KR101053196B1 - Bidirectional temperature sensitive sensor and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 일방향성 형상기억고분자를 이용한 양방향성 온도감응센서에 관한 것이다. 본 발명에 따른 양방향성 온도감응센서는 일방향성 형상기억고분자와, 일방향성 형상기억고분자에 결합되어 일정한 크기의 장력을 공급하는 장력 공급체를 포함하고, 이때 장력 공급체와 결합된 일방향성 형상기억고분자는 온도변화에 따라 길이가 가역적으로 변화되는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a bidirectional temperature sensitive sensor using a unidirectional shape memory polymer. Bidirectional temperature sensitive sensor according to the present invention It includes a unidirectional shape memory polymer and a tension feeder coupled to the unidirectional shape memory polymer to supply a tension of a certain size, wherein the unidirectional shape memory polymer coupled to the tension supply is reversible in length with temperature change It is characterized by being changed.
본 발명의 양방향성 온도감응센서는 온도의 변화에 따라 가역적으로 길이가 변화하고, 가공성이 뛰어나므로 액츄에이터나 인공 근육과 같은 다양한 분야에 응용될 수 있다.The bidirectional temperature sensitive sensor of the present invention is reversibly changed in length according to the change in temperature, and has excellent processability, and thus can be applied to various fields such as actuators and artificial muscles.
일방향성 형상기억고분자, 양방향성 형상기억거동, 온도감응센서, 탄성 공급체 Unidirectional shape memory polymer, bidirectional shape memory behavior, temperature sensitive sensor, elastic supply body
Description
본 발명은 일방향성 형상기억고분자를 이용한 양방향성 온도감응센서에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 외부의 온도변화에 대응하여 일방향성 형상기억고분자의 길이가 가역적으로 변화될 수 있는 양방향성 온도감응센서에 관한 것이다.The present invention relates to a bidirectional temperature sensitive sensor using a unidirectional shape memory polymer. Specifically, the present invention relates to a bidirectional temperature sensitive sensor that can be reversibly changed the length of the unidirectional shape memory polymer in response to external temperature changes.
형상기억이란 특정 형상의 물질이 외부의 힘에 의하여 변화된 후 일정한 자극에 의하여 본래의 형상을 회복하는 것을 의미한다. 형상기억은 크게 일방향성 형상기억과 양방향성 형상기억으로 나눌 수 있다. 일방향성 형상기억은 특정 형상의 물체가 외부 힘에 의하여 형상이 변화된 후 일정한 자극에 의하여 본래의 형상을 회복할 수는 있지만, 그 역방향으로는 다시 형상이 변화되지 않는 것을 의미한다. 이에 반하여 양방향성 형상기억은 일정한 자극에 의하여 2가지 방향으로의 형상 변화가 가역적으로 이루어질 수 있는 것을 의미한다. Shape memory refers to the restoration of the original shape by a certain stimulus after the material of a certain shape is changed by an external force. Shape memory can be largely divided into unidirectional shape memory and bidirectional shape memory. One-way shape memory means that an object of a certain shape can be restored to its original shape by a constant magnetic pole after the shape is changed by an external force, but the shape does not change again in the reverse direction. On the contrary, bidirectional shape memory means that shape change in two directions can be reversibly made by a constant magnetic pole.
도 1의 (가)와 (나)는 각각 일방향성 형상기억과 양방향성 형상기억에 대한 개념을 설명하기 위한 도면이다. 도 1의 (가)를 참조하면, 일방향성 형상기억 물질은 변형된 형상의 물질이 가열에 의하여 본래의 형상을 회복할 수 있지만, 연이은 냉 각에 의해서는 다시 그 형상을 회복하지 못한다. 도 1의 (나)를 참조하면, 양방향성 형상기억 물질은 가열과 냉각이 반복됨에 따라 물질의 형상이 가역적으로 변화될 수 있다.1 (a) and (b) are diagrams for explaining the concepts of unidirectional shape memory and bidirectional shape memory, respectively. Referring to (a) of FIG. 1, the unidirectional shape memory material may recover its original shape by heating the deformed shape material, but may not recover its shape again by subsequent cooling. Referring to (b) of FIG. 1, the bidirectional shape memory material may be reversibly changed in shape as the heating and cooling are repeated.
