KR20110122244A - 전기전도도 저하가 방지되는 금속 페이스트 전극이 구비된 탄성중합체 액추에이터 - Google Patents

전기전도도 저하가 방지되는 금속 페이스트 전극이 구비된 탄성중합체 액추에이터 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 탄성중합체 액추에이터는 유전성 탄성중합체 필름(dielectric elastomer film); 및 상기 유전성 탄성중합체 필름(dielectric elastomer film)의 대향되는 양 면 각각에 금속 입자 및 탄소나노튜브를 함유하는 금속 페이스트로 형성시킨 전극층;을 포함하는 특징이 있으며, 이에 따라 탄성중합체 액추에이터의 물리적 변형에 의해 탄성중합체 액추에이터에 구비된 금속 전극층의 전기전도도가 향상되는 특징이 있으며, 액추에이터의 변형에 따른 전극의 전기전도도 저하가 방지됨에 따라 액추에이터의 전기적-기계적 에너지 변환 효율 증가함과 동시에, 전기적-기계적 에너지 변환 효율이 증가할수록 오히려 탄성중합체 액추에이터에 구비된 전극층의 전기전도도가 향상되는 특징이 있다.

Description

전기전도도 저하가 방지되는 금속 페이스트 전극이 구비된 탄성중합체 액추에이터{Elastomer Actuator having Metal Electrode with Electrical Conductivity Degradation Prevented}
본 발명은 탄성중합체 액추에이터에 관한 것으로, 상세하게는 액추에이터의 탄성 변형에 의한 금속 페이스트 전극의 전기전도도 저하가 방지되며, 탄성중합체 액추에이터의 탄성 변형에 의해 오히려 액추에이터에 구비된 전극의 전기전도도가 향상되는 탄성중합체 액추에이터에 관한 것이다.
최근 카본 또는 나노 메탈을 이용한 전극 형성기술에 대한 관심이 고조되고 있다. 이러한 전극 형성기술은 태양전지, 디스플레이장치 등에 활용되고 있으며, 아이-패드의 영향으로 터치-스크린에의 활용이 급증할 것으로 전망되고 있다.
특히, 터치-스크린을 이용한 햅틱 폰(haptic phone)과 같이 신축성이 중요한 디스플레이에의 활용을 위해서는 신축성을 가지는 폴리머의 상/하면에 전극이 형성되어야 하며, 터치-스크린과 같은 디스플레이 장치에 사용되기 위해서는 신축성이 유지되면서도 우수한 전기적 특성을 갖는 폴리머 기반 액추에이터(actuator)의 기술 개발이 시급한 실정이다.
알려진 바와 같이, 액추에이터(actuator)는 거시레벨 또는 미시레벨에서 전기적 에너지와 기계적 일이 변환되는 장치를 의미하며, 폴리머를 기반으로 한 전기기계적 액추에이터들이 수십 년간 연구되어져 왔다.
액추에이터의 전극 물질로 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 전도성 산화물, 금속 입자와 같은 전도성 입자, 전도성 폴리머 등이 사용되나, 페이스트 용액으로 금속 막을 형성하는 경우 액추에이터의 신축에 의해 페이스트를 이용하여 형성된 전극의 전기적 특성이 크게 저하되는 문제점이 발생하며, 전도성 고분자로 막을 형성하는 경우 전극의 열화가 심하고 전극 자체의 면저항이 높은 단점이 있으며, 전도성 산화물로 막을 형성하는 경우 전극의 유연성이 떨어지고 고온공정이 필수적으로 수행되어 폴리머 기반 액추에이터 자체가 열변형되는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 액추에이터의 물리적 변형시 금속 페이스트 전극의 전기전도도 저하가 방지되며, 재현성이 우수하고 정밀한 변형이 가능한 탄성중합체 액추에이터를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 탄성중합체 액추에이터는 유전성 탄성중합체 필름(dielectric elastomer film); 및 상기 유전성 탄성중합체 필름(dielectric elastomer film)의 대향되는 양 면 각각에 금속 입자 및 탄소나노튜브를 함유하는 금속 페이스트로 형성시킨 전극층;을 포함하는 특징이 있다.
