Productization of a new type of dielectric elastomer actuator
Getachew, Loza-Senay (2019)
Avaa tiedosto
Lataukset:
Getachew, Loza-Senay
2019
Materiaalitekniikan DI-ohjelma - Degree Programme in Materials Science and Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2019-08-01
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-201907122565
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-201907122565
Tiivistelmä
Dielectric elastomer actuators (DEAs) occupy a niche in haptic technology, and Senseg Oy has developed a new type of DEA that is suitable also in haptic applications: a product called Elastomer Film Actuator (ELFIAC). ELFIAC is a thin, flexible elastomer actuator where insulated electrodes are separated by micropillars made of liquid silicone rubber (LSR). It has been verified that ELFIAC provides strong actuation at low frequencies and relatively low voltages. One of the essential work phases during productization, is the evaluation of product lifetime to prevent material degradation. For ELFIAC, ageing or degradation caused by corona discharge which generates ozone, is the most imminent due to the oxidation of the insulator surface leading to loss in hydrophobicity of the LSR micropillars. A hydrophilic LSR layer on ELFIAC could weaken or prevent the actuation. The fundamental aim of this thesis was to study the durability and the degree of degradation of the micropillars as a function of actuation cycles with various electrical input parameters in terms of AC corona ageing. In addition, one goal was to find the breakdown voltage where loss in hydrophobicity occurs at LSR surface. It is important to acknowledge that the electrical input parameters during these experiments are only test parameters designed to stress the system and can notably differ from the driving parameters of the end-product.
The durability of the micropillars were studied by exposing the actuators to high-cycle actuation and static pressure load of nearly 1.5 MPa simultaneously. The actuation cycles varied from 143 million to 1 billion cycles. Surface wettability and dielectric properties were studied as a function of actuation cycles at both low and high frequency AC voltages. The effect of hot humidity at 60 °C and 95% relative humidity (RH) was studied to simulate a different type of use-case environment for ELFIAC. A corona ageing test was conducted for sealed actuators since the ozone generated by corona discharges has less oxygen to recover back to oxygen in a sealed sachet. A sachet could result to higher and faster damage effecting negatively to the lifetime of ELFIAC. Surface properties were examined with static contact angle measurements by sessile drop technique. Capacitance of the actuator was measured throughout the experiments to study if any drastic change occurs that might indicate changes in dielectric constant or change in elastic modulus of the micropillars. Chemical properties of the silicone surface were analyzed with Fourier-transform Infrared Spectroscopy (FTIR) measurements.
Actuator samples driven at 166 Hz of AC indicated no sign of surface degradation whereas driving at 20 kHz AC exhibited more hydrophilic LSR surface. Based on the capacitance measurements, change in dielectric properties was not detected to be relative to the ageing tests. Small chemical modification was detected with all actuator samples but according to these test results it had no effect on the surface or dielectric properties. Ageing was not observed under high RH nor under sealed sachets. The breakdown voltage where loss in hydrophobicity occurs, was examined and found. As a conclusion, ELFIAC shows surface degradation only when subjected to high frequency AC and in all other cases exhibits no signs of degradation or ageing. Based on these experiments, it can be stated that with most studied input parameters, ELFIAC provides excellent durability under cyclic stress. Dielektristen elastomeeriaktuaattoreiden tutkimus ja kehitys ovat olleet kasvussa, mutta niitä on hyvin vähän hyödynnetty haptisen teknologian alalla. Senseg Oy on kehittänyt uudenlaisen, ohuen ja joustavan dielektrisen elastomeeriaktuaattorin, joka sopii muun muassa haptiikan käyttökohteisiin. Tuotteen nimi on Elastomer Film Actuator (ELFIAC), ja ELFIACin yksi erikoisuus on nestesilikonikumista valmistetut mikropylväät. Aktuaattorin elektrodit ovat molemmin puolin eristettyjä, ja jokaisen elektrodien välissä sijaitsee ohut silikonikerros, jonka päällä mikropylväät ovat. Sähköteknisesti elektrodit ovat kytketty toisiinsa rinnakkain. Uuden tuotteen tuotteistamisen yksi keskeisimmistä vaiheista on selvittää tuotteen ikääntymiseen ja heikkenemiseen vaikuttavat tekijät, jotta tuotteen elinikää hidastavia tekijöitä voidaan minimoida. Koronaikääntyminen aiheuttaa tunnetusti pintavaurioita aiheuttaen hydrofobisuuden laskua, kemiallisten ja mekaanisten ominaisuuksien heikkenemistä ja pahimmissa tapauksissa jopa fyysisiä halkeamia. ELFIAC tuotteelle, koronaikääntyminen on yksi olennaisimmista haasteista, ja myös tämän työn keskeisin tutkimuskysymys. ELFIAC aktuaattorin hydrofiilinen silikonikumipinta voi heikentää tai pahimmillaan estää aktuoinnin. Työn tavoitteena oli tutkia ELFIAC aktuaattoreiden kestävyyttä, ja mahdollisia ikääntymisen merkkejä altistamalla aktuaattorit koronasäteilylle runsailla sykleillä. Tavoitteena oli myös selvittää läpilyöntijännite, jossa hydrofobisuuden laskua esiintyy.
