초록 ▼

□ 연구내용
○ 섬유형 인공근육 모듈의 Tension support로 활용하기 위한 코일스프링 제작
- 코일스프링 역할: 코일스프링은 (1) 축방향으로 작용하는 힘에 대해 저항력을 제공하며, (2) 탄성에너지를 흡수 및 저장할 수 있고 (3) coiled CNT yarn(인공근육)의 꼬임을 막아 줄 수 있기에 pre-tension 상태에서 섬유형 인공근육 모듈을 구동할 수 있는 Tension support로 활용 가능함.
- 소재 선정 과정: 전기화학적 구동을 기반으로 하기에 (1) 산화화원반응을 하지 않고 (2)

□ 연구내용
○ 섬유형 인공근육 모듈의 Tension support로 활용하기 위한 코일스프링 제작
- 코일스프링 역할: 코일스프링은 (1) 축방향으로 작용하는 힘에 대해 저항력을 제공하며, (2) 탄성에너지를 흡수 및 저장할 수 있고 (3) coiled CNT yarn(인공근육)의 꼬임을 막아 줄 수 있기에 pre-tension 상태에서 섬유형 인공근육 모듈을 구동할 수 있는 Tension support로 활용 가능함.
- 소재 선정 과정: 전기화학적 구동을 기반으로 하기에 (1) 산화화원반응을 하지 않고 (2) 기계적 강도가 우수 및 (3) 성형이 쉬워야하는 조건을 만족하는 nylon 6,6 monofilament(이하 nylon으로 통칭)를 사용함.
- Nylon을 twist 및 mandrel-coiling을 진행하여 코일스프링을 제조함.
- Twist denisty, 스프링인덱스, pitch에 따른 스프링 상수 제어를 확인함.
○ Tension support의 열적 안정성, 내구성, 내식성 실험
- Nylon 코일스프링의 열적 안정성을 확인하고자 TMA(ThermoMechanical Analysis)를 이용하여 -20, 0, 20, 40, 60 ℃에서 압축시험을 진행함.
- Nylon 코일스프링의 내구성을 확인하고자 1000 회의 반복 압축시험을 진행함.
- Nylon 코일스프링의 내식성을 확인하고자 pH 4, 7, 10의 용액에 7일간 담궈 무게를 측정함.
○ 섬유형 인공근육 모듈 제조
- 섬유형 인공근육 및 섬유형 인공근육 모듈의 제작과정은 다음과 같음.
① Spinnable CNT forest로부터 CNT sheet를 뽑아 2장을 같은 방향으로 쌓음.
② CNT sheet의 양단을 고정하고 하단의 회전을 막고 5 g의 하중을 달아 cone 형태로 반시계 방향으로 꼬아줌(cone spinning).
③ Yarn이 형성되면 하단의 회전을 풀어 꼬임을 제거함.
④ Yarn에 인가된 꼬임이 제거되면 다시 하단의 회전을 막고 5 g의 하중을 달아 self-coil을 형성할 때까지 반시게 방향으로 꼬아줌.
⑤ z-twist 된 self-coil을 다시 시계방향(s-direction)으로 회전시켜 z-s 형태로 two-ply 된 CNT coil을 제작하고 이를 섬유형 인공근육 및 상대전극으로 활용함.
- 섬유형 인공근육 모듈의 제작과정은 다음과 같음.
① 섬유형 인공근육을 초기길이의 40% pre-tension 상태로 인장함.
② 인장된 섬유형 인공근육을 서포터인 코일스프링에 관통하는 형태로 삽입시키고 섬유형 인공근육 한쪽 끝에 집전체로 사용할 Pt wire를 silver paste와 함께 접착함. 서포터는 twist density가 0, nylon의 직경이 0.34mm, 코일평균직경이 0.74 mm 그리고 pitch가 0.34 mm인 코일스프링을 활용함.
③ Silver paste가 마르면 섬유형 인공근육과 서포터의 양 끝단을 에폭시 레진을 통해 접착 및 고정함.
○ 섬유형 인공근육 모듈 성능 측정
- 섬유형 인공근육 모듈의 구동 가능성을 평가하기 위해 Pt mesh를 상대전극으로 하여 유기전해질(TBA·PF6/PC) 속에서 2전극 기반의 전기화학적 구동을 3.0 ~ 5.0 V의 인가전압으로 실행함.
- 섬유형 인공근육의 구동성능을 최적화 하기위해 100 회의 트레이닝 과정을 거친 후 100 회의 반복시험을 진행함.

□ 연구개발 성과
○ 정성적 성과
- 섬유형 인공근육 모듈 제조를 위한 요소기술 확보
- 요소기술기반 섬유형 인공근육 모듈 제조 및 성능 평가
○ 정량적 성과
○ 기술스펙 달성 성과

□ 기술적 우수성
○ 핵심 요소기술에 대한 설명 기입
- 기존 섬유형 인공근육의 연구는 섬유 자체가 인공근육으로써 갖는 성능에 국한되어 있고 이를 활용하기 위한 응용연구가 부족함.
- 섬유형 인공근육을 모듈화하는 기술은 이전에 시도되지 않은 기술로써 본 기술은 선진적인 기술이라 할 수 있음.
- 차세대 로봇 분야에서 기존의 액추에이터를 대체할 수 있는 섬유형 인공근육의 핵심 기술로 적용이 가능함.

□ 성과활용 계획
○ 개발기술의 용도 설명, 추가연구, 사업화로 전환 등 결과물 활용 계획 기입
- 기존의 단단한 액추에이터를 대체할 유연한 구동기로써 미세한 움직임을 표현하는데 사용할 수 있음.
- 본 과제를 통하여 수행하고 있는 연구 내용을 기반으로 한국연구재단 과제 중 “한중협력연구사업”을 통한 인공근육 및 인공근육 응용연구를 지속적 교류를 통하여 수행하고자 함.

(출처 : 요약서 4p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 기본사업 연구보고서 ... 3
• 기본사업 연구 요약서 ... 4
• 목차 ... 7
• 1. 연구개발 개요 ... 8
• 1-1. 연구개발 배경 및 목적 ... 8
• 1-2. 연구개발 기술의 정의 ... 14
• 2. 연구개발 내용 ... 16
• 2-1. 연구개발 WBS(Work Breakdown Structure) ... 16
• 2-2. 당해 연도 연구개발 목표 및 내용 ... 17
• 2-3. 성능목표 및 정량목표 ... 25
• 3. 연구개발 추진전략 및 체계 ... 26
• 3-1. 연구개발 추진전략 ... 26
• 3-2. 연구개발 추진체계(편성도) ... 26
• 4. 연구성과 활용 시나리오 ... 27
• 4-1. 연구성과 활용·확산계획 ... 27
• 4-2. 협력국(기관)과의 향후 협력 계획 ... 27
• 4-3. 기대효과 ... 28
• 5. 2차년도 사업추진계획 ... 29
• 5-1. 2차년도 연구개발 내용 ... 29
• 5-2. 연구개발 추진전략 및 체계 ... 33
• 참고문헌 ... 34
• 끝페이지 ... 35