KR20080100757A - 전기 활성 엑츄에이터 및 그 제조 방법 - Google Patents

전기 활성 엑츄에이터 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

전기 활성 엑츄에이터가 개시된다. 본 엑츄에이터는, 순차적으로 배치된 복수 개의 변형층 및 복수 개의 변형층의 사이에서 교번적으로 배치되며, 복수 개의 변형층의 양 단 측으로 연장 형성되어, 전압이 인가되면 복수 개의 변형층을 변위시키는 복수 개의 전극 층을 포함한다. 또한, 본 전기활성엑츄에이터는 지지층도 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 낮은 구동 전압을 필요로 하는 모바일 소형 기기에 적합한 전기 활성 엑츄에이터를 얻을 수 있다.
전기 활성 엑츄에이터, 전도성 폴리머, 공통전극부

Description

전기 활성 엑츄에이터 및 그 제조 방법{Electroactive actuator and fabrication method thereof}
본 발명은 전기 활성 엑츄에이터 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 복층구조의 변형층을 이용하는 전기 활성 엑츄에이터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근에 전기 활성 폴리머(ElectroActive Polymer: EAP)를 이용한 엑츄에이터(actuator) 기술이 많은 사람들의 관심을 끌고 있으며 부분적으로는 인간의 근육과 유사한 구동이 가능할 것으로 판단되어 인공근육구동기(artificial muscle actuator)라고도 불리워지고 있다.
EAP는 전기적인 자극에 의하여 변형을 할 수 있는 고분자 재료를 통칭하는 말이며 전기적인 자극 뿐만이 아니라 화학적 자극, 열 등에 의하여 구동되는 고분자 재료까지 동 재료의 범주에 포함시키고 있다. EAP는 IPMC(Ionic Polymer Metal Composite), Dielectric elastomer, Conducting Polymer, Polymer Gel, PVDF, Carbon nanotube, Shape Memory Polymer 등 다양한 종류들이 있으며 이들은 통상적으로 액체와 같은 화학적 용매 중에서 구동이 될 수 있는 것들과 공기 중에서 전기 에너지만으로 구동되는 것들로 크게 나눈다.
특히, 모바일 기기용 고성능 카메라 모듈의 제작에 있어서 오토-포커스(auto-focus) 및 줌(zoom) 기능을 구현하기 위해서는 대변위 구동 엑츄에이터가 절실히 필요하다. 기존의 세라믹 압전(ceramic piezoelectric) 방식의 엑츄에이터는 변형률이 최대 0.1 % 수준인 반면, 폴리머 엑츄에이터는 최대 약 5 %의 strain이 가능하다. 그러나, 폴리머 엑츄에이터의 경우 구동 시에 탄성체(elastomer)와 금속전극 사이의 변형 차이로 인한 박리 또는 성능 저하가 장기 신뢰성 불량의 원인이 되고 있다. 또한, 구동전압을 낮추면서, 폴리머 엑츄에이터의 성능은 일정하게 유지하기 위해서는 얇은 엑츄에이터를 다층으로 적층하는 기술이 필요하다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 변형층을 복층 구조로 구비함으로써 엑츄에이터의 성능은 그대로 유지하면서 구동전압을 낮출 수 있는 전기 활성 엑츄에이터 및 그 제조 방법을 제공함에 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 활성 엑츄에이터는, 순차적으로 배치된 복수 개의 변형층 및 상기 복수 개의 변형층의 사이에서 교번적으로 배치되며, 상기 복수 개의 변형층의 양 단 측으로 연장 형성되어, 전압이 인가되면 상기 복수 개의 변형층을 변위시키는 복수 개의 전극 층을 포함한다.
바람직하게는, 상기 복수 개의 전극 층은, 상기 복수 개의 변형층의 일 측 방향으로 연장 형성되는 적어도 하나의 제1 그룹 전극 층 및 상기 복수 개의 변형층의 타 측 방향으로 연장 형성되는 적어도 하나의 제2 그룹 전극 층을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 그룹 전극 층 및 상기 제2 그룹 전극 층은 상기 복수 개의 변형층 사이에서 번갈아가며 하나씩 배치되고, 각 그룹 전극 층이 복수 개인 경우 각 측 단 부분에서 서로 연결될 수 있다.
보다 바람직하게는, 상기 복수 개의 전극 층 중 적어도 하나는 전도성 폴리머가 될 수 있다.
한편, 본 전기 활성 엑츄에이터는, 상기 복수 개의 변형 층 들의 일 측에 배치되는 복수의 절연층을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 복수의 변형층 각각은 대응되는 전극 층 및 절연층 각각과 동시에 접하는 형태가 될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 상기 복수 개의 전극 층 중 적어도 하나는 폴리아닐린(polyaniline) 또는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌술폰산)(Poly(3,4-Ethylenedioxythiophene):Poly(styrenesulfonate))(이하, PEDOT:PSS라 함)과 같은 폴리머 물질로 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 전기 활성 엑츄에이터는, 복수 개의 변형층 및 복수 개의 전극 층 이외에, 상기 복수 개의 변형층 각 측 단에서 상기 복수 개의 전극층 들을 연결하는 공통전극부를 더 포함할 수도 있다.
이 경우, 상기 공통전극부는, 상기 복수 개의 변형층 및 상기 복수 개의 전극층으로 이루어지는 엑츄에이팅 영역을 제외한 비엑츄에이팅 영역에 형성된 비아 면을 따라 형성되어, 상기 비아 측으로 노출된 각 전극층과 연결되며, 상기 비엑츄에이팅 영역 상측으로 노출될 수 있다.
바람직하게는, 상기 복수 개의 전극층 각각에 형성되어, 상기 공통전극부와 각 전극층을 연결시키는 복수 개의 금속 전극을 더 포함할 수도 있다.
이상과 같은 실시 예들에서, 상기 변형층은 유전성폴리머(dielectric polymer)로 형성될 수 있다.
또한, 본 전기 활성 엑츄에이터들은, 상기 복수 개의 변형층 및 상기 복수 개의 전극층으로 이루어지는 엑츄에이팅 영역과 결합되어, 상기 엑츄에이팅 영역이 상기 전압에 대응되는 변위를 제공할 수 있도록 지지하는 지지부를 더 포함할 수도 있다.
또한, 상기 지지층은 불활성폴리머(inactive polymer)로 형성될 수도 있으며, 상기 복수 개의 변형층은 실리콘(silicone) 또는 아크릴(acrylate)의 유전성 탄성체로 제조될 수도 있다.
또한 바람직하게는, 상기 복수 개의 변형층은 PVDF(poly vinylidenefluoride) 또는 P(VDF-TrFE)(poly vinylidenefluoride-trifluoroethylene)의 강유전성 폴리머 물질로 제조될 수 있다.
한편, 상기 복수 개의 변형층은 P(VDF-TrFE-CFE)(poly vinylidenefluoride-trifluoroethylene-chlorofluoroethylene)의 완화형 강유전성 폴리머 물질로 제조되는 것도 바람직하다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 활성 엑츄에이터 제조 방법은, 기 판 상에서, 복수 개의 변형층 및 상기 복수 개의 변형층의 사이에서 교번적으로 배치되며 상기 복수 개의 변형층의 양 단 측으로 연장 형성된 복수 개의 전극층을 포함하는 엑츄에이팅 영역을 형성하는 단계 및 상기 엑츄에이팅 영역을 지지하는 지지층을 형성하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 엑츄에이팅 영역을 형성하는 단계는, 상기 기판 상에 비아 스톱 층을 형성하는 단계, 상기 비아 스톱 층이 형성된 기판 상에 상기 복수 개의 변형층 및 상기 복수 개의 전극층을 교번적으로 적층하여, 엑츄에이팅 영역 및 비엑츄에이팅 영역을 형성하는 단계, 상기 비엑츄에이팅 영역을 식각하여 비아를 형성하는 단계, 상기 비아 면을 따라 공통전극층을 형성하여, 상기 비엑츄에이팅 영역으로 노출된 전극층들을 연결시키는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 엑츄에이팅 영역 및 비엑츄에이팅 영역을 형성하는 단계는, 각 전극층이 적층된 이후 변형층 적층 전에, 해당 전극 층 상에서 상기 비엑츄에이팅 영역에 대응되는 영역에 금속 전극을 적층하는 공정을 추가 수행할 수도 있다.
