KR20120063318A - 다층 전기활성 폴리머 디바이스 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

다층 전기활성 폴리머 디바이스와 이의 제조방법이 개시된다. 다층 전기활성 폴리머 디바이스는 적층된 복수의 단위 층(a plurality of unit layers)을 포함한다. 그리고 복수의 단위 층 각각은 전기활성 폴리머(Electro-Active Polymer)로 형성된 EAP층, EAP층으로 물질 침투를 방지하도록 형성된 보호층(protecting layer), 및 전도성 물질로 형성된 활성 전극(active electrode)을 포함한다. 활성 전극은 보호층 상에 형성되거나 또는 활성 전극이 먼저 형성되고 그 상부에 보호층이 형성될 수도 있다. 또는, 보호층이 두 개의 층으로 구성된 경우에 활성 전극은 이 두 개의 보호층 사이에 개재될 수도 있다.

Description

다층 전기활성 폴리머 디바이스 및 그 제조방법{Multilayered electro-active polymer device and method for fabricating the same}
전기활성 폴리머(Electro-Active Polymer, EAP)를 이용하는 디바이스에 관한 것으로, 보다 구체적으로 다층 전기활성 폴리머(multilayered EAP) 디바이스에 관한 것이다.
전기활성 폴리머(EAP)는 전기적인 자극에 의하여 변형을 할 수 있는 고분자 재료를 통칭하는데, 넓게는 전기적인 자극뿐만 아니라 화학적 자극이나 열적 자극 등에 의하여 변형되는 고분자 재료도 EAP에 포함하기도 한다. EAP의 종류로는 이온 폴리머 금속 복합물(Ionic Polymer Metal Composite, IPMC), 유전성 탄성중합체(dielectric elastomer), 도전성 폴리머(conducting polymer), 폴리머 젤(polymer gel), PVDF(Polyvinylidene Fluoride) 수지, 탄소 나노튜브(carbon nanotube), 형상 기억 폴리머(shape memory polymer) 등이 있다.
EAP는 전기 에너지를 기계적인 에너지로 전환하는 동력전달기구인 엑츄에이터(actuator)의 재료로 널리 활용되고 있다. 예를 들어, EAP 엑츄에이터는 액체 렌즈(fluidic lens), 마이크로 카메라(micro camera), 폴리머 MEMS(polymer Micro Electro Mechanical Systems), 바이오 시스템(bio system), 에너지 수확기술(energy harvesting) 등과 같은 다양한 활용 분야를 가지고 있다. EAP는 엑츄에이터 외에도 센서(sensor), 커패시터(capacitor), 다이어프램(diaphragm) 등과 같은 디바이스의 제조에 활용되고 있다.
EAP 엑츄에이터는 변형율이 최대 5% 이상으로서 다른 엑츄에이터(예컨대, 세라믹 압전 엑츄에이터는 변형율이 최대 0.2% 수준이다)에 비하여 변형율이 크다. 따라서 EAP 엑츄에이터는 소형으로 제작하더라도 상대적으로 큰 변위의 구동을 얻을 수가 있다. 이로 인하여, EAP 엑츄에이터는 다양한 어플리케이션 분야에서 주목을 받고 있는데, 예를 들어 크기가 작고 두께가 얇은 모바일 전자 기기의 고성능 촬상 장치를 위한 가변초점 액체렌즈(vari-focal fluidic lens)의 구동 엑츄에이터로서 사용될 수 있다. 가변초점 액체렌즈는 촬상 장치에 자동 초점(Auto-Focus, AF) 기능, 줌(zoom) 기능, 이미지 안정화(Optical Image Stabilization, OIS) 기능 등을 구현하기 위하여 사용된다.
이러한 EAP 엑츄에이터는 통상적으로 20~150V/㎛의 전기장 하에서 수 % 수준의 변위를 일으킬 수 있다. 따라서 두께가 약 10㎛ 정도인 폴리머를 이용하는 EAP 엑츄에이터로부터 큰 변위(예컨대, 3~7% 수준의 변위)를 얻기 위해서는 200V ~ 1500 볼트(V) 정도의 구동 전압이 필요하다. 높은 구동 전압은 모바일 전자 기기 등과 같이 구동 전압이 상대적으로 낮은 응용 장치(예컨대, 24V 이하)에는 기존의 EAP 엑츄에이터를 그대로 적용하기 어렵게 한다. 본 출원의 출원인과 동일한 출원인에 의하여 출원된 한국공개특허 제2008-0100757, "전기 활성 엑츄에이터 및 그 제조 방법"에는 EAP 엑츄에이터의 구동 전압을 낮추기 위한 방법으로 다층 EAP 엑츄에이터가 제안되었다.
다층 EAP 엑츄에이터는 두께가 얇은 복수의 폴리머층을 적층하고 폴리머층들 사이에 서로 다른 전위의 활성 전극을 교번하여 배치하는 구조를 갖는다. 즉, 다층 EAP 엑츄에이터는 전기활성 폴리머로 형성된 폴리머층과 이 폴리머층 상에 형성되어 있는 활성 전극으로 이루어진 단위 층(unit layer)이 복수 개가 적층된 구조를 포함한다. 그런데, 활성 전극을 강성이 높은 금속 물질로 형성하면, 복수의 활성 전극을 포함하는 다층 EAP 엑츄에이터는 굽힘 탄성율(flexural modulus)이 급격히 증가하여 구동변위가 감소될 수 있다. 따라서 구동 변위의 감소를 최소화하기 위해서는 활성 전극을 수십 나노미터 수준으로 아주 얇게 형성할 필요가 있다. 또는, 금속 물질 대신에 도전성 폴리머로 활성 전극을 형성하여 다층 EAP 엑츄에이터의 구동 변위가 감소하는 것을 최소화할 수도 있다.
제조 공정이 간단하여 제조 비용을 절감할 수 있고 생산성이 향상될 뿐만 아니라 우수한 동작 성능을 보이는 다층 전기활성 폴리머 디바이스 및 그 제조방법을 제공한다.
활성 전극에 손상이 생기지 않으면서 생산성이 향상된 다층 전기활성 폴리머 디바이스 및 그 제조방법을 제공한다.
일 실시예에 따른 다층 전기활성 폴리머 디바이스는 적층된 복수의 단위 층(a plurality of unit layers)을 포함한다. 그리고 복수의 단위 층 각각은 전기활성 폴리머(Electro-Active Polymer)로 형성된 EAP층, EAP층으로 물질 침투를 방지하도록 형성된 보호층(protecting layer), 및 전도성 물질로 형성된 활성 전극(active electrode)을 포함한다. 활성 전극은 보호층에 형성되거나 또는 활성 전극은 EAP층 상에 형성되고 보호층은 활성 전극이 형성된 EAP층 상에 형성될 수 있다. 그리고 보호층은 두 개의 층으로 이루어질 수 있으며, 이 경우에 활성 전극은 두 보호층 사이에 개재될 수도 있다.
일 실시예에 따른 다층 전기활성 폴리머 디바이스의 제조방법에서는 먼저 기판 상에 전기활성 폴리머(Electro-Active Polymer, EAP) 용액을 필름 형상으로 만든 후에 용매를 제거하여 제1 EAP층을 형성한다. 그리고 제1 EAP층으로 물질 침투를 방지하는 보호층과 전도성 물질로 활성 전극을 형성한다. 이 때, 보호층을 제1 EAP층 상에 형성하고 활성 전극은 보호층 상에 형성할 수 있다. 또는, 활성 전극을 제1 EAP층 상에 형성하고 보호층은 활성 전극이 형성된 제1 EAP층 상에 형성할 수도 있다. 또는, 제1 EAP층 상에 제1 보호층을 형성한 다음 제1 보호층 상에 활성 전극을 형성하고, 활성 전극이 형성된 제1 보호층 상에 제2 보호층을 형성할 수도 있다. 그리고 보호층 또는 상면에 활성 전극이 형성된 보호층 상에 전기활성 폴리머(EAP) 용액을 필름 형상으로 만든 후에 용매를 제거하여 제2 EAP층을 형성한다.
다른 실시예에 따른 다층 EAP 디바이스는 적층된 복수의 단위 층(a plurality of unit layers)을 포함하는데, 활성 영역 및 이에 각각 인접한 제1 비활성 영역과 제2 비활성 영역으로 구획된다. 그리고 복수의 단위 층 각각은 전기활성 폴리머(Electro-Active Polymer, EAP)로 형성된 제1 EAP층, 제1 EAP층 으로 물질 침투를 방지하도록 형성된 제1 보호층(protecting layer), 활성 영역으로부터 제1 비활성 영역까지 연장 형성되도록 전도성 물질로 형성된 제1 활성 전극, 제1 보호층 상에 전기활성 폴리머로 형성된 제2 EAP층, 제2 EAP층으로 물질 침투를 방지하도록 형성된 제2 보호층, 및 활성 영역으로부터 제2 비활성 영역까지 연장 형성되도록 전도성 물질로 형성된 제2 활성 전극을 포함한다. 보호층은 활성 전극의 하부에만 형성되거나 또는 상부에만 형성되거나 또는 활성 전극의 상하부에 모두 형성될 수 있다.
다른 실시예에 따른 다층 전기활성 폴리머 디바이스의 제조방법에서는 다음의 과정들로 이루어진 사이클을 복수 회 반복한다. 먼저, 활성 영역 및 이에 각각 인접한 제1 비활성 영역과 제2 비활성 영역으로 구획될 수 있는 기판 상에 전기활성 폴리머(Electro-Active Polymer, EAP) 용액을 필름 형상으로 만든 후에 용매를 제거하여 제1 EAP층을 형성한다. 그리고 제1 EAP층 상에 제1 보호층(protecting layer)을 형성하고, 적어도 활성 영역을 커버하고 제1 비활성 영역으로 연장되도록 제1 보호층 상에 제1 활성 전극을 형성한다. 그리고 제1 활성 전극이 형성된 제1 보호층 상에 전기활성 폴리머(EAP) 용액을 필름 형상으로 만든 후에 용매를 제거하여 제2 EAP층을 형성하고, 제2 EAP층 상에 제2 보호층(protecting layer)을 형성한다. 계속해서 적어도 활성 영역을 커버하고 제2 비활성 영역으로 연장되도록 제2 보호층 상에 제2 활성 전극을 형성한다. 여기서, 보호층을 형성하는 과정과 활성 전극을 형성하는 과정은 순서가 바뀔 수 있다. 또는, 활성 전극을 형성한 후에 보호층을 형성하는 과정이 추가가 될 수도 있다.
