KR20150054399A - 전기 변색 유연 구동기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기 변색 유연 구동기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기 자극에 반응하는 전기활성 고분자를 포함하는 유연 구동기모듈 및 상기 유연 구동기와 절연막으로 일체화된 전기변색모듈을 포함하고, 상기 유연 구동기에 인가되는 전압과는 별도로, 주위 환경에 따라 상기 전기변색모듈로 인가되는 전압을 조절하여 상기 전기 변색 모듈의 변색이 조절되는 것을 특징으로 하는 전기 변색 유연 구동기에 관한 것이다.

Description

전기 변색 유연 구동기{ELECTROCHROMIC FLEXIBLE ACTUATOR}
본 발명은 전기 변색 유연 구동기에 에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기 자극에 반응하는 전기활성 고분자를 포함하는 유연 구동기 모듈 및 상기 유연 구동기와 절연막으로일체화된 전기변색모듈을 포함하고, 상기 유연 구동기에 인가되는 전압과는 별도로, 주위 환경에 따라 상기 전기변색모듈로 인가되는 전압을 조절하여 상기 전기 변색 모듈의 변색이 조절되는 것을 특징으로 하는 환경에 따라 변색 가능한 유연 구동기에 관한 것이다.
전압을 인가할 때 전계 방향에 의해 가역적으로 색상이 변하는 현상을 전기변색(electrochromism) 이라 하며, 이러한 특성을 지닌 전기 화학적 산화 환원 반응에 의해서 재료의 광특성이 가역적으로 변할 수 있는 물질을 전기 변색 물질이라고 한다. 전기변색 물질은 외부에서 전기장이 인가되지 않는 경우에는 색을 띠지 않고 있다가 전기장이 인가되면 색을 띠게 되거나, 반대로 외부에서 전기장이 인가되지 않는 경우에는 색을 띠고 있다가 전기장이 인가되면 색이 소멸하는 특성을 갖는다.
이러한 전기변색 물질로는 텅스텐, 이리듐과 같은 금속산화물, 피리딘계 화합물이나 아미노퀴논계 화합물 등의 유기물이 알려져 있고, 구체적으로 환원상태에서 색이 나타나고 산화상태에서 무색으로 되는 것을 환원발색(cathodic coloration), 환원상태에서 무색이고 산화상태에서 컬러가 나타나는 것을 산화발색(anodic coloration)이라고 한다. 또한, 전기변색은 전압의 인가에 따라 색상이 변화하는 것을 의미하는데, 전기변색은 전기화학적 산화·환원 반응에 의해 물질의 색을 조절하는 것이며 산화·환원에 따른 전자이동의 발생과 밴드갭의 변화에 의해 자외선, 가시광선, 근적외선 영역에서 흡수의 변화에 따른 색상의 변화를 나타낸다.
이러한 전기변색 물질은 눈부심을 방지하기 위한 차량용 유리나, 건축자재, 전기변색 창문 등으로도 활용되고 있고, 최근에는 폴리티오펜 등의 전도성 고분자를 도입한 전기변색소자를 전자종이 등의 차세대 디스플레이 장치로의 응용이 연구되고 있다.
모바일(mobile), 고객 어플리케이션(consumer applications) 및 소형 로봇 등의 소형 휴대 장치에 적용되는 구동기(actuator)는 사용된 재료의 특성에 따라 분류할 수 있으며, 대표적인 소형 구동기(actuator)의 재료는 SMA(Shape Memory Alloy, 형상기억합금), EAC(Electro-Active Ceramics, 전기활성 세라믹), 및 EAP(Electro-Active Polymer, 전기활성 폴리머)가 있다.
전기활성 고분자(EAP)는 빠른 응답속도, 큰 작동변위, 구동 시 낮은 전력 소모량 등의 장점 뿐만 아니라 고분자 소재가 가지는 우수한 가공성으로 인한 경량화, 박막화, 소형화 등의 장점이 있어 많은 관심을 받고 있다. 전기활성 고분자(EAP)는 수십 년 동안 전기적 자극에 의해 변형을 일으키는 정도의 재료로 알려져 왔으며, 초기의 고분자 재료들은 상대적으로 작은 변위를 발생하였으나, 1990년대에 이르러 새로운 EAP 재료가 개발되었으며 큰 전기에 대해 상대적으로 큰 변위와 힘을 발생하는 특성을 보여주었다. 전기활성 고분자는 햅틱폰, 햅틱마우스, 카메라 모듈, 평판 스피커, 촉각센서 등으로 응용 가능하며 금속이나 세라믹 등의 재료와는 달리 인체 근육과 비슷한 탄성과 강도를 가지고 있 어 인공 근육이나 생체 모방 작동기로써의 응용 가능성 또한 지니고 있다.
