KR20190124924A - 감쇠 복합체 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 감쇠 복합체는, 점탄성의 고분자 매트릭스, 고분자 매트릭스 내에 분산되어 있는 둘 이상의 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크를 포함한다.
여기서, 둘 이상의 기능화된 육방정 질화붕소는 다층 구조를 갖는다.

Description

감쇠 복합체 및 그 제조방법{DAMPING COMPOSITE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
감쇠 복합체 및 그 제조방법이 제공된다.
기계적 시스템에서 진동과 소음은 많은 문제들을 야기시킬 수 있으므로 감쇠되어야 한다. 동적 반응(dynamic response)과 관련된 필수적인 파라미터들로는 질량, 강성(stiffness), 그리고 감쇠(damping)가 있고, 따라서 기계적 시스템의 성질들은 이러한 파라미터들을 조절함으로써 제어될 수 있다. 질량은 운동에너지의 변화와 연관되어 있고, 강성은 변형 에너지(strain energy)의 저장(storage)과 연관되어 있는 반면, 감쇠는 에너지 소산(energy dissipation)과 관련되어 있고, 여기서 진동으로부터 생성된 에너지는 주로 열로 변환되어 소산될 수 있다.
기계적 시스템에서 감쇠는 진동을 감소시키는 수동적인 방법으로 널리 사용되고 있고, 물질적인 측면에서 지속적으로 개선되고 있다. 비행기, 선박, 잠수함, 자동차 등의 산업 분야에서, 구조적인 감쇠는 주로 점탄성 층들의 표면 처리에 의해 이루어져왔다. 점탄성 물질을 활용하는 감쇠는 비용 효율이 높고, 기계적 시스템에 용이하게 적용 가능한 장점을 갖는다.
감쇠 방법들 중 구속층 감쇠(constrained-layered damping)는 2개의 탄성 층들 사이에 점탄성 물질이 존재하는 샌드위치 구조를 가질 수 있다. 이러한 구조가 굽힘 진동의 환경에 있을 때, 점탄성 물질은 전단 방향(shear direction)으로 변형되고, 진동에너지는 점탄성 층의 전단 변형을 통해 소산될 수 있다. 다만 이러한 구조로 인해 총 질량이 증가될 수 있고, 이러한 질량 증가로 인해 파워(power) 또는 에너지 효율이 감소될 수 있다.
감소 방법들 중 자유단 감쇠(free-layer damping)의 경우, 전체 구조는 베이스 구조(base structure)와 베이스 구조 상의 점탄성 감쇠 물질만을 포함한다. 자유단 감쇠 구조에서 진동 에너지는 점탄성 물질의 인장(stretching) 변형 및 압축(compressive) 변형을 통해 감쇠될 수 있다. 자유단 감쇠 구조의 경우 구속층 감쇠 구조에 비해 총 질량이 감소할 수 있으나, 점탄성 물질층의 두께 및 질량이 제한됨으로 인해 감쇠 성능에 한계가 있을 수 있다.
최근, 감쇠재로 탄소나노튜브(carbon nanotube)와 그래핀이 연구되고 있다. 탄소나노튜브는 높은 표면적을 가짐으로써 탄소나노튜브와 고분자 수지 사이의 마찰(friction)을 통해 복합체의 감쇠 성능을 향상시킬 수 있고, 2차원 물질인 그래핀이 감쇠재로 적용되는 경우 복합체가 우수한 열전도성, 전기전도성, 기계적 강성을 나타낼 수 있다.
한편, 또다른 2차원 물질로 육방정 질화붕소(hexagonal boron nitride, h-BN)가 감쇠재로서 연구되고 있다. 질화붕소는 '백색 흑연'이라고 불리우는 신소재로, 방열성 및 열전도성이 매우 우수하여, 질화붕소 조성물을 진동이 발생하고 있는 구조체에 적용할 경우 기존 폴리우레탄 외에 추가의 굽힘 및 전단 응력이 발생함과 동시에 구조체 내부에서 발생되는 열을 외부로 빠르게 전달하여 감쇠 효율을 현저히 향상시킬 수 있고, 그 가격 또한 저렴하여 경제적으로 효율적이다. 육방정 질화붕소는 절연체로, 금속 표면에 직접적으로 적용할 수 있는 장점을 갖지만, 그 자체로 감쇠재로 적용하기는 어렵기 때문에, 고분자 수지와 복합체로 적용되어야 한다. 이러한 육방정 질화붕소와 고분자 수지의 복합체가 한국공개특허 제10-2016-0029929호에 개시되어 있다.
