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제 1 장 장 장 장 서 서 서 서 론 론 론 론

제 제

제 제 1 절 절 절 절 연구배경 연구배경 연구배경 연구배경

21세기의 산업 구조는 인간주도의 수동형 산업에서 로봇 중심의 자동화 산업으로 변화하고 있다.이러한 로봇산업은 기계 및 전자 산업의 첨단기술이 결합된 시스템 산업이며,메카트로닉스 산업 부문 중 가장 유망산업으로 부각되고 있다.전 세계적 으로 로봇산업은 서비스 로봇과 퍼스널 로봇 개발에 대한 연구가 진행되고 있다^[1][2]. 세계 로봇 시장 1위인 미국은 건설,농업 분야의 산업용 로봇과 개인을 대상으로 한 퍼스널 로봇,우주 개척을 위한 탐사용 로봇을 중점으로 개발하고 있으며,일본의 경 우 세계 로봇 시장의 2위로서 인간 중심의 서비스 로봇과 혼다의 아시모나 소니의 큐 리오 등과 같은 휴머노이드(humanoid)로봇을 개발하고 있다^[3][4].우리나라는 산업용 제조 로봇위주의 개발과 연구에 중점을 두었으나 점차 IT기반 의료용 로봇과 개인용 서비스 로봇 개발을 목표로 다양한 분야에 기술을 적용하는 연구를 하고 있다.그러 나 로봇을 제작하기 위한 기술수준은 높으나 부품의존도가 해외에 치중되어 가격 면 에서 경쟁력이 취약한 실정이다.그러나 이러한 상황에서도 휴머노이드 로봇의 상용 화를 목적으로 한 투자가 국가적 사업으로 이루어지고 있는 상황이다.휴머노이드 로 봇은 인공지능(ArtificialIntelligence)칩을 내장해 인간의 사고방식을 수행할 수 있 는 능력을 가지게 되었다^[5].이러한 휴머노이드 로봇을 제작하기 위해서는 여러 분야 의 기술이 집약된다.전기,전자 분야에서는 로봇을 구동하기 위한 동력 공급과 알고 리듬을 제공하며,기계 분야에서는 인체의 골격구조를 제작하기 위한 설계 및 이론을 제공한다^[6].이러한 로봇을 구동하기 위해 가장 중요한 기술은 액츄에이터 기술이다.

액츄에이터는 전기에너지를 기계적인 변위나 응력으로 변환하는 트랜듀서로써 로봇 이나 구동하는 물체에 핵심적인 기술이다.DC모터는 가장 널리 사용되고 있는 로봇 구동 액츄에이터로 사용이 간단하며 알고리듬을 구현하기가 쉽다.그러나 인간의 동

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있게 되었다^[7].이러한 생체엔진에는 형상기억합금(ShapeMemoryAlloy)과 전기 작 동형 폴리머(Electro-ActivePolymer)가 있다^[8][9].형상기억합금은 Ni-Ti합금으로 초 탄성효과를 이용하여 구동되며 환경변화나 무게에 대한 부담이 적어 치아 교정용 와이어나,인공위성의 안테나선등 많은 분야에 이용되고 있다^[10][11].전기 작동형 폴리 머는 고 탄력 플라스틱 끈 조각으로 만들어져 있고 전기에 의해 구동된다.그러나 형 상기억합금은 반복 사용에 따른 성능저하의 문제점과 복잡한 형상의 복원이 불가능 하며,제어 시스템 구성이 어려운 단점이 있다.전기 작동형 폴리머는 구동에 대한 전 원을 공급하기 어렵고,무거운 단점이 있다.최근에는 이러한 인공근육 액츄에이터의 단점을 보완하는 연구가 진행되고 있으며,생체형 액츄에이터 개발 및 로봇을 구현하 는데 많은 연구가 진행되고 있다^[12][13].

본 연구에서는 형상기억합금을 몇 개의 구간으로 나누고 각각의 구간을 제어함으 로써 디지털 스텝 모터와 같은 역할을 하는 로봇 액츄에이터에 대하여 연구하였다.

형상기억합금 와이어를 구간분할하기 위해 열전소자를 사용하였고,열전소자의 온도 를 일정하게 유지하기 위해 모스펫을 사용하였다.기존의 아날로그 제어 방식과 본 연구에서 개발된 디지털 제어 방식의 구간분할 바이너리 제어 기법을 비교하고,구간 분할된 형상기억합금 와이어의 변위와 힘을 측정하였다.형상기억합금 와이어의 입 력전원에 따른 변위와 힘을 측정하기 위해 온도제어 프로그램을 개발하였다.열전대 를 사용하여 열전소자의 온도를 측정하였고,설정 온도에 따라 열전소자에 입력되는 전원을 ON/OFF하기 위해 릴레이를 사용하였다.열전소자의 동일면에서 가열과 냉 각이 이루어지도록 H-bridge회로를 구성하여 전원의 입력 방향을 바꾸고,온도에 따른 히스테리시스 특성을 확인하였다.가열과 냉각에 따른 형상기억합금 와이어의 지연시간을 줄이기 위해 히스테리시스 루프 제어 방법을 사용하였다.세 손가락으로 구성된 로봇 핸드를 제작하고 구간 분할 바이너리 제어 방법을 이용한 형상기억합금 액츄에이터를 사용하여 쥐는 동작을 구현하였다.

제 제

제 제 2 절 절 절 절 연구 연구 연구 연구 동향 동향 동향 동향

1. 생체 생체 생체 생체 모방형 모방형 모방형 모방형 액츄에이터 액츄에이터 액츄에이터 액츄에이터

인공근육 액츄에이터는 높은 에너지 집적도와 효율을 가지고 있어,로봇 설계에 혁 신적인 변화를 가져올 것이다.일반적인 기계적 액츄에이터들은 각 축사이의 불균형 을 해결하기 위해 기어박스와 같은 여러 장치들을 구성하고,낮은 에너지 효율로 인 해 각각의 링크에 서보기구를 장착해야 한다.이러한 구조로 설계된 로봇은 유연한 동작을 구현하기 어렵고,자유도가 제한되는 단점이 있다.인간의 근육은 근섬유가 종과 횡으로 배열되어 이루어져 있으며,대부분의 긴 근육조직은 짧은 근섬유가 종으 로 연결되어 각각의 신경에 전달된다.이러한 관점에서 살펴볼 때 현재 사용되고 있 는 액츄에이터들은 인간의 근조직과 많은 차이점이 있다.

인간의 근육과 같은 인공근육을 만들기 위해 많은 재료들을 이용하여 실제 인간의 근육과 유사한 액츄에이터가 개발되고 있으며,이러한 인공 근육으로 형상기억합금, 전기 작동형 폴리머,공기 근육 액츄에이터가 대표적이며 여러 분야에 적용되고 있 다.형상기억합금은 높은 에너지 집적도를 갖으며,반복성능 및 절연성이 우수한 장 점을 갖고 있다.전기 작동형 폴리머 액츄에이터는 폴리피롤(poly-pyrrole)과 폴리아 닐린(poly-aniline)의 재료로 구성되어 있어,에너지 집적도와 효율성이 좋아 낮은 전 압에서도 구동되는 장점이 있다.그러나 반복성능의 저하와 고량의 전기가 필요하며, 적용범위가 좁아 액츄에이터로 사용하기에는 부적합하다.공기 근육 액츄에이터(air muscleactuator)는 인간의 근육과 가장 유사한 구조로 공압을 이용하여 제어한다.

