KR20170039849A - 습도 또는 용매에 의해 구동되는 섬유형 구동기, 이의 제조방법 및 이를 이용한 용도 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 섬유형 구동기는 탄소나노튜브 시트와 상기 탄소나노튜브 시트 표면에 침윤된 하이드로겔을 포함하는 섬유형태의 구동기로, 수분 조건하에서도 화학적 구조적으로 안정적이면서, 종래 구동기와는 달리 습도 또는 용매에 의해 기계적 에너지를 생성할 수 있는 우수한 소재이다. 즉, 섬유형 구동기는 습도 또는 용매와 같은 외부 자극에 대하여 길이변화를 나타내는 외부자극 응답성질과 향상된 전기전도도 특성을 가지고 있으며, 유연성 및 신축성이 매우 우수하기 때문에, 인공근육, 센서, 액추에이터 및 에너지 하베스팅 장치 등의 다양한 분야에 응용이 가능하다.

Description

습도 또는 용매에 의해 구동되는 섬유형 구동기, 이의 제조방법 및 이를 이용한 용도{fibrous actuator driven by humidity and solvent, manufacturing method thereof and use of the same}
본 발명은 습도 또는 용매에 의해 구동되는 섬유형 구동기에 관한 것으로, 상세하게는 습도 변화 또는 용매와의 접촉에 의해서 위치에너지 및 회전에너지를 제공할 수 있는 섬유형 구동기, 이의 제조방법 및 이를 이용한 다양한 용도에 관한 것이다.
하이드로겔은 일반적으로 다량의 수분을 함유할 수 있는 삼차원의 친수성 고분자 망상구조를 가진 물질로, 최소한 전체 중량의 20% 이상의 수분을 흡수할 수 있는 것을 특징으로 한다. 이러한, 하이드로겔은 공유결합, 수소결합, 반데르 발스 결합 또는 물리적 응집과 같은 다양한 요인들에 의해 형성되기 때문에 구조적으로 매우 안정하다.
상기 하이드로겔은 주로 고흡수성을 기반으로, 위생용품에 응용되거나, 다양한 부가적인 기능성들을 도입하여, 약물전달시스템, 색전술, 조직공학용 지지체 및 단백질의 분리, 생물반응기, 센서 그리고 화장품 충진제 등 매우 광범위한 분야에서 유용하게 이용되고 있다.
그러나 최근에는 상기 하이드로겔을 상기 분야 외에 인공근육이나, 작고 소음이 없는 구동장치나 생체에서 발생하는 여러가지 신호들을 감지할 수 있는 바이오센서 및 액추에이터로 응용하기 위해 개발이 이루어지고 있다.
특히, 하이드로겔의 자극-응답 거동(stimuli-responsive behavior)으로 인해 하이드로겔계 액추에이팅 시스템에 대한 관심이 높아지고 있다. 일예로, 생체근육과 같은 다양한 응용을 가능하게 하는 하이드로겔-액추에이팅 나노구조체는 기판의 표면에 융털형태의 마이크로 패턴들이 형성되어 있고, 상기 마이크로패턴들 사이에 일정 높이만큼의 하이드로겔이 증착되어 있어, 상기 마이크로패턴들이 습도의 정도에 따라 기울어지거나, 똑바로 서게되는 가역적인 형태의 변형을 제공한다.
그러나, 하이드로겔의 스트레스 영역을 고려하여, 실리콘 기판 상에 원하는 움직임을 제공하도록 마이크로패턴을 형성해야 하기 때문에 형태에 제약이 있어, 효율적인 구동이 어렵다. 또한, 상기 마이크로패턴 사이에 하이드로겔을 증착함으로써, 기계적인 강도가 약하고, 반복적인 구동에 의해 쉽게 훼손되기 때문에 수명이 짧다는 단점이 있다.
따라서, 효율적으로 습도 또는 용매와의 접촉으로부터 구동에너지를 생성할 수 있는 구동기를 제조하기 위해서는, 수분조건에서 구조적 또는 화학적으로 안정한 재료들로 이루어져야 하고, 우수한 신축성 및 전기전도도를 가지는 것이 중요하다. 게다가 상기와 같은 범위 내에서 여러 시스템의 작동에 대해 인장을 가하는 동안 구동기의 물질들이 손상없이 안정해야 한다. 현재까지 이러한 조건을 모두 만족하는 구동기는 개발되지 않았다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 하이드로겔과 탄소나노튜브 섬유를 이용하여 습도 또는 용매에 의해 구동되는, 구조적·화학적으로 안정한 새로운 형태의 섬유형 구동기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 섬유형 구동기를 대량생산할 수 있는 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 섬유형 구동기를 이용하여 제조될 수 있는 다양한 형태의 용도를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 적어도 하나의 탄소나노튜브 시트 및 상기 탄소나노튜브 시트 표면에 침윤된 하이드로겔을 포함하는 섬유형 구동기를 제공한다.
상기 탄소나노튜브 시트는 아르키메디안, 듀얼 아르키메디안 및 페르멧 구조로부터 선택되는 어느 하나의 구조를 가질 수 있다.
상기 하이드로겔은 폴리디알리디메틸암모늄(poly(dialydimethylammonium)), 폴리스티렌술포네이트(poly(styrene sulfonate) 및 키토산으로 중 어느 하나 이상의 물질로 이루어지는 것일 수 있다.
상기 하이드로겔은 상기 섬유형 구동기 전체 중량을 기준으로 하여 10 내지 60중량% 포함되는 것일 수 있다.
상기 섬유형 구동기는 공극이 형성되어 있는 것일 수 있다.
상기 섬유형 구동기는 습도 또는 용매와의 접촉을 통해, 가역적으로 구동되는 것일 수 있다.
상기 섬유형 구동기가 습도 또는 용매와 접촉을 통해, 수축하는데 요구되는 시간은 1 내지 600초일 수 있다.
상기 섬유형 구동기는 습도 또는 용매에 의해, 상기 섬유형 구동기 내에 침윤된 하이드로겔의 체적변화가 발생되고, 이로 인해, 상기 섬유형 구동기가 수축 또는 인장하는 것일 수 있다.
상기 섬유형 구동기는 어느 한 말단에 무게중심추를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기한 바와 같이 다른 목적을 달성하기 위해서 본 발명은 아래단계들을 포함하는 상기 섬유형 구동기의 제조방법을 제공한다.
Ⅰ) 탄소나노튜브 시트의 표면에 하이드로겔을 침윤시키는 단계 및
Ⅱ) 상기 하이드로겔이 침윤된 탄소나노튜브 시트에 꼬임을 인가하여 비틀린 구조 또는 꼬인 구조를 형성하는 단계.
상기 Ⅱ) 단계에서 하이드로겔이 침윤된 탄소나노튜브 시트를 꼬아서 제조할 때, 상기 하이드로겔이 침윤된 탄소나노튜브 시트에 용매를 적가하여 비틀린 구조 또는 꼬인 구조를 형성하는 것일 수 있다.
