KR20210074183A

KR20210074183A - 소프트 액츄에이터 및 이를 포함하는 인공근육

Info

Publication number: KR20210074183A
Application number: KR1020200162090A
Authority: KR
Inventors: 문성철; 윤성률; 임정묵; 황인욱
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2019-12-11
Filing date: 2020-11-27
Publication date: 2021-06-21
Also published as: KR102418843B1

Abstract

제1 쌍안정 고분자층; 상기 제1 쌍안정 고분자층 상의 제2 쌍안정 고분자층; 상기 제2 쌍안정 고분자층의 상면 상의 제1 유연 전극층; 상기 제1 쌍안정 고분자층과 상기 제2 쌍안정 고분자층 사이의 제2 유연 전극층; 상기 제1 유연 전극층 상에 위치하며 광을 흡수하면 온도가 올라가는 제1 광흡수 발열층; 제1 전압 공급부; 를 포함하되, 상기 제1 전압 공급부는 상기 제1 유연 전극층 및 상기 제2 유연 전극층에 전기적으로 연결되는 소프트 액츄에이터가 제공된다.

Description

소프트 액츄에이터 및 이를 포함하는 인공근육{Soft actuator and artificial muscle including the same}

본 발명은 소프트 액츄에이터 및 이를 포함하는 인공근육에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 정밀한 제어가 가능한 소프트 액츄에이터 및 이를 포함하는 인공근육에 관한 것이다.

인공근육은 실제 근육을 모방하여 인위적으로 만들어진 것으로 전압, 전류, 온도, 압력 등의 자극에 움직임을 보이는 물질 혹은 장치를 의미한다. 인공근육 기술은 관 내부에 압축 공기를 공급하면서 수축 이완하는 맥키븐 공압근육 (Mckibben air muscle)을 시작으로 형상기억합금(SMA), 전기활성고분자(EAP), 얀 구조 폴리머 나노소재 복합재 등 다양한 소재와 구조로 개발되고 있다. 전기활성고분자는 전압 인가 시 움직임을 보이는 소재로 빠른 응답속도, 대변형, 낮은 전력소모, 우수한 가공성 등 다양한 장점과 인체의 근육과 가장 유사한 원리와 특성을 지니고 있다. 따라서 낮은 출력의 한계가 있음에도 불구하고 인공근육 기술로 가장 많이 연구된다. 전기활성고분자는 작동방식에 따라 이온성 전기활성고분자(Ionic EAP), 전계활성 전기활성고분자(Field activated EAP) 나뉠 수 있다. 이온성 고분자는 전압을 인가했을 때, 이온들이 반대 전하를 띄는 전극 방향으로 이동하게 되면서 발생되는 부피차이에 의해 굽힘 변형(벤딩)이 일어난다. 전계활성 전기활성고분자는 인가된 전기장에 의해 전자 분극현상이 일어나고 양 전극에 유도된 전하들에 의한 정전기력에 의해 변형이 발생한다. 그 중 유전 탄성체는 다른 전기활성고분자에 비해 매우 큰 변형량 및 응력, 빠른 응답속도, 내구성, 우수한 재현성으로 가장 주목 받고 있는 인공근육 소재이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 정밀한 제어가 가능한 소프트 액츄에이터 및 이를 포함하는 인공근육을 제공하는데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 부피가 적고 슬림한 소프트 액츄에이터 및 이를 포함하는 인공근육을 제공하는데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 다수의 곡률로 벤딩할 수 있는 소프트 액츄에이터 및 이를 포함하는 인공근육을 제공하는데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 소프트 액츄에이터는 제1 쌍안정 고분자층; 상기 제1 쌍안정 고분자층 상의 제2 쌍안정 고분자층; 상기 제2 쌍안정 고분자층의 상면 상의 제1 유연 전극층; 상기 제1 쌍안정 고분자층과 상기 제2 쌍안정 고분자층 사이의 제2 유연 전극층; 상기 제1 유연 전극층 상에 위치하며 광을 흡수하면 온도가 올라가는 제1 광흡수 발열층; 및 제1 전압 공급부; 를 포함하되, 상기 제1 전압 공급부는 상기 제1 유연 전극층 및 상기 제2 유연 전극층에 전기적으로 연결될 수 있다.

상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 소프트 액츄에이터는 상기 제1 광흡수 발열층이 PEDOT 계열의 물질을 포함할 수 있다.

상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 소프트 액츄에이터는 상기 제1 쌍안정 고분자층의 하면 상의 제3 유연 전극층을 더 포함할 수 있다.

상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 소프트 액츄에이터는 상기 제3 유연 전극층의 밑에 결합되는 제2 광흡수 발열층을 더 포함할 수 있다.

상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 소프트 액츄에이터는 제2 전압 공급부를 더 포함하되, 상기 제2 전압 공급부는 상기 제2 유연 전극층 및 상기 제3 유연 전극층에 전기적으로 연결될 수 있다.

상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 소프트 액츄에이터는 상기 제1 광흡수 발열층의 상면 및 상기 제2 쌍안정 고분자층의 측면에 결합되는 지지구조부를 더 포함할 수 있다.

