KR100839226B1 - 탄소나노튜브를 포함한 센서를 사용한 크랙 측정 방법 및 부식 측정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 폴리머와 상기 폴리머 내에 배치된 탄소나노튜브를 포함하는 복합소재로 이루어진 몸체부와, 상기 몸체부의 일부에 연결되는 제1전극부와, 상기 몸체부의 타부에 연결되는 제2전극부를 포함하는 센서를 이용하는 크랙 또는 부식 측정 방법에 있어서, 상기 센서를 측정 대상물에 설치하는 단계;와, 상기 센서의 상기 제1전극부와 상기 제2전극부 사이의 저항 및 커패시턴스의 값의 변화를 측정하는 단계;와, 상기 측정된 저항 및 커패시턴스의 값의 변화로 상기 측정 대상물의 크랙 또는 부식의 정도를 결정하는 단계;를 포함하는 측정 방법들을 제공한다.

Description

탄소나노튜브를 포함한 센서를 사용한 크랙 측정 방법 및 부식 측정 방법{Method for measuring crack using sensor including carbon nanotubes, and method for measuring corrosion using the sensor}

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 센서가 측정 대상물에 장착된 모습을 도시한 개략적인 사시도이다.

도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 자른 개략적인 확대 단면도이다.

도 3은 탄소나노튜브가 폴리머에 배치된 복합소재의 모습을 보여주는 전자 주사 현미경 사진이다.

도 4는 도 3의 사진에 나타난 복합소재 모습을 개괄적으로 도시한 도면이다.

도 5 내지 도 8은 본 제1 실시예에 따른 센서의 제조 공정을 도시한 도면이다.

도 9는 본 제1 실시예에 따른 센서의 전기적 모델링과 측정 회로의 회로도이다.

도 10은 측정 대상물에 정적 하중을 준 상태의 결과를 도시한 그래프이다.

도 11은 본 제1 실시예의 센서가 장착된 캔틸레버 빔이 자유진동을 할 때, 측정한 전압 출력값(V_out)에 대한 그래프이다.

도 12는 탄소나노튜브가 폴리머에 포함된 정도를 나타내는 중량 포함율에 따 른 게이지 팩터 K의 값을 도시한 그래프이다.

도 13은 탄소나노튜브가 폴리머에 포함된 정도를 나타내는 중량 포함율에 따른 비저항의 값을 도시한 그래프이다.

도 14는 측정 대상물의 부분 중 센서가 부착된 부분에 크랙이 형성된 모습을 도시한 개략적인 평면도이다.

도 15는 크랙이 진행되는 경우에, 센서의 저항의 변화율과 커패시턴스의 변화율을 도시한 그래프이다.

도 16은 측정 대상물이 인장과 압축을 반복하는 경우, 크랙이 없는 경우와 크랙 진행율이 50％일 경우에의 전압 출력값(V_out)을 비교 도시한 그래프이다.

도 17은 부식 실험이 진행되는 경우에, 오염율에 따른 센서의 저항의 변화율과 커패시턴스의 변화율을 도시한 그래프이다.

도 18은 본 제2 실시예에 따른 센서가 측정 대상물에 장착된 모습을 도시한 개략적인 단면도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100, 200: 센서 110, 210: 몸체부

111: 탄소나노튜브 112: 폴리머

120, 220: 제1전극부 130, 230:제2전극부

140, 240: 측정 대상물 150: 전기절연층

160, 260: 전기전도성 접착수단 170, 270: 보호층

181, 182, 183: 분무기

본 발명은 탄소나노튜브를 포함한 센서를 이용한 측정 방법들에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 탄소나노튜브를 폴리머 내에 분산시켜 형성된 복합소재를 포함하는 센서를 이용한 크랙 측정 방법 및 부식 측정 방법에 관한 것이다.

스트레인 센서(strain sensor)는 구조체의 변형율을 측정하는 센서로서, 일반적으로 스트레인 게이지(strain gage)라 불리는 센서가 널리 사용되어 왔다.

종래의 스트레인 게이지는, 기계식 스트레인 게이지(mechanical strain gage)와 전기식 스트레인 게이지(electrical strain gage)로 구별되는데, 기계식 스트레인 게이지는 구조체의 변형을 기계적으로 측정하여 스트레인을 측정하는 방식을 채용하고 있으며, 전기식 스트레인 게이지는 구조체에 변형이 가해짐에 따라, 내부 전기저항이 변하여 스트레인을 측정할 수 있는 압저항형(piezoresistive) 소재를 사용하고 있다.

최근에는 카본 블랙(carbon black), 금속 입자, 직경이 10㎛ 정도의 카본 섬유(carbon fiber) 등의 도전성 필러(filler)와 비도전성 매트릭스(matrix) 물질을 혼합한 소재를 사용하여 스트레인 센서를 제조하려는 시도가 있었으나, 그러한 스트레인 센서는 동하중의 측정시에 높은 비선형성을 가지고 있었으므로, 스트레인을 측정함에 있어 여러 가지 문제점을 발생시켰다.

또한, 종래의 스트레인 게이지는 일반적으로 스트립(strip)형상으로 제조되어 사용되는데, 스트립 형상을 가지는 스트레인 게이지는 측정대상물의 굴곡된 부분이나 거친 표면 등에 장착이 용이하지 않는 문제점이 있었다.

