KR101580529B1 - 전기장을 이용한 기능성 나노복합재 제조장치 - Google Patents

전기장을 이용한 기능성 나노복합재 제조장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따르면, 소정의 점도 및 유전율을 갖는 기지(11)와, 마이크로 또는 나노 크기를 갖는 미립자(12)가 일정비율로 혼합된 미립자유체(10)에 전기장을 인가하여 방향성을 갖는 미립자 재배열의 구조로 구비된 나노복합재를 제조하기 위한 나노복합재 제조장치에 있어서, 상기 미립자유체(10)를 수용하기 위한 수용공간을 제공하며, 비전도성 재질로 형성된 베이스부(120); 상기 베이스부(120)의 수용공간 내에 배치되고, 인가되는 고전압에 의해 전기장을 형성하며, 소정의 전극패턴 구조로 이루어져 상기 미립자유체(10) 내에 전기장에 의해 미립자(12)가 재배열되는 재배열 영역(R)을 형성하는 전극부(130); 및 상기 전극부(130)와 전기적으로 연결되며, 상기 재배열 영역(R)에 배치된 미립자(12)가 전기장에 의해 재배열되도록 고전압을 공급하는 고전압 공급부(140);를 포함하는 나노복합재 제조장치를 개시한다.

Description

전기장을 이용한 기능성 나노복합재 제조장치{Manufacturing Apparatus Method Of Function Nano-Composites Using Electric Field}
본 발명은 전기장을 이용한 기능성 나노복합재 제조장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기장을 이용하여 다양한 목적에 따라 방향성을 갖는 미립자 재배열 구조로 구비된 나노복합재를 제조하는 전기장을 이용한 기능성 나노복합재 제조장치에 관한 것이다.
일반적으로 종래에는 방향성 있는 복합재를 제조하기 위해 회전주조, 유동방향성, 기계적 인장, 일방향 성장방법, UV 조사 및 자기장 응용 등의 방식이 이용되었다.
그러나, 회전주조 및 유동방향성에 의한 구현 방식의 경우 입자들이 랜덤하게 분포하게 되어 국부적으로 물성치를 변화시키는 것이 제한되며, 일방향 성장 방식은 촉매에 의한 오염이 심하며 민감도가 감소되는 문제점이 있었다.
또한, UV 조사 방식의 경우, FGM(Functionally Graded Material)을 제조하는데 효과적으로 적용할 수 있으나 작은 사이즈의 구조체에만 적용이 가능한 단점이 있었다.
등록특허공보 제10-1240327호(2013.02.28), 나노와이어-마이크로섬유 하이브리드 구조체로 이루어진 튜브의 합성방법 및 이에 의하여 제조된 튜브 구조체
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 국부 강성, 열전달, 전도성, 비전도성 및 방사선 차폐 등과 같이 다양한 목적에 따라 부합되는 방향성을 갖는 미립자 재배열 구조로 구비된 나노복합재를 제조하기 위한 전기장을 이용한 기능성 나노복합재 제조장치에 관한 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전기장을 이용한 기능성 나노복합재 제조장치는, 소정의 점도 및 유전율을 갖는 기지(11)와, 마이크로 또는 나노 크기를 갖는 미립자(12)가 일정비율로 혼합된 미립자유체(10)에 전기장을 인가하여 방향성을 갖는 미립자 재배열의 구조로 구비된 나노복합재를 제조하기 위한 나노복합재 제조장치에 있어서, 상기 미립자유체(10)를 수용하기 위한 수용공간을 제공하며, 비전도성 재질로 형성된 베이스부(120); 상기 베이스부(120)의 수용공간 내에 배치되고, 인가되는 고전압에 의해 전기장을 형성하며, 소정의 전극패턴 구조로 이루어져 상기 미립자유체(10) 내에 전기장에 의해 미립자(12)가 재배열되는 재배열 영역(R)을 형성하는 전극부(130); 및 상기 전극부(130)와 전기적으로 연결되며, 상기 재배열 영역(R)에 배치된 미립자(12)가 전기장에 의해 재배열되도록 고전압을 공급하는 고전압 공급부(140);를 포함한다.
여기서, 상기 베이스부(120) 및 전극부(130)를 둘러싸는 형태로 배치되어 상기 베이스부(120) 및 전극부(130)를 외부로부터 기밀시키는 기밀챔버(110);를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 전극부(130)는, 상기 베이스부(120)의 수용공간 내에서 상하로 매칭되어 배치되는 제1전극(130a)과 제2전극(130b)을 포함하여 구비되며, 상기 고전압 공급부(140)로부터 공급되는 고전압에 의해 상기 제1전극(130a)과 제2전극(130b) 사이에는 제1전극(130a)에서 제2전극(130b)으로 하향하는 전기장 또는 제2전극(130b)에서 제1전극(130a)으로 상향하는 전기장을 형성할 수 있다.
또한, 상기 제1전극(130a)과 제2전극(130b)은 상호 대향하는 상하 위치에 각각 배치되어 직하향 또는 직상향하는 전기장을 형성할 수 있다.
또한, 상기 제1전극(130a)과 제2전극(130b)은 상하 위치에 각각 배치되되, 상기 제1전극(130a)과 제2전극(130b)은 서로 다른 수직라인 상에 배치되어 사선방향을 향해는 전기장을 형성할 수 있다.
