WO2023195763A1 - 고분자 기반 팽압 액추에이터와 그 구동 방법 및 활용 - Google Patents

고분자 기반 팽압 액추에이터와 그 구동 방법 및 활용 Download PDF

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WO2023195763A1
WO2023195763A1 PCT/KR2023/004575 KR2023004575W WO2023195763A1 WO 2023195763 A1 WO2023195763 A1 WO 2023195763A1 KR 2023004575 W KR2023004575 W KR 2023004575W WO 2023195763 A1 WO2023195763 A1 WO 2023195763A1
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WO
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polymer
permeable
pressure actuator
swelling
actuator
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Application number
PCT/KR2023/004575
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English (en)
French (fr)
Inventor
선정윤
김호영
나현욱
강용우
박창서
정소현
Original Assignee
서울대학교 산학협력단
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Filing date
Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J3/00—Processes of treating or compounding macromolecular substances
    • C08J3/24—Crosslinking, e.g. vulcanising, of macromolecules

Definitions

  • the present invention relates to an actuator and its driving method and utilization, and more specifically, to a polymer-based turgor actuator and its driving method and utilization.
  • polymer networks have a high degree of freedom and can adapt to and interact with complex environments, they are being actively studied as soft actuators.
  • the polymer network can self-swell through osmosis with the surrounding solution, and is a material that can shrink or swell in response to various stimuli such as light, pH, and electric fields by controlling the end groups of the polymer chain, resulting in large volume expansion of the material. It can be used as an actuator.
  • the technical problem to be achieved by the present invention is to provide a polymer-based turgor actuator (a type of soft actuator) that can significantly improve mechanical output performance (force, speed).
  • the technical problem to be achieved by the present invention is to provide a polymer-based turgor actuator that can generate a large force at a high speed.
  • the technical problem to be achieved by the present invention is to provide a polymer-based turgor actuator that can easily control the generated force, operation speed, and rigidity (hardness).
  • the technical problem to be achieved by the present invention is to manufacture it in a compact, light and easy-to-handle state so that it can be easily transported, and after transport, to produce liquid (solvent) on its own in an underwater/aquatic environment without a pump, connection device, or electrically driven equipment.
  • the goal is to provide a polymer-based turgor actuator that can absorb pressure and act as a fixture or form a solid structure with strong force.
  • the technical problem to be achieved by the present invention is to provide a method of driving the polymer-based turgor actuator.
  • the technical problem to be achieved by the present invention is to provide a structure (underwater/aquatic structure) to which the polymer-based turgor actuator is applied.
  • a polymer network member capable of absorbing liquid and swelling (hereinafter, polymer member); and a permeable confinement member configured to confine and physically constrain the polymer member in an internal accommodation space and having liquid permeability, wherein the accommodating volume of the internal accommodation space of the permeable constraint member is such that the permeable constraint member A polymer-based turgor actuator is provided that is smaller than the maximum swelling volume of the polymer member in the absence of the polymer member.
  • the accommodating volume of the internal accommodation space of the permeable constraint member may be about 60% or less of the maximum swell volume of the polymer member in the absence of the permeable constraint member.
  • the accommodating volume of the internal accommodation space of the permeable constraining member may be larger than the initial volume before swelling of the polymer member.
  • the permeable confinement member may have an elastic modulus of about 1 MPa or more.
  • the permeable constraining member may include a permeable membrane surrounding the polymer member.
  • the permeable constraining member may have a mesh structure.
  • the polymer member may be configured to absorb liquid and swell through osmosis or electroosmosis.
  • the polymer member may include a polymer electrolyte, and the polymer-based expansion pressure actuator may further include an electric field application device for applying an electric field to the polymer member.
  • a method of driving the polymer-based expansion pressure actuator described above which includes the step of immersing the polymer-based expansion pressure actuator in a liquid or contacting it with a liquid.
  • an underwater structure constructed by applying the above-described polymer-based turgor actuator is provided.
  • a floating structure constructed by applying the above-described polymer-based turgor actuator is provided.
  • a polymer-based turgor actuator that can significantly improve mechanical output performance (force, speed) can be implemented. Additionally, according to embodiments of the present invention, a polymer-based turgor actuator capable of generating a large force at a high speed can be implemented. In addition, according to embodiments of the present invention, it is possible to implement a polymer-based turgor actuator that can easily control the generated force, operating speed, and rigidity (degree of rigidity).
  • the mechanical output performance (force, speed) of the polymer actuator can be greatly improved.
  • a permeable confining member e.g., a permeable membrane
  • swelling pressure can be formed to generate mechanical output.
  • a force equal to the osmotic pressure equivalent to about several MPa can be generated, and by using electrical energy, a large force can be generated at a much faster rate.
  • the swollen actuator since the swollen actuator generates a very large swelling pressure, it can be utilized as a rigid structure.
  • the volume or properties of the permeable restraint member e.g., permeable membrane
  • the volume or properties of the polymer network member the force generated by the actuator, operation speed, and rigidity can be easily controlled.
  • the volume is small and light, so it can be easily transported, and after transportation, it can be used as a liquid (solvent) on its own in an underwater/aquatic environment without a pump, connection device, or electrically driven equipment.
  • a polymer-based turgor actuator that can act as a fixture or form a solid structure with strong force. It is expected that the polymer-based turgor actuator according to these embodiments will be able to overcome the limitations of existing construction.
  • Embodiments of the present invention can be used in actuators and underwater/aquatic structures that can be driven underwater/on the water, and can be usefully applied to floating buildings and underwater city projects.
  • the actuator proposed in this embodiment of the present invention is small in volume and light, making it easy to handle, and can absorb the underwater environment on its own and form a solid structure without the need for electrically driven equipment, thereby overcoming the limitations of existing construction.
  • embodiments of the present invention can be applied to all application fields of soft actuators using polymer networks, such as artificial muscles, soft robotics, and biomedical engineering.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a polymer-based turgor actuator according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a cross-sectional view for explaining a polymer actuator according to a comparative example.
  • Figure 3 is a polymer-based swelling pressure actuator according to an embodiment of the present invention and a polymer actuator according to a comparative example, measuring changes in insertion pressure and elastic stress according to the swelling ratio (V / V 0 ) of the polymer member (polymer network member) This is a graph showing the results.
  • Figure 4 is a graph showing the expansion pressure of the polymer-based expansion pressure actuator compared to the expansion pressure of plants and tires.
  • Figure 5 is a perspective view illustrating a method of manufacturing a polymer-based expansion pressure actuator according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a cross-sectional view illustrating a method of driving a polymer-based turgor actuator according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 7 is a schematic diagram illustrating a method of measuring the mechanical output of a polymer-based turgor actuator according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 8 is a graph showing the force generation pattern according to swelling of the polymer-based swelling pressure actuator according to an embodiment of the present invention and the polymer actuator according to a comparative example.
  • Figure 9 is a graph showing the change in force generation pattern according to the swelling ratio of the polymer-based expansion pressure actuator according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 10 is a graph showing the change in compression force compared to the deformation of the polymer-based expansion pressure actuator according to an embodiment of the present invention and the polymer actuator according to a comparative example.
  • Figure 11 is a graph showing the change in true stress compared to strain according to the swelling ratio of the polymer-based expansion pressure actuator according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 12 is a graph showing the force generation pattern due to swelling due to osmosis and electroosmosis, respectively, of the polymer-based swelling pressure actuator according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 13 is a graph comparing the force and speed of the polymer-based turgor actuator according to an embodiment of the present invention and existing soft actuators.
  • Figure 14 is a graph comparing the force exerted per unit time between the polymer-based turgor actuator according to an embodiment of the present invention and existing soft actuators.
  • Figure 15 is a photographic image showing the results of a destruction experiment using a polymer-based turgor actuator according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 16 is a photographic image showing the results of an experiment to confirm the physical strength of the polymer actuator according to the comparative example.
  • Figure 17 is a photographic image showing the results of an experiment to confirm the physical strength of the polymer-based turgor actuator according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 18 is a diagram showing the process of manufacturing an underwater structure in the form of a Greek temple by applying a polymer-based turgor actuator according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 19 is a diagram showing the process of manufacturing a structure (actuator) that performs bending actuation by applying a polymer-based expansion pressure actuator according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 20 is a diagram showing the process of manufacturing a structure (actuator) that performs bending actuation by applying a polymer-based expansion pressure actuator according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 21 is an experimental photographic image over time in manufacturing the structure of Figure 20.
  • connection used in this specification not only means that certain members are directly connected, but also includes indirectly connected members with other members interposed between them.
  • a member when a member is said to be located “on” another member in the present specification, this includes not only the case where a member is in contact with another member, but also the case where another member exists between the two members.
  • the term “and/or” includes any one and all combinations of one or more of the listed items.
  • terms such as “about” and “substantially” used in the specification herein are used in the sense of a range or close to the numerical value or degree, taking into account unique manufacturing and material tolerances, and to aid understanding of the present application. Precise or absolute figures provided for this purpose are used to prevent infringers from taking unfair advantage of the stated disclosure.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a polymer-based turgor actuator according to an embodiment of the present invention.
  • the polymer-based expansion pressure actuator internally accommodates a polymer network member (hereinafter, polymer member) 10 and a polymer member 10 capable of absorbing liquid and swelling. It may include a permeable confinement member 20 that is configured to confine and physically constrain the space (R1) and has liquid permeability.
  • the permeable confinement member 20 may have permeability to liquid and ions, that is, liquid and ion permeability.
  • the polymer member 10 may be a polymer material member in which a plurality of monomers form a chain and form a network through crosslinking.
  • the polymer member 10 may have a predetermined volume.
  • the polymer member 10 may have various shapes such as a polyhedron (eg, hexahedron, etc.), sphere, hemisphere, polygonal pyramid (eg, triangular pyramid, etc.), cone, polygonal prism, cylinder, or plate-shaped structure.
  • the polymer member 10 may have any shape.
  • the polymer member 10 may include, for example, at least one selected from the group consisting of hydrogel, elastomer, polyelectrolyte, etc. All polymer materials used in general polymer actuators can be applied to the polymer member 10.
  • the polymer member 10 can absorb surrounding liquid and swell on its own.
  • the polymer member 10 may be configured to absorb liquid and swell through an osmosis phenomenon or an electroosmosis phenomenon.
  • the network of the polymer member 10 itself may function as a semipermeable membrane and serve as a solute.
  • the driving force that allows the polymer member 10 to swell while absorbing the surrounding liquid (solvent) may be osmotic pressure, and the osmotic pressure may be a very large force, for example, reaching several MPa.
