KR20180127113A

KR20180127113A - 방열 물질을 포함하는 구동기, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 용도

Info

Publication number: KR20180127113A
Application number: KR1020170062527A
Authority: KR
Inventors: 석지원; 청시 피아오; 장호영
Original assignee: 성균관대학교산학협력단
Priority date: 2017-05-19
Filing date: 2017-05-19
Publication date: 2018-11-28
Also published as: KR102073392B1

Abstract

2개 이상의 고분자 단위 섬유들을 포함하고, 상기 고분자 단위 섬유들 중 2개 이상은 비틀림 구조 또는 꼬임 구조를 가지고, 상기 비틀림 구조 또는 상기 꼬임 구조의 표면에 방열 물질을 포함하는 것인 구동기, 이의 제조방법 및 이의 용도가 제공된다.

Description

방열 물질을 포함하는 구동기, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 용도{ACTUATOR COMPRISING HEAT DIFFUSING MATERIAL, METHOD FOR PREPARING THE SAME AND USE OF THE SAME}

본 발명은 방열 물질을 포함하는 구동기, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 용도에 관한 것이다.

인공 근육 등으로 활용될 수 있는 구동기(actuator, 액츄에이터)는 twisted-coiled polymer actuator, shape memory alloy actuator 등이 있으며, 이들은 열에 의해 구동될 수 있다. 일반적으로 줄 발열(Joule heating)에 의해 가열되면서 수축되었다가 냉각되면서 다시 원래 길이로 복원되게 된다. 열에 의해 구동되는 구동기는 냉각 성능에 따라서 전체 구동 속도가 결정될 수 있다. 기존에는 냉각 방법이 없어서 구동 속도가 현저히 떨어지는 문제점이 있었다.

최근, 구동기 표면에 물을 순환시켜 구동 속도를 개선한 구동기가 보고되었지만, 물로 구동기 주위를 순환시키기 위해서는 부가적인 튜브가 필요하고, 외부에서 물을 순환시키는 장치가 필요해서 부피가 크고, 에너지 소모가 커, 인공 근육으로 활용되기에는 한계가 있었다.

특히, 코일형 또는 비틀림형 구동기는 고분자 섬유를 꼬아서 제작되는 특성상, 가열을 하면 액츄에이터가 수축하고 냉각을 하면 원래 길이로 늘어나는 구동 메커니즘을 갖고 있어, 이러한 구동 특성에 방해가 되지 않는 코팅 방법이 필요하다.

본 발명의 배경기술은 한국공개특허 제10-2017-0039849호 등에 개시되어 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 구동 속도 특히 냉각 속도가 개선된 구동기를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 방열 물질을 포함하더라도 방열 물질을 포함하기 전 대비 가열 및 냉각에 의한 구동 특성이 동등 이상으로 확보될 수 있는 구동기를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 방열 물질의 코팅량이 많아도 방열 물질을 포함하기 전 대비 가열 및 냉각에 의한 구동 특성이 동등 이상으로 확보될 수 있는 구동기를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 본 발명의 구동기를 제조할 수 있는 제조 방법 및 이의 용도를 제공하는 것이다.

본 발명의 구동기는 2개 이상의 고분자 단위 섬유들을 포함하고, 상기 고분자 단위 섬유들 중 2개 이상은 비틀림 구조 또는 꼬임 구조를 가지고, 상기 비틀림 구조 또는 상기 꼬임 구조의 표면에 방열 물질을 포함할 수 있다.

상기 비틀림 구조 또는 상기 꼬임 구조는 그 내부에 상기 단위 섬유들로 둘러싸인 공극을 포함하고, 상기 공극은 방열 물질을 포함하지 않을 수 있다.

상기 방열 물질은 비틀림 구조 또는 꼬임 구조를 형성하지 않을 수 있다.

상기 방열 물질은 방열층을 형성할 수 있다.

상기 방열층은 상기 방열 물질 및 실리콘 수지를 포함하는 방열층용 조성물로 형성될 수 있다.

상기 실리콘 수지는 폴리디메틸실록산을 포함할 수 있다.

상기 방열 물질은 고상이고, 그래핀, 그래파이트, 탄소나노튜브, 금속 나노와이어, 금속 나노입자 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

상기 고분자 단위 섬유 표면에 은 코팅이 되어 있을 수 있다.

