KR101828550B1 - 열전효과를 이용한 소프트 액추에이터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가열 또는 냉각에 의해 수축 또는 팽창하는 제1 섬유, 및 가열 또는 냉각에 의해 상기 제1 섬유와 반대 거동을 하는 제2 섬유가 상접하지 않도록 배치되어 단위체를 구성하는 구동부; 및 상기 구동부를 가열 또는 냉각하는 열전 소자부를 포함하고, 상기 열전 소자부는 전도체가 형성된 영역이 상기 제1 섬유 및 상기 제2 섬유를 가열 또는 냉각하도록 상기 구동부와 배치된 것을 특징으로 하는 소프트 액추에이터를 개시한다.
본 발명은 구동부와 열전 소자부를 포함한 소프트 액추에이터가 개시되었으며, 가열과 냉각이 신속하고 정확하게 반복되어 양방향으로 굽힘 모멘트를 발생시킬 수 있다. 이를 통해 관절이 포함된 팔꿈치 혹은 무릎에 밴드 구동기로 적용되어 근력이 약한 노약자 및 환자들의 근력을 보조하기 위한 근력보조밴드로 상용화될 수 있는 이점이 있다.
본 발명은 구동부와 열전 소자부를 포함한 소프트 액추에이터가 개시되었으며, 가열과 냉각이 신속하고 정확하게 반복되어 양방향으로 굽힘 모멘트를 발생시킬 수 있다. 이를 통해 관절이 포함된 팔꿈치 혹은 무릎에 밴드 구동기로 적용되어 근력이 약한 노약자 및 환자들의 근력을 보조하기 위한 근력보조밴드로 상용화될 수 있는 이점이 있다.
Description
본 발명은 열전효과를 이용한 소프트 액추에이터에 관한 것이다.
액추에이터는 동력을 이용하여 기계를 동작시키는 구동 장치를 뜻한다. 엑추에이터는 메카트로닉스 분야에서 어떤 종류의 제어 기구를 갖고 있는 전기 모터 혹은 유압이나 공기압으로 작동하는 피스톤 또는 실린더 기구를 지칭할 수 있다. 한편, 최근에는 신소재를 이용하여 인공 근육에 적용되는 소프트 액추에이터 또는 초소형 액추에이터 등이 개발되고 있다.
소프트 액추에이터는 기존 강체를 통해 입력된 힘이나 변위를 전달하는 기구와 달리 탄성이 있는 변형체를 통해 전달하는 신축성(flexible) 있는 기구이다.
소프트 액추에이터는 위치 에너지가 바닥인 지점(potential well)이 두 군데 위치하도록 배치하여 불안정 지점에서 안정 지점으로 이동하려는 점프 현상(jump phenomenon)을 이용하는 쌍안정 액추에이터, 전기활성고분자를 이용하는 전도성 고분자 액추에이터, 섬유의 꼬임(twist) 등을 이용한 섬유강화 액추에이터(fiber reinforced actuator) 등이 있다.
일반적으로 섬유강화 액추에이터를 비롯한 외부 자극에 의해 거동하는 소프트 액추에이터는 외부의 자극원으로 일단에 가해지는 전기, 온도 및 빛을 이용할 수 있다.
특히, 전기를 이용하여 소프트 액추에이터에 온도를 가하는 방법은 줄열을 이용하는 방법이 있다. 줄열은 저항이 큰 도선에 전류가 흐르면 열이 발생하는 현상으로 설명될 수 있다. 줄열이 발생하는 이유는 도선 내 자유전자가 활발하게 운동하여 원자와 많은 충돌을 일으키게 되고, 충돌에 의해 원자가 가지고 있던 운동에너지가 열에너지로 전환이 되기 때문이다. 이때 저항에 의해 발생한 열량을 줄열이라고 한다. 다시말해, 줄열은 전기에너지가 열로 바뀐 것이다. 그러나 일반 기계장치에 들어가는 전기배선이나 송전선 등은 줄열이 큰 에너지 손실을 초래하므로, 설계시 줄열의 발생이 최소화하는 방향으로 진행된다. 또한, 줄열이 발생하는 열량인 전기에너지의 소비량에 관해서는 줄의 법칙이 성립한다. 다만, 줄열을 이용한 소프트 액추에이터의 구동은, 줄열의 발생을 통해 액추에이터를 가열하는 경우에는 빠른 온도변화를 유도할 수 있지만, 상대적으로 냉각시에는 온도변화가 더디기 때문에 액추에이터의 구동에 한계점이 확인된다.
한편, 소프트 액추에이터와 관련된 종래기술로서 대한민국 공개특허 제10-2016-0091656호(이하 '선행기술'이라 약칭함)는 '온도 구배에 의해 구동되는 회전형 구동기 및 이를 이용한 에너지 하베스팅 장치'를 개시한다. 선행기술은 외부환경에 존재하는 온도구배가 형성된 열 에너지를 동력원으로 채택하여 소프트 액추에이터를 구동시킨다. 다시 말해, 구동기의 구동을 위한 추가적인 구성을 채택하지 않아 구동기로 인한 추가적인 구성의 동작을 유도하기에는 어려움이 있다.
