KR100617616B1 - Method for manufacturing a multi-layer polymer actuator equipped with nano-scale thin-film dielectric elastomers - Google Patents

Method for manufacturing a multi-layer polymer actuator equipped with nano-scale thin-film dielectric elastomers Download PDF

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김홍석
이성일
김진영
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Abstract

본 발명은 나노 단위의 유전탄성체 박막 및 전극이 순차적으로 적층된 적층형 폴리머 액추에이터의 제조 방법에 관한 것으로서, 나노 단위의 유전탄성체 분자가 용해되어 있는 유전탄성체 용액에 고전압을 인가하여 유전탄성체 분자를 하전시키는 제1 단계와; 상기 하전된 유전탄성체 분자를 스핀 코팅기의 컬렉터 스크린에 분사하는 제2 단계와; 상기 스핀 코팅기의 컬렉터 스크린에 부착된 유전탄성체 분자를 고속으로 회전시키서 나노 단위의 유전탄성체 박막을 형성하는 제3 단계와; 상기 형성된 유전탄성체 박막을 경화시키는 제4 단계와; 상기 경화된 유전탄성체 박막 상에 전극을 적층하는 제5 단계와; 상기 제1 내지 제5 단계를 반복하여, 유전탄성체 박막 및 전극을 순차적으로 적층하는 제6 단계를 포함한다. 본 발명에 따르면, 나노 단위의 유전탄성체 박막을 효과적으로 형성할 수 있으며, 이에 따라 폴리머 액추에이터의 구동 전압을 수십 볼트(V) 내외로 획기적으로 낮출 수 있다. The present invention relates to a method of manufacturing a laminated polymer actuator in which nano-layer dielectric elastomer thin films and electrodes are sequentially stacked, and apply a high voltage to a dielectric elastomer solution in which nano-dielectric elastomer molecules are dissolved to charge dielectric elastomer molecules. A first step; Spraying the charged dielectric elastomer molecules onto a collector screen of a spin coater; Rotating the dielectric elastomer molecules attached to the collector screen of the spin coater at high speed to form nano dielectric dielectric thin films; A fourth step of curing the formed dielectric elastomer thin film; Stacking an electrode on the cured dielectric elastomer thin film; By repeating the first to fifth steps, a sixth step of sequentially stacking the dielectric elastomer thin film and the electrode. According to the present invention, it is possible to effectively form the nanoelastic dielectric thin film, thereby significantly lowering the driving voltage of the polymer actuator to about tens of volts (V).

유전탄성체, 액추에이터, 나노, 박막, 적층, 스핀 코팅 Dielectric Elastomers, Actuators, Nano, Thin Films, Laminations, Spin Coating

Description

나노 단위의 유전탄성체 박막이 구비된 적층형 폴리머 액추에이터의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING A MULTI-LAYER POLYMER ACTUATOR EQUIPPED WITH NANO-SCALE THIN-FILM DIELECTRIC ELASTOMERS}METHOD FOR MANUFACTURING A MULTI-LAYER POLYMER ACTUATOR EQUIPPED WITH NANO-SCALE THIN-FILM DIELECTRIC ELASTOMERS}

도 1은 유전탄성체를 이용한 폴리머 액추에이터의 동작 원리를 개략적으로 설명하기 위한 개념도.1 is a conceptual diagram for schematically explaining the operating principle of a polymer actuator using a dielectric elastomer.

도 2는 종래의 스핀 코팅법에 의하여 적층형 폴리머 액추에이터를 제조하는 방법의 예시도.Figure 2 is an illustration of a method of manufacturing a laminated polymer actuator by a conventional spin coating method.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 적층형 폴리머 액추에이터의 나노 단위 유전탄성체 박막을 형성하기 위한 장치의 구성도.3 is a block diagram of an apparatus for forming a nano-unit dielectric elastomer thin film of a laminated polymer actuator according to a preferred embodiment of the present invention.

도 4는 도 3의 장치를 이용하여 적층형 폴리머 액추에이터를 제조하는 방법의 순서도.4 is a flow chart of a method of manufacturing a stacked polymer actuator using the apparatus of FIG.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

10 : 유전탄성체 필름 20, 30 : 전극10: dielectric elastomer film 20, 30: electrode

110 : 시린지 120 : 분사기110: syringe 120: injector

130 : 고전압 발생기 140 : 스핀 코터130: high voltage generator 140: spin coater

150a, 150b : 교반 혼합기 160 : 모터 펌프150a, 150b: stirring mixer 160: motor pump

170 : 노즐170: nozzle

본 발명은 적층형 폴리머 액추에이터의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 나노 단위의 유전탄성체 박막이 구비된 적층형 폴리머 액추에이터를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a laminated polymer actuator, and more particularly, to a method of manufacturing a laminated polymer actuator provided with a dielectric thin film of nano units.

