< 연구 결과요약서 >

< 연구 결과요약서 >

소속

학교 ^{낙생고등학교 책임 지도교사 이O민}

참여학생 ^오

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1. 흑연과 그래핀 나노 분말을 이용하여 시중에 판매되는 전도페인트의 성능과 비슷한 전도성을 가진 전도페인트를 제작하고 최적의 혼합비율을 알아낸다.

2. 전도페인트를 이용해 여러 가지 키트를 제작해보고 실생활에 적용할 수 있는 창의적 인 아이디어들은 고안하고, 실제 모형으로 제작해본다.

연구개요 및 내용

□ 이론적 배경 및 선행연구

○ 선행연구

전도성 입자의 형태가 감광성 실버 페이스트의 미세 전극 패턴 형성에 미치는 영향 (2015, 인호선 외)

미세라인 패턴이 형성된 전도성 페이스트에서 구형 은 분말의 함량에 따른 전기적 특성을 비교·평가하였다. 80 wt% 은 분말을 함유한 페이스트는 0.534 Ω·cm의 비저 항 (volume resistance) 값을 보였으며, 은 분말의 함량이 증가할수록 비저항은 점점 낮아지는 경향을 보였다. 이는 은 분말의 양이 증가함에 따라 입자간 접속이 좋아져 서 전기가 더 잘 흐를 수 있는 전기 전달 통로가 형성되었기 때 문이다. 입자들 사이 사이에 유기물 바인더가 들어가 있는 영역이 많은 것으로 관찰되지만, 은 분말의 함 량이 82.5, 85, 88 wt%로 증가할수록 입자들 사이에 유기물 성분이 차지하는 비율이 점점 감소하는 경향을 보였다.

○ 이론적 배경

- Graphene Square 의 Graphene Oxide Solution (그래핀 산화물 용액) 100ml의 수성 분산액이고 농도는 1g/L이며 플레이크 크기는 0.5-0.7 마이크론이다.

- 그래핀

탄소의 동소체 중 하나이며 벌집 모양의 육각형 구조의 탄소 층으로 이루어진 흑 연의 한 층을 떼어내어 2차원 평면 구조를 가진다. 그래핀은 0.2㎚의 두께로 물리적, 화학적 안정성이 매우 높다. 200,000 cm²/V•s의 매우 높은 전성과 5000 W/m•K의 높은 열전도도를 가진다. 전자가 움직일 때 방해를 주는 산란의 정도가 매우 작아 긴 평균자유행로를 가지게 되어 매우 낮은 저항값을 가진다.

□ 연구 주제 선정(목적 및 필요성)

회로도를 보고 전선을 이용하여 회로를 만드는 것이 복잡하다고 느꼈다. 펜 또는 페인트 같이 생긴 물질을 종이에 그리기만 하면 회로가 되는 전도페인트를 연구하게 되면, 앞으로 간단하게 어려움 없이 기호만을 보고 회로를 그릴 수 있을 것이다. 전선 이 없는 환경에서도 페인트와 전지만 있다면 쉽게 과학실험을 할 수 있을 것이고 과 학을 잘 모르는 사람도 그림을 그리는 것처럼 흥미를 느끼면서 회로를 완성할 수 있 을 것이다. 우리 주변에서 쉽게 구할 수 있는 재료들을 이용하여 최적의 전도성을 가

진 전도페인트의 혼합비율을 찾아내기로 하였다. 그리고 전자 페인트와 아두이노를 접목시켜서 다양한 회로를 만들 수 있다는 것을 알고 실생활에서 유용하게 이용할 수 있는 창의적인 아이디어들을 고안해서 직접 모형으로 실현해보기로 했다.

□ 연구 방법

○ 1. 흑연을 이용한 전도페인트 제작

우리 주변에서 쉽게 구할 수 있는 재료, 흑연을 이용하여 여러 가지 접착성 용 매와 혼합하여 전도페인트를 제작하고 최적의 혼합비율을 찾는다.

○ 2. 전도성 물질 실험

미리 선정한 용매에 그래핀 수용액, 그래파이트 2가지 물질로 각각 전도성 페 인트를 만들어 전도성을 비교한다.

○ 3. 실용적인 응용 아이디어 연구

제작한 전도페인트를 이용하여 실생활에 응용할 수 있는 창의적인 아이디어를 고안하고 디자인한다. 낙생고등학교의 모형을 제작하여 불을 밝히는 회로 제작. 아 파트 외벽에의 전도페인트 활용 <밤중 길을 잃었을 때 아파트 동수 찾기>등의 아 이디어를 고안했다.

□ 연구 활동 및 과정

○ 1. 흑연으로 전도페인트 제작

흑연과 여러 가지 접착성 용매(물풀, 목공풀, 아크릴물 감)을 섞어 전도페인트를 제작하였다. 그리고 최적의 전 도성을 갖는 전도성 물질 : 접착성 물질의 혼합비율을 찾으려고 했다. 최적의 혼합비율은 흑연 0.5g과 아크릴 수지 물풀 1g을 섞었을 때였다.

