KR102655322B1 - Actuator module using ionic polymer metal composite - Google Patents
Actuator module using ionic polymer metal composite Download PDFInfo
- Publication number
- KR102655322B1 KR102655322B1 KR1020220004518A KR20220004518A KR102655322B1 KR 102655322 B1 KR102655322 B1 KR 102655322B1 KR 1020220004518 A KR1020220004518 A KR 1020220004518A KR 20220004518 A KR20220004518 A KR 20220004518A KR 102655322 B1 KR102655322 B1 KR 102655322B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- ipmc
- module
- unit
- bending
- power
- Prior art date
Links
- 239000002905 metal composite material Substances 0.000 title description 4
- 229920000831 ionic polymer Polymers 0.000 title 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims abstract description 54
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 15
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 15
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 10
- ISRUGXGCCGIOQO-UHFFFAOYSA-N Rhoden Chemical compound CNC(=O)OC1=CC=CC=C1OC(C)C ISRUGXGCCGIOQO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract 22
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 11
- 230000008901 benefit Effects 0.000 abstract description 5
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 abstract description 5
- 230000007774 longterm Effects 0.000 abstract description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 19
- 229920001746 electroactive polymer Polymers 0.000 description 8
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 7
- 210000003205 muscle Anatomy 0.000 description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 229920003303 ion-exchange polymer Polymers 0.000 description 4
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 3
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 2
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 2
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 239000002322 conducting polymer Substances 0.000 description 2
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 2
- 210000001087 myotubule Anatomy 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 230000000638 stimulation Effects 0.000 description 2
- 229920000557 Nafion® Polymers 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000012777 electrically insulating material Substances 0.000 description 1
- 238000007772 electroless plating Methods 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 238000005342 ion exchange Methods 0.000 description 1
- 239000003014 ion exchange membrane Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 230000003278 mimic effect Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 description 1
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
- F03G7/008—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for characterised by the actuating element
- F03G7/012—Electro-chemical actuators
- F03G7/0121—Electroactive polymers
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Prostheses (AREA)
Abstract
본 발명은 이온 고분자 금속 혼합재를 이용한 액추에이터 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 입력전압이 지속적으로 인가될 때 굽힘 변형된 상태가 유지되도록 하는 이온 고분자 금속 혼합재를 이용한 액추에이터 모듈에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 전체 IPMC모듈의 변형을 최대화하고 일정한 힘을 유지함과 동시에 내부 물의 전기 분해를 방지하여 장시간 사용에도 일정한 성능을 유지할 수 있다는 장점이 있다.The present invention relates to an actuator module using an ionic polymer-metal mixture, and more specifically, to an actuator module using an ionic polymer-metal mixture that maintains a bending deformation state when an input voltage is continuously applied.
According to the present invention, there is an advantage in that the deformation of the entire IPMC module can be maximized, constant force can be maintained, and electrolysis of internal water can be prevented, thereby maintaining constant performance even during long-term use.
Description
본 발명은 이온 고분자 금속 혼합재를 이용한 액추에이터 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 입력전압이 지속적으로 인가될 때 굽힘 변형된 상태가 유지되도록 하는 이온 고분자 금속 혼합재를 이용한 액추에이터 모듈에 관한 것이다.The present invention relates to an actuator module using an ionic polymer-metal mixture, and more specifically, to an actuator module using an ionic polymer-metal mixture that maintains a bending deformation state when an input voltage is continuously applied.
최근 들어서 기존의 전기 모터, 공압, 유압 등의 액추에이터를 대체하여 가볍고 부드러우며 작은 부피를 가지는 소프트 액추에이터에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.Recently, research has been actively conducted on soft actuators that are light, soft, and have a small volume to replace existing electric motors, pneumatics, and hydraulic actuators.
소프트 액추에이터의 개발 기술들은 자연적 근 섬유의 기능을 모방하고 있기에 인공근육 (Artificial muscles)으로 불리며, 다양한 소재들을 적용한 인공근육 개발 연구가 진행되고 있다.The development technologies for soft actuators are called artificial muscles because they mimic the function of natural muscle fibers, and research on the development of artificial muscles using various materials is in progress.
그 중에서 전기활성고분자 (EAPs: Eectroactive polymers)를 사용하여 개발된 인공근육 소재들은 전기적 자극에 대응하여 자연적 근섬유와 유사한 수축과 팽창력을 보이고 있어 차세대 인공근육 엑츄에이터로서 많은 연구가 진행 중이다.Among them, artificial muscle materials developed using electroactive polymers (EAPs) show contraction and expansion similar to natural muscle fibers in response to electrical stimulation, so much research is underway as a next-generation artificial muscle actuator.
EAPs는 두 그룹으로 분류가 된다. 첫째 그룹은 전자 (Electron)의 움직임에 기반을 두고 있는 Electronic EAPs이며 electrostatic, piezoelectric, ferroelectric EAPs 등이 있다. 둘째 그룹은 이온의 움직임에 기반을 두고 있는 Ionic EAPs이며 Conducting polymer, Ionic polymer-metal composite 등이 있다.EAPs are classified into two groups. The first group is Electronic EAPs, which are based on the movement of electrons and include electrostatic, piezoelectric, and ferroelectric EAPs. The second group is Ionic EAPs, which are based on the movement of ions and include conducting polymer and ionic polymer-metal composite.