그러나, 육방정 질화붕소와 고분자 수지가 단순 혼합된 복합체의 경우, 육방정 질화붕소가 고분자 수지와 결합을 형성하는 바인딩 사이트(binding site)가 존재하지 않아 복합체의 기계적 특성이 충분하게 확보되지 않을 수 있고, 이로 인해 별도로 구속층(Constraining layer)을 구비해야 할 수 있으며, 구속층이 구비되는 경우 복합체의 총 질량이 증가하여 에너지 효율이 감소할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 감쇠 복합체는 감쇠 성능을 향상시키기 위한 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 감쇠 복합체는 강성, 인장 강도 등의 기계적 특성을 향상시키기 위한 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 감쇠 복합체는 광대역의 공명을 제공하여 진동체의 운동에너지를 감소시키기 위한 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 감쇠 복합체는 별도의 구속층을 포함하지 않아 무게를 감소시키고, 제조 비용을 감소시키기 위한 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 감쇠 복합체는 열전도성을 향상시켜 진동체의 에너지를 신속하게 소산시키기 위한 것이다.
상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 감쇠 복합체는, 점탄성의 고분자 매트릭스, 고분자 매트릭스 내에 분산되어 있는 둘 이상의 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크를 포함한다.
여기서, 둘 이상의 기능화된 육방정 질화붕소는 다층 구조를 갖는다.
기능화된 육방정 질화붕소 플레이크는 하이드록실기, 아미노기, 티올기, 또는 설포닐기 중 하나 이상의 작용기를 포함할 수 있다.
고분자 매트릭스는 폴리우레탄을 포함할 수 있다.
고분자 매트릭스와 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크에 포함된 작용기 사이에 수소 결합이 형성되어 있을 수 있다.
기능화된 육방정 질화붕소 플레이크가 고분자 매트릭스를 기준으로 15 중량% 미만으로 포함되어 있을 수 있다.
기능화된 육방정 질화붕소 플레이크가 고분자 매트릭스를 기준으로 8 내지 10 중량% 포함되어 있을 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 감쇠 복합체의 제조방법은, 열적 박리 방법에 의해 벌크 육방정 질화붕소로부터 육방정 질화붕소 플레이크를 제조하는 단계, 육방정 질화붕소 플레이크에 하이드록실기, 아미노기, 티올기, 또는 설포닐기 중 하나 이상의 작용기를 도입하여 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크를 제조하는 단계, 그리고 둘 이상의 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크를 고분자 수지에 혼합한 후 주조하여 둘 이상의 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크가 분산되어 있는 고분자 매트릭스를 포함하는 감쇠 복합체를 제조하는 단계를 포함한다.
둘 이상의 기능화된 육방정 질화붕소는 다층 구조를 가질 수 있다.
육방정 질화붕소 플레이크를 제조하는 단계에서, 열적 박리 방법은 마이크로파 조사 또는 소니케이션을 포함할 수 있다.
기능화된 육방정 질화붕소 플레이크를 제조하는 단계에서, 800 ~ 900 ℃에서 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크를 포함하는 용기에 수증기를 주입하여 하이드록실기를 도입할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 감쇠 복합체는 감쇠 성능을 향상시킬 수 있고, 강성, 인장 강도 등의 기계적 특성을 향상시킬 수 있으며, 광대역의 공명을 제공하여 진동체의 운동에너지를 감소시킬 수 있고, 별도의 구속층을 포함하지 않아 무게를 감소시킬 수 있으며, 제조 비용을 감소시킬 수 있고, 열전도성을 향상시켜 진동체의 에너지를 신속하게 소산시킬 수 있다.
도 1a는 실시예에 따른 감쇠 복합체의 단면을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1b는 실시예에 따른 감쇠 복합체를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는 실시예에 따른 감쇠 복합체 내에서 고분자와 기능화된 육방정 질화붕소의 결합 형태를 나타내는 도면이다.
도 3은 실시예에 따른 감쇠 복합체가 진동체에 결합되어 변형되는 형태를 나타내는 도면이다.
도 4는 감쇠 복합체의 제조방법의 일부를 나타내는 도면이다.
도 5는 실시예 1 및 실시예 3에 따른 감쇠 복합체와, 비교예 1에 따른 감쇠 복합체, 그리고 비교예 5에 따른 감쇠재에 대한 SEM 이미지들을 나타낸다.
도 6a는 기능화된 육방정 질화붕소의 SEM 이미지를 바탕으로 한 EDS mapping 결과를 나타내고, 도 6b는 육방정 질화붕소의 기능화에 의한 FT-IR 스펙트럼을 나타내며, 도 6c 및 도 6d는 기능화되지 않은 육방정 질화붕소와 기능화된 육방정 질화붕소의 EDS 결과를 나타낸다.
도 7은 실시예 3에 따른 감쇠 복합체, 비교예 3에 따른 감쇠 복합체, 그리고 비교예 5에 따른 감쇠재의 기계적 특성을 DMA를 통해 평가한 결과를 나타낸다.
