[논문]다기능성 탄소나노튜브 복합재의 스마트 응용

성대한; 정창윤; 황상하; 박영빈

다기능성 탄소나노튜브 복합재의 스마트 응용 원문보기

소음진동 = Journal of KSNVE, v.25 no.6, 2015년, pp.16 - 23

성대한 (울산과학기술원 기계공학과) , 정창윤 (울산과학기술원 기계공학과) , 황상하 , 박영빈 (울산과학기술원 기계공학과)

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문제 정의

Pham 등은 다중벽 탄소나노튜브를 이용한 고분자 복합재 필름을 이용한 맞춤형 민감도를 가진 변형감지기 개발 하였다. 다중벽 탄소나노튜브/고분자 복합재가 인장 하중을 받을 때 전기 저항을 측정하였고, 넓은 범위에 조정 가능한 민감도를 가진 변형감지기로의 잠재적 응용가능성이 조사되었다. 필름의 표면저항은 인장력이 증가함에 따라 함께 증가하는데 이는 전도성 네트워크의 감소와 변형에 따른 탄소나노튜브간 거리의 증가 때문이다.
신시내티대학교의 연구그룹에서 buckypaper와단일벽 탄소나노튜브/PMMA복합체를 이용한 변형감지를 위한 포괄적인 연구를 진행하였다.

제안 방법

Hwang 등은 전도성 충전제로서 다중벽 탄소나노튜브와 폴리머 기지로서 polydimethylsiloxane(PDMS)를 이용하여 압전 복합재를 제작하였고, 이는 손가락 움직임 감지를 위해 필요한 정도의 극도로 작은 압력에서도 운용될 수 있다. PDMS내의 다중벽 탄소나노튜브의 균일 분산을 위하여, 다중벽 탄소나노튜브를 poly(3-hexylthiophene) (P3HT)를 이용한 폴리머 래핑 방법으로 개선하였다. P3HT에 의해 복합재의 퍼콜레이션 한계점은 눈에 띄게 감소하였다.
길이 지름비가 50, 500으로 다른 두 가지의 다중벽 탄소나노튜브를 고무 기지에 균일하게 분산시킴으로써 높은 민감도와 선형 압전 거동을 보이는 고탄성의 탄소나노튜브-methylvinylsilicone rubber(VMQ) 나노 복합재가 제작되었다. 길이 지름비가 50인 다중벽 탄소나노튜브 복합재의 퍼콜레이션 한계점은 길이 지름비가 500인 탄소나노튜브의 한계점 보다 아주 낮은 것을 보여주었다.
대부분의 이런 연구는 등방성이며 무작위 방향의 탄소나노튜브의 전도성 네트워크를 변화를 활용하는데 일반적으로 인장에서는 저항이 증가하며 압축에서는 저항이 감소한다. 다양한 목적과 사용 용도에 맞게 탄소나노튜브를 여러 가지 매트릭스(열가소성∙열경화성 고분자 수지, 탄성고분자, 콘크리트 등)와 조합하여 나노복합체의 압전효과를 극대화 하였다.
분석적인 모델을 적용하여, 나노복합재의 압전 효과가 전도도 네트워크 구조와 나노복합재 내에서 일어나는 전하 운반자의 수송 메커니즘에 대한 유용한 정보에 기여할 수도 있다는 것을 보였다. 또한 재료 내의 전기전도도 경사도를 발생시킴으로써 다중벽 탄소나노튜브와 에폭시 복합재의 단일 블록으로 구성되어있는 방향 감지 굽힘 변형 센서를 개발하였다.
수지 내 탄소나노튜브의 분산과 관련한 전형적인 공정 과정으로는 3-롤 밀(three-roll mill)을 거쳐 vacuum-assisted resin transfer molding(VARTM)을 이용한 복합재 제조공정이 있다. 멀티스케일 하이브리드 복합재는 층간 분리와 기지 손상, 섬유 파단, 피로 파괴에 의한 균열 전파와 같은 다양한 파괴 모드를 실시간으로 모니터링 및 탐지하기 위해 다양한 하중 조건에서 실험이 수행되었다. 이와 유사한 실험으로 브레이딩된 직물 복합재의 구조 건전성 진단을 위해 3차원 브레이딩 직물을 보강제로 사용하고 센싱 요소로서 탄소나노튜브를 이용한 사례가 있다(Kim et al.
이 연구에서 측정된 가장 높은 민감도는 기존 변형에 대한 전기 민감도의 10배 이상 더 민감하다(그림 2). 복합재에 가해진 변형과 민감도 사이의 관계를 확인하기 위하여 퍼콜레이션 이론에 기반을 둔 반 경험적 모델을 개발하였다(그림 3).
Thostenson 등은 비닐에스터 수지의 스티렌 단량체의 휘발성과 관련한 공정 문제를 해결하기 위해 에폭시 수지로부터 비닐에스터 단량체를 합성하였다. 비닐에스터 단량체 내에서 다중벽탄소나노튜브 분산과 나노튜브, 비닐에스터 복합재의 연속적인 공정을 위해 캘린더링이 적용되었다. 탄소나노튜브의 높은 길이 지름비는 공정 중 유지되었고 비닐에스터 내 탄소나노튜브의 함량을 0.
Kim 등의 연구에 따르면 압전 고분자(PVDF)의 특성을 강화하기 위해서 압전 고분자(PVDF)기지에 탄소나노튜브를 첨가 하였다. 용융 압축법과 용매 증발탈수법을 이용하여 탄소나노튜브/PVDF 복합재를 제조하였다. PVDF 기지에 탄소나노튜브의 첨가는 낮은 전압으로 복합재의 반영구적인 압전효과를 유도할 수 있는 압전 고분자의 유전 성질을 조절할 수 있게 하였다.
PVDF 기지에 탄소나노튜브의 첨가는 낮은 전압으로 복합재의 반영구적인 압전효과를 유도할 수 있는 압전 고분자의 유전 성질을 조절할 수 있게 하였다. 탄소나노튜브가 첨가된 압전고분자 복합재와 순수한 압전 고분자 필름의 전압 생성을 비교하기 위한 외팔보 실험도 시행 되었다.