상세하게, 본 발명에 따른 탄성중합체 액추에이터는 상기 금속 페이스트 전극층에 인가된 전압에 의해 탄성중합체 액추에이터의 두께 방향으로 수축되고 전극층의 면 방향으로 인장되는 탄성 변형이 발생하며, 상기 탄성중합체 액추에이터의 탄성 변형시, 상기 탄소나노튜브에 의해 탄소나노튜브와 탄소나노튜브간 또는 탄소나노튜브와 금속 입자간의 접촉점(contact point)이 증가하여 상기 탄성중합체 액추에이터의 면 방향 전기전도도의 감소가 방지되는 특징이 있다.
이때, 상기 금속 페이트스 전극층은 금속 입자 및 탄소나노튜브를 함유하는 금속 페이스트를 상기 유전성 탄성중합체 필름에 도포하여 형성된 전극층을 의미한다.
탄성중합체 액추에이터의 탄성 변형시 면 방향의 전기전도도 감소를 방지하기 위해, 상기 금속 페이스트 전극층에 함유되는 상기 탄소나노튜브는 탄소나노튜브의 장단축비(aspect ratio)의 분포를 기준으로 바이모달(bimodal) 또는 트라이모달(trimodal) 분포를 갖는 특징이 있으며, 상세하게, 탄소나노튜브의 장단축비 분포는 10 내지 102의 제1피크, 103 내지 104의 제2피크 및 105 내지 106의 제3피크에서 선택된 둘 이상의 피크를 갖는 특징이 있다.
탄성중합체 액추에이터의 탄성 변형시, 탄소나노튜브와 금속 입자간의 접촉 저항을 감소시키기 위해, 상기 금속 입자는 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 또는 이들의 혼합물인 귀금속인 것이 바람직하다.
또한, 상기 탄성중합체 액추에이터의 탄성 변형시, 금속 페이스트 전극의 전 영역에서 균일하게 접촉점을 증가시키기 위해, 상기 금속 입자의 직경 분포는 유니모달(unimodal) 분포를 갖는 것이 바람직하며, 상기 은 입자의 평균 직경은 1 nm 내지 50 ㎛인 것이 바람직하다.
탄성중합체 액추에이터의 탄성 변형시, 면 방향의 전기전도도 감소를 방지하기 위해, 상기 전극층은 금속 입자 100 중량부를 기준으로 0.001 내지 30 중량부의 탄소나노튜브를 함유하는 것이 바람직하며, 상기 금속 페이스트 전극층은 금속 입자 100 중량부를 기준으로 0.001 내지 30 중량부의 그래핀(graphene)을 더 함유하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 탄성중합체 액추에이터의 유전성 탄성중합체 필름은 하기의 관계식 1을 만족하는 특징이 있다.
(관계식 1)
Figure pat00001
(z는 금속 페이스트 전극층에 전압이 인가되지 않은 상태에서의 유전성 탄성중합체 필름 두께이며, zv는 금속 페이스트 전극층에 전압이 인가된 상태에서의 유전성 탄성중합체 필름 두께이다.)
