KR101198073B1 - Ionic polymer composite and methode thereof - Google Patents

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Abstract

이온성 고분자 복합체는 이온성 고분자막, 및 외부 전압을 이온성 고분자막에 전달하기 위하여, 이온성 고분자막의 양면에 형성되는 탄소나노튜브-그라핀 합성물질을 포함하는 전극층을 포함한다. 이에, 전극층에 전압 인가 시 이온성 고분자막은 굽힘 변형이 일어난다.The ionic polymer composite includes an ionic polymer membrane and an electrode layer including a carbon nanotube-graphene composite material formed on both sides of the ionic polymer membrane to transfer an external voltage to the ionic polymer membrane. Thus, when the voltage is applied to the electrode layer, the ionic polymer membrane is bent deformation.

Description

이온성 고분자 복합체 및 그 제조방법{IONIC POLYMER COMPOSITE AND METHODE THEREOF}Ionic polymer composite and its manufacturing method {IONIC POLYMER COMPOSITE AND METHODE THEREOF}

본 발명은 이온성 고분자 복합체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 자세하게는, 구동기 및 센서로 활용 가능한 이온성 고분자 복합체 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an ionic polymer composite and a method for manufacturing the same, and more particularly, to an ionic polymer composite and a method for manufacturing the same that can be used as a driver and a sensor.

이온성 고분자 금속 복합체(ionic polymer metal composite, IPMC)는 유망한 전기활성고분자(Electroactive polymer, EAP) 중 하나이다.Ionic polymer metal composite (IPMC) is one of the promising electroactive polymers (EAPs).

도 1은 종래의 이온성 고분자 금속 복합체의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 종래의 이온성 고분자 금속 복합체는 금속 전극들(12, 14)과 불소로 치환된 이온성 고분자 막(10)의 복합물로서 일례로 나피온(Nafion, DuPont사) 막 및 나피온 막의 양면에 배치된 백금 전극을 구비한다.1 is a view schematically showing the structure of a conventional ionic polymer metal composite. As shown in FIG. 1, the conventional ionic polymer metal composite is a composite of metal electrodes 12 and 14 and an ionic polymer membrane 10 substituted with fluorine, for example, a Nafion (Nafion, DuPont) membrane and Platinum electrodes are provided on both sides of the Nafion membrane.

도 2는 종래의 이온성 고분자 금속 복합체의 액추에이션 메커니즘을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 2의 (a)는 전압 인가전의 상태를 나타내고, 도 2의 (b)는 전압 인가 후의 이온성 고분자 금속 복합체의 상태를 나타내고 있다. 이온성 고분자 금속 복합체의 굽힘 변형(bending) 메커니즘은 전기-삼투(electro-osmosis) 현상과 관련된다. 나피온과 같은 이온성 고분자 막(110)은 물과 같은 수용액 내에서는 팽창하고 친수성을 가진다. 따라서 금속 전극들(12, 14) 사이의 이온성 고분자 막(10)은 많은 양의 극성 용매(예를 들면 물)를 흡수할 수 있다. 금속 전극들(12, 14) 사이에 전압이 인가되면 이온성 고분자 막(10) 내부에서 양이온(16)이 물 분자(18)와 함께 금속 전극들(12, 14) 중 음극(cathode) 쪽으로 이동하게 된다. 따라서 물 분자(18)의 증가에 의해 음극 근처의 이온성 고분자 막(10)의 부피가 팽창하고, 물 분자(18)의 감소에 의해 금속 전극들(12, 14) 중 양극(anode) 근처의 이온성 고분자 막(10)의 수축이 일어나게 되어 결국 이온성 고분자 막(10)이 양극 쪽으로 구부러지게 된다.2 is a view schematically showing an actuation mechanism of a conventional ionic polymer metal composite. Fig. 2A shows the state before voltage application, and Fig. 2B shows the state of the ionic polymer metal composite after voltage application. The bending bending mechanism of the ionic polymer metal composite is associated with the phenomenon of electro-osmosis. The ionic polymer membrane 110 such as Nafion expands and has hydrophilicity in an aqueous solution such as water. Thus, the ionic polymer membrane 10 between the metal electrodes 12, 14 can absorb a large amount of polar solvent (eg water). When a voltage is applied between the metal electrodes 12 and 14, the cation 16 moves together with the water molecules 18 toward the cathode of the metal electrodes 12 and 14 in the ionic polymer membrane 10. Done. Therefore, the volume of the ionic polymer membrane 10 near the cathode expands due to the increase in the water molecules 18, and the volume of the ionic polymer membrane 10 near the cathode decreases due to the decrease in the water molecules 18. Shrinkage of the ionic polymer membrane 10 occurs and eventually the ionic polymer membrane 10 is bent toward the anode.

