KR20150107815A - 다층 전기기계 변환기의 제조 방법 - Google Patents

다층 전기기계 변환기의 제조 방법 Download PDF

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옌스 크라우제
히리스티안 그라프
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Abstract

본 발명은, 하나 이상의 유전체 엘라스토머 필름(10, 16, 22, 30, 46)을 제공하는 단계, 적용 단계에서 엘라스토머 필름(10, 16, 22, 30, 46)의 하나 이상의 제1 부분(16.1, 16.4, 22.1)에 하나 이상의 전극 층(12, 18, 20, 24, 26, 28, 42)을 적용하는 단계, 엘라스토머 필름(10, 16, 22, 30, 46)을, 제1 플레이트(2.1) 및 제2 플레이트(2.2)를 갖는 폴딩 장치(2)의 수용 표면(4) 상에 배열하는 단계, 엘라스토머 필름(10, 16, 22, 30, 46)을 수용 표면(4) 상에 고정시키는 단계, 폴딩 단계에서 전극 층(12, 18, 20, 24, 26, 28, 42)이 엘라스토머 필름(10, 16, 22, 30, 46)의 제1 부분(16.1, 16.4, 22.1)과 엘라스토머 필름(10, 16, 22, 30, 46)의 제2 부분(16.2, 16.3, 22.3) 사이에 배열되도록 하는 방식으로 제1 플레이트(2.1)를 제2 플레이트(2.2)에 대해 폴딩함으로써 엘라스토머 필름(10, 16, 22, 30, 46)의 제1 부분(16.1, 16.4, 22.1)을 엘라스토머 필름(10, 16, 22, 30, 46)의 추가의 부분(16.2, 16.3, 22.3) 상에 폴딩하는 단계를 갖는, 하나 이상의 다층 전기기계 변환기(44)를 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

다층 전기기계 변환기의 제조 방법 {METHOD FOR PRODUCING A MULTILAYER ELECTROMECHANICAL TRANSDUCER}
본 발명은 다층 전기기계 변환기의 제조 방법, 전기기계 변환기, 전기기계 변환기를 포함하는 부품, 전기기계 변환기의 용도 및 전기기계 변환기의 제조를 위한 장치에 관한 것이다.
전기기계 변환기는 전기 에너지를 기계 에너지로, 또한 그 반대로 전환시킨다. 이들은 센서, 액츄에이터 및/또는 발전기의 구성 부품으로서 사용될 수 있다.
이러한 변환기의 기본적 구성은 전기활성 중합체 (EAP)로 이루어진다. 구성 원리 및 작동 방식은 전기 커패시터의 경우와 유사하다. 전압이 인가되는 2개의 전도성 플레이트, 즉 전극 사이에 유전체가 존재한다. 그러나, EAP는 전계에 의존하는 방식으로 변형되는 확장성 유전체이다. 더욱 구체적으로, 이들은, 예를 들어 WO 01/006575에 기재된 바와 같이 높은 전기 저항을 갖고 양면 상에 높은 전도도를 갖는 확장성 전극 (전극)으로 코팅된, 통상적으로 필름 형태의 유전체 엘라스토머 (DEAP; 유전체 전기활성 중합체)이다. 이러한 기본적 구성은 센서, 액츄에이터 또는 발전기의 제조를 위해 폭넓게 다양한 상이한 배열로 이용될 수 있다. 단층 구성 뿐만 아니라, 다층 전기기계 변환기가 또한 공지되어 있다.
액츄에이터, 센서 및/또는 발전기 등의 용도에 따라, 이러한 변환기 시스템에서의 탄성 유전체로서의 전기활성 중합체는 상이한 전기적 및 기계적 특성을 갖는다.
전기적 특성으로서, 이들은, 유전체의 높은 내부 전기 저항, 높은 유전 강도, 전극의 높은 전기 전도도 및 적용 주파수 범위에서의 높은 유전 상수를 공유한다. 이들 특성은 전기활성 중합체로 충전된 부피 내에서의 다량의 전기 에너지의 장기간 저장을 가능하게 한다.
공유되는 기계적 특성은 충분히 높은 파단 신율, 낮은 영구 신율 및 충분히 높은 압축/인장 강도이다. 이들 특성은 에너지 변환기에 대한 기계적 손상 없이 충분히 높은 탄성 변형성을 보장한다.
"장력 하에" 작동되는, 즉, 작동 동안 인장 응력에 놓이는 전기기계 변환기에서는, 이들 엘라스토머가 임의의 영구 신율을 갖지 않는 것이 특히 중요하다. 특히, 유동 또는 "크리프(creep)"가 일어나지 않아야 하는데, 이는 그렇지 않으면 특정 수의 신장 사이클 후에 임의의 기계적 복원력이 더이상 존재하지 않고, 그 결과 임의의 전지활성 효과가 더이상 존재하지 않기 때문이다. 따라서, 엘라스토머는 기계적 하중 하에 임의의 응력 완화를 나타내지 않아야 한다.
장력 방식의 전기기계 변환기에서는, 높은 파단 신율 및 낮은 인장 탄성률을 갖는 고도로 가역적인 확장성을 갖는 엘라스토머가 요구된다. 이러한 전기기계 변환기에 대해, 상대 유전율 εr, 절대 유전율 ε0, 강성도 Y 및 필름 두께 d와 전기 전압 U 하에, 유전 상수 및 제곱에의 인가 전압 및 탄성률에의 반비례에 대한 확장성은 하기 방정식에 따른 신율 sz를 나타내는 것으로 문헌으로부터 공지되어 있다.
Figure pct00001
또한, 최대 가능한 전기 전압은 파괴 강도에 의존한다. 여기서, 낮은 파괴 강도는 단지 낮은 전압이 인가될 수 있다는 결과를 갖는다. 전극의 정전 인력에 기인하는 확장성을 계산하기 위해 방정식에 전압 값의 제곱이 도입되기 때문에, 파괴 강도는 바람직하게는 상응하게 높다.
이에 대한 선행 기술로부터 공지된 방정식은 문헌 [Federico Carpi, Dielectric Elastomers as Electromechanical Transducers, Elsevier, page 314, equation 30.1] 및 유사하게 또한 [R. Pelrine, Science 287, 5454, 2000, page 837, equation 2]에서 찾아볼 수 있다. 상기 단락으로부터의 방정식은 유전체 엘라스토머 액츄에이터의 작동을 위한 매우 중요한 특성을 명확히 한다: 층 두께 d가 낮을수록, 보다 작은 작동 전압의 액츄에이터는 동일한 전계 강도를 가질 수 있다. 그러나, 동시에 두께 방향으로 가능한 절대 변형 진폭은 또한 층 두께 범위 내에 있다.
이러한 문제에 대한 한가지 해결책은 1997년으로부터의 조기 공개에서 펠린(PELRINE) 등에 의해 이미 나타나 있다: 압전 적층 액츄에이터와 유사하게, 개개의 층은 하나가 다른 하나의 상부에 적층될 수 있다 (문헌 [R. E. PELRINE, R. KORNBLUH, J. P. JOSEPH and S. CHIBA. "Electrostriction of polymer films for microactuators", in: Micro Electro Mechanical Systems, 1997. MEMS '97, Proceedings, IEEE., Tenth Annual International Workshop on (1997), p. 238-243.]). 이들 층은 병렬로 전기적으로 연결되어 있고, 이는 낮은 작동 전압 U에도 불구하고 각각의 층 상에 비교적 높은 전계 강도 E가 존재함을 의미한다. 반면, 기계적 관점에서, 액츄에이터 층은 직렬로 연결되어 있고; 개개의 변형은 부가적이다. 펠린 등이 나타낸 적층물은 4개 층의 유전체 및 전극을 가졌고, 이는 수동으로 제조되었다. 전극 층은 바람직하게는, 분무 마스크, 잉크젯 인쇄 및/또는 스크린 인쇄의 경우에는 스크린에 의해 달성될 수 있는 특정 구조를 갖는다.
전극 층으로 코팅된 엘라스토머 필름이 롤링 업하는 경우에도 유사한 효과가 달성될 수 있다. 이러한 경우에, 변형력은 더이상 인가된 전계의 방향으로 이용되지 않고, 그에 직각 방향으로 사용된다. 이에 대한 두가지 원리가 공지되어 있다:
단포스 폴리파워(Danfoss Polypower)사에서는 파형 EAP 물질을 사용하여 코어가 없는 롤링된 액츄에이터를 구성하고 (문헌 [Tryson, M., Kiil, H.-E., Benslimane, M.: Powerful tubular core free dielectric electro activate polymer (DEAP) 'PUSH' actuator; Electroactive Polymer Actuators and 장치s (EAPAD), Proc. of SPIE Vol. 7287, 2009.]; EMPA (문헌 [Zhang, R., Lochmatter, P., Kunz, A., Kovacs, G.: Spring Roll Dielectric Elastomer Actuators for a Portable Force Feedback Glove; Smart Structures and Materials, Proc. of SPIE Vol. 6168, 2006.])에서는, EAP 물질에 통합 나선형 스프링의 보조 하에 예비응력을 가하였다. 후자의 원리의 경우의 단점은 EAP 물질에서의 기계적 결함에 대한 높은 감수성이다. 코어가 없는 액츄에이터의 경우에 액츄에이터 효과는 단지 둘레가 강성인 전극에 기인한다.
