KR20150092923A - 2-플라이 구조의 탄소나노튜브 엑츄에이터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 비틀림 구동(torsional actuation) 및 인장 구동(tensile actuation)이 우수하고, 공기 중 저전압에서도 구동이 가능하며, 내부에 에너지를 저장할 수도 있는 전고상(all solid state) 2-플라이(ply) 구조의 탄소나노튜브 엑츄에이터에 관한 것이다.

Description

2-플라이 구조의 탄소나노튜브 엑츄에이터{Two-ply carbon nanotube actuator}
본 발명은 탄소나노튜브 엑츄에이터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 비틀림 구동(torsional actuation) 및 인장 구동(tensile actuation)이 우수하고, 공기 중 저전압에서도 구동이 가능하고, 내부에 에너지를 저장할 수도 있는 전고상(all solid state) 2-플라이(ply) 구조의 탄소나노튜브 엑츄에이터에 관한 것이다.
최근 굽힘(bending), 스트레칭(stretching), 비틀림(torsion)을 가지는 엑츄에이터의 연구개발이 이루어지고 있다. 엑츄에이터란 시스템을 움직이거나 제어하는데 쓰이는 기계 장치이다. 즉 전기나 유압, 압축 공기 등을 이용하는 원동 구동장치를 말한다. 일반적으로 전류, 작동유압, 기력압 형태를 에너지원으로 하여 굽힘, 스트레칭 등 다양한 종류의 움직임으로 변환시킨다. 엑츄에이터가 가져야 할 특성은 빠른 반응 시간, 낮은 작동 전압, 높은 효율, 가역성 및 안정성 등이 있다.
한편, 탄소나노튜브 시트는 높은 정렬도, 적당한 전기전도도 및 우수한 투명도 등의 성질을 가지고 있어 많은 분야에서 사용되어 지고 있다. 탄소나노튜브 시트를 꼬아 만든 얀(yarns)은 내부에 여러 가지 물질을 침투시킬 수 있으며, 물질을 침투시킨 후에도 유연성과 원래 특성을 그대로 가지므로 엑츄에이터로 각광받고 있다.
이와 관련하여, 고체전해질을 코팅시킨 탄소나노튜브 시트를 꼬아 제조한 얀과 금속 와이어를 서로 꼬아 2-플라이 구조를 가지는 전극에 관해 보고된 바 있으나, 높은 인가전압을 필요로 하므로 엑츄에이터로서 사용하기에는 한계가 있다(특허문헌 1).
KR 등록특허 제 10-1214787 호
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 비틀림과 인장 구동이 우수할 뿐만 아니라 공기 중에서 저전압 구동이 가능하며, 에너지저장 특성을 가져 커패시터로도 사용할 수 있는 전고상의 엑츄에이터를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, 탄소나노튜브 시트를 꼬아서 제조한 얀(yarn)과 상기 얀에 코팅된 고체전해질을 포함하는 한 쌍의 플라이가 나선형을 이루는 2-플라이 구조의 엑츄에이터를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 2-플라이 구조는 ZS 또는 SZ 꼬임 형태일 수 있으며, 상기 얀은 직선 또는 코일 형태일 수 있다. 특히, 비틀림 구동이 우수한 엑츄에이터는 직선 형태의 얀을 사용할 수 있으며, 인장 구동이 우수한 엑츄에이터는 코일 형태의 얀을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 엑츄에이터의 비틀림 구동, 인장 구동 정도와 고체전해질의 침투율을 조절하기 위해, 상기 얀은 탄소나노튜브 시트를 미터당 1,2000 내지 1,5000회 꼬아서 제조할 수 있으며, 상기 탄소나노튜브 시트의 넓이는 0.5 내지 2 cm이고, 1층 또는 2층 이상의 다층구조일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 고체전해질은 폴리비닐리덴플루라이드(PVdF), 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리아크릴로나이트릴(PAN), 폴리메틸메타크릴에이트(PMMA), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리플로필렌옥사이트(PPO), 폴리에틸렌이미드(PEI), 폴리에틸렌설파이드(PES), 폴리비닐아세테이트(PVAc), 폴리에틸렌숙시네이트(PESc) 및 이들의 공중합체 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 고분자를 포함하며, 그 함량은 10 내지 90 중량%일 수 있다.