Electronic EAPs는 10 kV/mm 이상의 높은 활성화 전압이 필요하기 때문에, 의용 분야에 적용함에 있어서 많은 제약이 있다.Electronic EAPs require a high activation voltage of 10 kV/mm or more, so there are many limitations in their application to medical fields.
반면에, Ionic EAPs는 5V 이하의 낮은 활성화 전압 대비 큰 변형률을 보이고 있으며, 특히 이온성 고분자-금속 복합재 (IPMC: Ionic polymer-metal composite)의 경우 Conducting polymer에 비해 전류 소모량 및 열 발생이 작고 공기 중 뿐만 아니라 물이나 다양한 이온(H+, Na+, Li+ 등) 전해질 속에서 사용 가능하기 때문에 보다 인체에 적용하기에 용이한 장점들을 가진다.On the other hand, Ionic EAPs show a large strain rate compared to low activation voltages of 5V or less, and especially in the case of ionic polymer-metal composite (IPMC), current consumption and heat generation are smaller than conducting polymers, and In addition, it has the advantage of being easier to apply to the human body because it can be used in water or various ion (H + , Na + , Li + , etc.) electrolytes.
IPMC는 도 1에 도시된 바와 같이, 이온교환 고분자 필름의 양쪽 면이 금속으로 코팅되어 있는 구조를 가지고 있으며, 전압이 인가되면 굽힘 변형이 발생하는 특성을 가지고 있다. As shown in Figure 1, IPMC has a structure in which both sides of an ion exchange polymer film are coated with metal, and has the characteristic of generating bending deformation when voltage is applied.
표면을 코팅하고 있는 금속 전극은 높은 전기 전도성과 항부식성을 가지는 백금(Platinum)이 주로 사용되며, 초기 무전해도금방식으로 부터 현재까지 다양한 방식의 표면 금속의 소재개발과 코팅방법에 관한 연구가 진행 중에 있다.The metal electrode coating the surface is mainly made of platinum, which has high electrical conductivity and anti-corrosion properties, and research has been conducted on the development of various types of surface metal materials and coating methods from the early electroless plating method to the present. It's in the middle.
이온교환 고분자 필름으로는 연료전지의 이온 교환막으로도 사용되는 Nafion이 많이 사용되며 필름을 구성하고 있는 다공성 고분자 사슬구조의 끝단이 음이온으로 구성되어 있기 때문에 오직 물과 함께 양이온만을 흡수하는 성질이 있다.Nafion, which is also used as an ion exchange membrane in fuel cells, is widely used as an ion exchange polymer film. Because the end of the porous polymer chain structure that makes up the film is composed of anions, it has the property of absorbing only positive ions along with water.
도 2는 외부 자극이 없는 평형상태의 IPMC 내부를 묘사하고 있다. 이 상태에서는 필름에 흡수된 물과 양이온이 고분자 구조에 고정된 음이온과 전기적 평형상태를 이루고 있으며 따라서 필름의 변형이 발생하지 않는다.Figure 2 depicts the interior of the IPMC in equilibrium without external stimulation. In this state, the water and cations absorbed into the film are in electrical equilibrium with the anions fixed to the polymer structure, and therefore no deformation of the film occurs.
도 3은 이온교환필름 양면에 코팅된 금속 표면에 0~5V 범위의 전압이 인가된 경우 IPMC에서 발생하는 굽힘 변형의 메커니즘을 묘사하고 있다. 이 상태에서는 물 분자의 van der Waals' force로 인하여 수화된 양이온(Na+)이 음극 쪽으로 쏠리면서 음극과 맞닿은 필름의 표면에는 팽창력이, 양극과 맞닿은 필름의 표면에는 수축력이 발생하게 되며 이로 인하여 IPMC는 양극(+) 방향으로 굽혀지게 된다.Figure 3 depicts the mechanism of bending deformation that occurs in IPMC when a voltage in the range of 0 to 5 V is applied to the metal surface coated on both sides of the ion exchange film. In this state, due to the van der Waals' force of water molecules, hydrated positive ions (Na+) are drawn toward the cathode, causing an expansion force on the surface of the film in contact with the cathode and a contraction force on the surface of the film in contact with the anode. This causes IPMC. It bends in the positive (+) direction.
일반적으로 IPMC는 한쪽 끝이 전극에 고정된 cantilever 빔 형상에서 3V 정도의 입력 전압 하에 IPMC의 길이 대비 90% 이상의 굽힘 변위를 보이고 있으며 반응 시간 또한 3초 이내로 빠르기 때문에 인공근육 소재로서 큰 가능성을 가지고 있다. 또한, 이러한 IPMC의 굽힘 현상은 전해질 속에서 더욱 잘 발생하기 때문에 의용 분야 적용에 있어서도 큰 잠재력을 가지고 있다.In general, IPMC shows a bending displacement of more than 90% of the length of the IPMC under an input voltage of about 3V in the shape of a cantilever beam with one end fixed to an electrode, and the reaction time is also fast (less than 3 seconds), so it has great potential as an artificial muscle material. . Additionally, because the bending phenomenon of IPMC occurs more easily in an electrolyte, it has great potential for medical applications.
하지만, IPMC는 인공근육 소재로서 많은 장점들을 가지고 있음에도 불구하고 인공근육 엑츄에이터로 적용되기 위해서는 다음의 단점들이 연구를 통하여 극복되어야 한다.However, although IPMC has many advantages as an artificial muscle material, the following disadvantages must be overcome through research in order to be applied as an artificial muscle actuator.