형상기억효과를 가지는 대표적인 물질은 형상기억합금(shape memory metal alloy)이다. 형상기억합금의 형상기억효과는 마텐시틱(martensitic) 변형이라고 불리는 구조상 변화에 기인한다. 형상기억합금은 혈관을 인위적으로 확장시키기 위한 혈관 스텐트(stent)나 의학용 유도선(guide wire) 또는 치열교정 와이어와 같은 의학분야나, 진동 완충기(vibration damper), 파이프 연결부, 전기 접합자, 서모스탯, 액츄에이터(actuator), 안경테 또는 브레지어 언더와이어와 같이 다양한 분야에 응용되고 있다. 다만 형상기억합금은 상대적으로 고가이고 양방향성 형상기억효과를 부여하기 위하여 추가적인 공정이나 장치가 필요하므로 이용분야와 관련시장 형성에 제한이 따르고 있다. A representative material having a shape memory effect is a shape memory alloy. The shape memory effect of shape memory alloys is due to structural changes called martensitic deformation. Shape memory alloys are used in medical applications such as vascular stents, medical guide wires, or orthodontic wires to artificially expand blood vessels, vibration dampers, pipe connections, electrical joints, thermostats, etc. It is applied to various fields such as an actuator, an eyeglass frame or a bra under wire. However, shape memory alloys are relatively expensive, and additional processes or devices are required to give a bidirectional shape memory effect. Therefore, there are limitations in the field of use and related markets.
양방향성 형상기억효과를 가지는 다른 물질로는 액정 앨라스토머를 들 수 있다. 액정 앨라스토머는 폴리머 네트워크의 역학적 성질과 액정의 이방성을 이용하여 영구적인 양방향성 형상기억거동을 보이는 물질이다. 그러나 액정 앨라스토머는 불완전한 가교에 의한 성형물질의 불안정성, 가공의 복합성 및 높은 단가 등으로 인하여 실용화와 산업화가 어려운 문제점을 가지고 있다.Another material having a bidirectional shape memory effect is a liquid crystal elastomer. Liquid crystal elastomer is a material that exhibits a permanent bidirectional shape memory behavior using the mechanical properties of the polymer network and the anisotropy of the liquid crystal. However, liquid crystal elastomers have problems of practical use and industrialization due to instability of molding materials due to incomplete crosslinking, processing complexity, and high cost.
양방향성 형상기억물질은 유량조절밸브 또는 스위치 소자 등의 산업분야에 이용되고 있다. 유량조절밸브에 관한 선행문헌인 한국공개특허 제2006-128358호는 형상기억합금을 이용하여 유체의 온도에 따라 형상기억합금의 탄성력 변화를 일으키고, 그로인한 유압에 대한 반발력 변화로 개폐구의 열림과 닫힘을 발생시키는 유량조절밸브에 관하여 개시하고 있다. 다만 이러한 발명은 형상기억합금을 이용하므로 상기에서 언급한 바와 같이 생산단가가 높고 변형 회복율이 상대적으로 낮은 문제점을 가지고 있다. Bidirectional shape memory materials are used in industrial applications such as flow control valves or switch elements. Korean Laid-Open Patent Publication No. 2006-128358, which relates to a flow control valve, uses a shape memory alloy to change the elastic force of the shape memory alloy according to the temperature of the fluid, and thus the opening and closing of the opening and closing opening due to the change of the repulsive force against the hydraulic pressure. Disclosed is a flow regulating valve for generating a gas. However, since the present invention uses the shape memory alloy, as described above, the production cost is high and the deformation recovery rate is relatively low.
형상기억물질을 이용한 스위치 소자에 대한 선행문헌인 한국공개특허 제2007-106268호는 팽창계수가 다른 두 종류의 금속편이 맞붙어 있고 일정 온도 이상의 온도 감지 시 팽창계수가 작은 금속편이 구부러지는 제 1 바이메탈 디스크와, 팽창계수가 다른 두 종류의 금속편이 맞붙어 있고 제 1 바이메탈 디스크의 팽창계수가 작은 금속편이 마주보고 있어 일정 온도 이상의 온도 감지 시 팽창계수가 작은 금속편이 구부러져 제 1 바이메탈 디스크의 팽창계수가 작은 금속편과 접촉하여 전기적으로 연결되는 제 2 바이메탈 디스크를 포함하는 전원공급차단장치에 대하여 개시하고 있다. 다만 이러한 전원공급차단장치에 이용되는 바이메탈은 굽힘 방향으로만 변형이 가능하고 길이 방향으로의 변형이 어려워 응용분야에 제한이 따르는 문제점을 가지고 있다. Korean Patent Laid-Open Publication No. 2007-106268, which is a prior art document relating to a switch element using a shape memory material, is a first bimetal disk in which two kinds of metal pieces having different expansion coefficients are bonded to each other and the metal pieces having small expansion coefficients are bent when sensing a temperature above a certain temperature. And two kinds of metal pieces having different expansion coefficients are joined together, and the metal pieces having small expansion coefficients of the first bimetal disc face each other. Disclosed is a power supply interrupting device comprising a second bimetal disk in electrical contact with and in contact therewith. However, the bimetal used in the power supply shutoff device has a problem in that the deformation in the bending direction is difficult and the deformation in the longitudinal direction is difficult, thereby limiting the application field.
