KR20180015682A - 작동 디바이스 - Google Patents
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Abstract
작동 디바이스는 담체(50)에 부착된 적어도 하나의 전기 활성 폴리머(EAP) 층(52) 및 적어도 2개의 안정 상태를 한정하는 기계적 구조물(56, 58)을 포함한다. EAP 층은 구동될 때 적어도 2개의 안정 상태 사이에서 전환하도록 기계적 구조물과 상호 작용하는데 적합하며, 기계적 구조물은 비구동 상태에서 선택된 안정 상태에서 전기 활성 폴리머 층을 보유한다. 이러한 방식으로, 디바이스를 위한 2개 이상의 안정 상태가 한정되고, 이러한 것은 EAP가 더 이상 구동되지 않을 때 보유될 수 있다.
Description
본 발명은 활성 물질을 사용하는 작동 디바이스에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 디바이스의 어레이, 및 이러한 디바이스 및 어레이를 작동시키는 방법에 관한 것이다.
전기 또는 광 활성(optoactive) 물질들은 적절한 제어 신호로 전기적으로 또는 광학적으로 구동될 때 기계적 변형을 보이는 물질이다. 이러한 물질들의 특정 클래스는 또한 반대 효과를 보이며, 즉 물질들은 기계적 변형을 받을 때 전기 신호 또는 광 신호를 제공할 수 있다. 상기 효과를 일으키는 정확한 메커니즘은 선택하는 물질에 의존하며, 일부 경우에, 또한 물질들을 매립하는 디바이스에 의존한다. 상기의 효과 때문에, 이러한 물질들의 가장 보편적인 응용 분야는 액튜에이터 및/또는 센서에 있다.
전기 활성 폴리머(Electroactive Polymer, EAP) 및 광 활성 폴리머(Optoactive Polymer, OAP)는 새로운 종류의 물질로 부상하고 있다. 이러한 물질들은 물질들의 유리한 작동 응답 특성(actuation-response properties)을 다수의 유리한 엔지니어링 특성과 결합하여, 새로운 응용 분야에서 사용할 수 있도록 한다. 그러므로, 예를 들어, EAP는 일반적으로 일반적인 다른 기계적 액튜에이터 또는 무기질 EAM(inorganic EAM)에 기초한 액튜에이터와 비교하여 작은 부피 또는 얇은 형태 인자(form factor)에서 비교적 큰 변형 및 힘을 보인다. EAP는 또한 무소음 작동, 정밀 전자 제어, 빠른 응답, 및 고해상도 및 0-20 kHz와 같은 광범위한 가능 작동 주파수의 주기적 작동의 가능성을 제공한다. OAP는 다른 장점을 제공한다. 이러한 모든 특성과 장점은 다양한 시스템으로의 용이한 통합을 허용하는 널리 확립된 방법을 사용하여 다양한 형상으로 용이하게 제조될 수 있다.
EAP 및 OAP는 구성 요소 또는 특징의 소량의 움직임이 요구되는 임의의 응용 분야에서 특히 유익하게 사용될 수 있다. 유사하게, 이러한 기술은 작은 움직임을 감지하도록 사용될 수 있다.
EAP 디바이스 동작의 예로서, 도 1 및 도 2는 EAP 기반 디바이스에 대한 2개의 가능한 동작 모드를 도시한다. 디바이스는 EAP 층(14)의 양쪽 측면 상의 전극(10, 12)들 사이에 샌드위치된 EAP 층(14)을 포함한다. 도 1에서, EAP 층이 자유롭게 움직일 수 있지만, 도 2에서, 전체 EAP 층 및 그 전극들은 하나의 층 측면에 의해 지지 담체 층(16)에 클램핑된다. 전극(10 및 12)들 위에 인가된 전압차(구동 신호)는 EAP 층이 도시된 바와 같이 모든 방향으로 팽창되도록 EAP 층을 통해 전기장을 제공하도록 사용된다. 도 1에서, 이러한 것은 자유롭게 현수되는 층으로 인하여 EAP 층의 변형으로 이어지지만, 도 2에서 동일한 작동은 클램핑에 의한 운동의 제한된 자유로 인하여 디바이스의 굽힘으로 이어진다. 디바이스 엔지니어링을 사용하여, 다양한 디바이스 출력은 EAP 층의 작동시에, 즉 디바이스의 구동시에 적용될 수 있다. 그러므로, 도시된 바와 같이 축을 중심으로 하는 비대칭 곡면을 얻도록, 예를 들어 분자 배향(필름 연신)이 적용되어, 일방향으로의 움직임을 강제할 수 있다. 일방향으로의 팽창은 EAP 층에서 비대칭성에 기인할 수 있거나, 또는 담체 층의 특성에서의 비대칭성에 기인할 수 있거나, 또는 양자의 조합에 기인할 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 것들과 같은 EAP 또는 OAP 기반 디바이스는 전형적으로 아날로그 디바이스이며, 이러한 것은 드라이브 대 출력 응답 곡선이 연속 곡선이라는 것을 의미한다. 그러므로, 0 레벨/세기 신호 이외의 어떠한 신호도 작동 출력(actuation output)으로 이어질 것이다. 그러나, 이러한 것들은 그 작동 상태를 유지하기 위하여 연속 구동을 요구한다. 특정의 경우에, 액튜에이터에 연속적인 구동 신호를 전달하는 것이 필요하지 않다. 그러므로, 그 작동 상태를 유지하도록 구동 신호의 연속 적용을 필요로 하지 않는 디바이스가 필요하다.
본 발명의 목적은 그 작동 상태를 유지하기 위하여 구동 신호의 연속적인 적용을 요구하지 않는, 상기된 형태의 작동 디바이스를 제공하는 것이다.
이러한 목적은 독립항들에 한정된 바와 같은 디바이스로 적어도 부분적으로 달성된다. 종속항들은 유익한 실시예를 제공한다.
본 발명에 따라서, 담체, 및 활성 물질의 구동에 응답하여 적어도 상기 담체의 굽힘 및/또는 굽힘의 변화를 유발하기 위해 상기 담체에 부착된 활성 물질을 포함하는 작동 구조물(62); 및
제1 및 제2 안정한 기계적 상태들 중 적어도 하나에서 굽힘 구성으로 상기 작동 구조물을 기계적으로 구속하는 것에 의해 상기 작동 구조물의 상기 제1 안정한 기계적 상태 및 상기 제1 안정한 기계적 상태와는 다른 제2 안정한 기계적 상태를 한정하는 기계적 구조물(24)을 포함하며;
구동시, 상기 작동 구조물은 제1 안정한 기계적 상태로부터 제2 안정한 기계적 상태로 전환될 수 있는 디바이스가 제공된다.
활성 물질은 구동될 때 그 형상을 변형하거나 변화시킬 수 있는 물질이다. 구동은 예를 들어 전기 구동(전압, 전기장, 또는 전류에 의한) 또는 광학 구동(특정 주파수, 색상 및/또는 세기의 광 신호에 의한)을 의미할 수 있다.
작동 구조물은 작동 구조물이 굽힘 액튜에이터를 제공하도록 활성 물질에 부착된 담체를 포함한다. 그러므로, 구동은 담체를 굽히거나 또는 굽히지 않는다.
기계적 구조물은 액튜에이터가 적어도 2개의 서로 다른 안정한 기계적 상태들을 채택할 수 있도록 액튜에이터를 기계적으로 구속한다.
안정한 기계적 상태는 특히 디바이스에 대한 구동과 같은 외부 자극을 인가함이 없이 유지될 수 있거나 또는 유지되는 기계적 상태를 의미한다. 그러므로, 기계적 구조물은 구동의 중지시에 적어도 하나의 안정한 기계적 상태를 유지하기 위한 것이다. 작동 구조물은 하나의 상태로부터 다른 상태로 전환하도록 디바이스를 활성화하기 위하여 기계적 구조물과 상호 작용한다. 이러한 것은 디바이스가 전환될 때만 구동하고 안정 상태에서는 구동하지 않아야 하는 것을 의미한다.
제1 안정한 기계적 상태는 작동 구조물의 비구동 평형 또는 휴지 상태일 수 있다.
이러한 디바이스는 디바이스가 작동될 수 있고 다수의 안정 상태를 가질 수 있도록 작동 구조물과 기계적 구조물을 결합한다. 작동 구조물의 담체 부분은 기계적 구조물의 일부이며, 디바이스를 특히 콤팩트하게 만든다. 이러한 설계는, 그 자체가 쌍안정 거동(bistable behaviour)을 제공하지 않고 통상적으로 평평한 상태로 생산되는 단순한 평탄 굽힘 액튜에이터(적어도 하나의 액튜에이터 물질층과 적어도 하나의 담체층을 구비한 다중층)가 쌍안정 작동 거동(bistable actuation behaviour)을 가지지 않는 디바이스에서 통합되는 것을 가능하게 한다.
그러므로, 이러한 디바이스는 디지털 출력(임계값 이하에서, 효과가 없고 임계값 위에서 일정한 규모의 효과가 있음) 또는 실제로 다중 레벨 출력을 주도록 사용될 수 있다. 그러므로, 본질적으로 아날로그 작동 구조물의 작동은 디지털 출력으로 변환된다. 이러한 방식으로, 아날로그 구동 신호는 디지털 구동 출력으로 변환되고, 작동된 상태는 인가된 구동 신호를 제거한 후에도 유지된다.
디바이스는 바람직하게 작동 출력을 제공하기 위한 작동 디바이스이며, 작동 출력은 적어도 제2 안정한 기계적 상태에 기초하거나 또는 이에 의해 규정된다. 작동 출력은 예를 들어, 스트로크, 힘, 압박, 압력 또는 변위와 같은 임의의 종류의 기계적 출력을 포함할 수 있으며, 변위는 하나 이상의 지점 또는 하나 이상의 축 주위에서 하나 이상의 축을 따라서 하나 이상의 방향으로 슬라이딩, 회전, 바인딩, 비틀림 또는 팽창, 또는 상기된 임의의 하나의 조합에 기초할 수 있다. 이러한 것은 작동 구조물 및/또는 기계적 구조물의 특정 설계에 따른 필요에 따라서 설계될 수 있다.
