KR20230029230A - 샌드위치 구조의 smpc 굽힘 액추에이터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 SMPC 굽힘 액추에이터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 변형률 및 복원력을 동시에 증가시킬 수 있는 전개형 코어를 가지며, 무게대비 굽힘강성을 최대화할 수 있는 샌드위치 구조를 가져 효과적인 부피 압축 및 경량화가 가능한 샌드위치 구조의 SMPC 굽힘 액추에이터에 관한 것이다.
Description
본 발명은 SMPC 굽힘 액추에이터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 변형률 및 복원력을 동시에 증가시킬 수 있는 전개형 코어를 가지며, 무게대비 굽힘강성을 최대화할 수 있는 샌드위치 구조를 가져 효과적인 부피 압축 및 경량화가 가능한 샌드위치 구조의 SMPC 굽힘 액추에이터에 관한 것이다.
일반적으로 형상기억고분자(Shape memory polymer, 이하 SMP)는 열, 빛 또는 전기와 같은 외부 자극에 의해 변형 전 형태로 복원되는 성질을 가진 스마트 재료이다. SMP는 무게가 가벼우며 형상기억 과정이 간단하며 약 400% 이상의 큰 변형이 가능하다는 장점이 있어 우주, 군사 또는 의료공학과 같은 다양한 분야에 적용되고 있다.
이와 더불어 SMP를 구조재료로 사용하기 위해, 별도의 보강재를 포함하여 기계적 물성을 증가시킨 재료로 형상기억고분자복합재(Shape memory polymer composite, 이하 SMPC)가 존재하며, 별도의 장치없이 구동이 가능한 차세대 스마트 액추에이터(Actuator)로 각강받고 있다. 특히 SMPC로 이루어진 액추에이터 중 우주 구조물에 적용되는 경우 대부분 비강성 및 비강도가 우수한 연속 탄소 섬유로 보강된 SMPC를 사용한다. 그러나, SMPC의 두께를 증가시킬 경우 낮은 한계 변형률로 인해 파단이 쉽게 발생하게 되고, 이로 인해 형상 복원력을 향상시키는 것에는 다소 한계가 존재한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 SMPC를 포함한 액추에이터의 무게대비 굽힘강성을 최대화하여 큰 부피 압축률을 가지고 경량화가 요구되는 분야에서 용이하게 이용가능한 샌드위치 구조의 SMPC 굽힘 액추에이터를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 형상기억 및 복원이 가능한 액추에이터로서, 한 쌍으로 이루어지며 굽힘 변형 및 복원이 가능한 스킨부; 및 상하면이 상기 스킨부와 결합되며 굽힘 변형 및 복원이 가능한 코어부;를 포함하며, 상기 스킨부와 상기 코어부는 SMP를 포함하며, 상기 스킨부는 상기 코어부보다 유리전이 온도가 높게 형성되어 가열시 상기 코어부가 먼저 굽힘 변형 및 복원이 일어날 수 있다.
이는 형상기억과정에서 전개 가능한 코어부를 통해 굽힘 강성의 증가로 복원력을 강화할 수 있고, 많은 변형이 가능한 스킨부를 통해 변형률과 복원력을 동시에 증가시킬 수 있는 샌드위치 구조의 SMPC 굽힘 액추에이터를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 코어부는 상기 SMP와 보강재를 혼합한 SMPC로 이루어지며, 상기 SMP는 폴리우레탄(Polyurethane), 폴리이미드 (Polyimide), 에폭시 (Epoxy), 폴리스타이렌(Polystyrene), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리올레핀(Polyolefin), 실리콘(polysiloxanes)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 것을 특징으로 한다.