○ 2. 전도성 물질 선정 실험

가. 그래핀 수용액을 이용한 전도페인트 제작

Graphene square 사의 Graphene Oxide Solution을 구매하여 물풀과 섞어 전도성 페인트를 제작하였다. Solution에 용해되어있는 graphene의 양이 너무 적어서 전도 효과가 잘 나타나지 않았다. 그래핀 수용액은 전도성 물질로 사용할 수 없을 것 같 다고 판단하였다.

나. 그래파이트를 이용한 전도페인트 제작

Graphene Oxide Solution을 대신해 고체 흑연 분말(그래파이트)을 이용하여 전도 페인트를 제작하였다. 흑연의 비율이 커질수록, 접착제의 비율이 작아질수록 저항이 작아졌다. (즉, 전도성이 커졌다.) 물풀의 양이 2g, 흑연의 양이 3g 일 때 저항이 최 소였다. 또한 페인트를 바를 때 얼마나 고르게 바르냐에 따라서 저항 값이 달라진 다는 것을 알게 되었다. (고르게 바를수록 저항이 작아진다.)

○ 3. 실용적인 응용 아이디어 연구

가. 낙생고등학교 불을 밝히는 회로 모형 제작

낙생고등학교의 모형을 만들어 불을 밝히는 회로를 디자 인하였다. 전도페인트로 선을

그리면 불이 켜지는 회로 (1) 가 있고 손을 접지시키면 불이 들어오는 회로 (2)가 있다.

회로 (1) 회로 (2)

나. 아파트 외벽에의 전도페인트 활용 <밤중 길을 잃었을 때 아파트 동수 찾기>

다음과 같이 아파트 외벽에 전도페인트를 발라 아파트 외벽에 손을 대면 동수를 알 수 있도록 하는 회로를 구상했다. 아파트 외벽에 손이 닿는 부분을 스위치라고 가정했다.

스위치를 넣으면 회로가 연결되어 불빛이 켜져 숫자 ‘303’을 확인할 수 있다. 이처럼 밤 중에 자신이 어디 위치에 있는지 알고 싶으면 아파트 외벽에 손을 대기만 하면 된다.

연구성과

□ 연구 결과

○ 1. 흑연을 이용한 전도페인트 제작

: 접착성 물질의 종류와 양에 따른 전도성 비교

아크릴 수지 물풀 > PVA 물풀 > 아크릴 물감 순으로 전도페인트의 전도성이 좋았다. 가장 저항이 작은 때는 흑연 0.5g 과 아크릴 수지 물풀 1g을 섞을 때이다.

즉, 흑연: 접착성물질(아크릴수지)=1:2의 비율이다. 목공풀은 점성이 강하면서 빠르 게 마르는 특성이 있어서 저항을 측정하고자 했으나 저항 값이 멀티테스터기의 측 정범위를 초과하여 저항을 측정할 수 없었다.

○ 2. 전도성 물질 선정 실험

Graphene Oxide Solution은 전도성 물질로 사용하기에 부적합하다고 판정하여 전도성 물질로 그래파이트를 최종 선정하였음. 그래파이트의 비율이 클수록 접착성 용매의 비율이 작을수록 전도성이 높아졌으며 전도페인트를 바르는 고르기 또한 전 도성에 영향을 미쳤다.

□ 연구 결론 제시

- 흑연으로 전도페인트 제작 (최적의 혼합비율 알아내기 실험)

○ 아크릴 수지의 물풀을 접착성 물질로 사용했을 때 가장 저항이 작은 전도페인트를 만들 수 있었다.

○ 접착성 물질의 비율이 작을수록 전도가 잘 되었다. 전도성 물질인 흑연의 비율이 상 대적으로 높아져서 흑연 입자들 사이의 접속이 좋아져서 전기가 흐르는 전기 전달 통로 가 더 잘 형성되기 때문이다.

○ 아크릴 수지의 물풀을 섞은 전도페인트가 가장 전도가 잘 되었다. 아크릴 수지의 구

조가 아크릴물감의 아크릴 에스터 수지 구조보다 유연하고 분자들의 화학적 결합 사이에 공간이 크기 때문에 아크릴 수지 물풀을 접착성 물질로 사용했을 때 전도성이 더 높았다.

그리고 아크릴 수지의 비중이 pva의 비중보다 작기 때문에 (밀도가 낮다는 의미)아크릴 수지의 구조가 더 유연하고 분자들 사이 간격이 더 넓다. 따라서 흑연(전도성 물질)의 입 자가 전기 통로를 더 잘 생성할 수 있다. (폴리비닐아세테이트는 폴리비닐알코올을 에스 테르화 반응하기 이전 물질, 아세트기가 존재하기 때문에 구조가 유연하지 않고, 폴리비 닐알코올보다 결합이 강하다. 따라서 폴리비닐아세테이트로 전도성 페인트를 만들었을 때 폴리비닐알코올보다 전도성이 약한 페인트가 만들어지게 된다.)

