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3D 프린팅을 활용한 탄소 나노 튜브 전왜성 복합소재 기반 압력 센서 개발 연구
A Study on the Development of a Novel Pressure Sensor based on Nano Carbon Piezoresistive Composite by Using 3D Printing 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.41 no.3, 2017년, pp.187 - 192  

김성용 (부경대학교 기계설계공학과) ,  강인필 (부경대학교 기계설계공학과)

초록
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본 논문에서는 탄소나노튜브 전왜성 복합소재(Nano-Carbon Piezoresistive Composite, NCPC)를 기반으로 하며, 3D 프린팅 공정을 활용하여 제작된 압력센서의 개발 진행 연구를 소개하였다. 압력센서의 성능을 향상시키기 위하여 센서전극을 외팔보 형태로 설계하였고 3D 프린팅 공정을 활용하여 소형전극을 제작하였다. 압력을 전기적 저항의 변화로 바꾸는 전왜성 센서의 전극은 2wt%의 다중벽 탄소나노튜브/에폭시 전왜성 복합소재로 제작하였다. 센서는 압력시스템에 용이하게 적용하기 위하여 파이프 플러그 캡에 삽입하여 제작을 하였으며, 실험실 환경에서 압력교정기를 활용하여 실험을 하였다. 외팔보 전극의 압력센서는 16,500kPa까지 선형적인 출력전압 특성을 보였으며, 이는 벌크형 전극의 압력센서 대비 약 200% 압력측정 성능 향상을 보였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper presents an ongoing study to develop a novel pressure sensor by means of a Nano Carbon Piezoresistive Composite (NCPC). The sensor was fabricated using the 3D printing process. We designed a miniaturized cantilever-type sensor electrode to improve the pressure sensing performance and util...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 우리 생활 및 해양플랜트 기술에 널리 이용될 수 있는 경제성 높은 새로운 압력 센서의 개발을 위하여 구조형 센서와 재료형 센서의 특징을 결합시킨 새로운 압력센서 개발의 기초연구를 수행하였다. 그러므로 본 논문은 CNT 지능형 복합소재 기반 압력 센서 선행연구를 기반으로 하고 3D 프린터를 센서 제작에 활용하여 압력에 민감한 변형을 지닌 소형 구조물을 전왜성을 지닌 탄소나노 지능형 복합소재로 제작한 압력 센서의 실험 연구를 소개한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
압력이 해양플랜트 기계기술 분야에서 핵심적인 계측 정보인 이유는 무엇인가? 계측기술은 이를 담당하는 센서 기술발전에 크게 의존하고 있으며, 압력의 계측은 이러한 관련 기술의 주요 관심 분야 중 하나이다. 압력은 유량 및 온도 등과 더불어 유체를 계측하고 제어하는 분야의 대표적인 기본 물리량이므로 유체와 관련된 많은 기술을 개발하는 해양플랜트 기계기술 분야에서는 핵심적인 계측 정보이다. 또한 압력 센서는 광범위한 수요로 인하여 센서 시장에서 차지하는 비중이 높은 품목으로 보고되고 있다.
해양플랜트 기술은 무엇인가? 해양플랜트 기술은 바다에 매장되어 있는 석유, 가스와 같은 자원들을 발굴, 시추, 생산해내는 활동을 위한 관련 장비와 설비들을 개발하는 기술이다. 해양플랜트의 작업은 대부분이 지상과 동떨어진 해상이나 심해저와 같은 특수하거나 극한 환경에서 이루어지고 있어, 이와 관련된 기술들은 일반적인 공학기술 대비 높은 안전성과 신뢰성이 요구되고 있다.
해양플랜트에 사용되는 구조형 센서는 어떻게 설계 되는가? (4) 현재 해양플랜트를 비롯하여 산업분야에는 센서 내부에 장착된 구조물이 압력에 의한 변형으로 전기적인 신호를 발생시키는 구조형 센서가 많이 사용되고 있다고 분석된다. 압력에 의하여 쉽게 변형이 발생되는 판상(plate), 쉘(shell) 또는 튜브(tube) 등의 구조물이 압력에 의한 변형으로 정전용량이 변화하거나 스트레인 게이지등과 같은 별도의 센서를 부착하여 그 변형량을 전기적 저항의 변화로 전환시켜 측정하는 형식과같이 압력에 의한 기계적 구조물 변형부와 감지부가 각각 존재하는 형태로 설계가 되어 있다. 구조형 센서는 그 용도에 적합하도록 내부 구조물이 설계되고 가공되어야 하므로 일반적으로 이들의 설계는 제조 공정과 기술에 크게 종속되고 있다.
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참고문헌 (14)

