[논문]고무 복합재료의 압저항 효과

정준호; 윤주호; 김일; 심상은

doi:10.7473/ec.2013.48.1.76

[국내논문] 고무 복합재료의 압저항 효과
Rubber Composites with Piezoresistive Effects 원문보기

Elastomers and composites = 엘라스토머 및 콤포지트, v.48 no.1, 2013년, pp.76 - 84

정준호 (인하대학교 화학공학과) , 윤주호 (자동차부품연구원) , 김일 (부산대학교 고분자공학과) , 심상은 (인하대학교 화학공학과)

초록
AI-Helper

압저항 효과(piezoresistive effect)는 가해진 외부 압력이나 힘에 의해 전기적 저항이 변하는 것을 말한다. 이러한 압저항 효과는 압력, 진동, 가속 등을 탐지하는 센서에 많이 이용되고 있다. 압저항 효과를 갖는 재료가 많지만 그 중에서도 특히, 전도성 충전제를 첨가한 고무 복합체는 충전제의 종류, 입자 크기, 입자 모양, 입자 종횡비(aspect ratio), 그리고 입자의 양 등을 조절하여 다양한 압력 범위에서의 압저항 효과를 발현할 수 있고, 고무를 기질로 사용함으로써 복합체에 탄성과 유연성을 줄 수 있기 때문에 많은 관심을 받고 있다. 본 논문에서는 압저항 효과의 기본원리 및 다양한 고무 복합체의 압저항 효과에 대해 알아본다.

Abstract ▼ AI-Helper

The term 'Piezoresistive effect' describes a change in the electrical resistance of the material from deformed to its original shape by the external pressure, e.g., elongation, compression, etc. This phenomenon has various applications of sensors for monitoring pressure, vibration, and acceleration. Although there are many materials which have the piezoresistive effect, rubber (nano)composites with conductive fillers have attracted a great deal of attention because the piezoresistive effect appears at the various range of pressure by controlling the type of filler, particle size, particle shape, aspect ratio of particles, and filler content. Especially one can obtain the composites with elasticity and flexibility by using the rubber as a matrix. This paper aims to review the piezoresistive effect itself, their basic principles, and the various conductive rubber-composites with piezoresistive effect.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 연구된 자료를 통해 압저항 효과를 갖는 고무복합체에 관한 진행 상황을 알아보았다. 압저항 효과를 갖는 고무 복합체는 다양한 종류의 전도성 충전제를 첨가하여 그 성능을 발휘할 수 있다.

제안 방법

문헌 정보 분석은 “ piezoresist rubber composite' or 'piezoresist elastomer composite'”을 주제로 수행하여 총 155건의 검색 결과를 얻었으며 이를 토대로 하여 나라별, 연도별 특허와 논문에 관한 객관적인 결과를 도출하였다.
Dang은 확연히 다른 종횡비 (aspect ratio, AR)를 갖는 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)와 메틸비닐실리콘(methylvinyl silicone) 고무 복합체에 대해 연구를 진행하였다¹⁶. 각각 종횡비 50과 500을 갖는 다중벽 탄소나노튜브를 사용하였고, 균일한 분산을 위해서 wet mixing을 하였다. 압력을 주지 않았을 때, 종횡비가 작은 것(AR=50)이 큰 것(AR=500) 보다 분산이 더 잘되고 전도도 역시 더 많이 향상되었지만, 종횡비가 큰 것은 입자 자체가 엉키고 꼬여서 전도도 향상에 덜 효과적이었다.
실리콘 고무 기질과 섞어 주는 과정에서 충전제 입자 표면이 손상될 수 있기 때문에 섞어주는 강도에 따라서 저항의 변화를 관찰하였다. 가장 많이 손상된 니켈 충전제를 갖는 복합체가 가해진 힘에 대한 민감도가 떨어졌다.
Hussain은 카본과 실리콘 고무복합체 제조방법과 그에 따른 전기적 거동을 연구하였다²⁸. 충전제를 균일하게 분산시키기 위해 용매를 사용하는 wet mixing을 하였다. 그리고 가해준 압력에 따라 저항이 너무 급격히 변하면 실용적으로 사용하기에 적합하지 않기 때문에 고무 분말과 다공성 고분자재료를 함께 사용하였다.

