KR101971366B1 - 직물 형상의 전기활성 겔을 이용한 진동 액츄에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 직물 형상의 전기활성 겔을 이용한 진동 액츄에이터를 개시한다. 본 발명에 따른 진동 액츄에이터는, 서로 마주보도록 배치된 제1 전극과 제2 전극; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 사이에 배치되는 것으로서, 다수의 제1 방향 스트랩과 다수의 제2 방향 스트랩을 포함하는 전기활성 겔 층; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 연결된 전원공급부를 포함한다.
본 발명에 따르면, 종래에 비하여 진동력이 강화되고 진동 제어가 용이한 전기활성고분자를 이용한 진동 액츄에이터를 구현할 수 있다.

Description

직물 형상의 전기활성 겔을 이용한 진동 액츄에이터{Vibration actuator using fabric type electroactive gel}

본 발명은 진동 액츄에이터에 관한 것으로서, 구체적으로는 직물 형상의 전기활성 겔을 이용하는 진동 액츄에이터에 관한 것이다.

최근 들어 대부분의 휴대용 전자기기, 가상현실 기기, 원격조종용 매니퓰레이터(manipulator), 훈련용 시뮬레이터 등에는 사용자에게 다양하고 생생한 촉각피드백을 제공하기 위한 진동 액츄에이터가 설치되어 있다.

진동 액츄에이터에는 편심 모터 액츄에이터(ERM: Eccentric Rotating Mass), 선형 공진 액츄에이터(LRA: Linear Resonant Actuator), 압전소자 액츄에이터, 전기활성고분자 액츄에이터(Electroactive Polymer Actuator) 등과 같이 다양한 유형이 있다.

이 중에서 전기활성고분자 액츄에이터는 전기자극에 의해 팽창, 수축, 휨 현상 등을 재현성있게 나타낼 수 있는 전기활성고분자를 이용하는 것으로서, 응답속도가 빠르고 구동주파수 범위가 넓기 때문에 다양한 촉각피드백을 제공할 수 있다. 특히 고분자의 특성상 자유로운 형상으로 성형이 가능하고 내구성도 뛰어나기 때문에 액츄에이터 뿐만 아니라 인공근육, 인공심장, 스마트피부, 초정밀 기계 등의 분야에서도 큰 주목을 받고 있다.

한편 전기활성고분자 액츄에이터는 전극 외부로 연장된 자유단의 변형을 이용하여 진동을 발생시키는 유형과, 전극 사이에 배치된 전기활성고분자층의 두께 변형을 이용하여 진동을 발생시키는 유형이 있다.

도 1은 후자의 유형에 해당하는 진동 액츄에이터(10)로서, 제1 전극(12) 및 제2 전극(14), 두 전극(12,14)의 사이에 배치된 전기활성고분자층(20), 제1 및/또는 제2 전극(12,14)과 전기활성고분자층(20)의 사이에 형성되는 액츄에이팅 공간(30)을 포함한다.

전기활성고분자층(20)의 표면에는 도 2에 나타낸 바와 같이 다수의 오목부(22)와 볼록부(24)가 소정 패턴으로 형성되고, 오목부(22)와 볼록부(24)에 의해 전기활성고분자층(30)과 전극(12,14) 사이에 형성되는 공간이 액츄에이팅 공간(30)이 된다.

이러한 진동 액츄에이터(10)의 두 전극(12,14)에 전원을 연결하면 전기활성고분자층(20)이 변형되면서 예를 들어 제2 전극(14) 쪽으로 이끌리게 되고, 이로 인해 도 1의 우측 도면에 나타낸 바와 같이 액츄에이팅 공간(30)이 전기활성고분자층(20)에 의해 채워지면서 전기활성고분자층(20)의 전체 두께가 얇아지게 된다. 이어서 전원 연결을 차단하면 전기활성고분자층(20)은 자체 탄성에 의해 원래의 두께로 복귀한다.

따라서 고속 스위칭수단을 이용하여 두 전극(12,14)에 대한 전원공급을 온/오프시키거나, 두 전극(12,14)의 극성을 교대로 변경하면 전기활성고분자층(20)의 고속 수축 및 팽창에 의해 진동이 발생하게 된다.

그런데 이러한 유형의 진동 액츄에이터(10)는 자유단의 변형을 이용하여 진동을 발생시키는 유형에 비하여 진동력이 약하고 진동제어가 용이하지 않은 단점이 있다.

