KR101734292B1 - 압전재료 적용 유니모프 작동기 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 유니모프 작동기는, 제1면과 제2면에 각각 제1전극막과 제2전극막을 구비하고, 전기장에 의하여 변형되는 단결정 압전 재료층; 상기 단결정 압전 재료층의 제1면과 제2면에 각각 상기 제1전극막과 제2전극막을 덮도록 배치되는 제1 및 제2 저탄성계수층; 상기 제1 및 제2 저탄성계수층 중 어느 하나를 덮도록 배치되고, 상기 제1 및 제2저탄성계수층보다 높은 탄성계수를 갖는 고탄성계수층; 및 상기 고탄성계수층을 덮도록 배치되는 보호층을 포함한다.

Description

압전재료 적용 유니모프 작동기{UNIMORPH ACTUATOR USING PIEZOELECTRIC MATERIAL}
본 발명은 회전 모터와 기어 기구를 사용하지 않고 생체 근육과 유사하게 전기장에 의하여 재료가 신축하는 특성을 이용하여, 곡률을 변화시키며 변위를 발생시키는 적층형 작동기에 관한 것이다.
작동기는 항공기나 미사일 구조물의 조종면 작동이나, 유연 대형 우주 구조물의 진동 억제를 위해 사용되는 기기를 가리킨다.
최근 항공기나 해양 구조물의 조종면 작동이나 구조물의 진동 제어를 위한 고성능 작동기로 큰 응력을 발생시키는 단일 압전 작동기(monolithic piezoelectric actuator)가 널리 연구되고 왔다. 그러나, 단일 압전 작동기의 변형률은 상대적으로 작기 때문에 큰 작동변위를 나타내지 못하여 작동기의 조건을 만족시키지 못하고, 단일 압전 작동기는 반복적으로 작동할 때의 피로문제를 해결해야 하는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위한 노력으로 바이모프(Bimorphs) 압전 작동기, RAINBOW(Reduced And INternally Biased Oxide Wafer), THUNDER(THin layer UNimorph DrivER), 유니모프 작동기 등이 제작되어 사용되고 있다.
바이모프 압전 작동기는 두 개의 압전 세라믹의 폴링 방향을 반대로 배열한 것으로 압전 세라믹의 인장-압축으로부터 굽힘을 유발한다. 이러한 바이모프 압전 작동기는 상당히 큰 작동변위를 유발하지만 상대적으로 작동력이 작다는 단점을 갖는다.
수축된 내부 물성변화 산화물 세라믹층 압전 작동기(RAINBOW)는 화학적인 반응을 통하여 압전 세라믹(PZT : piezoelectric ceramic)의 한쪽 면을 수축시킨 것이다. PZT를 그라파이트와 함께 놓고 975 ℃의 고온으로 가열하면 PZT와 그라파이트의 경계면에서 산소가 날아가 금속성의 비압전 재료층과 압전 재료층이 일체의 구조를 갖게 된다. 이를 냉각시키면 두 층 사이의 열팽창 계수의 차이로 인하여 곡률을 가지게 된다. 곡면 형상의 압전 작동기의 경우 펌핑 동작(pumping motion)을 통하여 큰 작동변위가 나타나게 되나, 세라믹 돔 구조가 충격에 약한 단점을 가지고 있다.
미항공우주국(NASA Langely)에서 개발된 박판 유니모프 작동기 (THUNDER™)는 낮은 입력전압에 비해 큰 작동변위를 발생할 수 있는 압전 세라믹 작동기로서, 금속재료와 압전 박판으로 적층되어 있다. 스테인레스 스틸 위에 고온경화용 접착제를 바른 후 압전 세라믹을 놓고, 그 위에 알루미늄 포일을 덮어 325 ℃에서 경화시킨 후 상온으로 냉각하여 제작된다. 각 구성요소 간의 열팽창 계수의 차이로 말미암아 곡률을 가지게 되고 이러한 기하학적인 형상 때문에 전기장이 세라믹 층에 걸리면 세라믹 층의 변형은 곡률을 가진 작동기 구조물의 곡률 변화를 가져오고 중앙 부분의 변위를 유발하게 된다. THUNDER™는 현재까지 개발된 유니모프(unimorph)형 작동기 중 가장 성능이 좋은 작동기로 인정받고 있으나, 작동기 전체의 비중이 철과 비슷하여 항공 우주용 작동기로 응용되기에는 중량이 무거운 편이다.