본 발명에 따른 탄성중합체 액추에이터는 금속 페이스트 전극층의 변형에 따른 전기전도도 감소가 보상되고 전극의 물리적 변형에 의한 전극의 전기전도도 저하가 방지됨으로써 일정한 전기전도도를 갖는 효과가 있으며, 전극의 신축성이 유지되면서도 일정하고 재현성있는 전기전도도를 갖는 효과가 있으며, 전극에 인가되는 전압의 크기에 따른 전극의 변형 정도와 무관하게 전기전도도 저하가 방지되는 효과가 있으며, 전극에 전압이 인가되어 전극이 변형되고 있는 중에도 일정한 전기전도도가 유지되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 탄성중합체 액추에이터의 일 예를 도시한 도면이며,
도 2는 본 발명에 따른 탄성중합체 액추에이터에서 금속 페이스트 전극층의 일 예를 도시한 도면이며,
도 3은 본 발명에 따른 탄성중합체 액추에이터에서 금속 페이스트 전극층의 다른 예를 도시한 도면이며,
도 3은 본 발명에 따른 탄성중합체 액추에이터에서 금속 페이스트 전극층에 함유된 탄소나노튜브의 장단축비 분포를 도시한 일 예이며,
도 4는 본 발명에 따른 탄성중합체 액추에이터에서 금속 페이스트 전극층의 또 다른 예를 도시한 도면이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100 : 유전성 탄성중합체 필름 100': 변형된 유전성 탄성중합체 필름
210, 220, 200 : 금속 페이스트 전극층
210', 220', 200': 변형된 금속 페이스트 전극층
201 : 탄소나노튜브 203 : 그래핀
202 : 금속 입자
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 탄성중합체 액추에이터를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 탄성중합체 액추에이터를 도시한 일 예로, 도 1(a)에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 탄성중합체 액추에이터는 유전성 탄성중합체 필름(elastomer film, 100) 및 상기 유전성 탄성중합체 필름의 두 대향면에 각각 금속 페이스트를 이용하여 형성시킨 금속 페이스트 전극층(200)을 포함하여 구성된다.
이때, 상기 탄성중합체 액추에이터는 유전성 탄성중합체 필름(100)을 사이에 두고 상부 금속 페이스트 전극층(210) 및 하부 금속 페이스트 전극층(220)이 서로 대향하도록 형성됨에 따라, 도 1(b)에 도시한 바와 같이, 상기 상부 전극층(210) 및 하부 전극층(220) 간에 전압(V)이 인가되면, 두 전극층(210, 220)에 유발되는 전하(charge)에 의해 정전기력(electrostatic force)이 발생한다.
이러한 정전기력에 의해 상기 유전성 탄성중합체 필름(100)은 유전성 탄성중합체 필름(100)의 두께방향(t)으로 기계적인 압력이 가해지게 되어, 도 1(b)의 화살표로 도시한 바와 같이, 상기 유전성 탄성중합체 필름(100)은 두께방향(t)으로 수축되면서 유전성 탄성중합체 필름(100)의 전극층(200)이 적층된 면에 속하는 방향인 면방향(p)으로 인장되게 된다.
이때, 도 1(b)에 도시한 바와 같이 상기 두께 방향(t)은 유전성 탄성중합체 필름(100) 및 전극층(200)이 적층된 적층 방향으로, 유전성 탄성중합체 필름(100), 전극층(200) 또는 탄성중합체 액추에이터의 두께 방향이며, 상기 면방향은 상기 두께 방향과 수직인 면으로, 상기 유전성 탄성중합체 필름(100)에서 전극층(200)이 적층된 계면에 속하는 방향(p1, p2, p)으로 상기 두께 방향과 수직인 임의의 방향을 의미한다.
도 1(c) 및 도 1(d)는 전압이 인가되기 전과 후 탄성중합체 액추에이터의 탄성 변형을 도시한 도 1(a) 및 도 1(b)의 a-a 방향 단면도로, 도 1(d)에 도시한 바와 같이 상기 두 전극층(200)에 인가된 전압에 의한 정전기력에 의해 상기 유전성 탄성중합체 필름(100)이 변형되며 상기 유전성 탄성중합체 필름(100)에 형성된 상부 전극층(210) 및 하부 전극층(220) 또한 유전성 탄성중합체 필름(100)과 함께 두께 방향(t)으로 수축되고, 면 방향(p)으로 인장되게 된다.
