KR101346381B1 - 플렉시블 누설센서 - Google Patents

Abstract

별도의 수단이 없이 다양한 형태의 누설 구조물에 대응하도록 장착하여 유체의 누설을 일차적으로 직접 감지할 수 있는 플렉시블 누설센서를 제시한다. 그 센서는 플렉시블한 기판 상에 형성되고, 서로 다른 극성의 전류가 흐르는 제1 도전패턴 및 제2 도전패턴이 감지간격만큼 이격되도록 배치된 도전패턴 및 도전패턴 상에 형성되며 복수개의 패턴이 서로 간격을 두어 배치되는 보호패턴을 포함한다.

Description

플렉시블 누설센서{Flexible leak sensor}

본 발명은 플렉시블 누설센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다양한 형상의 누설 구조물을 유연하게 감싸서 누설되는 유체를 효율적으로 감지하는 플렉시블 누설센서에 관한 것이다.

기체나 액체와 같은 유체가 흐르는 구조물은 매우 다양한 용도와 형태로 구현된다. 예를 들어, 각종 배관, 배관의 이음새, 배관의 조인트(fitting), 밸브(valve), 유량계, 각종 액체 보관용 탱크의 이음새 등이 있다. 이와 같은 구조물은 상기 유체의 누설(leak)에 취약하므로, 누설 구조물이라고 한다. 이러한 누설 구조물에서 유체가 누출되는 것을 감지하기 위해서, 다양한 누설센서가 사용된다. 누설센서는 직접 검지방식과 간접 검지방식으로 대별할 수 있다. 전자는 액체나 가스를 물리, 화학적 특성을 이용하여 검지하는 것으로써, 반도체 가스센서나 접촉 연소식 가스센서 등이 있다. 후자는 유량 차이나 압력 차이 등으로부터 간접적으로 누설을 측정하는 센서로써, 차압계와 유량계 등이 이용된다.

한편, 누설센서는 상기 누설 구조물의 형태에 잘 부합되는 구조를 가지는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 누설 구조물은 그 형태가 매우 다양하여, 그 형태에 부합하는 누설센서를 적절하게 선정하기 어렵기 때문이다. 종래에는 누설 구조물을 포함하는 설비의 특정 위치 또는 특정 영역에 누설센서를 배치하였다. 이러한 배치는 누설된 유체가 상기 누설센서에까지 도달하여야만 감지가 가능하므로, 누설에 대한 초기 대응이 어려워 예상치 못한 다른 사고를 유발할 수 있다.

이와 같은 문제를 해결하기 위하여, 누설센서를 유체가 누설되는 부분에 근접하게 설치하는 노력이 계속되고 있다. 한국공개특허 제2011-0059000호에 의하면, 테이프 타입의 누설 감지센서를 유체관의 연결부에 장착하는 것에 대하여 개시되어 있다. 그런데, 상기 감지센서는 테이프 형태의 센서부를 동작시키기 위한 보호커버, 환형돌출부, 센서장착공간부 등의 별도의 수단이 필요하다. 이러한 별도의 수단은 제조하는 비용이 많이 소요되고, 누설 구조물에 장착하고 탈착하는 데에도 어려움이 있다. 나아가, 상기 감지센서는 다양한 형태의 누설 구조물에 모두 대처하기에는 부족한 점이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 별도의 수단이 없이 다양한 형태의 누설 구조물에 대응하도록 장착하여 유체의 누설을 일차적으로 직접 감지할 수 있는 플렉시블 누설센서를 제공하는 데 있다.

본 발명의 과제를 해결하기 위한 플렉시블 누설센서는 플렉시블한 기판과, 상기 기판 상에 형성되고, 서로 다른 극성의 전류가 흐르는 제1 도전패턴 및 제2 도전패턴이 감지간격만큼 이격되도록 배치된 도전패턴 및 상기 도전패턴 상에 형성되며, 복수개의 패턴이 서로 간격을 두어 배치되는 보호패턴을 포함한다.

