실리콘 엘라스토머 계 유전 액츄에이터 제조 공정

이 실험 절차의 전반적인 목표는 견고한 유전체 엘라스토머 액추에이터를 제작하는 것입니다. 본 영상에서는 프레임 위에 신장된 실리콘 막으로 구성된 면내 액추에이터의 제작 과정을 보여줍니다.

양면에 스탬핑된 전극이 부착되어 있습니다. 유전체 엘라스토머 액추에이터는 강력한 구동력 덕분에 많은 잠재적 응용 분야를 가지고 있습니다. 하지만 이를 제작하는 데 사용되는 수동 생산 공정으로 인해 상용 제품으로의 활용이 제한되어 왔습니다.

이 기술의 주요 장점은 정밀하게 정의된 형상을 가진 재현 가능하고 견고한 액추에이터를 제작할 수 있다는 점입니다. 저손실 실리콘 엘라스토머를 사용하면 빠른 구동 응답이 가능합니다. 본 절차에서는 액추에이터의 제작 과정을 제시하지만, 동일한 기술을 사용하여 유전체 엘라스토머 발전기 및 신축성 변형 센서를 제작할 수 있습니다.

희생층 캐스팅을 시작하려면 롤에서 125 micron 두께의 고품질 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate) 또는 PET 시트를 400 millimeter 길이로 자릅니다. PET 기판을 진공 테이블 위에 놓고 진공 펌프를 켭니다. 프로파일 로드 어플리케이터를 자동 필름 코터에 장착하고 코팅 속도를 5 millimeter/second로 설정합니다.

그 후 프로파일 로드 앞에 희생층 용액 2 mL를 넣고 코터 기기를 작동시킵니다. 다음으로 필름 어플리케이터를 후퇴시키되 진공 펌프는 계속 가동하며 PET 기판을 진공 플레이트 위에 그대로 둡니다. 해당 층을 공기 중에서 2분 동안 건조시킵니다.

실리콘 막 캐스팅을 위해 실리콘 베이스 15 grams와 가교제 1.50 grams를 혼합 용기에 넣습니다. 그런 다음 점도를 낮추기 위해 실리콘 용매 10 grams를 추가합니다. 공전-자전 믹서(planetary mixer)를 사용하여 실리콘 혼합물을 섞습니다.

2,000 RPM에서 2분간 혼합 사이클을 수행한 후, 2,200 RPM에서 2분간 탈기 사이클을 수행합니다. 다음으로 유니버설 어플리케이터의 높이를 225 microns로 설정합니다. 어플리케이터를 PET 시트 상단에 배치하고 필름 어플리케이터 속도를 3 mm/s로 설정합니다.

캐스팅 과정 중 먼지 입자가 포함되지 않도록 하여 결함 없는 막을 얻는 것이 매우 중요합니다. 이를 위해 깨끗한 환경에서 작업하고, 막을 코팅하기 전에 기판을 세심하게 세척합니다. 주사기를 사용하여 혼합 용기에서 PET 기판으로 실리콘 혼합물 10 milliliters를 옮깁니다.

자동 도포기를 작동시켜 PET 기판 전체에 실리콘을 도포합니다. 펌프를 끄고 5분 동안 기다려 캐스트 층에서 용매가 증발하도록 합니다. 멤브레인을 유리판으로 옮긴 후 80 °C 오븐에서 30분 동안 가열합니다.

30분 후 오븐에서 멤브레인을 꺼내 실온에서 5분 동안 더 식힙니다. 그 다음, 표면을 오염물질로부터 보호하기 위해 얇은 PET 포일로 덮습니다. 텍스트 프로토콜에 설명된 대로 사전 연신 지지체(prestretched support)와 멤브레인 지지체를 제작하고, 캐스팅된 실리콘 멤브레인/PET 기판 샌드위치를 절단합니다.

레이저로 절단된 사전 신장 지지체를 절단된 실리콘 멤브레인 원형의 접착면이 아래로 향하게 하여, 접착제가 실리콘 표면에 닿도록 고정합니다. 끓는 물을 준비하고 실리콘 멤브레인과 접착 지지체가 포함된 조립체를 그 안에 담급니다. 물에 잠긴 상태에서 PET 기판을 실리콘 멤브레인으로부터 천천히 부드럽게 벗겨내어 완전히 분리합니다.

실리콘 막을 워터배스에서 꺼내어 건조시킵니다. 건조 과정을 빠르게 하기 위해 질소 건(nitrogen gun)을 사용할 수 있습니다. 제조사의 프로토콜에 따라 투과 간섭계(transmission interferometer)를 사용하여 막의 두께를 측정합니다.

프리스트레처(prestretcher)의 직경을 45 mm로 설정하고, 미리 늘려놓은 지지 실리콘 막의 접착면이 아래로 향하게 하여 스트레처 핑거(stretcher fingers) 위에 놓습니다. 스트레처 핑거 사이의 프리스트레치된 지지물을 절단합니다. 그다음 스트레처 위에 방사형 자를 놓고, 프리스트레처 환형 링을 시계 반대 방향으로 회전시켜 프리스트레처의 직경을 58.5 mm로 늘림으로써 막을 1.3배의 인자로 등방성 이축 예비 신장(equibiaxially prestretch)시킵니다.

