[논문]온도 센서를 위한 스마트 페인트 제작 및 저항 특성

안주훈; 이창열

doi:10.20910/jase.2019.13.2.43

온도 센서를 위한 스마트 페인트 제작 및 저항 특성
Fabrication and Resistance Characteristics of Smart Paint for Temperature Sensor 원문보기

항공우주시스템공학회지 = Journal of aerospace system engineering, v.13 no.2, 2019년, pp.43 - 50

안주훈 (조선대학교 항공우주공학과) , 이창열 (조선대학교 항공우주공학과)

초록
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위성 및 항공기 부속품 등은 온도 영향에 따라 미션의 가능성 및 안전에 큰 영향을 받게 된다. 또한 무인기를 위해 연구가 활발히 진행되고 있는 연료전지 분야에서도 효율성 및 안정성을 위해 온도는 필수적으로 확인되어야 한다. 본 논문은 큐리 온도 이상에서 저항이 급격히 변화하는 PTC 서미스터의 특성을 이용하기 위해 $BaTiO_3$와 세라믹 성분을 변화시킨 $SrTiO_3$를 이용하여 스마트 페인트를 제작하였으며, 박리를 방지하기 위하여 코팅제를 제작해 코팅 후 저항 변화를 확인하였다. 또한 코팅 전후 $BaTiO_3$ 와 $SrTiO_3$의 온도 변화에 따른 저항 변화를 측정하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Satellite and aircraft components are greatly affected by the possibility for missions and safety due to temperature effects. In the field of fuel cells, research is actively carried out for UAV. For the efficiency and stability of the fuel cells, the temperature for operations must be confirmed. In this paper, a smart paint was fabricated with $BaTiO_3$ and $SrTiO_3$ ceramics in order to take advantage of the rapid characteristics of the PTC thermistor, which is the resistance changes abruptly above the Curie point. A coating agent was prepared to prevent the paint from peeling off the samples and the coated models were checked for resistance changes. Moreover, the resistance change of the $BaTiO_3$ and $SrTiO_3$ with temperature conditions was measured before and after coating.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1 Fabrication Procedure of Smart Paints
그림 Fig. 2 Samples of Production [(a) : Uncoated BaTiO₃, (b) : Uncoated SrTiO₃, (c) : Coated BaTiO₃,(d) : Coated SrTiO₃]
그림 Fig. 3 SEM Images of Paints [(a) : Uncoated BaTiO₃, (b) : Uncoated SrTiO₃, (c) : Coated BaTiO₃,(d) : Coated SrTiO₃]
표 Table 1 Measurement of Basic Resistance
그림 Fig. 4 Schematic Diagram of Experimental Setting
그림 Fig. 5 Experiment Setting of Substrate
그림 Fig. 6 Temperature and Resistance Comparison Graphs by BaTiO₃
그림 Fig. 7 Temperature and Resistance Comparison Graphs by SrTiO₃

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 형상과 크기에 제한 없이 온도 측정이 가능한 온도 센서 스마트 페인트를 제작하였다. PTC 서미스터의 주재료로 사용되는 세라믹인 BaTiO₃와 세라믹 성분 중 Ba를 Sr로 치환 시킨 세라믹인 SrTiO₃를사용하였으며, 전도성을 부여해주기 위하여 은 입자를 첨가해 주었다.
또한 코팅을 통해 온도 센서 페인트의 부착성을 개선하였다. 본 연구를 통해 기존 온도 센서의 적용 범위에 대한 한계점을 극복하고 형상과 크기에 제한 없이 온도 측정이 가능한 온도센서 스마트 페인트의 가능성을 확인하였다.
본 연구에서는 인공위성이 임무수행 시 받는 온도중 고온의 영역인 150 ℃ 이하의 온도 범위 측정을 목표로 온도 측정용 스마트 페인트를 제작하였다[15]. 실험은 PTC 서미스터의 재료로 주로 사용되는 세라믹 BaTiO₃와 SrTiO₃를 이용하여 온도 측정이 가능한 페인트를 제작하였으며, 기존 스마트 페인트의 문제점인도포 및 경화 이후 페인트의 박리를 방지하기 위해 코팅제를 개발 및 제작하여 코팅을 하였다.
네 가지의 시편 모두 불규칙적인 온도 상승에서도온도와 저항 그래프가 비슷한 경향을 보여주었다. 이를 통해 제작한 온도 측정용 스마트 페인트가 온도 상승할 때 저항이 상승하는 PTC 서미스터로의 응용 가능성을 확인하였다. 코팅에 유무에 따라 측정 가능한 온도 범위 및 온도 변화에 따른 저항 특성엔 큰 영향이 없었으며, 세라믹의 종류에 따라 측정 가능한 온도 범위가 다른 것을 확인하였다.