본 발명의 센서에 있어서, 상기 기판은 불소수지계 고분자 또는 폴리이미드계 고분자 중의 어느 하나일 수 있다. 또한, 상기 도전패턴의 두께는 5㎛~500㎛이 바람직하다. 상기 보호패턴은 절연성 고분자와 용제가 혼합된 잉크가 도포되어 이루어질 수 있다.

본 발명의 바람직한 센서에 있어서, 상기 도전패턴은 전도성이 있는 도전성 패턴 상에 절연성 패턴이 적층되어 이루어질 수 있으며, 상기 보호패턴은 상기 절연성 패턴과 동일한 물질이거나 상기 절연성 패턴에 접착성을 부여하는 물질이 부가될 수 있다. 또한, 상기 보호패턴은 상기 기판의 꺾임이나 곡면 구부러짐에 대응하여 상기 도전패턴의 손상이 일어나지 않도록 보호할 수 있다. 상기 누설센서는 탈이온수, 산성 유체 및 알칼리성 유체 중에 선택된 적어도 어느 하나를 감지할 수 있다.

본 발명의 플렉시블 누설센서에 의하면, 꺾임과 곡면 구부러짐이 자유로우며 도전패턴이 형성된 플렉시블 기판으로 이루어진 누설센서를 적용함으로써, 별도의 수단이 없이 다양한 형태의 누설 구조물에 대응하도록 장착하여 유체의 누설을 일차적으로 직접 감지할 수 있다. 또한, 자체적으로 비저항값이 다른 유체의 누출은 본 발명의 누설센서에 의해 충분하게 파악될 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 꺾인 플렉시블 누설센서를 개념적으로 나타내는 평면도이다.
도 2는 본 발명에 의한 곡면 구부러진 플렉시블 누설센서를 개념적으로 나타내는 평면도이다.
도 3은 본 발명에 의한 누설센서가 누설된 유체를 감지하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명에 의한 플렉시블 누설센서를 제조하는 과정을 설명하기 위한 공정단면도들이다.
도 7a는 본 발명의 누설센서가 적용된 사례를 나타내는 사시도이고, 도 7b는 상기 사례에 적용되는 누설센서가 펼쳐진 상태를 묘사하는 도면이다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.

본 발명의 실시예는 꺾임과 곡면 구부러짐이 자유로우며 도전패턴이 형성된 플렉시블 기판으로 이루어진 누설센서를 적용함으로써, 별도의 수단이 없이 다양한 형태의 누설 구조물에 대응하도록 장착하여 유체의 누설을 일차적으로 직접 감지할 수 있는 플렉시블 누설센서를 제시한다. 이를 위해, 꺾임과 구부러짐이 자유롭고 도전패턴이 형성된 플렉시블 기판으로 이루어진 누설센서에 대하여 상세하게 살펴보고, 상기 누설센서가 누설 구조물에 적용되는 구체적인 사례를 들어 알아보기로 한다. 이때, 누설 구조물은 기체나 액체와 같은 유체가 흐르는 구조물, 예를 들어, 각종 배관, 배관의 이음새, 배관의 조인트(fitting), 밸브(valve), 유량계, 각종 액체 보관용 탱크의 이음새 등으로, 이와 같은 구조물은 상기 유체의 누설(leak)에 취약하다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 꺾인 상태의 플렉시블 누설센서를 개념적으로 나타내는 평면도이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 의한 곡면 구부러진 상태의 플렉시블 누설센서를 개념적으로 나타내는 평면도이다. 도 3은 본 발명의 실시예에 의한 누설센서가 누설된 유체를 감지하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 여기서, 기판(10)의 변형을 꺾임과 곡면 구부러짐으로 구별하였으나, 실질적으로 누설센서에는 꺾임과 곡면 구부러짐이 함께 존재할 수도 있다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 누설센서는 지지하는 역할을 하며, 플렉시블(flexible)한 재료로 이루어진 기판(10), 기판(10) 상에 형성된 도전패턴(22) 및 도전패턴(22) 상에는 보호패턴(24)이 놓인다. 여기서, 플렉시블하다는 것은 외부의 힘에 대하여 유연하거나 신축성이 있게 변형된다는 의미로, 통상적으로 고분자가 그 특성을 만족한다. 도전패턴(22)은 서로 다른 극성의 전류가 흐르는 제1 도전패턴(22a) 및 제2 도전패턴(22b)이 배치되어 있다. 이때, 도전패턴의 형태는, 도시된 깍지 낀 형태 뿐 아니라, 제품의 형상의 형상, 예를 들어 소용돌이 형태로 변경될 수 있다. 제1 및 제2 도전패턴(22a, 22b)은 일정한 간격(D)만큼 떨어져 있고, 또한 각 패턴(22a, 22b)은 일정한 두께(T)를 가진다.