첫째, IPMC는 5V이하 교류 입력 전압 하에서는 주파수에 대응하여 지속적인 굽힘 진동을 반복하지만 직류 전압 하에서는 지속적으로 입력 전압이 주어짐에도 불구하고 변형된 상태를 유지하지 못한다.First, IPMC repeats continuous bending oscillations in response to frequency under alternating current input voltage of 5V or less, but does not maintain its deformed state despite continuous input voltage under direct current voltage.
둘째, 이온 교환 고분자 필름 내부에 전해질이 없을 경우 엑츄에이터로 동작이 불가능하다. 도 3에 도시된 것처럼 양이온들은 물분자와 결합된 형태로 존재하며 IPMC가 공기중에 장시간 노출이 될 경우 물이 증발되어 도 3과 같이 사용할 수 없는 상태가 된다. 또한 1.1V 이상의 전압이 인가될 경우 물 분자의 전기분해로 인하여 IPMC의 성능이 급격히 저하된다.Second, if there is no electrolyte inside the ion exchange polymer film, it is impossible to operate as an actuator. As shown in Figure 3, cations exist in a form bound to water molecules, and when IPMC is exposed to air for a long time, the water evaporates and becomes unusable as shown in Figure 3. Additionally, when a voltage of 1.1V or higher is applied, the performance of the IPMC rapidly deteriorates due to electrolysis of water molecules.
따라서, IPMC 엑츄에이터의 성능 향상 및 다양한 분야의 적용을 위해서는 위에서 설명한 두 가지 문제점들이 개선되어야 한다. 본 발명에서는 IPMC 엑츄에이터의 정특성 향상 및 수분 증발을 방지할 수 있는 기술을 제시하고 있다.Therefore, in order to improve the performance of the IPMC actuator and apply it to various fields, the two problems described above must be improved. The present invention presents a technology that can improve the static characteristics of an IPMC actuator and prevent moisture evaporation.
본 발명은 입력전압이 지속적으로 인가될 때 굽힘 변형된 상태가 유지되도록 하는 이온 고분자 금속 혼합재를 이용한 액추에이터 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.The purpose of the present invention is to provide an actuator module using an ionic polymer-metal mixture that maintains a bending deformation state when an input voltage is continuously applied.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 전기 신호에 따라 굽힘 특성을 가지는 복수개의 IPMC유닛(100-1,...,100-n)이 상호 접착되어 하나의 가닥으로 형성되는 IPMC모듈(100); 상기 IPMC모듈(100)에 전원을 공급하는 전원공급부(200); 상기 전원공급부(200)와 IPMC모듈(100) 사이에 연결되고, 각각의 IPMC유닛에 전원이 독립적으로 인가될 수 있도록 구비되며, 소정의 시간간격(Δt) 동안 적어도 어느 하나의 IPMC유닛에만 전원이 공급되도록 순차적으로 제어하여, IPMC모듈(100) 전체의 굽힘 상태가 유지되도록 하는 제어부(300);를 포함하고, 상기 시간간격(Δt)은 적어도 어느 하나의 IPMC유닛에 전원이 공급되어 굽힘 변형이 발생되는 시점부터, 상기 굽힘 변형된 IPMC유닛에 풀림 변형이 발생되는 시점까지인 것을 특징으로 하고, 상기 복수개의 IPMC유닛(100-1,...,100-n)은 각각 전기적으로 절연성인 절연막(150-1,...,150-m)을 사이에 두고 상호 접착되는 것을 특징으로 하는 이온 고분자 금속 혼합재를 이용한 액추에이터 모듈을 제시한다.In order to achieve the above object, in the present invention, an IPMC module ( 100); A power supply unit 200 that supplies power to the IPMC module 100; It is connected between the power supply unit 200 and the IPMC module 100, and is provided so that power can be applied independently to each IPMC unit, and power is supplied to only at least one IPMC unit during a predetermined time interval (Δt). and a control unit 300 that sequentially controls supply to maintain the bending state of the entire IPMC module 100, wherein the time interval Δt is determined by supplying power to at least one IPMC unit so that bending deformation occurs. It is characterized in that from the point of occurrence to the point at which the bending deformation occurs in the IPMC unit, the plurality of IPMC units (100-1,..., 100-n) each have an electrically insulating insulating film. We present an actuator module using an ionic polymer-metal mixture that is bonded to each other with (150-1,...,150-m) in between.
본 발명에 따르면, 전체 IPMC모듈의 변형을 최대화하고 일정한 힘을 유지함과 동시에 내부 물의 전기 분해를 방지하여 장시간 사용에도 일정한 성능을 유지할 수 있다는 장점이 있다.According to the present invention, there is an advantage in that the deformation of the entire IPMC module can be maximized, constant force can be maintained, and electrolysis of internal water can be prevented, thereby maintaining constant performance even during long-term use.
도 1은 IPMC유닛의 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 전압이 인가되지 않은 평형상태의 IPMC유닛을 나타내는 도면이다.
도 3은 전압이 인가되어 굽힘 변형이 생긴 IPMC유닛을 나타내는 도면이다.
도 4는 시간의 흐름에 따라 IPMC유닛의 굽힘 특성이 변화하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 제1실시예에 따른 IPMC모듈의 평형상태를 나타내는 도면이다.
도 6 내지 도 8은 제1실시예에 따른 IPMC모듈의 굽힘 변형된 상태를 나타내는 도면이다.
도 9는 제2실시예에 따른 IPMC모듈의 평형상태를 나타내는 도면이다.
도 10은 제2실시예에 따른 IPMC모듈의 굽힘 변형된 상태를 나타내는 도면이다.