제안 방법

하지만 고온의 환경을 버텨야 하는 온도 센서 페인트의 경우 일반적인 에폭시를 사용하였을 때 녹아내리는 현상을 확인하였다. 따라서 고온의 환경에서 사용이 가능한 코팅제를 사용해야 했으며, 내열성과 내화학성의 특성을 가진 PI(Polymide) 용액을 코팅제로 개발하여 사용하였다. 코팅제는 DMAc(N,N-Dimethylacetamide, 99.
코팅 후 기본 저항은 코팅 전보다 높아졌으며, 측정 저항과 온도 센서 측정 데이터의 경향이 비슷한 것을 확인하였고 코팅의 유무에 따른 경향 또한 비슷하여 페인트 위에 도포한 코팅이 온도 측정 범위에 영향을 주지 않는다는 결과를 보여주었다. 또한 코팅을 통해 온도 센서 페인트의 부착성을 개선하였다. 본 연구를 통해 기존 온도 센서의 적용 범위에 대한 한계점을 극복하고 형상과 크기에 제한 없이 온도 측정이 가능한 온도센서 스마트 페인트의 가능성을 확인하였다.
세라믹만으로는 전도성이 나타나지 않으므로 Ag Paste(60-80%, < 400 nm, 1µm, Changsung Nanotech Corporation)를 첨가하여약 4시간 동안 분산하여 스마트 페인트를 제작하였다.
온도 측정은 DAQ와 상용 서모커플을 이용하여 데이터 수집 및 측정하였으며, 지름 25 mm의 토출구를 가진 히팅 건으로 시편 중간에 고온의 바람을 가하여 고온의 환경을 만들어 주었다. 시편의 저항 측정을 위해 양쪽 끝단에 테스트용 전극을 만들어 일정한 거리에서의 측정이 이루어지게 하였 으며, 소스 미터를 양쪽 전극에 연결하여 측정하였다. 온도 측정은 시편에서 온도를 직접적으로 받는 부분에 Thermocouple를 부착하여 측정하였다.
본 연구에서는 인공위성이 임무수행 시 받는 온도중 고온의 영역인 150 ℃ 이하의 온도 범위 측정을 목표로 온도 측정용 스마트 페인트를 제작하였다[15]. 실험은 PTC 서미스터의 재료로 주로 사용되는 세라믹 BaTiO₃와 SrTiO₃를 이용하여 온도 측정이 가능한 페인트를 제작하였으며, 기존 스마트 페인트의 문제점인도포 및 경화 이후 페인트의 박리를 방지하기 위해 코팅제를 개발 및 제작하여 코팅을 하였다. 코팅제에 의한 온도 센싱 페인트의 영향을 확인하기 위해 코팅 전후의 저항 값을 측정 및 비교하였으며, 온도 변화에 따른 저항 변화를 도출하였다.
저항 측정은 소스 미터를 이용하였으며, 연결되어 있는 컴퓨터의 프로그램을 이용하여 데이터를 수집하였다. 온도 측정은 DAQ와 상용 서모커플을 이용하여 데이터 수집 및 측정하였으며, 지름 25 mm의 토출구를 가진 히팅 건으로 시편 중간에 고온의 바람을 가하여 고온의 환경을 만들어 주었다. 시편의 저항 측정을 위해 양쪽 끝단에 테스트용 전극을 만들어 일정한 거리에서의 측정이 이루어지게 하였 으며, 소스 미터를 양쪽 전극에 연결하여 측정하였다.