성능/효과

Wang 등은 단축 압축 조건 하에서 다중벽 탄소나노튜브를 함유한 실리콘 고무 복합재의 압전효과를 연구하였다. 그 실험 결과는 다중벽 탄소나노튜브의 카르복실 라디칼이 균일한 분산과 복합재 내에서 전도 경로의 배향을 효과적으로 향상 시킬 수 있다는 것을 보여주었다. 결과적으로 복합재는 향상된 민감도와 압력 감지의 선형변화에 관련해 긍정적 변화를 보였는데, 이두가지 변수는 센서 응용 분야에 있어 핵심 변수로 작용된다.
결과적으로 복합재는 향상된 민감도와 압력 감지의 선형변화에 관련해 긍정적 변화를 보였는데, 이두가지 변수는 센서 응용 분야에 있어 핵심 변수로 작용된다. 다중벽 탄소나노튜브를 포함한 ethylenepropylene-diene-monomer (EPDM) 기반의 탄성 중합 복합재는 순수 EPDM 기지에 비해 향상된 기계적 물성을 보였다. 10 %의 변형률까지 전도도와 변형 사이의 선형 관계를 보였고, 이 재료는 변형률 또는 압력 센서로서 적용 가능 하다.
길이 지름비가 50인 다중벽 탄소나노튜브 복합재의 퍼콜레이션 한계점은 길이 지름비가 500인 탄소나노튜브의 한계점 보다 아주 낮은 것을 보여주었다. 또한 길이 지름비가 50인 탄소나노튜브의 MWCNT/VMQ 복합재가 상대적으로 작은 하중에서 높은 민감도와 우수한 저압 반복 압축 특성을 보였다.
탄소나노튜브와 에폭시 복합재의 준정적 및 동적 변형 감지가 Anand와 Mahapatra에 의해 연구되었고 de la Vega 등은 다양한 정도의 표면 변형에 노출된 나노 복합재 시편의 라만 분광법과 전기적 측정을 동시에 수행하여 단일벽 탄소나노튜브와 에폭시 복합재의 국지 및 전체의 응력 반응을 특징지었다. 복합재의 라만 G밴드 공명 진동수와 전기적 저항은 변곡점이 1.5 %의 변형률에 도달할 때까지 변형률에 따라 단조적인 변화를 보였다.
P3HT에 의해 복합재의 퍼콜레이션 한계점은 눈에 띄게 감소하였다. 복합재의 전기전도도와 압전 민감도는 P3HT의 농도와 밀접한 관련이 있는 것으로 나타났다. 잘 분산된 P3HT-다중벽 탄소나노튜브, PDMS의 복합재는 0 MPa ~ 0.
나노 복합재는 탄성 변형 구간 내에서 변형 거동 대비 뚜렷한 저항변화를 보였는데, 이는 절연체와 도체 복합재에서의 전하 운반자 수송 메커니즘에 대한 잘 알려진 이론과 일치한다. 분석적인 모델을 적용하여, 나노복합재의 압전 효과가 전도도 네트워크 구조와 나노복합재 내에서 일어나는 전하 운반자의 수송 메커니즘에 대한 유용한 정보에 기여할 수도 있다는 것을 보였다. 또한 재료 내의 전기전도도 경사도를 발생시킴으로써 다중벽 탄소나노튜브와 에폭시 복합재의 단일 블록으로 구성되어있는 방향 감지 굽힘 변형 센서를 개발하였다.
필름의 표면저항은 인장력이 증가함에 따라 함께 증가하는데 이는 전도성 네트워크의 감소와 변형에 따른 탄소나노튜브간 거리의 증가 때문이다. 이 연구에서 측정된 가장 높은 민감도는 기존 변형에 대한 전기 민감도의 10배 이상 더 민감하다(그림 2). 복합재에 가해진 변형과 민감도 사이의 관계를 확인하기 위하여 퍼콜레이션 이론에 기반을 둔 반 경험적 모델을 개발하였다(그림 3).
복합재의 전기전도도와 압전 민감도는 P3HT의 농도와 밀접한 관련이 있는 것으로 나타났다. 잘 분산된 P3HT-다중벽 탄소나노튜브, PDMS의 복합재는 0 MPa ~ 0.12 MPa의 압력 범위에서 좋은 압전 특성을 보였다.
재료의 내부와 두께방향으로의 저항을 관찰함으로써 응력 집중 부근의 균열과 층간 분리 같은 피로 파괴로부터 유도된 손상의 규모 및 전파를 판단할 수 있다. 전도성의 나노튜브 연결망은 균열 접촉부의 고속 가열이 가능케 함으로써 손상을 복구할 수 있는 역할을 부여하였고, 손상되지 않은 복합재 강도의 70 %까지 복원 가능함을 보였다.

