거대 열팽창 단결정 소재 기반 고내구성 초박막 바이모프 엑추에이터의 설계 및 제작 연구

Abstract

거대 열팽창(colossal thermal expansion, TE) 특성을 보이는 동적 결정체(dynamic crystals)는 큰 부피 변화와 선형적인 열 응답성을 지니고 있어, 차세대 스마트 액추에이터(예: 인공 근육, 오리가미 시스템, 소프트 로보틱스)의 유망한 후보로 주목받고 있다. 그러나 단결정성 을 유지하면서 소재를 가공하고 대면적으로 확장(scale-up)하는 데에는 여전히 어려움이 존재한 다. 이의 결과로 기존 동적 결정체들은 취성에 약하고 거시적인 환경에서의 사용이 어려우며 우 연에 의존하는 움직임을 기대할 수 밖에 없다. 이에 본 연구에서는 능동층으로 6,13-비스(트라 이아이소프로필실릴에티닐)펜타센(6,13-bis(triisopropylsilylethynyl)pentacene, TIPS-P) 단결 정 필름을, 수동층으로 SU-8 을 사용한 열응답형 바이모프 액추에이터를 제시한다. 메니스커스 유도 프린팅(meniscus-guided printing) 기술을 통해 TIPS-P 필름의 결정학적 배향을 본질적 으로 정렬시킬 뿐 아니라 형태적 설계가 가능하다. 그 결과 제작된 액추에이터는 프로그래머블한 거동을 보이며 거대 열팽창 계수(425.3 MK-1)를 갖으며 높은 영률(3 GPa)을 갖는 TIPS-P 의 특 성에 기인하여 높은 곡률(6.7–10.8 cm-1)을 나타냈다. 또한, 이 액추에이터는 3.27 × 10-7 J 에서 5.6 × 10-7 J 범위의 기계적 일을 발생시키는 성능을 보였다.|Dynamic crystals exhibiting colossal thermal expansion (TE) show large volumetric changes and linear thermal responsiveness, making them promising candidates for next-generation smart actuators such as artificial muscles, origami systems, and soft robotics. However, maintaining single crystallinity during processing and achieving large-area scale-up remain significant challenges. As a result, conventional dynamic crystals often suffer from brittleness, limited applicability in macroscopic environments, and motion that relies heavily on chance rather than deterministic control. In this study, we present a thermally responsive bimorph actuator composed of a single-crystalline 6,13-bis(triisopropylsilylethynyl)pentacene (TIPS-P) film as the active layer and SU-8 as the passive layer. The meniscus-guided printing technique enables intrinsic crystallographic alignment of the TIPS-P film while allowing precise morphological design. Consequently, the fabricated actuator exhibits programmable motion and achieves high curvature (6.7–10.8 cm⁻¹), attributed to the colossal thermal expansion coefficient (425.3 MK⁻¹) and relatively high Young’s modulus (~3 GPa) of TIPS-P. Furthermore, the actuator delivers mechanical work in the range of 3.27 × 10⁻⁷ J to 5.6 × 10⁻⁷ J.