지금까지 모터 또는 솔레노이드 등을 이용한 액추에이터가 다양한 분야에서 활용되고 있으나, 이러한 액추에이터 기술을 예컨대, 인간형 로봇(humanoid)의 관절에 적용하기 위해서는 다수의 액추에이터를 집적해야 하는 어려움뿐만 아니라, 상대적으로 낮은 동작 주파수에서 고밀도의 출력을 실현해야 되는 문제점 등이 있다. Until now, actuators using motors or solenoids have been utilized in various fields, but in order to apply such actuator technology to joints of humanoid robots, for example, the difficulty of integrating multiple actuators, as well as relatively low operating frequency There is a problem in that a high density output must be realized.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 예컨대, 형상 기억 합금(shape memory alloy), 압전 재료(piezo material) 등을 이용하여 액추에이터를 구현하는 기술이 제안되어 있으나, 각각의 단점으로 인하여 아직까지는 보편화되지 않고 있다. 예컨대, 압전 재료는 응답 속도 및 효율 측면에서 우수하지만, 동작 변위가 매우 작은 문제점을 가지고 있다. 이와 반대로, 형상 기억 합금의 경우에는, 신축 변위는 충분하지만, 응답 속도 및 효율이 기대에 못 미치고 있다.In order to solve this problem, a technique for implementing an actuator using, for example, a shape memory alloy, a piezo material, or the like has been proposed, but due to its disadvantages, it has not been popularized yet. For example, piezoelectric materials are excellent in terms of response speed and efficiency, but have a problem of very small operation displacement. On the contrary, in the case of the shape memory alloy, the stretching displacement is sufficient, but the response speed and the efficiency are not as expected.

이에 따라, 최근에는 전기활성 유전탄성체(EAP; Electroactive Polymer)를 이용한 폴리머 액추에이터 기술에 관한 관심이 증대되고 있다. 이러한 폴리머 액추에이터의 재료로는 전기장에 의해 전왜 변형(electrostrictive strain)이 유발되는 전왜 폴리머, 전기장이 가해질 때 폴리머 내부에 이온 편류가 발생하여 변형이 발생하는 폴리머 젤, 이온 박막, 및 도전성 폴리머 등이 있다. Accordingly, in recent years, interest in polymer actuator technology using an electroactive dielectric elastomer (EAP) has increased. Materials for such polymer actuators include electrostrictive polymers in which electrostrictive strains are induced by an electric field, polymer gels in which ion drift occurs in the polymer when the electric field is applied, and polymer gels in which deformation occurs. .

도 1은 유전탄성체를 이용한 폴리머 액추에이터의 동작 원리를 개략적으로 설명하기 위한 개념도이다. 1 is a conceptual diagram schematically illustrating the operating principle of a polymer actuator using a dielectric elastomer.

도 1의 (a)를 참조하면, 유전탄성체 필름(10)은 실리콘 또는 우레탄 계열의 유전탄성체(dielectric elastomer)로서, 통상 전왜 폴리머라 칭한다. 그리고, 이러한 유전탄성체 필름의 상단 및 하단에는 서로 다른 전압이 인가되는 제1 전극(20) 및 제2 전극(30)이 각각 도포되며, 전극 재료로는 탄소(Carbon)가 주로 사용된다. Referring to FIG. 1A, the dielectric elastomer film 10 is a silicone or urethane-based dielectric elastomer, commonly referred to as an electrodistorted polymer. In addition, the first electrode 20 and the second electrode 30 to which different voltages are applied are respectively applied to the upper and lower ends of the dielectric elastomer film, and carbon is mainly used as the electrode material.