이때, 보강재는 탄소 섬유(Carbon fiber), 유리섬유(Glass fiber), 아라미드 섬유(Aramid fiber), 카본블랙(Carbon black), 카본나노튜브(Carbon nano tube, CNT)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에서, 코어부는 육면체 형상의 폼 형상, 원뿔 형상의 스프링 형상 및 양측면이 개방되어 내부에 공간이 형성되고 전후면이 중앙측으로 함몰된 오목홈이 형성된 사각 및 원 형상 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
이때, 코어부는, 핫 프레스 몰딩 방식, 오토클레이브 방식, 액상수지주입 방식 및 비형상기억재료로 만들어진 구조 외부에 상기 SMP가 코팅되는 방식 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에서, 스킨부는, 상기 SMP와 보강재를 혼합한 SMPC로 이루어지는 다수개의 스킨층; 및 상기 스킨층간의 상하방향의 이격된 공간에 형성되는 탄성중합층;으로 구성되며, 상기 스킨층과 상기 탄성중합층은 상하방향으로 적층되되, 상기 스킨부의 최상면과 최하면은 상기 스킨층으로 구성된다.
이때, 탄성중합층은, 천연 고무(Natural Rubber), 부타디엔 고무(Butadiene Rubber), 스틸렌 부타디엔 고무(Styrene Butadiene Rubber), 아크릴로 니트릴 부타디엔 고무(Acrylonitrile Butadiene Rubber), 수소화 니트릴 부타디엔 고무(Hydrogenated Nitrile Butadiene Rubber), 클로로프렌 고무 (Chloroprene Rubber), 에틸렌 프로필렌 디엔 고무(Ethylene Propylene Diene Rubber), 우레탄고무(Urethane Rubber), 실리콘 고무(Silicone Rubber), 불소 고무(Fluorinated Rubber), 아크릴 고무(Acrylic Rubber) 및 부틸고무(Isobutylene isoprene Rubber)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에서, 코어부는 상하면에 각각 형성되어 상기 스킨부와 접착되는 접착층;이 형성되며, 상기 스킨부는 접착층에 접착되어 상기 코어부와 일체형으로 구성된다.
이때, 접착층은 두가지 방법으로 결합될 수 있다. 첫번째로, 에폭시(Epoxy), 시아노아크릴레이트(Cyanoacrylate) 및 아크릴(Acrylic) 중 어느 하나의 접착제로 부착되어질 수 있다. 혹은, 상기 코어부 제작시 발생된 잉여수지로 상기 스킨부 밀착 후 상기 스킨부와 상기 접착층을 동시에 경화시켜 접착되는 동시경화방법으로 상기 접착층이 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 SMPC를 포함한 액추에이터는 높은 한계 변형률 및 형상 복원력을 얻을 수 있도록 샌드위치 구조를 가지며, 무게대비 굽힘강성을 최대화하여 큰 부피 압축률과 경량화가 요구되는 분야에서 용이하게 이용가능하다는 효과를 보유한다.
또한, 형상기억과정에서 굽힘 강성이 증가된 코어부를 통해 복원력을 강화할 수 있고, 스킨부와 상충관계에 있는 변형률과 복원력을 동시에 증가시킬 수 있는 효과를 보유한다.
도 1은 본 발명에 따른 샌드위치 구조의 SMPC 굽힘 액추에이터의 형상기억 및 복원과정을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 샌드위치 구조의 SMPC 굽힘 액추에이터를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 스킨부의 다른 실시예를 나타낸 것이다.
도 4a 및 4b는 본 발명에 따른 스킨부의 굽힘예시를 나타낸 것이다.
도 5 내지 8은 본 발명에 따른 샌드위치 구조의 다양한 실시예들을 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명에 따른 코어부의 다른 실시예를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명에 따른 샌드위치 구조의 SMPC 굽힘 액추에이터의 형상기억 및 복원과정을 순서도로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 샌드위치 구조의 SMPC 굽힘 액추에이터를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 스킨부의 다른 실시예를 나타낸 것이다.
도 4a 및 4b는 본 발명에 따른 스킨부의 굽힘예시를 나타낸 것이다.
도 5 내지 8은 본 발명에 따른 샌드위치 구조의 다양한 실시예들을 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명에 따른 코어부의 다른 실시예를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명에 따른 샌드위치 구조의 SMPC 굽힘 액추에이터의 형상기억 및 복원과정을 순서도로 나타낸 것이다.
