KR20170030146A - 빗구조를 갖는 ｅａｐ 구동기 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 EAP 구동기 및 그 제조방법에 관한 것으로, 상부 전극과 하부 전극이 서로 마주보는 면에 복수 개의 빗살이 돌출되도록 형성되어 종래 EAP 구동기와 동일한 크기로 형성하고 동일한 전압을 인가하더라도 종래 EAP 구동기보다 큰 힘 또는 큰 변위를 제공할 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

빗구조를 갖는 ＥＡＰ 구동기 및 그 제조방법{EAP Actuator Having Comb Structure and Manufacturing Method Thereof}

본 발명은 EAP 구동기 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 빗구조를 갖는 EAP 구동기 및 그 제조방법에 관한 것이다.

EAP(Electroactive Polymer) 구동기는 정전기력을 이용하여 힘이나 변위를 발생시키는 구동기의 일종으로, 종래 EAP 구동기는 도 1에 도시된 바와 같이 서로 마주 보는 상부 전극(1)과 하부 전극(2) 사이에 폴리머나 실리콘 재질의 필름형 탄성체(3)가 위치하는 샌드위치 형상을 갖는다.

이러한 EAP 구동기는 상부 전극(1)과 하부 전극(2)에 전압(V)이 인가되면 양 전극 사이에 정전기력이 발생하고, 발생된 정전기력은 상부 전극과 하부 전극 사이에 인력으로 작용하여 전극 사이의 간극(d)이 줄어들게 하며, 인가 전압을 제거하면 탄성체(3)의 탄성력에 의해 상부 전극과 하부 전극이 원래의 자리로 복원된다.

도 1에 도시된 바와 같은 종래 EAP 구동기에 전압(V)을 인가하였을 때 발생하는 정전기력의 크기는 다음과 같다.

여기서, ε₀는 자유공간의 유전율, ε₁은 탄성체의 비유전율, a와 b는 구동기의 가로, 세로 길이, d는 전극 사이의 간격, V는 인가전압을 의미함.

따라서 더 큰 힘이나 변위를 발생시키기 위해서는 더 높은 전압을 인가하거나 EAP 구동기의 너비를 증가시켜야 하나 사용자는 구동기의 소형화 및 고출력을 요구하고 있어 종래 EAP 구동기로는 사용자의 요구를 충족시키기에 어려움이 있다.

한국공개특허 제10-2006-0107259호 "수축 변위를 정밀 제어하기 위한 폴리머 액추에이터 및 그 제어 방법"

본 발명의 목적은 빗구조를 갖는 EAP 구동기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 빗구조를 갖는 EAP 구동기 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 동일한 조건에서 종래 EAP 구동기 보다 더 큰 출력을 발생시킬 수 있는 EAP 구동기를 제공하는 것이다.

본 발명의 상기 및 기타 목적들은, 본 발명에 따른 EAP 구동기 및 그 제조방법에 의해 모두 달성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 EAP 구동기는 한쪽 면에 복수 개의 빗살이 돌출되도록 형성된 상부 전극; 상기 상부 전극과 마주보며, 상기 상부 전극과 마주보는 한쪽 면에 복수 개의 빗살이 돌출되도록 형성된 하부 전극; 및 상기 상부 전극과 하부 전극 사이 공간에 채워진 탄성체를 포함하여 이루어진다.

상기 상부 전극과 상기 하부 전극에 형성된 상기 복수 개의 빗살은 서로 동일한 간격을 두고 평행하게 형성될 수 있다.

상기 상부 전극에 형성된 빗살과 상기 하부 전극에 형성된 빗살은 서로 마주보지 않도록 교차되게 배치될 수 있다.

상기 빗살의 높이는 상기 상부 전극의 상기 한쪽 면과 상기 하부 전극의 상기 한쪽 면 사이 간격의 1/2보다 큰 것이 바람직하다.