도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 이러한 폴리머 액추에이터에 전압(V)을 인가하여 양 전극(20, 30)에 전위차를 유발하면, 전왜 변형(electrostrictive strain)이 유발되어 유전탄성체 필름(10)이 평면 방향(도 1의 XY 평면)으로 팽창한다. 이 때, 유전탄성체 필름(10)의 체적은 전압 인가 전후에 변화가 없으며, 유전탄성체 필름의 두께(Z축 방향)는 표면적의 증가에 반비례하여 감소한다.As shown in FIG. 1B, when a voltage V is applied to the polymer actuator to cause a potential difference between both electrodes 20 and 30, electrostrictive strain is induced to cause dielectric dielectric film 10. ) Expands in the planar direction (XY plane in FIG. 1). At this time, the volume of the dielectric elastomer film 10 does not change before and after voltage application, and the thickness (Z-axis direction) of the dielectric elastomer film decreases in inverse proportion to the increase in the surface area.

도 1의 단층 구조에 기초하여, 여러 장의 유전탄성체 및 전극을 순차적으로 적층함으로써, 적층형 폴리머 액추에이터를 제조할 수 있다. 적층형 폴리머 액추에이터는 단층 구조에 비하여 보다 큰 변위 및 팽창력을 얻을 수 있다. Based on the single layer structure of FIG. 1, a laminated polymer actuator can be manufactured by sequentially stacking a plurality of dielectric elastomers and electrodes. Laminated polymer actuators can achieve greater displacement and expansion force compared to single layer structures.

적층형 폴리머 액추에이터를 제조하기 위한 적층 방법으로는 압착 성형, 스핀 코팅, 스크린 인쇄, 기상 증착 등의 방법이 실용화되어 있으며, 미크론(㎛) 단위의 유전탄성체 박막을 제조할 수 있다. 한편, 이들 방법 주에서 스핀 코팅 또는 증착법은 여타의 방법에 비하여 상대적으로 더 얇은 유전탄성체 박막을 제조할 수 있으나, 증착법의 경우에는 고가의 설치비용으로 인해 제조비용이 과도하게 소모되는 단점이 있다As a lamination method for manufacturing a laminated polymer actuator, methods such as compression molding, spin coating, screen printing, and vapor deposition have been put into practice, and a dielectric elastomer thin film in micron (μm) units can be manufactured. On the other hand, the spin coating or vapor deposition method in these methods can produce a relatively thin dielectric elastomer thin film compared to other methods, but in the case of the vapor deposition method, the manufacturing cost is excessively consumed due to the expensive installation cost.

도 2는 종래 기술 중에서 비용-효과 측면에서 우수한 스핀 코팅법에 의하여 적층형 폴리머 액추에이터를 제조하는 방법을 예시한 것이다.2 illustrates a method of manufacturing a laminated polymer actuator by spin coating, which is cost-effective in the prior art.

도시된 바와 같이, 유전탄성체 분자가 용해된 1종 이상의 유전탄성체 용액을 교반 혼합기(Stirrer Mix)로 혼합하여 스핀 코팅기에 분사한다. 스핀 코팅기는 분사된 유전탄성체 분자를 고속으로 회전시켜서 균일한 두께의 유전탄성체 박막을 형성하며, 이렇게 형성된 유전탄성체 박막을 오븐(Oven)에서 열경화시킨다. 이어서, 유전탄성체 박막의 상부에 탄소 전극(Carbon Electrode)를 적층한 후, 원하는 층수까지 적층이 완료될 때까지 전술한 과정을 반복한다.As shown, at least one dielectric elastomer solution in which the dielectric elastomer molecules are dissolved is mixed with a stir mixer and sprayed onto a spin coater. The spin coater rotates the injected dielectric elastomer molecules at high speed to form a dielectric elastomer thin film having a uniform thickness, and thermally cures the dielectric elastomer thin film thus formed in an oven. Subsequently, a carbon electrode is laminated on the dielectric elastomer thin film, and the above-described process is repeated until the desired number of layers is completed.

한편, 폴리머 액추에이터의 팽창력은 인가되는 전압의 자승에 비례하고, 유전탄성체 필름 두께의 자승에 반비례하기 때문에, 유전탄성체 필름을 보다 얇게 제작할수록 동일한 변위 또는 팽창력을 얻는 데 필요한 전압이 낮아진다. 예컨대, 적층형 폴리머 액추에이터를 구성하는 유전탄성체 박막의 두께가 나노 단위인 경우에 전왜 변형에 필요한 전압은 수십 V 내외로 낮출 수 있다.On the other hand, since the expansion force of the polymer actuator is proportional to the square of the applied voltage and inversely proportional to the square of the dielectric elastomer film thickness, the thinner the dielectric elastomer film is made, the lower the voltage required to obtain the same displacement or expansion force. For example, when the thickness of the dielectric elastomer thin film constituting the laminated polymer actuator is in nano units, the voltage required for the distortion distortion may be reduced to about several tens of volts.

