Carbon based thin film materials are widely used in advanced energy and actuator. Using ionomer binder, such thin film materials are applying to polymer electrolyte membrane fuel cell and electro-active polymer actuator as electrode materials of them. In order to improve the device’s performance and reliability, it should be preferred to understand the intrinsic physical properties. In this research, hygro-thermal and mechanical behavior of the electrodes are investigated in free-standing. New electrode separation method from coating substrates is proposed for quantitative analysis of the intrinsic behavior. Improvement of mechanical property is obtained through the flawless separation method with the maximum improvement of mechanical elongation of ~ 100 % compared with conventional electrode separation method. Moreover, the intrinsic hygro-thermal behavior is examined in consideration of operating environments. In-plane swelling strain and electron transport property are measured in-situ under variety of relative humidity and temperature. Differences of such behaviors depending on the weight fraction of ionomer are analyzed through theoretical modeling of swelling expansion. In contrast to previous works, the thin film electrodes have 1 ~ 4 % of in-plane swelling strain depending on the weight fraction of ionomer. Ten times increment of electrical resistance is showed via four-wire measurement using a digital multimeter. Transmission electron microscope analysis provides the structural alteration of ionomer binder as the containing ionomer increases, and hence the electrodes show structural transition from decoupling to coupling between the electrical resistance and the macroscopic swelling depending on the structure. This research may provide positive insights for the improvement of the mechanical performance and the robustness of electrodes. Furthermore, beneficial contributions are expected by spanning this research to the intrinsic electrical and chemical properties.
탄소 기반 박막 재료의 경우 다양한 차세대 에너지 및 액추에이터 기기에 널리 활용되고 있다. 본 박막이 이오노머 바인더로 구성되는 경우 고분자 전해질 연료전지 및 전기 활성 폴리머 액추에이터의 전극으로써 활용되고 있으며 이로 구성된 기기의 성능 및 신뢰성 향상을 위해 본 전극의 고유한 물리적 특성을 이해할 필요가 있다. 본 연구에서는 이오노머 바인더로 구성된 탄소 기반 전극에 대한 흡습-열 및 기계적 거동에 대한 연구를 진행하였다. 본 박막 전극의 고유한 물리적 거동을 기판 없이 정량적으로 조사하고자 이를 기판으로부터 손상 없이 분리할 수 있는 새로운 방법을 개발하였다. 기존의 전극 분리방법에 대비하여 전극의 기계적 손상 관점에서 이에 대한 개선을 박막 인장 시험을 통해 정량적으로 평가하였으며 최대 ~ 100 % 의 기계적 연신율 개선이 가능함을 확인할 수 있었다. 또한 다양한 운전 환경이 본 전극에 미치는 영향을 확인하고자 자유 지지 형태로 흡습-열-기계적 거동에 대한 연구를 진행하였다. 다양한 상대습도 및 온도 조건에서 전극의 면내 변형을 측정하였으며 이와 동시에 전극의 전자 수송 성능 변화를 저항 측정을 통해 조사하였다. 이오노머 함량에 따라 증가한 두께가 흡습 변형 거동에 영향을 미침을 이론적인 모델링을 통하여 확인하였다. 기존에 알려진 바와는 달리 면내 변형의 경우 이오노머 함량에 따라 약 1 ~ 4 % 로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 전기 저항의 경우 최대 10 배 정도 증가하는 것을 확인하였다. 투과전자현미경 분석을 통해 이오노머의 바인딩 구조가 이의 함량에 따라 달라짐을 확인하였으며, 본 구조에 따라 흡습 변형과 전기저항의 관계가 독립적 또는 종속적인 관계를 가짐을 알 수 있었다. 본 연구를 통해 다양한 환경 조건에서의 박막 전극의 기계적 성능 및 신뢰성 향상의 도모가 가능할 것으로 기대된다. 또한 손상 없이 박막 전극을 분리하는 기술을 다양하게 활용하여 전극 고유의 전기, 화학적 특성 평가 및 개선 등에도 적용 가능할 것으로 기대된다.
