전기변형(electrostriction)이란 물체에 전압을 인가했을 때 맥스웰 응력이 나타나고, 이로 인하여 물체가 변형되는 현상을 말한다. 이러한 성질은 대부분의 유전체에서 나타나는데, 특히 탄성계수가 낮은 엘라스토머에 적용하면 전기에너지가 효율적으로 변환되어 큰 변형과 힘을 발현한다. 이렇게 전기변형을 크게 일으키는 고분자를 전기변형 고분자(electrostrictive polymer, EP)로 분류하며, 이들은 구동체 및 센서, 인공근육, 음향전달 장치 분야로의 활용이 유망한 재료로 예견되고 있다. 본 연구에서는 폴리우레탄과 아크릴 고무 등의 유전성 탄성체(dielectric elastomer)를 이용하여 전극-EP-전극의 적층을 이루는 유니모프 구동체를 제조하여 구동시켰고 주파수를 증가시키면서 작동시킬 때 구동체의 운동범위가 감소하는 현상을 전기적, 기계적으로 해석하고자 유전율과 탄성율을 주파수에 따라 측정하는 한편, 고전적 적층이론을 이용하여 EP의 구동역학을 모델링 하였다. 실험결과, 주파수 증가에 따른 구동체의 운동 변위 감소는 재료의 유전 완화시간과 밀접한 관계를 가졌음을 알 수 있었고, 고전적 적층이론으로 해석한 유니모프 구동체의 운동은 실제 적용한 우레탄 구동체의 운동과 상당히 유사한 거동을 보였다.
전기변형(electrostriction)이란 물체에 전압을 인가했을 때 맥스웰 응력이 나타나고, 이로 인하여 물체가 변형되는 현상을 말한다. 이러한 성질은 대부분의 유전체에서 나타나는데, 특히 탄성계수가 낮은 엘라스토머에 적용하면 전기에너지가 효율적으로 변환되어 큰 변형과 힘을 발현한다. 이렇게 전기변형을 크게 일으키는 고분자를 전기변형 고분자(electrostrictive polymer, EP)로 분류하며, 이들은 구동체 및 센서, 인공근육, 음향전달 장치 분야로의 활용이 유망한 재료로 예견되고 있다. 본 연구에서는 폴리우레탄과 아크릴 고무 등의 유전성 탄성체(dielectric elastomer)를 이용하여 전극-EP-전극의 적층을 이루는 유니모프 구동체를 제조하여 구동시켰고 주파수를 증가시키면서 작동시킬 때 구동체의 운동범위가 감소하는 현상을 전기적, 기계적으로 해석하고자 유전율과 탄성율을 주파수에 따라 측정하는 한편, 고전적 적층이론을 이용하여 EP의 구동역학을 모델링 하였다. 실험결과, 주파수 증가에 따른 구동체의 운동 변위 감소는 재료의 유전 완화시간과 밀접한 관계를 가졌음을 알 수 있었고, 고전적 적층이론으로 해석한 유니모프 구동체의 운동은 실제 적용한 우레탄 구동체의 운동과 상당히 유사한 거동을 보였다.
Electrostriction is the phenomenon that a material is strained due to Maxwell stress developed by the applied voltage. In many electrostrictive materials, especially polymeric elastomers can produce large deformation and force due to their low elastic modulus. In this study, polyurethanes and acryli...
Electrostriction is the phenomenon that a material is strained due to Maxwell stress developed by the applied voltage. In many electrostrictive materials, especially polymeric elastomers can produce large deformation and force due to their low elastic modulus. In this study, polyurethanes and acrylic rubber with compliant electrodes were used as electrostrictive polymer(EP) actuator. Actuation characteristics of the EP actuators with different physical properties of dynamic modulus and dynamic dielectiric constant were analyzed under AC field. The classical laminate theory was also used to simulate the actuation process in relation to the geometry and the physical properties of the actuators.
