KR100376775B1

KR100376775B1 - 비전도성물질에서전하운반능력을측정하는방법및장치

Info

Publication number: KR100376775B1
Application number: KR1019970701902A
Authority: KR
Inventors: 스트롱 에이. 브렌트; 메렐 알. 스코트; 배리 엠. 룬트
Original assignee: 브라이엄 영 유니버시티
Priority date: 1994-09-29
Filing date: 1995-09-29
Publication date: 2003-06-19
Also published as: EP0783685A1; KR970706488A; JPH10508375A; AU3734595A; BR9509091A; CA2200608A1; WO1996010173A1; US5572115A; AU687265B2; EP0783685A4

Abstract

저장기간, 느린 상태변화 또는 사용 동안 고 임피던스 재료의 가교결합 정도를 탐지하는 방법은 다음을 포함한다 : 시험 신호(V적용)를 센서를 통해 재료 및 기준 재료(22)에 적용하고; 재료와 기준재료에 적용된 시험신호(V적용)간의 전압차이를 기준전압으로 측정하고; 재료 내에 발생되는 화학적 변화 정도의 상대적인 지시자로서 전압차이를 상관시킨다. 또한 상기 방법을 실현시키기 위한 장치가 발표된다.

Description

비전도성 물질에서 전하 운반능력을 측정하는 방법 및 장치

낮은 전도성의 폴리머 물질에서 가교결합의 탐지는 열경화수지가 적절히 경화되는 시기를 결정하기 위해서 열경화수지 산업에서 일상적인 것이다. 이들 수지는 항공산업, 건축산업, 자동차제조, 의료분야, 접착제 및 영구적 내후성, 구조적 강인성, 강도 및 성형공정을 통한 제조의 용이성이 경쟁 금속, 세라믹 및 다른 조성물에 비해서 장점을 제공하는 모든 영역에서 적용된 매우 유용한 부류의 플라스틱을 형성한다. 치과용 분야는 액체형태로 치아에 적용되고 이후에 UV조사나 다른 공지 기술에 의해 중합되는 충진재료를 포함한다. 많은 페인트 조성물은 이의 적용이 브러쉬나 공기총에 의해 쉽게 적용될 수 있는 균일한 액체 상태를 가지느냐 여부에 달려있는 열경화성 수지 형태이다. 구조재 및 하우징은 제조하기 위한 다이,필라멘트 와인딩, 전달성형기술은 액체상태로 몰드 공동을 재빨리 채우거나 섬유를 적실 수 있는 유동 가능한 상태의 유지에 달려있다.

레진 내의 가교결합을 측정하는 시험은 레진이 적절히 경화되는, 즉 유동가능한 레진에서 열경화된 고형물로 상태전이를 겪는 시기를 시험하기 위해서 개발되었다. 이들 레진재료는 대체로 저점성의 액체상태로 제조되어 폴리머 재료가 경화단계 이전에 최소의 가교결합이 이루어진다. 물론, 열경화성 조성물을 이 부류의 플라스틱의 특성인 영구적이고 단단한 구조물로 상태전이를 일으키는 것은 가교결합이다. 폴리머의 가교결합은 경화단계로 언급되는 고열하에서 대체로 이루어진다. 열경화성 폴리머의 경화 싸이클을 모니터하고 조절해서 최적화시키기 위한 관심이 복합재 산업에서 고조되고 있다. 따라서, 점도계, 적외선 측정기 및 마이크로 유전 측정기를 사용하여 실제 경화 동안 가교결합을 측정하는 것이 알려진다. 이 측정기간은 재료의 경화를 완료시키는데 레진이 고온의 작용을 받음을 특징으로 한다. 신속한 상태전이에서 중요한 것은 겔화 온도를 식별하는 것이고 최종제품이 경화시간을 연장할 필요가 없고 이 이상의 조건을 필요로 하지 않게 제거되도록 경화 과정이 완료되는 최종단계를 확인하는 것이다. 이것은 값비싼 설비를 효과적으로 이용할 수 있게 하며 완전한 가교결합 이전에는 제조품이 몰드에서 제거되지 않게 한다.

열경화성 레진의 가교결합 측정이 경화단계 동안 중요할지라도 경화 이전 단계, 즉 레진 제조시간과 레진이 경화되는 순간 사이의 시간에 일어나는 가교결합의 양을 측정하는 것 역시 중요하다. 제품의 저장기간으로도 언급되는 이 기간 동안레진은 폴리머의 가교결합을 통해 한 상태에서 다른 상태로 느린 전이를 한다. 그런, 본 발명 이전에 당해분야 숙련자는 비전도성 액체 및 반액체의 측정이 저장기간 또는 느린 상태전이동안 비록 가능할지라도 가교결합을 방지하기 위해서 액체가 유지되는 주변온도 또는 저온에서 비싸고 비실용적이라고 믿어왔다.

