다양한 표면 및 구동 조건에 따른 전기 점착 패드의 점착 성능 분석 및 향상 방안 연구 = Investigation and Enhancement of Electroadhesive Pad Performance Under Various Surface and Operating Conditions

국문 초록 (Abstract)

전기점착(Electro-adhesion) 기술은 기존의 다른 점착 제어 방식들과 다르게 전기점착 패드 (Electroadhesive Pad), 고전압 전원 회로 시스템만으로 간단하게 구성되며, 표면 손상 없이 대부분의 기판 소재와 점착할 수 있고 가역적인 제어가 가능한 특성을 가지며 연구가 활발하 게 진행되고 있는 분야이다. 그러나, 전기점착 기술은 점착력이 다른 점착 방식들에 비해서 상 당히 낮고, 고전압이 필수적이며 소재의 특성에 따라 점착력 차이가 극명하게 드러나기 때문에 응용 분야가 제한되고 있다는 단점이 존재한다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 기초 연구로서, 본 연구에서는 구리 박막과 엘라스토머를 기반으로 제작된 전기점착 패드의 상태별 점착 특성을 분석하였다. 점착 특성 변화에 대한 체 계적인 검증을 위해 금속, 폴리머, 세라믹에서 각각 2개의 소재를 선정해, 기판 소재의 규격과 표면거칠기를 균일하게 유지하고 수 kV의 다양한 전압 인가에 대한 점착 특성 변화를 관찰하 였다. 또한, 전기점착의 탈착 특성을 정확하게 구현하고 전기점착력을 정밀하게 측정할 수 있 는 시스템을 제작하였다. 전기점착력 측정 결과를 바탕으로 전기점착력을 극대화하기 위한 탈 착 상태를 제시하였으며, 전압의 크기와 인가, 해제 시간, 기판의 표면거칠기 및 표면 마찰 횟 수와 전기점착력 간의 인과 관계를 분석하였다. 해당 분석을 통해서 전기점착 성능이 극대화 되는 구동 조건과 소재 표면거칠기, 전압 조건을 발견하였다. 이러한 전기점착 특성 분석을 바 탕으로 전기점착 패드와 로봇 팔을 사용한 물체 운송 구조를 설계하였다. 본 연구를 통해 전기점착 패드의 탈착 상태를 통해 다양한 소재에 대한 전기점착력을 극대 화하는 방안과 전압, 시간, 소재의 표면거칠기 등 통합적인 전기점착 특성에 대해서 분석하였 다. 본 연구에서 제안한 구동 조건은 다양한 소재를 사용하는 환경에서 응용 가능성을 보여준 다. 특히, 전기점착의 가역적 점착 특성은 산업 환경에서의 자동화 공정 및 소프트 로보틱스 분야에서 활용 가능성이 높다. 향후 연구에서는 본 연구에서 제안한 구동 조건의 이론적 분석 과 최적화 전략을 구체화하는 것이 목표이다. 이러한 후속 연구는 전기점착 기반의 이송 장치 설계에 활용될 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Electroadhesion technology differs from conventional adhesion control methods in that it can be implemented with only an electroadhesion pad and a high voltage power circuitry, providing a simple structure, enabling adhesion to most substrate materials without surface damage, and allowing reversible control. Owing to these characteristics, research on electroadhesion has been actively conducted. However, electroadhesion also exhibits several drawbacks, such as significantly lower adhesion forces compared to other adhesion mechanisms, the necessity of high voltage, and pronounced variations in adhesion performance depending on the material properties of the substrate, all of which limit its applicability across various fields.
As a fundamental study to address these issues, the present work investigates the adhesion characteristics of electroadhesion pads fabricated using a copper thin film and an elastomer under different operational states. To systematically examine variations in adhesion performance, two materials each from metals, polymers, and ceramics were selected, and their dimensional specifications and surface roughness were maintained uniformly. Adhesion responses under several kilovolts of applied voltage were then analyzed. Furthermore, a measurement system capable of accurately realizing the detachment state of electroadhesion and precisely quantifying electroadhesive forces was developed. Based on the measured electroadhesive forces, detachment conditions that maximize the adhesion force were identified, and the causal relationships between adhesion performance and parameters such as voltage magnitude, voltage application and removal time, substrate surface roughness, and the number of sliding actions were analyzed. Through this analysis, the operating conditions, surface roughness levels, and voltage conditions that maximize electroadhesion performance were determined. Using these electroadhesion characteristics, a material-transport structure employing an electroadhesion pad and a robotic arm was designed.
This study examined methods for maximizing electroadhesion force on various materials through control of the detachment state of the electroadhesion pad and analyzed the integrated electroadhesion characteristics associated with voltage, time, and substrate surface roughness. The operating conditions proposed in this study demonstrate applicability in environments involving diverse substrate materials. In particular, the reversible adhesion characteristics of electroadhesion indicate strong potential for use in automated industrial processes and soft robotics. Future work will aim to theoretically analyze and further optimize the operating conditions proposed herein. Such follow up research is expected to contribute significantly to the development of electroadhesion based transport systems.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1. 연구 배경 1
• 1.2. 연구 목적 및 범위 4
• 2. 이론적 배경 및 실험방법 5
• 2.1. 전기점착 패드의 점착 원리 5
• 2.2. 전기점착 패드의 구성 및 제작 방법 7
• 2.2.1 전기점착 패드의 사양 및 구성 7
• 2.2.2. 전기점착 패드의 제작 공정 7
• 2.3. 전기점착 테스트용 기판 12
• 2.3.1. 기판의 재질 및 치수 12
• 2.3.2. 기판의 표면거칠기 12
• 2.4. 점착력 측정 장비 및 실험 방법 16
• 2.4.1. 점착력 측정 장비 16
• 2.4.2. 전기점착 패드의 구동 조건별 실험 과정 18
• 3. 결과 및 고찰 22
• 3.1. 전기점착 패드의 구동조건에 따른 점착 특성 22
• 3.2. 전압 조건에 따른 전기점착 패드의 점착 특성 25
• 3.2.1. 전압 크기에 따른 전기점착 패드의 점착 특성 25
• 3.2.2. 전압인가 시간에 따른 전기점착 패드의 점착 특성 27
• 3.2.3. 표면 마찰 후 전압 해제 대기 시간에 따른 전기점착 패드의 점착 특성 28
• 3.3. 기판 표면거칠기에 따른 전기점착 패드의 점착 특성 33
• 3.4. 표면 마찰 횟수에 따른 전기점착 패드의 점착 특성 38
• 3.5. 로봇 팔을 이용한 실제 전기점착 패드의 적용 42
• 4. 결론 45
• 참고문헌 46
• Abstract 49