바람직하게는, 상기 엑츄에이팅 영역을 형성하는 단계는, 상기 기판 상에 코팅층을 형성하는 단계, 상기 코팅층 상에 전극층 및 절연층을 형성하는 단계, 상기 전극층 및 상기 절연층 상에서 기 설정된 영역에 변형층을 형성하는 단계를 포함할 수도 있으며, 이 경우, 상기 전극층 및 절연층을 형성하는 단계와, 상기 변형층을 형성하는 단계는 변형층의 개수에 따라 복수 회수 반복 수행되고, 상기 절연층은 상기 복수의 전극층들을 절연시키기 위한 위치에 형성될 수 있다.
한편, 상기 지지층을 형성하는 단계는, 상기 엑츄에이팅 영역이 형성된 기판 상에 상기 지지층을 이루는 물질을 도포하는 단계 및 상기 기판을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
보다 바람직하게는, 상기 엑츄에이팅 영역을 형성하는 단계 및 상기 지지층을 형성하는 단계를 복수 회수 반복 수행하여, 복수 개의 엑츄에이터를 제작하는 단계, 상기 복수 개의 엑츄에이터를, 각각의 지지층이 서로 마주보는 형태로 결합하여 하나의 전기 활성 엑츄에이터로 제작하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전기 활성 엑츄에이터 제조 방법은, 기판 상에 복수 개의 변형층 및 복수 개의 전극층을 교번적으로 적층하여 엑츄에이팅 영역 및 비엑츄에이팅 영역을 형성하는 단계, 상기 비엑츄에이팅 영역을 식각하여 비아를 형성하는 단계, 상기 비아 면을 따라 공통전극층을 형성하여, 상기 비엑츄에이팅 영역으로 노출된 전극층들을 연결시키는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 엑츄에이팅 영역 및 비엑츄에이팅 영역을 형성하는 단계는, 상기 기판 상에서 비엑츄에이팅 영역으로 지정된 위치에, 비아 스톱 층을 형성하는 단계, 상기 비아 스톱 층 및 상기 기판 표면 상에 하나의 변형층을 적층하는 단계, 상기 적층된 변형층 상에 하나의 전극층을 적층하는 단계를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 변형층 적층 단계와 상기 전극층 적층 단계는, 기 설정된 변형층의 개수에 따라 교번적으로 복수 회수 반복 수행될 수 있다.
한편, 상기 전극층을 적층하는 단계는, 각 전극층을 그 이전에 적층된 전극층과 다른 방향으로 연장되는 형태로 적층하여, 상기 변형층의 일 측 방향으로 연장된 제1 그룹 전극층 및 상기 변형층의 타 측 방향으로 연장된 제2 그룹 전극층으 로 구별되도록 하는 것도 바람직하다.
보다 바람직하게는, 상기 비아 형성 단계는, 상기 제1 그룹 전극층이 연장된 방향의 비엑츄에이팅 영역 및 상기 제2 그룹 전극층이 연장된 방향의 비엑츄에이팅 영역을 식각하여, 각각 적어도 하나 이상의 비아를 제작할 수도 있다.
또한 바람직하게는, 상기 엑츄에이팅 영역 및 비엑츄에이팅 영역을 형성하는 단계는, 상기 제1 그룹 전극층이 적층된 이후에, 상기 비엑츄에이팅 영역에 위치하는 제1 그룹 전극층 상에 금속 전극을 형성하는 단계, 상기 제2 그룹 전극층이 적층된 이후에, 상기 비엑츄에이팅 영역에 위치하는 제2 그룹 전극층 상에 금속 전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 자세하게 설명한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 활성 엑츄에이터의 구조를 나타내는 수직 단면도이다. 도 1a에 의하면, 본 전기 활성 엑츄에이터(100)는 제1 전극 층(111), 제1 절연층(110), 제1 변형층(120), 제2 전극 층(131), 제2 절연층(130), 제2 변형층(140), 제3 전극 층(151), 제3 절연층(150) 및 지지층(160)을 포함한다.
전기 활성 엑츄에이터(Electroactive polymer actuator: EAP actuator)는 AF/zoom lens, polymer MEMS, bio, energy harvest 등 다양한 분야에서 활용될 수 있지만, 특히, 모바일 기기용 고성능 카메라 모듈 제작에 있어 AF(Auto-Focus) 기능, Zoom 기능, OIS(Optical Image Stabilization) 기능 구현에 활용될 수 있다. 본 전기 활성 엑츄에이터는, 전기 활성 폴리머를 이용하여 구현될 수도 있다. 따라 서, 전기 활성 폴리머 엑츄에이터라고 명명될 수도 있다.
전기 활성 폴리머(ElectroActive Polymer: EAP)는 전기적인 자극에 의하여 변형을 할 수 있는 폴리머 재료를 통칭하는 의미이다. EAP에는 Dielectric elastomer, Electrostrictive Polymer, IPMC(Ionic Polymer Metal Composite), Conducting Polymer, Polymer Gel, PVDF, Carbon nanotube, Shape Memory Polymer 등 다양한 종류들이 있다. 이하에서는 EAP로 Dielectric elastomer 또는 Electrostrictive Polymer가 이용되는 경우를 중심으로 설명하도록 한다.
본 전기 활성 엑츄에이터(100)는 제1, 제2 변형층(120, 140), 제1, 제2, 제3 전극 층(111, 131, 151), 제1, 제2, 제3 절연층(110, 130, 150)을 포함하는 엑츄에이팅 영역(100') 및 지지부(160)를 포함한다.
엑츄에이팅 영역(100')은 인가되는 전압에 대응되는 변위를 제공하는 역할을 한다. 즉, 인가되는 전압의 크기에 대응되는 만큼 엑츄에이팅 된다.
엑츄에이팅 영역(100')은 제1 및 제2 변형층(120, 140)이 순차적으로 적층된 복층 구조이며, 제1, 제2, 제3 전극 층(111, 131, 151)이 제1, 제2 변형층(120, 140) 사이에 교번적으로 배치된다. 또한, 제1 및 제2 변형층(120, 140)의 일 측에는 제1, 제2, 제3 절연층(110, 130, 150)이 배치되어 있다. 도 1a에서 변형층은 두 개만으로 도시되었으나, 실시 예에 따라 2개 이상이 될 수도 있다.
본 발명에 따르면 변형층의 두께를 줄이고 복층으로 적층함으로써 엑츄에이터의 성능은 그대로 유지하면서 구동 전압을 낮출 수 있다.