도 11은 시간의 흐름에 따라 IPMC모듈의 굽힘 변형이 유지되는 원리를 설명하기 위한 도면이다.1 is a diagram showing the structure of an IPMC unit.
Figure 2 is a diagram showing the IPMC unit in a balanced state without voltage applied.
Figure 3 is a diagram showing an IPMC unit in which a voltage is applied and bending deformation occurs.
Figure 4 is a diagram to explain the process by which the bending characteristics of an IPMC unit change over time.
Figure 5 is a diagram showing the equilibrium state of the IPMC module according to the first embodiment.
Figures 6 to 8 are views showing a bending deformed state of the IPMC module according to the first embodiment.
Figure 9 is a diagram showing the equilibrium state of the IPMC module according to the second embodiment.
Figure 10 is a diagram showing a bending deformed state of the IPMC module according to the second embodiment.
Figure 11 is a diagram to explain the principle of maintaining the bending deformation of the IPMC module over time.
이하 첨부된 도면을 바탕으로 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다. 다만 본 발명의 권리범위는 특허청구범위 기재에 의하여 파악되어야 한다. 또한 본 발명의 요지를 모호하게 하는 공지기술의 설명은 생략한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described based on the attached drawings. However, the scope of rights of the present invention must be understood by the description of the patent claims. Additionally, descriptions of known techniques that obscure the gist of the present invention will be omitted.
단, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.However, since the size and thickness of each component shown in the drawings are arbitrarily shown for convenience of explanation, the present invention is not necessarily limited to what is shown in the drawings, and the thickness is enlarged to clearly express various parts and areas. It was.
또한, 본 발명의 설명 중 "상", "하" 등의 방향 한정은 이해를 돕기 위해 도 1의 형태를 기준으로 지시하는 것일 뿐, 기준선(또는 도면)을 달리하면 방향도 달리 지시될 것임을 밝혀둔다.In addition, in the description of the present invention, direction limitations such as "up" and "down" are only indicated based on the shape of Figure 1 to aid understanding, and it is revealed that if the reference line (or drawing) is changed, the direction will be indicated differently. put it
본 발명은 이온 고분자 금속 혼합재를 이용한 액추에이터 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 입력전압이 지속적으로 인가될 때 굽힘 변형된 상태가 유지되도록 하는 이온 고분자 금속 혼합재를 이용한 액추에이터 모듈에 관한 것이다.The present invention relates to an actuator module using an ionic polymer-metal mixture, and more specifically, to an actuator module using an ionic polymer-metal mixture that maintains a bending deformation state when an input voltage is continuously applied.
여기서, 이온 고분자 금속 혼합재(Ionic polymer-metal composite, 이하 IPMC)란 이온교환 고분자 필름의 양쪽 면이 금속으로 코팅되어 있는 소재로서, 상기 금속에 전압이 인가되면 굽힘 변형이 발생하는 특성을 가지고 있다. 이는 공지기술이므로, 상세한 설명은 생략한다.Here, ionic polymer-metal composite (IPMC) is a material in which both sides of an ion-exchange polymer film are coated with metal, and has the characteristic of generating bending deformation when voltage is applied to the metal. Since this is a known technology, detailed description is omitted.
도 1은 IPMC유닛의 구조를 나타내는 도면이고, 도 2는 전압이 인가되지 않은 평형상태의 IPMC유닛을 나타내는 도면이고, 도 3은 전압이 인가되어 굽힘 변형이 생긴 IPMC유닛을 나타내는 도면이고, 도 4는 시간의 흐름에 따라 IPMC유닛의 굽힘 특성이 변화하는 과정을 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 제1실시예에 따른 IPMC모듈의 평형상태를 나타내는 도면이고, 도 6 내지 도 8은 제1실시예에 따른 IPMC모듈의 굽힘 변형된 상태를 나타내는 도면이고, 도 9는 제2실시예에 따른 IPMC모듈의 평형상태를 나타내는 도면이고, 도 10은 제2실시예에 따른 IPMC모듈의 굽힘 변형된 상태를 나타내는 도면이고, 도 11은 시간의 흐름에 따라 IPMC모듈의 굽힘 변형이 유지되는 원리를 설명하기 위한 도면이다.Figure 1 is a diagram showing the structure of the IPMC unit, Figure 2 is a diagram showing the IPMC unit in an equilibrium state without voltage applied, Figure 3 is a diagram showing the IPMC unit in which bending deformation occurs when voltage is applied, and Figure 4 is a diagram to explain the process of changing the bending characteristics of the IPMC unit over time, Figure 5 is a diagram showing the equilibrium state of the IPMC module according to the first embodiment, and Figures 6 to 8 are the first embodiment. It is a diagram showing the bending deformed state of the IPMC module according to an example, Figure 9 is a diagram showing the balanced state of the IPMC module according to the second embodiment, and Figure 10 is a diagram showing the bending deformed state of the IPMC module according to the second embodiment. This is a diagram showing, and Figure 11 is a diagram to explain the principle of maintaining the bending deformation of the IPMC module over time.
본 발명에 따른 액추에이터 모듈은 IPMC모듈(100)과, 전원공급부(200)와, 제어부(300)를 포함하여 구성될 수 있고, 추가로 제1,2판부재(400,500)를 포함할 수 있다.The actuator module according to the present invention may include an IPMC module 100, a power supply unit 200, and a control unit 300, and may further include first and second plate members 400 and 500.
