Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

KR20180025071A - Soft Actuator and Manufacturing Method of the Same - Google Patents

Soft Actuator and Manufacturing Method of the Same Download PDF

Info

Publication number
KR20180025071A
KR20180025071A KR1020160122112A KR20160122112A KR20180025071A KR 20180025071 A KR20180025071 A KR 20180025071A KR 1020160122112 A KR1020160122112 A KR 1020160122112A KR 20160122112 A KR20160122112 A KR 20160122112A KR 20180025071 A KR20180025071 A KR 20180025071A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
soft actuator
fibers
fiber
thermoelectric element
electrode
Prior art date
Application number
KR1020160122112A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
최연호
권오석
하숭목
이동하
Original Assignee
재단법인대구경북과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 재단법인대구경북과학기술원 filed Critical 재단법인대구경북과학기술원
Priority to US15/659,784 priority Critical patent/US10473093B2/en
Publication of KR20180025071A publication Critical patent/KR20180025071A/en
Priority to US16/590,737 priority patent/US11041485B2/en

Links

Images

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
    • F03G7/06—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like
    • F03G7/064—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like characterised by its use
    • 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
    • F03G7/06—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like
    • F03G7/065—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like using a shape memory element
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/108—Bearings specially adapted therefor

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)

Abstract

The present invention relates to a soft actuator and a manufacturing method thereof. According to an embodiment of the present invention, the soft actuator comprises: a fiber that is twisted; and a thermoelement that is arranged in one end of the fiber. The fiber is expanded and contracted as a direction of a current flowing in the thermoelement is changed.

Description

소프트 액추에이터 및 그 제조방법{Soft Actuator and Manufacturing Method of the Same}Technical Field [0001] The present invention relates to a soft actuator and a manufacturing method thereof,

본 발명은 소프트 액추에이터 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a soft actuator and a manufacturing method thereof.

소프트 액추에이터는 기존 강체(rigid body)를 통해 입력된 힘이나 변위를 전달하는 기구(mechanism)와 달리 탄성이 있는 변형체를 통해 전달하는 신축성(flexible) 있는 기구이다.A soft actuator is a flexible mechanism that transmits through a resilient modifier unlike a mechanism that transmits force or displacement through an existing rigid body.

소프트 액추에이터에는 위치 에너지가 바닥인 지점(potential well)이 두 군데 위치하도록 배치하여 불안정 지점에서 안정 지점으로 이동하려는 점프 현상(jump phenomenon)을 이용하는 쌍안정 액추에이터, 전기활성고분자를 이용하는 전도성 고분자 액추에이터, 대상 기술과 같이 섬유의 꼬임(twist) 등을 이용한 섬유강화 액추에이터(fiber reinforced actuator) 등이 있다.The soft actuator includes a bistable actuator that uses a jump phenomenon to move from an unstable point to a stable point by arranging the potential wells at two locations, a conductive polymer actuator using an electroactive polymer, Fiber reinforced actuators using twist of fibers as in the case of the prior art.

섬유강화 액추에이터(fiber reinforced actuator)의 경우 섬유의 움직이는 방향에 따라 구분된다.In the case of fiber reinforced actuators, the direction of movement of the fibers is differentiated.

일반적으로 섬유강화 액추에이터(fiber reinforced actuator)를 비롯한 외부 자극에 의해 거동하는 소프트 액추에이터는 외부의 자극원으로 일단에 가해지는 전기, 온도 및 빛을 이용한다.Generally, soft actuators acting by external stimuli, including fiber reinforced actuators, utilize electricity, temperature, and light applied at one end as an external stimulus source.

한국 특허공개공보 제10-2015-0038475호Korean Patent Publication No. 10-2015-0038475

본 발명의 목적은 자연 냉각에 의한 동작을 강제 냉각으로 전환함으로써 소프트 액추에이터의 동작 반응 시간을 감소시킬 수 있는 소프트 액추에이터 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a soft actuator capable of reducing an operation reaction time of a soft actuator by switching an operation by natural cooling to forced cooling, and a method of manufacturing the same.

또한, 기존의 소프트 액추에이터의 문제점을 해결하여 팽창 및 수축이 능동적으로 제어 가능하도록 하고, 외부 자극에 대하여 선형적으로 동작하도록 한다.In addition, the present invention solves the problems of existing soft actuators to enable active control of expansion and contraction, and to operate linearly with external stimuli.

본 발명의 실시 예를 따르는 소프트 액추에이터는, 꼬임(twist)을 갖는 섬유; 및 상기 섬유의 일단에 배치된 열전소자;를 포함하고, 상기 섬유는 상기 열전소자에 흐르는 전류 방향이 변경함에 따라 팽창 및 수축한다.A soft actuator according to an embodiment of the present invention includes a fiber having a twist; And a thermoelectric element disposed at one end of the fiber, wherein the fiber expands and contracts as the current flowing in the thermoelectric element changes.

또한, 상기 열전소자는 복수의 층으로 적층될 수 있다. Further, the thermoelectric elements can be stacked in a plurality of layers.

또한, 상기 섬유의 표면 및 상기 열전소자를 연결하는 접착층을 더 포함할 수 있다.In addition, it may further include an adhesive layer connecting the surface of the fiber and the thermoelectric element.

또한, 상기 섬유의 일단 및 상기 열전소자를 연결하는 제어부를 더 포함할 수 있다. The apparatus may further include a control unit connecting one end of the fiber and the thermoelectric element.

또한, 상기 섬유는 말림(coiling) 형상을 더 가질 수 있다. Further, the fibers may have a coiling shape.

본 발명의 실시 예를 따르는 소프트 액추에이터의 제조 방법은, 꼬임(twist)을 갖는 섬유를 준비하는 단계; 및 상기 섬유의 표면의 적어도 일부에 열전소자를 배치하는 단계;를 포함한다.A method of manufacturing a soft actuator according to an embodiment of the present invention comprises: preparing a fiber having a twist; And disposing a thermoelectric element on at least a part of the surface of the fiber.

본 발명의 실시 예를 따르는 소프트 액추에이터 및 그 제조 방법은 자연 냉각에 의한 동작을 강제 냉각으로 전환함으로써 소프트 액추에이터의 동작 반응 시간을 감소시킬 수 있다. The soft actuator according to the embodiment of the present invention and the manufacturing method thereof can reduce the operation reaction time of the soft actuator by switching the operation by natural cooling to forced cooling.

또한, 기존의 소프트 액추에이터의 문제점을 해결하여 팽창 및 수축이 능동적으로 제어 가능하도록 하고, 외부 자극에 대하여 선형적으로 동작하도록 할 수 있다. In addition, it is possible to solve the problems of existing soft actuators, to actively control expansion and contraction, and to operate linearly with external stimuli.

또한, 꼬인 섬유 및 열전소자를 이용하여 섬유에 대한 정확하고 미세한 조절을 할 수 있으므로 소프트 액추에이터 적용분야 확대 및 정확도가 개선 될 수 있다.In addition, the twisted fibers and thermoelectric elements can be used to precisely and finely control the fibers, which can improve the application and accuracy of soft actuator applications.

또한, 꼬인 섬유 및 열전소자를 이용하여 구조가 단순하기 때문에 미세 액추에이터가 활용되는 의료용 로봇, 미세 인공근육에 적용가능하고, 경도가 우수하고 거동력이 크기 때문에 군사용 로봇, 신체기능 보완로봇 등의 분야에도 적용이 가능하다.In addition, since the structure is simple using twisted fibers and thermoelectric elements, it can be applied to medical robots and micro artificial muscles utilizing microactuators, and has excellent hardness and large dynamic force. Therefore, it can be applied to military robots, .

또한, 빛이나 화학물질을 이용하는 것이 아니라 섬유에 밀접한 열전소자를 이용하여 거동하므로 외부의 다른 요인을 배제 할 수 있고, 열전소자에 의한 정확한 제어가 가능하다. In addition, it does not use light or chemicals, but acts by using a thermoelectric element closely to the fiber, so other external factors can be excluded and precise control by the thermoelectric element is possible.

도 1은 꼬임을 갖는 섬유를 도시한 것이다.
도 2는 꼬임 및 말림을 갖는 섬유를 도시한 것이다.
도 3은 헤테로 섬유의 거동을 도시한 것이다.
도 4는 호모 섬유의 거동을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시 예를 따르는 소프트 액추에이터를 도시한 것이다.
도 6은 도 5의 A의 절단면을 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 실시 예를 따르는 소프트 액추에이터의 거동을 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예를 따르는 소프트 액추에이터를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시 예를 따르는 소프트 액추에이터를 도시한 것이다.
도 10는 본 발명의 다른 실시 예를 따르는 소프트 액추에이터를 도시한 것이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시 예를 따르는 소프트 액추에이터를 도시한 것이다.