때문에, 본 발명자는 액추에이터를 제어하기 위한 에너지를 공급하는 추가적인 구성을 포함하며, 줄열을 이용한 액추에이터의 단점을 보완하는 열전효과를 이용한 소프트 액추에이터를 고안하게 되었다.
본 발명의 목적은 열전효과를 이용한 가열 및 냉각의 제어를 통해 신속하고 정확하게 반복 구동할 수 있는 소프트 액추에이터를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 가열 또는 냉각에 의해 수축 또는 팽창하는 제1 섬유, 및 가열 또는 냉각에 의해 상기 제1 섬유와 반대 거동을 하는 제2 섬유가 상접하지 않도록 배치되어 단위체를 구성하는 구동부; 및 상기 구동부를 가열 또는 냉각하는 열전 소자부를 포함하고, 상기 열전 소자부는 전도체가 형성된 영역이 상기 제1 섬유 및 상기 제2 섬유를 가열 또는 냉각하도록 상기 구동부와 배치된 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 열전 소자부와 폐회로를 형성하고, 상기 열전 소자부로 전류를 공급하는 전원 공급부를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 단위체의 측면에 병렬로 연결되는, 신축성 섬유로 구성된 섬유부를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 열전 소자부는, 상기 제1 섬유 및 상기 제2 섬유의 상단 또는 하단으로 교차되고, 상기 제1 섬유 및 상기 제2 섬유는, 상기 열전 소자부를 기준으로 상호 반대 방향으로 배치되어 직조될 수 있다.
바람직하게, 상기 구동부는, 상기 열전 소자부로부터 전달받은 열에너지로 상기 제1 섬유 및 상기 제2 섬유 중 어느 한 섬유가 냉각되고 다른 섬유가 가열되어, 상기 단위체가 단일 구동을 구현할 수 있다.
바람직하게, 상기 구동부는, 복수의 상기 단위체가 병렬로 배치될 수 있다.
바람직하게, 상기 열전 소자부는, 제1 도전형체, 상기 제1 도전형체와 다른 방향으로 열의 흐름을 발생시키는 제2 도전형체 및 상기 제1 도전형체와 제2 도전형체 사이에 직렬로 배치된 상기 전도체를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 열전 소자부는, 전류가 상기 제1 도전형체를 거쳐 상기 전도체를 통과 후 상기 제2 도전형체로 전달되는 전도 경로와, 전류가 상기 제2 도전형체를 거쳐 상기 전도체를 통과 후 상기 제1 도전형체로 전달되는 전도 경로로 구분됨에 따라, 상기 전도체를 가열 또는 냉각시킬 수 있다.
바람직하게, 상기 구동부는, 상기 전도체가 가열 또는 냉각됨에 따라, 상기 제1 섬유와 상기 제2 섬유가 함께 수축 또는 팽창함으로써 상기 단위체가 단일 구동을 구현할 수 있다.
바람직하게, 상기 구동부는, 복수의 상기 단위체가 병렬로 배치되어 구동면을 정의하고, 상기 구동면은, 상기 단위체의 측면에 병렬로 연결되는 신축성 섬유로 구성된 섬유부와 함께 한 쌍이 교번되어 원기둥 모양의 측벽을 정의하고, 상기 열전 소자부는, 전류가 상기 제1 도전형체를 거쳐 상기 전도체를 통과 후 상기 제2 도전형체로 전달되는 전도 경로가 일 구동면에 형성되고, 전류가 상기 제2 도전형체를 거쳐 상기 전도체를 통과 후 상기 제1 도전형체로 전달되는 전도 경로가 타 구동면에 형성되어, 상기 한 쌍의 구동면은, 상기 열전 소자부로부터 전류를 공급받는 경우, 수축 또는 팽창 중 상이한 구동을 구현하여 굽힘 모멘트를 발생시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 구동부와 열전 소자부를 포함한 소프트 액추에이터는 가열과 냉각이 신속하고 정확하게 반복되어 양방향으로 굽힘 모멘트를 발생시킬 수 있으며, 이를 통해 관절이 포함된 팔꿈치 혹은 무릎에 밴드 구동기로 적용되어 근력이 약한 노약자 및 환자들의 근력을 보조하기 위한 근력보조밴드로 상용화될 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 소프트 액추에이터를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 소프트 액추에이터의 구동부를 구성하는 섬유의 꼬임을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 소프트 액추에이터의 구동부를 구성하는 섬유의 코일링을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 소프트 액추에이터의 구동부를 구성하는 섬유 중 호모키랄(homochiral) 섬유를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 소프트 액추에이터의 구동부를 구성하는 섬유 중 헤테로키랄(heterochiral) 섬유를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 단위체를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 구동부 또는 구동면을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자부를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 섬유부가 포함된 소프트 액추에이터를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 소프트 액추에이터의 원기둥형 밴드타입을 나타낸다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 소프트 액추에이터의 원기둥형 밴드타입이 펼쳐진 상태이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 소프트 액추에이터의 구동부를 구성하는 섬유의 꼬임을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 소프트 액추에이터의 구동부를 구성하는 섬유의 코일링을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 소프트 액추에이터의 구동부를 구성하는 섬유 중 호모키랄(homochiral) 섬유를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 소프트 액추에이터의 구동부를 구성하는 섬유 중 헤테로키랄(heterochiral) 섬유를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 단위체를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 구동부 또는 구동면을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자부를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 섬유부가 포함된 소프트 액추에이터를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 소프트 액추에이터의 원기둥형 밴드타입을 나타낸다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 소프트 액추에이터의 원기둥형 밴드타입이 펼쳐진 상태이다.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.