Electrostriction is the phenomenon that a material is strained due to Maxwell stress developed by the applied voltage. In many electrostrictive materials, especially polymeric elastomers can produce large deformation and force due to their low elastic modulus. In this study, polyurethanes and acrylic rubber with compliant electrodes were used as electrostrictive polymer(EP) actuator. Actuation characteristics of the EP actuators with different physical properties of dynamic modulus and dynamic dielectiric constant were analyzed under AC field. The classical laminate theory was also used to simulate the actuation process in relation to the geometry and the physical properties of the actuators.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 논문에서는 유전성 탄성체를 이용하여 간단한 유니모프 형태의 구동체를 제조하였고 구동시 주파수에 따른 영향을 살펴보았다. 그리고 전압 인가에 따라 발생하는 힘과 변형을 고전적 적층 이론(classical laminate theory)을 이용하여 모델링 하였다.
유전율과 탄성율. 구동체를 이루는 유전성 고무의 유전율과 탄성율을 측정하여 구동 특성에 관한 기본 자료를 얻었다. 유전율 측정기 (DEA 2970, TA Instruments Co.
가설 설정
출발한다. (1) 층을 이루는 판의 두께는 너비에 비해 매우 얇다. (2) 모든 변형은 적층판의 두께방향 변형에 비해 작아야 한다.
제안 방법
)을 분산시켜 성형한 전도성 우레탄 필름이다. 실험에는 20 wt%의 카본블랙 함량을 사용하여 유니모프 형태의 구동체에 전극으로 접합하였다. 접합 방법은 전도성 그리스의 경우, 스탠실 인쇄기법을 이용하여 유전성 탄성체의 표면에 일정한 두께로 도포하였고 우레탄 전극의 경우는 130 ℃ 에서 가압하여 전도성 우레탄 필름과 전기변형 고분자를 접합하였다 (Figure 3).
구동 실험. 구동체의 구동 실험은 교류 전압을 인가한 실험과 직류 전압을 인가한 실험의 두 가지 형태로 시행하였다. 첫번째 구동실험은 VHB 4905, PT 6100s, A1028 등의 전기변형 고분자의 양쪽 표면에 각각 전도성 그리스와 전도성 우레탄 필름을 접합한 유니모프형태의 구동체를 제조하여 0.
구동체의 구동 실험은 교류 전압을 인가한 실험과 직류 전압을 인가한 실험의 두 가지 형태로 시행하였다. 첫번째 구동실험은 VHB 4905, PT 6100s, A1028 등의 전기변형 고분자의 양쪽 표면에 각각 전도성 그리스와 전도성 우레탄 필름을 접합한 유니모프형태의 구동체를 제조하여 0.1~L0 Hz의 교류 주파수를 주어 구동시켰다. 이 실험은 주파수와 구동체의 운동에 관한 상관관계를 얻기 위한 것으로 최대 전압은 VHB 4905의 경우 10 kV, 나머지 두개는 4 kV를 인가하였다.
이 실험은 주파수와 구동체의 운동에 관한 상관관계를 얻기 위한 것으로 최대 전압은 VHB 4905의 경우 10 kV, 나머지 두개는 4 kV를 인가하였다. 두번째 구동실험은 구동체의 변위와 전압의 관계를 알아보기 위하여 직류 전압을 인가한 것으로, 양쪽에 다른 두께(40 pm, 25 |im)의 전도성 우레탄 필름을 전극으로 사용하고 PT 6100s를 구동본체로 사용한 유니모프 형태의 구동체에 1 kV에서 5 kV의 전압을 인가하였을 때 나타내는 변위를 관찰하였다. 이때 사용한 고전압 발생장치는 DC-DC 컨버터 (Picochip series W, Pico electronics Inc.
구동체를 이루는 유전성 고무의 유전율과 탄성율을 측정하여 구동 특성에 관한 기본 자료를 얻었다. 유전율 측정기 (DEA 2970, TA Instruments Co.)와 동역학 열분석기 (DMTA Mark Ⅲ, Rheometrics Co.)를 이용하여 각각 0.1-100 kHz의 사인파 형태의 주파수로 측정하였고 온도범위는 30-50 ℃였다. 그리고 영률을 측정하기 위하여 만능시험기(4400 R, Instron Co.