도 12는 본 발명의 다른 실시 예를 따르는 소프트 액추에이터를 도시한 것이다.
도 13은 도 12의 B의 절단면을 도시한 것이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시 예를 따르는 소프트 액추에이터의 열전소자가 배치된 부분의 절단면을 도시한 것이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시 예를 따르는 소프트 액추에이터를 도시한 것이다.
도 16은 본 발명의 다른 실시 예를 따르는 소프트 액추에이터를 도시한 것이다.
도 17은 본 발명의 다른 실시 예를 따르는 소프트 액추에이터를 도시한 것이다. Figure 1 shows fibers with kinks.
Figure 2 shows fibers with kinks and curls.
Figure 3 shows the behavior of the heterofilament.
Fig. 4 shows the behavior of the homo-fibers.
Figure 5 illustrates a soft actuator in accordance with an embodiment of the present invention.
Fig. 6 is a cross-sectional view taken along line A of Fig.
7 shows the behavior of a soft actuator according to an embodiment of the present invention.
Figure 8 shows a soft actuator according to another embodiment of the present invention.
Figure 9 illustrates a soft actuator according to another embodiment of the present invention.
Figure 10 shows a soft actuator according to another embodiment of the present invention.
11 shows a soft actuator according to another embodiment of the present invention.

Figure 12 shows a soft actuator according to another embodiment of the present invention.
Fig. 13 is a cross-sectional view taken along line B of Fig.
Fig. 14 is a sectional view of a portion where a thermoelectric element of a soft actuator is arranged according to another embodiment of the present invention.
Figure 15 illustrates a soft actuator according to another embodiment of the present invention.
Figure 16 shows a soft actuator according to another embodiment of the present invention.
17 shows a soft actuator according to another embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.　 또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.　 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다. 덧붙여, 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 "포함"한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments of the present invention can be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. Further, the embodiments of the present invention are provided to more fully explain the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the shapes and sizes of the elements in the drawings may be exaggerated for clarity of description, and the elements denoted by the same reference numerals in the drawings are the same elements. In the drawings, like reference numerals are used throughout the drawings. In addition, "including" an element throughout the specification does not exclude other elements unless specifically stated to the contrary.

소프트 액추에이터(100) (Soft Actuator)The soft actuator 100 (Soft Actuator)

도 5는본 발명의 실시 예를 따르는 소프트 액추에이터(100)를 도시한 것이고, 도 6은 도 5의 A의 절단면을 도시한 것이다. Fig. 5 shows a soft actuator 100 according to an embodiment of the present invention, and Fig. 6 shows a cut-away view of Fig.

도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시 예를 따르는 소프트 액추에이터(100)는, 꼬여진 섬유(110); 및 상기 섬유의 적어도 일 면에 배치된 열전 소자(120); 를 포함하고, 상기 섬유(110)는 상기 열전소자(120)에 흐르는 전류 방향이 변경함에 따라 팽창 및 수축한다.5 and 6, a soft actuator 100 in accordance with an embodiment of the present invention includes twisted fibers 110; And a thermoelectric element (120) disposed on at least one side of the fiber; And the fibers 110 expand and contract as the direction of current flowing through the thermoelectric element 120 changes.

종래에는 열을 가하여 섬유를 운동(길이 감소/증가)시키고, 자연 냉각으로 원래의 위치(길이 증가/감소)로 복귀 되도록 구성되었다. 이에 따라 열을 가하여 거동할 때와 냉각되어 원위치로 복귀할 때의 거동시간에 비대칭 발생할 수 있다. 본 발명의 실시 예는 소프트 액추에이터(100)의 거동용 열전소자(120)를 배치하고, 열전소자(120)의 전류 방향 변경으로 가열면과 냉각면 전환 기능을 이용하여, 섬유(110)를 가열 및 냉각함으로써 소프트 액추에이터(100)의 동작 시간을 감소시킬 수 있다. Conventionally, heat is applied to move the fibers (length reduction / increase) and return to the original position (length increase / decrease) by natural cooling. As a result, asymmetry can occur in the behavior when heat is applied and when it is cooled and returned to the home position. The embodiment of the present invention is characterized in that the thermoelectric element 120 for the behavior of the soft actuator 100 is disposed and the fiber 110 is heated by using the heating surface and the cooling surface switching function by changing the current direction of the thermoelectric element 120 And the cooling time of the soft actuator 100 can be reduced.

본 발명의 실시 예에 따른 소프트 액추에이터(100)는 꼬거나(twist), 꼬고 말린(twist and coil) 섬유(110)를 포함함으로써 온도 변화에 즉각적이고 민감하며 가역적으로 반응할 수 있다.The soft actuator 100 according to an embodiment of the present invention may include twisted, twisted, and coiled fibers 110 to provide immediate, sensitive, and reversible response to temperature changes.

상기 소프트 액추에이터(100)에 배치된 열전소자(120)에 의해 섬유(110)가 온도가 증가하면, 상기 소프트 액추에이터(100)는 섬유의 꼬인(coil) 구조 또는 말린(twist) 구조가 풀리면서 회전력을 갖게 된다. 상기 소프트 액추에이터(100)에 배치된 열전소자(120)에 의해 섬유(110)의 온도가 상기 상승된 온도로부터 낮아지게 되면 상기 소프트 액추에이터(100)의 섬유(110)는 풀렸던 꼬인(coil) 구조 또는 말린(twist) 구조가 다시 재형성 되면서 상기 방향과 반대 방향의 회전력을 갖게 된다. 이 방식으로, 상기 소프트 액추에이터(100)는 능동적으로 가열 및 냉각될 수 있다. 이는 상기 소프트 액추에이터(100)에 의해 수동적으로 상기 열에너지를 소멸시키는 대신에, 기계적 에너지로 전환되어 상기 회전형 소프트 액추에이터(100)가 냉각되기 때문이다.When the temperature of the fiber 110 is increased by the thermoelectric element 120 disposed in the soft actuator 100, the soft actuator 100 is rotated by the coil structure or the twist structure of the fiber, . When the temperature of the fiber 110 is lowered from the elevated temperature by the thermoelectric element 120 disposed in the soft actuator 100, the fibers 110 of the soft actuator 100 are pulled up by the coiled coil structure Or the twist structure is again reformed to have a rotational force opposite to the above direction. In this way, the soft actuator 100 can be actively heated and cooled. This is because the rotary type soft actuator 100 is cooled by switching to mechanical energy instead of passively dissipating the heat energy by the soft actuator 100. [

종래의 소프트 액추에이터는 열을 가하여 섬유를 운동(길이 감소, 증가) 시키고, 자연 냉각으로 원래의 위치(길이 증가, 감소)로 돌아간다. 이 때, 소프트 액추에이터에 열을 가하여 거동할 때와 냉각되어 원위치로 복귀할 때의 거동 시간에 비대칭이 발생한다. Conventional soft actuators apply heat to move the fibers (reduce length, increase) and return to their original position (length increase, decrease) by natural cooling. At this time, asymmetry occurs in the behavior time when the soft actuator is subjected to heat by applying heat and when it is cooled and returned to the home position.

본 발명의 실시 예를 따르는 소프트 액추에이터(100)는 소프트 액추에이터(100)의 거동을 위해 꼬임이 있는 섬유(110)의 적어도 일부 표면에 배치된 열전소자(120)를 포함하고, 열전소자(120)에 흐르는 전류의 방향에 의한 가열면과 냉각면이 전환됨으로써 섬유(110)를 가열 또는 냉각시켜 거동한다. 이로써 자연 냉각에 의한 동작을 강제 냉각으로 전환함으로써 소프트 액추에이터(100)의 동작 반응 시간을 감소시킬 수 있다. 또한, 소프트 액추에이터(100)의 가열/냉각을 위한 거동원으로 열전소자(120)를 배치하여 열전소자(120)의 가열/냉각에 의한 섬유(110)의 수축운동/팽창운동을 구성하고, 열을 이용한 소프트 액추에이터(100)의 연속적인 동작 특성을 개선할 수 있다.A soft actuator 100 according to an embodiment of the present invention includes a thermoelectric element 120 disposed on at least a portion of a surface of a twisted fiber 110 for the purpose of the behavior of the soft actuator 100, So that the fiber 110 is heated or cooled to change its behavior. Thus, the operation response time of the soft actuator 100 can be reduced by switching the operation by natural cooling to forced cooling. The thermoelectric element 120 is disposed as a moving source for heating / cooling the soft actuator 100 to constitute a shrinking / expanding motion of the fiber 110 by heating / cooling the thermoelectric element 120, It is possible to improve the continuous operation characteristics of the soft actuator 100 by using the soft actuator 100.

