[논문]폴리우레탄 기반 복합 섬유의 기계적, 전기적 특성

장호영; 이현종; 석지원

doi:10.7234/composres.2020.33.2.050

폴리우레탄 기반 복합 섬유의 기계적, 전기적 특성
Mechanical and Electrical Characteristics of Polyurethane-Based Composite Fibers 원문보기 논문타임라인

Composites research = 복합재료, v.33 no.2, 2020년, pp.50 - 54

장호영 (School of Mechanical Engineering, Sungkyunkwan University) , 이현종 (School of Mechanical Engineering, Sungkyunkwan University) , 석지원 (School of Mechanical Engineering, Sungkyunkwan University)

초록
AI-Helper

소프트 로봇 및 웨어러블 소자는 대변형 및 큰 유연성을 요구한다. 이에 따라, 소프트 로봇 또는 웨어러블 소자에 부착하여 사용할 수 있는 신축성 스트레인 센서의 필요성이 대두되고 있다. 본 연구에서는 폴리우레탄과 은나노꽃입자를 혼합하여 신축성과 전기전도성을 갖는 복합 섬유를 제조하였다. 이러한 복합 섬유는 스트레인에 따라 섬유의 저항이 변하게 되어 신축성 스트레인 센서로 가능성이 높다. 복합 섬유를 신축성 스트레인 센서로 활용하기 위해서, 복합 섬유의 기계적, 전기적 특성을 측정, 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Soft robotics and wearable devices require large motions and flexibility. In this regard, there is a demand for developing stretchable strain sensors which can be attached to the soft robots and wearable devices. In this work, we fabricated stretchable and electrically conductive composite fibers by combining polyurethane (PU) and silver nanoflowers (AgNFs). The PU/AgNF composite fibers showed the change of the resistance as a function of the applied strain, demonstrating the potential for stretchable strain sensors in soft robotics and wearable devices. The mechanical and electrical characteristics of the composite fibers were measured and analyzed to use the composite fibers for stretchable strain sensors.

주제어

표/그림 (5)

그림 Fig. 1. SEM images of a single composite fiber.
그림 Fig. 2. Mechanical and electrical properties of the composite fibers.
그림 Fig. 3. (a) Mechanical and (b) electrical hysteresis of the composite fiber depending on different applied strains
그림 Fig. 4. Cycle tests of the composite fiber under 40% strain
그림 Fig. 5. Electrical responses of the composite fiber depending on different applied strains

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구에서는 이러한 은나노꽃입자와 폴리우레탄으로 이루어진 복합 섬유에 대해 스트레인 센서로서의 특성을 파악하였다. 폴리우레탄 용액에 은나노꽃입자를 분산한 후습식 방사 기술을 이용하여 복합 섬유를 제작하였다.

제안 방법

폴리우레탄 용액에 은나노꽃입자를 분산한 후습식 방사 기술을 이용하여 복합 섬유를 제작하였다. 복합 섬유의 기계적, 전기적 물성을 평가하였으며, 다양한 스트레인에 따른 반복 특성을 평가하여 기계적, 전기적 히스테리시스(hysteresis)를 측정, 분석하였다.
본 연구에서는 이러한 은나노꽃입자와 폴리우레탄으로 이루어진 복합 섬유에 대해 스트레인 센서로서의 특성을 파악하였다. 폴리우레탄 용액에 은나노꽃입자를 분산한 후습식 방사 기술을 이용하여 복합 섬유를 제작하였다. 복합 섬유의 기계적, 전기적 물성을 평가하였으며, 다양한 스트레인에 따른 반복 특성을 평가하여 기계적, 전기적 히스테리시스(hysteresis)를 측정, 분석하였다.

대상 데이터

신축성 폴리우레탄에 금속 필러를 첨가함으로써 전기전도성을 갖는 복합 섬유를 제작하였다. 섬유를 제작하기 위해서 습식 방사 기술을 사용하였다[18].
섬유를 제작하기 위해서 습식 방사 기술을 사용하였다[18]. 필러는 꽃 모양을 갖는 은나노입자를 사용하였는데, 은나노꽃입자는 기존에 보고된 방법을 따라서 합성하였다[19]. 복합 섬유를 제작하기 위하여, 폴리우레탄 펠렛을DMF(dimethylformamide) 에 10 wt%로 녹이고, 혼합 용액에 85.

