KR102655316B1 - 불균일 공간 전하층과 유전성 유체를 이용한 주머니 형태의 유연 구동기 - Google Patents

불균일 공간 전하층과 유전성 유체를 이용한 주머니 형태의 유연 구동기 Download PDF

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Abstract

새로운 형태의 유연 구동기가 개시된다. 전기활성 폴리머 필름은 기판 필름과 가장자리 둘레를 일주하면서 접합되어 내부 공간을 가진 주머니 구조를 형성하고, 전기장 내에서 불균일 공간 전하 분포를 보인다. 주머니 구조의 내부 공간에는 유전성 유체가 채워진다. 제1 전극은 주머니 구조 내면의 기판 필름 상에 접합되고, 제2 전극은 전기활성 폴리머 필름의 외측면 일부 영역에 제1 전극과 적어도 일부가 중첩되게 배치된다. 제1 전극과 제2 전극 사이에 가해지는 구동전압에 의해 전기활성 폴리머 필름에 불균일 공간 전하층으로 대전되어 제1 전극과 서로 끌어당기는 강한 정전기력이 발생한다. 이로 인해 전기활성 폴리머 필름이 상기 제1 전극의 표면 쪽으로 접근하게 되면서 유전성 유체를 제1 전극의 바깥쪽으로 밀어내면서 주머니 구조의 형상 변형을 유발하는 기계적인 구동이 발생한다. 유연 구동기는 낮은 구동전압으로 높은 출력을 얻을 수 있다.

Description

불균일 공간 전하층과 유전성 유체를 이용한 주머니 형태의 유연 구동기 {POUCH TYPE SOFT ACTUATOR WITH HETERO SPACE CHARGE LAYER AND DIELECTRIC FLUID}
본 발명은 유연 구동기(soft actuator)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유전 유체(dieletric fluid)를 담고 있는 주머니(pouch) 형태로서, 유압을 이용한 구동기와 전기 활성 고분자를 이용한 구동기를 융합한 유연 구동기에 관한 것이다.
최근 유연 구동기는 다양한 분야에서 필요로 하여 응용예가 확대되고 있다. 유연 구동기를 필요로 하는 적용 분야의 예로는 사람과 직접적인 상호작용을 하는 웨어러블 기기, 재활 로봇, 인공근육, 튜너블 렌즈(tunable lens), 햅틱 디바이스, 랩온어칩(lab-on-a-chip) 디바이스의 마이크로 펌프 및 밸브 등을 들 수 있다. 이러한 분야에 적용되는 유연 구동기는 크게 유압 또는 공압을 이용한 구동기, 전기 활성 고분자를 이용한 구동기, 형상 기억 합금을 이용한 구동기 등으로 구분할 수 있다.
유압이나 공압을 이용한 기존의 유연 구동기는 높은 출력 힘을 보이는 장점을 가지지만, 유압이나 공압을 제어하기 위한 외부 펌프 등의 동력 시스템이 필요하다는 한계를 가지고 있다. 유연 구동기를 필요로 하는 대부분의 적용 분야가 모빌리티를 요구한다는 점에 있어서 동력 시스템의 필요성은 전체 구동기 시스템의 소형화와 경량화를 어렵게 만든다.
전기 활성 고분자를 이용한 구동기는 크게 유전성 고분자를 이용한 구동기와 이온성 고분자를 이용한 구동기로 나뉠 수 있다. 유전성 고분자를 이용한 구동기는 전기를 통해 제어하기 때문에 제어성이 좋고 재료의 유전 특성에 의존하기 때문에 반응 속도가 빠르지만, 일반적으로는 높은 전압 하에서 구동되어야 한다는 한계를 가지고 있다. 유압을 이용한 구동기와 마찬가지로, 유전성 고분자 기반 구동기는 외부에 고전압 앰프와 같은 별도의 시스템을 필요로 한다. 이점 또한 고전압에 대한 안전성 등과 관련해서 구동기로서의 적용을 어렵게 하는 점이다. 이온성 고분자를 이용한 구동기는 수 볼트 정도의 낮은 전압에서 구동한다는 장점을 갖는다. 하지만, 전해질 환경의 변화에 따라 안정적인 구동이 힘들다는 한계가 있다.
한편, 형상기억합금을 이용한 구동기는 수축과 이완 운동의 구현이 가능하고, 큰 출력을 낼 수 있다. 그러나 이 구동기는 에너지 효율이 낮고 열에 의해 작동하기 때문에 이완 시의 쿨링에 의한 반응 속도가 느린 점과 히스테리시스에 의한 정밀 피드백 제어가 어렵다는 것이 단점이다.
본 발명의 예시적인 실시예들은 불균일 공간 전하 분포층(hetero-space charge layer)을 가지는 전기 활성 고분자를 이용한 구동기와 유전성 유체의 유압을 이용하는 구동기를 융합한 구조의 주머니형 유연 구동기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 예시적인 실시예들은 상대적으로 낮은 작동 전압으로 구동되면서도 높은 출력과 제어성을 모두 갖는 유전 유체 내장형 주머니 형태의 유연 구동기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제들에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
상기 본 발명의 일 목적을 실현하기 위한 실시예들에 따른 유연 구동기는 기판 필름, 전기활성 폴리머 필름, 유전성 유체, 제1 전극, 그리고 제2 전극을 포함할 수 있다. 상기 전기활성 폴리머 필름은 상기 기판 필름과 가장자리 둘레를 일주하면서 접합되어 내부 공간을 가진 주머니 구조를 형성하고, 전기장 내에서 불균일 공간 전하 분포를 나타낸다. 상기 유전성 유체는 상기 주머니 구조의 내부 공간에 채워진다. 상기 제1 전극은 상기 주머니 구조의 내면을 이루는 상기 기판 필름의 표면에 부착 또는 적층된다. 상기 제2 전극은 상기 전기활성 폴리머 필름의 외측면 일부 영역에 상기 제1 전극과 적어도 일부가 중첩되도록 부착 또는 적층되고, 상기 제1 전극과의 사이에 가해지는 구동전압에 의해 전기장을 형성하여 상기 전기활성 폴리머 필름에 불균일 공간 전하층으로 대전되게 한다.
