며, 도 5의 (c)를 통하여 합성된 그래핀이 단결정 구조임을 확인할 수 있다.In addition, it can be confirmed that the graphene synthesized through (b) of FIG. 5 has a structure having 4 to 5 layers, and that the graphene synthesized through (c) of FIG. 5 has a single crystal structure. have.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화 그래핀과 환원된 산화 그래핀의 화학 구조를 도시한 것이다.FIG. 6 illustrates chemical structures of graphene oxide and reduced graphene oxide according to an embodiment of the present invention.

도 6에서 산화 그래핀의 화학 구조를 살펴보면, 다수의 하이드록시기(hydroxy group)와 에폭시기(epoxy group) 및 카르복시기(carboxyl group)로 이루어져 있으며, 이와 같은 기능기들을 통하여 상기 산화 그래핀은 산소 함량이 많으며 친수성 특징을 가진다.Looking at the chemical structure of the graphene oxide in Figure 6, it consists of a plurality of hydroxyl groups (epoxy group), epoxy group (epoxy group) and carboxyl group (carboxyl group), through such functional groups the graphene oxide High oxygen content and hydrophilic character.

이는 도 7의 (b)에 도시된 XPS 스펙트럼을 통해서 확인할 수 있다.This can be confirmed through the XPS spectrum shown in FIG.

상기 환원된 산화 그래핀은 다수의 산소가 환원되어 낮은 산소 함량을 보이며, 이에 따라 표면의 전기 전도도는 높아진다.The reduced graphene oxide has a plurality of oxygen is reduced to show a low oxygen content, thereby increasing the electrical conductivity of the surface.

도 7의 (a)의 라만(Raman) 스펙트럼을 보면, 화학적 방법(허머즈 방법)을 이용한 산화 과정에서 발생한 결점과 아이오딘화수소(hydrogen iodide, HI)산을 이용한 환원 과정에 의한 sp2 카본의 복원이 2D 피크의 증가를 가져옴을 확인할 수 있다.Referring to the Raman spectrum of FIG. 7A, defects generated during oxidation using a chemical method (Humers method) and restoration of sp2 carbon by a reduction process using hydrogen iodide (HI) acid are shown. It can be seen that this increases the 2D peak.

이는 도 5의 (b)와 (c)에서 확인한 바와 같이 그래핀 나노시트의 고결정성과 기능기들의 감소에 따른 순도 및 질의 향상을 의미한다.This means that the purity and quality of the graphene nanosheets as shown in (b) and (c) as the high crystallinity and functional groups of the graphene nanosheets are reduced.

또한, D 피크는 비정렬된 특성에 기인하며 특히, 그래핀 버키페이퍼에서의 D 피크 증가는 과도한 산화 과정에서 비롯된 것으로 해석된다.In addition, the D peak is due to an unaligned property, and in particular, the increase of the D peak in graphene bucky paper is interpreted as a result of excessive oxidation process.

도 8의 (a)와 (b)에서 산화 그래핀의 C1s 피크를 살펴보면, 환원 과정을 통해 C-O 피크는 감소하고 C-C피크는 더욱 날카로워짐을 확인할 수 있다.Looking at the C1s peak of the graphene oxide in Figure 8 (a) and (b), it can be seen that the C-O peak is reduced and the C-C peak is more sharp through the reduction process.

아래의 표 1은 산화 그래핀 버키페이퍼와 그래핀 버키페이퍼의 물성 비교를 나타낸 것이다.Table 1 below shows the comparison of physical properties between graphene oxide bucky paper and graphene bucky paper.

