KR20150056334A - 전기 활성 고분자를 이용한 가변 능동형 힌지 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기 활성 고분자를 이용한 능동형 힌지 구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기 활성 고분자 매트릭스를 포함하여 필요에 따라 표면 형태가 변화할 수 있는 전기 활성 고분자를 이용한 능동형 힌지 구조에 관한 것이다.

Description

전기 활성 고분자를 이용한 가변 능동형 힌지 구조{HINGE STRUCTURE USING ELECTROACTIVE POLYMER}

본 발명은 전기 활성 고분자를 이용한 가변 능동형 힌지 구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기 활성 고분자 매트릭스를 포함하여 힌지의 요철 구조를 능동형으로 제어함으로써 필요에 따라 가변적으로 회전 모드와 고정 모드의 선택이 가능한 전기 활성 고분자를 이용한 가변 능동형 힌지 구조에 관한 것이다.

대부분의 피벗 회전하는 물체는, 일반적으로, 고정된 물체에 장착된 힌지 장치를 사용하여 회전하는 것에 의해 개방 및 폐쇄 동작을 행한다. 피벗 회전하는 물체로서는, 예컨대, 도어 패널, 창문, 캐비넷 도어 등이 있다.

이러한 피벗 회전하는 물체에서 고정된 물체와 회전하는 물체의 상대위치를 조절하는데 이용되는 힌지 부품들은 그 형상이 고정이 되어 있어서 힌지의 내외부 간의 회전에 의해 구동이 되고 특정 영역에서는 고정된 형태로 회전이 제한이 되어 있다. 즉, 회전영역 내에서는 특정 위치에 고정하고 싶어도 어느 정도 이상의 외부입력에 대해서는 그 위치가 이동되어 적당히 고정이 되지 못하고, 회전이 제한된 영역으로는 진입이 되지 않아서 충분한 동작 환경을 제공하지 못하는 문제점을 가지고 있었다.

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, 전기 활성 세라믹), 및 EAP(Electro-Active Polymer, 전기 활성 고분자)가 있다.

전기 활성 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. 전기 활성 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. 전기 활성 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.

전기 활성 고분자(EAP)는 작동방식에 따라 외부전압 인가시, 이온의 이동과 확산에 의해 고분자가 수축-팽창 변형을 일으키는 이온성 전기 활성 고분자(ionic EAP)와 전자 분극(polarization) 현상에 의하여 변형이 일어나는 전자성 전기 활성고분자(electronic EAP)로 구분된다. 상기 이온성 전기 활성 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 가변 능동형 힌지 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여

제1 전극;

상기 제1 전극의 상부에 형성되며 격벽으로 구분된 다수의 셀 어레이;

상기 다수의 셀 어레이의 각 셀 내에 포함된 전기 활성 고분자; 및

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

상기 중앙 샤프트 주위에 배치되고, 상기 중앙 샤프트와 접하는 면에 요철부를 포함하는 하우징;

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

상기 전원 공급부를 제어하는 제어부;를 포함하는 전기 활성 고분자를 이용한 능동형 힌지 구조를 제공한다.

본 발명에 의한 능동형 힌지 구조에 있어서, 상기 전기 활성 고분자는 상기 박막의 전기 활성 고분자가 활성화되는 경우 상기 중앙 샤프트의 외주면에 요철을 형성하여 상기 하우징의 상기 중앙 샤프트와 접하는 면에 형성되는 요철부에 수용되어 상기 중앙 샤프트가 고정되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 능동형 힌지 구조에 있어서, 상기 전기 활성 고분자는 IPMC(Ionic polymer-metal composite)인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 능동형 힌지 구조에 있어서, 상기 IPMC는 Nafion, Flemion, Aciplex 로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 능동형 힌지 구조에 있어서, 상기 제1 전극 및 제 2 전극은 그래핀 전극층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 능동형 힌지 구조에 있어서, 상기 그래핀 전극층은 단일층 또는 다층인 것을 특징으로 한다.

도 2 에 본 발명에 의한 능동형 힌지 구조를 모식적으로 나타내었다. 도 2 에서 보는 바와 같이 본 발명에 의한 능동형 힌지 구조는 제1 전극; 상기 제1 전극의 상부에 형성되며 격벽으로 구분된 다수의 셀 어레이; 상기 다수의 셀 어레이의 각 셀 내에 포함된 전기 활성 고분자; 및 상기 다수의 셀 어레이 상부에 형성되는 제2 전극;을 포함하는 박막;을 외주면에 포함하는 중앙 샤프트(100); 및 상기 중앙 샤프트 주위에 배치되고, 상기 중앙 샤프트와 접하는 면에 요철부를 포함하는 하우징(200);을 포함한다.

