WO2011108786A1 - Manufacturing method for three dimensional folding actuator - Google Patents

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정광운
진광용
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Abstract

The present invention relates to a manufacturing method for a three-dimensional folding actuator. The present invention comprises the following five steps: (1) using an imid film to fill empty space, excluding the PDMS-applied areas; (2) forming a PDMS layer by treating the surface of said imid film and mold with flourosilane; (3) thermal-curing the PDMS layer and then removing the imid film; (4) creating hydroxyl functional groups and forming a methacryloxypropyl-trimethoxysilane monolayer through an oxygen plasma treatment, with a PDMS layer formed on said mold in place; and (5) UV curing by applying a polar PU/HEMA layer. The present invention provides a manufacturing method for a new actuator, which brings together a variety of technologies, as it enables a new three-dimensional folding actuator in a form that can be easily adjusted through a combination of a hydrogel and an actuator.

Description

3차원 폴딩 액추에이터의 제조방법Manufacturing Method of 3D Folding Actuator
본 발명은 고분자 하이드로 젤과 3차원 구조를 결합시켜서, 외부의 자극에 따라 형태와 구조가 변하는 특성을 이용하여 새로운 디바이스 등을 제작하는 데 있어 응용할 수 있는 새로운 액추에이터를 구현하는 것이다.The present invention is to combine a three-dimensional structure with a polymer hydrogel, to implement a new actuator that can be applied in the production of new devices, such as by using a characteristic that changes the form and structure in response to external stimulation.
본 발명에 사용된 하이드로 젤과 액추에이터에 대한 연구개발은 이전에도 많은 관심을 가지고 연구가 진행되었기 때문에 각각의 기술에 대한 연구와 시장 적용사례는 쉽게 찾아볼 수 있으나, 각각의 기술에만 치중되어 있으며 이러한 다양한 기술의 결합에 대한 연구 자체는 이루어지지 않았다. 유기화합물인 고분자 소재를 사용하여 제조된 다양한 형태의 고기능성 액추에이터는 기존의 어느 기술 분야에도 존재하지 않았다. 나노/마이크로 단위의 기계, 전기, 전자 바이오의 분야에서 새로운 디바이스를 제작하는 데 있어서 응용성이 풍부한 고기능성의 3차원 폴딩 액추에이터의 필요성이 대두되었다.Research and development of hydrogels and actuators used in the present invention has been carried out with a lot of interest in the past, and research and market applications of each technology can be easily found, but are focused on each technology. There is no research on the combination of various technologies. Various types of high functional actuators manufactured using polymer materials, which are organic compounds, do not exist in any existing technical field. There is a need for highly functional, three-dimensional folding actuators for the fabrication of new devices in the field of mechanical, electrical and electronic biotechnology at the nano / micro scale.
본 발명에 의한 3차원 폴딩 액추에이터의 제조방법은 기존의 액추에이터의 기본원리와 하이드로 젤의 도입을 통하여 다양한 형태 변화의 기초를 마련할 것이다. 이에 따라 기존의 액추에이터에 비하여 더욱 고집적이고 고기능성을 갖추어 광자, 전기, 자기 디바이스와 화학, 생물학적 센서와 같은 기술분야에 적용 가능한 3차원 폴딩 액추에이터의 제조방법을 제공하는 데 있다.The manufacturing method of the three-dimensional folding actuator according to the present invention will provide the basis of various form changes through the introduction of the basic principle and hydrogel of the existing actuator. Accordingly, the present invention provides a method of manufacturing a three-dimensional folding actuator that is more highly integrated and more functional than a conventional actuator and is applicable to technical fields such as photons, electricity, magnetic devices and chemical and biological sensors.