제품이 미사용된 채로 유지되는 동안 발생하는 경화의 양을 아는 것이 중요하다. 왜냐하면 조기 경화는 재료를 또다른 가공에서 쓸모없게 하는 영구적이고 비가역적인 상태를 가져오기 때문이다. 사실상, 열경화성 재료의 조기경화로 인해 발생하는 폐기물의 양은 상당하다. 부분적으로 경화된 재료가 안정성을 이유로 폐기되어야 하는 산업에서 이러한 손실은 훨씬 더 크다. 예컨대, 이미 일부가 경화된 레진으로 고성능 항공부품을 제조하면 위험한 약화된 구조를 생성시킬 수 있다. 그러므로, 과도한 사전 경화의 의심 때문에 상당량의 양호한 레진이 폐기될 수 있다.

대개의 레진은 본래 제조시 가교결합을 시작하며 마지막으로 경화될때까지 이러한 가교결합이 계속되므로 이러한 과정을 감소시키고 제어하는 조치가 취해진다. 일차적인 제어방법은 레진을 저온으로 유지시켜 반응속도를 최소로 감소시키는 것이다. 이러한 저온환경은 재로가 최종경화를 시작할 때까지 유지될 필요가 있다. 불행히도, 레진 재료의 외양이 이러한 느린 상태전이(사전 경화) 단계 동안 발생하는 경화의 정도를 항상 반영하는 것이 아니다. 만약 저장동안 온도 변화가 일어나면 이들의 영향은 미지인 채 유지된다. 레진이 유지되는 저온은 느린 상태 전이 정도를 측정하는 가교결합 분석의 사용을 방해하는 주인자이기도 하다. 왜냐하면 당해분야의 숙련자는 저온 레진 액체가 가교결합의 충분한 지시자를 제공하지 못하며이러한 지시자가 배경 노이즈에 숨겨질 것이라고 믿기 때문이다. 페인트 및 접착제에서 점도는 느린 상태전이(사전 경화) 가교결합에 대한 유용한 방법을 제공한다. 일반적으로 저장수명은 재료가 경화되거나 너무 점성이어서 잘 흐르지 못하게 되는데 필요한 시간으로 결정된다. 그러나 페인트 및 접착제에서 실제 가교결합 상태를 결정하는 시험은 현재 없다. 최근의 관행은 재료의 점도를 정성적으로 조사하거나 이들 레진의 특정 용도에서의 성능을 결정하는 샘플 시험을 수행하는 것이다.

섬유보강 복합재용 매트릭스 재료에 사용된 폴리머에 있어서 가교결합이 발생하는 두 개의 구별되는 기간이 있다. 제 1 기간은 재료의 저장수명이며 제 2 기간은 경화 싸이클이다. 섬유보강 열경화성 복합재 사용자는 느린 상태전이(조기 경화) 단계에서 축적된 가교결합 상태를 평가하기 위해서 몇가지 기계적 시험법을 만들었다. 예컨대, 택(tack) 및 드레이프(drape) 성질이 경화정도를 나타내게 한다. 이러한 시험은 신뢰할만하지 못하며 기껏해야 정성적 지시자일 뿐이다.

더욱 특수한 용도의 열경화성 레진의 복합재에 적용은 섬유보강층을 레진으로 침투시키고 이 "프리프레그" 또는 "B단계" 재료를 이후 사용을 위해 저장하는 것이다. 명백히, 이러한 B단계 재료는 주로 온도에 의해 영향을 받는 계속된 가교결합속도에 따라 한정된 저장수명을 가질 것이다. B단계 재료의 가교결합 정도를 시험하는 것은 어렵고 재료 소모적이다. 만약 B단계 재료가 특정 가교결합 단계에 도달한다면 더 이상 쓸모없는 재료가 되며 실제 가교결합의 양보다는 저장시간을 기초로 하여 폐기되어야 한다.

느린 상태전이 동안(저장수명) 사용자에게 가교결합에 대한 정보를 주는 장치 및 방법을 제공하면 레진, 접착제, 페인트 등을 반복적으로 측정하여 폐기물 및 제품 불량을 최소화시킨다.

따라서, 재료의 상태를 더욱 효과적으로 결정할 수 있도록 저장수명 또는 느린 상태전이기간 동안 가교결합의 정도를 측정하기 위해서 낮은 전도성 또는 비전도성 재료를 반복적으로 측정하는 효과적인 장치 및 방법이 필요하다. 이러한 장치 및 방법은 어느 재료가 폐기되어야 하며 어느 재료가 안전하고 효과적으로 사용될 수 있는가를 정량적으로 결정할 수 있게 한다.

본 발명은 페인트, 치과용 레진, B 상태 레진, 콘크리트, 유전유체, 식품 등의 비전도성 물질에서 전하 운반능력을 측정하는 방법에 관계한다. 특히, 본 발명은 신속한 상전이 이외의 시간 동안 주어진 물질의 유용수명(유전유체)이나 다른 조건을 유지하면서 사용자가 화학변화정도를 측정해서 경화(페인트, 접착제 및 긴 사슬의 폴리머) 정도를 측정할 수 있도록 비전도성 반액체물질의 전하 운반능력의 변화를 탐지하는 것에 관계한다.

도 1 은 본 발명의 다양한 기능적 특징의 블록선도이다.