  • the permeable constraining member 20 may serve to surround the polymer member 10 and confine the polymer member 10 to the internal receiving space (R1).
  • the permeable constraining member 20 may be configured to completely surround the polymeric member 10.
  • the permeable binding member 20 may be configured to physically bind the polymer member 10 while allowing liquid to pass through. Movement of liquid (solvent) and ions may be possible through the permeable confinement member 20.
  • the liquid may include water, an aqueous solution, or an organic solvent.
  • the permeable confinement member 20 may be configured so that a portion of the polymer member 10 does not escape to the outside of the permeable confinement member 20 when the polymer member 10 therein is swollen.
  • the permeable confinement member 20 may have a flexible material configuration that can be freely deformed to some extent.
  • the permeable confinement member 20 may be formed of any polymer (plastic) material.
  • the permeable confinement member 20 may include or be composed of a permeable membrane wrapping the polymer member 10.
  • the permeable membrane may be referred to as a ‘selectively permeable membrane.’
  • the permeable membrane may include at least one of woven fabric, nonwoven fabric, elastomer, and hydrogel.
  • the permeable membrane may include a commercial dishcloth or a similar material composition, but embodiments of the present invention are not limited thereto.
  • the permeable constraining member 20 may have a thickness of, for example, tens of ⁇ m to tens of mm.
  • the permeable confinement member 20 may have a mesh structure for liquid permeability.
  • the mesh structure may be a relatively fine (dense) structure, and when the polymer member 10 is swollen, it may serve to prevent a portion of the polymer member 10 from escaping to the outside of the permeable binding member 20. .
  • the appropriate scale of the mesh structure may vary.
  • the permeable confining member 20 may be configured so that its entire constituent parts, excluding pores (penetrating parts) that allow liquid to pass through, physically completely surround and confine the polymer member 10.
  • the permeable confinement member 20 may also be referred to as a type of envelope or envelope membrane.
  • the permeable confinement member 20 may have a relatively large elastic modulus.
  • the permeable constraining member 20 may have an elastic modulus of about 1 MPa or more.
  • the permeable confinement member 20 may have an elastic modulus in the range of about 1 MPa to 100 GPa.
  • the permeable binding member 20 is not easily stretched by external force and may have relatively tough and hard properties. Accordingly, even if the polymer member 10 is swollen in the internal accommodation space R1, the permeable constraining member 20 may not be stretched or may not be stretched at all due to the swelling of the polymer member 10.
  • the permeable binding member 20 can withstand the osmotic pressure of the polymer member 10 due to its high elastic stress and can maintain a high osmotic pressure in an equilibrium state.
  • Figure 1 (A) shows the polymer-based swelling pressure actuator in its initial state in which the polymer member 10 is not swollen. At this time, the volume of the polymer member 10 can be said to be V 0 .
  • Figure 1 (B) shows the polymer-based expansion pressure actuator in a fully (maximally) swollen state until the polymer member 10 reaches equilibrium in the internal receiving space (R1) of the permeable confining member 20. At this time, the volume of the polymer member 10 can be referred to as V.
  • P1 and P2 represent plates for pressure measurement. P1 can be said to be the first plate, and P2 can be said to be the second plate.
  • the first plate (P1) and the second plate (P2) may be arranged to be spaced apart from each other in the z-axis direction in the drawing, and a polymer-based expansion pressure actuator according to an embodiment may be placed between them (P1 and P2).
  • a polymer-based expansion pressure actuator according to an embodiment may be placed between them (P1 and P2).
  • the x-axis and y-axis are indicated as the same axis in the direction coordinates, but in reality, the x-axis and y-axis may be axes perpendicular to each other.
  • the initially loose permeable constraining member 20 can be filled with the polymer member 10 due to swelling of the polymer member 10, and the polymer member 10 and the permeable constraining member 20 can form a very rigid structure. there is. Therefore, it is possible to create a structure that is strong compared to the volume of the polymer member 10 used.
  • the accommodating volume of the internal accommodation space (R1) of the permeable constraining member 20 may be smaller than the maximum swelling volume of the polymer member 10 in the case where the permeable constraining member 20 is not present.
  • the accommodating volume of the internal accommodating space (R1) of the permeable constraining member 20 may be smaller than the volume that the polymer member 10 can swell to the maximum under conditions without constraint due to the permeable constraining member 20.
  • the accommodating volume may be a volume that the internal accommodating space R1 can accommodate at its maximum.
  • the accommodating volume may be defined as the volume of the internal accommodating space (R1) when the polymer member 10 is completely (maximally) swollen within the internal accommodating space (R1) and reaches an equilibrium state.
  • the accommodating volume of the internal accommodation space (R1) of the permeable constraining member 20 is about 60% or less of the maximum swelling volume of the polymer member 10 in the case where the permeable constraining member 20 is not present. Or it may be about 50% or less.
  • the accommodating volume of the internal accommodating space (R1) of the permeable constraining member 20 is approximately the volume in which the polymer member 10 can swell to a maximum under the condition of no constraint due to the permeable constraining member 20. It may be 60% or less or about 50% or less. When these conditions are met, the polymer-based turgor actuator according to the embodiment may be more advantageous in generating a large force.
  • the accommodating volume of the internal accommodating space (R1) of the permeable constraining member 20 may be larger than the initial volume before swelling of the polymer member 10, that is, V 0 .
  • the initial volume before swelling may mean the volume before the polymer-based swelling pressure actuator is immersed in or contacted with a liquid to cause volume expansion of the polymer member 10 by the liquid.
  • P in represents the internal pressure generated by the polymer member 10
  • P memb represents the pressure acting on the permeable binding member 20 in the x-axis and y-axis directions
  • ⁇ wrapped block represents blocking stress acting in the z-axis direction. Since the first and second plates (P1, P2) have a gap narrower than the maximum swelling volume of the polymer member 10, the first and second plates (P1, Pressure is applied between P2).
  • Figure 2 is a cross-sectional view for explaining a polymer actuator according to a comparative example.
  • the polymer actuator according to the comparative example may be composed of only a polymer member (polymer network member) 10 without the permeable binding member 20 described in FIG. 1.
  • the polymer member 10 may absorb liquid between the first plate (P1) and the second plate (P2) and swell.
  • Figure 2 (A) shows the polymer actuator in its initial state in which the polymer member 10 is not swollen. At this time, the volume of the polymer member 10 can be said to be V 0 .
  • Figure 2(B) shows the polymer actuator in a fully (maximally) swollen state until the polymer member 10 reaches an equilibrium state. At this time, the volume of the polymer member 10 can be referred to as V.
  • V may be different from V in FIG. 1.
  • P in represents the internal pressure generated by the polymer member 10
  • ⁇ el,x,y is the elastic stress acting in the x-axis and y-axis directions with respect to the polymer member 10.
  • ⁇ el,z represents elastic stress acting in the z-axis direction with respect to the polymer member 10
  • ⁇ bare block represents blocking stress acting in the z-axis direction.
  • ⁇ bare block may correspond to the pressure applied between the first and second plates (P1, P2) in the z-axis direction due to swelling of the polymer member 10.
  • the osmotic pressure at the beginning of swelling is very high, but the elastic stress that suppresses the swelling of the polymer chains is only a few kPa, so the polymer member 10 swells and its concentration becomes light and is in a low state. Osmotic pressure is reached.
  • the osmotic pressure in the equilibrium state is nothing more than the elastic stress of the polymer chain, and can only produce force dependent on the weak elastic stress of the polymer network. Therefore, the force that the polymer actuator according to the comparative example can emit is very small.
  • the force that the polymer-based turgor actuator can emit is the osmotic pressure of the polymer member 10 in equilibrium within the permeable confining member 20, and can be applied only by the chemical energy of the material itself without any external power, for example, a force of several MPa or more. can occur.
  • the polymer-based turgor actuator can generate a large force by utilizing a high turgor pressure.
  • the polymer member can be swollen more quickly by adding electroosmosis to osmotic pressure-based swelling, and a swelling pressure actuator that can generate a large force at a high speed can be implemented.
  • the polymer member 10 is configured to absorb liquid and swell by an electroosmosis phenomenon, that is, when the polymer member 10 includes a polymer electrolyte
  • the polymer-based swelling pressure actuator according to the embodiment may further include an electric field application device for applying an electric field to the polymer member 10.
  • the swelling speed of the polymer member 10 by the liquid can be increased, and as a result, the operating speed of the polymer-based swelling pressure actuator can be increased.
  • the specific configuration of the electric field application device may be the same or similar to a well-known electric field application device, detailed description thereof will be omitted.
  • Figure 3 is a polymer-based swelling pressure actuator according to an embodiment of the present invention and a polymer actuator according to a comparative example, measuring changes in insertion pressure and elastic stress according to the swelling ratio (V / V 0 ) of the polymer member (polymer network member) This is a graph showing the results.
  • the inset in Figure 3 is an enlarged view of some areas.
  • the osmotic pressure of the polymer member at the initial stage of swelling may reach, for example, several MPa, and as the polymer member swells, the osmotic pressure may rapidly decrease.
  • the permeable pressure of the polymer member in an equilibrium state may be equal to the elastic stress of the polymer chain, for example, on the order of several kPa.
  • V/V 0 swelling ratio
  • the swelling ratio of the polymer member may be about 70 or less or about 60 or less. Additionally, the swelling ratio of the polymer member may be greater than 1. Accordingly, the swelling ratio of the polymer member may be greater than 1 and 70 or less, or greater than 1 and 60 or less. However, the appropriate range of the swelling ratio may vary depending on the case.
  • Figure 4 is a graph showing the expansion pressure of the polymer-based expansion pressure actuator compared to the expansion pressure of plants and tires.
  • the range of expansion pressure that can be obtained from the polymer-based expansion pressure actuator may be 0 to 1.44 MPa, and this range is larger and wider than the expansion pressure generated in the roots of plants and the expansion pressure generated in tires. You can check that.
  • the polymer-based swelling pressure actuator is a hydrogel swelling pressure actuator, and at this time, the swelling ratio was assumed to be in the entire range.
  • Figure 5 is a perspective view illustrating a method of manufacturing a polymer-based expansion pressure actuator according to an embodiment of the present invention.
  • a first member 20a for a permeable binding member can be placed on a predetermined support portion S1, and a polymer network member (hereinafter referred to as polymer member) 10 can be placed thereon,
  • a second member 20b for a permeable constraining member can be placed on the polymer member 10.