상기 구동기는 열 구동형일 수 있다.

본 발명의 구동기의 제조방법은 2개 이상의 고분자 단위 섬유들을 포함하고 상기 고분자 단위 섬유들 중 2개 이상에 대해 비틀림 구조 또는 꼬임 구조를 형성하고, 상기 비틀림 구조 또는 꼬임 구조에 방열 물질을 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 인공 근육은 본 발명의 구동기를 포함할 수 있다.

본 발명은 구동 속도 특히 냉각 속도가 개선된 구동기를 제공하였다.

본 발명은 방열 물질을 포함하더라도 방열 물질을 포함하기 전 대비 가열 및 냉각에 의한 구동 특성이 동등 이상으로 확보될 수 있는 구동기를 제공하였다.

본 발명은 방열 물질의 코팅량이 많아도 방열 물질을 포함하기 전 대비 가열 및 냉각에 의한 구동 특성이 동등 이상으로 확보될 수 있는 구동기를 제공하였다.

본 발명은 본 발명의 구동기를 제조할 수 있는 제조 방법 및 이의 용도를 제공하였다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구동기 중 꼬임 구조를 갖는 구동기의 개략도이다.
도 2는 실시예 1에서 그래핀 코팅전과 코팅후 꼬임 구조의 구동기 및 코팅후 꼬임 구조의 구동기의 SEM 사진이다.
도 3은 실시예 1에서 그래핀 코팅전과 코팅후 꼬임 구조의 구동기에 대해 구동 시간을 평가한 그래프이다.
도 4는 실시예 2에서 제조한 꼬임 구조의 구동기 및 그의 SEM 사진이다.
도 5는 실시예 2에서 그래핀 코팅전과 코팅후 꼬임 구조의 구동기에 대해 구동 시간을 평가한 그래프이다.
도 6은 실시예 3에서 제조한 꼬임 구조의 구동기 및 그의 SEM 사진이다.
도 7은 실시예 4에서 제조한 꼬임 구조의 구동기 및 그의 SEM 사진이다.
도 8은 실시예 4에서 그래핀 코팅전과 코팅후 꼬임 구조의 구동기에 대해 구동 시간을 평가한 그래프이다.
도 9는 실시예 5에서 제조한 꼬임 구조의 구동기 및 그의 SEM 사진이다.
도 10은 실시예 6에서 그래핀 코팅 후 꼬임 구조의 SEM 사진이다
도 11은 실시예 6에서 그래핀 코팅전과 코팅후 꼬임 구조의 구동기에 대해 구동 시간을 평가한 그래프이다.

첨부한 도면을 참고하여 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.

비틀림 구조(twist structure) 또는 꼬임 구조(coil structure)를 갖는 구동기(actuator)는 열을 가하면 수축하고 냉각되면 본래의 길이로 돌아오는 구동 메커니즘을 갖는다. 그러나, 가열된 구동기의 냉각시 냉각 속도가 현저히 느려져서 전체적인 구동 속도가 빠르지 않게 되는 문제점이 있었다.

이에, 본 발명자는 하기 상술되는 본 발명의 구동기의 제조방법에 의해 구동기를 제조함으로써 비틀림 구조 또는 꼬임 구조를 가지면서 비틀림 구조 또는 꼬임 구조의 표면에 방열 물질을 포함시킴으로써 구동 속도가 현저하게 개선됨을 확인하고 본 발명을 완성하였다.

이하, 본 발명의 일 실시예의 구동기를 설명한다.

본 발명의 일 실시예의 구동기는 소프트 구동기(soft actuator)로서, 2개 이상의 고분자 단위 섬유들을 포함하고, 상기 고분자 단위 섬유들 중 2개 이상은 비틀림 구조 또는 꼬임 구조를 가지고, 상기 비틀림 구조 또는 상기 꼬임 구조의 표면에 방열 물질을 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명의 구동기는 비틀림 구조 또는 상기 꼬임 구조의 표면에 방열 물질을 포함됨으로써 구동기의 열에 의한 수축과 냉각에 의한 복원의 구동에 방해가 되지 않음과 동시에 구동 속도를 현저하게 개선할 수 있다. 이때 상기 "구동 속도"는 구동기를 소정의 온도에서 가열시켜 수축시킨 후 냉각시켰을 때 본래 상태로 복원될 때까지의 속도를 계산한 값이다.

