정전흡착력은 접착 및 흡착 방식으로 응용되는 공압, 유압, 자석 등과 같은 다른 접착 방법에 비교되는 방식 중 하나이다. 전기 접착, 정전 흡착 등의 다양한 표현으로 다양한 어플리케이션에 적용되며 흡착 대상의 재질에 대한 한계가 비교적 자유롭다는 장점에 의해 연구가 진행되고 있다. 응용 분야로는 정전기 척, 그리퍼, 등반로봇 등이 포함되며 다양한 어플리케이션에의 적용 잠재력이 높은 미래지향적 기술로 인식되고 있다. 그리퍼의 경우 탈착반응성 및 다양한 물체 파지를 위한 유연성 높은 패드 개발 위주로, 등반로봇의 경우 제한된 환경에서의 작업을 위한 검사 및 탐사용 소형 및 대형로봇으로 전기 접착 방식이 채택되며 다양한 형태의 로봇과의 융합에 대한 연구와 다양한 조건에서의 실험적 검증이 진행되고 있다. 패드 형상 및 구조설계 및 최적화, 실험적 검증, 그리고 어플리케이션 적용에 관한 연구가 다양하게 이루어지고 있지만 여전히 정전기 접착 현상에 대한 심층적인 이해의 부족함을 보인다. 또한 정전흡착 방식은 흡착력이 작용 면적에 영향을 받기 때문에 다른 접착 방식들에 비해 제한적인 흡착력을 가지며 적용 어플리케이션의 구조 및 무게에 제약이 있다. 본 논문에서는 기존 모델에 대한 이론 및 실험적 데이터를 바탕으로 정전 흡착력을 향상시키기 위한 새로운 패드 구조를 제안하며 정전 흡착력이 개선된 패드의 모델링, Ansys Maxwell 해석 데이터를 통한 모델링 검증, 등반 로봇에 대한 정전흡착 패드 최적 설계 및 해석 검증에 대한 연구를 보여줍니다.
기존 정전흡착 패드와 제안된 정전흡착 패드와의 비교 실험을 위한 패드 설계, 제조, 테스트 방법에 의한 간단한 검증을 토대로 개선된 정전흡착 패드의 모델링 및 해석 데이터에 의한 검증이 진행된다. 이를 통해 이론적 결과와 실험적 결과 사이의 차이에 의해 정전흡착 방식의 실험적 검증이 기존의 이론적 결과와의 비교 방식이 부적절함을 확인할 수 있다. 이를 토대로 최적 설계 된 정전흡착 패드는 이론적 모델링과 Ansys Maxwell 해석 데이터와의 비교 검증만을 진행한다. 즉, 제안된 이중절연 정전흡착 패드의 디자인 모델링과 최적화의 해석 검증, 적용 어플리케이션에 맞는 패드 최적 설계모델을 제시하는 것을 목표로 한다.
모델링의 경우 정전흡착 패드와 접착 대상 사이의 공기 층 간격에 대한 영향력을 고려하여 존슨-라벡 효과에 대한 이론을 모델링 과정에 포함되었다. 패드의 정전흡착력 향상을 위한 노력으로 많은 연구에서 전극 사이 간격의 최소화가 진행되고 있지만 전극 간 간격에 의한 연구는 전류의 포화나 방전현상에 의해 제한됨을 볼 수 있다. 따라서 전극 간 간격 제한을 개선시키기 위해 절연 층이 추가된 이중절연 정전흡착 패드 구조가 제안된다. 이중절연정전흡착 패드 디자인 최적화를 위해서 현실적으로 패드 설계를 통해 조절할 수 있는 정전흡착 패드에 대한 파라미터인 패드 내 전압으로의 인가전압, 전극의 면적, 전극의 너비, 전극의 두께, 전극 간 거리, 유전체의 두께, 유전율을 고려한다. 각각의 파라미터는 각각의 조건에 대해 독립적이며 제시된 기준 패드의 수치에 고정된 상태로 검증되었다. 또한 Ansys Maxwell을 통해 단순화된 3D 정전기 시뮬레이션 데이터와 이론적 모델링 데이터간의 검증 결과를 바탕으로 등반 로봇에 적용될 정전흡착 패드의 최적 설계 결과를 제시한다.