Dielectric Elastomer Actuator
- 다른 이름: DEA
- 카테고리: Actuation & drivetrain › Motors
- 태그: soft-actuators, artificial-muscle, electroactive-polymer, microrobotics, high-voltage
유연 전극 사이에 얇은 엘라스토머 필름을 끼운 소프트 액추에이터. 고전압이 필름을 더 얇게 누르고 더 넓게 펴서 큰 변형률을 만든다.
정의
유전 엘라스토머 액추에이터(DEA)(dielectric elastomer actuator)는 부드럽고 늘어나는 유전체를 가진 커패시터다. 보통 실리콘이나 아크릴 엘라스토머로 된 얇은 엘라스토머 필름의 양면에 카본 그리스, 카본 충전 실리콘, 탄소 나노튜브 층 같은 유연 전극을 입힌다. 전압을 가하면 두 전극의 반대 전하는 서로 끌어당기고 각 전극의 같은 전하는 서로 밀어내며, 이로써 필름이 두께 방향으로 눌리고 면적 방향으로 넓어진다. 엘라스토머는 거의 비압축성이므로 두께 감소와 면적 증가는 서로 결합되어 있다. DEA는 더 넓은 범주인 전기활성 고분자에 속하며, 2000년 무렵 SRI International의 Pelrine과 동료들의 연구는 미리 늘린 필름이 100퍼센트를 넘는 변형률에 도달할 수 있음을 보였고, 이로써 DEA는 인공 근육의 유력한 후보가 되었다.
유효 구동 압력은 흔히 맥스웰 응력이라고 부르며 p = ε₀ εᵣ E²이다. 여기서 E는 필름을 가로지르는 전기장(전압을 두께로 나눈 값)이고 εᵣ는 엘라스토머의 비유전율이다. 전기장에 대한 이 제곱 의존성 때문에 DEA는 마이크로미터당 수십 볼트의 전기장이 필요하며, 이는 두께 수십 마이크로미터의 필름이라면 킬로볼트를 뜻하고, 전압을 낮추려면 더 얇은 필름을 여러 층으로 쌓아야 한다. 실용적인 설계로는 두께 방향으로 수축하는 적층형, 늘어나거나 굽는 말린 튜브형, 다이어프램형, 그리고 유연한 프레임 위에 미리 늘린 필름을 붙여 굽거나 접히게 한 형태가 있다. 사전 신장은 성능을 높이고 전기기계적 불안정성을 억제하는 데 도움이 된다. 전기기계적 불안정성이란 필름이 얇아지면 전기장이 커지고, 그러면 필름이 더 얇아지는 과정이 파손될 때까지 이어지는 현상이다.
작동 범위는 파손 모드가 정한다. 필름을 관통하는 전기적 단락인 절연 파괴가 전기장의 상한, 따라서 힘의 상한을 정한다. 결함, 먼지, 전극 가장자리 때문에 절연 파괴는 재료의 공칭 강도보다 낮은 수준에서 일어나므로, 수명은 액추에이터를 그 한계에 얼마나 가깝게 구동하느냐에 크게 좌우된다. 아크릴 엘라스토머는 큰 변형률을 주지만 점탄성이 있어 느리고, 실리콘은 손실이 적으면서 더 빠르게 응답하는데, 이는 날갯짓 같은 고주파 용도에서 중요하다. 전기적으로 DEA는 용량성 부하다. 정상 상태에서는 전류를 거의 끌어가지 않지만 소형 고전압 구동기가 필요하며, 이 구동기가 소형 DEA 구동 로봇에서 가장 무겁고 가장 만들기 어려운 부품인 경우가 많다. 자기 구동이나 모터 기반 구동과 달리 DEA에는 자석, 코일, 기어가 없으며, 그 유연성은 스프링이나 부드러운 구조를 통해 덧붙이는 것이 아니라 액추에이터 자체의 일부다.
중요한 이유
DEA는 기어나 자석이 없는 부드럽고 조용한 장치에서 근육 같은 변형률과 빠른 응답을 낸다. 그래서 곤충 크기 비행 로봇, 소프트 그리퍼, 그리고 모터가 너무 무겁거나 너무 단단한 기타 기계에 쓸 수 있는 몇 안 되는 액추에이터 선택지 가운데 하나다. 단, 고전압 전자 장치와 절연 파괴 한계를 처음부터 설계에 반영해야 한다.
주요 응용
- 날갯짓 비행 로봇과 곤충 크기 비행 로봇
- 전기 흡착과 결합한 설계를 포함한 소프트 그리퍼
- 부드러운 기어가는 로봇과 헤엄치는 로봇
- 햅틱 및 촉각 디스플레이
- 가변 렌즈와 기타 적응형 광학 장치
- 유전 엘라스토머 발전기를 이용한 에너지 하베스팅
실제 사례
곤충 크기의 날갯짓 로봇을 만드는 팀이 다층 실리콘 DEA를 원통형으로 말고, 플렉셔 전달 기구를 통해 날개에 연결한다. DC 바이어스 위에 날개의 공진 주파수 근처의 사인파 고전압을 얹어 구동하여, 액추에이터가 중간점을 기준으로 양방향으로 진동하게 한다. 정전 압력은 극성과 관계없이 언제나 필름을 압축할 뿐이기 때문이다. 최대 전압은 같은 배치의 시험 샘플에서 측정한 절연 파괴 전압보다 여유를 두고 낮게 정한다. 한계에 더 가깝게 밀어붙이면 양력은 커지지만 액추에이터 수명이 급격히 짧아지기 때문이다. 비행 제어기는 전압 진폭을 추력 명령으로 다루며, 그 상한과 함께 액추에이터가 가열되고 노화하면서 특성이 서서히 변하는 것도 고려해야 한다.
흔한 오해
- 전압이 높을수록 언제나 쓸모 있는 힘이 커진다 — 힘은 전기장의 제곱에 비례해 커지지만 절연 파괴 위험도 함께 커지며, 한계 근처에서 구동하면 수명이 급격히 줄어든다
- 전압을 반대로 걸면 운동도 반대가 된다 — 정전 압력은 전기장의 제곱에 의존하므로 극성과 관계없이 필름은 압축된다. 양방향 운동에는 바이어스, 예압 또는 길항 쌍이 필요하다
- DEA는 전류를 거의 끌어가지 않으므로 전원 공급이 쉽다 — 킬로볼트 범위의 구동 전자 장치가 필요하며, 소형 로봇에서는 변환기가 질량과 복잡도의 대부분을 차지하는 경우가 많다
- DEA는 압전 액추에이터의 일종이다 — 압전 세라믹은 단단하고 변형률이 1퍼센트에 한참 못 미치는 반면, DEA는 부드럽고 유연한 필름에 가해지는 정전 압력에 의존한다
알아야 할 사람
- 소프트 로보틱스 연구자
- 마이크로로봇 및 곤충 크기 비행 로봇 엔지니어
- 고전압 전력 전자 설계자
- 전기활성 고분자를 다루는 재료 엔지니어
관련 기술
- 전기활성 고분자(Electroactive Polymers)
- 압전 바이모프 액추에이터(Piezoelectric Bimorph Actuators)
- HASEL 액추에이터
- 전기 흡착(Electroadhesion)
- 고전압 DC-DC 변환기(High-Voltage DC-DC Converters)
- 유연 전극(Compliant Electrodes)