또한, 지금까지의 스트레인을 측정하는 센서는 스트레인만을 측정하는 것이 일반적이었다. 따라서, 구조체에 발생하는 크랙이나 부식 정도 등을 측정하기 위해서는 별도의 센서들을 추가로 장착할 필요가 있었으므로, 그 별도의 센서 장착을 위한 공간 및 비용이 추가적으로 필요하다는 문제점이 있었다.

그러므로, 장착이 용이하면서, 감도가 우수하고 낮은 비선형성을 가지며, 스트레인 뿐만 아니라, 그 외의 필요한 물성치를 측정할 수 있는 새로운 소재의 센서를 개발할 필요가 대두된다.

본 발명의 주된 목적은, 탄소나노튜브를 폴리머내에 분산시켜 형성된 복합소재로 이루어진 센서를 이용한 크랙 측정 방법과 부식 측정 방법을 제공하는 것이다.

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본 발명은, 폴리머와 상기 폴리머 내에 배치된 탄소나노튜브를 포함하는 복합소재로 이루어진 몸체부와, 상기 몸체부의 일부에 연결되는 제1전극부와, 상기 몸체부의 타부에 연결되는 제2전극부를 포함하는 센서를 이용하는 크랙 측정 방법에 있어서, (a) 상기 센서를 측정 대상물에 설치하는 단계;와, (b) 상기 센서의 상기 제1전극부와 상기 제2전극부 사이의 저항 및 커패시턴스의 값의 변화를 측정하는 단계;와, (c) 상기 측정된 저항 및 커패시턴스의 값의 변화로 상기 측정 대상물의 크랙의 형성 정도를 결정하는 단계;를 포함하는 크랙 측정 방법을 제공한다.
여기서, 상기 (a) 단계에서, 분무기를 이용하여 상기 센서를 상기 측정 대상물에 설치할 수 있다.
또한, 본 발명은, 폴리머와 상기 폴리머 내에 배치된 탄소나노튜브를 포함하는 복합소재로 이루어진 몸체부와, 상기 몸체부의 일부에 연결되는 제1전극부와, 상기 몸체부의 타부에 연결되는 제2전극부를 포함하는 센서를 이용하는 부식 측정 방법에 있어서, (a) 상기 센서를 측정 대상물에 설치하는 단계;와, (b) 상기 센서의 상기 제1전극부와 상기 제2전극부 사이의 저항 및 커패시턴스의 값의 변화를 측정하는 단계;와, (c) 상기 측정된 저항 및 커패시턴스의 값의 변화로 상기 측정 대상물의 부식의 정도를 결정하는 단계;를 포함하는 부식 측정 방법을 제공한다.
여기서, 상기 (a) 단계에서, 분무기를 이용하여 상기 센서를 상기 측정 대상물에 설치할 수 있다.
이하, 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 센서가 측정 대상물에 장착된 모습을 도시한 개략적인 사시도이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 자른 개략적인 확대 단면도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 제1 실시예에 따른 센서(100)는 몸체 부(110), 제1전극부(120) 및 제2전극부(130)를 포함하여 이루어져 있다.

몸체부(110)는 탄소나노튜브(111) 및 폴리머(polymer)(112)를 포함하는 복합소재(P₁)로 이루어져 있는데, 이하, 복합소재(P₁) 대해 먼저 살펴본다.

도 3은 탄소나노튜브가 폴리머에 배치된 복합소재의 모습을 25000배로 확대하여 보여주는 전자 주사 현미경 사진이고, 도 4는 도 3의 사진에 나타난 복합소재 모습을 개괄적으로 도시한 도면이다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 복합소재(P₁)는 탄소나노튜브(111)와 폴리머(112)를 포함하고 있는데, 탄소나노튜브(111)는 폴리머(112) 내에 분산되어 배치되어 있다.

탄소나노튜브(111)로는 단일벽 탄소나노튜브(single-wall carbon nanotube: SWNT)를 사용한다.

본 제1 실시예의 탄소나노튜브로는 단일벽 탄소나노튜브를 사용하지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 센서는 탄소나노튜브를 포함하고 있으면 되는 것이고, 센서에 포함되는 탄소나노튜브의 종류에는 제한이 없다. 예를 들면, 본 발명에 적용되는 탄소나노튜브로 다중벽 탄소나노튜브(multi-walled carbon nanotube: MWNT)도 사용할 수 있다.

여기서, 일반적으로, 탄소나노튜브란, 다중 혹은 단겹의 흑연면(graphite sheet)이 둥그렇게 말림으로써(roll-up), 나노크기 직경의 원통형 구조를 가지는 물질이되, 그 표면은 육각형 벌집 모양이며, 길이가 직경에 비하여 크고, 그 길이 방향으로 형상의 이음매가 없는 연속형 구조의 물질을 의미한다. 상기와 같이, 탄소나노튜브는 특유의 구조를 가지고 있으므로, 폴리머(112) 내에 적절히 분산시키면, 높은 전기전도성 및 선형성의 특성을 가지게 된다.

따라서, 인장과 압축이 반복되는 동하중이 측정 대상물에 작용하게 됨으로써 발생하는 동적 스트레인(dynamic strain)을 측정하고자 할 때, 종래의 탄소 파이버(carbon fiber)나 카본 블랙(carbon black) 등을 포함한 센서는 비선형적인 성질을 보이나, 본 제1 실시예에 따른 센서(100)는 선형적인 성질을 보임으로써, 동적 스트레인의 정확한 측정이 가능하다.

