[국내논문]자체-센서와 미세 작동기를 위한 CNT/PVDF 및 ITO/PVDF 나노복합재료의 전기적 및 계면 내구성 비교 평가 Interfacial Durability and Electrical Properties of CNT or ITO/PVDF Nanocomposites for Self-Sensor and Micro Actuator원문보기
자체-센서와 미세 작동기 응용을 위한 CNT와 ITO로 코팅된 나노복합재료의 계면접착 내구성과 전기적 특성을 평가하였다. 나노복합재료의 접착 및 계면 내구성은 반복하중피로시험에 따른 전기저항도를 측정하여 평가하였다. CNT와 ITO의 고유 전기적 특성으로 인하여 CNT가 코팅된 PVDF 나노복합재료는 ITO가 코팅된 경우보다 다소 낮은 전기저항도를 나타내었으나, 모두 양호한 자체-감지능을 보여주었다. CNT/PVDF와 ITO/PVDF 나노복합재료 모두 계면 내구성은 양호함을 확인하였다. 정적 접촉각 시험을 통해 CNT와 ITO 그리고 PVDF간의 표면에너지, 접착일, 그리고 퍼짐계수를 평가하여 계면 내구성과 의 상호 관련성을 확인하였다. 수용액에서 CNT와 ITO로 코팅된 PVDF 시편의 최적의 작동성은 주파수와 전압을 달리하여 레이져 변위센서를 사용한 연신율 변화로 측정하였다. 작동된 두 나노복합재료들의 연신율은 주파수가 증가함에 따라 감소하며, 반면에 전압의 증가에 따라 상승하였다. 각 나노복합재료의 나노구조 및 고유의 전기적 특성으로 인하여, CNT/PVDF가 ITO/PVDF 보다 자체-감지 및 작동기로서 더 적합하다는 것을 알 수 있었다.
자체-센서와 미세 작동기 응용을 위한 CNT와 ITO로 코팅된 나노복합재료의 계면접착 내구성과 전기적 특성을 평가하였다. 나노복합재료의 접착 및 계면 내구성은 반복하중 피로시험에 따른 전기저항도를 측정하여 평가하였다. CNT와 ITO의 고유 전기적 특성으로 인하여 CNT가 코팅된 PVDF 나노복합재료는 ITO가 코팅된 경우보다 다소 낮은 전기저항도를 나타내었으나, 모두 양호한 자체-감지능을 보여주었다. CNT/PVDF와 ITO/PVDF 나노복합재료 모두 계면 내구성은 양호함을 확인하였다. 정적 접촉각 시험을 통해 CNT와 ITO 그리고 PVDF간의 표면에너지, 접착일, 그리고 퍼짐계수를 평가하여 계면 내구성과 의 상호 관련성을 확인하였다. 수용액에서 CNT와 ITO로 코팅된 PVDF 시편의 최적의 작동성은 주파수와 전압을 달리하여 레이져 변위센서를 사용한 연신율 변화로 측정하였다. 작동된 두 나노복합재료들의 연신율은 주파수가 증가함에 따라 감소하며, 반면에 전압의 증가에 따라 상승하였다. 각 나노복합재료의 나노구조 및 고유의 전기적 특성으로 인하여, CNT/PVDF가 ITO/PVDF 보다 자체-감지 및 작동기로서 더 적합하다는 것을 알 수 있었다.
Interfacial durability and electrical properties of CNT or ITO coated PVDF nanocomposites were investigated for self-sensor and micro actuator applications. Electrical resistivity of nanocomposites for the durability on interfacial adhesion was measured using four points method via fatigue test unde...
