KR20160069346A - 신축성 전자소자 및 에너지 저장을 위한 무기 액틴-미오신 결합 - Google Patents

신축성 전자소자 및 에너지 저장을 위한 무기 액틴-미오신 결합 Download PDF

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Abstract

본 발명은 신축성 전자소자 및 에너지 저장을 위한 무기 액틴-미오신 결합에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 유기체 내 근육섬유의 액틴-미오신(Actin-Myosin) 결합 메커니즘을 무기 시스템에서 그래핀-탄소나노튜브(graphene-CNT)를 이용하여 구현하고 이를 전자소자(전극)에 적용함으로써, 에너지 저장 및 변환이 가능하고 유기체의 근육섬유와 같이 신축성을 가지는 새로운 신축성 전자소자에 관한 것이다.

Description

신축성 전자소자 및 에너지 저장을 위한 무기 액틴-미오신 결합{INORGANIC ACTIN-MYOSIN COUPLING FOR STRETCHABLE ELECTRONICS AND ENERGY STORAGE}
본 발명은 신축성 전자소자 및 에너지 저장을 위한 무기 액틴-미오신 결합에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 유기체 내 근육섬유의 액틴-미오신(Actin-Myosin) 결합 메커니즘을 무기 시스템에서 그래핀-탄소나노튜브(graphene-CNT)를 이용하여 구현하고 이를 전자소자(전극)에 적용함으로써, 에너지 저장 및 변환이 가능하고 유기체의 근육섬유와 같이 신축성을 가지는 새로운 신축성 전자소자를 개발하기 위한 기술에 관한 것이다.
최근 전자정보 소자의 급속한 발전으로 휴대용 정보통신 및 스마트 기기의 보급이 활성화 되고 있으며, 다음 단계의 미래 전자시스템은 단순 휴대형에서 벗어나 사람의 몸에 부착하거나 인체 내부에 삽입이 가능한 형태로 발전되어 인체 친화적이며 의료용 생체 신호 감지가 가능한 기기로의 발전이 예상된다. 따라서, 최근 구부리거나 늘릴 수 있으면서 사람의 피부나 몸 혹은 굴곡진 부분에 부착이 가능한 인공전자피부 개발에 대한 관심이 급증하고 있다. 특히, 구부리거나 늘릴 수 있는 인공전자피부의 구현을 위한 핵심적인 소재 기술로 신축성 전극 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 신축성 전자소자는 소자를 구부리거나 늘릴 때 발생하는 응력을 최소화하면서 능동소자 간의 연결, 작동, 그리고 물리적 지지체 역할을 하고, 기계적인 변형에도 일정한 전기전도성을 유지하여 최종 플렉서블 전자소자 성능의 저하를 최소화시킨다.
한국공개특허 2014-0121325에는 신축성 전자회로 및 그의 제조방법에 대하여 개시하고 있는데, 몰드 기판에 제 1 평탄면과 상기 제 1 평탄면 바깥에 제 1 주름진 면(corrugated surface)을 갖는 신축성 기판을 형성하여 주름진 면을 사용하여 신축성이 있는 전자회로를 제조하는 방법을 사용한다.
미국공개특허 2012-0177934에는 탄소나노튜브를 탄성체를 포함하는 코팅내로 도입하는 신축성 전극의 제조방법에 대하여 개시하고 있다.
미국공개특허 2012-0258311에는 플렉시블 실리콘 박막 반도체 소자에 사용될 수 있는 그래핀 필름을 도전막으로 포함하는 투명전극의 제조하는 방법을 제공한다.
그러나 상기 어디에서도 유기체의 액틴-미온신 상호작용을 모방한 플렉서블 전자소자에 대하여는 공지하고 있지 않다.
본 발명은 유기체의 액틴-미오신 상호작용을 모방한 새로운 플렉서블 전자소자를 제시하고자 한다.
살아있는 유기체에서 여러 가지 타입의 세포내/외 운동은 액틴-미오신의 상호작용에 의해 이루어진다. 이러한 액틴-미오신 결합의 기본 메카니즘은 유기체의 운동뿐만이 아니라 신축성 전자소자의 개념과도 유사하다.
액틴-미오신 결합을 모방한 무기 시스템에서는, 그래핀은 유기체의 근섬유 속 액틴 필라멘트의 기능과 같은 플로팅 트랙의 역할을 하며, 탄소나노튜브(CNT: Carbon NanoTube)는 미오신의 기능과 같은 외부 스트레스를 전극의 신축운동으로 변환하는 모터의 역할을 수행한다. 이와 같은 시스템은 인간의 움직임의 기본 메카니즘을 모방할 뿐만 아니라 종래의 전자 기술에서 실현 불가능했던 성능을 구현할 수 있게 된다.