본 발명에 의한 3차원 폴딩 액추에이터 제조방법은 The three-dimensional folding actuator manufacturing method according to the present invention
PDMS가 적용되는 부분을 제외하고 이미드 필름을 이용하여 빈 공간을 충전시키는 제 1단계;A first step of filling an empty space using an imide film except for a portion to which PDMS is applied;
상기 이미드 필름과 몰드의 표면에 불소를 처리하여 PDMS층을 형성하는 제 2단계;A second step of forming a PDMS layer by treating fluorine on surfaces of the imide film and the mold;
상기 PDMS층을 열경화시킨 후 이미드 필름을 제거하는 제 3단계;A third step of removing the imide film after thermally curing the PDMS layer;
상기 몰드에 형성된 PDMS층이 존재하는 조건에서 산소 플라즈마 처리를 통해 수산화 작용기를 만들어 주고 methacryloxypropyl-trimethoxysilane 단층을 형성하는 제 4단계;A fourth step of forming a hydroxyl functional group and forming a methacryloxypropyl-trimethoxysilane monolayer through an oxygen plasma treatment under the presence of the PDMS layer formed in the mold;
극성인 PU/HEMA층을 적용하여 UV 경화를 실시하는 제5단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. And a fifth step of performing UV curing by applying a polar PU / HEMA layer.
나아가, 본 발명에서 상기 몰드는 눈으로 관찰할 수 있는 범위인 mm 단위를 사용해 제작하며, 상기 액추에이터의 크기는 100㎛~1m까지 제작이 가능한 것을 특징으로 한다.Further, in the present invention, the mold is manufactured using a unit of mm that can be observed by the eye, the size of the actuator is characterized in that the production can be up to 100㎛ ~ 1m.
또한, 본 발명은 상기 몰드에서 액추에이터가 차지하는 부분의 형태는 조립하고자 하는 3차원 구조를 2차원 구조로 표현함으로써, 정사면체, 정육면체 및 플랫 볼 중 어느 하나의 형태로 몰드를 구분하여 제작하는 것을 특징으로 한다. In addition, the present invention is characterized in that the shape of the part occupied by the actuator in the mold by expressing the three-dimensional structure to be assembled in a two-dimensional structure, the mold is divided into any one of the form of a tetrahedron, a cube and a flat ball to produce do.
더 나아가, 본 발명은 상기 PU/HEMA층에서 PU : HEMA의 성분비는 1~9 : 9~1인 것을 특징으로 한다. Furthermore, the present invention is characterized in that the component ratio of PU: HEMA in the PU / HEMA layer is 1-9: 9-1.
본 발명에 의한 액추에이터 제조방법은 하이드로 젤과 액추에이터의 결합에 따라 외부자극에 의하여 형태를 자유롭게 조율할 수 있는 새로운 3차원 폴딩 액추에이터를 구현할 수가 있어서 다양한 기술이 접합된 새로운 액추에이터의 제조로 광자, 전기, 자기 디바이스와 화학, 생물학적 센서 등의 분야와 관련 소재분야에 적용할 수 있는 우수한 기능을 갖게 된다.Actuator manufacturing method according to the present invention can implement a new three-dimensional folding actuator that can freely adjust the form by the external stimulation in accordance with the combination of the hydrogel and the actuator to produce a new actuator in which a variety of technologies are bonded photons, electricity, It will have excellent functions that can be applied to magnetic devices, chemical and biological sensors, and related materials.
도 1은 PU/HEMA복합체에서 HEMA성분비에 의한 유리전이온도(Tg)와 물리적 특성을 나타낸 도면으로, (a)는 HEMA의 성분비 차이에 의한 Tg의 변화를 나타내는 그래프, (b)는 PU/HEMA의 성분비 차이에 의한 물성적 변화를 나타내는 그래프.1 is a view showing the glass transition temperature (Tg) and physical properties of the PU / HEMA composite by the HEMA component ratio, (a) is a graph showing the change in Tg due to the difference in the component ratio of HEMA, (b) is a PU / HEMA Graph showing changes in physical properties due to differences in component ratios.
도 2는 다양한 용매 조건하에서 PDMS층과 PU/HEMA층의 팽창 부피비를 나타내는 그래프.2 is a graph showing the expansion volume ratio of PDMS layer and PU / HEMA layer under various solvent conditions.
