[논문]탄소나노튜브 복합소재 전왜 특성과 3D 프린팅을 활용한 로드셀 개발 연구

강인필; 정관영; 최백규; 김성용; 오광원; 김병탁; 백운경

doi:10.7839/ksfc.2020.17.4.097

탄소나노튜브 복합소재 전왜 특성과 3D 프린팅을 활용한 로드셀 개발 연구
A Study on Load Cell Development by means of a Nano-Carbon Piezo-resistive Composite and 3D printing 원문보기

드라이브ㆍ컨트롤 = Journal of drive and control, v.17 no.4, 2020년, pp.97 - 102

강인필 (Department of Mechanical & Design Engineering, Pukyong National University) , 정관영 (Innovative Smart Manufacturing R&D Department, KITECH) , 최백규 (Department of Mechanical & Design Engineering, Pukyong National University) , 김성용 (Department of Mechanical & Design Engineering, Pukyong National University) , 오광원 (Department of Mechanical & Design Engineering, Pukyong National University) , 김병탁 (Department of Mechanical & Design Engineering, Pukyong National University) , 백운경 (Department of Mechanical & Design Engineering, Pukyong National University)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the basic research for the design and fabrication of a 3D-printed load cell made of NCPC (nano-carbon piezo-resistive composite). We designed a structure that can resonate at a low frequency range of about 5-6 Hz with ANSYS using sensitivity analysis and a response surface method. The design was verified by fabricating the device with a low-quality commercial 3D printer and ABS filament. We conducted a feasibility test for a commercial sensor using 1000 cyclic load tests at 0.3 Hz in a material testing system. A manufacturing process for the 3D printer filament based on the NCPC was also developed using the nano-composite process.

주제어

표/그림 (5)

그림 Fig. 1 The 3D printing pressure sensor; (a) a sensor design by using ANSYS and (b) a 3D printed sensor body with (outer diameter: 14.5mm, height: 9mm) and ( c ) cantilever sensor electrode filled with NCPC(Nano Carbon Piezoresistive Composite, black) in the ABS sensor body (white).
그림 Fig. 2 Design of a multi-cymbal resonant structure for low frequency (5~6Hz) resonant load cell.
그림 Fig. 3 3D printed the multi-cymbal resonant structure for resonant load cell.
그림 Fig. 4 Cyclic load test of NCPC (2wt%, MWCNT/epoxy) with MTS under 0.3Hz and to 1000 cycle; (a) cyclic voltage output response of the NCPC sensor (CNT sensor) and (b) voltage output stability test with conventional load cell of MTS.
그림 Fig. 5 The fabrication process of 3D printer filament based on NCPC using nano composite process.