그러나, 전술한 스핀 코팅법에 있어서 유전탄성체 박막의 두께는 회전 속도, 회전 시간, 유전탄성체의 점도 등에 의해 좌우되며, 회전 속도 등을 높이더라도 10 미크론 이하의 필름을 제작하기는 매우 곤란하다. 이와 같이 제작된 수십 미크론 단위의 필름에 전왜 변형을 유발하기 위해서는 kV 단위의 고전압을 인가하여야 하는 문제점이 있다.However, in the spin coating method described above, the thickness of the dielectric elastomer thin film depends on the rotation speed, rotation time, viscosity of the dielectric elastomer, and the like, and it is very difficult to produce a film of 10 microns or less even if the rotation speed is increased. There is a problem in that a high voltage of kV is required to induce the distortion in the film of the tens of microns produced as described above.

전술한 문제점을 해결하고자, 본 발명은 적층형 폴리머 액추에이터를 제조함에 있어서 나노 단위의 유전탄성체 박막을 형성하기 위한 효과적 방법을 제공하는 데 그 목적이 있으며, 특히 종래의 스핀 코팅법과 유사한 프로세스를 제공함으로써 설비 변경을 최소화하는 데 그 목적이 있다.In order to solve the above problems, the present invention is to provide an effective method for forming a nano-elastic thin film in the manufacture of a laminated polymer actuator, in particular by providing a process similar to the conventional spin coating method The goal is to minimize change.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 측면에 따르면, 나노 단위의 유전탄성체 박막 및 전극이 순차적으로 적층된 적층형 폴리머 액추에이터를 제조하는 방법이 제공되며, 나노 단위의 유전탄성체 분자가 용해되어 있는 유전탄성체 용액에 고전압을 인가하여 유전탄성체 분자를 하전시키는 제1 단계와; 상기 하전된 유전탄성체 분자를 스핀 코팅기의 컬렉터 스크린에 분사하는 제2 단계와; 상기 스핀 코팅기의 컬렉터 스크린에 부착된 유전탄성체 분자를 고속으로 회전시키서 나노 단위의 유전탄성체 박막을 형성하는 제3 단계와; 상기 형성된 유전탄성체 박막을 경화시키는 제4 단계와; 상기 경화된 유전탄성체 박막 상에 전극을 적층하는 제5 단계와; 상기 제1 내지 제5 단계를 반복하여, 유전탄성체 박막 및 전극을 순차적으로 적층하는 제6 단계를 포함한다.In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a laminated polymer actuator in which the nanoelastic dielectric thin film and the electrode is sequentially stacked, the nanoelastic dielectric molecules are dissolved Applying a high voltage to the dielectric elastomer solution to charge the dielectric elastomer molecules; Spraying the charged dielectric elastomer molecules onto a collector screen of a spin coater; Rotating the dielectric elastomer molecules attached to the collector screen of the spin coater at high speed to form nano dielectric dielectric thin films; A fourth step of curing the formed dielectric elastomer thin film; Stacking an electrode on the cured dielectric elastomer thin film; By repeating the first to fifth steps, a sixth step of sequentially stacking the dielectric elastomer thin film and the electrode.

이 때, 상기 제3 단계는 고속 회전에 의해 두께가 100 나노미터 이하인 유전탄성체 박막을 형성하는 것이 바람직하며, 상기 유전탄성체 용액이 2종 이상의 유전탄성체 분자를 포함하는 경우에는 하전된 2종 이상의 액상 유전탄성체 분자 간에 중합 반응이 일어나도록 유도하는 것이 바람직하다. In this case, in the third step, it is preferable to form a dielectric elastomer thin film having a thickness of 100 nanometers or less by high-speed rotation, and when the dielectric elastomer solution contains two or more dielectric elastomer molecules, the charged two or more liquid phases It is preferable to induce a polymerization reaction between the dielectric elastomer molecules.

