KR20080112703A

KR20080112703A - 고 전단속도에서 고 항복응력을 갖는 자기유변유체

Info

Publication number: KR20080112703A
Application number: KR1020070061443A
Authority: KR
Inventors: 정진한
Original assignee: (주)스마트로닉스
Priority date: 2007-06-22
Filing date: 2007-06-22
Publication date: 2008-12-26
Also published as: KR100932225B1

Abstract

본 발명은 고 전단속도에서 고 항복응력을 갖는 자기유변유체에 관한 것이다.

본 발명이 개시하는 자기유변유체는 다음의 조건(①, ②, ③ 및 ④)을 충족하는 자성입자를 포함한다.

① 1㎛≤d10＜3㎛,

② 3㎛≤d50＜6㎛,

③ 6㎛≤d90＜12㎛,

④ (d90-d10)/d50≥2

본 발명의 자기유변유체는 제어범위가 넓어, 댐퍼를 비롯한 클러치, 브레이크, 엔진마운트 등의 기계장치에 대한 안정성·신뢰도 향상에 크게 기여할 것으로 기대된다.

자기유변유체, MR유체, 항복응력, 전단력, TUR

Description

고 전단속도에서 고 항복응력을 갖는 자기유변유체{MAGNETO RHEOLOGICAL FLUID HAVING HIGH YIELD STRESS AT HIGH SHEAR RATE}

도 1은 실험예 1, 2, 3에 의한 자기유변유체에 대해 자기장을 인가한 후 전단속도에 따른 전단응력의 변화를 나타낸 그래프,

도 2는 실험예 1, 2, 3에 의한 자기유변유체에 대해 자기장을 인가하지 않은 상태에서 전단속도에 따른 전단응력의 변화를 나타낸 그래프,

도 3은 실험예 4, 5, 6에 의한 자기유변유체에 대해 자기장을 인가한 후 전단속도에 따른 전단응력의 변화를 나타낸 그래프,

도 4는 실험예 4, 5, 6에 의한 자기유변유체에 대해 자기장을 인가하지 않은 상태에서 전단속도에 따른 전단응력의 변화를 나타낸 그래프.

자기유변유체는 자기장의 변화에 상응하여 가역적으로 점도 조절이 가능한 물질로서, 빙햄(Bingham magnetic fluid)으로 일컬어지는 지능재료(intelligent material) 중의 하나이다. 구체적으로 자기유변유체는 미네랄 오일, 합성탄화수소, 물, 실리콘 오일, 에스테르화 지방산 등의 분산매체에 직경 수 내지 수십 마이크론(㎛)의 미세한 자성입자(예: 철, 니켈, 코발트 등)가 분산된 비콜로이드 현탁액을 말한다.

자기유변유체는 자기장을 인가함에 따라 유체의 점도 특성 등 유동특의 변화폭이 크고, 내구성이 우수할 뿐만 아니라 오염물에 대해 상대적으로 덜 민감하고 자기장에 대한 응답속도가 10^-1초 수준으로 매우 빠르다. 따라서 자동차의 클러치, 엔진마운트, 댐퍼와 같은 진동제어장치, 고층건물 내진장치, 로봇틱 시스템의 구동장치 등 여러 산업분야에 적용 가능성이 높은 것으로 평가된다.

또한, 자기유변유체는 자기장이 가해지면 분산입자가 쌍극자를 형성하여 인가된 자기장과 평행한 방향으로 섬유구조를 이루어 고체 형태로 변화한다. 이는 점도를 급격히 증가시키게 된다. 반면에 자기장이 제거되면, 쌍극자 힘을 상실하여 입자는 불규칙적으로 흩어지고 뉴튼 유체의 성질을 따르는 본래의 상태로 되돌아간다.

알려진 바와 같이, 이상적인 자기가변유체는 자기장이 인가되지 않았을 경우 극히 낮은 점도특성(낮은 항복응력)을 갖고, 반면에 자기장이 인가되면 높은 항복응력(yield stress)을 갖아야 한다.