도 8a는 코팅되지 않은 알루미늄 재질의 금속 빔, 비교예 5에 따른 감쇠재로 코팅된 금속 빔, 비교예 3에 따른 감쇠 복합체로 코팅된 금속 빔, 그리고 실시예 3에 따른 감쇠 복합체로 코팅된 금속 빔에 대한 자유 진동 테스트 동안의 시간에 따른 변위를 나타내고, 도 8b는 코팅되지 않은 알루미늄 재질의 금속 빔, 비교예 5에 따른 감쇠재로 코팅된 금속 빔, 비교예 3에 따른 감쇠 복합체로 코팅된 금속 빔, 그리고 실시예 3에 따른 감쇠 복합체로 코팅된 금속 빔에 대한 임팩트 해머 실험에서의 가속도 변화를 나타내며, 도 8c는 자유 진동 테스트를 설명하는 도면이고, 도 8d는 임팩트 해머 실험을 설명하는 도면이다.
도 9a 내지 도 9d는 비교예 2 내지 4, 그리고 실시예 2 내지 4에 따른 감쇠 복합체의 FRF 결과와 감쇠비를 나타내는 도면들이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1a는 실시예에 따른 감쇠 복합체의 단면을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 1b는 실시예에 따른 감쇠 복합체를 개략적으로 나타내는 사시도이며, 도 2는 실시예에 따른 감쇠 복합체 내에서 고분자와 기능화된 육방정 질화붕소의 결합 형태를 나타내는 도면이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 감쇠 복합체(100)는 점탄성(viscoelastic)의 고분자 매트릭스(matrix)(150), 고분자 매트릭스 내에 분산되어 있는 둘 이상의 기능화된(functionalized) 육방정 질화붕소(hexagonal boron nitride, h-BN) 플레이크(flake)(120)를 포함한다. 이때, 고분자 매트릭스(150) 내의 둘 이상의 기능화된 육방정 질화붕소(120)는 다층 구조(multi-layered structure)를 갖는다.
고분자 매트릭스(150)는, 예를 들어, 폴리우레탄(polyurethane)을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
기능화되었다는 것은 육방정 질화붕소 플레이크에 하나 이상의 작용기가 도입되었다는 것을 의미하고, 작용기는 하이드록실기(hydroxyl group), 아미노기(amino group), 티올기(thiol group), 또는 설포닐기(sulfonyl group) 중 하나 이상의 작용기를 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 고분자 매트릭스(150)의 고분자 물질과 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크(120)에 포함된 작용기 사이에 수소 결합이 형성될 수 있다. 도 2는 고분자 매트릭스(150)가 폴리우레탄을 포함하고, 작용기가 하이드록실기인 경우를 나타낸다. 여기서, 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크(120)의 하이드록실기가 폴리우레탄 고분자의 N-H 부분 또는 카보닐(carbonyl) 부분과 수소 결합을 형성할 수 있다(도 2에서 점선 박스 부분 참조).
종래의 감쇠 복합체는 육방정 질화붕소와 고분자 수지가 단순 혼합된 형태를 갖고, 이 경우 육방정 질화붕소가 고분자와 수소 결합 등의 강한 결합을 형성하지 않아 감쇠 복합체의 기계적 특성이 충분하게 확보되지 않을 수 있고, 이로 인해 별도로 구속층(Constraining layer)을 구비해야 할 수 있다.
반면, 실시예에 따른 감쇠 복합체(100)는 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크(120)와 고분자 매트릭스(150)가 수소 결합을 형성하고 있고, 다수의 육방정 질화붕소 플레이크(120)가 다층 구조를 이루고 있으므로, 복합체(100)의 강성, 인장 강도 등 기계적 특성이 크게 향상될 수 있다. 또한 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크(120)가 구속층의 기능을 수행함으로써, 별도의 구속층이 불필요하므로, 무게가 감소할 수 있고, 제조 비용이 감소될 수 있다.
또한, 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크(120)를 포함하는 감쇠 복합체(100)는 광대역의 공명을 제공하여 진동체의 운동에너지를 감소시킴으로써 감쇠 성능을 향상시킬 수 있고, 열전도성이 향상되어 진동체의 에너지를 신속하게 소산시킴으로써 감쇠 성능을 향상시킬 수 있다.
도 2에는 하이드록실기만이 도시되어 있으나, 이는 설명의 편의를 위한 것이고, 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크(120)는 아미노기, 설포닐기, 또는 티올기를 포함할 수 있고, 아미노기, 설포닐기 및 티올기 또한 고분자 매트릭스(150)의 고분자 물질과 수소결합을 형성할 수 있다.