이하 본 발명에 따른 샌드위치 구조의 SMPC 굽힘 액추에이터를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 특별한 정의가 없는 한 본 명세서의 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상 지식을 가진 이가 이해하는 당해 용어의 일반적 의미와 같으며 만약 본 명세서에 사용된 용어의 의미와 충돌하는 경우에는 본 명세서에 사용된 정의에 따른다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대해 상세한 설명은 생략함. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위하여 스킨부(100)와 코어부(200)를 이루는 재질은 SMP에 보강재를 혼합한 SMPC로 이루어지는데, 이때 기지재로 사용되는 형상기억능력이 있는 고분자는 폴리우레탄(Polyurethane), 폴리이미드 (Polyimide), 에폭시 (Epoxy), 폴리스타이렌(Polystyrene), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리올레핀(Polyolefin), 실리콘(polysiloxanes)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 것이 바람직하나 이에 한정된 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 형상기억능력이 있는 고분자로 잘 알려진 임의의 재질 등으로 이루어질 수도 있다.
또한, 보강재로는 탄소 섬유(Carbon fiber), 유리섬유(Glass fiber), 아라미드 섬유(Aramid fiber), 카본블랙(Carbon black), 카본나노튜브(Carbon nano tube, CNT)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 것이 바람직하나 이에 한정된 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 보강재로 잘 알려진 임의의 재질 등으로 이루어질 수도 있다.
이때, 상술된 SMPC는 핫 프레스 몰딩, 오토클레이브(Autoclave), 액상수지주입(Resin transfer molding, RTM) 공법 등을 통해 성형될 수 있고, 복잡한 형상을 갖는 액추에이터의 경우 비형상기억재료로 만들어진 구조의 외부에 SMP를 코팅하는 방식으로 제작하는 것이 바람직하다.
도 1은 본 발명에 따른 샌드위치 구조의 SMPC 굽힘 액추에이터의 형상기억 및 복원과정을 개략적으로 나타낸 것이며, 도 2는 본 발명에 따른 샌드위치 구조의 SMPC 굽힘 액추에이터를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면 스킨부(100)는 코어부(200)의 상면과 하면에 각각 형성되는 면재로 이루어지는 것으로, 이러한 스킨부(100)는 상술된 바와 같이 단일 재질로 이루어져 코어부(200)의 상면과 하면에 각각 형성될 수 있는 반면 도 3과 같이 다수개의 스킨층(110)과 상기 스킨층(110)간의 상하방향 이격된 공간에 탄성중합층(120)이 형성되어 스킨층(110)과 탄성중합층(120)이 서로 적층된 상태로 이루어진 다중 중립축 면재를 가지는 형태로 제작되어질 수 있다. 이러한 실시예를 도 3 및 4b를 통해 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명에 따른 스킨부의 다른 실시예를 나타낸 것이며, 도 4a 및 4b는 본 발명에 따른 스킨부의 굽힘예시를 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면 스킨부(100)는 상술된 바와 같이 SMPC 또는 외부에 SMP가 코팅된 비형상기억재료로 이루어진 면재 형상의 스킨층(110)과, 상기 스킨층(110)간의 상하방향으로 이격된 공간에 형성되어 상하면에 각각 스킨층(110)이 밀착결합되는 탄성중합층(120)으로 이루어진다.
먼저, 스킨층(110)은 상술된 바와 같이 SMPC 또는 외부에 SMP가 코팅된 비형상기억재료로 이루어진 면재 형상으로 이루어질 수 있으며 이는 제작자의 의도에 맞게 선택하여 제작하도록 한다.
이러한 스킨층(110)은 다수개로 형성되어 스킨부(100)가 구비되는 위치에 따라 상하방향으로 중첩되는 형태를 가지며 배치되고, 스킨층(110)이 서로 접합되는 부분에 탄성중합층(120)이 형성되어 스킨층(110)과 탄성중합층(120)이 서로 교차 적층되는 형태로 스킨부(100)를 구성할 수 있다.
탄성중합층(120)은 스킨층(110)보다 탄성중합체(彈性重合體, Elastomer)로 이루어진 층으로, 상대적으로 높은 강성을 갖는 스킨층(110)에 비해 낮은 강성을 갖는다.
