고분자 기지에 희석제의 첨가로 CNT 및 CB 입자의 분산성 향상 및 연질의 전극을 만들고자하였다. 희석제, CNT 및 CB 함유량에 따른 연질 전극재료의 전기적 및 기계적 특성을 평가하였다. 전극재료로서 최적의 혼합조건은 기지 (KE-12)를 기본으로 희석제 80, CNT 3.5 그리고 CB 18 (phr)이었다. 이때의 비저항 값은 73 (${\Omega}{\cdot}cm$)이었고, 인장강도와 인장탄성율 그리고 신장율은 각각 0.45 MPa, 0.21 MPa, 184%였다. 또한 최적화된 전극과 탄성체를 이용하여 간단한 구조의 구동기를 제작하여 그 특성을 평가하였다. 작동 전압 25 kV에서 탄성체 KE-12는 2.24 mm의 변위가 발생되었고, 희석제가 50 (phr) 혼합된 KE-12는 4.05mm의 변위가 발생되었다. 희석제 50 (phr) 혼합된 KE-12는 3M의 4910과 같은 탄성계수를 나타내지만, 더 높은 변위를 보였다. 동일한 재료 (KE-12)의 전극과 탄성체로 제작된 구동기는 피로수명 및 응용에 많은 장점이 있을 것으로 보인다.
고분자 기지에 희석제의 첨가로 CNT 및 CB 입자의 분산성 향상 및 연질의 전극을 만들고자하였다. 희석제, CNT 및 CB 함유량에 따른 연질 전극재료의 전기적 및 기계적 특성을 평가하였다. 전극재료로서 최적의 혼합조건은 기지 (KE-12)를 기본으로 희석제 80, CNT 3.5 그리고 CB 18 (phr)이었다. 이때의 비저항 값은 73 (${\Omega}{\cdot}cm$)이었고, 인장강도와 인장탄성율 그리고 신장율은 각각 0.45 MPa, 0.21 MPa, 184%였다. 또한 최적화된 전극과 탄성체를 이용하여 간단한 구조의 구동기를 제작하여 그 특성을 평가하였다. 작동 전압 25 kV에서 탄성체 KE-12는 2.24 mm의 변위가 발생되었고, 희석제가 50 (phr) 혼합된 KE-12는 4.05mm의 변위가 발생되었다. 희석제 50 (phr) 혼합된 KE-12는 3M의 4910과 같은 탄성계수를 나타내지만, 더 높은 변위를 보였다. 동일한 재료 (KE-12)의 전극과 탄성체로 제작된 구동기는 피로수명 및 응용에 많은 장점이 있을 것으로 보인다.
A thinner is used to improve the multi-walled carbon nano-tube (CNT) and carbon black (CB) dispersion in a polymer matrix and to make a soft electrode. The electrical and mechanical properties of the soft electrodes are investigated as functions of CNT, CB and thinner content. The optimal mixing con...
A thinner is used to improve the multi-walled carbon nano-tube (CNT) and carbon black (CB) dispersion in a polymer matrix and to make a soft electrode. The electrical and mechanical properties of the soft electrodes are investigated as functions of CNT, CB and thinner content. The optimal mixing condition for the electrode is thinner 80, CNT 3.5, CB 18 (phr) on the basis of matrix (KE-12). The specific resistance of that is 73 (${\Omega}{\cdot}cm$), and tensile strength, tensile modulus, and elongation of that is 0.45 MPa, 0.21 MPa, and 184%, respectively. Also, a simple structure of the actuator with an optimized electrode and elastomer is fabricated and its characteristic is evaluated. At the operating voltage 25 kV, the displacement of an elastomer KE-12 is 2.24 mm, and that of an elastomer KE-12 with thinner 50 (phr) is 4.05 mm. It shows a higher displacement compared to that of 3M 4910 which has similar modulus. The actuator made with elastomer and electrode of the same material (KE-12) may have advantages for fatigue life and application.
