KR20170087318A - 인공 근섬유 구동기 - Google Patents

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Abstract

본 명세서는 인공 근섬유 구동기에 관한 것으로서, 본 명세서의 실시 예에 따른 인공 근섬유 구동기는 코어 전극(Core electrode) 및 폴리머(Polymer)를 적어도 두 번 이상의 섬유 드로잉(Fiber drawing)한 이중재질 섬유(Bi-material fiber)로 이루어진 동축 형태의 섬유 구동기(Coaxial fiber actuator)가 적어도 하나 이상 합쳐진 섬유 구동기 다발; 및 상기 섬유 구동기 다발을 감싸되, 상기 섬유 구동기 다발의 일단이 감싸지지 않도록 형성되고, 외부 전압을 인가받는 외부 전극을 포함하고, 상기 섬유 구동기 다발의 일단에 위치한 코어 전극이 서로 연결되고, 외부 전압이 인가되면 길이방향으로 변형된다.

Description

인공 근섬유 구동기{ARTIFICIAL MUSCLE FIBER ACTUATOR}
본 명세서는 인공 근섬유 구동기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 섬유 드로잉(Fiber drawing) 공정을 반복적으로 적용하여 마이크로 또는 나노 크기의 적어도 하나 이상의 섬유 구동기를 섬유 구동기 다발로 합친 형태로 이루어지는, 인공 근섬유 구동기와 이러한 인공 근섬유 구동기를 제조하는 방법에 관한 것이다.
인간의 근육은 근섬유(muscle fiber)라고 하는 골격근 세포로 이뤄져 있다. 이 세포는 크고 길며 원통 모양을 하고 있는 다발이다. 인체 생리학에 따르면, 근섬유의 80%는 근원섬유로 구성돼 있다. 근원섬유 다시 가늘고 굵은 필라멘트로 나눠지며, 칼슘이온과 ATP(아데노신3인산)에 의해 수축과 이완을 한다. 근육이 늘어나고 땅기는 이유다.
한편, 기전 구동장치는 전기적 에너지나 전기-화학적 에너지를 구동기를 이용하여 기계적 에너지로 변환하는 장치이다. 이러한 구동장치는 초소형 로봇, 고감도 정밀 스위치, 광학 구동 장치 및 바이오 구동기 등의 고정밀 또는 초소형 구동기로서 광범위한 응용이 가능하므로 많은 연구가 이루어지고 있다. 현재까지 새로운 형태의 구동기 개발에는 압전체, 형상기억합금 및 이온 전도성 고분자 등을 이용한 구동기가 연구가 되고 있다. 이들의 응용 및 개발에도 비교적 많은 연구가 이루어지고 있다.
이러한 기전 구동 장치 중에서 전기활성 고분자(electroactive polymer, EAP)를 이용한 액츄에이터가 연구되고 있다. EAP는 전기적 자극 하에서 기존의 강유전 세라믹(ferroelectric ceramic)에서 얻을 수 있는 변형률 (예컨대, 최대 0.2 %) 보다 수십 배나 큰 변형률(예컨대, 수 % ~ 수십 %)을 얻을 수 있는 유망한 재료이다. 또한, EAP는 많은 고분자 재료와 마찬가지로 여러 가지 형태로 쉽게 제조가 가능하여, 다양한 감지기 (sensor) 및 구동기 (actuator)로서 많은 관심을 불러일으키고 있다. 특히, EAP의 가볍고 유연한 특성은 향후 유연한 전자기기(flexible electronics)에서 감지기 및 구동기로서의 사용 가능성을 높여준다. 또한, 높은 파괴 인성(fracture toughness), 대 변형률, 높은 진동 감쇠(vibration damping) 등의 특성을 갖는 생체 근육(biological muscle)을 모사할 수 있어 인공 근육(artificial muscle)이라고도 불리며, 생체모사 로봇(biomimetic robot) 분야에서 다양하게 연구가 진행되고 있다. EAP는 구동 방식에 따라 크게 electronic EAP와 ionic EAP로 구분된다. Electronic EAP는 전기장(electric field) 하에서 전자가 받는 힘을 이용하는 방식으로 구동속도가 빠른 반면 구동전압이 높은 단점이 있다. Ionic EAP는 ion의 이동에 의해 변형이 발생하는 방식으로 구동속도는 느린 반면 구동전압이 낮다. 대표적인 electronic EAP actuator로는 dielectric elastomer actuator 및 PVDF-based ferroelectric polymer actuator를 들 수 있다. 특히, P(VDF-TrFE-CFE) [poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene-chlorofluoroethylene)] 또는 P(VDF-TrFE-CTFE) [poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene-chlorotrifluoroethylene)]를 사용한 relaxor ferroelectric polymer actuator는 20~150 V/μm 정도의 electric field 하에서 최대 5~7 % 수준의 strain을 유발하게 된다. 이러한 현상을 이용하여 유연한 고분자 구동기를 실용화하는 시도가 진행되고 있다. 이러한 고분자 구동기는 인공 근육, 로봇 팔, 의수, 마이크로 머신과 같은 소형의 용도뿐만이 아니라, 대형화된 용도로의 적용도 주목 받고 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2005-0003689호(2005.01.12. 공개)
본 명세서의 실시 예들은 섬유 드로잉 공정을 반복적으로 적용하여 마이크로 또는 나노 크기의 섬유 구동기를 적어도 하나의 이상 섬유 구동기 다발로 합친 형태로 이루어지는 인공 근섬유 구동기를 제공하고자 한다.
