KR20150055712A - 전기 활성 고분자를 이용한 노면 순응형 능동 가변 바퀴 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기 활성 고분자를 이용한 노면 순응형 능동 가변 바퀴에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기 활성 고분자 매트릭스를 포함하여 지면 거칠기 등 노면 환경 변화 등에 따라 형태가 변화할 수 있는 전기 활성 고분자를 이용한 노면 순응형 능동 가변 바퀴에 관한 것이다.
본 발명에 의한 전기 활성 고분자를 이용한 가변 입력 장치는 전기 활성 고분자를 격벽으로 구성된 셀 어레이 내에 포함시키고, 매트릭스를 구성하는 각각의 셀 어레이 내의 전기 활성 고분자의 구동을 개별적으로 조절하여, 노면 환경에 따라 능동적으로 가변하는 바퀴의 구현이 가능하다.

Description

전기 활성 고분자를 이용한 노면 순응형 능동 가변 바퀴{ROAD SURFACE ADAPTIVE ADJUSTABLE DRIVING WHEEL USING ELECTROACTIVE POLYMER}

본 발명은 전기 활성 고분자를 이용한 노면 순응형 능동 가변 바퀴에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기 활성 고분자 매트릭스를 포함하여 지면 거칠기 등 노면 환경 변화 등에 따라 형태가 변화할 수 있는 전기 활성 고분자를 이용한 노면 순응형 능동 가변 바퀴에 관한 것이다.

일반적으로 구동장치에 의해 구동하는 회전체는 빠른 구동 속도가 장점인 원형 바퀴를 많이 사용하고 있으나, 원형 바퀴의 회전체는 험로나 계단을 이동할 때 미끄러지는 어려움이 존재하기 때문에, 경사면이나 계단 등의 험로를 이동하는 구동 장치에 의해 구동하는 회전체로는 무한궤도(Caterpillar) 방식이 많이 사용되고 있다.

그러나, 상기 무한궤도는 경사면이나 계단 등의 험로를 이동하는데에는 큰 어려움이 없지만 평지에서 회전할 때에는 원형 바퀴와 같은 회전체가 회전하는 방식보다 이동속도가 느리며 제작이 어렵다는 단점이 있다.

이에 따라 정찰용 로봇과 같이 빠른 주행속도가 확보되어야 하는 구조체의 경우에는 이동속도가 느린 무한궤도 방식 보다는 형태가 가변될 수 있는 가변구동바퀴 및 이를 포함하는 가변구동조립체가 요구된다.

즉, 정찰 로봇 등과 같은 구조체는 평지에서는 일반적인 바퀴 형태의 회전체를 이용하여 주행하다가, 경사면 또는 장애물이 놓여진 험지를 주행하는 경우에는 구조체가 원활하게 험지를 극복하도록 하기 위해서 바퀴의 형태를 일정하게 변화시키는 가변구동조립체의 필요성이 증대되고 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 고분자는 햅틱폰, 햅틱마우스, 카메라 모듈, 평판 스피커, 촉각센서 등으로 응용 가능하며 금속이나 세라믹 등의 재료와는 달리 인체 근육과 비슷한 탄성과 강도를 가지고 있어 인공 근육이나 생체 모방 작동기로써의 응용 가능성 또한 지니고 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 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.

한국 등록 제 10-1262323 호

본 발명은 전기 활성 고분자를 이용한 새로운 개념의 전기 활성 고분자를 이용한 노면 순응형 능동 가변 바퀴를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여

회전가능하게 형성된 주구동부;

상기 주구동부의 외주면에 형성되고,

제1 전극;

상기 제1 전극의 상부에 형성되며 격벽으로 구분된 다수의 셀 어레이;

상기 다수의 셀 어레이의 각 셀 내에 포함된 전기활성 고분자; 및

상기 다수의 셀 어레이 상부에 형성되는 제2 전극;을 포함하는 박막;

상기 박막의 제 1 전극 및 제 2 전극에 전원을 공급하여 상기 전기활성 고분자를 구동시키는 전원 공급부; 및

상기 전원 공급부를 제어하는 제어부;를 포함하는 전기 활성 고분자를 이용한 노면 순응형 능동 가변 바퀴를 제공한다.

본 발명에 의한 노면 순응형 능동 가변 바퀴에 있어서, 상기 전기활성 고분자는 제어부에 의하여 제어되는 부위가 활성화되어 상기 주구동부 외주면에 요철을 형성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 노면 순응형 능동 가변 바퀴에 있어서, 상기 전기 활성 고분자는 IPMC(Ionic polymer-metal composite)인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 노면 순응형 능동 가변 바퀴에 있어서, 상기 IPMC는 Nafion, Flemion, Aciplex 로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 노면 순응형 능동 가변 바퀴에 있어서, 상기 제1 전극 및 제 2 전극은 그래핀 전극층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 노면 순응형 능동 가변 바퀴에 있어서, 상기 그래핀 전극층은 단일층 또는 다층인 것을 특징으로 한다.

도 2 및 도 3 에 본 발명에 의한 노면 순응형 능동 가변 바퀴를 모식적으로 나타내었다.

도 2 에서 보는 바와 같이 본 발명에 의한 노면 순응형 능동 가변 바퀴는 회전가능하게 형성된 주구동부(100) 및 상기 주구동부의 외주면에 형성되는 박막(200)을 포함하고, 상기 박막은 제1 전극(1); 상기 제1 전극의 상부에 형성되며 격벽으로 구분된 다수의 셀 어레이(3); 상기 다수의 셀 어레이의 각 셀 내에 포함된 전기활성 고분자(4); 및 상기 다수의 셀 어레이 상부에 형성되는 제2 전극(5);을 포함한다.

