KR20010080910A - 얼음 부착력을 조정하는 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 물체에 부착된 얼음의 부착력을 조정하기 위한 시스템을 포함한다. 상기 시스템은 상기 물체로부터 전기적으로 절연된 전극과, 상기 물체 및 상기 전극과 연결된 예컨대 배터리와 같은 직류전원을 포함한다. 상기 전원은 상기 얼음이 상기 회로를 완성한 때 상기 얼음 및 상기 물체 사이의 계면에 직류 바이어스를 생성한다. 상기 물체는 상기 직류 바이어스가 상기 계면에서 실질적으로 제로(0) 바이어스 전압으로 얼음 부착력과 대비하여, 상기 얼음 부착력을 선택적으로 조정하는 전압을 상기 계면에 공급한다. 상기 힘은 그 정적 상태(예컨대, 공급되는 전압이 없는 상태)에 상대적으로 증가 또는 감소할 수 있다. 이러한 방식으로, 항공기 날개 상의 얼음과 같은 얼음은 용이하게 제거된다. 상기 시스템은 바람직하게는 상기 물체 및 상기 전극 사이에 배치된 전기적으로 절연된 물질을 포함한다. 상기 절연 물질은 실질적으로 상기 물체 및 상기 전극에 적합하다. 대부분의 적용에서, 상기 전극은 상기 물체의 표면에 적합한 형상의 그리드 전극을 포함하고, 상기 그리드 전극의 각 점은 전기적으로 상기 전원과 접속되어 있다. 따라서, 그리드 절연체는 일반적으로 상기 물체 및 상기 그리드 전극 사이에 배치된다. 본 발명의 일실시예는 표면에 얼음을 선택적으로 도핑하기 위해 다공성 물질을 구비하고, 본 발명의 다른 실시예는 얼음과 금속 사이의 수소 결합력을 감소하기 위해 자체결집 단일층을 구비한다. 일실시예에서, 본 발명은 코팅이 결빙조건의 눈을 녹이도록 온도에 따라 특성이 변화하는 전력선의 코팅을 제공된다.
Description
어떤 표면에 대한 얼음 부착은 많은 문제점을 야기한다. 예를 들면, 항공기 날개에 과도하게 축적된 얼음은 항공기와 승객을 위험에 빠지게 한다. 선박의 선체에 붙은 얼음은 항해의 어려움, 물과 얼음을 거쳐 항해하기 위한 추가적인 동력의 소비 및 어떤 불안전한 상황을 야기한다. 자동차의 윈드실드(windshield)에 형성되는 얼음을 긁어내는 것은 대부분의 성인에게 귀찮고 되풀이되는 잡일로 여겨지며, 남아있는 얼음은 운전자의 시야 및 안전을 위협한다.
착빙(icing)과 얼음 부착력은 또한 헬리콥터 블레이드(blade)와 공공도로에 문제점을 야기한다. 얼음과 눈 제거 및 제어를 위해서 수십억 달러가 소비된다. 얼음은 또한 금속, 플라스틱, 유리와 세라믹 등에도 부착하여, 다른 나날의 어려움을 야기한다.
전력선에 붙은 얼음도 또한 문제가 된다. 착빙은 전력선의 무게를 증가시켜 단전을 야기하여, 직접적 또는 간접적으로 수십억 달러가 소비된다.
종래기술에 의하면, 대부분의 기술이 문지르고, 녹이고, 부수는 형태를 포함하지만, 얼음 부착력을 다루는 방법은 다양하다. 예를 들어, 항공기 산업은 항공기 날개에 바르는 에틸 글리콜(Ethyl Glycol)같은 제빙(de-icing)용액을 사용하여 얼음을 녹인다. 이 처리는 비용이 많이 들고 환경적으로 위험하다. 그러나, 승객의 안전을 위해 사용이 정당화되고 있다. 다른 항공기는 항공기 날개의 앞에 일렬로 정렬된 고무 튜브를 사용하는데, 고무 튜브는 때때로 팽창해서 매달린 얼음을 파괴한다. 또한 다른 항공기는 제트 엔진의 열을 날개로 향하게 하여 얼음을 녹인다.
이러한 종래기술 방법은 제한과 어려움이 있다. 첫째, 프로펠러 항공기는 제트 엔진을 가지고 있지 않다. 둘째, 항공기 날개의 앞에 있는 고무 튜브는 공기역학상으로 효율적이지 않다. 셋째, 얼음을 녹이는 비용이 극히 비싸다. 한 번 녹이는 데에 2500달러 내지 3500달러가 소요되며, 어떤 항공기는 하루에 그 열배의 비용이 들 수도 있다!
상기한 문제점은 일반적으로 얼음이 표면에 붙어서 형성되는 경향으로부터 유래하는 것이다. 그러나, 얼음은 또한 마찰계수가 극히 낮다는 점에서 어려움을 야기한다. 예를 들면, 매년 도로 위의 얼음은 많은 자동차 사고를 야기하며, 인명피해 및 광범위한 재산 피해를 입힌다. 자동차 타이어가 더욱 효율적으로 얼음을 잡으면, 사고는 줄어들 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은 얼음 부착력을 유익하게 조정하는 시스템과 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 항공기 날개, 선박의 선체 및 윈드실드 등 운송수단의 표면에서의 얼음 부착력을 감소시켜 얼음을 제거하기 위한 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 얼음이 덮힌 도로와 자동차 타이어 사이 및 구두굽 및 크로스컨트리 스키와 같은 다른 물체와 얼음 사이의 마찰계수를 증가시키는 시스템을 제공하는 것이다.
이러한 목적 및 다른 목적이 다음의 설명에서 명백하게 될 것이다.
본 발명은 얼음과 소정의 부재간의 얼음 부착력을 완화하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 얼음과 소정의 부재간의 계면에 전기에너지를 가하여 바람직한 결과를 얻어 낼 수 있도록 얼음 부착력을 증가시키거나 감소시키는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
다음의 도면을 참조함으로써 본 발명을 보다 완전하게 이해할 수 있을 것이다.
도 1A 내지 도 1C는 얼음 부착 상의 직류 바이어스가 액체 금속(수은)에 부착되는 효과를 도시하며, 더 작은 접촉 각도 Θ는 더 강한 부착을 나타낸 것이고,
도 2는 도 1A 내지 도 1C에서 도시한 얼음-수은 계면 에너지의 측정에 사용되는 액주압력계(manometer)의 개략적으로 도시한 것이며,
도 3은 얼음에 0.5%의 염화나트륨이 혼합되어 있고, 온도가 -10℃일 때, 직류 바이어스와 얼음-수은의 계면 에너지의 실험적 결과를 그래프로 도시한 것이고,
도 4는 얼음/금속 계면에서의 가스 거품의 생성이 어떻게 계면을 쪼개어 계면력을 감소시키는 기능을 하는지를 도시한 것이며,
도 5는 일반적인 도전성(또는 반도체) 물질에 대한 얼음의 부착을 수정하기 위해, 본 발명에 따라 제조된 시스템을 도시한 것고,
도 6은 도 5의 시스템의 단면도(축척에 따른 것은 아님)이며,
도 7은 항공기 날개에 형성되는 얼음의 부착력을 줄이기 위한 본 발명의 시스템을 도시한 것이고,
도 8은 전력선에 피복을 적용함으로써, 전력선으로부터 얼음과 눈을 제거하기 위한 본 발명에 의한 시스템을 도시한 것이며,
도 9는 본 발명에 의해, 얼음을 제거하기 위하여 비활성면에 강유전성의 피복을 적용하는 것을 도시한 것이고,
도 10은 얼음에 이온을 가하여 얼음 부착을 줄일 목적으로, 본 발명에 의해 제조된 다공성층을 도시한 것이며,
도 11은 본 발명에 의해 제조된 전력선을 추가적으로 자세하게 도시한 것이고,
도 12는 표면에 대한 얼음의 부착력을 줄일 목적으로, 본 발명에 의해 제조된 자체 조립되는 단일층을 도시한 것이다.
얼음과 상기 얼음이 형성되는 표면 사이의 얼음 부착력이 줄어든다면, 상기한 문제는 줄어들 것이다. 예를 들면, 얼음과 항공기 날개 사이의 부착력이 충분히 줄어든다면, 기압, 항공기의 진동, 가벼운 솔질 작업으로 날개로부터 얼음을 제거할 수 있을 것이다. 마찬가지로, 자동차의 윈드실드를 문질러서 얼음을 제거하는 것은, 얼음과 윈드실드 사이의 부착력이 줄어들면 훨씬 더 쉬워질 것이다.
얼음과 상기 얼음과 접촉한 표면 사이의 부착력이 증가한다면, 상기한 다른 문제점은 줄어들 것이다. 예를 들면, 자동차 타이어와 얼음이 언 도로 사이의 얼음 부착력이 증가하면, 미끄러짐의 정도가 줄어들고 사고도 줄어들 것이다.
얼음은 특별한 물리적 성질을 가지고 있는데, 이는 본 발명으로 하여금 도전성(그리고 반도체성) 표면에 대한 얼음 부착력을 선택적으로 수정할 수 있도록 한다. 첫째, 얼음은 양성자 반도체 즉, 하전 캐리어가 전자가 아니라 양성자인 작은규모의 반도체이다. 이 현상은 얼음 내의 수소결합에 의한 결과이다. 얼음 내의 물분자의 수소 원자가 그 전자를 산소 원자와 공유하기 때문에 수소결합이 발생한다. 그리하여, 물분자의 핵-특히 하나의 양성자-은 주위의 물분자와 결합하기 위하여 남아 있다.
전형적인 전자에 기초한 반도체처럼, 얼음은 전기적으로 도전성이다. 일반적으로 이 전기적 도전성은 약하지만, 도전성은 예컨대 얼음내의 양성자와 같이 전하를 운반하는 특별한 입자를 주거나 받아들이는 화학물질을 더함으로써 변경할 수 있다.
또 다른 얼음의 물리적 특징은 증발성이다. 물질의 증발은 물질의 표면에서의 증기압의 작용이다. 대부분의 물질에서, 증기압은 액체-고체 계면에서 급격히 떨어진다. 그러나, 얼음에 있어서는 액체-고체 계면에서 실질적으로 증기압의 변화가 없다. 그 이유는 얼음의 표면이 액체성층(Liquid-Like Layer)으로 덮혀있기 때문이다.