본 제1 실시예의 탄소나노튜브(111)의 직경은 약 1㎚∼5㎚의 범위에 있으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 탄소나노튜브로 다양한 직경의 범위의 탄소나노튜브를 사용할 수 있게 된다.

폴리머(112)로는 폴리메틸 메타크리레이트(polymethyl methacrylate: PMMA)를 사용한다.

본 제1 실시예의 폴리머(112)로는 폴리메틸 메타크리레이트를 사용하지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 폴리머는 탄소나노튜브가 고루 분산됨으로써, 센서로서 필요한 성질을 나타낼 수 있다면, 그 소재에 있어 제한은 없다. 즉, 본 발명에 따른 폴리머는 폴리에테르 설폰(polyether sulfone), 에폭시(epoxy), 폴리비닐리딘 프루오라이드(polyvinylidine fluoride), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리비닐 크로라이드(polyvinyl chloride), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에스테르(polyester), 아크리릭(acrylic), 나일론(nylon), 셀룰로식(cellusosic), 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 폴리머(acrylonitrile-butadiene-styrene polymer), 폴리카본나이트(polycarbonate), 아세탈(acetal), 플루오로플라스틱(fluoroplastic) 등을 포함할 수 있으며, 이들 중 적어도 2개 이상을 함께 사용할 수도 있다.

한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 몸체부(110)와 측정 대상물(140) 사이에는 전기절연층(150)이 배치된다. 전기절연층(150)은 에폭시(epoxy) 수지를 포함하여 이루어지는데, 에폭시 수지가 포함된 액상의 소재를 분무기로 뿌림으로서, 측정 대상물(140)위에 소정의 두께를 가지도록 형성한다.

전기절연층(150)은 측정 대상물(140)과 몸체부(110)의 전기적인 절연을 가능하게 하고, 몸체부(110)의 형성을 용이하게 한다. 따라서, 전기절연층(150)을 형성함에 있어서는, 측정 대상물(140)과 센서(100)의 도전성 부분과의 전기적인 절연을 위하여 충분히 넓은 폭으로 형성하는 것이 바람직하다.

본 제1 실시예의 전기절연층(150)은 에폭시 수지로 이루어졌지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명의 전기절연층은 전기 절연성의 물질로 이루어지면서, 복합소재(P₁)와 잘 결합하여 측정 시 슬립(slip)을 방지할 수 있는 소재로 이루어지면 되고, 그 외에 특별한 제한은 없다.

본 제1 실시예의 전기절연층(150)은 액상의 소재를 분무기로 뿌려 측정 대상물(140)위에 형성되지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따르면, 전기절연층(150)의 소재를 미리 필름(film) 형상으로 형성한 뒤, 그 필름 형상의 소재를 적절한 크기로 재단하여, 센서(100)가 설치될 곳에 부착할 수 있다. 그 경우, 상기 필름 형상의 소재를 일면 또는 양면에 접착면이 형성되는 테이프 형상으로 구성하면, 더욱 편리하게 전기절연층을 형성할 수 있다. 예를 들면, 본 발명에 따른 전기절연층은 Kapton^® 필름으로 이루어질 수도 있다.

본 제1 실시예의 센서(100)는 전기절연층(150)을 구비하고 있지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명의 측정 대상물이 도전성의 물질로 이루어지지 않은 경우에, 본 발명의 센서는 전기절연층을 구비하지 않아도 된다.

한편, 몸체부(110)는 상기의 복합소재(P₁)를 액상으로 만든 후, 분무기를 사용하여 전기절연층(150)위에 소정의 두께로 도포하여 형성된다.

본 제1 실시예의 몸체부(110)는 분무기를 사용하여 액상의 복합소재(P₁)를 도포함으로써, 측정 대상물(140)에 직접 설치되나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명의 몸체부(110)의 설치는, 복합소재(P₁)를 사출성형 등의 방법을 사용하여 필름(film), 판(plate) 등의 형태로 가공한 후, 소정의 크기로 잘라 측정 대상물에 부착시킴으로써 이루어질 수도 있다.

몸체부(110)는 제1전극부(120) 및 제2전극부(130)와 전기적으로 연결된다.

몸체부(110)와 제1전극부(120) 및 제2전극부(130)의 전기적 연결은 전기전도성 접착수단(160)에 의해 이루어지는데, 전기전도성 접착수단(160)으로서는 실버 에폭시 페이스트(silver epoxy paste)를 사용한다.

본 제1 실시예의 전기전도성 접착수단(160)으로 실버 에폭시 페이스트를 사 용하지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 전기전도성 접착수단은 제1전극부와 제2전극부가 몸체부에 전기적으로 연결될 수 있기만 하면, 그 소재에 있어서 특별한 제한은 없다.

한편, 제1전극부(120)의 일단은 측정 회로와 연결되는 케이블과 연결될 수 있으며, 제1전극부(120) 자체가 케이블의 일단을 구성할 수도 있다.

마찬가지로, 제2전극부(130)의 일단도 측정 회로와 연결되는 케이블과 연결될 수 있으며, 제2전극부(130) 자체가 케이블의 일단을 구성할 수도 있다.

몸체부(110)의 외부와 제1전극부(120) 및 제2전극부(130)의 일부 외부에는 에폭시 소재의 보호층(170)이 형성된다.

