KR20110100405A - 3차원 폴딩 액추에이터의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3차원 폴딩 액추에이터의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 PDMS가 적용되는 부분을 제외하고 이미드 필름을 이용하여 빈 공간을 충전시키는 제 1단계와, 상기 이미드 필름과 몰드의 표면에 불소를 처리하여 PDMS층을 형성하는 제 2단계와, 상기 PDMS층을 열경화시킨 후 이미드 필름을 제거하는 제 3단계와, 상기 몰드에 형성된 PDMS층이 존재하는 조건에서 산소 플라즈마 처리를 통해 수산화 작용기를 만들어 주고 methacryloxypropyl-trimethoxysilane 단층을 형성하는 제 4단계와, 극성인 PU/HEMA층을 적용하여 UV 경화를 실시하는 제 5단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 하이드로 젤과 액추에이터의 결합을 통해 외부자극에 의하여 형태를 자유롭게 조율할 수 있는 새로운 3차원 폴딩 액추에이터를 구현할 수가 있어서 다양한 기술이 접합된 새로운 액추에이터를 제조할 수 있다.

Description

3차원 폴딩 액추에이터의 제조방법 {Process for the Preparation of 3D Folding Actuators}

본 발명은 고분자 하이드로 젤과 3차원 구조를 결합시켜서, 외부의 자극에 따라 형태와 구조가 변하는 특성을 이용하여 새로운 디바이스 등을 제작하는 데 있어 응용할 수 있는 새로운 액추에이터를 구현하는 것이다.

본 발명에 사용된 하이드로 젤과 액추에이터에 대한 연구개발은 이전에도 많은 관심을 가지고 연구가 진행되었기 때문에 각각의 기술에 대한 연구와 시장 적용사례는 쉽게 찾아볼 수 있으나, 각각의 기술에만 치중되어 있으며 이러한 다양한 기술의 결합에 대한 연구 자체는 이루어지지 않았다. 유기화합물인 고분자 소재를 사용하여 제조된 다양한 형태의 고기능성 액추에이터는 기존의 어느 기술 분야에도 존재하지 않았다. 나노/마이크로 단위의 기계, 전기, 전자 바이오의 분야에서 새로운 디바이스를 제작하는 데 있어서 응용성이 풍부한 고기능성의 3차원 폴딩 액추에이터의 필요성이 대두되었다.

본 발명에 의한 3차원 폴딩 액추에이터의 제조방법은 기존의 액추에이터의 기본원리와 하이드로 젤의 도입을 통하여 다양한 형태 변화의 기초를 마련할 것이다. 이에 따라 기존의 액추에이터에 비하여 더욱 고집적이고 고기능성을 갖추어 광자, 전기, 자기 디바이스와 화학, 생물학적 센서와 같은 기술분야에 적용 가능한 3차원 폴딩 액추에이터의 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명에 의한 3차원 폴딩 액추에이터 제조방법은

PDMS가 적용되는 부분을 제외하고 이미드 필름을 이용하여 빈 공간을 충전시키는 제 1단계;

상기 이미드 필름과 몰드의 표면에 불소를 처리하여 PDMS층을 형성하는 제 2단계;

상기 PDMS층을 열경화시킨 후 이미드 필름을 제거하는 제 3단계;

상기 몰드에 형성된 PDMS층이 존재하는 조건에서 산소 플라즈마 처리를 통해 수산화 작용기를 만들어 주고 methacryloxypropyl-trimethoxysilane 단층을 형성하는 제 4단계;

극성인 PU/HEMA층을 적용하여 UV 경화를 실시하는 제5단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

나아가, 본 발명에서 상기 몰드는 눈으로 관찰할 수 있는 범위인 mm 단위를 사용해 제작하며, 상기 액추에이터의 크기는 100㎛~1m까지 제작이 가능한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 몰드에서 액추에이터가 차지하는 부분의 형태는 조립하고자 하는 3차원 구조를 2차원 구조로 표현함으로써, 정사면체, 정육면체 및 플랫 볼 중 어느 하나의 형태로 몰드를 구분하여 제작하는 것을 특징으로 한다.

더 나아가, 본 발명은 상기 PU/HEMA층에서 PU : HEMA의 성분비는 1~9 : 9~1인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 액추에이터 제조방법은 하이드로 젤과 액추에이터의 결합에 따라 외부자극에 의하여 형태를 자유롭게 조율할 수 있는 새로운 3차원 폴딩 액추에이터를 구현할 수가 있어서 다양한 기술이 접합된 새로운 액추에이터의 제조로 광자, 전기, 자기 디바이스와 화학, 생물학적 센서 등의 분야와 관련 소재분야에 적용할 수 있는 우수한 기능을 갖게 된다.