종래 액츄에이터(10)의 전기활성고분자층(20)은 전극(12,14)과 실질적으로 동일한 면적을 가지므로 상대적으로 면적이 넓고 전기활성고분자층(20)의 전면에 걸쳐 액츄에이팅 공간(30)을 위한 다수의 오목부(22)와 볼록부(24)가 형성되어 있는데, 이러한 구조에서는 전기활성고분자층(20)이 제2 전극(14)쪽으로 변형될 때 액츄에이팅 공간(30)의 공기층이 일종의 저항층으로 작용하여 전기활성고분자층(20)의 변형을 방해하고 이로 인해 진동력이 약해지는 경우가 있기 때문이다.

또한 전원이 차단된 경우에 변형된 전기활성고분자층(20)이 원상태로 즉시 복귀하지 못하고 액츄에이팅 공간(30)의 내부와 외부의 압력차로 인하여 제2 전극(14)에 일시 흡착되어 분리되지 않는 경우가 있고, 이로 인한 지연시간 때문에 진동제어가 어려워지는 경우가 있기 때문이다.

한국등록특허 제 10-1664980호(2016.10.05 공고)

본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 종래에 비하여 진동력이 강화되고 진동 제어가 보다 용이한 전기활성고분자를 이용한 진동 액츄에이터를 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양상은. 서로 마주보도록 배치된 제1 전극과 제2 전극; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 사이에 배치되는 것으로서, 다수의 제1 방향 스트랩과 다수의 제2 방향 스트랩을 포함하는 전기활성 겔 층; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 연결된 전원공급부를 포함하는 전기활성 겔을 이용한 진동 액츄에이터를 제공한다.

본 발명의 일 양상에 따른 전기활성 겔을 이용한 진동 액츄에이터에서, 상기 다수의 제1 방향 스트랩은 각각 상기 다수의 제2 방향 스트랩 중에서 적어도 하나의 상부와 적어도 하나의 하부를 통과하도록 배치될 수 있다. 이 경우 상기 다수의 제1 방향 스트랩과 상기 다수의 제2 방향 스트랩 중에서 상부로 볼록한 부분은 상기 제1 전극에 접촉하고 하부로 오목한 부분은 상기 제2 전극에 접촉할 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 전기활성 겔을 이용한 진동 액츄에이터에서, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 중 적어도 하나에는 통기공이 형성될 수 있다.

또한 본 발명의 일 양상에 따른 전기활성 겔을 이용한 진동 액츄에이터에서, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 중에서 적어도 하나는 도전성 접착제로 상기 전기활성 겔 층의 일면에 결합될 수 있다.

본 발명에 따르면, 종래에 비하여 진동력이 강화되고 진동 제어가 용이한 전기활성고분자를 이용한 진동 액츄에이터를 구현할 수 있다.

도 1은 전기활성고분자를 이용하는 종래 액츄에이터의 개략 구성도
도 2는 종래 전기활성고분자의 표면에 형성된 다양한 요철 패턴을 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 액츄에이터의 개략 구성을 나타낸 단면도
도 4는 전기활성 겔 층의 일 실시예를 나타낸 평면도
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 액츄에이터에 전원이 연결된 상태를 나타낸 도면
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 액츄에이터의 전원 연결 전후를 대비한 도면
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 액츄에이터의 일 변형예를 나타낸 개략 구성도
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 액츄에이터의 다른 변형예를 나타낸 개략 구성도
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 액츄에이터의 또 다른 변형예를 나타낸 개략 구성도
도 10은 전기활성 겔 층의 다른 실시예를 나타낸 평면도

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

참고로 본 명세서에서 하나의 구성요소(element)가 다른 구성요소와 연결, 결합, 또는 전기적으로 연결되는 경우는 다른 구성요소와 직접적으로 연결, 결합, 또는 전기적으로 연결되는 경우뿐만 아니라 중간에 다른 요소를 사이에 두고 간접적으로 연결, 결합, 또는 전기적으로 연결되는 경우도 포함한다. 또한 하나의 구성요소(element)가 다른 구성요소와 직접 연결, 결합, 또는 전기적으로 연결되는 경우는 중간에 다른 요소 없이 연결, 결합, 또는 전기적으로 연결되는 것을 의미한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함하는 것은 특별히 반대되는 기재가 없다면 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한 본 명세서에 첨부된 도면에는 이해의 편의를 위하여 실제와 다른 치수 또는 비율로 나타낸 부분이 있는데 이로 인해 본 발명의 범위가 제한적으로 해석되어서는 아니 됨은 물론이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 진동 액츄에이터(100)는 도 3 의 개략 단면도에 나타낸 바와 같이, 서로 마주보도록 배치된 제1 전극(110)과 제2 전극(120), 제1 및 제2 전극(110,120)의 사이에 배치된 전기활성 겔 층(130), 제1 및 제2 전극(110,120)에 연결된 전원공급부(50)를 포함한다.

