KR20150029318A - 회전형 액츄에이터 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 회전형 액츄에이터에 관한 것으로, 다층 및 다공성 구조와 꼬임(twist) 구조의 나노섬유에 손실계수가 큰 점탄성 물질인 파라핀 왁스와 폴리스티렌-폴리(에틸렌-부틸렌)-폴리스티렌 공중합체를 분산시키고, 조성비를 조절하여 임계감쇠 또는 과도감쇠를 유도함으로써, 구동시 발생하는 동적 진동을 최소화하여 안정적인 회전거동을 나타내므로 비틀림 회전 및 로터의 위치를 정확히 제어할 수 있고, 응답시간을 단축할 수 있다.
따라서, 이를 이용하여 마이크로 거울을 회전형 액츄에이터의 중앙에 설치하여 회전각의 제어가 가능한 거울 디스플레이로 응용이 가능하고, 더 나아가 생체모방형 인공근육과 같은 의학 분야에 응용될 경우 탁월한 성능적 개선을 이끌어 낼 수 있다.

Description

회전형 액츄에이터 및 이의 제조방법{Torsional actuator and preparing method thereof}
본 발명은 회전형 액츄에이터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다층 및 다공성 구조와 꼬임(twist) 구조의 나노섬유에 파라핀 왁스와 폴리스티렌-폴리(에틸렌-부틸렌)-폴리스티렌 공중합체를 분산시킨 회전형 액츄에이터 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
탄소나노튜브 인공근육은 종래 비틀림 액추에이터에 비하여 근육 길이당 1000 배에 해당하는 회전이 가능하다(Keefe, A. C. & Carman, G. P. Thermo-mechanical characterization of shape memory alloy torque tube actuators. SmartMater. Struct. 9,665-672(2000). Kim, J. & Kang, B. Performance test and improvement of piezoelectric torsional actuators. Smart Mater. Struct.10, 750-757 (2001). Fang, Y., Pence, T. J. & Tan, X. Fiber-directed conjugated-polymer torsional actuator: nonlinear elasticity modeling and experimental validation. IEEE/ASME Trans. Mechatronics 16, 656-664 (2011)). 전기화학적, 전기적, 화학적 및 광학적인 방법을 통해 섬유 내 공극에 갇힌 게스트 물질의 부피를 변화시킴으로써 꼬임 구조의 탄소나노튜브 섬유의 부피 변화로 인한 비틀림 회전으로 생체근육과 유사한 형태의 수축이 발생하였다.
이와 같이, 파라핀 왁스를 포함하는 액츄에이터에 열이 가해지면 상기 액츄에이터 내에 부착된 로터는 40 msec, 2,000 °회전을 하고, 11,500 rpm의 평균 회전속도를 갖는다.
이러한 파라핀 왁스는 잘 알려진 열 변형 액츄에이터 물질로서, 고체-액체 상전이에 따른 열팽창에 의해 30%의 부피증가를 나타낼 수 있으나, 파라핀 왁스를 포함하는 나노섬유는 회전에 대한 저항이 높으므로 로터가 부착된 부분에 동적 진동이 발생하여 정확하게 로터의 위치를 제어하는데 어려움이 있다. 예를 들면 로터의 각을 계단식으로 빠르게 변화시킬 경우, 로터의 저감쇠 진동으로 인해 로터의 위치제어가 불안정해진다.(Klintberg, L., Karlsson, M., Stenmark, L. Schweitz, J.-A. &Thornell, G. A large stroke, high force paraffin phase transition actuator. SensorsandActuatorsA96,189-195(2002). Sant, H. J., Ho, T. & Gale, B. K. An in situ heater for a phase-change-material-based actuation system. J.Micromech. Microeng. 20,085039-085046(2010). Ungar, G., Stenjy, J., Keller, A., Bidd, I. & Whiting, M. C. The crystallization of ultralong normal paraffins: The onset of chain folding. Science229,386-389(1985))
상기 문제를 해결하기 위하여, 탄소나노튜브를 회전모터로 사용하고 꼬임 구조를 갖지 않으며, 고분자를 함유하는 나노섬유를 이용한 형상기억 액츄에이터가 종래기술로서 공지되어 있으나, 비틀림 회전이 크지 않고 가역적으로 작동되지 않는다는 문제점이 있다.(Fennimore, A. M., Yuzvinsky, T. D., Han, W. -Q., Fuhrer, M. S., Cumings, J. & Zettl A. Rotational actuators based on carbon nanotubes. Nature 424, 408-410(2003). Miaudet, P., Derr A., Maugey, M., Zakri, C., Piccione, P. M., Inoubli, R. & Poulin, P. Shape and temperature memory of nanocomposites with broadened glass transition. Science 318,1294-1296(2007))
따라서, 본 발명은 파라핀 왁스와 폴리스티렌-폴리(에틸렌-부틸렌)-폴리스티렌 공중합체의 조성비를 조절하여 임계감쇠 또는 과도감쇠를 유도함으로써, 응답속도가 빠르고, 동적 진동이 없어 우수한 위치 제어력을 갖는 회전형 액츄에이터를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 상기 액츄에이터를 이용하여 우수한 내구성 및 위치제어력을 갖는 마이크로 거울 어레이를 제공하고자 한다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, 탄소나노튜브 시트가 쌍대 아르키메데안 구조로 트위스트 방사되어 형성된 나노섬유를 포함하고, 상기 나노섬유는 중앙을 기준으로 키랄성의 Z형 구조를 갖는 상단부와 키랄성의 S형 구조를 갖는 하단부로 나누어지고, 상기 하단부의 나노섬유 공극 내에 파라핀 왁스와 폴리스티렌-폴리(에틸렌-부틸렌)-폴리스티렌 공중합체가 분산된 것을 특징으로 하는 회전형 액츄에이터를 제공한다.
