KR102140367B1 - 이온성고분자 GO-AgNWs 나노복합체 전극 제조방법 - Google Patents

Abstract

본발명은 이온성고분자 GO-AgNWs 나노복합체 전극 제조방법에 관한 것으로, 산화 그래핀 용액과 은 나노와이어 용액을 섞어 복합 용액을 만든 후 복합 용액을 진공 여과 시스템을 이용하여 전극을 제작하는 것으로,
본발명은 전극의 제작공정 및 제작된 전극을 이온성고분자에 부착하는 hot press 공정이 간단하고 짧으며 또한 IPMCs에 적용하기에 용이하며 전기전도도 또한 향상되는 현저한 효과가 있다.

Description

이온성고분자 GO-AgNWs 나노복합체 전극 제조방법 { Manufacturing Method of Ionic polymer coated GO-AgNWs nano-composites electrode }

본 발명은 이온성 전기활성고분자(Electroactive polymers; EAPs)의 일종인 이온성고분자 GO-AgNWs 나노복합체(Ionic Polymer-Metal composites; IPMCs)의 전극 제조기술에 관한 것으로, 산화 그래핀과 은 나노와이어를 이용하여 이온성고분자 GO-AgNWs 나노복합체의 전극 제조기술에 관한 것이다.

일반적으로 이온성고분자-금속 중합체의 전극으로는 백금이 가장 널리 사용되지만 구동 중 전극에 균열이 생겨 구동 특성이 저하되고 공정이 복잡하여 오래 걸리는 문제점이 있다.

종래특허기술로서, 등록특허공보 등록번호 10-1373257호에는 종래 전극제조방법에 관하여 허머즈 방법(hummer's method)을 통해 시작물질인 그라파이트(graphite)로부터 합성한 산화 그라파이트를 생성하는 단계, 초음파 분쇄와 원심 분리를 이용하여 상기 산화 그라파이트로부터 산화 그래핀을 제공하는 단계, 진공 여과법을 이용하여 산화 그래핀 버키페이퍼(buckypaper)를 제조하는 단계, 상기 산화 그래핀 버키페이퍼를 환원시켜서 그래핀 버키페이퍼를 생성하는 단계, 상기 그래핀 버키페이퍼를 한쌍의 전극들로서 제공하는 단계, 및 상기 한 쌍의 전극들 사이에 이온성 고분자를 위치시키고 열압착하는 단계를 포함하며, 상기 그래핀 버키페이퍼를 생성하는 단계는, 아이오딘화수소(hydrogen iodide, HI)산과 하이드라진 및 수소화붕소나트륨 등의 환원제를 사용하거나 아르곤과 수소 등의 환원 가스 환경에서 500℃ 이상의 열처리를 통해 상기 산화 그래핀 버키페이퍼를 환원시키는 건식형이온성 고분자 작동기의 제조 방법이 공개되어 있다.

또한 등록특허공보 등록번호 10-1295671호에는 금속 나노입자의 전구물질인 유기 금속화합물을 합성하는 단계; 상기 유기 금속화합물과 고분자를 포함하는 혼합 용액을 제조하는 단계; 및 상기 혼합 용액을 건조시킨 후 열처리하여 금속 나노입자를 포함하는 고분자-금속나노복합체를 생성하는 단계를 포함하는 고분자-금속나노복합체의 제조방법이 공개되어 있다.

이온성고분자-금속 중합체는 원래 연료 전지로 개발되었으나, 1990년대 초반에 동작 감지 특성이 확인되면서 더 많은 관심을 받고 있다. 이온성고분자-금속 중합체는 간단한 구조(이온성 고분자의 양쪽에 전극이 있는 샌드위치 구조)를 가지고 낮은 전압(1~5 V)에서 구동이 가능하기 때문에 인공 근육이나 인공 장기 등에 적용하기 위한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다.

