KR20060107259A - 수축 변위를 정밀 제어하기 위한 폴리머 액추에이터 및 그제어 방법 - Google Patents

수축 변위를 정밀 제어하기 위한 폴리머 액추에이터 및 그제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수축 변위를 정밀 제어하기 위한 폴리머 액추에이터 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 폴리머 액추에이터는, 다수의 전왜 폴리머층이 수직으로 적층되고 상기 다수의 전왜 폴리머층 사이에 다수의 제1 전극층 및 제2 전극층이 교대로 형성되는 복수개의 다층 폴리머 적층체와; 상기 복수개의 폴리머 적층체가 수직으로 적층되고 이들 폴리머 적층체의 상단 및 하단을 지지하는 복수개의 지지 플레이트와; 상기 각 지지 플레이트간 거리를 유지하며 상기 각 폴리머 적층체에 전압이 인가되어 측면으로 팽창할 때 당해 폴리머 적층체의 외주를 따라 만곡되어 상기 플레이트간 거리를 단축시키는 연결 수단과; 상기 각 폴리머 적층체의 제1 전극층 및 제2 전극층 사이에 인가되는 전압을 스위칭하여 각 폴리머 적층체별로 수축 변위를 제어하는 제어부를 포함한다. 그리고, 이 때, 상기 복수개의 폴리머 적층체는 동일 전압이 인가될 때 서로 다른 수축 변위를 생성하도록 구성될 수 있다. 본 발명에 따르면, 복수의 다층 폴리머 적층체를 결합하여 수축 정도 및 수축력을 배가하고, 각 다층 폴리머 적층체의 수축 변위를 개별적으로 제어함으로써, 액추에이터의 목표 변위를 정밀하게 제어할 수 있다.
폴리머, 전왜, 전기활성, 액추에이터, polymer, electrostrictive, actuator, EAP, 인공근육, 다층, 유전 탄성체, 전극

Description

수축 변위를 정밀 제어하기 위한 폴리머 액추에이터 및 그 제어 방법{POLYMER ACTUATOR CAPABLE OF FINE CONTROL OF CONTRACTIVE DISPLACEMENT, AND CONTROL METHOD THEREOF}
도 1은 유전 탄성체를 이용한 폴리머 액추에이터의 동작 원리를 개략적으로 설명하기 위한 개념도.
도 2는 종래 기술에 따라 다층 구조를 위한 전극 형상이 마련된 단층 폴리머 액추에이터의 평면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 폴리머 액추에이터의 단층(single layer) 구조도.
도 4a는 도 3의 단층 폴리머 구조를 확장한 다층 폴리머 적층체의 조립도.
도 4b는 도 4a의 다층 폴리머 적층체에 연결 도체를 삽입하여 제1 전극 및 제2 전극을 각각 연결한 상태도.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 폴리머 적층체의 사시도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 폴리머 적층체의 전압 인가 전후 상태를 도시한 측단면도.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 다층 폴리머 액추에이 터 적층체를 복수개 결합한 폴리머 액추에이터의 사시도.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 다층 폴리머 액추에이터 적층체를 복수개 결합한 폴리머 액추에이터 및 제어 회로의 블록도.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폴리머 액추에이터의 출력 변위 예시도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 전왜 폴리머층 15 : 경계 영역
20 : 제1 전극 30 : 제2 전극
25, 35 : 비전극 영역 40 : 다층 폴리머 적층체
50, 50' : 연결 도체 60 : 지지 프레임
62 : 와이어 연결구 64, 64' : 연결 도체용 관통홀
70 : 와이어 110 : 전원 공급부
120 : 고전압 변환부 130 : 제어부
본 발명은 폴리머 액추에이터에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 전왜 폴리머의 팽창력을 기계적으로 변환하여 수축력을 발생시키는 다층 폴리머 적층체의 수축 변위를 정밀 제어하는 폴리머 액추에이터에 관한 것이다.
지금까지 모터 또는 솔레노이드 등을 이용한 액추에이터가 다양한 분야에서 활용되고 있으나, 이러한 액추에이터 기술을 예컨대, 인간형 로봇(humanoid)의 관절에 적용하기 위해서는 다수의 액추에이터를 집적해야 하는 어려움뿐만 아니라, 상대적으로 낮은 동작 주파수에서 고밀도의 출력을 실현해야 되는 문제점 등이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 예컨대, 형상 기억 합금(shape memory alloy), 압전 재료(piezo material) 등을 이용하여 액추에이터를 구현하는 기술이 제안되어 있으나, 각각의 단점으로 인하여 아직까지는 보편화되지 않고 있다. 예컨대, 압전 재료는 응답 속도 및 효율 측면에서 우수하지만, 동작 변위가 매우 작은 문제점을 가지고 있다. 이와 반대로, 형상 기억 합금의 경우에는, 신축 변위는 충분하지만, 응답 속도 및 효율이 기대에 못 미치고 있다.
