탄성중합체와 흑연입자의 복합재는 전기 전도성 유연 소재로써, 대변형률 측정센서의 감지소자 제작에 적합하다. 본 연구에서는 기계적 연성이 우수한 탄성중합체인 polydimethylsiloxane(PDMS)와 전기 전도도가 높은 박리 후 파쇄된 흑연(expoliated and fragmented graphite, EFG)을 혼합하여 새로운 전기 전도성 유연 소재를 합성한 후 이를 이용하여 측정대상물의 변형률을 50% 이상까지 측정할 수 있는 고감도 연성 센서를 개발한다. 먼저, 천연 흑연가루를 전자레인지로 팽창시킨 후 초음파분쇄로 파쇄시켜 EFG를 준비한 후 PDMS와 혼합하여 전기 전도성 유연 소재를 준비한다. 1, 2 및 3축 대변형률 연성 센서는 상기 복합재로 만들어진 감지소자층과 순수 PDMS로 만들어진 절연층으로 구성되며, 각층은 저압스프레이 기반의 스텐실 기법을 통해 복합재 혹은 순수 PDMS 용액을 반복적으로 적층함으로써 제작된다. 본 논문에서는 PDMS와 EFG의 혼합비가 전기 전도성 유연 복합재의 기계적 연성과 전기 전도성에 미치는 효과에 대해 집중적으로 살펴본다.
탄성중합체와 흑연입자의 복합재는 전기 전도성 유연 소재로써, 대변형률 측정센서의 감지소자 제작에 적합하다. 본 연구에서는 기계적 연성이 우수한 탄성중합체인 polydimethylsiloxane(PDMS)와 전기 전도도가 높은 박리 후 파쇄된 흑연(expoliated and fragmented graphite, EFG)을 혼합하여 새로운 전기 전도성 유연 소재를 합성한 후 이를 이용하여 측정대상물의 변형률을 50% 이상까지 측정할 수 있는 고감도 연성 센서를 개발한다. 먼저, 천연 흑연가루를 전자레인지로 팽창시킨 후 초음파분쇄로 파쇄시켜 EFG를 준비한 후 PDMS와 혼합하여 전기 전도성 유연 소재를 준비한다. 1, 2 및 3축 대변형률 연성 센서는 상기 복합재로 만들어진 감지소자층과 순수 PDMS로 만들어진 절연층으로 구성되며, 각층은 저압스프레이 기반의 스텐실 기법을 통해 복합재 혹은 순수 PDMS 용액을 반복적으로 적층함으로써 제작된다. 본 논문에서는 PDMS와 EFG의 혼합비가 전기 전도성 유연 복합재의 기계적 연성과 전기 전도성에 미치는 효과에 대해 집중적으로 살펴본다.
An elastic polymer (e.g., PDMS) blended with EFG particles is a promising conductive composite for fabricating soft sensors that can detect an object's deformation up to or more than 50%. Here, we develop large-strain, sprayable soft sensors using a mixture of PDMS and EFG particles, which are used ...
An elastic polymer (e.g., PDMS) blended with EFG particles is a promising conductive composite for fabricating soft sensors that can detect an object's deformation up to or more than 50%. Here, we develop large-strain, sprayable soft sensors using a mixture of PDMS and EFG particles, which are used as a host elastomer and electrically conductive particles, respectively. A solution for a conductive composite mixture is prepared by the microwave-assisted graphite exfoliation, followed by ultrasonication-induced fragmentation of the exfoliated graphite and ultrasonic blending of PDMS and EFG. Using the prepared solutions for composite and pure PDMS, 1-, 2-, and 3-axis soft sensors are fabricated by airbrush stencil technique where composite mixture and pure PDMS are materials for sensing and insulating layers, respectively. We characterize the soft strain sensors after investigating the effect of PDMS/EFG wt% on mechanical compliance and electrical conductance of the conductive composite.
