KR102541878B1

KR102541878B1 - 구리 나노와이어가 표면 성장된 형상기억합금, 이를 포함하는 인공 근육, 그리고 그 제조 방법

Info

Publication number: KR102541878B1
Application number: KR1020210066787A
Authority: KR
Inventors: 오일권; 오세웅
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2021-05-25
Filing date: 2021-05-25
Publication date: 2023-06-12
Also published as: US20220380925A1; KR20220159016A; US11692279B2

Abstract

일 실시예는 인공 근육으로 응용되는 형상기억합금의 구동 속도 향상에 관한 것으로, 형상기억합금의 표면에 구리 나노와이어를 성장시킴으로써 열전도 및 열대류를 향상시켜 형상기억합금의 자연냉각 속도 및 구동 속도를 향상시키는 것에 관한 것이다.

Description

구리 나노와이어가 표면 성장된 형상기억합금, 이를 포함하는 인공 근육, 그리고 그 제조 방법{COPPER NANOWIRE GROWN SHAPE-MEMORY-ALLOY , ARTIFICIAL MUSCLE INCLUDING THE SAME, AND MANUFACTURING THEREOF}

구리 나노와이어 포함 형상기억합금, 이를 포함하는 인공 근육, 그리고 그 제조 방법이 제공된다.

조용하고, 부드럽고, 그리고 자유로운 형상을 가지며 큰 힘을 낼 수 있는 인공 근육은, 기존의 모터 또는 유압 기반 구동기를 대체하여 보행 로봇, 서비스 로봇, 헬스 보조형 로봇, 착용형 로봇 등 많은 로봇 분야에서의 구동기로서 그 수요가 높아지고 있다. 인공 근육에 사용되는 형상기억합금(Shape Memory Alloy, 이하 SMA)은 가열과 냉각을 통해 구동될 수 있다. 예를 들어, 형상기억합금을 냉각하는 경우, 그 형상을 원하는 형태로 변형시킬 수 있으며, 형상기억합금을 가열하는 경우, 형상기억합금은 변형되기 전의 기억된 형상으로 되돌아올 수 있다. 그러나, 형상기억합금 기반 인공 근육은 큰 힘 또는 대변형을 일으킬 수 있다는 장점이 있음에도 불구하고, 형상기억합금은 일반적으로 온도 변화에 따른 구동 속도가 느리다는 단점이 있다.

형상기억합금을 가열하기 위한 방식으로는 고온의 유체를 흘려주거나, 전류의 흐름을 통한 줄 가열(Joule heating) 방식이 있고, 형상기억합금을 냉각하기 위한 방식으로는 자연대류를 통한 자연냉각 또는 유체의 흐름을 통한 강제 냉각이 있다. 이때, 가열에 비해 현저하게 속도가 느린 냉각으로 인해 형상기억합금의 구동 속도가 제한된다. 따라서 형상기억합금의 구동 속도를 향상시키고자 종래에는 별도의 모터나 에어펌프로부터의 유체의 흐름을 추가하여 형상기억합금을 강제로 냉각시킨다. 그러나, 이는 무겁고 부피가 큰 모터 또는 에어펌프가 구동 시 포함되어야 한다는 단점을 가진다.

한국등록특허 10-2063730 한국등록특허 10-1868265

Carbon nanotube (CNT) fins for enhanced cooling of shape memory alloy wire, Anupam Pathak, Proc. SPIE 6929, Behavior and Mechanics of Multifunctional and Composite Materials, 2008, 4, 69291K

일 실시예는 형상기억합금의 자연대류 하에서 냉각속도를 향상시켜 형상기억합금의 구동 속도를 향상시키기 위한 것이다.

일 실시예는 구리 나노와이어가 성장된 형상기억합금의 강제 냉각에서도 냉각 속도를 향상시켜 형상기억합금의 구동 속도를 향상시키기 위한 것이다.

일 실시예는 형상기억합금에 기억된 본래의 형상 이외 다른 형상이 기억되는 것을 방지하고자 상온에서 형상기억합금 표면에 구리 나노와이어를 성장시키기 위한 것이다.

