KR102676171B1 - 자기유변유체의 특성 평가 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자기유변유체의 특성 평가 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 자기유변유체의 특성 평가 방법은 분산매체 및 자성입자를 포함하는 포함하는 자기유변유체(Magnetic Rheological Fluid)의 특성 평가 방법으로서, (a) 자기유변유체가 채워진 용기 또는 자기유변유체가 흐르는 유로를 준비하는 단계; (b) 코일부의 중공 영역에 상기 용기 또는 상기 유로가 위치하도록 상기 코일부를 배치하는 단계; 및 (c) 상기 코일부를 통해 상기 자기유변유체에 대한 임피던스 신호 또는 인덕턴스 신호를 측정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

자기유변유체의 특성 평가 방법 {CHARACTERISTIC EVALUATION METHOD OF MAGNETO RHEOLOGICAL FLUID}
본 발명은 자기유변유체의 특성 평가 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 자기유변유체에 대해 임피던스 신호 또는 인덕턴스 신호를 측정하여 자성입자의 함량, 농도, 침강도, 분산의 균일도 등의 특성을 평가하는 자기유변유체의 특성 평가 방법에 관한 것이다.
자기유변유체(Magneto Rheological Fluid, MRF)는 기름이나 물과 같은 분산매체에 자기장에 민감한 마이크로 크기의 미세 자성입자(Magnetic particle)가 혼합된 현탁액으로 외부 자기장의 인가에 의해서 유동 특성이 실시간으로 제어될 수 있는 스마트 재료의 하나이다.
이러한 자기유변유체는 외부 자기장에 따라 유변학적 거동과 전기적, 열적, 기계적 물성이 달라지는 자기유변현상을 나타낸다. 일반적으로 자기유변유체는 외부 자기장이 인가되지 않을 때 뉴톤 유체(Newtonian fluid) 성질을 띄지만 외부 자기장이 인가되면 그 내부의 자성입자가 인가된 자기장의 방향으로 체인 구조를 형성하여 유체의 흐름을 방해하는 전단력이나 유동에 대한 저항력을 가지게 되고 전단변형률이 없어도 일정한 항복응력을 발생시키는 빙엄(Bingham) 유체의 성질을 띄게 된다.
자기유변유체는 유동에 대한 저항력, 빠른 응답속도, 가역적인 특성을 가지므로, 댐퍼와 같은 진동 제어 장치, 자동차의 클러치, 브레이크, 햅틱 장치 등의 여러 산업분야에 적용 가능성이 높다.
자기유변유체가 효과적으로 활용되기 위해서는 높은 항복응력을 보유하여야 하며, 자기장이 인가된 후 다시 제거될 때 원래의 상태로 신속하게 회복될 수 있도록 유체의 점도가 충분히 낮아야 하며, 그 내부의 자성입자가 분산매체 내에 균일하게 분포하여야 한다.
그러나 자기유변유체를 구성하는 자성입자의 밀도(예를 들어, 철 입자의 Tap Density 3.9~4.1g/cm3)가 분산매체의 밀도(예를 들어, 실리콘 오일의 경우 상온에서 약 0.8~1.0/cm3)에 비하여 매우 크기 때문에 자성입자가 분산매체 내에서 중력에 의해 침전하게 되고 이로 인해 자기유변유체의 분산안정성이 저하되는 문제가 있다. 이에 사용자가 자기유변유체를 사용할 때 용기 내에 침강되어 분리된 자성입자와 분산매체를 재혼합하거나 재분산해야 하는 불편함을 겪게 되며, 재혼합/재분산 과정에서 자기유변유체의 물성이 변하게 될 수도 있게 된다.
또한, 사용자는 자기유변유체를 사용 전에 용기 내에 자성입자의 농도, 침강도 등의 자기유변유체의 특성을 파악할 필요가 있다. 종래에는 자기유변유체의 외부에서 LCR meter를 통해 신호를 측정한 바 있으나, 이 방법으로 측정한 신호는 세기가 낮아 특성 평가를 정확히 할 수 없는 한계가 있었다. 특성 평가를 정확히 하지 못한 채 자성입자와 분산매체를 재혼합/재분산하는 경우 불필요한 공정을 더 수행하기 때문에 경제성 면에서 좋지 않고, 추가 공정으로 인한 자기유변유체의 물성이 변화되는 문제가 생길 수 있다. 이에 자기유변유체의 특성을 정확히 평가할 수 있는 연구가 필요한 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 자기유변유체의 특성을 정확하게 평가할 수 있는 자기유변유체의 특성 평가 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 자기유변유체의 자성입자의 함량, 농도, 침강도, 분산의 균일도 등을 간단한 방법으로 측정할 수 있는 자기유변유체의 특성 평가 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 자성입자가 침강된 자기유변유체에 대해 최소한의 재혼합/재분산만을 수행하여 자기유변유체를 사용할 수 있도록 하는 자기유변유체의 특성 평가 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 상기의 목적은, 분산매체 및 자성입자를 포함하는 자기유변유체(Magnetic Rheological Fluid)의 특성 평가 방법으로서, (a) 자기유변유체가 채워진 용기 또는 자기유변유체가 흐르는 유로를 준비하는 단계; (b) 코일부의 중공 영역에 상기 용기 또는 상기 유로가 위치하도록 상기 코일부를 배치하는 단계; 및 (c) 상기 코일부를 통해 자기유변유체에 대한 임피던스 신호 또는 인덕턴스 신호를 측정하는 단계;를 포함하는, 자기유변유체의 특성 평가 방법에 의해 달성된다.
