KR20130114219A - 마찰력 가변 성형체 및 마찰력 가변 구조 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 마찰력 가변 성형체는 제1 면과, 제2 면과, 절연성 부분과, 상기 제1 면과 상기 제2 면을 도통하는 도전성 부분을 갖는다.
Description
본 발명은 마찰력 가변 성형체 및 마찰력 가변 구조에 관한 것이다.
본원은 2011년 1월 27일에 출원된 일본 특허출원 2011-015797호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
전압을 인가함으로써 외관의 점도가 상승하는, 이른바 전기 레올로지(rheology)(이하 「ER」로 기재한다) 효과를 발현하는 ER 유체가 알려져 있다. ER 유체에 인가되는 전압을 변화시킴으로써, ER 유체의 점도를 가역적이고 또한 자유롭게 바꿀 수 있으며, 또한 전압의 변화에 대한 응답성이 우수하다.
ER 유체는, 통상 실리콘 오일 등의 전기 절연성 분산매 중에 분산상 입자(ER 입자)가 분산된 형태이다. 이 때문에, ER 유체를 장기간 정치해 두면 ER 입자가 침강, 응집되어 안정된 ER 효과가 얻어지기 어렵다.
여기서, ER 입자의 침강, 응집을 방지하기 위해서, 겔 골격 중에 ER 입자가 분산된 전기 절연성 분산매를 유지시킨 ER 겔이 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
ER 겔은 전압이 인가되어 있지 않을 때는 ER 입자가 표면에 부상함으로써 접촉 면적이 감소하여 표면이 저마찰 상태가 되고, 한편 전압이 인가되면 ER 입자가 겔 내에 침강하여 표면의 마찰력이 증가한다. 따라서, 2개의 전극 사이에 시트상의 ER 겔을 배치한 ER 소자에 의하면, 전기적으로 마찰력을 조절할 수 있다. 이 때문에 ER 소자는 마찰력을 이용한 장치, 예를 들면 진동 흡수 장치(댐퍼 등), 충격 흡수 장치(범퍼 등), 고정 장치(클램프 등) 등에 대한 이용이 기대되고 있다.
상기 ER 유체에 있어서는 경시 변화에 기인하여 ER 입자가 침강, 응집되기 쉬운 것을 비롯하여, 전기 절연성 분산매가 배어 나오기 쉽고, ER 입자에 시일 구조를 형성하지 않으면 안 되는 등의 문제가 있다.
상기 ER 겔에 있어서도 ER 겔의 표면에 겔을 형성하고 있는 전기 절연성 분산매가 배어 나오는 문제가 있다.
본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 전기 절연성 분산매가 배어 나오는 문제가 없고, 전기적으로 마찰력을 조절할 수 있는 효과가 얻어지는 마찰력 가변 성형체 및 마찰력 가변 구조를 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명의 제1 양태의 마찰력 가변 성형체는 제1 면과, 제2 면과, 절연성 부분과, 상기 제1 면과 상기 제2 면을 도통하는 도전성 부분을 갖는다.
본 발명의 제1 양태의 마찰력 가변 성형체에 있어서는 상기 도전성 부분의 전기 도전율이 1×10―9∼1×101(S/㎝)이고, 상기 제1 면과 상기 제2 면 사이의 전체 전기 전도율이 1×10―14∼1×10―1(S/㎝)이며, 상기 제1 면에는 상기 절연성 부분과, 적어도 일 노출부 당 면적이 0.785∼7850(μ㎡)인 상기 도전성 부분이 노출되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 제1 양태의 마찰력 가변 성형체에 있어서는 상기 제2 면에 상기 절연성 부분과, 적어도 일 노출부 당 면적이 0.785∼7850(μ㎡)인 상기 도전성 부분이 노출되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 제1 양태의 마찰력 가변 성형체에 있어서는 상기 도전성 부분을 구성하는 재료는 유기 도전성 고분자 화합물, 탄소계 화합물, 금속 산화물, 상기 금속 산화물에 금속 도핑이 처리된 재료, 금속 수산화물 및 ER 입자 중에서 선택된 적어도 하나의 재료인 것이 바람직하다.
본 발명의 제1 양태의 마찰력 가변 성형체에 있어서는 상기 제1 면에 노출된 도전성 부분이 상기 제1 면 전체에서 차지하는 면적비는 5∼85면적％인 것이 바람직하다.
본 발명의 제1 양태의 마찰력 가변 성형체에 있어서는 상기 제2 면에 노출된 도전성 부분이 상기 제2 면 전체에서 차지하는 면적비는 5∼85면적％인 것이 바람직하다.
본 발명의 제1 양태의 마찰력 가변 성형체에 있어서는 상기 제1 면에 노출된 도전성 부분이 상기 제1 면 전체에서 차지하는 면적비는 5∼85면적％이고, 상기 제2 면에 노출된 도전성 부분이 상기 제2 면 전체에서 차지하는 면적비는 5∼85면적％인 것이 바람직하다.
본 발명의 제2 양태의 마찰력 가변 구조는 상기 제1 양태의 마찰력 가변 성형체의 제1 면과 제2 면 사이에 전압을 인가하여 마찰력을 발생시킨다.
본 발명에 의하면 전기 절연성 분산매가 배어 나오는 문제가 없고, 전기적으로 마찰력을 조절할 수 있는 효과가 얻어지는 마찰력 가변 성형체 및 마찰력 가변 구조를 제공할 수 있다.
도 1a는 마찰력 가변 성형체의 일 실시형태를 나타내는 평면도이다.
