[학위논문]탄소나노계 재료를 이용한 CFDM 3D 프린팅 직물 발열체의 제조 및 특성분석 Preparation and Characterization of CFDM 3D Printed Fabric Heating Elements Using by Carbon Nano-based Materials원문보기
전자 직물 (E-textile)의 응용 분야 중 하나인 직물 발열체는 추운 환경이나 극한 환경에서 보호복, 군복, 아웃도어 및 겨울용 방수복 등에서 체온을 유지하기 위한 적극적인 발열 공급 장치이다. 현재 직물 발열체는 은, 구리, 카본 블랙, ...
전자 직물 (E-textile)의 응용 분야 중 하나인 직물 발열체는 추운 환경이나 극한 환경에서 보호복, 군복, 아웃도어 및 겨울용 방수복 등에서 체온을 유지하기 위한 적극적인 발열 공급 장치이다. 현재 직물 발열체는 은, 구리, 카본 블랙, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유 및 그래핀과 같은 전도성을 가지는 재료를 이용하며, 제조 방법이 용이하고 대량 생산이 가능한 코팅법을 이용하여 주로 생산된다. 최근 다양한 패턴 형태의 직물 발열체는 기존의 면상 발열체와 유사한 성능을 발휘하면서 사용되는 재료의 양을 줄임으로써 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 유연성을 향상시킬 수 있어 스크린 프린팅 또는 잉크젯 프린팅 방법으로 제조되고 있다. 본 논문에서는 탄소나노계 재료 기반의 회로패턴형 직물발열체를 제조하고자, 종래의 코팅법과 새로운 제조 공정인 CFDM 3D 프린팅 기술을 사용하였으며, 특히 연속적인 제조 공정이 가능한 CFDM 3D 프린팅 기술을 이용한 직물발열체의 제조 가능성을 확인하고자 하였다. 직물발열체로서의 성능 평가를 위해 제조 공정에 따른 전기적 및 전기발열 성능을 확인하였다. 제 2장에서는, 인체에 무해한 전기 발열 조건인 5 V에서 50 ℃의 온도를 발현하는 조건을 확립하고자, 32 wt%, 40 wt%, 48 wt%, 56 wt% 및 64 wt% 그래핀/고분자 복합체를 이용하여 나이프 엣지 코팅법으로 horseshoe 패턴 형태의 직물 발열체를 제조하였다. 이 때 웨어러블 디바이스로의 적용 가능성을 향상시키고자 전극으로 은 전도사를 사용하였으며, 각 조건에 따른 모폴로지 변화, XRD 분석, 전기적 특성 및 전기발열 특성을 확인하였고 다음과 같은 결론을 얻었다. 모폴로지에 의해 샘플 내에 그래핀 함량이 32 wt%에서 64 wt%로 증가함에 따라 적층된 그래핀 층이 증가함을 확인하였고, 이러한 경향은 그래핀 피크인 2θ = 26.6 °의 결정성 및 열 안정성 모두를 개선시킴을 확인하였다. GR/cotton 샘플의 표면 저항률은 그래핀 함량이 증가함에 따라 선형으로 감소하였으며, 매트릭스 내에 그래핀 함량이 증가할수록 그래핀으로 형성되는 전도성 경로도 증가하기 때문에 전기적 특성이 향상됨을 확인하였다. 전기적 특성의 향상은 GR/cotton 샘플의 전기 발열 특성에도 영향을 미쳤다. 최종적으로 64 GR/cotton 샘플에서 인체에 무해한 전기 발열 조건인 5 V에서 약 50 ℃의 온도를 나타냈고, 시간에 따른 온도변화에서 10 분 내에 정상 상태 온도에 도달하고 30 분 동안 온도를 유지할 수 있음을 확인하였다. 제 3장에서는, 그래핀/PVDF-HFP 복합체로 코팅된 horseshoe 패턴형 직물 발열체를 제조하여 의복의 쾌적성에 영향을 미치는 외부 환경 요인 중 하나인 상대습도의 영향에 따른 전기적 특성 변화 및 전기 발열 특성의 변화를 확인하였다. 