Interfacial durability and electrical properties of CNT or ITO coated PVDF nanocomposites were investigated for self-sensor and micro actuator applications. Electrical resistivity of nanocomposites for the durability on interfacial adhesion was measured using four points method via fatigue test under cyclic loading. CNT/PVDF nanocomposite exhibited lower electrical resistivity and good self-sensing performance due to inherent electrical property. Durability on the interfacial adhesion was good for both CNT and ITO/PVDF nanocomposites. With static contact angle measurement, surface energy, work of adhesion, and spreading coefficient between either CNT or ITO and PVDF were obtained to verify the correlation with interfacial adhesion durability. The optimum actuation performance of CNT or ITO coated PVDF specimen was measured by the displacement change using laser displacement sensor with changing frequency and voltage. The displacement of actuated nanocomposites decreased with increasing frequency, whereas the displacement increased with voltage increment. Due to nanostructure and inherent electrical properties, CNT/PVDF nanocomposite exhibited better performance as self-sensor and micro actuator than ITO/PVDF case.
Interfacial durability and electrical properties of CNT or ITO coated PVDF nanocomposites were investigated for self-sensor and micro actuator applications. Electrical resistivity of nanocomposites for the durability on interfacial adhesion was measured using four points method via fatigue test under cyclic loading. CNT/PVDF nanocomposite exhibited lower electrical resistivity and good self-sensing performance due to inherent electrical property. Durability on the interfacial adhesion was good for both CNT and ITO/PVDF nanocomposites. With static contact angle measurement, surface energy, work of adhesion, and spreading coefficient between either CNT or ITO and PVDF were obtained to verify the correlation with interfacial adhesion durability. The optimum actuation performance of CNT or ITO coated PVDF specimen was measured by the displacement change using laser displacement sensor with changing frequency and voltage. The displacement of actuated nanocomposites decreased with increasing frequency, whereas the displacement increased with voltage increment. Due to nanostructure and inherent electrical properties, CNT/PVDF nanocomposite exhibited better performance as self-sensor and micro actuator than ITO/PVDF case.
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문제 정의
이러한 작동기는 전기화학적 환경에서 작동된 연신율을 레이저변위센서로 측정 함으로써 작동기의 특성 최적 조건을 찾고, 주파수와 전압, CNT와 ITO의 함량에 따른 작동 연신율을 평가하였다. CNT 나노복합재료와 ITO 나노복합재료의 전기적 특성, 계면 특성 그리고 작동기의 특성을 평가하여 어느 복합재료가 더욱 작동기로 적합한지 평가하였다.
본 연구에서는 CNT 나노복합재료와 ITO 나노복합재료의 전기적 특성을 반복하중 시험하는 동안 전기저항도를 측정하여 알아보았으며, 계면 특성을 각 재료의 표면 젖음성 시험을 이용하여 접촉각을 측정하여 평가하였고 또한, CNT와 ITO 나노복합재료의 작동기가 스마트 소재로서의 성능을 평가하기 위해 연구하였다. 이러한 작동기는 전기화학적 환경에서 작동된 연신율을 레이저변위센서로 측정 함으로써 작동기의 특성 최적 조건을 찾고, 주파수와 전압, CNT와 ITO의 함량에 따른 작동 연신율을 평가하였다.
본 연구에서 사용된 PVDF (poly(vinylidene fluoride))는 압전능을 가진 고분자로서 센서와 작동기 재료로 사용될 수 있는 스마트 재료로 연구 되고 있다[4]. 탄소나노튜브 (CNT)의 출현은 CNT의 물리적 기계적 특성에 관해 연구되며, 발전가능성 있는 과학기술의 응용에 연구된다. 나노튜브는 높은 단단함과 강도를 갖추고 있으며, 이는 이론적, 실험적으로 모두 확인되었다[5].
제안 방법
CNT 및 ITO/PVDF 나노복합재료의 자체감지능, 계면 젖음성, 그리고 전기화학적 환경에서 작동기로서의 여러 가지 특성을 평가하였다. 나노복합재료의 전기적 특성과 내구성은 반복하중에 따라 전기저항도로써 두 복합재료의 자체감지능을 측정 할 수 있었다.
