KR101580530B1 - Preparing Method For Nanocomposite Having Local Reinforcement Characteristics - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따르면, 특정 국부의 강성이 상대적으로 증대된 국부강성의 특성을 갖는 나노복합재 제조방법에 있어서, 용기 형태로 구비된 베이스부(120)의 수용공간 내에서 국부강성의 특성이 요구되는 위치(R)에 상부전극(131)과 하부전극(132)을 상하로 대향하도록 배치하는 전극부 배치 단계(S210); 소정의 점도 및 유전율을 갖는 기지(11)와 미립자(12)가 일정비율로 혼합된 미립자유체(10)를 상기 베이스부(120)의 수용공간 내에 주입하는 미립자유체 배치 단계(S230); 상기 상부전극(131)과 하부전극(132) 사이에 위치하는 미립자(12)가 상기 기지(11) 내에서 전기장에 의해 상하방향으로 재배열되도록 전극부(130)에 고전압을 인가하는 고전압 인가 단계(S250); 및 상기 전기장에 의해 국부적으로 미립자(12)가 재배열된 상태의 미립자유체(10)를 경화시켜 나노복합재(20)를 형성하는 미립자유체 경화 단계(S270);를 포함하는 국부강성의 특성을 갖는 나노복합재 제조방법을 개시한다.According to the present invention, there is provided a method of manufacturing a nanocomposite material having local stiffness characteristics in which the stiffness of a specific local portion is relatively increased. In the method of manufacturing a nanocomposite material, (S210) of arranging the upper electrode (131) and the lower electrode (132) so as to face each other in the vertical direction (R); (S230) of injecting a particulate fluid (10) having a predetermined viscosity and a permittivity mixed with a particulate (12) at a certain ratio into the receiving space of the base (120); A high voltage applying step of applying a high voltage to the electrode unit 130 so that the fine particles 12 positioned between the upper electrode 131 and the lower electrode 132 are rearranged in the up- (S250); And a particulate fluid curing step (S270) of curing the particulate fluid (10) in a state where the particulates (12) are rearranged locally by the electric field to form the nanocomposite (20) A method for producing a nanocomposite is disclosed.
Description
본 발명은 국부강성의 특성을 갖는 나노복합재 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기장을 이용하여 국부강성의 특성이 요구되는 위치에 강성입자를 일정한 방향으로 배열함으로써 특정 국부의 강성이 상대적으로 증대된 국부강성의 특성을 갖는 나노복합재 제조방법에 관한 것이다.
More particularly, the present invention relates to a method of manufacturing a nanocomposite having local stiffness characteristics, and more particularly, to a method of manufacturing a nanocomposite material having a local stiffness by arranging stiff particles in a predetermined direction at a position requiring local stiffness characteristics using an electric field, And a method of manufacturing a nanocomposite having characteristics of local stiffness.
일반적으로 복수 개의 판재를 상호 체결 또는 고정시키기 위한 목적으로 리벳 또는 나사 등의 가압부재(2)가 사용된다. 여기서, 도 1에는 판재 형상의 구조체(1)에 나사(2)가 삽입되는 구성이 도시되어 있다.In general, a
도 1을 참고하면 통상의 나사(2)의 경우 구조체(1)에 형성된 개구부(1a)에 삽입되기 위한 바디부(2b)와, 상기 바디부(2b)보다 직경이 크게 형성되어 상기 개구부(1a)의 주변둘레와 접촉되며 지지력을 제공하는 헤드부(2a)로 이루어진다. 여기서, 상기 나사(2)는 하부방향으로 가압 또는 회전되는 정도에 따라 체결력이 커지기 때문에 강하게 가압되거나 회전수가 많아질 수록 상기 헤드부(2a)와 접촉되는 구조체(1)의 개구부(1a) 주변 둘레에는 강한 하중 및 마찰력이 발생하게 된다.Referring to FIG. 1, the
따라서, 상기 구조체(1)에 헤드부(2a)가 접촉되는 부분이 가압력에 의해 눌리거나 쉽게 마모되는 문제점이 있었다. 종래에는 이러한 문제점을 해결하기 위해 구조체(1) 제조시 강화섬유 또는 강성입자를 기지에 혼합함으로써 구조체(1)의 강성을 증대시킬 수 있었으나, 실제로 강성이 필요한 부분 이외의 다른 부분들까지 모두 함께 강성이 증대되므로 헤드부(2a)가 접촉되는 부분과 같이 구조체(1) 전체에서 국부적으로만 높은 강성이 필요한 경우 제조비용 및 제조시간이 낭비되는 문제점이 있었다. 더욱이, 전체적으로 강성이 강화된 구조체(1)는 휘어짐과 저온의 환경에 취약하기 때문에 구조체(1)의 적용분야가 한정될 수 밖에 없었다.Therefore, there is a problem that the portion of the structure 1 where the