이온성 고분자 금속 복합체는 저전압 구동이 가능하고 동작 시 열이나 전자기파 등이 발생하지 않으므로, 소프트 로보틱 액추에이터, 인공 근육 및 다이나믹 센서를 제작하는 데 이용될 수 있으며, 이에 대해 활발한 연구가 진행되고 있다.Since the ionic polymer metal composite is capable of low voltage driving and does not generate heat or electromagnetic waves during operation, it may be used to fabricate soft robotic actuators, artificial muscles, and dynamic sensors, and active research is being conducted.

다만, 상술한 바와 같이 이온성 고분자 금속 복합체는 이온성 고분자 막(10)에 전기장을 유도하기 위해 금속 전극들(12, 14)을 양단에 제공하는데, 그 성능 및 효과를 높이기 위해 주로 표면저항이 작은 백금(platinum)을 사용하여 제작한다. 여기서 무전해 도금법이라는 화학적 방법을 통해 금속 전극들(12, 14)을 제공하는데, 도금을 하기 위해 분말형태의 정제된 백금이 요구된다. 하지만 분말형태로 금속 전극들(12, 14)이 이루어져 반복적인 굽힘 변형에 의해서 금속 전극들(12, 14)에 균열이 발생하는 등 기계적 성질이 취약할 수 밖에 없고 정제된 분말 형태 백금의 가격 또한 상당히 높아 그 응용의 한계가 있는 것이 주지의 사실이다.However, as described above, the ionic polymer metal composite provides metal electrodes 12 and 14 at both ends thereof to induce an electric field in the ionic polymer membrane 10. In order to increase the performance and effect, surface resistance is mainly increased. Made from small platinum. Here, the metal electrodes 12 and 14 are provided through a chemical method called an electroless plating method, and powdered purified platinum is required for plating. However, since the metal electrodes 12 and 14 are formed in powder form and cracks are generated in the metal electrodes 12 and 14 due to repeated bending deformation, the mechanical properties of the metal powders 12 and 14 are weak. It is well known that there is a limit to its application, which is quite high.

본 발명은 종래에 이온성 고분자막에 형성되는 고가의 백금 전극층을 대신하여 비교적 저가의 전극층을 포함하는 이온성 고분자 복합체 및 그 제조방법을 제공한다.The present invention provides an ionic polymer composite including a relatively inexpensive electrode layer in place of an expensive platinum electrode layer formed on an ionic polymer membrane and a method of manufacturing the same.

본 발명은 금속 분말 형태로 전극층을 형성하여 반복적인 굽힘 변형에 의해서 균열이 발생하는 것을 최소화할 수 있도록, 구동 방향에 대한 기계적 강성 및 반복성을 향상시킬 수 있는 이온성 고분자 복합체 및 그 제조방법을 제공한다. The present invention provides an ionic polymer composite and a method of manufacturing the same to improve the mechanical stiffness and repeatability in the driving direction to minimize the occurrence of cracks by repeated bending deformation by forming the electrode layer in the form of metal powder do.

본 발명은 전도도가 뛰어나 반응속도가 빠르면서 높은 변위 이동이 용이한 이온성 고분자 복합체 및 그 제조방법을 제공한다.The present invention provides an ionic polymer composite excellent in conductivity and fast in displacement and easy to move, and a method of manufacturing the same.

상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 예시적인 일 실시예에 따르면, 이온성 고분자 복합체는 이온성 고분자막, 및 외부 전압을 이온성 고분자막에 전달하기 위하여, 이온성 고분자막의 양면에 형성되는 탄소나노튜브-그라핀 합성물질을 포함하는 전극층을 포함한다. 이에, 전극층에 전압 인가 시 이온성 고분자막은 굽힘 변형이 일어난다. According to one exemplary embodiment of the present invention for achieving the above object of the present invention, the ionic polymer composite is formed on both sides of the ionic polymer membrane, and the ionic polymer membrane, in order to transfer the external voltage to the ionic polymer membrane An electrode layer comprising a carbon nanotube-graphene composite material. Thus, when the voltage is applied to the electrode layer, the ionic polymer membrane is bent deformation.