감쇠 복합체(100)에서, 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크(120)가 고분자 매트릭스(150)를 기준으로 약 15 중량% 미만으로 포함되어 있을 수 있다. 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크(120)가 고분자 매트릭스(150)를 기준으로 약 15 중량% 이상인 경우에는, 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크(120) 간에 응집(aggregation)이 발생하여 감쇠 복합체(100)의 기계적 특성이 저하될 수 있다.
또한, 감쇠 복합체(100)에서, 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크(120)가 고분자 매트릭스(150)를 기준으로 8 내지 10 중량%로 포함되어 있을 수 있다. 이러한 범위 내에서, 감쇠 복합체(100)의 감쇠 성능이 더욱 향상될 수 있고, 감쇠 복합체(100)의 기계적 특성이 더욱 향상될 수 있다.
도 3은 실시예에 따른 감쇠 복합체가 진동체에 결합되어 변형되는 형태를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 감쇠 복합체(100)는 진동체(110)의 적어도 일면에 위치할 수 있고, 진동체(110)의 일면에서도 적어도 일부에 위치할 수 있다. 여기서, 진동체(110)는 선박, 잠수함, 해양플랜트, 육상플랜트, 전기 기계, 엔진, 펌프, 압축기, 차량, 일반 가정의 각종 장치 등 진동 및 소음이 발생되거나 전달되는 장치 등을 의미할 수 있다.
진동체(110)에 감쇠 복합체(100)가 결합된 상태에서 진동이 발생하는 경우, 점탄성 성질을 갖는 고분자 매트릭스(150)가 진동체(110)의 변형에 대응하여 변형될 수 있다. 감쇠 복합체(100)는 전단력에 의해 진동을 열 에너지로 변환시켜 진동을 감쇠시킬 수 있다. 이때, 감쇠 복합체(100)에 포함되어 있는 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크(120)들이 광대역의 공명을 제공하여 운동에너지를 감소시킬 뿐만 아니라, 열전도성을 향상시켜 열에너지를 신속하게 제거(소산)함으로써 진동이 더욱 신속하게 감쇠될 수 있다.
이하에서는 감쇠 복합체(100)의 제조방법에 대해 설명한다. 전술한 내용과 중복되는 부분에 대한 설명은 생략될 수 있다.
실시예에 따른 감쇠 복합체(100)의 제조방법은, 열적 박리 방법(thermal exfoliation method)에 의해 벌크(bulk) 육방정 질화붕소로부터 육방정 질화붕소 플레이크를 제조하는 단계, 육방정 질화붕소 플레이크에 하이드록실기, 아미노기, 티올기, 또는 설포닐기 중 하나 이상의 작용기를 도입하여 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크를 제조하는 단계, 그리고 둘 이상의 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크를 고분자 수지에 혼합한 후 주조(casting)하여 둘 이상의 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크가 분산되어 있는 고분자 매트릭스를 포함하는 감쇠 복합체를 제조하는 단계를 포함한다.
박리되지 않은 벌크 육방정 질화붕소로부터 육방정 질화붕소 플레이크를 제조하는 단계에서, 열적 박리 방법은 마이크로파(microwave) 조사 또는 소니케이션(sonication)을 포함할 수 있다.
기능화된 육방정 질화붕소 플레이크(120)를 제조하는 단계에서, 작용기로 하이드록실기를 도입하는 경우에는, 수증기를 이용한 열처리를 통해 하이드록실기를 도입할 수 있다. 예를 들어, 박리된 육방정 질화붕소 플레이크(120)를 노(furnace)에 넣고, 아르곤(Ar) 분위기 하에서 약 800 ~ 약 900 ℃에서 약 1시간 동안 수증기를 주입하여 하이드록실기를 도입할 수 있다(도 4 참조).
이러한 하이드록실기 도입 방법 이외에도, 육방정 질화붕소 플레이크를 과산화수소(H2O2)와 혼합한 후, 약 90 내지 약 110 ℃에서 약 30 내지 약 50 시간 동안 교반시킨 다음, 필트레이션(filtration)을 통해 과산화수소를 제거하는 공정을 통해 하이드록실기로 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크를 제조할 수 있다.
한편, 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크(120)를 제조하는 단계에서, 작용기로 아미노기를 도입하는 경우에는, 육방정 질화붕소 플레이크를 수산화암모늄(NH4OH)과 혼합한 후, 약 90 내지 약 110 ℃에서 약 30 내지 약 50 시간 동안 교반시킨 다음, 필트레이션을 통해 수산화암모늄을 제거하는 공정을 통해 아미노기로 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크를 제조할 수 있다.
