KR100786653B1 - Manufacturing Facility and Method for Multilayer EAP Film - Google Patents

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Abstract

HDD, AFM, DNA Chip, 인공근육 등의 IT, 의공학 분야의 마이크로 액추에이터는 압전, 열전, 전기왜곡성, 정전기, 전자기, 열팽창, 전해 특성등을 통해 구동되는데, 그 중에서도 압전소자를 이용한 액추에이터와 정전기, 자기를 이용한 액추에이터 들은 동력밀도와 변형률간의 큰 차이로 인하여 적용 범위가 제한되지만 전기왜곡성을 이용한 액추에이터는 정전기력이나 자기력을 이용하는 액추에이터 보다 높은 동력밀도를 나타내면서도 변형률은 비슷하기 때문에 그 응용분야가 확대 될 것으로 보인다. 후자의 특성을 갖는 고분자 재료인 압전성 폴리머는 전기기계장치 혹은 액추에이터로서 응용 연구되고 있으며 로봇, 의학, 매니퓨레이터 등에 적용하기 위한 전기 반응형 고분자에 관한 연구가 활발히 진행 중이다. 본 발명은 고분자의 전기왜곡성을 이용하여 선형 구동기로 사용할 수 있는 전기 반응형 고분자 액추에이터의 다층 박막 제조 장치에 관한 것이다. 이 분야의 종래의 방식은 수작업에 의한 불량률 및 복잡한 부가 제조 공정으로 인해 생산성과 재현성이 낮아 액추에이터로 사용되는데 어려움이 있었다. 또, 각 단위 공정이 유독한 환경조건임을 감안하여 본 특허에서는 코팅, 건조, 전극 도포 등의 일련의 반복 과정을 한 장치에서 제조 할 수 있도록 발명 하였다. 박막을 제조하기위한 코팅 공정을 단순화하고, 생산성을 올릴 수 있도록 액상 실리콘을 공기와의 접촉이 방지된 카트리지 용기에 투입한 후 회전 속도를 조절하여 박막 두께를 결정할 수 있는 스핀코터에 테프론 재질의 원형판을 고정한 후 그 위에 정량펌프를 이용 두께별 용량에 맞게 실리콘을 정량 공급 한다. 그리고, 스핀코터의 구동 회전속도를 제어하면 균일한 두께의 박막이 코팅이 되고 실리콘의 경화를 위하여 전기 히터를 사용하여 실리콘을 경화시킨 뒤 정밀 초음파 스프레이를 이용하여 유연 전극제인 탄소분말등의 전극용 미립자를 일정두께로 도포하여 전극 패턴을 형성하는 공정을 행한다. 이 과정은 한 주기를 반복하여 다층의 고분자 액추에이터를 임의로 제조 할 수 있어 생산성을 높이고 불량률을 낮추며, 생산 환경의 개선을 동시에 이룰 수 있다. Micro actuators in the fields of IT and medical engineering such as HDD, AFM, DNA chip, artificial muscle, etc. are driven by piezoelectric, thermoelectric, electric distortion, electrostatic, electromagnetic, thermal expansion, electrolytic characteristics, among which actuator and electrostatic Magnetic actuators are limited in application due to the large difference in power density and strain.However, the electrostrained actuators have higher power density and similar strain than those using electrostatic or magnetic force. Seems to be. Piezoelectric polymers, which are polymer materials with the latter characteristics, have been researched and applied as electromechanical devices or actuators, and research on electroreactive polymers for robots, medicine, and manipulators is being actively conducted. The present invention relates to a multi-layer thin film manufacturing apparatus of an electroreactive polymer actuator that can be used as a linear driver by using the electric distortion of the polymer. Conventional methods in this field have difficulty in being used as actuators due to low productivity and reproducibility due to manual defect rate and complicated additional manufacturing processes. In addition, considering that each unit process is a toxic environmental condition, the present invention has been invented so that a series of repetitive processes such as coating, drying, and electrode coating can be manufactured in one apparatus. Circular plate made of Teflon material on spin coater to determine the thickness of the thin film by adjusting the rotation speed after simplifying the coating process to manufacture the thin film and increasing liquid productivity into the cartridge container to prevent contact with air to increase productivity. After fixing, supply a fixed amount of silicon to the capacity according to the capacity by thickness on the pump. And, by controlling the rotation speed of the spin coater, a thin film of uniform thickness is coated and the silicon is cured by using an electric heater to cure the silicon. The process of forming an electrode pattern by apply | coating microparticles | fine-particles to a fixed thickness is performed. This process can be used to manufacture a multi-layered polymer actuator arbitrarily by repeating one cycle, thereby increasing productivity, reducing defect rate, and improving production environment.