그리고, 본 발명의 상기의 목적은, 분산매체 및 자성입자를 포함하는 자기유변유체(Magnetic Rheological Fluid)의 특성 평가 방법으로서, (a) 자기유변유체가 채워진 용기 또는 자기유변유체가 흐르는 유로를 준비하는 단계; (b) 코일부가 내부에 배치되거나, 외부에 연결된 측정부를 준비하는 단계; (c) 상기 코일부를 상기 자기유변유체에 침지하는 단계; 및 (d) 상기 코일부를 통해 자기유변유체에 대한 임피던스 신호 또는 인덕턴스 신호를 측정하는 단계;를 포함하는, 자기유변유체의 특성 평가 방법에 의해 달성된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 용기 또는 유로가 형성되는 관은 비자성 또는 비전도성 재질일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 측정부의 케이스는 비자성 또는 비전도성 재질일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 코일부의 중공 영역에 상기 용기 또는 상기 유로가 위치하는 경우가, 상기 코일부의 외주 영역에 상기 용기 또는 유로가 위치하는 경우보다 상기 임피던스 신호 또는 인덕턴스 신호의 크기가 10배보다 크게 측정될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자기유변유체의 상기 자성입자의 함량이 커질수록, 상기 코일부의 중공 영역에 상기 용기 또는 유로가 위치하는 경우가 상기 코일부의 외주 영역에 상기 용기 또는 유로가 위치하는 경우보다 상기 임피던스 신호 또는 인덕턴스 신호의 차이가 더 커질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 코일부를 상기 자기유변유체에 침지한 경우가, 상기 코일부의 외주 영역에 상기 용기 또는 상기 유로가 위치하는 경우보다 상기 임피던스 신호 또는 상기 인덕턴스 신호의 크기가 10배보다 크게 측정될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자기유변유체의 상기 자성입자의 함량이 커질수록, 상기 코일부를 상기 자기유변유체에 침지한 경우가 상기 코일부의 외주 영역에 상기 용기 또는 상기 유로가 위치하는 경우보다 상기 임피던스 신호 또는 상기 인덕턴스 신호의 차이가 더 커질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자기유변유체가 채워진 용기의 높이 별로 상기 코일부를 통해 상기 자기유변유체에 대한 임피던스 신호 또는 인덕턴스 신호를 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 용기에서 (1) 제1 위치에서 측정한 제1 임피던스 신호와 상기 제1 위치보다 높은 제2 위치에서 측정한 제2 임피던스 신호의 차이, 또는, (2) 제1 위치에서 측정한 제1 인덕턴스 신호와 상기 제1 위치보다 높은 제2 위치에서 측정한 제2 인덕턴스 신호의 차이로 상기 자기유변유체의 침강도를 산출할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기준 시점으로부터 시간이 경과할수록 상기 제1 임피던스 신호와 상기 제2 임피던스 신호의 차이, 또는, 상기 제1 인덕턴스 신호와 상기 제2 인덕턴스 신호의 차이가 커질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기준 시점으로부터 시간이 경과할수록 (1) 상기 제1 임피던스 신호는 커지고 상기 제2 임피던스 신호는 작아지거나, (2) 상기 제1 인덕턴스 신호는 커지고 상기 제2 인덕턴스 신호는 작아질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 코일부를 통해 상기 자기유변유체에 대한 상기 임피던스 신호 또는 상기 인덕턴스 신호를 측정하여, 상기 자기유변유체의 자성입자 농도를 산출할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 용기의 수직 방향을 따라 상호 이격된 복수의 상기 코일부를 준비하고, 적어도 두개의 상기 코일부의 중공 영역에 상기 용기를 배치할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 측정부는 상기 용기의 수직 방향을 따라 상호 이격되도록 배치되는 복수의 상기 코일부를 포함하고, 상기 측정부의 적어도 두개의 상기 코일부의 높이가 상기 자기유변유체의 최상단보다 낮게 위치하도록 상기 측정부를 상기 자기유변유체에 침지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자기유변유체가 채워진 용기의 특정한 지점에서 적어도 두 시점에 상기 코일부를 통해 자기유변유체에 대한 임피던스 신호 또는 인덕턴스 신호를 측정할 수 있다.또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 코일부를 통한 상기 자기유변유체에 대한 임피던스 신호 또는 인덕턴스 신호를 측정하는 단계는, (1) 상기 용기 또는 상기 유로의 적어도 두 지점 또는 적어도 두 시점에서 상기 임피던스 신호 또는 상기 인덕턴스 신호를 측정하는 단계; (2) 상기 적어도 두 지점 또는 적어도 두 시점에서 측정된 상기 임피던스 신호 또는 상기 인덕턴스 신호의 차이가 설정 기준값보다 큰지 판단하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 코일부를 통한 상기 자기유변유체에 대한 임피던스 신호 또는 인덕턴스 신호를 측정하는 단계는, (1) 상기 용기 또는 상기 유로의 적어도 두 지점 또는 적어도 두 시점에서 상기 임피던스 신호 또는 상기 인덕턴스 신호를 측정하는 단계; (2) 상기 적어도 두 지점 또는 두 시점에서 측정된 상기 임피던스 신호 또는 상기 인덕턴스 신호가 각각 미리 설정된 기준값 범위 내인지 판단하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 적어도 두 지점 또는 적어도 두 시점에서 측정된 상기 임피던스 신호 또는 상기 인덕턴스 신호의 차이가 설정 기준값보다 크면, 상기 자기유변유체의 분산을 더 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 적어도 두 지점 또는 적어도 두 시점에서 측정된 상기 임피던스 신호 또는 상기 인덕턴스 신호의 차이가 설정 기준값과 동일하거나 적게 나타나는 조건에서 상기 자기유변유체를 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 적어도 두 지점 또는 적어도 두 시점에서 측정된 상기 임피던스 신호 또는 상기 인덕턴스 신호의 차이가 각각 미리 설정된 기준값 범위 밖이면, 상기 자기유변유체의 분산을 더 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 적어도 두 지점 또는 적어도 두 시점에서 측정된 상기 임피던스 신호 또는 상기 인덕턴스 신호의 차이가 각각 미리 설정된 기준값 범위 내에서 상기 자기유변유체를 사용할 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따르면, 자기유변유체의 특성을 정확하게 평가할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 자기유변유체의 자성입자의 함량, 농도, 침강도, 분산의 균일도 등을 간단한 방법으로 측정할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 자성입자가 침강된 자기유변유체에 대해 최소한의 재혼합/재분산만을 수행하여 자기유변유체를 사용할 수 있는 효과가 있다.
물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기유변유체의 특성 평가 방법을 나타내는 개략도이다.
도 2는 도 1의 (1)과 (2) 방법에 따른 샘플들의 임피던스 값을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기유변유체의 특성 평가 방법을 나타내는 개략도이다.
도 4는 도 3의 (3)과 (4) 방법에 따른 샘플들의 임피던스 값을 나타내는 그래프이다.
도 5는 도 1의 (1)과 (2) 방법에 따른 샘플들의 주파수 변화에 대한 임피던스 값을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 샘플들의 주파수 변화에 대한 임피던스 값과 인덕턴스 값을 비교한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 측정부를 나타내는 개략도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 침강 샘플의 측정 높이에 대한 임피던스 변화값을 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 1개월, 2개월, 24개월 침강 샘플의 측정 높이에 대한 임피던스 변화값을 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성입자 함량에 대한 임피던스 값을 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성입자 함량에 대한 포화자화 값을 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기유변유체의 자성입자 종류에 대한 임피던스 값을 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기유변유체의 자성입자 농도를 판별하는 과정을 나타내는 개략도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기유변유체의 자성입자 농도를 판별하는 과정을 나타내는 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기유변유체의 분산의 균일 정도를 판별함으로써 제조공정의 완료시점 판단, 침강 또는 재분산성 품질관리, 주입 등 사용을 위한 과정을 나타내는 개략도이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기유변유체가 흐르는 유로에서 자기유변유체의 특성 평가 방법을 나타내는 개략도이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기유변유체의 재분산성을 평과하는 과정을 나타내는 개략도이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기유변유체 댐퍼를 나타내는 개략도이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기유변유체 시스템의 동작 과정을 나타내는 개략도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 자기유변유체(Magnetic Rheological Fluid)는 외부 자기장에 따라 액상과 고상 간에 변환되거나 액상과 고상이 혼합된 상을 가질 수 있다. 자기유변유체에 포함된 자성입자는 외부 자기장에 따라 체인을 형성할 수 있으며 이에 따라 고체와 유사한 특성을 나타낼 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 자기유변유체는 분산매체, 분산매체에 분산된 자성입자를 포함할 수 있고, 요변제(Thixotropic Agent), 첨가제 등을 더 혼합하여 포함할 수 있다
분산매체는 자성입자가 분산되어 현탁액을 형성하도록 하는 물질로 극성 혹은 비극성인 성질을 가지며 최대한의 자기유변효과를 위하여 점도가 낮은 것이 바람직하다.
일 예로, 분산매체는 실리콘 오일, 미네랄 오일, 파라핀 오일, 콘 오일, 탄화수소 오일, 캐스터 오일, 진공 오일, 천연 오일로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나일 수 있다. 또한, 분산매체는 40℃ 동점도가 약 5 ~ 300 mm2/s 범위일 수 있다. 동점도가 이보다 낮으면 침전성을 저하시키는 문제가 있으며, 이보다 높으면 유동성이 저하되는 문제가 나타날 수 있으므로, 상기 범위 내에서 포함되는 것이 바람직하다.
자성입자는 철, 카보닐철(Carbonyl iron), 철 합금체, 산화철, 질화철, 카바이드철, 저탄소강, 니켈, 코발트 및 이들의 혼합물 또는 이들의 합금에서 적어도 하나 선택될 수 있다. 자성입자의 평균 입경은 약 1 ~ 100㎛일 수 있다. 또한, 자성입자는 무코팅 자성입자 또는 유기수지 또는 무기물로 코팅시킨 자성입자일 수 있다.