본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 소프트 액추에이터(1)를 나타낸다.
본 발명의 실시예에 따른 소프트 액추에이터(1)는 구동부(11), 열전 소자부(13), 전원 공급부(15) 및 섬유부(17, 도 9)를 포함할 수 있다.
소프트 액추에이터(1)는 가열 또는 냉각에 의해 수축 또는 팽창하는 제1 섬유(1101), 및 가열 또는 냉각에 의해 제1 섬유(1101)와 반대 거동을 하는 제2 섬유(1103)가 상접하지 않도록 배치되어 단위체(110)를 구성하는 구동부(11); 및 구동부(11)를 가열 또는 냉각하는 열전 소자부(13)를 포함하고, 열전 소자부(13)는 전도체(133)가 형성된 영역이 제1 섬유(1101) 및 제2 섬유(1103)를 가열 또는 냉각하도록 구동부(11)와 배치될 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 실시예 따른 소프트 액추에이터(1)는 섬유부(17, 도 9)를 포함하지 않을 수 있다. 소프트 액추에이터(1)는 제1 섬유(1101)와 제2 섬유(1103)가 교번되어 배치될 수 있다. 소프트 액추에이터(1)의 제1 섬유(1101) 또는 제2 섬유(1103)는 호모키랄(이하 호모) 섬유 또는 헤테로키랄(이하 헤테로) 섬유일 수 있으며, 제1 섬유(1101) 또는 제2 섬유(1103)가 호모 또는 헤테로 섬유를 모두 포함할 수 있다. 다만, 제1 섬유(1101)와 제2 섬유(1103)는 다른 구조의 섬유를 의미할 수 있다. 소프트 액추에이터(1)는 제1 섬유(1101)와 제2 섬유가 단위체(110)를 이룰 수 있다. 소프트 액추에이터(1)는 단위체(110)가 병렬로 연결될 수 있다. 소프트 액추에이터(1)는 병렬로 연결된 단위체를 열전 소자부(13)가 교차할 수 있다.
소프트 액추에이터(1)는 열전 소자부(13)와 폐회로를 형성하고, 열전 소자부(13)로 전류를 공급하는 전원 공급부(15)를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에서, 소프트 액추에이터(1)는 전원 공급부(15)와 열전 소자부(13)가 직렬로 연결될 수 있다. 소프트 액추에이터(1)는 전원 공급부(15)에 직렬로 연결된 열전 소자부(13)에 전류를 흘려보내 열에너지를 생성할 수 있다. 소프트 액추에이터(1)는 열전 소자부(13)에서 생성된 열에너지를 구동부(11)로 전달할 수 있다. 소프트 액추에이터(1)는 열에너지를 전달받은 구동부(11)가 굽힘 모멘트를 생성하고, 이를 통해 소프트 액추에이터(1)의 구동이 실현될 수 있다.
소프트 액추에이터(1)는 단위체(110)의 측면에 병렬로 연결되는, 신축성 섬유로 구성된 섬유부(17, 도 9)를 더 포함할 수 있다.
도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 소프트 액추에이터(1)는 구동부(11)의 움직임을 보조하기 위해 섬유부(17)를 포함할 수 있다. 도 9에 도시된 소프트 액추에이터(1)에 대한 상세한 설명은 하기에 서술될 본 발명의 <실시예1>에서 설명하도록 한다.
소프트 액추에이터(1)는 열전 소자부(13)가 제1 섬유(1101) 및 제2 섬유(1103)의 상단 또는 하단으로 교차되고, 제1 섬유(1101) 및 제2 섬유(1103)는, 열전 소자부(13)를 기준으로 상호 반대 방향으로 배치되어 직조될 수 있다.
본 실시예에서, 소프트 액추에이터(1)는 구동부(11)와 열전 소자부(13)가 다양한 형태로 배치될 수 있다. 소프트 액추에이터(1)는 구동부(11)가 열전 소자부(13) 상부에 위치한 형태로 배치될 수 있다. 또한, 소프트 액추에이터(1)는 구동부(11)가 열전 소자부(13) 하부에 위치한 형태로 배치될 수 있다. 특히, 소프트 액추에이터(1)는 구동부(11)와 열전 소자부(13)가 교차 직조된 형태로 배치될 수 있다. 이때, 소프트 액추에이터(1)는 구조적 특성으로 인하여 구동부(11)와 열전 소자부(13)가 견고하게 연결될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 소프트 액추에이터(1)의 구동부(11)를 구성하는 섬유의 꼬임을 나타낸다.