작동 구조물은 작동 출력을 제공하기 위해 배열될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 작동 출력을 제공하기 위한 작동 구조물 및/또는 기계적 구조물과 기계적(접촉으로 또는 힘 작동을 통한) 상호 작용을 가지는 작동 출력 부재(예를 들어, 피스톤 또는 로드 또는 다른 부재)가 있을 수 있다.
하나의 예에서, 디바이스는 디바이스에 기계적인 힘을 외부적으로 인가하는 것에 의해 재설정된다. 그 후, 구동은 단지 하나의 방향으로 상태들 사이를 전환, 즉 제1 안정 상태로부터 제2 안정 상태로 전환한다.
본 발명의 디바이스는 제1 측면 및 제1 측면 반대편의 제2 측면을 가지는 담체를 추가로 포함할 수 있으며, 활성 물질은 제1 측면에 부착되고;
액튜에이터 구조물은 제2 측면에 부착된 추가의 활성 물질을 포함하고, 추가의 활성 물질은, 추가의 구동시에, 작동 구조물이 제2 안정한 기계적 상태로부터 제1 안정한 기계적 상태로 전환할 수 있도록 활성 물질의 추가의 구동에 응답하여 작동 구조물의 굽힘 및/또는 굽힘의 변화를 유발하기 위한 것이다.
그러므로, 추가의 구동의 중지시에, 기계적 구조물은 제1의 안정한 기계적 상태를 유지할 수 있다. 그러므로, 이러한 디바이스는 2개의 안정 상태 사이에서 구동 가능한 한편, 설계 콤팩트화가 유지된다.
활성 물질 및 추가의 활성 물질은 동일하거나 상이할 수 있다. 양쪽 모두 전기 활성 물질이거나 또는 양쪽 모두 광 활성 물질일 수 있다. 대안적으로, 하나는 전기 활성일 수 있고, 다른 하나는 광 활성일 수 있다.
기판 및 임의의 활성 물질은 바람직하게 층들의 적층으로서 배열된다. 활성 물질, 추가의 활성 물질, 기계적 구조물의 담체 부분, 및 임의의 다른 부분은 서로의 상부에 적층된 층 형태로 만들어질 수 있다. 선택적인 부분들은 하나 이상의 전극(전극 활성 물질) 또는 하나 이상의 광학 가이드/광 가이드(광학 활성 물질)와 같이 구동을 제공하기 위한 부분들일 수 있다. 이러한 것은 편리한 설계이다.
본 발명에서, 제1 및 제2 기계적 상태 모두에서, 액튜에이터는 굽힘 구성으로 기계적으로 구속될 수 있다. 기계적으로 구속된 액튜에이터, 및 특히 담체는 구속으로 인해 쌍안정 부분(예를 들어 스프링으로서 거동하는)일 수 있다. 상기 부분은 층의 형상을 가질 수 있다. 이러한 부분 또는 층은 예를 들어 전환 동안 2개의 안정 상태 사이에서 스냅할 수 있다. 예를 들어, 이러한 것은 볼록 상태와 오목 상태 사이에서, 또는 등가적으로 상향 돌출 및 하향 돌출 상태 사이에서 토글(toggle)할 수 있다. 그러므로, 제1 안정한 기계적 상태의 굽힘 구성은 제2 안정한 기계적 상태의 굽힘 구성과 반대일 수 있다.
대안적으로, 작동 구조물은 비기계적으로 구속된 제1 또는 제2 안정한 기계적 상태에 있을 때 비구동 상황에서 실질적으로 평탄할 수 있는 한편, 다른 상태는 여전히 굽힘 구성이다.
디바이스는 하우징을 포함할 수 있으며, 기계적 구조물은 하우징에 대한 덮개를 형성하고, 작동 구조물은 하우징 내에 있다. 이러한 것은 상부 덮개가 디바이스의 기계적 작동 출력을 제공하는 폐쇄형 자체 수용 설계를 제공한다.
이러한 설계 콤팩트 설계는 다중 구조물(층의 형태일 수 있음)들로서 추가의 작동 구조물을 가지는 디바이스에 대해 유익하며, 컴팩트한 디바이스는 양방향 전환 능력 및 안정성을 구비할 수 있다.
활성 물질 및/또는 추가의 활성 물질은 담체의 영역의 일부분, 예를 들어 가장자리 부분에 걸쳐서만 연장될 수 있다. 물질은 작동 구조물이 그 상태들 사이에서 토글하도록 충분할 필요가 있다.
기계적 구조물은, 작동 구조물이 안정한 기계적 상태로 유지될 수 있는 복수의 보유 위치를 가지는 보유 디바이스(retaining device)를 포함할 수 있으며, 각각의 보유 위치는 상이한 액튜에이터 위치에 대응하고, 보유 위치들 중 적어도 하나는 제1 및 제2 안정한 기계적 상태들 중 적어도 하나에서 굽힘 구성으로 작동 구조물을 기계적으로 구속한다.
작동 구조물이 구동된 후에 이를 보유하는 것에 의해, 그 형상은 구동이 종료된 후에 적어도 부분적으로 보유된다. 보유 디바이스는 예를 들어 작동 구조물의 고정 가장자리로부터 상이한 거리에서 작동 구조물의 가동성 가장자리를 보유하기 위한 것이고, 복수의 보유 노치를 포함할 수 있다.
활성 물질으로서 전기 활성 폴리머를 사용하는 디바이스는 전기장 구동(field-driven) 및 이온성 구동(ionic-driven) 물질로 세분될 수 있다. 전기장 구동 EAP는 직접식 전자 기계 결합을 통한 전기장에 의해 작동된다. 이러한 것들은 통상적으로 낮은 전류 외에 높은 전기장(field)(미터당 볼트)을 요구한다. 폴리머 층들은 통상적으로 구동 전압을 가능한 낮게 유지하도록 얇다. 이온성 EAP는 이온 및/또는 용매의 전기 유도 수송에 의해 활성화된다. 이러한 것들은 액체/겔 전해질 매체를 요구한다(비록 일부 물질 시스템이 고체 전해질을 사용하여 작동할 수 있을지라도). 두 클래스의 EAP는 다수의 패밀리 부재를 가지며, 각각 그 자체의 이점 및 결점을 가진다.
전기장 구동 EAP의 예들은 압전성 폴리머(Piezoelectric Polymer), 전자 변형성 폴리머(PVDF 기반의 이완 또는 폴리머 또는 폴리우레탄), 및 유전체 탄성중합체를 포함한다. 다른 예들은 전자 변형성 그라프트 폴리머, 전자 변형성 페이퍼, 일렉트릿(Electrets), 전기점탄성 탄성중합체 및 액정 탄성중합체가 있다.
이온성 구동 EAP의 예는 복합/전도성 폴리머, 이온성 폴리머 금속 복합체(ionic polymer-metal composite, IPMC) 및 탄소 나노 튜브(CNT)를 포함한다. 다른 예는 이온성 폴리머 겔을 포함한다.
광 활성 물질들은 조사(irradiation)시에 시스 트랜스 이성질화(cis-trans isomerization)를 겪을 수 있는 하나 이상의 이중 결합을 가지는 폴리머를 포함할 수 있다. 이러한 결합은 C=C, N=C 또는 N=N 결합일 수 있다. 이러한 물질들은 예를 들어 스틸벤(stilbenes)을 포함할 수 있다.
특정 응용 분야에서, 액튜에이터 어레이들은 예를 들어 위치 제어 시스템 및 제어 토폴로지 표면(controlled topology surface)들에서 유용할 수 있다. 그러나, 액튜에이터의 구동 전압이 상당히 높음에 따라서(50 V 이상), 그 자체의 드라이버 통합 회로로 각각의 액튜에이터를 개별적으로 구동하는데 많은 비용이 든다.
수동 매트릭스 어레이는 행(n 행) 및 열(m 열) 연결만을 사용하는 어레이 구동 시스템의 간단한 구현이며, 능동 매트릭스 변형보다 저렴하고 덜 복잡하다. 오직 (n + m)개의 드라이버들이 (n + m)개까지의 액튜에이터를 어드레싱하도록 요구됨에 따라서, 이러한 것은 훨씬 비용 효율적인 접근 방법이며, 추가 배선의 비용과 공간을 절약한다.
이상적으로, 수동 매트릭스 디바이스에서, 각각의 개별 액튜에이터는 인접 액튜에이터들에 영향을 미치지 않으면서 그 최대 전압까지 작동하여야 한다. 그러나, 전통적인 EAP 디바이스(어떠한 전압 임계값도 없음)에서, 인접한 액튜에이터에 대한 일부 누화가 존재할 것이다. 전압이 하나의 액튜에이터를 작동시키도록 인가될 때, 그 주위의 액튜에이터들 또한 전압을 경험할 것이며, 부분적으로 작동할 것이며, 이는 많은 응용 분야에 대해 원치않는 영향을 미친다.
이러한 상황은 임의의 임계 전압 또는 쌍안정성없이 EAP 디바이스들의 수동 매트릭스 구동을 고려하는 US 8 552 846에 개시되어 있다. 이는 2 레벨 구동 체제에 대한 수동 매트릭스 접근을 개시한다. 3:1의 최상의 작동 전압 대조비를 제공하여서(즉, "비작동" 액튜에이터는 최대 작동 전압의 33%를 보인다), 진정한 쌍안정 거동을 가능하게 하지 않는다. 3:1 작동 대조비는 9:1 압력 레벨 비율과 같다(압력 레벨이 전압 제곱에 의해 조정되기 때문에)는 것을 유의하여야 한다. 그러나, 이러한 시스템은 단지 2 레벨 구동으로만 작업한다. 제3 구동 레벨은 비작동 EAP 디바이스들의 작동 레벨에서 변화를 유발한다.
그러므로, 대체로 어드레싱된 어레이, 특히 수동 매트릭스 어레이에서 EAP 디바이스 및 작동 디바이스들의 사용에 한계가 있다.
본 발명의 하나의 양태에 따른 실시예에 따라서, 본 발명에 의해 한정된 바와 같은 복수의 디바이스를 포함하는 시스템이 제공된다. 바람직하게, 복수의 디바이스는 어레이의 열과 행들로 배열된다. 이러한 시스템 또는 디바이스의 배열은 다중 안정 디바이스들의 사용을 만든다. 이러한 방식으로, 메모리 기능이 가능하게 되어서, 임의의 필요한 매트릭스 어드레싱 패턴은 복수의 디바이스 또는 디바이스의 어레이 상에 기록되고 저장될 수 있다.
