KR101593989B1 - 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 서로 마주하는 한 쌍의 기판들; 상기 기판들 상에 각각 배치되고, 서로 마주하는 한 쌍의 전극들; 상기 전극들 사이에 배치되고 광 경화성 액정 고분자인 LC242를 포함하는 액정 막; 및 상기 전극들 중 어느 하나와 상기 액정 막의 사이에 배치되는 접착 부재를 포함하고, 상기 전극들에 전압이 인가됨에 따라 상기 액정 막 내의 분극 현상에 의해 상기 전극들 사이에 인력이 작용하여 기계적으로 변형되는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
본 발명에서 제안하고 있는 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기에 따르면, 정전기력 기반 작동기가, 마주하는 전극들의 사이에 광 경화성 액정 고분자인 LC242를 포함하는 액정 막을 포함하고, 상기 전극들에 소정의 전압이 인가되며, 상기 전압이 커짐에 따라 상기 액정 막 내의 분극 현상이 증가함으로써, 상기 전극들 사이의 인력이 증가하여 정전기력 기반 작동기의 기계적 변형 특징을 향상시킬 수 있다.
본 발명에서 제안하고 있는 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기에 따르면, 정전기력 기반 작동기가, 마주하는 전극들의 사이에 광 경화성 액정 고분자인 LC242를 포함하는 액정 막을 포함하고, 상기 전극들에 소정의 전압이 인가되며, 상기 전압이 커짐에 따라 상기 액정 막 내의 분극 현상이 증가함으로써, 상기 전극들 사이의 인력이 증가하여 정전기력 기반 작동기의 기계적 변형 특징을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 정전기력 기반 작동기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기계적 변형 특성을 향상시킬 수 있는 정전기력 기반 작동기에 관한 것이다.
전기 활성 고분자(Electro-Active Polymer, EAP)에 대한 연구가 진행됨에 따라, 화학, 기계, 전기, 의학, 재료, 식품 등 다양한 분야에서 전기 활성 고분자의 활용에 대한 기대가 증가하고 있다. 예를 들어, 전기 활성 고분자는 차세대 마이크로 로봇, 초소형 비행체 등과 같은 분야뿐 아니라, 인공근육 작동기, 엔터테인먼트 등의 다양한 산업분야에서도 활용될 수 있다.
통상적으로, 전기 활성 고분자는 작동원리에 따라 이온성 전기 활성 고분자(ionic EAP) 및 전기성 전기 활성 고분자(electronic EAP)로 구분될 수 있다.
이온성 전기 활성 고분자는, 두 전극 사이의 물속에 히드로젤(hydrogel)을 넣어 전기장에 따라 휘어지는 현상을 이용하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 전기장을 인가할 때 폴리머 망에 양이온이 이동함에 따라 굽힘 변형을 일으키는 IPMC(ionomeric polymer-metal composites) 등이 이온성 전기 활성 고분자로서 사용될 수 있다.
전기성 전기 활성 고분자는, 전자 방사된 공중합체에서 발생하는 전왜 현상을 이용하여 제조될 수 있다. 구체적으로, 전기성 전기 활성 고분자의 경우, 전기장을 인가함에 따라 변형(strain)이 발생하는 중합체를 이용하여 제조될 수 있다.
이와 같이, 초경량, 초소형 작동기에 대한 기술에 관하여, 대한민국 공개특허공보 제10-2006-0100558호 (2006.09.21.공개) 및 대한민국 특허공개공보 제10-2011-0138912호 (2011.12.28.공개) 등에서는 다양한 분야에 응용될 수 있는 작동기를 개시하고 있다.
그러나 이러한 전기 활성 고분자 이외에도 여러 산업분야에서 적용될 수 있는 초소형 작동기의 전기적, 기계적 특징에 대한 연구는 여전히 더 필요한 실정이다.
