Electro-active polymers (EAPs) are materials capable of mechanical movement due to expansion and contraction of volume by an external electrical signal. Electroactive polymers can be divided into two types according to their operation mechanism. Electronic electroactive polymers (eEAPs) are materials that are deformed by polarization of electric dipoles due to external electric field, ionic electroactive polymers (iEAPs) are materials that are deformed by contraction and expansion due to ion transport. Ionic polymer-metal composite (IPMC), a representative ionic electroactive polymer, is being studied in various actuator fields based on its relatively high operating displacement, low driving voltage, and chemical stability. IPMC is composed of ion conductive polymer and an electrode. Nafion is widely used as a representative ion conductive polymer. The ion conduction mechanism of Nafion involves hydrated ion clusters that are moved by an external electric signal. In this study, using atomic force microscopy (AFM), we analyzed the actuation properties of IPMC actuators and the mechanical and ion conduction properties.
First, we fabricated IPMC actuators of different thicknesses and analyzed actuation properties under external voltage application. Based on the results, we used electrochemical and geometric calculation to predict ion movement inside Nafion under external voltage application and analyzed the correlation between the measured actuation properties and the thickness.
Second, we analyzed the mechanical properties of Nafion hot-pressed at bulk scale and micro/nano scale. The elastic modulus of the hot-pressed Nafion was measured by uniaxial tensile test and the mechanical properties at the surface were measured by atomic force microscopy indentation method. Based on the properties of Nafion measured by these two methods and crystallinity calculation through X-ray analysis, we proposed a new structure of Nafion fabricated by hot-pressing method.
Third, we analyzed the behavior of ions on the Nafion surface using electrochemical strain microscopy (ESM), one of the techniques of atomic force microscopy. With an AFM tip, an external voltage was applied to the surface of the Nafion and induced movement of the ions, allowing us to measure the change in surface ion concentration and electrochemical strain. By acquiring the change in surface topography over time, the movement of ions induced by external voltage could be confirmed.
전기 활성 고분자는 외부 전기적인 신호에 의해 부피의 팽창 및 수축으로 인한 기계적인 움직임 낼 수 있는 물질이다. 전기 활성 고분자는 작동 방식에 따라 크게 두 가지로 나뉘는데, 전자 분극 현상에 의한 전자성 전기 활성 고분자와 이온의 이동과 확산 의한 이온성 전기 활성 고분자로 나뉜다. 대표적인 이온성 전기 활성 고분자인 ionic polymer-metal composite (IPMC)는 상대적으로 큰 작동 변위, 낮은 구동 전압 그리고 화학적으로 안정하다는 장점을 바탕으로 다양한 엑츄에이터 분야에서 연구가 진행되고 있다. IPMC는 이온 전도성 고분자와 전극으로 구성되어 있는데 대표적인 이온 전도성 고분자로는 나피온이 많이 사용되고 있다. 나피온의 이온 전도 매커니즘은 수화된 상태에서 외부 전기적인 신호에 의해 수화된 양이온 클러스터가 이동하게 되는 원리이다. 본 연구에서는 나피온을 이용한 IPMC 엑츄에이터 작동 특성과 원자간력 현미경을 이용한 기계적 물성 및 이온 전도 특성에 대하여 분석하였다.
첫째로, 나피온을 적층하여 서로 다른 두께를 갖는 IPMC 엑츄에이터를 제작하고 외부 전압 인가 하에서 작동 특성을 분석하였다. 외부 전압 인가 하에서 나피온 내부의 이온의 움직임을 예측하여 전기화학적 유도와 기하학적 계산을 통해 작동 특성과 두께의 상관관계를 유도하였다.
둘째로, 고온 압축 방법으로 적층한 나피온의 기계적 특성을 벌크 스케일과 마이크로/나노 스케일에서 측정하여 비교 분석 하였다. 적층된 나피온의 탄성 계수를 일축 인장 시험을 통해 전체적인 물성을 측정하였고, 원자간력 현미경 압입 시험을 통해 표면에서의 물성을 측정하였다. 두 가지 방법으로 측정된 나피온의 물성과 X-선 분석을 통한 결정화도 계산을 바탕으로 고온 압축 방법으로 제작된 나피온의 새로운 구조를 제시하였다.
세번째로, 원자간력 현미경의 기술 중 하나인, 전기화학 변위 현미경 측정 방법을 사용하여 나피온 표면에서의 이온의 거동은 분석하였다. 탐침을 통해 나피온 표면에 전압을 가해주고 이온의 움직임을 유발하여 표면 이온 농도의 변화를 통해 전기화학적 변위를 발생 시키고 그 변화를 측정하였다. 본 연구를 통하여 나피온 표면에서 탐침에 의해 유도된 이온의 움직임을 확인 하였다.