복수의 디바이스의 각각은 디바이스에 구동 신호를 제공하기 위해 적어도 하나의 신호 라인에 연결될 수 있다. 광학 작동 또는 구동 디바이스에 대하여, 이러한 신호 라인은 광 가이드들일 수 있다. 전기 구동 디바이스에 대하여, 신호 라인들은 전극일 수 있다. 바람직하게, 각각의 디바이스는, 하나가 구동 신호를 제공하기 위한 것이고, 다른 하나가 선택 신호를 제공하기 위한 것인 제1 및 제2 신호 라인에 연결된다. 이러한 것은 매트릭스 어레이 배열 복수의 디바이스에 도움이 된다.
바람직하게, 이러한 디바이스들은 수동 매트릭스 어드레싱 체제로 드라이버 장치에 연결될 수 있다. 특히, 복수의 디바이스의 각각은 활성 물질으로서 전기 활성 물질을 포함하고, 디바이스에 구동 신호를 제공하기 위해 제1 신호 라인 및 제2 신호 라인에 연결되며; 시스템은 제1 신호 라인에 적어도 2개의 가능한 신호 레벨을 제공하고 제2 신호 라인에 적어도 2개의 가능한 신호 레벨을 제공하는 드라이버 장치를 추가로 포함하며, 상기 신호들은 디바이스에 의해 수신된 구동 신호가 제1 신호 라인의 하나의 신호 레벨과 제2 신호 라인 중 하나의 신호 레벨의 조합을 포함하도록 제공되며, 4개의 가능한 조합된 신호 레벨 중 오직 하나만이 디바이스의 제1 안정 상태로부터 제2 안정 상태로의 전환을 제공한다.
다중 레벨 드라이브 체제에 4개보다 많은 조합된 신호 레벨이 있을 수 있다는 것을 유의하여야 한다. 그러나, 최소 및 최대 제1 신호 라인 신호 레벨과 최소 및 최대 제2 신호 라인 신호 레벨의 조합으로부터 초래되는 적어도 4개의 이러한 결합된 레벨이 있다.
각 디바이스에 대해 바람직하게:
구동 신호는 제1 임계값(Vbi) 아래의 조합된 신호 레벨을 가지며 제1 안정 상태로부터 제2 안정 상태를 향한 작동을 제공하지만, 구동 신호의 제거시에 제1 안정 상태로의 복귀를 제공하며;
구동 신호는 제2 임계값 위의 조합된 신호 레벨을 가지며, 구동 신호의 제거시에 제1 안정 상태의 복귀없이 제1 안정 상태로부터 제2 안정 상태로의 작동을 제공하며, 제2 임계값은 제1 임계값(Vbi)의 규모보다 큰 제1 마진(margin)(Vdr)인 규모를 가진다.
그러므로, 개별 디바이스가 그 안정 상태로 전환하도록 유발하는데 불충분한 구동 신호의 범위가 있으며, 디바이스가 하나의 안정 상태로부터 다른 상태로 상태를 전환하도록 하는 다른 범위가 있다. 이러한 특성은 이전에 저장된 작동 상태의 손실을 유발하는 순차 구동 체제 동안 디바이스들 사이에서 누화를 방지하도록 사용될 수 있다. 이러한 것은 복수의 디바이스의 어드레싱의 수동 매트릭스 형태에 가장 편리하다.
시스템에서, 드라이버는, 제1 신호 라인 및 제2 신호 라인 중 하나에 대하여 2개의 가능한 신호 레벨이 0 및 제1 임계값(Vbi)의 규모이고, 제1 신호 라인 및 제2 신호 라인 중 다른 하나에 대하여 2개의 가능한 신호 레벨이 0 및 제1 마진(Vdr)이도록 신호 레벨을 제공하기 위하여 배열될 수 있으며, 넌제로(non-zero) 신호 레벨들은 반대 극성을 가진다.
이러한 방식으로, 넌제로 레벨 신호들 사이의 차이(하나가 양이고 하나가 음이기 때문에, 각각의 신호 레벨(및 그와 함께 개별적으로 구동 신호)보다 큼)만이 작동 상태에서의 변화를 유발하는데 충분하다.
제1 임계값(Vbi)의 규모는 바람직하게 제1 마진(Vdr)의 규모보다 크다. 제1 임계값(Vbi)의 규모는 예를 들어 제1 마진(Vdr)의 규모의 적어도 5배일 수 있다. 제1 마진(Vdr)이 작으면 작을수록, 디바이스의 쌍안정 거동이 더욱 급하며, 그러므로 필요한 구동 전압 규모가 더욱 낮아진다.
디바이스 어레이에 대하여, 디바이스들은 기계적 재설정의 형태를 하는 외부 입력을 수신하도록 적응될 수 있다. 이러한 것은 예를 들어 압력 신호를 포함할 수 있다.
대안적으로, 각각의 디바이스에 대해:
제3 임계값(Vres) 위의 조합된 구동 레벨을 가지는 재설정 구동 신호는 구동 신호의 제거시에 제1 상태로의 재설정을 제공할 수 있다.
이러한 것은 디바이스의 기계적 재설정보다는 오히려 전기적 재설정을 가능하게 한다. 제1 및 제2 신호 라인 상에 제공된 신호들은 동시에 또는 행별로(row-by-row) 또는 열별로(column-by-column) 디바이스에 재설정 구동 신호를 제공하도록 서로 적응된다.
시스템에서, 디바이스는 바람직하게 활성 물질으로서 전기 활성 폴리머를 포함하는 액튜에이터 디바이스이다.
본 발명의 다른 양태에 따른 예들은 본 발명에 따른 복수의 디바이스를 작동시키는 방법을 제공하며, 상기 복수의 디바이스의 각각은 활성 물질으로서 전기 활성 물질을 포함하고, 디바이스에 구동 신호를 제공하기 위하여 제1 신호 라인 및 제2 신호 라인에 연결되며;
상기 방법은 적어도 2개의 가능한 신호 레벨을 제1 신호 라인에 제공하고 적어도 2개의 가능한 신호 레벨을 제2 신호 라인에 제공하는 단계를 포함하며, 상기 신호들은 디바이스에 의해 수신된 구동 신호가 제1 신호 라인의 하나의 신호 레벨 및 제2 신호 라인의 하나 신호 레벨의 조합이도록 제공되며, 4개의 가능한 조합된 신호 레벨 중 단지 하나만이 상기 디바이스의 제1 안정 상태로부터 제2 안정 상태로의 전환을 제공한다.
각각의 디바이스에 대하여:
제1 임계값(Vbi) 아래의 조합된 신호 레벨을 가지는 구동 신호는 제1 안정 상태로부터 제2 안정 상태로의 작동을 제공하지만, 구동 신호의 제거시에 제1 안정 상태로의 복귀를 제공할 수 있으며;
제2 임계값 위의 조합된 신호 레벨을 가지는 구동 신호는 구동 신호의 제거시에 제1 안정 상태로 복귀하지 않고 제1 안정 상태로부터 제2 안정 상태로의 작동을 제공할 수 있으며, 제2 임계값은 제1 임계값(Vbi)의 규모보다 큰 제1 마진(Vdr)인 규모를 가지며, 상기 방법은 그런 다음:
0과 상기 제1 임계값(Vbi)의 규모로부터 선택된 제1 신호 라인들 및 제2 신호 라인들 중 선택된 것들에 대한 2개의 가능한 신호 레벨 중 하나를 인가하는 단계;
0 및 제1 마진(Vdr)의 규모로부터 선택된 제1 신호 라인들 및 제2 신호 라인들 중 다른 것의 선택된 것에 대한 2개의 가능한 신호 레벨 중 하나를 인가하는 단계를 포함하며, 넌제로 신호 레벨들은 반대 극성을 가진다.
이하, 본 발명의 예들은 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다:
도 1은 클램핑되지 않은 공지된 전기 활성 폴리머 디바이스를 도시한 도면;
도 2는 담체 또는 지지체 층(backing layer)에 클램핑된 공지된 전기 활성 폴리머 디바이스를 도시한 도면;
도 3은 전기 활성 폴리머 디바이스의 제1 예를 도시한 도면;
도 4는 전기 활성 폴리머 디바이스의 제2 예를 도시한 도면;
도 5는 전기 활성 폴리머 디바이스의 제3 예를 도시한 도면;
도 6은 전기 활성 폴리머 디바이스의 제4 예를 도시한 도면;
도 7은 전기 활성 폴리머 디바이스의 제5 예를 도시한 도면;
도 8은 디바이스의 출력 대 구동 전압의 그래프를 도시한 도면.
도 1은 클램핑되지 않은 공지된 전기 활성 폴리머 디바이스를 도시한 도면;
도 2는 담체 또는 지지체 층(backing layer)에 클램핑된 공지된 전기 활성 폴리머 디바이스를 도시한 도면;
도 3은 전기 활성 폴리머 디바이스의 제1 예를 도시한 도면;
도 4는 전기 활성 폴리머 디바이스의 제2 예를 도시한 도면;
도 5는 전기 활성 폴리머 디바이스의 제3 예를 도시한 도면;
도 6은 전기 활성 폴리머 디바이스의 제4 예를 도시한 도면;
도 7은 전기 활성 폴리머 디바이스의 제5 예를 도시한 도면;
도 8은 디바이스의 출력 대 구동 전압의 그래프를 도시한 도면.
도 1 및 도 2의 디바이스들은 본 출원의 도입부에 기술되어 있다. 도 2의 디바이스는 활성 물질이 담체에 부착되는 경우에 활성 물질으로서 전기 활성 폴리머 EAP에 기초한 제1 예이다.
