KR20110057795A - 나노소재용 역학-전기 복합센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 나노소재의 역학적인 물성 측정에만 치중되어왔던 기존의 힘센서에 비해서, 역학적-전기적 복합물성을 동시에 측정할 수 있는 나노소재용 역학-전기 복합센서에 관한 것이다.
본 발명은 압전막(ZnO)이 내장된 감지부의 끝단에 제1감지막(Au층)이 형성되고, 지지부에 전기적 물성을 측정하기 위해 끝단에 제2감지막(Au층)이 형성된 제5전극이 포함되고, 상기 제1감지막과 제2감지막이 탄소나노튜브 섬유를 통해 전기적으로 연결되며, 상기 제1감지막이 나노소재에 접촉하여 굽힘하중을 가하거나 나노소재를 그리핑하여 인장하중을 가할 때 압전막의 압전현상을 이용하여 나노소재에 가해진 하중을 측정하고, 동시에 변화되는 전기적 물성을 측정함으로써, 역학적 물성과 전기적 물성 간의 상관관계를 측정 및 평가하여 나노소재의 신뢰성에 대한 평가를 향상시킬 수 있는 나노소재용 역학-전기 복합센서를 제공한다.
나노소재, 역학-전기 복합물성, 감지부, 압전현상, 지지부
Description
본 발명은 나노소재용 역학-전기 복합센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 역학적-전기적 물성을 동시에 측정할 수 있는 나노소재용 역학-전기 복합센서에 관한 것이다.
21세기는 나노과학기술의 시대라고 하여도 무방하다고 할 수 있다. 지난 십 수 년간 나노과학기술에 대한 연구는 괄목할 정도의 성과를 이루어 왔으며, 앞으로도 더 많은 연구 결과와 발전이 기대 된다.
일반적으로 나노소재는 10nm 미만의 지름을 갖는 것에서부터 수백 nm 지름의 나노와이어 및 나노 막대 등의 구조로 되어 있는 것을 말한다.
상기 나노소재에 대한 신뢰성 평가방법 및 기술은 나노과학기술의 응용측면에서 반드시 요구되고 있으며, 이를 위해 나노소재에 대한 체계적인 기계적 물성 측정 및 분석 기술의 개발이 필요하다.
상기 나노소재에 대한 기계적 물성 측정장치는 도 7에 도시한 바와 같이 나 노소재(35)를 관찰하고 제어하기 위한 전자현미경(100)과, 상기 전자현미경(100) 내부에 장착되어 나노소재(35)를 제어하고 기계적 물성시험을 수행하는 나노조작기(60)와, 외팔보(cantilever) 형태를 가지며 나노조작기(60)에 의해 제어되는 힘센서(1)로 구성되어, 기계적 물성 시험 시 힘센서(1)를 이용하여 하중 값을 얻을 수 있으며, 그 결과는 컴퓨터에서 수치화된다.
상기 나노조작기(60)는 주사전자현미경(100) 내부에 설치되어 진공상태에서 구동되어야 하므로 진공챔버 내부와 외부 간의 데이터 수신을 위하여 피드스루(feed through)를 설치하여 진공을 유지한다.
그리고, 상기 나노조작기(60)는 나노소재(35)에 대한 원활한 실험을 위해 최소 10nm의 분해능으로 3축 구현이 가능하도록 되어 있고, 나노조작기(60)의 각 축은 정밀구동을 요하므로 전자기장의 발생이 없으면서 미세구동이 가능한 모터로서 압전형태의 나노모터가 장착되어 나노단위의 미세조작과 같은 정밀제어를 한다.
도 7에 도시한 바와 같이 나노조작기(60)는 X,Y,Z 각 축이 직선 운동을 하도록 구성되어 있으며, Z축과 연결되어 있는 센서홀더(2)에는 힘센서(1)와 텅스텐 팁의 교체가 가능하다.
나노조작기(60)의 장착위치는 전자현미경(100)의 챔버 내부 상부에 장착하여 사용하되, 나노조작기(60) 본체 혹은 부착물이 전자현미경(100)의 영상을 담당하는 검출기를 가려 영상에 영향을 미치지 않도록 장착되어 있다.
또한, 상기 나노조작기(60)는 네트워크 컨트롤(NWC/Net Work Control) 이라는 제어박스를 통하여 컴퓨터의 키보드나 조이스틱에 의해 제어된다.