모든 방법의 경우에 적층 액츄에이터 또는 다층 전기기계 변환기 제조에서의 큰 도전문제는 다수의 유전체 층 및 전극 층의 무결함 및 무오염 적층이다. 카르피(CARPI) 등은 이러한 문제에 대한 해결책으로서 튜브의 절개를 규명하였다. 유전체는 실리콘 튜브 형태이다. 이 튜브를 나선형 방식으로 절개하고, 이어서 절단면을 전도성 물질로 피복하고, 이어서 이들이 전극으로서 작용한다 (문헌 [F. CARPI, A. MIGLIORE, G. SERRA and D. DE ROSSI. "Helical dielectric elastomer actuators", in: Smart Materials and Structures 14.6 (2005), p. 1210 -1216]).
추크(CHUC) 등은, 원칙적으로 카르피에 따른 폴딩에 기초한 자동화된 방법을 제시하였다 (문헌 [N. H. CHUC, J. K. PARK, D. V. THUY, H. S. KIM, J. C. KOO "Multi-stacked artificial muscle actuator based on synthetic elastomer". In: Proceedings of the 2007 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems San Diego, CA, USA, Oct 29 - Nov 2, 2007 (2007), p. 771.]). 그러나, 여기서 유전체 필름은 각각 단지 1회 폴딩된다. 카르피 등 및 추크 등의 적층 액츄에이터는 인장력을 흡수하도록 디자인되지 않는다. 정전력이 단지 인접 전극의 외부로부터 외부까지 도달하기 때문에, 전극 내에 힘이 존재하기 않아, 적층 액츄에이터의 적층분리 위험이 있다. 코박스(KOVACS) 및 뒤링(DUERING)은, 매우 얇은 카본 블랙 층의 제조 기술을 개발하였다. 이에 따라 제조된 전극은 1차 입자의 1개 층으로만 이루어진다고 한다. 이러한 단층은 인접한 양쪽 전극에 대하여 정전력을 축적하고, 그 결과, 또한 인장력을 흡수할 수 있다 (문헌 [G. KOVACS and L. DUERING]. "Contractive tension force stack actuator based on soft dielectric EAP". In: Electroactive Polymer Actuators and Devices (EAPAD) 2009. Published by Y. BAR-COHEN and T. WALLMERSPERGER. Vol. 7287. 1. San Diego, CA, USA: SPIE, 2009, 72870A -15.]).
지금까지 제시된 카르피 등, 추크 등 및 코박스 및 뒤링의 적층 액츄에이터 개념에 공통적인 특징은, 이들이 높은 힘의 생성을 위한 큰 편향을 갖는 액츄에이팅 드라이브로서 디자인된다는 것이다. 이들 두가지 기본 구성 중, 3D 다층 구조에 기초한 적층 액츄에이터는, 전기적 입력 에너지의 기계적 일로의 가장 효율적인 전환을 가능하게 한다 (전계와 확장 방향 사이의 구성 방식에 의해 이렇게 달성된 병렬성으로 인해). 또한, 폴딩 방법에 대한 설명은 DE 10 2008 002 495에서 찾아볼 수 있다. 존재하는 단점은, 전극 층이 처음부터 끝까지 편평하고, 그 결과 매우 높은 전도성을 가져야 한다는 것이다. 각각의 층은 또한 매우 정확히 하나가 다른 하나의 상부에 놓여야 하고, 이는 이러한 유형의 폴딩 방법에서 층 수가 많아짐에 따라 점점 더 어려워진다. 이에 대한 이유로는, 다층 변환기의 폴딩 연부에 비드 형태의 연부 영역이 나타나는 것이 있다.
다층 액츄에이터 또는 다층 변환기는 확장, 인장 및 굴곡 하에 작동될 수 있다. 또한, 액츄에이터에는 추가로 복원 스프링이 장착될 수 있음이 공지되어 있다.
그러나, 선행 기술에 따른 변환기는 불충분하게 적합화된 엘라스토머, 부적절한 산업-기반 제조 기술 및 부적절한 장기간 안정성에 기인하는 세가지 주요 단점을 갖는다. 언급된 모든 방법의 단점은, 층들 (전극 층 및 엘라스토머 층)이 서로 단지 약하게 접착되고, 방법에서 연속적인, 정확하게 맞춤 방식으로 함께 구조화된 전극 세그먼트를 접합하는 것이 단지 매우 느리게, 또한 그에 따라 비생산적으로 가능하거나, 또는 활성 표면의 강한 변위를 유도한다는 것이다. 높은 편향은 다수의 층을 필요로 하기 때문에, 방법은 이들을 거의 결함 없이 하나를 다른 하나의 상부에 적층시킬 수 있어야 한다.
선행 기술의 또 다른 단점은, 기재된 경우에서, 추가의 단계에서 적층물의 층들 사이에, 또는 큰 표면적으로 직접 구조화된 전극이 적용되어야 한다는 것이다. 첫번째 경우에는, 추가의 방법 단계가 필수적이고, 이는 정확하게 정합 위치에서(in register) 적층되는 것을 막는다. 후자의 경우에는, 전극 면적이 매우 커서 매우 높은 전도성이 요구된다. 이것이 기술적으로 가능할지라도, 이러한 전극은 확장, 인장 또는 굴곡을 포함한 몇몇 로딩 사이클 후에 매우 빠르게 그의 전도성을 손실한다. 언급된 방법의 추가의 단점은, 비-폴리우레탄-기재의 용액이 매우 약한 층상 어셈블리를 형성하고, 이는 함께 접착 접합되지 않는다는 것이다. 층들은 일체식(monolithic)으로 구성되지 않는다. 따라서, 층들이 100개 미만의 로딩 사이클 후에 종종 분리될 수 있고, 즉, 층들의 적층분리가 일어나거나, 또는 이어서 형성되는 경계 층들이 정전 인력의 축적을 막는다. 폴리우레탄에 대하여 이러한 방법은 또한 아직 공지되지 않았다. 특히, 높은 장기간 안정성을 보장하는, 또한 작은 구조화된 전극 면적과, 적층분리 및 층의 분리가 없는 고속 산업적 적층 방법을 개발할 필요성이 존재한다.
선행 기술의 상기에 언급된 어떠한 접근도, 강한 접착 또는 심지어 일체식 구조의 층이 존재하거나 가능하지 않기 때문에, 적층분리가 없는, 또한 무결함 적층에 적합하지 않다. 시스템은 또한 연속적 또는 반복적 방법으로 제조되지 않는다.
미공개 특허 출원 EP 12174858.6에는, 새로 제조된 폴리우레탄 필름을 직후에 전극 층과, 또한 반복적으로 다시 폴리우레탄 층 등과 반응시켜 적층 액츄에이터를 제조하는 접근이 기재되어 있다.
선행 기술의 단점은, 미공개 특허 출원 EP 12173770.4에 기재된 바와 같은, 훨씬 더 저렴하고 빠른 폴리우레탄 필름의 롤-투-롤(roll-to-roll) 제조가 이용가능하지 않다는 것이다. 또 다른 단점은, 이것이, 각각의 층이 100% 전환까지 도달하지 않는 화학적 방법이라는 것이다. 접착이 층들의 불완전한 반응을 통해 달성되고, 따라서 또한 모든 단계에서 흡인에 의한 휘발성의 독성 이소시아네이트의 제거를 필요로 한다. 따라서, 목적은, 유전체 제조의 화학적 방법, 또한 필요한 경우에 전극 층 제조의 화학적 방법이 기계적 적층 단계와 분리되는 것이었다.
선행 기술에 기재된 모든 방법의 단점은, 롤-투-롤 방법에서 별도로 제조된 엘라스토머 필름이, 예를 들어, 랩핑에 의해 롤-투-롤 방법을 이용하여 서로 빠르게 접합될 수 있고/거나 자동 적층에 의해 서로 접합될 수 있을지라도, 층들이 서로 충분히 강하게 접착되지 않아 적층분리되기 때문에, 엘라스토머 기재의 다층 전기기계 변환기를 제조하는 것이 가능하지 않다는 것이다.
예를 들어 실리콘 필름에 대한 대안적 가능성은, 층들을 서로 접착 접합시키는 것이다. 그러나, 이것의 단점은, 접착 단계가 방법에서 추가의 단계이고, 통상적으로 그 후에 건조가 이어진다는 것이다. 여기서 또 다른 단점은, 상이한 특성을 갖는 추가의 경계 층이 층들 사이에 형성된다는 것이다. 이전과 같이, 각각의 층들을 정확히 하나를 다른 하나의 상부에 접합시키는 것이 해결되지 않는다.