상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 인공근육은 소프트 액츄에이터; 광원; 및 제어부; 를 포함하되, 상기 소프트 액츄에이터는: 제1 쌍안정 고분자층; 상기 제1 쌍안정 고분자층 상의 제2 쌍안정 고분자층; 상기 제2 쌍안정 고분자층의 상면 상의 제1 유연 전극층; 상기 제1 쌍안정 고분자층과 상기 제2 쌍안정 고분자층 사이의 제2 유연 전극층; 상기 제1 유연 전극층 상에 위치하며 광을 흡수하면 온도가 올라가는 제1 광흡수 발열층; 제1 전압 공급부; 및 상기 제1 광흡수 발열층의 상면 및 상기 제2 쌍안정 고분자층의 측면에 결합되는 지지구조부; 를 포함하되, 상기 제1 전압 공급부는 상기 제1 유연 전극층 및 상기 제2 유연 전극층에 전기적으로 연결되며, 상기 제어부는 상기 광원 및 상기 제1 전압 공급부를 제어할 수 있다.

상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 인공근육은 상기 제1 쌍안정 고분자층의 하면 상의 제3 유연 전극층; 및 상기 제3 유연 전극층의 밑에 결합되는 제2 광흡수 발열층; 을 더 포함할 수 있다.

상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 인공근육은 제2 전압 공급부를 더 포함하되, 상기 제2 전압 공급부는 상기 제2 유연 전극층 및 상기 제3 유연 전극층에 전기적으로 연결될 수 있다.

상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 인공근육은 상기 제1 광흡수 발열층 및 상기 제2 광흡수 발열층의 각각은 PEDOT 계열의 물질을 포함할 수 있다.

상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 인공근육은 상기 광원이 상기 제1 광흡수 발열층에 광을 조사하는 제1 광원 및 상기 제2 광흡수 발열층에 광을 조사하는 제2 광원을 포함할 수 있다.

상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 인공근육은 소프트 액츄에이터; 및 상기 소프트 액츄에이터에 광을 조사하는 광원; 을 포함하되, 상기 소프트 액츄에이터는: 쌍안정 고분자층; 상기 쌍안정 고분자층의 상면 상의 제1 유연 전극층; 상기 쌍안정 고분자층의 하면 상의 제2 유연 전극층; 상기 제1 유연 전극층 상에 위치하며 광을 흡수하면 온도가 올라가는 광흡수 발열층; 및 전압 공급부; 를 포함하되, 상기 전압 공급부는 상기 제1 유연 전극층 및 상기 제2 유연 전극층에 전기적으로 연결되고, 상기 광흡수 발열층은 패터닝되어, 패터닝된 상기 광흡수 발열층 사이로 상기 제1 유연 전극층의 일부가 노출될 수 있다.

상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 인공근육은 상기 광흡수 발열층은 PEDOT 계열의 물질을 포함할 수 있다.

상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 인공근육은 상기 광흡수 발열층의 상면, 상기 제2 쌍안정 고분자층의 측면 또는 상기 지지대층의 하면에 결합되는 지지구조부를 더 포함할 수 있다.

기타 실시 예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 예시적인 실시 예에 따른 소프트 액츄에이터 및 이를 포함하는 인공근육에 의하면, 정밀한 제어가 가능할 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시 예에 따른 소프트 액츄에이터 및 이를 포함하는 인공근육에 의하면, 부피가 적고 슬림할 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시 예에 따른 소프트 액츄에이터 및 이를 포함하는 인공근육에 의하면, 다수의 곡률로 벤딩할 수 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시 예에 따른 소프트 액츄에이터 및 이를 포함하는 인공근육을 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시 예에 따른 소프트 액츄에이터 및 이를 포함하는 인공근육의 사용 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 예시적인 실시 예에 따른 소프트 액츄에이터 및 이를 포함하는 인공근육의 사용 상태를 순차적으로 나타낸 단면도들이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 실시 예에 따른 소프트 액츄에이터 및 이를 포함하는 인공근육을 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 예시적인 실시 예에 따른 소프트 액츄에이터 및 이를 포함하는 인공근육을 나타낸 단면도이다.
도 7은 본 발명의 예시적인 실시 예에 따른 소프트 액츄에이터 및 이를 포함하는 인공근육을 나타낸 단면도이다.
도 8은 본 발명의 예시적인 실시 예에 따른 소프트 액츄에이터 및 이를 포함하는 인공근육을 나타낸 단면도이다.

본 발명의 기술적 사상의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 사상의 바람직한 실시 예들을 설명한다. 그러나 본 발명 기술적 사상은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시 예들의 설명을 통해 본 발명의 기술적 사상의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.

명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 본 명세서에서 기술하는 실시 예들은 본 발명의 기술적 사상의 이상적인 예시도인 블록도, 사시도, 및/또는 단면도를 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시 예들에서 다양한 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시 예들은 그것의 상보적인 실시 예들도 포함한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 사상의 바람직한 실시 예들을 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시 예에 따른 소프트 액츄에이터 및 이를 포함하는 인공근육을 나타낸 단면도이다.