도 3은 기판 시트(담체)(50)가 EAP를 포함하는 작동 물질(52)과 결합되어서, 쌍안정 디바이스가 기판과의 결합(접합)으로 EAP를 구성하는 제1 EAP 기반 디바이스를 도시한다. 이것은 도 2를 참조하여 기술된 바와 같은 액튜에이터 구조를 구성한다. 그러므로, EAP의 구동을 수행하도록 구동 신호를 수신할 수 있는 전극 배열이 있다. 구동은 구조물이 굽혀지도록 한다. 기판 또는 담체는 구동 신호가 인가되지 않을 때에도 기판(및 이러한 경우에 전체 작동 구조물)이 굽히도록 그 사이에서 액튜에이터가 수평으로 구속되는(클램핑되거나 고정된) 부분(56, 58)들을 추가로 포함하는 기계적 구조물의 부분이다. EAP가 작동될 때, EAP-담체 조합은 상태 1에서 상태 2로 전환된다. 전환 후에, 작동 구동이 정지되고, EAP-기판 조합은 상태 2(유전체 디바이스의 경우 상태 1)로 유지된다. 그러므로, 작동 구조물은 상태 2에서 유지된다. 작동 구조물이 부분(56 및 58)들 사이에 구속되지 않을 때, 실질적으로 평탄할 수 있음을 의미하는 기판의 사전 응력 자체가 필요하지 않다는 것을 유의하여야 한다. 따라서, 규칙적이고, 만들기 용이한 작동 구조물은 쌍안정 및 콤팩트한 디바이스를 생성하는데 이용될 수 있다. 단일 EAP의 사용은 외력이 디바이스를 초기 상태로 재설정하기 위해 필요하다는 것을 의미할 수 있으며(도 3의 상태 3 참조), 화살표는 인가된 외력을 나타낸다. 이러한 디바이스는 사용자 인터페이스(UI) 상의 버튼과 같은 대화형 디바이스에서 유용할 수 있다.
그러므로, 작동 구조물은 오목 형상과 볼록 형상 사이를 전환할 수 있다. 아래에서 사용된 "보다 위에" 및 "보다 아래에" 또는 "위" 및 "아래" 또는 "위로" 및 "아래로"와 같은 용어는 단순히 상대적인 조건을 나타내는 것으로 이해되어야 한다.
부분(56 및 58)들은 고정구 또는 프레임의 부분일 수 있다. 이러한 것은 더욱 큰 디바이스의 하우징에 존재하거나 또는 그 일부일 수 있다.
도 4는 쌍안정 기계적 시트(60)가 2개의 작동 층[(62)(EAP1을 포함하는) 및 64(EAP2 포함하는)]과 결합(부착)되어서, 쌍안정 디바이스가 고정 단부(56 및 58)들 사이에서 클램핑된 좌굴 디스크(buckling disk) 또는 기판의 일체 부분으로서 2개의 EAP를 포함하는 도 3의 시스템의 변형을 도시한다. 2개의 EAP의 사용은 가역성 디바이스가 구동을 사용하여 가능하게 만들어진다는 것을 의미한다. 이러한 디바이스는 사실상 담체(60)를 공유하는 제1 작동 구조물(EAP(62)를 구비하는) 및 제2 작동 구조물(EAP(64)를 구비하는)을 포함한다.
디바이스는 도 3의 디바이스와 동일한 방식으로 기능하지만, 다른 작동 물질은 외력 또는 압력 라인 대신에 다른 구동 신호를 사용하여 디스크를 원래의 상태로 재설정하기 위해 사용된다. 드라이버 장치에 대한 연결 및 구동이 행해질 수 있다. 그러므로, 이러한 디바이스는 2개의 구동 신호 입력을 가질 수 있는데, 하나는 작동 구조물을 위한 것이고 다른 하나는 다른 작동 구조물을 위한 것이다. 이러한 경우에, 양 구조는 드라이버 장치를 사용하여 전기적으로 구동된다. 그러므로, 각각의 구조물은 2개의 전극을 포함하며; 각각이 EAP 층의 양쪽에 있다. 전극들에 대한 입력 리드를 감소시키도록, 작동 구조물의 하나의 전극 및 추가의 작동 구조물의 하나의 전극이 전기적으로 연결된다. 전극들은 동일한 전압, 바람직하게 0 V/접지로 유지될 수 있다. 그런 다음, 작동 구조물로부터의 하나와 추가의 작동 구조물로부터의 하나는 다른 2개의 남아있는 전극들 중 어느 하나에 전압을 인가하도록 사용될 수 있다. 공통 전극과 나머지 전극들 중 하나 사이의 전압차를 생성하는 것은 작동 구조물을 작동시키거나 또는 추가의 작동 구조물을 작동시킬 것이다. 활성 물질이 다르면, 연결된 전극들은 보다 많은 구동 자유를 주도록 분리될 수 있다. 그런, 이러한 것은 더욱 복잡한 드라이버가 필요하다.
도 4는 하나의 상태로부터 다른 상태로 전환하는 동안에만, 요구된 임의의 EAP 활성화를 도시하는, 액튜에이터를 활성화하는 다양한 단계를 도시한다. 얻어진 효과, 즉 좌굴 액튜에이터의 움직임은 단지 두 가지 상태를 가지는 디지털 효과이다. EAP 작동 동안, 상태에서의 변화가 일어난다.
단계 1에서, 디바이스는 EAP 층의 활성화가 없이 하향 변형을 가지는 안정 상태에서 시작한다.
단계 2에서, 상부 EAP(62)만의 작동은 상태를 상향하여 변형된 상태로 전환하도록 도시된다.
단계 3에서, 디바이스는 EAP 층들의 활성화가 없이 상향 변형을 가지는 안정 상태로 유지된다.
단계 4에서, 하부 EAP(64)의 작동만이 상태를 하향 변형된 상태로 전환한다.
도 3 및 도 4에서, 기계적으로 쌍안정인 층 및 전기 활성 폴리머 층(들)은 시트 구조를 형성하도록 서로 접합된다. 이러한 접합은 접착제 또는 다른 부착 수단을 사용하여 달성될 수 있다.
액튜에이터가 담체를 공유하는 도 4의 디바이스에 대한 대안으로서, 도 3의 형태의 각각의 2개의 분리된 액튜에이터를 사용할 수 있고, 담체가 맞대는 방식으로 서로에 대해 배향될 수 있다.
도 5는 EAP(72, 74)들이 쌍안정 기계 시트(기판)(70)의 림의 마주한 측면에 제공되는 도 4의 디바이스에 대한 변형예를 도시한다.
이러한 예는 2개의 EAP 층를 사용하여 가역 효과를 제공하는 동일한 원리를 사용하지만, 그 길이는 좌굴 디스크 표면의 부분으로만 제한된다. EAP 층들은 원하는 기계적 운동을 유도하는데 충분하여야 한다.
이러한 방식으로 전기 활성 폴리머 층(들)은 기계적으로 쌍안정 가능한 층의 영역의 일부분, 예를 들어 가장자리 부분 위에서만 연장된다.
도 5는 디바이스의 작동의 사이클의 4개의 단계를 도시한다.
단계 1에서, 디바이스는 EAP 층들이 활성화없이 상향 변형을 가지는 안정 상태에서 시작한다.
단계 2에서, 하부 EAP(74)만의 작동이 하향 변형된 상태로 상태를 전환하도록 도시된다.
단계 3에서, 디바이스는 EAP 층의 활성화없이 하향 변형을 가지는 안정 상태에서 유지된다.
단계 4에서, 상부 EAP(72)만의 작동은 상향 변형된 상태로 상태를 전환한다.
하나의 안정 상태로부터 다른 상태로의 전환하는 동안에만 EAP 활성화가 요구되고, 이에 의해, 좌굴 액튜에이터에 2개의 상태를 구비한 디지털 움직임이 제공된다. EAP 작동 동안, 상태에서의 변화가 일어난다.
본 발명에서의 액튜에이터들은 교호 형태로 액튜에이터 물질 및 담체를 포함하는 층들의 적층 형태일 수 있다. 이러한 후속 층들은 모두 서로 연결될 수 있다. 그러므로, 도 3 또는 도 4의 액튜에이터는 실제로 교호 형태로 다수의 층(50 및 52 또는 60, 62 및 64)들을 능동적으로 포함할 수 있다.
도 5는 전환의 경우에 압력을 위한 배출 구멍을 도시한다.
상기의 예들은 안정 상태들 사이에서 변형되는 기계적 구조물을 사용한다. 기계적 구조물은 그 구동 신호가 중지될 때에도 변형된 상태로 EAP 층 또는 층들을 보유하도록 충분히 강성이다.
대안은 구동 신호가 래치형 구조물을 사용하여 제거된 후에 특정 위치에서 EAP 층을 유지하는 것이다. 예를 들어, 기계적 구조물은 전기적 활성 폴리머 층이 비구동 상태로 유지될 수 있는 복수의 보유 위치를 가지는 보유 디바이스를 포함할 수 있으며, 각각의 보유 위치는 상이한 액튜에이터 위치에 대응한다. 사실상, 이러한 것은 이전 예들의 도 3 및 도 4의 고정 단부(56 또는 58)들 중 하나가 다른 고정 단부에 대해 다수의 위치를 가지는 상황에 대응한다. 그러므로, 각각의 보유 위치는 준 고정 단부(quasi fixed end)에 의해 한정된다.
도 6은 전기 활성 폴리머 층이 비구동 상태에서 유지될 수 있는 복수의 보유 위치(80a, 80b)(이 예에서는 2개)를 가지는 보유 디바이스(80)를 기계적 구조물이 포함하는 예를 도시하며, 각각의 보유 위치는 상이한 액튜에이터 위치에 대응한다.
디바이스는 도 6a의 평면도로 도시된다. 도 6b 내지 도 6d는 디바이스가 하나의 액튜에이터 위치로부터 다른 액튜에이터 위치로 구동되는 것을 도시한다.
EAP 층(82)은 EAP 부분 및 담체를 구비한 2층 구조물로 도시되어 있지만, 상기의 예에서와 같이 기계적으로 쌍안정인 요소는 포함하지 않는다. 쌍안정 특성은 보유 디바이스(80)에 의해 주어진다.
EAP 층은 지지부(84)에 의해 도시된 바와 같이 고정된 제1 가장자리 부분, 및 특히 노치(80a, 80b)들 중 하나 내로 움직일 수 있는 반대편 가장자리(86)를 가진다.
EAP 층의 작동은 하나의 안정 상태로부터 다른 안정 상태로 보내도록 노치들 중 하나 내로 EAP 층의 가장자리(86)를 움직이도록 사용된다.
