Actuation Mode Switching Liquid Crystal Elastomer 4D Printing via Phase Control = 상 조절을 이용한 변형 모드 전환 액정 탄성체 4D 프린팅

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Liquid crystal elastomers (LCEs) are crosslinked networks of liquid crystalline mesogens and flexible polymer chains, capable of undergoing significant and reversible shape transformation driven by phase transition–induced molecular disorientation. Direct Ink Writing (DIW) has emerged as a promising method for fabricating LCE structures, as the shear flow during extrusion can align mesogens along the printing direction. However, conventional DIW typically induces mesogen aligment parallel to the print path, resulting in actuation limited to contraction along that direction. This unidirectionality of the actuation mode of DIW-printed LCEs restricts deformation versatility and design freedom. To address this limitation, this study proposes DIW printing of LCE with a wide range of actuation strain (from -35% contraction to 29% elongation) via liquid crystal (LC) phase change between smectic and nematic phase under temperature control. Elongation behavior occurs when the ink is printed at smectic phase so that meosgens align perpendicular to printing direction, however contraction behavior occurs when ink is printed at nematic phase so that mesogens align parallel to the printing direction. Through actuation mode-switching LCE DIW, spatially alternating alignment states are encoded within a single printed structure, realizing bidirectional actuation behavior in LCE structures. Utilizing a bilayer structure integrating two oppositely actuating LCE layers with different thickness ratio, origami hinges that exhibit high, tunable bending curvature are printed, allowing the implementation of diverse origami configurations.

국문 초록 (Abstract)

액정 탄성체는 액정 분자와 유연한 고분자 사슬이 가교된 네트워크 구조로 이루어진 물질로, 상전이에 의한 분자 배열의 무질서화에 따른 가역적인 형상 변형이 가능하다. DIW 프린팅 방식은 압출 과정에서 발생하는 전단 흐름을 통해 액정 분자를 프린팅 방향으로 정렬시킬 수 있어 액정 탄성체 제작을 위한 유망한 공정으로 주목받고 있다. 그러나 기존의 DIW 공정에서는 액정 탄성체가 프린트 경로와 평행한 방향으로 정렬되는 경우가 일반적이며, 이로 인해 구동 거동이 해당 방향으로의 수축으로 제한된다. 이러한 단방향적 구동 특성은 DIW로 제작된 액정 탄성체 구조의 변형 다양성과 설계 자유도를 제한하는 요인으로 작용한다.
이러한 한계를 극복하기 위해, 온도 제어 하에서 스멕틱-네마틱 액정 상전이를 활용한 변형 모드 전환 DIW 프린팅 전략을 제안한다. 스멕틱 상에서 프린팅된 잉크는 층 구조로 인해 액정 분자가 프린팅 방향에 수직하게 정렬되며, 이에 따라 최대 29.7%의 인장 변형을 보인다. 반면, 네마틱 상에서 프린팅된 잉크는 액정 분자가 프린팅 방향과 평행하게 정렬되어 최대 –34.8%의 수축 거동을 나타낸다. 이러한 변형 모드 전환 DIW 공정을 통해 단일 구조 내에 서로 다른 분자 정렬 상태를 이룰 수 있으며, 이를 통해 양방향 구동이 가능한 액정 탄성체 구조를 프린트하여 기존에 달성하기 어려웠던 여러 변형을 성공적으로 이뤄낼 수 있었다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract 1
• Chapter 1. Introduction 4
• Chapter 2. Materials & Methods 7
• 2.1. Fabrication 7
• 2.1.1. Materials 7
• 2.1.2. Dual phase LCE oligomer Ink preparation 8
• 2.1.3. Temperature controlled DIW 9
• 2.2. Characterization 12
• Chapter 3. Results and Discussions 14
• 3.1. Phase change behavior and alignment property 14
• 3.1.1. LC orientation at each phase 14
• 3.1.2. Phase transition behavior 16
• 3.1.3. Alignment behavior 23
• 3.2. Switching actuation modes of DIW printed LCE 27
• 3.2.1. Tunable actuation and mechanical performance 27
• 3.2.2. Printing demonstration 35
• 3.2.3. Large bending bilayer 42
• Chapter 4. Conclusions 47
• Bibliography 48
• 국문 초록 51