펜실베니아 주립대학교가 이끄는 국제 연구원 팀에 따르면, 전기 에너지를 기계적 변형으로 변환하는 데 매우 뛰어난 새로운 유형의 강유전성 폴리머는 의료 기기, 고급 로봇 공학 및 정밀 포지셔닝 시스템의 응용 분야에서 큰 잠재력을 가진 고성능 모션 컨트롤러 또는 "액추에이터"로서의 가능성을 보유하고 있다.

힘이 가해질 때 재료의 모양이 어떻게 변하는지를 나타내는 기계적 변형은 전기 에너지와 같은 외부 힘이 가해질 때 변하거나 변형되는 모든 재료인 액추에이터의 중요한 특성이다. 전통적으로 이러한 액추에이터 재료는 단단했지만 강유전성 폴리머와 같은 부드러운 액추에이터는 더 높은 유연성과 환경 적응성을 나타낸다.

주울 열에 의해 구동되는 강유전성 폴리머의 작동.

이 연구는 전통적인 압전 고분자 복합 재료의 한계를 극복하기 위한 강유전성 고분자 나노 복합 재료의 잠재력을 입증했으며, 변형 성능과 기계적 에너지 밀도가 향상된 소프트 액추에이터 개발을 위한 유망한 방법을 제공한다. 소프트 액추에이터는 강도, 파워 및 유연성으로 인해 로봇 공학 연구자에게 특히 관심을 끌고 있다.

"잠재적으로 우리는 이제 인공 근육이라고 부르는 일종의 소프트 로봇 공학을 가질 수 있다. “이를 통해 우리는 큰 변형 외에 높은 하중을 견딜 수 있는 부드러운 물질을 가질 수 있다. 따라서 그 물질은 인간의 근육에 가까운, 인간의 근육을 더 많이 모방하게 될 것이다.”

그러나 이러한 재료가 약속을 이행하기 전에 극복해야 할 몇 가지 장애물이 있으며 이러한 장애물에 대한 잠재적인 솔루션이 연구에서 제안되었다. 강유전체는 외부 전하가 가해질 때 자발적인 전기 분극을 나타내며 재료의 양전하와 음전하가 서로 다른 극으로 향하는 재료의 한 종류이다. 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하는 상전이 동안 이러한 재료의 변형은 모양과 같은 속성을 완전히 변경하여 액추에이터로 유용하게 만들 수 있다.

강유전성 액추에이터의 일반적인 응용 분야는 잉크젯 프린터로, 전하가 액추에이터의 모양을 변경하여 종이에 잉크를 침전시켜 텍스트와 이미지를 형성하는 작은 노즐을 정밀하게 제어한다.

많은 강유전성 재료가 세라믹이지만, 이들은 또한 함께 결합된 많은 유사한 단위로 만들어진 천연 및 합성 재료의 한 종류인 폴리머일 수 있다. 예를 들어, DNA는 나일론과 마찬가지로 폴리머이다. 강유전성 폴리머의 장점은 작동에 필요한 엄청난 양의 전기장 유도 변형을 나타낸다는 것이다. 이 변형은 세라믹과 같은 액추에이터에 사용되는 다른 강유전성 재료에 의해 생성되는 것보다 훨씬 높다.

강유전성 재료의 이러한 특성은 높은 수준의 유연성, 다른 강유전성 재료에 비해 비용 절감 및 가벼운 무게와 함께 성장하는 소프트 로봇 공학, 유연한 부품 및 전자 장치를 갖춘 로봇 설계 분야의 연구자들에게 큰 관심을 끌고 있다.

"이 연구에서 우리는 부드러운 재료 작동 분야에서 두 가지 주요 과제에 대한 솔루션을 제안했다."라고 Wang은 말했다. "하나는 부드러운 재료의 힘을 개선하는 방법이다. 우리는 폴리머인 소프트 작동 재료가 가장 큰 변형을 가지지만 압전 세라믹에 비해 훨씬 적은 힘을 생성한다는 것을 알고 있다.”

두 번째 문제는 강유전성 폴리머 액추에이터가 일반적으로 매우 높은 구동 필드를 필요로 한다는 것이다. 이는 액추에이터의 모양 변화와 같이 시스템에 변화를 가하는 힘이다. 이 경우 액추에이터가 되기 위해 필요한 강유전성 반응에 필요한 폴리머의 형태 변화를 생성하기 위해 높은 구동 필드가 필요하다.

강유전성 고분자의 성능을 향상시키기 위해 제안된 해결책은 고분자에 부착되는 일종의 미세한 스티커인 침투형 강유전성 고분자 나노복합체를 개발하는 것이었다. 나노입자를 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride)와 같은 폴리머에 통합함으로써 연구원들은 폴리머 내에서 서로 연결된 극의 네트워크를 만들었다.

이 네트워크는 일반적으로 필요한 것보다 훨씬 낮은 전기장에서 강유전성 상전이를 유도할 수 있다. 이것은 도체를 통과하는 전류가 열을 발생시킬 때 발생하는 주울 열을 이용한 전열 방법을 통해 달성되었다. 나노복합 중합체에서 상 전이를 유도하기 위해 주울 가열을 사용하면 일반적으로 강유전성 상 변화에 필요한 전기장의 강도의 10% 미만만 필요하다.

"일반적으로 강유전성 재료의 변형과 힘은 역의 관계로 서로 상관관계가 있다."라고 Wang은 말했다. “이제 우리는 그것들을 하나의 재료로 통합할 수 있으며 줄 열을 사용하여 구동하는 새로운 접근 방식을 개발했다. 구동 필드가 10% 미만으로 훨씬 낮아질 것이기 때문에 이 새로운 소재가 의료 기기, 광학 장치 및 소프트 로봇 공학과 같이 낮은 구동 필드를 필요로 하는 많은 응용 분야에 사용될 수 있는 이유이다.”