보호층(170)은 외부의 충격 등으로부터 몸체부(110)를 보호할 뿐만 아니라, 보호층(170)은 전기 절연성의 소재로 이루어져 외부의 도전성 물체가 몸체부(110)에 접촉하는 경우, 센서(100)의 성능을 유지시키는 기능을 수행한다.

본 제1 실시예의 보호층(170)은 에폭시 수지를 포함한 소재로 이루어져 있지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명의 보호층(170)의 소재는 전기 절연성의 성질을 가지고 있고, 몸체부(110)에 잘 부착되어 배치될 수 있으면, 그 소재에 특별한 제한은 없다.

본 제1 실시예의 보호층(170)은 몸체부(110)의 전부, 제1전극부(120) 및 제2전극부(130)의 일부를 모두 덮도록 구성되어 있지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명의 보호층은 필요에 따라 몸체부의 일부만을 덮도록 구성될 수도 있다.

본 제1 실시예의 보호층(170)은, 분무기를 사용하여 에폭시 수지를 포함한 액상의 소재를 도포함으로써 형성되나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 예를 들면, 본 발명의 보호층을 얇은 필름의 형상으로 형성한 다음, 그 필름으로 몸체부를 덮도록 형성할 수도 있다.

본 제1 실시예의 센서(100)는 보호층(170)을 구비하지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명의 센서는 보호층을 구비하지 않을 수도 있다. 그러나, 센서의 보호 및 성능의 보전을 위해서는 가급적 보호층을 구비하는 것이 바람직하다.

이상과 같이, 본 제1 실시예의 센서(100)의 몸체부(110)는, 탄소나노튜브(111)를 포함한 복합소재(P₁)로 이루어지기 때문에, 감도가 우수하고, 동하중 하의 변형률의 측정 시에도 선형성을 유지할 수 있는 장점이 있다.

이하에서는, 도 5 내지 도 8을 참조하여, 본 제1 실시예에 따른 센서(100)의 제조방법에 대해 설명한다.

도 5 내지 도 8은 본 제1 실시예에 따른 센서의 제조 공정을 도시한 도면이다.

우선, 몸체부(110)를 이루는 복합소재(P₁)의 제조에 대해 살펴본다.

복합소재(P₁)는 탄소나노튜브(111)를 폴리머(112)의 내부에 분산시킴으로써 형성된다.

탄소나노튜브(111)는 자체적으로 반데르발스 힘(van der Waals forces)에 의 해 서로 결합되어 있기 때문에 폴리머(112) 내부에 분산시키기 위해 다음과 같은 방법을 사용한다.

먼저, 탄소나노튜브(111)를 디메틸 포름아미드(dimethyl formamide)의 용매(solvent)에 투입한 후, 소닉케이터(sonicator)에서 약 12시간 동안 위치시켜, 탄소나노튜브(111)를 디메틸 포름아미드에 분산시킨다.

그 다음, 탄소나노튜브(111)가 분산되어 있는 디메틸 포름아미드에 폴리머인 폴리메틸 메타크리레이트(PMMA)를 투입시킨 후, 약 70℃의 온도에서 4시간 동안 드레멜 드릴(Dremel drill)로 전단력을 가해주며 섞는다. 여기서, 섞는 시간은 용매의 종류와, 가해주는 동력의 양에 따라 변화할 수 있다.

상기와 같은 방식으로, 탄소나노튜브(111)를 폴리머(112)에 분산시킴으로써, 몸체부(110)의 재료인 복합소재(P₁)를 준비할 수 있게 된다.

본 제1 실시예에서는 폴리머(112)의 소재 이외에도 추가적인 용매인 디메틸 포름아미드를 사용하나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따르면, 추가적인 용매로 다른 용매를 사용할 수도 있고, 추가적인 용매 자체를 사용하지 않고, 바로 탄소나노튜브를 폴리머 내에 분산시킬 수 있다. 추가적인 용매 없이 바로 탄소나노튜브를 폴리머 내에 분산시키는 경우에는, 열 등을 가하거나, 액상의 폴리머를 사용하는 등의 방법으로 이루어질 수 있다.

상기와 같이, 본 제1 실시예에 따르면, 탄소나노튜브(111)를 디메틸 포름아미드 용매에 투입함으로써, 폴리머(112) 내에 용이하게 분산시킬 수 있게 된다. 상 기의 방법을 사용하는 것과 같은 맥락에서, 본 발명에 따르면, 화학적 방법 또는 물리적 방법을 사용함으로써, 탄소나노튜브에 여러 종류의 기능성 처리(functionalization)를 할 수 있다. 예를 들면, 탄소나노튜브를 폴리머에 고르게 분산시키기 위해서나, 센서의 기능, 감도 등을 높이기 위하여, 탄소나노튜브에 산(acid) 처리를 하여 표면을 개질시키거나, 탄소나노튜브에 불순물을 도핑(doping)시키거나, 필요한 물질을 탄소나노튜브에 코팅시킬 수 있다.

한편, 측정 대상물(140)에는 센서(100)를 장착할 장착 장소를 미리 지정한 후, 그 장착 장소에 샌드 페이퍼 등을 사용하여 표면을 매끄럽게 만든다. 이후, 그 표면을 세척하여 깨끗하게 한다.