일 실시예는 한 번의 제조 과정을 통해 다량의 형상기억합금에 구리 나노와이어를 성장시키기 위한 것이다.

일 실시예는 형상기억합금의 두께, 넓이, 그리고 형태에 상관없이 형상기억합금의 표면에 구리 나노와이어를 성장시키는 방법을 제공하기 위한 것이다.

상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.

일 실시예에 따른 구리 나노와이어가 표면에 직접 성장된 형상기억합금의 제조 방법은, 형상기억합금 표면의 산화막을 제거하는 단계, 형상기억합금 표면에 구리를 전착(電着, electrodeposit)시키는 단계, 전착된 구리를 기반으로 수산화구리 나노와이어를 형상기억합금 표면에 성장시키는 단계, 수산화구리 나노와이어를 산화구리 나노와이어로 산화시키는 단계, 그리고 산화구리 나노와이어의 환원을 통해 산화구리 나노와이어를 구리 나노와이어로 환원시키는 단계를 포함한다.

형상기억합금은 박막, 와이어, 스프링 등의 형태를 가질 수 있으며, 그 두께는 약 0.08mm 내지 약 1.5mm 일 수 있다.

형상기억합금 표면의 산화막을 제거하기 위한 주재료는 인산(H₃PO₄), 과산화수소수 (H₂O₂), 물 등을 하나 이상 포함할 수 있다.

인산과 과산화수소수의 혼합 비율은 약 5:1 내지 약 4:1의 질량 비율일 수 있다.

인산, 과산화수소수, 그리고 물의 혼합물은 약 80℃ 내지 약 90℃의 온도에서 사용될 수 있다.

형상기억합금 표면의 산화막을 제거하기 위한 시간은 약 40분 내지 약 60분 동안 진행될 수 있다.

형상기억합금 표면에 구리를 전착시키기 위한 주재료는 황산구리(CuSO₄), 황산(H₂SO₄), 물 등을 하나 이상 포함할 수 있다.

황산구리와 황산의 비율은 약 1:1의 몰 비율로 사용될 수 있다. 예를 들어, 황산구리와 황산은 총 1L 용액 내에서 각각 0.5몰 및 0.5몰의 농도로 사용될 수 있다.

구리를 전착시키기 위한 조건으로 삼전극 전기도금법이 사용될 수 있다.

예를 들어, 삼전극 전기도금법에서, 형상기억합금은 작동 전극, 포화(saturated) KCl을 전해질로 하는 Ag/AgCl 전극은 기준 전극, 그리고 구리막은 상대 전극으로 사용될 수 있다.

사용된 구리막의 두께는 약 0.02 내지 약 0.2mm일 수 있다.

구리 전착을 위한 삼전극 전기도금법의 입력 전압은 약 -0.5V 내지 약 -0.6V, 시간은 약 30초 내지 약 120초일 수 있다. 전착된 구리를 기반으로 수산화구리 나노와이어 성장 단계의 주재료는 과황산암모늄((NH₄)₂S₂O₈), 수산화칼륨(KOH), 물 등을 하나 이상 포함할 수 있다.

과황산암모늄의 농도는 약 0.05M 내지 약 0.2M이며, 수산화칼륨의 농도는 약 2M 내지 약 3M일 수 있다.

수산화구리 나노와이어 성장을 위해 상온에서 과황산암모늄과 수산화칼륨 혼합 용액에 구리가 전착된 형상기억합금을 약 5분 내지 약 15분 동안 담가 둘 수 있다.

일 실시예에 따른 수산화구리 나노와이어의 생성 밀도는 구리가 전착된 형상기억합금을 과황산암모늄과 수산화칼륨 혼합 용액에 담가두는 시간에 따라 조절될 수 있다.

일 실시예에 따른 수산화구리 나노와이어의 구조는 형상기억합금을 중심으로 방사형 바늘 모양, 원기둥 모양 등으로 성장되어 있을 수 있다.

