KR102290115B1 - 복합 유전체층의 제조방법 및 그를 포함하는 전기접착식 그리퍼의 제조방법 - Google Patents

복합 유전체층의 제조방법 및 그를 포함하는 전기접착식 그리퍼의 제조방법 Download PDF

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KR102290115B1 KR1020200008454A KR20200008454A KR102290115B1 KR 102290115 B1 KR102290115 B1 KR 102290115B1 KR 1020200008454 A KR1020200008454 A KR 1020200008454A KR 20200008454 A KR20200008454 A KR 20200008454A KR 102290115 B1 KR102290115 B1 KR 102290115B1
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Abstract

복합 유전체층의 제조방법 및 그를 포함하는 전기접착식 그리퍼의 제조방법을 개시한다. 상기 복합 유전체층의 제조방법은 (a) 유전체 전구체 및 무기물 입자를 포함하는 혼합물 1을 공자전 혼합기, 초음파 분산기, 고속 교반기 및 나노 밀(nano mill)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상으로 혼합하여 혼합물 2를 제조하는 단계; (b) 상기 혼합물 2를 롤 밀(roll mill)로 혼합하여 혼합물 3을 제조하는 단계; 및 (c) 상기 혼합물 3을 기재에 코팅하고, 상기 유전체 전구체를 경화시켜 유전체와 상기 유전체에 분산된 상기 무기물 입자를 포함하는 복합 유전체층을 제조하는 단계;를 포함할 수 있다. 본 발명의 복합 유전체층의 제조방법은 유전체(신축성 고분자)와 무기물 입자를 공자전 혼합기 및 3롤밀로 혼합시킴으로써, 고점도의 용액을 효율적으로 혼합 및 기포제거가 가능하고, 비교적 저렴한 효과가 있다.

Description

복합 유전체층의 제조방법 및 그를 포함하는 전기접착식 그리퍼의 제조방법{METHOD OF MANUFACTURING COMPOSITE DIELECTRIC LAYER AND ELECTRO-ADHESION GRIPPER COMPRISING SAME}
본 발명은 복합 유전체층의 제조방법 및 그를 포함하는 전기접착식 그리퍼의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 유전체(신축성 고분자)와 무기물 입자를 공자전 혼합기 및 3롤밀로 혼합시킴으로써, 고점도의 용액을 효율적으로 혼합 및 기포제거가 가능한 복합 유전체층의 제조방법 및 그를 포함하는 전기접착식 그리퍼의 제조방법에 관한 것이다.
제조업 환경 전반에 생긴 변화와 그로 인한 경영의 어려움을 겪고 있는 제조업체들은 이를 해결하고자 생산자동화 도입을 고려하고 있다. 이에 따라 생산자동화의 핵심인 산업용 로봇의 성장률은 매년 빠르게 증가하고 있으며, 앞으로도 그의 중요성은 계속해서 커질 것으로 예측된다.
반도체 제조라인, 자동차 부품 등의 조립라인 및 공작기계 등 거의 모든 산업분야에서 소재, 가공품, 완성제품 등을 핸들링하기 위한 로봇의 사용이 보편화되고 있다. 전세계 제조업의 흐름이 생산자동화로 바뀌면서, 사람과 함께 안전하게 작업할 수 있는 '협업 로봇'이 차세대 로봇 트렌드로 등장했다.
협업 로봇은 산업용로봇에 안전기능이 강화되어 인간과 같은 공간에서 공동작업이 가능한 제조로봇으로, 공정 재배치가 용이하여 기존 산업용 로봇에 비해 생산 유연성 증대 효과가 크다. 생산자동화 요구 증대에 따른 다품종 부품과 화물에 대한 피킹 작업 자동화가 시급하며, 다형상 물체의 효율적인 파지를 위한 그리퍼 제품화가 필수이다.
KR 10-2018-0008766 A KR 10-2018-0130824 A KR 10-2011-0099324 A
본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로 유전체(신축성 고분자)와 무기물 입자를 공자전 혼합기 및 3롤밀로 혼합시킴으로써, 고점도의 용액을 효율적으로 혼합 및 기포제거가 가능하고, 비교적 저렴한 복합 유전체층의 제조방법을 제공하는데 있다.
또한, 유전 특성 및 전기접착력이 향상된 복합 유전체층의 제조방법 및 그를 포함하는 전기접착식 그리퍼의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, (a) 유전체 전구체 및 무기물 입자를 포함하는 혼합물 1을 공자전 혼합기, 초음파 분산기, 고속 교반기 및 나노 밀(nano mill)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상으로 혼합하여 혼합물 2를 제조하는 단계; (b) 상기 혼합물 2를 롤 밀(roll mill)로 혼합하여 혼합물 3을 제조하는 단계; 및 (c) 상기 혼합물 3을 기재에 코팅하고, 상기 유전체 전구체를 경화시켜 유전체와 상기 유전체에 분산된 상기 무기물 입자를 포함하는 복합 유전체층을 제조하는 단계;를 포함하는 복합 유전체층의 제조방법이 제공된다.
