항공우주시스템공학회 2018년도 추계학술대회 SASE 2018 Fall Conference

하중 지지가 가능한 Core-shell 구조의 복합 섬유형 Strain 센서의 개발

온승윤1·김성수1,† 1한국과학기술원 기계공학과

Development of core-shell structured fiber strain sensor

Seung Yoon On1 and Seong Su Kim1,†

1Department of Mechanical Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology

Abstract : 본 연구에서는 기존 복합재료 구조 건전성 모니터링 (Structural health monitoring, SHM)에서

사용되는 Sensor system의 단점을 보완하기 위해 복합재료 구조물 내에서도 하중 지지가 가능하며 높

은 민감도를 가지는 Core-shell 구조의 섬유형 센서를 제조하고 센서 섬유의 기계적 특성 및 전기적

특성을 평가하였다.

Key Words : Fiber type strain sensor(섬유형 센서), CNT/Polymer composite fiber(CNT/Polymer 복합 섬

유), UHMWPE fiber(UHMWPE 섬유), Gel-spinning(겔방사), Fiber post treatment(섬유 후

처리 공정)

1. 서 론

Delamination, crack 등 복합재료 구조물의 상태를

실시간으로 감지하기 위한 기존의 SHM 시스템은 압전

세라믹 (Piezoelectric ceramic) 센서, 스트레인게이지

(Strain gauge), 광섬유 격자 (Fiber bragg grating, FBG)

센서 등 다양한 센서가 사용되고 있다 [1]. 하지만 기

존에 사용되는 센서들 중 압전 세라믹 센서와 스트레

인게이지 센서의 경우 복합재료 구조물의 바깥쪽에 부

착하여 Strain을 검출하는 형식으로 내부에서 발생하는

Strain을 정확하게 검출하기 힘들며 또한 Laminar사이

에서 발생하는 Delamination과 같은 Defect를 검출하

기 힘들다는 단점이 있다. 반면 FBG센서의 경우 삽입

형으로 사용할 수 있으나 섬유재료 (~10μm) 대비 두

꺼운 두께 (~200μm)와 상대적으로 낮은 기계적 물성

에 의해 복합재료 내부에서 Defect로 작용해 복합재료

의 전체적인 물성에 악영향을 준다.

†교신저자 ( Corresponding Author )

E-mail: seongsukim@kaist.ac.kr Copyright Ⓒ The Society for Aerospace System

Engineering

따라서 본 연구에서는 하중 지지가 가능하도록 높은

기계적 물성을 가지면서도 Strain sensing이 가능한

Core-shell 구조의 복합섬유를 제조하고 그 성능을 평

가 하였다.

2. 실험

2.1 UHMWPE core fiber 제조

하중을 지지하는 Core fiber의 경우 Gel-spinning

method를 이용하였으며 UHMWPE (5x106 g/mol, 대정

화금)를 4 wt% 농도로 방사 용액을 제조하였다. 그 후

170 oC 온도에서 0.2 MPa 압력으로 응고욕에 토출하

여 섬유 형상으로 만들어 주었고, 이때 노즐 직경은

0.67 mm 이며 Air gap은 5 cm로 고정하였다. 섬유 제

조 후 Hexane에 12시간 이상 침지 시켜 잔존 용매를

제거해주었다. 제조된 섬유의 기계적 물성 향상을 위

해 열연신 공정을 도입하였으며 연신 온도 (100~120 oC) 및 연신비 (6~14배)를 달리해가며 섬유의 기계적

물성 변화를 확인하였다.

TB6-3

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항공우주시스템공학회 2018년도 추계학술대회 SASE 2018 Fall Conference

2.2 섬유 표면처리 및 CNT layer 코팅

CNT 코팅층과 UHMWPE core fiber간 결합력을 향상

시키기 위해 Chromic acid를 이용해 섬유 표면처리를

진행하였다. 표면처리 시간은 섬유에 손상을 주지 않

는 5분으로 진행하였다. 섬유 표면처리 후 Sensing을

위한 전도층 형성을 위해 CNT 코팅 용액 (3 wt%, 금

호석유화학)을 이용해 표면을 코팅해 주었다. Dip 코팅

방식을 이용해 10회 코팅해 주었고 60 oC 오븐에서 한

시간 동안 건조시켜 주었다.

3. 결과 및 고찰

3.1 UHMWPE core fiber의 기계적 물성

UHMWPE core fiber의 열연신 온도 및 비율별 시험

결과는 Fig. 1.과 같다. 실험 결과 열연신 온도가 높고

비율이 높을수록 인장 강도와 강성이 크게 증가 하는

것을 확인할 수 있으며 이는 높은 온도에 의해 분자

사슬에 유동성이 생기며 높은 연신 비율에 따라서 섬

유의 길이 방향으로 분자쇄가 배열되기 때문으로 판단

된다.

CNT 코팅 횟수에 따른 섬유 표면의 변화를 Fig. 2.

에 나타내었으며, Dipcoating 횟수가 늘어날 수록 섬유

직경이 증가하며 그에 따라 전기 저항이 2.2 kΩ/mm

에서 0.7 kΩ/mm 으로 크게 감소함을 확인하였다. Fig.

3. 의 센서 특성 평가 결과 ~3% strain 범위에서

UHMWPE core fiber가 파단이 되며 ~100% strain 범위

에서 최외각층의 PU coating layer가 파단됨을 확인 할

수 있다. 이는 초기 하중을 Core fiber가 지지해주고

이후 부터는 PU coating layer가 남아 있어 전체적인

섬유 형상은 유지 됨을 의미한다 따라서 하중 지지가

가능하면서도 보다 넓은 Strain범위에서 사용될 수 있

다. 또한 초기 2% strain의 Linear한 구간에서

Sensitivity graph fitting을 통해 개발된 센서 섬유의

Gauge factor가 17.4로 측정되어 저항 민감도 역시 기

존 센서 (Strain gauge≈2, FBG sensor≈0.8)대비 우수

한 성능을 가지는 것을 확인할 수 있었다.

4. 결론

높은 기계적 강도를 가지는 UHMWPE core fiber와

CNT layer의 Core-shell 구조로 인장 강도 872.5 MPa,

강성 39.5 GPa로 하중 지지가 가능하면서도, Gauge

factor가 17이상을 가지는 센서형 섬유를 개발 하였다.

참 고 문 헌

[1] 한대현, 강래형 “센서-구조 일체형 복합재료 구조

물 제작 방법”, Composites research, vol. 28, no.

4, pp. 155-161, 2015.

Acknowledgement

이 연구는 2016년도 산업통상자원부 및 산업기술평가

관리원(KEIT) 연구비 지원에 의한 연구임('10074278')

Fig. 1 Mechanical properties of UHMWPE core fiber

Fig. 3 Measurement result of strain sensitivity

Fig. 2 Surface morphology of CNT coated fiber

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