KR102004931B1 - 하이브리드형 소프트 액츄에이터 및 이의 제조방법 - Google Patents

하이브리드형 소프트 액츄에이터 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하이브리드형 소프트 액츄에이터 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 하이브리드형 소프트 액츄에이터는 전기전도성과 신축성을 가지는 제1섬유; 및 상기 제1섬유보다 큰 신축성을 가지는 제2섬유;를 포함하되, 상기 제1섬유와 상기 제2섬유는 함께 트위스팅 및 코일링되어 형성된 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 높은 변형률과 전기전도성을 모두 구비할 수 있다.

Description

하이브리드형 소프트 액츄에이터 및 이의 제조방법{Hybrid soft actuator and fabricating method for the same}
본 발명은 하이브리드형 소프트 액츄에이터 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 큰 변형률을 가지면서도 줄 발열이 가능한 하이브리드형 소프트 액츄에이터 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
소프트 액추에이터(soft actuator)는 탄성이 있는 변형체를 통해 힘이나 변위를 전달하는 기구로서, 특수한 의류나 인공근육 등에 사용된다.
소프트 액츄에이터의 한 종류인 티씨에이(TCA; Twisted and Coiled soft Actuator)는 탄성을 가지는 재질로 이루어지는 합성섬유를 트위스팅(twisting) 및 코일링(coiling)하여 제작되며, 외부의 온도, 빛 또는 화학적 조건이 달라지는 경우 더 꼬이면서 신축하거나 꼬임이 풀어지면서 인장되어 구동하게 된다.
티씨에이를 구성하는 재료 중의 하나인 나일론(nylon)은 은 등의 전기전도성 재료로 코팅이 가능하여, 티씨에이에 전기를 흐르게 하였을 때 발생하는 줄 열을 통해 티씨에이가 구동하게 할 수 있다. 그러나 나일론 재질의 티씨에이는 변형률이 낮아 인공근육에 적용하는 데 적합하지 않은 문제점이 있다.
스판덱스(spandex) 재질의 티씨에이는 나일론 재질의 티씨에이에 비하여 2배 이상의 변형률을 갖지만 전기전도성이 없어 구동을 위하여 석영관 등과 같이 크기와 무게가 큰 열원을 필요로 하는 단점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 높은 변형률과 전기전도성을 모두 구비할 수 있는 하이브리드형 소프트 액츄에이터 및 이의 제조방법을 제공함에 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 전기전도성과 신축성을 가지는 제1섬유; 및 상기 제1섬유보다 큰 신축성을 가지는 제2섬유;를 포함하되, 상기 제1섬유와 상기 제2섬유는 함께 트위스팅 및 코일링되어 형성된 것을 특징으로 하는 하이브리드형 소프트 액츄에이터에 의해 달성된다.
상기 제1섬유는 전기전도성 물질이 코팅된 합성섬유로 이루어질 수 있다.
상기 제1섬유는 전기전도성 물질의 입자를 함유하는 합성섬유로 이루어질 수 있다.
상기 전기전도성 물질은 은인 것이 바람직하다.
상기 합성섬유는 나일론으로 이루어질 수 있다.
상기 제2섬유는 스판덱스로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 제1섬유와 제2섬유 중 적어도 어느 하나를 다수 가닥 구비하는 것이 바람직하다.
상기 제2섬유의 단면적은 상기 제1섬유의 단면적보다 더 큰 것이 바람직하다.
상기 제1섬유는 상기 하이브리드형 소프트 액츄에이터의 단면 내부에 위치하는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 전기전도성 및 신축성을 가지는 제1섬유와 상기 제1섬유보다 큰 신축성을 가지는 제2섬유를 서로 평행하게 위치시키는 섬유 준비단계; 상기 제1섬유와 상기 제2섬유를 함께 트위스팅시키는 트위스팅 단계; 및 상기 제1섬유와 상기 제2섬유를 함께 코일링시키는 코일링 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 소프트 액츄에이터의 제조방법이 제공된다.
상기 섬유 준비단계에서, 상기 제2섬유는 신장되어 상기 제1섬유와 동일한 길이를 가지고, 상기 트위스팅 단계에서, 상기 제1섬유는 신장된 상태의 상기 제2섬유와 함께 트위스팅되는 것이 바람직하다.
상기 트위스팅 단계에서, 상기 제1섬유와 상기 제2섬유의 길이는 일정하게 유지되는 것이 바람직하다.