본 발명에 따른 탄성중합체 액추에이터에 있어, 상기 금속 페이스트 전극층(200)은 금속 입자 및 탄소나노튜브를 함유하며, 상기 전극층(200)에 인가된 전압에 의해 유전성 탄성중합체 필름(100) 및 전극층(200)이 두께 방향(t)으로 수축되고 면 방향(p)으로 인장되어도, 상기 탄소나노튜브에 의해 탄소나노튜브와 탄소나노튜브간 또는 탄소나노튜브와 금속 입자간의 접촉점(contact point)이 증가하여 상기 탄성중합체 액추에이터의 면 방향 전기전도도의 감소가 방지되는 특징이 있다.
도 2는 본 발명에 따른 탄성중합체 액추에이터에서 금속 페이스트 전극층(200)에 함유된 탄소나노튜브(201)를 상세 도시한 일 예이며, 도 3은 본 발명에 따른 탄성중합체 액추에이터에서 전극층(200)에 함유된 탄소나노튜브(201)와 금속 입자(202)를 상세 도시한 일 예이다. 이때, 상기 도 3에서 금속 입자가 일정하게 배열된 것으로 도시하였으나, 이는 두께 방향(t)으로의 수축 및 면 방향(p)으로의 인장에 따른 접촉점 증가를 보다 명확하게 도시하기 위한 것으로, 상기 금속 입자(202)가 랜덤하게 분포하는 경우 또는 치밀 구조와 유사하게 분포하는 경우에도 동일한 사상이 유지됨은 자명하다.
도 3(a)에 도시한 바와 같이, 상기 금속 페이스트 전극층(200)은 금속 입자(202)와 함께 큰 종횡비(aspect ratio)를 갖는 탄소나노뷰트(201)를 함유한다.
상기 금속 페이스트 전극층(200)의 변형에 따라 두께 방향(t)으로의 금속 입자(202)의 밀도는 높아지고 면 방향(p)으로의 금속 입자(202)의 밀도는 낮아져 결과적으로 탄성중합체 액추에이터의 면방향으로의 전기전도도가 감소하게 되는데, 상기 전극층(200)이 큰 종횡비를 갖는 탄소나노튜브(201)를 함유함에 따라, 탄소나노튜브(201)가 두께 방향(t)으로 압축 응력 및 면 방향(p)으로 인장 응력에 의해 비틀려, 임의의 방향을 갖는 탄소나노튜브(201)가 유전성 탄성중합체 필름(100)의 면 방향(p)과 평행하게 재배열되게 된다.
도 2(b)에 도시한 바와 같이, 상기 탄소나노튜브(201)가 상기 전극층(200)에의 전압 인가에 의해 면 방향(p)과 평행하게 재배열됨에 따라, 상기 면 방향으로의 탄소나노튜브와 탄소나노튜브간 접촉점(contact point, 도 2(b)의 c.p.)이 증가하여, 탄성중합체 액추에이터가 변형되어도 재현성 있고 매우 높은 전기전도도(면 방향으로의 전기전도도)가 얻어지는 특징이 있으며, 도 3(b)에 도시한 바와 같이, 상기 탄소나노튜브(201)가 면 방향(p)과 평행하게 재배열됨과 동시에 상기 금속 입자(202)의 밀도 변화에 의해 상기 탄소나노튜브(201)와 상기 금속 입자(202)간의 접촉점(contact point, 도 3(b)의 c.p.) 또한 증가하게 된다.