일 예로, 자성입자는 자기유변유체에서 약 65 ~ 85 wt%의 함량으로 포함될 수 있다. 자성입자가 이보다 적은 함량으로 포함되면 전단응력이 저하되는 문제가 나타날 수 있고, 이보다 많은 함량으로 포함되면 유동성의 문제가 나타날 수 있으므로, 상기 범위 내에서 포함되는 것이 바람직하다.
요변제는 자기유변유체에 혼합, 분산됨에 따라 자기유변유체가 요변성(Thixotropy)을 나타나게 하는 공지의 요변제를 사용할 수 있다.
이 외에, 자기유변유체는 통상적인 첨가제로서 분산제, 내마찰제, 산화방지제, 부식방지제 등을 더 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기유변유체의 특성 평가 방법을 나타내는 개략도이다. 도 1의 (1)은 본 발명의 실시예, (2)는 비교예에 따른 자기유변유체의 특성 평가 방법을 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기유변유체의 특성 평가 방법은, (a) 자기유변유체(20)가 채워진 용기(10)를 준비하는 단계, (b) 코일부(30)의 중공 영역(35)에 용기(10)가 위치하도록 코일부(30)를 배치하는 단계, (c) 코일부(30)를 통해 자기유변유체에 대한 임피던스 신호 또는 인덕턴스 신호를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
도 1의 (1)을 참조하면, 먼저, 자기유변유체(20)가 채워진 용기(10)를 준비할 수 있다. 용기(10)는 자기유변유체(20)를 구성하는 분산매체, 자성입자 등을 수용할 수 있는 재질, 형태를 채용할 수 있다. 예를 들어, 자기유변유체(20)의 밀도가 크기 때문에 많은 양의 자기유변유체(20)를 수용하려면 강성도가 높은 재질을 사용할 수 있으며, 바림직하게는 비자성, 비전도성 재질을 사용할 수 있다. 상대적으로 적은 양의 자기유변유체(20)의 수용을 위해서는 유리, 플라스틱 등의 재질을 사용할 수도 있다. 용기(10)는 코일부(30)의 중공 영역(35)에 위치할 수 있도록 통 형태일 수 있고, 원통 형태인 것이 바람직하다. 용기(10)가 원통 형태이고, 코일부(30)의 중공 영역(35)과 동축을 가지도록 배치될 때, 코일부(30)에서 인가하는 전류 등 전기 신호가 자기유변유체(20)가 채워진 용기(10)에 보다 균일하게 작용할 수 있다.
다음으로, 코일부(30)의 중공 영역(35)에 용기(10)가 위치하도록 코일부(30)를 배치할 수 있다. 이는 고정된 위치의 용기(10)에 코일부(30)를 이동시켜 배치하거나, 반대로 고정된 위치의 코일부(30)에 용기(10)를 이동시켜 배치하는 것을 포함한다. 용기(10)가 중공 영역(35) 내 위치할 수 있도록 코일부(30)의 중공 영역(35)의 형태는 용기(10)의 외주 형태보다 크거나 동일한 것이 바람직하다.
중공 영역(35)의 위치는 용기(10) 내에 채워진 자기유변유체(20)에 대응할 수 있다. 다시 말해, 코일부(30)가 자기유변유체(20)의 더 큰 임피던스 신호를 측정할 수 있도록, 자기유변유체(20)가 채워진 용기(10)의 높이 범위 내에 코일부(30)의 중공 영역(35)이 위치되는 것이 바람직하다.
다음으로, 코일부(30)를 통해 자기유변유체에 대한 임피던스 신호 또는 인덕턴스 신호를 측정할 수 있다. 코일부(30)의 코일 도선은 실질적으로 RLC 회로에 대응할 수 있다. 코일부(30)에 전류 등 전기 신호가 인가될 때 코일부(30) 주변의 자기유변유체(20) 내의 자성입자와의 상호 작용에 의해 전기 신호의 변화가 발생할 수 있다. 이 전기 신호의 변화는 코일부(30)와 자기유변유체(20)의 상호 작용에 의한 임피던스 또는 인덕턴스 변화에 대응할 수 있다. 코일부(30)의 코일 도선 양단에 신호 측정기(미도시)를 연결하여 임피던스 신호 또는 인덕턴스 신호를 측정할 수 있다.
임피던스 신호 또는 인덕턴스 신호는 자기유변유체(20) 내의 특정 위치에 분산된 자성입자의 양에 대응할 수 있다. 코일부(30)를 자기유변유체(20)의 어느 위치에 두는지 여부에 따라 임피던스 신호 또는 인덕턴스 신호가 다르게 나타날 수 있다. 본 발명은 코일부(30)에서 측정된 임피던스 또는 인덕턴스 신호를 기초로 코일부(30)에 인접한 위치에서의 자기유변유체(20)의 자성입자의 양을 예측하는 것을 특징으로 한다. 특히, 자기유변유체(20)의 용기(10) 내에서의 높이에 따른 임피던스 신호 또는 인덕턴스 신호는 해당 높이에서의 자성입자의 양을 산출하는데 사용할 수 있고, 자기유변유체(20)의 전체 높이 중 적어도 두 지점에서의 자성입자의 양을 산출하면 용기(10) 내의 자기유변유체(20)의 침강된 정도를 판단할 수 있게 된다. 침강도(Sedimentation rate) S는, S(vol%)=100-[(△S)/(h)]X100 [△S는 용기에 자기유변유체를 채우고 일정 시간 후 상등액(자기유변유체에서 자성입자가 침강에 의해 층 분리된 경우 상단부 층을 의미함)의 높이, h는 실린더에 자기유변유체를 채운 초기 높이]로 나타낼 수 있다.
한편, 코일부(30)의 중공 영역(35)에 용기(10)를 배치할 때, 용기(10)는 비자성, 비전도성 재질인 것이 바람직하게 고려된다. 용기(10)가 자성 또는 전도성 재질이면 코일부(30)에서 자기유변유체(20)와 상호 작용하여 임피던스 신호 또는 인덕턴스 신호가 측정될 때 측정값에 용기(10)와의 상호 작용에 의한 노이즈가 포함될 수 있으므로, 이를 배제하기 위해 비자성, 비전도성 재질의 용기(10)를 사용할 수 있다.
도 1의 (2)를 참조하면, 비교예에 따른 자기유변유체의 특성 평가 방법에서는 코일부(30)를 용기(10)의 외측에 배치한다. 다시 말해, 코일부(30)의 중공 영역(35)에 용기(10)가 위치하지 않는 형태이다.
도 2는 도 1의 (1)과 (2) 방법에 따른 샘플들의 임피던스 값을 나타내는 그래프이다.
일 실시예에 따라, 샘플 A, B, C에 대해 10 kHz의 전기 신호를 코일부(30)에 인가하여 임피던스의 변화값을 측정하였다. 임피던스 변화값은 코일부(30)의 주변에 측정 대상체가 없는 상태(또는, 대기 중 측정 상태)의 임피던스 값을 초기값으로 하고, 코일부(30)의 주변에 측정 대상체를 배치한 후 측정한 임피던스 값의 차이를 나타낸다. 샘플 A, B, C는 자성입자의 함량이 각각 72wt%, 80wt%, 85wt%인 자기유변유체이다. 코일부(30)를 계속 용기(10)의 동일한 높이에 두고, 도 1의 (1)처럼 코일부(30)의 내부[또는, 중공 영역(35)]에 용기(10)를 배치한 경우 및 도 1의 (2)처럼 코일부(30)의 외부[또는, 외주 영역]에 용기(10)를 배치한 경우에 대해서 각각 임피던스의 변화값을 측정하였다.