□ 결론 및 제언(시사점 및 향후 계획)

○ 아파트 외벽에 전도페인트를 칠해 한밤중에도 어디가 몇 동인지 알 수 있는 아이디 어처럼 고안한 아이디어들이 실생활에 실용화되면 생활이 더 편리해질 것이라고 생각한 다. 펜의 형태의 용기를 만들어서 그 안에 전도페인트를 담아 실용화해보고 싶다. 전도성 페인트를 이용하여 불빛 말고도 소리나 열감지등 전기에너지를 다양한 형태의 에너지로 전환시키고 싶다.

주요어 편리함, 전도페인트, 흑연

< 연구 결과보고서 >

1. 개요

□ 연구목적

화학적 지식을 활용해 우리 주변에서 전도도가 높으면서 용매에 균질하게 분산되는 전도 물질과 효율적인 접착제이자 용매를 찾아 최적의 조합비율을 알아내는 것이 목표이다. 공 학적인 측면에서는 학교에서 실험을 진행할 때 번거롭게 전선을 이용하는 대신, 전도페인 트를 이용한 간단한, 편리한 회로를 개발한다. 학생들도 쉽게 만들 수 있고 누구나 사용할 수 있는 전도성 페인트를 만든다. 전선이 없는 환경에서도 전도페인트와 전지만 있다면 쉽 게 과학실험을 할 수 있을 것이다. 과학에 전문성이 없는 사람도 그림을 그리는 것처럼 흥 미를 느끼면서 회로를 완성할 수 있을 것이다. 효율적이고 가시적인 회로 제작이 가능한 것을 목적으로 하였다.

□ 연구범위

○ 연구 분야 및 범위

우리는 공학 중에서도 물리와 화학과 관련된 연구를 진행했다. 전도페인트를 제작하는 데에 는 화학과 미술과 관련된 지식을 주로 이용하였고, 전도성페인트의 전도성을 확인하고 비교 실험하는데에는 물리와 관련된 기본 지식을 활용하였다.

○ 연구 진행 과정

5~7월에는 1차 연구로 전도페인트 제작, 전도성 확인 실험을 진행하였다. 5월에는 “아크릴 물감, pva 수지 물풀, 아크릴 수지 물풀 등을 이용한 여러 가지 전도페인트를 제작하였고, 그들의 전도성(저항)을 측정하였다. 6~7월에는 전도성 잉크나 전도 물질에 대한 논문 및 자료를 조사했다. 7월 달에 있었던 중간 발표의 피드백을 토대로 연구 방향을 전도페인트 제작보단 이를 활용한 스마트 가구 제작에 초점을 두고 진행했다. 9~10월달에 스마트 가구 디자인을 하였고 아두이노 전문가에게 자문을 구했다. 10월달에 전도페인트를 활용한 여러 가지 회로를 만들어 보며 스마트 가구제작을 완료하였고 11월에는 보고서를 작성하며 연구를 마쳤다.

2. 연구 수행 내용

□ 이론적 배경 및 선행 연구

○ 2.1. 선행연구(전도성 하이브리드 잉크를 이용한 스마트 T-셔츠 제작, 인천청라고등학교) 2.1.1. 은 나노 전도성 잉크 제작 및 적용 가능성 연구

실험실 내에서 고온의 소결과정을 거치지 않고 AgNO3를 이용하여 균일한 은 나노 입자 를 형성할 수 있는 실험 조건을 찾아보았다. 분산매, 바인더, AgNO3의 질량, 반응 온도 및 시간, 세척 횟수 및 시간 등을 달리하여 실험을 반복 진행하여 최적의 은 나노 전도성 잉 크를 제작하고 저항을 측정하였다.

2.1.2. 탄소 나노 전도성 잉크 제작 및 적용 가능성 연구

값이 저렴한 활성탄을 기반으로 다양한 용매의 조성과 반응 조건을 달리하여 여러 종류의 탄소 나노 잉크를 제작하고, 각 잉크의 저항 값을 측정하여 가장 전도성이 우수한 잉크를 제작하였다.

2.1.3. 은 – 탄소 하이브리드 전도성 잉크 제작

저항이 비교적 크지만 저렴한 장점을 가진 탄소 나노 잉크에 가격은 비싸지만 전도성이 좋은 은 나노 잉크를 혼합하여 하이브리드 전도성 잉크를 고안 하고 전도성을 증가시키는 실험을 진행하였다. 은 나노 전도성 잉크, 탄소 전도성 잉크, 은-탄소 하이브리드 잉크 3종 류를 입자 분석(SEM 촬영) 과 전도성 측정 (저항 분석)을 진행하였다. SEM 촬영은 기초 과학지원연구센터와 인하대학교 공공기기센터에서 하였다.