다층 전기활성 폴리머(EAP) 디바이스는 인접한 EAP층 사이에 보호층이 개재되어 있다. 이에 의하면, 솔루션 캐스팅법을 이용하여 EAP층을 형성할 수 있으므로, 기존의 제조방법에 비하여 공정이 간단하여 제조 비용을 절감할 수 있고 생산성이 향상된다.
도 1은 일 실시예에 따른 다층 전기활성 폴리머 디바이스의 개략적인 구조를 보여 주는 사시도이다.
도 2a 및 도 2b는 각각 도 1의 다층 EAP 디바이스를 구성하는 단위 층의 일례를 개략적으로 보여 주는 사시도이다.
도 3a는 도 2a의 YY' 라인을 따라 취한 단면도이다.
도 3b 및 도 3c는 각각 도 3a의 변형예를 보여 주는 단면도이다.
도 4a 내지 도 4f는 각각 보호층으로 사용될 수 있는 재료의 분자식을 보여 주는 도면이다.
도 5는 단위 층의 두께 변화에 따른 다층 EAP 엑츄에이터의 구동 전압을 보여 주는 그래프이다.
도 6은 도 1의 XX' 라인을 따라 취한 단면도이다.
도 7은 도 6의 점선 원으로 표시되어 있는 부분을 확대한 부분 확대도이다.
도 8은 연결전극 구조체의 다른 예를 보여 주는 도면이다.
도 9a는 다층 EAP 엑츄에이터를 구비하는 가변초점 액체렌즈의 구조의 일례를 보이는 부분절단 사시도이다.
도 9b는 도 9a의 가변초점 액체렌즈에 대한 분리 사시도이다.
도 10a 내지 도 10j는 도 5의 다층 EAP 디바이스를 제조하는 방법을 순차적으로 도시한 단면도들이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 사용되는 용어들은 실시예에서의 기능을 고려하여 선택된 용어들로서, 그 용어의 의미는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 후술하는 실시예들에서 사용된 용어의 의미는, 본 명세서에 구체적으로 정의된 경우에는 그 정의에 따르며, 구체적인 정의가 없는 경우는 당업자들이 일반적으로 인식하는 의미로 해석되어야 할 것이다. 그리고 제1 물질층이 제2 물질층 상에 형성된다고 할 경우에, 그것은 제1 물질층이 제2 물질층의 바로 위(directly on)에 형성되는 경우는 물론, 명시적으로 이를 배제하는 기재가 없는 한, 다른 제3의 물질층이 제2 물질층과 제1 물질층 사이에 개재되어 있는 것도 모두 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
EAP 디바이스는 전기적인 자극에 의하여 변형을 할 수 있는 EAP의 물리적 특성을 이용하는 전자기기이면 그 종류에 관계없이 모든 종류의 전자기기가 포함될 수 있다. 예를 들어, 전기 에너지를 기계적인 에너지로 변환하는 엑츄에이터(actuator)나 다이어프램(diaphragm) 등은 물론, 기계적인 에너지를 전기적인 에너지로 변환하는 센서(sensor)나 전하를 저장하는 커패시터(capacitor) 등도 EAP 디바이스에 포함될 수 있다.
그리고 후술하는 다층 EAP 디바이스는 두께가 얇은 복수의 EAP층을 적층하고 이 EAP층들 사이에 서로 다른 전위의 활성 전극이 교번하여 배치된 구조를 갖는 EAP 디바이스를 가리킨다. 즉, 다층 EAP 디바이스는 적어도 EAP층 및 이 EAP층의 일면에 형성되어 있는 활성 전극(active electrode)을 포함하는 단위 층(unit layer)이 복수 개가 적층되어 있는 구성을 포함한다. 적층 구조는 엑츄에이터나 다이어프램 등의 구동 전압을 감소시키거나 또는 센서에서 발생하는 전류를 증폭시키거나 또는 커패시터의 용량을 증대시키기 위한 목적으로 채용된 것일 수 있으나, 여기에만 한정되는 것은 아니다.
도 1은 일 실시예에 따른 다층 전기활성 폴리머 디바이스(multilayered Electro-Active Polymer(EAP) device, 100)의 개략적인 구조를 보여 주는 사시도이고, 도 2a 및 도 2b는 각각 도 1의 다층 EAP 엑츄에이터(100)를 구성하는 단위 층의 일례를 개략적으로 보여 주는 사시도이다. 도 1, 도 2a, 및 도 2b를 참조하면, 전기활성 폴리머 디바이스(100)는 보호층(120, 참조 번호 120은 120a와 120b를 모두 가리킨다)과 EAP층(110, 참조 번호 110은 100a와 110b를 모두 가리킨다)를 포함한다. 다만, 도 1, 도 2a, 및 도 2b에서는 설명 및 도시의 편의를 위하여 연장 전극들(140, 참조 번호 140은 140a와 140b를 모두 가리킨다)을 연결하는 구성요소(예컨대, 도 6의 비활성 영역(II, III)에 형성된 비아 홀(via hole, H1, H2) 및 공통 전극(151, 152))나 다층 EAP 디바이스(100)의 구동에 필요한 전기 회로나 기타 주변 구조물(예컨대, 고정 프레임 등)에 대한 도시도 생략하였다.
그리고 도 1, 도 2a, 및 도 2b에는 다층 EAP 디바이스(100)의 평면 형상이 사각형인 것으로 도시되어 있으나, 이것은 단지 예시적인 것이다. 다층 EAP 디바이스의 평면 형상은 제한이 없는데, 다층 EAP 디바이스가 사용되는 응용 장치의 종류에 따라서 달라질 수 있다. 예를 들어, 다층 EAP 디바이스는 도 8a와 도 8b에 도시되어 있는 것과 같은 다각형 형상을 가질 수 있다.
도 1, 도 2a, 및 도 2b를 참조하면, 다층 EAP 디바이스(100)는 활성 영역(I)과 비활성 영역(II, III)으로 구획될 수 있다. 이러한 구획은 해당 영역의 물리적인 구조는 물론 기능 등도 함께 고려한 것이다. 예를 들어, 활성 영역(I)은 구동 전압이 인가되었을 때 변위를 제공하는 영역(다층 EAP 엑츄에이터인 경우), 변형이 되었을 때 전류가 발생하는 영역(다층 EAP 센서인 경우), 또는 전하를 저장하는 영역(다층 EAP 커패시터인 경우)을 가리킬 수 있다. 따라서 활성 영역(I)의 평면 형상은 서로 다른 전위가 인가되는 한 쌍의 활성 전극(active electrode)들 사이의 중첩되는 평면 형상에 대응할 수 있다. 이러한 활성 영역(I)의 평면 형상도 특별한 제한이 없으며, 필요에 따라서 다양한 형상으로 만들어질 수 있다. 예를 들어, 활성 영역(I)은 사다리꼴과 같이 적어도 하나의 평행한 변을 갖는 다각형 형상이거나 원형 등일 수 있다.
비활성 영역(II, III)은 넓은 의미로는 활성 영역(I) 이외의 부분을 가리키지만, 좁은 의미로는 적층된 활성 전극들의 전기적 연결에 이용되는 부분을 가리킬 수 있다. 비활성 영역(II, III)은 각각 활성 영역(I)에 인접한 적어도 두 부분, 즉 제1 비활성 영역(II) 및 제2 비활성 영역(III)을 포함할 수 있으며, 이 경우에 비활성 영역(II, III)은 적층된 활성 전극(130, 참조 번호 130은 130a와 130b를 모두 가리킨다)들을 전기적으로 연결하는데 이용될 수 있다. 비활성 영역(II, III)은 또한 다층 EAP 디바이스(100)를 다른 구성 요소(예컨대, 고정 프레임)에 물리적으로 고정하는 것과 같은 부수적인 용도로 이용될 수 있다.
그리고 다층 EAP 디바이스(100)는 한 쌍의 단위 층들이 적층되어 있는 구조, 보다 구체적으로 두 가지 유형의 단위 층이 번갈아 적층되어 있는 구조일 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 것과 같은 8개의 층으로 구성된 다층 EAP 디바이스(100)인 경우에, 홀수 번째(즉, 1, 3, 5, 7번째) 단위 층들에는 각각 도 2a의 구조를 갖는 단위 층(A, 이하 '제1 단위 층'이라 한다)이 배치되고, 짝수 번째(즉, 2, 4, 6, 8번째) 단위 층들에는 각각 도 2b에 도시되어 있는 단위 층(B, 이하 '제2 단위 층'이라 한다)이 배치될 수 있다. 또는, 반대로 다층 EAP 디바이스(100)의 제1 단위 층들에는 각각 제2 단위 층(B)이 배치되고, 다층 EAP 디바이스(100)의 제2 단위 층들에는 각각 제1 단위 층(A)이 배치될 수 있다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 제1 단위 층(A)과 제2 단위 층(B)은 각각 EAP층(EAP layer, 110a, 110b), 보호층(protecting layer, 120a, 120b), 활성 전극(active electrode, 130a, 130b), 및 연장 전극(extension electrode, 140a, 140b)을 포함한다는 점에서 서로 공통점을 갖는다. 그리고 각 유형의 단위 층(A, B)도 활성 영역(I)과 비활성 영역(II, III)으로 구획될 수 있다. 단위 층의 유형에 상관없이, 각 단위층(A, B)의 활성 영역(I)은 EAP층(110a, 110b), 보호층(120a, 120b), 및 활성 전극(130a, 130b)를 포함하며, 각 단위층의 비활성 영역(II, III)은 EAP층(110a, 110b), 보호층(120a, 120b), 활성 전극(130a, 130b), 및 연장 전극(140a, 140b)을 포함한다.
다만, 제1 단위 층(A)과 제2 단위 층(B)은 각각의 연장 전극(140a, 140b)이 형성되는 위치가 다르다. 예를 들어, 제1 단위 층(A)의 연장 전극(140a)과 제2 단위 층의 연장 전극(140b)은 각각 활성 전극(130a, 130b)에 대하여 서로 대향하도록 배치될 수 있는데, 이것은 예시적인 것이다. 연장 전극(140a, 140b)은 단위 층(A, B)의 유형에 따라 그 위치가 다르면 충분하고 반드시 활성 영역(I)에 대하여 서로 대향하는 위치에 배치될 필요는 없다. 이와 같이, 연장 전극(140a, 140b)의 위치를 단위 층(A, B)의 유형에 따라서 다르게 하는 것은, 번갈아 적층된 제1 단위 층(A)들의 활성 전극들과 제2 단위 층(B)들의 활성 전극들을 각각 별개의 그룹으로 묶어서 서로 반대되는 전위에서 전기적으로 접속되도록 하기 위한 것이다. 그 결과, 도 1의 다층 EAP 디바이스(100)는 양의 전위와 연결되는 활성 전극(예컨대, 참조 번호 130a)과 음의 전위에 연결되는 활성 전극(예컨대, 참조 번호 130b)이 활성 영역(I)에 대하여 교번된 형태로 적층되어 배치된 구조를 가질 수 있다. 또는, 양의 전위에 연결되는 활성 전극(130a)과 음의 전위에 연결되는 활성 전극(130b)이 활성 영역(I)에 대하여 동일한 편에 위치하나 수평적으로 다른 위치에 형성되는 형태로 적층되어 배치된 구조를 가질 수 있다.
