KR20060025502A - 전기습윤과 액체 방울을 이용한 동력장치 - Google Patents

Abstract

전기습윤(electrowetting)을 이용하여 액체방울(liquid droplet)을 이동하는 방법은 세계적으로 많이 연구하고 있음.

본 발명은 두 판 사이에 액체방울을 두고, 액체방울을 이동시키고자 하는 방향에 있는 (-)전극들에 전류를 흘려주어 액체방울이 접촉하고 있는 소수성면을 적시게 하여 액체방울내에서 물의 흐름이 생겨 무게중심이 이동하게 하여 액체방울과 접촉하고 있는 친수성 면이 액체방울과 함께 이동함으로써 판을 움직이는 것임.

두 판 중 친수성 접촉면을 제공하는 판에는 물방울과 만나는 면에 (+)전극을 두고 친수성 막을 입히고, 그 외 부분에는 소수성 막을 입힘. 소수성 궤도를 제공하는 판에는 전체에 소수성 절연막을 입히고 그 아래 (-)전극들을 두었음.

본 발명은 전기에너지를 운동에너지로 효율적으로 바꿈. 전극들에 전기를 흘려주는 것을 조절해서 정역회전운동, 속도 조절이 가능함. 궤도를 원으로 만드는 대신 직선으로 만들어 직선왕복운동력을 얻을 때도 마찬가지임.

전기습윤, 표면장력, 액체방울, 원판, 전극, 소수성, 친수성, 직선운동력, 회전 운동력

Description

전기습윤과 액체 방울을 이용한 동력장치{Actuators utilizing electrowetting and liquid droplets}

도 1 은 모터의 단면도와 평면도임.

도 2 는 모터의 단면도 일부와 액체방울과 함께 도는 판의 평면도.

도 3 은 모터의 단면도 일부와 궤도가 있는 판의 (-)전극 배치도.

도 4 는 모터의 단면도와 액체방울과 함께 이동하는 판과 전극 배치도.

도 5 는 액체방울 위 아래 판의 모습과 전극 배치도.

도 6 은 액체방울과 판의 이동을 보여주는 원리도.

도 7 은 직선왕복운동을 하는 장치의 단면도.

도 8 을 직선왕복운동을 하는 장치의 전극 배치도.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1: 수용액방울

2: (-)전극들이 있는 판

3: 수용액방울과 친수성표면으로 접촉하는 판

4: 모터의 축

5: 수용액방울과 판의 연결력을 보강하는 테두리

6: 물의 증발을 막는 기름

7: 궤도를 구성하는 (-)전극

8: 소수성 막

9: 친수성 막

10: (+)전극

가브리엘 리프만(Gabriel Lippmann 1845∼1921)이 1870년대에 전기에 의해 모세관 인력이 크게 변한다는 사실을 발견한 후, 1980년대부터 절연층 밑에 있는 전극에 전기를 통하면 액체가 접촉하고 있는 물질을 적시는 능력이 변하는 전기습윤(electrowetting) 현상을 이용하여 액체방울(liquid droplet)을 이동함으로써 화상장치를 만들거나 액체방울을 조작하는 방법을 많은 사람들이 연구해 왔고, 특히 1990년대부터 나노테크놀로지, 바이오테크놀로지, MEMS (microelectromechanical systems)에서 활발히 연구하고 있음.

연속전기습윤현상(continuous electrowetting phenomenon)을 이용하여 수은 방울을 420rpm 속도로 돌린 연구가 있으며,

전기습윤배열(electrowetting array)을 이용하여 전해질인 염화칼륨(KCl)을 녹여 전도성을 띠게한 물방울을 궤도 위에 회전시킨 연구가 있었음.

전기를 기계적인 힘으로 바꾸는 모터는 로봇, 자동차, 비행기, 각종 기계에 사용하고 있으므로 가볍고 작고 빠른 모터는 계속 개발하고 있음. 로봇팔을 움직이는 직선왕복운동 동력기(actuator)로 공기압을 이용한 공압근육도 널리 연구하고 있음.

본 발명은 전기습윤 현상을 이용하여 전해질이든 물방울 한쪽의 표면장력을 변화시켜 궤도를 적시고, 궤도를 적시면서 물방울 내에서 물의 흐름이 생기고 물방울의 외부 윤곽에도 변화가 생기면서, 물의 무게 중심이 젖은 방향으로 이동한 다음 물분자끼리의 응집력에 의해 새로운 무게중심을 중심으로 물방울의 모양이 복원되면 물방울에 친수성 표면을 가지고 접촉하고 있던 판 역시 새로운 위치로 이동하는 것을 이용하여 운동에너지를 얻는 모터임(도 1).

