KR102352207B1

KR102352207B1 - 소프트 웨어러블 로봇용 가변강성 메타구조체

Info

Publication number: KR102352207B1
Application number: KR1020190164347A
Authority: KR
Inventors: 장재호; 공현철; 김동민
Original assignee: 주식회사 에프알티
Priority date: 2019-12-11
Filing date: 2019-12-11
Publication date: 2022-01-17
Anticipated expiration: 2039-12-11
Also published as: KR20210073760A

Abstract

소프트 웨어러블 로봇의 제조를 위한 메타물질로 형성되는 가변강성 메타구조체는 상기 메타구조체는 상기 메타물질로 제조된 후 인위적인 조도 형성을 위한 화학적 에칭이 이루어진다. 메타구조체가 에칭액에 의한 화학적 처리에 의해 표면 조도가 증가되기 때문에 강성이 확보되면서 유연성이 증가되어 착용 편의성이 극대화될 수 있다.

Description

소프트 웨어러블 로봇용 가변강성 메타구조체{Metastructure mechanism of adjustable stiffness for soft wearable robot}

본 발명은 소프트 웨어러블 로봇을 제조하기 위한 가변강성 특성을 가지는 메타구조체에 관한 것이다.

웨어러블 로봇(wearable robot)은 인간의 신체에 착용할 수 있도록 구성되는 외골격 형태의 로봇이며 착용자의 동작 의도 신호를 기반으로 액추에이터를 구동함으로써 근력을 지원하거나 증폭시켜 인간의 물리적인 작업 능력을 증대시키는 기능을 수용하는 로봇을 의미한다.

외골격 타입의 웨어러블 로봇은 착용 시 이질감 및 낙상사고의 위험을 가지기 때문에, 소프트한 웨어러블 로봇에 대한 연구가 이루어지고 있다. 소프트 웨어러블 로봇은 외부 환경에 대한 향상된 적응성과 유연성과 신축성을 가지는 것이 필요하기 때문에 로봇의 변형과 동작을 생성할 수 있도록 메타구조체를 이용한 가변강성 재료에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

가변강성 메타구조체는 자연에서 얻어지는 물질에서는 존재하지 않는 성질을 가지도록 인공적인 배열로 설계한 가변강성 메타물질로 만들어진 구조체이다. 가변강성 메타물질은 음의 포아송비(negarive Poisson's ratio)를 가지는 형상 메타물질이며 그래핀(Graphene)이 대표적인 형상 메타물질이다. 가변강성 메타구조체는 기존 소재의 한계를 넘어서 새로운 물리적 성질을 가지며, 고분자 소재를 이용하여 구현된 메타구조체는 소재의 특성과 메타구조체의 구조적 특성을 모두 가지는 새로운 개념의 소재이다.

다양한 목적과 기능을 위한 웨어러블 로봇의 개발과 함께 향상된 유연성과 강성을 동시에 확보할 수 있는 메타구조체에 대한 요구가 증가되고 있다.

일본 공개특허공보 2016-528940 (공개일: 2016.09.23)

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 향상된 유연성과 강성을 가지는 메타구조체를 제공하는 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 소프트 웨어러블 로봇의 제조를 위한 메타물질로 형성되는 가변강성 메타구조체는 상기 메타구조체는 상기 메타물질로 제조된 후 인위적인 표면 조도 형성을 위한 화학적 에칭이 이루어진다.

상기 화학적 에칭은 수산화나트륨(NaOH), [1,4] 뷰티엔다이올(Butanediol), 뷰틸카비톨(Butyl Carbitol) 및 CTAB(Cetyl Trimethyl Ammonium Bromide)이 혼합된 에칭액에 의해 수행될 수 있다.

상기 에칭액은 상기 CTAB를 0.75 중량%로 함유할 수 있다.

상기 메타구조체는 폴리아미드로 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 소프트 웨어러블 로봇용 가변강성 메타구조체에 인위적 표면 조도를 형성하기 위한 에칭액은 수산화나트륨(NaOH), [1,4] 뷰티엔다이올(Butanediol), 뷰틸카비톨(Butyl Carbitol) 및 CTAB(Cetyl Trimethyl Ammonium Bromide)을 함유한다.

상기 에칭액은 상기 CTAB를 0.75 중량%로 함유할 수 있다.

