미세-작동기를 위한 전기방사 CNT/PVDF 나노섬유 기반의 탄소 복합재의 기계적 및 전기적 특성 평가 Mechanical and Electrical Properties of Electrospun CNT/PVDF Nanofiber for Micro-Actuator원문보기
CNT를 포함하는 전기방사된 PVDF를 작동기 제조의 소재로 사용하였다. 기계적, 전기적특성과 함께 작동기 성능을 평가하기 위해 전기화학적 환경 내에서 전기화학 및 작동기 거동을 조사하였다. 전기방사된 시트의 특징 중 하나인 유연함을 가지며 분산이 잘 되어 접촉면이 많은 이점이 있기 때문에 작동기 제작방법으로 적합하다고 생각되었다. 전기방사는 여러 가지 요인들로 방사형태가 각각 다르게 나타났다. 본 연구에서는 콜렉터를 드럼형태를 사용하여 방사된 나노섬유의 방향성을 가지게 하였으며 형태를 확인하기 위해 전자현미경을 통해 나노섬유가 정렬된 형상을 확인하였다. 전자침 X-ray 미세분석기를 사용하여 PVDF내에 CNT가 함침 되어 나노섬유가 정렬 된 상태를 확인하였으며, 이러한 형태가 미치는 기계적, 전기적 물성에 영향을 평가하기 위해 인장시험을 통해 인장강도와 전기 저항도를 측정하였다. 정렬된 방향의 나노섬유 시트가 정렬의 직각 방향의 시트보다 상대적으로 기계적 그리고 전기적 물성이 좋게 나타났다. 전기방사된 CNT/PVDF 나노섬유 시트가 작동기로 사용 되었을 때 캐스팅으로 제작된 PVDF 시트의 작동기보다 좋은 효율을 확인하기 위해 전기화학적 환경 내에서 작동기 시험을 진행하여, 작동기 효율과 전기적 용량을 측정하였다. 전기방사된 CNT/PVDF 나노섬유 시트는 CNT와 PVDF간의 접촉면이 많기 때문에, 우수한 작동성을 나타내었다.
CNT를 포함하는 전기방사된 PVDF를 작동기 제조의 소재로 사용하였다. 기계적, 전기적특성과 함께 작동기 성능을 평가하기 위해 전기화학적 환경 내에서 전기화학 및 작동기 거동을 조사하였다. 전기방사된 시트의 특징 중 하나인 유연함을 가지며 분산이 잘 되어 접촉면이 많은 이점이 있기 때문에 작동기 제작방법으로 적합하다고 생각되었다. 전기방사는 여러 가지 요인들로 방사형태가 각각 다르게 나타났다. 본 연구에서는 콜렉터를 드럼형태를 사용하여 방사된 나노섬유의 방향성을 가지게 하였으며 형태를 확인하기 위해 전자현미경을 통해 나노섬유가 정렬된 형상을 확인하였다. 전자침 X-ray 미세분석기를 사용하여 PVDF내에 CNT가 함침 되어 나노섬유가 정렬 된 상태를 확인하였으며, 이러한 형태가 미치는 기계적, 전기적 물성에 영향을 평가하기 위해 인장시험을 통해 인장강도와 전기 저항도를 측정하였다. 정렬된 방향의 나노섬유 시트가 정렬의 직각 방향의 시트보다 상대적으로 기계적 그리고 전기적 물성이 좋게 나타났다. 전기방사된 CNT/PVDF 나노섬유 시트가 작동기로 사용 되었을 때 캐스팅으로 제작된 PVDF 시트의 작동기보다 좋은 효율을 확인하기 위해 전기화학적 환경 내에서 작동기 시험을 진행하여, 작동기 효율과 전기적 용량을 측정하였다. 전기방사된 CNT/PVDF 나노섬유 시트는 CNT와 PVDF간의 접촉면이 많기 때문에, 우수한 작동성을 나타내었다.
The electrospun PVDF containing CNT was made for fabricating materials of the actuator. The electrochemical and their actuating movement were evaluated for the actuator performance in the electrochemical environment. The actuator (which was fabricated by electrospinning) had some advantages, i.e., g...