한편, 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크(120)를 제조하는 단계에서, 작용기로 설포닐기를 도입하는 경우에는, 육방정 질화붕소 플레이크를 황산과 질산이 약 8:1 의 비율로 혼합되어 있는 용액에 혼합한 후, 약 90 내지 약 110 ℃에서 약 30 내지 약 50 시간 동안 교반시킨 다음, 필트레이션을 통해 황산 및 질산을 제거하는 공정을 통해 아미노기로 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크를 제조할 수 있다.
이하에서는, 실시예를 들어 본 발명에 대해서 더욱 상세하게 설명할 것이나, 하기의 실시예는 본 발명의 실시예일뿐, 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
기능화된 육방정 질화붕소(hexagonal boron nitride, h-BN) 플레이크(flakes)와 폴리우레탄을 혼합하여 진동 감쇠 복합체를 제조한다.
우선, 벌크(bulk) 육방정 질화붕소로부터 열적 박리 방법(thermal exfoliation method)에 의해 육방정 질화붕소 플레이크를 제조한다. 이때, 마이크로파(microwave) 조사 및 소니케이션(sonication)이 육방정 질화붕소의 박리에 사용된다.
이어서, 수증기를 이용한 열처리를 통해 하이드록실기(hydroxyl group)로 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크를 제조한다. 구체적으로, 박리된 육방정 질화붕소 플레이크를 아르곤(Ar) 분위기 하에서 약 850 ℃의 노(furnace)에 넣고 약 1시간 동안 수증기를 주입한다.
다음으로, 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크와 폴리우레탄 수지(Sigma-Aldrich 제품 구매)를 혼합한 후 주조(casting) 공정을 통해 감쇠 복합체를 제조한다. 이때, 제조된 감쇠 복합체에서, 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크는 하이드록실기는 폴리우레탄 기준으로 약 3 중량% 포함된다.
실시예 2
감쇠 복합체에서 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크가 폴리우레탄 기준으로 약 7 중량% 포함된 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 공정에 의해 감쇠 복합체를 제조한다.
실시예 3
감쇠 복합체에서 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크가 폴리우레탄 기준으로 약 9 중량% 포함된 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 공정에 의해 감쇠 복합체를 제조한다.
실시예 4
감쇠 복합체에서 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크가 폴리우레탄 기준으로 약 11 중량% 포함된 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 공정에 의해 감쇠 복합체를 제조한다.
비교예 1
감쇠 복합체에서 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크가 폴리우레탄 기준으로 약 15 중량% 포함된 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 공정에 의해 감쇠 복합체를 제조한다.
비교예 2
벌크 육방정 질화붕소로부터 열적 박리 방법에 의해 육방정 질화붕소 플레이크를 제조한다. 이때, 마이크로파 조사 및 소니케이션(sonication)이 육방정 질화붕소의 박리에 사용된다.
다음으로, 육방정 질화붕소 플레이크와 폴리우레탄 수지를 혼합한 후, 주조 공정을 통해 감쇠 복합체를 제조한다. 이때, 감쇠 복합체에서 육방정 질화붕소 플레이크가 폴리우레탄 기준으로 약 7 중량% 포함된다.
비교예 3
감쇠 복합체에서 육방정 질화붕소 플레이크가 폴리우레탄 기준으로 약 9 중량% 포함된 것을 제외하고는, 비교예 2와 동일한 공정에 의해 감쇠 복합체를 제조한다.
비교예 4
감쇠 복합체에서 육방정 질화붕소 플레이크가 폴리우레탄 기준으로 약 11 중량% 포함된 것을 제외하고는, 비교예 2와 동일한 공정에 의해 감쇠 복합체를 제조한다.
비교예 5
폴리우레탄 수지를 주조(casting) 공정을 통해 감쇠재로 제조한다.
실험예 1 - 형태(morphology) 측정
실시예 1 및 실시예 3에 따른 감쇠 복합체와, 비교예 1에 따른 감쇠 복합체, 그리고 비교예 5에 따른 감쇠재에 대한 SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지들을 도 5에 도시하였다. 이때, SEM 이미지는 NOVA230 및 Tecnai G2 F30 S-Twin 장비를 사용하여 획득하였다. 비교예 5에 따른 감쇠재의 SEM 이미지가 (a)에 도시되었고, 실시예 1에 따른 감쇠 복합체의 SEM 이미지가 (b)에 도시되었으며, 실시예 3에 따른 감쇠 복합체가 (c)에 도시되었고, 비교예 1에 따른 감쇠 복합체가 (d)에 도시되었다.
도 5를 참조하면, (b) 내지 (d)에서 기능화된 육방정 질화붕소(BN-OH)가 관찰되고, 이러한 기능화된 육방정 질화붕소가 구속층의 기능을 수행하면서 복합체의 감쇠 성능 및 기계적 특성이 향상되며, 가볍고 비용적으로 효율적일 것임을 예측할 수 있다.