종래에 고가의 백금을 이용한 전극층을 대신하여, 비교적 저가의 탄소나노튜브-그라핀 합성물질을 포함하는 전극층 사용함으로써, 이온성 고분자 복합체의 제조 단가를 낮출 수 있다. In place of the conventional electrode layer using expensive platinum, by using an electrode layer containing a relatively inexpensive carbon nanotube-graphene composite material, it is possible to reduce the manufacturing cost of the ionic polymer composite.

특히, 그라핀(grapheme) 즉, 흑연 단일층은 탄소가 육각형의 형태로 서로 연결된 벌집 모양의 2차원 평면 구조를 이루는 물질로서, 그라핀은 눈으로 볼 수 없을 만큼 얇고 투명하며, 화학적으로 안정성이 높은 탄소로 구성되어있어 반도체에 사용하는 실리콘보다 전기 전도성이 100배에 이를 정도로 전기 전도성이 뛰어나다. 또한, 탄소나노튜브(carbon nanotube)의 전기 전도는 구리에 비해 월등히 높으면서, 강도는 같은 굵기의 강철보다 100배나 뛰어나는 등 우수한 특성을 나타내고 있다. 따라서, 탄소나노튜브 및 그라핀의 합성물질을 이용한 전극층은 종래에 백금을 이용한 전극층과 비교할 때, 전기 전도도 측면에서 전혀 뒤지지 않다. In particular, graphene, or graphite monolayer, is a material that forms a honeycomb two-dimensional planar structure in which carbon is connected to each other in a hexagonal shape, and graphene is thin and transparent, and chemically stable. Its high carbon makes it 100 times more electrically conductive than silicon used in semiconductors. In addition, the electrical conductivity of the carbon nanotube (carbon nanotube) is significantly higher than that of copper, the strength is excellent properties such as 100 times better than steel of the same thickness. Therefore, the electrode layer using the composite material of carbon nanotubes and graphene is inferior in terms of electrical conductivity as compared with the electrode layer using conventional platinum.

더욱이 종래에 백금을 이용한 전극층은 분말형태의 백금을 무전해 도금법을 통해서 이온성 고분자막 상에 형성함으로써, 반복적인 굽힘 변형에 의해서 전극층에 균열이 발생하는 등 기계적 성질이 취약하였으나, 본 발명에 따른 전극층은 탄소나노튜브 및 그라핀이 거미줄 혹은 그물과 같은 형태로 얽혀있어서 반복적인 굽힘 변형에 의해서 쉽게 균열이 발생하지 않으며, 전극층 일부에 균열이 발생하더라도 전기적인 연결을 유지할 수 있다. 따라서, 굽힘 변형 시에 발생하는 균열로 인한 표면 저항의 증가가 미미하며, 결국 이온성 고분자 복합체의 구동력이나 구동변위를 일정한 수준으로 유지하는데 유리하다.Further, in the conventional electrode layer using platinum, by forming the platinum in powder form on the ionic polymer membrane through the electroless plating method, mechanical properties such as cracking in the electrode layer due to repeated bending deformation, but weak in the electrode layer according to the present invention Silver carbon nanotubes and graphene are entangled in the form of spider webs or nets, so that cracks do not easily occur due to repeated bending deformation, and electrical connections may be maintained even if cracks occur in a part of the electrode layer. Therefore, the increase in the surface resistance due to cracks generated during bending deformation is insignificant, which is advantageous to maintain the driving force or driving displacement of the ionic polymer composite at a constant level.

이온성 고분자막으로는 이온성 기를 가지는 불화탄소계 고분자 또는 이온성 기를 가지는 스티렌/디비닐벤젠계 고분자를 사용할 수 있다.As the ionic polymer membrane, a fluorocarbon polymer having an ionic group or a styrene / divinylbenzene polymer having an ionic group can be used.

또한, 전극층 상에 형성되는 코팅층을 더 제공할 수 있으며, 코팅층은 이온성 고분자 복합체가 굽힘 변형이 일어나는 경우에, 이온성 고분자막 내의 용매 및 전해질이 외부로 누출되는 현상을 방지할 수 있다. In addition, a coating layer formed on the electrode layer may be further provided, and the coating layer may prevent the solvent and electrolyte in the ionic polymer membrane from leaking to the outside when the ionic polymer composite is bent and deformed.

