KR101094331B1 - 고분자 전해질 기반의 마이크로 액츄에이터 - Google Patents

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김종만
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Abstract

본 발명은 고분자 전해질을 기반으로 소자를 구성하여 저전력 구동이 가능하도록 한 고분자 전해질 기반의 마이크로 액츄에이터에 관한 것으로,지지부(Supporting part)를 구성하는 금속 전극층;상기 금속 전극층상에 차례로 적층되는 나노포러스 금속층,고분자 전해질층,박막전극층으로 팽창부(Expanding part)가 구성되고,상기 금속 전극층과 박막전극층에 인가되는 전압의 극성에 따라 고분자 전해질층과 나노포러스 금속층 사이에 카운터 이온의 이동이 일어나 팽창부가 휘어지거나 원래의 위치로 복귀하는 것이다.

Description

고분자 전해질 기반의 마이크로 액츄에이터{Microactuator based on Polyelectrolyte}
본 발명은 액츄에이터에 관한 것으로, 구체적으로 고분자 전해질을 기반으로 소자를 구성하여 저전력 구동이 가능하도록 한 고분자 전해질 기반의 마이크로 액츄에이터에 관한 것이다.
마이크로 머시닝(micro-machining) 기술의 진전에 따라 여러 가지의 분야에서 액츄에이터의 중요성이 높아지고 있다.
액츄에이터란 가동에너지(열·자계·전계에너지)를 기계적인 변위 또는 응력으로 변환하는 트랜스듀서를 말하는 것으로 특히 마이크로 액츄에이터는 크게 구동 방식에 따라 정전력, 전자력, 압전, 열방식으로 나눠진다.
전통적인 액츄에이터가 가지는 작동방식의 한계를 극복하기 위해, 다양한 스마트 재료(smart material)들이 개발되고 있다.
그 중에서 폴리머 액츄에이터는 외부의 자극에 의해 변형이 발생하는 고분자의 총칭이다. 외부 자극에는 화학적 자극(pH의 변화나 함유 수분량의 변화 등), 전기적 자극, 열 자극, 광 자극, 자기 자극 등이 포함된다.
최근에는 전기적 자극에 의해 폴리머를 제어하는 액츄에이터에 관한 연구가 가장 활발하다.
전압을 인가하면 폴리머 중의 이온이 이동하여 폴리머가 변형하는 ICPF 액츄에이터, 인가 전압에 의해 전계 용액 중의 이온을 폴리머 전극이 흡수하여 변형하는 도전성 폴리머 액츄에이터, 폴리머 자체가 유전 분극되어 역압전 효과에 의해 변형되는 압전 폴리머 액츄에이터, 폴리머 간의 전극에 발생하는 쿨롱의 힘 (Coulomb Force)으로 중간층의 폴리머가 변형하는 전왜 폴리머 액츄에이터 등이 전기적 자극을 이용하는 대표적인 예이다.
폴리머 액츄에이터는 에너지 효율이 높고 저비용으로 제작할 수 있다는 점에서 매력적이지만 아직 연구단계에 머물러 있는 기술이 많은데다 일반적으로 내구성이 부족하다.
그리고 형상 기억 액츄에이터(SMA)는 재료에 대해 특정한 형상을 기억시키는 처리를 해두면, 저온에 있어서 외력에 의한 변형을 가해도 어느 온도 이상으로 가열하면 원래의 기억 형상으로 돌아갈 수 있는 기능성 재료를 사용하는 액츄에이터를 의미한다.
이와 같은 재료는 금속 뿐만 아니라 고분자 재료나,세라믹 등에서도 발견된다. 그 중에서도 Ti-Ni나 Cu-Al-Zn 등의 형상 기억 합금은 위에서 설명한 사이클을 한번뿐 아니라 반복 발생시킬 수 있다. 형상 회복 시의 발생력(파이버형 SMA는 약 400 MPa)과 회복 신축 정도가 크기 때문에 액츄에이터 등으로 넓게 응용되고 있다.
그러나 온도에 반응하는 재료이므로 응용 대상에 따라서는 동작속도(특히 방열의 경우)를 향상시키기 위한 노력이 필요하다.
