전기 활성 고분자

Electroactive polymer
가. EAP 그립 장치의 만화 그리기
(b) 볼을 해제하기 위해 전압을 인가하고 EAP 핑거를 변형시킨다.
(c) 전압이 떨어지면 EAP 핑거가 원상태로 돌아와 공을 잡는다.

전기 활성 폴리머(EAP)는 전계에 의해 자극되었을 때 크기 또는 형상의 변화를 보이는 폴리머입니다.이러한 유형의 재료의 가장 일반적인 [2][3]용도는 액추에이터와 센서입니다[1].EAP의 전형적인 특징은 큰 힘을 유지하면서 대량의 변형을 겪는다는 것입니다.

과거의 액추에이터 대부분은 세라믹 압전 재료로 제작되었습니다.이러한 재료는 큰 힘을 견딜 수 있지만, 일반적으로 극히 일부만 변형됩니다.1990년대 후반에는 일부 EAP가 최대 380%의 변형률을 보일 수 있다는 것이 입증되었으며, 이는 다른 세라믹 [1]액추에이터보다 훨씬 많은 수치입니다.EAPs에 대한 가장 일반적인 적용 중 하나는 인공 근육의 발달에 있어 로봇 공학 분야이다. 따라서, 전기 활성 고분자는 종종 인공 근육이라고 불린다.

역사

EAPs 분야는 1880년 빌헬름 [4]뢴트겐이 천연고무 줄무늬의 기계적 특성에 대한 정전장의 영향을 실험한 실험을 고안했을 때 등장했습니다.고무줄은 한쪽 끝에 고정되고 다른 한쪽 끝에는 덩어리에 부착되어 있었다.그리고 고무에 전하를 분사하여 길이가 변화하는 것을 관찰했습니다.압전 폴리머가 최초로 발견된 것은 1925년(일렉트렛)이다.일렉트렛은 카르나우바 왁스, 로진, 밀랍을 혼합한 후 DC 전기 바이어스를 가한 상태에서 용액을 냉각시켜 형성되었습니다.그런 다음 혼합물은 압전 효과를 보이는 고분자 물질로 굳어집니다.

인가 전류를 제외한 환경 조건에 반응하는 고분자도 이 연구의 큰 부분을 차지해 왔다.1949년 카찰스키 외 연구진은 콜라겐 필라멘트를 산이나 알칼리 용액에 담그면 부피 [5]변화에 반응한다는 것을 입증했다.콜라겐 필라멘트는 산성 용액에서 팽창하고 알칼리 용액에서 수축하는 것으로 밝혀졌다.다른 자극(예: pH)이 조사되었지만, 그 용이성과 실용성 때문에 대부분의 연구는 생물학적 시스템을 모방하기 위해 전기 자극에 반응하는 고분자를 개발하는 데 전념했다.

EAPs의 다음 주요 돌파구는 1960년대 후반에 이루어졌다.1969년 Kawai는 폴리불화비닐리덴(PVDF)이 압전 [5]효과가 크다는 것을 입증했다.이는 유사한 효과를 보일 다른 고분자 시스템을 개발하는 연구에 대한 관심을 불러일으켰다.1977년 시라카와 히데키 등에 의해 최초의 [6]전도성 폴리머가 발견되었다.시라카와 교수는 앨런 맥디아미드, 앨런 히거와 함께 폴리아세틸렌이 전기 전도성이라는 것을 증명했으며 요오드 증기로 도핑함으로써 전도성을 8배 높일 수 있었다.따라서 전도도는 금속에 가까웠다.1980년대 후반까지 많은 다른 폴리머들이 압전 효과를 보이거나 전도성이 있는 것으로 입증되었다.

1990년대 초에는 이온성 폴리머 메탈 컴포지트(IPMC)가 개발되어 이전의 EAP보다 훨씬 뛰어난 전기 활성 특성을 보이는 것으로 나타났습니다.IPMC의 주요 장점은 1V 또는 [5]2V의 낮은 전압에서 활성화(변형)를 나타낼 수 있다는 것이었습니다.이는 이전 EAP보다 훨씬 적은 규모입니다.이러한 물질의 활성화 에너지가 훨씬 낮을 뿐만 아니라 훨씬 더 큰 변형을 겪을 수도 있다.IPMC는 기존에 개발된 EAP보다 훨씬 큰 380%의 변형률을 보이는 [1]것으로 나타났습니다.

