◆ 특집 ◆ 멀티 스케일 다중 전개형 협업 로봇의 설계 및 생산 기술 개발
직조 형태의 지능형 연성 복합재료를 이용한 쉘 구동기의 제작
Fabrication of Shell Actuator using Woven Type Smart Soft Composite
한민우1, 송성혁1, 추원식2, 이경태1, 이재원1, 안성훈1,2,
Min-Woo Han1, Sung-Hyuk Song1, Won-Shik Chu2, Kyung-Tae Lee1, Daniel Lee1, and Sung-Hoon Ahn1,2,
1 서울대학교 기계항공공학부 (School of Mechanical and Aerospace Engineering, Seoul National Univ.) 2 서울대학교 정밀기계설계공동연구소 (Institute of Advanced Machinery and Design, Seoul National Univ.)
Corresponding author: [email protected], Tel: +82-2-880-7110 Manuscript received: 2012.11.20 / Accepted: 2012.11.26
Smart material such as SMA (Shape Memory Alloy) has been studied in various ways because it can perform continuous, flexible, and complex actuation in simple structure. Smart soft composite (SSC) was developed to achieve large deformation of smart material. In this paper, a shell actuator using woven type SSC was developed to enhance stiffness of the structure while keeping its deformation capacity. The fabricated actuator consisted of a flexible polymer and woven structure which contains SMA wires and glass fibers. The actuator showed various actuation motions by controlling a pattern of applied electricity because the SMA wires are embedded in the structure as fibers. To verify the actuation ability, we measured its maximum end-edge bending angle, twisting angle, and actuating force, which were 103°, 10°, and 0.15 N, respectively.
Key Words: Smart Material (지능형 재료), Shape Memory Alloy (SMA, 형상기억합금), Woven Structure (직조 구조물), Shell Actuator (쉘 구동기), Morphing (변형), Smart Soft Composite (SSC, 지능형 연성 복합재료)
1. 서론
오늘날 로봇은 그 활용분야가 다양해 지고 있 으며 로봇에게 주어진 임무 및 임무를 수행하는 환경 또한 광범위해지고 있다. 이에 전통적인 구 동 방식을 벗어나 간소한 형태로 효과적인 움직임 을 구현하기 위한 다양한 시도들이 연구되고 있다.
특히 형상기억합금 (Shape Memory Alloy, SMA), PZT (lead zirconate titanate), IPMC (Ionic Polymer Metal Composite) 등의 지능형 재료들을 활용하여 모터나 유압 기기와 같은 전통적인 구동기(actuator)의 성 능을 유지하면서도 무게와 크기를 줄이기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.1-9
구조물 내에서 구동의 주체가 되는 지능형 재료 (smart material)는 구동을 위한 추가 주변 장치 (링크, 기어 등) 없이 필요한 움직임을 구현할 수 있어 전체 시스템을 간소화 할 수 있는 이점이 있다.
하지만 기존에 개발된 지능형 재료 기반 구동 기의 경우, 단순히 구조물 속에 지능형 재료가 삽입된 형태로 설계되어 복잡한 움직임을 구현하 는 데에는 한계가 존재하였다. 이러한 문제 해결 을 위해 지능형 재료/이방성 재료(anisotropic material)/기저재료(matrix)를 복합재 형태로 구성 하여 복합재의 이방성을 이용, 사용 목적에 적합 한 움직임의 설계 및 구현이 가능한 지능형 연성 복합재료(Smart Soft Composite, SSC)가 개발된 바
있다.10 SSC 는 사용되는 지능형 재료의 특성 및 기저재료의 형태, 이방성 재료의 조합에 따라 다 양한 설계 변수를 지니고 있으며 이를 활용하여 굽힘, 비틀림과 같은 연속적이고 복잡한 움직임 을 단순한 구조만으로도 표현할 수 있다. 이의 구체적 예로 지능형 연성 복합재료 구조물(SSC structure)이 있으며, 지능형 재료로 단위 면적 당 큰 힘을 발생시킬 수 있는 형상기억합금, 방향성 재료로 ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) 지지체 (scaffold), 기저재료로 PDMS (polydimethylsiloxane) 를 사용하여 대변형이 가능하면서도 생물체의 유 연한 움직임 모사에 적합한 구동 모드를 보여주 었다.11,12
하지만 SSC 구조물의 경우, 이방성 재료로 사용 되는 지지체 구조의 복잡성으로 인해 대면적 제작 에 한계가 존재하며 지지체의 재료 강성이 낮아 큰 힘이 요구되는 환경에서는 그 활용에 제한이 있 다. 뿐만 아니라 다양한 종류의 구동 특성을 가지 는 다수의 구동기 제작에 있어 SSC 구조물은 매번 새로운 지지체 설계 및 제작 그리고 각 요소별 재조합 과정이 요구되어 공정이 복잡해지는 문제점 이 있다.
