복합재료용 흑연/종이 센서의 최적제조조건 및 감지능 평가 연구 A New Study of Sensing and Optimum Preparation Conditions of Graphite/Different Paper Sensors for Composite Materials원문보기
종이에 연필을 이용하여 선을 그리는 연필 선 종이 센서(pencil drawing paper sensor, PDPS)를 센서로 활용하기 위한 연구를 수행하였다. PDPS의 특성에 기반을 두는 3가지 다른 종이에 대한 감지 효과를 비교하였다. 시편은 4B 연필을 평지(A4), 화선지, 한지에 선을 그어 제작하였으며 구리선과 연필 선간의 전기 접점을 향상시키기 위해 실버 페이스트를 사용하였다. FT-IR스펙트럼 분석으로 PDPS에 대한 3 종이의 화학적 구조가 유사하고 광학현미경으로 각 종이의 조밀도를 비교하였다. 3 종이의 인장 강도의 통계적 평가로부터, A4가 PDPS에 가장 적합하다는 것을 확인하였다. 선을 그린 횟수에 따른 종이의 두께 변화를 통해 그리는 횟수의 최적 조건을 확인하였으며 복합재료의 반복 압축 실험을 통해 압축력의 변화를 PDPS로 관측하였다. PDPS를 이용하여 복합재료의 기계적 물성을 비교적 예측할 수 있었다.
종이에 연필을 이용하여 선을 그리는 연필 선 종이 센서(pencil drawing paper sensor, PDPS)를 센서로 활용하기 위한 연구를 수행하였다. PDPS의 특성에 기반을 두는 3가지 다른 종이에 대한 감지 효과를 비교하였다. 시편은 4B 연필을 평지(A4), 화선지, 한지에 선을 그어 제작하였으며 구리선과 연필 선간의 전기 접점을 향상시키기 위해 실버 페이스트를 사용하였다. FT-IR 스펙트럼 분석으로 PDPS에 대한 3 종이의 화학적 구조가 유사하고 광학현미경으로 각 종이의 조밀도를 비교하였다. 3 종이의 인장 강도의 통계적 평가로부터, A4가 PDPS에 가장 적합하다는 것을 확인하였다. 선을 그린 횟수에 따른 종이의 두께 변화를 통해 그리는 횟수의 최적 조건을 확인하였으며 복합재료의 반복 압축 실험을 통해 압축력의 변화를 PDPS로 관측하였다. PDPS를 이용하여 복합재료의 기계적 물성을 비교적 예측할 수 있었다.
A new study was carried out to utilize a pencil drawing paper sensor (PDPS), which drew a line using a pencil on the paper, as a sensor. The sensing effect on 3 different papers based on the properties of PDPS was compared. The specimens were prepared by drawing 4B pencils on plain (A4), Hwasun, and...
A new study was carried out to utilize a pencil drawing paper sensor (PDPS), which drew a line using a pencil on the paper, as a sensor. The sensing effect on 3 different papers based on the properties of PDPS was compared. The specimens were prepared by drawing 4B pencils on plain (A4), Hwasun, and Han papers. The silver paste was used to give good electrical contacts of the copper wires and the pencil drawn line. The chemical structures of 3 papers for PDPS by FT-IR spectrum analysis were similar and the comparative compact states of each paper were observed by optical microscope. From statistical evaluation of tensile strength using 3 papers, plain paper was chosen to be best for the PDPD. The optimum drawing number of PDPD was determined by changing the thickness of the paper with the drawing number. Electrical resistance (ER) with graphite on 3 different papers were compared. The changes in compression was observed through cyclic compressive test of composite materials, it was possible to predict the degree of strain sensing under compressive test. It leads to expectation of properties.
