KR101551446B1 - 도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체의 원격 모니터링 시스템 및 그 방법 - Google Patents
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Abstract
시멘트 복합체의 강성을 증가시키는 보강섬유로서 도전성 섬유를 시멘트 복합체 내에 혼입하고, 하중, 화재 또는 지진의 외부 환경적 요인에 따른 시멘트 복합체의 응력 변화를 도전성 섬유로부터 검출하여 실시간으로 원격 모니터링할 수 있고, 또한, 부도체인 시멘트 복합체에 도전성 섬유를 혼입하여 피에조 성질을 구현함으로써 시멘트 복합체를 전도체로 변환시킬 수 있고, 이에 따라 콘크리트 배합시의 충격이나 다짐 충격, 양생 중 변형에 의해 파괴되지 않고, 별도 제작된 압전센서를 시멘트 복합체 내에 매립 형성하지 않아도 되는, 도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체의 원격 모니터링 시스템 및 그 방법이 제공된다.
Description
본 발명은 도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 시멘트 복합체(Cementitious Composites)의 강성을 증가시키는 보강섬유로서 도전성 섬유(또는 전기전도성 섬유)(Electro conductive Fibers)를 시멘트 복합체 내에 혼입하고, 하중, 화재 또는 지진의 외부 환경적 요인에 따른 시멘트 복합체의 응력 변화를 도전성 섬유로부터 검출하여 원격 모니터링할 수 있는, 시멘트 복합체의 원격 모니터링 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 콘크리트는 가장 일반적이고 보편화된 주요 구조재로 폭넓게 사용되고 있으며, 성능의 향상 및 안정적인 품질관리에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 특히, 콘크리트 구조물에 있어서 강도는 구조물의 안정성을 평가하는 기본적인 요소로서, 소요의 강도를 확보하고 균질성을 유지하는 것은 구조물 자체의 안전을 확보하는데 필수적이며, 다른 여러 가지 성질을 평가할 수 있는 기본적인 기준이 된다.
이러한 콘크리트의 강도는 품질관리상 가장 중요하게 다루어지고 있으나, 콘크리트의 품질관리는 주로 표준 양생한 재령 28일 강도를 기준으로 하고 있기 때문에 공사의 진행속도와 강도평가시기 사이에는 시간적 차이가 발생하므로 이미 경화한 콘크리트의 품질시험 결과는 공사에 신속하게 반영할 수 없으며, 소요의 강도가 과부족일 경우, 안전의 문제뿐만이 아니라 경제적, 행정적 손실을 부담해야 하는 등 강도상의 문제가 발생할 때에는 처리가 곤란하게 된다.
한편, 종래의 기술에 따른 압전센서를 이용한 콘크리트 구조물의 양생 강도나 건전성 평가는 압전센서를 콘크리트 구조물의 표면에 부착하여 측정함으로써 콘크리트 표면의 성질만을 반영하였으며, 그로 인해 대형 콘크리트 구조물에는 적용하기가 어려웠다.
또한, 콘크리트 구조물의 임피던스/초음파를 측정하기 위한 압전센서는 취성을 가지므로 콘크리트 내부에 삽입할 경우, 콘크리트 배합시의 충격이나 다짐 충격, 양생 중 변형에 의해 파괴되어 센서로서의 역할을 수행할 수 없다는 문제점이 있었다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 선행기술로서, 대한민국 등록특허번호 제10-1221684호에는 "콘크리트 구조물의 임피던스 및 초음파 측정 시스템 및 그 측정방법"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명한다.
도 1a는 종래의 기술에 따른 콘크리트 매립형 센서 구조체의 구성도이고, 도 1b는 콘크리트 매립형 센서 구조체를 이용한 자가센싱-기반 임피던스/초음파 측정을 설명하기 위한 도면이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 종래의 기술에 따른 콘크리트 매립형 센서 구조체(10)는, 압전센서(11), 압전센서(11)의 표면에 코팅되는 방수층(도시되지 않음) 및 상기 방수층으로 코팅된 압전센서(11)를 매설시켜 압전센서의 파손을 방지하는 케이스(14)를 포함한다.
압전센서(11)는 입력신호 라인(13a) 및 출력신호 라인(13b)과 접속부(12)를 통하여 연결되며, 여기서, 입력신호 라인(13a)은 압전센서(11)에 전압 신호를 인가하는 신호 라인이고, 출력신호 라인(13b)은 압전센서(11)로부터 출력되는 응답신호를 출력하는 신호 라인이다. 즉, 상기 압전센서(11)는 콘크리트 구조물의 임피던스 응답 또는 초음파 응답 신호를 출력하기 위하여 콘크리트 구조물 내에 매립되는데, 상기 콘크리트 구조물의 임피던스 응답 또는 초음파 응답을 측정하기 위하여 압전센서(11)는 가진된다.
