KR20070067992A - 전기반응형 다층 고분자박막 제조장치 및 제조방법 - Google Patents

Abstract

HDD, AFM, DNA Chip, 인공근육 등의 IT, 의공학 분야의 마이크로 액추에이터는 압전, 열전, 전기왜곡성, 정전기, 전자기, 열팽창, 전해 특성등을 통해 구동되는데, 그 중에서도 압전소자를 이용한 액추에이터와 정전기, 자기를 이용한 액추에이터 들은 동력밀도와 변형률간의 큰 차이로 인하여 적용 범위가 제한되지만 전기왜곡성을 이용한 액추에이터는 정전기력이나 자기력을 이용하는 액추에이터 보다 높은 동력밀도를 나타내면서도 변형률은 비슷하기 때문에 그 응용분야가 확대 될 것으로 보인다. 후자의 특성을 갖는 고분자 재료인 압전성 폴리머는 전기기계장치 혹은 액추에이터로서 응용 연구되고 있으며 로봇, 의학, 매니퓨레이터 등에 적용하기 위한 전기 반응형 고분자에 관한 연구가 활발히 진행 중이다. 본 고안은 고분자의 전기왜곡성을 이용하여 선형 구동기로 사용할 수 있는 전기 반응형 고분자 액추에이터의 다층 박막 제조 장치에 관한 것이다. 이 분야의 종래의 방식은 수작업에 의한 불량률 및 복잡한 부가 제조 공정으로 인해 생산성과 재현성이 낮아 액추에이터로 사용되는데 어려움이 있었다. 또, 각 단위 공정이 유독한 환경조건임을 감안하여 본 특허에서는 코팅, 건조, 전극 도포 등의 일련의 반복 과정을 한 장치에서 제조 할 수 있도록 고안 하였다. 박막을 제조하기위한 코팅 공정을 단순화하고, 생산성을 올릴 수 있도록 액상 실리콘을 공기와의 접촉이 방지된 카트리지 용기에 투입한 후 회전 속도를 조절하여 박막 두께를 결정할 수 있는 스핀코터에 테프론 재질의 원형판을 고정한 후 그 위에 정량펌프를 이용 두께별 용량에 맞게 실 리콘을 정량 공급 한다. 그리고, 스핀코터의 구동 회전속도를 제어하면 균일한 두께의 박막이 코팅이 되고 실리콘의 경화를 위하여 전기 히터를 사용하여 실리콘을 경화시킨 뒤 정밀 초음파 스프레이를 이용하여 유연 전극제인 탄소분말등의 전극용 미립자를 일정두께로 도포하여 전극 패턴을 형성하는 공정을 행한다. 이 과정은 한 주기를 반복하여 다층의 고분자 액추에이터를 임의로 제조 할 수 있어 생산성을 높이고 불량률을 낮추며, 생산 환경의 개선을 동시에 이룰 수 있다.

인공근육, 고분자, 전기활성, 박막, 다층, 전극, 초음파

Description

전기반응형 다층 고분자박막 제조장치 { Manufacturing Facility for Multilayer EAP Film }

도 1은 본 고안의 다층 고분자박막을 제조하기위한 장치의 구성을 개략적으로 나타내기 위한 구성도.

도 2는 본 고안의 다층 고분자박막 제조 방법의 공정 순서를 설명하기위한 순서도.

도 3는 다층 고분자박막 액추에이터의 적층 구조를 나타내는 고분자층과 전극으로 구성된 단면도.

도 4은 다층의 고분자 액추에이터로 사용될 수 있는 대상의 다양한 형태별로 제조하기 위한 패턴들의 예시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 터릿형 회전판 11 : 시린지

12 : 가열판 13 : 초음파 스프레이

20 : 스핀코터 21 : 테프론 원형판

30 : 이송테이블 40 : 고분자층

50 : 전극층

본 발명은 고분자 액추에이터의 제조 장치에 관한 것으로서, 전기 반응형 고분자의 팽창력과 수축력을 이용한 액추에이터의 제조 장치로 다층의 고분자 박막 액추에이터를 균일하게 제조하기위한 장치에 관한 것이다.

다양한 분야에서 활용되는 액추에이터는 압전, 열전, 전기왜곡성, 정전기, 전자기, 열팽창, 전해 특성등을 통해 구동되는데, 지금까지의 액추에이터는 다수의 액추에이터를 집적하거나 낮은 동작 주파수에서 높은 동력밀도를 구현하기위해 적용 범위가 제한되지만 전기왜곡성을 이용한 액추에이터는 정전기력이나 자기력을 이용하는 액추에이터 보다 높은 동력밀도를 나타내면서 변형률은 비슷하기 때문에 전기활성 고분자 액추에이터 기술에 관한 관심이 증대되고 있다.

이러한 고분자 액추에이터의 재료로는 전기장에 의해 전왜 변형이 유발되는 전왜 폴리머, 전기장이 가해질 때 고분자 내부에 이온 편류가 발생하여 변형이 발생하는 폴리머 젤, 이온 박막 및 도전성 폴리머 등이 있다.

유전탄성체를 이용한 고분자 액추에이터의 구성은 도 3에 도시된 바와 같이 유전 탄성체 필름(40)의 상단 및 하단에 서로 다른 전압이 인가되는 전극층(50)으로 구성되어 양 전극(50)에 전압을 인가하여 전위차를 유발하면 전왜 변형이 유발되어 유전탄성체 필름이 팽창하게 된다.

이러한 고분자 액추에이터는 유전탄성체 및 전극을 순차적으로 적층하여 다층의 고분자 액추에이터를 제조할 수 있으며 단층 구조에 비하여 보다 큰 변위 및 팽창력을 얻을 수 있다.