본 발명의 실시예에 따른 소프트 액추에이터(1)의 구동부(11)를 구성하는 섬유는 제1 섬유(1101) 또는 제2 섬유(1103) 일 수 있다. 소프트 액추에이터(1)의 구동부(11)를 구성하는 섬유는 호모 또는 헤테로 섬유 일 수 있다. 소프트 액추에이터(1)의 구동부(11)를 구성하는 섬유는 나일론, 형상 기억 폴리우레탄, 폴리에틸렌 및 고무 등의 고분자재료로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있다. 소프트 액추에이터(1)를 구성하는 섬유는 고분자 재료를 사용함으로써, 고온에서도 소프트 액추에이터(1)의 풀림 및 다시 꼬이는 가역적인 구조를 장기간 유지할 수 있다. 또한, 소프트 액추에이터(1)를 구성하는 섬유는 가열에 의한 변화뿐아니라 냉각에 의한 변화가 가능하기 때문에 다시 초기 꼬인 형태로 돌아가는 가역적인 회전운동을 제공할 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 소프트 액추에이터(1)의 구동부(11)를 구성하는 섬유는 1차적으로 꼬인 형태를 취함을 확인할 수 있다. 이처럼, 소프트 액추에이터(1)의 구동부(11)를 구성하는 섬유에 꼬임을 부여하는 방법은 일단을 고정하고 타단을 회전하거나, 양단을 회전하는 방법이 채택될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 소프트 액추에이터(1)의 구동부(11)를 구성하는 섬유의 코일링을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 소프트 액추에이터(1)의 구동부(11)를 구성하는 섬유는 꼬여진 상태에서 코일링의 형태가 추가적으로 취해질 수 있다. 소프트 액추에이터(1)의 구동부(11)를 구성하는 섬유에 코일링을 부여하는 방법은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 섬유의 일단을 고정하고 섬유의 타단을 회전함으로써 코일링을 부여할 수 있으며, 섬유로 파이프를 감음으로써 코일링을 부여할 수 있다. 섬유는 꼬임과 코일링을 동시에 가짐으로써 가열 및 냉각에 의한 구동력이 강해지고, 꼬임과 코일링이 취하는 방향에 따라 섬유의 특성이 달라질 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 소프트 액추에이터(1)의 구동부(11)를 구성하는 섬유 중 호모(homochiral) 섬유를 나타낸다. 도 4를 참조하면, 호모 섬유는 꼬임 방향과 코일링 방향이 같은 경우의 섬유를 지칭함을 알 수 있다. 호모 섬유는 섬유가 열전 소자부(13)에 의해 가열됨에 따라 수축하고, 열전 소자부(13)에 의해 냉각됨에 따라 팽창할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 소프트 액추에이터(1)의 구동부(11)를 구성하는 섬유 중 헤테로(heterochiral) 섬유를 나타낸다. 도 5를 참조하면, 헤테로 섬유는 꼬임 방향과 코일링 방향이 반대인 경우의 섬유를 지칭함을 알 수 있다. 헤테로 섬유는 호모 섬유와 반대로 거동할 수 있다. 헤테로 섬유는 열전 소자부(13)에 의해 가열되는 경우 팽창하고, 열전 소자부(13)에 의해 냉각되는 경우 수축할 수 있다.
본 실시예에서, 호모 또는 헤테로 섬유는 수축 및 팽창 방향이 섬유의 길이 방향으로 제한되지 않는다. 호모 섬유는 제1 섬유(1101) 또는 제2 섬유(1103)로 지칭될 수 있으며, 헤테로 섬유는 호모 섬유를 의미하지 않은 제1 섬유(1101) 또는 제2 섬유(1103)로 지칭될 수 있다. 제1 섬유(1101)와 제2 섬유(1103)가 각각 하나씩 이격되어 배치된 상태를 단위체(110)로 지칭할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 단위체(110)를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 구동부(11)는, 열전 소자부(13)로부터 전달받은 열에너지로 제1 섬유(1101) 및 제2 섬유(1103) 중 어느 한 섬유가 냉각되고 다른 섬유가 가열되어, 단위체(110)가 단일 구동을 구현할 수 있다.
본 실시예에서, 단위체(110)는 가열 또는 냉각시 반대 방향으로 수축 또는 팽창하는 제1 섬유(1101)와 제2 섬유(1103)가 이격되어 배치된 것을 지칭함을 알 수 있다. 다만, 제1 섬유(1101)와 제2 섬유(1103)로 구성되는 단위체(110)는 상이하게 가열 또는 냉각되는 제1 섬유(1101)와 제2 섬유(1103)가 수축 또는 팽창 중 동일한 구동을 구현하게 되며, 이로 인해 단위체(110)는 열전 소자부(13)를 통한 전류 인가시 단일 구동을 구현할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 구동부(11) 또는 구동면(11a or 11b)을 나타낸다.
