[논문]비뉴턴 유체를 이용한 스마트 과속방지턱 소재 개발

정인준; 김은정; 유웅열; 나원진

doi:10.7234/composres.2022.35.4.277

비뉴턴 유체를 이용한 스마트 과속방지턱 소재 개발
Development of Smart Speed Bump Using Non-newtonian Fluid 원문보기

Composites research = 복합재료, v.35 no.4, 2022년, pp.277 - 282

정인준 (Composite Materials Technology Research Center, Korea Institute of Science and Technology (KIST)) , 김은정 (Composite Materials Technology Research Center, Korea Institute of Science and Technology (KIST)) , 유웅열 (Department of Materials Science and Engineering, Seoul National University) , 나원진 (Composite Materials Technology Research Center, Korea Institute of Science and Technology (KIST))

초록
AI-Helper

본 연구에서는 저가 재료인 전분과 물 기반의 현탁액을 이용하여 과속방지턱에 응용 가능한 스마트 소재를 개발하고 물성을 평가하였다. 유변물성측정기를 이용하여 전단율에 따른 점도 및 전단력을 측정하여 전분 농도별 전단농화 발생 현상을 확인하였다. 물체의 낙하 시험과 5-25 km/h의 주행 속도로 충격 후 진동을 측정한 자전거 주행 시험을 통해 거시적인 전단농화현상을 확인하였고, 과속방지턱의 적용 가능성을 확인하였다. 점도 측정 결과, 초기에 전단담화 구간에 이어 전단농화가 발생하였고, 전단농화 현상을 유발하는 임계 변형률은 농도가 증가함에 따라 감소하였다. 또한 전분 농도 증가에 따라 점도와 전단력이 크게 증가하였다. 낙하시험과 자전거 주행시험 결과 현탁액이 단시간에 고체 상태로 바뀌었고 충격 에너지가 유체에 흡수되었다. 유체의 농도와 가하는 충격(속도)이 증가할수록 전단농화현상이 쉽게 발생하였다. 최종적으로 물과 전분 기반의 비뉴턴 유체로 5-25 km/h 범위에서 구동하는 스마트 과속방지턱 재료의 개발을 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a smart material applicable to speed bumps was developed using low-cost starch and waterbased suspensions, and their properties were investigated. Viscosity and shear stress according to the shear rate was measured by a rheometer to observe shear thickening behavior according to starch concentration. The shear thickening phenomenon and applicability to speed bumps were identified macroscopically via drop weight test and bike driving test, measuring the vibration after impact with a driving speed of 5-25 km/h. As a result of the viscosity measurement, shear thickening occurred after the shear thinning region at the beginning, and the critical strain causing the shear thickening phenomenon decreased as the concentration of starch increased. Also, the viscosity and shear stress increased significantly with the increase of the starch concentration. As a result of the drop weight test and the bike driving test, the suspension was changed to a solid-like state in a short time, and the impact energy was absorbed in the fluid. The shear thickening phenomenon easily occurred as the concentration of the fluid and the applied impact (velocity) increased. Therefore, it can be proposed the development of a smart speed bump material that operates in the range of 5-25 km/h with a Non-Newtonian fluid based on water and starch.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Drop test (0.5 m and 1.5 m hight)
그림 Fig. 2. Bike driving test (a) Demonstration of bike driving test, (b) Vibration measurement device
표 Table 1. Shear rate and Maximum shear stress, Maximum viscosity by concentration
그림 Fig. 3. Viscosity and shear stress (a) 45.5 wt%, (b) 50 wt%, (c) 57 wt%
그림 Fig. 4. Drop test result (a) 0.5m hight and (b) 1.5m hight
그림 Fig. 5. (a) 5 km/h_45.5 wt%, (b) 5 km/h_50 wt%, (c) 5 km/h_52.5 wt%, (d) 15 km/h_45.5 wt%, (e) 15 km/h_50 wt%, (f) 15 km/h_52.5 wt%, (g) 25 km/h_45.5 wt%, (h) 25 km/h_50 wt%, (i) 25 km/h_52.5 wt%
표 Table 2. Average maximum velocity by impact (unit : mm/s)

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구에서는 비뉴턴 유체의 전단농화현상을 이용한 스마트 과속방지턱 소재를 개발한 것으로 비뉴턴 유체의 농도와 농도별 가하는 충격을 달리하여 전단농화현상을 관측하였다. 비뉴턴 유체의 농도가 증가함에 따라 낮은 전단율에서 전단농화현상이 발현되며, 최대 점도와 최대 전단력이 증가하는 것을 확인하였다.
본 연구에서는 제한속도 이하 속도에서는 충격량이 저감되어 차량파손 방지, 소음저하, 탑승자의 불쾌감 완화 효과를 가지며, 제한속도 이상의 속도에서는 고체 상태로 변화해 방지턱 역할을 할 수 있는 스마트 과속 방지턱 소재를 개발하였다. 먼저 친환경 저가 재료인 전분과 물 기반으로 현탁 상태의 비뉴턴 유체를 만들고, 이 유체의 점도 등 기초물성을 평가하였다.