대상 데이터

충전제를 균일하게 분산시키기 위해 용매를 사용하는 wet mixing을 하였다. 그리고 가해준 압력에 따라 저항이 너무 급격히 변하면 실용적으로 사용하기에 적합하지 않기 때문에 고무 분말과 다공성 고분자재료를 함께 사용하였다. 압축횟수에 따른 저항변화의 편차를 줄이기 위해 헥산(hexane)을 용매로 사용하였고 알루미늄 산화물(Al₂O₃)도 같이 충전하였다.

성능/효과

. 나노(nano) 크기의 카본 입자들이 10 %의 무게 비일 때 가장 좋은 결과를 나타내는데, 40 %의 인장변형실험에서 복합체의 저항은 10⁴ Wcm 정도가 변화되었고 0.4 MPa의 압축 실험에서는 10³ Wcm 정도가 변화되었다. Figure 2에 인장실험과 압축실험 장치를 도시하였다.
만약 사전 압축 후 가해주는 압력이 사전 압축의 압력보다 작다면, 복합체의 저항은 압축횟수에 따라 조금씩 변하고, 반대로 사전압축의 압력보다 큰 압력을 준다면 이 전의 저항 데이터보다 저항의 변화가 크게 나타난다. 따라서 사전 압축보다 주어진 압력이 작을 때, 압저항 반복성이 향상된다는 것을 확인하였다. 그 결과 데이터를 Table 2에 나타내었다.
Del Castillo-Castro는 압력센서로서 응용하기 위해 hydrochloric polyaniline (PANI-Cl)와 가교된 hydroxyl-terminated polydimethyl siloxane (HO-PDMS)의 복합체를 연구하였다.²¹ 복합체의 압저항 특성은 샘플의 구성과 변형 속도에 영향을 받고, 20 wt%의 PANI-Cl을 충전시킨 복합체는 전기-기계적 변환기에 응용될 수 있는 가능성을 보여주었다. Wang과 Ding 은 카본블랙의 함량에 따른 카본블랙을 충전제로 한 실리콘 고무 복합체의 압저항성에 대해 연구하였다²².
실리콘 고무 기질과 섞어 주는 과정에서 충전제 입자 표면이 손상될 수 있기 때문에 섞어주는 강도에 따라서 저항의 변화를 관찰하였다. 가장 많이 손상된 니켈 충전제를 갖는 복합체가 가해진 힘에 대한 민감도가 떨어졌다. Hussain은 카본과 실리콘 고무복합체 제조방법과 그에 따른 전기적 거동을 연구하였다²⁸.
각각 종횡비 50과 500을 갖는 다중벽 탄소나노튜브를 사용하였고, 균일한 분산을 위해서 wet mixing을 하였다. 압력을 주지 않았을 때, 종횡비가 작은 것(AR=50)이 큰 것(AR=500) 보다 분산이 더 잘되고 전도도 역시 더 많이 향상되었지만, 종횡비가 큰 것은 입자 자체가 엉키고 꼬여서 전도도 향상에 덜 효과적이었다. 하지만 압력을 주었을 때, Figure 3에서와 같이 종횡비가 작은 다중벽 탄소나노튜브가 형성하는 덩어리(cluster)가 작고 다중벽 탄소나노튜브들 사이의 거리도 멀어서 저항변화가 작고 압력에 대한 민감도(sensitivity) 가 떨어진다.
Chen은 흑연 나노시트(graphite nanosheet)와 실리콘 고무 복합체에서 손가락 인식에 대한 압저항 거동에 대해 연구하였다¹⁹. 이 복합체는 1.36 vol%의 흑연 나노시트를 첨가하였을 때 손가락 압력 범위에 해당하는 낮은 압력에서 저항이 크게 변하면서 매우 민감한 압저항성을 보였다. 그리고 고무의 좋은 탄성과, 흑연 나노시트들간의 응집보다 흑연 나노시트와 고분자기질의 강한 접착성 때문에 반복 실험에서 압저항성의 변화가 적었다.