제1, 제2, 제3 전극 층(111, 131, 151)은 변형층(120, 140)의 변형을 유도하 는 전압을 인가받는 역할을 한다. 전극층 개수 역시 변형층의 개수에 따라 달라지므로, 변형층이 3개 이상이 되는 경우에, 전극층의 개수 역시 증가한다. 한편, 변형층(120, 140)을 기준으로 볼 때, 제1 및 제3 전극층(111, 151)은 엑츄에이팅 영역(100') 좌측의 비엑츄에이팅 영역까지 연장되어 있으며, 비엑츄에이팅 영역에서 서로 연결되어 있다. 반면, 제2 전극층(131)은 엑츄에이팅 영역(100') 우측의 비엑츄에이팅 영역까지 연장되어 있다. 도 1a에서는 전극층이 3개만 도시되어 있어 우측으로 연장된 전극층은 하나에 불과하지만, 4번째 전극층(미도시)이 추가된다면 우측으로 연장되어, 제2 전극층(131)과 연결된다.
이와 같이, 교번적으로 배치되는 각 전극층들은 두 개의 그룹으로 분리될 수 있다. 설명의 편의상 본 명세서에서는 변형층(120, 140) 일측으로 연장되는 전극층(도 1a의 경우, 111, 151)은 제1 그룹 전극층, 타측으로 연장되는 전극층(도 1a의 경우, 131)은 제2 그룹 전극층이라고 명명한다. 도 1a에 도시된 바와 같이 동일 그룹의 전극층들은 비엑츄에이팅 영역에서 서로 연결되므로, 동일한 크기 및 부호의 전원이 연결된다. 이에 따라, 복수의 변형층(120, 140) 사이에는 +, - 전극이 교차 연결되어, 변위를 유발하게 된다.
한편, 제1, 제2, 제3 전극 층(111, 131, 151)은 전도성 폴리머로 형성될 수 있다. 전극 층(111, 131, 151)이 금속이 아닌 전도성 폴리머로 형성되는 경우, 금속전극을 사용하는 경우에 변형층과 금속전극 간에 발생할 수 있는 박리(Delamination) 현상을 방지할 수 있다는 효과가 있다. 또한, 본 엑츄에이터(100)를 모바일 기기용 카메라 모듈 등에 이용하기 위해서는 그에 적합하게 구동 전압을 낮출 필요가 있는데, 구동전압을 낮추기 위해 변형층(120, 140)의 두께를 얇게 형성하는 경우 금속전극이 변형층의 strain을 방해하는 현상이 증가하게 되므로 탄성계수(modulus)값이 낮은 전도성폴리머를 전극으로 이용함으로써 이러한 현상을 감소시킬 수 있게 된다.
다만, 지지층(160)과 접하는 제3 전극층(151)의 경우는 액츄에이터부(100')를 지지하는 역할도 하고, 엑츄에이팅에 크게 방해가 되지 않기 때문에 금속으로 형성되는 것도 가능하다.
특히, 제1, 제2, 제3 전극 층(111, 131, 151)은 높은 전기 전도성을 갖는 폴리아닐린(polyaniline) 또는 PEDOT:PSS {즉, Poly(3,4-Ethylenedioxythiophene) : Poly(styrenesulfonate)}등의 폴리머 물질로 형성될 수 있다.
폴리아닐린을 이용하는 경우에는 비전도성의 폴리아닐린을 기판 상에 도포한 후, 일부 영역에 자외선을 주사함으로써 제1, 제2, 제3 전극 층(111, 131, 151)을 형성할 수 있다. 즉, 폴리아닐린은 자외선을 받지 않은 부분은 비전도성을 유지하고 자외선을 받은 부분이 전도성으로 변하는 성질을 이용하여 패터닝을 하는 것이다. 폴리아닐린층의 자세한 패터닝 방법은 후술하는 전기 활성 엑츄에이터 제조방법에서 설명하도록 한다.
한편, PEDOT:PSS의 경우는 자외선을 받지 않은 부분은 전도성을 유지하며, 자외선을 받은 부분이 전도성을 잃게 된다는 특징이 있으므로 폴리아닐린과 유사한 형식으로 패터닝이 가능하다.
이와 같이, 패터닝이 가능한 폴리아닐린 또는 PEDOT:PSS을 이용하여 전극을 형성함으로써 다수의 엑츄에이터를 일괄공정으로 제조할 수 있게 된다.
제1, 제2 변형층(120, 140)은 제1, 제2, 제3 전극 층(111, 131, 151)을 통해 전압이 인가되면, 전기 변형을 일으킴으로써 인가된 전압에 대응되는 변위를 제공하는 역할을 한다.
제1, 제2 변형층(120, 140)은 제1, 2, 3 전극 층(111, 131, 151) 및 절연층(110, 130, 150) 각각과 동시에 접하도록 형성될 수 있다.
제1, 제2 변형층(120, 140)은 비압축성 물질인 유전성 폴리머(dielectric polymer) 물질로 형성될 수 있다.
구체적으로, 실리콘(silicone), 아크릴(acrylate)과 같은 유전성 탄성체(dielectric elastomer)가 이용될 수 있다.
또는, PVDF(poly vinylidenefluoride) 또는 P(VDF-TrFE)(poly vinylidenefluoride-trifluoroethylene)과 같은 강유전성 폴리머(ferroelectric polymer) 물질이 이용될 수 있다.
또는, P(VDF-TrFE-CFE)(poly vinylidenefluoride-trifluoroethylene-chlorofluoroethylene)과 같은 완화형 강유전성 폴리머(relaxor ferroelectric polymer) 물질 등이 이용될 수 있다.
변형층(120, 140)으로 실리콘, 아크릴과 같은 dielectric elastomer를 이용하는 경우와, PVDF, P(VDF-TrFE) 등의 강유전성 폴리머, 또는 P(VDF-TrFE-CFE) 등의 완화형 강유전성 폴리머와 같은 Elctrostrictive polymer를 이용하는 경우 구동 원리는 다소 차이가 있으며, 이에 관해서는 후술하는 도 1b에 대한 설명에서 자 세히 설명하도록 한다.
제1, 제2, 제3 절연층(110, 130, 150)은 제1, 제2, 제3 전극 층(111, 131, 151) 간의 선택적 연결을 가능하게 하는 부분으로 제1, 제2, 제3 전극 층(111, 131, 151)이 엑츄에이팅 영역(100')에서 한 쌍의 전극 역할을 수행할 수 있도록 한다.
제1, 제2, 제3 절연층(110, 130, 150)은 제1, 제2, 제3 전극 층(111, 131, 151)을 형성하기 위해 비 전도성 폴리아닐린 층의 일부 영역에 자외선을 주사하는 제조 과정 중 나머지 영역에 자외선을 주사하지 않는 형태로 마련할 수 있다. 제1, 제2, 제3 절연층(110, 130, 150)의 형성 방법 또한 후술하는 엑츄에이터 제조 방법에서 자세히 설명하도록 한다.
지지부(160)는 엑츄에이팅 영역(100')에 전압이 인가되면 엑츄에이팅 영역(100')이 인가된 전압에 상응하는 변위를 제공할 수 있도록 엑츄에이팅 영역(100')을 지지하는 역할을 한다. 지지부(160)는 엑츄에이팅 영역(100')의 변형을 지지할 수 있는 재질인 불활성 폴리머(inactive polymer)로 형성될 수 있다.
도 1b는 본 전기 활성 엑츄에이터의 구동 방법을 설명하기 위한 수직 단면도이다. 도 1b에 도시된 바에 따르면, 도 1a에 도시된 엑츄에이터 구조물이 칩 단위로 다이싱된 상태이다.
도 1b에 따르면, 엑츄에이터(200)는 a 방향 및 b 방향으로 인가되는 전압에 의해 구동된다.
