Research Highlight

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   CNT/Polymer 복합섬유센서 네트워크 기반 무인항공기 SHM 시스템 개발 및 자율 비행/진단 동시 실증’ 연구는 산업기술평가원의 항공우주부품기술개발사업 일환으로 진행되고 있다. 우리학과 이정률 교수 연구실 주관으로 KAIST 5개 연구실 (김천곤, 한재흥, 이정률, 김성수, 스티브 박 교수)과 한국항공대학교 및 서울대학교 연구실, 주식회사 디쏠이 참여하는 조합 과제로, 2016년 12월부터 3년간 수행되는 기초연구이며 예산 규모는 3년간 총 37억원이다.

 

Figure 1 여러 형태의 단일 벽 탄소나노튜브(SWCNT) 탄소 분자간 sp2결합

 

   1991년 탄소나노튜브가 처음으로 발견된 후, 탄소 원자간 sp2결합으로 인한 매우 높은 인장강도와 탄성률을 이용하려는 다양한 연구가 이루어져왔으며, 다양한 소재분야에서 활용가치가 점차 높아지고 있다. 탄소나노튜브는 높은 기계적 물성 뿐만 아니라 열전도율 및 전기적 특성이 매우 특이하며, 높은 piezoelectricity 성질 때문에 탄소나노튜브 센서로 활용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

 

Figure 2 기존 센서 체계와 다른 새로 개발될 복합 섬유 센서

 

   국내에서 지금까지 개발되어 온 복합/스마트 센서 섬유들은 신호 검출을 위한 전도성에 중점을 두고 개발되어 왔기 때문에 기계적 물성이 현저하게 떨어진다. 따라서 센서로 사용하기 위해 항공기 기체 내부에 섬유가 삽일 될 경우, 낮은 기계적 물성으로 인해 하중이나 피로 등에 의한 결함이 발생할 가능성이 매우 높아진다. 이러한 문제점들을 해결하기 위해서는 센서의 높은 민감도를 유지하면서 높은 기계적 물성치를 통해 load bearing에 문제가 없는 다기능 복합 섬유 개발이 시급한 실정이다. 이에 본 과제에서는 탄소나노튜브를 이용한 복합/스마트 섬유 센서를 제작하여 높은 기계적 물성 및 우수한 전기적 성질을 가지며 높은 결함 검출 성능을 보일 수 있는 복합 섬유 센서를 제작하고자 한다. 또한 그간 개발되어 온 섬유들은 압전 센서로서 작용을 많이 하여, 복합재 내부 균열 센싱에는 다소 미흡한 모습을 보여왔다. 이를 해결하고자 새로운 복합재 센서 섬유의 저항과 축전 용량을 동시에 측정하여 압력 및 변형 뿐만 아니라 복합재 내부 균열 (박리 현상) 등을 동시에 감지 할 수 있는 섬유를 개발하고자 한다.

 

Figure 3 탄소나노튜브를 활용한 섬유의 미시역학적 모델 개발 예시

 

   특히, 센서 제작에 있어 중요한 전기적 성질은 탄소나노튜브들이 섬유 배열에 따라 다르게 나타날 수 있다. 탄소나노튜브 함유량 및 배열의 뭉침 정도 등이 주요 요인에 해당하며, 모사를 통해 실제 결과를 예측하고 이를 섬유 개발에 사용하기 위한 미시역학적 모델링도 함께 이루어지고 있다. 이러한 연구는 앞으로 개발될 탄소나노튜브의 전기적 성질을 이용한 센서 후속 연구에도 큰 도움이 될 것으로 보인다.

   개발중인 탄소나노튜브 복합재 섬유 센서의 궁극적인 목표는 항공기 Structure Health Monitoring을 수행하는 것으로, 이를 위해서는 섬유의 하중 및 충격에 의해 발생하는 신호를 검출한 뒤 분석/가시화 하는 기술이 필수적이다. 개발될 탄소나노튜브로 이루어진 섬유 센서는 이제까지의 섬유 센서와 다른 새로운 시도이므로, 이에 맞는 신호 검출 및 분석 알고리즘 개발이 함께 요구된다. 복합재에 내장될 섬유의 기계적 물성 및 전기 전도도 손상 없이 신호를 검출 할 수 있는 전극 구성 방법이 요구되며, 충격 및 하중에 따른 섬유의 저항과 축전 용량 변화를 동시에 검출할 수 있는 센싱 메커니즘을 개발하고 검출된 신호가 결함인지 여부를 판단할 수 있는 알고리즘을 구현한다. 마지막으로 이러한 SHM 과정이 탄소나노튜브 센서 섬유 특성을 최대한 담아낼 수 있게 개발될 모듈을 통해 항공기 자체에서 on-board로 진행되며, 이를 실시간 무선 통신을 통해 지상국에 데이터를 전송하며 SHM을 진행하게 된다.

   최종적으로, 탄소나노튜브 섬유가 내장된 복합재 날개를 갖는 무인기를 제작하여 무인자율비행을 실행함과 동시에 무선 SHM 시스템 및 알고리즘 성능을 검증하게 된다.

 

Figure 4 무인기를 통한 탄소나노튜브 센서 및 SHM 시스템 전반에 걸친 성능 검증 모사도

 

   본 과제는 새로운 센서 섬유의 개발부터, 센서 섬유의 실제 센싱 메커니즘 및 분석 알고리즘을 통한 전반적인 SHM 시스템에 대한 구축, SHM 시스템을 이용하여 결함을 비행중에 검출해낼 수 있는지 살펴보게 될 무인기 제작까지 광범위한 분야들에 대한 도전으로, 향후 귀추가 주목되는 바이다

 

편집         현종민[jmhyun08@kaist.ac.kr]