액정탄성체는 빛, 열 등 다양한 외부자극에 반응하여 가역적인 대변형이 발생하는 설계 가능한 연성재료로, 고분자 사슬 내부에 강한 강성의 분자구조체인 메조겐을 포함하고, 가교결합을 통해 고분자 사슬 사이의 상호 결합으로 이루어져 있다. 액정탄성체는 온도변화에 의한 연속적이고 가역적인 상전이를 겪게 되는데, 이는 온도에 의한 메조겐의 배열 상태 변화에 기인한다. 메조겐의 배열 변화는 가교결합된 고분자 사슬의 형태 또한 변형시켜, 재료 자체의 거시적인 변형을 일으키게 된다. 그리고 배열의 방향 및 배열 정도에 의한 독특한 연성화 성질 때문에 액정탄성체는 생체모방 로보틱스, 센서나 액츄에이터 등 다양한 응용분야에 적용될 것으로 기대된다. 이러한 액정 고분자의 거동을 모사하는 수치적인 시뮬레이션 방법론이 이전부터 연구가 진행되어 왔지만, 실제적인 변형을 모사고 설계하는 데에는 한계가 있었다. 이에 동기를 얻어 본 논문에서는 액정고분자의 재료 거동을 모사하는 이론 및 설계 방법론을 수치적인 방법으로 제시하고자 한다.
본 연구는 액정고분자를 모사하는 에너지 모델로부터 구성방정식을 유도하였다. 단일-도메인 액정고분자의 구성방정식 모델을 통하여 연성화 거동 및 열반응에 의한 상전이 및 수축거동을 모사하고자 하였다. 상용 소프트웨어 아바쿠스를 사용하여 시뮬레이션을 수행하였고, 이를 통해 실험에서 보고된 연성화 거동, 상전이 및 열 수축거동에 의한 변형을 정성적으로 비교하여 이론의 적합성을 검증하였다.
또한 액정고분자의 제작법의 개선 및 발전으로, 복잡한 형상의 액정고분자 제작과 액정의 배열 방향 및 배열 정도를 제어할 수 있게 되었다. 이전보다 더 복잡한 변형이 외부자극에 의해 발생하게 되었고, 이를 효과적으로 제어하여 응용할 수 있는 방법론, 그리고 복잡한 거동을 효과적이고 정확하게 예측할 수 있는 이론이 필요하게 되었다. 따라서 본 연구에서는 위상최적화를 수행하여 굽힘변형을 원하는 대로 발생하도록 하는 변형률 패턴을 설계하고자 하였다. 거시적인 대변형을 모사하도록 동시회전 비선형 유한요소법을 도입하였고, 설계된 변형률 패턴으로 제작한 액정고분자가 의도한 형태의 굽힘변형을 보이는 것을 시뮬레이션으로 검증하였고, 본 눈문에서는 이를 액정고분자의 다양한 변형 형태를 설계할 수 있는 설계 방법론으로서 제시하였다.
그리고, 액정고분자의 변형에 의한 동적인 움직임을 활용한 응용 구조체들의 움직임을 모사하고, 동작 원리를 규명하기 위해 비선형 유한요소법에 접촉역학을 결합하여 시뮬레이션을 수행하였다. 빛의 굽힘에 의한 도약, 굽힘에 의해 바닥을 밀며 기어가는 구조체, 국부 변형에 의하 굴러가는 액정고분자 띠 등을 시뮬레이션을 통해 모사하였다.
본 논문에서 제시된 재료 거동을 모사하고 설계하는 시뮬레이션 방법론을 통해 앞으로 더 많은 수치적, 정량적 연구가 진행되어 실제 액정고분자의 제작 및 응용에 유용하게 활용될 수 있기를 기대한다.