이에 따라, 최근에는 전기활성 폴리머(EAP; Electroactive Polymer)를 이용한 폴리머 액추에이터 기술에 관한 관심이 증대되고 있다. 이러한 폴리머 액추에이터의 재료로는 전기장에 의해 전왜 변형(electrostrictive strain)이 유발되는 전왜 폴리머, 전기장이 가해질 때 폴리머 내부에 이온 편류가 발생하여 변형이 발생하는 폴리머 젤, 이온 박막, 및 도전성 폴리머 등이 있다.
도 1은 유전 탄성체를 이용한 폴리머 액추에이터의 동작 원리를 개략적으로 설명하기 위한 개념도이다.
도 1의 (a)를 참조하면, 폴리머 필름(10)은 실리콘 또는 우레탄 계열의 유전 탄성체(dielectric elastomer)로서, 통상 전왜 폴리머라 칭한다. 폴리머 필름(10)의 단면 두께는 통상 20 내지 40 마이크론(㎛)이다. 그리고, 이러한 폴리머 필름의 상단 및 하단에는 서로 다른 전압이 인가되는 제1 전극(20) 및 제2 전극(30)이 각각 도포되며, 전극 재료로는 탄소(Carbon)가 주로 사용된다.
도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 이러한 폴리머 액추에이터에 전압(V)을 인가하여 양 전극(20, 30)에 전위차를 유발하면, 전왜 변형(electrostrictive strain)이 유발되어 폴리머 필름(10)이 평면 방향(도 1의 XY 평면)으로 팽창한다. 이 때, 폴리머 필름(10)의 체적은 전압 인가 전후에 변화가 없으며, 폴리머 필름의 두께(Z축 방향)는 표면적의 증가에 반비례하여 감소한다.
그런데, 이러한 단층 폴리머 액추에이터의 변위 및 팽창력은 전압을 증가시키더라도 제한적이며, 전왜 변형을 위해 인가되는 전압은 통상 6 kV 정도의 고전압이 요구된다. 이를 해결하고자 여러 장의 유전 탄성체 및 전극을 순차적으로 적층한 다층 폴리머 구조의 액추에이터가 제안되어 있다.
다층 폴리머 액추에이터를 구성하기 위해서는 전술한 바와 같이, 유전 탄성체와 전극을 순차적으로 적층하여야 하며, 적층이 완료된 상태에서 각 전극에는 교대로 전압을 인가하여 전위차를 발생시킨다. 한편, 도 1과 같이 전극이 구성된 단층 폴리머 액추에이터를 적층한 경우에는, 내부에 형성된 각 전극에 교대로 전압을 인가하기가 용이하지 않다. 따라서, 각 전극에 교대로 전압을 인가하기 위한 별도의 전극 형상이 요구된다.
도 2는 종래 기술에 따라 다층 구조를 위한 전극 형상이 마련된 단층 폴리머 액추에이터의 평면도이다.
도 2를 참조하면, 원형의 폴리머 필름(10)의 상단 및 하단에 제1 전극(20) 및 제2 전극(30)이 코팅되어 있으며, 이들 전극은 폴리머 필름의 반경보다 작은 반경의 원형부와, 서로 반대 방향으로 연장된 연장부가 일체로 형성되어 있다. 그리고, 폴리머 필름(10)에는 전극 재료가 코팅되지 않은 경계 영역(15)이 존재한다.
이러한 단층 구조에 기초하여, 다수의 폴리머 필름층 사이에 전술한 형상의 제1 전극 및 제2 전극을 교대로 배치함으로써 다층 폴리머 액추에이터를 제조할 수 있다. 이어서, 제1 전극 및 제2 전극의 각 연장부에 대하여 상방에서 수직으로 핀을 삽입하여 폴리머 필름의 두께 방향(수직 방향)을 따라 홀을 형성하고, 당해 홀에 연결 도체 등을 삽입함으로써, 서로 반대 방향에 형성된 연장부를 통해 제1 전극 및 제2 전극에 각기 다른 전압을 인가할 수 있다. 이 경우, 전왜 변형을 위해 인가되는 전압을 예컨대, 3 kV 정도로 낮출 수 있는 효과가 있다.
그런데, 도 2의 구성에 따르면, 폴리머 필름의 주연을 따라 전극 재료가 코팅되지 않은 경계 영역(15)이 존재하기 때문에, 제1 전극 및 제2 전극에 전위차가 유발될 때 전극 영역(즉, 제1 전극 및 제2 전극이 중첩되는 영역)은 반경 방향으로 팽창하지만, 경계 영역(15)은 거의 팽창하지 않는다. 따라서, 이러한 전극 형상의 다층 폴리머 액추에이터는 경계 영역으로 인하여 전압 인가시 전극 영역이 측면으로 팽창하더라도 폴리머 필름의 외주(외연)에는 팽창력만이 제대로 전달되지 않는 문제점이 있다.
