Electroactive polymer 또는 EAPs는 전기장에 의해 자극을 받으면 크기 나 모양이 변하는 고분자입니다. 이러한 유형의 재료의 가장 일반적인 적용은 액추에이터 및 센서에 있습니다. EAP의 전형적 특성은 큰 힘을 유지하면서 많은 양의 변형을 겪게된다는 것입니다.

역사적인 액츄에이터의 대부분은 세라믹 압전 재료로 만들어져 있습니다. 이 재료는 큰 힘을 견딜 수 있지만 일반적으로 몇 퍼센트 만 변형됩니다. 1990 년대 후반에 일부 EAP는 세라믹 액추에이터보다 훨씬 많은 380 % 변형을 나타낼 수 있음이 입증되었습니다. EAP를위한 가장 보편적 인 어플리케이션 중 하나는 인공 근육의 개발에서 로봇 공학 분야입니다. 따라서, 전기 활성 중합체는 종종 인공 근육으로 불린다.

역사
EAP 분야는 1880 년 Wilhelm Röntgen이 정전기 장이 천연 고무 스트라이프의 기계적 특성에 미치는 영향을 테스트 한 실험을 설계했을 때 나타났습니다. 고무 스트라이프는 한쪽 끝에 고정되었고 다른쪽에는 질량에 부착되었습니다. 그 후, 고무에 전하를 분무하여 길이가 수 센티미터 변화하는 것을 관찰 하였다. M.P. Sacerdote는 1899 년에 적용된 전기장에 대한 변형 응답에 관한 이론을 공식화함으로써 Roentgen의 실험을 추적했습니다. 1925 년에 최초의 압전 폴리머가 발견되었습니다 (일렉 트릿). 일렉 트릿은 카르 나우 바 왁스, 로진 및 밀랍을 배합 한 다음 용액을 냉각시키면서인가 된 DC 전기 바이어스를 받으면서 형성되었다. 혼합물은 압전 효과를 나타내는 고분자 물질로 응고 될 것이다.

인가 된 전류 이외의 환경 조건에 반응하는 폴리머 또한이 연구 영역의 상당 부분을 차지한다. 1949 년 Katchalsky et al. 콜라겐 필라멘트를 산 또는 알칼리 용액에 담그면 체적의 변화로 반응 할 것이라고 시연했다. 콜라겐 필라멘트는 산성 용액에서 팽창하여 알칼리 용액에서 수축되었다. 그것의 용이함과 실용성으로 인해 다른 자극 (예 : pH)이 연구되었지만 생물학적 시스템을 모방하기 위해 전기 자극에 반응하는 고분자를 개발하는 데 대부분의 연구가 기울여왔다.

EAP의 다음 주요 혁신은 1960 년대 후반에 일어났습니다. 1969 년 Kawai는 polyvinylidene fluoride (PVDF)가 큰 압전 효과를 나타냄을 증명했습니다. 이것은 유사한 효과를 나타내는 다른 중합체 시스템 개발에 연구 관심을 촉발시켰다. 1977 년에 최초의 전기 전도성 중합체는 Hideki Shirakawa et al. Alan MacDiarmid와 Alan Heeger와 함께 Shirakawa는 폴리 아세틸렌이 전기 전도성이며 요오드 증기를 도핑함으로써 전도도를 8 배 증가시킬 수 있음을 보여주었습니다. 따라서 전도성은 금속의 전도율에 가깝습니다. 1980 년대 후반에 다수의 다른 중합체가 압전 효과를 나타내거나 전도성을 보인 것으로 나타났습니다.

1990 년대 초, 이온 성 폴리머 – 금속 복합체 (IPMC)가 개발되어 이전의 EAP보다 훨씬 우수한 전기 활성 속성을 나타냈다. IPMC의 가장 큰 장점은 1 ~ 2 볼트의 낮은 전압에서도 활성화 (변형)가 가능하다는 점이었습니다. 이것은 이전의 EAP보다 훨씬 작은 규모입니다. 이러한 재료의 활성화 에너지는 훨씬 낮았을뿐만 아니라 훨씬 더 큰 변형을 겪을 수도있었습니다. IPMC는 이전에 개발 된 EAP보다 훨씬 큰 380 %의 변형을 보여 주었다.

