KR20040070624A - 전기 영동 나노 입자를 포함한 마이크로 캡슐을 이용한전기유변 유체 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 전기유변(ER) 유체는 절연 유체에 전하를 띤 나노 크기의 전기 영동 입자가 분산되어 있는 마이크로 캡슐과, 상기 마이크로 캡슐이 분산된 절연 유체를 포함하여 이루어진다. 상기 절연 유체는 광물유, 합성유, 식물유, 또는 이들의 혼합유로 이루어질 수 있다. 상기 전기 영동 입자의 크기가 10 ~ 500nm로 이루어질 수 있다. 상기 마이크로 캡슐의 내부에 균일하게 분산되어 있는 구형의 전기 영동 나노 입자들의 전하량은 전하조절제에 의해 조절 가능하여 충분한 항복응력값을 얻을 수 있어 ER 유체의 실용적 가치를 증진시킬 수 있다.

Description

전기 영동 나노 입자를 포함한 마이크로 캡슐을 이용한 전기유변 유체 및 그 제조방법{Electrorheological fluid using microcapsule having electrophoretic nano particles and fabrication method}

본 발명은 지능형 재료 또는 스마트 재료로 불리는 전기유변 유체(Electrorheological Fluid, 이하 "ER유체"라 칭함) 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, ER유체란 분극성이 강한 미세 입자를 절연 유체에 분산시켜 제조한 현탁액이다. 상기 ER유체는 전기장이 가해지면 분산된 미세 입자들의 분극에의해 입자들이 전기장 방향으로 배열되어 사슬 구조를 형성하기 때문에 전기장을 가하지 않을 때 보다 점도가 급격히 증가하여 고체화되는 재료이다. 이러한 고체화는 전기장의 유무에 따라 가역적으로 일어나며, 전기장에 대한 응답속도도 10^-3초 정도로 매우 빠르므로 초기부터 여러 분야에 응용이 가능할 것으로 여겨져 왔다.

전기장하에서 고체화되어 있는 ER유체가 흐르기 위해서는 일정한 크기 이상의 응력, 즉 항복응력(yield stress) 이상의 외력이 가해져야 한다. ER 유체에서 미세 입자들이 전기장에 의해 전극간에 배열되어 있는 경우는 유체내의 수력학적 상호인력(hydrodynamic interaction)보다 입자간 정전기적 인력이 지배적인 상태다. 즉 흐름이 전혀 없는 상태에서는 미세 입자들간의 정전기적 인력만이 존재한다고 할 수 있다. 이때 흐름을 발생시키면 입자의 사슬구조는 파괴되기 시작하고 따라서 유체내의 수력학적 상호인력이 생기기 시작한다.

외부 전기장에 의해 고체화되어 있는 상태의 ER유체는 전형적인 점탄성적(visco-elastic) 특성을 나타낸다. 전기장하의 입자사슬 구조가 계속 유지되어 항복이 일어나지 않는 한 ER유체는 선형 점탄성을 나타내며, 항복후에는 비선형 점탄성을 나타낸다. 선형 점탄성 영역에서 ER유체는 탄성이 지배적으로 나타나며 전기장과 입자의 농도가 증가함에 따라 더 커진다.

ER유체는 안티록 브레이크 시스템(anti-lock brake system), 클러치(clutches), 액티브 댐퍼 시스템(active damper system), 로봇 조절 시스템(control system for robotics), 액츄에이터 시스템(actuator system), 유체유동 센서(fluid movement or velocity sensor), 스마트 재료 시스템을 위한 유체 충진 복합체(fluid-filled composite for smart material system) 등에 이용될 수 있다.

자동차 클러치의 동력전달 특성은 플레이트(plate)간의 전압 차로 조절할 수 있다. ER유체는 액체상이므로 쉽게 펌핑(pumping)하는 것이 가능하므로 두개의 플레이트 사이를 지나 흐를 수 있다. 이에 따라, 플레이트간의 간의 전압을 조절함에 따라 ER유체와 플레이트간의 마찰력이 변화하여 압력 강하 특성이 변하므로, 이를 이용하여 이동부가 없는 밸브(valve)를 만들 수도 있다. ER유체는 가해지는 전장의 세기를 조절함에 따라 유변학적 특성을 변환시킬 수 있으므로 뻣뻣함과 댐핑(damping) 특성을 변화시킬 수 있다. 이러한 ER유체의 특성을 이용하여 기계적 장치나 구조물의 특성을 조절할 수 있으므로, ER유체는 스마트 재료 시스템(smart Material System)으로의 적용도 가능하다.

