 |
전기 활성 고분자(Electro-active polymer, EAP)는 전기 자극에 의해 팽창, 수축 및 휨 현상을 재현성 있게 나타낼 수 있는 고분자를 말한다.
전기적인 자극을 가하면 기계적인 움직임을 얻을 수 있고, 기계적인 자극이 주어지면 전기를 얻을 수 있어 차세대 액추에이터와 센서로의 적용가능성이 매우 큰 소재이다. 특히 이온성 고분자/금속 복합물(Ionic polymer/metal composite, IPMC) 에 대한 연구가 가장 활발하게 이뤄지고 있다.
IPMC는 정전기력에 의해 구동되는 복합 액추에이터 소재로 많은 연구자들에 의해 개발되어 왔다. 인공근육을 비롯하여 인공심장, 스마트 피부, 초정밀기계, 센서/액추에이터, 개인군사 장비의 발전기, 의료용 로봇, 우주항공 분야, 연료전지, 펌프 등의 여러 분야에 적용할 수 있어 최근 전 세계적으로 많은 연구가 이루어지고 있다.
IPMC 액추에이터는 생체 모방형 액추에이터(biomimetic actuator) 분야에 다양하게 적용되고 있다. 생체 적합성이 우수하고 수분을 포함한 유기 화합물이라는 점에서 생체 조직과 많은 유사성을 지니기 때문에 다른 액추에이터와 비교하였을 때 생체 모방 시스템에 이용될 수 있는 가능성이 더 크다.
또한 기존의 액추에이터에 비해서 저전압으로 구동이 가능하고 동작 시 열이나 전자기파 등을 발생하지 않기 때문에 인공 근육의 제작 또는 팔다리의 동작을 모방하는데 사용 가능해 향후 큰 성장이 예상되는 기술 분야이다.
 전기 활성 고분자 기술 동향
△ 국외 기술 동향
전기 활성 고분자 복합재의 발전 과정은 전도성 고분자 기술, 이온성 고분자 겔, 탄소나노 소재 등의 개발과 그 역사를 같이 한다.
1992년 일본의 Y Osada가 이온성 고분자 겔의 작동 원리를 처음으로 발표하였고, 일본의 Oguro가 1993년에 IPMC 액추에이터에 대한 특허를 처음으로 등록했다.
EAP 액추에이터에 대한 연구는 1990년대에 전도성 고분자의 개발과 플러렌(Fullerene, C60), 탄소나노튜브 같은 탄소나노소재의 발견으로 비약적으로 발전했다.
EAP에 대한 연구는 미국의 SRI International사에서 1991년 개발을 시작한 이래 기업에서도 활발히 진행되고 있다.
△ 국내 기술 동향
국내에서도 IPMC에 대한 연구가 중점적으로 이루어지고 있다.
KAIST/전남대학교, 고려대학교, 건국대학교, 서강대학교 등의 대학교를 중심으로 진행되고 있으며 특히 KAIST/전남대학교에서는 기존의 나피온계 이온성 고분자를 대체할 수 있는 다양한 신고분자를 이용한 IPMC 액추에이터 제작 연구를 선도하고 있다.
더 나아가 CNT, Fullerine, Graphene 등의 탄소나노소재를 활용한 IPMC 연구에도 왕성한 활동을 보이고 있다. 또한 서강대학교 및 고려대학교 등에서는 IPMC 액추에이터의 구동 수치해석 및 모델링 연구를 진행하고 있다. 건국대학교의 AMRC 센터와 재활공학연구소에서는 생체 및 근육의 작동원리를 구현할 수 있는 인공근육형 작동기를 개발하는 것을 목표로 압전 세라믹 작동기와 EAP형 작동기를 연구하고 있으며 곤충 날개 구조를 공학적으로 모방한 인공근육 제작에 적용할 예정이다. 또한 최근에 Hanson Robotics와 KAIST가 EAP 재료를 사용하여 Albert Hubo의 artificial face를 공동으로 제작하였다.
재료연구소에서는 전도성 입자(극미세 금속섬유, 탄소나노튜브, 그래핀) 첨가 전도성 고분자 소재, 무전해도금을 통한 IPMC 전극 제조 및 조직제어, IPMC의 액추에이터 및 센서로서의 구동특성에 대한 연구를 진행하고 있다.