상대습도는 황산 용액법에 따라 25 % RH, 35 % RH, 45 % RH, 55 % RH, 65 % RH 및 90 % RH로 제어하였으며, 각 조건에 따른 무게변화율, 표면저항변화율, 표면온도변화 및 전류변화율을 측정하였다. 상대습도 조건이 증가함에 따라서 면직물에 흡수된 수분의 양이 증가되어 무게 변화율은 선형적으로 증가하는 경향을 보였다. 상대습도 조건에 따른 표면 저항률의 측정 결과, 25 % RH에서 55 % RH로 상대습도가 증가할수록 GR/Co 샘플들의 표면 저항률 변화율이 감소하는 경향이 보였다. 그런 다음 65 % RH에서 다시 증가하고 90 % RH에서는 65 % RH 조건보다 더 증가하여 55 % RH 조건에서 GR/Co의 전기적 특성이 가장 우수함을 확인하였다. 이는 표면 온도 편차 및 전류 변화율애서도 동일한 경향을 나타냈다. 이는 물 분자가 그래핀 층들 사이에 영향을 줄 수 있고, 약 50 % RH 조건에서 bi-layer의 그래핀이 mono-layer 그래핀과 같은 특성을 나타낼 수 있기 때문으로 확인되었다. 제 4장에서는, 제조된 그래핀 기반 직물 발열체를 아웃도어 및 보호복용으로 적용하기 위하여 레이어 종류에 따라 멀티 레이어를 설계한 후, 전기발열 테스트를 기반으로 하여 보온성능을 확인하였다. 그래핀 기반 멀티 레이어 직물 발열체는 겉감, 충전재, 직물 발열체 및 안감 레이어로 설계되었다. 외부 직물은 2 종의 방수직물, 2 종의 아라미드 직물, 아라미드 니트 및 아라미드 부직포 각각 1종을 사용하였다. 필러로는 다공성 구조를 가진 네오프렌, 안감으로는 기모처리 된 방수 폴리에스테르 직물, 그래핀/고분자 복합체 기반 직물 발열체 (GR)은 30 V 인가시 표면 온도 약 85 ℃, 전류 0.12 A 및 전력 3 W를 나타내는 것을 제조하여 사용하였다. 먼저, 각 GR을 기반으로 각 레이어별로 설계한 샘플의 표면온도를 측정하였다. 2-layer 및 3-layer로 구성된 그래핀 기반 멀티 레이어 직물 발열체에서, 안감을 사용하였을 때의 표면온도가 사용하지 않았을 때보다 상승함을 확인하였다. 이는 기모처리 된 안감의 미세한 파일들로 인해 공기 함량이 증가하고, GR에 의해 가열된 정지 공기층이 형성될 수 있기 때문으로 확인된다. 최종적으로 설계된 4-layer의 그래핀 기반 멀티 레이어 직물 발열체의 표면 온도는 약 50 ℃로 나타났고, 겉감 직물 종류에 따라 표면 온도의 편차가 확인되었다. 내열성이 우수한 아라미드 직물 2종을 사용한 경우, 표면 온도는 50 ℃ 이하로 나타났고, 아라미드 부직포를 사용한 경우에는 약 51 ℃온도가 가장 높았다. 이는 부직포 내에 마이크로 섬유들이 많은 다공성을 형성하기 때문에 따뜻한 공기를 많이 함유할 수 있기 때문으로 확인되었다. 전기 발열 테스트 기반의 보온 성능 측정 결과, 각 레이어별 온도 편차는 ΔT(GR-N3) <ΔT(GR-Lining) <ΔT (GR-Outer)로 나타났으며, 이는 직접적인 열을 발산하는 GR과 근접한 순서로 감소하는 경향을 보였다. 특히, 아라미드 부직포가 겉감으로 사용될 때, 온도 편차는 다른 겉감보다 약 10 ℃만큼 감소 하였다. 또한, 건조 조건인 25 % RH 및 쾌적한 조건인 55 % RH 조건 하에서 보온 성능의 결과는 55 % RH 조건 하에서 증가 된 것으로 나타났다. 따라서, 55 % RH 조건에서 다공성을 형성하는 아라미드 부직포를 겉감으로 사용한 경우, 전기 발열 테스트 기반 보온 성능이 우수함을 확인할 수 있었다. 