샘플Sample 원자구성비(C:O)Atomic Composition Ratio (C: O) 전기 전도도Electrical conductivity 두께thickness 접촉각(˚)Contact Angle (°) 산화 그래핀 버키페이퍼Graphene Oxide Bucky Paper 72.5:27.572.5: 27.5 -- < 1㎛<1 μm 70 (친수성)70 (hydrophilic) 그래핀 버키페이퍼Graphene Bucky Paper 88.5:11.588.5: 11.5 >500S/cm> 500S / cm < 1㎛<1 μm 97 (소수성)97 (hydrophobic)

표 1에서 보면, 산화 그래핀은 산소를 포함하는 여러 기능기들에 의해 산소 함량이 높으며 이에 따라 전기 전도도는 측정이 불가능할 정도로 낮고 친수성으로 인해 낮은 접촉각을 가짐을 확인할 수 있다.In Table 1, it can be seen that graphene oxide has a high oxygen content by various functional groups including oxygen, and thus the electrical conductivity is low enough to be impossible to measure and has a low contact angle due to hydrophilicity.

반면에 그래핀 버키페이퍼는 아이오딘화수소(hydrogen iodide, HI)산에 의한 환원 과정을 통해 산소 함량이 감소했으며 sp2 결합의 복원 특성에 의하여 높은 전기 전도도를 가지며 높은 접촉각을 가지는 것을 확인할 수 있다.On the other hand, graphene bucky paper has a reduced oxygen content through the reduction process by hydrogen iodide (hydrogen iodide, HI) acid, and it can be seen that it has a high electrical conductivity and a high contact angle by the restoring property of sp2 bond.

이는 그래핀 버키페이퍼의 표면 성질이 친수성에서 소수성으로 변화하였음을 의미한다.This means that the surface properties of graphene bucky paper changed from hydrophilic to hydrophobic.

도 9는 이온성 고분자로 사용된 나피온(nafion)의 유리전이온도(~100℃) 근처에서 열압착(hot pressing) 기법을 통해 그래핀 버키페이퍼-이온성 고분자-그래핀 버키페이퍼의 샌드위치 구조를 가지는 이온성 고분자 그래핀 복합체(IPGC)의 열압착 전후의 접촉각 측정 결과를 도시한 것이다.9 is a sandwich structure of graphene bucky paper-ionic polymer-graphene bucky paper by hot pressing near the glass transition temperature (~ 100 ° C.) of nafion used as an ionic polymer. The contact angle measurement results before and after thermocompression bonding of the ionic polymer graphene composite (IPGC) having a.

도 9에서 보면, 열압착 전과 열압착 후의 접촉각에 거의 변화가 없음을 확인할 수 있으며, 이로 인하여 열압착 후 이온성 고분자 그래핀 복합체(IPGC) 작동기를 제조한 후에도 그래핀 버키페이퍼 전극의 전기전도도(>500 S/cm)는 유지되며, 물 액적에 대한 소수성 특성 역시 유지됨을 확인할 수 있다.In FIG. 9, it can be seen that there is almost no change in the contact angle before and after thermocompression, and thus, even after the ionic polymer graphene composite (IPGC) actuator is manufactured after thermocompression, the electrical conductivity of the graphene bucky paper electrode ( > 500 S / cm) is maintained, it can be seen that the hydrophobic properties for water droplets are also maintained.

또한, 이를 통해 열압착 과정이 그래핀 버키페이퍼의 전극에 큰 영향을 미치지 않음을 확인할 수 있다.In addition, it can be seen that the thermocompression process does not significantly affect the electrodes of the graphene bucky paper.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 이온성 고분자 그래핀 복합체(IPGC) 작동기와 종래 이온성 고분자 금속 복합물(IPMC) 작동기의 시간에 따른 성능을 도시한 것이다.Figure 10 illustrates the performance over time of the ionic polymer graphene composite (IPGC) actuator and the conventional ionic polymer metal composite (IPMC) actuator according to an embodiment of the present invention.

도 10을 보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이온성 고분자 그래핀 복합체(IPGC) 작동기는 공기 중에서의 작동 성능이 시간이 지남에 따라 유지됨을 보여준다.Referring to Figure 10, the ionic polymer graphene composite (IPGC) actuator according to an embodiment of the present invention shows that the operating performance in the air is maintained over time.