1999 년 Yoseph Bar-Cohen은 Human Challenge에 대한 EAP Robotic Arm의 Armstrong Match를 제안했습니다. 이것은 전세계의 연구 그룹이 팔 레슬링 경기에서 인간을 물리 칠 수있는 EAP 근육으로 구성된 로봇 팔을 설계하기 위해 경쟁 한 도전이었습니다. 2005 년에 Electroactive Polymer 액츄에이터 및 장치 컨퍼런스에서 첫 번째 도전 과제가 개최되었습니다.이 분야의 또 다른 주요한 이정표는 인공 근육으로 EAP를 포함한 최초의 상업적으로 개발 된 장치가 2002 년 일본 Eamex에서 생산되었다는 것입니다. 이 장치는 EAP 근육을 사용하여 꼬리를 움직여서 스스로 수영 할 수있는 물고기였습니다. 그러나 실제 개발의 진전은 만족스럽지 않습니다.

RRI Pelrine이 이끄는 SRI International의 1990 년대 DARPA가 자금을 지원 한 연구는 실리콘 및 아크릴 폴리머를 사용하여 전기 활성 폴리머를 개발했습니다. 이 기술은 2003 년 Artificial Muscle 사로 분사되어 2008 년부터 산업 생산이 시작되었습니다. 2010 년 Artificial Muscle 사는 Bayer MaterialScience의 자회사가되었습니다.

유형
EAP는 여러 가지 구성을 가질 수 있지만 일반적으로 Dielectric과 Ionic의 두 가지 기본 클래스로 나뉩니다.

유전체
유전체 EAP는 중합체를 짜내는 두 전극 사이의 정전기력에 의해 작동이 일어나는 물질입니다. 유전성 엘라스토머는 매우 높은 변형률이 가능하며 근본적으로 전압이인가 될 때 폴리머의 두께가 압축되고 전기장으로 인해 넓어 지도록함으로써 커패시턴스를 변화시키는 커패시터입니다. 이러한 유형의 EAP는 전형적으로 높은 전계 (수백 내지 수천 볼트)를 생성하기 위해 큰 구동 전압을 필요로하지만, 매우 낮은 전력 소비를 요구한다. 유전체 EAP는 액추에이터를 주어진 위치에 유지하기 위해 아무런 힘이 필요 없습니다. 예는 전왜 중합체 및 유전체 탄성체입니다.

강유전성 폴리머
강유전성 폴리머는 강유전성 인 결정 성 극성 폴리머 그룹으로, 외부 전기장에서 반전되거나 전환 될 수있는 영구 전기 분극을 유지합니다. 폴리 비닐 리덴 플루오 라이드 (PVDF)와 같은 강유전성 폴리머는 고유의 압전 응답과 열전 센서로 인해 자체의 초전도 응답 때문에 음향 변환기 및 전자 기계 액추에이터에 사용됩니다.

전왜 그래프트 폴리머
Electrostrictive 그래프트 폴리머는 측쇄가 분지 된가요 성 백본 체인으로 구성됩니다. 인접 백본 폴리머상의 측쇄는 교차 결합하여 결정 단위를 형성한다. 백본 및 측쇄 결정 단위는 다음으로도 2에 도시 된 바와 같이, 부분 전하를 갖는 원자를 함유하고 쌍극자 모멘트를 생성하는 분극화 된 단량체를 형성 할 수있다. 전기장이인가 될 때, 각 부분 전하에 힘이 가해 전체 폴리머 유닛. 이 회전은 전왜 변형과 폴리머 변형을 일으 킵니다.

액정 폴리머
주 사슬 액정 성 중합체는가요 성 스페이서에 의해 서로 연결된 메소 겐기를 갖는다. 백본 내의 메소 겐은 메조 페이스 구조를 형성하여 폴리머 자체가 메조 화기의 구조와 양립 가능한 형태를 취하게한다. 액정 질서와 고분자 형태의 직접적인 결합은 주쇄 (main-chain) 액정 엘라스토머에 많은 관심을 낳고있다. 고도로 배향 된 엘라스토머의 합성은 고유 한 기계적 성질 및 기계적 액추에이터로서의 잠재적 응용을 가져 오는 온도 변화에 따라 중합체 사슬 방향을 따른 큰 변형 열 작동을 야기한다.