도 3a는 도 2a의 제1 단위 층(A)을 YY' 라인을 따라 취한 단면도이다. 이하에서는 도 3a를 참조하여 도 2a의 제1 단위 층(A)의 적층 구조에 관하여 설명하지만, 후술하는 적층 구조는 도 2b에 도시되어 있는 제2 단위 층(B)에도 동일하게 적용될 수 있다는 것은 당업자에게 자명하다.
도 3a를 참조하면, 보호층(120a)은 EAP층(110a) 상에 형성되어 있으며, 보호층(120a)의 활성 영역(I)의 상면에는 활성 전극(130a)이 형성되어 있고 보호층(120a)의 비활성 영역(III)의 상면에는 연장 전극(140a)이 형성되어 있다. 활성 전극(130a)은 적어도 활성 영역(I)의 전체를 커버하며, 일부가 비활성 영역(III)까지 연장되는 크기를 가질 수 있다. 비활성 영역(III)까지 연장되는 활성 전극(130a)의 부분은 연장 전극(140a)과의 접속을 위한 것으로서, 그 크기나 형태에는 제한이 없다. 후술하는 바와 같이, 활성 전극(130a)과 접속되어 있는 연장 전극(140a)은 적층되어 있는 복수의 활성 전극(130a)들을 전기적으로 연결하는데 이용된다.
이러한 각 단위 층(A, B)의 적층 구조는 일 예에 불과하며, 다른 형태의 적층 구조로 변경될 수 있다. 도 3b 및 도 3c는 각각 적층 구조의 다른 예를 보여 주는 것이다. 도 3b를 참조하면, 단위 층(A')은 활성 전극(130a)과 연장 전극(140a)이 EAP층(110a) 상에 형성되고, 보호층(120a')은 활성 전극(130a)과 연장 전극(140a)이 형성된 EAP층(110a) 상에 형성된다. 즉, EAP층(110a), 전극(130a, 140a), 및 보호층(120a')의 순서로 형성된다는 점에서, EAP층(110a), 보호층(120a), 및 전극(130a, 140a)의 순서로 적층된 도 3a의 단위 층(A)과는 차이가 있다. 그리고 도 3c를 참조하면, 단위 층(A'')은 도 3a에 도시된 적층 구조, 즉 EAP층(110a), 보호층(120a), 및 전극(130a, 140a)의 적층 구조 상에 추가로 다른 보호층(120a')이 형성되어 있다는 점에서, 도 3a 및 도 3b의 단위 층(A, A')과는 차이가 있다. 즉, 도 3c에 도시된 단위 층(A'') 구조에서는 전극(130a, 140a)은 제1 보호층(120a)과 추가된 제2 보호층(120a') 사이에 형성되어 있다.
이와 같이, 다층 EAP 디바이스를 구성하는 단위 층은 그 유형에 관계 없이 EAP층과 전극을 보호하기 위한 보호층을 추가로 포함한다. 다만, 보호층은 활성 전극과 연장 전극의 하측에만 형성(도 3a 참조)되거나 또는 상측에만 형성(도 3b 참조)되거나 또는 상하측 모두에 형성(도 3c 참조)될 수도 있다. 이하에서 전극층(130, 140)이 보호층(120) 상에만 형성되는 경우를 중심으로 설명하며, 다른 적층 구조에 관해서는 이것과의 차이점에 대해서만 설명한다.
계속해서 도 1, 도 2a, 및 도 2b를 참조하면, EAP층(110, 참조 번호 110은 110a와 110b를 모두 가리킨다)은 전기적인 자극에 의하여 변형을 일으키는 특성을 갖는 유전성 폴리머 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, EAP층(110)은 실리콘(silicone)에 기초한 유전성 탄성중합체(dielectric elastomer)나 폴리우레탄(polyurethane)에 기초한 유전성 탄성중합체, PVDF(Poly VinyliDene Fluoride) 폴리머나 P(VDF-TrFE)(Poly (VinyliDene Fluoride) - TriFlurorEtylene) 폴리머 등과 같은 강유전성 폴리머(ferro-electric polymer), P(VDF-TrFE-CFE)(Poly(VinyliDene Fluoride-TriFluoroEthylene-CloroFluoroEthylene)) 폴리머 등과 같은 완화형 강유전성 폴리머(relaxor ferro-electric polymer)로 형성될 수 있다. 이러한 유전성 폴리머로 형성되는 EAP층(110)은 약 2㎛ 이하, 바람직하게는 약 1㎛ 이하의 얇은 두께를 가질 수 있다.
보호층(120, 참조 번호 120은 120a와 120b를 모두 가리킨다)은 다층 EAP 디바이스(100)의 제조 과정에서 솔루션 캐스팅(solution casting)법을 이용하여 EAP층(110)을 형성할 때 그 하부에 형성되어 있는 활성 전극(130) 등과 같은 전극이나 EAP층(110)이 손상되지 않도록 보호하는 기능을 수행한다. 솔루션 캐스팅법이란 EAP 등과 같은 시료가 소정의 용매에 용해된 용액을 부어서 원하는 형상을 만든 다음에 용매를 제거하여 원하는 물질층을 형성하는 방법을 포괄하여 일컫는다. 솔루션 캐스팅법의 대표적인 예는 스핀 코팅(spin coating)법이다.
EAP층(110) 등과 같은 폴리머 박막을 형성할 때 솔루션 캐스팅법을 이용하는 것은, 필름 라미네이션법(film lamination method)과 비교하여 다음과 같은 장점이 있다. 여기서, 필름 라미네이션법이란 별도로 준비된 폴리머 박막을 이송하여 정열시킨 후에 열 압착 등으로 접착시키는 방법을 가리킨다. 우선, 솔루션 캐스팅법은 박막을 이송하고 정렬하는 과정이 필요가 없으므로 제조 공정이 간단하여 비용을 절감할 수 있으며, 상대적으로 좁은 공간에서도 제조 공정이 가능하다. 그리고 솔루션 캐스팅법은 필름 라미네이션법에 비교하여 하부 구조물의 프로파일에 상관 없이 보다 평평한 상면을 갖는 폴리머 박막을 얻을 수가 있으며 층간 접착력도 더 우수하다. 또한, 솔루션 캐스팅법을 이용하면 오염 물질이나 결함이 없는 박막을 보다 얇게 형성할 수가 있다.
다만, 복수의 폴리머 박막이 적층되어 있는 다층 EAP 디바이스의 제조 과정에서는 일반적으로 EAP층의 형성과정에서 솔루션 캐스팅법을 적용하기가 어렵다. 왜냐하면, 종래의 다층 EAP 디바이스에서 솔루션 캐스팅법을 이용하여 EAP층을 형성하면 활성 전극 등에 크랙(crack)이 생길 뿐만 아니라 EAP층에도 표면 손상이 생기거나 막 두께가 불균일해지기 때문이다.
보다 구체적으로, 다층 EAP 디바이스에 포함되는 활성 전극은 후술하는 바와 같이 50nm 이하의 아주 얇은 두께를 갖는 금속이나 전도성 폴리머 등으로 형성된다. 이것은 활성 전극에 의하여 다층 EAP 디바이스의 변위가 감소하는 것을 최소화하기 위해서이다. 만일 종래의 다층 EAP 디바이스, 즉 보호층이 포함되어 있지 않고 단지 EAP층과 활성 전극 (및 연장 전극)으로만 구성된 단위 층이 적층되어 있는 다층 EAP 디바이스를 제조하는데 솔루션 캐스팅법을 사용하여 EAP층을 형성하면, 상부 EAP층의 형성을 위하여 도포된 용액에 포함된 용매가 하부 EAP층으로 침투할 수 밖에 없다. 왜냐하면, 상하부 EAP층은 동일한 폴리머 재료로 형성되므로 상부 EAP층의 형성을 위하여 도포된 용액의 용매에 하부 EAP층의 재료도 용해될 수가 있기 때문이다. 하부 EAP층으로 용매가 침투하여 이미 형성된 하부 EAP층을 용해시키면, 부품(swelling) 현상에 의해 하부 EAP층(110)의 형상이 변화 된다. 이로 인해 EAP층(110) 표면에 있는 활성 전극(130)에 버클링(buckling) 현상이 발생되고, 그 결과 활성 전극(130)은 주름(wrinkling)(미도시)지게 된다. 심한 경우 크랙이 발생할 수도 있다. 활성 전극(130)에 발생한 주름(wrinkling)은 다층 EAP 디바이스(100)의 구동 시에 전기장의 불균일성을 초래하여 성능을 저하시키거나, 경우에 따라서는 절연 파괴(electrical breakdown)가 발생하여 다층 EAP 디바이스(100)가 손상될 수도 있다.
이와는 달리, 도 3a 또는 도 3c의 단위 층(A, A'')을 갖는 다층 EAP 디바이스에서 EAP층(110a)의 상면에 형성되어 있는 보호층(120a)은, 그 상측에 다시 EAP층을 솔루션 캐스팅법으로 형성할 때 EAP 용액의 용매가 하부의 EAP층(110a)으로 침투하는 것을 방지한다. 그리고 도 3b 또는 도 3c의 단위 층(A', A'')을 갖는 다층 EAP 디바이스에서 활성 전극(130a)과 연장 전극(140a)이 형성된 EAP층(110a)의 상면에 형성되어 있는 보호층(120a')도, 그 상측에 다시 EAP층을 솔루션 캐스팅법으로 형성할 때 EAP 용액의 용매가 인접한 EAP층(110a)으로 침투하는 것을 방지한다. 그러므로, 보호층(120a')이 EAP층(110a)으로 물질 침투를 방지하여, EAP층(110a)의 스웰링(swelling) 현상 발생으로 인한 활성 전극(130a)의 주름(wrinkling) 형성을 방지 할 수 있다. 그 결과, 다층 EAP 디바이스(100)의 구동 단계에서 EAP층(110a)에 걸리는 전기장(electric field)을 균일하게 유지할 수 있다.