또한 단계 (a)의 상기 혼합이 공자전 혼합기로 수행될 수 있다.
또한 상기 롤 밀(roll mill)이 3롤 밀을 포함할 수 있다.
또한 상기 롤 밀(roll mill)의 하나의 롤과 인접한 다른 하나의 롤 사이의 갭(gap)이 0.1 내지 50μm일 수 있다.
또한 상기 롤이 지르코니아(ZrO2), 스테인리스 스틸, 알루미나(Al2O3), 크롬 플레이트(Chrome plate), 실리콘 카바이드(SiC) 및 실리콘 나이트라이드(Si3N4) 로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한 상기 공자전 혼합기가 상기 유전체 전구체와 상기 무기물 입자를 공전방향과 자전방향으로 동시에 회전시켜 상기 무기물 입자를 상기 유전체 전구체에 분산시킬 수 있다.
또한 상기 자전방향의 속도가 0 내지 2200 RPM 이고, 상기 공전방향의 속도가 0 내지 2000 RPM 일 수 있다.
또한 상기 유전체 전구체가 실리콘 전구체를 포함할 수 있다.
또한 상기 실리콘 전구체가 폴리디메틸실록산(PDMS) 올리고머를 포함할 수 있다.
또한 상기 혼합물 1이 경화제를 추가로 포함할 수 있다.
또한 상기 유전체 전구체가 에코플렉스(Ecoflex) 및 실가드(Sylgard)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한 상기 무기물 입자가 바륨타이타나이트(BaTiO3), 타이타늄옥사이드(TiO2), 실리콘옥사이드(SiO2), 알루미늄옥사이드(Al2O3), 티탄산 지르콘산 연(PZT, leat zirconate titanate) 및 스트론튬 타이타나이트(SrTiO3)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한 상기 복합 유전체층은 100 중량부의 상기 혼합물 1을 기준으로 상기 무기물 입자 1 내지 50중량부를 포함할 수 있다.
또한 상기 무기물 입자의 크기가 1 nm 내지 200 nm일 수 있다.
또한 상기 복합 유전체층의 유전상수가 2.5 내지 100.0 F/m 일 수 있다.
또한 상기 복합 유전체층의 두께가 10 내지 300μm일 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, (a) 유연기판을 준비하는 단계; (b) 상기 유연기판 상에 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 전극을 패터닝하여 전극이 패터닝된 유연기판을 제조하는 단계; 및 (c) 상기 전극이 패터닝된 유연기판 상에 혼합물을 코팅하고 경화시켜 복합 유전체층을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 혼합물은 유전체 전구체 및 무기물 입자를 포함하는 것인, 전기접착식 그리퍼의 제조방법이 제공된다.
또한 상기 단계 (a) 이후에, 상기 유연기판의 표면을 플라즈마 처리하면서 플라즈마로 표면처리된 유연기판을 제조하는 단계(a')를 추가로 포함할 수 있다.
또한 상기 유연기판이 폴리디메틸실록산(PDMS), 천연고무, 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 스티렌-이소프렌-스티렌(SIS), 폴리우레탄(polyurethane), 스티렌-부타디엔-스티렌(SBS), 스티렌-에틸렌부틸렌-스티렌(SEBS), 폴리에틸아크릴레이트, 폴리부틸아크릴레이트, 폴리헥실아크릴레이트, Ecoflex, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리락틱그리코릭에시드(PLGA) 및 폴리스타이렌(PS)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한 상기 패터닝이 실크 스크린 인쇄, 잉크젯 프린팅, 3D 프린팅, 마이크로 컨택 패터닝, 포토리소그래피 및 소프트리소그래피로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 방법으로 패터닝될 수 있다.
또한 상기 전극이 탄소 물질 및 금속 입자로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한 상기 탄소 물질은 카본 나노 튜브(carbon nano tube, CNT), 카본 페이스트(carbon paste), 그래핀 옥사이드(graphene oxide), 그래파이트(graphite), 및 카본 파이버(carbon fiber)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하고, 상기 금속 입자는 은(Ag), 금(Au), 구리, 백금, 팔라듐, 니켈, 인듐, 알루미늄, 철, 로듐, 루테늄, 오스뮴, 코발트, 몰리브덴, 아연, 바나듐, 텅스텐, 티탄, 망간, 크롬, 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 복합 유전체층의 제조방법은 유전체(신축성 고분자)와 무기물 입자를 공자전 혼합기 및 3롤밀로 혼합시킴으로써, 고점도의 용액을 효율적으로 혼합 및 기포제거가 가능하고, 비교적 저렴한 효과가 있다.