본 발명의 첫 번째 과제는 일방향성 형상기억고분자와 장력 공급체를 이용하여 양방향성 형상기억 거동을 할 수 있는 온도감응센서를 제공하는 것이다.The first object of the present invention is to provide a temperature sensitive sensor capable of bidirectional shape memory behavior using a unidirectional shape memory polymer and a tension supply.
본 발명의 두 번째 과제는 상기의 양방향성 온도감응센서를 이용한 엑츄에이터와 인공근육을 제공하는 것이다.The second object of the present invention is to provide an actuator and artificial muscle using the bidirectional temperature-sensitive sensor.
본 발명의 세 번째 과제는 상기의 양방향성 온도감응센서의 제조방법을 제공하는 것이다. A third object of the present invention is to provide a method of manufacturing the bidirectional temperature sensitive sensor.
상기 첫 번째 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 일방향성 형상기억고분자 및 일방향성 형상기억고분자에 결합되어 일정한 크기의 장력을 공급하는 장력 공급체를 포함하는 양방향성 온도감응센서를 제공한다. 이때, 장력 공급체와 결합된 일방향성 형상기억고분자는 온도변화에 따라 그 길이가 양방향성으로 변화되는 것을 특징으로 한다.In order to solve the first problem, the present invention provides a bidirectional temperature sensitive sensor comprising a tension supply for supplying a tension of a certain size is coupled to the one-way shape memory polymer and one-way shape memory polymer. At this time, the unidirectional shape memory polymer coupled to the tension supply is characterized in that its length is changed bidirectionally with temperature change.
본 발명의 일실시예에 의하면, 본 발명은 일방향성 형상기억고분자가 소프트 세그먼트와 하드 세그먼트를 포함할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the present invention may include a unidirectional shape memory polymer may include a soft segment and a hard segment.
본 발명의 다른 일실시예에 의하면, 본 발명은 일방향성 형상기억고분자의 온도에 따른 길이 변화가 소프트 세그먼트를 이루는 물질의 적어도 일부가 결정상에서 비정질상으로 또는 비정질상에서 결정상으로 변화되어 이루어질 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the present invention may be made by changing the length of the unidirectional shape memory polymer at least a part of the material forming the soft segment from the crystalline phase to the amorphous phase or from the amorphous phase to the crystalline phase.
본 발명의 또 다른 일실시예에 의하면, 본 발명은 소프트 세그먼트가 폴리(e-카프로락톤)으로 이루어지고, 하드 세그먼트가 4,4-디페닐메틸렌 디이소시아네이트로 이루어질 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the present invention may comprise a soft segment of poly (e-caprolactone) and a hard segment of 4,4-diphenylmethylene diisocyanate.
본 발명의 또 다른 일실시예에 의하면, 본 발명은 폴리(e-카프로락톤)의 수평균분자량이 3,000 내지 5,000일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the present invention has a number average molecular weight of 3,000 poly (e-caprolactone) To 5,000.
본 발명의 또 다른 일실시예에 의하면, 본 발명은 장력 공급체가 탄성체일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the present invention may be an elastic body of the tension supply.
본 발명의 또 다른 일실시예에 의하면, 본 발명은 탄성체가 고무일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the present invention may be a rubber.
본 발명의 또 다른 일실시예에 의하면, 본 발명은 탄성체가 용수철일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the elastic body may be a spring.
본 발명의 또 다른 일실시예에 의하면, 본 발명은 장력 공급체가 중력추일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the tension supply body may be a gravity weight.
본 발명의 또 다른 일실시예에 의하면, 본 발명은 일방향성 형상기억고분자의 온도에 따른 길이 변화가 소프트 세그먼트의 용융점 ±20℃의 범위에서 이루어질 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the length change according to the temperature of the unidirectional shape memory polymer may be made in the range of the melting point ± 20 ℃ of the soft segment.
본 발명의 또 다른 일실시예에 의하면, 본 발명은 일방향성 형상기억고분자가 전기전도체일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the present invention may be a one-way shape memory polymer is an electrical conductor.
본 발명의 또 다른 일실시예에 의하면, 본 발명은 일방향성 형상기억고분자가 전기전도성 입자를 포함할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the present invention may include the unidirectional shape memory polymer may be electrically conductive particles.