이하 도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 실시 예를 따르는 소프트 액추에이터(100)에 포함된 꼬임을 갖는 섬유에 대하여 설명한다. 1 to 4, a description will be given of a fiber having a twist included in the soft actuator 100 according to an embodiment of the present invention.

도 1은 꼬임을 갖는 섬유를 도시한 것이다. 도 1에서 섬유는 일정한 방향으로 꼬여짐으로써 휘어진 결을 보이고 있다. Figure 1 shows fibers with kinks. In Fig. 1, the fibers are warped in a certain direction and thus are warped.

본 발명의 실시 예에서 섬유(110)는 나일론, 형상 기억 폴리우레탄, 폴리에틸렌 및 고무 등의 고분자재료로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있으며 본 발명은 특별히 한정하지 않는다. 상기 섬유는 고분자 재료를 사용함으로써, 고온에서도 소프트 액추에이터(100)가 풀리고(untwist), 다시 꼬이는(retwist) 가역적인 구조를 장기간 유지 할 수 있고, 내구성 및 수명도 길어 다양한 분야에 적용 가능하다. 상기 섬유(110)는 고온 또는 저온 에 의해 형태가 변형되어도, 다시 초기 꼬인 형태로 돌아가는 가역적인 회전운동을 제공한다.In an embodiment of the present invention, the fibers 110 may be any one selected from the group consisting of nylon, shape memory polyurethane, polyethylene and rubber, and the like, and the present invention is not particularly limited. By using the polymer material, the soft actuator 100 can maintain a reversible structure that is untwisted and retwisted at a high temperature for a long period of time, and can be applied to various fields with a long life and durability. The fibers 110 provide a reversible rotational motion that, when deformed by high or low temperatures, returns to the initial twisted form.

상기 섬유(110)에 꼬임(twist)를 부여하는 방법은 일단을 고정하고 타단을 회전하거나, 양단을 회전하는 방법에 의해 의할 수 있다. 또한, 상기 섬유(110)는 복수의 가닥이 상호간에 꼬인 형태일 수 있다. 이 때, 서로 반대 방향으로 회전시키는 방식으로 제조된 꼬인(twist) 구조의 섬유(110)를 키랄성의 Z형 또는 키랄성의 S형 구조로 꼬인 형태를 갖는 것을 특징으로 한 것일 수 있다.A method of imparting twist to the fibers 110 can be performed by fixing one end and rotating the other end or rotating both ends. In addition, the fibers 110 may be formed such that a plurality of strands are mutually twisted. At this time, twisted fibers 110 manufactured by rotating them in opposite directions may be characterized by being twisted into a chiral Z-shaped or chirpable S-shaped structure.

도 2는 꼬임 및 말림을 갖는 섬유(110)를 도시한 것이다. 도 2를 참조하면, 섬유는 꼬임 (twist) 및 말림 (coiling)을 가질 수 있다. 상기 섬유(110)는 꼬임(twist) 및 말림(coiling)을 가짐으로써 가열 및 냉각에 의한 구동력이 강해지고 보다 정확하고 민감하게 반응할 수 있다. 섬유에 말림(coiling)을 부여하는 방법은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 섬유의 일단을 공정하고 섬유의 타단을 회전함으로써 말림(coiling)을 부여할 수 있으며, 섬유로 파이프를 감음으로써 말림(coiling)을 부여할 수 있다.Figure 2 shows fibers 110 having kinks and curls. Referring to FIG. 2, the fibers may have twist and coiling. The fibers 110 have a twist and a coiling, so that the driving force by heating and cooling can be strengthened and more accurately and sensitively reacted. The method of imparting coiling to the fibers is not particularly limited. For example, coiling can be provided by processing one end of the fiber and rotating the other end of the fiber, and coiling can be imparted by winding the pipe with the fiber.

도 3은 헤테로 섬유의 거동을 도시한 것이고, 도 4는 호모 섬유의 거동을 도시한 것이다. Fig. 3 shows the behavior of the heterofilament, and Fig. 4 shows the behavior of the homofibres.

상기 섬유(110)는 우 또는 좌로 꼬일 수 있고(twist), 이를 다시 우연사 또는 좌연사로 감을 수 있다(coiling). 좌로 꼰 섬유를 다시 좌연사로 감은 경우나, 우로 꼰 섬유를 다시 우연사로 감은 경우를 정반응동작 섬유(homochiral string)라하고, 좌로 꼰 섬유를 우연사로 감은 경우나, 우로 꼰 섬유를 좌연사로 감은 경우를 역반응동작 섬유 (heterochiral string)라한다.The fibers 110 can twist to the right or left and coiling them back to the right or left. The case where the left braided fibers are wound around the left side again or the case where the right braided fibers are wrapped again to the right side is referred to as a homochiral string and the case where the left braided fibers are wrapped with coincidence yarn or the right braided fibers are wound with the left winding It is called a heterochiral string.

상기 정반응동작 섬유는 섬유가 열전 소자(120)에 의해 가열됨에 따라 길이가 늘어나는 동작을 하고, 열전 소자(120)에 의해 냉각됨에 따라 길이가 줄어드는 동작을 할 수 있다. 상기 역반응동작 섬유는 상기 정반응동작 섬유와 반대로 거동할 수 있는 데, 열전소자(120)에 의해 섬유(110)가 가열되는 경우 길이가 줄어드는 동작을 하고, 열전소자(120)에 의해 섬유(110)가 냉각되는 경우 길이가 늘어나는 동작을 할 수 있다. The fibers of the fully-reactive working fibers may act to increase the length of the fibers as they are heated by the thermoelectric elements 120 and decrease in length as they are cooled by the thermoelectric elements 120. When the fibers 110 are heated by the thermoelectric elements 120, the length of the fibers 110 is reduced. The thermoelectric elements 120 move the fibers 110 in the opposite direction, Lt; RTI ID = 0.0 > a < / RTI > longer length.

이와 같이 섬유(110)의 꼬임 및 말림의 방향을 조절함으로써 열전소자(120)에 의한 동작 방향을 조절할 수 있다. The direction of movement of the thermoelectric element 120 can be adjusted by adjusting the direction of twisting and curling of the fiber 110.

열전소자(120)는 꼬임을 갖는 섬유(110)의 적어도 일 면에 배치될 수 있다. 상기 열전소자(120)는 소프트 액추에이터(100)의 동작을 제어하기 위해 필요한 섬유 상에 배치될 수 있다. 열전소자(120)는 도 5에 도시된 바와 같이, 섬유(110)의 일부 표면을 원통형으로 둘러싸도록 형성될 수 있고, 섬유(110) 측면 전체를 둘러싸도록 형성될 수 있다.The thermoelectric element 120 may be disposed on at least one side of the fiber 110 having a twist. The thermoelectric element 120 may be disposed on the fibers necessary to control the operation of the soft actuator 100. As shown in FIG. 5, the thermoelectric element 120 may be formed to surround a part of the surface of the fiber 110 in a cylindrical shape, and may be formed to surround the entire side of the fiber 110.

상기 열전소자(120)는 전기 에너지를 열 에너지로 변환시키는 에너지 변환소자의 하나이다. 상기 열전소자(120)는 전류방향 전환으로 섬유(string) 표면을 가열하거나 냉각시켜 소프트 액추에이터(100)를 능동적으로 거동할 수 있도록 한다.The thermoelectric element 120 is one of energy conversion elements for converting electrical energy into thermal energy. The thermoelectric element 120 can heat or cool the surface of the string by current direction switching to actively act the soft actuator 100.

열전소자에는 온도 차이에 의해 기전력이 발생하는 효과인 제벡 효과를 이용한 열전발전소자(Thermoelectric Power Generating Device), 반대로 전류를 인가하면 열이 흡수(또는 발생)되는 효과인 펠티에 효과를 이용한 냉동소자(Cooling Device) 등이 있으며 특별히 한정되지 않는다.Thermoelectric Power Generating Device is a thermoelectric power generating device that uses a Seebeck effect that generates an electromotive force due to a temperature difference, and a cooling device that uses a Peltier effect that absorbs (or generates) heat when a current is applied. Device), and there is no particular limitation.

