인공근육 (전기활성고분자 구동기)

전기활성 고분자

전기활성 고분자(electroactive polymer, EAP)는 전기적 자극 하에서 기존의 강유전 세라믹 (ferroelectric ceramic)에서 얻을 수 있는 변형률 (최대 0.2 %) 보다 수십 배나 큰 변형률 (수 % ~ 수십 %)을 얻을 수 있는 유망한 재료이다. 또한, EAP는 많은 고분자 재료와 마찬가지로 여러 가지 형태로 쉽게 제조가 가능하여, 다양한 감지기(sensor) 및 구동기(actuator)로서 많은 관심을 불러일으키고 있다. 특히, EAP의 가볍고 유연한 특성은 향 후 유연한 전자기기(flexible electronics)에서 감지기 및 구동기로서의 사용 가능성을 높여준다. 또한, 높은 파괴 인성(fracture toughness), 대 변형률, 높은 진동 감쇠(vibration damping), 등의 특성을 갖는 생체 근육(biological muscle)을 모사할 수 있어 인공 근육(artificial muscle)이라고도 불리며, 생체모사 로봇(biomimetic robot) 분야에서 다양하게 연구가 진행되고 있다.
EAP는 크게 Ionic EAP와 Electronic EAP로 나눌 수 있다. Ionic EAP는 인가된 전류에 의해 이온들이 이동함으로써 변형이 발생하므로, 구동전압은 낮으나 응답속도가 느린 단점이 있다. 또한, Ionic EAP는 주로 전해질을 사용하며, 전해질 내에서 이온의 확산 및 이동 속도에 대한 물리적 한계 때문에 응답속도를 높이는 것이 쉽지 않으며, 전해질의 밀봉이 필요하므로 상용화를 위해서는 신뢰성 향상이 우선적으로 이루어져야 한다. 반면, Electronic EAP는 인가된 전기장에 의한 Maxwell 응력이 변형을 유발하므로, 응답속도가 빠르나(< 1 ms), 수 % 수준의 변형률을 만들기 위해 50~150 V/㎛ 정도의 강한 전기장을 필요로 하므로 구동전압이 높은 단점이 있다. 이러한 Electronic EAP 감지기 및 구동기를 사용 전압이 제한적인 휴대용 전자기기(hand-held electronics) 등에 상용화하기 위해서는 동작전압의 강하가 필수적이라고 할 수 있다.
Electronic EAP의 대표적인 예로서 완화형 강유전 고분자(relaxor ferroelectric polymer)인 P(VDF-TrFE-CFE) [poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene-chlorofluoroethylene)] 및 P(VDF-TrFE-CTFE) [poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene-chlorotrifluoroethylene)]를 들 수 있다. P(VDF-TrFE-CFE)는 3개의 단분자인 VDF, TrFE, 및 CFE가 불규칙적으로 배열된 고분자 사슬구조를 가지고 있다. 여기서 3번째 단분자인 CFE는 강유전 고분자인 P(VDF-TrFE)의 배열에 결함을 도입하게 되고, 이러한 결함은 일관성 있는 분극영역을 나노 극성영역으로 분할하게 된다. 이러한 나노 극성영역은 전기장 하에서 상변이(phase transition)을 일으켜 큰 변형률(최대 7%)을 유발하게 된다.

Movie 1. Operation of various types of electroactive polymer actuators (http://ndeaa.jpl.nasa.gov/)

 

 


Haptic applications of electroactive polymer actuators

Localized Fretting-Vibrotactile Sensations for Large-Area Displays, ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 1944-8244 
 

Audio-Tactile Skinny Buttons for Touch User Interfaces, Scientific Reports, 2019 
 


Development of Varifocal Lens

본 연구에서는 phone camera에 자동초점 기능을 구현하기 위해 세계 최초로 wafer 상에 제작이 가능한 varifocal lens를 개발하였다. 또한, 이 varifocal lens를 구동하기 위해 완화형 강유전 고분자를 이용하여 multilayered polymer actuator를 개발하였다. 또한, polymer actuator의 성능을 향상시키고 고온 내열성을 확보하기 위해 P(VDF-TrFE-CTFE)에 가교제를 사용함으로써 세계 최초로 열경화성 relaxor ferroelectric polymer를 개발하여 polymer actuator에 적용하였다. 본 연구개발을 통해 제작된 varifocal lens 및 polymer actuator는 응답시간 20 ms 이내, 구동전압 40 미만, 무한대에서부터 10 cm까지 접사 가능을 구현하였다.

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Figure 1. The focal length of the microlens varies along with the deformation of a transparent elastomer membrane under hydraulic pressure tailored by EAP actuators
 

Movie 2. Operation of multilayered electroactive polymer actuators and a varifocal lens developed in this study

 

 

 

 


인공 근섬유 구동기

아래 그림에 도시된 것과 같이 생체 근섬유 조직(skeletal muscle fiber structure)은 계층적 구조를 형성하고 있다. 근육기관은 여러 개의 다발(muscle bundle)로 이뤄지고, 이 다발은 하나 또는 둘 이상의 수축성을 갖는 근섬유(muscle fiber)로 구성된다. 근섬유는 근세포 또는 근육세포(muscle cell)로 불리기도 하며, 하나의 근섬유는 여러 개의 근원섬유(myofibril)로 구성된다. 하지만, 근섬유 다발로 구성되어 있는 실제 생체근육과 현재까지 개발된 EAP를 이용한 인공근육 사이에는 많은 차이가 있다. 최근에는 Thermal Drawing 방법을 이용하여 다양한 기능성 섬유의 개발에 대한 가능성이 대두되고 있다. 예로서, 기능성 고분자와 전도성 고분자 전극소재를 함께 넣고 Thermal Drawing 하면 섬유형태의 다양한 감지기를 만들 수 있다. 한편, 전극소재와 변형이 큰 생체근육을 모사할 수 있는 EAP 소재를 함께 Thermal Drawing하여 섬유형태의 구동기를 제작한다면, 진정한 의미의 근섬유 조직을 모방한 인공근섬유 구동기를 만들 수 있게 된다. 하지만, 인공근섬유 구동기의 구동전압이 높으면 구동회로가 커져서 공간의 제약을 받는 응용분야에 적합하지 않으며, 생체역학에 응용 시에도 제한사항으로 작용하게 된다. 이를 극복하기 위해 Multiple Thermal Drawing 방법을 이용하여 섬유 구동기를 제작한다면, 구동전압이 매우 낮은 인공근섬유 구동기 다발의 제작이 가능해 짐을 알 수 있다.

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Figure 2. 생체 근섬유 조직(skeletal muscle fiber structure)의 해부도 (http://www.britannica.com/science/skeletal-muscle).


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