전기활성 고분자는 작동방식에 따라 외부전압 인가시, 이온의 이동과 확산에 의해 고분자가 수축-팽창 변형을 일으키는 이온성 전기활성고분자(ionic EAP)와 전자 분극(polarization) 현상에 의하여 변형이 일어나는 전자성 전기활성고분자(electronic EAP)로 구분된다. 상기 이온성 전기활성 고분자로는 전기유변유체(electrorheological fluids, ERP), 탄소나노튜브(carbon nanotubes, CNT), 전도성 고분자(conducting polymers, CP), 이온성 고분자-금속 복합체(ionic polymer-metal composites, IPMC), 고분자겔(ionic polymer gels, IPG) 등이 있으며 큰 작동력, 빠른 응답속도, 낮은 인가전압 등의 다양한 장점을 가지고 있다.
도 1은 이온성 고분자-금속 복합체(ionic polymer-metal composites, IPMC)의 동작 원리를 도시한 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이 스트립 타입의 IPMC의 전체적인 외형은 중앙에 이온전달특성이 우수한 고분자 전해질 막이 위치하고 막의 상하 양면에 전자전달 특성이 우수한 금속전극이 입혀진 구조로 이루어져 있으며, 상기 금속 전극에 전계를 가하면 이온성 고분자 막 내부의 양이온 이동에 따라 양이온이 이동하는 쪽의 부피가 팽창하여 양이온 이동 방향의 반대쪽으로 구부러지게 되고, 이러한 막의 특성에 기인하여 전기장 내에서 막의 변형이 일어나게 된다.
본 발명은 이러한 전기 활성 고분자를 포함하는 구동기에 발색단을 첨가 또는 전기 변색 물질을 적층함으로써, 인가되는 전압에 따라 구동기가 동작하고 또 다른 전압에 의해 전기 변색이 조절되는 주위 환경에 보호 및 위장이 가능한 유연 구동기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여
유연 구동기 모듈; 및
상기 전기 활성 고분자 모듈에 적층된 전기변색모듈;을 포함하여, 상기 전기 활성 고분자 모듈에 인가되는 전압으로 인해 작동하고, 상기 전기변색모듈로 인가되는 전압에 의해 변색이 조절되는 환경에 따라 변색 가능한 전기 변색 유연 구동기를 제공한다.
도 2에 본 발명에 의한 환경에 따라 변색 가능한 전기 변색 유연 구동기를 모식적으로 나타내었다. 도 1에서 보는 바와 같이 본 발명에 의한 전기 변색 유연 구동기는 유연 구동기 모듈(100) 및 상기 유연 구동기 모듈과 전기적으로 절연되어 연결되는 전기변색모듈(200)을 포함한다. 본 발명에 있어서, 상기 유연 구동기 모듈(100) 및 전기변색모듈(200)의 적층 순서는 제한되지 않으며, 도 2에서 보는 바와 같이 상기 유연 구동기 모듈(100)의 상부에 전기변색모듈(200)을 적층하거나, 상기 전기변색모듈(200)의 상부에 유연 구동기 모듈(100)을 적층하는 방식이 모두 가능하다.
본 발명에 의한 전기 변색 유연 구동기에 있어서,
상기 유연 구동기 모듈 (100)은
서로 대향 배치되는 제 1 전극(110) 및 제2 전극(130);및
상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 사이에 위치하는 전기활성 고분자(120);을 포함한다.