예시적인 실시예에서, 상기 유연 구동기는, 상기 전기활성 폴리머 필름 표면에 유도된 불균일 공간 전하층과 상기 제1 전극에 대전된 전하들 사이의 정전기 인력에 의해 상기 전기활성 폴리머 필름이 상기 제1 전극의 표면 쪽으로 접근하면서 상기 내부 공간에 있는 상기 유전성 유체를 상기 제1 전극의 바깥쪽으로 밀어내어 상기 주머니 구조의 형상 변형을 유발하도록 구성될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 상기 전기 활성 폴리머 필름은 PVC-gel로 제조된 것이고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 양극과 음극으로 각각 기능하도록 전압이 인가될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 상기 전기활성 폴리머 필름은 가소제를 함유한 폴리머 젤을 사용하여 제조된 필름일 수 있다.
예시적인 실시예에서, 상기 폴리머 젤은 poly(vinyl chloride), poly(vinyl alcohol), polyurethane 중 적어도 어느 한 가지의 고분자를 Dibutyl Adipate(DBA), dimethyl sulfoxide(DMSO) 중 적어도 어느 한 가지의 가소제와 혼합하여 제조된 폴리머 젤일 수 있다.
예시적인 실시예에서, 상기 전기활성 폴리머 필름은 그 형상이 상기 유전성 유체가 가하는 압력에 따라 자유롭게 변형될 수 있는 유연성 소재(flxeible material)로 제작된 것일 수 있다.
예시적인 실시예에서, 상기 제2 전극은 상기 전기활성 폴리머 필름의 형상 변형에 따라 같은 형상으로 변형될 수 있는 유연성 전극일 수 있다.
예시적인 실시예에서, 상기 제2 전극은 탄소나노섬유(CNT), 은나노섬유(AgNW), 전도성 폴리머(conductive polymer), 폴리머 전해질(polymer electrolyte) 중 어느 한 가지를 사용하여 제조된 전극일 수 있다.
예시적인 실시예에서, 상기 기판 필름은 상기 유전성 유체와 상기 전기 활성 폴리머 필름에 대하여 반응성이 없는 비전도성 물질로 만들어진 것일 수 있다.
예시적인 실시예에서, 상기 기판 필름은 상기 유전성 유체가 가하는 압력에 따라 형상이 자유롭게 변형되는 유연 기판(flexible substrate)일 수 있다.
예시적인 실시예에서, 상기 기판 필름은 상기 유전성 유체가 압력을 가하더라도 원래의 형상을 그대로 유지하는 단단한 기판(rigid substrate)일 수 있다.
예시적인 실시예에서, 상기 제1 전극은 상기 주머니 구조의 내면을 이루는 상기 기판 필름의 표면의 일부 영역에 접합되거나 또는 적층되고, 상기 제1 전극의 단부 부분이 상기 전기활성 폴리머 필름과 직접 맞닿아 있는 것일 수 있다.
예시적인 실시예에서, 상기 주머니 구조는 상기 유전성 유체가 밖으로 흘러나갈 수 있는 구멍이 마련된 것일 수 있다.
예시적인 실시예에서, 상기 제1 전극은 원판형의 상기 기판 필름의 내측면 외곽 둘레를 따라 도우넛형으로 부착 또는 적층되고, 상기 제2 전극은 원형곡면 형상의 상기 전기활성 폴리머 필름의 외측면 외곽 둘레를 따라 도우넛형으로 부착 또는 적층될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 구동전압이 인가되었을 때 상기 제1 전극과 상기 전기활성 폴리머 필름이 정전기 인력에 의해 맞닿게 됨에 따라, 상기 유전성 유체가 가하는 압력에 의해 상기 제2 전극 내측의 상기 전기활성 폴리머 필름의 중앙 영역의 곡률이 상기 구동전압 인가 전에 비해 더 커지도록 구성될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 상기 기판 필름, 상기 유전성 유체, 상기 전기활성 폴리머 필름은 투명성 재질이어서 상기 중앙 영역의 곡률 변경에 따라 초점거리가 변경되는 렌즈로 기능하도록 구성된 것일 수 있다.
예시적인 실시예에서, 상기 주머니 구조는 상기 전기활성 폴리머 필름 쪽만 볼록하고 상기 기판 필름 쪽은 평판형인 단면 볼록 주머니 구조일 수 있다.