제 5장에서는, 앞서 2 – 4장에서 적용된 horseshoe 패턴을 새로운 제조 공정 기술인 컨베이어형 FDM 3D 프린팅 기술을 적용하여 그래핀/PLA 필라멘트로 제조하여 전기발열체로서의 제조 가능성을 확인하였다. 일반적으로 FDM형 3D 프린터는 출력 방향에 따라 다양한 특성의 변화를 나타내므로, 본 장에서는 CFDM 3D 프린팅 HP 패턴을 0˚, 45 ˚ 및 90˚의 출력 방향에서 제조하였다. 제조된 출력 방향별 CFDM 3D 프린팅 HP 패턴의 특성을 확인하고자, 모폴로지, 전기적 특성 및 전기발열 특성을 확인하였고 직물 발열체로서의 적용 가능성을 확인하고자 면 직물 위에 각각의 출력 방향별 CFDM 3D 프린팅 HP 패턴을 출력하여 전기발열 특성을 확인하였다. 출력 방향에 따른 GR/PLA HP 패턴의 모폴로지 분석 결과, 각각의 샘플은 출력 방향에 따라 0 ˚, 45 ˚ 및 90˚로 적층되어 있음을 확인하였다. FE-SEM 이미지를 통해, 그래핀도 출력 방향에 따라 배열되어 있음을 확인하였다. XRD패턴 분석에서, GR/PLA 3D 프린팅 HP 패턴은 PLA 및 그래핀의 두 개의 회절 피크를 나타냈다. 출력 방향에 따라 피크의 크기가 다르게 나타났으며, GR/PLA-HP90 < GR/PLA-HP45 ≤ GR/PLA-HP00의 순으로 나타났으며, 이는 전기적 특성과 전기 발열 특성에도 영향을 주었다. 출력 방향에 따른 GR/PLA 3D 프린팅 HP 샘플의 표면 저항은 GR/PLA-HP00 < GR/PLA-HP45 < GR/PLA-HP90의 순으로 증가였으며, GR/PLA-HP00의 전기적 특성이 가장 우수함을 확인하였다. 출력 방향에 따른 3 종의 샘플에 30 V를 인가하였을 때, GR/PLA-HP00, GR/PLA-HP45 및 GR/PLA-HP90의 표면 온도는 각각 83.6 ˚C, 80.6 ˚C, 52.5 ˚C로 GR/PLA-HP90 < GR/PLA-HP45 < GR/PLA-HP00 순으로 나타났으며, 이는 면직물에 출력하였을 때에도 동일한 결과를 나타냈다. 따라서, GR/PLA 3D 프린팅 HP 샘플의 전기적 특성 및 전기발열 특성은 출력 방향이 0˚일 때 향상됨을 확인하였다. 제 6장에서는, 탄소 나노 재료 기반의 두 가지 필라멘트를 사용하여 CFDM 3D 프린터로 대표적인 연속적 구조체인 허니콤 구조체를 출력한 후 전기적 특성 및 전기발열 특성을 확인하였다. CFDM 3D 프린팅 허니콤 구조체를 제조하기에 앞서, 실험에 사용된 필라멘트인 PLA, 카본블랙(CB)/PLA 및 그래핀(GR)/PLA의 특성을 TGA, DSC 및 Raman 스펙트럼을 통해 분석하였다. 필라멘트의 열적 특성 분석 결과, CB/PLA 및 GR/PLA 필라멘트는 탄소 나노 필러의 핵 형성 효과로 인해 PLA 필라멘트보다 열적 특성이 향상됨을 확인하였다. TGA 결과에서, CB/PLA 및 GR/PLA의 노즐온도인 약 230 ℃ 부근에서의 잔여량은 각각 99 % 이상이므로, 3D 프린팅 공정 동안 분해 또는 손상되지 않는 조건임을 확인하였다. Raman 스펙트럼 결과에서 CB/PLA 필라멘트는 D밴드 및 G 밴드에 해당하는 2 개의 피크가 확인되었고, GR/PLA 필라멘트에서는 D, G, 및 2D 밴드에 해당하는 3 개의 피크가 관찰되었다. 또한, ID/IG는 GR/PLA가 CB/PLA보다 낮은 값을 나타내었다. 