이오니아
작동이 중합체 내부의 이온의 변위에 의해 유발되는 이온 성 EAP. 작동을 위해서는 단지 몇 볼트가 필요하지만, 이온 흐름은 작동에 필요한 더 높은 전력을 의미하며, 액추에이터를 주어진 위치에 유지하기 위해 에너지가 필요합니다. 이온 성 EAPS의 예로는 전도성 고분자, 이온 성 고분자 – 금속 복합체 (IPMC) 및 반응성 겔이 있습니다. 또 다른 예는 단일 벽 탄소 나노 튜브를 함유하는 이온 성 액체의 겔로 구성된 두 전극 층 사이에 끼어있는 이온 성 액체로 구성된 고분자 전해질 물질의 중합체 지지층 인 버키 겔 액추에이터이다. 이름은 탄소 나노 튜브를 필터링하여 만들 수있는 종이와 젤의 유사성, 소위 버킷 페이퍼 (buckypaper)에서 비롯된 것입니다.

전기 유변 유체
전기 유변학 적 유체는 전기장의 적용으로 용액의 점도를 변화시킨다. 유체는 저 유전 상수 액체에서 중합체의 현탁액입니다. 큰 전계를 가하면 현탁액의 점도가 증가합니다. 이러한 유체의 잠재적 응용 분야로는 충격 흡수 장치, 엔진 마운트 및 어쿠스틱 댐퍼가 있습니다.

이온 성 고분자 – 금속 복합체
이온 성 고분자 – 금속 복합체는 표면에 귀금속 전극이 도금 된 얇은 이오노머 막으로 구성됩니다. 그것은 또한 폴리머 백본에 고정 된 음이온의 균형을 맞추기위한 양이온을 가지고있다. 이들은 낮은인가 전압에서 매우 높은 변형을 보여 주며 낮은 임피던스를 나타내는 매우 활동적인 액추에이터입니다. 이온 성 고분자 – 금속 복합체는 양이온 대 이온과인가 된 전계의 음극 사이의 정전기 인력을 통해 작용하며, 도식 표현은 그림 3에 나와 있습니다. 이러한 유형의 고분자는 콜라겐 섬유가 본질적으로 생체 모방 용으로 가장 큰 가능성을 보여줍니다 자연 하전 된 이온 성 중합체로 이루어져있다. Nafion과 Flemion은 일반적으로 이온 성 고분자 금속 복합체로 사용됩니다.

자극 반응성 젤
자극 반응성 겔 (팽창제가 수용액 인 경우 하이드로 겔)은 부피 상 전이 거동을 갖는 팽윤성 고분자 네트워크의 특수한 종류입니다. 이러한 물질은 특정 물리적 (예 : 전기장, 빛, 온도) 또는 화학적 (농도) 자극의 아주 작은 변화에 의해 가역적으로 체적, 광학적, 기계적 및 기타 특성을 변화시킵니다. 이러한 물질의 부피 변화는 팽창 / 수축에 의해 발생하며 확산을 기반으로합니다. 겔은 고체 물질의 최대 부피 변화를 가져옵니다. 마이크로 제작 기술과의 우수한 호환성과 결합하여, 특히 자극 반응성 하이드로 겔은 센서 및 액추에이터가있는 마이크로 시스템에 대한 관심이 크게 증가하고 있습니다. 현재 연구 및 응용 분야는 화학 센서 시스템, 미세 유체 및 다중 영상 시스템입니다.

유전체와 이온 성 EAP의 비교
유전체 폴리머는 DC 전압 하에서 활성화되는 동안 유도 된 변위를 유지할 수 있습니다. 이를 통해 유전체 폴리머가 로봇 어플리케이션에 고려 될 수 있습니다. 이러한 유형의 재료는 또한 높은 기계적 에너지 밀도를 가지며 성능을 크게 떨어 뜨리지 않고 공기 중에서 작동 할 수 있습니다. 그러나 유전체 폴리머는 파괴 레벨에 가까운 매우 높은 활성화 필드 (> 10V / μm)를 필요로합니다.

이온 성 중합체의 활성화는 다른 한편으로는 단지 1-2 볼트를 필요로한다. 그러나 일부 중합체는 건조한 환경에서 사용할 수있는 자체 함유 캡슐 형 활성제로 개발되었지만 젖음성을 유지할 필요가 있습니다. 이온 성 중합체는 또한 낮은 전기 기계 결합을 갖는다. 그러나 이들은 생체 모방 장치에 이상적입니다.

성격 묘사
전기 활성 폴리머가 특성화 될 수있는 여러 가지 방법이 있지만 여기에는 응력 – 변형률 곡선, 동적 기계적 열 분석 및 유전체 열 분석이 세 가지로만 다루어집니다.