이하에서, 도 1의 D1을 제1 방향, 제1 방향(D1)에 교차되는 D2를 제2 방향, 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)에 교차되는 D3를 제3 방향이라 칭할 수 있다.

도 1을 참고하면, 인공근육(M)이 제공될 수 있다. 인공근육(M)은 인체의 근육 일부를 대신하여, 인체를 움직이는 동력을 제공할 수 있다. 실시 예들에서, 인공근육(M)은 소프트 액츄에이터(A), 광원 및 제어부(C) 등을 포함할 수 있다.

소프트 액츄에이터(A)는 인공근육(M)을 움직이는 기능을 가질 수 있다. 그러나 이에 한정하는 것은 아니며, 소프트 액츄에이터(A)는 다른 용도로 사용될 수도 있다. 실시 예들에서, 소프트 액츄에이터(A)는 제1 쌍안정 고분자층(13), 제2 쌍안정 고분자층(11), 제1 유연 전극층(31), 제2 유연 전극층(33), 제3 유연 전극층(35), 제1 광흡수 발열층(51), 제2 광흡수 발열층(53), 제1 전압 공급부(91), 제2 전압 공급부(93) 및 지지구조부(7) 등을 포함할 수 있다.

제1 쌍안정 고분자층(13)은 제2 방향(D2)으로 연장될 수 있다. 제1 쌍안정 고분자층(13)은 온도에 따라 강성이 변하는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 쌍안정 고분자층(13)은 온도가 올라가면 강성이 낮아지는 쌍안정 유전성 고분자 물질을 포함할 수 있다. 실시 예들에서, 쌍안정 유전성 고분자 물질은 두 가지 온도 범위에서 안정된 상태로 존재할 수 있는 고분자 물질을 의미할 수 있다. 따라서 제1 쌍안정 고분자층(13)은 일정 온도에서 일정 강성을 유지하며 존재하다가, 온도가 올라가 다른 온도 구간에 도달하면 강성이 변할 수 있다. 즉, 제1 쌍안정 고분자층(13)의 온도가 올라가면, 제1 쌍안정 고분자층(13)의 강성이 변할 수 있다.

제2 쌍안정 고분자층(11)은 제1 쌍안정 고분자층(13) 상에 위치할 수 있다. 보다 구체적으로, 제2 쌍안정 고분자층(11)은 제2 유연 전극층(33)을 매개로, 제1 쌍안정 고분자층(13) 상에 결합될 수 있다. 제2 쌍안정 고분자층(11)은 제2 방향(D2)으로 연장될 수 있다. 제2 쌍안정 고분자층(11)은 온도에 따라 강성이 변하는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 쌍안정 고분자층(11)은 온도가 올라가면 강성이 낮아지는 쌍안정 유전성 고분자 물질을 포함할 수 있다.

제1 유연 전극층(31)은 제2 쌍안정 고분자층(11) 상에 위치할 수 있다. 제1 유연 전극층(31)은 제2 방향(D2)으로 연장될 수 있다. 제1 유연 전극층(31)은 유연한 전도성 물질을 포함할 수 있다. 따라서 제1 유연 전극층(31)은 휘어질 수 있다. 제1 유연 전극층(31)은 제1 전압 공급부(91)에 전기적으로 연결될 수 있다.

제2 유연 전극층(33)은 제1 쌍안정 고분자층(13)과 제2 쌍안정 고분자층(11) 사이에 위치할 수 있다. 제2 유연 전극층(33)은 제2 방향(D2)으로 연장될 수 있다. 제2 유연 전극층(33)은 제1 유연 전극층(31)과 실질적으로 동일 또는 유사한 물질을 포함할 수 있다. 따라서 제2 유연 전극층(33)은 전도성 물질을 포함할 수 있다. 제2 유연 전극층(33)은 제1 전압 공급부(91) 및/또는 제2 전압 공급부(93)에 전기적으로 연결될 수 있다.

제3 유연 전극층(35)은 제1 쌍안정 고분자층(13)의 하면 상에 위치할 수 있다. 제3 유연 전극층(35)은 제2 방향(D2)으로 연장될 수 있다. 제3 유연 전극층(35)은 제1 유연 전극층(31)과 실질적으로 동일 또는 유사한 물질을 포함할 수 있다. 따라서 제3 유연 전극층(35)은 전도성 물질을 포함할 수 있다. 제3 유연 전극층(35) 제2 전압 공급부(93)에 전기적으로 연결될 수 있다.

제1 광흡수 발열층(51)은 제1 유연 전극층(31) 상에 위치할 수 있다. 제1 광흡수 발열층(51)은 제2 방향(D2)으로 연장될 수 있다. 제1 광흡수 발열층(51)은 광을 흡수하여, 온도를 상승시킬 수 있다. 즉, 제1 광흡수 발열층(51)에 광을 조사하면, 제1 광흡수 발열층(51)의 온도는 상승할 수 있다. 제1 광흡수 발열층(51)은 근적외선 파장대의 광에 대한 흡수도가 높을 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 광흡수 발열층(51)은 PEDOT(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)) 계열의 물질을 포함할 수 있다. 그러나 이에 한정하는 것은 아니다.