또한, 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따르면, 이온성 고분자 복합체의 제조방법은, 이온성 고분자막을 제공하는 단계, 및 이온성 고분자막의 양 표면에 탄소나노튜브-그라핀 합성물질을 이용하여 전극층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. In addition, according to another exemplary embodiment of the present invention for achieving the objects of the present invention, the method for producing an ionic polymer composite, comprising the steps of providing an ionic polymer membrane, and on both surfaces of the ionic polymer membrane It may include the step of forming an electrode layer using a graphene composite material.

전극층을 형성하는 단계는, 탄소나노튜브, 그라핀, 및 용매인 에탄올을 혼합하여, 용액 상태의 탄소나노튜브-그라핀 용액을 이온성 고분자막 상에 제공하고, 베이킹하여 전극층을 제공할 수 있다.In the forming of the electrode layer, carbon nanotubes, graphene, and ethanol as a solvent may be mixed to provide a carbon nanotube-graphene solution in a solution state on the ionic polymer membrane, and then baked to provide an electrode layer.

본 발명의 이온성 고분자 복합체의 전극층으로 탄소나노튜브 및 그라핀 합성물을 사용함으로써, 종래의 고가의 백금을 사용하는 경우와 비교할 때, 이온성 고분자 복합체의 제조단가를 낮출 수 있다. By using carbon nanotubes and graphene composites as electrode layers of the ionic polymer composite of the present invention, the manufacturing cost of the ionic polymer composite can be lowered as compared with the case of using conventional expensive platinum.

본 발명의 이온성 고분자 복합체의 전극층을 구성하는 탄소나노튜브 및 그라핀이 거미줄 혹은 그물과 같은 형태로 얽혀있어서 반복적인 굽힘 변형에 의해서 쉽게 균열이 발생하지 않으며, 전극층 일부에 균열이 발생하더라도 전기적인 연결을 유지할 수 있다. 따라서, 굽힘 변형 시에 발생하는 균열로 인한 표면 저항의 증가가 미미하며, 결국 이온성 고분자 복합체의 구동력이나 구동변위를 일정한 수준으로 유지하는데 유리하다.The carbon nanotubes and graphene constituting the electrode layer of the ionic polymer composite of the present invention are entangled in the form of spider webs or nets, so that cracks do not easily occur due to repeated bending deformation. You can stay connected. Therefore, the increase in the surface resistance due to cracks generated during bending deformation is insignificant, which is advantageous to maintain the driving force or driving displacement of the ionic polymer composite at a constant level.

본 발명의 이온성 고분자 복합체는 전극층 상에 별도의 코팅층을 제공함으로써, 굽힘 변형 시에 이온성 고분자막 내의 용매 및 전해질이 외부로 누출되는 현상을 방지할 수 있으며, 이에 이온성 고분자 복합체의 구동력이나 구동변위를 지속적으로 유지할 수 있다.By providing a separate coating layer on the electrode layer, the ionic polymer composite of the present invention can prevent the solvent and electrolyte in the ionic polymer membrane from leaking to the outside during bending deformation, thereby driving or driving the ionic polymer composite The displacement can be maintained continuously.

도 1은 종래의 이온성 고분자 금속 복합체의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 종래의 이온성 고분자 금속 복합체의 액추에이션 메커니즘을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이온성 고분자 복합체의 단면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 이온성 고분자 복합체의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.1 is a view schematically showing the structure of a conventional ionic polymer metal composite.
2 is a view schematically showing an actuation mechanism of a conventional ionic polymer metal composite.
3 is a cross-sectional view of the ionic polymer composite according to one embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a flowchart illustrating a method of manufacturing the ionic polymer composite shown in FIG. 3.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭할 수 있고, 당업자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments. For reference, in the present description, the same numbers may refer to substantially the same elements, and descriptions repeated or deemed apparent to those skilled in the art may be omitted.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이온성 고분자 복합체를 설명하기 위한 단면도이다. 3 is a cross-sectional view illustrating an ionic polymer composite according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 이온성 고분자 복합체(100)는 이온성 고분자막(110), 및 이온성 고분자막(110)을 사이에 두고 서로 대향되는 전극층(120)을 포함한다. Referring to FIG. 3, the ionic polymer composite 100 includes an ionic polymer membrane 110 and an electrode layer 120 facing each other with the ionic polymer membrane 110 interposed therebetween.

