[논문]전극 간극 변화에 따른 ERF-외팔보의 진동응답 특성

윤신일; 최윤대; 한상보

문제 정의

본 연구는 향후 ER유체와 PZT를 동시에 고려한 복합제어기법의 실현을 위한 선행연구로 ER유체를 삽입한 외팔보를 대상으로 전극간격의 변화와 인가전기장 의 강도 변화에 따른 진동학적 특성을 실험적으로 고 찰하였다.
본 연구에서는 ERF-외팔보의 전극간극의 변화와 인 가 전기장의 강도 변화에 따른 진동특성을 파악해보았 다. 그 결과 전기장의 강도가 같다면 전극간극이 작을 수록 ER유체의 순간적이고 가역적인 상변화의 특징으 로 인하여 ER유체를 함유한 구조물 자체의 진동특성이 변화하여 공진점을 회피함을 알 수 있었다.
본 연구에서는 전극 간극의 변화와 인가전기장의 강도 변화에 따른 진동 특성 파악을 위해 3종류의 ERF-외 팔보를 설계제작하였다. 제작한 구조물의 외형은 Fig.
이러한 지능구조물의 제작을 위해서는 감지기 및 작동기의 개발이 필수적이라 할 수 있는데, 본 연구에서는 작동기의 기능을 수행하는 ER유체를 이용한 구조물의 진동특성 실험을 수행하였다.

제안 방법

또한 동 특성 변화로 인한 공진점 회피에 의해 발생하는 시간 웅답신호를 측정하기 위하여 보의 끝단에 가속도계 1을 설치하였으며, 세이커 위에 입력 신호에 대한 신호 측정을 위해 가속도계2를 설치하였다. ER유체의 전기장 강도에 대한 진폭 특성을 고찰하기 위하여 자유 진동과 강제진동에 대한 응답 특성을 시간 영역에서 추 출하였다.
또한 정상상태 신동응답의 경우에 대해서도 진폭 응답을 전극 간극의 변화와 인가전기장의 강도에 따라 알아보았다.
입자 분산계 ER유체는 전기절연성 기름 중에 유전성을 가잔 고체 미립자를 분산시킨 현탁액이고, 전기장을 인가하면 액체의 겉보기 점성이 현저하게 증가하여 Newton유체에서 Bingham유체 특성으로 변화한다, 균일계 ER유체는 액정(液晶)으로 대표되는 ER유체이고, 분산계 ER유체에 비하여 고가이다. 본 연구에서는 ER유 체를 이용한 진동제어(2)(3)(4)는 전기장인가에 의한 순간적이고 가역적인 상 변화를 특징으로 하여 ER유체를 함유한 구조물 자체의 진동 특성을 전기장인가에 의해 공진점을 회피함으로써 수행하게 된다.
선정된 ER유체를 이용하여 ER유체의 동 특성 변화로 인해 새롭게 발생하는 공진주파수를 PZT를 이용한 PPF제어기법을 적용하여 추가의 진동제어를 수행함으로써 보나 나은 진동제어 효과를 발휘하는 복합제어 기법 에 실현해보고자 한다.
4는 동 특성 고찰을 위해 실험장치를 도식적으로 나타낸 것이다. 시편의 전극이 있는 부분을 고정단으로 하여 세이커 위에 고정하였으며, 세이커에 신호 입력을 위하여 신호 발생기에서 생성된 신호를 증폭기를 통하여 증폭하여 입력하였다. 주파수 웅답 특성을 알아보기 위하여 입력 신호를 Sinosweep 신호를 발생하여 인 가하였다.
점도계와 PC가 연결되어, 전단속도비(bob의 회전 속도) 변화에 따른 점성과 전단 응력이 자동으로 측정되어, 출력되도록 구성되어 있다. 실혐 조건으로, bob과 cup 사이에 형성된 전극을 통하여 전기장을 0~ 2 kV/mrn까지 0.5 kV/mm 씩 단계적으로 변화시켰으며, 전단속도비를 0~200 [ S-1]까지 2분 동안에 증가하도록 조건을 설정하였다.
정상상태 진동에 대한 고찰을 위하여 1차 공진으로 가진 하여 전극간극에 따른 응답을 파악하였다. 인가 전기장의 크기가 일정한 경우 자유진동의 실험과 같이 전극 간극이 작을수록 진폭이 많이 줄어듬을 Fig.
시편의 전극이 있는 부분을 고정단으로 하여 세이커 위에 고정하였으며, 세이커에 신호 입력을 위하여 신호 발생기에서 생성된 신호를 증폭기를 통하여 증폭하여 입력하였다. 주파수 웅답 특성을 알아보기 위하여 입력 신호를 Sinosweep 신호를 발생하여 인 가하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 ER유체는 입자 분산 계 유체로서, 용매는 전기절연성이 우수한 살리콘 오일(KF96-50, Korea Shinetsu Silicone Co.)이 분산된 미세입자는 특수처리된 전분 입자(Sigma Chemical Co.)를 사용하였다, 사용이유는 액정의 기본점도보다는 분산 게 ER유체의 기본점도는 다양하게 선택할 수 있고, ER효과의 변화 범위가 넓기 때문이다.
하지만 일정 전기장 이상에서는 고체 미립자의 특성으로 인하여 시스템이 불안정해짐을 알 수 있었다. 본 연구에서 적용한 ER유체는 실리콘 오일과 전분을 이용하였으며, 무게 분율을 40wt%하여 조성하였다. 전기장 강도를 서서히 높이면서 끝단의 진폭 변화 를 살펴본 결과 일정 전기장이하에서는 인가 전기장이 클수록 진폭이 크게 줄어듬을 알 수 있었다.
본 연구에서 조성된 ER유체의 용매는 실리콘 오일 (점성 50cs)을 사용하였으며, 전도성의 입자는 특수화학 처리된 전분입자를 사용하여 용매에 대한 무게분율을 40wt%가 되도록 ER유체를 조성하였다. ER유체의 특성을 고찰하기 위해서 사용된 점도 측정장치 (독일 Haake社, VT~500)는 동일한 중심축상에 있는 고정된 외부원통(cup이라 함)과 회전하는 내부원통(bob이라 함) 사이의 간극에 ER유체를 주입하고, 전단속도비를 변화시켜, 내부 원통을 회전시키는 데 필요한 토크를 계측하여 점도를 측정하는 점도 계이다.