또한, 상기 전극부(130)는, 상기 베이스부(120)의 수용공간 내에서 수평방향으로 인접 배치되는 제3전극(130c)과 제4전극(130d)을 포함하여 구비되며, 상기 고전압 공급부(140)로부터 공급되는 고전압에 의해 상기 제3전극(130c)과 제4전극(130d) 사이에는 아치 형상의 전기장이 형성될 수 있다.
또한, 상기 고전압 공급부(140)는, 가변 주파수를 발진하는 신호발생기(141)와, 설정된 전압의 크기로 인가전압을 증폭하는 고전압 증폭기(142) 및, 상기 전극부(130)에 인가되는 고전압의 파형을 화면상에 표시하는 전압표시부(143)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 미립자(12)는, 알루미나, 탄소나노튜브, 카본(Carbon), 그라파이트(Graphite), 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 철(Fe), 유리(Glass), 납(Pb), 중 어느 하나의 재질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 미립자(12)는, 나노 또는 마이크로의 크기로 이루어지며, 구형, 판형, 원통형 중 어느 하나의 형상으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 기지(11)는 에폭시 재질로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 고전압 공급부(140)와 신호연결되되, 상기 베이스부(120)의 수용공간에 수용되는 미립자유체(10)별로 미립자(12)를 재배열하기 위해 전극부(130)에 인가되는 고전압의 크기 및 인가되는 인가시간에 대한 데이터가 구분되어 저장되며, 사용자 입력신호에 따라 상기 고전압의 크기 및 인가시간이 선택되어 상기 미립자(12)가 전기장에 의해 재배열되도록 고전압 공급을 제어하는 제어부(150);를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 전기장을 이용한 기능성 나노복합재 제조장치에 의하면,
첫째, 전기장에 의해 미립자가 재배열되는 재배열 영역이 형성되도록 소정의 전극패턴이 구비되어, 인가되는 고전압에 의해 상기 재배열 영역에 포함된 미립자가 전기장에 의해 재배열되므로, 상기 전극패턴 구조에 따라 국부 강성, 열전달, 전도성, 비전도성 및 방사선 차폐 등과 같이 용이하게 국부적인 물성치를 변화시킬 수 있다.
둘째, 상기 재배열 영역이 형성되도록 소정의 전극패턴 구조를 갖는 전극부의 전극의 상,하의 수직적 배치 상태 또는 좌,우의 수평적 배치 상태에 따라 직상향, 직하향, 사선 방향 또는 아치 형상의 전기장을 형성할 수 있으므로, 상기 전기장의 방향에 따라 미립자의 재배열되는 방향성, 분포형태 등이 다양한 나노복합재를 제조할 수 있다.
셋째, 전극부에 고전압을 공급하는 고전압 공급부와 신호연결되되, 베이스부의 수용공간에 수용되는 미립자유체별로 미립자를 재배열하기 위해 전극부에 인가되는 고전압의 크기 및 인가되는 인가시간에 대한 데이터가 구분되어 저장된 제어부를 통해, 사용자 입력신호에 따라 고전압의 크기 및 인가시간을 선택적으로 조절된 고전압을 전극부에 공급 제어할 수 있으므로 사용자의 편의가 극대화되며, 제조된 나노복합재의 안정적인 미립자 재배열을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노복합재 제조장치의 구성을 나타낸 개략도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전극부의 전극패턴 구조에 따라 다양한 형상의 전기장 및 미립자 재배열 상태를 형성할 수 있는 동작원리를 설명하기 위한 개략도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전극부의 제1전극 및 제2전극이 상하로 배치되어 미립자유체 내에서 미립자가 상하방향으로 재배열된 상태를 나타낸 개략도,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전극부의 제3전극 및 제4전극이 수평방향으로 인접 배치된 상태를 나타낸 개략도,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전극부의 제3전극 및 제4전극에 고전압이 인가되어 제3전극과 제4전극 사이의 재배열 영역 내에서 미립자가 아치 형상으로 재배열된 상태를 나타낸 개략도,
도 6은 두 개의 구형태의 미립자가 쌍극자 상호작용을 하며 상대적인 위치와 변위에 영향을 미치는 상태를 나타낸 개략도,
도 7은 초기 랜덤배열과 전기장이 가해져 재배열된 미랍자의 비교도,
도 8은 산화알루미늄(Al2O3) 그라파이트(Graphite) 및 탄소나노튜브(CNT) 입자의 재배열을 SEM(Scanning Electron Microscope)사진 촬영한 도면, 및
도 9는 전기장에 따른 텅스텐 입자의 재배열을 도시한 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기장을 이용한 기능성 나노복합재 제조장치(이하에서는 '나노복합재 제조장치(100)'라 명칭함)는, 소정의 점도 및 유전율을 갖는 기지(11)와, 마이크로 또는 나노 크기를 갖는 미립자(12)가 일정비율로 혼합된 미립자유체(10)에 전기장을 인가하여 국부 강성, 열전달, 전도성, 비전도성 등과 같이 제조되는 나노복합재의 다양한 목적에 따라 부합되는 방향성을 갖는 미립자 재배열 구조로 구비된 나노복합재를 제조하기 위한 나노복합재 제조장치(100)로서, 도 1에 도시된 바와 같이 베이스부(120), 전극부(130) 및, 고전압 공급부(140)를 포함하여 구비된다.
