シリコーン系誘電エラストマーアクチュエータの製造工程

この手順の全体的な目的は、堅牢な誘電体エラストマーアクチュエータを作製することです。このビデオでは、フレーム上に伸長させたシリコンメンブレンで構成される、面内アクチュエータの作製について説明します。

両面にスタンプされたコンプライアント電極を備えています。誘電エラストマーアクチュエータは、その大きな駆動力により、多くの潜在的な用途があります。しかし、その作製に使用される手作業による製造プロセスが、商用製品への利用を制限してきました。

この手法の主な利点は、精密に定義された形状を持つ、再現性と堅牢性に優れたアクチュエータを製造できることです。低損失のシリコンエラストマーを使用することで、高速なアクチュエーション応答が可能になります。本手順ではアクチュエータの作製について示していますが、同じ手法を用いて誘電エラストマー発電機や伸縮可能な歪みセンサを作製することも可能です。

犠牲層のキャスティングを開始するには、ロールから高品質な厚さ125 micronのポリエチレンテレフタレート（PET）シートを400 millimeterの長さに切り出します。PET基板を真空テーブル上に配置し、真空ポンプを起動します。プロファイルロッドアプリケーターを自動フィルムコーターに取り付け、コーティング速度を5 millimeters per secondに設定します。

次に、プロファイルロッドの前に犠牲層溶液を2 mL入れ、コーター機を始動させます。続いて、フィルムアプリケーターを後退させますが、真空ポンプは作動させたままにし、PET基板を真空プレート上に保持します。この層を空気中で2分間乾燥させます。

シリコン膜のキャスティングを行うため、シリコンベース15 gramsと架橋剤1.50 gramsをミキシングポットに加えます。次に、粘度を下げるためにシリコン溶剤10 gramsを加えます。その後、プラネタリーミキサーを用いてシリコン混合物を混合します。

2,000 RPMで2分間の混合サイクルを行い、続いて2,200 RPMで2分間の脱気サイクルを行います。次に、ユニバーサルアプリケーターの高さを225 micronsに設定します。アプリケーターをPETシートの上端に配置し、フィルムアプリケーターの速度を3 mm/sに設定します。

キャスティング工程において塵埃の混入を防ぎ、欠陥のない膜を得ることが極めて重要です。そのため、クリーンな環境で作業を行い、膜をコーティングする前に基材を丁寧に洗浄します。シリンジを用いて、混合ポットから10 millilitersのシリコン混合物をPET基材に転移させます。

自動塗布機を始動し、PET基材全体にシリコンを塗布します。ポンプを停止し、キャスト層から溶媒が揮発するまで5分間待ちます。メンブレンをガラスプレートに移し、80 °Cのオーブンで30分間加熱します。

30分後、膜をオーブンから取り出し、室温でさらに5分間冷却させます。次に、表面を汚染物質から保護するため、薄いPETフォイルで覆います。テキストプロトコルに従い、プレストレッチサポートとメンブレンサポートを作製し、キャストしたシリコン膜/PET基板のサンドイッチ構造を切り出します。

レーザーカットされたプリストレッチサポートを、粘着面を下に向けた状態でカット済みのシリコンメンブレン円盤に固定し、粘着面をシリコン表面に接触させます。沸騰水のバスを用意し、シリコンメンブレンと粘着サポートを含むアセンブリを浸漬させます。浸漬したまま、PET基板をシリコンメンブレンからゆっくりと慎重に剥がし、完全に分離させます。

シリコンメンブレンをウォーターバスから取り出し、乾燥させます。乾燥を早めるには窒素ガンを使用できます。メーカーのプロトコルに従い、透過干渉計を用いてメンブレンの厚さを測定します。