시편의 저항 측정을 위해 양쪽 끝단에 테스트용 전극을 만들어 일정한 거리에서의 측정이 이루어지게 하였 으며, 소스 미터를 양쪽 전극에 연결하여 측정하였다. 온도 측정은 시편에서 온도를 직접적으로 받는 부분에 Thermocouple를 부착하여 측정하였다.
유기용매인 DMF에 PEO를 첨가하여 교반기를 이용해 약 24시간 동안 혼합하였으며, 혼합한 고분자 용액에 BaTiO₃와 SrTiO₃를 각각 1:1 비율로 첨가하여 약 12시간 동안 교반기와 초음파세척기를 이용하여 고분자 잉크 내에 분산시켰다. 세라믹만으로는 전도성이 나타나지 않으므로 Ag Paste(60-80%, < 400 nm, 1µm, Changsung Nanotech Corporation)를 첨가하여약 4시간 동안 분산하여 스마트 페인트를 제작하였다.
세라믹 입자가 응집되어 있었지만 전체적으로 세라믹과 은 입자가 고르게 분포되어 PTC 특성을 가지는 페인트가 제작되었음을 확인하였다. 일정한 측정 거리를 가지기 위해 기판 양 끝에 구리 테이프를 이용하여 테스트용 전극을 만들어 주었으며, 소스 미터를 이용하여 저항 측정을 하였다. 온도 측정은 상용화되어있는 온도센서를 이용하였으며, DAQ로 데이터를 수집하였다.
PTC 서미스터의 주재료로 사용되는 세라믹인 BaTiO₃와 세라믹 성분 중 Ba를 Sr로 치환 시킨 세라믹인 SrTiO₃를사용하였으며, 전도성을 부여해주기 위하여 은 입자를 첨가해 주었다. 측정 범위 도포 이후 페인트가 떨어지는 것을 방지하기 위해 코팅을 하였으며, 코팅제는 PI 를 젤 형태의 용액으로 제작하여 도포해 주었다. SEM 을 통해 확인한 세라믹과 은 입자의 배열 확인 결과 세라믹이 응집되어 입자의 크기가 커진 것을 확인하였다.
실험은 PTC 서미스터의 재료로 주로 사용되는 세라믹 BaTiO₃와 SrTiO₃를 이용하여 온도 측정이 가능한 페인트를 제작하였으며, 기존 스마트 페인트의 문제점인도포 및 경화 이후 페인트의 박리를 방지하기 위해 코팅제를 개발 및 제작하여 코팅을 하였다. 코팅제에 의한 온도 센싱 페인트의 영향을 확인하기 위해 코팅 전후의 저항 값을 측정 및 비교하였으며, 온도 변화에 따른 저항 변화를 도출하였다.
일반적인 페인트의 코팅은 주로 에폭시를 이용하고 있으며, 페인트와 에폭시의 혼합으로 부착 강도 및 내식성을 높여주는 역할을 하게 된다. 하지만 고온의 환경을 버텨야 하는 온도 센서 페인트의 경우 일반적인 에폭시를 사용하였을 때 녹아내리는 현상을 확인하였다. 따라서 고온의 환경에서 사용이 가능한 코팅제를 사용해야 했으며, 내열성과 내화학성의 특성을 가진 PI(Polymide) 용액을 코팅제로 개발하여 사용하였다.