본 발명에 따른 엑츄에이터는 유연하고 가벼운 섬유형태로, 비틀림 구동과 인장 구동이 높고, 섬유 내부의 다공성 구조로 인해 전해질 내 이온들과 접촉하는 단위표면적이 넓어 에너지 저장밀도가 높고 이온이 원활히 이동 가능하므로 충/방전속도가 높은 장점이 있다. 또한, 고체전해질을 사용하고, 고체전해질을 각각 캐소드 및 애노드에 코팅된 구조이므로 별도의 분리판을 사용하지 않아도 전기적 결함을 방지할 수 있으며, 액체전해질 사용에 따른 전해액 누수, 부피 및 질량 증가 등의 문제점을 해결할 수 있다.
본 발명에 따른 엑츄에이터는 마이크로 로봇이나 이식용 의료장치와 같은 소형기기 뿐만 아니라 착용 가능한 전자직물 등에 에너지 저장 장치에까지 응용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 엑츄에이터를 제조하는 과정을 나타낸 개념도이다. a는 다중벽 탄소나노튜브(MWNTs) 포레스트로부터 탄소나노튜브 시트를 뽑아서 이를 꼬아 얀을 만드는 과정이며, b는 이에 의해 제조된 꼬인 얀이며, e는 코일 형태의 얀을 제조하는 과정이며, f는 이에 의해 제조된 코일 형태의 얀이다. c는 고체전해질로 코팅된 꼬인 얀인 플라이 2가닥이며, d는 플라이 2가닥을 서로 꼬아 만든 전극이다. g는 고체전해질로 코팅된 코일 형태의 얀인 플라이 2가닥이며, h는 코일 형태의 얀 2가닥을 서로 꼬아 만든 전극이다.
도 2는 탄소나노튜브 시트를 꼬아 만든 얀 및 엑츄에이터의 고체전해질 코팅 전, 후의 SEM 이미지이다. a는 탄소나노튜브 시트를 꼬아 만든 얀이며, b는 a의 얀 2가닥을 서로 꼬아 제조한 엑츄에이터이며, c는 코일 형태의 얀이며, d는 c의 얀 2가닥을 서로 꼬아 제조한 엑츄에이터이며, e는 a의 확대사진이다. f는 폴리비닐알코올(PVA) 전해질을 코팅한 코일 형태의 얀이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조한 엑츄에이터의 비틀림 구동을 나타낸 그래프이다. a는 실시예 1에 의해 제조한 엑츄에이터의 사각파 인가전압(2.5 V와 0 V를 5초간 인가)에 따른 엑츄에이터의 비틀림 구동(rotation, °/mm)을 나타낸 그래프이며, b는 엑츄에이터에 순환전류전압을 주사하는 동안 패들의 회전도와 전류 값을 나타낸 그래프이다.
도 4는 11 MPa 하중에서 1 V 사각파 전압을 인가할 때, 엑츄에이터의 시간에 따른 인장 구동을 나타낸 그래프이다. 인장 수축 강도는 0.52% 이었다.
도 5는 엑츄에이터의 다양한 하중(7.4, 10.1, 17.8 MPa)에서의 인장 구동 강도 의존도와 구동 속도(삽입 도면)를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 엑츄에이터의 인가전압 1 V, 하중 11 MPa에서 시간에 따른 인장 변형율 의존도를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 엑츄에이터의 공기 중에서 인가전압 사이클 수에 따른 인장 구동을 나타낸 그래프이며(a), b는 0부터 20 사이클까지의 a의 확대사진, c는 80부터 100 사이클까지의 a의 확대사진이다.