액체성층은 중요한 물리적 특성을 가지고 있다. 첫째, 액체성층은 불과 수 나노미터의 두께를 가지고 있다. 둘째, 액체성층은 어는점 또는 어는점 부근에서는 점성에 있어서 거의 물과 같은 범위를 가지고 있다. 더욱이, 액체성층은 -100℃의 낮은 온도에서도 존재하며, 지구상의 대부분의 온도에서 실질적으로 존재한다.
액체성층은 얼음 부착력의 주요한 요인이다. 항공기 날개의 부드러운 표면과 접촉해 있는 얼음의 부드러운 표면을 예로 들면, 두 표면 사이의 실제의 접촉면은 두 표면 간의 총 계면의 거의 천분의 일 정도이다. 액체성층은-거의 모든 부착물뒤의 주재- 표면 사이의 적시는 물질로 작용하며, 실질적으로 표면간의 실효 접촉면을 증가시킨다. 이는 접촉면에 있어서 얼음 부착력에 강한 영향을 미친다.
얼음과 액체성층의 반도체적인 특성의 조합으로 얼음과 다른 표면 사이의 얼음 부착력을 선택적으로 조정할 수 있다. 일반적으로, 한 조각의 얼음내의 물분자는 불규칙적으로 배향되어 있다. 그러나 표면에서는, 실질적으로 분자가 표면의 바깥쪽 또는 안쪽으로 같은 방향으로 배향되어 있다.
정확한 매커니즘은 알려지지 않았지만, 물분자의 불규칙성은 액체성층 내에서는 규칙적인 배향으로 변화하는 것으로 파악된다. 그러나, 질서를 가짐으로 인한 가장 주요한 결과는 양전자 또는 음전자의 전하 밀도가 높아진다는 것이다. 따라서, 얼음과 접촉하는 표면에 전하가 발생한다면, 두 표면 사이의 부착력을 선택적으로 조정하는 것이 가능하게 된다. 같은 전하는 서로 배척하고 다른 전하는 서로 끌어당기는 것과 같이, 얼음과 다른 표면 사이의 계면에 외부적으로 적용된 전기 바이어스는 얼음과 표면 사이의 부착력을 줄이거나 또는 증가시킨다.
일례로서, 본 발명은 얼음이 형성되는 표면과 얼음 사이의 계면에 직류 전압을 가하는 전원을 포함하고 있다. 예를 들면, 도전성 표면은 항공기의 날개 또는 선박의 선체(또는 그러한 구조에 적용된 페인트)이다. 제1 전극은 표면에 연결되고, 비도전성 또는 전기적 절연물질이 표면 위의 그리드로 적용되고, 제2 전극은 도전성 페인트와 같은 도전성 물질을 절연물질 위에, 표면에 접촉하지 않고, 적용함으로 형성된다. 제2 전극의 표면은 시스템에 의해 보호되는 전체 면적에 비교하여 작아야 한다. 예를 들면, 보호받는 표면적(예를 들어 그 면적에 얼음이 없도록하는 것)은 제2 전극의 표면적보다 최소한 10배 정도 커야 한다.
하나 이상의 와이어가 제1 전극을 전원에 연결함과 동시에, 하나 이상의 와이어가 제2 전극을 전원으로 연결한다. 표면 상의 얼음형성과 도전성의 그리드 제2 전극이 회로를 완성한다. 회로에 전압이 선택적으로 인가되어, 표면 상의 얼음의 부착력을 제어하여 조정한다.
전압 조절 서브시스템도 계면에 인가된 전압을 적합하게 제어하고, 얼음 부착력을 제어할 수 있도록 하기 위하여, 바람직하게 회로에 연결되어 있다. 예를 들면, 다른 이온 농도로 된 얼음은 얼음 부착력이 최소가 되는 최적 전압을 조정할 수 있으며, 그에 의해 전압 조절 서브시스템은 그러한 최소 부착력이 선택적으로 변화할 수 있는 매커니즘을 제공한다.
바람직하게는, 다른 서브시스템이 예를 들어 물이나 얼음이 회로를 완성하는지 탐지하는 등의 다른 특징을 제공하기 위하여 회로에 연결되어 있다. 일측면에 있어서, 전원은 회로에 전압을 제공하고 제빙용 전극에 연결되는 직류 공급원(예를 들어 배터리)이다. 다른 측면에 있어서, 얼음의 직류 도전율을 측정하기 위해 회로에 직류 전류계(예를 들어, 표면과 그리드 제2 전극 위에 형성되는 2개의 전극을 단락시키는 반도체성층)가 연결되어 있다. 다른 측면에 있어서, 회로에 교류 전원이 연결되어 10kHz 내지 100kHz의 교류전압을 선택적으로 인가한다. 다른 측면에 있어서, 얼음의 10 내지 100kHz 범위의 주파수를 가지는 교류 도전율을 측정하기 위해 교류 전류계가 회로에 연결되어 있다. 또 다른 측면에서 보면, 전류 비교기가 교류 및 직류 도전율을 비교한다.
이러한 면은, 예를 들어, 표면 상에 형성된 반도체층이 위험할 수도 있는 얼음인가 또는 물인가를 구별하는 회로를 제공한다. 물의(위에서 언급한 범위를 가진) 교류 도전율과 직류 도전율은 실질적으로 동일하다. 그러나, 얼음에 대하여는 교류 도전율과 직류 도전율은 2배 또는 3배 크기 만큼 다르다. 이러한 도전율에 있어서의 차이는 각각의 전류계에 의해 측정되며, 직류 비교기에 의해 비교된다. 도전성의 차이가 미리 설정한 위치보다 크면 전류 비교기는 착빙 경보 신호를 낸다. 이 때, 예를 들어, 전압 조절 서브시스템은 회로를 통해 계면에 직류 바이어스를 인가하도록 작동하여, 얼음 부착력을 충분히 줄이는 바람직한 장력을 만들어 낸다. 본 발명에 의한 일측면은, 얼음이 항공기 날개에서 감지된 경우 착빙 경보가 시스템의 피드백 루프를 작동시켜서, 시스템이 얼음의 도전율을 측정하고, 얼음의 부착 조건의 최소(또는 최소 근처)에 이를 수 있게 하는 적절한 바이어스 전압을 결정하며, 얼음을 제거하기 위해 얼음과 날개의 계면에 바이어스 전압을 인가한다.
이러한 기술에 능숙한 자는 상기 언급한 시스템이, 자동차의 윈드실드, 선박의 선체 및 전력선 등과 같이, 얼음 부착력을 줄이고자 하는 많은 표면에 적용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 위와 같은 경우, 표면 부재의 도전성이 약하다면, 표면 부재에 불순물을 첨가하여 도전성을 충분히 하는 것이 바람직하다. 불순물 첨가 기술은 본 발명 기술에 속한 자에게는 알려져 있다. 예를 들어, 자동차 타이어의 경우 고무를 도전성으로 만들기 위해 요오드를 첨가한다. 자동차 유리의 경우, 마찬가지로, 윈드실드를 반도체로 만들기 위해 SnO2가 첨가된 플루오르화물 또는 ITO가 첨가될 수 있다.
그러나, 다른 측면에 있어서, 상기한 시스템과 회로는 또한 얼음 부착력을 증가시키는 것이 바람직한 상황에서도 적용할 수 있다. 이러한 측면에 있어서, 예를 들어, 착빙 경보가 얼음을 감지하면, 시스템은 계면에 인가되는 직류 전압을 조절하는 피드백 루프를 작동시켜서 얼음 부착력을 증가시킨다. 이 시스템으로부터 이득을 얻을 수 있는 상황 및 표면으로는, 예를 들어, 사람의 신발의 굽바닥과 얼음이 덮힌 도로 위의 자동차 타이어 등이 포함된다.
다른 측면에 있어서, 본 발명은 얼음과 표면 사이의 얼음 부착력을 선택적으로 증가시키거나 감소시키는 다양한 얼음 부착/전압 제어 서브시스템을 포함할 수 있다. 예를 들어, 크로스 컨트리 스키(또는 텔레마크 스키)는 경사면을 올라갈 때(또는 어떤 상황에서는 경사면을 내려갈 때에도) 이상적으로 높은 마찰력을 가지며, 경사면을 스키로 내려갈 때에는 낮은 마찰력을 가진다. 본 발명의 일측면에 따르면, 여기서 설명되는 얼음 부착 시스템 및 회로는 스키의 회로에 부착되어, 작동자가 선택적으로 스키의 마찰력을 적합하게 제어할 수 있다.
발명의 다른 유용한 배경기술은 다음의 참조문헌의 일부인 논문 등을 참조하여 발견할 수 있을 것이다. Petrnko, Generation of Electric Fields by Ice and Snow Friction, J. Appl. Phys. 77(9), 4518-4521(1995); Khusnatdinov et al., Electrical Properties of the Ice/Solid Interface, J. Phys. Chem, B. 101, 6212-6214(1997); Petrenko, Study of the Surface of Ice, Ice/Solid and Ice/Liquid Interfaces with Scanning Force Microscopy, J. Phys. Chem. B) 101,6276-6281(1997); Petrnko et al., Surface States of Charge Carriers and Electrical Properties of the Surface Layer of Ice, J. Phys. Chem. B) 101, 6285-6289(1997); Ryzhkin et al., Physical Mechanism Responsible for Ice Adhesion, J. Phys. Chem. B 101, 6267-6270(1997).
본 발명을 이하의 바람직한 실시예와 연결하여 설명할 것이며, 본 발명이 속하는 분야에서의 숙련자가 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 부가, 삭감 및 수정을 할 수 있음이 명백해 질 것이다.
본 발명은 직류 바이어스를 얼음과 물질 사이의 계면에 적용함으로써, 금속 및 반도체 등의 물질에 대한 얼음 부착력을 수정하는 시스템과 방법을 포함한다. 그러므로, 본 발명은 상기 물질에 대한 얼음의 부착을 줄이거나 제거하는데 사용될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 본 발명은 얼음과 금속 사이의 결합을 형성하는 정전기적 상호작용을 조정한다. 이러한 상호작용은 얼음과 금속 사이에 작은 직류 바이어스를 적용함으로써 효과적으로 변화한다(감소하거나 증가한다).
실험과 이론적 계산에 의하면, 얼음 표면은 10-2C/m 내지 3×10-2C/m의 고밀도 전하를 가진다. 참조문헌으로서, Petrnko, Generation of Electric Fields by Ice and Snow Friction, J. Appl. Phys. 77(9), 4518-21(1995); Petrenko, A Study of the Surface of Ice, Ice/Solid and Ice/Liquid Interfaces with Scanning Force Microscopy, J. Phys. Chem. B 101, 6276(1997); Dosch et al., Surface Science 366,43(1996) 등을 참조하라. 이 전하밀도는 물 표면층에서의 물 분자의 강한 분극에서 유래한다.
