KR20140008416A - 변형가능한 중합체 장치 및 필름을 제조하기 위한 자동화 제조 방법 - Google Patents

변형가능한 중합체 장치 및 필름을 제조하기 위한 자동화 제조 방법 Download PDF

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준펭 메이
후만 모우사비 나자리
지나 쿠안
마커스 에이. 로젠탈
윌리엄 디. 수터랜드
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루터 엘. 3세 화이트
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Abstract

본 발명에 따르면, 변형가능한 중합체 장치에 사용하기 위한 패터닝된 변형가능한 중합체 필름을 제조하는 방법이 개시되어 있다. 본 방법은, 변형가능한 필름과 공정 툴링 사이에 중간 층을 위치시키는 단계; 및 잉크를 침착시킴으로써 변형가능한 필름 상에 적어도 1개의 전극을 인쇄하여 변형가능한 필름의 제1 표면 상에 적어도 1개의 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 여기서 중간 층은 인쇄 공정 이후 공정 툴링으로부터의 변형가능한 필름의 이형을 가능케 하는 것이다. 본 발명의 방법에 의해 제조되는 필름은 전기활성 중합체 장치에서 용도를 찾을 수 있다.

Description

변형가능한 중합체 장치 및 필름을 제조하기 위한 자동화 제조 방법 {AUTOMATED MANUFACTURING PROCESSES FOR PRODUCING DEFORMABLE POLYMER DEVICES AND FILMS}
본 출원은 발명이 명칭이 "자동화 EPAM 제조 방법(AUTOMATED EPAM MANUFACTURING PROCESSES)"이고 2011년 4월 21일자로 출원된 미국 임시 출원 61/477,675; 발명이 명칭이 "라이너-없는 인쇄(LINER-LESS PRINTING)"이고 2011년 4월 21일자로 출원된 미국 임시 출원 61/477,709; 발명이 명칭이 "라이너-없는 인쇄 Ⅱ(LINER-LESS PRINTING Ⅱ)"이고 2011년 5월 5일자로 출원된 미국 임시 출원 61/482,751; 발명이 명칭이 "전극을 위한 섬유화 구조(FIBRILLATED STRUCTURE FOR ELECTRODE)"이고 2011년 3월 1일자로 출원된 미국 임시 출원 61/477,832; 발명이 명칭이 "변형된 연질 툴링 및 인쇄 두께에 대한 트로프의 효과(MODIFIED SOFT TOOLING AND EFFECT OF TROUGHS IN PRINT THICKNESS)"이고 2011년 10월 13일자로 출원된 미국 임시 출원 61/546,683; 및 발명이 명칭이 "롤-롤 카트리지 인쇄/공정을 위한 연속 웹 프레임 벨트의 용도 (USE CONTINUOUS WEB FRAME BELT FOR ROLL-TO-TOLL CARTRIDGE PRINTING/PROCESS)"이고 2011년 10월 21일자로 출원된 미국 임시 출원 61/549,799의 35 USC §119(e) 하에서의 이익을 향유하고, 그 각각의 전체가 참조로 합체되어 있다.
본 발명의 분야
본 발명은 일반적으로 전기활성 중합체 필름 및 장치를 제조하기 위한 제조 방법, 특히 대량 제조 방법에 관한 것이다.
현재 사용되는 매우 다양한 장치는 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하는 각종의 작동기(actuator)에 의존한다. 역으로, 많은 발전 적용 분야는 기계 작용을 전기 에너지로 변환함으로써 동작된다. 이러한 방식으로 기계 에너지를 활용하는 데 채용될 때에, 동일한 종류의 장치가 발전기(generator)로서 불릴 수 있다. 마찬가지로, 구조가 측정 목적을 위해 진동 또는 압력 등의 물리 자극을 전기 신호로 변환하는 데 채용될 때에, 구조는 센서로서 특징화될 수 있다. 그러나, 용어 "변환기(transducer)"는 이들 장치 중 임의의 장치를 일반적으로 언급하는 데 사용될 수 있다.
다수개의 설계 고려 사항이 변환기의 제조를 위한 "전기활성 중합체"로서 또한 불리는 진보된 유전체 엘라스토머 재료의 선택 및 사용을 돕는다. 이들 고려 사항은 포텐셜 포스(potential force), 전력 밀도, 전력 변환/소모, 크기, 중량, 비용, 응답 시간, 듀티 사이클(duty cycle), 서비스 요건, 환경 영향 등을 포함한다. 이와 같이, 많은 적용 분야에서, 전기활성 중합체 기술은 압전, 형상-기억 합금 및 모터 및 솔레노이드 등의 전자기 장치를 위한 이상적인 대체물을 제공한다.
전기활성 중합체 변환기는 변형가능한 특성을 갖고 얇은 엘라스토머 유전성 재료에 의해 분리되는 2개의 전극을 포함한다. 전압 차이가 전극에 가해질 때에, 반대로 대전된 전극은 서로를 견인하고 그에 의해 그 사이의 중합체 유전체 층을 압축한다. 전극이 함께 더 근접하게 견인됨에 따라, 유전체 중합체 필름은 (X- 및 Y-축을 따라) 평면 방향으로 팽창되므로 더 얇아지고 (Z-축 성분이 수축되고), 즉 필름의 변위(displacement)는 면내(in-plane)에서 일어난다. 전기활성 중합체 필름은 또한 (Z-축을 따라) 필름 구조에 직각인 방향으로의 이동을 생성하도록 구성될 수 있고, 즉 필름의 변위는 면외(out-of-plane)에서 일어난다. 미국 특허 7,567,681은 표면 변형(surface deformation)으로서 또는 두께 모드 편향(thickness mode deflection)으로서 또한 불리는 이러한 면외 변위를 제공하는 전기활성 중합체 필름 구성물을 개시하고 있다.
전기활성 중합체 필름의 재료 및 물성은 변환기에 의해 경험되는 변형을 조정하도록 가변 및 제어될 수 있다. 더 구체적으로, 중합체 필름과 전극 재료 사이의 상대 탄성, 중합체 필름과 전극 재료 사이의 상대 두께 및/또는 중합체 필름 및/또는 전극 재료의 다양한 두께, (국부 활성 및 비활성 영역을 제공하는) 중합체 필름 및/두께 전극 재료의 물리적 패턴, 전체적으로 전기활성 중합체 필름 상에 위치되는 장력(tension) 또는 사전-스트레인(pre-strain) 및 필름에 가해지는 전압의 크기 또는 필름 상에 유도되는 용량 등의 인자가 활성 모드에 있을 때에 필름의 특징을 조정하도록 제어 및 가변될 수 있다.
필름을 단독으로 사용하거나 전기활성 중합체 작동기에서 필름을 사용하는 것과 무관하게 이러한 전기활성 중합체 필름에 의해 제공되는 장점으로부터 이익을 취하는 많은 적용 분야가 존재한다. 많은 적용 분야들 중 하나는 사용자 인터페이스 장치에서 촉각 피드백(haptic feedback)(사용자의 신체에 가해지는 힘을 통한 사용자로의 정보의 전달)을 생성하는 작동기로서의 전기활성 중합체 변환기의 사용을 포함한다. 전형적으로 사용자에 의해 개시되는 힘에 따라 촉각 피드백을 채용하는 많은 공지된 사용자 인터페이스 장치가 있다. 촉각 피드백을 채용할 수 있는 사용자 인터페이스 장치의 예는 키보드, 키패드, 게임 콘트롤러, 리모트 콘트롤, 터치 스크린, 컴퓨터 마우스, 트랙볼, 스타일러스 스틱, 조이스틱 등을 포함한다. 사용자 인터페이스 표면은 사용자가 장치로부터의 피드백 또는 정보에 대해 조작, 결합 및/또는 관찰하는 임의의 표면을 포함할 수 있다. 이러한 인터페이스 표면의 예는 키 (예컨대, 키보드 상의 키), 게임 패드 또는 버튼, 디스플레이 스크린 등을 포함하지만 이들에 제한되지 않는다.
이들 종류의 인터페이스 장치에 의해 제공된 촉각 피드백은 사용자가 (예컨대, 스크린의 터칭을 통해) 직접적으로 또는 (예컨대, 셀 폰이 지갑 또는 가방 내에서 진동될 때에 진동 효과를 통해) 간접적으로 중 어느 한쪽의 방식으로 감지하거나 그렇지 않으면 (사용자에 의해 감지되는 압력 교란을 생성하는 이동체의 작용을 통해) 감지되는 진동, 펄스, 스프링력 등의 물리적 감각의 형태로 되어 있다. 스마트 폰, 개인용 매체 플레이어, 휴대용 계산 장치, 휴대용 게이밍 시스템, 전자 리더 등의 소비자 전자 매체 장치의 확산은 일부의 소비자가 전자 매체 장치에서 개선된 촉각 효과를 획득 또는 요구하는 상황을 발생시킬 수 있다. 그러나, 전자 매체 장치의 모든 모델에서 촉각 능력을 상승시키는 것은 장치의 비용 상승 또는 프로파일 상승으로 인해 정당화될 수 없다. 더욱이, 특정 전자 매체 장치의 소비자는 특정 활동을 위해 전자 매체 장치의 촉각 능력을 일시적으로 개선할 것을 요구할 수 있다.
소비자 전자 매체 장치 및 또한 많은 다른 상업 및 소비자 적용 분야에서의 전기활성 중합체 재료의 사용은 필름의 정밀성 및 일관성을 유지하면서 제조량을 상승시킬 필요성을 강조한다.
이들 설계가 사용될 수 있는 전기활성 중합체 장치는 평면형 다이어프램 두께 모드 롤 및 수동 결합 장치 (하이브리드) 및 또한 여기서 인용되는 공동 양도된 특허 및 출원에서 설명되는 임의의 종류의 전기활성 중합체 장치를 포함하지만 이들에 제한되지 않는다.
특정 변형예에서, 전기활성 중합체 작동기는 적어도 1개의 전기활성 중합체 카트리지를 포함하고, 전기활성 중합체 카트리지는 유전체 엘라스토머 층을 갖는 전기활성 중합체 필름을 포함하고, 유전체 엘라스토머 층의 일부가 제1 및 제2 전극 사이에 있고, 전극의 중첩 부분은 활성 부분을 포함하는 활성 영역을 한정하고, 그에 따라 전극으로의 촉발 신호의 인가는 활성 영역의 이동이 촉각 효과를 생성하게 한다.
전기활성 중합체 작동기는 함께 결합되는 다수의 별개의 전기활성 중합체 카트리지를 포함할 수 있고, 전기활성 중합체 작동기는 각각의 전기활성 중합체 카트리지의 각각의 활성 영역을 갖는 증가된 활성 부분을 포함한다.
위에서 언급된 것과 같이, 배치 제조 또는 소량 제조 방법을 통해 얻어지는 성능 특성을 유지하면서 이러한 전기활성 중합체 장치를 대량 제조할 필요성이 남아 있다.
