KR101580113B1 - Manufacturing Method Method Of Function Nano-Composites Using Electric Field - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따르면, 미립자유체(10)에 전기장을 인가하여 방향성을 갖는 미립자 재배열의 구조로 구비된 나노복합재를 제조하는 나노복합재 제조방법에 있어서, 용기 형태로 구비된 베이스부(120)의 수용공간 내에서 소정의 전극패턴 구조로 이루어지며, 인가되는 고전압에 의해 전기장을 형성하여 상기 전기장에 의해 미립자(12)가 재배열되는 재배열 영역(R)을 형성하는 전극부(130)를 배치하는 전극부 배치 단계(S210); 상기 베이스부(120)의 수용공간 내에 소정의 점도 및 유전율을 갖는 기지(11)와 마이크로 또는 나노 크기를 갖는 미립자(12)가 일정비율로 혼합된 미립자유체(10)를 일정량 주입하는 미립자유체 배치 단계(S230); 상기 전극부(130)와 전기적으로 연결된 고전압 공급부(140)를 통해 상기 재배열 영역(R)에 배치된 미립자(12)가 전기장에 의해 재배열되도록 고전압을 공급하는 고전압 인가 단계(S250); 및 상기 전기장에 의해 미립자(12)가 재배열된 상태의 미립자유체(10)를 경화시켜 나노복합재를 형성하는 미립자유체 경화 단계(S270);를 포함하는 나노복합재 제조방법을 개시한다.According to the present invention, there is provided a method of manufacturing a nanocomposite material having a structure of fine particle rearrangement by applying an electric field to a particulate fluid (10), the method comprising the steps of: The electrode portion 130 having the predetermined electrode pattern structure and forming the electric field by the applied high voltage so as to form the re-arranged region R where the fine particles 12 are rearranged by the electric field, Secondary placement step S210; A microparticulate fluid arrangement 10 for injecting a predetermined amount of a microparticulate fluid 10 in which microparticles 12 having a predetermined viscosity and permittivity and microparticles 12 having a micro or nano size are mixed at a predetermined ratio are accommodated in the accommodating space of the base section 120 Step S230; A high voltage applying step (S250) of supplying a high voltage such that the fine particles (12) arranged in the rearrangement region (R) are rearranged by an electric field through a high voltage supplying part (140) electrically connected to the electrode part (130); And a fine particle fluid curing step (S270) of curing the fine particle fluid (10) in a state in which the fine particles (12) are rearranged by the electric field to form a nanocomposite material.
Description
본 발명은 전기장을 이용한 기능성 나노복합재 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기장을 이용하여 다양한 목적에 따라 방향성을 갖는 미립자 재배열 구조로 구비된 나노복합재를 제조할 수 있는 전기장을 이용한 기능성 나노복합재 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for producing a functional nanocomposite using an electric field, and more particularly, to a method for manufacturing a functional nanocomposite using an electric field capable of producing a nanocomposite having a directionally- And a manufacturing method thereof.
일반적으로 종래에는 방향성 있는 복합재를 제조하기 위해 회전주조, 유동방향성, 기계적 인장, 일방향 성장방법, UV 조사 및 자기장 응용 등의 방식이 이용되었다.In general, methods such as spin casting, flow direction, mechanical tension, unidirectional growth method, UV irradiation and magnetic field application have been used to produce directional composites.
그러나, 회전주조 및 유동방향성에 의한 구현 방식의 경우 입자들이 랜덤하게 분포하게 되어 국부적으로 물성치를 변화시키는 것이 제한되며, 일방향 성장 방식은 촉매에 의한 오염이 심하며 민감도가 감소되는 문제점이 있었다.However, in the case of the rotation casting and flow direction implementation, the particles are randomly distributed, so that it is limited to locally change the physical properties, and the unidirectional growth method has a problem that the contamination by the catalyst is severe and the sensitivity is decreased.
또한, UV 조사 방식의 경우, FGM(Functionally Graded Material)을 제조하는데 효과적으로 적용할 수 있으나 작은 사이즈의 구조체에만 적용이 가능한 단점이 있었다.
In addition, in the case of the UV irradiation method, it can be effectively applied to fabricate FGM (Functionally Graded Material), but it has a disadvantage that it can be applied only to a structure having a small size.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 국부 강성, 열전달, 전도성, 비전도성 및 방사선 차폐 등과 같이 다양한 목적에 따라 부합되는 방향성을 갖는 미립자 재배열 구조로 구비된 나노복합재를 제조하기 위한 전기장을 이용한 기능성 나노복합재 제조방법에 관한 것이다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a nano-structured nano-structure having a directional particulate rearrangement structure corresponding to various purposes such as local stiffness, heat transfer, conductivity, non- And a method for manufacturing a functional nanocomposite using an electric field for manufacturing a composite material.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전기장을 이용한 기능성 나노복합재 제조방법은, 미립자유체(10)에 전기장을 인가하여 방향성을 갖는 미립자 재배열의 구조로 구비된 나노복합재를 제조하는 나노복합재 제조방법에 있어서, 용기 형태로 구비된 베이스부(120)의 수용공간 내에서 소정의 전극패턴 구조로 이루어지며, 인가되는 고전압에 의해 전기장을 형성하여 상기 전기장에 의해 미립자(12)가 재배열되는 재배열 영역(R)을 형성하는 전극부(130)를 배치하는 전극부 배치 단계(S210); 상기 베이스부(120)의 수용공간 내에 소정의 점도 및 유전율을 갖는 기지(11)와 마이크로 또는 나노 크기를 갖는 미립자(12)가 일정비율로 혼합된 미립자유체(10)를 일정량 주입하는 미립자유체 배치 단계(S230); 상기 전극부(130)와 전기적으로 연결된 고전압 공급부(140)를 통해 상기 재배열 영역(R)에 배치된 미립자(12)가 전기장에 의해 재배열되도록 고전압을 공급하는 고전압 인가 단계(S250); 및 상기 전기장에 의해 미립자(12)가 재배열된 상태의 미립자유체(10)를 경화시켜 나노복합재를 형성하는 미립자유체 경화 단계(S270);를 포함한다.In order to accomplish the above object, there is provided a method of manufacturing a functional nanocomposite material using an electric field according to the present invention, which comprises the steps of: preparing a nanocomposite material having a directional microstructure by applying an electric field to the microfluidic fluid; (12) is arranged in a predetermined electrode pattern structure in a receiving space of a base part (120) provided in the form of a container to form an electric field by an applied high voltage to rearrange the fine particles (S210) of arranging an electrode part (130) forming a region (R); A
여기서, 상기 전극부 배치 단계(S210)는, 제1전극(130a)과 제2전극(130b)을 포함하여 구비된 전극부(130)를 상기 베이스부(120)의 수용공간 내에 배치하되, 상기 제1전극(130a)과 제2전극(130b) 사이에 미립자(12)가 상하방향으로 재배열되는 재배열 영역(R)이 형성되도록, 상기 제1전극(130a) 및 제2전극(130b)을 상기 수용공간 내에서 상하로 매칭되도록 배치할 수 있다.The electrode unit placement step S210 may include placing the
또한, 상기 전극부 배치 단계(S210)는, 상기 제1전극(130a)과 제2전극(130b)을 상기 수용공간 내에서 상하로 매칭되도록 배치하되, 상기 제1전극(130a)과 제2전극(130b) 사이에 미립자(12)가 직립하여 재배열되는 재배열 영역(R)이 형성되도록, 상기 제1전극(130a)과 제2전극(130b)을 상호 직접 대향하는 상하 위치에 각각 배치할 수 있다.In addition, in the step of arranging the electrode unit (S210), the first electrode (130a) and the second electrode (130b) are arranged so as to be vertically matched in the accommodation space, The
또한, 상기 전극부 배치 단계(S210)는, 상기 제1전극(130a)과 제2전극(130b)을 상기 수용공간 내에서 상하로 매칭되도록 배치하되, 상기 제1전극(130a)과 제2전극(130b) 사이에 미립자(12)가 사선방향으로 재배열되는 재배열 영역(R)이 형성되도록, 상기 제1전극(130a)과 제2전극(130b)을 서로 다른 수직라인 상의 상하 위치에 배치할 수 있다.In addition, in the step of arranging the electrode unit (S210), the first electrode (130a) and the second electrode (130b) are arranged so as to be vertically matched in the accommodation space, The
또한, 상기 전극부 배치 단계(S210)는, 제3전극(130c) 및 제4전극(130d)을 포함하여 구비된 전극부(130)를 상기 베이스부(120)의 수용공간 내에 배치하되, 상기 제3전극(130c)과 제4전극(130d) 사이에 미립자(12)가 아치(Arch) 형상으로 재배열되는 재배열 영역(R)이 형성되도록, 상기 제3전극(130c)과 제4전극(130d)을 상기 수용공간 내에서 수평방향으로 인접 배치할 수 있다.The electrode unit disposing step S210 may include disposing the
또한, 상기 미립자유체 배치 단계(S230)에서, 상기 기지(11)와 미립자(12)를 일정비율로 혼합하는 과정은 상기 베이스부(120) 및 전극부(130)를 둘러싸는 형태로 배치되어 상기 베이스부(120) 및 전극부(130)를 외부로부터 기밀시키는 기밀챔버(110)의 내부에서 이루어질 수 있다.The process of mixing the
또한, 상기 고전압 인가 단계(S250)는, 가변 주파수를 발진하는 신호발생기(141)와, 설정된 전압의 크기로 인가전압을 증폭하는 고전압 증폭기(142) 및, 상기 전극부(130)에 인가되는 고전압의 파형을 화면상에 표시하는 전압표시부(143)를 포함하는 고전압 공급부(140)을 이용하여 상기 전극부(130)에 설정된 고전압을 공급할 수 있다.The high voltage application step S250 includes a
또한, 상기 미립자유체 배치 단계(S230)에서, 상기 미립자유체(10)에 혼합되는 미립자(12)로, 알루미나(Al2O3), 탄소나노튜브(CNT), 카본(Carbon), 그라파이트(Graphite), 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 철(Fe), 유리(Glass), 납(Pb), 중 어느 하나의 재질로 이루어진 미립자를 이용할 수 있다.Further, in the particulate fluid placement step (S230), a
또한, 상기 미립자유체 배치 단계(S230)에서, 상기 미립자유체(10)에 혼합되는 미립자(12)로, 구형(Sphere), 판형(Disk) 또는, 원통형(Cylinder) 중 어느 하나의 형상으로 이루어진 미립자를 이용할 수 있다.Further, in the step of arranging the particulate fluid (S230), the fine particles (12) mixed with the particulate fluid (10) may be fine particles having a shape of a sphere, a disk or a cylinder Can be used.
