KR20150056340A - 전기 활성 고분자를 이용한 가변 날개 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기 활성 고분자를 이용한 전기 활성 고분자를 이용한 가변 날개 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 표면에 전기 활성 고분자 매트릭스를 포함하여 전기 활성 고분자의 활성화 정도를 조절함으로써 공기역학적인 필요에 따라 날개의 형상을 제어할 수 있는 전기 활성 고분자를 이용한 가변 날개 시스템에 관한 것이다.
Description
본 발명은 전기 활성 고분자를 이용한 가변 날개 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 표면에 전기 활성 고분자 매트릭스를 포함하여 전기 활성 고분자의 활성화 정도에 의하여 공기역학적인 필요에 따라 날개의 형상을 제어할 수 있는 전기 활성 고분자를 이용한 가변 날개 시스템에 관한 것이다.
항공기의 효율을 높이고 다양한 운용조건을 충족시키기 위한 해결책으로 가변 형상 항공기 즉, 모핑 항공기 구조(MAS, Morphing Aircraft Structure)에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
모핑 날개의 기능은 크게 두 가지로 나뉜다. 임무나 목적에 적합하도록 날개의 형상을 바꾸거나, 기존의 조종면을 대신하여 기동을 위한 조종력을 얻도록 날개를 변형시키는 기능이 그것이다. 이러한 모핑 비행체는 단일 비행체로 다중 비행 임무가 가능하고, 기존의 조종면으로는 불가능한 기동을 가능하게 하는 등의 기술적 효과를 얻는다.
대표적인 연구동향을 살펴보면, 날개의 스판(Span) 방향의 길이 변화에 따른 후퇴각(sweep back angle)의 변화나 항공기 운용상의 손실 발생 부분을 모핑 날개로 대체함으로써, 그 효율을 극대화시키는 구조 내지는 윙 팁 볼텍스(Wing tip voltex) 최소화를 위한 가변형 윙렛(controllable winglet) 등을 예로 들 수 있다.
그리고, 플랩 모핑과 같은 경우에는 생체근육을 모방한 고무 근육 작동기(rubber muscle actuator)를 적용하는 방식이 있으나, 이는 큰 힘을 내는 데에는 유리하지만 반응속도가 느리다는 점에서 아직 실제 응용 단계까지는 이르지 못하는 것으로 알려져 있다.
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 폴리머)가 있다.
이 중 전기 활성 고분자(EAP)는 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. 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 전기 활성 고분자(EAP) 재료가 개발되었으며 큰 전기에 대해 상대적으로 큰 변위와 힘을 발생하는 특성을 보여주었다.
전기 활성 고분자는 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 활성 고분자(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.
본 발명은 종래의 기계적인 플랩 방식의 날개 구조가 안고 있는 공력 손실의 문제점을 해결하고자 전기 활성 고분자를 이용한 새로운 개념의 가변형 모핑 날개를 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 날개;
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 가변 날개 시스템를 제공한다.
본 발명에 의한 전기 활성 고분자를 이용한 가변 날개 시스템에 있어서, 상기 전기 활성 고분자는 제어부에 의하여 전기 활성 고분자가 활성화되어 날개의 형상의 변형을 일으키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 전기 활성 고분자를 이용한 가변 날개 시스템에 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 한다.
본 발명에 의한 전기 활성 고분자를 이용한 가변 날개 시스템에 있어서, 상기 IPMC는 Nafion, Flemion, Aciplex 로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 전기 활성 고분자를 이용한 가변 날개 시스템에 있어서, 상기 제1 전극 및 제 2 전극은 그래핀 전극층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 전기 활성 고분자를 이용한 가변 날개 시스템에 있어서, 상기 그래핀 전극층은 단일층 또는 다층인 것을 특징으로 한다.
도 2 및 도 3 에 본 발명에 의한 전기 활성 고분자를 이용한 가변 날개 시스템을 모식적으로 나타내었다. 도 2 에서 보는 바와 같이 본 발명에 의한 전기 활성 고분자를 이용한 가변 날개 시스템은 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 날개; 상기 박막의 제 1 전극 및 제 2 전극에 전원을 공급하여 상기 상기 다수의 셀 어레이의 각 셀 내에 포함된 전기 활성 고분자를 구동시키는 전원 공급부; 및 상기 전원 공급부를 제어하는 제어부;를 포함하는 전기 활성 고분자를 이용한 가변 날개 시스템; 을 포함한다.