또한 본 발명의 복합 유전체층의 제조방법 및 그를 포함하는 전기접착식 그리퍼의 제조방법은 유전 특성 및 전기접착력이 향상되는 효과가 있다.
또한 본 발명의 복합 유전체층의 제조방법 및 그를 포함하는 전기접착식 그리퍼의 제조방법은 소형, 경량, 저가의 하이브리드형 그리퍼 제품화에 기여할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 공자전 혼합을 수행한 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 3롤밀의 사진이다.
도 3은 실시예 1-11에 따른 공자전 혼합기 및 3롤밀을 통한 혼합 전 후 이미지이다.
도 4는 실시예 1-16에 따른 공자전 혼합기 및 3롤밀을 통한 혼합 전 후 이미지이다.
도 5는 실시예 1-17, 비교예 1 및 2에 따른 혼합 용액의 SEM 이미지이다.
도 6은 실시예 1-17, 비교예 1 및 2에 따른 혼합 용액의 유전상수를 나타낸 그래프이다.
도 7의 (a)는 본 발명에 따른 전기접착식 그리퍼의 구조도이고, (b)는 본 발명에 따른 전기접착식 그리퍼의 단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 복합 유전체층을 포함하는 전기접착식 그리퍼의 단면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 전기접착식 그리퍼의 이미지이다.
도 10은 실시예 1-2, 1-6, 1-13 및 비교예 3에 따른 전기접착식 그리퍼의 무기물 입자의 종류에 따른 전기장을 나타낸 그래프이다.
도 11은 ground를 연결하지 않았을 때 비교예 3에 따라 제조된 전기접착식 그리퍼의 인가 전압 및 측정 거리에 따른 전기장 형성 그래프이다.
도 12는 ground를 연결했을 때 비교예 3에 따라 제조된 전기접착식 그리퍼의 인가 전압 및 측정 거리에 따른 전기장 형성 그래프이다.
도 13은 실시예 1-2, 1-6, 1-13, 및 비교예 3에 따라 제조된 그리퍼의 전기접착력을 나타낸 그래프이다.
도 14는 실시예 1-2, 1-13 및 1-6에 따라 제조된 그리퍼의 전기접착력을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 이하에서 사용될 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
또한, 어떤 구성요소가 "다른 구성요소 상에", " 다른 구성요소 상에 형성되어" 또는 " 다른 구성요소 상에 적층되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 표면 상의 전면 또는 일면에 직접 부착되어 형성되어 있거나 적층되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 더 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 공자전 혼합을 수행한 사진이고, 도 2는 본 발명에 따른 3롤밀의 사진이다.
이하, 도 1 및 2를 참고하여 본 발명의 복합 유전체층의 제조방법에 대해 설명하도록 한다.
먼저, 유전체 전구체 및 무기물 입자를 포함하는 혼합물 1을 공자전 혼합기, 초음파 분산기 , 고속 교반기 및 나노 밀( nano mill)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상으로 혼합하여 혼합물 2를 제조한다(단계 a).
단계 (a)의 상기 혼합이 공자전 혼합기로 수행될 수 있다.
상기 공자전 혼합기가 상기 유전체 전구체와 상기 무기물 입자를 공전방향과 자전방향으로 동시에 회전시켜 상기 무기물 입자를 상기 유전체 전구체에 분산시킬 수 있다.
상기 자전방향의 속도가 0 내지 2200 RPM 이고, 상기 공전방향의 속도가 0 내지 2000 RPM 일 수 있다.
상기 자전방향과 공전방향의 속도를 조절하여 혼합 및 기체 탈포의 목적을 다양하게 수행할 수 있다. 자전 방향의 속도가 0일 경우, 공전을 통하여 기체 탈포의 목적을 수행할 수 있으며, 공전 및 자전의 속도를 동시에 올릴 경우, 혼합을 목적으로 혼합법을 수행할 수 있다. 본 실험의 경우 최적의 혼합을 위해 최대 조건으로 실험을 진행하였다.
상기 유전체 전구체가 실리콘 전구체를 포함할 수 있다.
상기 실리콘 전구체가 폴리디메틸실록산(PDMS) 올리고머를 포함할 수 있다.
상기 혼합물 1이 경화제를 추가로 포함할 수 있다.
상기 유전체 전구체가 에코플렉스(Ecoflex) 및 실가드(Sylgard)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 무기물 입자가 바륨타이타나이트(BaTiO3), 타이타늄옥사이드(TiO2), 실리콘옥사이드(SiO2), 알루미늄옥사이드(Al2O3), 티탄산 지르콘산 연(PZT, leat zirconate titanate) 및 스트론튬 타이타나이트(SrTiO3)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 알루미늄옥사이드(Al2O3)를 포함할 수 있다.
상기 무기물 입자의 크기가 1 nm 내지 200 nm일 수 있다.
다음으로, 상기 혼합물 2를 롤 밀(roll mill)로 혼합하여 혼합물 3을 제조한다(단계 b).