An elastic polymer (e.g., PDMS) blended with EFG particles is a promising conductive composite for fabricating soft sensors that can detect an object's deformation up to or more than 50%. Here, we develop large-strain, sprayable soft sensors using a mixture of PDMS and EFG particles, which are used as a host elastomer and electrically conductive particles, respectively. A solution for a conductive composite mixture is prepared by the microwave-assisted graphite exfoliation, followed by ultrasonication-induced fragmentation of the exfoliated graphite and ultrasonic blending of PDMS and EFG. Using the prepared solutions for composite and pure PDMS, 1-, 2-, and 3-axis soft sensors are fabricated by airbrush stencil technique where composite mixture and pure PDMS are materials for sensing and insulating layers, respectively. We characterize the soft strain sensors after investigating the effect of PDMS/EFG wt% on mechanical compliance and electrical conductance of the conductive composite.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
제안 방법
본 연구에서는 고탄성 기저물질로 PDMS를 이용하고 고전도성 충전제로 EFG를 사용하는 PDMS/EFG 전기 전도성 유연 복합재를 합성하고, 그 복합재 용액과 순수 PDMS 용액에 저압스프레이 기반 스텐실 기법을 적용하여 분사 가능한 고 감도, 대변형률 연성 센서를 제작하였다. PDMS/EFG 전기 전도성 유연 복합재를 준비하기 위해 천연흑연을 전자레인지로 팽창시킨 후 50% 동작 비율로 2시간 동안 초음파 파쇄시킴으로써 PDMS 와 혼합이 잘 되게 하고 최종적으로 만들어질 전도성 유연 복합재의 기계적, 전기적 특성의 조절이 용이하도록 하였다. 마지막으로 PDMS와 EFG 를 3:1의 중량비로 혼합하여 전기전도성 유연 복합재 용액을 만들어 대변형률 연성 센서를 제작하였다.
PDMS/EFG 전도성 복합재 용액을 준비하기에 앞서, 준비된 EG를 초음파 파쇄함으로써 PDMS 와의 혼합도를 높여 최종적으로 만들어질 전도성 유연 복합재의 기계적, 전기적 특성조절이 용이하도록 하였다. 이때 EG의 분산도와 PDMS와의 혼합도를 고려하여 헥산(Sigma-Aldrich Co.
5(b)와 같이 그 평균크기(5-8 ㎛ 수준)가 작아지지만 파쇄효과는 처음 2시간에 비해 제한적임을 알 수 있다. 따라서 2시간의 초음파 파쇄시간을 적용하였다.
PDMS/EFG 전기 전도성 유연 복합재를 준비하기 위해 천연흑연을 전자레인지로 팽창시킨 후 50% 동작 비율로 2시간 동안 초음파 파쇄시킴으로써 PDMS 와 혼합이 잘 되게 하고 최종적으로 만들어질 전도성 유연 복합재의 기계적, 전기적 특성의 조절이 용이하도록 하였다. 마지막으로 PDMS와 EFG 를 3:1의 중량비로 혼합하여 전기전도성 유연 복합재 용액을 만들어 대변형률 연성 센서를 제작하였다. 본 연구를 통해 제작된 연성 센서는 50%이상의 대변형률까지 고감도로 측정 할 수 있고, 곡선형 구조물에서 대, 소면적의 변형률을 실시간으로 모니터링 할 수 있었다.
매번 분사 후 80 °C의 핫플레이트에서 2분 동안 건조시키고 그 위에 다음 층을 분사하는 방식으로 수 회 반복하여 원하는 두께의 감지 소자부를 형성하였다. 마지막으로 감지소자부 표면에 순수 PDMS를 분사하여 절연층으로 사용하였다. 이와 같은 과정을 거쳐 1, 2 및 3축 센서를 제작하였다(Fig.
매번 분사 후 80 °C의 핫플레이트에서 2분 동안 건조시키고 그 위에 다음 층을 분사하는 방식으로 수 회 반복하여 원하는 두께의 감지 소자부를 형성하였다.
2(f)]. 먼저 감지소자부 모양의 공백부분이 포함된 마스킹테이프를 순수 PDMS 박막 위에 붙인 후 PDMS/EFG 혼합액을 100 ㎜ 떨어진 거리에서 200 kPa의 압력으로 분사하였다. 매번 분사 후 80 °C의 핫플레이트에서 2분 동안 건조시키고 그 위에 다음 층을 분사하는 방식으로 수 회 반복하여 원하는 두께의 감지 소자부를 형성하였다.
준비된 용액에 저압 스프레이를 이용한 스텐실 기법을 적용하여 대변형률 연성 센서를 제작한다. 먼저, EFG를 준비하기 위한 초음파 파쇄 시간, EFG의 혼합중량비 (wt%)에 따른 기계적 거동특성과 전기 전도도의 변화를 실험적으로 확인한 후, 완성된 1, 2 및 3축 연성 센서의 동작 특성에 대해 살펴본다. 본 연구에서 개발한 연성 센서는 PDMS의 낮은 영률(750 kPa의 영률) (7) 과 흑연의 높은 전기 전도도 (1250 S/cm)를 이용하기 때문에 16.