도 1b는 마찰력 가변 성형체의 일 실시형태를 나타내는 도면으로서, 도 1a의 A-A선을 따르는 단면도이다.
도 2a는 마찰력 가변 성형체의 다른 실시형태, 즉 절연성의 다공질 필름을 사용한 마찰력 가변 성형체의 일례를 나타내는 평면도이다.
도 2b는 마찰력 가변 성형체의 다른 실시형태를 나타내는 도면으로서, 도 2a의 A-A선을 따르는 단면도이다.
도 3a는 마찰력 가변 성형체와 함께 사용하는 것이 바람직한 전극의 실시형태를 나타내는 도면으로서, 어골형 패턴이 형성된 전극을 나타내는 평면도이다.
도 3b는 마찰력 가변 성형체와 함께 사용하는 것이 바람직한 전극의 실시형태를 나타내는 도면으로서, 사다리형 패턴이 형성된 전극을 나타내는 평면도이다.
도 3c는 마찰력 가변 성형체와 함께 사용하는 것이 바람직한 전극의 실시형태를 나타내는 도면으로서, 소용돌이형 패턴이 형성된 전극을 나타내는 평면도이다.
도 4는 본 실시예에 있어서의 전압에 의한 마찰력의 변화를 평가하는 방법을 설명하는 개략도이다.
도 1b는 마찰력 가변 성형체의 일 실시형태를 나타내는 도면으로서, 도 1a의 A-A선을 따르는 단면도이다.
도 2a는 마찰력 가변 성형체의 다른 실시형태, 즉 절연성의 다공질 필름을 사용한 마찰력 가변 성형체의 일례를 나타내는 평면도이다.
도 2b는 마찰력 가변 성형체의 다른 실시형태를 나타내는 도면으로서, 도 2a의 A-A선을 따르는 단면도이다.
도 3a는 마찰력 가변 성형체와 함께 사용하는 것이 바람직한 전극의 실시형태를 나타내는 도면으로서, 어골형 패턴이 형성된 전극을 나타내는 평면도이다.
도 3b는 마찰력 가변 성형체와 함께 사용하는 것이 바람직한 전극의 실시형태를 나타내는 도면으로서, 사다리형 패턴이 형성된 전극을 나타내는 평면도이다.
도 3c는 마찰력 가변 성형체와 함께 사용하는 것이 바람직한 전극의 실시형태를 나타내는 도면으로서, 소용돌이형 패턴이 형성된 전극을 나타내는 평면도이다.
도 4는 본 실시예에 있어서의 전압에 의한 마찰력의 변화를 평가하는 방법을 설명하는 개략도이다.
＜마찰력 가변 성형체＞
도 1a는 마찰력 가변 성형체의 일 실시형태를 나타내는 평면도이고, 도 1b는 도 1a의 A-A선을 따르는 단면도이다.
본 실시형태의 마찰력 가변 성형체(10)는 제1 면(10a)과 제2 면(10b)을 구비하고, 절연성 부분(11)과, 제1 면(10a)과 제2 면(10b)을 도통하는 도전성 부분(12)을 갖고 있다.
본 발명에 있어서 「절연성 부분의 전기 전도율」, 「도전성 부분의 전기 전도율」은 절연성 부분에 사용하는 재료의 전기 전도율, 도전성 부분에 사용하는 재료의 전기 전도율을 각각 의미한다.
이들 전기 전도율은 이하의 측정 방법에 의해 정의되는 값(S/㎝)을 나타낸다. 이 측정 방법을 행하기 전에는 시료를 제조한다. 구체적으로, 절연성 부분 또는 도전성 부분에 사용하는 재료 0.5g을 정제 성형용 지그(φ＝10㎜, 높이 25㎜)에 각각 투입한다. 이어서, 상온이고 감압하에서 유압 수동 펌프(P-1B, 리켄 계기(주) 제조)를 사용하여 당해 재료에 10MPa의 압력을 10초간 가하여 원판상의 시료를 성형한다. 그 후 전기 전도율을 측정하는 방법으로서, 상기와 같이 성형된 시료의 두께(상기 높이 방향의 길이)와, 원판상의 시료에 있어서의 2 평면 사이의 전기 저항값(Ω)을 계측하고, 하기 식으로부터 전기 전도율을 산출한다.
(절연성 부분 또는 도전성 부분의 전기 전도율)＝(전기 저항값의 역수)×(시료의 두께)/(시료 단면(원형)의 면적)
「제1 면(10a)과 제2 면(10b) 사이의 전체 전기 전도율」은 제1 면(10a)과 제2 면(10b)의 거리와, 제1 면(10a)과 제2 면(10b) 사이의 전기 저항값(Ω)을 계측하여, 하기 식으로부터 산출되는 전기 전도율을 말한다.
(제1 면(10a)과 제2 면(10b) 사이의 전체 전기 전도율)＝(제1 면(10a)과 제2 면(10b) 사이의 전기 저항값의 역수)×(제1 면(10a)과 제2 면(10b)의 거리)/(시료 단면의 면적)
식 중 「시료 단면의 면적」이란, 제1 면(10a)의 면적과 제2 면(10b)의 면적의 평균값을 나타낸다.
도전성 부분(12)은 그 전기 전도율이 1×10―9∼1×101(S/㎝)이고, 1×10―6∼1×101(S/㎝)인 것이 바람직하며, 1×10―4∼1×100(S/㎝)인 것이 보다 바람직하다.
제1 면(10a)과 제2 면(10b) 사이의 전체 전기 전도율은 1×10―14∼1×10―1(S/㎝)이고, 1×10―10∼1×10―1(S/㎝)인 것이 바람직하다.