상기 파라핀 왁스와 폴리스티렌-폴리(에틸렌-부틸렌)-폴리스티렌 공중합체의 조성비는 6-9 : 4-1인 것을 특징으로 한다.
상기 나노섬유의 평균 직경은 15-25 ㎛이고, 나노섬유의 꼬임각은 20 내지 30 °것을 특징으로 한다.
상기 회전형 액츄에이터는 전압 인가시에 임계감쇠 또는 과감쇠 거동을 하는 것을 특징으로 하고, 상기 회전형 액츄에이터는 최대 회전각은 70 내지 100 °/mm인 것을 특징으로 한다.
상기 회전형 액츄에이터는 0.5 내지 0.8 V/mm의 전압 인가시 과감쇠 거동을 하고, 상기 과감쇠 거동시 응답시간이 0.05 내지 0.1 초인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 하기의 단계를 포함하는 회전형 액츄에이터의 제조방법을 제공한다.
(ⅰ) 탄소나노튜브 포레스트로부터 탄소나노튜브 시트를 추출하는 단계,
(ⅱ) 상기 탄소나노튜브 시트를 쌍대 아르키메데안 구조로 트위스트 방사하여 키랄성 S형 구조를 갖는 나노섬유를 제조하는 단계,
(ⅲ) 상기 나노섬유의 중앙을 기준으로 한 하단부를 파라핀 왁스와 폴리스티렌-폴리(에틸렌-부틸렌)-폴리스티렌 공중합체가 함유된 혼합 용액에 침지시킨 후 건조시키는 단계,
(ⅳ) 상기 나노섬유의 중앙에 로터를 설치하고 상단부의 키랄성의 S형 구조를 Z형으로 다시 꼬아주는 단계.
또한, 본 발명은 상기 회전형 액츄에이터의 중앙부에 마이크로 거울 픽셀이 구비된 것을 특징으로 하는 마이크로 거울 어레이를 제공한다.
본 발명의 회전형 액츄에이터에 따르면, 다층 및 다공성 구조와 꼬임(twist) 구조의 나노섬유에 손실계수가 큰 점탄성 물질인 파라핀 왁스와 폴리스티렌-폴리(에틸렌-부틸렌)-폴리스티렌 공중합체를 분산시키고, 조성비를 조절하여 임계감쇠 또는 과도감쇠를 유도함으로써, 구동시 발생하는 동적 진동을 최소화하여 안정적인 회전거동을 나타내므로 비틀림 회전 및 로터의 위치를 정확히 제어할 수 있고, 응답시간을 단축할 수 있다.
따라서, 이를 이용하여 마이크로 거울을 회전형 액츄에이터의 중앙에 설치하여 회전각의 제어가 가능한 거울 디스플레이로 응용이 가능하고, 더 나아가 생체모방형 인공근육과 같은 의학분야에 응용될 경우 탁월한 성능적 개선을 이끌어 낼 수 있다.
도 1a는 본 발명에 따른 탄소나노튜브 시트로부터 꼬임 구조를 갖는 회전형 액츄에이터를 제조하는 과정을 나타내는 FE-SEM 사진이다.
도 1b는 실시예 1에 따라 제조된 회전형 액츄에이터의 구조를 나타내는 도면과 실시예 1에 따라 제조된 회전형 액츄에이터 상단부 및 하단부의 나노섬유가 갖는 키랄성을 나타낸 FE-SEM 사진이다.
도 2a는 실시예 1에 따라 제조된 회전형 액츄에이터에 인가되는 전압이 회전 구동에 미치는 영향을 확인하기 위해 온/오프 전압에 따른 회전도를 나타낸 그래프이다.
도 2b는 실시예 1에 따라 제조된 회전형 액츄에이터의 파라핀 왁스 함량이 회전 구동에 미치는 영향을 확인하기 위하여 파라핀 왁스의 함량을 변화시켰을 때 나타나는 최대회전각을 측정한 그래프이다.
도 2c는 실시예 1에 따라 제조된 회전형 액츄에이터의 사이클 수에 따른 평균 회전속도를 나타내는 그래프이다.
도 3a는 실시예 1에 따라 제조된 회전형 액츄에이터의 파라핀 왁스와 폴리스티렌-폴리(에틸렌-부틸렌)-폴리스티렌 공중합체의 조성비가 회전 구동에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 회전형 액츄에이터에 인가되는 전압의 온/오프 상태에 따른 회전각을 나타낸 그래프이다.
도 3b는 실시예 1에 따라 제조된 회전형 액츄에이터의 폴리스티렌-폴리(에틸렌-부틸렌)-폴리스티렌 공중합체 조성비별 온도에 따른 손실계수(loss factor)를 나타내는 그래프이다.