본 연구에서는 이러한 문제 해결을 위해 대면 적으로의 제작 및 구동이 가능한 쉘(shell) 형태로 구성이 되며, 큰 구동력을 구현할 수 있는 SSC 기반 직조형(woven type) 구동기를 제작하고자 한 다. 또한 구성 요소 조합 방법의 개선을 통해 효율 적인 구동기 생산 공정을 제시하여 이를 다양한 크 기의 로봇 설계 및 생산에 적용할 수 있는 방안을 소개하고자 한다.
2. 직조형 SSC 구조물
직조형 SSC 구조물은 기존의 SSC 가 지닌 구동 성능을 유지하면서 구조체의 강성을 강화시켜 그 활용 영역을 넓히고자 개발 되었다. 또한 프리프 레그(prepreg) 형태로 제작되었기에 간단한 공정을 거친다면 다양한 방향으로의 활용이 용이하다. 또 다른 장점으로는 일정한 강성을 유지하면서도 대 면적의 대변형 구동기로 제작하는 것이 가능하며 섬유(fiber)의 조합을 통해 비틀림 변형의 정도를 조절할 수 있다. 그림 1 은 직조 구조의 개념도를 나타낸 것이며 지능형 재료를 직조 구조 사이에 위치한 다음 이를 기저재료에 함침시켜 쉘 형태로 제작한다.
Woven Structure Smart
Material
y x z
z y
Fig. 1 Schematic diagrams of the woven type SSC structure
직조형 SSC 는 구조상 섬유가 엮여있기 때문에 힘이 가해지면 구조물 전체가 능동적으로 반응할 수 있다. 외부의 힘이나 구동기의 힘이 국부적으 로 작용할 경우 구조가 탄력적으로 반응하게 되는 것이다. 또한 직조 구조물은 지능형 재료와 섬유 가 단일 구조이기에 단순한 형상으로도 제작이 가 능하며 사용되는 섬유에 따라 높은 밀도의 구조체 를 제작할 수 있다.13,14 형태의 구성에 있어서, 적 층된 쉘의 수를 달리 하여 전체 구조물과 구동부 의 강성을 조절 할 수 있으며, 섬유 및 지능형 재료 의 방향을 달리하여 특정 움직임에 필요한 구동기 를 제작할 수 있다. 사용되는 지능형 재료의 배열 과 수를 바꾸어주거나 전류의 흐름을 제어하여 비대칭적인 형상 변화도 만들어 낼 수 있다는 장점 이 있다.
Fig. 2 Schematic diagram of woven type SSC structure actuation when power/force is applied
그림 2 는 직조형 SSC 구조물이 작동되는 원 리를 나타내고 있다. 작동원리는 전체 구조물에 대한 형상기억합금 와이어의 편심 작용에 의한 것으로, 구조물에서 섬유의 역할을 하는 형상기 억합금 와이어가 저항열에 의해 상변화 온도에 도달하게 되면 수축 운동을 하게 된다. 형상기억 합금 와이어는 구조물의 중심에서 벗어난 위치에 삽입되어 있기 때문에 전체 구동기에 굽힘 모멘 트가 발생하게 되고, 이에 구조물은 형상기억 합금이 수축하려는 방향의 수직 방향으로 굽어 진다.
본 실험에서 사용한 형상기억합금 와이어는 전류를 가해줄 때, 저항열에 의해 마르텐사이트 (martensite)에서 오스테나이트(austenite)로의 상 변화가 이루어지며 이 때 수축 작용이 발생한다.
