전기오류

Electrorheological fluid
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전기오류학(ER) 유체는 전기 절연 유체에서 매우 미세한 비전도성이지만 전기적으로 활성 입자(최대 직경 50마이크로미터)의 서스펜션이다. 이러한 유체의 명백한 점도는 전기장에 반응하여 최대 10만 개의 순서에 의해 역방향으로 변화한다. 예를 들어, 일반적인 ER 유체는 액체의 일관성에서 젤의 일관성까지, 그리고 다시, 밀리초 단위로 반응 시간을 가질 수 있다.[1] 그 효과는 1947년에[2] 그 효과에 관한 미국 특허를 획득하고 1949년에 발표된 기사를 쓴 미국인 발명가 윌리스 윈슬로우(Wilis Winslow)의 발견자를 따서 윈슬로우 효과라고 부르기도 한다.[3]

ER 효과

명백한 점도의 변화는 적용된 전기장, 즉 전위를 플레이트 사이의 거리로 나눈 값에 따라 달라진다. 이러한 변화는 점도의 단순한 변화가 아니며, 따라서 이러한 유체는 이제 전기 점성 유체에서가 아니라 ER 유체로 알려져 있다. 그 효과는 전기장 의존적 전단 항복 응력으로 더 잘 설명된다. ER 오일이 작동하면 전기장 강도에 의해 결정되는 항복점을 가진 Bingham 플라스틱( 점탄성 물질의 일종)으로 동작한다. 항복점에 도달한 후 유체 피복, 즉 증분 전단 응력은 전단 속도에 비례한다(뉴턴 유체에서는 항복점이 없고 응력은 전단 속도에 정비례한다). 따라서 적용된 전기장을 조정하여 유체의 움직임에 대한 저항을 제어할 수 있다.

구성과 이론

ER 유체는 스마트 유체의 일종이다. 간단한 ER 유체는 가벼운 식물성 오일이나 (더 좋은) 실리콘 오일에 콘플루어를 섞어서 만들 수 있다.

그 영향을 설명하는 두 가지 주요 이론이 있다: 인터페이스 장력 또는 '물다리' 이론과 [4]정전기 이론이다. 물교 이론은 3상계를 가정하며, 입자들은 주상 액체(예: 기름)와 불변하는 또 다른 액체(예: 물)인 3상을 포함한다. 적용된 전기장이 없는 상태에서 3상은 입자에 강하게 끌리고 고정된다. 이는 ER 액체가 입자의 서스펜션으로 액체로 작용한다는 것을 의미한다. 전기장을 적용하면 3상은 전기 삼투에 의해 입자의 한쪽으로 몰리고 인접한 입자를 서로 묶어 체인을 형성한다. 이 체인 구조는 ER 유체가 고체가 되었다는 것을 의미한다. 정전기 이론은 유전 입자가 자기장(MR) 유체가 작동하는 방식과 유사한 방식으로 전기장과 정렬된 체인을 형성하는 2상 시스템만을 가정한다. ER 유체는 절연체에 코팅된 도체로 만들어진 고체 상으로 구성되었다.[5] 이 ER 유체는 분명히 물 브리지 모델로는 작동할 수 없다. 단, 일부 ER 유체가 정전기 효과에 의해 작동한다는 것을 증명하지만, 모든 ER 유체가 정전기 효과에 의해 작동한다는 것을 증명하지는 않는다. 정전기 효과에 작용하는 ER 유체의 장점은 누설 전류의 제거, 즉 잠재적으로 직류 전류가 없다는 것이다. 물론 ER 장치는 전기적으로 커패시터 역할을 하며, ER 효과의 주요 이점은 반응 속도인 만큼 교류가 예상된다는 것이다.

이 입자들은 전기적으로 활성화되어 있다. 그것들은 강전 또는 위에 언급된 것처럼 절연체로 코팅된 전도성 물질 또는 전기-산소 활성 입자로 만들어질 수 있다. 강전이나 전도성 물질의 경우 입자들은 높은 유전 상수를 가질 것이다. 도체의 유전체 상수에 대해서는 여기서 약간의 혼동이 있을 수 있으나, "고 유전체 상수를 가진 물질을 전기장에 배치하면, 그 전기장의 크기는 유전체의 부피 내에서 측정적으로 감소할 것이다."(주 페이지 참조: 유전 상수) 그리고 이상적인 도체에서는 전기장이 0이므로, 이 맥락에서 도체의 유전 상수는 무한하다.