먼저, 베이스부(120)는, 상기 미립자유체(10)를 수용하기 위한 수용공간을 제공하는 구성요소로서, 소정의 점도를 갖는 유체의 기지(11)가 외부로 흐르지 않도록 도면에서와 같이 테두리에 측벽이 융기된 용기형태로 형성될 수 있으며, 상기 수용공간 내에 배치되는 전극부(130)의 고전압이 외부로 누설되지 않도록 비전도성 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
여기서, 나노복합재의 기지(11)는 상온경화가 가능한 에폭시를 이용할 수 있으며, 기지(11)가 갖는 점도 및 유전율에 따라 미립자(12)의 재배열되는 시간 및 상태가 상이해지므로 상기 미립자(12)의 종류에 따라 점도 및 유전율을 달라질 수 있다.
예를 들어, 상기 기지(11)로서 (주)제일하이텍의 HTC-665C의 품명을 갖는 에폭시를 사용하는 경우 기지(11)의 점도 3.0Pa·s이며 유전율은 대략 5정도 될 수 있으며, 미립자(12)로는 알루미나(Al2O3), 탄소나노튜브(CNT), 카본(Carbon), 그라파이트(Graphite), 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 철(Fe), 유리(Glass), 납(Pb), 중 어느 하나의 재질을 이용할 수 있다. 여기서, 상기 미립자(12)는 이용되는 재질에 따라 수십 나노 내지 수십 마이크로의 크기를 가질 수 있는데, 상기 알루미나는 10㎛, 탄소나노튜브는 10nm, 텅스텐은 40 내지 60㎛, 그라파이트는 10 내지 20㎛의 크기로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 미립자(12)는 형성되는 재질에 따라 구형(Sphere), 판형(Disk) 또는, 원통형(Cylinder) 중 어느 하나의 형상으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 미립자유체(10)를 형성하기 위한 기지(11)와 미립자(12)를 일정비율로 혼합함에 있어서, 상술한 바와 같이 각 미립자(12)는 마이크로 내지 나노의 크기를 가짐에 따라 공기중에 분산되어 사용자의 호흡기로의 흡입되거나 주변 공기가 오염될 수 있으로, 도 1에 도시된 바와 같이 상기 베이스부(120) 및 전극부(130)를 둘러싸는 형태로 배치되어 상기 베이스부(120) 및 전극부(130)를 외부로부터 기밀시키는 기밀챔버(110)가 더 구비될 수 있다. 이러한 기밀챔버(110)로 인해 미립자유체(10)를 혼합시 미립자(12)가 공기중에 분산되는 것을 방지할 수 있음은 물론, 전기장에 의해 미립자(12)를 재배열시키는 과정 또는 미립자유체(10)를 경화시키는 과정에서 미립자유체(10)에 먼지 및 수분 등의 이물질이 유입되거나 외부 전기장으로부터 전기적 영향을 받게 되는 것을 방지할 수 있다.
상기 전극부(130)는, 베이스부(120)의 수용공간 내에 배치되고, 인가되는 고전압에 의해 전기장을 형성하며, 국부 강성, 열전달, 전도성, 비전도성 및 방사선 차폐 등과 같은 다양한 목적에 부합되도록 소정의 전극패턴 구조로 이루어져 상기 미립자유체(10) 내에 전기장에 의해 미립자(12)가 재배열되는 재배열 영역(R)을 형성한다.
여기서, 상기 전극부(130)는, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 상기 베이스부(120)의 수용공간 내에서 상하로 매칭되도록 배치되는 제1전극(130a)과 제2전극(130b)을 포함하여 구비되며, 상기 고전압 공급부(140)로부터 공급되는 고전압에 의해 상기 제1전극(130a)과 제2전극(130b) 사이에는 도면에서와 같이 제1전극(130a)에서 제2전극(130b)으로 하향하는 전기장이 형성된다.
또한, 도시되지 않았으나 제1전극(130a) 및 제2전극(130b)에 인가되는 전압의 극성이 변경될 경우 상기 제2전극(130b)에서 제1전극(130a)으로 상향하는 전기장을 형성할 수도 있다.
더불어, 도 2에서와 같이, 제1전극(130a)과 제2전극(130b)은 상기 수용공간 내에서 일정간격 이격되어 상하로 평행하게 배치되는 제1베이스부(120a)와 제2베이스부(120b)에 설치되되, 상호 직접 대향하는 상하 위치에 각각 배치되어 직하향 또는 직상향하는 전기장을 형성할 수 있다.
즉, 상하로 배치되는 제1전극(130a)과 제2전극(130b)을 포함하여 구비되는 전극부(130)의 경우에는 제1전극(130a)과 제2전극(130b) 사이에 형성되는 전기장이 상기 미립자(12)가 재배열되는 재배열 영역(R)이 되는 것이며, 상기 재배열 영역(R) 내에 포함된 미립자(12)는 전기장의 영향을 받아 전기장의 방향과 일치하는 방향으로 재배열되면서 도 3에 도시된 바와 같이 체인형태로 각 미립자(12a)가 연이어 연결되는 형상으로 배열되는 것이다.