2.2. 이론적 배경 2.2.1. 커피링 효과

커피 한 방울을 책상이나 노트 위에 떨어뜨린 후 수분이 다 마른 뒤에 자세히 살펴보면 가장

¹⁾

생활 속에서뿐만 아니라 미소한 액적(droplet)을 이용하는 다양한 응용분야 – 페인팅, 코 팅, 각종 전자기기의 제작과정에서 쓰이는 미세 패터닝 그리고 농약살포 등에서 발견된다.

이러한 콜로이드(colloid)상태의 액적을 이용해서 미세 패턴을 만드는 경우에 그 액적의 용

1) <콜로이드 액적의 증발에 의한 입자 증착에 관한 연구>_위상권, 이정용

매를 건조하는 과정에서 내부에 포함된 입자들이 기관 위에서 골고루 도포되도록 제어하는 것이 주요한 관건이다.

그림 1. Coffee stain

일반적으로 콜로이드 액적의 용매가 증발하는 과정에 그 내부에서 유동이 중심에 서 가장 자리로 발생하고 이러한 내부 유동에 의한 운동량은 내부에 부유하고 있는 미소한 입자들 을 액 적의 가장자리로 이동시켜, 결국에는 Fig. 1 에 보이는 바와 같이 건조 후에 가장자 리 부근에서 입자들을 진하게 남기게 된다. Deegan 등(1,2)은 액적의 증발현상에 수반되는 내부유동의 거동에 의해 커피 얼룩 효과(coffee stain effect)가 발생하는 물리적인 원리를 이론적으로 보였다.

(1) 용매의 비등점이 높을수록 평탄한 박막을 얻을 수 있다. 이는 비등점이 높을수록 증발 이 느리게 발생하고 이에 따라 액적 내부에서 운동량이 감소하여 상대적으로 가장자리로 이동하는 입자의 양이 적어지기 때문이다.

(2) 비등점이 서로 다른 두 용매를 혼합했을 때 상대적으로 좋은 평탄도를 얻을 수 있었 다. 비등점이 서로 다르면 비등점이 높은 용매가 액적의 가장자리에, 비등점이 낮은 용매가 액적의 중심에 각각 상대적으로 많이 분포하여 표면 전체에서 증발량이 균일하게 되거나 중심에서 상대적으로 증발량이 증가하기 때문이다.

(3) 비등점이 높은 용매가 많이 혼합될수록 평탄한 박막을 얻을 수 있다. 하지만 건조하는 데 상대적으로 많은 시간이 소요됨으로 최적의 혼합비를 맞춰서 요구되는 평탄도와 최소의 건조시간을 얻어야 한다.

2.2.2. 기존 시중에서 판매되고 있는 전도페인트

그림 2. Bare Conductive 사의 Conductive pen 사양

시중에 있는 전도성 페인트는 회로도를 그리고 부품을 장착하고 디바이스를 수리할 수 있다. 이 페인트는 길이 8cm일 때 저항 3.2KOhm, 길이 1cm일 때 약 1KOhm인 것으로 보 아 길이나 두께에 따라 저항 값이 변한다는 것을 알 수 있다. 주로, 전도성 충전제로는 주 로 니켈, 은, 알루미늄을 사용한다.

그림 3. 전도성 펜의 특성

2.2.3. 접착성 물질들의 성분

2.2.3.1. PVAc 폴리비닐아세테이트 (폴리초산비닐수지) (목공풀 성분)

폴리초산비닐수지는 비닐아세테이트(CH2 = CH·OCOCH3)단량체(모노머)를 유리라디칼 중합하여 만드는 열가소성 수지이다. 비닐아세테이트모노머는 무색의 액체이며 빙점 73℃, 비중은 0.93이다. 이 모노머에 과산화물 등의 중합 촉매를 첨가하여 가열하면 용이하게 폴 리초산비닐을 얻을 수 있다. 폴리초산비닐은 측쇄에 커다란 초산기를 갖고 있기 때문에 분 자주쇄의 규칙적 충전에 의한 결정화

가 곤란하며, 전적으로 무정형(즉 비결정상태)이다. 비중 1.8∼1.20, 굴절률 1.45∼1.47, 유 전율(60Hz) 2.7∼6.1의 투명재료이지만 유리 전이점(28℃) 이하에서 취약성이 눈에 띠고, 열

변형 온도도 낮아서(38℃) 성형재료로는 적합하지 않다. 폴리비닐아세테이트를 수산화나트 륨 및 메탄올과 반응시켜 아세테이트 기를 수산기로 치환시키면 새로운 종류의 고분자, 즉 폴리비닐알콜(PVA)이 만들어진다. (에스테르 결합부분의 비누화반응) 폴리비닐아세테이트 는 폴리비닐알콜의 원료이다.

2.2.3.2. PVA 폴리비닐알코올

폴리비닐알코올 (poly(vinyl alcohol), PVA)은 1924년에 Herrman과 Haehnel이 폴리아세 트산비닐 (poly(vinyl acetate), PVAc)과 같은 비닐에스테르계열 고분자를 비누화하여 처음 합성하였다.