도 3c는 실시예 1에 따라 제조된 회전형 액츄에이터의 파라핀 왁스의 함량에 따른 감쇠비(damping ratio) 및 최대 손실계수(max loss factor)를 나타내는 그래프이다.
도 4a는 실시예 2에 따라 제조된 마이크로 거울 어레이의 구조와 동작 원리를 나타내는 도면이다.
도 4b는 실시예 2에 따라 제조된 마이크로 거울 어레이에 인가되는 전압을 달리하여 측정한 회전형 액츄에이터의 회전각을 나타내는 그래프이다.
도 4c는 실시예 2에 따라 제조된 마이크로 거울 어레이에 인가되는 전압을 달리하여 측정한 거울 픽셀의 회전각을 나타내는 그래프이다.
도 4d는 실시예 2에 따라 제조된 비틀림 마이크로 거울 어레이의 작동예를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 회전형 액츄에이터에 보다 상세히 설명한다.
일반적으로 모터마운트 센서, 하드드라이브, 로봇, 잡음 및 진동 억제에 있어서 중요한 특성 중 하나인 진동 감쇠는 진동에 따라 구분될 수 있으며, 지수적으로 나타나는 최대 진폭의 비에 의해 결정되는 감쇠비(damping ratio, ζ)에 의해 정의된다.
임계감쇠(critically damped)는 감쇠비(ζ)가 1인 경우로 자극이 계단식으로 변화할 때 오버슈트나 진동이 발생하지 않고 빠르게 평형위치로 도달한다. 과감쇠(over damped)는 감쇠비(ζ)가 1 이상인 경우로 임계감쇠에 비해 반응은 느리지만 진동은 발생하지 않는다. 또한, 저감쇠(under damped)는 감쇠비(ζ)가가 1 이하인 경우로 오버슈트가 발생하고 진폭이 점차적으로 감소하는 진동을 나타내며 안정한 평형상태에 도달한다.
파라핀 왁스 또는 폴리스티렌-폴리(에틸렌-부틸렌)-폴리스티렌 공중합체만이 분산된 탄소나노튜브 섬유는 전형적인 저감쇠 거동을 보이며, 계단식 변화를 갖는 전압을 인가하였을 때 상당히 긴 응답시간을 보였다. 상기 탄소나노튜브 섬유에 동일한 전압을 인가했을 경우, 역시 저감쇠 거동을 나타내었으며, 동적 진동으로 인해 1초 이상 로터의 위치가 안정화되지 않았다. 따라서, 신속한 위치제어와 무진동 비틀림 회전 거동을 위해서는 임계감쇠 또는 과감쇠 거동이 요구된다.
이러한, 과감쇠 거동을 위해서는 감쇠비(ζ)가 1 이상이 되어야하며, 감쇠비(ζ)는 저장탄성계수(storage modulus) 및 손실계수(loss factor)와 밀접한 관계에 있다. 이 때, 저장탄성계수(storage modulus)와 손실계수(loss factor) 및 온도의 변화에 대한 물성의 유지 내구성은 각 조성성분 및 조성비에 크게 영향을 받음에 따라 우수한 감쇠 특성을 갖는 나노섬유를 제조하기 위해서는 상기 회전형 액츄에이터에 분산되는 게스트물질의 성분 및 조성비의 선택이 우선되어야 한다.
따라서, 본 발명은 탄소나노튜브 시트가 쌍대 아르키메데안 구조로 트위스트 방사되어 형성된 나노섬유를 포함하고, 상기 나노섬유는 중앙을 기준으로 키랄성의 Z형 구조를 갖는 상단부와 키랄성의 S형 구조를 갖는 하단부로 나누어지며, 상기 하단부의 나노섬유 공극 내에 파라핀 왁스와 폴리스티렌-폴리(에틸렌-부틸렌)-폴리스티렌 공중합체가 분산된 것을 특징으로 하는 회전형 액츄에이터를 제공한다.
보다 상세하게 도 1a 및 도 1b에 따르면, 다중층 탄소나노튜브 포레스트로부터 시트를 뽑는 과정에서 쌍대 아르키메데스형 꼬임구조로 나노섬유를 제조하며 이러한 쌍대 아르키메데스형 꼬임구조는 도 1a의 우측 상단에 나타내었다.
상기 회전형 액츄에이터는 양단이 고정되어 있으므로 양 끝부분(녹색 부분)의 회전이 불가능하나, 중앙부에 설치된 로터가 회전하게 된다. 여기서, 화살표는 회전형 액츄에이터에 전압이 인가될 경우, 로터의 회전방향을 의미한다. 또한, 회전형 액츄에이터에서 파라핀 왁스와 폴리스티렌-폴리(에틸렌-부틸렌)-폴리스티렌 공중합체가 분산된 나노섬유의 상단부는 키랄성의 Z형 구조를 갖고 하단부는 키랄성의 S형 구조를 갖는다. 여기서, 상기 나노섬유의 평균 직경이 15 내지 25 ㎛이고 평균 꼬임각은 20 내지 30°일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 본 발명의 회전형 액츄에이터는 파라핀 왁스와 폴리스티렌-폴리(에틸렌-부틸렌)-폴리스티렌 공중합체의 조성비가 6-9 : 4-1일 수 있으며, 이러한 조성 범위에서는 감쇠비(ζ)가 1 내지 2 사이로 높은 수치를 가지므로 고감쇠 거동을 보인다. 특히, 사이클수에 따른 성능하락도 미미하므로 장기적으로 안정화된 비틀림 회전 거동을 나타낼 수 있다.