상기 롤 밀(roll mill)이 3롤 밀을 포함할 수 있다.
상기 롤 밀(roll mill)의 하나의 롤과 인접한 다른 하나의 롤 사이의 갭(gap)이 0.1 내지 50μm 일 수 있다. 상기 갭이 0.1μm 미만이면, 롤 사이의 간격이 측정 가능 갭 이하로 줄어들어 롤 간의 접촉 가능성이 생기며 이로 인해 롤이 상할 수 있으므로 바람직하지 않고, 50μm를 초과하면 롤 간격을 조절하는 용수철의 범위 밖으로 벌어져 롤러의 간격을 유지할 수 없으므로 바람직하지 않다.
3롤밀의 갭 조절을 통하여 뭉쳐있는 무기물 입자들의 단계적 파쇄가 가능하며, 100nm 이하의 입자들도 분쇄가 가능하다. 또한 각각의 롤러의 속도를 조절하여 분쇄 및 분산을 유도할 수 있다.
상기 롤이 지르코니아(ZrO2), 스테인리스 스틸, 알루미나(Al2O3), 크롬 플레이트(Chrome plate), 실리콘 카바이드(SiC) 및 실리콘 나이트라이드(Si3N4) 로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 지르코니아(ZrO2)를 포함할 수 있다.
마지막으로, 상기 혼합물 3을 기재에 코팅하고, 상기 유전체 전구체를 경화시켜 유전체와 상기 유전체에 분산된 상기 무기물 입자를 포함하는 복합 유전체층을 제조한다(단계 c).
상기 복합 유전체층은 100 중량부의 상기 혼합물 1을 기준으로 상기 무기물 입자 1 내지 50중량부를 포함할 수 있다.
상기 복합 유전체층의 유전상수가 2.5 내지 100.0 F/m 일 수 있다.
상기 복합 유전체층의 두께가 10 내지 300μm일 수 있다.
도 7의 (a)는 본 발명에 따른 전기접착식 그리퍼의 구조도이고, (b)는 본 발명에 따른 전기접착식 그리퍼의 단면도이고, 도 8은 본 발명에 따른 복합 유전체층을 포함하는 전기접착식 그리퍼의 단면도이고, 도 9는 본 발명에 따른 전기접착식 그리퍼의 이미지이다.
이하, 도 7 내지 9를 참조하여 본 발명의 전기접착식 그리퍼의 제조방법에 대해 설명하도록 한다.
먼저, 유연기판(110)을 준비한다(단계 a).
상기 단계 (a) 이후에, 상기 유연기판(110)의 표면을 플라즈마 처리하면서 플라즈마로 표면처리된 유연기판을 제조하는 단계(a')를 추가로 포함할 수 있다.
상기 유연기판(110)이 폴리디메틸실록산(PDMS), 천연고무, 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 스티렌-이소프렌-스티렌(SIS), 폴리우레탄(polyurethane), 스티렌-부타디엔-스티렌(SBS), 스티렌-에틸렌부틸렌-스티렌(SEBS), 폴리에틸아크릴레이트, 폴리부틸아크릴레이트, 폴리헥실아크릴레이트, Ecoflex, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리락틱그리코릭에시드(PLGA) 및 폴리스타이렌(PS)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
다음으로, 상기 유연기판 (110) 상에 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)을 포함하는 전극을 패터닝하여 전극이 패터닝된 유연기판을 제조한다(단계 b).
상기 전극이 패터닝된 유연기판은 상기 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)을 각각 포함하는 전극 패턴(120)을 포함할 수 있다.
상기 패터닝이 실크 스크린 인쇄, 잉크젯 프린팅, 3D 프린팅, 마이크로 컨택 패터닝, 포토리소그래피 및 소프트리소그래피로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 방법으로 패터닝될 수 있다.
상기 전극이 탄소 물질 및 금속 입자로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 탄소 물질은 카본 나노 튜브(carbon nano tube, CNT), 카본 페이스트(carbon paste), 그래핀 옥사이드(graphene oxide), 그래파이트(graphite), 및 카본 파이버(carbon fiber)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하고, 상기 금속 입자는 은(Ag), 금(Au), 구리, 백금, 팔라듐, 니켈, 인듐, 알루미늄, 철, 로듐, 루테늄, 오스뮴, 코발트, 몰리브덴, 아연, 바나듐, 텅스텐, 티탄, 망간, 크롬, 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)이 빗(comb)의 형태이고, 상기 빗이 빗살(combteeth)과 상기 빗살을 지지하는 지지부를 포함하는 빗(comb)의 형태이고, 상기 제1 전극의 빗살(1211)이 상기 제2 전극의 빗살(1221)과 교대로 위치하고, 제1 전극과 제2 전극이 서로 전기적으로 연결되지 않을 수 있다.