그리고, 상기 제1전극(130a)과 제2전극(130b)은 제1베이스부(120a)와 제2베이스부(120b) 상에서 상하 위치에 각각 배치되되, 상기 제1전극(130a)과 제2전극(130b)이 서로 다른 수직라인 상에 배치되는 경우 제1전극(130a)과 제2전극(130b) 사이에 형성되는 자기장은 사선방향을 향하여 형성된다. 따라서, 상술한 바와 같이 미립자유체(10)가 베이스부(120)에 수용되어 수평하게 배치된 상태에서 상기 제1전극(130a)과 제2전극(130b)이 상하로 대향하는 위치에 배치되면 상기 미립자유체(10)의 수평상태와 직교되는 방향으로 재배열 영역(R)에 포함된 미립자(12)를 재배열할 수도 있음은 물론, 서로 다른 수직라인에 제1전극(130a)과 제2전극(130b)을 배치시킴으로써 미립자유체(10)의 수평상태와 사선방향으로 재배열 영역(R)에 포함된 미립자(12)를 회전시켜 재배열할 수도 있게 된다. 또한, 상기 재배열 영역(R) 이외에 포함된 미립자(12)들은 무질서하게 혼합된 상태 그대로의 배열상태를 갖게 되며, 경화된 미립자유체(10)는 전체적으로 미립자(12)들이 무질서하게 혼합되되 재배열 영역(R)에 해당하는 부분에는 미립자(12a)가 회전되어 재배열된 상태로 정렬되므로 국부적인 물성치가 달리하는 나노복합재가 되는 것이다.
이와 같이 제1전극(130a) 및 제2전극(130b)을 상하로 대향하도록 배치하되, 각 전극(130a,130b)의 수직라인 상에서의 배치되는 위치를 조절하여 미립자유체(10)의 재배열되는 경사각을 제어할 수 있다.
한편, 도 2, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 상기 전극부(130)는, 베이스부(120)의 수용공간 내에서 수평방향으로 인접 배치되는 제3전극(130c)과 제4전극(130d)을 포함하여 구비되며, 상기 고전압 공급부(140)로부터 공급되는 고전압에 의해 상기 제3전극(130c) 및 제4전극(130d) 사이에는 아치(Arch) 형상의 전기장이 형성되도록 구비될 수도 있다.
즉, 수평방향으로 인접 배치되는 제3전극(130c)과 제4전극(130d)을 포함하여 구비되는 전극부(130)의 경우에는 제3전극(130c)과 제4전극(130d) 사이에 아치 형성으로 형성되는 전기장이 상기 미립자(12)가 재배열되는 재배열 영역(R)이 되는 것이며, 상기 재배열 영역(R) 내에 포함된 미립자(12b)는 전기장의 영향을 받아 전기장의 방향과 일치하는 방향으로 회전하며 재배열되면서 도 5에 도시된 바와 같이 아치 형상으로 각 미립자(12)가 연이어 연결되는 형상으로 배열되는 것이다.
또한, 상기 재배열 영역(R) 이외에 포함된 미립자(12)들은 무질서하게 혼합된 상태 그대로의 배열상태를 갖게 되어, 경화된 미립자유체(10)는 전체적으로 미립자(12)들이 무질서하게 혼합되되 재배열 영역(R)에 해당하는 부분에는 미립자(12b)가 회전되어 재배열된 상태로 정렬되므로 국부적인 물성치가 달리하는 나노복합재가 되는 것이다.
상기 고전압 공급부(140)는, 수용공간 내에 배치되는 전극부(130)와 전기적으로 연결되어 재배열 영역(R)에 배치된 미립자(12)가 전기장에 의해 재배열되도록 고전압을 공급하는 구성요소로서, 도 1에 도시된 바와 같이 가변 주파수를 발진하는 신호발생기(141)와, 설정된 전압의 크기로 인가전압을 증폭하는 고전압 증폭기(142) 및, 상기 전극부(130)에 인가되는 고전압의 파형을 화면상에 표시하는 전압표시부(143)를 포함하여 구비될 수 있다.
따라서, 상기 신호발생기(141) 및 고전압 증폭기(142)의 구성을 통해 미립자(12) 및 미립자유체(10)의 종류 및 상태에 따라 인가되는 고전압의 크기를 조절할 수 있으며, 사용자는 상기 전압표시부(143)를 통해 전극부(130)에 인가되고 있는 고전압의 크기를 육안으로 확인하고 적시적절하게 구동조작을 수행할 수 있게 된다.
여기서, 인가되는 고전압에 의해 형성되는 전기장의 세기에 따라 미립자유체(10) 내에서 재배열되는 미립자(12)의 배열속도(회전속도)가 달라질 수 있으므로 상기 미립자(12)의 종류에 따라 전기장의 크기는 적절하게 조절되는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노복합재 제조장치(100)에 의해 제조되는 나노복합재는 미립자(12)의 종류, 미립자유체(10)의 점도 및 유전율에 따라 전극부(130)에 인가되는 고전압의 크기(전기장의 세기) 및 고전압이 인가되는 시간(미립자(12)가 회전되어 재배열되는 소요시간)이 조절되어 공급되어야 하는데, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노복합재 제조장치(100)에서는, 제어부(150)에 의해 자동적으로 고전압의 크기 및 인가시간이 선택되어 미립자(12) 및 미립자유체(10)의 종류나 상태에 따라 적절한 고전압의 크기 및 인가시간이 공급되도록 구비될 수 있다.
이를 위해, 도 1에 도시된 바와 같이 상기 제어부(150)는 고전압 공급부(140)와 신호연결되되, 상기 베이스부(120)의 수용공간에 수용되는 미립자유체(10)별로 미립자(12)를 재배열하기 위해 전극부(130)에 인가되는 고전압의 크기 및 인가되는 인가시간에 대한 데이터가 구분되어 저장되며, 사용자 입력신호에 따라 상기 고전압의 크기 및 인가시간이 선택되어 상기 미립자(12)가 전기장에 의해 재배열되도록 고전압 공급을 제어한다.