전류의 공급이 중단된 후에는 상온에서 냉각과정 을 거치기에 오스테나이트에서 트윈드(twinned) 마르텐사이트로 상변화를 하게 된다(그림 3). 이 때엔 와이어의 체적변화 없이 상변화만 이루어지 게 되므로 구조물이 굽힘 상태를 유지해야 하지 만, 형상기억합금 와이어를 감싸고 있는 PDMS 구조물과 직조된 유리섬유의 탄성 복원력이 수축 된 와이어에 인장력을 가하게 된다. 이에 와이어 가 삽입된 방향으로 디트윈드(detwinned) 마르텐 사이트로 구조 변화가 이루어지게 되고, 전체 구 조물은 다시 원래의 상태로 돌아오게 된다. 원 상태로 복원된 구조체에 다시 전류를 흘려 보내 주면 오스테나이트로의 상변화가 발생하게 되며 이러한 과정의 반복을 통하여 구동기가 작동하게 된다.15
Fig. 3 Conceptual view of phase change of the SMA wire
형상기억합금 와이어의 오스테나이트에서 영율 (Young’s modulus)은 75 GPa 이며 마르텐사이트에서 는 이보다 낮은 28 GPa 이다. 이에 전류 공급이 중 단된 시점에서 트윈드 마르텐사이트로의 상변화가 이루어지면 낮아진 형상기억합금 와이어의 영율로 인해 구조물은 원상태로 복원하기 쉬워진다. 기저 재료인 PDMS 의 영율은 1.8 MPa 로 구조체에 삽입 된 다른 재료들보다 훨씬 낮은 수치를 보인다. 따 라서 형상기억합금 와이어의 수축 및 팽창 운동에 탄력적으로 반응한다.
3. 직조형 SSC 의 제작 3.1 재료
본 연구에서 직조형 SSC 구조물을 제작하기 위해 사용된 지능형 재료는 형상기억합금 와이어 (Ni: 50.4%, Ti: 49.6%, Dynalloy, Inc.)로 지름 150 ㎛이 며, 오스테나이트 상변화 온도는 (As) = 56.08℃, Af
= 72.63℃, 마르텐사이트 상변화 온도는 Ms = 40.35℃, Mf = 31.52℃ 이다(그림 4). 직조 구조를 구성하기 위 해 유리섬유(glass fiber, KN2100, KPI Co., Ltd.)를 사용 하였으며, 폭 1.5 mm, 두께 0.21 mm 이다. 유리섬유 는 사용될 기저재료와의 점착성이 뛰어나 직조형 SSC 구조물로 구성하기에 적합하다. 또한 물리적, 화학적 내구성이 뛰어나면서 전기 절연성을 띄어 전류로 제어되는 형상기억합금 와이어와의 직조 매개체로써 적당하며, 강성 보강을 위한 단일 직물 로써도 활용이 가능하다. 기저재료로는 PDMS (Sylgard 184, Dow Corning)를 사용하였으며 약 180℃까지 안정된 상태를 유지한다.
Length
Temperature
Transformation Hysteresis
0 100
Martensite%
Mf As Ms Af
Fig. 4 Phase change of SMA wire (under load during cooling)
형상기억합금 와이어가 상변화하는 온도범위는 PDMS 의 안정 온도를 벗어나지 않기에 구동 시에 도 구조물의 화학구조가 변함없이 유지될 수 있다.
또한 PDMS 는 등방성 재료로 물리적, 화학적으로 균질한 특성을 지니고 있어 기저재료로 사용하기 에 적합하다.
3.2 제작
그림 5 에 직조형 SSC 구조물을 제작하는 과 정을 나타내었다. 우선 직조 구조를 제작하기 위 해 형상기억합금 와이어를 베틀에 고정한다. 씨 실로는 유리섬유, 날실로는 형상기억합금 와이어 를 사용하며 평직(plane weave) 방식으로 직조한다.
완성된 직조 구조물은 기저재료인 PDMS 와의 함 침을 위해 경화용 지그(jig)에 고정을 시킨다. 이 때 각각의 형상기억합금 와이어는 일정한 변형량 을 준 다음 볼트로 고정한다. 경화용 지그에 고 정이 된 직조 구조물은 틀(mold)에 넣은 다음 PDMS 를 부어 진공상태의 경화용 오븐(curing oven)에서 경화작업을 진행한다. 위와 같은 방식 으로 형상기억합금 와이어가 포함된 직조 구조물 을 완성하며 구조물의 강성 강화를 위해 유리섬 유만으로 이루어진 직물(fabric)을 PDMS 에 함침 시켜 다른 형태의 직조 구조물로 제작한다. 완성 된 두 종류의 직조 구조물은 프리프레그로써 활 용이 가능하며 적층(stacking) 수와 적층 방향 (stacking angle)에 따라 다양한 조합의 구동기를 제작할 수 있다. 최종적으로, 완성된 프리프레그 형태의 직조 구조물들을 원하는 형태로 쌓은 다음 PDMS로 접합시켜 구동기로 활용한다.