이러한 본 발명의 구동기는 하기 상술되는 방법에 의해 제조될 수 있으며, 이에 대해서는 하기에서 상술한다.

이와 같이, 본 발명의 구동기는 2개 이상의 고분자 단위 섬유들이 비틀림 구조 또는 꼬임 구조를 형성하되 비틀림 구조 또는 상기 꼬임 구조의 표면에 방열 물질을 포함할 수 있다. 이를 도 1, 도 2를 참고하여 구체적으로 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구동기 중 꼬임 구조를 갖는 구동기의 개략도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 구동기 중 꼬임 구조를 갖는 구동기에 방열 물질을 코팅한 후, 구동기 표면의 SEM 사진이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 꼬임 구조를 갖는 구동기는 방열 물질이 꼬임 구조의 표면에 분포할 수 있다. 이것은 도 2를 참고할 때도 알 수 있다. 도 2를 참고하면 방열 물질이 꼬임 구조의 표면에 분포한다. 이를 통해 본 발명의 구동기는 구동 속도를 현저하게 개선할 수 있다.

바람직하게는, 본 발명의 꼬임 구조를 갖는 구동기는 꼬임 구조의 길이 방향에 있어서 꼬임 구조의 중심을 기준으로 꼬임 구조의 최외곽 표면에만 방열 물질을 포함할 수 있다. 그러한 경우, 본 발명의 꼬임 구조를 갖는 구동기는 그 내부에 상기 단위 섬유들로 둘러싸인 공극을 포함하고, 상기 공극은 방열 물질을 포함하지 않게 된다. 특히, 본 발명의 구동기는 가열에 의해 수축될 경우에도 공극이 사라지지 않고 확보될 수 있다. 따라서, 구동기를 가열/냉각에 의한 반복적인 구동에도 방해가 되지 않으면서 구동 속도를 현저하게 개선할 수 있다.

일 구체예에서, 본 발명의 구동기에서는 방열 물질은 비틀림 구조 또는 꼬임 구조의 최외곽 표면에만 형성하되, 고분자 단위 섬유의 길이 방향을 따라 비틀림 구조 또는 꼬임 구조를 형성하지 않을 수 있다. 단, 이 경우 방열 물질은 고체상이 될 수 있다. 따라서, 방열 물질이 구동기의 구동 속도는 개선하면서 구동기의 가열 및 수축의 반복에 의한 구동기의 구동에는 전혀 영향을 주지 않을 수 있다.

이하, 본 발명의 구동기의 구성에 대해 보다 상세히 설명한다.

구동기는 2개 이상의 고분자 단위 섬유들을 포함한다. 본 발명의 구동기는 고분자 단위 섬유 2개 이상이 비틀림 구조 또는 꼬임 구조를 형성한 형태 단독 또는 이들 복수개가 배열되어 다발을 형성하는 경우를 포함할 수 있다.

2개 이상의 고분자 단위 섬유는 구동기 분야에서 통상적으로 사용되는 고분자로 형성될 수 있다. 예를 들면, 고분자는 유연성을 갖는 투명 또는 불투명 소재로서 나일론, 폴리우레탄 등이 될 수 있다.

2개 이상의 고분자 단위 섬유는 단면이 원형 또는 무정형이고 소정의 길이를 갖는 섬유로서, 고분자 단위 섬유는 직경이 수 나노미터 또는 수 마이크로미터를 갖는 나노 섬유 또는 마이크로 섬유 형태가 될 수 있다.

고분자 단위 섬유 단독으로 구동기를 형성할 수도 있으나 고분자 단위 섬유 표면에 도전성 물질이 코팅될 수도 있다. 이것은 단위 섬유에 전류를 인가함으로써 구동기의 가열 속도를 높일 수 있으며, 열 확산을 촉진하여 가열 특성을 개선할 수 있다. 도전성 물질은 은, 금, 구리, 알루미늄 등을 포함할 수 있고, 바람직하게는 은을 포함할 수 있다. 도전성 물질을 고분자 섬유 표면에 코팅하는 것은 당업자에게 알려진 통상의 방법을 적용할 수 있다. 도전성 물질은 도금된 필름, 나노입자, 나노와이어, 3차원 소재 형태가 될 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.