이때, 탄성중합층(120)은 반드시 상하방향으로 적층된 한 쌍의 스킨층(110) 사이로 인입되는 것이 아닌 제작자의 의도에 따라 선택적으로 채워넣어질 수 있다.
이러한 탄성중합층(120)을 이루는 재질로는 강성이 낮고 탄성복원력을 갖는 고분자 화합물로 이루어지는 것이 바람직하며, 예를 들어 천연 고무(Natural Rubber), 부타디엔 고무(Butadiene Rubber), 스틸렌 부타디엔 고무(Styrene Butadiene Rubber), 아크릴로 니트릴 부타디엔 고무(Acrylonitrile Butadiene Rubber), 수소화 니트릴 부타디엔 고무(Hydrogenated Nitrile Butadiene Rubber), 클로로프렌 고무 (Chloroprene Rubber), 에틸렌 프로필렌 디엔 고무(Ethylene Propylene Diene Rubber), 우레탄고무(Urethane Rubber), 실리콘 고무(Silicone Rubber), 불소 고무(Fluorinated Rubber), 아크릴 고무(Acrylic Rubber) 및 부틸고무(Isobutylene isoprene Rubber) 또는 본 발명이 속하는 기술분야에서 탄성중합체로 잘 알려진 임의의 재질 등으로 이루어질 수 있다.
이와 같이 스킨층(110)과 탄성중합층(120)이 상하방향으로 교차되어 적층된 형태를 가지되, 최상면과 최하면은 스킨층(110)이 형성되도록 이루어진 스킨부(100)는 강성이 큰 스킨층(110) 각각에 다중의 중립축(multiple neutral axis)이 형성되어 최외각에서 발생되는 응력을 완화하고, 변형률을 증가시킬 수 있다는 이점을 가진다.
즉, 도 4a와 같이 단일개의 스킨층(110)으로 이루어진 스킨부(100)의 경우 외력에 의해 굽혀지더라도 외측에서 높은 응력이 발생하게 되는데, 도 4b와 같이 다수개의 스킨층(110) 및 탄성중합층(120)으로 이루어진 스킨부(100)가 굽혀지는 경우 탄성중합층(120) 내부에서 슬립 현상을 유도할 수 있어 스킨층(110)에서 발생되는 응력을 완화시키고, 이를 통해 스킨부(100)의 변형률을 증가시킬 수 있다.
코어부(200)는 상하측에 각각 스킨부(100)가 구비되며, 외력에 의해 압축 및 굽힘이 일어나고, 이후 후술된 2차 가열단계(S60)에서 원형으로 복원되어 스킨부(100)를 포함한 액추에이터(1)의 본래 형상으로 복원시키는 역할을 수행한다.
특히, 코어부(200)의 두께가 얇을 경우 복원과정에서 충분한 복원력이 발생되지 않는다는 문제가 발생하게 된다.
따라서, 이러한 코어부(200)는 얇은 스킨부(100)에 비해 두께가 두껍게 형성되어 충분한 복원력을 갖도록 한다.
이러한 코어부(200)는 도 5 내지 7과 같이 다양한 실시예로 제작될 수 있으며, 이러한 실시예들은 폼(foam) 형상의 코어부(201), 스프링(spring) 형상의 코어부(202), 삼각(triangular)형상의 코어부(203)로 제작되어 질 수 있다.
도 5 내지 8은 본 발명에 따른 샌드위치 구조의 다양한 실시예들을 나타낸 것이다.
먼저, 도 5를 참조하면 폼 형상의 코어부(201)는 상면과 하면에 각각 스킨부(100)가 형성되고, 상기 스킨부(100)와 함께 육면체 형상을 가지는 폼(foam) 형상으로 이루어질 수 있다. 이러한 폼 형상의 코어부(201)는 후술된 굽힘 변형 단계(S30)에서 압축되어 액추에이터(1)의 변형률을 증가시킬 수 있고, 복원단계(S70)에서 코어부(200)의 전개과정을 통해 굽힘 강성의 증가로 복원력을 강화할 수 있다는 이점을 가진다.