크기는 작지만 모터보다 큰 힘을 낼 수 있으나,공압을 제어하기 어렵고 가격이 비싼 문제점이 있다.최근에는 이러한 인공근육 액츄에이터들의 단점을 보완하는 재료들 이 개발되고 있다. 국내 연구진에 의해 개발된 전기 작동형 생체모방종이 (Electro-ActivePaper)액츄에이터는 셀룰로오스함량이 높은 종이에 전기를 흘려주 면 떨림이 발생하는 원리이다.또한 화학반응이 기계적인 일로 직접 전환되는 ATP(adenosintriphosphate)액츄에이터도 개발되어 기존의 인공근육에 비해 발전된

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다.Fig.1-1은 현재 개발되고 있는 인공근육 액츄에이터를 나열하였다.

Fig. 1-1 Classes of artificial muscle

(b) Electro-active polymer

(c) Electro-active paper (d) SMA wire

(a) Air muscle

2. 형상기억합금의 형상기억합금의 형상기억합금의 형상기억합금의 제어 제어 제어 제어 이론 이론 이론 이론

형상기억합금은 실제 거동을 모델링하기 매우 어렵기 때문에 제어성능이 만족스럽 지 못하다.형상기억합금에 대한 온도와 변위에 대한 이력곡선의 모델링은 유한요소 모델링으로 수행된다.이는 Galerkin법과 Preishach의 접근법에 의해 모델링되고,열 동력과 열전도 방정식에 기초를 두고 있다.PID제어기가 사용되어,Hashimoto에 의 해 이족보행로봇에 형상기억합금이 사용되었고,Kuribayashi에 의해 온도 피드백에 관한 연구가 수행되었다.이후 형상기억합금 재료자체가 가지고 있는 열역학적 비선 형성을 해결하기 위해 비선형 제어기법이 연구되었다.비선형 제어기법은 액츄에이 터의 위치제어에 관한 연구로 형상기억합금에 전류를 인가하고 저항열을 이용하여 가열하며,강제 대류를 하여 냉각한다.이러한 제어 이론들은 강건제어(robust control)에 기반을 둔 슬라이딩모드(slidingmode),뉴럴 퍼지(neuralfuzzy),에너지 소산법(dissipativity)변수 체계제어(variablestructurecontrol)등이다.이러한 많은 연구를 통해 형상기억합금의 제어성능을 극복하려 하였으나,현재까지도 만족스러운 제어가 이루어지고 있지 않다.

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제 제 제

제 2 장 장 장 형상기억합금과 장 형상기억합금과 형상기억합금과 형상기억합금과 구간분할 구간분할 구간분할 구간분할 바이너리 바이너리 바이너리 바이너리 제어의 제어의 제어의 이론적 제어의 이론적 이론적 이론적 배경 배경 배경 배경

제 제

제 제 1 절 절 절 절 형상기억합금의 형상기억합금의 형상기억합금의 형상기억합금의 특징 특징 특징 특징

형상기억합금은 형상기억효과(ShapeMemoryEffect)라 불리는 특성에 의해 변형 이 된다.형상기억효과는 어떤 형상의 재료를 임계온도보다 고온에서 급랭하여 저온 상을 형성시켜 변형한 다음 재 가열시 임계온도 범위를 넘으면 역변태가 일어나고 동 시에 초기의 형상으로 회복하는 현상을 말한다.이러한 형상기억합금은 일방향성 형 상기억합금과 이방향성 형상기억합금으로 나뉜다.Fig.2-1은 일방향성 형상기억합금 과 이방향성 형상기억합금의 특성을 나타낸다.일방향성 형상기억합금은 상온에서는 본래의 형상을 가지며,고온을 인가하면 변형이 발생된다.변형이 완료된 후 그 이상 의 온도에 대해서는 영향을 받지 않으며,냉각의 경우 초기 상태로 복원되는 특징을 갖는다.이방향성 형상기억합금은 상온에서는 본래의 형상을 가지며,고온과 저온에 대해 각기 다른 변형 특성을 갖는다.Fig.2-2는 일반적인 금속재료와 형상기억합금 의 변형 특징을 나타낸 것이다.일반적인 금속재료의 변형은 탄성한계를 넘으면 소성 변형에 의해 영구 변형이 발생되지만,형상기억합금은 열을 인가함으로서 초기의 상 태로 복원되는 특성을 보인다.

Initial image

Heating

Initial image recovery Cooling

Strain

(a) Simplex shape memory alloy

Initial image

Heating Cooling

Strain Strain

Heating Cooling

(b) Duplex shape memory alloy

Fig. 2-1 Characteristics of simplex and duplex shape memory alloy

Loading

Constant Deform

Un- Loading A

Elastic B region

Strain

Stress

Un- Loading Loading

Strain Heating

Stress

(a) Common metal (b) Shape Memory Alloy Fig. 2-2 Stress - Strain diagram of SMA and common metal

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Fig.2-3은 고온에서 정방향 결정구조를 갖는 형상기억합금의 원자 구조를 나타낸 다.형상기억합금의 마르텐사이트 상변태 온도는 (martensitestarttemperature),

(martensitefinish temperature),(austenitestarttemperature),(austenite finishtemperature)로 오스테나이트상(austenitephase)상태의 형상기억합금을 

온도이하로 냉각하면 단사정의 격자구조를 갖는 마르텐사이트상(martensitephase) 으로 변태된다.이 때 자기 적응 특성(self-accommodatingmanner)에 의해 최대 24 방향의 쌍정 구조(twinnedmartensite)를 갖게 된다. 이러한 원자 배열을 “Twinning”

이라 부른다.쌍정구조의 마르텐사이트상(twinnedmartensitephase)상태의 형상기 억합금에 외력이 가해지면 서로 다른 방향을 갖고 있던 쌍정들이 일정한 방향을 갖게 되고 이로 인해 힘이 가해진 방향으로 형태가 변화하는데 이를 “Detwinning”이라 한 다.형태가 변화된 형상기억합금을  온도 이상으로 가열하면 형상기억합금은 오스 테나이트상으로 되며,초기 상태로 복원된다.이러한 상변태 온도는 DSC(Differential Scanning Calorimeter)등을 이용하거나 비저항 변화 또는 부피변화를 측정하여 알 수 있다.Fig.2-4는 형상기억합금의 온도 히스테리시스를 상변태 온도에 대해 나타 낸 것이다.

