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Research

3D 프린터로 기존의 단점을 보완한 새로운 압력센서 개발

  • 조회. 248
  • 등록일. 2021.07.08
  • 작성자. 대외협력팀

DGIST 로봇공학전공 김회준 교수팀, 상용 3D 프린터로 다축(多軸) 압력 및 온도 측정이 가능한 센서 개발에 성공
제작이 까다롭던 센서 재료인 탄소나노복합체를 3D 프린터로 쉽고 빠르게 제작..향후 다양한 분야에서의 활용 기대돼

 

관련사진1.DGIST 로봇공학전공 김회준 교수(좌), 감항겸 석사과정생(우)
[DGIST 로봇공학전공 김회준 교수(좌), 김항겸 석사과정생(우)]

 

 DGIST 로봇공학전공 김회준 교수팀이 상용 3D 프린터로 제작한 탄소나노복합체를 이용해 다축 압력 및 온도 측정이 가능한 센서를 개발했다. 기존 탄소나노복합체가 갖는 단점들을 극복한 이번 연구 결과는 향후 웨어러블 분야 및 다양한 로봇분야에 적용 가능할 것으로 기대된다.

 최근 다양한 기능성 소재를 활용한 센서 관련 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중에서도 탄소나노복합체는 유연성 필요한 센서에 적용 가능한 소재로 차세대 센서소재로 각광받고 있지만 복잡한 공정과정에 고가의 생산 장비가 필요한 단점이 있다. 또한 소재가 갖는 높은 민감도에도 불구하고 압력을 측정하는 범위가 좁아, 이를 개선하기 위한 연구도 지속적으로 진행되고 있는 상황이다.

 이에 김회준 교수팀은 먼저 제작이 까다롭던 탄소나노복합체를 손쉽게 만들 수 있는 3D 프린터 필라멘트를 개발했다. 그리고 김회준 교수팀은 개발한 필라멘트를 이용해 제작이 까다롭던 탄소나노튜브 기반의 복합체를 기존보다 더 빠르고 저렴하게 제작하는데 성공했다.

 이후 김회준 교수팀은 제작된 탄소나노복합체를 활용해 기존의 단점을 보완한 새로운 센서를 개발했다. 개발된 센서는 압력을 측정하는 압력축을 여러 개로 늘려 압력 측정의 범위를 늘리고 이를 온도를 감지하는 센서와 통합하는 등 여러 방면에서의 최적화를 진행했다.

 또한 센서는 중간에 비어있는 구조로 제작돼, 센서가 여러 방향에서 가해지는 압력을 유연하면서도 정확하게 측정할 수 있게끔 했다. 이처럼 김회준 교수팀이 개발한 센서는 기존 센서의 단점들을 보완하고, 구조적인 장점까지 갖춤으로써 낮은 압력의 측정이 필요한 웨어러블 분야부터 높은 범위의 압력이 필요한 로봇분야까지 폭넓은 분야에 적용이 가능한 장점을 지닌다. 더불어, 온도 센서와 통합돼있기 때문에 외부 온도변화에 따른 센서값 보정을 통해 보다 정확한 압력 측정이 가능하다는 장점도 갖고 있다. 

 뿐만 아니라, 이번 연구를 통해 확보된 기능성 소재 필라먼트 제작방법은 향후 다양한 탄소나노소재, 전도성소재, 세라믹소재 등에 적용이 기대된다.

 DGIST 로봇공학전공 김회준 교수는 “생체 및 로봇에 적용할 유연 박막형 압력센서를 연구하던 중 측정범위가 너무 낮은 한계에 도달해 이번 연구를 진행하게 됐다”며 “추후 탄소나노소재 외에도 다양한 소재와 3D 프린터를 활용한 센서 제작이 가능한 만큼 지속적인 연구를 진행할 것”이라고 말했다.

 한편, 이번 연구 결과는 그 우수성을 인정받아 Materials-Composites 분야 최상위 저널인 Composites Part B: Engineering에 6월 16일(수) 온라인 게재됐으며, 한국연구재단 신진과제 및 DGIST 일반사업의 지원으로 수행됐다.

 

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연구결과개요


Additive manufacturing of high-performance carbon-composites: 
An integrated multi-axis pressure and temperature monitoring sensor

(Hang-Gyeom Kim, Sugato Hajra, Dongik Oh, Namjung Kim, Hoe Joon Kim)
(Composites Part B: Engineering, on-line published on June 16th, 2021) 

 