젖음성 측정방법인 동적 및 정적 접촉각 측정 중에서 본 연구에서는 정적 접촉각으로 측정하였다. CNT, ITO, 그리고 PVDF에 측정 용매들의 작고 균일한 드롭을 떨어뜨려 액체와 소재간에 이루어 지는 정적인 접촉각은 광학현미경 사진을 이용하여 각을 직접 측정하였다. 사용된 측정 용매로는 이중증류수, 포름아마이드, 에틸렌글리콜, 다이오도메탄 네가지 용매를 사용하였다.
CNT-PVDF가 ITO-PVDF 나노복합재료보다 전기 저항도가 작음을 확인하였다. 나노복합재료의 계면내구성은 PVDF와 두 나노복합재료의 각 표면에 접촉각을 측정함으로서 표면에너지, 그리고 접착일과 퍼짐계수를 측정하였다. ITO의 표면에너지가 높고, 친수성이기 때문에 ITO와 고분자간의 큰 접착일을 보여 주었다.
CNT 및 ITO/PVDF 나노복합재료의 자체감지능, 계면 젖음성, 그리고 전기화학적 환경에서 작동기로서의 여러 가지 특성을 평가하였다. 나노복합재료의 전기적 특성과 내구성은 반복하중에 따라 전기저항도로써 두 복합재료의 자체감지능을 측정 할 수 있었다. CNT-PVDF가 ITO-PVDF 나노복합재료보다 전기 저항도가 작음을 확인하였다.
본 연구에서는 CNT 나노복합재료와 ITO 나노복합재료의 전기적 특성을 반복하중 시험하는 동안 전기저항도를 측정하여 알아보았으며, 계면 특성을 각 재료의 표면 젖음성 시험을 이용하여 접촉각을 측정하여 평가하였고 또한, CNT와 ITO 나노복합재료의 작동기가 스마트 소재로서의 성능을 평가하기 위해 연구하였다. 이러한 작동기는 전기화학적 환경에서 작동된 연신율을 레이저변위센서로 측정 함으로써 작동기의 특성 최적 조건을 찾고, 주파수와 전압, CNT와 ITO의 함량에 따른 작동 연신율을 평가하였다. CNT 나노복합재료와 ITO 나노복합재료의 전기적 특성, 계면 특성 그리고 작동기의 특성을 평가하여 어느 복합재료가 더욱 작동기로 적합한지 평가하였다.
전기화학적 환경에서 사용된 기기는 임의 파형발생기(FG-7002C, EZ), 전압공급기 (GP-4503DU, EZ)로부터 전압을 공급받는 레이저변위센서 (LK-2000 Series, Keyence, Japan), 멀티미터 (34401A, HP), 데이터수집장치 (Agilent 34972A LXI), 산도/전도도 측정기 (Cyberscan PC6000, Eutech)가 사용되었다. 작동기 실험은 임의파형발생기로 주파수와 전압을 공급하였으며, 작동된 연신율은 레이저변위센서로 시편의 연신율을 측정함으로써 계산되며, 실험 중 변화되는 전류와 다른 전기적 데이터는 데이터 수집장치로 조사하였다.
젖음성 측정방법인 동적 및 정적 접촉각 측정 중에서 본 연구에서는 정적 접촉각으로 측정하였다. CNT, ITO, 그리고 PVDF에 측정 용매들의 작고 균일한 드롭을 떨어뜨려 액체와 소재간에 이루어 지는 정적인 접촉각은 광학현미경 사진을 이용하여 각을 직접 측정하였다.
대상 데이터
이렇게 제조된 CNT-PVDF와 ITO-PVDF 나노복합재료가 작동기 시편으로 만들어졌다. 나노복합재료의 CNT와 ITO 함량은 10 wt%로 각각 제작되었다. 제조 한 나노복합재료의 크기는 길이 35mm, 폭 5mm, 두께 0.
