이온성 고분자 금속 복합체 작동기의 소개 및 이의 응용 · 2.3.3 전기방사 기법을 이용한 셀룰로오스 기반 작동기 다공성 나노섬유 매트

한국정밀공학회지 제 28 권 11 호 pp. 1242-1250

Journal of the Korean Society for Precision Engineering Vol. 28, No. 11, pp. 1242-1250

November 2011 / 1242

◆ 특집 ◆ 고분자 기반의 소프트 액추에이터

이온성 고분자-금속 복합체 작동기의 소개 및 이의 응용

Introduction to Ionic Polymer-Metal Composite Actuators and Their Applications

전진한1, 오일권

1,�

Jin-Han Jeon1 and Il-Kwon Oh

1,�

1 한국과학기술원 기계항공시스템공학부 (School of Mechanical Aerospace and Systems Engineering, KAIST)

� Corresponding author: [email protected], Tel: 042-350-1520

Manuscript received: 2011.9.16 / Accepted: 2011.10.4

Several biomimetic artificial muscles including the electro-active synthetic polymers (SSEBS,

PSMI/PVDF, SPEEK/PVDF, SPSE, XSPSE, PVA/SPTES and SPEI), bio-polymers (Bacterial

Cellulose and Cellulose Acetate) and nano-composite (SSEBS-CNF, SSEBS-C60, Nafion-C60 and

PHF-SPEI) actuators are introduced in this paper. Also, some applications of the developed

biomimetic actuators are explained including biomimetic robots and biomedical active devices.

Present results show that the developed electro-active polymer actuators with high-performance

bending actuation can be promising smart materials applicable to diverse applications.

Key Words: Electro-active Polymer (전기반응 고분자), Ionic Polymer-metal Composite (이온성 고분자 금속 복합체),

Biomimetics (생체모방공학), Bio-medical Devices (생체의료 디바이스)

1. 서론

최근 생체모방공학(biomimetics)은 자연계의 구

조적인 형태를 모방하는 방식에서 생물체의 기능

을 모방하는 단계로 진화하고 있다. 이러한 변화

에 따라 생체모방형 작동기로 전기반응 고분자

(electro-active polymer, EAP)1-3 가 널리 연구되고 있

으며, 특히 가볍고 유연한 분포형 작동기 특성을

지니는 인공근육형 메커니즘을 구현 함에 있어서

유리한 특징을 가지고 있다. 전기반응 고분자 작

동기는 크게 Electronic type 과 Ionic type 으로 구분

되는데, Ionic EAP 는 동일전압대비 대변형을 하며

전력소모가 적어 작은 스케일의 응용 연구에 적합

하다. 그 중 이온성 고분자-금속 복합체(ionic

polymer-metal composite, IPMC) 작동기는 낮은 구동

전압에서 대변형 특성과 외력에 의한 감지 특성

그리고 생체적합성에 의해 다양한 분야에서 응용

가능하다.

현재 급속한 고령화 사회로 진행됨에 따라 고

령 인구에 특화된 의료서비스 및 고령친화 의료기

기에 대한 수요는 지속적으로 증가하고 있다. 이

에 따라 의료산업의 필수 핵심기술인 생체의료기

기에서는 생체적합성을 갖는 기능성 혹은 지능형

생체재료의 개발이 매우 중요하다. 특히 생체적합

성 및 생체모방성을 갖는 전기반응 고분자는 지능

형 의료기기의 능동형 스마트 소자로 활용 가능성

이 매우 높다.

Fig. 1은 IPMC 작동기의 구동원리와 구조를 보

여준다. 기본적으로 이온성 고분자는 전기장에서

움직이는 양이온(Li+)과 곁가지 구조로 고정된 술

폰산 음이온(SO3-)으로 구성되어 있다. 실제 IPMC

의 단면을 살펴보면 표면 전극층(a), 고분자-금속

한국정밀공학회지 제 28권 11호 pp. 1242-1250


복합체 층(b), 그리고 이온성 고분자막(c)으로 구성

되어 있다.