응력 – 변형률 곡선
응력 변형률 곡선은 폴리머의 취성, 탄성 및 항복 강도와 같은 폴리머의 기계적 특성에 대한 정보를 제공합니다. 이는 일정한 속도로 폴리머에 힘을 제공하고 그 결과로 발생하는 변형을 측정함으로써 수행됩니다. 이 변형의 예가 그림 4에 나와 있습니다.이 기법은 재료의 유형 (취성, 거친 소재 등)을 결정하는 데 유용하지만 폴리머가 파열 될 때까지 응력이 증가함에 따라 파괴적인 기법입니다.

동적 기계 열 분석 (DMTA)
두 동적 기계 분석은 분자 수준에서 변형 메커니즘을 이해하는 데 유용한 비파괴 기술입니다. DMTA에서 정현파 응력이 폴리머에 적용되고 폴리머의 변형에 따라 탄성 계수와 감쇠 특성이 얻어집니다 (폴리머가 감쇠 된 고조파 발진기라고 가정). 탄성 재료는 응력의 기계적 에너지를 취하여 나중에 복원 할 수있는 위치 에너지로 변환합니다. 이상적인 스프링은 원래의 모양 (댐핑 없음)을 회복하기 위해 모든 잠재적 인 에너지를 사용하지만 액체는 모든 잠재 에너지를 사용하여 원래 위치 나 모양으로 되돌아 가지 않습니다 (높은 댐핑). 점탄성 중합체는 두 가지 유형의 행동의 조합을 나타냅니다.

유전체 열 분석 (DETA)
DETA는 DMTA와 유사하지만 교번하는 기계적 힘 대신 교류 전기장이 적용됩니다. 인가 된 장은 시료의 분극을 일으킬 수 있으며, 폴리머에 영구 쌍극자가 포함 된 그룹이 있으면 (그림 2) 전기장과 정렬됩니다. 유전율은 진폭의 변화로부터 측정 될 수 있고 유전체 저장 및 손실 성분으로 분해 될 수있다. 전기 변위 장은 또한 전류를 따라 가면서 측정 할 수 있습니다. 필드가 제거되면 쌍극자가 임의의 방향으로 다시 긴장됩니다.

응용 프로그램
EAP 재료는 많은 고분자 재료의 가공이 용이하기 때문에 다양한 형태로 쉽게 제조 될 수있어 매우 다양한 재료로 사용됩니다. EAP에 대한 잠재적 인 응용 분야 중 하나는 스마트 액추에이터를 생산하기 위해 잠재적으로 MEMS (microelectromechanical systems)에 통합 될 수 있다는 것입니다.

인공 근육
실용적인 연구 방향으로는 인공 근육에 EAP가 사용되었습니다. 높은 파괴 인성, 큰 작동 변형 및 고유 한 진동 감쇠로 생물 근육의 작동을 모방 할 수있는 능력은이 분야의 과학자들의 관심을 끌고 있습니다.

촉각 디스플레이
최근에는 빠른 읽기 및 컴퓨터 보조 통신에서 시각 장애인을 돕기 위해 “점자 디스플레이 용 전기 활성 폴리머”가 등장했습니다. 이 개념은 어레이 형태로 구성된 EAP 액츄에이터를 사용하는 것에 기반합니다. EAP 필름의 한면에있는 전극 행과 다른면에있는 열은 배열의 개별 요소를 활성화합니다. 각 요소에는 점자 점이 장착되어 있으며 선택한 요소의 두께에 전압을 적용하여 낮추어 로컬 두께 감소를 유발합니다. 컴퓨터 제어 하에서, 도트는 판독 될 정보를 나타내는 최고 및 최저의 촉각 패턴을 생성하도록 활성화 될 것이다.

가상 표면의 시각적 및 촉각 적 인상은 고해상도 촉각 디스플레이, 소위 “인공 피부”(그림 6)로 표시됩니다. 이러한 모 놀리 식 장치는 자극 반응성 하이드로 겔을 기반으로하는 수천 개의 멀티 모달 변조기 (액추에이터 픽셀) 어레이로 구성됩니다. 각 모듈레이터는 전송, 높이 및 부드러움을 개별적으로 변경할 수 있습니다. 시각 장애인을위한 그래픽 디스플레이로서의 가능한 사용 이외에도 그러한 디스플레이는 터치 패드 및 콘솔의 자유로운 프로그래밍 가능한 키로서 흥미 롭다.