본 발명의 제2 측면에 따르면, 전왜 변형되는 나노 단위 유전탄성체 박막을 제조하는 장치가 제공되며, 나노 단위의 유전탄성체 분자가 용해되어 있는 유전탄성체 용액을 저장하고 이를 분사하는 분사기와; 상기 분사기에 저장된 유전탄성체 분자를 하전시키는 고전압 발생기와; 상기 하전된 유전탄성체 분자와 전위차가 유발되어 상기 분사기로부터 분사되는 하전 유전탄성체 분자가 부착되며 그 유전탄성체 분자를 고속으로 회전시켜서 나노 단위의 유전탄성체 박막을 형성하는 스핀 코팅기를 포함한다.According to a second aspect of the present invention, there is provided an apparatus for manufacturing a nano-dielectric dielectric thin film that is electrostrictly modified, comprising: an injector for storing and injecting a dielectric elastomer solution in which nano-dielectric elastomer molecules are dissolved; A high voltage generator for charging the dielectric elastomer molecules stored in the injector; It includes a spin coating machine to generate a potential difference with the charged dielectric elastomer molecules attached to the charged dielectric elastomer molecules sprayed from the injector and to rotate the dielectric elastomer molecules at high speed to form a nano-dielectric thin film.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명토록 하며, 이하에서 나노 단위라 함은 1 미크론 미만의 나노 스케일을 의미한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings, hereinafter, nano units means nanoscales of less than 1 micron.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 전자방사(electrospinning) 법에 의하여 적층형 폴리머 액추에이터의 나노 단위 유전탄성체 박막을 형성하기 위한 장치를 나타낸 것이다. 3 illustrates an apparatus for forming a nano-unit dielectric elastomer thin film of a laminated polymer actuator by an electrospinning method according to a preferred embodiment of the present invention.

도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자방사 장치는 하나 이상의 시린지(110), 분사기(120), 고전압 발생기(130), 스핀 코터(140)로 구성되어 있다.As shown, the electrospinning apparatus according to a preferred embodiment of the present invention is composed of one or more syringes 110, the injector 120, the high voltage generator 130, the spin coater 140.

먼저, 시린지(Syringe)(110)는 유전탄성체로 사용되는 유전탄성체 재료(Polymer A, Polymer B)를 종류별로 예컨대, 톨루엔 또는 자일렌과 같은 유기 용매에 용해한 유전탄성체 용액을 저장하고, 이를 분사기(120)로 주입한다. 이 때, 유전탄성체 재료에 첨가되는 유기 용매의 양에 따라 유전탄성체 용액의 점도(Viscosity)를 조절할 수 있다.First, the syringe 110 stores a dielectric elastomer solution obtained by dissolving a dielectric elastomer material (Polymer A, Polymer B) used as a dielectric elastomer in an organic solvent such as toluene or xylene, and injecting the same into an injector ( 120). At this time, the viscosity of the dielectric elastomer solution may be adjusted according to the amount of the organic solvent added to the dielectric elastomer material.

분사기(120)는 시린지(110)로부터 주입되는 액상의 유전탄성체 재료, 즉, 유전탄성체 용액(Polymer Solution)을 저장하며, 복수개의 시린지로부터 주입되는 액상의 유전탄성체 재료를 혼합하기 위해 제1 및 제2 교반 혼합기(Stirrer Mix)(150a, 150b)를 구비하고 있다. 분사기에 저장된 액상 유전탄성체 재료는 모터 펌프(M)(160)에 의해 가압되어, 노즐(170)을 통해 분사된다. 이에 따라, 펌프(180)의 가압 속도를 제어하여, 유전탄성체 재료의 분사량을 조절할 수 있다.The injector 120 stores the liquid dielectric elastomer material injected from the syringe 110, that is, the dielectric elastomer solution, and mixes the liquid dielectric elastomer material injected from the plurality of syringes. Two stirring mixers (Stirrer Mix) 150a, 150b are provided. The liquid dielectric elastomer material stored in the injector is pressurized by the motor pump (M) 160 and injected through the nozzle 170. Accordingly, by controlling the pressurization speed of the pump 180, it is possible to adjust the injection amount of the dielectric elastomer material.

고전압 발생기(HV Power Supply)(130)는 예컨대, 5kV 내지 50kV 범위의 직류 전압을 출력하여, 분사기(120)에 저장된 유전탄성체 용액의 분자를 하전시킨다. 대안으로서, 고전압 발생기(130)는 노즐(170)에 연결되어, 유전탄성체 분자를 하전시키도록 구성할 수 있다.The high voltage generator 130 outputs a direct current voltage in the range of 5 kV to 50 kV, for example, to charge the molecules of the dielectric elastomer solution stored in the injector 120. Alternatively, high voltage generator 130 may be coupled to nozzle 170 and configured to charge the dielectric elastomer molecules.