본 실시예에서, 단위체(110)는 열전 소자부(13)와 연결되어 열에너지를 전달받을 수 있다. 단위체(110)는 열전 소자부(13)에 전류가 흐름에 따라 서로 다른 형태의 열에너지를 전달받을 수 있다. 예를 들어, 제1 섬유(1101)는 열전 소자부(13)로부터 가열될 수 있고, 제2 섬유는 열전 소자부(13)로부터 냉각될 수 있다. 반대로, 제1 섬유(1101)는 열전 소자부(13)로부터 냉각될 수 있고, 제2 섬유(1103)는 열전 소자부(13)로부터 가열될 수 있다. 이를 통해, 열에너지에 형태에 따라 다른 구동을 보이는 제1 섬유(1101)와 제2 섬유(1103) 동일한 방향으로 움직임을 나타낼 수 있다.
구동부(11)는 복수의 단위체(110)가 병렬로 배치될 수 있다.
본 실시예에서, 구동부(11)는 다수의 단위체(110)를 포함한 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 구동부(11)는 단위체(110)의 병렬적 배치를 통해 구성될 수 있다.
구동부(11)를 구성하는 단위체(110)는 제1 섬유(1101)와 제2 섬유(1103)가 열전 소자부(13)에서 다른 형태의 열에너지를 전달받아 같은 동작을 구현할 수 있다. 때문에, 다양한 형태로 구성되는 구동부(11)는 작동 방향을 고려하여 열전 소자부(13)의 도전형체가 적절한 배치로 세팅되어야 한다. 구동부(11)의 작동 방향과 열전 소자부(13)의 세팅은 후술하게 될 도 8의 실시예에서 상세히 설명한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자부(13)를 나타낸다.
본 실시예에서, 열전 소자부(13)는 열전 효과를 활용한 장치를 지칭한다.
열전 효과는 제벡 효과, 펠티에 효과 및 톰슨 효과를 포함하는 세 가지 열과 전기의 상관현상을 총칭한다. 본 실시예에 따른 열전 소자부(13)는 열전 효과 중 펠티에 효과를 활용하였다.
펠티에 효과는 금속 내에 전류가 흐를 때 열류가 함께 흐르고, 양 금속에서 열류가 상등하지 않기 때문에 접속면에서 열의 발생 또는 흡수가 일어나는 것처럼 보인다고 해석되고 있다. 펠티에 효과에서 열의 발생과 흡수는 가역적이기 때문에 전류의 흐름을 통해 한쪽이 발열하면 다른 쪽은 흡열하며, 전류의 흐름을 반대로 하면 열의 발생은 흡수로, 흡수는 발생으로 변한다. 특히, 펠티에 효과에서 전류 값을 크게 하고 도체의 재료, 조합을 적당히 선정해서 접점의 흡열에 의한 냉각작용을 이용한 현상을 열전냉각이라 한다. 열전냉각 현상은 현재 냉동기 정도의 온도 범위에서 실용되고 있지만, 다단 냉각이 70K까지 냉각하는 방법도 개발되고 있다.
도 8을 참조하면, 열전 소자부(13)는 제1 도전형체(131), 제1 도전형체(131)와 다른 방향으로 열의 흐름을 발생시키는 제2 도전형체(135) 및 제1 도전형체(131)와 제2 도전형체(135) 사이에 직렬로 배치된 전도체(133)를 포함할 수 있다.
본 실시예에서, 열전 소자부(13)는 제1 도전형체(131), 제2 도전형체(135) 및 전도체(133)로 구성될 수 있다. 열전 소자부(13)는 제1 도전형체(131), 제2 도전형체(135) 및 전도체(133)가 직렬로 연결되어 전원 공급부(15)로부터 전달된 전류를 열에너지로 변환하여 구동부(11)로 전달할 수 있다. 열전 소자부(13)의 제1 도전형체(131)는 n형 반도체 혹은 p형 반도체일 수 있다. 열전 소자부(13)의 제2 도전형체(135)는 제1 도전형체(131)가 채택하지 않은 n형 반도체 혹은 p형 반도체 중 한가지를 채택하여 제1 도전형체(131)와 제2 도전형체가 상이하게 구성될 수 있다. 전도체와 n형 반도체 및 p형 반도체에 대한 설명은 하기에 서술하도록 한다.
전도체(133)는 전기 전도율과 열 전도율이 큰 물질을 의미한다. 다시 말해, 전기와 열을 잘 전도하는 물질을 말한다. 전도체(133)는 도체 또는 양도체라고 할 수 있다. 전도체(133)는 절연체의 대응어를 뜻한다. 금, 은, 구리 등의 금속은 전형적으로 전기 및 열을 전도하는 전도체(133)이다. 전기를 전도하는 도체는 고체와 액체로 분류될 수 있다. 특히, 고체에서는 금속이 액체에서는 산, 알칼리 및 염의 수용액 등이 대표적인 전도체(133)이다.