도 2 는 본 발명의 선호된 구체 예를 제공하는 개략적 회로도이다.

도 3 은 본 발명의 또다른 구체예의 블록선도이다.

도 4 는 연장된 화학적/물리적 변화를 모니터하기 위한 회로와 유용한 센서 장치의 분해도이다.

도 5 는 본 발명을 실시하기 위한 조합된 센서와 회로의 또다른 구체예를 보여준다.

도 6 은 프리프레그 재료와 조합으로 본 발명의 또다른 구체예를 보여준다.

* 부호설명

20,30 … 신호발생기 22 … 기준저항

24 … 버퍼 25 … 필터

26 … 피크 탐지기 27,35 … 출력전압

31 … 샘플링센서 32 … 기준저항

34 … 차등증폭기 36 … 표시장치

40,41 … 케이스 42 … 센서소자

44 … 접촉핀 45,46,47 … 접촉부

48,49 … 전극 51,55 … 모니터 장치

52 … LCD 56 … 폴리머

57 … 카드보오드 코어 58 … 스위치

59 … LCD

본 발명의 목적은 임의의 저항성 폴리머의 가교결합 정도를 측정할 수 있게 하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

가교결합을 최소화시키도록 저온에 유지되는 재료의 사전 경화/저장수명/느린 상태전이기간 동안 효과적으로 적용될 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것도 본 발명의 목적이다.

본 발명의 또다른 목적은 페인트, 접착제, 코오킹, 치과용 레진, 복합재용 레진, 콘크리트, 식품 및 다른 낮은 전도성 또는 비전도성 유체에 적용될 수 있는 재료 내의 전하 운반능력을 연속적으로 탐지하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 모든 상황하에서 사용하기가 편리한 저렴한 장치 내에서 위에서 언급된 목적을 달성하는 것이다.

이들 목적은 고 임피던스 재료의 화학적 변화 정도를 탐지하는 방법으로 실현된다. 이 방법은 다음 단계를 포함한다 :

a) 재료내의 화학적/물리적 변화정도를 나타내는 샘플 전압과 임피던스 정도를 측정하기 위해서 센서를 통한 시험 신호를 느린 상태전이 단계의 폴리머 재료에 적용하고;

b) 기준 전압을 결정하기 위해서 고정된 저항을 가진 기준물질에 센서를 통한 동일한 시험 신호를 적용하고;

c) 느린 상태전이 단계에 있는 폴리머에 적용된 시험 신호와 기준 전압으로서 기준물질에 적용된 시험 신호간의 차이를 결정하고;

d) 낮은 임피던스 단계에서 높은 임피던스 단계까지 폴리머의 비교 가능한 임피던스 전위범위에 대해서 전압 차이의 크기 비교에 기초하여 폴리머 재료 내에서 발생한 화학적/물리적 변화 정도의 상대적인 지시자로서 전압 차이를 상관시킨다.

본 발명의 또다른 측면은 낮은 상태전이 단계에 있는 재료의 전하 운반능력의 정도를 시험하는 장치이다. 이 장치는 일정량의 시험될 재료를 받아들이며 알려진 임피던스를 가진 센서가 부착되며 낮은 주파수, 낮은 진폭의 신호를 발생할 수 있는 신호 발생기를 포함한다. 예정된 정도의 화학적/물리적 변화를 하는 재료의 알려진 임피던스와 동일한 저항을 가진 기준물질이 제공된다. 이 장치는 폴리머 재료의 센서를 통해 탐지된 신호와 기준물질의 센서를 통해 탐지된 신호간의 전압 차이를 측정하는 전압수단을 포함한다. 재료 내에서 발생하는 화학적/물리적 변화의 정도를 나타내는 인자로 전압 차이를 전환시키는 수단이 전압 수단에 연결된다.

본 발명자는 재료의 사전 경화/저장수명/느린 상태전이기간 동안 조차도 임의의 저항성 재료의 가교결합 정도 측정이 가능하다는 것을 발견하였다. 특히 본 발명은 폴리머의 저장수명 또는 사전경화단계로 불리는 느린 상태전이 단계 동안 고 임피던스 재료의 화학적 변화정도를 탐지하는 방법을 포함한다. 제품의 우세한 특성은 이 기간동안 매우 느리게 변화하며 본 발명 이전에는 이러한 변화는 불가능하지는 않으나 재료의 임피던스를 측정함으로써 탐지하기가 어렵다고 간주되었다. 오히려, 높은 열이나 다른 형태의 에너지가 레진에 적용되어 경화된 재료를 형성하는 경화단계로서 열경화성 레진 산업에서 언급되는 빠른 상태전이 동안 임피던스가 사용되었다.

폴리머 재료분석에 사용될 때 본 발명 방법의 제 1 단계는 느린 상태전이 단계에 있는 폴리머 재료에 센서를 통해 시험신호를 적용하여 임피던스 정도와 재료 내의 가교결합 정도를 나타내는 샘플전압을 결정하는 것에 관계한다. 대체로, 이 신호는 오옴의 법칙인 I = E/R 에 따라 진폭이 폴리머의 저항에 반비례하는 전류일 것이다. 재료의 저항을 측정하는 다른 기술이 유사하게 적용될 수 있다.