한편, 종래에는 방향성 있는 복합재를 제조하기 위해 회전주조, 유동방향성, 기계적 인장, 일방향 성장방법, UV 조사 및 자기장 운용 등의 방식이 이용되었다. 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. 또한, UV 조사 방식의 경우, FGM(Functionally Graded Material)을 제조하는데 효과적으로 적용할 수 있으나 작은 사이즈의 구조체에만 적용이 가능한 단점이 있었다. 또한, UV 조사 방식의 경우, FGM(Functionally Graded Material)을 제조하는데 효과적으로 적용할 수 있으나 작은 사이즈의 구조체에만 적용이 가능한 단점이 있었다. Conventionally, methods such as spin casting, flow direction, mechanical tensile, unidirectional growth method, UV irradiation, and magnetic field operation have been used for producing a directional composite material. 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. 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. 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 전기장을 이용하여 국부강성의 특성이 요구되는 위치에 강성입자를 일정한 방향으로 배열함으로써 특정 국부의 강성이 상대적으로 증대된 국부강성의 특성을 갖는 나노복합재 제조방법을 제공하는 것에 있다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a stiffness- And to provide a method of manufacturing a nanocomposite having characteristics of rigidity.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 국부강성의 특성을 갖는 나노복합재 제조방법은, 특정 국부의 강성이 상대적으로 증대된 국부강성의 특성을 갖는 나노복합재 제조방법에 있어서, 용기 형태로 구비된 베이스부(120)의 수용공간 내에서 국부강성의 특성이 요구되는 위치(R)에 상부전극(131)과 하부전극(132)을 상하로 대향하도록 배치하는 전극부 배치 단계(S210); 소정의 점도 및 유전율을 갖는 기지(11)와 미립자(12)가 일정비율로 혼합된 미립자유체(10)를 상기 베이스부(120)의 수용공간 내에 주입하는 미립자유체 배치 단계(S230); 상기 상부전극(131)과 하부전극(132) 사이에 위치하는 미립자(12)가 상기 기지(11) 내에서 전기장에 의해 상하방향으로 재배열되도록 전극부(130)에 고전압을 인가하는 고전압 인가 단계(S250); 및 상기 전기장에 의해 국부적으로 미립자(12)가 재배열된 상태의 미립자유체(10)를 경화시켜 나노복합재(20)를 형성하는 미립자유체 경화 단계(S270);를 포함한다.In order to accomplish the above object, the present invention provides a method of manufacturing a nanocomposite material having local stiffness characteristics, wherein local stiffness of the local stiffener is relatively increased, An electrode placement step S210 of arranging the
여기서, 상기 상부전극(131) 및 하부전극(132)이 중앙에 개구부(131a,132a)가 형성된 판 형상으로 각각 형성되어 상하 위치에서 수평방향으로 배치되며, 각각의 개구부(131a,132a)는 상하로 정렬된 위치에 배치될 수 있다.The
또한, 상기 미립자유체 경화 단계(S270)를 통해 경화된 나노복합재(20)의 일측에 리벳 또는 나사 등의 가압부재(2)의 바디부(2b)가 삽입되기 위한 개구부(20b)를 상하방향으로 형성하는 개구부 형성 단계(S290);를 더 포함할 수 있다.The opening 20b for inserting the
또한, 상기 개구부 형성 단계(S290)는, 상기 나노복합재(20)에 형성된 개구부(20b)가 상기 상부전극(131)과 하부전극(132)의 각 개구부(131a,132a)의 상호 정렬된 위치에 상하방향으로 형성될 수 있다.In the opening forming step S290, the opening 20b formed in the
또한, 상기 전극부 배치 단계(S210)는, 상기 상부전극(131)과 하부전극(132)을 상하로 정렬된 위치에 배치한 후, 기둥 형상의 개구부 형성부(170)를 각각의 개구부(131a,132a)에 연속 삽입하여 상부전극(131)과 하부전극(132) 사이에 상하방향으로 배치할 수 있다.The
또한, 상기 전극부 배치 단계(S210)는, 상기 상부전극(131)과 하부전극(132) 사이에 개구부 형성부(170)를 배치하되, 리벳 또는 나사 등의 가압부재(2)의 바디부(2b)가 삽입되기 위한 관통공(171)이 중앙에 상하방향으로 형성된 개구부 형성부(170)를 배치할 수 있다.In the step S210, the opening
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.
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 국부강성의 특성을 갖는 나노복합재 제조방법에 의하면,According to the method of manufacturing a nanocomposite material having local stiffness characteristics according to the present invention,
첫째, 전기장을 이용하여 국부강성의 특성이 요구되는 위치에 강성입자를 하중이 가해지는 방향과 일치하는 방향으로 배열함으로써 특정 국부의 강성만을 다른 부분보다 상대적으로 증대시킬 수 있으므로 제조비용 및 제조시간을 절감할 수 있다.First, by arranging the rigid particles in the direction matching with the direction of load applied at the position where the characteristic of local stiffness is required by using the electric field, it is possible to increase only the stiffness of the specific local portion relative to the other portion, Can be saved.
