손상 감지 모니터링을 위한 탄소섬유 복합재료와 인쇄된 은 전극 사이의 접촉저항 평가 Evaluation of Contact Resistance between Carbon Fiber/Epoxy Composite Laminate and Printed Silver Electrode for Damage Monitoring원문보기
위치 감응형 전극 네트워크(addressable conducting network, ACN)는 탄소섬유 복합재료와 전극 사이의 접촉저항을 통해 구조물의 손상 감지가 가능하다. 손상 감지를 위한 위치 감응형 전극 네트워크의 신뢰성을 향상시키기 위해서는 전극과 복합재료 사이의 접촉저항이 최소화되어야 한다. 본 연구에서는 은 나노 전극을 탄소섬유 복합재료 위에 인쇄전자기술을 이용하여 제작하였다. 은 전극이 형성된 복합재료는 은 나노 잉크의 소결온도와 복합재료의 표면거칠기에 따라 제작되었으며, 이에 따른 접촉저항을 측정하였다. 또한, 전자주사현미경(scanning electron microscope, SEM)을 통해 전극과 복합재료 사이의 계면을 관찰하였다. 본 연구를 통해, 은 나노 잉크의 소결온도가 $120^{\circ}C$, 복합재료의 표면거칠기가 0.230a일 때, $0.3664{\Omega}$의 최소 접촉저항을 나타냈다.
위치 감응형 전극 네트워크(addressable conducting network, ACN)는 탄소섬유 복합재료와 전극 사이의 접촉저항을 통해 구조물의 손상 감지가 가능하다. 손상 감지를 위한 위치 감응형 전극 네트워크의 신뢰성을 향상시키기 위해서는 전극과 복합재료 사이의 접촉저항이 최소화되어야 한다. 본 연구에서는 은 나노 전극을 탄소섬유 복합재료 위에 인쇄전자기술을 이용하여 제작하였다. 은 전극이 형성된 복합재료는 은 나노 잉크의 소결온도와 복합재료의 표면거칠기에 따라 제작되었으며, 이에 따른 접촉저항을 측정하였다. 또한, 전자주사현미경(scanning electron microscope, SEM)을 통해 전극과 복합재료 사이의 계면을 관찰하였다. 본 연구를 통해, 은 나노 잉크의 소결온도가 $120^{\circ}C$, 복합재료의 표면거칠기가 0.230a일 때, $0.3664{\Omega}$의 최소 접촉저항을 나타냈다.
An addressable conducting network (ACN) makes it possible to monitor the condition of a structure using the electrical resistance between electrodes on the surface of a carbon fiber reinforced plastics (CFRP) structure. To improve the damage detection reliability of the ACN, the contact resistances ...
An addressable conducting network (ACN) makes it possible to monitor the condition of a structure using the electrical resistance between electrodes on the surface of a carbon fiber reinforced plastics (CFRP) structure. To improve the damage detection reliability of the ACN, the contact resistances between the electrodes and CFRP laminates needs to be minimized. In this study, silver nanoparticle electrodes were fabricated via printed electronics techniques on a CFRP composite. The contact resistance between the silver electrodes and CFRP were measured with respect to various fabrication conditions such as the sintering temperature of the silver nano-ink and the surface roughness of the CFRP laminates. The interfaces between the silver electrode and carbon fibers were observed using a scanning electron microscope (SEM). Based on this study, it was found that the lowest contact resistance of $0.3664{\Omega}$ could be achieved when the sintering temperature of the silver nano-ink and surface roughness were $120^{\circ}C$ and 0.230 a, respectively.
An addressable conducting network (ACN) makes it possible to monitor the condition of a structure using the electrical resistance between electrodes on the surface of a carbon fiber reinforced plastics (CFRP) structure. To improve the damage detection reliability of the ACN, the contact resistances between the electrodes and CFRP laminates needs to be minimized. In this study, silver nanoparticle electrodes were fabricated via printed electronics techniques on a CFRP composite. The contact resistance between the silver electrodes and CFRP were measured with respect to various fabrication conditions such as the sintering temperature of the silver nano-ink and the surface roughness of the CFRP laminates. The interfaces between the silver electrode and carbon fibers were observed using a scanning electron microscope (SEM). Based on this study, it was found that the lowest contact resistance of $0.3664{\Omega}$ could be achieved when the sintering temperature of the silver nano-ink and surface roughness were $120^{\circ}C$ and 0.230 a, respectively.