수화된 IPMC 에 전압을 인가하면, 고분자 막내

의 이온-물 분자 클러스터들이 양극에서 음극으로

이동하게 된다. 이때, 음극은 이온들의 과다분포로

팽창 하고 양극은 수축 되어 결국 외팔보 형태의

IPMC 작동기는 양극으로 굽힘 변형을 한다. 그러

므로 IPMC 작동기의 굽힘 성능을 향상시키기 위

해서는 이온성 고분자가 높은 이온교환능력, 함수

도, 이온 전도성과 인공근육형 작동기로 적용 가

능한 기계적 물성을 지녀야 한다.

Fig. 1 Ion-exchangeable polymer membrane and layer-up

of IPMC (a) Actuation principle, (b) Cross-

sectional view of IPMC4

본 논문에서는 기존 Nafion 기반의 이온성 고

분자 작동기의 단점들을 극복하고자 본 연구실에

서 수행하였던 새로운 전기반응 고분자, 생체적합

성 고분자, 고성능 나노-복합체 작동기 개발 및 이

들의 제어기법연구, 그리고 이의 응용에 대해 개

략적으로 소개 하고자 한다.

2. 새로운 전기활성 고분자 작동기 개발

2.1 기존의 Nafion 기반 IPMC 작동기

기존 Nafion 기반 IPMC 는 낮은 구동 전압에서

대변형 작동 특성과 외력에 의한 감지 특성을 가

지는 새로운 트랜스듀서로서 널리 연구되고 있다.

그러나, DC 가진에 따른 변위 유지 성능이 약하고

(straightening-back), 낮은 작동주파수와 작동력, 장

시간 운전시 성능 저하, 고가의 낮은 친환경성 특

징을 보인다. 이에 따라 고성능과 환경 친화성을

지닌 새로운 이온성 전기반응 고분자의 개발이 요

구된다.

2.2 새로운 생체모방형 고성능 고분자 작동기

본 절에서는 플루오르 계열의 Nafion 이온교환

막을 대체하여 PSMI-PVDF 와 탄화수소 계열인

SPEEK, SSEBS, SPSE, SPTES 등의 값싸고, 친환경

적인 이온성 고분자 재료로 개발한 이온성 전기반

응 고분자 작동기에 대해 소개하고자 한다. 특히

이들은 우수한 이온교환용량, 양이온 전도도 그리

고 인공근육형 작동기에 적합한 기계적 물성을 지

녀 이온성 전기반응 고분자 작동기로 적용 가능하

였다. 또한 이온성 고분자의 전기/기계/화학적 물

성을 개선하기 위하여 블렌딩기법과 교차연계기법

을 적용한 SPEEK/PVDF, XSPSE 그리고

PVA/SPTES 기반의 고성능 전기반응 고분자 작동

기를 개발하였다.

2.2.1 SSEBS 기반 고분자 작동기

SSEBS(sulfonated poly(styrene-b-ethylene-co-butylene-

b-styrene)는 삼중블록 공중합체로 에틸렌, 부타디

엔 그리고 스티렌의 조성에 따라 물리, 기계적 물

성 조절이 용이하다. 또한 수화된 상태에서 우수

한 양이온 전도성, 함수도와 기계적 강성을 가져

연료전지용 고체전해질 막으로 연구되고 있으며,

이에 본 연구팀에서 인공근육형 이온성 고분자 작

동기로 적용 가능성을 평가하였다. 특히 SSEBS 기

반 고분자 작동기는 친환경적인 탄화수소계열로

가격 또한 기존의 Nafion 에 비해 저렴하며, DC 가

진시 straightening-back 현상 없이 일정한 응답 특

성을 보였다.5

Fig. 2 SSEBS-based actuator: (a) Chemical structure, (b)

Tip displacement for 60s under DC excitation5

2.2.2 PSMI/PVDF 작동기

이온 망사형의 새로운 이온성 고분자인 PSMI-

PVDF(Poly(styrene-alt-maleimide)-Incorporated Poly

(vinylidene fluoride))를 적용하여 Fig. 3 과 같이 2V

의 낮은 구동 전압에서 straightening-back 현상 없

이 10mm 이상의 큰 굽힘 성능을 갖는 작동기를

개발하였다.6 특히 본 작동기는 고유의 우수한 이

온교환용량과 친수-소수성 블렌딩에 의해 형성된

친수성 나노채널로 인하여 뛰어난 전기-기계적 성

능을 보였다.