상기 제1 도선의 지지부(1212) 및 상기 제2 도선의 지지부(1222)에 각각 제1 전압 인가 연결부(141) 및 제2 전압 인가 연결부(142)가 연결될 수 있다.
마지막으로, 상기 전극이 패터닝된 유연기판 상에 혼합물을 코팅하고 경화시켜 복합 유전체층(130)을 형성하여 전기 접착식 그리퍼를 제조한다(단계 c).
상기 혼합물은 유전체 전구체 및 무기물 입자를 포함할 수 있다.
상기 복합 유전체층(130)은 상기 복합 유전체층의 제조방법에 의해 제조될 수 있다.
[실시예]
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하도록 한다. 그러나 이는 예시를 위한 것으로서 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
제조예 1: 유연기판 형성
제조예 1-1
주제:경화제의 비율이 10:1인 다우 코닝 회사의 sylgard 182 PDMS을 상온에서 30분 동안 진공을 통해 기포를 제거하였다. 그 동안 알루미늄판을 IPA 로 30분간 초음파를 통해 닦아 준비하고, 그 위에 기포가 제거된 PDMS를 60 - 1000㎛ 두께로 코팅하였다. 이후, 125 ℃에서 1 시간 동안 경화하고, 대기압 상태에서 PDMS 유연 기판을 두 전극 사이에 두고 플라즈마를 발생시키며 산소 기체를 쬐어주어 표면 고분자가 산소와 반응하여 -OH 기를 갖게 하는 방식으로 표면 처리를 진행하였다. 이를 통해 표면을 친수성 개질한 유연기판을 형성하였다.
제조예 1-2
미리 준비된 x,y,z 값이 고정되어 있는 틀에 고형 PDMS의 실리콘 계통 물질을 넣고 압착하고 125 ℃에서 1 시간 동안 경화하였다. 이후 대기압 상태에서 고형 PDMS 유연 기판을 두 전극 사이에 두고 플라즈마를 발생시키며 산소 기체를 쬐어주어 표면 고분자가 산소와 반응하여 -OH 기를 갖게 하는 방식으로 표면 처리를 진행하였다. 이를 통해 표면을 친수성 개질한 유연기판을 형성하였다.
제조예 2: 전극패턴 형성
제조예 1-1에 따라 제조된 유연기판 상에 실크 스크린 인쇄법을 이용하여 binder(실리콘), 용제(헥산) 그리고 Ag flake 혹은 Au coated Cu flake 가 섞여 있는 페이스트를 패턴이 100 내지 1000 마이크로미터 단위로 뚫려 있는 실크 스크린 위에 올려놓은 후 아래에 유연 기판을 두어 코팅하였다. 페이스트는 인쇄의 유용성을 위해서는 바인더를, 전도성을 높이기 위해서는 flake 함량을 늘리는 방식으로 그 비율을 조절하였다. 이와 같은 방식으로 전극을 코팅하고, 이후 150℃에서 1시간 동안 오븐에서 베이킹하여 100 X 100 mm2 크기의 대면적 전극 패턴을 인쇄하였다. 상기 전극 패턴의 간격(spacing)은 500μm이다.
전기접착식 그리퍼의 제조
실시예 1: 공자전 혼합기 및 3롤밀을 이용한 복합 유전체층 형성
실시예 1-1 내지 1-15
주제:경화제의 비율이 10:1인 다우 코닝 회사의 sylgard 182 PDMS를 사용하였다. 이때, 상기 주제에 무기물 입자를 넣어 예비 혼합하여 혼합용액을 제조하고, 상기 혼합용액을 플라네터리 믹서(planetary mixer: 공자전 혼합기)에 넣어 자전(2200 rpm)과 공전(2000 rpm)을 동시에 적용하여 기포 제거와 혼합용액의 혼합을 수행한 후 이어서 3롤밀(3 roll mill)로 혼합을 수행하였다. 이때 지르코니아 재질의 롤을 사용하였으며, 롤과 롤 사이의 갭(gap)은 50μm부터 점차 줄여 최종적으로 100nm까지 도달하도록 하였고, 롤의 회전 속도는 1, 2번 롤의 경우 60rpm, 3번 롤의 경우 120rpm이었다. 공자전 혼합기 및 3롤밀을 통해 혼합한 상기 sylgard 182 PDMS를 상온에서 30분 동안 진공을 통해 버블을 제거하였다. 버블을 제거한 후 경화제를 혼합하고 상기 제조예 2에 따라 제조된 전극 패턴 위에 도포하고 바 코터를 통해 60μm 두께로 코팅한 다음 125℃ 오븐에서 1시간 동안 베이킹하여 복합 유전체층을 형성하여 전기접착식 그리퍼를 제조하였다.
하기 표 1을 참고하면, 표 1의 조건으로 상기에 기재된 방법을 이용하여 실시예 1-1 내지 1-17의 전기접착식 그리퍼를 각각 제조하였다.
