근육의 생리학적 구조와 인공근육재료의 작동원리 및 구성요소 분석
분야
docINTRODUCTION
근육의 생리 및 구조
인공근육의 소재분류
1. 전기활성 인공근육 재료
2. 비전기활성 인공근육 재료
실린더형 유전체 엘라스토머DEA(Dielectronic
1. DEA의 특징
2.실린더형 DEA 제작
3. 실린더형 DEA에 대한 시뮬레이션
결론
REFERENCES
실린더형 유전체 엘라스토머DEA(Dielectronic Elastomer Actuator)
인공 고무근육이라고도 불리는 DEA는 이를포함한 폴리머 액츄에이터를 통칭해서 EAP라는데, 이는 기존 회전형 모터에 비해 직선형 거동으로 인해 새로운 디자인 가능성을 제시할 수 있고, 실제 인간근육보다 더 큰 변형율을 얻을 수 있다는 장점이 있다.
자연에 존재하는 가장 휼륭한 엑츄에이터라고 할 수 있는 인간근육을 비교대상으로 삼아 구동기 재료 선택시 크기가 작으면서도 고출력을 발생시키는 인간근육의 성능과 비교할 필요가 있다. 아래 Table 1과 같이 인공근육으로 가장 각광받는 유전체 엑츄에이터는 인간근육보다 속도나 에너지밀도등 여러면에서 우위를 보인다. 이와 같은 성능 때문에 유전체 라스토머 츄에이터를 이용한 엑츄에이터 개발이 현재 활발히 진행되고 있다.
Table1
1. DEA의 특징
DEA를 해석할 때에는 이상적으로 전극내부에서는 저항이 존재하지 않는다고 보고, 폴리머(즉 엘라스토머)끼리 간격쪽에 무한대의 저항이 있다고 가정한다.
하지만 유전체 EAP의 경우에는 구동시 고전기장을 발생시키기 위해 고전압 (보통 수 kV)이 필요 하고, 변위와 출력을 크게 하기 위해 pre-strain 조건 사용으로 반복성이 문제가 된다. 이는 프레임등 엘라스토머를 지지할 수 있는 물질의 이용, 엘라스토머를 스택형 또는 원기둥형 모양으로 제조함으로써 해결하고 있다.
DEA 는 전기 기계 커플링 성능이 좋고, 고전압 사용으로 비교적 빠른 주파수를 보인다. 그리고 직류 구동시 이온식 EAP 와 달리 변형율이 변하지 않고 유지되고, 이온식 액츄에이터에 비해 큰 힘을 출력한다.
기본적으로 DEA 구조는 가운데 부분인 엘라스토머와 이를 기준으로 바깥쪽 양쪽에 전극층이 존재하여 총 3개의 층이 존재하여야 한다. 여러 층의 DEA를 위해서는 샌드위치형태로 엘라스토머와 전극층이 교대로 배치하면 된다.
전극층에 전압을 인가하여 전기장이 발생하면 맥스웰 응력(Maxwell Stress)에 의해 엘라스토머를 쥐어짜는 쿨롱 힘(Coulomb charge attraction)이 나타난다. 이는 엘라스토머를 두께방향으로 수축시키고 엘라스토머는 비압축성물질로 볼 수 있어 부피카 변하지 않으므로 두께방향에 수직인 면 방향은 팽창하게 된다. 면 방향 팽창은 같은층 전극에 있는 전하 입자들은 서로 떨어뜨리고, 결과적으로 내부 에너지가 작아지게 되어 안정 상태가 된다.
2.실린더형 DEA 제작
현재 많은 DEA 연구자들이 엘라스토머의 재료로 아크릴 재료를 지닌 3M회사의 VHB(Very high bonding)라는 상용제품을 이용한다. 실린더형 DEA제작을 위해서는 pre-strained 된 3M 회사의
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