KR102143112B1 - 복합체 액추에이터 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 실리콘 및 상기 실리콘 내부에 혼합되도록 배치되는 산화철을 포함하여 전원이 인가됨에 의해 구동 가능하도록 이루어지는 복합체 액추에이터를 포함하고, 상기 복합체 액추에이터는 상기 산화철이 1 내지 20 wt%의 함량으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합체 액추에이터 장치를 제공한다.

Description

복합체 액추에이터 장치{Composite Actuator Device}
본 발명은 복합체 액추에이터 장치에 관한 것으로, 산화철 및 실리콘 복합체의 전하 분극을 이용한 정전기력을 통해 구동하는 복합체 액추에이터 장치에 관한 것이다.
플렉시블 액추에이터(flexible actuator)의 일 범주로서, EAP(electroactive polymer) 액츄에이터라고 불리는 플렉시블 액추에이터가 알려져 있다.
EAP는 전기가 통하면 수축하는 성질을 갖는 '전기활성 고분자'를 의미하는데, 근육의 움직임이 필요한 장애인용 인공 팔다리와 비행선의 날개, 인공심장판막, 물고기 로봇 등의 인공피부에 활용된다.
EAP(electroactive polymer) 액츄에이터는 전기적 자극 및 광학, 열 등과 같은 화학적 자극에 의해 구동되게 된다.
또한, EAP 액추에이터는 유전체와 탄성체 액추에이터로 이루어지고, 전계 유도 활성화 반응은 두 개의 대전 된 전도성 층 사이의 정전 인력에 의해 촉발된다.
이온 EAP 액추에이터는 폴리머 내에서 이온의 이동에 의해 작동한다. 이온 EAP 액추에이터는 외부 변수, 온도, 용매 품질 및 pH의 작은 변화로 인해 불 연속적 변화하는데, 이온성 EAP의 예로는 고분자 전해질 겔, 전도성 폴리머, 버키 겔 액츄에이터 등이있다.
최근, 신규 재료 및 제조에 관한 연구가 지속되고 있는데, 재료의 열적 안정성과 기계적 성능을 향상시키는 액추에이터의 개발이 요구된다.
한국 등록 특허 제10-1095024호
본 발명의 일 목적은 재료의 열적 안정성과 기계적 성능을 향상시키는 액추에이터 장치를 제공하는 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 복합체 액추에이터 장치는 실리콘 및 상기 실리콘 내부에 혼합되도록 배치되는 산화철을 포함하여 전원이 인가됨에 의해 구동 가능하도록 이루어지는 복합체 액추에이터를 포함하고, 상기 복합체 액추에이터는 상기 산화철이 1 내지 20 wt%의 함량이다.
본 발명과 관련된 일 예에 의하면, 상기 산화철은 Fe3O4이다.
본 발명과 관련된 다른 일 예에 의하면, 본 발명의 복합체 액추에이터 장치는, 상기 복합체 액추에이터에 기 결정된 거리 이격되도록 설치되는 금속판을 더 포함하고, 상기 전원이 인가됨에 의해 상기 복합체 액추에이터는 정전기적 인력에 의해 상기 금속판을 향해 구동한다.
바람직하게는, 상기 복합체 액추에이터는 상기 산화철이 4.9 내지 5.1 wt%의 함량일 수 있다.
상기 복합체 액추에이터의 공진 주파수는 3 ± 0.1 Hz일 수 있다.
본 발명의 복합체 액추에이터 장치는 전압의 인가시에 복합체 액추에이터 내의 산화철에서 전하가 분극되면서 외부 패널 전극 사이에 정전기력에 의해 구동할 수 있다.
본 발명의 복합체 액추에이터 장치는 환자의 재활, 소프트 로봇 부품, 연속체 로봇, 소형 드릴링 장치 및 진동 발생이나 촉감피드백 디바이스 등에 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 복합체 액추에이터에서 전하 분극에 의해 정전기력이 발생하는 복합체 액추에이터 장치의 일 예를 도시하는 개념도.
도 2는 본 발명의 복합체 액추에이터 장치의 일 예를 도시하는 개념도.
도 3a는 복합체 액추에이터의 동작 전 상태를 도시하는 개념도.
도 3b는 복합체 액추에이터가 금속판을 향해 구동된 일 예를 도시하는 개념도.
도 3c는 복합체 액추에이터가 금속판을 향해 구동된 다른 일 예를 도시하는 개념도.
도 4는 공진주파수에서, 복합체 액추에이터의 산화철의 농도별 변위차를 보여주는 표.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일, 유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
우선, 본 발명의 복합체 액추에이터 장치(100)는 복합체 액추에이터(10)를 포함한다.
복합체 액추에이터(10)는 실리콘(silicon, 13) 및 산화철(iron oxide, 17)을 포함하도록 이루어지는데, 전원이 인가됨에 의해 구동 가능하도록 이루어진다.