이를 바탕으로, CB/PLA 및 GR/PLA로 3D 프린팅 허니콤 샘플을 출력하기 위한 최적 조건은 각각 노즐 온도는 230 ℃ 및 220 ℃, 베드 온도 50 ℃ 및 프린터 속도 30 mm/s 였다. CB/PLA 및 GR/PLA로 출력된 3D 프린팅 허니콤 구조체의 표면 저항은 CD 방향에서 우수하게 나타났으며 이 때, 각각 약 299.0 Ω/sq 및 118.0 Ω/sq로 확인되었다. 또한 전기발열 특성에서도 CD 방향에서 발열 분포가 균일하게 나타났으며, CB/PLA 및 GR/PLA로 출력된 3D 프린팅 허니콤 구조체의 최대 표면 온도는 25V 인가시 78.7 ℃ 및 143.0 ℃로 나타나, GR/PLA 3D 프린팅 허니콤 구조체의 전기적 특성 및 전기 발열 특성이 CB/PLA 3D 프린팅 허니콤 구조체보다 우수함을 확인하였다. 제 7장에서는, 3D 프린팅 공정의 이점 중 하나인 다양한 회로 패턴의 모델링의 용이성을 적용하고자, 그래핀/ PLA 필라멘트를 사용하여 연속성을 가지는 4 종의 CFDM 3D 프린팅 auxetic 패턴인 re-entrant honeycomb (RE), chiral truss (CT), honeycomb (HN) 및 truss (TR) 패턴을 제조하고, 각 패턴의 단위 형태에 따른 전기적 특성 및 전기 발열 특성을 확인하였다. 또한, 직물 발열체로서의 적용 가능성을 입증하고자, 우수한 전기적 특성 및 전기 발열 특성을 나타낸 HN 및 TR을 선택하여 면 직물 위에 출력하여 분석하였다. 4 종의 패턴별 3D 프린팅 auxetic 샘플의 모폴로지의 결과, 단위 셀 및 연결된 지점을 구성하는 지지대의 수가 TR < HN <CT < RE로 나타났다. 이러한 각 패턴의 형태는 표면 저항 및 전기 발열 특성에도 영향을 주는 것을 확인하였다. 단위 셀을 구성하는 가장 많은 수의 지지대 및 패턴의 상대 밀도를 갖는 RE 샘플의 표면 저항이 가장 높은 값을 나타내었고, 이와 반대인 TR에서 가장 낮은 값을 보였다. 전기 발열 특성 분석 결과, RE 패턴의 발열 분포는 인가전압이 증가하여도 제한적인 반면, HN 및 TR 패턴의 발열 분포는 샘플 전체에 확산됨을 확인하였다. 또한, RE, CT, HN 및 TR 샘플의 표면 온도는 30V의 전압을 인가하였을 때 각각 약 72.4 °C, 83.1 °C, 94.9 °C 및 85.9 °C로 나타나, RE < CT < TR < HN 순으로 향상됨을 확인하였다. 우수한 성능을 나타낸 HN 및 TR 패턴을 면 직물에 출력한 후 각각의 전기적 특성을 확인한 결과, HN/cotton 및 TR/cotton의 표면 저항은 GR/PLA 복합 필라멘트로만 출력된 패턴 샘플의 표면 저항보다 높았지만, 103 Ω/sq의 값을 나타내어 전도성을 갖는 것을 확인했다. 전기 발열 특성의 결과, HN/cotton은 전력이 공급되는 영역에서만 발열 분포를 나타내고 온도 및 전류는 20V 이상 인가시 급격히 증가한 것으로 나타났다. 반면 TR/cotton의 경우, 인가전압이 증가함에 따라 표면 온도 및 전류는 선형적으로 증가하였고, 발열 분포도 점진적으로 확장되어 안정적인 전기 발열 특성을 보였다. 30 V 인가 시, 두 샘플 모두 80 ℃ 이상의 표면 온도를 나타내었고, 면 직물의 높은 열 전도성으로 인해 높은 온도에서 유연해지던 패턴과는 달리 안정적으로 형태를 유지하였다. 따라서, 다양한 auxetic 패턴으로 설계된 전기 발열체를 GR/PLA 기반의 필라멘트로 CFDM 3D 프린팅 공정을 통해 성공적으로 제조할 수 있었고, 연속적인 패턴형을 가진 4 종의 패턴 중 HN 및 TR 패턴을 이용하여 우수한 전기 발열 성능을 나타내는 직물 발열체를 제조할 수 있음을 확인하였다. 따라서, 본 논문에서는 기존 코팅 방법에서 진보된 기술인 CFDM 3D 프린팅 기술을 이용하여 연속적인 공정을 통한 탄소나노계 재료 기반 직물 발열체의 제조 가능성을 확인하였으며, 이는 추후 유연성을 가지는 전도성 필라멘트 개발을 통하여 웨어러블 전자기기로의 적용이 가능할 것으로 기대된다.