둘째, 상부전극과 하부전극이 중앙에 개구부가 형성된 판 형상으로 각각 형성되어 상하 위치에서 수평방향으로 배치되며, 각각의 개구부는 상하 정렬된 위치에 배치되므로, 각 전극의 개구부가 정렬된 위치에 해당하는 나노복합재의 일부분에는 강성이 증대되지 않으므로 리벳 또는 나사 등의 가압부재가 삽입되기 위한 개구부를 보다 용이하게 형성할 수 있다.Secondly, the upper electrode and the lower electrode are respectively formed in a plate shape having an opening at the center and arranged horizontally at the upper and lower positions, and the respective openings are arranged at vertically aligned positions. Since the rigidity of the nanocomposite is not increased, an opening for inserting a pressing member such as a rivet or a screw can be formed more easily.
셋째, 베이스부의 수용공간 내에 상부전극과 하부전극을 상하로 정렬된 위치에 배치한 후 기둥 형상의 개구부 형성부를 각 전극의 개구부에 연속 삽입하여 상부전극과 하부전극 사이에 상하방향으로 배치함으로써 상기 가압부재를 삽입하기 위한 개구부를 형성하기 위해 드릴링 가공 또는 레이저 가공을 이용하여 관통시키거나 더미부분을 탈거하는 등의 별도 가공공정이 불필요한 장점이 있다.Third, the upper electrode and the lower electrode are arranged in the upper and lower positions in the accommodating space of the base part, and then the columnar opening forming part is continuously inserted into the openings of the respective electrodes and arranged in the vertical direction between the upper electrode and the lower electrode, There is an advantage that a separate working step such as penetration through drilling or laser machining or removal of the dummy portion is unnecessary in order to form an opening for inserting the member.
넷째, 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.
Fourth, 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 by the fine particle fluid 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 판재 형상의 구조체에 나사가 삽입되는 구성을 나타낸 측면도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 국부강성의 특성을 갖는 나노복합재 제조방법의 순서를 나타낸 순서도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노복합재 제조장치의 구성을 나타낸 개략도,
도 4 및 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전극부 배치 단계를 설명하기 위한 측면도 및 사시도,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미립자유체 배치 단계를 설명하기 위한 측면도,
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고전압 공급에 따라 상부전극과 하부전극 사이에 전기장이 형성된 상태를 나타낸 측면도,
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상부전극과 하부전극 사이에 위치하는 미립자가 기지 내에서 전기장에 의해 상하방향으로 재배열되는 동작원리를 나타낸 측면도,
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 개구부 형성 단계를 설명하기 위한 측면도,
도 10 및 도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상부전극과 하부전극 사이에 개구부 형성부가 배치되는 구성을 나타낸 측면도,
도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미립자의 외부에 비전도성 물질이 배치되어 제조된 나노복합재가 비전도성 특성이 부여된 상태를 나타낸 개략도,
도 13은 두 개의 구형태의 미립자가 쌍극자 상호작용을 하며 상대적인 위치와 변위에 영향을 미치는 상태를 나타낸 개략도,
도 14은 초기 랜덤배열과 전기장이 가해져 재배열된 미랍자의 비교도,
도 15는 산화알루미늄(Al2O3) 그라파이트(Graphite) 및 탄소나노튜브(CNT) 입자의 재배열을 SEM(Scanning Electron Microscope)사진 촬영한 도면, 및
도 16은 전기장에 따른 텅스텐 입자의 재배열을 도시한 도면이다.1 is a side view showing a structure in which a screw is inserted into a structure of a plate-
FIG. 2 is a flowchart showing a procedure of a method of manufacturing a nanocomposite material having local stiffness characteristics according to a preferred embodiment of the present invention.
