○ 본 연구의 최종 목표는 '탄소나노튜브 혼합물의 적층구조를 이용한 높은 민감도 및 넓은 범위의 압력 측정 센서 설계 및 적층제조 연구'로서, 동일한 재료와 동일한 성형 장비를 사용하여 제작하는 센서의 형상만을 달리하여 작은 압력 변화에도 높은 민감도를 갖는 센서, 넓은 하중 인식 범위를 갖는 센서 등 사용자의 목적에 맞는 성능을 구현할 수 있는 사용자 맞...
압력 센서
다중벽 탄소 나노 튜브
적층 제조
민감도
2
주관|
2022년 8월-2025년 2월
|87,600,000원
탄소나노튜브 혼합물의 적층구조를 이용한 높은 민감도 및 넓은 범위의 압력 측정 센서 연구
○ 적층 성형을 위한 압력 감응재 제작 연구
∙ 전기 전도성이 우수한 다중벽 탄소 나노 튜브(Multi-walled Carbon NanoTubes, MWCNT)를 기반으로 유연성을 갖는 폴리머 Polydimethylsiloxane(PDMS)를 혼합하여 유연, 신축성을 갖고 전기 전도성을 갖는 압력 감응재 제작 공정 연구.
∙ MWCNT와 PDMS의 혼합물인 압력 감응재 내에 압력이 가해지면 혼합물 내에 MWCNT 내에 입자 배열이 달라져 전기 저항이 변화함. 본 연구에서는 압력 감응재에 외력이 가해질 때 전기 저항이 감소하는 NPCR(Negative pressure coefficient of resistance) 효과를 이용한 압저항 압력 센서를 개발하고자 함.
○ 압력 감응재를 이용한 센서 적층을 위한 압력 감응재의 성형성 연구
∙ 본 연구에서는 적층 제조 공정 중 “직접 주사 공정(Direct Writing, DW)”를 이용하여 유연 압력 센서를 적층하여 제작할 예정임. 변수들에 따른 센서의 성형 양상에 대한 기초 연구 진행.
○ 다층구조 센서의 적층성 향상 연구
∙ 센서의 다양한 형상 구현을 위해 ‘적층’하여 센서를 제작. 압력 감응재의 적층 제조를 위한 변수를 도출하고, 이를 적절히 제어하여 최적의 적층 조건 연구.
○ 다양한 형태의 압력 감지를 위한 최적의 센서 형상 탐색 연구
∙ 본 연구에서 개발하고자 하는 유연 ‘압력’ 센서임. 효과적인 압력 인지 센서 구조를 구상하기 위해 인체의 압력 인지 기관인 피부의 구조를 모사하여 센서 제작 고려.
○ 센서의 적층 높이별 전기적 성능 평가 연구
∙ 동일 형상의 센서를 적층 높이를 다르게 했을 때의 저항 변화의 민감도, 압력 인지 범위 변화, 압축 응력이 제거되고 난 후 복원력 등을 평가.
○ 정하중, 동하중, 굽힘하중 등의 외력에 대한 전기적 성능 평가 연구
∙ 적층 제조 공정을 이용하여 다양한 형상의 압력 센서 시편을 성형한 후 정하중, 동하중을 가했을 때의 저항 변화를 측정하여 하중이 가해졌을 때의 저항 반응 속도, 하중이 제거된 후 저항 회복 속도, 동일 압력 범위 내에서의 저항 변화 정도 등을 평가.
○ 내구성 확보 및 신뢰성 향상 연구
∙ 센서의 형상은 전기적 특성뿐만 아니라 센서의 최대 압축 변위 등과 같은 기계적 성질에도 영향을 끼칠 것임. 전기적인 특성을 만족하면서도 형상 유지 등과 같은 기계적 특성이 우수한 형상을 도출하여 센서의 내구성을 확보하고 측정값의 신뢰성 향상 방안 모색.
○ 높은 민감도 및 넓은 압력범위를 갖는 맞춤형 유연 압력 센서 개발 연구
∙ 높은 민감도 및 넓은 하중 범위를 가지는 압력 센서를 개발.
∙ 다양한 형상을 가지는 센서들의 조합함으로써 기존의 단일 구조를 가지는 센서 대비 더욱 민감하고 넓은 하중 인지 범위를 갖는 센서 개발.