PVA는 초산비닐(비닐 알콜의 초산 에스테르)을 중합시켜 만든 폴리초산 비닐을 다시 탈초산(검화)하여 만든 것이다. PVA는 폴리아세트산비닐을 산이나 염기로 처리해 그 분자 의 긴 사슬구조를 깨뜨리지 않으면서 아세트산기를 떼내어 만든다. (에스테르 결합의 비누 화반응) 폴리비닐알코올의 비중(물=1)은 1.27-1.31 이다.

그림 4. 폴리비닐아세테이트과 폴리비닐알코올의 구조

2.2.3.3. 아크릴산

아크릴산 (Acrylic acid)은 유기 화합물이자 불포화 카복실산에 속하는 물질이다. 실험적 으로는, 클로로프로피온산의 탈염화수소 반응, 옥시프로피온산의 탈수 반응을 통해 얻으며, 공업적으로는 아세틸렌의 카르보닐화 반응을 이용하여 얻는다. 

그림 5. 아크릴산 (Acrylic acid)

상온에서 무색 투명하며 아세트산과 비슷한 자극성의 냄새가 나는 액체 상태로 존재한 다. 녹는점은 14℃, 끓는점은 141℃이며, 밀도는 1.051g/mL이다. 용해성이 매우 높아 물, 알 코올, 벤젠 등의 다양한 용매에 쉽게 녹는다. 아크릴산과 그 에스터는 분자 내에 이중결합 을 가지고 있어, 자기 자신과 첨가중합하거나 다른 단량체들과 공중합하여 다양한 고분자 를 만들어낸다. 아크릴산의 중합을 통해 만들어진 수지는 물에 녹아 점성도가 높은 용액을 만드므로 래커, 니스, 잉크 등에서 점도를 높여주는 용도로 많이 쓰이며, 아크릴산의 에스터 가 중합하여 형성되는 고분자는 아크릴 수지의 일종이다.

2.2.3.4. 아크릴 수지

아크릴산 또는 메타크릴산를 주성분으로 하는 수지. 일반적으로는 메타크릴산메틸 수지를 의미하고, 메타크릴산메틸의 라디칼 중합으로 만들어진다. 아크릴 수지의 비중은 1.18이다.

그림 6. 아크릴 수지

2.2.3.5. 아크릴 에스터 수지(아크릴물감 성분)

아크릴산 에스테르는 아크릴 섬유용 공중합 성분으로서 수요이외에 섬유가공용의 바인더, 도료, 접착제등의 분야에 널리 사용되고 있다.

C H₂

CH₃

C H₂

CHO

C H₂

COOH

C H2

COOR O₂

프로필렌

촉매

아크롤레인

아크릴산 아크릴산 에스테르

O₂

ROH

촉매

촉매

그림 7. 아크릴 에스터 수지를 얻는 과정

아크릴 물감은 아크릴 에스터 수지로 만든 물감이다. 비닐물감에 비해 부착력이 강하여 모든 바탕 재료에 착색할 수 있고 건조가 빨라 벽화·공예 등에도 유용하게 쓰이며 수지 특 유의 투명성이 있어 상업적으로 개발된 1960년대 이후 미술가들에게 회화 재료로 각광받았 다.

2.2.3.6. 에스테르화 반응

알코올 또는 페놀이 유기산 또는 무기산과 반응하여 물을 잃고 축합하여 생긴 화합물의 총칭이다. 일반적으로 산 염화물이나 무수물 보다 훨씬 더 안정하다. 이로써 에스테르는 중 성조건에서 물과 반응하지 않고 산성 혹은 염기성 조건에서 가수분해가 된다. 카르보닐산 과 알칼리를 생성하는 가수분해를 비누화라고 한다.

2.2.3.7. 에스테르 교환

에스테르에 알코올, 산 또는 다른 에스테르를 작용시켜서 에스테르를 구성하는 산기 또는

알킬기를 교환하는 반응이다.

그림 8. 에스테르 교환

2.2.3.8. 비중

어떤 물질의 질량과, 이것과 같은 부피를 가진 표준물질의 질량과의 비율이다. 비중은 기 체의 경우 온도와 압력에 따라 달라진다. (액체의 표준물질: 1atm, 4℃의 물)

□ 연구주제의 선정

○ 유튜브에서 전도성 페인트를 이용해 창의적인 구조 및 종이제품에 불을 밝히는 영상을 통해 처음 전도성 페인트를 접하게 되었다. ‘미대생과 공대생이 만나면?’ 이라는 제목의 기술과 예술을 접목해 만들어낸 융복합 콘텐츠로, 펜이나 페인트 같이 생긴 물질을 종이에 그리면 전류가 흘러서 전구에 빛이 들어오는 내용의 영상이다. 전도페인트를 활용해서 우리들만의 창의적인 아이디어를 실현해보고 싶다는 생각이 들었다. (먼저 우리는 전도페인트를 쉽게 만들 수 있는 여러 가지 방법을 찾아 보고 싶었다. 그 후 그 전도페인트를 활용할 수 있는 방법을 생각해 보았고 우리가 일상생활에서 늘 접하고 있는 가구에 관심을 두게 되었다.

