KR0162857B1 - 전도성입자로 아라비아 고무를 함유하는 전기유동유체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 아라비아 고무를 전도성 입자로 갖는 전기유동유체(Electro-Rheological Fluids)에 관한 것이다.

Description

전도성입자로 아라비아 고무를 함유하는 전기유동유체(Electro-Rheological Fluids)

제1도는 3kV/mm 전기장 부하시 간격이 1mm인 평행한 전극판에서 본 발명의 전기 유동유체를 촬영한 현미경 사진이다.

제2도는 전기장 무부하시의 전기유동유체의 유동이 전기장을 부하하는 순간 정지하는 것을 촬영한 사진이다.

제3도는 본 발명 전기 유동유체의 전단응력 대 전단율을 표시한 그래프이다.

제4도는 전분을 전도성 입자로 사용한 전기 유동유체의 전단응력 대전단율을 표시한 그래프이다.

제5도는 항복응력과 온도의 관계를 표시한 그래프이다.

제6도는 전기장 세기와 전류밀도의 관계를 그래프로 나타낸 것이다.

제7도는 전도성 입자의 중량비에 따른 전단응력과 전달율을 나타낸 그래프이다.

제8도는 입자의 중량비에 따른 전기장 세기와 항복응력의 관계를 나타낸 그래프이다.

제9도는 입자의 중량비에 따른 전기장 세기와 전류밀도의 관계를 나타낸 그래프이다.

제10도는 입자 크기의 변화시, 전기장 세기의 변화에 따른 전단율과 전단응력의 관계를 나타낸 그래프이다.

제11도는 입자 크기의 변화시 전기장 세기와 항복응력의 관계를 나타낸 그래프이다.

제12도는 입자 크기의 변화시 전기장 세기와 전류밀도의 관계를 나타낸 그래프이다.

제13도는 용매의 동점도 변화에 따른 전달율과 전달응력의 관계를 나타낸 그래프이다.

제14도는 용매의 동점도 변화에 따른 전기장 세기와 항복응력의 관계를 그래프로 나타낸 것이다.

제15도는 용매의 동점도 변화에 따른 전기장 세기와 전류밀도의 관계를 그래프로 나타낸 것이다.

본 발명은 아라비아 고무(Gum Arabic)를 전도성 입자로 갖는 전기유동유체(Electro-Rheological Fluids)에 관한 것이다.

전기유동유체 혹은 ER 유체(Electro-Rheological Fluids)라 함은 가해지는 전기장의 강도에 따라 그 역학적 특성이 변하는 유체를 총칭하는 것으로, 기본적으로는 비전도성 용액 중에 약한 전도성을 갖는 입자들을 분산시킨 콜로이드 용액이다.

전기유동유체는 부하되는 전기장이 증가함에 따라 전단항곡응력이 증가하는데, 그 반응은 매우 빠르고 전기장의 부하에 대하여 가역적이며, 이를 ER효과라 한다. 전기유동유체는 전기장이 부하되지 않을 때에는 뉴토니안 유체(Newtonian fluid)의 특성을 나타내지만 전기장 증가에 따라 유체의 항복응력이 증가하는 특성을 보이며 그 거동은 매우 복잡하지만, 전기유동유체의 거의 공통적인 특징은 다음 식으로 표현할 수 있는 빙햄거동(Bingham behavior)을 하는 것으로 알려져 있다.

τ=τ_y(E) + ηγ

여기서 τ는 유체의 전단응력을 나타내고, γ은 유체의 층과 층 사이의 속도구배인 전단율이고, η는 유체의 동점도이다. τ_y는 유체의 항복응력으로서 다음식과 같이 전기장(E)의 크기에 따라 증대되며, 이때 α와 x는 ER 유체의 특성에 따라 결정되어지는 상수이다.

τ_y(E) = αE^x

바람직한 ER 유체가 되기 위해서는 ER 효과가 커서 부하되는 전기장에 의해 빠른 시간(수 msec) 내에 전단항복응력(τ_y)이 크게 나타나야 할 뿐 아니라 원하는 ER 효과를 위해 소모되는 전류밀도가 적어야 하며, 제조비용이 경제적이어야 한다.