다만, 도 5의 (d)의 경우, 복합체에 약 15 중량%의 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크가 포함되어 응집(aggregation)이 발생하였고, 이러한 응집으로 인해 기계적 성질 및 감쇠 성능이 상대적으로 감소할 수 있다. 한편 도 5의 (b) 및 (c)에 도시된 바와 같이, 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크들은 자기 정렬(self-alignment)되어 다층 구조를 이루고 있음을 볼 수 있다. 이러한 자기 정렬은 복합체의 주조 과정에서 중력에 의해 발생될 수 있다.
실험예 2 - 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크의 화학적 성질 측정
기능화된 육방정 질화붕소(BN-OH)와 기능화되지 않은 육방정 질화붕소(BN)의 화학적 성질을 비교한 결과를 도 6a 내지 도 6d에 나타내었다. 도 6a는 기능화된 육방정 질화붕소의 SEM 이미지를 바탕으로 한 EDS(Energy Dispersive X-ray Spectrometry) 맵핑(mapping) 결과를 나타내고, 도 6b는 육방정 질화붕소의 기능화에 의한 FT-IR(Fourier-transform infrared spectroscopy) 스펙트럼을 나타내며, 도 6c 및 도 6d는 기능화되지 않은 육방정 질화붕소와 기능화된 육방정 질화붕소의 EDS 결과를 나타낸다. 여기서, EDS 데이터는 NOVA230 및 Tecnai G2 F30 S-Twin 장비를 사용하여 도출되었고, FT-IR 데이터는 Jasco IR 4100 장비를 사용하여 도출되었다.
도 6b를 참조하면, 기능화되지 않은 육방정 질화붕소와 기능화된 육방정 질화붕소 모두에서 약 785-1370 cm-1 파장에서 B-N 진동(vibration)에 대응되는 피크가 나타났고, 하이드록실기 기능화에 의해 약 925 cm- 1 파장에서 B-O 진동에 대응되는 약한 피크가 유도되었으며, 하이드록실기 기능화에 의해 약 785 cm-1 에서 존재했었던 피크가 사라지고 약 1178 cm-1 에 B-O 결합에 대응되는 새로운 피크가 나타났다. 또한 약 3360 cm-1 에서 OH기의 연신 신호(stretching signal)에 대응되는 강력한 피크가 관찰되었다.
또한, 도 6a, 6c 및 6d를 참조하면, 산소 원자의 존재를 명확하게 확인할 수 있다.
이러한 FT-IR 및 EDS 분석을 통해 육방정 질화붕소가 하이드록실기로 기능화되었음을 확인할 수 있다.
실험예 3 - 기계적 성질 측정
실시예 3에 따른 감쇠 복합체, 비교예 3에 따른 감쇠 복합체, 그리고 비교예 5에 따른 감쇠재의 기계적 특성을 DMA(Dynamic Mechanical Analysis)를 통해 평가하였다. 평가는 공지의 ASTM-D4065 방식에 의해 진행되었고, 각 샘플은 16 mm ⅹ 6 mm ⅹ 0.7 mm의 육면체 형태(0.7 mm가 두께)로 준비되었고, DMA 테스트 결과가 도 7에 도시되었다.
도 7의 (a)는 실시예 3에 따른 감쇠 복합체, 비교예 3에 따른 감쇠 복합체, 그리고 비교예 5에 따른 감쇠재의 온도에 따른 저장 탄성률(storage modulus)을 나타내고, (b)는 온도에 따른 손실 탄성률(loss modulus)을 나타내며, (c)는 온도에 따른 에너지 소산(energy dissipation)에 관한 손실 팩터(loss factor) tan δ를 나타내고, (d)는 주파수에 따른 손실 탄성률(loss modulus)을 각각 나타낸다. 도 7의 (a) 및 (b)와 관련하여, DMA 테스트는 약 -25 ℃에서부터 약 50 ℃까지 약 10 ℃/min의 속도로 온도를 올리면서 진행되었다. 변위의 진폭(amplitude)은 약 1 Hz 진동수에서 약 20 ㎛ 였다. DMA 테스트에 사용된 장비는 TA Instruments 사의 DMA Q800 V21.1 Build 51이다.
여기서, 손실 팩터 tan δ는 하기 수학식 1에 의해 계산될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서, E" 는 손실 탄성률을 의미하고, E' 는 저장 탄성률을 의미한다.
도 7의 (a) 내지 (d)를 참조하면, 비교예 3에 따른 감쇠 복합체 및 비교예 5에 따른 감쇠재에 비해, 실시예 3에 따른 감쇠 복합체가 우수한 손실 탄성률, 저장 탄성률, 손실 팩터 값을 나타내는 것을 볼 수 있다.