3 is a schematic view showing a configuration of an apparatus for producing a nanocomposite material according to a preferred embodiment of the present invention,
4 and 5 are a side view and a perspective view for explaining the electrode placement step according to a preferred embodiment of the present invention,
FIG. 6 is a side view for explaining the step of arranging the particulate fluid according to the preferred embodiment of the present invention;
7 is a side view illustrating a state in which an electric field is formed between an upper electrode and a lower electrode according to a high voltage supply according to a preferred embodiment of the present invention;
8 is a side view showing an operation principle in which fine particles positioned between an upper electrode and a lower electrode according to a preferred embodiment of the present invention are vertically rearranged by an electric field in a base,
9 is a side view for explaining an opening forming step according to a preferred embodiment of the present invention;
10 and 11 are side views showing a configuration in which an opening forming portion is disposed between an upper electrode and a lower electrode according to a preferred embodiment of the present invention,
12 is a schematic view showing a state in which a nanocomposite produced by disposing a nonconductive material on the outside of fine particles according to a preferred embodiment of the present invention is given a nonconductive property,
13 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,
Figure 14 is a comparison of the sputtered rearranged and randomized electric field,
15 is a SEM (Scanning Electron Microscope) photograph of rearrangement of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) graphite and carbon nanotube (CNT) particles, and
16 is a diagram showing the rearrangement of tungsten particles according to the 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 국부강성의 특성을 갖는 나노복합재 제조방법에 대한 실시예를 설명하기에 앞서 국부강성의 특성을 갖는 나노복합재를 제조하는데 이용되는 나노복합재 제조장치(100)의 구성 및 기능을 설명하기로 한다.Before describing an embodiment of a method of manufacturing a nanocomposite material having local stiffness characteristics according to a preferred embodiment of the present invention, the structure of a nanocomposite
상기 나노복합재 제조장치(100)는, 도 3에 도시된 바와 같이 베이스부(120), 전극부(130), 고전압 공급부(140), 기밀챔버(110) 및 제어부(150)를 포함하여 구비된다.3, 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, 제조되는 나노복합재(20) 상에서 국부강성의 특성이 요구되는 위치(R)에 부합되는 전극패턴 구조로 이루어져 전기장에 의해 기지(11) 내에서 미립자(12)가 재배열되기 위한 공간을 형성한다.The
여기서, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 전극부(130)는 상부전극(131)과 하부전극(132)으로 이루어지며, 베이스부(120) 내에서 국부강성의 특성이 요구되는 위치(R)에 상부전극(131)과 하부전극(132)이 상하로 대향하도록 배치된 전극패턴 구조로 이루어진다.3, the
또한, 상기 전극부(130)는 고전압 공급부(140)로부터 공급되는 고전압에 의해 상기 상부전극(131)과 하부전극(132) 사이에는 도 7에서와 같이 상부전극(131)에서 하부전극(132)으로 하향하는 전기장이 형성된다.7, the
즉, 상기 상부전극(131)과 하부전극(132) 사이에 공간은 전기장에 의해 기지(11) 내에서 미립자(12)가 재배열되기 위한 재배열 영역이되는 것이며, 이러한 재배열 영역 내에 포함된 미립자(12)는 전기장의 영향을 받아 전기장의 방향과 일치하는 방향으로 재배열되면서 도 8에서와 같이 체인형태로 각 미립자(12)가 연이어 연결되는 형상으로 배열되는 것이다.That is, the space between the
상기 고전압 공급부(140)는, 수용공간 내에 배치되는 전극부(130)와 전기적으로 연결되어 상부전극(131)과 하부전극(132) 사이에 위치한 미립자(12)가 전기장에 의해 기지(11) 내에서 재배열되도록 고전압을 공급하는 구성으로서, 도 3에 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 국부강성의 특성을 갖는 나노복합재(20)를 제조하는 단계를 순차적으로 설명한다.The steps of fabricating the
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 국부강성의 특성을 갖는 나노복합재 제조방법(이하에서는 '나노복합재 제조방법'이라 명칭함)은, 전기장을 이용하여 국부강성의 특성이 요구되는 위치(R)에 강성입자(미립자(12))를 일정한 방향으로 배열함으로써 특정 국부의 강성이 상대적으로 증대된 국부강성의 특성을 갖는 나노복합재(20)를 제조할 수 있는 나노복합재 제조방법으로서, 도 2에 도시된 바와 같이 전극부 배치 단계(S210), 미립자유체 배치 단계(S230), 고전압 인가 단계(S250) 및, 미립자유체 경화 단계(S270)를 포함한다.A method of manufacturing a nanocomposite material having local stiffness characteristics according to a preferred embodiment of the present invention (hereinafter referred to as a " method of manufacturing a nanocomposite material ") is characterized in that a stiffness A nanocomposite material manufacturing method capable of producing a nanocomposite material (20) having locally stiffness characteristics in which specific local stiffness is relatively increased by arranging particles (fine particles (12)) in a certain direction, As well as the electrode placement step S210, the particulate fluid placement step S230, the high voltage application step S250, and the particulate fluid curing step S270.
먼저, 상기 전극부 배치 단계(S210)는, 기지(11) 내에서 미립자(12)가 국부적으로 재배열되는 재배열 영역이 형성되도록 상부전극(131)과 하부전극(132)으로 이루진 전극부(130)를 수용공간 내에 배치하는 단계로서, 용기 형태로 구비된 베이스부(120)의 수용공간 내에서 국부강성의 특성이 요구되는 위치(R)에 상부전극(131)과 하부전극(132)을 상하로 대향하도록 배치한다.The electrode unit placement step S210 may include an
따라서, 상부전극(131)과 하부전극(132) 사이에는 도면에서와 같이 상부전극(131)에서 하부전극(132)으로 하향하는 전기장이 형성된다. 또한, 도시되지 않았으나 상부전극(131)과 하부전극(132)에 인가되는 전압의 극성을 변경하는 경우 상기 하부전극(132)에서 상부전극(131)으로 상향하는 전기장을 형성할 수 있음은 물론이다.Therefore, an electric field is formed between the
그리고, 상기 상부전극(131)과 하부전극(132)을 상기 수용공간 내에서 상하로 매칭되도록 배치하되, 상부전극(131)과 하부전극(132) 사이에 미립자(12)가 사선방향으로 재배열되도록, 상기 상부전극(131)과 하부전극(132)을 서로 다른 수직라인 상의 상하 위치에 배치할 수도 있다. 이 경우 상부전극(131)과 하부전극(132) 사이에 형성되는 자기장은 사선방향을 향하여 형성된다.The
이와 같이 상부전극(131) 및 하부전극(132)을 상하로 대향하도록 배치하되, 각 전극(131,132)의 수직라인 상에서의 배치되는 위치를 조절하여 미립자유체(10)의 재배열되는 경사각을 제어할 수 있다.The
한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노복합재 제조방법에 의해 제조된 나노복합재(20)가 도 1에서와 같이 리벳 또는 나사 등의 가압부재(2)가 삽입되며, 국부강성의 특성이 요구되는 위치(R)가 상기 가압부재(2)가 삽입되는 개구부의 주변둘레일 경우, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 상기 전극부 배치 단계(S210)는 중앙에 개구부(131a,132a)가 마련된 판 형상으로 각각 형성된 상부전극(131) 및 하부전극(132)를 상하 위치에서 수평방향으로 배치하며, 각각의 개구부(131a,132a)는 상하로 정렬된 위치에 배치할 수 있다.