상기 코일링 단계에서, 상기 제1섬유와 상기 제2섬유는 함께 인장력을 받는 상태에서 코일링 되는 것이 바람직하다.
상기 코일링 단계 이후, 상기 제1섬유와 상기 제2섬유를 가열하면서 어닐링하는 트레이닝 단계가 더 진행되는 것이 바람직하다.
상기 트레이닝 단계는, 상기 제1섬유와 상기 제2섬유에 인장력을 가하면서 어닐링하는 제1트레이닝 단계; 및 상기 제1섬유와 상기 제2섬유에서 인장력을 제거하고 어닐링하는 제2트레이닝 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 트레이닝 단계에서는, 상기 제1섬유에 전기를 흐르게 하여 줄 열이 발생하도록 함으로써 상기 제1섬유와 상기 제2섬유를 가열하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 하이브리드형 소프트 액츄에이터는 높은 변형률과 전기전도성을 모두 구비할 수 있고, 이에 따라 인공근육 등에 적합하게 구동할 수 있다.
본 발명에 의한 하이브리드형 소프트 액츄에이터의 제조방법에 의하면 전체 길이상에서 균질한 성질을 가지는 소프트 액츄에이터를 제작할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 하이브리드형 소프트 액츄에이터에 관한 설명도,
도 2는 본 발명에 의한 하이브리드형 소프트 액츄에이터의 제조방법에 관한 순서도,
도 3은 본 발명에 의한 하이브리드형 소프트 액츄에이터의 제조방법에 관한 설명도,
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 하이브리드형 소프트 액츄에이터의 제조방법에 관한 순서도이다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 도면을 참고하여 자세하게 설명하도록 한다.
도 1에는 본 발명에 의한 하이브리드형 소프트 액츄에이터에 관한 설명도가 도시되어 있다.
본 발명에 의한 하이브리드형 소프트 액츄에이터(1)는 제1섬유(10)와 제2섬유(20)를 포함한다.
제1섬유(10)는 합성섬유로 이루어져 신축성을 가지면서도, 합성섬유의 표면에 전기전도성 물질이 코팅되거나 합성섬유가 전기전도성 물질의 입자를 함유하여 전기전도성을 가질 수 있다.
제2섬유(20)는 마찬가지로 합성섬유로 이루어져 신축성을 가지되, 전기전도성 물질을 포함하지 않고 제1섬유(10)보다 더 큰 신축성을 갖는다.
이러한 제1섬유(10)와 제2섬유(20)는 함께 트위스팅(twisting) 및 코일링(coiling)됨으로써 하이브리드형 소프트 액츄에이터(1)를 형성한다.
참고로, 트위스팅 및 코일링되기 전의 제1섬유(10)와 제2섬유(20)는 도 1의 (a)에 도시되어 있는 바와 같이 서로 평행하게 배치되어 단순한 다발 상태로 위치하고, 다발이 함께 꼬아져 트위스팅된 후에는 도 1의 (b)에 도시되어 있는 바와 같은 형상을 갖게 된다. 그리고 다발이 함께 더 꼬아져 코일링된 후의 제1섬유(10)와 제2섬유(20)는 도 1의 (c)에 도시되어 있는 바와 같은 형상을 가지게 된다.
이러한 본 발명의 하이브리드형 소프트 액츄에이터는 신축성을 가지고 나선 형상으로 형성되어 온도 등의 조건에 의해 길이가 변화됨으로써 액츄에이터로서의 기능을 할 수 있는데, 제1섬유(10)와 제2섬유(20)가 함께 트위스팅 및 코일링되어 형성되므로 제1섬유(10)의 성질과 제2섬유(20)의 성질이 합성된 것과 같은 효과를 발휘하게 된다. 즉, 하이브리드형 소프트 액츄에이터에 전기를 흐르게 하는 경우 제1섬유(10)의 전기전도성에 의해 발생한 줄 열이 제2섬유(20)까지 전달되면서 소프트 액츄에이터의 길이가 변화되기 때문에 하이브리드형 소프트 액츄에이터에 전기를 흐르게 하는 것만으로 매우 쉽게 소프트 액츄에이터를 구동시킬 수 있을 뿐만 아니라, 상대적으로 큰 신축성을 가지는 제2섬유(20)에 의하여 제1섬유(10)만으로 소프트 액츄에이터를 형성하는 경우에 비하여 큰 변형률을 가질 수 있으므로 인공근육 등에 충분히 적용할 수 있다.
