KR101946703B1

KR101946703B1 - 친수성의 나노 필름 구조물을 이용한 무동력 액츄에이터 및 상기 무동력 액츄에이터를 제작하는 방법

Info

Publication number: KR101946703B1
Application number: KR1020170030424A
Authority: KR
Inventors: 이진기; 이민기; 강호성
Original assignee: 성균관대학교산학협력단
Priority date: 2017-03-10
Filing date: 2017-03-10
Publication date: 2019-04-29
Anticipated expiration: 2037-03-10
Also published as: KR20180103457A

Abstract

본 발명은 친수성의 나노 필름 구조물을 이용한 무동력 액츄에이터 및 상기 무동력 액츄에이터를 제작하는 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 친수성의 나노 필름 구조물을 이용한 무동력 액츄에이터는 일측은 개방되어 있고 타측은 닫혀진 나노 튜브 구조체가 관다발 형태로 이격된 틈을 가지도록 배치된 친수성의 나노 필름 구조물을 포함하고, 상기 나노 필름 구조물에 유체를 가하여 상기 유체의 흡입 또는 증발 시에 상기 나노 필름 구조물을 구동시키는 것을 특징으로 한다.

Description

친수성의 나노 필름 구조물을 이용한 무동력 액츄에이터 및 상기 무동력 액츄에이터를 제작하는 방법{POWERLESS ACTUATOR USING HYDROPHILIC NANO FILM STRUCTURE AND METHOD FOR FABRICATING THE SAID ACTUATOR}

본 발명은 친수성의 나노 필름 구조물을 이용한 무동력 액츄에이터 및 상기 무동력 액츄에이터를 제작하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 친수성의 나노 필름 구조물의 나노 튜브 구조체 사이의 이격된 틈에 유체가 흡입 또는 증발하면서 별도의 동력없이 나노 필름 구조물을 굽히거나 펼쳐지도록 구동시키는 친수성의 나노 필름 구조물을 이용한 무동력 액츄에이터 및 상기 무동력 액츄에이터를 제작하는 방법에 관한 것이다.

대부분의 액츄에이터는 전기에너지와 같은 별도의 외부 동력을 이용하여 움직이게 된다. 이러한 액츄에이터는 별도의 외부 동력을 필요로 하기 때문에 사용에 제한이 발생할 수가 있다.

이에 따라, 최근에는 다양한 고분자 물질의 특성을 이용하여 습도, 온도, 전기장, 빛, 농도 등의 외부 자극에 의한 무동력 액츄에이터에 관한 기술이 개발되고 있다. 하지만, 고분자 물질과 같은 유연 소재의 경우 강도가 약하기 때문에 강한 힘을 전달할 수 없다는 단점이 있다.

이에, 본 발명에서는 새로운 방식의 친수성의 나노 필름 구조물을 이용한 무동력 액츄에이터 및 상기 무동력 액츄에이터를 제작하는 방법을 개시하고자 한다.

한국등록특허 제10-1458213호

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 고분자 화합물이 아닌 친수성의 나노 필름 구조물을 이용하여 나노 필름 구조물에 형성되는 나노 튜브 구조체 사이의 이격된 틈에 물이 흡입 또는 증발할 때의 압력 차이에 의해서 무동력으로 나노 필름 구조물을 펼치거나 굽히도록 구동시킬 수 있는 친수성의 나노 필름 구조물을 이용한 무동력 액츄에이터를 제공함에 있다.

또한, 고분자 화합물이 아닌 친수성의 나노 필름 구조물을 이용하여 나노 필름 구조물에 형성되는 나노 튜브 구조체 사이의 이격된 틈에 물이 흡입 또는 증발할 때의 압력 차이에 의해서 무동력으로 나노 필름 구조물을 펼치거나 굽히도록 구동시킬 수 있는 친수성의 나노 필름 구조물을 이용한 무동력 액츄에이터를 제작하는 방법을 제공함에 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 일측은 개방되어 있고 타측은 닫혀진 나노 튜브 구조체가 관다발 형태로 이격된 틈을 가지도록 배치된 친수성의 나노 필름 구조물을 포함하고, 상기 나노 필름 구조물에 유체를 가하여 상기 유체의 흡입 또는 증발 시에 상기 나노 필름 구조물을 구동시킬 수가 있다.