상기 섬유형 구동기는 인가되는 꼬임 수에 따라 비틀린 구조 또는 꼬인 구조로 형성되는 것일 수 있다.
상기 섬유형 구동기가 비틀린 구조일 때, 인가되는 꼬임 수는 1000 내지 4000 turn/m일 수 있고, 상기 섬유형 구동기가 꼬인 구조일 때, 인가되는 꼬임 수는 4000 내지 8000 turn/m일 수 있다.
또한, 상기한 바와 같이 또 다른 목적을 달성하기 위해서 본 발명은 상기 구조를 갖는 섬유형 구동기를 포함하는 습도에 따라 구동되는 센서를 제공한다.
본 발명에 따른 섬유형 구동기는 탄소나노튜브 시트와 상기 탄소나노튜브 시트 표면에 침윤된 하이드로겔을 포함하는 섬유형태의 구동기로, 수분 조건하에서도 화학적 구조적으로 안정적이면서, 종래 구동기와는 달리 습도 또는 용매에 의해 기계적 에너지를 생성할 수 있는 우수한 소재이다. 즉, 섬유형 구동기는 습도 또는 용매와 같은 외부 자극에 대하여 길이변화를 나타내는 외부자극 응답성질과 향상된 전기전도도 특성을 가지고 있으며, 유연성 및 신축성이 매우 우수하기 때문에, 인공근육, 센서, 액추에이터 및 에너지 하베스팅 장치 등의 다양한 분야에 응용이 가능하다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 다양한 구조의 섬유형 구동기를 나타낸 측면도이다. 이때, 도 1은 비틀린 구조의 섬유형 구동기이고, 도 2는 꼬인 구조의 섬유형 구동기이다.
도 3은 본 발명에 따른 섬유형 구동기의 습도 또는 용매에 의해 구동되는 원리를 나타낸 개념도이다.
도 4는 본 발명에 따른 섬유형 구동기의 제조과정을 나타낸 순서도이다.
도 5는 0~1% 상대습도하에서 실시예 2로부터 제조된 섬유형 구동기의 주사전자현미경(SEM) 사진이다. 이때, 도 5b는 0~1% 상대습도하에서 실시예 2로부터 제조된 섬유형 구동기의 표면을 확대하여 촬영한 주사전자 현미경(SEM) 사진이다.
도 6은 80~90% 상대습도하에서 실시예 2로부터 제조된 섬유형 구동기의 주사전자현미경(SEM) 사진이다. 이때, 도 6b는 80~90% 상대습도하에서 실시예 2로부터 제조된 섬유형 구동기의 표면을 확대하여 촬영한 주사전자 현미경(SEM) 사진이다.
도 7은 실시예 2로부터 제조된 섬유형 구동기의 단면으로 구동기내에 포함된 PDDA의 분포를 확인한 결과를 나타낸 도면이다.
도 8은 상대습도변화에 따라 섬유형 구동기의 구동정도를 확인하기 위해서, 상대습도 조건을 변화시켰을 때, 각 조건하에서 실시예 2로부터 제조된 섬유형 구동기의 수축률(tensile actuation;%)을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 9는 상대습도변화가 섬유형 구동기의 직경에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 상대습도 조건을 변화시켰을 때, 각 조건하에서 실시예 2로부터 제조된 섬유형 구동기의 직경을 나타낸 그래프이다.
도 10은 상대습도에 따라 섬유형 구동기의 구동에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 99% 상대습도와, 10% 상대습도 각각의 조건하에서 실시예 2로부터 제조된 섬유형 구동기의 수축률(tensile actuation;%) 변화를 시간에 따라 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명에 따른 섬유형 구동기에 작용하는 인장강도(stress;MPa)가 미치는 영향을 확인하기 위하여, 인장강도에 따라 무게중심추를 각각의 실시예 2로부터 제조된 섬유형 구동기의 어느 한 말단에 연결한 후, 상기 각각의 섬유형 구동기에 대한 수축률(tensile actuation;%)과 일의 양(work capacity;kJ/kg)을 측정하여 나타낸 그래프이다. 이때, 상기 섬유형 구동기는 상대습도를 99%로 증가시킨 후, 수축률과 일의 양을 측정하였다. 또한, 도 11의 X축은 상기 무게중심추로 인해 각각의 섬유형 구동기에 가해지는 인장강도(stress;MPa)를 표기한 것이다.
도 12는 본 발명에 따른 섬유형 구동기에 작용하는 인장강도(stress;MPa)가 미치는 영향을 확인하기 위하여, 인장강도에 따라 무게중심추를 각각의 실시예 2로부터 제조된 섬유형 구동기의 어느 한 말단에 연결한 후, 상기 각각의 섬유형 구동기에 대한 수축률(tensile actuation;%)과 일의 양(work capacity;kJ/kg)을 측정하여 나타낸 그래프이다. 이때, 상기 섬유형 구동기는 물을 직접적으로 접촉시킨 후, 수축률과 일의 양을 측정하였다. 또한, 도 12의 X축은 상기 무게중심추로 인해 각각의 섬유형 구동기에 가해지는 인장강도(stress;MPa)를 표기한 것이다.
도 13은 물에 직접적으로 접촉되었을 때, 상기 실시예 2로부터 제조된 섬유형 구동기의 어느 한 말단에 인가된 인장강도에 따라, 상기 섬유형 구동기가 수축되는데 소비되는 시간을 나타낸 그래프이다.
도 14는 섬유형 구동기에 물이 직접적으로 접촉되었다가, 건조되는 반복적인 단계(cycle)과정 동안 실시예 2로부터 제조된 섬유형 구동기의 수축률(tensile actuation;%)을 나타낸 그래프이다.
도 15는 물과의 접촉이 섬유형 구동기의 구동에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 실시예 2로부터 제조된 섬유형 구동기가 물에 직접적으로 접촉되었을 때와, 물과 접촉되지 않고 건조되었을 때의 길이변화(mm)를 시간에 따라 나타낸 그래프이다.
도 16은 물의 온도가 섬유형 구동기의 구동에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 다양한 온도의 물을 이용하여, 실시예 2로부터 제조된 섬유형 구동기가 물에 직접적으로 접촉되었을 때와, 물과 접촉되지 않고 건조되었을 때의 길이변화(mm)를 시간에 따라 나타낸 그래프이다.
도 17은 종래 보고된 습도나 물에 의해 구동되어지는 구동기와 본 발명의 실시예 2로부터 제조된 섬유형 구동기의 변형률(Strain)에 따른 에너지 밀도(Energy density)를 비교한 그래프이다.