다중벽 카본탄소튜브 (MWCNT, 일진나노텍)와 인듐틴옥사이드 (ITO, 미지텍)가 작동기를 제작하는데 사용되었다. 코팅공정에서 CNT와 ITO 용액을 제조하기 위하여, CNT의 분산 용매로 아세톤과 ITO의 분산용매로 에탄올을 사용하였다.
코팅공정에서 CNT와 ITO 용액을 제조하기 위하여, CNT의 분산 용매로 아세톤과 ITO의 분산용매로 에탄올을 사용하였다. 모재로 폴리비닐리덴플루오라이드 (poly(vinylidene fluoride), PVDF, Aldrich)를 다이메틸포름아마이드 (dimethylformamide, DMF)에 용해하여 사용하였다.
CNT, ITO, 그리고 PVDF에 측정 용매들의 작고 균일한 드롭을 떨어뜨려 액체와 소재간에 이루어 지는 정적인 접촉각은 광학현미경 사진을 이용하여 각을 직접 측정하였다. 사용된 측정 용매로는 이중증류수, 포름아마이드, 에틸렌글리콜, 다이오도메탄 네가지 용매를 사용하였다. 정적 접촉각은 Young에 의해 식 (3)으로 표시된다.
전기화학적 환경에서 사용된 기기는 임의 파형발생기(FG-7002C, EZ), 전압공급기 (GP-4503DU, EZ)로부터 전압을 공급받는 레이저변위센서 (LK-2000 Series, Keyence, Japan), 멀티미터 (34401A, HP), 데이터수집장치 (Agilent 34972A LXI), 산도/전도도 측정기 (Cyberscan PC6000, Eutech)가 사용되었다. 작동기 실험은 임의파형발생기로 주파수와 전압을 공급하였으며, 작동된 연신율은 레이저변위센서로 시편의 연신율을 측정함으로써 계산되며, 실험 중 변화되는 전류와 다른 전기적 데이터는 데이터 수집장치로 조사하였다.
나노복합재료의 CNT와 ITO 함량은 10 wt%로 각각 제작되었다. 제조 한 나노복합재료의 크기는 길이 35mm, 폭 5mm, 두께 0.08mm 이다. ITO와 CNT 층의 두께는 0.
다중벽 카본탄소튜브 (MWCNT, 일진나노텍)와 인듐틴옥사이드 (ITO, 미지텍)가 작동기를 제작하는데 사용되었다. 코팅공정에서 CNT와 ITO 용액을 제조하기 위하여, CNT의 분산 용매로 아세톤과 ITO의 분산용매로 에탄올을 사용하였다. 모재로 폴리비닐리덴플루오라이드 (poly(vinylidene fluoride), PVDF, Aldrich)를 다이메틸포름아마이드 (dimethylformamide, DMF)에 용해하여 사용하였다.
이론/모형
CNT 및 ITO 나노복합재료의 전기저항은 4점 탐침법을 사용하여 측정하였다. 표면저항은 단일배열법과 비교하여, 이중 배열법은 모서리 영향을 제거하게 되어 전체 측정거리에서 균일한 전기저항을 구할 수 있다.
성능/효과
나노복합재료의 전기적 특성과 내구성은 반복하중에 따라 전기저항도로써 두 복합재료의 자체감지능을 측정 할 수 있었다. CNT-PVDF가 ITO-PVDF 나노복합재료보다 전기 저항도가 작음을 확인하였다. 나노복합재료의 계면내구성은 PVDF와 두 나노복합재료의 각 표면에 접촉각을 측정함으로서 표면에너지, 그리고 접착일과 퍼짐계수를 측정하였다.
나노복합재료의 작동기 특성은 CNT 나노복합재료와 ITO 나노복합재료는 감지능뿐만 아니라 작동기로서 전기화학적 환경하에서 잘 반응하였다. CNT/PVDF가 ITO/PVDF 나노복합재료보다 크고 안정한 작동 연신율을 보였다. 이는 CNT/PVDF가 ITO/PVDF보다 큰 고유 전기전도성과 나노 구조네트워크가 좀 더 유연하기 때문이다.