본 명세서의 실시 예들은 섬유 드로잉 공정을 반복적으로 적용하여 동축 형태 또는 리본 형태를 가지는 적어도 하나 이상의 섬유 구동기를 섬유 구동기 다발로 합쳐서 인공 근섬유 구동기를 각 형태별로 서로 다르게 제공하고자 한다.
본 명세서의 실시 예들은 섬유 구동기 다발을 전체에 구비하거나, 한쪽(예컨대, 상부 또는 하부)에만 구비하거나, 복수의 구동기 영역별로 구분하여 구비함으로써, 섬유 구동기 다발의 배치에 따라 길이방향으로 연장되는 연장-모드 구동기, 한쪽으로 휘어지거나 각 방향으로 휘어지는 벤딩-모드 구동기로 각각 구동시킬 수 있는, 인공 근섬유 구동기를 제공하고자 한다.
본 명세서의 제1 측면에 따르면, 코어 전극(Core electrode) 및 폴리머(Polymer)를 적어도 두 번 이상의 섬유 드로잉(Fiber drawing)한 이중재질 섬유(Bi-material fiber)로 이루어진 동축 형태의 섬유 구동기(Coaxial fiber actuator)가 적어도 하나 이상 합쳐진 섬유 구동기 다발; 및 상기 섬유 구동기 다발을 감싸되, 상기 섬유 구동기 다발의 일단이 감싸지지 않도록 형성되고, 외부 전압을 인가받는 외부 전극을 포함하고, 상기 섬유 구동기 다발의 일단에 위치한 코어 전극이 서로 연결되고, 외부 전압이 인가되면 길이방향으로 변형되는 인공 근섬유 구동기가 제공될 수 있다.
상기 섬유 구동기 다발은 상기 코어 전극 및 상기 코어 전극을 동축 형태로 둘러싼 PVDF(Polyvinylidene fluoride) 기반의 폴리머를 제1 섬유 드로잉한 이중재질 섬유로 이루어진 동축 형태의 섬유 구동기가 적어도 하나 이상 합쳐져서 이루어질 수 있다.
상기 폴리머는 상기 PVDF(Polyvinylidene fluoride) 기반의 P(VDF-TrFE-CFE) 혹은 P(VDF-TrFE-CTFE)인 완화형 강유전 고분자(relaxor ferroelectric polymer, RFE polymer) 재질로 이루어질 수 있다.
상기 외부 전극은 상기 섬유 구동기 다발 및 상기 섬유 구동기 다발을 둘러싼 클래드 재료(Clad material)를 2차 드로잉하고, 상기 클래드 재료가 제거된 섬유 구동기 다발을 전도성 고분자로 이루어진 전극 재료로 채워서 감싸되, 상기 섬유 구동기 다발의 일단이 드러나도록 전극 재료를 채우지 않을 수 있다.
상기 외부 전극은 전압 강하를 고려하여 두 전극 단자를 서로 반대편에 둘 수 있다.
상기 섬유 구동기 다발은 적어도 하나의 섬유 구동기가 원형 형태 또는 다각형 형태로 구비되어 길이 방향으로 변형이 발생할 수 있다.
상기 섬유 구동기 다발은 상기 적어도 하나의 섬유 구동기가 원형 형태 또는 다각형 형태로 합쳐진 단면의 일부에만 구비된 상태로 구동되어 일방향으로 휘어질 수 있다.
상기 섬유 구동기 다발은 상기 적어도 하나의 섬유 구동기가 원형 형태 또는 다각형 형태로 합쳐진 단면이 복수의 구동기 영역으로 구분된 상태로 개별 구동되어 복수의 구동기 영역에 대응하는 방향으로 휘어질 수 있다.
한편, 본 명세서의 제2 측면에 따르면, 폴리머가 전극 사이에 삽입된 제1 및 제2 전극을 적어도 두 번 이상의 섬유 드로잉한 이중재질 섬유로 이루어진 리본 형태의 섬유 구동기가 적어도 하나 이상 합쳐진 섬유 구동기 다발; 및 상기 섬유 구동기 다발을 감싸되, 상기 섬유 구동기 다발의 양단이 감싸지지 않도록 형성되는 클래드 재료를 포함하고, 상기 섬유 구동기 다발의 양단에 위치한 제1 및 제2 전극이 서로 연결되는 인공 근섬유 구동기가 제공될 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극은 서로 다른 용액에 의해서 각각 녹는 재질로 이루어질 수 있다.