도 7 과 도 8 처럼 궤도를 직선으로 하면 직선왕복운동을 얻을 수 있음.

본 발명은 수많은 물방울을 이동시키면서 동시에 물방울과 친수성 표면으로 접촉하고 있는 판을 이동시킴으로써 물방울의 이동을 운동력으로 바꾸는 장치임.

두 판(2,3) 사이에 액체방울(1)을 두고 두 판 중 한쪽 판에는 물방울과 만나는 접촉면(interface)에 친수성 막(9)을 입히고 (+)전극(10)을 두었으며, 한쪽 판에는 물방울과 만나는 접촉면에 소수성 절연막(8)을 두고 밑에 (-)전극(7)들을 두었음.

도 6 의 (가)처럼 전해질 수용액방울이 이동하는 방향으로 궤도 표면에 전기를 가하면 방울의 한쪽 부분이 소수성막을 적시고, 물방울 내의 물분자들이 젖은 방향으로 이동하며 따라서 물의 무게 중심이 젖은 방향으로 이동하며, 이때 물방울 중에 두 판에 접촉하지 않은 부분의 곡면이 변하면서 물방울 내의 물 분자의 이동을 원활하게 함. 전기를 끊으면 다시 새로운 무게 중심을 중심으로 물방울이 응집하여 원래 모습을 되찾는 과정에서 물방울과 친수성 표면으로 접촉하고 있던 판도 물방울이 이동한 만큼 이동하는 것을 이용하여 전기 에너지를 운동에너지로 바꿈. 이런 일이 연속적으로 일어나도록 LCD의 화소를 표현할 때 전기를 공급하는 방식인 액티브 매트릭스 방식(active matrix type)을 사용하여 전극들 중에 일부에는 전기를 주지 않고 일부에는 전기를 주어 물방울의 이동을 일으키며, 전기 배분을 조절하여 물방울이 이동하는 방향이나 속도를 조절할 수 있음. 동심환으로 여러 궤도에 깔 때 내부 궤도에 있는 물방울 속도를 낮추고, 외부 궤도에 있는 물방울 속도는 높임.

전기습윤을 위해 물방울에는 전해질을 넣어주고 물방과 함께 이동하는 판에는 물방울과 접촉하는 면에 친수성 막(9)을 입혀 물방울과 떨어지지 않도록 했으며, 물방울과 접촉하는 경계면 테두리(5) 안쪽에도 친수성 막(9)을 연장하였으므로 물방울 홀로 이동해 버리지 않으며, 궤도가 되는 판에는 물방울이 접촉하는 면이 소수성 절연물(8)로 되어 있음. 물방울이 작아 증발해버릴 수 있으므로 판 사이에는 기름(6)을 채움. 궤도는 모세관을 긴 방향으로 반을 자른 것과 같은 홈으로 만들 경우 물방울이 적실수 있는 면을 증가시킬 수 있음. 회전 속도가 증가하면 원심력이 작용할 수 있으므로 홈 궤도의 바깥쪽 벽은 높게 안쪽 벽은 낮게 배치할 수도 있음.

물방울과 함께 이동하는 판에서 물방울과 접촉하는 면에 물방울과 연결을 강 화하는 분자를 부착해서 연결을 강화할 수 있음. 예를 들어 물과 매우 친한 친수성 생체 고분자 따위를 붙일 수 있을 것임.

본 발명은 수은보다 표면 장력이 약하지만 독성이 없고, 가벼워 제조와 사용에 유리한 물방울을 이용함. 전기에너지를 운동에너지로 효율적으로 바꾸며, 매우 작게 만들 수 있음. 두 원판을 한 조로 해 여러 조를 한 모터축에 붙이면 한 장일 때 보다 매우 큰 힘을 낼 수 있음. 원판을 사용하지 않고, (-)전극들을 직선으로 배열하면 직선왕복운동을 하는데 이용할 수 있음. 가볍고 에너지 효율적인 동력장치는 작게 만들든 크게 만들든 무수한 용도에 사용할 수 있음.

Claims (1)

1. 전기습윤현상을 이용하여 액체방울을 이동시키면서 액체방울과 접촉한 판을 회전시키거나 직선이동시켜서 동력을 얻는 장치로써 이동하는 판은 (-)전극들이 늘어선 궤도가 있는 판일 수도 있고 물과 친수성 인력에 의해 또는 친수성 분자에 의해 연결된 판일 수도 있는 전기습윤과 액체 방울을 이용한 동력장치

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