여기서, 상기 제어부(150)에는 미립자(12) 및 미립자유체(10)의 종류 및 상태를 선택하기 위한 사용자 입력신호를 출력하는 사용자 입력부(160)가 배치되며, 사용자의 조작에 의해 임의의 사용자 입력신호가 제어부(150)로 출력되면 상기 제어부(150)는 출력된 사용자 입력신호에 따른 고전압이 전극부(130)에 인가되도록 공급 제어한다.
상술한 구성을 갖는 본 발명에 따른 전기장을 이용한 기능성 나노복합재 제조장치를 통해 제조된 복합재의 입다들이 재배열된 결과를 보면, 도 8의 우측에 도시된 바와 같이, 알루미나(Al2O3) 미립자(12)는 입자의 사이즈 기지재료 및 기타 여러 요인에 의하여 상대적으로 배열정도가 낮지만, 나머지 그라파이트(Graphite) 탄소나노튜브(CNT), 또는 텅스텐(W) 미립자(12)는 전기장에 의해 원활하게 재배열되어 있음을 알수 있다.
특히, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 탄소나노튜브(CNT)의 경우 매우 미세한 입자들이 아주 규칙적으로 잘 배열되었으며, 그라파이트(Graphite)의 경우 입자들이 덩어리의 형태로 형성하면서 배열되었다.
반면, 도 7의 좌측에 도시된 바와 같이, 전기장이 가해지지 않는 경우 상술한 미립자(12)들이 재배열되어 있지 않고 랜던하게 분포되어 있음을 알 수 있습니다.
참고로, 도 7은 초기 랜덤배열과 전기장이 가해져 재배열된 미랍자의 비교 도이다.
보다 구체적으로, SEM(Scanning Electron Microscope) 사진 촬영을 통해 마이크로 및 나노사이즈의 알루미나(Al2O3), 그라파이트(Graphite) 탄소나노튜브(CNT) 미립자(12)에 대한 입자배열을 확인하면 도 8에 도시된 바와 같다.
먼저, SEM 사진 촬영을 위해 일정사이즈의 시편을 준비하고, SEM 사진의 경우 전자 입자의 반사에 의해서 사진을 촬영하는 것이기 때문에 기지인 레진의 경우 전자 입자가 투과하여 사진촬영이 불가능하고 무엇보다 입자의 명확한 상태를 확인할 수 있도록 Gold 코팅을 한다.
산화알루미늄(Al2O3) 그라파이트(Graphite) 및 탄소나노튜브(CNT) 입자의 재배열을 촬영한 도 9의 사진에 도시된 바와 같이, 1.2kV/mm 세기로 5Hz의 주파수를 가진 정현파 전기장 속에서 재배열이 수행되어, 입자들이 가해진 전기장을 따라서 재배치된 것을 알 수 있다.
참고로, 도 8은 산화알루미늄(Al2O3) 그라파이트(Graphite) 및 탄소나노튜브(CNT) 입자의 재배열을 SEM(Scanning Electron Microscope)사진 촬영한 도면이다.
또한, 본 발명에 따른 전기장을 이용한 기능성 나노복합재 제조방법을 통해 제조된 복합재의 입자들의 강성을 DMA(Dynmic Mechanical Analyzer)로 영율 시험을 통해 측정해 보면, 아래의 [표 1]과 같다.
Volume Fraction(0.15) Young`s Modulus(MPa)
Oriented(Random)
알루미나(Al2O3)/E 2300(2120)
그라파이트(Graphite)/E 1580(1260)
텅스텐(W)/E 1100(820)
탄소나노튜브(CNT)/E 1670(1330)
상기 표에 기재된 바와 같이, 세라믹 계열인 알루미나(Al2O3)가 가장 높았고, 텅스텐(W) 입자를 함유한 에폭시가 가장 낮음을 알수 있는데, 위와 같은 결과는 텅스텐 입자 복합재의 경우 기지인 에폭시의 영향이 크게 작용하기 때문이다.
또한, 본 발명에 따른 전기장을 이용한 기능성 나노복합재 제조방법을 통해 제조된 복합재의 입자 재배열에 의한 나노복합재의 횡방향과 종방향의 열팽창 특성은 아래의 표과 같다.
Particle Volume Fraction(0.3) Direction
Longitudinal(um/m/℃) Transverse(um/m/℃)
알루미나(Al2O3)/E 10.4 45.6
그라파이트(Graphite)/E 23.1 47.2
텅스텐(W)/E 18.5 46.3
탄소나노튜브(CNT)/E 13.9 48.7
입자의 재배열에 의해서 나노 복합재는 재료의 열팽창 특성을 제어할 수 있다. 즉 일반 복합재는 종방향과 횡방향의 열팽창계수가 같은데 비해서 입자 재배열된 나노복합재는 열팽창 특성을 방향에 따라 다르게 할 수 있다.
특히, 고온 고강도용 등 기계적 성질이 우수한 합금에 주로 사용되는 텅스텐은 3410℃의 높은 융점과 높은 열 및 전기 전도성을 가지고 있다.