Fig. 3 PSMI/PVDF actuator: (a) Chemical structures, (b)

Bending actuation under DC voltage of 2.0V 6

2.2.3 SPEEK/PVDF 기반 IPMC 작동기

탄화수소계열의 SPEEK (sulfonated poly(ether

ether ketone))는 상온에서 우수한 양이온 전도도 및

수분 함량, 기계적 강성을 지녀 고체 전해질 막으

로 활발히 연구되고 있으나 막의 술폰화도를 조절

함에 있어서는 어려움이 있다. 특히 높은 술폰화

도로 인한 SPEEK 고분자 내의 과도한 acidic group

은 이온성 고분자막의 수분함량을 증대시켜 기계

적 물성을 낮추는 단점이 있다. 이를 개선하고자

안정적인 기계적 물성과 소수성 특성을 지닌

PVDF 와 블렌딩하여, 막의 강성과 술폰화도를 제

어하였다. SPEEK/PVDF 의 경우 straightening-back

현상 없이 일정한 작동 특성을 보였으며, 조화 응

답 특성 또한 우수하여 고성능 인공근육형 고분자

작동기로 적용 가능하였다.7

Fig. 4 SPEEK/PVDF actuator: (a) Chemical structures,

(b) Step responses under DC voltages of 2.5V and

3.0V, (c) Harmonic responses 7

2.2.4 SPSE/XSPSE 기반 고분자 작동기

SPSE(Sulfonated poly (styrene-ran-ethylene)) 고분

자 또한 높은 이온교환용량과 우수한 기계적 강성

을 지녀 고분자 작동기로 적용 가능하다. 그러나

기존의 상용 SPSE 로 제작된 막은 높은 함수도 특

성으로 인해 수화된 상태에서 우수한 기계적 물성

을 보였으며, 술폰화도 또한 조절하기 어려웠다.

이에 UV 조사를 통한 교차연계 기법으로 SPSE 의

함수도를 낮춤으로서 기계적 물성 및 작동 성능을

개선하였다. Fig. 6에서 보듯이 UV에 반응하는 비

닐 실리안 가교제를 함유한 SPSE 를 이용하여 가

교결합한 SPSE 기반의 고분자 작동기로 개발하였

으며, 응답 속도와 AC/DC 응답 특성 모두 기존

SPSE 작동기 보다 우수한 성능을 보였다.8,9

Fig. 5 SPSE actuator: (a) Chemical structure, (b) Step

responses under various DC voltages 8

Fig. 6 Crosslinked SPSE actuator: (a) Grafting vinyl

silane onto SPSE backbone, (b) Crosslinking

reaction among silane grafted SPSE copolymers,

(c) Step response under DC excitation with 2 V 9

2.2.5 PVA/SPTES 기반 고성능 고분자 작동기

SPTES (sulfonated poly(arylenethioethersulfone)

copolymer) 공중합체는 우수한 양이온 전도도와 열

적 안정성을 지녔지만, 인공근육형 고분자 작동기



에 적합한 기계적 강성을 갖도록 조절하기가 쉽지

않다. 이에 가교결합 기법을 통해 쉽게 SPTES 의

장점을 갖는 동시에 기계적 물성을 조절할 수 있

다. PVA(poly(vinyl alcohol))는 자체의 우수한 화학

적 안정성, 필름 형성의 용이성과 우수한 기계적

물성을 가지고 있으며 저가이다. SPTES 의 -SO3H

와 PVA 의 –OH 의 축합 반응을 통해 가교결합된

PVA/SPTES 를 합성하였다. PVA/SPTES 작동기의

계단응답을 통해 straightening-back 현상 없이 빠

른 응답속도와 대변형 특성을 보였다. 또한 조

화응답에서는 조화 왜곡 없이 Nafion 기반

IPMC 작동기 보다 훨씬 우수한 작동 성능을 보

였다.10

Fig. 7 Crosslinked PVA/SPTES actuator: (a) Chemical

structure and crosslinking mechanism, (b)