형상기억합금의 표면에 성장된 수산화구리 나노와이어의 산화를 통한 산화구리 나노와이어로 산화시키기 위해, 약 140℃ 내지 약 150℃ 오븐에서 약 2시간 내지 약 3시간동안 수산화구리 나노와이어가 성장된 형상기억합금이 가열될 수 있다.

일 실시예에 따른 산화구리 나노와이어의 구조는 형상기억합금을 중심으로 방사형 바늘, 원기둥 모양 등으로 성장되어 있을 수 있다.

형상기억합금의 표면에 성장된 산화구리 나노와이어의 환원을 통한 구리 나노와이어로의 환원 단계를 위해 사용되는 주재료는 수산화칼륨(KOH), 물 등을 하나 이상 포함하고, 삼전극 순환 전압법이 사용될 수 있다.

수산화칼륨의 농도는 약 0.15M 내지 약 0.2M일 수 있다.

삼전극 순환 전압법으로 산화구리 나노와이어가 성장된 형상기억합금이 작동 전극으로, 포화 KCl을 전해질로 하는 Ag/AgCl 전극이 기준 전극으로, 백금 전극이 상대 전극으로 사용될 수 있다.

삼전극 순환 전압법의 순환 전압 조건은 약 -2.6V 내지 약 -1.115V 까지 4회 내지 5회 순환일 수 있다.

일 실시예에 따른 구리 나노와이어의 구조는 형상기억합금을 중심으로 방사형 바늘 모양, 원기둥 모양 등으로 성장되어 있을 수 있다.

일 실시예에 따르면, 형상기억합금의 표면에 구리 나노와이어를 직접 성장시켜 형상기억합금과 구리 나노와이어 사이의 열전도율을 향상시킬 수 있다.

일 실시예에 따르면, 형상기억합금의 표면에 구리 나노와이어를 직접 성장시켜 형상기억합금의 비표면적을 향상시키고 이에 따른 열대류를 향상시킬 수 있다.

일 실시예에 따르면, 형상이 기억되는 온도인 약 350℃ 이하에서 제조 공정이 진행되어 기존에 기억된 형상을 유지하며 구리 나노와이어를 형상기억합금의 표면에 직접 성장시킬 수 있다.

일 실시예에 따르면, 한번에 약 150개 이상의 형상기억합금에 구리 나노와이어를 성장시킬 수 있다.

일 실시예에 따르면, 형상기억합금이 인공 근육으로 활용되어 수축 및 이완되는 과정에서 표면에 직접 성장된 구리 나노와이어가 안정적인 구조를 유지할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 자연대류 상태에서 종래의 형상기억합금 대비 구동 속도를 향상시킬 수 있다.

일 실시예에 따르면, 강제냉각 상태에서 종래의 형상기억합금 대비 구동 속도를 향상시킬 수 있다.

일 실시예에 따르면, 구리 나노와이어가 표면에 직접 성장된 형상기억합금은 빠른 구동 속도가 요구되는 다양한 엔지니어링 분야에 응용될 수 있다.

도 1은 구리 나노와이어가 표면에 직접 성장된 형상기억합금 스프링의 SEM 표면 이미지이다.
도2는 구리 나노와이어가 표면에 직접 성장된 형상기억합금과 구리 나노와이어가 없는 종래의 형상기억합금의 시간에 따른 온도 변화 그래프이다.
도3은 구리 나노와이어가 표면에 직접 성장된 형상기억합금 스프링과 구리 나노와이어가 없는 형상기억합금 스프링의 줄 가열을 통한 온도 변화에 따른 수축 및 이완 그래프이다.

첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

그러면 일 실시예에 따른 구리 나노와이어 포함 형상기억합금, 이를 포함하는 인공 근육, 그리고 그 제조 방법에 대해 상세히 설명한다.

별도의 냉각장치 없이 자연냉각 상태에서 형상기억합금의 냉각속도 및 구동 속도를 향상시키기 위해, 일 실시예에 따른 형상기억합금의 표면에 구리 나노와이어를 직접 성장시킨다. 구리 나노와이어는 열전도율이 높은 구리를 기반으로 하여 형상기억합금으로부터 구리 나노와이어까지 열의 전도를 원활하게 할 수 있고, 구리 나노와이어의 성장을 통한 형상기억합금의 비표면적 증대로 자연대류에서의 열 발산이 촉진될 수 있다.