또한, 제1섬유(10)에는 얇은 전선을 연결하여 전기를 흐르게 할 수 있으므로 인공근육 등을 구동시키기 위한 수단의 크기와 무게가 커지는 것을 방지할 수 있고, 전선의 길이에 따라 원거리에서도 소프트 액츄에이터를 구동시킬 수 있다.
그리고 본 발명의 하이브리드형 소프트 액츄에이터는 제1섬유(10)와 제2섬유(20)가 함께 꼬임으로써 형성되어 제1섬유(10)와 제2섬유(20)가 소프트 액츄에이터의 길이 상에서 균일하게 분포하게 되기 때문에 전체 길이 상에서 균질한 변형률을 가질 수 있다.
제1섬유(10)는 제2섬유(20)에 의해 둘러싸여 하이브리드형 소프트 액츄에이터의 단면 내부에 위치하는 것이 바람직하다.
이 경우, 제1섬유(10)에서 발생한 줄 열이 제2섬유(20)에 효과적으로 전달될 수 있다.
제1섬유(10)는 제2섬유(20)에 비하여 작은 신축성을 가지기 때문에 제1섬유(10)와 제2섬유(20)를 함께 꼬는 경우, 제1섬유(10)가 자연스럽게 제2섬유(20)에 의해 둘러싸이게 된다.
상기 제1섬유(10)를 구성하는 합성섬유는 전기전도성 물질의 코팅이 가능하도록 나일론으로 이루어질 수 있으며, 전기전도성 물질은 우수한 전기전도성을 가지는 은이 사용될 수 있다.
그리고 제2섬유(20)를 구성하는 합성섬유는 매우 우수한 신축성을 가지는 스판덱스로 이루어질 수 있다.
제1섬유(10)와 제2섬유(20) 중 적어도 어느 하나, 바람직하게는 제1섬유(10)와 제2섬유(20) 모두는 미소한 직경을 가지고 여러 가닥이 구비될 수 있다.
이 경우, 상대적으로 큰 직경을 가지는 제1섬유(10) 한 가닥과 제2섬유(20) 한 가닥으로 소프트 액츄에이터를 형성하는 경우에 비하여 큰 강도를 발휘하는 것이 가능하고, 제1섬유(10)와 제2섬유(20)를 소프트 액츄에이터의 단면상에서 보다 고르게 분포시킬 수 있어 제1섬유(10)와 제2섬유(20)의 성질을 보다 효과적으로 합성할 수 있다.
여러 가닥의 제1섬유(10)와 제2섬유(20)는 함께 트위스팅 및 코일링되므로 서로 일체화된다.
하이브리드형 소프트 액츄에이터의 전체 단면상에서 제2섬유(20)의 단면적은 제1섬유(10)의 단면적보다 더 크게 형성되는 것이 바람직하다.
제2섬유(20)의 단면적이 상대적으로 큰 경우, 제2섬유(20)의 단면적이 제1섬유(10)의 단면적과 동일하거나 제1섬유(10)의 단면적보다 작은 경우에 비하여 하이브리드형 소프트 액츄에이터가 더 큰 변형률을 가질 수 있다.
이하에서는 본 발명에 의한 하이브리드형 소프트 액츄에이터의 제조방법에 대하여 설명하도록 한다. 본 발명에 의한 하이브리드형 소프트 액츄에이터에 대해 설명하면서 하이브리드형 소프트 액츄에이터의 설명시 언급된 사항에 관하여는 자세한 설명을 생략한다.
도 2에는 본 발명에 의한 하이브리드형 소프트 액츄에이터의 제조방법에 관한 순서도가 도시되어 있다.
본 발명에 의한 하이브리드형 소프트 액츄에이터의 제조방법은 섬유 준비단계(S10), 트위스팅 단계(S20) 및 코일링 단계(S30)를 포함한다.
섬유 준비단계(S10)에서는 제1섬유(10)와 제2섬유(20)를 서로 평행하게 위치시킨다. 제1섬유(10)와 제2섬유(20) 중 적어도 어느 하나는 여러 가닥이 구비될 수 있다.
트위스팅 단계(S20)에서는 제1섬유(10)와 제2섬유(20)의 일단부를 고정한 상태에서 타단부를 모터(M) 등으로 회전시켜 제1섬유(10)와 제2섬유(20)가 함께 트위스팅되도록 한다. 이에 의해, 제1섬유(10)와 제2섬유(20)는 일체화되어 도 1의 (b)에 도시되어 있는 것과 같은 형상을 가지게 된다.