상기 섬유 드로잉이 수행되면, 상기 제1 및 제2 전극의 오버랩 길이는 상기 섬유 드로잉 공정의 드로잉 비율(drawing ratio)에 따라 늘어나는 길이만큼 오버랩될 수 있다.
상기 섬유 구동기 다발의 양단에 위치한 각각의 제1 및 제2 전극이 측벽 상호연결(side-wall connection)을 통해 전극별로 연결될 수 있다.
상기 섬유 구동기 다발은 PVDF(Polyvinylidene fluoride) 기반의 폴리머가 전극 사이에 삽입된 제1 및 제2 전극과 상기 제1 및 제2 전극을 둘러싼 클래드 재료를 제1 섬유 드로잉한 이중재질 섬유로 이루어진 리본 형태의 섬유 구동기가 적어도 하나 이상 합쳐져서 이루어질 수 있다.
상기 폴리머는 상기 PVDF(Polyvinylidene fluoride) 기반의 P(VDF-TrFE-CFE) 혹은 P(VDF-TrFE-CTFE)인 완화형 강유전 고분자 재질로 이루어질 수 있다.
상기 섬유 구동기 다발은 적어도 하나의 리본 형태의 섬유 구동기가 원형 형태 또는 다각형 형태로 구비되어 길이 방향으로 변형이 발생할 수 있다.
상기 섬유 구동기 다발은 원형 형태 또는 다각형 형태로 합쳐진 단면의 일부에만 구비된 상태로 구동되어 일방향으로 휘어질 수 있다.
상기 섬유 구동기 다발은 원형 형태 또는 다각형 형태로 합쳐진 단면이 복수의 구동기 영역으로 구분된 상태로 개별 구동되어 복수의 구동기 영역에 대응하는 방향으로 휘어질 수 있다.
본 명세서의 실시 예들은 섬유 드로잉 공정을 반복적으로 적용하여 마이크로 또는 나노 크기의 섬유 구동기를 적어도 하나의 이상 섬유 구동기 다발로 합친 형태로 이루어지는 인공 근섬유 구동기를 제공할 수 있다.
본 명세서의 실시 예들은 섬유 드로잉 공정을 반복적으로 적용하여 동축 형태 또는 리본 형태를 가지는 적어도 하나 이상의 섬유 구동기를 섬유 구동기 다발로 합쳐서 인공 근섬유 구동기를 각 형태별로 서로 다르게 제조할 수 있다.
본 명세서의 실시 예들은 섬유 구동기 다발을 전체에 구비하거나, 한쪽(예컨대, 상부 또는 하부)에만 구비하거나, 복수의 구동기 영역별로 구분하여 구비함으로써, 섬유 구동기 다발의 배치에 따라 길이방향으로 연장되는 연장-모드 구동기, 한쪽으로 휘어지거나 각 방향으로 휘어지는 벤딩-모드 구동기로 각각 구동시킬 수 있다.
도 1은 본 명세서의 실시 예에 적용되는 섬유 드로잉 공정에 대한 설명도이다.
도 2는 본 명세서의 제1 실시 예에 따른 동축 형태의 인공 근섬유 구동기의 제조 방법 및 이러한 제조 방법으로 제조된 인공 근섬유 구동기에 대한 설명도이다.
도 3은 본 명세서의 제1 실시 예에 따른 동축 형태의 인공 근섬유 구동기의 단면 형상에 따른 구동 모드에 대한 설명도이다.
도 4는 본 명세서의 제2 실시 예에 따른 리본 형태의 인공 근섬유 구동기에 대한 제조 방법 및 이러한 제조 방법으로 제조된 리본 형태의 인공 근섬유 구동기에 대한 설명도이다.
도 5는 본 명세서의 제2 실시 예에 따른 리본 형태의 인공 근섬유 구동기의 단면 형상에 따른 구동 모드에 대한 설명도이다.
이하, 본 명세서의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 명세서에 따른 동작 및 작용을 이해하는 데 필요한 부분을 중심으로 상세히 설명한다. 본 명세서의 실시 예를 설명하면서, 본 명세서가 속하는 기술 분야에 익히 알려졌고 본 명세서와 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 명세서의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
또한, 본 명세서의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 동일한 명칭의 구성 요소에 대하여 도면에 따라 다른 참조부호를 부여할 수도 있으며, 서로 다른 도면임에도 동일한 참조부호를 부여할 수도 있다. 그러나 이와 같은 경우라 하더라도 해당 구성 요소가 실시 예에 따라 서로 다른 기능을 갖는다는 것을 의미하거나, 서로 다른 실시 예에서 동일한 기능을 갖는다는 것을 의미하는 것은 아니며, 각각의 구성 요소의 기능은 해당 실시 예에서의 각각의 구성 요소에 대한 설명에 기초하여 판단하여야 할 것이다.
도 1은 본 명세서의 실시 예에 적용되는 섬유 드로잉 공정에 대한 설명도이다.