상기 파라핀 왁스와 폴리스티렌-폴리(에틸렌-부틸렌)-폴리스티렌 공중합체의 조성비는 6-9 : 4-1일 수 있다. 이때, 상기 파라핀 왁스의 조성이 6 미만일 경우, 파라핀 왁스가 에틸렌-부틸렌 결정 내에 갇혀 가열시 부피변화가 억제되어 액츄에이터로서 거동을 나타내지 못할 수 있고, 9를 초과할 경우, 상기 파라핀 왁스와 폴리스티렌-폴리(에틸렌-부틸렌)-폴리스티렌 공중합체 간에 상분리 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 상기 액츄에이터의 비틀림 회전 거동을 안정적으로 이루어지도록 하기위하여 상기 파라핀 왁스와 폴리스티렌-폴리(에틸렌-부틸렌)-폴리스티렌 공중합체는 상기 조성범위 내에 포함되는 것이 가장 바람직하다.
또한, 상기 회전형 액츄에이터는 인가되는 전압이 0.5 내지 0.8 V/mm에서 감쇠비가 1 내지 2로 동적 진동없는 과감쇠 거동이 나타나며, 상기 조건 하에서 회전형 액츄에이터의 응답시간은 0.05 내지 0.1 초로 종래 액츄에이터에 비하여 약 10배 정도 빠른 응답속도를 가진다.
상기 나노섬유의 중심에 로터가 설치되며, 이는 마일라 패들을 이용하여 일정한 인장하중으로 고정할 수 있다. 이때, 인장하중은 0.2 내지 0.4 MPa인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 다른 측면은 (ⅰ) 탄소나노튜브 포레스트로부터 탄소나노튜브 시트를 추출하는 단계, (ⅱ) 상기 탄소나노튜브 시트를 쌍대 아르키메데안 구조로 트위스트 방사하여 키랄성 S형 구조를 갖는 나노섬유를 제조하는 단계, (ⅲ) 상기 나노섬유의 중앙을 기준으로 한 하단부를 파라핀 왁스와 폴리스티렌-폴리(에틸렌-부틸렌)-폴리스티렌 공중합체가 함유된 혼합 용액에 침지시킨 후 건조시키는 단계 및 (ⅳ) 상기 나노섬유의 중앙에 로터를 설치하고 상단부의 키랄성의 S형 구조를 Z형으로 다시 꼬아주는 단계;를 포함하는 회전형 액츄에이터의 제조방법에 관한 것이다.
상기 회전형 액츄에이터의 제조방법을 보다 상세히 설명하기 위해 도 1a을 참고할 수 있으며 이는 탄소나노튜브 에어로젤 시트로부터 나노섬유를 제조하는 과정을 나타내는 SEM 사진이다. 이에 따르면 본 발명에 따른 회전형 액츄에이터의 제조과정은 우선, 탄소나노튜브 포레스트(CNT forest)로부터 당김(drawing) 방법으로 탄소나노튜브 에어로젤 시트(CNT aerogel sheet)를 추출하고, 이를 지지체 사이에 걸어 쌍대 아르키메데안 구조가 되도록 200 내지 300 turns/cm로 트위스트 방사하여 키랄성 S형 구조를 갖는 나노섬유를 제조할 수 있다.
다음으로, 제조된 나노섬유에 장력을 가하면서 양단을 고정시킨 후, 나노섬유의 상단부와 하단부의 길이가 동일한 위치를 중앙으로 하고, 여기에 로터를 설치할 수 있는데, 로터를 설치하는 단계는 본 발명의 회전형 액츄에이터의 비틀림 회전 및 과감쇠 거동에 영향을 미치지 않는다면 어느 단계에서 설치되든 이에 제한되지 않는다.
이후, 상기 고정된 나노섬유의 하단부를 파라핀 왁스와 폴리스티렌-폴리(에틸렌-부틸렌)-폴리스티렌 공중합체가 함유된 혼합 용액에 50 내지 70 ℃ 온도에서 20 내지 30 시간 동안 침지시킬 수 있다. 침지된 나노섬유는 실온하에서 용매를 완전히 증발시킨 후, 상기 회전형 액츄에이터는 헤테로키랄성 구조를 갖게 하기 위하여, 상기 키랄성의 S형 구조를 갖는 나노섬유 상단부의 키랄성의 S형 구조를 Z형으로 다시 꼬아줄 수 있다.
여기서, 상기 나노섬유 상단부는 상기 회전형 액츄에이터에 인가되는 전압을 차단하였을 경우, 나노섬유 상단부의 풀림 구조를 원위치시키는 리턴스프링 역할을 한다.
본 발명에 따른 회전형 액츄에이터의 구동원리를 설명하고자 한다. 우선, 상기 회전형 액츄에이터는 중앙부를 기점으로 상단부과 하단부로 나뉘어지며, 하단부는 파라핀 왁스와 폴리스티렌-폴리(에틸렌-부틸렌)-폴리스티렌 공중합체에 의한 부피변화로 구동되며, 상단부는 리턴스프링으로 작용한다. 종래 회전형 액츄에이터의 경우, 한쪽 끝만 고정되어 있으며, 이는 리턴 스프링이 존재하지 않으므로 큰 회전각을 가지나, 가역적인 구동이 이루어지지 않는다.
