이온성 폴리머-금속 복합 재료

IPMC 작동, 에너지 수집 및 감지 원리.전극에 전압(전계)이 인가되면 막 분자망의 양전하 복합 및 수화 양이온이 양극에 의해 거부되어 음전극 또는 수화물 분자를 운반하는 음극으로 이동한다.이 이동에 의해 막 전체에 삼투압 구배가 형성되어 IPMC 스트립이 극적으로 구부러지거나 변형됩니다.^[1]한편, IPMC 스트립을 기계적으로 구부리거나 변형시키면, 공역 양이온이 이동해, Poisson-Nernst-Planck 필드 이론에 근거해 전위 및 출력 전압과 과도 전류(에너지 수집, 감지 모드)를 생성한다.수화물 분자는 이동하면서 양이온과 결합한다.그러나 수화 양이온과 함께 아노드를 향해 부가질량으로서 끌려가는 비수화 유동수 분자가 있는 경우, 일단 굽힘 또는 변형 평형이 달성되면 유동 유동수 분자가 음극으로 역류하여 역완화를 볼 수 있다.

이온성 고분자-금속 복합재료(IPMC)는 인가된 전압 또는 전기장 하에서 인공적인 근육 거동을 나타내는 합성 복합 나노물질이다.IPMC는 Nafion이나 Flemion과 같은 이온성 폴리머로 구성되며, 표면이 화학적으로 도금되거나 백금이나 금과 같은 도체로 물리적으로 코팅됩니다.인가전압(일반적인 10mmx40mmx0.2mm 샘플의 경우 1~5V)에서는 IPMC 스트립 전체에 인가전압으로 인한 이온이동 및 재배포에 의해 굽힘변형이 발생합니다.또, IPMC는 전해액에 침지되어 전계에 ^[2]간접적으로 접속되는 이온 하이드로겔이 될 수 있다.

도금된 전극이 비대칭 구성으로 배치되어 있는 경우, 인가된 전압은 비틀림, 비틀림, 회전, 회전, 회전 및 비대칭 굽힘 변형 등의 다양한 변형을 유도할 수 있다.또는 이러한 변형이 IPMC 스트립에 물리적으로 적용되는 경우 센서 및 에너지 하베스터로서 출력 전압 신호(일반적인 소형 샘플의 경우 수 밀리볼트)를 생성합니다.IPMC는 전기 활성 고분자의 일종입니다.그것들은 공기뿐만 아니라 액체 환경에서도 매우 잘 작동합니다.캔틸레버 구성에서 약 40의 힘 밀도를 가지며, 캔틸레버 모드에서 자신의 무게의 거의 40배에 달하는 팁 힘을 생성할 수 있습니다.작동, 감지 및 에너지 수집 시 IPMC는 킬로Hz 이상으로 매우 넓은 대역폭을 가집니다.IPMC는 1998년 Shahinpoor, Bar-Cohen, Xue, Simpson 및 Smith(아래 참조)에 의해 처음 소개되었지만 이온 폴리머 액추에이터와 센서의 원래 아이디어는 1992-93년 아돌프, Shahinpoor, Segalman, Witkowski, Osada, Okuzaki, Doosesomoto, Hi, Hi에 의해 거슬러 올라갑니다.