선행 기술에서는, 지금까지 매우 증가된 엑츄에이터 효과 (즉, 확장)를 제공하는 엘라스토머 층의 예비-신장이 IPN 기술의 이용에 의해서만 수행되었다. 또한 이는 피해야 하는 시간-집약적 화학적 방법을 포함한다는 것이 단점이다. 본 발명의 목적은, 필름의 예비-신장이 가능하도록 보장하는 것으로 의도된다.
현재 이용가능한 제조 방법은 통상적으로 단지 단일 변환기, 예컨대 적층 액츄에이터의 제조에 대해 디자인된 것이며, 이는 상당한 제조 시간을 초래한다. 따라서, 다수의 변환기의 동시 구성을 가능하게 하는 병행 제조 방법에 대한 필요성이 존재한다.
전극-코팅된 엘라스토머 필름의 제조 방법이 전기기계 변환기의 제조와 분리되는 경우, 이후에 매우 연성인 필름의 적층 동안 불가피한 허용치가 가능한 전기적 절연파괴 (단축된 연면 거리), 실제로 요망되는 액츄에이터 효과에 대해 불리하게 겹쳐지는 원치않는 굽힘 모멘트, 및 또한 개개의 액츄에이터 필름의 접촉을 확립하는 것의 실패를 초래한다.
가능한 한 강성 구조 내에 혼입되는 적절한 레지스터 마크 (다단 잉크 인쇄 방법과 비교)는, 화학적 제조와 기계적 제조 사이의 경계면이 엘라스토머 필름의 정확한 배치 및 적층이 보장되게 하도록 의도된다. 단지 전극이 기계적 적층 공정 동안 적용되는 경우, 광학적 레지스터 마크가 적용되어야 하거나, 또는 전극 코팅 및 적층의 방법 단계가 "하나의 셋업"에서 수행되어야 한다.
따라서, 본 발명은, 적어도 부분적으로 상기 언급된 단점들을 감소시키고, 특히 보다 적은 제조 시간 및 보다 낮은 고장률을 갖는 개선된 제조를 가능하게 하는 전기기계 변환기의 제조 방법을 제공하는 목적에 기초한다.
추론되는, 또한 상기에 제시된 목적은, 제1항에 따른 방법에 의한 본 발명의 하나의 측면에 따라 달성된다. 하나 이상의 다층 전기기계 변환기의 제조 방법은,
- 하나 이상의 유전체 엘라스토머 필름을 제공하고,
- 적용 단계에서 적어도 엘라스토머 필름의 제1 부분 상에 하나 이상의 전극 층을 적용하고,
- 엘라스토머 필름을, 제1 플레이트 및 하나 이상의 제2 플레이트를 갖는 폴딩 장치의 수용 표면 상에 배열하고,
- 엘라스토머 필름을 수용 표면 상에 고정시키고,
- 폴딩 단계에서 전극 층이 엘라스토머 필름의 제1 부분과 엘라스토머 필름의 제2 부분 사이에 배열되도록 하는 방식으로 제1 플레이트를 제2 플레이트에 대해 폴딩함으로써 엘라스토머 필름의 제1 부분을 엘라스토머 필름의 추가의 부분 상에 폴딩하고,
- 다수의 폴딩된 엘라스토머 필름을 적층시켜 전기기계 변환기의 전체 높이를 증가시키는 것
을 포함한다.
선행 기술과 달리, 본 발명의 교시에 따르면, 적은 제조 시간을 갖는 다층 전기기계 변환기의 개선된 제조 방법이 제공된다. 특히 특수한 폴딩 장치에 의해, 용이한 방식으로 엘라스토머 필름의 고정 및 엘라스토머 필름의 폴딩을 수행함으로써, 복수의 유전체 층 및 전극 층을 정확히 정합 위치에서 하나를 다른 하나의 상부에 배치하는 것에 의해 다층 전기기계 변환기가 (실질적으로) 결함 없이, 또한 오염 없이 제조될 수 있다. 특히, 다층 전기기계 변환기의 산업적 제조가 수행될 수 있다.
먼저, 하나 이상의 유전체 엘라스토머 필름 또는 엘라스토머 층이 제공된다. 유전체 엘라스토머 층은 바람직하게는 비교적 높은 유전 상수를 갖는다. 추가로, 유전체 엘라스토머 층은 바람직하게는 높은 기계적 강성도를 갖는다. 유전체 엘라스토머 층은 특히 액츄에이터 용도로 사용될 수 있다. 그러나, 유전체 엘라스토머 층은 센서 또는 발전기 용도로도 유사하게 적합하다.
또한, 유전체 엘라스토머 필름은 바람직하게는, 폴리우레탄 엘라스토머, 실리콘 엘라스토머, 아크릴레이트 엘라스토머 (예를 들어, 에틸렌 비닐 아세테이트), 플루오로고무, 비-가황 고무, 가황 고무, 폴리우레탄, 폴리부타디엔, NBR 또는 이소프렌 및/또는 폴리비닐리덴 플루오라이드를 포함하는 합성 엘라스토머의 군으로부터 선택된 물질을 포함한다. 폴리우레탄 엘라스토머를 사용하는 것이 바람직하다.
제공된 엘라스토머 필름은 적어도 제1 부분 및 추가의 또는 제2 부분을 갖는다. 예를 들어, 엘라스토머 필름은 본질적으로 동일한 크기의 두 부분으로 분할될 수 있다. 적용 단계에서는, 하나 이상의 전극 층을 적어도 제1 부분, 특히 적어도 제1 부분의 상면에 적용한다. 양면에 대한 적용를 수행할 수도 있다.
전극 층, 다시 말해서 전기 전도성 층은, 바람직하게는 금속, 금속 합금, 전도성 올리고머 또는 중합체, 전도성 산화물, 전도성 충전제 및/또는 전도성 충전제로 충전된 중합체를 포함하는 군으로부터 선택된 물질로부터 형성될 수 있다. 특히 적합한 물질은, 탄소 기재의 물질 또는 금속, 예를 들어 은, 구리, 알루미늄, 금, 니켈, 아연 또는 다른 전도성 금속 및 물질 기재의 물질이다. 금속은 바람직하게는 염, 용액, 분산액, 에멀젼 또는 전구체 형태로 적용될 수 있다. 일련의 층들이 각각 서로 접착되도록 접착을 조정할 수 있다.
전극 층의 적용 후에 또는 전극 층의 적용 전에 이미, 엘라스토머 필름을 폴딩 장치의 수용 표면 상에 배열할 수 있다. 폴딩 장치는 플래이트 형태를 갖는다. 특히, 폴딩 장치는 2개 이상의 플레이트를 갖는다.
바람직한 실시양태에 따르면, 제1 플레이트는 제2 플레이트에 이동가능하게 연결될 수 있다. 제1 플레이트 및 제2 플레이트는 특히 힌지 장치에 의해 연결될 수 있다.
두 플레이트는 바람직하게는, 하나 이상의 힌지 장치에 의해 이동가능하게 서로 연결된다. 특히, 두 플레이트는, 초기 위치에서 두 플레이트가 (평평한) 평면을 형성하고, 최종 위치에서 제1 플레이트가 제2 플레이트 상에 (또는 그 반대로) 놓이는 방식으로 서로 연결될 수 있다. 제1 플레이트는 제1 부분적 수용 표면을 갖고, 제2 플레이트는 제2 부분적 수용 표면을 갖는다. 단지 두 플레이트만이 존재하는 경우, 제1 부분적 수용 표면 및 제2 부분적 수용 표면이 폴딩 장치의 수용 표면을 형성한다.
폴딩 장치는 2개 초과의 플레이트를 가질 수 있고, 여기서 추가의 플레이트가 예를 들어 힌지 장치에 의해 하나 이상의 추가의 플레이트에 연결되고, 부분적 수용 표면을 가질 수 있음은 명백하다. 힌지 장치에 대한 대안으로 또는 그에 추가로, 예를 들어 스트립 연결이 사용될 수도 있다.