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구는 센서 구조체의 역할이 그 성능에 미치는 중요성을 보여준 연구이나, 3D 프린팅 로드 셀의 정적 압력 계측 성능만을 실험적으로 보고하였다. 그러므로 본 연구에서는 NCPC 기반 센서가 동적 하중 계측에 유용하게 사용 될 수 있도록 특정 주파수 영역에서 공진을 발생시켜 계측 감도를 높일 수 있는 3D 프린팅 구조형 센서 설계와 제작을 위한 기초 연구를 수행하였다. 이를 위하여 특정 주파수 영역에서 공진을 발생시켜 계측 감도를 높일 수 있는 특수 구조형 센서를 설계하고 3D 프린터를 활용하여 제작하였다.
따라서 본 연구에서는 우리 생활 및 공학 기술에 널리 이용될 수 있는 경제성 높은 새로운 로드 셀의 개발을 위한 기초 연구를 수행하였다. 본 논문은 탄소 나노소재 기반 3D 프린터의 필라멘트개발, 저주파 동적 하중 측정이 가능한 다중 cymbal 공진 구조체의 로드셀 설계 및 제작과 반복 하중 시 탄소 나노 복합소재의 스트레인 계측 특성관련 실험 연구를 소개한다.
센서 개발이 가능하다. 따라서 본 연구에서는 위에 기술한 복합한 형상의 구조체와 센서 전극을 3D 프린터를 일체화 시켜 제작할 수 있도록 NCPC를 활용한 3D 필라멘트 제작을 연구하였다. 대표적인 3D프린팅 기법인 FDM(Fused Deposition Modeling)방식은 열가소성재료(ABS, PC, PLA 등)를필라멘트로 이용하고 있다.
3Hz의 속도로 1000회 반복하중 실험을 통해 상용 센서 개발 가능성을 제시하였다. 또한 NCPC를 3D 프린터용 필라멘트로 활용하기 위한 제작공정 역시 함께 연구하였다.
위한 기초 연구를 수행하였다. 본 논문은 탄소 나노소재 기반 3D 프린터의 필라멘트개발, 저주파 동적 하중 측정이 가능한 다중 cymbal 공진 구조체의 로드셀 설계 및 제작과 반복 하중 시 탄소 나노 복합소재의 스트레인 계측 특성관련 실험 연구를 소개한다.
이 연구는 센서 구조체의 역할이 그 성능에 미치는 중요성을 보여준 연구이나, 3D 프린팅 로드 셀의 정적 압력 계측 성능만을 실험적으로 보고하였다. 그러므로 본 연구에서는 NCPC 기반 센서가 동적 하중 계측에 유용하게 사용 될 수 있도록 특정 주파수 영역에서 공진을 발생시켜 계측 감도를 높일 수 있는 3D 프린팅 구조형 센서 설계와 제작을 위한 기초 연구를 수행하였다. 이를 위하여 특정 주파수 영역에서 공진을 발생시켜 계측 감도를 높일 수 있는 특수 구조형 센서를 설계하고 3D 프린터를 활용하여 제작하였다.
일반적으로 구조형 센서는 그 기능의 최적화를 위하여 복잡한 형상이 필요할 수 있으나, 현재 활용되는 미세가공 기술로는 그 제작에 한계가 있다. 이러한 센서 제작에 한계를 극복하기 위하여 Fig. 1과 같이 본 연구팀은 NCPC를 센서로 하며, 이를 소형 외팔보 형상의 센서 구조체로 하는 소형 압력 센서를 3D 프린터를 활용하여 개발하는 연구를 수행하고 보고하였다.9, 10) 이들 선행 연구에서 외팔보 전극의 압력 센서는 특별한 형상 없이 제작된 벌크형(bulk) 전극의 압력센서 대비 선형적인 출력 전압이 개선되어 약 200% 압력측정 성능 향상을 보였다.

제안 방법

전산 해석프로그램(ANSYS)와 반응표면 법을 통한 민감도 분석을 활용하여 5~6Hz 부근에서 공진을 발생 시킬 수 있는 구조체를 설계하였고, 보급형 3D 프린터와ABS 수지로 제작 가능성을 확인하였다. NCPC의 센싱 내구성을 재료시험기를 활용하여 0.3Hz의 속도로 1000회 반복하중 실험을 통해 상용 센서 개발 가능성을 제시하였다. 또한 NCPC를 3D 프린터용 필라멘트로 활용하기 위한 제작공정 역시 함께 연구하였다.