상기 상부 전극에 형성된 빗살들은 상기 하부 전극에 형성된 서로 이웃하는 두 개의 빗살들 중앙에 각각 대응하도록 위치하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 EAP 구동기 제조방법은 복수 개의 빗살 형 돌기가 형성된 상부 스탬프와 하부 스탬프 사이에 탄성체 필름을 놓고 가압하여 상기 탄성체 필름의 상부면과 하부면에 상기 돌기에 대응하는 오목부를 형성하는 탄성체 성형 단계; 상기 탄성체 필름의 상부면과 하부면에 상기 오목부 내부가 채워지도록 도전성 물질을 도포하고 도전성 물질 도포 단계; 및 상기 탄성체 필름에 도포된 도전성 물질을 경화하는 경화 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 성형 단계에서 상기 탄성체 필름을 가열할 수 있다.

상기 상부 스탬프와 하부 스탬프는 표면에 길이방향으로 복수 개의 빗살 형 돌기가 동일한 간격으로 이격되도록 형성된 동일한 형상의 원통형 롤러일 수 있으며, 상기 성형 단계에서 상기 상부 스탬프와 하부 스탬프는 동일한 속도로 반대방향으로 회전하면서 상기 탄성체 필름을 가압할 수 있다.

상기 성형 단계에서 상기 상부 스탬프와 하부 스탬프는 각각에 형성된 돌기가 서로 치합하면서 회전하되 서로 맞닿지 않도록 하는 것이 바람직하다.

상기 상부 스탬프와 상기 하부 스탬프에 각각 N개의 돌기가 형성되어 있으며, 상기 성형 단계에서 상기 상부 스탬프에 형성된 돌기가 상기 탄성체 필름과 만난 후 360°/2N만큼 회전하였을 때 상기 하부 스탬프에 형성된 돌기가 상기 탄성체 필름과 만나도록 회전할 수 있다.

본 발명은 빗구조를 갖는 EAP 구동기 및 그 제조방법을 제공함으로써 동일한 조건에서 종래 EAP 구동기보다 더 큰 출력을 발생시킬 수 있는 EAP 구동기를 제공하는 효과를 갖는다.

도 1은 종래 EAP 구동기를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 EAP 구동기를 보여주는 도면이다.
도 3은 도 2의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 EAP 구동기 제조방법을 보여주는 순서도이다.
도 5는 탄성체 성형 단계를 보여주는 예시적인 도면이다.
도 6은 탄성체 성형 단계를 보여주는 다른 예시적인 도면이다.
도 7은 도전성 물질 도포 단계를 보여주는 도면이다.
도 8은 경화단계를 보여주는 도면이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 빗구조를 갖는 EAP 구동기 및 그 제조방법에 대하여 상세히 설명하도록 한다.

하기의 설명에서는 본 발명의 실시예에 따른 빗구조를 갖는 EAP 구동기 및 그 제조방법을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩뜨리지 않도록 생략될 수 있다.

또한, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명을 가장 적절하게 표현할 수 있도록 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

도 2에 본 발명의 일 실시예에 따른 빗구조를 갖는 EAP 구동기(100)가 도시되어 있다.

도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 EAP 구동기(100)는 상부 전극(10), 하부 전극(20), 및 탄성체(30)를 포함하여 이루어진다.

보다 구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 EAP 구동기(100)는 서로 마주보는 면, 즉 상부 전극의 하부면(11)과 하부 전극의 상부면(21)으로부터 각각 돌출되는 복수 개의 빗살(12, 22)을 갖는 상부 전극(10) 및 하부 전극(20)과 이들 상부 전극(10) 및 하부 전극(20) 사이의 공간을 채우는 탄성체(30)를 포함하여 이루어진다.

상부 전극(10)과 하부 전극(20)은 서로 마주보는 면으로부터 돌출되는 빗살(12, 22)에 의해 상부 전극과 하부 전극 사이의 거리가 더 가까워짐으로써 동일한 크기의 전압(V)을 상부 전극(10)과 하부 전극(20) 사이에 인가하더라도 종래 EAP 구동기보다 더 큰 정전기력이 발생하게 된다.