전압의 증가에 따라 연신율이 증가하며, 그 반면에 주파수가 증가함에 따라 연신율이 감소함을 보였다. CNT와 ITO의 함량이 증가 할수록 연신율이 증가함을 보여주었다. 본 연구의 주요 결과로, CNT/PVDF가 ITO/PVDF보다 작동기로서 보다 바람직하다는 것을 확인하였다.
하지만, CNT 나노복합재료가 ITO 나노복합재료보다 작동기 연신율 값이 전반적으로 더 크다는 것을 볼 수 있었다. 결과적으로, 작동기 성능은 전도성 물질인 CNT와 ITO의 고유 전도성과 연관이 크므로 움직임이 큰 CNT 나노복합재료가 보다 더 작동기로 적합하다고 생각된다.
ITO의 표면에너지가 높고, 친수성이기 때문에 ITO와 고분자간의 큰 접착일을 보여 주었다. 나노복합재료의 작동기 특성은 CNT 나노복합재료와 ITO 나노복합재료는 감지능뿐만 아니라 작동기로서 전기화학적 환경하에서 잘 반응하였다. CNT/PVDF가 ITO/PVDF 나노복합재료보다 크고 안정한 작동 연신율을 보였다.
전압이 증가함에 따라 작동기 연신율은 증가하였으며, 이에 비해, 주파수가 증가함에 따라 작동기 연신율은 감소함을 보여주었다. 두 CNT, ITO 나노복합재료의 전압과 주파수에 따른 작동기 연신율은 유사한 경향을 보여주었다. 주파수가 증가함에 따라 작동기 연신율이 감소하는 이유는, 주파수를 증가시키면 작동기가 움직일 수 있는 에너지에 비해, 원래 유발된 연신율 만큼 가지 못한 상태에서 다시 반대 방향으로 작동이 되기 때문에 연신율이 점차 줄어든다고 생각된다.
PVDF의 정적 접촉각은 소수성인 89 도이며, 이에 비해 CNT는 초 소수성인 134도를 나타내었다. 또한, ITO는 PVDF나 CNT보다 상대 적으로 훨씬 적은 35 도로 친수성을 보여주었다. 각 CNT와 ITO간의 접촉각이 크게 다르다는 것은 이 재료들의 표면특성 및 나노구조 형상이 다르기 때문이다.
CNT와 ITO의 함량이 증가 할수록 연신율이 증가함을 보여주었다. 본 연구의 주요 결과로, CNT/PVDF가 ITO/PVDF보다 작동기로서 보다 바람직하다는 것을 확인하였다.
이는 CNT/PVDF가 ITO/PVDF보다 큰 고유 전기전도성과 나노 구조네트워크가 좀 더 유연하기 때문이다. 전압의 증가에 따라 연신율이 증가하며, 그 반면에 주파수가 증가함에 따라 연신율이 감소함을 보였다. CNT와 ITO의 함량이 증가 할수록 연신율이 증가함을 보여주었다.
전압이나노복합재료의 작동기 연신율을 보여준다. 전압이 증가함에 따라 작동기 연신율은 증가하였으며, 이에 비해, 주파수가 증가함에 따라 작동기 연신율은 감소함을 보여주었다. 두 CNT, ITO 나노복합재료의 전압과 주파수에 따른 작동기 연신율은 유사한 경향을 보여주었다.
구동하는 원리는 전압을 공급함으로서 내부 전자이동으로 인한 작동이 발생한다. 전자의 이동으로 한쪽 면은 전자가 편중 되어 시편이 팽창하는 반면 다른 면은 전자가 부족하게 되어 시편 수축으로작동기가 움직이는 것을 확인하였다.