대상 데이터

PTC 서미스터를 구현하기 위하여 세라믹 재료인 BaTiO3(Nanopowder, < 100 nm, SIGMA ALDAICH)와, 저온 범위 측정이 가능한 SrTiO3(Nanopowder, < 100 nm, Sigma Aldaich)를 사용하였다.
본 연구는 형상과 크기에 제한 없이 온도 측정이 가능한 온도 센서 스마트 페인트를 제작하였다. PTC 서미스터의 주재료로 사용되는 세라믹인 BaTiO₃와 세라믹 성분 중 Ba를 Sr로 치환 시킨 세라믹인 SrTiO₃를사용하였으며, 전도성을 부여해주기 위하여 은 입자를 첨가해 주었다. 측정 범위 도포 이후 페인트가 떨어지는 것을 방지하기 위해 코팅을 하였으며, 코팅제는 PI 를 젤 형태의 용액으로 제작하여 도포해 주었다.
도포는 시중에서 손쉽게 구할 수 있는 30 mm 크기의 페인트용 붓을 이용하여 도포하였으며, 기판은 약 200 ℃ 의 온도를 버틸 수 있는 가로 104 mm, 세로 48 mm, 두께 3 mm의 유리판을 사용하였다. 제작을 완료한 온도 센서 페인트를 도포 후 55 ℃ 환경의 오븐에서 약 6시간 동안 경화 시켜 주었으며, 경화 이후 제작한 코팅제를 도포하여 Fig.
일정한 측정 거리를 가지기 위해 기판 양 끝에 구리 테이프를 이용하여 테스트용 전극을 만들어 주었으며, 소스 미터를 이용하여 저항 측정을 하였다. 온도 측정은 상용화되어있는 온도센서를 이용하였으며, DAQ로 데이터를 수집하였다. 코팅 후 기본 저항은 코팅 전보다 높아졌으며, 측정 저항과 온도 센서 측정 데이터의 경향이 비슷한 것을 확인하였고 코팅의 유무에 따른 경향 또한 비슷하여 페인트 위에 도포한 코팅이 온도 측정 범위에 영향을 주지 않는다는 결과를 보여주었다.
5는 시편 측정 방법 및 상용 온도 센서의 위치를 보여주고 있다. 저항 측정은 소스 미터를 이용하였으며, 연결되어 있는 컴퓨터의 프로그램을 이용하여 데이터를 수집하였다. 온도 측정은 DAQ와 상용 서모커플을 이용하여 데이터 수집 및 측정하였으며, 지름 25 mm의 토출구를 가진 히팅 건으로 시편 중간에 고온의 바람을 가하여 고온의 환경을 만들어 주었다.
코팅제는 DMAc(N,N-Dimethylacetamide, 99.5 %, DaeJung)를 용매로 사용하였으며, ODA(4,4’-Oxydianilne, 98 %, Alfa Aesar)를 충분히 녹인 후 PMDA (Pyromellitic Dianhydride, 98 %, TCI)를 서서히 첨가하여 PI를 젤 형태의 용액으로 제작하였다[17].
PTC 서미스터를 구현하기 위하여 세라믹 재료인 BaTiO₃(Nanopowder, < 100 nm, SIGMA ALDAICH)와, 저온 범위 측정이 가능한 SrTiO₃(Nanopowder, < 100 nm, Sigma Aldaich)를 사용하였다. 페인트의 점도와 세라믹의 분산을 위해 수용성 고분자인 PEO(Polyethylene Oxide, Mw = 10000, AlfaAesar)를 사용하였으며, 용매는 DMF (N.N-Dimethylmethanamide, 99.5%, DaeJung)를 사용 하였다[16].