유니모프 작동기 LIPCA(대한민국 특허 제 401808호, US Patent No. 7,081,701 B2)의 경우, 접착면에 은파우더 내포 에폭시 페이스트를 바르고 압착 경화하여 전기가 통하도록 한다. 기존의 은파우더 내포 에폭시(Silver Powder Epoxy) 접착 페이스트의 경화 과정에서 비정상적 흐름으로 발생하는 압전재료 층 상하면 전극막 간의 통전 현상, 고온 압축/접착 과정에서 발생하는 세라믹 층의 파손 문제와 전선 연결부가 연결 평면에서 두께방향으로 불룩하게 튀어나오는 문제를 해결할 필요가 있었다.
본 발명의 일 목적은 종래의 작동기의 문제점을 개선하여 보당 우수한 작동 변위 성능을 가진 유니모프 작동기를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은 종래의 유니모프 작동기에서 제기되었던 전극막 간의 통전 현상, 세라믹 층의 파손 문제, 전선 연결부의 돌출 문제를 해결한 유니모프 작동기를 제안하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따르는 유니모프 작동기는, 제1면과 제2면에 각각 제1전극막과 제2전극막을 구비하고, 전기장에 의하여 변형되는 단결정 압전 재료층; 상기 단결정 압전 재료층의 제1면과 제2면에 각각 상기 제1전극막과 제2전극막을 덮도록 배치되는 제1 및 제2 저탄성계수층; 상기 제1 및 제2 저탄성계수층 중 어느 하나를 덮도록 배치되고, 상기 제1 및 제2저탄성계수층보다 높은 탄성계수를 갖는 고탄성계수층; 및 상기 고탄성계수층을 덮도록 배치되는 보호층을 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 저탄성계수층은 유리섬유 강화 플라스틱 또는 폴리이미드 엔지니어링 플라스틱으로 이루어질 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 고탄성계수층은 탄소섬유강화 플라스틱 또는 케블라 섬유 강화 플라스틱으로 이루어질 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 보호층은 유리섬유 강화 플라스틱 또는 폴리이미드 엔지니어링 플라스틱으로 이루어질 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 유니모프 작동기는, 상기 제1전극막을 마주보도록 상기 제1 저탄성계수층에 접착되고, 외부 전원에서 인가되는 전압을 상기 제1 전극막에 전달하도록 이루어지는 제1 백본 전선; 상기 제2전극막을 마주보도록 상기 제2 저탄성계수층에 접착되며, 외부 전원에서 인가되는 전압을 상기 제2 전극막에 전달하도록 이루어지는 제2 백본 전선; 상기 제1전극막과 상기 제1 백본 전선 사이에 배치되는 제1 이방성 통전 접착 필름; 및 상기 제2전극막과 상기 제2 백본 전선 사이에 배치되는 제2 이방성 통전 접착 필름을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 백본 전선은, 외부의 전원과 전기적으로 연결되고, 일 방향으로 연장되는 전원 연결부; 및 상기 전원 연결부로부터 두 갈래로 분지되어 서로 나란하게 연장되는 한 쌍의 전극막 연결부를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 이방성 통전 접착 필름은 상기 한 쌍의 전극막 연결부를 덮도록 각각 한 쌍으로 이루어지며, 상기 한 쌍의 전극막 연결부와 평행한 방향으로 연장될 수 있다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 단결정 압전 재료층을 갖는 유니모프 작동기는 종래의 유니모프 작동기보다 우수한 작동 변위 성능을 보인다.
또한 본 발명은, 이방성 통전 접착 필름을 가지므로 종래의 유니모프 작동기에 문제로 지적되었던 전극막 간의 통전 현상, 세라믹 층의 파손, 전선 연결부의 돌출 문제를 해결할 수 있다.