본 연구에서는 형상기억합금과 유리섬유 직조 물로 구성된 프리프레그와 유리섬유 직물로만 구성 된 프리프레그를 한 장씩 주축(principal axis)이 평 행한 방향으로 적층하여 제작하였다(그림 6). 완성 된 시편은 100 × 100 × 1.1 mm 의 정사각 형상이며 형상기억합금 와이어의 끝을 전선(electric wire)으로 연결하여 전류가 흐를 수 있도록 하였다. 완성된 시편에서, 형상기억합금 와이어는 두께 방향으로 약 1/4 지점에 삽입이 되었고 이에 약 0.3 mm 의 편심 거리를 갖는다.
4. 구동실험 4.1 변형 실험
먼저 시편 끝 단의 최대 굽힘 변형 각을 측정하
SMA wire
Glass fiber 1. Weave SMA wires with glass fibers
Wire fixture
2. Fix the SMA wires SMA wire
Glass fiber
3. Vacuum the woven structure
4. Woven type SSC structure Electric wire connection
SMA wire Glass fiber
Fig. 5 Fabrication sequence of woven type SSC structure
SMA wire + Glass fiber Glass fiber fabric
SMA wire Glass
fiber
Fig. 6 Schematic view of the woven type SSC structure
103 °
x z
y z
Fig. 7 Maximum end-edge deflection of the structure 기 위하여 2 대의 직류 전원 공급기(D.C. power supply)로 0.7 A ± 0.02 A, 30 V ± 0.2 V 의 전력을 공급하였다. 시편은 수직 방향으로 고정되었으며 시편 끝 단에서부터 10 mm 떨어진 지점을 지그로 고정하여 실험을 진행하였다. 이에 구동기의 변 형이 발생하는 구간은 길이 방향으로 90 mm 였으 며, 실험 결과 시편 끝 단에서의 최대 굽힘 변형 각은 103° 로 관찰되었다(그림 7).
다음으로 구조물의 비틀림 변형을 살펴보았다.
이를 위해 각각의 형상기억합금 와이어를 전선으 로 직렬 연결하여, 연결된 형상기억합금 와이어들 이 하나의 전류 채널(channel)로 제어가 가능하도 록 만들었다. 실험에서는 형상기억합금 와이어의 연결 형태를 통해 2 개의 전류 제어 채널을 만들 었다(그림 8). 좌측 5 줄(channel #1), 우측 5 줄 (channel #2)의 형상기억합금 와이어를 각각 전선으 로 연결하였으며 중간 5 줄의 형상기억합금 와이 어는 전류가 통하지 않는 상태로 두어 구동 실험 을 진행하였다. 이를 통해 전류가 통하지 않는 구 조물의 중심부를 기준으로 좌, 우에 전류 공급량 을 달리하여 발생되는 비틀림을 지켜보고자 하였 다. 시편은 끝 단에서부터 10 mm 지점까지 수평 방향으로 고정되었으며, 반대쪽 끝 단에서의 비 틀림 변형량을 측정하였다(그림 9). 전원 공급원 으로는 직류 전원 공급기를 사용하였고, 이를 통해
Blue: channel #1, Red: channel #2, Black: no control SMA wires Electric wire connection
y x
channel #1 channel #2
Fig. 8 Specimen for twisting test (same color is a serial connection except black wires)
Actuating condition:
Left (channel #1), 5 SMA wires, 0.4 A Right (channel #2), 5 SMA wires, 0.7 A Middle (no control), 5 SMA wires
y z
x z
Fig. 9 Twist motion of the structure
형상기억합금 와이어에 인가되는 전류 및 전압을 조절하였다. 각 전류 채널에는 표 1 과 같이 각기 다른 양의 전원을 공급하였으며, 최대 비틀림 각은 10° 로 관찰되었다(그림 10).