예시적인 실시예에서, 상기 주머니 구조는 상기 전기활성 폴리머 필름과 상기 기판 필름 모두 볼록형인 양면 볼록 주머니 구조일 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 유연 구동기는 불균일 공간 전하 분포를 가지는 고분자와 유전 유체를 복합적으로 사용하여 불균일 공간 전하층을 통해 정전기력이 작동하는 것일 수 있다. 이를 통해 유전성 유체를 사용함에도 불구하고 상대적으로 낮은 구동전압을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 유연 구동기는 유전 유체를 담은 파우치 형태이고, 그 유전 유체는 불균일 공간 전하 분포를 가지는 전기활성 폴리머의 낮은 탄성계수에 의한 굽힙 변형을 효율적으로 사용할 수 있는 특성을 진다. 따라서 낮은 작동 전압으로 높은 구동기 출력을 얻을 수 있고, 출력 제어성도 우수하다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 유연 구동기는 종래의 유연 구동기들이 갖는 각자의 단점으로 인해 널리 사용되지 못했던 분야에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명의 유연 구동기는 예컨대 웨어러블/재활 로봇, 인공근육, 튜너블 렌즈(tunable lens), 햅틱 디바이스, 랩온어칩(lab-on-a-chip) 디바이스의 마이크로 펌프 및 밸브 등에 적용되어 유용하게 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 예시적인 제1 실시예에 따른 불균일 공간 전하층과 유전성 유체를 이용한 일면 볼록 주머니형 유연 구동기의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 유연 구동기의 평면도이다.
도 3과 도 4는 도 1에 도시된 유연 구동기의 구동전압 인가 전후의 거동 상세도 이다.
도 5는 구동전압 인가 직후의 도 3의 "A" 부분의 확대도이다.
도 6은 도 1의 유연 구동기의 PVC-gel 소재에서 나타나는 불균일 공간 전하 분포를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 예시적인 제2 실시예에 따른 양면 볼록 주머니형 유연 구동기의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 예시적인 제3 실시예에 따른 일면중앙 볼록 주머니형 유연 구동기 기반 튜너블 렌즈의 구조를 나타낸 단면도이다..
도 9는 도 8의 유연 구동기 기반 튜너블 렌즈의 단면도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것이다. 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 즉, 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 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. 또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 발명에서는 전기장 속에서 불균일 공간 전하 분포를 보이는 전기 활성 폴리머와 유전성 유체를 활용한 디자인을 결합한 새로운 유연 구동기를 제안한다. 제안하는 유연 구동기는 기존의 유전성 고분자를 이용한 유연 구동기에 비해 낮은 전압에서도 높은 출력을 가진 것일 수 있다. 이하, 본 발명의 상세한 설명을 위하여 도면과 함께 설명한다.
도 1 본 발명의 제1 실시예에 따른 '불균일 공간 전하층과 유전성 유체를 이용한 일면 볼록 주머니형 유연 구동기'의 구조를 나타내는 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 유연 구동기의 평면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 일면 볼록 주머니형 유연 구동기(100)는 전기활성 폴리머 필름(110), 기판 필름(120), 유전성 유체(dielectric liquid, 140), 제1 전극(150), 그리고 제2 전극(160)을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 전기활성 폴리머 필름(110)은 전기장 내에서 불균일 공간 전하 분포를 보이는 특징이 있다. 유연 구동기에서 사용되는 불균일 공간 전하층을 유도할 수 있는 소재의 종류는 다양하다. 소재의 한 예로 PVC-gel을 들 수 있다. 해당 소재는 전기장 속에서 불균일 공간 전하 분포를 보여주는 특징이 있으며, 특히 양극 쪽에 음전하가 쌓이는 특징을 보여준다. 결과적으로, 이 소재의 표면의 음전하와 양극 사이의 정전기력에 의해 양극 쪽으로 소재가 이동/변형하는 형상을 보여주게 된다. 이 소재를 이용한 유연 구동기는 유전성 고분자를 이용한 구동기에 비해 상대적으로 낮은 작동 전압을 가지고 있으며, 이온성 고분자를 이용한 구동기에 비해 빠르고, 공기 중에서 안정적인 구동을 보여준다. 그 PVC-gel 소재는 표면에 불균일 공간 전하층이 형성되는 특징을 갖는다. 그 특징으로 인해 그 PVC-gel 소재의 굽힘 변형을 구동 모션으로 사용할 수 있다.
전기활성 폴리머 필름(110)은 그 형상이 유전성 유체(140)가 가하는 압력에 따라 자유롭게 변형될 수 있는 유연성 소재로 제작될 수 있다. 그 전기활성 폴리머 필름(110)은 가소제를 함유한 폴리머 젤을 사용하여 제조될 수 있다. 폴리머 젤의 대표적인 예로는 poly(vinyl chloride), poly(vinyl alcohol), polyurethane 등의 고분자를 Dibutyl Adipate(DBA), dimethyl sulfoxide(DMSO) 등의 호환되는 가소제와 혼합하여 제조된 폴리머 젤(대표적인 예: PVC-gel)을 들 수 있다. 또한 이 소재의 유전 특성/ 기계적 특성을 변형시키기 위하여 다양한 종류의 첨가제(additives)와 필러(filler)를 혼합하여 제조될 수 있다. 첨가제로 사용될 수 있는 물질의 예로는 Trihexyltetradecylphosphonium chloride, Tetradodecylammonium chloride 등의 이온성 액체(Ionic Liquid)가 있고, 필러로 사용될 수 있는 물질의 예로는 Silicon dioxide, graphene oxide 등을 들 수 있다.
기판 필름(120)은 유전성 유체(140)와 전기 활성 폴리머(110)에 대하여 반응성이 없고 비전도성을 가진 물질로 만들어질 수 있다. 구동기의 활용 분야에 따라서 기판 필름(120) 소재의 탄성계수를 다르게 선택할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 기판 필름(120)은 유전성 유체(140)가 압력을 가하더라도 원래의 형상을 그대로 유지하는 단단한 기판(rigid substrate)일 수 있다. 또한, 기판 필름(120)은 필요에 따라 유전성 유체가 가하는 압력에 따라 형상이 자유롭게 변형되는 유연 기판(flexible substrate)일 수 있다. 단단한 기판은 예컨대 PMMA로 제조한 것일 수 있다.
