고성능 전기활성 고분자 변환기 document_id A220623068269

오늘날 사용되는 매우 다양한 장치들은 역학 에너지로 전기 에너지를 변환하기 위하여 다양한 작동기에 의존한다. 작동기들은 이들 제품들에게 생명을 불어넣어 줌으로써, 동작하게 만든다. 역으로, 많은 전력 생성 응용예들은 기계적 동작을 전기 에너지로 변환시킴으로써 작동한다. 이러한 방식으로 기계적 에너지를 얻기 위하여 사용되는 동일한 형태의 작동기는 제너레이터로서 언급될 수 있다. 마찬가지로, 구조체가 진동 또는 압력과 같은 물리적 자극을 측정 목적으로 하여 전기적 신호로 변환시키기 위하여 사용되는 경우, 이는 변환기로서 언급될 수 있다. 그러나, "변환기"라는 용어는 일반적으로 임의의 장치를 언급하기 위하여 사용될 수 있다. 임의의 이름으로, 전기활성 고분자를 사용하는 새로운 종류의 구성요소들은 이러한 기능을 하도록 구성될 수 있다. 특히 작동기와 제네레이터 응용을 위하여, 설계시 고려할 많은 사항들은 진보된 전기활성 고분자 기술 기반의 변환기의 선택과 사용을 조장한다. 이러한 고려사항에는 포텐셜 포스(potential force), 전력 밀도, 전력 변환/소비, 사이즈, 중량, 비용, 반응 시간, 듀티 사이클, 서비스 요구 사항, 환경 영향 등이 포함된다. 스탠포드 국제 연구소와 피면허자 Artificial Muscle사(이하 AM사)에 의하여 개발된 전기활성 고분자 인공근육(Electroactive Polymer Artificial Muscle)(EPAM) 기술은 다른 이용 가능한 기술에 관한 각각의 범주에서 우수하다. 많은 응용예에서, EPAM 기술은 압전체, 형상기억합금(SMA) 및 모터와 솔레노이드와 같은 전자기 장치에 대해 이상적 대체를 제공한다. 작동기로서, EPAM 기술은 탄성의 유전성의 고분자에 의하여 분리된 2개의 얇은 탄성 필름 전극 양단에 전압을 인가함으로써 작동한다. 전압차가 전극에 인가되는 경우, 반대 방향으로 대전된 부재들은 그들 사이의 고분자에 가하는 압력을 생산하면서 서로를 끌어당긴다. 압력은 전극들을 하나로 화합하여, 유전성 고분자 필름이 평면 방향으로 팽창함(고분자 필름의 x 및 y축은 성장한다)에 따라 얇아지도록 한다(Z축 성분은 감소한다). 다른 요인은 고분자 필름을 박막화시키고 팽창하게 한다. 각각의 탄성 필름 전극을 가로질러 분포된 같은(동일한) 전하는 필름에 내재하는 전도성 입자들이 서로 척력을 가하도록 하여, 탄성 전극과 유전체가 부착된 고분자 필름을 팽창시킨다. 이러한 "형상 전이" 기술을 이용하여, AM사는 다양한 산업상, 의료용, 소비부분 및 전자공학 응용 제품에서 이용될 새로운 입체 회로 소자(solid-state device)를 개발하고 있다. 현재의 제품 구조는 다음을 포함한다: 작동기, 모터, 변환기/센서, 펌프 및 제너레이터. 작동기는 상기에 논의된 동작에 의하여 작동된다. 제너레이터와 센서는 재료의 물리적 변형에 따라 캐패시턴스를 변화함으로써 작동된다. AM사가 다수의 기본적 "턴키" 유형의 장치들을 도입했고, 이는 현존 장치를 대체하기 위한 빌딩 블록으로서 사용될 수 있다. 각각의 장치는 유전성 고분자를 사전변형하기 위하여 지지체 또는 프레임 구조를 사용한다. 사전변형이 고분자의 절연 내력(dielectric strength)을 개량하며, 이로써 높은 필드 전위(field potential)를 허용함으로써 전기적 에너지와 역학적 에너지 간의 전환을 개선하는 것으로 관찰되었다. 이러한 작동기 중에서, "스프링롤(spring roll)" 유형의 선형 작동기는 나선형 스프링 주위에 EPAM 소재의 층을 랩핑함으로써 준비된다. EPAM 소재는 위치를 고정하기 위하여 스프링 단부에서 캡/커버에 연결된다. 스프링의 본체는 스프링의 세로 압축이 축방향 사전변형을 제공하는 반면에 EPAM 상의 방사상 또는 원주의 사전변형을 지지한다. 인가된 전압은 필름이 두께에서는 압착하고 세로방향으로는 이완하여, 스프링이(그러므로, 전체 장치) 확장되도록 허용한다. 원주에 2개 이상의 개별적으로 조절가능한 섹션을 생성하기 위하여 전극을 형성함으로써, 전기적으로 그러한 섹션을 활성화하는 것은 롤 익스텐드(roll extend) 및 전체 구조가 그 측면으로부터 이격되어 만곡되도록 한다. 벤딩(bending) 빔 작동기들은 빔의 표면을 따라 펼쳐진 하나 이상의 EPAM 소재층들을 부가함으로써 형성된다. 전압이 인가됨에 따라, EPAM 소재는 두께와 길이 성장에서 수축한다. 빔의 일 측을 따라 길이 성장하는 것은 빔이 활성화된 층(들)로부터 이격되어 만곡되도록 한다. 유전성 탄성중합체 필름(또는 전술한 " 스프링롤 "와 같은 완전한 작동기 패키지)의 쌍들이 "푸쉬풀" 구성방식으로 배열될 수 있다. 하나의 작동기에서 또 다른 작동기로 전압을 스위칭하는 것은 조립체의 위치를 전후로 이동시킨다. 시스템의 대향하는 면을 활성화하는 것은 중성점에서 조립체를 견고하게 만든다. 그렇게 구성되어, 작동기는 사람의 팔의 운동을 제어하는 해당 이두근과 3두근과 같이 작용한다. 푸쉬풀 구조는 평평한 프레임 또는 하나 이상의 대향하는 스프링 롤에 고정되는 필름 섹션을 포함하는지 여부에 관계없이, 이때 하나의 EPAM 구조가 다른 EPAM 구조를 위한 편심 부재(biasing member)로서 사용될 수 있으며, 그 역도 가능하다. 또 다른 종류의 장치들은 하나 이상의 필름 섹션을 폐쇄 연계(closed linkage) 또는 스프링 경첩 프레임 구조에 위치시킨다. 