본 발명에 의한 전기 변색 유연 구동기에 있어서, 상기 전기활성 고분자는 IPMC(Ionic polymer-metal composite)이고, 상기 IPMC는 Nafion, Flemion, Aciplex로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 전기 변색 유연 구동기에 있어서, 상기 유연 구동기 모듈의 상기 제 1 전극(110) 및 제2 전극(130)은 은(Ag), 백금(Pt), 금(Au), 및 팔라듐(Pd)으로 이루어진 군에서 선택된 금속 성분 1종 이상을 포함하는 금속 전극 또는 전기 변색 모듈에서의 색상 변화가 전달될 수 있도록 금속 패턴을 포함하는 그래핀 투명 전극인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 전기 변색 유연 구동기에 있어서,
상기 전기변색모듈(200)은
서로 대향 배치되는 제1 전극(210) 및 제2 전극(240);
상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 사이에 위치하는 전기 변색 물질을 포함하는 전기 변색 층(220);
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에서 상기 전기 변색 층과 접촉하며 전자 수용성 분자(electron accepting molecule)를 포함하는 전해질(230);을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 전기 변색 유연 구동기에 있어서, 상기 전기변색층의 전기 변색 물질은 할로겐족(VIIA), 산소기(VIA), 질소족(VA), 카본족(IVA), 붕소족(IIIA), 알칼리토류(IIA), 알칼리 금속족(IA)의 산화물, 황화물, 염화물, 수산화물 등의 유기/무기 파생물을 용제에 녹여서 제조되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 태양전지 기반 전기 변색 소자에 있어서, 상기 전기변색층의 전기 변색 물질은 환원 발색 무기 물질 또는 산화 발색 무기 물질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 전기 변색 유연 구동기에 있어서, 상기 전기 변색 모듈의 상기 제1 전극(210) 및 제2 전극(240)은 은(Ag), 백금(Pt), 금(Au), 및 팔라듐(Pd)으로 이루어진 군에서 선택된 금속 성분 1종 이상을 포함하는 금속 전극 또는 전기 변색 모듈에서의 색상 변화가 전달될 수 있도록 금속 패턴을 포함하는 그래핀 투명 전극인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 전기 변색 유연 구동기는 또한,
상기 전기 변색 유연 구동기 주위를 촬영하기 위한 촬상 소자;
상기 촬상 소자에 의해 촬영된 상기 디스플레이 장치 주위의 색상에 따라 상기 변색소자의 색상을 결정하여 상기 변색소자를 구동하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 즉, 본 발명에 의한 전기 변색 유연 구동기는 주위를 촬영하기 위한 촬상 소자를 포함하여 주위 색깔에 따라 변색 소자의 색상을 결정하는 것이 가능하다.
본 발명에 의한 전기 변색 유연 구동기의 상기 제어부는 상기 결정된 색상에 따라 상기 변색소자를 구동하는 변색소자 구동부;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 전기 변색 유연 구동기는 전압 인가시 구동되는 전기활성 고분자를 포함하는 유연 구동기 모듈과 전압 인가시 색상이 변색되는 전기 변색 모듈을 일체적으로 적층함으로써 외부 환경에 따라 변색되면서 유연 구동기가 구동됨으로써 소형 로봇등에 응용될 수 있다.
도 1은 전기활성 고분자의 동작 원리를 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명에 의한 전기 변색 유연 구동기 구조의 모식도를 나타낸다.

Claims (8)

  1. 유연 구동기 모듈; 및
    상기 유연 구동기 모듈에 적층된 전기변색모듈;을 포함하는 전기 변색 유연 구동기.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 유연 구동기 모듈은
    서로 대향 배치되는 제 1 전극 및 제2 전극;및
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 사이에 위치하는 전기활성 고분자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 변색 유연 구동기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전기활성 고분자는 IPMC(Ionic polymer-metal composite)인 것을 특징으로 하는 전기 변색 유연 구동기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 IPMC는 Nafion, Flemion, Aciplex로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전기 변색 유연 구동기.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 유연 구동기 모듈의 제 1 전극(110) 및 제2 전극(130)은 은(Ag), 백금(Pt), 금(Au), 및 팔라듐(Pd)으로 이루어진 군에서 선택된 금속 성분 1종 이상을 포함하는 금속 전극 또는 금속 패턴을 포함하는 그래핀 투명 전극인 것을 특징으로 하는 전기 변색 유연 구동기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기변색모듈은
    서로 대향 배치되는 제1 전극 및 제2 전극;
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 사이에 위치하는 전기 변색 물질을 포함하는 전기 변색 층(220);
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에서 상기 전기 변색 층과 접촉하며 전자 수용성 분자(electron accepting molecule)를 포함하는 전해질;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 변색 유연 구동기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 전기변색층의 전기 변색 물질은 할로겐족(VIIA), 산소기(VIA), 질소족(VA), 카본족(IVA), 붕소족(IIIA), 알칼리토류(IIA), 알칼리 금속족(IA)의 산화물, 황화물, 염화물, 수산화물의 유기/무기 파생물을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 변색 유연 구동기.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 전기 변색 모듈의 제1 전극 및 제2 전극은 은(Ag), 백금(Pt), 금(Au), 및 팔라듐(Pd)으로 이루어진 군에서 선택된 금속 성분 1종 이상을 포함하는 금속 전극 또는 금속 패턴을 포함하는 그래핀 투명 전극인 것을 특징으로 하는 전기 변색 유연 구동기.
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