도 1의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 섬유 드로잉 공정은 마이크로미터(micrometer) 또는 나노미터(nanometer) 크기의 섬유를 인출하는 공정을 나타낸다. 이러한 섬유 드로잉 공정은 섬유 드로잉 장치(100)에 의해 수행된다. 섬유 드로잉 장치(100)는 이러한 섬유 드로잉 공정에 따라 하나의 재질 또는 이중 재질로 이루어진 복합체를 압착하여 섬유를 제조한다.
도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 섬유 드로잉 장치(100)는 기본적인 섬유 드로잉(Basic fiber drawing) 공정에 따라 하나의 재질로 이루어진 재료를 압착하여 섬유(101)를 제조한다.
도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 섬유 드로잉 장치(100)는 수정된 섬유 드로잉(Modified fiber drawing) 공정에 따라 이중재질(Bi-material)로 이루어진 재료를 압착하여 이중재질로 이루어진 이중재질 섬유(102)를 제조한다.
도 2는 본 명세서의 제1 실시 예에 따른 동축 형태의 인공 근섬유 구동기의 제조 방법 및 이러한 제조 방법으로 제조된 인공 근섬유 구동기에 대한 설명도이다.
적어도 두 번 이상의 섬유 드로잉(Fiber drawing)을 통해 동축 형태의 섬유 구동기(210)를 다수 개와, 이를 섬유 구동기 다발(220)로 합쳐서 동축 형태의 인공 근섬유 구동기(200)를 제조하는 방법이 도 2의 (a) 내지 (d)에 순차적으로 도시되어 있다.
도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 섬유 드로잉 장치(100)는 코어 전극(211) 및 PVDF(Polyvinylidene fluoride) 기반의 폴리머(PVDF based polymer)(212)를 제1 드로잉하여 동축 형태의 섬유 구동기(210)를 제조한다. 여기서, PVDF 기반의 폴리머(212)는 코어 전극(211)을 동축 형태로 둘러싼 상태로 제1 드로잉된다. PVDF 기반의 폴리머(212)는 PVDF(Polyvinylidene fluoride) 기반의 P(VDF-TrFE-CFE) 혹은 P(VDF-TrFE-CTFE)인 완화형 강유전 고분자(relaxor ferroelectric polymer, RFE polymer) 재질로 이루어질 수 있다.
도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 섬유 드로잉 장치(100)는 적어도 하나의 동축 형태의 섬유 구동기(210) 및 클래드 재료(Clad material)(221)를 제2 드로잉하여 케이블 형태의 섬유 구동기 다발(220)을 제조한다. 여기서, 클래드 재료(221)는 적어도 하나의 동축 형태의 섬유 구동기(210)를 둘러싼 상태로 제2 드로잉된다. 섬유 구동기 다발(220)은 제1 섬유 드로잉한 이중재질 섬유로 이루어진 동축 형태의 섬유 구동기(210)가 적어도 하나 이상 합쳐져서 제2 드로잉되어 제조된다. 제2 섬유 드로잉한 섬유 구동기 다발(220)의 섬유 크기는 제1 섬유 드로잉된 섬유 구동기(210)의 섬유 크기에 비해 2번 드로잉되어 작아지게 된다. 반복적으로 섬유 드로잉하게 되면, 섬유 구동기(210)의 섬유 크기는 더욱 작아질 수 있다.
도 2의 (c)에 도시된 바와 같이, 동축 형태의 인공 근섬유 구동기(200)의 제조 방법은 섬유 구동기 다발(220)에서 클래드 재료(221)를 제거한 후, 클래드 재료(221)가 제거된 섬유 구동기 다발(220)을 외부 전극(231)으로 채워서 감싼다. 여기서, 외부 전극(231)은 전도성 고분자로 이루어진 전극 재료로 이루어진다.
도 2의 (d)에 도시된 바와 같이, 외부 전극(231)은 섬유 구동기 다발(220)을 감싸되, 섬유 구동기 다발(220)의 일단이 외부로 드러나도록 일단에는 전극 재료를 채우지 않는다.
그리고 동축 형태의 인공 근섬유 구동기(200)의 제조 방법은 섬유 구동기 다발(220)의 일단에 있는 섬유 구동기(210)의 코어 전극(211)을 서로 연결시켜 동축 형태의 인공 근섬유 구동기(200)를 제조한다. 이러한 동축 형태의 인공 근섬유 구동기(200)는 긴 섬유 형태의 구동기이므로, 전압 강하를 고려하여 두 전극단자(연결부분)를 서로 반대편에 위치시킨다.
이후, 동축 형태의 인공 근섬유 구동기(200)의 외부 전극(231)에 외부 전원에 연결되고, 외부 전원으로부터 전압이 인가되면 동축 형태의 인공 근섬유 구동기(200)는 길이방향으로 변형이 발생하게 된다.
도 3은 본 명세서의 제1 실시 예에 따른 동축 형태의 인공 근섬유 구동기의 단면 형상에 따른 구동 모드에 대한 설명도이다.