제1 전극 층(111)은 a 방향에서 적층된 전도성 폴리머층을 통해 제3 전극 층(151)과 연결된다. 제1 전극 층(111) 및 제3 전극 층(151)의 극성은 a 방향으로 연결되는 외부 전극(미도시)의 극성에 대응된다. 또한, 제2 전극 층(131)의 극성은 b 방향으로 연결되는 외부전극(미도시)의 극성에 대응된다. 예를 들어, a 방향으로 + 전극이 연결되고 b 방향으로 - 전극이 연결되는 경우 제1 전극 층(111) 및 제3 전극 층(151)은 + 극이 되며, 제2 전극 층(131)은 - 전극이 된다. 이 경우, + 전극과 - 전극에 인가되는 전압으로 발생하는 전기장에 의해 변형층(120, 140)에 strain이 유도된다.
구체적으로, 제1 변형층 및 제2 변형층(120, 140)의 수평 방향 팽창에 따라 엑츄에이터(100') 하부는 수평 방향 팽창이 일어나고, 엑츄에이터(100') 상부는 지지층(160)에 의해 지지되므로 엑츄에이터(100')는 "
Figure 112008007021754-PAT00001
" 형태로 변환되면서 구동된다.
즉, 전극 층(111, 131, 151)에 + 또는 - 전극을 선택적으로 연결하면, 변형층(120, 140)에 일정한 전기장을 만들어 주게 되어 변형층(120, 140)의 변형을 유도할 수 있게 된다.
제1 변형층(120) 및 제2 변형층(140)은 도 1b에 도시된 바와 같이 전극 층(111, 131, 151)과 절연층(110, 130, 150)에 동시에 접하도록 형성되고, 소정의 단차를 가질 수 있다. 즉, 제1 변형층(120)의 길이가 제2 변형층(140) 보다 더 긴 형태로 제작될 수 있다.
변형층(120, 140)으로 실리콘, 아크릴과 같은 유전성 폴리머를 이용하는 경우, 정전기력에 기초한 변형에 의해 구동이 발생한다. 변형률은 구동전압의 이차함 수 형태로 주어지며, 큰 구동변위(최대 380%의 변형률)를 갖는다는 장점이 있다.
변형층(120, 140)으로 PVDF, P(VDF-TrFE) 등의 강유전성 폴리머, 또는 P(VDF-TrFE-CFE) 등의 완화형 강유전성 폴리머와 같은 Electrostrictive polymer를 이용하는 경우 Electrostrictive 현상에 기초한 변형에 의해 구동이 발생한다.
일반적으로, Electron irradiation 또는 CFE monomer가 보통의 강유전성 폴리머인 P(VDF-TrFE)에 있는 성극(成極) 영역(polarization domain)을 쪼개어 나노극성(nanopolar)를 만들어 줌으로써 완화형 강유전성 물질인 P(VDF-TrFE-CFE)로 변환되도록 한다.
이와 같이, 제1 변형층(120) 및 제2 변형층(140)이 Electrostrictive polymer로 형성되는 경우, 전왜 현상(electricstriction deformation)에 의한 변형이 발생하는데, 전왜 현상이란 전기장에 대한 변위의 양상이 2차 함수 형태를 띠는 것으로 퀴리(Curie) 온도 이상에서 높은 변위를 나타낸다. 전왜 현상은 상유전상의 온도 영역에서 hysteresis loop가 거의 나타나지 않는 장점을 지니고 있으므로 레이저나 카메라와 같은 광학기기의 정밀 미소 변위 소자에 응용된다.
아래는 변형층(120, 140)의 두께와 구동 전압과의 관계를 설명하기 위한 맥스웰 변형력(maxwell stress)을 수식으로 나타낸다.
Figure 112008007021754-PAT00002
Figure 112008007021754-PAT00003
수학식 1 및 수학식 2에 표시된 바에 의하면 변형층(120, 140)의 두께와 구동 전압은 정비례함을 알 수 있다. 따라서, 엑츄에이터의 구동 전압을 카메라 모듈에 적합한 100 V 이하로 만들기 위해서는 변형층(120, 140)의 두께를 얇게 형성하여야 할 필요가 있다.
구체적으로, 변형층(120, 140)의 두께는 0.5 ~ 20 μm, 전극 층(111, 131, 151)의 두께는 0.1 ~ 2 μm 정도가 될 수 있으며, 전극 층(111, 131, 151)의 두께는 변형층(120, 140)의 구동을 방해하지 않기 위해 변형층(120, 140)의 두께 대비 1/10 정도가 되는 것이 바람직하다. 또한, 지지층(160)의 두께는 2 ~ 50 μm 정도, 엑츄에이터(100)의 전체 두께는 50 ~ 100 μm 가 되는 것이 바람직하다.
이하에서는 도 1a 및 도 1b에 도시된 전기 활성 엑츄에이터의 제작 방법에 대해 설명하도록 한다. 특히, 일괄공정의 적용을 위해서는 전도성 폴리머를 전극 층으로 형성하는 패터닝 방법이 요구되므로 이를 중심으로 설명하도록 한다. 또한, 본 실시 예에서는 설명의 편의를 위하여 폴리아닐린을 전극 층으로 이용하는 경우를 예를 들어 설명하도록 한다.
우선, 일반적으로 이용되는 폴리아닐린의 패턴 형성 방법에는 포토 액티브 공정(Photo Active Process), 노말 포토 공정(Normal Photo Process), 잉크젯 프린팅 공정(Inkjet Printing Process) 등이 있다.
포토 액티브 공정은 감광성(photoactive) 폴리아닐린을 사용하고, 각 레이어(layer)에서 폴리아닐린(PANi) 코팅(coating), 노광(exposure), 현상(develop)의 3단계의 공정을 거치게 된다. 이 방법은 웨이퍼(wafer) 패브리케이션(fabrication) 공정으로 장비 선택폭이 넓고 생산성이 높은 장점이 있는 반면, PAC(photo active compound)로 인하여 상대적으로 낮은 전기 전도도를 갖게 되는 단점이 있다.
노말 포토 공정은 포토레지스트(photoresist:PR)를 이용하여 패터닝하는 방법이다. 이 방법은 상대적으로 높은 전기 전도도를 가지며, 웨이퍼(wafer) 패브리케이션(fabrication) 공정으로 장비 선택폭이 넓고 비교적 생산성이 높은 장점이 있는 반면, 각 레이어 당 5 단계의 공정(PANi coating, PR coating, PR exposure, develop, PANi etching)을 거쳐야 한다는 단점이 있다.
잉크젯 프린팅 공정은 상대적으로 높은 전기 전도도를 가지며 각 레이어 당 1 공정단계(PANi inkjet printing)로 공정 또한 간단한 장점이 있지만, PANi etching이 특정 장비에서만 가능하며 셀(cell) 단위 공정으로 웨이퍼 단위 공정에 비하여 생산성이 낮은 단점이 있다.
본 실시 예에서는 설명의 편의를 위하여 상기에서 언급한 폴리아닐린의 패터닝 방법 중 포토 액티브 공정을 적용하는 경우를 일 예로 하여 설명하도록 한다.
도 2a 내지 도 2k는 도 1a 및 도 1b에 도시된 전기 활성 엑츄에이터를 제작하는 방법을 단계적으로 도시한 공정도이다.
도 2a에 도시된 바와 같이 먼저 기판(210) 상부에 스틱션(stiction)을 방지하기 위한 코팅층(220)을 형성한다. 여기서, 기판(210)으로는 평판 글래스(glass), 웨이퍼(wafer), 시트(sheet) 형태의 기판 등이 이용될 수 있다.
도 2b에 도시된 바와 같이 스틱션 방지 코팅층(220) 상에 제1 폴리아닐린층(230)을 형성한다.