상기 두 번째 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 상기 온도감응센서를 포함하는 액츄에이터나 인공근육을 제공한다.In order to solve the second problem, the present invention provides an actuator or artificial muscle including the temperature-sensitive sensor.
상기 세 번째 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 소프트 세그먼트와 하드 세그먼트를 포함하는 고분자를 소프트 세그먼트의 용융점보다 15 내지 30℃ 높은 온도로 가열하는 단계와, 가열된 고분자를 일정 길이로 신장하는 단계와, 신장된 고분자를 소프트 세그먼트의 용융점보다 15 내지 30℃ 낮은 온도로 냉각하는 단계와, 냉각된 고분자에 일정한 크기의 장력을 공급하는 장력 공급체를 결합시키는 단계를 포함하는 양방향성 온도감응센서의 제조방법을 제공한다.In order to solve the third problem, the present invention comprises the steps of heating a polymer comprising a soft segment and a hard segment to a
본 발명의 일실시예에 의하면, 본 발명은 소프트 세그먼트가 폴리(e-카프로락 톤)으로 이루어지고, 하드 세그먼트가 4,4-디페닐메틸렌 디이소시아네이트로 이루어질 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the present invention may comprise a soft segment of poly (e-caprolactone) and a hard segment of 4,4-diphenylmethylene diisocyanate.
본 발명의 다른 일실시예에 의하면, 본 발명은 폴리(e-카프로락톤)의 수평균분자량이 3,000 내지 5,000일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the present invention has a number average molecular weight of 3,000 poly (e-caprolactone) To 5,000.
본 발명에 따른 양방향성 온도감응센서는 일방향성 형상기억고분자와 장력 공급체가 결합되어, 일방향성 형상기억고분자의 길이가 온도 변화에 따라 가역적으로 변화될 수 있는 양방향성 형상기억 거동을 보인다. 또한 본 발명의 양방향성 온도감응센서는 성형이 자유로운 고분자 물질을 이용하므로 액츄에이터나 바이오메디칼 분야와 같은 다양한 분야에 응용될 수 있는 유리한 효과를 가진다.The bidirectional temperature sensitive sensor according to the present invention is coupled to the unidirectional shape memory polymer and the tension supply, showing a bidirectional shape memory behavior that the length of the unidirectional shape memory polymer can be reversibly changed with temperature change. In addition, the bidirectional temperature sensitive sensor of the present invention has an advantageous effect that can be applied to various fields such as actuators or biomedical fields because it uses a free-form polymer material.
아래에서 본 발명은 실시예를 기초로 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명된다. 제시된 실시예는 예시적인 것으로 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings based on embodiments. The examples presented are exemplary and are not intended to limit the scope of the invention.
본 발명에 이용되는 일방향성 형상기억고분자는 온도 변화에 따라 길이가 비가역적으로 즉, 일방향성으로 변화될 수 있다. 이러한 형상기억 고분자의 일방향성 형상기억은 아래의 원리에 의하여 이루어진다. The unidirectional shape memory polymer used in the present invention may be changed irreversibly, that is, unidirectional in accordance with temperature change. The unidirectional shape memory of the shape memory polymer is made by the following principle.