도 2를 참조하면, 코일부(30)의 내부[또는, 중공 영역(35)]에 용기(10)를 배치한 도 1의 (1)의 경우가 임피던스의 변화값이 현저히 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 자성입자의 함량과 관계없이 모든 샘플에서 도 1의 (1)이 도 1의 (2)보다 임피던스 변화값이 현저히 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 도 1의 (1)이 도 1의 (2)보다 임피던스 신호의 크기가 10배 이상 크게 측정되었고, 약 25배 내지 80배 정도 크게 측정되었음을 확인할 수 있다. 도 1의 (2)의 방법은 임피던스 변화값이 작게 나타날 뿐만 아니라, 입자 함량이 가장 많은 샘플 C에서 샘플 A, B보다 적은 수치가 측정되어 오차가 발생할 가능성이 높은 문제가 있다.
위와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 자기유변유체의 특성 평가 방법은, 코일부(30)의 중공 영역(35)에 자기유변유체(20)가 배치된 상태로 임피던스 신호를 측정할 때 신호가 현저히 크게 측정됨으로써, 종래의 기술보다 훨씬 정확하고 쉽게 특성 평가가 가능한 효과가 나타난다.
또한, 샘플 A에서 샘플 C로 갈수록, 즉, 자기유변유체(20)의 자성입자의 함량이 커질수록 임피던스 변화값이 크게 측정된다. 그리고, 자기유변유체(20)의 자성입자의 함량이 커질수록, 도 1의 (1)의 경우가 도 1의 (2)의 경우보다 임피던스 신호의 차이가 더 커지는 것을 확인할 수 있다. 다시 말해, 자기유변유체(20)의 자성입자의 함량이 커질수록, 임피던스 변화값이 커지는 것을 확인할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기유변유체의 특성 평가 방법을 나타내는 개략도이다. 도 3의 (3)은 본 발명의 실시예, (4)는 비교예에 따른 자기유변유체의 특성 평가 방법을 나타낸다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 자기유변유체의 특성 평가 방법은, (a) 자기유변유체(20)가 채워진 용기(10)를 준비하는 단계, (b) 코일부(30)가 내부에 배치된 측정부(50)를 준비하는 단계, (c) 측정부(50)를 자기유변유체(20)에 침지하는 단계, 및 (d) 코일부(30)를 통해 자기유변유체에 대한 임피던스 신호 또는 인덕턴스 신호를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
도 3의 (3)을 참조하면, 먼저, 자기유변유체(20)가 채워진 용기(10)를 준비할 수 있다. 이는 도 1의 (1)에서 상술한 것과 동일하다.
다음으로, 코일부(30)가 내부에 배치된 측정부(50)를 준비할 수 있다. 측정부(50)는 용기(10)의 개방된 상부에서 진입하여 자기유변유체(20)에 적어도 일부가 침지되는 구성이다. 측정부(50)는 용기(10)의 높이보다 긴 길이를 가지거나 적어도 동일한 길이를 갖는 것이 바람직하다. 측정부(50)는 코일부(30)가 배치될 수 있도록 내부에 빈 공간을 가지는 관 형태일 수 있다. 측정부(50)가 자기유변유체(20)에 침지될 때, 코일부(30)에 자성입자들이 달라붙거나 응집되지 않도록 측정부(50)는 코일부(30)를 밀봉하는 형태를 가질 수 있다. 또는, 코일 케이스(40)가 코일부(30)를 둘러싸서 밀봉하고, 코일 케이스(40)가 측정부(50)에 연결된 형태를 가질 수도 있다.
다음으로, 측정부(50)를 자기유변유체(20)에 침지할 수 있다. 이는 측정부(50)에 포함된 코일부(30)가 적어도 자기유변유체(20)가 용기(10) 내에서 수용된 높이의 영역에 위치할 정도로 침지하는 것을 포함한다. 다시 말해, 코일부(30)가 자기유변유체(20)의 임피던스 신호 또는 인덕턴스 신호를 측정할 수 있도록, 자기유변유체(20)가 채워진 용기(10)의 높이 범위 내에 코일부(30)가 위치되어야 한다.
다음으로, 코일부(30)를 통해 자기유변유체에 대한 임피던스 신호 또는 인덕턴스 신호를 측정할 수 있다. 코일부(30)의 코일 도선 양단부는 측정부(50)의 공간을 통해 외부로 연장되고 신호 측정기(미도시)에 연결됨에 따라 임피던스 신호 또는 인덕턴스 신호를 측정할 수 있다.
임피던스 신호 또는 인덕턴스 신호는 자기유변유체(20) 내의 특정 위치에 분산된 자성입자의 양에 대응할 수 있다. 본 발명은 코일부(30)에서 측정된 임피던스 신호 또는 인덕턴스 신호를 기초로 코일부(30)에 인접한 위치에서의 자기유변유체(20)의 자성입자의 양을 예측하는 것을 특징으로 한다. 이는 도 1의 (1)에서 상술한 것과 동일하다.
한편, 측정부(50)를 자기유변유체에 침지할 때, 측정부(50)[또는, 코일 케이스(40)]는 비자성, 비전도성 재질인 것이 바람직하게 고려된다. 측정부(50)가 자성 또는 전도성 재질이면 코일부(30)에서 자기유변유체(20)와 상호 작용하여 임피던스 신호 또는 인덕턴스 신호가 측정될 때 측정값에 측정부(50)와의 상호 작용에 의한 노이즈가 포함될 수 있으므로, 이를 배제하기 위해 비자성, 비전도성 재질의 측정부(50)를 사용할 수 있다.
도 4는 도 3의 (3)과 (4) 방법에 따른 샘플들의 임피던스 값을 나타내는 그래프이다.
일 실시예에 따라, 샘플 1, 2, 3에 대해 1 kHz의 전기 신호를 코일부(30)에 인가하여 임피던스의 변화값을 측정하였다. 샘플 1, 2, 3은 자성입자의 함량이 각각 30wt%, 70wt%, 90wt%인 자기유변유체이다. 코일부(30)를 계속 용기(10)의 동일한 높이에 두고, 도 3의 (3)처럼 코일부(30)를 용기(10)의 내부[또는, 자기유변유체(20) 내부]에 배치한 경우 및 도 3의 (3)처럼 코일부(30)를 용기(10)의 외부[또는, 자기유변유체(20) 외부]에 배치한 경우에 대해서 임피던스의 변화값을 측정하였다.
도 4를 참조하면, 코일부(30)를 용기(10)의 내부[또는, 자기유변유체(20) 내부]에 배치한 도 3의 (3)의 경우가 임피던스의 변화값이 현저히 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 자성입자의 함량과 관계없이 모든 샘플에서 도 3의 (3)이 도 3의 (4)보다 임피던스 변화값이 현저히 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 도 3의 (4)에서는 임피던스 변화값이 거의 0으로 나타난다. 도 3의 (4)의 방법은 임피던스 변화값이 매우 작게 나오기 때문에 측정이 어렵고, 측정을 하더라도 오차가 발생할 가능성이 높은 문제가 있다.
위와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기유변유체의 특성 평가 방법은, 코일부(30)의 중공 영역(35)에 자기유변유체(20)가 배치된 상태로 임피던스 신호를 측정할 때 신호가 현저히 크게 측정됨으로써, 훨씬 정확하고 쉽게 특성 평가가 가능한 효과가 나타난다.
도 5는 도 1의 (1)과 (2) 방법에 따른 샘플들의 주파수 변화에 대한 임피던스 값을 나타내는 그래프이다.