또한 본 발명은, 소형 항공기, 소형 헬리콥터 블레이드, 해양구조물, 우주구조물 등과 같이 높은 작동력과 큰 작동변위를 필요로 하는 구조물에 경량 작동기로 사용될 수 있다. 그리고 본 발명은 진동, 음향, 공력 제어 분야 그리고 각종 스위치 및 동적 제어 장치에 적용될 수 있다.
또한 본 발명은 복합재료층의 방향성 및 크기를 조절하여 설계의 유연성을 가질 수 있고, 적층 방법에 따라 시위선을 따라 다른 곡률을 가지는 날개 단면 형상을 용이하게 구현할 수 있다.
도 1은 종래의 유니모프 작동기를 보인 개념도.
도 2는 본 발명의 유니모프 작동기를 보인 개념도.
도 3은 본 발명의 유니모프 작동기를 보인 분해 사시도.
도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명의 유니모프 작동기에 대한 실시예를 보인 적층 개념도.
도 4c는 비교예의 작동기를 보인 적층 개념도.
도 5는 본 발명의 유니모프 작동기와 종래의 유니모프 작동기의 변위 성능을 비교한 그래프.
이하, 본 발명에 관련된 유니모프 작동기에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일, 유사한 구성에 대해서는 동일, 유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 발명에서 해결하려고 하는 과제는 종래의 유니모프 작동기의 문제점으로부터 비롯된다. 따라서 본 발명에서 해결하려고 하는 과제를 알기 위해서는 종래의 유니모프 작동기에 대한 이해가 선행되어야 한다. 이하에서는 먼저 종래의 유니모프 작동기에 대하여 설명하고, 이어서 종래의 문제를 개선한 본 발명에 대하여 설명한다.
도 1은 종래의 유니모프 작동기(10)를 보인 개념도다.
종래의 유니모프 작동기(10)는, 서로 다른 3가지 이상의 재료층들을 평면형 몰드 위에 적층하여 복합재료의 경화 온도(100~200℃)에서 오토클레이브 성형법으로 경화시키고 상온에서 탈형을 하여 얻을 수 있다.
종래의 유니모프 작동기(10)는 압전 세라믹층(11)의 양면에 전선을 연결하는 경우, 접착면에 은파우더를 내포한 에폭시 접착제(silver powder epoxy)(13)를 바르고, 압전 세라믹층(11)과 전선(12)을 압착 및 강화하여 전기적으로 연결시킨다.
그러나 은파우더를 내포한 에폭시 접착제(13)의 경과 과정에서 비정상적인 흐름으로 인해 압전 세라믹층(11)의 상면과 하면의 전극막 간의 통전 현상이 발생한다. 그리고 고온 압축 및 접착 과정에서 압전 세라믹층(11)의 파손이 발생하기도 한다. 전극막 간의 통전 현상과 압전 세라믹층(11)의 파손은 유니모프 작동기(10)의 동작을 불가능하게 만드는 원인이 된다.
또한 종래의 유니모프 작동기(10)는 접착 과정에서 전선(12)이 연결 평면에서 두께 방향으로 불록하게 돌출되는 문제도 가지고 있다. 전선(12)이 돌출되는 것은 유니모프 작동기(10)의 조립성을 저하시키는 원인이 된다.
이러한 문제점들을 가지고 있는 종래의 유니모프 작동기(10)는, 종래의 구성에서는 그 문제점들을 개선하는 것에 한계를 가지고 있다. 이에 본 발명에서는 작동기(10)에 대한 설계를 새롭게 구성하여 종래의 문제를 개선하고자 한다.
도 2는 본 발명의 유니모프 작동기(100)를 보인 개념도다.
유니모프 작동기(100)는 보(beam) 형태를 갖는다. 외부의 전원으로부터 유니모프 작동기(100)에 전압이 인가되면, 유니모프 작동기(100)의 곡률이 변하면서 유니모프 작동기(100)가 변형된다.