이온성고분자-금속 중합체는 구동 특성을 향상시키기 위해 전극과 이온성 고분자에 관한 연구가 진행되고 있으며 백금과 같은 금속계 전극이 가장 널리 이용되고 있으나 금속전극 제조를 위한 무전해 도금법과 같은 공정은 그 과정이 까다롭고 복잡하여 공정기간이 길다. 또한 구동 중 전극에 균열이 생겨 구동특성이 하락하는 문제가 있다. 이를 보완하기 위한 그래핀(Graphene), 산화 그래핀(Graphene oxide), 카본 나노튜브(Carbon nanotube)와 같은 탄소계 물질을 이용한 비금속계 전극은 무전해도금법에 비해 간단하게 진행이 가능하며 공정기간이 짧다. 하지만 비금속전극은 금속전극에 비해 전기전도도가 낮다는 문제가 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 본발명은 전극의 제작공정 및 제작된 전극을 이온성고분자에 부착하는 hot press 공정이 간단하고 짧으며 또한 IPMCs에 적용하기에 용이하며 전기전도도 또한 향상되는 이온성고분자 GO-AgNWs 나노복합체 전극 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

본발명은 이온성고분자 GO-AgNWs 나노복합체 전극 제조방법에 관한 것으로, 산화 그래핀 용액과 은 나노와이어 용액을 섞어 복합 용액을 만든 후 복합 용액을 진공 여과 시스템을 이용하여 전극을 제작하는 것을 특징으로 한다.

따라서 본발명은 전극의 제작공정 및 제작된 전극을 이온성고분자에 부착하는 hot press 공정이 간단하고 짧으며 또한 IPMCs에 적용하기에 용이하며 전기전도도 또한 향상되는 현저한 효과가 있다.

도 1은 본발명의 이온성고분자 GO-AgNWs 나노복합체의 구조와 동작에 관한 모식도
도 2는 백금 전극의 무전해도금법과 산화 그래핀-은 나노와이어의 진공여과시스템, hot press 공정을 비교한 모식도
도 3은 각기 다른 부피비에 따라 제작한 산화 그래핀-은 나노와이어의 전기전도도
도 4는 이온성고분자 GO-AgNWs 나노복합체의 변형률 그래프

본발명은 이온성고분자 GO-AgNWs 나노복합체 전극 제조방법에 관한 것으로, 산화 그래핀 용액과 은 나노와이어 용액을 섞어 복합 용액을 만든 후 복합 용액을 진공 여과 시스템을 이용하여 전극을 제작하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전극은 Bucky paper 형태인 것을 특징으로 한다.

본발명을 첨부도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 1은 본발명의 이온성고분자 GO-AgNWs 나노복합체의 구조와 동작에 관한 모식도, 도 2는 백금 전극의 무전해도금법과 산화 그래핀-은 나노와이어의 진공여과시스템, hot press 공정을 비교한 모식도, 도 3은 각기 다른 부피비에 따라 제작한 산화 그래핀-은 나노와이어의 전기전도도, 도 4는 이온성고분자 GO-AgNWs 나노복합체의 변형률 그래프이다.

산화 그래핀과 은 나노와이어 복합전극은 비교적 간단한 공정을 통해 단기간에 만들 수 있다. 산화 그래핀 용액과 은 나노와이어 용액을 섞어 복합 용액을 만든 후 복합 용액을 진공 여과 시스템을 이용하여 Bucky paper 형태의 전극을 제작하였다. 복합 용액을 만드는 과정에서 산화 그래핀과 은 나노와이어 용액의 비율을 달리하여 산화 그래핀-은 나노와이어 복합 전극의 전기적, 물리적 특성을 조절할 수 있다.

산화 그래핀은 카보닐기, 카복실기, 에폭시기, 하이드록실기와 같은 많은 작용기 그룹을 가지고 있고 증류수에 분산시켜 용액으로 만들기 쉽기 때문에 진공여과시스템을 이용하여 종이형태의 전극을 만들기에 용이하다. 은 나노와이어는 금속 중 전기전도도가 가장 높은 은을 나노와이어형태로 만든 것으로 서로 연결된 것처럼 작용하며 높은 투과도를 가진다. 또한, 유연한(flexible) 특성을 지니고 있어 유연 전극(flexible electrodes)의 재료로 널리 이용되고 있다.

일반적으로 가장 널리 사용되는 백금 전극의 무전해 도금법은 2주 정도의 장기간의 공정 시간을 필요로 하는 데 비해 본발명에서 이용한 진공여과시스템을 이용하여 Bucky paper 형태의 전극을 만들어 진행할 경우 hot press 공정을 통해 IPMCs의 제작까지 2시간 정도의 간단한 공정을 통해 전극을 제조할 수 있다.