이를 기반으로 본 발명은 저차원의 탄소 동소체를 이용하여 액틴-미오신 결합을 모방한 무기 시스템을 제시하고, 이를 다양한 전자소자에 적용하고자 한다.
본 발명은 유기체의 근육 시스템인 액틴-미오신 결합의 상호작용 메카니즘을 그래핀-탄소나노튜브 결합에 적용함으로써 전방향적으로 스트레칭, 트위스트 등과 같은 변형에도 기계적 및 전기적 안정성을 유지할 수 있는 새로운 신축성 전자소자를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명은 신축될 수 있는 물질로 제조된 탄성체; 상기 탄성체의 상면에 형성된 탄소나노튜브층; 상기 탄소나노튜브층의 상면에 형성된 그래핀 층;을 포함하여 이루어지며, 상기 그래핀 층과 탄소나노튜브 층이 반데르 발스력에 의하여 크로스브릿지가 형성되거나 해제되는 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 그래핀-탄소나노튜브 결합을 이용한 신축성 전기소자를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 탄소나노튜브 층은 탄성체의 미연신 시 탄소나노튜브가 서로 연속적으로 연결된 층을 이루며, 그래핀 층은 탄성체의 미연신 시 그래핀 판이 층층이 쌓여 불연속 적인 플레이크(flake)로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 탄소나노튜브층은 친수화 하여 분산된 것임을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 탄소나노튜브층은 100nm이상의 두께로 형성되고, 상기 그래핀 층은 1㎚~1㎛의 두께로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀-탄소나노튜브 결합을 이용한 신축성 전기소자 제조 방법은, 무기 액틴-미오신 구조를 제작하기 위해 탄성체 기판을 2차원 형태로 늘리고 고정하는 단계; 상기 늘려진 탄성체로 된 기판 상에 탄소나노튜브가 분산된 용액을 이용하여 탄소나노튜브 층을 형성하는 단계; 상기 탄소나노튜브 층 위에 그래핀이 분산된 용액을 사용하여 그래핀 층을 형성하는 단계; 탄성체 기판을 이완시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 탄소나노튜브 층을 형성하는 단계와 탄소나노튜브 층위에 그래핀 층을 형성하는 단계 후에는 상기 탄소나노튜브 층과 그래핀 층을 건조하여 분산용매를 건조하는 단계가 더 포함될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀-탄소나노튜브 결합을 이용한 신축성 전기소자 제조 방법에서, 상기 탄소나노튜브 층을 형성하는 단계는, 용매에 탄소나노튜브(일진나노텍)를 0.5 g/L의 농도로 분산시켜 제조된 용액을 상기 2차원 탄성체로 된 기판 상에 100nm 이상의 두께로 코팅 층을 형성하는 것을 특징으로 하는 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀-탄소나노튜브 결합을 이용한 신축성 전기소자 제조 방법에서, 상기 그래핀 층을 형성하는 단계는, 그래핀을 용매에 0.5 g/L의 농도로 분산시킨 용액을 상기 탄소나노튜브 층 위에 1㎚~1㎛의 두께로 코팅층을 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀-탄소나노튜브 결합을 이용한 신축성 전기소자 제조 방법에서, 상기 탄소나노튜브는, 표면을 친수성으로 만들기 위해 3시간 이상 80~120℃에서 산 용액을 이용하여 전처리를 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀-탄소나노튜브 결합을 이용한 신축성 전기소자 제조 방법에서, 상기 그래핀은 화학증기증착법 혹은 그래핀옥사이드 환원법으로 제조될 수 있다. 그래핀옥사이드로부터 그래핀을 만드는 방법으로는 환원제를 이용한 화학환원법, 마이크로웨이브를 이용한 열환원법, 용매열합성법에 의한 환원법등이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀-탄소나노튜브 결합을 이용한 신축성 전기소자 제조 방법에서, 상기 탄성체는, 신축성 전자소자의 기판으로 사용되는 것이면 아무런 제한 없이 사용될 수 있으며, 예로서, PDMS, 고무, 라텍스 또는 PVA, 실크, 플라스틱 등이 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀-탄소나노튜브 결합을 이용한 신축성 에너지 저장 소자의 제조 방법에서, 상기 탄성체 기판은 신축성을 고분자 물질을 주로 사용하는데, 예로서 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol), 폴리에틸렌옥사이드(poly ethylene oxide), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(poly methyl methacrylate), 폴리비닐클로라이드(poly vinyl chloride), 폴리비닐클로라이드/폴리메틸메타크릴레이트 공중합체(poly vinyl chloride/poly methyl methacrylate blend), 폴리비닐리덴플로라이드(poly vinylidene fluoride), 폴리비닐리덴플로라이드-헥사플로로 프로필렌(poly vinylidene fluoride-hexafluoro propylene)등으로 이루어진 군에서 하나 이상의 물질을 선택하여 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀-탄소나노튜브 결합을 이용한 신축성 에너지 저장 소자는 상기 고분자 물질에 전해질로 사용될 수 있는 물질을 혼합하여 전해질 겔을 제조하고, 상기 겔을 용해하여 필름으로 제조하는 단계를 통하여 제조될 수 있다.