이때, 나노조작기(60)의 각 축의 최대 이동거리는 20mm이다.
상기 힘센서(1)는 나노소재(35)의 기계적 물성을 측정하기 위해 나노소재(35)에 굽힘이나 인장하중을 가하였을 때, 나노소재(35)에 가해진 하중을 측정하는 역할을 수행한다.
도 7에 도시한 바와 같이, 힘센서(1)는 AFM 팁과 유사한 형상을 하고 있는 외팔보 타입이며, 인장시험 시 전자현미경(100)의 전자빔을 이용하여 센서의 몸체에 나노소재(35)를 접합하는 것이 용이하다.
상기 힘센서(1)의 몸체는 SiO2로 이루어져 있고, SiO2 표면에 ZnO와 같은 압전소재가 도포되어 있어, 외부로부터 미소량의 힘이 작용하면, 외팔보가 휘게 되면서 박막에 작용하는 압축 혹은 인장으로 인한 전기적인 변화량을 기계적인 값으로 환산한다.
이때, SiO2의 고유 스프링 상수인 K 값을 입력하여 교정을 수행하면 나노소재(35)에 대한 기계적 물성시험 시 정확한 하중 값을 얻을 수 있다.
상기 SiO2 의 고유 스프링 상수는 도 8에 도시한 바와 같이 SiO2 의 두께에 따라 그 값이 다르고, 힘센서(1)는 K 값에 따라서 센서의 분해능 또한 차이가 나며, 평균 분해능은 100nN 이하이며, 최대 수mN 까지 측정이 가능하다.
도 9는 일반적으로 알려진 기계적 물성 시험 절차를 따라서 나노물성 시험 방법을 나타내는 순서도로서, 먼저 파우더 상태의 나노소재(35)를 분산처리를 하고, 텅스텐 팁 또는 힘센서(1)를 이용하여 기계적 물성 시험을 위해 분산되어진 나 노소재(35)를 선택하고, 나노소재(35)의 위치를 제어한다.
상기 시험할 나노소재(35)가 정해지면, 나노소재(35)를 텅스텐 팁과 힘센서(1) 사이에 그리핑(Gripping)한 후 인장 또는 굽힘 시험을 수행한다.
상기 나노소재(35)를 텅스텐 팁과 힘센서(1) 사이에 그립핑하기 위해 전자현미경(100)의 전자빔을 이용한다.
상기 전자빔을 나노소재(35)와 텅스텐 팁의 접점부위에 주사하면 전자현미경(100) 내부에 존재하고 있는 탄소 분자나 탄화수소 분자들이 증착되어 나노소재(35)가 텅스텐 팁에 그리핑된다.
이때, 나노소재(35)의 그리핑 정도를 평가하여 정상이라고 판단되면 인장 및 굽힙시험을 행하고, 불량이라고 판단되면 폐기한다.
도 10은 나노소재의 인장 및 굽힘시험예를 나타내는 사진이다.
상기 나노소재(35)에 대한 인장시험을 수행하기 위해, 나노소재(35)를 텅스텐 팁이나 강체 등에 수직방향으로 그리핑한 후 전자현미경(100)의 홀더(2)를 회전시켜 나노소재(35)가 힘센서(1)의 끝부분과 수평을 이루도록 한다.
상기 인장시험시 정확한 측정을 위해 힘센서(1)와 나노소재(35)를 수평으로 놓은 다음, 힘센서(1)와 나노소재(35)의 끝부분을 전자현미경(100)의 전자빔을 이용하여 그리핑을 하고, 나노소재(35)에 대한 인장시험을 수행한다.
상기 인장시험방법을 살펴보면, 조이스틱을 이용하여 나노조작기(60)를 조정하고, 나노조작기(60)를 이용하여 힘센서(1)를 당기면 힘센서(1)의 끝단에 그리핑된 나노소재(35)에 인장력이 작용하고, 힘센서(1)는 압전소재에 작용하는 인장으로 인한 전기적인 변화량을 기계적인 값으로 환산한다.
그리고, 상기 힘센서(1)의 스프링상수 K값을 이용하여 기계적 물성 평가를 수행한다.
상기 나노소재(35)에 대한 굽힘시험을 수행하기 위해, 힘센서(1)를 나노소재(35)의 오른쪽에 놓고, 정확한 측정을 위해 힘센서(1)와 나노소재(35)를 수직으로 놓는다.