プレストレッチャーの直径を45 mmに設定し、あらかじめ伸展させた支持用シリコンメンブレンを、粘着面を下にしてストレッチャーのフィンガー上に配置します。フィンガーの間で支持材を切り離します。次に、ストレッチャーの上に放射状定規を置き、プレストレッチャーのアニュラスを反時計回りに回転させて直径を58.5 mmまで拡大し、メンブレンを1.3倍の等方性双軸伸展させます。

次に、PMMAメンブレンホルダーからカバーフィルムを取り除き、粘着面を露出させます。PMMAメンブレンホルダーを、あらかじめ伸展させたメンブレンの表面に貼り付けます。メンブレンホルダーの周囲を切り取り、ストレッチャーから伸展メンブレンを取り出します。

次に、透過干渉計を用いて、あらかじめ延伸させたメンブレンの最終的な厚さを測定します。パッド印刷機をセットアップするには、目的の電極パターンが形成された版（クリシェ）を磁気ブロックに取り付けます。この版ブロックを、インクを満たしたインクカップの上に配置します。

そして、アセンブリを装置に取り付けます。アライナープレートをプリンターベース上に配置します。パッド印刷機で印刷サイクルを開始します。

これにより、アライナプレート上に電極設計を適用します。プリントされた電極とアライナプレートのエッチングされたリファレンス構造との重なりを視覚的に確認してください。X-Yフェーダステージを移動させて、アライメントのずれを補正します。

リファレンス構造とのアライメントを目視で確認し、プリントパターンがリファレンス構造上に完全に重なるまで、プラットフォームの位置とプリント電極を移動させます。あらかじめ延伸させたメンブレンをプリンターベースの上に配置します。パッド印刷機で印刷サイクルを開始し、メンブレンの上に電極をスタンプします。

膜に2回スタンプし、約4ミクロンの十分な電極厚を確保します。あらかじめ延伸したすべての膜にスタンプするまで印刷工程を繰り返し、その後、電極をスタンプした膜を80 °Cのオーブンで30分間加熱します。次に、印刷した膜の1枚を、膜の背面が露出するようにプリンターのベースの上に裏返しに置きます。

下部電極をパターニングするため、2回のプリントサイクルを開始します。アクチュエータを完成させるには、膜を下部電極を架橋させるため、80 °Cのオーブンに30分間入れます。電気的接続を作成するには、まずアクチュエータフレームの保護バックを剥がして、粘着剤を露出させます。

次に、アクチュエータフレームの下部電極と接触する部分に18 mm × 2.5 mmのテープを貼り、フレームの側面に折り返して、電気的接点として利用できるようにします。続いて、アクチュエータフレームをメンブレンホルダー内にスライドさせ、指でメンブレンを軽く押し、アクチュエータフレームの粘着剤に密着させます。メスを用いて、メンブレンホルダーとアクチュエータフレームの境界でメンブレンをカットし、メンブレンホルダーを取り除きます。

上部電極の接触領域に、18 mm × 2.5 mmの導電テープを2枚目に貼付します。最後に、電気的接続を行うため、各導電テープの上にワイヤーを配置します。2本のワイヤーを高電圧電源に接続し、振幅2 kV、周波数2 Hzの方形波信号を印加します。

キャストされたシリコン膜の乾燥膜厚は、アプリケーターのギャップ設定だけでなく、コーティング速度にも依存します。速度の影響は、より厚い膜であるほど顕著になります。1 Hzの周波数で100 V/µmを超える電界を印加すると、アクチュエータが大きな変形を達成できることが示されています。

アクチュエータの直径方向の駆動伸展は、印加された直流電圧に対して二次依存性を示します。このビデオを視聴することで、応答時間の短い平面状誘電体エラストマーアクチュエータの作製方法について深く理解できるはずです。低機械損失シリコーンエラストマーを使用することには利点があります。

この手順の重要な点は、明確に定義された電極を持つ再現性のあるアクチュエータを作製できることです。当社の作製プロセスは、誘電エラストマーアクチュエータの大規模作製に向けた一つの可能な経路を示しています。