얼음 표면의 전하와 고체에서 유도된 전하 사이의 상호작용은 얼음-고체간 계면의 힘에 영향을 준다. 추정에 의하면, 두 평면간 전하의 정전기적 인력(음의 압력 Pel)은
Pel= εoεE2/2 (1)
이며, 여기서 εo는 진공상태에서의 유전율이고, E는 전하간 공간에서의 전기장의 힘을 나타낸다. 전하분포가 두 물질간의 접촉 전위 Vc를 결정하므로, 우리는 E가 Vc/L 임을 추정할 수 있다. 여기서 L은 얼음의 평면전하와 고체의 평면전하 사이의 거리를 의미한다. 얼음-금속 계면의 Vc는 십분의 수 볼트에서 1볼트에 이르기까지 다양하다. 참조문헌으로서 Buser et al., Charge Separation by Collision ofIce Particles on Metals: Electronic Surface States, Journal of Glaciology), 21(85): 547-57(1978)를 참조하라.
L=1nm로 하고(불순물이 함유된 얼음의 주 스크린 길이는 위와 같다), ε= 3.2로 하고(얼음의 고주파 유전상수), Vc= 0.5V로 하면(접촉 전위의 전형적인 크기), 방정식(1)은 Pel= 3.3 Mpa,이 되며, 이는 얼음의 거시적 장력인 1.5 Mpa과 비교될 수 있는, 초과하진 않는 크기이다. 참조문헌으로서 Schulson et al., A Brittle to Ductile Transition in Ice Under Tension, phil, Mag., 49,35363(1984)를 참조하라.
얼음 표면 전하와 금속 사이의 정전기적 상호작용 에너지를 보다 정교하게 계산하면, 실제 공간에서의 전하분포와 전하 이완 계산을 하여, 다음에서 설명되는 바와 같다. 특히, 이 상호작용 에너지는 -10℃에서 0.01 내지 0.5 J/m2에 이른다. 최저한계 0.01J/m2는 순수한 얼음에 해당하는 반면에 최소한계 0.5 J/m2는 불순물이 많은 경우에 해당한다. 이러한 값은, 다음에서 설명되는 바와 같이, 스캐닝 포스 현미경검사(SFM)를 사용하여 얻은 다른 실험적인 결과와도 비교될 수 있다.
스캐닝 포스 현미경검사(SFM)에 의하면, 정전기적 상호작용 에너지는 0.08±0.012 J/m2로 결정되며, 얼음/수은 계면에 대한 실험에 의하면, 얼음/금속간 부착의 정전기 부분에는 0.150 ±0.015 J/m2의 결과가 나온다.
정전기적 상호작용이 얼음 부착에 기여하므로, 얼음과 도전성 부재(예를 들어, 금속 또는 반도체) 사이의 부착력은, 얼음-부재 계면 간에 적용된 외부 직류 바이어스에 의해 바뀔 수 있다.
얼음 부착력에 대한 직류 바이어스의 효과를 결정하기 위하여, 계면은 고체-고체 계면 대신에 액체-고체 계면으로 모델링되었다. 정말로, 부착력을 결정하는 계면 에너지는, 물-금속 환경의 경우와 같이 하나의 물질이 액체이고 다른 물질이 고체일 때, 접촉각 실험에서 신뢰성있게 결정될 수 있다. 금속이 액체상이면 얼음-금속 계면에도 유사한 기술이 사용될 수 있다. 예를 들어, 녹는점이 -38.83℃이고 화학적으로 비활성적이며, 깨끗한 면을 준비하기에 손쉬운 수은은, 상기 모델을 입증하는 데에 잘 들어맞으며, 적은 직류 바이어스가 얼음의 수은에 대한 부착에 영향을 주는 것은 도 1A 내지 도 1C에 도시되어 있다.
도 1A은 수은(18)의 얼음(20)에 대한 초기 부착을 도시하고 있으며, 여기서 부착력은 Θo로 표시된다. 따라서 Θo는 전압(예를 들어 V = 0)의 인가가 없는 접착력을 표시한다. 한편, 도 1B은 직류 전압원(22)에 의해 공급된 -1.75V를 인가했을 때의 결과적인 부착력 Θ1을 도시한다. 전압원(22)은, 예를 들어, 종래기술에 의해 알려진 배터리 또는 다른 전원이 될 수 있다. 와이어(24)는 전압원(22)을 수은(18)과 얼음(20)에 연결하여 회로를 완성한다. 도 1C는 전압원(22)에 의해 공급된 -5V의 인가전압에 따른 부착력 Θ1을 도시한다. 인가전압이 0V(도 1A)에서 -1.75V(도 1B)에서 -5V(도 1C)에서 변화한다하더라도 Θo<Θo<Θo임을 주목할 필요가 있는데, 이는 적은 음의 전압변화를 통하여 큰 부착력 변화가 가능함을 의미한다. 부착력 Θ1은 Θ2또는 Θ0에 비교하여 상대적으로 약한 부착을 보여준다. 다른 한 편으로, 부착력 Θ2는 Θ1및Θ0에 비교하여 상대적으로 강하다.
도 1에 도시된 얼음-수은 계면의 표면장력을 측정하기 위해서는, 도 2에 모식적으로 표시된 얼음 액주압력계(26)가 사용된다. 도 1의 전원(22)를 위해서는 직류 전원(22')가 사용된다. 직류 전류계(28)는 전류를 측정하기 위하여 액주압력회로(26)에 배치된다. 전원(22')은 수은(18')에 회로에 의해 접속되며, 얼음(20')과 접속된 매시전극(30)에도 접속된다. 따라서, 회로(26)는 수은(18')과 얼음(20')을 통하는 전류에 의해 완성된다. 수은(18')은 선택된 직경을 가진 작은 모세관을 통하여 얼음(20')과 유체적으로 통해 있다. 직류 바이어스가 변화함에 따라, 수은(18')과 얼음(20') 사이의 얼음 부착이 변화하며, 중력에 의한 힘이 수은(18')의 높이"h"를 얼음(20') 내에서 조정한다(예컨대, 얼음(20')내를 향해 뻗어가는 모세관(32)내로).
특히, 모세관(32) 내의 수은(18')의 균위(equilibrium position)는;
h ≒ 2 (Wi/a- Wi/Hg)grρ (2)
이며, 이때 g는 중력가속도이며, r은 모세관의 반지름이며, ρ는 수은의 밀도이며, Wi/a는 얼음-공기 계면의 표면에너지이고, Wi/Hg는 얼음-수은 계면의 표면에너지이다. h가 측정되면, 방정식(2)은 Wi/Hg를 계산하기 위해 이용되며, 그렇게 함으로써, 얼음의 액체금속(수은)에 대한 부착력을 계산할 수 있다. 도 2에 도시한실험에서, 모세관의 반지름(r)은 0.25 또는 0.5 mm 였다.
도 1 및 도 2에 도시된 구성 등에 포함되어 있는 추가적인 실험은 99.9998% 순수한 전자급 수은과 다결정의 얼음을 포함하며, 이때 다결정의 얼음은 매우 순수한 탈이온 수, 증류수, 소독되지 않은 수돗물, NaCl 또는 KOH 또는 HF가 저농도로 첨가된 탈이온 수 등으로 만들어진다. 상기 실험들은 -20℃에서 -5℃, ±2℃ 의 온도 범위에 있는 냉각실에서 수행되었다(대부분의 실험은 -10℃에서 상대습도 89-91%에서 수행되었다). 불순물이 첨가된 얼음에 있어서는, 직류 바이어스가 얼음-수은 계면 에너지에 대해 강한 영향을 미치는 점에 주목해야 한다. 에너지의 변화 △(Wi/a- Wi/Hg)의 크기 및 부호는 바이어스 극성과 크기와 첨가물의 형태 및 농도에 달려있다. 예를 들어, 도 3은 △(Wi/a- Wi/Hg)와 바이어스(V) 간의 관계를 온도 T = -10℃에서, 0.5%의 NaCl이 첨가된 얼음의 경우를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 바이어스는 얼음의 수은에 대한 부착을 감소시키거나 증가시킬 수 있는데, 대략 -1.75V에서는 최소의 부착력에 도착하는 반면에, -2V 내지 -6V에서는 부착력이 증가한다. 0.05%를 초과한 농도의 NaCl에 대한 계면에너지의 효과는 더 잘 알려져 있다.
더 적은 밀도의 NaCl에 있어서, 또는 수돗물로 만든 얼음에 있어서는 부착력의 변화는 적으며, 낮은 직류 바이어스가 인가되었을 때는 거의 재생하기 힘들었다. 한편, 0.5%의 NaCl이 첨가된 얼음에 있어서는, 전압 바이어스가 인가된 직후에 수은이 이동하였으며, 이 효과는 완전하게 가역적이었는데, 예컨대, 바이어스가 닫히자 Wi/Hg가 복원되었다. 이러한 결과들은 재생가능하며 관찰하기도 쉽다. 모세관의 반경 r = 0.25mm일 때, h의 최대 변화는 12mm 였다.
또한, 전류-전압 특성을 측정하면 상기 설명한 부착력의 변화를 야기하는 것이 전류가 아니라 전압이라는 것을 알게된다. 예를 들어, 일반적인 실험에 의해 수십 마이크로 암페어(μA)의 전류힘이 만들어졌고, 예상되는 온도변화율은 10-6℃보다 적었다. KOH 또는 HF가 첨가된 얼음에 있어서, 직류 바이어스를 인가하면 Wi/Hg의 거의 대칭적인 감소가 나타나는데, 이는 NaCl이 첨가된 얼음에서 발견되는 크기에 필적한다. 교류전압의 크기를 40V로 하고 주파수를 10Hz 내지 10kHz로 하여 인가하면, Wi/Hg의 변화를 감지할 수 없었다. 매우 순수한 얼음의 금속에 대한 부착을 변화시키기 위해서는 1kV 내지 3kV가 필요하다. 직류 바이어스에 대하여 순수한 얼음과 불순물이 함유된 얼음의 반이 다른 것은, 스크린(screen) 길이와 전기적 이완시간이 다른 데에 기인한다.