또한, 본 발명에 의한 노면 순응형 능동 가변 바퀴의 상기 박막(200)은 전원부(500), 제어부(300) 및 상기 제어부의 신호에 따라 상기 박막에 포함되는 전기활성 고분자(4)의 구동을 유도하는 구동부(400)를 포함하고, 상기 전원부(500), 제어부(300) 및 상기 제어부의 신호에 따라 상기 박막에 포함되는 전기활성 고분자(4)의 구동을 유도하는 구동부(400)등은 자동차의 전원 장치 및 제어 장치와 연결되는 것이 가능하다. 또한, 운행 조건에 따라 운전자나 조작자가 인가되는 전압을 조절하여 상기 전기활성 고분자의 활성화 정도를 조절할 수 있다.

본 발명에 의한 본 발명에 의한 노면 순응형 능동 가변 바퀴에 있어서, 상기 전기 활성 고분자는 IPMC(Ionic polymer-metal composite)인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 노면 순응형 능동 가변 바퀴에 있어서, 상기 IPMC는 Nafion, Flemion, Aciplex 로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 본 발명에 의한 노면 순응형 능동 가변 바퀴에 있어서, 기본을 이루는 고분자 매트릭스는 Aciplex, Nafion, Flemion 등의 상품명으로 판매되고 있는 말단기가 carboxylic acid 또는 sulfonic acid로 구성된 테프론계 불소화합물을 사용하는 것이 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 의한 노면 순응형 능동 가변 바퀴에 있어서, 상기 제1 전극 및 제 2 전극은 그래핀 전극층으로 구성되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 전기 활성 고분자 매트릭스에 있어서, 상기 그래핀 전극층은 단일층 또는 다층인 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 전기 활성 고분자 매트릭스에 있어서, 상기 그래핀 전극층의 제조 방법은 특별히 한정되지 않으며, 상기 그래핀 전극층의 층수 및 적층 방법을 달리함으로써 투과도 및 전기 전도도를 제어하는 것이 가능하다.

도 3에 본 발명에 의한 노면 순응형 능동 가변 바퀴의 작동 상태를 나타내었다. 도 3의 I)에서와 같이 본 발명에 의한 노면 순응형 능동 가변 바퀴는 전원이 인가되지 않은 상태에서는 격벽으로 구분된 다수의 셀 어레이에 포함된 전기활성 고분자가 이동되지 않다가, 도 3의 II)에서와 같이 전원이 인가되면, 구동부 및 제어부에 의해 각각의 셀 어레이에 포함된 전기활성 고분자의 구동이 제어된다. 즉, 전원이 인가된 A 부분의 경우 전기 활성 고분자가 이동하면서 매트릭스 표면에 요철을 형성하고, 전원이 인가되지 않은 B 부분의 경우 전기활성 고분자가 구동이 되지 않으므로 매트릭스 표면이 평탄하게 유지된다.

도 4에 본 발명에 의한 노면 순응형 능동 가변 바퀴의 다른 실시예를 나타내었다. 본 발명에 의한 노면 순응형 능동 가변 바퀴는 박막의 전극의 형태를 도 4에서 보는 바와 같이 바퀴의 외주면에 대해 사선형태로 형성하거나, 필요에 따라 설계하여 제조하는 것이 가능하다.

본 발명에 의한 전기 활성 고분자를 이용한 노면 순응형 능동 가변 바퀴는 노면 상태 등의 환경에 따라 전기 활성 고분자의 활성화 여부 및 활성화 정도를 조절하여 능동적으로 형태가 가변할 수 있다.

도 1 은 이온성 고분자-금속 복합재료의 동작 원리를 도시한 개략도이다.
도 2 는 본 발명에 의한 전기 활성 고분자를 이용한 노면 순응형 능동 가변 바퀴를 모식적으로 나타내었다.
도 3 은 본 발명에 의한 전기 활성 고분자를 이용한 노면 순응형 능동 가변 바퀴의 작동 상태를 나타낸다.
도 4 는 본 발명의 다른 실시예에 의한 전기 활성 고분자를 이용한 노면 순응형 능동 가변 바퀴의 모식도를 나타내었다.

Claims (6)

1. 회전가능하게 형성된 주구동부;
   상기 주구동부의 외주면에 형성되고,
   제1 전극;
   상기 제1 전극의 상부에 형성되며 격벽으로 구분된 다수의 셀 어레이;
   상기 다수의 셀 어레이의 각 셀 내에 포함된 전기활성 고분자; 및
   상기 다수의 셀 어레이 상부에 형성되는 제2 전극;을 포함하는 박막;
   상기 박막의 제 1 전극 및 제 2 전극에 전원을 공급하여 상기 전기활성 고분자를 구동시키는 전원 공급부; 및
   상기 전원 공급부를 제어하는 제어부;를 포함하는 전기 활성 고분자를 이용한 노면 순응형 능동 가변 바퀴.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 전기활성 고분자는 제어부에 의하여 제어되는 부위가 활성화되어 상기 주구동부 외주면에 요철을 형성하는 것인 전기 활성 고분자를 이용한 노면 순응형 능동 가변 바퀴.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 전기 활성 고분자는 IPMC(Ionic polymer-metal composite)인 것을 특징으로 하는 전기 활성 고분자를 이용한 노면 순응형 능동 가변 바퀴.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 IPMC는 Nafion, Flemion, Aciplex 로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전기 활성 고분자를 이용한 노면 순응형 능동 가변 바퀴.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 전극 및 제 2 전극은 그래핀 전극층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 활성 고분자를 이용한 노면 순응형 능동 가변 바퀴.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 그래핀 전극층은 단일층 또는 다층인 것을 특징으로 하는 전기 활성 고분자를 이용한 노면 순응형 능동 가변 바퀴.

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