1999년 요세프 바르-코헨은 EAP 로봇 팔과 인간 도전의 [5]팔씨름 시합을 제안했다.이것은 전세계 연구 단체들이 팔씨름 경기에서 인간을 이길 수 있는 EAP 근육으로 구성된 로봇 팔을 디자인하기 위해 경쟁한 도전이었다.첫 번째 도전은 2005년 [5]Electroactive Polymer Actuators and Devices Conference에서 개최되었습니다.EAPs를 인공근육으로 하는 상업적으로 개발된 첫 번째 장치는 2002년 일본에서 [1]Eamex가 제작한 것도 이 분야의 주요 이정표다.이 장치는 EAP 근육을 사용하여 꼬리를 움직이며 스스로 헤엄칠 수 있는 물고기였다.그러나 실제 개발의 진전은 [7]만족스럽지 못했다.

1990년대 SRI International에서 DARPA가 출자하고 Ron Pelrine이 이끄는 연구진은 실리콘과 아크릴계 폴리머를 사용한 전기 활성 폴리머를 개발했습니다.이 기술은 2003년에 인조 머슬사로 분사되어 [8]2008년부터 산업 생산이 시작되었습니다.2010년, 인공근육은 바이엘 머티리얼 [9]사이언스의 자회사가 되었습니다.

종류들

EAP 에는 몇 가지 설정이 있습니다만, 통상은 다음의 2개의 주된 클래스로 나눌 수 있습니다.유전체와 이온성.

유전체

유전체 EAP는 고분자를 압착하는 두 전극 사이의 정전력에 의해 작동되는 재료입니다.유전체 엘라스토머는 매우 높은 변형이 가능하며 기본적으로 전압이 인가될 때 전기장에 의해 폴리머의 두께가 압축되고 면적이 확장되어 정전용량이 변화하는 콘덴서입니다.이러한 유형의 EAP는 일반적으로 높은 전기장(수백 - 수천 볼트)을 생성하기 위해 큰 작동 전압을 요구하지만 전력 소비량은 매우 낮습니다.유전체 EAP는 액추에이터를 특정 위치에 유지하기 위해 전력을 필요로 하지 않습니다.예를 들어, 전기 충격성 고분자 및 유전체 엘라스토머가 있습니다.

강유전체 고분자

강유전체 고분자는 결정성 극성 고분자의 그룹으로 강유전체이기도 하며, 이는 외부 [10][11]전기장에서 반전되거나 전환될 수 있는 영구적인 전기 분극을 유지한다는 것을 의미합니다.폴리불화비닐리덴(PVDF)과 같은 강유전체 고분자는 고유의 압전 [12]반응 때문에 음향 변환기 및 전기 기계식 액추에이터에 사용되고, 고유의 열 센서로 사용됩니다.

그림 1: 폴리(불화비닐리덴)의 구조

전기 자극성 그라프트 중합체

그림 2: 전기 충격성 그라프트 폴리머의 그림

전기마찰성 그라프트 폴리머는 분기 측쇄를 가진 유연한 백본 체인으로 구성됩니다.인접한 골격 폴리머의 사이드 체인은 교차하여 결정 단위를 형성합니다.그 후, 백본과 사이드 체인 결정 유닛은 편광 모노머를 형성할 수 있습니다.이 모노머는 부분 전하를 가진 원자를 포함하고,[13] 그림 2와 같이 쌍극자 모멘트를 생성합니다.전기장이 인가되면 각 부분 전하마다 힘이 가해져 폴리머 유닛 전체가 회전합니다.이 회전은 폴리머의 전기적 변형과 변형을 일으킵니다.

액정성 고분자

주쇄 액정성 폴리머는 플렉시블 스페이서에 의해 서로 연결된 중원기를 가진다.골격 내의 중합체는 중합체 구조를 형성하여 중합체 자체가 중합체 구조와 양립할 수 있는 형태를 취하도록 한다.액정질서와 고분자 배열을 직접 결합함으로써 주쇄 액정질 엘라스토머에 많은 [14]관심을 갖게 되었습니다.고배향성 엘라스토머의 합성은 고분자 체인 방향을 따라 온도 변화와 함께 큰 변형률의 열 작동으로 이어지며, 그 결과 고유한 기계적 특성과 기계적 액추에이터로서의 잠재적 응용이 발생합니다.

이온

  • 이온성 EAP: 고분자 내 이온의 변위에 의해 작동됩니다.작동에는 몇 볼트만 필요하지만 이온 흐름은 작동에 필요한 더 높은 전력을 의미하며, 작동기를 주어진 위치에 유지하는 데 에너지가 필요합니다.이온성 EAPS의 예로는 전도성 폴리머, 이온성 폴리머 메탈 컴포지트(IPMC) 및 응답성 겔이 있습니다.또 다른 예로 버키겔 액튜에이터를 들 수 있다.버키겔 액튜에이터는 [15]단벽 카본나노튜브를 포함한 이온액체의 겔로 이루어진 2개의 전극층 사이에 끼인 이온액체로 이루어진 폴리머 지지층이다.그 이름은 소위 [16]버키페이퍼라고 불리는 카본 나노튜브를 걸러서 만들 수 있는 종이와 젤의 유사성에서 유래했다.