상세하게, 상기 금속 입자(202)는 두께 방향(t)으로의 밀도가 높아지며, 면 방향(p)로의 밀도가 감소하게 되는데, 이러한 면 방향(p)으로의 밀도 감소에 의해 저하되는 전기전도도가 상기 재배열된 탄소나노튜브(201)과 상기 금속 입자(202)간의 접촉점 증가에 의해 보상되어, 면 방향(p)으로의 전기전도도 저하가 방지된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 탄성중합체 액추에이터는 금속 페이스트를 이용하여 형성한 금속 페이스트 전극층(200)이 금속 입자(202) 및 탄소나노튜브(201)를 함유함으로써, 전기전도도의 저하를 야기하는 탄성중합체 액추에이터의 물리적 변형을 이용하여 탄성중합체 액추에이터에 구비된 전극층(200)의 전기전도도를 향상시키는 특징이 있으며, 이에 의해 변형에 따른 전기전도도 저하가 방지됨에 따라 탄성중합체 액추에이터의 전기적-기계적 에너지 변환 효율 증가함과 동시에, 전기적-기계적 에너지 변환 효율이 증가할수록 오히려 탄성중합체 액추에이터에 구비된 금속 페이스트 전극층(200)의 전기전도도가 향상되는 특징이 있다.
이때, 탄소나노튜브의 재배열에 의한 접촉점 증가를 위해, 상기 금속 페이스트 전극층(200)에 함유되는 탄소나노튜브(201)의 장단축비는 10 내지 106인 것이 바람직하다.
보다 특징적으로, 상기 탄소나노튜브의 재배열에 의한 면 방향으로의 접촉점을 보다 효과적으로 증가시키기 위해, 도 3에 도시한 바와 같이 상기 금속 페이스트 전극층(200)의 상기 탄소나노튜브(201)는 탄소나노튜브의 장단축비(aspect ratio)의 분포를 기준으로 바이모달(bimodal) 또는 트라이모달(trimodal) 분포를 갖는 특징이 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 상기 탄소나노튜브(201)의 장단축비의 분포가 둘 이상의 피크(peak)를 갖는 다중 분포를 가짐에 따라, 금속 페이스트 전극층(200)에 일정한 전압(V)이 인가되었을 때 탄소나노튜브의 재배열에 의해 효과적으로 매우 많은 접촉점이 새로이 형성되며, 상기 탄성중합체 액추에이터에 인가되는 전압(V)의 크기에 관계없이 면 방향(p)으로의 전기전도도 저하가 방지되며, 상기 탄성중합체 액추에이터에 전압(V)이 인가되고 있는 중인 과도기 상태(transient state)에서도 면 방향(p)으로의 전기전도도가 일정하게 유지되는 특징이 있다. 이에 따라, 탄성중합체 액추에이터의 활용시, 일정 파형의 전압이 가해지더라도 안정적이고 재현성있게 액추에이터의 변형이 발생하며, 변화되는 전압에 의한 액추에이터의 변형이 정밀하게 조절되는 특징이 있다.
특징적으로, 상기 탄소나노튜브(201)의 장단축비 분포는 평균 장단축비(도 3의 ar1)가 10 내지 102인 제1피크(도 3의 peak1), 평균 장단축비(도 3의 ar2)가 103 내지 104인 제2피크(도 3의 peak2) 및 평균 장단축비(도 3의 ar3)가 105 내지 106인 제3피크(도 3의 peak3)에서 선택된 둘 이상의 피크를 갖는 분포인 것이 바람직하다.
상기 탄소나노튜브(201)의 제1피크 내지 제3피크의 장단축비는 탄성중합체 액추에이터의 유전성 탄성중합체 필름(100) 및 금속 페이스트 전극층(200)의 변형시 면 방향(p)의 전기전도도 저하가 발생하지 않는 장단축비 분포이다.
탄소나노튜브(201)가 상술한 분포를 가질 때, 상기 금속 입자(202)의 두께 방향(t) 및 면 방향(p)으로의 밀도 변화시 상기 탄소나노튜브(201)와 상기 금속 입자(202)간의 접촉점을 대면적의 전극 전 영역에서 고르게 증가시키기 위해, 상기 금속 입자(201)의 직경 분포는 유니모달 분포를 갖는 것이 바람직하며, 상기 금속 입자의 평균 직경은 1nm 내지 50㎛인 것이 바람직하다. 이때, 상기 금속 입자(202)는 다수개의 금속 입자가 응집된 응집체를 포함한다.