상기 실험은 얼음-금속 계면의 전기적 이중층이 얼음 부착에 대해 중요한 역할을 하는 것을 확인한다. 비록 Wi/Hg의 절대 크기가 고체 수은의 경우에 있어서 약간 다르더라도, 정전기적 상호작용은 두 가지 경우(액체 수은과 고체 수은)에 있어서 본질적으로 모두 동일하다. 또한, 실험에 의하면 금속에 대한 얼음의 부착은 얼음과 금속과의 사이에 작은 전위차를 가함으로써 효율적으로 수정할 수 있다는 것을 알 수 있다. 얼음에 포함되는 불순물의 차이, 고체 금속의 차이, 그리고 온도의차이에 따라, 인가되는 직류 바이어스에 대한 부착력은 다양하게 발생한다.
본 발명자는 또한, 얼음 표면상에서의 양성자 전하 캐리어의 표면상태의 존재에 기초하여, 얼음 부착에 관한 정전기적 모델을 연구하였다. 한 분자거리 보다 더 큰 거리에서, 상기 모델은 화학적 결합 에너지와 반데르발스 힘보다도 훨씬 큰 부착력의 크기 수준을 보여준다. 또한, 상기 실험에 의하면 시간 및 온도에 따른 현상을 이해할 수 있으며, 이는 얼음과 물 사이의 부착특성 차이, 물과 다른 고체 사이의 결합의 물리적 메카니즘, 자연상태, 얼음과 다양한 고체 사이의 분자결합력을 설명한다.
결합 매커니즘을 다음과 같이 3가지 그룹으로 나누어 분류하는 것이 합리적이다. 공유결합 또는 화학결합 메카니즘, 전자기적 상호작용(반데르발스에서의 분산 또는 파동, 또는 직접적인 정전기적 상호작용). 예를 들어, 참조문헌의 하나로서 Israelachvili, Intermolecular and Surface Forces,2nd ed., academic Press: London, ch.2(1991)을 참조하라. 첫번째 메카니즘은 화학반응 및 계면 화합물의 배열에 대응한다. 공유 또는 화학결합에 있어서, 결합 에너지는 상호 작용하는 고체의 파동함수의 오버랩에 기인한 시스템의 양자역학적 에너지를 낮춤으로서 발생한다. 그러한 상호작용은 0.1-0.2nm 수준의 거리에서만 발생한다. 게다가, 이러한 유형의 부착은 부착성 고체의 화학적 특성에 매우 민감하다. 완전히 접촉한 상태에서, 화학적 결합 메카니즘은 0.5 J/m2의 결합에너지를 제공할 수 있으며, 이 값은 화학결합 시스템을 위한 결합 에너지 중 가장 낮은 값으로 간주된다.
화학결합과 대비하여, 반데르발스 힘은 큰 범위를 가지며 모든 물질 사이에 작용한다. 반데르발스 힘은 고체(다른 주파수에서의 유전 함수)의 거시적 특성에 의해 정의되며, 이러한 이유로 인해 실험조건에 대해 덜 민감하다. 참조문헌으로서, Mahanty et al., Dispersion Forces, Academic Press, London, Chapter 9(1976); The Dielectric Function of Condensed Systems, Eds. Keldysh, et al., Elsiever Science, Amsterdam, Chapter 9(1989)을 참조하라.
화학결합 및 분산력에 더하여, 상쇄되지 않거나 공간적으로 분리된 전하를 가지고 있는 두 고체는 또한 정전기력을 발생시킨다. 그 중요성과 부착에 대한 중요성은 최근에 재발견되었다. 참조문헌으로서, Stoneham et al., J. phys. C: Solid State Physics, 18, L543 (1985);및 Hays, Fundamentals of Adhesion, Ed. Lee, Lee, Plenum Press, New York, Chapter 8 (1991)을 참조하라.
얼음의 부착 특성의 모델
모델은 얼음 표면의 전기적 특성을 기술하도록 더 발전된다. 상기 모델은 얼음 부착과 다른 얼음의 특성 사이의 연결을 보여준다. 상기 모델은 화학적 결합 메카니즘인 반데르발스(van der Walls) 힘 및 실험적 결과와 비교된다.
이하에서 논의되는 모델의 주요 결론은 정전기적 인력이 얼음 부착에서 주된 것은 아니더라도 중요한 역할을 담당한다는 것이다. 상기 모델에서 한가지 중요한 파라미터는 얼음-고체 계면에 근접한 물분자의 정렬 또는 다른 말로, 양전하 캐리어를 위한 표면상태의 등장이다. 이것은 문제를 고체 표면에서의 물분자 운동을 시뮬레이트하는 것으로 축소한다. 그러나, 이하의 설명은 양성자의 포인트 결핍에 의해 점령되어 질 수 있는 표면상태가 존재한다고 가정한다. 이 표면상태의 점령은 포획된 전하 캐리어의 쿨롱 에너지와 상기 표면상태의 에너지 깊이 사이의 상호작용에 의해 정의된다. 그러면, 표면상태의 점령 상수(불균형의 경우) 또는 상기 표면상태의 에너지 깊이 중 어느 하나가 파라미터로서 선택될 것이다.
얼음은 얼음과 다른 유전율을 가지는 어떠한 고체 기질과도 강하게 상호작용하는 극성이 있는 물분자를 포함한다. 또한, 얼음속의 표면 전하의 존재에 대한 이론적 실험적 증거가 있다. 이 표면 전하 또한 상기 기질과 상호작용한다. 여기서, 우리는 상기 표면 전하가 상기 얼음 표면에 의해 양전하 캐리어의 포획으로부터 유래된다고 가정한다. 상기 포획된 결핍은 가정적으로 D결핍, H3O+이온, 또는 양전자이다. 양이온은 크기에 있어서 음이온보다 작다. 왜냐하면, 그들은 전자를 더 적게 또는 전혀 가지고 있지 않기 때문이다. 그리고 양전자로서 존재한다. 그래서, 우리는 상기 전하의 포텐셜 에너지와 그 이미지가 얼음 내의 전하 에너지보다 작을 수도 있는 더 작은 거리를 위해 이미지 전하 이론을 이용할 수 있다. 더 큰 크기의 음이온의 경우에 이것에 도달하기는 더 어렵다. 열평형에서, 포획된 전하 캐리어에 의한 에너지의 이득은 정전기 에너지에서의 상승에 의해 보상되기 때문에, 표면상태의 점령은 완전하지 않다. 그러나, 정전기 에너지 그 자체는 (유도된 전하에 의해) 기질의 내부에서 전하 재배분에 의해 확연히 감소될 수 있다. 이것은 표면 기질의 완전한 점령과 다소 높은 부착 에너지(정전기 에너지에 가까운)를 가져올 수 있다.
얼음의 서브표면층에서의 전하 캐리어의 공간 분배가 이하에 기술된다. 포이슨 방정식(Poisson's equation)의 제 1 적분은 아래 형태로 쓸 수 있다.
(3)
여기서, E와 V는 각각 전기장 힘 및 정전기 포텐셜이다(양자 모두 공간 좌표 z의 함수이다); σ0= eBㆍλㆍN; eB는 B제럼(Bjerrum) 결핍의 유효 전하이다; N은 물분자의 농도; λ는에 의해 주어지는 스크린 길이이다; ε과 ε0는 각각 얼음(≒3.2)과 진공의 유전율이고, k와 T는 각각 볼츠만 상수 및 온도이다. 함수f(V)는 다음 방정식으로 정의된다.
(4)
(5)
(6)
여기서 우리는 B제럼 결핍을 표면상태에서 포획되는 전하 캐리어로서 이용한다. 방정식(3)은 얼음결정의 어느 지점에서도 유효하다. 그것을 얼음 표면에 적용하면, 표면 전하 밀도(σS)와 표면 포텐셜(VS)과의 관계를 얻는다;σS= σ0f(VS).
방정식(3) 내지 (6)을 이용하면, 얼음의 부착 에너지에 대한 정전기 기여도를 계산할 수 있다. 부착 에너지의 상한계를 주기때문에, 먼저 표면 포텐셜의 함수로서 얼음의 스크린층의 정전기 에너지가 계산된다. 정전기 에너지의 정의 및 방정식(3)을 이용하여, 다음식을 얻는다:
(7)
이제, 얼음 표면으로부터 일정 거리(d)에 있는 금속 플레이트를 생각하자. 얼음내의 비균일 전하 분배는 상기 금속상에 표면 전하를 유도하고, 따라서 상기 얼음과 금속 플레이트 상이에 전기장을 유도한다. 유닛 영역 당 시스템의 총 정전기 에너지는 다음과 같이 쓸 수 있다.
(8)
그러나, 방정식(8)에서의 V는 얼음의 표면 포텐셜이고, 그것은 각 거리(d)값에 대한 에너지의 최소화로부터 찾아져야 한다. 표면 전하 밀도는 상수로 고려되어질 수 있고, 그것은 아마 틀림없이 표면상태의 불평형 점령에 따른다. We(d,V)에 대한 최소화 작업을 수행하면, 우리는 d의 함수로서 유닛 영역 당 부착 에너지에 도달한다.
(9)
평형 조건하에서, 얼음의 표면 전하 밀도는 금속 플레이트상의 유도 전하에 의해 얼음 표면 전하의 스크린때문에 거리(d)의 감소와 함께 증가한다. 정말로, 이 경우에 포획된 전하 캐리어의 쿨롱 에너지는 감소하고, 그래서 더 높은 점령이 가능해 진다. 이 경우를 고려함에 있어서는 먼저 정전기 에너지, 표면상태의 점령에 의한 에너지 이득 및 표면 결핍의 엔트로피 기여를 합산해야 한다.
(10)
여기서, E0는 표면상태의 에너지(E0=-0.5eV로 가정한다)이고, σm=e/S, 그리고 S는 하나의 물분자의 표면 영역. 자유에너지(F)는 V 및 σ에 대해 최소로 된다. 이 과정은 또한 얼음 부피의 화학적 포텐셜이 일정하게 유지되고 0과 같다고 가정한다. d의 모든 값에 대해 그렇게 하면, 거리의 함수로서의 평형 자유에너지 또는 평형 부착에너지에 도달한다.
유사한 과정을 통해 우리는 표면상태(E0)의 에너지 또는 온도의 함수로서 표면상태의 평형 점령 또는 얼음의 표면 포텐셜을 구할 수 있다. 금속 플레이트가 얼음 표면에서 무한대로 멀리 있다고 가정하자. 그러면, 방정식(8)에서 제 1 양의 요소를 최소화하기 위해, σ=σ0f(V)라고 가정한다. 그러면 F는 V나 σ중 어느 하나만의 파라미터의 함수가 된다. V에 대한 최종 최소화를 행하는 것은 다소 더 쉽다. 그러나, 그 결과는 σ의 함수로서 또한 다시 계산되어질 수 있다.