또한, 마찬가지로 도 6과 같은 스프링 형상의 코어부(202)와, 도 7과 같은 삼각 형상의 코어부(203)는 굽힘 변형 단계(S30)에서 압축되는데 스프링 형상의 코어부(202)의 경우 스프링 형상을 가지기 때문에 스프링이 압축되는 형태와 동일하게 압축될 수 있고, 삼각 형상의 코어부(203) 또한 양측면이 중앙측으로 함몰된 오목홈(203a)을 중심으로 코어부(203)가 접혀지는 형태로 압축될 수 있다.또는 소정 곡률반경을 가지는 절개된 원(Circular) 형태를 포함할 수 있으며,이는 하기 도 9에 도시된 바와 같다.
이때, 스프링 형상의 코어부(202)의 경우 코어부(202) 상단과 하단에 각각 연결된 스킨부(100)를 동일하게 간격으로 지지할 수 있도록 상측으로 외경이 감소하는 원뿔 형상의 제1 스프링코어(202a)와 하측으로 외경이 감소하는 역원뿔 형상의 제2 스프링코어(202b)가 스킨부(100)의 연장방향에 따라 일정간격 서로 이격되어 번갈아가며 배치되도록 제작하는 것이 바람직하다. 또한, 제1 스프링코어(202a)와 제2 스프링코어(202b)는 동일한 형상의 원뿔 스프링 형상을 가지되, 수평반전되어 나뉘어지는 것이다.
또한, 삼각 형상의 코어부(203)는 전후면과 내부가 관통된 육면체 형상을 가지되, 서로 이격되는 양측면이 중앙측으로 갈수록 함몰되는 오목홈(203a)이 형성된다.
이후 상술된 코어부(200)는 굽힘 변형 단계(S30)에서 쉽게 압축될 수 있는 형상으로 제작된 실시예들을 통해 쉽게 압축될 수 있어 종래의 두께를 갖는 액추에이터에서 발생되는 파단 문제를 해결할 수 있고, 이후 복원단계(S70)에서 쉽게 복원됨으로써 원하는 형상의 액추에이터(1)를 얻을 수 있다는 이점을 가진다.
또한, 도 8을 참조하면 상기 코어부(200)는 원뿔 형상의 스프링 형상(spring), 양측면이 개방되어 내부에 공간이 형성되고 전후면이 중앙측으로 함몰된 오목홈이 형성된 삼각형 형상(Triangular) 외에도 소정 곡률반경을 가지는 절개된 원(Circular) 형태를 포함할 수 있다.
즉, 도 8과 같이 양측방향으로 돌출된 호(arc) 형상의 코어부(204)가 한 쌍씩 이루어지며, 한 쌍의 코어부(204)는 내측으로 소정의 곡률반경을 가지는 원 형상을 가지도록 형성되어 코어부(204) 굽힘변형시 곡률이 형성된 외측방향으로 굽어져 쉽게 압축될 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 코어부의 다른 실시예를 나타낸 것이다.
도 9를 참조하면 코어부(200)는 상하면에 각각 구비되는 스킨부(100)와 결합된 상태를 유지하게 되는데, 이때 스킨부(100)와 코어부(200)간의 결합방법은 도 8과 같이 코어부(200) 상하면, 즉 스킨부(100)와 밀착되어 연결되는 부분에 접착층(210)이 추가로 형성되어 상기 접착층(210)을 통해 코어부(200)와 스킨부(100)가 결합된 상태를 유지할 수 있도록 한다.
접착층은 에폭시(Epoxy), 시아노아크릴레이트(Cyanoacrylate), 아크릴(Acrylic) 등과 같은 구조용 접착제를 도포하여 형성되는 것으로 스킨부(100)와 코어부(200)를 각각 생산한 뒤 코어부(200) 상하면, 즉 스킨부(100)가 밀착되는 부분에 접착제를 도포하여 접착층(210)을 형성하고, 이후 스킨부(100)의 일면을 접착층(210)에 밀착시켜 스킨부(100)가 코어부(200)에 접착될 수 있도록 한다.
또한, 코어부(200)와 스킨부(100)가 연결되는 다른 방법으로는 코어부(200) 제작시 발생된 잉여수지를 이용하여 스킨부(100)와 함께 동시에 경화시켜 접착시키는 동시경화방법(Co-cured method)을 사용할 수 있다.