다음으로 PMMA 멤브레인 홀더에서 커버 필름을 제거하여 접착면을 노출시킵니다. PMMA 멤브레인 홀더를 미리 늘려놓은 멤브레인 표면에 부착합니다. 멤브레인 홀더 주변을 잘라 스트레처에서 미리 늘려놓은 멤브레인을 분리합니다.

그 다음, 투과 간섭계를 사용하여 사전 연신된 멤브레인의 최종 두께를 측정합니다. 패드 프린팅 기기를 설정하려면 원하는 전극 패턴이 있는 클리셰를 마그네틱 블록에 설치하십시오. 클리셰 블록을 잉크가 채워진 잉크 컵 위에 놓습니다.

그런 다음 조립품을 장치에 설치합니다. 정렬 플레이트를 프린터 베이스 위에 놓습니다. 패드 프린팅 장치에서 프린팅 사이클을 시작합니다.

이를 통해 정렬 플레이트에 전극 설계를 적용합니다. 프린팅된 전극과 정렬 플레이트의 식각된 기준 구조의 겹침 상태를 육안으로 확인하십시오. 정렬 불량을 수정하려면 X-Y 페이더 스테이지를 이동시키십시오.

기준 구조와의 정렬 상태를 시각적으로 검사하고, 기준 구조 위에 인쇄된 패턴이 완벽하게 겹쳐질 때까지 플랫폼 위치와 인쇄 전극을 계속 이동시킵니다. 미리 늘려놓은 멤브레인을 프린터 베이스 위에 놓습니다. 패드 인쇄기에서 인쇄 사이클을 시작하여 멤브레인 상단에 전극을 스탬핑합니다.

약 4 µm의 충분한 전극 두께를 확보하기 위해 멤브레인을 두 번 스탬핑합니다. 모든 사전 연신된 멤브레인의 스탬핑이 완료될 때까지 프린팅 과정을 반복한 후, 전극이 스탬핑된 멤브레인을 80 °C 오븐에 30분 동안 넣습니다. 그 다음, 프린팅된 멤브레인 중 하나를 멤브레인의 뒷면이 드러나도록 프린터 베이스 위에 뒤집어서 놓습니다.

하부 전극을 패턴하기 위해 두 번의 프린팅 사이클을 시작합니다. 액추에이터를 완성하려면, 하부 전극을 가교시키기 위해 막을 80 °C 오븐에 30분 동안 둡니다. 전기 연결을 만들려면, 먼저 액추에이터 프레임의 보호 backing을 제거하여 접착제를 노출시킵니다.

그다음 액추에이터 프레임에서 하부 전극과 접촉하게 될 부분에 18 millimeter x 2.5 millimeter 크기의 테이프 조각을 붙이고, 이를 프레임 측면으로 접어 전기적 접점이 확보되도록 합니다. 이어서 액추에이터 프레임을 멤브레인 홀더 내부로 밀어 넣고, 손가락으로 멤브레인을 가볍게 눌러 액추에이터 프레임의 접착제에 부착시킵니다. 메스로 멤브레인 홀더와 액추에이터 프레임 사이의 경계선을 따라 멤브레인을 자른 후 멤브레인 홀더를 제거합니다.

18 millimeter by 2.5 millimeter 크기의 전도성 테이프 두 번째 조각을 상부 전극의 접촉 영역에 부착합니다. 마지막으로, 각 전도성 테이프 위에 와이어를 배치하여 전기적 연결을 만듭니다. 두 와이어를 고전압 전원에 연결하고 진폭이 2 kilovolts인 2 Hertz 제곱파 신호를 인가합니다.

캐스팅된 실리콘 막의 건조 막 두께는 도포기의 갭 설정뿐만 아니라 코팅 속도에도 영향을 받습니다. 속도의 영향은 막이 더 두꺼울수록 더 중요해집니다. 1 Hz의 주파수에서 마이크론당 100 V 이상의 전기장을 인가하면 액추에이터가 큰 변형을 일으킬 수 있음을 보여줍니다.

액추에이터의 직경 방향 구동 신장률은 인가된 직류 전압에 대해 이차 함수적 의존성을 보입니다. 이 영상을 시청하고 나면 응답 시간이 짧은 평면형 유전체 엘라스토머 액추에이터를 제작하는 방법에 대해 충분히 이해하게 될 것입니다. 저기계 손실 실리콘 엘라스토머를 사용하는 것의 장점은 다음과 같습니다.

이 절차의 핵심은 잘 정의된 전극을 갖춘 재현 가능한 액추에이터를 제작하는 능력에 있습니다. 본 제작 공정은 유전체 엘라스토머 액추에이터의 대규모 제작을 위한 가능한 경로를 제시합니다.