[논문]그래핀/탄소나노섬유 코팅된 3D 프린팅 고분자 구조를 이용한 신축성 스트레인 센서

나승찬; 이현종; 임태경; 윤정민; 석지원

doi:10.7234/composres.2022.35.4.283

그래핀/탄소나노섬유 코팅된 3D 프린팅 고분자 구조를 이용한 신축성 스트레인 센서
Stretchable Strain Sensors Using 3D Printed Polymer Structures Coated with Graphene/Carbon Nanofiber Hybrids 원문보기

Composites research = 복합재료, v.35 no.4, 2022년, pp.283 - 287

나승찬 (School of Mechanical Engineering, Sungkyunkwan University) , 이현종 (School of Mechanical Engineering, Sungkyunkwan University) , 임태경 (School of Mechanical Engineering, Sungkyunkwan University) , 윤정민 (School of Mechanical Engineering, Sungkyunkwan University) , 석지원 (School of Mechanical Engineering, Department of Smart Fab. Technology, SKKU Advanced Institute of Nano Technology (SAINT), Sungkyunkwan University)

초록
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신축성 스트레인 센서는 웨어러블 기기나 건강 모니터링과 같은 미래 응용 분야에 적용하기 위하여 개발되고 있는데, 센서의 신뢰성을 높이기 위해 안정성과 반복성이 고려되어야 한다. 본 연구에서는 3D 프린팅을 통해 키리가미 패턴이 있는 고분자 구조를 제작하여 센서의 신축성과 히스테리시스를 개선하였다. 견고한 전도성 네트워크를 구현하기 위하여 그래핀과 탄소나노섬유를 혼합한 하이브리드 소재를 고분자 구조에 코팅하였다. 제작한 신축성 스트레인 센서는 32%의 스트레인에 대해 게이지팩터가 36을 보였으며, 1%부터 30%까지의 다양한 스트레인에 대해서 안정적인 저항 변화 응답을 나타냈다.

Abstract ▼ AI-Helper

Stretchable strain sensors have been developed for potential future applications including wearable devices and health monitoring. For practical implementation of stretchable strain sensors, their stability and repeatability are one of the important aspects to be considered. In this work, we utilized 3D printed polymer structures having kirigami patterns to improve the stretchability and reduce the hysteresis. The polymer structures were coated with graphene/carbon nanofiber hybrids to make a robust electrical network. The stretchable strain sensors showed a high gauge of 36 at a strain of 32%. Because of the kirigami structures and the robust graphene/carbon nanofiber coating, the sensors also exhibited stable resistance responses at various strains ranging from 1% to 30%.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Design of the strain sensor with kirigami patterns
그림 Fig. 2. Schematic illustration of the fabrication process of the 3D-printed stretchable strain sensors
그림 Fig. 4. Hysteresis curves of the 3D printed polymer structures
그림 Fig. 5. Electrical responses of the graphene/CNF-coated strain sensor with kirigami patterns. (a) Resistance responses as a function of applied strain, (b) Gauge factors as a function of applied strain
그림 Fig. 3. (a) Photograph of the graphene/CNF-coated strain sensor. (b) Photograph of the strain sensor under the test. (c) and (d) SEM images of the surface of the strain sensor with graphene/CNF hybrid coating
그림 Fig. 6. Electrical responses of the graphene/CNF-coated strain sensor with kirigami patterns under various applied strains
그림 Fig. 7. Resistance-strain responses of the graphene/CNF-coated strain sensor with kirigami patterns under 1000 stretching- releasing cycles at a strain of 10%