또한, 상기 미립자유체 배치 단계(S230)에서, 상기 미립자유체(10)에 혼합되는 기지(11)로, 에폭시 재질로 이루어진 기지를 이용할 수 있다.In addition, in the step of arranging the particulate fluid (S230), a base made of an epoxy material may be used as the
한편, 상기 고전압 인가 단계(S250)는, 상기 고전압 공급부(140)와 신호연결되되, 상기 베이스부(120)의 수용공간에 수용되는 미립자유체(10)별로 미립자(12)를 재배열하기 위해 전극부(130)에 인가되는 고전압의 크기 및 인가되는 인가시간에 대한 데이터가 구분되어 저장되며, 사용자 입력신호에 따라 설정된 고전압의 크기 및 인가시간이 선택되어 상기 미립자(12)가 전기장에 의해 재배열되도록 고전압 공급을 제어하는 제어부(150)를 통해 상기 고전압 공급부(140)를 제어하여 설정된 고전압이 전극부(130)에 공급될 수 있다.
The high voltage applying step S250 may include the step of applying a high voltage to the
본 발명에 따른 전기장을 이용한 기능성 나노복합재 제조방법에 의하면,According to the method for producing a functional nanocomposite material using an electric field according to the present invention,
첫째, 전기장에 의해 미립자가 재배열되는 재배열 영역이 형성되도록 소정의 전극패턴이 구비되어, 인가되는 고전압에 의해 상기 재배열 영역에 포함된 미립자가 전기장에 의해 재배열되므로, 상기 전극패턴 구조에 따라 국부 강성, 열전달, 전도성, 비전도성 및 방사선 차폐 등과 같이 용이하게 국부적인 물성치를 변화시킬 수 있다.First, a predetermined electrode pattern is provided so as to form a rearrangement region in which the particles are rearranged by the electric field, and the fine particles contained in the rearrangement region are rearranged by the electric field due to the applied high voltage. Which can easily change the local properties such as local stiffness, heat transfer, conductivity, nonconductivity and radiation shielding.
둘째, 상기 재배열 영역이 형성되도록 소정의 전극패턴 구조를 갖는 전극부의 전극의 상,하의 수직적 배치 상태 또는 좌,우의 수평적 배치 상태에 따라 직상향, 직하향, 사선 방향 또는 아치 형상의 전기장을 형성할 수 있으므로, 상기 전기장의 방향에 따라 미립자의 재배열되는 방향성, 분포형태 등이 다양한 나노복합재를 제조할 수 있다.Second, an electric field of a straight upward, downward, oblique or arcuate shape may be formed in accordance with the vertically arranged state of the electrodes of the electrode portion having the predetermined electrode pattern structure or the horizontally arranged state of the left and right, Therefore, it is possible to produce nanocomposites having various directions of orientation and distribution of fine particles according to the direction of the electric field.
셋째, 전극부에 고전압을 공급하는 고전압 공급부와 신호연결되되, 베이스부의 수용공간에 수용되는 미립자유체별로 미립자를 재배열하기 위해 전극부에 인가되는 고전압의 크기 및 인가되는 인가시간에 대한 데이터가 구분되어 저장된 제어부를 통해, 사용자 입력신호에 따라 고전압의 크기 및 인가시간을 선택적으로 조절된 고전압을 전극부에 공급 제어할 수 있으므로 사용자의 편의가 극대화되며, 제조된 나노복합재의 안정적인 미립자 재배열을 구현할 수 있다.
Third, data on the magnitude of the high voltage applied to the electrode unit and the applied application time are rearranged in order to rearrange the fine particles for each of the particulate fluids accommodated in the accommodation space of the base unit, The high voltage, which is selectively controlled in the magnitude and the duration of the high voltage according to the user input signal, can be controlled to be supplied to the electrode unit through the control unit, thereby maximizing the convenience of the user and realizing stable particle reordering of the manufactured nanocomposite. .
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노복합재 제조방법의 순서를 나타낸 순서도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노복합재 제조장치의 구성을 나타낸 개략도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전극부 배치 단계를 통해 미립자가 재배열되는 재배열 영역을 형성하는 동작원리를 나타낸 개략도,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전극부 배치 단계에서 제1전극과 제2전극의 배치상태에 따라 미립자가 상하방향으로 재배열된 상태를 나타낸 개략도,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전극부 배치 단계에서 제3전극과 제4전극이 수평방향으로 인접 배치된 상태를 나타낸 개략도,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전극부 배치 단계에서 제3전극과 제4전극의 배치상태에 따라 미립자가 아치 형상으로 재배열된 상태를 나타낸 개략도,
도 7은 두 개의 구형태의 미립자가 쌍극자 상호작용을 하며 상대적인 위치와 변위에 영향을 미치는 상태를 나타낸 개략도,
도 8은 초기 랜덤배열과 전기장이 가해져 재배열된 미랍자의 비교도,
도 9는 산화알루미늄(Al2O3) 그라파이트(Graphite) 및 탄소나노튜브(CNT) 입자의 재배열을 SEM(Scanning Electron Microscope)사진 촬영한 도면, 및
도 10은 전기장에 따른 텅스텐 입자의 재배열을 도시한 도면이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a flowchart showing a procedure of a method for producing a nanocomposite according to a preferred embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a schematic view showing a configuration of an apparatus for producing a nanocomposite material according to a preferred embodiment of the present invention,
FIG. 3 is a schematic view illustrating an operation principle of forming a rearrangement region in which fine particles are rearranged through an electrode portion arranging step according to a preferred embodiment of the present invention;
4 is a schematic view showing a state in which fine particles are rearranged in the vertical direction according to the arrangement state of the first electrode and the second electrode in the electrode placement step according to the preferred embodiment of the present invention,
FIG. 5 is a schematic view illustrating a state in which a third electrode and a fourth electrode are disposed adjacent to each other in the horizontal direction in the electrode unit disposing step according to a preferred embodiment of the present invention;
6 is a schematic view showing a state in which fine particles are rearranged in an arch shape according to a disposition state of a third electrode and a fourth electrode in the electrode unit disposing step according to a preferred embodiment of the present invention,