한편, 인간 근육은 수축 변형을 통한 수축력을 발생한다. 그런데, 전술한 폴리머 액추에이터는 측면 팽창에 비하여 폴리머 필름의 두께 방향 수축량 및 수축력은 미미하다. 또한, 이러한 폴리머 액추에이터에 있어서, 폴리머의 팽창 또는 수축 변형력은 양극간 전위차의 제곱에 비례하는 비선형성을 가지기 때문에, 수축 변위를 정밀 제어가 용이하지 않다. 따라서, 이러한 폴리머 액추에이터를 이용하여, 인간 근육을 모방한 인공 근육을 구현하기 위해서는, 폴리머 액추에이터의 측면 팽창력을 수축력으로 변환하고 수축 변위를 정밀하게 제어하기 위한 장치가 요구된다 할 것이다.
전술한 문제점을 해결하고자, 본 발명은 폴리머 액추에이터의 측면 팽창력을 수축력으로 변환하기 위한 장치를 제공함과 아울러, 폴리머 액추에이터의 수축 변위를 정밀하게 제어할 수 있도록 하는 데 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하고자, 본 발명의 제1 측면에 따르면, 수축 변위를 정밀 제어하기 위한 폴리머 액추에이터가 제공되며, 다수의 전왜 폴리머층이 두께 방향으로 적층되고, 상기 다수의 전왜 폴리머층 사이에 다수의 제1 전극층 및 제2 전극층이 교대로 형성되는 복수개의 다층 폴리머 적층체와; 상기 복수개의 폴리머 적층체가 두께 방향으로 적층되고, 상기 각 폴리머 적층체의 최상단 및 최하단에 접하는 복수개의 지지 플레이트와; 상기 각 지지 플레이트간 거리를 유지하며 상기 각 폴리머 적층체에 전압이 인가되어 측면으로 팽창할 때 당해 폴리머 적층체의 외주를 따라 만곡되어 상기 플레이트간 거리를 단축시키는 연결 수단과; 상기 각 폴리머 적층체의 제1 전극층 및 제2 전극층 사이에 인가되는 전압을 스위칭하여, 각 폴리머 적층체별로 수축 변위를 제어하는 제어부를 포함한다.
이 때, 상기 복수개의 폴리머 적층체는 동일 전압이 인가될 때 서로 다른 수축 변위를 생성하는 것이 바람직하며, 상기 각 폴리머 적층체의 수축 변위는 동일 전압이 인가될 때 2배 단위로 설정되는 것인 더욱 바람직하다.
또한, 상기 각 폴리머 적층체는, 상기 다수의 제1 전극층 사이 및 제2 전극층 사이를 각각 전기적으로 연결하며 상기 제어부로부터 당해 폴리머 적층체에 인가되는 전압을 상기 제1 전극층 및 제2 전극층에 각각 전달하는 도체부를 포함할 수 있다. 그리고, 상기 각 폴리머 적층체에 대하여, 상기 제1 전극층 및 제2 전극층은 그 외주가 상기 전왜 폴리머층의 외주와 일치하며, 두께 방향 방향으로 상호 중첩되지 않는 비전극 영역이 각각 형성될 수 있다.
본 발명의 제2 측면에 따르면, 다층 폴리머 액추에이터의 수축 변위를 정밀 제어하는 방법이 제공되며, 다수의 전왜 폴리머층을 두께 방향으로 적층하고 상기 다수의 전왜 폴리머층 사이에 다수의 제1 전극층 및 제2 전극층을 교대로 형성하여 복수개의 다층 폴리머 적층체를 구성하는 제1 단계와; 상기 복수개의 폴리머 적층체를 두께 방향으로 적층하고 각 폴리머 적층체의 최상단 및 최하단에 지지 플레이트를 결합하는 제2 단계와; 상기 각 지지 플레이트간 거리를 유지하는 연결 수단을 설치하는 제3 단계와; 상기 각 폴리머 적층체의 제1 전극층 및 제2 전극층 사이에 인가되는 전압을 스위칭하여 각 폴리머 적층체별로 수축 변위를 제어하는 제4 단계를 포함한다. 그리고, 상기 연결 수단은 상기 각 폴리머 적층체에 전압이 인가되어 측면으로 팽창할 때 당해 폴리머 적층체의 외주를 따라 만곡되어 상기 플레이트간 거리를 단축시키는 것이다.
이 때, 상기 각 폴리머 적층체에 동일 전압이 인가될 때 서로 동일한 수축 변위를 생성하도록 각 폴리머 적층체의 치수를 서로 동일하게 설정할 수 있다.