보 형태의 유니모프 작동기(100)에 내부 굽힘 모멘트가 형성될 경우, 유니모프 작동기(100)의 곡률 변화(Δκ)는 보의 변형 이론식에 따라 수학식 1로 표현된다.
Figure 112015060757566-pat00001
수학식 1에서 ρ는 적층판에 형성되는 곡률이고, Ma는 전기작동 재료층에 의해 유발되는 내부 굽힘 모멘트(bending moment)이고, D는 적층판의 각층의 굽힘 강성도(bending stiffness)의 합이다.
그리고 굽힘 강성도의 합(D)은 수학식 2로 표현된다.
Figure 112015060757566-pat00002
수학식 2에서, Ei는 적층된 재료의 탄성계수 값이고, Ii는 도심축에 관한 단면 이차 모멘트다.
유니모프 작동기(100) 내부에서 유발되는 굽힘 모멘트는 전기작동 재료층의 작동력과 작동 팔길이의 곱으로 정의된다. 또한, 전기작동 재료층에 전압이 걸리면 변형률(εa)은 수학식 3으로 표현된다.
Figure 112015060757566-pat00003
수학식 3에서, d31은 압전 상수(piezoelectric charge coefficient)이고, ta는 수직 단면적이고, △V는 전기작동 재료층에 인가되는 전압이다.
전기작동 재료층의 작동력(△Pa)은 수직 단면적, 탄성계수 및 변형률의 곱이고, 수학식 4로 표현된다.
Figure 112015060757566-pat00004
ta는 수직 단면적이고, Ea는 탄성계수이고, εa는 변형률이고, a는 작동 팔 길이(moment arm)이고, d31은 압전 상수이고, △V는 전기작동 재료층에 인가되는 전압이다.
수학식 1 내지 수학식 4를 이용하여 정리하면, 유니모프 작동기(100)의 곡률 변화는 수학식 5로 표현된다.
Figure 112015060757566-pat00005
수학식 5에서 a는 작동 팔 길이이고, D는 적층판의 각층의 굽힘 강성도의 합이고, Ea는 탄성계수이고, d31은 압전 상수이고, △V는 전기작동 재료층에 인가되는 전압이다.
수학식 5의 a/D를 단일 유니모프 작동기 상수(coefficient of unimorph actuator) cua 로 정의하면, 유니모프 작동기(100)의 곡률 변화(△κ)는 수학식 6으로 표현된다.
Figure 112015060757566-pat00006
수학식 6에서, cua는 a/D로 정의되는 단일 유니모프 작동기 상수(1/N·m)이고, 여기서 a는 작동 팔 길이(m×10-4)이고, D 는 적층판의 각층의 굽힘 강성도(N·㎡×10-5) 합이다. 수학식 6에서 Ea는 탄성계수이고(GPa), d31은 압전 상수(×10-12 m/V)이며, △V는 전기작동 재료층에 인가되는 전압(V)이다.
유니모프 작동기(100)의 성능은, 유니모프 작동기(100)의 변위를 의미하는 처짐량 또는 상기 처짐량에 대응되는 작동각으로 평가될 수 있다. 유니모프 작동기(100)에 동일하게 인가되는 전압 조건에서 처짐량과 작동각이 클수록 고성능의 유니모프 작동기(100)로 평가된다.
수학식 6에 따르면, 가능한 작동층을 중립면으로부터 멀리 떨어지게 하고 전체 굽힘 강성도를 적게 하여 cua 값을 크게 증가시키면, 유니모프 작동기(100)의 작동변위를 최대화할 수 있다.
도 3은 본 발명의 유니모프 작동기(100)를 보인 분해 사시도다.
유니모프 작동기(100)는 단결정 압전 재료층(110), 저탄성계수층(121, 122), 고탄성계수층(130) 및 보호층(140)을 포함한다.
단결정 압전 재료층(110)은 전기장에 의해 변형되도록 이루어진다. 압전 재료란 압전 효과를 보이는 재료를 가리킨다. 압전 효과란 응력을 가하면 전기적 분극을 일으키거나, 전계를 가하면 기계적 변형을 일으키는 것을 의미한다. 단결정 압전 재료층(110)은 도 2에서 설명한 전기작동 재료층에 해당한다.