본 발명에 의하면, 메타구조체가 에칭액에 의한 화학적 처리에 의해 표면 조도가 증가되기 때문에 강성이 확보되면서 유연성이 증가되어 착용 편의성이 극대화될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 메타구조체를 화학적 에칭을 수행하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 에칭 처리에 따른 메타물질의 표면의 SEM 이미지를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 에칭 처리에 따른 메타물질 표면의 BET 비표면적 결과를 보여주는 그래프이다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 소프트 웨어러블 로봇용 가변강성 메타구조체는 물성 변화를 위해 화학처리가 이루어진다. 메타구조체의 횡방향 수축 및 팽창을 위해서는 메타구조체가 연성을 가져야 하므로 화학처리를 통한 메타구조체의 물성 변화를 진행한다. 화학처리를 통한 메타구조체의 물성 변화는 메타구조체에 불규칙적인 에칭을 진행하여 인위적인 표면 조도를 형성하는 것에 의해 이루어진다.

도 1에는 표면 조도 형성을 위한 에칭 과정이 개념적으로 도시되어 있다. 메타물질로 만들어진 메타구조체(10)를 에칭액(E)에 침지한 후 에칭이 이루어진다. 도면에 명시적으로 도시되지 않았으나 메타구조체(10)는 가요성(flexible)으로 형성되면서 압축되는 경우 강성이 증가할 수 있도록 형성될 수 있으며 예를 들어 폴리아미드 재질로 세부 가닥이 얽혀 있는 그물 구조로 형성될 수 있다. 표면 조도를 형성하기 위한 에칭액은 0.5 노르말 농도의 수산화나트륨(NaOH) 16 g, [1,4] 뷰티엔다이올(1,4-Butanediol) 10 g, 뷰틸카비톨(Butyl Carbitol) 30 g에 CTAB(Cetyl Trimethyl Ammonium Bromide)를 첨가하여 상온에서 1시간 동안 교반하여 제조되었다. 그리고 나서 에칭액을 60 ℃로 승온한 후 3D 프리팅 방법으로 제조된 메타구조체를 침지한 후 1시간 동안 침적 진행을 하였다. 그리고 나서 가소화 공정을 거치고 정제수로 5회 세척을 진행한 후 40 ℃에서 6시간 동안 건조하여 화학처리 공정을 완료하였다.

에칭액에 사용된 성분들은 다음과 같다.

성분	Sodium Hydroxide	1,4-Butanediol	Butyl Carbitol	Cetyl Trimethyl Ammonium Bromide
화학식	NaOH	C₄H₁₀O₂	CH₃(CH₂)₃OCH₂CH₂OCH₂CH₂OH	C₁₆H₃₃N(CH₃)₃Br
제조사	DAEJUNG	DEJUNG	Sigma Aldrich	Sigma Aldrich

뷰티엔다이올과 뷰티카비톨은 에칭속도의 제한을 위해 사용되었고 CTAB는 기재에 흡착시키고 기재의 에칭되는 면을 막아주는 역할을 하는 계면활성제로 사용되었다. CTAB의 경우 양이온 계면활성제이므로 pH 염기일 때 활동성이 증대되어 선정되었다. CTAB가 불규칙적인 에칭 표면 조도를 형성하는 데 중요한 역할을 하는 것으로 판단하여 CTAB 농도를 조절하면서 실험을 진행하였다.

메타구조체의 화학처리 완료 후 메타구조체의 표면을 SEM 분석을 통해 표면 조도 형성이 이루어진 것을 확인하였으며, N₂-sorption을 통해 비표면적 분석을 진행하였다.

표면 처리 전, 후 메타구조체의 표면, 기공 상태 및 형태 확인을 위해 Scanning Electron Microscopy(SEM, JEOL, JSM-IT500)을 이용하였다.

시료는 1 cm X 1 cm 으로 컷팅하여 시료 표면을 초음파세척기로 세척한 뒤 60 ℃에서 3시간 열처리를 통해 표면에 흡착되어 있는 수분을 제거하고 진공증착장비를 이용하여 금을 박막 코팅한 뒤 측정하였다.

도 2에는 계면활성제(surfactant)로 작용하는 CTAB의 농도 변화에 따른 SEM 이미지가 도시되어 있다. 도 2의 (a)는 화학처리 전의 메타물질의 표면 SEM 이미지이며, 도 2의 (b) 내지 (f)는 CTAB의 농도가 각각 0.15 중량%, 0.25 중량%, 0.50 중량%, 0.75 중량%, 1.00 중량%인 경우의 에칭 후 메타물질의 표면 SEM 이미지이다.