또는, 대안으로서, 상기 제1 단계는 상기 각 폴리머 적층체에 동일 전압이 인가될 때 서로 다른 수축 변위를 생성하도록 각 폴리머 적층체의 치수를 서로 상이하게 설정하는 제5 단계를 포함한다. 보다 바람직하게는, 상기 제5 단계에서, 상기 각 폴리머 적층체에 동일 전압이 인가될 때 2배 단위의 수축 변위를 생성하도록 각 폴리머 적층체의 치수를 설정할 수 있다.
또한, 상기 제1 단계는 상기 각 폴리머 적층체에 대하여 도체를 이용하여 상기 다수의 제1 전극층 사이 및 제2 전극층 사이를 각각 전기적으로 연결하는 제6 단계를 포함할 수 있으며, 상기 각 폴리머 적층체에 대하여 상기 전왜 폴리머층의 외주와 일치하도록 상기 제1 전극층 및 제2 전극층을 형성하고 상기 제1 전극층 및 제2 전극층에 두께 방향 방향으로 상기 제1 전극층과 제2 전극층 상호간에 중첩되지 않는 비전극 영역을 각각 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 각 폴리머 적층체에 대하여 상기 제1 전극층 및 제2 전극층의 비전극 영역이 상기 전왜 폴리머층의 외주에 접하여 내측으로 요입된 리세스일 수 있다.
전술한 제6 단계는, 상기 각 폴리머 적층체에 대하여, 제1 도체를 이용하여 상기 제2 전극층의 비전극 영역 내부를 두께 방향으로 관통하여 상기 제1 전극층을 전기적으로 연결하는 단계와, 제2 도체를 이용하여 상기 제1 전극층의 비전극 영역 내부를 두께 방향으로 관통하여 상기 제2 전극층을 전기적으로 연결하는 단계를 포함할 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하며, 도면 전체에 걸쳐 동일한 도면 부호는 동일하거나 유사한 구성 요소를 지칭하고 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 폴리머 액추에이터의 단층(single layer) 구조를 도시한 것이다.
도시된 바와 같이, 원형의 전왜 폴리머층(10)의 상단 및 하단에 제1 전극(20) 및 제2 전극(30)이 원형으로 코팅되어 있으며, 이들 전극의 반경은 폴리머 필름의 반경과 일치한다. 즉, 전왜 폴리머층(10)의 외주와 제1 전극(20) 및 제2 전극(30)의 외주가 일치한다.
또한, 제1 전극(20) 및 제2 전극(30)에는 전극 재료가 코팅되지 않은 비전극 영역(25, 35)이 존재하며, 당해 전왜 폴리머층(10)의 외주에 접하여 내측으로 요입된 리세스의 형태를 취하고 있다. 이들 비전극 영역(25, 35)은 원형의 전왜 폴리머층(10)의 상단 및 하단에 대하여 두께 방향에서 바라볼 때 제1 전극 및 제2 전극 상호간에 중첩되지 않도록 위치하며, 바람직하게는 폴리머 필름의 중심을 기준으로 상호 대향하도록 배치할 수 있다.
도 4a는 도 3의 단층 폴리머 액추에이터를 기본 구조로 하여 이를 확장한 다층 폴리머 적층체(40)를 구성하기 위한 조립도이다.
도시된 바와 같이, 다수의 원형 전왜 폴리머층(10)이 두께 방향으로 적층되고, 이들 폴리머층 사이에 다수의 제1 전극층(20) 및 제2 전극층(30)이 교대로 개재된다. 그리고, 이들 전극층(20, 30)은 두께 방향으로 전극층 상호간에 중첩되지 않는 비전극 영역(25, 35)을 각각 구비하며, 이는 도 3에서 설명한 바와 같다.
이러한 다층 폴리머 적층체(40)를 실제로 제작함에 있어서, 전왜 폴리머층을 층별로 한장씩 적층하면서 각각에 전극층을 도포할 수 있으나, 예컨대, 10층 단위로 적층체를 제작하고 이어서 단위 적층체를 상하 두께 방향으로 결합하여 보다 다층의 적층체를 구성하는 것이 바람직하다. 특히, 폴리머 적층체가 100층을 초과할 경우에는 층별로 한장씩 적층하는 것이 매우 곤란하기 때문에, 예컨대, 10층 이하의 단위 적층체를 상하 두께 방향으로 결합함으로써, 적층에 소요되는 시간 및 노력을 절감할 수 있다.
도 4b는 도 4a의 다층 폴리머 적층체(40)에 연결 도체(50, 50')를 삽입하여 제1 전극 및 제2 전극을 각각 전기적으로 연결한 상태도이다.