다음에, 에폭시(epoxy) 수지를 포함한 용액을 액상으로 한 다음, 도 5에 도시된 바와 같이, 분무기(181)를 사용하여 상기 장착 장소에 도포함으로써 전기절연층(150)을 형성한다. 이 때, 전기절연층(150)은 측정 대상물(140)과 센서(100)의 도전성 부분과의 전기적 절연을 위해 소정의 두께를 가지도록 형성하여야 하는데, 이를 위해, 분무기로 상기 에폭시 수지를 포함한 용액을 다수의 횟수로 반복하여 뿌려 전기절연층(150)을 형성하는 것이 바람직하다.

다음에, 도 6에 도시된 바와 같이, 준비한 복합소재(P₁) 용액을 전기절연층(150)에 도포함으로써 몸체부(110)를 형성하는데, 그 경우 분무기(182)를 사용하여 복합소재(P₁) 용액을 뿌림으로써, 소정 두께의 몸체부(110)가 형성되도록 한다.

그 다음에, 도 7에 도시된 바와 같이, 형성된 몸체부(110)의 일단에 제1전극 부(120)를 전기전도성 접착수단(160)인 실버 에폭시 페이스트를 사용하여 연결한다. 마찬가지로, 몸체부(110)의 타단에 제2전극부(130)를 전기전도성 접착수단(160)인 실버 에폭시 페이스트를 사용하여 연결한다.

그 다음에, 도 8에 도시된 바와 같이, 보호층(170)을 몸체부(110)와, 제1전극부(120) 및 제2전극부(130)와 몸체부(110)의 연결부에 형성한다. 즉, 에폭시를 포함한 용액을 분무기(183)를 사용하여 뿌림으로써, 소정 두께의 보호층(170)이 형성되도록 한다.

이상과 같이, 본 제1 실시예의 센서(100)는 분무기(181)(182)(183)를 사용하여 몸체부(110)를 형성하기 때문에, 측정 대상물의 굴곡된 부분에도 용이하게 부착할 수 있으며, 뉴런(neuron) 형상으로 형성할 수 있으므로, 보다 넓게 센서 망(網)을 구축하기가 용이하다.

이하, 본 제1 실시예의 센서(100)를 사용한 측정방법에 대해 설명한다.

본 제1 실시예의 센서(100)는 스트레인을 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 크랙의 존재 및 부식의 정도도 측정할 수가 있다.

먼저, 센서(100)를 사용한 스트레인의 측정방법에 대해 설명하도록 한다.

우선, 사용자는 전술한 센서(100)의 제조방법을 이용하여, 측정대상물(140)에 센서(100)를 설치한다.

다음에, 제1전극부(120) 및 제2전극부(130)를 휘스톤 브릿지 회로를 포함한 측정 회로에 연결시킨다.

도 9는 본 제1 실시예에 따른 센서(100)의 전기적 모델링과 측정 회로의 회 로도이다.

즉, 센서(100)는 도 9에 도시된 바와 같이 전기적 모델링(electrical modeling)을 수행하여 표시할 수 있다. 즉, 센서(100)는 전기적 매개변수인 저항(resistance) R_s과 커패시턴스(capacitance) C_s가 병렬로 연결된 회로로 모델링할 수 있게 된다.

본 제1 실시예에서의 센서(100)의 모델링은 저항 1개와 커패시턴스 1개를 사용하여 모델링하였지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명의 센서는 정확도를 위하여 더욱 복잡한 형식으로 모델링할 수도 있다. 그러나, 본 제1 실시예의 센서(100)의 모델링으로도 필요한 특성을 충분히 표현할 수 있다.

센서(100)는 그 저항 R_s의 변화를 측정하기 위해 휘스톤 브릿지(Wheatstone bridge)에 연결되어 있는데, 센서(100)의 저항 R_s과 커패시턴스 C_s의 변화는 휘스톤 브릿지의 전압 출력값(V_out)으로 변환되어 출력되게 된다.

여기서, 휘스톤 브릿지는 크게 노드a(N_a), 노드b(N_b), 노드c(N_c), 노드d(N_d)를 포함하여 구성되어 있다. 여기서, 노드b와 노드d 사이에는 저항 R₁이 있고, 노드a와 노드c 사이에는 저항 R₂가 있고, 노드c와 노드d 사이에는 저항 R₃이 있다.

이하, 도 9를 참조하여 설명을 하도록 한다.

전압 출력값(V_out)은 노드b와 노드c 사이의 전압의 차이이며, 따라서, 다음 수학식 1에 따라 결정된다.

그리고, 수학식 2와 같이, 회로의 구동 전압(V_drv)은 노드a와 노드c 사이의 전압(V₂₁)과, 노드c와 노드d 사이의 전압(V₂₂)의 합으로 표시될 수 있다.

오옴(Ohm)의 법칙에 따라, 노드a와 노드c 사이의 전압(V₂₁)을 구하면, 다음의 수학식 3과 같다.

여기서, V₁₁은 다음의 수학식 4로 표현할 수 있게 된다.

키르히호프(Kirchoff)의 제1법칙에 따르면, 다음의 수학식 5에 기재된 바와 같이, 센서(100)에 흐르는 전류(i₁)은 저항 R_s에 흐르는 전류(i₁₁)와 커패시턴스 C_s에 흐르는 전류(i₁₂)의 합으로 표시되게 된다.

여기서, 스트레인의 변화율에 대해 변하는 것은 저항 R_s의 값이고, 커패시턴스 C_s의 값은 변하지 않는다.