여기서, 상기 유체를 상기 나노 튜브 구조체의 개방된 일측이 형성된 상기 나노 필름 구조물의 일측면에 가해서 상기 나노 필름 구조물을 구동시킬 수가 있다.

여기서, 상기 나도 필름 구조물은 이산화 티타늄(Titanium Dioxide)으로 형성될 수가 있다.

여기서, 상기 나노 필름 구조물에 유체를 가하여 상기 이격된 틈 사이로 모세관력으로 상기 유체가 흡입될 때 상기 나노 필름 구조물을 구동시키고, 상기 흡입된 유체가 증발할 때에도 상기 나노 필름 구조물을 구동시킬 수가 있다.

또한, 상기 목적은, 본 발명에 따라, 일측은 개방되어 있고 타측은 닫혀진 나노 튜브 구조체가 관다발 형태로 이격된 틈을 가지도록 배치된 친수성의 나노 필름 구조물에 유체를 가하여 상기 유체의 흡입 또는 증발 시에 상기 나노 필름 구조물을 구동시키는 친수성의 나노 필름 구조물을 이용한 무동력 액츄에이터를 제작하는 방법에 있어서, 전기분해를 위한 양극은 나노 필름 구조물을 만들 금속으로 음극은 환원물질로 형성한 후 NH₄F를 포함하는 에틸렌글리콜(ethylene glycol) 전해질을 포함하는 용기 내에서 전기분해 반응을 하는 단계; 및 상기 금속 표면에 형성된 상기 나노 필름 구조물을 떼어내는 단계를 포함하는 친수성의 나노 필름 구조물을 이용한 무동력 액츄에이터를 제작하는 방법에 의해 달성될 수가 있다.

여기서, 상기 금속은 티타늄일 수가 있다.

여기서, 상기 환원물질은 백금(platinum)이고, 상기 나노 필름 구조물은 이산화 티타늄(Titanium Dioxide)으로 형성될 수가 있다.

상기한 바와 같은 본 발명의 친수성의 나노 필름 구조물을 이용한 무동력 액츄에이터에 따르면 별도의 외부 동력 없이 물과 같은 유체를 이용하여 무동력으로 액츄에이터를 동작시킬 수가 있다는 장점이 있다.

또한, 장시간 동안 구동의 안정성 및 반복 재현성이 높다는 장점도 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 친수성의 나노 필름 구조물을 이용한 무동력 액츄에이터를 제조하기 위한 전기분해 장치를 도시한다.
도 2는 전기분해에 의해 티타늄 포일(Ti Foil)에 형성되어 분리되는 관다발 형태의 나노 튜브 구조체를 도식화한 도면이다.
도 3의 (a)는 본 발명에 따라 제작된 나노 필름 구조물의 이미지를 도 3의 (b), (c), (d)는 각각 상기 나노 필름 구조물의 측면, 상면, 하면의 SEM(Scanning Electron Microscopy) 이미지를 도시한다.
도 4는 본 발명의 나노 필름 구조물에 물이 침투하는 모습을 도시하는 도면이다.
도 5는 압력의 변화에 따른 습도 조건에 따라 나노 필름 주조물의 상부 및 하부의 ESEM(Environmental Scanning Electron Microscopy) 이미지를 도시한다.
도 6의 좌측 도면은 나노 필름 구조물의 나노 튜브 구조체 사이의 이격된 틈에 물이 흡입되는 모습을 도시하고, 우측 사진은 이 때의 나노 필름 구조물의 실제 사진이다.
도 7의 좌측 도면은 나노 필름 구조물의 나노 튜브 구조체 사이의 이격된 틈에 물이 완전히 흡입되어 채워졌을 때의 모습을 도시하고, 우측 사진은 이 때의 나노 필름 구조물의 실제 사진이다.
도 8의 좌측 도면은 나노 필름 구조물의 나노 튜브 구조체 사이의 이격된 틈에 흡입된 물이 증발할 때의 모습을 도시하고, 우측 사진은 이 때의 나노 필름 구조물의 실제 사진이다.