  • the polymer member 10 can be placed between the first member 20a and the second member 20b. Then, the edge portion of the first member 20a or a portion adjacent thereto is bonded (joined) to the edge portion of the second member 20b or a portion adjacent thereto to firmly confine the polymer member 10. It can form a ‘permeable binding member’.
  • the edge portion of the first member 20a or a portion adjacent thereto is joined to the edge portion of the second member 20b or a portion adjacent thereto by applying adhesive and applying heat and pressure. ) can be done.
  • the transparent confinement member may correspond to the transparent confinement member 20 described in FIG. 1 .
  • the method of manufacturing the polymer-based expansion pressure actuator is not limited to the above and may vary in various ways. Additionally, the specific structure, shape, etc. of the permeable binding member may vary.
  • the permeable binding member may be provided with an opening and closing part that can be opened and closed, and the polymer member 10 may be placed therein through the opening and closing part.
  • Figure 6 is a cross-sectional view illustrating a method of driving a polymer-based turgor actuator according to an embodiment of the present invention.
  • the polymer-based swelling pressure actuator according to an embodiment of the present invention can be driven to transmit swelling pressure as mechanical output by swelling the polymer member 10 using osmosis or electroosmosis.
  • a method of driving a polymer-based expansion pressure actuator according to an embodiment may include the step of immersing the polymer-based expansion pressure actuator in a liquid or contacting the liquid.
  • the method of driving the polymer-based turgor actuator according to the embodiment may further include the step of applying an electric field to the polymer member 10.
  • the polymer member 10 may swell more rapidly under the application of the electric field.
  • the electric field may be on the order of several V/cm to hundreds of V/cm, or on the order of several V/cm to several tens of V/cm.
  • Figure 7 is a schematic diagram illustrating a method of measuring the mechanical output of a polymer-based turgor actuator according to an embodiment of the present invention.
  • the polymer-based expansion pressure actuator 100 when the polymer-based expansion pressure actuator 100 according to an embodiment of the present invention is immersed in a predetermined liquid 50 and the polymer member swells due to osmosis, the pressure generated by the polymer-based expansion pressure actuator 100 The force can be measured using the measuring device 200.
  • the polymer-based expansion pressure actuator 100 can be placed in the loading part of the measuring device 200, and the force that pushes the plate by swelling of the polymer member in the loading part, that is, the swelling of the polymer-based expansion pressure actuator 100 can be measured.
  • the polymer member may include, for example, a hydrogel
  • the liquid 50 may include, for example, deionized water (DI water).
  • DI water deionized water
  • the type of material and liquid 50 of the polymer member may vary.
  • Figure 8 is a graph showing the force generation pattern according to swelling of the polymer-based swelling pressure actuator according to an embodiment of the present invention and the polymer actuator according to a comparative example.
  • the polymer-based expansion pressure actuator according to the above embodiment has the structure described in FIG. 1, and the polymer actuator according to the comparative example has the structure described in FIG. 2.
  • the initial volume (V gel ) of the polymer member was 0.50 cm 3 .
  • the accommodating volume (V memb ) of the internal accommodation space of the permeable constraining member was 3.40 cm 3 .
  • the polymer-based expansion pressure actuator according to an embodiment of the present invention generates a force of about 400 N with a polymer member having an initial volume (V gel ) of 0.50 cm 3 . Meanwhile, in the case of the polymer actuator according to the comparative example, the magnitude of force that could be generated was relatively very small.
  • Figure 9 is a graph showing the change in force generation pattern according to the swelling ratio of the polymer-based expansion pressure actuator according to an embodiment of the present invention.
  • the acceptable volume (V memb ) of the permeable confinement member was 3.40 cm 3 .
  • the swelling ratio (V memb /V gel ) was variously adjusted.
  • the swelling ratio (V memb /V gel ) may be the same concept as the swelling ratio (V/V 0 ) described in FIGS. 1 and 3.
  • V gel may be the volume of the polymer member in the initial state in which the polymer member is not swollen
  • V memb may be the volume of the polymer member in the internal accommodation space of the permeable binding member. It may be the volume of the polymer member in a fully (maximally) swollen state.
  • Figure 10 is a graph showing the change in compression force compared to the deformation of the polymer-based expansion pressure actuator according to an embodiment of the present invention and the polymer actuator according to a comparative example. That is, Figure 10 shows the change in compression force compared to the deformation of the actuator depending on the presence or absence of the permeable restraint member.
  • the polymer-based expansion pressure actuator according to the above embodiment has the structure described in FIG. 1, and the polymer actuator according to the comparative example has the structure described in FIG. 2.
  • the initial volume (V gel ) of the polymer member was 0.50 cm 3 .
  • the swelling ratio (V memb /V gel ) of the polymer-based expansion pressure actuator according to the above example was 17.4.
  • Figure 11 is a graph showing the change in true stress compared to strain according to the swelling ratio of the polymer-based expansion pressure actuator according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 12 is a graph showing the force generation pattern due to swelling due to osmosis and electroosmosis, respectively, of the polymer-based swelling pressure actuator according to an embodiment of the present invention.
  • V gel was 1.16 cm 3 and V memb was 3.40 cm 3 .
  • the inset in Figure 12 shows data at a large scale.
  • swelling using osmosis swelling of the polymer member was performed using a 0.1 M KOH aqueous solution.
  • swelling using electroosmosis swelling was performed by applying an electric field of 12 V/cm to the polymer member while using a 0.1 M KOH aqueous solution.
  • the polymer member when using the electroosmosis phenomenon, the polymer member can generate a large force at a high speed under an electric field. Therefore, when a polymer electrolyte that can utilize the electro-osmotic phenomenon is applied to a polymer member and swelling is performed while applying an electric field, a swelling pressure actuator that can generate a large force at a high speed can be implemented.
  • Figure 13 is a graph comparing the force and speed of the polymer-based turgor actuator according to an embodiment of the present invention and existing soft actuators.
  • Figure 14 is a graph comparing the force exerted per unit time between the polymer-based turgor actuator according to an embodiment of the present invention and existing soft actuators.
  • FIGS. 13 and 14 include data from eight existing soft actuators (i, ii, iii, iv, v, vi, vii, viii).
  • the data indicated as 'this work' in each of FIGS. 13 and 14 corresponds to an embodiment of the present invention.
  • the polymer-based turgor actuator according to an embodiment of the present invention can generate a large force at a faster speed compared to existing soft actuators.
  • the polymer-based turgor actuator according to an embodiment of the present invention can exert a force per unit time that is significantly greater than that of existing soft actuators.
  • Figure 15 is a photographic image showing the results of a destruction experiment using a polymer-based turgor actuator according to an embodiment of the present invention.
  • the polymer-based expansion pressure actuator may have the structure described with reference to FIG. 1. Swelling was performed by applying an electric field of 4 V/cm for about 5 minutes to a swelling pressure actuator containing a small amount of polymer network member with an initial volume of 0.6 cm 3 , and as a result, a brick with a breaking strength of 550 N was destroyed. I was able to do it.
  • the scale bar represents 3 cm.
  • Figure 16 is a photographic image showing the results of an experiment to confirm the physical strength of the polymer actuator according to the comparative example.
  • the polymer actuator according to the comparative example is composed only of the polymer member 10 without a permeable constraining member.
  • the polymer member 10 of the polymer actuator according to the comparative example is easily broken even by a 4 kg kettlebell.
  • the polymer member 10 to which the permeable confining member is not applied has weak strength.
  • Figure 17 is a photographic image showing the results of an experiment to confirm the physical strength of the polymer-based turgor actuator according to an embodiment of the present invention.
  • the polymer-based expansion pressure actuator (i.e., 100) according to the above embodiment may include a structure in which a polymer member is confined within a permeable confining member.
  • the polymer-based turgor actuator 100 can withstand well without breaking even when a 20 kg kettlebell is placed on it.
  • a polymer member wrapped in a permeable confining member can have high strength. Therefore, the polymer-based expansion pressure actuator 100 according to the embodiment may be suitable for application as underwater/aquatic structures and buildings.
  • An underwater structure (underwater structure) and a floating structure (floating structure or on-water structure) can be constructed (manufactured) by applying the polymer-based expansion pressure actuator according to the embodiments of the present invention described above. Examples are illustrated in Figures 18 to 21.
  • Figure 18 is a diagram showing the process of manufacturing an underwater structure in the form of a Greek temple by applying a polymer-based turgor actuator according to an embodiment of the present invention.
  • the drawing in Figure 18 (A) is a schematic diagram of the production of a Greek temple, and the drawing (B) is a photograph of an experiment over time.
  • an underwater structure can be manufactured by swelling a polymer-based turgor actuator using electroosmosis in water.
  • a small amount of polymer network members can swell under an electric field of 2.5 V/cm to create a strong structure in about 8 minutes.
  • This structure had a strong turgor pressure and was able to withstand approximately 17.3 N.
  • Figure 19 is a diagram showing the process of manufacturing a structure (actuator) that performs bending actuation by applying a polymer-based expansion pressure actuator according to an embodiment of the present invention.
  • bending actuation of a linear (1D) structure can be implemented using turgor actuation applying electroosmosis.
  • Figure 20 is a diagram showing the process of manufacturing a structure (actuator) that performs bending actuation by applying a polymer-based expansion pressure actuator according to an embodiment of the present invention.
  • bending actuation of a two-dimensional (2D) structure can be implemented using turgor actuation applying electroosmosis.
  • Figure 21 is an experimental photographic image over time in manufacturing the structure of Figure 20. Referring to FIG. 21, the structure was able to have a strong turgor pressure and withstand about 8.6 N.
  • a polymer-based turgor actuator that can significantly improve mechanical output performance (force, speed) can be implemented. Additionally, according to embodiments of the present invention, a polymer-based turgor actuator capable of generating a large force at a high speed can be implemented. In addition, according to embodiments of the present invention, it is possible to implement a polymer-based turgor actuator that can easily control the generated force, operating speed, and rigidity (degree of rigidity).
  • the mechanical output performance (force, speed) of the polymer actuator can be greatly improved.
  • a self-swellable polymer network member within a permeable confining member (e.g., a permeable membrane) and swelling the polymer network member through osmosis or electroosmosis, swelling pressure can be formed to generate mechanical output.
  • a force equal to the osmotic pressure equivalent to about several MPa can be generated, and by using electrical energy, a large force can be generated at a much faster rate.
  • the swollen actuator since the swollen actuator generates a very large swelling pressure, it can be utilized as a rigid structure.
  • the force generated by the actuator, operation speed, and rigidity can be easily controlled.
  • a stimulus-responsive polymer network is applied to a polymer network member, the hardness can be reversibly adjusted depending on the electric field or ion concentration.