구체적으로, 실시예 3에 따른 감쇠 복합체는 다른 물질들에 비해 최대 2.4 배 정도 우수한 저장 탄성률, 최대 1.8 배 정도 우수한 손실 탄성률을 나타내었다. 또한 실시예 3에 따른 감쇠 복합체가 가장 큰 손실 팩터 값을 갖는 것을 볼 수 있고, 이로부터 실시예 3에 따른 감쇠 복합체가 가장 우수한 에너지 소산 성능을 나타내는 것을 알 수 있고, 결국 가장 우수한 감쇠 성능을 나타낸다는 것을 예측할 수 있다.
실험예 4 - 감쇠 성능(damping performance) 측정
코팅되지 않은 알루미늄 재질의 금속 빔(bare aluminum beam), 비교예 5에 따른 감쇠재로 코팅된 금속 빔, 비교예 2에 따른 감쇠 복합체로 코팅된 금속 빔, 비교예 3에 따른 감쇠 복합체로 코팅된 금속 빔, 비교예 3에 따른 감쇠 복합체로 코팅된 금속 빔, 비교예 4에 따른 감쇠 복합체로 코팅된 금속 빔, 실시예 2에 따른 감쇠 복합체로 코팅된 금속 빔, 실시예 3에 따른 감쇠 복합체로 코팅된 금속 빔, 그리고 실시예 4에 따른 감쇠 복합체로 코팅된 금속 빔에 대하여 진동 테스트(vibration test)를 실시하였고, 그 결과를 도 8a 및 도 8b, 도 9a 내지 도 9a 내지 도 9d에 도시하였다.
우선, 금속 빔의 일단이 고정 지지되고, 타단이 자유로운 상태(cantilever beam)에서 자유 진동 테스트(free vibration decay test)가 수행되었다(도 8c 참조). 이때, 금속 빔의 길이는 약 200 mm, 너비는 약 20 mm, 두께는 약 2 mm였고, 감쇠 복합체 또는 감쇠재로 구성된 코팅 두께는 약 500 ㎛로 매우 얇아서 두께 변화로 인한 영향은 무시 가능한 수준이었다. 금속 빔의 자유로운 타단에 약 5 mm의 초기 변위를 발생시킨 후 응답(response)을 관찰하였고, 그 결과가 도 8a에 도시되었다. 약 20번의 반응을 평균화하였으며, Keyence LK-031 장비가 실험에 사용되었고, PROSIG P8012 장비에 의해 응답 데이터가 획득되었다.
도 8a를 참조하면, 자유 진동 테스트에서, 시간에 따른 금속 빔의 변위가 정현파형(sinusoidal curve)으로 나타났고, 실시예 3에 따른 감쇠 복합체로 코팅된 금속 빔이 가장 적은 변위를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 8a 하단(아래쪽)의 확대도를 참조하면, 초기 시간에 실시예 3에 따른 감쇠 복합체로 코팅된 금속 빔의 변위가 다른 금속 빔들에 비해 현저하게 빠르게 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해, 실시예에 따른 감쇠 복합체의 감쇠 성능이 기존에 비해 현저하게 향상되었다는 것을 파악할 수 있다.
한편, 금속 빔의 일단이 고정 지지되고, 타단이 자유로운 상태에서 임팩트 해머 실험(impact hammer experiment)이 수행되었다(도 8d 참조). 고정된 일단에서 약 20 mm 위치에 임팩트 해머로 충격을 가하여, 타단에서 약 10 mm 위치에 설치된 가속도계(accelerometer)로 가속도를 측정하였고, 그 결과를 도 8b에 도시하였다. 약 20번의 반응을 평균화하였으며, PCB model 086D05 및 PCB model 352C33 장비가 실험에 사용되었고, PROSIG P8012 장비에 의해 응답 데이터가 획득되었다.
도 8b를 참조하면, 실시예 3에 따른 감쇠 복합체로 코팅된 금속 빔이 가장 빠르게 가속도가 수렴하는 것을 볼 수 있고, 이를 통해, 실시예에 따른 감쇠 복합체의 감쇠 성능이 기존에 비해 현저하게 향상되었다는 것을 파악할 수 있다.
이러한 임팩트 해머 실험을 통해, 주파수 응답 함수(frequency response function, FRF)가 도출되었고, 도 9a에 도시되었다. 도 9a에서, 주파수가 증가함에 따라 나타나는 첫 번째 피크를 1st mode로 정의하고, 두 번 째 피크를 2nd mode로 정의하며, 1st mode 및 2nd mode를 확대한 도면을 도 9b 및 도 9c에 도시하였다. 이러한 주파수 응답 함수들로부터, half-power method를 사용하여 감쇠비(damping ratio, ζ)를 도출하였고, 도출된 감쇠비를 도 9d에 도시하였다.