제2 광흡수 발열층(53)은 제3 유연 전극층(35) 하에 위치할 수 있다. 제2 광흡수 발열층(53)은 제2 방향(D2)으로 연장될 수 있다. 제2 광흡수 발열층(53)은 광을 흡수하여, 온도를 상승시킬 수 있다. 즉, 제2 광흡수 발열층(53)에 광을 조사하면, 제2 광흡수 발열층(53)의 온도는 상승할 수 있다. 제2 광흡수 발열층(53)은 근적외선 파장대의 광에 대한 흡수도가 높을 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 광흡수 발열층(53)은 PEDOT(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)) 계열의 물질을 포함할 수 있다. 그러나 이에 한정하는 것은 아니다.

제1 전압 공급부(91)는 제1 유연 전극층(31) 및 제2 유연 전극층(33)에 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 전압 공급부(91)는 제1 유연 전극층(31) 및 제2 유연 전극층(33)에 전압을 공급할 수 있다. 제1 전압 공급부(91)가 제공하는 전압에 의해, 제2 쌍안정 고분자층(11)이 휘어질 수 있다. 이에 대한 상세한 내용은 후술하도록 한다.

제2 전압 공급부(93)는 제3 유연 전극층(35) 및 제2 유연 전극층(33)에 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 전압 공급부(93)는 제3 유연 전극층(35) 및 제2 유연 전극층(33)에 전압을 공급할 수 있다. 제2 전압 공급부(93)가 제공하는 전압에 의해, 제1 쌍안정 고분자층(13)이 휘어질 수 있다. 이에 대한 상세한 내용은 후술하도록 한다.

지지구조부(7)는 제1, 2 쌍안정 고분자층(13, 11)의 측면, 제1 내지 제3 유연 전극층(31, 33, 35)의 측면 및/또는 제 1, 2 광흡수 발열층(51, 53)의 측면 및 상면 상에 결합될 수 있다. 지지구조부(7)는 외부의 구성에 결합될 수 있다. 지지구조부(7)에 의해 유연한 재질의 소프트 액츄에이터(A)는 외부의 구성에 연결될 수 있다.

광원은 제1 광흡수 발열층(51) 및/또는 제2 광흡수 발열층(53)에 광을 조사할 수 있다. 실시 예들에서, 광원은 복수 개가 제공될 수 있다. 예를 들어, 광원은 제1 광원(L1) 및 제2 광원(L2)을 포함할 수 있다. 제1 광원(L1)은 제1 광흡수 발열층(51)으로부터 위로 이격될 수 있다. 제1 광원(L1)은 제1 광흡수 발열층(51)을 향해 광을 조사할 수 있다. 제2 광원(L2)은 제2 광흡수 발열층(53)으로부터 아래로 이격될 수 있다. 제2 광원(L2)은 제2 광흡수 발열층(53)을 향해 광을 조사할 수 있다. 이상에서 광원이 2개가 제공되는 것으로 서술하였으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 즉, 광원은 1개가 제공될 수도 있고, 3개 이상이 제공될 수도 있다. 실시 예들에서, 광원은 복수 개가 수평 방향으로 이격될 수도 있다. 즉, 광원들은 서로 제2 방향(D2) 및/또는 제3 방향(D3)으로 이격된 상태로 배치될 수 있다. 수평 방향으로 이격 배치된 광원들은, 광흡수 발열층의 각기 다른 부분에 광을 조사할 수 있다. 이에 따라, 하나의 광흡수 발열층 내에서 수평 방향으로 각기 다른 지점에서, 광흡수 발열층은 서로 다른 형태로 변형될 수 있다. 즉, 하나의 광흡수 발열층이 다양한 곡률을 가지고 휘어질 수 있다. 이에 대한 상세한 내용은 후술하도록 한다.

제어부(C)는 광원(L1, L2) 및 제1, 2 전압 공급부(91, 93)를 제어할 수 있다. 제어부(C)의 제어에 의해, 광원(L1, L2)이 제1, 2 광흡수 발열층(51, 53)에 광을 조사하거나, 제1, 2 전압 공급부(91, 93)가 제1, 2, 3 유연 전극층(31, 33, 35)에 전압을 공급할 수 있다.

도 2는 본 발명의 예시적인 실시 예에 따른 소프트 액츄에이터 및 이를 포함하는 인공근육의 사용 방법을 나타낸 순서도이다.

도 2를 참고하면, 인공근육 구동 방법(S)이 제공될 수 있다. 인공근육 구동 방법(S)은 광흡수 발열층에 광을 조사하는 것(S1), 쌍안정 고분자층의 강성이 낮아지는 것(S2), 유연 전극층에 전압을 인가하는 것(S3), 소프트 액츄에이터가 변형되는 것(S4), 소프트 액츄에이터를 변형된 형상으로 유지시키는 것(S5) 및 광을 다시 조사하여 소프트 액츄에이터의 형상을 복원시키는 것(S6) 등을 포함할 수 있다. 이하에서, 도 3 및 도 4를 참고하여 인공근육 구동 방법(S)의 각 단계를 상세히 설명하도록 한다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 예시적인 실시 예에 따른 소프트 액츄에이터 및 이를 포함하는 인공근육의 사용 상태를 순차적으로 나타낸 단면도들이다. 이하 도 3 및 도 4에서는 편의 상 도 1의 제어부는 도시하지 않을 수 있다.