이때, 나노소재(35)와 힘센서(1)는 그리핑을 하지 않고, 힘센서의 위치를 결정한 후 굽힘시험을 수행한다.
상기 굽힘시험방법을 살펴보면, 조이스틱을 이용하여 나노조작기(60)를 조정하고, 나노조작기(60)를 이용하여 힘센서(1)를 이동시켜 나노소재(35)가 휘게 한다.
상기 굽힘시험은 나노소재(35)가 파단될 때까지가 아닌 힘센서(1)와 나노소재(35)의 미끌림에 의해 비선형적인 구간이 발생하지 않는 범위까지 수행한다.
이와 같이 나노조작기(60)와 힘센서(1)를 이용하여 나노소재(35)에 대해 기계적 물성 즉, 인장 및 굽힘 시험 등을 실시하면, 도 11과 같은 변위-하중 그래프를 얻고, 이로부터 변형율-응력 그래프를 그릴 수 있으며, 변형율-응력 그래프로부터 나노소재(35)의 탄성계수를 구할 수 있고, 경우에 따라 인장강도 및 파단연신률 등을 구할 수 있다.
따라서, 나노조작기(40)와 힘센서(1)를 이용한 기계적 물성시험을 통하여 나노소재(35)의 특성을 이해하고, 그 나노소재(35)에 대한 기계적 물성 시험결과를 데이터베이스화 함으로써, 나노소재(35)에 대한 신뢰성 평가와, 나아가 나노소재(35)를 이용한 나노 및 마이크로 소재에 대한 신뢰도 등의 예측이 가능하며, 앞으로 각종 나노소재(35)들에 대한 기계적 물성시험 서비스가 가능할 것이다.
그러나, 종래의 힘센서(1)의 경우 나노소재(35)의 역학적인 물성 측정에만 치중되어왔기때문에 역학적 물성과 전기적인 물성을 동시에 측정할 수 있는 센서가 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 탄소나노튜브와 같은 나노소재에 하중이 가해질 때 나노소재의 역학적-전기적 물성을 실시간으로 동시에 측정함으로써, 역학적 특성과 전기적 특성 간의 상관관계를 측정 및 평가하여 나노소재의 신뢰성에 대한 평가를 향상시킬 수 있는 나노소재용 역학-전기 복합센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 나노소재의 역학적인 물성 측정에만 치중되어왔던 기존의 힘센서에 비해서, 역학적-전기적 복합물성을 동시에 측정하기 위해,
감지부가 SiO2/Au층/압전막(ZnO)/Au층/SiO2 의 적층구조로 이루어지고, 상기 감지부의 끝단부에 형성된 제1감지막이 나노소재에 접촉하여 굽힘하중을 가하거나 나노소재를 그리핑하여 인장하중을 가할 때 압전막의 압전현상을 이용하여 나노소재에 가해진 하중을 측정하고,
지지부가 전기적 특성을 측정하기 위한 제5전극을 더 포함하고, 상기 제5전극의 끝단에 형성된 제2감지막이 탄소나노튜브 섬유를 통해 제1감지막과 전기적으로 연결되어, 상기 제1감지막의 끝단부가 나노소재에 접촉하여 굽힘하중을 가하거나 나노소재를 그리핑하여 인장하중을 가할 때, 동시에 변화되는 전기적 물성을 측 정할 수 있는 나노소재용 역학-전기 복합센서를 제공한다.
본 발명에 따른 나노소재용 역학-전기 복합센서의 장점을 설명하면 다음과 같다.
1. 감지부의 끝단에 형성된 제1감지막과 지지부의 전기적 특성 측정용 전극의 끝단에 형성된 제2감지막이 탄소나노튜브 섬유를 통해 연결되고, 감지부의 끝단부가 나노소재에 접촉 또는 그리핑되어 굽힘 또는 인장하중을 가하면서 전기적 물성 및 역학적 물성을 동시에 측정함으로써, 역학적 특성과 전기적 특성 간의 상관관계를 측정 및 평가가 가능하며, 나노소재의 신뢰성에 대한 평가를 향상시킬 수 있는 측정기술로 기대된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.
첨부한 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 역학-전기 복합센서를 나타내는 평면도이고, 도 2는 도 1의 일부발췌도이고, 도 3은 도 1의 일부발췌사시도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 나노소재용 역학-전기 복합센서를 나타내는 개략도이다.