여기서, 감쇠비는 감쇠 성능을 나타내는 지표가 될 수 있고, 하기 수학식 2에 의해 계산될 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00002
수학식 2에서, fn은 고유 진동수를 의미하고, f1은 1st mode 에서의 반치폭(half amplitude)에 해당하는 주파수를 의미하며, f2는 2nd mode 에서의 반치폭(half amplitude)에 해당하는 주파수를 의미한다.
도 9a 내지 도 9d를 참조하면, 실시예 2 내지 4에 따른 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크를 포함하는 감쇠 복합체로 코팅된 금속 빔의 감쇠비가, 비교예 2 내지 4에 따른 기능화되지 않은 육방정 질화붕소 플레이크를 포함하는 감쇠 복합체로 코팅된 금속 빔의 감쇠비보다 우수한 것으로 나타났다. 또한 폴리우레탄 만을 포함하는 비교예 5에 따른 감쇠재에 비해, 실시예들에 따른 감쇠 복합체로 코팅된 금속 빔의 감쇠비는 매우 현저하게 우수한 것으로 나타났다.
또한, 실시예 2 내지 4에서, 감쇠 복합체에 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크가 약 9 중량% 포함된 경우(실시예 3)의 감쇠비는 9.04%로, 약 7 중량% 포함된 경우(실시예 2) 및 약 11 중량% 포함된 경우(실시예 4)에 비해 더 우수한 감쇠 성능을 나타내는 것을 알 수 있다. 또한 실시예 3에 따른 감쇠 복합체의 감쇠비는, 비교예 5에 따른 감쇠재의 감쇠비에 비해 약 7.8 배 크고, 금속 빔이 코팅되지 않은 경우의 감쇠비에 비해 약 11.4배 큰 것을 파악할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 감쇠 복합체 110: 진동체
120: 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크 150: 고분자 매트릭스

Claims (10)

  1. 점탄성의 고분자 매트릭스,
    상기 고분자 매트릭스 내에 분산되어 있는 둘 이상의 기능화된(functionalized) 육방정 질화붕소(hexagonal boron nitride) 플레이크(flake)를 포함하고,
    상기 둘 이상의 기능화된 육방정 질화붕소는 다층 구조(multi-layered structure)를 갖는
    감쇠 복합체.
  2. 제1항에서,
    상기 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크는 하이드록실기(hydroxyl group), 아미노기(amino group), 티올기(thiol group), 또는 설포닐기(sulfonyl group) 중 하나 이상의 작용기를 포함하는 감쇠 복합체.
  3. 제2항에서,
    상기 고분자 매트릭스는 폴리우레탄(polyurethane)을 포함하는 감쇠 복합체.
  4. 제3항에서,
    상기 고분자 매트릭스와 상기 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크에 포함된 작용기 사이에 수소 결합이 형성되어 있는 감쇠 복합체.
  5. 제1항에서,
    상기 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크가 상기 고분자 매트릭스를 기준으로 15 중량% 미만으로 포함되어 있는 감쇠 복합체.
  6. 제5항에서,
    상기 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크가 상기 고분자 매트릭스를 기준으로 8 내지 10 중량% 포함되어 있는 감쇠 복합체.
  7. 열적 박리 방법(thermal exfoliation method)에 의해 벌크(bulk) 육방정 질화붕소로부터 육방정 질화붕소 플레이크를 제조하는 단계,
    상기 육방정 질화붕소 플레이크에 하이드록실기(hydroxyl group), 아미노기(amino group), 티올기(thiol group), 또는 설포닐기(sulfonyl group) 중 하나 이상의 작용기를 도입하여 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크를 제조하는 단계, 그리고
    둘 이상의 상기 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크를 고분자 수지에 혼합한 후 주조(casting)하여 상기 둘 이상의 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크가 분산되어 있는 고분자 매트릭스를 포함하는 감쇠 복합체를 제조하는 단계를 포함하는 감쇠 복합체의 제조방법.
  8. 제7항에서,
    상기 둘 이상의 기능화된 육방정 질화붕소는 다층 구조(multi-layered structure)를 갖는 감쇠 복합체의 제조방법.
  9. 제8항에서,
    상기 육방정 질화붕소 플레이크를 제조하는 단계에서,
    상기 열적 박리 방법은 마이크로파(microwave) 조사 또는 소니케이션(sonication)을 포함하는 감쇠 복합체의 제조방법.
  10. 제8항에서,
    상기 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크를 제조하는 단계에서,
    800 ~ 900 ℃에서 상기 기능화된 육방정 질화붕소 플레이크를 포함하는 용기에 수증기를 주입하여 상기 하이드록실기(hydroxyl group)를 도입하는 감쇠 복합체의 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110668408A (zh) * 2019-11-08 2020-01-10 常熟理工学院 一种高产率、大尺寸氮化硼纳米片的制备方法

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