도 1은 PU/HEMA복합체에서 HEMA성분비에 의한 유리전이온도(Tg)와 물리적 특성을 나타낸 도면으로, (a)는 HEMA의 성분비 차이에 의한 Tg의 변화를 나타내는 그래프, (b)는 PU/HEMA의 성분비 차이에 의한 물성적 변화를 나타내는 그래프.
도 2는 다양한 용매 조건하에서 PDMS층과 PU/HEMA층의 팽창 부피비를 나타내는 그래프.
도 3은 3차원 폴딩 액추에이터의 제조공정을 나타내는 도면.
도 4는 3차원 폴딩 액추에이터의 구동사진.
도 5는 팽윤반응 이전에 미리 설계된 2차원 대칭구조 사진(큐브, 피라미드, 플랫 볼 구조).

본 발명에 의한 3차원 폴딩 액추에이터 제조방법은

PDMS가 적용되는 부분을 제외하고 이미드 필름을 이용하여 빈 공간을 충전시키는 제 1단계;

상기 이미드 필름과 몰드의 표면에 불소를 처리하여 PDMS층을 형성하는 제 2단계;

상기 PDMS층을 열경화시킨 후 이미드 필름을 제거하는 제 3단계;

상기 몰드에 형성된 PDMS층이 존재하는 조건에서 산소 플라즈마 처리를 통해 수산화 작용기를 만들어 주고 methacryloxypropyl-trimethoxysilane 단층을 형성하는 제 4단계;

극성인 PU/HEMA층을 적용하여 UV 경화를 실시하는 제5단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

나아가, 본 발명에서 상기 몰드는 눈으로 관찰할 수 있는 범위인 단위를 사용해 제작하며, 상기 액추에이터의 크기는 100㎛~1m까지 제작이 가능한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 몰드에서 액추에이터가 차지하는 부분의 형태는 조립하고자 하는 3차원 구조를 2차원 구조로 표현함으로써, 정사면체, 정육면체 및 플랫 볼 중 어느 하나의 형태로 몰드를 구분하여 제작하는 것을 특징으로 한다.

부가적으로, 본 발명은 상기 PU/HEMA층에서 PU : HEMA의 성분비는 1~9 : 9~1인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 하이드로 젤을 이용한 신개념의 다양한 광자/전기/디바이스, 화학/생물학적 센서, 그리고 액추에이터 등을 개발하여 다른 많은 산업분야에 적용 가능할 것이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 양호한 실시예를 상세히 설명하도록 한다.

[실시예]

본 발명에 의한 액추에이터의 제조과정은 고분자 하이드로 젤과 3차원 구조를 결합시켜, 외부 자극에 따라 형태가 자유롭게 변하는 새로운 3차원 폴딩 액추에이터를 구현하고자 하였다

기존에 존재하는 가장 만들기 쉽고 간단한 액추에이터는 MEMS (microelectromechanical systems)에서 주로 사용되고 있는 1차원 켄티레버 (cantilever) 구조이다. 본 발명의 3차원 폴딩 액추에이터는 바이레이어 형태의 1차원 켄티레버 구조로부터 구성비를 달리 함으로써 고분자를 이용해 제작하였다. 액추에이터에 사용된 고분자 물질은 실리콘 무기물에 비해 표면을 자유자재로 바꿀 수 있고 외부 환경에 반응하여 모양과 크기를 쉽게 바꿀 수 있어 이상적인 물질로 인식된다. 또한 고분자 물질은 분자구조를 용이하게 바꿀 수 있고 화학, 기계적인 안정성을 갖기 때문에 실리콘을 바탕으로 하는 전자 디바이스와 현재 다양한 분야로 많이 연구되고 있는 바이오 디바이스의 소재로 쓰이고 있다.

본 발명에서 정육면체 구조의 액추에이터를 구현하기 위해 유연하고 투명하며 열경화가 가능한 polydimethylsiloxane(PDMS)와 UV 경화가 가능한 polyurethane/2-hydroxyethylmethacrylate(PU/HEMA) 엘라스토머 복합체를 각각 비극성(소수성)과 극성(친수성) 물질로 선택함으로써 극성/비극성 용매에서 선택적인 팽윤실험을 실시하였다. 도 1은 PU/HEMA복합체에서 HEMA성분비에 의한 유리전이온도(Tg)와 물리적 특성을 나타낸 도면이다. 도 1의 (a)는 HEMA의 성분비 차이에 의한 Tg의 변화도이고, 도 1의 (b)는 PU/HEMA의 성분비 차이에 따른 물성 변화이다. 여기에 도시되었듯이, 선택된 PU/HEMA의 최적의 반응조건을 찾기 위해 PU와 HEMA의 성분비를 달리하여 differential scanning calorimeter(DSC), dynamic mechanical analysis(DMA), universal mechanical tester(UMT) 실험을 실시함으로써 PU/HEMA 복합체에서 HEMA 성분비에 따른 유리전이온도 (Tg)와 물리적 특성을 파악하였다.