상기 열전소자(120)는 알루미나(Al2O3) 등의 세라믹 기판 위에 N형 및 P형 반도체로 이루어지는 열전물질을 형성하고, N형 열전물질(123) 및 P형 열전물질(122)이 전극으로 직렬로 연결되는 벌크(Bulk) 구조로 제작되는 것일 수 있다.The thermoelectric element 120 forms a thermoelectric material made of N-type and P-type semiconductors on a ceramic substrate such as alumina (Al 2 O 3 ), and the N-type thermoelectric material 123 and the P- And may be made of a bulk structure connected in series.

또한, 상기 열전소자(120)는 제1전극(121), 상기 제1전극(121) 상에 형성된 N형 열전물질(123) 및 P형 열전물질(122), 제1전극(121)과 함께 N형 열전물질(123) 및 P형 열전물질(122)이 직렬로 연결되도록 형성되는 제2전극(124)으로 이루어 질 수 있다. The thermoelectric element 120 includes a first electrode 121, an N-type thermoelectric material 123 and a P-type thermoelectric material 122 formed on the first electrode 121, and a first electrode 121 Type thermoelectric material 123 and the P-type thermoelectric material 122 are connected in series.

또는, 제1기판, 상기 제1기판 상에 배치된 제1전극(121), 상기 제1전극(121) 상에 배치된 N형 열전물질(123) 및 P형 열전물질(122), 상기 N형 열전물질(123) 및 P형 열전물질(122) 상에 배치된 제2전극(124) 및 상기 제2전극(124) 상에 배치된 제2기판을 포함하는 형태일 수 있다. 이 경우, 완성된 열전소자를 섬유의 표면에 배치함으로써 본 발명의 실시 예를 따르는 소프트 액추에이터(100)를 제조할 수 있다. A first electrode 121 disposed on the first substrate 121, an N-type thermoelectric material 123 and a P-type thermoelectric material 122 disposed on the first electrode 121, an N-type thermoelectric material 123 disposed on the first electrode 121, Type thermoelectric material 123 and the P-type thermoelectric material 122, and a second substrate disposed on the second electrode 124. The first electrode 124 and the second electrode 124 may be formed of the same material. In this case, the soft actuator 100 according to the embodiment of the present invention can be manufactured by disposing the completed thermoelectric element on the surface of the fiber.

상기 열전소자(120)는 꼬임이 있는 섬유(110) 표면 위에 소정 패턴의 제1전극(121)을 형성하고, 그 상부에 N형 열전물질(123) 및 P형 열전물질(122)을 순차적으로 형성한 다음, 그 위에 제2전극(124)을 형성하는 공정을 통해 형성될 수 있다. 또한, 상기 제2전극(124)은 제2전극(124)이 소정 패턴으로 형성된 상부기판을 접착하는 방식으로 형성될 수 있다. 상기 N형 열전물질(123) 및 P형 열전물질(122)은 제1전극(121) 및 제2전극(124)에 의해 직렬 연결되도록 구성될 수 있다. The thermoelectric element 120 is formed by forming a first electrode 121 having a predetermined pattern on the surface of the twisted fiber 110 and sequentially forming an N type thermoelectric material 123 and a P type thermoelectric material 122 on the first electrode 121 in sequence And then forming a second electrode 124 thereon. In addition, the second electrode 124 may be formed in such a manner that the second electrode 124 adheres to the upper substrate formed with a predetermined pattern. The N-type thermoelectric material 123 and the P-type thermoelectric material 122 may be connected in series by a first electrode 121 and a second electrode 124. [

상기 N형 열전물질(123) 및 P형 열전물질(122)은 전극에 의해 용이하게 직렬로 연결될 수 있도록 제1전극(121)에 교번하여 위치되도록 형성되는 것이 바람직하다. 상기 P형 열전물질(122)은 섬유리콘(Si), 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 나트륨(Na), 게르마늄(Ge), 철(Fe), 납(Pb), 안티몬(Sb), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi), 코발트(Co), 세륨(Ce), 주석(Sn), 니켈(Ni), 구리(Cu), 나트륨(Na), 칼륨(K), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 금(Au), 텅스텐(W), 팔라듐(Pd), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo), 하프늄(Hf), 란타늄(La), 이리듐(Ir), 및 은(Ag) 중 하나 이상의 화합물로 구성될 수 있으며, 예를 들어 N형 열전물질(123)은 비스무스-텔루륨(BixTe1-x) 화합물, P형 열전물질(122)은 안티몬-텔루륨(SbxTe1-x) 화합물일 수 있다.The N-type thermoelectric material 123 and the P-type thermoelectric material 122 may be alternately disposed on the first electrode 121 so that they can be easily connected in series by the electrodes. The P-type thermoelectric material 122 may include at least one selected from the group consisting of fibrillated silicon, aluminum, calcium, sodium, germanium, iron, lead, antimony, (Ti), bismuth (Bi), cobalt (Co), cerium (Ce), tin (Sn), nickel (Ni), copper (Cu), sodium (Na), potassium (K) (Ru), Rh, Rh, Au, W, Pd, Ti, Ta, Mo, Iridium (Ir), and silver (Ag). For example, the N-type thermoelectric material 123 may include a bismuth-tellurium (BixTe1-x) compound, a P-type thermoelectric material 122, May be an antimony-tellurium (SbxTe1-x) compound.

상기 N형 열전물질(123) 및 P형 열전물질(122)은 두께 수 내지 수백 마이크로미터(㎛)의 후막 형태로 형성될 수 있다.The N-type thermoelectric material 123 and the P-type thermoelectric material 122 may be formed in the form of a thick film having a thickness of several to several hundreds of micrometers (占 퐉).

상기 제1전극(121) 및 제2전극(124)은 N형 열전물질(123) 및 P형 열전물질(122)을 전기적으로 직렬 연결하도록 형성될 수 있다. 상기 제1전극(121) 및 제2전극(124)은 제1전극(121)이 섬유의 표면에 배치되도록 배치될 수 있으며, 모든 전극이 열전물질 상부에 형성되거나 모든 전극이 열전물질의 하부에 형성되는 구조일 수도 있다. The first electrode 121 and the second electrode 124 may be formed to electrically connect the N-type thermoelectric material 123 and the P-type thermoelectric material 122 in series. The first electrode 121 and the second electrode 124 may be disposed such that the first electrode 121 is disposed on the surface of the fiber and all the electrodes may be formed on the thermoelectric material, May be formed.

상기 제1전극(121) 및 제2전극(124)은 전기전도도가 우수한 금속 물질인 것이 바람직하며, 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 금(Au), 텅스텐(W), 코발트(Co), 팔라듐(Pd), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 철(Fe), 몰리브덴(Mo), 하프늄(Hf), 란타늄(La), 이리듐(Ir), 및 은(Ag) 중 어느 하나일 수 있다.The first electrode 121 and the second electrode 124 are preferably made of a metal material having excellent electrical conductivity and may be formed of a metal such as nickel, aluminum, copper, platinum, ruthenium, (Au), tungsten (W), cobalt (Co), palladium (Pd), titanium (Ti), tantalum (Ta), iron (Fe), molybdenum (Mo), hafnium (Hf) , Lanthanum (La), iridium (Ir), and silver (Ag).

상기 열전소자(120)는 섬유(110)의 표면에 배치되어 섬유(110)와 함께 팽창 또는 수축될 수 있다. 또한, 섬유의(110) 부피 팽창 및 수축, 휘어짐 등에 대응하여 동작할 수 있어야 한다. 따라서, 상기 열전소자(120)는 유연성을 가질 수 있다. 이를 위해 상기 열전소자의 제1전극(121), N형 열전물질(123), P형 열절물질 및 제2전극(124)은 유연성을 갖는 물질을 사용하거나 유연성을 갖기 위한 구성을 포함할 수 있다. The thermoelectric element 120 may be disposed on the surface of the fiber 110 and may expand or contract together with the fiber 110. Further, it should be capable of operating in response to (110) volume expansion, contraction, warping, etc. of the fibers. Therefore, the thermoelectric element 120 may have flexibility. For this purpose, the first electrode 121, the N-type thermoelectric material 123, the P-type thermal conductive material and the second electrode 124 of the thermoelectric element may include a material having flexibility or having flexibility .

