인더스트리 4.0에서 디지털 소재를 생성하는 데이터로서의 그래핀 나노입자

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 4945(2023) 이 기사 인용

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2D 재료의 잠재적 응용 분야 중 하나는 항공우주, 자동차, 민간 및 방위 산업에 사용되는 구조물과 부품의 다기능을 향상시키는 것입니다. 이러한 다기능 특성에는 감지, 에너지 저장, EMI 차폐 및 특성 향상이 포함됩니다. 이 기사에서 우리는 인더스트리 4.0에서 감각 요소를 생성하는 데이터로서 그래핀과 그 변형체를 사용할 수 있는 가능성을 탐구했습니다. 우리는 첨단소재, 인공지능, 블록체인 기술 등 세 가지 신흥 기술을 포괄하는 완전한 로드맵을 제시했습니다. 그래핀 나노입자와 같은 2D 재료의 유용성은 현대 스마트 공장, 즉 "미래 공장"의 디지털화를 위한 인터페이스로서 아직 탐구되지 않았습니다. 이 기사에서는 2D 재료 강화 복합재가 어떻게 물리적 공간과 사이버 공간 사이의 인터페이스 역할을 할 수 있는지 살펴보았습니다. 복합재 제조 공정의 다양한 단계에서 그래핀 기반 스마트 임베디드 센서를 사용하고 실시간 구조 상태 모니터링에 적용하는 방법에 대한 개요가 제시됩니다. 그래핀 기반 감지 네트워크와 디지털 공간의 인터페이스와 관련된 기술적 과제에 대해 논의합니다. 또한 인공지능, 머신러닝, 블록체인 기술 등 관련 도구와 그래핀 기반 장치 및 구조의 통합에 대한 개요도 제시됩니다.

산업혁명은 상품 생산 방식에 중대한 변화가 일어나 사회를 근본적으로 변화시키는 시기로, 파괴적인 기술과 새로운 생산 방식의 도입이 특징입니다1,2,3. 이는 일반적으로 효율성 향상, 비용 절감, 생산량 증가, 광범위한 경제적, 사회적 영향으로 이어집니다3. 1차 산업혁명(인더스트리 1.0)은 물과 증기력을 이용한 기계적 생산 방식의 도입이 특징입니다3,4. 인더스트리 2.0에서는 전기와 조립 라인을 이용한 대량 생산이 도입되었습니다5,6. 인더스트리 3.0에서는 생산에 정보 기술, 컴퓨터 및 자동화를 도입하여 효율성과 맞춤화가 향상되었습니다6. 인더스트리 4.0은 스마트 및 자율 시스템, 인공 지능, 로봇 공학, 사물 인터넷(IoT), 클라우드 컴퓨팅을 통합하고, 더 높은 수준의 자동화 및 데이터 교환으로 이어지는 물리적 시스템과 가상 시스템의 통합을 통해 이를 더욱 발전시킵니다7,8,9 ,10. 인더스트리 4.0은 위에서 언급한 기술의 추가 발전을 특징으로 하는 인더스트리 5.0으로 점진적으로 진화할 것으로 예상됩니다10,11,12.

인더스트리 4.0에서 물리적 공간과 가상 공간의 상호 연결은 재료 설계 및 제조 공정에서 스마트 운영을 실현하는 데 필요한 중요한 단계입니다13,14,15,16. 스마트 제조 환경의 물리적 공간은 제조 도구, 원자재, 인적 자원을 의미합니다. 반면, 가상공간에는 데이터 저장 및 공유 기능과 데이터 분석 도구를 갖춘 컴퓨팅 리소스가 포함됩니다. 이 두 공간의 융합은 현재 내장된 센서 배열이나 이미징 장치를 통해 달성됩니다. 그러나 이러한 방법은 비효율적이며 재료나 구조 내에 이물질이 매립되어 있습니다. 이러한 장치를 재료 자체로 대체하면 디지털 제조 패러다임에 혁명이 일어날 것입니다. 이러한 물질은 '스마트'할 수 있으며, 수집된 정보나 데이터를 실시간으로 감지하여 가상 공간에 중계할 수 있습니다.

그래핀 및 기타 2D 재료는 필수 인터페이스 역할을 할 수 있으며 재료가 디지털 세계와 직접 통신할 수 있습니다. 그래핀 및 관련 2D 소재는 10년 넘게 집중적인 연구 개발의 초점이 되어 왔지만, 이러한 소재를 활용한 제품은 아직 시장을 장악하지 못했습니다. "경이로운 소재"로 불리는 그래핀은 전자, 토목/기계 구조, 물 여과에서부터 웨어러블 기술, 바이오 센서 및 의학에 이르기까지 광범위한 응용 분야를 가질 것으로 예상되었습니다19. 그러나 생산 규모와 비용으로 인해 이러한 기대는 10년이 넘게 지나도 실현될 수 없었습니다20. 현재 2D 소재를 기반으로 한 데이터 생성 장치(예: 센서)는 대부분 초기 기술 준비 수준(TRL)에 있습니다. 기술 준비 수준을 높이고 상업적 배포를 위해 제조된 보다 정교한 프로토타입 시스템을 갖기 위해서는 추가 연구가 필요합니다. 2D 재료의 산업화 경로를 가속화하고 상업적 수준에서 미래 영향에 대한 잠재력을 높이려면 인공 지능 및 블록체인 기술과 같은 관련 도구를 개발하고 이러한 장치와 통합해야 합니다. 그래핀 나노입자의 잠재적인 응용 중 하나는 구조에 다기능성을 부여하는 것입니다. 이러한 다기능 특성에는 감지, 에너지 저장, EMI 차폐 및 특성 향상 등이 포함됩니다.21,22,23,24.