본 발명의 단결정 압전 재료층(110)은 단결정 압전 재료로 이루어진다. 단결정 압전 재료는 일반적인 압전 세라믹층에 비해 높은 단일 유니모프 작동기 상수를 가진다. 따라서 단결정 압전 재료를 유니모프 작동기(100)의 전기작동 압전 재료층으로 이용할 경우, 큰 폭의 작동 변위 향상 효과를 보일 수 있다.
단결정 압전 재료층(110)은 평면 또는 곡면의 형태로 형성된다. 단결정 압전 재료층(110)은 제1면과 제2면을 갖는다. 제1면과 제2면은 실질적으로 서로 반대면에 해당한다. 제1면에는 제1전극막(111)이 형성되고, 제2면에는 제2전극막(112)이 형성된다. 제1전극막(111)과 제2전극막(112)은 외부로부터 단결정 압전 재료층(110)의 변형을 위한 전압을 인가받는다.
저탄성계수층(121, 122)은 제1 저탄성계수층(121)과 제2 저탄성계수층(122)을 포함한다.
제1 저탄성계수층(121)은 제1전극막(111)을 덮도록 단결정 압전 재료층(110)의 제1면에 배치된다. 제2 저탄성계수층(122)은 제2전극막(112)을 덮도록 단결정 압전 재료층(110)의 제2면에 배치된다.
저탄성계수층(121, 122)은 상대적으로 낮은 탄성계수를 갖는 재료로 이루어진다. 상대적으로 낮은 탄성계수의 비교 대상은 이하에서 설명할 고탄성계수층(130)이다. 저탄성계수층(121, 122)을 이루는 재료의 탄성계수는 고탄성계수층(130)을 이루는 재료의 탄성계수보다 작다.
저탄성계수층(121, 122)은 유리섬유 강화 플라스틱 또는 폴리이미드 엔지니어링 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 제1 저탄성계수층(121)과 제2 저탄성계수층(122)은 고탄성계수층(130)보다 낮은 탄성계수를 갖는 한 서로 같은 재료로 형성될 수도 있고, 서로 다른 재료로 형성될 수도 있다.
고탄성계수층(130)은 제1 저탄성계수층(121)과 제2 저탄성계수층(122) 중 어느 하나를 덮도록 배치된다. 고탄성계수층(130)은 저탄성계수층(121, 122)을 이루는 재료보다 높은 탄성계수를 갖는 재료로 이루어진다.
고탄성계수층(130)은 탄소섬유강화 플라스틱 또는 케블라 섬유 강화 플라스틱으로 이루어질 수 있다.
표 1은 단결정 압전 재료층(110), 저탄성계수층(121, 122) 및 고탄성계수층(130)에 적용될 수 있는 재료들의 물성을 비교한 것이다. 단결정 압전 재료는 다결정 압전 재료와도 비교하였다.
Figure 112015060757566-pat00007
보호층(140)은 고탄성계수층(130)을 덮도록 배치된다. 보호층(140)은 유니모프 작동기(100)의 다른 층들을 보호하는 역할을 한다. 또한 보호층(140)은 절연과 감전 방지의 역할을 한다.
보호층(140)은 저탄성계수층(121, 122)과 같은 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어 보호층(140)은 유리섬유 강화 플라스틱 또는 폴리이미드 엔지니어링 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 그러나 반드시 보호층(140)이 저탄성계수층(121, 122)과 같은 재료로 이루어져야만 하는 것은 아니다.
유니모프 작동기(100)는 백본(back-bone) 전선(151, 152)과 이방성 통전 접착 필름(161, 162, anisotropic confuctive film, ACF)을 더 포함한다.
백본 전선(151, 152)은 제1 백본 전선(151)과 제2 백본 전선(152)을 포함한다.