A new study was carried out to utilize a pencil drawing paper sensor (PDPS), which drew a line using a pencil on the paper, as a sensor. The sensing effect on 3 different papers based on the properties of PDPS was compared. The specimens were prepared by drawing 4B pencils on plain (A4), Hwasun, and Han papers. The silver paste was used to give good electrical contacts of the copper wires and the pencil drawn line. The chemical structures of 3 papers for PDPS by FT-IR spectrum analysis were similar and the comparative compact states of each paper were observed by optical microscope. From statistical evaluation of tensile strength using 3 papers, plain paper was chosen to be best for the PDPD. The optimum drawing number of PDPD was determined by changing the thickness of the paper with the drawing number. Electrical resistance (ER) with graphite on 3 different papers were compared. The changes in compression was observed through cyclic compressive test of composite materials, it was possible to predict the degree of strain sensing under compressive test. It leads to expectation of properties.
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문제 정의
본 연구는 외부응력이나 외부 환경에 대한 감지를 전기적 신호로 감지하여 수치화 할 수 있는 센서를 개발하기 위한 기초연구이다[13]. 많은 국가들에서 값싸고 널리 쓰이고 있는 필기용 재료인 흑연이 주성분인 연필과 목재의 섬유질을 가공하여 생산된 종이를 이용한 센서 개발의 기초 연구를 통해 PDPS 사용 시 가장 최적화된 종이를 찾기 위해 진행되었다. 종이의 종류에 따른 FT-IR 스펙트럼 분석으로 화학적 구조를 확인하였고 시편에 부착되어 센서로 활용 될 때 센서 자체의 손상되는 정도를 파악하기 위해 인장 실험을 실시하였다.
본 연구는 PDPS 제작 시 최적의 종이 조건을 평가하기 진행되었다. 종이는 A4, 화선지, 한지를 사용하였고 연필은 4B를 이용하였다.
본 연구는 외부응력이나 외부 환경에 대한 감지를 전기적 신호로 감지하여 수치화 할 수 있는 센서를 개발하기 위한 기초연구이다[13]. 많은 국가들에서 값싸고 널리 쓰이고 있는 필기용 재료인 흑연이 주성분인 연필과 목재의 섬유질을 가공하여 생산된 종이를 이용한 센서 개발의 기초 연구를 통해 PDPS 사용 시 가장 최적화된 종이를 찾기 위해 진행되었다.
제안 방법
PDPS를 제작하기 위해 바탕이 되는 최적의 종이 재질을 확인하기 위해 우선 FT-IR(IS5, 피셔 사이언티픽, 미국)를 측정하여 IR 스펙트럼 분석을 통해 각 종이의 성분을 확인하였다. 또 표점거리 2 cm, 너비 1 cm의 시편을 제작한 후 만능재료시험기(LR 10K, 로이드 사, 영국)를 이용하여 인장실험을 진행하였다.
종이에 연필로 선을 그어 만든 센서의 초기 전기 저항값 차이를 확인하였다. 순수한 종이와 연필로 선을 그은 종이의 표면, 인장 실험을 진행한 후 파단면을 현미경으로 관찰하여 각 종이의 조밀도와 연필의 발림성, 파단 후 흑연 배열 상태로 안정성을 확인하였다. A4 를 이용하여 연필로 선을 긋는 횟수에 따른 두께를 측정하여 종이의 두께와 흑연의 두께를 확인하였다.
많은 국가들에서 값싸고 널리 쓰이고 있는 필기용 재료인 흑연이 주성분인 연필과 목재의 섬유질을 가공하여 생산된 종이를 이용한 센서 개발의 기초 연구를 통해 PDPS 사용 시 가장 최적화된 종이를 찾기 위해 진행되었다. 종이의 종류에 따른 FT-IR 스펙트럼 분석으로 화학적 구조를 확인하였고 시편에 부착되어 센서로 활용 될 때 센서 자체의 손상되는 정도를 파악하기 위해 인장 실험을 실시하였다. 종이에 연필로 선을 그어 만든 센서의 초기 전기 저항값 차이를 확인하였다.
