KR101295333B1 - 굽힘 변형 측정을 위한 치구 - Google Patents

Abstract

본 발명은 굽힘 변형 측정을 위한 치구에 관한 것으로, 더 상세하게는 결정질 실리콘 및 박막형 태양전지의 굽힘에 의한 변형에 따른 태양전지 효율을 시험하기 위한 치구에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 굽힘 변형 측정을 위한 치구는, 모재의 말단이 끼워지는 홈을 갖는 제1 장착부와 제2 장착부; 및 상기 제1 장착부와 제2 장착부의 홈에 끼워진 상태에서 압축되는 모재의 굽힘 방향을 유도하는 굽힘 유도 부재를 포함한다.

Description

굽힘 변형 측정을 위한 치구 {JIG FOR MEASURING A BENDING DEFORMATION}

본 발명은 시편의 양 끝단에 압축 하중을 가하여 발생하는 굽힘 변형 측정을 위한 치구에 관한 것으로, 더 상세하게는 결정질 실리콘 및 박막형 태양전지의 굽힘에 의한 변형에 따른 태양전지 효율을 시험하기 위한 치구에 관한 것이다.

21세기의 대표적인 천연자원 및 에너지원으로 손꼽히는 태양전지는 산업현장 및 가정에서 사용할 수 있는 미래에너지원으로 각광받고 있는 재료이다. 태양전지는 무한정, 무공해의 햇빛을 직접 전기로 바꿀 수 있는 첨단 기술이다. 따라서 햇빛이 비치는 곳에서는 어디서나 전기를 얻을 수 있으며, 다른 발전방식과는 달리 대기 오염, 소음, 발열, 진동 등의 공해가 전혀 없는 깨끗한 에너지원이다.

최근 급속도로 증가하는 유가 상승과 화석에너지 고갈로 신재생 에너지인 태양전지는 무공해 에너지로 관심이 커지고 있다. 친환경에너지기술 중 태양광에너지를 이용한 무인기 기술 분야는 탄소섬유를 이용한 복합재료 구조물의 기체경량화 그리고 태양전지효율 효율을 극대화하려는 연구개발이 활발하게 진행되고 있다.

태양전지는 광기전력 효과(Photovoltaic effect)를 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치로, 구성성분과 적용방법에 따라 실리콘 태양전지, 박막 태양전지, 염료감응 태양전지 및 유기고분자 태양전지 등으로 구분된다. 태양전지는 발전설비의 유지관리가 거의 불필요하며, 수명이 길고, 설비규모의 선택과 설치공사가 쉬우며, 구조물의 특성에 따라 사용되는 적용범위도 다양하다는 장점을 갖는다.

다른 종류의 태양전지와 비교하여 결정질 실리콘 태양전지가 높은 효율을 가지는 장점이 있으나, 결정질 실리콘 재료는 특성상 잘 부러지는 성질이 있으므로 구조적인 강도가 요구되는 응용처에는 그 사용이 제한된다는 문제점이 있어서, 이를 파악하고자 하는 연구 개발이 진행되고 있다. 특히, 태양전지의 기계적 변형에 따른 효율의 저하도 중요한 연구 분야중 하나이다. 실제 태양전지가 사용됨에 있어서 인장응력만 독립적으로 가해지는 경우는 드물고 가장 흔히 받는 하중은 굽힘 하중이다.

도 1은 종래의 굽힘 하중 측정 장치를 도시한 도면으로, 논문 "말단 굽힘 하중 하의 PMC 응력 파열(Stress Rupture of PMC's in End-Loaded Bending)의 도면을 도시한다.

도 1을 참조하면, 시편의 양끝단을 눌러주어 좌굴현상에 의해 시편을 휘게 하여 응력 파열을 실험한다. 그러나, 이러한 방식은 시편 양끝단의 위치가 일직선 상에 있지 않으므로, 위 아래에서 가해지는 하중이 일직선상에 있지 않고, 또한 좌굴현상의 특성상 어느 방향으로 굽힘이 발생할지 예측할 수 없는 단점이 있다.

또한, 종래의 굽힘 하중을 시험하는 대표적인 3점 굽힘 치구의 경우, 굽힘 하중 시험과 동시에 태양전지 표면에 빛을 조사할 공간을 확보할 수 없다. 또한, 태양전지가 굽힘 하중에 의한 압축응력을 받는 경우를 시험하기 위해서는 태양전지를 부착한 면이 치구에 접하여 눌리게 되므로, 굽힘 하중이 아니라 눌림에 의해 태양전지가 파손될 수 있는 문제점도 있다.