도 18은 외부와 내부의 온도차이에 의하여 발생하는 이슬을 이용하여 개발한 구동기를 활용한 환풍 시스템의 모식도(a) 및 수축률(tensile actuation;%) 변화를 시간에 따라 나타낸 그래프(b)이다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 명세서 내에서 사용되는 용어 ‘수축률(tensile actuation;%)’은 건조된 조건하에서 최대로 인장된 섬유형 구동기의 길이를 기준으로 하여, 습도가 상승하거나, 용매와의 접촉하게 되면 섬유형 구동기가 수축하게 되는 길이의 비율을 의미한다. 이는 아래 식을 통해 계산될 수 있다.
[식 1]
Figure pat00001
상기 식 1에서,
Ld는 10% 이하의 상대습도를 갖는 조건에서 섬유형 구동기의 길이이고, Ls는 상대습도를 갖는 조건에서 섬유형 구동기의 길이이다.
이때, 수축률(%)은 마이너스(-) 계산되나, 일반적으로 마이너스(-)를 생략하고 표기하기도 한다.
본 발명은 종래 다양한 구동기와 달리 습도와 용매에 의해 구동되기 때문에, 공기 중에 존재하는 공기 중의 수분이나, 용매의 직접적인 접촉에 의해 전기를 생성할 수 있는 장치의 개발을 위한 초석이 될 수 있음에 의미가 깊다.
본 발명의 일 측면은 적어도 하나의 탄소나노튜브 시트 및 상기 탄소나노튜브 시트 표면에 침윤된 하이드로겔을 포함하는 섬유형 구동기에 관한 것이다. 상기 탄소나노튜브 시트와 하이드로겔은 반데르 발스힘(van der waals force)과 π-π 결합에 의해 서로 강하게 결합되기 때문에, 수축과 인장이 수 차례 반복되어도 신축성과 유연성과 같은 특성들을 잃지 않을 수 있다.
또한, 상기 섬유형 구동기는, 도 1 및 도 2에 나타난 바와 같이, 비틀린 구조(twisted structure)(도 1) 또는 꼬인 구조(coiled structure)(도 2)를 갖는다. 이는 상기 하이드로겔이 침윤된 탄소나노튜브 시트에 꼬임(twisting)을 인가하는 공정을 통해 형성된 섬유형태의 구동기일 수 있는데, 이러한 구조로 인해, 본 발명에 따른 섬유형 구동기는 습도 변화 또는 용매와의 직접적인 접촉과 같은 외부자극에 의해 쉽게 하이드로겔의 팽창이 유도되므로, 습도 변화 또는 용매와의 직접적인 접촉에 의해 길이변화와 같은 기계적 에너지를 빠르고 효과적으로 생성할 수 있다.
이때, 본 명세서에서 상기 비틀린 구조는 꼬임이 인가되어 나선형으로 꼬아진 구조로 도 1에 자세히 나타나 있다.
반면, 상기 꼬인 구조는 스프링 또는 코일 형태를 의미하고, 도 2에 자세히 나타나 있으며, 보다 구체적으로 상기 비틀린 구조와 꼬인 구조의 차이는 상기 섬유의 직경에 따라 인가되는 꼬임 수(turn/m)에 의해 결정되는 것을 특징으로 하며, 크게는 1000 내지 4000 turn/m로 꼬아서 제조하면 비틀린 구조를 형성하고, 4000 내지 8000 turn/m로 꼬아서 제조하면 꼬인 구조를 형성한다.
구체적으로, 상기 섬유형 구동기를 꼬아 비틀리거나 꼬인 구조를 형성함으로써, 상기 섬유형 구동기 내에 구비된 하이드로겔의 팽창이 높은 효율로 섬유형 구동기의 길이변화 즉, 기계적 에너지로 변화될 수 있도록 작용하게 된다. 따라서, 상술한 비틀리거나 꼬인 구조를 갖는 섬유형 구동기는 습도가 높아지거나 용매가 직접적으로 접촉되면 최대 90%의 수축률을 갖고, 습도가 낮아지거나, 용매의 접촉이 차단되어 건조되게 되면 수축된 만큼 초기 상태로 인장된다. 이러한 습도 또는 용매에 의한 수축/인장 구동은 가역적으로 발생하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 섬유형 구동기는 비틀리거나 꼬인 구조를 갖지 않는 섬유형 구동기에 비해 3 배이상 우수한 수축률을 갖는다.
이러한 꼬임 구조로 인하여, 본 발명에 따른 섬유형 구동기에 포함되는 탄소나노튜브 시트와 하이드로겔 사이에는 압축응력이 부여되고, 이로써 각 물질들은 물리적으로 더욱 밀착되어 기계적으로 더욱 견고해지므로, 다양한 환경조건이나, 반복적인 구동(수축/인장)을 수행하여도 안정적인 구조를 유지할 수 있는 수명특성을 현저하게 향상시킨다.
본 발명에 따른 섬유형 구동기는 도 2에 나타난 바와 같이, 종래 공기 중으로부터 수분을 흡수하는 능력이 우수한 풍란의 뿌리를 모방하였는데, 구체적으로, 풍란의 뿌리는 모세관 현상을 이용하여 공기 중으로부터 수분을 뿌리의 내부 물관까지 흡수하는 구조로, 이를 참조하여 본 발명은 하이드로겔이 침윤된 탄소나노튜브 시트를 꼬아 섬유형태로 구동기를 제조함으로써, 풍란 뿌리의 ‘물관’을 모방하여 더욱 발전시킨 구조를 갖게 되었다. 따라서, 본 발명에 따른 섬유형 구동기는 공기 중에 존재하는 수분과 직접적으로 접촉되는 다양한 용매에 대해 흡수성이 우수하고, 이러한 외부 자극에 의한 속도와 정확도 및 민감성이 향상되었다.
상기 탄소나노튜브 시트는 본 발명에 따른 섬유형 구동기의 기본적인 몸체를 구성하는 부분으로서, 이후에 설명될 하이드로겔과 결합되는 한편, 공극 구조를 형성함으로써 습도나 용매에 의한 구동시, 더 많은 기계적 에너지를 발생할 수 있도록 하는 역할을 한다.
그러나, 상기 탄소나노튜브 시트를 제외한 그래핀과 같은 다른 탄소 소재를 사용하게 될 경우, 습도에 의해 발생되는 기계적 에너지가 현저히 저하되기 때문에, 탄소나노튜브 시트를 이용하는 것이 바람직하다. 특히 탄소나노튜브 숲(multi-layered carbon nanotube forest)으로부터 만들어진 탄소나노튜브 시트를 이용하는 것이 가장 바람직하다.
또한, 상기 용매는 상기 섬유형 구동기에 포함된 하이드로겔에 따라 제어될 수 있는데, 바람직하게는 물을 비롯한 친수성 용매 또는 수증기를 흡수할 수 있는 능력을 갖는다.