A thinner is used to improve the multi-walled carbon nano-tube (CNT) and carbon black (CB) dispersion in a polymer matrix and to make a soft electrode. The electrical and mechanical properties of the soft electrodes are investigated as functions of CNT, CB and thinner content. The optimal mixing condition for the electrode is thinner 80, CNT 3.5, CB 18 (phr) on the basis of matrix (KE-12). The specific resistance of that is 73 (${\Omega}{\cdot}cm$), and tensile strength, tensile modulus, and elongation of that is 0.45 MPa, 0.21 MPa, and 184%, respectively. Also, a simple structure of the actuator with an optimized electrode and elastomer is fabricated and its characteristic is evaluated. At the operating voltage 25 kV, the displacement of an elastomer KE-12 is 2.24 mm, and that of an elastomer KE-12 with thinner 50 (phr) is 4.05 mm. It shows a higher displacement compared to that of 3M 4910 which has similar modulus. The actuator made with elastomer and electrode of the same material (KE-12) may have advantages for fatigue life and application.
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문제 정의
본 연구에서는 고분자 기지에 희석제의 첨가로 CNT 및 CB 입자의 분산성 향상 및 연질의 전극을 만들고자 하며,CNT 및 CB 함유량에 따른 고무복합 전극재료의 전기적 및 기계적 특성을 평가한다. 또한 최적화된 전극과 탄성체를 이용하여 간단한 구조의 구동기를 제작하여 특성을 평가하고자 한다.
본 연구에서는 고분자 기지에 희석제의 첨가로 CNT 및 CB 입자의 분산성 향상 및 연질의 전극을 만들고자 하며,CNT 및 CB 함유량에 따른 고무복합 전극재료의 전기적 및 기계적 특성을 평가한다. 또한 최적화된 전극과 탄성체를 이용하여 간단한 구조의 구동기를 제작하여 특성을 평가하고자 한다.
본 연구에서는 고분자 기지에 희석제의 첨가로 CNT 및 CB 입자의 분산성 향상 및 연질의 전극을 만들고자 하였으며, CNT 및 CB 함유량에 따른 고무복합 전극재료의 전기적 및 기계적 특성을 평가하였다. 전극재료로서 최적의 혼합조건은 기지(KE-12)를 기본으로 희석제 80, CNT 3.
제안 방법
21 MPa, 184%였다. 또한 최적화된 전극과 탄성체를 이용하여 간단한 구조의 구동기를 제작하여 그 특성을 평가하였다. 작동 전압 25 kV에서 탄성체 KE-12에는 2.
구체적으로는 낮은 탄성계수와 높은 유전상수의 탄성체가 높은 전기장에 직면하면 큰 변형을 보인다[1,4]. 전극의 경우 본 연구에서는 고무기지를 기본으로 하고 거기에 탄소나노튜브(CNT, carbon nanotube)와 카본블랙(CB, carbon black) 등의 전도성 나노 탄소입자를 혼합하여 낮은 저항의 전극을 제작한다.
전극의 비저항 측정은 CMT-100MP를 이용하였다. 수동레버식 접촉시스템으로 탐침직경 0.40 mm, 탐침간격 1 mm의 4탐침을 이용하여 측정하였다. 탄성체의 비저항 측정은 초고압 절연 메타(HIOKI사의 SM-8220)로 평판 시료용 전극(SME-8311)을 사용하였다.
기계적 특성 평가를 위해 LLOYD사의 LRY Plus를 이용하여 인장시험을 하였다. 아령형 시편(60×5×1 mm)을 사용하였으며, 실온에서 인장속도는 50 mm/min이었다.
2와 같이 인가전압에 따른 구동기의 변위를 측정하였다. 변위 측정은 레이저(Opto NCDT, MICRO-EPSILON)와 ILD-1302 Tool을 사용하여 구동기 전극 중앙면의 수직변위를 측정하였다. 또한 측면에 카메라를 설치하여 관측하였다.
변위 측정은 레이저(Opto NCDT, MICRO-EPSILON)와 ILD-1302 Tool을 사용하여 구동기 전극 중앙면의 수직변위를 측정하였다. 또한 측면에 카메라를 설치하여 관측하였다.