반면에 이온성 고분자 금속 복합물(IPMC) 작동기는 공기 중에서 작동 성능이 시간이 지남에 따라 저하됨을 알 수 있다.On the other hand, it can be seen that the ionic polymer metal composite (IPMC) actuator deteriorates over time in the air.

이는 이온성 고분자 금속 복합물(IPMC) 작동기의 백금 전극 표면이 가지는 크랙 형상 때문이며, 상기 크랙 형상으로 인하여 상기 이온성 고분자 금속 복합물(IPMC) 작동기의 대변형 작동시 이온성 고분자 내부의 수분이 대량 유출되어 작동시간이 증가함에 따라 성능이 감소하는 것이다.This is due to the crack shape of the surface of the platinum electrode of the ionic polymer metal composite (IPMC) actuator, and due to the crack shape, a large amount of water flows out of the ionic polymer during large deformation operation of the ionic polymer metal composite (IPMC) actuator. As operating time increases, performance decreases.

그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 이온성 고분자 그래핀 복합체(IPGC) 작동기는 산화 그래핀 버키페이퍼를 환원시켜 획득한 그래핀 버키페이퍼 전극의 소수성과 수분 유출 방지 특성에 의해 장시간 작동 성능을 유지할 수 있다.However, the ionic polymer graphene composite (IPGC) actuator according to an embodiment of the present invention maintains long-term operation performance by the hydrophobicity and water leakage prevention characteristics of the graphene bucky paper electrode obtained by reducing the graphene oxide bucky paper. Can be.

아래의 표 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이온성 고분자 그래핀 복합체(IPGC) 작동기와 종래 이온성 고분자 금속 복합물(IPMC) 작동기를 48시간 동안 60℃에서 건조 시킨 후 수분 유출 여부를 실험한 결과이다.Table 2 below is an experiment to check whether the ionic polymer graphene composite (IPGC) actuator and the conventional ionic polymer metal composite (IPMC) actuator according to an embodiment of the present invention after drying for 48 hours at 60 ℃ The result is.

샘플Sample 건조 전Before drying 건조 후after drying 작동 후After operation 이온성 고분자 그래핀 복합체(IPGC)Ionic Polymer Graphene Composite (IPGC) 0.045g0.045 g 0.045g0.045 g 0.045g0.045 g 이온성 고분자 금속 복합물(IPMC)Ionic Polymer Metal Composites (IPMC) 0.078g0.078 g 0.069g0.069 g 0.069g0.069 g

표 2에서 보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이온성 고분자 그래핀 복합체(IPGC)의 경우 건조 전과 건조 후에 무게 변화가 발생하지 않는 것으로 보아 그래핀 버키페이퍼 전극 특성에 의한 수분 유출이 거의 발생하지 않음을 확인할 수 있다.In Table 2, in the case of the ionic polymer graphene composite (IPGC) according to an embodiment of the present invention, the weight change does not occur before and after drying, and almost no water leakage occurs due to graphene bucky paper electrode characteristics. Can be confirmed.

그러나, 이온성 고분자 금속 복합물(IPMC)의 경우 건조 전과 건조 후에 무게 변화가 발생한 것으로 보아 상당히 많은 수분 유출이 발생하였음을 확인할 수 있다.However, in the case of the ionic polymer metal composite (IPMC), the weight change occurred before and after drying, indicating that a considerable amount of water leakage occurred.

이로 인해, 건조 후 종래 이온성 고분자 금속 복합물(IPMC) 작동기는 거의 작동하지 않으며 본 발명의 일 실시예에 따른 이온성 고분자 그래핀 복합체(IPGC)는 도 11과 같이 우수한 조화 응답 특성을 보이므로 건식형 작동기로 적용 가능함을 확인할 수 있다.For this reason, the conventional ionic polymer metal composite (IPMC) actuator after the operation is hardly operated and the ionic polymer graphene composite (IPGC) according to an embodiment of the present invention is dry because it shows an excellent harmonic response characteristics as shown in FIG. It can be confirmed that it is applicable to the type actuator.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위에 한정되는 것은 아니고 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지로 변형 및 개량한 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. Belongs.