성능/효과

전기장 강도의 변화에 의해 동 특성이 변화함을 알 수 있었다. 1차 고유 진동수가 전기장을 인가하지 않았을 때는 10.7 Hz이였으나 E=1.0 kV/mm 일 때는 10.80 Hz, E=2.0 kV/mm 일 때는 11.20 Hz, E=3.0 kV/mm 일 때는 11.65 Hz, E=4.0 kV/mm 일 때는 12.20 Hz이 됨을 알 수 있었다. 또한 자유진동에 관한 진동응답을 전극 간극의 변화에 따라 Fig.
본 연구에서는 ERF-외팔보의 전극간극의 변화와 인 가 전기장의 강도 변화에 따른 진동특성을 파악해보았 다. 그 결과 전기장의 강도가 같다면 전극간극이 작을 수록 ER유체의 순간적이고 가역적인 상변화의 특징으 로 인하여 ER유체를 함유한 구조물 자체의 진동특성이 변화하여 공진점을 회피함을 알 수 있었다. 이것은 ER 효과가 ER유체에 인가하는 전기장의 강도에 비례함을 보여주는 것이다.
0 kVAnm 로 하여 응답을 살펴본 그림이다. 본 연구의 결과에서는 E = 5.0 kV/mm의 인가전기장 내에서는 전극 간극과 인가 전기장 사이에는 일정한 관계가 유지됨을 알 수 있었지만, 과도한 전기장이 인가되는 경우에는 불안정한 웅답을 보임을 파악하였다. 이는 자유잔동의 살험에서와 마찬가지로 고체 미립자의 특성에 의한 것으로 파악된다.
분산계 ER유체에 전기장을 인가하면, Fig. 1과 같이 거동하는 것을 알 수가 있으며 전기장의 강도가 증가할수록 단일 클러스터에서 복합클러스터를 형성하는 것을 확인할 수 있었다. 복합클러스터 형성과정을 살펴보면, 단일 클러스터가 형성된 후, 단일 클러스터 내의 입자가 상호작용하여 복합클러스터를 형성한다.
그러나 일정 강도 이상의 전기장에서는 같은. 응답을 나타내었고 ( 본연구에서는 E=3.0 kVAnm ), 과도한 전기장의 인가 시에는 시스템이 불안정한 상태가 됨을 알 수 있었다( E=5.0 kV/mm 이상 ).
이상에서 알 수 있듯이 인가전기장 강도가 일정하다면 전극 간극이 작을수록 ER효과가 최대화되어 짧은 시간에 정상 상태로 진입함을 알 수 있었다.
본 연구에서 적용한 ER유체는 실리콘 오일과 전분을 이용하였으며, 무게 분율을 40wt%하여 조성하였다. 전기장 강도를 서서히 높이면서 끝단의 진폭 변화 를 살펴본 결과 일정 전기장이하에서는 인가 전기장이 클수록 진폭이 크게 줄어듬을 알 수 있었다. 하지만 입력 전기장의 강도에 있어서는 일정 전기장 이상에서는 매우 활발한 극전화 작용으로 인해 ER유체의 고상화 현상으로 더 이상의 진폭 변화가 일어나지 않음을 알 수 있었다.
복합클러스터 형성과정을 살펴보면, 단일 클러스터가 형성된 후, 단일 클러스터 내의 입자가 상호작용하여 복합클러스터를 형성한다. 전기장의 강도가 중가함에 따라 복합클러스터가 많이 형성되는 것을 알 수 있었다.

후속연구

ER유체는 액상이나 고상으로 변화하는 가역성을 가지며 전기장의 강도에 따라 항복웅럭을 연속적으로 변화시킬 수 있다. 이러한 ER유체의 특성을 응용한 장치는 단순한 설계, 무소음, 무진동, 빠른 응답 특성, 작은 전력 소모량 등의 장점을 가지고 있어 구조물, 댐퍼, 클러치, 브레이크, 밸브 등에 이용될 것으로 기대된 다. ER유체는 입자 분산계와 균일계로 대별할 수 있다.
0 kV/mm 에서도 ER효과가 나타나 진폭 변화에 대한 응답을 얻을 수가 있었다. 하지만 이 경우에도 과도한 전기장의 인가 시에는 불안정해짐을 알 수 있었는데( E=7.0 kV/mm 이상), 이것은 ER유체의 제조 시에 사용한 고체 미립자(본연구의 경우에는 전분을 사용)의 특성에 의한 것으로, 현재 다른 고체 미립자를 이용한 연구와 무계분율 변화에 따른 진동응답 특성에 관한 연구도 병행하여 진행 중이다.
향후 본 연구의 결과를 토대로 고체 미립자의 종류와 무게 분율 변화에 따른 동 특성을 파악하여 보다 효과적인 ER유체를 선정하여 진동제어에 적용하고자 한다.

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