`

`

Low temperature deformed by applied force Low temperature twinned monoclinic structure

(Twinned martensite)

High temperature cubic structure (Austenite)

Deform Cooling

Force

Force

Heating

Fig. 2-3 Transformation between high and low temperature structures of SMA

Af

As

Ms

Mf Temperature

Length change or

Recovery force

Austenite(Parent) Martensite

Ms : martensite start temperature Mf : martensite finish temperature As : start of reverse transformation

of martensite

A^f : finish of reverse transformation of martensite

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제 제 제 2 2 2절 절 절 구 구 구간 간 간분 분 분할 할 할 바 바 바이 이 이너 너 너리 리 리 제 제 제어 어 어

111...디디디지지지털털털 제제제어어어방방방식식식의의의 구구구간간간분분분할할할 바바바이이이너너너리리리 제제제어어어

형상기억합금의 아날로그제어 방식은 Fig.2-5와 같이 형상기억합금 와이어 전 구 간에 열 또는 전기를 입력하고 변위 신호를 피드백 받아 제어하는 형태이다.아날로 그 제어 방식은 형상기억합금 와이어 전체에 입력신호를 인가하여 발생된 전체 변위 가 제어 대상이 된다.이러한 아날로그 제어 방식은 히스테리시스의 곡선의 경사진 영역을 사용하기 때문에 상승과 하강시 특성이 다르게 나타나며,외부 응력 변화에 따라 곡선이 천이(shift)되는 특성이 있어 외부환경에 민감하다.또한,재료가 갖는 비 선형성 때문에 원하는 변위를 얻기 힘들고 제어특성이 우수하지 못하다.Fig.2-6에 형상기억합금의 디지털 제어 방법을 나타내었다.구간분할 바이너리 제어는 구간분 할(segmentation)과 바이너리 제어(binarycontrol)에 기초한 디지털 제어 기법이다.

형상기억합금을 몇 개의 구간(segment)으로 나누어 각각의 구간을 독립적인 바이너 리 신호(ON/OFF)에 의해 제어한다.형상기억합금 와이어를 구간으로 분할하고 A구 간 변위와 B구간 변위만을 사용하기 때문에 변위의 제어가 용이하고,외부 응력에 둔 감한 제어 방식이다.

Fig. 2-5 Analogue control method

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2. 구간분할 구간분할 구간분할 구간분할 바이너리 바이너리 바이너리 바이너리 제어를 제어를 제어를 제어를 위한 위한 위한 위한 열전소자의 열전소자의 열전소자의 열전소자의 특징 특징 특징 특징

기존의 제어 방법은 형상기억합금 와이어의 전 구간에 열 또는 전기를 입력하여 변 위를 발생한다.본 연구에서는 형상기억합금 와이어를 몇 개의 구간으로 나누고 각 구간을 제어하였다. 형상기억합금 와이어를 구간분할하기 위해서 열전소자 (Thermo-ElectricModule)를 사용하였다.Fig.2-7과 같이 열전소자는 P형과 N형 반 도체를 조합하여 접합시켜 놓은 것으로,재료 양단간에 전류를 통하면 한 면이 발열 하고 반대 면은 흡열하는 펠티어 효과(peltiereffect)를 이용한다.열전소자에 전원을 인가할 경우 전원부의 양극(+)을 열전소자의 양극(+)에 연결하고,전원부의 음극(-) 을 열전소자의 음극(-)에 연결하면 순방향의 전류가 열전소자에 흐르게 되어,열전소 자는 B면에서 가열이 되고 A면에서는 냉각이 된다.반면,전원부의 양극을 열전소자 의 음극에 연결하고,열전소자의 양극을 전원부의 음극을 연결하면,열전소자는 역방 향의 전류가 흐르게 되어,B면에서는 냉각이 되고 A면에서는 가열이 된다.이러한 열 전특성을 갖는 열전소자는 냉각이나 가열을 동시에 수행해야 하는 경우와 열원을 이 용한 발전이 필요한 경우 사용할 수 있는 열과 전기의 교환시스템이다.

Fig. 2-7 Construction of Thermo-Electric Module

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3. 모스 모스 모스 모스 전계 전계 전계 전계 효과 효과 효과 효과 트랜지스터의 트랜지스터의 트랜지스터의 트랜지스터의 원리 원리 원리 원리

열전소자에 일정한 양의 전류와 전압을 공급하기 위해 모스 전계 효과 트랜지스터 (Metal-OxideSemiconductorFieldEffectTransistor)를 사용하였다.모스펫은 P형 기판에 N-MOS를 만들거나 N형 기판에 P-MOS를 만드는 두 가지 종류가 있다.

N-MOS는 Fig.2-8과 같이 P형 기판에 마스크를 씌워 N+를 2개 만들고 이 사이 기 판의 표면은 P형 반도체를 둔다.N+사이의 P형 반도체 위에 절연체를 입히고 그 위 에 금속판을 놓는다.따라서,두 개의 N+반도체가 소스(source)와 드레인(drain)이 되 고 금속판이 게이트(gate)가 된다.게이트에 전압을 인가하고 기판을 그라운드에 연 결하면 절연체를 기준으로 보았을 때 위,아래가 축전지(capacitor)의 형태를 띈다.게 이트에 (+)전압을 인가하면 금속판에는 (+)전하가 펼쳐지고,맞은편의 P형 기판에는 절연체 바로 아래에만 (-)전하가 펼쳐지게 된다.P형 기판은 전자보다 정공이 많은 형태이므로 극히 일부분에만 (-)전하가 보이게 된다.이 때 절연체를 기준으로 서로 마주 보고 있는 (+)(-)전하는 같은 양이어야 하고,이 때문에 충분한 전압이 가해지면 두 개의 N+(source,drain)사이에 (-)전하로 이루어진 채널이 생긴다.이러한 상태에 서 소스에 전압을 인가하면 이 채널을 따라서 전류가 흐른다.

Fig. 2-8 Principal of Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

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제 제 제

제 3 장 장 장 장 형상기억합금 형상기억합금 형상기억합금 와이어의 형상기억합금 와이어의 와이어의 와이어의 동특성 동특성 동특성 동특성

제 제

제 제 1 절 절 절 절 한 한 한 한 구간에 구간에 구간에 대한 구간에 대한 대한 형상기억합금 대한 형상기억합금 형상기억합금 형상기억합금 와이어의 와이어의 와이어의 와이어의 특성 특성 특성 특성

Fig.3-1은 형상기억합금 와이어의 구간분할 바이너리 제어 특성을 측정하기 위해 구성한 실험기구도이다.적외선 온도 센서(infraredtemperaturesensor)와 적외선 변 위 센서(infrareddisplacementsensor)를 이용하여 형상기억합금의 변위와 열전소자 의 온도를 측정하였다.형상기억합금 와이어 한 구간에 대한 변위를 300초의 시간동 안 측정하였으며,히스테리시스 특성을 확인하였다.실험에 사용된 형상기억합금 와 이어는 선경이 375^이고,3-8%의 변형률을 갖는다.안전성을 고려하여 3-5%의 변 형률 범위 내에서 사용하였다.열전소자의 입력전원에 따른 특성을 Table3-1에 나타 내었다.열전소자에 입력전원을 5V에서 10V까지 차례로 입력하여 모스펫을 거쳐 열 전소자에 인가되는 전압과 전류를 측정하고,열전소자의 표면 온도 상승 시간과 최대 상승 온도를 측정하였다.5V와 6V에서 최대 온도는 83.5℃와 98℃가 측정되었으며, 열전소자의 표면온도가 70℃까지 상승하는데 걸리는 시간은 52초와 32초로 반응속도 가 느렸다.7V 이상의 전원을 인가하면 열전소자의 표면 온도가 70℃에 도달하기까 지 약 13초가 소요되었다.그러나 100℃이상 온도가 상승하여 형상기억합금 와이어에 무리를 주어 손상의 우려가 있다.따라서,반응시간을 줄이기 위해서는 열전소자의 사용 전압 범위 내에서 최대의 전압을 인가하고,적정온도가 유지되도록 온도 제어를 해야 한다.