도시된 바와 같이, 비전극 영역(25, 35)이 형성된 제1 전극층(20) 및 제2 전극층(30) 구조에 따라, 제2 전극층의 비전극 영역 (35) 내부를 두께 방향으로 관통하여 제1 연결 도체(50)를 삽입함으로써, 두께 방향으로 적층된 다수의 제1 전극층(20)을 연결할 수 있다. 마찬가지로, 상기 제1 전극층의 비전극(25) 내부를 두께 방향으로 관통하여 제2 연결 도체(50')를 삽입함으로써, 복수의 제2 전극층(30)을 제2 연결 도체에 접속할 수 있다. 이 때, 비전극 영역(25, 35)을 사전에 연결 도체(50, 50')의 두께 방향 단면보다 넓게 형성함으로써, 제1 전극 및 제2 전극 사이의 단락을 방지할 수 있음을 이해할 것이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다층 폴리머 액추에이터의 사시도이다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 전술한 도 4a 및 도 4b의 다층 폴리머 적층체 (40)의 최상단 및 최하단에 접하여 이를 지지하는 두 개의 지지 플레이트(60)가 설치되어 있으며, 이에 따라 지지 플레이트(60)는 다층 폴리머 적층체(40)의 최상단 및 최하단 폴리머층(도 4b의 10)에 접한다.
지지 플레이트(60)는 다층 폴리머의 외주보다 더 넓은 원판 형상을 취하고 있으며, 주연을 따라 복수개의 와이어 연결구(62)가 형성되어 있다. 와이어 연결구(62)에는 상기 두 개의 지지 플레이트(60)를 지지하는 와이어(70)가 연결되어, 플레이트간 거리를 일정하게 유지한다. 와이어(70)에 의해 연결되는 지지 플레이트간 거리는 와이어의 장력이 다층 폴리머 적층체에 인가되지 않도록, 전압 미인가 상태에서 다층 폴리머 적층체(40)의 높이, 즉, 다층 폴리머 적층체의 최상단 및 최하단 사이의 거리로 설정하는 것이 바람직하다.
와이어(70)는 다층 폴리머 적층체(40)에 적층된 복수개의 전왜 폴리머층이 전왜 변형되어 측면으로 팽창할 때(도 5의 상방 및 하방에 해당함), 전왜 폴리머층의 외주를 따라 만곡됨으로써 상기 플레이트간 거리를 단축시킨다. 즉, 와이어(70)의 만곡 변형에 의하여 전왜 폴리머층의 측면 팽창력이 두께 방향 수축력으로 변환되며, 이를 위하여 비탄성, 즉 비신축성 와이어를 사용하는 것이 바람직하다. 한편, 와이어를 대신하여, 선이 아닌 면(面) 형태로 다층 폴리머 적층체의 외주를 둘러싸면서 양 지지플레이트를 연결하는 비탄성 연결 부재(연결 수단)를 사용할 수 있으며, 이러한 면상 부재의 만곡 변형에 의하여 측면 팽창력을 두께 방향 수축력으로 변환할 수 있다.
또한, 지지 플레이트(60)에는 다층 폴리머 적층체(40) 내부에 형성된 비전극 영역(도 4b의 25, 35)에 대응하는 위치에 연결 도체용 관통홀(64, 64')이 형성되어 있다. 따라서, 도 4b에서 기 설명한 바와 같이, 지지 플레이트(60)의 조립이 완료된 상태에서 제1 전극 및 제2 전극에 각각 전압을 인가하기 위한 연결 도체, 예컨대, 리드선을 삽입할 수 있다.
한편, 도 5b는 전압이 미인가된 상태에서 와이어가 폴리머 적층체의 외주에 접하도록 와이어 연결구(62)가 배치되어 있으며, 이에 따라 전압 인가와 동시에 와이어 만곡이 일어날 수 있다.
도 6은 도 5a에 도시된 다층 폴리머 액추에이터의 측단면도로서, 전압 인가전의 상태 (a) 및 전압 인가후의 상태 (b)가 각각 도시되어 있다.
먼저, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 제1 연결도체(50) 및 제2 연결도체(50')에 전압이 인가되지 않으면, 제1 전극(20) 및 제2 전극(30) 사이에 전위차가 발생하지 않기 때문에 전왜 폴리머층(10)은 전왜 변형이 일어나지 않는다.
이어서, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 제1 연결도체(50) 및 제2 연결도체(50')에 전압이 인가되어 제1 전극(20) 및 제2 전극(30) 사이에 전위차가 발생하면, 전왜 폴리머층(10)이 전왜 변형을 일으킨다. 즉, 전왜 폴리머층(10)은 평면 방향으로 측면 팽창하고(도 6의 상방 및 하방에 해당함), 그 두께도 함께 감소한다. 그러나, 단일 폴리머층의 두께가 감소한 것만으로는 원하는 수축력을 얻을 수 없다.