도 3a 또는 도 3b에 도시된 바와 같이 단위 층(A, A')이 하나의 보호층(120a, 120a')만을 포함할 경우에는 보호층(120a, 120a')의 두께는 일정한 수준(예컨대, 5000ㅕ) 이상이어야 한다. 왜냐하면, 보호층(120a, 120a')의 두께가 너무 얇은 경우에는 용매의 침투를 효과적으로 방지할 수 없기 때문이다. 다만, 보호층(120a, 120a')은 EAP층(110)이 변형을 일으키는데 장애 요소로 작용하므로, 다층 EAP 엑츄에이터의 변위 감소를 최소화하기 위해서는 그 두께가 지나치게 두껍지 않은 것이 바람직하다.
도 3c에 도시된 바와 같이 보호층(120a, 120a')이 전극(130a, 140a)의 상하측 모두에 배치되는 단위 층(A'') 구조에서는, 보호층(120a, 120a')의 전체 두께를 도 3a 또는 도 3b의 단위 층(A, A')의 보호층보다 얇게 형성하더라도 용매 침투 방지라는 기능을 효과적으로 수행할 수가 있다. 이것은 순차적으로 적층된 제1 보호층(120a), 전극(130a, 140a), 및 제2 보호층(120a')이 일체가 되어서 용매의 침투를 방지하는 기능을 수행하기 때문이다. 예를 들어, 보호층(120a, 120a')의 전체적으로 약 2000 ~ 3000ㅕ 정도의 두께를 가질 수 있다.
그리고 도 3c에 도시된 단위 층(A'')에서, 제1 보호층(120a)은 용매의 침투로부터 그 하부의 EAP층을 보호하는 기능을 주로 수행하며, 제2 보호층(120a')은 제1 보호층(120a)의 기능을 더욱 강화하는 것은 물론 용매의 침투로부터 전극(130a, 140a)을 보호하는 기능도 부가적으로 수행한다. 따라서 제1 보호층(120a)은 제2 보호층(120a')보다 더 두꺼운 두께를 가지는 것이 바람직하다. 예를 들어, 제1 보호층(120a)은 약 1500 ~ 2500ㅕ 정도의 두께를 가지고, 제2 보호층(120a')은 약 500 ~ 1000ㅕ 정도의 두께를 가질 수 있다.
계속해서 도 1, 도 2a, 및 도 2b를 참조하면, 솔루션 캐스팅법을 이용하여 EAP층을 형성할 때 활성 전극(130) 등에 손상이 생기는 것을 방지할 수 있도록, 보호층(120)은 EAP가 용해되는 용매에 용해되지 않는 특성을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 따라서 보호층(120)을 형성하는 물질의 종류는 EAP 용액을 구성하는 용매의 종류에 따라서 달라질 수 있다. 그리고 보호층(120)도 솔루션 캐스팅법을 사용하여 형성하기 위해서는, 보호층(120)을 형성하는 물질은 EAP가 용해되지 않는 용매에 용해되는 특성을 갖는 폴리머 물질이어야 한다.
예를 들어, P(VDF-TrFE-CFTE) 폴리머가 메틸 이소부틸 케톤(Methyl IsoButyl Ketone, MIBK)이나 메틸 에틸 케톤(Methyl Ethyl Ketone, MEK) 등과 같은 케톤류의 용매에 용해된 용액으로 솔루션 캐스팅법을 사용하여 EAP층(110)을 형성한다고 하자. P(VDF-TrFE-CFTE) 폴리머는 물과 알코올에만 용해되지 않으므로, 보호층(120)은 물이나 알코올에는 용해되지만 케톤류의 용매에는 용해되지 않는 폴리머 물질일 수 있다. 예를 들어, 폴리비닐페놀(PolyVinylPhenol, PVP, 도 4a 참조), 폴리(메틸 메타크릴레이트)(Poly(Methyl MethAcrylate), PMMA, 도 4b 참조), 폴리비닐알콜(PolyVinylAlchol, PVA, 도 4c 참조), 폴리디메틸실록산(PolyDiMethylSiloxane, PDMS, 도 4d 참조), 폴리(4-비닐피리딘)(Poly(4-VinylPyridine, P4VP, 도 4e 참조), 또는 폴리아크릴산(PolyAcrylic Acid, PAA, 도 4f 참조)이나 또는 이들의 조합이 보호층(120) 물질로서 사용될 수 있다.
활성 전극(130)은 다층 EAP 디바이스(100)의 종류에 따라서 기능이 달라질 수 있다. 예를 들어, 다층 EAP 디바이스(100)가 엑츄에이터이나 다이어프램과 같이 전기 에너지를 기계적 에너지로 전환하는 전자기기라면 활성 전극(130)은 EAP층(110)의 변형을 유도하는 전기장을 유도하는 기능을 수행할 수 있다. 그리고 다층 EAP 디바이스(100)가 센서 등과 같이 기계적 에너지를 전기 에너지로 전환하는 전자기기라면 활성 전극(130)은 EAP층(110)의 변형에 의하여 생성된 캐리어를 수용하는 기능을 할 수 있다.
이러한 기능의 수행을 위하여, 활성 전극(130)은 도전성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 활성 전극(120)은 금(Au), 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 또는 철(Fe)과 같은 금속 물질이나 그 합금으로 형성되거나 또는 두 가지 이상의 금속의 조합으로 형성될 수 있다. 또는, 활성 전극(130)은 폴리아닐닌(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌슐폰산)(PEDOT[Poly(3,4-EthyleneDiOxyThiophene)]:PSS[Poly(4-StyreneSulfonic acid)] 등과 같은 도전성 폴리머로 형성될 수 있다.
활성 전극(130), 특히 금속으로 형성되는 활성 전극(130)은 다층 EAP 디바이스(100)의 성능에 영향을 주지 않기 위하여 가능한 얇은 두께로 형성되어야 한다. 예를 들어, 높은 전도성을 갖는 금속으로 활성 전극(130)을 형성할 경우에, 활성 전극(120)은 약 50nm 이하의 얇은 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 특히, 다층 EAP 디바이스(100)에는 비활성의 보호층(120)이 더 개재되어 있으므로, 활성 전극(130)은 가능한 얇은 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
비활성 영역(II, III)에 배치된 연장 전극(140)은 활성 영역(I)으로부터 비활성 영역(II, III)까지 연장 형성된 활성 전극(130)과 전기적으로 접속된다. 비활성 영역(II, III)은 활성 영역(I)에 인접한 영역으로서, 그 위치나 크기, 형상 등에 특별한 제한이 없다. 연장 전극(140)을 통하여 구동 전압이 활성 전극(130)으로 가해지거나 또는 활성 전극(130)으로 수집된 전류가 연장 전극(140)을 통해 외부의 회로부로 흐를 수가 있다.
연장 전극(140)은 저항을 최소화할 수 있는 형상 및/또는 두께로 형성될 수 있다. 예를 들어, 비활성 영역(II, III)에 바아(bar) 형상으로 길게 형성될 수 있는데, 이에만 한정되는 것은 아니다. 그리고 연장 전극(140)은 금속 물질을 이용하여 활성 전극(130)보다 두꺼운 두께, 예컨대 50nm 이상의 두께로 형성할 수 있다. 금속 물질로는 레이저에 대한 반응성이 큰 물질(예컨대, 알루미늄/구리의 합금이나 알루미늄/티타늄의 합금)을 제외한 다른 금속 물질, 예컨대 금(Au), 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 또는 철(Fe)과 같은 금속 물질이나 그 합금으로 형성되거나 또는 두 가지 이상의 금속의 조합으로 형성할 수 있다.
전술한 바와 같이, 다층 EAP 디바이스(100)의 활성 전극(130)은 50nm 정도의 얇은 두께를 갖는 금속 물질로 형성될 수 있다. 그러나 매우 얇은 금속 전극이라 할지라도 탄성 계수가 상대적으로 매우 크며 또한 여러 층이 적층되어 있기 때문에, 전체적으로 굽힘 탄성율이 높아져서 활성층의 변위를 감소시킨다. 더욱이, 보호층(120)은 전기장 하에서 변형이 발생하지 않으므로, 보호층(120)을 포함하는 다층 EAP 디바이스(100)는 종래의 다층 EAP 디바이스에 비하여 성능이 떨어질 가능성이 있다.
도 5는 단위 층의 두께 변화에 따른 다층 EAP 엑츄에이터의 구동 전압을 보여 주는 그래프이다. 도 5의 그래프에는 보호층을 포함하지 않는 종래의 다층 EAP 엑츄에이터와 보호층을 포함하는 다층 EAP 엑츄에이터 각각의 구동 전압이 표시되어 있다. 그리고 도 5에 도시된 그래프는 활성 전극으로 알루미늄 전극을 사용하고 보호층으로서 PAA를 사용한 경우인데, 단위 층의 두께에 상관없이 보호층의 두께를 280nm로 고정한 경우이다. 도 5를 참조하면, 보호층을 갖는 다층 EAP 엑츄에이터는 활성 전극의 두께에 상관없이 보호층이 없는 다층 EAP 엑츄에이터에 비하여 구동 전압이 더 높게 나온다는 것을 알 수 있다. 그러나, 이러한 구동 전압의 상승은 그 값이 크지 않아서 전체적으로 보호층을 갖는 EAP 엑츄에이터의 성능 저하는 크지 않다. 특히, 단위 층의 두께가 1㎛인 경우에 보호층을 갖는 다층 EAP 엑츄에이터는 활성 전극의 두께에 상관없이 구동 전압이 약 21-22V 정도로서, 요구되는 규격(specification)인 24V의 구동 전압보다 작다는 것을 알 수 있다.
도 6은 도 1에 도시된 다층 EAP 디바이스(100)의 XY 라인을 따라 절취한 단면도의 일례이다. 도 6에는 다층 EAP 디바이스(100)가 모두 8개의 단위 층, 즉 4개의 제1 단위 층(A)과 4개의 제2 단위 층(B)으로 이루어진 것으로 도시되어 있으나, 이러한 단위 층의 개수는 단지 예시적인 것이다. 그리고 도 1, 도 2a, 및 도 2b와는 달리 도 6의 다층 EAP 디바이스(100)에는 적층된 활성 전극들(111~118)을 그룹별로 전기적으로 연결하는 공통 전극(141, 142)도 함께 도시되어 있다. 이하에서는, 다층 EAP 디바이스(100)가 다층 EAP 엑츄에이터인 것으로 예를 들어서 설명하는데, 다른 종류의 다층 EAP 디바이스에도 동일하게 적용될 수 있다는 것은 자명하다.