여기서, 수학식 4에 수학식 5를 대입시키면, 1계 비선형 미분 방정식인 다음과 같은 수학식 6을 구할 수 있게 된다.

수학식 6에서, 센서의 저항 R_s와 센서에 흐르는 전압(V₁₁)은 동시에 변하게 되는데, 이는 동 변형율(dynamic strain)이 센서의 저항 R_s과 센서에 흐르는 전압(V₁₁)을 동시에 변화시키기 때문이다.

따라서, 센서에 흐르는 전압(V₁₁) 값을 알기 위해서는, 우선, 게이지 팩터(K)와 측정 대상물의 스트레인으로부터 찾을 수 있는 스트레인 모델을 이용하여 센서의 저항 R_s 값을 구하는 것이 필요하다.

한편, 수학식 1의 전압 출력값은 수학식 6을 수학식 3에 대입함으로써, 구할 수 있다. 여기서, 센서의 저항 R_s은 다음의 수학식 7로 표시되고, 센서의 커패시턴 스 C_s는 다음의 수학식 8로 표시된다.

여기서, R₀ 및 C₀는 각각 센서의 초기 저항값 및 초기 커패시턴스의 값이다.

이상과 같은 방식으로 센서(100)와 측정 회로를 이용하게 되면, 전압 출력값(V_out)을 구할 수 있게 되는데, 그러한 전압 출력값(V_out)으로부터 측정 대상물(140)의 정적 반응과 동적 반응에 의한 변형율을 알 수 있게 된다.

즉, 센서(100)와 측정 회로를 이용함으로써, 정적 반응과 동적 반응에 대해 측정한 전압출력값(V_out)에 대한 그래프는 각각 도 10, 도 11에 도시되어 있다.

도 10은 측정 대상물에 정적 하중을 준 상태의 결과를 도시한 그래프이고, 도 11은 본 제1 실시예의 센서가 장착된 캔틸레버 빔이 자유진동을 할 때, 측정한 전압 출력값(V_out)에 대한 그래프이다.

특히, 도 11에 도시된 바와 같이, 본 제1 실시예의 센서(100)는, 측정 대상물(140)이 인장과 압축을 반복해도, 측정 값의 왜곡없이 인장과 압축의 변형율을 잘 측정함을 알 수 있다.

한편, 스트레인의 측정시에는 일반적으로 게이지 팩터(gage factor)값으로 스트레인의 감도(sensitivity)를 나타내는데, 게이지 팩터 K는 다음의 수학식 9로 표현된다.

여기서, ε은 스트레인의 값, ΔR은 센서 저항 R_s의 변화량이다.

다음의 표 1은, 탄소나노튜브(111)가 폴리머(112)에 포함된 정도를 나타내는 중량 포함율에 따른 게이지 팩터 K와 비저항(resistivity)의 값을 도시한 표이고, 도 12 및 도 13은 이를 나타낸 도면이다.

여기서, 중량 포함율(％)이 100인 경우는 폴리머(112)가 없고, 탄소나노튜브(111)만으로 이루어진 경우이다.

중량 포함율(％)	게이지 팩터, K	비저항[㎝/S]
0.1	0	∞
0.5	5.22	5988
1	3.36	2941
3	2.82	575
5	1.8	58
10	0.99	3
100	6.69	0.01

이상과 같이, 표 1, 도 12 및 도 13에 따르면, 중량 포함율이 커짐에 따라 전기 전도성이 높아지고, 게이지 팩터 K가 변화함을 알 수 있다.

또한, 일반적으로는 포함율이 1∼10％일 때가 스트레인 센서로서 적합함을 알 수 있으나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따르면, 필요에 따라 카본나노튜브(111)의 중량 포함율을 1％ 미만이나 10％이상으로 사용할 수도 있다.

이상과 같이, 본 제1 실시예의 센서(100)를 사용하면, 측정 대상물(140)의 스트레인을 측정할 수 있으며, 특히, 동하중이 작용하는 동적 스트레인의 측정에 있어서도, 측정신호의 왜곡이 없도록 정확하게 스트레인을 측정할 수 있게 된다.

다음은, 센서(100)를 사용한 크랙(crack)의 측정방법에 대해 설명하도록 한다.

우선, 사용자는 전술한 센서(100)의 제조방법을 이용하여, 측정대상물(140)에 센서(100)를 설치한다.

도 14는 측정 대상물의 부분 중 센서가 부착된 부분에 크랙이 발생된 모습을 도시한 개략적인 평면도이다.

도 14에 도시된 바와 같이, 측정 대상물(140)의 부분 중 센서(100)가 부착된 부분에 크랙(W)이 발생되기 시작하면, 측정 대상물(140)과 센서(100)의 밀착성에 의해 센서(100)의 일부 부분도 분리되기 시작한다.

그렇게 되면, 센서(100)의 저항 R_s은 커지고, 커패시턴스 C_s의 값은 작아지게 되는데, 그렇게 되면, 도 8에 도시된 휘스턴 브릿지 회로의 전압 출력값(V_out)이 변하게 된다.

즉, 전압 출력값(V_out)은 크랙이 커짐에 따라, 진폭값이 커지면서, 위상(phase)이 더욱 앞서게 된다.

크랙이 완전히 진행되게 되면, 센서(100)가 크랙(W)에 의해 완전히 분리되기 때문에 저항 R_s은 무한대의 값을 갖게 되고, 커패시턴스 C_s는 0의 값을 갖게 된다.