Comparison between PVA/SPTES and Nafion-

based actuators at 2.5V*sin(2π* 0.1*t)10

2.3 생체적합성을 지닌 고성능 고분자 작동기

2.3.1 생체적합성을 지닌 SPEI 기반 고성능

고분자 작동기

PEI(Polyetherimide)는 기계-화학적 안정성, 내용

제성과 우수한 필름 제작 용이성을 지닌 비결정성

고분자이다. 방향족 고리들 사이에 반복되는 페닐,

이미드 그룹과 에테르 연결 고리결합 등을 가지고

있으며, 기존의 Nafion 과 달리 PEI 는 생체적합성

을 지닌 바이오 재료로서 사용 가능성이 널리 알

려져 있다. 또한 PEI 막은 가격 효용성과 고분자

작동기로 적용 시 요구되는 기계적 강성의 조절이

가능하다는 장점을 지닌다. 이에 우수한 생체적합성

을 지닌 SPEI(sulfonated polyetherimide)에 기반한 생

체적합성을 갖는 이온성 고분자 작동기를 개발하

였다. 이온성 고분자 작동기로 적용하기 위해 PEI

고분자의 백본(back-bone)에 술폰산 그룹을 도입하

여 양이온 전도도, 함수도와 친수성 성질 등의 전

기/화학적 특성을 개선하였다. SPEI 작동기는 계단

응답에서 straightening-back 현상은 거의 없었으며,

대변형 특성을 보여 생체의료용 디바이스의 작동

기로 적용 가능성을 확인하였다.11

Fig. 8 SPEI actuator: (a) Reaction scheme for synthesis of

SPEI, (b) Step responses under DC voltages 11

2.3.2 Bacterial Cellulose 작동기

셀룰로오스는 지구상에서 가장 풍부한 천연 고

분자로 친환경성, 생분해성과 생체적합성 특징을

가지고 있다. 특히, 박테리아 셀룰로오스는 헤미셀

룰로우스, 펙틴, 및 리그닌 등 불순물이 함유한 식

물 셀룰로오스와 달리 순수한 셀룰로오스 집합체

로 결정화도, 화학적 안정성, 높은 기계적 강성 및

강도 등의 뛰어난 물성을 지니고 있다. 이에 따라

박테리아 셀룰로오스(BC)를 기반으로 한 전기 반

응 고분자 작동기를 개발하였다. 또한 박테리아

셀룰로오스에 LiCl 알칼리 처리 기법을 도입하여

박테리아 셀룰로오스의 결정성 약화와 동시에 비

정질 부분을 증가시켜, 박테리아 셀룰로오스의 전

기-화학-기계적 물성이 개선되었다. 이러한 변화를

통해 박테리아 셀룰로오스 작동기의 굽힘 변형량

과 성능 재현성이 개선되었음을 확인하였다.12

Fig. 9 Bacterial cellulose actuator: (a) β-1.4 glucosidic

linkage of BC unit chain, (b) Harmonic

responses, SEM images of (c) Pristine BC, (d)

LiCl treated BC 12



2.3.3 전기방사 기법을 이용한 셀룰로오스 기반

작동기

다공성 나노섬유 매트 제작에 용이한 전기방사

기법을 적용하여, 생체적합성을 지닌 셀룰로오스

아세테이트(cellulose acetate)와 풀러렌올(PHF) 기반

의 전기반응 바이오 고분자 매트를 개발하였다.