전기장에 따른 텅스텐 입자의 재배열을 도시한 도 9를 통해 바닥면에 깔린 구리(Gu) 와이어에서 발생하는 전기장의 영향에 의해서 엑폭시 속에 포함된 텅스텐 입자들이 전기장에 의해 한쪽으로 쏠린 것을 알 수 있다.
이와 같이 특수한 성질을 가진 금속 혹은 세라믹 등 비금속 물질의 입자들이 기지속에 포함되어 나노복합재의 구조를 구성할 때 이러한 입자들의 분포, 배열, 밀도 등을 외부에서 가해지는 전기장의 영향에 의해서 제어할 수 있음을 확인할 수 있다.
텅스텐 입자들의 분포 밀도가 높은 쪽은 열전도, 전기전도성이 탁월한 성능을 나타내고, 반대쪽은 그 역효과를 나타낸다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노복합재 제조장치(100)에서 미립자유체(10)에 가해지는 전기장에 의해 재배열 영역(R)에 배치된 미립자(12)이 재배열(Redistribution)되는 것은 전기영동과 토오크에 기인하는 것인데, 이하에서는 상기와 같은 전기영동(Dielectrophoresis)과 토오크의 영향에 의해 미립자(12)가 재배열되는 동작원리를 구체적으로 설명하기로 한다.
미립자유체(10,유전유체) 속에 놓여있는 미립자(12)에 전기장(E)을 가하면 쌍극자모멘트(Diploe Moment,μ)가 발생하며, 이것은 주변 연속체의 극성을 능가한다. 여기서, 상기 쌍극자모멘트(μ)는 아래의 [수학식 1]을 통해 계산이 가능하다.
[수학식 1]
μ =εoεcβFVE
여기서, 미립자(12)의 극성모멘트(μ)는 미립자(12)의 체적(V), 주변 연속체의 유전율(Dielectric Constant,εc), 자유공간의 유전율(Permittivity,εo=8.8542×10-12 F/m(Farads Per Meter)에 비례한다. 상기 [수학식 1]의 무차원 계수 βF 는 미립자(12)의 주변 연속체 보다 높은 극성효과와 미립자(12)의 형상 효과에 의한 소극(Depolarization) 현상을 결합한 값이다. 어떠한 형태의 미립자(12)에 대해서도, 주변 기지(11)와 미립자(12)의 상대적인 유전율(εc ,εp), 전도율(σc ,σp) 및 무차원 계수βF 의 계산이 가능하다.
[표 1] : β F values for diverse disks, cylinders and sphere
Figure 112014045731548-pat00001
대부분의 폴리머 복합재의 경우 주변 에폭시 기지와 입자의 유전율 및 전도율이 광범위한 전기장의 주파수 영역에서 흡사한 경우는 매우 드물다. 따라서 일정한 전기장의 주파수를 결정하면 두 재질간의 유전율 및 전도율 차이의 값을 극대화하여 β F 의 값을 최대화할 수 있다. 상기 [표 1]에 각 미립자(12)의 형태에 따른 β F 값을 계산하는 식을 제시하였다. β F 는 대략 0.1 ~ 3 정도의 값을 가지며 불균일 전기장 ∇E ≠ 0 속에 놓여 있는 유전체 미립자(12)가 받는 전기장적인 힘(F)은 아래의 [수학식 2]와 같이 표현된다.
[수학식 2]
F = (μ .∇) E
대전되지 않은 미립자(12)가 불균일 전기장 속에서 극성효과에 의해서 이동하는 것을 유전영동(Dielectrophoresis)이라 한다. 유전영동의 중요한 현상 중의 하나가 쌍극자간 상호작용(Dipole-Dipole Interaction)이다. 이 현상은 균일한 전기장이 인가된 현탁액 유체(미립자유체(10))속에서도 일어난다. 이 경우 포함된 임의의 미립자(12)의 분극된 전기장이 주변의 다른 첨가 미립자(12)들의 중앙에서 그 전기장을 방해하는 역할을 하며 미립자(12)들 간의 인력이나 반발력을 만든다. 두 구의 쌍극자간 상호 작용력은 Landau와 Lifshitz에 의해서 아래의 [수학식 3]과 같이 주어진다.
[수학식 3]
Figure 112014045731548-pat00002

여기서 r은 두 구의 중앙을 연결하는 벡터이며 r의 쌍극자 간 인력은 구의 분극화, μ의 제곱에 비례하고, 구의 유전율이 주변 기지(11)의 유전율 보다 크거나 작은 것에 상관없이 독립적이다. 도 6은 두 개의 구형태의 미립자(12)가 쌍극자 상호작용을 하며 상대적인 위치와 변위에 영향을 미치는 것을 나타낸다.
등방성 구 미립자(12)의 쌍극자 모멘트 μ =α E 는 작용된 전기장에 평행하며 이 전기장에 의해서 토오크는 발생하지 않는다. 그러나 미립자(12)의 결정질이 이방성 이거나 혹은 비구형 형상이라면 쌍극자 모멘트 μ 는 전기장 E 에 평행하게 되어야 한다. 이때 전기장 속의 분극된 미립자(12)에 작용하는 토오크(T ( e ))는 아래의 [수학식 4]와 같이 계산되어 진다.