또한, 상기 섬유형 구동기는 상기 비틀린 구조 또는 꼬인 구조의 풀림을 방지하면서, 길이변화를 유도하기 위하여, 어느 한 말단에 무게중심추를 더 포함할 수 있는데, 이로 인해, 상기 섬유형 구동기는 상기 무게중심추의 중량에 따라 인장강도가 가해지게 된다.
여기서, 상기 인장강도는 상기 섬유형 구동기의 구조의 풀림을 방지할 수 있으면서 길이변화를 효과적으로 유도할 수 있는 정도이면, 특별히 이에 제한되지 않으나, 실시예에서 후술하는 바와 같이, 상기 인장강도는 0.1 내지 70 MPa 인 것이 바람직하다. 상기 인장강도가 0.1 MPa 미만이면 상기 섬유형 구동기의 길이 수축후 원 길이로 되돌아가지 못하는 문제가 발생할 수 있고, 70 MPa를 초과하게 되면 상기 섬유형 구동기에 과도한 인장강도가 가해지게 되므로, 습도가 높아지거나, 용매와 직접적으로 접촉되더라도 상기 섬유형 구동기로부터 길이변화(수축)가 제공되지 못하는 문제가 있다.
상기 섬유형 구동기는 상기 하이드로겔이 침윤된 탄소나노튜브 시트를 꼬아서 형성될 때, 우수한 신축성과 유연성을 갖는다면 이에 특별히 제한되지 않고, 다양한 구조로 꼬아 형성될 수 있는데, 바람직하게는, 아르키메디안, 듀얼 아르키메디안 및 페르멧 구조로부터 선택되는 어느 하나의 구조일 수 있다.
상기 하이드로겔은 습도 및 용매와의 접촉에 민감하면서 우수한 흡수성 및 전기전도성을 갖는 하이드로겔이면 특별히 이에 제한되지 않으나, 바람직하게는 폴리디알리디메틸암모늄(poly(dialydimethylammonium)), 폴리스티렌술포네이트(poly(styrene sulfonate) 및 키토산으로 중 어느 하나 이상의 물질로 이루어지는 것일 수 있는데, 보다 바람직하게는 습도와 용매와의 접촉에 가장 민감하게 반응하고, 흡수성이 매우 우수한 폴리디알리디메틸암모늄(poly(dialydimethylammonium))을 사용할 수 있다.
상기 하이드로겔은 상기 섬유형 구동기 전체 중량을 기준으로 하여 10 내지 60중량% 포함될 수 있는데, 상기 하이드로겔이 10 중량% 미만으로 포함되면 습도나 용매와의 접촉에 대한 상기 섬유형 구동기의 민감도 또는 흡수성이 떨어지는 문제가 발생하고, 60 중량%를 초과하게 되면 기계적 강도가 저하되고, 증가된 하이드로겔의 함량에 비해 상기 섬유형 구동기의 습도나 용매에 따른 수축률은 증가되지 않는 문제가 발생할 수 있다.
탄소나노튜브 시트를 꼬은 후 이의 표면을 하이드로겔로 코팅한 것과 달리, 본 발명의 섬유형 구동기는 상기 탄소나노튜브 시트 표면에 하이드로겔을 침윤시키고, 이를 꼬아서 제조함으로써, 상기 섬유형 구동기의 내부와 외부에 복수 개의 공극을 형성하였다. 상기 섬유형 구동기의 전체 표면이 하이드로겔로 코팅되지 않고, 공극을 유지하고 있었기 때문에, 탄소나노튜브 시트를 구성하는 탄소나노튜브 섬유 간에 공간 즉 공극을 확보하게 되었고, 이로 인해, 하이드로겔이 흡수할 수 있는 수분 또는 용매의 양이 향상되었으며, 흡수속도도 향상되었다.
실시예에서 후술하겠지만, 상술한 구조로 인해 본 발명에 따른 섬유형 구동기는 습도변화에서는 1 내지 10분의 시간을 소모하고, 물과 직접적으로 닿을 경우에는 1 내지 10 초의 시간을 소모함을 확인한 바 있다.
상기 섬유형 구동기에 형성된 공극으로 인해, 20 내지 40%의 공극룰(porosity;%)로 나타낼 수 있는데, 상기 공극률이 20% 미만인 경우, 상기 섬유형 구동기가 수축하기 위한 충분한 공간을 확보하지 못하여, 섬유형 구동기의 수축률이 현저히 저하되는 문제가 발생할 수 있고, 상기 공극률이 40%를 초과하게 될 경우, 상기 탄소나노튜브 섬유들 사이에 빈 공간이 너무 많아져 연결성이 나빠지기 때문에 전하의 이동이 원활하지 못하게 된다.
이때, 상기 공극률은 상기 섬유형 구동기 전체의 부피 대 비어있는 공극(pore)의 부피의 비를 의미한다. 실시예에서 후술하겠지만, 상기 섬유형 구동기에 형성된 공극으로 인해, 섬유형 구동기 표면은 주름진 형태로 나타남을 확인한 바 있다.
상술한 구조를 갖는 섬유형 구동기는 습도변화 또는 용매와의 접촉에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는데, 구체적으로 습도가 높아지거나, 용매와 상기 섬유형 구동기가 직접적으로 접촉하게 되면, 상기 공기 중의 수분이나 용매를 하이드로겔이 흡수하여 팽창됨으로써, 상기 섬유형 구동기는 최대 90%의 수축률(tensile actuation)로 수축하게 된다. 보다 구체적으로, 상기 섬유형 구동기가 비틀린 구조일 경우, 습도 또는 용매에 의해 최대 20% 수축률(tensile actuation)로 구동될 수 있고, 상기 섬유형 구동기가 꼬인 구조일 경우, 습도 또는 용매에 의해 최대 90% (tensile storke)로 수축될 수 있다.
상기 섬유형 구동기의 직경은 유연성 및 신축성을 갖는 범위에서라면 특별히 제한되지 않으나, 바람직하게는 10 내지 200 ㎛일 수 있다.
실시예에서 후술하겠지만, 상기 섬유형 구동기는 공기 중의 수분이나 용매와의 접촉에 의해 하이드로겔이 팽창함으로써, 상기 섬유형 구동기의 직경을 증가시킴과 동시에 길이변화(위치 에너지)를 유발하게 된다는 것을 확인한 바 있다. 구체적으로 상기 섬유형 구동기는 습도가 높아지거나, 용매와 직접적으로 접촉하게 되면 상기 섬유형 구동기의 직경이 약 1 내지 1.5 배 커지게 되고, 길이가 최대 90% 수축률로 수축하게 된다.
이러한 특성으로 인해, 상기 섬유형 구동기는 습도 또는 용매와의 접촉으로 인해 구동되는 센서, 생체근육, 로봇 및 다양한 장치와 분야에 활용될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면은,
Ⅰ) 탄소나노튜브 시트의 표면에 하이드로겔을 침윤시키는 단계 및
Ⅱ) 상기 하이드로겔이 침윤된 탄소나노튜브 시트에 꼬임을 인가하여 비틀린 구조 또는 꼬인 구조를 형성하는 단계를 포함하는 섬유형 구동기의 제조방법에 관한 것으로, 상술한 일련의 과정을 도 3에 나타내었다.