Table 1 Condition and results of the bending/twisting test
Bending Bending
& Twisting Type A Type B
Current (A)
channel
#1
0.7±0.02
0.4
channel
#2 0.7
Voltage (V)
channel
#1
30±0.2
12.5
channel
#2 22.0
Number of SMA wires
channel
#1 8 5
channel
#2 7 5
Max. deflection
(mm) 51.0 21.5
Max. Twisting
(degree) - 10
Type A - Experiment using two D.C. power supplies because the value of electric resistance is high (the value of electric resistance is related to the number of the SMA wires)
Fig. 10 Actuation results of end-edge deflection and twisting
비틀림 변형 측정 시, 최대 굽힘량이 크지 않 은 것은 시편이 수평 방향으로 고정되었기에 초기 자중이 발생, 이를 상쇄하기 위한 힘의 일부가 결과값에 영향을 미친 것으로 추측된다.
4.2 구동력 실험
Type A의 구동력을 측정하기 위하여 동력계
Specimen
Dynamometer x
z y y
z
Fig. 11 Experimental setup for measurement of actuating force
Fig. 12 Results of the force measurement
(dynamometer)를 사용하였다(그림 11). 시편을 수직 방향으로 고정한 채, 동력계의 좌표축을 기준으로 Y 축 방향으로 구동시켰으며 초기의 시편과 동력 계간의 거리는 10 mm 로 설정하였다. 시편 구동 시, 두 대의 직류 전원 공급기를 통해 0.75 A ± 0.02 A, 30 V ± 0.2 V 의 전원을 공급하였다.
구동력 실험에 있어서 약 8 초 동안 전원을 가하였으며, 이후 전원 없이 구동력을 측정 하였 다. 구동에 따른 힘은 그림 12 와 같이 서서히 증 가하였으며, 측정된 최대 구동력은 Y 축 방향 으로 0.15 N, Z 축 방향으로는 -0.021 N 이었다 (그림 12).
5. 결론
기존의 연성 복합재료를 활용한 구동기는 대면 적 구동에 있어 재료의 강성적 한계를 지니고 있 다. 이를 극복하기 위해 본 논문에서는 직조형 SSC 를 이용한 쉘 구동기를 제작하였다. 직조형 SSC 구조물은 형상기억합금 와이어와 유리섬유가 직조된 직조물, 유리섬유로만 구성된 직물, 고분자 물질인 PDMS 을 활용하여 제작이 되었다. 개발된 구동기는 섬유 복합재 형태를 통해 구조물의 강성 을 강화시켰다.
또한 형상기억합금 와이어의 연결 형태를 바꾸 어 전류 채널을 설정하였고 이를 통해 구동기의 구동 특성에 변화를 주었다. 형상기억합금 와이어 의 연결 조합을 바꾸어 줌으로써 새로운 지지체의 설계 및 제작, 제작 후 요소별 재조합 과정을 거칠 필요 없이 단일화된 공정으로 구동 특성에 변화를 줄 수 있게 되었다.
구동기의 구동 성능 평가를 위해 시편 끝 단의 최대 굽힘 변형각 및 비틀림 변형각을 관찰하였고 각각 103°, 10° 로 측정되었다. 또한 대면적 굽힘 구동 시 발생하는 구동힘을 측정하였으며, 구동기 의 수직방향으로 최대 0.15 N 의 힘이 발생하였다.
측정된 힘은 빔 형태 SSC 구조물의 최대 구동힘 인 0.06 N 의 약 2.5 배로써 이를 통해 구동 성능 이 개선되었음을 알 수 있었다.15
개발된 쉘 구동기는 사용되는 지능형 재료 및 섬유 요소, 적층 조건, 전류 연결 형태 등과 같은 다양한 설계 인자를 바탕으로 각기 다른 움직임을 구현할 수 있다. 이와 같은 구동기의 특성은 다양 한 환경에서 임무를 수행하는 멀티 스케일 로봇의 설계 및 제작에 활용될 수 있을 것이다.
후 기
이 논문은 2012 년도 정부(교육과학기술부)의 재원으로 한국연구재단(No. 2012-0000348) 및 휴먼 인지환경사업본부-신기술융합형 성장동력사업(No.
2012-K-001368)의 지원을 받아 수행된 연구임.
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