전기유체

주요 기사:전기 기관 유체
그림 3: 이온성 폴리머-금속 복합체의 양이온은 전계가 없는 상태에서 무작위로 방향을 잡습니다.필드가 적용되면 양이온이 양극과 접촉하여 폴리머의 측면에 모여 폴리머가 구부러집니다.

전기 지질학적 유체는 전기장의 적용에 따라 용액의 점도를 변화시킨다.유체는 저유전율 액체 [17]속에 있는 고분자의 현탁액입니다.큰 전기장이 적용되면 서스펜션의 점도가 증가합니다.이러한 오일에는 쇼크 업소버, 엔진 마운트 및 음향 [17]댐퍼 등이 사용될 수 있습니다.

이온성 폴리머-금속 복합체

주요 기사:이온성 폴리머-금속 복합체

이온성 폴리머-금속 복합 재료는 표면에 귀금속 전극이 도금된 얇은 이온성 막으로 구성됩니다.또한 폴리머 [18]골격에 고정된 음이온의 전하 균형을 맞추기 위한 양이온도 있습니다.이들은 낮은 인가 전압에서 매우 높은 변형을 보이고 낮은 임피던스를 보이는 매우 능동적인 액추에이터입니다.이온성 폴리머-금속 복합 재료는 카티온성 대향 이온과 인가된 전계의 음극 사이의 정전적 흡인력을 통해 작동하며, 그림 3에 개략도를 나타냅니다.콜라겐 섬유는 본질적으로 자연 하전 이온성 [19]폴리머로 구성되어 있기 때문에 이러한 유형의 폴리머는 생체 모방 사용에 가장 큰 가능성을 보여줍니다.나피온과 플레미온은 일반적으로 사용되는 이온성 고분자 금속 복합 [20]재료입니다.

자극에 반응하는 젤

자극응답겔(팽창제가 수용액일 경우 하이드로겔)은 부피상 전이 거동을 가진 특별한 종류의 팽창성 폴리머 네트워크이다.이러한 물질은 특정 물리적 자극([21]예: 전계, 빛, 온도) 또는 화학적(농도) 자극의 매우 작은 변화에 의해 부피, 광학, 기계적 및 기타 특성을 가역적으로 변화시킨다.이러한 재료의 부피 변화는 팽창/수축에 의해 발생하며 확산에 기반합니다.겔은 솔리드 스테이트 [22]재료의 부피에서 가장 큰 변화를 가져옵니다.마이크로 제작 기술과의 뛰어난 호환성과 함께, 특히 자극에 반응하는 하이드로겔은 센서와 액튜에이터를 갖춘 마이크로 시스템의 관심이 높아지고 있습니다.현재 연구 및 응용 분야는 화학 센서 시스템, 마이크로 유체 공학 및 멀티모달 이미징 시스템입니다.

유전체 EAP와 이온성 EAP의 비교

유전체 폴리머는 DC [23]전압 하에서 활성화되어 있는 동안 유도 변위를 유지할 수 있습니다.이를 통해 유전체 중합체를 로봇 용도로 고려할 수 있습니다.이러한 유형의 재료는 또한 높은 기계적 에너지 밀도를 가지며 성능 저하 없이 공기 중에서 작동할 수 있습니다.그러나 유전체 고분자는 분해 수준에 가까운 매우 높은 활성화장(>10 V/µm)을 필요로 한다.

반면 이온성 고분자의 활성화는 1~2볼트만 필요하다.그러나 일부 폴리머는 건조한 [19]환경에서 사용할 수 있는 자체 캡슐화 활성제로 개발되었지만 습기를 유지해야 한다.이온성 폴리머는 또한 낮은 전기 기계 결합을 가지고 있다.그러나 생물 모방 장치에는 이상적입니다.

특성화

전기 활성 고분자를 특성화할 수 있는 방법은 다양하지만, 여기서는 응력-변형 곡선, 동적 기계적 열 분석 및 유전체 열 분석의 세 가지만 다룰 것이다.

응력-변형 곡선

주요 기사:응력-변형 곡선
그림 4: 비응력 폴리머는 자연스럽게 접힌 구조를 형성하며, 응력을 가하면 폴리머는 원래의 길이를 회복한다.