낮은 농도의 PHF 는 전기 방사시 발생한 비드의

불안정을 최소화시켜 나노 섬유의 크기를 400-

800nm 로 형성하는데 도움을 주었다. 또한 전기방

사시 PHF 의 상호반발에 의한 강한 인장력으로 인

해 더 가느다란 나노 섬유를 형성시켰다. 이로 인

해 이온성 고분자 작동기에 적합한 다공성 막을

합성 할 수 있었다. 전기방사된 나노섬유 매트의

우수한 다공성과 높은 비표면적은 매트 두께방향

으로 이온의 효율적인 확산으로 인한 작동기의 전

기화학적 구동성능의 개선에 도움을 주었다.13

Fig. 10 Electrospun fullerenol-cellulose biocompatible

Actuators 13

2.4. 전기-기계적 성능이 우수한 나노복합체

작동기

2.4.1 SSEBS-CNF 기반의 나노복합체 작동기

기존의 이온성 고분자 작동기는 낮은 변형량과

구동력으로 인하여 실제적 응용에 한계가 있었다.

이에 따라 나노 스케일의 강화 입자를 이용하여

나노 복합체와 스마트 재료의 화학/물리적 물성

개선 연구가 활발하다. 본 연구에서는 고분자와

우수한 적합성을 지닌 CNF(Carbon Nano Fiber)를

나노입자 강화제로 사용하였다. 특히 CNF 는 1 차

원 탄소 구조체로 길이방향으로 전기/기계적 물성

이 우수하여 고성능 나노복합체 제작에 유용할 것

으로 판단하였다. 또한 SSEBS 용액의 점도와 CNF

나노 입자 사이의 강한 반데르발스 힘으로 인해

CNF 의 응집 현상이 억제되어, CNF 가 균질 분산

된 SSEBS 기반 나노복합체를 제작할 수 있었다.12

SSEBS-CNF 작동기의 조화 및 계단 입력에 따른

굽힘 성능을 살펴보면, 인가전압이 증가함에 따라

변위가 증가하였으며 2V 인가전압에서

straightening-back 현상 없이 오랜 시간 동안 큰 구

동변위를 유지하였다. 또한 순수 SSEBS 작동기에

비해서는 더 빠른 응답성과 작동 성능을 보였다.

이는 CNF 에 의한 SSEBS 막의 기계적 강성 개선

뿐 아니라 이온 교환막의 두께 방향으로 양이온

전도도가 향상되었기 때문이다.14

Fig. 11 CNF-SSEBS actuator: (a) SEM image for

dispersion of CNFs, (b) single CNF, (c)

Harmonic responses, (d) Step responses 14

2.4.2 SSEBS-C60 기반의 나노복합체 작동기

개발

풀러렌은 축구공 모양으로 오직 탄소로만 구성

되어 있으며, 뛰어난 화학/물리/전기/전자/광학적

물성 때문에 태양전지, 에너지 저장 소자, 나노 복

합체 등 에너지 관련 소재로 널리 연구되고 있다.