도 6을 참조하면, 활성 영역(I)과 비활성 영역(II, III)으로 구획되어 있는 다층 EAP 엑츄에이터(100)는 8개의 단위 층을 포함한다. 각 단위 층은 EAP층(111~118), 보호층(121~128), 활성 전극(131~138), 및 연장 전극(141~148)을 포함한다. 각 보호층(121~128)은 각 EAP층(111~118) 상에 형성된다. 그리고 각 보호층(121~128)의 일면 상에 형성되어 있는 활성 전극(131~138)은 적어도 활성 영역(I)을 커버하며 비활성 영역(II, III)으로 연장되도록 형성되어 있다. 연장 전극(141~148)은 비활성 영역(II, III)에 형성되는데, 비활성 영역(II, III)으로 연장되어 있는 활성 전극(131~138)과 접속되도록 형성되어 있다.
전술한 바와 같이, 보호층(121~128)과 전극(131~138 및 141~148)은 위치가 서로 바뀔 수도 있다(도 3b 참조). 보다 구체적으로, 각 EAP층(111~118) 상에는 활성 전극과 연장 전극이 형성되고 또한 보호층은 활성 전극과 연장 전극이 형성되어 있는 EAP층(111~118) 상에 형성될 수 있다. 또는, 전극(131~138 및 141~148)이 형성된 보호층(121~128) 상에는 각각 다른 보호층이 추가될 수도 있다(도 3c 참조).
다층 EAP 액츄에이터(100)에서는 양과 음의 구동 전압이 교번하여 활성 전극(131~138)에 인가될 수 있도록, 활성 전극들(131~138)은 두 개의 그룹으로 나누어져서 각각 양의 전위와 음의 전위에 연결될 수 있다. 이를 위하여, 각 그룹의 활성 전극은 비활성 영역(II, III)에 형성되어 있는 연결전극 구조체에 의하여 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 단위 층들(예컨대, 홀수 번째 층에 배치된 단위 층들)의 활성 전극(131, 133, 135, 137)은 각각 활성 영역(I)의 오른쪽으로 인접한 비활성 영역(III)으로 연장 형성되어 제1 단위 층의 연장 전극(141, 143, 145, 147)과 접속되어 있으며, 제1 단위 층의 연장 전극(141, 143, 145, 147)들은 제1 공통 전극(common electrode, 151)에 의하여 서로 접속되어 있을 수 있다. 그리고 제2 단위 층(예컨대, 짝수 번째 단위 층)의 활성 전극(132, 134, 136, 138)은 각각 활성 영역(I)의 왼쪽으로 인접한 비활성 영역(II)으로 연장 형성되어 제2 단위 층의 연장 전극(142, 144, 146, 148)과 접속되어 있으며, 제2 단위 층의 연장 전극(142, 144, 146, 148)들은 제2 공통 전극(152)에 의하여 서로 접속되어 있을 수 있다.
따라서 다층 EAP 엑츄에이터(100)는 이러한 연결전극 구조체를 한 쌍으로 가질 수 있다. 연결전극 구조체는 좁은 의미로는 연장 전극(141~148)과 공통 전극(151, 152)과 같은 도전성 구성 요소만을 가리킬 수 있다. 또는, 연결전극 구조체는 넓은 의미로는 이러한 도전성 구성요소 이외에 비활성 영역(II, III)을 구성하는 그 주변의 구성요소, 예컨대 EAP층, 보호층, 비아 홀, 식각 정지층(etch stopping layer) 등을 모두 포함할 수 있다. 이하, 넓은 의미의 연결전극 구조체에 관하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 6에 도시된 비활성 영역(II, III)을 참조하면, 연결전극 구조체는 각각 복수의 비활성층들과 공통 전극(151, 152)을 포함하며, 식각 정지층(161, 162)을 더 포함할 수 있다. 식각 정지층(161, 162)은 연결전극 구조체를 형성하는 공정에서 다층 EAP 엑츄에이터의 하측에 위치하는 구조물이 식각되는 것을 방지하는 기능을 수행하며, 식각 정지층(161, 162)의 상면에 공통 전극(151, 152)의 하부 부분의 일면이 접촉을 하는데, 이에 관해서는 후술한다.
오른쪽의 비활성 영역(III)에서, 복수의 비활성층들 각각은 EAP층(111~118), EAP층(118~118) 상에 형성되어 있는 보호층(121~128), 및 제1 단위 층의 보호층(121, 123, 125, 127) 상에 형성되어 있는 연장 전극(141, 143, 145, 또는 147)을 포함한다. 그리고 연장 전극(141, 143, 145, 147)은 각각 제1 단위 층의 활성 전극(111, 113, 115, 117)과 접속되어 있다. 마찬가지로, 왼쪽의 비활성 영역(II)에서, 복수의 비활성층들 각각은 EAP층(111~118), EAP층(111~118) 상에 형성되어 있는 보호층(121~128), 및 제2 단위 층의 보호층(122, 124, 126, 128) 상에 형성되어 있는 연장 전극(142, 144, 146, 또는 148)을 포함한다. 그리고 연장 전극(142, 144, 146, 148)은 각각 제2 단위 층의 활성 전극(122, 124, 126, 128)과 접속되어 있다(이하, 오른쪽의 비활성 영역(III)을 기준으로 설명하는데, 후술하는 내용은 왼쪽의 비활성 영역(II)에도 동일하게 적용될 수 있다는 것은 당업자에게 자명하다).
연장 전극(141~148)은 도전성 물질로 형성되며, 그 재질에 특별한 제한은 없다. 다만, 연장 전극(141~148)은 레이저에 대하여 폴리머보다는 반응성이 낮은 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 연장 전극(141~148)은 금, 구리, 은, 티타늄, 알루미늄, 크롬, 몰리브덴, 철 등으로 형성될 수 있다. 알루미늄과 구리(또는 티타늄)의 합금은 레이저에 대하여 반응성이 크기 때문에, 연장 전극(141~148)용 물질로는 적절하지 않다. 이와 같이, 연장전극(141~148)을 금속 물질 등으로 형성하면, 단 한번의 레이저를 비활성 영역에 투사하여 후술하는 바와 같이 그 폭이 단계적으로 증가하는 구조의 비아 홀(H1)을 형성할 수가 있다. 연장 전극(141~148)은 활성 전극(131~138)보다는 두꺼운 두께, 예컨대 50~500nm의 두께로 형성할 수 있다.
복수의 비활성층들 내부에는 비아 홀(H1, H2)이 형성되어 있다. 비아 홀(H1, H2)은 위쪽으로 갈수록 그 폭이 증가하되, 층별로 단계적으로 증가하는 구조를 갖는다. 그 결과, 비활성 영역(III)에서는 제1 단위 층의 보호층(121, 123, 135, 127)의 상면에 형성되어 있는 연장 전극(141, 143, 145, 147)은 위쪽으로 갈수록 그 폭이 작아진다. 마찬가지로, 비활성 영역(II)에서는 제2 단위 층의 보호층(122, 124, 126, 128)의 상면에 형성되어 있는 연장 전극(142, 144, 146, 148)도 위쪽으로 갈수록 그 폭이 작아진다. 이러한 비아 홀(H1, H2)의 구조는 연장 전극(141~148) 각각의 상면 일부가 비아 홀(H1, H2)에 의하여 외부로 노출되도록 한다. 즉, 연장 전극(141~148) 각각은 그 일부만이 상면에 형성되는 EAP층에 의하여 가려지지만, 나머지는 계단 형상을 포함하는 비아 홀(H1, H2)에 의하여 외부로 노출된다.
그리고 비아 홀(H1) 안에는 공통 전극(151)이 형성되어 있다(마찬가지로, 비아 홀(H2) 안에는 공통 전극(152)이 형성되어 있다). 공통 전극(151)은 도시된 것과 같이 비아 홀(H1)의 프로파일을 따라서 균일한 두께로 형성되거나 또는 그 두께가 위치에 따라서 달라질 수도 있다. 또는, 공통 전극은 비아 홀(H1)을 거의 채우도록 형성될 수도 있다. 어떠한 형태로 형성되든, 공통 전극(151)은 적어도 층계 형상의 프로파일을 포함한다. 이러한 공통 전극(151)은 비아 홀(H1)에 노출된 연장 전극(141, 143, 145, 147)의 상면과 접속되므로, 적층되어 있는 복수의 연장 전극들(141, 143, 145, 147) 및 이들 각각에 접속되어 있는 복수의 활성 전극들(131, 133, 135, 137)을 서로 전기적으로 연결시킬 수 있다.
도 7은 도 6의 점선 원으로 표시되어 있는 부분을 확대한 부분 확대도이다. 도 7을 참조하면, 제2 EAP층(112), 제2 보호층(122), 제3 EAP층(113), 및 제3 보호층(123)과 그 상면에 형성되어 있는 제3 연장 전극(143)을 포함하는 제2 비활성층의 폭은 제1 EAP층(111) 및 제1 보호층(121)과 그 상면에 형성되어 있는 제1 연장 전극(141)을 포함하는 제1 비활성층의 폭보다 작다. 그 결과, 제1 연장 전극의 일부의 상면(141a)에는 제2 비활성층이 형성되어 있지 않다. 마찬가지로, 제3 연장 전극의 일부의 상면(143a)에도 제3 비활성층이 형성되어 있지 않다.
이와 같이, 연장 전극의 상면 일부(131a, 133a)가 노출되는 비활성층들(또는 비활성 영역(III)에서 그 폭이 위쪽으로 갈수록 단계적으로 증가하는 비아 홀(H1))의 구조는, 비아 홀(H1)에 형성되는 공통 전극(151)이 층계 형상의 프로파일을 갖도록 한다. 이와 같이, 층계 형상의 프로파일을 포함하는 공통 전극(151)은 비아 홀(H1)을 통해 외부로 노출된 측면은 물론 상면을 통해서도 연장 전극(141, 143, 145, 147)과 전기적으로 접속되기 때문에, 공통 전극(151)과 접촉하는 연장 전극(141, 143, 145, 147) 각각의 면적을 증가시킨다. 따라서 도 6에 도시된 연결전극 구조체의 구조는 공통 전극(151)과 연장 전극(141, 143, 145, 147)의 전기적 연결을 향상시킬 수가 있으며, 결국 적층되어 있는 활성 전극들(131, 133, 135, 127)들 사이의 전기적 연결도 향상된다.