후속연구

고무는 다른 재료들에 비해 영률이 낮아서 복합체의 기질로서 사용하면, 복합체에 고무의 가장 큰 특징인 유연성을 나타낼 수 있기 때문에 굴곡이 있는 압력센서에서도 충분히 사용할 수 있고, 고무의 탄성은 동적인 제품의 반복적인 사용에도 큰 변형 없이 다시 원래 형태로 돌아올 수 있게 해 준다. 또한 실리콘 고무(silicone rubber)의 경우에는 내열성, 내한성, 내후성, 내수성 등이 뛰어난 재료이면서 특히 사람에게 해롭지 않고 사람 피부와 가장 비슷한 촉감을 주기 때문에 압저항 효과 연구에 기질로서 많이 쓰여지고 있고, 그 외의 이용 분야에서 매우 좋은 재료 중에 하나로 사용될 수 있을 것이다.
고무를 기질로 사용함으로써 복합체에 고무의 탄성과 유연성 등의 독특한 특성을 갖게 해 주기 때문에 플라스틱 같이 딱딱한 재료와는 달리 기존의 센서가 사용되기 어려웠던 분야에 접근이 용이해 질 것이다. 그리고 센서뿐만 아니라 우리 생활에 큰 영향을 줄 수 있는 다양한 산업 분야에 관심을 두고 있기 때문에 여러 적용분야에서 압저항 효과를 갖는 고무가 사용될 것으로 보이며, 국내에서도 보다 많은 연구가 이루어지기를 바라는 바이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	압전 효과와 압저항효과는 어떻게 다른가?	압저항 효과(Piezoresistive effect)란 외부의 압력이나 힘에 의해 재료의 전기 저항이 변화되는 것을 말한다. 이것은 전기 저항의 변화만 야기시키기 때문에 압저항 효과는 전기적 포텐셜(electrical potential)의 변화를 야기시키는 압전 효과 (piezoelectric effect)와는 구분되어야 한다.
	압저항 센서의 딱딱함으로 인한 한계는?	하지만 전체 시스템의 안전성을 확보해야 하는 산업장비의 구부러진 표면에서는 기존의 딱딱한 압력센서들이 그 기능을 제대로 수행하지 못한다. 그리고 생체역학, 생리학, 신체운동 등과 같은 연구에서도, 생물조직의 구부러진 표면을 확인해야 하고 또한 그것들과 관련하여 큰 변형을 견디어 낼 수 있는 장치가 필요하지만 보통의 변형게이지들은 그러한 용도에는 적합하지 않다. 또한 자동화, 서비스 로봇, 우주 로봇과 관련된 산업에서, 상호접촉작용은 물리적 조작 시스템의 기본적인 특징이어서 촉감 센서 기술은 큰 관심을 갖고 있다. 표면에 촉감장치를 도입하기 위해 연속적인 smart sensing skin으로 감싸는 아이디어에도 유연하지 못한 재료들은 사용하기에 적합하지 않다3.
	압저항 효과란?	압저항 효과(Piezoresistive effect)란 외부의 압력이나 힘에 의해 재료의 전기 저항이 변화되는 것을 말한다. 이것은 전기 저항의 변화만 야기시키기 때문에 압저항 효과는 전기적 포텐셜(electrical potential)의 변화를 야기시키는 압전 효과 (piezoelectric effect)와는 구분되어야 한다.

참고문헌 (28)

W. Thomson, "On the electro-dynamic qualities of metals:--effects of magnetization on the electric conductivity of nickel and of iron", Proc. R. Soc. Lodon., 8, 546 (1856).

상세보기
J. W. Cookson, "Theory of the piezo-resistive effect", Phys. Rev., 47, 194 (1935).

상세보기
G. Canavese, M. Lombardi, S. Stassi and C. F. Pirri, "Comprehensive characterization of large piezoresistive variation of Ni-PDMS composites", Appl Mech Mater., 110, 1336 (2012).
W. Brantley, "Calculated elastic constants for stress problems associated with semiconductor devices", J. Appl. Phys., 44, 534 (1973).

상세보기
D. Franca and A. Blouin, "All-optical measurement of in-plane and out-of-plane Young's modulus and Poisson's ratio in silicon wafers by means of vibration modes", Meas. Sci. Technol., 15, 859 (2004).

상세보기
I. S. Sokolnikoff and R. D. Specht, 'Mathematical theory of elasticity'. McGraw-Hill New York 1956.
H. Rolnick, "Tension coefficient of resistance of metals", Phys. Rev., 36, 506 (1930).

상세보기
X. W. Zhang, Y. Pan, Q. Zheng and X. S. Yi, "Piezoresistance of conductor filled insulator composites", Polym. Int., 50, 229 (2001).

상세보기
G. Ruschau, S. Yoshikawa and R. Newnham, "Resistivities of conductive composites", J. Appl. Phys., 72, 953 (1992).