본 명세서의 제1 실시 예에 따른 동축 형태의 인공 근섬유 구동기의 단면 형상은 도 3의 (a) 내지 (d)에 도시된 바와 같이, 원형 형태 또는 다각형 형태를 가질 수 있다. 여기서, 인공 근섬유 구동기는 특정 단면 형상으로 한정되지 않는다.
도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 인공 근섬유 구동기는 길이방향의 연장-모드 구동기(Extension-mode actuator)(310)로 구동될 수 있다. 길이방향의 연장-모드 구동기(310)에서의 동축 형태의 섬유 구동기 다발이 원형 형태 또는 다각형 형태로 구비되어 있다. 따라서 길이방향의 연장-모드 구동기(310)에 전원이 인가되면, 연장-모드 구동기(310) 전체가 길이 방향으로 변형이 발생하여 길이가 연장된다.
인공 근섬유 구동기는 구동기 영역의 개수에 따라 특정 방향으로 휘어지는 동축 형태의 제1 내지 제3 벤딩-모드 구동기(Bending-mode actuator)(320 내지 340)로 구동될 수 있다. 이러한 동축 형태의 제1 내지 제3 벤딩-모드 구동기(320 내지 340)를 각각 살펴보기로 한다.
도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 제1 벤딩-모드 구동기(320)에는 동축 형태의 섬유 구동기 다발이 원형 형태 또는 다각형 형태로 합쳐진 단면의 일부에만 구비되어 있다. 일례로, 섬유 구동기 다발의 단면이 양분되어 있고, 어느 한쪽 즉, 상부 또는 하부에만 섬유 구동기 다발이 구비될 수 있다. 따라서 제1 벤딩-모드 구동기(320)에 전원이 인가되어 구동되면, 제1 벤딩-모드 구동기(320)의 일부는 변형이 발생하여 일방향으로 휘어진다.
도 3의 (c)에 도시된 바와 같이, 제2 벤딩-모드 구동기(330)에는 동축 형태의 섬유 구동기 다발이 원형 형태 또는 다각형 형태로 합쳐져 있고, 그 단면이 2개의 구동기 영역으로 구분된 상태로 구비되어 있다. 일례로, 섬유 구동기 다발의 단면이 구동기 A, B 영역으로 나누어져 있고, 섬유 구동기 다발은 양쪽 구동기 영역에 나눠져서 구비되어 있다. 여기서, 2개의 구동기 A 및 B 영역에 구비된 섬유 구동기 다발의 개수가 서로 다를 수 있다. 따라서 제2 벤딩-모드 구동기(330)는 2개의 구동기 A 및 B 영역으로 구분된 상태에서 개별적으로 전원이 인가되어, 2개의 구동기 A 및 B 영역이 개별적으로 구동될 수 있다. 그러면, 제2 벤딩-모드 구동기(330)는 2개의 구동기 A 및 B 영역에 대응하는 2개의 방향으로 각각 휘어지게 된다.
도 3의 (d)에 도시된 바와 같이, 제3 벤딩-모드 구동기(340)에는 동축 형태의 섬유 구동기 다발이 원형 형태 또는 다각형 형태로 합쳐져 있고, 그 단면이 4개의 구동기 영역으로 구분된 상태로 구비되어 있다. 일례로, 섬유 구동기 다발의 단면이 4개의 구동기 A, B, C 및 D 영역으로 나누어져 있고, 4개의 구동기 영역에 나눠져서 구비되어 있다. 여기서, 4개의 구동기 A, B, C 및 D 영역에 구비된 섬유 구동기 다발의 개수가 서로 다를 수 있다. 따라서 제3 벤딩-모드 구동기(340)는 4개의 구동기 A, B, C 및 D 영역으로 구분된 상태에서 개별적으로 전원이 인가되어, 4개의 구동기 A, B, C 및 D 영역이 개별적으로 구동될 수 있다. 그러면, 제3 벤딩-모드 구동기(340)는 4개의 구동기 A, B, C 및 D 영역에 대응하는 4개의 방향으로 각각 휘어지게 된다. 예를 들어, 4개의 영역을 더 많이 나누면, 제3 벤딩-모드 구동기(340)는 임의의 방향으로 휘어지는 벤딩-모드 구동기를 구현할 수 있다.
도 4는 본 명세서의 제2 실시 예에 따른 리본 형태의 인공 근섬유 구동기에 대한 제조 방법 및 이러한 제조 방법으로 제조된 리본 형태의 인공 근섬유 구동기에 대한 설명도이다.
적어도 두 번 이상의 섬유 드로잉(Fiber drawing)을 통해 리본 형태의 섬유 구동기(410)를 다수 개와, 이를 섬유 구동기 다발(420)로 합쳐서 리본 형태의 인공 근섬유 구동기(400)를 제조하는 방법이 도 4의 (a) 내지 (e)에 순차적으로 도시되어 있다.