전기 활성 고분자
전기 활성 고분자는 외부의 전기적 에너지를 통해 변형이 유도되는 EAP는 크게 전기장에 의해 활성화되는 electronic EAP와 내부의 이온 이동에 의해 활성화되는 ionic EAP로 나눌 수 있다.
두 가지 모두 근본 작동 원리는 전극을 통해 전달되는 전기에너지를 안정화 시키려는 힘이 작용한 것으로 electronic EAP는 분극에 의해 생성되는 쿨롱 힘이 변형을 일으키며, ionic EAP는 전압 차에 의한 전하 균형을 맞추기 위해 고분자 내외부에서 전해질에 존재하는 이온 이동으로 인해 팽창과 수축이 발생한다.
EAP와 유사한 특성을 보이는 소재로는 형상기억합금(Shape Memory Alloy)이나 전기활성 세라믹(Electroactive ceramic)이 있지만 EAP가 상대적으로 대변형을 일으키며 우수한 강인성과 빠른 응답성으로 인해 응용성이 높은 것으로 평가되고 있다.
전기 활성 고분자 복합재의 전극
전기 활성 고분자 복합재의 전극으로 주로 이용된 소재로는 백금, 금, 은, 팔라듐 등의 귀금속을 들 수 있다. 이러한 금속 전극은 고가이며, 복잡한 도금 과정에 따라 전극과 작동기 성능의 재현성 등에 문제점이 있었다. 특히 금속 전극은 굽힘 등의 변형거동을 통해 결정입계의 균열이 발생하게 되어 전도도 감소 및 전해액의 휘발을 통해 성능 저하를 격게 된다. 또한 큰 강성을 갖는 금속
전극층은 대변형 작동기의 변형량을 저해할 수 있으며, 일반적으로 2~10μm의 두께를 갖는 전극층의 불투명도는 이들 작동기의 광학적 응용에 제한 조건이 된다.
전도성 고분자를 이용한 전극은 금속보다 더 큰 변형을 견딜 수 있다는 장점을 가지고 있지만 높은 온도에서 전도도가 급격히 감소되는 문제점을 가지고 있어서 그 이용이 제한되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 투명하면서도 높은 전도성을 가지는 단일벽 탄소나노튜브(single-walled carbon nanotubes, SWCNT) 필름 기반의 전극이 최근에 개발되었다.
유기용매에 SWCNT를 분산시키고 anodized alumina membrane에 필터를 해서 만들어진 탄소나노튜브 전극은 고온에서도 높은 전도도(280S/cm)를 유지하며 IPMC 작동 시 높은 변위(electric field-induced strain 240%)를 기록하였다.
카이스트에서는 우수한 광투과도와 전도성을 갖는 투명 그래핀(graphene) 전극을 사용하여 IPMC 작동기를 제작하고 그 성능을 평가하였다. 투명 그래핀 전극은 Thermal CVD 방법을 이용하여 약 1000℃의 고온에서 메탄 수소혼합가스를 구리(25μm thick Cu foil) 촉매층에 반응시켜 적절한 양의 탄소를 촉매층에 흡착시켜 제조하였고 roll-to-roll 방법을 이용하여 전극을 이온성 고분자 양면에 전사하였다.
그래핀을 이용한 전극은 아직 금속전극 정도의 높은 전도도를 보여주지 못하고 있다. 이에 지속적으로 투명 전극의 투명도를 유지하면서 전기 전도도를 향상시킬 수 있는 기법을 개발하고 이를 고분자 작동기에 적용하여 우수한 작동성능의 투명 IPMC 작동기의 개발 및 응용 연구를 수행하고 있다.
전기 활성 고분자 복합재의 센서 및 액추에이터 응용
전기 활성 고분자 복합재를 이용한 대표적인 응용 예로는 셀룰로오스 기반EA Paper(EAPap)를 들 수 있다. 2010년 인하대에서 세계 최초로 개발된 셀룰로오스 기반 EAPap은 식물성 고분자인 셀룰로오스를 기반으로 한 전기활성 고분자(electro-active polymer, EAP)의 일종으로 전기적인 신호에 반응하여 기계적 변형을 일으키는 천연 고분자 물질로 인장 변형률 및 굽힘 변형률을 측정하는 센서 및 액추에이터로의 응용 가능성을 확인했다.
또한 EAPap은 035V/μm의 낮은 전압에도 작동하고 소모 전력이 수mW/㎠로 낮고 길이 대비 약 10%의 굽힘 변형이 나오며，30Hz까지 작동이 가능하다.