풀러렌을 나노입자 강화제로 사용한 SSEBS-C60 기

반 나노 복합체 이온성 고분자 막은 향상된 양이

온 전도도, 이온교환 용량을 보였으며, 이로 인해

계단 가진 시에도 장시간 동안 straightening-back

현상이 나타나지 않았다.15

Fig. 12 SSEBS-C60 actuator: (a) Step responses, (b) Step

responses of different actuators upon step input

of 2.0V voltage 15



2.4.3 Nafion-C60 기반의 나노복합체 작동기

개발

풀러렌의 첨가로 인장 강도 및 강성이 크게 증

가하였으며, 양이온 전도도, 함수도 등이 크게 증

가 하였다. 순수 Nafion 기반 작동기에 비해

Nafion-fullerene 작동기에서 훨씬 straightening-back

현상이 줄어들었으며, 굽힘 작동 성능도 향상되었

다. Nafion-C60 나노-복합체 트랜스듀서는 순수

Nafion 기반 IPMC 트랜스듀서 보다 세배까지 작동

및 센싱 성능이 향상되었다.16,17

Fig. 13 Nafion-C60 actuator: (a) Well dispersed Nafion-

C60 composite, (b) Blocking force of pure and

Nafion-C60 actuators according to applied

voltages, (c) Actuated tip displacements under

square electrical input, (d) Sensed voltage of

three IPMC sensors under initial condition of tip

displacement 17

2.4.4 Fullerenol-SPEI 기반의 나노복합체 작동

기 개발

고성능의 생체적합성을 지닌 나노복합체 작동

기를 개발하기 위하여 Fullerenol-SPEI 기반 전기활

성 인공근육형 작동기를 개발하였다. 소량의

Fullerenol(PHF, 0.5 wt %)를 SPEI 매트릭스에 첨가함

으로써 고분자 복합체 막의 양이온 전도도와 함수

도가 크게 개선되었으며, 이로 인해 작동 성능이

크게 향상되었다. SPEI 매트릭스 안에 PHF 입자의

분산은 fullerene 나노 입자의 분산 보다 더 우수했

으며, 이는 PHF 와 SPEI 안의 극성 그룹 사이에

약한 수소 결합 때문이다. 또한 PHF-SPEI 작동기

를 순수 SPEI 작동기와 비교했을 때 훨씬 우수한

조화 및 계단 응답 특성을 보였다.18

Fig. 14 Schematic illustration for fabrication of PHF and

SPEI nanocomposite 18

3. 고분자 작동기 제어 기법 및 다양한 응용

3.1 IPMC 작동기의 적응 제어 기법

3.1.1 뉴로-퍼지 제어 (ANFC)

비선형 응답 특성을 갖는 IPMC 작동기의 끝단

변위를 제어하기 위해 적응 뉴로-퍼지 제어기

(ANFC, adaptive neuro-fuzzy control)를 설계하였다.

인공 뉴로 네트워크 알고리즘을 이용하여 IPMC에

대한 멤버쉽 함수와 제어 규칙을 트레이닝 하였다.

장시간 동안 적응 뉴로-퍼지 제어 알고리즘으로

끝단 변위를 제어하여 IPMC 의 straightening-back

문제가 발생하지 않았음을 확인하였고, 특히 큰

제어 입력과 시스템 모델의 변경 없이도 본 제어

기법을 통해 IPMC 작동기 성능 저감을 회복하여

장시간 제어가 가능하도록 하였다. ANFC 제어기는

우수한 제어 성능뿐 아니라 빠른 기준 변위의 변

화에도 신속히 적응하였고, 사인, 톱니, 사각파와

같은 동적 변화도 잘 트래킹함을 입증하였다.19

Fig. 15 (a) ANFC system, experimental results for

tracking (b) of sinusoidal wave (c) of square

wave using ANFC controller 19



3.1.2 ADRC 제어 기법 개발

IPMC 작동기의 수중 동적 거동을 잘 반영할

수 있는 비선형 실험 모델을 설계하고, 이를 이용

하여 비선형 IPMC 플랜트의 동적 거동 개선과 굽

힘 거동 제어 성능이 우수한 ADRC(auto-

disturbance-rejection controller) 제어 기법을 개발하

였다. 먼저 개루프 계단응답을 통해 IPMC 작동기

의 2 차 실험 모델을 추출한 후 시스템의 내부 동

특성과 외란을 표현하는 두 개의 비선형 함수 항

들을 이용하여, IPMC작동기의 동적 특성을 충분히

반영할 수 있는 수정된 모델을 구하고, 이를 외란

제거 특성이 우수한 ADRC 에 반영하여 불확실 비

선형 플랜트인 IPMC를 효과적으로 제어하였다.20

Fig. 16 (a) ADRC control system, (b) Closed-loop

response of IPMC strip to sawtooth reference

input signal under ADRC law, (c) Simulation

results of tracking sinusoidal reference input

signal under ADRC law 20

3.2 IPMC 기반 다양한 응용

3.2.1 생체모방형 로봇 : 해파리 로봇

본 연구에서는 임의의 곡면을 갖는 해파리의

형태를 모사하기 위해 열처리 기법을 이용한 곡면

형의 이온성 고분자 작동기 제작기술을 개발하였

다. 또한 큰 부양력을 갖도록 구성된 실제 해파리

의 주기적 움직임 패턴인 빠른 작동·느린 회복과

정을 모사한 전기 신호(bio-inspired signal)를 사용하

여 낮은 소비전력으로 큰 부양력을 얻을 수 있는

해파리 로봇의 효율적인 움직임을 구현하였다.21

해파리 로봇은 모사한 전기 신호의 주파수(1.2Hz)

와 물 속 해파리 로봇 팔의 공진 주파수(2.0Hz)에

서 큰 부양 속도를 보였다.