코일링 단계(S30)에서는 제1섬유(10)와 제2섬유(20)를 함께 코일링 한다. 이러한 코일링 단계(S30)는 제1섬유(10)와 제2섬유(20)의 일단부를 고정한 상태에서 타단부를 계속해서 회전시킴으로써 자연스럽게 진행된다. 코일링 단계(S30)를 거친 제1섬유(10)와 제2섬유(20)는 일체성이 더 향상되며 도 1의 (c)에 도시되어 있는 것과 같은 형상을 가지게 된다.
상기 섬유 준비단계(S10)에서 제2섬유(20)는 도 3의 (a)에 도시되어 있는 바와 같이 신장되어 제1섬유(10)와 동일한 길이를 가지는 것이 바람직하다.
제1섬유(10)는 제2섬유(20)에 비하여 작은 신축성을 가지기 때문에 제2섬유(20)가 소프트 액츄에이터로서의 기능을 할 수 있을 때까지 제1섬유(10)와 제2섬유(20)를 함께 꼬게 되면 제1섬유(10)가 작업 중간에 끊어질 수 있다.
제2섬유(20)를 제1섬유(10)보다 짧은 길이로 형성하고 제2섬유(20)를 신장시킴으로써 제1섬유(10)와 동일한 길이를 가지도록 한 상태에서 트위스팅 단계(S20) 등을 진행하면, 제1섬유(10)가 소프트 액츄에이터로서의 기능을 할 수 있게 되는 꼬임 횟수와 거의 동일한 횟수의 꼬임에 의해 제2섬유(20) 또한 소프트 액츄에이터로서의 기능을 할 수 있게 된다.
섬유 준비단계(S10)에서 제2섬유(20)가 신장되어 제1섬유(10)와 동일한 길이를 가지는 경우, 트위스팅 단계(S20)에서 제1섬유(10)는 신장된 상태의 제2섬유(20)와 함께 트위스팅 된다.
트위스팅 단계(S20)에서는 도 3의 (b)에 도시되어 있는 바와 같이 제1섬유(10)와 제2섬유(20)의 일단부를 일정한 위치에 고정하여 트위스팅 단계(S20)가 진행되는 중에 제1섬유(10)와 제2섬유(20)의 길이가 일정하게 유지되도록 할 수 있다.
길이가 고정된 제1섬유(10)와 제2섬유(20)에는 트위스팅 단계(S20)가 진행될수록 더 큰 인장력이 가해지게 되어, 제1섬유(10)와 제2섬유(20) 길이 전체에 대해 충분한 트위스팅이 이루어지기 전에 제1섬유(10)와 제2섬유(20)의 길이 상 일부 구간에서 코일링 단계(S30)가 진행되는 것을 방지할 수 있다.
코일링 단계(S30)에서 제1섬유(10)와 제2섬유(20)는 도 3의 (c)에 도시되어 있는 바와 같이 함께 인장력을 받는 상태에서 코일링 되는 것이 바람직하다.
제1섬유(10)와 제2섬유(20)가 인장력을 받는 상태에서는 제1섬유(10)와 제2섬유(20)의 타단부를 회전시키는 힘이 제1섬유(10)와 제2섬유(20)의 길이 전체에 균일하게 전달될 수 있어, 제1섬유(10)와 제2섬유(20)의 전체 길이 상에서 코일링이 균질하게 이루어질 수 있다.
제1섬유(10)와 제2섬유(20)에는 일단부에 무게추(L) 등을 매닮으로써 인장력을 가할 수 있다.
상기 코일링 단계(S30) 이후에는 트레이닝 단계(S40)가 더 진행될 수 있다. 도 4에는 이러한 경우에 있어, 본 발명에 의한 하이브리드형 소프트 액츄에이터의 제조방법에 관한 순서도가 도시되어 있다.
트레이닝 단계(S40)에서는 상기 제1섬유(10)와 제2섬유(20)를 가열하여 어닐링함으로써 소프트 액츄에이터의 강성(rigidity)은 낮추고 변형률은 높일 수 있다. 이에 따라, 제작된 소프트 액츄에이터가 보다 원활하게 구동할 수 있다.
트레이닝 단계(S40)는 보다 구체적으로 제1트레이닝 단계(S41)와 제2트레이닝 단계(S42)를 포함한다.