  • the stimulus-responsive polymer network may be a material that can control shrinkage or swelling in response to various stimuli, such as light, pH, and electric fields. To this end, the terminal groups of the stimulus-responsive polymer network can be adjusted.
  • the volume is small and light, so it can be easily transported, and after transportation, it can be used as a liquid (solvent) on its own in an underwater/aquatic environment without a pump, connection device, or electrically driven equipment.
  • a polymer-based turgor actuator that can act as a fixture or form a solid structure with strong force.
  • a turgor actuator can be manufactured using only a permeable confining member that allows liquid to pass through and has a relatively high elastic modulus and a relatively small amount of polymer network compared to the total volume of the structure, which is advantageous in terms of mass production and economic efficiency. You can have
  • Embodiments of the present invention can be used in actuators and underwater/aquatic structures that can be driven underwater/on the water, and can be usefully applied to floating buildings and underwater city projects.
  • the actuator proposed in this embodiment of the present invention is small in volume and light, making it easy to handle, and can absorb the underwater environment on its own and form a solid structure without the need for electrically driven equipment, thereby overcoming the limitations of existing construction.
  • embodiments of the present invention can be applied to all application fields of soft actuators using polymer networks, such as artificial muscles, soft robotics, and biomedical engineering.
  • Embodiments of the present invention can be used in actuators and underwater/aquatic structures that can be driven underwater/on the water, and can be applied to floating buildings and underwater city projects.
  • embodiments of the present invention can be applied to all application fields of soft actuators using polymer networks, such as artificial muscles, soft robotics, and biomedical engineering.

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Abstract

고분자 기반 팽압 액추에이터와 그 구동 방법 및 활용에 관해 개시되어 있다. 개시된 고분자 기반 팽압 액추에이터는 액체를 흡수하여 팽윤(swelling)할 수 있는 고분자 네트워크 부재(이하, 고분자 부재) 및 상기 고분자 부재를 내부 수용 공간에 가두어 물리적으로 속박하도록 구성되고 액체 투과성(liquid permeability)을 갖는 투과성 속박 부재를 포함할 수 있다. 상기 투과성 속박 부재의 상기 내부 수용 공간의 수용 가능 부피는 상기 투과성 속박 부재가 없는 경우에서의 상기 고분자 부재의 최대 팽윤 부피 보다 작을 수 있다.

Description

고분자 기반 팽압 액추에이터와 그 구동 방법 및 활용
본 발명은 액추에이터와 그 구동 방법 및 활용에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고분자 기반 팽압 액추에이터와 그 구동 방법 및 활용에 관한 것이다.
고분자 네트워크는 높은 자유도를 갖고 복잡한 환경에 적응하여 상호작용할 수 있으므로, 소프트 액추에이터(soft actuator)로서 활발히 연구되고 있다. 고분자 네트워크는 주변 용액과의 삼투 현상을 통해 스스로 팽윤할 수 있으며, 고분자 사슬의 말단기를 조절하여 빛, pH, 전기장 등 다양한 자극에 반응하여 수축 또는 팽윤할 수 있는 재료로서, 재료의 큰 부피 팽창을 활용하여 액추에이터로 활용될 수 있다.
그러나, 기존의 소프트 액추에이터들은 고분자 네트워크의 고유한 낮은 탄성 계수와 낮은 파괴 계수 때문에 큰 힘을 발생시키기 어려웠으며, 삼투 현상을 기반으로 한 네트워크의 수축/팽윤은 용매의 확산에 의존하기 때문에, 변형 속도가 느려 활용성이 크게 제한되었다. 기능성 고분자들의 변형을 실용적으로 활용하기 위해서는, 빠른 변형 속도로 큰 힘을 낼 수 있는 것이 매우 중요하다. 종래에는 다공성 네트워크 제작, 비등방성 고분자 네트워크 합성, 반응성 입자 삽입 등을 통해 고분자의 변형 속도를 증가시키려는 방법이 시도되었으나, 소프트 액추에이터의 속도와 힘을 동시에 향상시키는 연구는 미비한 실정이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 기계적 출력 성능(힘, 속도)을 크게 향상시킬 수 있는 고분자 기반 팽압 액추에이터(일종의 소프트 액추에이터)를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 빠른 속도로 큰 힘을 발생시킬 수 있는 고분자 기반 팽압 액추에이터를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 발생하는 힘과 동작 속도 및 강성(단단한 정도)을 용이하게 제어할 수 있는 고분자 기반 팽압 액추에이터를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 부피가 작고 가벼워 다루기가 용이한 상태로 제작하여 쉽게 운반할 수 있고, 운반 후 펌프나 연결 장치 또는 전기 구동식 장비 없이 수중/수상 환경에서 스스로 액체(용매)를 흡수하여 강한 힘으로 고정체의 역할을 하거나 단단한 구조체를 형성할 수 있는 고분자 기반 팽압 액추에이터를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기한 고분자 기반 팽압 액추에이터의 구동 방법을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기한 고분자 기반 팽압 액추에이터를 적용한 구조체(수중/수상 구조체)를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 액체를 흡수하여 팽윤(swelling)할 수 있는 고분자 네트워크 부재(이하, 고분자 부재); 및 상기 고분자 부재를 내부 수용 공간에 가두어 물리적으로 속박하도록 구성되고 액체 투과성(liquid permeability)을 갖는 투과성 속박 부재를 포함하고, 상기 투과성 속박 부재의 상기 내부 수용 공간의 수용 가능 부피는 상기 투과성 속박 부재가 없는 경우에서의 상기 고분자 부재의 최대 팽윤 부피 보다 작은 고분자 기반 팽압 액추에이터(polymer-based turgor actuator)가 제공된다.
상기 투과성 속박 부재의 상기 내부 수용 공간의 수용 가능 부피는 상기 투과성 속박 부재가 없는 경우에서의 상기 고분자 부재의 최대 팽윤 부피의 약 60% 이하일 수 있다.
상기 투과성 속박 부재의 상기 내부 수용 공간의 수용 가능 부피는 상기 고분자 부재의 팽윤 전 초기 부피 보다 클 수 있다.
상기 투과성 속박 부재는 약 1 MPa 이상의 탄성 계수(elastic modulus)를 가질 수 있다.
상기 투과성 속박 부재는 상기 고분자 부재를 감싸는 투과성 막(membrane)을 포함할 수 있다.
상기 투과성 속박 부재는 메쉬(mesh) 구조를 가질 수 있다.
상기 고분자 부재는 삼투(osmosis) 현상 내지 전기삼투(electroosmosis) 현상에 의해 액체를 흡수하여 팽윤하도록 구성될 수 있다.
상기 고분자 부재는 고분자 전해질을 포함할 수 있고, 상기 고분자 기반 팽압 액추에이터는 상기 고분자 부재에 전기장을 인가하기 위한 전기장 인가 장치를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전술한 고분자 기반 팽압 액추에이터의 구동 방법으로서, 상기 고분자 기반 팽압 액추에이터를 액체에 담그거나 액체에 접촉시키는 단계를 포함하는 고분자 기반 팽압 액추에이터의 구동 방법이 제공된다.
상기 고분자 기반 팽압 액추에이터의 상기 고분자 부재에 전기장을 인가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전술한 고분자 기반 팽압 액추에이터를 적용하여 구성된 수중 구조체(underwater structure)가 제공된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전술한 고분자 기반 팽압 액추에이터를 적용하여 구성된 수상 구조체(floating structure)가 제공된다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 기계적 출력 성능(힘, 속도)을 크게 향상시킬 수 있는 고분자 기반 팽압 액추에이터를 구현할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 빠른 속도로 큰 힘을 발생시킬 수 있는 고분자 기반 팽압 액추에이터를 구현할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 발생하는 힘과 동작 속도 및 강성(단단한 정도)을 용이하게 제어할 수 있는 고분자 기반 팽압 액추에이터를 구현할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 고분자 액추에이터의 기계적 출력 성능(힘, 속도)을 크게 향상시킬 수 있다. 스스로 팽윤할 수 있는 고분자 네트워크 부재를 투과성 속박 부재(ex, 투과성 막) 내에 가두고, 삼투 또는 전기삼투를 통해 고분자 네트워크 부재를 팽윤시킴으로써, 팽압을 형성시켜 기계적 출력을 발생시킬 수 있다. 외부의 동력 없이도, 예컨대, 약 수 MPa에 해당하는 삼투압과 동일한 힘을 발생시킬 수 있으며, 전기 에너지를 이용하면, 훨씬 더 빠른 속도로 큰 힘을 발생시킬 수 있다. 또한, 팽윤한 액추에이터는 매우 큰 팽압을 형성하고 있으므로, 단단한 구조체로서 활용 가능하다. 또한, 투과성 속박 부재(ex, 투과성 막)의 부피나 물성 및/또는 고분자 네트워크 부재의 부피나 물성을 조절함으로써, 액추에이터가 발생하는 힘과 동작 속도 및 강성 등을 용이하게 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 부피가 작고 가벼워 다루기가 용이한 상태로 제작하여 쉽게 운반할 수 있고, 운반 후 펌프나 연결 장치 또는 전기 구동식 장비 없이 수중/수상 환경에서 스스로 액체(용매)를 흡수하여 강한 힘으로 고정체의 역할을 하거나 단단한 구조체를 형성할 수 있는 고분자 기반 팽압 액추에이터를 구현할 수 있다. 이러한 실시예들에 따른 고분자 기반의 팽압 액추에이터는 기존 건축의 한계를 극복할 수 있을 것으로 기대된다.
최근, 지구온난화에 따른 해수면 상승 및 소득 증대 및 관광 행태 변화에 따른 해양 레포츠 수요 증가로 플로팅 건축물 및 해저 도시에 관한 관심이 증가하고 있다. 본 발명의 실시예는 수중/수상에서 구동 가능한 액추에이터 및 수중/수상 구조체 등에 활용될 수 있고, 플로팅 건축물 및 해저 도시 사업 등에 유용하게 적용될 수 있다.
수중 환경에서의 건축(예를 들어, 교량, 해저 터널 등)은 전기 구동식 장비의 활용이 제한되고 부력을 고려해야 하므로, 지상 건축과 달리 복잡하고 어려운 과정이 필요하다. 본 발명의 실시예에서 제안한 액추에이터는 부피가 작고 가벼워 다루기가 용이하며, 전기 구동식 장비 없이도 수중 환경을 스스로 흡수하며 단단한 구조체를 형성시킬 수 있으므로, 기존 건축의 제한점을 극복할 수 있다.