그리고 정전력 방식 마이크로 액츄에이터는 마주보는 전극 구조를 이용하여 구조적으로 간단하게 구현될 수 있고, 스위칭 속도가 빠르며, 전력 소모가 매우 적고 비교적 안정적인 구동이 가능한 장점을 가지고 있다. 하지만, 정전 구동을 위해서는 일반적으로 20 ~ 100V 정도의 비교적 높은 전압이 요구되는 문제점이 있다.
전자력과 열 구동 방식은 큰 구동력의 발생으로 대변위 구동이 가능한 장점이 있으나, 많은 전류의 필요로 인해 전력 소모가 크고, 스위칭 속도가 매우 느리며, 특히 구조가 매우 복잡하다는 문제점으로 인하여 실제적인 응용 분야에 적용되기에는 한계가 있다고 볼 수 있다.
압전 구동 방식은 압전 박막 물질의 특성 상 저전압 구동이 가능하며, 빠른 스위칭 속도를 얻을 수 있는 장점은 있으나 마이크로 크기의 구조물 제작이 까다롭고 복잡한 문제점을 가지고 있다.
본 발명은 고분자 전해질을 기반으로 소자를 구성하여 저전력 구동이 가능하도록 한 고분자 전해질 기반의 마이크로 액츄에이터를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 박막 전극층/고분자 전해질층/나노포러스 금속층/금속 전극층으로 이루어져 저전력으로 정확한 구동이 가능한 고분자 전해질 기반의 마이크로 액츄에이터를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 박막 전극층/고분자 전해질층/나노포러스 금속층/금속 전극층으로 이루어져 전기적 척력에 의해 정확한 구동이 가능한 고분자 전해질 기반의 마이크로 액츄에이터를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고분자 전해질 기반의 마이크로 액츄에이터는 지지부(Supporting part)를 구성하는 금속 전극층;상기 금속 전극층상에 차례로 적층되는 나노포러스 금속층,고분자 전해질층,박막전극층으로 팽창부(Expanding part)가 구성되고,상기 금속 전극층과 박막전극층에 인가되는 전압의 극성에 따라 음이온(혹은 양이온) 고분자 전해질층과 나노포러스 금속층 사이에 고분자 전해질에 수반된 카운터 이온의 이동이 일어나 팽창부가 휘어지거나 원래의 위치로 복귀하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 고분자 전해질층은, 양이온 고분자 전해질 또는 음이온 고분자 전해질을 사용하여 형성하는 것을 특징으로 한다.
그리고 음이온 고분자 전해질층인 경우에 상기 박막전극층에 포지티브(positive) 극성을, 금속 전극층에 네거티브(negative) 극성을 갖도록 전압을 인가하면, 음이온 고분자 전해질층(Polyelectrolyte)의 포지티브 카운터(counter) 이온이 나노포러스 금속층으로 이동하고, 양이온 고분자 전해질층인 경우에는 상기 박막전극층에 네거티브(negative) 전압을, 금속 전극층에 포지티브(positive) 극성을 갖도록 전압을 인가하면, 양이온 고분자 전해질층의 네거티브 카운터 이온 (counter ion)이 나노포러스 금속층으로 이동하는 것을 특징으로 한다.
그리고 카운터(counter) 이온이 나노포러스 금속층으로 이동하면,상기 나노포러스 금속층의 표면적으로 인해 나노포러스 금속층의 표면에 많은 카운터 이온이 모이게 되고, 이로 인해 발생되는 정전기적 척력때문에 나노포러스 금속층이 팽창하는 것을 특징으로 한다.
그리고 카운터(counter) 이온이 나노포러스 금속층으로 이동하여 나노포러스 금속층이 팽창되어 휘어진 상태에서 상기 금속 전극층과 박막전극층에 인가되는 전압의 극성을 바꾸면,상기 나노포러스 금속층에 모여있던 카운터 이온이 고분자 전해질층(Polyelectrolyte)으로 다시 이동하여 팽창부가 원위치되는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 고분자 전해질 기반의 마이크로 액츄에이터는 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 고분자 전해질을 기반으로 소자를 구성하여 저전력 구동이 가능하다.