구분 무기물 입자
종류 상품명 함량(wt%) 혼합 사이즈
(nm)
실시예 1-1 SiO2 Aerosil R202 3 공자전 혼합기 및 3롤밀 10-20 nm
실시예 1-2 SiO2 Aerosil R202 5 공자전 혼합기 및 3롤밀 10-20 nm
실시예 1-3 SiO2 Aerosil R202 10 공자전 혼합기 및 3롤밀 10-20 nm
실시예 1-4 SiO2 Aerosil R202 15 공자전 혼합기 및 3롤밀 10-20 nm
실시예 1-5 TiO2 Aerosil P25 3 공자전 혼합기 및 3롤밀 10-20 nm
실시예 1-6 TiO2 Aerosil P25 5 공자전 혼합기 및 3롤밀 10-20 nm
실시예 1-7 TiO2 Aerosil P25 10 공자전 혼합기 및 3롤밀 10-20 nm
실시예 1-8 TiO2 Aerosil P25 15 공자전 혼합기 및 3롤밀 10-20 nm
실시예 1-9 TiO2 Aerosil P25 20 공자전 혼합기 및 3롤밀 10-20 nm
실시예 1-10 TiO2 Aerosil P25 25 공자전 혼합기 및 3롤밀 10-20 nm
실시예 1-11 TiO2 Aerosil P25 30 공자전 혼합기 및 3롤밀 10-20 nm
실시예 1-12 Al2O3 Aerosil AluC 3 공자전 혼합기 및 3롤밀 10-20 nm
실시예 1-13 Al2O3 Aerosil AluC 5 공자전 혼합기 및 3롤밀 10-20 nm
실시예 1-14 Al2O3 Aerosil AluC 10 공자전 혼합기 및 3롤밀 10-20 nm
실시예 1-15 Al2O3 Aerosil AluC 15 공자전 혼합기 및 3롤밀 10-20 nm
실시예 1-16 Al2O3 Aerosil AluC 20 공자전 혼합기 및 3롤밀 10-20 nm
실시예 1-17 BaTiO3 Barium titanate, US research nanomaterials 10 공자전 혼합기 및 3롤밀 100 nm
비교예 1 BaTiO3 Barium titanate, US research nanomaterials 10 균질기(Homogenizer) 100 nm
비교예 2 BaTiO3 Barium titanate, US research nanomaterials 10 샌드 밀(Sand mill) 100 nm
비교예 3 - - 0 - -
비교예 1: 균질기(Homogenizer)를 이용한 복합 유전체층 형성
플라네터리 믹서(planetary mixer: 공자전 혼합기)에 넣어 자전과 공전을 동시에 적용하여 혼합을 수행한 후 이어서 3롤밀로 혼합을 수행한 혼합용액을 사용하는 대신에 균질기(Homogenizer)를 이용하여 혼합한 혼합용액을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1-17과 동일한 방법으로 전기접착식 그리퍼를 제조하였다.
비교예 2: 샌드 밀(Sand mill)을 이용한 복합 유전체층 형성
플라네터리 믹서(planetary mixer: 공자전 혼합기)에 넣어 자전과 공전을 동시에 적용하여 혼합을 수행한 후 이어서 3롤밀로 혼합을 수행한 혼합용액을 사용하는 대신에 샌드 밀(Sand mill)을 이용하여 혼합한 혼합용액을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1-17과 동일한 방법으로 전기접착식 그리퍼를 제조하였다.
비교예 3: PDMS 유전체층 형성
제조예 2에 따라 제조된 전극 패턴 위에 주제:경화제의 비율이 10:1인 다우 코닝 회사의 sylgard 182 PDMS를 도포하여 바 코터를 통해 60μm 두께로 코팅한 다음 125℃ 오븐에서 1시간 동안 베이킹하여 PDMS 유전체층을 형성하여 전기접착식 그리퍼를 제조하였다
[시험예]
시험예 1: 공자전 혼합기 및 3롤밀에 따른 혼합 전 후 이미지 비교
도 3 및 4는 각각 실시예 1-11 및 1-16에 따른 공자전 혼합기 및 3롤밀을 통한 혼합 전 후 이미지이다.
TiO2 함량이 20wt%인 조건, Al2O3 함량이 10wt%인 조건은 기존의 혼합법으로는 혼합할 수 없는 한계였으나, 도 3 및 4를 참조하면 본 발명에 따른 공자전 혼합기 및 3롤밀을 순차적으로 사용하는 혼합법을 통해 TiO2 함량이 30wt%인 조건, Al2O3 함량이 20wt%인 조건에서도 혼합할 수 있는 것을 확인할 수 있었다 즉, 공자전 혼합기 및 3롤밀을 순차적으로 사용하여 혼합을 수행함으로써 기존의 혼합법으로는 혼합되지 않은, 고함량의 무기 나노 입자를 포함한, 점도가 90kcP 이상의 혼합용액을 혼합 및 분산시킬 수 있다.
