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Polymer(Korea), Vol.33, No.4, 377-383, July, 2009
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나피온-알루미나 복합막을 사용한 이온성 폴리머-금속 복합체 작동기의 제작 및 성능 평가
Preparation and Actuation Performance of Ionic Polymer-Metal Composite Actuators Based on Nafion-Alumina Composite Membranes
이장우, 김우성, 유영태†
  • 건국대학교 공과대학 신소재공학과, 인공근육센터
Jang-Woo Lee, Woo-Sung Kim, and Young Tai Yoo†
  • Department of Materials Chemistry and Engineering, Artificial Muscle Research Center, Konkuk University, 1 Hwayang-dong, Gwangjin-gu, Seoul 143-701, Korea
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초록
전기활성 고분자 중의 하나인 이온성 폴리머-금속 복합체(ionic polymer-metal composites, IPMC) 작동기는 전압 인가 시 고분자전해질 내부에 존재하는 양이온과 물이 음극 방향으로 이동하면서 변위를 발생시킨다. 이러한 IPMC의 전해질은 높은 보습력, 프로톤 전도도 및 기계적 강도를 지녀야 하며, 이를 위해 본 연구에서는 IPMC의 고분자전해질인 나피온 층에 α-, γ-알루미나를 4∼8 wt%의 함량으로 도입하여 나피온-알루미나 복합막을 제조하고 그 특성을 확인하였다. 알루미나의 함량이 증가함에 따라, 나피온 복합막의 프로톤 전도도는 조금씩 감소하는 경향을 보였으며, α-알루미나에 비해 γ-알루미나를 첨가하였을 때 전도도 감소가 더욱 컸다. 나피온-알루미나 복합막의 기계적 모듈러스는 37.16 MPa인 순수 나피온 막에 비해 모든 함량에서 7∼13 MPa 높았다. 또한 준비된 나피온-알루미나 복합막을 이용 하여 IPMC를 제작하였고 직류 3 V의 인가전압 하에서 작동성능을 평가하였다. 나피온-알루미나-IPMC, 특히 8 wt% 의 α-알루미나가 첨가된 IPMC는 기존 나피온-IPMC에 비해 작동변위는 2.7배 향상되었고 작동력 또한 크게 향상되었다. α-알루미나의 첨가에 따른 작동성능의 향상은 γ-알루미나가 첨가된 복합막에 비해 상대적으로 높은 α-알루미나 복합막의 양성자 전도도 그리고 잘 분산된 알루미나 입자 표면에 존재하는 다량의 수분에 의한 이온/물 이동의 용이성, 또한 순수 나피온 막에 비해 전해질 막과 백금전극 사이의 낮은 전기적 저항 때문인 것으로 결론지었다.
Ionic polymer-metal composite (IPMC) actuator generates bending actuation via ion/water flux to the cathode side under an electric field. Polyelectrolytes in IPMC should possess high waterretention capability, proton conductivity, and Young’s modulus. In this study, for endowing IPMCs with these properties, Nafion-alumina composite membranes containing α- or γ-aluminas of 4~8 wt% were prepared. Mechanical moduli of Nafion-alumina composite membranes were 7~13 MPa higher than that of Nafion, with the slight decrease in proton conductivity. At DC 3 V, the actuation performance of the Nafion-α-alumina (8 wt%)-IPMC was superior to that of the typical Nafion-IPMC, exhibiting 2.7 times the displacement with an enhanced blocking force. The enhanced actuation performance with the Nafion-α-alumina composite membranes was attributed to the higher proton conductivity, the elevated ion/water flux, and the lower interfacial electric resistance of platinum electrodes and membrane, compared with those containing γ-alumina.
Keywords:ionic polymer-metal composite;actuators;alumina;Nafion.
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