탄소나노섬유의 함량에 따른 CNF/PPy 필름의 전기전도도 및 굽힘센서로 응용 Variations in Electrical Conductivity of CNF/PPy Films with the Ratio of CNF and Application to a Bending Sensor원문보기
서로 다른 CNF(탄소 나노섬유) 함유량을 가진 신 재료인 CNF/폴리피롤(PPy) 복합재료 필름들이 세계 최초로 화학적 전해 중합법으로 제조 되었다. 기존의 물리적 혼합법으로 제조된 필름과 비교하면 재료의 유연성이 매우 증가하였다. 복합재료와의 비교를 위해서 순수 폴리피롤 필름 역시 전해중합 방법으로 제조되었다. 전자주사현미경(SEM)으로 재료 샘플의 전극면, 용액면, 단면을 각각 촬영하여 그 재료 특성을 분석하였다. 각 복합재료 샘플의 전기전도성은 4점 탐침법으로 측정 되었다. 각 필름의 전도성은 두께가 0.013cm인 순수 PPy 필름은 79.33S/cm, 두께가 0.018cm이고 CNF 함유량 5% CNF/PPy 필름은 93S/cm, 두께가 0.017cm이고 CNF 함유량 10% CNF/PPy 필름은 126S/cm으로 측정되었다. CNF의 함유량이 증가할수록 PPy의 전도성이 크게 증가하는 것으로 확인되었으며, CNF/PPy 복합재료의 좋은 전도성은 소형의 굽힘 작동기로 사용될 수 있는 가능성을 높인다. 이를 입증하기 위해서 공기 중에서 작동 가능한 PPy 굽힘 센서를 설계하여 유한요소법으로 해석하였다.
서로 다른 CNF(탄소 나노섬유) 함유량을 가진 신 재료인 CNF/폴리피롤(PPy) 복합재료 필름들이 세계 최초로 화학적 전해 중합법으로 제조 되었다. 기존의 물리적 혼합법으로 제조된 필름과 비교하면 재료의 유연성이 매우 증가하였다. 복합재료와의 비교를 위해서 순수 폴리피롤 필름 역시 전해중합 방법으로 제조되었다. 전자주사현미경(SEM)으로 재료 샘플의 전극면, 용액면, 단면을 각각 촬영하여 그 재료 특성을 분석하였다. 각 복합재료 샘플의 전기전도성은 4점 탐침법으로 측정 되었다. 각 필름의 전도성은 두께가 0.013cm인 순수 PPy 필름은 79.33S/cm, 두께가 0.018cm이고 CNF 함유량 5% CNF/PPy 필름은 93S/cm, 두께가 0.017cm이고 CNF 함유량 10% CNF/PPy 필름은 126S/cm으로 측정되었다. CNF의 함유량이 증가할수록 PPy의 전도성이 크게 증가하는 것으로 확인되었으며, CNF/PPy 복합재료의 좋은 전도성은 소형의 굽힘 작동기로 사용될 수 있는 가능성을 높인다. 이를 입증하기 위해서 공기 중에서 작동 가능한 PPy 굽힘 센서를 설계하여 유한요소법으로 해석하였다.
A new material, carbon-nanofiber/polypyrrole (CNF/PPy) composite films, with different CNF weight ratios were fabricated electrochemically. Compared to the fabrication process based on simple physical mixing, the flexibility of the new film has been improved much better than the previous similar mat...
A new material, carbon-nanofiber/polypyrrole (CNF/PPy) composite films, with different CNF weight ratios were fabricated electrochemically. Compared to the fabrication process based on simple physical mixing, the flexibility of the new film has been improved much better than the previous similar material. Pure PPy films were also fabricated by the new electrochemical process for the comparison of difference. Several SEM images were taken at two locations (electrode-side and solution-side) and at the cross section of the samples. Electrical conductivity of the composite films was measured by the four-probe method. The conductivity of the pure PPy film 0.013cm thick was 79.33S/cm. The CNF/PPy composite film with 5% CNF showed a conductivity of 93S/cm. One with 10% CNF showed a conductivity of 126 S/cm. The conductivity of PPy improves, as the CNF weight ratio increases. The good conductivity of CNF/PPy composites makes them a candidate for a small bending actuator. A bending sensor consists of PPy and PVDF, which can be operated in the air, was designed and the bending deflection was calculated using FEM.
