KR101015679B1 - 탄소나노튜브를 포함하는 구동 액츄에이터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄소나노튜브로 이루어진 구동날개를 포함하는 구동 액츄에이터에 관한 것으로, 보다 자세하게는 탄소나노튜브로 이루어진 구동날개의 상단부와 하단부에 서로 다른 전압을 인가하여 전압차에 의해 생기는 구동날개의 변형을 통하여 자동 초점조절기능과 손 흔들림 현상을 보정하는 기능을 동시에 제공하는 구동 액츄에이터에 관한 것이다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브 폴리머를 포함하는 구동 엑추에이터는: 피구동체를 이동시킬수 있는 구동력을 전달하며, 상기 피구동체의 외측을 따라 위치하는 복수개의 구동날개; 및 상기 구동날개를 지지하는 구동날개 지지부;를 포함하며, 상기 구동날개는 각각 상단부, 하단부 및 상기 상단부와 하단부 사이를 전기적으로 분리하는 분리층을 포함하며, 상기 상단부 및 하단부는 탄소나노튜브로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
탄소나노튜브, 구동 액츄에이터

Description

탄소나노튜브를 포함하는 구동 액츄에이터{DRIVING ACTUATOR COMPLYING CARBON NANO TUBE}
본 발명은 탄소나노튜브로 이루어진 구동날개를 포함하는 구동 액츄에이터에 관한 것으로, 보다 자세하게는 탄소나노튜브로 이루어진 구동날개의 상단부와 하단부에 서로 다른 전압을 인가하여 전압차에 의해 생기는 구동날개의 변형을 통하여 자동 초점조절기능과 손 흔들림 현상을 보정하는 기능을 동시에 제공하는 구동 액츄에이터에 관한 것이다.
일반적으로 광학기구는 캠이나 스크류 또는 압전소자 등을 이용하여 렌즈를 이송시키는 렌즈이송모듈을 포함하고 있다. 이때, 상기 렌즈이송모듈는 동력을 발생시키는 수단으로 모터나 압전소자들을 사용하고 동력을 전달하는 수단으로 캠이나 스크류 등을 사용한다. 따라서, 렌즈이송모듈은 구동력에 의해 렌즈를 이송시켜 렌즈의 상대거리를 변화시킴으로써 줌(zooming) 기능이나 자동 초점 조절(auto-focusing) 기능을 구현하도록 구성된다.
특히, 휴대 전화 등에 탑재되는 카메라 모듈은 소형화, 저비용화, 및 고기능 화가 동시에 요구된다. 여기서 고기능화를 위하여 자동초점조절기능, 자동노출기능, 손흔들림 보정기능 등의 기능을 함께 갖는다. 종래의 디지털 카메라는 각각의 기능을 위한 액츄에이터를 별도로 갖고 있다.
예를 들어, 자동초점기능을 위하여는 전자력을 이용하는 음성코일모터나 압전소자를 구동원으로 하는 리니어 액츄에이터(linear actuator) 등이 있고, 자동노출기능을 위하여는 갈바노메타를 이용한 조리개 등이 있으며, 손흔들림 보정기능을 위하여는 형상 기억 합금(Shape Memory Alloys) 등이 사용된다.
도 1은 종래의 자동초점기능을 수행하기 위한 압전소자를 이용한 리니어 액츄에이터를 도시한 분해 사시도이다.
압전 액츄에이터(120)는 렌즈 배럴(110)을 베이스(150) 상의 이미지 센서(도시되지 않음)의 상면에 수직 상승이나, 수직 하강시킨다. 이를 위하여, 액츄에이터(120)는 예압 부재(130) 및 안내부(140)를 통하여 렌즈 배럴(110)에 구동력을 전달한다. 또한, 이러한 리니어 액츄에이터는 자동초점기능만을 수행할 뿐 손흔들림 보정기능과 같은 다른 기능을 추가하려면 별도의 액츄에이터를 구비하여야 한다. 즉, 별도의 액츄에이터를 탑재하여야 하므로, 카메라 모듈의 소형화, 비용의 최소화에 걸림돌이 된다.