보다 상세하게, 게스트 물질인 파라핀왁스와 폴리스티렌-폴리(에틸렌-부틸렌)-폴리스티렌 공중합체가 분산된 나노섬유에 전열 구동력이 가해지면 액츄에이터의 부피가 팽창하여 나노섬유가 늘어나고, 비틀림 토크를 갖는 액츄에이터 역할을 하는 섬유부분을 보완하기 위하여 풀림 토크를 가지며 폴리머가 포함되지 않은 부분을 반대방향으로 될 때 패들을 최초의 회전각 위치로 되돌리는 역할을 한다. 따라서, 상기 나노섬유의 상단부는 회전형 액츄에이터의 비틀림 하락을 방지하는 리턴 스프링의 역할을 한다.
또한, 상기 회전형 액츄에이터는 나노섬유 중심에 마이크로 거울 픽셀을 설치하고, 상기 회전형 액츄에이터를 두 개의 연결부에 대각선으로 고정함으로써, 마이크로 거울 픽셀을 이용한 디스플레이 장치로 응용이 가능하다. 도 4a를 참고하면, 상기 마이크로 거울 필셀이 설치된 회전형 액츄에이터는 상기 두 연결부에 전압을 인가하여 구동될 수 있다. 이때, 회전형 액츄에이터에 설치되는 마이크로 거울 픽셀의 크기는 3 mm × 3 mm일 수 있다.
상기 마이크로 거울 픽셀이 설치된 회전형 액츄에이터에 인가되는 전압은 0.25 내지 0.4 V/mm인 것이 바람직하며, 인가되는 전압의 온, 오프에 따라 상기 회전형 액츄에이터에 설치된 마이크로 거울 픽셀이 회전되며, 이로 인해, 마이크로 거울 픽셀의 바이너리 이미지가 결정될 수 있다. 전압이 온 또는 오프일 때, 회전형 액츄에이터에 설치된 마이크로 거울 픽셀은 특정 위치를 갖게 되는데 보다 상세하게는 인가되는 전압이 오프일 경우, 마이크로 거울의 회전각은 0 °로 '어두운 이미지'가 되고, 전압이 온일 경우 마이크로 거울의 회전각은 90 °로, '밝은 이미지'가 된다. 도 4d는 상기와 같은 원리로 작동되는 비틀림 마이크로 거울 어레이를 이용한 다중 마이크로 거울 디스플레이의 작동예를 나타낸다.
이하, 구체적인 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
실시예 1. 회전형 액츄에이터 제조.
실리콘 웨이퍼 상에 1-3 nm의 촉매층을 전자빔증착을 통해 코팅하고, 이를 750 sccm의 아르곤, 100 sccm의 수소를 혼합한 기체 분위기 하에서 700 ℃로 예열된 석영관로에 넣은 후, 동일한 온도로 5 분간 유지하고 50 sccm의 아세틸렌을 주입하여 길이 400 ㎛이하, 외부직경 12 nm이하, 9개의 층으로 구성된 다중벽 탄소나노튜브 포레스트를 제조하였다.
상기 제조된 다중벽 탄소나노튜브 포레스트의 일측 벽면으로부터 11 cm 길이의 다중벽 탄소나노튜브 시트를 뽑아내었으며, 이를 cm 당 228회의 회전시킴으로써 꼬임을 부여하여 7 cm 길이의 나노섬유를 제조하였다. 이 때, 상기 다중벽 탄소나노튜브 포레스트를 1 cm로 고정하여 섬유 직경이 20 ㎛가 되도록 하였다.
마지막으로, 상기 제조된 나노섬유의 양단을 고정시킨 후, 파라핀 왁스와 폴리스티렌-폴리(에틸렌-부틸렌)-폴리스티렌 공중합체를 비율을 달리하여 톨루엔에 용해하였다. 상기 고정된 나노섬유의 중심을 기점으로 하단부에 60 ℃에서 24 시간 동안 파라핀 왁스와 폴리스티렌-폴리(에틸렌-부틸렌)-폴리스티렌 공중합체 용액에 담근 후, 상기 파라핀 왁스와 폴리스티렌-폴리(에틸렌-부틸렌)-폴리스티렌 공중합체의 혼합용액에서 꺼낸 후 실온에서 증발시키고, 키랄성이 S형인 나노섬유의 상단부 끝에 부착된 모터를 이용하여 펼친 후 키랄성이 Z형이 되도록 다시 꼬아준다. 이를 통해, 헤테로 카이랄성 구조의 회전형 액츄에이터를 제작하였다. 상기 제조된 회전형 액츄에이터의 구조를 확인하기 위하여 FE-SEM으로 측정하여 도 1에 나타내었다.