구동기를 구성하는 고분자 단위 섬유 2개 이상은 비틀림 구조 또는 꼬임 구조를 형성한다. 비틀림 구조 또는 꼬임 구조는 비틀림이나 꼬임이 없는 단순한 직선형의 구동기와는 전혀 다른 형상을 나타낸다. 본 명세서에서 "비틀림 구조"는 고분자 단위 섬유의 직경에 따라 달라지기는 하지만 일반적으로 인가되는 꼬임수가 4000 이상 8000 이하 turn/m인 구조를 의미한다. 본 명세서에서 "꼬임 구조"는 고분자 단위 섬유의 직경에 따라 달라지기는 하지만 일반적으로 인가되는 꼬임수가 1000 이상 4000 미만 turn/m인 구조를 의미한다.

방열 물질은 특별히 제한되지 않지만, 반데르발스 결합(van der waals force) 또는 기타 화학적 결합에 의해 고분자 단위 섬유 표면에 결합되어 있을 수 있다. 이를 통해 방열 물질이 고분자 단위 섬유 표면에 강하게 결합되어 있음으로 인해 구동기의 수축과 복원시 반복적으로 일어나더라도 구동 속도 및 구동에 영향을 주지 않아서 구동기의 신뢰성을 높일 수 있다.

방열 물질은 형상에 제한을 두지 않지만 고상(solid phase)의 방열 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 이를 통해 방열 효과를 낼 수 있고 방열 물질이 액상인 경우 구동기의 제조 과정서 액상의 방열 물질이 꼬임 구조 또는 비틀림 구조 내의 공극으로 스며들 수 있어서 구동에 영향을 줄 수 있는데 이러한 문제점이 없을 수 있다. 고상은 플레이크(flake)형, 폼(form)형, 나노튜브(nanotube)형 중 하나 이상을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.

고상의 방열 물질로서, 그래핀, 그래파이트(흑연), 탄소나노튜브 등의 탄소 소재 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 그래핀, 그래파이트는 단일층 또는 다층의 그래핀을 포함할 수 있다. 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 고상의 방열 물질은 탄소 소재에 국한되지 않으며, 금속 나노와이어, 금속 섬유, 금속 나노입자 등을 포함할 수 있다.

방열 물질은 방열 물질 단독으로 비틀림 구조 또는 꼬임 구조에 형성될 수도 있지만, 방열층을 형성하여 비틀림 구조 또는 꼬임 구조에 형성될 수도 있다. 이 경우 방열층은 방열 물질과 실리콘 수지(silicone resin)를 포함하는 방열층용 조성물로 형성됨으로써 방열 물질을 고분자 단위 섬유에 보다 안정적으로 결합시킬 수 있고 실리콘 수지가 유연성을 가질 경우 구동기의 유연성을 보다 높일 수 있다. 실리콘 수지는 특별히 제한되지 않지만 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxna) 등을 포함하는 폴리알킬실록산을 포함할 수 있다. 방열층용 조성물은 구동기에 추가적인 기능을 제공할 수 있는 통상의 첨가제를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 구동기는 가열에 의해 수축되었다가 냉각시키면 다시 복원되는 열 구동형이 될 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 구동기의 작동 온도는 35℃에서 120℃가 될 수 있는데, 이는 고분자의 종류에 따라 달라지게 된다. 상기 범위에서, 본 발명의 방열 물질을 포함하는 경우 구동 속도 개선 효과가 있을 수 있다.

이하, 본 발명의 일 실시예의 구동기의 제조방법을 설명한다.

본 발명의 일 실시예의 구동기의 제조방법은 2개 이상의 고분자 단위 섬유들을 포함하고 상기 고분자 단위 섬유들 중 2개 이상에 대해 비틀림 구조 또는 꼬임 구조를 형성하고, 상기 비틀림 구조 또는 꼬임 구조에 방열 물질을 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.