일 실시예에 따라, 샘플 A, B, C에 대해 각각 0.1 kHz, 1 kHz, 10 kHz의 전기 신호를 코일부(30)에 인가하여 임피던스의 변화값을 측정하였다. 샘플 A, B, C는 자성입자의 함량이 각각 72wt%, 80wt%, 85wt%인 자기유변유체이다. 도 5를 참조하면, 세 개의 그래프에서 코일부(30)의 내부[또는, 중공 영역(35)]에 용기(10)를 배치한 도 1의 (1)의 경우가 임피던스의 변화값이 현저히 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 1의 (1)의 경우에서는 샘플 A에서 샘플 C로 갈수록, 즉, 자기유변유체(20)의 자성입자의 함량이 커질수록 임피던스 변화값이 크게 측정되는 것을 확인할 수 있다. 이와 다르게, 도 1의 (2)의 경우는 자기유변유체(20)의 자성입자의 함량과 임피던스 변화값의 크기가 주파수에 따라 상이한 경향을 나타냈다. 도 1의 (2)의 경우는 임피던스 변화값이 작게 나타나기 때문에 오차가 크게 발생하여 결과가 일정한 경향을 나타내지 못한 것으로 보인다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 샘플들의 주파수 변화에 대한 임피던스 값과 인덕턴스 값을 비교한 그래프이다.
일 실시예에 따라, 샘플 A, B, C에 대해 각각 0.1 kHz, 1 kHz, 10 kHz의 전기 신호를 코일부(30)에 인가하여 임피던스 및 인덕턴스의 변화값을 측정하였다. 도 6을 참조하면, 세 개의 그래프에서 주파수 변화와 관계없이 임피던스의 변화값과 인덕턴스의 변화값의 경향성이 유사하거나 실질적으로 동일한 정도임을 확인할 수 있다. 이는, 임피던스의 변화값이 코일의 인덕턴스의 변화값에 대응하여 다른 임피던스 요소(저항, 커패시턴스)의 개입이 없음을 의미할 수 있다. 이를 고려하면, 본 명세서에서 임피던스의 변화값은 인덕턴스 변화값과 상호 대체가능한 것으로 이해될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 측정부를 나타내는 개략도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 측정부(50)는 코일부(30)를 포함하도록 제공될 수 있다. 코일부(30)는 하나 또는 복수가 측정부(50)에 연결되도록 제공될 수 있다. 도 7의 측정부(50)는 세 개의 코일부(30)가 상호 수직으로 이격되게 배치되어, 세 수직 높이에서 자기유변유체(20)의 임피던스 신호 또는 인덕턴스 신호를 동시에 측정할 수 있도록 제공된다. 다만, 코일부(30)의 개수와 위치는 이에 제한되지 않고 측정하고자 하는 위치에 따라 변경될 수 있다.
측정부(50)는 몸체를 구성하는 하우징(51)을 포함하고, 하우징(51)에 코일 케이스(40)가 연결될 수 있다. 도 3처럼 하우징(51) 내부에 코일 케이스(40)가 포함되는 것도 가능하다. 코일 케이스(40: 40a, 40b, 40c)는 코일부(30)에 대응하는 개수로 제공될 수 있다. 각각의 코일 케이스(40)는 코일부(30)가 수용되는 수용부(41) 및 수용부(41)를 커버하여 수용부(41) 내부 공간을 밀폐하는 커버부(45)를 포함할 수 있다. 코일 케이스(40)는 코일부(30)에서 측정하는 전기 신호에 대한 영향을 최소화하도록 비자성 또는 절연성 소재인 것이 바람직하다.
코일부(30)가 수용부(41)에 삽입되어 고정될 수 있다. 이때 코일부(30)의 중공 영역(35)이 수용부(41)에 맞춰서 삽입되도록 수용부(41)에도 개구부가 형성될 수 있다. 개구부는 커버부(45)에도 형성될 수 있다. 수용부(41) 내부에서 코일부(30) 주변에 코일 권선을 고정하기 위한 고무 재질 등의 몰딩이 더 형성될 수 있다.
코일부(30)의 코일 도선(52: 52a, 52b)은 측정부(50)의 하우징(51)을 따라 연장 형성되고, 신호 측정기(미도시)에 연결됨에 따라 임피던스 신호 또는 인덕턴스 신호를 측정할 수 있다.
하우징(51)의 그립부(53)가 형성되어 측정부(50)를 이동시키기 위한 손잡이로 사용될 수 있다. 하우징(51)의 하단에는 무게감이 있는 중량부(55)가 설치되어, 자기유변유체(10)에 측정부(50)[또는, 코일부(30)]를 침지한 경우 하우징(51)이 자기유변유체(10)의 부력에 의해 움직이는 것을 방지할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 침강 샘플의 측정 높이에 대한 임피던스 변화값을 나타내는 그래프이다.
용기(10)의 높이 별로 복수의 코일부(30)를 배치할 수 있다. 도 1의 (1)을 적용하면, 수직 방향으로 상호 이격된 세 개의 코일부(30)의 중공 영역(35) 내에 용기(10)를 배치할 수 있다. 도 3의 (3)을 적용하면, 측정부(50)에 수직 방향으로 상호 이격되도록 세 개의 코일부(30)를 배치하고, 측정부(50)를 자기유변유체(20)에 침지할 수 있다. 또는, 도 7의 측정부(50)를 자기유변유체(20)에 침지함에 따라 코일부(30)가 자기유변유체(20)에 침지되도록 할 수 있다. 코일부(30)의 높이는 자기유변유체(20)의 높이에 대응하도록 배치할 수 있다. 즉, 코일부(30)는 자기유변유체(20)의 최하단에서부터 최상단 사이의 높이에 배치할 수 있다.
일 예로, 자기유변유체(20)의 바닥을 0mm 기준으로 하고, 세 개의 코일부(30)를 사용하여 각 높이 별로 임피던스 변화값을 측정하였다. 약 40mm(제1 위치), 180mm(제2 위치), 320mm(제3 위치)의 높이에 코일부(30)를 배치하였다. 용기(10)에 1개월 동안 침강시킨 자기유변유체 샘플, 24개월 동안 침강시킨 자기유변유체 샘플을 채우고 임피던스 변화값을 측정하였다.
1개월 침강된 샘플은 제1, 2, 3 위치에서 임피던스 변화값이 각각 약 53, 49, 34 (Ω)으로 나타난다. 24개월 침강된 샘플은 제1, 2, 3 위치에서 임피던스 변화값이 각각 약 105, 28, 2 (Ω)으로 나타난다.
가장 낮은 위치인 제1 위치를 기준으로 비교하면 1개월 침강된 샘플보다 24개월 침강된 샘플의 임피던스 변화값이 현저히 크게 나타난다. 이는 시간이 경과함에 따라 24개월 침강된 샘플에서 보다 많은 자성입자들이 바닥 부분에 침강된 것을 의미한다. 제2 위치와 제3 위치를 기준으로 비교하면 1개월 침강된 샘플보다 24개월 침강된 샘플의 임피던스 변화값이 현저히 작게 나타난다. 이는 24개월 침강된 샘플은 바닥에서 상부로 갈수록 자성입자들이 존재하지 않는다는 것을 의미한다. 다시 말해, 자기유변유체에서 자성입자가 침강에 의해 층 분리된 상단부 층(상등액)의 두께가 시간이 지날수록 더 커졌음을 의미한다. 특히, 제3 위치에서 24개월 침강된 샘플의 임피던스 변화값은 약 2(Ω)로 자성입자가 거의 존재하지 않는 정도임을 확인할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 1개월, 2개월, 24개월 침강 샘플의 측정 높이에 대한 임피던스 변화값을 나타내는 그래프이다. 침강된 기간을 더 세분화하여 측정 높이에 대한 임피던스 변화값을 살펴보았다.
