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문제 정의
- 본 논문에서는 친환경 재료인 종이 기판에 PEDOT:PSS 잉크를 사용하고, 잉크젯 인쇄 기술을 이용한 종이 스트레인게이지를 개발한다[7]. 종이 기판을 사용하기 때문에 단가가 낮고, 구조물에 접착이 간단하며, 친환경적[8]인 것이 특징이다.
제안 방법
- 종이를 기판으로 사용하는 스트레인게이지는 탄성을 가진 특정 구조 물에 접착하여 사용되기 때문에 플라스틱 구조물에 부착한 상태로 측정했다. 10 mm 길이의 스트레인게이지의 한쪽 가장자리에서 스트레인게이지의 중앙부까지 하부를 고정하고 다른 가장자리에 힘을 인가하여 변위 (displacement)시키면서 전기 저항을 측정하였다. Fig.
- 6과 같이 측정용 회로를 구성하였다. 4개의 스트레인게이지로 형성된 휘트스톤브리지의 전원 전극에 3 V의 직류전압을 인가하고 측정 전극 사이에 전압 차를 측정하는 방법으로 스트레인게이지의 특성을 분석하였다. 본 스트레엔게이지는 x축 또는 y축 중에 한 축의 변형을 half bridge 방식으로 측정할 수있도록 설계되었다.
- PEDOT:PSS 잉크를 이용하여 스트레인게이지를 제작하기 위하여 잉크젯 프린터(Microfab 사, Jetlab4)를 사용하였으며, 기판으로는 트레이싱 지(tracing paper)를 사용하였다. PEDOT:PSS 잉크는 PEDOT:PSS (Heraeus 사, CLEVIOS TM PH500)에 점도를 제어하기 위하여 Ethylene glycol과 DI-water로 희석하여 제작하였다. 종이 기판 상에 스트레인게이지 패턴을 인쇄하기 위하여 최적의 공정 조건을 도출하였다.
- PEDOT:PSS 잉크와 잉크젯 인쇄 기술을 이용하여 종이 스트레인게이지를 개발하였다. 사용되는 잉크의 양을 최소화하고 공정 시간을 줄이기 위하여 폭 60 µm 인 5개 선 패턴을 형성하고 병렬 연결하는 방식으로 스트레인게이지를 형성하였다.
- 종이 기판 상에 스트레인게이지 패턴을 인쇄하기 위하여 최적의 공정 조건을 도출하였다. 공정 조건 도출에는 인쇄 속도와 점적 간격을 파라미터로 실험하였다. Fig.
- 본 스트레엔게이지는 x축 또는 y축 중에 한 축의 변형을 half bridge 방식으로 측정할 수있도록 설계되었다. 만약 x축과 y축 에서 동시에 변형이 발생할 경우 두 축의 변형의 합성 성분은 제거되어 출력 단에 나타나지 않도록 설계되었다. 종이를 기판으로 사용하는 스트레인게이지는 탄성을 가진 특정 구조 물에 접착하여 사용되기 때문에 플라스틱 구조물에 부착한 상태로 측정했다.
- 본 논문에서는 잉크젯 프린터를 이용한 인쇄 조건을 인쇄속도 2 mm/s, 점적 간격 20 µm로 설정하고 스트 레인게이지 패턴을 형성하였다.
- 4개의 스트레인게이지로 형성된 휘트스톤브리지의 전원 전극에 3 V의 직류전압을 인가하고 측정 전극 사이에 전압 차를 측정하는 방법으로 스트레인게이지의 특성을 분석하였다. 본 스트레엔게이지는 x축 또는 y축 중에 한 축의 변형을 half bridge 방식으로 측정할 수있도록 설계되었다. 만약 x축과 y축 에서 동시에 변형이 발생할 경우 두 축의 변형의 합성 성분은 제거되어 출력 단에 나타나지 않도록 설계되었다.
- 또한 y축 방향으로 변형이 발생할 경우에는 R1과 R3 스트레인게 이지에만 저항 변화가 발생하기 때문에 half bridge 형의 휘트스톤브리지와 같이 동작한다. 본 스트레인게이 지는 x축 또는 y축 등 한 축의 변형만 측정 가능하도록 설계되었다. x축과 y축의 변형이 동시에 인가되어 벡터 합성 성분이 발생할 경우에는 휘트스톤브리지 회로에서 합성 성분에서 공통 부분(x축과 y축의 동일 양의 변형) 제거되어 출력으로 나타나지 않도록 설계되었다.
- 사용되는 잉크의 양을 최소화하고 공정 시간을 줄이기 위하여 폭 60 µm 인 5개 선 패턴을 형성하고 병렬 연결하는 방식으로 스트레인게이지를 형성하였다.
