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1880년부터 오늘날까지: 전기 활성 폴리머의 놀라운 진화는 무엇입니까?
전기 활성 폴리머(EAP)는 전기장 자극에 따라 크기나 모양이 변할 수 있는 폴리머입니다. 이러한 유형의 소재가 가장 일반적으로 사용되는 분야는 액추에이터와 센서입니다. EAP의 주목할 만한 특성은 큰 힘을 받으면서도 큰 변형을 견딜 수 있다는 것입니다. 과거의 액추에이터는 대부분 세라믹 압전 재료로 만들어졌는데, 이는 큰 힘을 견딜 수는 있지만 종종 천 분의 1보다 적게 변형되었습니다. 1990년대 후반에 발표된 연구에 따르면 일부 EAP는 세라믹 액추에이터보다 훨씬 높은 최대 380%의 변형률을 달성할 수 있는 것으로 나타났습니다. 로봇공학에서 EAP의 중요한 응용 분야 중 하나는 인공 근육의 개발이며, 따라서 전기 활성 폴리머는 종종 인공 근육이라고 불립니다.
역사적으로, 전기 활성 폴리머에 대한 연구는 빌헬름 뢴트겐이 정전기장이 천연 고무의 기계적 성질에 미치는 영향을 조사하기 위해 실험을 설계한 1880년에 시작되었습니다.
한쪽 끝이 고정된 고무줄에 공기로부터 전하를 가하고 길이의 변화를 관찰한다. 1925년, 최초의 압전 폴리머(유전체)가 발견되었고, 이 연구는 EAP의 미래를 위한 토대를 마련했습니다. 이 소재는 카르나바 왁스, 수지, 밀랍을 섞은 후 DC 전압을 인가하여 냉각시켜 만듭니다. 시간이 지남에 따라, 환경 조건에 대한 폴리머의 반응 역시 이 연구 분야의 초점이 되었습니다. 1949년, 카차르스키 등은 콜라겐 섬유가 산성이나 알칼리성 용액에서 부피가 변한다는 것을 보여주었고, 이는 다른 자극에 대한 연구를 촉발시켰습니다.
1969년, 가와이는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)가 강력한 압전 효과를 가지고 있다는 것을 확인하였고, 이는 연구자들이 유사한 효과를 가진 다른 폴리머를 개발하는 데 관심을 불러일으켰습니다.
1977년, 히데키 시오카와 등이 최초의 전도성 폴리머를 발견했습니다. 폴리아세틸렌의 전도도는 요오드 증기로 도핑하면 8배나 증가할 수 있습니다. 1990년대 초 이오노머-금속 복합재(IPMC)가 발명되면서 EAP 개발은 새로운 단계에 접어들었습니다. 이 소재는 변형을 일으키는 데 1~2볼트의 전압만 필요한데, 이는 EAP가 더 큰 응용 잠재력을 가지고 있음을 보여주는 특징입니다.
1999년, 유세프 바-코한은 EAP 로봇 팔이 인간과 경쟁하는 아이디어를 제안했고, 첫 번째 경연 대회는 2005년 컨퍼런스에서 열렸습니다. 2002년 일본의 EAMEX가 최초로 상용화된 EAP 인공근육 장치를 출시했는데, 이는 독립적으로 헤엄칠 수 있는 물고기였으며, 이를 통해 EAP가 실용적으로 개발되는 데 큰 도움이 되었습니다. 하지만 관련 기술의 실제적 진전은 아직 미흡한 상태이다. 1990년대 DARPA의 자금 지원을 받은 연구를 바탕으로 2003년 인공근육 회사가 설립되었고, 2008년에는 산업 생산이 시작되었습니다.
전기 활성 폴리머의 종류
EAP는 구조에 따라 간단히 유전체형과 이온성형의 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다.
유전체 EAP
유전체 EAP에서 작동은 전극 사이의 정전기력에 의해 발생합니다. 유전체 엘라스토머는 매우 높은 변형률을 견딜 수 있으며 전압이 인가되면 정전용량이 변하는 커패시터처럼 동작합니다.
압전 폴리머
이 종류의 폴리머는 압전 효과를 이용해 음향 센서와 모터 액추에이터를 만들 수 있으며 고유한 압전 반응으로 인해 광범위한 응용 분야에 사용됩니다.
액정폴리머
주쇄 액정 폴리머는 사슬 구조를 가지고 있어 열 변화 하에서 독특한 기계적 성질을 나타낼 수 있으며, 잠재적인 기계적 구동 응용 분야를 가지고 있습니다.
이오닉 EAP
이 유형의 폴리머는 폴리머 내의 이온의 변위에 의해 구동되며, 몇 볼트만 필요하지만 상대적으로 높은 전력이 필요합니다.
미래 개발 방향
EAP 분야는 아직 발전 중이지만, 해결해야 할 과제가 많이 남아 있습니다. 한편, EAP의 성능과 장기적 안정성을 향상시키고, 물 증발을 방지하기 위한 방수 표면을 설계하면 다양한 환경에서 EAP의 신뢰성을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다. 반면, 더 높은 전압에서 지속적으로 작동할 수 있는 능력을 향상시키기 위해 열적으로 안정적인 EAP를 개발하는 것도 미래 연구 초점 중 하나입니다.
이러한 끊임없는 진보를 바탕으로, EAP 기술은 앞으로 점점 더 많은 응용 분야, 특히 인간과 기계 간의 인터페이스에 통합될 기회를 얻게 될 것입니다. 재료 과학과 기술이 발전하고 생체 모방 기술이 개발되면서, 전기 활성 폴리머가 미래에 어떤 놀라운 변화를 가져올지 궁금해지지 않을 수 없습니다.