수용 표면은 유전체 엘라스토머 필름을 고정하도록 (특히 가역적으로) 디자인된다. 특히, 수용 표면, 예를 들어 다공성 플라스틱 (예를 들어 테플론(Teflon) 기재의)은, 수용 표면 상에 배열된 엘라스토머 필름을 폴딩 장치 상에 고정시키기 위해 음압, 예를 들어 진공을 생성하도록 디자인될 수 있다. 예를 들어, 음압이 생성될 수 있는 오목부가 수용 표면 내에 제공될 수 있다. 이들 오목부는 선택적 고정을 위해 세그먼트화 방식으로 제공될 수 있다. 고정은, 엘라스토머 필름의 제1 부분이 제1 부분적 수용 표면 상에 고정되고, 엘라스토머 필름의 하나 이상의 추가의 부분이 제2 부분적 수용 표면 상에 고정되는 방식으로 수행될 수 있다. 바람직하게는 음압에 의해 필름의 고정을 수행함으로써, 엘라스토머 필름이 (실질적으로) 폴드 없이 고정되고, 이것이 이후에 폴딩될 수 있다. 폴딩 장치는 특히, 심지어 작은 층 두께를 갖는 엘라스토머 필름도 확실히, 또한 (실질적으로) 폴드 없이 고정될 수 있다는 사실을 특징으로 한다. 엘라스토머 필름은 0.1 ㎛ 내지 1000 ㎛, 바람직하게는 1 ㎛ 내지 500 ㎛, 특히 바람직하게는 5 ㎛ 내지 200 ㎛, 또한 가장 특히 바람직하게는 10 ㎛ 내지 100 ㎛의 층 두께를 가질 수 있다. 엘라스토머 필름은 단층으로서 형성될 수 있다. 엘라스토머 필름은 바람직하게는 다층 형태일 수 있다. 특히, 엘라스토머 필름은 2층 형태일 수 있다. 다층 형태는 가능한 결함이 제거될 수 있게 한다.
2개 이상의 플레이트를 갖는 수용 표면 상의 엘라스토퍼 필름의 고정 후, 엘라스토머 필름을 폴딩하는데, 여기서는 제1 플레이트를 제2 플레이트에 대해 폴딩하거나 스윙이동시킨다. 층들을 정확히 정합 위치에서 하나를 다른 하나의 상부에 접합시키는 것이 가능해진다. 힌지 장치가 존재하는 경우, 하나 이상의 힌지 장치에 기초하여 특히 180° 선회 이동이 수행될 수 있다. 예를 들어, 제1 플레이트를 제2 플레이트 상으로 스윙이동시킬 수 있거나, 또는 제2 플레이트를 제1 플레이트 상으로 스윙이동시킬 수 있다. 여기서 플레이트 사이의 연결이 절대적으로 필수적인 것은 아니다. 이는 특히, 전극 층이 본질적으로 엘라스토머 필름의 제1 부분과 엘라스토머 필름의 제2 부분 사이에 배열되는 방식으로 수행될 수 있다. 다시 말해서, 하나 이상의 전극 층의 양면을 엘라스토머로 피복한다.
특히, 상기에 기재된 방법에 의해, ASTM D 149-97a에 따른 > 40 V/㎛, 특히 바람직하게는 > 60 V/㎛, 가장 특히 바람직하게는 > 80 V/㎛의 파괴 강도, ASTM D 257에 따른 > 1.5E10 옴 m, 바람직하게는 > 1E11 옴 m, 특히 바람직하게는 > 5 E12 옴 m, 가장 특히 바람직하게는 >1E13 옴 m의 전기 저항, ASTM D 150-98에 따른 > 5 (0.01 내지 1 Hz에서)의 유전 상수, < 100 ㎛의 유전체 필름의 층 두께 (단층으로서 계산됨), 또한 바람직하게는 > 2 및 < 100,000개의 층을 갖는 전기기계 변환기가 제조될 수 있다.
적어도 엘라스토머 필름의 제1 부분의 전극 층으로의 코팅은 전체 표면적 상에서 수행될 수 있다. 본 발명에 따른 방법의 제1 실시양태에 따르면, 하나 이상의 전극 층은 구조화된 전극 층 또는 세그먼트화된 전극 층일 수 있다. 다시 말해서, (특수한) 미리 한정가능한 기하학적 구조가 단지 엘라스토머 필름의 제1 부분의 표면의 부분적 영역 내에서 적용될 수 있다. 전극 층은 예를 들어 전계 생성을 위한 전극 및 특정 전위 인가를 위한 또는 특정 전위 탭핑(tapping)을 위한 단자 러그에 의해 형성될 수 있다. 단면의 적합한 치수조절에 의해, 전극 층의 기하학적 구조가 휴즈 요소로서 사용될 수 있고, 이것에 의해 전기 절연파괴의 경우에 흐르는 전류가 전극을 승화시키고, 이로써 이러한 결함 액츄에이터 필름을 전기적으로 불활성화시킨다.
전극 층은 바람직하게는, 분무, 붓기, 나이프-코팅, 브러싱, 인쇄, 증착, 스퍼터링 및/또는 플라즈마 CVD에 의해 엘라스토머 층의 제1 부분에 적용될 수 있다. 특히, 적합한 적용 장치, 예컨대 분무 장치, 인쇄 장치, 롤링 장치 등이 제공될 수 있다. 여기서 예로 들 수 있는 인쇄 방법은 잉크젯 인쇄, 플렉소그래픽 인쇄 및 스크린 인쇄이다. 전극 층, 특히 구조화된 전극 층은 적어도 제1 폴딩 단계 전에 엘라스토머 필름에 용이한 방식으로 적용될 수 있다.
추가의 실시양태에서는, 전극 층을 결합제와 혼합할 수 있다. 이는 다층 전기기계 변환기의 층들의 기계적 응집을 향상시킨다. 또한, 전극 층을 바람직하게는 폴딩 단계 전에 건조시킬 수 있다.
비교적 큰 확장성 또는 비교적 큰 액츄에이터 효과를 갖는 전기기계 변환기를 얻기 위해, 본 발명에 따른 방법의 특히 바람직한 실시양태에 따르면, 전극 층의 적용 전에 엘라스토머 필름을 예비-신장시킬 수 있다. 대안으로 또는 추가로, 전극 층의 적용 후에 엘라스토머 필름을 예비-신장시킬 수 있다. 예비-신장된 엘라스토머 필름에는, 예비-신장의 고정을 위해 비-탄성 물질이 제공될 수 있다. 예를 들어, 적절한 물질의 프레임을 엘라스토머 필름에 적용할 수 있다. 특히, 강성 중합체 물질이 사용될 수 있다. 예를 들어, 예비-신장은 강성 중합체 물질로의 인쇄에 의해 고정될 수 있다. 적용되는 중합체 물질 프레임은 또한 바람직하게는 정합 마크(register mark)를 가질 수 있다. 이는 적층 공정 하류 동안 엘라스토머 필름 사이에서 오프셋이 일어날 수 없다는 이점을 갖는다.
추가로, 본 발명에 따른 방법의 추가의 실시양태에 따르면, 폴딩 장치 상의 엘라스토머 필름의 고정 전 또는 후에, 엘라스토머 필름을 적어도 부분적으로 하나 이상의 폴딩 연부로 절단하는 것이 제공된다. 절단은 절단 (예를 들어 초음파 절단), 천공 또는 다른 분리 방법, 예를 들어 가열-와이어 절단 또는 레이저 절단에 의해 달성될 수 있다. 폴딩 연부에서의 적어도 부분적 절단에 의해, 폴딩이 보다 용이해질 수 있고, 연부 영역에서의 원치않는 비드의 발생이 추가로 감소될 수 있다. 또한, 엘라스토머 필름은 용이한 방식으로 다수회 폴딩될 수 있다. 예를 들어, 고정 후, 엘라스토머 필름은 또한 하나 이상의 폴딩 연부에서 2 부분-필름으로 완전히 잘라질 수 있다. 연부 영역에서의 원치않는 비드가 또한 추가로 감소될 수 있다.
특히, 적어도 폴딩 단계는 적어도 2회, 바람직하게는 적어도 5회, 특히 바람직하게는 10회, 또한 가장 특히 바람직하게는 20회 반복된다. 제1 적용 단계에서, 엘라스토머 필름의 (단지) 제1 부분에 전극 층이 제공되는 경우, 적용 단계는 바람직하게는 적어도 5회, 특히 바람직하게는 10회, 또한 가장 특히 바람직하게는 20회 반복될 수 있다. 특히, 각각의 폴딩 단계 후에 적용 단계가 이어질 수 있다.
또한, 폴딩 단계를 1,000,000회 이하, 바람직하게는 100,000회 이하, 특히 바람직하게는 10,000회 이하, 가장 특히 바람직하게는 5,000회 이하, 또한 특히 가장 특히 바람직하게는 1,000회 이하로 반복하는 것이 제공될 수 있다.
또한, 적용 단계를 1,000,000회 이하, 바람직하게는 100,000회 이하, 특히 바람직하게는 10,000회 이하, 가장 특히 바람직하게는 5,000회 이하, 또한 특히 가장 특히 바람직하게는 1,000회 이하로 반복하는 것이 제공될 수 있다.
추가의 실시양태에 따르면, 적용 단계에서, 복수의 별도의 전극 층이 엘라스토머 층의 적어도 제1 부분에 적용될 수 있다. 예를 들어, 2개 이상, 바람직하게는 4개 이상, 특히 바람직하게는 8개 이상, 또한 가장 특히 바람직하게는 16개 이상의 전극 층이 적용될 수 있다. 복수의 전극 층을 동시에 적용함으로써, 제조 시간이 추가로 감소될 수 있다. 복수의 전기기계 변환기의 병행 제조가 가능해진다.