상세보기
K. Ohe and Y. Naito, "A new resistor having an anomalously large positive temperature coefficient", Jpn. J. Appl. Phys., 10, 99 (1971).

상세보기
J. G. Simmons, "Electric tunnel effect between dissimilar electrodes separated by a thin insulating film", J. Appl. Phys., 34, 2581 (1963).

상세보기
J. G. Simmons, "Generalized formula for the electric tunnel effect between similar electrodes separated by a thin insulating film", J. Appl. Phys., 34, 1793 (1963).

상세보기
J. G. Simmons, "LowVoltage CurrentVoltage Relationship of Tunnel Junctions", J. Appl. Phys., 34, 238 (1963).

상세보기
J. G. Simmons and G. J. Unterkofler, "Potential Barrier Shape Determination in Tunnel Junctions", J. Appl. Phys., 34, 1828 (1963).

상세보기
M. Knite, V. Teteris, A. Kiploka and J. Kaupuzs, "Polyisoprene-carbon black nanocomposites as tensile strain and pressure sensor materials", Sens. Actuators A., 110, 142 (2004).

상세보기
Z. M. Dang, M. J. Jiang, D. Xie, S. H. Yao, L. Q. Zhang and J. Bai, "Supersensitive linear piezoresistive property in carbon nanotubes/silicone rubber nanocomposites", J. Appl. Phys., 104, 024114 (2008).

상세보기
L. Wang, T. Ding and P. Wang, "Effects of compression cycles and precompression pressure on the repeatability of piezoresistivity for carbon blackfilled silicone rubber composite", J. Polym. Sci. B, Polym. Phys., 46, 1050 (2008).

상세보기
M. K. Abyaneh and S. K. Kulkarni, "Giant piezoresistive response in zinc-polydimethylsiloxane composites under uniaxial pressure", J. Phys. D, 41, 135405 (2008).

상세보기
L. Chen, G. Chen and L. Lu, "Piezoresistive Behavior Study on FingerSensing Silicone Rubber/Graphite Nanosheet Nanocomposites", Adv. Funct. Mater., 17, 898 (2007).

상세보기
D. Y. Jeong, J. Ryu, Y. S. Lim, S. Dong and D. S. Park, "Piezoresistive TiB2/silicone rubber composites for circuit breakers", Sens. Actuators A., 149, 246 (2009).

상세보기
T. del Castillo-Castro, M. Castillo-Ortega, J. Encinas, P. Herrera Franco and H. Carrillo-Escalante, "Piezo-resistance effect in composite based on cross-linked polydimethylsiloxane and polyaniline: potential pressure sensor application", J. Mater. Sci., 47, 1794 (2012).

상세보기
W. Luheng, D. Tianhuai and W. Peng, "Influence of carbon black concentration on piezoresistivity for carbon-black-filled silicone rubber composite", Carbon, 47, 3151 (2009).

상세보기
T. Ding, L. Wang and P. Wang, "Changes in electrical resistance of carbonblackfilled silicone rubber composite during compression", J. Polym. Sci. Part B: Polym. Phys., 45, 2700 (2007).

상세보기
L. Wang, T. Ding and P. Wang, "Effects of instantaneous compression pressure on electrical resistance of carbon black filled silicone rubber composite during compressive stress relaxation", Composites Sci. Technol., 68, 3448 (2008).

상세보기
L. Wang, T. Ding and P. Wang, "Research on stress and electrical resistance of skin-sensing silicone rubber/carbon black nanocomposite during decompressive stress relaxation", Smart Mater. Struct., 18, 065002 (2009).

상세보기
A. Job, F. Oliveira, N. Alves, J. Giacometti and L. Mattoso, "Conductive composites of natural rubber and carbon black for pressure sensors", Synth. Met., 135, 99 (2003).

상세보기
D. Bloor, K. Donnelly, P. Hands, P. Laughlin and D. Lussey, "A metal-polymer composite with unusual properties", J. Phys. D., 38, 2851 (2005).

상세보기
M. Hussain, Y. H. Choa and K. Niihara, "Fabrication process and electrical behavior of novel pressure-sensitive composites", Composites. Part A., 32, 1689 (2001).

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

활용도 분석정보

상세보기

다운로드

내보내기

활용도 Top5 논문

해당 논문의 주제분야에서 활용도가 높은 상위 5개 콘텐츠를 보여줍니다.
더보기 버튼을 클릭하시면 더 많은 관련자료를 살펴볼 수 있습니다.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증