본 발명의 목적은 기존의 ER 유체 보다 우수한 ER 효과를 나타내고 인체에 해가 없는 새로운 ER 유체를 제조하는 것이다. 이러한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 아라비아 고무를 전도성 입자로 사용하는 전기유동유체를 제조하였다.

전도성 입자로 옥수수 전분, 실리카, 제올라이트, 포름알데히드 중합체, 탄소, 페놀-포름알데하이드 폴리머, 폴리 아센 퀴논 래디칼 중합체 등을 사용한 전기유동유체가 보고되었으나, 전분을 제외한 기존에 사용된 전기유동유체의 전도성 입자들이 모두 인체에 유해한 물질이라는 점이 문제가 된다 (Keith D. Weiss and J. David Carlson, Meterial Aspects of Electrorheological Systems, journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol. 4, January 1993.)

이러한 점을 개선하고자 본 발명에서는 전도성 입자로 아라비아 고무를 사용하였으며, 본 발명에 따른 전기유동유체는 전기장의 세기가 증가함에 따라 항복응력이 증가하는 빙햄거동을 나타내고, 일단 유동이 시작된 후에는 전단율의 증가에 대하여 거의 일정한 비율로 전단응력이 증가하는 특성을 나타내는 우수한 ER 효과를 발휘할 뿐 아니라 사용한 아라비아 고무가 인체에 무해하다는 장점이 있다.

또, 종래에 인체에 무해한 전분을 전도성 입자로 사용하는 전기유동유체가 보고되었으나, 본 발명에서와 같이 아라비아 고무를 사용하는 경우, 전분을 사용하는 ER 유체보다 에너지 소모가 적어 경제적이다.

본 발명의 ER 유체는 응용장치에 적용하여 제어를 하는 경우에 중요시되는 반응시간(Response Time) - 전기장을 가한 후 시스템이 동작되기까지 걸리는 시간이 매우 짧다.

또한 ER 효과를 나타내는데 필요한 전기장의 세기는 매우 크나(수 kV수준) 전류량은 매우 작으므로(수 ㎂수준) 이에 소모되는 전력 소모량은 적고, 전기장 변화에 대하여 안정된 빙햄거동을 보이므로 응용 장치에 적용하기에 바람직하다.

본 발명에서 전도성 입자로 사용된 아라비아 고무는 극성 용매에만 선택적으로 용해되는데, 비전도성 용매인 실리콘오일 등에 분산되면 전도성 입자가 극성을 띠게 되는 전기적 분극현상(Electrical polarization)이 발생하며, 이것이 ER 효과의 원인이 된다. 분극현상에는 전자 분극, 이온 분극, 분자 분극 등이 있으며 이들 현상은 독립적으로 이루어지는 것이 아니라 복합적으로 발생하게 된다. 아라비아 고무의 경우도 마찬가지로 이들 분극현상이 복합적으로 발생하여 ER효과가 나타나게 된다고 볼 수 있다.

ER 효과를 유발시키는 기본 메커니즘으로는 이중층 이론(Double layer theory)이나, Stangroom 등에 의한 수분 결합 이론(Water brige theory) 등이 제시되었으며, 수분의 영향을 많이 받는 아라비아 고무계 전기유동유체의 반응 메커니즘은 이들 이론으로 설명할 수 있다.

이중층 이론이란 다음 그림으로 설명되듯이, 입자내에 형성되어 있는 두개의 이온층이 외부에서 부하되는 전기장에 의하여 이온들이 양쪽의 전극을 향하여 분리되어 극성을 띄게 되며 극성을 띈 입자들이 서로 연결되어 ER 효과를 낸다는 이론이다.

수분결합 이론이란 다음 그림에서와 같이 전기장 부하시 전도성 입자를 둘러싼 수막이 bridge를 형성하고 이를 따라 전하의 움직임이 발생하여 ER 효과가 나타난다는 이론이다.

