자기 유변 유체를 활용한 제진 시스템

건물에 외부의 힘이 작용하면 건물에는 특정 위치를 기준으로 반복적으로 움직이는 운동인 진동이 발생한다. 그래서 건물을 설계할 때는 이러한 건물의 진동을 줄이거나 없애는 제진 시스템을 적용하는데, 그중 자기 유변 유체를 활용한 제진 시스템은 건물의 진동 크기에 따른 제진에 효율적이다. 자기 유변 유체는 구성 입자가 쉽게 움직이는 액체에 마이크로미터 단위의 자성 입자를 섞은 물질이다. 이 유체는 주변에 자기장이 형성되면 자성 입자가 자기장의 방향으로 배열되면서 유체가 운동에 저항하는 성질인 점성이 커지는 특징이 있다.

자기 유변 유체를 활용한 제진 시스템은 기본적으로 건물이 진동하는 가속도를 측정하여 자기장을 생성함으로써 건물의 진동에 대응한다. 이러한 대응은 가속도 감지기, 제어기, 감쇠기에서 응답 인식 과정과 감쇠 제어 과정을 순환하며 이루어진다.

응답 인식 과정은 건물에 외부 힘이 작용했을 때 나타나는 건물의 진동 상태를 가속도의 크기로 산출하는 과정이다. 건물이 진동으로 흔들리기 시작하면서 한쪽으로 움직이면, 먼저 가속도 감지기 내부에서는 특정 질량을 가진 질량체가 관성에 의해 건물의 운동 방향과 반대 방향으로 압전소자에 힘을 가한다. 이렇게 힘을 받은 압전소자에서는 전압이 발생한다. 이때 발생한 전압은 크기가 매우 작아 왜곡이 일어나기 쉽다. 그래서 자체 전원을 지닌 제어기에서 가속도 감지기로 전류를 보내 가속도 감지기에서 발생한 전압을 증폭시켜 수신한다. 이후 제어기는 수신한 전압의 값을 토대로 건물의 가속도의 크기를 산출한다.

감쇠 제어 과정은 응답 인식 과정에서 산출한 가속도의 크기에 따라 건물의 운동 에너지를 열에너지로 전환하여 건물의 진동을 줄이는 과정이다. 감쇠기는 자기 유변 유체가 들어 있는 밀폐된 원통 실린더 안에, 실린더 내부 벽면에 밀착하여 실린더 양쪽 끝을 왕복하며 이동하는 피스톤이 들어가 있는 장치이다. 이 피스톤에는 한쪽 끝에서 반대쪽 끝까지 이어지는 가늘고 긴 구멍이 나 있다. 건물이 진동하면 실린더 안에서 피스톤이 건물의 운동 방향으로, 실린더 끝 쪽으로 이동한다. 이때 피스톤이 이동하는 쪽 실린더 공간에 들어 있는 자기 유변 유체는 피스톤이 밀어내는 압력에 의해 피스톤의 구멍을 통과하여 피스톤이 이동하는 방향의 반대쪽 실린더 공간으로 이동하며 마찰을 일으킨다. 이 과정에서 발생한 마찰로 인해 건물의 운동 에너지가 열에너지로 전환되면서 감쇠가 일어난다.

만약 응답 인식 과정에서 산출한 가속도의 크기가 제어기에 입력된 기준값보다 크면, 제어기에서는 감쇠기로 전류를 보내 피스톤 주변에 자기장을 생성하여 감쇠기의 자기 유변 유체의 점성이 커진다. 이때 전류의 크기와 자기장의 세기는 비례하며, 유체의 점성의 크기는 자기장의 세기에 비례한다. 이로 인해 피스톤이 이동하는 방향과 반대 방향으로 작용하는 감쇠기의 감쇠력도 증가하게 된다. 이후 응답 인식 과정에서 지속적으로 건물의 가속도의 크기를 산출하여 그 크기가 제어기에 입력된 기준값보다 작아지면 제어기는 감쇠기로 전류를 보내지 않아 ㉠감쇠기는 자기 유변 유체가 지닌 기존 점성의 크기만으로 건물의 진동을 감쇠시킨다.

이러한 과정들을 순환하며 작동되는 자기 유변 유체를 활용한 제진 시스템은 일상의 작은 진동부터 지진으로 인한 큰 진동까지 건물의 진동 상태에 맞게 제진을 할 수 있는 것이다.