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문제 정의
- 본 연구는 PDPS를 제작하는 방법에 대한 최적화 연구와 온도감지능에 대한 가능성을 확인한 것이다. PDPS 센서는 연필을 이용한 연필 선을 전도성 감지 물체로 사용하며, A4 표면에 선을 긋는 힘의 정도, 선의 폭, 선의 길이, 연필 종류에 대한 최적화 연구 결과를 도출하였다.
- 본 연구는 연필을 이용한 센서 개발의 기초연구이다. 연필은 흑연을 응축시켜 둔 필기용 소재이다.
제안 방법
- 본 연구는 PDPS를 제작하는 방법에 대한 최적화 연구와 온도감지능에 대한 가능성을 확인한 것이다. PDPS 센서는 연필을 이용한 연필 선을 전도성 감지 물체로 사용하며, A4 표면에 선을 긋는 힘의 정도, 선의 폭, 선의 길이, 연필 종류에 대한 최적화 연구 결과를 도출하였다. 온도감지능에 대해서는 흑연의 전도성을 이용하여 PDPS가 전기저항으로 외부 온도감지가 가능하였으며, 비교적 종이는 두껍지 않고, 연필 심이 잘 흡착될 수 있는 조건의 소재를 사용해야하며, 테이프 역시 스카치 테이프 550 조건이 가장 최적임을 확인하였다.
- PDPS 센서를 이용하여 온도감지능을 확인해 보았다. 건조오븐에 PDPS 센서를 넣고 승온 조건에서의 온도에 따른 전기저항 변화도 변화와 하온조건에서의 변화를 경험식으로 확인하였다.
- PDPS의 점점 형성에 대한 안정화를 위해 실버페이스트와 스카치 테이프를 이용하는 최적 조건을 확인하였다. PDPS의 온도 감지능을 확인하기 위해 오븐에서 승온 조건에서의 PDPS 전기저항 변화도 결과와 하온 조건에서의 결과를 정리하였다. PDPS의 온도에 따른 전기저항 변화도 결과를 경험식으로 정리하여 온도에 따른 PDPS의 변화 정도를 확인하였다.
- PDPS의 온도 감지능을 확인하기 위해 오븐에서 승온 조건에서의 PDPS 전기저항 변화도 결과와 하온 조건에서의 결과를 정리하였다. PDPS의 온도에 따른 전기저항 변화도 결과를 경험식으로 정리하여 온도에 따른 PDPS의 변화 정도를 확인하였다.
- PDPS의 특성 최적화를 위해 다양한 변수를 주어 온도감지능의 차이를 확인하였다. 구리선을 고정시키는 최적화 연구를 위해 다양한 종류(투명 스카치테이프, 반투명 스카치테이프, 택배용 테이프, PI테이프)의 테이프를 활용하였고, 실버페이스트 사용여부에 따른 전기저항의 변화, 2점법, 4점법으로 전기저항을 측정했을 때 나타나는 전기저항의 신호를 비교 평가하였다.
- PDPS 센서를 이용하여 온도감지능을 확인해 보았다. 건조오븐에 PDPS 센서를 넣고 승온 조건에서의 온도에 따른 전기저항 변화도 변화와 하온조건에서의 변화를 경험식으로 확인하였다.
- PDPS의 특성 최적화를 위해 다양한 변수를 주어 온도감지능의 차이를 확인하였다. 구리선을 고정시키는 최적화 연구를 위해 다양한 종류(투명 스카치테이프, 반투명 스카치테이프, 택배용 테이프, PI테이프)의 테이프를 활용하였고, 실버페이스트 사용여부에 따른 전기저항의 변화, 2점법, 4점법으로 전기저항을 측정했을 때 나타나는 전기저항의 신호를 비교 평가하였다. 종이의 차이에 따른 센서의 영향을 확인하기 위해 마분지, A4지, 과자포장지(PET가 코팅된 종이)에 따른 PDPS 특성 차이를 관찰하였다.
- 연필의 종류, 연필 선의 두께에 따라 변화되는 PDPS의 전기저항 변화를 확인하였고, 연필을 이용해 선을 그을 때 종이에 전달되는 응력을 측정하였다. 선을 긋는 횟수에 따른 PDPS의 전기저항 변화를 확인하였다. PDPS의 점점 형성에 대한 안정화를 위해 실버페이스트와 스카치 테이프를 이용하는 최적 조건을 확인하였다.