본 발명은 변형가능한 중합체 필름 장치의 대량 제조를 위한 방법을 포함한다. 한 변형예에서, 방법은, 엘라스토머 재료의 공급부로부터 엘라스토머 재료의 필름을 연속적으로 전진시키는 단계; 및 선택 사항으로, 필름을 기계적으로 스트레이닝하여 엘라스토머 재료의 공급부와 연속상태로 남아 있는 제1 사전-스트레이닝된 필름 섹션을 생성하는 단계; 제1 필름 섹션이 지지된 부분 및 비지지된 부분을 포함하도록 필름 섹션을 지지하는 단계; 잉크를 침착시켜 제1 필름 섹션의 비지지된 부분의 제1 면 상에 적어도 제1 전극을 생성하는 단계; 잉크를 침착시켜 제1 전극에 반대되는 제1 필름 섹션의 비지지된 부분의 제2 면 상에 적어도 제2 전극을 생성하고 적어도 1개의 반대 전극 쌍을 형성하여 적어도 전기활성 중합체 필름의 제1 섹션을 완성하는 단계; 및 전기활성 중합체 필름의 제1 섹션을 수집하는 단계를 포함한다.
선택 사항으로, 방법은, 필름을 기계적으로 스트레이닝하여 필름과 연속상태로 남아 있는 제2 사전-스트레이닝된 필름 섹션을 생성하는 단계; 제2 사전-스트레이닝된 필름 섹션이 지지된 부분 및 비지지된 부분을 포함하도록 제2 사전-스트레이닝된 필름 섹션을 지지하는 단계; 잉크를 침착시켜 제2 사전-스트레이닝된 필름 섹션의 비지지된 부분의 제1 면 상에 적어도 제1 전극을 생성하는 단계; 제1 전극에 반대되는 제2 사전-스트레이닝된 필름 섹션의 비지지된 부분의 제2 면 상에 적어도 제2 전극을 인쇄하여 적어도 1개의 반대 전극 쌍을 형성하고 그에 의해 적어도 전기활성 중합체 필름의 제2 섹션을 완성하는 단계; 및 전기활성 중합체 필름의 제2 섹션을 수집하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 방법의 일부 변형예에서, 필름 섹션은 필름 섹션의 일부의 강성을 상승시킴으로써 지지될 수 있다.
방법은 적어도 제1 및 제2 섹션을 스택화하거나 적층하여 다층 필름을 생성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 제조 방법의 일부 변형예에서, 구조 또는 접착 재료의 층이 스택화하거나 적층하는 방법 단계 전에 또는 동안에 중 어느 한쪽의 시기에 전기활성 중합체 필름에 가해질 수 있다.
여기서 설명되는 방법은 엘라스토머 재료의 공급 롤을 권출함으로써 엘라스토머 재료의 공급부로부터 엘라스토머 재료의 필름을 전진시키는 단계를 포함할 수 있다. 필름은 일정한 속도로 또는 스텝 방식으로 전진될 수 있고, 필름의 각각의 섹션은 주어진 체류 시간 동안 일련의 공정 스테이션의 각각에서 정지된다.
제조 방법의 일부 변형예에서, 제1 사전-스트레이닝된 필름 섹션을 지지하는 단계는 제1 사전-스트레이닝된 필름 섹션에 지지 층을 적용하는 단계 및/또는 제1 사전-스트레이닝된 필름 섹션에 UV 또는 열 처리를 적용하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제조 방법의 일부로서, 필름은 선택 사항으로 파열 또는 파열 전파를 방지하도록 모서리에 가해지는 테이프 또는 다른 재료로써 보강될 수 있다. 테이프 또는 가해진 재료는 필름이 신장될 수 있게 하는 방식으로 신장 가능하거나 패터닝될 수 있다.
필름에 사전-스트레인을 적용하는 단계는 필름의 각각의 근접 및 원격 모서리 상에서의 제1 및 제2 벨트 부재의 사용을 포함할 수 있고, 제1 및 제2 벨트 부재의 각각은 필름을 개재하는 상부 표면 및 저부 표면을 포함하고, 벨트 부재는 필름의 영률(Young's Modulus)보다 큰 영률을 갖는 재료를 포함한다. 선택 사항으로, 벨트 부재는 천공 벨트 부재를 포함할 수 있고, 천공 롤러가 필름을 기계적으로 스트레이닝하는 데 사용된다.
천공 벨트를 제조하는 한 방법은 핀-이송 프린터 종이의 모서리를 따른 천공 라인과 유사한 웹 방향에 평행한 미세한 천공 라인을 갖는 이형 라이너 상으로 중합체 필름을 적층 또는 주조하는 것이다. 본 발명의 변환기 제조 방법 동안, 이형 라이너의 중심 영역은 천공 라인을 따라 파열됨으로써 필름의 모서리를 따라 필름의 미지지 영역으로부터 및 이형 라이너의 스트립으로부터 분리될 수 있다. 이형 라이너의 잔여 스트립은 천공 벨트로서 작용하고, 천공 롤러 상에 핀 또는 스프로켓(sprocket)에 의해 펀칭되는 구멍을 한정하는 추가의 천공부를 가질 수 있다. 대안적으로, 이들 구멍은 변환기 제조 방법의 일부로서 펀칭, 드릴링 또는 커팅될 수 있다.
필름의 스트레인은 등방성-사전 스트레이닝 필름 섹션 또는 이방성 사전-스트레이닝된 필름 섹션을 생성하도록 양방향 또는 일방향으로 수행될 수 있다.
여기서 설명되는 툴링 및 방법의 사용은 또한 잉크가 사전-스트레이닝된 필름에 가해짐에 따라 제1 사전-스트레이닝된 필름이 공정 툴링에 대해 전진되는 스크린 인쇄 공정을 사용하는 것을 가능케 한다.
특정 변형예에서, 본 발명의 방법은 "연질 툴링"의 사용을 포함할 수 있다. 예컨대, 인쇄 공정은 제1 사전-스트레이닝된 필름 섹션과 공정 툴링 사이에 제거가능한 라이너를 위치시켜 공정 툴링으로부터의 제1 사전-스트레이닝된 필름 섹션의 이형을 돕는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 조합예에서, 인쇄 공정은 제1 사전-스트레이닝된 필름 섹션과 공정 툴링 사이에 엔지니어링된 표면(engineered surface) 및/또는 유연성 층을 위치시켜 공정 툴링으로부터의 제1 사전-스트레이닝된 필름 섹션의 이형을 돕는 단계를 포함할 수 있다. 또 다른 변형예에서, 방법은, 제1 사전-스트레이닝된 필름 섹션과 공정 툴링 사이에 변형가능한 층을 위치시키는 단계로서, 변형가능한 층은 제1 사전-스트레이닝된 필름 섹션에 부착되는 라이너의 사용 없이 제1 사전-스트레이닝된 필름 섹션의 이형을 가능케 하는, 단계를 포함할 수 있다. 변형가능한 층은 발포체 층을 포함할 수 있다.
연질 툴링은 필름의 동일한 표면 상에서 여러 압력을 가능케 한다. 예컨대, 여기서 설명되는 방법은 제1 사전-스트레이닝된 필름 섹션에 대한 변형가능한 층의 적용이 공동에서의 제1 압력 및 표면에서의 제2 압력을 가능케 하여 제1 사전-스트레이닝된 필름 섹션 상으로의 여러 잉크 깊이의 인쇄를 가능케 하도록 변형가능한 층의 표면 내의 적어도 1개의 공동을 포함하는 변형가능한 층을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 제조 방법은 전기활성 중합체 필름의 제1 섹션에 적어도 프레임 및/또는 출력 바(output bar)를 적용하여 전기활성 중합체 작동기 장치를 조립하는 단계를 또한 포함할 수 있다. 대안적으로, 전기활성 중합체 필름의 제1 섹션을 수집하는 방법은 다수의 전기활성 중합체 필름을 권취하여 전기활성 중합체 필름의 롤을 형성하는 단계를 포함한다.
아래에서 설명되는 방법의 또 다른 변형예는 전기활성 중합체 장치에서 사용되는 전기활성 중합체 필름을 제조하는 단계를 포함한다. 한 변형예에서, 방법은, 엘라스토머 필름의 섹션을 사전-스트레이닝하여 사전-스트레이닝된 엘라스토머 필름을 생성하는 단계; 사전-스트레이닝된 엘라스토머 필름과 공정 툴링 사이에 중간 층을 위치시키는 단계; 및 잉크를 침착시킴으로써 사전-스트레이닝된 엘라스토머 필름 상에 적어도 1개의 전극을 스크린 인쇄하여 사전-스트레이닝된 엘라스토머 필름의 제1 표면 상에 전극을 형성하는 단계를 포함하며, 여기서 중간 층은 스크린 인쇄 공정에 후속하여 공정 툴링으로부터의 제2 표면의 이형을 가능케 하는 것이다.
중간 층은 제거가능한 라이너를 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 조합예에서, 중간 층은 엔지니어링된 표면 및/또는 유연성 층을 포함할 수 있고, 엔지니어링된 표면은 파치먼트 종이(parchment paper), 스크린 메시(screen mesh), 텍스쳐화 표면(textured surface), 비-점착성 표면(non-stick surface) 및 중합체 시트로 이루어진 군으로부터 선택되는 표면을 포함한다.
또 다른 변형예에서, 중간 층은 변형가능한 층을 포함한다. 예컨대, 변형가능한 층은 에틸렌 비닐 아세테이트 발포체 재료를 포함할 수 있다. 변형가능한 층은 유사하게 필름에 대해 적절한 표면 이형 특성을 갖는 실리콘 및 폴리우레탄 젤 또는 발포체 등의 연질 재료를 포함할 수 있다. 변형가능한 층의 사용은 또한 변형가능한 층 내의 다수의 공동을 가능케 한다. 공동은 스크린 인쇄 동안 여러 압력의 영역을 가능케 하고, 방법은 사전-스트레이닝된 엘라스토머 필름의 제1 표면 상에 여러 수준으로 잉크를 침착시키는 단계를 추가로 포함한다.
여기서 개시되는 또 다른 변형예에서, 본 발명은, 엘라스토머 필름의 섹션을 사전-스트레이닝하는 단계; 엘라스토머 필름과 공정 툴링 사이의 변형가능한 층을 사용하여 엘라스토머 필름의 섹션의 표면 상에 적어도 1개의 전극을 스크린 인쇄하는 단계 (여기서 변형가능한 층은 엘라스토머 필름 상에 여러 깊이를 갖는 잉크 섹션을 침착시키도록 잉크의 침착 동안 여러 압력을 가능케 하는 1개 이상의 공동을 포함함); 및 필름 표면에 1개 이상의 프레임, 출력 바 또는 굴곡부(flexure)를 부착하는 단계를 포함하는 방법에 의해 준비되는 전기활성 중합체 장치에서 사용되는 전기활성 중합체 필름을 포함한다.
