KR20170117804A

KR20170117804A - 나노복합체 전극을 포함하는 전기활성 고분자 유연 구동기 및 나노복합체 전극의 제조방법

Info

Publication number: KR20170117804A
Application number: KR1020160045705A
Authority: KR
Inventors: 전민현; 김선필; 최현광; 박민정; 이원석
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2016-04-14
Filing date: 2016-04-14
Publication date: 2017-10-24

Abstract

본 발명은 이온성고분자와 복수의 은나노와이어층와 적어도 하나의 그래핀층으로 이루어지는 나노복합체 전극을 포함하는 유연 구동기를 제공하며, 유연 구동기의 표면저항을 낮추면서 고분자 내부에 존재하는 물 손실을 낮추어 구동특성을 더욱 향상시킬 수 있다

Description

나노복합체 전극을 포함하는 전기활성 고분자 유연 구동기 및 나노복합체 전극의 제조방법 {NANO-COMPOSITE ELECTRODE, METHOD OF MANUFACTURING NANO-COMPOSITE ELECTRODE AND ACTIVE POLYMER ACTUATOR HAVING THE SAME}

본 발명은 나노복합체 및 이의 제조방법에 관한 발명이다.

이온성고분자-금속 복합체(Ionic polymer-metal composite: IPMC)는 이온전달 특성이 우수한 이온성고분자 전해질 막의 상하 양면에 전자전달 특성이 우수한 금속전극이 입혀진 커패시터 구조로 이루어져 있으며, 의료용 로봇 구동기, 생체모방 센서 및 인공근육에 적합한 구동기로 많은 연구가 이루어지고 있다.

유연 구동 변위특성을 가지는 IPMC는 낮은 구동전압에 비해 상대적으로 큰 변위를 가지며, 구동기 질량에 비해 큰 전달력을 갖는다. 또한, 변위에 비해 빠른 반응주파수가 출력되며, 공기 중이나 물에서도 구동이 가능하여, 제조공정에 따라 자유로운 형태로 구현할 수 있다.

다만, IPMC의 문제점으로 직류의 인가전압 하에서 발생되는 약한변위유지성능(straightening-back)과 작동 시 백금전극 표면에 결합이 발생하며 고분자 내부의 물이 손실되는 것이 대표적이다.

약한변위유지성능(straightening-back)은 직류 인가전압 하에서 전기활성 고분자가 최대 변위에 도달한 후 초기 변위로 복귀하는 현상으로 최대 변위 도달 후 야기되는 물의 역확산에 의해 발생한다. 이는 전극 표면에 결함과 고분자 내부 물 손실은 이온성고분자의 동작 제어를 어렵게 하고, 유연 구동기의 구동 특성을 저하시키며 또한 인가전압의 주파수 범위를 제한하기 때문에, 유연 구동기의 산업적 응용을 크게 방해하는 요소 중 하나이다.

전기활성 고분자의 전극으로는 전기화학적 안정성이 우수한 백금이 주로 사용되는데, 백금 전극은 가격이 너무 고가이고 촉매 작용이 일어나는 표면적을 증가시키기 어렵다. 또한, 시간이 지남에 따라 전기활성 고분자에 증착된 백금 전극 표면에는 결함이 생기고, 결함에 의하여 이온성 고분자 전해질 막 내부의 물 증발 현상이 일어나서, 유연 구동기의 수명을 단축시키는 현상이 있다. 백금 전극은 금속염을 이온성고분자 표면에 전극 층을 무전해도금법(electroless plating)을 이용해 형성시키는데, 이 방법은 공정이 복잡하고, 많은 공정시간을 필요로 하는 단점이 있다.

이에 본 발명은 낮은 표면저항 및 향상된 전도성을 갖는 나노복합체 전극을 제공하는 것에 있다.

또한 고분자 내부에 존재하는 물의 손실을 낮추어 유연구동기의 구동특성을 향상시키는 나노복합체 전극을 제공하는 것에 있다.

이와 같은 본 발명의 과제를 달성하기 위하여 본 발명에 관련된 유연구동기는 양면에 은나노와이어층과 적어도 하나의 그래핀 층으로 이루어지는 나노복합체 전극을 포함한다.

본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 적어도 하나의 그래핀 층 각각의 양면에 상기 복수의 은나노와이어층이 형성된다.

본 발명과 관련된 일 예로서, 복수의 은나노와이어층 및 복수의 그래핀층은 서로 교차하도록 중첩되도록 형성된다.