미세 유체
EAP 물질은 마이크로 유체에 대한 거대한 잠재력을 가지고 있습니다. 약물 전달 시스템, 마이크로 유체 장치 및 랩 온어 칩 (lab-on-a-chip) 문헌에보고 된 최초의 미세 유체 플랫폼 기술은 자극 반응 젤을 기반으로합니다. 하이드로 겔 기반 마이크로 유체 장치는 물의 전기 분해를 피하기 위해 주로 전기 열 인터페이스로 제어되는 LCST (critical solution temperature) 특성이 낮은 온도 응답 성 폴리머를 기반으로합니다. 확산 마이크로 펌프와 변위 마이크로 펌프의 두 종류의 마이크로 펌프가 알려져 있습니다. 자극 반응성 하이드로 겔을 기반으로 한 마이크로 밸브는 입자 내성, 누출 없음 및 뛰어난 압력 저항과 같은 유리한 특성을 보여줍니다. 이러한 미세 유체 표준 부품 외에도 하이드로 겔 플랫폼은 화학 센서와 새로운 종류의 미세 유체 구성 요소 인 화학 트랜지스터 (케모 스타트 밸브라고도 함)를 제공합니다. 이러한 장치는 특정 화학 물질의 임계 농도에 도달하면 액체 흐름을 조절합니다. 화학 트랜지스터는 미세 화학 기계적 집적 회로의 기초를 형성합니다. “화학 ICs”는 독점적으로 화학 정보를 처리하고, 에너지 자체 구동 식이며, 자동으로 작동하고 대규모 통합이 가능합니다.

또 다른 마이크로 유체 플랫폼은 아이오 노 매틱 물질을 기반으로합니다. 이 소재로 제작 된 펌프는 저전압 (배터리) 작동, 극도로 낮은 소음 특성, 높은 시스템 효율 및 매우 정확한 유량 제어를 제공 할 수 있습니다.

EAP 액추에이터의 고유 한 특성으로부터 이익을 얻을 수있는 또 다른 기술은 광학 멤브레인입니다. 낮은 모듈러스, 액추에이터의 기계적 임피던스로 인해 일반적인 광학 멤브레인 재료와 잘 매칭됩니다. 또한 단일 EAP 액추에이터는 마이크로 미터에서 센티미터 범위의 변위를 생성 할 수 있습니다. 이러한 이유로 이러한 소재는 정적 형상 수정 및 지터 억제에 사용할 수 있습니다. 이러한 액추에이터는 대기 간섭으로 인한 광학 수차를 보정하는 데에도 사용할 수 있습니다.

이 물질들은 뛰어난 전기 자극 특성을 나타내므로 EAP 물질은 생체 모방 로봇 연구, 스트레스 센서 및 음향 분야에서 잠재력을 보여 주며, EAP가 가까운 장래에 더욱 매력적인 연구 주제가 될 것입니다. 그들은 휴머노이드 로봇의 얼굴 근육 및 팔 근육과 같은 다양한 액추에이터에 사용되었습니다.

향후 방향
EAP 분야는 아직 성숙하지 못했고 아직 해결해야 할 몇 가지 문제가 남아 있습니다. EAP의 성능과 장기적인 안정성은 수 불 투과성 표면을 설계함으로써 개선되어야합니다. 이는 EAP에 함유 된 물의 증발을 방지하고 EAP가 수성 환경에서 잠수 할 때 양성 상대 이온의 잠재적 손실을 감소시킨다. 결함이없는 전도성 표면을 생성하는 방법을 사용하여 향상된 표면 전도성을 탐구해야합니다. 이것은 금속 증기 증착 또는 다른 도핑 방법을 사용하여 가능할 수 있습니다. 또한 전도성 중합체를 이용하여 두꺼운 도전 층을 형성하는 것이 가능할 수있다. 내열성 EAP는 EAP 복합체에서 열의 발생으로 인해 EAP의 내부 구조를 손상시키지 않으면 서 더 높은 전압에서 작동 할 수있게하는 것이 바람직합니다. 상이한 구성 (예를 들어, 섬유 및 섬유 뭉치)으로 된 EAP의 개발은 가능한 운동 모드의 범위를 증가시키기 위해 또한 유익 할 것이다.