이러한 빗살(12, 22)은 본 발명의 일 실시예에 따른 EAP 구동기(100) 전체에 걸쳐 동일한 크기의 정전기력을 발생시키기 위해 상부 전극(10) 및 하부 전극(20)의 표면에 동일한 형상의 단위 빗살이 동일한 간격을 두고 평행하게 돌출되도록 형성되는 것이 바람직하다.

또한 정전기력에 의해 탄성체(30)가 수축되고 상부 전극(10)과 하부 전극(20) 사이의 간격이 줄어들 때 상부 전극(10)으로부터 돌출된 빗살(12)과 하부 전극(20)으로부터 돌출된 빗살(22)이 서로 맞닿아 상부 전극(10)과 하부 전극(20)가 서로 가까워지는 것을 방해하지 않도록 상부 전극(10)에 형성된 단위 빗살과 하부 전극(20)에 형성된 빗살들이 서로 마주보지 않고 도 2에 도시된 바와 같이 하나씩 교차되도록 형성하는 것이 바람직하다.

이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 EAP 구동기(100)가 도 3에 도시된 바와 같이 구성될 때 상부 전극(10)과 하부 전극(20) 사이에 전압 V를 인가함에 따라 두 전극 사이에 발생하는 정전기력(F₂)은 아래와 같다.

여기서, ε₀는 자유공간의 유전율, ε₁은 탄성체의 비유전율, w는 빗살의 폭, a는 빗살의 길이, d는 빗살과 전극 표면 사이의 간격, g는 빗살과 빗살 사이의 간격, N은 빗살의 개수, V는 인가전압을 의미함.

상기 수학식 2에서 확인할 수 있듯이 본 발명의 일 실시예에 따른 EAP 구동기(100)의 정전기력은 서로 이웃하는 상부 전극 빗살(12)과 하부 전극 빗살(22) 사이에서 발생하는 정전기력과 빗살과 마주보는 전극면 사이에서 발생하는 정전기력으로 구성된다.

빗살이 없는 경우의 상부 전극과 하부 전극 사이의 간격(D) 보다 빗살에 의해 두 전극 사이의 간격(d)이 더 좁아짐에 따라 상부 전극과 하부 전극 사이에 발생하는 정전기력의 크기가 더 커짐을 이해할 수 있을 것이다.

또한 상부 전극 빗살(12)과 하부 전극 빗살(22)이 중첩됨으로써 발생하는 정전기력이 크기 때문에 본 발명의 일 실시예에 따른 EAP구동기(100)는 빗살의 높이(h)가 상부 전극 하부면(11)과 하부 전극 상부면(21) 사이의 간격(D)의 1/2보다 크게 하여 서로 이웃하는 상부 전극 빗살(12)과 하부 전극 빗살(22) 사이에서 정전기력이 발생하도록 하는 것이 바람직하다.

또한 상부 전극 빗살(12)이 서로 이웃하는 두 개의 하부 전극 빗살(22) 중앙에 위치하도록 하여 모든 상부 전극 빗살(12)과 하부 전극 빗살(22) 사이의 간격(g)이 일정하도록 구성하는 것이 바람직하다.

이와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 EAP 구동기(100)는 도 4에 도시된 바와 같이 탄성체 성형 단계(S210), 도전성 물질 도포 단계(S220), 및 경화 단계(S230)를 거쳐 형성할 수 있다.

이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 EAP 구동기 제조 방법을 도 5 내지 도 8을 참조로 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

탄성체 성형 단계(S210)는 탄성체(30)가 그 상부면과 하부면에 각각 상부 전극 빗살(12) 및 하부 전극 빗살(22)에 대응하는 오목부를 갖도록 형성하는 단계이다.

이러한 탄성체 성형 단계(S210)는 도 5에 도시된 바와 같이 상부 전극 빗살(12)에 대응하는 빗살 형 돌기를 갖는 상부 스탬프(41)와 하부 전극 빗살(22)에 대응하는 빗살 형 돌기를 갖는 하부 스탬프(42) 사이에 탄성체 필름을 놓고 아래위로 가압하여 상부 기판 빗살(12) 및 하부 기판 빗살(22)에 대응하는 오목부를 갖는 탄성체(30)를 형성할 수 있다. 이때 열을 함께 가하면 더 용이하게 오목부를 형성할 수 있다.