스크린 인쇄에 추가하여, 플렉소그래피(flexography), 패드 인쇄(pad printing), 그라비어 인쇄(gravure printing), 잉크 젯 인쇄(ink jet printing) 및 에어로졸 젯 인쇄(aerosol jet printing) 등의 다른 인쇄 공정이 본 발명의 제조 방법에서 유용한 것으로 입증될 수 있다.
본 발명의 이들 및 다른 특징, 목적 및 장점은 아래에서 더 완전하게 설명되는 것과 같이 본 발명의 세부 사항을 읽을 때에 당업자에게 명확해질 것이다. 추가로, 여기서 설명되는 방법 및 장치의 변형예는 본 발명의 범주 내에 있을 수 있는 실시예 또는 실시예의 특징의 조합이 명확하게 설명 또는 논의되지 않더라도 이들 조합을 포함한다.
본 발명은 첨부 도면과 연계하여 읽혀질 때에 다음의 상세한 설명으로부터 가장 잘 이해된다. 이해를 용이하게 하기 위해, 유사한 요소를 지정하는 데 (실제로) 사용된 동일한 도면 부호가 도면에 공통적으로 사용된다. 포함된 도면은 하기와 같다.
도 1a 및 1b는 본 발명의 한 실시예에 따른 전압의 인가 전후의 변환기의 상부 사시도를 도시하고 있다.
도 2a는 예시의 전기활성 중합체 카트리지를 도시하고 있다.
도 2b는 전기활성 중합체 작동기, 관성 질량체 및 작동기 하우징의 분해도를 도시하고 있다.
도 3a는 전기활성 중합체 필름으로 엘라스토머 필름을 준비하는 개략적인 롤-롤 공정을 도시하고 있다.
도 3b는 전기활성 중합체 장치를 제조하도록 조합되는 전기활성 중합체 필름의 2개의 롤을 도시하고 있다.
도 4a 내지 4d는 엘라스토머 필름에 대한 요구 스트레인을 제어하는 것을 돕기 위해 강성 벨트 부재를 사용하는 예를 도시하고 있다.
도 5a는 전기활성 중합체 작동기를 제조하는 데 유용한 인쇄 공정의 변형예를 도시하고 있다.
도 5b는 도 5a에 도시된 것과 유사한 라이너의 요건을 없앤 인쇄 구성의 변형예를 도시하고 있다.
도 5c는 필름이 도 5a 및 5b에 도시된 임의의 층의 사용 없이 직접적으로 발포체 층을 수축시키는 툴링 구성의 또 다른 변형예를 도시하고 있다.
도 6은 동일한 인쇄 공정에서 여러 잉크 높이의 침착을 가능케 하는 식각된 발포체 층을 도시하고 있다.
도 7a는 스크린 인쇄된 전기활성 중합체 필름의 정사각형으로 패터닝된 미세 조직을 도시하고 있다.
도 7b는 플렉소그래픽 인쇄에 의해 인쇄되는 전기활성 필름의 섬유화 미세 조직을 도시하고 있다.
도 8은 사전-스트레이닝된 실리콘 필름을 보유하기 위해 연속 웹 프레임을 사용하는 본 발명의 방법을 도시하고 있다.
도 9는 웹 상에 순차적으로 여러가지 인쇄 스테이션을 정렬시키는 단계를 도시하고 있다.
도 10은 본 발명의 방법에 따른 라인의 한 레이아웃을 도시하고 있다.
도면에 도시된 것으로부터의 본 발명의 변형이 고려될 수 있다.
전기활성 중합체 장치 및 그 적용 분야의 예가 예컨대 미국 특허 7,394,282; 7,378,783; 7,368,862; 7,362,032; 7,320,457; 7,259,503; 7,233,097; 7,224,106; 7,211,937; 7,199,501; 7,166,953; 7,064,472; 7,062,055; 7,052,594; 7,049,732; 7,034,432; 6,940,221; 6,911,764; 6,891,317; 6,882,086; 6,876,135; 6,812,624; 6,809,462; 6,806,621; 6,781,284; 6,768,246; 6,707,236; 6,664,718; 6,628,040; 6,586,859; 6,583,533; 6,545,384; 6,543,110; 6,376,971; 6,343,129; 7,952,261; 7,911,761; 7,492,076; 7,761,981; 7,521,847; 7,608,989; 7,626,319; 7,915,789; 7,750,532; 7,436,099; 7,199,501; 7,521,840; 7,595,580; 및 7,567,681에, 및 미국 특허 출원 공개 2009/0154053; 2008/0116764; 2007/0230222; 2007/0200457; 2010/0109486; 및 2011/128239 및 PCT 공개 WO2010/054014에 기재되어 있고, 그 전체가 참조로 여기에 합체되어 있다.
본 발명은, 변형가능한 중합체 장치에 사용하기 위한 패터닝된 변형가능한 중합체 필름을 제조하는 방법이며, 이는 변형가능한 필름과 공정 툴링 사이에 중간 층을 위치시키는 단계; 및 잉크를 침착시킴으로써 변형가능한 필름 상에 적어도 1개의 전극을 인쇄하여 변형가능한 필름의 제1 표면 상에 적어도 1개의 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 여기서 중간 층은 인쇄 공정 이후 공정 툴링으로부터의 변형가능한 필름의 이형을 가능케 하는 것인 방법을 제공한다.
본 발명에서 유용한 필름은 실리콘, 폴리우레탄, 아크릴레이트, 탄화수소 고무, 올레핀 공중합체, 폴리비닐리덴 플루오라이드 공중합체, 플루오로엘라스토머, 스티렌 공중합체 및 접착 엘라스토머 등의 중합체로부터 제조된 것들을 포함하지만 이들에 제한되지 않는다.
여기서 논의되는 도면은 전기활성 중합체 필름 또는 이러한 전기활성 중합체 필름을 갖는 변환기를 채용하는 장치의 예시의 구성을 개략적으로 도시하고 있다는 것이 주목되어야 한다. 많은 변형예가 본 발명의 범주 내에 있고, 예컨대, 장치의 변형예에서, 전기활성 중합체 변환기는 질량체를 이동시켜 관성 촉각 감각을 생성하도록 실시될 수 있다. 대안적으로, 전기활성 중합체 변환기는 여기서 설명되는 조립체에 결합될 때에 전자 매체 장치 내에서의 이동을 생성할 수 있다. 여기서 개시되는 방법으로써 제조되는 전기활성 변환기는 유체 취급 시스템, 운동 제어, 적응 광학 장치, 진동 제어 시스템 및 에너지 활용 시스템(energy harvesting system)을 제한 없이 포함하는 많은 다른 적용 분야에서 작동기, 발전기 또는 센서로서 사용될 수 있다.
임의의 적용 분야에서, 전기활성 중합체 변환기에 의해 생성된 변위는 배타적으로 측면 이동으로서 감지되는 면내 변위일 수 있거나 (수직 변위로서 감지되는) 면외 변위일 수 있다. 대안적으로, 전기활성 중합체 변환기 재료는 독립적으로 처리 가능한/이동 가능한 섹션을 제공하여 하우징 또는 전자 매체 장치의 각도 변위, 또는 다른 종류의 변위의 조합을 제공하도록 분할될 수 있다. 추가로, (여기서 나열되는 출원 및 특허에서 개시된 것과 같은) 임의의 개수의 전기활성 중합체 변환기 또는 필름이 여기서 설명되는 사용자 인터페이스 장치 내에 합체될 수 있다.
전기활성 중합체 변환기는 가해진 전압에 대해 변위되도록 구성될 수 있고, 이것은 대상 촉각 피드백 장치에서 사용되는 제어 시스템의 프로그래밍을 용이하게 한다. 전기활성 중합체 변환기는 다수개의 이유로 이러한 적용 분야에 이상적이다. 예컨대, 그 가벼운 중량 및 최소의 요소 때문에, 전기활성 중합체 변환기는 매우 낮은 프로파일을 제공하고, 그에 따라, 감각/촉각 피드백 적용 분야에서의 사용에 이상적이다.
도 1a 및 1b는 전기활성 중합체 필름 또는 멤브레인(10) 구조의 예를 도시하고 있다. 얇은 엘라스토머 유전체 필름 또는 층(12)이 유연성 또는 신장성 전극 판 또는 층(14, 16) 사이에 개재되고, 그에 의해 커패시티브 구조 또는 필름을 형성한다. 유전체 층 및 또한 복합 구조의 유전체 층의 길이 "l" 및 폭 "w"는 그 두께 "t"보다 훨씬 크다. 바람직하게는, 유전체 층은 약 10 ㎛ 내지 약 100 ㎛의 범위 내의 두께를 갖고, 구조의 총 두께는 약 15 ㎛ 내지 약 10 ㎝의 범위 내에 있다. 추가로, 전극이 작동기에 기여하는 추가의 강성이 비교적 낮은 즉 약 100 ㎫ 미만, 보다 바람직하게는 약 10 ㎫ 미만의 상대적으로 낮은 탄성률을 갖는 유전체 층(12)의 강도보다 대체로 작지만 각각의 전극보다 두껍도록 전극(14, 16)의 탄성률, 두께 및/또는 기하 형상을 선택하는 것이 바람직하다. 이들 유연성 커패시티브 구조에 사용하는 데 적절한 전극은 기계 피로로 인한 파괴 없이 약 1% 초과의 주기적인 스트레인을 견딜 수 있는 것들이다.
도 1b에서 보이는 것과 같이, 전압이 전극을 횡단하여 가해질 때에, 2개의 전극(14, 16) 내의 비유사 전하는 서로에 견인되고, 이들 정전 인력은 (Z-축을 따라) 유전체 필름(12)을 압축한다. 유전체 필름(12)은 그에 의해 전기장의 변화에 따라 편향되게 된다. 전극(14, 16)이 유연성이므로, 이들은 유전체 층(12)에 따라 형상을 변화시킨다. 본 발명의 문맥에서, "편향"은 유전체 필름(12)의 일부의 임의의 변위, 팽창, 수축, 비틀림, 선형 또는 영역형 스트레인, 또는 임의의 다른 변형을 말한다. (집합적으로 "변환기"로서 불리는) 커패시티브 구조(10)가 채용되는 구조 또는 예컨대 프레임에 따라, 이러한 편향은 기계 작업을 제공하는 데 사용될 수 있다. 다양한 상이한 변환기 구조가 위에서-확인된 특허 참조 문헌에서 개시 및 설명되어 있다.