도 8은 인가전압 중단 전, 후의 엑츄에이터의 인장 구동을 나타낸 그래프이며, 삽입 도면은 4000초까지의 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따라 제조한 엑츄에이터의 슈퍼커패시터 특성을 나타낸 그래프이다. a는 실시예 1에서 제조한 엑츄에이터의 전압-전류 그래프이며, b는 실시예 2에서 제조한 엑츄에이터의 전압-전류 그래프이며, c는 주사속도(scan rate, V/s)-방전전류(discharge current, mA)를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 엑츄에이터를 공기 중에서 1000사이클까지 구동하였을 때 용량 비를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따라 제조한 엑츄에이터의 코일 형태의 얀 단면을 나타낸 SEM 사진이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명의 엑츄에이터는 한 쌍의 플라이가 나선형을 이루는 2-플라이 구조이며, 상기 플라이는 탄소나노튜브 시트를 꼬아서 제조한 얀(yarn)과 상기 얀에 코팅된 고체전해질을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 엑츄에이터는 한 쌍의 플라이가 나선형으로 꼬여진 2-플라이 구조이므로 양방향으로 비틀림(torsional actuation)이 가능하며 수축 인장 구동(tensile actuation)이 우수하다.
본 발명의 엑츄에이터를 구성하는 한 쌍의 플라이는 각각 애노드와 캐소드를 담당하며, 탄소나노튜브 시트를 꼬아서 제조한 얀과 상기 얀에 코팅된 고체전해질을 포함한다. 얀은 탄소나노튜브 시트를 꼬아서 제조한 것으로 내부에 많은 기공을 포함하고 있어서(도 2의 e, 도 11), 고체전해질의 이온의 침투가 가능하다.
상기 2-플라이 구조의 나선 방향은 얀의 꼬임 방향과 반대 방향이다. 예로서, 얀의 꼬임 방향이 S자이면(도 2의 a), 2-플라이 구조는 ZS 꼬임 구조이며(도 2의 b), 반대로 얀의 꼬임 방향이 Z자이면(도 2의 c), 2-플라이 구조는 SZ 꼬임 구조일 수 있다(도 2의 d). 얀의 꼬임 방향과 반대 방향으로 플라이가 나선형을 이루므로 2-플라이 구조가 다시 풀어지지 않고 유지될 수 있다.
상기 얀은 직선 또는 코일 형태이며(도 2의 a,c), 직경이 10 내지 100 ㎛일 수 있다.
엑츄에이터의 비틀림(torsional actuation)을 높이기 위해서 직선 형태의 얀을 사용할 수 있으며(도 1의 b, 도 2의 a), 인장 구동(tensile actuation)을 높이기 위해서 코일 형태의 얀을 사용할 수 있다(도 1의 f, 도 2의 c).
본 발명의 일실시예에 의하면, 직선 형태의 얀은 직경이 10 내지 50 ㎛이며, 꼬임 방향은 S자이며, 꼬임각은 축을 기준으로 45 °인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 일실시예에 의하면, 코일 형태의 얀은 직경이 70 내지 100 ㎛이며, 꼬임 방향은 Z자인 것을 특징으로 한다.
상기 얀은 탄소나노튜브 시트를 꼬아 제조한다. 구체적으로 다중벽탄소나노튜브(MWCNTs) 포레스트로부터 뽑은 탄소나노튜브 시트를 미터당 1,2000 내지 1,5000회 꼬아서 제조할 수 있다. 상기 하한 미만이면 얀의 강도가 약해 꼬임 형태가 유지되지 않으며, 상기 상한 초과이면 얀의 밀도가 너무 높아 내부 기공율이 낮아져 고체전해질 등 외부 물질이 침투하기 어려울 수 있다.
상기 탄소나노튜브 시트는 1층 또는 2층 이상의 다층구조로 이루어져 있으며, 넓이는 0.5 내지 3 cm 일 수 있다. 탄소나노튜브 시트의 층수와 넓이는 얀의 직경과 형태에 영향을 미칠 수 있다. 예로서, 직선 형태의 얀은 구체적으로 넓이 2 cm인 1층의 탄소나노튜브 시트를 꼬아서 제조할 수 있으며, 코일 형태의 얀은 구체적으로 넓이 0.5 내지 0.7 cm인 20 내지 40층의 탄소나노튜브 시트를 꼬아서 제조할 수 있다.