Claims (6)

허머즈 방법(hummer's method)을 통해 시작물질인 그라파이트(graphite)로부터 합성한 산화 그라파이트를 생성하는 단계,
초음파 분쇄와 원심 분리를 이용하여 상기 산화 그라파이트로부터 산화 그래핀을 제공하는 단계,
진공 여과법을 이용하여 산화 그래핀 버키페이퍼(buckypaper)를 제조하는 단계,
상기 산화 그래핀 버키페이퍼를 환원시켜서 그래핀 버키페이퍼를 생성하는 단계,
상기 그래핀 버키페이퍼를 한쌍의 전극들로서 제공하는 단계, 및
상기 한 쌍의 전극들 사이에 이온성 고분자를 위치시키고 열압착하는 단계를 포함하는 건식형 이온성 고분자 작동기의 제조 방법.
Producing a synthetic graphite oxide from graphite, which is a starting material, through a Hummer's method,
Providing graphene oxide from the graphite oxide using ultrasonic grinding and centrifugation,
Preparing a graphene oxide buckypaper using vacuum filtration,
Reducing the graphene oxide bucky paper to produce graphene bucky paper,
Providing the graphene bucky paper as a pair of electrodes, and
Positioning and thermocompressing the ionic polymer between the pair of electrodes.
제1항에 있어서,
상기 산화 그래핀을 제공하는 단계는,
열 또는 마이크로웨이브와 같은 외부 에너지원을 통해 상기 산화 그래핀을 생성하는 건식형 이온성 고분자 작동기의 제조 방법.
The method of claim 1,
Providing the graphene oxide,
A method for producing a dry ionic polymer actuator for producing the graphene oxide through an external energy source such as heat or microwave.
제1항에 있어서,
상기 그래핀 버키페이퍼를 생성하는 단계는,
아이오딘화수소(hydrogen iodide, HI)산과 하이드라진 및 수소화붕소나트륨 등의 환원제를 사용하거나 아르곤과 수소 등의 환원 가스 환경에서 500℃ 이상의 열처리를 통해 상기 산화 그래핀 버키페이퍼를 환원시키는 건식형 이온성 고분자 작동기의 제조 방법.
The method of claim 1,
Generating the graphene bucky paper,
Dry ionic polymer that reduces the graphene oxide bucky paper by using a reducing agent such as hydrogen iodide (HI) acid, hydrazine and sodium borohydride, or by heat treatment over 500 ° C. in a reducing gas environment such as argon and hydrogen. Method of manufacturing the actuator.
제1항에 있어서,
상기 이온성 고분자는 양이온과 물분자 또는 이온성 액체를 포함하는 건식형 이온성 고분자 작동기의 제조 방법.
The method of claim 1,
The ionic polymer is a method of producing a dry ionic polymer actuator comprising a cation and a water molecule or an ionic liquid.
제1항에 있어서,
상기 이온성 고분자는 나피온(Nafion)와 술폰화 폴리이미드(sulfonated polyimide, SPI) 등의 이온성 고분자, 폴리우레탄과 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane,PDMS) 등의 다공성 고분자 및 키토산과 셀룰로오스 계열의 바이오 고분자 또는 이들의 조합을 포함하는 건식형 이온성 고분자 작동기의 제조 방법.
The method of claim 1,
The ionic polymers include ionic polymers such as Nafion and sulfonated polyimide (SPI), porous polymers such as polyurethane and polydimethylsiloxane (PDMS), and biopolymers based on chitosan and cellulose. Or a combination thereof.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 건식형 이온성 고분자 작동기의 제조 방법에 따라 제조된 건식형 이온성 고분자 작동기.A dry type ionic polymer actuator prepared according to the method for producing a dry type ionic polymer actuator according to any one of claims 1 to 5.
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