이와 같은 본 발명의 과제를 달성하기 위하여 본 발명에 관련된 나노복합체의 제조방법은, 구리포일의 일면 상에 그래핀층을 성장시키는 단계, 상기 그래핀층 상에 아크릴 지지체를 형성하는 단계, 상기 구리포일을 제거하는 단계, 상기 아크릴 지지체에 형성된 그래핀층을 네피온층에 형성하는 단계, 상기 지지체를 제어하여 그래핀 전극을 형성하는 단계 및 상기 그래핀 전극 상에 은나노와이어 전극층을 형성하는 단계를 포함한다.

본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 구리포일의 일면 상에 그래핀층을 성장시키는 단계는, 저진공 상태의 수정관 내에 구리포일을 배치하고 열을 가하는 단계, 수소와 메탄가스를 상기 수정관 상에 제공하는 단계, 구리포일이 부착되어 있던 탄소들이 육각구조로 배열되도록 상기 수정관을 급랭시키는 단계로 이루어질 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 그래핀층 상에 고분자 지지체를 형성하는 단계는, 스핀코팅방법에 의하여 이루어질 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 그래핀 전극 상에 은나노와이어 전극층을 형성하는 단계는, 스핀코팅방법에 의하여 이루어질 수 있다.

본 발명에 따르면, 넓은 표면적을 갖는 그래핀과 전기전도도가 우수한 은나노와이이어를 포함하는 나노복합체 전극을 이용하여, 물 분자 확산을 감소시키면서 저항이 낮은 전극을 제공할 수 있다.

이에 따라 본 발명에 따른 나노복합체 전극을 유연 구동기에 적용시키는 경우 유연 구동기의 표면저항을 낮추면서 고분자 내부에 존재하는 물 손실을 낮추어 구동특성을 더욱 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노복합체 전극의 제조방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 CVD장비를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 기존 금속 전극과 나노 소재 전극, 나노복합체 전극의 표면 저항 안정성을 비교하기 위한 그래프이다.
도 4는 나노복합체 전극의 표면 저항 성능이 향상된 것을 보여주기 위한 그래프이다.
도 5는 나노복합체 전극을 이용한 이온성고분자 유연 구동기를 설명하기 위한 개념도이다.

이하,본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노복합체 전극의 제조방법을 설명하기 위한 개념도이다. 도 2는 CVD장비를 설명하기 위한 개념도이다.

도 1의 (a) 내지 (c)를 참조하면, 구리포일(100)을 촉매로 사용하여 CVD(Chemical Vapor Deposition, 화학기상증착)방법으로 그래핀(Graphene)을 성장시킨다. CVD 장비는 3개의 가열부(11)와 가열부(11)들 사이에 열적으로 안정한 수정(Quartz)관이 배치된다. 그래핀(Graphene)을 성장시키기 위한 스테이지(stage)는 상기 수정관(12) 내부에 위치한다.

상기 구리포일(100)은 상기 스테이지에 배치되고, 상기 수정관(12) 내부를 저진공(약 50 mtorr) 상태로 유지한다. 상기 3개의 가열부(11)를 약 900도로 가열시킨 후, 수소(H₂)와 메탄(CH₄)가스를 흘려준다. 메탄(CH₄)가스는 가열된 수정관(12) 내에서 결합이 끊어지고, 이때 떨어져 나온 탄소(C; Carbon)가 안정화되기 위해 구리포일(100)에 부착되거나 고용된다. 도 1의 (b)는 탄소포일에 탄소가 부착된 상태를 도시한다.

탄소포일에 탄소가 부착된 상태에서 급랭단계를 거치면, 탄소들이 육각구조로 배열되면서 그래핀(Graphene)이 형성된다.

도 1의 (d)를 참조하면, 고분자 지지체인 PMMA(Poly Methyl methacrylate) 지지체를 스핀코팅방법을 이용하여 상기 그래핀(Graphene)이 성장된 구리포일(100) 상에 코팅하고, 산성을 띄는 용액에 의하여 상기 구리포일(100)을 제거한다. 상기 아크릴 지지체(200)에 의하여 구리포일(100)을 제거하는 단계에서 그래핀(Graphene)의 손상이 최소화된다.