시험예 2: 혼합기 종류에 따른 SEM 이미지 및 유전상수 분석
도 5는 실시예 1-17, 비교예 1 및 2에 따른 혼합 용액의 SEM 이미지이다. 도 5를 참조하면, 같은 입자 함량에 있어서도 혼합기 종류에 따라 SEM 이미지가 다른 것을 확인할 수 있었다.
도 6은 실시예 1-17, 비교예 1 및 2에 따른 혼합 용액의 유전상수를 나타낸 그래프이다. 도 6을 참조하면, 공자전 혼합기 및 3롤밀을 순차적으로 사용하여 혼합한 혼합 용액의 유전 상수가 가장 우수한 것을 확인할 수 있었다.
시험예 3: 무기물 입자의 종류에 따른 전기접착식 그리퍼의 전기장 측정
전기접착식 그리퍼와 25 mm 거리를 두고 전기장 측정기 디텍터를 위치시켰다. 이후 측정기의 마개를 열어 인가 전압에 따른 전기장의 변화를 기록하는 방식으로 전기장을 측정하였으며, 전기장 측정기의 몸체를 노트북과 연결하여 측정된 전기장을 읽었다.
도 10은 실시예 1-2, 1-6, 1-13 및 비교예 3에 따른 전기접착식 그리퍼의 전기장을 나타낸 그래프이다. 도 10을 참조하면, 무기물 입자인 Al2O3를 포함하는 실시예 1-13은 무기물 입자를 포함하지 않은 비교예 3에 비해 인가 전압이 증가할수록 전기장이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 유전체층 즉, 절연층의 유전상수가 일정 수준 이상으로 높아지게 될 경우 절연층 위에서 측정되는 전기장의 세기가 감소한다. 이는 절연층의 무기입자에 기인한 유전상수의 증가로 인해 절연층의 전기장 인가로 인한 분극 형성이 증가하고, 이로 인해 절연층을 통과하는 전기장의 세기가 약해지기 때문이다.
시험예 4: 인가전압, 측정 거리, ground 연결 유무에 따른 전기장 측정
비교예 3에 따라 제조된 전기접착식 그리퍼와 전기장 측정기 디텍터 사이의 거리를 10mm에서 50mm로 조절하고, 측정기의 마개를 열어 인가 전압에 따른 전기장의 변화를 기록하는 방식으로 전기장을 측정하였으며, 전기장 측정기의 몸체를 노트북과 연결하여 측정된 전기장을 읽었다. 이때 ground를 연결하지 않고 전기장을 측정한 결과를 도 11, ground를 연결하고 전기장을 측정한 결과를 도 12에 나타내었다. 도 11 및 도 12의 세로축인 applied voltage는 측정된 전기장을 의미한다. 전기 접착식 그리퍼 구동에 사용되는 인가 전압은 도 11 및 도 12의 우상단에 표현하였으며 1 kV 부터 5 kV까지 조절하였다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 전기장 측정 결과는 측정 거리의 제곱에 반비례하는 이론식을 따르는 것을 확인할 수 있었다. 또한 인가 전압의 크기에 따라 전기장의 크기가 정비례하여 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
시험예 5: 무기물 입자의 종류에 따른 전기접착력 측정
수직 방향으로의 접착력을 측정할 수 있는 세팅을 통하여 동일한 인가 전압에서 무기물 나노 입자의 종류에 따라 그리퍼의 전기 접착력이 달라지는 것을 측정하였다.
도 13은 실시예 1-2, 1-6, 1-13 및 비교예 3에 따라 그리퍼의 전기접착력을 나타낸 그래프이다. 도 13을 참조하면, 같은 wt% 함량에서 Al2O3가 가장 높은 전기접착력을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
도 14는 실시예 1-2, 1-6 및 1-13에 따라 제조된 그리퍼의 전기접착력을 나타낸 그래프이다. 인가 전압을 가하지 않았을 때(0 kV)와 2 kV로 인가전압을 가했을 때 전기접착식 그리퍼 표면에서 측정되는 접착력을 비교하였다. 도 14를 참조하면, 인가 전압이 없을 경우에는 표면의 고유 점착력을 제외한 접착력이 거의 측정되지 않는 것에 반해 2 kV 전압을 인가할 경우 전기접착력이 측정되는 것을 확인할 수 있다. 또한 그 크기는 나노 입자의 종류에 따라 차이가 난다는 것을 확인할 수 있었다.