일반적으로 아닐린을 과황산 암모늄((NH4)2S2O8)이나 과염소 칼륨(KCIO4)같은 산화제로 산화중합시키면 폴리아닐린을 얻을 수 있으며, 도 3a는 이렇게 형성된 폴리 아닐린의 구조를 나타내는 일반식이다. 도 3a에 의하면 폴리아닐린의 구조식은 산화구조(311)와 환원구조(312)가 결합한 형태이다.
도 3a에 도시된 바와 같은 일반식을 갖는 폴리아닐린은 일반적인 유기용매나 알코올, 물 등에 용해되기 어렵기 때문에 공정에 적용하기 위한 액상물질로 만들기 위해서는 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone) 용매의 DTBDC(di-tert-butyl dicarbonate)와 반응시킨다. 반응의 결과로, 도 3b에 도시된 바와 같이 mono-t-BOC로 치환된 형태의 일반 용매에 용해가능한 폴리아닐린을 얻을 수 있다.
도 2b에 도시된 단계에서는, 도 3b에 도시된 바와 같이 mono-t-BOC로 치환된 형태의 일반식을 갖는 폴리아닐린을 이용하여 제1 폴리아닐린층(230)을 형성하게 된다. mono-t-BOC로 치환된 상태의 폴리아닐린은 용액 상태 13C NMR 스펙트럼에서 화학적 이동(chemical shift) 139.5 ppm 내지 160 ppm 사이에 4개의 주요 피크를 나타내는 특징이 있으며, 비전도성을 띈다.
다음으로 도 2c에 도시된 바와 같이 제1 폴리아닐린층(230)이 제1 전극 층(231)과 제1 절연층(230)을 포함한 형태가 되도록 패터닝한다.
먼저, 제1 폴리아닐린층(230) 표면에 제1 전극 층(231)을 형성할 제1 영역과 제1 절연층(230)을 형성할 제2 영역으로 구분되는 패턴이 새겨져 있는 마스크를 접촉시킨다. 이 후, 자외선을 주사하면, 자외선을 받은 제1 영역은 전도성 물질로 변하게 되어 제1 전극 층(231)을 형성하게 되고, 자외선을 받지 않은 제2 영역은 비전도성을 유지하게 되어 제1 절연층(230)을 형성하게 된다.
도 3c는 비전도성을 지닌 도 3b와 같은 일반식을 갖는 구조의 폴리아닐린이 전도성으로 변환 상태의 구조 즉, 도 2c에서 자외선을 받은 영역의 폴리아닐린 구조를 나타내는 일반식이다. 도 3c에 도시된 바와 같이, 도 3b에 도시된 일반식을 갖는 폴리 아닐린을 감광제인 PAC (photo active compound) 또는 PAG (photo acid generator)와 합성한 후, 연속적으로 자외선에 노출시키고, PEB(Post Exposure Bake) 처리를 하면, 전기 전도성을 갖는 에메랄딘 염(Emeraldin salt)으로 변하게 된다. 즉, 감광제들은 전부 이중결합과 단일결합이 번갈아가며 이루어진 구조, 즉 conjugation structure를 가지고 있기 때문에 UV 에너지를 흡수하게 되는 성질을 이용하는 것이다.
이어서, 도 2d에 도시된 바와 같이 제1 전극 층(231)과 제1 절연층(230)에 동시에 접하도록 변형층(240)을 형성한다. 변형층(240)의 재료로는 유전성 폴리머 물질이 이용될 수 있다. 구체적으로, 실리콘(silicone) 또는 아크릴(acrylate)과 같은 유전성 탄성체(dielectric elastomer), PVDF(poly vinylidenefluoride) 또는 P(VDF-TrFE)(poly vinylidenefluoride-trifluoroethylene)과 같은 강유전성 폴리머, P(VDF-TrFE-CFE)(poly vinylidenefluoride-trifluoroethylene-chloro fluoroethylene)과 같은 완화형 강유전성 폴리머가 이용될 수 있다.
변형층(240)의 패터닝에는 다양한 방법이 이용될 수 있지만, 스크린 프린팅(screen printing) 기법, 펀칭(punching) 방법 등을 중심으로 간략히 설명하도록 한다.
스크린 프린팅 기법은 변형층 형성 영역에 해당되는 부분에 관통구멍이 형성된 스크린 프린팅 마스크(mask)를 기판 위에 올려놓고 스퀴징(squeezing) 수단으로 변형층 재료인 유전성 폴리머를 그 관통구멍에 밀어 넣는 방식으로서, 변형층에 대한 두께 및 형상에 대한 제어가 용이하게 이루어질 수 있다는 장점이 있다.
펀칭 방법은 변형층(240)을 변형층(240)을 독립적인 박막으로 제조한 후에 펀칭(punching) 방법으로 패터닝하여 제1 전극 층(230) 및 제1 절연층(231) 상에 접합하는 방식으로 형성될 수 있다.
또는, 포토 센서티브(photosensitive)한 폴리머를 사용함으로써 변형층(240)을 형성하는 방법도 가능할 수 있다.
다음으로, 도 2e에 도시된 바와 같이 노출된 제1 전극 층(231), 제1 절연층(230) 및 제1 변형층(240) 상에 도 3b에 도시된 구조식을 갖는 리퀴드(liquid) 형태의 제2 폴리아닐린층(250)을 형성한다.
이어서, 도 2f에 도시된 바와 같이 제2 전극 층(251) 및 제2 절연층(250)을 포함하도록 패터닝할 수 있다. 즉, 비전도성의 제2 폴리아닐린층(250)을 자외선에 선택적으로 노출시켜 제2 전극 층(251) 및 제2 절연층(250)을 형성한다. 제2 폴리아닐린층(250)의 패터닝 방법은 도 2c에서 설명한 방법과 동일하므로 자세한 설명은 생략하도록 한다.
다음으로, 도 2g에 도시된 바와 같이 제2 전극 층(251)과 제2 절연층(250)에 동시에 접하도록 제2 변형층(260)을 형성한다. 제2 변형층(260)의 형성방법은 도 2d에서 설명한 제1 변형층(240)의 형성방법과 동일하므로 자세한 설명은 생략하도록 한다.
다음으로, 도 2h에 도시된 바와 같이 노출된 제2 전극 층(251), 제2 절연층(252) 및 제2 변형층(260) 상에 도 3b에 도시된 구조식을 갖는 리퀴드(liquid) 형태의 폴리아닐린을 도포함으로써 제3 폴리아닐린층(270)을 형성한다.
이어서, 도 2i에 도시된 바와 같이 제3 전극 층(271) 및 제3 절연층(270)을 포함하도록 패터닝할 수 있다.
즉, 비전도성의 제3 폴리아닐린층(270)을 자외선에 선택적으로 노출시켜 전도성 영역인 제3 전극 층(271) 및 비전도성 영역인 제3 절연층(270)을 형성한다. 제3 폴리아닐린층(270)의 패터닝 방법은 도 2c에서 설명한 제1 폴리아닐린층(230)의 패터닝 방법과 동일하므로 자세한 설명은 생략하도록 한다.
다음으로, 도 2j에 도시된 바와 같이, 노출된 제3 전극 층(271) 및 제3 절연층(270)을 도포하는 지지층(280)을 형성한다.
이 후, 도 2k에 도시된 바와 같이, 기판(210)을 제거하고 다이싱함으로써 칩단위의 액츄에이터(291, 292)를 제조할 수 있게 된다.
한편, 도 2a 내지 도 2k에서는 두 개의 변형층(240, 260)을 포함하는 실시 예에 대한 제작 방법을 설명하고 있으나, 상술한 바와 같이 변형층은 3개 이상으로 설계 될 수도 있다. 이 경우, 도 2i에 도시된 공정 다음에 다시 도 2g 및 도 2h에 도시된 공정이 반복적으로 수행될 수 있다. 즉, 기 설정된 변형층의 개수에 따라 제조 공정의 반복 회수가 달라진다.