- 스트레인게이지의 구조는 잉크의 소모량을 줄이고 제작 공정 시간을 줄이면서 필요한 저항치를 확보하기 위하여 약 60 µm 폭의 5개 선을 300 µm 간격으로 병렬 배치하였다.
- 3 Ω/mm로 우수한 직선 성을 나타냈다. 온도 등 주위 환경의 영향을 최소화하기 위하여 스트레인게이지를 휘트스톤브리지 회로로 구성하였으며, 휘트스톤브리지에 힘을 인가하여 변위를 발생시키면서 출력 전압을 측정하였다. 변위에 대한 감도가 105.
- 제작된 PEDOT:PSS 스트레인게이지의 저항 값을 안정화시키기 위하여 120oC 분위기의 챔버(chamber) 내에서 IPA(Isopropyl alcohol)을 증발시키면서 10분간 solvent annealing을 실시하였다. Annealing 전에 20개 샘플(10 mm 길이 스트레인게이지)의 평균 저항 (resistance)을 측정한 결과 414.
- PEDOT:PSS 잉크는 PEDOT:PSS (Heraeus 사, CLEVIOS TM PH500)에 점도를 제어하기 위하여 Ethylene glycol과 DI-water로 희석하여 제작하였다. 종이 기판 상에 스트레인게이지 패턴을 인쇄하기 위하여 최적의 공정 조건을 도출하였다. 공정 조건 도출에는 인쇄 속도와 점적 간격을 파라미터로 실험하였다.
- 종이 기판 위에 PEDOT:PSS 잉크를 사용하여 스트 레인게이지 패턴을 인쇄하는 방식으로 종이 스트레인 게이지를 개발하였다. 종이 스트레인게이지는 기존의 플라스틱 필름 형 스트레인게이지에 비해서 친환경적이며, 단가도 낮은 장점이 있다.
- 3 Ω/mm로 스트레인게이지의 패턴 설계에 따라서 이 값은 높일 수 있다. 휘트스톤브리지 회로로 구성된 스트레인게이지의 경우에도 휘트스 톤브리지 가장자리에서 중앙부까지 하부를 고정하고 다른 가장자리에 힘을 인가하여 변위 시키면서 전기 저항을 측정하였다. Fig.
대상 데이터
- PEDOT:PSS 잉크를 이용하여 스트레인게이지를 제작하기 위하여 잉크젯 프린터(Microfab 사, Jetlab4)를 사용하였으며, 기판으로는 트레이싱 지(tracing paper)를 사용하였다. PEDOT:PSS 잉크는 PEDOT:PSS (Heraeus 사, CLEVIOS TM PH500)에 점도를 제어하기 위하여 Ethylene glycol과 DI-water로 희석하여 제작하였다.
- 일반적으로 스트 레인게이지는 온도를 비롯한 외부의 영향을 최소화시 키기 위하여 휘트스톤브리지(wheat-stone bridge) 회로를 구성하여 사용한다. 본 논문에서는 PEDOT:PSS로 제작된 5개 선의 병렬 구조로 설계된 10 mm 길이의 스트레인게이지 4개의 패턴을 연결하여 휘트스톤브리지 회로를 구성하였다. 그 구조 및 사이즈를 Fig.
- 이 스트레인게이지의 저항치를 제어하기 위해 서는 선의 길이, 선의 폭 및 선의 수를 파라미터로 활용하여 설계 가능하다. 본 논문에서는 선의 길이는 10 mm, 선의 수는 5개로 설계하였다. 일반적으로 스트 레인게이지는 온도를 비롯한 외부의 영향을 최소화시 키기 위하여 휘트스톤브리지(wheat-stone bridge) 회로를 구성하여 사용한다.
성능/효과
- 또한 점적 간격의 경우에도 Fig. 4에 나타낸 것과 같이, 노즐 사이즈가 50 µm일 때 점적 간격 10 µm에서 100 µm 구간에서 간격을 변화시키면서 실험한 결과 점적 간격 20 µm에서 최적의 PEDOT:PSS패턴이 형성됨을 알 수 있었다.
- 변위-출력 전압 특성의 직선성은 비교적 우수하며, 변위에 대한 감도(sensitivity)가 105.6 µV/V·mm임을 알 수 있었다.
- 3 에 인쇄 속도 별 패턴 사진을 나타냈다. 인쇄 속도 1 mm/s부터 10 mm/s 구간에서 속도를 변화시키면서 실험한 결과 속도 2 mm/s에서 최적의 패턴을 인쇄할수 있었다. 또한 점적 간격의 경우에도 Fig.