둘째, 박막 전극층/고분자 전해질층/나노포러스 금속층/금속 전극층으로 이루어져 저전력으로 정확한 구동이 가능하다.
셋째, 전기적 척력에 의해 구동하는 박막 전극층/고분자 전해질층/나노포러스 금속층/금속 전극층으로 구성하는 것에 의해 구조가 단순하고, 구동 효율이 높다.
넷째, 박막 전극층/고분자 전해질층/나노포러스 금속층/금속 전극층으로 구성하는 것에 의해 에너지 효율이 높고 저비용으로 제작할 수 있다
다섯째, 동작 속도 측면에서 유리하고, 별도의 구동 장치없이 전압 인가에 의해 구동이 이루어지므로 시스템의 소형화에 유리하다.
도 1은 본 발명에 따른 고분자 전해질 기반의 마이크로 액츄에이터의 구성도
도 2는 본 발명에 따른 마이크로 액츄에이터의 전기적 척력에 의해 구동되는 상태도
도 3a내지 도 3d는 본 발명에 따른 마이크로 액츄에이터의 동작 과정을 나타낸 구성도
이하, 본 발명에 따른 고분자 전해질 기반의 마이크로 액츄에이터의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 고분자 전해질 기반의 마이크로 액츄에이터의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 고분자 전해질 기반의 마이크로 액츄에이터의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 마이크로 액츄에이터의 전기적 척력에 의해 구동되는 상태도이다.
그리고 도 3a내지 도 3d는 본 발명에 따른 마이크로 액츄에이터의 동작 과정을 나타낸 구성도이다.
본 발명에 따른 마이크로 액츄에이터는 박막 전극층/고분자 전해질층/나노포러스 금속층/금속 전극층으로 이루어져 저전력으로 정확한 구동이 가능하도록 한 것이다.
본 발명에 따른 마이크로 액츄에이터는 도 1에서와 같은 구조를 갖는 고분자 전해질 기반의 초저전력 마이크로 액츄에이터이다.
그 구성은 박막전극층(14),고분자 전해질층(13),나노포러스 금속층(12)으로 구성된 팽창부(Expanding part)와, 지지부(Supporting part), 즉, 솔리드 금속 전극층(11)의 두개의 층으로 이루어진다.
여기서, 인가되는 전압의 극성에 따라 고분자 전해질층(13),나노포러스 금속층(12) 사이에 카운터 이온의 이동이 일어나 나노포러스 금속층(12)의 팽창에 의해 구동이 이루어진다.
이와 같은 본 발명에 따른 마이크로 액츄에이터는 박막전극층(14) 및 금속 전극층(11) 사이에 전압을 인가하면 전기적 척력에 의해 도 2에서와 같이 동작을 한다.
구체적으로 본 발명에 따른 마이크로 액츄에이터의 동작을 설명하면 다음과 같다.
도 3a에서와 같이, 박막전극층(14) 및 금속 전극층(11) 사이에 전압을 인가하면 카운터 이온의 이동이 일어난다.
즉, 박막전극층(14)에 포지티브(positive) 극성을, 금속 전극층(11)에 네거티브(negative) 극성을 갖도록 전압을 인가하면, 음이온 고분자 전해질층(Polyelectrolyte)(13)의 포지티브(혹은 네거티브) 카운터(counter) 이온이 나노포러스 금속층(12)으로 이동하게 되고, 나노포러스 금속층(12)의 큰 표면적(약 8m2/g)으로 인해 나노포러스 금속층(12)의 표면에 많은 양이온(혹은 음이온)이 모이게 되고, 이로 인해 발생되는 정전기적 척력때문에 나노포러스 금속층(12)이 도 3b에서와 같이 팽창하게 된다.
또한 양이온 고분자 전해질을 중간층으로 사용할 경우 박막전극층(14)에 네거티브(negative) 전압을, 금속 전극층(11)에 포지티브(positive) 극성을 갖도록 전압을 인가하면, 양이온 고분자 전해질층의 네거티브 카운터 이온 (counter ion)이 나노포러스 금속층(12)으로 이동하게 되고, 나노포러스 금속층(12)의 큰 표면적(약 8m2/g)으로 인해 나노포러스 금속층(12)의 표면에 많은 음이온이 모이게 되고, 이로 인해 발생되는 정전기적 척력때문에 나노포러스 금속층(12)이 도 3b에서와 같이 팽창하게 된다.