부착 에너지의 일반적인 값은 1.3J/m2과 0.08J/m2의 사이에 있고, 전하 캐리어의 타입 및 그들의 표면상태의 에너지에 의존한다. 이 크기는 -20℃에서 실험적으로 측정된 얼음-금속 계면의 부착에너지에 필적하거나 더 높다. 사실상, 부착에너지는 화학적 결합 메카니즘만큼 높다. 그러나, 후자와 대비하여, 정전기 메카니즘은 더 큰 거리(약 10r00; r00=0.276nm)까지 의미를 갖는다. 그래서, r00보다 더 큰 거리에서, 정전기 메카니즘은 화학적 결합 메카니즘보다 훨씬 더 중요하다. 따라서, r00보다 더 큰 거리에서, Hamaker 상수가 3ㆍ10-20J일 때, 정전기 에너지는 반데르발스 힘의 그것을 초과한다. 마지막 계산은 얼음-얼음(또는 물-물) 계면에 관한 것이지 얼음-금속 계면에 관한 것이 아님을 알아야 한다. 긴 범위의 얼음과 금속 사이의 반데르발스 상호작용 또한 고려될 수 있다.
그래서, 부착에너지가 긴 범위 특성을 나타내는 표면 전하의 최대 밀도에 대해 심지어 z≒90ㆍr00에서도 0.01J/m2과 같다. 불평형 이탈 실험을 위한 상기 부착에너지는 부착의 경우보다 더 높아야 한다. 후자는 얼음과 금속이 접촉한 때 금속 플레이트에 의한 정전 에너지의 효율적인 스크린에 의해 설명될 수 있다. 그래서 평형 실험에서 거리를 가지는 부착에너지의 동작은 기꺼이 이해된다. 작은 거리에서, 금속 플레이트는 정전 에너지를 스크린하고, 표면상태의 점령이 높기때문에 높은 부착에너지가 생긴다. 그러나, 거리가 증가할 때, 정전 에너지 또한 증가하여, 더 낮은 점령 계수와 더 낮은 표면 전하 밀도를 가져온다. 이들 곡선은 일정한 점령의 경우보다 거리를 가지는 자유에너지의 더 빠른 감쇄에 상당한다.
표면상태 에너지(ES)의 함수로서 점령 계수의 동작(D 결핍을 위한 표면상태의 모델에서)도 고려된다. 상기 점령 계수는 ES= 0.1eV인 때 0에 가깝다. 전하 캐리어가 양의 에너지를 가지고 표면상태로 포획되는 하나의 이유는 자유에너지에서 엔트로피 이득을 가지고 처리해야 한다. 같은 이유로, 결핍은 얼음 부피에 존재한다. 부피 D 결핍에서, "창조에너지"는 결핍마다 0.34eV와 같고, 이 에너지는 0.1eV보다 훨씬 크다. 결국 이것은 3ㆍ10-7과 같은 부피 상태에 대한 "점령 계수"로 이어진다.
시간 의존 현상은 얼음 부착과 연계될 수 있고, 상기한 모델에 따른다. 표면상태에 들어가거나 떠나기 위해, 결핍은 몇몇 정전기적 장애를 극복해야 하고, 이것은 불평형 상황과 시간 의존 현상으로 이어진다.
이 모델의 중요한 요소 중 하나는 얼음 표면 전하와 금속에 유도된 전하 사이의 정전기적 인력, 상기 유도된 전하의 크기에 있어서 차이를 제외하고 얼음-절연체 계면에 적용가능한 메카니즘이다. 동일한 전하(q)가 더 작은 "이미지" 전하(q')를 다음 관계식에 따라 절연체에 유도하는 동안, 얼음 표면상의 전하(q)는 금속에 "이미지 전하"(-q)를 유도한다.
(11)
여기서, ε은 절연체의 유전율이다. 대부분의 고체 유전체에서, ε은 1보다 크고, 유도된 전하는 금속에서 유도된 전하에 필적한다. 더 작은 ε는 더 작은 정전기적 관련 부착의 결과를 가져온다. 예를 들면, 테플론(Teflon)은 유전율 ε= 2.04를 가지고, 얼음에 대한 낮은 부착력으로 잘 알려져 있다.
얼음이 왜 물보다 더 부착력이 있는지를 고려하는 것은 유용하다. 물에서의 전하 캐리어의 더 높은 농도때문에, 물에서의 표면 전하의 스크린(만일 있다면)은 얼음에서보다 더 효과적이다(대응하는 초기 정전기 에너지가 얼음에서보다 훨씬 적다). 그래서 기질로 인한 전기장의 스크린은 에너지를 확연하게 낮출 수 없다. 얼음의 녹는점에 가까운 온도에서, 얇은 액체층이 얼음-고체 계면에 나타날지도 모른다는 것을 주지하자. 참고로 여기 Dash 외에, Rep.Prog.Phys.58, 115(1995)를 보라. 상기 모델은 얼음 부착상에서 미리 녹는 표면의 효과를 포함하도록 업데이트될 수 있다.
상기한 얼음 부착의 정전기적 모델은 얼음의 표면의 전기적 특성과 얼음 부착 사이의 관계를 보여준다. 상기 모델은 부착 에너지를 위한 크기의 올바른 순서를 제시한다. 상기 얼음과 금속 간의 정전기적 상호작용은 화학적 결합 에너지보다 확연히 높은 에너지와 분자간보다 더 먼 거리에서 반데르발스 힘을 제공한다. 상기 모델은 또한 얼음과 물의 부착 특성에서의 차이를 설명하는 데에 도움이 되는 시간 및 온도 의존 현상을 이해하는 직관적인 방법을 제공한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 거품(67)은 최대의 계면의 힘을 감소시키면서 상기 계면(얼음(69)과 금속(71)의 사이)이 발생한 때 나타나는 계면의 쪼개짐 역할을 한다.
도 5(및 단면도 6)는 본 발명에 의한 시스템(100)을 나타낸다. 시스템(100)은 부재(104)의 표면(104a)상에 형성된 얼음(102)의 부착를 감소하도록 작동한다. 상기 시스템(100)은 부재(104), 도전성 그리드(106)(상기 그리드상의 "A"~"F"로 나타낸 점을 포함하여) 및 전원 공급기(109)를 포함한다. 상기 그리드(106)는 상기 부재(104)으로부터 전기적으로 절연되도록 상기 표면(104a)의 위에 매달려 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 표면(104a) 위에 상기 그리드(106)를 매다는 것은 상기 그리드(106)와 상기 표면(104a) 사이에 구비되는 절연그리드(108)를 이용하여 가능해진다. 도 6은 상기 그리드(108)를 보다 상세하게 나타낸 것이다. 도 6의 단면도는 절연 그리드(108)와 도전성 그리드(106)의 관계를 나타내도록 축소하지 않았다. 실제로, 상기 그리드(106,108)의 두께(도 6의 크기에서)는 1인치보다 훨씬 더 작을 수 있고(심지어 0.010~0.020인치만큼 낮은), "코팅"으로 생각될 수도 있다. 예를 들면, 상기 그리드(108)는 전기적으로 절연 페인트의 얇은 코팅으로 만들어질 수 있고, 이 때 상기 그리드(106)는 전기적으로 도전성 페인트의 얇은 코팅으로 만들어질 수 있다. 상기 그리드(106)는 단전극으로 기능하도록 연결되어 있다. 그래서 상기 부재(104)는 상기 시스템(100)의 제 1 전극이 되고, 상기 그리드(106)는 상기 회로에서 제 2 전극이 된다.
그리드(106,108)는 또한 잘 휘고 상기 표면(104a) 위에 형성가능하고, 상기 표면은 평평한 표면(104a)으로 나타나 있지만 어떠한 형태로도 가능하다. 예를 들면, 상기 부재(104)는 항공기 날개 또는 자동차 바람 보호막일 수 있고, 상기 그리드(106,108)는 상기 구조 부재(104)에 적합한 성질의 것이다.
얼음(102)이 상기 표면(104a)상에 형성될 때, 상기 시스템(100)의 회로는 상기 얼음(102)이 반도체처럼(상기한 바와 같이) 작동하여 완성된다. 상기 회로가 완성된 때, 상기 전원 공급기(109)는 상기 얼음(102)과 상기 부재(104) 사이의 계면에 직류 바이어스를 공급한다. 상기 바이어스는 일반적으로 수 볼트보다 적고, 따라서 배터리가 상기 공급기(109)로서 기능할 수 있다.
상기 바이어스의 크기는 원하는 적용분야에 의존한다. 자동차의 바람 보호막이나 항공기 날개의 경우에, 상기 바이어스는 최소의(또는 거의 최소의) 얼음 부착결과를 위해, 이로써 상기 부재(104)로부터 상기 얼음(102)의 제거를 용이하게 하기 위해 선택된다.
또한, 바람직하게는 전압 조절 서브시스템(112)이 상기 시스템(100)과 회로에 연결되어 있다. 이하에서 보다 상세하게 설명하자면, 전압 조절 서브시스템(112)은 최적의 방법으로 직류 바이어스를 감소시키거나 증가시키거나 하기 위해 상기 회로 및 상기 전원 공급기(109)와 피드백으로 작동한다. 예를 들면, 상기 서브시스템은 상기 회로로부터 데이터를 측정하고 상기 얼음(102)의 도전율(및/또는 온도)를 결정하기 위해 회로와 마이크로프로세서(112a)를 포함할 수 있다. 그러한 측정은 상기 서브시스템(112)에 의해 교대로 상기 회로에 적용되는 직류 바이어스의 양을 효과적으로 변경하는 신호를 생성하는 데에 이용된다. 상세하게는, 일 실시예에서, 상기 전원 공급기(109)는 얼음-부재 계면에서 정 전압을 생성하기 위해 상기 신호에 응답한다. 상기 직류 바이어스의 값은 룩업(look-up) 테이블을 통해서 및 실험적 데이터에 기초하여 상기 서브시스템(112)내의 메모리(112b)에 저장될 수 있다. 예컨대, 도전율 "Y"(주어진 적용분야를 위해 상기 부재(104)와 같이 상기 시스템(100)이 설치된 때, 우선으로 알려진)의 부재와 접촉한 도전율 "X"(바람직하게는 실시간으로, 상기 서브시스템에 의해 측정된)의 얼음은 메모리(112a)내의 룩업 테이블을 통해 상기 얼음-부재 계면에 어떤 전압을 가할 것인지를 결정하기 위해 이용된다.