연동 프레임이 사용되는 경우, 바이어스형 스프링이 EPAM 필름의 사전변형에 일반적으로 사용될 것이다. 스프링 경첩 구조는 필요한 바이어싱을 본질적으로 포함할 수 있다. 어떤 경우에는, 전압의 인가는 프레임 또는 연계 구조를 변경하여, 이로써 바람직한 기계출력을 제공하다. 다이어프램 작동기는 라멘구조(rigid frame)의 개구부 상에 EPAM 필름을 연신함으로써 만들어진다. 알려진 다이어프램 작동기의 예들은, 스프링, 스프링과 EPAM 사이에 설치된 중간 로드 또는 플런저, 탄력성 발포제, 또는 공기 압력에 의하여 직접적으로 스프링에 의하여 편향된다(즉, 내외부 또는 상하방으로 밀린다). 바이어싱은 다이어프램이 단순히 주름이 지는 것보다 오히려 전극 활성/두께 수축시 바이어스 방향으로 움직이는 것을 보장한다. 다이어프램 작동기는 볼륨을 디스플레이싱하여, 펌프 또는 확성기 등으로 사용하기에 적합하게 할 수 있다. 또한, 보다 복잡한 작동기가 구성될 수 있다. "인치-웜(inch-worm)" 및 회전 출력식 장치가 그 예이다. 앞서 언급된 장치들은 물론 그 밖의 장치들에 관한 추가적인 설명과 상세한 설명이 다음의 특허 및/또는 특허 출원 공보에서 발견될 수 있다: 6,812,624 Electroactive polymers 6,809,462 Electroactive polymer sensors 6,806,621 Electroactive polymer rotary motors 6,781 284 Electroactive polymer transducers and actuators 6,768,246 Biologically powered electroactive polymer generators 6,707,236 Non-contact electroactive polymer electrodes 6,664,718 Monolithic electroactive polymers 6,628,040 Electroactive polymer thermal electric generators 6,586,859 Electroactive polymer animated devices 6,583,533 Electroactive polymer electrodes 6,545,384 Electroactive polymer devices 6,543,110 Electroactive polymer fabrication 6,376,971 Electroactive polymer electrodes 6,343,129 Elastomeric diefectric polymer film sonic actuator 20040217671 RoIled electroactive polymers 20040263028 Electroactive polymers 20040232807 Electroactive polymer transducers and actuators 20040217671 RoIled electroactive polymers 20040124738 Electroactive polymer thermal electric generators 20040046739 Pliable device navigation method and apparatus 20040008853 Electroactive polymer devices for moving fluid 20030214199 Electroactive polymer devices for controlling fluid flow 20030141787 Non-contact electroactive polymer electrodes 20030067245 Master/slave electroactive polymer systems 20030006669 Rofled electroactive polymers 20020185937 Electroactive polymer rotary motors 20020175598 Electroactive polymer rotary clutch motors 20020175594 Variable stiffness electroactive polymer systems 20020130673 Electroactive polymer sensors 20020050769 Electroactive polymer electrodes 20020008445 Energy efficient electroactive polymers and electroactivepolymer devices 20020122561 Elastomeric dielectric polymer film sonic actuator 20010036790 Electroactive polymer animated devices 20010026165 Monolithic eIectroactive polymers 상기 공개 특허는 본 원에서 설명하는 본 발명의 측면과 연결 또는 결합하여 사용되는 기본적 기술과 특징들에 관한 배경 및/또는 보다 상세한 설명을 제공하기 위한 목적으로 본 원에 전체로서 합체되어 있다. 상기에 기술된 장치가 EPAM 기술 변환기의 고도의 기능적인 실시예를 제공하나, 더 효율적인 EPAM 변환기의 개발에 관한 관심은 계속되고 있다. 본 발명에 따른 변환기에 의하여 제공되는 효율에 있어서의 장점들은 프리로딩 향상, 구동 요소와의 인터페이스, 출력, 제작가능성 등의 측면에서 표현될 수 있다. 당업자에게 있어서 상기 적용 가능한 장점들은 자명할 것이다.