EAP는 작동될 때 상향으로 굴절될 것이다. 이 굴절로 인하여, 우측 가장자리는 내향하여 움직일 것이다. 움직이는 가장자리(86)는 노치형 레일 위에서 움직이는 바(bar)를 가진다. 노치들은 EAP의 가장자리가 노치 위에서 지나갔으면 용이하게 되돌아갈 수 없는 방식으로 형성된다. 비구동 상태에서, 노치는 여전히 EAP 층의 가장자리를 포획하여, 원래의 위치로 되돌아가는 것을 방지한다.
이러한 것은 작동 시퀀스에서 2개 이상의 안정 상태로 이어진다.
도 6b는 사용된 가장 원위의 노치 위치를 도시한다. EAP 층의 작동이 시작될 때, 층은 도 8c에 도시된 바와 같이 변형되기 시작한다. 궁극적으로, 가장자리는 도 8d에 도시된 바와 같이 근위 노치 위치로 이어지는 융기 부분 위로 보내진다.
이러한 디바이스는 전기적 또는 기계적으로 재설정될 수 있다.
최내측 노치 뒤의 융기부(ridge)는 더욱 높으며, 이러한 것은 도 6e에 도시된 바와 같은 재설정 기능을 위해 사용될 수 있다.
가장자리 바는 더욱 높은 경사로(ramp)로 상승되고, 이러한 것은 신속한 해제가 이어지며, 바는 다른 노치들 위에서 원래의 상태로 돌아간다.
도 6f는 복귀 가이드(88) 및 가드 레일(89)이 EAP가 어떻게 다른 노치들 위에서 이동하여 그 원래의 위치로 되돌아가는 것을 돕는지를 도시한다.
작은 AC 신호는 도 6f에 개략적으로 도시된 바와 같이 EAP를 앞뒤로 움직이도록 적용되어, 가장자리 바가 그 이전 상태로 되돌아갈 수 있도록 노치의 수직 가장자리 위로 뛰어넘는 것을 가능하게 한다.
대안적으로, 외력은 예를 들어 버튼을 누르는 것에 의해 노치형 레일을 낮추는 것에 의해 초기 안정 상태로 움기이는 가장자리를 재설정하도록 사용될 수 있다.
상기된 다양한 예들로부터, 본 발명이 작동 구조물 움직임(작동)을 구분하는 역할을 하는 다른 기계적 구성 요소와 작동 구조물을 상호 작용시키는 것에 의해 아날로그 작동 구조물 거동을 디지털(2개의 상태 또는 2개 이상의 상태) 기능으로 변환시키는 것을 포함하는 것이 명백할 것이다. 이러한 기계 구성 요소는 작동 구조물와 통합된다.
공지된 작동 구조물에 적절한 물질. 전기 활성 폴리머는 서브클래스: 압전성 폴리머, 전기 기계 폴리머, 릴랙스 또는 강유전성 폴리머, 전자 변형성 폴리머, 유전체 탄성중합체, 액정 탄성중합체, 공액 폴리머, 이온성 폴리머 메탈 금속 복합체, 이온성 겔 및 폴리머 겔을 포함하지만 이에 한정되지는 않는다.
상기 서브클래스 전자 변형성 폴리머는, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트라이플루오로에틸렌(PVDF-TrFE), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트라이플루오로에틸렌-클로로플루오르에틸렌(PVDF-TrFE-CFE), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트라이플루오로에틸렌-클로로트라이플루오로에틸렌)(PVDF-TrFE-CTFE), 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오르프로필렌(PVDF-HFP), 폴리우레탄 또는 그 혼합물을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
상기 서브클래스 유전체 탄성중합체는 아크릴 레이트, 폴리우레탄, 실리콘을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
서브클래스 공액 폴리머는 폴리피롤, 폴리-3,4-에틸렌디옥시티오펜, 폴리(p-페닐렌 설파이드), 폴리아닐린을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
이온성 디바이스는 이온성 폴리머 금속 복합체(IPMC) 또는 공액 폴리머에 기초할 수 있다. 이온성 폴리머 금속 복합체(IPMC)는 인가된 전압 또는 전기장 하에서 인공 근육 거동을 디스플레이하는 합성 복합 나노 물질이다.
전기장 구동 EAP의 제1 중요 서브클래스는 압전(Piezoelectric) 및 전자 변형성 폴리머이다. 전통적인 압전성 폴리머의 전기 기계적 성능은 제한적이지만, 이러한 성능을 향상시키는데 있어서의 큰 발전은 PVDF 릴렉터 폴리머(PVDF relaxor polymer)로 이어졌으며, 이는 자발적인 전기 편극(electric polarization)(전기장 구동 정렬)을 보인다. 이러한 물질들은 긴장된 방향의 성능 향상을 위해 사전 변형될 수 있다(사전 변형은 보다 나은 분자 정렬로 이어진다). 통상적으로 금속 전극들은 변형이 통상적으로 중간 상황(moderate regime)(1-5 %)에 있기 때문에 사용된다. 다른 형태의 전극(전도성 폴리머, 카본블랙 기반 오일, 겔 또는 탄성중합체 등)도 사용될 수 있다. 전극들은 연속적이거나 세그먼트화될 수 있다.
전기장 구동 EAP의 또 다른 서브클래스는 유전체 탄성중합체이다. 이러한 물질의 박막은 평행 플레이트 커패시터를 형성하는 순응성 전극들 사이에 샌드위치될 수 있다. 유전성 탄성중합체의 경우에, 인가된 전기장에 의해 유도되는 맥스웰 응력(Maxwell stress)은 막에서 응력을 유발하여, 막 두께가 줄어들고 면적이 확장된다. 변형률 성능(Strain performance)은 전형적으로 탄성중합체를 사전 변형하는 것에 의해 확대된다(사전 변형을 보유하기 위해 프레임을 요구함). 변형률은 상당할 수 있다(10-300 %). 이러한 것은 또한 사용할 수 있는 전극의 형태를 제한하며: 저 변형률 및 중간 변형률, 금속 전극 및 전도성 폴리머 전극이 고려될 수 있으며, 고 변형률 상황의 경우에, 카본 블랙 기반 오일, 겔 또는 탄성중합체가 전형적으로 사용된다. 전극들은 연속적이거나 또는 세그먼트화될 수 있다.
이온성 EAP의 제1 중요 서브클래스는 이온성 폴리머 금속 복합체(IPMC)이다. IPMC는 2개의 얇은 금속 또는 탄소 기반 전극들 사이에 적층된 용매 팽윤 이온 교환 폴리머 멤브레인으로 이루어지며, 전해질의 사용을 요구한다. 전형적인 전극 물질은 Pt, Gd, CNTs, CPs, Pd이다. 전형적인 전해질은 Li+ 및 Na+ 수성 용액이다. 전기장이 인가될 때, 양이온은 전형적으로 물과 함께 음극측으로 이동한다. 이러한 것은 친수성 클러스터(hydrophilic clusters)의 재편과 폴리머 확장으로 이어진다. 음극 영역에서의 변형률은 폴리머 매트릭스의 나머지에서 응력을 유발하여, 양극을 향해 굽어진다. 인가 전압을 역으로 하는 것은 굽힘을 반전시킨다. 널리 공지된 폴리머 멤브레인은 Nafion® 및 Flemion®이다.
이온성 폴리머의 또 다른 중요 서브클래스는 공액/전도성 폴리머이다. 공액 폴리머 액튜에이터는 전형적으로 공액 폴리머의 2개의 층에 의해 샌드위치된 전해질로 이루어진된다. 전해질은 산화 상태를 바꾸도록 사용된다. 전위가 전해질을 통해 폴리머에 인가될 때, 전극들은 폴리머에 전자가 추가되거나 또는 이로부터 제거되어, 산화 및 환원을 진행한다. 환원은 수축을 유발하고, 산화는 팽창을 유발한다.
일부 경우에, 박막 전극들은 폴리머 자체가 충분한 전도성이 부족할 때(치수라는 면에서) 추가된다. 전해질은 액체, 겔 또는 고체 물질(즉, 고 분자량 폴리머와 금속염의 복합체)일 수 있다. 가장 일반적인 공액 폴리머는 폴리피롤(PPy), 폴리아닐린(PANi) 및 폴리티오펜(PTh)이다.
액튜에이터는 또한 전해질에 현탁된 탄소 나노튜브(CNT)로 형성될 수 있다. 전해질은 나노튜브와 함께 이중층을 형성하여, 전하의 주입을 가능하게 한다. 이러한 이중층 전하 주입은 CNT 액튜에이터의 주요 메커니즘으로서 간주된다. CNT는 CNT에 주입된 전하를 구비한 전극 캐패시터로서 작용하며, 그런 다음 CNT 표면으로의 전해질의 움직임에 의해 형성된 전기 이중층에 의해 균형을 이룬다. 탄소 원자에서의 전하를 변화시키는 것은 C-C 결합 길이의 변화를 유발한다. 그 결과, 단일 CNT의 팽창 및 수축이 관찰될 수 있다.
보다 상세하게, IPMC는, 그 표면이 백금 또는 금, 또는 탄소 기반 전극과 같은 도체로 화학적으로 도금되거나 또는 물리적으로 코팅된 Nafion이나 Flemion과 같은 이온성 폴리머로 구성된다. 인가된 전압 하에서, IPMC 스트립 전체에 걸쳐서 인가된 전압으로 인한 이온 이동 및 재분배는 굽힘 변형을 초래한다. 폴리머는 용매가 팽윤 이온 교환 폴리머 멤브레인이다. 전기장은 양이온을 물과 함께 음극측으로 이동시킨다. 이러한 것은 친수성 클러스터의 재편 폴리머 확장으로 이어진다. 음극 영역에서의 변형률은 폴리머 매트릭스의 나머지에서 응력을 유발하여, 양극을 향해 굽어진다. 인가 전압을 역으로 하는 것은 굽힘을 반전시킨다.
도금된 전극들이 비대칭 구성으로 배열되면, 부과된 전압은 뒤틀림, 롤링, 비틀림, 회전, 및 비대칭 굽힘 변형과 같은 모든 종류의 변형을 유도할 수 있다.
이러한 모든 예에서, 추가적인 수동 층들은 인가된 전기장에 응답하여 EAP 층의 전기적 및/또는 기계적 거동에 영향을 미치기 위해 제공될 수 있다.