1-Segalman D. J., Witkowski W. R., Adolf D. B., Shahinpoor M. "전기제어 폴리머 겔의 이론과 응용"스마트 재료 및 구조 저널, vol. 1, 페이지 95-100, (1992)
2-Shahinpoor M. "이온성 고분자 겔 근육을 이용한 수영 로봇 구조의 개념 설계, 운동학 및 역학", Int.스마트 재료 및 구조 저널, vol.1, 페이지 91~94, (1992)
3-Y. 오사다, H. 오쿠자키, H.Hori, "전기 구동 운동성을 가진 폴리머 겔", Nature, vol. 355, 페이지 242–244, (1992)
4-Oguro K., Kawami Y. 및 Takenaka H,"저전압에서의 전기 자극에 의한 이온 전도성 고분자막 전극 복합체의 굽힘", 트랜스.J. 마이크로머신 협회, 제5권, 페이지 27-30, (1992)
5M 도이, M 마스모토, Y히로세, "전장에 의한 이온 겔의 변형", 고분자, 제25권, 5504-5511쪽, (1992)
6 오구로, K., K. 아사카, H.다케나카, "저전압에 의해 구동되는 고분자 필름 액튜에이터", 나고야, 38~40페이지(1993)
7-Adolf D., Shahinpoor M., Segalman D., Witkowski W., "전기적으로 제어된 고분자 겔 액추에이터", 미국 특허청, 미국 특허 No. 5,250,167,1993년 10월 5일 발행
8-오구로 K, 카와미 Y, 다케나카 H, 미국 특허청, 미국 특허 No. 5,268,082, 12월 7일 발행(1993년)

이들 특허에 이어 관련 특허도 추가로 취득했습니다.

9-Shahinpoor, M., "스프링 장착 이온 고분자 겔 리니어 액추에이터", 미국 특허청, 미국 특허 No. 5,389,222, 1995년 2월 14일 발행
10-샤힌푸어, M. and Mojarad, M., "소프트 액튜에이터와 인공 근육", 미국 특허청, 미국 특허 6,109,852, 2000년 8월 29일 발행
11-Shahinpoor, M. and Mojarad, M. "Ionic Polymer Sensors and Actuators", 미국 특허청 No. 6,475,639, 2002년 11월 5일 발행
12-샤힌푸어, M., 킴, K.J.'건식 전기활성 고분자 합성근육 제조방법', 미국 특허청, 특허번호 7,276,090, 2007년 10월 2일 발행
또한 다나카, 니시오 및 Sun이 전기장에서 이온 겔 붕괴 현상을 도입했다는 점도 언급해야 한다.
13-T 다나카, I. 니시오, S.T. Sun, "전장에서의 겔 붕괴", 과학, 제218권, 467-469페이지, (1982)

또한 Hamlen, Kent 및 Shafer가 이온성 폴리머 섬유의 전기화학적 축소를 도입했다는 점도 언급해야 합니다.

14-R. P. Hamlen, C. E. Kent 및 S. N. Shafer, "전기 활성화 수축성 폴리머", 네이처, vol. 206, no. 4989, 페이지 1140–1141, (1965)

또한 Darwin G. Caldwell과 Paul M.에게도 공로를 인정해야 한다.Taylor는 화학적으로 자극된 젤을 인공 근육으로 초기에 연구했습니다.

15-다윈 G. 콜드웰과 폴 M.Taylor,"화학적으로 자극된 의사근육 작동", 국제공학과학저널, 제28권, 제8호, 페이지 797–808, (1990)

레퍼런스

외부 링크

• M. Shahinpoor, Y. Bar-Cohen, J. O. Simpson 및 J. Smith "바이오믹 폴리머 메탈 컴포지트(IPMCs) 생체모방센서, 액추에이터 및 인공근육-A Review", Int. J. Smart Materials and Structures, Vol.6.
• 샤힌푸어(M.), 바르코헨(Y.), 슈(Xue), 심슨(J.O), 스미스(J.S. J.J.), 생체모방센서 및 액튜에이터로서의 이온성 폴리머-메탈 컴포지트(IPMC).SPIE의 제5회 연례 국제 심포지엄 및 스마트 심포지엄 개최문서번호 ^{[permanent dead link]}3324-27
• S. Nemat-Nasser 및 C.Thomas, "인공 근육으로서의 전기 활성 고분자(EAP) 액추에이터 – 현실, 잠재력 및 과제", 이오노머릭 고분자-금속 복합물, Bar-Cohen, SPIE, 6장 [139] 2001에 의해 편집되었습니다.
• IPMC 액추에이터

• KAWWAF, 자심 등비소형 단자 슬라이딩 모드를 사용한 IPMC 액추에이터의 강력한 추적 제어Smart Materials and Structures, 2017, 26.9: 095042.