상기 금속 입자(201)는 백금, 금, 은, 구리, 알루미늄 또는 이들의 혼합물일 수 있으나, 변형의 용이함 및 탄소나노튜브와의 낮은 접촉 저항 측면에서 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 또는 이들의 혼합물인 귀금속인 것이 바람직하다.
상기 금속 페이스트 전극층(200)은 금속 입자(202) 100 중량부를 기준으로 0.001 내지 30 중량부의 탄소나노튜브(201)를 함유하는 것이 바람직하며, 상기 중량부는 탄소나노튜브의 재배열에 의해 탄소나노튜브와 탄소나노튜브간 및 탄소나노튜브와 금속 입자간의 접속점을 증가시켜 탄성중합체 액추에이터의 변형에 의한 면 방향(p) 전기전도도 저하가 방지되는 중량부이다.
도 4에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 탄성중합체 액추에이터에 있어, 상기 금속 페이스트 전극층(200)은 금속 입자(202) 및 탄소나노튜브(201)와 함께 그래핀(graphene, 203)을 더 함유하는 특징이 있으며, 금속 입자(202) 100 중량부를 기준으로 0.001 내지 30 중량부의 그래핀(203)을 더 함유하는 특징이 있다.
도 4에 도시한 바와 같이, 상기 그래핀(203)은 탄소나노튜브(201)와 함께, 상기 정전기력에 의해 야기되는 두께 방향(t)으로 압축 응력 및 면 방향(p)으로 인장 응력에 의해 임의의 방향을 갖는 그래핀(203)이 유전성 탄성중합체 필름(100)의 면 방향(p)과 평행하게 재배열되게 된다.
상기 탄소나노튜브(201)와 상기 그래핀(203)의 재배열에 의해 상기 면 방향(p)으로의 탄소나노튜브와 탄소나노튜브간, 탄소나노튜브와 금속 입자간, 탄소나노튜브와 그래핀간, 그래핀과 그래핀간 및 그래핀과 금속 입자간의 접촉점이 증가하여 탄성중합체 액추에이터의 변형에 따른 면 방향(p)으로의 전기전도도 저하를 방지하게 된다.
탄성중합체 액추에이터의 전기적 에너지 인가에 의해 발생하는 물리적 변형은 상기 금속 페이스트 전극층(200)에 가해지는 전압의 크기, 상기 유전성 탄성중합체 필름(100)의 유전상수 및 유전성 탄성중합체 필름(100)의 두께에 의해 주로 제어되며, 상세하게는 하기의 관계식 2에 의해 제어된다.
(관계식 2)
Figure pat00002
(Pel는 정전기적 압력(electrostatic pressure)이며, ε는 유전성 탄성중합체 필름의 유전상수이며, ε0는 진공의 유전상수이며, U는 전극층에 인가된 전압이며, z는 유전성 탄성중합체 필름의 두께이다)
상술한 바와 같이, 본 발명은 탄성중합체 액추에이터의 물리적 변형을 이용하여 탄성중합체 액추에이터에 구비된 금속 페이스트 전극층(200)의 전기전도도를 향상시킴에 따라, 전극층(200)의 안정적이고 재현성 있는 전기전도도 유지를 위해, 상기 탄성중합체 필름의 두께는 하기의 관계식 2를 만족하는 특징이 있다.
(관계식 1)
Figure pat00003
(z는 전극층에 전압이 인가되지 않은 상태에서의 유전성 탄성중합체 필름 두께이며, zv는 전극층에 전압이 인가된 상태에서의 유전성 탄성중합체 필름 두께이다.)