구체적으로 상기 열전소자(120)의 제1전극(121), N형 열전물질(123), P형 열절물질 및 제2전극(124)은 전도성 고분자를 포함할 수 있다. 또한, 상기 제1전극(121) 및 제2전극(124)은 나노와이어 형태로 형성됨으로써 섬유의 팽창 또는 수축에 대응하여 열전소자가 팽창 및 수축하더라도 전기적 단락이 발생하지 않을 수 있다. 또한, 상기 열전소자(120)의 제1전극(121), N형 열전물질(123), P형 열절물질 및 제2전극(124)은 내부에 기공을 포함하는 형상을 가짐으로써 섬유의 팽창 또는 수축에 대응할 수 있다. Specifically, the first electrode 121, the N-type thermoelectric material 123, the P-type thermal conductive material, and the second electrode 124 of the thermoelectric element 120 may include a conductive polymer. In addition, the first electrode 121 and the second electrode 124 are formed in the form of nanowires, so that electrical shorting may not occur even when the thermoelectric element expands or shrinks corresponding to the expansion or contraction of the fiber. In addition, the first electrode 121, the N-type thermoelectric material 123, the P-type thermal conductive material, and the second electrode 124 of the thermoelectric element 120 have a shape including pores therein, It can cope with contraction.

상기 N형 열전물질(123)은 비스무스-텔루륨(BixTe1-x) 화합물, 상기 P형 열전물질(122)은 안티몬-텔루륨(SbxTe1-x) 화합물을 포함할 수 있다. The N-type thermoelectric material 123 may include a bismuth-tellurium (BixTe1-x) compound and the P-type thermoelectric material 122 may include an antimony-tellurium (SbxTe1-x) compound.

이 때, 상기 제1전극(121), N형 열전물질(123), P형 열전물질(122) 및 제2전극(124)에 포함되는 전도성 고분자는 Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate)(PEDOT:PSS), Poly(fluorene)s, Polyphenylenes, Polypyrenes, Polyazulenes, Polynaphthalenes, Poly(acetylene)s(PAC), Poly(p-phenylene vinylene)(PPV), Poly(pyrrole)s(PPY), Polycarbazoles, Polyindoles, Polyazepines, Polyanilines(PANI), Poly(thiophene)s(PT), Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)(PEDOT), Poly(p-phenylene sulfide)(PPS)와 같은 유기 전도성 고분자(Organic Conducting Polymer) 물질일 수 있고, Polydimethylsiloxane(PDMS), Poly(methylmethacrylate), Poly(p-phenylene terephthalamide), Polyethylene과 같은 유기 비전도성 고분자(Organic Non-Conducting Polymer) 물질을 포함할 수 있다. The conductive polymer contained in the first electrode 121, the N-type thermoelectric material 123, the P-type thermoelectric material 122 and the second electrode 124 may be poly (3,4-ethylenedioxythiophene): poly (PPY), poly (pyrrole) s (PPY), styrenesulfonate (PEDOT), poly (phenylenes), polyphenylenes, polypyrenes, polyazulenes, Organic conductive polymers such as Polycarbazoles, Polyindoles, Polyazepines, Polyanilines (PANI), Poly (thiophene) s, Poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) and Poly (p-phenylene sulfide) Conducting Polymer and may include Organic Non-Conducting Polymer such as Polydimethylsiloxane (PDMS), Poly (methylmethacrylate), Poly (p-phenylene terephthalamide) and Polyethylene.

상기 열전소자(120)가 기판을 포함하는 경우, 상기 열전소자(120)는 기판을 유연기판을 사용함으로써 유연성을 가질 수 있다. 상기 유연기판은 열전소자를 전체적으로 지지하면서 열전소자가 유연한 특성을 갖도록 하기 위한 것으로서, 폴리이미드(Polyimide) 필름, 캡톤(Kapton) 필름, 폴리에스터(Polyester) 필름, 펜(PEN) 필름, 플라스틱 필름, PDMS, 종이 등 유연성을 가지는 재질이면 특별히 한정되지 않으나, 이후 공정 온도에서 견딜 수 있을 정도의 내열성이 있는 재질인 것이 바람직하다.When the thermoelectric element 120 includes a substrate, the thermoelectric element 120 may have flexibility by using a flexible substrate as the substrate. The flexible substrate is for supporting a thermoelectric element as a whole and having a flexible property of a thermoelectric element. The flexible substrate may be a polyimide film, a Kapton film, a polyester film, a PEN film, a plastic film, PDMS, paper, and the like, it is preferable that the material is heat-resistant enough to withstand the subsequent process temperature.

이 경우에도 상기 열전소자(120)의 제1전극(121), N형 열전물질(123), P형 열전물질(122) 및 제2전극(124)은 전도성 고분자를 포함할 수 있다. 상기 전도성 고분자는 폴리-3,4-에틸렌디옥시티오펜/폴리스티렌설포네이트(PEDOT/PSS), 폴리아닐린, 폴리아세틸렌 또는 폴리페닐렌비닐렌을 포함할 수 있으나 특별하게 제한되지 않는다. 또한, 상기 제1전극(121) 및 제2전극(124)은 나노와이어 형태로 형성됨으로써 섬유의 팽창 또는 수축에 대응하여 열전소자가 팽창 및 수축하더라도 전기적 단락이 발생하지 않을 수 있다. 또한, 상기 열전소자의 제1전극(121), N형 열전물질(123), P형 열전물질(122) 및 제2전극(124)은 내부에 기공을 포함하는 형상을 가짐으로써 섬유의 팽창 또는 수축에 대응할 수 있다.Also in this case, the first electrode 121, the N-type thermoelectric material 123, the P-type thermoelectric material 122, and the second electrode 124 of the thermoelectric element 120 may include a conductive polymer. The conductive polymer may include poly-3,4-ethylenedioxythiophene / polystyrene sulfonate (PEDOT / PSS), polyaniline, polyacetylene or polyphenylene vinylene, but is not particularly limited. In addition, the first electrode 121 and the second electrode 124 are formed in the form of nanowires, so that electrical shorting may not occur even when the thermoelectric element expands or shrinks corresponding to the expansion or contraction of the fiber. The first electrode 121, the N-type thermoelectric material 123, the P-type thermoelectric material 122, and the second electrode 124 of the thermoelectric element have a shape including pores therein, It can cope with contraction.

또한, 상기 N형 열전물질(123) 및 P형 열전물질(122)은 제1전극(121) 상에 교번하여 위치되어 상기 제1전극(121)에 의해 직렬로 연결되는 것일 수 있다.The N-type thermoelectric material 123 and the P-type thermoelectric material 122 may be alternately arranged on the first electrode 121 and connected in series by the first electrode 121.

여기서 N형 열전물질(123) 및 P형 열전물질(122)은 내부에 기공을 포함하며, 그 기공의 적어도 일부는 유기 고분자 물질로 충진되어 있다. The N-type thermoelectric material 123 and the P-type thermoelectric material 122 include pores therein, and at least a part of the pores are filled with an organic polymer material.

도 7은 본 발명의 실시 예를 따르는 소프트 액추에이터(100)의 거동을 도시한 것이다. 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시 예를 따르는 소프트 액추에이터(100)는 꼬임을 갖는 섬유(110)의 표면에 열전소자(120)를 배치함으로써 열전소자(120)에 전류를 공급함에 따라 팽창 및 수축을 할 수 있다. 이로써 자연 냉각에 의한 동작을 강제 냉각으로 전환함으로써 소프트 액추에이터(100)의 동작 반응 시간을 감소시킬 수 있다.Figure 7 illustrates the behavior of the soft actuator 100 in accordance with an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 7, a soft actuator 100 according to an embodiment of the present invention includes a thermoelectric element 120 disposed on a surface of a fiber 110 having a twist, You can shrink. Thus, the operation response time of the soft actuator 100 can be reduced by switching the operation by natural cooling to forced cooling.

도 8은 본 발명의 다른 실시 예를 따르는 소프트 액추에이터(200)를 도시한 것이다.Figure 8 illustrates a soft actuator 200 in accordance with another embodiment of the present invention.

도 8을 참조하면, 본 발명의 실시 예를 따르는 소프트 액추에이터(200)는 상기 열전소자(220)에 흐르는 전류의 방향을 변경하는 제어부(230)를 더 포함할 수 있다.Referring to FIG. 8, the soft actuator 200 according to the embodiment of the present invention may further include a controller 230 for changing a direction of a current flowing in the thermoelectric element 220.