도 3 및 도 2를 참고하면, 광흡수 발열층에 광을 조사하는 것(S1)은 제어부(C, 도 1 참고)의 제어에 의해 제1 광원(L1)이 제1 광흡수 발열층(51)에 광을 조사하는 것을 포함할 수 있다. 제1 광원(L1)은 제1 광흡수 발열층(51)으로부터 제1 방향(D1)으로 이격된 상태에서, 제1 광흡수 발열층(51) 전체에 광을 조사할 수 있다. 제1 광흡수 발열층(51)은 제1 광원(L1)에서 조사된 광의 적어도 일부를 흡수할 수 있다. 예를 들어, 제1 광흡수 발열층(51)은 근적외선 파장 영역의 광을 흡수할 수 있다. 광을 흡수한 제1 광흡수 발열층(51)의 온도는 상승할 수 있다. 온도가 상승한 제1 광흡수 발열층(51)은 외부로 열을 방출할 수 있다. 따라서 제1 광흡수 발열층(51)으로부터 제2 쌍안정 고분자층(11)으로 열 전달이 발생할 수 있다.

쌍안정 고분자층의 강성이 낮아지는 것(S2)은 제1 광흡수 발열층(51)으로부터 제2 쌍안정 고분자층(11)으로 열이 전달되는 것을 포함할 수 있다. 제2 쌍안정 고분자층(11)으로의 열 전달이 발생하면, 제2 쌍안정 고분자층(11)의 온도가 상승할 수 있다. 제2 쌍안정 고분자층(11)의 온도가 일정 수준 이상으로 올라가면, 제2 쌍안정 고분자층(11)의 물리적 성질 중 적어도 일부가 변할 수 있다. 예를 들어, 제2 쌍안정 고분자층(11)의 온도가 일정 수준 이상으로 올라가면, 제2 쌍안정 고분자층(11)의 강성이 변할 수 있다. 보다 구체적으로, 제2 쌍안정 고분자층(11)의 강성(rigidity)이 낮아질 수 있다.

유연 전극층에 전압을 인가하는 것(S3)은 제어부(C, 도 1 참고)의 제어에 의해, 제1 전압 공급부(91)가 제1 유연 전극층(31) 및 제2 유연 전극층(33)에 전압을 가하는 것을 포함할 수 있다. 제1 유연 전극층(31) 및 제2 유연 전극층(33)에 전압이 가해지면, 정전기력이 발생할 수 있다. 보다 구체적으로, 정전기력은 제1 유연 전극층(31)과 제2 유연 전극층(33) 사이에 정전기력이 발생할 수 있다.

도 4 및 도 2를 참고하면, 소프트 액츄에이터가 변형되는 것(S4)은 정전기력에 의해 제2 쌍안정 고분자층(11)이 변형되는 것을 포함할 수 있다. 온도가 상승한 제2 쌍안정 고분자층(11)의 강성은 약해져 있을 수 있다. 보다 구체적으로, 제2 쌍안정 고분자층(11)의 강성은 제1 쌍안정 고분자층(13)의 강성보다 낮을 수 있다. 따라서 제2 쌍안정 고분자층(11)에 힘이 가해지면, 제2 쌍안정 고분자층(11)은 물리적 변형을 일으킬 수 있다. 제2 쌍안정 고분자층(11)의 밑에 결합되어 있는 제1 쌍안정 고분자층(13)의 강성은 상대적으로 높으므로, 소프트 액츄에이터(A)는 전체적으로 위로 볼록한 형상으로 변형될 수 있다. 지지구조부(7)는 소프트 액츄에이터(A)의 변형을 지지하거나, 가이드할 수 있다.

이상에서는 제1 광원(L1)을 이용하여 소프트 액츄에이터(A)를 위로 볼록하게 변형시키는 것을 설명하였으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 즉, 제2 광원(L2)을 이용하여 제2 광흡수 발열층(53)에 광을 조사하면, 전술한 과정이 반대 방향으로 일어나, 소프트 액츄에이터(A)는 아래로 볼록하게 변형될 수 있다.