각각의 유닛의 EAP 층은 전극들 사이에 샌드위치될 수 있다. 전극들은 EAP 물질층의 변형을 따르도록 신축성일 수 있다. 전극에 적합한 물질은 또한 공지되어 있으며, 예를 들어 금, 구리 또는 알루미늄과 같은 얇은 금속 막, 또는 카본블랙, 탄소나노 튜브, 그라핀, 폴리-아닐린(PANI), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 예를 들면, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 폴리(스티렌설포네이트)(PEDOT:PSS)와 같은 유기 전도체로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다. 예를 들어 알루미늄 코팅을 사용하여 금속화된 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 같은 금속화 폴리에스테르 막들이 또한 사용될 수 있다.
IPMC는 그 표면이 백금 또는 금, 또는 탄소 기반 전극과 같은 도체로 화학적으로 도금되거나 또는 물리적으로 코팅된 Nafion이나 Flemion과 같은 이온성 폴리머로 구성된다. 인가된 전압 하에서, IPMC 스트립에 인가된 전압으로 인한 이온 이동 및 재분배는 굽힘 변형을 유발한다. 폴리머는 용매 팽윤 이온 교환 폴리머 멤브레인이다. 전기장은 양이온을 물과 함께 음극측으로 이동시킨다. 이러한 것은 친수성 클러스터의 재편 및 폴리머 확장으로 이어진다. 음극 영역의 변형률은 폴리머 매트릭스의 나머지에서 응력을 유발하여 양극을 향해 굽어진다. 인가 전압을 역전시키는 것은 굽힘을 반전시킨다. 때때로 광 반응성 형상 변화 물질로도 지칭되는 광활성 물질은 선행 기술에서 발견될 수 있다(이것들은 그 전체에 있어서 참조에 의해 통합된다). 예들은 다음과 같은 문헌에 설명된다:
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Photo-Responsive Shape-Memory and Shape-Changing Liquid-Crystal Polymer Networks by Danish Iqbal, and Muhammad Haris Samiullah in Materials 2013, 6, 116-142;
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Large amplitude light-induced motion in high elastic modulus polymer actuators by Harris, K.D.; Cuypers, R.; Scheibe, P.; van Oosten, C.L.; Bastiaansen, C.W.M.; Lub, J.; Broer, D.J. in J. Mater. Chem. 2005, 15, 5043-5048;
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Synthesis of a Photoresponsive LiquidCrystalline Polymer Containing Azobenzene by Chensha Li, Chi-Wei Lo, Difeng Zhu, Chenhui Li, Ye Liu, Hongrui Jiang, in Macromol. Rapid Commun. 2009, 30, 1928-1935 2009;
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Optical Nano and Micro Actuator Technology, edited by George K. Knopf, Yukitoshi Otani, CRC Press, Taylor and Francis Group, 2013;
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Light-driven actuators based on polymer films by Sergey S. Sarkis0 V; Michael J. Curley; LaQuieta Huey; Aisha B. Fields; in Optical Engineering Volume 45, Issue 3, March 2006; and
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Large amplitude light-induced motion in high elastic modulus polymer actuators by Harris, K.D., Cuypers, R., Scheibe, P., Oosten, C.L. van, Bastiaansen, C.W.M., Lub, J. & Broer, D.J. (2005). Journal of Materials Chemistry, 15(47), 5043-5048.
상기된 종래 기술의 물질들 중 임의의 물질이 본 발명의 디바이스에 사용될 때, 적절한 구동 신호를 제공하기 위한 적절한 부품이 또한 포함될 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다.
본 발명의 디바이스의 바람직한 용도는 수동 매트릭스 어레이 구성에 있다. 수동 매트릭스 구동 체제의 제1 예는 도 7을 참조하여 설명된다. 이러한 것은 한 번에 하나의 라인을 어드레싱하는 수동 매트릭스를 제공하고, 공통 재설정을 가진다.
어레이는, 각각 전환이 곧 일어날 수 있는 쌍안정 전압(Vbi)을 구비하고 전압(Vres)을 역전 전압(back swith voltage)으로 재설정하는, 쌍안정 EAP 디바이스들의 행과 열의 2차원 어레이를 포함한다. 그러므로, 초기 비작동 상태로부터, EAP 디바이스가 쌍안정 전압(Vbi) 위로 구동되면, 액튜에이터는 전압이 제거될 때 그 작동 상태를 유지할 것이다. EAP 디바이스가 쌍안정 전압(Vbi) 아래로(또는 쌍안정 전압으로) 구동되면, 액튜에이터는 전압이 제거될 때 그 비작동 상태로 복귀할 것이다. 또한, 초기 작동 상태로부터, EAP 디바이스가 재설정 전압(Vres) 위로 구동되면, 액튜에이터는 전압이 제거될 때 그 비작동 상태로 복귀한다.
바람직한 실시예에서, 쌍안정 전압(Vbi)은
EAP 디바이스가 쌍안정 지점을 충분히 초과하고 작동 상태를 유지하는 것을 보장하도록 요구되는 추가의 구동 전압 범위(Vdr)를 초과한다: 즉, Vbi> Vdr이다.
어레이는 0 V 및 -Vbi의 2-레벨 어드레싱 신호를 제공할 수 있는 행 드라이버(row driver)들 및 0 V 및 Vdr의 2-레벨 데이터 구동 신호를 제공할 수 있는 열 드라이버(column driver)들에 의해 구동된다.
어레이를 어드레싱하는 것은 4 x 4 어레이의 예가 고려되는 도 7에 도시된 방식으로 진행된다. 어드레싱 단계들은 다음과 같다:
1. 쌍안정 EAP 액튜에이터들의 어레이는 모두 비작동 상태에 있다.
2. 모든 행은 초기에 0 V로 어드레싱된다. 이러한 상황에서, EAP 디바이스의 최대 전압차는 Vdr(열 드라이버의 최대 전압)이다. 이러한 것이 Vbi 아래임에 따라서, 어레이에 있는 모든 EAP 액튜에이터는 전압의 제거 후에 비작동 모드로 유지된다.
3. 제1 행은 -Vbi로 어드레싱된다. 이러한 것은 도 7a에 도시된다. 2개의 열은 전압(Vdr)으로 구동되고, 2개의 열은 0 V로 구동된다. 이러한 상황에서, EAP 디바이스들 중 2개의 전압차는 Vdr + Vbi이다(열 드라이버로부터의 최대 전압(Vdr)을 사용하여). 이러한 것이 Vbi 위임에 따라서, 행에 있는 이러한 2개의 EAP 액튜에이터는 전압의 제거시에도 작동 상태를 유발하는 작동 상태로 구동된다. 이러한 2개의 EAP 디바이스는 실선 원으로 표시된다. 비작동 EAP 디바이스들은 빈 원으로 도시된다. 다른 2개의 EAP 디바이스의 전압차는 0 V + Vbi = Vbi이며(열 드라이버의 최소 전압 0 V를 사용하여), 이에 의해, 행에 있는 이러한 2개의 EAP 디바이스가 초기에 작동 상태로 있지만, 전압의 제거시에 비작동 상태로 릴렉스될 것이다. 이러한 것은 EAP 디바이스가 전압이 제거될 때 작동 상태로 유지되도록 Vbi 위로 구동되어야만 하기 때문이다.
4. 제2 행은 도 7b에서와 같이 -Vbi로 어드레싱된다. EAP 디바이스의 쌍안정 특성로 인하여, 제1 행에 있는 EAP 디바이스들은 그 작동 상태를 유지한다. 다시, 이러한 예에서, 동일한 2개의 열은 구동 전압(Vdr)으로 구동되고, 2개의 열은 0 V로 구동된다. 이러한 상황에서, EAP 디바이스들 중 2개의 전압차는 Vdr + Vbi이다(열 드라이버의 최대 전압(Vdr)을 사용하여). 이러한 것이 Vbi 위임에 따라서, 제2 행에 있는 이러한 2개의 EAP 디바이스는 작동 상태에 있을 것이며, 전압의 제거시에 작동 상태로 유지될 것이다. 다른 2개의 EAP 디바이스에 걸친 잔압차는 0 V + Vbi =Vbi이며(열 드라이머로부터 최소 전압(0 V)를 사용하여), 이에 의해, 행에 있는 이러한 EAP 디바이스들은 전압의 제거시에 비작동 상태로 반전하는 작동 상태로 있을 것이다. 이러한 단계의 종료시에, 제1 및 제2 행에 있는 필요한 EAP 디바이스는 계속 작동한다.
5. 제3 행은 도 7c에서와 같이 -Vbi로 어드레싱된다. 최대 전압이 Vdr(및 Vdr <Vbi)이기 때문에, 제1 및 제2 행에 있는 EAP 디바이스들은 그 작동 상태를 유지한다. 지금, 3개의 열은 구동 전압(Vdr)으로 구동되고, 오직 1개의 열만이 0 V로 구동된다. 이러한 상황에서, EAP 디바이스들 중 3개의 전압차는 Vdr + Vbi이다(열 드라이버로부터의 최대 전압(Vdr)을 사용하여). 이러한 것이 Vbi 위임에 따라서, 제3 행에 있는 3개의 EAP 디바이스는 전압의 제거시에 유지되는 작동 상태로 있을 것이다. 다른 EAP 디바이스의 전압차는 0 V + Vbi = Vbi(열 드라이버로부터의 최소 전압(0 V)을 사용하여)이며, 이에 의해, 제3 열의 이러한 EAP 디바이스는 전압의 제거시에 비작동 상태로 반전하는 작동 상태로 있을 것이다. 이러한 단계의 종료시에 제1, 제2, 및 제3 행에 있는 필요한 EAP 디바이스가 계속 작동한다.
6. 제4 행은 도 7d에서 도시된 바와 같이 -Vbi로 어드레싱된다. 다시, 제1, 제2, 및 제3 열의 EAP 디바이스는 그 작동 상태를 유지한다. 지금, 하나의 열은 구동 전압(Vdr)으로 구동되고, 3개의 열은 0 V로 구동된다. 이러한 상황에서, EAP 디바이스들 중 1개의 전압차는 Vdr + Vbi이며(열 드라이버의 최대 전압(Vdr)을 사용하여), 이러한 EAP 디바이스는 전압의 제거시에 유지되는 작동 상태로 있을 것이다. 다른 3개의 EAP 디바이스의 전압차는 0 V + Vbi = Vbi이므로(열 드라이버의 최소 전압(0 V)을 사용하여), 이에 의해 3개의 EAP 디바이스는 전압의 제거시에 비작동 상태로 반전하는 작동 상태로 있을 것이다. 이러한 단계의 종료시에, 모든 행에 있는 필요한 EAP 디바이스는 계속 작동된다.
