A study on the design and applications of high-k dielectric elastomers based on plasticized zwitterionic polymers = 유연화된 양쪽성이온 고분자를 기반으로 한 고유전율 유전탄성체의 설계 및 응용에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

고유전율(high-k) 고분자는 유기소재 특유의 유연성으로 인하여 기존의 단단한 세라믹 기반의 유전체를 대체할 잠재력을 가지고 있다. 고분자 소재에서 주사슬과 극성 측쇄의 분절 운동이 가능해지면, 전기장에 의한 쌍극자 배열 정렬(orientation polarization)이 허락되는데 이로 인해 소재의 고유전 특성에 기여할 수 있다. 양쪽성이온(zwitterion)은 양이온과 음이온이 화학적으로 결합된 형태의 매우 강한 쌍극자인데, 특히 이 쌍극자가 전기장 하에서 잘 정렬되면 고분자의 유전 특성을 크게 향상시킬 수 있다. 그러나 이러한 양쪽성이온 간에는 강한 전기적 상호작용이 존재하여 고분자의 유리전이온도(Tg)를 증가시키고, 결과적으로 쌍극자의 운동성을 감소시키기 때문에 효과적으로 분극할 수 없다는 한계가 있다.
본 학위논문에서는 이러한 한계를 극복하기 위해, 단순한 분자 내(intramolecular) 설계 전략을 이용한 새로운 형태의 고유전율 연성 유전체를 제시한다. 제2장에서는 ‘가소화된 양쪽성이온 유전 탄성체(PZDE)’를 설계하고 합성하는 과정을 다룬다. PZDE는 양쪽성이온 단량체와 낮은 Tg를 갖는 단량체의 공중합을 통하여 제작된다. PZDE 내에서 낮은 Tg 단량체는 가소제 역할을 하며 양쪽성이온 작용기의 정렬 분극을 돕는다. 그 결과 제작된 유전 탄성체는 순수한 양쪽성이온 고분자에 비해 현저히 향상된 유전상수(10 Hz에서 49.6)와 기계적 순응성(2.6 MPa-1)을 실온 조건에서 동시에 갖는다.
제3장에서는 PZDE 소재를 실제 유전체 소자에 접목함으로써 소재의 구체적 응용 가능성을 확인하였다. PZDE는 뛰어난 전기기계적 민감도를 가지기 때문에 별도의 고전압 증폭기 없이, 단순히 가정용 교류 전원(220 VAC)을 정류한 신호만으로 100%에 달하는 변형을 구현할 수 있다. 이는 저전기장 유전탄성체 액추에이터로서 전례 없는 성능이다. 또한 PZDE를 활용하여 만든 인공근육 소자의 경우, 8.43 kV/mm의 낮은 전기장에서 36.6 J/kg라는 인간 근육과 유사한 수준의 단위 질량당 에너지 밀도를 보인다. 이러한 결과는 PZDE가 차세대 고유전율 유전탄성체 소재로서 가지는 실용적 가능성과 응용 가능성을 명확히 보여준다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

High dielectric constant (high-k) polymers have the potential to replace conventional ceramic dielectrics and can be applied to various soft devices. The high-k property of a polymer can be demonstrated through the orientation polarization of dipoles in the side chains, if the segmental motion of the polymer backbone and the attached polar side chains is allowed. Zwitterions are highly polar dipoles consisting of a chemically tethered cation and anion, and they can considerably improve the dielectric properties of polymers when well oriented in an electric field. However, strong electrostatic interactions between zwitterionic units often lead to high glass transition temperatures (Tg), and limit the polarization effectiveness of the dipoles.
In this dissertation, a simple intramolecular strategy to design novel high-k soft dielectrics is proposed. Chapter 2 focuses on the design and fabrication of plasticized zwitterionic dielectric elastomers (PZDEs). The PZDEs are synthesized by copolymerizing a zwitterionic monomer with a low-Tg monomer, which allows the orientation polarization of zwitterion side chains. The fabricated dielectric elastomers exhibit both a remarkably higher dielectric constant of 49.6 at 10 Hz and enhanced mechanical compliance (2.6 MPa-1) compared to pure zwitterionic polymers at the same time.
Polar materials often tend to conduct electric charges rather than dielectrically separating them. So the fabricated PZDEs are integrated into dielectric elastomer actuator (DEA) devices in chapter 3, in order to ensure that they properly work as dielectrics. The results confirm that PZDEs are insulators with low conductivity and maintain charge separation. The DEA utilizing PZDEs are electromechanically sensitive and thus able to exhibit 100% strain using only rectified household electricity (220 VAC). Moreover, a specific energy of 36.6 J/kg, which is comparable to that of human muscle, is acquired at just 8.43 kV/mm when PZDE is applied to an artificial muscle device. Owing to these findings, PZDEs represent a promising new class of soft dielectrics with strong polarization capabilities and real-world applicability.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• List of Figures vi
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Study background 1
• 1.1.1. High-k dielectric polymers 1
• 1.1.2. Zwitterionic polymers 1
• 1.1.3. Dielectric elastomer actuator (DEA) 2
• 1.2. Purpose of research 2
• Chapter 2. The design and fabrication of plasticized zwitterionic dielectric elastomers 3
• 2.1. Introduction 3
• 2.2. Experimental section 5
• 2.2.1. Preparation of plasticized zwitterionic dielectric elastomers 5
• 2.2.2. Thermoanalytical measurements 6
• 2.2.3. Dielectric properties characterization 6
• 2.2.3.1. LCR meter in an N2-purged glove-box 6
• 2.2.3.2. Broadband dielectric spectroscopy (BDS) 7
• 2.2.3.3. Calculation of electric properties 7
• 2.2.4. Mechanical tests 10
• 2.3. Results and discussion 11
• 2.3.1. Design of high-k PZDEs 11
• 2.3.2. Fabrication 13
• 2.3.3. Thermal analysis of PZDEs 19
• 2.3.4. Electrical characteristics of PZDEs 26
• 2.3.5. Mechanical properties of PZDEs 35
• 2.4. Conclusion 44
• Chapter 3. Low-field applications to artificial muscles and characterization 46
• 3.1. Introduction 46
• 3.2. Experimental section 48
• 3.2.1. DEA fabrication 48
• 3.2.2. DEA performance evaluation 48
• 3.2.3. Household electricity DEA device 49
• 3.2.4. Vertical linear DEA for load lifting 49
• 3.3. Results and discussion 51
• 3.3.1. Electromechanical sensitivity of PZDEs 51
• 3.3.2. Dielectric strength 54
• 3.3.3. DEA performance 57
• 3.3.4. Household electricity DEA device 64
• 3.3.5. Vertical linear DEA for load lifting 67
• 3.4. Conclusion 69
• Chapter 4. Summary 71
• References 73
• Abstract in Korean 79