ER 효과에 영향을 미치는 또 다른 요인은 전극의 기하학이다. 병렬 그루브 전극의 도입으로 ER 효과는 약간 증가했지만 수직[clarification needed] 그루브 전극은 ER 효과를 배가시켰다.[6] 전극을 전기 극성 물질로 코팅하면 훨씬 더 큰 ER 효과를 얻을 수 있다. 이것은 유전체세포의 일반적인 단점을 유용한 효과로 바꾼다. ER 유체의 누설 전류를 감소시키는 효과도 있다.[7]

거대 전기오류학(GER) 유체는 2003년에 발견되었으며,[8] 다른 많은 ER 유체보다 높은 항복 강도를 유지할 수 있다. GER 오일은 실리콘 오일에 매달린 바륨 티타늄 옥살레이트 우레아 코팅 나노입자로 구성된다. 항복 강도가 높은 것은 입자의 유전체 상수, 입자의 작은 크기, 우레아 코팅 등이 크기 때문이다. GER의 또 다른 장점은 전기장이 1kV/mm에 도달한 후 전기장 강도와 항복 강도의 관계가 선형이라는 것이다. GER은 다른 많은 ER 유체에 비해 항복 강도가 높지만 전기장 강도가 낮고 전류 밀도 유체가 낮다. 서스펜션 준비 절차는 다음과 같다.[8] 주요 관심사는 강한 유기산인 만큼 입자 조성을 위해 옥살산을 사용하는 것이다.

적용들

ER 유체의 정상적인 도포는 빠르게 작동하는 유압 밸브와[9] 클러치에 있으며, 플레이트 사이의 분리는 1 mm이고 도포된 전위는 1 kV이다. 간단히 말해서 전기장을 적용하면 ER 유압 밸브가 닫히거나 ER 클러치의 플레이트가 함께 잠기는데, 전기장을 제거하면 ER 유압 밸브가 열리거나 클러치 플레이트가 분리된다. 다른 일반적인 용도는 ER 브레이크[10](브레이크를 한쪽 면이 고정된 클러치로 생각)와 충격 흡수기[11](충격을 사용하여 밸브를 통해 오일을 펌핑하는 폐쇄 유압 시스템으로 생각할 수 있음)이다.

이러한 액체를 위한 많은 새로운 용도가 있다. 정확한 연마 광택과[12] 촉각 제어기 및 촉각 표시장치에 잠재적 용도가 사용된다.[13]

또한 ER 유체는 롤링 가능한 화면과 키패드와 같은 요소에 유체가 통합되어 있어 롤링 가능한 유체의 점도를 변화시키는 품질로 인해 롤링 가능한 원소를 사용할 수 있고, 사용하지 않을 때 롤링 및 리트랙트하여 보관할 수 있는 유연성이 있다. 모토로라는 2006년에 모바일 기기 출원에 대한 특허 출원을 신청했다.[14]

문제와 장점

주요한 문제는 ER 유체가 정지되어 있기 때문에 시간이 지나면 안정되는 경향이 있기 때문에, 고급 ER 유체는 고체와 액체 성분의 밀도를 일치시키거나, 또는 자력학적 유체의 발달에 따라 ER 유체를 가져오는 나노 입자를 사용하여 이 문제를 해결한다. 또 다른 문제는 공기의 파괴전압이 최대 3kV/mm로 ER 장치가 작동하는데 필요한 전기장 근처에 있다는 것이다.

이점은 ER 장치가 효과를 제어하는 데 사용되는 전력보다 상당히 더 많은 기계적 전력을 제어할 수 있다는 것이다. 즉, 파워앰프 역할을 할 수 있다. 그러나 가장 큰 장점은 대응 속도다. 이렇게 많은 양의 기계력이나 유압력을 그렇게 빨리 조절할 수 있는 다른 효과는 거의 없다.