Meanwhile, when the
상기 미립자유체 배치 단계(S230)는, 소정의 점도 및 유전율을 갖는 기지(11)와 마이크로 또는 나노 크기를 갖는 미립자(12)를 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 mixing 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 상부전극(131)과 하부전극(132) 사이에 위치한 미립자(12)가 전기장에 의해 재배열되도록 전극부(130)에 고전압을 공급하는 단계로서, 도 3에 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 be performed such that 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 국부적으로 미립자(12)가 재배열된 상태의 미립자유체(10)를 경화시켜 국부적으로 방향성을 갖는 미립자 재배열의 구조로 구비된 나노복합재(20)를 형성하는 단계이다.The step of curing the particulate fluid S270 comprises curing the
여기서, 상기 미립자유체(10)에 혼합된 기지(11)가 에폭시와 같이 상온에서 경화되는 재질로 이루어진 경우, 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 the case where the base 11 mixed with the
한편, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 미립자유체 배치 단계(S230)를 통해 경화된 나노복합재(20)의 일측에 리벳 또는 나사 등의 가압부재(2)의 바디부(2b)가 삽입되기 위한 개구부(20b)를 상하방향으로 형성하는 개구부 형성 단계(S290)를 더 포함할 수 있다.9, the
여기서, 상기 개구부 형성 단계(S290)는, 나노복합재(20)에 형성된 개구부(20b)가 상부전극(131)과 하부전극(132)의 각 개구부(131a,132a)의 상호 정렬된 위치에 상하방향으로 형성될 수 있다. 이와 같이 각 전극(131,132)의 개구부(131a,132a) 위치에는 전기장이 형성되지 않아 그 공간에 위치한 미립자(12)들 상하방향으로의 재배열을 수행하지 않는다. 따라서, 각 전극(131,132)의 개구부(131a,132a) 위치에는 강성이 증대되지 않으므로 상기 가압부재(2)가 삽입되기 위한 개구부(20b)를 보다 용이하게 형성할 수 있다.In the opening forming step S290, the
다만, 이 경우, 상기 가압부재(2)의 바디부(2b)가 삽입되기 위한 개구부(20b)를 형성하기 위해 설계치수에 따른 직경으로 드릴링 가공하거나 레이저 가공하여 통공을 형성하거나 더미부분(20a)을 탈거시켜야 하므로 추가적인 가공공정이 불가피하다. 이에 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노복합재 제조방법에서는, 이러한 추가적인 가공공정없이도 상기 가압부재(2)의 삽입이 가능한 개구부(20b)를 형성할 수 있도록 도 10에 도시된 바와 같이 상기 전극부 배치 단계(S210)에서 상부전극(131)과 하부전극(132)을 상하로 정렬된 위치에 배치한 후, 기둥 형상의 개구부 형성부(170)를 각각의 개구부(131a,132a)에 연속 삽입하여 상부전극(131)과 하부전극(132) 사이에 상하방향으로 배치할 수 있다.In this case, to form the
따라서, 도 11에 도시된 바와 같이 전극부(130) 상에 개구부 형성부(170)가 직립하도록 배치된 상태에서 상기 미립자유체 배치 단계(S230)를 통해 베이스부(120)의 수용공간에 미립자유체(10)를 주입하게 되면 채워지는 미립자유체(10)의 중앙에는 상기 개구부 형성부(170)에 의해 상기 가압부재(2)가 삽입되기 위한 개구부(20b)가 형성될 수 있는 것이다. 따라서, 이러한 형상으로 미립자유체(10)가 경화되면 형성된 나노복합재(20)의 중앙에 삽입된 개구부 형성부(170)를 나노복합재(20)로부터 탈거함으로써 용이하게 가압부재(2)의 삽입을 위한 개구부(20b)를 형성할 수 있는 것이다.11, in a state in which the
한편, 상기 전극부 배치 단계(S210)는, 상부전극(131)과 하부전극(132) 사이에 개구부 형성부(170)를 배치하되, 리벳이나 나사 등의 가압부재(2)의 바디부(2b)가 삽입되기 위한 관통공(171)이 중앙에 상하방향으로 형성된 개구부 형성부(170)를 배치할 수도 있다. 이때, 상기 관통공(171)의 내경은 가압부재(2)의 바디부(2b)의 외경과 대응되게 형성되는 것이 바람직하다.In the electrode placement step S210, the
이로 인해, 경화된 후 나노복합재(20)의 중앙에 삽입되어 있는 개구부 형성부(170)를 탈거할 필요없이 상기 개구부 형성부(170)의 관통공(171)에 가압부재(2)를 직접 삽입할 수 있는 것이다.