전압이 가해지면, 변환기 필름(10)은 기계적인 힘이 편향을 유발하는 정전력과 균형을 이룰 때까지 계속하여 편향된다. 기계적인 힘은 유전체 층(12)의 탄성 복원력, 전극(14, 16)의 유연성 또는 신장성 및 변환기(10)에 결합되는 장치 및/또는 하중에 의해 제공되는 임의의 외부 저항을 포함한다. 가해진 전압의 결과로서의 변환기(10)의 편향은 또한 엘라스토머 재료의 유전 상수 및 그 크기 및 강성 등의 다수개의 다른 인자에 의존할 수 있다. 전압 차이 및 유도 전하의 제거는 반대 효과를 유발한다.
일부 경우에, 전극(14, 16)은 필름의 총 영역에 대한 유전체 필름(12)의 제한된 부분을 덮을 수 있다. 이것은 유전체의 모서리 주위에서의 절연 파괴를 방지하거나 그의 특정 부분에서의 편향 조정을 성취하도록 행해질 수 있다. 활성 영역(그 부분의 편향을 가능케 할 정도로 충분한 정전력을 갖는 유전성 재료의 일부) 외부측의 유전성 재료는 편향 동안 활성 영역에 대해 외부 스프링력으로서 작용되게 될 수 있다. 더 구체적으로, 활성 영역 외부측의 재료는 그 수축 및 팽창에 의해 활성 영역 편향에 저항하거나 활성 영역 편향을 향상시킬 수 있다.
유전체 필름(12)은 사전-스트레이닝될 수 있다. 사전-스트레인은 전기 및 기계 에너지들 사이의 변환을 개선하고, 즉 사전-스트레인은 유전체 필름(12)이 더 편향되게 하고 더 큰 기계 작업을 제공하게 한다. 필름의 사전-스트레인은 사전-스트레인 전의 소정 방향으로의 치수에 대한 사전-스트레인 후의 그 방향으로의 치수의 변화로서 설명될 수 있다. 사전-스트레인은 유전체 필름의 탄성 변형을 포함할 수 있고, 예컨대 장력 상태로 필름을 신장시키고 신장되는 동안에 1개 이상의 모서리를 고정함으로써 형성된다. 사전-스트레인은 필름의 경계부에서 또는 필름의 단지 일부에 대해 부과될 수 있고, 강성 프레임을 사용함으로써 또는 필름의 일부를 강화시킴으로써 실시될 수 있다.
도 1a 및 1b의 변환기 구조, 다른 유사한 유연성 구조 및 그 구성물의 세부 사항이 여기서 개시되는 많은 인용 특허 및 공보에서 더 완전하게 설명되어 있다.
도 2a는 강성 프레임(8) 사이에 위치되는 전기활성 중합체 변환기 필름(26)을 갖는 예시의 전기활성 중합체 카트리지(12)를 도시하고 있고, 전기활성 중합체 필름(26)은 프레임(8)의 개구 내에서 노출된다. 필름(26)의 노출 부분은 카트리지(12)의 양면 상에 2개의 작업 쌍의 얇은 탄성 전극(32)을 포함하고, 전극(32)은 필름(26)의 노출 부분을 개재 또는 포위한다. 전기활성 중합체 필름(26)은 임의의 개수의 구성을 가질 수 있다. 그러나, 한 예에서, 전기활성 중합체 필름(26)은 (예컨대, 아크릴레이트, 실리콘, 우레탄, 열가소성 엘라스토머, 탄화수소 고무, 플루오로엘라스토머, 공중합체 엘라스토머 등으로 제조되는) 얇은 층의 엘라스토머 유전체 중합체를 포함한다. 전압 차이가 각각의 작업 쌍의 반대로-대전된 전극(32)을 횡단하여 (즉, 필름(26)의 양면 상에 있는 쌍을 이룬 전극을 횡단하여) 가해질 때에, 반대되는 전극들은 서로를 견인하고 그에 의해 그 사이의 유전체 중합체 층(26)을 압축한다. 반대되는 전극들 사이의 영역은 활성 영역인 것으로 생각된다. 전극들이 함께 더 근접하게 견인됨에 따라, 유전체 중합체(26)가 평면 방향으로 팽창되므로 (즉, X- 및 Y-축 성분이 팽창되므로) 더 얇아진다 (즉, Z-축 성분이 수축된다)(축 기준에 대해 도 1b 참조). 나아가, 전극이 전도성 입자를 함유하는 변형예에서, 각각의 전극을 횡단하여 분포되는 동일한 전하는 그 전극 내에 박힌 전도성 입자가 서로를 밀어내게 할 수 있고, 그에 의해 탄성 전극 및 유전체 필름의 팽창에 기여한다. 대체의 변형예에서, 전극은 전도성 입자 (예컨대, 텍스쳐화 스퍼터링 금속 필름)를 포함하지 않는다. 유전체 층(26)은 그에 의해 전기장의 변화에 따라 편향되게 된다. 전극 재료가 또한 유연성이므로, 전극 층은 유전체 층(26)과 함께 형상을 변화시킨다. 위에서 언급된 것과 같이, 편향은 임의의 변위, 팽창, 수축, 비틀림, 선형 또는 영역형 스트레인, 또는 유전체 층(26)의 일부의 임의의 다른 변형을 말한다. 이러한 편향은 기계 작업을 제공하는 데 사용될 수 있다. 도시된 것과 같이, 유전체 층(26)은 1개 이상의 기계 출력 바(34)를 또한 포함할 수 있다. 바(34)는 선택 사항으로 (아래에서 설명되는 것과 같은) 관성 질량체 또는 전자 매체 장치 내의 기판으로의 직접 결합 중 어느 한쪽을 위한 부착 지점을 제공할 수 있다.
변환기를 제조할 때에, 탄성 필름(26)이 대개 강성 프레임(8)에 의해 사전-스트레인 상태에서 신장 및 보유될 수 있다. 4-면형 프레임을 채용하는 이들 변형예에서, 필름은 양축 방향으로 신장될 수 있다. 사전-스트레인은 중합체 층(26)의 절연 내력을 개선하고 그에 의해 더 높은 전기장의 사용을 가능케 하고 전기 및 기계 에너지 사이의 변환을 개선하고 즉 사전-스트레인은 필름이 더 편향되게 하고 더 큰 기계 작업을 제공하게 하는 것으로 관찰되었다. 바람직하게는, 전극 재료는 중합체 층을 사전-스트레인한 후에 가해지지만, 미리 가해질 수 있다. 동일측 전극 쌍으로서 여기서 불리는 층(26)의 동일측 상에 제공되는 2개의 전극 즉 유전체 층(26)의 상부측 상의 전극 및 유전체 층(26)의 저부측 상의 전극은 서로로부터 전기적으로 절연될 수 있다. 중합체 층의 반대 면들 상의 반대되는 전극들은 2개 세트의 작업 전극 쌍 즉 전기활성 중합체 필름(26)에 의해 이격되는 전극은 1개의 작업 전극 쌍을 형성하고, 인접한 노출 전기활성 중합체 필름(26)을 포위하는 전극은 또 다른 작업 전극 쌍을 형성한다. 각각의 동일측 전극 쌍은 동일한 극성을 가질 수 있고, 한편 각각의 작업 영역 쌍의 전극의 극성은 서로 반대이다. 각각의 전극은 전압 공급원으로의 전기 연결을 위해 구성되는 전기 접촉 부분을 갖는다.
이러한 변형예에서, 전극(32)은 전압 공급원의 반대되는 폴(pole)에 연결될 수 있는 리드(lead)(22, 24)를 갖는 가요성 커넥터(30)를 거쳐 전압 공급원에 연결된다. 카트리지(12)는 전도성 비아(conductive via)(18, 20)를 또한 포함한다. 전도성 비아(18, 20)는 전극의 극성에 따라 각각의 리드(22 또는 24)와 전극(8)을 전기적으로 결합시키는 수단을 제공할 수 있다.
도 2a에 도시된 카트리지(12)는 3개-바 작동기 구성을 보여준다. 그러나, 여기서 설명되는 장치 및 방법은 구체적으로 요구되지 않으면 임의의 특정한 구성으로 제한되지 않는다. 바람직하게는, 바(34)의 개수는 의도된 적용 분야에 요구되는 활성 영역에 의존한다. 활성 영역의 총 크기 예컨대 전극들 사이의 영역의 총 크기는 작동기가 이동시키려는 질량 및 요구 이동 빈도에 따라 가변될 수 있다. 한 예에서, 바의 개수의 선택은 우선 이동될 물체의 크기를 평가함으로써 결정되고, 그 다음에 물체의 질량이 결정된다. 그러면, 작동기 설계가 요구 빈도 범위에서 그 물체를 이동시키는 설계를 구성함으로써 얻어진다. 명확하게, 임의의 개수의 작동기 설계가 본 발명의 범주 내에 있다.
그러면, 여기서 설명되는 방법 및 장치에서 사용되는 전기활성 중합체 작동기가 다수개의 상이한 방식으로 형성될 수 있다. 예컨대, 전기활성 중합체는 다수개의 카트리지(12)를 함께 스택화함으로써, 다중의 층을 갖는 단일의 카트리지를 가짐으로써 또는 다중의 층을 갖는 다중의 카트리지를 가짐으로써 형성될 수 있다. 제조 및 수율 고려 사항은 전기활성 중합체 작동기를 형성하기 위해 단일의 카트리지를 함께 스택화하는 것을 도울 수 있다. 이렇게 함으로써, 카트리지들 사이의 전기 연결성은 인접한 카트리지가 동일한 전압 공급원 또는 전원에 결합되도록 비아(18, 20)를 함께 전기적으로 결합시킴으로써 유지될 수 있다.
도 2a에 도시된 카트리지(12)는 단일의 유전체 층(26)에 의해 분리되는 3개의 쌍의 전극(32)을 포함한다. 한 변형예에서, 도 2b에 도시된 것과 같이, 2개 이상의 카트리지(12)가 함께 스택화되어 관성 질량체(50)에 결합되는 전기활성 작동기(14)를 형성한다. 대안적으로, 전기활성 작동기(14)는 임시의 부착 판 또는 프레임을 통해 전자 매체 장치에 직접적으로 결합될 수 있다. 아래에서 논의되는 것과 같이, 전자 활성 작동기(14)는 요구에 따라 작동기의 이동을 가능케 하는 공동(52) 내에 위치될 수 있다. 포켓(pocket)(52)은 촉각 케이스의 하우징 내에 직접적으로 형성될 수 있다. 대안적으로, 포켓(52)은 장치의 하우징 내에 위치되는 별개의 케이스(56) 내에 형성될 수 있다. 후자의 경우에, 별개의 케이스(56)의 재료 특성은 작동기(14)의 요구를 기초로 하여 선택될 수 있다. 예컨대, 촉각 하우징 조립체의 본체가 가요성이면, 별개의 케이스(56)는 전기활성 작동기 및/또는 질량체(50)에 보호를 제공하도록 강성으로 제조될 수 있다. 어느 경우에나, 여기서 설명되는 장치 및 방법의 변형예는 작동기(14) 및/또는 질량체(50)의 이동을 가능케 할 정도로 충분한 간극을 갖지만 공동(52) 배리어 (예컨대, 촉각 하우징 또는 별개의 케이스(56))가 전기활성 작동기(14)의 과도한 이동을 방지하는 제한부로서 작용할 정도로 충분히 근접한 공차를 갖는 공동(52)의 크기를 포함한다. 이러한 특징부는 작동기의 수명을 단축시키거나 그렇지 않으면 작동기를 손상시킬 수 있는 작동기(14)의 활성 영역의 과도한 변위를 방지한다.