AI 본문요약
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제안 방법

본 연구에서는 고분자 평면 구조에 그래핀과 탄소나노섬유 하이브리드 코팅을 통해 전도성 네트워크를 구성하여 스트레인에 따른 저항 변화를 측정할 수 있는 스트레인센서를 구현하였다. 3D 프린팅을 통해 키리가미 패턴이 포함된 고분자 구조를 제작하여, 센서의 신축성과 반복 특성을 개선하였다. 센서의 표면을 SEM(scanning electron microscopy)으로 관찰하고, 3D 프린팅된 고분자 구조에 대해 인장 시험을 하여, 키리가미 패턴의 효과를 분석하였다.
3(b)는 스트레인에 따른 센서의 저항 변화 측정 모습이다. SEM을 통해 코팅된 그래핀/탄소나노섬유 구조를 관찰하였다. Fig.
키리가미 패턴이 포함된 센서 구조를 제작함으로써, 센서 구조의 신축성을 높이고, 기계적 히스테리시스를 낮출 수 있었다. 또한, 그래핀과 탄소나노섬유를 혼합한 하이브리드 코팅을 통해 고분자 구조 표면에 견고한 전도성 네트워크를 형성하여, 안정적인 저항 변화 센서 응답을 확보하였다. 그 결과, 32% 스트레인에서 게이지팩터 36을 나타내며, 1%부터 30%까지의 다양한 스트레인에 대해 뚜렷하고 안정적인 저항 변화 응답을 확인하였다.
본 연구에서는 3D 프린팅된 고분자 구조를 활용하여 신축성 스트레인 센서를 제작하였다. 키리가미 패턴이 포함된 센서 구조를 제작함으로써, 센서 구조의 신축성을 높이고, 기계적 히스테리시스를 낮출 수 있었다.
본 연구에서는 고분자 평면 구조에 그래핀과 탄소나노섬유 하이브리드 코팅을 통해 전도성 네트워크를 구성하여 스트레인에 따른 저항 변화를 측정할 수 있는 스트레인센서를 구현하였다. 3D 프린팅을 통해 키리가미 패턴이 포함된 고분자 구조를 제작하여, 센서의 신축성과 반복 특성을 개선하였다.
3D 프린팅을 통해 키리가미 패턴이 포함된 고분자 구조를 제작하여, 센서의 신축성과 반복 특성을 개선하였다. 센서의 표면을 SEM(scanning electron microscopy)으로 관찰하고, 3D 프린팅된 고분자 구조에 대해 인장 시험을 하여, 키리가미 패턴의 효과를 분석하였다.
3%/sec, gauge length 30 mm)로 측정하였다. 스트레인 센서의 성능을 평가하기 위하여, 센서의 끝단을 전도성 페이스트와 전도성 테이프로 고정하고, 반복 실험기와 멀티미터 계측기(DAQ6510, Keithley)를 이용하여 스트레인에 따른 저항 변화를 측정하였다.
신축성 센서의 안정성을 확인하기 위하여, 키리가미패턴이 포함된 센서에 그래핀/탄소나노섬유 하이브리드 코팅을 하고, 10% 스트레인까지 인장-회복을 반복적으로 가하면서 저항 변화를 측정하였다. Fig.

성능/효과

또한, 그래핀과 탄소나노섬유를 혼합한 하이브리드 코팅을 통해 고분자 구조 표면에 견고한 전도성 네트워크를 형성하여, 안정적인 저항 변화 센서 응답을 확보하였다. 그 결과, 32% 스트레인에서 게이지팩터 36을 나타내며, 1%부터 30%까지의 다양한 스트레인에 대해 뚜렷하고 안정적인 저항 변화 응답을 확인하였다. 특히, 1000회의 반복 시험에서도 저항 변화 응답이 일정하여, 본 연구에서 제안하는 센서 구조와 코팅 소재의 효과를 확인하였다.
7에서 볼 수 있듯이, 1000회 반복 시험에서 상대 저항 변화 비율이 매우 안정적인 수치를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해, 그래핀/탄소나노섬유 하이브리드 코팅이 반복적인 스트레인 변화에서 매우 안정적인 전도성 네트워크를 유지하는 것을 확인하였다.
그 결과, 32% 스트레인에서 게이지팩터 36을 나타내며, 1%부터 30%까지의 다양한 스트레인에 대해 뚜렷하고 안정적인 저항 변화 응답을 확인하였다. 특히, 1000회의 반복 시험에서도 저항 변화 응답이 일정하여, 본 연구에서 제안하는 센서 구조와 코팅 소재의 효과를 확인하였다. 따라서, 이러한 3D 프린팅 기반 센서 제작과 그래핀/탄소나노섬유 코팅 기술을 통해, 신뢰성 높은 고성능 대변형 스트레인 센서를 개발함으로써, 향후 소프트 로봇이나 웨어러블 기기 등 다양한 미래기기에 활용할 수 있을 것으로 보인다.

후속연구

특히, 1000회의 반복 시험에서도 저항 변화 응답이 일정하여, 본 연구에서 제안하는 센서 구조와 코팅 소재의 효과를 확인하였다. 따라서, 이러한 3D 프린팅 기반 센서 제작과 그래핀/탄소나노섬유 코팅 기술을 통해, 신뢰성 높은 고성능 대변형 스트레인 센서를 개발함으로써, 향후 소프트 로봇이나 웨어러블 기기 등 다양한 미래기기에 활용할 수 있을 것으로 보인다.

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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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