코일 형태의 얀은 직선 형태의 얀 한쪽 끝에 일정 하중을 가하고 다시 꼬아 오버 코일링(over coiling)시켜 제조할 수 있다(도 1의 a,b,e,f).
탄소나노튜브 시트를 꼬아 만든 얀에 고체전해질을 코팅하는데, 상기 고체전해질은 폴리비닐리덴플루라이드(PVdF), 폴리헥사플르오로프로필렌, 폴리아크릴로나이트릴(PAN), 폴리메틸메타크릴에이트(PMMA), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리플로필렌옥사이트(PPO), 폴리에틸렌이미드(PEI), 폴리에틸렌설파이드(PES), 폴리비닐아세테이트(PVAc), 폴리에틸렌숙시네이트(PESc) 및 이들의 공중합체 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 전도성 고분자를 포함할 수 있다. 구체적으로 비틀림 정도를 높이기 위해서는 폴리비닐리덴플루라이드(PVdF)과 폴리헥사플르오로프로필렌로 이루어진 공중합체를 사용하는 것이 바람직하며, 인장 구동율을 높이기 위해서는 폴리비닐알코올(PVA)을 사용하는 것이 바람직하다.
그 함량은 10 내지 90 중량%인 것이 바람직하다. 10 % 미만, 90 % 초과의 함량에서는 에너지 저장 밀도가 현저히 감소한다.
본 발명의 엑츄에이터는 낮은 전압에서도 비틀림 구동과 인장 구동이 높은 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 엑츄에이터는 슈퍼커패시터로 사용될 수 있다. 얀 내부의 다공성 구조(도 2의 e, 도 11)로 인해 전해질 내의 이온들과 접촉하는 단위 표면적이 넓고 이에 따라 에너지저장 밀도가 높다. 특히, 상기 엑츄에이터는 인가전압에 대한 의존도가 낮으므로 전기 이중층 캐퍼시터(EDLC)로 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 엑츄에이터는 공기 중에서 매우 낮은 전압에서도 비틀림 구동(torsional actuation) 및 인장 구동(tensile actuation)이 가능할 뿐만 아니라, 동시에 이온을 내부에 충전할 수 있는 커패시터 특성을 가지고, 인가전압에 대한 의존도가 낮아 인가된 외부 전압에 의해서 구동된 위치 및 형상을 외부 전압이 끊어진 경우에는 장시간 동안 충전시의 위치 및 형상을 기억할 수 있는 것을 특징으로 하고, 이에 따라 전기 이중층 커패시터로도 사용이 가능하다.
본 발명의 엑츄에이터는 공기 중에서 작동가능한테 이는 고체전해질을 사용하기 때문이다. 그 결과 액체 전해질 사용에 따른 전해액 누수, 액체 전해질을 저장하기 위한 대항 전극(counter electrode), 기준 전극(reference electrode) 등이 필요 없어 엑츄에이터를 포함하는 시스템의 질량과 부피를 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 엑츄에이터는 고체 전해질이 코팅된 2가닥의 얀을 각각 애노드와 캐소드로 이용하는 것을 특징으로 하는 전고상 엑츄에이터이므로 별도의 분리막(separator)이 없이도 전기적 쇼팅을 방지할 수 있는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 바람직한 실시예 등을 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예 등은 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
<실시예>
탄소나노튜브 시트는 Si 웨이퍼에 화학증착법으로 성장시킨 탄소나노튜브 포레스트에서 뽑아서 준비하였다. 테트라에틸 암모늄 테트라플루오로보레이트(TEABF4, Mw: 217.6 g/mol), 폴리비닐알코올(PVA, Mw 146,000~186,000), 프로필렌카보네이트(PC, anhydrous, 99.7%), 에틸렌카보네이트(EC) 및 폴리(비닐리덴플루오로라이드-코-헥사플루오로프로필렌)(P(VdF-co-HFP), Mw: ~455,000, 평균 Mn ~110,000, 펠렛)은 시그마 알드리치(USA)에서 구입하였다. 2 N 황산 용액은(1 M H2SO4) 대정화학에서 구입하였다(한국).