대상 데이터
Fig. 1은 본 실험에 쓰이는 PDPS를 이용하여 복합재료 연필은 Tombou Mono사의 4B 제품을 사용하였고 종이는 200℃ 오븐에서 4시간 동안 열처리를 한 A4와 화선지, 한지를 사용하였다. 선을 긋기 위해서 자를 이용하여 사각 나선형으로 10회의 선을 그었고 연필 선 위에 실버 페이스트와 구리 선을 이용하여 전극을 제작한 후 에폭시 접착제를 이용하여 고정시켰다.
선을 긋기 위해서 자를 이용하여 사각 나선형으로 10회의 선을 그었고 연필 선 위에 실버 페이스트와 구리 선을 이용하여 전극을 제작한 후 에폭시 접착제를 이용하여 고정시켰다. 굴곡강도 실험시 사용한 유리섬유/에폭시복합재료의 기지재로 비스페놀-A계 에폭시 YD-128(국도 화학, 한국)과 폴리이서아민계 경화제 D-400, D-2000(국도 화학, 한국)을 5:2.7:0.3의 비율을 혼합하여 이용하였으며 강화재인 단일 방향 유리섬유(SE-1500, 오웬스 코닝, 미국)을사용하였다. 복합재료에 PDPS를 부착할 때 역시 같은 기지재를 이용하여 부착하였다.
종이는 A4, 화선지, 한지를 사용하였고 연필은 4B를 이용하였다. 실험에 사용된 복합재료의 기지제 및 접착제로 비스페놀-A계 에폭시와 폴리이서아민계 D-400, D-2000을 혼합하여 사용하였고 보강재인 섬유는 SE-1500을 이용하였다. FT-IR 스펙트럼 분석을 통해 각 종이의 성분이 동일함을 확인하였고, 종이 인장실험으로 인장강도와 그 분포를 도출하였다.
본 연구는 PDPS 제작 시 최적의 종이 조건을 평가하기 진행되었다. 종이는 A4, 화선지, 한지를 사용하였고 연필은 4B를 이용하였다. 실험에 사용된 복합재료의 기지제 및 접착제로 비스페놀-A계 에폭시와 폴리이서아민계 D-400, D-2000을 혼합하여 사용하였고 보강재인 섬유는 SE-1500을 이용하였다.
이론/모형
그 후 두께 측정기(547-401, 미쓰토요, 일본)를 이용하여 횟수에 따른 종이 및 연필 흑연의 두께의 변화를 측정하였다. 굴곡강도 실험 시 이용된 복합재료는 RTM(Resin Transfer Molding) 공법을 이용하여 단일방향매트를 4장을 적층하여 수지 주입 후 10 MPa의 압력으로 80℃에서 2시간, 160℃에서 2시간 경화작업을 거쳐 제작하였다. 이후 복합재료 시편의 아랫부분에 PDPS를 놓고 반복 압축 실험을 진행하였다.
성능/효과
이후 전기저항 측정을 통해 화선지의 전기저항이 가장 낮음을 볼 수 있었지만 순수한 종이의 셀룰로오스 조밀도와 연필을 그은 후 흑연의 발림성, 인장 실험 후 파단면을 광학 현미경으로 관찰한 결과 A4가 PDPS 로 제작되었을 때 가장 안정성을 보여주었다. A4로 PDPS 를 제작하였을 때 연필로 연필 선을 그은 횟수에 따른 종이의 두께 변화로 10회가 최적임을 확인하였고 반복 압축 실험을 통해 복합재료에 부여된 압축력의 변화를 PDPS로 관측이 가능했다. A4로 PDPS를 제작할 경우 다른 종이보다 안정성을 가지며 실제 복합재료에 부착되어 안정적인 센서로 활동될 수 있음을 확인하였다.
A4로 PDPS 를 제작하였을 때 연필로 연필 선을 그은 횟수에 따른 종이의 두께 변화로 10회가 최적임을 확인하였고 반복 압축 실험을 통해 복합재료에 부여된 압축력의 변화를 PDPS로 관측이 가능했다. A4로 PDPS를 제작할 경우 다른 종이보다 안정성을 가지며 실제 복합재료에 부착되어 안정적인 센서로 활동될 수 있음을 확인하였다.