상기 유전성 탄성중합체 필름(100)은 탄성중합체 액추에이터에 인가되는 일정한 전압의 크기에서 상기 관계식 2를 만족하며 탄성중합체 액추에이터에 통상적으로 사용되는 유전성 탄성중합체가 사용가능하다. 일예로, 상기 유전성 탄성중합체 필름(100)은 실리콘 러버(silicon rubber) 또는 아크릴레이트 (acrylate) 중합체이다. 상기 탄소나노튜브(201)는 금속성의 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브 또는 다중벽 탄소나노튜브를 포함하며, 상기 그래핀(203)은 단일층 그래핀 또는 다층 그래핀을 포함한다.
상기 탄성중합체 액추에이터는 금속 입자와 탄소나노튜브가 오일(oil) 또는 겔(gel)에 분산된 금속 페이스트를 이용하여 유전성 탄성중합체 필름의 대향되는 두면에 금속 페이스트를 각각 도포한 후 건조하여 제조될 수 있으며, 상기 도포는 스프레이법, 스크린 프린팅법, 잉크젯법, 스핀코팅 등에 의해 수행될 수 있다.
이때, 상술한 탄소나노튜브의 종횡비 및 탄소나노튜브의 종횡비 분포뿐만 아니라, 상기 금속 페이스트의 분산 매질에 함유되는 전도성 입자(금속 입자, 탄소나노튜브, 그래핀)의 양등을 조절하여, 전극 페이스트 도포에 의해 형성되는 금속 페이스트 전극층의 금속 입자, 탄소나노튜브 및 그래핀에서 선택된 두 전도성 입자간의 거리, 표면 밀도, 거리 분포를 조절하여 유전성 탄성중합체 필름의 변형에 따른 전도성 입자간의 접촉점 증가율을 제어할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (8)

  1. 유전성 탄성중합체 필름(dielectric elastomer film); 및 상기 유전성 탄성중합체 필름(dielectric elastomer film)의 대향되는 양 면 각각에 금속 입자 및 탄소나노튜브를 함유하는 금속 페이스트로 형성시킨 전극층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성중합체 액추에이터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 탄소나노튜브의 장단축비(aspect ratio)의 분포를 기준으로 바이모달(bimodal) 또는 트라이모달(trimodal) 분포를 갖는 것을 특징으로 하는 탄성중합체 액추에이터.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브의 장단축비 분포는 10 내지 102의 제1피크, 103 내지 104의 제2피크 및 105 내지 106의 제3피크에서 선택된 둘 이상의 피크를 갖는 것을 특징으로 하는 탄성중합체 액추에이터.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 금속 입자는 평균 직경이 1 nm 내지 50 ㎛인 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 또는 이들의 혼합물인 귀금속 입자인 것을 특징으로 하는 탄성중합체 액추에이터.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 전극층은 금속 입자 100 중량부를 기준으로 0.001 내지 30 중량부의 탄소나노튜브를 함유하는 것을 특징으로 하는 탄성중합체 액추에이터.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 전극층은 금속 입자 100 중량부를 기준으로 0.001 내지 30 중량부의 그래핀(graphene)을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 탄성중합체 액추에이터.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 탄성중합체 액추에이터는 상기 전극층에 인가된 전압에 의해 탄성중합체 액추에이터의 두께 방향으로 수축되고 전극층의 면 방향으로 인장되는 탄성 변형이 발생하며, 상기 탄성중합체 액추에이터의 탄성 변형시, 상기 탄소나노튜브에 의해 탄소나노튜브와 탄소나노튜브간 또는 탄소나노튜브와 금속 입자간의 접촉점(contact point)이 증가하여 상기 탄성중합체 액추에이터의 면 방향 전기전도도의 감소가 방지되는 것을 특징으로 하는 탄성중합체 액추에이터.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 탄성중합체 액추에이터는 하기의 관계식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 탄성중합체 액추에이터.
    (관계식 1)
    Figure pat00004

    (z는 전극층에 전압이 인가되지 않은 상태에서의 유전성 탄성중합체 필름 두께이며, zv는 전극층에 전압이 인가된 상태에서의 유전성 탄성중합체 필름 두께이다.)