한편, 다층의 고분자 액추에이터를 제조하기 위한 이 분야의 종래 적층 방법으로는 압착성형, 스핀코팅, 스크린인쇄, 기상증착 등의 방법이 실용화 되어 적용되고 있다. 하지만 단위 공정의 수작업에 의한 불량률 및 복잡한 부가 제조 공정으로 인해 생산성과 재현성이 낮아 균일한 제품의 액추에이터의 제조가 어려워 사용되는데 문제점이 있었다. 또, 각 단위 공정이 유독한 환경조건임을 감안하여 본 특허에서는 코팅, 건조, 전극 도포 등의 일련의 반복 과정을 한 장치에서 제조 할 수 있도록 고안 하였다.

기존의 수작업을 통하여 다층의 고분자 박막을 제조 시에 발생되는 단위 공정 및 유해한 제조환경의 문제점을 자동화 장비를 통하여 각각의 단위 공정을 통합된 장치에서 제조하여 생산성 및 재현성을 실현하여 균일한 제품의 액추에이터를 제조하는 장비를 제작하는데 목적이 있다.

상기한 본 발명은 3단계의 과정을 한 주기로 설정 주기만큼 반복 하여 다층의 고분자 박막을 제조하게 된다. 즉, 제1 단계로 액상의 고분자를 이용하여 원형의 테프론 코팅 판(21)에 스핀코터(20)를 이용 박막을 코팅한 후 제2 단계로 액상의 고분자로 코팅된 박막을 전기히터(12)로 경화 시키는 건조과정을 거치고 제3 단계로 초음파 스프레이(13)를 사용 유연 전극제를 적층 시키는 과정으로 적용하고자 하는 구동기의 형상에 맞게 도포하면 한 주기가 끝나고 이 과정을 반복하여 다 층의 박막을 제조하게 된다.

본 발명의 제조장치 구성은 도 1의 회전이 가능하도록 고안 된 터릿형 회전장치(10)에 시린지(11), 전기히터(12), 초음파 스프레이(13)가 하나의 장치로 구성되고 이송테이블(30)에 스핀코터(20)를 부착한 구조이다.

제1 단계의 코팅과정은 실리콘 코팅 박막이 제조 된 후 잘 분리 될 수 있고 일정온도에서 변형이 없는 테프론 재질의 표면조도가 우수한 원형의 코팅 판(21)을 회전속도를 이용하여 박막의 두께를 결정할 수 있는 스핀코터(20)에 부착하여 회전 시 원형의 코팅판을 흡착시켜 고정할 수 있고 작업완료 후 분리할 수 있도록 진공척으로 고정하고 그 위에 유전탄성체 재료에 유기 용매를 첨가하고 혼합 한 액상의 실리콘을 공기와의 접촉에 의한 고형화를 막고 적정 점도를 유지할 수 있도록 카트리지 형태의 시린지(11) 용기에 저장하여 정량펌프를 이용 설정 두께별 용량에 맞게 정량 공급을 한 후 스핀코터(20)의 구동 회전속도를 단계별로 제어하면 균일한 두께의 박막이 코팅된다.

제2 단계는 액상의 실리콘 코팅 막에 혼합된 유기용매를 제거하기 위한 건조 과정으로 전기히터(12)를 이용 일정 온도에서 일정 시간을 유지하면 액상의 실리콘이 경화하게 된다.

제3 단계 전극도포과정은 원형 코팅 판(21)을 위치 결정핀에 의하여 동일 위치에 고정시킨 후 경화된 실리콘 박막위에 초음파 스프레이(13)를 이용하여 실리콘의 신축성에도 대응하여 전도성을 유지할 수 있는 유연 전극제로 사용되는 탄소분말 등의 전극용 미립자를 적용 하고자 하는 구동기의 형상에 맞게 이송테이블을 이 동하여 도 4와 같은 전극 패턴을 형성하며 일정 두께로 도포하여 전극층을 형성하게 된다.

이와 같은 한 주기의 과정을 반복하여 다층의 균일한 전기반응형 다층 고분자 박막을 제조하게 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 종래의 단계별 제조 공정 시 수작업에 의한 작업 공정에서 발생되어 지는 문제점을 일체형 구조의 자동화 장치로 구성하여 균일한 제품을 제조할 수 있어 구동기로 사용 시 재현성을 가질 수 있다. 더욱이, 전체 공정을 일체형으로 구성하여 차단 된 공간에서 제조할 수 있는 구조로 유해 환경을 개선할 수 있는 장점이 있다.

Claims (4)

1. 유전탄성체 박막 및 전극이 순차적으로 적층되는 다층의 고분자 액추에이터를 제조하는 방법으로서,

   박막의 두께별 용량에 맞게 액상의 실리콘을 코팅하는 제1 단계와,

   상기 형성된 액상의 실리콘 박막을 일정온도에서 경화 시키는 제2 단계와,

   상기 경화된 유전탄성체 박막에 유연 전극을 적층하는 제3 단계와,

   상기 제1 단계에서 제 3단계를 반복하여 유전탄성체 박막 및 전극을 순차적으로 적층하여 다층의 고분자 액추에이터의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1 단계에서 액상의 실리콘을 준비하는 것인 유전탄성체 재료에 유기 용매를 첨가하고 혼합하여 공기와의 접촉에 의한 고형화를 막고 적정 점도를 유지할 수 있는 카트리지 형태의 시린지 용기를 사용하는 것.
3. 제1항에 있어서,

   제1 단계의 스핀코터 사용시 박막을 형성하기위한 원형의 표면조도가 우수하고 경화된 박막의 이탈이 용이한 테프론 재질의 원형 코팅 판을 사용하는 것.
4. 초음파 노즐을 이용하여 유연전극 분말을 포함한 용액을 무화시키어 도포하 는 것.

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