도 15는 크랙이 진행되는 경우에, 저항 R_s의 변화와 커패시턴스 C_s의 변화를 도시한 그래프이다. 여기서, 가로축의 단위인 크랙 진행율이란 센서(100)의 길이 방향에 대해 수직방향으로 크랙(W)이 진행될 때, 크랙(W)의 진행 길이(d)와 센서의 폭(b)의 비((d×100)/b)로 정의된다. 따라서, 크랙 진행율이 100％에 도달하게 되면, 크랙(W)에 의해 센서(100)가 완전히 분리되었음을 의미한다.

도 16은 측정 대상물이 인장과 압축을 반복하는 경우, 크랙이 없는 경우와 크랙 진행율이 50％일 경우에의 전압 출력값(V_out)을 비교 도시한 그래프이다.

도 16에 도시된 바와 같이, 크랙(W)이 존재하는 경우에 진폭이 더 커지고, 위상이 앞서게 됨을 알 수 있는데, 이는 전술한 바와 같이, 센서(100)의 저항 R_s과 커패시턴스 C_s가 변하기 때문이다.

이상과 같이, 크랙(W)의 진행 정도에 따라, 전기적 매개변수인 저항 R_s 및 커패시턴스 C_s의 변화가 일어나고, 그 경우, 그에 따라, 전압 출력값(V_out)의 진폭 및 위상도 변함을 알 수 있다. 따라서, 이러한 데이터들을 이용하여, 크랙 발생 시스템을 식별(system identification)함으로써, 크랙 측정을 위한 수학적 모델을 수립할 수 있게 된다. 그렇게 되면, 본 제1 실시예의 센서(100)를 사용하여 크랙의 진행 정도를 파악할 수 있게 된다.

다음은, 센서(100)를 사용한 부식(corrosion)의 정도의 측정방법에 대해 설명하도록 한다.

우선, 사용자는 전술한 센서(100)의 제조방법을 이용하여, 측정대상물(140)에 센서(100)를 설치한다.

측정 대상물(140)의 부식이 일어나게 되면, 측정 대상물(140)로부터 부식 이온(corrosion ion)이 발생하게 된다. 그러한, 부식 이온들은 센서(100)로 침투하여 확산되게 되는데, 확산된 부식 이온들은 마치 도핑(doping) 효과처럼, 센서(100)의 전기적 매개변수(electrical parameter)에 영향을 주게 된다.

센서(100)의 전기적 매개변수 중 저항 R_s 및 커패시턴스 C_s가 변하게 되는데, 특히, 커패시턴스 C_s의 변화가 두드러지게 된다.

부식에 의해 센서의 저항 R_s과 커패시턴스 C_s가 변하는 정도를 보기 위해, 부식실험을 실시하였고, 그 결과 그래프는 도 17에 도시되어 있다.

즉, 도 17은 부식 실험이 진행되는 경우에, 오염율에 따른 센서(100)의 저항R_s의 변화율과 커패시턴스 C_s의 변화율을 도시한 그래프이다.

부식실험은 센서(100)가 장착된 측정 시편에 화학적 버퍼 솔루션(chemical buffer solution)을 이용하여 인위적으로 오염시킴으로써, 부식의 경우와 유사하게 환경을 조성한 후, 저항 R_s과 커패시턴스 C_s를 측정하여 이루어진다. 여기서, 오염율 50％라 함은 센서(100)의 50％에 화학적 버퍼 솔루션이 접촉한 경우이고, 오염율 100％라 함은 센서(100)의 전체에 화학적 버퍼 솔루션이 접촉함으로써 센서(100)의 전체에 이온들이 침투한 경우를 의미한다.

도 17에 도시된 바와 같이, 이온에 의한 오염율이 증가할수록 센서(100)의 저항 R_s과 커패시턴스 C_s가 변화한다. 특히, 커패시턴스 C_s는 약 60배 정도로 증가함을 알 수가 있다.

따라서, 부식의 정도와 저항 R_s및 커패시턴스 C_s의 변화에 대한 데이터를 이용하면, 부식 메커니즘에 대해 시스템 식별을 통하여 부식 측정을 위한 모델을 수립할 수 있으므로, 센서(100)로 부식의 정도를 측정할 수 있게 된다.

이상과 같이, 스트레인, 크랙 및 부식의 측정함에 있어서, 본 제1 실시예의 센서(100)를 사용하기 위해서는 휘스톤 브릿지를 이용한 측정 회로와 같이 사용하였지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따르면, 본 제1 실시예의 센서(100)를 사용함에 있어, 기타 다른 형태의 측정 회로와 같이 사용할 수 있으며, 직접 센서(100)에 저항 및 커패시턴스를 측정할 수 있는 계측기기를 연결하여 사용할 수도 있다.

이상과 같이, 본 제1 실시예의 센서(100)를 이용하면, 스트레인, 크랙 및 부식의 정도의 측정을 수행할 수 있게 된다. 특히, 이를 위해, 하나의 측정 회로를 이용할 수 있으므로, 보다 경제적으로 측정할 수 있게 된다.

이하에서는 도 18을 참조하여, 본 발명의 제2 실시예에 관하여 설명하되, 상기 제1 실시예와 상이한 사항을 중심으로 설명한다.

도 18은 본 제2 실시예에 따른 센서가 측정 대상물에 장착된 모습을 도시한 개략적인 단면도이다.