하지만 마지막 선의 사진과 같이 인장 실험 후 파단면을 확인 하였을 때 A4는 연필 선의 흑연이 비교적 안정적인 것을 볼 수 있지만 화선지와 한지의 경우 흑연의 배열이 깨진 것을 확인하였다. 따라서 초기 저항 값을 비교했을 때는 화선지가 다른 종이에 비해 낮지만 실험 후 종이에 손상이 진행되었을 때 안정성은 A4 용지가 우수함을 확인하였다.
7은 연필 선을 몇 번 그리는 것이 최적인지를 확인하기 위해 A4를 이용하여 연필로 선을 그리는 횟수에 따라 종이의 두께 변화를 나타난 그래프이다. 연필로 선을 그리는 횟수에 따라 연필 선의 두께는 크게 차이가 나지 않는 것으로 보아 흑연층의 두께는 거의 변하지 않는 것을 확인하였다. 이는 연필 선이 그려질 때 흑연이 쌓이는 것이 아니라 종이 표면에 셀룰로오스 섬유가 조밀하지 못한 비어있는 공간을 메꾸는 형태로 흑연이 발리기 때문이다.
화선지는 셀룰로오스 섬유의 조밀도가 낮아표면이 흑연이 더 많이 발리는 충분한 조건을 제공하지만 인장 후에는 파단면을 살펴보면 손상으로 인해 얽혀있는 섬유가 풀리면서 흐트러지기 때문에 A4에 비해 흑연의 배열이 보다 많이 깨지게 된다. 이로 인해 시편에 직접적으로 부착되어 외력을 받게 되는 PDPS의 특성으로 인해 A4가 화선지보다 초기 전기저항은 조금 높지만 강도적인 측면에서 매우 우세하기 때문에 더 적합하다는 것을 확인하였다. 한지의 경우 셀룰로오스 섬유의 조밀도가 현저하게 떨어지기 때문에 연필로 선을 그릴 때 오히려 발림성이 저하되어 흑연이 배열이 외력이 작용이 하지 않고도 고르지 않고 불안정한 것을 확인할 수 있었다.
5의 첫 번째 줄은 A4와 화선지, 한지의 표면, 두 번째줄은 연필을 그은 후 표면, 마지막 줄은 인장 실험 후 파단면을 광학 현미경으로 관찰한 사진이다. 첫 번째 선의 사진을 비교해보면 한지의 경우 섬유가 다른 종이와 비교해 섬유 굵기가 굵고 조밀하지가 못해 빛이 투과하는 것에 비해 A4는 섬유 굵기도 가늘고 조밀도도 높은 것을 확인할 수있다. Fig.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
연필의 흑연이 다양한 용도로 사용되는 이유는?
그 중 연필의 흑연은 유리질 탄소, 탄소 페이스트 및 다이아몬드 등 다른 탄소 기반 물질에 비교하여 보다 다양한 용도로 사용된다[7]. 이는 연필 흑연이 다른 물질과 비교하여 높은 반응성, 민감성, 저비용, 누구나 다루기 쉽기 때문이다[8,9].
탄소란?
탄소는 다양한 구조적 및 형태학적 형태로 인해 중요한 물질이다[1]. 흑연과 다이아몬드 동소체(고도로 열분해 된 흑연, 유리질 탄소, 탄소 섬유, 붕소가 도핑 된 다이아몬드) [2], 적절한 바인더와 혼합된 탄소입자[3,4], 탄소 나노 물질 (탄소나노튜브, 그래핀)[5,6] 등이 유용한 전극이나 센서로서 전도성이 필요한 부분에 전도체로서 사용되어진다.
전도체로서 사용될 수 있는 물질들은?