상기 구리포일(100)이 제거된 아크릴 지지체(200)를 이용하여 네피온(300)의 양면에 전사시켜 진공 건조 단계를 거치면 상기 그래픽 전극이 상기 네피온(300)에 부착된다. 아세톤을 이용하여 아크릴 지지체(200)를 제거하여 그래핀(Graphene) 전극을 형성한다.

도 1의 (h)를 참조하면, 그래핀(Graphene) 전극에 은나노와이어(Silver Nanowires, AgNWs)를 스핀코팅 방법을 이용하여 은나노와이어(AgNWs) 전극층(300)을 형성한다. 상기 도 1의 단계를 3번이상 반복하여 네피온(300) 이온성 고분자 층의 양면에 그래핀(Graphene)과 은나노와이어(400)(AgNWs)의 나노복합체 전극이 형성된다.

즉, 도 1의 (g)를 참조하면, 네피온(300)층의 양면에 그래핀(Graphene)과 은나노와이어(400)(AgNWs)가 형성된 나노복합층이 형성된다.

도 3는 기존 금속 전극과 나노 소재 전극, 나노복합체 전극의 표면 저항 안정성을 비교하기 위한 그래프이다. 네피온(300)에 형성된 그래핀(Graphene)과 은나노와이어(400)(AgNWs)의 나노복합체 전극의 저항(3)이 가장 낮은 것을 알 수 있으며, 상대적으로 네피온(300)에 형성된 그래핀(Graphene)으로 이루어진 전극(2) 및 유리에 형성된 은나노와이어(400)(AgNWs)로 이루어진 전극(5)의 저항이 큰 것을 알 수 있다.

도 4은 나노복합체 전극의 표면 저항 성능이 향상된 것을 보여주기 위한 그래프이다. 그래핀(Graphene)과 은나노와이어(400)(AgNWs)가 반복적으로 증착되었을 때의 저항이 낮아지며, 상대적으로 네피온(300)에 그래핀(Graphene)만을 증착한 전극은 저항이 높은 것으로 나타난다. 즉, 은나노와이어(400)(AgNWs)와 그래핀(Graphene)이 2번이상 증착 되는 것이 바람직하다.

도 5는 나노복합체 전극을 이용한 전기활성 고분자 유연 구동기를 설명하기 위한 개념도이다. 상기 그래핀과 은나노와이어의 나노복합체 전극(1000)은 일 단부가 이온성고분자에 장착되어 인가되는 전압에 의하여 변형된다.

본 발명에 따른 나노복합체 전극은 전기화학적 안정성이 우수한 은나노와이어와 그래핀으로 이루어져 있으므로, 물 분자의 확산을 감소시키면서 저항을 최소화할 수 있다. 이에 따라 고분자 유연 구동기의 구동특성 효율을 향상시킬 수 있다.

상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims

단일 유연구동기;
복수의 은나노와이어층 및 적어도 하나의 그래핀층으로 이루어지는 나노복합체 전극을 포함하는 이온성고분자 구동기.
제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 그래핀층 각각의 양면에 상기 복수의 은나노와이어층이 형성되는 것을 특징으로 하는 이온성고분자 구동기.
제2항에 있어서,
복수의 은나노와이어층 및 복수의 그래핀층은 서로 교차하도록 중첩되는 것을 특징으로 하는 이온성고분자 구동기.
구리포일의 일면 상에 그래핀층을 성장시키는 단계;
상기 그래핀층 상에 고분자 지지체를 형성하는 단계;
상기 구리포일을 제거하는 단계;
상기 PMMA 지지체에 형성된 그래핀층을 네피온층에 형성하는 단계;
상기 지지체를 제어하여 그래핀 전극을 형성하는 단계;
상기 그래핀 전극 상에 은나노와이어 전극층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노복합체 전극의 제조방법.
제4항에 있어서,
상기 구리포일의 일면 상에 그래핀층을 성장시키는 단계는,
저진공 상태의 수정관에 구리포일을 배치하고 열을 가하는 단계;
수소와 메탄가스를 상기 수정관 상에 제공하는 단계;
구리포일이 부착되어 있던 탄소들이 육각구조로 배열되도록 상기 수정관을 급랭시키는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노복합체 전극의 제조방법.
제4항에 있어서,
상기 그래핀층 상에 PMMA 지지체를 형성하는 단계는, 스핀코팅방법에 의하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노복합체 전극의 제조방법.
제4항에 있어서,
상기 그래핀 전극 상에 은나노와이어 전극층을 형성하는 단계는, 스핀코팅방법에 의하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노복합체 전극의 제조방법.