먼저, Ⅰ) 단계로서, 탄소나노튜브 시트의 표면에 하이드로겔을 침윤시킨다.
이때, 상기 탄소나노튜브 시트는 평면 또는 다중층 평면 형상의 다공성 탄소나노튜브 시트를 직접 구매할 수도 있으나, 탄소나노튜브 숲으로부터 뽑아내는(drawing) 방법에 의해 제조된 탄소나노튜브 시트를 사용한 것이 바람직하다. 이렇게 형성된 탄소나노튜브 시트는 평면상의 구조를 가지면서도 탄소나노튜브 시트를 구성하는 탄소나노튜브 섬유 사이에 빈 공간을 포함하므로, 하이드로겔과 결합할 수 있는 표면적이 넓기 때문이다.
또한, 상기 탄소나노튜브 시트에 상기 하이드로겔을 보다 균일하게 침윤시키기위해서, 상기 탄소나노튜브 시트를 평면 상의 구조를 유지한 상태로 양 말단을 고정한 다음 수행될 수 있다.
이후, 탄소나노튜브 시트 표면에 하이드로겔을 침윤시키는데, 구체적으로 상기 탄소나노튜브 시트를 하이드로겔이 함유된 용액에 10 초 내지 30 초 동안 담근 후, 상기 하이드로겔이 침윤된, 팽창된 상태의 탄소나노튜브 시트를 얻는다.
이때, 상기 탄소나노튜브 시트와 하이드로겔은 반데르 발스힘(van der waals force)과 π-π 결합에 의해 서로 강하게 결합되기 때문에, 수축과 인장이 수 차례 반복되어도 신축성과 유연성과 같은 특성들이 저하되지 않을 수 있다.
상기 하이드로겔은 습도 및 용매와의 접촉에 민감하면서 우수한 흡수성 갖는 하이드로겔이면 특별히 이에 제한되지 않으나, 바람직하게는 폴리디알리디메틸암모늄(poly(dialydimethylammonium)), 폴리스티렌술포네이트(poly(styrene sulfonate) 및 키토산으로 중 어느 하나 이상의 물질로 이루어지는 것일 수 있는데, 보다 바람직하게는 습도와 용매와의 접촉에 가장 민감하게 반응하고, 흡수성 매우 우수한 폴리디알리디메틸암모늄(poly(dialydimethylammonium))을 사용할 수 있다.
다음으로, Ⅱ) 상기 하이드로겔이 침윤된, 팽창된 상태의 탄소나노튜브 시트를 비틀린 구조 또는 꼬인 구조로 형성한다.
이렇게, 탄소나노튜브 시트에 꼬임을 인가하여 비틀린 구조 또는 꼬인 구조를 형성하는 꼬임 공정은 상기 탄소나노튜브 시트 양 말단을 서로 반대의 방향으로 회전시켜 이루어질 수도 있고, 양 말단을 고정시키되, 반대쪽 말단만을 회전시켜 이루어질 수도 있다, 즉, 상기 탄소나노튜브 시트에 뒤틀림(twist)을 부여할 수 있는 것이라면 제한없이 사용가능하며, 본 발명은 이를 구현하기 위한 공정이나 기기에 의해서 한정되지는 않는다. 이러한 꼬임 공정을 통해서 전술한 본 발명의 구조(비틀린 구조, 꼬인 구조)를 구현할 수 있는 정도라면 제한되지는 않으나, 상기 꼬임 공정에서 섬유형 구동기에 인가되는 꼬임 수는 1000 내지 8,000 turn/m일 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 꼬임 공정에서 상기 탄소나노튜브 시트에 인가하는 꼬임 수(turn/m)에 따라 상기 섬유형 구동기의 구조를 제어할 수 있는데, 바람직하게는 상기 섬유형 구동기를 비틀린 구조로 제조할 때, 인가되는 꼬임 수는 1000 내지 4000 turn/m이고, 상기 섬유형 구동기를 꼬인 구조로 제조할 때, 인가되는 꼬임 수는 4000 내지 8000 turn/m일 수 있다.
상술한 범위를 벗어나는 경우에는 원하는 구조를 갖는 섬유형 구동기를 제조할 수 없다는 문제가 발생할 수 있고, 특히, 꼬임 수가 8000 turn/m를 초과할 경우 과도한 뒤틀림에 의해, 탄소나노튜브 시트의 연결이 훼손될 수 있다.
또한, 상기 Ⅱ) 단계에서 하이드로겔이 침윤된 탄소나노튜브 시트를 꼬아서 제조할 때, 상기 하이드로겔이 침윤된 탄소나노튜브 시트에 용매를 적가하여 팽창된 상태를 유도한 다음, 이를 비틀린 구조 또는 꼬인 구조로 형성할 수 있다.
상술한 단계로 제조된 경우, 상기 단계에서 적가된 용매가 상기 하이드로겔을 팽창시키게 되고, 팽창된 상태의 하이드로겔이 침윤된 탄소나노튜브 시트를 꼬아서 제조한다. 하이드로겔이 수분을 함유한 상태에서 꼬임을 가하게 되면 물의 표면장력과 꼬임의 힘이 평형상태에서 코일이 형성되기 때문에 제조된 구동기를 건조하게 되면 하이드로겔이 포함하고 있던 수분이 빠져나가게 되며 표면에 주름이 형성되게 된다. 또한, 이 구조는 물 또는 습도와의 접촉시 섬유형 구동기가 물을 빨아 들이며 팽창하며 수축(tensile stroke)할 수 있는 공간과 힘의 평형상태를 충분히 제공한다. 따라서, 상기 섬유형 구동기는 습도 또는 용매에 의해 우수한 구동 즉, 수축률을 제공할 수 있다.
이후, 상기 섬유형 구동기의 습도변화나 용매에 대한 민감성을 높이기 위하여, 상기 하이드로겔이 침윤된 탄소나노튜브 시트에 적가된 용매를 완전히 건조시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면은 상기 섬유형 구동기를 포함하는 습도에 따라 구동되는 센서와 같은 용도에 관한 것으로, 본 발명의 섬유형 구동기는 탄소나노튜브 시트 및 하이드로겔을 포함하고, 습도 또는 용매에 대해 높은 민감도와 특이성을 지니며, 유연성 및 신축성을 갖는 섬유 형태를 가지는 바, 직물 등의 다양한 형태로 제작이 가능하므로, 습도에 따라 구동되는 센서뿐만 아니라, 액추에이터, 섬유소재 및 나노/마이크로 사이즈 초정밀 기계 등으로 이용될 수 있다.
