From the last decades, instead of conventional electromechanical actuators such as motors and pneumatic/hydraulic actuators, bio-inspired electroactive soft actuators have received particular interest as an indispensable unit in next-generation electronics such as human-friendly wearable electronics, and human-electronics interactive smart haptic systems, and biocompatible biomedical active-devices. However, as-developed electroactive soft actuators have not yet meet a tight requirement to be applied the next-generation electronics due to their challenging issues including robust operation in harsh conditions, low blocking force, slow response time, cost-effectiveness and high-resolution controllability. Here, various high-performance ionic actuators based on hetero-nanoarchitectured carbonaceous materials with improved electrical/electrochemical/mechanical properties of the electrodes have been presented to overcome the aforementioned issues of ionic type actuators. First, a high-performance air-working ionic polymer actuator using heteroatom-doped graphene electrodes has been suggested, exhibiting large bending strain of 0.36% under low input voltage of 1V and 18,000-cycle durability. Secondly, three-dimensional graphene-carbon nanotube-nickel heteronanstructures have been synthesized for powerful and soft artificial muscles. The artificial muscles exhibit three times larger bending deformation and 2.37 times higher blocking force after incorporating the heteronanostructures in both an ionic polymer and electrodes. Finally, crumpled sulfur-doped nickel cobalt selenide nanoarchitectures-grown on carbon cloth electrodes for high-strength artificial muscles have been developed. All researches as explained above have been conducted to approach the tight requirement for future applications. Therefore, these efforts will greatly contribute to realize practical applications in human friendly sensor/actuator-integrated smart systems, wearable soft electronics, touch-feedback soft devices, and even space-related systems.
지난 수십 년 동안 기존의 전기 기계식 액추에이터를 대체하기 위하여 소프트 액추에이터에 관한 다양한 연구가 진행되었다. 그러나 전기활성 소프트 액추에이터는 낮은 구동력, 느린 응답 시간, 비용 효율성 등의 문제로 인해 차세대 전자 장치로의 적용을 위한 요구 사항을 아직 충족시키지 못했습니다. 본 연구에서는 전술한 액추에이터의 문제점을 해결하기 위하여 전극의 전기, 전기화학적, 기계적 특성이 개선된 헤테로 나노 구조화 된 탄소질 재료를 전극으로 이용하였다. 첫째로, 헤테로 원자가 도핑된 그래핀 전극을 사용하는 고성능 고분자 액추에이터가 제안되었다. 두 번째로, 강력하고 부드러운 인공 근육을 위해 3 차원 그래핀-탄소나노튜브-니켈 헤테로 구조가 합성되었다. 마지막으로, 고강도 인공 근육을 위한 탄소 직물 전극 위에 황이 도핑된 니켈 코발트 셀레나이드 나노 구조를 성장시켰다. 따라서 본 연구를 통해 개발된 소프트 액추에이터는 인간 친화적인 센서/액추에이터 통합형 스마트 시스템, 웨어러블 소프트 전자 장치, 터치 피드백 소프트 장치 및 심지어 우주 관련 시스템에서도 실용화에 크게 기여할 것이다.
