탄소나노튜브 3D프린팅 격자에서 전압이 손상 지도가 되는 과정

안녕하세요. 3D프린팅·CNC·다양한 소재 전문 플랫폼 기업 아이컨택입니다.

격자 지지대에 균열이 퍼지는 모습을 전극으로 볼 수 있을까? 전기가 흐르는 격자를 늘리면 내부의 전도 경로가 달라지고, 표면 전압에 그 변화가 나타난다. 여러 전압 값을 합쳐 손상 위치를 지도화하는 것이 이번 연구의 핵심이다.

글래스고 대학교 자료에 따르면, 이 대학 SM2AM 연구실·시드니 대학교 연구진은 탄소나노튜브를 플라스틱에 넣어 격자를 3D프린팅했다. 격자는 가느다란 지지대와 빈 공간을 배치한 구조이며, 탄소나노튜브를 통해 전류를 흘렸다.

AI 개념 이미지: 표면 전극을 단 3D프린팅 전도성 격자에서 손상 위치를 지도화하는 모습을 보여준다. 실제 실험 장비나 시편을 촬영한 사진은 아니다.

전도성 격자 안에서 무엇이 바뀌나

연구진은 격자 바깥에 붙인 전극으로 전류를 흘리고 전압 차이를 읽었다. 격자를 잡아 늘리는 동안 지지대 사이의 전도 경로가 달라졌고, 그 결과 전류의 흐름과 표면 전압도 변했다.

이 전압은 균열을 촬영한 사진이 아니다. 구조가 변형되고 손상될 때 전기 흐름이 달라진 흔적이다. 연구진은 그 흔적을 이용해 손상이 생기는 곳을 찾았다.

한 지점의 저항만 측정하면 복잡한 격자 전체에서 무슨 일이 일어나는지 알기 어렵다. 여기서는 여러 전극의 측정값을 함께 분석해 구조 전반의 전도도 변화를 살폈다.

전기 임피던스 단층촬영(EIT)은 전극에서 측정한 전기 흐름으로 재료 내부의 전기적 상태를 영상처럼 재구성하는 기법이다. 연구진은 이를 3D프린팅 격자에 적용해 전압 변화를 계속 읽었다.

병원에서 환자의 폐 기능을 살필 때도 쓰이는 기법이다. 격자에 적용할 때는 전극의 측정값으로 내부 전기 흐름의 변화를 재구성한다.

컴퓨터 알고리즘은 측정값을 실시간 지도로 바꿨다. 지도에는 측정 전극과 떨어진 곳에서 손상이 생기고 진행되는 모습도 나타났다.

연구진은 직사각형 격자를 파단될 때까지 늘리고, 지도에 표시된 손상을 실제 구조의 관찰 결과와 비교했다. 글래스고 대학교 발표에 따르면 시편의 가로 폭은 48mm였으며, 확인된 결과는 이 실험 조건에 관한 것이다.

직접 관찰한 손상 위치를 기준으로, 글래스고 대학교 SM2AM 연구실·시드니 대학교 연구진의 지도는 지지대 약 한 개 범위 안에서 위치를 특정했다. 격자에서는 지지대 하나를 기준으로 지도의 위치 차이를 가늠할 수 있다는 뜻이다.

일부 지지대에 의도적으로 넣은 작은 균열도 변형이 커지며 바깥쪽으로 퍼지는 동안 추적됐다. 균열이 시작된 자리뿐 아니라 진행 방향을 읽었다는 점이 이 시험의 의미다.

격자가 부러지기 전 손상이 쌓이는 위치도 지도에 표시됐다. 연구진은 이 결과를 향후 실제 적용에서 조기 경고 시스템을 개발할 토대로 봤다.

연구진은 의료용 임플란트, 항공기 부품, 자동차 차체를 향후 적용 가능성이 있는 대상으로 제시했다. 노화나 충격으로 변형을 겪는 부품의 상태를 살피는 용도다.

아이컨택은 손상의 시작 위치가 중요한 격자 부품에서 이 측정 방식을 살펴볼 만하다고 본다. 현재 확인된 것은 작은 인장 시편의 결과다. 실제 부품에 적용하려면 추가 개발과 규모 확대가 필요하다.