본 발명에서 제시한 산화 그래핀-은 나노와이어 복합 페이퍼 전극을 이온성고분자에 부착하는 hot press 공정도 매우 공정 기간이 간단하고 짧다. 또한 산화 그래핀-은 나노와이어 복합 페이퍼 전극은 IPMCs에 적용하기에 용이하며 전기전도도 또한 향상되는 결과를 확인하였다.

산화 그래핀-은 나노와이어 복합 전극의 전기전도도와 유연성을 조절하기 위해 산화 그래핀과 은 나노와이어 용액의 부피비를 조절하여 복합용액을 만들고 진공여과시스템을 이용하여 전극을 제조하였다. 제작한 전극의 부피비는 9가지로 각각 25:1, 10:1, 5:1, 2.5:1, 1:1, 1:2.5, 1:5, 1:10, 1:25이다. IPMCs의 구동간 전극의 안정성을 확보하여야하고 여과지에서 잘 떨어져야 하기 때문에 전극의 bending test와 peel off test를 진행 하였고 9가지의 각기 다른 부피비를 가지는 전극 중 1:1를 선별하였다. 1:1의 부피비를 가지는 산화그래핀-은 나노와이어 복합 페이퍼 전극의 전기전도도(6250 S/cm)는 기존의 무전해 도금법을 통해 제작한 백금전극의 전기전도도(125 S/cm)보다 50배 좋은 결과를 보였다.

진공여과시스템을 이용하여 Bucky paper 형태의 산화 그래핀-은 나노와이어복합 페이퍼 전극을 제작하였다. hot press 공정을 통해 이 전극을 이용하여 IPMCs를 제작하여 구동 변위를 측정하고 이를 이용하여 변형률을 계산하였다. 변형률은 다음 식을 따라 계산되었다.

{ L: 구동기의 자유길이(mm), d: 두께(mm),

: 구동기가 변화한 변위값(mm) }

본 발명으로 이온성고분자 GO-AgNWs 나노복합체 전극 제조를 위한 산화 그래핀-은 나노와이어 복합 페이퍼 전극을 제작하였고 이온성고분자-금속 중합체의 구동 특성을 높이기 위해 산화 그래핀 용액과 은 나노와이어 용액의 부피비를 달리하여 IPMCs에 적용하기에 최적의 조건을 가진 부피비 조건을 선별하였다. 이 전극의 전기전도도는 백금 전극의 50배이며 산화 그래핀-은 나노와이어 복합 페이퍼 전극 기반의 이온성고분자-금속 중합체의 변형율 또한 기존의 이온성고분자-금속 중합체에 비해 크게 떨어지지 않는다. 따라서 산화 그래핀-은 나노와이어 복합 페이퍼 전극은 이온성고분자 GO-AgNWs 나노복합체 전극의 전극으로 적합 하다.

따라서 본발명은 전극의 제작공정 및 제작된 전극을 이온성고분자에 부착하는 hot press 공정이 간단하고 짧으며 또한 IPMCs에 적용하기에 용이하며 전기전도도 또한 향상되는 현저한 효과가 있다.

Claims (2)

1. 산화 그래핀 용액과 은나노와이어 용액을 섞어 복합 용액을 만든 후 복합 용액을 진공 여과 시스템을 이용하여 전극을 제작하는 이온성고분자 GO-AgNWs 나노복합체 전극 제조방법에 있어서,
   상기 전극은 산화 그래핀과 은나노와이어 나노복합체 전극으로서, 산화 그래핀 용액과 은나노와이어 용액을 섞어 복합 용액을 만든 후, 복합 용액으로 진공여과시스템을 이용하여 버키페이퍼(Bucky paper) 형태의 전극을 제작하되,
   상기 진공여과시스템을 이용하여 버키페이퍼(Bucky paper) 형태의 전극을 제작하며, 핫프레스(hot press) 공정을 통해 IPMCs(Ionic Polymer Metal Composites)를 제작하여 구동 변위를 측정하고 구동 변위를 이용하여 변형률을 계산하며,
   상기 변형률의 식은

   

   인 것
   { L: 구동기의 자유길이(mm), d: 두께(mm),

   

   : 구동기가 변화한 변위값(mm) }
   복합 용액을 만드는 과정에서 산화 그래핀과 은나노와이어 용액의 비율 1: 1인 것을 특징으로 하는 이온성고분자 GO-AgNWs 나노복합체 전극 제조방법
2. 삭제

Images