전기활성 중합체 필름의 추가의 예가 여기서 참조로 개시 및 합체되어 있는 공동 양도된 특허 및 특허 출원에서 찾아볼 수 있다. 롤-롤 제조는 대량의 전기활성 중합체 장치를 제조하는 바람직한 방식이다. 롤-롤 제조는 롤 형태로 미가공 스톡 필름 재료를 제공하는 단계, 스톡 재료가 권출됨에 따라 재료를 가공하는 단계 및 궁극적으로 조립 공정의 종료 시에 완성된 전기활성 중합체 장치를 개별화하는 단계를 포함한다. 필름이 스텝앤리피트(step-and-repeat) 방식으로 섹션만큼 전진되는 롤-시트 방법이 또한 있을 수 있다. 라인은 일련의 가공 스테이션으로서 조직되고, 필름 섹션이 웹을 따라 스테이션으로부터 스테이션으로 전진된다.
전기활성 중합체 필름의 최종 구성은 대량으로 이들 필름을 제조하려고 할 때에 도전 과제를 제시한다. 예컨대, 재료는 바람직하게는 조립 전에 특정하게 우수하게-제어된 정도로 사전-스트레이닝된다. 일관된 웹 속도 및 장력의 유지 및 다수개의 인쇄 또는 패터닝 단계의 정합은 변형가능한 기판에 대해 특히 어렵다. 또한, 엘라스토머 재료는 종종 제조 방법 동안 손상되기 쉽고, 이러한 손상은 완성된 필름의 성능 및 신뢰성을 제한할 수 있다.
이들 관련 문제 및 제한 사항을 처리하기 위해, 전기활성 중합체 장치를 제조하는 신규한 방법이 위에서 논의된 사안을 처리한다. 한 변형예에서, 방법은 이형 라이너 (즉, 필름이 함께 점착되는 것을 방지하는 재료의 라이너)로부터 스톡 필름 재료(300) 전형적으로 실리콘을 분리하는 단계를 포함한다. 그러나, 스톡 필름 재료(300)는 여기서 참조로 합체되어 있는 참조 문헌에 개시된 것과 같이 전기활성 중합체 장치의 제조에 사용되는 임의의 재료를 포함할 수 있다. 롤-롤 공정은 다양한 제조 공정을 통과함에 따라 스톡 필름 재료(300)이 이형되도록 처리되는 롤러를 포함할 수 있다. 예컨대, 이러한 처리는 필름이 롤러에 부착되는 것을 방지하는 테플론(TEFLON) 코팅 또는 다른 이형 (또는 비-점착성) 코팅을 포함할 수 있다. 롤러에는 엔지니어링된 표면, 제거가능한 라이너, 유연성 층 또는 변형가능한 층 등의 중간 층이 또한 덮일 수 있다. 엔지니어링된 표면의 예는 파치먼트 종이, 텍스쳐화 표면, 스크린 메시, 비-점착성 표면 및 중합체 시트를 포함하지만 이들에 제한되지 않는다. 변형가능한 층의 예는 에틸렌 비닐 아세테이트, 실리콘 및 폴리우레탄으로부터 제조된 것들 등의 발포체 및 연질 네트워크 재료를 포함하지만 이들에 제한되지 않는다. 대체 변형예에서, 방법은 필름 재료(96)를 직접적으로 제조하는 압출 또는 다른 제조 방법으로부터의 직접적인 공급으로써 스톡 필름 재료(300)의 롤을 대체하는 단계를 포함할 수 있다.
필름 재료(96)가 스톡 롤(300)로부터 권출됨에 따라, 필름 재료(96)의 층을 분리하는 이형 라이너(330)가 (302)에서 재권취될 수 있다. 여기서 언급된 것과 같이, 필름 재료(96)는 사전-스트레이닝될 수 있다. 도시된 변형예에서, 필름 재료(96)는 예컨대 상이한 속도로 이동되는 롤러(302)를 사용하여 기계 방향[재료(96)의 이동에 평행한 방향]으로 신장된다. 재료(96)는 그 다음에 별개의 기구(304)를 사용하여 횡단 방향으로 신장된다. 변형예는 기계 및 횡단 방향으로 재료(96)를 동시에 신장시키는 단계 (즉, 양축 방향 신장기)를 포함한다. 요구된 신장은 전기활성 중합체 재료의 적용 분야 및 또한 요구 성능에 의존할 것이다. 예컨대, 재료는 기계 및 횡단 방향 중 어느 한쪽 또는 양쪽 모두의 방향으로 30%만큼 신장될 수 있다.
일부 경우에, 신장 후에 필름(96)에 대한 지지의 층을 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 이렇게 하면, 적층 층(308)이 필름(96)에 추가되어 필름의 가공을 위한 추가의 지지부를 제공할 수 있다. 아래에서 논의되는 것과 같이, 적층부(308)는 또한 필름(96) 내에서의 파단의 발생을 감소시키도록 및 또한 필름(96)의 비-임계 섹션으로 파단 영역을 제한하도록 작용한다. 이러한 적층 층(308)은 종종 "립-스톱(rip-stop)" 층 또는 필름으로서 불린다. 립-스톱 적층 층은 필름(96)의 추가의 가공을 가능케 하는 임의의 개수의 개구를 또한 포함할 수 있다. 도시되어 있지 않지만, 지지부를 제공할 능력이 상실되지 않고 필름(96)이 가공 동안 좌굴되지 않기만 하면 임의의 개수의 절결부가 립-스톱 층(308) 내에 포함될 수 있다. 립-스톱 층(308)은 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에스테르 및 폴리카보네이트를 포함하는 임의의 개수의 중합체 재료를 포함할 수 있다. 립-스톱 층(308)은 필름(96)과의 그 상호 작용을 최적화하는 표면 처리를 가질 수 있다. 충분한 지지 및 파열 저항을 제공하기 위해, 립-스톱 층(308)은 필름(96)에 대해 우수한 표면 차단 또는 결합을 가져야 한다. 따라서, 립-스톱 층(308)은 접착 층, 코팅 또는 테이프를 사용하여 필름(96)에 적층될 수 있다. 바람직하게는, 립-스톱 층(308)은 전기활성 중합체 장치로의 필름(96)의 추가의 가공을 가능케 하는 개구를 포함할 수 있다. 이들 개구는 스탬핑, 커팅, 식각 등의 임의의 종래의 공정에 의해 생성될 수 있다. 립-스톱(308)을 갖는 적층 필름(96)은 제조 방법을 통해 진행될 수 있지만, 도 3a에 도시된 것과 같이, 방법의 대체 변형예는 립-스톱 층(308)으로써의 적층 후에 필름(96)을 재권취하는 단계를 포함할 수 있다.
인쇄 층이 적층 립-스톱 층에 대한 대체예로서 사용될 수 있다. 인쇄 재료는 필름보다 높은 인성 및 파열 저항을 갖는 소정 위치에서 필름에 가해져 경화 또는 건조될 수 있는 임의의 재료일 수 있다. 적절한 재료의 예는 폴리우레탄, 실리콘, 아크릴레이트 및 에폭시 시스템을 포함하지만 이들에 제한되지 않는다.
다음에, 립-스톱 층(308)을 갖는 필름(96)이 1개 이상의 전극 인쇄 조립체(310)를 통해 공급된다. 전극 인쇄 조립체(310)는 또한 선택 사항으로 필름(96)의 양면 상의 전극을 위한 버스 바 연결부를 인쇄할 수 있다. 플렉소그래픽 인쇄, 그라비어 (로토그라비어 또는 로토 인쇄로 또한 불림), 스크린 인쇄, 회전식 스크린 인쇄, 잉크 젯 인쇄, 에어로졸 젯 인쇄 등을 포함하는 임의의 개수의 웹-인쇄 공정이 전기활성 중합체 장치에 필요한 전극을 제조할 수 있다. 인쇄 공정은 립-스톱 층 내의 개구에 의해 유발되는 오프셋에 대해 조정될 수 있다[예컨대, 인쇄 롤러는 필름(96)의 비적층 부분 상에 인쇄되도록 시간이 설정되는 상승 보스(raised boss)를 가질 수 있다]. 나아가, 필름(96) 웹 위치의 정합은 전극이 립-스톱 적층부의 개구 내에 및 또한 필름(96)의 웹 상에 인쇄되는 것을 보증하는 데 필요할 수 있다. 인쇄 또는 유사한 적용 분야에서 통상적으로 사용되는 임의의 이러한 정합이 여기서 개시되는 방법에 적용될 수 있다.
도 3a는 또한 필름(96)의 양면 상에서 일어나는 인쇄를 도시하고 있다. 위에서 언급된 것과 같이, 필름(96)의 각 면 상으로의 전극 배치가 요구된다. 방법의 대체 변형예에서, 인쇄가 필름(96)의 단일 면 상에서 일어날 수 있고, 그 다음에 후속의 공정에서 반대 면 상에서 일어나는 인쇄로써 재권취 및 재가공된다. 대안적으로, 단일-면 인쇄 필름은 스택화되거나 적층될 수 있고, 단일 전극은 다층 스택에서 2개의 인접한 필름을 제공하는 데 사용될 수 있다. 어느 경우에나, 정합은 필름 재료의 반대 면들 상에서의 및 필름의 상이한 섹션 상에서의 전극의 인쇄가 제조 공차 내에 있는 것을 보증하는 데 필요할 수 있다.
전극이 필름(96) 상에 위치되면, 필름(96)에는 필름(96)의 층들 사이에 위치되는 간지 또는 분리 층(314)이 (312)에서 재권취될 수 있다. 대안적으로, 필름(96)은 여기서 설명되는 것과 같이 전기활성 중합체 프레임 및 지지 구조를 조립하는 추가의 가공을 위해 연속될 수 있다.