가장 낮은 위치인 제1 위치에서 1개월 침강된 샘플보다 2개월 침강된 샘플의 임피던스 변화값이 더 크게 나타난다. 반대로, 가장 높은 위치인 제3 위치에서 1개월 침강된 샘플보다 2개월 침강된 샘플의 임피던스 변화값이 더 작게 나타난다. 제2 위치에서는 임피던스 변화값의 차이가 거의 없는 상태이다. 제1 위치에서 오른쪽 화살표 방향으로 임피던스 변화값이 커지고, 제3 위치에서 왼쪽 화살표 방향으로 임피던스 변화값이 작아지도록 이동하는 것을 확인할 수 있다. 도 9의 오른쪽 그래프를 살펴보면 침강된 기간이 길어질수록 제1 위치, 제3 위치에서의 임피던스 변화값의 차이가 더 커지는 것을 확인할 수 있다.
침강이 전혀 되지 않고 자기유변유체의 모든 부분에서 자성 입자가 균일하게 혼합된 경우라면 제1, 2, 3 위치에서 임피던스 변화값이 동일할 수 있다. 즉, 제1, 2, 3 위치의 임피던스 변화값을 연결한 그래프의 기울기가 수직일 수 있다. 1개월 침강된 샘플은 아직 자성입자의 침강 정도가 크지 않아 제1, 2, 3 위치의 임피던스 변화값을 연결한 그래프의 기울기가 24개월 침강된 샘플보다 수직에 가까울 수 있다. 침강된 기간이 긴 샘플일수록, X축(임피던스 변화값), Y축 높이 그래프에서 임의의 두 높이 지점을 연결한 그래프의 기울기가 음의 값으로 커질 수 있다.
본 발명은 자기유변유체 샘플에 따른 침강 기간의 데이터를 기준 데이터로 설정하고, 각 높이 별로 측정한 임피던스 신호의 차이로 자기유변유체의 침강도를 산출할 수 있다. 일 예로, 제1 위치에서 측정한 제1 임피던스 신호와 제1 위치보다 높은 제2 위치에서 측정한 제2 임피던스 신호의 차이를 통해 침강도를 산출할 수 있다. 다른 예로, 제1 위치에서 측정한 제1 임피던스 변화값과 제1 위치보다 높은 제2 위치에서 측정한 제2 임피던스 변화값을 연결한 그래프의 기울기를 계산함에 따라 침강도 및 침강된 기간을 산출할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성입자 함량에 대한 임피던스 값을 나타내는 그래프이다.
일 실시예에 따라, 자기유변유체의 자성입자 함량을 10wt% ~ 90wt%로 변경하며 임피던스의 변화값을 측정하였다. 카보닐 철 분말(carbonyl iron powder, CIP)의 함량을 변경하고, 각각 0.1 kHz, 1 kHz, 10 kHz의 전기 신호를 코일부(30)에 인가하여 임피던스의 변화값을 측정하였다. 도 10을 참조하면, 세 개의 그래프에서 주파수 변화와 관계없이 자성입자 함량에 대한 임피던스 변화값의 경향성이 유사한 것을 확인할 수 있다. 따라서, 자성입자 함량에 대한 임피던스 변화값의 데이터를 기준 데이터로 설정하고, 임피던스 변화값을 측정함에 따라 자기유변유체 내의 자성입자 함량, 농도를 산출할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성입자 함량에 대한 포화자화 값을 나타내는 그래프이다. 도 11을 참조하면, 자성입자의 함량이 커질수록 포화자화 값이 비례하여 커지는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 임피던스 변화값을 측정함에 따라 자기유변유체 내의 자성입자 함량, 농도를 산출할 수 있고, 이를 통해 다시 포화자화 값도 손쉽게 산출할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기유변유체의 자성입자 종류에 대한 임피던스 값을 나타내는 그래프이다.
일 실시예에 따라, 자기유변유체의 자성입자 종류를 변경하며 임피던스의 변화값을 측정하였다. Group A, B, C, D는 동일한 재질이지만 상이한 입자 평균 크기를 가지는 입자군 α, β를 각각 다른 입자 분율로 포함하는 자기유변유체 샘플이다. 입자군 α와 입자군 β의 분율(wt%)은 Group A(75:25), Group B(100:0), Group C(0:100), Group D(50:50)이다. 입자군 α가 입자군 β보다 입자 평균 크기가 2배정도 크다.
도 12를 참조하면, 세 개의 그래프에서 주파수 변화와 관계없이 Group A, B, C, D의 임피던스 변화값의 경향성이 유사한 것을 확인할 수 있다. 본 발명의 자기유변유체 특성 평가 방법은 자성입자의 종류, 사이즈와 무관하며 자성입자의 함량, 농도만 임피던스 변화값에 영향을 주는 것을 의미할 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기유변유체의 자성입자 농도를 판별하는 과정을 나타내는 개략도이다. 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기유변유체의 자성입자 농도를 판별하는 과정을 나타내는 그래프이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기유변유체의 특성 평가 방법은, ① 자기유변유체의 임피던스 신호(임피던스 변화값)를 측정하는 단계(S11), ② 해당 임피던스 변화값에 대응하는 자성입자 농도를 판별하는 단계(S12)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 도 6에서 살펴본 바와 같이, 임피던스 변화값은 인덕턴스 변화값으로 대체 가능하므로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기유변유체의 특성 평가 방법은, ① 자기유변유체의 인덕턴스 신호(인덕턴스 변화값)를 측정하는 단계(S11), ② 해당 인덕턴스 변화값에 대응하는 자성입자 농도를 판별하는 단계(S12)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
S11(①) 단계에서, 코일부(30)의 중공 영역(35) 내에 용기(10)를 배치하거나, 코일부(30)가 포함된 측정부(50)를 자기유변유체(20)에 침지할 수 있다. 또는, 코일부(30)의 중공 영역을 통해서 자기유변유체(20)가 흐르도록 할 수 있다. 코일부(30)에 전류 등 전기 신호가 인가되어 인접하는 자기유변유체와 상호 작용하고, 코일부(30)의 코일 도선 양단부에서 외부로 연결된 신호 측정기(미도시)에서 임피던스 신호 또는 인덕턴스 신호를 측정할 수 있다.
다음으로, S12(②) 단계에서, 사전에 수집된 기준 데이터로부터 자성입자 농도를 판별할 수 있다. 도 14의 그래프에서 측정된 임피던스 변화값에 대응하는 자성입자 농도 값을 매칭하여 코일부(30)가 위치하는 자기유변유체(20) 부분에서의 자성입자 농도를 판별할 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기유변유체의 분산의 균일 정도를 판별함으로써 제조공정의 완료시점 판단, 침강 또는 재분산성 품질관리, 주입 등 사용을 위한 과정을 나타내는 개략도이다. 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기유변유체(20)가 흐르는 유로(10')에서 자기유변유체의 특성 평가 방법을 나타내는 개략도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기유변유체의 특성 평가 방법은, (1) 용기(10) 또는 유로(10')의 복수의 위치에서, 또는 특정한 지점의 적어도 두 시점에서 임피던스 신호 또는 인덕턴스 신호를 측정하는 단계(S21), (2) 임피던스 신호 또는 인덕턴스 신호의 차이가 설정 기준값에 해당하는지 여부를 판단하는 단계(S22)를 포함하고, 설정 기준값보다 크면 자기유변유체(20)의 분산을 더 수행(S23)하며, 설정 기준값과 동일하거나 적으면 자기유변유체(20)를 사용(S24)하는 것을 특징으로 한다.