이에 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로, 본 발명의 목적은 기계적 변형 특성을 향상시킬 수 있는, 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른, 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기는,
서로 마주하는 한 쌍의 기판들;
상기 기판들 상에 각각 배치되고, 서로 마주하는 한 쌍의 전극들;
상기 전극들 사이에 배치되고, 광 경화성 액정 고분자인 LC242를 포함하는 액정 막; 및
상기 전극들 중 어느 하나와 상기 액정 막의 사이에 배치되는 접착 부재를 포함하고,
상기 전극들에 전압이 인가됨에 따라 상기 액정 막 내의 분극 현상에 의해 상기 전극들 사이에 인력이 작용하여 기계적으로 변형되는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
바람직하게는,
상기 접착 부재는 상기 액정 막의 테두리부에 배치되도록 구성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 기계적인 변형은,
상기 접착 부재에 중첩하지 않은 상기 전극들의 부분이 상기 인력에 의해 휘어지는 것으로 구성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 액정 막은,
광 개시제 및 상기 광 경화성 액정 고분자인 LC242를 포함하는 액정 코팅 조성물이, 상기 전극들 중 어느 하나의 전극 상에서 코팅되고 광 경화되어 형성되도록 구성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 LC242는,
의 화학식으로 표현되는 화학구조를 갖도록 구성될 수 있다.
바람직하게는,
상기 전극들은 산화인듐주석(indium tin oxide), 그래핀 시트(graphene sheet), 탄소 나노튜브막(carbon nanotube layer), 실버 나노와이어(silver nanowire), 실버 나노페이스트(silver nanopaste), 및 금속 나노클러스터의 표면 증착막(surface-implanted metallic nanocluster layer) 중 적어도 어느 하나를 포함하도록 구성될 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른, 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기는,
서로 마주하는 한 쌍의 기판들;
상기 기판들 상에 각각 배치되고, 서로 마주하는 한 쌍의 전극들; 및
상기 전극들 사이에 배치되고 광 경화성 액정 고분자인 LC242를 포함하는 액정 막을 포함하고,
상기 액정 막은 상기 전극들 중 제1 전극 상에 직접 배치되면서 상기 제1 전극에 마주하는 제2 전극과는 미리 설정된 간격으로 이격되며,
상기 전극들에 전압이 인가됨에 따라 상기 액정 막 내의 분극 현상에 의해 상기 전극들 사이에 인력이 작용하여 기계적으로 변형되는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른, 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기는,
서로 마주하는 한 쌍의 기판들;
상기 기판들 상에 각각 배치되고, 서로 마주하는 한 쌍의 산화인듐주석 전극들;
상기 산화인듐주석 전극들 사이에 배치되고 광 경화성 액정 고분자인 LC242를 포함하는 액정 막; 및
상기 산화인듐주석 전극들 중 어느 하나와 상기 액정 막의 사이에 배치되는 접착 부재를 포함하고,
상기 전극들에 전압이 인가됨에 따라 상기 액정 막 내의 분극 현상에 의해 상기 산화인듐주석 전극들 사이에 인력이 작용하여 기계적으로 변형되는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른, 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기는, 복수의 단위 정전기력 기반 작동기들이 적층된 정전기력 기반 작동기로서,
상기 단위 정전기력 기반 작동기들은 각각,
서로 마주하는 한 쌍의 전극들;
상기 전극들 사이에 배치되고 광 경화성 액정 고분자인 LC242를 포함하는 액정 막; 및
상기 전극들 중 어느 하나와 상기 액정 막의 사이에 배치되는 접착 부재를 포함하고,
상기 단위 정전기력 기반 작동기들은, 상기 전극들에 전압이 인가됨에 따라 상기 액정 막 내의 분극 현상에 의해 상기 전극들 사이에 인력이 작용하여 기계적으로 변형되는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
본 발명의 특징에 따른 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기에 따르면, 정전기력 기반 작동기가, 마주하는 전극들의 사이에 광 경화성 액정 고분자인 LC242를 포함하는 액정 막을 포함하고, 상기 전극들에 소정의 전압이 인가되며, 상기 전압이 커짐에 따라 상기 액정 막 내의 분극 현상이 증가함으로써, 상기 전극들 사이의 인력이 증가하여 정전기력 기반 작동기의 기계적 변형 특징을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 I-I’ 라인을 따라 절단한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 액정층을 포함한 전기 활성 작동기의 액정 막에 포함되는 LC 242 액정 분자의 화학구조를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기를 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기가 동작하는 모습을 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기가 동작하는 모습을 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기의 제조방법을 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기의 제조방법을 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기의 제조방법을 도시한 단면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기의 제조방법을 도시한 단면도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기가 동작하는 모습을 도시한 단면도이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기가 동작하는 모습을 도시한 단면도이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기가 동작하는 모습을 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 I-I’ 라인을 따라 절단한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 액정층을 포함한 전기 활성 작동기의 액정 막에 포함되는 LC 242 액정 분자의 화학구조를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기를 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기가 동작하는 모습을 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기가 동작하는 모습을 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기의 제조방법을 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기의 제조방법을 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기의 제조방법을 도시한 단면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기의 제조방법을 도시한 단면도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기가 동작하는 모습을 도시한 단면도이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기가 동작하는 모습을 도시한 단면도이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기가 동작하는 모습을 도시한 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 ‘연결’ 되어 있다고 할 때, 이는 ‘직접적으로 연결’ 되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 ‘간접적으로 연결’ 되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 ‘포함’ 한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기를 도시한 사시도이다. 도 2는 도 1의 I-I’ 라인을 따라 절단한 단면도이다. 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 액정층을 포함한 전기 활성 작동기의 액정 막에 포함되는 LC 242 액정 분자의 화학구조를 도시한 도면이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기(100)는 서로 마주하는 전극들(103)과, 상기 전극들(103) 사이에 배치된 액정 막(105)을 포함할 수 있다.