IPMC모듈(100)에 대해 설명한다. IPMC모듈(100)은 전기 신호에 따라 굽힘 특성을 가지는 복수개의 IPMC유닛(100-1,...,100-n)을 포함하는 부분으로서, 본 발명에서는 두 가지 실시예로 제시된다.The IPMC module 100 will be described. The IPMC module 100 is a part that includes a plurality of IPMC units (100-1,...,100-n) that have bending characteristics according to electrical signals, and is presented in two embodiments in the present invention.
IPMC모듈(100)의 제1실시예로서, 복수개의 IPMC유닛(100-1,...,100-n)이 상호 접착되어 하나의 가닥으로 형성될 수 있으며, 이 경우 상기 복수개의 IPMC유닛(100-1,...,100-n)은 각각 절연막(150-1,...,150-m)을 사이에 두고 상호 접착될 수 있다. As a first embodiment of the IPMC module 100, a plurality of IPMC units 100-1,..., 100-n may be bonded to each other to form a single strand, in which case the plurality of IPMC units ( 100-1,...,100-n) may be bonded to each other with an insulating film 150-1,...,150-m interposed therebetween.
일 예로, 도 5 내지 도 8에서는 설명상 편의를 위해 3개의 IPMC유닛(100-1,100-2,100-3)과 2개의 절연막(150-1,150-2)으로 구성된 IPMC모듈(100)의 제1실시예가 도시되어 있으나, IPMC유닛과 절연막의 갯수를 가감할 수 있음은 물론이다.As an example, in Figures 5 to 8, for convenience of explanation, a first embodiment of the IPMC module 100 consisting of three IPMC units (100-1, 100-2, 100-3) and two insulating films (150-1, 150-2) is shown. Although shown, it is of course possible to add or subtract the number of IPMC units and insulating films.
여기서, 복수개의 IPMC유닛(100-1,...,100-n)은 실리콘과 같은 비전도성 접착제를 사용하여 접착되는 것이 바람직하다.Here, the plurality of IPMC units (100-1,...,100-n) are preferably bonded using a non-conductive adhesive such as silicone.
상기 절연막(150-1,...,150-m)은 각각의 IPMC유닛(100-1,...,100-n)이 서로 직접적으로 맞닿지 않도록 하여 절연상태를 유지시키기 위한 부분으로서, 전기적으로 절연성인 소재로 형성되는 것이 바람직하다.The insulating film (150-1,...,150-m) is a part to maintain the insulating state by preventing each IPMC unit (100-1,...,100-n) from directly contacting each other, It is preferably formed of an electrically insulating material.
IPMC모듈(100)의 제2실시예로서, 복수개의 IPMC유닛(100-1,...,100-n)이 소정 간격을 두고 이격 형성될 수 있으며, 이 경우 복수개의 IPMC유닛(100-1,...,100-n)의 양 단부에는 제1,2판부재(400,500)가 부착될 수 있다.As a second embodiment of the IPMC module 100, a plurality of IPMC units 100-1,..., 100-n may be formed spaced apart at a predetermined interval, and in this case, a plurality of IPMC units 100-1 First and second plate members 400 and 500 may be attached to both ends of ,...,100-n).
여기서, 제1판부재(400)는 복수개의 IPMC유닛(100-1,...,100-n)의 각각의 일단부가 동시에 부착되는 부분이고, 제2판부재(500)는 복수개의 IPMC유닛(100-1,...,100-n)의 각각의 타단부가 동시에 부착되는 부분이다.Here, the first plate member 400 is a part to which one end of each of the plurality of IPMC units 100-1,..., 100-n is attached simultaneously, and the second plate member 500 is a part of the plurality of IPMC units 100-1,...,100-n. The other ends of each of (100-1,...,100-n) are attached simultaneously.
이 경우에는, 각각의 IPMC유닛(100-1,...,100-n)이 서로 이격되어 절연상태가 유지되므로, 제1실시예와 같이 절연막(150-1,...,150-m)은 불필요하다.In this case, since each IPMC unit (100-1,...,100-n) is spaced apart from each other and maintained in an insulated state, the insulating film (150-1,...,150-m) is maintained as in the first embodiment. ) is unnecessary.
일 예로, 도 9 내지 도 10에서는 설명상 편의를 위해 3개의 IPMC유닛(100-1,100-2,100-3)으로 구성된 IPMC모듈(100)의 제2실시예가 도시되어 있으나, IPMC유닛의 갯수를 가감할 수 있음은 물론이다.As an example, in Figures 9 and 10, a second embodiment of the IPMC module 100 consisting of three IPMC units (100-1, 100-2, 100-3) is shown for convenience of explanation, but the number of IPMC units can be added or subtracted. Of course it is possible.
전원공급부(200)에 대해 설명한다. 전원공급부(200)는 상기 IPMC모듈(100)에 전원을 공급하는 부분으로서, 물의 전기분해에 의한 수명단축을 방지하기 위하여 1V 이하의 전압이 인가되도록 하는 것이 바람직하다.The power supply unit 200 will be described. The power supply unit 200 is a part that supplies power to the IPMC module 100, and it is desirable to apply a voltage of 1V or less to prevent lifespan shortening due to electrolysis of water.