스핀 코터(Spin Coater)(140)는 모터(도시되지 않음)의 구동에 의하여 컬렉터 스크린(Collector Screen)(145)을 고속으로 회전시키며, 전기적으로 도체인 컬렉터 스크린(145)에는 노즐(170)로부터 분사된 나노미터 크기의 유전탄성체 분자가 흡착된다. The spin coater 140 rotates the collector screen 145 at high speed by driving a motor (not shown), and electrically connects the collector screen 145 from the nozzle 170 to the conductor screen 145. The injected nanometer-sized dielectric elastomer molecules are adsorbed.

보다 구체적으로 살펴보면, 노즐(170)과 컬렉터 스크린(145) 사이에 전기장을 형성하기 위해 컬렉터 스크린(145)은 접지되어 있고, 노즐(170)을 통해 분사된 하전 유전탄성체 분자는 전술한 전기장에 의해 유도되어 스핀 코터의 컬렉터 스크린(145)에 부착된다. 한편, 스핀 코터(140)는 일정한 속도로 회전하기 때문에, 컬렉터 스크린(145)에 부착된 유전탄성체 분자는 균일한 두께의 유전탄성체 박막을 형성하게 된다. 그리고, 이러한 박막 형성 방법을 전자방사(electrospinning)라 한 다. More specifically, the collector screen 145 is grounded to form an electric field between the nozzle 170 and the collector screen 145, and the charged dielectric elastomer molecules injected through the nozzle 170 are driven by the electric field described above. Guided to and attached to the collector screen 145 of the spin coater. On the other hand, since the spin coater 140 rotates at a constant speed, the dielectric elastomer molecules attached to the collector screen 145 form a dielectric elastomer thin film having a uniform thickness. This thin film formation method is called electrospinning.

도 4는 도 3의 유전탄성체 박막 형성 방법을 이용하여 적층형 폴리머 액추에이터를 제조하는 방법을 순차적으로 도시한 것이며, 유전탄성체 박막 제조 단계(S110 내지 S150) 및 전극 제조 단계(S160)로 이루어지며, 적층이 완료될 때까지 이들 단계를 반복한다.FIG. 4 illustrates a method of sequentially manufacturing a multilayer polymer actuator using the dielectric elastomer thin film forming method of FIG. 3, and includes a dielectric elastomer thin film manufacturing step (S110 to S150) and an electrode manufacturing step (S160). Repeat these steps until it is complete.

보다 구체적으로 살펴보면, 단계(S110)는 1종 이상의 유전탄성체 분자가 용해되어 있는 유전탄성체 용액을 분사기(도 3의 120)에 주입하고, 이들을 균일하게 혼합한 후 고전압을 인가한다. 예컨대, 2종 이상의 유전탄성체 분자를 혼합하는 경우에는, 각 유전탄성체 재료에 유기 용매를 첨가하여 유전탄성체 용액을 만들고, 이들 용액을 각각 분사기에 주입하여 교반 혼합기로 균일하게 혼합한다.In more detail, in step S110, a dielectric elastomer solution in which one or more dielectric elastomer molecules are dissolved is injected into an injector (120 in FIG. 3), and the mixture is uniformly mixed and a high voltage is applied thereto. For example, when two or more dielectric elastomer molecules are mixed, an organic solvent is added to each dielectric elastomer material to make a dielectric elastomer solution, and these solutions are respectively injected into an injector and uniformly mixed with a stirring mixer.

이어서, 단계(S110)에서 하전된 유전탄성체 분자는 노즐을 통해 분사되고, 전술한 바와 같이 전기장에 의해 유도되어 스핀 코팅기의 컬렉터 스크린에 부착된다(S120). 이 때, 스핀 코팅기가 예컨대, 1000 rpm 내지 5000 rpm으로 고속 회전함에 따라, 컬렉터 스크린에 부착된 유전탄성체 분자는 균일한 두께로 퍼져서 나노 단위의 유전탄성체 박막을 형성하며, 바람직하게는 스핀 코팅기의 회전 속도 및 회전 시간을 조정하여 유전탄성체 박막의 두께가 100 나노미터 이하가 되도록 한다. Subsequently, the charged dielectric elastomer molecules in step S110 are injected through the nozzle, and are induced by an electric field as described above and attached to the collector screen of the spin coater (S120). At this time, as the spin coater rotates at a high speed, for example, 1000 rpm to 5000 rpm, the dielectric elastomer molecules attached to the collector screen spread to a uniform thickness to form a nano-dielectric thin film, and preferably the spin coating machine is rotated. Speed and rotation time are adjusted so that the thickness of the dielectric elastomer thin film is less than 100 nanometers.