7 is a schematic view showing a state in which two spherical fine particles have a dipole interaction and influence a relative position and a displacement,
8 is a comparative diagram of the spatially rearranged and randomized arrangement of an initial random arrangement and an electric field,
9 is a SEM (Scanning Electron Microscope) photograph of rearrangement of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) graphite and carbon nanotube (CNT) particles, and
10 is a diagram showing the rearrangement of tungsten particles according to an electric field.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms, and the inventor should appropriately interpret the concepts of the terms appropriately The present invention should be construed in accordance with the meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are merely the most preferred embodiments of the present invention and do not represent all the technical ideas of the present invention. Therefore, It is to be understood that equivalents and modifications are possible.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노복합재 제조방법의 실시예를 설명하기에 앞서 방향성을 갖는 미립자 재배열 구조로 구비된 나노복합재를 제조하는데 이용되는 나노복합재 제조장치(100)의 구성 및 기능을 설명하기로 한다.Before describing an embodiment of the method for producing a nanocomposite according to a preferred embodiment of the present invention, the structure and function of the nanocomposite
상기 나노복합재 제조장치(100)는, 베이스부(120), 전극부(130), 고전압 공급부(140), 기밀챔버(110) 및 제어부(150)를 포함하여 구비된다.The nanocomposite
먼저, 베이스부(120)는, 상기 미립자유체(10)를 수용하기 위한 수용공간을 제공하는 구성으로서, 소정의 점도를 갖는 유체의 기지(11)가 외부로 흐르지 않도록 도면에서와 같이 테두리에 측벽이 융기된 용기형태로 형성될 수 있으며, 상기 수용공간 내에 배치되는 전극부(130)의 고전압이 외부로 누설되지 않도록 비전도성 재질로 형성되는 것이 바람직하다.First, the
상기 전극부(130)는, 베이스부(120)의 수용공간 내에 배치되고, 인가되는 고전압에 의해 전기장을 형성하며, 국부 강성, 열전달, 전도성, 비전도성 및 방사선 차폐 등과 같은 다양한 목적에 부합되도록 소정의 전극패턴 구조로 이루어져 상기 미립자유체(10) 내에 전기장에 의해 미립자(12)가 재배열되는 재배열 영역(R)을 형성한다.The
여기서, 상기 전극부(130)는, 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이 상기 베이스부(120)의 수용공간 내에서 상하로 매칭되도록 배치되는 제1전극(130a)과 제2전극(130b)을 포함하여 구비되며, 상기 고전압 공급부(140)로부터 공급되는 고전압에 의해 상기 제1전극(130a)과 제2전극(130b) 사이에는 도면에서와 같이 제1전극(130a)에서 제2전극(130b)으로 하향하는 전기장이 형성된다.2 to 4, the
또한, 도시되지 않았으나 제1전극(130a) 및 제2전극(130b)에 인가되는 전압의 극성이 변경될 경우 상기 제2전극(130b)에서 제1전극(130a)으로 상향하는 전기장을 형성할 수도 있다.Also, although not shown, if the polarities of the voltages applied to the first and
더불어, 도 3에서와 같이, 제1전극(130a)과 제2전극(130b)은 상기 수용공간 내에서 일정간격 이격되어 상하로 평행하게 배치되는 제1베이스부(120a)와 제2베이스부(120b)에 설치되되, 상호 직접 대향하는 상하 위치에 각각 배치되어 직하향 또는 직상향하는 전기장을 형성할 수 있다.3, the
즉, 상하로 배치되는 제1전극(130a)과 제2전극(130b)을 포함하여 구비되는 전극부(130)의 경우에는 제1전극(130a)과 제2전극(130b) 사이에 형성되는 전기장이 상기 미립자(12)가 재배열되는 재배열 영역(R)이 되는 것이며, 상기 재배열 영역(R) 내에 포함된 미립자(12)는 전기장의 영향을 받아 전기장의 방향과 일치하는 방향으로 재배열되면서 도 3에 도시된 바와 같이 체인형태로 각 미립자(12a)가 연이어 연결되는 형상으로 배열되는 것이다.That is, in the case of the
한편, 도 2, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 상기 전극부(130)는, 베이스부(120)의 수용공간 내에서 수평방향으로 인접 배치되는 제3전극(130c)과 제4전극(130d)을 포함하여 구비되며, 상기 고전압 공급부(140)로부터 공급되는 고전압에 의해 상기 제3전극(130c) 및 제4전극(130d) 사이에는 아치(Arch) 형상의 전기장이 형성되도록 구비될 수도 있다.2, 4 and 5, the
상기 고전압 공급부(140)는, 수용공간 내에 배치되는 전극부(130)와 전기적으로 연결되어 재배열 영역(R)에 배치된 미립자(12)가 전기장에 의해 재배열되도록 고전압을 공급하는 구성으로서, 도 2에 도시된 바와 같이 가변 주파수를 발진하는 신호발생기(141)와, 설정된 전압의 크기로 인가전압을 증폭하는 고전압 증폭기(142) 및, 상기 전극부(130)에 인가되는 고전압의 파형을 화면상에 표시하는 전압표시부(143)를 포함하여 구비될 수 있다.The high
상기 제어부(150)는 고전압 공급부(140)와 신호연결되되, 상기 베이스부(120)의 수용공간에 수용되는 미립자유체(10)별로 미립자(12)를 재배열하기 위해 전극부(130)에 인가되는 고전압의 크기 및 인가되는 인가시간에 대한 데이터가 구분되어 저장되며, 사용자 입력신호에 따라 상기 고전압의 크기 및 인가시간이 선택되어 상기 미립자(12)가 전기장에 의해 재배열되도록 고전압 공급을 제어한다.The
이러한 나노복합재 제조장치(100)를 이용하여 방향성을 갖는 미립자 재배열의 구조로 구비된 나노복합재를 제조하는 단계를 순차적으로 설명한다.The steps of fabricating a nanocomposite material having a directional microstructure rearrangement structure using the nanocomposite
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기장을 이용한 기능성 나노복합재 제조방법(이하에서는 '나노복합재 제조방법'이라 명칭함)은, 소정의 점도 및 유전율을 갖는 기지(11)와 마이크로 또는 나노 크기를 갖는 미립자(12)가 일정비율로 혼합된 미립자유체(10)에 전기장을 인가하여 국부 강성, 열전달, 전도성, 비전도성 등과 같이 제조되는 나노복합재의 다양한 목적에 따라 부합되는 방향성을 갖는 미립자 재배열 구조로 구비된 나노복합재를 제조할 수 있는 나노복합재 제조방법으로서, 도 1에 도시된 바와 같이 전극부 배치 단계(S210), 미립자유체 배치 단계(S230), 고전압 인가 단계(S250) 및 미립자유체 경화 단계(S270)를 포함한다.A method for producing a functional nanocomposite material using an electric field according to a preferred embodiment of the present invention (hereinafter referred to as a " method for producing a nanocomposite material ") is a method for manufacturing a functional nanocomposite material having a predetermined viscosity and a permittivity, (12) are arranged in a fine particle rearrangement structure having a directionality corresponding to various purposes of a nanocomposite manufactured by applying an electric field to a particulate fluid (10) mixed at a certain ratio to produce local stiffness, heat transfer, conductivity, The nanocomposite material manufacturing method according to the present invention includes the steps of arranging an electrode part (S210), a step of arranging a particulate fluid (S230), a step of applying a high voltage (S250), and a step of curing a particulate fluid ).