제1 면(10a)과 제2 면(10b) 사이의 전체 전기 전도율의 각각이 상한값(즉, 1×10―1(S/㎝))을 초과하면, 도전성 부분(12)의 전기 저항이 작아져 전압이 인가되었을 때에 전극과 도전성 부분(12)이 단락 상태가 되어, 전위차를 충분히 확보할 수 없다.
한편, 제1 면(10a)과 제2 면(10b) 사이의 전체 전기 전도율의 각각이 하한값(즉, 1×10―14) 미만인 경우에는, 도전성 부분(12)의 전기 저항값이 높아진다. 이 때문에, 노출부(12a)에 가까운 위치 및 노출부(12b)에 가까운 위치의 전류값이 낮아져서 노출부(12a) 및 노출부(12b)에 각각 전기력선이 집중되기 어려워져, 전기적으로 마찰력을 조절할 수 있는 효과(전기 마찰 효과)가 충분히 얻어지기 어렵다.
도전성 부분(12)을 구성하는 재료로는 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜 등의 유기 도전성 고분자 화합물; 카본 블랙, 그래파이트, 그래핀, 카본 나노 튜브(CNT) 등의 탄소계 화합물; 산화주석, 산화티탄, 산화아연, 산화철, 산화인듐주석 등의 금속 산화물; 이들 금속 산화물에 금속 도핑이 처리된 재료, 수산화티탄 등의 금속 수산화물, ER 입자 등을 들 수 있다.
ER 입자로는 실리카 겔 등의 무기 입자; 셀룰로오스, 전분, 대두 카제인, 폴리스티렌계 이온 교환 수지 등의 유기 입자; ER 유체용 복합 입자 등을 사용할 수 있다. ER 유체용 복합 입자는 유기 고분자 미립자(아크릴계 미립자, 폴리스티렌계 미립자, 멜라민계 미립자 등) 혹은 무기 미립자(산화티탄 미립자, 유리계 미립자 등)로 형성된 심체와, 특정한 전기 전도율을 갖는 상기 금속 산화물 등의 무기 화합물을 사용하여 심체를 피복하는 표층에 의해 구성된 무기·유기 복합 입자 또는 무기 복합 입자이다.
절연성 부분(11)의 전기 전도율이 1×10―12(S/㎝) 이하인 것이 바람직하고, 1×10―14(S/㎝) 이하인 것이 보다 바람직하다. 절연성 부분(11)의 전기 전도율이 상한값(즉, 1×10―12)을 초과하면, 절연성 부분(11)과 도전성 부분(12)의 전기 전도율 차이가 작아진다. 이 때문에, 노출부(12a) 및 노출부(12b)에 전기력선이 각각 집중되기 어려워져, 충분한 전기 마찰 효과가 얻어지기 어렵다.
절연성 부분(11)을 구성하는 재료로는, 예를 들면 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 아크릴 수지, 폴리에스테르 수지 등의 열가소성 수지; 폴리아미드이미드, 폴리에테르이미드, 폴리이미드, 에폭시 수지 등의 열경화성 수지; 폴리비닐알코올과 알콕시실란의 가교 폴리머, 테플론 수지(등록상표) 등을 들 수 있다.
제1 면(10a)에는 절연성 부분(11)과 도전성 부분(12)이 각각 노출되고, 도전성 부분(12)이 복수의 노출부(12a)로서 분포되어 있다.
본 발명에 있어서 「일 노출부」란 노출부의 형상, 면적과는 관계없이, 면에 노출되어 있는 하나의 부분을 의미한다.
「적어도 일 노출부 당 면적이 0.785∼7850(μ㎡)인 상기 도전성 부분이 노출되어」란, 일 노출부의 면적이 0.785∼7850(μ㎡)인 도전성 부분이 하나 이상 노출되어 있어, 이 범위 외의 면적을 갖는 도전성 부분이 노출되어 있어도 되고 노출되어 있지 않아도 되는 것을 의미한다.
「일 노출부 당 면적」은 디지털 마이크로스코프 등에 의해 계측되는 측정값에 의해 정의되는 값(μ㎡)을 나타낸다. 구체적으로는, 디지털 마이크로스코프(VHX-1000, (주) 키엔스사 제조)를 이용하여 20㎜×20㎜ 이상의 면을 갖는 마찰력 가변 성형체에 있어서의 노출부의 면적을 계측하고, 일 노출부 당 면적을 산출한다.
제1 면(10a)에는 적어도 일 노출부 당 면적이 0.785∼7850(μ㎡)인 도전성 부분(12)(노출부(12a))이 노출되어 있다. 또한, 일 노출부 당 면적이 바람직하게는 1.77∼1960(μ㎡), 보다 바람직하게는 3.14∼707(μ㎡)인 도전성 부분(12)(노출부(12a))이 노출되어 있다.
도전성 부분(12)의 일 노출부 당 면적이 상한값(즉, 1960(μ㎡))을 초과하면, 도전성 부분(12)에 있어서의 전하가 강하게 이동하여 노출부(12a)에 전기력선이 집중되기 어려워진다.
도전성 부분(12)의 일 노출부 당 면적이 하한값(즉, 1.77(μ㎡)) 미만에서는, 노출부(12a)에 집중되는 전기력선량이 부족해진다.
노출부(12a)의 형상은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 원 형상, 타원 형상, 다각형 등 다양한 형상이어도 된다.
