The Ionomer-Based Electroadhesion and Its Applications for Modulating Mechanical Properties
이오노머 기반 전기접착력과 이의 기계적 물성 조절로의 응용에 관한 연구
- 주제어 (키워드) Electrostatic clutch , Low-voltage electroadhesion , Ionomer heterojunction , Fracture mechanics , 전기접착 클러치 , 저전압 전기접착력 , 이오노머 이형접합 파괴역학
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 김형준
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 화공생명공학과
- 실제 URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000079471
- UCI I804:11029-000000079471
- 본문언어 영어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록 (요약문)
Electrostatic clutches offer electrically programmable control of system stiffness, providing significant advantages in various robotic and haptic applications. However, conventional dielectric-based electrostatic clutches require high operating voltages, often surpassing several kilovolts, while most of low-voltage electro-adhesives are unsuitable for electrostatic clutches due to their intrinsic tackiness, resulting in low switching ratio and reversibility. Here, we present an electrostatic clutch based on ionomer heterojunctions on rigid electrodes, encased within soft elastomers, capable of switching the system stiffness more than 530-fold at an operating voltage of just 1 V. Under the reverse bias, the formation of an ionic double layer (IDL) at the ionomer heterojunction interface enables strong electrostatic adhesion of stiff electrodes at low voltage, yet low tackiness of ionomers allows almost free sliding at forward bias. We explore the performance of our electrostatic clutches across various geometries and voltages based on the fracture mechanics model. Within this framework, by adjusting the clutch compliance, we achieve a force capacity of 50 N/cm2, powered by a 1.5 V battery with on/off ratio over 250, outperforming the latest electrostatic clutches in operating voltage and switching ratio.
more초록 (요약문)
전기 정전 클러치는 시스템 강성을 전기적으로 프로그래밍 가능하게 제어할 수 있어 로봇 및 햅틱과 같은 다양한 응용 분야에서 중요한 이점을 제공할 수 있다. 하지만 기존의 유전체 기반 전기 정전 클러치는 수 킬로볼트(~kV )를 초과하는 높은 작동 전압이 필요하며, 대부분의 저전압 기반의 전기 접착 물질은 본질적으로 점착성 이 강해 낮은 점착/비점착 전환비와 낮은 가역성 때문에 전기 정전 클러치에 적합하 지 않다. 이 연구에서는 견고한 전극에 이오노머 이종접합을 기반으로 한 전기 정전 클러치를 제시하며, 부드러운 엘라스토머로 감싸져 있어 작동 전압 1V에서 시스템 강 성을 530배 이상 전환할 수 있다. 역바이어스에서 이종접합 계면에 이온 이중층(IDL) 이 형성되어 낮은 전압에서 강한 전기 정전 접착력을 제공하지만, 이오노머의 낮은 점착성으로 인해 순방향 바이어스에서는 거의 자유롭게 미끄러질 수 있다. 우리는 파 괴 역학 모델을 기반으로 다양한 형상 및 전압 조건에서 전기 정전 클러치의 성능을 탐구하였다. 이러한 프레임워크 내에서 클러치의 컴플라이언스를 조정하여 1.5V 배터 리로 50 N/cm²의 힘 용량을 내고, 250 이상의 온/오프 비율을 달성하며, 최신 전기 정전 클러치와 비교해 작동 전압과 전환비 측면에서 뛰어난 성능을 보였다.
more목차
Chapter 1. Introduction 10
Chapter 2. Theoretical Analysis of Ionomer Heterojunction Electrostatic Clutches Using Fracture Mechanics 13
Chapter 3. Results and Discussion 15
3.1. Materials and Low-Voltage Electrostatic Clutches Based on Ionomer Heterojunctions 15
3.2. Analysis of clutch performance based on fracture mechanics model 20
3.3. Working Mechanism of Ionomer Heterojunction Electrostatic Clutches 25
3.4. Demonstration of High-Performance Ionomer Heterojunction Electrostatic Clutch 29
Chapter 4. Conclusion 31
Supporting Information 32
SI 1. Supporting Text 32
SI 2. Supporting Figures 38
SI 3. Supporting Table 49
References 50