도 2의 (a)에 나타난 바와 같이 에칭 처리 전에는 매끈한 표면이 확인되지만, 에칭이 이루어지는 경우 CTAB의 농도가 증가할수록 더 큰 표면 조도가 형성되는 것을 확인할 수 있다. 그러나 1.0 중량%의 CTAB로 에칭이 이루어지는 경우 0.75 중량%의 CTAB에 비해 표면이 더 부드러운 것으로 나타나 0.75 중량%에 비해 표면 조도 형성이 잘 되지 않는 것으로 나타났다.

표면 처리 전, 후 메타구조체의 비표면적 및 기공분포를 확인하기 위하여 질소 흡착(N₂-sorption)(QUANTACHROME, Qudrasorb SI)을 이용하였다. 측정온도를 77 K로 유지하기 위해 액체질소를 이용하였으며, 흡착된 질소는 표준 온도와 압력으로 정규화하였다. 분석 전에 60 ℃에서 3시간 열처리를 통해 표면에 흡착되어 있는 수분을 제거하였다.

BET(Brunauer-Emmett-Teller) 비표면적은 다음 수학식 1의 BET 방정식의 선형 부분(P/P₀=0.05～0.30)으로부터 계산하였다.

여기서, W _m 은 시료표면에 단층으로 흡착된 물질의 무게이고, C는 BET 상수로 첫 번째 흡착 층에서 흡착에너지와 관계된 값이며, W는 상대압력(P/P ₀ )에서 흡착된 가스 무게를 의미한다.

BJH(Barrett-Johner-Halenda) 기공의 부피 및 크기는 각각 수학식 2와 수학식 3으로부터 구하였다.

여기서, V _p 는 기공의 부피, V _K 는 모세관(Kelvin) 부피, r _p 은 기공의 반경, r _K 는 모세관(Kelvin) 반경을 각각 의미한다.

여기서

는 평균 기공 반경,

는 Kelvin 관계식으로부터 계산된 평균 기공 반경, t _r 는 흡착된 층의 두께를 각각 의미한다.

질소 흡착을 통해 CTAB 농도에 따른 비표면적을 분석한 결과가 도 3에 도시되어 있다.

BET 비표면적 결과 SEM 분석에서와 유사한 형태를 나타내었는데, CTAB 농도가 증가할수록 비표면적이 증가되었으나, 0.75 중량%를 기점으로 1.0 중량%에서 다시 비표면적이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 여기서 CTAB의 중량%는 에칭액의 전체 중량에서 CTAB의 중량이 차지하는 비율을 나타낸다. 기재에 흡착된 CTAB는 에칭 시 에칭속도를 저해하는 인자로 작용되는데, CTAB 농도가 높아지면서 메타구조체의 에칭되는 속도가 저해되는 면적이 증가하면서 생긴 요인으로 해석할 수 있다. 따라서, CTAB 농도가 0.75 %일 때 에칭이 형성되는 표면 조도가 적절히 형성되는 것을 확인할 수 있었다.

이상에서 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등한 것으로 인정되는 범위의 모든 변경 및 수정을 포함한다.

10: 메타구조체
E: 에칭액

Claims

소프트 웨어러블 로봇의 제조를 위한 메타물질로 형성되는 가변강성 메타구조체로서,
상기 메타구조체는 상기 메타물질로 제조된 후 인위적인 표면 조도 형성을 위한 화학적 에칭이 이루어지고,
상기 화학적 에칭은 수산화나트륨(NaOH), [1,4] 뷰티엔다이올(Butanediol), 뷰틸카비톨(Butyl Carbitol) 및 CTAB(Cetyl Trimethyl Ammonium Bromide)이 혼합된 에칭액에 의해 수행되고,
상기 메타구조체는 폴리아미드로 형성되는
소프트 웨어러블 로봇용 가변강성 메타구조체.
삭제
제1항에서,
상기 에칭액은 상기 CTAB를 0.75 중량%로 함유하는 소프트 웨어러블 로봇용 가변강성 메타구조체.
삭제
소프트 웨어러블 로봇용 가변강성 메타구조체에 인위적 표면 조도를 형성하기 위한 에칭액으로서,
수산화나트륨(NaOH), [1,4] 뷰티엔다이올(Butanediol), 뷰틸카비톨(Butyl Carbitol) 및 CTAB(Cetyl Trimethyl Ammonium Bromide)을 함유하고,
상기 메타구조체는 폴리아미드로 형성되는 에칭액.
제5항에서,
상기 에칭액은 상기 CTAB를 0.75 중량%로 함유하는 에칭액.
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