일 노출부 당 면적이 0.785∼7850(μ㎡)인 도전성 부분(12)(노출부(12a))의 합계가 제1 면(10a)의 전체에서 차지하는 면적비는 5∼85면적％인 것이 바람직하고, 10∼85면적％인 것이 보다 바람직하다.
당해 면적비의 하한값(즉, 0.785(μ㎡)) 미만이면, 전기 마찰 효과를 발현시키는 면적이 좁아지기 때문에 충분한 전기 마찰 효과가 얻어지기 어렵다. 당해 면적비의 상한값(즉, 7850(μ㎡))을 초과하면, 제1 면(10a)과 제2 면(10b) 사이에 충분한 전위차가 생기지 않아 충분한 전기 마찰 효과가 얻어지기 어려워진다.
본 실시형태의 마찰력 가변 성형체(10)에 있어서는 제2 면(10b)에도 제1 면(10a)과 동일하게, 절연성 부분(11)과 도전성 부분(12)이 각각 노출되고, 도전성 부분(12)이 복수의 노출부(12b)로서 분포되어 있다.
제2 면(10b)에 노출되어 있는 노출부(12b)의 일 노출부 당 면적, 및 일 노출부 당 면적이 0.785∼7850(μ㎡)인 도전성 부분(12)(노출부(12b))의 합계가 제2 면(10b)의 전체에서 차지하는 면적비는, 모두 제1 면(10a)에 있어서의 경우와 동일하다. 즉, 일 노출부 당 면적이 0.785∼7850(μ㎡)인 도전성 부분(12)(노출부(12a))의 합계가 제2 면(10b)의 전체에서 차지하는 면적비는 5∼85면적％인 것이 바람직하고, 10∼85면적％인 것이 보다 바람직하다. 이 경우, 제1 면(10a) 및 제2 면(10b)의 양쪽에 있어서, 상술한 면적비가 실현되어 있다. 즉, 마찰력 가변 성형체(10)에 있어서는 제1 면(10a)과 제2 면(10b)의 양쪽 면에서, 각각 전기적으로 마찰력을 조절할 수 있다.
또한 제1 면(10a) 및 제2 면(10b)의 한쪽에 있어서, 상술한 면적비가 실현되어 있으면 된다.
마찰력 가변 성형체(10)의 두께는 2000㎛ 이하인 것이 바람직하고, 1∼1000㎛인 것이 보다 바람직하며, 10∼500㎛인 것이 더욱 바람직하다.
당해 두께가 상한값(즉, 2000㎛)을 초과하면, 전압 인가시의 인가 전압을 높일 필요가 있어, 이 때문에 전압 인가시에 절연 파괴 또는 방전 발생이 일어나기 쉬워진다. 또한 고가이고 대형인 전원 장치가 필요해진다. 당해 두께의 하한값(즉, 1㎛) 미만이면, 사용 중에 발생하는 흠집 등에 대해 충분한 재료 강도가 얻어지기 어려워진다.
(마찰력 가변 성형체(10)의 제조 방법)
본 실시형태의 마찰력 가변 성형체(10)는, 예를 들면 절연성 부분(11)을 구성하는 재료의 용융물 중에 도전성 부분(12)을 구성하는 재료로 형성된 입자를 분산하고, 핫 프레스 성형 등을 행함으로써 제조할 수 있다. 또는, 절연성 부분(11)을 구성하는 재료로 형성된 판상물에 전자선 등에 의해 제1 면(10a)과 제2 면(10b)을 관통하는 원통 형상의 관통공을 형성하고, 당해 관통공을 도전성 부분(12)을 구성하는 재료로 충전함으로써 제조할 수 있다.
(작용 효과)
본 실시형태의 마찰력 가변 성형체(10)에 있어서는 ER 유체 또는 ER 겔과 같이 실리콘 오일 등의 유체 또는 겔이 사용되지 않는 점에서, 전기 절연성 분산매가 배어 나오는 문제가 없다.
본 실시형태의 마찰력 가변 성형체(10)에 있어서는 전압이 인가되었을 때, 노출부(12a)의 일 노출부 당 면적을 소정의 노출 면적 범위로 함으로써, 노출부(12a)에 전기력선이 집중되기 쉬워지고 있다.
이 때문에, 마찰력 가변 성형체(10)가 한 쌍의 전극 사이에 배치되어 있는 경우, 제1 면(10a)과, 제1 면(10a)과 대향되는 전극(대향 전극) 사이에서, 인가되는 전압의 크기에 따른 정전 인력이 작용한다. 이로 인해, 마찰력 가변 성형체(10)와 대향 전극 사이의 마찰력을 전기적으로 조절할 수 있다.
또한 본 실시형태의 마찰력 가변 성형체(10)는 그 재료 강도가 높다는 점에서, ER 겔 등으로는 곤란하였던 얇은 시트상으로 성형할 수 있는 등, 성형성에서도 우수하다.
(다른 실시형태)
본 발명의 마찰력 가변 성형체는 도 1에 나타내는 실시형태에 한정되지 않고, 예를 들면 제2 면 전체에 도전성 부분이 노출되어도 된다.
또한, 일 노출부 당 면적이 0.785∼7850(μ㎡)인 도전성 부분의 합계가 제1 면 전체에서 차지하는 면적비와, 일 노출부 당 면적이 0.785∼7850(μ㎡)인 도전성 부분의 합계가 제2 면 전체에서 차지하는 면적비가 동일해도 되고, 상이해도 된다.
또한 본 발명의 마찰력 가변 성형체로는 절연성 부분이 되는 다공성의 판상물 혹은 필름에, 전기 전도율이 1×10―9∼1×101(S/㎝)인 도전성 재료를 충전해도 된다.