나노포러스 금속층(12)이 팽창하는데 반해 금속 전극층(11), 즉 지지부는 팽창하지 않고 전체 캔틸레버(cantilever)를 지지하고 있기 때문에 전체 캔틸레버(cantilever)는 도 2 및 도 3c에서와 같이 아래로 휘어지게 된다.
그리고 도 3d에서와 같이, 인가전압의 극성을 바꾸어주면(박막전극층에 네가티브 극성을, 금속 전극층에 포지티브 극성을 갖게 함), 나노포러스 금속층(12)에 모여있던 양이온이 고분자 전해질층(Polyelectrolyte)(13)으로 다시 이동하게 되면서 캔틸레버(cantilever)는 원위치로 돌아온다.
이와 같은 도 3a내지 도 3d의 과정을 반복하면 마이크로 액츄에이터가 반복적으로 구동하게 된다.
이러한 액츄에이터는 수 V정도의 초저전력으로 구동이 가능하기 때문에 응용 분야 및 파급효과가 클 것으로 기대된다.
이와 같은 본 발명에 따른 마이크로 액츄에이터는 전기적 척력에 의해 구동하는 박막 전극층/고분자 전해질층/나노포러스 금속층/금속 전극층으로 구성하여, 인가되는 전압의 극성에 따라 고분자 전해질층/나노포러스 금속층 사이에 카운터 이온의 이동이 일어나 나노포러스 금속층(12)의 팽창에 의해 구동이 이루어진다.
따라서, 저전력으로 정확한 구동이 가능하고, 구조가 단순하고, 구동 효율이 높은 마이크로 액츄에이터를 제공할 수 있다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
11. 금속 전극층 12. 나노포러스 금속층
13. 고분자 전해질층 14. 박막 전극층

Claims (5)

  1. 지지부(Supporting part)를 구성하는 금속 전극층;
    상기 금속 전극층상에 차례로 적층되는 나노포러스 금속층,고분자 전해질층,박막전극층으로 팽창부(Expanding part)가 구성되고,
    상기 금속 전극층과 박막전극층에 인가되는 전압의 극성에 따라 고분자 전해질층과 나노포러스 금속층 사이에 카운터 이온의 이동이 일어나 팽창부가 휘어지거나 원래의 위치로 복귀하는 것으로, 카운터 이온이 나노포러스 금속층으로 이동하면, 상기 나노포러스 금속층의 표면적으로 인해 나노포러스 금속층의 표면에 카운터 이온이 모이게 되고, 이로 인해 발생되는 정전기적 척력 때문에 나노포러스 금속층이 팽창되어 휘어지는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 기반의 마이크로 액츄에이터.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 고분자 전해질층은, 양이온 고분자 전해질 또는 음이온 고분자 전해질을 사용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 기반의 마이크로 액츄에이터.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 고분자 전해질층이,
    음이온 고분자 전해질층인 경우에 박막전극층에 포지티브(positive) 극성을, 금속 전극층에 네거티브(negative) 극성을 갖도록 전압을 인가하면, 음이온 고분자 전해질층(Polyelectrolyte)의 포지티브 카운터(counter) 이온이 나노포러스 금속층으로 이동하고,
    양이온 고분자 전해질층인 경우에는 박막전극층에 네거티브(negative) 전압을, 금속 전극층에 포지티브(positive) 극성을 갖도록 전압을 인가하면, 양이온 고분자 전해질층의 네거티브 카운터 이온 (counter ion)이 나노포러스 금속층으로 이동하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 기반의 마이크로 액츄에이터.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 카운터(counter) 이온이 나노포러스 금속층으로 이동하여 나노포러스 금속층이 팽창되어 휘어진 상태에서 상기 금속 전극층과 박막전극층에 인가되는 전압의 극성을 바꾸면,
    상기 나노포러스 금속층에 모여있던 카운터 이온이 고분자 전해질층(Polyelectrolyte)으로 다시 이동하여 팽창부가 원위치되는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 기반의 마이크로 액츄에이터.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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