상기 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기(100)는, 상기 전극들(103)이 배치되는 기판들(101) 및 상기 액정 막(105) 상에 배치되는 접착 부재(107)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기(100)는, 액정 막(105)이 주된 구성요소일 수 있다. 상기 액정 막(105)은, 상기 전극들(103) 사이에 배치될 수 있다. 상기 전극들(103)은 소정의 전압을 인가받아, 전기장을 생성할 수 있다. 이 경우, 상기 액정 막(105)은 상기 전극들(103) 사이에서 유전층(dielectric layer)으로 기능할 수 있다. 이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기(100)의 세부적인 구성에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
상기 기판들(101)은 투명한 절연 재질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 기판들(101)은 유리(glass), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene therephthalate, PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate, PEN), 폴리이서 설폰(polyether sulfone, PES), 폴리이미드 (polyimide, PI) 등을 포함할 수 있다. 상기 기판들(101)은 유연한(flexible) 기판을 포함할 수 있다.
상기 전극들(103)은 각각, 상기 기판들(101) 상에 배치될 수 있다. 상기 전극들(103)은 서로 마주하도록 상기 기판들(101) 상에 배치될 수 있다. 상기 전극들(103)은 예를 들어, 산화인듐주석(indium tin oxide, ITO) 등과 같은 투명한 재질을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 상기 전극들(103)은 그래핀 시트(graphene sheet), 탄소 나노튜브막(carbon nanotube layer), 실버나노와이어(Silver nanowire), 실버 나노페이스트(silver nanopaste), 금속 나노클러스터의 표면 증착막(surface-implanted metallic nanocluster layer) 등을 포함할 수 있다.
상기 액정 막(105)은 경화된 액정 고분자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 액정 막(105)은 광 경화성 액정 고분자인 LC242를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 LC242는 도 3에 도시된 바와 같은 화학식으로 표현되는 화학구조를 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 액정 막(105)은, 광 경화성 단량체 및 광 개시제를 포함하는 액정 코팅 조성물이, 상기 전극들(103) 중 어느 하나의 전극이 형성된 기판(101) 상에 스핀 코팅(spin-coating)되고, 액정 용매가 휘발된 후, 소정의 광이 조사됨으로써 박막(film)으로 경화되어 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 광 경화성 단량체로서, 액정 분자의 양 말단에 광 반응성(광 경화성) 작용기인 아크릴레이트(acrylate)기를 가진 네마틱 액정이 사용될 수 있다. 이러한 액정으로서, BASF 사의 LC242(Δε ≒ -1.8, Δn = 0.14)를 사용할 수 있다. 이 경우, LC242는 약 66 ℃와 약 123 ℃ 사이에서 네마틱 액정 상을 나타내고 약 123℃ 이상에서는 등방 상을 나타낼 수 있다.
예를 들어, 상기 광 개시제에는 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상적인 광 개시제가 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 광 개시제로서, Ciba 사의 Irgacure 183, Irgacure 907 등이 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 액정 코팅 조성물은 상기 광 개시제로서, Irgacure 907을 약 2 중량% 포함할 수 있다. 이러한 Irgacure 907은 광 중합 속도가 빠르고, 황변 현상을 나타내지 않을 수 있다.
예를 들어, 상기 액정 용매는 톨루엔(toluene), 시클로헥산(cyclohexane) 등이 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 광은, 약 365 나노미터의 파장을 갖는 자외선이 약 70 ℃에서 약 1 분 동안 조사될 수 있다.