이러한 스마트 재료의 성질을 가지는 ER유체 재료의 연구 동향을 살펴보면, 종래의 ER유체는 옥수수, 감자 등의 전분(미국 특허 제2,417,508), 실리카(미국 특허 제3,407,507), 제올라이트(미국 특허 제4,702,855)를 물이나 알코올 등의 극성 용매 및 절연 유체에 분산시킨 수계 ER 유체가 제안되었다. 이러한 수계 ER 유체는 입자들의 침전, 수분의 증발에 의한 불안정성 및 극성 용매에 기인한 장치내의 부식성 및 마모 등의 많은 문제점들을 지니고 있다.

이에 따라서, 수계 ER유체의 상기 문제점들을 해결하고자 다수의 무수계 ER 유체가 개발되어 왔다. 폴리 아닐린, 폴리 피롤, 폴리 안트라센 등의 전도성 고분자 미립자들을 절연성 비극성 용매에 분산시키거나, 스티렌(styrene)과 말레산(maleic acid) 공중합체의 염을 용매에 분산시켜 ER유체를 제조하거나, 폴리우레탄을 용매에 분산시키거나, 키토산 인산염 (chitosan phosphate)입자들을 오일에 분산시켜 ER유체를 제조하였다. 무수계 ER유체들은 부식 및 내마모성이 향상되었으나 아직도 만족스러운 결과를 얻지 못하고 있다. 또한 무수계 ER 유체들은 입자 형상의 불균일성과 다양한 입도 때문에 충분한 항복응력값을 얻지 못하고 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 기존의 ER 유체들이 지니고 있는 문제점들을 해결하여 균일한 입자모양을 가지고, 입자들의 전하량을 조절할 수 있는 새로운 구조의 ER 유체를 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 새로운 구조의 ER 유체를 제조하는 데 적합한 제조방법을 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명에 의해 전기 영동 나노 입자를 포함한 마이크로 캡슐을 이용한 전기유변 유체를 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명에 의한 마이크로 캡슐을 이용한 전기유변 유체에 전기장을 인가한 경우를 도시한 도면이다.

도 3은 본 발명에 의한 마이크로 캡슐을 이용한 전기유변 유체의 제조방법을 설명하는 흐름도이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 ER 유체는 절연 유체에 전하를 띤 나노 크기의 전기 영동 입자가 분산되어 있는 마이크로 캡슐과, 상기 마이크로 캡슐이 분산된 절연 유체를 포함하여 이루어진다.

상기 마이크로 캡슐은 전체 ER 유체의 부피 중량으로 기준으로 10 ~ 50 부피%로 이루어질 수 있다. 상기 마이크로 캡슐이 분산된 절연 유체의 부피 중량은 전체 ER 유체의 부피 중량 기준으로 50 ~ 90 부피%로 이루어질 수 있다. 상기 마이크로 캡슐의 크기가 5 ~ 30㎛로 이루어질 수 있다. 상기 마이크로 캡슐을 감싸는고분자막의 두께가 0.1 ~ 0.3㎛로 이루어질 수 있다. 상기 절연 유체가 광물유, 합성유, 식물유, 또는 이들의 혼합유로 이루어질 수 있다. 상기 합성유는 실리콘 오일, 디에스테르 유, 폴리 알파 올레핀유 또는 불소 포화탄화수소유로 이루어질 수 있다. 상기 식물성유는 대두유 또는 옥수수유로 이루어질 수 있다. 상기 전기 영동 나노 입자의 크기는 10 ~ 500nm로 이루어질 수 있다.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 ER 유체의 제조방법은 나노 입자들을 제조하는 단계와, 상기 나노 입자에 전하를 도입하는 전기 영동 나노 입자를 형성하는 단계와, 상기 전기 영동 나노 입자를 절연 유체에 분산시킨 현탁액을 마이크로 캡슐화하여 마이크로 캡슐을 형성하는 단계와, 상기 마이크로 캡슐을 절연 유체에 분산시키는 단계를 포함하여 이루어진다.

이상과 같은 본 발명의 ER 유체는 마이크로 캡슐과 상기 마이크로 캡슐이 분산된 절연 유체로 이루어지고, 상기 마이크로 캡슐내에는 균일한 크기로 구형의 전기 영동 나노 입자가 포함되어 있다. 이에 따라, 본 발명의 ER 유체는 전기 영동 나노 입자들의 전하량을 조절할 수 있고, 충분한 항복응력값을 얻을 수 있다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예들에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.