도 2 및 도 4를 참고하면, 소프트 액츄에이터를 변형된 형상으로 유지시키는 것(S5)은 광원에 의한 광 조사가 끝난 뒤, 쌍안정 고분자층의 강성이 원래대로 복원되는 것을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 광원(L1)에 의한 광 조사가 종료되면, 제1 광흡수 발열층(51)의 온도가 내려갈 수 있다. 제1 광흡수 발열층(51)의 온도가 내려가면, 제2 쌍안정 고분자층(11)의 온도도 내려갈 수 있다. 이에 따라 제2 쌍안정 고분자층(11)의 강성은 원래대로 복원될 수 있다. 실시 예들에서, 제2 쌍안정 고분자층(11)의 강성은 원래와 같이 강해질 수 있다. 제2 쌍안정 고분자층(11)의 강성이 원래대로 복원되면, 소프트 액츄에이터(A)의 형상은 휘어진 상태로 유지될 수 있다. 예를 들어, 소프트 액츄에이터(A)의 형상은 위로 볼록한 상태로 고정되어 유지될 수 있다.

도 2를 참고하면, 광을 다시 조사하여 소프트 액츄에이터의 형상을 복원시키는 것(S6)은 광원을 이용하여 광흡수 발열층에 광을 다시 조사하는 것을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 광원(L1)을 이용하여 제1 광흡수 발열층(51)을 향해 광을 다시 조사할 수 있다. 이에 따라 제1 광흡수 발열층(51)의 온도는 상승할 수 있다. 제1 광흡수 발열층(51)의 온도가 상승함에 따라, 제2 쌍안정 고분자층(11)의 온도도 상승할 수 있다. 제2 쌍안정 고분자층(11)의 온도가 상승하면, 제2 쌍안정 고분자층(11)의 강성은 다시 낮아질 수 있다. 이 과정에서 제1 전압 공급부(91)에 의한 제1 유연 전극층(31) 및 제2 유연 전극층(33)으로의 전압 인가는 진행되지 아니할 수 있다. 따라서 정전기력도 발생하지 아니할 수 있다. 강성이 낮아진 제2 쌍안정 고분자층(11)의 형상은 다시 원래대로 돌아갈 수 있다. 즉, 제2 쌍안정 고분자층(11)의 형상이 다시 평평하게 복원되어, 소프트 액츄에이터(A)의 형상이 원래대로 복원될 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시 예들에 따른 소프트 액츄에이터 및 이를 포함하는 인공근육에 의하면, 소프트 액츄에이터의 형상을 변형된 상태로 유지할 수 있다. 즉, 쌍안정 고분자층의 강성이 온도에 따라 변하므로, 이를 이용하여 쌍안정 고분자층이 휘어진 상태로 형태를 유지하게 만드는 것이 용이할 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시 예들에 따른 소프트 액츄에이터 및 이를 포함하는 인공근육에 의하면, 온도에 따라 강성이 달라지는 특성을 이용해 쌍안정 고분자층을 변형시킬 수 있다. 따라서 강성을 변화시키기 위해 복잡한 구조를 사용할 필요가 없을 수 있다. 이에 따라 소프트 액츄에이터의 전체적인 구조가 간단해지고, 부피가 작아질 수 있다. 또한, 슬림한 소프트 액츄에이터의 구동에 의하므로, 정밀한 제어가 가능할 수 있다.

도 5는 본 발명의 예시적인 실시 예에 따른 소프트 액츄에이터 및 이를 포함하는 인공근육을 나타낸 단면도이다.

이하에서, 도 1 내지 도 4를 참고하여 설명한 것과 실질적으로 동일 또는 유사한 내용에 대한 것은 편의 상 설명을 생략할 수 있다.

도 5를 참고하면, 인공근육(M')은 쌍안정 고분자층(12), 제1 유연 전극층(31'), 제2 유연 전극층(33'), 광흡수 발열층(5'), 지지구조부(7) 및 전압 공급부(91) 등을 포함할 수 있다.

쌍안정 고분자층(12)은 도 1 등을 참고하여 설명한 쌍안정 고분자층과 유사할 수 있다. 쌍안정 고분자층(12)은 도 1 등을 참고하여 설명한 쌍안정 고분자층과 실질적으로 동일 또는 유사한 물질을 포함할 수 있다. 제1 유연 전극층(31')은 쌍안정 고분자층(12)의 상면 상에 위치할 수 있다. 제2 유연 전극층(33')은 쌍안정 고분자층(12)의 하면 상에 위치할 수 있다.

광흡수 발열층(5')은 제1 유연 전극층(31')의 상면 상에 위치할 수 있다. 광흡수 발열층(5')은 도 1 등을 참고하여 설명한 광흡수 발열층과 실질적으로 동일 또는 유사한 물질을 포함할 수 있다. 광흡수 발열층(5')은 패터닝되어 있을 수 있다. 즉, 광흡수 발열층(5')은 패터닝되어, 패터닝 구멍을 제공할 수 있다. 광흡수 발열층(5')은 패터닝 구멍을 두고 서로 수평적으로 이격되는 복수 개의 광흡수 발열층(51', 53', 55', 57')을 제공할 수 있다. 패터닝 구멍을 통해, 제1 유연 전극층(31')의 일부가 노출될 수 있다. 다시 말해, 패터닝된 광흡수 발열층(5')에 의해 제1 유연 전극층(31')의 일부가 노출될 수 있다.