  1. Hur, J. G. and Yang, K. U., 2007, "The Technology Trend and Newest Product of Pressure Sensor," Journal of Drive and Control, Vol. 4, No. 3, pp. 2-10. 

  2. YOLE Development., 2013, "What are the Business and Technology Trends that are Impacting the MEMS Business for the Next 5 Years." 

  3. BSI., 2006, "Petroleum and Natural Gas Industries. Design and Operation of Subsea Production Systems. Subsea Production Control Systems." 

  4. Sehwa, 1988, "Sensor's Principles and Instructions," ISBN : 2003718002210. 

  5. Tombler, T. W., Zhou, C., Alexeyev, L., Kong, J., Dal, H., Liu, L., Jayanthl, C. S., Tang, M. and Wu, S. Y., 2000, "Reversible Electromechanical Characteristics of Carbon Nanotubes under Local-Probe Manipulation," Nature, Vol. 405, pp. 769-772. 

  6. Wood, J. R. and Wagner, H. D., 2000, "Single-wall Carbon Nanotube as Molecular Pressure Sensors," Applied Physics Letters, Vol. 76, No. 20, 2883. 

  7. Kang, I., Schulz, M. J., Kim, J. H., Shanov, V. and Shi, D., 2006, "A Carbon Nanotube Strain Sensor for Structural Health Monitoring," Smart Materials and Structures, Vol. 15, No. 3, pp. 737-748. 

  8. Kang, I., Schulz, M. J., Lee, J. W., Choi, G. R. and Choi, Y. S., 2006, "Strain Sensors Using Carbon Nanotube Composites," Trans. Korean Soc. Noise Vibration Eng., Vol. 16, No. 7, pp. 762-768. 

  9. Chang, W. S., Song, S. A., Kim, J. H. and Han, C. S., 2009, "Fabrication of Caron Nanotube Strain Sensors," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 33, No. 10, pp. 773-777. 

  10. Kim, S. Y., Kim, H. H., Choi, B. G., Kang, I. H., Lee, I. Y. and Kang, I., 2016, "A Study on Piezoresistive Characteristics of Smart Nano Composites based on Carbon Nanotubes for a Novel Pressure Sensor," Journal of Drive and Control, Vol. 13, No. 1, pp. 43-48. 

  11. Jin, H. S., Lee, J. K., Lee, S. and Lee, K. C., 2014, "Output Characteristic of a Flexible Tactile Sensor Manufactured by 3D Printing Technique," J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 31, No. 2, pp. 149-156. 

  12. Giovanni, P., Gabriele, N., Gianmarco, G., Marinella, L. and Stefano, T., 2015, "Conductive 3D Microstructures by Direct 3D Printing of Polymer/ carbon Nanotube Nanocomposites via Liquid Deposition Modeling," Composites: Part A, Vol. 76, pp. 110-114. 

  13. Zhang, D., Chi, B., Li, B., Gao, Z., Du, Y., Guo, J. and Wei, J., 2016, "Fabrication of Highly Conductive Graphene Flexible Circuits by 3D Printing," Synthetic Metals, Vol. 217, pp. 79-86. 

  14. John, M. G., Godfrey, S., Kim, J. W., Roberto, J. C., Russel, A. W., Christopher, J. S., Brian, W. G., Dennis, C. W. and Emilie, J. S., 2016, "3-D Printing of Multifunctional Carbon Nanotube Yarn Reinforced Components," Additive Manufacturing, Vol. 12, pp. 38-44. 

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