전도페인트를 이용해서 가구중에서도 화장대를 만들기로 하였다. )

□ 연구 방법

○ 다양한 재료를 섞어서 전도 페인트를 만드는 실험을 하고 그것을 아두이노와 결합시켜 서 실제로 스마트 가구를 만들었다.

□ 연구 활동 및 과정 3.1. 전도성 페인트 제작

3.1.1. 흑연을 이용한 전도페인트

접착성 물질

아크릴 물감 pva 물풀 아크릴 수지 물풀 그림 9. 실험 준비물

실험 준비물: 멀티테스터기, 흑연, 미니전자저울, 아크릴물감, pva 물풀, 아크릴 수지 물풀, 나무젓가락, 종이컵

아크릴 물감 pva 수지 물풀 아크릴 수지 물풀 그림 10. 제작한 전도페인트

흑연과 각각의 접착성 물질 (아크릴 물감, pva 수지 물풀, 아크릴 수지 물풀)의 비율을 다르게 해서 전도페인트를 제작하였다.

직접 제작한

전도페인트 전도페인트 바르기 멀티테스터기로 측정 측정값 기록

그림 11. 전도성 측정, 저항값 측정

1회 2회 3회 평균

아크릴 물감 1g 21 12 25 19.33

아크릴 물감 2g 5.5 9.5 11.2 8.73

1회 2회 3회 평균

pva 물풀 1g 11.2 12.3 13.8 12.43

pva 물풀 2g 37 45.8 65 49.26

1회 2회 3회 평균

아크릴 수지 1g 4.7 6.6 6.6 5.96

아크릴 수지 2g 20.3 20.0 21.6 20.63

pva 물풀과 아크릴수지는 2g 보다 1g일 때 저항이 더 낮다. 아크릴 물감은 2g을 넣었을 때 저항이 더 낮다. 아크릴물감에는 전기가 전도된다. 목공풀은 저항이 측정되지 않았기에 실험에서 제외하였다.

1회 2회 3회 평균

아크릴 물감

1g 21 12 25 19.33

pva 물풀 1g 11.2 12.3 13.8 12.43 아크릴 수지

1g 4.7 6.6 6.6 5.96

목공풀 1g 0 0 0 측정불가

1회 2회 3회 평균

아크릴 물감

2g 5.5 9.5 11.2 8.73

pva 물풀 2g 37 45.8 65 49.26

아크릴 수지

2g 20.3 20.0 21.6 20.63

접착성 물질 1g 과 2g을 넣었을 때 모두 아크릴 수지 물풀의 저항이 가장 작았다.

그림 12. 혼합 비율과 재료에 따른 저항 비교

아크릴 수지 물풀 < PVA 물풀 < 아크릴 물감 으로 나타났다. 가장 저항이 작은 때는 흑 연 0.5g 과 아크릴 수지 물풀 1g을 섞을 때이다. 즉, 흑연 : 접착성물질(아크릴수지) = 1 : 2의 비율이다. 간단하게 점성을 비교해봤을 때 아크릴물감 < pva < 아크릴수지 이고 마르 는 순서는 아크릴 수지 < pva < 아크릴 물감 이었다. 가장 저항이 작은 접착성 물질의 종 류는 아크릴 수지 물풀이며, 1g을 넣었을 때 최소의 저항 값이 측정되었다.

접착성 물질 중에서 아크릴 수지 물풀의 저항이 가장 작았기 때문에 이를 바탕으로 아크 릴 수지 물풀과 흑연을 섞었을 때 가장 저항이 작은 비율을 찾기 위한 실험을 진행하였다.

3.1.2. 흑연, 물풀 양을 조절한 최적의 저항

비율 2 : 1 4 : 1 6 : 1 8 : 1 저항(KΩ) 4.13 0.358 0.508 0.824

그림 13. 아크릴 수지의 흑연의 비율에 따른 저항 변화

아크릴 수지와 흑연의 비율을 2:1, 4:1, 6:1, 8:1 로 각각 달리 하여 저항을 측정하여 값을 분석한 결과 아크릴 수지와 흑연이 4:1의 비율로 섞였을 때 가장 저항이 작은, 즉 가장 전 도성이 좋은 조합이라는 결과가 나왔다.

3.1.3. 길이에 따른 저항 값의 변화

Bear Conductive사의 전도 페인트, 자, 종이를 사용하였다. 2cm, 5cm, 8cm, ... , 20cm로 길이를 변화시키면서 같은 두께로 전도 페인트를 바른 후, 각각의 저항 값을 측정한다. 길 이 변화에 따라 변화하는 저항 값으로 이차 함수식을 만든다.

그림 15. 길이에 따른 저항 측정

길이가 길수록 저항값이 증가함을 확인할 수 있었고, 이에 따라

y = 0.0565x2 - 0.076x + 0.8554 라는 식을 도출해냈다. 따라서 스마트 가구 제작 시 너무 긴 회로를 구성하면 저항이 과도하게 올라가서 전도 페인트로서의 역할을 하지 못할 수도 있다는 결론을 내렸다.