본 발명은 신축성 전자소자 및 에너지 저장을 위한 무기 액틴-미오신 결합에 관한 것으로, 무기 액틴-미오신 결합을 구현하는 데 있어서, 그래핀이 액틴의 역할을 수행하도록 하고, 탄소나노튜브가 미오신의 역할을 수행하도록 디자인함으로써, 외부에서 물리적 에너지가 가해지더라도 기계적으로 안정적인 신축성을 가질 수 있도록 하고, 그래핀의 유전체 이중층을 통해 에너지의 저장 및 변환이 가능한 그래핀-탄소나노튜브 결합 구조로 된 신축성 전자소자를 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액틴-미오신과 그래핀-탄소나노튜브 각각의 원자규모의 상호작용에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무기 액틴-미오신(그래핀-탄소나노튜브)의 마이크로 크기의 구조에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 기판 위의 무기 액틴-미오신(그래핀-탄소나노튜브)에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 기판 위의 무기 액틴-미오신(그래핀-탄소나노튜브)의 유전체 에너지 저장의 특징을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 클러스터 위의 그래핀 조각에 대한 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 구겨진 구조의 그래핀-탄소나노튜브 무기 근육의 제조방법에 대해 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 신축성 전극 및 에너지 저장을 위한 무기 액틴-미오신 결합의 일 실시예를 설명한다.
무기 전자소자는 기본적으로는 유기체가 가지는 연성 및 신축성을 가지고 있지 않다. 지금까지의 무기 전자소자의 신축성 전략은 신축성 물결 구조 또는 신축성 재료를 기반으로 하고 있었고, 또한 신축성 전략의 영감은 생물작용의 현상학적 특성에서 얻었을 뿐, 살아있는 세포의 이동성의 기본원리에서 가져오지는 않았다.
그리하여 본 발명은 생체 모방 신축성 전자소자와 에너지 저장의 실현하기 위해 근육운동의 액틴-미오신 파워 스트로크 메카니즘에서 영감을 얻은 그래핀-탄소나노튜브 무기 시스템을 제시하고자 한다. 이와 같은 근육을 모방한 시스템은 랜덤하게 떠있는 판들이 인장, 전단 및 혼합모드에서 전방위로 신축성을 갖게 하고, 넓은 표면을 가지는 전기이중층 형성을 통해 에너지를 저장 및 변환하게 한다.
고등 동물의 움직임에 관여하는 전형적인 세포는 근육조직의 근절(sarcomere)이다. 상기 근절은 분자 모터와 같은 기능을 갖는 미오신 분자와 모터 조립체의 움직임을 조종하는 트랙과 같은 기능을 갖는 액틴 필라멘트를 포함한다.
본 발명은 상기 분자 모터와 트랙을 모방하기 위하여 도 1의 A에 도시되어 있는 바와 같이, 전방위적인 긴장과 이완을 견딜 수 있는 얇고 주름진 그래핀-탄소나노튜브 층을 이용하였다.
도 1의 B는 본 발명의 그래핀-탄소나노튜브 결합 시스템과 액틴-미오신 결합 시스템의 스트로크 작동 유사성을 보여준다. 상기 두 시스템은 모두 모터(미오신)와 트랙(액틴) 간의 낮은 친화도와 높은 친화도의 친화도 변화 사이클링 상태로 동작된다.
생물학적 근육 운동 중에는 미오신의 머리 부분이 얇은 액틴 필라멘트 분자와 화학 결합(크로스브릿지)을 형성하거나 해제하는 동작을 통해 근육이 수축된다. 보다 상세하게는, 생물학적 근육 운동은 화학 에너지를 사용하는 것으로, 미오신 머리에 ATP(아데노신 트리포스페이트)가 결합되면 미오신 머리와 액틴 필라멘트의 결합이 해제되고, 미오신 머리에 결합되었던 ATP는 ADP(아데노신 디포스페이트)와 Pi(무기인산)로 가수분해 되며 이 과정에서 방출된 에너지를 이용하여 미오신 머리가 다시 액틴 필라멘트에 결합하게 된다. 상기 가수분해 되었던 ADP와 Pi가 미오신 머리에서 분리 되면서 미오신 머리가 기울고, 미오신 머리에 결합되어 있는 액틴 필라멘트를 상기 미오신 머리가 기우는 방향으로 밀게 되면서 근육 수축운동을 수행하게 된다.