더욱이 EAPap은 특별히 수분을 공급하지 않고도 건조한 상태에서 장시간 동작할 수 있기 때문에 초소형 벌레 로봇이나 초소형 비행체 오락 산업의 기구들과 같이 초경량 대변형이 요구되는 응용분야에서 원격 구동을 통해 소모 전원을 탑재하지 않고 사용 가능한 초경량 EAP 액추에이터에 대한 응용 가능성을 보여주었다.
전기 활성 고분자 복합재는 외부의 자극에 따라 큰 변위를 생성할 뿐 만 아니라 생체 근육과 같이 탄성이 뛰어난 다른 종래의 소재들이 발현할 수 없는 특성을 가지고 있기 때문에 인공 근육 분야에도 활발하게 응용되어 왔다. 외부의 전기 신호를 받으면 특별한 부품 조합 없이 자체의 부피나 길이가 변화하는 전기 활성 고분자는 생체 근육과 유사한 소재 특성 유연성 탄성 밀도 낮은 소비 전력 소형화 가능성 등으로 인해 기존의 기계적 구동체를 대체할 인공 근육 소재로서 관심을 끌고 있다.
특히 낮은 전압에서 생체 근육과 유사한 20% 이상의 변형률을 지닐 수 있는 효율적인 구동재료는 아직 전기 활성 고분자 소재 이외에는 알려진 바 없다.
미국항공우주국(NASA)의 제트추진연구소(JPL)가 주도적으로 연구하면서 알려지기 시작한 이온성 고분자 금속 복합체(Ionic Polymer-Metal Composite, IPMC)는 수분이 함유된 이온 교환막과 양 표면에 증착된 금속전극으로 이루어져 있으며 수 볼트의 전압인가에 의한 이온 및 수분의 이동으로 우수한 굽힘 변형이 일어난다.
이는 낮은 전력에서 높은 에너지 효율을 가지며 실제 사람 근육 변형률, 탄성률 등이 유사하여 인공 손가락, 인공심장, 인공 피부 및 안구 등 재활·보조산업을 위한 생체 모방형 인공 근육 소재로의 응용 가능성이 매우 크다.
내부 수분함량 의존성, 재료의 유연함에 기인한 낮은 구동력 체내외 임상에서의 안정성 테스트 등 해결해야 할 과제가 남아있지만 다른 EA 소재에 비하여 상대적으로 매우 섬세하고 유연한 구동이 가능하므로 연구개발의 가치가 매우 높다.
대부분의 이온성 전기 활성 고분자는 낮은 구동력 때문에 강하게 발생하는 힘을 필요로 하는 분야에 적용하는데 한계가 있다. 최근 CNT를 이용하여 이를 극복하는 연구가 진행되고 있다. CNT는 인공 근육 소재로 활용 가능하며 낮은 전압에서도 수 테라파스칼의 높은 탄성률을 지녀 생체 근육보다 센 힘을 만들 수 있다고 보고된 바 있다.
생체 근육보다 수축력이 약 100배 정도 강하고 화학적으로 안정적인 동력 공급이 가능한 CNT 섬유를 개발함으로써 강한 구동력 구현 뿐 만 아니라 탄소나노튜브의 긴 피로 저항 특성에 기인한 내구력이 한층 강화된 인공근육 개발이 가능하게 되었다. 즉 CNT를 인공근육과 연료전지의 재료로 동시에 사용하여 스스로 에너지를 만들고 구동하는 자립형 인공근육이 가능하게 되었다.
전기 활성 고분자 복합재의 응용 관련 안정성 및 내구성에 문제가 되고 있는 전극 및 보호막 소재에 대한 연구가 미흡한 실정이다. 또 기초 소재 설계부터 부품기반의 시스템 적용에 이르는 종합적인 연구도 전무하다.
이에 따라 새로운 전기 활성 소재, 백금 대체 고전도 대변형 전극소재, 기능성 초박형 계면, 저손상 및 환경친화적인 보호막에 이르는 핵심소재의 개발과 함께 융복합화 기술 및 부품기반의 설계/해석/평가 기술과 유기적 결합된 신개념의 전기 활성 고분자 복합재 센서 및 액추에이터의 개발이 필요하다. |
| |
출처 : 이상복, 이진우, 이원오, 이제욱,
엄문광 ‘전기 활성 고분자 복합재 기술 및 응용’ [기계와재료] 제23권2호 |
|
 |
|