이미 기재된 바와 같이, 상기에 기재된 방법에 따라 바람직하게는 복수의 전기기계 변환기가 동시에 제조될 수 있다. 추가의 방법 단계에서, 특히 (최종) 폴딩 단계 후에, 하나 이상의 다층 전기기계 변환기가 남아있는 엘라스토머 필름으로부터 탈착될 수 있다. 예를 들어, 전기기계 변환기가 천공되고/거나 절단될 수 있다. 동시에 제조된 복수의 전기기계 변환기를 개별적으로 분리하여, 용이한 방식으로 요망되는 형태, 예를 들어 특정 치수를 갖는 형태가 되게 할 수 있다.
추가의 실시양태에 따르면, 특히 다수의 폴딩 단계에 의해 제조된 전기기계 변환기 중 적어도 2개를 하나를 다른 하나의 상부에 적층시킬 수 있다. 또한 2개 초과의 다층 전기기계 변환기를 하나를 다른 하나의 상부에 적층시킬 수 있음은 명백하다. 폴딩에 의해 이미 생성된 전기기계 변환기의 다층 구조로 인해, 이들 변환기는 용이하게 취급될 수 있고, 거의 노력 없이 재-적층될 수 있다. 다수의 층을 갖는 전기기계 변환기가 용이한 방식으로 제조될 수 있다.
이미 기재된 바와 같이, 전기기계 변환기는 하나가 다른 하나의 상부에 놓이고, 그 사이에 유전체 엘라스토머 층이 배열된 2개 이상의 전극 층을 갖는다. 2개의 대향하는 전극 층에 전압을 인가함으로써, 다시 말해서, 상이한 전위를 인가함으로써, 사이에 놓인 엘라스토머 필름의 확장이 일어날 수 있다. 센서 또는 발전기 용도의 경우, 엘라스토머 필름의 확장은 전극 층에서 특정 전압을 발생시킬 수 있고, 이는 전극에서 탭핑될 수 있음은 명백하다.
다층 전기기계 변환기의 경우, 적층된 전극에는 교류 전위가 공급될 수 있는 것이 필수적이다. 바람직하게는, 접촉 전극 층은, 제1 전극 층에 제1 전기 전위를 인가하도록 디자인된 전기기계 변환기의 제1 전극 층에 연결될 수 있다. 제2 접촉 전극 층은, 제2 전극 층에 제2 전기 전위를 인가하기 위한 전기기계 변환기의 하나 이상의 제2 전극 층, 바람직하게는 복수의 제2 전극 층에 연결될 수 있다. 전기기계 변환기에서, 제1 전극 층 및 제2 전극 층은 교호 배열될 수 있다. 이는 센서 또는 발전기 용도의 경우에 전압의 탭핑에도 상응하게 적용된다. 특히, 제1 전극 층 및 제2 전극 층은 본질적으로 동일한 것으로서 형성될 수 있다. 예를 들어, 이들은 평면형 전극 영역 및 전극 영역을 접촉 전극 층에 연결시키기 위한 단자 러그를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 전기기계 변환기에서 제1 전극 층 모두의 단자 러그를 변환기의 제1 동일 외부 측면과 맞추어 정렬시킬 수 있다. 또한, 전기기계 변환기에서 제2 전극 층 모두의 단자 러그를 변환기의 제2 동일 외부 측면과 맞추어 정렬시킬 수 있고, 여기서 제1 외부 측면은 제2 외부 측면과 상이하다. 2개의 외부 측면은 바람직하게는 대향하는 외부 측면이다.
특히, 본 발명의 방법에 의해 제조된 전기기계 변환기의 경우, 전극 층은, 이들이 측면으로부터 접촉될 수 있고 유전체 필름의 연부를 넘어 돌출되지 않는 방식으로 엘라스토머 필름에 적용되었다. 그 이유는, 다른 방식으로는 절연파괴가 일어날 수 있기 때문이다. 바람직하게는, 전극과 유전체 사이에 안전성 여지가 남아있을 수 있어, 전극 영역이 유전체 영역보다 더 작다. 전극은, 전기적 접촉을 위해 전도체 트랙이 나오는 방식으로 구조화될 수 있다. 전극 층이 용이한 방식으로 접촉될 수 있다.
본 발명의 추가의 바람직한 실시양태에 따르면, 전기기계 변환기를 캡슐화할 수 있다. 특히, 전기기계 변환기는 가역적인 확장성 보호 층에 의해 외부 환경 영향으로부터 보호될 수 있다. 예를 들어, 캡슐화를 위해, 전기기계 변환기를 폴리우레탄 쉘 및/또는 실리콘 쉘 내에 포팅(potting)할 수 있다. 전기기계 변환기는 합성 엘라스토머, 예를 들어 폴리우레탄 엘라스토머, 실리콘 엘라스토머, 아크릴레이트 엘라스토머, 예컨대 EVA, 플루오로고무, 비-가황 고무, 가황 고무, 폴리우레탄, 폴리부타디엔, NBR 또는 이소프렌 및/또는 폴리비닐리덴 플루오라이드 기재의 엘라스토머 물질로 포팅될 수 있다. 실리콘 엘라스토머를 사용하는 것이 바람직하다. 캡슐화는 하나 또는 둘 이상의 층 내에서 수행될 수 있다. 캡슐화는 부분적으로 또는 완전히 경화될 수 있다. UV 경화, 비-촉발 화학적 경화 및 IR 경화 방법 이외에, 순수한 열 경화가 바람직하다. 또한, 캡슐화의 적용은 원칙적으로 임의의 요망되는 방식으로 수행될 수 있다. 캐스팅 방법, 특히 바람직하게는 진공-캐스팅 또는 원심분리 방법이 바람직하게 사용될 수 있다.
바람직하게는, 2개의 엘라스토머 필름을 추가 사용 전에 함께 라미네이팅할 수 있다. 추가로, 추가의 실시양태에 따라, 엘라스토머 필름의 표면을 접착이 향상되는 방식으로 처리할 수 있다. 바람직하게는, 전극 층의 적용 전에 엘라스토머 필름을 코로나 조사 및/또는 플라즈마 처리에 의해 처리할 수 있다. 대안으로 또는 추가로, 전극 층의 적용 후에 엘라스토머 필름을 코로나 조사 및/또는 플라즈마 처리에 의해 처리할 수 있다. 대안으로 또는 추가로, 확장성 접착제가 사용될 수 있다. 다층 전기기계 변환기의 층의 서로에 대한 접착, 특히 영구 접착이 상당히 향상될 수 있다.
본 발명의 추가의 측면은 상기에 기재된 방법에 따라 제조된 전기기계 변환기이다.
본 발명의 또한 추가의 측면은 상기에 기재된 전기기계 변환기를 포함하는 부품이다. 부품은 전기기계 변환기를 포함하는 전자 및/또는 전기 장치, 특히 모듈, 자동 장치, 기기 또는 구성 부품일 수 있다.
본 발명의 추가의 측면은 액츄에이터, 센서 및/또는 발전기로서의, 상기에 기재된 전기기계 변환기의 용도이다. 본 발명에 따른 전기기계 변환기는 전기-기계 및 전기음향 분야에서, 특히 기계적 진동으로부터의 에너지 하베스팅, 음향, 초음파, 의료 진단, 음파 현미경법, 기계적 센싱, 특히 압력, 힘 및/또는 팽창 센싱, 로봇공학 및/또는 통신 기술의 분야에서 다수의 매우 다양한 용도에서 유리하게 사용될 수 있다. 이들의 전형적 예는, 압력 센서, 전기음향 변환기, 마이크로폰, 확성기, 진동 변환기, 광 편향기, 멤브레인, 유리 섬유 광학용 모듈레이터, 초전 검출기, 커패시터, 컨트롤 시스템 및 "지적(intelligent)" 플로어, 및 또한 특히 회전 또는 진동 운동으로부터의 기계 에너지의 전기 에너지로의 전환을 위한 시스템이다.
본 발명의 또한 추가의 측면은 전기기계 변환기를 제조하기 위한 제15항에서 청구된 장치이다. 장치는 특히 상기에 기재된 방법을 수행하도록 디자인된다. 장치, 특히 폴딩 장치는 제1 플레이트 및 하나 이상의 제2 플레이트를 포함한다. 제1 플레이트는 제2 플레이트에 대해 폴딩가능하다. 제1 플레이트 및 제2 플레이트는 유전체 엘라스토머 필름의 수용을 위한 수용 표면을 갖는다. 수용 표면은 장치 상에 엘라스토머 필름을 고정시키도록 디자인된다.
장치는, 특히, 상기에 기재된 폴딩 장치이다. 엘라스토머 필름은 폴딩 장치의 수용 표면 상에 배열될 수 있다. 폴딩 장치는 특히 플레이트 형태를 갖는다. 특히, 폴딩 장치는 2개 이상의 플레이트를 갖는다. 이들은 서로 이동가능하게 연결될 수 있다.