시험 신호는 폴리머와 접촉하게 삽입되는 맞물린 전극센서를 수단으로 폴리머에 직접 전도된다. 전극의 상호 맞물린 관계이외에 탐침의 모양은 중요하지 않다. 한 단부에서 전원에 연결된 전도성 재료가 탐침으로 사용될 수 있다. 센서가 고저항성 레진이나 폴리머에 사용될 때 정전기를 차폐시키기 위해서 센서 주위에연결된 차폐수단에 의해 탐침은 차폐되어야 한다. 차폐수단은 대체로 구리로 제조되나 알루미늄, 니켈, 강철 또는 주석으로 제조될 수도 있다. 사용된 재료에 관계없이 차폐수단은 시험될 폴리머와 접촉하는 탐침의 부위를 차폐시켜야 한다.

본 발명 방법의 다음 단계는 이전 단계에서 적용된 것과 동일한 시험신호를 센서를 통해 고정된 저항값을 가진 저항과 같은 기준물질에 적용하는 것이다. 이것은 절차에 정량적인 특성을 제공한다. 기준물질은 기준전압을 측정하기 위해서 고정된 저항을 가져야 한다. 느린 상태전이 단계에 있는 폴리머에 적용된 시험 신호와 기준 전압으로서 기준물질에 적용된 시험신호 간의 전압 차이가 결정된다. 이 전압 차이는 최소의 가교결합을 하는 낮은 임피던스 단계에서 전체가 가교결합하는 높은 임피던스 단계까지 폴리머 재료의 비교가능한 임피던스 전위 범위를 기초로 하여 화학적/물리적 변화, 즉 가교결합 정도의 상대적인 지시자로서 역할을 한다.

실제 가교결합 정도를 나타내는 전압 차이를 처리하는 기술은 다양할 수 있다. 도면에 나타난 기술은 교류전압을 직류로 전환시켜 이 직류를 폴리머의 가교결합 정도와 상관될 수 있는 직접 판독값을 주는 표시장치에 입력하는 것과 관계된다. 이 직류 판독값은 낮은 임피던스에서 0.5볼트로부터 높은 임피던스에서 0볼트까지 이르는 DC전압으로 되어 있으며 적어도 1×10⁴오옴의 값을 나타낸다. 이것은 10⁸오옴까지 높이 연장할 수 있다.

시험 신호는 20볼트의 낮은 피크 대 피크 크기를 가지며 10Hz 미만의 낮은 주파수 신호를 발생시키고 이 신호를 느린 상태전이 단계에 있는 폴리머와 기준저항에 적용함으로써 적용된다. 더 선호되는 구체예에서 저주파 신호는 약 0.1 내지 5Hz이며 10볼트 미만의 낮은 피크 대 피크 크기로 구성된다.

도 1 및 도 2 는 회로 내에 폴리머 재료와 기준물질을 전압 분할기로서 구축하는 본 발명의 실시를 보여주는 것으로 전압 출력은 폴리머 재료와 기준물질의 총 임피던스에 대한 기준물질의 임피던스의 비에 비례함을 특징으로 한다. 이 회로는 물질의 회로단계(즉, 느린 상태전이 단계의 시작)로부터 이후 상태전이 단계까지 10⁴오옴의 크기로 저항 변화를 감지할 수 있다. 이러한 범위는 레진, 플라스틱, 페인트, 접착제 및 코오킹제에서 전형적인 것이다. 또한, 회로는 10³오옴 내지 10⁸오옴까지의 초기단계에서 감지를 시작하여 10⁷오옴 내지 10¹³오옴까지의 이후 상태전이 단계에서 종료하도록 조종될 수 있다.

도 1 은 신호발생기(20)가 시험될 샘플센서(21)와 코팅된 폴리머에 적용되는 1Hz, 1볼트 피크 대 피크 신호(V_적용)를 제공하는 사인파 발생기인 블록선도이다. 이 신호는 이후에 기준 저항기(22)에 적용된다. 이 함수 블록간의 전압(V_d)은 이후에 버퍼링되고(24) 여과된다(25). 이후에 결과의 신호(V_f)는 피크 탐지기(26)에 의해 DC로 전환된다. V출력(27)은 0.5볼트(낮은 저항에서)에서 0볼트(높은 저항에서)까지 이르는 DC전압이다. 도시된 회로는 1×10⁴오음을 감지할 수 있다.