먼저, 상기 전극부 배치 단계(S210)는, 미립자유체(10) 내에서 미립자(12)가 국부적으로 재배열되는 재배열 영역(R)이 형성되도록 전극부(130)를 수용공간 내에 배치하는 단계로서, 용기 형태로 구비된 베이스부(120)의 수용공간 내에서 소정의 전극패턴 구조로 이루어지며 인가되는 고전압에 의해 전기장을 형성하여 상기 전기장에 의해 미립자(12)가 재배열되는 재배열 영역(R)을 형성하는 전극부(130)를 배치한다.The electrode placement step S210 includes placing the
여기서, 상기 전극부 배치 단계(S210)는, 제1전극(130a)과 제2전극(130b)을 포함하여 구비된 전극부(130)를 상기 베이스부(120)의 수용공간 내에 배치하되, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 상기 제1전극(130a)과 제2전극(130b) 사이에 미립자(12)가 상하방향으로 재배열되는 재배열 영역(R)이 형성되도록, 상기 제1전극(130a) 및 제2전극(130b)을 상기 수용공간 내에서 상하로 매칭되도록 배치한다.The electrode unit placement step S210 may include placing the
따라서, 제1전극(130a)과 제2전극(130b) 사이에는 도면에서와 같이 제1전극(130a)에서 제2전극(130b)으로 하향하는 전기장이 형성된다. 또한, 도시되지 않았으나 제1전극(130a)과 제2전극(130b)에 인가되는 전압의 극성을 변경하는 경우 상기 제2전극(130b)에서 제1전극(130a)으로 상향하는 전기장을 형성할 수도 있다.Accordingly, an electric field is formed between the
또한, 상기 전극부 배치 단계(S210)는 제1전극(130a)과 제2전극(130b)을 상기 수용공간 내에서 상하로 매칭되도록 배치하되, 상기 제1전극(130a)과 제2전극(130b) 사이에 미립자(12)가 직립하여 재배열되는 재배열 영역(R)이 형성되도록, 상기 제1전극(130a)과 제2전극(130b)을 상호 직접 대향하는 상하 위치에 각각 배치할 수 있다.In the electrode placement step S210, the
즉, 상하로 배치되는 제1전극(130a)과 제2전극(130b)을 포함하여 구비되는 전극부(130)를 배치하는 경우에는 제1전극(130a)과 제2전극(130b) 사이에 형성되는 전기장이 상기 미립자(12)가 재배열되는 재배열 영역(R)이 되는 것이며, 상기 재배열 영역(R) 내에 포함된 미립자(12)는 전기장의 영향을 받아 전기장의 방향과 일치하는 방향으로 재배열되면서 도 4에 도시된 바와 같이 체인형태로 각 미립자(12a)가 연이어 연결되는 형상으로 배열되는 것이다.That is, when the
그리고, 상기 제1전극(130a)과 제2전극(130b)을 상기 수용공간 내에서 상하로 매칭되도록 배치하되, 제1전극(130a)과 제2전극(130b) 사이에 미립자(12)가 사선방향으로 재배열되는 재배열 영역(R)이 형성되도록, 상기 제1전극(130a)과 제2전극(130b)을 서로 다른 수직라인 상의 상하 위치에 배치할 수도 있다. 이 경우 제1전극(130a)과 제2전극(130b) 사이에 형성되는 자기장은 사선방향을 향하여 형성된다.The
따라서, 미립자유체(10)가 베이스부(120)에 수용되어 수평하게 배치된 상태에서 상기 제1전극(130a)과 제2전극(130b)이 상하로 대향하는 위치에 배치되면 미립자유체(10)의 수평상태와 직교되는 방향으로 재배열 영역(R)에 포함된 미립자(12)를 재배열할 수도 있음은 물론, 서로 다른 수직라인에 제1전극(130a)과 제2전극(130b)을 배치시킴으로써 미립자유체(10)의 수평상태와 사선방향으로 재배열 영역(R)에 포함된 미립자(12)를 재배열할 수도 있게 된다. 또한, 상기 재배열 영역(R) 이외에 포함된 미립자(12)들은 무질서하게 혼합된 상태 그대로의 배열상태를 갖게 되며, 경화된 미립자유체(10)는 전체적으로 미립자(12)들이 무질서하게 혼합되되 재배열 영역(R)에 해당하는 부분에는 미립자(12a)가 회전되어 상하로 재배열된 상태로 정렬되므로 국부적인 물성치가 달리하는 나노복합재를 제조할 수 있는 것이다.Accordingly, when the
이와 같이 제1전극(130a) 및 제2전극(130b)을 상하로 대향하도록 배치하되, 각 전극(130a,130b)의 수직라인 상에서의 배치되는 위치를 조절하여 미립자유체(10)의 재배열되는 경사각을 제어할 수 있다.The
한편, 도 3, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 상기 전극부 배치 단계(S210)는, 제3전극(130c)과 제4전극(130d)을 포함하여 구비된 전극부(130)를 상기 베이스부(120)의 수용공간 내에 배치하되, 상기 제3전극(130c)과 제4전극(130d) 사이에 미립자(12)가 아치(Arch) 형상으로 재배열되는 재배열 영역(R)이 형성되도록, 상기 제3전극(130c)과 제4전극(130d)을 상기 수용공간 내에서 수평방향으로 인접 배치할 수 있다.3, 5, and 6, the electrode placement step S210 may include the step of forming the
즉, 수평방향으로 인접 배치되는 제3전극(130c)과 제4전극(130d)을 포함하여 구비되는 전극부(130)를 배치하는 경우에는 제3전극(130c)과 제4전극(130d) 사이에 아치 형성으로 형성되는 전기장이 상기 미립자(12)가 재배열되는 재배열 영역(R)이 되는 것이며, 상기 재배열 영역(R) 내에 포함된 미립자(12b)는 전기장의 영향을 받아 전기장의 방향과 일치하는 방향으로 회전하며 재배열되면서 도 6에 도시된 바와 같이 아치 형상으로 각 미립자(12)가 연이어 연결되는 형상으로 배열되는 것이다.That is, in the case of disposing the
또한, 상기 재배열 영역(R) 이외에 포함된 미립자(12)들은 무질서하게 혼합된 상태 그대로의 배열상태를 갖게 되어, 경화된 미립자유체(10)는 전체적으로 미립자(12)들이 무질서하게 혼합되되 재배열 영역(R)에 해당하는 부분에는 미립자(12b)가 회전되어 재배열된 상태로 정렬되므로 국부적인 물성치가 달리하는 나노복합재를 제조할 수 있게 되는 것이다.The
상기 미립자유체 배치 단계(S230)는, 소정의 점도 및 유전율을 갖는 기지(11)와 마이크로 또는 나노 크기를 갖는 미립자(12)가 일정비율로 혼합하며, 혼합된 미립자유체(10)를 상기 베이스부(120)의 수용공간 내에 주입하는 단계로서, 나노복합재의 기지(11)는 상온경화가 가능한 에폭시를 이용할 수 있으며, 기지(11)가 갖는 점도 및 유전율에 따라 미립자(12)의 재배열되는 시간 및 상태가 상이해지므로 상기 미립자(12)의 종류에 따라 점도 및 유전율을 달라질 수 있다.The microparticulate fluid arranging step S230 is a step of arranging the
예를 들어, 상기 기지(11)로서 (주)제일하이텍의 HTC-665C의 품명을 갖는 에폭시를 사용하는 경우 기지(11)의 점도 3.0Pa·s이며 유전율은 대략 5정도 될 수 있으며, 미립자(12)로는 알루미나(Al2O3), 탄소나노튜브(CNT), 카본(Carbon), 그라파이트(Graphite), 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 철(Fe), 유리(Glass), 납(Pb), 중 어느 하나의 재질을 이용할 수 있다. 여기서, 상기 미립자(12)는 이용되는 재질에 따라 수십 나노 내지 수십 마이크로의 크기를 가질 수 있는데, 상기 알루미나는 10㎛, 탄소나노튜브는 10nm, 텅스텐은 40 내지 60㎛, 그라파이트는 10 내지 20㎛의 크기로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 미립자(12)는 형성되는 재질에 따라 구형(Sphere), 판형(Disk) 또는, 원통형(Cylinder) 중 어느 하나의 형상으로 이루어질 수 있다.For example, when epoxy having the product name of HTC-665C of Jeil Hi-Tech Co., Ltd. is used as the
또한, 상기 미립자유체(10)를 형성하기 위한 기지(11)와 미립자(12)를 일정비율로 혼합함에 있어서, 상술한 바와 같이 각 미립자(12)는 마이크로 내지 나노의 크기를 가짐에 따라 공기중에 분산되어 사용자의 호흡기로의 흡입되거나 주변 공기가 오염될 수 있으므로, 상기 기지(11)와 미립자(12)를 일정비율로 혼합하는 과정은 상기 베이스부(120) 및 전극부(130)를 둘러싸는 형태로 배치되어 상기 베이스부(120) 및 전극부(130)를 외부로부터 기밀시키는 기밀챔버(110)의 내부에서 이루어지는 것이 바람직하다. 이러한 기밀챔버(110)를 이용함으로써 미립자유체(10)를 혼합시 미립자(12)가 공기중에 분산되는 것을 방지할 수 있음은 물론, 전기장에 의해 미립자(12)를 재배열시키는 과정 또는 미립자유체(10)를 경화시키는 과정에서 미립자유체(10)에 먼지 및 수분 등의 이물질이 유입되거나 외부 전기장으로부터 전기적 영향을 받게 되는 것을 방지할 수 있다. As described above, when each of the
상기 고전압 인가 단계(S250)는, 전극부(130)와 전기적으로 연결된 고전압 공급부(140)를 통해 상기 재배열 영역(R)에 배치된 미립자(12)가 전기장에 의해 재배열되도록 전극부(130)에 고전압을 공급하는 단계로서, 도 2에 도시된 바와 같이 가변 주파수를 발진하는 신호발생기(141)와, 설정된 전압의 크기로 인가전압을 증폭하는 고전압 증폭기(142) 및, 상기 전극부(130)에 인가되는 고전압의 파형을 화면상에 표시하는 전압표시부(143)를 포함하는 고전압 공급부(140)를 이용하여 상기 전극부(130)에 설정된 고전압을 공급할 수 있다.The high voltage application step S250 may include applying a high voltage to the
따라서, 상기 신호발생기(141) 및 고전압 증폭기(142)를 이용함에 따라 미립자(12) 및 미립자유체(10)의 종류 및 상태에 따라 인가되는 고전압의 크기를 조절할 수 있으며, 사용자는 상기 전압표시부(143)를 통해 전극부(130)에 인가되고 있는 고전압의 크기를 육안으로 확인하고 적시적절하게 구동조작을 수행할 수 있게 된다. 여기서, 인가되는 고전압에 의해 형성되는 전기장의 세기에 따라 미립자유체(10) 내에서 재배열되는 미립자(12)의 배열속도(회전속도)가 달라질 수 있으므로 상기 미립자(12)의 종류에 따라 전기장의 크기는 적절하게 조절되는 것이 바람직하다.Accordingly, by using the