Fig. 3-1 Experimental apparatus for measuring performance of one segment

Table 3-1 TEM characteristics according to input source

Input Voltage

(V)



Max Temperature ( ℃℃ )℃℃

5 4.18 0.58 52 83.5

6 5.14 0.73 32 98

7 6.13 0.88 13 Over 100

8 7.11 1.04 12 Over 110

9 8.10 1.13 11 Over 110

10 9.07 1.33 8 Over 110

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Fig.3-2(a)는 시간에 따른 형상기억합금 와이어의 변위를 나타내었고,(b)에 시간 에 따른 열전소자의 온도를 나타내었다.형상기억합금 와이어를 열전소자를 이용하 여 구간 분할하고,한 구간에 대한 응답 특성을 측정하였다.7V의 전압을 입력하여 열전소자를 가열하고,냉각시에는 전원을 차단하고 자연 냉각하였다.약 9초에 열전 소자에 전원을 입력하고,그로부터 13초 후인 23초에 열전소자의 표면 온도가 72℃에 도달하였다.형상기억합금 와이어를 열전소자의 표면 온도가 70℃일 때 형상기억합 금 와이어의변위가 급격히 상승하였고,20초 후에 열전소자는 약 78℃까지 가열되었 다.이 때 부터 형상기억합금 와이어의 변위가 완만하게 상승하였다.7V-0.88A를 열 전소자에 입력하였을 경우,78℃에서 형상기억합금의 변태가 완료되었고,형상기억합 금 와이어는 약 0.15cm의 변위를 발생하였다.Fig.3-3은 한 구간의 온도와 시간에 따른 히스테리시스 곡선이다.열전소자에 전원을 인가하여 가열할 때 형상기억합금 와이어는 약 40℃에서 변위가 발생하기 시작하여 70℃에서 변위가 급격히 상승하고, 78℃에서 변태가 완료되었다.

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 0.00

0.05 0.10 0.15 0.20

Displacement (cm)

Time (sec)

(a) Displacement to time

0 50 100 150 200 250 300 350

30 40 50 60 70 80

Temperature

((((

))))

Time (sec)

(b) Temperature to time

Fig. 3-2 Performance evaluation of one segment

- 20 -

20 30 40 50 60 70 80 90

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18

Heating

Displacement (cm)

Temperature

((((

))))

Cooling

Fig. 3-3 Hysteresis of one segment

제 제

제 제 2 절 절 절 절 열 열 열 열 개 개 개 구간에 개 구간에 구간에 대한 구간에 대한 대한 대한 형상기억합금 형상기억합금 형상기억합금 와이어의 형상기억합금 와이어의 와이어의 와이어의 특성 특성 특성 특성

1. 실험장치 실험장치 실험장치 실험장치 구성 구성 구성 구성

형상기억합금 와이어를 구간분할하기 위해 열전소자를 선택함에 있어 형상기억합 금 와이어의 변태온도 및 반응시간과 열전소자의 발열량 및 전원 공급 장치와의 관계 를 고려하여 선정하였다.열전소자의 크기는 30mm×30mm×3.8mm이며,발열량은 36.3W,최대 전압 16.2V,최대 전류 4.6A인 열전소자를 선택하였다.열전소자의 전원 공급 장치로 스위칭 모드 파워 서플라이(SwitchingModePowerSupply)를 사용하 였으며,SMPS의 사양을 결정하기 위해 열전소자가 형상기억합금의 변태온도인 72℃

에 도달하는 시간과 이 때 전류와 전압의 관계를 디지털 멀티미터(digital multimeter)를 이용하여 열전소자에 인가되는 전압과 전류를 측정하였다.적외선 온 도 센서를 사용하여 열전소자의 온도를 측정하였다.또한,열전소자를 일렬로 연결하 고 열전소자에 일정한 전류와 전압을 공급하기 위해 모스 전계 효과 트랜지스터 회로 를 구성하였다.형상기억합금 와이어의 온도에 따른 변위를 측정하기 위해 적외선 변 위 센서를 이용하여 각 구간별 변위량을 측정하고 힘 측정 장치(forcegauge)를 이용 하여 구간별 발생 힘을 측정하였다.힘 측정 장치는 RS232시리얼 포트를 이용하여 디지털 신호로 변환하여 PC에서 측정하였고,변위 센서는 오실로스코프로 측정하였 다.Fig.3-4에 형상기억합금 와이어의 복원력 및 부하에 따른 변위를 측정하기 위한 실험장치 기구도를 나타내었다.

- 22 - .

Fig. 3-4 Experimental apparatus of SMA wire divided in ten segments

2. 형상기억합금 형상기억합금 형상기억합금 형상기억합금 와이어의 와이어의 와이어의 와이어의 복원력 복원력 복원력 복원력 설정 설정 설정 설정

실험에 사용된 형상기억합금 와이어는 일방향성(bias)변위를 발생한다.열전소자 를 이용하여 형상기억합금 와이어에 열을 인가하면 형상기억합금 와이어는 변위를 발생하고 열전소자로 들어가는 전류를 차단하면 초기 변위로 복원되지 못하기 때문 에 일정량의 복원력을 필요로 한다.형상기억합금 와이어의 적절한 복원력을 선정하 기 위해 바이어스 스프링을 사용하여 적외선 변위 센서로 초기 변위를 0mm로 하여 스프링의 초기 하중을 3N,5N,5.5N,7N,10N로 하여 형상기억합금 와이어의 변위 변 화량을 측정하고 초기 변위로 복원되는 시간을 측정하였다.Fig.3-5는 복원력에 변 화를 주어 형상기억합금 와이어의 변위를 측정한 그래프이다.3N과 5N일 때는 복원 되는 속도가 늦고 초기의 변위상태로 복원되지 못하였다.7N과 10N일 때는 복원되는 속도가 빨랐으나 초기의 변위를 넘어 음(-)의 방향으로 변위가 발생하였다.5.5N의 복원력을 걸어주었을 경우,복원되는 속도와 초기 변위가 만족할 만한 결과를 얻을 수 있었다.이후 실험에서는 바이어스 스프링을 사용하여 5.5N의 예압(preload)을 걸 어 주었다.

- 24 -

Fig. 3-5 Displacement according to recovery force

3. 형상기억합금 형상기억합금 형상기억합금 형상기억합금 와이어의 와이어의 와이어의 와이어의 부하에 부하에 부하에 부하에 따른 따른 따른 따른 변위 변위 변위 변위 측정 측정 측정 측정

375 선경을 갖는 형상기억합금 와이어를 부하에 변화를 주어 열 개의 세그먼트 에 대해 변위를 측정하였다.Fig.3-6(a)은 0g-100g까지 부하의 변화를 주어 변위를 측정한 그래프이고,Fig.3-6(b)은 150g-250g까지의 부하 변동에 대한 형상기억합 금 와이어의 변위를 측정한 그래프이다.Fig.3-6(c)은 300g-350g까지 부하에 변화 를 주어 측정한 변위 그래프를 나타내었다.형상기억합금 와이어의 변위는 한 쪽 끝 에 힘 측정 장치를 설치하고 반대편에는 바이어스 스프링을 달아 복원력을 주었으며, 한 개의 구간에 대한 입력 시간은 30초 간격으로 300초의 시간동안 측정하였다.부하 에 따른 변위 결과를 Table3-2에 나타내었다.부하에 따른 변위 측정 결과 0g - 250g의 하중을 걸어 주었을 때,약 1.15cm의 변위가 발생하였고,300g이상의 하중을 주었을 경우 변위가 감소하였다.