제1 백본 전선(151)은 제1전극막(111)을 마주보도록 제1 저탄성계수층(121)에 접착된다. 제1 백본 전선(151)은 외부 전원과 전기적으로 연결되어 상기 외부 전원에서 인가되는 전압을 제1전극막(111)에 전압을 전달하도록 이루어진다.
제2 백본 전선(152)은 제2전극막(112)을 마주보도록 제2 저탄성계수층(122)에 접착된다. 제2 백본 전선(152)은 외부 전원과 전기적으로 연결되어 상기 외부 전원에서 인가되는 전압을 제2전극막(112)에 전압을 전달하도록 이루어진다.
제1 백본 전선(151)은 전원 연결부(151a)와 전극막 연결부(151b1, 151b2)를 포함한다. 제2 백본 전선(152) 전원 연결부(152a)와 전극막 연결부(152b1, 152b2)를 포함한다.
전원 연결부(151a)(152a)는 외부의 전원과 전기적으로 연결된다. 전원 연결부(151a)(152a)는 저탄성계수층(121)(122)의 면(평면 또는 곡면)을 따라 일 방향으로 연장된다.
전극막 연결부(151b1, 151b2)(152b1, 152b2)는 한 쌍으로 이루어진다. 한 쌍의 전극막 연결부(151b1, 151b2)(152b1, 152b2)는 전원 연결부(151a)(152a)로부터 두 갈래로 분지되어 서로 나란하게 연장된다. 실질적으로 한 쌍의 전극막 연결부(151b1, 151b2)(152b1, 152b2)는 서로 평행할 수 있으며, 전극막 연결부(151b1, 151b2)(152b1, 152b2)의 적어도 일부는 전원 연결부(151a)와도 평행할 수 있다.
제1 접착 필름(161)과 제2 접착 필름(162)은 각각 한 쌍의 이방성 통전 접착필름(161a, 161b)(162a, 162b)과 상기 이방성 통전 접착 필름(161a, 161b)(162a, 162b)과 높이가 같은 절연 접착필름(161c, 162c)으로 이루어진다.
제1 접착 필름(161)은 제1전극막(111)과 제1 백본 전선(151) 사이에 배치된다. 제1 접착층의 이방성 통전 접착 필름(161a, 161b)은 제1전극막(111)과 제1 백본 전선(151)을 서로 전기적으로 연결시킨다.
제2 접착 필름(162)은 제2전극막(112)과 제2 백본 전선(152) 사이에 배치된다. 제2 접착층의 이방성 통전 접착 필름(162a, 162b)은 제2전극막(112)과 제2 백본 전선(152)을 서로 전기적으로 연결시킨다.
제1 접착 필름(161)과 제2 접착 필름(162)은 백본 전선(151, 152)이 부착된 저탄성계수층(121, 122)과 접착되며, 한 쌍(161a, 161b)의 제1 이방성 통전 접착 필름과 한 쌍(162a, 162b)의 제2 이방성 통전 접착 필름은 각각 한 쌍의 전극막 연결부(151b1, 151b2)(152b1, 152b2)와 실질적으로 평행한 방향으로 연장된다.
제1 접착 필름(161)과 제2 접착 필름(162)은 30μm 이하의 매우 얇은 필름이므로, 실질적으로 작동기(100)의 두께 증가에 기여하는 바가 미미하다.
이방성 통전 접착 필름(161a, 161b)(162a, 162b)은 상하 방향으로만 통전시키도록 이루어진다. 상하 방향이란 백본 전선(151, 152)과 전극막(111, 112)을 향하는 방향을 가리킨다. 이방성 통전 접착 필름(161a, 161b)(162a, 162b)을 이용하여 전극막(111, 112)과 백본 전선(151, 152)을 전기적으로 연결시킴에 따라, 본 발명은 종래의 전극막(111, 112) 간 통전 현상, 압전 세라믹층의 파손 현상, 전선의 돌출 문제를 해결할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명의 유니모프 작동기에 대한 실시예를 보인 적층 개념도다.
도 4a는 본 발명의 제1실시예를 보인 유니모프 작동기(200)의 적층 개념도다.