한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노복합재 제조방법을 통해 제조되는 나노복합재는 미립자(12)의 종류, 미립자유체(10)의 점도 및 유전율에 따라 전극부(130)에 인가되는 고전압의 크기(전기장의 세기) 및 고전압이 인가되는 시간(미립자(12)가 회전되어 재배열되는 소요시간)이 조절되어 공급되어야 하는데, 상기 고전압 인가 단계(S250)에서는 상기 고전압 공급부(140)와 신호연결되되 베이스부(120)의 수용공간에 수용되는 미립자유체(10)별로 미립자(12)를 재배열하기 위해 전극부(130)에 인가되는 고전압의 크기 및 인가되는 인가시간에 대한 데이터가 구분되어 저장되며, 사용자 입력신호에 따라 설정된 고전압의 크기 및 인가시간이 선택되어 미립자(12)가 전기장에 의해 재배열되도록 고전압 공급을 제어하는 제어부(150)를 통해 고전압 공급부(140)를 제어하여 설정된 고전압이 전극부(130)에 공급되도록 할 수 있다.Meanwhile, the nanocomposite manufactured through the method of manufacturing nanocomposite according to the preferred embodiment of the present invention may have a high magnitude of high voltage applied to the
여기서, 상기 제어부(150)에는 미립자(12) 및 미립자유체(10)의 종류 및 상태를 선택하기 위한 사용자 입력신호를 출력하는 사용자 입력부(160)가 배치되며, 사용자의 조작에 의해 임의의 사용자 입력신호가 제어부(150)로 출력되면 상기 제어부(150)는 출력된 사용자 입력신호에 따른 고전압이 전극부(130)에 인가되도록 공급 제어한다.The
상기 미립자유체 경화 단계(S270)는, 전기장에 의해 미립자가 재배열된 상태의 미립자유체(10)를 경화시켜 국부적으로 방향성을 갖는 미립자 재배열의 구조로 구비된 나노복합재를 형성하는 단계이다.The step S270 of curing the particulate fluid is a step of curing the
여기서, 상기 미립자유체(10)에 혼합된 기지(11)가 에폭시와 같이 상온에서 경화되는 재질로 이루어진 경우, 재배열 영역(R) 내에서 미립자(12)가 재배열된 상태에서 일정시간 상온에서 방치하여 경화시킬 수 있으며, 상온에서 경화되는데 장시간이 소요되거나 상온에서는 경화되지 않는 재질의 기지(11)를 이용한 경우에는 미립자유체(10)를 물리적으로 경화시키기 위해 고온의 환경을 제공하는 경화장치를 이용하여 경화시킬 수도 있다. 여기서, 미립자유체(10)를 상온 또는 고온의 환경에서 경화시키기 위한 구성 및 방식은 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 공지된 기술이므로 미립자유체(10)를 경화시키기 위한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.In this case, when the base 11 mixed with the
상술한 전극부 배치 단계(S210), 미립자유체 배치 단계(S230), 고전압 인가 단계(S250) 및 미립자유체 경화 단계(S270)를 포함하는 본 발명에 따른 전기장을 이용한 기능성 나노복합재 제조방법을 통해 제조된 복합재의 입자들이 재배열된 결과를 보면, 도 8의 우측에 도시된 바와 같이, 알루미나(Al2O3) 미립자(12)는 입자의 사이즈 기지재료 및 기타 여러 요인에 의하여 상대적으로 배열정도가 낮지만, 나머지 그라파이트(Graphite) 탄소나노튜브(CNT), 또는 텅스텐(W) 미립자(12)는 전기장에 의해 원활하게 재배열되어 있음을 알수 있다.The manufacturing method of the functional nanocomposite using the electric field according to the present invention including the electrode placement step (S210), the particulate fluid arrangement step (S230), the high voltage application step (S250) and the particulate fluid curing step (S270) As shown in the right side of FIG. 8, alumina (Al 2 O 3 )
특히, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 탄소나노튜브(CNT)의 경우 매우 미세한 입자들이 아주 규칙적으로 잘 배열되었으며, 그라파이트(Graphite)의 경우 입자들이 덩어리의 형태로 형성하면서 배열되었다.Particularly, as shown in FIG. 8, in the case of the carbon nanotube (CNT), very fine particles are arranged very regularly and in the case of graphite, particles are arranged in the form of a lump.
반면, 도 8의 좌측에 도시된 바와 같이, 전기장이 가해지지 않는 경우 상술한 미립자(12)들이 재배열되어 있지 않고 랜던하게 분포되어 있음을 알 수 있습니다.On the other hand, as shown in the left side of FIG. 8, when the electric field is not applied, it can be seen that the above-described
참고로, 도 8은 초기 랜덤배열과 전기장이 가해져 재배열된 미랍자의 비교 도이다.For reference, FIG. 8 is a comparative diagram of the spatially reshaped sparrow with an initial random arrangement and an electric field.
보다 구체적으로, SEM(Scanning Electron Microscope) 사진 촬영을 통해 마이크로 및 나노사이즈의 알루미나(Al2O3), 그라파이트(Graphite) 탄소나노튜브(CNT) 미립자(12)에 대한 입자배열을 확인하면 도 9에 도시된 바와 같다.More specifically, by confirming the arrangement of particles for micro- and nano-sized alumina (Al 2 O 3 ) and graphite carbon nanotube (CNT) microparticles 12 through SEM (Scanning Electron Microscope) As shown in FIG.
먼저, SEM 사진 촬영을 위해 일정사이즈의 시편을 준비하고, SEM 사진의 경우 전자 입자의 반사에 의해서 사진을 촬영하는 것이기 때문에 기지인 레진의 경우 전자 입자가 투과하여 사진촬영이 불가능하고 무엇보다 입자의 명확한 상태를 확인할 수 있도록 Gold 코팅을 한다.First, a specimen of a certain size is prepared for the SEM photographing. In the case of the SEM photograph, the photograph is taken by reflection of the electron particle. Therefore, in the case of the base resin, the electron particle is transmitted and photographing is impossible. Gold coating is applied to confirm the clear state.
산화알루미늄(Al2O3) 그라파이트(Graphite) 및 탄소나노튜브(CNT) 입자의 재배열을 촬영한 도 9의 사진에 도시된 바와 같이, 1.2kV/mm 세기로 5Hz의 주파수를 가진 정현파 전기장 속에서 재배열이 수행되어, 입자들이 가해진 전기장을 따라서 재배치된 것을 알 수 있다.As shown in the photograph of FIG. 9 in which the rearrangement of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) graphite and carbon nanotube (CNT) particles was photographed, a sine wave electric field having a frequency of 5 Hz at a frequency of 1.2 kV / , It can be seen that the particles have been relocated along the applied electric field.
참고로, 도 9는 산화알루미늄(Al2O3) 그라파이트(Graphite) 및 탄소나노튜브(CNT) 입자의 재배열을 SEM(Scanning Electron Microscope)사진 촬영한 도면이다.9 is a SEM (Scanning Electron Microscope) photograph of rearrangement of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) graphite and carbon nanotube (CNT) particles.
또한, 본 발명에 따른 전기장을 이용한 기능성 나노복합재 제조방법을 통해 제조된 복합재의 입자들의 강성을 DMA(Dynmic Mechanical Analyzer)로 영율 시험을 통해 측정해 보면, 아래의 [표 1]과 같다. In addition, the rigidity of the particles of the composite material manufactured through the manufacturing method of the functional nanocomposite material using the electric field according to the present invention is measured by a dynamical mechanical analyzer (DMA) through a Young's modulus test as shown in Table 1 below.
Oriented(Random)Oriented (Random)
상기 표에 기재된 바와 같이, 세라믹 계열인 알루미나(Al2O3)가 가장 높았고, 텅스텐(W) 입자를 함유한 에폭시가 가장 낮음을 알수 있는데, 위와 같은 결과는 텅스텐 입자 복합재의 경우 기지인 에폭시의 영향이 크게 작용하기 때문이다.As shown in the above table, the ceramic-based alumina (Al 2 O 3 ) was the highest and the epoxy containing tungsten (W) particles was the lowest. The above results show that, in the case of the tungsten particle composite, This is because the influence greatly affects.
또한, 본 발명에 따른 전기장을 이용한 기능성 나노복합재 제조방법을 통해 제조된 복합재의 입자 재배열에 의한 나노복합재의 횡방향과 종방향의 열팽창 특성은 아래의 표과 같다.Further, the lateral and longitudinal thermal expansion characteristics of the nanocomposite material by the particle reordering of the composite material produced by the method of manufacturing the functional nanocomposite material using the electric field according to the present invention are as follows.