이와 같은 메커니즘에 의하여 전기장 부하시 비전도성 용매에 분산된 아라비아 고무입자는 전극판 사이에 체인구조를 형성하게 되고 유체의 유동을 제한하여 ER 효과를 발생시키게 된다.

본 발명의 전기 유동유체의 ER 효과는 전기장의 세기, 입자크기, 입자의 중량비, 용매의 동점도 등의 상호 작용에 의해 받는다고 추측된다.

전기장의 세기 뿐 아니라 입자의 중량비가 증가할수록 ER 효과는 크게 나타나나 유동성이 저하되므로 ER 응용기기에 따라 적당한 입자 중량비를 선택할 수 있다.

ER 유체의 온도특성은 운용조건을 결정하는 중요한 설계 고려요소이므로 ER 유체를 응용기기에 적용할 때 그 유체의 온도에 대한 특성을 알고 있어야 한다. 본 발명의 유체의 경우 일정한 온도 범위 내에서는 전기유동유체의 온도가 상승함에 따라 부하되는 전력의 크기도 증가하게 됨을 알 수 있다.

사용되는 전도성 입자의 크기는 1-100㎛ 범위가 적당하며 특히 26-88㎛ 범위가 바람직하다. 용매 동점도의 증가에 대하여 일정한 점도 이상에서는 정적항복응력의 증가가 없으며 5×10⁵-10⁴㎡/s가 적당하다.

한편, 입자의 수분량 함유 정도는 아라비아 고무를 상온에서 방치하여 자연적으로 흡수되는 정도인 약 5-10% 정도면 우수한 ER 효과를 얻을 수 있다.

본 발명에서 사용되는 비전도성 용매는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 실리콘 오일, 트랜스포머 오일, 트랜스포머 인슐레이팅 오일, 미네랄 오일, 올리브 오일 등 기존에 사용되는 비전도성 용매를 사용할 수 있으며, 비전도성 용매의 동점도는 0.65×10⁶×10³㎡/s의 범위일 수 있다.

제1도는 비전도성 용매 중에 분산된 아라비아 고무입자가 전기장 부하시 실제로 ER 효과를 나타냄을 미시적으로 보인 것으로, 평행한 두 전극판에 수직한 전기장 방향으로 아라비아 고무입자가 체인구조를 형성함을 알 수 있다.

또한 이러한 미시적 특성을 거시적으로 표현한 사진이 제2도이다. (a) 와 같이 전기장 무부하시에는 일반유체와 같이 자유롭게 유동이 일어나지만, (b)와 같이 전기장을 가하였을 때는 유동이 일어나지 않고 있다. 이는 전기장 부하에 의하여 제1b도와 같이 입자들이 체인구조를 형성하여 유체의 유동에 대하여 저향력이 발생하기 때문이다. 이로써 전기장 부하시 아라비아 고무계 전기유동유체의 ER 효과를 가시적으로 증명할 수 있다.

이하 본 발명을 실시예를 통해 더욱 자세히 설명하고자 하나, 이들 실시예에 의해 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.

[실시예 1] 전기 유동유체의 제조

전도성 입자로 아라비아 고무를 사용하고 비전도성의 용매로는 실리콘오일을 사용하여 본 발명의 전기유동유체를 제조하였다. 이러한 아라비아 고무계 전기유동유체의 조성 내역은 표1에 나타나 있다.

여기서 분류기호는 전기유동유체의 조성 성분을 구별하기 위하여 본 발명자들이 편의상 설명한 것으로, 첫째기호 s는 비전도성 용매(s:실리콘 오일) 두번째 기호는 전도성 입자(A:아라비아 고무, C:전분), 세번째 기호는 비전도성 용매의 동점도(A: 3×10 ㎡/s, B : 5×10 ㎡/s, C: 10 ㎡/s, T: 3×10 ㎡/s에 입자 크기가 26㎛ 미만) 그리고 마지막 기호는 입자의 중량비(A: 10%, B: 25%, C: 30%, D: 40%)를 나타낸다.