[수학식 4]
T ( e ) = μ × E
두 개의 이웃하는 구형 미립자(12)는 국부적 극성장을 교란할 것이다. 이것은 결과적으로 전기장의 방향과 평행하게 정렬하도록하는 회전 모멘트를 발생시킨다. 비슷한 개념으로 실린더 형상의 파이버는 그 형상 때문에 그 축을 따라서 대부분 분극 된다. 이 현상은 전체 토오크로 계산되며 아래의 [수학식 5]에 의해서 계산될 수 있다.
[수학식 5]
T = μ pr × E or - μ or × E pr
여기서, Epr= E(e)sinθ 이다. 이것을 상기 [수학식 5]에 대입하면, 디스크, 실린더, 구에 각각 작용하는 토오크(T)를 얻을 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112014045731548-pat00003
여기서, βT 는 디스크와 실린더 형상의 경우, 각각
Figure 112014045731548-pat00004
,
Figure 112014045731548-pat00005
이다.
그러나, 구형상의 경우는 0이 된다. 유사하게 점성 기지(11)에 놓여있는 작은 미립자(12)에 작용하는 점성 토오크는 Happel 과 Brenner 등에 의해 아래의 [수학식 7]과 같이 제시되었다.
[수학식 7]
Figure 112014045731548-pat00006
여기서, v ∞ 는 주변의 교란되지 않은 기지(11) 유체의 속도, Ω는 미립자(12)의 가속도, K T 는 미립자(12)의 형상에 관계된 수치 해석적 계수이다.
상술한 바와 같이 불균일 전기장 내에서의 미립자(12)들의 재배열은 두 가지 영향에 의해서 이루어지며, 유전영동(Dielectrophoresis)과 토오크 때문인데, 점성 미립자유체(10) 속에 포함된 미립자(12)의 동적특성은 전기장에 의해 유기된 힘 F ( e ) 와 점성드래그(Viscous Drag, F ( v) ) 의 균형 F ( e ) + F ( v ) = 0에 의해서 결정된다. 반경 r 의 구형 미립자(12)가 작용된 전기장의 방향과 같은 방향에 놓여있고, 함유 미립자(12)들의 중간점 간의 거리를 l 이라고 가정하면, 그 운동방정식은 매우 단순한 형태로 표현된다.
[수학식 8]
Figure 112014045731548-pat00007
만약 상기와 같은 [수학식 8]이 포함된 미립자(12)의 임의의 주어진 형상에 대하여, 전기장 내의 각각의 미립자(12)들이 그 지름과 같은 거리를 이동한다고 가정함으로써 해석적으로 혹은 수치적으로 계산되어질 수 있다면, 이러한 미립자(12)들이 움직여서 형성하는 체인형태로 만드는데 걸리는 시간을 알 수 있다. [수학식 8]로부터 위치변환에 걸리는 시간은 유체의 점성(η (Pa.s) )과 전기장 E(V / m) 에 비례한다.
[수학식 9]
Figure 112014045731548-pat00008
상기와 같은 [수학식 9]는 어떤 주어진 시스템에 대해서도 기지(11)에 포함된 미립자(12)들이 체인을 형성하는데 걸리는 시간을 예측하는데 사용될 수 있다. 미립자유체(10)에 함유된 원통형의 미립자(12) 및 판형의 미립자(12)에 작용하는 토오크는 필드에 의한 토오크 T ( e ) 와 기지(11) 유체에 의한 반대방향의 점성 드래그 T ( v ) 이다. 전기장과 점성 토오크의 상대적 균형으로부터 유도장에 의해서 섬유를 회전시키기 위한 시간을 예측할 수 있다.
[수학식 10]
T ( e ) + T ( v ) = 0
[수학식 7]을 활용하여, 관성력을 무시한 미분형 운동방정식은 아래의 [수학식 11]과 같다.
[수학식 11]
Figure 112014045731548-pat00009
이 수식은 어떠한 주어진 입자의 형상이나 모양에 대해서도 해석적으로나 수식적으로 풀릴 수 있다. 그러나 함유 입자를 회전시키기 위해서 필요한 시간예측이 정확하게 이루어져야 된다. 먼저 원통형 형태의 미립자(12)를 생각해 보면, 평균적인 회전각도는 π / 4 라디안 정도 수준이다. 그러면 미분방정식의 해는 대략적으로 아래의 [수학식 12]와 같이 근사화 된다.
[수학식 12]
Figure 112014045731548-pat00010
비슷한 방법으로 아래의 [수학식 13]과 같이 박판 입자(flake-like)에 대해서도 회전시키는데 필요한 시간을 예측 할 수 있다. 여기서 λ 는 박편의 두께와 직경의 비 이다.
[수학식 13]
Figure 112014045731548-pat00011
상술한 바와 같은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노복합재 제조장치(100)의 각 구성 및 기능에 의해, 전기장에 의해 미립자(12)가 재배열되는 재배열 영역(R)이 형성되도록 소정의 전극패턴이 구비되어, 인가되는 고전압에 의해 상기 재배열 영역(R)에 포함된 미립자(12)가 전기장에 의해 재배열되므로, 상기 전극패턴 구조에 따라 국부 강성, 열전달, 전도성, 비전도성 및 방사선 차폐 등과 같이 용이하게 국부적인 물성치를 변화시킬 수 있다.
또한, 상기 재배열 영역(R)이 형성되도록 소정의 전극패턴 구조를 갖는 전극부(130)의 전극(130a,130b,130c,130d)의 상,하의 수직적 배치 상태 또는 좌,우의 수평적 배치 상태에 따라 직상향, 직하향, 사선 방향 또는 아치 형상의 전기장을 형성할 수 있으므로, 상기 전기장의 방향에 따라 미립자(12)의 재배열되는 방향성, 분포형태 등이 다양한 나노복합재를 제조할 수 있다.