도 2는 일방향성 형상기억고분자의 형상기억거동을 도시한 것이다. 도 2를 참조하면, (가) 상태의 고분자는 결정성 하드 세그먼트(201), 결정성 소프트 세그먼트(202) 및 비정질성 소프트 세그먼트(203)를 포함한다. (가) 상태의 고분자를 소 프트 세그먼트의 용융온도 이상인 특정한 온도 Thigh로 가열하면 결정성 소프트 세그먼트(202)가 비정질이 되며 (나) 상태의 고분자로 변화된다. 이어서, (나) 상태의 고분자에 장력을 가하면 비정질 소프트 세그먼트(203)들이 장력 방향으로 배열된 (다) 상태의 고분자로 변화된다. 이어서, (다) 상태의 고분자를 소프트 세그먼트의 용융온도 이하인 특정한 온도 Tlow로 냉각하면 다시 비정질성 소프트 세그먼트(203) 중 일부가 결정화되어 (라) 상태의 고분자로 변화된다. 이때, (라) 상태의 고분자에 포함되는 결정성 소프트 세그먼트는 (가) 상태의 결정성 소프트 세그먼트와는 형상이 다르게 장력 방향으로 길게 형성된 결정성 소프트 세그먼트이다. (라) 상태의 고분자는 일정시간이 경과하면 스스로 응력을 완화시키며 길이가 조금 짧아지며 (마) 상태의 고분자로 변화된다. (마) 상태의 고분자를 다시 Thigh까지 가열하면 결정화된 일부 결정성 소프트 세그먼트(202)가 비정질화 되며 탄성을 가져 본래의 형상인 (나) 상태의 고분자와 동일한 형상의 (바) 상태의 고분자로 변화된다. 이렇듯 일방향성 형상기억고분자는 네트 포인트(net-point)로 작용하는 하드 세그먼트와, 온도의 증가에 따라 결정상에 비정질상으로 변화하는 소프트 세그먼트에 의하여 본래의 형상을 기억할 수 있는 것이다.Figure 2 shows the shape memory behavior of the unidirectional shape memory polymer. Referring to FIG. 2, the (a) state of the polymer includes a crystalline
본 발명의 일방향성 형상기억고분자에 포함되는 소프트 세그먼트는 폴리(e-카프로락톤)로 이루어지고, 하드 세그먼트는 4,4-디페닐메틸렌 디이소시아네이트로 이루어질 수 있으며, 사슬 연장제(chain extender)로 1,4-부탄디올이 사용될 수 있다. 상기 조성의 고분자가 하드 세그먼트와 소프트 세그먼트를 효과적으로 형성하 기 위해서는 폴리(e-카프로락톤)의 분자량이 중요하다. 본 발명에서는 폴리(e-카프로락톤)의 수평균분자량이 3,000 내지 5,000인 것이 바람직하고, 이 경우에 효과적인 형상기억 거동이 관찰되었다.The soft segment included in the unidirectional shape memory polymer of the present invention may be made of poly (e-caprolactone), the hard segment may be made of 4,4-diphenylmethylene diisocyanate, and may be a chain extender. 1,4-butanediol can be used. The molecular weight of poly (e-caprolactone) is important for the polymer of the composition to effectively form hard and soft segments. In the present invention, the number average molecular weight of poly (e-caprolactone) is 3,000 It is preferably from 5,000 to 5,000, in which case an effective shape memory behavior has been observed.
본 발명의 양방향성 온도감응센서는 상기에서 설명한 일방향성 형상기억고분자와 장력공급체가 결합하여 온도변화에 따라 일방향성 형상기억고분자의 길이가 가역적으로 변화된다.In the bidirectional temperature sensitive sensor of the present invention, the length of the unidirectional shape memory polymer is reversibly changed in accordance with the temperature change by combining the unidirectional shape memory polymer and the tension supply described above.
도 3의 (가)와 (나)는 본 발명의 양방향성 온도감응센서의 작동을 설명하기 위한 도면이다. 도 3을 참조하면, 막대 형상을 한 일방향성 형상기억고분자(301)의 일단이 지지벽(304a)에 고정되어 있고, 다른 일단에 탄성 공급체(302)가 결합되어 일정한 장력으로 일방향성 형상기억고분자(301)를 당기고 있으며, 탄성 공급체인 고무(302)의 다른 일단은 반대 편 지지벽(304b)에 고정되어 있다. 도 3의 (가)와 같이 온도가 Thigh인 조건에서 일방향성 형상기억고분자(301)는 상대적으로 짧은 길이를 유지하다가, 도 2의 (나)와 같이 온도가 Tlow로 변화되면 일방향성 형상기억고분자(301)의 길이가 길어지며 일방향성 형상기억고분자(301)와 탄성 공급체(302)의 경계를 표시하는 표식부(303)의 상대적인 위치가 변화된다.3 (a) and (b) are views for explaining the operation of the bidirectional temperature sensitive sensor of the present invention. Referring to FIG. 3, one end of the rod-shaped unidirectional