먼저 2개 이상의 고분자 단위 섬유들 중 2개 이상에 대해 비틀림 구조 또는 꼬임 구조를 형성한다. 고분자 단위 섬유에 대해 꼬임 구조를 형성하는 방법은 당업자에게 알려진 통상의 방법에 의한다. 예를 들면, 고분자 단위 섬유 양 말단을 서로 반대 방향으로 회전시켜 이루어질 수도 있고, 양 말단을 고정시키되, 반대쪽 말단만을 회전시켜 이루어질 수 있다. 즉, 고분자 단위 섬유 2개를 이용해서 비틀림 또는 꼬임을 부여할 수 있는 것이라면 제한되지 않는다. 꼬임수에 따라 비틀림 구조 또는 꼬임 구조로 나누어질 수 있다.

방열 물질은 상기에서 상술한 바와 같다.

코팅 방법은 특별히 제한되지 않는다. 방열 물질 자체를 화학기상증착(chemical vapor deposition)으로 합성한 후, 합성된 필름형 방열 물질을 구동기에 코팅할 수 있다. 또는 방열 물질을 소정의 용매에 혼합하여 방열 물질의 도공성 및/또는 코팅성을 높여 코팅할 수도 있다. 용매는 방열 물질을 용해시키지 않을 수 있는 통상의 용매를 포함할 수 있는데, 예를 들면 물, 에탄올 등의 알코올, 메틸2-피롤리돈과 같은 비알코올성 유기 용매 등을 사용할 수 있다. 용매 중 방열 물질의 함량은 코팅성을 고려하여 조절될 수 있다. 또는 방열 물질과 실리콘 수지를 포함하는 방열층용 조성물을 사용해서 코팅할 수도 있다. 코팅 방법은 특별히 제한되지 않으며 딥 코팅, 스프레이 코팅 등이 될 수 있다.

본 발명의 제조 방법은 방열 물질을 코팅한 후 건조시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 건조 온도 및 건조 시간은 특별히 제한되지 않는다.

본 발명의 구동기의 제조방법은 상기 비틀림 구조 또는 상기 꼬임 구조를 가열하여 상기 비틀림 구조 또는 꼬임 구조를 수축시키고, 그리고 상기 수축된 비틀림 구조 또는 꼬임 구조에 방열 물질을 코팅하는 단계를 포함할 수 있다. 이를 통해, 비틀림 구조 또는 꼬임 구조를 먼저 가열시켜 수축시킨 다음에 방열 물질을 코팅함으로써 구동 속도를 현저하게 개선하면서도 구동기의 가열 및 냉각에 의한 수축과 복원의 구동에는 방열 물질 코팅전 대비 구동 특성이 동일하게 나오도록 할 수 있다. 특히, 방열 효과를 높이기 위해 방열 물질 층의 두께를 두껍게 하거나 방열 물질의 함량을 늘릴 경우 구동기의 강성이 증가함으로 인하여 구동 특성이 나빠질 수 있다. 그러나, 본 발명의 제조 방법은 방열 물질 층의 두께를 두껍게 하더라도 구동 특성의 저하와 같은 문제점이 없게 하였다.

비틀림 구조 또는 꼬임 구조를 가열하여 비틀림 구조 또는 꼬임 구조를 수축시킬 수 있다. 이때 수축은 비틀림 구조 또는 꼬임 구조의 길이 방향 즉 고분자 단위 섬유의 길이 방향을 따라 수축하는 것을 의미한다. 수축되는 정도인 수축률은 하기 식 1로 표시할 수 있으며 수축률은 5% 내지 30%, 바람직하게는 10% 내지 30%가 될 수 있다. 상기 범위에서 적은 양의 방열 물질을 사용하더라도 구동 속도를 개선할 수 있고 최종 제조된 구동기의 구동 특성에도 영향을 주지 않을 수 있다.

<식 1>

수축률 = (A - B)/A x 100

(상기 식 1에서, A는 수축 전 구동기의 최대 길이(단위:mm)

B는 수축 후 구동기의 최대 길이(단위:mm))

일 구체예에서, 구동기는 구동 온도 40℃ 내지 120℃, 바람직하게는 100℃에서 가열될 수 있다 상기 범위에서, 방열 물질의 코팅이 잘 될 수 있다.

이하, 본 발명의 일 실시예의 구동기의 용도를 설명한다.

본 발명의 일 실시예의 구동기는 인공 근육, 센서 등에 사용될 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되지는 않는다.