제안 방법

이어서 실제 운행 시 충격 상황과 유사하게 물체 낙하하여 비뉴턴 유체에 충격을 가하였다. 그리고 자전거 주행을 통해 비뉴턴 유체의 농도와 유체에 가하는 속도를 달리하여 발생한 진동을 측정하고 스마트 과속방지턱 활성화 여부를 연구하였다.
5 m의 높이에서 자유낙하하여 충격을 가하였다. 낙하 시 카메라를 이용하여 슬로우 모션(8배속)으로 낙하 및 낙하 후 물체가 비뉴턴 유체 내로 잠기는 거동을 촬영 및 분석하였으며, 이를 Fig. 1에 나타내었다.
두번째 시험은 자전거를 이용한 모의실험으로 고무 외피에 농도가 다른 비뉴턴 유체를 넣은 후 주행 시험을 진행하였다. 이때 전분과 물의 비율이 각각 10:12, 10:10, 10:9 (전분 농도 45.
본 연구에서는 제한속도 이하 속도에서는 충격량이 저감되어 차량파손 방지, 소음저하, 탑승자의 불쾌감 완화 효과를 가지며, 제한속도 이상의 속도에서는 고체 상태로 변화해 방지턱 역할을 할 수 있는 스마트 과속 방지턱 소재를 개발하였다. 먼저 친환경 저가 재료인 전분과 물 기반으로 현탁 상태의 비뉴턴 유체를 만들고, 이 유체의 점도 등 기초물성을 평가하였다. 이어서 실제 운행 시 충격 상황과 유사하게 물체 낙하하여 비뉴턴 유체에 충격을 가하였다.
5, 50, 57 wt%)인 비뉴턴 유체를 핸드 믹싱법으로 제작하였다. 유변물성측정기(DHR-3, TA Instrument, USA)를 이용하여 제작된 유체의 유변 특성을 측정하였다. 측정을 위해 상온의 조건에서 직경 25 mm의 알루미늄 평행판을 이용해 실험을 진행하였다.
전분과 물의 무게비를 달리하여 비뉴턴 유체를 제작하였다. 전분과 물의 비율이 각각 10:12, 10:10, 10:7.
전분과 물의 무게비를 달리하여 비뉴턴 유체를 제작하였다. 전분과 물의 비율이 각각 10:12, 10:10, 10:7.5(전분 농도 45.5, 50, 57 wt%)인 비뉴턴 유체를 핸드 믹싱법으로 제작하였다. 유변물성측정기(DHR-3, TA Instrument, USA)를 이용하여 제작된 유체의 유변 특성을 측정하였다.

대상 데이터

유변물성측정기(DHR-3, TA Instrument, USA)를 이용하여 제작된 유체의 유변 특성을 측정하였다. 측정을 위해 상온의 조건에서 직경 25 mm의 알루미늄 평행판을 이용해 실험을 진행하였다. 이때 실험조건으로 0.