도 4는 본 발명의 양방향성 온도감응센서에서 온도변화에 따라 일방향성 형상기억고분자의 상(phase)이 변화되는 것을 설명하기 위한 도면이다. 도 4를 참조하면, Thigh 조건에서는 하드 세그먼트(401)와 비정질성 소프트 세그먼트(403)을 포함하는 일방향성 형상기억고분자(도 2의 (라) 상태)가 일정한 장력을 받고 있으며, Tlow 조 건에서는 하드 세그먼트(401), 결정성 소프트 세그먼트(402) 및 비정질성 소프트 세그먼트(403)를 포함하는 일방향성 형상기억고분자가 일정한 장력을 받고 있다. Thigh 조건에서는 일방향성 형상기억고분자가 일정한 크기의 장력을 받고 있으나 비정질성 소프트 세그먼트(403)가 일정한 탄성을 가지고 장력에 대응하므로 짧은 길이를 유지할 수 있고, Tlow 조건에서는 일방향성 형상기억 고분자가 냉각되며 일정한 장력에 의하여 장력 방향으로 배열된 결정성 소프트 세그먼트(402)가 형성되고 외부 장력에 대응하던 탄성을 잃어버리게 되므로 길이가 길어지는 것이다. 4 is a view for explaining that the phase of the unidirectional shape memory polymer is changed in accordance with the temperature change in the bidirectional temperature sensitive sensor of the present invention. Referring to Figure 4, T high conditions, and
본 발명의 양방향성 온도감응센서는 다음의 단계를 거쳐 제조될 수 있다. 먼저 소프트 세그먼트와 하드 세그먼트를 포함하는 고분자를 상기 소프트 세그먼트의 용융점보다 높은 온도로 가열한다. 이어서, 가열된 고분자를 일정 길이로 신장하고, 신장된 고분자를 상기 소프트 세그먼트의 용융점보다 낮은 온도로 냉각한다. 이어서, 냉각된 고분자에 일정한 크기의 장력을 공급하는 장력 공급체를 결합시킨다. 이때, 상기 소프트 세그먼트의 용융점보다 높은 온도는 용융점보다 15 내지 30℃ 높은 온도로 선택되는 것이 바람직하고, 상기 소프트 세그먼트의 용융점보다 낮은 온도는 용융점보다 15 내지 30℃ 낮은 온도로 선택되는 것이 바람직하다. 고분자의 상변화는 일정한 온도의 범위에서 일어나며, 상기 온도 범위가 상변화가 일어나기 충분한 온도범위이기 때문이다.The bidirectional temperature sensitive sensor of the present invention can be manufactured through the following steps. First, the polymer including the soft segment and the hard segment is heated to a temperature higher than the melting point of the soft segment. The heated polymer is then stretched to a certain length and the stretched polymer is cooled to a temperature below the melting point of the soft segment. Subsequently, a tension supply is applied to the cooled polymer to supply a constant amount of tension. At this time, the temperature higher than the melting point of the soft segment is preferably selected to a
본 발명의 양방향성 온도감응센서가 작동할 수 있는 온도는 정해져 있다. 이는 일방향성 형상기억고분자의 일방향성 형상기억 기능이 상변화에 기인하고, 이러한 상변화는 소프트 세그먼트의 용융점을 기준으로 일어나기 때문이다. 이 온도는 소프트 세그먼트의 용융점 ±20℃인 것이 바람직하다. 즉 Thigh는 소프트 세그먼트의 용융점 보다는 높고 [소프트 세그먼트의 용융점 +20℃]보다는 낮은 특정 온도인 것이 바람직하고, Tlow는 소프트 세그먼트의 용융점 보다는 낮고 [소프트 세그먼트의 용융점 - 20℃]보다는 높은 특정 온도인 것이 바람직하다. 상기 온도 범위를 벗어나면 일방향성 형상기억고분자의 형상기억 능력이 제한되기 때문이다.The temperature at which the bidirectional temperature sensitive sensor of the present invention can operate is determined. This is because the unidirectional shape memory function of the unidirectional shape memory polymer is caused by the phase change, and the phase change occurs based on the melting point of the soft segment. It is preferable that this temperature is +20 degreeC of melting | fusing point of a soft segment. That is, T high is preferably a specific temperature higher than the melting point of the soft segment and lower than the melting point of the soft segment + 20 ° C., and T low is a specific temperature lower than the melting point of the soft segment and higher than the melting point of the soft segment-20 ° C. Is preferably. If out of the temperature range, the shape memory capacity of the one-way shape memory polymer is limited.