도면에는 전기활성 폴리머 필름(110)과 기판 필름(120)이 원형인 것이 예시되어 있으나, 필요에 따라 예컨대 타원형 또는 다각형 등과 같은 다른 모양을 가질 수도 있다. 도시된 것에 따르면, 전기활성 폴리머 필름(110)과 기판 필름(120)은 원형 가장자리 둘레를 일주하면서 서로 접합되어 주머니 구조(130)로 형성될 수 있다. 그 주머니 구조(130)는 내부에 유전성 유체(140)를 담을 수 있는 공간을 제공할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 주머니 구조(130)는 일면 볼록 주머니형일 수 있다. 즉, 주머니 구조(130)는 전기활성 폴리머 필름(110) 쪽의 일면만 볼록하고 기판 필름(120)은 평판 모양을 유지할 수 있다. 이를 위해, 기판 필름(120)은 원래의 평판 모양이 견고하게 유지될 수 있게 단단한 물질로 만들어질 수 있고, 전기활성 폴리머 필름(110)은 유연성 물질로 만들 수 있다.
유연 구동기(110)에 사용되는 유전성 유체(140)는 전도성이 없는 유체일 수 있다. 유전성 유체(140)는 기판 필름(120)과 전기활성 폴리머 필름(110)이 형성하는 주머니 구조(110)의 내부 공간을 채우고 그 공간 안에 갇힐 수 있다. 유연 구동기(100)의 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하는 매체의 역할을 수행할 수 있다. 유연성 유체(140)는 유전성 고분자에 비해 변형에 필요한 에너지를 절감시킬 수 있어 큰 변형과 높은 출력 힘을 생성할 수 있다. 유연성 유체(140)로 사용될 수 있는 물질의 예로는 광물유(mineral oil) 등을 들 수 있다.
제1 전극(150)은 전도성이 있는 물질로 제작될 수 있다. 제1 전극(150)은 전도성 필름 형태로 제작될 수 있다. 제1 전극(150)은 유연 구동기(100)의 적용 분야에 따라 단단하거나 유연한 물질을 사용하여 제조할 수 있다. 예컨대, 제1 전극(150)은 알루미늄 테이프 등으로 구현될 될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 제1 전극(150)은 주머니 구조(130)의 내면을 이루는 기판 필름(120)의 표면의 일부 영역에 접합되거나 적층될 수 있다. 그에 따라, 제1 전극(150)은 전기활성 폴리머 필름(110)의 일부분과 대면하여 배치될 수 있다. 제1 전극(150)의 단부 부분은 전기활성 폴리머 필름(110)과 직접 맞닿도록 배치되는 것이(도 5 참조) 유연구동기(110)의 효율적인 구동에 유리할 수 있다. 제1 및 제2 전극(150, 160) 사이에 있는 유전성 유체(140)가 그 두 전극이 없는 영역으로 빠져나가면, 제1 전극(150) 전체 표면은 전기활성 폴리머 필름(110)과 서로 직접 접촉할 수도 있다.
도시된 실시예에서, 제1 전극(150)은 기판 필름(120)의 대략 절반 위에 적층되어 있으나, 이는 예시적인 것이고 이보다 더 넓거나 좁은 영역에 적층될 수 있다. 제1 전극(150)은 전기 활성 폴리머(110)의 구동 형상을 유도하는 데 기여할 수 있다. 다른 예시적인 실시예에서, 제1 전극(150)은 기판 필름(120)의 하면의 일부 영역에 접합되거나 적층될 수도 있다. 다만 이 경우 제1 전극(150)이 제2 전극(160)과 좀 더 멀리 위치하므로 두 전극(150, 160) 사이에 형성되는 전기장의 세기는 약해질 수 있다.
예시적인 실시예에서, 제2 전극(160)은 전기활성 폴리머 필름(110) 위에 접합되거나 또는 적층될 수 있다. 제2 전극(160)은 구동 과정에서 전기 활성 폴리머 필름(110)과 함께 변형되어야 하기 때문에 유연성을 가지는 것이 바람직하다. 그러므로 제2 전극(160)은 유연성을 지닌 전도성 물질로 제작된 유연 전극일 수 있다. 예시적인 실시예에서, 제2 전극(160)은 전기 활성 폴리머 필름(110)과의 호환성을 고려하여 탄소나노섬유(CNT), 은나노섬유(AgNW), 전도성 폴리머(conductive polymer), 폴리머 전해질(polymer electrolyte) 등을 사용하여 제조될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 제2 전극(160)은 전기활성 폴리머 필름(110)을 사이에 두고 제1 전극(150)과 서로 마주보면서 소정 영역이 서로 중첩되도록 배치될 수 있다. 중첩되는 영역의 모양과 크기 등은 구동 전압 인가 시 주머니 구조(130)의 변형되는 모양, 얻고자 하는 구동력의 크기 등에 따라 정할 수 있다. 도 1 및 도 2에는 제1 전극(150)과 제2 전극(160)이 모두 전기활성 폴리머 필름(110)과 기판 필름(120)의 대략 절반에 해당하는 영역의 표면에 적층된 것이 예시되어 있다. 제2 전극(160)의 크기와 모양은 제1 전극(150)의 그것과 실질적으로 동일하거나 또는 다를 수도 있다. 다만, 구동전압의 인가 시 두 전극(150, 160)이 초기에 접근을 쉽게 개시될 수 있도록 가장자리 영역은 서로 최대한 넓게 중첩되는 모양으로 형성되는 것이 바람직하다.