그런데, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 일정 길이의 와이어(70)가 지지 플레이트(60) 사이를 구속하고 있기 때문에, 전왜 폴리머층(10)이 측면으로 팽 창하여 와이어(70)가 일정 시점에서 다층 폴리머 적층체(40)의 외주에 접하게 된다. 이어서, 전왜 폴리머층의 측면 팽창이 더 진행하면 와이어의 만곡이 일어나며, 이에 따라 플레이트 간 거리는 감축된다. 이와 같이 플레이트간 거리의 감축을 통해 보다 큰 수축력을 발생시킬 수 있다.
한편, 와이어(70)가 다층 폴리머 적층체(또는 전왜 폴리머층)의 외주에 접하는 시점과 관련하여, 도 5a에 도시된 바와 같이 다층 폴리머 적층체의 외주로부터 일정한 간격을 두고 와이어 연결구(62)를 배치하여 일정 시점이후부터 와이어의 만곡이 일어나도록 할 수 있다. 대안으로서, 전압이 미인가된 상태에서 도 5b에 도시된 바와 같이 와이어가 폴리머 적층체의 외주에 접하도록 와이어 연결구(62)를 배치하여 전압 인가와 동시에 와이어 만곡이 일어나도록 할 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 다층 폴리머 적층체를 복수개 결합한 폴리머 액추에이터의 사시도이다.
먼저, 도 7a를 참조하면, 다층 폴리머 적층체(40)는 전술한 바와 같이 다수의 전왜 폴리머층이 두께 방향으로 적층되고, 이러한 전왜 폴리머층 사이에 제1 전극층 및 제2 전극층이 교대로 형성된다. 이렇게 형성된 복수개의 폴리머 적층체(40)가 두께 방향으로 적층되고, 이들 폴리머 적층체의 상단 및 하단을 지지하는 복수개의 지지 플레이트(60)가 설치되어 있다.
연결 도체(50, 50')는 각 폴리머 적층체에 대하여, 제1 전극층 사이 및 제2 전극층 사이를 별도로 연결하여, 후술하는 제어부로부터 당해 폴리머 적층체에 인가되는 전압을 제1 전극층 및 제2 전극층에 전달한다. 예컨대, 연결 도체(50)에는 전압(V)이 인가되고, 연결 도체(50')에는 영전압이 인가되어, 제1 전극층 및 제2 전극층에 전위차(V)를 생성할 수 있다.
와이어(70)는 각 지지 플레이트간 거리를 유지하며, 각 폴리머 적층체에 전압이 인가되어 측면으로 팽창할 때 당해 폴리머 적층체의 외주를 따라 만곡되어 상기 플레이트간 거리를 단축시켜서 수출력을 발생시키는 역할을 수행한다.
한편, 도 7a에서, 각 폴리머 적층체(40)는 동일한 치수로 설계되어 있으며, 이에 따라 동일 전압이 인가될 경우에 모든 폴리머 적층체의 수축 변위는 동일하게 설정할 수 있다. 이에 반하여, 도 7b에 도시된 바와 같이, 각 폴리머 적층체(40)의 치수, 예컨대, 외주, 두께 등을 각기 다르게 설계할 경우에, 동일 전압이 인가되더라도 서로 다른 수축 변위를 나타낼 수 있다. 예컨대, 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 동일 전압이 인가될 때 각 폴리머 적층체의 수축 변위가 2배 단위로 증가하도록 설정하여 이진 비트 단위로 목표 변위값을 합성할 수 있으며, 이에 대해서는 도 9를 참조하여 상세히 후술한다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 다층 폴리머 적층체를 복수개 결합한 폴리머 액추에이터 및 제어 회로의 블록도이다.
도시된 바와 같이, 전원 공급부(110)에서 생성된 전압은 고전압 변환부(120)를 거쳐, 다층 폴리머 적층체의 전왜 변형을 유발할 수 있는 크기의 고전압으로 변환된다. 제어부(130)는 고전압 변환부(120)로부터 출력되는 일정 크기의 고전압을 입력받으며, 각 폴리머 적층체(40)의 제1 전극층 및 제2 전극층은 연결 도체(도 7a의 50, 50')를 통해 제어부(130)의 양전압 단자(V) 및 영전압 단자(GND)에 각각 연 결되어 있다.
이러한 구성에 따라, 제어부(130)는 목표 변위값(dDesired)을 입력받고, 각 다층 폴리머 적층체(40)에 입력되는 정전압을 ON/OFF 스위칭하여 각 폴리머 적층체별로 수축 변위를 제어할 수 있다. 예컨대, 네 개의 다층 폴리머 적층체(적층체 1 내지 적층체 4)의 수축 변위를 각각 d1, d2, d3, d4라 할 때, 폴리머 액추에이터의 전체 변위 d는 각 적층체에 대한 수축 변위의 합으로서 나타낼 수 있다(즉, d=d1+d2+d3+d4임). 이에 따라, 각 폴리머 적층체별로 수축 변위를 개별적으로 제어하여 전체 수축 변위(d)를 합성할 수 있는 것이다.