인공근육, 고분자, 전기활성, 박막, 다층, 전극, 초음파 Artificial muscle, polymer, electroactive, thin film, multilayer, electrode, ultrasonic

Description

전기반응형 다층 고분자박막 제조장치 및 제조방법 { Manufacturing Facility and Method for Multilayer EAP Film }Electroreactive multilayer polymer thin film manufacturing apparatus and manufacturing method {Manufacturing Facility and Method for Multilayer EAP Film}

도 1은 본 발명의 다층 고분자박막을 제조하기위한 장치의 구성을 개략적으로 나타내기 위한 구성도.1 is a configuration diagram schematically showing the configuration of an apparatus for producing a multilayer polymer thin film of the present invention.

도 2는 본 발명의 다층 고분자박막 제조 방법의 공정 순서를 설명하기위한 순서도.Figure 2 is a flow chart for explaining the process sequence of the method for producing a multilayer polymer thin film of the present invention.

도 3는 다층 고분자박막 액추에이터의 적층 구조를 나타내는 고분자층과 전극으로 구성된 단면도.3 is a cross-sectional view of a polymer layer and an electrode showing a laminated structure of a multilayer polymer thin film actuator.

도 4은 다층의 고분자 액추에이터로 사용될 수 있는 대상의 다양한 형태별로 제조하기 위한 패턴들의 예시도.Figure 4 is an illustration of patterns for manufacturing according to various forms of the object that can be used as a multi-layered polymer actuator.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

10 : 터릿형 회전판 11 : 시린지10 turret-shaped rotating plate 11 syringe

12 : 가열판 13 : 초음파 스프레이12: heating plate 13: ultrasonic spray

20 : 스핀코터 21 : 테프론 원형판20: spin coater 21: teflon round plate

30 : 이송테이블 40 : 고분자층30: transfer table 40: polymer layer

50 : 전극층50: electrode layer

본 발명은 고분자 액추에이터의 제조 장치 및 제조방법에 관한 것으로서, 전기 반응형 고분자의 팽창력과 수축력을 이용한 액추에이터의 제조 장치로 다층의 고분자 박막 액추에이터를 균일하게 제조하기 위한 장치 및 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a manufacturing apparatus and a manufacturing method of a polymer actuator, and to an apparatus and a manufacturing method for uniformly manufacturing a multilayer polymer thin film actuator as a manufacturing apparatus of an actuator using the expansion force and the contraction force of an electrically reactive polymer.

다양한 분야에서 활용되는 액추에이터는 압전, 열전, 전기왜곡성, 정전기, 전자기, 열팽창, 전해 특성등을 통해 구동되는데, 지금까지의 액추에이터는 다수의 액추에이터를 집적하거나 낮은 동작 주파수에서 높은 동력밀도를 구현하기위해 적용 범위가 제한되지만 전기왜곡성을 이용한 액추에이터는 정전기력이나 자기력을 이용하는 액추에이터 보다 높은 동력밀도를 나타내면서 변형률은 비슷하기 때문에 전기활성 고분자 액추에이터 기술에 관한 관심이 증대되고 있다.Actuators used in various fields are driven by piezoelectricity, thermoelectricity, electro-distortion, electrostatic, electromagnetic, thermal expansion, and electrolytic properties. Until now, actuators have been used to integrate multiple actuators or to realize high power density at low operating frequencies. The application of electro-distortion actuators is limited, but interest in electroactive polymer actuator technology is increasing because the strains exhibit higher power densities and similar strains than those using electrostatic or magnetic forces.

이러한 고분자 액추에이터의 재료로는 전기장에 의해 전왜 변형이 유발되는 전왜 폴리머, 전기장이 가해질 때 고분자 내부에 이온 편류가 발생하여 변형이 발생하는 폴리머 젤, 이온 박막 및 도전성 폴리머 등이 있다.Materials for such polymer actuators include electrodistorted polymers in which electrostriction is induced by electric fields, and polymer gels, ion thin films, and conductive polymers in which deformation occurs by ion drift inside the polymer when an electric field is applied.