상기 액정 막(105)은 상기 전극들(103) 사이에 배치될 수 있다. 상기 액정 막(105)은 상기 전극들(103)에 인가되는 전압에 의해 분극 현상이 발생할 수 있다. 예를 들어, 상기 전극들(103) 사이의 전압이 실질적으로 영(0)인 경우, 상기 액정 막(105)과, 상기 전극들(103)이 배치된 기판들(101) 간에 발생하는 정전기력의 크기는 실질적으로 영(0)일 수 있다. 이에 반해, 상기 전극들(103) 사이의 전압이 0 보다 크도록 증가하는 경우, 이러한 전압 증가에 따라 상기 액정 막(105)과, 상기 전극들(103)이 배치된 기판들(101) 간에 발생하는 정전기력이 증가할 수 있다. 이러한 정전기력에 따라 상기 기판들(101)에 인력이 작용하여 기계적인 변형이 일어날 수 있는데, 이 같은 정전 효과는 반영구적 분극을 갖는, 상기 액정 막(105)의 유전체 속성에 기인한 것이다. 이러한 정전 효과에 따라 발생하는 기계적인 변형에 대해서는 후술할 도 5 및 도 6를 참조하여 더욱 상세히 설명하도록 한다.
일 실시예에서, 상기 액정 막(105)의 두께는 약 수 나노미터(nanometer) 이상 약 수 밀리미터(millimeter) 이하일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 액정 막(105)은 소정의 면적을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 액정 막(105)의 면적은 약 1 제곱센티미터(㎠)일 수 있다.
상기 전극들(103) 사이에 배치되는 상기 액정 막(105)의 유전상수가 상대적으로 높을 경우, 상기 전극들(103)에 인가되는 전압에 대해서, 상기 전극들(103) 사이에 생성되는 분극의 세기가 클 수 있다. 그에 따라, 전기장에 의해 야기되는 상기 액정 막(105)의 분극 현상 및 그에 따른 기계적인 변형의 정도가 증가할 수 있다. 예를 들어, 상기 액정 막(105)에 대해 전기장이 형성될 경우, 상기 높은 유전상수를 갖는 액정 막은 분극 현상에 따라 야기되는 인력이 증가하고, 그에 따라 상기 기판들(101)에 발생하는 기계적인 변형의 정도가 증가할 수 있다.
상기 접착 부재(107)는 상기 액정 막(105) 위에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 접착 부재(107)는 상기 액정 막(105)의 테두리부에 인접하여 배치될 수 있다. 상기 접착 부재(107)는 상기 액정 막(105)을, 상기 액정 막(105)에 마주하는 전극(103)에 접착시킬 수 있다. 상기 접착 부재(107)에 의해 상기 액정 막(115)과 어느 하나의 전극(103)의 사이에 간격이 유지될 수 있다.
상기 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기(100)는 전체적으로, 소정의 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기(100)의 두께는 수 마이크로미터(micrometer) 내지 수 밀리미터(millimeter)일 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기에 따르면, 정전기력 기반 작동기가, 마주하는 전극들의 사이에 광 경화성 액정 고분자인 LC242를 포함하는 액정 막을 포함하고, 상기 전극들에 소정의 전압이 인가되며, 상기 전압이 커짐에 따라 상기 액정 막 내의 분극 현상이 증가함으로써, 상기 전극들 사이의 인력이 증가하여 정전기력 기반 작동기의 기계적 변형 특징을 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기를 도시한 단면도이다. 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기(110)는 액정 막(115)의 위치 및 접착 부재(107)의 위치를 제외하면, 도 2에 도시된 정전기력 기반 작동기(100)와 실질적으로 동일하다. 이하에서는, 동일한 구성요소에 대한 설명은 간략히 한다.
상기 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기(110)는 서로 마주하는 전극들(103)과, 상기 전극들(103) 사이에 배치된 액정 막(115)을 포함할 수 있다. 상기 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기(100)는, 상기 전극들(103)이 배치되는 기판들(101) 및 상기 액정 막(115) 상에 배치되는 접착 부재(107)를 더 포함할 수 있다.
상기 기판들(101)은 투명한 절연 재질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 기판들(101)은 유리, PET, PEN, PI 등을 포함할 수 있다. 상기 기판들(101)은 유연성(flexible) 기판을 포함할 수 있다.