- 26 -

0 60 120 180 240 300

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

1.1 ^{Load 0g} Load 50g Load 100g

Time (s)

Diaplacement (cm)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Segment Number (EA)

(a) Displacement according to 0g, 50g, and 100g

0 60 120 180 240 300

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

1.1 Load 150g

Load 200g Load 250g

Time (s)

Displacement (cm)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Segment Number (EA)

(b) Displacement according to 150g, 200g, and 250g

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 0.0

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1

Displacement (cm)

Time (sec)

Load 300g Load 350g

(c) Displacement according to 300g and 350g Fig. 3-6 Displacement according to various load

Table 3-2 SMA wire maximum displacement according to load

Load Maximum Displacement (cm)

0g 1.15

50g 1.14

100g 1.15

150g 1.14

200g 1.15

250g 1.14

300g 1.09

350g 1.05

- 28 -

4. 변위 변위 변위 변위 오차 오차 오차 오차

형상기억합금 와이어를 길이 30mm인 열 개의 열전소자로 구간 분할하였다.측정 위치에서 형상기억합금 와이어의 최종 변위(resultantdisplacement)는 각 구간에서 발생된 변위가 합산되어 나타난다.Fig.3-7은 형상기억합금 와이어 한 가닥의 각 구 간에 대한 변위를 측정하기 위한 실험 기구도이다.형상기억합금 와이어를 열 개의 구간으로 나누고 변위를 측정하였다.선경이 375^인 형상기억합금 와이어를 사용 하였고 30mm×30mm의 열전소자 열 개를 사용하여 변위를 적외선 변위 센서로 측정 하고,오차를 계산하였다.형상기억합금 와이어의 최종 변위는 식 (3-1)과 같다.형상 기억합금 와이어를 구간 분할한 열전소자의 길이 L에 대하여 열전소자의 온도에 따 른 형상기억합금 와이어의 변형률(strain)의 곱만큼 변위가 발생한다.형상기억합금 와이어는 수축되어 변위가 발생하는데 이로 인해 수축한 변위( × )만큼이 열전소자 와 접촉하게 된다.따라서 ( × )의 길이에 대해 ^만큼의 변위가 새롭게 발생하여 오 차가 생긴다.냉각시에는 이와는 반대의 현상이 발생한다.

(3-1) where  :변위(Displacement(mm))

 :열전소자의 길이(LengthofTEM (mm))

 :형상기억합금 와이어의 변형률(StrainofSMA wire)

 :열전소자의 수(NumberofTEM)

     ∙∙∙

Table3-3은 열전소자에 의해 열 개의 구간으로 분할된 형상기억합금 와이어의 각 구간에 대한 변위를 측정하여 오차를 계산한 것이다.열전소자의 온도가 72℃일 때 Fig.3-3에서 형상기억합금 와이어의 변형률은 3.5%이다.구간의 수가 증가할수록 측 정 변위와 예상변위의 오차가 크게 나타났다.이러한 현상은 Fig.3-2에서 확인한 결 과와 같이 열전소자 입력되는 전원의 시간이 길어짐에 따라 열전소자의 온도가 상승 하여 형상기억합금 와이어의 변위량에 영향을 주어 발생한 오차이다.따라서 정확한 변위 제어를 위해서는 열전소자의 온도를 일정하게 유지하여야 한다.

Fig. 3-7 Linear displacement measurement of SMA wire

- 30 -

Table 3-3 Comparison between measured displacement and expected displacement

Segment

Measured displacement(cm)

Expected displacement(cm)

Error(cm)

1 0.096 0.093 0.003

2 0.189 0.186 0.003

3 0.289 0.278 0.011

4 0.42 0.391 0.049

5 0.53 0.464 0.066

6 0.65 0.557 0.093

7 0.77 0.649 0.121

8 0.89 0.742 0.148

9 1.02 0.835 0.185

10 1.14 0.928 0.212

5. 형상기억합금 형상기억합금 형상기억합금 형상기억합금 와이어의 와이어의 와이어의 와이어의 선경에 선경에 선경에 선경에 따른 따른 따른 따른 힘 힘 힘 힘 측정 측정 측정 측정

형상기억합금 와이어를 총 100초의 시간동안 선경에 따른 발생 힘을 측정하였다.

Fig.3-8은 형상기억합금 와이어의 선경에 따른 힘을 측정한 데이터이다.100^의 형상기억합금 와이어는 한 개의 구간에 대한 힘은 0.107N이 측정되었고 열 개의 구 간에서 1.68N의 힘이 측정되었다.150^의 형상기억합금 와이어의 힘은 한 개의 구 간에서 0.686N,열 개의 구간에서 3.94N이 측정되었다.선경 375^의 형상기억합금 와이어의 발생된 힘은 한 개의의 구간에서 1.36N이 측정되었고,열 개의 구간에서 11.85N이 측정되었다.100^와 150^의 형상기억합금 와이어의 발생 힘은 스프링 력에 의해 일정구간 이상에서는 힘이 증가하지 못하고 일정하게 유지된다.375^의 형상기억합금 와이어의 경우 스프링력 이상으로 힘이 발생하여 각 구간에 힘은 비례 적으로 증가하였다.Table3-4에 선경에 따른 구간별 발생 힘을 나타내었다.

- 32 -

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0 2 4 6 8 10 12

Force (N)

Segment number (EA)

100 um 150 um 375 um

Fig. 3-8 Forces of 100, 150 and 375 SMA wire

Table 3-4 SMA actuator maximum force according to wire diameter

SMA wire Segment

100 150 375

1 0.107 N 0.686 N 1.36 N

2 0.181 N 1.746 N 2.71N

3 0.259 N 2.011 N 4.17N

4 0.5 N 2.138 N 5.28N

5 0.853 N 2.156 N 6.38N

10 1.68 N 3.94 N 11.85N

6. 형상기억합금 형상기억합금 형상기억합금 형상기억합금 와이어의 와이어의 와이어의 와이어의 히스테리시스 히스테리시스 히스테리시스 히스테리시스 특성 특성 특성 특성

형상기억합금 와이어를 열 개의 구간으로 나누고 열 개의 구간에 동시에 전원을 인 가하여 형상기억합금 와이어의 히스테리시스 특성을 확인하였다.Fig.3-9는 0g - 250g까지 하중의 변화를 주어 히스테리시스를 측정한 그래프이다.초기 조건으로 5.5N의 예압을 주었고 총 100초의 시간동안 가열하고,실온에서 자연 냉각하여 온도 와 변위를 측정하였다.가열시 온도에 따른 변위 특성과 반응속도는 일정하게 나타나 며,냉각의 경우 외부하중이 복원력으로 작용하여 250g일 때 초기 상태로 복원이 가 장 빠르게 되었다.발생된 변위는 하중을 주어 측정한 스텝 변위의 최대 변위와 비슷 한 결과를 보였다.온도에 따른 변위는 온도가 증가할수록 하중에 관계없이 일정한 그래프 형태를 나타낸다.