Koronaikääntymistestit suoritettiin ELFIAC aktuaattoreilla eri syklimäärillä vaihtelevasti 143 miljoonasta miljardiin sykliin matala- ja korkeataajuuksisilla AC jännitteillä. Pintaominaisuudet, dielektriset ja kemialliset ominaisuudet tutkittiin syklimäärien suhteen eri ajoparametreilla. Rasituksen maksimoimiseksi, aktuattorit altistettiin myös samanaikaisesti staattiseen puristukseen kohdentamalla niihin painetta lähes 1,5 MPa. On tärkeää huomata, että testeissä käytetyt ajoparametrit ovat vain testiparametreja, joiden tarkoituksena oli rasittaa aktuaattoreita. Lopputuotteen ajoparametrit voivat erota huomattavasti testiparametreista. Lämpimän kosteuden vaikutus tutkittiin 60 °C ja 95% suhteellisessa kosteudessa. Testin tarkoitus oli simuloida aitoa tuotekokemusta erilaisessa ympäristöolosuhteessa. Suljetun ympäristön vaikutus koronaikääntymiseen tutkittiin laittamalla ELFIAC aktuaattoreita suljettuun happitiiviiseen pussiin, missä koronan vaikutuksesta syntyvällä otsonilla on vähemmän happea reagoida matalamman energiatason muotoonsa. Pintaominaisuudet selvitettiin kosketuskulmamittausten avulla sessiilipisaramenetelmällä. Aktuaattorien kokonaiskapasitanssien muutos indikoi muutosta joko materiaalien dielektrisyyskertoimessa tai mikropylväiden elastisessa kertoimessa. Pintakemialliset ominaisuudet analysoitiin FTIR-spektroskopian avulla.
Pintaominaisuuksien muutosta ei havaittu matalilla 166 Hz:in taajuuksilla toisin kuin korkean 20 kHz:in taajuuden signaalin altistus aiheuttaa hydrofiilisemman pinnan. Ikääntymisen ja rasituksen vaikutusta kapasitanssiin ei havaittu eikä näiden testitulosten perusteella voida päätellä, että muutoksia dielektrisissä ominaisuuksissa olisi tapahtunut. Pientä kemiallista muutosta havaittiin kaikissa aktuaattoreissa, mutta se ei vaikuttanut fysikaalisiin ominaisuuksiin. Suljetulla ympäristöllä eikä lämpimällä kosteudella ollut mitään vaikutusta aktuaattoreiden kestävyyteen tai ikääntymiseen. Läpilyöntijännite onnistuttiin kartoittamaan ikääntymistestien avulla. Korkean taajuuden jännite on ainoa tekijä, joka aiheuttaa hydrofobisuuden laskua, mutta muuten ikääntymistä ei havaittu. Näin voidaan todeta, että ELFIAC aktuaattorit kestävät erinomaisesti syklistä rasitusta, eikä heikkenemistä havaittu suurimmalla osalla tutkituilla testiparametreilla.