본 연구에서는 고탄성 기저물질로 PDMS를 이용하고 고전도성 충전제로 EFG를 사용하는 PDMS/EFG 전기 전도성 유연 복합재를 합성하고, 그 복합재 용액과 순수 PDMS 용액에 저압스프레이 기반 스텐실 기법을 적용하여 분사 가능한 고 감도, 대변형률 연성 센서를 제작하였다. PDMS/EFG 전기 전도성 유연 복합재를 준비하기 위해 천연흑연을 전자레인지로 팽창시킨 후 50% 동작 비율로 2시간 동안 초음파 파쇄시킴으로써 PDMS 와 혼합이 잘 되게 하고 최종적으로 만들어질 전도성 유연 복합재의 기계적, 전기적 특성의 조절이 용이하도록 하였다.
본 연구에서는 박리 후 파쇄된 흑연(exfoliated and fragmented graphite, EFG)을 전도성 입자로, polydimethylsiloxane(PDMS)을 기저물질로 하는 PDMS/EFG 용액을 이용하여 구조물의 대변형을 측정할 수 있는 연성 센서를 제작한다. 먼저 전자레인지를 사용하여 천연흑연을 박리시킨 후 (Fig.
본 연구에서는 최대 팽창비를 가진 박리 흑연을 제작하기 위하여, 흑연(Graftech Co.), 과망간산칼륨(KMnO4, Sigma-Aldrich Co.), 그리고 질산 (HNO3, Merck KGaA)을 1:1:2 중량비율로 혼합하였다. (5) 과망간산칼륨은 흑연 결정층 사이에 작용 하는 반데르발스 힘을 약화시키고[Fig.
상기 실험결과를 기초로 Fig. 4와 같이 1, 2 및 3축 대변형률 연성 센서를 제작하였다. 제작된 대 변형률 연성 센서의 동작 특성을 확인하기 위하여 센서의 변형률에 따른 전기 저항값의 변화를 측정하였다(Fig.
연성 센서는 PDMS/EFG 혼합액과 순수 PDMS 용액을 이용하여 저압스프레이 기반 스텐실 기법으로 제작하였다[Fig. 2(f)]. 먼저 감지소자부 모양의 공백부분이 포함된 마스킹테이프를 순수 PDMS 박막 위에 붙인 후 PDMS/EFG 혼합액을 100 ㎜ 떨어진 거리에서 200 kPa의 압력으로 분사하였다.
연성 센서에서 EFG 혼합중량비에 따른 PDMS/EFG 전기 전도성 유연 복합재의 전기전도도 변화를 확인하였다(Fig. 6). EFG 혼합중량비가 20 wt% 범위까지 EFG 혼합중량비와 전기전도도는 선형관계를 가졌고, EFG 혼합중량비가 20-40 wt%인 범위에서는 전기 전도도가 점점 포화되기 시작하여 40 wt%일 때 전기전도도는 0.
46 S/cm로 측정되었다. 이를 기초로, 본 연구에서는 50 % 이상의 변형률까지 측정가능한 대변형률 연성 센서를 제작하기 위해 복합재의 EFG의 중량비를 25 wt%로 결정하였다. 또한 감지소자의 측정감도는 10% 변형률에서 게이지율을 통해 확인하였는데, EFG의 혼합중량비가 증가함에 따라 18.
4와 같이 1, 2 및 3축 대변형률 연성 센서를 제작하였다. 제작된 대 변형률 연성 센서의 동작 특성을 확인하기 위하여 센서의 변형률에 따른 전기 저항값의 변화를 측정하였다(Fig. 7). Fig.
준비된 EFG 용액에 10 : 1(베이스 : 경화제)로 혼합된 PDMS를 넣은 후 초음파 분쇄기로 섞어줌으로써 PDMS/EFG 용액을 준비한다. 준비된 용액에 저압 스프레이를 이용한 스텐실 기법을 적용하여 대변형률 연성 센서를 제작한다. 먼저, EFG를 준비하기 위한 초음파 파쇄 시간, EFG의 혼합중량비 (wt%)에 따른 기계적 거동특성과 전기 전도도의 변화를 실험적으로 확인한 후, 완성된 1, 2 및 3축 연성 센서의 동작 특성에 대해 살펴본다.
이를 통해 PDMS와의 혼합도를 높여 최종적으로 만들어질 전도성 유연 복합재의 기계적, 전기적 특성조절이 용이하게 된다. 최적의 파쇄시간을 확인하기 위해, 본 연구에서는 50% 동작 비율에서 초음파 파쇄시간(5, 10, 15, 30, 60, 120, 180, 360분)을 조절하면서 입자의 크기를 입도분석기(Mastersizer 2000)를 통해 확인 하였다. Fig.