전기화학적 특성은 Gamry instrument(Reference 600TM Potentiostat / Galvanostat)를 사용하여 측정하였다. 비틀림 구동을 관측하기 위한 회전도 측정에는 초당 30회를 찍을 수 있는 카메라를 사용하였다. 인장 구동을 관측하기 위한 인장 구동 스트로크 측정은 비접촉 선형 변위 센서(LD 701, Omaga)를 사용하였다.
실시예 1.
다중벽탄소나노튜브(MWCNTs) 포레스트(높이 300 ㎛ 이상, 직경 10 ㎚ 이상, 대략 9 벽으로 구성)로부터 뽑은 1층으로 된 탄소나노튜브 시트를 모터를 이용하여 미터당 12,000번 정도 꼬아 직선 형태의 S자 얀을 제조하였다(하기 도 1의 a, b). 상기 얀 2가닥에 고체전해질을 각각 코팅하여 한 쌍의 플라이를 준비한 후, 시계방향으로 서로 꼬아 이 중 한 가닥은 애노드로 다른 한 가닥은 캐소드로 하여 ZS 꼬임 2-플라이 구조의 엑츄에이터를 제조하였다. 상기 고체전해질은 TEABF4/PC 기반의 Poly(VDF-co-HFP)/아세톤을 사용하였다. 제조된 엑츄에이터의 비틀림 정도를 측정하기 위해 한 쪽 끝에 패들을 부착하였다(하기 도 1의 c, d).
실시예 2.
코일 형태의 얀은 30층 구조의 탄소나노튜브 시트를 사용하여 제조하였다. 일정한 하중에서 탄소나노튜브 시트 30장을 모터를 이용하여 미터당 12,000번 정도 꼬았더니 꼬인 얀이 자체적으로 더 꼬여 Z자 코일 형태의 얀을 형성하였다(하기 도 1의 e 및 f, 하기 도 2의 c). 상기 얀 2가닥에 고체전해질을 각각 코팅하여 한 쌍의 플라이를 준비한 후, 반시계방향으로 서로 꼬아 이 중 한 가닥은 애노드로 다른 한 가닥은 캐소드로 하여 SZ 꼬임 2-플라이 구조의 엑츄에이터를 제조하였다. 상기 고체전해질은 황산(H2SO4, 1M) 기반의 폴리비닐알코올(PVA)을 사용하였다. 제조된 엑츄에이터의 충/방전 동안 길이변화를 관측하기 위해 한 쪽 끝에 일정한 하중을 가하였다(하기 도 1의 g, h).
실험예.
하기 도 2는 실시예 1 및 2에서 제조한 얀과 얀 한 쌍을 꼬아 만든 엑츄에이터의 고체전해질 코팅 전 SEM 사진이다. 얀과 엑츄에이터의 몰폴로지를 분석하기 위해 고체전해질 코팅 전 사진을 사용하였다.
a는 실시예 1의 탄소나노튜브 시트를 꼬아 만든 직선 형태의 얀이며, c는 a의 얀 2가닥을 서로 꼬아 만든 엑츄에이터이다. 얀의 직경은 약 29 ㎛이고, 꼬임 각도는 축을 기준으로 45 °이다. e는 a의 확대사진이다. e에 나타난 바와 같이, 탄소나노튜브 시트를 꼬아 만든 얀은 많은 기공을 포함하고 있으며, 이는 전해질이 얀 내부에 침투하는 것을 가능하게 하며, 이로 인해 얀은 높은 전기전도도를 가진다.
c는 실시예 2의 코일 형태의 얀이며, d는 c의 얀 2가닥을 서로 꼬아 만든 엑츄에이터이다. 얀의 직경은 95 ㎛이다. 도 11은 고체전해질이 코팅된 코일 형태의 얀(플라이) 단면을 나타낸 SEM 사진이다. 도 11에 나타난 바와 같이, 고체전해질이 코일 형태의 얀 내부의 탄소나노튜브 사이사이에 채워진 것을 확인할 수 있다.