일 실시예에 따른 구리 나노와이어가 표면에 직접 성장된 형상기억합금의 제조 방법에 대하여 상세하게 설명한다.

형상기억합금 표면의 산화막을 약 80℃ 내지 약 90℃의 온도로 가열된 인산, 과산화수소수, 물이 약 5:1:4 내지 약 4:1:5의 질량비로 혼합된 용액에 약 40분 내지 약 60분 동안 담가 둘 수 있으며, 이러한 조건에서 형상기억합금 표면의 산화막이 가장 효율적으로 제거될 수 있다.

형상기억합금 표면의 산화막을 제거하는 경우, 형상기억합금 표면의 전기전도성을 높일 수 있으므로, 전기도금을 통한 구리 전착(電着, electrodeposit) 시 구리가 원활히 형상기억합금 표면에 도금될 수 있다. 또한, 형상기억합금의 산화막 내부에 있는 금속과 구리 사이의 결합이 견고하게 형성되므로, 기계적 변형에도 안정적인 구조를 갖는 구리층이 형상기억합금의 표면에 전착될 수 있다.

산화막이 제거된 형상기억합금 표면에 구리를 전착시키기 위해, 물에 약 0.5M의 황산구리(CuSO₄)와 약 0.5M의 황산(H₂SO₄)이 혼합된 용액을 전해질로 하여 삼전극 전기도금법이 사용될 수 있다.

삼전극 전기도금법을 통한 구리의 전착 방법은 형상기억합금의 굴곡 형태, 또는 복잡한 형태에 상관없이 모든 면에 균일하게 구리를 전착시킬 수 있다. 또한, 가스증착, 원자증착법 등과 비교할 때, 삼전극 전기도금법은 빠른 시간 안에 형성기억합금의 표면에 구리를 전착시킬 수 있다. 그리고, 삼전극 전기도금법은 전기를 사용하기 때문에 형상기억합금을 구성하는 금속과 구리 사이의 결합력이 견고하도록 구리를 형상기억합금에 전착시킬 수 있다.

삼전극 전기도금법에서, 산화막이 제거된 형상기억합금은 작동 전극으로, 포화(saturated) KCl을 전해질로 하는 Ag/AgCl 전극은 기준 전극으로, 그리고 약 0.02 내지 약 0.2mm 두께의 구리막은 상대 전극으로 사용될 수 있다. 삼전극 전기도금법에 따르면, 입력 전압은 약 -0.5V 내지 약 -0.6V, 그리고 시간은 약 30초 내지 약 120초이며, 산화막이 제거된 형상기억합금의 표면에 구리가 전착될 수 있다. 이러한 공정 조건에서 삼전극 전기도금법이 진행되는 경우, 형상기억합금의 표면에 구리의 전착률이 개선될 수 있으며, 형상기억합금과 구리의 결합력이 증대될 수 있다.

형상기억합금의 표면에 전착된 구리를 기반으로 수산화구리 나노와이어를 성장시키는데 물에 과황산암모늄((NH₄)₂S₂O₈)과 수산화칼륨(KOH)을 혼합할 수 있다. 과황산암모늄의 농도는 약 0.05M 내지 약 0.2M이며, 수산화칼륨의 농도는 약 2M 내지 약 3M일 수 있으며, 이러한 범위에 있을 때, 수산화구리 나노와이어가 균일하게 형성기억합금의 표면에 성장될 수 있다. 예를 들어, 약 0.13M의 과황산암모늄((NH₄)₂S₂O₈)과 약 2.5M의 수산화칼륨(KOH)이 혼합된 용액이 사용될 수 있다.

수산화구리 나노와이어 성장을 위해 상온에서 제조된 과황산암모늄과 수산화칼륨의 혼합 용액에 구리가 전착된 형상기억합금을 약 5분 내지 약 15분 동안 담가 두어, 전착된 구리로부터 수산화구리 나노와이어가 성장되도록 만들 수 있다.