다른 방법으로서 도 6에 도시된 바와 같이 상부 롤러(51)와 하부 롤러(52)를 사용하여 상부 전극 빗살(12) 및 하부 전극 빗살(22)에 대응하는 오목부를 갖는 탄성체(30)를 형성할 수도 있다.

보다 상세히 설명하면, 상부 롤러(51)와 하부 롤러(52)는 표면에 길이방향으로 빗살 형 돌기가 일정한 간격으로 이격되어 형성된 원통형 롤러이다.

상부 롤러(51)와 하부 롤러(52)는 동일한 형상의 롤러를 사용하는 것이 바람직하며, 이러한 상부 롤러(51)와 하부 롤러(52)를 일정간격 이격되도록 상하로 배치하고 동일한 속도로 서로 반대 방향으로 회전하도록 한 후 상부 롤러와 하부 롤러 사이에 탄성체 필름을 삽입한다.

삽입된 탄성체 필름은 도 6에 도시된 바와 같이 상부 롤러와 하부 롤러 사이에서 가압된 후 상부 롤러와 하부 롤러의 회전에 의해 자동으로 반대쪽으로 배출되며, 배출된 탄성체의 상부면과 하부면에는 상부 전극 빗살(12) 및 하부 전극 빗살(22)에 대응하는 오목부가 형성된다.

도 5에 도시된 바와 같이 탄성체 상부면에 형성된 오목부와 탄성체 하부면에 형성된 오목부가 서로 마주보지 않고 교차되도록 하기 위해 상부 롤러와 하부 롤러에 형성된 돌기가 서로 치합되면서 회전되도록 배치되는 것이 바람직하다.

또한 상부면에 형성된 오목부가 하부면에 형성된 서로 이웃하는 두 개의 오목부 중앙에 위치하도록 하기 위해 상부 롤러와 하부 롤러에 각각 N개의 돌기가 형성되어 있을 때, 상부 롤러의 돌기가 탄성체 필름과 만난 후 θ(=360°/2N)만큼 회전하였을 때 상기 하부 롤러에 형성된 돌기가 상기 탄성체 필름과 만나도록 상부 롤러와 하부 롤러가 θ(=360°/2N)만큼 회전각 차를 가지면서 회전하도록 하는 것이 바람직하다.

도 6에 도시된 탄성체 성형 단계(S210)에서도 탄성체 필름에 압력을 가하여 오목부를 갖는 탄성체(30)를 용이하게 형성할 수 있도록 상부 롤러(51)와 하부 롤러(52)가 서로 가까워지는 방향, 즉 상부 롤러는 아래쪽으로 하부 롤러는 위쪽으로 탄성체 필름을 향해 압력이 가해지도록 하는 것이 바람직하다.

또한 탄성체 성형 단계에서 탄성체 필름에 열을 가할 경우 오목부를 갖는 탄성체(30)를 더 용이하게 형성할 수 있으므로 상부 롤러(51)와 하부 롤러(52)로서 내부에 가열 수단을 갖는 롤러를 사용하는 것이 특히 바람직하다.

다음으로, 도전성 물질 도포 단계(S220)는 오목부가 형성된 탄성체(30)의 상부면과 하부면에 도전성 물질을 도포하는 단계이다. 도전성 물질은 본 발명의 일 실시예에 따른 EAP 구동기의 상부 전극 및 하부 전극이 되는 물질로서, 도 7에 도시된 바와 같이 노즐을 이용하여 탄성체(30)의 상부면과 하부면에 도전성 물질을 도포하되 탄성체 상하부면에 형성된 오목부(51, 52) 내부가 도전성 물질로 모두 채워지도록 한다.