PU와 HEMA는 다양한 성분비로 제조되어 열분석과 기기분석을 통해 7 : 3의 조성비에서 가장 우수한 열적, 기계적 특성을 보이는 것을 확인하였으며 액추에이터의 제작을 위한 최적의 PU/HEMA 성분비로 선택되었다.

또한 3차원 폴딩 액추에이터를 구현하기에 앞서, 용매의 극성 또는 비극성에 따라 PDMS층과 PU/HEMA층의 팽윤 특성을 알아보기 위해 도 2에 나타낸 것처럼 팽윤시간에 따른 팽창 부피비를 측정하였다. 이러한 팽윤 특성을 통해 액추에이터의 구동 실험에서 최적의 용매를 사용하여 3차원 구조의 조립에 대한 효율을 높였다.

3차원 폴딩 액추에이터의 제조

2차원 대칭구조를 미리 설계함으로써 새로운 고차원적인 3차원 구조의 다양한 액추에이터를 제조할 수 있으며, 가장 기본적인 3차원 구조의 하나인 정육면체를 만들기 위한 2차원 대칭구조의 제조공정을 도 3에 나타내었다.

3차원 폴딩 액추에이터는 PU/HEMA 복합체로 이루어진 정사각형들의 배열 사이에 PDMS 막대를 적용하여 제조된 2차원 대칭구조가 용매 조건하에 팽윤반응을 거쳐 색깔 변화 없이 3차원으로 형태가 변화하는 액추에이터이다. 3차원 폴딩 액추에이터의 제조공정은 실리카 콜로이드의 결정화 과정을 생략하기 때문에 기존의 스크롤 또는 나선형 액추에이터의 제조공정보다 간단하다.

몰드에서 PDMS가 적용되는 부분을 제외하고 이미드 필름을 이용해 빈 공간을 충전시키고 불소 처리를 한 후 PDMS층을 막대 형태로 열 경화시킨다. PDMS의 형태를 유지하며 충전되어 있던 이미드 필름을 제거하고 몰드와 PDMS층의 표면에 산소 플라즈마 처리를 해준 후 methacryloxypropyl-trimethoxysilane 단층을 형성한다. 여기에 1~9 : 9~1 구성비의 PU/HEMA 층을 첨가하여 UV 경화시킨 후 제작된 샘플을 분리해 준다. 이와 같은 3차원 폴딩 액추에이터의 제조공정을 이용하면 미리 설계된 2차원 대칭구조의 변화를 통해 정육면체뿐 아니라 정사면체와 플랫 볼 구조로 가역적인 조립이 가능하다.

도 4와 도 5는 2차원으로 미리 설계된 다양한 구조의 액추에이터를 극성/비극성 용매 내에서 설계된 패턴의 형태에 따라 시간의 경과에 따라 2차원의 미리 설계된 패턴 구조가 3차원 구조로 어떻게 변화하는지를 관찰하고 찍은 사진이다.

도 4에서 대표적으로 3차원 폴딩 액추에이터를 용매 조건하에서 시간의 경과에 따라 정육면체 구조가 순차적으로 조립되는 과정을 나타내었다.

도 3의 제조공정을 통해 제작된 3차원 폴딩 액추에이터는 팽윤 전 도 4의 (a)처럼 2차원 구조로 나타나는데, 2차원 구조에서 정육면체를 이루는 접합부에 사용된 비극성의 PDMS층은 비극성의 헥산 용매 조건하에서 도 4의 (b)에서 도 4의 (f)에 이를 때까지 순차적으로 팽윤반응이 이루어지게 된다.(a는 팽윤 전, b-e는 팽윤이 진행 중, f는 팽윤 후)

3차원 폴딩 액추에이터의 원동력은 비극성의 PDMS층과 비극성의 헥산 용매 사이의 팽윤반응이며 2차원 구조의 정사각형들의 배열이 비대칭이기 때문에, 도 4의 (a)의 우측에 있는 PDMS층의 두께를 두껍게 조절함으로써 3차원 구조를 조립하는데 필요로 하는 힘을 얻을 수 있다.

도 5에서는 다양한 2차원 구조로부터 용매가 부여되었을 때 정육면체, 정사면체, 그리고 플랫 볼로 조립된 사진을 나타내었다.