A new material, carbon-nanofiber/polypyrrole (CNF/PPy) composite films, with different CNF weight ratios were fabricated electrochemically. Compared to the fabrication process based on simple physical mixing, the flexibility of the new film has been improved much better than the previous similar material. Pure PPy films were also fabricated by the new electrochemical process for the comparison of difference. Several SEM images were taken at two locations (electrode-side and solution-side) and at the cross section of the samples. Electrical conductivity of the composite films was measured by the four-probe method. The conductivity of the pure PPy film 0.013cm thick was 79.33S/cm. The CNF/PPy composite film with 5% CNF showed a conductivity of 93S/cm. One with 10% CNF showed a conductivity of 126 S/cm. The conductivity of PPy improves, as the CNF weight ratio increases. The good conductivity of CNF/PPy composites makes them a candidate for a small bending actuator. A bending sensor consists of PPy and PVDF, which can be operated in the air, was designed and the bending deflection was calculated using FEM.
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문제 정의
본 연구에서는 앞서 언급한 두 재료의 장점을 활용하기 위하여 최초로 CNF/PPy 복합재라는 완전히 새로운 재료를 전기화학적 중합법(electrochemical polymerization method) 에의하여 제조하였다. 재료의 유연성은 이전의 물리적 혼합법으로 제조된 재료[5]와 비교하였을 때 보다 크게 향상 되었다.
제안 방법
재료의 유연성은 이전의 물리적 혼합법으로 제조된 재료[5]와 비교하였을 때 보다 크게 향상 되었다. CNF/PPy 복합재료의 특성을 비교하기 위하여 순수 PPy 필름과 CNF 함유량을 달리한 CNF/PPy 복합재료 필름을 각각 제조하였다. 제조된 이들 샘플에 대해서 전기 전도성이 4 점 탐침법(four-probe method)에 의해서 측정되었다.
PPy 또는 CNF/PPy가 PVDF와 결합된 형태의 센서 변형량을 예측하기 위한 방법으로, 앞서 기술된 센서 구조를 Fig. 8과 같이 유한요소 모델링 하고, 끝단에 하중을 가하여 해석한 후 그 변형량을 비교하였다. 모델링 방법으로는 유한요소해석 상용 툴인 ANSYS를 사용하였다.
017cm 두께의 힘유량 10% CNF/PPy 필름은 126S/cm으로서 CNF는 PPy의 전도성을 무게 비율 5% 필름은 17%, 함유량 10% 필름은 58%만큼 각각 증가시켰다. 또한 굽힘 센서로의 응용을 위해서 공기 중에서 작동 가능한 PPy와 PVDF로 구성된 센서를 설계하여 힘의 작용에 따른 변위의 관계를 계산하는 기법을 유한요소법으로 개발하였다. 본 연구를 통해서 제작된 CNF/PPy 복합재료는 센서로서의 적용 가능성이 높음을 확인하였다.
제조된 이들 샘플에 대해서 전기 전도성이 4 점 탐침법(four-probe method)에 의해서 측정되었다. 이들 재료의 좋은 전도성은 소형 굽힘 센서로 사용될 수 있기 때문에, 이를 입증하기 위해서 공기 중에서 작동 가능한 PPy 굽힘 센서를 설계하여 유한요소법으로 해석하였다’
재료의 특성 면에서 상호 보완적인 두 재료를 혼합한 CNF/PPy 복합재료를 전기화학적 중합반응법으로 국제적으로 최초로 제조하였고, 이를 위한 공정도 처음으로 개발하였다. 물리적 혼합법으로 제작되었던 이전의 재료[5]와 비교하면, 전기화학적 중합반응법으로 생산된 이번 재료는 유연성 (flexibility)이 크게 향상되어서 굽힘 센서로 응용되기에 충분함을 확인할 수 있었다.
대상 데이터
CNF/PPy 복합재료가 생성된다. 5%, 10%의 CNF 무게 함유량을 가진 두 가지의 필름이 각각 제조되었다.
CNF/PPy 복합재료 필름을 만들기 위하여 사용된 재료는 피롤(pyrrole, Aldrich), 리튬염(LiTFSI, Aldrich), 탄소나노섬유 (CNF, Nanomirae), 아세톤(acetone, Aldrich), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, Aldrich)이다. 이들 재료는 전처리과정 없이 사용되었다.