한편, PEDOT:PSS을 전극으로 이용하는 경우, 폴리아닐린의 경우와는 다르게 자외선을 받는 부분이 절연성을 띄게 된다는 특징이 있다. 따라서, PEDOT:PSS를 이용하는 경우에는 전극 층 및 절연층을 제작하는 단계에서 자외선 주사 영역을 다르게 조정하여 주어야 한다. PEDOT:PSS의 패터닝 방법은 공개 특허 10-2006-0089106의 종래기술 부분에 개시되어 있으므로 자세한 설명은 생략하도록 한다.
본 실시 예에서는 설명의 편의를 위하여 액츄에이터의 구동을 유도하는 변형층이 2층의 복층구조로 형성되는 경우에 대해 설명하였지만, 3층 이상의 복층구조로 형성되는 것도 가능하다.
도 4는 양방향 구동이 가능한 전기 활성 엑츄에이터의 구조를 나타내는 수직 단면도이다.
도 4에 도시된 구조에 의하면, 단방향 구동이 가능한 두개의 전기 활성 엑츄에이터(410, 420)의 지지층(411, 421)을 서로 마주보게 래미네이션(lamination)하면, 양방향으로 구동이 가능한 전기 활성 엑츄에이터(400)를 제조할 수 있게 된다.
도 4에 도시된 전기 활성 엑츄에이터(400)는 도 2a 내지 도 2f에 도시된 공정들을 복수 번 수행하여 서로 다른 두 개의 엑츄에이터를 제작 한 후, 두 엑츄에이터를 결합하는 방식으로 제작될 수 있으므로, 그 제조 방법에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 전기 활성 엑츄에이터의 구성을 나타내는 모식도이다. 도 5에 따르면, 본 전기 활성 엑츄에이터(500)는 엑츄에이팅 영역(510) 및 비엑츄에이팅 영역(520, 530)을 포함한다.
엑츄에이팅 영역(510)은 복수 개의 변형층(511a, 511b, ..., 511h) 및 복수 개의 전극층(512a ~ 512d, 513a ~ 513d)를 포함한다. 이에 따라, 각 전극층들에 전압이 인가되면, 변위를 일으키게 된다.
복수 개의 전극층은 그 형성 방향에 따라 그룹화된다. 즉, 엑츄에이팅 영역(510) 좌측으로 연장되는 전극층들은 제1 그룹 전극층(512a ~ 512d)으로 분류되고, 반대측으로 연장되는 전극층들은 제2 그룹 전극층(513a ~ 513d)으로 분류된다. 제1 및 제2 그룹 전극층(512a ~ 512d, 513a ~ 513d)들은 각 변형층(511a, 511b, ..., 511h)사이에서, 서로 번갈아가면서 배치된다. 즉, 마치 콤(comb) 구조와 같이 서로 엇갈린 형태로 배치된다. 설명의 편의를 위하여 도 5에서는 제1 및 제2 그룹 전극층(512a ~ 512d, 513a ~ 513d)이 정반대 방향으로 연장되는 것으로 도시하였으나, 이와 다른 방향으로 연장 형성될 수도 있다.
한편, 제1 그룹 전극층(512a ~ 512d)이 연장된 방향의 비엑츄에이팅 영역(520) 내에서, 각 전극층(512a ~ 512d) 상에는 금속전극(522a ~ 522d)들이 형성된다.
마찬가지로, 제2 그룹 전극층(513a ~ 513d)이 연장된 방향의 비엑츄에이팅 영역(530)내에서도, 제 2 그룹 전극층(513a ~ 513d) 상에 금속전극(532a ~ 532c)들이 형성된다.
상술한 바와 같이, 각 전극층(512a ~ 512d, 513a ~ 513d)들은 얇은 전도성 폴리머로 이루어질 수 있는 데, 이는 도 5의 공통전극부(523, 533)를 제작하기 위하여 비아를 형성하는 과정에서, 파손될 여지가 있다. 따라서, 식각에 강한 금속 전극(522a ~ 522d, 532a ~ 532c)를 도입하여, 공통전극부(523, 533)와 각 전극층(512a ~ 512d, 513a ~ 513d)이 잘 연결되도록 구현하는 것이 바람직하다.
이에 따라, 제1 공통 전극부(523)는 비엑츄에이팅 영역(520) 내에서 제1 그룹 전극층(512a ~ 512d) 모두와 전기적으로 연결될 수 있고, 제2 공통 전극부(533)는 비엑츄에이팅 영역(530) 내에서 제2 그룹 전극층(513a ~ 513d) 모두와 전기적으로 연결될 수 있다.
한편, 비엑츄에이팅 영역(520, 530) 내에서 최하부에는 비아 스톱 층(521, 531)이 마련될 수 있다. 비아 스톱 층(521, 531)은 공통 전극부(523, 533) 제작을 위하여 비아를 제작하는 과정에서, 비아가 하부 기판(미도시)까지 형성되는 것을 방지하고, 비아의 깊이를 조절하는 역할을 한다. 통상적으로 사용되는 에칭 정지 물질들이 비아 스톱 층(521, 531)으로 활용될 수 있다. 일 예로, 비아 스톱층으로는 Ti(0.1㎛)/Cu(0.1㎛)가 사용될 수 있다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 실시 예와 도 5에 도시된 실시 예를 비교하여 보면, 도 5에서 각 전극층(512a ~ 512d, 513a ~ 513d)은 평평한 형태임을 알 수 있다. 또한, 별도의 절연층이 사용되지 않고 있다. 하지만, 실제 구현 과정에서는, 금속전극(522a ~ 522d, 532a ~ 532c)과 전극층(512a ~ 512d, 513a ~ 513d)의 두께 차이로 인하여, 전극층(512a ~ 512d, 513a ~ 513d)들이 완전히 평평해 지지 않고, 비엑츄에이팅 영역(520, 530)과 엑츄에이팅 영역(510)의 경계 영역에서 곡선 형태 또는 계단 형태로 휘어질 수 있다. 또한, 각 전극층(512a ~ 512d, 513a ~ 513d)들 간의 절연을 위하여 필요한 경우에는, 추가 절연층이 사용될 수도 있다.
한편, 도 5에 도시된 실시 예에서는 별도의 지지층이 사용되지 않았음을 알 수 있다. 이에 따라, 엑츄에이팅 영역(510)의 변위 방향이 한쪽으로 고정되지 않고, 양방향으로 이루어질 수도 있다. 반면, 필요에 따라 지지층이 추가될 수도 있다. 마찬가지로, 도 1a 및 도 1b에 도시된 실시 예에서도 지지층(160)이 생략될 수 있음은 물론이다.
도 6은 도 5에 도시된 실시 예를 실제로 구현하였을 때의 형태를 구체적으로 설명하기 위한 모식도이다. 혼동을 방지하기 위하여, 도 6에서는 도 5와 상이한 참조부호를 이용하여 설명한다.
도 5에서와 마찬가지로, 도 6의 전기 활성 엑츄에이터(600) 역시 엑츄에이팅 영역(660) 및 비엑츄에이팅 영역(670, 680)을 포함한다.
이 중, 제1 비엑츄에이팅 영역(670)의 구조를 살피면, 제1 그룹 전극층(612a, 612b, 612c)가 연장되어 있다. 제1 그룹 전극층(612a, 612b, 612c)은 엑츄에이팅 영역(660)에서는 평평한 형태로 이어지다가 제1 비엑츄에이팅 영역(670)의 입구에서부터 각 금속전극(622a, 622b, 622c)의 두께때문에 위측으로 휘어지게 된다. 휨 정도는 상측으로 갈 수 록 더 커진다.