평가예 1. 비틀림 구동 측정
비틀림이 구동되는 정도는 실시예 1에서 제조한 2-플라이 구조의 엑츄에이터의 한 쪽 끝을 패들로 고정하고 패들의 회전도(Rotation, degree/mm)를 측정하였다. 엑츄에이터에 처음 2.5 V를 5초 간, 다시 0.2 V를 5초간 사각파(square-wave)를 인가하였더니 비틀림 구동은 약 45.6 (degree/mm)이었다(도 3의 a). 작동을 계속하기 위해 주사속도 50 mV/s에서 순환전압전류(CV)를 가하였다. -2.5 V에서 0 V 동안의 최고 비틀림 구동은 66 (degree/mm)이었다(도 3의 b).
평가예 2. 인장 구동 측정
인장 구동은 실시예 2에서 제조한 2-플라이 구조의 엑츄에이터의 수직 이동을 측정하였다. 충/방전 동안 길이변화를 관측하기 위해 한 쪽 끝에 일정한 하중을 가하였다. 도 4는 11 MPa 하중에서 1 V 사각파 전압을 인가할 때, 엑츄에이터의 시간에 따른 인장 구동을 나타낸 그래프이다. 인장 수축 강도는 0.52% 이었다.
도 5는 엑츄에이터의 다양한 하중(7.4, 10.1, 17.8 MPa)에서의 인가전압 의존도를 나타낸 그래프이다. 하중 10.1 MPa에서 최대 인장 구동율을 가졌다. 하중 10.1 MPa에서 2.5 V 사각파 전압을 인가할 때, 최대 수축일 때 인장 구동은 1.3%로 관측되었다. 처음 1%에 도달할 때와 마지막 1%에 도달할 때의 시간은 각각 0.95 및 2.1초 이었다.
도 6은 인가전압 1V, 하중 11 MPa에서 인가전압 시간(5, 10, 20, 30, 40)에 따른 인장 구동율을 나타낸 그래프이다. 도 6에 나타난 바와 같이, 최대 인장 구동인 0.52%로 되기까지의 인가전압 시간은 약 20초 정도면 충분하였다.
도 7은 공기 중에서 인가전압 사이클 수에 따른 인장 구동율을 나타낸 그래프이며(a), b는 0부터 20회 사이클의 확대사진, c는 80부터 100회 사이클의 확대사진이다. 도 7에 나타난 바와 같이, 100 회의 수축/완화 사이클 동안 인장 구동율은 거의 동일하게 유지되는 것을 확인할 수 있다.
평가예 3. 인가전압 의존도 측정
실시예 2의 엑츄에이터에 하중 11 MPa에서 200초간 1 V으로 전압을 인가하다 중단하였다. 도 8은 인가전압 중단 전, 후의 엑츄에이터의 인장 구동(tensile actuation)을 나타낸 그래프이다. 인가전압을 가한지 200초 후 외부 시스템과의 연결을 중단하고 자연방전(self-얀charging)되는 정도를 관찰하였다. 중단 후 약 4000초가 경과한 뒤에도 최초 길이의 약 91.5%로 거의 비슷하게 유지되었다(삽입 도면). 상기 결과에 나탄 바와 같이, 본 발명의 엑츄에이터는 인가전압에 대한 의존도가 낮아 외부 전압이 없어도 일정시간 동안 충전시의 위치를 기억할 수 있어 전기 이중층 커패시터로 사용하기에 적합하다.
평가예 4. 슈퍼커패시터 특성 분석
실시예 1 및 2에서 제조한 엑츄에이터의 전기화학적 성능은 순환전류전압법(CV)을 사용하여 그 결과를 도 9에 나타내었다.