바람직한 실시양태에 따르면, 제1 플레이트는, 특히 하나 이상의 힌지 장치에 의해, 제2 플레이트에 이동가능하게 연결된다. 특히, 두 플레이트는, 초기 위치에서 두 플레이트가 평면을 형성하고, 최종 위치에서 제1 플레이트가 제2 플레이트 상에 (또는 그 반대로) 놓이는 방식으로 서로 연결될 수 있다. 2개 이상의 플레이트의 이동을 위해 적합한 장치, 예컨대 모터, 액츄에이터, 컨트롤 수단이 제공될 수 있다.
폴딩 장치가 2개 초과의 플레이트를 가질 수 있고, 여기서 추가의 플레이트는 예를 들어 힌지 장치에 의해 하나 이상의 추가의 플레이트에 연결되고, 부분적 수용 표면을 가질 수 있음은 명백하다. 힌지 장치 이외에, 예를 들어 스트립 연결이 연결을 위해 사용될 수도 있다.
수용 표면은 엘라스토머 필름을 폴딩 당치 상에 고정, 바람직하게는 가역적으로 고정시키도록 디자인된다. 하나의 실시양태에 따르면, 수용 표면은 엘라스토머 필름을 폴딩 당치 상에 고정시키기 위해 음압, 예를 들어 진공을 생성하도록 디자인될 수 있다. 이러한 목적으로 상응하는 배기 수단이 제공될 수 있다. 바람직하게는 음압에 의해 고정을 수행함으로써, 엘라스토머 필름이 (실질적으로) 폴드 없이 고정되고, 이것이 이후에 정확히 정합 위치에서 폴딩될 수 있다. 폴딩 장치는 특히, 심지어 작은 층 두께를 갖는 엘라스토머 필름도 확실히, 또한 (실질적으로) 폴드 없이 고정될 수 있다는 사실을 특징으로 한다. 엘라스토머 필름은 0.1 ㎛ 내지 1000 ㎛, 바람직하게는 1 ㎛ 내지 500 ㎛, 특히 바람직하게는 5 ㎛ 내지 200 ㎛, 또한 가장 특히 바람직하게는 10 ㎛ 내지 100 ㎛의 층 두께를 가질 수 있다.
특히 2개 이상의 플레이트를 갖는 수용 표면 상의 엘라스토퍼 필름의 고정 후, 엘라스토머 필름을 폴딩하는데, 여기서는 제1 플레이트를 제2 플레이트에 대해 폴딩한다. 하나 이상의 힌지 장치로 인해, 예를 들어 상기에 기재된 수단에 의해, 특히 180° 선회 이동이 수행될 수 있다. 예를 들어, 제1 플레이트를 제2 플레이트 상으로 스윙이동시킬 수 있거나, 또는 제2 플레이트를 제1 플레이트 상으로 스윙이동시킬 수 있다. 이는 특히, 전극 층이 본질적으로 엘라스토머 필름의 제1 부분과 엘라스토머 필름의 제2 부분 사이에 배열되는 방식으로 수행될 수 있다. 이 상태에서, 플레이트 내의 음압이 종료될 수 있다. 추가로, 이 플레이트 내에서 양압을 활성화함으로써, 엘라스토머 필름의 두 부분의 압착력/라미네이팅 공정을 향상시킬 수 있다. 양압의 세그먼트화된 도입 (예를 들어 수용 표면 내의 세그먼트화된 클리어런스(clearance)를 통한)은 라미네이팅이 특정 방식으로 수행될 수 있게 한다.
방법 및 장치의 특징은 서로 자유롭게 조합될 수 있다. 특히, 설명 및/또는 종속항의 특징들은, 심지어 독립항의 특징을 완전히 또는 부분적으로 회피하면서, 독립적으로 그 자체로 또는 서로 자유롭게 조합시 독창적일 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 방법, 본 발명에 따른 전기기계 변환기, 본 발명에 따른 부품, 본 발명에 따른 용도 및 본 발명에 따른 장치를 개량하고 추가로 발전시키는 것에 대한 많은 가능성이 존재한다. 이와 관련하여, 한편으로는 독립항에 종속되어 배열된 특허 청구범위를, 다른 한편으로는 도면과 함께 예시적 실시양태에 대한 설명을 참조하여야 한다. 도면에서,
도 1은 다층 전기기계 변환기의 제조를 위한 장치의 예시적 실시양태의 개략도를 나타내고,
도 2a는 제1 작동 위치에서의 도 1에 예로서 나타낸 장치의 개략도를 나타내고,
도 2b는 제2 작동 위치에서의 도 1에 예로서 나타낸 장치의 개략도를 나타내고,
도 2c는 제3 작동 위치에서의 도 1에 예로서 나타낸 장치의 개략도를 나타내고,
도 2d는 제4 작동 위치에서의 도 1에 예로서 나타낸 장치의 개략도를 나타내고,
도 3a는 제1 방법 단계 후 엘라스토머 필름의 예시적 실시양태의 개략도를 나타내고,
도 3b는 추가의 방법 단계 후 엘라스토머 필름의 예시적 실시양태의 개략도를 나타내고,
도 3c는 추가의 방법 단계 후 엘라스토머 필름의 예시적 실시양태의 개략도를 나타내고,
도 3d는 추가의 방법 단계 후 엘라스토머 필름의 예시적 실시양태의 개략도를 나타내고,
도 3e는 추가의 방법 단계 후 엘라스토머 필름의 예시적 실시양태의 개략도를 나타내고,
도 4a는 단면 라인 IV-IV에 따른 도 3e에 나타낸 전기기계 변환기의 예시적 실시양태의 개략 측면도를 나타내고,
도 4b는 하나가 다른 하나의 상부에 배열된 도 4a에 나타낸 바와 같은 복수의 전기기계 변환기의 개략 측면도를 나타내고,
도 5a는 제1 방법 단계 후 엘라스토머 필름의 추가의 예시적 실시양태의 개략도를 나타내고,
도 5b는 추가의 방법 단계 후 엘라스토머 필름의 추가의 예시적 실시양태의 개략도를 나타내고,
도 5c는 추가의 방법 단계 후 엘라스토머 필름의 추가의 예시적 실시양태의 개략도를 나타내고,
도 6a는 코팅된 엘라스토머 필름의 예시적 실시양태의 개략 평면도를 나타내고,
도 6b는 도 6a에 나타낸 예시적 실시양태의 개략 측면도를 나타내고,
도 6c는 복수의 세그먼트화된 및 별도의 전극 영역을 갖는 엘라스토머 필름의 예시적 실시양태의 개략도를 나타내고,
도 7은 본 발명에 따른 전기기계 변환기의 예시적 실시양태의 개략도를 나타내고,
도 8은 부분적 절단 폴딩 연부를 갖는 엘라스토머 필름의 예시적 실시양태의 개략도를 나타낸다.
이하에서, 동일한 부재에 대해서는 동일한 기호가 사용된다.
도 1은 다층 전기기계 변환기의 제조를 위한 장치(2)의 예시적 실시양태의 개략도를 나타낸다. 예로서 나타낸 장치(2)는, 특히, 폴딩 장치(2)이다. 본 폴딩 장치(2)는 제1 플레이트(2.1), 제2 플레이트(2.2) 및 제3 플레이트(2.3)를 포함한다. 제2 플레이트(2.2)는 힌지 장치(8)에 의해 제3 플레이트(2.3)에 연결된다. 제2 플레이트(2.2)는 추가로 추가의 힌지 장치(8)에 의해 제1 플레이트(2.1)에 연결된다.
또한 도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 장치(2)는 수용 표면(4)을 갖는다. 수용 표면(4)은 가공되는 엘라스토머 필름을 수용하도록 디자인된다. 특히, 수용 표면(4)은 장치(2) 내에, 특히 3개의 플레이트(2.1), (2.2), (2.3) 내에 오목부에 의해 형성된다. 이러한 경우에, 수용 표면은 직사각형 형태를 갖는다. 형태는 본 발명의 다른 변형에 따라 디자인된 임의의 방식으로 형성될 수 있음은 명백하다.
제1 플레이트(2.1)는 제1 부분적 수용 표면(4.1)을 갖고, 제2 플레이트(2.2)는 제2 부분적 수용 표면(4.2)을 갖고, 제3 플레이트(2.2)는 제3 부분적 수용 표면(4.3)을 갖는다. 3개의 부분적 수용 표면(4.1), (4.2), (4.3)은 전체적 인접 수용 표면(4)을 형성한다.