특히, 실내와 실외의 온도차이로 인해 결로현상이 발생하는 것을 방지하기 위해서, 상기 섬유형 구동기는 실내 습도가 높아질 경우, 창문을 자동으로 개폐하여 환기시키는 센서로 이용될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
실시예 1. 비틀린 구조의 섬유형 구동기의 제조.
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 포레스트를 제조하였다.
상기 제조된 다중벽 탄소나노튜브 포레스트의 일측 벽면으로부터 11 cm 길이의 다중벽 탄소나노튜브 시트를 뽑아낸 후, 이의 양 말단을 고정시켰다.
다음, 상기 고정된 탄소나노튜브 시트를 20 %의 폴리디알리디메틸암모늄(poly(dialydimethylammonium);PDDA) 용액에 담근 후, 30 초 후에 꺼내어 PDDA가 침윤된 탄소나노튜브 시트를 제조하였다.
최종적으로 상기 PDDA가 침윤된 탄소나노튜브 시트를 물을 함유한 상태로 팽창시켜서 시트의 한 말단을 모터에 부착하여 좌연 또는 우연으로 6000 turns/m 꼬임 수를 인가하여 비틀린 구조의 섬유형 구동기를 제조하였다.
실시예 2. 꼬인 구조의 섬유형 구동기의 제조.
상기 PDDA가 침윤된 탄소나노튜브 시트에 6000 turns/m의 꼬임 수를 인가하여 꼬인 구조의 섬유형 구동기를 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 모두 동일하게 제조하였다.
실험예
도 5a 및 도 5b는 0~1% 상대습도하에서 실시예 2로부터 제조된 섬유형 구동기의 주사전자현미경(SEM) 사진이고, 도 6a 및 도 6b는 80~90% 상대습도하에서 실시예 2로부터 제조된 섬유형 구동기의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 5 및 도 6에 나타난 바와 같이, 실시예 2의 섬유형 구동기는 공극을 갖고 있고, 이로 인해, 섬유형 구동기의 표면이 주름진 형태로 나타남을 확인하였다.
즉, 상기 실시예 2의 섬유형 구동기의 공극으로 인해, 습도가 높아지거나 용매가 직접적으로 접촉될 경우 쉽고 크게 팽창할 수 있도록 한다.
도 7은 실시예 2로부터 제조된 섬유형 구동기의 단면으로 구동기내에 포함된 PDDA의 분포를 확인한 결과를 나타낸 도면이다. 에너지분산형 형광 X-Ray 분석을 통해 PDDA내의 Cl 원소를 확임하였으며, 이를 통해 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 섬유형 구동기내에 PDDA가 균일하게 분포되어 있음을 확인하였다.
도 8은 상대습도변화에 따라 섬유형 구동기의 구동정도를 확인하기 위해서, 상대습도 조건을 변화시켰을 때, 각 조건하에서 실시예 2로부터 제조된 섬유형 구동기의 수축률(tensile actuation;%)을 측정하여 나타낸 그래프이다. 이때, 상기 실시예 2로부터 제조된 섬유형 구동기의 풀림을 방지하기 위하여 어느 한 말단에 2.3 MPa의 인장강도를 갖게 하는 무게중심추를 연결하여 실험하였다. 이의 결과를 하기 표 1에 자세히 나타내었다.
상대습도(%) 10 31 48 60 72 84 99
수축률(%) 0 -2.7 -9.6 -16.8 -28.8 -40.4 -51.4
도 8에 나타난 바와 같이, 상대습도가 10 %에서 100 %로 변화하는 동안 실시예 2의 섬유형 구동기는 0 %에서 52 % 수축률까지 수축되었음을 확인하였다. 이는 본 발명에 따른 섬유형 구동기가 습도에 따라 민감하게 구동되고 있음을 알 수 있다.
다만, 실시예 2의 섬유형 구동기에 연결된 무게중심추로 인해 발생되는 인장강도에 따라서, 상기 섬유형 구동기는 습도 변화에 의해 1 내지 65 % 수축률을 가질 수 있으나, 바람직하게는 1 내지 52 % 수축률을 가질 수 있다.
도 9는 상대습도변화가 섬유형 구동기의 직경에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 상대습도 조건을 변화시켰을 때, 각 조건하에서 실시예 2로부터 제조된 섬유형 구동기의 직경을 나타낸 그래프이다. 이때, 상기 실시예 2로부터 제조된 섬유형 구동기의 풀림을 방지하기 위하여 어느 한 말단에 2.3 MPa의 인장강도를 갖게 하는 무게중심추를 연결하여 실험하였다. 이의 결과를 하기 표 2에 자세히 나타내었다.
상대습도(%) 10 31 48 60 72 84 99
직경(㎛) 73.2 75.0 77.3 79.7 82.6 86.7 89.6
도 9에 나타난 바와 같이, 실시예 2로부터 제조된 섬유형 구동기는 습도가 높아짐에 따라, 직경이 커지고 있음을 확인하였다.
이를 통해, 상기 실시예 2의 섬유형 구동기는 습도가 증가하게 되면, 상기 섬유형 구동기 내에 포함된 하이드로겔이 공기 중으로부터 수분을 흡수하여 팽창함으로써, 직경은 커지고, 길이는 짧아지는 ‘수축’이 발생한다는 것을 알 수 있었다.
도 10은 상대습도에 따라 섬유형 구동기의 구동에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 90% 상대습도와, 10% 상대습도 각각의 조건하에서 실시예 2로부터 제조된 섬유형 구동기의 수축률(tensile actuation;%) 변화를 시간에 따라 나타낸 그래프이다.
도 10에 내삽된 도면은 시간에 따라 실시예 2로부터 제조된 섬유형 구동기의 길이변화를 나타낸 그래프이다.
도 10에 나타난 바와 같이, 실시예 2의 섬유형 구동기는 건조조건(상대습도 10% 이하)하에서 0%의 수축률을 갖는 반면, 상대습도 99% 조건하에서 실시예 2의 섬유형 구동기는 약 50 %에 근접하는 수축률(%)을 갖는다는 것을 확인하였다.
또한, 상대습도 99 % 조건하에서 실시예 2의 섬유형 구동기는 공기 중 수분을 흡수하여 수축되는데 약 10 분이 소모되었고, 이를 건조조건(상대습도 10 % 이하)에 놓아두게 되면 60 내지 100 초만에 초기상태로 인장되는 것을 확인할 수 있다.
상술한 실험들을 통해서, 무게중심추로 인한 인장강도(stress;MPa)의 변화가 본 발명에 따른 섬유형 구동기에 미치는 영향을 확인하기 위해, 아래와 같은 실험을 수행하였고, 이에 대한 결과를 도 11에 나타내었다.