실시예 1의 엑츄에이터의 면적당 용량은 주사속도 100, 1000 mV/s에서 각각 17.7 F/cm3, 13.7 F/cm3 이었다(도 9의 a). 실시예 2의 엑츄에이터의 면적당 용량은 주사속도 100, 1000 mV/s에서 각각 18.4 F/cm3, 11.6 F/cm3 이었고(도 9의 b), 방전 전류는 주사속도 7 V/s(700 mV/s)까지 선형 함수를 나타내었다(도 9의 c).
도 10은 실시예 1 및 2의 엑츄에이터를 공기 중에서 1000 사이클까지 작동하였을 때 용량 비(capacitance ratio)를 나타낸 그래프이다(a: 실시예 1, b: 실시예 2). 1000 사이클 때의 용량은 처음 보다 각각 10%, 7%만이 감소하여 우수한 용량 유지율을 나타내었다.

Claims (12)

  1. 한 쌍의 플라이가 나선형을 이루며 꼬여서 형성된 2-플라이 구조이며, 상기 플라이는 탄소나노튜브 시트를 꼬아서 제조한 얀(yarn); 상기 얀에 코팅된 고체 전해질;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전고상(all solid state) 2-플라이 구조의 엑츄에이터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 2-플라이 구조는 ZS 또는 SZ 꼬임 형태인 것을 특징으로 하는 전고상(all solid state) 2-플라이 구조의 엑츄에이터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 얀의 꼬임 방향은 S자 또는 Z자이고, 얀의 직경은 10 내지 100 ㎛인 것을 특징으로 하는 전고상(all solid state) 2-플라이 구조의 엑츄에이터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 얀의 꼬임각은 축에 대해 40 내지 80 °인 것을 특징으로 하는 전고상(all solid state) 2-플라이 구조의 엑츄에이터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 얀은 탄소나노튜브 시트를 미터당 1,2000 내지 1,5000회 꼬아서 제조한 것을 특징으로 하는 전고상(all solid state) 2-플라이 구조의 엑츄에이터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 시트는 1층 또는 2층 이상의 다층구조인 것을 특징으로 하는 전고상(all solid state) 2-플라이 구조의 엑츄에이터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 얀은 직선 또는 코일 형태인 것을 특징으로 하는 전고상(all solid state) 2-플라이 구조의 엑츄에이터.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 얀이 코일 형태인 경우 20 내지 40층의 다층구조인 탄소나노튜브 시트를 꼬아서 제조하고, 얀의 직경은 70 내지 100 ㎛인 것을 특징으로 하는 전고상(all solid state) 2-플라이 구조의 엑츄에이터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 고체전해질은 폴리비닐리덴플루라이드(PVdF), 폴리헥사플르오로프로필렌, 폴리아크릴로나이트릴(PAN), 폴리메틸메타크릴에이트(PMMA), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리플로필렌옥사이트(PPO), 폴리에틸렌이미드(PEI), 폴리에틸렌설파이드(PES), 폴리비닐아세테이트(PVAc), 폴리에틸렌숙시네이트(PESc) 및 이들의 공중합체 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전고상(all solid state) 2-플라이 구조의 엑츄에이터.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 고체전해질의 함량은 10 내지 90 중량%인 것을 특징으로 하는 전고상(all solid state) 2-플라이 구조의 엑츄에이터.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 엑츄에이터는 공기 중에서 구동이 가능하고, 인가 전압이 1 V 이하인 경우에도 비틀림 구동 및 인장 구동을 하는 것을 특징으로 하는 전고상(all solid state) 2-플라이 구조의 엑츄에이터.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 엑츄에이터는 슈퍼커패시터 특성을 더 갖는 것을 특징으로 하고, 구동 이후 인가된 외부 전압이 제거된 경우에 구동 위치 및 형상을 유지하는 것을 특징으로 하는 전고상(all solid state) 2-플라이 구조의 엑츄에이터.
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