제1실시예의 유니모프 작동기(200)는 제1 저탄성계수층(221), 단결정 압전 재료층(210), 제2 저탄성계수층(222), 고탄성계수층(230) 및 보호층(240)이 순차적으로 적층되어 형성된다. 괄호 안의 숫자는 탄성계수를 나타낸다.
제1 저탄성계수층(221)은 유리섬유강화 플라스틱으로 이루어진다.
단결정 압전 재료층(210)은 PMN-29PT으로 이루어진다.
제2 저탄성계수층(222)은 유리섬유강화 플라스틱으로 이루어진다.
고탄성계수층(230)은 탄소섬유강화 플라스틱으로 이루어진다.
보호층(240)은 유리섬유강화 플라스틱으로 이루어진다.
도 4b는 본 발명의 제2실시예를 보인 유니모프 작동기(300)의 적층 개념도다.
제2실시예의 유니모프 작동기(300)는 제1 저탄성계수층(321), 단결정 압전 재료층(310), 제2 저탄성계수층(322), 고탄성계수층(330) 및 보호층(340)이 순차적으로 적층되어 형성된다. 괄호 안의 숫자는 탄성계수를 나타낸다.
제1 저탄성계수층(321)은 폴리이미드 엔지니어링 플라스틱으로 이루어진다.
단결정 압전 재료층(310)은 PMN-29PT으로 이루어진다.
제2 저탄성계수층(322)은 폴리이미드 엔지니어링 플라스틱으로 이루어진다.
고탄성계수층(330)은 탄소섬유강화 플라스틱으로 이루어진다.
보호층(340)은 폴리이미드 엔지니어링 플라스틱으로 이루어진다.
특히 제2실시예의 유니모프 작동기(300)는 도 3을 참조하여 설명한 백본 전선(151, 152)과 이방성 통전 접착 필름(161, 162)을 포함한다.
도 4c는 비교예의 작동기(20)를 보인 적층 개념도다.
비교예의 작동기(20)는 제1 저탄성계수층(22a), 압전 세라믹층(21), 제2 저탄성계수층(22b), 고탄성계수층(23) 및 보호층(24)이 순차적으로 적층되어 형성된다. 괄호 안의 숫자는 탄성계수를 나타낸다.
제1 저탄성계수층(22a)은 유리섬유강화 플라스틱으로 이루어진다.
압전 세라믹층(21)은 CTS 3203HD로 이루어진다.
제2 저탄성계수층(22b)은 유리섬유강화 플라스틱으로 이루어진다.
고탄성계수층(23)은 탄소섬유강화 플라스틱으로 이루어진다.
보호층(24)은 유리섬유강화 플라스틱으로 이루어진다.
도 4a 내지 도 4c의 작동기에 사용된 재료들에 재한 물성은 표 1에서 확인할 수 있다.
비교예1의 압전 세라믹층(21), 실시예1 및 실시예2의 단결정 압전 재료층(210, 310)은 각각 두께 0.25㎜, 길이 35㎜, 폭 12.5㎜로 제작되었다. 각 작동기(20, 200, 300)에 400V의 전압을 인가하였다.
비교예, 실시예1 및 실시예2의 작동 성능은 아래 표 2에 나타내었다.
Figure 112015060757566-pat00008
앞서 설명한 바와 같이 작동기의 성능은 처짐량과 작동각으로 설명할 수 있다. 단결정 압전 재료를 사용한 실시예1은 비교예에 비하여 약 1.5배 가까이 처짐량과 작동각이 향상되었다. 따라서 실시예1의 유니모프 작동기(200)는 비교예의 작동기(20)보다 고성능으로 평가될 수 있다.
나아가 실시예2의 유니모프 작동기(300)는 비교예의 작동기(20)뿐만 아니라 실시예1의 유니모프 작동기(200)보다도 처짐량과 작동각이 향상되었다. 비교예와 비교하여 실시예2의 유니모프 작동기(200)는 약 2.5배의 성능 향상을 보였다. 따라서 실시예2의 유니모프 작동기(300)는 비교예의 작동기(20)와 실시예1의 유니모프 작동기(200)보다 고성능으로 평가될 수 있다.