전압을 인가하면, PT610CJS의 양쪽 표면 전극에 맥스웰 응력이 생기고, 우레탄 전극의 두께 차이에 의해서 모멘트가 발생하여 굽힘 운동을 한다. 모델링에 쓰인 변수들은 유니세프를 구성하는 PT6100s와 우레탄 전극의 불성신험에서 측정된 두께와 모둘러스, 유전율 등을 사용하였고, 이를 Table 2에 나타내었다. Figure 8에서 곡률은 전압의 증가에 따라서 크게 증가하는 모습을 보이며.
대상 데이터
유니모프 구동체 제조. 실험에 사용된 전기변형 고분자로는 Table 1과 같은 유전성 엘라스토머가 사용되었다.
유니모프 구동체 제조. 실험에 사용된 전기변형 고분자로는 Table 1과 같은 유전성 엘라스토머가 사용되었다. 전극에는 두 가지 형태의 것이 사용되었는데 하나는 분말 형태의 은이 분산되어 있는 전도성 그리스 (CW7100.
전극은 전기변형 고분자에서 나타나는 전기변형 효과에 미치는 영향을 최소화하기 위하여 변형에 순응하는(compliant) 재료를 사용해야 한다. 실험에 사용한 전극 중. 우레탄 전극은 카본블랙의 함량에 따라 전극이 가지는 저항과 강성이 변화한다.
전기변형 고분자에 접합되는 전극은 반드시 유연하면서도 전기 전도성이 좋아야 하므로 이들의 타협은 반드시 필요하다. 우레탄 전극은 카본블랙의 함량에 따라서 Figure 4와 같은 전기 저항의 변화를 보였고, 카본블랙의 첨가에 의해 저항이 크게 줄어드는 20 wt%의 함량을 가지는 우레탄 전극을 사용하였다.
이론/모형
영향을 살펴보았다. 그리고 전압 인가에 따라 발생하는 힘과 변형을 고전적 적층 이론(classical laminate theory)을 이용하여 모델링 하였다.
1-100 kHz의 사인파 형태의 주파수로 측정하였고 온도범위는 30-50 ℃였다. 그리고 영률을 측정하기 위하여 만능시험기(4400 R, Instron Co.)를 이용하였으며 이 측정에는 ASTM D 882를 따랐다.
성능/효과
(1) 층을 이루는 판의 두께는 너비에 비해 매우 얇다. (2) 모든 변형은 적층판의 두께방향 변형에 비해 작아야 한다. (3)적층 내부의 변형은 두께에 선형적이다.
(2) 모든 변형은 적층판의 두께방향 변형에 비해 작아야 한다. (3)적층 내부의 변형은 두께에 선형적이다. (4)변형-변위와 응력-변형의 관계는 선형이다.
(3)적층 내부의 변형은 두께에 선형적이다. (4)변형-변위와 응력-변형의 관계는 선형이다. (5) 가로축 법선방향의 변형은 판 내부 변형과 비교할 때 무시할 만하다.
(4)변형-변위와 응력-변형의 관계는 선형이다. (5) 가로축 법선방향의 변형은 판 내부 변형과 비교할 때 무시할 만하다.
/는 엘라스토머의 단성윤이다. 따라서 변형율은 선기변형 고분자의 변형이 사용된 소재의 유전율과 단성율에 의해 결정되어진다는 것을 알 수 있다. 그러나 유전율과 탄성율은 주파수의 영향을 받기 때문에 Figure 6에서와 같은 현상을 일으켰음을 유추할 수 있다.
유니모프 형태의 구동체를 통히여 얻어진 유전성 엘라스토머의 전기변형 효과는 주파수와 밀접한 관계를 가짐을 알 수 있었고 특히, 동적 유전율 측정에서 얻어진 자료를 토대로 물질이 갖는 유전완화 시간의 거동에 따라 유니모프 형태의 진폭이 영향을 받음을 알 수 있었다. 또한 고전적 적층 이론을 통하여 유니모프 구동체의 힘과 모멘트, 곡률을 이론적으로 해석하였고 이를 통하여 적절한 구동체의 두께와 물성치 등을 설정할 수 있으리라 사료된다.
후속연구
또한 고전적 적층 이론을 통하여 유니모프 구동체의 힘과 모멘트, 곡률을 이론적으로 해석하였고 이를 통하여 적절한 구동체의 두께와 물성치 등을 설정할 수 있으리라 사료된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.