이온성 고분자막(110)은 이온 교환 능력을 가지고 있는 고분자 물질을 포함할 수 있으며, 이온 교환 능력을 가지는 고분자 물질은 일례로서, 이온성 기를 포함하는 불화탄소계 고분자 또는 이온성 기를 포함하는 스티렌/디비닐벤젠계 고분자를 포함할 수 있다. 고분자 주쇄에 매달린 측기(side group)는 SO3- 또는 COO-와 같은 이온성 말단기를 가질 수 있다. 고분자 골격은 기계적인 힘을 결정하며, 친수성인 측기는 물과 상호작용하는 이온성 기를 제공하고 적당한 이온의 통로를 제공한다. 불화탄소계 고분자의 예로서, 나피온(Nafion, Dupont사)과 같은 퍼플루오로술폰산(perfluorosulfonic acid) 고분자 또는 플레미온(Flemion, Asahi Glass사)과 같은 퍼플루오로카복실산 고분자가 사용될 수 있다. 상술한 바와 같이 이온성 고분자막(110)은 두 전극층(120) 사이에 전압 인가 시 굽힘 변형이 일어날 수 있다.The ionic polymer membrane 110 may include a polymer material having ion exchange capability, and the polymer material having ion exchange capability may be, for example, a fluorocarbon polymer having an ionic group or a styrene / di containing an ionic group. It may include a vinylbenzene-based polymer. Instrumental (side group) pendant to the polymer main chain is SO3 - may have an ionic end group such as - or COO. The polymer backbone determines the mechanical force, while hydrophilic side groups provide ionic groups that interact with water and provide a suitable channel of ions. As an example of the fluorocarbon polymer, a perfluorosulfonic acid polymer such as Nafion (Dupont) or a perfluorocarboxylic acid polymer such as Flemion (Asahi Glass) may be used. As described above, in the ionic polymer membrane 110, bending deformation may occur when a voltage is applied between the two electrode layers 120.

전극층(120)은 고가의 백금과 비교할 때, 비교적 저가의 탄소나노튜브-그라핀 합성물질을 이용함으로써, 이온성 고분자 복합체의 제조 단가를 낮출 수 있다. Compared with expensive platinum, the electrode layer 120 can lower the manufacturing cost of the ionic polymer composite by using a relatively inexpensive carbon nanotube-graphene composite material.

또한, 전극층(120)의 내부 구조는 마치 탄소나노튜브(122) 및 그라핀(124)이 거미줄 혹은 그물과 같은 형태로 얽혀있어서 반복적인 굽힘 변형에 의해서 쉽게 균열이 발생하지 않으며, 혹시 전극층 일부에 균열이 발생하더라도 전기적인 연결을 유지할 수 있다. 따라서, 굽힘 변형 시에 발생하는 균열로 인한 표면 저항의 증가가 미미하며, 결국 이온성 고분자 복합체의 구동력이나 구동변위를 일정한 수준으로 유지하는데 유리하다.In addition, the internal structure of the electrode layer 120 is as if the carbon nanotubes 122 and the graphene 124 are entangled in the form of a spider web or a net, so that cracks do not easily occur due to repeated bending deformation. Even if a crack occurs, the electrical connection can be maintained. Therefore, the increase in the surface resistance due to cracks generated during bending deformation is insignificant, which is advantageous to maintain the driving force or driving displacement of the ionic polymer composite at a constant level.

이하, 도 3에 도시된 이온성 고분자 복합체(100)의 제조방법에 대해서 설명한다. Hereinafter, a method of manufacturing the ionic polymer composite 100 shown in FIG. 3 will be described.

먼저, 상술한 바와 같은 이온성 고분자막(110)을 마련(S210)하고, 이온성 고분자막(110)의 양 표면에 탄소나노튜브-그라핀 합성물질을 이용하여 전극층(120)을 형성(S220)함으로써, 이온성 고분자 복합체(100)를 제공할 수 있다.First, by preparing the ionic polymer membrane 110 as described above (S210), by forming the electrode layer 120 on both surfaces of the ionic polymer membrane 110 using carbon nanotube-graphene composite material (S220) , An ionic polymer composite 100 can be provided.

여기서, 전극층(120)은 탄소나노튜브, 그라핀, 및 용매인 에탄올을 혼합하여, 용액 상태의 탄소나노튜브-그라핀 용액을 이온성 고분자막 상에 제공하고, 오븐에서 베이킹하여 제공할 수 있다. Here, the electrode layer 120 may be mixed with carbon nanotubes, graphene, and ethanol which is a solvent to provide a carbon nanotube-graphene solution in a solution state on the ionic polymer membrane and bake in an oven.