예시적인 실시예에서, 유연 구동기(100)의 설계상의 한 가지 특징은 유전성 유체(140)가 전기활성 폴리머 필름(110)과 기판 필름(120)이 형성하는 주머니(130) 안에 담겨진 형태라는 점이다. 유연 구동기의 적용 분야에 따라 그 유전성 유체(140)가 주머니 구조(130) 밖으로 흘러나갈 수 있는 구멍이 주머니(130) 구조에 마련될 수도 있다.
또한, 제1 전극(150)은 전기 활성 폴리머 필름(110)의 일부와 절연 없이 직접 맞닿을 수 있게 위치하므로, 제1 전극(150)과 제2 전극(160) 사이에 전압이 인가되었을 경우 주머니 내부에 갇힌 유전성 유체(140)가 제1 전극(150) 영역 밖으로 밀어내어 전기 활성 폴리머 필름(110)의 불균일 공간 전하 분포를 유도할 수 있다.
마찬가지로, 제2 전극(160)도 절연 없이 전기 활성 폴리머 필름(110)과 맞닿을 수 있게 설치될 수 있다. 다만, 제2 전극(160)은 구동 중에 제1 전극(150)과 직접 닿아서 쇼트가 발생하는 일이 없도록 설치된다.
또한 전기 활성 폴리머 필름(110)의 불균일 공간 전하 분포 특성에 따라 두 전극(150, 160)의 극성이 다르게 선택될 수 있다. 예를 들어 전기 활성 폴리머 필름(110)의 소재 중 하나인 PVC-gel의 경우, 양극에서만 불균일 공간 전하층이 발생하는 특성이 있다. 이 경우 제1 전극(150)을 양극으로, 제2 전극(160)을 음극으로 선택하여야 해당 전기 활성 폴리머의 특성을 잘 활용할 수 있다.
도 3과 도 4는 도 1에 도시된 유연 구동기(100)'의 구동 전과 구동 후의 상태를 각각 나타내는 단면도이다.
예시적인 실시예에서, 제1 전극(150)과 제2 전극(160) 사이에 구동전압을 인가했을 때, 전기활성 폴리머 필름(110) 표면에 불균일 공간 전하층을 유도되고, 이 전하층과 제1 전극(150) 사이에 서로 끌어당기는 강한 정전기력(electrostatic force)이 발생한다. 이로 인해 제1 전극(150)과 전기활성 폴리머 필름(110)이 서로 접근하여 맞닿게되면서 그 사이에 존재하던 유전성 유체(140)가 밀려나는 기계적인 구동이 발생한다. 이와 같은 작동 메커니즘을 갖는 유연 구동기(100)는 상대적으로 낮은 구동 전압으로 높은 출력을 얻을 수 있다. 이하에서는 도 3 및 도 4를 참조하여 좀 더 구체적으로 설명한다.
유연 구동기(100)를 구동하기 위해 유연 구동기(100)의 제1 전극(150)과 제2 전극(160)에 양 전압과 음 전압을 각각 인가할 수 있다. 구동 전압(V)이 인가되기 전에는 도 3에 도시된 것처럼 주머니 구조(130)의 중심 영역이 가장 볼록하고 가장자리 쪽으로 가면서 높이가 서서히 낮아지는 단면 볼록형일 수 있다. 이 상태에서 제1 전극(150)과 제2 전극(160)에 양 전압과 음 전압이 각각 걸리도록 구동 전압(V)이 제1 및 제2 전극(150, 160)에 인가되면, 전기활성 폴리머 필름(110)에는 전하들이 불균일한 분포를 나타낸다. 전기활성 폴리머 필름(110)의 양쪽 표면 중 (-) 전압이 걸린 제2 전극(160)에 접촉된 제1 표면에는 (+)전하들이 유도되는 반면 그 반대쪽의 주머니 구조(130)의 내면을 형성하는 제2 표면에는 (-)전하들이 유도된다.
전기활성 폴리머 필름(110)의 제2 표면에 유도된 (-)전하들과 (+)전압이 걸린 제1 전극(150)간에는 서로 끌어당기는 정전기력이 작용하게 된다. 그 정전기력에 의해 전기 활성 폴리머 필름(110)은 주머니 구조(130) 내부에 부착된 제1전극(150) 쪽으로 접근하여 제1 전극(150)과 부착되는 움직임을 보이면서 주머니 구조(130) 내부의 유전성 유체(140)를 제1 전극(150) 영역 바깥으로 밀어낸다. 이 때 밀려난 유전성 유체(140)는 전기 활성 폴리머 필름(110) 및 제1 전극(150)과의 정전기력에 해당하는 만큼의 내부 압력을 가지고 전기 활성 폴리머 필름(110)을 변형시키는 등의 기계적인 일을 하게 된다. 즉, 유연 구동기(100)가 구동력을 발생시키게 된다.도 5는 구동 전압이 인가된 직후 도 3의 "A" 부분의 거동을 상세하게 확대한 도면이다. 즉, 유연 구동기(100)가 어떻게 불균일 공간 전하층을 활용하여 구동력을 만들어내는지를 도식적으로 나타낸다.