유전탄성체를 이용한 고분자 액추에이터의 구성은 도 3에 도시된 바와 같이 유전 탄성체 필름(40)의 상단 및 하단에 서로 다른 전압이 인가되는 전극층(50)으로 구성되어 양 전극(50)에 전압을 인가하여 전위차를 유발하면 전왜 변형이 유발되어 유전탄성체 필름이 팽창하게 된다.As shown in FIG. 3, the polymer actuator using the dielectric elastomer is composed of electrode layers 50 to which different voltages are applied to the top and bottom of the dielectric elastomer film 40, thereby applying voltage to both electrodes 50. Inducing a potential difference induces total distortion and causes the dielectric elastomer film to expand.

이러한 고분자 액추에이터는 유전탄성체 및 전극을 순차적으로 적층하여 다층의 고분자 액추에이터를 제조할 수 있으며 단층 구조에 비하여 보다 큰 변위 및 팽창력을 얻을 수 있다.Such a polymer actuator may be manufactured by stacking a dielectric elastomer and an electrode sequentially to manufacture a multilayer polymer actuator, and may obtain a larger displacement and expansion force than a single layer structure.

한편, 다층의 고분자 액추에이터를 제조하기 위한 이 분야의 종래 적층 방법으로는 압착성형, 스핀코팅, 스크린인쇄, 기상증착 등의 방법이 실용화 되어 적용되고 있다. 하지만 단위 공정의 수작업에 의한 불량률 및 복잡한 부가 제조 공정으로 인해 생산성과 재현성이 낮아 균일한 제품의 액추에이터의 제조가 어려워 사용되는데 문제점이 있었다. 또, 각 단위 공정이 유독한 환경조건임을 감안하여 본 특허에서는 코팅, 건조, 전극 도포 등의 일련의 반복 과정을 한 장치에서 제조 할 수 있도록 발명 하였다.   Meanwhile, as a conventional lamination method in this field for manufacturing a multilayer polymer actuator, methods such as compression molding, spin coating, screen printing, vapor deposition, etc. have been put to practical use. However, there is a problem in that it is difficult to manufacture an actuator of a uniform product due to low productivity and reproducibility due to a defective rate by a manual process and a complicated additional manufacturing process. In addition, considering that each unit process is a toxic environmental condition, the present invention has been invented so that a series of repetitive processes such as coating, drying, and electrode coating can be manufactured in one apparatus.

기존의 수작업을 통하여 다층의 고분자 박막을 제조 시에 발생되는 단위 공정 및 유해한 제조환경의 문제점을 자동화 장비를 통하여 각각의 단위 공정을 통합된 장치에서 제조하여 생산성 및 재현성을 실현하여 균일한 제품의 액추에이터를 제조하는 방법을 제공하고 및 장비를 제작하는데 목적이 있다.The problems of the unit process and harmful manufacturing environment which are generated during the manufacture of multilayer polymer thin film through the existing manual work are produced by the integrated device through the automated equipment to realize productivity and reproducibility The purpose is to provide a method for manufacturing and manufacturing the equipment.

상기한 본 발명은 3단계의 과정을 한 주기로 설정 주기만큼 반복 하여 다층의 고분자 박막을 제조하게 된다. 즉, 제1 단계로 액상의 고분자를 이용하여 원형의 테프론 코팅 판(21)에 스핀코터(20)의 회전을 이용 박막을 코팅한 후, 제2 단계로 액상의 고분자로 코팅된 박막을 전기히터(12)로 경화 시키는 건조과정을 거치고, 제3 단계로 초음파 스프레이(13)를 사용 유연 전극제를 적층 시키는 과정으로 적용하고자 하는 구동기의 형상에 맞게 도포하면 한 주기가 끝나고 이 과정을 반복하여 다층의 박막을 제조하게 된다.The present invention as described above repeats the three-step process by a set cycle in one cycle to produce a multilayer polymer thin film. That is, after coating the thin film by using the rotation of the spin coater 20 on the circular teflon coating plate 21 using the liquid polymer in the first step, the electric film is coated with the liquid polymer in the second step After the drying process to harden to (12), and the third step is to apply the ultrasonic spray 13 to the flexible electrode material laminated process to apply to the shape of the driver to be applied according to the shape of the driver to apply one cycle ends and repeat this process To produce a thin film.

본 발명의 제조장치 구성은 도 1의 회전이 가능하도록 된 터릿형 회전장치(10)에 시린지(11), 전기히터(12), 초음파 스프레이(13)가 하나의 장치로 구성되고 이송테이블(30)에 스핀코터(20)를 부착한 구조이다.In the manufacturing apparatus of the present invention, the syringe 11, the electric heater 12, and the ultrasonic spray 13 are constituted by a single device in the turret-type rotating device 10 capable of rotating in FIG. ), The spin coater 20 is attached.