상술한 항복응력 특성을 달성하기 위해, 평균입도가 서로 다른 입자를 혼합한 기술이 미합중국 특허 US5,667,715호 및 US6,027,664호에 개시된바 있다. 최근에는 입도분포가 d10(2~5㎛), d50(10~13㎛), d90(28~35㎛)이고 R²(least square regression of log normal particle size against cumulative volume%)가 0.77 이상인 자기유변유체가 US7,087,184호에 소개된바 있다.

그러나 항복응력 특성 개선에 대한 요구는 끊임없이 대두되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 고 전단속도에서 우수한 항복응력 특성을 가진 자기유변유체를 제안한다.

이를 위해 본 발명의 자기유변유체는 입도분포 조건 1㎛≤d10＜3㎛, 3㎛≤d50＜6㎛ 및 6㎛≤d90＜12㎛를 만족하는 자성입자를 포함한다. 더욱 바람직하게 이 자성입자는 스팬 조건 (d90-d10)/d50≥2를 만족한다. 또한, 본 발명의 자성입자로는 카보닐철 분말로써 단일 종류 혹은 두 가지 종류 이상으로 혼합한 것을 이용할 수 있다.

본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자기유변유체를 구성하는 자성입자(magnetic particle)는, 카보닐철 분말(Carbonyl Iron Powder)로서 단일 종류의 분말 또는 하나 이상의 종류로 혼합된 분말이며, 다음의 입도분포 및 스팬 조건을 만족한다.

① 1㎛≤d10＜3㎛

② 3㎛≤d50＜6㎛

③ 6㎛≤d90＜12㎛

④ 스팬(span)=(d90-d10)/d50≥2

단, d10은 입도 누적분포에서 최대 입도에 대해 10%에 해당하는 크기의 입도(㎛), d50은 입도 누적분포에서 최대 입도에 대해 50%에 해당하는 입도, d90은 입도 누적분포에서 최대 입도에 대해 90%에 해당하는 입도를 나타낸다.

스팬이 2미만인 경우에는 항복응력이 낮으며, 특히 고 전단속도 하에서 항복응력이 감소하게 되고 낮은 TUR값(아래의 설명 참조)을 갖게 된다.

이하, 상술한 바람직한 실시예의 특징을 살펴보기 위해 본 발명자가 시행한 일련의 실험예들을 설명한다. 실험예에 사용된 자성입자는 독일 바스프사(BASF사)의 카보닐철 분말 CC, CM, HS 중 어느 하나 또는 두 가지가 선택·이용되었으며, 선택된 각각의 카보닐철 입자는 전체 자성입자에 대해 50중량%로 투입되었다.

실험예 1

1,000㎖의 스텐 비이커에, 분산매체로서 에스케이주식회사(SK Corp.)의 YUBASE YU-L3 100g, 침강방지제로서 흄드실리카 TS-720 2g과 유기점토 TIXOGEL MP100 6g을 첨가하여 호머믹서를 통해 1,000rpm으로 30분간 교반하였으며, 여기에 카보닐철 분말 CM 500g과 분산제로서 노닐페놀 에틸렌 옥사이드 6g을 넣고 1,500rpm에서 30분간 교반시킨 후, 볼밀에 투입하여 24시간 동안 밀링함으로써 자기유변유체를 제조하였다. 물론, 본 실험예 및 하기의 실험예에 이용된 자성입자는 앞서 언급한 입도분포 조건 및 스팬 조건 ①, ②, ③, ④를 만족한다.

실험예 2

상술한 실험예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 카보닐철 분말 CM 대신 CC 500g를 넣어 제조하였다.

실험예 3

상술한 실험예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 카보닐철 분말 CM 대신 HS 500g를 넣어 제조하였다.

실험예 4

실험예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 카보닐철 분말 CM 250g과 CC 250g을 넣어 제조하였다.