도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 섬유 드로잉 장치(100)는 PVDF 기반의 폴리머(413), 제1 및 제2 전극(411 및 412)과 클래드 재료(421)를 제1 섬유 드로잉하여 이중재질 섬유로 이루어진 리본 형태의 섬유 구동기(410)를 제조한다. 여기서, PVDF 기반의 폴리머(413)는 제1 및 제2 전극(411 및 412)의 사이에 삽입되어 있다. 클래드 재료(421)는 PVDF 기반의 폴리머(413)가 전극 사이에 삽입된 제1 및 제2 전극(411 및 412)을 둘러싼 상태로 제1 드로잉된다. PVDF 기반의 폴리머(212)는 PVDF 기반의 P(VDF-TrFE-CFE) 혹은 P(VDF-TrFE-CTFE)인 완화형 강유전 고분자(RFE polymer) 재질로 이루어질 수 있다.
여기서, 제1 및 제2 전극(411 및 412)은 서로 다른 용액에 의해 각각 녹는 재질로 이루어져 있다. 즉, 제1 및 제2 전극(411 및 412)은 각 전극에 대응되는 용액에 의해서만 녹는다. 예를 들어, 제1 전극(411)이 (+) 전극이고 A 용액에만 녹고, 제2 전극(412)이 (-) 전극이고 B 용액에만 녹는 경우를 살펴보기로 한다. 제1 및 제2 전극(411 및 412)이 함께 드로잉된 후, 한쪽 끝부분이 A 용액에 담기면, (+) 전극인 제1 전극(411)이 녹고 제2 전극(412)이 남게 된다. 반대로, 반대쪽 끝부분이 B 용액에 담기면, (-) 전극인 제2 전극(412)이 녹고 제1 전극(411)이 남게 된다.
도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 섬유 드로잉 장치(100)는 적어도 하나의 리본 형태의 섬유 구동기(410) 및 클래드 재료(421)를 제2 드로잉하여 케이블 형태의 섬유 구동기 다발(420)을 제조한다. 여기서, 클래드 재료(421)는 적어도 하나의 리본 형태의 섬유 구동기(410)를 둘러싼 상태로 제2 드로잉된다. 섬유 구동기 다발(420)은 제1 섬유 드로잉한 이중재질 섬유로 이루어진 리본 형태의 섬유 구동기(410)가 적어도 하나 이상 합쳐져서 제2 드로잉되어 제조된다. 제2 섬유 드로잉한 섬유 구동기 다발(420)의 섬유 크기는 제1 섬유 드로잉된 섬유 구동기(410)의 섬유 크기에 비해 2번 드로잉되어 작아지게 된다. 반복적으로 섬유 드로잉하게 되면, 섬유 구동기(410)의 섬유 크기는 더욱 작아질 수 있다.
한편, 클래드 재료(421)는 섬유 구동기 다발(420)을 감싸되, 섬유 구동기 다발(420)의 양단이 감싸지지 않도록 형성될 수 있다.
도 4의 (c)에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 전극(411 및 412)은 각각 상부 전극(Top electrode) 및 하부 전극(Bottom electrode)로 지칭될 수 있다.
섬유 드로잉이 수행되기 전에, 제1 및 제2 전극(411 및 412)은 서로 다른 용액에 의해 제1 및 제2 전극(411 및 412)의 일부분이 각각 녹는다. 즉, 제1 및 제2 전극(411 및 412)은 각 전극에 대응되는 용액에 의해서만 녹는다. 그리고 녹고 남은 제1 및 제2 전극(411 및 412)의 나머지 부분들은 오버랩 길이(lo)만큼 상부 및 하부에 각각 위치하여 서로 오버랩(overlapping)된다. 여기서, 오버랩 길이(lo)는 가능하면 작게 형성될 수 있다.
도 4의 (d)에 도시된 바와 같이, 섬유 드로잉이 수행되면, 제1 및 제2 전극(411 및 412)의 오버랩 길이는 섬유 드로잉 공정의 드로잉 비율(drawing ratio)에 따라 늘어나게 된다. 즉, 늘어나는 오버랩 길이(lo')는 lo'=αlo와 같이, 오버랩 길이(lo)에 드로잉 비율(α)이 곱해져서 산출될 수 있다.
도 4의 (e)에 도시된 바와 같이, 섬유 구동기 다발(420)의 양단에 위치한 각각의 제1 및 제2 전극(411 및 412)이 측벽 상호연결(side-wall connection)을 통해 전극별로 연결된다. 이러한 전극 연결을 통해 리본 형태의 인공 근섬유 구동기(400)가 제조된다. 여기서, 나노미터 크기의 섬유 구동기 다발(420)에서는 제1 및 제2 전극(411 및 412)의 위치가 상부 및 하부에 각각 정렬되게 된다.
도 5는 본 명세서의 제2 실시 예에 따른 리본 형태의 인공 근섬유 구동기의 단면 형상에 따른 구동 모드에 대한 설명도이다.
본 명세서의 제2 실시 예에 따른 리본 형태의 인공 근섬유 구동기의 단면 형상은 도 5의 (a) 내지 (d)에 도시된 바와 같이, 원형 형태 또는 다각형 형태를 가질 수 있다. 여기서, 인공 근섬유 구동기는 특정 단면 형상으로 한정되지 않는다.