실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다

이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 친수성의 나노 필름 구조물을 이용한 무동력 액츄에이터 및 상기 무동력 액츄에이터를 제작하는 방법을 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 친수성의 나노 필름 구조물을 이용한 무동력 액츄에이터를 제조하기 위한 전기분해 장치를 도시하고, 도 2는 전기분해에 의해 티타늄 포일(Ti Foil)에 형성되어 분리되는 관다발 형태의 나노 튜브 구조체를 도식화한 도면이고, 도 3의 (a)는 본 발명에 따라 제작된 나노 필름 구조물의 이미지를 도 3의 (b), (c), (d)는 각각 상기 나노 필름 구조물의 측면, 상면, 하면의 SEM(Scanning Electron Microscopy) 이미지를 도시하고, 도 4는 본 발명의 나노 필름 구조물에 물이 침투하는 모습을 도시하는 도면이고, 도 5는 압력의 변화에 따른 습도 조건에 따라 나노 필름 주조물의 상부 및 하부의 ESEM(Environmental Scanning Electron Microscopy) 이미지를 도시한다.

먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 친수성의 나노 필름 구조물을 이용한 무동력 액츄에이터를 제작하는 방법을 설명하기로 한다.

도 1에 도시되어 있는 것과 같이 양극에는 나노 필름 구조물(100)을 만들 금속인 0.25mm 두께의 티타늄 포일(Ti Foils)을 형성하고 음극에는 환원물질인 백금(platinum)을 형성하고, 전기 분해를 위한 용기 내에 0.4wt% 의 NH₄F 및 1wt%의 탈이온수(deionized water)를 포함하는 에틸렌글리콜(ethylene glycol)을 전해질로 하여, 25℃ 조건에서 두 전극 사이에 60V의 직류전원을 3시간 동안 인가시켜 정전위 양극처리(potentiostatic anodization)를 수행한다.

상기와 같은 전기 분해를 수행하면 도 2의 (a)에서와 같이 티타늄 포일에 나노 필름 구조체(110)가 형성(이해를 돕기 위해 크기와 비율이 다소 과장되어 도시됨)되는데, 이후 에탄올과 탈이온수를 이용하여 전해질인 에틸렌글리콜/ NH₄F 용액을 세정하여 완전히 제거시키고, 질소 가스를 이용하여 건조시킨다. 상기 건조 과정에서 자연스럽게 티타늄 포일에 형성된 나노 필름 구조물(100)을 도 2의 (b)에서와 같이 분리시켜 떼어낼 수가 있다.

상기와 같은 방법으로 제작된 나노 필름 구조물(100)은 도 3의 (a)에서와 같이 휘어진 형태를 가지게 된다.

도 3의 (b), (c), (d)는 각각 상기 나노 필름 구조물(100)의 측면, 상면, 하면의 SEM 이미지를 나타내는데, 나노 필름 구조물(100)은 일측은 개방되어 있고 타측은 닫혀진 형태의 대략 두께가 8㎛인 나노 튜브 구조체(110)가 관다발 형태로 이격된 틈을 가지도록 배치된 형태를 가진다. 이때, 나노 튜브 구조체(110)의 일측은 도 2의 (c)의 이미지와 같이 내부에 중공이 형성된 개방된 형태이고, 나노 튜브 구조체(100)의 타측은 도 2의 (d) 이미지와 같이 닫혀진 폐쇄된 형태를 가지게 되는데, 복수의 나노 튜브 구조체(110)가 관다발 형태로 이격된 틈을 가지도록 정렬 배치되는 형태를 가짐을 알 수가 있다.

이때, 도 2의 (c)에서 나노 튜브 구조체(110)의 개방된 일측이 형성된 면은 도 2의 (a)에서 나노 필름 구조물(100)의 상부면을 형성하고, 도 2의 (d)에서 나노 튜브 구조체(110)의 닫혀진 타측이 형성된 면은 도 2의 (a)에서 나노 필름 구조물(100)의 하부면을 형성하게 된다.

상부면에서 나노 튜브 구조체(110) 사이의 이격된 틈은 대략 5~20nm이고, 도 2의 (c)에서 개방된 나노 튜브 구조체(110) 일측의 내경과 외경의 평균은 각각 대략 100nm, 135nm이고, 도 2의 (d)에서 폐쇄된 나노 튜브 구조체(110)의 타측의 평균 직경은 대략 158nm이다. 이때, 나노 필름 구조물(100)의 하부면을 형성하는 나노 튜브 구조체(110)의 타측 사이에도 이격된 틈이 형성되는데, 상부면에 형성된 틈 보다는 작음을 알 수가 있다.