제1 단계의 코팅과정은 실리콘 코팅 박막이 제조된 후 잘 분리될 수 있고 일정온도에서 변형이 없도록 하기 위하여, 테프론 재질의 표면조도가 우수한 원형의 코팅 판(21)을 사용한다. 원형의 코팅판(21)을 회전속도를 이용하여 박막의 두께를 결정할 수 있는 스핀코터(20)에 부착하며, 회전 시 원형의 코팅판을 흡착시켜 고정하고 작업완료 후 분리할 수 있도록 진공척으로 고정한다. 유전탄성체 재료에 유기 용매를 첨가하고 혼합 한 액상의 실리콘을 공기와의 접촉에 의한 고형화를 막고 적정 점도를 유지할 수 있도록 카트리지 형태의 시린지(11) 용기에 저장한다. 저장된 실리콘을 정량펌프를 이용하여 설정 두께별 용량에 맞게 상기 코팅판 위에 정량 공급을 한 후 스핀코터(20)의 구동 회전속도를 단계별로 제어하면 균일한 두께의 박막이 코팅된다.The coating process of the first step uses a circular coating plate 21 having excellent surface roughness of Teflon material so that the silicon coating thin film can be separated well and there is no deformation at a predetermined temperature. The circular coating plate 21 is attached to the spin coater 20 which can determine the thickness of the thin film using the rotational speed. When rotating, the circular coating plate is adsorbed and fixed by a vacuum chuck so as to be separated and separated after the work is completed. . An organic solvent is added to the dielectric elastomer material and the mixed liquid silicone is stored in a cartridge type syringe (11) container to prevent solidification by contact with air and to maintain an appropriate viscosity. After supplying the stored silicon to the coating plate according to the capacity according to the set thickness by using the metering pump, and controlling the driving rotation speed of the spin coater 20 step by step, a thin film of uniform thickness is coated.

제2 단계는 액상의 실리콘 코팅 막에 혼합된 유기용매를 제거하기 위한 건조 과정으로, 전기히터(12)를 이용하여 일정 온도에서 일정 시간을 유지하면 액상의 실리콘이 경화하게 된다.The second step is a drying process for removing the organic solvent mixed in the liquid silicon coating film, and the liquid silicon is cured when the predetermined temperature is maintained at a predetermined temperature by using the electric heater 12.

제3 단계 전극도포과정은 원형 코팅 판(21)을 1단계에서와 동일 위치에 고정시킨 후 경화된 실리콘 박막 위에 초음파 스프레이(13)를 이용하여 전극을 형성하는 단계이다. 실리콘의 신축성에 대응하여 전도성을 유지할 수 있는 유연 전극제로 사용되는 탄소분말 등의 전극용 미립자를 적용하고자 하는 구동기의 형상에 맞게 이송테이블을 이동하면서 초음파 스프레이를 통해 분무하여 도 4와 같은 전극 패턴을 형성하며, 일정 두께로 도포하여 전극층을 형성하게 된다.In the third step electrode coating process, the circular coating plate 21 is fixed to the same position as in the first step, and then an electrode is formed on the cured silicon thin film using the ultrasonic spray 13. The electrode pattern as shown in FIG. 4 is sprayed by ultrasonic spray while moving the transfer table in accordance with the shape of the driver to apply the electrode particles such as carbon powder used as a flexible electrode that can maintain conductivity in response to the elasticity of silicon. It is formed, it is applied to a predetermined thickness to form an electrode layer.

이와 같은 한 주기의 과정을 반복하여 다층의 균일한 전기반응형 다층 고분자 박막을 제조하게 된다.By repeating this one cycle process, a multi-layer uniform electric reaction-type multilayer polymer thin film is produced.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 종래의 단계별 제조 공정 시 수작업에 의한 작업 공정에서 발생되는 문제점을 일체형 구조의 자동화 장치로 구성하여 균일한 제품을 제조할 수 있어 구동기로 사용시 재현성을 가질 수 있다. 더욱이, 전체 공정을 일체형으로 구성하여 차단된 공간에서 제조할 수 있는 구조로 유해 환경을 개선할 수 있는 장점이 있다.As described above, according to the present invention, a problem generated in the work process by hand during the conventional step-by-step manufacturing process may be configured by an automated device having an integrated structure to manufacture a uniform product, and thus may have reproducibility when used as a driver. Moreover, there is an advantage that can improve the harmful environment with a structure that can be manufactured in a closed space by configuring the whole process integrally.