상기 그리드 전극(106)은 바람직하게는 상기 표면(104a)상에 형성된 얼음(102)이 상기 그리드(106)의 적어도 일정 부분에 접축하는 것을 보장(가능한최상으로)하도록 공간을 두고 있다. 도 5를 참조하면, 예컨대, 상기 얼음(102)은 "C"-"E" 점을 포함하여, 상기 그리드(106)의 여러 영역과 접촉한다. 따라서, 상기 시스템(100)의 회로는 상기 얼음(102)이 상기 그리드의 적어도 어느 한 부분을 부재 전극(106,104)에 각각 "쇼트(short)"시킨 때 완성된다.
상기 그리드(106)의 도전성 영역들-예컨대, 도 5의 영역(114)- 사이의 공간의 실제 크기는 구체적인 적용분야에 따라 결정되어야 한다. 예를 들면, 상기 표면(104a)이 항공기 날개의 표면이면, 상기 공간은 낮은 도전성의 대기성 얼음을 통해 충분한 전류 밀도를 제공하기 위해 상대적으로 작을 수 있다. 그러나, 보다 도전적인 강이나 바다의 얼음 영역에서는, 영역(114)은 필요에 따라 더 크게 할 수 있다.
도 7은 본 발명에 의한 시스템(130)을 나타낸다. 상기 서브시스템(130)의 전극은 항공기 날개(132)이다. 상기 항공기 날개(132)는 전기적으로 접지(134)된다. 직류 전원(136)는 전기적으로 직류 전류계(138)와 연결되어 있다. 상기 직류 전류계(138)는 전기적으로 인덕터(140)에 연결되어 있다. 상기 인덕터(140)는 전기적으로 와이어(141)를 통해 상기 항공기 날개(132)에 고정된 절연층(144)에 적용되는 도전성 페인트(142)(또는 다른 날개에 적합한 도전성의 균등물)와 연결되어 있다.
상기 절연층(144) 및 페인트(142)는 바람직하게는 도 5와 연결하여 설명한 바와 같이 그리드 패턴으로 배열된다. 도 7의 상기 날개(132)에 가해지는 전압은 얼마나 빨리 제빙(de-icing)이 일어나야 하느냐에 따라 상기 그리드 영역의 m2당 1A이하에서 100A까지의 상응 전류와 함께, 5~50V 사이에서 조정된다.
종래 기술을 가진 자들은 상업적으로 용이하게 구할 수 있는 다양한 종류의 절연 도료(144') 및 도전성 페인트(142)이 존재하는 것과, 착빙(icing) 시뮬레이션의 테스트 후에 특정 브랜드가 선택되어야 하는 것을 알아야 한다. 나아가, 상기 그리드(145)의 최적 공간결정(예컨대 도 5의 영역(114)의 크기를 정하는 것)은 또한 실험적으로 또는 특정 설계에 대한 분석을 통해 결정되어져야 한다.
도 7을 더 참조하면, 상기 직류 전류계(138)는 부가적으로 피드백 서브시스템(150)에 연결될 수 있다. 상기 피드백 서브시스템(150)은 얼음 도전율 및 온도와 같은 특성에 의존하여 상기 날개-얼음 계면에 가해지는 직류 바이어스를 "제어"하기 위해 교대로 전기적으로 상기 직류 전원(136)에 연결된다. 따라서 바람직하게는 온도 센서(152) 또한 상기 얼음(154)의 온도를 측정하기 위해 상기 회로(130)에 연결된다.
상기 시스템(130)의 다른 특징은 상기 도전성 페이트(142)에 교대로 전기적으로 연결되는, 교류 전류계(158)에 전기적으로 연결된 교류 전원(약 10kHz 내지 100kHz 사이에서 작동하는)를 포함할 수 있다. 전류 비교기(160)는 상기 교류 전류계(158) 및 상기 직류 전류계(138) 양자에 전기적으로 연결되어 있다.
착빙 경보 서브시스템(162) 또한 상기 시스템(130)에 포함될 수 있다. 상기 전류 비교기(160)는 예컨대 이하에서 설명하는 것과 같은 소정의 이벤트를 개시하기 위해 상기 착빙 경보 서브시스템(144) 및 상기 피드백 서브시스템(150)에 연결될 수 있다.
상기 직류 전류계는 상기 회로(130)의 직류 도전율을 측정하는 데에 이용될 수 있다. 상기 직류 도전율 신호 측정은 상기 직류 전원(136)에 의해 공급되는 전류를 조절하는 상기 피드백 서브시스템(150) 및 상기 전류 비교기(160)에 제공된다.
상기 교류 전류계는 예컨대 10~100kHz의 적용된 주파수 범위내에서 상기 회로(130)의 교류 도전율을 측정하는 데에 이용될 수 있다. 상기 교류 도전율 신호 측정은 상기 전류 비교기(160)에(그리고 선택적으로 A/D 및 데이터 처리를 위해 피드백(150)으로) 제공된다. 상기 교류 및 직류 도전율 사이의 비교는 양자가 "쇼트"시켜 회로를 완성하는 물과 얼음을 구분하기 위해 상기 시스템(130)에 의해 이용된다. 구체적으로는, 상기 교류 도전율 대 직류 도전율의 비는 물에 대해 얼음을 충분히 구분하는 신호 측정치를 제공하면서, 물에 대비되는 얼음의 경우 더 큰 크기의 2~3 명령이다.
그러므로, 얼음이 상기 날개(132)상에 형성된 때, 상기 전류 비교기(160)는 교대로 상기 직류 전원(136)에게 얼음-날개 계면에 직류 바이어스를 증가 또는 감소하도록 명령하는 상기 피드백 서브시스템(150)에게 신호를 보낸다. 상기 직류 바이어스는 상기 날개(132)상의 얼음(154)의 얼음 부착력을 최소화하도록 하는 크기(일반적으로 1V~6V)로 선택된다.
상기 날개(132)의 제빙을 시작하자마자, 상기 전류 비교기(160)에 의해 수신된 미분 신호는 미리 정해진 값 이하로 떨어진다. 그리고, 상기 전류 비교기(160)는 상기 착빙 경보(162)를 해제한다. 동시에, 상기 전류 비교기(160)는 상기 직류전원(136)이 초기 레벨로 상기 바이어스를 감소하도록 교대로 명령하는 상기 피드백 서브시스템(150)으로 신호를 보낸다.
요약하면, 상기 전류계(138,158)는 상기 그리드 전극(142)과 상기 날개(132) 사이를 쇼트하는 부재의 도전율을 결정하는 데에 이용된다. 도시한 바와 같이, 상기 부재는 얼음(154)이다. 따라서, 상기 시스템(130)은 자동으로 얼음과 물을 구별한다. 상기 인덕터(140)는 교류 전압이 상기 회로의 "직류" 부분으로 들어가는 것을 방지하는데, 이것은 얼음 부착력을 수정하기 위해 정확히 제어되어야 한다. 상기 피드백 서브시스템(150)은 얼음 온도 및 얼음 도전율(및/또는 얼음 순도)와 같은 피드백 데이터에 기초한 거의 최적의 직류 바이어스로 상기 전원(136)을 명령하고 제어하기 위한 마이크로프로세서 및 메모리를 포함할 수 있고, 바람직하게는 포함한다. 상기 피드백 회로는 상기 서브시스템(162)으로부터 얼음 경보 신호를 수신한 후에 약 0.1mA/in2(또는 얼음-날개 계면에서 약 1mA/in2전류 밀도)의 밀도를 제공하는 레벨로 직류 바이어스 전압을 증가하거나 감소하는 것이 바람직하다. 따라서, 약 10~30A의 전류에서, 약 100~500와트의 총 에너지 소비는 일반적인 대형 항공기에 요구된다.
도 7의 회로의 "직류" 부분은 얼음-날개 계면에 직류 바이어스를 제공하는 것을 주요로 하고, 부가적으로(필요하다면) 상기 얼음(154)의 직류 도전율을 측정하는 기능을 행한다. 따라서, 도 7의 회로의 "교류" 부분은 교류 도전율을 측정하는 기능을 주로 행한다. 도 7의 회로의 남은 부분은 (a) 상기 직류 및 교류 부분사이의 신호 커플링을 방지하는 인덕터; (b) 얼음(물에 대비하여) 및/또는 얼음 온도 및 도전율과 같은 측정된 피드백 파라미터의 검출에 기초한 적용되는 직류 바이어스를 제어하는 피드백과 측정 및 제어 회로를 제공한다.
도 8은 전력선(700)으로부터 얼음을 감소시키거나 제거하는 데에 적합한 본 발명에 의한 바람직한 일실시예를 나타낸다. 도 9에 삽입된 그림은 본 발명에 의한 전력선(700)의 단면도를 나타낸다. 종래 기술에서도 알려진대로, 일반적인 전력선(702)은 60Hz로 전력을 생성하지만, 인치당 10,000V와 같은 매우 높은 전기장을 가진다. 본 발명에 따라, 코팅(704)이 "t"의 두께로 상기 선(702)상에 이루어진다.
한 실시예에서 코팅(704)은 본 발명의 분야에서 알려져 있는 대로 강유전체이다. 강유전체는 본질적으로 세라믹이며 특정 조건 하에서는 매우 높은 유전 상수(예를 들어 10,000 정도)와 매우 높은 유전 손실(예를 들어 tanδ≒10)을 보이지만 다른 조건 하에서는 상대적으로 낮은 유전 상수(3~5)와 작은 유전 손실을 보인다. 바람직하게는 이들 물질은 동결 온도 이상에서는 낮은 유전 상수를, 동결 온도 이하에서는 높은 유전 상수를 가지도록 선택되어야 한다. 주변 온도가 어는점 이하로 내려 가면 코팅은 높은 유전상수와 유전 손실로 인해 교류 전기장에 의해 크게 가열된다.
본 발명의 기술 분야에서 숙련된 기술자라면 위에 기술된 실시예에서 코팅의 온도를 녹는점에 가깝게(또는 약간 높게) 자동 조절하게 됨을 인식할 수 있을 것이다. 코팅이 전력선의 전기장에 의해 과열되는 경우에는 강유전 상태에서 보통 상태로 자동적으로 상 전환이 일어나면서 이 시점에서 코팅은 전기장의 흡수를 멈추게 된다. 따라서 상 전환 온도를 선택함으로써 코팅의 온도를 사용자의 필요와 특정 지역의 환경 조건에 따라 조절할 수 있다.