The electrospun PVDF containing CNT was made for fabricating materials of the actuator. The electrochemical and their actuating movement were evaluated for the actuator performance in the electrochemical environment. The actuator (which was fabricated by electrospinning) had some advantages, i.e., good dispersion and flexible properties. In the electrospinning process, the final product would have different forms based on different essential factors. In this work, electrospun nanofibers were aligned by using the drum-type collector, and the morphology was identified via the field emission-scanning electron microscope (FE-SEM). The uniform dispersion of CNT in PVDF nanofiber was observed by electron probe X-ray micro-analysis (EPMA) test. The results of tensile strength and electrical resistivity provided the aligned state. The electrospun CNT/PVDF nanofiber sheet on the aligned direction showed better mechanical and electrical properties than the case of the vertically-aligned direction. The efficiency and electrical capacities of electrospun CNT/PVDF nanofiber sheets were compared with the cast PVDF sheet for actuator application. Electrospun CNT/PVDF nanofiber sheet exhibited much better the case of actuator performance than cast neat PVDF actuator, due to the excellent electrical connecting areas.
The electrospun PVDF containing CNT was made for fabricating materials of the actuator. The electrochemical and their actuating movement were evaluated for the actuator performance in the electrochemical environment. The actuator (which was fabricated by electrospinning) had some advantages, i.e., good dispersion and flexible properties. In the electrospinning process, the final product would have different forms based on different essential factors. In this work, electrospun nanofibers were aligned by using the drum-type collector, and the morphology was identified via the field emission-scanning electron microscope (FE-SEM). The uniform dispersion of CNT in PVDF nanofiber was observed by electron probe X-ray micro-analysis (EPMA) test. The results of tensile strength and electrical resistivity provided the aligned state. The electrospun CNT/PVDF nanofiber sheet on the aligned direction showed better mechanical and electrical properties than the case of the vertically-aligned direction. The efficiency and electrical capacities of electrospun CNT/PVDF nanofiber sheets were compared with the cast PVDF sheet for actuator application. Electrospun CNT/PVDF nanofiber sheet exhibited much better the case of actuator performance than cast neat PVDF actuator, due to the excellent electrical connecting areas.
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문제 정의
전기방사를 통해 나노섬유의 형태를 SEM을 통해 알아보았으며, CNT/PVDF 나노섬유 기판의 인장시험 동안 기계적, 전기적 물성을 평가하였다. 나노복합재료의 작동기가 스마트소재로서의 성능을 평가하기 위해 전기화학적 환경에서 작동 된 연신율과 전류를 측정하여 작동기 성능을 연구하였다.
또한 입자의 분산성 측면에서도 유리한 기술로 필터, 바이오케미컬, 배터리, 센서 등 많은 분야의 연구에 광범위하게 활용되고 있다[14-15]. 본 연구는 전극과 고분자기판의 접촉면을 넓히기 위해 전기방사를 통해 기판 내에 전도성 나노입자인 CNT를 도입함으로서 전극과 기판의 접촉면을 증가시켜 작동기 제작을 하였다. 전기방사를 통해 나노섬유의 형태를 SEM을 통해 알아보았으며, CNT/PVDF 나노섬유 기판의 인장시험 동안 기계적, 전기적 물성을 평가하였다.
제안 방법
작동기를 위한 복합재에서 하중을 받는 기판인 CNT/PVDF 나노섬유 시트의 인장 시 강도 및 전기적 저항을 측정하였다. 나노섬유 시트의 전기저항은 4점 탐침법을 사용하여 측정하였다.
전기방사된 CNT/PVDF 나노섬유 시트를 기반으로 제작한 작동기의 형태에 따라 기계적, 전기적 물성을 측정하였으며, 작동기로 응용 시 변위를 평가하였다. CNT/PVDF 나노섬유 시트를 전기방사를 통해 제작하였으며 이는 전도성 물질이자 전극인 CNT와 PVDF간의 접촉면을 증가시켰으며, 전기방사된 시트의 특성인 유연성을 향상시켜 작동기 응용 시 효율적인 결과를 확인하였다.