전자 직물 (E-textile)의 응용 분야 중 하나인 직물 발열체는 추운 환경이나 극한 환경에서 보호복, 군복, 아웃도어 및 겨울용 방수복 등에서 체온을 유지하기 위한 적극적인 발열 공급 장치이다. 현재 직물 발열체는 은, 구리, 카본 블랙, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유 및 그래핀과 같은 전도성을 가지는 재료를 이용하며, 제조 방법이 용이하고 대량 생산이 가능한 코팅법을 이용하여 주로 생산된다. 최근 다양한 패턴 형태의 직물 발열체는 기존의 면상 발열체와 유사한 성능을 발휘하면서 사용되는 재료의 양을 줄임으로써 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 유연성을 향상시킬 수 있어 스크린 프린팅 또는 잉크젯 프린팅 방법으로 제조되고 있다. 본 논문에서는 탄소나노계 재료 기반의 회로패턴형 직물발열체를 제조하고자, 종래의 코팅법과 새로운 제조 공정인 CFDM 3D 프린팅 기술을 사용하였으며, 특히 연속적인 제조 공정이 가능한 CFDM 3D 프린팅 기술을 이용한 직물발열체의 제조 가능성을 확인하고자 하였다. 직물발열체로서의 성능 평가를 위해 제조 공정에 따른 전기적 및 전기발열 성능을 확인하였다. 제 2장에서는, 인체에 무해한 전기 발열 조건인 5 V에서 50 ℃의 온도를 발현하는 조건을 확립하고자, 32 wt%, 40 wt%, 48 wt%, 56 wt% 및 64 wt% 그래핀/고분자 복합체를 이용하여 나이프 엣지 코팅법으로 horseshoe 패턴 형태의 직물 발열체를 제조하였다. 이 때 웨어러블 디바이스로의 적용 가능성을 향상시키고자 전극으로 은 전도사를 사용하였으며, 각 조건에 따른 모폴로지 변화, XRD 분석, 전기적 특성 및 전기발열 특성을 확인하였고 다음과 같은 결론을 얻었다. 모폴로지에 의해 샘플 내에 그래핀 함량이 32 wt%에서 64 wt%로 증가함에 따라 적층된 그래핀 층이 증가함을 확인하였고, 이러한 경향은 그래핀 피크인 2θ = 26.6 °의 결정성 및 열 안정성 모두를 개선시킴을 확인하였다. GR/cotton 샘플의 표면 저항률은 그래핀 함량이 증가함에 따라 선형으로 감소하였으며, 매트릭스 내에 그래핀 함량이 증가할수록 그래핀으로 형성되는 전도성 경로도 증가하기 때문에 전기적 특성이 향상됨을 확인하였다. 전기적 특성의 향상은 GR/cotton 샘플의 전기 발열 특성에도 영향을 미쳤다. 최종적으로 64 GR/cotton 샘플에서 인체에 무해한 전기 발열 조건인 5 V에서 약 50 ℃의 온도를 나타냈고, 시간에 따른 온도변화에서 10 분 내에 정상 상태 온도에 도달하고 30 분 동안 온도를 유지할 수 있음을 확인하였다. 제 3장에서는, 그래핀/PVDF-HFP 복합체로 코팅된 horseshoe 패턴형 직물 발열체를 제조하여 의복의 쾌적성에 영향을 미치는 외부 환경 요인 중 하나인 상대습도의 영향에 따른 전기적 특성 변화 및 전기 발열 특성의 변화를 확인하였다. 상대습도는 황산 용액법에 따라 25 % RH, 35 % RH, 45 % RH, 55 % RH, 65 % RH 및 90 % RH로 제어하였으며, 각 조건에 따른 무게변화율, 표면저항변화율, 표면온도변화 및 전류변화율을 측정하였다. 