또한, 단계(S120)에서는, 하전된 2종 이상의 유전탄성체 분자 사이에서 중합 반응이 일어나도록 유도할 수 있다. 즉, 유전탄성체 분자에 인가되는 고전압의 크기, 스핀 코팅기의 회전 속도 등을 제어함으로써, 2종 이상의 유전탄성체 분자가 상호 중합 반응을 일으킬 수 있는 반응 에너지를 제공한다.Further, in step S120, a polymerization reaction may be induced between two or more charged dielectric elastomer molecules. That is, by controlling the magnitude of the high voltage applied to the dielectric elastomer molecules, the rotational speed of the spin coater, and the like, the two or more dielectric elastomer molecules provide a reaction energy capable of causing a mutual polymerization reaction.

전술한 단계(S120)에 후속하여, 유전탄성체 박막을 오븐 등에서 가열하여 고체 상태로 경화시키며(S140), 유전탄성체 박막 위에 탄소 전극을 적층한다(S150). 이러한 탄소 전극은 전술한 종래 기술에 따라 스핀 코팅법에 의하여 적층될 수 있다. Subsequent to the above-described step (S120), the dielectric elastomer thin film is heated in an oven or the like to cure to a solid state (S140), and a carbon electrode is laminated on the dielectric elastomer thin film (S150). Such carbon electrodes can be laminated by spin coating according to the prior art described above.

마지막으로 단계S(160)에서는, 원하는 층수의 적층형 폴리머 액추에이터가 완성될 때까지 전술한 단계(S110 내지 S150)를 반복하여, 나노 단위의 유전탄성체 박막 및 전극을 순차적으로 적층한다.Finally, in step S160, the above-described steps (S110 to S150) are repeated until the stacked polymer actuator having the desired number of layers is completed, and the dielectric elastomer thin films and the electrodes in nano units are sequentially stacked.

이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 여타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 보호 범위는 이하의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.Although the preferred embodiment according to the present invention has been described above, this is merely exemplary and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the protection scope of the present invention should be defined by the following claims.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 종래의 스핀 코팅 장치에 전자 방사법을 적용함으로써 나노 단위의 유전탄성체 박막을 효과적으로 형성할 수 있으며, 이에 따라 폴리머 액추에이터의 구동 전압을 수십 볼트(V) 내외로 획기적으로 낮출 수 있다. 더욱이, 본 발명은 기존 프로세스와의 유사성으로 인하여 나노 박막 제조를 위한 설비 변경을 최소화할 수 있는 추가적 장점이 있다.As described above, according to the present invention, by applying the electrospinning method to the conventional spin coating apparatus, the dielectric elastomer thin film in nano units can be effectively formed, and accordingly, the driving voltage of the polymer actuator can be drastically reduced to about tens of volts (V). Can be lowered. Moreover, the present invention has the additional advantage of minimizing facility changes for nano thin film fabrication due to similarity with existing processes.

Claims (8)