일반적으로, 반도체는 자유전자가 많은 경우를 n형 반도체, 반대로 정공 밀도가 자유전자 밀도보다 큰 경우를 p형 반도체라 한다. 전자를 잃고 이온화된 불순물 원자를 도너(donor)라 하는데, 불순물이 주로 도너인 반도체가 n형 반도체이다. 이와는 대조적으로, p형반도체는 억셉터(acceptor)에 의해 전류가 흐른다. p형과 n형을 배합해서 p-n-p 트랜지스터·n-p-n 트랜지스터나 p-n-p-n 소자 등을 만들 수 있다. 또한, 반도체 다이오드는 가장 기본적인 p-n 접합이다.
열전 소자부(13)는 전류가 제1 도전형체(131)를 거쳐 전도체(133)를 통과 후 제2 도전형체(135)로 전달되는 전도 경로와, 전류가 제2 도전형체(135)를 거쳐 전도체(133)를 통과 후 제1 도전형체(131)로 전달되는 전도 경로로 구분됨에 따라, 전도체(133)를 가열 또는 냉각시킬 수 있다.
본 실시예에서, 열전 소자부(13)는 제1 도전형체(131), 제2 도전형체(135) 및 전도체(133)가 직렬로 연결되어 전원 공급부(15)로부터 전류를 공급받을 수 있다. 열전 소자부(13)는 제1 도전형체(131) 또는 제2 도전형체(135)가 전원 공급부에 연결되어 있을 수 있다. 열전 소자부(13)는 제1 도전형체(131)로 공급되는 전류의 방향과 제2 도전형체(135)로 공급되는 전류의 방향에 따라 전도체(133)를 가열 또는 냉각시킬 수 있다.
구동부(11)는 전도체(133)가 가열 또는 냉각됨에 따라, 제1 섬유(1101)와 제2 섬유(1103)가 함께 수축 또는 팽창함으로써 단위체(110)가 단일 구동을 구현할 수 있다.
열전 소자부(13)는 n형 반도체를 통과하여 전도체(133)를 통해 p형 반도체로 흐르는 방향의 전류가 공급되는 경우 전도체(133)가 냉각될 수 있다. 반면, p형 반도체를 통과하여 전도체(133)를 통해 n형 반도체로 흐르는 방향의 전류가 공급되는 경우 전도체(133)가 가열될 수 있다. 이와 같이 냉각 또는 가열된 전도체(133)는 열에너지를 전달하여 구동부(11)를 냉각 또는 가열할 수 있다.
본 실시예에서, 전원 공급부(15)는 열전 소자부(13)와 폐회로를 구성할 수 있다. 전원 공급부(15)는 열전 소자부(13)로 전류를 공급할 수 있다. 전원 공급부(15)는 전류의 방향을 선택하여 구동부(11)를 수축 또는 팽창하는 방향으로 에너지를 전달할 수 있다. 전원 공급부(15)는 구동부(11)에 설치되거나 또는 섬유부(17, 도 9)에 설치되거나 또는 소프트 액추에이터(1) 외부에 마련되어 전류를 공급할 수 있는 모든 구성을 포함할 수 있다.
<
실시예1
>
섬유부(17)를
포함한 소프트 액추에이터(1)
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 섬유부(17)가 포함된 소프트 액추에이터(1)를 나타낸다.
본 실시예에 따른 소프트 액추에이터(1)는 단위체(110)가 병렬로 연결된 구동부(11) 측면에 섬유부(17)가 병렬로 연결될 수 있다. 소프트 액추에이터(1)는 섬유부(17)에 전원 공급부(15)가 위치할 수 있다. 소프트 액추에이터(1)는 열전 소자부(13)와 전원 공급부(15)가 폐회로를 이룰 수 있다. 소프트 액추에이터(1)는 열전 소자부(13)와 구동부(11)가 수 차례 교차할 수 있다. 소프트 액추에이터(1)는 열전 소자부(13)가 제1 섬유(1101) 또는 제2 섬유(1103) 중 단일 섬유에 동일한 형태의 열에너지를 공급하도록 세팅될 수 있다. 소프트 액추에이터(1)는 동일한 방향으로 구동하는 단위체(110) 및 구동부(11)를 형성할 수 있다. 소프트 액추에이터(1)의 섬유부(17)는 구동부(11)의 움직임을 보조할 수 있다. 소프트 액추에이터(1)의 섬유부(17)는 신축성을 갖는 소재를 사용할 수 있다. 도 9에 도시된 전도체(133)의 일부가 섬유부(17) 외부에 도시되었지만, 소프트 액추에이터(1)는 섬유부(17)의 면적을 넓혀 전도체(133)와 섬유부(17)가 연결된 구조를 형성할 수 있다. 소프트 액추에이터(1)는 전원 공급부(15)에서 전류 방향을 선택함으로써 구동부(11)의 수축 및 팽창 방향을 설정할 수 있다. 단일 구동부(11)를 가진 소프트 액추에이터(1)는 신체에 탈착 가능한 형태로 제작되어 근력을 보조하는 근력보조기로 사용될 수 있다.