아울러, 본 발명의 실시예들은 고분자 네트워크를 이용한 소프트 액추에이터의 모든 응용 분야, 예를 들어, 인공 근육, 소프트 로보틱스, 바이오메디컬 엔지니어링 등의 응용 분야에 적용될 수 있다.
그러나, 본 발명의 효과는 상기 효과들로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터(polymer-based turgor actuator)를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 비교예에 따른 고분자 액추에이터를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터 및 비교예에 따른 고분자 액추에이터에서 고분자 부재(고분자 네트워크 부재)의 팽윤비(V/V0)에 따른 삽투압 및 탄성 응력의 변화를 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 4는 고분자 기반 팽압 액추에이터의 팽압을 식물 및 타이어의 팽압과 비교하여 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터의 제조 방법을 예시적으로 설명하기 위한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터의 구동 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터의 기계적 출력을 측정하는 방식을 예시적으로 보여주는 모식도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터 및 비교예에 따른 고분자 액추에이터의 팽윤에 따른 힘 발생 양상을 보여주는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터의 팽윤비에 따른 힘 발생 양상의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터 및 비교예에 따른 고분자 액추에이터의 변형 대비 압축 힘의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터의 팽윤비에 따른 변형 대비 진응력의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터의 삼투 현상 및 전기삼투 현상 각각에 의한 팽윤에 따른 힘 발생 양상을 보여주는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터와 기존의 소프트 액추에이터들의 힘과 속도를 비교하여 보여주는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터와 기존의 소프트 액추에이터들의 단위 시간당 발휘하는 힘을 비교하여 보여주는 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터를 이용한 파괴 실험을 진행한 결과를 보여주는 사진 이미지이다.
도 16은 비교예에 따른 고분자 액추에이터의 물리적 강도를 확인하기 위한 실험의 결과를 보여주는 사진 이미지이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터의 물리적 강도를 확인하기 위한 실험의 결과를 보여주는 사진 이미지이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터를 적용하여 그리스 신전 형태의 수중 구조체를 제작하는 과정을 보여주는 도면이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터를 적용하여 굽힙 액추에이션을 하는 구조체(액추에이터)를 제작하는 과정을 보여주는 도면이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터를 적용하여 굽힙 액추에이션을 하는 구조체(액추에이터)를 제작하는 과정을 보여주는 도면이다.
도 21은 도 20의 구조체 제작에 있어서 시간 경과에 따른 실험 사진 이미지이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
이하에서 설명할 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 명확하게 설명하기 위하여 제공되는 것이고, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용되는 단수 형태의 용어는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"이라는 용어는 언급한 형상, 단계, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 단계, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다. 또한, 본 명세서에서 사용된 "연결"이라는 용어는 어떤 부재들이 직접적으로 연결된 것을 의미할 뿐만 아니라, 부재들 사이에 다른 부재가 더 개재되어 간접적으로 연결된 것까지 포함하는 개념이다.
아울러, 본원 명세서에서 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다. 본 명세서에서 사용된 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본원 명세서에서 사용되는 "약", "실질적으로" 등의 정도의 용어는 고유한 제조 및 물질 허용 오차를 감안하여, 그 수치나 정도의 범주 또는 이에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 제공된 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 영역이나 파트들의 사이즈나 두께는 명세서의 명확성 및 설명의 편의성을 위해 다소 과장되어 있을 수 있다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터(polymer-based turgor actuator)를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터는 액체를 흡수하여 팽윤(swelling)할 수 있는 고분자 네트워크 부재(이하, 고분자 부재)(10) 및 고분자 부재(10)를 내부 수용 공간(R1)에 가두어 물리적으로 속박하도록 구성되고 액체 투과성(liquid permeability)을 갖는 투과성 속박 부재(20)를 포함할 수 있다. 투과성 속박 부재(20)는 액체 및 이온에 대한 투과성, 즉, 액체 및 이온 투과성(liquid and ion permeability)을 가질 수 있다.
고분자 부재(10)는 다수의 단위체(monomer)가 사슬을 이루고 가교를 통해 네트워크를 형성한 고분자 물질 부재일 수 있다. 고분자 부재(10)는 소정의 부피를 가질 수 있다. 고분자 부재(10)는 다면체(ex, 육면체 등), 구체, 반구체, 다각뿔(ex, 삼각뿔 등), 원뿔, 다각기둥, 원기둥, 판형 구조 등 다양한 형태를 가질 수 있다. 고분자 부재(10)는 임의의 형태를 가질 수 있다. 고분자 부재(10)는, 예를 들어, 하이드로젤(hydrogel), 엘라스토머(elastomer), 고분자 전해질(polyelectrolyte) 등으로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일반적인 고분자 액추에이터에서 사용되는 고분자 물질은 모두 고분자 부재(10)에 적용될 수 있다.
고분자 부재(10)는 주변의 액체를 흡수하여 스스로 팽윤할 수 있다. 고분자 부재(10)는 삼투(osmosis) 현상 내지 전기삼투(electroosmosis) 현상에 의해 액체를 흡수하여 팽윤하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 고분자 부재(10)의 네트워크 자체가 반투막(semipermeable membrane)의 역할을 하면서 용질의 역할을 할 수 있다. 고분자 부재(10)가 주변의 액체(용매)를 흡수하면서 팽윤할 수 있는 동력은 삼투압일 수 있고, 상기 삼투압은, 예컨대, 수 MPa에 이르는 매우 큰 힘일 수 있다. 투과성 속박 부재(20) 내부의 고분자 부재(10)를 삼투 또는 전기삼투를 통해 팽윤시킴으로써, 팽압을 기계적 출력으로 전달하여 고분자 기반 팽압 액추에이터를 구동시킬 수 있다.
투과성 속박 부재(20)는 고분자 부재(10)를 감싸면서 고분자 부재(10)를 내부 수용 공간(R1)에 가두는 역할을 할 수 있다. 투과성 속박 부재(20)는 고분자 부재(10)를 완전히 감싸도록 구성될 수 있다. 투과성 속박 부재(20)는 고분자 부재(10)를 물리적으로 속박하면서 액체는 투과가 가능하도록 구성될 수 있다. 투과성 속박 부재(20)를 통해 액체(용매) 및 이온의 이동이 가능할 수 있다. 상기 액체는 물이나 수용액 또는 유기 용매 등을 포함할 수 있다. 투과성 속박 부재(20)는 그 내부의 고분자 부재(10)가 팽윤되었을 때, 고분자 부재(10)의 일부가 투과성 속박 부재(20)의 외부로 빠져나가지 않도록 구성될 수 있다. 투과성 속박 부재(20)는 어느 정도 자유롭게 변형이 가능한 플렉서블한 물질 구성을 가질 수 있다. 투과성 속박 부재(20)는 소정의 폴리머(플라스틱) 재료로 형성될 수 있다.
투과성 속박 부재(20)는 고분자 부재(10)를 감싸는(wrapping) 투과성 막(membrane)을 포함하거나 상기 투과성 막으로 구성될 수 있다. 상기 투과성 막은 '선택적 투과성 막(selectively permeable membrane)'이라고 할 수 있다. 비제한적인 예로서, 상기 투과성 막은 직물(woven fabric), 부직포(nonwoven fabric), 엘라스토머 및 하이드로젤 중 적어도 어느 하나의 물질을 포함할 수 있다. 일례로, 상기 투과성 막은 상용 행주(commercial dishcloth)이거나 그와 유사한 물질 구성을 포함할 수 있지만, 본 발명의 실시예는 이에 제한되지 아니한다. 한편, 투과성 속박 부재(20)는, 예를 들어, 수십 ㎛ 내지 수십 mm 정도의 두께를 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 투과성 속박 부재(20)는 액체 투과성을 위한 메쉬(mesh) 구조를 가질 수 있다. 상기 메쉬 구조는 비교적 미세한(촘촘한) 구조일 수 있고, 고분자 부재(10)가 팽윤되었을 때에는 고분자 부재(10)의 일부가 투과성 속박 부재(20)의 외부로 빠져나가지 않도록 막아주는 역할을 할 수 있다. 고분자 부재(10)의 물질 및 액체의 종류에 따라, 상기 메쉬 구조의 적정한 스케일은 달라질 수 있다. 투과성 속박 부재(20)는 액체를 투과시키는 기공부들(관통부들)을 제외한 전체적인 구성 부분이 물리적으로 고분자 부재(10)를 완전히 감싸서 가두도록 구성될 수 있다. 투과성 속박 부재(20)는 일종의 싸개 또는 싸개막이라고 지칭할 수도 있다.
일 실시예에 따르면, 투과성 속박 부재(20)는 비교적 큰 탄성 계수(elastic modulus)를 가질 수 있다. 예컨대, 투과성 속박 부재(20)는 약 1 MPa 이상의 탄성 계수를 가질 수 있다. 구체적인 예로, 투과성 속박 부재(20)는 약 1 MPa ∼ 100 GPa 범위의 탄성 계수를 가질 수 있다. 투과성 속박 부재(20)는 외력에 의해 잘 늘어나지 않고, 비교적 질기고 단단한 성질을 가질 수 있다. 따라서, 내부 수용 공간(R1)에서 고분자 부재(10)가 팽윤되더라도, 고분자 부재(10)의 팽윤으로 인해 투과성 속박 부재(20)는 늘어나지 않거나 거의 늘어나지 않을 수 있다. 투과성 속박 부재(20)는 높은 탄성 응력으로 고분자 부재(10)의 삼투압을 대신 견뎌줄 수 있고, 평형 상태에서 높은 삼투압을 유지시킬 수 있다.
도 1의 (A)도면은 고분자 부재(10)가 팽윤되지 않은 초기 상태의 고분자 기반 팽압 액추에이터를 보여준다. 이때, 고분자 부재(10)의 부피는 V0 라고 할 수 있다. 도 1의 (B)도면은 고분자 부재(10)가 투과성 속박 부재(20)의 내부 수용 공간(R1)에서 평형 상태가 될 때까지 완전히(최대로) 팽윤된 상태의 고분자 기반 팽압 액추에이터를 보여준다. 이때, 고분자 부재(10)의 부피는 V 라고 할 수 있다. 도 1에서 P1 및 P2는 압력 측정을 위한 플레이트를 나타낸다. P1은 제 1 플레이트라고 할 수 있고, P2는 제 2 플레이트라고 할 수 있다. 제 1 플레이트(P1) 및 제 2 플레이트(P2)는 도면상 z축 방향으로 상호 이격하여 배치될 수 있고, 이들(P1, P2) 사이에 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터가 배치될 수 있다. 편의상, 방향 좌표에서 x축 및 y축을 동일한 축으로 표시하였지만, 실제 x축 및 y축은 상호 수직한 축일 수 있다. 초기에 헐렁했던 투과성 속박 부재(20)가 고분자 부재(10)의 팽윤에 의해 고분자 부재(10)로 가득찰 수 있고, 고분자 부재(10)와 투과성 속박 부재(20)는 아주 단단한 구조체를 이룰 수 있다. 따라서, 사용되는 고분자 부재(10)의 부피 대비 튼튼한 구조체를 만들 수 있다.