도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 인공 근섬유 구동기는 길이방향의 연장-모드 구동기(510)로 구동될 수 있다. 길이방향의 연장-모드 구동기(510)에는 섬유 구동기 다발이 원형 형태 또는 다각형 형태로 구비되어 있다. 따라서 길이방향의 연장-모드 구동기(510)에 전원이 인가되면, 연장-모드 구동기(510) 전체가 길이 방향으로 변형이 발생하여 길이가 연장된다.
인공 근섬유 구동기는 구동기 영역의 개수에 따라 특정 방향으로 휘어지는 리본 형태의 제1 내지 제3 벤딩-모드 구동기(520 내지 540)로 구동될 수 있다. 이러한 리본 형태의 벤딩-모드 구동기(520 내지 540)를 각각 살펴보기로 한다.
도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 제1 벤딩-모드 구동기(520)에서의 리본 형태의 섬유 구동기 다발이 원형 형태 또는 다각형 형태로 합쳐져 있고, 그 단면의 일부에만 섬유 구동기 다발이 구비되어 있다. 일례로, 섬유 구동기 다발의 단면이 양분되어 있고, 어느 한쪽 즉, 상부 또는 하부에만 섬유 구동기 다발이 구비될 수 있다. 따라서 제1 벤딩-모드 구동기(520)에 전원이 인가되어 구동되면, 제1 벤딩-모드 구동기(520)의 일부는 변형이 발생하여 일방향으로 휘어진다.
도 5의 (c)에 도시된 바와 같이, 제2 벤딩-모드 구동기(530)에는 리본 형태의 섬유 구동기 다발이 원형 형태 또는 다각형 형태로 합쳐져 있고, 그 단면이 2개의 구동기 영역으로 구분된 상태로 구비되어 있다. 일례로, 섬유 구동기 다발의 단면이 구동기 A, B 영역으로 나누어져 있고, 섬유 구동기 다발은 양쪽 구동기 영역에 나눠져서 구비되어 있다. 여기서, 2개의 구동기 A 및 B 영역에 구비된 섬유 구동기 다발의 개수가 서로 다를 수 있다. 따라서 제2 벤딩-모드 구동기(530)는 2개의 구동기 A 및 B 영역으로 구분된 상태에서 개별적으로 전원이 인가되어, 2개의 구동기 A 및 B 영역이 개별적으로 구동될 수 있다. 그러면, 제2 벤딩-모드 구동기(530)는 2개의 구동기 A 및 B 영역에 대응하는 2개의 방향으로 각각 휘어지게 된다.
도 5의 (d)에 도시된 바와 같이, 제5 벤딩-모드 구동기(540)에는 리본 형태의 섬유 구동기 다발이 원형 형태 또는 다각형 형태로 합쳐져 있고, 그 단면이 4개의 구동기 영역으로 구분된 상태로 구비되어 있다. 일례로, 섬유 구동기 다발의 단면이 4개의 구동기 A, B, C 및 D 영역으로 나누어져 있고, 4개의 구동기 영역에 나눠져서 구비되어 있다. 여기서, 4개의 구동기 A, B, C 및 D 영역에 구비된 섬유 구동기 다발의 개수가 서로 다를 수 있다. 따라서 제3 벤딩-모드 구동기(540)는 4개의 구동기 A, B, C 및 D 영역으로 구분된 상태에서 개별적으로 전원이 인가되어, 4개의 구동기 A, B, C 및 D 영역이 개별적으로 구동될 수 있다. 그러면, 제3 벤딩-모드 구동기(540)는 4개의 구동기 A, B, C 및 D 영역에 대응하는 4개의 방향으로 각각 휘어지게 된다.