데이터처리

이때, 표점 거리(gauge length)는 50 mm였다. 전기적 특성은 섬유의 끝단을 전도성 에폭시와 전도성 테이프로 고정하고, 전압 분할 회로와 데이터 수집 장치(DAQ)를 이용하여 섬유의 저항 변화를 측정하였다. 다양한 스트레인에 따른 섬유의 전기적 특성 변화와 사이클 시험을 위해서, 섬유에 인장시험기를 이용하여 변위를 가하면서 저항 변화를 측정하였다.

이론/모형

신축성 폴리우레탄에 금속 필러를 첨가함으로써 전기전도성을 갖는 복합 섬유를 제작하였다. 섬유를 제작하기 위해서 습식 방사 기술을 사용하였다[18]. 필러는 꽃 모양을 갖는 은나노입자를 사용하였는데, 은나노꽃입자는 기존에 보고된 방법을 따라서 합성하였다[19].

성능/효과

기계 적인 히스테리시스에 비해서, 저항 변화의 히스테리시스는 낮은 것을 확인할 수 있다. 따라서, 폴리우레탄/은나노꽃입자를 이용한 복합 섬유는 변형에 따른 저항 변화를 측정함 으로써 스트레인 센서로 활용할 가능성이 있음을 확인할 수 있었다.
이러한 고신축성의 전도성 섬유는 소프트 로봇이나 웨어러블 소자에서 스트레인 센서로 활용될 가능성이 높다. 따라서, 합성한 섬유에 대해 스트레인을 변화시킴에 따른 섬유의 저항 변화를 관찰하였으며, 스트레인 센서로서의 가능성을 확인할 수 있었다.
특히, 스트레인에 따른 기계적, 전기적 변화를 관찰함으로써, 인장, 회복에 따른 히스테리시스를 평가하였다. 반복적인 사이클 시험을 통해서 합성된 섬유가 40%의 스트레인에도 안정적으로 응답하는 것을 확인하였다. 이러한 고신축성의 전도성 섬유는 소프트 로봇이나 웨어러블 소자에서 스트레인 센서로 활용될 가능성이 높다.

후속연구

반복적인 사이클 시험을 통해서 합성된 섬유가 40%의 스트레인에도 안정적으로 응답하는 것을 확인하였다. 이러한 고신축성의 전도성 섬유는 소프트 로봇이나 웨어러블 소자에서 스트레인 센서로 활용될 가능성이 높다. 따라서, 합성한 섬유에 대해 스트레인을 변화시킴에 따른 섬유의 저항 변화를 관찰하였으며, 스트레인 센서로서의 가능성을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	소프트 로봇이란?	소프트 로봇이란 유연한 재료로 만들어진 로봇으로서, 전통적인 로봇에서는 불가능한 로봇과 사람이 공존하는 작업 환경 구성이 가능하고, 사람의 일을 보조할 뿐만 아니라 외골격에 장착하여 사람의 움직임 자체를 보조해 줄 수 있다는 장점이 있다. 이러한 로봇은 기존의 구동기를 사용할 수 없으므로, 유연하고 소프트한 소재를 활용한 다양한 새로운 시도들이 있었다.
	큰 스트레인(strain)을 측정할 수 있는 신축성 스트레인 센서가 필요한 이유는?	최근에는 낚싯줄이나 재봉실을 꼬아서 만든 코일형 구동기(twisted and coiled actuator, TCA)가 제시되었으며 매우 큰 변위와 단위 무게당 매우 높은 파워를 만들 수 있어 새로운 소프트 구동기로 서의 가능성이 높다[4-6]. 이러한 구동기들을 사용한 소프트 로봇의 경우 큰 변위를 내는데 이를 측정하기 위해서는 기존의 스트레인 게이지나 인코더를 사용할 수 없다. 이에 따라, 큰 스트레인(strain)을 측정할 수 있는 신축성 스트레인 센서가 필요하다.
	소프트 로봇의 장점은?	소프트 로봇이란 유연한 재료로 만들어진 로봇으로서, 전통적인 로봇에서는 불가능한 로봇과 사람이 공존하는 작업 환경 구성이 가능하고, 사람의 일을 보조할 뿐만 아니라 외골격에 장착하여 사람의 움직임 자체를 보조해 줄 수 있다는 장점이 있다. 이러한 로봇은 기존의 구동기를 사용할 수 없으므로, 유연하고 소프트한 소재를 활용한 다양한 새로운 시도들이 있었다.

참고문헌 (20)
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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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