The
*한편, 상기 미립자(12)가 전도성 재질로 이루어질 경우, 국부강성의 특성이 요구되는 위치(R)에는 미립자(12)가 상하로 재배열된 상태를 가지므로, 기지(11)가 비전도성 재질로 이루어지더라도 제조된 나노복합재(20)에는 상하방향으로의 전도성 특성을 갖게 된다.On the other hand, when the
이에, 경우에 따라 상기와 같은 상하방향으로의 전도성 특성이 불필요하거나 거부하고자 할 경우에는 도 12에 도시된 바와 같이 미립자(12)의 외부를 비전도성 재질로 이루어진 물질로 코팅함으로써 미립자(12)가 상하로 재배열되더라도 나노복합재(20)상에는 상하방향으로의 전도성 특성이 없어지게 된다.If the conductive characteristics in the up-and-down direction are not required or desired to be rejected as shown in FIG. 12, the outer surface of the
이에 반하여, 상기 미립자(12)가 비전도성 재질로 이루어지나, 제조된 나노복합재(20)에는 상하방향으로의 전도성 특성을 갖고자 할 경우에는, 미립자(12)의 외부를 전도성 재질로 이루어진 물질로 코팅함으로써 상기 미립자(12)가 상하로 재배열되면서 나노복합재(20) 상에 상하방향으로의 전도성 특성이 부여되도록 할 수도 있다.On the contrary, when the
상술한 전극부 배치 단계(S210), 미립자유체 배치 단계(S230), 고전압 인가 단계(S250), 미립자유체 경화 단계(S270), 및 개구부 형성 단계(S290)를 포함하는 본 발명에 따른 국부강성의 특성을 갖는 나노복합재 제조방법을 통해 제조된 복합재의 입자들이 재배열된 결과를 보면, 도 14의 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 local stiffness according to the present invention, including the electrode placement step S210, the particulate fluid placement step S230, the high voltage application step S250, the particulate fluid curing step S270, and the opening forming step S290, (Al 2 O 3 )
특히, 도 14에 도시된 바와 같이, 상기 탄소나노튜브(CNT)의 경우 매우 미세한 입자들이 아주 규칙적으로 잘 배열되었으며, 그라파이트(Graphite)의 경우 입자들이 덩어리의 형태로 형성하면서 배열되었다.In particular, as shown in FIG. 14, very fine particles are arranged very regularly in the case of the carbon nanotubes (CNTs), and in the case of graphite, particles are arranged in the form of lumps.
반면, 도 14의 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 on the left side of FIG. 14, when the electric field is not applied, it can be seen that the above-mentioned
참고로, 도 14는 초기 랜덤배열과 전기장이 가해져 재배열된 미랍자의 비교 도이다.For reference, FIG. 14 is a comparative diagram of a magnetized magnet array in which an initial random arrangement and an electric field are applied and rearranged.
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 15에 도시된 바와 같다.More specifically, by confirming the arrangement of particles to micro- and nano-sized alumina (Al 2 O 3 ) and graphite carbon nanotube (CNT)
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 15의 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. 15 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 15는 산화알루미늄(Al2O3) 그라파이트(Graphite) 및 탄소나노튜브(CNT) 입자의 재배열을 SEM(Scanning Electron Microscope)사진 촬영한 도면이다.15 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 16을 통해 바닥면에 깔린 구리(Gu) 와이어에서 발생하는 전기장의 영향에 의해서 엑폭시 속에 포함된 텅스텐 입자들이 전기장에 의해 한쪽으로 쏠린 것을 알 수 있다.FIG. 16 showing the rearrangement of tungsten particles according to the electric field shows that the tungsten particles contained in the epoxy are shifted to one side by the electric field due to the influence of the electric field generated in the copper (Gu) wire on the bottom surface .
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.