나노 단위의 유전탄성체(dielectric elastomer) 박막 및 전극이 순차적으로 적층된 적층형 폴리머 액추에이터를 제조하는 방법으로서,A method of manufacturing a laminated polymer actuator in which nano-dielectric elastomer thin films and electrodes are sequentially stacked, 나노 단위의 유전탄성체 분자가 용해되어 있는 유전탄성체 용액에 고전압을 인가하여 유전탄성체 분자를 하전시키는 제1 단계와,A first step of applying a high voltage to the dielectric elastomer solution in which the nanoelastic dielectric elastomer molecules are dissolved to charge the dielectric elastomer molecules; 상기 하전된 유전탄성체 분자를 스핀 코팅기의 컬렉터 스크린에 분사하는 제2 단계와,Spraying the charged dielectric elastomer molecules onto a collector screen of a spin coater; 상기 스핀 코팅기의 컬렉터 스크린에 부착된 유전탄성체 분자를 고속으로 회전시키서, 나노 단위의 유전탄성체 박막을 형성하는 제3 단계와,Rotating the dielectric elastomer molecules attached to the collector screen of the spin coater at high speed to form nano dielectric dielectric thin films; 상기 형성된 유전탄성체 박막을 경화시키는 제4 단계와,A fourth step of curing the formed dielectric elastomer thin film; 상기 경화된 유전탄성체 박막 상에 전극을 적층하는 제5 단계와,Stacking an electrode on the cured dielectric elastomer thin film; 상기 제1 내지 제5 단계를 반복하여, 유전탄성체 박막 및 전극을 순차적으로 적층하는 제6 단계The sixth step of sequentially stacking the dielectric elastomer thin film and the electrode by repeating the first to fifth steps 를 포함하는 적층형 폴리머 액추에이터의 제조 방법.Method for producing a laminated polymer actuator comprising a. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 제3 단계는 고속 회전에 의해 두께가 100 나노미터 이하인 유전탄성체 박막을 형성하는 것인 적층형 폴리머 액추에이터의 제조 방법.The third step is to form a dielectric elastomer thin film having a thickness of 100 nanometers or less by a high speed rotation. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 단계는The method of claim 1 or 2, wherein the first step 1종의 유전탄성체 재료에 유기 용매를 첨가하여 상기 유전탄성체 용액을 준비하는 것인 적층형 폴리머 액추에이터의 제조 방법.A method for producing a laminated polymer actuator, wherein an organic solvent is added to one dielectric elastomer material to prepare the dielectric elastomer solution. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 단계는The method of claim 1 or 2, wherein the first step 2종 이상의 유전탄성체 분자에 각각 유기 용매를 첨가하고, 이를 혼합하여 상기 유전탄성체 용액을 준비하는 것인 적층형 폴리머 액추에이터의 제조 방법.An organic solvent is added to each of two or more dielectric elastomer molecules, and the mixture is prepared to prepare the dielectric elastomer solution. 제4항에 있어서, 상기 제3 단계는The method of claim 4, wherein the third step 상기 하전된 2종 이상의 유전탄성체 분자 간에 중합 반응이 일어나도록 유도하는 것인 적층형 폴리머 액추에이터의 제조 방법.A method of producing a stacked polymer actuator that induces a polymerization reaction between the two or more charged dielectric elastomer molecules. 전왜 변형되는 나노 단위 유전탄성체 박막을 제조하는 장치로서,As a device for manufacturing a nano-dielectric dielectric thin film that is warped, 나노 단위의 유전탄성체 분자가 용해되어 있는 유전탄성체 용액을 저장하고, 이를 분사하는 분사기와,An injector for storing and spraying a dielectric elastomer solution in which nano dielectric dielectric elastomer molecules are dissolved, 상기 분사기에 저장된 유전탄성체 분자를 하전시키는 고전압 발생기와, A high voltage generator for charging the dielectric elastomer molecules stored in the injector; 상기 하전된 유전탄성체 분자와 전위차가 유발되어, 상기 분사기로부터 분사되는 하전 유전탄성체 분자가 부착되며, 그 유전탄성체 분자를 고속으로 회전시켜서 나노 단위의 유전탄성체 박막을 형성하는 스핀 코팅기The potential difference with the charged dielectric elastomer molecules, the charged dielectric elastomer molecules injected from the injector is attached, the spin coating machine to rotate the dielectric elastomer molecules at high speed to form a nano-dielectric thin film 를 포함하는 나노 단위 유전탄성체 박막의 제조 장치.Device for manufacturing a nano-unit dielectric elastomer thin film comprising a. 제6항에 있어서, The method of claim 6, 상기 스핀 코팅기는 두께가 100 나노미터 이하인 유전탄성체 박막을 형성하도록 회전 속도 및 회전 시간이 제어되는 것인 나노 단위 유전탄성체 박막의 제조 장치.The spin coater is a device for producing a nano-unit dielectric elastomer thin film is controlled the rotation speed and rotation time to form a dielectric elastomer thin film having a thickness of 100 nanometers or less. 제7항에 있어서, The method of claim 7, wherein 상기 분사기는 2종 이상의 유전탄성체 분자가 혼합된 유전탄성체 용액을 저장하며,The injector stores a dielectric elastomer solution in which two or more dielectric elastomer molecules are mixed, 상기 스핀 코팅기는 고속 회전에 의하여 상기 하전된 2종 이상의 유전탄성체 분자 간에 중합 반응이 일어나도록 유도하는 것인 나노 단위 유전탄성체 박막의 제조 장치.The spin coater is a device for producing a nano-unit dielectric elastomer thin film that induces a polymerization reaction between the two or more charged dielectric elastomer molecules by high-speed rotation.
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