투과성 속박 부재(20)의 내부 수용 공간(R1)의 수용 가능 부피는 투과성 속박 부재(20)가 없는 경우에서의 고분자 부재(10)의 최대 팽윤 부피 보다 작을 수 있다. 다시 말해, 투과성 속박 부재(20)의 내부 수용 공간(R1)의 수용 가능 부피는 투과성 속박 부재(20)로 인한 속박이 없는 조건에서 고분자 부재(10)가 최대로 팽윤할 수 있는 부피 보다 작을 수 있다. 여기서, 상기 수용 가능 부피는 내부 수용 공간(R1)이 최대로 수용할 수 있는 부피일 수 있다. 다시 말해, 상기 수용 가능 부피는 내부 수용 공간(R1) 내에서 고분자 부재(10)가 완전히(최대로) 팽윤하여 평형 상태에 도달했을 때의 내부 수용 공간(R1)의 부피로 정의될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 투과성 속박 부재(20)의 내부 수용 공간(R1)의 상기 수용 가능 부피는 투과성 속박 부재(20)가 없는 경우에서의 고분자 부재(10)의 최대 팽윤 부피의 약 60% 이하 또는 약 50% 이하일 수 있다. 다시 말해, 투과성 속박 부재(20)의 내부 수용 공간(R1)의 상기 수용 가능 부피는 투과성 속박 부재(20)로 인한 속박이 없는 조건에서 고분자 부재(10)가 최대로 팽윤할 수 있는 부피의 약 60% 이하 또는 약 50% 이하일 수 있다. 이러한 조건을 만족할 때, 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터가 큰 힘을 발생하는데 더욱 유리할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 투과성 속박 부재(20)의 내부 수용 공간(R1)의 상기 수용 가능 부피는 고분자 부재(10)의 팽윤 전 초기 부피, 즉, V0 보다 클 수 있다. 여기서, 상기 팽윤 전 초기 부피는 상기 고분자 기반 팽압 액추에이터를 액체에 담그거나 접촉시켜 상기 액체에 의한 고분자 부재(10)의 부피 팽창을 발생시키기 이전의 부피를 의미할 수 있다. 상기 수용 가능 부피를 고분자 부재(10)의 팽윤 전 초기 부피 보다 크게 하면서, 상기 수용 가능 부피를 적절히 제어함으로써, 상기 고분자 기반 팽압 액추에이터에서 발생하는 힘 및 동작 속도 등을 조절할 수 있다.
도 1의 (B)도면에서 Pin은 고분자 부재(10)에 의해 발생하는 내부 압력을 나타내고, Pmemb는 투과성 속박 부재(20)에 x축 및 y축 방향으로 작용하는 압력을 나타내며, σwrapped block은 z축 방향으로 작용하는 블로킹 응력(blocking stress)을 나타낸다. 제 1 및 제 2 플레이트(P1, P2)는 고분자 부재(10)의 최대 팽윤 부피 보다 좁은 간격을 갖기 때문에, 고분자 부재(10)의 팽윤에 의해 z축 방향으로 제 1 및 제 2 플레이트(P1, P2) 사이에 압력이 인가된다.
도 2는 비교예에 따른 고분자 액추에이터를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 비교예에 따른 고분자 액추에이터는 도 1에서 설명한 투과성 속박 부재(20) 없이 고분자 부재(고분자 네트워크 부재)(10)만으로 구성될 수 있다. 고분자 부재(10)는 제 1 플레이트(P1)와 제 2 플레이트(P2) 사이에서 액체를 흡수하여 팽윤할 수 있다. 도 2의 (A)도면은 고분자 부재(10)가 팽윤되지 않은 초기 상태의 고분자 액추에이터를 보여준다. 이때, 고분자 부재(10)의 부피는 V0 라고 할 수 있다. 도 2의 (B)도면은 고분자 부재(10)가 평형 상태가 될 때까지 완전히(최대로) 팽윤된 상태의 고분자 액추에이터를 보여준다. 이때, 고분자 부재(10)의 부피는 V 라고 할 수 있다. 여기서, V는 도 1에서의 V와 다를 수 있다.
도 2의 (B)도면에서 Pin은 고분자 부재(10)에 의해 발생하는 내부 압력을 나타내고, σel,x,y는 고분자 부재(10)에 대하여 x축 및 y축 방향으로 작용하는 탄성 응력을 나타내고, σel,z는 고분자 부재(10)에 대하여 z축 방향으로 작용하는 탄성 응력을 나타내며, σbare block은 z축 방향으로 작용하는 블로킹 응력(blocking stress)을 나타낸다. σbare block은 고분자 부재(10)의 팽윤에 의해 z축 방향으로 제 1 및 제 2 플레이트(P1, P2) 사이에 인가되는 압력에 대응될 수 있다.
상기 비교예에 따른 고분자 액추에이터에서 팽윤 초기의 삼투압은 매우 높지만, 고분자 사슬들의 팽윤을 억제하는 탄성 응력은 수 kPa에 불과하기 때문에, 고분자 부재(10)는 팽윤하며 자체적으로 농도가 옅어져 낮은 상태의 삼투압에 도달하게 된다. 평형 상태의 삼투압은 고분자 사슬의 탄성 응력에 불과하며, 고분자 네트워크의 약한 탄성 응력에 의존한 힘만 낼 수 있다. 따라서, 비교예에 따른 고분자 액추에이터가 발산할 수 있는 힘은 매우 적다.
그러나, 도 1에서 설명한 본 발명의 실시예에서와 같이, 투과성 속박 부재(20)를 이용하여 고분자 부재(10)를 가둔 채로 팽윤시키면, 고분자 사슬의 탄성 응력을 대체하여 질긴 투과성 속박 부재(20)의 높은 탄성 응력이 삼투압을 대신 견뎌줄 수 있으며, 평형 상태에서 높은 삼투압을 유지시킬 수 있다. 따라서, 고분자 기반 팽압 액추에이터가 발산할 수 있는 힘은 투과성 속박 부재(20) 내에서 평형 상태를 이룬 고분자 부재(10)의 삼투압이며, 외부 동력 없이도 재료 자체의 화학적 에너지만으로, 예컨대, 수 MPa 이상의 힘을 발생할 수 있게 된다. 다시 말해, 상기 고분자 기반 팽압 액추에이터는 높은 상태의 삽투압을 활용하여 큰 힘을 낼 수 있다.
부가적으로, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 삼투압 기반의 팽윤에 전기삼투(electroosmosis)를 더하여 고분자 부재를 더욱 빠르게 팽윤시킬 수 있고, 빠른 속도로 큰 힘을 낼 수 있는 팽압 액추에이터를 구현할 수 있다. 고분자 부재(10)가 전기삼투(electroosmosis) 현상에 의해 액체를 흡수하여 팽윤하도록 구성된 경우, 다시 말해, 고분자 부재(10)가 고분자 전해질(polyelectrolyte)을 포함하는 경우, 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터는 고분자 부재(10)에 전기장을 인가하기 위한 전기장 인가 장치를 더 포함할 수 있다. 상기 전기장 인가 장치를 이용해서 고분자 부재(10)에 전기장을 인가함으로써, 액체에 의한 고분자 부재(10)의 팽윤 속도를 증가시킬 수 있고, 결과적으로, 상기 고분자 기반 팽압 액추에이터의 동작 속도를 증가시킬 수 있다. 상기 전기장 인가 장치의 구체적인 구성은 잘 알려진 전기장 인가 장치와 동일하거나 유사할 수 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터 및 비교예에 따른 고분자 액추에이터에서 고분자 부재(고분자 네트워크 부재)의 팽윤비(V/V0)에 따른 삽투압 및 탄성 응력의 변화를 측정한 결과를 보여주는 그래프이다. 도 3의 삽입도(inset)는 일부 영역에 대한 확대도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 팽윤 초기의 고분자 부재의 삼투압은, 예컨대, 수 MPa에 달할 수 있고, 고분자 부재가 팽윤할수록 삽투압은 급격하게 감소할 수 있다. 투과성 속박 부재가 없는 경우(즉, 비교예의 경우), 평형 상태에서 고분자 부재의 삽투압은, 예컨대, 수 kPa 정도의 고분자 사슬의 탄성 응력과 같아질 수 있다. 그러나, 투과성 속박 부재가 사용된 경우(즉, 실시예의 경우), 팽윤비(V/V0)에 따라서, 평형 상태에서 고분자 부재는 높은 삼투압을 유지할 수 있다. 도 3의 결과는 소정의 고분자 부재에 대한 것이고, 고분자 부재의 물질 구성, 형태, 사이즈 등에 따라서 측정 값은 변화될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 비제한적인 예로서, 고분자 부재의 팽윤비는 약 70 이하 또는 약 60 이하일 수 있다. 또한, 상기 고분자 부재의 팽윤비는 1 보다 클 수 있다. 따라서, 상기 고분자 부재의 팽윤비는 1 보다 크고 70 이하이거나 또는 1 보다 크고 60 이하일 수 있다. 그러나, 상기 팽윤비의 적정 범위는, 경우에 따라, 달라질 수 있다.
도 4는 고분자 기반 팽압 액추에이터의 팽압을 식물 및 타이어의 팽압과 비교하여 보여주는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 고분자 기반 팽압 액추에이터에서 얻어질 수 있는 팽압의 범위는 0∼1.44 MPa 일 수 있고, 이 범위는 식물의 뿌리에서 발생하는 팽압 및 타이어에서 발생하는 팽압 보다 더 크고 넓은 범위를 차지하는 것을 확인할 수 있다. 상기 고분자 기반 팽압 액추에이터는 하이드로젤 팽압 액추에이터이고, 이때, 팽윤비는 전체 범위로 가정하였다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터의 제조 방법을 예시적으로 설명하기 위한 사시도이다.