제1 비엑츄에이팅 영역(670) 중 일 영역에는 비아(625)가 형성된 이후에, 그 비아(625)의 내부 사이드 면, 바닥면 및 비아(625) 입구 주변 영역에 걸쳐 공통전극부(623)가 형성된다. 도시된 바와 같이 비아(625)의 내부 사이드면에서는 금속전 극(622a, 622b, 622c) 및 제1 그룹 전극층(612a, 612b, 612c)들이 노출되어 있는 바, 공통 전극부(623)에 의해 서로 연결된다. 이에 따라, 동일 그룹의 전극층들에 대해서, 동일한 부호의 전원이 인가될 수 있게 된다.
제2 비엑츄에이팅 영역(680) 상에도 동일한 형태로 공통전극부(633)가 형성될 수 있다. 또한, 전기 활성 엑츄에이터(600) 하부에는 지지층(650)이 마련될 수 있다. 이에 따라, 본 전기 활성 엑츄에이터(600)가 한 방향으로 변위를 일으킬 수 있도록 지지할 수 있게 된다.
한편, 도 6에 도시된 바와 같이 엑츄에이팅 영역(660)의 일 영역에는 CCD 소자 등이 탑재될 수 있는 홀(640)이 형성될 수도 있다.
도 5 및 도 6에 도시된 전기 활성 엑츄에이터(500, 600)는 기판 상에 복수 개의 변형층 및 복수 개의 전극층을 교번적으로 적층하여 엑츄에이팅 영역 및 비엑츄에이팅 영역을 형성하는 과정, 비엑츄에이팅 영역을 식각하여 비아를 형성하는 과정, 비아 면을 따라 공통전극층을 형성하여, 전극층들을 그룹 별로 연결시키는 과정을 거쳐서 제조될 수 있다.
도 7a 내지 도 7j는 이 중 도 5에 도시된 전기 활성 엑츄에이터를 제작하는 제조방법을 구체적으로 설명하기 위한 수직 단면도이다.
먼저, 도 7a에 따르면, 기판(550) 상에 비아 스톱 층(521, 531)을 적층한다. 이 경우, 비아 스톱 층(521, 531)은 비엑츄에이팅 영역(520, 530)으로 설계된 위치에 적층하는 것이 바람직하다.
다음으로, 도 7b에 도시된 바와 같이, 비아 스톱층(521, 531)이 형성된 기 판(550) 상에 제1 변형층(511a)을 적층한다. 이 경우, 제1 변형층(511a)은 비아 스톱층(521, 531)들을 완전히 덮는 수준까지 적층될 수도 있고, 비아 스톱층(521, 531) 표면이 노출될 수 있는 수준까지 적층될 수도 있다.
다음으로, 도 7c에 도시된 바와 같이, 제1 변형층(511a) 상에서 제1 그룹 전극층(512a)을 적층한다. 제1 그룹 전극층(512a)은 엑츄에이팅 영역(510) 및 제1 비엑츄에이팅 영역(520)에 걸치도록 적층될 수 있다.
그리고 나서, 도 7d에 도시된 바와 같이, 제1 비엑츄에이팅 영역(520) 내에 위치하는 제1 그룹 전극층(512a) 상에 금속 전극(522a)을 적층한다.
그리고 나서, 도 7e에 도시된 바와 같이, 다시 제2 변형층(511b)을 적층한 후, 도 7f에 도시된 바와 같이 제2 그룹 전극층(513a)을 형성한다. 제2 그룹 전극층(513a)은 엑츄에이팅 영역(510) 및 제2 비엑츄에이팅 영역(530)에 걸치도록 적층될 수 있다.
다음으로, 도 7g에 도시된 바와 같이, 제2 비엑츄에이팅 영역(530) 내에 위치하는 제2 그룹 전극층(513a) 상에 금속 전극(532a)을 적층한다.
이와 같이, 변형층 적층 공정과, 전극층 및 금속전극 적층 공정은 변형층의 개수에 따라 교번적으로 반복 수행되어, 도 7h에 도시된 바와 같은 복층 구조를 형성할 수 있다.
도 7h에 도시된 복층 구조가 완성되면, 도 7i에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 비엑츄에이팅 영역(520, 530) 상에 비아(541, 542)를 제작한다. 이 경우, 레이저를 이용하는 식각 공정을 수행할 수도 있으며, 그 밖의 습식 또는 건식 에칭 방 식이 적용될 수도 있다. 일 예로, 비아(541, 542)는 CO2 레이저 드릴링(drilling) 방식으로 제작될 수 있다. 비아(541, 542)는 비아 스톱층(521, 531)이 위치한 깊이까지 형성된다.
다음으로, 도 7j에 도시된 바와 같이, 비아(541, 542) 내부 및 주변에 공통전극부(523, 533)를 제작한다. 각 공통 전극부(523, 533)는 비아(541, 542) 내부로 노출된 금속전극 및 전극층들과 전기적으로 연결된다. 이러한 상태에서, 기판(550)을 제거하면, 도 5에 도시된 전기 활성 엑츄에이터(500)가 완성된다.
한편, 기판(550)은 제거하지 않고 지지층으로 활용할 수도 있다.
이와 같이, 도 5, 도 6, 도 7a 내지 도 7j에 언급된 실시 예에 따르면, 복수 개의 변형층들 사이에 배치되는 전극층 들 간의 층간 연결을 용이하게 구현할 수 있다. 즉, 엑츄에이팅 영역에 사용되는 전극층은 전도성 고분자만을 이용하여 변형이 최대가 되도록 하면서, 비엑츄에이팅 영역에서는 금속 전극도 함께 사용하여, 층간 전기적 연결이 용이해지도록 구현할 수 있게 된다.
한편, 도 5, 도 6, 도 7a 내지 도 7j에서 도시된 각 전극층 및 변형층은 도 1 내지 도 4에 대한 설명에서 언급된 다양한 물질들로 이루어질 수 있음은 물론이다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가 진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안 될 것이다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 활성 엑츄에이터의 구조를 나타내는 수직 단면도이다.
도 2a 내지 도 2k는 도 1a 및 도 1b에 도시된 전기 활성 엑츄에이터를 제작하는 방법을 단계적으로 도시한 공정도이다.
도 3a 내지 도 3c는 도 2a 내지 도 2k에 도시된 제조 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 4는 양방향 구동이 가능한 전기 활성 엑츄에이터의 구조를 나타내는 수직 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전기 활성 엑츄에이터의 구성을 나타내는 수직 단면도이다.
도 6은 도 5의 전기 활성 엑츄에이터가 실제 제작되었을 때의 구성을 구체적으로 설명하기 위한 모식도이다.
도 7a 내지 도 7j는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전기 활성 엑츄에이터 제조방법을 설명하기 위한 수직단면도이다.