따라서, 태양전지 단독 혹은 모재에 접합된 태양전지에 굽힘 하중이 인가되어, 미리 정해진 예측된 위치에서 모재의 기계적 변형에 의한 접합상태 변화를 관측하고, 태양전지 효율의 변화에 대한 실험을 효과적으로 수행하기 위한 장치의 개발이 요구된다.

Stress Rupture of PMC's in End-Loaded Bending ; BLAIR E. RUSSELL, 1998, Applied Composite Materials 5, 151-159면

본 발명의 목적은 태양전지가 접합되어 있는 모재의 굽힘 방향을 미리 정해진 예측된 위치로 유도하여, 측정하고자 하는 실험 결과를 획득하기 위한 치구를 제공하는 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 굽힘 변형 측정을 위한 치구는, 모재의 말단이 끼워지는 홈을 갖는 제1 장착부와 제2 장착부; 및 상기 제1 장착부와 제2 장착부의 홈에 끼워진 상태에서 압축되는 모재의 굽힘 방향을 유도하는 굽힘 유도 부재를 포함한다.

상기 굽힘 유도 부재는, 상기 제1 장착부와 제2 장착부의 홈에 끼워진 모재에 탄성력을 가하는 스프링 부재; 및 상기 제1 장착부 또는 제2 장착부의 일면에 연결되며, 상기 스프링 부재가 장착되는 스프링 장착 부재를 포함할 수 있다.

상기 제1 장착부 또는 제2 장착부의 홈 내측에는 모재와 치구 사이의 마찰을 줄이기 위하여 베어링이 설치될 수 있다.

상기 제1 장착부 또는 제2 장착부는, 모재가 자유롭게 굽힘변형을 가지기 위하여 상기 제1 장착부와 제2 장착부를 연결하는 수직면에 대해 60도의 각도로 경사진 경사면을 구비할 수 있다.

상기 제1 장착부와 제2 장착부는, 압축 하중을 인가하는 인장 시험기의 그립에 결합하기 위한 결합부를 구비할 수 있다.

본 발명의 굽힘 변형 측정을 위한 치구는, 기계 혹은 재료를 연구하는 실험실에서 흔히 보유하고 있는 인장시험기에 쉽게 결합하여, 태양전지가 실제 받게 되는 하중에 대한 실험을 모사할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 굽힘 변형 측정을 위한 치구는, 굽힘 하중 인가 시, 태양전지면에 직접적인 접촉이 없으므로 태양전지면에 손상을 가하지 않는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 굽힘 변형 측정을 위한 치구는, 태양전지가 접합되어 있는 모재의 후면을 굽힘 유도 부재를 통해 좌굴 방향을 유도하므로, 예측가능한 실험을 실시할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 굽힘 변형 측정을 위한 치구는, 태양전지면을 누르는 기존 치구와 달리, 태양전지면 전방의 공간이 확보되어 있으므로, 굽힘 하중을 가하면서 빛을 동시에 조사하여 변형에 대한 태양전지 효율의 변화를 관측할 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 굽힘 변형 측정을 위한 치구는, 태양전지의 효율 측정 이외에도 음향 반출(acoustic emission)을 이용하여 굽힘 하중에 대한 태양전지의 강도를 측정할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 굽힘 하중 측정 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 굽힘 변형 측정을 위한 치구의 정면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 치구의 측면도이다.
도 4는 모재를 장착하고 하중을 가하지 않은 상태의 치구를 도시한 도면이다.
도 5는 모재에 압축 하중을 가한 상태의 치구를 도시한 도면이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 굽힘 변형 측정을 위한 치구에 대하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 굽힘 변형 측정을 위한 치구의 정면도이며, 도 3은 도 2에 도시된 치구의 측면도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 치구(100)는 제1 장착부(110), 제2 장착부(120) 및 굽힘 유도 부재(124, 126)를 포함한다.

제1 장착부(110)와 제2 장착부(120)는 각각 모재의 말단이 끼워지는 홈(118, 128)을 구비한다. 제1 장착부(110)와 제2 장착부(120)는 태양전지 혹은 태양전지가 부착된 모재의 양단을 홈(118, 128)에 끼운 상태에서, 모재에 굽힘 하중을 가하여 압축함으로써, 좌굴 현상에 의해 모재의 굽힘을 유도한다. 즉, 본 발명의 치구(100)는 태양전지가 부착된 모재의 양단에만 결합하므로, 태양전지면에 대한 빛의 조사가 가능하고, 태양전지면에 치구(100)가 바로 접촉하지 않는 장점이 있다.