도 1은 본 발명에 의해 전기 영동 나노 입자를 포함한 마이크로 캡슐을 이용한 전기유변 유체를 도시한 도면이다.

구체적으로, 도 1의 ER 유체는 전기장을 인가하지 않은 경우이며, 일반적인 입자 분산 현탁액의 거동을 보인다. 다시 말해, 도 1의 본 발명의 ER 유체는 전기 영동 나노 입자를 포함한 마이크로 캡슐(100)을 포함하는 현탁액으로 이루어진다. 즉, 상기 ER 유체는 크게 전하를 가지는 나노 크기의 전기 영동 입자(10. 30)를 포함하고 있는 마이크로 캡슐(100)과 절연성 유체(300)로 구성되어 있다. 상기 전기 영동 입자(10, 30)의 크기가 10 ~ 500nm로 구성한다. 본 발명은 나노 크기의 고분자 미립자나, 고분자 물질로 코팅한 무기물 미립자들을 물리적/화학적으로 수단으로 전하를 도입함으로써 전기 영동 입자들(10, 30)의 전하 밀도를 조절한다.

상기 마이크로 캡슐(100)은 각각 양전하를 가진 미립자(10)와 음전하를 띤 미립자(30)들을 절연 유체(50)에 분산시킨 분산계를 합성 고분자 및 천연 고분자 막으로 둘러싼 마이크로 크기의 구형 입자이다. 상기 마이크로 캡슐(100)은 전체 ER 유체의 부피 중량으로 기준으로 10 ~ 50 부피%로 구성한다. 상기 마이크로 캡슐(100)의 크기는 5 ~ 30㎛로 구성한다.

상기 양전하를 가진 미립자(10)와 음전하를 띤 미립자(30)들을 절연성 유체(50)에 분산시킨 분산계를 둘러싼 고분자막은 중합시 가교제의 농도에 따라 투과도를 조절할 수 있으며, 중합반응 시간에 따라 고분자막의 두께를 변화시킬 수 있다. 반응 조건을 조정하여 고분자막의 기계적 강도 및 마이크로 캡슐(100)의 크기를 쉽게 조정 할 수 있기 때문에, 일반적인 ER유체가 가지고 있는 문제점들을 쉽게 극복할 수 있다. 상기 마이크로 캡슐의 둘러싼 고분자막의 두께가 0.1 ~ 0.3㎛로 구성한다.

상기 절연 유체(300)의 부피 중량은 전체 ER 유체의 부피 중량 기준으로 50 ~ 90 부피%로 구성한다. 상기 절연 유체(300)는 광물유, 합성유, 식물유 또는 이들의 혼합유로 구성한다. 상기 합성유는 실리콘 오일, 디에스테르 유, 폴리 알파 올레핀유 또는 불소 포화탄화수소유로 구성한다. 상기 식물유는 대두유 또는 옥수수유로 구성한다.

도 2는 본 발명에 의한 마이크로 캡슐을 이용한 전기유변 유체에 전기장을 인가한 경우를 도시한 도면이다.

구체적으로, 도 1에 도시한 전기 영동 나노 입자(10, 30)를 포함한 마이크로 캡슐을 포함하는 ER 유체에 전기장을 인가하게 되면 전기 영동 현상에 의해 마이크로 캡슐(100) 내의 전기 영동 입자들(10, 30)이 배열하여 고체와 같은 거동을 나타낸다. 전기 영동(electrophoresis)은 전하를 가진 입자(10, 30)가 절연 유체(50)에 분산된 분산계에 전기장을 인가하면 매질을 타고 반대 전하를 띠는 전극 쪽으로 이동하는 현상이다. 이때 이동하는 속도는 전기 영동 나노 입자(10, 30)의 전하 밀도, 전하 세기, 형태 및 크기에 따라 다르다.

전하를 띄는 나노 입자들은 씨드(seed) 중합법 등으로 균일한 크기로 중합된 고분자 유기물 입자들, 예를 들면 폴리스틸렌(polystyrene), 폴리메틸메타아크릴레이트(polymethylmetacrylate), 폴리우레탄 등이 있다. 또한 나노 입자들로 이용되는 무기 입자들은 산화티타늄(TiO₂)이나 카본 블랙 등이 있고, 밀도 및 전하 친화도를 조절하기 위하여 고분자 물질로 코팅하기도 한다. 상기의 물질에 전하를 싣기 위하여 전하 조절제를 초음파 피복이나 볼밀(ball mill) 등에 의한 물리적인 수단 또는 공유결합에 의한 화학반응으로 미립자의 표면에 도입시킨다.

