특허 개요
본 특허는 전기를 가하면 내부 액체가 이동하며 형태를 바꾸는 유전성 유체 내장 주머니형 유연 구동기입니다. 기판 필름과 전기활성 폴리머 필름을 접합해 주머니를 만들고, 내부에 유전성 유체와 내측 제1 전극을 배치하며 필름 외측에는 제2 전극을 배치합니다. 전압 인가 시 폴리머 필름에 불균일 공간 전하층(hetero-space charge layer)이 형성되고 제1 전극과의 정전기 인력이 필름을 끌어당겨 유체를 전극 영역 밖으로 이동시키며, 이 압력 변화가 주머니의 기계적 변형과 구동력으로 이어집니다.
- 핵심 기능
제1 전극과 제2 전극 사이에 전압을 인가하면 전기활성 폴리머 필름의 불균일 공간 전하층과 제1 전극 사이에 정전기 인력이 발생합니다. 필름이 제1 전극 쪽으로 접근하면서 유전성 유체를 이동시키고, 유체 압력으로 주머니를 일면 또는 양면 방향으로 변형시키며 구동전압에 따라 출력을 조절합니다.
- 차별 강점
유압·공압 구동기는 외부 펌프 등 동력 시스템이 필요하고, 유전성 고분자 구동기는 고전압과 고전압 앰프 의존성이 제한 요인이었습니다. 본 특허는 불균일 공간 전하층을 갖는 전기활성 폴리머와 유전성 유체를 결합해 외부 펌프 의존성을 줄이고, 상대적으로 낮은 구동전압에서 형상 변형과 출력 제어를 구현하는 구조입니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 소프트 로보틱스, 인공근육, 웨어러블 구동부, 햅틱 인터페이스, 랩온어칩용 마이크로 펌프·밸브 및 가변 초점 광학계에 활용 가능하며, 사업 측면에서는 재활 로봇, 웨어러블 기기, 촉각 디바이스, 튜너블 렌즈 기반 카메라·광학 모듈로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
PVC-gel 전기활성 폴리머 필름에서 불균일 공간 전하층이 나타나는 특성과, 전압 인가에 따른 정전기 인력 기반 유체 이동 및 형상 변형 원리가 제시되었습니다. 반복 구동 수명, 실제 부하에서의 출력, 응답속도, 대면적 제조 및 응용별 실사용 성능은 구체적으로 제시되지 않았습니다.
- 시료: PVC-gel 전기활성 폴리머 필름과 유전성 유체를 내장한 주머니형 유연 구동기
- 비교 특성: 유전성 고분자·이온성 고분자 기반 구동기의 구동 특성
- 구동 조건: 전압 인가 상태에서 폴리머 필름의 공간전하 분포 및 유체 이동 원리 확인
현재 성과
전압을 인가하면 전기활성 폴리머 필름의 불균일 공간 전하층과 제1 전극 사이에 정전기 인력이 발생합니다. 이 인력으로 유전성 유체가 전극 영역 밖으로 이동하고, 유체 압력이 주머니의 기계적 변형과 구동력 발생으로 연결됩니다. 구동전압 조절을 통해 출력 제어가 가능하도록 구성됩니다.
PVC-gel 필름에서 양극에 가까운 영역에 음전하층이 형성되는 불균일 공간 전하 분포가 제시되었습니다. 전압 인가 시 필름이 전극 쪽으로 접근하고 유체가 이동하는 작동 원리도 실시예에서 설명됩니다. 반복 구동 및 실제 제품 조건의 성능은 별도 검증이 필요합니다.
기존 유압·공압 방식은 외부 펌프 등 동력 시스템이 필요하며, 유전성 고분자 방식은 고전압 구동이 제한 요인이었습니다. 본 특허는 내·외측 전극과 불균일 공간 전하층을 갖는 폴리머 필름, 유전성 유체 주머니를 결합해 정전기 인력으로 유체를 이동시키는 점이 차별점입니다. 양면 볼록 구동 및 도우넛형 전극 기반의 가변 초점 렌즈 구조도 포함합니다.
상용화까지 남은 부분
반복 구동 수명과 장기 내구성 검증
실제 부하 조건에서의 출력 및 응답속도 실증
대면적 제조 공정과 응용별 실사용 성능 검증
기술 이전 형태·도입 과정
도입은 이렇게 진행됩니다.
검토 미팅
귀사 상황·데이터 구조 기준으로 적합성을 논의합니다. 자료 검토만으로 끝나도 됩니다.
PoC 공동 검증
연구팀 동행 하에 귀사 데이터 기준 재학습·성능을 확인합니다.
라이센싱 계약
PoC 결과를 기반으로 희망 형태(실시권·공동연구 등)를 협의합니다.
기술지도·후속
도입 초기 기술지도, 필요 시 후속 공동연구·정부과제 연계까지 진행합니다.
특허 정보
불균일 공간 전하층과 유전성 유체를 이용한 주머니 형태의 유연 구동기
10-2020-0184496 (2020.12.28)
1020210086518 (2021.07.08)
1026553160000 (2024.04.02)
경기욱, 김현우
한국과학기술원
한국과학기술원