Fig. 17 Biomimetic jellyfish robot, (a) Jellyfish in

swimming, (b) Variation of the bell diameter of

the jellyfish robot with the bio-inspired input

signal, (c) Jellyfish robot, (d) Variation of the

floating velocity with the excitation frequency 21

3.2.2 능동형 생체의료용 디바이스 : 스냅스루

마이크로 펌프

초소형 펌프에 적용 가능하도록 곡률을 갖는

다중 IPMC 빔과 곡면형 멤브레인을 만들어 불안

정 좌굴형태에서 발생하는 동적 스냅-스루를 유발

하여 아래방향으로 급격한 대변형이 가능한 마이

크로 펌프를 제안하였다. 이로서 기존의 평평한

형태의 IPMC 와 달리 횡방향으로 행정이 매우 커

지게 되어 큰 유량을 펌핑할 수 있으며, 비대칭적

인 상향·하향 운동에 의해 밸브구조에서 발생할

수 있는 유량손실을 최소화할 수 있을 것이다.22,23

Fig. 18 Snap-through micro-pump (a) using buckled strip,

(b) buckled diaphragm 22,23



3.2.3 능동형 생체의료용 디바이스 : 나선형

스텐트

심혈관계와 소화기계 질환에 의한 재협착/후기

혈전, 암 등의 생체물질을 모니터링하고 이에 감

응하여 약물 방출 및 직경을 제어할 수 있는 능동

형 스텐트에 대한 연구가 진행 중에 있다. 본 연

구에서는 직경 제어가 가능한 스텐트용 스마트 재

료로 IPMC를 이용하여 스텐트의 직경 및 길이 조

절이 동시에 구현 가능한 나선형 IPMC 스텐트를

개발하였다. 나선형 IPMC 작동기의 구동특성을 조

화 가진, DC 가진에 대하여 살펴 보았으며 직경의

확장과 수축이 요구되는 스텐트 등에 적용 가능함

을 확인하였다.24 이와 더불어 IPMC 를 능동형 생

체의료용 디바이스인 내시경 로봇 25 및 능동형 카

테터 26의 작동기로 적용하려는 연구도 활발하다.

Fig. 19 (a) Actuation mechanism of helical IPMC actuator,

(b) Fabrication procedure, (c) Structural

parameters, (d) Radial displacements of helical

IPMC actuators with different parameter at 2*sin(2

π*0.1*t), (e) Radial displacements 24

4. 결론

본 특집 논문에서는 본 연구실에서 개발한 전

기반응 고분자와 이의 응용 연구에 대해 소개하였

다. 기존의 전기반응 고분자 작동기의 단점을 개

선하기 위하여 탄화수소계 이온교환성 고분자, 바

이오 고분자 그리고 나노-복합체를 이용하여 새로

운 고기능성 고분자 작동기를 개발하고 있으며,

최근에는 이러한 작동기들을 생체모방 로봇과 능

동형 의료 디바이스에 적용하려는 연구를 활발히

진행하고 있다. 개발된 고성능 전기활성 고분자

작동기들은 생체 의료용 디바이스의 구현뿐 아니

라, 차세대 성장 동력이 될 오락용 로봇 및 바이

오 로봇, MEMS 센서와 작동기, 인공근육의 의료보

조장비, 인간과 기계의 인터페이스, 약물전달시스

템 그리고 바이오칩 개발 등에 일조할 것이다.

후 기

이 논문은 2011 년도 정부(교육과학기술부)의

재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연

구임(No. 2011-0000052, 2011-0018615).

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