30 40 50 60 70 80

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

Displacement (cm)

Temperature

(℃) (℃) (℃) (℃)

Load 0g Load 50g Load 100g Load 150g Load 200g Load 250g

Fig. 3-9 Hysteresis according to various load

- 34 -

제 제

제 제 3절 절 절 절 두 두 두 두 줄의 줄의 줄의 형상기억합금 줄의 형상기억합금 형상기억합금 형상기억합금 와이어에 와이어에 와이어에 와이어에 대한 대한 대한 대한 특성 특성 특성 특성

1. 형상기억합금 형상기억합금 형상기억합금 형상기억합금 와이어 와이어 와이어 와이어 두 두 두 두 줄에 줄에 줄에 줄에 대한 대한 대한 대한 변위 변위 변위 변위 측정 측정 측정 측정

Fig.3-10은 열 개의 구간으로 분할된 375^의 선경을 갖는 형상기억합금 와이어 를 한 가닥과 두 가닥을 사용하여 각각 변위를 측정한 그래프이다.입력 전원으로 7V 를 공급하여 각 구간에 대해 30초의 시간으로 300초 동안 변위를 측정하였다.전원을 인가한 후 열전소자는 13초 후에 형상기억합금 와이어의 변태 온도인 70℃에 도달하 였고,2초 후 형상기억합금 와이어의 변태가 완료되었다.형상기억합금 와이어 한 줄 을 사용한 경우에는 1.14cm의 변위가 측정되었고,두 가닥을 사용한 경우에는 1.09cm 의 변위가 측정되었다.측정결과 형상기억합금 와이어의 가닥수에 따른 변위는 차이 가 없음을 알 수 있었다.

0 50 100 150 200 250 300

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

Displacement(cm)

Time(sec)

one wire two wires

Fig. 3-10 Step displacement of SMA wire divided by ten segments

2. 형상기억합금 형상기억합금 형상기억합금 형상기억합금 와이어 와이어 와이어 와이어 두 두 두 두 줄에 줄에 줄에 줄에 대한 대한 대한 대한 힘 힘 힘 힘 측정 측정 측정 측정

Fig.3-11은 열 개의 세그먼트에 대해 각각 100초의 시간으로 하여 형상기억합금 와이어 두 줄에 대한 힘 측정 그래프를 나타낸다.데이터의 숫자는 구간별 힘을 나타 낸다.측정결과 한 가닥의 형상기억합금 와이어로 측정한 경우 발생된 최대 힘은 11.85N이었으나,두 가닥에서는 14.41N의 힘이 측정되었다.기존의 전기-기계적 모터 는 보다 큰 힘을 발생하기 위해서는 모터의 사양을 변경하고,이로 인해 모터의 크기 가 커지고 전체 시스템의 크기도 달라져 설계를 다시 하여야 한다.하지만 형상기억 합금을 이용한 액츄에이터는 와이어의 가닥수를 늘리거나 선경을 굵게 함으로써 시 스템의 변경 없이 큰 힘을 낼 수 있다.

0 20 40 60 80 100 120

0 2 4 6 8 10 12 14 16

10

8 9

7

5 6

4 3

1

F o rc e (N )

Time (sec)

1-Segment 2-Segment 3-Segment 4-Segment 5-Segment 6-Segment 7-Segment 8-Segment 9-Segment 10-Segment

2

Fig. 3-11 Force generated in two SMA wires with 375 diameter

- 36 -

제 제 제

제 4 장 장 장 장 형상기억합금 형상기억합금 형상기억합금 형상기억합금 액츄에이터 액츄에이터 액츄에이터 액츄에이터 제 제

제 제 1절 절 절 절 디지털 디지털 디지털 디지털 스텝 스텝 스텝 모터 스텝 모터 모터 모터

구간분할 바이너리 제어 방식은 Fig.4-1과 같이 형상기억합금 와이어를 여러 짧은 구간으로 분할하여 각 구간에 입력 신호를 인가하고,구간별 변위가 합산되어 최종 변위를 발생한다.Fig.4-2는 형상기억합금 액츄에이터의 구간분할 바이너리 제어의 블록선도를 나타낸 것이다.제어신호를 입력하면 제어입력은 구간신호 조정기에 의 해 각각의 구간 제어기로 배분되어 각 구간별로 변위를 발생시킨다.각 구간의 온도 상태는 구간신호 조정기로 피드백되고 이 신호를 바탕으로 냉각이 완료된 구간에 다 음 신호를 입력한다.그러므로 형상기억합금 액츄에이터를 구간분할 바이너리 제어 함으로써 와이어 전체가 작동되었을 때 발생되는 히스테리시스를 감소시킬 수 있다.

Fig.4-2에 형상기억합금을 이용한 디지털 스텝모터의 개요를 나타내었다.형상기억 합금 와이어를 열전소자를 이용하여 7개 구간으로 나누고,열전소자에 전원을 인가한 상태를 ON이라 하고 전원을 차단한 상태를 OFF로 하여 바이너리 신호를 이용하여 각 구간을 제어하고,발생된 형상기억합금 와이어의 최종 변위를 나타내었다.모든 구간의 신호가 OFF일 경우 변위 0의 상태,제 2구간의 신호가 ON이면 변위 1의 상 태,제 2,5,7구간의 신호가 ON이었을 때는 변위 3의 상태,모든 구간의 신호가 ON 이었을 때는 변위 7의 상태가 되어,형상기억합금 액츄에이터는 디지털 스텝 모터와 같은 역할을 수행한다.Fig.4-3은 형상기억합금 액츄에이터의 구간분할 바이너리 제 어의 블록선도를 나타낸 것이다.제어신호를 입력하면 제어입력은 구간신호 조정기 에 의해 각각의 구간 제어기로 배분되어 각 구간별로 변위를 발생시킨다.각 구간의 온도 상태는 구간신호 조정기로 피드백되고 이 신호를 바탕으로 냉각이 완료된 구간 에 다음 신호를 입력한다.그러므로 형상기억합금 액츄에이터를 구간분할 바이너리 제어함으로써 와이어 전체가 작동되었을 때 발생되는 히스테리시스를 감소시킬 수 있다.