불행하게도 전단 또는 유동 모드에서 사용되는 대부분의 전기적 유체가 경험하는 겉보기 점도의 증가는 상대적으로 제한적이다. ER 액체는 뉴턴의 액체에서 부분적으로 결정되는 "반경질 슬러시"로 변한다. 그러나 전기오류학적 액체가 압축응력을 추가로 경험할 때 거의 완전한 액체에서 고체 위상 변화를 얻을 수 있다.[15] 이 효과는 전기적 점자 표시장치와[16] 매우 효과적인 클러치를 제공하기 위해 사용되어 왔다.[17]

참고 항목

참조

  1. ^ Khanicheh, Azadeh; Mintzopoulos, Dionyssios (June 2008). et al. "Evaluation of Electrorheological Fluid Dampers for Applications at 3-T MRI Environment" (PDF). IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 3. 13. Archived from the original (PDF) on 2014-07-22. Retrieved 2016-10-12.
  2. ^ 미국 특허 2,417,850: 윈슬로우, W. M.: '전기 자극을 기계력으로 변환하는 방법과 수단', 1947년 3월 25일
  3. ^ Winslow, Willis M. (1949). "Induced fibration of suspensions". J. Appl. Phys. 20 (12): 1137–1140. Bibcode:1949JAP....20.1137W. doi:10.1063/1.1698285.
  4. ^ Stangroom, JE (1983). "Electrorheological Fluids". Physics in Technology. 14 (6): 290–296. Bibcode:1983PhTec..14..290S. doi:10.1088/0305-4624/14/6/305.
  5. ^ Tam, W Y; Yi, G H; Wen, W; Ma, H; Sheng, P (April 1997). "New Electrorheological Fluid: Theory and Experiment" (PDF). Phys. Rev. Lett. 78 (15): 2987–2990. Bibcode:1997PhRvL..78.2987T. doi:10.1103/PhysRevLett.78.2987.
  6. ^ Georgiades, G; Oyadiji, SO (2003). "Effects of electrode geometry on the performance of electrorheological fluid valves". Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 14 (2): 105–111. doi:10.1177/1045389X03014002006.
  7. ^ Monkman, G. J. (1991). "Addition of solid structures to electrorheological fluids". Journal of Rheology. Society of Rheology. 35 (7): 1385–1392. doi:10.1122/1.550237. ISSN 0148-6055.
  8. ^ a b Wen, W; Huang, X; Yang, S; Lu, K; Sheng, P (November 2003). "The giant electrorheological effect in suspensions of nanoparticles". Nature Materials. 2 (11): 727–730. Bibcode:2003NatMa...2..727W. doi:10.1038/nmat993. PMID 14528296.
  9. ^ Simmonds, AJ (July 1991). "Electro-rheological valves in a hydraulic circuit". IEE Proceedings D. 138 (4): 400–404. doi:10.1049/ip-d.1991.0054.
  10. ^ Seed, M; Hobson, GS; Tozer, RC; Simmonds, AJ (September 1986). "Voltage-controlled Electrorheological brake". Proc. IASTED Int. Symp. Measurement, Sig. Proc. and Control. Taormina, Italy: ACTA Press. pp. Paper No. 105–092–1.
  11. ^ Stanway, R; Sproston, JL; El-Wahed, AK (August 1996). "Applications of electro-rheological fluids in vibration control: a survey". Smart Mater. Struct. 5 (4): 464–482. Bibcode:1996SMaS....5..464S. doi:10.1088/0964-1726/5/4/011.
  12. ^ KIM W. B.; LEE S. J.; KIM Y. J.; LEE E. S. (2003). "The electromechanical principle of electrorheological fluid-assisted polishing". International Journal of Machine Tools & Manufacture. Kidlington, UK: Elsevier. 43 (1): 81–88. doi:10.1016/S0890-6955(02)00143-8.
  13. ^ Liu, Y; Davidson, R; Taylor, P (2005). "Investigation of the touch sensitivity of ER fluid based tactile display". Proceedings of SPIE. Smart Structures and Materials 2005: Smart Structures and Integrated Systems. 5764: 92–99. Bibcode:2005SPIE.5764...92L. doi:10.1117/12.598713.
  14. ^ "Foldable/ rollable phone from Motorola". unwiredview.com. 25 January 2008.
  15. ^ Monkman, G J (1995-03-14). "The electrorheological effect under compressive stress". Journal of Physics D: Applied Physics. IOP Publishing. 28 (3): 588–593. doi:10.1088/0022-3727/28/3/022. ISSN 0022-3727.
  16. ^ Monkman, G. J. (1992). "An Electrorheological Tactile Display". Presence: Teleoperators and Virtual Environments. MIT Press - Journals. 1 (2): 219–228. doi:10.1162/pres.1992.1.2.219. ISSN 1054-7460.
  17. ^ Monkman, G.J. (1997). "Exploitation of compressive stress in electrorheological coupling". Mechatronics. Elsevier BV. 7 (1): 27–36. doi:10.1016/s0957-4158(96)00037-2. ISSN 0957-4158.