제1 장착부(110)와 제2 장착부(120)의 홈(118, 128)은 대략 5 mm 지름의 원형 단면의 홈이 될 수 있으며, 모재의 양단을 홈(118, 128) 안에 안정적으로 위치시켜서, 모재가 좌굴에 따라 치구(100)로부터 미끄러져 튀어나가 작업자에게 상해를 입히는 것을 방지할 수 있다. 또한, 제1 장착부(110) 또는 제2 장착부(120)의 홈(118, 128) 내측에는 베어링(미도시)이 설치될 수도 있다. 홈(118, 128) 내측에 베어링이 설치되면, 모재 양단과 치구(100) 사이의 마찰을 감소시키고, 모재가 상대적으로 자유롭게 움직일 수 있다는 장점이 있다.

제1 장착부(110)와 제2 장착부(120)는, 압축 하중을 인가하는 인장 시험기(미도시)의 그립(grip)에 결합하기 위한 결합부(112, 122)를 구비할 수 있다. 제1 장착부(110)와 제2 장착부(120)가 결합부(112, 122)를 구비하면, 실험실에 비치된 인장 시험기의 그립에 바로 결합시켜서 안정적으로 고정할 수 있으므로, 굽힘 하중 실험의 수행을 극히 간단하게 한다.

굽힘 유도 부재(124, 126)는 제1 장착부(110)와 제2 장착부(120)의 홈(118, 128)에 끼워진 상태에서 압축되는 모재의 굽힘 방향을 유도한다. 이를 위해, 굽힘 유도 부재(124, 126)는, 제1 장착부(110)와 제2 장착부(120)의 홈(118, 128)에 끼워진 모재에 탄성력을 가하는 스프링 부재(126)와, 제1 장착부(110) 또는 제2 장착부(120)의 일면에 연결되며, 스프링 부재(126)가 장착되는 스프링 장착 부재(124)를 구비한다. 도 2에서 스프링 부재(126)와 스프링 장착 부재(124)가 제2 장착부(120)에 연결되는 것으로 도시되었으나, 제1 장착부(110)에 연결될 수도 있음은 물론이다.

도 4는 모재를 장착하고 하중을 가하지 않은 상태의 치구를 도시한 도면이며, 도 5는 모재에 압축 하중을 가한 상태의 치구를 도시한 도면이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 제1 장착부(110)와 제2 장착부(120)는, 제1 장착부(110)와 제2 장착부(120)를 연결하는 수직면(A)에 대해 30 내지 60도의 각도(θ)로 경사진 경사면(111, 121)을 구비한다. 이는, 모재(200)에 굽힘 하중을 가함에 따라 모재(200)가 도 5와 같이 변형되더라도, 굽힘 하중 실험 중에, 제1 장착부(110)와 제2 장착부(120)가 모재(200)에 닿지 않도록 한다.

또한, 본 발명의 치구(100)는 압축 하중 인가 시, 스프링 부재(126)의 탄성력에 의해 모재(200)의 특정 위치에서 굽힘이 일어나도록 유도하고, 일단 모재(200)의 특정 위치에 굽힘이 발생하면, 그 부분을 중심으로 굽힘 변형이 진행하게 된다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

100: 치구
110: 제1 장착부
120: 제2 장착부
111, 121: 경사면
112, 122: 결합부
118, 128: 홈
124: 스프링 장착 부재
126: 스프링 부재
200: 모재

Claims (5)

1. 굽힘 변형 측정을 위한 치구로서,
   모재의 말단이 끼워지는 홈을 갖는 제1 장착부와 제2 장착부; 및
   상기 제1 장착부와 제2 장착부의 홈에 끼워진 상태에서 압축되는 모재의 굽힘 방향을 유도하는 굽힘 유도 부재를 포함하며,
   상기 굽힘 유도 부재는,
   상기 제1 장착부와 제2 장착부의 홈에 끼워진 모재에 탄성력을 가하는 스프링 부재; 및
   상기 제1 장착부 또는 제2 장착부의 일면에 연결되며, 상기 스프링 부재가 장착되는 스프링 장착 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 치구.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 제1 장착부 또는 제2 장착부의 홈 내측에는 모재와 치구 사이의 마찰을 줄이기 위하여 베어링이 설치되는 것을 특징으로 하는 치구.
4. 제1항에 있어서, 상기 제1 장착부 또는 제2 장착부는,
   모재가 자유롭게 굽힘변형을 가지기 위하여, 상기 제1 장착부와 제2 장착부를 연결하는 수직면에 대해 60도의 각도로 경사진 경사면을 구비하는 것을 특징으로 하는 치구.
5. 제1항에 있어서, 상기 제1 장착부와 제2 장착부는,
   압축 하중을 인가하는 인장 시험기의 그립에 결합하기 위한 결합부를 구비하는 것을 특징으로 하는 치구.

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