그 후 경화 단계(S230)에서 탄성체(30)에 도포된 도전성 물질이 경화되도록 함으로써 도 8에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 EAP 구동기(100)가 완성된다.

지금까지 본 발명의 실시예에 따른 빗구조를 갖는 EAP 구동기 및 그 제조방법을 구체적인 실시예를 참고로 한정되게 설명하였다. 그러나 본 발명은 이러한 구체적인 실시예에 한정되지 않으며, 특허청구범위에서 청구된 발명의 사상 및 그 영역을 이탈하지 않으면서 다양한 변화 및 변경이 있을 수 있음을 이해하여야 할 것이다.

1: 상부 전극 2: 하부 전극
3: 탄성체 10: 상부 전극
11: 상부 전극 하부면 12: 상부 전극 빗살
20: 하부 전극 21: 하부 전극 상부면
22: 하부 전극 빗살 30: 탄성체
31, 32: 오목부 41: 상부 스탬프
42: 하부 스탬프 51: 상부 롤러
52: 하부 롤러

Claims (10)

1. 한쪽 면에 복수 개의 빗살이 돌출되도록 형성된 상부 전극;
   상기 상부 전극과 마주보며, 상기 상부 전극과 마주보는 한쪽 면에 복수 개의 빗살이 돌출되도록 형성된 하부 전극; 및
   상기 상부 전극과 하부 전극 사이 공간에 채워진 탄성체;
   를 포함하여 이루어지는 EAP 구동기.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 상부 전극과 상기 하부 전극에 형성된 상기 복수 개의 빗살은 서로 동일한 간격을 두고 평행하게 형성된 EAP 구동기.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 상부 전극에 형성된 빗살과 상기 하부 전극에 형성된 빗살은 서로 마주보지 않도록 교차되게 배치되어 있는 EAP 구동기.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 빗살의 높이는 상기 상부 전극의 상기 한쪽 면과 상기 하부 전극의 상기 한쪽 면 사이 간격의 1/2보다 큰 EAP 구동기.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 상부 전극에 형성된 빗살들은 상기 하부 전극에 형성된 서로 이웃하는 두 개의 빗살들 중앙에 각각 대응하도록 위치하는 EAP 구동기.
   
6. 복수 개의 빗살 형 돌기가 형성된 상부 스탬프와 하부 스탬프 사이에 탄성체 필름을 놓고 가압하여 상기 탄성체 필름의 상부면과 하부면에 상기 돌기에 대응하는 오목부를 형성하는 탄성체 성형 단계;
   상기 탄성체 필름의 상부면과 하부면에 상기 오목부 내부가 채워지도록 도전성 물질을 도포하는 도전성 물질 도포 단계; 및
   상기 탄성체 필름에 도포된 도전성 물질을 경화하는 경화 단계;
   를 포함하는 EAP 구동기 제조방법.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 탄성체 성형 단계에서 상기 탄성체 필름을 가열하는 EAP 구동기 제조방법.
   
8. 제6항에 있어서,
   상기 상부 스탬프와 하부 스탬프는 표면에 길이방향으로 복수 개의 빗살 형 돌기가 동일한 간격으로 이격되도록 형성된 동일한 형상의 원통형 롤러이며,
   상기 성형 단계에서 상기 상부 스탬프와 하부 스탬프는 동일한 속도로 반대방향으로 회전하면서 상기 탄성체 필름을 가압하는 EAP 구동기 제조방법.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 성형 단계에서 상기 상부 스탬프와 하부 스탬프는 각각에 형성된 돌기가 서로 치합하면서 회전하되 서로 맞닿지 않는 EAP 구동기 제조방법.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 상부 스탬프와 상기 하부 스탬프에 각각 N개의 돌기가 형성되어 있으며,
    상기 성형 단계에서 상기 상부 스탬프에 형성된 돌기가 상기 탄성체 필름과 만난 후 360°/2N만큼 회전하였을 때 상기 하부 스탬프에 형성된 돌기가 상기 탄성체 필름과 만나도록 회전하는 EAP 구동기 제조방법.

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