기판(10)의 변형은 꺾임 선(a)이 있는 꺾임의 형태와 라운딩 부분(b)을 포함하는 곡면 구부러짐이 있다. 이와 같은 꺾임과 곡면 구부러짐이 일어나도, 보호패턴(24)에 의해 도전패턴(22)에 손상이 일어나지 않는다. 다시 말해, 보호패턴(24)은 기판(10)의 변형에 대응하여 도전패턴(22)의 기계적인 변형이 일어나는 것을 방지하는 하는 고정(pinning) 효과를 갖는다. 이와 같이, 보호패턴(24)에 의해 기판(10)을 자유롭게 변형할 수 있어서, 본 발명의 누설센서는 다양한 누설 구조물에 부합하도록 제작될 수 있다.

기판(10)은 플렉시블한 특성을 가지고, 상대적으로 고온에서 안정성을 가지며, 내화학성이 큰 고분자이면 모두 가능하다. 특히, 상기 고분자는 불소수지계, 예컨대 PTFE(PolyTetraFluoroEthylene, 상품명 테프론) 또는 폴리이미드계가 바람직하다. 테프론 및 폴리이미드는 유기물, 산 및 알칼리에 대한 저항성이 크며, 다른 고분자에 비해 내열성이 좋아 약 250℃에서 견딜 수 있다. 또한, 불소수지계 또는 폴리이미드계 고분자는 본 발명이 요구하는 유연성(flexibility)을 가지고 있어서, 다양한 형태의 누설센서를 구현할 수 있다.

도전패턴(22)은 도전성 금속, 예를 들어 금, 은, 구리, 알루미늄, 니켈과 같은 금속 중에서 선택된 어느 하나가 형성될 수도 있고, 상기 도전성 금속에 절연성 결합재(binder)가 혼합된 물질로 만들어진 도전성 패턴(도 4 참조) 상에 절연성 잉크 패턴(도 5 참조)이 코팅되어 이루진다. 상기 결합재는 실리콘 폴리머, 에폭시, 폴리이미드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 산화 폴리페닐렌, 폴리설폰, 이산화실리콘, 산화알루미늄, 산화지르코니아 및 다른 금속산화물 중에서 선택된 어느 하나 또는 그들의 조합일 수 있다. 도전패턴(22)을 형성하는 방법은 추후의 도 4 및 도 5에서 상세하게 설명하기로 한다. 본 발명의 도전패턴(22)은 기판(10)의 꺾임이나 곡면 구부러짐과 같은 변형이 일어나도 파손되지 않아야 한다. 본 발명의 실시예와 같이, 도금층, 금속박막 및 증착층의 에칭법, 분사법 또는 인쇄법으로 제조하면, 상기 변형에 의해 도전패턴(22)이 손상되는 일을 방지할 수 있다.