응력 변형률 곡선은 폴리머의 메짐성, 탄성 및 항복 강도와 같은 폴리머의 기계적 특성에 대한 정보를 제공합니다.이는 폴리머에 균일한 속도로 힘을 공급하고 [24]그에 따른 변형을 측정함으로써 이루어집니다.이러한 변형의 예는 그림 4와 같다.이 기술은 재료의 종류(자갈, 질긴 것 등)를 결정하는 데 유용하지만, 폴리머가 파손될 때까지 응력이 증가하므로 파괴적인 기술이다.

동적 기계 열 분석(DMTA)

주요 기사:동적 기계적 분석

두 동적 기계적 분석 모두 분자 수준에서 변형 메커니즘을 이해하는 데 유용한 비파괴 기술입니다.DMTA에서는 정현파 응력이 폴리머에 인가되어 폴리머의 변형에 근거해 탄성률 및 감쇠 특성을 얻을 수 있다(폴리머가 감쇠 고조파 [24]발진기라고 가정).탄성 물질은 응력의 기계적 에너지를 가져다가 나중에 회복될 수 있는 위치 에너지로 변환합니다.이상적인 스프링은 모든 전위 에너지를 사용하여 원래 형태를 되찾는 반면(감쇠 없음), 액체는 모든 전위 에너지를 사용하여 흐르게 되며, 절대 원래 위치나 모양으로 돌아가지 않습니다(높은 감쇠).점탄성 폴리머는 두 가지 유형의 [24]행동을 조합하여 보입니다.

유전열분석(DETA)

주요 기사:유전체 열분석

DETA는 DMTA와 유사하지만 교대 기계력 대신 교대 전계가 적용됩니다.적용된 필드는 샘플의 분극으로 이어질 수 있으며, 폴리머에 영구 쌍극자(그림 2와 같이)를 가진 그룹이 포함되어 있으면 전기장과 [24]정렬됩니다.유전율은 진폭의 변화로 측정하여 유전체 저장 및 손실 성분으로 분해할 수 있습니다.전류에 따라 전장 [24]변위도 측정할 수 있습니다.필드가 제거되면 쌍극자는 다시 임의의 방향으로 이완됩니다.

적용들

그림 5: EAP에 의해 제어되는 팔을 만화로 그린 그림.전압이 인가되면(파란 근육) 폴리머가 팽창합니다.전압이 제거되면(빨간색 근육) 폴리머가 원래 상태로 돌아갑니다.

EAP 재료는 많은 고분자 재료의 가공이 용이하기 때문에 다양한 형태로 쉽게 제조할 수 있어 매우 용도가 높은 재료입니다.EAP에 대한 한 가지 잠재적 적용은 스마트 액추에이터를 생산하기 위해 잠재적으로 마이크로 전자기계 시스템(MEMS)에 통합될 수 있다는 것이다.

인공근육

가장 유망한 실제 연구 방향으로서 인공 [25]근육에 EAPs가 사용되어 왔다.높은 골절 인성, 큰 작동 변형률 및 고유 진동 감쇠로 생물학적 근육의 작동을 에뮬레이트하는 능력은 이 분야의 [5]과학자들의 관심을 끈다.

촉각 디스플레이

최근 몇 년 동안, 시각 장애인의 빠른 읽기 및 컴퓨터 지원 커뮤니케이션에 도움을 주는 "재충전 가능한 점자 디스플레이를 [26]위한 전자 활성 고분자"가 등장했습니다.이 개념은 어레이 형식으로 설정된EAP 액튜에이터를 사용하는 것에 기초하고 있습니다.EAP 필름의 한쪽에 있는 전극 행과 다른 쪽에 있는 컬럼이 어레이 내의 개별 요소를 활성화합니다.각 소자는 점자로 부착되어 선택된 소자의 두께에 걸쳐 전압을 인가함으로써 낮아져 국소적인 두께 감소를 일으킨다.컴퓨터 제어 하에서는 점들이 활성화되어 읽히는 정보를 나타내는 높은 곳과 낮은 곳의 촉각 패턴을 만들어 낼 것이다.

그림 6: 4,320(60x72)의 액튜에이터 픽셀로 구성된 고해상도 촉각 디스플레이(자 픽셀로 구성된 고해상도 촉각 디스플레이.디바이스의 통합 밀도는 cm²당 297개의 컴포넌트입니다.이 디스플레이는 가상 표면의 시각적(단색) 및 물리적(컨텐츠, 릴리프, 텍스처, 부드러움) 인상을 제공합니다.