3.1.4. 양면 덧칠에 따른 종이 투과 저항

Bear Conductive사의 전도 페인트, 자, 종이를 사용하였다. 종이의 한쪽면에 동그랗게 전 도페인트를 바르고 마르면 반대쪽 면에 같은 모양으로 전도 페인트를 바른다. 페인트가 다 마르면 양쪽면에 각각 저항 측전기 전극을 갖다 대고 저항을 측정하였다.

그림 16. 양면 덧칠 후 종이를 투과하는 저항 측정

첫 번째 실험 결과, 저항의 크기가 저항 측정기의 측정 범위를 넘어서서 측정되지 않았다.

그래서 전도페인트의 종이 투과율을 높이기 위해 전도페인트를 물과 섞어 묽게 만든 후, 위의 실험 방법을 반복했다. 그 결과, 전도페인트는 종이를 투과할 수 있다는 것을 알아냈 다, 단, 전도 페인트의 종이 투과율은 페인트 용량과 건조 조건에 따라 달라질 수 있다는 결론을 도출했다.

3.1.5. 물감과 전도성 페인트 혼합 시 채도 변화

그림 17. 물감과 전도성 페인트 혼합 시 채도 변화

아크릴 물감, 물풀, 전자저울, 저항측정기를 사용하였다. 흑연 0.5g과 물풀 1g을 섞은 전도 페인트에 아크릴 물감을 1g씩 추가하며 저항을 측정하였다.

그림 18. 채도 실험 값

전체적으로 아크릴 물감의 비율이 높아질수록 저항이 높아지는 것을 발견했으나, 변화폭 이 일정하지 않고 매우 불규칙적이다. 또한 아크릴 물감의 비율이 높아질수록 채도가 높아 지나, 흑연 때문에 아크릴 물감 원래의 색감은 나오지 않는 것으로 나타났다. 따라서 밝은 계열의 벽지, 가구 등에 사용하기 보다는 어두운 곳에 적용 가능하다.

저항 값이 불규칙적으로 변화한 요인에는 첫째, 페인트를 고르게 바르지 않아서 정확한 저항 값이 측정되지 않았다. 둘째, 흑연과 물풀로 전도 페인트를 만들 때 흑연 입자가 물풀 안에 고르게 퍼질 수 있도록 열처리를 하지 않았기 때문에 만약 페인트를 고르게 발랐더라 도 정확한 저항 값이 측정되지 않았을 것이다.

3.2. 전도성 페인트를 사용한 회로 및 센서 제작 3.2.1. LED 회로 제작 및 테스트

그림 19. led 불빛이 들어오는 회로

스마트 가구에 불이 들어오는 기능을 넣기 위해서 led 회로를 제작하였다. 회로를 연결하 면 불빛이 들어온다. 화장대를 열면 불이 들어오는 기능을 추가 할 수 있다.

3.2.2. 위치 인식 회로 제작 및 테스트

그림 20. 위치를 인식하는 회로

화장품을 사용할 때 와 보관중일 때를 구분하기 위하여 다음과 같은 풀업, 풀다운 저항 회로 패턴을 전도페인트로 그려냈다. 아두이노의 input 기능을 넣어 화장품을 놓았을 때와 사용할 때를 구분하였다.

그림 21. 아두이노 화면 표시 창

3.2.3. 압력을 인식 회로 제작 및 테스트

그림 22. 전도성 페인트로 만든 압력 센서

압력 센서의 원리를 조사하였다. 압력 센서의 패턴을 연구하고 이를 전도페인틀 똑같이 그려내었다. 압력센서의 구조에 맞게 종이를 겹쳐 “전도페인트 압력센서”를 제작하였다.

그림 23. 압력을 인식하는 회로 및 측정 값

제작한 압력 센서에 종이컵을 올려놓은 후 무게를 30g씩 증가시키며 측정하였다. 무게가 증가함에 따라서 전압이 감소하는 것을 관찰하였다. 아두이노의 ADC 기능을 이용하여 전 압 값을 무게에 대응시켜 전압 변화로 무게의 변화를 알 수 있도록 회로를 만들었다. 이 회로를 이용하면 스마트 가구에서 화장품의 무게 측정이 가능하고 다 써가는 용량이 없는 화장품을 확인할 수 있다. 우리가 손으로 제작한 압력 센서의 경우, 간단한 구조를 가졌기 때문에 무게 측정 가능 구간이 좁은 것으로 확인되었다.

3.2.4. 거리를 인식하는 회로 제작 및 테스트

그림 24. 거리를 인식하는 회로

전도성 페인트에 물을 섞어 낮은 농도의 페인트를 생성하고 넓은 면적의 종이에 붓을 이용하여 전도페인트를 도포하였다. 그리고 그 종이와 아두이노를 연결하였다. ADC

기능을 사용하여 변화하는 전압 값 측정하였다. 일정 거리 이하로 가까이 다가오면 센서가 인식하여 LED가 켜지는 구조물 제작하였다. 이를 스마트 가구에서 활용하여 화장을 하기 위해 거울에 가까이 가면, 불이 켜지는 구조물 제작 가능하다.