한편, 본 발명의 무기 시스템에서는 나노탄소튜브 필라멘트와 그래핀 시트 사이의 반데르발스(Van Der Walls) 상호작용에 의해 크로스브릿지가 형성된다. 즉, 나노탄소튜브는 미오신과 같이 액틴역할을 하는 그래핀 시트와 크로스브릿지를 형성하거나 해제하는 동작을 통해서 신축성을 가지게 되는 것이다. 상기와 같이 그래핀 시트와 탄소나노튜브의 크로스브릿지는 소위 말하는 AB 적층 구조로 형성되고(6개의 탄소로 이루어진 닫힌 체인 구조에 결합), 탄소나노튜브가 그래핀 시트에서 떨어진 상태는 소위 말하는 AA 적층 구조를 형성한다.
이와 같은 탄소나노튜브와 그래핀과의 크로스브릿지 형성 및 해제 여부는 물리적 에너지를 기반으로 한다. 즉, 유기체에서 ATP의 가수분해로부터 얻는 화학적 에너지가 무기 시스템에서는 당기거나 비트는 등의 외부의 물리적 에너지로 대체되는 것이다. 상기 그래핀과 탄소나노튜브의 AB 적층 결합 에너지는 하나의 결합 당(per unit cell) 0.49 eV U.C.-1이다. 또한, 그래핀과 탄소나노튜브가 AB 적층 결합에서 AA 적층 상태로 변화하게 위해 탄소원자가 밀릴 때의 에너지는 0.08eV U.C.-1 로 상기 결합 에너지에 비해 6배 낮다. 상기 그래핀-탄소나노튜브 결합 구조에서 AB 적층이 가장 안정된 구조이기 때문에 탄소나노튜브의 표면 원자는 자연적으로 그래핀의 탄소원자 구멍으로 이동한다. 그 결과, 탄소나노튜브의 가장자리는 지속적으로 그래핀 판과의 도킹/언도킹(docking/undocking)을 수행하면서 전방향적으로 이동하게 된다. 이 현상은 탄소나노튜브와 그래핀 간의 무기 결합의 해리를 야기하며 탄소나노튜브는 그래핀 판의 표면을 따라 이동하게 된다.
상기한 바와 같이 유기체의 근육 시스템에서는 ADP가 미오신 헤드에서 분리된 후, 미오신 헤드가 ATP와 재결합하면서 액틴 필라멘트와 분리되고, ATP를 가수분해 하면서 발생한 에너지를 이용하여 다시 액틴 필라멘트와 크로스브릿지를 재형성하는 데, 이때 미오신 헤드가 이전 크로스브릿지 지점에서 11nm 이동하여 액틴 필라멘트와 결합한다. 이와 유사하게 그래핀-탄소나노튜브 결합에서는 2.46Å 이동하며, 이는 인접 그래핀의 6개 탄소원자로 이루어진 홀과의 거리와 같다.
도 2는 탄성 기판 상의 그래핀-탄소나노튜브 근육의 메카닉을 광학/주사전자현미경(SEM) 이미지와 삼차원 유한요소 모델링(3D-FEM)으로 나타낸 것이다.
임의의 미오신 운동은 인체 근육의 수축과 이완으로 나타난다. 마찬가지로, 그래핀 트랙 위의 탄소나노튜브 운동은 액틴-미오신 결합으로부터 영감을 얻은 무기 근육의 스트레칭과 릴리징으로 나타난다.
도 2의 B는 그래핀-나노탄소튜브 층이 하나의 축 및 두 개의 축으로 변형된 것과 비틀린 것에 대한 광학 이미지와 3D-FEM을 나타낸 것이다. 이에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 무기 디자인(그래핀-탄소나노튜브 결합)은 근육의 굽힘과 같은 큰 스케일의 변형이나 복합적인 변형을 견딜 수 있다.
그래핀-탄소나노튜브 연결의 변형은 다음 단계를 포함한다.
1) 그래핀-탄소나노튜브는 구겨진 종이와 같은 많은 비동일평면 주름을 포함하고, 이것은 외부 힘에 의해 물리적으로 펴진다(도 2의 C 및 도 6참조).