도 5를 참조하면, 소정의 지지부(S1) 상에 투과성 속박 부재용 제 1 부재(20a)를 배치할 수 있고, 그 위에 고분자 네트워크 부재(이하, 고분자 부재)(10)를 배치할 수 있으며, 고분자 부재(10) 상에 투과성 속박 부재용 제 2 부재(20b)를 배치할 수 있다. 다시 말해, 제 1 부재(20a)와 제 2 부재(20b) 사이에 고분자 부재(10)를 배치할 수 있다. 그런 다음, 제 1 부재(20a)의 가장자리 부분이나 그와 인접한 부분을 제 2 부재(20b)의 가장자리 부분이나 그와 인접한 부분에 접합(결합)하여 고분자 부재(10)를 견고하게 가두는 하나의 '투과성 속박 부재'를 형성할 수 있다. 비제한적인 예로, 접착제를 도포하고 열과 압력을 인가하는 방법으로, 제 1 부재(20a)의 가장자리 부분이나 그와 인접한 부분을 제 2 부재(20b)의 가장자리 부분이나 그와 인접한 부분에 접합(결합)시킬 수 있다. 상기 투과성 속박 부재는 도 1에서 설명한 투과성 속박 부재(20)에 대응될 수 있다.
그러나, 상기 고분자 기반 팽압 액추에이터를 제조하는 방법은 전술한 바에 한정되지 않고, 다양하게 변화될 수 있다. 또한, 상기 투과성 속박 부재의 구체적인 구조, 형태 등은 다양하게 변화될 수 있다. 일례로, 상기 투과성 속박 부재에 개폐 가능한 개폐부가 마련될 수 있고, 상기 개폐부를 통해서 고분자 부재(10)를 그 내부에 넣어줄 수도 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터의 구동 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터는 삼투 현상 또는 전기삼투 현상을 이용해서 고분자 부재(10)를 팽윤시킴으로써 팽압을 기계적 출력으로 전달하도록 구동될 수 있다. 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터의 구동 방법은 상기 고분자 기반 팽압 액추에이터를 액체에 담그거나 액체에 접촉시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 전기삼투 현상을 이용하는 경우, 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터의 구동 방법은 고분자 부재(10)에 전기장을 인가하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 전기장의 인가 하에서 고분자 부재(10)는 더 빠르게 팽윤할 수 있다. 상기 전기장은, 비제한적인 예로, 수 V/cm 내지 수백 V/cm 정도 또는 수 V/cm 내지 수십 V/cm 정도일 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터의 기계적 출력을 측정하는 방식을 예시적으로 보여주는 모식도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터(100)를 소정의 액체(50)에 담가 삼투 현상에 의해 고분자 부재가 팽윤할 때, 고분자 기반 팽압 액추에이터(100)에 의해 발생하는 힘을 측정 장치(200)를 이용해서 측정할 수 있다. 고분자 기반 팽압 액추에이터(100)를 측정 장치(200)의 로딩부에 배치할 수 있고, 상기 로딩부에서 상기 고분자 부재의 팽윤, 즉, 고분자 기반 팽압 액추에이터(100)의 팽윤에 의해 플레이트를 밀어내는 힘을 측정할 수 있다. 여기서, 상기 고분자 부재는, 예를 들어, 하이드로젤을 포함할 수 있고, 상기 액체(50)는, 예를 들어, 탈이온수(deionized water)(DI water)를 포함할 수 있다. 그러나, 상기 고분자 부재의 물질 및 액체(50)의 종류는 다양하게 변화될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터 및 비교예에 따른 고분자 액추에이터의 팽윤에 따른 힘 발생 양상을 보여주는 그래프이다. 상기 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터는 도 1에서 설명한 구조를 갖고, 상기 비교예에 따른 고분자 액추에이터는 도 2에서 설명한 구조를 갖는다. 상기 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터 및 비교예에 따른 고분자 액추에이터에서 고분자 부재의 초기 부피(Vgel)는 0.50 cm3 이었다. 상기 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터에서 투과성 속박 부재의 내부 수용 공간의 수용 가능 부피(Vmemb)는 3.40 cm3 였다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터의 경우, 초기 부피(Vgel)가 0.50 cm3 인 고분자 부재로 약 400 N 정도의 힘을 발생시키는 것을 확인할 수 있다. 한편, 상기 비교예에 따른 고분자 액추에이터의 경우, 발생할 수 있는 힘의 크기가 상대적으로 매우 작았다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터의 팽윤비에 따른 힘 발생 양상의 변화를 보여주는 그래프이다. 상기 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터에서 투과성 속박 부재의 수용 가능 부피(Vmemb)는 3.40 cm3 였다. 고분자 부재의 초기 부피(Vgel)를 다양하게 변화시킴으로써, 상기 팽윤비(Vmemb/Vgel)를 다양하게 조절하였다. 여기서, 팽윤비(Vmemb/Vgel)는 도 1 및 도 3에서 설명한 팽윤비(V/V0)와 동일한 개념일 수 있다. 즉, 상기 팽윤비(Vmemb/Vgel)에서 Vgel은 고분자 부재가 팽윤되지 않은 초기 상태에서 고분자 부재의 부피일 수 있고, Vmemb은 고분자 부재가 투과성 속박 부재의 내부 수용 공간에서 평형 상태가 될 때까지 완전히(최대로) 팽윤된 상태에서 고분자 부재의 부피일 수 있다.
도 9를 참조하면, 측정된 범위 내에서, 고분자 기반 팽압 액추에이터의 투과성 속박 부재 내부에서 고분자 부재의 팽윤비를 감소시킬수록, 더 높은 삼투압을 유지시킬 수 있음을 확인할 수 있다. 본 실험에서 측정된 범위 내에서는, 팽윤비가 1.53 일 때, 최대 1330 N의 힘을 더 빠른 속도로 도달할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터 및 비교예에 따른 고분자 액추에이터의 변형 대비 압축 힘의 변화를 보여주는 그래프이다. 즉, 도 10은 투과성 속박 부재의 유무에 따른 액추에이터의 변형 대비 압축 힘의 변화를 보여준다. 상기 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터는 도 1에서 설명한 구조를 갖고, 상기 비교예에 따른 고분자 액추에이터는 도 2에서 설명한 구조를 갖는다. 상기 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터 및 비교예에 따른 고분자 액추에이터에서 고분자 부재의 초기 부피(Vgel)는 0.50 cm3 이었다. 상기 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터의 팽윤비(Vmemb/Vgel)는 17.4 였다.
도 10을 참조하면, 투과성 속박 부재가 없는 경우(즉, 비교예의 경우), 고분자 부재가 버티는 힘은 약 40 N에 불과하지만, 같은 고분자 부재를 투과성 속박 부재로 감싼 경우(즉, 실시예의 경우), 약 900 N의 하중을 견딜 수 있음을 확인할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터의 팽윤비에 따른 변형 대비 진응력의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 11을 참조하면, 측정된 범위 내에서, 고분자 부재의 팽윤비(Vmemb/Vgel)가 감소할수록 투과성 속박 부재 내부에서 유지되는 삼투압이 커지므로, 초기 변형에 대한 응력이 급격하게 증가하고, 강성(즉, 그래프의 기울기) 또한 증가하는 것을 볼 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터의 삼투 현상 및 전기삼투 현상 각각에 의한 팽윤에 따른 힘 발생 양상을 보여주는 그래프이다. 이때, Vgel은 1.16 cm3 였고, Vmemb은 3.40 cm3 였다. 도 12의 삽입도(inset)는 큰 스케일에서의 데이터를 보여준다. 삼투 현상을 이용한 팽윤의 경우, 0.1 M의 KOH 수용액을 사용하여 고분자 부재의 팽윤을 진행하였다. 한편, 전기삼투 현상을 이용한 팽윤의 경우, 0.1 M의 KOH 수용액을 사용하면서 12 V/cm의 전기장을 고분자 부재에 인가하여 팽윤을 진행하였다.
도 12를 참조하면, 전기삼투 현상을 이용할 경우, 고분자 부재는 전기장 하에서 빠른 속도로 큰 힘을 발생할 수 있다. 따라서, 고분자 부재에 전기삼투 현상을 이용할 수 있는 고분자 전해질(polyelectrolyte)을 적용하고, 전기장을 인가하면서 팽윤을 진행할 경우, 빠른 속도록 큰 힘을 낼 수 있는 팽압 액추에이터를 구현할 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터와 기존의 소프트 액추에이터들의 힘과 속도를 비교하여 보여주는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터와 기존의 소프트 액추에이터들의 단위 시간당 발휘하는 힘을 비교하여 보여주는 그래프이다.
도 13 및 도 14에는 8가지의 기존 소프트 액추에이터들(i, ii, iii, iv, v, vi, vii, viii)의 데이터가 포함된다. 도 13 및 도 14 각각에서 'this work'이라고 표시한 데이터가 본 발명의 실시예에 해당한다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터는 기존의 소프트 액추에이터들에 비하여 빠른 속도로 큰 힘을 발생시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터는 기존의 소프트 액추에이터들에 비하여 월등히 큰 단위 시간당 힘을 발휘할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터를 이용한 파괴 실험을 진행한 결과를 보여주는 사진 이미지이다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터가 강한 힘을 발생시킬 수 있는 용도로 사용될 수 있다는 점을 보여주고 그 힘의 세기를 직관적으로 확인하기 위하여, 벽돌 깨기 실험을 진행하였다. 상기 고분자 기반 팽압 액추에이터는 도 1을 참조하여 설명한 구조를 가질 수 있다. 초기 부피가 0.6 cm3 인 적은 양의 고분자 네트워크 부재를 포함하는 팽압 액추에이터에 4 V/cm의 전기장을 약 5분 동안 가하면서 팽윤을 진행하였고, 그 결과, 550 N의 파괴 강도를 가지는 벽돌을 파괴시킬 수 있었다. 도 15에서 스케일 바는 3 cm를 나타낸다.
도 16은 비교예에 따른 고분자 액추에이터의 물리적 강도를 확인하기 위한 실험의 결과를 보여주는 사진 이미지이다. 상기 비교예에 따른 고분자 액추에이터는 투과성 속박 부재 없이 고분자 부재(10)만으로 구성된다.
도 16을 참조하면, 비교예에 따른 고분자 액추에이터의 고분자 부재(10)는 4 kg의 케틀벨에도 쉽게 부서지는 것을 확인할 수 있다. 투과성 속박 부재가 적용되지 않은 고분자 부재(10)는 약한 강도를 갖는다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터의 물리적 강도를 확인하기 위한 실험의 결과를 보여주는 사진 이미지이다. 상기 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터(즉, 100)는 고분자 부재를 투과성 속박 부재 내에 가둔 구조를 포함할 수 있다.
도 17을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터(100)는 20 kg의 케틀벨을 올려도 부서지지 않고 잘 견디는 것을 확인할 수 있다. 투과성 속박 부재에 싸여 있는 고분자 부재는 강한 강도를 가질 수 있다. 따라서, 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터(100)는 수중/수상 구조체 및 건축물로서 적용하기에 적합할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예들에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터를 적용하여 수중 구조체(underwater structure) 및 수상 구조체(floating structure 또는 on-water structure)를 구성(제작)할 수 있다. 그 예들이 도 18 내지 도 21에 예시된다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터를 적용하여 그리스 신전 형태의 수중 구조체를 제작하는 과정을 보여주는 도면이다. 도 18의 (A)도면은 그리스 신전의 제작 모식도이고, (B)도면은 시간 경과에 따른 실험 사진이다.
도 18을 참조하면, 수중에서 전기삼투 현상을 이용해서 고분자 기반 팽압 액추에이터를 팽윤시키면서 수중 구조체를 제조할 수 있다. 소량의 고분자 네트워크 부재가 2.5 V/cm의 전기장 하에 팽윤하여 약 8분 만에 튼튼한 구조체를 만들 수 있다. 이러한 구조체는 강한 팽압을 가지며, 약 17.3 N을 버틸 수 있었다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터를 적용하여 굽힙 액추에이션을 하는 구조체(액추에이터)를 제작하는 과정을 보여주는 도면이다.
도 19를 참조하면, 전기삼투를 적용한 팽압 액추에이션을 이용해서 선형(1D) 구조체의 굽힘 액추에이션을 구현할 수 있다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터를 적용하여 굽힙 액추에이션을 하는 구조체(액추에이터)를 제작하는 과정을 보여주는 도면이다.
도 20을 참조하면, 전기삼투를 적용한 팽압 액추에이션을 이용해서 평면적(2D) 구조체의 굽힘 액추에이션을 구현할 수 있다.
도 21은 도 20의 구조체 제작에 있어서 시간 경과에 따른 실험 사진 이미지이다. 도 21을 참조하면, 상기 구조체는 강한 팽압을 가질 수 있고, 약 8.6 N을 버틸 수 있었다.
도 18 내지 도 21을 참조하여 설명한 수중 구조체 및 수상 구조체의 구체적인 구조나 사이즈 등은 예시적인 것에 불과하고, 이들은 다양하게 변형될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예들에 따르면, 기계적 출력 성능(힘, 속도)을 크게 향상시킬 수 있는 고분자 기반 팽압 액추에이터를 구현할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 빠른 속도로 큰 힘을 발생시킬 수 있는 고분자 기반 팽압 액추에이터를 구현할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 발생하는 힘과 동작 속도 및 강성(단단한 정도)을 용이하게 제어할 수 있는 고분자 기반 팽압 액추에이터를 구현할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 고분자 액추에이터의 기계적 출력 성능(힘, 속도)을 크게 향상시킬 수 있다. 스스로 팽윤할 수 있는 고분자 네트워크 부재를 투과성 속박 부재(ex, 투과성 막) 내에 가두고, 삼투 또는 전기삼투를 통해 고분자 네트워크 부재를 팽윤시킴으로써, 팽압을 형성시켜 기계적 출력을 발생시킬 수 있다. 외부의 동력 없이도, 예컨대, 약 수 MPa에 해당하는 삼투압과 동일한 힘을 발생시킬 수 있으며, 전기 에너지를 이용하면, 훨씬 더 빠른 속도로 큰 힘을 발생시킬 수 있다. 또한, 팽윤한 액추에이터는 매우 큰 팽압을 형성하고 있으므로, 단단한 구조체로서 활용 가능하다. 또한, 투과성 속박 부재(ex, 투과성 막)의 부피나 물성 및/또는 고분자 네트워크 부재의 부피나 물성을 조절함으로써, 액추에이터가 발생하는 힘과 동작 속도 및 강성 등을 용이하게 제어할 수 있다. 또한, 고분자 네트워크 부재에 자극 응답성 고분자 네트워크를 적용하면, 전기장이나 이온 농도 등에 따라 단단함을 가역적으로 조절할 수 있다. 여기서, 상기 자극 응답성 고분자 네트워크는, 예를 들어, 빛, pH, 전기장 등 다양한 자극에 반응하여 수축 또는 팽윤을 조절할 수 있는 재료일 수 있다. 이를 위해, 상기 자극 응답성 고분자 네트워크의 말단기가 조절될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 부피가 작고 가벼워 다루기가 용이한 상태로 제작하여 쉽게 운반할 수 있고, 운반 후 펌프나 연결 장치 또는 전기 구동식 장비 없이 수중/수상 환경에서 스스로 액체(용매)를 흡수하여 강한 힘으로 고정체의 역할을 하거나 단단한 구조체를 형성할 수 있는 고분자 기반 팽압 액추에이터를 구현할 수 있다. 기존의 공압식 액추에이터와 비교해 보면, 부가적인 펌프 및 연결 장치가 필요 없고, 고분자 네트워크 자체가 가지는 삼투압을 이용하여 주변의 액체를 빨아들여 스스로 구동할 수 있다. 이러한 실시예들에 따른 고분자 기반의 팽압 액추에이터는 기존 건축의 한계를 극복할 수 있을 것으로 기대된다.
또한, 본 발명의 실시예에서는, 액체가 통과할 수 있고 비교적 큰 탄성 계수를 갖는 투과성 속박 부재와 구조체 전체 부피 대비 비교적 적은 양의 고분자 네트워크만으로 팽압 액추에이터를 제작할 수 있으므로, 대량 생산 및 경제성 측면에서 이점을 가질 수 있다.
최근, 지구온난화에 따른 해수면 상승 및 소득 증대 및 관광 행태 변화에 따른 해양 레포츠 수요 증가로 플로팅 건축물 및 해저 도시에 관한 관심이 증가하고 있다. 본 발명의 실시예는 수중/수상에서 구동 가능한 액추에이터 및 수중/수상 구조체 등에 활용될 수 있고, 플로팅 건축물 및 해저 도시 사업 등에 유용하게 적용될 수 있다.
수중 환경에서의 건축(예를 들어, 교량, 해저 터널 등)은 전기 구동식 장비의 활용이 제한되고 부력을 고려해야 하므로, 지상 건축과 달리 복잡하고 어려운 과정이 필요하다. 본 발명의 실시예에서 제안한 액추에이터는 부피가 작고 가벼워 다루기가 용이하며, 전기 구동식 장비 없이도 수중 환경을 스스로 흡수하며 단단한 구조체를 형성시킬 수 있으므로, 기존 건축의 제한점을 극복할 수 있다.
아울러, 본 발명의 실시예들은 고분자 네트워크를 이용한 소프트 액추에이터의 모든 응용 분야, 예를 들어, 인공 근육, 소프트 로보틱스, 바이오메디컬 엔지니어링 등의 응용 분야에 적용될 수 있다.
본 명세서에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다. 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 1, 도 3 내지 도 15, 도 17 내지 도 21을 참조하여 설명한 실시예에 따른 고분자 기반 팽압 액추에이터와 그 구동 방법 및 이를 적용한 구조체는, 본 발명의 기술적 사상이 벗어나지 않는 범위 내에서, 다양하게 치환, 변경 및 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
본 발명의 실시예들은 수중/수상에서 구동 가능한 액추에이터 및 수중/수상 구조체 등에 활용될 수 있고, 플로팅 건축물 및 해저 도시 사업 등에 적용될 수 있다. 아울러, 본 발명의 실시예들은 고분자 네트워크를 이용한 소프트 액추에이터의 모든 응용 분야, 예를 들어, 인공 근육, 소프트 로보틱스, 바이오메디컬 엔지니어링 등의 응용 분야에 적용될 수 있다.

Claims (12)

  1. 액체를 흡수하여 팽윤(swelling)할 수 있는 고분자 네트워크 부재(이하, 고분자 부재); 및
    상기 고분자 부재를 내부 수용 공간에 가두어 물리적으로 속박하도록 구성되고 액체 투과성(liquid permeability)을 갖는 투과성 속박 부재를 포함하고,
    상기 투과성 속박 부재의 상기 내부 수용 공간의 수용 가능 부피는 상기 투과성 속박 부재가 없는 경우에서의 상기 고분자 부재의 최대 팽윤 부피 보다 작은 고분자 기반 팽압 액추에이터(polymer-based turgor actuator).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 투과성 속박 부재의 상기 내부 수용 공간의 수용 가능 부피는 상기 투과성 속박 부재가 없는 경우에서의 상기 고분자 부재의 최대 팽윤 부피의 60% 이하인 고분자 기반 팽압 액추에이터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 투과성 속박 부재의 상기 내부 수용 공간의 수용 가능 부피는 상기 고분자 부재의 팽윤 전 초기 부피 보다 큰 고분자 기반 팽압 액추에이터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 투과성 속박 부재는 1 MPa 이상의 탄성 계수(elastic modulus)를 갖는 고분자 기반 팽압 액추에이터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 투과성 속박 부재는 상기 고분자 부재를 감싸는 투과성 막(membrane)을 포함하는 고분자 기반 팽압 액추에이터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 투과성 속박 부재는 메쉬(mesh) 구조를 갖는 고분자 기반 팽압 액추에이터.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 고분자 부재는 삼투(osmosis) 현상 내지 전기삼투(electroosmosis) 현상에 의해 액체를 흡수하여 팽윤하도록 구성된 고분자 기반 팽압 액추에이터.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 고분자 부재는 고분자 전해질을 포함하고,
    상기 고분자 기반 팽압 액추에이터는 상기 고분자 부재에 전기장을 인가하기 위한 전기장 인가 장치를 더 포함하는 고분자 기반 팽압 액추에이터.
  9. 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 기재된 고분자 기반 팽압 액추에이터의 구동 방법으로서,
    상기 고분자 기반 팽압 액추에이터를 액체에 담그거나 액체에 접촉시키는 단계를 포함하는 고분자 기반 팽압 액추에이터의 구동 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 고분자 기반 팽압 액추에이터의 상기 고분자 부재에 전기장을 인가하는 단계를 더 포함하는 고분자 기반 팽압 액추에이터의 구동 방법.
  11. 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 기재된 고분자 기반 팽압 액추에이터를 적용하여 구성된 수중 구조체(underwater structure).
  12. 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 기재된 고분자 기반 팽압 액추에이터를 적용하여 구성된 수상 구조체(floating structure).
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