본 실시예에서 그라핀은 대략 20㎛ 정도 두께의 흑연(graphite)을 산화시켜, 산화 흑연(graphite-oxide)를 합성한 후에, 초음파 분쇄기를 사용하여 복층의 산화 흑연을 층분리하고, 한 층의 산화 흑연을 다시 환원시켜 단층의 그라핀을 합성할 수 있다. 물론, 그라핀은 이미 널리 이용되는 다른 방법을 이용하여 합성할 수도 있으며, 예를 들면, SiC 의 표면에 있는 Si를 승화시켜서 표면에 남아있는 탄소원자들이 흑연 단일층을 형성하도록 하는 에피택시얼 성장(epitaxial growth) 방법 및 흑연 화합물의 화학적 박리작용을 이용하는 방법 등을 이용할 수도 있다. In this embodiment, graphene oxidizes graphite having a thickness of about 20 μm, synthesizes graphite oxide, and then separates multiple layers of graphite oxide using an ultrasonic mill, Graphite oxide can be reduced again to synthesize single layer graphene. Of course, graphene can also be synthesized using other methods already widely used, for example epitaxial growth in which sublimation of Si on the surface of SiC causes the remaining carbon atoms to form a graphite monolayer. (epitaxial growth) method and the method using the chemical exfoliation action of the graphite compound may be used.

상술한 바와 같이 마련한 그라핀을 탄소나노튜브와 함께 CMC(carboxyl methyl cellulose)와 순수한 물(DeIonized Water)과 혼합하여, 액상의 탄소나노튜브-그라핀 용액을 합성한다. 구체적으로, 앞서 마련한 그라핀과 탄소나노튜브를 에탄올과 1시간 동안 잘 섞어 혼합하고, CMC 및 순수한 물을 따로 1시간 동안 잘 섞어 혼합한 후에, 두 혼합물을 다시 10시간 동안 잘 섞어 혼합하여 탄소나노튜브-그라핀 용액을 합성한다.The graphene prepared as described above is mixed with CMC (carboxyl methyl cellulose) and pure water (DeIonized Water) together with carbon nanotubes to synthesize a liquid carbon nanotube-graphene solution. Specifically, the graphene and carbon nanotubes prepared above are mixed well with ethanol for 1 hour, mixed with CMC and pure water separately for 1 hour, and then the two mixtures are mixed again for 10 hours and mixed with carbon nano Synthesize tube-graphene solution.

이렇게 마련한 탄소나노튜브-그라핀 용액을 이온성 고분자막 상에 제공하고, 오븐에서 베이킹하여 전극층(120)을 제공한다. The carbon nanotube-graphene solution thus prepared is provided on the ionic polymer membrane and baked in an oven to provide the electrode layer 120.

경우에 따라서 탄소나노튜브는 에탄올(ethanol), CMC와 같은 점도 향상제, 및 순수한 물을 혼합하여 슬러리(slurry) 상태로 제공할 수도 있다. 이때, 에탄올과 탄소나노튜브를 따로 1시간 동안 잘 섞어 혼합하고, CMC 및 순수한 물을 따로 1시간 동안 잘 섞어 혼합한 후에, 두 혼합물을 다시 10시간 동안 잘 섞어 혼합하여, 탄소나노튜브 슬러리를 마련할 수 있다.In some cases, carbon nanotubes may be provided as a slurry by mixing ethanol, a viscosity enhancer such as CMC, and pure water. At this time, ethanol and carbon nanotubes are mixed well for 1 hour, mixed with CMC and pure water for 1 hour and mixed well, and then the mixtures are mixed again for 10 hours to prepare a carbon nanotube slurry. can do.

전극층(120)을 형성한 후에는 나피온에 존재하는 수소 이온(H+)을 나트륨 혹은 리튬과 같은 양이온으로 치환하는 이온 치환 과정(S230)을 더 거칠 수 있다.After the electrode layer 120 is formed, an ion substitution process (S230) of replacing hydrogen ions (H + ) present in Nafion with a cation such as sodium or lithium may be further performed.