Fig. 4-1 Displacement of segmented SMA wire

Fig. 4-2 Block diagram of segmented binary control

- 38 -

Fig. 4-3 SMA digital step motor

제 제

제 제 2 절 절 절 절 샌드위치 샌드위치 샌드위치 샌드위치 구조의 구조의 구조의 구조의 형상기억합금 형상기억합금 형상기억합금 형상기억합금 액츄에이터 액츄에이터 액츄에이터 액츄에이터

1. 가열과 가열과 가열과 가열과 냉각에 냉각에 냉각에 냉각에 따른 따른 따른 따른 형상기억합금 형상기억합금 형상기억합금 형상기억합금 와이어의 와이어의 와이어의 와이어의 특성 특성 특성 특성

열전소자의 한 쪽 면은 가열되고,반대 면은 냉각되는 특성을 이용하여 Fig.4-4와 같은 샌드위치 구조(sandwichingstructure)를 갖는 형상기억합금 액츄에이터를 개발 하였다.하부에 5개의 열전소자를 배열하여 가열부(heatingpart)를 구성하고,상부에 5개의 열전소자를 두어 냉각부(coolingpart)를 구성하여 가열과 냉각이 이루어지도 록 하였다.Fig.4-5는 열전소자를 샌드위치 구조로 구성하여 가열과 냉각에 대한 변 위를 측정한 그래프이다.가열과 냉각은 한 구간에 30초의 시간 간격으로 330초의 시 간동안 측정하였다.형상기억합금 와이어의 가열 특성을 파악하기 위해 가열부의 열 전소자에 차례로 ON 신호를 입력하고 형상기억합금 와이어의 변위를 측정하였다.구 간별 냉각 특성을 측정하기 위해 가열부 열전소자에 OFF 신호를 입력하고 냉각부 (coolingpart)열전소자에 ON 신호를 차례로 입력하였다.가열의 경우 각 구간별 발 생 변위는 약 0.1cm씩 증가하였고,냉각의 경우도 가열의 경우와 비슷하게 세그먼트 가 감소할수록 그래프의 변위가 0.1cm씩 감소하였다.샌드위치 구조를 갖는 형상기 억합금 액츄에이터는 가열부와 냉각부가 따로 구성되어 있어 시스템의 부피가 크고 제어 부담이 크다.

- 40 -

Fig. 4-4 Sandwiching structure of segmented SMA wire

0 50 100 150 200 250 300 350

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

0 1 2 3 4 5

Cooling Heating

Segment(EA)

Displacement(cm)

Time(sec)

Fig. 4-5 Step displacement according to heating and cooling

2. 온도제어 온도제어 온도제어 온도제어

형상기억합금 와이어의 반응 시간을 빠르게 하기 위해서는 열전소자의 온도를 빠 르게 상승시켜야 한다.열전소자에 온도를 빠르게 상승시키기 위해 열전소자에 인가 되는 전압을 높여야 하지만,높은 전압으로 인해 열전소자의 온도가 100℃이상 상승 한다.이럴 경우 형상기억합금 와이어에 무리를 주어 형상기억효과를 잃게 된다.따 라서 형상기억합금 와이어의 반응시간을 빠르게 하면서도 형상기억효과를 유지하기 위해서는 열전소자에 인가되는 전압을 높이고 열전소자의 온도를 피드백 받아 일정 온도 이상 상승되지 않도록 제어하여야 한다.이러한 온도제어를 통해 형상기억합금 와이어의 변형률을 일정하게 유지할 수 있으며 정확한 변위 제어도 가능해 진다.열 전소자의 표면 온도를 제어하기 위한 시스템 구성은 Fig.4-6과 같다.SMPS로 열전 소자에 전원을 공급하고,모스팻 회로를 구성하여 SMPS에서 열전소자에 공급하는 전류를 일정하게 전달되도록 하였다. 온도 측정을 위해 K형 열전대(K-type thermocouple)를 이용하여 열전소자에 부착하였고,열전소자의 표면 온도를 측정하 였다.설정온도(thresholdtemperature)에 따라 열전소자가 자동으로 ON/OFF되도록 디지털 제어 모듈(digitalcontrolmodule)을 사용하여 릴레이를 제어하였다.릴레이는 오픈 컬렉터 타입(open collectortype)으로 연결하였다.오픈 컬렉터 연결 방법을 Fig.4-7에 나타내었다.오픈 컬렉터 타입은 입력 신호가 참(true)일 때 출력 신호는 OFF 상태가 되고,입력 신호가 거짓(false)일 때 출력 신호는 ON 상태가 되도록 연 결하는 방법이다.Fig.4-8에 온도제어 프로그램의 순서도를 나타내었다.LabVIEW 프로그램을 이용하여 설정온도 이상이 되면 OFF 신호를 출력하고 설정온도 이하가 되면 다시 ON 신호를 출력하여 열전소자의 온도를 제어할 수 있는 온도 프로그램을 개발하였다.개발한 온도제어 프로그램을 Fig.4-9에 나타내었다.

- 42 -

Fig. 4-6 Experimental apparatus for temperature control of segmented SMA wire

Fig. 4-7 Open collect type of power supply system

Fig. 4-8 Flowchart of temperature control program

- 44 -

Fig. 4-9 Temperature control program

3. 온도 온도 온도 온도 제어를 제어를 제어를 제어를 이용한 이용한 이용한 이용한 형상기억합금 형상기억합금 형상기억합금 형상기억합금 액츄에이터 액츄에이터 액츄에이터 액츄에이터 변위 변위 변위 변위 측정 측정 측정 측정

30mm×30mm의 열전소자 20개를 사용하여 열 개의 구간은 가열되고,다른 열 개의 구간은 냉각이 되도록 샌드위치 구조를 만들고 열전대를 사용하여 열전소자의 온도 를 피드백 받아 온도 제어를 하였다.12V의 전원을 공급하고 71℃에서 열전소자의 온도가 유지되도록 설정하였다.구간의 수를 연속적으로 증가시키면서 스텝변위를 측정하였다.열전소자에 전원을 인가한 후 8초 후에 변태가 시작되었고,2초 후 형상 기억합금 와이어의 한 구간에 대한 최종 변태가 완료되었다.Fig.4-10은 각 구간 변 위를 200초의 시간동안 한 구간씩 독립적으로 증가시키면서 측정한 변위 데이터이다.

한 구간에 대한 변위는 약 0.11cm가 측정되었고,열 개의 구간에서 1.1cm가 측정되었 다.Fig.4-11은 각 구간의 변위를 200초의 시간동안 독립적으로 변위를 측정한 것이 다.측정 변위는 스텝변위와 같았고,각 구간에서의 반응 시간도 동일하게 측정되었 다.또한,온도 제어를 하지 않은 경우에는 열전소자의 온도가 70℃까지 상승하는데 22초가 소요되었는데 온도 제어를 한 경우 13초로 형상기억합금 와이어의 반응시간 을 9초 단축하였다.

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0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 0.0

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

Displacement(cm)

Time(sec)

Fig. 4-10 Step displacement of segmented SMA wire when surface temperature TEM is controlled

0 40 80 120 160 200 240

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1

Displacement (cm)

Time (sec)

1-segment 2-segment 3-segment 4-segment 5-segment 6-segment 7-segment 8-segment 9-segment 10-segment

Fig. 4-11 Displacement of each segmented SMA wire when surface temperature TEM is controlled