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문제 정의
본 연구에서는 위치 감응형 전극망을 이용한 구조물의 손상 감지 모니터링을 위한 기초 연구로서 은 나노잉크의 소결온도, 복합재료의 표면거칠기에 따른 은 전극/복합재료의 접촉저항에 관한 연구를 수행하였다. 그 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 은 나노잉크(nano-ink)의 소결 온도와 탄소섬유 복합재료의 표면거칠기에 따른은 전극/탄소섬유 복합재료의 접촉저항을 평가하였다. 은 전극의 소결 형상과 전자주사현미경(scanning elelctron microscope, SEM)을 통해 분석하였다.
제안 방법
2) 은 전극/복합재료의 접착강도를 평가하기 위해 스카치테이프 테스트와 스크래치 테스트를 수행하였다. 스크래치 테스트를 통해 복합 재료의 표면거칠기가 높을수록 가장 높은 접착강도를 갖는 것을 확인하였고, 스카치테이프 테스트를 통해 표면거칠기에 상관없이 우수한 접착강도(5B)를 얻었으며, 인장하중에 대해서도 0.
그 후, 1 mm/s의 속도로 5 mm의 스크래치를 생성하였다. 광학현미경을 통해 스크래치 및 복합재료 표면을 분석하였다.
은 전극의 소결 형상과 전자주사현미경(scanning elelctron microscope, SEM)을 통해 분석하였다. 또한, 은 전극이 인쇄된 복합재료의 단면을 관찰하였다. 인장에 의한 접촉저항의 변화를 살펴보기 위해 인장실험도 수행하였다.
또한, 접착강도를 평가하기 위해 스카치테이프 테스트(scotch tape test)를 수행하였다[12]. 소결된 은 전극 위에 1 mm 간격으로 가로 세로 11개의 패턴을 생성하였고, 그 위에 스카치테이프(600 transparent tape, 3M)를 붙였다가 떼어냈다.
이에 따라 원자현미경을 이용하여 사포의 종류에 따라 연마된 복합재료의 표면을 관찰하였다. 또한, 주사전자현미경을 이용하여 소결온도에 따른 은 나노 입자의 소결 양상과 은 전극/복합재료의 계면을 관찰하였다.
은 전극과 복합재료의 접착강도를 평가하기 위해 스크래치 테스트와 스카치테이프 테스트를 수행하였다. Fig.
본 연구에서는 은 나노잉크(nano-ink)의 소결 온도와 탄소섬유 복합재료의 표면거칠기에 따른은 전극/탄소섬유 복합재료의 접촉저항을 평가하였다. 은 전극의 소결 형상과 전자주사현미경(scanning elelctron microscope, SEM)을 통해 분석하였다. 또한, 은 전극이 인쇄된 복합재료의 단면을 관찰하였다.
또한, 작은 입자로 연마를 할 경우 탄소섬유 원형 형태의 형상이 잘 드러났다. 이 원인을 파악하기 위하여 AFM 분석 프로그램(XEI 1.8.0. Build 82)를 통해 노출된 탄소섬유의 면적과 연마된 복합재료의 총 면적을 계산하였다 (Fig. 6(a)).
복합재료의 표면거칠기와 형상(morphology)은 은 전극과 복합재료 사이의 접촉저항(contact resistance)과 접착강도(adhesion strength)에 큰 영향을 미친다. 이에 따라 원자현미경을 이용하여 사포의 종류에 따라 연마된 복합재료의 표면을 관찰하였다. 또한, 주사전자현미경을 이용하여 소결온도에 따른 은 나노 입자의 소결 양상과 은 전극/복합재료의 계면을 관찰하였다.
또한, 은 전극이 인쇄된 복합재료의 단면을 관찰하였다. 인장에 의한 접촉저항의 변화를 살펴보기 위해 인장실험도 수행하였다.
대상 데이터
2(a)는 소결온도에 따른 전극 사이의 총 저항의 추세선(trend line)을 나타낸다. 실험은 조건당 3개의 시편을 이용하여 측정하였다. 총 저항은 식(3)에서와 같이 복합재료의 저항과 접촉저항의 합으로 나타나며, 길이에 비례하는 것을 알 수 있다.
탄소섬유/에폭시 프리프레그(carbon fiber/epoxy prepreg, PYROFIL #380 from Mitsubishi Rayon Co., Ltd) 8장을 적층하여 복합재료 판넬(panel)을 제작하였다. 190 mm × 20 mm × 1.
이론/모형
소결된 은 전극과 복합재료의 접착강도를 평가하기 위해 스크래치 테스트(scratch test)를 수행하였다[11]. 직경 2 mm의 철 팁(steel tip) 위에 500 g의 추를 10초 동안 올려두어 은 전극에 하중을 가했다.