도 5를 참조하면, 유연 구동기(100)의 제1 전극(150)과 제2 전극(160)에 (+)전압과 (-)전압이 각각 인가된 직후, 제1 전극(150)과 전기 활성 폴리머 필름(110)이 맞닿아 있는 부분에서 어떻게 정전기력이 작용하는지가 도시되어 있다. 구동전압(V)이 인가된 직후에는 전기 활성 폴리머 필름(101)의 특성상 제1 전극(150)과 맞닿아 있는 지점에서부터 불균일 공간 전하 분포가 유도된다. 즉, (-)전압이 걸린 전기활성 폴리머 필름(110)에 (-)전하들이 이동하고 그 전기활성 폴리머 필름(110)의 양쪽 표면 중 주머니 구조(130)의 내면을 이루는 제2 표면에 그 (-)전하들이 유도된다. 이 (-)전하들은 그 제2 표면의 전체에 고르게 분포하지 않고, 제2 전극(160)의 영향이 미치는 영역에 더 많이 분포하여, 전기 활성 폴리머 필름(110) 표면에 (-)전하들에 의한 불균일 공간 전하층이 유도될 수 있다. (+)전압이 걸린 제1 전극(150)의 표면에는 (+)전하들이 대전된다. 이렇게 서로 마주보는 제1 전극(150)과 전기 활성 폴리머 필름(110)이 (+)전하들과 (-)전하들로 대전됨에 따라, 서로 간에 정전기력이 발생한다. 여기서 주목할 점은 주머니 구조(130)의 가장자리 부위의 (-)전하들로 이루어진 불균일 공간 전하층과 (+)전하로 대전된 제1 전극(150) 사이의 거리, 즉 서로 다른 전하 사이의 거리를 비약적으로 감소시킨다는 점이다.
(+)전하들과 (-)전하들 사이에 작용하는 힘(F)은 쿨롱의 법칙에 따라 아래 식(1)을 이용하여 구할 수 있다.
......(1)
여기서, R은 전기활성 폴리머 필름(110)의 표면에 유도된 (-)전하들과 제1전극(150)간의 이격거리이고, Q1 및 Q2는 전기활성 폴리머 필름(110)의 표면에 유도된 (-)전하량과 제1 전극(150) 표면에 대전된 (+)전하량을 각각 나타내며, ke는 쿨롱 상수이다.
쿨롱의 법칙에 따르면 전하들 사이의 거리에 제곱에 반비례하여 정전기력(F)이 변화한다. 그러므로 제1 전극(150) 표면상의 (+) 전하들과 전기활성 폴리머 필름(110) 표면상의 (-) 전하들 사이 거리의 비약적 감소는 정전기력의 비약적 상승으로 귀결된다. 도 5에서 (+)전하들과 (-)전하들 사이의 거리는 제1전극(150)과 전기활성 폴리머 필름(110)의 가장자리 쪽으로 갈수록 짧아지므로 그 가장자리 쪽으로 갈수록 정전기력(F)은 비약적으로 커지게 된다. 따라서 제1전극(150)과 전기활성 폴리머 필름(110)은 가장자리 부위에서부터 정전기력(F)에 의해 서로 접근하여 맞닿게 된다. 그에 따라 가장자리 부위에서 중심 부위로 가면서 제1전극(150)과 전기활성 폴리머 필름(110) 간의 이격거리도 점차 줄어들어 정전기력도 원래보다 더 강해져서 서로 맞붙게 된다.
이런 과정이 연속적으로 이어지면서, 주머니 구조(130) 내부의 유전성 유체(140)를 제1 전극(150) 영역 바깥으로 밀어내고, 그 과정에서 전기활성 폴리머 필름(110)이 도 4에 도시된 것과 같이 변형된다. 전기활성 폴리머 필름(110)의 이러한 변형은 곧 기계적인 일을 할 수 있는 구동력을 만들어낼 수 있다. 이처럼 본 발명은 전기활성 폴리머 필름(110) 표면에 불균일 공간 전하층을 유도하고, 그 전하층과 제1 전극(150) 간의 이격거리를 매우 짧게 만들어 그들 간의 정전기력을 극대화할 수 있는 구조를 채용한다. 이는 유연 구동기(100)가 낮은 작동 전압으로도 높은 출력을 얻을 수 수 있는 원리가 된다.
도 6은 도 5에 표시된 AB선(170)을 따라 전압을 인가했을 때 PVC-gel 소재로 만들어진 전기활성 폴리머 필름(110)의 불균일 공간 전하 분포를 나타낸 그래프이다.
도 6의 그래프에서 양극에 해당하는 A 부분 가까이서 음전하층이 발견되는 불균일 공간 전하 층이 나타나는 것을 확인 할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 양면 볼록 주머니형 유연 구동기의 구조를 나타낸다.
도 7을 참조하면, (A)와 (B)는 구동전압(V)을 인가하기 전과 후의 상태를 각각 나타낸다. 제2 실시예에 따른 유연 구동기(200)는 전기활성 폴리머 필름(210), 기판 필름(220)을 포함할 수 있다. 기판 필름(220)과 전기활성 폴리머 필름(210)은 가장자리 부위를 따라 견고하게 접합되어 양면 볼록형 주머니 구조(230)를 형성할 수 있다. 그 주머니 구조(230)의 내부에는 유전성 유체(240)로 채워진다. 주머니 구조(230)의 내면을 이루는 기판 필름(220)의 표면 일부에는 제1 전극(250)이 부착 또는 증착되고, 전기활성 폴리머 필름(210)의 외면에는 제2 전극(260)이 부착 또는 증착될 수 있다. 각 구성요소들의 재질은 제1 실시예에서 설명한 바와 같다.
제2 실시예에 따른 유연 구동기(200)는 양면 볼록형 주머니 구조인 점에서 제1 실시예에 따른 유연 구동기(200)와 다르다. 이 유연구동기(200)는 양면으로 볼록하게 변형되면서 양방향으로 구동력을 발생시킬 필요가 있는 경우에 적합하다. 이를 위해, 기판 필름(220)과 그 기판 필름(220) 표면상의 일부 영역에 적층된 제1 전극(250)은 곡면형에서 평면형으로 그리고 그 반대로 형상변형이 자유로운 유연성 유체(240)로 제작될 수 있다.