한편, 기판(10)의 변형에 대응하기 위하여, 본 발명의 도전패턴(22)은 일정한 두께(T)를 가지는 것이 바람직하다. 이러한 두께(T)는 기판(10)의 변형에 대응하여, 도전패턴(22)에 손상이 일어나지 않는 최소한의 값이다. 이를 변형 수용 두께라고 한다. 변형 수용 두께의 범위 내의 도전패턴(22)은 기판을 꺾거나 구부리더라도 손상이 일어나지 않는다. 예컨대, 본 발명의 실시예에서 도전패턴(22)을 폭 30㎛~1500㎛으로, 구리 스트립을 에칭하여 형성한 경우, 두께(T)는 5㎛~500㎛가 바람직하였다. 5㎛보다 작으면 누설센서에 적용하기에는 도전패턴(22)의 전기적 저항이 너무 커지고, 500㎛보다 크면 기판(10)과 일체화된 변형이 일어나지 않아서 도전패턴(22)에 손상이 일어났다.

한편, 도전패턴(22)에 접촉하는 유체의 누액이 발생하면, 누액의 전기전도성에 의하여 제1 및 제2 도전패턴(22a, 22b) 사이의 저항값이 변화한다. 본 발명의 누설센서는 상기 저항값을 감지하여 유체의 누액이 발생한 것을 확인한다. 도전패턴(22)을 이루는 제1 및 제2 패턴(22a, 22b)의 간격(D)은 누설센서의 감지도를 결정한다. 간격(D)이 작을수록 감지되는 누액의 크기가 작아지고, 간격(D)이 커지면 감지될 수 있는 누액의 크기가 커진다. 본 발명의 누설센서의 간격(D)은 30㎛~1500㎛로 설정하였다. 상기 간격(D)을 누설센서의 감지간격이라고도 한다. 이에 따라, 누액의 크기가 30㎛~1500㎛보다 크면, 도전패턴(22)의 저항의 변화가 일어나서 유체의 누출이 있음을 확인할 수 있다.

보호패턴(24)은 도전패턴(22) 상에 서로 간격을 두어 복수개의 패턴이 형성된다. 보호패턴(24)은 도시된 사례와 같이, 도전패턴(22)과 직각으로 만나서, 도전패턴(22)과 함께 격자 구조를 이루기도 한다. 하지만, 도전패턴(22)의 형상에 따라 보호패턴(24)도 다른 모양을 가질 수 있다. 예를 들어, 도전패턴(22)이 소용돌이 형상이라면, 보호패턴(24)은 도전패턴(22)과 격자 구조를 이루지 않을 수 있다. 이와 같이, 보호패턴(24)은 도전패턴(22)을 고정하는 역할을 충분하게 수행하는 형상을 본 발명의 범주 내에서 가질 수 있다.

보호패턴(24)은 절연성 물질로 이루어지며, 그 폭은 도전패턴(22)보다 작은 것이 바람직하다. 보호패턴(24)은 잉크젯 분사법 등의 분사법 및 스크린 인쇄, 그라비아 인쇄 등의 인쇄법으로 형성할 수 있다. 보호패턴(24)은 기판(10)의 변형에 의해 도전패턴(22)으로부터 탈락이 일어나지 않도록 하는 고분자 물질과 용제가 혼합된 잉크 형태가 바람직하다.

본 발명의 누설센서에 의해 감지될 수 있는 유체는 제1 및 제2 도전패턴(22a, 22b)을 덮어 저항값을 변화시키는 것이면 모두 가능하다. 특히, 반도체나 디스플레이를 제조하는 공정에서 많이 사용하는 탈이온수(DIW), 각종 산 및 각종 알칼리의 감지에 더욱 효과적이다. 왜냐하면, 상기 유체들은 자체적으로 비저항값이 달라서, 누액이 발생하면 저항값의 변화가 서로 구별될 수 있다. 이에 따라, 저항값의 변화를 확인하면, 누액된 유체의 종류를 쉽게 판단할 수 있다. 또한, 기판(10)이 내화학성이 큰 고분자 물질로 이루어졌으므로, 상기 산이나 알칼리에 훼손이 일어나지 않는다.