성능/효과

그리고 같은 농도의 경우, Fig. 3의 결과와 같이 전단담화 영역에 있는 경우와 전단농화 영역에 있는 경우 점도가 크게 달라지며 전단농화영역에 진입한 경우 반발력이 크게 증가한 것으로 해석된다. 예를 들어, 같은 45.
628초 이내에 유체 안으로 잠겼다. Fig.4에서 보듯이 약한 충격시 액체의 상태를 유지하여 충격량이 저감되고, 강한 충격시 순간적으로 고체가 되어 방지턱 기능이 가능함을 확인하였다.
비뉴턴 유체의 농도가 증가함에 따라 낮은 전단율에서 전단농화현상이 발현되며, 최대 점도와 최대 전단력이 증가하는 것을 확인하였다. 또한 각 농도별로 충격을가할 때 속도가 증가함에 따라 받는 충격량이 증가하는 것을 확인하였다. 이를 통해 제한속도 이하의 속도에서는 액체의 상태를 유지하지만, 제한속도 이상의 속도에서는 순간적으로 고체가 되어 과속방지턱의 기능을 할 수 있는 스마트 과속방지턱 소재를 개발하였다.
초반 전단율이 증가할수록 점도가 감소함에 따라 전단력이 증가하는 전단담화 현상(shear thinning)이 관찰되었으며, 어느 특정시점의 전단율에 도달하였을 때 점도와 전단력이 급격히 증가하는 전단농화 현상이 관찰되었다. 또한 비뉴턴 유체의 농도가 높아질수록 전단농화 현상이 낮은 전단율에서 발생하였으며, 최대 점도와 전단력이 증가하였다. 이를 Fig.
본 연구에서는 비뉴턴 유체의 전단농화현상을 이용한 스마트 과속방지턱 소재를 개발한 것으로 비뉴턴 유체의 농도와 농도별 가하는 충격을 달리하여 전단농화현상을 관측하였다. 비뉴턴 유체의 농도가 증가함에 따라 낮은 전단율에서 전단농화현상이 발현되며, 최대 점도와 최대 전단력이 증가하는 것을 확인하였다. 또한 각 농도별로 충격을가할 때 속도가 증가함에 따라 받는 충격량이 증가하는 것을 확인하였다.
고속(25 km/h) 주행 시 더욱 큰 저항이 발생하였으며, 유체는 순간적으로 고체의 상태로 변화하여, 마치 고체로 이루어진 방지턱 위를 주행하는 것과 같이 자전거 동체가 크게 흔들렸다. 이 때, 10:12 유체에서는 고속에서만 주행자가 감지할 수 있을 정도의 방지턱과 같은 저항을 느꼈고, 10:10 유체에서는 중속 이상에서부터, 그리고 10:9 유체에서는 저속에서부터 주행자가 감지할 수 있는 저항을 느꼈다. 진동측정기를 이용하여 방지턱 위를 주행할 때 발생한 진동을 측정하여 속도로 표시하였다.
또한 각 농도별로 충격을가할 때 속도가 증가함에 따라 받는 충격량이 증가하는 것을 확인하였다. 이를 통해 제한속도 이하의 속도에서는 액체의 상태를 유지하지만, 제한속도 이상의 속도에서는 순간적으로 고체가 되어 과속방지턱의 기능을 할 수 있는 스마트 과속방지턱 소재를 개발하였다. 적정속도 주행 시 충격량 저감을 통한 탑승자의 불쾌감, 차량의 파손, 소음발생등의 단점을 해결하고 과속시 과속방지턱의 역할을 수행해 통과 차량의 속도 감속을 유도하여 안전성을 향상 시킬 수 있을 것이다.
그 다음 최고점 피크 이전의 작은 피크는 충격을 받기 시작하는 부분으로 유체가 처음 충격을 받아 고체의 상태로 변화하는 단계로 볼 수 있다. 이후 비뉴턴 유체는 순간적으로 고체 상태가 되면서 최대 피크에 도달 하여 과속방지턱의 기능을 수행하는 것을 확인 할 수 있다. 이 그래프에서, 주행자가 느끼는 방지턱의 저항이 있었을 때에는 확실히 구별 가능한 피크가 발생하였음을 확인할 수 있다.
자전거 실험 결과 저속(5 km/h) 주행 시 비뉴턴 유체는 큰저항없이 변형되어 고무 외피 위를 주행 시 거의 평지를 주행하는 것과 같음을 확인하였으며, 중속(15 km/h) 주행 시전단농화 현상에 의하여 전단력이 발생하여 고체처럼 변형되는 것을 확인할 수 있었다. 고속(25 km/h) 주행 시 더욱 큰 저항이 발생하였으며, 유체는 순간적으로 고체의 상태로 변화하여, 마치 고체로 이루어진 방지턱 위를 주행하는 것과 같이 자전거 동체가 크게 흔들렸다.
이를 통해 제한속도 이하의 속도에서는 액체의 상태를 유지하지만, 제한속도 이상의 속도에서는 순간적으로 고체가 되어 과속방지턱의 기능을 할 수 있는 스마트 과속방지턱 소재를 개발하였다. 적정속도 주행 시 충격량 저감을 통한 탑승자의 불쾌감, 차량의 파손, 소음발생등의 단점을 해결하고 과속시 과속방지턱의 역할을 수행해 통과 차량의 속도 감속을 유도하여 안전성을 향상 시킬 수 있을 것이다. 하지만 시간이 지남에 따라 전분과 물이 분리되어 재료의 불균일성을 초래하는 문제점이 발생해 분산매 교체, 현탁액 안정화를 위한 계면활성제 사용 등의 방법으로 이를 해결해야 하는 필요성이 있고, 향후 연구에서 이를 연구할 것이다.

후속연구

적정속도 주행 시 충격량 저감을 통한 탑승자의 불쾌감, 차량의 파손, 소음발생등의 단점을 해결하고 과속시 과속방지턱의 역할을 수행해 통과 차량의 속도 감속을 유도하여 안전성을 향상 시킬 수 있을 것이다. 하지만 시간이 지남에 따라 전분과 물이 분리되어 재료의 불균일성을 초래하는 문제점이 발생해 분산매 교체, 현탁액 안정화를 위한 계면활성제 사용 등의 방법으로 이를 해결해야 하는 필요성이 있고, 향후 연구에서 이를 연구할 것이다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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