여기서, 상기 제조과정에서 폴리스티렌-폴리(에틸렌-부틸렌)-폴리스티렌 공중합체 및 파라핀 왁스는 시그마-알드리치에서 구입하였으며, 상기 파라핀 왁스와 폴리스티렌-폴리(에틸렌-부틸렌)-폴리스티렌 공중합체는 스티렌/에틸렌 대 부틸렌 비가 29:71이고, 파라핀 왁스는 고체상태에서 결정성이고, 열팽창 계수는 수백 ppm/K이며, 용융시 부피팽창은 10 내지 20 %인 것을 사용하였다.
실험예 1 열 기계 분석( TMA )
상기 실시예 1에 따라 제조된 4 cm 가량의 회전형 액츄에이터 양단을 열 기계 분석장치(TMA, Seiko TMA/SS7100)에 고정하였다. 여기서, 상기 회전형 액츄에이터의 상단부는 은 페이스트를 이용하여 백금선에 연결하고, 하단부를 은 페이스트의 바닥에 부착한 후, 충분히 건조시켜 전압측정기(Keithley 2635)에 연결하였다.
상기 회전형 액츄에이터에 0.35 MPa의 부하를 가하고 50% 듀티사이클의 0.5 Hz 구형파 전압을 인가하였다. 전압을 변화시키면서 열기계 분석으로 액츄에이터의 거동 및 회전각을 확인하였으며 고해상도 고속촬영카메라를 사용하여 분석하였다. 그 결과를 도 2에 나타내었다.
도 2는 실시예 1에 따라 제조된 회전형 액츄에이터의 거동을 나타내는 그래프로서, 도 2a는 실시예 1에 따라 제조된 회전형 액츄에이터에 인가되는 전압이 회전 구동에 미치는 영향을 확인하기 위해 온/오프 전압에 따른 회전도를 나타낸 그래프, 도 2b는 실시예 1에 따라 제조된 회전형 액츄에이터의 파라핀 왁스 함량이 회전 구동에 미치는 영향을 확인하기 위하여 파라핀 왁스의 함량을 변화시켰을 때 나타나는 최대회전각을 측정한 그래프, 도 2c는 실시예 1에 따라 제조된 회전형 액츄에이터의 사이클 수에 따른 평균 회전속도를 나타내는 그래프이다.
도 2a를 참고하면, 실시예 1에 따라 제조된 8:2의 조성비를 갖는 파라핀 왁스와 폴리스티렌-폴리(에틸렌-부틸렌)-폴리스티렌 공중합체가 분산된 회전형 액추에이터를 이용하여 측정한 결과, 열 발생시에는 파라핀 왁스와 폴리스티렌-폴리(에틸렌-부틸렌)-폴리스티렌 공중합체가 분산된 나노섬유 부분이 음의 방향으로 회전하였고 이는 풀림을 의미한다. 냉각 시에는 상기 파라핀 왁스와 폴리스티렌-폴리(에틸렌-부틸렌)-폴리스티렌 공중합체가 분산된 나노섬유 부분이 반대 방향으로 회전하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 약 0.75 V/mm에서 최대 회전력 80 °/mm를 나타냈으며, 가역적으로 거동하였다. 이는 종래 나노섬유에 비해 약 25배 정도 빠르다는 것을 의미한다.
도 2b를 참고하면, 8:2의 조성비를 갖는 파라핀 왁스와 폴리스티렌-폴리(에틸렌-부틸렌)-폴리스티렌 공중합체가 분산된 회전형 액츄에이터를 사용하였으며, 파라핀 왁스와 폴리스티렌-폴리(에틸렌-부틸렌)-폴리스티렌 공중합체를 분산시킨 본 발명의 액츄에이터는 파라핀 왁스의 함량을 변화시킴으로써 액츄에이터의 구동의 제어가 가능한 것을 확인하였으며, 흥미롭게도 최대 회전은 파라핀 함량이 55 wt%일 때 급격하게 증가하였음을 확인하였다. 파라핀 함량이 60% 이상일 경우 최대회전은 80 °/mm로 일정하였다. 즉, 파라핀 왁스 함량이 50% 이상일 경우 최대회전이 급격히 감소하여 10~15 °/mm에 불과하였다. 이는 파라핀 왁스의 함량이 증가하면 가열시 파라핀 왁스의 고체-액체 상전이로 인해 부피변화가 발생하는데, 폴리스티렌-폴리(에틸렌-부틸렌)-폴리스티렌 공중합체 내에 갖힌 파라핀 왁스의 경우 주위를 둘러쌓여 부피증가가 제한되므로, 파라핀 왁스의 함량이 낮은 파라핀 왁스와 폴리스티렌-폴리(에틸렌-부틸렌)-폴리스티렌 공중합체가 분산된 나노섬유의 회전 거동은 폴리스티렌-폴리(에틸렌-부틸렌)-폴리스티렌 공중합체만을 포함하는 나노섬유와 크게 차이가 없다. 그러나 파라핀 왁스의 함량이 50% 이상일 경우, 파라핀 왁스와 폴리스티렌-폴리(에틸렌-부틸렌)-폴리스티렌 공중합체에서 폴리스티렌-폴리(에틸렌-부틸렌)-폴리스티렌 공중합체 내에 갖힌 파라핀 왁스가 유리됨에 따라 액츄에이터의 회전 거동이 크게 증가하게 된다. 파라핀 왁스의 함량이 높을수록 가열 시 자유롭게 팽창이 가능하다. 결과적으로 회전각은 파라핀 왁스의 부피팽창 뿐 아니라 저장탄성계수(storage modulus, E') 변화에도 영향을 받는다는 것을 의미한다.