상대습도 조건이 증가함에 따라서 면직물에 흡수된 수분의 양이 증가되어 무게 변화율은 선형적으로 증가하는 경향을 보였다. 상대습도 조건에 따른 표면 저항률의 측정 결과, 25 % RH에서 55 % RH로 상대습도가 증가할수록 GR/Co 샘플들의 표면 저항률 변화율이 감소하는 경향이 보였다. 그런 다음 65 % RH에서 다시 증가하고 90 % RH에서는 65 % RH 조건보다 더 증가하여 55 % RH 조건에서 GR/Co의 전기적 특성이 가장 우수함을 확인하였다. 이는 표면 온도 편차 및 전류 변화율애서도 동일한 경향을 나타냈다. 이는 물 분자가 그래핀 층들 사이에 영향을 줄 수 있고, 약 50 % RH 조건에서 bi-layer의 그래핀이 mono-layer 그래핀과 같은 특성을 나타낼 수 있기 때문으로 확인되었다. 제 4장에서는, 제조된 그래핀 기반 직물 발열체를 아웃도어 및 보호복용으로 적용하기 위하여 레이어 종류에 따라 멀티 레이어를 설계한 후, 전기발열 테스트를 기반으로 하여 보온성능을 확인하였다. 그래핀 기반 멀티 레이어 직물 발열체는 겉감, 충전재, 직물 발열체 및 안감 레이어로 설계되었다. 외부 직물은 2 종의 방수직물, 2 종의 아라미드 직물, 아라미드 니트 및 아라미드 부직포 각각 1종을 사용하였다. 필러로는 다공성 구조를 가진 네오프렌, 안감으로는 기모처리 된 방수 폴리에스테르 직물, 그래핀/고분자 복합체 기반 직물 발열체 (GR)은 30 V 인가시 표면 온도 약 85 ℃, 전류 0.12 A 및 전력 3 W를 나타내는 것을 제조하여 사용하였다. 먼저, 각 GR을 기반으로 각 레이어별로 설계한 샘플의 표면온도를 측정하였다. 2-layer 및 3-layer로 구성된 그래핀 기반 멀티 레이어 직물 발열체에서, 안감을 사용하였을 때의 표면온도가 사용하지 않았을 때보다 상승함을 확인하였다. 이는 기모처리 된 안감의 미세한 파일들로 인해 공기 함량이 증가하고, GR에 의해 가열된 정지 공기층이 형성될 수 있기 때문으로 확인된다. 최종적으로 설계된 4-layer의 그래핀 기반 멀티 레이어 직물 발열체의 표면 온도는 약 50 ℃로 나타났고, 겉감 직물 종류에 따라 표면 온도의 편차가 확인되었다. 내열성이 우수한 아라미드 직물 2종을 사용한 경우, 표면 온도는 50 ℃ 이하로 나타났고, 아라미드 부직포를 사용한 경우에는 약 51 ℃온도가 가장 높았다. 이는 부직포 내에 마이크로 섬유들이 많은 다공성을 형성하기 때문에 따뜻한 공기를 많이 함유할 수 있기 때문으로 확인되었다. 전기 발열 테스트 기반의 보온 성능 측정 결과, 각 레이어별 온도 편차는 ΔT(GR-N3) <ΔT(GR-Lining) <ΔT (GR-Outer)로 나타났으며, 이는 직접적인 열을 발산하는 GR과 근접한 순서로 감소하는 경향을 보였다. 특히, 아라미드 부직포가 겉감으로 사용될 때, 온도 편차는 다른 겉감보다 약 10 ℃만큼 감소 하였다. 또한, 건조 조건인 25 % RH 및 쾌적한 조건인 55 % RH 조건 하에서 보온 성능의 결과는 55 % RH 조건 하에서 증가 된 것으로 나타났다. 따라서, 55 % RH 조건에서 다공성을 형성하는 아라미드 부직포를 겉감으로 사용한 경우, 전기 발열 테스트 기반 보온 성능이 우수함을 확인할 수 있었다. 제 5장에서는, 앞서 2 – 4장에서 적용된 horseshoe 패턴을 새로운 제조 공정 기술인 컨베이어형 FDM 3D 프린팅 기술을 적용하여 그래핀/PLA 필라멘트로 제조하여 전기발열체로서의 제조 가능성을 확인하였다. 일반적으로 FDM형 3D 프린터는 출력 방향에 따라 다양한 특성의 변화를 나타내므로, 본 장에서는 CFDM 3D 프린팅 HP 패턴을 0˚, 45 ˚ 및 90˚의 출력 방향에서 제조하였다. 