입자의 재배열에 의해서 나노 복합재는 재료의 열팽창 특성을 제어할 수 있다. 즉 일반 복합재는 종방향과 횡방향의 열팽창계수가 같은데 비해서 입자 재배열된 나노복합재는 열팽창 특성을 방향에 따라 다르게 할 수 있다.By rearrangement of the particles, the nanocomposites can control the thermal expansion characteristics of the material. In other words, the general composite has the same thermal expansion coefficient in the longitudinal direction and in the transverse direction, whereas the nanocomposite with the particle re-array can have different thermal expansion characteristics depending on the direction.
특히, 고온 고강도용 등 기계적 성질이 우수한 합금에 주로 사용되는 텅스텐은 3410℃의 높은 융점과 높은 열 및 전기 전도성을 가지고 있다.In particular, tungsten, which is mainly used for alloys with excellent mechanical properties such as high temperature and high strength, has a high melting point of 3410 ° C and high heat and electric conductivity.
전기장에 따른 텅스텐 입자의 재배열을 도시한 도 10을 통해 바닥면에 깔린 구리(Gu) 와이어에서 발생하는 전기장의 영향에 의해서 엑폭시 속에 포함된 텅스텐 입자들이 전기장에 의해 한쪽으로 쏠린 것을 알 수 있다.FIG. 10 shows the rearrangement of the tungsten particles according to the electric field. It can be seen from the electric field generated in the copper (Gu) wire placed on the bottom surface that the tungsten particles contained in the epoxy are shifted to one side by the electric field .
이와 같이 특수한 성질을 가진 금속 혹은 세라믹 등 비금속 물질의 입자들이 기지속에 포함되어 나노복합재의 구조를 구성할 때 이러한 입자들의 분포, 배열, 밀도 등을 외부에서 가해지는 전기장의 영향에 의해서 제어할 수 있음을 확인할 수 있다.The distribution, arrangement, and density of these nanocomposites can be controlled by the influence of the external electric field when the nanocomposite structure is formed by incorporating particles of non-metallic materials such as metals or ceramics having such specific properties into the matrix can confirm.
텅스텐 입자들의 분포 밀도가 높은 쪽은 열전도, 전기전도성이 탁월한 성능을 나타내고, 반대쪽은 그 역효과를 나타낸다.The higher density distribution of tungsten particles shows the excellent performance of heat conduction and electrical conductivity, while the opposite shows the opposite effect.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노복합재 제조방법에서 미립자유체(10)에 가해지는 전기장에 의해 재배열 영역(R)에 배치된 미립자(12)이 재배열(Redistribution)되는 것은 전기영동과 토오크에 기인하는 것인데, 이하에서는 상기와 같은 전기영동(Dielectrophoresis)과 토오크의 영향에 의해 미립자(12)가 재배열되는 동작원리를 구체적으로 설명하기로 한다.In the method of manufacturing a nanocomposite according to the preferred embodiment of the present invention, the redistribution of the
미립자유체(10,유전유체) 속에 놓여있는 미립자(12)에 전기장(E)을 가하면 쌍극자모멘트(Diploe Moment,μ)가 발생하며, 이것은 주변 연속체의 극성을 능가한다. 여기서, 상기 쌍극자모멘트(μ)는 아래의 [수학식 1]을 통해 계산이 가능하다.When an electric field E is applied to the
[수학식 1][Equation 1]
μ =εoεcβFVEμ = ε o ε c β F VE
여기서, 미립자(12)의 극성모멘트(μ)는 미립자(12)의 체적(V), 주변 연속체의 유전율(Dielectric Constant,εc), 자유공간의 유전율(Permittivity,εo=8.8542×10-12 F/m(Farads Per Meter)에 비례한다. 상기 [수학식 1]의 무차원 계수 βF 는 미립자(12)의 주변 연속체 보다 높은 극성효과와 미립자(12)의 형상 효과에 의한 소극(Depolarization) 현상을 결합한 값이다. 어떠한 형태의 미립자(12)에 대해서도, 주변 기지(11)와 미립자(12)의 상대적인 유전율(εc ,εp), 전도율(σc ,σp) 및 무차원 계수βF 의 계산이 가능하다.Here, the volume (V), a dielectric constant close to the continuum (Dielectric Constant, ε c), the dielectric constant of the free space of the
[표 1] : β F values for diverse disks, cylinders and sphere [Table 1] : β F values for diverse disks, cylinders and sphere
대부분의 폴리머 복합재의 경우 주변 에폭시 기지와 입자의 유전율 및 전도율이 광범위한 전기장의 주파수 영역에서 흡사한 경우는 매우 드물다. 따라서 일정한 전기장의 주파수를 결정하면 두 재질간의 유전율 및 전도율 차이의 값을 극대화하여 β F 의 값을 최대화할 수 있다. 상기 [표 1]에 각 미립자(12)의 형태에 따른 β F 값을 계산하는 식을 제시하였다. β F 는 대략 0.1 ~ 3 정도의 값을 가지며 불균일 전기장 ∇E ≠ 0 속에 놓여 있는 유전체 미립자(12)가 받는 전기장적인 힘(F)은 아래의 [수학식 2]와 같이 표현된다.For most polymer composites, it is very unlikely that the permittivity and conductivity of the surrounding epoxy base and particles are similar in the frequency range of the broad electric field. Therefore, when determining the frequency of a constant electric field, maximizing the value of the dielectric constant and the conductivity differences between the two materials β F Can be maximized. [Table 1] shows the relationship between the shape of each
[수학식 2]&Quot; (2) "
F = (μ .∇) E F = (μ .∇) E
대전되지 않은 미립자(12)가 불균일 전기장 속에서 극성효과에 의해서 이동하는 것을 유전영동(Dielectrophoresis)이라 한다. 유전영동의 중요한 현상 중의 하나가 쌍극자간 상호작용(Dipole-Dipole Interaction)이다. 이 현상은 균일한 전기장이 인가된 현탁액 유체(미립자유체(10))속에서도 일어난다. 이 경우 포함된 임의의 미립자(12)의 분극된 전기장이 주변의 다른 첨가 미립자(12)들의 중앙에서 그 전기장을 방해하는 역할을 하며 미립자(12)들 간의 인력이나 반발력을 만든다. 두 구의 쌍극자간 상호 작용력은 Landau와 Lifshitz에 의해서 아래의 [수학식 3]과 같이 주어진다.Dielectrophoresis is a phenomenon in which uncharged
[수학식 3]&Quot; (3) "
*
*
여기서 r은 두 구의 중앙을 연결하는 벡터이며 r의 쌍극자 간 인력은 구의 분극화, μ의 제곱에 비례하고, 구의 유전율이 주변 기지(11)의 유전율 보다 크거나 작은 것에 상관없이 독립적이다. 도 7은 두 개의 구형태의 미립자(12)가 쌍극자 상호작용을 하며 상대적인 위치와 변위에 영향을 미치는 것을 나타낸다.Where r is a vector connecting the centers of two spheres, and the dipole attraction of r is proportional to the polarization of the sphere, the square of μ, independent of whether the sphere permittivity is greater or less than the permittivity of the surrounding base (11). 7 shows that the two spherical
등방성 구 미립자(12)의 쌍극자 모멘트 μ =α E 는 작용된 전기장에 평행하며 이 전기장에 의해서 토오크는 발생하지 않는다. 그러나 미립자(12)의 결정질이 이방성 이거나 혹은 비구형 형상이라면 쌍극자 모멘트 μ 는 전기장 E 에 평행하게 되어야 한다. 이때 전기장 속의 분극된 미립자(12)에 작용하는 토오크(T ( e ))는 아래의 [수학식 4]와 같이 계산되어 진다.The dipole moment μ = α E of the isotropic spherical
[수학식 4]&Quot; (4) "
T ( e ) = μ × E T ( e ) = mu x E
두 개의 이웃하는 구형 미립자(12)는 국부적 극성장을 교란할 것이다. 이것은 결과적으로 전기장의 방향과 평행하게 정렬하도록하는 회전 모멘트를 발생시킨다. 비슷한 개념으로 실린더 형상의 파이버는 그 형상 때문에 그 축을 따라서 대부분 분극 된다. 이 현상은 전체 토오크로 계산되며 아래의 [수학식 5]에 의해서 계산될 수 있다.Two neighboring
[수학식 5]&Quot; (5) "
T = μ pr × E or - μ or × E pr T = μ pr × E or - μ or × E pr
여기서, Epr= E(e)sinθ 이다. 이것을 상기 [수학식 5]에 대입하면, 디스크, 실린더, 구에 각각 작용하는 토오크(T)를 얻을 수 있다.Where E pr = E (e) sin & amp ; thetas; Substituting this into the above expression (5), the torque T acting on the disk, the cylinder and the sphere can be obtained.