본 발명은 나노소재(35)의 역학적-전기적 복합물성을 실시간으로 동시에 측정함으로써, 역학적 특성과 전기적 특성의 상관관계를 측정 및 평가할 수 있고, 나 노소재(35)의 신뢰성 평가를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 나노소재용 역학-전기 복합센서(40)는 지지부(10)와 감지부(20)로 구성되어 있다.
상기 지지부(10)는 외팔보형태의 감지부(20)를 지지하고, 지지부(10)의 상면에는 적어도 5개의 전극이 형성되어 있고, 이들 전극 중 아래쪽부터 제1 내지 제4전극(11~14)은 감지부(20)로부터 역학적 물성인 인장 및 굽힘하중을 측정하기 위해 휘스톤브리지 회로로 사용되며, 4개의 제1 내지 제4전극(11~14)의 일단부는 감지부(20)와 전기적으로 연결되어 있고, 4개의 전극(11~14)의 타단부에는 전극단자가 형성되어 있다.
이때, 상기 전극단자는 외부의 전압소스(80)와 연결되어 전원을 공급받는다.
상기 감지부(20)는 일단부가 지지부(10)에 의해 지지되는 외팔보 형태로 이루어져 있고, 감지부(20)는 하부에서부터 실리콘산화막(22)(SiO2), Au층(23), 압전막(24)(ZnO), Au층(23), 실리콘산화막(22)(SiO2) 순으로 적층되어 있다.
이때, 외부로부터 미소량의 힘이 작용하면, 외팔보의 감지부(20)가 휘게 되면서 압전막(24)에 인장 또는 압축력이 작용하여 전기적인 변화량을 기계적인 값으로 환산한다.
이때, 실리콘산화막(22)(SiO2)의 스프링상수인 K값을 입력하여 교정을 수행함으로써 나노소재(35)의 기계적 물성 시험 시 정확한 하중값을 얻을 수 있다.
여기서, 상기 전극 중 나머지 한개의 제5전극(15)은 전기적 특성을 측정하기 위한 전극으로 사용된다.
상기 감지부(20)의 끝단에는 Au 재질의 제1감지막(21a)이 형성되어 있고, 지지부(10)의 제5전극(15)에도 Au 재질의 제2감지막(21b)이 형성되어 있고, 탄소나노튜브 섬유(30)의 양단부를 제1감지막(21a)과 제2감지막(21b)에 서로 전류가 통할 수 있도록 부착함으로써, 나노소재(35)의 전기적 물성을 측정할 수 있다.
이때, 상기 탄소나노튜브 섬유(30)와 제1 및 제2감지막(21a,21b) 사이의 전기전도도를 증가시키기 위해 탄소나노튜브 섬유(30)의 양단부가 부착되는 제1 및 제2감지막(21a,21b)에 이온빔(FIB;Focused Ion Beam)을 이용하여 Pt(25)를 증착하거나, 전자빔을 이용하여 탄소분자 또는 탄화수소 계열의 분자들을 증착한다.
상기 전자빔을 탄소나노튜브 섬유(30)와 제1감지막(21a), 그리고 탄소나노튜브 섬유(30)와 제2감지막(21b)의 접점부분에 주사를 하면 전자현미경(100)의 내부에 존재하고 있는 탄소분자 또는 탄화수소 계열의 분자(carbon/hydro-carbon)들이 증착하게 되어 상기 탄소나노튜브 섬유(30)가 제1 및 제2감지막(21a,21b)에 각각 그리핑된다.
상기 탄소나노튜브 섬유(30)를 부착하거나 제어하기 위해 옴니 프로브(omni probe)나 텅스텐 팁(50)을 이용하고, 상기 옴니 프로브나 텅스텐 팁(50)은 FIB나 전자현미경(100) 내에 부착되어 있는 나노조작기(60)(nano-manipulator)를 이용하여 제어될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 역학-전기 복합센서(40)를 이용한 복합물성 측정장치는 복합센서(40), 텅스텐 팁(50), 나노조작기(60), 컴퓨터(90), 멀티미터(70), 전압소스(80) 등을 포함한다.
상기 복합센서(40)는 나노소재(35)의 역학적 특성 및 전기적 특성을 동시에 측정하는 역할을 한다.