제1트레이닝 단계(S41)에서는 제1섬유(10)와 제2섬유(20)에 무게추 등을 매달아 인장력을 가하면서 어닐링 작업을 진행하고, 제2트레이닝 단계(S42)에서는 제1섬유(10)와 제2섬유(20)에서 인장력을 제거하고 어닐링 작업을 진행한다. 인장력의 유무에 따라 어닐링 시 제1섬유(10)와 제2섬유(20)는 길이가 늘어났다가 줄어들게 되므로 제작된 소프트 액츄에이터는 보다 큰 변형률을 가질 수 있다.
상기 트레이닝 단계(S40)에서 제1섬유(10)와 제2섬유(20)의 가열은 전기전도성을 가지는 제1섬유(10)에 전기를 흐르게 하여 줄 열이 발생하도록 함으로써 이루어질 수 있다.
이 경우, 별도의 열원 없이도 제1섬유(10)와 제2섬유(20)를 균질하게 가열해주는 것이 가능하다.
트레이닝 단계(S40)에서 제1섬유(10)와 제2섬유(20)의 가열은 핫건과 같은 외부의 열원에 의해 이루어질 수도 있음은 당연하다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
1 : 하이브리드형 소프트 액츄에이터
10 : 제1섬유 20 : 제2섬유
S10 : 섬유 준비단계 S20 : 트위스팅 단계
S30 : 코일링 단계 S40 : 트레이팅 단계
S41 : 제1트레이닝 단계 S42 : 제2트레이닝 단계

Claims (16)

  1. 전기전도성 및 신축성을 가지는 제1섬유와 상기 제1섬유보다 큰 신축성을 가지는 제2섬유를 서로 나란하게 위치시키는 섬유 준비단계;
    상기 제1섬유와 상기 제2섬유를 함께 트위스팅시키는 트위스팅 단계; 및
    상기 제1섬유와 상기 제2섬유를 함께 코일링시키는 코일링 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 소프트 액츄에이터의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 준비단계에서, 상기 제2섬유는 신장되어 상기 제1섬유와 동일한 길이를 가지고,
    상기 트위스팅 단계에서, 상기 제1섬유는 신장된 상태의 상기 제2섬유와 함께 트위스팅되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 소프트 액츄에이터의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 트위스팅 단계에서, 상기 제1섬유와 상기 제2섬유의 길이는 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 소프트 액츄에이터의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 코일링 단계에서, 상기 제1섬유와 상기 제2섬유는 함께 인장력을 받는 상태에서 코일링 되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 소프트 액츄에이터의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 코일링 단계 이후,
    상기 제1섬유와 상기 제2섬유를 가열하면서 어닐링하는 트레이닝 단계가 더 진행되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 소프트 액츄에이터의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 트레이닝 단계는,
    상기 제1섬유와 상기 제2섬유에 인장력을 가하면서 어닐링하는 제1트레이닝 단계; 및
    상기 제1섬유와 상기 제2섬유에서 인장력을 제거하고 어닐링하는 제2트레이닝 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 소프트 액츄에이터의 제조방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 트레이닝 단계에서는, 상기 제1섬유에 전기를 흐르게 하여 줄 열이 발생하도록 함으로써 상기 제1섬유와 상기 제2섬유를 가열하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 소프트 액츄에이터의 제조방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 의한 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 하이브리드형 소프트 액츄에이터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1섬유는, 전기전도성 물질이 코팅된 합성섬유이거나, 전기전도성 물질의 입자를 함유하는 합성섬유인 것을 특징으로 하는 하이브리드형 소프트 액츄에이터.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전기전도성 물질은 은인 것을 특징으로 하는 하이브리드형 소프트 액츄에이터.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 합성섬유는 나일론으로 이루어진 것을 특징으로 하는 하이브리드형 소프트 액츄에이터.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 제2섬유는 스판덱스로 이루어진 것을 특징으로 하는 하이브리드형 소프트 액츄에이터.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 제1섬유와 제2섬유 중 적어도 어느 하나를 다수 가닥 구비하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 소프트 액츄에이터.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 제2섬유의 단면적은 상기 제1섬유의 단면적보다 더 큰 것을 특징으로 하는 하이브리드형 소프트 액츄에이터.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 제1섬유는 상기 하이브리드형 소프트 액츄에이터의 단면 내부에 위치하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 소프트 액츄에이터.
  16. 삭제
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