<
실시예2
> 원기둥 형태의 소프트 액추에이터(1)
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 소프트 액추에이터(1)의 원기둥형 밴드타입을 나타낸다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 소프트 액추에이터(1)의 원기둥형 밴드타입이 펼쳐진 상태이다.
소프트 액추에이터(1)는 복수의 단위체(110)가 병렬로 연결되어 구동면(11a or 11b)을 정의하고, 구동면(11a or 11b)은, 단위체(110)의 측면에 병렬로 연결되는 신축성 섬유로 구성된 섬유부(17)와 함께 한 쌍이 교번되어 원기둥 모양의 측벽을 정의하고, 열전 소자부(13)는, 전류가 제1 도전형체(131)를 거쳐 전도체(133)를 통과 후 제2 도전형체(135)로 전달되는 전도 경로가 일 구동면(11a or 11b)에 형성되고, 전류가 제2 도전형체(135)를 거쳐 전도체(133)를 통과 후 제1 도전형체(131)로 전달되는 전도 경로가 타 구동면(11a or 11b)에 형성되어, 한 쌍의 구동면(11a and 11b)은 열전 소자부(13)로부터 전류를 공급받는 경우, 수축 또는 팽창 중 상이한 구동을 구현하여 굽힘 모멘트를 발생시킬 수 있다.
본 실시예에서, 소프트 액추에이터(1)는 중공이 포함된 원통형 형태일 수 있다. 소프트 액추에이터(1)는 구동부(11)와 섬유부(17)로 구성되어 신축성 있는 밴드의 특성을 나타낼 수 있다. 소프트 액추에이터(1)는 단위체(110)의 병렬 연결을 통해 구동면(11a or 11b)의 폭을 변경할 수 있다. 소프트 액추에이터(1)의 구동면(11a or 11b)은 전원 공급부(15)에서 전류를 공급시 서로 다르게 수축 또는 팽창하는 제1 구동면(11a)과 제2 구동면(11b)으로 구분될 수 있다. 소프트 액추에이터(1)는 열전 소자부(13)와 전원 공급부(15)가 폐회로를 형성할 수 있다. 소프트 액추에이터(1)는 전원 공급부(15)가 섬유부(17)에 위치할 수 있다. 소프트 액추에이터(1)는 제1 구동면(11a)과 제2 구동면(11b)에 각각 n형 반도체 또는 p형 반도체를 다르게 연결하여 전류의 방향에 따라 제1 구동면(11a)과 제2 구동면(11b)의 수축 및 팽창을 변화시킬 수 있다.
도 11을 참조하면, 본 실시예에서 구동면(11a or 11b)은 전원 공급부(15)로부터 다른 방향의 전류를 공급받아 두 종류의 굽힘 모멘트를 구현할 수 있다. 전원 공급부(15)는 좌측 또는 우측으로 전류를 공급할 수 있다. 이에 따라, 구동면(11a or 11b)은 전원 공급부(15)에서 우측 방향으로 전류가 공급되어 제1 구동면(11a)이 팽창하는 경우 제2 구동면(11b)이 수축할 수 있다. 반면, 전원 공급부(15)에서 좌측 방향으로 전류가 공급되는 경우 제1 구동면(11a)이 수축하고 제2 구동면(11b)은 팽창할 수 있다. 이와 같이, 제1 구동면(11a)과 제2 구동면(11b)이 상반되게 구동하면 원통형 소프트 액추에이터(1)는 굽힘 모멘트를 생성할 수 있다. 굽힘 모멘트를 생성하는 원통형 소프트 액추에이터(1)는 팔꿈치나 무릎과 같이 관절이 포함된 신체 일부에 착용되어 근력을 보조하는 근력보조기로 사용될 수 있다. 특히, 원통형 소프트 액추에이터(1)는 사용자의 무릎에 착용되는 경우 계단을 오르내리는 경우와 같이 빠르고 반복적인 동작을 지속적으로 보조할 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.