EDX(energy-dispersive X-ray spectroscopy)와 XRD(X-ray diffraction) 분석 결과 상기와 같은 전기화학적인 방법으로 생성된 나노 필름 구조물(100)은 이산화 티타늄(Titanium Dioxide)으로 구성됨을 알 수 있고, 반데르발스 힘에 의해서 관다발의 형태가 유지된 상태로 존재하게 된다. 또한, 상기 이산화 티타늄으로 형성된 나노 필름 구조물(100)은 접촉각이 3℃보다 작아서 친수성의 성질을 가짐을 확인할 수가 있다.

휘어진 나노 필름 구조물(100)의 상부면에 물을 가하면 휘어진 상부면에 가해진 물이 중력에 의해 밑으로 퍼져 나감과 동시에 도 4에 도시되어 있는 것과 같이 나노 튜브 구조체 사이의 이격된 틈 사이로 상부면에서 하부면을 향하여 모세관 현상에 의해 빠르게 스며들게 된다. 이때, 나노 필름 구조물(100)의 상부면에 가해진 물의 일부는 나노 튜브 구조체(110) 일측의 개방된 면을 통해 나노 튜브 구조체(110) 내부로도 흐를 수는 있으나 관통하여 흐를 수는 없다. 상기와 같이 나노 필름 구조물(100)의 상부면에 물이 가해지거나 가해진 물이 증발할 때에 나노 필름 구조물은 펼쳐지거나 굽혀지는 구동을 반복할 수가 있는데, 이와 관련해서는 도 6 내지 도 8을 참조로 후술하기로 한다.

도 5는 챔버(미도시) 내 압력을 바꾸어서 나노 필름 구조물(100)의 표면을 습한 상태 또는 건조한 상태로 바꾸었을 때의 나노 필름 구조물(100)의 상부면과 하부면의 ESEM 이미지를 도시하는데, 도 5의 (a)와 (b)는 챔버 내 압력이 700Pa 이하일 때의 나노 필름 구조물의 상부면과 하부면의 이미지를, 도 5의 (c)와 (d)는 챔버 내 압력이 745Pa 이상일 때의 나노 필름 구조물의 상부면과 하부면의 이미지를 각각 나타낸다.

챔버 내 압력이 745Pa 이상이 되면 도 5의 (c)에서와 같이 나노 필름 구조물(100)의 상부면에 물이 응축되는데, 응축된 물은 나노 튜브 구조체(110)의 이격된 틈 사이를 이동하여 도 5의 (d)에서와 같이 나노 필름 구조물의 하부면에서도 관찰됨을 알 수가 있다 이는 도 5의 (b)에서 나노 사이즈의 이격된 빈틈이 습윤 상태에서 도 5의 (d)에서와 같이 물로 채워지는 것으로 확인할 수가 있다.

이때, 습윤 상태일 때 일부 나노 튜브 구조체(110)의 내부에도 물이 이동을 하나, 이때 도 5의 (a)와 (c)에 나타나는 것과 같이 나노 튜브 구조체(110)의 직경의 변화가 없는 것을 확인할 수가 있다. 따라서, 나노 튜브 구조체(110) 내부로 이동하는 물은 나노 필름 구조물(100)의 구동에는 영향을 미치지 않음을 알 수가 있고, 후술하는 바와 같이 나노 튜브 구조체(110) 사이의 이격된 틈 사이로 흐르는 물에 의해 나노 필름 구조물(100)이 구동함을 확인할 수가 있다.

도 6의 좌측 도면은 나노 필름 구조물의 나노 튜브 구조체 사이의 이격된 틈에 물이 흡입되는 모습을 도시하고, 우측 사진은 이 때의 나노 필름 구조물의 실제 사진이고, 도 7의 좌측 도면은 나노 필름 구조물의 나노 튜브 구조체 사이의 이격된 틈에 물이 완전히 흡입되어 채워졌을 때의 모습을 도시하고, 우측 사진은 이 때의 나노 필름 구조물의 실제 사진이고, 도 8의 좌측 도면은 나노 필름 구조물의 나노 튜브 구조체 사이의 이격된 틈에 흡입된 물이 증발할 때의 모습을 도시하고, 우측 사진은 이 때의 나노 필름 구조물의 실제 사진이다.