* 도면 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100, 200 : 전기 활성 엑츄에이터 100' : 엑츄에이팅 영역
111, 131, 151 : 제1, 제2, 제3 전극 층 120, 140 : 제1, 제2 변형층
110, 130, 150 : 제1, 제2, 제3 절연층 160 : 지지층

Claims (19)

  1. 순차적으로 배치된 복수 개의 변형층; 및,
    상기 복수 개의 변형층의 사이에서 교번적으로 배치되며, 상기 복수 개의 변형층의 양 단 측으로 연장 형성되어, 전압이 인가되면 상기 복수 개의 변형층을 변위시키는 복수 개의 전극 층;을 포함하는 전기 활성 엑츄에이터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 전극 층은,
    상기 복수 개의 변형층의 일 측 방향으로 연장 형성되는 적어도 하나의 제1 그룹 전극 층; 및,
    상기 복수 개의 변형층의 타 측 방향으로 연장 형성되는 적어도 하나의 제2 그룹 전극 층;을 포함하며,
    상기 제1 그룹 전극 층 및 상기 제2 그룹 전극 층은 상기 복수 개의 변형층 사이에서 번갈아가며 하나씩 배치되고, 각 그룹 전극 층이 복수 개인 경우 각 측 단 부분에서 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 전기 활성 엑츄에이터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 변형 층 들의 일 측에 배치되는 복수의 절연층;을 더 포함하며,
    상기 복수의 변형층 각각은 대응되는 전극 층 및 절연층 각각과 동시에 접하는 형태인 것을 특징으로 하는 전기 활성 엑츄에이터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 전극 층 중 적어도 하나는 폴리아닐린(polyaniline) 또는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌술폰산)(PEDOT:PSS)과 같은 폴리머 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 활성 엑츄에이터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 전극층 각각에 형성되는 복수 개의 금속 전극; 및,
    상기 복수 개의 변형층 각 측 단에서 상기 복수 개의 금속 전극을 통해 상기 복수 개의 전극층 들과 연결되는 공통전극부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 활성 엑츄에이터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 공통전극부는,
    상기 복수 개의 변형층 및 상기 복수 개의 전극층으로 이루어지는 엑츄에이팅 영역을 제외한 비엑츄에이팅 영역에 형성된 비아 면을 따라 형성되어, 상기 비아 측으로 노출된 각 전극층과 연결되며, 상기 비엑츄에이팅 영역 상측으로 노출되는 것을 특징으로 하는 전기 활성 엑츄에이터.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수 개의 변형층 및 상기 복수 개의 전극층으로 이루어지는 엑츄에이팅 영역과 결합되어, 상기 엑츄에이팅 영역이 상기 전압에 대응되는 변위를 제공할 수 있도록 지지하는 지지부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 활성 엑츄에이터.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수 개의 변형층은, PVDF(poly vinylidenefluoride) 및 P(VDF-TrFE)(poly vinylidenefluoride-trifluoroethylene)과 같은 강유전성 폴리머 물질나, 유전성 탄성체, 또는, P(VDF-TrFE-CFE)(poly vinylidenefluoride-trifluoroethylene-chlorofluoroethylene)의 완화형 강유전성 폴리머 물질로 제조되는 것을 특징으로 하는 전기 활성 엑츄에이터.
  9. 기판 상에서, 복수 개의 변형층 및 상기 복수 개의 변형층의 사이에서 교번적으로 배치되며 상기 복수 개의 변형층의 양 단 측으로 연장 형성된 복수 개의 전극층을 포함하는 엑츄에이팅 영역을 형성하는 단계; 및,
    상기 엑츄에이팅 영역을 지지하는 지지층을 형성하는 단계;를 포함하는 전기 활성 엑츄에이터 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 엑츄에이팅 영역을 형성하는 단계는,
    상기 기판 상에 비아 스톱 층을 형성하는 단계;
    상기 비아 스톱 층이 형성된 기판 상에 상기 복수 개의 변형층 및 상기 복수 개의 전극층을 교번적으로 적층하여, 엑츄에이팅 영역 및 비엑츄에이팅 영역을 형성하는 단계;
    상기 비엑츄에이팅 영역을 식각하여 비아를 형성하는 단계; 및
    상기 비아 면을 따라 공통전극층을 형성하여, 상기 비엑츄에이팅 영역으로 노출된 전극층들을 연결시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 활성 엑츄에이터 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 엑츄에이팅 영역 및 비엑츄에이팅 영역을 형성하는 단계는,
    각 전극층이 적층된 이후 변형층 적층 전에, 해당 전극 층 상에서 상기 비엑츄에이팅 영역에 대응되는 영역에 금속 전극을 적층하는 공정을 추가 수행하는 것을 특징으로 하는 전기 활성 엑츄에이터 제조방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 엑츄에이팅 영역을 형성하는 단계는,
    상기 기판 상에 코팅층을 형성하는 단계;
    상기 코팅층 상에 전극층 및 절연층을 형성하는 단계; 및,
    상기 전극층 및 상기 절연층 상에서 기 설정된 영역에 변형층을 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 전극층 및 절연층을 형성하는 단계와, 상기 변형층을 형성하는 단계는 변형층의 개수에 따라 복수 회수 반복 수행되고,
    상기 절연층은 상기 복수의 전극층들을 절연시키기 위한 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 활성 엑츄에이터 제조방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 지지층을 형성하는 단계는,
    상기 엑츄에이팅 영역이 형성된 기판 상에 상기 지지층을 이루는 물질을 도포하는 단계; 및
    상기 기판을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 활성 엑츄에이터 제조방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 엑츄에이팅 영역을 형성하는 단계 및 상기 지지층을 형성하는 단계를 복수 회수 반복 수행하여, 복수 개의 엑츄에이터를 제작하는 단계; 및,
    상기 복수 개의 엑츄에이터를, 각각의 지지층이 서로 마주보는 형태로 결합하여 하나의 전기 활성 엑츄에이터로 제작하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 활성 엑츄에이터 제조방법.
  15. 기판 상에 복수 개의 변형층 및 복수 개의 전극층을 교번적으로 적층하여 엑츄에이팅 영역 및 비엑츄에이팅 영역을 형성하는 단계;
    상기 비엑츄에이팅 영역을 식각하여 비아를 형성하는 단계;
    상기 비아 면을 따라 공통전극층을 형성하여, 상기 비엑츄에이팅 영역으로 노출된 전극층들을 연결시키는 단계;를 포함하는 전기 활성 엑츄에이터 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 엑츄에이팅 영역 및 비엑츄에이팅 영역을 형성하는 단계는,
    상기 기판 상에서 비엑츄에이팅 영역으로 지정된 위치에, 비아 스톱 층을 형성하는 단계;
    상기 비아 스톱 층 및 상기 기판 표면 상에 하나의 변형층을 적층하는 단계;
    상기 적층된 변형층 상에 하나의 전극층을 적층하는 단계;를 포함하며,
    상기 변형층 적층 단계와 상기 전극층 적층 단계는, 기 설정된 변형층의 개수에 따라 교번적으로 복수 회수 반복 수행되는 것을 특징으로 하는 전기 활성 엑츄에이터 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 전극층을 적층하는 단계는,
    각 전극층을 그 이전에 적층된 전극층과 다른 방향으로 연장되는 형태로 적층하여, 상기 변형층의 일 측 방향으로 연장된 제1 그룹 전극층 및 상기 변형층의 타 측 방향으로 연장된 제2 그룹 전극층으로 구별되도록 하는 것을 특징으로 하는 전기 활성 엑츄에이터 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 비아 형성 단계는,
    상기 제1 그룹 전극층이 연장된 방향의 비엑츄에이팅 영역 및 상기 제2 그룹 전극층이 연장된 방향의 비엑츄에이팅 영역을 식각하여, 각각 적어도 하나 이상의 비아를 제작하는 것을 특징으로 하는 전기 활성 엑츄에이터 제조 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 엑츄에이팅 영역 및 비엑츄에이팅 영역을 형성하는 단계는,
    상기 제1 그룹 전극층이 적층된 이후에, 상기 비엑츄에이팅 영역에 위치하는 제1 그룹 전극층 상에 금속 전극을 형성하는 단계;
    상기 제2 그룹 전극층이 적층된 이후에, 상기 비엑츄에이팅 영역에 위치하는 제2 그룹 전극층 상에 금속 전극을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 활성 엑츄에이터 제조 방법.
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