일 실시예에 따른 수산화구리 나노와이어의 구조는 형상기억합금을 중심으로 방사형 바늘 모양, 원기둥 모양 등으로 성장되어 형상기억합금의 비표면적을 향상시킬 수 있고, 이를 통해 열대류를 촉진하여 냉각속도를 향상시키는데 유리한 구조를 가질 수 있다.

하지만, 수산화구리는 낮은 열전도성을 갖기 때문에 형상기억합금으로부터 나노와이어로의 열전도가 낮을 수 있다. 이에 따라, 수산화구리를 열전도성이 높은 구리로 환원시키기 위해, 먼저 수산화구리를 산화구리로 산화시킨 후 이를 구리로 환원시킨다. 예를 들어, 형상기억합금의 표면에 성장된 수산화구리 나노와이어를 약 140℃ 내지 약 150℃ 오븐에서 약 2시간 내지 약 3시간 동안 가열시킨다. 이러한 가열을 통해, 형상기억합금의 표면에 성장된 수산화구리 나노와이어는, 나노와이어의 고유 구조를 유지하면서, 산화구리 나노와이어로 산화될 수 있다.

다음, 형상기억합금의 표면에 성장된 산화구리 나노와이어의 환원을 통한 구리 나노와이어로의 환원 단계를 위해, 물에 약 0.15M 내지 약 0.2M 농도의 수산화칼륨(KOH)이 용해된 혼합 용액을 전해질로 하는 삼전극 순환 전압법이 사용될 수 있다.

삼전극 순환 전압법에서, 산화구리 나노와이어가 성장된 형상기억합금은 작동 전극으로, 포화 KCl을 전해질로 하는 Ag/AgCl 전극은 기준 전극으로, 백금 전극은 상대 전극으로 사용될 수 있으며, 순환 전압 조건은 약 -2.6V에서 약 -1.115V 까지 4회 내지 5회 순환하여 산화구리가 구리로 환원될 수 있다.

이러한 공정 조건을 갖는 삼전극 순환 전압법을 이용한 환원 방식은 종래의 약 400℃ 내지 약 1000℃에서 수소(H₂) 기체를 사용해 산화구리를 구리로 환원하는 방법과 비교하여 매우 낮은 온도인 약 25℃ 내지 약 27℃에서 진행될 수 있으며, 이에 따라 고온에서 형상기억합금이 다른 형상으로 기억되거나 그 구조가 붕괴되는 것이 방지될 수 있다. 또한, 종래의 고온 환원 방식은 약 1시간 내지 약 4시간의 시간이 필요한 것에 비해, 삼전극 순환법을 통한 환원 방식은 약 5분 내외로 진행될 수 있다.

구리 나노와이어가 표면에 직접 성장된 형상기억합금은 금속 중에 열전도율이 가장 높은 구리가 나노와이어 형태로 성장될 수 있다. 또한, 나노와이어의 구조로 인해 증가한 형상기억합금의 비표면적은 형상기억합금의 열전도 및 열대류를 향상시켜, 종래의 형상기억합금에 비해 냉각 속도가 빨라지고 이를 통해 인공 근육으로 활용될 때 구동 속도가 향상될 수 있다.

종래 기술에 따르면, 형상기억합금의 자연대류 상태에서 느린 냉각으로 인해 별도의 모터나 에어펌프를 사용해 유체의 흐름을 유발시켜 형상기억합금을 강제 냉각시킨다. 그러나, 이러한 종래 기술에 따르면, 무겁고 부피가 큰 모터와 에어펌프가 사용되어야 하며, 이러한 무겁고 부피가 큰 장치들을 사용하면 종래의 모터나 유압식 기반의 로봇과 비교하여 형상기억합금 기반 인공 근육이 갖고 있는 장점이 퇴색할 수 있다.