이에 대하여, 일본 공개특허 2007-316569는 자동초점기능과 손흔들림 보정능을 동시에 제공할 수 있는 고분자 액츄에이터를 제공한다. 고분자 액츄에이터는 유전 폴리머, 예를 들어 실리콘 수지나 아크릴계 수지로 되는 신장부와 신장부 양면에 설치되는 도전성의 탄소 입자를 혼합한 고분자 재료의 전극으로 구성된다. 하지 만, 이와 같은 고분자 액츄에이터는 100 MV/m 내지 400 MV/m의 상대적으로 높은 구동 전위차를 요구한다(Yoseph Bar-Cohen, "Electroactive Polymer (EAP) Actuators as Artificial Muscles," 2001, Chapter 16 참조). 또한, 고분자 내의 이온 삽입(ion intercalation)은 액츄에이터의 구동 속도 및 수명을 제한하는 요인이 된다.
따라서, 본 발명은 종래 하프브릿지 압전모터 구동회로에서 제기되고 있는 상기 제반 단점과 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 낮은 구동전압과 넓은 온도범위 내에서 안정적으로 구동가능하면서도 액츄에이터의 구조나 모양에 제한이 없어 배치 자유도가 높고, 렌즈 배럴이 광축방향을 따라 수직상승 또는 수직하강하여 자동초점기능을 수행하고, 손흔들림 현상이 발생한 경우 이를 보정할 수 있는 렌즈 배럴을 구동하는 구동 액츄에이터를 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 탄소나노튜브 폴리머를 포함하는 구동 엑추에이터에 관한 것으로, 피구동체를 이동시킬수 있는 구동력을 전달하며, 상기 피구동체의 외측을 따라 위치하는 복수개의 구동날개; 및 상기 구동날개를 지지하는 구동날개 지지부;를 포함하며, 상기 구동날개는 각각 상단부, 하단부 및 상기 상단부와 하단부 사이를 전기적으로 분리하는 분리층을 포함하며, 상기 상단부 및 하단부는 탄소나노튜브로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 상단부 및 하단부는 인가되는 전압에 따라 수축되거나 팽창되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 상단부 및 하단부는 (+) 전압이 인가되면 수축되고, (-) 전압이 인가되면 팽창되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 상단부에 (+) 전압이 인가되고, 상기 하단부에 (-) 전압이 인가되면, 상기 구동날개가 상기 피구동체를 수직 상승시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 상단부에 (-) 전압이 인가되고, 상기 하단부에 (+) 전압이 인가되면, 상기 구동날개가 상기 피구동체를 수직 하강시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 구동날개 중 서로 마주보는 구동날개의 상단부에 서로 상이한 전압이 인가되고, 상기 하단부 각각에 상기 상단부에 인가된 전압과 서로 상이한 전압이 인가되면, 상기 구동날개가 상기 피구동체를 기울어지도록 구동시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 피구동체는 카메라 렌즈를 포함하는 렌즈 배럴, 또는 상기 렌즈 배럴을 포함하는 광학 소자의 일부인 것이 바람직하다.
또한, 상기 구동날개가 상기 렌즈 배럴을 수직 하강시키거나, 수직 상승시켜, 초점조절을 수행하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 렌즈구동날개가 상기 렌즈 배럴을 기울어지도록 구동시켜, 흔들림현상을 보정하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 탄소나노튜브로 이루어진 구동날개를 포함하는 구동 액츄에이터를 통하여, 보다 자세하게는 탄소나노튜브로 이루어진 구동날개의 상단부와 하단부에 서로 다른 전압을 인가하여 전압차에 의해 생기는 구동날개의 변형을 통하여 자동 초점조절기능과 손 흔들림 현상을 보정하는 기능을 동시에 제공한다. 이와 같은 동작은 낮은 구동전압으로도 가능하며, 비교적 넓은 온도범위 내에서 안정적으로 이루어지고, 액츄에이터의 구조나 모양에 제한이 없어 배치 자유도가 높다. 또한, 종래의 고분자 액츄에이터의 구동 속도와 수명을 개선할 수 있다.
본 발명에 따른 구동 액츄에이터의 상기 목적에 대한 기술적 구성을 비롯한 작용효과에 관한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예가 도시된 아래의 도면을 참조한 상세한 설명에 의해서 명확하게 이해될 것이다.