도 3b는 이중 층 전기활성 중합체 장치를 제조하는 방법에서 인쇄 엘라스토머 필름(96) 재료의 추가의 가공의 예를 도시하고 있다. 도시된 것과 같이, 인쇄 필름(96)의 2개의 공급원이 (316)에서 공급되거나 권출 및 접합되어 전기활성 중합체 필름(96)의 이중 층을 형성할 수 있다. 필름은 선택 사항으로 요구 적용 분야에 따라 결합 또는 적층될 수 있다. 다음에, 1개 이상의 카트리지 프레임(318)이 이중 층 전기활성 중합체 필름(96)의 양면 상에서 필름(96)에 추가 또는 결합될 수 있다. 프레임의 배치에 추가하여, 1개 이상의 출력 바 또는 중심 디스크(320)가 이중 층 전기활성 중합체 필름(96)의 반대 면들 상에 각각의 전극에 의해 위치될 수 있다. 굴곡부 등의 구조 요소가 또한 필름 상으로 위치될 수 있다. 추가의 인쇄 스테이션이 프레임, 굴곡부 및 출력 바를 위한 접착제 또는 구조 재료를 인쇄하는 데 사용될 수 있다. 마지막으로, 완성된 전기활성 중합체 장치는 (예컨대, 다이 커팅, 펀칭, 레이저 커팅 등으로) 웹로부터 제거될 수 있다. 명확하게, 방법의 변형예는 임의의 가공 단계 후의 재료의 제거를 포함할 수 있고 그에 따라 장치는 컨베이어 조립 시스템보다는 배치 공정으로 완성될 수 있다. 더욱이, 방법의 변형예는 후속의 제거를 위한 완성된 전기활성 중합체 장치의 재권취를 포함한다.
대체 변형예에서, 전기활성 중합체 장치를 제조하는 방법은 엘라스토머의 UV, 열 또는 표면 처리를 포함할 수 있다. 본 발명의 발명자들은 필름 상에 전극을 침착하기 전의 필름의 UV 처리가 완성된 작동기의 스트로크 성능(stroke performance)의 개선을 가져온다는 것을 밝혀내었다. 특정 이론에 구속되고 싶지 않지만, 본 발명의 발명자들은 UV 노광, 실리콘, 폴리우레탄, 아크릴레이트, 탄화수소 고무, 올레핀 공중합체, 폴리비닐리덴 플루오라이드 공중합체, 플루오로엘라스토머, 스티렌 공중합체 및 접착 엘라스토머가 필름의 표면 에너지를 변화시켜 전극 침착의 균일성을 개선할 수 있는 것으로 믿는다. 나아가, 본 발명의 발명자들은 UV 경화가 엘라스토머의 체적 탄성률 또는 다른 특성을 변화시켜 엘라스토머가 더 높은 유연성을 갖게 할 수 있고 UV 처리가 제조 방법에서 열 로딩 동안 교차-결합되는 중합체 필름 내의 잔류 작용기를 개질할 수 있는 것으로 추정한다.
실제의 기구와 무관하게, 본 발명의 발명자들은 UV 경화가 작동기의 스트로크 성능을 개선하는 효과적인 처리라는 것을 밝혀내었다. 한 예에서, UV 경화는 20%만큼 작동기의 펄스 응답을 개선하였고, 비-UV 경화 엘라스토머에 비해 더 낮은 공진 주파수를 갖는 작동기를 특징으로 한다. UV 경화를 위한 파라미터는 다수개의 인자 및 최종 전기활성 중합체 장치의 요구 적용 분야에 따라 가변될 것이다. 한 예에서, 6.5-7.0 J/㎠의 UV 경화가 작동기에 대해 스트로크 성능을 개선하는 UV 처리의 최적 지점인 것으로 밝혀졌다. (전극의 침착 전의) UV 경화의 또 다른 예측하지 못한 이익에 따르면, UV 경화와 전극 인쇄 사이의 대기 시간(queue time)은 민감한 인자가 아니다. 본 발명의 발명자에 의해 수행된 연구에서, 대기 시작은 25일 동안 지속될 수 있다. 이러한 발견은 잠재적으로 필름을 사전-스트레이닝하는 중 또는 그 직후의 UV 경화를 가능케 할 수 있다. 일부 경우에, 엘라스토머 필름이 제조되는 때로부터 필름이 여기서 설명된 것과 같이 가공될 때까지 이익이 유지되도록 필름 제조 동안 엘라스토머를 처리하는 것이 가능할 수 있다.
(실리콘 등의) 엘라스토머 필름에 대해 롤-롤 제조를 사용하려는 것과 관련된 문제점들 중 하나에 따르면, 필름은 매우 낮은 모듈러스를 갖지만 상대적으로 얇다 (예컨대, 23 ㎛). 유연성 필름은 사전-스트레인을 적용하지 않으면 평탄하게 남아 있을 수 없지만, 동시에, 필름은 쉽게 파열 또는 파단될 수 있다. 나아가, 장치가 높은 작동기 성능을 충족시키도록 제조되는 것을 보증하기 위해, 필름은 인쇄 및 적층 동안 높은 수준의 스트레인을 적용할 것을 요구한다. 사전-스트레인을 보유 및 유지하는 프레임이 없으면, 필름 상에 인쇄된 전극 패턴은 높은 변형 가능성을 갖고, 인쇄 패턴의 정합이 불량해지기 쉽다. 필름이 인쇄 작업 동안 변형되면, 필름은 전기활성 중합체 작동기에서 사용될 기능을 갖지 못하게 될 수 있다.
이러한 사안을 처리하기 위해, 본 발명의 제조 방법의 변형예는 전기활성 중합체 필름에 단축 방향 사전-스트레인을 적용하는 단계를 포함한다. 실험에 따르면, 단축 방향 스트레인은 특정 조건 하에서 규칙적인 양축 방향으로의 사전-스트레이닝된 필름의 스트로크 성능을 조정할 수 있다.
단축 방향 사전-스트레인 크기는 신장 후의 양축 방향 사전-스트레인과 동일한 두께 지수에 의해 한정될 수 있다. 예컨대, 단축 방향 스트레인 (67% 두께 방향 및 XY 방향으로 0% 스트레인) 및 양축 방향 스트레인 (2개의 방향으로 30%)은 유사한 필름 두께 범위를 가질 수 있다. 더 긴 출력 바 방향은 단축 방향 사전-스트레인 방향에 평행하다.
롤-롤 시스템에서 단축 방향 사전-스트레인을 성취하기 위해, 도 4a 및 4b에 도시된 것과 같은 천공 벨트(360)가 웹 (길이) 방향으로 엘라스토머 필름(96)의 2개의 모서리를 보유하는 데 사용될 수 있다. 단축 방향 스트레인은 측면 방향으로 필름을 신장함으로써 가해질 수 있고, 한편 웹 방향으로 0 또는 낮은 사전-스트레인이 있다. 전기활성 중합체 카트리지의 출력 바는 웹 방향에 직각이도록 설계될 수 있다. 방법의 한 변형예는 스트레인의 정도 및 방향을 제어하면서 벨트 및 필름을 보유하는 천공 (또는 스프로켓 또는 핀-이송) 롤러의 사용을 포함한다 (도 4c 및 4d 참조).
벨트(360)의 측면 방향 및 길이 방향 위치는 천공 롤러를 통해 정밀하게 제어될 수 있고 그에 따라 국부 스트레인은 일관되고 안정될 것이다. 이것은 여기서 설명된 것과 같이 다수개의 인쇄 및 경화 단계를 가능케 한다. 주 스트레인은 엘라스토머 필름(96)의 2개의 긴 모서리 상에서의 2개의 벨트(360) 사이의 거리에 의해 한정된다.
벨트(360)는 엘라스토머보다 훨씬 큰 강성을 갖는 재료로부터 구성될 수 있다. 예컨대, 벨트(360)는 2800-3100 ㎫ 사이의 영률을 갖고 인장 강도가 55-75 ㎫인 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 포함할 수 있다. 대조적으로, 실리콘 (엘라스토머 필름을 위한 통상의 재료)은 1-5 ㎫의 영률을 갖고, 인장 강도는 5-8 ㎫이다. 따라서, 폴리에틸렌 테레프탈레이트는 실리콘 필름보다 약 1000배 큰 강성을 갖는다.
롤러(362)를 통해 장력을 적용할 때에, 대부분의 힘은 필름(96)보다는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 벨트(360)에 가해질 것이다. 예컨대, 웹에 대한 5% 신장률을 가정하면, (폴리에틸렌 테레프탈레이트가 50 ㎛의 두께 및 25 ㎜의 폭을 갖고; 한편 실리콘 필름이 25 ㎛의 두께 및 500 ㎜의 폭을 갖는 것으로 가정하면) 401 부분 중 400 부분의 힘이 폴리에틸렌 테레프탈레이트 벨트 상에 가해지고, 1 부분이 실리콘 필름 상에 가해진다. 이것은 필름의 스트레인을 제어하기 위해 실리콘 필름에 대해 직접적으로 장력 롤러를 사용할 필요성을 피한다. 장력 롤러가 사용되면, 실리콘 필름에 가해지는 임의의 작은 장력 변화가 제어하기 어려운 필름 신장률의 큰 변화로 이어질 것이다.
양축 방향 신장은 벨트가 신장 가능한 재료로 구성되거나 예컨대 천공 라인으로써 분할되면 천공 벨트로써 성취될 수 있고 그에 따라 벨트의 섹션이 웹의 모서리를 따라 천공 롤러 또는 안내 체인과 결합된 상태로 남아 있으면서 웹 방향을 따른 신장 시에 분리될 수 있다.
도 5a는 전기활성 중합체 변환기를 제조하는 데 유용한 인쇄 공정의 변형예를 도시하고 있다. 이러한 방법은 변환기의 대량 제조에서 특히 유용할 수 있다. 도 5a는 전기활성 중합체 작동기의 대량 제조를 위한 스크린 인쇄 공정에서 사용되는 구성을 도시하고 있다. 이러한 변형예에서, 엘라스토머 필름(96)은 필름의 후면에 부착되는 라이너(342)로써 프레임(340) 내에 보유된다. 라이너(342)는 스크린 인쇄 공정 후에 알루미늄 진공 툴링(344)으로부터의 필름(96)의 이형을 돕는다. 라이너(342)는 또한 필름(96)을 안정화시키도록 작용하고, 이것은 인쇄 필름(96)의 치수 공차에 대한 제어를 개선한다. 라이너(342)가 효과적이지만, 라이너의 사용은 제조 방법의 처리량을 감소시키면서 공정 시간, 설정 시간, 비용을 증가시킬 수 있다. 나아가, 라이너를 적용하고 제거하는 것으로부터의 전기활성 중합체 필름의 취급 증가는 필름에 대한 손상의 가능성을 상승시킨다. 더욱이, 라이너는 라이너가 쉽게 이형되지 않으면, 또는 공기 또는 다른 입자가 필름과 라이너 사이에 포획되면 필름을 손상시킬 수 있다.