이후 형성된 이온성 고분자 복합체(100)는 사용 용도에 따라 다양한 용매로 치환하는 과정(S240)이 도입될 수 있다. 생체에 사용될 이온성 고분자 복합체의 경우 이미 수소 이온을 양이온으로 치환하는 이온 치환 과정에서 물이 치환되어 있기 때문에 별다른 치환 과정은 필요하지 않다.Thereafter, the formed ionic polymer composite 100 may be introduced with a process (S240) substituted with various solvents depending on the intended use. In the case of the ionic polymer composite to be used in the living body, since the water is substituted in the ion substitution process of replacing the hydrogen ions with cations, no special substitution process is necessary.

다만, 이온성 고분자 복합체(100)가 0℃ 이하나 100℃이상의 온도에서 사용되는 경우, 어는점이 물보다 낮고 끓는점이 물보다 높은 프로필렌 카보네이트와 같은 극성용매를 치환하는 과정이 필요하다. 뿐만 아니라, 끓는점이 관찰되지 않을 정도로 고온에 안정적이며, 1.5V이상의 전압을 사용하여 고분자 구동기를 작동해야 하는 상황에서는 전기분해에 안정적인 이온성 액체(예를 들면, 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 트리플루오로메탄술포네이트, EMIM-TfO)의 치환 과정이 필요하다. 구체적으로, 이온성 액체의 치환 과정은, 먼저, 물이 치환된 이온성 고분자 복합체를 진공 상태에서 건조시켜 물을 제거하고, 가열하면서 이온성 고분자 복합체를 치환용매에서 팽창시킨다. 그 후에, 용매가 치환된 이온성 고분자 복합체를 진공상태에서 건조시켜 이루어진다.However, when the ionic polymer composite 100 is used at a temperature of 0 ° C. or lower or 100 ° C. or higher, a process of substituting a polar solvent such as propylene carbonate having a freezing point lower than water and a higher boiling point than water is necessary. In addition, ionic liquids (eg, 1-ethyl-3-methylimide) are stable at high temperatures such that no boiling point is observed and are stable to electrolysis when the polymer actuator must be operated using a voltage of 1.5 V or higher. Substitution process of Zolium trifluoromethanesulfonate, EMIM-TfO) is required. Specifically, in the process of replacing the ionic liquid, first, the ionic polymer composite substituted with water is dried in a vacuum to remove water, and the ionic polymer composite is expanded in the substitution solvent while heating. Thereafter, the solvent-substituted ionic polymer composite is dried in a vacuum.

또한, 이온성 고분자 복합체(100)에는 전극층(120)의 표면에 코팅층(130)을 더 형성(S250)할 수도 있으며, 코팅층(130)은 폴리우레탄 또는 실리콘 등을 이용하여 형성할 수 있다. 코팅층(130)의 두께는 이온성 고분자 복합체의 굽힘 변형에 영향을 주지 않을 정도로 얇게 예를 들면 10 내지 20㎛의 범위 내에서 형성될 수 있다. 코팅층은 이온성 고분자 복합체의 굽힘 변형 시에 양이온과 용매에 의해 발생되는 내부 압력을 견디지 못하여 용매가 유출되어 내구성이 저하되는 문제를 방지할 수 있으며, 코팅층은 딥코팅(dip-coating)과 같은 일반적인 방법을 사용하여 형성될 수 있다.In addition, the ionic polymer composite 100 may further form a coating layer 130 on the surface of the electrode layer 120 (S250), the coating layer 130 may be formed using a polyurethane or silicon. The thickness of the coating layer 130 may be formed to be thin, for example within the range of 10 to 20㎛ so as not to affect the bending deformation of the ionic polymer composite. The coating layer does not withstand the internal pressure generated by the cation and the solvent during bending deformation of the ionic polymer composite, thereby preventing the solvent from leaking and deteriorating durability, and the coating layer is a general method such as dip-coating. It can be formed using the method.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.As described above, although described with reference to the preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art various modifications and variations of the present invention without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims below I can understand that you can.

100：이온성 고분자 복합체 110：이온성 고분자막
120：전극층 122：탄소나노튜브
124：그라핀 130：코팅층100: ionic polymer composite 110: ionic polymer membrane
120: electrode layer 122: carbon nanotubes
124 ： graphene 130 ： coating layer

Claims (9)