전압 공급부(91)는 제1 유연 전극층(31') 및 제2 유연 전극층(33')에 전기적으로 연결될 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시 예들에 따른 소프트 액츄에이터 및 이를 포함하는 인공근육에 의하면, 광흡수 발열층이 패터닝되어 있으므로, 광원에 의한 광 조사가 행해질 경우, 일부 구역의 온도만 상승할 수 있다. 즉, 광흡수 발열층이 배치된 곳의 밑에 있는 쌍안정 고분자층의 온도만 상승할 수 있다. 이에 따라 쌍안정 고분자층의 일부 영역만 강성이 변할 수 있다. 즉, 쌍안정 고분자층의 일부 영역만 휘어질 수 있다. 따라서 소프트 액츄에이터는 다수의 곡률을 가지고 휘어질 수 있다. 이에 따라 인체의 근육 움직임을 더 정확하게 모사하는 것이 가능할 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시 예들에 따른 소프트 액츄에이터 및 이를 포함하는 인공근육에 의하면, 광흡수 발열층의 패터닝이라는 간단한 제조 공정만 거치면, 다수 곡률을 가지고 휘어지는 소프트 액츄에이터를 만들 수 있다. 즉, 간단한 공정으로 다양하게 휘는 인공 근육의 제조가 가능할 수 있다.

도 6은 본 발명의 예시적인 실시 예에 따른 소프트 액츄에이터 및 이를 포함하는 인공근육을 나타낸 단면도이다.

이하에서, 도 1 내지 도 5를 참고하여 설명한 것과 실질적으로 동일 또는 유사한 내용에 대한 것은 편의 상 설명을 생략할 수 있다.

도 6을 참고하면, 인공근육(M'')은 지지대층(15), 제1 변형층(14), 제2 변형층(16), 제1 유연 전극층(32), 제2 유연 전극층(34), 제3 유연 전극층(36) 및 제4 유연 전극층(38) 등을 포함할 수 있다. 지지대층(15)은 제1 변형층(14) 및 제2 변형층(16)보다 강성이 높은 물질을 포함할 수 있다. 지지대층(15)을 사이에 두고, 제1 변형층(14) 및 제2 변형층(16)이 마주할 수 있다. 제1 변형층(14) 및 제2 변형층(16)은 유전 탄성 고분자를 포함할 수 있다. 유전 탄성 고분자는 프리폴리머 (Prepolymer) 와 가교제 (Crosslinker)를 혼합하여 제조할 수 있다. 두 물질의 조성비(Crosslinker/Prepolymer, C/P)를 달리하면 유전 탄성 고분자의 강성을 조절할 수 있다. 제1 유연 전극층(32), 제2 유연 전극층(34), 제3 유연 전극층(36) 및 제4 유연 전극층(38)은 지지대층(15), 제1 변형층(14) 및 제2 변형층(16)의 사이 밑 상/하면에 결합될 수 있다. 제1 유연 전극층(32), 제2 유연 전극층(34), 제3 유연 전극층(36) 및 제4 유연 전극층(38)에 전압이 가해지면, 정전기력에 의해 소프트 액츄에이터(A'')가 위로 볼록하게 휘거나, 혹은 아래로 볼록하게 휘어질 수 있다.

도 7은 본 발명의 예시적인 실시 예에 따른 소프트 액츄에이터 및 이를 포함하는 인공근육을 나타낸 단면도이다.

이하에서, 도 1 내지 도 6을 참고하여 설명한 것과 실질적으로 동일 또는 유사한 내용에 대한 것은 편의 상 설명을 생략할 수 있다.

도 7을 참고하면, 도 6을 참고하여 설명한 것과는 달리, 지지대층(2')이 하부 지지대(21') 및 복수 개의 구분 지지대(231', 233', 235')를 포함할 수 있다. 전압 공급부(91)에 의해 제1 유연 전극층(31'') 및 제2 유연 전극층(33')에 전압이 가해지면, 소프트 액츄에이터(A''')는 다양한 곡률로 휘어질 수 있다.

도 8은 본 발명의 예시적인 실시 예에 따른 소프트 액츄에이터 및 이를 포함하는 인공근육을 나타낸 단면도이다.

이하에서, 도 1 내지 도 7을 참고하여 설명한 것과 실질적으로 동일 또는 유사한 내용에 대한 것은 편의 상 설명을 생략할 수 있다.

도 8을 참고하면, 인공근육(M’’’’)은 도 7을 참고하여 설명한 것과는 달리, 지지대층(2’’)이 중심 지지대(21’’), 상부 구분 지지대(231’’, 233’’, 235’’) 및 하부 구분 지지대(232’’, 235’’, 236’’)를 포함할 수 있다. 제1 전압 공급부(91)에 의해 제1 유연 전극층(31’’’) 및 제2 유연 전극층(33’’’)에 전압이 가해지면, 소프트 액츄에이터(A’’’’)는 위로 볼록하게 휘어질 수 있다. 제2 전압 공급부(93)에 의해 제3 유연 전극층(35''') 및 제4 유연 전극층(37''')에 전압이 가해지면, 소프트 액츄에이터(A’’’’)는 아래로 볼록하게 휘어질 수 있다.