2) 구조가 전개된 후(펴진 후)에 더욱 변형을 가하면, 마이크로미터 수준의 구불구불한 탄소나노튜브 클러스터가 당겨지며, 이때 반데르발스 힘에 의해 탄소나노튜브 클러스터에 결합된 그래핀 증이 함께 펼쳐진다(도 2의 D 참조).
미시적으로는, 그래핀과 탄소나노튜브 층 사이의 각각의 크로스브릿지는 탄소나노튜브 네트워크의 스트레칭으로 무작위로 세분화된다. 상기 구불구불한 탄소나토튜브 네트워크는 무방향성 및 비동일평면성을 지닌다. 그래핀 조각은 반복적으로 2D 트랙을 제공하기 때문에 상기 크로스브릿지는 방향에 관계없이 탄소나노튜브가 이동하는 중에는 지속적으로 재건된다.
넓은 관점에서 보면 상기 크로스브릿지의 재건 과정에서 변형 불가능한 그래핀 조각이 탄소나노튜브 필라멘트의 스트레칭에 의해서 떨어지게 되는 것이다. 이는 대륙 이동설의 지각 판의 움직임과 유사하다(도 2D 및 도 5 참조).
그래핀 시트를 위한 활성화 에너지는 0.08eV U.C.- 1 로 그래핀 시트의 변형 에너지에 비해 훨씬 작다. 도 2의 C에 도시되어 있는 SEM 이미지에서 각 탄탄한 그래핀 지역은 밝은 지역으로 표시된다. 스트레칭과 릴리징 시 그래핀 조각의 크기는 100 ㎛2 이다. 그래핀 시트는 전기, 기계, 열적 특성에 따른 많은 장점을 가지고 있지만 신축성이 없고, 상기 장점들은 그래핀 시트가 변형된 상태에서는 비가역적으로 감소된다. 하지만 본 발명의 무기 근육 시스템에서는 그래핀은 본래의 장점을 유지하면서 높은 수준으로 신축적일 수가 있게 된다.
퍼콜레이션 이론에 따르면, 퍼콜레이션 섬은 전도성 지수 감소를 야기하지만, 그래핀 조각과 연결되어 있는 탄소나노튜브 신축성 모터의 경우에는, 높은 변형율에도 그래핀 표면의 독특한 특성이 유지된다(도 2의 D 참조).
이는 신축성 시스템에서 기존에는 실현 불가능했던 것이고, 또한 유전체 이중층에서 안정적으로 대량의 에너지 저장이 가능하다.
신축성 에너지 스토리지는 이온의 움직임이 고려되어야하기 때문에 다양한 전자소자 중에서도 가장 복잡한 시스템 중의 하나이다. 더욱이, 상기한 바와 같은 수술용 장갑이나 반구형 기판에 전자소자를 통합하는 것과 같은 차세대 기술에서, 에너지 저장 변환 시스템은 완전한 전력의 독립과 신축성 달성을 위한 제한 요소이다.
그래핀 조각은 변형이 없는 탄소나노튜브 신축성 회로 위에서 활성화된 장치를 위한 유동적이고 변형할 수 없는 마이크로 영역을 제공할 뿐만 아니라, 극히 높은 표면적으로 인해 에너지가 유발되는 큰 유전체 이중층을 가지고 있다.
유전체 이중층 메커니즘에서, 물질의 비 표면적은 에너지 저장 변환 성능에 정비례하고, 그래핀은 현재 에너지 저장 변환 시스템에서 사용하기 위한 최적의 후보로 간주된다.
에너지 저장용 무기 근육을 제조하기 위해서, 본 발명은 그래핀-탄소나노튜브 무기 근육을 위한 원판으로 신축성을 고분자 물질을 주로 사용하는데, 예로서 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol), 폴리에틸렌옥사이드(poly ethylene oxide), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(poly methyl methacrylate), 폴리비닐클로라이드(poly vinyl chloride), 폴리비닐클로라이드/폴리메틸메타크릴레이트 공중합체(poly vinyl chloride/poly methyl methacrylate blend), 폴리비닐리덴플로라이드(poly vinylidene fluoride), 폴리비닐리덴플로라이드-헥사플로로 프로필렌(poly vinylidene fluoride-hexafluoro propylene)등이 사용될 수 있다. 신축성 고분자 물질은 전해질을 포함할 수 있는데, 전해질로 사용되는 물질로는 H3PO4, H2SO4, KOH, NaOH, KCl, NaCl 및 LiCl 등 Li를 포함하는 다수의 염을 사용할 수 있다.