도 4 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 의한 플렉시블 누설센서를 제조하는 과정을 설명하기 위한 공정단면도들이다. 이때, 누설센서에 포함되는 구성요소들은 도 1을 참조하기로 한다.

도 4에 의하면, 플렉시블한 특성을 가지고, 상대적으로 고온에서 안정성을 가지며, 내화학성이 큰 고분자인 기판(10) 상에 도전성 패턴(20)을 형성한다. 도전성 패턴(20)은 도전성 금속, 예를 들어 금, 은, 구리, 알루미늄, 니켈과 같은 금속 중에서 선택된 어느 하나가 도포될 수도 있고, 상기 도전성 금속에 절연성 결합재(binder)가 혼합된 물질로 제조될 수 있다. 도전성 패턴(20)은 도금층, 금속박막 및 증착층의 에칭법, 분사법 또는 인쇄법으로 형성할 수 있다. 구체적으로, 도전성 금속의 경우에는 도금층, 금속박막 및 증착층을 패터닝하는 에칭법이 바람직하며, 결합재를 이용하는 경우는 잉크젯 분사법, 저온분사법 등의 분사법 및 스크린 인쇄, 그라비아 인쇄 등의 인쇄법을 활용할 수 있다.

에칭법을 예를 들어 설명하면, 먼저 기판(10)에 상기 도전성 금속을 도금층, 금속 스트립 또는 증착층으로 이루어진 도전성 금속층을 형성한다. 그후, 빛에 의해 경화되는 드라이 필름(dry film)에 빛을 조사한 후에 세척하여 드라이 필름을 패터닝한다. 습식식각을 통하여 패터닝된 드라이 필름의 형태대로 도전성 금속층을 식각하여 도전성 패턴(20)을 형성한다. 경우에 따라, 도전성 패턴(20)과 기판(10) 사이의 결합력을 증대시키기 위하여 프라이머층을 더 형성할 수도 있다.

도 5에 의하면, 도전성 패턴(20)의 상면에 절연성 고분자와 용제가 혼합된 잉크가 코팅된 절연성 패턴(21)을 코팅하여 도전성 패턴(20)의 측면을 노출시킨다. 이와 같이, 도전성 패턴(20) 상에 절연성 패턴(21)이 적층되고, 도전성 패턴(20)의 측면이 노출되면, 도 1에서 설명한 도전패턴(22)이 형성된다. 절연성 패턴(21)은 잉크젯 분사법 등의 분사법 및 스크린 인쇄, 그라비아 인쇄 등의 인쇄법으로 형성할 수 있다. 또한, 상기 절연성 고분자를 소수성 고분자로 구현하면, 누액이 도전성 패턴(20)으로 향하게 할 수 있다.

도 6에 의하면, 보호패턴(24)을 도 1에서 설명한 바와 같이, 도전패턴(22) 상에 형성한다. 보호패턴(24)을 이루는 물질은 절연성 패턴(21)과 동일할 수도 있고, 접착성을 부여하기 위한 부가적인 물질을 더 포함할 수도 있다. 보호패턴(24)은 앞에서 설명한 바와 같이 잉크젯 분사법 등의 분사법 및 스크린 인쇄, 그라비아 인쇄 등의 인쇄법으로 형성할 수 있다. 보호패턴(24)의 폭 및 두께는 기판(10)의 변형에 대하여 도전패턴(22)을 보호하는 정도이면 충분하다. 바람직하게는 보호패턴(24)의 폭 및 두께는 도전패턴(22)에 비해 작은 것이 좋다.

도 7a는 본 발명의 누설센서(60)가 적용된 사례를 나타내는 사시도이고, 도 7b는 상기 사례에 적용되는 누설센서(60)가 펼쳐진 상태를 묘사하는 도면이다. 이때, 적용된 누설 구조물은 세 개의 배관이 조인트(fitting; 50)되는 것을 예로 들었다. 여기서, 설명의 편의를 위하여, 상기 조인트를 감싸는 누설센서(60)는 투명하게 표현하였다. 또한, 도전패턴(22)은 도 1을 참조하기로 한다.