본 연구는 전극과 고분자기판의 접촉면을 넓히기 위해 전기방사를 통해 기판 내에 전도성 나노입자인 CNT를 도입함으로서 전극과 기판의 접촉면을 증가시켜 작동기 제작을 하였다. 전기방사를 통해 나노섬유의 형태를 SEM을 통해 알아보았으며, CNT/PVDF 나노섬유 기판의 인장시험 동안 기계적, 전기적 물성을 평가하였다. 나노복합재료의 작동기가 스마트소재로서의 성능을 평가하기 위해 전기화학적 환경에서 작동 된 연신율과 전류를 측정하여 작동기 성능을 연구하였다.
대상 데이터
제조한 CNT 분산용액과 PVDF 용액을 섞어 분산시켜 제작되었다. 또한, 작동기의 전극으로 CNT를 사용하였으며, 스프레이 코팅으로 제작하였다. 코팅공정에서 CNT 용액을 제조하기 위하여, 전극 CNT의 분산 용매로 아세톤(acetone, 삼천화학) 을 사용하였다.
작동기의 전극으로는 균질도포된 CNT를 사용하였으며, CNT를 아세톤을 사용하여 0.1 wt%의 코팅용액을 제작하였다. 코팅용액은 전기방사 된 CNT/PVDF 나노섬유 시트와 캐스팅된 PVDF 시트 위에 스프레이 코팅방법으로 전극을 제작하였다.
전기방사를 통한 CNT/PVDF 나노섬유 기판을 제조하기 위해 직경이 10-25 nm, 형상비가 400-1000 l/d, 밀도 1.55 g/cm3인 다중벽 카본탄소튜브(multi-wall carbon nanotube, MWCNT, 일진나노텍)와 평균분자량이 530,000 g/mol인 폴리비닐리덴플루 오라이드(poly(vinylidene fluoride), PVDF, 347078, Aldrich)를 용매인 디메틸포름아마이드(dimethylformamide, DMF, Samchun chem.)에 각각 분산 및 용해하여 CNT 분산용액과 PVDF 용액을 제조하였다. 제조한 CNT 분산용액과 PVDF 용액을 섞어 분산시켜 제작되었다.
4는 전기화학적 환경에서 작동기의 실험 장치를 보여준다. 전기화학적 환경에서 사용된 기기는 임의 파형발생기(FG-7002C, EZ, 한국), 전압공급기(GP-4503DU, EZ, 한국)로부터 전압을 공급받는 레이저변위센서(LK-2000 Series, Keyence, 일본), 데이터수집장치(34972A LXI, Agilent, 미국)가 사용되었다. 구동하는 원리는 전압을 공급함으로서 내부 전자이동으로 인한 작동이 발생한다.
또한, 작동기의 전극으로 CNT를 사용하였으며, 스프레이 코팅으로 제작하였다. 코팅공정에서 CNT 용액을 제조하기 위하여, 전극 CNT의 분산 용매로 아세톤(acetone, 삼천화학) 을 사용하였다.
데이터처리
본 연구에서는 드럼형태 콜렉터를 사용하여 나노섬유에 방향성을 주었다. 전기방사 된 형태는 전계방출 주사전자현미경(Field emission scanning electron microscope, FE-SEM, XL30S FEG, Philips)과 전자탐침미세분석기(Electron probe X-ray microanalyzer, EPMA, JXA-8100, Jeol)을 통해 관찰하였다.
성능/효과
전기방사된 CNT/PVDF 나노섬유 시트를 기반으로 제작한 작동기의 형태에 따라 기계적, 전기적 물성을 측정하였으며, 작동기로 응용 시 변위를 평가하였다. CNT/PVDF 나노섬유 시트를 전기방사를 통해 제작하였으며 이는 전도성 물질이자 전극인 CNT와 PVDF간의 접촉면을 증가시켰으며, 전기방사된 시트의 특성인 유연성을 향상시켜 작동기 응용 시 효율적인 결과를 확인하였다. 먼저 전기방사는 여러 가지 요인들로 나노섬유의 형태가 정해지며 그 중 콜렉터를 바꿔 형태변화가 어떻게 되는지 SEM을 통해 확인하였다.