에너지 저장 시스템의 신축성은 신축성 탄소나노튜브 클러스터뿐만 아니라 탄성 고분자 물질로 이루어진 기판에서도 온다. 탄성 고분자 물질 및 탄소나노튜브 클러스터는 원자 및 마이크로 스케일로 구불구불한 네트워크 체인을 구성하며, 이는 전극의 구조를 유지하고, 변형의 가역성에 기여한다.
이하 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 더욱 자세히 설명하도록 한다.
[실시예]
1. 그래핀-탄소나노튜브 무기 근육의 제조 방법
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 구겨진 구조의 그래핀-탄소나노튜브 무기 근육의 제조과정에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 먼저 무기 액틴-미오신 구조를 제작하기 위해 다양한 탄성체(고무, 라텍스, PVA 등)를 2차원 상에 늘리고 고정한다.
에탄올 200 μl에 표면을 친수성으로 만들기 위해 8시간 동안 110 ℃에서 70% HNO3 용액에서 전처리를 수행한 탄소나노튜브(ILJIN Nanotech.)를 0.5 g/L의 농도로 분산한 용액을 상기 2차원 탄성체로 된 기판 상에 10겹으로 바른다. 탄소나노튜브를 바른 다음에는 상온에서 자연건조를 통하여 건조한 후 사용하였다.
상기 과정에 이어서, 에탄올 200 μl에 그래핀 잉크를 0.5 g/L의 농도로 분산한 용액을 상기 탄소나노튜브 층 위에 3겹으로 바른다.
상기 그래핀은 2분 동안 전자레인지에서 그래핀 옥사이드로부터 제조되었다.
그후, 상기 늘려 고정했던 탄성체 기판을 이완시키면, 주름진 그래핀-탄소나노튜브 층이 형성되게 된다.
2. 전기 수술 장갑 및 콘택트 렌즈 제조
수술 장갑과 콘택트 렌즈 위에 전기 회로를 형성되는 것을 증명하기 위해, 기존의 납땜 방법을 사용하여 LED 셀(HSMC-C150(3.2 mm x 1.6 mm)를 실버 페이스트 상에 결합한 후에 스트레칭을 실시하였고, 100회의 스트레칭 동안 LED는 이상없이 작동하였다.
3. 에너지 저장이 되는 무기 근육의 제조
PVA 분말 5g, H3PO4 4g 및 40 ml의 물을 혼합하여 전해질 겔 PVA/H3PO4를 제조한다.
상기 제조된 PVA/H3PO4를 투명해질 때까지 385 K에서 가열하면서 강하게 교반한다.
그 후, PVA/H3PO4 필름을 제조하기 위해 상기 PVA/H3PO4 겔을 페트리 디쉬에 붓고 건조 시킨 후, 2차원으로 늘려 고정시킨다.
그리고 상기 PVA/H3PO4 필름 상에 에탄올 200 μl에 탄소나노튜브(ILJIN Nanotech.)를 0.5 g/L의 농도로 분산한 용액을 10겹으로 바르고, 에탄올 200 μl에 그래핀 잉크를 0.5 g/L의 농도로 분산한 용액을 상기 탄소나노튜브 층 위에 3겹으로 바른다.
이어서 동일한 양 및 방법으로 탄소나노튜브 및 그래핀 잉크를 PVA/H3PO4 필름 반대면에도 바른다.
상기 늘렸던 필름을 이완시키면 주름진 에너지 저장 시스템이 완성된다.
본 발명에서 무기 근육(그래핀-탄소나노튜브 근육)의 형태와 전기적 특성을 측정하기 위해서 사용된 SEM 이미지는 전계방출주사현미경(AURIGA, Carl Zeiss)을 사용하였다.
또한, C/Ds 및 CVs는 컴퓨터 제어형 정전류기(ZIVE SP2, ZtVE, LAB)를 사용하여 0~0.8V 범위에서 실시하였다. 모든 C/D 및 CV 곡선은 10회의 분석 자료에 따른 것이다.
상기 실시예에 따른 그래핀-탄소나노튜브 무기근육의 특성을 살펴보기 위하여 다음과 같은 분석을 실시하였다.
도 3은 상기 실시예에 따른 다양한 기판 위의 무기 액틴-미오신(그래핀-탄소나노튜브)에 대해 설명하기 위한 도면으로서, 다양한 변형 상태에서의 전도도 변화를 모니터링 하여 그래핀 조각 사이의 안정적인 연결을 확인하였다.