우선, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 구동 액츄에이터의 부분 단면도이다. 앞서 설명한 바와 같이 탄소나노튜브를 포함하는 구동 액츄에이터는 그 구조와 모양에 제한이 없다. 따라서, 이하 설명되는 구동 액츄에이터는 본 발명의 사상에 따른 일 실시예에 불과한 것으로 이에 의하여 특허청구범위가 제한되거나 한정되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 구동 엑추에이터는 피구동체를 이동시킬수 있는 구동력을 전달하며, 상기 피구동체의 외측을 따라 위치하는 복수개의 구동날개(210); 및 구동날개(210)를 지지하는 구동날개 지지부(220);를 포함한다. 일 실시예에서 상기 피구동체는 원통형의 렌즈 배럴(230)이다. 또한, 피구동체는 렌즈배 럴(230)을 포함하는 광학소자의 일부일 수 있다.
구동날개(210)는 각각 상단부(211), 하단부(213) 및 상기 상단부와 하단부 사이를 전기적으로 분리하는 분리층(212)을 포함한다. 상단부 및 하단부(211, 213)는 탄소나노튜브로 이루어진다.
구동 액츄에이터는 이미지 센서(240)가 부착된 기판(250) 상에 안착된다. 이미지 센서(240)의 상면 중심에 수직으로 렌즈 배럴(230)이 위치하고, 렌즈 배럴(230)에 구동력을 전달할 수 있도록 렌즈 배럴(230)의 외주면에 구동날개(210)가 배치된다. 즉, 구동날개(210)의 일단은 구동날개 지지부(220)에 위치하고, 구동날개(210)의 타단은 렌즈 배럴(230)에 위치한다. 구동날개(210)와 렌즈 배럴(230)과의 안정된 결합을 위하여 에폭시 본딩이 적용될 수 있다.
구동력을 전달하기 위하여 적절한 갯수의 구동날개(210)가 제공될 수 있고, 구동날개(210)의 갯수와 위치는 제한되지 않음은 당업자에게 자명하다. 또한, 구동날개(210)를 포함하는 구동날개 지지부(220)는 원형형으로 제한되지 않으며, 피구동체의 외측면을 둘러싸는 모든 형태가 가능하다.
도 3(a) 내지 도 3(c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 구동 액츄에이터의 구동날개(210)의 동작원리를 설명하기 위한 부분 확대 도면이다.
일 실시예에 따른 탄소나노튜브로 이루어진 구동날개(210)는 도 3(a)에 도시된 바와 같이 이중층 날개 형상이다. 즉, 탄소나노튜브로 이루어진 상단부 및 하단부(211, 213)의 이중층으로 일단이 구동날개 지지부(220)에 고정되어 있다.
두 도전층인 상단부 및 하단부(211, 213)는 분리층(212)에 의해 전기적으로 분리된다. 분리층(212)은 상단부 및 하단부(211, 213)에 도 3(b) 및 도 3(c)와 같이 전압을 인가할 경우, 쇼트 회로가 되는 것을 방지한다.
예를 들어, 상단부 및 하단부(211, 213)는 탄소나노튜브 뿐만 아니라, 전해액 및 폴리머 메트릭스 등으로 이루어지며, 분리층(212)은 이온 도전 피막의 일종이다. 탄소나노튜브는 낮은 구동 전압으로 구동력을 발생시킨다. 즉, 전기 에너지를 기계적 에너지로 직접적으로 변환하고, 높은 작동 변환(actuation strain), 높은 완력, 높은 탄성 계수, 및 낮은 밀도를 제공한다.
상단부 및 하단부(211, 213)는 인가되는 전압에 따라 수축되거나 팽창된다. 즉, 상단부 및 하단부(211, 213)에 (+) 전압이 인가되면 수축되고, (-) 전압이 인가되면 팽창된다. 따라서, 도 3(b)와 같이 상단부(211)에 (+) 전압이 인가되고, 하단부(213)에 (-) 전압이 인가되면, 상단부(211)는 수축되고 하단부(213)는 팽창되어 구동날개(210)가 전체적으로 위로 구부러진다.
반대로, 도 3(c)와 같이 상단부(211)에 (-) 전압이 인가되고, 하단부(213)에 (+) 전압이 인가되면, 상단부(211)가 팽창되고 하단부(213)가 수축되어 구동날개(210)가 전체적으로 아래로 구부러진다.
이러한 구동날개의 변형(dimension change)은 -2V 내지 +2V의 정현파로도 충분하다. 즉, 종래의 고분자 액츄에이터에 비하여 낮은 전압이 요구된다.