실시예 1

나일론 섬유 2개 각각 표면에 은을 코팅하고, 나일론 섬유 2개 양 말단을 서로 반대 방향으로 회전시켜 꼬임 구조를 형성하였다. 그래파이트 나노플레이트레트(graphite nanoplatelet)을 NMP(N-메틸-2-피롤리돈)에 넣고 혼합한 후 초음파 처리하여 보다 얇은 그래핀으로 박리시키고, 여과하여 그래핀을 얻었다. 얻은 그래핀을 물과 에탄올 혼합 용액에 분산하여 방열 물질을 포함한 용액을 제조하였다. 상기 제조한 방열 물질을 포함한 용액을 스프레이 건을 이용해서 코팅하였다. 이로부터 제조된 구동기를 도 2에 나타내었다. 본 실시예에서 코팅된 방열 물질의 양은 약 1.6mg이고 구동기의 무게는 약 250mg이다. 제조한 구동기의 표면을 SEM으로 찍은 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2을 참조하면, 그래핀이 나일론 섬유에 잘 붙어있음을 확인할 수 있다. 제조한 구동기 하단에 500g의 추를 달아 하중을 가하고, 전류를 인가하여 100℃까지 가열하고 전류를 끊어서 35℃까지 냉각시키는 것을 반복하면서 구동기의 구동 시간을 측정하였다. 그 결과, 도 3에 나타내었다. 도 3를 참조하면, 그래핀 코팅 후 구동기의 전체 구동시간이 획기적으로 단축되었으며, 약 31%의 전체 구동 시간이 감소되었다.

실시예 2

실시예 1에서, 그래핀과 함께 폴리디메틸실록산 수지를 더 포함시켜 방열 물질을 포함한 용액을 제조하고 이것을 사용해서 구동기를 제조한 점을 제외하고는 동일한 방법으로 구동기를 제조하였다. 이때 그래핀은 폴리디메틸실록산 대비 25부피%로 포함되었다. 이로부터 제조된 구동기를 도 4에 나타내었다. 제조한 구동기의 표면을 SEM으로 찍은 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4를 참조하면, 그래핀이 나일론 섬유에 잘 붙어있음을 확인할 수 있다. 제조한 구동기에 대해 실시예 1과 동일한 방법으로 구동 시간을 측정하였다. 그 결과, 도 5에 나타내었다. 도 5를 참조하면, 그래핀 코팅 후 구동기의 전체 구동시간이 획기적으로 단축되었으며, 약 37%의 전체 구동 시간이 감소되었다.

실시예 3

실시예 1에서, 방열 물질을 포함하는 용액으로 탄소나노튜브와 폴리디메틸실록산 수지를 혼합하여 제조하고 이것을 사용해서 구동기를 제조한 점을 제외하고는 동일한 방법으로 구동기를 제조하였다. 이때 탄소나노튜브는 폴리디메틸실록산 대비 0.1중량%로 포함되었다. 이로부터 제조된 구동기를 도 6에 나타내었다. 제조한 구동기의 표면을 SEM으로 찍은 결과를 도 6에 나타내었다. 도 6을 참조하면, 그래핀이 나일론 섬유에 잘 붙어있음을 확인할 수 있다. 제조한 구동기에 대해 실시예 1과 동일한 방법으로 구동 시간을 평가하였을 때 코팅전 대비 구동 시간이 약 12% 감소하였다.

실시예 4

방열 물질로 3차원의 그래핀 폼을 사용하였다. 화학기상증착법으로 니켈 폼에 다층의 그래핀을 합성하여 3차원 구조를 만들고 니켈을 에칭함으로써 그래핀 폼을 제조하였다. 이를 사용해서 실시예 1과 동일한 방법으로 구동기를 제조하였다. 이로부터 제조된 구동기를 도 7에 나타내었다. 제조한 구동기의 표면을 SEM으로 찍은 결과를 도 7에 나타내었다. 도 7을 참조하면, 그래핀 폼이 나일론 섬유에 잘 붙어있음을 확인할 수 있다. 제조한 구동기에 대해 실시예 1과 동일한 방법으로 구동 시간을 측정하였다. 그 결과, 도 8에 나타내었다. 도 8를 참조하면, 그래핀 폼 코팅 후 구동기의 전체 구동시간이 획기적으로 단축되었으며, 약 14%의 전체 구동 시간이 감소되었다.