절연성의 다공질 필름을 사용한 마찰력 가변 성형체를 제조하는 방법으로는 다음과 같은 방법을 들 수 있다. 즉, 폴리올레핀 또는 폴리이미드 등에 의해 형성되는 다공성의 판상물 혹은 필름에, 아닐린, 피롤, 티오펜 등의 단량체를 함침시킨다. 이 단량체를 중합시킨 후, 필요에 따라서 암모니아 처리, 도펀트 처리 등을 행하여 소정의 도전율이 되도록 조정함으로써, 마찰력 가변 성형체를 용이하게 제작할 수 있다.
이 실시형태의 마찰력 가변 성형체의 제조에 있어서는 상기 다공성의 판상물 혹은 필름에 대한 상기 단량체의 젖음성을 높이기 위해, 플라즈마 처리, 프라이머 처리 등의 표면 개질을 행하는 것이 바람직하다.
도 2a는 마찰력 가변 성형체의 다른 실시형태, 즉 절연성의 다공질 필름을 사용한 마찰력 가변 성형체의 일례를 나타내는 평면도이고, 도 2b는 도 2a의 A-A선을 따르는 단면도이다.
본 실시형태의 마찰력 가변 성형체(20)는 폴리에틸렌으로 형성된 절연성 부분(21)과, 폴리아닐린으로 형성된 도전성 부분(22)을 구비하고 있다. 제1 면(20a)과 제2 면(20b)은 도전성 부분(22)에 의해 도통되어 있다.
제1 면(20a)에는 절연성 부분(21)과 도전성 부분(22)이 각각 노출되고, 도전성 부분(22)이 다양한 형상으로 복수의 노출부(22a)로서 분포되어 있다.
제1 면(20a)에는 적어도 일 노출부 당 면적이 0.785∼7850(μ㎡)인 도전성 부분(22)(노출부(22a))이 노출되어 있다. 추가로, 일 노출부 당 면적이 0.785∼7850(μ㎡)인 도전성 부분(22)(노출부(22a))의 합계가 제1 면(20a)의 전체에서 차지하는 면적비는 10∼85면적％가 되어 있다.
마찰력 가변 성형체(20)에 있어서는 제2 면(20b)에도 제1 면(20a)과 동일하게, 절연성 부분(21)과 도전성 부분(22)이 각각 노출되고, 도전성 부분(22)이 복수의 노출부(22b)로서 분포되어 있다. 제2 면(20b)에 노출되어 있는 노출부(22b)의 일 노출부 당 면적, 및 일 노출부 당 면적이 0.785∼7850(μ㎡)인 도전성 부분(22)(노출부(22b))의 면적 합계가 제2 면(20b)의 전체에서 차지하는 면적비는, 모두 제1 면(20a)에 있어서의 경우와 동일하다. 즉, 마찰력 가변 성형체(20)는 제1 면(20a)과 제2 면(20b)의 양쪽 면에서, 각각 전기적으로 마찰력을 조절할 수 있다.
본 발명의 마찰력 가변 성형체에 있어서는 마찰력 가변 성형체에 인가되는 전압의 크기에 따라, 전기적으로 마찰력을 조절할 수 있다.
마찰력 가변 성형체를 사용하는 방법으로는 제1 면과 제2 면 사이에 전압을 인가하여 사용하는 방법과, 제1 면 또는 제2 면 중 어느 한쪽 면에 전압을 인가하여 사용하는 방법이 있다.
제1 면과 제2 면 사이에 전압을 인가하는 경우는 도전성 시트 전극을 제1 면과 제2 면에 각각 강하게 가압하는 방법이나, 금속 평판상 전극을 제1 면과 제2 면에 각각 강하게 가압하여 각 면에 강하게 가압되어 있는 전극에 전압을 인가하는 방법이 있다.
제1 면 또는 제2 면 중 어느 한쪽 면에 전압을 인가하는 경우는 도 3a∼도 3c에 나타내는 전극 등이 바람직하게 사용된다.
도 3a∼도 3c는 마찰력 가변 성형체와 함께 사용하는 것이 바람직한 전극의 실시형태를 나타내는 평면도이다. 도 3a는 어골형 패턴(32)이 기판(31) 상에 형성된 평판상 전극을 나타내고 있다. 도 3b는 사다리형 패턴(33)이 기판(31) 상에 형성된 평판상 전극을 나타내고 있다. 도 3c는 소용돌이형 패턴(34)이 기판(31) 상에 형성된 평판상 전극을 나타내고 있다. 각 평판상 전극에는 전원(35)이 각각 접속되어 있다.
이러한 전극은, 예를 들면 구리, 알루미늄, 니켈, 크롬 등의 금속으로 구성된 박막(금속 박막)을 패터닝함으로써 형성된 전극이 바람직하게 사용된다.
금속 박막으로는 증착, 도금, 스퍼터링 등에 의한 방법, 도전성 페이스트를 도포하여 건조시키는 방법, 금속박을 첩착하는 방법 등에 의해 성막된 박막을 들 수 있다.
또한, 기판(31) 상의 금속 전극 부분의 비율은 기판(31)의 면적에 대해서 19∼98％의 범위인 것이 바람직하다.
또한, 상술한 마찰력 가변 성형체(10)는 마찰력을 이용한 장치(마찰력 가변 구조), 예를 들면 진동 흡수 장치(댐퍼 등), 충격 흡수 장치(범퍼 등), 고정 장치(클램프 등) 등에 사용된다.