본 발명에서 일방향성 형상기억고분자에 일정한 크기의 장력을 공급하기 위한 장력 공급체는 다양한 방법으로 형성될 수 있다. 장력 공급체는 탄성체일 수 있다. 탄성체는 외부의 힘에 의해 변형된 후 탄성에 의하여 본래의 형상으로 회복하려는 힘인 탄성력을 가지므로, 일방향성 형상기억고분자에 일정한 크기의 탄성력을 제공할 수 있다. 이때, 상기 탄성체는 외부의 힘에 의하여 변형된 후 일정한 탄성력을 가진 상태로 일방향성 형상기억고분자에 결합되어야 한다. 본 발명에 이용되는 일방향성 형상기억고분자의 길이가 온도변화에 따라 선형 비례로 변화하기 위해서는, 양방향성 온도감응센서가 작동하는 온도 범위에서 장력 공급체가 공급하는 장력이 일정한 것이 바람직하다. 따라서 탄성 공급체는 실질적으로 일정한 장력을 공급할 수 있는 범위에서 탄성변형된 것이 유리하다. 이러한 탄성체는 고분자 물질인 고무나 금속 재질의 용수철 등이 될 수 있다. 또한 장력 공급체는 중력에 의해 일정한 장력을 공급할 수 있는 중력추일 수 있다. 중력추는 지상에서 일정한 크기의 중력을 가지므로 장력 공급체로 이용되기에 적합하다.In the present invention, the tension supply for supplying a constant size tension to the unidirectional shape memory polymer may be formed in various ways. The tension supply may be an elastic body. Since the elastic body is deformed by an external force and has an elastic force that is a force to recover to its original shape by elasticity, the elastic body may provide a unidirectional shape memory polymer with a predetermined size. At this time, the elastic body should be coupled to the one-way shape memory polymer in a state having a constant elastic force after being deformed by an external force. In order for the length of the unidirectional shape memory polymer used in the present invention to change linearly in proportion to the temperature change, it is preferable that the tension supplied by the tension supply in the temperature range in which the bidirectional temperature sensitive sensor operates is constant. Therefore, the elastic feed body is advantageously elastically deformed in a range capable of supplying a substantially constant tension. The elastic body may be a rubber or metal spring made of a polymer material. In addition, the tension supply may be a gravity weight capable of supplying a constant tension by gravity. Gravity weights have a certain magnitude of gravity on the ground and are suitable for use as tension feeders.
도 5는 본 발명의 양방향성 온도감응센서의 일 예를 도시한 것이다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 양방향성 온도감응센서(500)는 일방향성 형상기억고분자(501), 탄성고무(502), 표식부(503), 지지벽(504) 및 온도눈금 자(505)를 포함한다. 이때, 일방향성 형상기억고분자(501)는 소정의 길이를 가지고 그 일단이 지지벽(504)에 고정되어 있고, 일방향성 형상기억고분자(501)의 다른 일단에는 표식부(503)가 결합되어 있으며, 표식부(503)에는 탄성고무(502)가 결합되어 그 일단이 지지벽(504)에 고정되어 있다. 또한 지지벽(504)에는 일방향성 형상기억고분자(501)의 연장방향을 따라 평행하게 온도눈금 자(505)가 설치되어, 표식부(503)의 온도눈금 자(505)에 대한 상대적 위치 변화로 온도눈금을 읽을 수 있다. 이러한 양방향성 온도감응센서(500)는 주변 온도의 변화에 따라 일방향성 형상기억고분자(501)의 길이가 변화되며, 표식부(503)의 온도 눈금자(505)에 대한 상대적 위치 변화로 온도를 감지할 수 있다.Figure 5 shows an example of the bidirectional temperature sensitive sensor of the present invention. Referring to FIG. 5, the bidirectional temperature
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 양방향성 온도감응센서가 작동되는 최적화된 장력조건을 도출하는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 6a와 도 6b는 각각 다양한 조건의 스트레스(stress)와 온도 프로파일을 나타낸 것이다. 도 6c는 상기 도 6a 및 도 6b의 조건하에서의 양방향성 형상기억거동을 나타낸 것이다. 도 6c를 참조하면, 일방향성 형상기억고분자의 스트레인(strain)은 주어진 스트레스에 따라 다양하게 변화되는데, 스트레스가 0.63Mpa인 경우에는 양방향성 형상기억거동이 주기의 반복에 따라 일정하지 않은 경향을 보이고, 스트레스가 0.445Mpa, 0.29Mpa, Mpa0.14로 작아질수록 이상적인 양방향성 형상기억거동을 보이고 있다. 그러나 스 트레스가 작아지면 스트레인의 변화도 함께 작아지므로 온도감응센서의 응용성 면에서 불리한 점이 있다. 도 6d는 반복적인 실험을 통하여 최적화된 스트레인 프로파일을 보여주고 있다. 도 6d를 참조하면, 스트레스 0.338Mpa에서 크립 현상이 없는 가장 이상적인 양방향 형상기억거동이 관찰됨과 동시에 높은 스트레인 변화를 보이고 있다. 이와 같이 본 발명의 온도감응센서는 정확한 설계과정을 통하여 다양한 크기와 모양에 따라 최적의 변형거동을 보이는 조건을 찾는 것이 가능하다.6A to 6D are views for explaining a process of deriving an optimized tension condition in which the bidirectional temperature sensitive sensor of the present invention operates. 6A and 6B show stress and temperature profiles under various conditions, respectively. 6C illustrates bidirectional shape memory behavior under the conditions of FIGS. 6A and 6B. Referring to Figure 6c, the strain of the unidirectional shape memory polymer (strain) varies in accordance with a given stress, when the stress is 0.63Mpa bidirectional shape memory behavior tends to be inconsistent with the repetition of the cycle, As stress decreases to 0.445Mpa, 0.29Mpa and Mpa0.14, the ideal bidirectional shape memory behavior is shown. However, the smaller the stress, the smaller the change in strain, which is disadvantageous in terms of the application of the temperature sensor. 6D shows an optimized strain profile through repeated experiments. Referring to FIG. 6D, the most ideal bidirectional shape memory behavior without creep at 0.338 Mpa is observed and shows a high strain change. As described above, the temperature-sensitive sensor of the present invention can find a condition showing an optimum deformation behavior according to various sizes and shapes through an accurate design process.