실시예 5

방열 물질로 대면적의 단층 그래핀을 사용하고, 대면적의 그래핀을 구동기에 감아서 구동기를 제조하였다.이로부터 제조된 구동기를 도 9에 나타내었다. 제조한 구동기의 표면을 SEM으로 찍은 결과를 도 9에 나타내었다. 도 9을 참조하면, 그래핀이 나일론 섬유에 잘 붙어있음을 확인할 수 있다. 제조한 구동기에 대해 실시예 1과 동일한 방법으로 구동 시간을 평가하였을 때 코팅전 대비 구동 시간이 약 18% 감소하였다.

실시예 6

실시예 1에서 제조한 꼬임 구조를 100℃에서 가열시켜 꼬임 구조를 수축시켰다. 이때 상기 식 1의 수축률은 12%이었다. 수축시킨 꼬임 구조에 상기 제조한 방열 물질을 포함한 용액을 스프레이 건을 이용해서 코팅하였다. 본 실시예에서는 코팅양이 약 4.5mg으로 그래핀 코팅량을 약 3배로 늘린 것을 제외하고는 동일한 방법으로 구동기를 제조하였다. 코팅된 표면에 대한 SEM 사진은 도 10과 같다. 도 3과 비교하면 가열을 통해 구동기를 수축시켜 코팅을 했을 때, 방열 물질이 구동기 표면에 균일하게 코팅된 것을 확인할 수 있으며, 구동기 섬유 가닥 안의 기공으로는 잘 들어가지 않는 것을 확인할 수 있다. 제조한 구동기에 대해 실시예 1과 동일한 방법으로 구동 시간을 평가하였다. 그 결과를 도 11에 나타내었다. 도 11에서와 같이 구동 시간이 약 26% 감소하였다. 실시예 1과 비교하면 실시예 1 대비 코팅량이 3배 정도 많이 코팅되었는데, 일반적으로 코팅량이 많아지면 코팅층의 강성이 증가해서 구동 특성이 나빠지게 된다. 그러나, 코팅량이 많아져 코팅층이 두껍게 형성되었음에도 불구하고 구동 특성이 동등하게 나옴을 확인하였다. 이를 통해 가열을 통해 구동기를 수축시켜 방열 물질을 코팅하는 것이 매우 효과적임을 확인할 수 있었다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims

2개 이상의 고분자 단위 섬유들을 포함하고,
상기 고분자 단위 섬유들 중 2개 이상은 비틀림 구조(twist structure) 또는 꼬임 구조(coil structure)를 가지고,
상기 비틀림 구조 또는 상기 꼬임 구조의 표면에 방열 물질을 포함하는 것인, 구동기(actuator).
제1항에 있어서, 상기 비틀림 구조 또는 상기 꼬임 구조는 그 내부에 상기 단위 섬유들로 둘러싸인 공극을 포함하고, 상기 공극은 방열 물질을 포함하지 않는 것인, 구동기.
제1항에 있어서, 상기 방열 물질은 상기 고분자 단위 섬유의 길이 방향을 따라 비틀림 구조 또는 꼬임 구조를 형성하지 않는 것인, 구동기.
제1항에 있어서, 상기 방열 물질은 방열층을 형성하는 것인, 구동기.
제4항에 있어서, 상기 방열층은 상기 방열 물질 및 실리콘 수지를 포함하는 방열층용 조성물로 형성되는 것인, 구동기.
제5항에 있어서, 상기 실리콘 수지는 폴리디메틸실록산을 포함하는 것인, 구동기.
제1항에 있어서, 상기 방열 물질은 고상이고, 그래핀, 그래파이트, 탄소나노튜브, 금속 나노와이어, 금속 나노입자 중 하나 이상을 포함하는 것인, 구동기.
제1항에 있어서, 상기 고분자 단위 섬유 표면에 은이 더 코팅되어 있는 것인, 구동기.
제1항에 있어서, 상기 구동기는 열 구동형인 것인, 구동기.
2개 이상의 고분자 단위 섬유들을 포함하고 상기 고분자 단위 섬유들 중 2개 이상에 대해 비틀림 구조 또는 꼬임 구조를 형성하고,
상기 비틀림 구조 또는 꼬임 구조에 방열 물질을 코팅하는 단계를 포함하는 것인, 구동기의 제조방법.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 구동기 또는
제10항의 제조방법으로 제조된 구동기를 포함하는 인공 근육.