성능/효과

측정 범위 도포 이후 페인트가 떨어지는 것을 방지하기 위해 코팅을 하였으며, 코팅제는 PI 를 젤 형태의 용액으로 제작하여 도포해 주었다. SEM 을 통해 확인한 세라믹과 은 입자의 배열 확인 결과 세라믹이 응집되어 입자의 크기가 커진 것을 확인하였다. 응집된 세라믹 입자 주위로 은 입자가 배열되어 있었으며, 세라믹 입자들을 연결해주고 있었다.
SEM을 이용한 확인 결과 약 100 nm 이하의 크기를 가지고 있던 BaTiO3가 공정을 거치면서 응집되었다는 것을 확인할 수 있으며, 약 20 µm 크기의 구 형상으로 응집된 것을 확인할 수 있다.
응집된 세라믹 입자 주위로 은 입자가 배열되어 있었으며, 세라믹 입자들을 연결해주고 있었다. 세라믹 입자가 응집되어 있었지만 전체적으로 세라믹과 은 입자가 고르게 분포되어 PTC 특성을 가지는 페인트가 제작되었음을 확인하였다. 일정한 측정 거리를 가지기 위해 기판 양 끝에 구리 테이프를 이용하여 테스트용 전극을 만들어 주었으며, 소스 미터를 이용하여 저항 측정을 하였다.
코팅 전과 코팅 후의 입자들의 배열은 큰 차이가 없었으며, 응집된 SrTiO₃을 중심으로 은 입자가 분포하고 있다는 것을 확인하였다. 주사전자현미경 확인 결과 SrTiO₃가 BaTiO₃ 보다 더 큰 크기의 응집현상이 나타났으며, 전체적인 세라믹의 분포는 SrTiO₃ 보다 BaTiO₃가 더 고르게 분포되었음을 확인하였다.
2(c-d)는 코팅 후의 시편이다. 캡톤 테이프를 이용하여 떨어지는 정도를 확인하였을 때, 코팅 전 시편은 쉽게 떨어져 캡톤 테이프에 다량의 경화된 페인트가 묻어 나오는 것을 확인하였으며, 코팅 후 시편은 페인트가 떨어져 나오지 않아 캡톤 테이프가 깨끗하다는 것을 확인하였다. Table 1은 코팅 전후의 저항 변화에 대해 나타내 주었으며, 코팅 전 저항 보다 코팅 후 저항이 약간 더 높아졌다.
응집된 SrTiO₃ 사이로 은 입자가 분포되어 있으며, 세라믹 입자를 연결해주고 있다. 코팅 전과 코팅 후의 입자들의 배열은 큰 차이가 없었으며, 응집된 SrTiO₃을 중심으로 은 입자가 분포하고 있다는 것을 확인하였다. 주사전자현미경 확인 결과 SrTiO₃가 BaTiO₃ 보다 더 큰 크기의 응집현상이 나타났으며, 전체적인 세라믹의 분포는 SrTiO₃ 보다 BaTiO₃가 더 고르게 분포되었음을 확인하였다.
또한 BaTiO₃ 주위로 은 입자가 고르게 분포되어 있으며, 세라믹 입자를 연결해주고 있는 것을 확인할 수 있다. 코팅 전과 코팅 후의 전체적인 배열은 비슷한 경향을 보이며, 응집된 세라믹 입자들 사이에 은 입자가 분포되어 있다는 것을 확인할 수 있다. Figure 3(b)은 코팅하지 않은 SrTiO₃이며, Fig.
온도 측정은 상용화되어있는 온도센서를 이용하였으며, DAQ로 데이터를 수집하였다. 코팅 후 기본 저항은 코팅 전보다 높아졌으며, 측정 저항과 온도 센서 측정 데이터의 경향이 비슷한 것을 확인하였고 코팅의 유무에 따른 경향 또한 비슷하여 페인트 위에 도포한 코팅이 온도 측정 범위에 영향을 주지 않는다는 결과를 보여주었다. 또한 코팅을 통해 온도 센서 페인트의 부착성을 개선하였다.
이를 통해 제작한 온도 측정용 스마트 페인트가 온도 상승할 때 저항이 상승하는 PTC 서미스터로의 응용 가능성을 확인하였다. 코팅에 유무에 따라 측정 가능한 온도 범위 및 온도 변화에 따른 저항 특성엔 큰 영향이 없었으며, 세라믹의 종류에 따라 측정 가능한 온도 범위가 다른 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PTC 서미스터의 특징은?	이와 같은 서미스터는 제조 및 특성에 대한 연구와 위성의 온도 센싱 모니터링 방법에 대한 연구 등이 활발히 진행되고 있다[5,6]. PTC 서미스터는 TiO계 세라믹과 Si 단결정계 등을 주재료로 사용하며, 해당 TiO계 세라믹은 페로브스카 이트 구조를 가지고 있는 강유전체 세라믹으로 상전이 가 일어나 온도를 측정하는 특징을 가지고 있다. 약 120 ℃의 부근에서 큐리 온도가 존재하며, 큐리 온도 이상에서 저항이 급격히 증가하게 된다.
	세라믹의 성 분을 변화시킬 때 저온 영역의 측정이 가능한 이유는?	약 120 ℃의 부근에서 큐리 온도가 존재하며, 큐리 온도 이상에서 저항이 급격히 증가하게 된다. 세라믹의 성 분을 변화시키게 되면 고온 또는 저온으로 큐리 온도를 조절할 수 있으며, Ba를 Sr로 치환할 경우 저온으 로 큐리 온도가 이동하게 되어 저온 영역의 측정을 가능하게 해준다. 는 제조 공정에 따른 특성 및 응용 등 연구가 활발히 진행되는 재료이며, Ba를 Sr로 치환한  또한 응용 연구가 활발히 진행되는 재 료이다[7-11].
	기존 상용화되어 있는 온도 센서의 단점을 보완하기 위해 스마트 페인트 방법을 사용할 때 장점은?	넓은 범위 측정과 곡면 측정 등에 제한이 없는 가장 손쉬운 방법 중 하나는 스마트 페인트를 이용하는 방법이 있다. 스마트 페인트의 경우 측정 범 위에 제한이 없으며, 측정 형상 또한 제한이 없다는 장점을 가지고 있다. 또한 혼합하는 재료에 따라 진동 또는 온도 등 측정하는 분야를 손쉽게 바꿀 수 있다는 장점이 있다. 현재까지 연구된 스마트 페인트의 경우 대부분이 압전 재료를 이용한 크랙 및 진동 측정의 방 향으로 연구되어져 왔으며, 온도를 측정하는 스마트 페인트는 국내외적으로 연구가 미비하다[13,14].

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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