상술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노복합재 제조방법에서 미립자유체(10)에 가해지는 전기장에 의해 상부전극(131)과 하부전극(132) 사이에 위치한 미립자(12)가 기지(11) 내에서 재배열(Redistribution)되는 것은 전기영동(Dielectrophoresis)과 토오크에 기인하는 것인데, 이하에서는 상기와 같은 전기영동과 토오크의 영향에 의해 미립자(12)가 재배열되는 동작원리를 구체적으로 설명하기로 한다.As described above, in the method of manufacturing a nanocomposite according to the preferred embodiment of the present invention, 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 13은 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). 13 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 국부강성의 특성을 갖는 나노복합재 제조방법에 의해, 전기장을 이용하여 국부강성의 특성이 요구되는 위치에 강성입자를 하중이 가해지는 방향과 일치하는 방향으로 배열함으로써 특정 국부의 강성만을 다른 부분보다 상대적으로 증대시킬 수 있으므로 제조비용 및 제조시간을 절감할 수 있다.According to the method of manufacturing a nanocomposite material having the local stiffness characteristics according to the preferred embodiment of the present invention as described above, the stiff particles are moved in a direction coinciding with a direction in which a load is applied to a position where a characteristic of local stiffness is required by using an electric field It is possible to increase only the stiffness of a specific local portion relative to other portions, thereby reducing manufacturing cost and manufacturing time.
또한, 베이스부(120)의 수용공간 내에 상부전극(131)과 하부전극(132)을 상하로 정렬된 위치에 배치한 후 기둥 형상의 개구부 형성부(170)를 각 전극(131,132)의 개구부(131a,132a)에 연속 삽입하여 상부전극(131)과 하부전극(132) 사이에 상하방향으로 배치함으로써 상기 가압부재(2)를 삽입하기 위한 개구부(20b)를 형성하기 위해 관통 또는 더미부분을 탈거하는 등의 별도 공정이 불필요한 장점이 있음은 물론, 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.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
S290...개구부 형성 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
S290 ... opening forming step
10 ...
12 ... particulate 100 ... nano composite material manufacturing apparatus
110 ...
130 ...
150 ...
Claims (11)
용기 형태로 구비된 베이스부(120)의 수용공간 내에서 국부강성의 특성이 요구되는 위치(R)에 상부전극(131)과 하부전극(132)을 상하로 대향하도록 배치하는 전극부 배치 단계(S210);
점도 및 유전율을 갖는 기지(11)와 미립자(12)가 일정비율로 혼합된 미립자유체(10)를 상기 베이스부(120)의 수용공간 내에 주입하는 미립자유체 배치 단계(S230);
상기 상부전극(131)과 하부전극(132) 사이에 위치하는 미립자(12)가 상기 기지(11) 내에서 전기장에 의해 상하방향으로 재배열되도록 전극부(130)에 전압을 인가하는 전압 인가 단계(S250); 및
상기 전기장에 의해 국부적으로 미립자(12)가 재배열된 상태의 미립자유체(10)를 경화시켜 나노복합재(20)를 형성하는 미립자유체 경화 단계(S270);를 포함하되,
상기 전극부 배치 단계(S210)는,
상기 상부전극(131) 및 하부전극(132)이 중앙에 개구부(131a,132a)가 형성된 판 형상으로 각각 형성되어 상기 수용공간 내의 상하 위치에서 수평방향으로 배치되며, 각각의 개구부(131a,132a)는 상하로 정렬된 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 국부강성의 특성을 갖는 나노복합재 제조방법.
A method of manufacturing a nanocomposite material having local stiffness characteristics in which a specific local stiffness is relatively increased,
The upper electrode 131 and the lower electrode 132 are arranged so as to face each other in the up and down direction at a position R where a characteristic of local stiffness is required in a receiving space of the base part 120 provided in a container form S210);
(S230) of injecting a particulate fluid (10) having a viscosity and a dielectric constant mixed with the particulate (12) at a certain ratio into the receiving space of the base (120);
A voltage application step of applying voltage to the electrode unit 130 such that the fine particles 12 positioned between the upper electrode 131 and the lower electrode 132 are rearranged in the vertical direction by an electric field in the base 11, (S250); And
And a microparticle fluid curing step (S270) for curing the microparticle fluid (10) in a state where the microparticles (12) are rearranged locally by the electric field to form the nanocomposite (20)
In the electrode placement step S210,
The upper electrode 131 and the lower electrode 132 are formed in the shape of a plate having openings 131a and 132a at the center and are arranged horizontally at upper and lower positions in the accommodation space, Is disposed in a vertically aligned position. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
상기 미립자유체 경화 단계(S270)를 통해 경화된 나노복합재(20)의 일측에 리벳 또는 나사 등의 가압부재(2)의 바디부(2b)가 삽입되기 위한 개구부(20b)를 상하방향으로 형성하는 개구부 형성 단계(S290);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 국부강성의 특성을 갖는 나노복합재 제조방법.
3. The method of claim 2,
An opening 20b for inserting the body portion 2b of the pressing member 2 such as a rivet or a screw is formed in one side of the cured nanocomposite material 20 through the fine particle fluid curing step S270 And forming an opening (S290). The method of manufacturing a nanocomposite material according to claim 1,
상기 개구부 형성 단계(S290)는,
상기 나노복합재(20)에 형성된 개구부(20b)가 상기 상부전극(131)과 하부전극(132)의 각 개구부(131a,132a)의 상호 정렬된 위치에 상하방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 국부강성의 특성을 갖는 나노복합재 제조방법.