더불어, 전극부(130)에 고전압을 공급하는 고전압 공급부(140)와 신호연결되되, 베이스부(120)의 수용공간에 수용되는 미립자유체(10)별로 미립자(12)를 재배열하기 위해 전극부(130)에 인가되는 고전압의 크기 및 인가되는 인가시간에 대한 데이터가 구분되어 저장된 제어부(150)를 통해, 사용자 입력신호에 따라 고전압의 크기 및 인가시간을 선택적으로 조절된 고전압을 전극부(130)에 공급 제어할 수 있으므로 사용자의 편의가 극대화되며, 제조된 나노복합재의 안정적인 미립자 재배열을 구현할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10...미립자유체 11...기지
12...미립자 100...나노복합재 제조장치
110...기밀챔버 120...베이스부
130...전극부 140...고전압 공급부
150...제어부 160...사용자 입력부

Claims (11)

  1. 점도 및 유전율을 갖는 기지(11)와, 마이크로 또는 나노 크기를 갖는 미립자(12)가 일정비율로 혼합된 미립자유체(10)에 전기장을 인가하여 방향성을 갖는 미립자 재배열의 구조로 구비된 나노복합재를 제조하기 위한 나노복합재 제조장치에 있어서,
    상기 미립자유체(10)를 수용하기 위한 수용공간을 제공하며, 비전도성 재질로 형성된 베이스부(120);
    상기 베이스부(120)의 수용공간 내에 배치되고, 인가되는 전압에 의해 전기장을 형성하며, 전극패턴 구조로 이루어져 상기 미립자유체(10) 내에 전기장에 의해 미립자(12)가 재배열되는 재배열 영역(R)을 형성하는 전극부(130); 및
    상기 전극부(130)와 전기적으로 연결되며, 상기 재배열 영역(R)에 배치된 미립자(12)가 전기장에 의해 재배열되도록 전압을 공급하는 전압 공급부(140);를 포함하되,
    상기 전극부(130)는,
    상기 베이스부(120)의 수용공간 내에서 상하로 매칭되어 배치되는 제1전극(130a)과 제2전극(130b)을 포함하여 구비되며, 상기 전압 공급부(140)로부터 공급되는 전압에 의해 상기 제1전극(130a)과 제2전극(130b) 사이에는 제1전극(130a)에서 제2전극(130b)으로 하향하는 전기장 또는 제2전극(130b)에서 제1전극(130a)으로 상향하는 전기장을 형성하고,
    상기 제1전극(130a)과 제2전극(130b)은 상하 위치에 각각 배치되되, 상기 제1전극(130a)과 제2전극(130b)은 서로 다른 수직라인 상에 배치되어 사선방향을 향해는 전기장을 형성하는 것을 특징으로 하는 나노복합재 제조장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 베이스부(120) 및 전극부(130)를 둘러싸는 형태로 배치되어 상기 베이스부(120) 및 전극부(130)를 외부로부터 기밀시키는 기밀챔버(110);를 더 포함하는 나노복합재 제조장치.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제1전극(130a)과 제2전극(130b)은 상호 대향하는 상하 위치에 각각 배치되어 직하향 또는 직상향하는 전기장을 형성하는 것을 특징으로 하는 나노복합재 제조장치.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 전극부(130)는, 상기 베이스부(120)의 수용공간 내에서 수평방향으로 인접 배치되는 제3전극(130c)과 제4전극(130d)을 포함하여 구비되며, 상기 전압 공급부(140)로부터 공급되는 전압에 의해 상기 제3전극(130c)과 제4전극(130d) 사이에는 아치 형상의 전기장이 형성되는 것을 특징으로 하는 나노복합재 제조장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 전압 공급부(140)는,
    가변 주파수를 발진하는 신호발생기(141)와,
    설정된 전압의 크기로 인가전압을 증폭하는 전압 증폭기(142) 및,
    상기 전극부(130)에 인가되는 전압의 파형을 화면상에 표시하는 전압표시부(143)를 포함하여 구비되는 것을 특징으로 하는 나노복합재 제조장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 미립자(12)는, 알루미나(Al2O3), 탄소나노튜브(CNT), 카본(Carbon), 그라파이트(Graphite), 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 철(Fe), 유리(Glass), 납(Pb), 중 어느 하나의 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노복합재 제조장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 미립자(12)는, 나노 또는 마이크로의 크기로 이루어지며, 구형(Sphere), 판형(Disk) 또는, 원통형(Cylinder) 중 어느 하나의 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 나노복합재 제조장치.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 기지(11)는 에폭시 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노복합재 제조장치.
  11. 제 1항, 제 2항, 제 4항, 및 제 6항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전압 공급부(140)와 신호연결되되, 상기 베이스부(120)의 수용공간에 수용되는 미립자유체(10)별로 미립자(12)를 재배열하기 위해 전극부(130)에 인가되는 전압의 크기 및 인가되는 인가시간에 대한 데이터가 구분되어 저장되며,
    사용자 입력신호에 따라 상기 전압의 크기 및 인가시간이 선택되어 상기 미립자(12)가 전기장에 의해 재배열되도록 전압 공급을 제어하는 제어부(150);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노복합재 제조장치.
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