도 3의 A에 도시되어 있는 바와 같이, 단축 변형의 경우 무기 근육 구조의 저항은 80%의 인장 변형률(tensile strain) 하에서 거의 변하지 않는다. 이 때 80%의 변형률이라 함은 전극을 늘리지 않았을 때를 100%로 하였을 때, 일정축으로 길이가 180%가 될 때까지 늘어난 상태를 의미한다.
도 3의 B에서 퍼콜레이션 역치값으로 나타난 것과 같이, 구조체의 한계 변형률(limiting strain)은 75 %이다. 이때의 한계 변형률은 전기적 성능이 떨어지기 시작하는 상태에서의 변형률(percolation thresh-hold)을 의미한다. 이러한 한계변형률 값에도 불구하고, 본 발명의 무기 근육 구조의 전기적 활성은 150% 변형률 이상으로 100 사이클의 스트레칭-릴리징 동안 가역적으로 돌아오는 특성을 나타내었다. 따라서 구조체가 한계 변형률 이상으로 변형되었다고 하여도 그 전기적 활성 특성에는 영향이 없이 안정적임을 알 수 있다.
도 3의 C에서는 극단적으로 혼합적인 변형 조건에서 시스템의 오차를 검토하기 위해서, 고무 풍선에 무기 근육층을 설치하고 수축과 팽창을 반복하는 동안 전도도를 측정하였다. 공기 주입에 의해 고무 풍선에 설치되어 있는 무기 근육층의 이축변형과 전단 변형을 유도한다.
도 3의 D는 전도도 측정을 수행하는 동안 수축 및 팽창 상태의 무기 근육층을 나타낸 것이다. 이에 도시되어 있는 바와 같이, 고무 풍선을 140% 까지 팽창하였고, 그 결과, 무기 근육은 80%의 변형까지 우수한 전기 전도도가 100 사이클 이상 동안 확인되었다. 도 3의 E를 보면 3D-FEM 시뮬레이션 결과는 고무 풍선 위의 그래핀-탄소나노튜브의 팽창이 136%인 것으로 나타난다(풍선의 반경은 2cm).
또한, 본 발명은 도 3의 F 및 G에 도시되어 있는 바와 같이, 전자 수술 장갑과 반구형 콘택트 렌즈에 전기 회로 등의 무기 근육을 시연하였다. 신축성이 있는 회로 안의 LED(light-emitting diode)는 전통적인 납땜 방법을 통해 그래핀 조각에 통합되었다. LED는 신장되고 구부러지는 환경에서도 잘 작동되었는데, 이는 LED를 지지하는 비변형 지역이 신축되는 탄소나노튜브를 따라 자유롭게 흐를 수도 있기 때문으로 여겨진다.
상기한 결과들은 본 발명의 무기 근육이 실제의 생체 근육 같은 구조로 인해 마이크로 디바이스를 반드시 설치 환경에 따라 디자인할 필요가 없으며, 곡선형 표면에 부착할 수 있음을 보여준다.
예를 들어, 도 3의 G에 도시되어 있는 바와 같이, 컨택트 렌즈의 곡면부분에도 부착되어 사용될 수 있으며, 실제 전자 회로 삽입 후에 시력 보정 능력을 유지하고 있다. 그 결과 본 발명의 무기 근육 시스템은 종래에는 불가능한 전자소자와 반구형 광 검출기의 융합에 대하여 사용될 수 있다.
한편, 신축성 에너지 스토리지는 이온의 움직임이 고려되어야 하기때문에 다양한 전자소자 중에서도 가장 복잡한 시스템 중의 하나이다. 더욱이, 상기한 바와 같은 수술용 장갑이나 반구형 기판에 전자소자를 통합하는 것과 같은 차세대 기술에서, 에너지 저장 변환 시스템은 완전한 전력의 독립과 신축성 달성을 위한 제한 요소이다.
도 4는 본 발명의 그래핀-탄소나노튜브 무기근육의 유전체 에너지 저장의 특징을 보여준다.
도 4의 a는 스트레칭을 하는 동안의 무기 근육의 충전/방전 곡선(C/Ds)에 대해 나타낸 그래프이다. 그래핀 층의 능동소자의 질량을 기반으로 비정전용량은 329 F g- 1 이다. 이는 이제까지 연구 보고된 신축성이 없는 유전체 전극 재료의 성능보다 더 높은 것이다. 또한, 수동 소자를 포함한 전체 질량을 기반으로 정전 용량은 58.4 F g- 1 로서, 종래의 신축성 시스템의 경우에 비하여 훨씬 더 효율적인 것이다. 상기 무기 근육은 변형 중 3.3 시간동안의 안정적인 충전/방전 성능을 가지고 있으며, 성능저하 없이 80%의 변형률(strain)까지 신장될 수 있다.