도 18에 도시된 바와 같이, 본 제2 실시예에 따른 센서(200)는 몸체부(210), 제1전극부(220) 및 제2전극부(230)를 포함하여 이루어져 있다.

몸체부(210)는 탄소나노튜브(미도시) 및 폴리머(polymer)(미도시)를 포함하는 복합소재로 이루어져 있다.

본 제2 실시예에 사용되는 탄소나노튜브로는 다중벽 탄소나노튜브가 사용된다.

본 제2 실시예에 사용되는 폴리머로는 전술한 제1 실시예의 폴리머(112)와 동일한 소재를 사용할 수 있으므로, 여기서 설명은 생략하기로 한다.

본 제2 실시예에 센서(200)는 전기 절연성의 소재로 이루어진 측정 대상물(240)에 부착되기 때문에, 전기절연층을 구비하지 않고, 바로, 몸체부(210)가 측정 대상물(240)에 배치된다.

본 제2 실시예에 따른 몸체부(210)는 탄소나노튜브를 포함한 복합소재를 미리 필름 형상으로 성형한 후, 그 필름 형상의 물체를 필요한 크기로 잘라 측정 대상물(240)에 부착하여 형성된다.

몸체부(210)는 제1전극부(220) 및 제2전극부(230)와 전기적으로 연결되는데, 전술한 제1 실시예의 경우와 상이하게, 제1전극부(220) 및 제2전극부(230)는 몸체부(210)의 상면에 접촉하여 설치된다.

몸체부(210)와 제1전극부(220) 및 제2전극부(230)의 전기적 연결은 전기전도성 접착수단(260)에 의해 이루어지는데, 전기전도성 접착수단(260)으로서는 실버 에폭시 페이스트를 사용한다.

몸체부(210)의 외부와 제1전극부(220) 및 제2전극부(230)의 일부 외부에는 에폭시 소재의 보호층(270)이 형성된다.

이상과 같이, 본 제2 실시예에 따른 센서(200)는 필름형상으로 미리 형성된 몸체부(210)를 구비함으로써, 그 설치가 신속하게 이루어질 수 있는 장점이 있다.

이상과 같이 살펴본 구성, 작용 및 효과 이외의 제2 실시예의 센서(200)의 구성, 작용 및 효과는 상기 제1 실시예에 따른 센서(100)의 구성, 작용 및 효과와 동일하므로, 본 설명에서는 생략하기로 한다.

또한, 제2 실시예의 센서(200)의 제조방법은, 전술한 바와 같이 다중벽 탄소나노튜브를 포함한 복합소재를 필름형태로 우선 형성한 후, 그 필름형상의 소재를 이용한 몸체부(210)를 측정 대상물에 부착시킨다는 점 이외에는 전술한 제1 실시예의 센서(100)의 제조방법과 동일하므로, 여기서 설명은 생략하기로 한다.

또한, 제2 실시예의 센서(200)를 이용한 측정방법도, 전술한 제1 실시예의 센서(100)를 이용한 측정방법과 동일한 방법으로, 스트레인, 크랙 및 부식을 측정할 수 있으므로, 여기서 설명은 생략하기로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 센서는, 탄소나노튜브를 포함함으로써, 감도가 우수하고, 뛰어난 선형성을 가지는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 센서를 이용하면, 스트레인 뿐만 아니라, 크랙, 부식을 측정할 수 있으므로, 추가적으로 필요한 설치 공간 및 비용 등을 줄일 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (11)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 폴리머와 상기 폴리머 내에 배치된 탄소나노튜브를 포함하는 복합소재로 이루어진 몸체부와, 상기 몸체부의 일부에 연결되는 제1전극부와, 상기 몸체부의 타부에 연결되는 제2전극부를 포함하는 센서를 이용하는 크랙 측정 방법에 있어서,

   (a) 상기 센서를 측정 대상물에 설치하는 단계;

   (b) 상기 센서의 상기 제1전극부와 상기 제2전극부 사이의 저항 및 커패시턴스의 값의 변화를 측정하는 단계; 및

   (c) 상기 측정된 저항 및 커패시턴스의 값의 변화로 상기 측정 대상물의 크랙의 형성 정도를 결정하는 단계;를 포함하는 크랙 측정 방법.
9. 제8항에 있어서,

   상기 (a) 단계에서, 분무기를 이용하여 상기 센서를 상기 측정 대상물에 설치하는 크랙 측정 방법.
10. 폴리머와 상기 폴리머 내에 배치된 탄소나노튜브를 포함하는 복합소재로 이루어진 몸체부와, 상기 몸체부의 일부에 연결되는 제1전극부와, 상기 몸체부의 타부에 연결되는 제2전극부를 포함하는 센서를 이용하는 부식 측정 방법에 있어서,

    (a) 상기 센서를 측정 대상물에 설치하는 단계;

    (b) 상기 센서의 상기 제1전극부와 상기 제2전극부 사이의 저항 및 커패시턴스의 값의 변화를 측정하는 단계; 및

    (c) 상기 측정된 저항 및 커패시턴스의 값의 변화로 상기 측정 대상물의 부식의 정도를 결정하는 단계;를 포함하는 부식 측정 방법.
11. 제10항에 있어서,

    상기 (a) 단계에서, 분무기를 이용하여 상기 센서를 상기 측정 대상물에 설치하는 부식 측정 방법.

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