CNT 나노복합재료와 ITO 나노복합재료의 작동기 연신율 값을 보았을 때 동일한 경향을 나타낸다. 하지만, CNT 나노복합재료가 ITO 나노복합재료보다 작동기 연신율 값이 전반적으로 더 크다는 것을 볼 수 있었다. 결과적으로, 작동기 성능은 전도성 물질인 CNT와 ITO의 고유 전도성과 연관이 크므로 움직임이 큰 CNT 나노복합재료가 보다 더 작동기로 적합하다고 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전기활성 고분자는 크게 어떻게 나뉘는가?
나노복합재료의 작동기의 대표적인 예로서 전기활성고분자(electroactive polymer)의 일종인 이온성 고분자-금속 복합재료(ionic polymer metal composites, IPMC)은 최근 몇 년간 작동기 구성 물질로서 새롭게 부상하고 있는 재료이다. 전기활성 고분자는 크게 IPMC, 전도성 고분자(conducting polymer), 겔(gel), 그리고 전기변형 고분자(electrostrictive polymer)의 네 가지로 나눌 수 있다. 이 중 전도성 고분자는 고분자의 산화/환원 시에 부피의 변화를 수반하는데 이러한 부피의 변화를 엑츄에이터의 구동원리로 이용하고 있다.
이온성 고분자-금속 복합재료는 어떻게 구동되는 작동기인가?
이 중 전도성 고분자는 고분자의 산화/환원 시에 부피의 변화를 수반하는데 이러한 부피의 변화를 엑츄에이터의 구동원리로 이용하고 있다. IPMC는 고분자막의 양 표면에 금속 전극을 형성한 후에 전계를 인가하면 막 내부에서 이온의 이동에 의한 부피의 변화가 일어나며 결과적으로 전계의 방향에 따라 인장 압축되어 구동되는 작동기이다.
나노복합재료의 작동기 중 대표적인 예로서, 작동기 구성 물질로 떠오르는 재료는 무엇인가?
나노복합재료의 작동기의 대표적인 예로서 전기활성고분자(electroactive polymer)의 일종인 이온성 고분자-금속 복합재료(ionic polymer metal composites, IPMC)은 최근 몇 년간 작동기 구성 물질로서 새롭게 부상하고 있는 재료이다. 전기활성 고분자는 크게 IPMC, 전도성 고분자(conducting polymer), 겔(gel), 그리고 전기변형 고분자(electrostrictive polymer)의 네 가지로 나눌 수 있다.
참고문헌 (9)
Bar-Cohen, Y., Xue, T., Shahinpoor, M., Simpson, J.O., and Smith, J., "Flexible, Low-mass Robotic Arm Actuated by Electroactive Polymers," Proceedings of SPIE's 5th Annual International Symposium on Smart Structures and Materials, No. 3329-07, 1998, pp. 1-6.
Yang, L., Setyowati, K., Li, A., Gong, S., and Chen, J., "Reversible Infrared Actuation of Carbon Nanotube-Liquid Crystalline Elastomer Nanocomposites," Advanced Materials, Vol. 20, 2008, pp. 2271-2275.
Thostenson, E.T., Ren, Z., and Chou, T.W., "Advances in The Science and Technology of Carbon Nanotubes and Their Composites: A Review," Composites Science and Technology, Vol. 61, 2001, pp. 1899-912.
Dilsiz, N., and Wightman, J.P., "Effect of Acid-Base Properties of Unsized and Sized Carbon Fibers on Fiber/Epoxy Matrix Adhesion," Colloids and surfaces A, Vol. 164, 2000, pp. 325-336.
Park, J.M., Son, T.Q., Jung, J.G., and Hwang, B.S., "Interfacial Evaluation of Single Ramie and Kenaf Fiber/Epoxy Resin Composites using Micromechanical Test and Nondestructive Acoustic Emission," Composite Interfaces, Vol. 13, No. 2-3, 2006, pp. 105-129.
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