또한, 본 발명에 의한 능동형 힌지 구조의 상기 중앙 샤프트의 표면에 형성되는 박막(100)은 전원부(500), 제어부(300) 및 상기 제어부의 신호에 따라 상기 박막에 포함되는 전기 활성 고분자(4)의 구동을 유도하는 구동부(400)를 포함한다. 또한, 필요에 따라 상기 전원부에서 인가되는 전압을 조절하여 상기 전기 활성 고분자의 활성화 정도를 조절할 수 있다.

본 발명에 의한 능동형 힌지 구조에 있어서, 상기 전기 활성 고분자는 IPMC(Ionic polymer-metal composite)인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 능동형 힌지 구조에 있어서, 상기 IPMC는 Nafion, Flemion, Aciplex 로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 능동형 힌지 구조에 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 가변형 능동형 힌지 구조에 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 가변형 능동형 힌지 구조의 작동 상태를 나타내었다. 도 3의 (I)에서와 같이 본 발명에 의한 가변형 능동형 힌지 구조는 전원이 인가되지 않은 상태에서는 격벽으로 구분된 다수의 셀 어레이에 포함된 전기 활성 고분자가 활성화되지 않아 중앙 샤프트가 원형상태이므로 회전 가능하다가, 도 3의 (II)에서와 같이 전원이 인가되면, 구동부 및 제어부에 의해 각각의 셀 어레이에 포함된 전기 활성 고분자가 구동되어 상기 중앙 샤프트의 외주면에 요철이 형성되고, 형성되는 요철이 상기 샤프의 주변에 형성되는 하우스의 요철에 수용되면서 상기 중앙 샤프트가 회전하지 못하는 상태로 제어된다. 즉, 상기 중앙 샤프트의 외주면에서 전원이 인가된 A 부분의 경우 전기 활성 고분자가 활성화되고, 전원이 인가되지 않은 B 부분의 경우 전기 활성 고분자가 구동이 되지 않아 매트릭스 표면이 평탄하게 유지되면서 상기 중앙 샤프트의 외주면에 요철을 형성하고, 상기 하우징에 형성되는 요철 부분과 일치되면서 중앙 샤프트의 회전이 불가능하게 조절된다.

본 발명에 의한 전기 활성 고분자를 이용한 능동형 힌지 구조는 전기 활성 고분자의 활성화 여부 및 활성화 정도를 조절하여 중앙 샤프트의 회전 상태 및 고정 상태를 능동적으로 조절할 수 있다.

도 1 은 이온성 고분자-금속 복합재료의 동작 원리를 도시한 개략도이다.
도 2 는 본 발명에 의한 전기 활성 고분자를 이용한 능동형 힌지 구조를 모식적으로 나타내었다.
도 3 은 본 발명에 의한 전기 활성 고분자를 이용한 능동형 힌지 구조의 회전 상태와 고정 상태의 단면을 나타낸다.

Claims (5)

1. 제1 전극;
   상기 제1 전극의 상부에 형성되며 격벽으로 구분된 다수의 셀 어레이;
   상기 다수의 셀 어레이의 각 셀 내에 포함된 전기 활성 고분자; 및
   상기 다수의 셀 어레이 상부에 형성되는 제2 전극;을 포함하는 박막;을 외주면에 포함하는 중앙 샤프트;
   상기 중앙 샤프트 주위에 배치되고, 상기 중앙 샤프트와 접하는 면에 요철부를 포함하는 하우징;
   상기 박막의 제 1 전극 및 제 2 전극에 전원을 공급하여 상기 전기 활성 고분자를 구동시키는 전원 공급부; 및
   상기 전원 공급부를 제어하는 제어부;를 포함하는 전기 활성 고분자를 이용한 능동형 힌지 구조.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 전기 활성 고분자는 제어부에 의하여 제어되는 부위가 활성화되는 경우 상기 중앙 샤프트의 외주면에 요철을 형성하여 상기 하우징의 상기 중앙 샤프트와 접하는 면에 형성되는 요철부에 수용되는 것인 전기 활성 고분자를 이용한 전기 활성 고분자를 이용한 능동형 힌지 구조.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 전기 활성 고분자는 이온성 고분자, 전도성 고분자, 전기유변유체(electrorheological fluids, ERP), 탄소 나노튜브, 고분자겔(ionic polymer gels, IPG), 유전성 고분자, 전기변형(electrostrictive) 고분자, 나노 클레이, 실리카 화합물, IPMC(Ionic polymer-metal composite) 및 이들의 조합물 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 전기 활성 고분자를 이용한 능동형 힌지 구조.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 전극 및 제 2 전극은 그래핀 전극층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 활성 고분자를 이용한 능동형 힌지 구조.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 그래핀 전극층은 단일층 또는 다층인 것을 특징으로 하는 전기 활성 고분자를 이용한 능동형 힌지 구조.

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