도 3은 3차원 폴딩 액추에이터의 제조공정을 나타내는 도면.3 is a view showing a manufacturing process of a three-dimensional folding actuator.
도 4는 3차원 폴딩 액추에이터의 구동모습.4 is a driving view of the three-dimensional folding actuator.
도 5는 팽윤반응 이전에 미리 설계된 2차원 대칭구조 모습(큐브, 피라미드, 플랫 볼 구조).5 is a two-dimensional symmetrical structure (cube, pyramid, flat ball structure) designed before the swelling reaction.
본 발명에 의한 3차원 폴딩 액추에이터 제조방법은 The three-dimensional folding actuator manufacturing method according to the present invention
PDMS가 적용되는 부분을 제외하고 이미드 필름을 이용하여 빈 공간을 충전시키는 제 1단계;A first step of filling an empty space using an imide film except for a portion to which PDMS is applied;
상기 이미드 필름과 몰드의 표면에 불소를 처리하여 PDMS층을 형성하는 제 2단계;A second step of forming a PDMS layer by treating fluorine on surfaces of the imide film and the mold;
상기 PDMS층을 열경화시킨 후 이미드 필름을 제거하는 제 3단계;A third step of removing the imide film after thermally curing the PDMS layer;
상기 몰드에 형성된 PDMS층이 존재하는 조건에서 산소 플라즈마 처리를 통해 수산화 작용기를 만들어 주고 methacryloxypropyl-trimethoxysilane 단층을 형성하는 제 4단계;A fourth step of forming a hydroxyl functional group and forming a methacryloxypropyl-trimethoxysilane monolayer through an oxygen plasma treatment under the presence of the PDMS layer formed in the mold;
극성인 PU/HEMA층을 적용하여 UV 경화를 실시하는 제5단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. And a fifth step of performing UV curing by applying a polar PU / HEMA layer.
나아가, 본 발명에서 상기 몰드는 눈으로 관찰할 수 있는 범위인 단위를 사용해 제작하며, 상기 액추에이터의 크기는 100㎛~1m까지 제작이 가능한 것을 특징으로 한다.Further, in the present invention, the mold is manufactured using a unit that can be observed by the eye, the size of the actuator is characterized in that the production can be up to 100㎛ ~ 1m.
또한, 본 발명은 상기 몰드에서 액추에이터가 차지하는 부분의 형태는 조립하고자 하는 3차원 구조를 2차원 구조로 표현함으로써, 정사면체, 정육면체 및 플랫 볼 중 어느 하나의 형태로 몰드를 구분하여 제작하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is characterized in that the shape of the part occupied by the actuator in the mold by expressing the three-dimensional structure to be assembled in a two-dimensional structure, the mold is divided into any one of the form of a tetrahedron, a cube and a flat ball to produce do.
부가적으로, 본 발명은 상기 PU/HEMA층에서 PU : HEMA의 성분비는 1~9 : 9~1인 것을 특징으로 한다. Additionally, the present invention is characterized in that the component ratio of PU: HEMA in the PU / HEMA layer is 1-9: 9-1.