저항측정기(sourcemeter, Keithley)의 4점 탐침법(4 point probe method)을 이용하여 은 전극과 복합재료의 접촉저항을 측정하였다.
성능/효과
1) 은 전극/복합재료의 접촉저항은 은 나노잉크의 소결온도가 증가할수록 감소하였고, 복합 재료의 표면거칠기가 감소할수록 감소하였다. 소결온도가 120℃, 사포의 번호가 2000일 때 가장 낮은 접촉저항 0.
사포의 입자가 거칠수록 연마된 복합재료 표면의 거칠기가 높아져서 총 면적은 증가하였다. 대조적으로, 사포의 입자가 고와질수록 표면에 드러나는 탄소섬유의 면적은 증가하였다. 탄소섬유는 복합재료의 모재에 해당하는 에폭시에 비해 매우 단단하므로, 고운 입자의 사포로 연마하게 되면 에폭시만 연마되기 때문이다(Fig.
사포의 입자 크기에 상관없이 5B의 접착강도를 나타냈으며 이는 가장 높은 단계의 접착강도를 의미한다. 따라서 복합재료에 ACN을 형성하는데 사포 입자의 크기에 상관없이 충분한 접착강도를 갖는 것을 확인하였다. Fig.
8(a)는 사포의 입자에 따른 스크래치 테스트 결과이다. 사포의 입자가 고와질수록 접착강도가 낮아지는 것을 확인하였다. 표면거칠기가 높을수록 높은 접착강도를 갖기 때문이다[9,18].
2) 은 전극/복합재료의 접착강도를 평가하기 위해 스카치테이프 테스트와 스크래치 테스트를 수행하였다. 스크래치 테스트를 통해 복합 재료의 표면거칠기가 높을수록 가장 높은 접착강도를 갖는 것을 확인하였고, 스카치테이프 테스트를 통해 표면거칠기에 상관없이 우수한 접착강도(5B)를 얻었으며, 인장하중에 대해서도 0.5% 이하의 접촉저항 변화율을 나타내었다. 따라서 본 연구에서 제작된 은 전극/복합재료 구조는 위치 감응형 전극망으로서 세밀한 손상 감지 모니터링(monitoring)을 수행할 수 있을 것으로 예상된다.
5% 이하의 낮은 접촉저항 변화율을 나타냈다. 이 수치는 ACN을 이용하여 손상 감지 모니터링을 세밀하게 수행할 수 있는 수치이며, 다른 경우보다 높은 신뢰성을 나타냈다.
후속연구
5% 이하의 접촉저항 변화율을 나타내었다. 따라서 본 연구에서 제작된 은 전극/복합재료 구조는 위치 감응형 전극망으로서 세밀한 손상 감지 모니터링(monitoring)을 수행할 수 있을 것으로 예상된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
손상 감지를 위한 위치 감응형 전극 네트워크의 신뢰성을 향상을 위해 필요한 것은?
위치 감응형 전극 네트워크(addressable conducting network, ACN)는 탄소섬유 복합재료와 전극 사이의 접촉저항을 통해 구조물의 손상 감지가 가능하다. 손상 감지를 위한 위치 감응형 전극 네트워크의 신뢰성을 향상시키기 위해서는 전극과 복합재료 사이의 접촉저항이 최소화되어야 한다. 본 연구에서는 은 나노 전극을 탄소섬유 복합재료 위에 인쇄전자기술을 이용하여 제작하였다.
위치 감응형 전극 네트워크는 무엇을 통해 구조물의 손상 감지를 하는가?
위치 감응형 전극 네트워크(addressable conducting network, ACN)는 탄소섬유 복합재료와 전극 사이의 접촉저항을 통해 구조물의 손상 감지가 가능하다. 손상 감지를 위한 위치 감응형 전극 네트워크의 신뢰성을 향상시키기 위해서는 전극과 복합재료 사이의 접촉저항이 최소화되어야 한다.
은 전극/복합재료의 접촉저항에 관한 심도 깊은 연구가 필요한 이유는?
전류를 통한 정확한 손상 감지 및 자가 치유를 위해서, 금속 전극과 복합재료 사이의 접촉저항(contact resistance)이 낮아야 한다[10]. 은 전극이 인쇄된 복합재료의 접촉저항, 면 저항 같은 전기적 물성 등은 은 전극의 소결 조건에 따라 쉽게 영향을 받게 된다. 따라서 은 전극/복합재료의 접촉저항에 관한 심도깊은 연구가 필요하다.
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