제어부(300)에 대해 설명한다. 제어부(300)는 상기 전원공급부(200)와 IPMC모듈(100) 사이에 연결되는 부분으로서, 각각의 IPMC유닛에 전원이 독립적으로 인가될 수 있도록 구비되며, 소정의 시간간격(Δt) 동안 적어도 어느 하나의 IPMC유닛에만 전원이 공급되도록 순차적으로 제어하여, IPMC모듈(100) 전체의 굽힘 상태가 유지되도록 하는 부분이다.The control unit 300 will be described. The control unit 300 is a part connected between the power supply unit 200 and the IPMC module 100, and is provided so that power can be applied independently to each IPMC unit, and is provided to at least one device during a predetermined time interval (Δt). This is a part that sequentially controls power to be supplied to only one IPMC unit, thereby maintaining the bending state of the entire IPMC module (100).
여기서, 상기 시간간격(Δt)은 적어도 어느 하나의 IPMC유닛에 전원이 공급되어 굽힘 변형이 발생되는 시점부터, 상기 굽힘 변형된 IPMC유닛에 풀림 변형이 발생되는 시점까지인 것을 특징으로 한다.Here, the time interval (Δt) is characterized in that it is from the time when power is supplied to at least one IPMC unit and bending deformation occurs to the time when loosening deformation occurs in the bending deformed IPMC unit.
종래의 IPMC모듈은 하나의 IPMC유닛으로 구성되어, 입력전압이 지속적으로 인가되더라도 굽힘 변형이 풀려버리는 문제점이 있었다 (도 4 참조). 즉, 도 4를 참조하면, 굽힘이 최고점 이후에 서서히 풀어지는 것을 확인할 수 있다.The conventional IPMC module consists of one IPMC unit, and there was a problem in that the bending deformation was released even if the input voltage was continuously applied (see FIG. 4). That is, referring to Figure 4, it can be seen that the bending gradually relaxes after the peak point.
반면에, IPMC모듈(100)이 복수개의 IPMC유닛으로 구성된 경우에는, 복수개의 IPMC유닛 중 적어도 어느 하나의 IPMC유닛에 굽힘 변형이 발생되면, 다른 IPMC유닛에 굽힘 변형된 IPMC유닛의 팽창력과 수축력이 전달되기 때문에, 전체 IPMC모듈(100)의 정특성 향상 즉, 굽힘 특성이 유지되는 효과를 발휘한다(도 11 참조). 즉, 도 11을 참조하면, 각각의 IPMC유닛은 굽힘 변형이 풀어지더라도 전체 IPMC모듈(100)은 소정의 굽힘을 유지하는 것을 확인할 수 있다.On the other hand, when the IPMC module 100 is composed of a plurality of IPMC units, when bending deformation occurs in at least one IPMC unit among the plurality of IPMC units, the expansion force and contraction force of the bending deformation IPMC unit are increased in the other IPMC units. Because it is transmitted, the static characteristics of the entire IPMC module 100 are improved, that is, the bending characteristics are maintained (see FIG. 11). That is, referring to FIG. 11, it can be seen that even if the bending deformation of each IPMC unit is released, the entire IPMC module 100 maintains a predetermined bending.
다만, IPMC모듈(100)이 지나치게 많은 IPMC유닛으로 구성된 경우에는, IPMC유닛의 팽창력과 수축력이 효과적으로 전달되기 어렵기 때문에, IPMC유닛은 소정의 개수 이하로만 구성하는 것이 바람직하다.However, when the IPMC module 100 is composed of too many IPMC units, it is difficult to effectively transmit the expansion and contraction forces of the IPMC units, so it is preferable to configure the IPMC units no more than a predetermined number.
상술한 본 발명의 특성에 대해, 도 6 내지 도 8을 참조하여 상세히 설명한다. 도 6 내지 도 8은 시간의 흐름에 따라 전체 IPMC 모듈에 굽힘 변형이 유지되는 원리를 설명하는 도면이다.The characteristics of the present invention described above will be described in detail with reference to FIGS. 6 to 8. Figures 6 to 8 are diagrams illustrating the principle by which bending deformation is maintained in the entire IPMC module over time.
즉, 도 6을 참조하면, 소정의 시간간격(Δt) 동안 어느 하나의 IPMC유닛(100-1)에 입력전압이 인가되어 굽힘 변형이 발생되면, 다른 IPMC유닛(100-2,100-3)에 굽힘 변형된 IPMC유닛(100-1)의 팽창력과 수축력이 전달되어 전체 IPMC모듈(100)에 굽힘 변형이 발생된다.That is, referring to FIG. 6, when an input voltage is applied to one IPMC unit (100-1) and bending deformation occurs during a predetermined time interval (Δt), bending occurs in the other IPMC units (100-2, 100-3). The expansion and contraction forces of the deformed IPMC unit (100-1) are transmitted and bending deformation occurs in the entire IPMC module (100).
도 7을 참조하면, 소정의 시간 경과 후 굽힘 변형된 IPMC유닛(100-1)은 풀어지게 되고, 그 다음 소정의 시간간격(Δt) 동안 어느 하나의 IPMC유닛(100-2)에 입력전압이 인가되어 굽힘 변형이 발생되면, 다른 IPMC유닛(100-1,100-3)에 굽힘 변형된 IPMC유닛(100-2)의 팽창력과 수축력이 전달되어 전체 IPMC모듈(100)에 굽힘 변형이 발생된다.Referring to FIG. 7, after a predetermined time has elapsed, the bent and deformed IPMC unit 100-1 is released, and then an input voltage is applied to one of the IPMC units 100-2 during a predetermined time interval Δt. When applied and bending deformation occurs, the expansion and contraction forces of the bending deformed IPMC unit (100-2) are transmitted to other IPMC units (100-1, 100-3), thereby causing bending deformation to the entire IPMC module (100).