여기서, 압전센서(11)에 의하여 상기 콘크리트 구조물을 가진시키기 위하여 입력신호 라인(13a)을 통하여 전압신호를 압전센서(11)에 인가하면, 압전센서(11)는 상기 전압 신호에 의하여 진동을 발생하고, 이러한 진동을 통하여 콘크리트 구조물을 가진시킨다.
이와 같이 콘크리트 구조물을 가진시킨 후, 압전센서(11)는 콘크리트 구조물의 가진을 통해 발생하는 응답신호를 측정하여 상기 출력신호 라인(13b)을 콘크리트 구조물의 응답신호를 출력한다.
또한, 현재 임피던스/초음파 측정을 통한 양생 강도 발현 모니터링 기술은 콘크리트 구조물의 양생 진행에 따라 강도가 발현되며, 이에 따라 임피던스/초음파 공진주파수가 변화하게 되며, 이를 측정하여 강도 발현 모니터링을 실시한다.
구체적으로, 종래의 기술에 따른 콘크리트 매립형 센서 구조체에 대한 임피던스/초음파 측정은, 도 1b에 도시된 바와 같이, 자가센싱(Self-sensing) 기법을 사용한다. 이러한 자가센싱-기반 임피던스/초음파 측정은 콘크리트 구조물(20) 내부에 매립된 센서 구조체(10)에 매설된 압전센서(11)와 유선으로 연결된 임의 파형 생성기(AWG: 31)가 압전센서(11)에 전압을 인가하고, 압전센서(11)는 전압을 받아 콘크리트 구조물(20)을 가진한 후, 그에 대한 콘크리트 구조물(20)의 응답 신호를 다시 압전센서(11)가 받아 커패시터(33)로 출력하고, 커패시터(33)와 연결된 디지타이저(DIG: 32)가 그 응답을 측정한다. 즉, 인가한 전압과 출력된 전압을 변환하여 콘크리트 구조물(20)의 임피던스/초음파와 초음파 데이터를 측정한다.
종래의 기술에 따른 콘크리트 매립형 센서 구조체에 따르면, 압전센서의 표면에 방수층을 코팅한 후, 콘크리트 구조물의 조성물과 유사한 몰탈에 압전센서를 매설함으로써, 콘크리트 배합시의 충격이나, 다짐 충격 또는 양생 중의 콘크리트 구조물의 변형에 의해 압전센서가 파괴되는 것을 방지하고, 압전센서에 의한 콘크리트 구조물의 임피던스를 정밀하게 측정할 수 있다.
하지만, 종래의 기술에 따른 콘크리트 매립형 센서 구조체의 경우, 압전센서의 파손을 방지하도록 방수층으로 코팅된 압전센서를 별도의 케이스 내에 매설해야 한다는 문제점이 있다.
한편, 콘크리트 양생 강도 추정 기법은 적산온도를 이용한 방법이나 슈미트 해머를 이용한 방법을 사용하지만, 이러한 방법은 콘크리트 구조물 내부를 직접적으로 측정하는 것이 아니라 정확한 강도 추정이 어렵고 실시간으로 강도추정을 하기 어렵다는 문제점이 있다. 또한, 계측 지점의 접근성이 어려운 경우, 측정에 어려움이 있는 다른 문제점이 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 선행기술로서, 대한민국 등록특허번호 제10-1006971호에는 "유도초음파를 이용한 콘크리트 양생 강도 발현 측정장치 및 방법"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2는 종래의 기술에 따른 유도초음파를 이용한 콘크리트 양생 강도 발현 측정장치의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 종래의 기술에 따른 유도초음파를 이용한 콘크리트 양생 강도 발현 측정장치는, 압전센서(61), 임의 파형 발생기(AWG: 62), 자가센싱 회로(63), 디지타이저(64) 및 제어부(65)를 포함한다.
압전센서(61)는 콘크리트 구조물(50)의 외측 또는 내측에 설치되고, 외부로부터 입력되는 주파수 신호를 전달받아 유도초음파를 발생하여 콘크리트 구조물(50)로 송신하고, 콘크리트 구조물(50)로부터 반사되는 반사파를 수신한다.
임의 파형 발생기(AWG; Arbitrary Waveform Generator)(62)는 압전센서(61)와 유선으로 연결되고, 일정 시간 단위로 압전센서(61)로 전압 신호를 생성하여 출력한다.
자가센싱 회로(63)는 압전센서(61)로부터 수신된 유도초음파인 반사파를 전압 신호로 변환한다.
디지타이저(DIG: 64)는 자가센싱 회로(30)부터 측정된 전압신호를 웨이블릿(Wavelet) 변환하여 노이즈를 제거하고 특정 대역의 주파수만을 추출한다.
제어부(65)는 임의 파형 발생기(62)로부터 전송된 전압신호의 입력시간과 디지타이저(63)로부터 출력되는 전압신호의 입력시간을 이용하여 반사파의 도달시간을 측정하여 저장하고, 상기 도달시간을 기저장된 기준 도달시간과 비교하여 그 차이값을 측정하고, 이러한 차이값을 기저장된 기준 강도와 비교하여 강도 분석을 수행한다.
종래의 기술에 따른 유도초음파를 이용한 콘크리트 양생 강도 발현 측정장치에 따르면, 콘크리트 매질의 유도초음파 전달 속도를 직접 측정함으로써 콘크리트의 강도 추정을 보다 직접적으로 실시할 수 있고, 또한, 콘크리트 매질을 통해 전파되고 반사되는 유도초음파를 사용하므로 보다 동적 거동을 측정함으로써 넓은 구간을 측정할 수 있다.
하지만, 종래의 기술에 따른 유도초음파를 이용한 콘크리트 양생 강도 발현 측정장치에 사용되는 압전센서는 취성이 강해서 콘크리트 내부에 삽입시킬 경우, 콘크리트 배합시의 충격이나 다짐 충격, 양생 중 변형에 의해 파괴되어 센서로서의 역할을 수행할 수 없고, 콘크리트 매질을 타고 이동하는 유도초음파 신호는 내부 골재 등에 의해 감쇠 및 반사되어 계측이 쉽지 않다는 문제점이 있다.
한편, 콘크리트는 경제성 및 내구성이 우수한 건설재료로서 강재와 더불어 콘크리트 구조물의 건설에 널리 사용되고 있지만, 콘크리트는 인장강도와 휨강도가 작고, 균열이 발생하기 쉬운 본질적인 결함을 가지고 있으며, 또한, 최근 고강도 콘크리트의 실용화에 따른 압축강도의 증가로 인해 콘크리트의 취성파괴(brittle failure)가 문제시되고 있다.
이에 따라 콘크리트의 취성파괴 등을 방지하기 위해 일반 콘크리트의 배합에 강섬유 및 유기섬유 등을 1% 정도로 혼입하여 제조하는 섬유 보강 콘크리트(fiber reinforced concrete)가 일부 콘크리트 구조물에 사용되고 있는 실정이다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 시멘트 복합체의 강성을 증가시키는 보강섬유로서 도전성 섬유를 시멘트 복합체 내에 혼입하고, 하중, 화재 또는 지진의 외부 환경적 요인에 따른 시멘트 복합체의 응력 변화를 도전성 섬유로부터 검출하여 실시간으로 원격 모니터링할 수 있는, 도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체의 원격 모니터링 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 부도체인 시멘트 복합체에 도전성 섬유를 혼입하여 피에조 성질을 구현함으로써 시멘트 복합체를 전도체로 변환시킬 수 있는, 도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체의 원격 모니터링 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체의 원격 모니터링 시스템은, 대체재를 사용하여 시멘트의 일부 또는 전체를 치환하여 수화 반응, 포졸란 반응, 잠재수경성 반응, 중합 반응 또는 알칼리촉진 반응에 의해 경화되어 형성되며, 하중, 화재 또는 지진의 외부 환경적 요인에 의해 응력이 변화하는 시멘트 복합체; 상기 시멘트 복합체를 보강하기 위해 혼입되는 전기전도성을 갖는 보강섬유로서, 상기 시멘트 복합체로부터 1개 또는 2개의 입력단 및 출력단이 노출되도록 형성되며, 상기 시멘트 복합체의 응력 변화에 따라 상기 출력단의 전류가 변화하도록 피에조 성질을 갖는 도전성 섬유; 상기 시멘트 복합체의 응력 변화를 측정할 수 있도록 상기 도전성 섬유의 입력단에 가변전압을 인가하고, 상기 도전성 섬유의 출력단으로부터 미소전류를 검출하는 미소전류 측정 유닛; 상기 미소전류 측정 유닛으로부터 검출된 미소전류에 대응하는 저항값을 산출하고, 상기 산출된 저항값에 따라 상기 시멘트 복합체의 응력 변화를 분석하여, 분석된 응력 변화 데이터를 무선으로 전송하는 데이터 처리 유닛; 및 상기 데이터 처리 유닛으로부터 무선으로 전송되는 상기 시멘트 복합체의 응력 변화 데이터를 실시간으로 확인 및 저장하는 원격 모니터링 유닛을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 도전성 섬유는 전기전도성(Electrical conductivity)을 띠고 시멘트 복합체에 혼입되어 피에조 성질(Piezoresistivity)을 갖는 섬유로서 탄소 섬유(Carbon fibers), 그래핀옥사이드(Graphene Oxide), SWCNT(single-walled carbon nanotubes), MWCNT(multi-walled carbon nanotubes), 흑연 또는 이상의 섬유를 개질한 섬유일 수 있다.