도 3 에서, 본 발명의 또다른 구체예가 도시된다. 당해분야 숙련자가 이해할수 있듯이 차동 증폭기가 가교결합의 정도로 상관될 수 있는 전압 출력을 제공하는데 사용될 수 있다. 신호발생기(30)는 시험될 폴리머 재료와 폴리머 재료의 가교결합 정도가 예정된 값을 가지는 기준물질(32)과 접촉하는 샘플센서(31)를 통해 병렬로 신호를 제공한다. 신호가 샘플센서(31)를 통해 병렬로 신호를 제공한다. 신호가 샘플센서(31)와 기준물질(32)을 통과하면 신호는 차등증폭기(34)의 제 1 및 제 2 입력에 적용된다. 차등증폭기(34)는 샘플센서(31)와 기준물질(32)에서 제공된 전압차이를 나타내는 V_출력(35)을 제공한다. 그 결과는 사용자가 폴리머 재료의 가교결합 정도를 상관시킬 수 있는 표시장치(35) 상에 나타난다. 당해분야 숙련자는 출력 전압을 정련하기 위해서 버퍼와 필터가 제공될 수 있음을 인식할 것이다. 대체로 버퍼와 필터는 차등증폭기(34) 뒤에 배치된다.

본 장치의 중요부분은 기준물질과 조합되는 폴리머로 덮인 센서이다. 이 센서의 한 형태가 도 4 에 도시된다. 이 장치는 상부 및 하부 케이스(40,41)를 포함하며 내부에 밀폐된 센서 소자의 접촉부(45,46,47)에 전기적으로 연결된다. 접촉부(45)는 접지되며 접촉부(46,47)는 종합정도를 나타내기 위한 전압차이(V_D)를 제공한다. 접촉부(46,47) 는 서로 맞물린 말단 전극(48,49)에 각각 연결된다. 실제 저항의 측정은 시험될 폴리머(50)를 인접한 말단전극(48,49) 상에 올려놓고 재료를 통한 저항을 측정하기 위한 전도경로를 제공함으로써 이루어진다. 서로 맞물린 전극의 그리드는 표준 기술에 따라 기질상에 에칭되거나 도금될 수 있다. 핀(44)은 도 2 에 도시된 회로의 적절한 접촉부에 배선 연결된다.

기준물질(22 또는 32)은 대체로 낮은 저항상태의 재료와 센서의 임피던스의 기하평균과 재료가 높은 저항 상태에 도달할 때 기대되는 임피던스와 동일하도록 선택된 고정된 값을 가진 저항기이다. 혹은, 기준은 알려진 가교결합 정도를 나타내는 다른 값일 수 있다. 따라서, 기준은 특정 용도의 폴리머 재료에서 최대 허용가능한 가교결합을 나타낼 수 있다. 표시장치는 이 값이 초과되었는지를 사용자에게 나타낸다. 그러나 대표적인 구체예에서 기하 평균에 대한 비율이 주어진다. 이 방식으로 센서의 기준물질은 간다한 전압 분할기를 형성할 수 있다. 이 분할기의 출력전압은 다음 수학식 1 에 도시된 센서의 총 임피던스 더하기 기준 저항에 대한 기준 저항의 비에 비례한다 :

[수학식 1]

여기서, V_d는 전압분할기의 출력전압이며 Rr은 기준저항이며 Zs는 임피던스이다.

도 2 에서 전압기준 단계의 목적은 나머지 op amp 단계가 의사-이중-공급모드로 작동할 수 있도록 하는 것이다. 이것은 회로가 배터리에 의해 전력을 받으나 센서에 제공되는 DC 오프셋이 없는 AC 신호를 발생하기 때문에 필요하다. 저항기(RS)는 다중 권선 트림 전위차계이다. 오실레이터의 이득의 꾸준한 진폭의 신호가 발생되는 순간으로 조종하는 것이 필요하다.

선택된 op amp는 10¹²오옴의 입력 임피던스를 가져야 하며 +3볼트에서 작동하여야 한다. 본 발명의 실시를 위해 선택된 op amp는 Texas Instruments TSC27M4AIN이다. 버퍼단계는 전압 분할기가 출력전압(V_d)을 부하하는 것을 막는데 필요하다. 버퍼단계는 부하 임피던스를 10¹⁵오옴까지 상승시킨다. 필터단계는 전체 회로의 대역폭을 한정시켜 대부분의 표위전압과 모든 정전기에 대한 잡음 민감성을 감소시키는데 필요하다.

여자될 때 오실레이터 단계는 자동으로 진동할 수 없으며 도약적인 출발을 할 필요가 있다. 이것은 기준 접지전압으로부터 R8을 단락시키고 재연결함으로써 이루어진다. V_출력이 빠르게 변하지 않음을 주목해야 한다. 그러므로, 새롭거나 상이한 센서를 테스트할 때 C4가 순간적으로 단락된 후 정상으로 복귀해야 한다. 이것은 V출력을 최종 값으로 더욱 빨리 고정시킬 수 있게 한다.

상기 기술된 구조는 사전 경화단계에 있는 폴리머 재료의 가교결합 정도를 시험하는 장치를 나타내며

(ⅰ) 저주파, 저진폭 신호를 발생할 수 있는 신호발생기;

(ⅱ) 신호발생기에 연결되며 시험될 폴리머 재료의 코팅을 받아들이며 알려진 임피던스를 가진 센서;

(ⅲ) 알려진 가교결합 정도의 폴리머 재료의 임피던스와 거의 동일한 저항을 가지며, 대체로 낮은 저항 상태와 폴리머 재료가 완전 경화시 높은 저항상태에 도달될 때, 폴리머 재료의 기대되는 임피던스간의 기하 평균을 가지는 기준물질;

(ⅳ) 폴리머 재료와 센서를 통해 기준물질의 센서를 통해 탐지된 신호간의 전압차이를 측정하는 전압수단을 포함한다. 전압차이를 폴리머 재료 내에서 발생한 가교결합 정도를 나타내는 인자로 전환시키는 전환 수단이 전압 수단에 연결된다. 표시 장치가 전환수단에 연결되어 실시간 모드로 가교결합 정도를 시각적으로 판독할 수 있게 한다.

본 장치는 여러 기술에 의해 모니터화된 폴리머 샘플에 상관될 수 있다. 예컨대 40개의 폴리머 샘플이 도 4 에 기술된대로 센서의 전극상에 직접 놓일 수 있다. 이 센서는 모니터화된 폴리머 재료에 영구적으로 부착되어서 중합의 정도가 단순히 핀(44)을 도 5 에 도시된 휴대용 판독기와 같은 모니터 장치(51)에 삽입함으로써 매번 검토될 수 있다. 판독기(51)는 도 2 에 도시된 회로나 도 3 의 회로를 포함하며 신호 발생기에 대하나 전원을 포함한다. 판독값은 LCD(52) 상에 표시되어 폴리머의 임피던스와 샘플이 관련된 폴리머의 상태에 대해 정확히 알려준다. 이 시스템은 접착제, 페인트, 코오킹제, 식품, 유전유체 및 수많은 다른 재료에 대해 쉽게 적용될 수 있다. 판독이 이루어진 후 센서(21)가 재료로 복귀되어 나중의 기록을 위해 부착 유지된다.

혹은, 회로와 센서가 도 6 에 도시된 것과 같은 작은 인화용 장치에 수용될 수 있다. 이 구체예에서, 장치(55)는 모니터화된 폴리머(56)에 직접 연결되는 일회용 장치이다. 폴리머(56)가 프리프레그 재료인 경우에 모니터 장치(55)에 프리프레그 재료(56)와 관련된 폴리머 샘플이 적재된다. 이후에 장치(55)는 카드보오드 코어(57)에 영구 부착된다. 판독이 이루어질 때 회로를 여자시키는 스위치(58)를 눌러 활성화되어서 LCD(59) 상에 판독값을 나타낸다. 이 방식에서 프리프레그 재료의 롤이 어디에 선적되든 중합정도가 부착된 장치(55)로부터 즉시 판독될 수 있다. 도 3 에 도시된 대로 제조시 재료의 샘플이 포함된 센서를 포함하거나 센서가 모니터화되는 폴리머에 직접 삽입될 수 있다.

이러한 특징들은 다음 단계로 구성된 폴리머 재료의 화학적/물리적 변화 정도를 모니터하는 더욱 일반적인 방법의 일부로서 본 발명의 용도를 제시한다 :

(ⅰ) 느린 상태전이 단계에 있는 폴리머 재료 식별 단계; (ⅱ) 재료의 일부로서 식별된 폴리머와 접촉하게 센서를 부착하는 단계, 센서는 폴리머 상태에 대해 간헐적 또는 연속적 판독을 가능하게 한다; (ⅲ) 센서가 부착된 재료의 경화 정도를 결정하는 수단으로서 폴리머의 느린 상태전이 단계 내내 센서를 폴리머와 접촉 유지하는 단계. 동일한 단계가 느린 상태전이 단계에 있는 폴리머 재료 배치에 적용될 수 있으며 여기서 폴리머 재료의 샘플이 배치에서 분리되고 센서가 식별된 폴리머 재료의 샘플과 접촉하게 부착된다. 후자의 경우에 밀폐 용기에 담겨있기 때문에 재료를 시각적으로 못 볼 수 있으나 용기 외부에 부착된 샘플은 내용물을 나타낸다. 이 이유로 샘플 폴리머가 폴리머 배치의 온도와 환경 조건과 동일하도록 측정되는 샘플이 용기에 부착되는 것이 중요하다. 위에서 기술된 회로는 센서에 부착될 때 측정되는 재료의 매개변수에 비례하는 전압을 제공하는 휴대용 측정기 형태일 수 있다.

느린 상태전이에 있는 레진 및 다른 폴리머 재료의 전하 운반능력 측정이 상기 방법 및 장치에 의해 수행될지라도 본 발명자는 비폴리머 재료를 포함하는 수많은 다른 방법 및 장치에도 적용할 수 있음을 발견하였다. 느린 상태전이를 하는 폴리머 재료 및 비폴리머 재료를 모니터 하는 광범위한 용도를 설명하기 위해서 다음 실시예가 제시된다.

실시예 1 :

많은 페인트와 접착제는 저장 기간동안에 느린 상태전이를 겪기 때문에 페인트가 의도된 용도에 더 이상 사용할 수 없는 순간까지 경화되었는지 여부를 측정하는 것은 중요하다. 초기에, 페인트나 접착제 샘플에서 가교결합을 나타내는 곡선을 얻기 위해서 페인트나 접착제에 시험이 행해진다. 이후에 이 곡선은 느린 상태전이 경화에 의해 야기된 가교결합이 특정 페인트나 접착제의 성능을 저해하기 시작하는 순간과 같은 페인트나 접착제에 대한 다른 데이터와 일치될 것이다.

페인트나 접착제를 시험하기 위해서 샘플센서와 기준물질에 전압이 제공된다. 샘플센서는 소량의 샘플이 용기로부터 제거될 것을 필요로 할 수 있고 샘플센서는 도 5 에 도시된 것과 유사하게 용기와 일체로 형성될 수 있다. 기준은 낮은 가교결합과 높은 가교결합 간의 임피던스의 기하 평균일 수 있다. 혹은, 기준은 페인트나 접착제가 폐기되어야 하는 가교결합 정도일 수 있다. 어떤 경우든, 표시장치는 사용자가 페인트나 접착제의 가교결합 정도 측정을 위해 사용하는 수치를 제공한다. 시험 결과는 페인트나 접착제가 최소한의 가교결합을 가져 연속 저장을 허용한다는 것을 나타낼 수 있으며; 페인트나 접착제가 중간 정도의 가교결합이 되어 곧 사용되어야 하거나 폐기되어야 하거나 고급 수준의 가교결합에 의해 방해되지않을 목적으로 사용되어야 함을 나타내거나; 페인트나 접착제가 허용가능한 가교결합 한계를 초과해서 폐기되어야 함을 나타낸다.

실시예 2 :

장치가 실시예 1 에 기술된 페인트나 접착제의 가교결합을 측정하는데 사용될 수 있을지라도 본 장치와 방법은 페인트와 같이 폴리머 내의 현탁된 용매의 양을 결정하는 데에도 사용될 수 있다. 오늘날 많은 페인트는 폴리머 사슬이 서로 응집하거나 꼬이는 것을 막아주는 용매에 의존한다. 용매의 손실은 서로 물리적 또는 화학적으로 반응하는 페인트의 폴리머에 변화를 주어서 페인트를 이후 적용에 적합하지 않게 한다. 용매의 손실은 또한 용액의 전하 운반능력을 크게 변화시킨다. 어느 경우에 용매는 폴리머 사슬보다 양호한 전하 운반체여서 용액의 전하 운반능력에 변화를 일으킨다. 따라서, 용매손실로 인한 임피던스 변화를 보여주는 곡선을 얻음으로써 용매의 손실이 페인트를 의도된 목적에 사용할 수 있게 하는지 여부를 결정하도록 사용자가 용매를 함유한 특정 페인트를 시험할 수 있다.

실시예 3 :

페인트, 접착제 및 레진과는 다르게 식품에서 고 임피던스는 일반적으로 좋다. 식품이 썩기 시작할 때, 즉 설탕이 알코올이 될 때 식품의 전하 운반능력에서 변화를 나타내는 식품의 임피던스는 감소한다. 따라서 부패의 정도로서 임피던스를 사용하기 위해서 상이한 붕괴단계에서 임피던스를 나타내는 특정 식품에 대한 곡선이 먼저 설정된다. 임피던스 곡선이 확정되면 위에서 기술된 장치에 의해 동일한 종류의 식물에 대해 반복된 판독이 이루어지고 낮고 높은 임피던스의 기하 평균이나 식품이 더 이상 소비에 적합하지 않는 순간과 같은 알려진 임피던스 정도에 기초한 기준에 비교된다. 결과의 표시는 부패의 정도를 나타내거나 식품이 소비하기에 여전히 안전한가를 나타낸다. 따라서 폴리머 재료의 점차적인 가교결합을 측정하는데 사용하는 동일한 장치가 붕괴 테스트에 사용될 수 있다.

실시예 4 :

식품의 부패를 나타낼 뿐만 아니라 식품에서 임피던스의 변화는 식품의 탈수단계를 나타낸다. 물은 고형식품보다 더 양호한 전기 전도성이기 때문에 상기 모니터는 식품의 탈수 정도를 측정하는 데에도 사용될 수 있다. 예컨대, 과일을 탈수시킬 때 바람직한 탈수량이 획득되는 시기를 알기가 종종 어렵다. 그러나 임피던스 정도를 측정함으로써 탈수 정도가 식품의 전하 운반능력 감소로 나타날 수 있다. 따라서, 신선한 상태에서 탈수 상태까지 특정 제품의 임피던스를 결정하는 곡선이 초기에 확정된다. 곡선이 확정되면 곡선을 따른 특정 지점이 기준으로서 선택된다. 탈수되는 식품을 샘플링할 때 판독값과 기준이 탈수 정도를 결정하기 위해서 상관된다. 바라는 탈수정도, 즉 증가된 임피던스에 도달될 때 탈수가 중단될 수 있다. 명백히, 상이한 값이 상이한 식품에 사용된다.