또한, 본 발명에 의한 전기 활성 고분자를 이용한 가변 날개 시스템(200)은 전원부(500), 제어부(300) 및 상기 제어부의 신호에 따라 상기 박막에 포함되는 전기 활성 고분자(4)의 구동을 유도하는 구동부(400)를 포함한다. 본 발명에 의한 전기 활성 고분자를 이용한 가변 날개 시스템(200)은 또한, 필요에 따라 운전자나 조작자가 인가되는 전압을 조절하여 상기 전기 활성 고분자의 활성화 정도를 조절할 수 있다.
본 발명에 의한 전기 활성 고분자를 이용한 가변 날개 시스템에 있어서, 상기 전기 활성 고분자는 IPMC(Ionic polymer-metal composite)인 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 전기 활성 고분자를 이용한 가변 날개 시스템에 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 전기 활성 고분자를 이용한 가변 날개 시스템에 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 전기 활성 고분자를 이용한 가변 날개 시스템의 작동 상태를 나타내었다. 도 3에서 보는 바와 같이 전기 활성 고분자를 이용한 가변 날개 시스템은 전기 활성 고분자의 활성화 정도를 조절함으로써 날개 전체의 형상을 필요에 따라 조절할 수 있다.
본 발명에 의한 전기 활성 고분자를 이용한 가변 날개 시스템은 표면에 전기 활성 고분자 매트릭스를 포함하여 전기 활성 고분자의 활성화 정도에 의하여 공기역학적인 필요에 따라 날개의 형상을 제어할 수 있다.
도 1 은 이온성 고분자-금속 복합재료의 동작 원리를 도시한 개략도이다.
도 2 는 본 발명에 의한 전기 활성 고분자를 이용한 가변 날개 시스템를 모식적으로 나타내었다.
도 3 은 본 발명에 의한 전기 활성 고분자를 이용한 가변 날개 시스템의 작동 상태를 나타낸다.
도 2 는 본 발명에 의한 전기 활성 고분자를 이용한 가변 날개 시스템를 모식적으로 나타내었다.
도 3 은 본 발명에 의한 전기 활성 고분자를 이용한 가변 날개 시스템의 작동 상태를 나타낸다.
Claims (6)
- 제 1 전극;
상기 제 1 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 날개;
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 가변 날개 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 전기 활성 고분자는 제어부에 의하여 제어되는 부위가 활성화되어 날개의 형상의 변형을 일으키는 것을 특징으로 하는 전기 활성 고분자를 이용한 가변 날개 시스템.
- 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 가변 날개 시스템.
- 제 3 항에 있어서,
상기 IPMC는 Nafion, Flemion, Aciplex 로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전기 활성 고분자를 이용한 가변 날개 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전극 및 제 2 전극은 그래핀 전극층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 활성 고분자를 이용한 가변 날개 시스템.
- 제 5 항에 있어서,
상기 그래핀 전극층은 단일층 또는 다층인 것을 특징으로 하는 전기 활성 고분자를 이용한 가변 날개 시스템.
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| KR1020130139236A KR20150056340A (ko) | 2013-11-15 | 2013-11-15 | 전기 활성 고분자를 이용한 가변 날개 시스템 |
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| KR20150056340A true KR20150056340A (ko) | 2015-05-26 |
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Country Status (1)
| Country | Link |
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| KR (1) | KR20150056340A (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2021261676A1 (ko) * | 2020-06-23 | 2021-12-30 | 한국항공대학교산학협력단 | 제로 포아송 비를 갖는 신축성 형상기억 폴리머 복합재 스킨 |
| WO2022019856A1 (en) * | 2020-07-23 | 2022-01-27 | Tusas- Turk Havacilik Ve Uzay Sanayii Anonim Sirketi | Actuator setup |
-
2013
- 2013-11-15 KR KR1020130139236A patent/KR20150056340A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| WO2021261676A1 (ko) * | 2020-06-23 | 2021-12-30 | 한국항공대학교산학협력단 | 제로 포아송 비를 갖는 신축성 형상기억 폴리머 복합재 스킨 |
| WO2022019856A1 (en) * | 2020-07-23 | 2022-01-27 | Tusas- Turk Havacilik Ve Uzay Sanayii Anonim Sirketi | Actuator setup |
| US12054240B2 (en) | 2020-07-23 | 2024-08-06 | Tusas-Turk Havacilik Ve Uzay Sanayii As | Actuator setup |
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