따라서 Figs. 3과 4에서 전극재료들의 비저항 값과 표면 크랙 발생 등을 고려하여 최적의 전극 혼합조건을 결정하였다. 전극 재료로의 최적 혼합조건은 Fig.
본 논문에서 기지의 특성을 유지하면서 점도를 낮추기 위해 기지 전용 희석제를 사용하였고, 거기에 낮아진 점도만큼의 많은 CNT나 CB 등 전도성 입자를 혼합할 수 있었다. 이러한 시도는 본 연구실에서 진행 중인 것으로 아직 다른 연구결과는 보고되지 않고 있다[11].
대상 데이터
본 연구에서는 고분자 기지에 희석제의 첨가로 CNT 및 CB 입자의 분산성 향상 및 연질의 전극을 만들고자 하였으며, CNT 및 CB 함유량에 따른 고무복합 전극재료의 전기적 및 기계적 특성을 평가하였다. 전극재료로서 최적의 혼합조건은 기지(KE-12)를 기본으로 희석제 80, CNT 3.5 그리고 CB 18(phr)이었다. 이때의 비저항 값은 73(Ω·cm)이었고, 인장강도와 인장탄성율 그리고 신장률은 각각 0.
전극 제작을 위해 사용된 기지는 Table 1과 같이 RTV용실리콘 고무인 신에츠의 KE-12를 사용하였고, 기지의 점도조절을 위하여 신에츠의 비휘발성 RTV용 희석제를 사용하였다. 또한 전도성 탄소 나노 소재의 종류로는 다중벽 CNT와 CB를 사용하였다.
전극 제작을 위해 사용된 기지는 Table 1과 같이 RTV용실리콘 고무인 신에츠의 KE-12를 사용하였고, 기지의 점도조절을 위하여 신에츠의 비휘발성 RTV용 희석제를 사용하였다. 또한 전도성 탄소 나노 소재의 종류로는 다중벽 CNT와 CB를 사용하였다. CNT는 한화나노텍(주)의 CM-100(Φ10~15 nm)이었고, 전도성 CB는 새한 실리캠(주)의 Conductex SC Ultra(Φ20 nm)를 사용하였다.
CNT의 경우 희석제와 함께 초음파 분산기(Sonic & Material사의 VC 750)로 750 Watts에서 20 kHz로 약 1시간 분산 후에 첨가하였다[10]. 기지와 CNT, CB 등이 포함된 혼합용액을 만들기 위해 혼합기를 사용하였다. 먼저 희석제에 CNT를 넣고 초음파 분산시키고, 그것을 기지가 계량된 용기에 넣고 혼합기를 이용하여 혼합한다.
실험에 사용한 탄성체는 상온 경화형 실리콘 고무인 KE12와 구매품인 3M의 4910이다. 각 탄성체의 전기적 및 기계적 특성은 Table 2와 같다.
측정시 KS M ISO 2951, KS M6773을 참고하였으며, 상온에서 시험편(Φ30×1 t)에 500 V를 가하고 10초 후에 측정하였다.
탄성체 수 mm인 구동기에 수십 kV의 고전압을 인가해야 하므로 UltrValt사의 고전압 발생장치(40 kV, 300 μA)를 사용하였다.
40 mm, 탐침간격 1 mm의 4탐침을 이용하여 측정하였다. 탄성체의 비저항 측정은 초고압 절연 메타(HIOKI사의 SM-8220)로 평판 시료용 전극(SME-8311)을 사용하였다. 측정시 KS M ISO 2951, KS M6773을 참고하였으며, 상온에서 시험편(Φ30×1 t)에 500 V를 가하고 10초 후에 측정하였다.
전극자체는 매우 약하므로 구리전극으로 전압을 연결한다. 또한 탄성체를 고정하기 위해 절연성이 큰 아크릴 판을 사용하였다.