S21 단계에서, 용기(10)의 적어도 두 높이에서 임피던스 신호 또는 인덕턴스 신호를 측정할 수 있다. 용기(10)의 적어도 두 높이 위치에 각각 코일부(30)의 중공 영역(35)을 위치시키거나, 측정부(50)를 자기유변유체(20)에 침지하여 적어도 두 높이 위치에 각각 코일부(30)를 위치시킬 수 있다. 각각 코일부(30)에 전류 등 전기 신호가 인가되어 인접하는 자기유변유체와 상호 작용하고, 각각의 코일부(30)의 코일 도선 양단부에서 외부로 연결된 신호 측정기(미도시)에서 임피던스 신호 또는 인덕턴스 신호를 측정할 수 있다.
또는, 유로(10')의 적어도 두 위치에서 임피던스 신호 또는 인덕턴스 신호를 측정할 수 있다. 유로(10')를 제공하는 관 역시 용기(10)처럼 비자성, 비전도성 재질인 것이 바람직하다. 유로(10')의 적어도 두 위치에 각각 코일부(30)의 중공 영역(35)을 위치시키거나, 코일부(30)를 유로(10')에 침지하여 두 위치에 각각 코일부(30)를 위치시킬 수 있다.
또는, 용기(10) 또는 유로(10')의 특정한 지점을 기준으로 하여, 적어도 두 시점에서 임피던스 신호 또는 인덕턴스 신호를 측정할 수 있다. 일 예로, t1, t2 등 복수의 시간에 대해 코일부(30)로부터 임피던스 또는 인덕턴스 신호를 측정할 수 있다.
다음으로, S22 단계에서, 임피던스 신호 또는 인덕턴스 신호의 차이, 즉, 임피던스 또는 인덕턴스의 변화값의 차이가 설정 기준값에 해당하는지 여부를 판단할 수 있다. 설정 기준값은 동일한 자성입자 함량을 가지는 자기유변유체로부터 사전에 수집된 기준 데이터에 대응할 수 있다. 예를 들어, 자기유변유체 최하단의 제1 위치에서 측정한 임피던스 또는 인덕턴스 변화값에 대하여 최상단의 제2 위치에서 측정한 임피던스 또는 인덕턴스 변화값이 어느 정도 비율인지 산출하고, 설정 기준이 되는 비율과 대비할 수 있다. 다른 예를 들어, 특정한 위치에서 t1, t2 등 복수의 시간에 대해 코일부(30)를 통해 측정한 임피던스 또는 인덕턴스 변화값이 어느 정도 비율인지 산출하고, 설정 기준이 되는 비율과 대비할 수 있다.
다음으로, 임피던스 신호 또는 인덕턴스 신호의 차이가 설정 기준값보다 큰 것으로 판별되면 자기유변유체(20)의 분산을 더 수행할 수 있다(S23 단계). 임피던스 신호 또는 인덕턴스 신호의 차이가 설정 기준값보다 큰 것은 자성입자의 침강이 많이 진행됨을 의미하며, 자성입자의 균일도가 떨어지기 때문에 자기유변유체를 공정, 제품에 사용하기 어려운 상태라고 볼 수 있다. 따라서, 자기유변유체를 스터링(stirring)하여 자성입자들이 분산매체 내에서 다시 분산되도록 할 수 있다. 재분산 후에 상기 S21, S22 단계를 다시 수행할 수 있다. 예를 들어, 설정 기준값을 97%와 같이 비율로 정한 경우, 제1 위치에서 측정한 임피던스 변화값에 대해 제2 위치에서 측정한 임피던스 변화값이 97% 미만이라면 자기유변유체의 분산을 더 수행할 수 있다.
상기 설정 기준값은 자기유변유체가 적용되는 응용 제품에 따라서 설정될 수 있다. 예를 들어, 자기유변유체 댐퍼 또는 자기유변유체 브레이크 제품에 있어서, 자기유변유체 내의 자성입자에 의해 발현되는 전단응력과 관련된 특성의 관리범위(Specification)를 기준으로, 설정 기준값은 상기 관리범위 내에서 그 관리범위보다 작은 범위로 정해질 수 있다. 예를 들어, 자기유변유체 댐퍼에서 자기유변유체의 전단응력과 관련된 특성인 감쇠력의 관리범위가 ±10% 라면 상기 설정 기준값은 ±10% 이내에서 ±1% 일 수 있다.
한편, 임피던스 신호의 차이가 설정 기준값보다 적거나 동일한 것으로 판별되면 자기유변유체(20)를 공정, 제품에 사용할 수 있다. 예를 들어, 설정 기준값을 97%와 같이 비율로 정한 경우, 제1 위치에서 측정한 임피던스 변화값에 대해 제2 위치에서 측정한 임피던스 변화값이 97% 이상이라면 자기유변유체는 침강이 크게 진행되지 않고 분산이 균일하므로 사용 가능한 것으로 평가할 수 있다.
본 발명의 자기유변유체의 특성 평가 방법은, 자기유변유체의 생산 단계, 품질 관리 단계, 자기유변유체 사용자의 입고 검사 단계, 자기유변유체 사용자의 자기유변유체 주입 단계 등에 사용될 수 있다.
생산 단계에서는 자기유변유체(20)에 코일부(30)를 사용하여 자성 입자의 함량, 농도를 실시간으로 간단하게 측정할 수 있다. 자기유변유체의 생산 또는 주입 설비에 코일부(30)를 장착하거나 침지하여 임피던스 또는 인덕턴스 신호를 시간에 따라서 연속적 또는 불연속적으로 모니터함으로써 생산공정의 진행에서의 이상 유무나 종료 시점을 정할 수 있다. 또한, 생산 또는 주입 설비의 복수의 위치에 장착된 코일부(30)로부터의 임피던스 또는 인덕턴스 신호를 비교함으로써 생산 설비 내의 자기유변유체의 배합의 완성도를 평가할 수 있다.
또한, 생산 단계에서 자기유변유체의 성분 이상 여부를 판단하기 위해 코일부(30)를 통해 연속적으로 흐르는 자기유변유체를 측정할 수 있다. 코일부(30)의 주변 또는 코일부(30)의 중공 영역(35)으로 흐르는 자기유변유체를 측정할 수 있다. 일 예로, t1, t2 등 복수의 시간에 대해 코일부(30)로부터 임피던스 또는 인덕턴스 신호를 측정하여 설정 기준값에 해당되는지 판별할 수 있다. 설정 기준값에 해당되지 않는 경우, 생산 과정에서 자기유변유체의 포함된 자성 입자의 함량이 적은 것으로 판별하여 분산을 추가로 진행하거나 성분을 보정하는 공정을 수행할 수 있다.
품질 관리 단계에서는 도 8 이하에서 이미 설명한 바와 같이, 자기유변유체(20)의 임피던스 또는 인덕턴스 신호를 복수의 위치에서 측정함으로써 침강도 및 분산의 균일도를 평가할 수 있다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기유변유체의 재분산성을 평과하는 과정을 나타내는 개략도이다.
자기유변유체의 재분산성을 평가하는 경우, 적어도 자성입자의 입부가 침강된 자기유변유체를 제공(S31)하고, 침강이 일어난 자기유변유체에 외력을 가하여 재분산을 수행(S32)할 수 있다. 외력을 가한 후 수직 방향으로 적어도 두 높이에서 임피던스 또는 인덕턴스 신호를 측정할 수 있다(S33). 그리고, 높이에 따른 인피던스 또는 인덕턴스 신호가 각각 설정 기준값 내인지, 또는 높이에 따른 인피던스 또는 인덕턴스 신호의 차이가 설정 기준값 내인지 판별(S34)함으로써, 재분산이 충분히 일어났는지 확인할 수 있다.