도 9는 도 8의 폴리머 액추에이터로부터 출력되는 수축 변위를 예시한 것으로서, 폴리머 액추에이터의 목표 변위값(dDesired)으로부터 각 다층 폴리머 적층체의 ON/OFF 값을 결정하는 방법을 구체적으로 설명하기 위한 것이다.
설명의 편의를 도모하고자, 도 8에 도시된 네 개의 다층 폴리머 적층체에 대하여, 동일 전압이 인가될 때 각 폴리머 적층체의 수축 변위가 2배 단위로 설정되었다고 가정한다. 즉, d1=2*d2=4*d3=8*d4라 가정할 때, 먼저 폴리머 액추에이터의 목표 변위값(dDesired)과 제1 적층체의 변위값(d1)을 비교한다. 이 때, dDesired>d1이면, 제1 적층체에 전압을 인가하며(ON), 변위차(dDesired-d=dDesired-d1)를 제2 적층체의 변위값(d2)과 비교한다. 만약, dDesired<d1인 경우에는, 제1 적층체에 전압을 인가하지 않고(OFF), 변위차(dDesired-d=dDesired-0)를 제2 적층체의 변위값(d2)과 비교한다. 제3 적층체 및 제4 적층체에 대해서도 동일한 프로세스를 진행함으로써, 제어 신호로부터 입력된 목표 변위값(dDesired)에 가장 근접한 수축 변위의 합성값(d)을 출력할 수 있다.
한편, 도 9에서는 수축 변위의 순서에 따라 적층체 1에서부터 적층체 4까지 순차적으로 변위를 출력하는 것으로 예시하였으나(t1 내지 t4), 제어부(130) 또는 제어부(도시되지 않음)는 각 다층 폴리머 적층체의 ON/OFF 값을 사전에 결정할 수 있다. 따라서, 각 다층 폴리머 적층체는 제어부(130)의 제어에 의하여 동일 시점(예컨대, t1)에 일괄적으로 스위칭될 수도 있다.
이와 같이 일정한 입력 전압에 대하여 목표 변위에 근접하도록 각 적층체의 전극을 스위칭함으로써 비트 단위 제어가 가능하며, 이러한 제어 방식을 통상 뱅뱅(Bang-Bang) 제어라 칭한다.
이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 여타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 예컨대, 본 발명에서는 원형의 폴리머 적층체를 예시하였으나, 폴리머층의 평면 형태는 정방형 또는 여타의 형태로 자유롭게 변경할 수 있다. 다만, 측면 전체에 걸쳐 동일한 팽창력을 유도하고, 이를 효과적으로 수축력으로 변환하기 위해서는 원형의 다층 폴리머 적층체가 바람직할 것이다. 따라서, 본 발명의 보호 범위는 이하의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 다층 폴리머 적층체의 측면 팽창력을 수축력으로 효과적으로 변환하고, 복수의 다층 폴리머 적층체를 결합하여 수축 정도 및 수축력을 배가함과 아울러 각 다층 폴리머 적층체의 수축 변위를 개별적으로 제어함으로써, 액추에이터의 목표 변위를 정밀하게 제어할 수 있다. 즉, 각 적층체를 개별적으로 제어하여 미소 변위를 배분함으로써, 인간 근육과 유사하게 폴리머 액추에이터의 정밀 제어가 가능한 것이다.
또한, 본 발명의 추가적 특징에 따르면, 다층 폴리머 액추에이터에서 복수개의 전극과 연결 도체를 연결하기 위한 구조를 돌출시키지 아니하고, 전극의 외주로부터 요입된 비전극 영역을 통해 전극을 연결토록 형성함으로써, 종래 기술에서 문제된 전극과 폴리머층의 경계 영역을 제거하여 전극 및 폴리머층의 외주를 서로 일치하게 제작할 수 있으며, 이에 따라 폴리머층의 측면 팽창력이 외주로 보다 용이하게 전달될 수 있다.

Claims (13)

  1. 수축 변위를 정밀 제어하기 위한 폴리머 액추에이터로서,
    다수의 전왜 폴리머층이 두께 방향으로 적층되고, 상기 다수의 전왜 폴리머층 사이에 다수의 제1 전극층 및 제2 전극층이 교대로 형성되는 복수개의 다층 폴리머 적층체와,
    상기 복수개의 폴리머 적층체가 두께 방향으로 적층되고, 상기 각 폴리머 적층체의 최상단 및 최하단에 접하는 복수개의 지지 플레이트와,
    상기 각 지지 플레이트간 거리를 유지하며, 상기 각 폴리머 적층체에 전압이 인가되어 측면으로 팽창할 때 당해 폴리머 적층체의 외주를 따라 만곡되어 상기 플레이트간 거리를 단축시키는 연결 수단과,
    상기 각 폴리머 적층체의 제1 전극층 및 제2 전극층 사이에 인가되는 전압을 스위칭하여, 각 폴리머 적층체별로 수축 변위를 제어하는 제어부
    를 포함하는 폴리머 액추에이터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수개의 폴리머 적층체는 동일 전압이 인가될 때 서로 다른 수축 변위를 생성하는 것인 폴리머 액추에이터.