4. 변위 변위 변위 변위 오차 오차 오차 오차

형상기억합금 와이어의 구간별 변위를 온도제어를 하지 않은 경우와 온도제어를 하여 측정된 결과를 비교하였다.Fig.4-12는 형상기억합금 와이어의 변위를 온도 제 어를 하지 않은 경우 예상 변위와 측정된 형상기억합금 와이어의 변위를 비교한 데이 터이다.온도 제어를 하지 않은 경우 열전소자의 온도가 72℃일 때 형상기억합금 와 이어의 변형률은 3.5%이다.예측된 형상기억합금 와이어의 변위와 온도 제어를 하지 않은 경우 측정된 형상기억합금 와이어의 변위 그리고 온도 제어를 한 경우 측정된 형상기억합금 와이어의 변위를 비교하였다.Table4-1에 형상기억합금 와이어의 변 형률에 따른 예상 변위와 온도 제어를 하지 않은 경우의 변위 및 온도 제어를 한 경 우의 변위를 나타내었다.열 개의 구간에 전원을 공급하였을 때 예측된 변위는 1.16cm이다.온도 제어를 하지 않은 경우 열 개의 구간에서 1.14cm의 변위가 발생하 였고,온도 제어를 한 경우 1.14cm가 발생하였다.구간의 수가 증가할수록 변위에 대 한 오차가 크게 나타나는데 이러한 변위 오차는 열전소자에 인가되는 전원의 입력 시 간이 길어짐에 따라 열전소자의 온도가 지속적으로 상승하여 형상기억합금 와이어의 변형률에 영향을 주었기 때문이다.열전소자의 온도를 제어한 경우 구간의 수가 증가 하여도 변위가 일정한 간격으로 측정되었다.이는 열전소자의 표면 온도 상승으로 인 해 형상기억합금 와이어의 변형률이 변하는 것을 방지하였기 때문이다.열전소자의 표면 온도를 제어함으로써 높은 전압과 전류를 인가하여 형상기억합금 와이어의 반 응 속도를 단축하였고,변위의 선형성을 향상하였다.선형오차에 대한 식은 다음과 같다^[14].

    

where ^{} :선형 오차(Linearityerror)

 : 측정된 값(Measuredvalue)

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_는 온도 제어를 한 경우 1.7%,온도 제어를 하지 않은 경우 4.3%의 오차가 발 생되었다.온도 제어를 한 경우 형상기억합금 와이어의 변위 오차를 2.6% 줄일 수 있 었다.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0.0

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

Displacement (cm)

Segment number (EA)

3.5% Trasnformation displacement Temperature contol displacement Without temperature control displacement

Fig. 4-12 Linearity error

Table 4-1 Comparison between without temperature control and temperature control

Segment 3.5% strain (cm) Without  (cm) Error(cm)  (cm) Error(cm)

1 0.105 0.096 0.009 0.107 0.002

2 0.221 0.189 0.032 0.214 0.007

3 0.339 0.289 0.05 0.321 0.018

4 0.451 0.42 0.031 0.439 0.012

5 0.569 0.53 0.039 0.558 0.011

6 0.687 0.65 0.037 0.676 0.011

7 0.806 0.77 0.036 0.805 0.003

8 0.922 0.89 0.032 0.908 0.016

9 1.042 1.02 0.022 1.03 0.012

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5.

바이너리 바이너리 바이너리 바이너리 제어 제어 제어 제어

가열부와 냉각부에 열전소자를 각각 한 개씩 사용하여 샌드위치 구조의 형상기억 합금 액츄에이터를 구성하고 가열과 냉각에 대한 특성을 측정하여 형상기억합금 와 이어의 히스테리시스를 파악하였다.샌드위치 구조는 가열부와 냉각부로 구성되어 있어 가열과 냉각이 독립적으로 일어난다.가열의 경우 열전소자에 전원을 공급하면 열전소자의 표면은 발열이 되어 온도가 상승한다.냉각의 경우 가열부 열전소자에 공 급되는 전원을 차단하고 냉각부 열전소자에 전원을 인가하면 열전소자의 표면은 흡 열이 되어 냉각이 된다.이러한 강제 냉각은 열전소자에 전원을 공급하면 한 쪽 면은 가열되고 반대 면은 냉각되는 특성에 의해 열전소자의 반대 면이 가열되어 공급되는 전원을 차단하였을 때 열평형 상태가 되어 열전소자의 전체 온도가 상승하는 현상이 나타난다.Fig.4-14에 온도 상승 결과를 나타내었다.열전소자에 공급되는 전원을 냉 각 시간은 5초에서 21초까지 3초씩 증가하면서 열전소자의 냉각면의 온도를 측정하 였다.열전소자에 전원을 공급하면 냉각면은 시간이 지날수록 온도가 하강하다가 0℃

를 유지한다.전원을 차단하면 열전소자의 온도 평형으로 인해 점차 온도가 상승하 다,온도가 40℃이상 되면 형상기억합금 와이어의 변위가 발생하기 때문에 열전소자 의 냉각부 반대 면에 팬(fan)을 설치하여 온도 평형이 이루어지지 않도록 가열면의 발열 대책이 필요하다.냉각부의 온도가 0℃까지 하강하고,열평형 상태에서 40℃까 지 상승하지 않는 전원공급시간을 측정하였다.측정결과 열전소자의 온도를 0℃까지 낮추기 위해서는 15초 이상 전원을 공급하여야 하고,열전소자에 17초 이상 전원을 공급하면 열전소자의 열평형에 의해 형상기억합금 와이어의 변위가 발생한다.Fig.

4-15는 샌드위치 구조의 형상기억합금 액츄에이터를 온도제어 하였을 때 측정된 변 위를 나타낸다.측정된 변위는 1.46mm가 측정되었다.

0 20000 40000 60000 80000 -5

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

T em p er a tu re ((((℃℃℃℃ ))))

Time (ms)

5 sec 8 sec 11 sec 17 sec 20 sec 21 sec

Fig. 4-14 Cooling characteristics of thermo-electric module

0 20000 40000 60000

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8

Dispalcement (mm)

T im e (m s) Latency tim e

Fig. 4-15 Displacement of SMA wire according to time in sandwiching

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제 제

제 제 3 절 절 절 절 H-bridge 회로를 회로를 회로를 회로를 이용한 이용한 이용한 형상기억합금 이용한 형상기억합금 형상기억합금 형상기억합금 액츄에이터 액츄에이터 액츄에이터 액츄에이터

샌드위치 구조의 형상기억합금 액츄에이터는 가열부와 냉각부가 따로 있어 액츄에 이터의 크기가 크고 제어부담이 크다.또한,열전소자의 냉각부와 냉각부의 반대쪽 면의 온도상승으로 전원을 차단하였을 때 열평형에 의해 열전소자의 온도가 상승한 다.이러한 온도 상승 효과를 줄이기 위해 강제 냉각의 경우 팬을 설치해야 한다.언 급한 문제점을 보완하기 위해 H-bridge회로를 이용한 형상기억합금 액츄에이터를 개발하였다.

1. H-bridge

회로 회로 회로 회로

H-bridge회로는 전기 모터의 회전 방향을 바꾸기 위해 전류의 흐름을 바꿀 수 있 는 회로이다^[15].Fig.4-16에 H-bridge회로를 나타내었다.A에 high신호를 입력하고 B에 low신호를 입력하면,^과 ^에 전류가 흐른다.반대로 ^에 low를 ^에 high 신호를 입력하면,역방향으로 전원이 공급된다.이러한,H-bridge회로를 이용하면 샌드위치 구조를 갖는 형상기억합금 액츄에이터에 비해 제어 신호를 절반으로 줄일 수 있으며,가열과 냉각이 열전소자의 한 면에서 이루어짐으로 액츄에이터의 크기를 줄일 수 있다.H-bridge회로를 이용하면,열전소자는 동일면에서 냉각과 가열이 이 루어지기 때문에 열전소자의 반대 면의 방열 효과가 자동으로 이루어진다.

Fig. 4-16 H-bridge circuit