상기 텅스텐 팁(50)은 탄소나노튜브 섬유(30)를 복합센서(40)의 감지부(20) 끝단에 형성된 제1감지막(21a)과 제5전극(15)의 제2감지막(21b) 사이에 부착하거나 제어하고, 나노소재(35)를 그리핑하여 인장 및 굽힘 시험시 나노소재(35)를 제어하는 역할을 한다.
이때, 상기 텅스텐 팁(50)은 스테이지(51)에서 상하좌우로 이동가능하도록 구성되어 있다.
상기 나노조작기(60)는 주사전자현미경(100) 내부에 장착되어 복합센서(40)를 제어하는 역할을 수행하고, 진공상태에서 구동되며, 진공챔버의 내부와 외부 간의 데이터 수신을 위하여 피드스루를 설치하여 진공상태를 유지한다.
상기 나노조작기(60)는 나노소재(35)에 대한 원활한 시험을 위해 최소 10nm의 분해능으로 X,Y,Z 각 축이 직선운동을 하도록 되어 있다.
상기 나노조작기(60)의 각 축은 정밀구동을 요하고 모터로 구성되어야 하는데, 이때 구동모터에서 발생하는 전자기장이 전자현미경(100) 이미지에 영향을 주지 말아야 한다.
따라서, 본 발명에서는 전자기장의 발생이 없으면서 미세구동이 가능한 모터로서 압전형태의 나노모터가 장착되어 나노단위의 미세조작과 같은 정밀제어를 할 수 있다.
상기 나노조작기(60)의 장착위치는 전자현미경(100)의 챔버 내부 상부에 장착되어 사용하되, 나노조작기(60) 본체 또는 부착물이 전자현미경(100)의 영상을 담당하는 검출기를 가려 영상에 영향을 미치지 않는 범위 내에 장착된다.
또한, 상기 나노조작기(60)는 네트워크컨트롤이라는 제어박스를 통해 컴퓨터의 키보드나 조이스틱에 의해 정밀제어되도록 구성되어 있다.
상기 전압소스(80)는 역학적-전기적 특성을 측정하는데 필요한 전원을 복합센서(40)의 전극에 인가하도록 나노조작기(60)와 스테이지(51)에 전기적으로 연결되어 있다.
상기 멀티미터(70)는 전압소스(80)의 전압, 전류, 저항을 측정한다.
이와 같은 구성에 의한 본 발명의 일실시예에 따른 역학-전기 복합센서(40)를 이용하여 인장 및 굽힘하중을 측정하고, 동시에 변화하는 전기적 특성(전압, 전류, 저항)을 측정하는 방법을 살펴보면 다음과 같다.
상기 나노소재(35)에 대한 역학적-전기적 물성 시험을 위해 먼저 적당한 나노소재(35)를 선택한다.
즉, 파우더 상태의 나노소재(35)를 분산처리를 하고, 텅스텐 팁(50) 또는 복합센서(40)를 이용하여 기계적 물성시험을 위해 분산된 나노소재(35)를 선택하고, 나노소재(35)의 위치를 제어한다.
시험할 나노소재(35)가 정해지면, 나노소재(35)를 그리핑한다.
상기 텅스텐 팁(50)과 복합센서(40) 사이에 나노소재(35)를 그리핑 한 후 인장 및 굽힘시험을 수행한다.
시험은 상온에서 실시되며, 복합센서(40)와 소재의 설치 후에는 안정화를 위해 6시간 이상의 안정화 시간이 필요하다. 그리고, 나노단위의 조작이므로 미세한 진동에도 영향을 받기 때문에, 방진패드를 이용하여 진동을 제거하고 진동을 유발시키는 행동이나 장비의 사용을 금지한다.
상기 나노소재(35)를 그리핑하기 위해 전자현미경(100)의 전자빔을 이용한다. 전자빔을 나노소재(35)와 텅스텐 팁(50) 접점부분에 주사하면 전자현미경(100) 내부에 존재하고 있는 탄소 분자나 탄화수소 분자들이 증착하게 되어 나노소재(35)가 텅스텐 팁(50)에 그리핑되는 것이 가능하게 된다.
이때, 나노소재(35)의 그리핑 정도를 평가하기 위해 텅스텐 팁(50)을 전자현미경(100) 내부의 피드스류를 통해 고감도 나노 멀티미터(70)를 전기적으로 연결하고, 나노소재(35)와 텅스텐 팁(50)에 접촉시켜 놓고 진공분위기에서 그 접촉부위에 전자빔을 조사하여 그리핑 단계에서 멀티미터(70)로부터 나노소재(35)와 텅스텐 팁(50)을 흐르는 전류의 저항값을 측정한다.