  3. 제2항에 있어서, 상기 각 폴리머 적층체의 수축 변위는 동일 전압이 인가될 때 2배 단위로 설정되는 것인 폴리머 액추에이터.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 각 폴리머 적층체는,
    상기 다수의 제1 전극층 사이 및 제2 전극층 사이를 각각 전기적으로 연결하며, 상기 제어부로부터 당해 폴리머 적층체에 인가되는 전압을 상기 제1 전극층 및 제2 전극층에 각각 전달하는 도체부
    를 포함하는 것인 폴리머 액추에이터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 각 폴리머 적층체에 대하여, 상기 다수의 제1 전극층 및 제2 전극층은 그 외주가 상기 전왜 폴리머층의 외주와 일치하며, 두께 방향 방향으로 제1 전극층 및 제2 전극층 상호간에 중첩되지 않는 비전극 영역이 각각 형성되는 것인 폴리머 액추에이터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 각 폴리머 적층체에 대하여, 상기 다수의 제1 전극층 및 제2 전극층의 비전극 영역은 상기 전왜 폴리머층의 외주에 접하여 내측으로 요입된 리세스인 폴리머 액추에이터.
  7. 제5항에 있어서, 상기 각 폴리머 적층체의 도체부는,
    상기 제2 전극층의 비전극 영역 내부를 두께 방향으로 관통하여 상기 제1 전 극층을 전기적으로 연결하는 제1 연결 도체와,
    상기 제1 전극층의 비전극 영역 내부를 두께 방향으로 관통하여 상기 제2 전극층을 전기적으로 연결하는 제2 연결 도체
    를 포함하는 것인 폴리머 액추에이터.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 연결 수단은 상기 복수개의 지지 플레이트 사이를 연결하는 비탄성 와이어인 폴리머 액추에이터.
  9. 다층 폴리머 액추에이터의 수축 변위를 정밀 제어하는 방법으로서,
    다수의 전왜 폴리머층을 두께 방향으로 적층하고, 상기 다수의 전왜 폴리머층 사이에 다수의 제1 전극층 및 제2 전극층을 교대로 형성하여, 복수개의 다층 폴리머 적층체를 구성하는 제1 단계와,
    상기 복수개의 폴리머 적층체를 두께 방향으로 적층하고, 각 폴리머 적층체의 최상단 및 최하단에 지지 플레이트를 결합하는 제2 단계와,
    상기 각 지지 플레이트간 거리를 유지하는 연결 수단을 설치하는 단계로서, 상기 연결 수단은 상기 각 폴리머 적층체에 전압이 인가되어 측면으로 팽창할 때 당해 폴리머 적층체의 외주를 따라 만곡되어 상기 플레이트간 거리를 단축시키는 것인 제3 단계와,
    상기 각 폴리머 적층체의 제1 전극층 및 제2 전극층 사이에 인가되는 전압을 스위칭하여, 각 폴리머 적층체별로 수축 변위를 제어하는 제4 단계
    를 포함하는 다층 폴리머 액추에이터의 수축 변위 제어방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1 단계는
    상기 각 폴리머 적층체에 동일 전압이 인가될 때 서로 다른 수축 변위를 생성하도록, 각 폴리머 적층체의 치수를 서로 상이하게 설정하는 제5 단계
    를 포함하는 것인 다층 폴리머 액추에이터의 수축 변위 제어방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제5 단계는
    상기 각 폴리머 적층체에 동일 전압이 인가될 때 2배 단위의 수축 변위를 생성하도록, 각 폴리머 적층체의 치수를 설정하는 것인 다층 폴리머 액추에이터의 수축 변위 제어방법.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 제1 단계는
    상기 각 폴리머 적층체에 대하여, 도체를 이용하여 상기 다수의 제1 전극층 사이 및 제2 전극층 사이를 전기적으로 각각 연결하는 제6 단계
    를 포함하는 것인 다층 폴리머 액추에이터의 수축 변위 제어방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제1 단계는,
    상기 각 폴리머 적층체에 대하여, 상기 전왜 폴리머층의 외주와 일치하도록 상기 제1 전극층 및 제2 전극층을 형성하며, 상기 제1 전극층 및 제2 전극층에 두께 방향 방향으로 상기 제1 전극층과 제2 전극층 상호간에 중첩되지 않는 비전극 영역을 각각 형성하는 단계
    를 더 포함하는 것인 다층 폴리머 액추에이터의 수축 변위 제어방법.
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