제조된 출력 방향별 CFDM 3D 프린팅 HP 패턴의 특성을 확인하고자, 모폴로지, 전기적 특성 및 전기발열 특성을 확인하였고 직물 발열체로서의 적용 가능성을 확인하고자 면 직물 위에 각각의 출력 방향별 CFDM 3D 프린팅 HP 패턴을 출력하여 전기발열 특성을 확인하였다. 출력 방향에 따른 GR/PLA HP 패턴의 모폴로지 분석 결과, 각각의 샘플은 출력 방향에 따라 0 ˚, 45 ˚ 및 90˚로 적층되어 있음을 확인하였다. FE-SEM 이미지를 통해, 그래핀도 출력 방향에 따라 배열되어 있음을 확인하였다. XRD 패턴 분석에서, GR/PLA 3D 프린팅 HP 패턴은 PLA 및 그래핀의 두 개의 회절 피크를 나타냈다. 출력 방향에 따라 피크의 크기가 다르게 나타났으며, GR/PLA-HP90 < GR/PLA-HP45 ≤ GR/PLA-HP00의 순으로 나타났으며, 이는 전기적 특성과 전기 발열 특성에도 영향을 주었다. 출력 방향에 따른 GR/PLA 3D 프린팅 HP 샘플의 표면 저항은 GR/PLA-HP00 < GR/PLA-HP45 < GR/PLA-HP90의 순으로 증가였으며, GR/PLA-HP00의 전기적 특성이 가장 우수함을 확인하였다. 출력 방향에 따른 3 종의 샘플에 30 V를 인가하였을 때, GR/PLA-HP00, GR/PLA-HP45 및 GR/PLA-HP90의 표면 온도는 각각 83.6 ˚C, 80.6 ˚C, 52.5 ˚C로 GR/PLA-HP90 < GR/PLA-HP45 < GR/PLA-HP00 순으로 나타났으며, 이는 면직물에 출력하였을 때에도 동일한 결과를 나타냈다. 따라서, GR/PLA 3D 프린팅 HP 샘플의 전기적 특성 및 전기발열 특성은 출력 방향이 0˚일 때 향상됨을 확인하였다. 제 6장에서는, 탄소 나노 재료 기반의 두 가지 필라멘트를 사용하여 CFDM 3D 프린터로 대표적인 연속적 구조체인 허니콤 구조체를 출력한 후 전기적 특성 및 전기발열 특성을 확인하였다. CFDM 3D 프린팅 허니콤 구조체를 제조하기에 앞서, 실험에 사용된 필라멘트인 PLA, 카본블랙(CB)/PLA 및 그래핀(GR)/PLA의 특성을 TGA, DSC 및 Raman 스펙트럼을 통해 분석하였다. 필라멘트의 열적 특성 분석 결과, CB/PLA 및 GR/PLA 필라멘트는 탄소 나노 필러의 핵 형성 효과로 인해 PLA 필라멘트보다 열적 특성이 향상됨을 확인하였다. TGA 결과에서, CB/PLA 및 GR/PLA의 노즐온도인 약 230 ℃ 부근에서의 잔여량은 각각 99 % 이상이므로, 3D 프린팅 공정 동안 분해 또는 손상되지 않는 조건임을 확인하였다. Raman 스펙트럼 결과에서 CB/PLA 필라멘트는 D밴드 및 G 밴드에 해당하는 2 개의 피크가 확인되었고, GR/PLA 필라멘트에서는 D, G, 및 2D 밴드에 해당하는 3 개의 피크가 관찰되었다. 또한, ID/IG는 GR/PLA가 CB/PLA보다 낮은 값을 나타내었다. 이를 바탕으로, CB/PLA 및 GR/PLA로 3D 프린팅 허니콤 샘플을 출력하기 위한 최적 조건은 각각 노즐 온도는 230 ℃ 및 220 ℃, 베드 온도 50 ℃ 및 프린터 속도 30 mm/s 였다. CB/PLA 및 GR/PLA로 출력된 3D 프린팅 허니콤 구조체의 표면 저항은 CD 방향에서 우수하게 나타났으며 이 때, 각각 약 299.0 Ω/sq 및 118.0 Ω/sq로 확인되었다. 