3.3. 스마트 가구 제작 3.3.1. 스마트 가구 디자인

화장대를 이용한 스마트 가구를 제작하기로 했다．스마트 화장대를 이용하여 사용자가 사 용하는 화장품의 남은 양을 알 수 있을 뿐만 아니라 미러 디스플레이를 사용하여 그 화장 품의 정보 및 후기 또한 그날의 날씨와 시계를 알 수 있게 제작하기로 하였다．

그림 25. 회로를 배치할 화장대 공간과 미러 디스플레이

3.3.2. 스마트 가구 제작 과정　

화장대 칸에 맞게 양면회로를 설계한다．양면회로에 맞추어 전도성 페인트를 칠하고 조 립, 배치를 한다．

3.3.3. 디스플레이 제작

미러 디스플레이를 사용 위해 아두이노 프로세싱 프로그래밍을 이용하여 화장대 거울에 날짜, 날씨 등이 나올 수 있는 초기화면을 제작한다.

그림 26. 스마트 가구 제작 과정

그림 27. 미러 디스플레이 실현

3.4. 회로 배치 및 스마트 가구 제작 완료

그림 28. 스마트 가구 완성

3. 연구 결과 및 시사점

□ 연구 결과

1. 전도성 페인트 제작

-아크릴 수지 물풀이 아크릴 물감, PVA 수지 물풀에 비해 안정된 건조력, 낮은 저항 등 의 좋은 효과를 가졌다.

-아크릴 수지 물풀과 흑연의 비율은 4:1일 때 저항이 가장 낮았다.

-제작한 전도성 페인트는 길이에 따라 y = 0.0565x2 – 0.076x + 0.8554에 저항이 증가 하며, 길이가 긴 회로 제작 시에는 정밀한 계산이 필요하다.

-종이의 앞, 뒤에 전도성 페인트 도포 시 전기가 통하며, 이를 응용하면 양면을 사용한 회 로도 제작 가능하다.

-흑연 비율이 높아짐에 따라 채도가 낮아지기 때문에 어두운 계열 대상에 회로에 적용이 가능하다.

2. 전도성 페인트를 사용한 센서 제작

-전도성 페인트를 사용한 회로 구성에 전혀 문제가 발생하지 않았다.

-압력 센서 디자인 모방 시 무게 측정 구간은 작으나 정상적으로 측정이 가능하다.

-거리를 인식하는 회로에서는 성능이 낮으나 터치 센서로 활용이 가능하다.

3. 스마트 가구 제작

-전도성 페인트를 사용한 양면 방식의 회로 적용이 가능하다.

-도선이 외부에 나타나지 않아 안정감이 높다.

-사용하는 화장품의 정보를 알 수 있다.

-미러 디스플레이를 사용하여 높은 일체감과 생활 정보 제공이 가능하다.

□ 시사점

폴리비닐알코올, 아크릴 수지 종류의 접착제를 이용하여 이번 실험을 진행했는데, 더 다양 한 종류의 접착성 물질을 이용해서 추가 실험을 해보고 싶다. (에폭시 수지, 페놀 수지 등 등) 그리고 합성수지의 종류에 열경화성 수지가 있고 열가소성 수지가 있는데, 이를 구분하 여 각각 수지로 전도페인트를 제작하면 어떤 특성이 나타나는지, 차이가 있는지 비교 실험 해보고 싶다. 펜의 형태의 용기를 만들어서 그 안에 전도페인트를 담아 실용화해보고 싶다.

전도성페인트를 이용하여 불빛 말고도 소리나 열감지등 전기에너지를 다양한 형태의 에너 지로 전환시키고 싶다.

4. 홍보 및 사후 활용

○ 1. 논문집 게재, 학교 홈페이지 게시 등을 통해서 다른 학생들이 관심을 가지고 찾아 볼 수 있도록 할 계획이다.

○ 2. 우리의 연구를 바탕으로 전도페인트가 실용적인 제품에 더 널리 적용될 수 있었으면 좋겠다.

5. 참고문헌

[1] 임호선, 최학렬, 김범준, 박성대(2015), 전도성 입자의 형태가 감광성 실버 페이스 트의 미세 전극 패턴 형성에 미치는 영향

[2] 미세 전극 패턴 형성에 미치는 영향, Effect of Conductive Filler Shape on Fine Electrode Pattern of Photosensitive Silver Pastes, 폴리머 제39권 제4호, 2015.7, 662-667

[3] 한국남, 김남수, 용해도 낮은 금속을 이용한 전기 전도성 잉크, Conductive Inks Manufactured with the Help of Low Melting Metals, 한국공작기계학회 논문집 Vol.17 No.1, 2008.2, 126-131