‘습도 감응형 고성능 액츄에이터’을 실현하기 위하여 수분에 의한 부피 변형이 큰 천연 점토를 탐구하고, 이를 작은 나노시트 조각으로 박리한 이후에 결정구조 재조립 엔지니어링을 통하여 고 감응형 HR 소재를 실현하고자 함. 또한 수분 감응 소재의 형상 변화를 전압 인가를 이용하여 원하는 방식으로 제어 가능한 액츄에이터를 기존 플레시블 PCB 전자소자에 활용되는 기술을 적용하여 실현하고자 함. 구체적인 관련 연구내용은 아래에서 기술함. [수분 감응형 Phyllosilicate 소재 및 공정 기술 연구] - 박리 및 재조립 공정기술: 이온교환 및 reflex 공정을 통하여 얇은 층상 규산염 시료가 나노시트로 박리시키고, 이를 맴브레인 필터막을 이용하여 재조립하는 공정을 기본으로 하여 자가기립형 시료를 제조함. - 표면 개질 및 첨가물 추가를 통한 소재 최적화: 천연 층상 규산염 점토 중에서 수분 흡수 능력이 뛰어난 Montmorillonite 시료를 중심으로 반응성을 탐색하고, 특성을 향상시키기 위하여 수분/온도 반응성 물질로 표면을 개질하거나 또는 GO 등과 같이 수분 반응성 나노물질을 첨가하여 수분 감응 특성을 최적화함. [온도 제어 기술] - 마이크로 히터를 구비한 유연성 기판 제작: 열적 내성이 우수한 폴리이미드를 기판으로 이용하여 Joule 히팅이 가능하도록 금속 미세 패턴을 형성하여 가열기로 이용함. - 능동 구동형 Actuator 기술: 유연성 히터 기판과 수분 감지막을 부착하여 인가 전압을 이용하여 온도를 제어 가능한 능동형 수분 감응형 액츄에이터를 제작하여 능동 구동에 대한 평가를 수행함. [Actuator 제작 및 평가] - 수분 감응형 Actuator 평가 기술: 습도를 제어하면서 시료의 형상을 관측하여 습도 감응 세기를 곡률 반경을 이용하여 정량화함. 또한 시트 Stiffness는 중요한 물성이므로 우측과 같은 실험 방법으로 평가함. 또한 실시간 질량변화 및 재료 물성 평가도 동시에 수행함. - 상대습도 감응형 고성능 능동 Actuator 기술: 유사한 평가 방법을 온도를 제어하기 위하여 인가한 다양한 전압 조건에서 평가하여 제작된 시료가 능동적인 구동이 가능함을 정량적으로 실험할 계획임.

본 과제는 종이로 만드는 수질 모니터링용 다중분석 μTAS형 Paper Chip을 개발하는 연구임. 연구 목표는 3차원 중공-종이 유체흐름 구조와 다단계 화학반응을 활용해 질소/인 화합물을 동시에 고감도로 색변환 검출하는 것임. 핵심 연구내용은 왁스 인쇄-레이저 절단-열가압 접착으로 유로를 만들고, 중공-종이(Hollow Paper) 유로 및 중공 장벽으로 유속 제어하며, 3차원 적층구조로 유체 운송용 3D 밸브와 반응물 공급/혼합을 수행하는 다단계 색변환 종이칩 소자를 구현함. Indophenol 직접 합성의 개선된 Berthelot’s 반응으로 암모니아/질소화합물을, Molybdenum blue(MB) 반응으로 인 화합물을 검출함. 기대효과는 종이 기반의 저비용·단순 유체 구동으로 육안 판독이 가능한 선택적 수질 감시 성능과, 환경·식품·에너지 센서로의 확장성을 제공하는 것임.