이러한 마찰력 가변 구조는 상술한 마찰력 가변 성형체(10)와, 마찰력 가변 성형체(10)를 구성하는 제1 면(10a)과 제2 면(10b)에 접속된 전원(35)을 구비하고 있다. 이 마찰력 가변 구조에 있어서는 전원(35)이 제1 면(10a)과 제2 면(10b) 사이에 전압을 인가함으로써, 마찰력 가변 성형체(10)와 마찰력 가변 성형체(10)에 접촉되어 있는 접촉부 사이에 마찰력이 발생한다. 이와 같이 제1 면(10a)과 제2 면(10b) 사이에 인가되는 전압을 제어함으로써, 전기적으로 마찰력을 조절할 수 있다.
실시예
이하, 본 발명을 실시예에 의해 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되지 않는다.
＜마찰력 가변 성형체와 ER 겔의 재료 강도의 비교＞
마찰력 가변 성형체(EF 시트)와 ER 겔(ERG 시트)에 대해, 그 재료 강도를 각각 측정하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다.
재료 강도로서 인장 강도를 측정하였다. 인장 강도(MPa)의 측정에 있어서는 인장 시험기(기기명: TENSILON RTC-1210, ORIENTEC사 제조)를 이용하였다. 인장 속도 10㎜/min, 온도 25℃, 상대 습도 60％의 조건하에서 인장 강도를 측정하였다.
시험편은 이하와 같이 하여 각각 제작하였다. 시험편의 형상은 인장 4호형 덤벨 형상이다.
[실시예 1: EF 시트(기재 PVA/TEOS)의 시험편 제작]
비커에 이온 교환수 100㎖를 첨가하고 마그네틱 스터러를 이용하여 이온 교환수를 교반하면서, 폴리비닐알코올(PVA; 와코 순약 공업사 제조, 중합도 1500) 5g과, 안티몬 도핑 산화주석 분말(SN-100P, 이시하라 산업사 제조, 전기 전도율 1×100S/㎝) 6g을 서서히 이온 교환수에 첨가하고, 12시간 교반함으로써 상기 재료를 이온 교환수에 완전히 용해시켰다. 이와 같이 얻어진 수용액에 테트라에톡시실란(TEOS) 0.5㎖를 첨가하고, 가수분해 촉매로서 0.1mol/ℓ 염산을 추가로 첨가하여 교반한 후, 거품이 사라질 때까지 상기 수용액을 정치하였다. 그 후 60℃에서 150분간의 가열 처리를 실시하고, 100℃에서 60분간의 가열 처리를 추가로 실시하여 수분을 완전히 제거함으로써 EF 시트(기재 PVA/TEOS)를 얻었다. 이 EF 시트를 인장 4호형 덤벨 형상으로 잘라내어 EF 시트(기재 PVA/TEOS)의 시험편을 얻었다.
얻어진 EF 시트(기재 PVA/TEOS)의 시험편에 대해 도전성 부분의 전기 전도율은 1×100(S/㎝)이고, EF 시트의 한쪽 면(제1 면)과 다른 쪽 면(제2 면) 사이의 전체 전기 전도율은 1×10―8(S/㎝)이었다.
제1 면에는 기재 부분(절연성 부분)과 산화주석 부분(도전성 부분)이 각각 노출되고, 일 노출부 당 면적이 0.785∼7850(μ㎡)인 당해 도전성 부분이 노출되어 있었다. 일 노출부 당 면적은 디지털 마이크로스코프(VHX-1000, (주) 키엔스사 제조)를 이용하여 측정하였다(이하 동일).
제2 면에도 기재 부분(절연성 부분)과 산화주석 부분(도전성 부분)이 각각 노출되어 있었다.
[실시예 2: EF 시트(기재 PS)의 시험편 제작]
폴리스티렌(PS 재팬 제조, 중합도 300) 20g과, 안티몬 도핑 산화주석 분말(SN-100P, 이시하라 산업사 제조, 전기 전도율 1×100S/㎝) 6g을 혼합하여 130℃로 가열하고, 130℃ 하에서 압력(10MPa)을 1분간 가하였다. 이어서, 가스를 빼기 위해 가압 상태를 해제하고, 그 후 상기 혼합 재료에 재차 압력(30MPa)을 가하여 5분간 유지하였다. 그 후, 압력(30MPa)을 가한 상태로 상기 혼합 재료를 냉각함으로써 EF 시트(기재 PS)를 얻었다. 이 EF 시트를 인장 4호형 덤벨 형상으로 잘라내어 EF 시트(기재 PS)의 시험편을 얻었다.
얻어진 EF 시트(기재 PS)의 시험편에 대해 도전성 부분의 전기 전도율은 1×100(S/㎝)이고, EF 시트의 한쪽 면(제1 면)과 다른 쪽 면(제2 면) 사이의 전체 전기 전도율은 1×10―10(S/㎝)이었다.
제1 면에는 기재 부분(절연성 부분)과 산화주석 부분(도전성 부분)이 각각 노출되고, 일 노출부 당 면적이 0.785∼7850(μ㎡)인 당해 도전성 부분이 노출되어 있었다.
제2 면에도 기재 부분(절연성 부분)과 산화주석 부분(도전성 부분)이 각각 노출되어 있었다.
[비교예 1: ERG 시트의 시험편 제작]
우선, 이하와 같이 하여 ERG 시트에 사용하는 ER 입자를 제조하였다.
