Development of Strain Sensor Based on Honeycomb-like Carbon Nanotubes Structures Embedded in PDMS for Strcutural Health Monitoring

Abstract

탄소나노튜브는 우수한 고유 특성들을 바탕으로 여러 잠재적인 응용분야에 적용되어 왔다. 본 논문에서는 모세관 작용에 따른 벌집모양의 형태를 갖는 탄소나노튜브 구조체가 수직 성장된 탄소나노튜브 구조체로부터 형성되었고 이를 PDMS와 복합체를 형성하여 스트레인 센서로 응용하였다. 더 나아가 구조물 건전성 모니터링 기술을 위한 센서 응용 가능성까지도 확인하였다. 24 µM 높이를 갖는 수직성장된 탄소나노튜브는 저압 증기증착법을 이용하여 합성되었고 모세관 작용에 의하여 형성된 벌집 모양의 형태를 갖는 탄소나노튜브 구조체는 약 5 µM 높이로 치밀화 되었다. 그러나, 모세관 작용에 의하여 치밀화 되는 과정은 탄소나노튜브 구조 자체에 영향을 주지 않는 것을 라만분광법을 통해 증명하였다. 게다가 벌집 모양의 형태를 갖는 탄소나노튜브 구조체는 PDMS에 내장되어 내구성과 신뢰성이 우수한 플렉서블 스트레인 센서로 개발되었다. 이 스트레인 센서는 70%의 높은 변형 하에서 약 4,500회 이상의 변형-이완 반복에도 훌륭한 내구성을 보여주었을 뿐 아니라 저항 변화 값에 대한 신뢰성도 보여주었다. 그러나, 이 센서는70% 변형에서 0.44의 낮은 게이지 팩터 값을 보여주었는데 이는 모세관 작용에 의해 형성된 수 많은 탄소나노튜브 다발이 서로 연결되어 있어 높은 변형에서도 저항 값이 크게 증가하지 않은 것으로 보인다. 또한 벌집 모양의 형태를 갖는 탄소나노튜브와 PDMS 복합체를 이용한 스트레인 센서는 실제 외팔보 구조물에 부착되어 구조물에 변형을 주었을 때 변형에 대한 좋은 선형성과 안정성을 보여주었다.; Carbon nanotubes (CNTs) have shown superior intrinsic properties attractive for various potential applications. By creating nanostructures, it is possible to control the fundamental properties of materials even without changing the materials' chemical composition. Thus, methods to assemble CNTs into hierarchical arrays with controllable shape, location, orientation, and density are needed. A honeycomb-like CNT (H-CNT) structure was obtained by capillary forming method on vertically grown CNT (V-CNT). The V-CNT was synthesized by using low pressure thermal chemical vapor deposition (LP- TCVD) method with 24 μm in height while the formed H-CNT has lower height (5 μm) due to densification process. However, the densification process did not harm the CNT as proven with similar D/G band ratio of V-CNT and as grown V-CNT (0.71). Since CNTs have a one-dimensional structure, their alignment is able to significantly affect the electrical and mechanical properties of the sensor. Furthermore, as the number of aged structures is increased, the demand of a sensor system development in structural health monitoring (SHM) also is increased. Thus, it is not surprising that the CNT/polymer composites for strain sensor with high durability and reliability have been hardly investigated. In this regard, a highly durable and reliable flexible strain sensor using HCNT embedded polydimethylsiloxane (PDMS) was developed. The H-CNT/PDMS strain sensor showed excellent durability and reliability in terms of resistance changes under more 4,500 strain-relaxation cycles at 70% strain. However, this strain sensor showed low gauge factor (0.44 at 70% strain) due to the density improvement of CNT that could play a role as a junction between CNTs. the H-CNT/PDMS strain sensor displayed a good linearity and stability through dynamic strain testing on the actual cantilever beam.