가상 표면의 시각적 및 촉각적 인상은 고해상도 촉각 디스플레이, 이른바 "인공 피부"(그림.6)[27]에 의해 표시된다.이러한 모노리식 디바이스는 자극에 반응하는 하이드로겔에 기초한 수천 개의 멀티모달 변조기(액터 픽셀)로 구성됩니다.각 모듈레이터는 변속기, 높이 및 부드러움을 개별적으로 변경할 수 있습니다.시각 장애인을 위한 그래픽 디스플레이로 사용할 수 있는 것 외에도 터치패드 및 콘솔의 무료 프로그램 키도 흥미롭다.

미세유체학

EAP 재료는 약품 전달 시스템, 마이크로 유체 장치 및 랩 온 칩과 같은 미세 유체 공학에 큰 잠재력을 가지고 있다.문헌에 보고된 최초의 미세유체 플랫폼 기술은 자극에 반응하는 젤에 기초하고 있다.물 하이드로겔 기반의 마이크로 유체 소자의 전기 분해를 방지하기 위해 주로 저임계 용액 온도(LCST) 특성을 가진 온도 응답성 폴리머에 기초하고 있으며, 전기 열학적 인터페이스에 의해 제어된다.확산 마이크로펌프와 변위 마이크로펌프의 [28]두 가지 유형이 알려져 있습니다.자극에 반응하는 하이드로겔에 기반한 마이크로밸브는 입자 내성, 누출 없음, 뛰어난 압력 [29][30][31]저항성 등 몇 가지 유리한 특성을 보인다.이러한 미세 유체 표준 구성 요소 외에도 하이드로겔 플랫폼은 화학[32] 센서와 새로운 종류의 미세 유체 구성 요소인 화학 트랜지스터(Chemostat [33]밸브라고도 함)를 제공합니다.이 장치는 특정 화학 물질의 임계 농도에 도달하면 액체의 흐름을 조절합니다.화학 트랜지스터는 마이크로 화학 기계식 유체 집적 회로의 기초를 형성합니다."화학 IC" 프로세스는 독점적으로 화학 정보를 처리하며, 에너지 자체 구동되며, 자동으로 작동하며 대규모 [34]집적화가 가능합니다.

또 다른 미세 유체 플랫폼은 이오노믹 재료를 기반으로 합니다.이 재료로 만들어진 펌프는 저전압(배터리) 작동, 매우 낮은 노이즈 시그니처, 높은 시스템 효율성 및 매우 정확한 [35]유량 제어를 제공할 수 있습니다.

EAP 액추에이터의 독특한 특성으로 혜택을 볼 수 있는 또 다른 기술은 광학막이다.낮은 계수, 액추에이터의 기계적 임피던스 때문에 일반적인 광학막 재료와 잘 일치합니다.또한 단일 EAP 액추에이터로 마이크로미터에서 센티미터까지의 변위량을 생성할 수 있습니다.따라서 정적 형상 보정 및 지터 억제에 사용할 수 있다.이러한 액추에이터는 대기 [36]간섭으로 인한 광학 이상에 대한 보정에도 사용할 수 있다.

이 재료들은 뛰어난 전기 활성 특성을 보이기 때문에, EAP 재료들은 생체 모방 로봇 연구, 스트레스 센서, 음향 분야에서 가능성을 보여주며, 가까운 미래에 EAP가 더욱 매력적인 연구 주제가 될 것입니다.그것들은 휴머노이드 [37]로봇의 얼굴 근육과 팔 근육과 같은 다양한 작동기에 사용되어 왔다.

장래의 방향

EAPs 분야는 아직 성숙하지 않았기 때문에 [5]아직 해결해야 할 문제가 몇 가지 남아 있습니다.EAP의 성능과 장기적 안정성은 물이 스며들지 않는 표면을 설계하여 개선되어야 합니다.이를 통해 EAP에 포함된 물의 증발을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 EAP가 수성 환경에서 수몰 상태에서 작동할 때 발생하는 양의 역 이온의 잠재적 손실을 줄일 수 있습니다.결함이 없는 전도성 표면을 만드는 방법을 사용하여 표면 전도성을 개선해야 합니다.이것은 금속 증착 또는 다른 도핑 방법을 사용하여 수행될 수 있습니다.두꺼운 전도층을 형성하기 위해 전도성 고분자를 이용하는 것도 가능하다.내열성 EAP는 EAP 복합체 내의 발열로 인해 EAP의 내부 구조를 손상시키지 않고 보다 높은 전압에서 작동할 수 있도록 하는 것이 바람직합니다.다른 구성(파이버 및 파이버번들 등)의 EAP 개발도 가능한 동작 모드의 범위를 넓히기 위해 도움이 됩니다.

「 」를 참조해 주세요.

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