이상에서 본 발명의 바람직한 구현예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (20)

  1. (a) 유연기판을 준비하는 단계;
    (b) 상기 유연기판 상에 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 전극을 패터닝하여 전극이 패터닝된 유연기판을 제조하는 단계; 및
    (c) 상기 전극이 패터닝된 유연기판 상에 혼합물 3을 코팅하고 경화시켜 복합 유전체층을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 혼합물 3은 유전체 전구체 및 무기물 입자를 포함하는 것인, 전기접착식 그리퍼의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (c)가
    (1) 유전체 전구체 및 무기물 입자를 포함하는 혼합물 1을 공자전 혼합기, 초음파 분산기, 고속 교반기 및 나노 밀(nano mill)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상으로 혼합하여 혼합물 2를 제조하는 단계;
    (2) 상기 혼합물 2를 롤 밀(roll mill)로 혼합하여 혼합물 3을 제조하는 단계; 및
    (3) 상기 혼합물 3을 상기 전극이 패터닝된 유연기판 상에 코팅하고, 상기 유전체 전구체를 경화시켜 유전체와 상기 유전체에 분산된 상기 무기물 입자를 포함하는 복합 유전체층을 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기접착식 그리퍼의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    단계 (1)의 상기 혼합이 공자전 혼합기로 수행되는 것을 특징으로 하는 전기접착식 그리퍼의 제조방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 롤 밀(roll mill)이 3롤 밀을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기접착식 그리퍼의 제조방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 롤 밀(roll mill)의 하나의 롤과 인접한 다른 하나의 롤 사이의 갭(gap)이 0.1 내지 50μm인 것을 특징으로 하는 전기접착식 그리퍼의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 롤이 지르코니아(ZrO2), 스테인리스 스틸, 알루미나(Al2O3), 크롬 플레이트(Chrome plate), 실리콘 카바이드(SiC) 및 실리콘 나이트라이드(Si3N4)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기접착식 그리퍼의 제조방법.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 공자전 혼합기가 상기 유전체 전구체와 상기 무기물 입자를 공전방향과 자전방향으로 동시에 회전시켜 상기 무기물 입자를 상기 유전체 전구체에 분산시키는 것을 특징으로 하는 전기접착식 그리퍼의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 자전방향의 속도가 0 내지 2200 RPM 이고, 상기 공전방향의 속도가 0 내지 2000 RPM 인 것을 특징으로 하는 전기접착식 그리퍼의 제조방법.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 유전체 전구체가 실리콘 전구체를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기접착식 그리퍼의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 실리콘 전구체가 폴리디메틸실록산(PDMS) 올리고머를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기접착식 그리퍼의 제조방법.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 혼합물 1이 경화제를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기접착식 그리퍼의 제조방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 유전체 전구체가 에코플렉스(Ecoflex) 및 실가드(Sylgard)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기접착식 그리퍼의 제조방법.
  13. 제2항에 있어서,
    상기 무기물 입자가 바륨타이타나이트 (BaTiO3), 타이타늄옥사이드(TiO2), 실리콘옥사이드 (SiO2), 알루미늄옥사이드 (Al2O3), 티탄산 지르콘산 연(PZT, leat zirconate titanate) 및 스트론튬 타이타나이트(SrTiO3)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기접착식 그리퍼의 제조방법.
  14. 제2항에 있어서,
    상기 복합 유전체층은 100 중량부의 상기 혼합물 1을 기준으로 상기 무기물 입자 1 내지 50중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기접착식 그리퍼의 제조방법.
  15. 제2항에 있어서,
    상기 무기물 입자의 크기가 1 nm 내지 200 nm인 것을 특징으로 하는 전기접착식 그리퍼의 제조방법.
  16. 제2항에 있어서,
    상기 복합 유전체층의 유전상수가 2.5 내지 100.0 F/m 인 것을 특징으로 하는 전기접착식 그리퍼의 제조방법.
  17. 제2항에 있어서,
    상기 복합 유전체층의 두께가 10 내지 300μm인 것을 특징으로 하는 전기접착식 그리퍼의 제조방법.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (a) 이후에, 상기 유연기판의 표면을 플라즈마 처리하면서 플라즈마로 표면처리된 유연기판을 제조하는 단계(a')를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기접착식 그리퍼의 제조방법.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 유연기판이 폴리디메틸실록산(PDMS), 천연고무, 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 스티렌-이소프렌-스티렌(SIS), 폴리우레탄(polyurethane), 스티렌-부타디엔-스티렌(SBS), 스티렌-에틸렌부틸렌-스티렌(SEBS), 폴리에틸아크릴레이트, 폴리부틸아크릴레이트, 폴리헥실아크릴레이트, Ecoflex, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리락틱그리코릭에시드(PLGA) 및 폴리스타이렌(PS)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기접착식 그리퍼의 제조방법.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 패터닝이 실크 스크린 인쇄, 잉크젯 프린팅, 3D 프린팅, 마이크로 컨택 패터닝, 포토리소그래피 및 소프트리소그래피로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 방법으로 패터닝되는 것을 특징으로 하는 전기접착식 그리퍼의 제조방법.
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