종래의 전기유동유체로서 가장 대표적인 전분입자를 사용한 전기유동유체를 제조하여 대조구로 사용하였다.

전기유동유체의 전기장에 대한 항복응력 및 이에 소모되는 전류 밀도는 표 2와 같이 유추할 수 있다.

[실시예 2]

[온도변화에 따른 아라비아 고무계 전기유동유체의 거동변화]

비전도성 용매로 동점도 5×10 ㎡/s인 실리콘오일을 사용하고 입자 크기 26-88㎛인 아라비아 고무 10%, 20%를 각각 함유하는 유체를 제조하였다. Rheometer(VT500 HAAKE사 제품)를 이용하여, -15℃, 20℃, 30℃에서 여러 전기장의 세기에서 전기유동유체의 전단률에 대한 전단응력을 측정하였으며, 그 결과를 제3도에 도시하였다. 또한 -15℃, 0℃, 15℃, 30℃, 60℃에서 전기장의 세기에 대한 전류밀도를 측정하였으며, 그 결과를 제6도에 도시하였다. 아라비아 고무 대신 전분을 사용한 유체를 대조구로 사용하였다.

제3도에 도시한 바와 같이 전기유동유체의 온도가 -15℃∼30℃에서 부하되는 전기장의 세기가 증가함에 따라 항복응력이 증가하는 빙햄거동을 보이나, 20℃ 또는 30℃에 비해 -15℃에서 전단항복응력이 적음을 알 수 있다. 입자의 중량비가 증가하여도 유사한 빙햄거동을 보이며 중량비의 증가로 인하여 전체적인 ER 효과는 크게 증가한다.

제6도에서 알 수 있듯이, 아라비아 고무계의 전기유동유체는 온도가 증가함에 따라 부하되는 전기장의 크기에 비례하여 전류밀도의 크기도 증가하고 있지만, 60℃에서는 전기장이 증가하여도 전기유동유체를 통과하는 전류밀도의 크기는 거의 일정하게 나타났다. 전분의 전기유동유체도 아라비아 고무계의 전기유동유체와 같이 온도가 상승함에 따라 부하되는 전기장의 크기에 따라 전기유동유체를 통과하는 전류밀도가 증가하였다.

또한 비전도성 용매로 점도 30cs인 실리콘오일을 사용하고 입자크기 26-88㎛인 아라비아 고무를 각각 10%, 20% 함유하는 유체를 제조하였다. Rheometer (VT500 HAAKE 사 제품)를 이용하여, 온도를 변화시키면서 이들 전기유동유체의 항복응력을 측정하였으며 그 결과를 제5도에 도시하였다. 아라비아 고무 대신 전분을 사용한 유체를 대조구로 사용하였다.

아라비아 고무계의 전기유동유체는 2kV/mm 이하의 전기장에서는 온도변화에 대하여 항복응력의 변화가 작으나, 3kV/mm의 전기장이 가하여지는 경우에는 60℃에서 항복응력이 급격히 감소하는 경향을 나타내었으며, 전분의 전기유동유체는 1kV/mm이하의 전기장에서는 온도가 상승하여도 항복응력의 변화는 미미하나, 그 이상의 전기장 세기에 있어서는 온도가 증가함에 따라 항복응력이 비례적으로 증가하며 3kV/mm의 전기장에서는 60℃에서 급격히 감소하였다.

[실시예 3]

[입자의 중량비에 따른 아라비아 고무계 전기유동유체의 거동 변화]

입자의 중량비가 ER효과에 미치는 영향을 알아보기 위하여 실시예 1에서 제조한 SAAA, SAAB, SAAC, SAAD를 사용하여 전단율에 따른 유체의 전단응력을 측정하였으며 그 결과를 제7도에 도시하였다.