안티몬 도핑 산화주석 분말(SN-100P, 이시하라 산업사 제조, 전기 전도율 1×100S/㎝) 30g과, 수산화티탄(이시하라 산업사 제조, 일반명: 함수 티탄, C-Ⅱ, 전기 전도율 9.1×10―6S/㎝) 10g과, 아크릴산부틸 300g과, 1,3-부틸렌글리콜디메타크릴레이트 100g과, 중합 개시제(아조비스이소발레로니트릴) 2g을 혼합하여, 혼합물을 얻었다.
얻어진 혼합물을 제3 인산칼슘 25g을 분산 안정제로서 포함하는 물 1800㎖ 중에 분산하고, 60℃에서 1시간 교반하면서 현탁 중합을 행하여, 얻어진 생성물을 산처리하고 수세 후, 탈수 건조시켜 무기·유기 복합 입자를 얻었다. 이 입자 200g에 철 프탈로시아닌(산요 색소사 제조, 「P-26」) 1.5g을 첨가하여 볼 밀에서 50시간 복합화 처리를 행하고, 이어서 이것을 제트 기류 처리기(미츠이 광산사 제조, 「메카노 하이브리드」)를 이용하여 주속 100m/초로 30분간 제트 기류 처리를 행하여 ER 복합 입자를 얻었다.
이어서 질소 도입관, 온도계, 교반 장치를 구비한 2ℓ의 분리형 플라스크에 디메틸실리콘 오일(도레이 다우코닝사 제조, 「SH-200(100)」, 실온(25℃)에 있어서의 동점도가 100㎟/s, 비중 0.97/25℃, 굴절률 1.402/25℃) 400g을 주입하고, 앞에서 얻어진 ER 복합 입자 600g을 분산시켜 질소 기류하에서 110∼120℃로 가열하여 3시간 교반함으로써, ER 복합 입자의 탈수를 행하였다. 얻어진 탈수 ER 복합 입자의 용액을 혼합 용액(A)로 하였다.
얻어진 혼합 용액(A)를 교반하면서 실온에서 5분간 감압 탈기한 후, 하기 식 (1-1)로 표시된 화합물과, 식 (2-1)로 표시된 화합물과, 백금 촉매(A)와, 경화 속도 조정제(도레이 다우코닝사 제조, LTV용 경화 지연제)를 프로펠러 믹서로 균일하게 혼합하여 혼합물(B)를 얻었다.
또한 백금 촉매(A)란, 백금 농도가 12.0질량％인 백금 디비닐테트라메틸디실록산 착체를 SH-200(10)(도레이 다우코닝사 제조, 실온(25℃)에 있어서의 동점도가 10㎟/s인 디메틸폴리실록산)으로, 백금 농도 0.3질량％로 희석함으로써 얻어진 촉매이다.
얻어진 혼합물(B)를 150㎜×150㎜×0.5㎜의 금형에 투입하였다. ER 복합 입자의 배열 경화 처리를 행하기 위해, 이 금형에 대해서 2㎸/㎜의 전계하, 60℃에서 15분간 가열 처리를 실시함으로써 ERG 시트상 경화물을 얻었다.
이어서, 이 ERG 시트상 경화물의 실리콘 오일 함유량을 조정한 후, ERG 시트상 경화물을 인장 4호형 덤벨 형상으로 잘라내어 ERG 시트의 시험편을 얻었다.
표 1의 결과로부터, 실시예 1, 2의 EF 시트는 비교예 1의 ERG 시트에 비해 현격하게 재료 강도가 높은 것을 확인할 수 있다.
또한, 실시예 1의 EF 시트는 실시예 2의 EF 시트에 비해 재료 강도가 약 2배나 높은 것을 확인할 수 있다. 이로 인해, 기재(절연성 부분)를 선택함으로써 재료 강도를 보다 높게 할 수 있다는 것을 알 수 있다.
＜전압에 의한 마찰력의 변화＞
마찰력 가변 성형체(EF 시트)에 대해 전압에 의한 마찰력의 변화를 평가하였다. 그 결과를 표 2에 나타내었다.
이 평가에 있어서는 실시예 3의 EF 시트와 실시예 4의 EF 시트를 사용하였다. 실시예 3의 EF 시트는 세로 8㎝×가로 8㎝×두께 1.3㎜의 크기를 갖는 평가용 EF 시트이고, 상술한 실시예 2와 동일하게 제작된 시트를 평가용 EF 시트의 크기로 잘라냄으로써 얻어졌다.
실시예 4의 EF 시트에 대해서는 이하에 서술한다.
[실시예 4: EF 시트의 제작]
실시예 4의 EF 시트를 제조할 때에는, 실시예 1의 EF 시트를 제조할 때에 사용한 안티몬 도핑 산화주석 분말(SN-100P, 이시하라 산업사 제조, 전기 전도율 1×100S/㎝) 6g을 안티몬 도핑 산화주석 피복 산화티탄 분말(ET-500W, 이시하라 산업사 제조, 전기 전도율 4.2×10―1(S/㎝) 1.5g으로 변경하고, 실시예 1과 동일한 방법에 의해 EF 시트를 얻었다. 이 EF 시트를 상기 평가용 EF 시트의 크기로 잘라내어 실시예 4의 EF 시트를 얻었다.
실시예 4의 EF 시트에 대해서 도전성 부분의 전기 전도율은 4.2×10―1(S/㎝)이고, EF 시트의 한쪽 면(제1 면)과 다른 쪽 면(제2 면) 사이의 전체 전기 전도율은 1×10―14(S/㎝)였다.