- 연필로 종이에 선을 그을 경우 흑연이 종이에 흡착되어 선이 형성된다[13-16]. 연필 선을 종이에 형성시키는 조건을 최적화하여, 연필을 이용하여 흑연의 선을 이용한 센서(Pencil drawing paper sensor, PDPS)의 최적화 연구를 시도하였다. 연필의 종류, 연필 선의 두께에 따라 변화되는 PDPS의 전기저항 변화를 확인하였고, 연필을 이용해 선을 그을 때 종이에 전달되는 응력을 측정하였다.
- 연필 선을 종이에 형성시키는 조건을 최적화하여, 연필을 이용하여 흑연의 선을 이용한 센서(Pencil drawing paper sensor, PDPS)의 최적화 연구를 시도하였다. 연필의 종류, 연필 선의 두께에 따라 변화되는 PDPS의 전기저항 변화를 확인하였고, 연필을 이용해 선을 그을 때 종이에 전달되는 응력을 측정하였다. 선을 긋는 횟수에 따른 PDPS의 전기저항 변화를 확인하였다.
- 구리선을 고정시키는 최적화 연구를 위해 다양한 종류(투명 스카치테이프, 반투명 스카치테이프, 택배용 테이프, PI테이프)의 테이프를 활용하였고, 실버페이스트 사용여부에 따른 전기저항의 변화, 2점법, 4점법으로 전기저항을 측정했을 때 나타나는 전기저항의 신호를 비교 평가하였다. 종이의 차이에 따른 센서의 영향을 확인하기 위해 마분지, A4지, 과자포장지(PET가 코팅된 종이)에 따른 PDPS 특성 차이를 관찰하였다.
대상 데이터
- PDPS를 제조하기 위해서 사용한 연필은 Tombou Mono사의 제품을 사용하였다. 4B, 3B, 2B, B, H, 2H, 3H를 사용하였다. 종이는 더블에이사의 A4를 사용하였고, 연필 선을 종이에 긋기 위해서 자를 이용하여 선을 그었다.
- PDPS를 제조하기 위해서 사용한 연필은 Tombou Mono사의 제품을 사용하였다. 4B, 3B, 2B, B, H, 2H, 3H를 사용하였다.
- 4B, 3B, 2B, B, H, 2H, 3H를 사용하였다. 종이는 더블에이사의 A4를 사용하였고, 연필 선을 종이에 긋기 위해서 자를 이용하여 선을 그었다. 선 위에 전극을 형성시켜야 하기 때문에 구리선을 실버페이스트와 스카치테이프로 고정시켰다.
성능/효과
- 궁극적으로 PDPS를 온도감지능 승온조건에서 사용할 수 있다. 4 점법으로 PDPS를 제작할 경우, PDPS의 전기 저항 변화도가 경험식으로 정리 될 만큼 안정적인 온도감지 센서로 활용할 수 있음을 확인하였다.
- Figure 4는 연필 종류에 따라 2 cm 간격으로 PDPS를 제작하였을 때 전기저항의 정도를 분석한 결과이다. H 타입의 연필심과 B 타입의 연필심에 차이가 극명하게 나타남을 확인할 수 있었다. H 타입의 연필심을 사용할 경우 대부분 메가 옴 단위의 매우 큰 전기저항이 측정되지만, B 타입의 연필심을 사용할 경우 킬로 옴 단위의 저항을 측정할 수 있기 때문에 매우 안정적인 신호를 가진다고 설명할 수 있다.
- PDPS를 제작하여 사용할 때도 이러한 법칙에 영향을 받기 때문에 너무 긴 형태의 센서를 제작하기 보다는 적절한 연필 선의 길이가 존재함을 확인할 수 있었다. 특히 Figure 3에서 그래프에 변곡점이 확인되며, 2 cm 길이로 PDPS를 제작하는 것이 가장 효과적인 전기저항 상태를 가진다고 예상해 볼 수 있었다.
- 선을 긋는 횟수에 따른 PDPS의 전기저항 변화를 확인하였다. PDPS의 점점 형성에 대한 안정화를 위해 실버페이스트와 스카치 테이프를 이용하는 최적 조건을 확인하였다. PDPS의 온도 감지능을 확인하기 위해 오븐에서 승온 조건에서의 PDPS 전기저항 변화도 결과와 하온 조건에서의 결과를 정리하였다.
- 따라서 PDPS를 이용하여 온도감지를 할 경우 4 점법으로 센서를 제작하여야 한다. PDPS의 최대 문제인 승온 후 하온에 따른 온도감지능은 비교적 많은 개선이 있어야 하기 때문에 승온에 대한 경우에만 PDPS를 사용하는 것이 적합하였다.