이온성 고분자막; 및
외부 전압을 상기 이온성 고분자막에 전달하기 위하여, 상기 이온성 고분자막을 사이에 두고 서로 대향하는 상기 이온성 고분자막의 양면에 각각 전기적으로 분리되게 형성되는 탄소나노튜브-그라핀 합성물질로 이루어진 전극층;
을 포함하며, 상기 전극층에 전압 인가 시 상기 이온성 고분자막은 굽힘 변형이 일어나며, 상기 전극층은 탄소나노튜브 및 그라핀을 에탄올을 용매로하여 형성된 용액 상태의 탄소나노튜브-그라핀 용액을 상기 이온성 고분자막 표면에 제공하고, 베이킹하여 제공되는 것을 특징으로 하는 이온성 고분자 복합체.Ionic polymer membranes; And
An electrode layer made of a carbon nanotube-graphene composite material formed to be electrically separated on both surfaces of the ionic polymer membrane facing each other with the ionic polymer membrane interposed therebetween so as to transfer an external voltage to the ionic polymer membrane;
Wherein the ionic polymer membrane is bent and deformed when a voltage is applied to the electrode layer, and the electrode layer is a carbon nanotube-graphene solution in a solution state formed by using carbon nanotubes and graphene as ethanol as the solvent. It is provided on the surface of the polymer membrane, the ionic polymer composite characterized in that it is provided by baking. 제1항에 있어서,
상기 이온성 고분자막은 이온성 기를 가지는 불화탄소계 고분자 또는 이온성 기를 가지는 스티렌/디비닐벤젠계 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온성 고분자 복합체. The method of claim 1,
The ionic polymer membrane is an ionic polymer composite comprising a fluorocarbon polymer having an ionic group or a styrene / divinylbenzene polymer having an ionic group. 제1항에 있어서,
상기 전극층 상에 형성되는 코팅층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온성 고분자 복합체. The method of claim 1,
An ionic polymer composite further comprising a coating layer formed on the electrode layer. 이온성 고분자막을 제공하는 단계; 및
상기 이온성 고분자막을 사이에 두고 서로 대향하는 상기 이온성 고분자막의 양 표면에 각각 전기적으로 분리되게 탄소나노튜브-그라핀 합성물질을 이용하여 전극층을 형성하는 단계;
를 포함하되, 상기 전극층은 탄소나노튜브 및 그라핀을 에탄올을 용매로하여 형성된 용액 상태의 탄소나노튜브-그라핀 용액을 상기 이온성 고분자막 표면에 제공하고, 베이킹하여 제공되는 것을 특징으로 하는 이온성 고분자 복합체의 제조방법. Providing an ionic polymer membrane; And
Forming an electrode layer using a carbon nanotube-graphene composite material to be electrically separated from both surfaces of the ionic polymer membrane facing each other with the ionic polymer membrane interposed therebetween;
Including, wherein the electrode layer is provided by carbon nanotube and graphene solution in a solution state formed by using ethanol as the carbon nanotube and the graphene solution on the surface of the ionic polymer membrane, and provided by baking Method for producing a polymer composite. 제4항에 있어서,
상기 이온성 고분자막으로써 이온성 기를 가지는 불화탄소계 고분자 또는 이온성 기를 가지는 스티렌/디비닐벤젠계 고분자를 이용하는 것을 특징으로 하는 이온성 고분자 복합체의 제조방법.5. The method of claim 4,
Method for producing an ionic polymer composite, characterized in that for the ionic polymer membrane using a fluorocarbon polymer having an ionic group or a styrene / divinylbenzene polymer having an ionic group. 제4항에 있어서,
상기 전극층 상에 코팅층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온성 고분자 복합체의 제조방법. 5. The method of claim 4,
Method for producing an ionic polymer composite, characterized in that it further comprises forming a coating layer on the electrode layer. 삭제delete 제4항에 있어서,
상기 탄소나노튜브-그라핀 합성물질 중 그라핀은, 흑연을 산화시키고, 초음파를 이용하여 한층의 산화된 흑연을 환원하여 제공하는 것을 특징으로 하는 이온성 고분자 복합체의 제조방법. 5. The method of claim 4,
Graphene in the carbon nanotube-graphene composite material, the method of producing an ionic polymer composite, characterized in that to oxidize the graphite, reducing and providing a further oxidized graphite using ultrasonic waves. 제4항에 있어서,
상기 전극층을 형성한 후,
상기 이온성 고분자막 내의 수소 이온을 양이온으로 치환하는 이온 치환 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온성 고분자 복합체의 제조방법.5. The method of claim 4,
After forming the electrode layer,
Method for producing an ionic polymer composite, characterized in that it further comprises an ion substitution step of replacing the hydrogen ions in the ionic polymer membrane with a cation.
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