코팅(704)은 선(702)에 의해 발생하는 교류 전기장의 존재 하에 열을 발생한다. 특히, 코팅은 교류 사이클에 대해 열을 발생하는 이력을 보이며 따라서 코팅은 선(702)의 진동 전기장으로 인해 열을 발생한다.
두께(t)는 코팅 물질이나 원하는 가열 조건에 따라 두께를 달리 적용할 수는 있지만 보통 1~10mm정도이다. 예를 들어, 두께를 변화시킴으로써 표면에서의 온도(704a)는 1~10℃정도 올라갈 수 있다. 바라는 양의 열(즉 선(700) 표면(704a)의 얼음이나 눈을 녹이기에 충분한 열)이 발생하도록 두께(t)가 선택된다.
코팅이 낮은 유전상수와 손실을 보일 때(즉, 동결 온도 이상이나 다른 원하는 온도에 있을 때), 코팅(704)에 의해 훨씬 적은 양의 열이 발생하며 따라서 훨씬 적은 에너지가 선(702)에서 소비된다.
코팅(704)은 또한 동일 또는 유사한 효과를 내는 강자성체로 구성될 수도 있다. 이 경우, 코팅은 전력선에 의해 발생하는 자기장의 에너지를 흡수한다.
보다 구체적으로, 강유전체이 진동하는 전기장(교류)에 놓일 때, 이 물질은 유전 손실 때문에 장에 의해 가열된다. 세제곱 미터 당 가열은 다음과 같다:
(12)
이때 ε'은 상대 유전율(통상의 강유전체에서 일반적으로 104정도), ε0는자유 공간의 유전율(ε0=8.85x10-12F/m), ω는 교류장의 각주파수(=2πf 이고 이 때 f는 전력선의 통상 주파수로서 일반적인 전력선에서는 60Hz이다), tanδ는 절연 손실의 탄젠트 값, (E2)은 전기장을 제곱한 값의 평균이다.
강유전체의 특징은 매우 큰 값의 ε'와 소위 큐리에 온도(Curie Temperature)Tc이하의 tanδ, 그리고 작은 값의 ε'와 Tc이상의 tanδ이다. 따라서 유전 손실(또는 교류 전기장의 가열 전력)은 Tc이하나 근처에서 매우 높으며 이 온도 이상에서는 큰 크기(약 106정도)로 낮아진다. 강유전체의 Tc를 녹는점에 가깝거나 약간 높게 되도록 하기 위해서는 위에서 기술한 바와 같이 코팅(704)에서 최적의 선택이 이루어져야 한다. 이러한 코팅은 외부 온도가 녹는점 Tm이하로 내려가면 전기 에너지를 흡수하고 Tm이상의 온도에서는 장에 의해 가열되어 다시 일반적인 절연체로(즉 더 이상 의미있는 양의 전기장을 흡수하지 않도록) 상 전환이 일어나게 된다.
따라서, 이러한 코팅이 교류장에 놓여지면 강유전체은 Tm보다 약간 높은 온도 Tc를 일정하게 유지한다. 동결을 막기 위한 이러한 자동 조절 메커니즘은 매우 경제적이다: 전력선 1 미터 당 또는 보호를 요하는 표면 1 제곱 미터 당 최대 가열 전력은 코팅 두께를 변화시킴으로써, 아니면 별도로 또는 두께 변화와 함께중성적(비강유전) 절연 페인트나 플라스틱을 표면에 가함으로써 증가시키거나 감소시킬 수 있다. 본 발명에 따른 적절한 강유전체은 다음을 포함한다:
표3: 강유전체
| 이름 | 식 | Tc(절대온도) |
| 로셀염 | NaKC4H4O64H2O | 255-297 |
| 중수 로셀염 | NaKC4H2D2O64H2O | 251-308 |
| TGSe | (NH2CH2COOH)3H2Se4 | 295 |
| Potassium tantalate niobate | Kta2/3Nb1/3O3 | 271 |
| 질산 안티몬 | NH4NO3 | 255, 305 |
| Pb3MgNb2Og | ~273K(섭씨 0도) |
Pb3MgNb2Og를 예로 들어 가열 전력을 계산해 보기로 한다. 본 예에서, √v2=10kV이고 선의 직경이 1cm=2*radius인 중간 범위의 전력선을 고려한다. 선 표면의 전기장 세기는:
(13)
또는 3kV/cm이고, 이 때 L은 선 사이의 거리이다(L=1m). 위와 같이 대입하면 즉, E2=3E5 V/m, ω=2*60Hz, ε'=104, tanδ=10일 때, W(1mm, 60Hz) = 4.5E5watt/m3으로 계산된다. 1mm 두께의 박막의 경우를 예로 들면 450 watt/ m2으로 계산되며 일반적인 얼음을 녹이기에 충분한 값이다.
전력선에 적용해 보면, 코팅에서 소모되는 최대 전력은 선 사이의 전기용량 C2에 의해 제한된다:
(14)
2cm 두께의 선의 경우 선 사이의 거리가 1m일 때 C2는 1.21E-11 F/m 정도이다. V=350kV인 전력선의 경우 Wmax는 300Watt/m 정도로서 1m 길이의 케이블이 동결되지 않도록 하기에 충분한 에너지이다.
강유전체에 더하여, 거의 모든 반도체 피복체는 비슷한 효과를 제공한다. 방정식 (24)의 최대에 도달하기 위하여, 코팅의 유전체 도전율(σ)은 다음의 조건을 만족해야 한다:
σ = εεoω (15)
여기서, ε는 피복체의 유전상수이고, εo는 자유공간에서의 유전상수이다. 60 Hz 라인에서 ε≒ 10, σ≒ 3.4E-8 (ohm.m)-1이다. 그러한 도전성은 불순물이 함유되지 않는 많은 반도체와 저급 절연체에 있어서 매우 전형적이다. 그러므로, 그러한 피복체는 비용이 많이 들지 않는다(어떤 페인트는 이러한 코팅의 품질을 결정한다). 게다가, 상기에서 설명한, 동일한 온도 '조정'은 반도체 물질의 온도에 대한 강한 종속관계(예컨대, 지수함수적인 종속관계)에 의해 이루어질 수 있다. 그러므로, 방정식 (22)에 의한 최적의 조건은 좁은 온도 간격(예컨대, -10℃≤T≤10℃)에서만 만족될 수 있으며, 이때 코팅은 얼음을 녹일 것이며, 조건에 맞지 않으면 극히 적은 전력만을 소비할 것이다.
본 발명이 속하는 분야의 기술에 능숙한 자는 여기서 설명된 다른 표면도 이러한 코팅을 적용할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 항공기 날개에 그러한 피복을 적용하면, 피복이 교류에 의존하여 특히, 상기 방정식 (19)와 같이 교류를 증가시킴으로써, 녹이는 능력을 제공할 수 있을 것이다. 예를 들어, 100kHz 주파수의 Pb3MgNb2Og는 1mm 두께의 코팅을 W(1mm, 100kHz, 3E5V/m) = 750kWatt/m2에 이르기까지 가열할 것이다.
그러므로, 본 발명은 상기에 설명된 바에 의해 명백하게, 상기의 목적을 달성한다. 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어나지 않고 상기의 장치와 방법을 달리할 수 있으므로, 상기의 설명 및 도면에 기재된 모든 사항은 예시적이며, 기술적 사상을 한정하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
예를 들어, 본 발명이 속하는 분야에서의 기술자는 도 5와 관련하여 설명된 그리드 전극도 역시 주택의 지붕, 기름 파이프 라인, 자동차 도로, 기타 얼음이 생길 수 있는 장소의 표면에 적용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 10은 다공성층을 이용하는 본 발명의 실시예를 나타낸 것이다. 물질의 다공성층(2904)은 표면(2902)에 부착되어 있다. 제1 절연층(2906)과 제2 절연층(2908)은 물질의 다공성층(2904)에 부착되어 있다. 제1 전극(2910)은 제1 절연층(2906)에 부착되어 있다. 제2 전극(2912)은 제2 절연층(2908)에 부착되어 있다. 얼음(2914)은 물질의 다공성 층(2904), 제1 절연층(2906), 제2 절연층(2908), 제1 전극(2910), 그리고 제2 전극(2912)을 덮고 있다.
물질의 다공성층(2904)은 이온을 얼음(2914)에 넣을 수 있는 구멍을 가진 어떠한 물질이라도 될 수 있다. 다공성층(2904)의 물질은 어떠한 다공성의 세라믹, 금속 또는 합금이라도 될 수 있다. 몇가지 실시예에서, 다공성층(2904)은 매우 얇은 층이 될 수 있으며, 이 층은 물에 거의 녹지 않으며, 표면(2902)을 덮는 페인트 코팅와 같은 것이다. 다공성층(2904)의 물질의 몇가지 예는:
(1) 소결(燒結)된 금속으로 구성된, 침투성의(percolated) 다공성 전극: 참조문헌의 일부로서, Vilar et al., Percolated porous electrodes composed of sintered metal - Hydrodynamics and mass transfer, Canadian Journal of Chemical Engineering, 76:(1):41-50 (1998)을 참조하라;
(2) 충전지를 위한 다공성의 흑연-삽입물 시스템: 참조문헌의 일부로서, Barsukov, Porous Graphite-Intercalation System For Rechargeable Batteries, New Materials:Conjugated Double Bond Systems, 191:265-268(1995)을 참조하라;
(3) 금속 첨가물을 담고있는 다공성 이온: 참조문헌의 일부로서, Jayalakshmi et al., Electrochemical Characterization Of Porous Iron Electrodes, Proceedings Of The Indian Academy Of Sciences-Chemical Sciences, 103:(6):753-761(1991)을 참조하라.
물질의 다공성층(2904)은 전기도전성을 증가시키는 불순물 용액으로 포화된다. 이러한 불순물은 알칼리 물질, 산성 물질 또는 소금이 될 수도 있다. 몇가지 예를 들면, KOH, HF, NaCl, 및 KCl의 전해질 용액이 이에 해당한다. 물질의 다공성 층(2904)이 얼음(2914) 또는 과냉각된 수정과 접촉하면, 다공성 층(2904)은 얼음(2914)에 소량의 불순물을 보낸다. 불순물은 얼음(2914)에 이온을 첨가시킨다.얼음의 도전성은 불순물의 존재로 인해 증가하게 된다. 항공기 여행과 같이 매우 저온, 고도의 환경에서는 얼음은 매우 순수하고 그리고/또는 비도전성으로 될 수 있다. 순수한 얼음 및 매우 낮은 온도에서의 얼음의 전기 도전성을 증가시키기 위해서는 다공성 층(2904)의 동작으로 도전성이 없어지게 된다. 다공성 층(2904)에 불순물의 수용액을 다시 적용함으로써 다공성 층(2904)이 다시 채워질 수 있을 것이다.
