기능성 나노복합소재 필라멘트의 직접 3D 프린팅을 이용한 물리센서 제작 기술 개발

Abstract

본 논문에서는 기능성 나노복합소재 필라멘트를 이용한 3D 다축 힘 센서의 개발과 특성 분석에 대한 연구를 진행하였다. 열 가소성 폴리우레탄 탄성 중합체와 탄소 나노튜브를 Haake Rheomix 600 장비의 열과 전단력을 가하는 Shear melt process를 이용하여 합성하였다. 이 때의 합성 온도는 $220^\circ C$, 회전 속도는 100 rpm 으로 30분 간 진행되었다. 이 후, 합성물을 작은 펠릿으로 만들어 다음 필라멘트 제작 과정을 준비하였다. 필라멘트 추출기를 이용하여 CNT/TPU 펠릿을 연속적이고 균일한 지름을 갖는 필라멘트로 추출하기 위한 작업이 진행되었다. 추출 온도는 $210~220^\circ C$ 로 진행하였고 빠른 경화를 위하여 쿨러를 동시에 작동 시켰다. 또한 3D 프린터의 필라멘트 압출기에서 전송하는 필라멘트의 부피와 노즐에서 압출되어 프린트되는 필라멘트의 부피의 비가 같도록 CNT/TPU 필라멘트가 출력될 수 있는 프린팅 속도를 찾았다. 이러한 균일한 지름, 프린팅 속도 및 프린팅 테스트를 통해 최적의 3D 프린팅 조건을 찾을 수 있었다. 최종적으로 $230^\circ C$ 의 프린팅 온도, 20~30 mm/s 의 프린팅 속도, 3 mm의 최소 선폭 등의 조건을 통해 이 후 실험을 진행할 수 있었다. 인장 실험과 삼점 구부림 실험을 통해 TPU의 기계적 특성, 즉 영률과 탄성 변형 범위를 확인할 수 있었다. TPU의 영률은 45.2 MPa 이고 탄성 변형 범위는 3.5 % 이내였다. 그리고 3D 다축 힘 센서는 다축의 힘이 서로 커플링 되지 않고 각의 방향에 대해 독립적으로 측정할 수 있도록 설계되었다. 센서는 Cubic-cross 형태의 삼차원 구조물로 대칭적으로 설계되었으며 TPU로 제작된 각 빔 위에는 CNT/TPU 센싱 물질이 프린트 되어 빔의 굽힘에 의하여 저항 변화가 나타나 힘을 측정하는 원리로 작동한다. 그리고 5 N의 힘을 1 mm의 변형 내에서 측정될 수 있도록 설계하였다. 시뮬레이션 확인 결과, 3x3x30 mm 빔이 주어진 조건에 탄성 변형 범위에서 작동하며 적절한 스트레인 구간을 가져 실제 제작 단계를 진행하게 되었다. 제작된 3D 다축 힘 센서는 듀얼 노즐 시스템을 통해 CNT/TPU와 TPU 구조물이 번갈아 가며 원활히 프린트 되었다. 3D 다축 힘 센서 단순 지지된 빔의 굽힘을 통해 작동하기 때문에 이러한 경계 조건을 제공하기 위한 케이스와 먼저 결합되어야 한다. 특성 평가 결과, 3D 다축 힘 센서는 밀리미터 이하의 변형에 대해서 저항 변화가 나타나 이를 힘으로 나타낼 수 있는 정밀도를 지녔다. 0.1 mm의 변형에 대하여 0.183 %의 평균 저항 변화가 나타났고 이는 0.418 N의 힘에 해당한다. 또한 Z 축 방향의 힘에 대해서 Z 축 힘을 측정하는 저항은 2 %의 변화가 나타난 반면, X 축 힘을 측정하는 저항은 0.2 %의 변화가 나타나 힘을 분리할 수 있는 메커니즘을 확인할 수 있었다. 3D 다축 힘 센서가 실제로 실시간 힘 측정이 가능한지 확인하기 위해 Labview와 전자 회로를 통해 세 축의 힘을 동시에 나타내는 시스템을 구현하여 이 연구의 실행 가능성을 확인하여 보았다. 앞으로 3D 다축 힘 센서는 다양한 사람들의 필요에 따라 맞춤형으로 그것의 크기, 측정 범위 등 제작되고 사용될 수 있을 것이다.