[수학식 6]&Quot; (6) "
여기서, βT 는 디스크와 실린더 형상의 경우, 각각 
그러나, 구형상의 경우는 0이 된다. 유사하게 점성 기지(11)에 놓여있는 작은 미립자(12)에 작용하는 점성 토오크는 Happel 과 Brenner 등에 의해 아래의 [수학식 7]과 같이 제시되었다.However, in the case of the spherical shape, it becomes zero. Likewise, the viscous torque acting on the
[수학식 7]&Quot; (7) "
여기서, v ∞ 는 주변의 교란되지 않은 기지(11) 유체의 속도, Ω는 미립자(12)의 가속도, K T 는 미립자(12)의 형상에 관계된 수치 해석적 계수이다.Where v ∞ is the velocity of the surrounding
상술한 바와 같이 불균일 전기장 내에서의 미립자(12)들의 재배열은 두 가지 영향에 의해서 이루어지며, 유전영동(Dielectrophoresis)과 토오크 때문인데, 점성 미립자유체(10) 속에 포함된 미립자(12)의 동적특성은 전기장에 의해 유기된 힘 F ( e ) 와 점성드래그(Viscous Drag, F ( v) ) 의 균형 F ( e ) + F ( v ) = 0에 의해서 결정된다. 반경 r 의 구형 미립자(12)가 작용된 전기장의 방향과 같은 방향에 놓여있고, 함유 미립자(12)들의 중간점 간의 거리를 l 이라고 가정하면, 그 운동방정식은 매우 단순한 형태로 표현된다.As described above, the rearrangement of the
[수학식 8]&Quot; (8) "
만약 상기와 같은 [수학식 8]이 포함된 미립자(12)의 임의의 주어진 형상에 대하여, 전기장 내의 각각의 미립자(12)들이 그 지름과 같은 거리를 이동한다고 가정함으로써 해석적으로 혹은 수치적으로 계산되어질 수 있다면, 이러한 미립자(12)들이 움직여서 형성하는 체인형태로 만드는데 걸리는 시간을 알 수 있다. [수학식 8]로부터 위치변환에 걸리는 시간은 유체의 점성(η (Pa.s) )과 전기장 E(V / m) 에 비례한다.If for any given shape of the particulate 12 including the above equations (8), assuming that each particulate 12 in the electric field travels a distance equal to its diameter, either analytically or numerically If it can be calculated, it is possible to know the time taken to make the
[수학식 9]&Quot; (9) "
상기와 같은 [수학식 9]는 어떤 주어진 시스템에 대해서도 기지(11)에 포함된 미립자(12)들이 체인을 형성하는데 걸리는 시간을 예측하는데 사용될 수 있다. 미립자유체(10)에 함유된 원통형의 미립자(12) 및 판형의 미립자(12)에 작용하는 토오크는 필드에 의한 토오크 T ( e ) 와 기지(11) 유체에 의한 반대방향의 점성 드래그 T ( v ) 이다. 전기장과 점성 토오크의 상대적 균형으로부터 유도장에 의해서 섬유를 회전시키기 위한 시간을 예측할 수 있다.Equation (9) above can be used to predict the time it takes for the
[수학식 10]&Quot; (10) "
T ( e ) + T ( v ) = 0 T ( e ) + T ( v ) = 0
[수학식 7]을 활용하여, 관성력을 무시한 미분형 운동방정식은 아래의 [수학식 11]과 같다.Using Equation (7), the differential equation of motion ignoring the inertia force is expressed by Equation (11) below.
[수학식 11]&Quot; (11) "
이 수식은 어떠한 주어진 입자의 형상이나 모양에 대해서도 해석적으로나 수식적으로 풀릴 수 있다. 그러나 함유 입자를 회전시키기 위해서 필요한 시간예측이 정확하게 이루어져야 된다. 먼저 원통형 형태의 미립자(12)를 생각해 보면, 평균적인 회전각도는 π / 4 라디안 정도 수준이다. 그러면 미분방정식의 해는 대략적으로 아래의 [수학식 12]와 같이 근사화 된다.This formula can be solved analytically or mathematically for any given particle shape or shape. However, the time required to rotate the contained particles must be precisely predicted. Considering the
[수학식 12]&Quot; (12) "
비슷한 방법으로 아래의 [수학식 13]과 같이 박판 입자(flake-like)에 대해서도 회전시키는데 필요한 시간을 예측 할 수 있다. 여기서 λ 는 박편의 두께와 직경의 비 이다.In a similar manner, the time required for rotating the flake-like particles as shown in the following equation (13) can be predicted. Where lambda is the ratio of the thickness and diameter of the flake.
[수학식 13]&Quot; (13) "
상술한 바와 같은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노복합재 제조방법에 의해, 전기장에 의해 미립자(12)가 재배열되는 재배열 영역(R)이 형성되도록 소정의 전극패턴이 구비되어, 인가되는 고전압에 의해 상기 재배열 영역(R)에 포함된 미립자(12)가 전기장에 의해 재배열되므로, 상기 전극패턴 구조에 따라 국부 강성, 열전달, 전도성, 비전도성 및 방사선 차폐 등과 같이 용이하게 국부적인 물성치를 변화시킬 수 있다.According to the method of manufacturing a nanocomposite material according to the preferred embodiment of the present invention as described above, a predetermined electrode pattern is provided to form a rearrangement region R where the
또한, 상기 재배열 영역(R)이 형성되도록 소정의 전극패턴 구조를 갖는 전극부(130)의 전극(130a,130b,130c,130d)의 상,하의 수직적 배치 상태 또는 좌,우의 수평적 배치 상태에 따라 직상향, 직하향, 사선 방향 또는 아치 형상의 전기장을 형성할 수 있으므로, 상기 전기장의 방향에 따라 미립자(12)의 재배열되는 방향성, 분포형태 등이 다양한 나노복합재를 제조할 수 있다.The vertical arrangement state of the
더불어, 전극부(130)에 고전압을 공급하는 고전압 공급부(140)와 신호연결되되, 베이스부(120)의 수용공간에 수용되는 미립자유체(10)별로 미립자(12)를 재배열하기 위해 전극부(130)에 인가되는 고전압의 크기 및 인가되는 인가시간에 대한 데이터가 구분되어 저장된 제어부(150)를 통해, 사용자 입력신호에 따라 고전압의 크기 및 인가시간을 선택적으로 조절된 고전압을 전극부(130)에 공급 제어할 수 있으므로 사용자의 편의가 극대화되며, 제조된 나노복합재의 안정적인 미립자 재배열을 구현할 수 있다.In order to rearrange the
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. It is to be understood that various modifications and changes may be made without departing from the scope of the appended claims.
S210...전극부 배치 단계 S230...미립자유체 배치 단계
S250...고전압 인가 단계 S270...미립자유체 경화 단계
10...미립자유체 11...기지
12...미립자 100...나노복합재 제조장치
110...기밀챔버 120...베이스부
130...전극부 140...고전압 공급부
150...제어부 160...사용자 입력부S210 ... Electrode placement step S230 ... Microparticle fluid placement step
S250 ... High voltage application step S270 ... Particle fluid curing step
10 ...
12 ... particulate 100 ... nano composite material manufacturing apparatus
110 ...
130 ...
150 ...
Claims (11)
용기 형태로 구비된 베이스부(120)의 수용공간 내에서 소정의 전극패턴 구조로 이루어지며, 인가되는 고전압에 의해 전기장을 형성하여 상기 전기장에 의해 미립자(12)가 재배열되는 재배열 영역(R)을 형성하는 전극부(130)를 배치하는 전극부 배치 단계(S210);
상기 베이스부(120)의 수용공간 내에 소정의 점도 및 유전율을 갖는 기지(11)와 마이크로 또는 나노 크기를 갖는 미립자(12)가 일정비율로 혼합된 미립자유체(10)를 일정량 주입하는 미립자유체 배치 단계(S230);
상기 전극부(130)와 전기적으로 연결된 고전압 공급부(140)를 통해 상기 재배열 영역(R)에 배치된 미립자(12)가 전기장에 의해 재배열되도록 고전압을 공급하는 고전압 인가 단계(S250); 및
상기 전기장에 의해 미립자(12)가 재배열된 상태의 미립자유체(10)를 경화시켜 나노복합재를 형성하는 미립자유체 경화 단계(S270);를 포함하되,
상기 전극부 배치 단계(S210)는,
제1전극(130a)과 제2전극(130b)을 포함하여 구비된 전극부(130)를 상기 베이스부(120)의 수용공간 내에 배치하되, 상기 제1전극(130a)과 제2전극(130b) 사이에 미립자(12)가 상하방향으로 재배열되는 재배열 영역(R)이 형성되도록, 상기 제1전극(130a) 및 제2전극(130b)을 상기 수용공간 내에서 상하로 매칭되도록 배치하고,
상기 제1전극(130a)과 제2전극(130b)을 상기 수용공간 내에서 상하로 매칭되도록 배치하되, 상기 제1전극(130a)과 제2전극(130b) 사이에 미립자(12)가 사선방향으로 재배열되는 재배열 영역(R)이 형성되도록, 상기 제1전극(130a)과 제2전극(130b)을 서로 다른 수직라인 상의 상하 위치에 배치하는 것을 특징으로 하는 나노복합재 제조방법.