엘라스토머 필름을 폴딩 장치(2) 상에 고정시키기 위해, 수용 표면 내에 오목부(6)가 제공된다. 특히, 복수의 홈(6)이 제공된다. 수용 표면(4) 상에 배열된 엘라스토머 필름이 고정될 수 있도록, 진공-생성 수단 (도시되지 않음)에 의해 음압, 특히 진공이 생성될 수 있다. 특히, 이는 엘라스토머 필름이 폴드, 주름 등을 갖지 않으면서 용이한 방식으로 폴딩 장치(2) 상에 고정될 수 있게 한다.
폴딩 장치(2)가 작동하는 방식을, 예로서 장치(2)를 다양한 작동 위치로 나타내는 도 2a 내지 2d에 의해 하기에서 설명한다.
도 2a는 장치(2)를 제1 작동 위치에서 또는 출발 또는 초기 위치에서 나타낸 것이다. 이 작동 위치에서는, 플레이트(2.1), (2.2), (2.3) 모두가 평평한 평면을 갖는다. 특히, 엘라스토머 필름(10)은 수용 표면(4) 상에 배열될 수 있다. 배열 후, 필름(10)을 고정시키기 위해, 수용 표면(4)의 오목부(6) 내에 음압이 생성될 수 있다. 이러한 경우에, 복수의 전극 층(12)이 이미 엘라스토머 필름(10)에 적용되어 있고, 단지 이것이 보다 잘 보이도록 여기서 기호(12)로 나타내었다. 더욱 상세한 설명은 하기에 제공된다. 또한, 엘라스토머 필름(10)의 형태는 본질적으로 수용 표면(4)의 형태에 상응함을 알 수 있다.
도 2b는 장치(2)를 제2 작동 위치에서 나타낸 것이다. 이 작동 위치에서, 제1 플레이트(2.1)는 (180°) 선회 이동에 의해 제2 및 제3 플레이트(2.2), (2.3) 상으로 폴딩되거나 스윙이동되어 있다. 이 작동 위치에서, 제1 부분적 수용 표면(4.1) 내에 생성된 진공이 종료된다. 양압이 추가로 생성될 수 있는 것이 바람직하다. 엘라스토머 필름(10)의 제1 부분은 정확히 정합 위치에서 엘라스토머 필름의 제2 및 제3 부분 상으로 폴딩되거나 스윙이동된다.
도시되지 않은 추가의 작동 위치에서, 제1 플레이트(2.1)는 다시 초기 위치로 선회/스윙이동된다. 폴딩된 엘라스토머 필름(10)은 이제 단지 부분적 수용 표면(4.2) 상에, 또한 부분적 수용 표면(4.3) 상에 배열되고, 또한 고정된다. 이것이 2-층 배열이다.
도 2c에 나타낸 제3 작동 위치에서, 제3 플레이트(2.3)는 (180°) 선회 이동에 의해 제2 플레이트(2.2) 상에 폴딩/스윙이동된다. 이 작동 위치에서, 부분적 수용 표면(4.3) 내에 생성된 진공이 종료된다. 바람직하게는, 여기서도 양압이 추가로 생성될 수 있다. 엘라스토머 필름(10)의 제3 부분은 정확히 정합 위치에서 엘라스토머 필름의 제2 부분 상으로 스윙이동되거나 폴딩된다.
장치(2)의 제4 작동 위치 (도 2d) 또는 최종 위치에서, 제3 플레이트(2.3)는 다시 초기 위치로 선회/스윙이동된다. 폴딩된 엘라스토머 필름(10)은 이제 단지 제2 부분적 수용 표면(4.2) 상에 배열된다. 이는 4-층 배열 또는 4-층 전기기계 변환기이다. 다층 전기기계 변환기는 폴딩 장치(2)에 의해 용이한 방식으로 제조될 수 있다. 이하에 설명되는 바와 같이, 추가의 단계가 추가로 이어질 수 있음은 명백하다.
도 3a 내지 3e는, 본 발명에 따른 전기기계 변환기의 제조 방법의 예시적 실시양태의 다양한 방법 단계를 엘라스토머 필름(16)에 기초하여 나타낸다.
도 3a는 제1 부분(16.1) 및 제2 부분(16.2)을 갖는 엘라스토머 필름(16)을 나타낸다. 이전 적용 단계 (도시되지 않음)에서, 이러한 경우에는 4개의 별도의 전극 층(18)이 엘라스토머 필름의 제1 부분(16.1)에 적용된다. 특히, 4개의 구조화된 전극(18)이 적용된다. 예를 들어, 구조화된 전극(18)이 분무될 수 있다.
폴딩 단계에서, 제1 부분(16.1)이, 특히 상기에 기재된 장치(2)에 의해 선회 이동에 의해, 제2 부분(16.2) 상에 배치된다. 도 3b에서, 전극 층(18)은 폴딩 단계 후 (해칭으로 나타냄) 단자 러그(18')와 함께 내부를 향해, 다시 말해서 엘라스토머 필름(16)의 두 부분(16.1), (16.2) 사이에 놓인다.
이어서, 폴딩된 엘라스토머 필름(16*)이 추가의 제1 부분(16.1*) 및 추가의 제2 부분(16.2*)으로 분할된다. 이러한 경우에, 2개의 추가의 전극 층(20)이 추가의 제1 부분(16.1*)에 적용된다. 전극 층(20)은 엘라스토머 필름의 또 다른 외부 측면에 대하여 전극 단자 러그(20')의 배열에 있어 전극 층(18)과 상이하다. 특히, 전극 층(20)은 본질적으로 전극 층(18)에 적용된다. 이러한 경우에, 단지 단자 러그(18'), (20')은 하나가 다른 하나의 상부에 놓이지 않는다.
추가의 폴딩 단계에서, 추가의 제2 부분(16.2*)이, 특히 선회 이동에 의해, 추가의 제1 부분(16.1*) 상에 배치된다. 도 3d에서, 전극 층(18), (20)이 내부에 놓이는 것을 알 수 있다.
이어서, 2개의 추가의 전극 층(20)이 부분(16.1*)의 상부 표면에 적용된다. 상응하는 방식으로, 2개의 추가의 전극 층이 하부면 상에 적용될 수 있다. 특히, 이 방법에 의해 2개의 4-층 전기기계 변환기가 제조된다.
도 4a는 단면 라인 IV-IV에 상응하는 도 3e에 나타낸 2개의 4-층 전기기계 변환기를 통한 단면의 개략도를 나타낸다. 제1 전극 층(18)의 단자 러그(18')는 추가의 전극 층(20)의 단자 러그(20')와 상이한 측면을 향하고 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 전기기계 변환기는, 탈착, 예를 들어, 천공에 의해 추가의 단계에서 개별적으로 분리될 수 있다.
도 4b는, 3개의 배열(16)이 하나가 다른 하나의 상부에 배열되어 있는, 도 4a에 나타낸 전기기계 변환기의 예시적 실시양태를 나타낸다. 특히, 상기에 기재된 방법에 의해 제조된 다층 변환기는, 개개의 층에 비해, 증가된 층 두께 및 동반되는 증가된 안정성으로 인해 더욱 용이하게 적층될 수 있다.
도 5a 내지 5c는 본 발명에 따른 전기기계 변환기의 제조 방법의 추가의 예시적 실시양태의 다양한 방법 단계를 나타낸다. 이하에서는, 본질적으로 도 3a 내지 3e에 나타낸 예시적 실시양태와의 차이점만을 설명하고, 그렇지 않은 것들은 상기에 제공된 설명을 참조한다.
이전의 예시적 실시양태와의 주요 차이점은, 단일 적용 단계에서 전체 엘라스토머 필름(22)에 전극 층(24), (26) 모두가 이미 제공되었다는 점이다. 여기서, 전극 층(24), (26)은, 모든 폴딩 단계 후에, 각 경우에 4개 이상의 전극 층(24), (26)이 본질적으로 하나가 다른 하나의 상부에 놓이는 방식으로 적용되어 있다.
제1 폴딩 단계에서, 부분(22.1), (22.2)가 부분(22.3), (22.4) 상에 폴딩/배치되고 (도 5b), 추가의 폴딩 단계에서, 부분(22.2)가 부분(22.1) 상에 배치된다. 복수의 다층 전기기계 변환기가 병행 제조된다.
도 6a는 세그먼트화된 전극 층(28)을 포함하는 코팅된 엘라스토머 필름(30)의 평면도의 추가의 예시적 실시양태를 나타낸다. 이러한 경우에, 전극 층(28)은 외부 측면과 맞추어 정렬된 전극 단자 러그(28.1) 및 직사각형 전극(28.2)을 포함한다.
본 예시적 실시양태에서, 엘라스토머 필름(30)은 (확장성) 전극 층(28)과 함께 예비-신장되어 있다. 예비-신장은 강성 물질, 예를 들어 중합체 물질의 프레임(32)의 적용에 의해 고정되어 있다. 프레임은 또한 탈착 윤곽선(34), 특히 천공 윤곽선(34)을 갖고, 따라서 후속 작업 단계에서 예비-신장의 손상 없이 이 윤곽선(34)을 따라 전기기계 변환기가 탈착된다.