실험예 5

실험예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 카보닐철 분말 CM 250g과 HS 250g을 넣어 제조하였다.

실험예 6

실험예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 카보닐철 분말 CC 250g과 HS 250g을 넣어 제조하였다.

상술한 실험예들에 따라 제조된 자기유변유체의 유변특성을 고찰하기 위하여, 상온(25℃)에서 독일 파르사(Paar사)의 MCR301 레오메타를 사용하였다. MCR301 레오메타는 플레이트-플레이트 지오메트리(직경 20㎜), 갭 싸이즈 0.9㎜, 자기장은 0.1~1.0테슬라까지 가변시킬 수 있으며, 전단속도는 0~1,000(1/sec)까지 측정할 수 있다.

첨부도면 도 1은 실험예 1, 실험예 2, 실험예 3에 대해 0.9 테슬라의 자기장을 인가한 후 전단속도(shear rate)에 따른 전단응력(shear stress, [Pa])의 변화를 나타낸 그래프이며, 도 2는 자기장이 인가되지 않은 상태에서 전단속도에 따른 전단응력의 변화를 나타낸 그래프이다.

한편, 도 3은 실험예 4, 5, 6에 0.9테슬라 크기의 자기장을 인가한 후 전단속도에 따른 전단응력의 변화를 나타낸 그래프이며, 도 4는 자기장이 인가되지 않은 상태에서 전단속도에 따른 전단응력의 변화를 나타낸 그래프이다.

일반적으로 우수한 자기유변유체는 자기장 비인가시(Off State) 점도 또는 항복응력이 낮아야 하며, 자기장 인가시(On State) 높은 항복응력을 지녀야 넓은 범위의 제어능력을 지닌 것으로 평가된다. 이때 사용되는 지표는 턴업비(TUR, Turn Up Ratio)이며, 이는 자기장 인가시의 전단응력을 자기장 비인가시의 전단응력으로 나눈 값이다. 즉, TUR 값이 클수록 우수한 자기유변유체라 할 수 있다.

다음의 [표 1]은 전단속도 1,000(1/sec) 하에서 각 실험예에 따른 TUR값을 보이고 있다. 표에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실험예에 따라 제조된 자기유변유체는 자기장의 유무에 따른 전단응력의 변화 범위가 넓고, TUR값이 크다는 것을 알 수 있다.

상술한 본 발명에 따르면, 고 전단속도에서도 높은 항복응력(또는 TUR값) 특성을 보유한 자기유변유체를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 자기유변유체는 제어범위가 넓기 때문에 댐퍼를 비롯한 클러치, 브레이크, 엔진마운트 등의 기계장치에 대한 안정성 및 신뢰도 향상에 크게 기여할 것으로 기대된다.

이상에서 본 발명의 실시예 및 실험예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니며, 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims

아래의 조건 ①, ②, ③ 및 ④를 만족하는 자성입자를 구성한 것을 특징으로 하는 고 전단속도에서 고 항복응력을 갖는 자기유변유체.

① 1㎛≤d10＜3㎛

② 3㎛≤d50＜6㎛

③ 6㎛≤d90＜12㎛

④ (d90-d10)/d50≥2

단, d10: 입도 누적분포에서 최대 입도에 대해 10%에 해당하는 크기의 입도, d50: 입도 누적분포에서 최대 입도에 대해 50%에 해당하는 입도, d90: 입도 누적분포에서 최대 입도에 대해 90%에 해당하는 입도이다.
청구항 1에 있어서,

상기 자성입자는,

단일 종류의 카보닐철 분말인 것을 특징으로 하는 고 전단속도에서 고 항복응력을 갖는 자기유변유체.
청구항 1에 있어서,

상기 자성입자는,

두 가지 종류 이상의 혼합된 카보닐철 분말인 것을 특징으로 하는 고 전단속도에서 고 항복응력을 갖는 자기유변유체.