본 발명에 의하면, 하이드로 젤을 이용한 신개념의 다양한 광자/전기/디바이스, 화학/생물학적 센서, 그리고 액추에이터 등을 개발하여 다른 많은 산업분야에 적용 가능할 것이다. According to the present invention, a new concept of photons / electricity / devices, chemical / biological sensors, and actuators using a hydrogel may be developed and applied to many other industries.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 양호한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[실시예]EXAMPLE
본 발명에 의한 액추에이터의 제조과정은 고분자 하이드로 젤과 3차원 구조를 결합시켜, 외부 자극에 따라 형태가 자유롭게 변하는 새로운 3차원 폴딩 액추에이터를 구현하고자 하였다 The manufacturing process of the actuator according to the present invention was to combine the polymer hydrogel and the three-dimensional structure, to implement a new three-dimensional folding actuator that the shape changes freely according to external stimulation
기존에 존재하는 가장 만들기 쉽고 간단한 액추에이터는 MEMS (microelectromechanical systems)에서 주로 사용되고 있는 1차원 켄티레버 (cantilever) 구조이다. 본 발명의 3차원 폴딩 액추에이터는 바이레이어 형태의 1차원 켄티레버 구조로부터 구성비를 달리 함으로써 고분자를 이용해 제작하였다. 액추에이터에 사용된 고분자 물질은 실리콘 무기물에 비해 표면을 자유자재로 바꿀 수 있고 외부 환경에 반응하여 모양과 크기를 쉽게 바꿀 수 있어 이상적인 물질로 인식된다. 또한 고분자 물질은 분자구조를 용이하게 바꿀 수 있고 화학, 기계적인 안정성을 갖기 때문에 실리콘을 바탕으로 하는 전자 디바이스와 현재 다양한 분야로 많이 연구되고 있는 바이오 디바이스의 소재로 쓰이고 있다.The simplest and simplest existing actuator is a one-dimensional cantilever structure that is mainly used in MEMS (microelectromechanical systems). The three-dimensional folding actuator of the present invention was produced by using a polymer by varying the composition ratio from the bi-layer one-dimensional kenti lever structure. The polymer used in the actuator is considered to be an ideal material because it can change the surface freely and easily change the shape and size in response to the external environment compared to the silicon inorganic material. In addition, the polymer material is used as a material for silicon-based electronic devices and bio devices that are currently being studied in various fields because they can easily change molecular structure and have chemical and mechanical stability.
본 발명에서 정육면체 구조의 액추에이터를 구현하기 위해 유연하고 투명하며 열경화가 가능한 polydimethylsiloxane(PDMS)와 UV 경화가 가능한 polyurethane/2-hydroxyethylmethacrylate(PU/HEMA) 엘라스토머 복합체를 각각 비극성(소수성)과 극성(친수성) 물질로 선택함으로써 극성/비극성 용매에서 선택적인 팽윤실험을 실시하였다. 도 1은 PU/HEMA복합체에서 HEMA성분비에 의한 유리전이온도(Tg)와 물리적 특성을 나타낸 도면이다. 도 1의 (a)는 HEMA의 성분비 차이에 의한 Tg의 변화도이고, 도 1의 (b)는 PU/HEMA의 성분비 차이에 따른 물성 변화이다. 여기에 도시되었듯이, 선택된 PU/HEMA의 최적의 반응조건을 찾기 위해 PU와 HEMA의 성분비를 달리하여 differential scanning calorimeter(DSC), dynamic mechanical analysis(DMA), universal mechanical tester(UMT) 실험을 실시함으로써 PU/HEMA 복합체에서 HEMA 성분비에 따른 유리전이온도 (Tg)와 물리적 특성을 파악하였다. In order to realize the actuator of the cube structure in the present invention, a flexible, transparent, thermosetting polydimethylsiloxane (PDMS) and UV-curable polyurethane / 2-hydroxyethylmethacrylate (PU / HEMA) elastomer composite, respectively, nonpolar (hydrophobic) and polar (hydrophilic) Selective swelling experiments were carried out in polar / non-polar solvents. 1 is a view showing the glass transition temperature (Tg) and physical properties by the HEMA component ratio in the PU / HEMA composite. Figure 1 (a) is a change in Tg due to the difference in the component ratio of HEMA, Figure 1 (b) is a change in physical properties according to the difference in the component ratio of PU / HEMA. As shown here, differential scanning calorimeter (DSC), dynamic mechanical analysis (DMA) and universal mechanical tester (UMT) experiments are performed by varying the component ratios of PU and HEMA to find the optimal reaction conditions of the selected PU / HEMA. The glass transition temperature (Tg) and physical properties of the PU / HEMA composites according to the HEMA component ratio were determined.
PU와 HEMA는 다양한 성분비로 제조되어 열분석과 기기분석을 통해 7 : 3의 조성비에서 가장 우수한 열적, 기계적 특성을 보이는 것을 확인하였으며 액추에이터의 제작을 위한 최적의 PU/HEMA 성분비로 선택되었다.PU and HEMA were manufactured with various component ratios, and the thermal and mechanical analysis showed the best thermal and mechanical properties at the composition ratio of 7: 3, and was selected as the optimal PU / HEMA component ratio for the manufacture of actuators.