1: 소프트 액추에이터
11: 구동부
11a: 제1 구동면
11b: 제2 구동면
110: 단위체
1101: 제1 섬유
1103: 제2 섬유
13: 열전 소자부
131: 제1 도전형체
133: 전도체
135: 제2 도전형체
15: 전원 공급부
17: 섬유부
11: 구동부
11a: 제1 구동면
11b: 제2 구동면
110: 단위체
1101: 제1 섬유
1103: 제2 섬유
13: 열전 소자부
131: 제1 도전형체
133: 전도체
135: 제2 도전형체
15: 전원 공급부
17: 섬유부
Claims (10)
- 가열 또는 냉각에 의해 수축 또는 팽창하는 제1 섬유, 및 가열 또는 냉각에 의해 상기 제1 섬유와 반대 거동을 하는 제2 섬유가 상접하지 않도록 배치되어 단위체를 구성하는 구동부; 및
상기 구동부를 가열 또는 냉각하는 열전 소자부를 포함하고,
상기 열전 소자부는 전도체가 형성된 영역이 상기 제1 섬유 및 상기 제2 섬유를 가열 또는 냉각하도록 상기 구동부와 배치된 것을 특징으로 하고,
상기 열전 소자부는,
상기 제1 섬유 및 상기 제2 섬유의 상단 또는 하단으로 교차되고,
상기 제1 섬유 및 상기 제2 섬유는,
상기 열전 소자부를 기준으로 상호 반대 방향으로 배치되어 직조된 것을 특징으로 하는 소프트 액추에이터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 열전 소자부와 폐회로를 형성하고, 상기 열전 소자부로 전류를 공급하는 전원 공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소프트 액추에이터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 단위체의 측면에 병렬로 연결되는, 신축성 섬유로 구성된 섬유부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소프트 액추에이터.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 구동부는,
상기 열전 소자부로부터 전달받은 열에너지로 상기 제1 섬유 및 상기 제2 섬유 중 어느 한 섬유가 냉각되고 다른 섬유가 가열되어, 상기 단위체가 단일 구동을 구현하는 것을 특징으로 하는 소프트 액추에이터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 구동부는,
복수의 상기 단위체가 병렬로 배치된 것을 특징으로 하는 소프트 액추에이터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 열전 소자부는,
제1 도전형체, 상기 제1 도전형체와 다른 방향으로 열의 흐름을 발생시키는 제2 도전형체 및 상기 제1 도전형체와 제2 도전형체 사이에 직렬로 배치된 상기 전도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 소프트 액추에이터.
- 제 7 항에 있어서,
상기 열전 소자부는,
전류가 상기 제1 도전형체를 거쳐 상기 전도체를 통과 후 상기 제2 도전형체로 전달되는 전도 경로와,
전류가 상기 제2 도전형체를 거쳐 상기 전도체를 통과 후 상기 제1 도전형체로 전달되는 전도 경로로 구분됨에 따라,
상기 전도체를 가열 또는 냉각시키는 것을 특징으로 하는 소프트 액추에이터.
- 제 7 항에 있어서,
상기 구동부는,
상기 전도체가 가열 또는 냉각됨에 따라,
상기 제1 섬유가 수축 또는 팽창하고, 상기 제2 섬유가 상기 제1 섬유와 반대 거동을 함으로써 상기 단위체가 단일 구동을 구현하는 것을 특징으로 하는 소프트 액추에이터.
- 제 7 항에 있어서,
상기 구동부는,
복수의 상기 단위체가 병렬로 배치되어 구동면을 정의하고,
상기 구동면은,
상기 단위체의 측면에 병렬로 연결되는 신축성 섬유로 구성된 섬유부와 함께
한 쌍이 교번되어 원기둥 모양의 측벽을 정의하고,
상기 열전 소자부는,
전류가 상기 제1 도전형체를 거쳐 상기 전도체를 통과 후 상기 제2 도전형체로 전달되는 전도 경로가 일 구동면에 형성되고,
전류가 상기 제2 도전형체를 거쳐 상기 전도체를 통과 후 상기 제1 도전형체로 전달되는 전도 경로가 타 구동면에 형성되어,
상기 한 쌍의 구동면은,
상기 열전 소자부로부터 전류를 공급받는 경우, 수축 또는 팽창 중 상이한 구동을 구현하여 굽힘 모멘트를 발생시키는 것을 특징으로 하는 소프트 액추에이터.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020160166587A KR101828550B1 (ko) | 2016-12-08 | 2016-12-08 | 열전효과를 이용한 소프트 액추에이터 |
| US15/659,784 US10473093B2 (en) | 2016-08-26 | 2017-07-26 | Soft actuator using thermoelectric effect |
| US16/590,737 US11041485B2 (en) | 2016-08-26 | 2019-10-02 | Soft actuator using thermoelectric effect |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020160166587A KR101828550B1 (ko) | 2016-12-08 | 2016-12-08 | 열전효과를 이용한 소프트 액추에이터 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101828550B1 true KR101828550B1 (ko) | 2018-02-13 |
Family
ID=61231610
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020160166587A KR101828550B1 (ko) | 2016-08-26 | 2016-12-08 | 열전효과를 이용한 소프트 액추에이터 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101828550B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102600949B1 (ko) * | 2022-10-13 | 2023-11-09 | 재단법인대구경북과학기술원 | 복합 섬유 모터 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000135288A (ja) * | 1998-10-30 | 2000-05-16 | Tohoku Denshi Sangyo Kk | 筒状運動素子 |
-
2016
- 2016-12-08 KR KR1020160166587A patent/KR101828550B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000135288A (ja) * | 1998-10-30 | 2000-05-16 | Tohoku Denshi Sangyo Kk | 筒状運動素子 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| C. S. Haines, el. al, "Artificial Muscles from Fishing Line and Sewing Thread", Science, Vol.343, no.6173, pp.868-872 (2014.02.21.)* |
| 하승목, 권오석, 최연호, 이동하 "섬유기반 소프트 액추에이터 설계" 대한전자공학회 추계학술대회 논문집, pp.637-639 (2016.11.)* |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102600949B1 (ko) * | 2022-10-13 | 2023-11-09 | 재단법인대구경북과학기술원 | 복합 섬유 모터 |
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