또한, 자기유변유체 사용자의 입고 검사 단계에서 상대적으로 제조한지 오랜 시간이 지난 자기유변유체에 대해 자성 입자의 함량, 농도, 침강도 등을 체크하고, 설정 기준값에 미치지 못하는 경우 재분산 공정을 더 수행하여 원하는 특성을 갖춘 자기유변유체를 사용할 수 있게 된다. 이는 자기유변유체 주입 단계에서, 사용자가 자기유변유체 댐퍼(MR 댐퍼) 등 자기유변유체 시스템(MR 시스템)에 자기유변유체를 주입하기 전, 자기유변유체가 충분히 분산되어 있는지 확인하는 데 유용하게 사용될 수 있다.
본 발명의 자기유변유체의 특성 평가 방법에서, 자기유변유체의 생산 단계, 품질 관리 단계, 자기유변유체 사용자의 입고 검사 단계, 자기유변유체 사용자의 자기유변유체 주입 단계 등에 도 7에 따른 측정부가 사용될 수 있다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기유변유체 댐퍼(60)를 나타내는 개략도이다.
도 18을 참조하면, 자기유변유체 댐퍼(60)는 자기유변유체(65)를 사용하여 감쇠력을 조절할 수 있다. 자기유변유체 댐퍼(60)는 실린더 하우징(61), 피스톤(62, 63), 코일부(64), 자기유변유체(65)를 포함할 수 있다.
실린더 하우징(61)은 밀폐된 구조를 가지며 밀폐된 내부 공간에는 자기유변유체(65)가 충진될 수 있다.
피스톤부(62, 63)는 실린더 하우징(61) 내에 길이 방향으로 연장된 피스톤로드(62)와 피스톤로드(62)의 단부에 구비된 피스톤헤드(63)를 포함할 수 있다. 피스톤로드(62)는 외부의 진동, 충격에 의해 상하로 움직일 수 있다. 피스톤헤드(63)는 실린더 하우징(61)의 내경에 대응되는 외경을 가지고 형성되며, 실린더 하우징(61) 내부를 상부/하부 공간으로 나누어 각각의 공간에 자기유변유체(65)들이 배치될 수 있도록 한다. 피스톤로드(62)가 상하로 움직일 때, 자기유변유체(65)들은 적어도 피스톤헤드(63)의 틈을 통해 유동할 수 있다.
피스톤부(62, 63)에는 전자석이 구성될 수 있으며, 피스톤부(62, 63)의 내부 또는 적어도 외주면에 코일부(64)가 배치될 수 있다. 코일부(64)는 외부로부터 전류가 인가됨에 따라 자기장이 생성될 수 있다. 생성된 자기장은 자기유변유체(65)에 인가되어 자기유변유체(65)의 점도 및 항복응력을 조절할 수 있게 된다. 코일부(64) 및 자기유변유체(65)는 상술한 코일부(30) 및 자기유변유체(20)에 대응한다.
자기유변유체 댐퍼(60)는 반드시 위 구성에 제한되지 않으며 자기유변유체의 점도를 변화시켜 감쇠력을 조절하는 목적의 범위라면 다양한 구성의 채용이 가능하다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기유변유체 시스템의 동작 과정을 나타내는 개략도이다. 자기유변유체 댐퍼(60)를 예시하여 동작 과정을 설명하나, 이는 자기유변유체 브레이크 등 자기유변유체 시스템에 동일하게 적용될 수 있음을 밝혀둔다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 자기유변유체 댐퍼(60)를 동작시키는 과정에서, 코일부(65)에 전기 신호를 인가할 수 있다(S41). 그리고, 피스톤부(62, 63)를 유동하는 자기유변유체(65')의 임피던스 또는 인덕턴스 신호를 코일부(64)를 통해 측정 할 수 있다(S42). 이에 따라, 자기유변유체(60)의 자성입자의 농도 또는 함량을 판별할 수 있다.
자기유변유체(60)에서 측정된 신호가 설정 기준값보다 낮은 경우, 예를 들어, 자기유변유체(60) 내 자성입자의 농도 또는 함량이 적은 것으로 판별되면, 코일부(64)에 인가하는 전기 신호의 세기를 강하게 하여 더 큰 자기장을 발생시켜 자기유변유체(65)의 점도를 높임에 따라 목표한 감쇠력에 맞게 제어할 수 있다. 또는, 피스톤부(62, 63) 등의 운동을 추가하여 분산을 수행함에 따라 자성입자의 농도 또는 함량이 설정 기준값에 대응하도록 할 수 있다(S43).
반대로, 자기유변유체(60)에서 측정된 신호가 설정 기준값보다 높은 경우, 예를 들어, 자기유변유체(60) 내 자성입자의 농도 또는 함량이 높은 것으로 판별되면, 코일부(64)에 인가하는 전기 신호의 세기를 약하게 하여 더 작은 자기장을 발생시켜 자기유변유체(65)의 점도를 낮춤에 따라 목표한 감쇠력에 맞게 제어할 수 있다.
위와 같이 본 발명은 자기유변유체의 자성입자의 함량, 농도, 침강도 등의 특성을 간단한 방법으로 정확하게 평가할 수 있는 효과가 있다. 그리고, 자성입자가 침강된 자기유변유체에 대해 최소한의 재혼합/재분산만을 수행하여 불필요한 공정을 생략할 수 있어 자기유변유체의 물성을 보호하고, 경제성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.
10: 용기
10': 유로
20: 자기유변유체
30: 코일부
35: 중공 영역
40: 코일 케이스
50: 측정부
60: 자기유변유체 댐퍼

Claims (8)

  1. 자성입자를 포함하는 자기유변유체(Magnetic Rheological Fluid)가 포함된 자기유변유체 시스템의 제조 방법으로서,
    상기 자기유변유체 시스템은 상기 자성입자에 인가되는 자기장에 의해 응력 특성이 조절되는 댐퍼, 클러치, 브레이크 중 어느 하나를 포함하며,
    (a) 자기유변유체가 채워진 설비 내 특정 지점에서 상기 자기유변유체의 임피던스 신호 또는 인덕턴스 신호를 측정하는 단계;
    (b) 상기 임피던스 신호 또는 상기 인덕턴스 신호가 미리 설정된 기준값 범위 이내인지 판단하는 단계;
    (c) 상기 자기유변유체를 자기유변유체 시스템에 주입하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 미리 설정된 기준값 범위는 상기 자기유변유체 시스템에서 상기 자기유변유체 내의 상기 자성입자에 의해 발현되는 응력 특성의 관리범위보다 작은 범위로 정해지는, 자기유변유체 시스템의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서, 상기 측정된 상기 임피던스 신호 또는 상기 인덕턴스 신호가 상기 미리 설정된 기준값 범위보다 크면, 상기 자기유변유체의 분산을 더 수행하는, 자기유변유체 시스템의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서, 상기 측정된 상기 임피던스 신호 또는 상기 인덕턴스 신호가 상기 미리 설정된 기준값 범위보다 작으면, 상기 자기유변유체에 자성입자의 추가를 더 수행하는, 자기유변유체 시스템의 제조 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 자성입자에 의해 발현되는 응력 특성은 감쇠력이고, 상기 관리범위는 ±10% 이내인, 자기유변유체 시스템의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 미리 설정된 기준값 범위는 ±1%인, 자기유변유체 시스템의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 자기유변유체에 대한 상기 임피던스 신호 또는 상기 인덕턴스 신호를 측정하여, 상기 자기유변유체의 자성입자 농도를 산출하는, 자기유변유체 시스템의 제조 방법.
  8. 삭제
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