또한 전기발열 특성에서도 CD 방향에서 발열 분포가 균일하게 나타났으며, CB/PLA 및 GR/PLA로 출력된 3D 프린팅 허니콤 구조체의 최대 표면 온도는 25V 인가시 78.7 ℃ 및 143.0 ℃로 나타나, GR/PLA 3D 프린팅 허니콤 구조체의 전기적 특성 및 전기 발열 특성이 CB/PLA 3D 프린팅 허니콤 구조체보다 우수함을 확인하였다. 제 7장에서는, 3D 프린팅 공정의 이점 중 하나인 다양한 회로 패턴의 모델링의 용이성을 적용하고자, 그래핀/ PLA 필라멘트를 사용하여 연속성을 가지는 4 종의 CFDM 3D 프린팅 auxetic 패턴인 re-entrant honeycomb (RE), chiral truss (CT), honeycomb (HN) 및 truss (TR) 패턴을 제조하고, 각 패턴의 단위 형태에 따른 전기적 특성 및 전기 발열 특성을 확인하였다. 또한, 직물 발열체로서의 적용 가능성을 입증하고자, 우수한 전기적 특성 및 전기 발열 특성을 나타낸 HN 및 TR을 선택하여 면 직물 위에 출력하여 분석하였다. 4 종의 패턴별 3D 프린팅 auxetic 샘플의 모폴로지의 결과, 단위 셀 및 연결된 지점을 구성하는 지지대의 수가 TR < HN <CT < RE로 나타났다. 이러한 각 패턴의 형태는 표면 저항 및 전기 발열 특성에도 영향을 주는 것을 확인하였다. 단위 셀을 구성하는 가장 많은 수의 지지대 및 패턴의 상대 밀도를 갖는 RE 샘플의 표면 저항이 가장 높은 값을 나타내었고, 이와 반대인 TR에서 가장 낮은 값을 보였다. 전기 발열 특성 분석 결과, RE 패턴의 발열 분포는 인가전압이 증가하여도 제한적인 반면, HN 및 TR 패턴의 발열 분포는 샘플 전체에 확산됨을 확인하였다. 또한, RE, CT, HN 및 TR 샘플의 표면 온도는 30V의 전압을 인가하였을 때 각각 약 72.4 °C, 83.1 °C, 94.9 °C 및 85.9 °C로 나타나, RE < CT < TR < HN 순으로 향상됨을 확인하였다. 우수한 성능을 나타낸 HN 및 TR 패턴을 면 직물에 출력한 후 각각의 전기적 특성을 확인한 결과, HN/cotton 및 TR/cotton의 표면 저항은 GR/PLA 복합 필라멘트로만 출력된 패턴 샘플의 표면 저항보다 높았지만, 103 Ω/sq의 값을 나타내어 전도성을 갖는 것을 확인했다. 전기 발열 특성의 결과, HN/cotton은 전력이 공급되는 영역에서만 발열 분포를 나타내고 온도 및 전류는 20V 이상 인가시 급격히 증가한 것으로 나타났다. 반면 TR/cotton의 경우, 인가전압이 증가함에 따라 표면 온도 및 전류는 선형적으로 증가하였고, 발열 분포도 점진적으로 확장되어 안정적인 전기 발열 특성을 보였다. 30 V 인가 시, 두 샘플 모두 80 ℃ 이상의 표면 온도를 나타내었고, 면 직물의 높은 열 전도성으로 인해 높은 온도에서 유연해지던 패턴과는 달리 안정적으로 형태를 유지하였다. 따라서, 다양한 auxetic 패턴으로 설계된 전기 발열체를 GR/PLA 기반의 필라멘트로 CFDM 3D 프린팅 공정을 통해 성공적으로 제조할 수 있었고, 연속적인 패턴형을 가진 4 종의 패턴 중 HN 및 TR 패턴을 이용하여 우수한 전기 발열 성능을 나타내는 직물 발열체를 제조할 수 있음을 확인하였다. 따라서, 본 논문에서는 기존 코팅 방법에서 진보된 기술인 CFDM 3D 프린팅 기술을 이용하여 연속적인 공정을 통한 탄소나노계 재료 기반 직물 발열체의 제조 가능성을 확인하였으며, 이는 추후 유연성을 가지는 전도성 필라멘트 개발을 통하여 웨어러블 전자기기로의 적용이 가능할 것으로 기대된다.
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