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Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013155377A1 (en) * 2012-04-12 2013-10-17 Bayer Materialscience Ag Eap transducers with improved performance
WO2014066576A1 (en) * 2012-10-24 2014-05-01 Bayer Intellectual Property Gmbh Polymer diode
US9195058B2 (en) 2011-03-22 2015-11-24 Parker-Hannifin Corporation Electroactive polymer actuator lenticular system
US9231186B2 (en) 2009-04-11 2016-01-05 Parker-Hannifin Corporation Electro-switchable polymer film assembly and use thereof
US9232571B2 (en) 2012-07-10 2016-01-05 Samsung Display Co., Ltd. Flexible display device
US9425383B2 (en) 2007-06-29 2016-08-23 Parker-Hannifin Corporation Method of manufacturing electroactive polymer transducers for sensory feedback applications
US9504145B2 (en) 2013-11-14 2016-11-22 Samsung Display Co., Ltd. Flexible display device
US9553254B2 (en) 2011-03-01 2017-01-24 Parker-Hannifin Corporation Automated manufacturing processes for producing deformable polymer devices and films
US9761790B2 (en) 2012-06-18 2017-09-12 Parker-Hannifin Corporation Stretch frame for stretching process
US9876160B2 (en) 2012-03-21 2018-01-23 Parker-Hannifin Corporation Roll-to-roll manufacturing processes for producing self-healing electroactive polymer devices
CN108281543A (zh) * 2018-02-08 2018-07-13 郭玉华 一种仿生人工驱动装置
CN108281542A (zh) * 2018-02-08 2018-07-13 郭玉华 一种仿生人工驱动装置
KR20200073795A (ko) * 2018-12-14 2020-06-24 한국과학기술연구원 고유전 탄성구조체 및 그의 제조방법

Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9425383B2 (en) 2007-06-29 2016-08-23 Parker-Hannifin Corporation Method of manufacturing electroactive polymer transducers for sensory feedback applications
US9231186B2 (en) 2009-04-11 2016-01-05 Parker-Hannifin Corporation Electro-switchable polymer film assembly and use thereof
US9553254B2 (en) 2011-03-01 2017-01-24 Parker-Hannifin Corporation Automated manufacturing processes for producing deformable polymer devices and films
US9195058B2 (en) 2011-03-22 2015-11-24 Parker-Hannifin Corporation Electroactive polymer actuator lenticular system
US9876160B2 (en) 2012-03-21 2018-01-23 Parker-Hannifin Corporation Roll-to-roll manufacturing processes for producing self-healing electroactive polymer devices
WO2013155377A1 (en) * 2012-04-12 2013-10-17 Bayer Materialscience Ag Eap transducers with improved performance
US9761790B2 (en) 2012-06-18 2017-09-12 Parker-Hannifin Corporation Stretch frame for stretching process
US9232571B2 (en) 2012-07-10 2016-01-05 Samsung Display Co., Ltd. Flexible display device
US9590193B2 (en) 2012-10-24 2017-03-07 Parker-Hannifin Corporation Polymer diode
WO2014066576A1 (en) * 2012-10-24 2014-05-01 Bayer Intellectual Property Gmbh Polymer diode
US9504145B2 (en) 2013-11-14 2016-11-22 Samsung Display Co., Ltd. Flexible display device
CN108281543A (zh) * 2018-02-08 2018-07-13 郭玉华 一种仿生人工驱动装置
CN108281542A (zh) * 2018-02-08 2018-07-13 郭玉华 一种仿生人工驱动装置
CN108281543B (zh) * 2018-02-08 2021-03-23 郭玉华 一种仿生人工驱动装置
CN108281542B (zh) * 2018-02-08 2021-03-23 郭玉华 一种仿生人工驱动装置
KR20200073795A (ko) * 2018-12-14 2020-06-24 한국과학기술연구원 고유전 탄성구조체 및 그의 제조방법

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