이에 반하여, 일 실시예에 따르면, 형상기억합금 표면에 열전도율이 높은 구리 나노와이어를 직접 성장시킴으로써, 형상기억합금과 구리 나노와이어 사이의 열전도를 높일 수 있고, 성장된 나노와이어 구조를 통해 형상기억합금의 비표면적을 향상시켜 자연대류 상태에서의 열대류를 촉진시킬 수 있다. 이를 통해, 강제 냉각 요소가 없이도 자연 냉각 상태에서도 향상된 냉각 속도를 보여 구동 속도를 향상시킬 수 있다.

이하, 실시예를 들어 본 발명에 대해서 더욱 상세하게 설명할 것이나, 하기의 실시예는 본 발명의 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

Ni/Ti합금으로 구성된 형상기억합금의 표면 산화막을 제거하기 위해, 인산, 과산화수소수, 그리고 물이 약 5:1:4 질량비로 혼합된 용액을 약 85℃로 가열 한 후 약 0.3mm 두께의 형상기억합금 스프링을 혼합 용액에 약 40분 동안 담가둔다.

산화막이 제거된 형상기억합금 스프링을 3차 정제수로 약 5분 동안 세척한다.

형상기억합금의 표면에 구리를 전착시키기 위해, 형상기억합금 스프링을 황산구리와 황산이 각각 약 0.5M 및 약 0.5M로 물과 혼합된 용액을 전해질로 한 삼전극 전기도금법을 시행한다.

삼전극 전기도금을 시행하기 위해 형상기억합금 스프링을 작동 전극으로, 포화 KCl을 전해질로 하는 Ag/AgCl 전극을 기준 전극으로, 약 0.1mm 두께의 구리막을 상대 전극으로 연결한다.

구리 전착을 위한 삼전극 전기도금으로 입력 전압은 약 -0.505V, 시간은 약 60초로 하여 형상기억합금 표면에 구리를 전착시킨다.

상기 과정을 통해 제작한 구리가 전착된 형상기억합금 스프링을 3차 정제수로 약 5분 동안 세척한다.

구리가 전착된 형상기억합금 스프링을 약 0.13M의 과황산암모늄과 약 2.5M의 수산화칼륨이 물에 혼합된 용액에 약 10분 동안 담가두어 전착된 구리를 기반으로 수산화구리 나노와이어가 성장되도록 한다.

상기 과정을 통해 제작한 수산화구리 나노와이어가 성장된 형상기억합금 스프링을 3차 정제수로 약 5분 동안 세척한다.

수산화구리 나노와이어가 성장된 형상기억합금을 약 150℃로 가열된 오븐에 2시간 동안 넣어 두어 수산화구리 나노와이어를 산화구리 나노와이어로 산화시키고, 가열이 끝난 후 약 25℃가 되면 오븐에서 꺼낸다.

상기 과정을 통해 제작한 산화구리 나노와이어를 물에 혼합된 약 0.15M의 KCl 농도 용액을 전해질로 하여 삼전극 순환 전압법을 통해 산화구리 나노와이어를 구리 나노와이어로 환원시킨다.

삼전극 순환 전압법으로 산화구리 나노와이어가 성장된 형상기억합금이 작동 전극으로, 포화 KCl을 전해질로 하는 Ag/AgCl 전극이 기준 전극으로, 백금 전극이 상대 전극으로 사용된다.

순환 전압 조건으로 약 -2.6V 내지 약 -1.115V 까지 5회 순환하여 산화구리 나노와이어를 구리 나노와이어로 환원시켜 구리 나노와이어가 표면에 직접 성장된 형상기억합금 스프링을 제작한다.

SEM 분석

전술한 실시예 1에 따른 구리 나노와이어가 표면에 직접 성장된 형상기억합금 스프링의 SEM 표면 이미지를 촬영하여 도1에 도시한다. 도 1을 참고하면, 구리 나노와이어는 원기둥 형태의 형상기억합금을 중심으로 방사형태의 뾰족한 바늘 또는 원기둥의 구조를 가지고 있다.