후속연구

또한 탄소나노튜브 복합재의 전기-기계적 거동으로부터 얻어진 지식을 통해 자기센싱이 가능한 멀티스케일 하이브리드 복합재에 대한 연구도 활발히 행되고 있는 추세이다. 최근까지 탄소나노튜브/고분자 복합재의 공정-구조-특성 관계에 대한 근본적인 연구가 지속 되어왔지만, 향후에 넓은 범위의 변형을 측정할 수 있는 센서, 누적된 힘-변형 추적, 손상 감지, 건강예측 알고리듬과 데이터 축적 및 분석을 통해 우수한 성능의 탄소나노튜브 복합재의 스마트 센서가 개발될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	탄소나노튜브는 무엇인가?	탄소나노튜브는 탄소 동소체로서 원통형의 외형을 가진 나노 구조체이다. 매우 높은 길이 지름 비(aspect ratio)를 갖고 있으며, 기계적, 전기적, 열적 물성이 매우 좋고 이동성이 뛰어난 특성을 보인다.
	탄소나노튜브/고분자 복합재가 인장력을 받을 때 탄소나노튜브에 의해 만들어진 전기적 네트워크가 깨지면서 저항이 증가하는데 이러한 외력에 의한 저항의 변화는 어떤 효과 때문인가?	예를 들어 탄소나노튜브/고분자 복합재가 인장력을 받을 때 탄소나노튜브에 의해 만들어진 전기적 네트워크가 깨지면서 저항이 증가한다. 이러한 외력에 의한 저항의 변화는 탄소나노튜브들 간의 접촉 및 터널링(tunneling) 효과 때문이다. 탄소나노튜브의 전기적 네트워크 형성을 이용한 초기의 압전 연구는 free-standing 필름 형태인“buckypaper”를 중심으로 행해졌다.
	탄소나노튜브 기반의 고분자 복합재의 기능은 무엇인가?	탄소나노튜브 기반의 고분자 복합재는 가벼운 무게와 우수한 물성으로 보강재 역할 뿐만 아니라 정전기 방전 효과, 전자파 자폐 효과, 에너지 수확과 같은 추가적 기능에 대한 가능성 때문에 수많은 다기능성 응용 재료로 이용되어왔다. 스마트 응용 재료는 센싱과 구동 분야로 구분지어질 수 있는데, 이 글에서는 주로 탄소나노튜브를 기반으로 한 고분자 복합재의 전기-기계적 센싱에 초점을 맞추었다.

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저자의 다른 논문 :

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].

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