탄소는 다양한 구조적 및 형태학적 형태로 인해 중요한 물질이다[1]. 흑연과 다이아몬드 동소체(고도로 열분해 된 흑연, 유리질 탄소, 탄소 섬유, 붕소가 도핑 된 다이아몬드) [2], 적절한 바인더와 혼합된 탄소입자[3,4], 탄소 나노 물질 (탄소나노튜브, 그래핀)[5,6] 등이 유용한 전극이나 센서로서 전도성이 필요한 부분에 전도체로서 사용되어진다. 그 중 연필의 흑연은 유리질 탄소, 탄소 페이스트 및 다이아몬드 등 다른 탄소 기반 물질에 비교하여 보다 다양한 용도로 사용된다[7].
참고문헌 (15)
Navratil, R., Kotzianova, A., Halouzka, V., Opletal, T., Triskova, I., Trnkova, L., and Hrbac, J., "Polymer Lead Pencil Graphite as Electrode Material: Voltammetric, XPS and Raman Study," Journal of Electroanalytical Chemistry, Vol. 783, 2016, pp. 152-160.
Vytras, K., Svancara, I., and Metelka, R., "Carbon Paste Elec- trodes in Electroanalytical Chemistry," Journal of the Serbian Chemical Society, Vol. 74, 2009, pp. 1021-1033.
Taleat, Z., Khoshroo, A., and Mazloum-Ardakani, M., "Screen- printed Electrodes for Biosensing: a Review (2008-2013)," Microchim Acta, Vol. 181, 2014, pp. 865-891.
Christopher, B.J., M., Peairs, J.B., and Venton, J., "Review: Carbon Nanotube Based Electrochemical Sensors for Biomolecules," Analytica Chimica Acta, Vol. 662, 2010, pp. 105-127.
Karimi, A., Othman, A., Uzunoglu, A., Stanciu, L., and Andreescu, S., "Graphene Based Enzymatic Bioelectrodes and Biofuel Cells," Nanoscale, Vol. 7, 2015, pp. 6909-6923.
Purushothama, H.T., and Nayaka, Y.A., "Electrochemical Study of Hydrochlorothiazide on Electrochemically Pretreated Pencil Graphite Electrode as a Sensor," Sensing and Bio-Sensing Research, Vol. 16, 2017, pp. 12-18.
Gao, W., Song, J., and Wu, N., "Voltammetric Behavior and Square-wave Voltammetric Determination of Trepibutone at a Pencil Graphite Electrode," Journal of Electroanalytical Chemistry, Vol. 576, 2005, pp. 1-7.
Pettersson, F., Keskinen, J., Remonen, T., von Hertzen L., Jans- son, E., Tappura, K., Zhang, Y., Wilen, C.E., and Osterbacka, R., "Printed Environmentally Friendly Supercapacitors with Ionic Liquid Electrolytes on Paper," Journal of Power Sources, Vol. 271, 2014, pp. 298-304.
Li, W., Qian, F., Li, Y., Bao, N., Gu, H., and Yu, C., "Fully-drawn Pencil-on-paper Sensors for Electroanalysis of Dopamine," Journal of Electroanalytical Chemistry, Vol. 769, 2016, pp. 72-79.
Kwon, D.J., Shin, P.S., Kim, J.H., Beak, Y.M., Park, H.S., and Park, J.M., "Optimum Condition of Pencil Drawing Paper Sensor (PDPS) for Temperature Detecting," Journal of Adhesion and Interface, Vol. 18, 2017, pp. 1-7.
Leal-Ayala, D.R., Allwood, J.M., Schmidt, M., and Alexeev, I., "Toner-print Removal from Paper by Long and Ultrashort Pulsed Lasers," Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Vol. 468, 2012, pp. 2272-2293.
Jeremy Astruc, Malladi Nagalakshmaiah, Gaetan Laroche, Michel Grandbois, Said Elkoun, and Mathieu Robert, "Isolation of Cellulose-II Nanospheres from Flax Stems and Their Phys- ical and Morphological Properties," Carbohydrate Polymers, Vol. 178, 2017, pp. 352-359.
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