- 연필 심의 앞부분이 파괴될 경우 전체 종이에 가해지는 힘은 커질 수 있었다. 따라서 연필 심을 이용하여 종이에 선을 그을 경우 B 계열이 H 계열에 비해 높은 힘으로 연필 선이 형성될 수 있음을 검증하였다.
- 하지만 PI 테이프나 유리테이프 같은 경우 테이프의 두께도 두껍고 열전도가 잘 되지 않아 노이즈 발생이 대두되었다. 따라서 적절한 테이프는 스카치테이프 계열이지만, 810 타입과 550 타입에 대한 비교를 해볼 때 810 타입보다 550 타입이 더 넓은 전기저항 변화 상태를 나타내었다. 즉 PDPS 센서가 외부 온도를 감지하는데 있어 더 정밀하게 나타낼 수 있는 경우는 스카치 테이프 550 조건이라고 설명할 수 있다.
- 또한 PET가 코팅된 종이의 경우 Figure 9(b)와 같은 결과를 나타내며, 온도에 대한 감지능 전기저항 변화도 그래프의 형태는 A4와 유사했지만, PET 표면에 재대로 연필 선이 형성되지 못하기 때문에 전기저항 노이즈의 발생이 크게 나타났다. 따라서 종이의 조건은 A4 조건이 최적이며, 두께가 두꺼운 종이는 PDPS로 사용하기에 문제가 있음을 확인하였다.
- H 타입의 연필심을 사용할 경우 대부분 메가 옴 단위의 매우 큰 전기저항이 측정되지만, B 타입의 연필심을 사용할 경우 킬로 옴 단위의 저항을 측정할 수 있기 때문에 매우 안정적인 신호를 가진다고 설명할 수 있다. 또한 4B와 같이 연필심의 숫자가 커짐에 따라 전기저항은 지속적으로 낮아졌으며, 4B 연필심 까지는 일상에서 쉽게 구할 수 있기 때문에 최적의 연필 심임을 확인하였다.
- 이러한 이유로 실버페이스트를 도포하지 않았을 경우 접점이 불안정하여 전기적 노이즈가 크게 형성되었다. 실버페이스트를 도포할 경우 전기저항 측정에 노이즈가 크게 감소되는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 PDPS 센서를 제작할 때 실버페이스트를 도포하여 점점부위에서의 접촉저항을 낮춰주어야 최적 조건으로 센서를 제작할 수 있다.
- PDPS 센서는 연필을 이용한 연필 선을 전도성 감지 물체로 사용하며, A4 표면에 선을 긋는 힘의 정도, 선의 폭, 선의 길이, 연필 종류에 대한 최적화 연구 결과를 도출하였다. 온도감지능에 대해서는 흑연의 전도성을 이용하여 PDPS가 전기저항으로 외부 온도감지가 가능하였으며, 비교적 종이는 두껍지 않고, 연필 심이 잘 흡착될 수 있는 조건의 소재를 사용해야하며, 테이프 역시 스카치 테이프 550 조건이 가장 최적임을 확인하였다. 온도감지를 위해 사용한 PDPS는 승온 조건에 대해서는 비교적 감지가 용이하였지만, 하온 조건에서는 종이 기지에 수분이 없어지면서 발생되는 변형에 의해 온도감지능이 많이 떨어지는 경향을 나타내었다.
- 온도감지능에 대해서는 흑연의 전도성을 이용하여 PDPS가 전기저항으로 외부 온도감지가 가능하였으며, 비교적 종이는 두껍지 않고, 연필 심이 잘 흡착될 수 있는 조건의 소재를 사용해야하며, 테이프 역시 스카치 테이프 550 조건이 가장 최적임을 확인하였다. 온도감지를 위해 사용한 PDPS는 승온 조건에 대해서는 비교적 감지가 용이하였지만, 하온 조건에서는 종이 기지에 수분이 없어지면서 발생되는 변형에 의해 온도감지능이 많이 떨어지는 경향을 나타내었다. 궁극적으로 PDPS를 온도감지능 승온조건에서 사용할 수 있다.
- 연필 심의 끝부분이 파손되는 정도가 더 높다. 이는 연필 심을 제작할 때 사용된 흑연 이외의 점토의 함량과 연관이 있으며, 순수 흑연 심일 수록 쉽게 연필 심이 파괴됨을 확인하였다. 연필 심의 앞부분이 파괴될 경우 전체 종이에 가해지는 힘은 커질 수 있었다.
- 이러한 과정에서 초기상태로 PDPS는 복구되지 못하고 열적 손상을 받게되며, 따라서 상온으로 온도가 내려온다 하여도 복원하지 못하게 된다. 즉 PDPS의 내구성이 부족하다는 점을 확인할 수 있었다.
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