상기 전극들(103)은 각각, 상기 기판들(101) 상에 배치될 수 있다. 상기 전극들(103)은 서로 마주하도록 상기 기판들(101) 상에 배치될 수 있다. 상기 전극들(103)은 예를 들어, 그래핀 시트(graphene sheet), 탄소 나노튜브막(carbon nanotube layer), 실버 나노와이어(silver nanowire), 실버 나노페이스트(silver nanopaste), 금속 나노클러스터의 표면 증착막(surface-implanted metallic nanocluster layer), 산화인듐주석(ITO) 등과 같은 재질을 포함할 수 있다.
상기 액정 막(105)은 경화된 액정 고분자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 액정 막(105)은 광 경화성 액정 고분자인 LC242를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 액정 막(105)은, 광 경화성 단량체 및 광 개시제를 포함하는 액정 코팅 조성물이, 상기 전극들(103) 중 어느 하나의 전극이 형성된 기판(101) 상에 스핀 코팅(spin-coating)되고, 액정 용매가 휘발된 후, 소정의 광이 조사됨으로써 박막(film)으로 경화될 수 있다. 예를 들어, 상기 광 경화성 단량체로서, 액정 분자의 양 말단에 광 반응성(광 경화성) 작용기인 아크릴레이트(acrylate)기를 가진 네마틱 액정이 사용될 수 있다. 이러한 액정으로서, BASF 사의 LC242 (Δε ≒ -1.8, Δn = 0.14)를 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 광 개시제로서, Ciba 사의 Irgacure 183, Irgacure 907 등이 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 액정 코팅 조성물은 상기 광 개시제로서, Irgacure 907을 약 2 중량% 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 액정 용매는 톨루엔(toluene), 시클로헥산(cyclohexane) 등이 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 광은, 약 365 나노미터의 파장을 갖는 자외선이 약 100 ℃에서 약 5 분 동안 조사될 수 있다.
상기 접착 부재(107)는 상기 액정 막(115) 위에 배치될 수 있다. 또는, 상기 접착 부재(107)는 상기 전극들(103) 중 어느 하나 위에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 접착 부재(107)는 상기 액정 막(115)의 테두리부에 인접하도록 상기 액정 막(115) 또는 상기 전극(103) 상에 배치될 수 있다. 상기 접착 부재(107)는 상기 액정 막(115)을, 상기 액정 막(115)에 마주하는 전극(103)에 접착시킬 수 있다. 상기 접착 부재(107)에 의해 상기 액정 막(115)과 어느 하나의 전극(103)의 사이에 간격이 유지될 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기가 동작하는 모습을 도시한 단면도들이다. 도 5 및 도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기(120)는 기판들(101), 상기 기판들(101) 상에 배치되고 서로 마주하는 전극들(103), 상기 전극들(103) 사이에 배치되는 액정 막(105) 및 상기 액정 막(105)을 어느 하나의 전극(103)에 접착시키는 접착 부재(107)를 포함할 수 있다.
상기 접착 부재(107)에 의해 상기 액정 막(105)과 어느 하나의 전극(103)의 사이에 간격이 유지될 수 있다. 예를 들어, 상기 액정 막(105)이 상기 전극들(103) 중 제1 전극 상에 배치된 경우, 상기 제1 전극에 마주하는 제2 전극과 상기 액정 막(105) 사이의 간격은 제1 두께(TH1)를 가질 수 있다.
이때, 상기 전극들(103)에 소정의 전압이 인가되는 경우, 상기 전극들(103) 사이에 전기장이 생성될 수 있다. 상기 전기장에 의해, 상기 액정 막(105)에 분극 현상이 발생할 수 있고, 그에 따라 상기 전극들(103)이 배치된 기판들(101)에 인력이 작용할 수 있다. 이러한 인력에 의해서, 상기 제2 전극과 상기 액정 막(105) 사이의 간격이 제2 두께(TH2)로 감소할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 전극 및 상기 제2 전극이 배치된 기판(101)이 부분적으로 휘어질 수 있다. 예를 들어, 상기 접착 부재에 중첩하지 않은 상기 전극들(103)의 가운데 부분이 상기 인력에 의해 휘어질 수 있다.