제2 실시예에 따른 유연 구동기(200)의 동작 원리는 제1 실시예에 따른 유연 구동기(100)의 동작 원리와 같다. 제1 전극(250)과 제2 전극(260)에 (+)전압과 (-)전압을 각각 걸어주면, 전기활성 폴리머 필름(210)의 표면에는 (-)전하들의 불균일 공간 전하층이 유도되고 (+)전하들로 대전된 제1 전극(250)과 서로 끌어당기는 정전기력이 발생할 수 있다. 이에 의해 도 7의 (B)에 도시된 것처럼 제1 전극(250)과 전기활성 폴리머 필름(210)이 접근하면서 맞닿게 되고, 그 과정에서 그들 사이에 존재하는 유전성 유체(240)를 그들의 바깥 영역으로 밀어낸다. 이렇게 한쪽으로 밀려난 유전성 유체(240)에 의해 전기활성 폴리머 필름(210)과 기판 필름(220)은 양쪽으로 더 볼록한 형태의 주머니 구조(230)로 형상 변형을 일으키면서 구동력을 생성하게 된다.
도 8은 본 발명의 예시적인 제3 실시예에 따른 일면중앙 볼록 주머니형 유연 구동기 기반 튜너블 렌즈(300)의 구조를 나타낸 단면도들이다. 도 9는 도 8에 도시된 일면중앙 볼록 주머니형 유연 구동기 기반 튜너블 렌즈(300)의 평면도이다.
도 8과 9를 참조하면, 유연 구동기 기반 튜너블 렌즈(300)는 단단한 재질로 평판형으로 만든 기판 필름(32)과, 형상 변형이 가능한 유연성 재질로 만든 전기활성 폴리머 필름(310)이 가장자리를 따라 견고하게 접합되어 단면 볼록형 주머니 구조(330)를 형성할 수 있다. 그 주머니 구조(330) 내부 공간에는 유전성 유체(340)가 채워진다. 기판 필름(320)의 한쪽 표면 즉, 주머니 구조(330) 내면의 가장자리 둘레를 따라 제1 전극(350)이 부착 또는 적층될 수 있다. 전기활성 폴리머 필름(310)의 외면 가장자리 둘레를 따라 제2 전극(360)이 부착 또는 적층될 수 있다. 기판 필름(320)은 원판형일 수 있고, 전기활성 폴리머 필름(310)은 실질적으로 원형곡면일 수 있다. 제1 전극(350)과 제2 전극(360)은 그 원형의 기판 필름(320)과 전기활성 폴리머 필름(310)의 가장자리를 따라 도우넛 형태로 부가된 것일 수 있다. 각 구성요소들의 재질은 제1 실시예에서 설명한 바와 같다.
도 8의 (A)의 상태에서 제1 전극(350)과 제2 전극(360)에 구동전압(V)을 인가하면, 앞선 실시예들에서 설명한 것과 같은 원리로 전기 활성 폴리머(310)의 표면의 가장자리 둘레들 따라 불균일 공간 전하층(hetero space charge layer)이 발생한다. 도우넛형으로 형성된 그 불균일 공간 전하층의 (-)전하들과 제1 전극(350)의 (+)전하들간에 강한 정전기적 인력이 발생하게 되고, 그 결과 전기 활성 폴리머 필름(310)과 제1 전극(350)이 달라붙게 되면서 주머니 구조(330) 내부의 가장자리 영역에 있던 유전성 유체(340)는 중앙 영역 쪽으로 밀려나게 된다. 중앙 영역으로 내몰린 유전성 유체(340)의 압력은 도 8의 (B)에 도시된 것처럼 전기 활성 폴리머 필름(310)의 중앙 영역이 구동전압(V) 인가 전에 비해 더 큰 곡률을 갖는 곡면으로 변형되게 강제할 수 있다.
전기활성 폴리머 필름(310), 기판 필름(320), 유전성 유체(340)를 투명성 재질로 만들면, 전기 활성 폴리머 필름(310)으로 포위된 주머니 구조(330)의 중앙영역은 렌즈로 기능할 수 있다. 전기 활성 폴리머 필름(310)의 중앙 영역의 곡률, 유전성 유체(503)와 공기의 굴절률 차이 등에 의하여 주머니 구조(330)의 중앙영역이 형성하는 렌즈의 초점 거리(f)가 변하게 된다. 즉, 제1 전극(350)과 제2 전극(360) 사이에 구동전압(V)을 인가하기 전의 렌즈부의 초점 거리(f)보다 구동전압(V) 인가 후의 초점 거리(f')가 더 짧아지게 된다. 구동전압(V)의 크기 조절에 의해 원하는 렌즈부의 초점 거리를 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 유연 구동기는 기존 유연 구동기 기술의 장점을 결합하고 단점을 상호 보완한 것으로 높은 출력과 상대적으로 낮은 구동 전압을 특징으로 하며 유연 구동기를 필요로 하는 다양한 적용 분야- 웨어러블/재활 로봇, 인공근육, 튜너블 렌즈(tunable lens), 햅틱 디바이스, 랩온어칩(lab-on-a-chip) 디바이스의 마이크로 펌프 및 밸브 등에 활용될 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
100, 200: 유연 구동기 110, 210, 310: 전기 활성 폴리머 필름
120, 220, 320: 기판 필름 140, 240, 340: 유전성 유체
150, 250, 350: 제1 전극 160, 260, 360: 제2 전극
300: 유연구동기 기반 렌즈

Claims (18)

  1. 기판 필름과 전기활성 폴리머 필름이 서로의 가장자리 둘레를 따라 일주하면서 접합되어 내부 공간을 형성하며, 상기 전기활성 폴리머 필름은전기장 내에서 불균일 공간 전하 분포를 나타내는 주머니 구조;
    상기 주머니 구조의 내부 공간에 채워진 유전성 유체;
    상기 기판 필름의 상기 내부 공간 쪽 표면의 일부 영역에 부착 또는 적층된 제1 전극; 및