구체적으로, 도 11은 본 발명에 따른 섬유형 구동기에 작용하는 인장강도(stress;MPa)가 미치는 영향을 확인하기 위하여, 인장강도에 따라 무게중심추를 각각의 실시예 2로부터 제조된 섬유형 구동기의 어느 한 말단에 연결한 후, 상기 각각의 섬유형 구동기에 대한 수축률(tensile actuation;%)과 일의 양(work capacity;kJ/kg)을 측정하여 나타낸 그래프이다. 이때, 상기 섬유형 구동기는 상대습도를 99%로 증가시킨 후, 수축률과 일의 양을 측정하였다. 또한, 도 11의 X축은 상기 무게중심추로 인해 각각의 섬유형 구동기에 가해지는 인장강도(stress;MPa)를 표기한 것이다. 이의 결과를 표 3에 자세히 나타내었다.
Tensile stress
(MPa)		 0.46 1.8 3.1 5.8 8.4 11.0 16.3 21.6 32.2 42.8
수축률
(%)		 -63.0 -55.9 -45.2 -27.2 -21.6 -20.5 -18.1 -15.0 -9.0 -6.5
일양
(kJ/kg)		 0.1 0.5 0.7 0.9 1.0 1.3 1.8 2.0 2.0 2.0
도 11에 나타난 바와 같이, 무게중심추의 인장강도가 0 MPa로부터 50 MPa로 증가함에 따라, 상대습도가 높은 조건에서 실시예 2의 섬유형 구동기의 수축률은 현저히 감소하였다.
즉, 실시예 2로부터 제조된 섬유형 구동기가 견뎌낼 수 있는 무게중심추의 중량 즉, 인장강도는 약 0 내지 50 MPa인 것으로 확인되었으며, 최대 인장강도가 섬유형 구동기에 가해질 때의 일의 양은 2 kJ/kg였다. 상기 수치 범위는 CNT를 포함한 혹은 하이드로겔을 기반으로 하는 섬유형태의 인공근육들 중에서 가장 높은 수치이다.
본 발명에 따른 섬유형 구동기가 용매의 직접적인 접촉에 의해서도 구동되는지를 확인함과 동시에, 무게중심추로 인한 인장강도(stress;MPa)의 변화가 본 발명에 따른 섬유형 구동기에 미치는 영향을 확인하고자, 다양한 실험들을 수행하였고, 이를 아래에서 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 12는 본 발명에 따른 섬유형 구동기에 작용하는 인장강도(stress;MPa)가 미치는 영향을 확인하기 위하여, 인장강도에 따라 무게중심추를 각각의 실시예 2로부터 제조된 섬유형 구동기의 어느 한 말단에 연결한 후, 상기 각각의 섬유형 구동기에 대한 수축률(tensile actuation;%)과 일의 양(work capacity;kJ/kg)을 측정하여 나타낸 그래프이다. 이때, 상기 섬유형 구동기는 물을 직접적으로 접촉시킨 후, 수축률과 일의 양을 측정하였다. 또한, 도 12의 X축은 상기 무게중심추로 인해 각각의 섬유형 구동기에 가해지는 인장강도(stress;MPa)를 표기한 것이다. 이의 결과를 하기 표 4에 자세히 나타내었다.
Tensile stress
(MPa)		 0.5 2.3 3.7 6.8 9.9 16.1 22.5 28.7 35.0 41.3
수축률
(%)		 -78.9 -51.8 -45.0 -29.7 -25.5 -20.1 -14.3 -10.2 -8.3 -6.8
일양
(kJ/kg)		 0.2 0.6 0.7 1.1 1.5 2.1 2.2 2.1 2.2 2.2
도 12에 나타난 바와 같이, 실시예 2로부터 제조된 섬유형 구동기와 물을 직접적으로 접촉시키면, 상대습도가 99% 이상에서의 섬유형 구동기(도 11)가 하는 일의 양보다 0.2 kJ/kg 더 많이 일(약 2.4 kJ/kg)을 한다는 것을 알 수 있다.
또한, 물을 직접적으로 접촉시킬 경우, 실시예 2로부터 제조된 섬유형 구동기는 수축률이 약 80%인 것을 확인할 수 있는데 이는 99% 이상의 상대습도에서 섬유형 구동기의 수축률보다 1.3 배 더 큰 수치이다.
상기 결과를 종합하면, 실시예 2로부터 제조된 섬유형 구동기는 99% 이상의 상상대습도 조건하에서 보다, 물을 직접적으로 접촉시키는 경우가 더 많은 일과 더 큰 수축률을 제공함을 확인하였다. 그러나, 상기 무게중심추로 인해 가해지는 인장강도가 50 MPa를 초과할 수 없다는 것은 상기 두 경우 모두에 해당된다.
도 13은 물에 직접적으로 접촉되었을 때, 상기 실시예 2로부터 제조된 섬유형 구동기의 어느 한 말단에 연결된 무게중심추의 중량에 따라, 상기 섬유형 구동기가 수축되는데 소비되는 시간을 나타낸 그래프이다.
도 13에 나타난 바와 같이, 실시예 2로부터 제조된 섬유형 구동기는 수축되는데 요구되는 시간이 4 내지 8 초인 것을 확인할 수 있다. 이는 99% 이상의 상대습도조건에서보다 100 배 이상 빠른 수치이다. 즉, 본 발명에 따른 섬유형 구동기는 습도변화에 의한 구동보다 용매의 직접적인 접촉에 의해 더 빨리 구동한다는 것을 알 수 있다.
도 14은 섬유형 구동기에 물이 직접적으로 접촉되었다가, 건조되는 반복적인 단계(cycle)과정 동안 실시예 2로부터 제조된 섬유형 구동기의 수축률(tensile actuation;%)을 나타낸 그래프이다. 이때, 상기 실시예 2로부터 제조된 섬유형 구동기의 풀림을 방지하기 위하여 어느 한 말단에 20 MPa의 인장강도를 갖게하는 무게중심추를 연결하여 실험하였다.
도 14에 나타난 바와 같이, 100회의 반복적인 단계동안, 실시예 2로부터 제조된 섬유형 구동기의 수축률은 전혀 감소되지 않았음을 확인하였다. 즉, 본 발명에 따른 섬유형 구동기는 수명특성이 우수하다는 것을 알 수 있는데, 이는 탄소나노튜브 시트와 하이드로겔 사이에 강력한 결합관계가 형성되어 있고, 상기 하이드로겔이 침윤된 탄소나노튜브 시트를 꼬아 비틀린 구조 또는 꼬인 구조를 형성하였기 때문이라 여겨진다.
도 15는 물과의 접촉이 섬유형 구동기의 구동에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 실시예 2로부터 제조된 섬유형 구동기가 물에 직접적으로 접촉되었을 때와, 물과 접촉되지 않고 건조되었을 때의 길이변화(mm)를 시간에 따라 나타낸 그래프이다. 이때, 상기 실시예 2로부터 제조된 섬유형 구동기의 풀림을 방지하기 위하여 어느 한 말단에 20 MPa의 인장강도를 갖게 하는 무게중심추를 연결하여 실험하였다.
