자기유변유체의 유변학적 물성과 안정화

진병두, 박종혁, 박오옥

한국과학기술원 화학공학과

Rheological Properties and Stabilization of Magnetorheological Fluids

Byung Doo Chin, Jong Hyuk Park, and O Ok Park

Department of Chemical Engineering, KAIST

373-1, Kusong-Dong, Yusong-Gu, Taejon, Korea

서론

자기유변유체 (Magnetorheological(MR) Fluid) 는 외부자기장의 세기에 따라 점도가 크게 변화하는 자성입자 현탁액으로, 일반적으로 직경이 0.1∼10□m 정도의 강자성(ferromagnetic) 및 페리자성(ferrimagnetic)체 등의 자기적 극성입자(magnetically polarizable particle)의 분산계이다. 자화된 입자들 사이의 상호작용력에 의하여 사슬 모양의 미세구조를 형성하며, 빠른 응답특성과 자기장 하에서의 높은 항복응력으로 인하여 전기유변유체(ER Fluid)의 단점을 극복할 수 있는 제어유체(Controllable Fluid)로서의 첨단소재이다. 자기유변유체에 관한 연구는 1940년대 후반 Rabinow에 의해 처음으로 발표되었다 [1]. 여러 가지 자성입자들이 자기유변유체로 보고된 바 있으나 2.1Tesla 정도의 큰 포화자화(saturation magnetization)를 갖는 Fe입자, Co입자 및 carbonyl iron 입자 등이 주로 사용되며, 상대적으로 낮은 포화자화를 갖는 nano-size의 ferrite를 사용하는 경우는 큰 입자를 사용한 유체에 비해 침강 및 응집에 대한 안정성을 가질 수 있는 잇점을 이용한 것으로 Kormann 등[2] 은 nano-size ferrite 입자를 polymer로 coating시킨 입자를 극성용매에 분산시켜서 자기유변유체를 제조한 바 있다.

실제 다양한 장치에 적용이 가능한 자기유변유체의 제조를 위해서는 현탁액의 안정성과 재분산성이 반드시 요구된다. 적절한 첨가제를 사용하지 않으면 자기유변유체의 입자들은 시간이 지남에 따라 침강되어 packed sediment를 형성하고, 재분산이 불가능한 □cake" 형태로 변한다. 전기유변유체에 비해 훨씬 심각한 이러한 응집현상은 자기장 제거 후에도 입자들 사이에 남아 있는 자기모멘트에 기인한다. 따라서 적절한 계면활성제를 사용하여 이러한 입자 사이의 응집을 막고 침강을 지연시킬 필요가 있다.

본 연구에서는 전단흐름과 자기장 하에서 자기유변유체가 나타내는 유변학적 물성을 정확하게 측정하고 입자 응집과 침강에 대해 우수한 안정성을 갖는 자기유변유체를 제조하는 것을 목적으로 하였다. 자기유변유체의 항복응력을 자기장 및 입자의 부피분율의 함수로 측정하여 관련된 메카니즘을 이해하고자 하였으며, 자성입자의 분산계에 입체안정화 효과를 나타내는 적절한 계면활성제를 사용하여 현탁계의 안정성 및 자기유변학적 성질에 미치는 영향을 조사하였다.

실험

Magnetite(Fe3O4, Aldrich, F.W. 231.54, 밀도 5.18g/cm3)와 carbonyl iron (Fe(CO)5, F.W. 55.85, 밀도 4.4g/cm3)입자를 사용하여 자기유변유체를 제조하였다. 분산 매질로는 실리콘오일(Shin Etsu, 점도□=0.10Pa s, 밀도 0.96g/cm3)을 사용하였다. 제조된 현탁액의 부피분율(□)은 0.1∼0.6의 범위를 갖는다. Carbonyl iron입자의 직경은 4.5∼5.2□m 이다.

자기장 및 전단장 하에서의 자기유변유체의 유변학적 물성을 측정하기 위하여 Figure 1과 같은 실험장치를 이용하였다. 정상전단흐름(steady shear flow) 및 동적변형(dynamic deformation)을 발생시킬 수 있는 레오미터 (ARES Rheometer, Rheometric Scientific Inc.) 에 솔레노이드(solenoid) 코일 형태의 자기장 발생장치를 부착시켜 자기유변유체의 항복응력 및 점탄성 특성을 조사하였다. 실험에 사용된 치구는 parallel plate로서 직경이 25mm인 것으로, 유변물성 측정시 상하 plate간의 간격(Gap size)은 0.5mm로 하였다. 솔레노이드 권선수 n은 2,500이며, 길이는 5.06cm, 내부 직경 3.30cm, 측정부의 geometry를 고려하여 솔레노이드 내부에서의 자기장의 세기를 계산하였다. . 다양한 부피분율을 갖는 magnetite계 현탁액을 제조한 시료에 대하여 0.1∼50s-1 의 변형률에서의 전단응력(shear stress) 응답을 측정하였다.