모델링 방법으로는 유한요소해석 상용 툴인 ANSYS를 사용하였다. 유한요소로는 적층형 구조의 비선형 해석을 수행할 수 있는 Shell 281(8-node, 6 DOF) 요소를 사용하였다. 이때 사용된 2차원 쉘 요소는 200 개, 절점은 909개이다.
이론/모형
8과 같이 유한요소 모델링 하고, 끝단에 하중을 가하여 해석한 후 그 변형량을 비교하였다. 모델링 방법으로는 유한요소해석 상용 툴인 ANSYS를 사용하였다. 유한요소로는 적층형 구조의 비선형 해석을 수행할 수 있는 Shell 281(8-node, 6 DOF) 요소를 사용하였다.
CNF/PPy 복합재료의 특성을 비교하기 위하여 순수 PPy 필름과 CNF 함유량을 달리한 CNF/PPy 복합재료 필름을 각각 제조하였다. 제조된 이들 샘플에 대해서 전기 전도성이 4 점 탐침법(four-probe method)에 의해서 측정되었다. 이들 재료의 좋은 전도성은 소형 굽힘 센서로 사용될 수 있기 때문에, 이를 입증하기 위해서 공기 중에서 작동 가능한 PPy 굽힘 센서를 설계하여 유한요소법으로 해석하였다’
성능/효과
물리적 혼합법으로 제작되었던 이전의 재료[5]와 비교하면, 전기화학적 중합반응법으로 생산된 이번 재료는 유연성 (flexibility)이 크게 향상되어서 굽힘 센서로 응용되기에 충분함을 확인할 수 있었다. CNF/PPy 필름의 전도성측정을 위하여 4점 탐침법이 이용되었으며, 그 결과, 측정된 0.013cm 두께의 순수 PPy 필름의 전도성은 79.33S/cm, 0.018cm 두께의 CNF 함유량 5% CNF/PPy 필름은 97S/cm, 0.017cm 두께의 힘유량 10% CNF/PPy 필름은 126S/cm으로서 CNF는 PPy의 전도성을 무게 비율 5% 필름은 17%, 함유량 10% 필름은 58%만큼 각각 증가시켰다. 또한 굽힘 센서로의 응용을 위해서 공기 중에서 작동 가능한 PPy와 PVDF로 구성된 센서를 설계하여 힘의 작용에 따른 변위의 관계를 계산하는 기법을 유한요소법으로 개발하였다.
개발하였다. 물리적 혼합법으로 제작되었던 이전의 재료[5]와 비교하면, 전기화학적 중합반응법으로 생산된 이번 재료는 유연성 (flexibility)이 크게 향상되어서 굽힘 센서로 응용되기에 충분함을 확인할 수 있었다. CNF/PPy 필름의 전도성측정을 위하여 4점 탐침법이 이용되었으며, 그 결과, 측정된 0.
또한 굽힘 센서로의 응용을 위해서 공기 중에서 작동 가능한 PPy와 PVDF로 구성된 센서를 설계하여 힘의 작용에 따른 변위의 관계를 계산하는 기법을 유한요소법으로 개발하였다. 본 연구를 통해서 제작된 CNF/PPy 복합재료는 센서로서의 적용 가능성이 높음을 확인하였다.
즉 응력이 클수록 더 많은 전기가 발생하게 된다. 해석결과에서 구조물의 지지부 윗면에서 305 KPa의 인장응력이 발생하고, 아랫면에서 -307 KPa의 압축응력이 발생함을 확인하였다. 또한 같은 조건하에서 실시된 힘- 치짐 실험[8]에서 2mm의 끝단 변위가 발생하였고, 본 해석에서는 Fig.
참고문헌 (8)
Bay, L, West, K., Sommer-Larsen, P., Skaarup, P. and Benslimane, M., "A conducting polymer artificial muscle with 12% linear strain," Adv. Mater. , Vol. 15, 2003, pp.310-313.
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Dygas, J.R., Fafil, G. and Breiter, M.W., "Study of grain boundary polarization by two-probe and four-probe impedance spectroscopy," Solid State lonics, Vol. 119, No. 1, 1999, pp. 115-125.
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