그리핑을 하면서 전기저항값 측정의 일정 경과시간 내에 최초 측정된 저항값에서 설정 비율만큼 저항값이 낮아지는가를 판단한다.
설정된 비율만큼 저항값이 낮아지면 그리핑이 정상이라고 판단하여 인장 및 굽힙시험을 수행할 수 있고, 그렇지 못할 경우 불량으로 판단하여 폐기한다.
다음, 인장시험을 수행한다.
인장시험을 수행하기 위해서 나노조작기(60)를 조정하여 복합센서(40)의 끝부분이 나노소재(35)와 수평을 이루도록 한다.
상기 나노조작기(60)는 컴퓨터의 조이스틱에 의해 조정되며, 측정 시에는 3축으로만 움직이며 측정할 수 있기 때문에 나노소재(35)의 오른쪽에 놓고, 정확한 측정을 위해 복합센서(40)와 나노소재(35)를 수평으로 배치한다.
그다음, 복합센서(40)의 제1감지막(21a)과 나노소재(35)의 끝부분을 전자현미경(100)의 전자빔을 이용하여 그리핑을 하고, 나노소재(35)에 대한 인장시험을 수행한다.
인장시험은 네트워크 컨트롤을 이용하여 변위제어 방식으로 수행되고, 인장속도는 10nm/s이며, 2nm 마다 나노소재(35)에 작용하는 인장하중을 복합센서(40)의 감지부(20)를 통해 측정한다.
또한, 상기 인장하중이 나노소재(35)에 가해질 때 동시에 변화되는 전기적 특성(전압, 전류, 저항)은 탄소나노튜브 섬유(30)를 통해 감지부(20)의 제1감지막(21a)과 연결된 제2감지막(21b)에 의해 측정된다.
보다 상세하게 설명하면, 컴퓨터(90)를 전원을 온시키고, 나노조작기(60)와 복합센서(40)의 전극에 전압을 인가하여 전류가 각 전극에 흐를 수 있도록 한다.
여기서, 휘스톤 브리지 회로를 구성하는 제1 내지 제4전극(11~14)에 전압이 인가되고, 제1 내지 제4전극(11~14)과 전기적으로 연결된 감지부(20)과 감지부(20) 끝단의 제1감지막(21a)에 전압이 인가되면서, 탄소나노튜브 섬유(30)를 통해 제1감지막(21a)의 전류가 지지부(10)의 제5전극(15) 끝단에 형성된 제2감지막(21b)으로 흐를 수 있게 된다.
이때, 상기 감지부(20)의 압전막(24)에 전압이 인가되면 전압이 인가된 방향 으로 압전막(24)이 늘어나고, 전압의 인가와 수직된 방향으로 수축하는 압전물질의 특성에 따라, 상기 나노소재(35)에 인장하중이 가해지면 상기 압전현상을 이용하여 전기적인 변화량을 기계적인 값으로 환산하여 가해진 인장하중을 계산할 수 있다.
또한, 상기 나노소재(35)에 굽힘하중 및 인장하중이 가해짐에 따라 나노소재(35)의 전기적 특성이 변하므로, 감지부(20)의 제1감지막(21a)에 인가된 전류가 탄소나노튜브 섬유(30)를 통해 제5전극(15)의 제2감지막(21b)으로 흐르면서 인장하중이 가해지기 전의 나노소재(35)의 전기적 특성과 인장하중이 가해진 후의 나노소재(35)의 전기적 특성의 차이로 인해 제5전극(15)을 통해 흐르는 전기적 신호의 차이를 측정하여 나노소재(35)의 전기적 특성을 파악할 수 있다.
상기 나노소재(35)에 대한 굽힘시험의 경우 외팔보 굽힘시험을 수행한다.
상기 복합센서(40)를 나노소재(35)의 오른쪽에 놓고, 정확한 측정을 위하여 복합센서(40)와 나노소재(35)를 수직으로 놓는다.
나노소재(35)와 복합센서(40)는 그리핑하지 않고, 복합센서(40)의 위치를 결정한 후 굽힘시험을 수행한다.
굽힘시험은 파단할 때까지가 아닌, 복합센서(40)와 나노소재(35)의 미끌림에 의해 비선형적인 구간이 발생하지 않는 범위까지 수행한다. 굽힘시험 시 굽힘하중과 전기적 특성을 측정하는 방법은 인장시험과 동일하다.