도 7a 및 도 7b를 참조하면, 누설센서(60)는 제1 및 제2 도전패턴(22a, 22b)로 구성된 도전패턴(22)과 보호패턴(64)이 형성된 조인트용 기판(62)을 조인트(50)를 감싸는 형태로 제작되었다. 이에 따라, 누설센서(60)는 꺾임과 곡면 구부러짐을 포함할 수 있다. 즉, 꺾임과 곡면 구부러짐이 있어도, 보호패턴(64)에 의해 도전패턴(22)의 손상이 방지되므로, 누설센서(60)를 다양한 형태로 만들 수 있다. 누설센서(60)의 형태를 설치되는 환경에 따라 다양하게 변형할 수 있으므로, 바닥, 불규칙한 벽면 등에 설치되어 있는 누설 구조물에도 아무런 제한이 없이 누설센서(60)를 장착할 수 있다.

또한, 누설센서(60)는 누설 구조물인 조인트(50)를 직접 감싸므로, 유체의 누출이 있더라도, 유체가 외부로 퍼져 나가기 전에 이를 감지할 수 있다. 이와 같이, 유체가 누설센서(60)의 외부로 퍼져 나가기 전에 감지하는 것을 일차적인 감지라고 한다. 종래에는 누설된 유체가 누설센서에까지 도달하여야만 감지가 가능하므로, 누설에 대한 초기 대응이 어려워 예상치 못한 다른 사고를 유발할 수 있었다. 하지만, 본 발명의 누설센서(60)를 이용하면, 누설된 유체를 직접 감지하므로, 초기 대응을 즉시 할 수 있어서, 예상치 못한 다른 사고를 사전에 예방할 수 있다.

이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

10; 기판 20: 도전성 패턴
21; 절연성 패턴 22; 도전패턴
22a, 22b; 제1 및 제2 도전패턴
24, 64; 보호패턴

Claims (7)

1. 플렉시블한 기판;
   상기 기판 상에 형성되고, 서로 다른 극성의 전류가 흐르는 제1 도전패턴 및 제2 도전패턴이 감지간격 30㎛ 내지 1500㎛만큼 상기 기판이 노출되도록 서로 이격되어 배치된 도전패턴; 및
   상기 도전패턴 상에 형성되고, 복수개의 패턴이 서로 간격을 두어 배치되며, 상기 복수개의 패턴이 상기 도전패턴 및 상기 노출된 기판을 상기 패턴 간격만큼 덮으면서 연장하는 보호패턴을 포함하는 플렉시블 누설센서.
2. 제1항에 있어서, 상기 기판은 불소수지계 고분자 또는 폴리이미드계 고분자 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 플렉시블 누설센서.
3. 제1항에 있어서, 상기 도전패턴의 두께는 5㎛~500㎛인 것을 특징으로 하는 플렉시블 누설센서.
4. 제1항에 있어서, 상기 보호패턴은 절연성 고분자와 용제가 혼합된 잉크가 도포되어 이루어진 것을 특징으로 하는 플렉시블 누설센서.
5. 제1항에 있어서, 상기 도전패턴은 전도성이 있는 도전성 패턴 상에 절연성 패턴이 적층되어 이루어질 수 있으며, 상기 보호패턴은 상기 절연성 패턴과 동일한 물질이거나 상기 절연성 패턴에 접착성을 부여하는 물질이 부가된 것을 특징으로 하는 플렉시블 누설센서.
6. 제1항에 있어서, 상기 보호패턴은 상기 기판의 꺾임이나 곡면 구부러짐에 대응하여 상기 도전패턴의 손상이 일어나지 않도록 보호하는 것을 특징으로 하는 플렉시블 누설센서.
7. 제1항에 있어서, 상기 누설센서는 탈이온수, 산성 유체 및 알칼리성 유체 중에 선택된 적어도 어느 하나를 감지할 수 있는 것을 특징으로 하는 플렉시블 누설센서.

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