성능/효과
전자레인지 기반의 흑연 팽창법은 여타 팽창법에 비해 경제적이고 그 효과가 널리 검증되어 왔다. (6) 전자파 가열 시 반데르발스 힘이 약해진 흑연에서 질산이 급격하게 기화됨에 따라 흑연은 200배 이상 팽창되었다[Fig. 2(c)].
6). EFG 혼합중량비가 20 wt% 범위까지 EFG 혼합중량비와 전기전도도는 선형관계를 가졌고, EFG 혼합중량비가 20-40 wt%인 범위에서는 전기 전도도가 점점 포화되기 시작하여 40 wt%일 때 전기전도도는 0.46 S/cm로 측정되었다. 이를 기초로, 본 연구에서는 50 % 이상의 변형률까지 측정가능한 대변형률 연성 센서를 제작하기 위해 복합재의 EFG의 중량비를 25 wt%로 결정하였다.
대변형률 연성 센서와 관련된 모든 실험값은 최소 10번 이상의 측정을 통해 얻었고, 평균±표준편차 형식으로 표기되었다.
센서(특히, 감지소자부)의 기계적 거동특성은 대변형률 연성 센서의 측정한계치를 결정하는 특성 중에 하나이다. 따라서 PDMS/EFG 전기 전도성 유연 복합재에 대해 EFG의 혼합중량비를0 wt%에서 40 wt%까지 증가시키면서 복합재의 기계적 거동특성을 확인하였다. 복합재의 강성은 영률(Young’s modulus)을 측정하여 평가하였는데, EFG의 혼합중량비가 증가함에 따라 0.
이를 기초로, 본 연구에서는 50 % 이상의 변형률까지 측정가능한 대변형률 연성 센서를 제작하기 위해 복합재의 EFG의 중량비를 25 wt%로 결정하였다. 또한 감지소자의 측정감도는 10% 변형률에서 게이지율을 통해 확인하였는데, EFG의 혼합중량비가 증가함에 따라 18.76(5 wt%) 에서 12.59(40 wt%)로 감소하는 것을 확인할 수있었다.
76 MPa(40 wt%)까지 증가하였다. 또한 복합재의 강도를 평가하기 위해 파괴강도 (fracture strength)를 측정하였는데, EFG의 혼합중량비가 증가함에 따라 1.46 MPa(5 wt%)에서 0.14 MPa(40 wt%)로 감소하였다. 본 연구에서 개발한 PDMS/EFG 복합재는 PDMS는 기저물질이고 EFG 가 충전제인 것을 고려할 때 상기 측정결과는 기존연구(8)와 잘 부합되는 결과라고 할 수 있다.
복합재의 강성은 영률(Young’s modulus)을 측정하여 평가하였는데, EFG의 혼합중량비가 증가함에 따라 0.90 MPa (5 wt%)에서 12.76 MPa(40 wt%)까지 증가하였다.
마지막으로 PDMS와 EFG 를 3:1의 중량비로 혼합하여 전기전도성 유연 복합재 용액을 만들어 대변형률 연성 센서를 제작하였다. 본 연구를 통해 제작된 연성 센서는 50%이상의 대변형률까지 고감도로 측정 할 수 있고, 곡선형 구조물에서 대, 소면적의 변형률을 실시간으로 모니터링 할 수 있었다. 추후 연성 센서는 생체역학, 로봇공학, 구조상태 모니터링 등에 널리 쓰일 수 있을 것으로 기대된다.
14 MPa(40 wt%)로 감소하였다. 본 연구에서 개발한 PDMS/EFG 복합재는 PDMS는 기저물질이고 EFG 가 충전제인 것을 고려할 때 상기 측정결과는 기존연구(8)와 잘 부합되는 결과라고 할 수 있다. 마지막으로 EFG의 혼합중량비가 25 wt%인 경우, 최대변형률은 약 65% 수준이었다.
본 연구에서 개발한 연성 센서는 PDMS의 낮은 영률(750 kPa의 영률) (7) 과 흑연의 높은 전기 전도도 (1250 S/cm)를 이용하기 때문에 16.8의 고게이지율(gauge factor)을 유지하면서 50% 이상의 대변형률까지 측정할 수 있고 곡면형상을 가지는 구조물에 적용할 수 있는 장점을 가지고 있다.