도 4의 B와 C는 각각 변형이 없을 시, 80% 로 늘릴 경우 및 360도 비틀었을 시에 여러 전류와 스캔속도로 측정한 무기 근육의 대표 C/Ds와 순환전압전류곡선(CVs)을 나타낸 그래프이다. 상기 CVs는 시스템이 고도로 변형 된 조건 및 높은 스캔 속도에서도, 선택된 전위 범위 내에서 직사각형 모양인 것으로 나타나, 높은 변형률에서도 뛰어난 정전용량을 가짐을 보여준다. 이 결과는 C/Ds와 일치하는 것을 알 수 있다.
360도 트위스트 되었을 때 광학 이미지와 3D FEM 시뮬레이션은 시스템이 기계적 안정성을 가지고 있음을 나타낸다(도 2B).
도 4의 B 및 C의 결과로 보면(C/D 및 CV), 본 발명의 무기 근육 시스템은 360°트위스트 상태일 때도 안정적이고 높은 에너지 저장 특성을 가지고 있음을 나타낸다(349 F g-1 ). 상기 도4의 B,C에서의 곡선(curve)은 원래의 이완 된 상태에 비해서 거의 변하지 않고, 오히려 조금 더 높은 성능을 보여주고 있어, 전체 시스템의 기계적 및 전기적 내구성은 높게 나타난다.
따라서 본 발명에 따른 그래핀-탄소나노튜브의 무기 근육은 신축시에도 그 화학적, 전기적 특성을 잘 유지할 수 있으므로 신축성 전자소자로 사용에 적합하며, 또한 높은 에너지 저장특성을 갖고 있어 인공전자피부, 휘어지는 휴대폰, 곡면 TV(curved TV) 등 플렉서블 기기의 에너지 저장 장치, 스마트 워치, 웨어러블 전자기기 등 웨어러블 기기의 에너지 저장 장치, 스마트 그리를 통한 태양과, 풍력, 조력 발전 등의 신재생 에너지 플랫폼 등으로 이용될 수 있다.
이상으로 본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술에 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 신축될 수 있는 물질로 제조된 탄성체; 상기 탄성체의 상면에 형성된 탄소나노튜브층; 상기 탄소나노튜브층의 상면에 형성된 그래핀 층;을 포함하여 이루어지며, 상기 그래핀 층과 탄소나노튜브 층이 반데르발스력에 의하여 크로스브릿지가 형성되거나 해제되는 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 그래핀-탄소나노튜브 결합을 이용한 신축성 전기소자.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 탄소나노튜브 층은 탄성체의 미연신 시 탄소나노튜브가 서로 연속적으로 연결된 층을 이루며, 그래핀 층은 탄성체의 미연신 시 그래핀 판이 층층이 쌓여 불연속 적인 플레이크(flake)로 형성되는 것을 특징으로 하는 그래핀-탄소나노튜브 결합을 이용한 신축성 전기소자.
  3. 청구항 1에 있어서 탄소나노튜브 층은 친수화하여 분산된 것임을 특징으로 하는 그래핀-탄소나노튜브 결합을 이용한 신축성 전기소자.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 탄소나노튜브층은 100nm이상의 두께로 형성되고, 상기 그래핀 층은 1㎚~1㎛의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 그래핀-탄소나노튜브 결합을 이용한 신축성 전기소자.
  5. 탄성체 기판을 늘리고 고정하는 단계; 상기 늘려진 탄성체로 된 기판 상에 탄소나노튜브를 분산매에 분산시킨 분산액을 스프레딩하여 탄소나노튜브 층을 형성하는 단계; 상기 탄소나노튜브 층 위에 분산매에 그래핀을 분산시킨 분산액을 스프레딩하여 그래핀 층을 형성하는 단계; 탄성체 기판을 이완시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀-탄소나노튜브 결합을 이용한 신축성 전기소자의 제조 방법.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 탄소나노튜브는 표면을 친수성으로 변환시키기 위하여 80~120℃의 온도하에서 3시간 이상 산처리 하는 것을 특징으로 하는 그래핀-탄소나노튜브 결합을 이용한 신축성 전기소자의 제조 방법.
  7. 청구항 5에 있어서, 상기 탄소나노튜브 층을 형성하는 단계와 탄소나노튜브 층위에 그래핀 층을 형성하는 단계 후에는 상기 탄소나노튜브 층과 그래핀 층을 건조하여 분산용매를 건조하는 단계가 더 포함된 것임을 특징으로 하는 그래핀-탄소나노튜브 결합을 이용한 신축성 전기소자의 제조 방법.
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