따라서, 접착층 형성 방법 또는 동시경화방법 중 어느 하나를 이용하여 스킨부(100)와 코어부(200)가 결합되어 일체형으로 이루어지도록 한다.
따라서, 상술된 과정을 통해 코어부(200)와 상기 코어부(200) 상하측에 각각 구비된 스킨부(100)를 통해 액추에이터(1)는 샌드위치 구조를 가지게 되며, 이러한 액추에이터(1)는 무게대비 굽힘강성을 최대화할 수 있다.
이때, 스킨부(100)와 코어부(200) 모두 SMPC로 이루어져 유리전이 온도에 의해 변형될 수 있는데 스킨부(100)의 유리전이 온도가 코어부(200)의 유리전이 온도보다 높아 코어부(200)가 먼저 변형될 수 있도록 하고, 이를 통해 후술된 1차 가열단계(S20) 및 2차 가열단계(S60)에서 코어부(200)가 먼저 압축, 굽힘 변형되거나 전개(팽창)되어 연결된 스킨부(100)가 더욱 용이하게 변형 또는 복원되도록 유도할 수 있고, 이를 통해 액추에이터(1)가 가지는 복원력을 향상시킬 수 있다는 이점을 가진다.
도 10은 본 발명에 따른 샌드위치 구조의 SMPC 굽힘 액추에이터의 형상기억 및 복원과정을 순서도로 나타낸 것이다.
상술된 구조를 가지는 액추에이터(1)는 아래와 같은 형상기억 및 복원과정을 통해 압축될 수 있고, 이후 사용자의 의도에 따라 원래 형태로 쉽게 복원되어 이동 및 보관이 용이하고, 사용성이 뛰어난 액추에이터(1)를 제공할 수 있다.
도 10을 참조하면, 상술된 바와 같이 스킨부(100) 및 코어부(200)로 이루어져 샌드위치 구조를 갖는 액추에이터(1)를 준비하는 준비단계(S10)를 수행한다.
이러한 준비단계(S10)를 통해 준비된 액추에이터(1)는 1차 가열단계(S20)를 통해 일정 온도 이상으로 가열된다.
이때, 1차 가열단계(S20)에서 제공되는 열, 즉 일정 온도는 유리전이 온도로 유리전이 온도 이상으로 가열되는 것이 바람직하며, 상술된 바와 같이 유리전이 온도가 더 낮은 코어부(200)가 먼저 가열되어 굽힘 변형 단계(S30)에서 먼저 압축될 수 있도록 한다.
1차 가열단계(S20)에서 가열된 액추에이터(1)는 외력이 가해져 원하는 형상으로 압축되는 굽힘 변형 단계(S30)를 수행한다.
굽힘 변형 단계(S30)는 1차 가열된 액추에이터(1)에 외력을 가해 액추에이터(1)의 코어부(200)를 압축시켜 굽힘 강성을 낮춘 후 원하는 형상으로 굽힘 변형시키는 단계를 수행한다. 이때, 굽힘 변형 단계(S30)에서 준비단계(S10)에서의 코어부(200) 두께를 3배 압축된 두께로 압축시키는 것이 바람직하다.
이후 굽힘 변형 단계(S30)를 통해 굽힘 변형된 액추에이터(1)는 변형시 발생된 변형에너지를 액추에이터(1) 내부에 저장하기 위하여 일정 온도 이하로 냉각시키는 냉각단계(S40)를 수행하게 된다. 이때, 액추에이터(1)가 냉각되는 온도도 상술된 바와 마찬가지로 유리전이 온도 이하로 되는 것이 바람직하며, 유리전이 온도 이하로 냉각시킨 뒤 굽힘 변형 단계(S30)에서 액추에이터(1)로 가해진 외력을 제거하는 외력제거 단계(S50)를 수행한다.
냉각단계(S40) 및 외력제거 단계(S50)를 통해 충분히 냉각된 굽힘 액추에이터(1)를 형상복원 과정을 통해 액추에이팅(actuating)시킬 수 있도록 액추에이터(1)에 내장된 변형에너지가 다시 방출될 수 있도록 2차 가열단계(S60)를 수행한다.