도 3은 본 발명에 의한 마이크로 캡슐을 이용한 ER 유체의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

구체적으로, 마이크로 캡슐 내에 포함되는 나노 입자들을 제조한다(스텝 500).

즉, 1단계로 용제에 일정한 비율(용제에 대해 1 ~ 20wt%)로 나노 입자를 구성하는 물질, 예컨대 산화티타늄에 분산제(산화 티타늄에 대해 0.1 ~ 10wt%)를 함께 가한 후 초음파 피복시켜 약 20분간 분산시킴으로써 혼합물을 만든다. 2 단계로 상기 혼합물을 빠르게, 예컨대 700 ~ 1000 rpm으로 교반시키면서 온도를 왁스의 녹는점 이상, 예컨대 70 ~ 130??으로 올린다. 3 단계로 일정양(산화티타늄에 대해 10 ~ 100 wt%)의 왁스를 상기 혼합물에 첨가시킨 후 2단계에서와 동일한 조건에서 약 30분간 왁스가 용제와 산화티타늄 입자 사이에 균일하게 분포되도록 교반시킨다. 4 단계로 산화티타늄 표면에 왁스가 결정화되면서 흡착되도록 약 1시간에 걸쳐 교반시키면서 서서히 온도를 내려주거나 또는 급냉시켜 결정을 침전시킨다. 5 단계로 상기 과정에서 얻은 결정을 분리 정제하는 과정이다. 감압하에 용제를 제거하고 물로 세척한 후 동결 건조기로 건조 시켜 백색 분말의 나노 입자를 얻어낸다.

다음에, 나노 입자에 전하를 도입하여 절연 유체속에 분산된 전기 영동 나노 입자 현탁액을 형성한다(스텝 550).

즉, 상기와 같이 제조된 나노 입자를 절연 유체에 대하여 1 ~ 5부피% 만큼 취하여 절연 유체에 혼합한 후 전하 조절제를 첨가하여 초음파 피복 등의 수단으로 분산시킨다. 또한, 앞서와 동일하게 따로 동일한 양의 나노 입자들을 취하여 반대 부호의 전하 조절제를 첨가하여 따로 분산시킨 후 두 개의 입자 분산계를 혼합시킨다. 상기 반응에 의해 얻어진 나노 입자를 절연 유체에 다시 분산시킨 후 전하조절제를 또는 분산액 안정화제 (Span, OLOA 계열)와 함께 30분에서 1시간 동안 40 ~ 50?? 에서 교반시키거나 또는 초음파를 이용해 반응시켜 상기 나노 입자에 전하를 도입한다. 이에 따라, 나노 입자는 절연 유체속에 분산된 전기 영동 나노 입자 현탁액이 된다.

다음에, 상기 절연 유체속에 분산된 전기 영동 나노 입자 현탁액을 마이크로 캡슐화하여 마이크로 캡슐을 형성한다(스텝 600).

즉, 상술한 바와 같이 나노 입자에 전하가 도입되어 마련된 분산계를 마이크로 캡슐로 만들기 위하여, 분산계를 안정제가 녹아 있는 수용액에 부가하여 O/W (oil in water) 에멀젼을 형성시킨다. 이 에멀젼에 마이크로 캡슐 생성 물질을 첨가하여 마이크로 캡슐을 제조한다. 상기 마이크로 캡슐을 제조하는 방법으로 물리적 방법과 화학적 방법을 이용할 수 있으나, ER 유체용으로는 내용매성과 온도 안정성 등이 뛰어난 화학적 제조 방법이 적합하다. 상기 화학적 마이크로 캡슐 제조 방법은 계면 중합법과, 인시츄(in-situ) 중합법, 코아저베이션(coaservation)법이 있다.

인시츄 중합법을 예를 들어 설명하면, 5 ~ 10%의 농도로 음이온성 고분자가녹아 있는 수용액에 상기 분산계를 부가시켜서 교반하여 O/W 에멀젼을 생성시킨다. 교반 중인 생성된 에멀젼에 우레아-포름 알데히드(urea-formaldehyde) 또는 멜라민포름 알데히드(melamine-formaldehyde) 저분자량체(oligomer)를 55?? 이내의 온도에서 산성 용액 조건에서 첨가한다. 두 시간 동안 교반시킨 후 생성된 마이크로 캡슐을 회수한다. 에멀젼 생성시 교반속도를 조절함으로써 생성되는 O/W 에멀젼의 크기를 조정할 수 있으며 이는 마이크로 캡슐의 크기 조절이 가능함을 의미한다. 회수된 마이크로 캡슐을 건조시킨다.