큐브, 피라미드, 플랫 볼의 세 종류로 나타낸 3차원 폴딩 액추에이터에서 접합부의 색상이 다르게 나타난 부분이 PDMS층으로 막대 형태의 PDMS층의 선택적인 팽윤반응을 통해 3차원의 다양한 구조를 구현할 수 있다. PDMS층과 PU/HEMA층의 구성비와 위치의 조절은 2차원 구조로부터 3차원 구조를 조립하는 데 있어 중요한 변수가 된다. 또한 극성/비극성 용매의 종류에 따라 다른 팽창부피비를 나타내기 때문에 3차원 구조에서 각 면의 기울기에 따라 용매를 선택적으로 사용하여 효율적으로 팽윤작용을 이용할 수 있다.

도 5의 (a)는 앞서 나타낸 것처럼 제조된 3차원 폴딩 액추에이터는 총 6개의 정사각형을 십자가 모양으로 배열한 형태의 2차원 구조를 나타낸 것이다. 도 5의 (b)에 나타낸 3차원 피라미드 액추에이터는 4개의 정삼각형으로 이루어져 있으며 중심의 삼각형의 각 변에 3개의 삼각형을 배열한 형태의 2차원 구조이며, 중심의 삼각형의 각 변에 PDMS층이 위치한다. 3차원 피라미드 구조는 3개의 삼각형이 동일한 힘을 필요로 하며 면과 면 사이의 각도가 작아 PDMS층의 크기가 다른 액추에이터보다 커야 한다.

보다 복잡한 구조의 3차원 플랫 볼 액추에이터는 육각형 2개와 육각형에 접합된 12개의 마름모로 구성된 2차원 구조로부터 플랫 볼 구조를 구현할 수 있으며, 육각형의 각 변과 좌우측의 마름모 사이의 접합부에 PDMS층이 각기 위치한다. 2차원 구조는 좌우 대칭이므로 하나의 육각형이 포함된 부분을 들어올리기 위해 가장 큰 힘을 필요로 하게 되기 때문에 마름모 사이의 접합부와 이를 지탱하는 마름모와 육각형 사이에 위치하는 PDMS층이 중요하게 작용한다.

이와 같은 다양한 형태의 3차원 구조의 폴딩 액추에이터는 PDMS와 PU/HEMA의 구성비와 위치를 조절함으로써 다양한 3차원 구조의 조립이 가능한 장점이 있는 것이다.

이와 같은 3차원 폴딩 액추에이터는 액추에이터의 기본적인 원리에 기초하여 하이드로 젤의 도입을 통해 다양한 형태 변화의 기반을 마련하였다. 여기에 다양한 구조의 액추에이터를 구현하기 위해 제조공정에서의 대칭구조를 다양하게 적용시킴으로써 상기와 같은 다양한 액추에이터의 제작이 가능한 것이다. 이러한 액추에이터는 기존의 액추에이터에 비해 보다 고집적화 되고 고기능성을 갖춘 기술로서, 나노 및 마이크로 단위의 미세 구조에 적용할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명을 바람직한 실시예에 따라 도면을 참조하여 설명을 하였으나, 본 발명은 실시예에 의하여 설명되고 도면으로 도시된 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명의 다수의 변경과 수정이 가능하다는 것을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정이 본 발명의 범위에 속하는 것은 자명한 것이다.

Claims (4)

1. 3차원 폴딩 액추에이터의 제조방법에 있어서,
   PDMS가 적용되는 부분을 제외하고 이미드 필름을 이용하여 빈 공간을 충전시키는 제 1단계;
   상기 이미드 필름과 몰드의 표면에 불소를 처리하여 PDMS층을 형성하는 제 2단계;
   상기 PDMS층을 열경화시킨 후 이미드 필름을 제거하는 제 3단계;
   상기 몰드에 형성된 PDMS층이 존재하는 조건에서 산소 플라즈마 처리를 통해 수산화 작용기를 만들어 주고 methacryloxypropyl-trimethoxysilane 단층을 형성하는 제 4단계;
   극성인 PU/HEMA층을 적용하여 UV 경화를 실시하는 제 5단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 액추에이터의 제조방법.
   
   
2. 제1항에 있어서, 상기 몰드는 눈으로 관찰할 수 있는 범위인 단위를 사용해 제작하며, 상기 액추에이터의 크기는 100㎛~1m까지 제작이 가능한 것을 특징으로 하는 액추에이터의 제조방법.
   
3. 제 1항에 있어서, 상기 몰드에서 액추에이터가 차지하는 부분의 형태는 조립하고자 하는 3차원 구조를 2차원 구조로 표현함으로써, 정육면체, 정사면체 및 플랫 볼 중 어느 하나의 형태로 몰드를 구분하여 제작하는 것을 특징으로 하는 액추에이터의 제조방법.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 PU/HEMA층에서 PU : HEMA의 성분비는 1~9 : 9~1인 것을 특징으로 하는 액추에이터의 제조방법.
   
   

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