도 8은 연결전극 구조체의 다른 예를 보여 주는 도면이다. 도 8을 참조하면, 연결전극 구조체는 복수의 비활성층들과 공통 전극(151')을 포함하며, 공통 전극(151')의 일 부분과 접촉을 하는 식각 정지층(161')을 더 포함할 수 있다. 복수의 비활성층들은 EAP층(111'~118'), 각 EAP층(111'~118')의 상면에 각각 형성되어 있는 보호층(121'~128'), 및 각 제1 단위 층의 보호층(121', 123', 125', 127')의 상면에 각각 형성되어 있는 연장 전극(141', 143', 145', 또는 147')을 포함한다. 그리고 연장 전극(141', 143', 145', 147')은 각각 제1 단위 층의 활성 전극(121', 123', 125', 127')과 접속되어 있다.
복수의 비활성층들 내부에 비아 홀이 형성되어 있는 전술한 연결전극 구조체와는 달리, 도 8의 연결전극 구조체에서는 복수의 비활성층들의 일 측부가 층계 형상, 즉 위쪽으로 갈수록 그 폭이 단계적으로 감소하는 구조를 갖는다. 따라서 EAP층(111'~118'), 보호층(121'~128'), 및 제1 단위 층의 보호층(121', 123', 125', 127')의 상면에 형성되어 있는 연장 전극(141', 143', 145', 147')의 폭은 상층으로 갈수록 작아진다. 이러한 비활성층들의 구조에서도 연장 전극(141', 143', 145', 147')의 상면 일부가 노출될 수 있으며, 노출된 연장 전극(141', 143', 145', 147')의 상면에는 공통 전극(151')이 접촉하고 있다. 적층된 연장 전극(141', 143', 145', 147')을 연결하는 공통 전극(151')은 층계 형상의 프로파일을 가지며, 공통 전극(151')과 연장전극(141', 143', 145', 147') 사이에는 보다 확실한 전기적인 접속이 이루어질 수 있다.
이상에서 설명한 다층 EAP 디바이스, 예컨대 다층 EAP 엑츄에이터는 크기가 작고 가벼울 뿐만 아니라 대변위 구동을 제공할 수가 있기 때문에, 다양하게 응용될 수 있다. 예를 들어, 다층 EAP 엑츄에이터는 모바일 기기용 고성능 카메라에 사용되는 초소형 이미지 센서 모듈(Image Sensor Module, ISM)의 자동초점(AF) 기능, 광학 이미지 안정화(Optical Image Stabilization, OIS) 기능, 가변초점 기능 등을 구현하기 위한 장치의 하나인 가변초점 액체렌즈(vari-focal fluidic lens)에 이용될 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 각각 전술한 다층 EAP 엑츄에이터(100)가 이용될 수 있는 가변초점 액체렌즈의 구조의 일례를 보이는 부분절단 사시도와 분리 사시도이다. 도 9a 및 도 9b를 참조하면, 가변초점 액체렌즈는 기판(10), 스페이서 프레임(20), 멤브레인(30), 다층 EAP 엑츄에이터(100'), 및 엑츄에이터 프레임(40)을 포함한다. 다층 EAP 엑츄에이터(100')는 도 1의 다층 EAP 엑츄에이터(100)의 일례일 수 있다.
기판(10)은 투명한 재질로 만들어지는데, 예를 들어 유리 기판이나 투명한 폴리머 기판일 수 있다. 스페이서 프레임(20)은 광학 유체가 채워질 수 있는 소정의 내부 공간을 한정하는데, 실리콘(Si) 등과 같은 불투명한 재질로 형성될 수 있다. 이 내부 공간은 상측부(upper portion)와 하측부(lower portion)으로 구분될 수 있는데, 상측부(upper portion)는 중앙의 렌즈부와 복수의 구동부로 나누어지고, 하측부(lower portion)는 서로 관통되어 있을 수 있다. 서로 관통된 내부 공간은 광학 유체가 자유롭게 유동할 수 있도록 하기 위한 것이다.
멤브레인(30)은 적어도 렌즈부를 덮으며, 이 부분은 렌즈면이 된다. 그리고 멤브레인(30)은 구동부도 덮을 수 있는데, 실시예에 따라서는 구동부의 상측에는 멤브레인이 존재하지 않을 수도 있다. 렌즈부는 광학 유체가 채워져서 입사광이 통과하는 렌즈로서의 기능을 수행하는 부분이다. 그리고 구동부는 렌즈부를 덮고 있는 멤브레인(30)의 부분(렌즈면)의 프로파일을 변경시킬 수 있는 구동력을 전달하는 부분이다. 도면에서는 구동부가 렌즈부의 외측에 4개의 영역으로 구성되어 있지만, 이것은 단지 예시적인 것이다.
멤브레인(30)의 상측에 배치되는 다층 EAP 엑츄에이터(100)는 활성 영역이 적어도 구동부를 커버한다. 다층 EAP 엑츄에이터(100)의 공통 전극(151, 152, 도 6 참조)을 통해 구동 전압이 활성 전극(131~138, 도 6 참조)에 가해지면, 다층 EAP 엑츄에이터(100)는 아래쪽으로 변위를 일으키며 구동부에 소정의 압력을 가한다. 그리고 구동부의 상측으로부터 소정의 압력이 가해지면, 구동부에 있는 광학 유체는 렌즈부쪽으로 이동하게 된다. 그리고, 이동한 광학 유체에 의하여 렌즈부의 광학 유체의 양이 증가하면, 렌즈부는 위로 볼록하게 튀어나오는 형상으로 변형된다.
다층 EAP 엑츄에이터(100) 상에는 엑츄에이터 프레임(40)이 배치되어 있다. 보다 정확하게는, 다층 EAP 엑츄에이터(100)는 엑츄에이터 프레임(40)을 기판으로 사용하여 그 일면 상에 제조가 될 수 있다. 이 경우에, 다층 EAP 엑츄에이터(100)가 형성되어 있는 엑츄에이터 프레임(40)은 뒤집어서 멤브레인(30)이 부착되어 있는 스페이서 프레임(20)의 상측에 배치되어 고정된다. 엑츄에이터 프레임(40)은 적어도 렌즈부를 노출시키는 평면 형상을 가지며, 다층 EAP 엑츄에이터(100)의 활성 영역을 노출시키는 형상이 될 수도 있다. 엑츄에이터 프레임(40)은 실리콘(silicon)으로 형성될 수 있는데, 여기에만 한정되는 것은 아니다.
다음으로 도 10a 내지 도 10j를 참조하여 기판 상에 도 6의 다층 EAP 디바이스(100)를 제조하는 방법에 관하여 설명한다. 도면에서는 하나의 다층 EAP 디바이스(100)을 제조하는 과정이 도시되어 있지만, 이것은 단지 도시의 편의를 위한 것이다. 다층 EAP 디바이스(100)는 반도체 제조 공정과 같이 웨이퍼 레벨에서 매트릭스 형태로 배열된 복수의 디바이스가 동시에 제조될 수도 있다. 다층 EAP 디바이스(100)의 제조 공정은 크게 기판 상에 두 가지 유형의 단위 층(도 2a 및 도 2b 참조)을 번갈아서 적층하는 과정과 적층된 단위 층의 비활성 영역(II, III)에 연결전극 구조체를 형성하는 과정을 포함한다.
그리고 후술하는 제조방법에서는 EAP층, 보호층, 및 전극의 순서로 형성하여 단위 층을 제조하지만, 보호층과 전극을 형성하는 순서는 변경될 수 있다(도 3b 참조). 또는, 단위 층은 EAP층, 제1 보호층, 전극, 및 제2 보호층의 순서로 형성될 수도 있는데(도 3c 참조), 이 경우에는 후술하는 제조방법에서 제2 보호층을 형성하는 과정만이 추가된다.
먼저 도 10a를 참조하면, 먼저 기판(S)을 준비한다. 기판(S)은 실리콘으로 형성된 엑츄에이터 프레임일 수 있는데, 이것은 예시적인 것이다. 기판(S)의 배면에는 활성 영역(I)에 해당하는 크기를 갖는 트렌치가 형성되어 있을 수 있는데, 이것은 후속 공정에서 활성 영역(I)에 해당하는 부분의 기판(S) 제거를 용이하도록 하기 위해서이다. 그리고 도면에 도시되어 있지는 않지만, 기판(S)의 표면에는 실리콘 산화막(SiO2)과 같은 절연막이 더 형성되어 있을 수도 있다.
그리고 준비된 기판(S) 상에 식각 정지층(161, 162)을 형성한다. 식각 정지층(161, 162)은 후술하는 비아 홀의 형성 과정(도 10i 참조)에서 기판(S)이 식각되는 것을 방지한다. 따라서 식각 정지층(161, 162)은 비활성 영역(II, III)으로 예정된 위치에 형성된다. 그리고 비아 홀의 형성 과정에서 레이저 빔을 이용하는 경우라면, 식각 정지층(161, 162)은 레이저 빔에 대하여 내성이 큰 물질로 형성할 수 있다.
도 10b를 참조하면, 식각 정지층(161, 162)이 형성된 기판(S) 상에 제1 EAP층(111)을 형성한다. 제1 EAP층(111)은 솔루션 캐스팅법을 이용하여 형성할 수 있다. 예를 들어, P(VDF-TrFE-CFTE) 폴리머로 제1 EAP층(111)을 형성한다고 하자. 이 경우에, 먼저 P(VDF-TrFE-CFTE) 폴리머를 MIBK 또는 MBK 등과 같은 용매에 녹여서 EAP 용액을 준비한다. 그리고 준비된 EAP 용액을 부어서 필름 등과 같은 원하는 형상으로 만드는데, 이 때 스핀 코팅법을 이용할 수 있다. 그리고 도포된 용액으로부터 용매를 제거(예컨대, 휘발)하면 제1 EAP층(111)이 만들어진다. 제1 EAP층(111)은 식각 정지층(161, 162)을 완전히 덮거나 또는 식각 정지층(161, 162)을 노출시킬 수도 있다. 제1 EAP층(111)은 예컨대 1㎛ 이하의 얇은 두께로 형성될 수 있다.