공진 구조체는 가속도 센서를 비롯하여 여러 분야에 활용되고 있으나, 주로 규소 (silicon)와 MEMS공정을 활용하여 초소형 센서로 제작되고 있으며, 높은 주파수 영역에서 공진이 발생하는 특성을 활용하는 센서로서 개발되고 있다. 그러나 일반적으로 기계 구조물에 발생하는 1차 공진은 저주파 영역이며, 저파수 공진체는 고주파 공진 체보다 형상 구조가 복잡하고 보다 도전적이라 판단되어 본연구에서는 저주파 영역에서 사용 가능한 로드셀 개발을 수행하였다. 소자에 장착되어 저주파 대역에서 공진을 발생 시킬 수 있는 소형 구체는 Fig.
12) 또한 현재 탄소 나노 소재를 함유하는 필라멘트들이 제품화 되어 있으나, 이들은 단순히 전도성이 높은 전극 제작용이므로 본 연구실에서 이들을 활용한 센서 제작에서는 압저항 특성 활용이 어려웠다. 따라서 본 연구에서는 다음 Fig.5와같이 나노복합소재 공정을 활용하여 3D 프린터용 NCPC를 제작하였다. 3D 프린팅을 활용한 압저항 특성의 효율적 사용을 위하여 압저항 특성에 영향을 미칠 수 있는 필러 함량, 분산 시간, 필러 종횡비와 같은 다양한 요인은 공정 개선 연구를 통하여 지속적으로 수행되어야 할 분야이다.
동적 하중 계측이 가능한 로드셀 개발을 위하여는 NCPC가반복적인 하중에서도 안정적인 성능을 지니고 있음이 실험적 검증이 요구된다. 따라서 본 연구에서는 재료시험기(MTS 244.41)를 활용하여 0.3Hz의 속도로 1000회 반복하중에서 NCPC 기반 로드셀이 출력 특성을 수행하고 Fig.4와 같은 결과를 얻었다. 위의 결과는 NCPC가 반복적인 하중에서도 충분히 내구성을 지녀 상용 로드 셀 개발에 활용 될 수 있는 중요 기초 자료라 판단된다.
그러나 일반적으로 기계 구조물에 발생하는 1차 공진은 저주파 영역이며, 저파수 공진체는 고주파 공진 체보다 형상 구조가 복잡하고 보다 도전적이라 판단되어 본연구에서는 저주파 영역에서 사용 가능한 로드셀 개발을 수행하였다. 소자에 장착되어 저주파 대역에서 공진을 발생 시킬 수 있는 소형 구체는 Fig. 2와 같이 이 전산 해석프로그램(ANSYS)와 반응 표면법을 통한 민감도 분석을 활용하여 5~6Hz 부근에서 공진을 발생시킬 수 있는 구조체 설계를 선행적으로 수행하였다.
그러므로 본 연구에서는 NCPC 기반 센서가 동적 하중 계측에 유용하게 사용 될 수 있도록 특정 주파수 영역에서 공진을 발생시켜 계측 감도를 높일 수 있는 3D 프린팅 구조형 센서 설계와 제작을 위한 기초 연구를 수행하였다. 이를 위하여 특정 주파수 영역에서 공진을 발생시켜 계측 감도를 높일 수 있는 특수 구조형 센서를 설계하고 3D 프린터를 활용하여 제작하였다. 공진 구조체는 가속도 센서를 비롯하여 여러 분야에 활용되고 있으나, 주로 규소 (silicon)와 MEMS공정을 활용하여 초소형 센서로 제작되고 있으며, 높은 주파수 영역에서 공진이 발생하는 특성을 활용하는 센서로서 개발되고 있다.
수행하였다. 전산 해석프로그램(ANSYS)와 반응표면 법을 통한 민감도 분석을 활용하여 5~6Hz 부근에서 공진을 발생 시킬 수 있는 구조체를 설계하였고, 보급형 3D 프린터와ABS 수지로 제작 가능성을 확인하였다. NCPC의 센싱 내구성을 재료시험기를 활용하여 0.