도 6 내지 도 8은 폭 10mm, 길이 60mm의 전술한 방법으로 만들어진 나노 필름 구조물(100)의 일단을 고정시킨 상태에서 실린지 펌프(미도시)를 이용해서 나노 필름 구조물(100)의 상부면에 5μL의 물을 가하고 증발시켰을 때의 구동 움직임을 나타낸다.

나노 필름 구조물(100)의 상부면에 상기와 같이 물을 가하면, 친수성의 특징에 따라 상부면의 표면을 따라 퍼지는 것보다 더 빠른 속도로 내부로 흡수되는데, 이때 흡수되는 위치에 따라서 나노 튜브 구조체(110)들 사이에 압력 차이가 발생하게 되고, 이러한 힘에 의해서 나노 필름 구조물(100)이 움직일 수가 있다.

도 7에서와 같이 물이 나노 튜브 구조체(110)를 사이의 틈에 완전히 스며든 경우, 최초 굽혀진 상태에 있던 나노 필름 구조물(100)이 펼쳐져서 평평한 상태를 유지하게 된다.

다시, 나노 필름 구조물(100)의 표면에서 증발이 일어나게 되면 이격된 틈 사이에 위치하는 물은 다시 나노 필름 구조물(100)의 상부면으로 이동하게 되고, 이때 도 8에서와 같이 나노 필름 구조물(100)이 굽혀진 상태로 바뀌게 된다.

상기와 같이 본 발명의 나노 필름 구조물(100)에 물을 가하거나 증발시키는 과정을 반복함으로써, 나노 필름 구조물을 평형하게 펼치거나 굽히는 방법으로 반복 구동시킬 수가 있다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

100: 나노 필름 구조물
110: 나노 튜브 구조체

Claims

티타늄을 전기분해하여 상기 티타늄 표면에 형성된 나노 필름 구조물을 분리시켜 형성된 것으로, 상기 나노 필름 구조물은 일측은 개방되어 있고 타측은 닫혀진 나노 튜브 구조체가 관다발 형태로 이격된 틈을 가지도록 형성되고,
상기 나노 필름 구조물의 개방된 일측에 유체를 가하여 상기 유체의 흡입 또는 증발 시에 상기 나노 필름 구조물을 구동시키는 친수성의 나노 필름 구조물을 이용한 무동력 액츄에이터.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 나노 필름 구조물은 이산화 티타늄(Titanium Dioxide)으로 형성되는 친수성의 나노 필름 구조물을 이용한 무동력 액츄에이터.
제 1 항에 있어서,
상기 나노 필름 구조물에 유체를 가하여 상기 이격된 틈 사이로 모세관력으로 상기 유체가 흡입될 때 상기 나노 필름 구조물을 구동시키고,
상기 흡입된 유체가 증발할 때에도 상기 나노 필름 구조물을 구동시키는 친수성의 나노 필름 구조물을 이용한 무동력 액츄에이터.
일측은 개방되어 있고 타측은 닫혀진 나노 튜브 구조체가 관다발 형태로 이격된 틈을 가지도록 형성된 나노 필름 구조물의 개방된 일측에 유체를 가하여 상기 유체의 흡입 또는 증발 시에 상기 나노 필름 구조물을 구동시키는 친수성의 나노 필름 구조물을 이용한 무동력 액츄에이터를 제작하는 방법에 있어서,
전기분해를 위한 양극은 나노 필름 구조물을 만들 티타늄으로 음극은 환원물질로 형성한 후 NH₄F를 포함하는 에틸렌글리콜(ethylene glycol) 전해질을 포함하는 용기 내에서 전기분해 반응을 시켜 상기 티타늄의 표면에 상기 나노 필름 구조물을 생성시키는 단계;
상기 티타늄 표면에 형성된 상기 나노 필름 구조물을 떼어내는 단계를 포함하는 친수성의 나노 필름 구조물을 이용한 무동력 액츄에이터를 제작하는 방법.
삭제
제 5 항에 있어서,
상기 환원물질은 백금(platinum)이고, 상기 나노 필름 구조물은 이산화 티타늄(Titanium Dioxide)으로 형성되는 친수성의 나노 필름 구조물을 이용한 무동력 액츄에이터를 제작하는 방법.