실리콘(13)은 전원이 인가되면 산화철(17)에서 전하가 분극되면서 외부 패널 전극 사이에 정전기력에 의해 구동한다.
산화철(17)은 실리콘(13)의 내부에 혼합되도록 배치되어 전원이 인가됨에 의해 전하가 분극됨에 의해 외부의 패널과의 사이에서 정전기적 인력을 발생시킨다.
예를 들면, 산화철(17)은 덩어리 형태로 실리콘(13)의 내부에 군데군데 분포되도록 실리콘(13)과 함께 굳혀져서 형성될 수 있다.
도 1을 참조하면, 산화철(17)이 덩어리 형태로 실리콘(13)의 내부에 군데군데 분포되도록 실리콘(13)에 배치되고, 산화철(17)의 전하 분극에 의해 정전기력이 발생하는 예가 도시된다.
복합체 액추에이터(10) 내에서 산화철(17)의 함량은 1 내지 20 wt%으로 이루어진다. 일례로, 산화철(17)의 함량은 4.9 내지 5.1 wt%일 수 있다. 또한, 본 발명의 복합체 액추에이터 장치(100)에서 산화철(17)은 Fe3O4의 화학식을 가지는 산화철(17)일 수 있다.
복합체 액추에이터(10)에는 전압이 인가되도록 전원이 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 복합체 액추에이터 장치(100)는 금속판(20)을 더 포함할 수 있다. 전원이 인가됨에 의해 복합체 액추에이터(10)는 정전기적 인력에 의해 금속판(20)을 향해 구동할 수 있다.
금속판(20)은 복합체 액추에이터(10)와 평행하도록 배치될 수 있어서, 복합체 액추에이터(10)는 전원 인가에 의해, 금속판(20)에 인접하도록 구동하게 된다.
금속판(20)은 일례로, 알루미늄(Al)의 재질로 이루어질 수 있다.
금속판(20)에 및 복합체 액추에이터(10)에는 각각 서로 다른 극성의 전원이 인가되는 것이 바람직하다.
도 2에는 복합체 액추에이터(10) 및 금속판(20) 각각에 다른 극성의 전극(10a, 20a)이 연결된 예가 도시된다.
또한, 복합체 액추에이터(10)의 공진 주파수는 복합체 액추에이터(10)의 최대 액추에이션을 가능하게 하도록 3 ± 0.1 Hz인 것이 바람직하다.
이와 같은 구성에 의해, 본 발명의 복합체 액추에이터 장치(100)는 전하분극 특성을 이용한 정전기력을 통해서 구동되게 된다.
도 3a에는 복합체 액추에이터(10)의 동작 전 상태가 도시되고, 도 3b에는 복합체 액추에이터(10)가 금속판(20)을 향해 구동된 예, 도 3c는 복합체 액추에이터(10)가 금속판(20)을 향해 진동하도록 구동된 예가 도시되어 있다.
도 4에는 본 발명의 복합체 액추에이터 장치(100)에서, 복합체 액추에이터(10)의 산화철(17)의 농도별 변위차를 보여주는데, 산화철(17)의 농도 1 wt %에서 변위차 3.1 mm, 농도 1.5 wt %에서 변위차 3.92 mm, 농도 2 wt %에서 변위차 4.29 mm, 농도 2.5 wt %에서 변위차 4.98 mm, 농도 5 wt %에서 변위차 5.19 mm, 농도 10 wt %에서 변위차 4.94 mm, 농도 20 wt %에서 변위차 4.78 mm 인 결과가 보여진다.
도 4에서의 결과를 통해서 산화철(17)의 농도가 약 5 wt %에서 최대의 변위차가 발생하였음을 확인하였다.
한편, 본 발명의 복합체 액추에이터 장치(100)는 환자의 재활, 소프트 로봇 부품, 연속체 로봇, 소형 드릴링 장치 및 진동 발생이나 촉감피드백 디바이스 등에 활용될 수 있다.
이상에서 설명한 복합체 액추에이터 장치(100)는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
100:복합체 액추에이터 장치
10:복합체 액추에이터
13:실리콘
17:산화철
20:금속판
10a, 20a : 전극

Claims (5)

  1. 실리콘 및 상기 실리콘 내부에 혼합되도록 배치되는 산화철을 포함하여 전원이 인가됨에 의해 구동 가능하도록 이루어지는 복합체 액추에이터; 및
    상기 복합체 액추에이터에 기 결정된 거리 이격되도록 설치되는 금속판을 포함하고,
    상기 전원이 인가됨에 의해 상기 복합체 액추에이터는 상기 실리콘 및 상기 산화철의 복합체의 전하 분극을 이용한 정전기적 인력에 의해 상기 금속판을 향해 구동하고,
    상기 산화철은 Fe3O4이고, 상기 복합체 액추에이터는, 상기 산화철이 4.9 내지 5.1 wt%의 함량으로 이루어지고 나머지 함량은 실리콘으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합체 액추에이터 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복합체 액추에이터의 공진 주파수는 3 ± 0.1 Hz인 것을 특징으로 하는 복합체 액추에이터 장치.
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