제7a도에 도시한 바와 같이 10% 입자 중량비를 갖는 전기유동유체(SAAA)의 경우는 전기장 세기 변화에 대한 전단응력의 증가는 작게 나타나고 있으며, 100s 의 낮은 전단영역에서는 전단응력의 변화가 급격하게 일어났다. 입자의 중량비가 25%인 (b)의 경우 (SAAB)는 전기장의 변화에 대하여 전체적으로 안정된 전단응력의 증가를 보이며, 전기장의 세기가 2.5kV/mm 이상의 경우 정적항복응력이 동적항복응력보다 크게 나타나고 있다. 제7b도와 같이 입자의 용매에 대한 중량비가 40%인 전기유동유체의 경우에는 전기장 증가에 대하여 매우 큰 폭의 항복응력 증가를 나타냈다.

또한 ER 효과를 나타내기 위하여 필요한 전력 소모의 관계를 알아보기 위하여 전기장 세기에 따른 유체의 항복응력 및 전류밀도를 측정하였으며 그 결과를 각각 제8도 및 제9도에 도시하였다. 입자의 중량비가 25%까지는 전기장 증가에 따라 전류 밀도의 크기는 증가하지만 그 이상의 입자 중량비에서는 오히려 소모되는 전류 밀도의 크기는 감소하는 것으로 나타났다.

[실시예 4]

[입자의 크기에 따른 아라비아 고무계 전기유동유체의 거동 변화]

입자크기가 ER 효과에 미치는 영향을 알아보기 위하여 실시예 1에서 제조한 SATC, SAAC를 사용하여 전단율에 따른 유체의 전단응력을 측정하였으며 그 결과를 제10도에 도시하였다. 또 전기장 변화에 따른 유체의 항복응력 및 전류밀도를 측정하고, 그 결과를 각각 제11도 및 제12도에 도시하였다. 입자의 크기가 증가하면 동일한 전기유동유체입자라 하더라도 전기유동유체를 통과하는 전류의 크기는 증가하여 전력 소모도 증가하게 된다.

[실시예 5]

[용매의 점도에 따른 아라비아 고무계 전기유동유체의 거동 변화]

용매의 동점도에 따른 아라비아 고무 전기유동유체의 거동 변화를 고찰하기 위하여 실시예 1에서 제조한 SAAC, SABC, SACC 를 사용하여 전단율에 따른 유체의 전단응력, 전기장 세기에 따른 항복응력과 전류밀도를 측정하였다. 그 결과를 각각 제13도, 제14도 및 제15도에 도시하였다.

제13도에 나타난 바와 같이 전기장 변화에 따른 정적항복응력의 크기는 비슷하게 나타나고 있으나 유동이 시작된 후에도 점도의 크기에 따라 전단응력의 크기가 변화하였다. 용매의 점도가 3×10 ㎡/s 인 경우보다 5×10 ㎡/s인 경우 항복응력이 크게 나타나지만 5×10 ㎡/s와 10 ㎡/s와는 큰 차이가 나타나지 않는다.

제15도에서 알 수 있듯이 ER효과를 나타내는데 필요한 전력소모도 용매의 점도가 증가함에 따라 증가하였다.

Claims (6)

1. 비전도성 용매와 상기 용매에 대해 5-55 중량%의 아라비아고무로 이루어지는, 전기유동 유체.
2. 제1항에 있어서, 상기 아라비아 고무의 입자 크기가 1-26㎛인 유체.
3. 제2항에 있어서, 상기 아라비아 고무의 입자 크기가 26-100㎛인 유체.
4. 제1항에 있어서, 상기 아라비아 고무가 수분을 5-16% 함유하는 유체.
5. 제1항에 있어서, 상기 비전도성 용매가 실리콘 오일, 트랜스포머 오일, 트랜스포머 인슐레이팅 오일, 미네랄 오일 및 올리브 오일로 구성되는 군으로부터 선택되는 유체.
6. 제5항에 있어서, 상기 비전도성 용매가 동점도 0.65×10⁶-10³㎡/s인 용매인 유체.