도 5b는 도 5a에 도시된 것과 유사한 라이너의 요건을 없앤 인쇄 구성의 변형예를 도시하고 있다. 이러한 변형예에서, 전기활성 중합체 필름(96)은 프레임에 고정 상태로 남아 있다. 설비는 필름(96)을 보유하는 데 사용되는 진공 개구(346)를 갖는 (예컨대, 알루미늄 또는 유사한 재료로부터 구성되는) 기부 판을 또한 포함한다. 도 5b에 도시된 변형예는 엔지니어링된 상부 표면(348) (예컨대, 파치먼트 종이, 스크린 메시, 중합체 시트, 텍스쳐화 표면, 비-점착성 표면 또는 유사한 재료)을 포함한다. 엔지니어링된 표면(348)은 공차를 유지하고 스크린으로부터의 차동 이형을 제공하고 인쇄 공정 후에 엘라스토머 필름(96)을 방출할 정도로 충분한 고정 특성(tack property)을 가져야 한다. 인쇄 구성은 인쇄를 위한 비교적 연질의 견고한 수평 표면을 생성하는 유연성 중간 층(350)을 또한 포함할 수 있다. 유연성 층(350)은 매우 높은 결합 접착제, 고무 또는 다른 유사한 재료를 포함할 수 있다. 도시된 것과 같이, 인쇄 툴링 구성은 인쇄 동안 소정 위치에 필름(96)을 보유하는 것을 돕고 (진공력의 중단을 통해) 이형을 용이하게 하는 진공 구멍(346)을 포함할 수 있다.
도 5c는 필름(96)의 스크린 인쇄를 위해 사용되는 툴링 구성의 또 다른 변형예를 도시하고 있다. 이러한 변형예에서, 필름(96)은 도 5a 및 5b에서 설명된 엔지니어링된 표면 또는 라이너 등의 임의의 종류의 층의 사용 없이 직접적으로 발포체 시트(352) 등의 변형가능한 층과 접촉된다. 변형가능한 층은 연질 툴링 효과를 제공하고, 에틸렌 비닐 아세테이트 발포체 등의 재료를 포함할 수 있다. 한 예에서, 변형가능한 층은 2 ㎜ 두께 및 75+/-5 쇼어 00 경도를 갖는 에틸렌-비닐 아세테이트 필름을 포함한다. 실리콘 및 폴리우레탄 등의 다른 연질 재료가 또한 사용될 수 있다. 변형가능한 층은 필름으로부터의 그 이형 특성을 돕는 텍스쳐화되거나 처리된 표면을 가질 수 있다. 다른 변형예에서, 발포체 층(352)은 발포체에 필름(96)을 고정하고 진공력의 중단 시에 필름을 이형시키는 것을 돕는 다수의 진공 구멍을 포함한다. 일부의 개방-셀형 발포체에서, 진공 구멍이 요구되지 않을 수 있다.
위의 도 5c에서 설명된 연질 툴링은 제조 방법을 돕는 패턴의 형성을 가능케 함으로써 추가의 이익을 제공한다. 예컨대, 도 6에 도시된 것과 같이, 발포체 층은 엘라스토머 필름 상에 인쇄된 특징부 또는 일부의 설계와 관련되는 패턴(356)을 생성하도록 식각될 수 있다. 도 6에 도시된 도면은 전기활성 중합체 장치 상에 버스 바를 생성하는 것을 돕는 패턴(356)에 관한 것이다. 변형된 툴링(354)이 (도 6에 도시되지 않은) 필름과 접촉됨에 따라, 연질 툴링의 압축은 패턴(356)의 깊이 및/또는 크기를 기초로 하여 차동 압력 영역을 가능케 한다. 예컨대, 도시된 변형 연질 툴링(354)에서, 패턴(356)을 포함하는 영역은 연속 영역(358)보다 낮은 압력의 영역을 생성할 것이다. 따라서, 스크린 인쇄 동안, 더 낮은 압력 영역은 인쇄 전극의 잔여부에 비해 더 큰 인쇄 두께를 가져올 것이다. 하나의 단계에서 다중의 두께 인쇄를 수행할 수 있는 능력은 순차적인 인쇄 단계를 요구하는 것에 비해 처리량을 개선할 수 있는 잠재력을 갖는다.
효율의 개선 외에도, 여러 두께의 영역을 생성할 수 있는 능력은 또한 장치 성능의 개선을 가져온다. 예컨대, 한 예에서, 변형된 연질 툴링으로써의 더 두꺼운 버스 바의 인쇄는 미변형 연질 툴링으로써 생성된 버스 바의 비저항보다 4배 낮은 버스 바 비저항을 가져온다. 일반적으로, 패턴의 깊이는 초기의 인쇄 압력, 툴링 경도 및 잉크 점도를 기초로 하여 계산된다. 한 예에서, 패턴의 깊이는 1.7 ㎜ 에틸렌 비닐 아세테이트 발포체에서 전극 잉크에 대해 150-200 ㎛의 범위 내에 있다.
위에서 논의된 임의의 툴링 구성은 선택 사항으로 유지성 및 편의성을 향상시키거나 성능을 개선하는 추가의 재료를 포함할 수 있다. 이러한 재료의 예는 코팅, 접착제, 이형제 등을 포함하지만 이들에 제한되지 않는다. 이들 툴링 구성은 또한 전도성 전극 잉크 이외의 잉크를 인쇄하는 데 및 전기활성 중합체 변환기에 사용된 것들 이외의 변형가능한 기판 상으로 인쇄하는 데 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 큰 스트레인 사이클 하에서 시트 저항의 추가의 안정성을 나타내는 섬유화 (네트) 미세 조직이 제공된다. 전기활성 중합체 구조는 유전체 중합체 필름 및 2개의 유연성 전극을 포함한다. 전압이 전극을 횡단하여 가해질 때에, 필름은 소정 영역 내에서 수축 및 팽창된다. 스크린 인쇄보다는 플렉소그래픽 인쇄가 도 7b에 도시된 것과 같은 섬유화 (또는 네트) 미세 조직을 생성할 수 있다. 표 1과 연계하여 플렉소그래픽 인쇄로부터 기인하는 이러한 네트 미세 조직과 스크린 인쇄에 의해 형성되는 (도 7a에 도시된) 정사각형 패턴 미세 조직을 비교하는 것은 2개의 공정에서 동일한 유전체 중합체 필름 및 카본 잉크를 사용할 때에 시트 저항의 일관성의 상당한 개선을 나타낸다.
우수한 플렉소그래픽 층은 립-스톱/전극/버스 바/접착제/감압성 접착제이다. 이러한 강력한 구조를 구축하기 위해, 전극의 전도도는 주기적인 스트레인 하에서 일관되게 유지되어야 한다. 시트 저항은 스크린 인쇄에서 25k 내지 125k에서 가변될 수 있고; 생성 플렉소그래픽 툴링으로써, 일관성이 우수하게 제어될 수 있다.
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대안적으로, 유사한 네트 구조가 잉크 표면 장력의 제어, 유전체 필름의 적절한 기계 사전-장력의 생성 또는 잉크 젯/에어로졸 젯/커튼/슬롯/와이어 코팅 등의 일부 다른 인쇄 공정의 이용을 통해 제조된다. 롤러 상의 패턴은 또한 상이한 각도를 갖는 셀 패턴 또는 라인 (커브) 패턴의 확률을 갖는 설계 인자이다. 섬유화 구조의 밀도를 제어하는 것은 전극으로서 더 낮은 전도도의 잉크의 추가의 코팅을 갖거나 갖지 않는 상태로 하나의 전도성 재료가 전하 분포에 사용되게 할 수 있다.
본 발명의 섬유화 미세 조직은 재료의 표면 장력을 제어하는 것으로부터 특정 인쇄 공정 또는 침윤/탈수 패턴에 의해 전극 또는 버스 라인으로서의 사용을 위해 구축될 수 있다. 복잡한 마스크 또는 템플레이트가 이러한 네트 패턴을 생성하는 데 필요하지 않을 수 있다.
도 8-10은 신장된 실리콘 필름을 갖는 개방된 사전-커팅 패턴 개재, 다중의 층을 인쇄하는 기판의 로딩 및 최종의 적층으로써 웹 가요성 프레임을 사용하는 본 발명의 개념을 도시하고 있다. 기판은 단계 및 반복 방식으로 연속적으로 로딩 또는 전진될 수 있다. 도 8에 도시된 것과 같이, 웹 프레임(82)은 웹 이동 동안 변형 없이 사전-스트레이닝된 실리콘 필름(86)의 형상을 유지한다. 웹 프레임(82)은 강성 알루미늄 프레임과 유사하지만; 웹 프레임은 Z 방향으로 가요성을 갖는 상태로 연속되고 그에 따라 롤(88)에 의해 구동될 수 있다. 실리콘 필름(86)의 상부(81) 및 저부(82) 상에는 2개 세트의 웹 프레임(81, 82)이 있다. 표면 장력, 차단력, 자기력 (영구 또는 전자-유도) 또는 기계 인터로크가 웹 프레임(81, 82) 사이에 실리콘 필름을 개재하는 데 사용될 수 있다. 웹 프레임 홀더 재료는 웹로서 이동되는 Z 방향으로의 가요성 및 필름을 보유하는 X-Y 방향으로의 강성을 가능케 하는 복합 재료로서 고무 코팅된 금속 포일을 포함할 수 있다. 고무 또는 코팅 표면은 또 다른 사이클을 시작하기 전에 장치 개별화 후의 실리콘 필름의 파편이 용이하게 세척될 수 있도록 적층이 완료된 후에 실리콘 필름으로부터 이형되도록 설계될 수 있다.
도 9에 도시된 것과 같이, 여러가지 인쇄 스테이션(92, 94)이 웹(90) 상에 순차적으로 정렬될 수 있고; 적층 모듈(196)이 웹에 대한 최종 단계이다. 웹 프레임 상의 개방된 창 사전-커팅을 통해, 실리콘 필름 상에 잉크를 침착하는 인쇄 스테이션(92)이 있다. 인쇄 방향은 공간을 보존하도록 웹 이동 방향에 직각일 수 있고 그에 따라 라인은 더 짧을 수 있다. 인쇄 스테이션(들) 사이에는 (도시되지 않은) 경화 또는 건조 스테이션이 있을 수 있다. 시간을 절약하거나 웹 경로의 길이를 단축시키기 위해, 잉크는 필름이 후속의 인쇄 스테이션으로 이동되기 전에 완전히 경화되는 대신에 단지 건조되거나 부분적으로 경화될 수 있다.
접착제 인쇄(94) 후에, 또한 직각 방향으로 배열될 수 있는 적층 스테이션(196)이 있다. (도시되지 않은) 회전식 다이 커팅 스테이션이 롤 상에 프레임 층의 패턴을 생성하는 데 사용될 수 있다. 사전-커팅 프레임 패턴은 하나 또는 양면 상에 감압성 접착제를 가질 수 있고 그에 따라 적층을 위해 준비된다.