또한 3차원 폴딩 액추에이터를 구현하기에 앞서, 용매의 극성 또는 비극성에 따라 PDMS층과 PU/HEMA층의 팽윤 특성을 알아보기 위해 도 2에 나타낸 것처럼 팽윤시간에 따른 팽창 부피비를 측정하였다. 이러한 팽윤 특성을 통해 액추에이터의 구동 실험에서 최적의 용매를 사용하여 3차원 구조의 조립에 대한 효율을 높였다. In addition, before implementing the three-dimensional folding actuator, in order to determine the swelling characteristics of the PDMS layer and the PU / HEMA layer according to the polarity or non-polarity of the solvent, the expansion volume ratio according to the swelling time was measured. This swelling characteristic increased the efficiency of assembly of the three-dimensional structure by using the optimal solvent in the driving experiment of the actuator.
3차원 폴딩 액추에이터의 제조Manufacture of 3D Folding Actuators
2차원 대칭구조를 미리 설계함으로써 새로운 고차원적인 3차원 구조의 다양한 액추에이터를 제조할 수 있으며, 가장 기본적인 3차원 구조의 하나인 정육면체를 만들기 위한 2차원 대칭구조의 제조공정을 도 3에 나타내었다.By designing a two-dimensional symmetric structure in advance, various actuators of a new high-dimensional three-dimensional structure can be manufactured, and a manufacturing process of the two-dimensional symmetric structure for making a cube, which is one of the most basic three-dimensional structures, is shown in FIG. 3.
3차원 폴딩 액추에이터는 PU/HEMA 복합체로 이루어진 정사각형들의 배열 사이에 PDMS 막대를 적용하여 제조된 2차원 대칭구조가 용매 조건하에 팽윤반응을 거쳐 색깔 변화 없이 3차원으로 형태가 변화하는 액추에이터이다. 3차원 폴딩 액추에이터의 제조공정은 실리카 콜로이드의 결정화 과정을 생략하기 때문에 기존의 스크롤 또는 나선형 액추에이터의 제조공정보다 간단하다.The three-dimensional folding actuator is an actuator in which a two-dimensional symmetrical structure manufactured by applying PDMS rods between square arrays of PU / HEMA composites changes shape in three dimensions without color change through swelling reaction under solvent conditions. The manufacturing process of the three-dimensional folding actuator is simpler than the manufacturing process of the conventional scroll or helical actuator because it skips the crystallization process of silica colloid.
몰드에서 PDMS가 적용되는 부분을 제외하고 이미드 필름을 이용해 빈 공간을 충전시키고 불소 처리를 한 후 PDMS층을 막대 형태로 열 경화시킨다. PDMS의 형태를 유지하며 충전되어 있던 이미드 필름을 제거하고 몰드와 PDMS층의 표면에 산소 플라즈마 처리를 해준 후 methacryloxypropyl-trimethoxysilane 단층을 형성한다. 여기에 1~9 : 9~1 구성비의 PU/HEMA 층을 첨가하여 UV 경화시킨 후 제작된 샘플을 분리해 준다. 이와 같은 3차원 폴딩 액추에이터의 제조공정을 이용하면 미리 설계된 2차원 대칭구조의 변화를 통해 정육면체뿐 아니라 정사면체와 플랫 볼 구조로 가역적인 조립이 가능하다.Except where PDMS is applied in the mold, the voids are filled with an imide film, fluorinated, and the PDMS layer is thermally cured in the form of a rod. After maintaining the shape of PDMS, the imide film was removed and oxygen plasma treatment was performed on the surface of the mold and PDMS layer to form a methacryloxypropyl-trimethoxysilane monolayer. 1 to 9: 9 to 1 ratio of PU / HEMA layer is added to the UV cured after the prepared sample is separated. Using the manufacturing process of such a three-dimensional folding actuator it is possible to reversible assembling not only a cube but also a tetrahedron and a flat ball structure through a change in a predesigned two-dimensional symmetrical structure.