마찬가지로 도 8을 참조하면, 소정의 시간 경과 후 굽힘 변형된 IPMC유닛(100-2)은 풀어지게 되고, 그 다음 소정의 시간간격(Δt) 동안 어느 하나의 IPMC유닛(100-3)에 입력전압이 인가되어 굽힘 변형이 발생되면, 다른 IPMC유닛(100-1,100-2)에 굽힘 변형된 IPMC유닛(100-3)의 팽창력과 수축력이 전달되어 전체 IPMC모듈(100)에 굽힘 변형이 발생된다.Similarly, referring to FIG. 8, after a predetermined time has elapsed, the bent and deformed IPMC unit (100-2) is released, and then an input voltage is applied to one of the IPMC units (100-3) for a predetermined time interval (Δt). When this is applied and bending deformation occurs, the expansion force and contraction force of the bending deformed IPMC unit (100-3) are transmitted to other IPMC units (100-1, 100-2), thereby generating bending deformation in the entire IPMC module (100).
한편, 도 6 내지 도 8에서는 IPMC모듈(100)의 제1실시예를 기준으로 정특성 향상 효과를 설명하였으나, IPMC모듈(100)의 제2실시예에서도 동일한 원리가 적용될 수 있음은 자명하다.Meanwhile, in FIGS. 6 to 8, the effect of improving static characteristics is explained based on the first embodiment of the IPMC module 100, but it is obvious that the same principle can be applied to the second embodiment of the IPMC module 100.
즉, IPMC모듈(100)의 제2실시예에서도 전원이 인가되지 않으면 IPMC모듈(100)이 평형 상태를 유지하고, 전원이 인가되면 전체 IPMC모듈(100)에 굽힘 변형이 유지되는 것이다.That is, even in the second embodiment of the IPMC module 100, when power is not applied, the IPMC module 100 maintains an equilibrium state, and when power is applied, bending deformation is maintained in the entire IPMC module 100.
제1,2판부재(400,500) 사이의 거리는 평형 상태일 때의 거리(l,도 9) 보다 굽힘 변형된 상태일 때의 거리(l',도 10)가 작아지는 것은 자명하다.It is obvious that the distance between the first and second plate members 400 and 500 when in a bending deformed state (l', Figure 10) is smaller than the distance when in an equilibrium state (l, Figure 9).
본 발명에 따르면, 전체 IPMC모듈의 변형을 최대화하고 일정한 힘을 유지함과 동시에 내부 물의 전기 분해를 방지하여 장시간 사용에도 일정한 성능을 유지할 수 있다는 장점이 있다.According to the present invention, there is an advantage in that the deformation of the entire IPMC module can be maximized, constant force can be maintained, and electrolysis of internal water can be prevented, thereby maintaining constant performance even during long-term use.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes are possible without departing from the technical spirit of the present invention as is known in the technical field to which the present invention pertains. It will be clear to those who have knowledge.
100 : IPMC모듈
200 : 전원공급부
300 : 제어부
400 : 제1판부재
500 : 제2판부재100: IPMC module
200: Power supply unit
300: control unit
400: 1st plate member
500: 2nd plate member
Claims (3)
상기 IPMC모듈(100)에 전원을 공급하는 전원공급부(200);
상기 전원공급부(200)와 IPMC모듈(100) 사이에 연결되고, 각각의 IPMC유닛에 전원이 독립적으로 인가될 수 있도록 구비되며, 소정의 시간간격(Δt) 동안 적어도 어느 하나의 IPMC유닛에만 전원이 공급되도록 순차적으로 제어하여, IPMC모듈(100) 전체의 굽힘 상태가 유지되도록 하는 제어부(300);를 포함하고,
상기 시간간격(Δt)은
적어도 어느 하나의 IPMC유닛에 전원이 공급되어 굽힘 변형이 발생되는 시점부터, 상기 굽힘 변형된 IPMC유닛에 풀림 변형이 발생되는 시점까지인 것을 특징으로 하고,
상기 복수개의 IPMC유닛(100-1,...,100-n)은 각각 전기적으로 절연성인 절연막(150-1,...,150-m)을 사이에 두고 상호 접착되는 것을 특징으로 하는
이온 고분자 금속 혼합재를 이용한 액추에이터 모듈.
An IPMC module (100) in which a plurality of IPMC units (100-1,...,100-n) having bending characteristics according to electrical signals are bonded together to form one strand;
A power supply unit 200 that supplies power to the IPMC module 100;
It is connected between the power supply unit 200 and the IPMC module 100, and is provided so that power can be applied independently to each IPMC unit, and power is supplied to only at least one IPMC unit during a predetermined time interval (Δt). It includes a control unit 300 that sequentially controls supply to maintain the bending state of the entire IPMC module 100,
The time interval (Δt) is
It is characterized in that from the time when power is supplied to at least one IPMC unit and bending deformation occurs to the time when loosening deformation occurs in the bending deformed IPMC unit,
The plurality of IPMC units (100-1,...,100-n) are each bonded to each other with an electrically insulating insulating film (150-1,...,150-m) interposed therebetween.
Actuator module using ionic polymer-metal mixture.