제1 전극(110)과 제2 전극(120)은 판 형상인 것이 바람직하지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

제1 전극(110)과 제2 전극(120)의 재질은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어 도전성 금속, 도전성 고분자, 도전성 플라스틱 등이 전극(110,120)으로 사용될 수 있다. 또한 각 전극(110,120)은 신축 또는 굽힘이 가능한 가요성 전극일 수도 있다. 또한 각 전극(110,120)은 ITO(Indium Tin Oxide) 등의 투명전극일 수도 있다.

전원공급부(50)는 전기활성 겔(130)에 구동전원을 인가하는 것으로서, 제1 단자는 제1 전극(110)에 연결되고 제2 단자는 제2 전극(120)에 연결된다. 이때 예를 들어 제1 단자는 (-)극 단자이고, 제2 단자는 (+)극 단자일 수 있다.

전기활성 겔 층(130)은 제1 전극(110)과 제2 전극(120) 사이에 형성되는 전계에 의해 제1 전극(110) 또는 제2 전극(120)쪽으로 이끌리면서 변형되고, 전계가 사라지면 자체 탄성에 의해 원 상태로 복귀한다.

한편 전기활성 겔 층(130)은 다수의 제1 방향 스트랩(131)과 다수의 제2 방향 스트랩(132)이 서로 교차하도록 배치된 직물 형상일 수 있다. 이 경우 제1 방향 스트랩(131)과 제2 방향 스트랩(132)의 재질은 모두 전기활성 겔인 것이 바람직하다.

전기활성 겔은 전기활성고분자를 겔(Gel) 형태로 제조한 것으로서, 예를 들어 전기활성고분자의 일종인 PVC(Polyvinyl chloride)에 소정의 가소제를 혼합하여 제조할 수 있다. 구체적인 제조방법은 등록특허 제10-1664980호, 공개특허 제10-2017-0112480호 등에 소개된 바 있으므로 이를 참조하기로 한다.

도 4를 참조하면, 예를 들어 제1 방향 스트랩(131)은 세로 방향으로 배치된 스트랩이고 제2 방향 스트랩(132)은 가로 방향으로 배치된 스트랩이다. 제1 방향 스트랩(131)과 제2 방향 스트랩(132)은 소정 폭을 갖는 띠 형상이며, 두께, 폭, 길이, 개수 등은 특별히 제한되지 않는다.

제1 방향 스트랩(131)은 다수의 제2 방향 스트랩(132)과 교차 또는 직교하도록 배치되며, 예를 들어 하나의 제2 방향 스트랩(132)의 상부를 통과한 후에는 다음에 배치된 제2 방향 스트랩(132)의 하부를 통과하고, 이어서 그 다음에 배치된 제2 방향 스트랩(132)의 상부를 통과하는 방식으로 배치된다.

제2 방향 스트랩(132)은 다수의 제1 방향 스트랩(131)과 교차 또는 직교하도록 배치되며, 예를 들어 하나의 제1 방향 스트랩(131)의 상부를 통과한 후에는 다음에 배치된 제1 방향 스트랩(131)의 하부를 통과하고, 이어서 그 다음에 배치된 제1 방향 스트랩(131)의 상부를 통과하는 방식으로 배치된다.

즉, 제1 방향 스트랩(131)과 제2 방향 스트랩(132)은 각각 다른 방향 스트랩의 상부와 하부를 교대로 지나도록 배치되며, 따라서 전체적으로 직물과 유사한 구조를 갖는다.

이와 같이 다수의 제1 방향 스트랩(131)과 다수의 제2 방향 스트랩(132)이 서로 교차된 전기활성 겔 층(130)을 사용하면, 도 3 및 도 4를 통해 알 수 있는 바와 같이, 제1 전극(110) 및 제2 전극(120)과 스트랩(131,132)의 사이에 액츄에이팅을 위한 간극이 형성되는 것은 물론이고, 스트랩(131,132)과 스트랩(131,132)의 사이마다 다수의 간극이 형성된다.

이러한 간극이 형성되면 제1 전극(110)과 제2 전극(120) 사이에서 공기 유동이 전체적으로 원활해지므로 종래처럼 액츄에이팅 공간의 공기층에 의해 액츄에이팅이 방해되는 현상을 방지할 수 있고, 이로 인해 진동력이 감쇠되는 현상도 방지할 수 있다. 또한 지연시간을 줄일 수 있으므로 종래에 비하여 진동 주기, 진동 세기 등을 보다 용이하게 제어할 수 있게 된다.

또한 제1 전극(110) 및 제2 전극(120) 사이의 대부분의 영역에 걸쳐 제1 방향 스트랩(131)과 제2 방향 스트랩(132)이 상하로 적층되어 있으므로 전원을 연결하면 제1 방향 스트랩(131)과 제2 방향 스트랩(132)이 전극(110.120)쪽으로 변형되는 과정에서 서로 간의 충돌이 발생하여 진동이 강화되는 효과를 얻을 수 있다.

한편 전원을 차단하였을 때 원 상태로 복귀할 때는, 종래처럼 압력차에 의한 복귀지연 현상이 발생하지 않으므로 신속한 복귀가 가능하고 따라서 종래에 비하여 진동 주기, 진동 세기 등을 보다 용이하게 제어할 수 있게 된다. 또한 제1 방향 스트랩(131)과 제2 방향 스트랩(132)이 복귀하는 과정에서도 서로 간의 충돌이 발생할 수 있으므로 이로 인해 진동이 강화되는 효과를 얻을 수 있다.

전기활성 겔 층(130)은 제1 전극(110)과 제2 전극(120)에 항상 접촉할 수 있도록 설치되는 것이 바람직하다. 특히 제1 방향 스트랩(131)과 제2 방향 스트랩(132)이 모두 굴곡을 가지므로 제1 방향 스트랩(131)과 제2 방향 스트랩(132)에서 상부로 볼록한 부분은 항상 제1 전극(110)에 접촉하고 하부로 오목한 부분은 항상 제2 전극(120)에 접촉하도록 설치되는 것이 바람직하다.

이를 위해서는 전기활성 겔 층(130)의 양면에 각각 도전성 접착제를 이용하여 제1 전극(110)과 제2 전극(120)을 접착할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 액츄에이터(100)에 전원이 연결된 상태를 나타낸 도면이고, 도 6은 전원 연결 이전과 이후를 대비한 도면이다.

예를 들어 제 1 전극(110)과 제2 전극(120)이 각각 전원공급부(50)의 (-)극과 (+)극에 연결된 상태에서 전원이 인가되면, 전기활성 겔 층(130)의 제1 방향 스트랩(131)과 제2 방향 스트랩(132)은 예를 들어 제 2 전극(120)쪽으로 강하게 이끌리면서 변형된다.

각 스트랩(131,132)은 자체 두께가 얇아지면서 제2 전극(120)에 최대한 밀착하게 되는데 이때 각 스트랩(131,132) 간의 간극을 통해 공기유동이 활발하므로 각 스트랩(131,132)은 공기저항에 의한 지연시간 없이 신속하게 제2 전극(120)쪽으로 이끌리면서 변형된다. 이로 인해 제1 전극(110)과 제2 전극(120)의 간극이 Δt 만큼 줄어 들게 된다.

이어서 전원공급부(50)의 전원 연결을 차단하면 각 스트랩(131,132)은 자체 탄성에 의해 원상태로 복귀한다. 전원공급부(50)에 고속 스위칭수단(도면에는 나타내지 않았음)을 설치하여 각 전극(110,120)에 대한 전원 연결을 고속으로 온/오프 하면 각 스트랩(131,132)의 고속 왕복운동에 의해 진동이 발생한다.

진동 주기는 스위칭 주기를 조절하여 제어할 수 있고, 진동 세기는 각 전극(110,120)에 인가되는 전압 및/또는 전류의 크기를 조절하여 제어할 수 있다.

한편 전원공급부(50)는 전원 연결을 온/오프 하는 대신 스위칭수단을 이용하여 제 1 전극(110)과 제2 전극(120)의 극성을 교대로 변경할 수도 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나 본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않고 다양하게 변형 또는 수정되어 실시될 수 있다.

일 예로서, 도 7의 진동 액츄에이터(100a)와 같이 제1 전극판(110) 또는 제2 전극판(120) 중의 적어도 하나에는 공기유동을 위한 통기공(140)이 형성될 수도 있다. 이러한 통기공(140)은 공기압을 해소함으로써 진동력을 강화하고 이를 통해 진동 제어를 보아 용이하게 하는 역할을 할 수 있다.

다른 예로서, 전기활성 겔 층(130)을 구성하는 제1 방향 스트랩(131)과 제2 방향 스트랩(132)의 형상은 전술한 실시예에 한정되지 않는다. 예를 들어 도 3에는 각 스트랩(131,132)이 사각형의 단면을 갖는 것으로 나타내었으나 도 8의 단면도에 나타낸 진동 액츄에이터(100b)와 같이 제1 방향 스트랩(131)과 제2 방향 스트랩(132) 중에서 적어도 하나는 단면 형상이 원형일 수도 있다. 이와 달리 타원형, 다각형 등의 다른 형상을 가질 수도 있음은 물론이다.

또한 다수의 제1 방향 스트랩(131)과 다수의 제2 방향 스트랩(132)의 형상이 반드시 동일해야 하는 것은 아니므로 필요에 따라서는 다른 형상의 스트랩(131,132)을 사용할 수도 있다.

또 다른 예로서, 도 4에서는 제1 방향 스트랩(131)과 제2 방향 스트랩(132)이 각각 다른 방향 스트랩의 상부와 하부를 한번씩 교대로 지나는 것으로 나타내었으나 이에 한정되는 것은 아니다.

예를 들어 도 9와 도 10에 나타낸 진동 액츄에이터(100c)와 같이 2개의 제1 방향 스트랩(131)을 한 쌍으로 하여 제2 방향 스트랩(132)과 결합할 수도 있다. 즉, 제2 방향 스트랩(132)이 2개의 제1 방향 스트랩(131)의 하부를 통과한 이후에는 다음 2개의 제1 방향 스트랩(131)의 상부를 통과하고, 이어서 그 다음 2개의 제1 방향 스트랩(131)의 하부를 통과하도록 배치할 수 있다.

제1 방향 스트랩(131)과 제2 방향 스트랩(132)의 교차 방식이 이에 한정되지 않고 더욱 다양하게 변형 또는 선택될 수 있음은 물론이다.

또한 제1 방향 스트랩(131)과 제2 방향 스트랩(132)은 반드시 직교해야 하는 것은 아니며 소정 각도를 가지면서 교차하도록 배치될 수도 있다.

이와 같이 본 발명은 구체적인 적용 과정에서 다양한 형태로 변형 또는 수정되어 실시될 수 있으며, 변형 또는 수정된 실시예도 후술하는 특허청구범위에 개시된 본 발명의 기술적 사상을 포함한다면 본 발명의 권리범위에 속함은 물론이다.

50: 전원공급부 100: 진동 액츄에이터
110: 제1 전극 120: 제2 전극
130: 전기활성 겔 층 131: 제1 방향 스트랩
132: 제2 방향 스트랩 140: 통기공

Claims (5)

1. 서로 마주보도록 배치된 제1 전극과 제2 전극;
   상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 사이에 배치되는 것으로서, 다수의 제1 방향 스트랩과 다수의 제2 방향 스트랩을 포함하는 전기활성 겔 층;
   상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 연결된 전원공급부
   를 포함하며, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 중 적어도 하나에는 통기공이 형성된 것을 특징으로 하는 전기활성 겔을 이용한 진동 액츄에이터
2. 제1항에 있어서,
   상기 다수의 제1 방향 스트랩은 각각 상기 다수의 제2 방향 스트랩 중에서 적어도 하나의 상부와 적어도 하나의 하부를 통과하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 전기활성 겔을 이용한 진동 액츄에이터
3. 제2항에 있어서,
   상기 다수의 제1 방향 스트랩과 상기 다수의 제2 방향 스트랩 중에서 상부로 볼록한 부분은 상기 제1 전극에 접촉하고 하부로 오목한 부분은 상기 제2 전극에 접촉하는 것을 특징으로 하는 전기활성 겔을 이용한 진동 액츄에이터
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 제1 전극과 상기 제2 전극 중에서 적어도 하나는 도전성 접착제로 상기 전기활성 겔 층의 일면에 결합된 것을 특징으로 하는 전기활성 겔을 이용한 진동 액츄에이터

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