7. 어드레싱 단계의 종료시에, 모든 전압은 행과 열에서 제거될 수 있고, EAP 디바이스들은 동일한 작동 상태를 유지할 것이다. 이러한 것은 EAP 디바이스 어레이의 극히 낮은 전력 작동을 가능하게 하는 필요한 쌍안정 거동이다.
8. 새로운 EAP 작동 패턴이 요구될 때, 이러한 실시예에서, 재설정은 어레이의 모든 행 및 열의 액튜에이터들에 적용된다.
재설정 모드는 재설정이 행 또는 열마다 수행될 수 있도록 3레벨 행 또는 열 구동 전압을 사용하는 것에 의해 구현될 수 있다. 가장 낮은 전압을 가지는 드라이버가 이러한 목적을 위해 사용될 수 있다. 대안적으로, 전체 어레이는 모든 행 드라이버에 직렬 전압(Vres), 또는 모든 행 드라이버에 직렬 전압(Vres-Vbi)을 중첩하는 한편 Vbi에서 이러한 것들을 모두 어드레싱하는 것에 의해 재설정될 수 있다. 행 드라이버들은 여전히 2레벨 드라이버일 수 있다.
대안적으로, 재설정은 예를 들어 압력을 사용하여 기계적으로 수행될 수 있다.
모든 EAP 디바이스는 그 비작동 상태로 재설정된다. EAP 디바이스들이 변형시에 대칭이기 때문에, 재설정 전압은 추가 메커니즘에 의해 EAP에서 반대 작동으로 변환되어야만 한다. 이러한 것은 도 6을 참조하여 기술된 형태의 액튜에이터에 대해 위에서 설명된 바와 같이 재설정 전압(Vres)을 인가하는 것에 의한 것일 수 있다. 이러한 재설정 전압은 모든 행에 인가된 0 V로 모든 열에 인가될 수 있거나, 또는 -Vbi가 모든 행에 인가될 수 있으며, Vres-Vbi는 모든 열에 인가된다. 대신에, 재설정은 행에 -Vres를 인가하고 열을 0 V로 홀딩하는 것에 의해 모든 행에 인가될 수 있다. 각각의 EAP 디바이스의 전압이 Vres에 도달하는 한 모든 전압의 임의의 조합이 사용될 수 있다.
대안적으로, 재설정은 기능 액튜에이터에 대해 작업하는 액튜에이터에 의해 적용될 수 있어서, 기계적 재설정을 구동하는 것을 가능하게 할 수 있다. 이러한 반대의 액튜에이터는 단일 액튜에이터 또는 모두 동일한(재설정) 드라이버에 연결된 개별 액튜에이터의 세트일 수 있다. 전기적 재설정 기능을 가능하게 하는 다수의 EAP 디바이스를 사용하는 다양한 가능한 구성이 상기되었다.
9. 작동의 새로운 패턴이 요구될 때, 어레이의 어드레싱은 상기된 한번에 하나의 라인(line-at-a-time) 방식으로 다시 진행하고, 이에 의해, 작동의 새로운 패턴이 생성될 수 있다.
수동 매트릭스 구동 체제의 제2 예는 한 번에 하나의 라인을 어드레싱하고 한 번에 하나의 라인을 재설정하는 것을 제공하도록 도 5를 참조하여 설명된 구동 체제에 대한 변형이다. 이러한 것은 상기의 단계 8만에 대한 수정을 요구한다.
새로운 EAP 작동 패턴이 요구될 때, 재설정은 한번에 어레이의 하나의 행에 적용된다. 이어서, 재설정 행은 상기된 한번에 하나의 라인 방식으로 어드레싱되며, 이에 의해, 작동의 새로운 패턴이 그 행에 생성될 수 있다.
하나의 행을 재설정하도록, 다른 모든 행에 있는 EAP 디바이스들은 재설정을 피하도록 Vbi + Vdr 아래의 낮은 전압을 가져야만 한다. 또한, 임의의 EAP 응답을 피하도록, 다른 행들은 0 V로 유지되어야 한다. 재설정되는 행에 있는 EAP 디바이스들은 Vres를 초과하는 전압이 적용되어야만 한다. 예를 들어, 재설정될 행은 -Vres가 인가될 수 있으며, 다른 모든 행은 0 V로 홀딩될 수 있다. 열들은 모두 0 V로 홀딩될 수 있다.
이러한 방식으로, 재설정을 요구하는 이러한 행들만이 어드레싱될 필요가 있으며, 이러한 것은 어레이의 재설정 시간을 개선한다. 또한, 비-재설정 행들에 있는 EAP 디바이스들은 작동의 중단없이 그 작동을 계속 수행할 것이다.
상기된 바와 같이, 다양한 재설정 메커니즘이 가능하다. 도 3은 힘의 인가에 기초한 하나의 가능한 재설정 메커니즘을 도시한다.
대안적으로, EAP 디바이스들은 함께 접착될 수 있지만, 여전히 서로 별개로 활성화될 수 있다. 이러한 경우에, 하나의 EAP 디바이스가 활성화될 때, 양 EAP 디바이스들은 서로 접착되어 있기 때문에 굽혀질 것이지만, 쌍안정 덮개에 작용하는 힘은 하나의 EAP에 의해서만 전달된다. 다시, 제2 EAP가 활성화될 때에만, 쌍안정 덮개를 다른 상태로 가져오기에 충분한 힘이 발생된다.
위에서 설명된 구동 체제는 EAP 디바이스들의 행 어드레싱에 의한 행을 사용한다. 다른 실시예들에서, 동일한 순간에 EAP 디바이스들(EAP 작동 상태들의 동일한 세트를 가지는)의 몇몇 행들을 어드레싱하는 것이 필요할 수 있으며, 이에 의해, 어드레싱은 더욱 신속하게 진행할 것이다. 이러한 것은 동시에 EAP 디바이스들의 하나보다 많은 행에 어드레싱 전압을 인가하는 것에 의해 달성된다.
명백하게, 도시된 어레이가 대칭임에 따라서, 열들에 어드레싱 드라이버 및 행들에 데이터 구동을 적용하는 것이 또한 가능할 것이며, 이에 의해 어레이는 한번에 하나의 열(또는 여러 열)을 어드레싱할 것이다.
상기 예에서 오직 2개의 레벨 데이터 드라이버만이 고려된다(0 V 및 Vdr). 이러한 것은 최저 비용의 드라이버 IC를 초래할 것이다. 그러나, 대안적인 실시예들에서, 예를 들어 도 8의 다중 안정 액튜에이터가 가능함에 따라서 전압이 제거된 후에 부분적으로 작동되는 EAP 디바이스들을 또한 남기는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 것을 가능하게 하도록, Vdr까지의 다중 데이터 전압들을 가지는 데이터 드라이버가 사용될 수 있다.
감소된 전압 드라이버들은 도 8에 도시된 바와 같이 완전한 단계적 기능 변위를 가진 액튜에이터에 대해 또한 가능할 수 있다. 이러한 것은 Vdr = 0을 의미한다. 예를 들어, 감소된 전압 드라이버들은 전압(Vbi)의 규모가 구동 전압(Vdr)의 규모의 적어도 5배일 때 사용될 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같은 완전한 단계를 위해, 열들은 V2 = -Vbi/2의 행들과 함께 전압 V1 > Vbi/2로 구동될 수 있다.
V1은 Vbi/2보다 약간 크며, 예를 들어 Vbi/2 + Δ이다. V1 + V2> Vbi는 전압의 제거시에 유지되는 작동 상태를 구현하기에 충분하다. 이러한 것은 각각의 드라이버에 의한 구동 전압이 가능한 한 낮게 유지될 수 있다는 이점을 가진다(이러한 것은 IC의 비용을 제한한다). 또한 매트릭스에서의 비작동 EAP 디바이스들에서의 전압이 Vbi보다 훨씬 낮은 것을 보장하며, 이는 일부 마진에 대하여, 시간이 지남에 따라 또는 온도 변동으로 인해 EAP의 쌍안정 전압을 감소시키는 것을 허용한다. 또한 비작동 EAP 디바이스들은 Vbi 대신 Vbi/2에 의해서만 전기적으로 응력을 받고, 이는 또한 수명을 증가시킬 수 있다.
구동 전압과 EAP 구동 범위 사이의 절충이 필요할 때, Vbi까지의 V1 및 Vdr까지의 V2의 모든 값은 중간 솔루션으로서 또한 가능하다.
상기 실시예들에서, 음전압은 어드레싱될 행들에 인가되고, 양전압은 데이터 라인들에 인가된다. 양쪽 전압의 극성을 반대로 반전시키는 한편, 동일한 작동을 얻는 것이 가능하다. 실제로, 추가의 실시예에서, 시간 경과에 따른 EAP 디바이스의 성능 저하를 방지하도록 사용될 수 있는 반전 구동을 제공하도록 규칙적인 간격으로 전압의 극성을 반전시키는 것이 바람직할 수 있다.
그러므로, 본 발명의 디바이스는 단일 액튜에이터로서 사용될 수 있거나, 예를 들어 2D 또는 3D 등고선(contour)의 제어를 제공하도록 디바이스들의 라인 또는 어레이가 있을 수 있다.
본 발명은 특히 일부 액튜에이터 예들에 대해 상술된 임계 함수의 결과로서 액튜에이터들의 수동 매트릭스 어레이가 관심의 대상인 예를 포함하는 많은 EAP 응용 분야에 적용될 수 있다.