제1 전극(2910) 및 제2 전극(2912)은 전류를 운반하기 위해 전압이 적용되는 어떠한 전극이라도 될 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 제1 전극 및 제2 전극은 자연상태에서 다공성이며, 다공성 층(2904)와 함께 설명된 바와 같이 얼음(2914)에 불순물을 내보낸다. 본 발명의 다른 실시예에서, 제1 전극(2910) 및 제2 전극(2912)는 그리드(grid)와 같은 어떠한 형태로도 구성될 수 있다. 이러한 구체적인 요소는, 도 29에서는 명확하게 보이기 위해서 표시되지 않았다. 제1 절연층(2906) 및 제2 절연층은 제1 전극(2910) 및 제2 전극(2912)으로 하여금 다공성 층(2904)과 단락(short)되지 않도록 하는 어떠한 물질이라도 될 수 있다.
작동을 함에 있어서, 제1 전극(2910) 및 제2 전극(2912)에 전압이 인가된다. 제1 절연층(2906) 및 제2 절연층(2908)은 제1 전극(2910) 및 제2 전극(2912)으로 하여금 다공성 층(2904)과 단락되지 않도록 한다. 얼음(2914)은 다공성 층(2904) 위에 형성되기 시작한다. 다공성 층(2904)은 얼음(2914)에 불순물을 내보내며, 이는 얼음(2914)의 도전성을 증가시킨다. 제1 전극(2910)과 제2 전극(2912)으로부터 인가된 전압은 얼음(2914)의 부착력을 감소시키고, 얼음(2914)을 녹이게 된다.
도 11은 본 발명에 의한 실시예를 도시한 것으로서, 전력선(3000)으로부터 얼음을 제거하는 것을 표시한 것이다. 전력선(3000)은 그라운드(3002) 위에 떠 있다. 전력선(3000)은 유전손실 또는 자기손실에 따른 적절한 온도를 가지고 있는 강유전(强誘電)체, 강자성(强磁性)체 또는 반도체 등으로 피복되어 있다. 이 온도가 이 실시 온도에 도달할 때, 전력선의 피복은 얼음 부착력을 감소시킴으로써 얼음을 제거한다.
전력선(3000)은 전류를 통과시키는데, 전류는 전기장 또는 자기장을 만든다. 온도가 전력선(3000)의 피복의 동작온도에 도달할 때, 전력선(3000)의 피복은 전기장 또는 전자장에 반응한다. 전력선(3000)의 피복은, 전자기장 및 피복의 특성에 기초하여 전력선(3000) 위에 형성되는 얼음을 제거한다.
도 12는 본 발명에 의한 실시예를 도시한 것으로서, 자체결집 단일층(Self Assembling Monolayer; SAM) 상의 얼음을 표시한 것이다. 석영층(3102)이 크롬층(3104)에 붙어 있다. 크롬층(3104)은 금층(gold layer)(3106)에 붙어 있다. 금층(3106)은 자체 결집 단일층(SAM)(3108)에 붙어 있다. 한 방울의 물 또는 얼음(3110)이 SAM(3108)의 위에 있다. 직류 전원(3112)이 물/얼음 방울(3110) 및 전위계(3114)에 접속되어 있다. 전위계(3114)는 금층(3106)에 접속되어 있다.
전위계(3114)는, 직류 전원(3112)의 직류 바이어스와 SAM의 소수성(疏水性) 특성이 변화하는 동안, 전기량측정 모드로 동작함으로써 계면의 전하밀도를 측정한다. 외부 직류 전압의 인가없이, 물이 소수성 SAM(3108)에 접촉하는 각도는 98도에서 104도의 사이이다. 물이 친수성(親水性) SAM(3108)에 접촉하는 각도는 36에서38도의 사이이다. 소수성 특성과 친수성 특성이 변화함에 따라, 물이 SAM(3108)에 부착하는 일(Work)은 130mJ/m2 에서 54 mJ/m2 사이이다.
-4.5V가 인가되었을 때, 물이 소수성 SAM(3108)에 접촉하는 각도는 40도이다. 물이 소수성 SAM(3108)에 접촉하는 일(Work)은 59.5mJ/m2 에서 127mJ/m2 사이이다.
SAM(3108)의 준비는 금도금이 된 광학 거울을 사용하는 것이다. 소수성(疏水性) 예의 경우, 1mM 의 시약액은 138.8μL의 도데칸에티올(dodecanethiol)을 1L의 메탄올 또는 에탈올에 용해시킴으로써 만들어지는 1 도데칸에티올(edodecanethiol) [CH3(CH2)11SH]로부터 준비된다. 친수성(親水性) 예의 경우, 1mM 의 시약액은 0.2044g μL의 11-메르캡토-1-언데카놀(11-mercapto-1-undecanol)을 1L의 메탄올에 용해시킴으로써 만들어지는 11-메르캡토-1-언데카놀(11-mercapto-1-undecanol) [HO(CH2)11SH]로부터 준비된다. 소수성 또는 친수성 특징을 가지는 SAM(3108)을 준비하기 위해서는, 관심있는 비율로 두 용액이 혼합되어야 한다.
SAM(3108)을 준비하기 위해서, 금층(3106)은 에탄올로 헹구어 진 후에 질소흐름으로 건조된다. 그 다음에, 금층(3106)은 12~36 시간동안, 특정한 소수성 및 친수성 특성에 따라 상기에 설명된 적절한 용액에 담근다. 금층(3106)에서 상기 용액을 제거한 후에 에탄올로 5~10회 헹군다. 금층(3106)은 10~15 초 동안 질소흐름으로 건조한다.
상기한 내용에 대한, 특허청구범위는 다음과 같다.
Claims (13)
- 물체에 부착된 얼음의 부착력을 조정하는 시스템에 있어서,상기 물체로부터 전기적으로 절연되어 있는 전극과,상기 얼음과 상기 물체 사이의 계면에 직류 바이어스를 발생시키기 위해 상기 얼음 및 상기 물체와 연결된 직류전원과,상기 얼음의 도전율을 증가시키기 위해 상기 얼음을 도핑하기 위한 다공성 물질을 가지는 전극과,상기 계면에서 실질적으로 제로(0) 바이어스 전압으로 얼음 부착력에 대비하여 선택적으로 상기 얼음 부착력을 조정하는 전압을 가진 직류 바이어스를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 물체에 부착된 얼음의 부착력을 조정하는 시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 물체와 상기 전극 사이에 배치된 전기적 절연 물질을 더 포함하고,상기 절연 물질은 실질적으로 상기 전극과 동일한 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 물체에 부착된 얼음의 부착력을 조정하는 시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 전극은, 상기 물체의 표면에 적합하도록 형성된 그리드 전극을 더 포함하고,상기 그리드 전극의 각 지점은 전원과 전기적으로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 물체에 부착된 얼음의 부착력을 조정하는 시스템.
- 제 4 항에 있어서,상기 물체와 상기 그리드 전극과의 사이에 배치된 그리드 절연체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물체에 부착된 얼음의 부착력을 수정하는 시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 얼음의 직류 도전율을 결정하기 위해 상기 전극 및 전원을 가진 회로에 연결되어 있는 직류 전류계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물체에 부착된 얼음의 부착력을 조정하는 시스템.
- 제 5 항에 있어서,상기 얼음의 교류 도전율을 결정하기 위해 상기 전극 및 전원을 가진 회로에 연결되어 있는 교류 전원 및 교류 전류계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물체에 부착된 얼음의 부착력을 조정하는 시스템.
- 제 6 항에 있어서,상기 교류 전원은, 약 10kHz~100kHz의 하나 이상의 주파수를 발생시키는 교류 전원인 것을 특징으로 하는 물체에 부착된 얼음의 부착력을 조정하는 시스템.
- 제 6 항에 있어서,상기 직류 도전율과 교류 도전율 사이의 비율을 나타내는 신호를 발생하기 위해, 상기 직류 전류계 및 교류 전류계에 연결되어 있는 전류 비교기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물체에 부착된 얼음의 부착력을 조정하는 시스템.
- 제 8 항에 있어서,상기 신호를 평가하고 얼음 또는 물이 전극과 물체 사이에 회로를 쇼트시키는지 여부를 결정하는 피드백 서브시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물체에 부착된 얼음의 부착력을 조정하는 시스템.
- 제 9 항에 있어서,상기 얼음의 온도를 측정하고 상기 얼음의 온도를 나타내는 신호를 상기 피드백 서브시스템에 전달하기 위해 구성되고 배열된 온도센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물체에 부착된 얼음의 부착력을 조정하는 시스템.
- 제 9 항에 있어서,교류 대 직류 얼음 도전률의 미리 정해진 값에 대응하여 얼음을 검지하자마자 상기 시스템을 활성화하는 착빙 경보를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물체에부착된 얼음의 부착력을 조정하는 시스템.
- 물체에 부착된 얼음의 부착력을 조정하는 시스템에 있어서,상기 물체로부터 전기적으로 절연되어 있는 전극과,상기 얼음과 상기 물체 사이의 계면에 직류 바이어스를 발생시키기 위해 상기 얼음 및 상기 물체에 연결된 직류전원과,상기 얼음의 도전율을 증가시키기 위해 상기 물체의 적어도 어느 일부분에 배치되어있는 다공성 물질과;상기 계면에서 실질적으로 제로(0) 바이어스 전압으로 얼음 부착력과 대비하여, 상기 얼음 부착력을 선택적으로 조정하는 전압을 가진 직류 바이어스를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 물체에 부착된 얼음의 부착력을 조정하는 시스템.
- 제 1 항 또는 제 12 항에 있어서,상기 물체는 자체결집 단일층(self assembling monolayer)을 포함하여 이루어지고,상기 자체결집 단일층은 상기 얼음의 상기 물체에 대한 부착을 조정하기 위하여 소수성(疏水性) 및 친수성(親水性) 특징이 변화하는 것을 특징으로 하는 물체에 부착된 얼음의 부착력을 조정하는 시스템.
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