Claims (4)

유전탄성체 박막 및 전극이 순차적으로 적층되는 다층의 고분자 액추에이터를 제조하는 방법에 있어서, In the method of manufacturing a multilayer polymer actuator in which the dielectric elastomer thin film and the electrode are sequentially stacked, 박막의 두께별 용량에 맞게 액상의 실리콘을 스핀코터 상에 코팅 분무하여 박막을 형성하는 제1 단계와,A first step of forming a thin film by coating and spraying liquid silicon on a spin coater according to a capacity of each thin film, 상기 액상의 실리콘으로 형성된 박막을 일정온도에서 경화시키는 제2 단계와,A second step of curing the thin film formed of the liquid silicon at a predetermined temperature; 상기 경화된 박막에 초음파 노즐을 사용하여 유연 전극 분말을 포함한 용액을 도포하는 것을 통해 유연 전극을 적층하는 제3 단계를 포함하고, A third step of laminating the flexible electrode by applying a solution containing the flexible electrode powder to the cured thin film using an ultrasonic nozzle, 상기 제1 단계에서 제 3단계를 반복하여 유전탄성체 박막 및 전극을 순차적으로 적층하는 것을 특징으로 하는 다층의 고분자 액추에이터의 제조 방법.Repeating the first step to the third step, the method of manufacturing a multilayer polymer actuator, characterized in that to sequentially stack the dielectric elastomer thin film and the electrode. 제1항에 있어서, 상기 제1 단계에서 액상의 실리콘은, The method of claim 1, wherein the liquid silicon in the first step, 공기와의 접촉에 의한 고형화를 막고 적정 점도를 유지할 수 있도록 카트리지 형태의 시린지 용기에 저장되어 정량펌프를 통해 용량에 맞도록 정량 공급되는 것을 특징으로 하는 다층의 고분자 액추에이터의 제조 방법. A method of manufacturing a multilayer polymer actuator, characterized in that it is stored in a syringe container in a cartridge form so as to prevent solidification by contact with air and quantitatively supplied according to a capacity through a metering pump. 제1항에 있어서, 제1 단계에서 상기 박막은 상기 스핀코터 상에 부착되는 테프론 재질의 원형 코팅 판 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 다층의 고분자 액추에이터의 제조 방법. The method of claim 1, wherein in the first step, the thin film is formed on a circular coated plate made of Teflon material attached to the spin coater. 유전탄성체 박막 및 전극이 순차적으로 적층되는 다층의 고분자 액추에이터를 제조하는 장치에 있어서, In the apparatus for manufacturing a multi-layer polymer actuator in which the dielectric elastomer thin film and the electrode are sequentially stacked, 액상의 실리콘을 저장하고 정량 공급이 가능한 정량 펌프를 갖는 시린지 용기, 유기용매를 건조시킬 수 있는 전기히터, 및 유연 전극 분말을 포함한 용액을 도포하는 초음파 스프레이가 각각 순차적으로 회전할 수 있도록 연결되는 회전장치; 및Rotation where the syringe container having a metering pump for storing and quantitatively supplying liquid silicon, an electric heater for drying organic solvents, and an ultrasonic spray for applying a solution containing a flexible electrode powder can be rotated sequentially. Device; And 테프론 재질의 원형 코팅판이 부착된 스핀코터가 연결되고, 위치조정이 가능한 이송테이블;을 포함하고, And a transfer table to which a spin coater to which a circular coating plate of Teflon material is attached is connected and which can be adjusted. 상기 회전장치를 회전시키는 것에 의해, 상기 시린지 용기로부터 박막의 두께별 용량에 맞게 액상의 실리콘을 스핀코터 상의 원형 코팅판에 분무하여 박막을 형성하고, 액상의 실리콘으로 형성된 박막을 상기 전기히터를 통해 일정온도에서 경화시키고, 상기 경화된 박막에 초음파 노즐을 사용하여 유연 전극 분말을 포함한 용액을 무화시켜 도포하는 것을 통해 유연 전극을 적층하는 것을 순차적으로 반복 수행하도록 하는 것을 특징으로 하는 다층의 고분자 액추에이터의 제조 장치.By rotating the rotating device, the liquid silicon is sprayed onto the circular coating plate on the spin coater to form a thin film according to the capacity of each thin film from the syringe container, and the thin film formed of the liquid silicon is fixed through the electric heater. Fabrication of a multi-layered polymer actuator, characterized in that to perform a sequential iterative lamination of the flexible electrode by curing at a temperature, and atomizing and applying a solution containing the flexible electrode powder to the cured thin film using an ultrasonic nozzle. Device.
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