2차 가열단계(S60)는 1차 가열단계(S20)와 동일하게 액추에이터(1)가 유리전이 온도 이상을 갖도록 가열하는 단계로, 2차 가열단계(S60)를 통해 가열된 액추에이터(1)는 냉각단계(S40)에서 저장된 변형에너지를 외부로 방출하게 되고, 변형에너지가 방출됨과 동시에 준비단계(S10)에서의 액추에이터(1)와 동일한 형상으로 복원된다.
이때, 2차 가열단계(S60)는 상술된 바와 같이 유리전이 온도가 서로 다른 SMP가 포함된 스킨부(100) 및 코어부(200)를 통해 코어부(200)의 유리전이 온도에 먼저 도달하게 되고, 이를 통해 코어부(200)가 먼저 전개되어 복원력이 크게 증가하고, 이를 통해 코어부(200)와 연결된 스킨부(100)가 복원되도록 유도할 수 있다.
상술된 1차 가열단계(S20) 및 2차 가열단계(S60)에서 가열하는 방법으로는 오븐, 핫플레이트, 히팅필름, 줄히팅(Joule heating)을 이용하는 방법으로 가열할 수 있으며, 이 중 줄히팅을 이용하는 경우 유리전이 온도가 낮은 코어부(200)가 먼저 가열되어 전개될 수 있도록 의도적으로 전극을 배치하는 것이 바람직하다.
따라서, 상술된 과정을 통해 액추에이터(1)는 형상기억 및 복원과정을 겪게 되며, 제작, 보관, 이동 등에는 외력제거 단계(S50)를 마쳐 압축 및 굽힘 변형된 액추에이터(1)를 이용하게 되고, 이후 사용자의 의도에 따라 원상태의 액추에이터(1)가 필요한 경우 일정온도 이상 압축 및 굽힘 변형된 액추에이터(1)를 가열하게 되면 자동으로 원래의 액추에이터(1) 형상으로 복원되면서 필요한 분야에 적용가능하다는 이점을 가진다. 이러한 본 발명의 액추에이터는 종래의 고정된 코어에 비하여 최소 22% 이상의 향상된 회복력(Recovery Moment(N Cm))을 갖는다.
도면과 명세서에서 최적의 실시예들이 개시되었다. 여기서, 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진자라면, 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
1: 액추에이터
100: 스킨부 110: 스킨층
120: 탄성중합층 200,201,202,203: 코어부
210: 접착층
S10: 준비단게 S20: 1차 가열단계
S30: 굽힘 변형 단계 S40: 냉각단계
S50: 외력제거 단계 S60: 2차 가열단계
100: 스킨부 110: 스킨층
120: 탄성중합층 200,201,202,203: 코어부
210: 접착층
S10: 준비단게 S20: 1차 가열단계
S30: 굽힘 변형 단계 S40: 냉각단계
S50: 외력제거 단계 S60: 2차 가열단계
Claims (10)
- 형상기억 및 복원이 가능한 액추에이터로서,
한 쌍으로 이루어지며 굽힘 변형 및 복원이 가능한 스킨부; 및
상하면이 상기 스킨부와 결합되며 굽힘 변형 및 복원이 가능한 코어부;를 포함하며,
상기 스킨부와 상기 코어부는 형상기억고분자를 포함하며,
상기 스킨부는 상기 코어부보다 유리전이 온도가 높게 형성되어 가열시 상기 코어부가 먼저 굽힘 변형 및 복원이 일어나는 것을 특징으로 하는 샌드위치 구조의 SMPC 굽힘 액추에이터. - 제 1항에 있어서,
상기 코어부는 상기 형상기억고분자와 보강재를 혼합한 형상기억고분자복합재를 포함하며,
상기 형상기억고분자는 폴리우레탄(Polyurethane), 폴리이미드 (Polyimide), 에폭시 (Epoxy), 폴리스타이렌(Polystyrene), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리올레핀(Polyolefin), 실리콘(polysiloxanes)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 샌드위치 구조의 SMPC 굽힘 액추에이터. - 제 2항에 있어서,
상기 보강재는 탄소 섬유(Carbon fiber), 유리섬유(Glass fiber), 아라미드 섬유(Aramid fiber), 카본블랙(Carbon black), 카본나노튜브(Carbon nano tube, CNT)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 샌드위치 구조의 SMPC 굽힘 액추에이터. - 제 1항에 있어서,
상기 코어부는,
육면체 형상의 폼 형상, 원뿔 형상의 스프링 형상 및 양측면이 개방되어 내부에 공간이 형성되고 전후면이 중앙측으로 함몰된 오목홈이 형성된 삼각 형상, 소정 곡률반경을 가지는 절개된 원 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 샌드위치 구조의 SMPC 굽힘 액추에이터. - 제 4항에 있어서,