결과 및 해석

정상상태의 흐름장과 자기장을 동시에 가해 주었을 때의 자기유변유체의 유변학적 물성을 고찰하였다. Figure 2에 부피분율 0.4인 carbonyl iron /silicone oil 현탁액의 전단응력-전단변형률 관계를 나타내었다. 자기장이 부과될 때 현탁액은 넓은 변형률 범위 하에서 빙햄(Bingham)거동을 보인다. 낮은 변형률 하에서는 동력학적 항복응력(dynamic yield stress)이 나타나므로, 변형률의 증가에 따르는 전단박화(shear thinning)가 지배적이다. 자기장이 없을 때에도 현탁액은 뉴톤유체 거동이 아닌 전단박화 현상을 보이는데, 높은 부피분율을 갖는 현탁액인 자기유변유체의 경우 입자간에 남아있는 자기적 인력 및 첨가제의 영향 등이 그 원인으로 생각된다. 자기장의 세기가 증가함에 따라 전단응력 및 겉보기점도의 증가 현상은 모든 영역에서 뚜렷하게 나타났다. 낮은 변형률 및 자기장 부과시 나타나는 항복응력은 동력학적 항복응력(dynamic yield stress)으로서, 전단변형률이 0이 되는 점으로 전단응력의 값을 외삽하여 정의되는 물리적 특성이나 실제의 실험장치에서 무한히 낮은 전단변형률에서의 응력을 정확히 측정하기는 매우 어려우므로 Figure 2와 같은 응력-변형률 곡선에서 낮은 변형률에서의 plateau stress를 항복응력의 값으로 볼 수 있다. (0.1s-1에서의 전단응력). Figure 3에는 솔레노이드에 유도된 자기장 세기(H0)의 함수로 carbony iron 및 Fe3O4 현탁액의 항복응력값을 나타내었다. 자기장 세기의 지수값 n (H0n)은 1과 3/2 사이의 값을 가지며, 각각의 입자 부피분율의 증가에 따라 조금씩 감소하였다.

입자간에 작용하는 자기적 상호작용에 의하여, 직경 □이고 magnetic permeability □p인 입자는 H0의 uniform magnetic field 하에서 아래와 같은 자기모멘트 Mp 를 받는다[3].

[eqn: M_p = 4pimu_0 mu_f ~alpha^3 beta H_0]

여기서 □=(□p-□c)/(□p+2□c), □0는 free space의 permeability 이며 첨자 p와 c는 각각 particle과 career fluid를 지칭한다. 자화된 두 개의 sphere가 거리 R만큼 떨어져 있을 경우, 자기장 방향으로 입자 사이에 작용하는 상호작용력을 point-dipole가정을 사용하여 해석하면,

[eqn: F = 24pimu_0 mu_f ~alpha^2 (betaH_0 )^2 (alpha/R)^4]

을 얻을 수 있다. 전기유변유체에서 볼 수 있는 입자-입자 정전기적 상호작용의 선형적 성질과 달리 자기적 상호작용은 많은 자성재료의 자화(M)가 자기장 크기의 증가에 따라 비선형적 현상을 나타내며, 물질의 특성인 포화자화(Ms)가 존재한다. 따라서, 적절한 수치해석적 기법을 이용한 자기유변현상의 이론적 해석이 요구된다 [4]. 충분히 낮은 자기장 하에서만 자기유변유체의 항복응력과 모듈러스(modulus)가 H0의 제곱에 비례하여 증가하며, 각각 입자의 contact region이 포화되는 높은 자장 하에서는 항복응력의 H03/2의존성, 모듈러스의 H0의존성이 예측된다. 포화자화(Ms)이상에서는 H0에 관계없이 Ms2에 의존하는 특성을 나타낸다. 실험결과로부터 알 수 있는 바와 같이, carbonyl iron 현탁액의 경우 거의 정확히 H0의 3/2 의존성을 나타내고 있으며 Fe3O4 현탁액은 H03/2 의존성보다 저하된 결과를 나타내는 것으로 보아 입자 및 표면에서의 자기장 포화(saturation)가 쉽게 일어나는 것으로 생각되며 이러한 현상은 현탁액의 부피 분율이 높아질수록 현저하게 나타나는 결과를 보였다.

Oleic acid와 같이 carbonyl iron 및 magnetite의 Fe+에 화학흡착(chemisorption)이 가능한 OH 및 COOH head group을 갖는 몇가지 종류의 계면활성제를 선택하여 자기유변유체의 콜로이드 분산안정성 개선을 시도하였다. 두가지 계면활성제를 사용하여, 우선 자성입자 표면에 monolayer형태의 계면활성제 흡착을 유도한 후 2차 계면활성제를 double layer로 흡착시켰고, 적절한 계면활성제 농도, 온도의 영향, 유변학적 물성과의 상관관계를 해석하였다.

Figure 1. Schematic diagram of the experimental apparatus

Figure 2. Shear stress versus shear rate for carbonyl iron in silicone oil suspension (□=0.4) at various magnetic field strength

.

Figure 3. Dynamic yield stress versus magnetic field strength for magnetite (left) and carbonyl iron (right) suspensions.

감사

본 연구는 한국과학재단의 특정기초연구사업(97-0200-0701-3)의 지원으로 수행되었으며 이에 감사드립니다.

참고문헌

1. Rabinow, J., AIEE Trans., 67, 1308 (1948)

2. Kormann, C., Laun, M., and Klett, G., Proc. Actuator 1994, 271(1994)

3. Tang, X., Chen, Y., and Conrad, H., J. Intelligent Material System and Structure, 7, 517(1996)

4. Ginder, J. M., Davis, L. C., and Elie, L. D., Int. J. of Modern Phys., B. 10 (23-24), 3293(1996)