제어부(230)는 상기 열전소자(220)에 흐르는 전류방향을 변환할 수 있다. 이를 통해 섬유 (string)표면의 온도를 가열하거나 냉각시켜 소프트 액추에이터(200)를 능동적으로 거동할 수 있다. The control unit 230 can change the direction of the current flowing in the thermoelectric element 220. This allows the soft actuator 200 to actively act by heating or cooling the temperature of the surface of the string.

도 9는 본 발명의 다른 실시 예를 따르는 소프트 액추에이터(300)를 도시한 것이다.Figure 9 illustrates a soft actuator 300 in accordance with another embodiment of the present invention.

도 9를 참조하면, 상기 섬유(310)와 상기 열전소자(320)를 접착하는 접착층(340)을 포함한다. 상기 접착층(340)은 열전소자(320) 및 섬유(310)의 사이에 배치될 수 있으며, 열전소자(320)의 제1전극을 섬유의 표면에 부착하는 역할을 할 수 있다. 또한, 상기 열전소자(320)가 기판을 포함하는 경우에는 기판을 섬유(310)의 표면에 부착하는 역할을 할 수 있다. 상기 접착층(340)은 금속 에폭시, 예컨대 은(Ag) 에폭시를 포함할 수 있다. 상기 접착층(340)은 접착제이면서도 높은 전기 전도성을 가질 수 있으며, 적절한 압력이 가해지면 변형 가능하도록 적절한 점도를 가질 수 있다.Referring to FIG. 9, an adhesive layer 340 for bonding the fibers 310 and the thermoelectric elements 320 is included. The adhesive layer 340 may be disposed between the thermoelectric elements 320 and the fibers 310 and may adhere the first electrodes of the thermoelectric elements 320 to the surfaces of the fibers. When the thermoelectric element 320 includes a substrate, the thermoelectric element 320 may serve to attach the substrate to the surface of the fiber 310. The adhesive layer 340 may include a metal epoxy, such as silver (Ag) epoxy. The adhesive layer 340 may be an adhesive, yet have high electrical conductivity, and may have a suitable viscosity to allow deformation when appropriate pressure is applied.

상기 접착층(340)은 바인더를 포함할 수 있으며, 상기 바인더는 예를 들어, 열가소성 수지를 포함할 수 있다. 열가소성 수지로는 아크릴로니트릴계, 페녹시계, 부타디엔계, 아크릴계, 우레탄계, 폴리아미드계, 올레핀계, 섬유리콘계 및 NBR(Nitrile butadiene rubber)계 수지로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있지만, 이들에 제한되는 것은 아니다. 접착층(340)에 사용될 수 있는 바인더는 에폭시기를 갖지 않는 바인더 수지를 사용할 수 있다. 열가소성 수지는 중량평균분자량이 1,000~1,000,000g/mol인 것이 좋다. 상기 범위 내에서, 적절한 필름 강도를 가질 수 있고 상분리가 일어나지 않으며 도전층 혹은 비도전층과의 밀착성이 떨어져 접착력이 저하되지 않는다. 바인더는 접착층(340) 중 고형분 중량 기준으로 20-70 중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위 내인 것이 필름 형성성 면에서 유리할 수 있다.The adhesive layer 340 may include a binder, The binder may comprise, for example, a thermoplastic resin. As the thermoplastic resin, at least one selected from the group consisting of an acrylonitrile-based resin, a phenoxy-based resin, a butadiene-based resin, an acrylic resin, an urethane resin, a polyamide resin, an olefin resin, a fiber-reinforced resin, and an NBR (Nitrile butadiene rubber) But are not limited thereto. As the binder which can be used for the adhesive layer 340, a binder resin having no epoxy group can be used. The thermoplastic resin preferably has a weight average molecular weight of 1,000 to 1,000,000 g / mol. Within the above range, it is possible to have an appropriate film strength, to prevent phase separation, and to adhere to the conductive layer or the non-conductive layer, so that the adhesive strength is not lowered. The binder may be included in the adhesive layer 340 in an amount of 20 to 70% by weight based on the solids weight. Within this range, it may be advantageous in film formability.

상기 접착층(340)은 필요에 따라 소수성 섬유리카 및/또는 기타 첨가제를 추가로 포함할 수 있으며, 추가로 포함하는 경우 그 함량은 고형분 중량 기준으로 1-10 중량%의 범위일 수 있다.The adhesive layer 340 may further include hydrophobic fiber rica and / or other additives as needed, and the content of the adhesive layer 340 may range from 1 to 10% by weight based on the solids weight.

도 10은 본 발명의 다른 실시 예를 따르는 소프트 액추에이터(400)를 도시한 것이다. Figure 10 illustrates a soft actuator 400 in accordance with another embodiment of the present invention.

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시 예를 따르는 소프트 액추에이터(400)에 포함되는 섬유는 꼬임(twist) 및 말림(coiling)을 가질 수 있다. 이 때, 섬유(410) 상에 배치된 열전소자(420)는 섬유에 말림을 주는 공정 전에 형성될 수 있다. 이와 같이 열전소자(420)를 형성하는 경우 도 10에 도시된 바와 같이, 섬유(410)의 측면을 둘러싸도록 열전소자(420)를 형성할 수 있다. 이는 섬유(410)에 말림(coiling)이 형성되기 전에 열전소자(420)를 형성하기 위한 증착 공정 또는 접착 공정을 수행할 수 있기 때문이다. 이 경우 소프트 액추에이터(400)의 섬유(410) 및 열전소자(420)가 넓은 표면을 접촉할 수 있기 때문에 소프트 액추에이터(400)를 보다 정확하고 빠르게 동작시킬 수 있고, 보다 높은 동력을 얻을 수 있다. As described above, the fibers included in the soft actuator 400 according to embodiments of the present invention may have twist and coiling. At this time, the thermoelectric elements 420 disposed on the fibers 410 may be formed before the process of curling the fibers. When the thermoelectric element 420 is formed as described above, the thermoelectric element 420 may be formed so as to surround the side surface of the fiber 410, as shown in FIG. This is because it is possible to perform a deposition process or an adhesion process for forming the thermoelectric device 420 before the coiling is formed on the fiber 410. In this case, since the fibers 410 of the soft actuator 400 and the thermoelectric element 420 can contact a wide surface, the soft actuator 400 can be operated more accurately and quickly, and higher power can be obtained.

도 11은 본 발명의 다른 실시 예를 따르는 소프트 액추에이터(500)를 도시한 것이다.  Figure 11 illustrates a soft actuator 500 in accordance with another embodiment of the present invention.

도 11을 참조하면, 말림이 형성된 섬유(510) 상에 열전소자(520)를 형성하는 경우, 증착 공정 또는 접착 공정 상 말림 형상의 내부 또는 섬유끼리 접촉하는 영역에는 열전소자가 배치되지 않을 수 있다. 이와 같은 공정을 통해 섬유에 말림을 부여하는 공정을 수행함에 따라 발생할 수 있는 열전소자의 파손을 방지할 수 있다.11, when the thermoelectric element 520 is formed on the curled fiber 510, the thermoelectric element may not be disposed in the region of the curled-up shape or in contact with the fibers in the deposition process or the bonding process . By performing the process of applying curling to the fibers through such a process, breakage of the thermoelectric elements that may occur can be prevented.

도 12는 본 발명의 다른 실시 예를 따르는 소프트 액추에이터(600)를 도시한 것이고, 도 13은 도 12의 B의 절단면을 도시한 것이다.Fig. 12 shows a soft actuator 600 according to another embodiment of the present invention, and Fig. 13 shows a cut-away view of Fig. 12B.

도 12 및 도 13을 참조하면, 본 발명의 실시 예를 따르는 소프트 액추에이터(600)는, 꼬여진 섬유(610); 및 상기 섬유(610)의 적어도 일 단에 배치된 열전 소자(620); 를 포함한다.    12 and 13, a soft actuator 600 in accordance with an embodiment of the present invention includes twisted fibers 610; And a thermoelectric element (620) disposed on at least one end of the fiber (610); .

