Development of Smart Switchgear for Versatile Ventilation Garments: Optimum Diameter and Voltage Application Unit Time of One-way Shape Memory Alloy Wire for a Bi-directional Actuator

The study figured out the operational conditions of a two-way movement actuator made of one-way shape memory alloy (OWSMA) for versatile ventilation intelligent garments. To develop a low-power actuator that consumes energy only when a garment changes its form such as opening and closing, multiple channels of OWSMA were used, and optimum diameter of the wires was examined. For the switch device, optimum voltage application unit time was determined. Optimum diameter of OWSMA wire was determined by applying 3.7V to the pre-determined candidate diameters, which demonstrated two-way operation in previous studies. In order to evaluate the optimum voltage application time, the internal diameter of the actuator was measured while increasing and decreasing by 50 ms from the unit time of voltage application. Delay time under two-way operation of the actuator was measured to minimize interference caused by heat between channels. Power of 3.7V was applied to OWSMA for assessment of optimal time, and the whole process from heating to cooling was video-recorded with a thermal image camera to determine the point of time at which the temperature of OWSMA wire dropped below the phase transformation temperature. The results showed that $0.4{\Phi}$ was the most suitable diameter, and the optimum unit time of voltage applied to open and close the actuator was 4100ms. It was also shown that the delay time should be more than 1.8 seconds between two-way operations of the actuator.

가변 통기성 의복을 위한 스마트 개폐장치 개발: 양방향 작동 액추에이터 제작을 위한 일방향 형상기억합금 와이어의 최적 직경 및 전압인가 단위시간의 도출

본 연구에서는 가변 통기성 스마트 의류의 제작을 위해 필요한 형상기억합금 액추에이터의 작동 조건을 파악하였다. 의복의 개방, 폐쇄와 같은 양방향 작동 시 형태 변형 시에만 전력을 소모하는 저전력 소모 액추에이터 개발을 위해 복수 채널의 일방향 형상기억합금을 이용하여 스위치로 작동되는 액추에이터를 설계하였으며 가장 효율적으로 작동할 수 있는 와이어의 직경과 전압인가 단위시간을 도출하였다. 선행연구 결과 도출된 양방향 작동이 가능한 일방향 형상기억합금의 직경 범위 내에서 Arduino 스위치를 제작하여 3.7V 전압인가 시 변화량을 분석한 결과 $0.4{\Phi}$의 액추에이터가 가장 적합한 것으로 나타났다. $0.4{\Phi}$ 형상기억합금와이어를 사용한 양방향작동 액추에이터의 개방, 폐쇄에 필요한 최적전압인가 시간을 도출하기 위해 액추에이터의 최대개방, 최소폐쇄 도달 전압인가 시간으로부터 50ms씩 감소, 증가 시키며 냉각 후 액추에이터의 내경을 비교하는 방식으로 측정한 결과 개방 동작에 필요한 최적 전압인가 단위시간은 4,100ms로 나타났다. 각 채널간의 발열에 의한 간섭을 최소화하기 위한 양방향간 작동 시 필요 딜레이 분석을 위해 상온에서 형상기억합금에 최적 전압입가 시간인 4.1초 동안 전원을 공급하고 가열 후 냉각까지의 과정을 열화상카메라로 촬영하여 형상기억합금 와이의 온도가 냉각시의 상변태온 이하로 하강하는 시점을 파악한 결과, 액추에이터의 양방향간 작동 딜레이는 1.8초 이상이 확보되어야 함을 파악할 수 있었다.