The durability of the micropillars were studied by exposing the actuators to high-cycle actuation and static pressure load of nearly 1.5 MPa simultaneously. The actuation cycles varied from 143 million to 1 billion cycles. Surface wettability and dielectric properties were studied as a function of actuation cycles at both low and high frequency AC voltages. The effect of hot humidity at 60 °C and 95% relative humidity (RH) was studied to simulate a different type of use-case environment for ELFIAC. A corona ageing test was conducted for sealed actuators since the ozone generated by corona discharges has less oxygen to recover back to oxygen in a sealed sachet. A sachet could result to higher and faster damage effecting negatively to the lifetime of ELFIAC. Surface properties were examined with static contact angle measurements by sessile drop technique. Capacitance of the actuator was measured throughout the experiments to study if any drastic change occurs that might indicate changes in dielectric constant or change in elastic modulus of the micropillars. Chemical properties of the silicone surface were analyzed with Fourier-transform Infrared Spectroscopy (FTIR) measurements.
Actuator samples driven at 166 Hz of AC indicated no sign of surface degradation whereas driving at 20 kHz AC exhibited more hydrophilic LSR surface. Based on the capacitance measurements, change in dielectric properties was not detected to be relative to the ageing tests. Small chemical modification was detected with all actuator samples but according to these test results it had no effect on the surface or dielectric properties. Ageing was not observed under high RH nor under sealed sachets. The breakdown voltage where loss in hydrophobicity occurs, was examined and found. As a conclusion, ELFIAC shows surface degradation only when subjected to high frequency AC and in all other cases exhibits no signs of degradation or ageing. Based on these experiments, it can be stated that with most studied input parameters, ELFIAC provides excellent durability under cyclic stress.
Koronaikääntymistestit suoritettiin ELFIAC aktuaattoreilla eri syklimäärillä vaihtelevasti 143 miljoonasta miljardiin sykliin matala- ja korkeataajuuksisilla AC jännitteillä. Pintaominaisuudet, dielektriset ja kemialliset ominaisuudet tutkittiin syklimäärien suhteen eri ajoparametreilla. Rasituksen maksimoimiseksi, aktuattorit altistettiin myös samanaikaisesti staattiseen puristukseen kohdentamalla niihin painetta lähes 1,5 MPa. On tärkeää huomata, että testeissä käytetyt ajoparametrit ovat vain testiparametreja, joiden tarkoituksena oli rasittaa aktuaattoreita. Lopputuotteen ajoparametrit voivat erota huomattavasti testiparametreista. Lämpimän kosteuden vaikutus tutkittiin 60 °C ja 95% suhteellisessa kosteudessa. Testin tarkoitus oli simuloida aitoa tuotekokemusta erilaisessa ympäristöolosuhteessa. Suljetun ympäristön vaikutus koronaikääntymiseen tutkittiin laittamalla ELFIAC aktuaattoreita suljettuun happitiiviiseen pussiin, missä koronan vaikutuksesta syntyvällä otsonilla on vähemmän happea reagoida matalamman energiatason muotoonsa. Pintaominaisuudet selvitettiin kosketuskulmamittausten avulla sessiilipisaramenetelmällä. Aktuaattorien kokonaiskapasitanssien muutos indikoi muutosta joko materiaalien dielektrisyyskertoimessa tai mikropylväiden elastisessa kertoimessa. Pintakemialliset ominaisuudet analysoitiin FTIR-spektroskopian avulla.
Pintaominaisuuksien muutosta ei havaittu matalilla 166 Hz:in taajuuksilla toisin kuin korkean 20 kHz:in taajuuden signaalin altistus aiheuttaa hydrofiilisemman pinnan. Ikääntymisen ja rasituksen vaikutusta kapasitanssiin ei havaittu eikä näiden testitulosten perusteella voida päätellä, että muutoksia dielektrisissä ominaisuuksissa olisi tapahtunut. Pientä kemiallista muutosta havaittiin kaikissa aktuaattoreissa, mutta se ei vaikuttanut fysikaalisiin ominaisuuksiin. Suljetulla ympäristöllä eikä lämpimällä kosteudella ollut mitään vaikutusta aktuaattoreiden kestävyyteen tai ikääntymiseen. Läpilyöntijännite onnistuttiin kartoittamaan ikääntymistestien avulla. Korkean taajuuden jännite on ainoa tekijä, joka aiheuttaa hydrofobisuuden laskua, mutta muuten ikääntymistä ei havaittu. Näin voidaan todeta, että ELFIAC aktuaattorit kestävät erinomaisesti syklistä rasitusta, eikä heikkenemistä havaittu suurimmalla osalla tutkituilla testiparametreilla.