섬유(string)의 양 끝단에 열전소자(620)를 배치하여 열전소자에 흐르는 전류의 방향을 전환함으로써 섬유(610) 표면의 온도를 가열하거나 냉각시켜 액추에이터를 구동할 수 있다. 이로써 소프트 액추에이터(600)의 수축/팽창에 대해 대칭적 반응을 구성하여 동작 특성을 개선하여, 소프트 액추에이터(600)의 활용성을 증가할 수 있다.It is possible to drive the actuator by heating or cooling the surface of the fiber 610 by arranging the thermoelectric elements 620 at both ends of the string to change the direction of the current flowing through the thermoelectric elements. This provides a symmetrical response to the contraction / expansion of the soft actuator 600 to improve its operating characteristics and increase the usability of the soft actuator 600.

종래에는 열을 가하여 섬유를 운동(길이 감소/증가)시키고, 자연 냉각으로 원래의 위치(길이 증가/감소)로 복귀 되도록 구성되었다. 이에 따라 열을 가하여 구동할 때와 냉각되어 원위치로 복귀할 때의 구동시간에 비대칭 발생할 수 있다. 본 발명의 실시 예는 소프트 액추에이터의 구동용 열전소자를 배치하고, 열전소자에 흐르는 전류 방향을 변경하여 열전소자의 가열면과 냉각면을 전환하여, 섬유를 가열 또는 냉각하여 소프트 액추에이터의 동작 반응 시간을 감소할 수 있다. Conventionally, heat is applied to move the fibers (length reduction / increase) and return to the original position (length increase / decrease) by natural cooling. As a result, asymmetry can occur in the drive time when the drive is applied with heat and when it is cooled and returned to the home position. In the embodiment of the present invention, the thermoelectric element for driving the soft actuator is disposed, the direction of the current flowing through the thermoelectric element is changed to switch the heating surface and the cooling surface of the thermoelectric element to heat or cool the fiber, Can be reduced.

상기 소프트 액추에이터(600)의 섬유(610)가 일단에 배치된 열전소자(620)에 의해 온도가 증가하면, 상기 소프트 액추에이터(600)는 꼬인(coil) 구조 또는 말린(twist) 구조가 풀리면서 회전력을 갖게 된다. 상기 소프트 액추에이터(600)의 섬유(610)가 상기 열전소자(620)에 의해 온도가 낮아지게 되면 상기 소프트 액추에이터(600)는 풀렸던 꼬인(coil) 구조 또는 말린(twist) 구조가 다시 재형성 되면서 상기 방향과 반대 방향의 회전력을 갖게 된다.When the temperature of the soft actuator 600 is increased by the thermoelectric element 620 disposed at one end of the soft actuator 600, the soft actuator 600 may have a coil structure or a twist structure, . When the temperature of the fiber 610 of the soft actuator 600 is lowered by the thermoelectric element 620, the soft actuator 600 is re-formed into a coiled structure or a twisted structure And has a rotational force in a direction opposite to the above direction.

본 실시 예에서 섬유(610)는 나일론, 형상 기억 폴리우레탄, 폴리에틸렌 및 고무 등의 고분자재료로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있으며 본 발명은 특별히 한정하지 않는다. 상기 섬유는 고분자 재료를 사용함으로써, 고온에서도 소프트 액추에이터(100)가 풀리고(untwist), 다시 꼬이는(retwist) 가역적인 구조를 장기간 유지 할 수 있고, 내구성 및 수명도 길어 다양한 분야에 적용 가능하다. 상기 섬유(610)는 고온 또는 저온 에 의해 형태가 변형되어도, 다시 초기 꼬인 형태로 돌아가는 가역적인 회전운동을 제공한다. 상기 섬유(610)는 앞서 설명한 실시 예의 섬유일 수 있다.In this embodiment, the fibers 610 may be any one selected from the group consisting of nylon, shape memory polyurethane, polyethylene, and rubber, and the present invention is not particularly limited thereto. By using the polymer material, the soft actuator 100 can maintain a reversible structure that is untwisted and retwisted at a high temperature for a long period of time, and can be applied to various fields with a long life and durability. The fibers 610 provide a reversible rotational motion that, when deformed by high or low temperatures, returns to the initial twisted form again. The fibers 610 may be fibers of the previously described embodiments.

열전소자(620)는 앞서 다른 실시 예에서 설명한 것일 수 있으나 특별히 제한되지 않는다. The thermoelectric element 620 may be one described in the other embodiments, but is not particularly limited.

도 14는 본 발명의 다른 실시 예를 따르는 소프트 액추에이터(600)의 열전소자(620)가 배치된 부분의 절단면을 도시한 것이다. 도 14를 참조하면 섬유(610)에 충분한 열을 가하기 위해, 상기 열전소자(620)를 복수로 하여 적층구조를 가질 수 있다. 이 때, 섬유(610)의 단면에 제1전극(721a)이 배치되고 상기 제1전극(721a) 상에 N형 열전물질(723a) 및 P형 열전물질(722a)이 배치되고, 상기 N형 열전물질(723a) 및 P형 열전물질(722a) 상에 제2전극(724a)이 배치될 수 있다. 이와 같이 첫 번째 열전소자를 배치한 후, 절연층(750)을 사이에 두고 두 번째 열전소자를 배치할 수 있다. 상기 절연층(750) 상에 제1전극(721b)이 배치되고 상기 제1전극(721b) 상에 N형 열전물질(723b) 및 P형 열전물질(722b)이 배치되고, 상기 N형 열전물질(723b) 및 P형 열전물질(722b) 상에 제2전극(724b)이 배치될 수 있다. 상기 첫 번째 열전소자 및 두 번째 열전소자는 전선 등에 의해 직렬로 연결될 수 있다. 이와 같이 동일한 가열면 및 냉각면이 섬유의 단면을 향하도록 배치함으로써, 소프트 액추에이터(600)의 움직임을 보다 정확하게 제어할 수 있고, 동력을 강하게 할 수 있다. Fig. 14 is a cross-sectional view of a portion where the thermoelectric element 620 of the soft actuator 600 according to another embodiment of the present invention is disposed. Referring to FIG. 14, in order to apply sufficient heat to the fibers 610, a plurality of the thermoelectric elements 620 may have a laminated structure. At this time, the first electrode 721a is disposed on the end face of the fiber 610, and the N-type thermoelectric material 723a and the P-type thermoelectric material 722a are disposed on the first electrode 721a, The second electrode 724a may be disposed on the thermoelectric material 723a and the P-type thermoelectric material 722a. After the first thermoelectric elements are disposed as described above, a second thermoelectric element can be disposed with the insulating layer 750 therebetween. A first electrode 721b is disposed on the insulating layer 750 and an N type thermoelectric material 723b and a P type thermoelectric material 722b are disposed on the first electrode 721b, The second electrode 724b may be disposed on the P-type thermoelectric material 723b and the P-type thermoelectric material 722b. The first thermoelectric element and the second thermoelectric element may be connected in series by electric wires or the like. By arranging the same heating face and the cooling face so as to face the cross section of the fiber, the movement of the soft actuator 600 can be more accurately controlled and the power can be strengthened.

도 15는 본 발명의 다른 실시 예를 따르는 소프트 액추에이터(600)를 도시한 것이다. Figure 15 illustrates a soft actuator 600 in accordance with another embodiment of the present invention.

열전소자는 전류방향 전환으로 섬유(string)표면의 온도를 가열하거나 냉각시켜 소프트 액추에이터(600)를 능동적으로 거동할 수 있도록 한다. 상기 열전소자에 제어부(830)를 전선을 이용하여 연결하고 이를 통해 거동을 조절할 수 있다.The thermoelectric element can heat or cool the temperature of the surface of the string by changing the current direction so that the soft actuator 600 can actively act. The control unit 830 may be connected to the thermoelectric element by using an electric wire to control the behavior thereof.

도 16은 본 발명의 다른 실시 예를 따르는 소프트 액추에이터(600)를 도시한 것이다. 도 16을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예를 따르는 소프트 액추에이터(600)는 섬유(610)의 단면 및 열전소자(620) 사이에 배치된 접착층(940)을 통하여, 상기 섬유 및 열전소자를 연결할 수 있다. 상기 접착층(940)은 금속 에폭시, 예컨대 은(Ag) 에폭시를 포함할 수 있다. 상기 접착층(940)은 접착제이면서도 높은 전기 전도성을 가질 수 있으며, 적절한 압력이 가해지면 변형 가능하도록 적절한 점도를 가질 수 있다. Figure 16 illustrates a soft actuator 600 in accordance with another embodiment of the present invention. 16, a soft actuator 600 according to another embodiment of the present invention connects the fibers and thermoelectric elements through an adhesive layer 940 disposed between the cross-section of the fibers 610 and the thermoelectric elements 620 . The adhesive layer 940 may include a metal epoxy, such as silver (Ag) epoxy. The adhesive layer 940 may be an adhesive and have a high electrical conductivity and may have an appropriate viscosity to allow deformation when an appropriate pressure is applied.