그리고 제1 EAP층(111) 상에 제1 보호층(121)을 형성한다. 제1 보호층(121)을 형성하는 방법에는 특별한 제한이 없는데, 제1 EAP층(111)과 마찬가지로 스핀 코팅법을 이용하여 형성할 수 있다. MIBK 또는 MBK 등과 같은 용매에 P(VDF-TrFE-CFTE) 폴리머가 용해된 용액을 이용하여 제1 EAP층(111)을 형성하는 경우, 제1 보호층(121)은 물이나 알코올에 폴리머 재료, 예컨대 폴리비닐페놀(PVP), 폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리(4-비닐피리딘)(P4VP), 또는 폴리아크릴산(PAA) 등이 용해된 용액을 이용하여 스핀 코팅법으로 제1 보호층(121)을 형성할 수 있다.
그리고 도 10c를 참조하면, 제1 보호층(121)의 상면에 제1 활성 전극(131)을 형성한다. 제1 활성 전극(131)은 활성 영역(I)을 커버할 뿐만 아니라 그 일부가 오른쪽의 비활성 영역(III)으로 연장된다. 제1 활성 전극(131)은 금(Au), 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 또는 철(Fe)과 같은 금속 물질이나 그 합금으로 형성되거나 또는 두 가지 이상의 금속의 조합으로 형성되거나 또는 도전성 폴리머 등으로 형성될 수 있다. 금속 물질로 제1 활성 전극(131)을 형성할 경우에, 스퍼터링(sputtering)법이나 물리기상증착(Physical Vapor Deposition, PVD)법 등과 같은 통상적인 금속막의 증착 공정이 이용될 수 있다.
그리고 도 10d를 참조하면, 비활성 영역(III)에 제1 연장 전극(141)을 형성한다. 제1 연장 전극(141)은 제1 보호층(121)의 상면에 형성되어, 그 일부가 제1 활성 전극(131), 보다 구체적으로 비활성 영역(III)으로 연장된 제1 활성 전극(131)의 부분과 접촉한다. 제1 연장 전극(141)은 저항이 낮을 뿐만 아니라 폴리머에 비하여 레이저 빔에 대한 반응성이 낮은 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 연장 전극(141)은 금, 구리, 티타늄, 크롬, 몰리브덴, 알루미늄 등과 같은 금속 물질로 약 50~500nm의 두께로 형성될 수 있다. 제1 연장 전극(141)은 제1 활성 전극(131)과 동일한 방법으로 형성할 수 있다.
그리고 도 10e를 참조하면, 상면에 제1 활성 전극(131)과 제1 연장 전극(141)이 형성되어 있는 제1 보호층(121)의 전면 상에 제2 EAP층(112)을 형성한다. 제2 EAP층(112)의 형성방법이나 두께, 재질 등은 제1 EAP층(111)과 동일하다. 즉, 제2 EAP층(112)도 솔루션 캐스팅법을 사용하여 형성할 수 있으며, 이 경우 제1 보호층(121)에 의하여 용매가 제1 활성 전극(131)과 제1 연장 전극(141)의 하부로 침투하는 것을 방지할 수 있다. 그리고 제2 EAP층(112) 상에는 제2 보호층(122)을 형성하며, 제2 보호층(122)의 형성방법이나 두께, 재질 등도 제1 보호층(121)과 동일하다.
계속해서 도 10f를 참조하면, 제2 보호층(122)의 상면에 제2 활성 전극(132)을 형성한다. 제2 활성 전극(132)은 엑츄에이팅 영역(I)을 커버할 뿐만 아니라 그 일부는 왼쪽의 비활성 영역(II)으로 연장된다. 제2 활성 전극(132)의 형성방법이나 재질, 두께 등은 제1 활성 전극(131)과 동일할 수 있으므로, 이하 이에 대한 부연 설명은 생략한다. 그리고 도 10g를 참조하면, 비활성 영역(II)에 제2 연장 전극(142)을 형성한다. 제2 연장 전극(142)은 제2 보호층(122)의 상면에 형성되어, 그 일부가 제2 활성 전극(132), 보다 구체적으로 비활성 영역(II)으로 연장된 제2 활성 전극(132)의 부분과 접촉한다. 제2 연장 전극(142)의 형성방법이나 재질, 두께 등도 제1 연장 전극(141)과 동일할 수 있으므로, 이하 이에 대한 부연 설명은 생략한다.
도 10b 내지 도 10g를 참조하여 위에서 설명한 EAP층의 형성 공정, 보호층의 형성 공정, 활성 전극의 형성 공정, 및 연장 전극의 형성 공정을 소정의 횟수(본 실시예의 경우에 총 4회)만큼 반복하여 수행하면, 도 10h에 도시되어 있는 것과 같은 적층 구조물이 만들어진다.
다음으로 도 10i를 참조하면, 적층 구조물의 비활성 영역(II, III), 보다 정확하게는 비활성층의 연장 전극(141~148)의 중심부 위치에서 연장 전극(141~148), 보호층(121~128), 및 EAP층(111~118)을 식각하여 비아 홀(H1, H2)을 형성한다. 비아 홀(H1, H2)은 연장 전극(141~148)의 상면 일부가 노출될 수 있도록 위쪽으로 갈수록 폭이 단계적으로 증가하는 층계 형상을 갖는다. 실시예에 따라서는, 도 8에 도시되어 있는 것과 같은 계단형 구조가 만들어질 수 있도록, 연장 전극(141~148)의 바깥쪽 가장자리에서 연장 전극(141~148), 보호층(121~128), 및 EAP층(111~118)을 식각할 수도 있다.
연장 전극(141~148)을 형성하는 금속 물질과 보호층(121~128) 및 EAP(111~118)을 형성하는 폴리머 사이에는 물성(예컨대, 탄성 계수, 열팽창 계수 등)의 차이가 존재한다. 만일, 도 10h에 도시되어 있는 적층 구조물에서 비활성 영역(II, III)에 비아 홀을 형성하기 위하여 EAP층(111~118), 보호층(121~128), 및 연장 전극(141~148)을 기계적인 방법으로 절단하면, 절단면에서 폴리머층(111~118 및 121~128)이 늘어나면서 연장 전극(141~148)의 절단면을 감싸는 문제가 발생할 수 있다. 이것은 절단 과정에서 발생하는 마찰열 및 폴리머의 고유한 물성으로 인한 것이다. 연장 전극(141~148)의 절단면이 외부로 노출되지 않으면, 적층된 연장 전극(141~148)들을 서로 연결시키는 것이 어렵게 된다. 뿐만 아니라, 건식 식각이나 습식 식각 등과 같은 기존의 식각 기술은 폴리머층(111~118 및 121~128)을 손상시킬 수가 있을 뿐만 아니라 층간 박리 현상(delamination)을 일으켜서 비아 홀의 형성 공정에 적용하기 어렵다.
위쪽으로 갈수록 그 폭이 단계적으로 증가하는 형상의 비아 홀(H1, H2)을 형성하기 위하여, 본 실시예에서는 폴리머에 대한 반응성은 크기만 연장 전극(141~148)을 형성하는 금속 물질에 대한 반응성이 낮은 레이저를 이용하여 폴리머층(111~118 및 121~128)과 연장 전극(141~148)을 식각한다. 레이저는 예컨데, 이산화탄소(CO2) 레이저나 녹색 레이저(green laser)일 수 있는데, 여기에만 한정되는 것은 아니다.
보다 구체적으로, 소정의 에너지를 갖는 이산화탄소 레이저 등과 같은 레이저를 상부로부터 적층 구조물의 오른쪽의 비활성 영역(III)에 조사한다고 하자. 레이저가 조사되면, 레이저에 대하여 반응성이 높은 폴리머로 이루어진 제8 EAP층(118)과 제8 보호층(128)은 상대적으로 많은 양이 제거되며, 이 과정에서 에너지 소모도 거의 없다. 그리고 제8 EAP층(118)과 제8 보호층(128)을 통과한 레이저는 제7 연장 전극(147)에 닿게 되는데, 반응성이 상대적으로 낮은 금속 물질로 이루어진 제7 연장 전극(147)을 식각하기 위하여 레이저는 상대적으로 많은 에너지가 소모된다. 그 결과, 레이저에 의하여 제거되는 제7 연장 전극(147)은 제8 EAP층(118) 및 제8 보호층(128)에 비하여 적으며(단면으로 볼 경우에 그 폭이 좁다), 그 하부로도 감소된 파워를 갖는 레이저가 조사된다. 다만, 제6 및 제7 EAP층과 보호층(116, 117, 126, 및 127)을 식각하는 과정에서는 에너지의 소모가 거의 없기 때문에, 식각되는 제6 및 제7 EAP층과 보호층(116, 117, 126, 및 127)의 폭은 제8 연장 전극(148)의 그것과 거의 동일하다.
이러한 방식으로, 적층 구조물의 상측으로부터 조사된 레이저는 연장 전극(131, 133, 135, 137)을 식각하기 위하여 상당한 양의 에너지가 소모되기 때문에, 아래층 쪽으로 갈수록 EAP층, 보호층, 및 연장 전극에 가해지는 레이저의 파워는 단계적으로 또는 불연속적으로 줄어든다. 그 결과, 적층 구조물의 비활성 영역(II, III)에는 도시된 것과 같은 층계 형상의 프로파일을 갖는 비아 홀(H1, H2)이 형성된다. 그리고 이 비아 홀(H1, H2)을 통하여 잔류하는 연장 전극(141~148)의 상면 일부가 노출된다.
다음으로 도 10j를 참조하면, 비활성 영역(II, III)의 비아 홀(H1, H2)에 공통전극(151, 152)을 형성한다. 공통 전극(151, 152)은 금속 등과 같은 도전성 물질로 형성되며, 그 형성 방법에 특별한 제한은 없다. 공통 전극(151, 152)은 예컨대 비아 홀(H1, H2)의 프로파일을 따라서 소정의 두께(예컨대, 1000nm 이상의 두께)로 형성할 수 있다. 또는, 공통 전극(151, 152)은 비아 홀(H1, H2)을 거의 채우도록 두껍게 형성할 수도 있다. 이와 같이 형성된 공통 전극(151, 152)은 노출된 연장 전극(141~148)의 상면과 접촉을 하므로, 적어도 층계 형상의 프로파일을 포함한다.
이상의 설명은 본 발명의 실시예에 불과할 뿐, 이 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 기술 사상은 특허청구범위에 기재된 발명에 의해서만 특정되어야 한다. 따라서 본 발명의 기술 사상을 벗어나지 않는 범위에서 전술한 실시예는 다양한 형태로 변형되어 구현될 수 있다는 것은 당업자에게 자명하다.