상기 IPMC모듈(100)에 전원을 공급하는 전원공급부(200);
상기 전원공급부(200)와 IPMC모듈(100) 사이에 연결되고, 각각의 IPMC유닛에 전원이 독립적으로 인가될 수 있도록 구비되며, 소정의 시간간격(Δt) 동안 적어도 어느 하나의 IPMC유닛에만 전원이 공급되도록 순차적으로 제어하여, IPMC모듈(100) 전체의 굽힘 상태가 유지되도록 하는 제어부(300);
상기 복수개의 IPMC유닛(100-1,...,100-n)의 각각의 일단부가 동시에 부착되는 제1판부재(400);
상기 복수개의 IPMC유닛(100-1,...,100-n)의 각각의 타단부가 동시에 부착되는 제2판부재(500);를 포함하고,
상기 시간간격(Δt)은
적어도 어느 하나의 IPMC유닛에 전원이 공급되어 굽힘 변형이 발생되는 시점부터, 상기 굽힘 변형된 IPMC유닛에 풀림 변형이 발생되는 시점까지인 것을 특징으로 하는
이온 고분자 금속 혼합재를 이용한 액추에이터 모듈.
An IPMC module (100) in which a plurality of IPMC units (100-1,...,100-n) having bending characteristics according to electrical signals are formed spaced apart at predetermined intervals;
A power supply unit 200 that supplies power to the IPMC module 100;
It is connected between the power supply unit 200 and the IPMC module 100, and is provided so that power can be applied independently to each IPMC unit, and power is supplied to only at least one IPMC unit during a predetermined time interval (Δt). A control unit 300 that sequentially controls supply to maintain the bending state of the entire IPMC module 100;
A first plate member 400 to which one end of each of the plurality of IPMC units 100-1,..., 100-n is simultaneously attached;
It includes a second plate member 500 to which the other ends of each of the plurality of IPMC units 100-1,..., 100-n are simultaneously attached,
The time interval (Δt) is
Characterized in that from the time when power is supplied to at least one IPMC unit and bending deformation occurs to the time when loosening deformation occurs in the bending deformed IPMC unit.
Actuator module using ionic polymer-metal mixture.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220004518A KR102655322B1 (en) | 2022-01-12 | 2022-01-12 | Actuator module using ionic polymer metal composite |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220004518A KR102655322B1 (en) | 2022-01-12 | 2022-01-12 | Actuator module using ionic polymer metal composite |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230108872A KR20230108872A (en) | 2023-07-19 |
| KR102655322B1 true KR102655322B1 (en) | 2024-04-04 |
Family
ID=87425917
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220004518A KR102655322B1 (en) | 2022-01-12 | 2022-01-12 | Actuator module using ionic polymer metal composite |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102655322B1 (en) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008236950A (en) * | 2007-03-22 | 2008-10-02 | Eamex Co | Opening and closing actuator |
| US20180053386A1 (en) * | 2015-03-09 | 2018-02-22 | The University Of British Columbia | Apparatus and methods for providing tactile stimulus incorporating tri-layer actuators |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101220258B1 (en) | 2009-05-18 | 2013-01-21 | 서울대학교산학협력단 | Non-metallic all-organic actuator comprising composite layer of highly conductive polyaniline and ionic conductive polymer, and its preparation method |
-
2022
- 2022-01-12 KR KR1020220004518A patent/KR102655322B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008236950A (en) * | 2007-03-22 | 2008-10-02 | Eamex Co | Opening and closing actuator |
| US20180053386A1 (en) * | 2015-03-09 | 2018-02-22 | The University Of British Columbia | Apparatus and methods for providing tactile stimulus incorporating tri-layer actuators |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20230108872A (en) | 2023-07-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Must et al. | Ionic and capacitive artificial muscle for biomimetic soft robotics | |
| Wax et al. | Electroactive polymer actuators and devices | |
| US5250167A (en) | Electrically controlled polymeric gel actuators | |
| US9662197B2 (en) | Artificial muscle | |
| Otero et al. | Biomimetic electrochemistry from conducting polymers. A review: artificial muscles, smart membranes, smart drug delivery and computer/neuron interfaces | |
| US8421304B2 (en) | Actuator and actuator structure | |
| JP5098245B2 (en) | Actuator and manufacturing method thereof | |
| US20120032553A1 (en) | Actuator | |
| US8373335B2 (en) | Actuator element and use of same | |
| US7327067B2 (en) | Actuator modules | |
| CN104868777A (en) | Friction nanometer generator, generating set and power generation method | |
| JP4821487B2 (en) | Actuator device and driving method thereof | |
| Ahn et al. | A Review of Recent Advances in Electrically Driven Polymer‐Based Flexible Actuators: Smart Materials, Structures, and Their Applications | |
| KR20060100558A (en) | Biomimetic electro-active paper actuators | |
| US20040025639A1 (en) | Novel electrically active ionic polymer metal composites and novel methods of manufacturing them | |
| CN102077457B (en) | Polymeric actuator and device equipped with polymeric actuator | |
| JPH066991A (en) | Actuator element | |
| JP2010283928A (en) | Polymer transducer | |
| KR102655322B1 (en) | Actuator module using ionic polymer metal composite | |
| Onishi et al. | Bending response of polymer electrolyte actuator | |
| Liu et al. | Experimental studies and numerical simulation of polypyrrole trilayer actuators | |
| JPH0797912B2 (en) | Mechanochemical actuator | |
| Kokubo et al. | Effects of carbon electrode materials on performance of ionic polymer actuators having electric double-layer capacitor structure | |
| JPH0932718A (en) | Actuator element | |
| KR101667334B1 (en) | Inorganic actin-myosin coupling for stretchable electronics and energy storage |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |