Abstract
Recent attention has been drawn to materials that undergo reversible expansion and contraction in response to external stimuli, leading to morphological changes. These materials hold potential applications in various fields including soft robotics, sensors, and artificial muscles. In this study, a novel material capable of responding to high temperatures for protection or encapsulation is proposed. To achieve this, liquid crystal elastomer (LCE) with nematic-isotropic transition properties and polyimide (PI) with high mechanical strength and thermal stability were utilized. To utilize a solution process, a dope solution was synthesized and introduced into micro-printing techniques to develop a two-dimensional pattern of LCE/PI bilayer structures with sub-millimeter widths. The honeycomb-patterned LCE/PI bilayer mesh combined the mechanical strength of PI with the high-temperature contraction behavior of LCE, and selective printing of LCE facilitated deformation in desired directions at high temperatures. Consequently, the functionality of selectively and reversibly encapsulating specific high-temperature materials was achieved. This study suggests potential applications in various actuator fields where functionalities can be implemented across different temperature ranges without the need for electrical energy input, contingent upon molecular changes in LCE.
최근 외부 자극에 따라 팽창과 수축을 가역적으로 반복하며 형태가 변하는 소재가 주목받고 있다. 이러한 소재는 소프트 로봇, 센서, 인공근육 등 다양한 분야로의 응용가능성을 가지고 있다. 본 연구에서는 고온 물질에 감응하여 이를 보호하거나 감쌀 수 있는 새로운 소재를 제안하였다. 이를 위해, 네마틱-등방성 전이 성질을 지닌 액정 엘라스토머(liquid crystal elastomer, LCE)와 높은 기계적 강도와 고온 수치 안정성을 지닌 폴리이미드(polyimide, PI)를 이용하였다. 용액공정으로 합성된 도프 용액을 마이크로 프린팅 기법에 도입하여 mm 미만의 마이크론 선폭을 지닌 LCE/PI 이중층 구조 2차원 패턴을 개발하였다. 벌집구조로 패턴된 LCE/PI 이중층 메쉬는 PI의 기계적 강도와 LCE 고온 수축 거동의 장점을 동시에 가지고 있었고, LCE 선택적 프린팅을 통해 고온에서 원하는 방향으로의 변형을 유도할 수 있었다. 그 결과, 특정 고온 물질을 가역 반복적으로 감쌀 수 있는 기능을 구현하였다. 본 연구는 LCE 분자 변화에 따라 다양한 온도 구간에서 전기에너지 인가없이 기능을 구현할 수 있는 다양한 액추에이터 분야의 응용 가능성을 시사한다.