실시예 5 :

트랜스포머 등에 유전유체의 사용은 전기 분야에 잘 알려진다. 그러나 이러한 유체의 주문제점은 이들의 공급이 중단될 때 상당한 손상이 트랜스포머에서 일어난다는 점이다. 초기에 유전유체는 높은 정도의 임피던스를 가져서 유체를 통한 전기의 흐름을 방해한다. 그러나 이들의 유용수명이 넘어서면 임피던스가 감소한다. 결국, 임피던스는 유체에 전기 아아크를 일으켜 트랜스포머에 손상을 일으키는 지점까지 떨어진다. 이것을 방지하기 위해서, 트랜스포머로부터 유전유체 샘플을 반복적으로 취해서 유용수명 내내 유체의 임피던스 변화정도를 측정하기 위한 곡선이 확정될 수 있다. 이 곡선이 확정되면 트랜스포머가 임피던스 정도 측정을 위해 반복적으로 검사되어 유체의 유용수명을 측정한다. 임피던스가 바라는 한계 이하로 떨어지면 유체가 교체될 수 있다. 이러한 일상적인 분석은 상당한 돈을 절감시키고 트랜스포머의 손상을 막아주어서 고장난 트랜스포머가 야기하는 전력 중단을 최소화시킨다.

재료가 폴리머인지에 관계없이 일반적으로 비전도성 재료의 전하 운반능력을 측정하는 장치와 방법이 본 명세서에 발표된다. 당해분야 숙련자는 본 명세서가 단지 선호된 구체예와 본 발명의 응용분야를 나타낼 뿐이고 제한적인 의도는 없다는 것을 알 것이다. 본 발명 방법의 장치 및 방법에 대한 여러 응용 분야 및 변형이 당해분야 숙련자에게는 명백하다.

Claims

재료의 저장기간이나 느린 상태전이 동안 비전도성, 비중합체 재료 내의 화학적/물리적 변화 정도를 탐지하고 모니터 하는 방법에 있어서,

a) 임피던스 정도와 재료 내의 화학적/물리적 변화 정도를 나타내는 샘플 전압을 측정하기 위해서 재료의 센서를 통해 시험 신호를 적용하며;

b) 기준 전압을 측정하기 위해서 고정된 저항을 가진 기준저항에 센서를 통한 동일한 시험신호를 적용하고;

c) 재료의 저장기간동안 재료에 적용된 시험신호와 기준전압으로서 기준저항에 적용된 시험신호 간에 전압차이를 측정하고;

d) 화학적/물리저거 변화에 대한 비교가능한 임피던스 전위 범위에 대해서 전압차이의 크기 비교를 기초로 하여 재료 내에서 발생될 수 있는 화학적/물리적 변화에 대한 상대적인 지시자로서 전압차이를 상관시키는 단계를 포함하는 방법.
제 1 항에 있어서, a) 단계 1 a)의 재료를 통해 보내진 시험신호의 출력을 단계 1 b)의 기준 저항의 입력에 연결시키고;

b) 재료에 적용된 신호와 기준전압으로서 기준저항에 적용된 신호간의 전압차이를 측정하기 위한 전압 분할기를 생성하도록 연결지점에서 전압을 측정하고;

c) 재료의 화학적/물리적 변화에 대한 재료의 비교가능한 임피던스 전위 범위에 대해서 전압 차이의 크기의 비교를 기초로 하여 재료내에서 발생된 화학적/물리적 변화 정도의 상대적 지시자로서 전압차이를 상관시키는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서, a) 단계 1 a)의 재료를 통해 보내진 시험신호의 출력을 차등증폭기의 제 1 입력에 연결시키고;

b) 단계 1 b)의 기준저항을 통해 보내진 시험신호의 출력을 차등 증폭기의 제 2 입력에 연결시키고;

c) 재료에 적용된 시험신호와 기준전압으로서 기준저항에 적용된 시험신호간의 차이를 측정하고;

d) 재료의 화학적/물리적 변화에 대한 재료의 비교가능한 임피던스 전위 범위에 대해서 전압차 크기의 비교를 기초로 재료내에 발생된 화학적/물리적 변화 정도의 상대적인 지시자로서 전압차이를 상관시키는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서, 전압차이가 전압을 직류로 전환시키고 이 직류를 재료의 화학적/물리적 변화 정도로 상관될 수 있는 직접 판독값을 제공하는 표시 장치에 입력시킴으로써 처리됨을 특징으로 하는 방법.
제 4 항에 있어서, 직접 판독값을 저 임피던스에서 0.5볼트로부터 고 임피던스에서 0볼트까지이며 1×10⁴의 크기 범위를 나타내는 DC전압을 포함함을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서, 시험신호가 20볼트 미만의 피크 대 피크의 낮은 진폭을 가지는 10Hz 미만의 낮은 주파수 신호를 발생함으로써 적용되며 이 신호를 저장기간동안 재료의 기준 저항에 적용함을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서, 페인트, 치과용재료, 식품 또는 유전유체에서 선택된 비전도성, 비중합체 재료에서 화학적/물리적 변화정도를 측정하는 과정을 포함하며 시험될 재료를 센서에 적용하고 제 1 항에 따라 전압차이를 처리하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서, 고 비저항 레진에 적용시 센서를 정전기에 대해 차폐시키는 단계를 더욱 포함함을 특징으로 하는 방법.