본 발명의 양방향성 온도감응센서는 전기적인 자극에 의하여 작동되는 것이 가능하다. 이를 위하여 일방향성 형상기억고분자는 일정한 크기의 전기 저항을 가지는 전기전도체이어야 한다. 전도성을 가지는 일방향성 형상기억고분자에 전류를 흘리면 전기저항에 의하여 열이 발생한다. 이러한 열은 전류의 크기에 비례하게 되는데, 이러한 원리로 본 발명의 양방향성 온도감응센서를 전류에 감응하는 센서로도 응용할 수 있는 것이다. 이와 같이 전류에 감응하는 양방향성 온도감응센서는 액츄에이터나 인공근육 등과 같은 다양한 분야에 사용될 수 있다.The bidirectional temperature sensitive sensor of the present invention can be operated by an electrical stimulus. To this end, the unidirectional shape memory polymer should be an electrical conductor having a certain size of electrical resistance. When current flows through the conductive unidirectional shape memory polymer, heat is generated by the electrical resistance. This heat is proportional to the magnitude of the current, which can be applied to the bidirectional temperature sensitive sensor of the present invention as a sensor sensitive to current. As described above, the bidirectional temperature sensitive sensor which is sensitive to electric current may be used in various fields such as an actuator or artificial muscle.
일방향성 형상기억고분자에 전도성을 부여하는 방법은 다양하다. 하드 세그먼트와 소프트 세그먼트를 포함하는 고분자 물질에 전도성 입자를 배합하여 전도성을 부여할 수도 있고, 불순물이 도핑(doping)되어 고분자 자체가 전도성을 가지는 전도성 고분자를 혼합하여 전도성을 부여할 수도 있다. 상기 전도성 입자를 이용하는 방법에서 전도성 입자는 탄소나노튜브나 그라파이트 입자 등이 이용될 수 있다.There are various methods of imparting conductivity to the unidirectional shape memory polymer. The conductive particles may be added to the polymer material including the hard segment and the soft segment to impart conductivity, or the impurities may be doped to mix and impart conductivity by mixing a conductive polymer having conductivity. In the method using the conductive particles, carbon nanotubes or graphite particles may be used as the conductive particles.
본 발명이 실시예를 이용하여 상세하게 설명이 되었지만 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 실시예에 대한 다양한 변 형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명은 이러한 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않는다. Although the present invention has been described in detail using the embodiments, those skilled in the art will be able to make various modifications and modifications to the embodiments without departing from the spirit of the invention. The invention is not limited by these variations and modifications.
도 1의 (가)와 (나)는 각각 일방향성 형상기억과 양방향성 형상기억에 대한 개념을 설명하기 위한 도면이다.1 (a) and (b) are diagrams for explaining the concepts of unidirectional shape memory and bidirectional shape memory, respectively.
도 2는 일방향성 형상기억고분자의 형상기억거동을 도시한 것이다.Figure 2 shows the shape memory behavior of the unidirectional shape memory polymer.
도 3의 (가)와 (나)는 본 발명의 양방향성 온도감응센서의 작동을 설명하기 위한 도면이다.3 (a) and (b) are views for explaining the operation of the bidirectional temperature sensitive sensor of the present invention.
도 4는 본 발명의 양방향성 온도감응센서에서 온도변화에 따라 일방향성 형상기억고분자의 상(phase)이 변화되는 것을 설명하기 위한 도면이다.4 is a view for explaining that the phase of the unidirectional shape memory polymer is changed in accordance with the temperature change in the bidirectional temperature sensitive sensor of the present invention.
도 5는 본 발명의 양방향성 온도감응센서의 일 예를 도시한 것이다.Figure 5 shows an example of the bidirectional temperature sensitive sensor of the present invention.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 양방향성 온도감응센서가 작동되는 최적화된 장력조건을 도출하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.6A to 6D are views for explaining a process of deriving an optimized tension condition in which the bidirectional temperature sensitive sensor of the present invention operates.
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-
2009
- 2009-02-23 KR KR1020090014878A patent/KR101053196B1/en active IP Right Grant
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