1차년도
- 다중재료 동시적층제조 시스템 설계
- 소프트 그리퍼 재료 및 동작 메커니즘 기초연구
- 압력 센서의 재료 및 적층제조 공정 기초연구
- 형상 인지 센서의 재료 및 적층제조 공정 기초연구
- 유연 회로 적층을 위한 재료 및 적층제조 공정 기초연구
- 소프트 그리퍼 제어 모델링 및 시뮬레이션 환경 구축
2차년도
- 다중재료 동시적층제조 시스템 제작
- 형상인지센서 내장형 소프트 그리퍼 적층제조 공정 개발 및 제작
- 유연 회로 적층제조 공정 개발 및 제작
- 심층 강화학습 기반 소프트 그리퍼 제어 알고리즘 개발 및 적용
3차년도
- 다중재료 동시적층제조 시스템 수정/보완
- 동시적층제조 시스템 적용 압력센서/형상인지센서/유연회로 일체형 소프트 그리퍼 제작
- 센서신호 획득 극대화 기술 개발
- 시뮬레이션 및 실험 기반 개발 기술 타당성 검증 및 보완
1차년도
- 다중재료 동시적층제조 시스템 설계
- 소프트 그리퍼 재료 및 동작 메커니즘 기초연구
- 압력 센서의 재료 및 적층제조 공정 기초연구
- 형상 인지 센서의 재료 및 적층제조 공정 기초연구
- 유연 회로 적층을 위한 재료 및 적층제조 공정 기초연구
- 소프트 그리퍼 제어 모델링 및 시뮬레이션 환경 구축
2차년도
- 다중재료 동시적층제조 시스템 제작
- 형상인지센서 내장형 소프트 그리퍼 적층제조 공정 개발 및 제작
- 유연 회로 적층제조 공정 개발 및 제작
- 심층 강화학습 기반 소프트 그리퍼 제어 알고리즘 개발 및 적용
3차년도
- 다중재료 동시적층제조 시스템 수정/보완
- 동시적층제조 시스템 적용 압력센서/형상인지센서/유연회로 일체형 소프트 그리퍼 제작
- 센서신호 획득 극대화 기술 개발
- 시뮬레이션 및 실험 기반 개발 기술 타당성 검증 및 보완
본 연구를 통하여 제작하고자 하는 광범위한 압력 측정범위를 갖는 유연 촉각센서는 기존 촉각센서의 유연성에 대한 한계 극복, 제작 공정의 경제성 확보 그리고 광범위한 측정범위를 갖는다. 본 연구의 성공적인 수행을 위하여 다음과 같은 연구내용을 설정하였다.
1. 압력감응재 개발 연구 / 압력 저항형 촉각 센서는 간단하고 낮은 가격으로 제작이 가능하고, 높은 유연성 및 표면 접합성, 낮은 소비전력의 특징이 있다. 본 연구에서는 낮은 종횡비입자에 압력이 가해질 때 전기저항이 감소하는 NPCR(Negative Pressure Coefficient of Resistance)효과를 이용한 압력저항형 촉각센서를 개발하고자 한다. 압력감응재의 재료로써 탄소나노튜브 기반 MWCNTs과 그래핀 기반 AgNWs를 적용하여 이들의 변곡점을 파악하고자 한다. 이를 기반으로 압력감응재 혼합물의 농도에 따른 기계적 성질 및 전기적 성질을 파악하고자 하며, 액체상태의 압력감응재 혼합물의 토출성형특성에 기반한 최적 성형조건 연구를 진행하고자 한다.
2. 광범위한 압력 측정범위를 갖는 유연 촉각센서 설계/MWCNT/PDMS 전도성 도선인 압력감응재를 감응점인 텍슬(taxles)매트릭스를 구성하고 이를 기본으로 다양한 형태의 교차형태 및 압력감응재 필름 형상 및 물성에 따른 감지성능을 파악하고자 한다. 니켈 분말 기반의 PDMS 등과 같은 탄성체는 비평면 표면을 자연스럽게 감싸는 것이 가능하다. 따라서 본 연구에서는 여러 탄성 계수를 가진 압력감응재로 전도성 도선을 제작하여 그 특성을 파악하고자 한다. 또한 MWCNT의 농도를 변화시킴으로써 전도성 도선 내부에 다른 전기저항을 가지며 넓은 감지범위를 갖도록 하는 연구를 수행하고자 한다.
3. 제작 공정개발 / 탄성센서의 몸체는 적층 제조 공정(Additive Manufacturing, AM)을 통해 제작하고자 한다. 그리고 압력감응재는 직접 주사기술(Direct Writing, DW)을 통해 각 층 사이에서 패터닝이 이루어진다. 따라서 적층제조공정과 직접주사기술의 하이브리드 가공공정을 개발하고자 한다. 이를 이용하여 성형 매개변수와 재료의 특성 사이의 상관 관계를 도출하고 이를 데이터화하고자 한다.