이와 같이, 상기 전극들(103)에 소정의 전압이 인가되는 경우, 상기 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기(120)의 전체적인 두께가 부분적으로 감소할 수 있다. 그에 따라, 상기 정전기력 기반 작동기(120)의 두께 변화를 이용하여, 상기 정전기력 기반 작동기(120)를 다양한 기계적인 기능에 활용할 수 있다.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기의 제조방법을 도시한 단면도들이다.
도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기의 제조방법은, 제1 기판(101) 상에 제1 전극(103)을 형성한다. 상기 제1 기판(101)은 투명한 절연 기판일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 기판(101)은 유리, PET, PEN, PI 등을 포함할 수 있다. 상기 제1 전극(103)은 ITO와 같은 투명한 도전성 전극을 포함할 수 있다.
도 8을 참조하면, 상기 제1 전극(103)이 형성된 제1 기판(101) 상에 액정 막(105)을 형성한다. 상기 액정 막(105)은 경화된 액정 고분자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 액정 막(105)은 광 경화성 액정 고분자인 LC242를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 LC242는 도 3에 도시된 바와 같은 화학식으로 표현되는 화학구조를 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 액정 막(105)은, 광 경화성 단량체 및 광 개시제를 포함하는 액정 코팅 조성물이, 상기 제1 전극(103)이 형성된 제1 기판(101) 상에 스핀 코팅(spin-coating)되고, 액정 용매가 휘발된 후, 소정의 광이 조사됨으로써 박막(film)으로 경화되어 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 광 경화성 단량체로서, 액정 분자의 양 말단에 광 반응성(광 경화성) 작용기인 아크릴레이트(acrylate)기를 가진 네마틱 액정이 사용될 수 있다. 이러한 액정으로서, BASF 사의 LC242가 사용될 수 있다. 이 경우, LC242는 약 66 ℃와 약 123 ℃ 사이에서 네마틱 액정 상을 나타내고 약 123℃ 이상에서는 등방 상을 나타낼 수 있다.
예를 들어, 상기 광 개시제에는 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상적인 광 개시제가 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 광 개시제로서, Ciba 사의 Irgacure 183, Irgacure 907 등이 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 액정 코팅 조성물은 상기 광 개시제로서, Irgacure 907을 약 2 중량% 포함할 수 있다. 이러한 Irgacure 907 은 광 중합 속도가 빠르고, 황변 현상을 나타내지 않을 수 있다.
예를 들어, 상기 액정 용매는 톨루엔(toluene), 시클로헥산(cyclohexane) 등이 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 광은, 약 365 나노미터의 파장을 갖는 자외선이 약 100 ℃에서 약 5 ㎽/㎠의 광 밀도로 약 5 분 동안 조사될 수 있다.
도 9를 참조하면, 상기 액정 막(105)이 형성된 제1 기판(101) 상에 접착 부재(107)를 형성한다. 상기 접착 부재(107)는 상기 액정 막(105)의 테두리부에 형성될 수 있다.
도 10을 참조하면, 상기 접착 부재(107)가 형성된 제1 기판(101) 상에, 제2 전극(103)이 형성된 제2 기판(101)을 마주하도록 배치시킨다. 그에 따라, 마주하는 전극들(103) 사이에 상기 액정 막(105)이 배치될 수 있다.
도 11 내지 도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기가 동작하는 모습을 도시한 단면도들이다.
도 11을 참조하면, 본 실시예에 따른 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기(200)는 서로 마주하는 전극들(203)의 쌍이 복수 개 적층되고, 상기 전극들(203) 사이에 각각, 액정 막(205)이 배치될 수 있다. 본 실시예에 따른 정전기력 기반 작동기(200)는 기판들(201), 전극들(203), 액정 막들(205) 및 접착 부재들(207)을 복수 개 포함하는 점을 제외하면, 도 5에 도시된 정전기력 기반 작동기(200)와 실질적으로 동일하다. 이하에서는, 동일한 구성요소에 대한 설명은 생략하도록 한다.
예를 들어, 상기 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기(200)는, 복수의 기판들(201) 상에 전극들(203)이 형성되고, 상기 전극들(203)의 사이에 액정 막(205)이 배치되도록 적층될 수 있다. 상기 액정 막(205) 상에는 접착 부재(207)가 더 배치됨으로써, 상기 액정 막(205)과 마주하는 전극(203)의 사이에 소정의 간격을 유지시킬 수 있다. 본 실시예에서, 상기 액정 막들(205)과, 상기 액정 막들(205)에 마주하는 제2 전극들 사이의 간격은 각각, 제3 두께(TH3)를 가질 수 있다.