도 4(a) 내지 도 4(c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 구동 액츄에이터의 수직이송을 위한 구동날개의 동작을 나타내는 도면이고, 도 5(a) 내지 5 (c)는 각각 도 4(a) 내지 도 4(c)에 따른 구동 액츄에이터의 동작을 나타내는 도면이다.
일 실시예에서, 도 4(a) 및 도 5(a)는 원통형의 렌즈 배럴에 적용하도록 4개의 구동날개(210)들 및 원형의 구동날개 지지부(220)를 구비한 액추에이터를 도시하고, 특히 도 5(a)는 도 4(a)에 대응되도록 액츄에이터가 동작하지 않은 초기 상태의 카메라 모듈의 단면도이다.
도 4(b)는 렌즈 배럴을 수직 상승시키기 위하여 구동날개(210)의 상단부(211)에 동일한 (+)전압을 인가하고, 하단부(213)에 동일한 (-)전압을 인가한다. 모든 구동날개(210)가 위로 구부러져서 렌즈 배럴(230)을 수직 상승시킨다.
도 4(c)는 렌즈 배럴을 수직 하강시키기 위하여 구동날개(210)의 상단부(211)에 동일한 (-)전압을 인가하고, 하단부(213)에 동일한 (+)전압을 인가한다. 모든 구동날개(210)가 아래로 구부러져서 렌즈 배럴(230)을 수직 하강시킨다.
도 4(b) 및 도 4(c)의 경우에 대응되는 카메라 모듈의 단면도를 각각 도 5(b) 및 도 5(c)에 도시한다. 모든 구동날개(210)가 위로 구부러지면 렌즈 배럴(230)은 초기 위치(점선 표시 참조)에서 수직 상승하게 되고, 모든 구동날개(210)가 아래로 구부러지면 렌즈 배럴(230)은 초기 위치(점선 표시 참조)에서 수직 하강하게 된다.
즉, 모든 구동날개(210)의 상단부(211)에 동일한 전압을 인가하고, 대응되는 상이한 전압을 모든 하단부(213)에 인가하여 렌즈 배럴(230)을 수직 상승시키거나, 수직하강시킬 수 있다. 이러한 렌즈 배럴(230)의 수직 이송을 통하여 자동초점기능을 수행한다. 따라서, 전압차에 따른 탄소나노튜브의 변형을 통하여 렌즈 배럴을 미세하게 수직 이송시키는 것이 가능하다.
또한, 자동초점기능을 위한 렌즈 배럴의 수직 이송 시, 이미지 센서(240)의 상면의 중심에서 광축이 일치하여야 하며, 또한 상면의 중심에 대하여 기울어지지 않아야 한다. 리니어 액츄에이터와 달리 탄소나노튜브를 포함하는 본 발명에 따른 구동 액츄에이터는 모든 구동날개(210)의 상단부 및 하단부(211, 213)에 동일한 전위차가 가해져 동일한 동작이 기대되므로 광축의 기울어짐을 방지할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 구동 액츄에이터는 상기 설명한 바와 같은 수직 이송을 통한 자동초점기능을 수행할 뿐만 아니라, 기울임동작(twisting)에 의하여 손흔들림 보정기능도 수행할 수 있다.
이에 관하여, 도 6(a) 및 도 6(b)는 구동 액츄에이터의 기울임동작을 위한 구동날개의 동작을 나타내고, 도 7(a) 및 도 7(b)는 각각 도 6(a) 및 도 6(b)에 따른 구동 액츄에이터의 동작을 나타내는 단면도이다.
구동 액츄에이터의 기울임 동작을 위하여, 도 6(a)와 같이 구동날개 중 서로 마주보는 구동날개(210)들의 상단부(211)에 서로 상이한 전압이 인가된다. 각각의 하단부(213)에는 상단부(211)에 인가된 전압과 서로 상이한 전압이 인가된다.
즉, 도 6(a) 및 도 6(b)에 도시된 바와 같이 구동날개(210)의 상단부(211)에 (+)전압이 인가되고, 하단부(213)에 (-)전압이 인가되면, 구동날개(210)가 위로 구부러진다. 또한, 구동날개(210)의 상단부(211)에 (-)전압이 인가되고, 하단부(213)에 (+)전압이 인가되면, 구동날개(210)가 아래로 구부러진다. 즉, 서로 마주보는 구동날개(210)의 수직이송 방향이 상이하므로, 구동날개(210)들이 피구동체를 기울어지게 할 수 있다.