7의 정규저항(normalized resistance)은 ‘(변형 후 전기저항－변형 전 전기저항) / 변형 전 전기저항’을 통해 계산되었다. 제작된 연성 센서는 변형률이 50%까지 증가함에 따라 정규저항이 증가하였고 또한 높은 선형성을 보였다. 즉, 변형률 측정구간(0-50%)에서 결정계수(correlation coefficient, r)는 0.
후속연구
89% 수준이었다. 이는 본 연구에서 개발한 대변형률 연성 센서가 구조물의 대변형률을 측정하는 응용분야 (생체역학, 로봇공학, 구조상태 모니터링 등)에 충분히 사용될 수 있음을 실험적으로 보여주고 있다.
본 연구를 통해 제작된 연성 센서는 50%이상의 대변형률까지 고감도로 측정 할 수 있고, 곡선형 구조물에서 대, 소면적의 변형률을 실시간으로 모니터링 할 수 있었다. 추후 연성 센서는 생체역학, 로봇공학, 구조상태 모니터링 등에 널리 쓰일 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
비접촉식 센서의 단점을 개선하기 위해 어떤 연구가 진행되고 있는가?
하지만 비접촉식 센서는 제작비용이 비싸고 집적도가 낮으며 평면상에서만 측정이 가능하다는 단점을 가지고 있다. 이에 기존 센서들의 기술적 한계를 극복하면서도 구조물의 대변형률을 측정할 수 있는 방법으로 전기 전도성 유연 복합재를 이용한 센서에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. (4) 이러한 대변형률 센서용 복합재에서 기저물질(host)은 탄성중합체로 되어있어 기계적 연성을 부여하고, 충전제(filler)는 고전도성 입자로서 전기 전도도를 향상시켜 구조물의 대변형률을 측정할 수 있다.
접촉식 센서는 무엇을 측정하는가?
일반적으로 구조물에 발생하는 변형은 접촉식 혹은 비접촉식 센서를 이용하여 측정한다. 스트레인 게이지(strain gauge), 섬유 격자 센서(fiber Bragg grating sensor)(1) 등과 같은 접촉식 센서는 감지소자의 전기저항 변화나 광학적 특성 변화를 이용하여 구조물의 변형을 측정한다. 접촉식 센서는 구조 및 작동 원리가 단순하고 제작이 용이하여 널리 사용되지만 대변형률을 측정할 수 없는 것으로 알려져 있다.
탄성중합체와 흑연입자의 복합재는 어떤 제작에 적합한가?
탄성중합체와 흑연입자의 복합재는 전기 전도성 유연 소재로써, 대변형률 측정센서의 감지소자 제작에 적합하다. 본 연구에서는 기계적 연성이 우수한 탄성중합체인 polydimethylsiloxane(PDMS)와 전기 전도도가 높은 박리 후 파쇄된 흑연(expoliated and fragmented graphite, EFG)을 혼합하여 새로운 전기 전도성 유연 소재를 합성한 후 이를 이용하여 측정대상물의 변형률을 50% 이상까지 측정할 수 있는 고감도 연성 센서를 개발한다.
참고문헌 (8)
Betz, D. C., Thursby, G., Culshaw, B. and Staszewski, W. J., 2006, "Advanced Layout of a Fiber Bragg Grating Strain Gauge Rosette," J. Lightwave Technol., Vol. 24, No. 2, pp. 1019-1026.
Rosset, S., Niklaus, M., Dubois, P. and Shea, H., 2008, "Ion-implanted Compliant and Patternable Electrodes for Miniaturized Dielectric Elastomer Actuators," Proceedings of SPIE, Vol. 6927, pp. 69270W-10.
Kim, J., Oh, S. and Yoon, S.-H., 2014, "Parameter Study of Microwave Assisted Exfoliation of Graphite and Its Application to Large Deformation Strain Sensors," Proceedings of IEEE SENSORS 2014, pp. 1699-1702.
Park, S., Kim, J., Jeon, K.-J. and Yoon, S.-H., 2016, "Characterization on the Expanding Nature of Graphite in Microwave-Irradiated Exfoliation," J. Nanosci. Nanotechnol., Vol. 16, pp. 4450-4455.
Yoon, S.-H., Reyes-Ortiz, V., Kim, K.-H., Seo, Y. H. and Mofrad, M. R. K., 2010, "Analysis of Circular PDMS Microballoons with Ultralarge Deflection for MEMS Design," J. Microelectromech. Syst., Vol. 19, No. 4, pp. 854-864.
Akinci, A., 2009, "Mechanical and Structural Properties of Polypropylene Composites Filled with Graphite Flakes," Archives of Materials Science and Engineering, Vol. 35, No. 2, pp. 91-94.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.