다음에, 상술한 바와 같은 제조 공정으로 제조된 마이크로 캡슐을 다시 절연 유체에 분산시킴으로써 ER 유체를 제조한다(스텝 650). 상기 마이크로 캡슐의 양은 전체 ER 유체의 부피 중량을 기준으로 10 ~ 50 부피% 범위가 적당하다. 마이크로 캡슐 및 내부 전하 입자의 분산매인 절연 유체로는 광물유, 합성유, 식물유 또는 이들의 혼합유 등이 사용된다. 합성유로는 실리콘 오일, 디에스테르 유, 폴리 알파 올레핀유 및 불소 포화탄화수소유 등이 있고, 식물유로는 대두유, 옥수수유 등이 있다. 이들 중 저온 및 고온 등의 과격한 환경에는 합성유의 사용이 적합하다. 절연 유체의 부피중량은 전체 ER유체의 부피 중량을 기준으로 50 ~ 90 부피%의 범위가 적당하다.

본 발명의 ER 유체는 마이크로 캡슐과 마이크로 캡슐이 분산된 절연유체로 이루어지고, 상기 마이크로 캡슐내에는 균일한 크기로 구형의 전기 영동 나노 입자가 포함되어 있다. 이에 따라, 본 발명의 ER 유체는 전기 영동 나노 입자들의 전하량이 전하조절제에 의해 조절 가능하여 충분한 항복응력값을 얻을 수 있다.

본 발명의 ER 유체는 구형의 마이크로 캡슐 모양에 의해 내마모성, 분산성, 내부 입자의 조성을 조절함으로써 침전 특성을 향상시키고, 전하의 밀도 및 세기를 조절함으로써 분극 속도를 조절할 수 있는 등 우수한 물리화학적, 기계적 및 전기유변학적 특성을 지니고 있다.

또한, 본 발명의 ER 유체는 균일한 구형의 입자 형태로 이루어져 이론적 치수와 비교하여 분산 농도 및 분산매의 농도와 전기장에 따라 최대 항복응력값을 예측할 수 있다.

Claims (10)

1. 절연 유체에 전하를 띤 나노 크기의 전기 영동 입자가 분산되어 있는 마이크로 캡슐; 및

   상기 마이크로 캡슐이 분산된 절연 유체를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기유변 유체.
2. 제1항에서 있어서, 상기 마이크로 캡슐은 전체 전기유변 유체의 부피 중량으로 기준으로 10 ~ 50 부피%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기유변 유체.
3. 제1항에서 있어서, 상기 마이크로 캡슐이 분산된 절연 유체의 부피 중량은 전체 전기유변 유체의 부피 중량 기준으로 50 ~ 90 부피%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기유변 유체.
4. 제1항에서 있어서, 상기 마이크로 캡슐의 크기가 5 ~ 30㎛로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기유변 유체.
5. 제1항에서 있어서, 상기 마이크로 캡슐을 감싸는 고분자막의 두께가 0.1 ~ 0.3㎛로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기유변 유체
6. 제1항에서 있어서, 상기 절연 유체가 광물유, 합성유, 식물유, 또는 이들의 혼합유로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기유변 유체.
7. 제6항에서 있어서, 상기 합성유는 실리콘 오일, 디에스테르 유, 폴리 알파 올레핀유 또는 불소 포화탄화수소유로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기유변 유체.
8. 제6항에서 있어서, 상기 식물성유는 대두유 또는 옥수수유로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기유변 유체.
9. 제1항에서 있어서, 상기 전기 영동 입자의 크기가 10 ~ 500nm로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기유변 유체.
10. 나노 입자들을 제조하는 단계;

    상기 나노 입자에 전하를 도입하는 절연 유체속에 분산된 전기 영동 나노 입자 현탁액을 형성하는 단계;

    상기 절연 유체속에 분산된 전기 영동 나노 입자 현탁액을 마이크로 캡슐화하여 마이크로 캡슐을 형성하는 단계; 및

    상기 마이크로 캡슐을 절연 유체에 분산시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기유변 유체를 제조하는 방법.