도 17은 본 발명의 다른 실시 예를 따르는 소프트 액추에이터(1000)를 도시한 것이다. Figure 17 illustrates a soft actuator 1000 in accordance with another embodiment of the present invention.

도 17을 참조하면, 섬유(1010)는 꼬임 (twist) 및 말림 (coiling)을 가질 수 있다. 상기 섬유(1010)는 꼬임(twist) 및 말림(coiling)을 가짐으로써 가열 및 냉각에 의한 구동력이 강해지고 보다 정확하고 민감하게 반응할 수 있다. 섬유에 말림(coiling)을 부여하는 방법은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 섬유의 일단을 공정하고 섬유의 타단을 회전함으로써 말림(coiling)을 부여할 수 있으며, 섬유로 파이프를 감음으로써 말림(coiling)을 부여할 수 있다.Referring to FIG. 17, the fibers 1010 may have twist and coiling. The fiber 1010 has a twist and a coiling, so that the driving force by heating and cooling can be strengthened and more accurately and sensitively reacted. The method of imparting coiling to the fibers is not particularly limited. For example, coiling can be provided by processing one end of the fiber and rotating the other end of the fiber, and coiling can be imparted by winding the pipe with the fiber.

100, 200, 300, 400, 500, 600, 1000: 소프트 액추에이터
110, 210, 310, 410, 510, 610, 710, 810, 910, 1010: 섬유
120, 220, 320, 420, 520, 620, 1020: 열전소자
121, 621, 721a, 721b, 821, 921: 제1전극
122, 622, 722a, 722b, 822, 922: P형 열전물질
123, 623, 723a, 723b, 823, 923: N형 열전물질
124, 624, 724a, 724b, 824, 924: 제2전극
230, 830: 제어부
340, 940: 접착층
750: 절연층100, 200, 300, 400, 500, 600, 1000: Soft Actuator
110, 210, 310, 410, 510, 610, 710, 810, 910, 1010:
120, 220, 320, 420, 520, 620, 1020:
121, 621, 721a, 721b, 821, and 921:
122, 622, 722a, 722b, 822, 922: P-type thermoelectric material
123, 623, 723a, 723b, 823, 923: N-type thermoelectric material
124, 624, 724a, 724b, 824, 924:
230, and 830:
340, 940: adhesive layer
750: insulating layer

Claims (6)

꼬임(twist)을 갖는 섬유; 및
상기 섬유의 일단에 배치된 열전소자;를 포함하고,
상기 섬유는 상기 열전소자에 흐르는 전류 방향이 변경함에 따라 팽창 및 수축하는 소프트 액추에이터.
Fibers having twist; And
And a thermoelectric element disposed at one end of the fiber,
Wherein the fibers expand and contract as the direction of current flowing through the thermoelectric element changes.
제1항에 있어서,
상기 열전소자는 복수의 층으로 적층된 소프트 액추에이터.
The method according to claim 1,
Wherein the thermoelectric elements are stacked in a plurality of layers.
제1항에 있어서,
상기 섬유의 일단 및 상기 열전소자를 연결하는 제어부를 더 포함하는 소프트 액추에이터.
The method according to claim 1,
And a control section connecting one end of the fiber and the thermoelectric element.
제1항에 있어서,
상기 열전소자에 흐르는 전류의 방향을 변경하는 접착층을 더 포함하는 소프트 액추에이터.
The method according to claim 1,
And an adhesive layer for changing a direction of a current flowing in the thermoelectric element.
제1항에 있어서,
상기 섬유는 말림(coiling) 형상을 더 갖는 소프트 액추에이터.
The method according to claim 1,
Wherein the fibers further have a coiling shape.
꼬임(twist)을 갖는 섬유를 준비하는 단계; 및
상기 섬유의 표면의 적어도 일부에 열전소자를 배치하는 단계;를 포함하는 소프트 액추에이터의 제조 방법.
Preparing a fiber having a twist; And
And disposing a thermoelectric element on at least a portion of the surface of the fiber.
KR1020160122112A 2016-08-26 2016-09-23 Soft Actuator and Manufacturing Method of the Same KR20180025071A (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US15/659,784 US10473093B2 (en) 2016-08-26 2017-07-26 Soft actuator using thermoelectric effect
US16/590,737 US11041485B2 (en) 2016-08-26 2019-10-02 Soft actuator using thermoelectric effect

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20160109447 2016-08-26
KR1020160109447 2016-08-26

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20180025071A true KR20180025071A (en) 2018-03-08

Family

ID=59049842

Family Applications (3)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160122112A KR20180025071A (en) 2016-08-26 2016-09-23 Soft Actuator and Manufacturing Method of the Same
KR1020160122116A KR101737469B1 (en) 2016-08-26 2016-09-23 Soft Actuator and Manufacturing Method of the Same
KR1020160122107A KR102019209B1 (en) 2016-08-26 2016-09-23 Soft Actuator

Family Applications After (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160122116A KR101737469B1 (en) 2016-08-26 2016-09-23 Soft Actuator and Manufacturing Method of the Same
KR1020160122107A KR102019209B1 (en) 2016-08-26 2016-09-23 Soft Actuator

Country Status (1)

Country Link
KR (3) KR20180025071A (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190143059A (en) * 2018-06-20 2019-12-30 서울대학교산학협력단 Thermoreactive actuator
KR102600949B1 (en) * 2022-10-13 2023-11-09 재단법인대구경북과학기술원 composite fiber motor

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102004931B1 (en) * 2017-12-28 2019-07-30 성균관대학교 산학협력단 Hybrid soft actuator and fabricating method for the same
CN116766141B (en) * 2023-08-18 2023-10-20 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 Coarse-fine two-stage driving six-degree-of-freedom parallel adjustment platform

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000135288A (en) * 1998-10-30 2000-05-16 Tohoku Denshi Sangyo Kk Cylindrical moving element
JP6228605B2 (en) 2012-08-01 2017-11-08 ザ ボード オブ リージェンツ，ザ ユニバーシティ オブ テキサス システム Coiled and non-coiled nanofiber twisted and polymer fiber torsion and tension actuators
KR102311763B1 (en) * 2015-01-26 2021-10-13 한양대학교 산학협력단 Torsional actuators by temperature gradient and energy harvesting device using the same

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190143059A (en) * 2018-06-20 2019-12-30 서울대학교산학협력단 Thermoreactive actuator
KR102600949B1 (en) * 2022-10-13 2023-11-09 재단법인대구경북과학기술원 composite fiber motor

Also Published As

Publication number Publication date
KR101737469B1 (en) 2017-05-22
KR102019209B1 (en) 2019-09-09
KR20180025070A (en) 2018-03-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101737469B1 (en) Soft Actuator and Manufacturing Method of the Same
US11041485B2 (en) Soft actuator using thermoelectric effect
Aziz et al. Torsional artificial muscles
JP5679733B2 (en) Actuator
RU2714307C2 (en) Actuating device
CN103392070B (en) Actuator component and for producing the actuator of power and/or motion
US11466671B2 (en) Artificial muscle actuators
JP5733964B2 (en) Polymer actuator
JP6456509B2 (en) Bi-directional actuator
US7888846B2 (en) Actuator
CN101840991B (en) Electrical actuating structure and electrical actuating element
US10174745B2 (en) Braided shape memory actuator
US20140250881A1 (en) Actuator
US20200022803A1 (en) Fast Torsional Artificial Muscles from Twisted Yarns of Shape Memory Material
WO2002048507A1 (en) Thermoelectric actuator
KR102195048B1 (en) Detection sensor for artificial muscle length and testing method thereof
US8067875B1 (en) Networked structure of electroactive polymer-based artificial neuromuscular units
Lang et al. Emerging innovations in electrically powered artificial muscle fibers
Naficy et al. Bio-inspired polymer artificial muscles
JP4069692B2 (en) Telescopic actuator
Peng Study on thermally activated coiled linear actuators made from polymer fibers
JP2006192529A (en) Joint driving device
Spinks et al. An introduction to conducting polymer actuators
TWI485896B (en) Electrostrictive structure and actuator using the same.
Sharif Electro-thermally controllable twisted coiled actuators (TCA) using nylon line