도 6b는 상기에 기재된 예시적 실시양태를 측면도로 나타낸 것이다. 전극 층(28) 및 플라스틱 프레임(32)이 특히 예비-신장된 엘라스토머 필름(30)에 적용되어 있음을 알 수 있다.
도 6c의 개략도로부터 알 수 있는 바와 같이, 엘라스토머 필름은 상기에 기재된 구조를 다수로 가질 수 있다. 이는 병행 가공에 의해 제조 시간을 현저히 감소시킬 수 있게 한다.
도 7에는, 본 발명의 바람직한 실시양태에 따른 전기기계 변환기(44)의 개략도가 도시되어 있다. 도시된 전기기계 변환기(44)는 엘라스토머 필름(46) 및 전극 층(42.1), (42.2)의 교호 층을 갖는다. 여기서는, 제1 전기 전위를 인가하도록 디자인된 제1 전극 층(42.1), 및 제2 전기 전위를 인가하도록 디자인된 제2 전극 층(42.2)이 교호 배열되어 있다. 제1 전극 층(42.1)의 모든 단자 러그는 제1 외부 측면에 맞추어 정렬되며, 제2 전극 층(42.2)의 모든 단자 러그는 또 다른 외부 측면, 이러한 경우에는 대향하는 외부 측면에 맞추어 정렬된다.
이는, 제1 전극 층(42.1)을 공통의 접촉 전극(40.1)에 연결시켜, 제1 전극 층(42.1) 모두에 동일한 전기 전위가 인가될 수 있게 하고, 또한 제2 전극 층(42.2)을 공통의 접촉 전극(40.2)에 연결시켜, 제2 전극 층(42.2) 모두에 추가의 동일한 전기 전위가 인가될 수 있게 한다. 또한, 이러한 경우에, 전기기계 변환기(44)는 외부 영향으로부터의 보호물로서 포팅 물질(36) 내에 매립된다. 특히, 변환기는 폴리우레탄 쉘(36) 및/또는 실리콘 쉘(36) 내에 포팅된다.
마지막으로, 도 8은 부분적 절단 폴딩 연부(52)를 갖는 엘라스토머 필름(50)을 예로서 나타낸다. 이는 용이한 방식으로 엘라스토머 필름(52)의 반복된 폴딩을 가능하게 한다. 도시된 예에 적합한 폴딩 장치는 서로에 대해 이동가능하게 배열된 8개의 플레이트를 포함할 수 있다.

Claims (15)

  1. - 하나 이상의 유전체 엘라스토머 필름(10, 16, 22, 30, 46)을 제공하고,
    - 적용 단계에서 엘라스토머 필름(10, 16, 22, 30, 46)의 하나 이상의 제1 부분(16.1, 16.4, 22.1)에 하나 이상의 전극 층(12, 18, 20, 24, 26, 28, 42)을 적용하고,
    - 엘라스토머 필름(10, 16, 22, 30, 46)을, 제1 플레이트(2.1) 및 하나 이상의 제2 플레이트(2.2)를 갖는 폴딩 장치(2)의 수용 표면(4) 상에 배열하고,
    - 엘라스토머 필름(10, 16, 22, 30, 46)을 수용 표면(4) 상에 고정시키고,
    - 폴딩 단계에서 전극 층(12, 18, 20, 24, 26, 28, 42)이 엘라스토머 필름(10, 16, 22, 30, 46)의 제1 부분(16.1, 16.4, 22.1)과 엘라스토머 필름(10, 16, 22, 30, 46)의 제2 부분(16.2, 16.3, 22.3) 사이에 배열되도록 하는 방식으로 제1 플레이트(2.1)를 제2 플레이트(2.2)에 대해 폴딩함으로써 엘라스토머 필름(10, 16, 22, 30, 46)의 제1 부분(16.1, 16.4, 22.1)을 엘라스토머 필름(10, 16, 22, 30, 46)의 추가의 부분(16.2, 16.3, 22.3) 상에 폴딩하는 것
    을 포함하는, 하나 이상의 다층 전기기계 변환기(44)를 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    - 제1 플레이트(2.1)를 제2 플레이트(2.2)에 이동가능하게 연결시키고,
    - 제1 플레이트(2.1) 및 제2 플레이트(2.2)를 특히 힌지 장치(8)에 의해 연결시키는 것
    을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    - 전극 층(12, 18, 20, 24, 26, 28, 42)을 결합제와 혼합하는 것,
    및/또는
    - 폴딩 단계 전에 전극 층(12, 18, 20, 24, 26, 28, 42)을 건조시키는 것
    을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 전극 층(12, 18, 20, 24, 26, 28, 42)의 적용 전에 엘라스토머 필름(10, 16, 22, 30, 46)을 예비-신장시키고,
    - 예비-신장된 엘라스토머 필름(10, 16, 22, 30, 46)에 예비-신장의 고정을 위한 비-탄성 물질을 제공하는 것,
    및/또는
    - 전극 층(12, 18, 20, 24, 26, 28, 42)의 적용 후에 엘라스토머 필름(10, 16, 22, 30, 46)을 예비-신장시키고,
    - 예비-신장된 엘라스토머 필름(10, 16, 22, 30, 46)에 예비-신장의 고정을 위한 비-탄성 물질을 제공하는 것
    을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 엘라스토머 필름(10, 16, 22, 30, 46)을 폴딩 장치(2) 상에 고정시키기 전 또는 후에, 엘라스토머 필름(10, 16, 22, 30, 46)을 폴딩 연부(52)에서 적어도 부분적으로 절단하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 적용 단계 및/또는 폴딩 단계를 적어도 2회, 바람직하게는 적어도 5회, 특히 바람직하게는 10회, 또한 가장 특히 바람직하게는 20회 반복하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 적용 단계에서, 복수의 별도의 전극 층(12, 18, 20, 24, 26, 28, 42)을 적어도 엘라스토머 층(10, 16, 22, 30, 46)의 제1 부분(16.1, 16.4, 22.1)에 적용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 폴딩 단계 후에, 복수의 폴딩된 엘라스토머 필름을 적층시켜 층 수를 증가시키는 것을 특징으로 하는 방법.
    <청구항 8>
    제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 폴딩 단계/적층 단계 후에, 하나 이상의 다층 전기기계 변환기(44)를 탈착시키고, 여기서 탈착을 특히 천공 및/또는 절단에 의해 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    - 제1 접촉 전극 층(40.1)을, 제1 전극 층(42.1)에/으로부터 제1 전기 전위를 인가 및/또는 탭핑하도록 디자인된 전기기계 변환기(44)의 제1 전극 층(42.1)에 연결시키고,
    - 제2 접촉 전극 층(40.2)을, 제2 전극 층(42.2)에/으로부터 제2 전기 전위를 인가 및/또는 탭핑하도록 디자인된 전기기계 변환기(44)의 제2 전극 층(42.2)에 연결시키고,
    - 전기기계 변환기(44)에서 제1 전극 층(42.1) 및 제2 전극 층(42.2)을 교호 배열하는 것
    을 특징으로 하는 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    - 전기기계 변환기(44)를 캡슐화하고,
    - 캡슐화를 위해 전기기계 변환기(44)를 폴리우레탄 쉘(36) 및/또는 실리콘 쉘(36) 내에 포팅하는 것
    을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 전극 층(12, 18, 20, 24, 26, 28, 42)의 적용 전에 엘라스토머 필름(10, 16, 22, 30, 46)을 코로나 조사 및/또는 플라즈마 처리에 의해 처리하는 것,
    및/또는
    - 전극 층(12, 18, 20, 24, 26, 28, 42)의 적용 후에 엘라스토머 필름(10, 16, 22, 30, 46)을 코로나 조사 및/또는 플라즈마 처리에 의해 처리하는 것
    을 특징으로 하는 방법.
  12. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 청구된 바와 같은 방법에 따라 제조된 전기기계 변환기(44).
  13. 제12항에 청구된 바와 같은 전기기계 변환기(44)를 포함하는 부품.
  14. 액츄에이터, 센서 및/또는 발전기로서의, 제12항에 청구된 바와 같은 전기기계 변환기(44)의 용도.
  15. - 제1 플레이트(2.1),
    - 하나 이상의 제2 플레이트(2.2)
    를 포함하며, 여기서
    - 제1 플레이트(2.1)는 제2 플레이트(2.2)에 대해 폴딩가능하고,
    - 제1 플레이트(2.1) 및 제2 플레이트(2.2)는 유전체 엘라스토머 필름(10, 16, 22, 30, 46)의 수용을 위한 수용 표면(4)을 갖고,
    - 수용 표면(4)은 엘라스토머 필름(10, 16, 22, 30, 46)을 장치(2) 상에 고정시키도록 디자인된 것인,
    전기기계 변환기(44)를 제조하기 위한, 특히 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 청구된 바와 같은 방법을 수행하기 위한 장치(2).
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