여기서, 도 5는 나노소재(35)의 변위에 따른 저항변화를 나타내는 그래프이고, 도 6은 나노소재(35)의 변위에 따른 힘(하중)변화를 나타내는 그래프이다.
상기 나노소재(35)에 대해 인장 또는 굽힘 시험 등을 실시하면, 도 와 같은 변위-하중(역학적 물성) 또는 변위-저항(전기적 물성) 그래프를 얻을 수 있고, 역학적 특성과 전기적 특성의 상관관계를 측정 및 평가할 수 있고, 나노소재(35)의 신뢰성 평가를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 역학-전기 복합센서를 나타내는 평면도
도 2는 도 1의 일부발췌도
도 3은 도 1의 일부발췌사시도
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 나노소재용 역학-전기 복합센서를 나타내는 개략도
도 5는 나노소재의 변위에 따른 저항변화를 나타내는 그래프
도 6은 나노소재의 변위에 따른 힘(하중)변화를 나타내는 그래프
도 7은 나노소재 기계적 물성 시험 측정시스템을 나타내는 사진
도 8은 종래의 힘센서의 두께에 따른 스프링상수의 관계를 나타내는 그래프
도 9는 나노소재의 기계적 물성 시험의 순서도
도 10은 나노소재의 인장 및 굽힘시험예를 나타내는 사진
도 11은 나노소재의 기계적 물성 시험의 견본 데이터를 나타내는 사진
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 지지부 11 : 제1전극
12 : 제2전극 13 : 제3전극
14 : 제4전극 15 : 제5전극
20 : 감지부 21 : 감지막
22 : 실리콘산화막(SiO2) 23 : Au층
24 : 압전막(ZnO) 25 : Pt
30 : 탄소나노튜브 섬유 35 : 나노소재
40 : 복합센서 50 : 텅스텐 팁
51 : 스테이지 60 : 나노조작기
70 : 멀티미터 80 : 전압 소스
90 : 컴퓨터 100 : 전자현미경
Claims (5)
- 압전막이 내장되어 나노소재(35)에 굽힘 또는 인장하중을 가할 때 나노소재(35)의 역학적 물성을 측정하는 감지부(20);상기 감지부(20)의 끝단에 형성되며, 상기 나노소재(35)가 접촉될 때 상기 역학적 물성 측정과 동시에 전기적 물성을 실시간으로 측정하는 제1감지막(21a); 및상기 감지부(20)의 일단부가 일체로 연결되어 감지부(20)를 지지하는 지지부(10);를 포함하는 나노소재용 역학-전기 복합센서.
- 청구항 1에 있어서, 상기 감지부(20)는 실리콘산화막(22), Au층(23), 압전물질로 된 압전막(24), Au층(23), 실리콘산화막(22)이 적층된 구조로 이루어지고, 상기 압전막(24)의 압전현상을 이용하여 가해진 하중을 측정하는 것을 특징으로 하는 나노소재용 역학-전기 복합센서.
- 청구항 1에 있어서, 상기 지지부(10)는 나노소재(35)에 가해진 하중을 측정하기 위해 휘스톤 브리지 회로를 구성하도록 형성된 제1 내지 제4전극(11~14)과, 상기 나노소재(35)의 전기적 물성을 측정하기 위해 제1감지막(21a)과 연결되도록 끝단에 제2감지막(21b)이 형성된 제5전극(15)을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노소재용 복합센서.
- 청구항 3에 있어서, 상기 제1감지막(21a)과 제2감지막(21b)은 탄소나노튜브 섬유(30)에 의해 전기적으로 연결되고, 상기 제1 및 제2감지막(21b)과 탄소나노튜브 섬유(30)의 접점부위에 전자빔을 주사하여 탄소분자 또는 탄화수소분자가 증착되는 것을 특징으로 하는 나노소재용 역학-전기 복합센서.
- 청구항 3에 있어서, 상기 제1감지막(21a)과 제2감지막(21b)은 탄소나노튜브 섬유(30)에 의해 전기적으로 연결되고, 상기 제1 및 제2감지막(21a,21b)과 탄소나노튜브 섬유(30)의 접점부위에 이온빔을 주사하여 백금이 증착되는 것을 특징으로 하는 나노소재용 역학-전기 복합센서.
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