100: 다층 전기활성 폴리머 디바이스
110~118, 110a, 110b: EAP층
120~128, 120a, 120b: 보호층
130~138, 130a, 130b: 활성 전극
140~148, 140a, 140b: 연장 전극
151, 152: 공통 전극
161, 162: 식각 정지층

Claims (30)

  1. 적층된 복수의 단위 층(a plurality of unit layers)을 포함하는 다층 전기활성 폴리머 디바이스에 있어서, 상기 복수의 단위 층 각각은
    전기활성 폴리머(Electro-Active Polymer, EAP)로 형성된 EAP층;
    상기 EAP층으로 물질 침투를 방지하는 보호층(protecting layer); 및
    전도성 물질로 형성된 활성 전극(active electrode)을 포함하는 다층 전기활성 폴리머 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보호층은 상기 EAP층 상에 형성되는 다층 전기활성 폴리머 디바이스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 보호층은 상기 활성 전극 상에 형성되는 다층 전기활성 폴리머 디바이스.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 보호층은 제1 보호층과 제2 보호층으로 구성되어 있으며,
    상기 활성 전극은 상기 제1 보호층과 상기 제2 보호층 사이에 형성되는 다층 전기활성 폴리머 디바이스.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 보호층은 상기 전기활성 폴리머(EAP)가 용해되는 제1 용매에 용해되지 않는 폴리머로 형성되는 다층 전기활성 폴리머 디바이스.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 보호층은 상기 전기활성 폴리머가 용해되지 않는 제2 용매에 용해되는 폴리머로 형성되는 다층 전기활성 폴리머 디바이스.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 EAP층은 PVDF(poly vinylidene fluoride) 폴리머, P(VDF-TrFE)(poly vinylidene fluoride - trifluoroethylene) 폴리머, 또는 P(VDF-TrFE-CFE)(poly vinylidene fluoride - trifluoroethylene - chlorofluoroethylene) 폴리머로 형성되고,
    상기 보호층은 폴리비닐페놀(PVP), 폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리(4-비닐피리딘)(P4VP), 및 폴리아크릴산(PAA)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 또는 그 조합으로 형성되는 다층 전기활성 폴리머 디바이스.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 활성 전극은 100nm 이하의 두께를 갖는 금속 물질 또는 도전성 폴리머로 형성되어 있는 다층 전기활성 폴리머 디바이스.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 금속 물질은 금(Au), 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 및 철(Fe)로 이루어진 선택된 그룹에서 어느 하나이거나 또는 이들의 조합인 다층 전기활성 폴리머 디바이스.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 도전성 폴리머는 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 및 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌슐폰산)(PEDOT:PSS) 중에서 선택된 하나이거나 또는 이들의 조합인 다층 전기활성 폴리머 디바이스.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 전기활성 폴리머는 실리콘(silicone)에 기초한 유전성 탄성중합체(dielectric elastomer) 또는 폴리우레탄(polyurethane)에 기초한 유전성 탄성중합체인 다층 전기활성 폴리머 디바이스.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 단위 층 각각은 상기 활성 전극에 전기적으로 연결되도록 형성된 연장 전극을 더 포함하고,
    이웃하는 적층된 두 단위 층의 연장 전극들은 상기 활성 영역에 대하여 서로 대향하는 위치에 배치되어 있는 다층 전기활성 폴리머 디바이스.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 연장 전극들의 측면과 상면을 전기적으로 접속하도록 형성된 공통 전극을 더 포함하는 다층 전기활성 폴리머 디바이스.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 공통 전극의 일면과 접촉하는 식각 정지층; 및
    위쪽으로 갈수록 그 폭이 증가하는 형상을 갖는 비아 홀을 더 포함하고,
    상기 공통 전극은 상기 비아 홀 안에 형성되어 있는 다층 전기활성 폴리머 디바이스.
  15. 제13항에 있어서,
    일 측부가 층계 형상을 갖는 복수의 비활성층; 및
    상기 공통 전극의 일면과 접촉하는 식각 정지층을 더 포함하고,
    상기 공통 전극은 상기 일 측부에 형성되어 있는 다층 전기활성 폴리머 디바이스.
  16. 기판 상에 전기활성 폴리머(Electro-Active Polymer, EAP) 용액을 필름 형상으로 만든 후에 상기 EAP 용액의 용매를 제거하여 제1 EAP층을 형성하는 단계;
    상기 제1 EAP층으로 물질 침투를 방지하는 보호층을 형성하는 단계;
    전도성 물질로 활성 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 보호층 상에 상기 EAP 용액을 필름 형상으로 만든 후에 상기 EAP 용액의 용매를 제거하여 제2 EAP층을 형성하는 단계를 포함하는 다층 전기활성 폴리머 디바이스의 제조방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 보호층은 상기 제1 EAP층 상에 형성하고,
    상기 활성 전극은 상기 보호층 상에 형성하는 다층 전기활성 폴리머 디바이스의 제조방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 활성 전극은 상기 제1 EAP층 상에 형성하고,
    상기 보호층은 상기 활성 전극이 형성된 상기 제1 EAP층 상에 형성하는 다층 전기활성 폴리머 디바이스의 제조방법.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 보호층은 제1 보호층 및 제2 보호층으로 구성되어 있으며,
    상기 보호층의 형성 단계와 상기 활성 전극의 형성 단계는
    상기 제1 EAP층 상에 상기 제1 보호층을 형성하는 단계;
    상기 제1 보호층 상에 상기 활성 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 활성 전극이 형성된 상기 제1 보호층 상에 상기 제2 보호층을 형성하는 단계를 포함하는 다층 전기활성 폴리머 디바이스의 제조방법.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 보호층은 상기 EAP 용액의 용매에 대하여 용해되지 않는 폴리머로 형성하는 다층 전기활성 폴리머 디바이스의 제조방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 보호층은 상기 다층 전기활성 폴리머가 용해되지 않는 용매에 용해되는 폴리머로 형성하는 다층 전기활성 폴리머 디바이스의 제조방법.
  22. 제16항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 EAP층의 형성 단계에서는 스핀 코팅법을 이용하여 상기 전기활성 폴리머 용액을 필름 형상으로 만드는 다층 전기활성 폴리머 디바이스의 제조방법.
  23. 적층된 복수의 한 쌍의 단위 층(a plurality of a pair of unit layers)을 포함하는 다층 전기활성 폴리머 디바이스에 있어서,
    상기 다층 전기활성 폴리머 디바이스는 활성 영역 및 상기 활성 영역에 각각 인접한 제1 비활성 영역과 제2 비활성 영역으로 구획되고,
    상기 복수의 한 쌍의 단위 층 각각은
    전기활성 폴리머(Electro-Active Polymer, EAP)로 형성된 제1 EAP층;
    상기 제1 EAP층으로 물질 침투를 방지하는 제1 보호층(protecting layer);
    상기 활성 영역으로부터 상기 제1 비활성 영역까지 연장 형성되도록 전도성 물질로 형성된 제1 활성 전극(active electrode);
    상기 제1 EAP층 상에 전기활성 폴리머로 형성된 제2 EAP층;
    상기 제2 EAP층으로 물질 침투를 방지하는 제2 보호층; 및
    상기 활성 영역으로부터 상기 제2 비활성 영역까지 연장 형성되도록 전도성 물질로 형성된 제2 활성 전극을 포함하는 다층 전기활성 폴리머 디바이스.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 제1 보호층은 상기 제1 EAP층 상에 형성되고, 상기 제2 보호층은 상기 제2 EAP층 상에 형성되는 다층 전기활성 폴리머 디바이스.
  25. 제23항에 있어서,
    상기 제1 보호층은 상기 제1 활성 전극 상에 형성되고, 상기 제2 보호층은 상기 제2 활성 전극 상에 형성되는 다층 전기활성 폴리머 디바이스.
  26. 제23항에 있어서,
    상기 제1 보호층과 상기 제2 보호층은 각각 두 개의 층으로 구성되고, 상기 제1 활성 전극과 상기 제2 활성 전극은 각각 상기 두 개의 층 사이에 형성되는 다층 전기활성 폴리머 디바이스.
  27. 제23항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 보호층은 각각 상기 전기활성 폴리머가 용해되는 제1 용매에 용해되지 않고 또한 상기 전기활성 폴리머가 용해되지 않는 제2 용매에 용해되는 폴리머로 형성되는 다층 전기활성 폴리머 디바이스.
  28. 제23항에 있어서,
    상기 복수의 한 쌍의 단위 층 각각은
    상기 제1 활성 전극과 전기적으로 연결되도록 상기 제1 비활성 영역에 형성된 제1 연장 전극; 및
    상기 제2 활성 전극과 전기적으로 연결되도록 상기 제2 비활성 영역에 형성된 제2 연장 전극을 더 포함하고,
    상기 다층 전기활성 폴리머 디바이스는
    상기 제1 비활성 영역에 적층되어 있는 복수의 상기 제1 연장 전극들을 전기적으로 연결하는 제1 공통 전극; 및
    상기 제2 비활성 영역에 적층되어 있는 복수의 상기 제2 연장 전극들을 전기적으로 연결하는 제2 공통 전극을 포함하는 다층 전기활성 폴리머 디바이스.
  29. 제28항에 있어서,
    적층된 상기 복수의 단위 층들의 상기 제1 비활성 영역에는 상기 제1 연장 전극의 상면 일부를 노출시키도록 위쪽으로 갈수록 그 폭이 단계적으로 증가하는 제1 비아 홀이 형성되고 있고,
    적층된 상기 복수의 단위 층들의 상기 제2 비활성 영역에는 상기 제2 연장 전극의 상면 일부를 노출시키도록 위쪽으로 갈수록 그 폭이 단계적으로 증가하는 제2 비아 홀이 형성되어 있으며,
    상기 제1 공통 전극은 상기 제1 비아 홀에 형성되어 있고, 상기 제2 공통 전극은 상기 제2 비아 홀에 형성되어 있는 다층 전기활성 폴리머 디바이스.
  30. 제28항에 있어서,
    적층된 상기 복수의 단위 층들의 상기 제1 비활성 영역은 측부가 상기 제1 연장 전극의 상면 일부를 노출시키는 층계 형상을 갖고,
    적층된 상기 복수의 단위 층들의 상기 제2 비활성 영역은 측부가 상기 제2 연장 전극의 상면 일부를 노출시키는 층계 형상을 가지며,
    상기 제1 공통 전극은 상기 제1 비활성 영역의 측부에 형성되고, 상기 제2 공통 전극은 상기 제2 비활성 영역의 측부에 형성되어 있는 다층 전기활성 폴리머 디바이스.
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