도 4와 도 5는 2차원으로 미리 설계된 다양한 구조의 액추에이터를 극성/비극성 용매 내에서 설계된 패턴의 형태에 따라 시간의 경과에 따라 2차원의 미리 설계된 패턴 구조가 3차원 구조로 어떻게 변화하는지를 관찰하고 찍은 사진이다. 4 and 5 show how actuators of various structures predesigned in two dimensions are changed into three-dimensional structures over time according to the shape of the patterns designed in polar / nonpolar solvents over time. Picture taken.
도 4에서 대표적으로 3차원 폴딩 액추에이터를 용매 조건하에서 시간의 경과에 따라 정육면체 구조가 순차적으로 조립되는 과정을 나타내었다.In FIG. 4, a three-dimensional folding actuator is representatively shown to sequentially assemble a cube structure over time under solvent conditions.
도 3의 제조공정을 통해 제작된 3차원 폴딩 액추에이터는 팽윤 전 도 4의 (a)처럼 2차원 구조로 나타나는데, 2차원 구조에서 정육면체를 이루는 접합부에 사용된 비극성의 PDMS층은 비극성의 헥산 용매 조건하에서 도 4의 (b)에서 도 4의 (f)에 이를 때까지 순차적으로 팽윤반응이 이루어지게 된다.(a는 팽윤 전, b-e는 팽윤이 진행 중, f는 팽윤 후) The three-dimensional folding actuator manufactured through the manufacturing process of FIG. 3 appears as a two-dimensional structure as shown in FIG. 4 (a) before swelling. The non-polar PDMS layer used in the junction forming the cube in the two-dimensional structure is a non-polar hexane solvent condition. The swelling reaction is sequentially performed from (b) to 4 (f) in FIG. 4 (a before swelling, be during swelling, f after swelling).
3차원 폴딩 액추에이터의 원동력은 비극성의 PDMS층과 비극성의 헥산 용매 사이의 팽윤반응이며 2차원 구조의 정사각형들의 배열이 비대칭이기 때문에, 도 4의 (a)의 우측에 있는 PDMS층의 두께를 두껍게 조절함으로써 3차원 구조를 조립하는데 필요로 하는 힘을 얻을 수 있다. The driving force of the three-dimensional folding actuator is the swelling reaction between the non-polar PDMS layer and the non-polar hexane solvent, and since the arrangement of the squares of the two-dimensional structure is asymmetric, the thickness of the PDMS layer on the right side of FIG. 4A is thickened. Thus, the force required to assemble the three-dimensional structure can be obtained.
도 5에서는 다양한 2차원 구조로부터 용매가 부여되었을 때 정육면체, 정사면체, 그리고 플랫 볼로 조립된 사진을 나타내었다.FIG. 5 shows a photograph assembled with a cube, a tetrahedron, and a flat ball when a solvent is provided from various two-dimensional structures.
큐브, 피라미드, 플랫 볼의 세 종류로 나타낸 3차원 폴딩 액추에이터에서 접합부의 색상이 다르게 나타난 부분이 PDMS층으로 막대 형태의 PDMS층의 선택적인 팽윤반응을 통해 3차원의 다양한 구조를 구현할 수 있다. PDMS층과 PU/HEMA층의 구성비와 위치의 조절은 2차원 구조로부터 3차원 구조를 조립하는 데 있어 중요한 변수가 된다. 또한 극성/비극성 용매의 종류에 따라 다른 팽창부피비를 나타내기 때문에 3차원 구조에서 각 면의 기울기에 따라 용매를 선택적으로 사용하여 효율적으로 팽윤작용을 이용할 수 있다. In the three-dimensional folding actuator represented by three kinds of cubes, pyramids, and flat balls, the portion of the junction where the color of the joint is different is the PDMS layer, and various structures in three dimensions can be realized through the selective swelling reaction of the rod-shaped PDMS layer. The adjustment of the composition ratio and position of the PDMS layer and the PU / HEMA layer is an important variable in assembling the three-dimensional structure from the two-dimensional structure. In addition, since the expansion volume ratio is different depending on the type of polar / non-polar solvent, it is possible to efficiently use the swelling effect by selectively using the solvent according to the slope of each side in the three-dimensional structure.
도 5의 (a)는 앞서 나타낸 것처럼 제조된 3차원 폴딩 액추에이터는 총 6개의 정사각형을 십자가 모양으로 배열한 형태의 2차원 구조를 나타낸 것이다. 도 5의 (b)에 나타낸 3차원 피라미드 액추에이터는 4개의 정삼각형으로 이루어져 있으며 중심의 삼각형의 각 변에 3개의 삼각형을 배열한 형태의 2차원 구조이며, 중심의 삼각형의 각 변에 PDMS층이 위치한다. 3차원 피라미드 구조는 3개의 삼각형이 동일한 힘을 필요로 하며 면과 면 사이의 각도가 작아 PDMS층의 크기가 다른 액추에이터보다 커야 한다. FIG. 5 (a) shows a two-dimensional structure in which a three-dimensional folding actuator manufactured as described above is formed by arranging a total of six squares in a cross shape. The three-dimensional pyramid actuator shown in (b) of FIG. 5 is composed of four equilateral triangles and is a two-dimensional structure in which three triangles are arranged on each side of the center triangle, and a PDMS layer is positioned on each side of the center triangle. do. The three-dimensional pyramid structure requires that the three triangles require the same force, and that the angle between the faces is small, so that the size of the PDMS layer is larger than other actuators.
보다 복잡한 구조의 3차원 플랫 볼 액추에이터는 육각형 2개와 육각형에 접합된 12개의 마름모로 구성된 2차원 구조로부터 플랫 볼 구조를 구현할 수 있으며, 육각형의 각 변과 좌우측의 마름모 사이의 접합부에 PDMS층이 각기 위치한다. 2차원 구조는 좌우 대칭이므로 하나의 육각형이 포함된 부분을 들어올리기 위해 가장 큰 힘을 필요로 하게 되기 때문에 마름모 사이의 접합부와 이를 지탱하는 마름모와 육각형 사이에 위치하는 PDMS층이 중요하게 작용한다. The more complex three-dimensional flat ball actuator can implement a flat ball structure from a two-dimensional structure consisting of two hexagons and twelve rhombuses joined to the hexagon, and a PDMS layer is provided at the junction between each side of the hexagon and the left and right rhombuses. Located. Since the two-dimensional structure is symmetrical, the greatest force is required to lift up the part containing one hexagon, and the PDMS layer located between the rhombus and the supporting rhombus and hexagon is important.
이와 같은 다양한 형태의 3차원 구조의 폴딩 액추에이터는 PDMS와 PU/HEMA의 구성비와 위치를 조절함으로써 다양한 3차원 구조의 조립이 가능한 장점이 있는 것이다. Such folding actuators of various types of three-dimensional structures have the advantage that various three-dimensional structures can be assembled by adjusting the composition ratio and position of PDMS and PU / HEMA.
이와 같은 3차원 폴딩 액추에이터는 액추에이터의 기본적인 원리에 기초하여 하이드로 젤의 도입을 통해 다양한 형태 변화의 기반을 마련하였다. 여기에 다양한 구조의 액추에이터를 구현하기 위해 제조공정에서의 대칭구조를 다양하게 적용시킴으로써 상기와 같은 다양한 액추에이터의 제작이 가능한 것이다. 이러한 액추에이터는 기존의 액추에이터에 비해 보다 고집적화 되고 고기능성을 갖춘 기술로서, 나노 및 마이크로 단위의 미세 구조에 적용할 수 있다. Such a three-dimensional folding actuator has laid the foundation for various morphological changes through the introduction of a hydrogel based on the basic principle of the actuator. In order to implement various types of actuators, various types of symmetrical structures may be manufactured in the manufacturing process, thereby manufacturing various actuators as described above. Such actuators are more integrated and highly functional technologies than conventional actuators, and can be applied to microstructures of nano and micro units.
이상과 같이, 본 발명을 바람직한 실시예에 따라 도면을 참조하여 설명을 하였으나, 본 발명은 실시예에 의하여 설명되고 도면으로 도시된 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명의 다수의 변경과 수정이 가능하다는 것을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정이 본 발명의 범위에 속하는 것은 자명한 것이다. As mentioned above, although this invention was demonstrated with reference to drawings according to the preferred embodiment, this invention is not limited to the structure and operation which were demonstrated by embodiment and shown by drawing. Those skilled in the art will appreciate that many modifications and variations of the present invention are possible without departing from the spirit and scope of the appended claims. Accordingly, it is apparent that all such suitable changes and modifications fall within the scope of the present invention.
본 기술은 전기, 자기 디바이스와 화학, 생물학적 센서와 같은 기술분야에 적용 가능한 것으로 산업상 이용가능하다. The technology is industrially applicable as applicable to technical fields such as electrical, magnetic devices and chemical and biological sensors.

Claims (5)

  1. 3차원 폴딩 액추에이터의 제조방법에 있어서,In the manufacturing method of the three-dimensional folding actuator,
    PDMS가 적용되는 부분을 제외하고 이미드 필름을 이용하여 빈 공간을 충전시키는 제 1단계;A first step of filling an empty space using an imide film except for a portion to which PDMS is applied;
    상기 이미드 필름과 몰드의 표면에 불소를 처리하여 PDMS층을 형성하는 제 2단계;A second step of forming a PDMS layer by treating fluorine on surfaces of the imide film and the mold;
    상기 PDMS층을 열경화시킨 후 이미드 필름을 제거하는 제 3단계;A third step of removing the imide film after thermally curing the PDMS layer;
    상기 몰드에 형성된 PDMS층이 존재하는 조건에서 산소 플라즈마 처리를 통해 수산화 작용기를 만들어 주고 methacryloxypropyl-trimethoxysilane 단층을 형성하는 제 4단계;A fourth step of forming a hydroxyl functional group and forming a methacryloxypropyl-trimethoxysilane monolayer through an oxygen plasma treatment under the presence of the PDMS layer formed in the mold;
    극성인 PU/HEMA층을 적용하여 UV 경화를 실시하는 제 5단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 액추에이터의 제조방법. And a fifth step of performing UV curing by applying a polar PU / HEMA layer.
  2. 제1항에 있어서, 상기 몰드는 눈으로 관찰할 수 있는 범위인 단위를 사용해 제작하며, 상기 액추에이터의 크기는 100㎛~1m까지 제작이 가능한 것을 특징으로 하는 액추에이터의 제조방법.The method of claim 1, wherein the mold is manufactured using a unit that can be observed by the eye, and the size of the actuator can be manufactured to 100 µm to 1 m.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 몰드에서 액추에이터가 차지하는 부분의 형태는 조립하고자 하는 3차원 구조를 2차원 구조로 표현함으로써, 정육면체, 정사면체 및 플랫 볼 중 어느 하나의 형태로 몰드를 구분하여 제작하는 것을 특징으로 하는 액추에이터의 제조방법. The method of claim 1, wherein the shape of the part occupied by the actuator in the mold is represented by forming a three-dimensional structure to be assembled in a two-dimensional structure, characterized in that the mold is produced by dividing the mold into any one of a cube, a tetrahedron and a flat ball. The manufacturing method of an actuator made into.
  4. 제1항에 있어서, 상기 PU/HEMA층에서 PU : HEMA의 성분비는 1~9 : 9~1인 것을 특징으로 하는 액추에이터의 제조방법. The method of claim 1, wherein the component ratio of PU: HEMA in the PU / HEMA layer is 1-9: 9-1.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 따라 제조된 것을 특징으로 하는 액추에이터.An actuator manufactured according to any one of claims 1 to 4.
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