KR20150056733A - 전기 활성 고분자를 이용한 탄성체 - Google Patents

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전민현
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Abstract

본 발명은 전기 활성 고분자를 이용한 탄성체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 일정 주기를 갖는 교류 전원을 인가함으로써 전기 활성 고분자가 기준면의 양방향으로 주기적으로 활성화 구동되어 스프링, 용수철 등의 부품으로 사용될 수 있는 전기 활성 고분자를 이용한 탄성체에 관한 것이다.

Description

전기 활성 고분자를 이용한 탄성체{ELASTIC BODY USING ELECTROACTIVE POLYMER}
본 발명은 전기 활성 고분자를 이용한 탄성체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 일정 주기를 갖는 교류 전원을 인가함으로써 전기 활성 고분자가 기준면의 양방향으로 주기적으로 활성화 구동되는 전기 활성 고분자를 이용한 탄성체에 관한 것이다.
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.
한국 등록 제 10-1262323 호
본 발명은 전기활성 고분자를 주기적으로 구동하도록 하는 전기 활성 고분자를 이용한 탄성체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여
전기활성 고분자로 이루어진 막;
상기 막의 외부 면에 형성되는 하나 이상의 전극; 및
상기 전극에 상기 전기활성 고분자의 주기적 구동을 위한 교류 신호를 제공하는 구동부; 및
상기 구동부를 제어하는 제어부;를 포함하는 전기 활성 고분자를 이용한 탄성체를 제공한다.
본 발명에 의한 전기 활성 고분자를 이용한 탄성체의 구조 및 동작 원리를 도 2에 나타내었다.
도 2에서 보는 바와 같이 본 발명에 의한 전기 활성 고분자를 이용한 탄성체는 교류 신호를 인가함으로써 전기활성 고분자의 주기적 구동을 일어나게 한다.
본 발명에 의한 전기 활성 고분자를 이용한 탄성체에 있어서, 상기 전극은 격자형 구조인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 전기 활성 고분자를 이용한 탄성체에 있어서, 상기 전극은 전기활성 고분자로 이루어진 막의 일면 또는 양면에 배치되고, 그래핀, 탄소나노튜브를 포함하는 탄소 재료; 탄탈, 알루미늄, 티탄, 니오브, 지르코늄, 비스무트, 규소, 하프늄, 붕소와 주석을 함유하는 티탄계 합금, 크롬과 바나듐을 함유하는 티탄계 합금, 팔라듐과 안티몬을 함유하는 티탄계 합금, 및 티탄을 함유하는 알루미늄계 합금 전극층을 포함하는 금속 재료; MoS2 를 포하마는 반도체성 전이금속 디칼코게나이드(TMD, Transition-Metal Dichalcogenide) 재료:인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 전기 활성 고분자를 이용한 탄성체에 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 탄성체에 있어서, 상기 IPMC는 Nafion, Flemion, Aciplex 로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 전기 활성 고분자를 이용한 탄성체는 교류 전원을 인가하여 전기 활성 고분자가 주기적으로 구동하도록 함으로써 스프링 또는 용수철 역할을 수행하는 부품으로 사용되는 것이 가능하다.
도 1은 전기 활성 고분자의 작동 원리를 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 3 은 본 발명에 의한 전기 활성 고분자를 이용한 탄성체의 구조 및 작동 원리를 나타내는 도면이다.

Claims (4)

  1. 전기활성 고분자로 이루어진 막;
    상기 막의 외부 면에 형성되는 하나 이상의 전극; 및
    상기 전극에 상기 전기활성 고분자의 구동을 위한 교류 신호를 제공하는 구동부; 및
    상기 구동부를 제어하는 제어부;를 포함하는 전기 활성 고분자를 이용한 탄성체
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극은 격자형 구조인 것을 특징으로 하는 전기 활성 고분자를 이용한 탄성체
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극은 전기활성 고분자로 이루어진 막의 일면 또는 양면에 배치되고, 그래핀, 탄소나노튜브를 포함하는 탄소 재료; 탄탈, 알루미늄, 티탄, 니오브, 지르코늄, 비스무트, 규소, 하프늄, 붕소와 주석을 함유하는 티탄계 합금, 크롬과 바나듐을 함유하는 티탄계 합금, 팔라듐과 안티몬을 함유하는 티탄계 합금, 및 티탄을 함유하는 알루미늄계 합금 전극층을 포함하는 금속 재료; MoS2 를 포하마는 반도체성 전이금속 디칼코게나이드(TMD, Transition-Metal Dichalcogenide) 재료:인 것을 특징으로 하는 전기 활성 고분자를 이용한 탄성체
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전기활성 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 탄성체.

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