도 5는 본 발명의 유니모프 작동기(a)와 종래의 유니모프 작동기(b)의 변위 성능을 비교한 그래프다.
그래프의 가로축은 유니모프 작동기에 인가된 작동전압을 의미하고, 세로축은 작동전압에 따른 유니모프 작동기의 작동 변위를 의미한다.
본 발명의 유니모프 작동기(a)란 단결정 압전 재료층과 이방성 통전 접착 필름을 포함하는 유니모프 작동기를 의미한다. 종래의 유니모프 작동기(b)는 단결정이 아닌 압전 세라믹층을 포함하고, 은파우더를 내포한 에폭시 접착제로 접착된 유니모프 작동기를 의미한다.
그래프로부터 작동전압에 따라 작동 변위가 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 그러나 그래프의 기울기를 비교하면 종래의 유니모프 작동기(b)에 비하여 본 발명의 유니모프 작동기(a)가 훨씬 가파른 기울기를 갖는다는 것을 알 수 있다. 기울기가 크다는 것은 우수한 작동 성능을 갖는다는 것을 의미한다. 따라서 본 발명의 유니모프 작동기(a)는 종래의 유니모프 작동기(b)에 비하여 보다 우수한 작동 성능을 갖는다.
이상에서 설명된 유니모프 작동기는 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (7)

  1. 제1면과 제2면에 각각 제1전극막과 제2전극막을 구비하고, 전기장에 의하여 변형되며, 압전 세라믹층에 비해 높은 단일 유니모프 작동기 상수를 갖는 단결정 압전 재료층;
    상기 단결정 압전 재료층의 제1면과 제2면에 각각 상기 제1전극막과 제2전극막을 덮도록 배치되고, 폴리이미드 엔지니어링 플라스틱으로 이루어지는 제1 및 제2 저탄성계수층;
    상기 제1 및 제2 저탄성계수층 중 어느 하나를 덮도록 배치되고, 상기 제1 및 제2저탄성계수층보다 높은 탄성계수를 갖는 고탄성계수층;
    상기 고탄성계수층을 덮도록 배치되고, 폴리이미드 엔지니어링 플라스틱으로 이루어지는 보호층;
    상기 제1전극막을 마주보도록 상기 제1 저탄성계수층에 접착되고, 외부 전원에서 인가되는 전압을 상기 제1 전극막에 전달하도록 이루어지는 제1 백본 전선;
    상기 제2전극막을 마주보도록 상기 제2 저탄성계수층에 접착되며, 외부 전원에서 인가되는 전압을 상기 제2 전극막에 전달하도록 이루어지는 제2 백본 전선;
    상기 제1전극막과 상기 제1 백본 전선 사이에 배치되는 제1 접착 필름; 및
    상기 제2전극막과 상기 제2 백본 전선 사이에 배치되는 제2 접착 필름을 포함하고,
    상기 제1 및 제2 백본 전선은,
    외부의 전원과 전기적으로 연결되고, 일 방향으로 연장되는 전원 연결부; 및
    상기 전원 연결부로부터 두 갈래로 분지되어 서로 나란하게 연장되는 한 쌍의 전극막 연결부를 포함하고,
    상기 제1 접착 필름과 제2 접착 필름은,
    상기 한 쌍의 전극막 연결부와 평행한 방향으로 나란하게 연장되어 상기 한 쌍의 전극막 연결부를 덮는 한 쌍의 이방성 통전 접착 필름; 및
    상기 한 쌍의 이방성 통전 접착 필름을 제외한 상기 제1 접착 필름 또는 상기 제2 접착 필름의 나머지 영역을 형성하고, 상기 한 쌍의 이방성 통전 접착 필름과 동일한 높이를 형성하는 절연 접착필름으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유니모프 작동기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고탄성계수층은 탄소섬유강화 플라스틱 또는 케블라 섬유 강화 플라스틱으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유니모프 작동기.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
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