- 사용되는 잉크의 양을 최소화하고 공정 시간을 줄이기 위하여 폭 60 µm 인 5개 선 패턴을 형성하고 병렬 연결하는 방식으로 스트레인게이지를 형성하였다. 제작된 스트레인게이지의 변위-저항 변화 특성은 23.3 Ω/mm로 우수한 직선 성을 나타냈다. 온도 등 주위 환경의 영향을 최소화하기 위하여 스트레인게이지를 휘트스톤브리지 회로로 구성하였으며, 휘트스톤브리지에 힘을 인가하여 변위를 발생시키면서 출력 전압을 측정하였다.
- 3824로 개선된 특성을 나타내었다. 제작된 휘트스톤브리지의 전원 입력 단(Fig. 2에서 ① - ②)의 저항 및 출력 단(Fig. 2 에서 ③ - ④)의 저항 값이 각각 51.26 kΩ과 51.86 kΩ 으로 나타났다.
후속연구
- PEDOT:PSS를 이용한 종이 스트레인게이지는 친환 경적이며, 제작 단가가 비교적 낮아서 일회용으로 다양한 분야에 응용이 가능할 것으로 판단된다. 스마트 패키지, 스마트 라벨, 사물 인터넷 등 스트레인게이지의 다양한 분야로의 응용 분야 확대를 기대할 수 있을 것이다.
- 종이 스트레인게이지는 기존의 플라스틱 필름 형 스트레인게이지에 비해서 친환경적이며, 단가도 낮은 장점이 있다. 따라서 일회용으로의 응용이 가능할 것으로 판단되어 스트레인게이지의 응용 분야 확대를 기대할 수 있을 것이다. 스마트 패키지, 스마트 라벨 시스템에 응용하여 박스에 가해지는 충격, 진동 및 변형 등을 모니터링 할 수 있을 것이다.
- 스마트 패키지, 스마트 라벨 시스템에 응용하여 박스에 가해지는 충격, 진동 및 변형 등을 모니터링 할 수 있을 것이다. 뿐만 아니라 종이 스트레인게이지는 뒷면에 접착제가 도포 되어 있기 때문에 현장에서 간편하게 구조물에 접착하여 일회용으로 사용할 수 있어서 다양한 응용이 가능할 것으로 판단된다.
- 따라서 일회용으로의 응용이 가능할 것으로 판단되어 스트레인게이지의 응용 분야 확대를 기대할 수 있을 것이다. 스마트 패키지, 스마트 라벨 시스템에 응용하여 박스에 가해지는 충격, 진동 및 변형 등을 모니터링 할 수 있을 것이다. 뿐만 아니라 종이 스트레인게이지는 뒷면에 접착제가 도포 되어 있기 때문에 현장에서 간편하게 구조물에 접착하여 일회용으로 사용할 수 있어서 다양한 응용이 가능할 것으로 판단된다.
- PEDOT:PSS를 이용한 종이 스트레인게이지는 친환 경적이며, 제작 단가가 비교적 낮아서 일회용으로 다양한 분야에 응용이 가능할 것으로 판단된다. 스마트 패키지, 스마트 라벨, 사물 인터넷 등 스트레인게이지의 다양한 분야로의 응용 분야 확대를 기대할 수 있을 것이다.
- 하지만 아직 자동화 생산시설을 이용한 대량 생산이 힘들고, 단가가 비교적 높은 것이 문제점으로 지적되고 있다. 스트레인게이지를 대량 생산 가능한 기술 개발을 통하여 단가를 낮추고 더욱 간편한 사용 방법을 제시 한다면 그 시장 규모를 획기적으로 확대할 수 있을 것으로 기대된다.
- 8의 측정 결과에서 오프셋 전압이 다소 높은 것은 제작 과정에서 발생하는 공정 오차가 원인인 것으로 판단되며. 재현성이 확보된 생산 공정 개발이 효과적 으로 이루어진다면 상당히 개선될 것으로 판단된다.
- 따라서 종이 스트레 인게이지는 일회용으로의 응용이 가능할 것으로 판단 된다. 종이 스트레인게이지는 종이박스, 우편물, 상품 라벨 등에 응용하여 유통 과정에서 발생할 수 있는 충격이나 파손 이력 모니터링이 가능한 스마트 패키지 또는 스마트 라벨 시스템에 응용 할 수 있으며, 책이나 잡지 등에 응용한 스마트 인쇄물뿐 아니라 기존의 스트레인게이지의 응용 분야에도 활용이 가능하여 다양한 분야에 응용이 기대된다.
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