도 11 내지 도 13에서는 상기 전극들(203)의 쌍의 사이에 2개의 액정 막들(205)이 배치되는 것으로 도시되었으나, 이는 예시적인 것으로서, 본 발명의 실시예들에 따른 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기(200)는 얼마든지 다르게 변형될 수 있다. 예를 들어, 상기 액정 막들(205)이 셋 이상 배치되도록 전극들(203)의 쌍이 적층될 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해, 도 10에 도시된 바와 같이, 2쌍의 서로 마주하는 전극들(203)의 사이에 각각, 동일한 광 경화성 액정 고분자를 포함하는 액정 막들(205)이 배치되는 경우를 설명하도록 한다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 본 실시예에 따른 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기(200)는 상기 전극들(203)의 쌍에 각각 소정의 전압이 인가됨에 따라, 서로 마주하는 전극들(203)의 사이에 전기장을 생성할 수 있다. 이 경우, 상기 전기장에 의해 상기 액정 막들(205)과, 상기 액정 막들(205)에 마주하는 전극들(203) 사이의 간격이 제4 두께(TH4) 및 제5 두께(TH5)로 감소할 수 있다. 그에 따라, 상기 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기(200)의 전체적인 두께가 부분적으로 감소할 수 있다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 상기 전극들(203)의 쌍에 각각 인가되는 전압이 제거되는 경우, 상기 액정 막들(205)과, 상기 액정 막들(205)에 마주하는 전극들(203) 사이의 간격이 다시, 상기 제3 두께(TH3)로 증가될 수 있다. 그에 따라, 상기 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기(200)의 전체적인 두께가 도 10의 경우와 마찬가지로 회복될 수 있다.
이와 같이, 상기 전극들(203)의 쌍에 인가되는 전압 및 그로부터 생성되는 전기장에 의해서, 상기 액정 막들(205)에 분극 현상이 발생하고, 그에 따라 상기 전극들(203)의 쌍의 사이에 인력이 작용함으로써, 상기 정전기력 기반 작동기(200)가 기계적으로 변형될 수 있다. 상기 기계적 변형은, 다양한 기계적인 기능을 위해 활용될 수 있다.
이상에서와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기에 따르면, 정전기력 기반 작동기가, 마주하는 전극들의 사이에 광 경화성 액정 고분자인 LC242를 포함하는 액정 막을 포함하고, 상기 전극들에 소정의 전압이 인가되며, 상기 전압이 커짐에 따라 상기 액정 막 내의 분극 현상이 증가함으로써, 상기 전극들 사이의 인력이 증가하여 정전기력 기반 작동기의 기계적 변형 특징을 향상시킬 수 있다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100, 110, 120, 200: 정전기력 기반 작동기
101, 201: 기판
103, 203: 전극
105, 115, 205: 액정 막
107, 207: 접착 부재
101, 201: 기판
103, 203: 전극
105, 115, 205: 액정 막
107, 207: 접착 부재
Claims (9)
- 서로 마주하는 한 쌍의 기판들;
상기 기판들 상에 각각 배치되고, 서로 마주하는 한 쌍의 전극들;
상기 전극들 사이에 배치되고 광 경화성 액정 고분자인 LC242를 포함하는 액정 막; 및
상기 전극들 중 어느 하나와 상기 액정 막의 사이에 배치하되, 상기 액정 막의 테두리부에 배치되어 접착되는 접착 부재를 포함하고,
상기 접착 부재를 매개로 접착되는 상기 전극들 중 어느 하나와 상기 액정 막의 사이에는 상기 접착 부재에 중첩하여 접착되는 테두리부를 제외한 상기 액정 막의 가운데 부분이 빈 공간으로 형성되고,
상기 전극들에 전압이 인가됨에 따라 상기 액정 막 내의 분극 현상에 의해 상기 전극들 사이에 인력이 작용하여 상기 접착 부재에 중첩하지 않은 상기 전극들의 부분이 상기 인력에 의해 상기 액정 막의 빈 공간으로 휘어지게 되는 기계적인 변형이 발생되는 것을 특징으로 하는, 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 액정 막은,
광 개시제 및 상기 광 경화성 액정 고분자인 LC242를 포함하는 액정 코팅 조성물이, 상기 전극들 중 어느 하나의 전극 상에서 코팅되고 광 경화되어 형성되는 것을 특징으로 하는, 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기.