또한, 도 2b에 삽입된 그래프를 따르면, 상기 실시예 1에 따라 제조된 회전형 액츄에이터의 전압 변화에 따른 회전 거동을 통해 전압에 따라 회전 각도를 조절할 수 있음을 확인 할 수 있다.
도 2c를 참고하면, 실시예 1에 따라 제조된 회전형 액츄에이터에 0.5 Hz 구형파 전압을 0.625 V/mm로 가하였으며, 이 때, 그래프의 왼쪽 위에 나타난 그래프는 길이 4 cm, 무게 3.2 ㎍/cm인 회전형 액츄에이터에 0.5 Hz, 0.625 V/mm, 50% 듀티사이클의 구형파 전압을 사용하여 1 사이클 내에서의 회전 각과 회전 속도 변화를 나타낸 것이다. 그래프 상에 기재된 각각의 점들은 39,000 사이클의 평균속도를 나타내며 이때, 평균 회전속도는 9,800 rpm이다. 파라핀 함량이 80%일 경우 40,000 사이클까지 빠르고 가역적인 액츄에이터 거동을 보여주었다. 이때, 회전 속도가 감소되지 않고 안정된 값을 나타내었으며, 최대 회전속도는 약 9,800 rpm임을 확인할 수 있다.
실험예 2.
perkin elmer 장치를 사용하여 길이 5 mm의 섬유를 동역학적 분석(DMA) 하였다. 상기 실시예 1에 따라 제조된 헤테로키랄성 꼬임 구조를 갖는 회전형 액츄에이터를 - 70 ℃로 냉각한 후, 70 내지 90 ℃까지 5 ℃/min의 속도로 가열해주면서 측정하였다, 여기서, 측정된 수치는 저장탄성계수(storage modulus, E')와 손실탄성률(loss modulus, E'')로부터 손실계수(loss factor, tan δ=E''/E')를 구하였다. 이때, 상기 실시예 1에 따라 제조된 나노섬유를 동역학적 분석기에 수직으로 장착하고 50 mL/min의 건조 질소 기체 하에서 1 Hz 진동을 연속적으로 가하였다, 측정 결과는 도 3에 나타내었다.
도 3a는 실시예 1에 따라 제조된 회전형 액츄에이터의 파라핀 왁스와 폴리스티렌-폴리(에틸렌-부틸렌)-폴리스티렌 공중합체의 조성비가 비틀림 회전거동에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 회전형 액츄에이터에 인가되는 전압의 온/오프 상태에 따른 회전각을 나타낸 그래프로, 여기서 인가되는 전압은 0.625 V/mm였다. 이를 참고하면, 그래프 상에 표기된 적색 선은 파라핀왁스와 폴리스티렌-폴리(에틸렌-부틸렌)-폴리스티렌 공중합체 조성비가 8:2일 때 과감쇠 거동하고, 청색 선은 2:8일 때 저감쇠 거동함을 확인할 수 있다. 상기 그래프 내에 삽입된 그래프는 1 사이클 동안의 무진동 비틀림 응답을 나타낸다. 또한, 응답시간이 0.09 초로 종래 회전형 액츄에이터에 비하여 상당히 빠름을 확인할 수 있다.
도 3b는 실시예 1에 따라 제조된 회전형 액츄에이터의 폴리스티렌-폴리(에틸렌-부틸렌)-폴리스티렌 공중합체 조성비별 온도에 따른 손실계수(loss factor, tanδ=E''/E')를 나타내는 그래프로, -70 내지 90 ℃ 온도범위에서 측정하였다. 폴리스티렌-폴리(에틸렌-부틸렌)-폴리스티렌 공중합체만 분산된 나노섬유를 이용한 액츄에이터는 -70 내지 90 ℃ 온도범위에서 하나의 손실계수(loss factor, tan δ) 피크만을 나타내는 반면, 실시예 1에 따른 나노섬유를 포함하는 회전형 액츄에이터는 두 손실계수(loss factor, tan δ) 피크를 나타낸다. 즉, 폴리스티렌-폴리(에틸렌-부틸렌)-폴리스티렌 공중합체의 에틸렌-부틸렌 부분의 상전이 온도인 -40 ℃ 부근과 파라핀 왁스의 상전이 온도인 60 ℃ 부근에서의 손실계수(loss factor, tan δ)가 나타났다. 이는 손실계수(loss factor, tan δ)가 온도 의존성이 높다는 것을 의미한다.
도 3c는 실시예 1에 따라 제조된 회전형 액츄에이터의 파라핀 왁스의 함량에 따른 감쇠비(damping ratio) 및 최대 손실계수(max loss factor)를 나타내는 그래프로, 점탄성을 소실하면 손실계수와 감쇠비가 증가함을 확인할 수 있다 즉, 파라핀 왁스의 함량이 60 내지 90 wt%일 때 감쇠비가 2로 과감쇠 영역으로 회전형 액츄에이터의 비틀림 회전 거동이 안정적이고 빠른 응답시간을 갖는다는 것을 확인 할 수 있다. 이는 파라핀 왁스와 폴리스티렌-폴리(에틸렌-부틸렌)-폴리스티렌 공중합체의 손실계수(loss factor)와 감쇠응답간의 강한 상관관계가 존재한다는 것을 의미한다.