성능/효과

3은 위의 설계 결과를 기반으로 보급형 FDM(Fused Deposition Modeling)방식의 3D 프린터 (Flashforge USA, Dreamer)를 활용하여 선행적으로 제작한 저주파 공진체 시작품이다. 이 제작을 통하여 저주파 소형 공진체가 간단히 3D 프린터와 일반적으로 널리 활용되는 열가소성 소재인 ABS 수지로 제작 될 수 있음을 확인하였으며, ABS 수지를 기반으로 하는 NCPC 필라멘트 개발을 수행하였다. 동적 하중 계측이 가능한 로드셀 개발을 위하여는 NCPC가반복적인 하중에서도 안정적인 성능을 지니고 있음이 실험적 검증이 요구된다.

후속연구

최근에는 이러한 한계점을 극복하기 위해 열가소성 재료에 여러 재료들을 혼합한 복합소재 필라멘트들의 기계적 강도 향상과 경량화에 대한 다양한 연구가 진행 되고 있다.11) 우수한 기계적 특성과 기능성을 가진 위의 나노 소재와 열가소성 재료를 혼합한 나노 복합소재 필라멘트는 커다란 산업적인 응용 가능성을 가지고 있을 것으로 전망된다. 현재 선행연구로는 PBT(polybutylene terephthalate) 수지 기반에 CNT와 Graphene을 혼합한 전도성 폴리머 필라멘트연구가 수행되었다.
반대로 인장력을 주었을 경우에는 NCPC 내부에 있는 충진재들 간극이 커지며 전도성 네트워크가 틀어지게 되면서 저항이 증가하게 된다.2 , 3) 이러한 NCPC는 고분자재료 및 여타 소재들과 혼합하여 스트레인 센서를 개발할 수 있으므로, 기존의 금속이나 세라믹 계열 소재와는 다른 새로운 특성을 지닌 스트레인 센서와 로드셀의 개발을 가능할 게 할 수 있다. 일례로 실리콘 고무와 혼합을 할 경우에는 유연성과 높은 연신율을 지닌 스트레인 센서의 개발이 가능하다.
5와같이 나노복합소재 공정을 활용하여 3D 프린터용 NCPC를 제작하였다. 3D 프린팅을 활용한 압저항 특성의 효율적 사용을 위하여 압저항 특성에 영향을 미칠 수 있는 필러 함량, 분산 시간, 필러 종횡비와 같은 다양한 요인은 공정 개선 연구를 통하여 지속적으로 수행되어야 할 분야이다. 특히, CNT 기반 NCPC 펠릿이 사출기(extruder)를 통하여 필라멘트로 가공됨에 있어 내부에 있는 CNT의 정렬 효과가 예상되고 있고 이는 압저항 특성 개선에 기여할 것으로 기대되고 있다.
일례로 실리콘 고무와 혼합을 할 경우에는 유연성과 높은 연신율을 지닌 스트레인 센서의 개발이 가능하다.4) 또한 고분자 복합소재 스트레인 게이지는 고분자 재료의 양호한 기계 가공성을 활용하여 다양한 구조체 형상으로 제작이 가능하므로 새로운 구조적 특성을 지닌 로드셀의 개발에 유리하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 탄소나노 동소체를 파이버(fiber) 형태로 가공할 경우 3D 프린팅 필라멘트 (filament)로 제작이 가능하므로, 향후 생산기술의 주력이 될 수 있는 3D 프린팅 기술과 결합하여 다양한 형상의 로드 셀로 쉽게 제작 될 수 있다.
또한 로드셀 구조체는 그 형상과 재질에 따라 강성과 감도 특성이 필라멘트의 재질로 용이한 조절 가능할 수 있을 것이다. 그러므로 3D 프린팅 공정은 향 후 NCPC 기반 로드셀 개발뿐만 아니라 향후 다양한 센서를 개발하고 제작하는데 유용할 것으로 기대된다.
또한 로드셀 구조체는 그 형상과 재질에 따라 강성과 감도 특성이 필라멘트의 재질로 용이한 조절 가능할 수 있을 것이다. 그러므로 3D 프린팅 공정은 향 후 NCPC 기반 로드셀 개발뿐만 아니라 향후 다양한 센서를 개발하고 제작하는데 유용할 것으로 기대된다.
로드셀의 핵심요소인 스트레인 게이지 역시 우수한 성질을 지닌 나노 재료들의 등장으로 단점인 감도, 취성, 가공성 등을 보완하거나, 그 한계를 극복할 수 있어 새로운 로드셀 개발이 가능 할 것이다. 이러한 대표적인 소재로는 나노기술을 이끌고 있는 탄소 나노 소재인 탄소나노튜브(CNT, Carbon nanotube) 와그래핀(grpahine) 등 전기 전도성을 지닌 나노 탄소 동소체가 유망하다.
4와 같은 결과를 얻었다. 위의 결과는 NCPC가 반복적인 하중에서도 충분히 내구성을 지녀 상용 로드 셀 개발에 활용 될 수 있는 중요 기초 자료라 판단된다. 현재는 재료 시험기의 성능 한계로 인하여 낮은 동적 하중에서만 실험이 수행되었으나, 향후 유사한 내구성 실험을 동적 가진기를 활용하여 1kHz 이상의 높은 주파수 대역에서 계획 중이다.
향후 NCPC 기반 필라멘트는 수지재료에 따라 압저항 특성이 달라질 수 있어 필라멘트 제조 최적 공정과 더불어 연구되어야만 한다. 또한 적층형 3D 프린팅에서 발생할 수 있는 적층 변수(적층 각도, 온도, 형상)와 압저항 메커니즘에 따른 전기적 성능을 조화시켜 3D 프린팅 구조체를 설계, 제작, 실험을 통해 정량적 연구가 필요하므로 이에 대한 연구가 진행되고 있다.
위의 결과는 NCPC가 반복적인 하중에서도 충분히 내구성을 지녀 상용 로드 셀 개발에 활용 될 수 있는 중요 기초 자료라 판단된다. 현재는 재료 시험기의 성능 한계로 인하여 낮은 동적 하중에서만 실험이 수행되었으나, 향후 유사한 내구성 실험을 동적 가진기를 활용하여 1kHz 이상의 높은 주파수 대역에서 계획 중이다. 이와 더불어 공진은 센서의 출력을 높일 수 있으나 출력전압의 선형성에 영향을 줄 수 있으므로, 이를 보상할 수 있는 신호처리 방안 연구가 진행 중이다.

참고문헌 (12)

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K. Gnanasekaran, T. Heijmans, S. van Bennekom, H. Woldhuis, S.Wijnia, G. de With and H. Friedrich, "3D printing of CNT- and graphene-based conductive polymer nanocomposites by fused deposition modeling", Applied materialstoday, Vol.9, pp.21-28, 2017.

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저자의 다른 논문 :

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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