A nanocomposite manufacturing method for producing a nanocomposite having a microstructure rearranging structure having an orientation by applying an electric field to a particulate fluid (10)
A re-arrangement region R (hereinafter, referred to as " R ") in which an electric field is formed by a high voltage applied and the fine particles 12 are rearranged by the electric field, (S210) for disposing an electrode part (130) forming the electrode part (130);
A microparticulate fluid arrangement 10 for injecting a predetermined amount of a microparticulate fluid 10 in which microparticles 12 having a predetermined viscosity and permittivity and microparticles 12 having a micro or nano size are mixed at a predetermined ratio are accommodated in the accommodating space of the base section 120 Step S230;
A high voltage applying step (S250) of supplying a high voltage such that the fine particles (12) arranged in the rearrangement region (R) are rearranged by an electric field through a high voltage supplying part (140) electrically connected to the electrode part (130); And
And a microparticle fluid curing step (S270) for curing the microparticle fluid (10) in a state in which the microparticles (12) are rearranged by the electric field to form a nanocomposite material,
In the electrode placement step S210,
The electrode unit 130 including the first electrode 130a and the second electrode 130b is disposed in the receiving space of the base unit 120 and the first electrode 130a and the second electrode 130b The first electrode 130a and the second electrode 130b are arranged so as to be vertically matched in the accommodation space so that the redistribution area R in which the fine particles 12 are rearranged in the vertical direction is formed between the first electrode 130a and the second electrode 130b ,
The first electrode 130a and the second electrode 130b are disposed so as to be vertically matched in the accommodation space and the fine particles 12 are arranged between the first electrode 130a and the second electrode 130b in a diagonal direction Wherein the first electrode (130a) and the second electrode (130b) are arranged at vertically upper and lower positions on different vertical lines so that a rearrangement region (R) that is rearranged to be aligned with each other is formed.
상기 전극부 배치 단계(S210)는,
상기 제1전극(130a)과 제2전극(130b)을 상기 수용공간 내에서 상하로 매칭되도록 배치하되, 상기 제1전극(130a)과 제2전극(130b) 사이에 미립자(12)가 직립하여 재배열되는 재배열 영역(R)이 형성되도록, 상기 제1전극(130a)과 제2전극(130b)을 상호 직접 대향하는 상하 위치에 각각 배치하는 것을 특징으로 하는 나노복합재 제조방법.
The method according to claim 1,
In the electrode placement step S210,
The first electrode 130a and the second electrode 130b are disposed so as to be vertically matched in the accommodation space and the fine particles 12 are erected between the first electrode 130a and the second electrode 130b Wherein the first electrode (130a) and the second electrode (130b) are disposed at upper and lower positions directly opposite to each other so that a rearrangement region (R) to be rearranged is formed.
상기 전극부 배치 단계(S210)는,
제3전극(130c) 및 제4전극(130d)을 포함하여 구비된 전극부(130)를 상기 베이스부(120)의 수용공간 내에 배치하되,
상기 제3전극(130c)과 제4전극(130d) 사이에 미립자(12)가 아치(Arch) 형상으로 재배열되는 재배열 영역(R)이 형성되도록, 상기 제3전극(130c)과 제4전극(130d)을 상기 수용공간 내에서 수평방향으로 인접 배치하는 것을 특징으로 하는 나노복합재 제조방법.
The method according to claim 1,
In the electrode placement step S210,
The electrode unit 130 including the third electrode 130c and the fourth electrode 130d is disposed in the receiving space of the base unit 120,
The third electrode 130c and the fourth electrode 130d are formed between the third electrode 130c and the fourth electrode 130d such that a redistribution region R in which the fine particles 12 are rearranged in an arch- And the electrodes (130d) are disposed adjacent to each other in the horizontal direction in the accommodating space.
상기 미립자유체 배치 단계(S230)에서,
상기 기지(11)와 미립자(12)를 일정비율로 혼합하는 과정은 상기 베이스부(120) 및 전극부(130)를 둘러싸는 형태로 배치되어 상기 베이스부(120) 및 전극부(130)를 외부로부터 기밀시키는 기밀챔버(110)의 내부에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노복합재 제조방법.
The method according to claim 1,
In the particulate fluid arranging step S230,
The process of mixing the base 11 and the fine particles 12 at a certain ratio is performed by surrounding the base portion 120 and the electrode portion 130 to form the base portion 120 and the electrode portion 130 Wherein the airtight chamber (110) is hermetically sealed from outside.
상기 고전압 인가 단계(S250)는,
가변 주파수를 발진하는 신호발생기(141)와, 설정된 전압의 크기로 인가전압을 증폭하는 고전압 증폭기(142) 및, 상기 전극부(130)에 인가되는 고전압의 파형을 화면상에 표시하는 전압표시부(143)를 포함하는 고전압 공급부(140)을 이용하여 상기 전극부(130)에 설정된 고전압을 공급하는 것을 특징으로 하는 나노복합재 제조방법.
The method according to claim 1,
The high-voltage applying step (S250)
A high voltage amplifier 142 for amplifying an applied voltage with a predetermined voltage level, and a voltage display unit (not shown) for displaying a waveform of a high voltage applied to the electrode unit 130 143. The method of claim 1, wherein the high voltage is applied to the electrode unit using a high voltage supply unit.
상기 미립자유체 배치 단계(S230)에서,
상기 미립자유체(10)에 혼합되는 미립자(12)로, 알루미나(Al2O3), 탄소나노튜브(CNT), 카본(Carbon), 그라파이트(Graphite), 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 철(Fe), 유리(Glass), 납(Pb), 중 어느 하나의 재질로 이루어진 미립자를 이용하는 것을 특징으로 하는 나노복합재 제조방법.
The method according to claim 1,
In the particulate fluid arranging step S230,
(Al 2 O 3 ), carbon nanotubes (CNT), carbon, graphite, tungsten (W), aluminum (Al), and the like are mixed with the fine particles (12) Characterized in that fine particles made of any one of iron (Fe), glass, and lead (Pb) are used.
상기 미립자유체 배치 단계(S230)에서,
상기 미립자유체(10)에 혼합되는 미립자(12)로, 구형(Sphere), 판형(Disk) 또는, 원통형(Cylinder) 중 어느 하나의 형상으로 이루어진 미립자를 이용하는 것을 특징으로 하는 나노복합재 제조방법.
9. The method of claim 8,
In the particulate fluid arranging step S230,
Wherein fine particles having a shape of a spherical shape, a disk shape, or a cylindrical shape are used as the fine particles 12 mixed with the fine particle fluid 10.
상기 미립자유체 배치 단계(S230)에서,
상기 미립자유체(10)에 혼합되는 기지(11)로, 에폭시 재질로 이루어진 기지를 이용하는 것을 특징으로 하는 나노복합재 제조방법.
9. The method of claim 8,
In the particulate fluid arranging step S230,
Wherein a base made of an epoxy material is used as a base (11) to be mixed with the particulate fluid (10).
상기 고전압 인가 단계(S250)는,
상기 고전압 공급부(140)와 신호연결되되, 상기 베이스부(120)의 수용공간에 수용되는 미립자유체(10)별로 미립자(12)를 재배열하기 위해 전극부(130)에 인가되는 고전압의 크기 및 인가되는 인가시간에 대한 데이터가 구분되어 저장되며, 사용자 입력신호에 따라 설정된 고전압의 크기 및 인가시간이 선택되어 상기 미립자(12)가 전기장에 의해 재배열되도록 고전압 공급을 제어하는 제어부(150)를 통해 상기 고전압 공급부(140)를 제어하여 설정된 고전압이 전극부(130)에 공급되는 것을 특징으로 하는 나노복합재 제조방법.The method according to any one of claims 1, 3, and 5 to 10,
The high-voltage applying step (S250)
The size of the high voltage applied to the electrode unit 130 for rearranging the fine particles 12 for each of the particulate fluids 10 accommodated in the accommodating space of the base unit 120, The control unit 150 controls the supply of the high voltage so that the fine particles 12 are rearranged by the electric field by selecting the magnitude and the application time of the high voltage set according to the user input signal Wherein the high voltage supply unit (140) is controlled to supply a set high voltage to the electrode unit (130).
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| JP2012531026A (en) | 2009-06-22 | 2012-12-06 | コンダリン・アーエス | Electrostatic discharge device and manufacturing method thereof |
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| KR20140135646A (en) | 2014-11-26 |
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