이상에서 설명한 실시 예들은 그 일 예로서, 본 명세서가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 섬유 드로잉 장치
101, 102: 섬유, 이중재질 섬유
200: 동축 형태의 인공 근섬유 구동기
211: 코어 전극
212: PVDF 기반의 폴리머
221: 클래드 재료
231: 외부 전극
310: 연장-모드 구동기
320 내지 340: 제1 내지 제3 벤딩-모드 구동기
400: 리본 형태의 인공 근섬유 구동기
411 및 412: 제1 및 제2 전극
413: PVDF 기반의 폴리머
421: 클래드 재료
510: 연장-모드 구동기
520 내지 540: 제1 내지 제3 벤딩-모드 구동기

Claims (17)

  1. 코어 전극(Core electrode) 및 폴리머(Polymer)를 적어도 두 번 이상의 섬유 드로잉(Fiber drawing)한 이중재질 섬유(Bi-material fiber)로 이루어진 동축 형태의 섬유 구동기(Coaxial fiber actuator)가 적어도 하나 이상 합쳐진 섬유 구동기 다발; 및
    상기 섬유 구동기 다발을 감싸되, 상기 섬유 구동기 다발의 일단이 감싸지지 않도록 형성되고, 외부 전압을 인가받는 외부 전극을 포함하고,
    상기 섬유 구동기 다발의 일단에 위치한 코어 전극이 서로 연결되고, 외부 전압이 인가되면 길이방향으로 변형되는 인공 근섬유 구동기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 구동기 다발은
    상기 코어 전극 및 상기 코어 전극을 동축 형태로 둘러싼 PVDF(Polyvinylidene fluoride) 기반의 폴리머를 제1 섬유 드로잉한 이중재질 섬유로 이루어진 동축 형태의 섬유 구동기가 적어도 하나 이상 합쳐져서 이루어지는 인공 근섬유 구동기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 폴리머는
    PVDF(Polyvinylidene fluoride) 기반의 P(VDF-TrFE-CFE) 혹은 P(VDF-TrFE-CTFE)인 완화형 강유전 고분자(relaxor ferroelectric polymer, RFE polymer) 재질로 이루어지는 인공 근섬유 구동기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 외부 전극은
    상기 섬유 구동기 다발 및 상기 섬유 구동기 다발을 둘러싼 클래드 재료(Clad material)를 2차 드로잉하고, 상기 클래드 재료가 제거된 섬유 구동기 다발을 전도성 고분자로 이루어진 전극 재료로 채워서 감싸되, 상기 섬유 구동기 다발의 일단이 드러나도록 전극 재료를 채우지 않는 인공 근섬유 구동기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 외부 전극은
    전압 강하를 고려하여 두 전극 단자를 서로 반대편에 두는 인공 근섬유 구동기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 구동기 다발은
    적어도 하나의 섬유 구동기가 원형 형태 또는 다각형 형태로 구비되어 길이 방향으로 변형이 발생하는 인공 근섬유 구동기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 섬유 구동기 다발은
    상기 적어도 하나의 섬유 구동기가 원형 형태 또는 다각형 형태로 합쳐진 단면의 일부에만 구비된 상태로 구동되어 일방향으로 휘어지는 인공 근섬유 구동기.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 섬유 구동기 다발은
    상기 적어도 하나의 섬유 구동기가 원형 형태 또는 다각형 형태로 합쳐진 단면이 복수의 구동기 영역으로 구분된 상태로 개별 구동되어 복수의 구동기 영역에 대응하는 방향으로 휘어지는 인공 근섬유 구동기.
  9. 폴리머가 전극 사이에 삽입된 제1 및 제2 전극을 적어도 두 번 이상의 섬유 드로잉한 이중재질 섬유로 이루어진 리본 형태의 섬유 구동기가 적어도 하나 이상 합쳐진 섬유 구동기 다발; 및
    상기 섬유 구동기 다발을 감싸되, 상기 섬유 구동기 다발의 양단이 감싸지지 않도록 형성되는 클래드 재료를 포함하고,
    상기 섬유 구동기 다발의 양단에 위치한 제1 및 제2 전극이 서로 연결되는 인공 근섬유 구동기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극은
    서로 다른 용액에 의해서 각각 녹는 재질로 이루어지는 인공 근섬유 구동기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 섬유 드로잉이 수행되면, 상기 제1 및 제2 전극의 오버랩 길이는 상기 섬유 드로잉 공정의 드로잉 비율(drawing ratio)에 따라 늘어나는 길이만큼 오버랩되는 인공 근섬유 구동기.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 섬유 구동기 다발의 양단에 위치한 각각의 제1 및 제2 전극이 측벽 상호연결(side-wall connection)을 통해 전극별로 연결되는 인공 근섬유 구동기.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 섬유 구동기 다발은
    PVDF(Polyvinylidene fluoride) 기반의 폴리머가 전극 사이에 삽입된 제1 및 제2 전극과 상기 제1 및 제2 전극을 둘러싼 클래드 재료를 제1 섬유 드로잉한 이중재질 섬유로 이루어진 리본 형태의 섬유 구동기가 적어도 하나 이상 합쳐져서 이루어지는 인공 근섬유 구동기.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 폴리머는
    PVDF(Polyvinylidene fluoride) 기반의 P(VDF-TrFE-CFE) 혹은 P(VDF-TrFE-CTFE)인 완화형 강유전 고분자 재질로 이루어지는 인공 근섬유 구동기.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 섬유 구동기 다발은
    적어도 하나의 리본 형태의 섬유 구동기가 원형 형태 또는 다각형 형태로 구비되어 길이 방향으로 변형이 발생하는 인공 근섬유 구동기.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 섬유 구동기 다발은
    원형 형태 또는 다각형 형태로 합쳐진 단면의 일부에만 구비된 상태로 구동되어 일방향으로 휘어지는 인공 근섬유 구동기.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 섬유 구동기 다발은
    원형 형태 또는 다각형 형태로 합쳐진 단면이 복수의 구동기 영역으로 구분된 상태로 개별 구동되어 복수의 구동기 영역에 대응하는 방향으로 휘어지는 인공 근섬유 구동기.
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