    상기 전기활성 폴리머 필름의 상기 내부 공간 바깥쪽 표면의 일부 영역에 상기 제1 전극과 적어도 일부가 중첩되도록 부착 또는 적층된 제2 전극을 구비하고,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 간에 구동전압이 인가될 때, 상기 전기활성 폴리머 필름에 유도된 불균일 공간 전하층과 상기 제1 전극에 대전된 전하들 사이의 정전기 인력에 의해 상기 전기활성 폴리머 필름이 상기 제1 전극의 표면 쪽으로 접근하게 되면서 상기 내부 공간에 있는 상기 유전성 유체를 상기 제1 및 제2 전극의 바깥쪽으로 밀어내어 상기 주머니 구조의 형상 변형을 유발하도록 구성된 것을 특징으로 하는 유연 구동기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 전기 활성 폴리머 필름은 PVC-gel로 제조된 것이고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 양극과 음극으로 각각 기능하도록 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 유연 구동기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전기활성 폴리머 필름은 가소제를 함유한 폴리머 젤을 사용하여 제조된 필름인 것을 특징으로 하는 유연 구동기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 폴리머 젤은 poly(vinyl chloride), poly(vinyl alcohol), polyurethane 중 적어도 어느 한 가지의 고분자를 Dibutyl Adipate(DBA), dimethyl sulfoxide(DMSO) 중 적어도 어느 한 가지의 가소제와 혼합하여 제조된 폴리머 젤인 것을 특징으로 하는 유연 구동기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 전기활성 폴리머 필름은 그 형상이 상기 유전성 유체가 가하는 압력에 따라 자유롭게 변형될 수 있는 유연성 소재(flexible material)로 제작된 것을 특징으로 하는 유연 구동기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제2 전극은 상기 전기활성 폴리머 필름의 형상 변형에 따라 같은 형상으로 변형될 수 있는 유연성 전극인 것을 특징으로 하는 유연 구동기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제2 전극은 탄소나노섬유(CNT), 은나노섬유(AgNW), 전도성 폴리머(conductive polymer), 폴리머 전해질(polymer electrolyte) 중 어느 한 가지를 사용하여 제조된 전극인 것을 특징으로 하는 유연 구동기.
  9. 제1항에 있어서, 상기 기판 필름은 상기 유전성 유체와 상기 전기 활성 폴리머 필름에 대하여 반응성이 없는 비전도성 물질로 만들어진 것을 특징으로 하는 유연 구동기.
  10. 제1항에 있어서, 상기 기판 필름은 상기 유전성 유체가 가하는 압력에 따라 형상이 자유롭게 변형되는 유연 기판(flexible substrate)인 것을 특징으로 하는 유연 구동기.
  11. 제1항에 있어서, 상기 기판 필름은 상기 유전성 유체가 압력을 가하더라도 원래의 형상을 그대로 유지하는 단단한 기판(rigid substrate)인 것을 특징으로 하는 유연 구동기.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극은 상기 주머니 구조의 내면을 이루는 상기 기판 필름의 표면의 일부 영역에 접합되거나 또는 적층되고, 상기 제1 전극의 단부 부분이 상기 전기활성 폴리머 필름과 직접 맞닿아 있는 것을 특징으로 하는 유연 구동기.
  13. 제1항에 있어서, 상기 주머니 구조는 상기 유전성 유체가 밖으로 흘러나갈 수 있는 구멍이 마련된 것을 특징으로 하는 유연 구동기.
  14. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극은 원판형의 상기 기판 필름의 내측면 외곽 둘레를 따라 도우넛형으로 부착 또는 적층되고, 상기 제2 전극은 원형곡면 형상의 상기 전기활성 폴리머 필름의 외측면 외곽 둘레를 따라 도우넛형으로 부착 또는 적층된 것을 특징으로 하는 유연 구동기.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 구동전압이 인가되었을 때 상기 제1 전극과 상기 전기활성 폴리머 필름이 정전기 인력에 의해 맞닿게 됨에 따라, 상기 유전성 유체가 가하는 압력에 의해 상기 제2 전극 내측의 상기 전기활성 폴리머 필름의 중앙 영역의 곡률이 상기 구동전압 인가 전에 비해 더 커지도록 구성된 것을 특징으로 하는 유연 구동기.
  16. 제15항에 있어서, 상기 기판 필름, 상기 유전성 유체, 상기 전기활성 폴리머 필름은 투명성 재질이어서 상기 중앙 영역의 곡률 변경에 따라 초점거리가 변경되는 렌즈로 기능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 유연 구동기.
  17. 제1항에 있어서, 상기 주머니 구조는 상기 전기활성 폴리머 필름 쪽만 볼록하고 상기 기판 필름 쪽은 평판형인 단면 볼록 주머니 구조인 것을 특징으로 하는 유연 구동기.
  18. 제1항에 있어서, 상기 주머니 구조는 상기 전기활성 폴리머 필름과 상기 기판 필름 모두 볼록형인 양면 볼록 주머니 구조인 것을 특징으로 하는 유연 구동기.


KR1020200184496A 2019-12-30 2020-12-28 불균일 공간 전하층과 유전성 유체를 이용한 주머니 형태의 유연 구동기 KR102655316B1 (ko)

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