이를 작동기로 작동시켰을 때 변위 값과 전기적 용량이 상대적으로 크고 효율적 임을 확인하였다. 따라서, 전기방사를 통해 제작된 나노복합재료의 기계적, 전기적, 전기화학적 물성이 작동기 응용에 적합하다는 것을 평가하였다.
정렬된 나노 섬유 시트가 인장강도가 높으며 전기적 특성이 좋음을 확인 할 수 있었다. 또한, 전기화학적 환경 내에서 작동기 응용시 CNT/PVDF 나노섬유 시트를 기반으로 제작한 작동기가 캐스팅으로 제작된 PVDF 시트를 기반으로 제작된 작동기보다 변위와 전류밀도가 높다. 이는 전극과 고분자 간의 전기적 접촉면이 증가하여 전기적 특성이 증가한다.
이는 전극과 고분자 간의 전기적 접촉면이 증가하여 전기적 특성이 증가한다. 이를 작동기로 작동시켰을 때 변위 값과 전기적 용량이 상대적으로 크고 효율적 임을 확인하였다. 따라서, 전기방사를 통해 제작된 나노복합재료의 기계적, 전기적, 전기화학적 물성이 작동기 응용에 적합하다는 것을 평가하였다.
기계적, 전기적 물성은 인장시험을 통해 인장강도와 전기 저항도를 확인하였다. 정렬된 나노 섬유 시트가 인장강도가 높으며 전기적 특성이 좋음을 확인 할 수 있었다. 또한, 전기화학적 환경 내에서 작동기 응용시 CNT/PVDF 나노섬유 시트를 기반으로 제작한 작동기가 캐스팅으로 제작된 PVDF 시트를 기반으로 제작된 작동기보다 변위와 전류밀도가 높다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
이온성 고분자-금속 복합체 작동기는 무엇인가?
이온성 고분자-금속 복합체(ionic polymer-metal composites, IPMC) 작동기는 외부의 전기적인 자극에 의해 형상이 변하는 전기활성 고분자(electroactive polymer, EAP)의 하나로서 이온전도성 고분자의 면에 전극 층이 입혀진 구조로 되어 있다. 전도성 고분자 작동기와 IPMC는 기존의 작동기에 비해 저전압 구동이 가능하고 동작 시 열이나 전자기파 등을 발생하지 않으며 이러한 성질을 이용하여 인공근육의 제작 또는 팔다리의 동작을 모방하는데 이용된다[1-3].
전도성 고분자는 어떤 특징으로 인해 작동기의 구동원리로 이용되고 있는가?
전도성 고분자는 고분자의 산화/환원 시에 부피의 변화를 수반하는데 이러한 부피의 변화를 작동기의 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.
이온성 고분자-금속 복합체 작동기와 전도성 고분자 작동기는 기존의 작동기에 비해 어떤 장점을 갖는가?
이온성 고분자-금속 복합체(ionic polymer-metal composites, IPMC) 작동기는 외부의 전기적인 자극에 의해 형상이 변하는 전기활성 고분자(electroactive polymer, EAP)의 하나로서 이온전도성 고분자의 면에 전극 층이 입혀진 구조로 되어 있다. 전도성 고분자 작동기와 IPMC는 기존의 작동기에 비해 저전압 구동이 가능하고 동작 시 열이나 전자기파 등을 발생하지 않으며 이러한 성질을 이용하여 인공근육의 제작 또는 팔다리의 동작을 모방하는데 이용된다[1-3]. 본 연구에서 사용된 PVDF (poly(vinylidene fluoride))는 압전능을 가진 고분자로서 작동기 재료로 사용될 수 있는 스마트 재료로 연구되고 있다[4,5].
참고문헌 (16)
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