· 압력 및 온도센서는 로봇, 웨어러블 디바이스, 자동차 등의 산업분야에서 그 필요성이 대두되고 있으며 최근 다양한 기능성 소재를 활용한 센서관련 연구가 활발히 진행되고 있음.
· 탄소나노복합체는 유연소자에 적용이 가능하며, 인장 및 온도변화에 따라 전기적 저항이 변화하는 특성을 바탕으로 차세대 센서소재로 각광받고 있지만 그 공정과정이 복잡하고 고가의 생산장비를 사용해야 하는 단점이 존재함.
· 기존 탄소나노복합체 기반 유연 압력센서는 민감도가 뛰어나지만 측정 압력 범위가 낮다는 단점이 존재하기에 이를 개선시키기 뒤한 연구를 진행하였음.
· 3D 프린팅 기술은 기존 생산설비로 제작이 어려운 복잡한 구조물의 빠른 생산 및 낮은 단가를 바탕으로 차세대 생산기술로 각광받고 있음.
· 본 연구에서는 상용 3D 프린터와 호환이 가능한 탄소복합체 필라먼트의 개발을 통해 다축 압력 및 온도 측정이 가능한 센서를 개발하였음.
· 3D 프린팅 조건 최적화와 센서 디자인 튜닝을 통해 측정 민감도, 측정 가능 압력범위등의 최적화가 가능하기에 낮은 압력의 측정이 필요한 웨어러블 분야, 높은 범위의 압력이 필요한 로봇분야 등 폭넓은 분야에 적용이 가능함.
· 또한, 센서에 탑재된 온도센서를 통해 외부 온도변화에 따른 센서값의 보정이 가능하기에 보다 정확한 압력 센싱이 가능하다는 장점이 있음.
· 본 연구를 통해 확보된 기능성 소재 필라먼트 제작방법은 향후 다양한 탄소나노소재, 전도성소재, 세라믹소재 등에 적용이 기대되며 모든 재료가 상용화된 3D 프린터와 호환이 가능할 것으로 기대함.
· 또한 제작된 센서기술은 로봇 그리퍼, 압력분포 측정 신발 등 다양한 응용분야가 기대되며 관련하여 후속연구를 진행중임.
· 본 연구는 그 우수성을 인정받아 Materials-Composites 분야 최상위 저널인 Composites Part B: Engineering에 게재되었으며, 한국연구재단 신진과제 DGIST 일반사업의 지원으로 수행되었음.
DOI : 10.1016/j.compositesb.2021.109079

 

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연구결과문답

 

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
· 차세대 반도체 및 유연소자에 적용이 기대되는 탄소나노튜브 기반 복합체를 3D 프린팅 기법을 통해 보다 간단하고 저렴한 가격으로 소자 제작이 가능함.
· 개발된 기술은 탄소소재 뿐 아니라 다양한 기능성 소재에 적용이 기대되며 3D 프린팅이 가능하기에 복잡한 구조물도 구현이 가능함.
· 기존 3D 프린팅 기반 압력센서와의 차별점은 온도센서를 탑재하여 외부 온도환경 변화를 보정할 수 있는 기능이 추가되었음.

Q. 어디에 쓸 수 있나?
· 다축 압력(힘) 센싱이 필요한 의료진단 분야, 생산로봇 그리퍼, 압력분포 신발 등 다양한 분야에 적용이 기대됨.
· 또한 개발된 센서를 의료침대 여러곳에 부착하여 욕창방지 시스템 구현도 가능할 것으로 기대함.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?
· 제안 기술은 상용 3D 프린터와 호환이 가능하기에 발빠른 실용화가 가능할 것으로 기대함.
· 다만 출력되는 센서의 성능 재현성, 신뢰도 등의 최적화가 동반되어야 하며, 필라먼트 제작단가를 낮춰야 한다는 과제가 존재함.

Q. 연구를 시작한 계기는?
· 생체 및 로봇적용 유연 박막형 압력센서를 연구하던중 낮은 측정범위라는 한계에 직면하였음. 보다 높은 압력측정범위에 응용분야릐 확대를 위해 3D 프린터로 직접 기능성소재를 출력하여 센서를 측정하는 연구를 진행하였음.

Q. 어떤 의미가 있는가?
· 3D 프린팅 기술은 의료, 생산, 로봇, 자동차 등 다양한 산업분야에 걸쳐 그 파급력이 나날이 커지고 있음.
· 본 연구는 차세대 기능성 소재를 상용 3D 프린터와 호환이 가능하다는 의미를 가지고 있으며, 응용분야에 따라 최적화된 센서를 단시간내에 저렴한 가격으로 출력할 수 있다는 의미가 있음.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
· 1개의 기능성 소재가 아닌 여러개으 기능성 소재가 한번에 같이 출력 가능한 시스템 구축을 통해 다목적 센서 개발관련 연구를 목표로 함.
· 또한, 제작 센서를 적용한 차세대 의료진단 및 스포츠 상품 등을 개발하여 기술 상업화에도 도전하고자 함.

 

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그림 설명

[그림 1] 탄소복합체 3D 프린팅 기반 압력센서 및 응용

관련사진2.탄소복합체 3D 프린팅 기반 압력센서 및 응용

(상) 탄소나노튜브 (CNT) 기반 탄소나노복합체 필라먼트 제작 및 상용 3D에의 응용
(하-좌) 다축 압력센서와 온도보정센서가 탑재된 센서 조감도
(하-우) 개발 센서가 탑재된 신발 조감도 및 보행분석에의 응용

 

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