The method of claim 3,
In the opening forming step S290,
Wherein an opening portion 20b formed in the nanocomposite material 20 is vertically formed at a position where the openings 131a and 132a of the upper electrode 131 and the lower electrode 132 are aligned with each other. Of the nanocomposite material.
상기 전극부 배치 단계(S210)는,
상기 상부전극(131)과 하부전극(132)을 상하로 정렬된 위치에 배치한 후, 기둥 형상의 개구부 형성부(170)를 각각의 개구부(131a,132a)에 연속 삽입하여 상부전극(131)과 하부전극(132) 사이에 상하방향으로 배치하는 것을 특징으로 하는 국부강성의 특성을 갖는 나노복합재 제조방법.
3. The method of claim 2,
In the electrode placement step S210,
The upper electrode 131 and the lower electrode 132 are arranged at vertically aligned positions and then the columnar opening forming portion 170 is continuously inserted into the respective openings 131a and 132a to form the upper electrode 131, And the lower electrode (132) in a vertical direction.
상기 전극부 배치 단계(S210)는,
상기 상부전극(131)과 하부전극(132) 사이에 개구부 형성부(170)를 배치하되, 리벳 또는 나사 등의 가압부재(2)의 바디부(2b)가 삽입되기 위한 관통공(171)이 중앙에 상하방향으로 형성된 개구부 형성부(170)를 배치하는 것을 특징을 하는 국부강성의 특성을 갖는 나노복합재 제조방법.
6. The method of claim 5,
In the electrode placement step S210,
An opening forming part 170 is disposed between the upper electrode 131 and the lower electrode 132 and a through hole 171 for inserting the body part 2b of the pressing member 2 such as a rivet or a screw And an opening forming portion (170) formed at the center in a vertical direction is disposed.
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 국부강성의 특성을 갖는 나노복합재 제조방법.
3. The method of claim 2,
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 And a gas tight chamber (110) which is hermetically sealed from the outside. The method of manufacturing a nanocomposite material having local stiffness characteristics.
상기 전압 인가 단계(S250)는,
가변 주파수를 발진하는 신호발생기(141)와, 설정된 전압의 크기로 인가전압을 증폭하는 전압 증폭기(142) 및, 상기 전극부(130)에 인가되는 전압의 파형을 화면상에 표시하는 전압표시부(143)를 포함하는 전압 공급부(140)을 이용하여 상기 전극부(130)에 설정된 전압을 공급하는 것을 특징으로 하는 국부강성의 특성을 갖는 나노복합재 제조방법.
3. The method of claim 2,
The voltage application step (S250)
A 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 voltage applied to the electrode unit 130 And a voltage is supplied to the electrode unit (130) by using a voltage supply unit (140) including the electrode unit (143).
상기 미립자유체 배치 단계(S230)에서,
상기 미립자유체(10)에 혼합되는 미립자(12)는, 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 국부강성의 특성을 갖는 나노복합재 제조방법.
3. The method of claim 2,
In the particulate fluid arranging step S230,
The fine particles 12 to be mixed with the particulate fluid 10 may be at least one selected from the group consisting of alumina (Al 2 O 3 ), carbon nanotubes (CNT), carbon, graphite, tungsten (W) A method of manufacturing a nanocomposite material having local stiffness characteristics, characterized by using fine particles made of any one of iron (Fe), glass, and lead (Pb).
상기 미립자유체 배치 단계(S230)에서,
상기 미립자유체(10)에 혼합되는 미립자(12)는, 구형(Sphere), 판형(Disk) 또는, 원통형(Cylinder) 중 어느 하나의 형상으로 이루어진 미립자를 이용하는 것을 특징으로 하는 국부강성의 특성을 갖는 나노복합재 제조방법.
10. The method of claim 9,
In the particulate fluid arranging step S230,
Characterized in that the fine particles (12) mixed in the fine particle fluid (10) use fine particles having any one of spherical shape, disk shape and cylindrical shape. Method of manufacturing nanocomposite.
상기 전압 인가 단계(S250)는,
상기 전압 공급부(140)와 신호연결되되, 상기 베이스부(120)의 수용공간에 수용되는 미립자유체(10)별로 미립자(12)를 재배열하기 위해 전극부(130)에 인가되는 전압의 크기 및 인가되는 인가시간에 대한 데이터가 구분되어 저장되며, 사용자 입력신호에 따라 설정된 전압의 크기 및 인가시간이 선택되어 상기 미립자(12)가 전기장에 의해 재배열되도록 전압 공급을 제어하는 제어부(150)를 통해 상기 전압 공급부(140)를 제어하여 설정된 전압이 전극부(130)에 공급되는 것을 특징으로 하는 국부강성의 특성을 갖는 나노복합재 제조방법.11. The method according to any one of claims 2 to 10,
The voltage application step (S250)
The size of the 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 voltage supply so that the fine particles 12 are rearranged by the electric field by selecting the magnitude and the application time of the voltage set according to the user input signal Wherein the voltage is supplied to the electrode unit (130) by controlling the voltage supplier (140).
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