도 15에 나타난 바와 같이, 실시예 2로부터 제조된 섬유형 구동기는 물과 접촉을 통해 약 6초 만에 9.5 mm에서 8 mm로 수축되고, 이후 건조되는 44초 동안 초기길이로 인장되었다. 이는 상대습도 변화 조건에서 섬유형 구동기가 구동에 요구되는 시간에 비해 현저히 짧은 반응속도를 나타내고 있음을 알 수 있다.
도 16은 물의 온도가 섬유형 구동기의 구동에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 다양한 온도의 물을 이용하여, 실시예 2로부터 제조된 섬유형 구동기가 물에 직접적으로 접촉되었을 때와, 물과 접촉되지 않고 건조되었을 때의 길이변화(mm)를 시간에 따라 나타낸 그래프이다. 이때, 상기 실시예 2로부터 제조된 섬유형 구동기의 풀림을 방지하기 위하여 어느 한 말단에 20 MPa의 인장강도를 갖게하는 무게중심추를 연결하여 실험하였다.
도 16에 나타난 바와 같이, 실시예 2로부터 제조된 섬유형 구동기는 물의 온도에 관계없이, 물과 직접적인 접촉을 통해 수축되고, 물과 접촉되지 않고 건조되면 초기상태로 인장되는 것을 확인하였다.
도 17은 종래 문헌(polymer-based devices (Angew . Chem . Int . Ed. 2013, 52, 10330.), bio-inspired polymer composite (Science 2013, 339, 186), CNT/silkfiber (Science 2011, 331, 51), spidersilk (Nat. Commun . 2013, 4:2435))에 보고된 습도나 물에 의해 구동되어지는 구동기와 본 발명의 실시예 2로부터 제조된 섬유형 구동기의 변형률(Strain)에 따른 에너지 밀도(Energy density)를 비교한 그래프이다. 이때 에너지 밀도는 도 11과 12에서 보이는 가장 큰 일율을 가지는 조건에서 계산되었다. 구동기의 에너지밀도 계산시에 물을 흡수하기전의 부피로 고려되었다.
도 17에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예 2로부터 제조된 섬유형 구동기는 1.8 MJ/m3의 에너지 밀도를 가지고 이는 기존에 보고된 습도나 물에 의해 구동되는 구동기보다 월등하게 좋은 것을 보여주고 이 값은 열에너지로 구동하는 형상기억학금의 에너지 밀도 1 MJ/m3 보다 큰 값임을 확인할 수 있다.
도 18은 외부와 내부의 온도차이에 의하여 발생하는 이슬을 이용하여 개발한 구동기를 활용한 환풍 시스템의 모식도(a) 및 수축률(tensile actuation;%) 변화를 시간에 따라 나타낸 그래프(b)이다. 모식도 (a) 는 2개의 경계면과 구동기로 구성되어져 있으며, 윗 경계는 고정되어 있고 아랫 경계는 구동기에 붙어 있으며, 구동기는 윗 경계면에 인접해 있다. 환풍시스템의 가능성을 확인하기 위하여 3개의 구동기를 준비하여 구동기 무게보다 12,000배 무거운 무게를 달고 외부의 온도를 낮추었다. 외부의 온도가 낮아짐에 따라 구동기에 인접해 있는 경계면의 온도가 낮아지며 이슬점 이하로 떨어지게 되면 이슬이 발생한다. 구동기는 이슬을 흡수하여, 수축하며 아랫 경계면을 위로 들어 올리게 된다. 실시예 (b)는 온도 28.4 oC, 습도 50%에서 시행되었다. 이때 사용된 섬유형 구동기는 직경 67 um, 길이 28.3 mm 이다. 이슬점은 16.2 ℃이고 구동기 근처 경계면의 온도가 이슬점 이하로 내려갔을 때, 구동기는 수축을 시작하며 16.2% 수축하는 것을 확인하였다.

Claims (14)

  1. 적어도 하나의 탄소나노튜브 시트; 및 상기 탄소나노튜브 시트 표면에 침윤된 하이드로겔;을 포함하고,
    상기 하이드로겔은 습도 또는 용매와의 반응을 통해 체적변화를 일으키는 것을 특징으로 하는 섬유형 구동기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 섬유형 구동기는 상기 하이드로겔이 침윤된 탄소나노튜브 시트를 꼬아서 제조한 섬유 형태인 것을 특징으로 하는 섬유형 구동기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 섬유형 구동기는 비틀린 구조(twisted structure) 또는 꼬인 구조(coiled structure)를 갖는 것을 특징으로 하는 섬유형 구동기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하이드로겔은 폴리디알리디메틸암모늄(poly(dialydimethylammonium)), 폴리스티렌술포네이트(poly(styrene sulfonate) 및 키토산 중 어느 하나 이상의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 섬유형 구동기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 하이드로겔은 상기 섬유형 구동기 전체 중량을 기준으로 하여 10 내지 60중량% 포함되는 것을 특징으로 하는 섬유형 구동기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 섬유형 구동기는 공극이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 섬유형 구동기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 섬유형 구동기는 습도 또는 용매와의 접촉을 통해, 가역적으로 구동되는 것을 특징으로 하는 섬유형 구동기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 섬유형 구동기는 습도 또는 용매에 의해, 상기 섬유형 구동기 내에 침윤된 하이드로겔의 체적변화가 발생되고, 이로 인해, 상기 섬유형 구동기가 수축 또는 인장하는 것을 특징으로 하는 섬유형 구동기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 섬유형 구동기는 어느 한 말단에 무게중심추를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유형 구동기.
  10. Ⅰ) 탄소나노튜브 시트의 표면에 하이드로겔을 침윤시키는 단계; 및
    Ⅱ) 상기 하이드로겔이 침윤된 탄소나노튜브 시트를 비틀린 구조 또는 꼬인 구조로 형성하는 단계;를 포함하는 섬유형 구동기의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 Ⅱ) 단계에서 하이드로겔이 침윤된 탄소나노튜브 시트를 꼬아서 제조할 때, 상기 하이드로겔이 침윤된 탄소나노튜브 시트에 용매를 적가하여 팽창된 상태를 유도하고, 이를 비틀린 구조 또는 꼬인 구조로 형성하는 것을 특징으로 하는 섬유형 구동기의 제조방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 섬유형 구동기는 인가되는 꼬임 수에 따라 비틀린 구조 또는 꼬인 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 섬유형 구동기의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 섬유형 구동기가 비틀린 구조일 때, 인가되는 꼬임 수는 1000 내지 4000 turn/m이고,
    상기 섬유형 구동기가 꼬인 구조일 때, 인가되는 꼬임 수는 4000 내지 8000 turn/m인 것을 특징으로 하는 섬유형 구동기의 제조방법.
  14. 제1항에 따른 섬유형 구동기를 포함하는 습도용 센서.
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