도 7(a) 및 도 7(b)에 도시된 바와 같이, 구동날개(210)의 상단부 및 하단부(211, 213)에 인가되는 전압을 조절하여 구동날개들이 아래 또는 위로 구부러지게 배치하여 렌즈 배럴(230)을 초기 위치(점선 표시 참조)에 대하여 오른쪽이나 왼쪽으로 기울어지게 할 수 있다. 이러한 기울임동작을 통하여 광학 이미지 안정기(OIS: Optical Image Stablizer)의 손흔들림 보정기능을 수행할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이나, 이러한 치환, 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
도 1은 종래의 압전소자를 이용하는 액츄에이터의 분해 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 구동 액츄에이터의 부분 단면도.
도 3(a) 내지 도 3(c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 구동 액츄에이터의 구동날개의 동작원리를 설명하기 위한 도면.
도 4(a) 내지 도 4(c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 구동 액츄에이터의 수직이송을 위한 구동날개의 동작을 나타내는 도면.
도 5(a) 내지 5(c)는 각각 도 4(a) 내지 도 4(c)에 따른 구동 액츄에이터의 동작을 나타내는 도면.
도 6(a) 및 도 6(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 구동 액츄에이터의 기울임동작을 위한 구동날개의 동작을 나타내는 도면.
도 7(a) 및 도 7(b)는 각각 도 6(a) 및 도 6(b)에 따른 구동 액츄에이터의 동작을 나타내는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
210. 구동날개 211. 상단부
212. 분리층 213. 하단부
220. 구동날개 지지부 230. 렌즈 배럴
240. 이미지센서 250. 기판

Claims (9)

  1. 탄소나노튜브 폴리머를 포함하는 구동 엑추에이터에 있어서,
    피구동체를 이동시킬수 있는 구동력을 전달하며, 상기 피구동체의 외측을 따라 상기 피구동체를 중심으로 방사상으로 위치하는 복수개의 구동날개; 및 상기 구동날개를 지지하는 구동날개 지지부;를 포함하고,
    상기 구동날개는 각각 상단부, 하단부 및 상기 상단부와 하단부 사이를 전기적으로 분리하는 분리층을 포함하며,
    상기 상단부 및 하단부는 탄소나노튜브로 이루어지는 것을 특징으로 하는 구동 엑츄에이터.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 상단부 및 하단부는 인가되는 전압에 따라 수축되거나 팽창되는 것을 특징으로 하는 구동 엑츄에이터.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 상단부 및 하단부는 (+) 전압이 인가되면 수축되고, (-) 전압이 인가되면 팽창되는 것을 특징으로 하는 구동 엑츄에이터.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 상단부에 (+) 전압이 인가되고, 상기 하단부에 (-) 전압이 인가되면, 상기 구동날개가 상기 피구동체를 수직 상승시키는 것을 특징으로 하는 구동 엑츄에이터.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 상단부에 (-) 전압이 인가되고, 상기 하단부에 (+) 전압이 인가되면, 상기 구동날개가 상기 피구동체를 수직 하강시키는 것을 특징으로 하는 구동 엑츄에이터.
  6. 제2 항에 있어서,
    상기 구동날개 중 서로 마주보는 구동날개의 상단부에 서로 상이한 전압이 인가되고, 상기 하단부 각각에 상기 상단부에 인가된 전압과 서로 상이한 전압이 인가되면, 상기 구동날개가 상기 피구동체를 기울어지도록 구동시키는 것을 특징으로 하는 구동 엑츄에이터.
  7. 제1 항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피구동체는 카메라 렌즈를 포함하는 렌즈 배럴, 또는 상기 렌즈 배럴을 포함하는 광학 소자의 일부인 것을 특징으로 하는 구동 엑츄에이터.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 구동날개가 상기 렌즈 배럴을 수직 하강시키거나, 수직 상승시켜, 초점조절을 수행하는 것을 특징으로 하는 구동 엑츄에이터.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 구동날개가 상기 렌즈 배럴을 기울어지도록 구동시켜, 흔들림현상을 보정하는 것을 특징으로 하는 렌즈 구동 엑츄에이터.
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