많은 응용 분야에서, 제품의 주요 기능은 인간 조직의 (국부적인) 조작, 또는 조직 접촉 인터페이스의 작동에 의지한다. 이러한 응용 분야에서, EAP 액튜에이터들은 소형 형태 인자, 가요성, 및 높은 에너지 밀도 때문에 주로 고유한 이점을 제공한다. 그러므로, EAP는 소프트, 3D 형상 및/또는 소형 제품 및 인터페이스에 용이하게 통합될 수 있다. 이러한 응용 분야의 예는 다음과 같다:
피부를 긴장시키거나 주름을 감소시키기 위하여 일정하거나 또는 주기적인 스트레칭을 피부에 적용하는 EAP-기반 피부 패치의 형태를 하는 피부 작동 디바이스들과 같은 피부 미용 치료;
얼굴 적색 흔적을 감소시키거나 방지하는 피부에 교번적인 정상적인 압력을 제공하도록 EAP 기반 능동 쿠션 또는 밀봉을 가지는 환자 인터페이스 마스크를 구비한 호흡 디바이스;
적응성 면도기 헤드를 구비한 전기 면도기. 피부 접촉면의 높이가 친밀감과 자극 사이의 균형에 영향을 주기 위해 EAP 액튜에이터들을 사용하여 조절될 수 있음;
특히 치아 사이의 공간에서 스프레이의 도달 범위를 개선하기 위해 동적 노즐 액튜에이터를 구비하는 에어 치실과 같은 구강 세정 디바이스. 대안적으로, 칫솔은 활성화된 칫솔모를 구비할 수 있음;
사용자 인터페이스에 또는 그 근처에 통합된 EAP 트랜스듀서들의 어레이를 통해 국부적인 햅틱 피드백을 제공하는 가전 디바이스 또는 터치 패널;
구불구불한 혈관에서 용이한 항행을 가능하게 하도록 조향 가능한 팁을 구비한 카테터.
EAP 액튜에이터로부터 이익을 얻는 관련 응용 분야의 또 다른 카테고리는 광의 변경과 관련된다. 렌즈, 반사 표면, 격자 등과 같은 광학 요소들은 EAP 액튜에이터들을 사용하여 형상 또는 위치 적응에 적합하게 만들어질 수 있다. 여기에서, EAP의 이점은 예를 들어 보다 낮은 전력 소모이다.
개시된 실시예들에 대한 다른 변형은 도면, 상세한 설명 및 첨부된 청구항들의 연구로부터 청구된 발명을 실시하는 당업자에 의해 이해되고 실시될 수 있다. 청구항들에서, "포함한다"라는 단어는 다른 요소 또는 단계를 배제하지 않으며, 단수 표현은 복수를 배제하지 않는다. 특정 측정값들이 서로 다른 종속항에서 인용된다는 단순한 사실은 측정된 것들의 조합이 유익하게 사용될 수 없다는 것을 나타내지는 않는다. 청구항에 있는 모든 도면부호는 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
Claims (17)
- - 담체, 및 활성 물질의 구동에 응답하여 적어도 상기 담체의 굽힘 및/또는 굽힘의 변화를 유발하기 위해 상기 담체에 부착된 활성 물질(20)을 포함하는 작동 구조물(62); 및
- 제1 및 제2 안정한 기계적 상태들 중 적어도 하나에서 굽힘 구성으로 상기 작동 구조물을 기계적으로 구속하는 것에 의해 적어도 상기 작동 구조물의 상기 제1 안정한 기계적 상태 및 상기 제1 안정한 기계적 상태와는 다른 제2 안정한 기계적 상태를 한정하는 기계적 구조물(24)을 포함하며;
구동시, 상기 작동 구조물은 제1 안정한 기계적 상태로부터 제2 안정한 기계적 상태로 전환될 수 있는 디바이스. - 제1항에 있어서,
- 상기 담체는 제1 측면, 및 상기 제1 측면 반대편의 제2 측면을 가지며, 상기 활성 물질은 상기 제1 측면에 부착되고;
- 상기 액튜에이터 구조물은 상기 제2 측면에 부착된 추가의 활성 물질을 포함하고, 상기 추가의 활성 물질은, 추가의 구동시에, 상기 작동 구조물이 제2 안정한 기계적 상태로부터 제1 안정한 기계적 상태로 전환할 수 있도록 상기 활성 물질의 추가의 구동에 응답하여 상기 작동 구조물의 굽힘 및/또는 굽힘의 변화를 유발하기 위한 것인 디바이스. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 담체, 및 임의의 활성 물질은 층들의 적층으로서 배열되는 디바이스. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 기계적 상태들 모두에서, 상기 액튜에이터는 굽힘 구성으로 구속되는 디바이스. - 제5항에 있어서,
상기 제1 안정한 기계적 상태의 굽힘 구성은 상기 제2 안정한 기계적 상태의 굽힘 구성에 대해 반대인 디바이스. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 작동 구조물은 상기 디바이스가 구동되지 않을 때 상기 제1 및 제2 안정한 기계적 상태들 중 하나에서 실질적으로 평탄한 디바이스. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 담체는 일정 영역을 가지며, 상기 활성 물질 및/또는 상기 추가의 활성 물질은 상기 영역의 일부분 위에서만 연장되는 디바이스. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기계적 구조물은, 상기 작동 구조물이 안정한 기계적 상태로 유지될 수 있는 복수의 보유 위치를 가지는 보유 디바이스를 포함하며, 각각의 보유 위치는 상이한 액튜에이터 위치에 대응하고, 상기 보유 위치들 중 적어도 하나는 상기 제1 및 제2 안정한 기계적 상태들 중 적어도 하나에서 상기 굽힘 구성으로 상기 작동 구조물을 기계적으로 구속하는 디바이스. - 제8항에 있어서,
상기 작동 구조물은 구속 장치에 고정된 고정 가장자리와, 가동성 가장자리를 포함하며, 상기 보유 디바이스는 상기 작동 구조물의 고정 가장자리로부터 상이한 거리에서 상기 작동 구조물의 가동성 가장자리(86)를 보유하기 위한 것이고, 복수의 보유 노치를 포함하는 디바이스. - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 활성 물질은 전기 활성 물질이며, 상기 디바이스 또는 작동 구조물은 구동 및/또는 추가의 구동을 위하여 상기 전기 활성 물질에 전기 신호를 인가하기 위한 전극 장치를 포함하거나; 또는
상기 활성 물질은 광 활성 물질이며, 상기 디바이스 또는 작동 구조물은 구동 및/또는 추가의 구동을 위하여 상기 광 활성 물질에 광 신호를 인가하기 위한 적어도 하나의 광 가이드를 포함하는 디바이스. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 복수의 디바이스를 포함하는 시스템.
- 제11항에 있어서,
상기 복수의 디바이스의 각각은 활성 물질으로서 전기 활성 물질을 포함하며, 디바이스에 구동 신호를 제공하기 위하여 제1 신호 라인 및 제2 신호 라인에 연결되고; 상기 시스템은 상기 제1 신호 라인에 적어도 2개의 가능한 신호 레벨 및 상기 제2 신호 라인에 적어도 2개의 가능한 신호 레벨을 제공하기 위한 드라이버 장치를 추가로 포함하며, 상기 신호들은 디바이스에 의해 수신된 상기 구동 신호가 상기 제1 신호 라인의 하나의 신호 레벨과 상기 제2 신호 라인의 하나의 신호 레벨의 조합이도록 제공되며, 4개의 가능한 조합된 신호 레벨들 중 단지 하나만이 상기 디바이스의 제1 안정 상태로부터 상기 제2 안정 상태로의 전환을 제공하는 시스템. - 제12항에 있어서, 각각의 디바이스에 대하여:
제1 임계값(Vbi) 아래의 조합된 신호 레벨을 가지는 상기 구동 신호는 상기 제1 안정 상태로부터 상기 제2 안정 상태를 향한 작동을 제공하지만, 상기 구동 신호의 제거시에 상기 제1 안정 상태로의 복귀를 제공하며;
제2 임계값 위의 조합된 신호 레벨을 가지는 상기 구동 신호는 상기 구동 신호의 제거시에 상기 제1 안정 상태의 복귀없이 상기 제1 안정 상태로부터 상기 제2 안정 상태로의 작동을 제공하며, 상기 제2 임계값은 상기 제1 임계값(Vbi)의 규모보다 큰 제1 마진(Vdr)인 규모를 가지는 디바이스. - 제13항에 있어서,
상기 제1 신호 라인 및 상기 제2 신호 라인 중 하나에 대하여, 2개의 가능한 신호 레벨은 0 및 제1 임계값(Vbi)의 규모이고, 상기 제1 신호 라인 및 상기 제2 신호 라인 중 다른 하나에 대하여, 상기 2개의 가능한 신호 레벨은 0 및 제1 마진(Vdr)의 규모이며, 넌제로신호 레벨들은 반대 극성을 가지는 디바이스. - 제13항 또는 제14항에 있어서,
상기 제1 임계값(Vbi)의 규모는 상기 제1 마진(Vdr)의 규모보다 크거나, 또는 상기 제1 임계값(Vbi)의 규모는 상기 제1 마진(Vdr)의 규모의 적어도 5배인 디바이스. - 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
제3 임계값(Vres) 위의 조합된 신호 레벨을 가지는 재설정 구동 신호를 제공하는 상기 드라이버는, 상기 복수의 디바이스의 각각에 대하여, 상기 구동 신호의 제거시에 제1 상태로의 재설정을 제공하며;
상기 디바이스는 복수의 디바이스를 위한 기계적 재설정의 형태를 하는 외부 입력을 수신하도록 적응되는 디바이스. - 본 발명에 따른 복수의 디바이스를 작동시키는 방법으로서, 상기 복수의 디바이스의 각각은 활성 물질으로서 전기 활성 물질을 포함하고, 상기 디바이스에 구동 신호를 제공하기 위하여 제1 신호 라인 및 제2 신호 라인에 연결되며;
상기 방법은 적어도 2개의 가능한 신호 레벨을 상기 제1 신호 라인에 제공하고 적어도 2개의 가능한 신호 레벨을 상기 제2 신호 라인에 제공하는 단계를 포함하며, 상기 신호들은 상기 디바이스에 의해 수신된 구동 신호가 상기 제1 신호 라인의 하나의 신호 레벨 및 상기 제2 신호 라인의 하나 신호 레벨의 조합이도록 제공되며, 4개의 가능한 조합된 신호 레벨 중 단지 하나만이 상기 디바이스의 제1 안정 상태로부터 제2 안정 상태로의 전환을 제공하는 방법.
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