제1 면에는 기재 부분(절연성 부분)과 산화티탄 부분(도전성 부분)이 각각 노출되고, 일 노출부 당 면적이 0.785∼7850(μ㎡)인 당해 도전성 부분이 노출되어 있었다.
제2 면에도 기재 부분(절연성 부분)과 산화티탄 부분(도전성 부분)이 각각 노출되어 있었다.
도 4는 전압 변화에서 기인하는 마찰력의 변화를 평가하는 방법을 설명하는 개략도이다.
도 4에 나타내는 바와 같이, 지지대(45)의 주변측에 전극(42a)과, 평가용 EF 시트(41)와, 전극(42b)이 이 순서로 적층되어 있다.
전극(42a) 및 전극(42b)에는, 각각 세로 6㎝×가로 4㎝×두께 1.0㎜의 금속 평판상 전극이 사용되고 있다.
평가용 EF 시트(41)에 접하고 있는 전극(42b)과는 반대측 면에는 100g의 추(43)가 전극(42b)에 균등하게 하중이 가해지도록 배치되어 있다. 또한, 전극(42b)은 용수철 저울(44)과, 상기 주변측과는 반대 위치에 고정된 가이드(46)를 개재하여 금속선(47)으로 접속되어 있다. 금속선(47)은 전극(42b)의 측면 중앙부와 가이드(46) 사이에 있어서 지지대(45)의 면과 평행으로 연장되도록, 또한 가이드(46)와 용수철 저울(44) 사이에 있어서 지지대(45)의 면에 대해서 수직 방향으로 연장되도록, 전극(42b)과 용수철 저울(44)을 접속하고 있다. 전극(42a)과 전극(42b)은 전원(48)에 접속되어 있다.
도 4에 나타내는 장치를 이용하여 전압의 크기를 0, 200, 400, 600, 800V로 변화시켰을 때, 용수철 저울(44)을 지지대(45) 면에 대해서 수직 방향(화살표 방향)으로 끌어올리고, 전극(42b)이 움직이기 시작할 때 용수철 저울(44)이 나타내는 값(g)을 측정하였다.
표 2의 결과로부터, 실시예 3, 4의 EF 시트는 인가되는 전압의 크기에 따라 전기적으로 마찰력을 조절할 수 있는 효과가 얻어지는 것을 확인할 수 있었다.
본 발명의 마찰력 가변 성형체는 진동 흡수 장치(댐퍼 등), 동력 전달 장치(클러치 등), 고정 장치(정전 척, 클램프 등), 충격 흡수 장치(범퍼 등) 등의 장치에 적용할 수 있다.
10 마찰력 가변 성형체, 10a 제1 면, 10b 제2 면, 11 절연성 부분, 12 도전성 부분, 12a 노출부, 12b 노출부, 20 마찰력 가변 성형체, 20a 제1 면, 20b 제2 면, 21 절연성 부분, 22 도전성 부분, 22a 노출부, 22b 노출부, 31 기판, 35 전원, 41 평가용 EF 시트, 42a 전극, 42b 전극, 48 전원
Claims (8)
- 마찰력 가변 성형체로서,
제1 면과,
제2 면과,
절연성 부분과,
상기 제1 면과 상기 제2 면을 도통하는 도전성 부분을 갖는 것을 특징으로 하는 마찰력 가변 성형체. - 제 1 항의 마찰력 가변 성형체로서,
상기 도전성 부분의 전기 도전율이 1×10―9∼1×101(S/㎝)이고,
상기 제1 면과 상기 제2 면 사이의 전체 전기 전도율이 1×10―14∼1×10―1(S/㎝)이며,
상기 제1 면에는 상기 절연성 부분과, 적어도 일 노출부 당 면적이 0.785∼7850(μ㎡)인 상기 도전성 부분이 노출되어 있는 것을 특징으로 하는 마찰력 가변 성형체. - 제 2 항의 마찰력 가변 성형체로서,
상기 제2 면에 상기 절연성 부분과, 적어도 일 노출부 당 면적이 0.785∼7850(μ㎡)인 상기 도전성 부분이 노출되어 있는 것을 특징으로 하는 마찰력 가변 성형체. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항의 마찰력 가변 성형체로서,
상기 도전성 부분을 구성하는 재료는 유기 도전성 고분자 화합물, 탄소계 화합물, 금속 산화물, 상기 금속 산화물에 금속 도핑이 처리된 재료, 금속 수산화물 및 ER 입자 중에서 선택된 적어도 하나의 재료인 것을 특징으로 하는 마찰력 가변 성형체. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항의 마찰력 가변 성형체로서,
상기 제1 면에 노출된 도전성 부분이 상기 제1 면 전체에서 차지하는 면적비는 5∼85면적％인 것을 특징으로 하는 마찰력 가변 성형체. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항의 마찰력 가변 성형체로서,
상기 제2 면에 노출된 도전성 부분이 상기 제2 면 전체에서 차지하는 면적비는 5∼85면적％인 것을 특징으로 하는 마찰력 가변 성형체. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항의 마찰력 가변 성형체로서,
상기 제1 면에 노출된 도전성 부분이 상기 제1 면 전체에서 차지하는 면적비는 5∼85면적％이고,
상기 제2 면에 노출된 도전성 부분이 상기 제2 면 전체에서 차지하는 면적비는 5∼85면적％인 것을 특징으로 하는 마찰력 가변 성형체. - 마찰력 가변 구조로서,
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항의 마찰력 가변 성형체의 제1 면과 제2 면 사이에 전압을 인가하여 마찰력을 발생시키는 것을 특징으로 하는 마찰력 가변 구조.
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