온도 변화 분석

전술한 실시예 1에 따른 구리 나노와이어가 표면에 직접 성장된 형상기억합금과 구리 나노와이어가 없는 형상기억합금의 시간에 따른 온도 변화를 도 2에 도시한다. 도 2를 참고하면, 약 60℃까지 가열된 후 약 30℃까지 냉각되는데 구리 나노와이어가 표면에 직접 성장된 형상기억합금이 구리 나노와이어가 없는 형상기억합금에 비해 빠르게 냉각되는 것을 알 수 있다.

구동 속도 분석

전술한 실시예 1에 따른 구리 나노와이어가 표면에 직접 성장된 형상기억합금 스프링과 구리 나노와이어가 없는 형상기억합금 스프링의 줄 가열을 통한 온도 변화에 따른 수축 및 이완 과정을 도 3에 도시한다. 형상기억합금 스프링에 약 300g의 무게 추를 매달고 약 1.3A의 전류를 약 2초 동안 인가하여 두 형상기억합금 스프링 모두 약 50%의 변형까지 수축한다. 이후 자연대류 상태에서 냉각하여 수축된 형상기억합금 스프링이 본래의 상태까지 이완되는데 걸리는 시간을 비교한다. 도 3을 참고하면, 구리 나노와이어가 표면에 직접 성장된 형상기억합금이 구리 나노와이어가 없는 형상기억합금에 비해 빠른 속도로 이완됨을 확인할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims

형상기억합금의 표면의 산화막을 제거하는 단계,
상기 산화막이 제거된 형상기억합금의 표면에 구리를 전착(電着, electrodeposit)시키는 단계,
상기 구리가 전착된 형상기억합금의 표면에 수산화구리 나노와이어를 성장시키는 단계,
상기 형상기억합금의 표면에 성장된 수산화구리 나노와이어를 산화구리 나노와이어로 산화시키는 단계, 그리고
상기 형상기억합금의 표면에 성장된 산화구리 나노와이어를 구리 나노와이어로 환원시키는 단계
를 포함하는 형상기억합금의 제조 방법.
제1항에서,
상기 형상기억합금의 표면의 산화막을 제거하기 위한 주재료는 인산 (H₃PO₄), 과산화수소수(H₂O₂), 그리고 물을 포함하는 형상기억합금의 제조 방법.
제2항에서,
상기 형상기억합금의 표면의 산화막을 제거하는데 사용되는 용액은 인산과 과산화수소수의 혼합 용액을 포함하고, 상기 인산과 상기 과산화수소의 질량 비율이 5:1 내지 4:1인 형상기억합금의 제조 방법.
제2항에서,
상기 형상기억합금의 표면의 산화막을 제거하는데 사용되는 혼합 용액은 80℃ 내지 90℃의 온도에서 사용되는 형상기억합금의 제조 방법.
제2항에서,
상기 형상기억합금의 표면의 산화막을 제거하기 위한 시간은 40분 내지 60분인 형상기억합금의 제조 방법.
제1항에서,
상기 산화막이 제거된 형상기억합금의 표면에 구리를 전착시키기 위한 주재료는 황산구리(CuSO₄), 황산(H₂SO₄), 그리고 물을 포함하는 형상기억합금의 제조 방법.
제6항에서,
상기 산화막이 제거된 형상기억합금의 표면에 구리를 전착시키는데 사용되는 용액은 황산구리와 황산의 혼합 용액을 포함하고, 상기 황산구리와 상기 황산의 몰 비율이 1:1인 형상기억합금의 제조 방법.
제6항에서,
상기 산화막이 제거된 형상기억합금의 표면에 구리를 전착시키기 위한 조건으로 삼전극 전기도금법이 사용되고, 상기 삼전극 전기도금법으로 형상기억합금이 작동 전극, 포화 KCl을 전해질로 하는 Ag/AgCl 전극이 기준 전극, 구리막이 상대 전극으로 사용되는 형상기억합금의 제조 방법.
제8항에서,
상기 삼전극 전기도금법에 사용된 구리막의 두께는 0.02mm 내지 0.2mm 인 형상기억합금의 제조 방법.
제8항에서,
상기 삼전극 전기도금법의 입력 전압은 -0.5V 내지 -0.6V, 시간은 30초 내지 120초인 형상기억합금의 제조 방법.
제1항에서,
상기 구리가 전착된 형상기억합금의 표면에 수산화구리 나노와이어를 성장시키는 단계의 주재료는 과황산암모늄((NH₄)₂S₂O₈), 수산화칼륨(KOH), 그리고 물을 포함하는 형상기억합금의 제조 방법.
제11항에서,
상기 구리가 전착된 형상기억합금의 표면에 수산화구리 나노와이어를 성장시키는데 과황산암모늄과 수산화칼륨이 사용되는 형상기억합금의 제조 방법.
제11항에서,
상기 구리가 전착된 형상기억합금의 표면에 수산화구리 나노와이어를 성장시키기 위해 상온에서 과황산암모늄과 수산화칼륨 혼합 용액에 구리가 전착된 형상기억합금을 5분 내지 15분 동안 담가 두는 형상기억합금의 제조 방법.
제1항에서,
상기 형상기억합금의 표면에 성장된 수산화구리 나노와이어를 산화구리 나노와이어로 산화시키는 단계를 위해 140℃ 내지 150℃ 오븐에서 2시간 내지 3시간 동안 수산화구리 나노와이어가 성장된 형상기억합금을 가열시켜 수산화구리 나노와이어를 산화구리 나노와이어로 산화시키는 형상기억합금의 제조 방법.
제1항에서,
상기 형상기억합금의 표면에 성장된 산화구리 나노와이어를 구리 나노와이어로 환원시키기 위한 주재료는 물에 혼합된 0.15M 내지 0.2M 농도의 수산화칼륨 용액을 포함하는 형상기억합금의 제조 방법.
제15항에서,
상기 형상기억합금의 표면에 성장된 산화구리 나노와이어를 구리 나노와이어로 환원시키기 위한 방법으로 삼전극 순환 전압법이 사용되는 형상기억합금의 제조 방법.
제16항에서,
상기 삼전극 순환 전압법으로 산화구리 나노와이어가 성장된 형상기억합금이 작동 전극으로, 포화 KCl을 전해질로 하는 Ag/AgCl 전극이 기준 전극으로, 백금 전극이 상대 전극으로 사용되는 형상기억합금의 제조 방법.
제17항에서,
상기 삼전극 순환 전압법의 순환 전압 조건으로 -2.6V 내지 -1.115V 까지 4회 내지 5회 순환인 형상기억합금의 제조 방법.
형상기억합금 와이어, 스프링, 또는 박막, 그리고
상기 형상기억합금 와이어, 스프링, 또는 박막의 표면에 직접 성장되어 있는 구리 나노와이어
를 포함하고,
상기 구리 나노와이어는 상기 형상기억합금의 표면에 성장된 산화구리 나노와이어가 환원된 것이고,
상기 산화구리 나노와이어는 상기 형상기억합금의 표면에 성장된 수산화구리 나노와이어가 산화된 것이고, 그리고
상기 수산화구리 나노와이어는 구리가 전착된 형상 기억합금의 표면에 성장된 것인, 인공 근육.
제19항에서,
상기 구리 나노와이어가 직접 성장된 형상기억합금에서 상기 형상기억합금은 0.08mm 내지 1.5mm 두께를 가지, 상기 구리 나노와이어는 방사형으로 뾰족한 바늘 또는 원기둥의 형상을 갖는 인공 근육.
형상기억합금은 와이어, 스프링, 또는 박막의 형상을 갖고, 그리고
상기 형상기억합금의 표면에 구리 나노와이어가 직접 성장되어 있고,
상기 구리 나노와이어는 상기 형상기억합금의 표면에 성장된 산화구리 나노와이어가 환원된 것이고,
상기 산화구리 나노와이어는 상기 형상기억합금의 표면에 성장된 수산화구리 나노와이어가 산화된 것이고, 그리고
상기 수산화구리 나노와이어는 구리가 전착된 형상 기억합금의 표면에 성장된 것인,
형상기억합금.