4개-층 전기활성 중합체 변환기를 위한 적층 공정을 위한 예시의 공정 흐름은 다음과 같다: 즉,
1. 사전-커팅 프레임 층은 프레임 상부 층으로서 적층 스테이션으로 전달되고;
2. 웹 프레임 홀더 상에 접착제를 갖는 층(4)이 적층 스테이션으로 전달되고, 압력/열이 가해지고, 웹 프레임 홀더가 제거되고;
3. 단계 2가 순차적으로 층(3, 2, 1)에서 반복되고;
4. 사전-커팅 프레임 저부 층은 스택 상에 적층된다.
프레임 층은 회전식 다이 커터 상에서 사전-커팅될 수 있다. 적층 스테이션은 각각의 새로운 층이 견고하게 이전의 층에 부착되도록 층들 사이의 접착제를 사전-경화시키는 가열 기능을 가질 수 있다. 적층 후에, 카트리지 스택의 전체의 시트는 최종의 완전 경화 또는 다이 커터로써의 개별화를 위해 경화 스테이션으로 보내질 수 있다.
층은 상이한 패턴의 전극 및 버스 바를 가질 수 있다. 이것은 추가의 인쇄 단계를 도입하지 않고도 행해질 수 있다. 이것을 행하는 한 방식은 예컨대 스크린의 좌측 절반부 상에 전극/버스를 및 층의 우측 절반부 상에 전극/버스를 생성하는 것이다. 많은 다른 조합이 하나의 단일 연속 웹 상에 이것을 생성하도록 상정될 수 있다.
도 10에 도시된 것과 같이, 한 실시예에서, 라인의 레이아웃은 다음과 같다: 즉, 신장 → 개재 → 인쇄(들) → 적층.
개재된 프레임-필름-프레임 상에서의 웹 이동은 도시된 것보다 복잡할 수 있다. 예컨대, 웹을 플립하는 수단이 포함될 수 있고 그에 따라 필름의 양면이 스크린 인쇄 또는 플렉소그래픽 인쇄로써 인쇄될 수 있다. 에어로졸 제팅 등의 비-접촉 인쇄가 가해지면, 양면이 동시에 인쇄되어 웹 설계를 단순화할 수 있다.
본 발명의 다른 세부 사항에서, 재료 및 대체 관련 구성이 당업자의 수준 내에서 채용될 수 있다. 동일한 사항이 통상적으로 또는 논리적으로 채용되는 것과 같은 추가의 단계의 관점에서 본 발명의 방법-기반 특징에 대해 유효할 수 있다. 추가로, 본 발명은 선택 사항으로 다양한 특징을 합체하여 여러가지 예를 참조하여 설명되었지만, 본 발명은 본 발명의 각각의 변형예에 대해 고려되는 것과 같이 설명 또는 지시되는 것에 제한되지 않아야 한다. 다양한 변화가 설명된 발명에 행해질 수 있고, 등가물 (여기서 인용되거나 어떠한 간략화를 위해 포함되지 않는 것과 무관함)이 본 발명의 진정한 취지 및 범주로부터 벗어나지 않고도 대체될 수 있다. 도시된 임의의 개수의 개별의 부품 또는 서브 조립체가 그 설계에서 합체될 수 있다. 이러한 변화 또는 다른 것이 조립을 위한 설계의 원리에 의해 취해지거나 안내될 수 있다.
또한, 설명된 본 발명의 변형예의 임의의 선택 사항의 특징이 독립적으로 또는 여기서 설명된 특징들 중 임의의 1개 이상과 조합하여 설명 및 청구될 수 있다는 것이 고려되어야 한다. 단수 형태의 항목의 인용은 다수의 동일한 항목이 존재할 가능성을 포함한다. 더 구체적으로, 여기서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 것과 같이, 단수 형태와 관련된 표현은 그렇지 않은 것으로 구체적으로 언급되지 않으면 복수 형태의 인용을 포함한다. 바꿔 말하면, 관사의 사용은 위의 설명에서 및 또한 아래의 특허청구범위에서 "적어도 1개의" 대상 항목을 허용한다. 특허청구범위는 임의의 선택 사항의 요소를 배제하도록 선택될 수 있다는 것이 더욱 주목되어야 한다. 이와 같이, 이러한 언급은 특허청구범위 요소의 인용과 연계하여 "단독으로(solely)", "단지(only)" 등으로서의 이러한 배타적인 용어의 사용을 위한 또는 "부정적인" 제한의 사용을 위한 선행 기초 사항으로서 작용하도록 의도된다. 이러한 배타적인 용어의 사용이 없으면, 특허청구범위에서의 용어 "포함하는"은 주어진 개수의 요소가 특허청구범위에서 열거되는 것과 무관하게 임의의 추가의 요소의 포함을 허용하고, 또는 특징의 추가는 특허청구범위에서 기재된 요소의 성격을 변형시키는 것으로 간주될 수 있다. 다르게 말하면, 여기서 구체적으로 한정되지 않으면, 여기서 사용된 모든 기술 및 과학 용어는 특허청구범위 유효성을 유지하면서 최대한 넓게 공통적으로 이해되는 의미로서 제공되어야 한다.

Claims (20)

  1. 변형가능한 중합체 장치에 사용하기 위한 패터닝된 변형가능한 중합체 필름을 제조하는 방법이며,
    변형가능한 필름과 공정 툴링 사이에 중간 층을 위치시키는 단계; 및
    잉크를 침착시킴으로써 변형가능한 필름 상에 적어도 1개의 전극을 인쇄하여 변형가능한 필름의 제1 표면 상에 적어도 1개의 전극을 형성하는 단계
    를 포함하고,
    여기서 중간 층은 인쇄 공정 이후 공정 툴링으로부터의 변형가능한 필름의 이형을 가능케 하는 것인 방법.
  2. 제1항에 있어서, 잉크가 스크린 인쇄, 패드 인쇄, 그라비어 인쇄, 잉크 젯 인쇄, 플렉소그래픽 인쇄 및 에어로졸 젯 인쇄로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나에 의해 침착되는 것인 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 중간 층이 엔지니어링된 표면, 제거가능한 라이너, 유연성 층 및 변형가능한 층으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인 방법.
  4. 제3항에 있어서, 엔지니어링된 표면이 파치먼트(parchment) 종이, 텍스쳐화 표면, 비-점착성 표면, 스크린 메시 및 중합체 시트로 이루어진 군으로부터 선택되는 표면인 방법.
  5. 제3항에 있어서, 변형가능한 층이 발포체 재료를 포함하는 것인 방법.
  6. 제3항에 있어서, 변형가능한 층이 다수의 공동을 포함하며, 여기서 공동은 스크린 인쇄 동안 여러 압력의 영역을 가능케 하고; 변형가능한 필름의 제1 표면 상에 여러 수준으로 잉크를 침착시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 변형가능한 중합체 필름이 전기활성 중합체 필름을 포함하는 것인 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    엘라스토머 재료의 공급부로부터 엘라스토머 재료의 변형가능한 필름을 전진시키는 단계;
    변형가능한 필름을 기계적으로 스트레이닝하여 엘라스토머 재료의 공급부와 연속상태로 남아 있는 제1 사전-스트레이닝된 필름 섹션을 생성하는 단계;
    제1 사전-스트레이닝된 필름 섹션이 지지된 부분 및 비지지된 부분을 포함하도록 제1 사전-스트레이닝된 필름 섹션을 지지하는 단계;
    잉크를 침착시켜 제1 사전-스트레이닝된 필름 섹션의 비지지된 부분의 제1 면 상에 적어도 제1 전극을 생성하는 단계;
    잉크를 침착시켜 제1 전극에 반대되는 제1 사전-스트레이닝된 필름 섹션의 비지지된 부분의 제2 면 상에 적어도 제2 전극을 생성하고 적어도 1개의 반대 전극 쌍을 형성하여 적어도 전기활성 중합체 필름의 제1 섹션을 완성하는 단계; 및
    전기활성 중합체 필름의 제1 섹션을 수집하는 단계
    를 추가로 포함하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    변형가능한 필름을 기계적으로 스트레이닝하여 변형가능한 필름과 연속상태로 남아 있는 제2 사전-스트레이닝된 필름 섹션을 생성하는 단계;
    제2 사전-스트레이닝된 필름 섹션이 지지된 부분 및 비지지된 부분을 포함하도록 제2 사전-스트레이닝된 필름 섹션을 지지하는 단계;
    잉크를 침착시켜 제2 사전-스트레이닝된 필름 섹션의 비지지된 부분의 제1 면 상에 적어도 제1 전극을 생성하는 단계; 및
    전기활성 중합체 필름의 제2 섹션을 수집하는 단계
    를 추가로 포함하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 전기활성 중합체 필름의 제1 및 제2 섹션을 함께 스택화하거나 적층하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 출력 바, 프레임 및 굴곡부로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1개의 구조 요소를 적용하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  12. 제8항에 있어서, 엘라스토머 재료의 필름이 필름의 각각의 근접 및 원격 모서리 상에 제1 및 제2 벨트 부재를 포함하고, 각 벨트 부재는 필름의 영률보다 큰 영률을 갖는 재료를 포함하는 것인 방법.
  13. 제12항에 있어서, 제1 및 제2 벨트 부재가 천공 벨트 부재를 포함하고, 천공 롤러가 필름을 기계적으로 스트레이닝하는 데 사용되는 것인 방법.
  14. 제8항에 있어서, 엘라스토머 재료의 필름이 실질적으로, 전진 필름의 이동 방향에 횡단하는 방향, 전진 필름의 이동 방향에 평행한 방향, 횡단 및 평행 방향의 균등한 조합 방향, 또는 횡단 및 평행 방향의 불균등한 조합 방향으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방향으로 기계적으로 스트레이닝되는 것인 방법.
  15. 제8항에 있어서, 필름이 스텝 방식으로 전진되는 것인 방법.
  16. 제8항에 있어서, 전기활성 중합체 필름의 제1 섹션을 수집하는 단계가 전기활성 중합체 필름의 다수의 섹션을 권취하여 전기활성 중합체 필름의 롤을 형성하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  17. 제16항에 있어서, 적층 스테이션 내로 전기활성 중합체 필름의 적어도 2개의 롤을 공급하는 단계 및 적어도 전기활성 중합체 필름의 제1 층에 프레임, 출력 바 및 굴곡부로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 적용하여 다층 전기활성 중합체 작동기 장치를 조립하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  18. 제8항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 사전-스트레이닝된 필름 섹션을 지지하는 단계가 제1 사전-스트레이닝된 필름 섹션에 지지 층을 적용하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 사전-스트레이닝된 전기활성 중합체가 100 ㎫보다 낮은 탄성률을 갖는 것인 방법.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 중합체가 실리콘, 폴리우레탄, 아크릴레이트, 탄화수소 고무, 올레핀 공중합체, 폴리비닐리덴 플루오라이드 공중합체, 플루오로엘라스토머, 스티렌 공중합체 및 접착 엘라스토머로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 방법.
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