이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

M: 인공근육
A: 소프트 액츄에이터
11: 제2 쌍안정 고분자층
13: 제1 쌍안정 고분자층
31: 제1 유연 전극층
33: 제2 유연 전극층
35: 제3 유연 전극층
51: 제1 광흡수 발열층
53: 제2 광흡수 발열층
L1: 제1 광원
L2: 제2 광원
C: 제어부
7: 지지구조부
91: 제1 전압 공급부
93: 제2 전압 공급부

Claims

제1 쌍안정 고분자층;
상기 제1 쌍안정 고분자층 상의 제2 쌍안정 고분자층;
상기 제2 쌍안정 고분자층의 상면 상의 제1 유연 전극층;
상기 제1 쌍안정 고분자층과 상기 제2 쌍안정 고분자층 사이의 제2 유연 전극층;
상기 제1 유연 전극층 상에 위치하며 광을 흡수하면 온도가 올라가는 제1 광흡수 발열층; 및
제1 전압 공급부; 를 포함하되,
상기 제1 전압 공급부는 상기 제1 유연 전극층 및 상기 제2 유연 전극층에 전기적으로 연결되는 소프트 액츄에이터.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 광흡수 발열층은 PEDOT 계열의 물질을 포함하는 소프트 액츄에이터.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 쌍안정 고분자층의 하면 상의 제3 유연 전극층을 더 포함하는 소프트 액츄에이터.
제 3 항에 있어서,
상기 제3 유연 전극층의 밑에 결합되는 제2 광흡수 발열층을 더 포함하는 소프트 액츄에이터.
제 3 항에 있어서,
제2 전압 공급부를 더 포함하되,
상기 제2 전압 공급부는 상기 제2 유연 전극층 및 상기 제3 유연 전극층에 전기적으로 연결되는 소프트 액츄에이터.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 광흡수 발열층의 상면 및 상기 제2 쌍안정 고분자층의 측면에 결합되는 지지구조부를 더 포함하는 소프트 액츄에이터.
소프트 액츄에이터;
광원; 및
제어부; 를 포함하되,
상기 소프트 액츄에이터는:
제1 쌍안정 고분자층;
상기 제1 쌍안정 고분자층 상의 제2 쌍안정 고분자층;
상기 제2 쌍안정 고분자층의 상면 상의 제1 유연 전극층;
상기 제1 쌍안정 고분자층과 상기 제2 쌍안정 고분자층 사이의 제2 유연 전극층;
상기 제1 유연 전극층 상에 위치하며 광을 흡수하면 온도가 올라가는 제1 광흡수 발열층;
제1 전압 공급부; 및
상기 제1 광흡수 발열층의 상면 및 상기 제2 쌍안정 고분자층의 측면에 결합되는 지지구조부; 를 포함하되,
상기 제1 전압 공급부는 상기 제1 유연 전극층 및 상기 제2 유연 전극층에 전기적으로 연결되며,
상기 제어부는 상기 광원 및 상기 제1 전압 공급부를 제어하는 인공근육.
제 7 항에 있어서,
상기 제1 쌍안정 고분자층의 하면 상의 제3 유연 전극층; 및
상기 제3 유연 전극층의 밑에 결합되는 제2 광흡수 발열층; 을 더 포함하는 인공근육.
제 8 항에 있어서,
제2 전압 공급부를 더 포함하되,
상기 제2 전압 공급부는 상기 제2 유연 전극층 및 상기 제3 유연 전극층에 전기적으로 연결되는 인공근육.
제 8 항에 있어서,
상기 제1 광흡수 발열층 및 상기 제2 광흡수 발열층의 각각은 PEDOT 계열의 물질을 포함하는 인공근육.
제 8 항에 있어서,
상기 광원은 상기 제1 광흡수 발열층에 광을 조사하는 제1 광원 및 상기 제2 광흡수 발열층에 광을 조사하는 제2 광원을 포함하는 인공근육.
소프트 액츄에이터; 및
상기 소프트 액츄에이터에 광을 조사하는 광원; 을 포함하되,
상기 소프트 액츄에이터는:
쌍안정 고분자층;
상기 쌍안정 고분자층의 상면 상의 제1 유연 전극층;
상기 쌍안정 고분자층의 하면 상의 제2 유연 전극층;
상기 제1 유연 전극층 상에 위치하며 광을 흡수하면 온도가 올라가는 광흡수 발열층; 및
전압 공급부; 를 포함하되,
상기 전압 공급부는 상기 제1 유연 전극층 및 상기 제2 유연 전극층에 전기적으로 연결되고,
상기 광흡수 발열층은 패터닝되어, 패터닝된 상기 광흡수 발열층 사이로 상기 제1 유연 전극층의 일부가 노출되는 인공근육.
제 12 항에 있어서,
상기 광흡수 발열층은 PEDOT 계열의 물질을 포함하는 인공근육.
제 12 항에 있어서,
상기 광흡수 발열층의 상면, 상기 제2 쌍안정 고분자층의 측면 또는 상기 지지대층의 하면에 결합되는 지지구조부를 더 포함하는 인공근육.