상기 결과들을 종합해보면 파라핀 왁스와 폴리스티렌-폴리(에틸렌-부틸렌)-폴리스티렌 공중합체의 조성비를 최적화함으로써, 동적 진동이 없고, 응답 속도가 빠르며 안정적인 과감쇠 거동을 나타내는 회전형 액츄에이터를 얻을 수 있다.
실시예 2
상기 실시예 1에 따라 제조된 회전형 액츄에이터를 거울 픽셀을 가로질러 두 개의 연결부에 대각선으로 고정하고, 연결부를 전기적으로 연결하여 섬유가 회전할 수 있도록 하는 마이크로 거울 어레이를 제작하였다. 이때, 상기 거울 픽셀은 3×3 mm의 크기를 갖고, 상기 회전형 액츄에이터의 중심에 설치하였다. 거울 픽셀의 바이너리 이미지로부터 회적각에 대응하는 전압의 온과 오프를 결정하였다. 그 결과를 도 4b 및 도 4c에 나타내었다.
도 4b는 실시예 2에 따라 제조된 마이크로 거울 어레이에 인가되는 전압을 달리하여 측정한 회전형 액츄에이터의 회전각을 나타내는 그래프, 도 4c는 실시예 2에 따라 제조된 마이크로 거울 어레이에 인가되는 전압을 달리하여 측정한 거울 픽셀의 회전각을 나타내는 그래프이다.
도 4b에 따르면, 상기 실시예 2에 따라 제조된 마이크로 거울 어레이에 약 0.34 V/mm의 전압이 인가되면, 나노섬유와 거울 픽셀이 회전되어 90° 회전각을 가지므로 마이크로 거울 어레이는 "밝은" 이미지 나타내고, 전압이 오프되어 거울 픽셀은 0° 회전각으로 원위치하므로, 마이크로 거울 어레이는 "어두운" 이미지를 나타내게 된다.
도 4c에 따르면, 인가되는 전압의 온/오프 주기는 1초, 전압은 0.34 V/mm로 고정할 경우, 실시예 2에 따라 제조된 마이크로 거울 어레이의 거울 픽셀의 온/오프시 회전각 차이는 90°로 일정함을 확인할 수 있으며, 이는 인가되는 전압을 제어하여 거울 픽셀의 회전각을 임의로 제어가 가능하다는 것을 의미한다. 따라서, 마이크로 거울 어레이를 이용한 디스플레이의 실현 가능성이 높다고 판단된다.

Claims (9)

  1. 탄소나노튜브 시트가 쌍대 아르키메데안 구조로 트위스트 방사되어 형성된 나노섬유를 포함하고,
    상기 나노섬유는 중앙을 기준으로 키랄성의 Z형 구조를 갖는 상단부와 키랄성의 S형 구조를 갖는 하단부로 나누어지고,
    상기 하단부의 나노섬유 공극 내에 파라핀 왁스와 폴리스티렌-폴리(에틸렌-부틸렌)-폴리스티렌 공중합체가 분산된 것을 특징으로 하는 회전형 액츄에이터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 파라핀 왁스와 폴리스티렌-폴리(에틸렌-부틸렌)-폴리스티렌 공중합체의 조성비는 6-9 : 4-1인 것을 특징으로 하는 회전형 액츄에이터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 나노섬유의 평균 직경은 15-25 ㎛인 것을 특징으로 하는 회전형 액츄에이터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 나노섬유의 꼬임각은 20 내지 30 °인 것을 특징으로 하는 회전형 액츄에이터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 회전형 액츄에이터는 전압 인가시에 임계감쇠 또는 과감쇠 거동을 하는 것을 특징으로 하는 회전형 액츄에이터.
  6. 제항에 있어서,
    상기 회전형 액츄에이터의 최대 회전각은 70 내지 100 °/mm인 것을 특징으로 하는 회전형 액츄에이터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 회전형 액츄에이터는 0.5 내지 0.8 V/mm의 전압 인가시 과감쇠 거동을 하고, 상기 과감쇠 거동시 응답시간이 0.05 내지 0.1 초인 것을 특징으로 하는 회전형 액츄에이터.
  8. (ⅰ) 탄소나노튜브 포레스트로부터 탄소나노튜브 시트를 추출하는 단계;
    (ⅱ) 상기 탄소나노튜브 시트를 쌍대 아르키메데안 구조로 트위스트 방사하여 키랄성 S형 구조를 갖는 나노섬유를 제조하는 단계;
    (ⅲ) 상기 나노섬유의 중앙을 기준으로 한 하단부를 파라핀 왁스와 폴리스티렌-폴리(에틸렌-부틸렌)-폴리스티렌 공중합체가 함유된 혼합 용액에 침지시킨 후 건조시키는 단계; 및
    (ⅳ) 상기 나노섬유의 중앙에 로터를 설치하고 상단부의 키랄성의 S형 구조를 Z형으로 다시 꼬아주는 단계;를 포함하는 회전형 액츄에이터의 제조방법.
  9. 제1항에 따른 회전형 액츄에이터의 중앙에 마이크로 거울 픽셀이 구비된 것을 특징으로 하는 마이크로 거울 어레이.
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