- 제1항에 있어서, 상기 LC242는
의 화학식으로 표현되는 화학구조를 갖는 것을 특징으로 하는, 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기.
- 제1항에 있어서,
상기 전극들은 산화인듐주석(indium tin oxide), 그래핀 시트(graphene sheet), 탄소 나노튜브막(carbon nanotube layer), 실버 나노와이어(silver nanowire), 실버 나노페이스트(silver nanopaste), 및 금속 나노클러스터의 표면 증착막(surface-implanted metallic nanocluster layer) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기.
- 정전기력 기반 작동기로서,
서로 마주하는 한 쌍의 기판들;
상기 기판들 상에 각각 배치되고, 서로 마주하는 한 쌍의 전극들; 및
상기 전극들 사이에 배치되고 광 경화성 액정 고분자인 LC242를 포함하는 액정 막을 포함하고,
상기 액정 막의 일면은 상기 전극들 중 제1 전극 상에 직접 배치되고, 타면은 테두리부에 배치되어 접착되는 접착 부재를 매개로 상기 제1 전극에 마주하는 제2 전극이 배치되어 접착되며, 상기 액정 막의 가운데 빈 공간의 형성을 통해 상기 제1 전극에 마주하는 제2 전극과는 가운데 부분이 미리 설정된 간격으로 이격되게 형성되고,
상기 전극들에 전압이 인가됨에 따라 상기 액정 막 내의 분극 현상에 의해 상기 전극들 사이에 인력이 작용하여 상기 전극들의 부분이 상기 접착 부재에 의해 형성된 상기 액정 막의 빈 공간으로 휘어지게 되는 기계적인 변형이 발생되는 것을 특징으로 하는, 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기.
- 서로 마주하는 한 쌍의 기판들;
상기 기판들 상에 각각 배치되고, 서로 마주하는 한 쌍의 산화인듐주석 전극들;
상기 산화인듐주석 전극들 사이에 배치되고 광 경화성 액정 고분자인 LC242를 포함하는 액정 막; 및
상기 산화인듐주석 전극들 중 어느 하나와 상기 액정 막의 사이에 배치하되, 상기 액정 막의 테두리부에 배치되어 접착되는 접착 부재를 포함하고,
상기 접착 부재를 매개로 접착되는 상기 산화인듐주석 전극들 중 어느 하나와 상기 액정 막의 사이에는 상기 접착 부재에 중첩하여 접착되는 테두리부를 제외한 상기 액정 막의 가운데 부분이 빈 공간으로 형성되고,
상기 전극들에 전압이 인가됨에 따라 상기 액정 막 내의 분극 현상에 의해 상기 산화인듐주석 전극들 사이에 인력이 작용하여 상기 접착 부재에 중첩하지 않은 상기 산화인듐주석 전극들의 부분이 상기 인력에 의해 상기 액정 막의 빈 공간으로 휘어지게 되는 기계적인 변형이 발생되는 것을 특징으로 하는, 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기.
- 복수의 단위 정전기력 기반 작동기들이 적층된 정전기력 기반 작동기로서,
상기 단위 정전기력 기반 작동기들은 각각,
서로 마주하는 한 쌍의 전극들;
상기 전극들 사이에 배치되고 광 경화성 액정 고분자인 LC242를 포함하는 액정 막; 및
상기 전극들 중 어느 하나와 상기 액정 막의 사이에 배치하되, 상기 액정 막의 테두리부에 배치되어 접착되는 접착 부재를 포함하고,
상기 접착 부재를 매개로 접착되는 상기 전극들 중 어느 하나와 상기 액정 막의 사이에는 상기 접착 부재에 중첩하여 접착되는 테두리부를 제외한 상기 액정 막의 가운데 부분이 빈 공간으로 형성되고,
상기 단위 정전기력 기반 작동기들은, 상기 전극들에 전압이 인가됨에 따라 상기 액정 막 내의 분극 현상에 의해 상기 전극들 사이에 인력이 작용하여 상기 접착 부재에 중첩하지 않은 상기 전극들의 부분이 상기 인력에 의해 상기 액정 막의 빈 공간으로 휘어지게 되는 기계적인 변형이 발생되는 것을 특징으로 하는, 액정 유전층을 포함한 정전기력 기반 작동기.
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| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
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