3과 4에서 전극재료들의 비저항 값과 표면 크랙 발생 등을 고려하여 최적의 전극 혼합조건을 결정하였다. 전극 재료로의 최적 혼합조건은 Fig. 4의 ↙ 표시부로 기지를 기본으로 희석제 80, CNT 3.5 그리고 CB 18이다. 이때의 비저항 값은 73(Ω·cm)였다.
데이터처리
아령형 시편(60×5×1 mm)을 사용하였으며, 실온에서 인장속도는 50 mm/min이었다. 실험의 시료는 4개 이상을 사용하였으며 얻어진 결과는 이들을 산술평균 하였다.
이론/모형
전극의 비저항 측정은 CMT-100MP를 이용하였다. 수동레버식 접촉시스템으로 탐침직경 0.
성능/효과
또한 Fig. 7에서 기지에 희석제 80의 첨가로 인장강도(T.S.) 및 인장탄성율(T.M.)은 각각 기지의 6%와 9% 수준으로 크게 감소하였고, 신장률은 기지에 비해 11% 증가하였다. 또한 전극의 최적조건(희석제 80 + CNT 3.
9에 사용된 탄성체는 순수 KE-12이고, 비저항 값이 각각 다른 3가지 전극에 대한 전압의 증가에 따른 변위 관계를 나타냈다. 전극의 CB 함유량이 증가할수록 즉, 비저항 값이 감소할수록 동일한 전압에서 변위는 크게 발생됨을 알 수 있다. 또한 CB 10의 경우 20 kV 이후 절연파괴가 발생하였으며, CB 15와CB 18의 경우는 25 kV까지 안정적인 움직임을 보였다.
전극의 CB 함유량이 증가할수록 즉, 비저항 값이 감소할수록 동일한 전압에서 변위는 크게 발생됨을 알 수 있다. 또한 CB 10의 경우 20 kV 이후 절연파괴가 발생하였으며, CB 15와CB 18의 경우는 25 kV까지 안정적인 움직임을 보였다. CB 18의 경우는 앞서 언급 한데로 최적의 전극조건으로 25 kV에서 2.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
EAP는 어떤 장점이 있는가?
EAP는 외부 전압에 따라 큰 변위를 발생하는 소재이다. EAP가 갖는 장점은 기존 구동기로는 따라할 수 없는 실제 근육과 같은 방법으로 작동을 하기 때문에 의학, 의료공학 등에서 로봇, 초소형 비행체, 인공근육 등으로 연구되고 있다[2,3]. 구동기(Actuator)의 구조는 중간에 탄성체(Elastomer)가 위치하고 탄성체 상하에 부착된 2매의 전극(Electrode)으로 구성된다.
EAP는 무엇인가?
국내의 경우 2000년 이후부터 활발한 연구가 되고 있으나 아직 많은 관심과 연구 및 개발을 위한 지원이 필요한 실정이다. EAP는 외부 전압에 따라 큰 변위를 발생하는 소재이다. EAP가 갖는 장점은 기존 구동기로는 따라할 수 없는 실제 근육과 같은 방법으로 작동을 하기 때문에 의학, 의료공학 등에서 로봇, 초소형 비행체, 인공근육 등으로 연구되고 있다[2,3].
EAP 구동기의 동작원리는 무엇인가?
구동기(Actuator)의 구조는 중간에 탄성체(Elastomer)가 위치하고 탄성체 상하에 부착된 2매의 전극(Electrode)으로 구성된다. 동작원리는 2매의 전극에 전압을 가함으로써 압전 효과(Piezoelectric effect), 맥스웰 스트레스 효과(Maxwell stress effect) 등에서 복합적으로 발생하는 힘과 각 전극 내에서 발생하는 상호반발력의 상승작용으로 전극에 대하여 수평방향으로 변형한다. 구체적으로는 낮은 탄성계수와 높은 유전상수의 탄성체가 높은 전기장에 직면하면 큰 변형을 보인다[1,4].
참고문헌 (13)
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Park, J.M., Kim, D.S., Kim, S.J., Kim, P.G., Yoon, D.J., and Lawrence D.K., "Local Electronic Transport through a Junction of SWNT Bundles," Composites: Part B, Vol. 38, 2007, pp. 847.
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