상기 코어부는,
핫 프레스 몰딩 방식, 오토클레이브 방식, 액상수지주입 방식 및 비형상기억재료로 만들어진 구조 외부에 상기 형상기억고분자가 코팅되는 방식 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 샌드위치 구조의 SMPC 굽힘 액추에이터. - 제 1항에 있어서,
상기 스킨부는,
상기 형상기억고분자와 보강재를 혼합한 형상기억고분자복합재로 이루어지는 다수개의 스킨층; 및
상기 스킨층간의 상하방향의 이격된 공간에 형성되는 탄성중합층;으로 구성되며,
상기 스킨층과 상기 탄성중합층은 상하방향으로 적층되되, 상기 스킨부의 최상면과 최하면은 상기 스킨층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 샌드위치 구조의 SMPC 굽힘 액추에이터. - 제 6항에 있어서,
상기 탄성중합층은,
천연 고무(Natural Rubber), 부타디엔 고무(Butadiene Rubber), 스틸렌 부타디엔 고무(Styrene Butadiene Rubber), 아크릴로 니트릴 부타디엔 고무(Acrylonitrile Butadiene Rubber), 수소화 니트릴 부타디엔 고무(Hydrogenated Nitrile Butadiene Rubber), 클로로프렌 고무 (Chloroprene Rubber), 에틸렌 프로필렌 디엔 고무(Ethylene Propylene Diene Rubber), 우레탄고무(Urethane Rubber), 실리콘 고무(Silicone Rubber), 불소 고무(Fluorinated Rubber), 아크릴 고무(Acrylic Rubber) 및 부틸고무(Isobutylene isoprene Rubber)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 샌드위치 구조의 SMPC 굽힘 액추에이터. - 제 1항에 있어서,
상기 코어부는 상하면에 각각 형성되어 상기 스킨부와 접착되는 접착층;이 형성되며,
상기 스킨부는 접착층에 접착되어 상기 코어부와 일체형으로 구성되는 것을 특징으로 하는 샌드위치 구조의 SMPC 굽힘 액추에이터. - 제 8항에 있어서,
상기 접착층은 에폭시(Epoxy), 시아노아크릴레이트(Cyanoacrylate) 및 아크릴(Acrylic) 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 샌드위치 구조의 SMPC 굽힘 액추에이터. - 제 8항에 있어서,
상기 접착층은 상기 코어부 제작시 발생된 잉여수지로 이루어지며,
상기 접착층에 상기 스킨부 밀착 후 상기 스킨부와 상기 접착층을 동시에 경화시켜 접착되는 동시경화방법으로 상기 접착층이 형성되는 것을 특징으로 하는 샌드위치 구조의 SMPC 굽힘 액추에이터.
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|---|---|---|---|
| KR1020210111482A KR20230029230A (ko) | 2021-08-24 | 2021-08-24 | 샌드위치 구조의 smpc 굽힘 액추에이터 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020210111482A KR20230029230A (ko) | 2021-08-24 | 2021-08-24 | 샌드위치 구조의 smpc 굽힘 액추에이터 |
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| Publication Number | Publication Date |
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| KR1020210111482A KR20230029230A (ko) | 2021-08-24 | 2021-08-24 | 샌드위치 구조의 smpc 굽힘 액추에이터 |
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101713306B1 (ko) | 2015-10-13 | 2017-03-09 | 한국기계연구원 | 우주구조물용 가변형 안테나 |
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Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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