여기서, 상기 미소전류 측정 유닛은 상기 도전성 섬유의 입력단 및 출력단에 각각 전기적으로 연결되고, 상기 시멘트 복합체의 일측 면에 고정 설치될 수 있다.
여기서, 상기 미소전류 측정 유닛은, 상기 도전성 섬유의 입력단에 전기적으로 연결되어 상기 시멘트 복합체 내에 가변전압을 인가하는 가변전압 인가부; 상기 도전성 섬유의 출력단에 전기적으로 연결되어 하중, 화재 또는 지진의 외부 환경적 요인에 의해 응력이 변화하는 시멘트 복합체에서 발생하는 미소전류를 검출하는 미소전류 검출부; 상기 가변전압 인가부에서 인가되는 입력전원을 가변 제어하고, 상기 미소전류 검출부에서 검출되는 미소전류를 디지털신호로 변환하는 제어부; 및 상기 디지털신호로 변환된 미소전류 데이터를 무선으로 전송하는 근거리 무선통신모듈을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 미소전류 검출부에서 검출된 미소전류는 증폭기에 의해 증폭되고, 필터에 의해 노이즈가 제거되며, 아날로그/디지털 변환기에 의해 디지털신호로 변환되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 데이터 처리 유닛은, 상기 미소전류 측정 유닛의 근거리 무선통신모듈로부터 디지털신호로 변환된 미소전류 데이터를 수신하는 근거리 무선통신모듈; 상기 수신된 미소전류 데이터에 따른 저항값을 산출하고, 상기 산출된 저항값에 따라 상기 시멘트 복합체의 응력 변화를 분석하여 상기 시멘트 복합체의 응력 변화 데이터로 처리하는 데이터 처리부; 및 상기 데이터 처리부에서 처리된 상기 시멘트 복합체의 응력 변화 데이터를 원격 모니터링을 위해 무선으로 전송하는 무선통신모듈을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 데이터 처리 유닛은, 상기 데이터 처리부에서 처리된 상기 시멘트 복합체의 응력 변화 데이터를 표시하는 디스플레이를 추가로 포함할 수 있다.
여기서, 상기 데이터 처리 유닛의 무선통신모듈은 WIFI, 블루투스 또는 CDMA/LTE 모뎀일 수 있다.
여기서, 상기 원격 모니터링 유닛은 상기 시멘트 복합체의 응력 변화 데이터를 실시간으로 확인하여 기준값 이상인 경우, 알림메시지를 발생할 수 있다.
한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체의 원격 모니터링 방법은, a) 도전성 섬유가 혼입된 시멘트 복합체로부터 상기 도전성 섬유의 1개 또는 2개의 입력단 및 출력단이 노출되도록 형성하는 단계; b) 미소전류 측정 유닛이 상기 도전성 섬유의 입력단에 가변전압을 인가하는 단계; c) 상기 미소전류 측정 유닛이 상기 도전성 섬유의 출력단으로부터 미소전류를 검출하는 단계; d) 데이터 처리 유닛이 검출된 미소전류에 대응하는 저항값을 산출하는 단계; e) 상기 데이터 처리 유닛이 산출된 저항값에 따른 상기 시멘트 복합체의 응력 변화를 분석하는 단계; f) 상기 데이터 처리 유닛이 상기 시멘트 복합체의 응력 변화 데이터를 무선으로 전송하는 단계; 및 g) 원격 모니터링 유닛이 상기 시멘트 복합체의 응력 변화 데이터를 실시간 확인하고 저장하는 단계를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 a) 단계의 도전성 섬유는 전기전도성을 띠고 시멘트 복합체에 혼입되어 피에조 성질을 갖는 섬유로서 탄소 섬유, 그래핀옥사이드, SWCNT, MWCNT, 흑연 또는 이상의 섬유를 개질한 섬유일 수 있다.
여기서, 상기 b) 단계의 미소전류 측정 유닛은 상기 도전성 섬유의 입력단 및 출력단에 각각 전기적으로 연결되고, 상기 시멘트 복합체의 일측 면에 고정 설치될 수 있다.
본 발명에 따른 도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체의 원격 모니터링 방법은, h) 상기 원격 모니터링 유닛이 상기 시멘트 복합체의 응력 변화 데이터를 실시간으로 확인하여 기준값 이상인 경우, 알림메시지를 발생하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 시멘트 복합체의 강성을 증가시키는 보강섬유로서 도전성 섬유를 시멘트 복합체 내에 혼입하고, 하중, 화재 또는 지진의 외부 환경적 요인에 따른 시멘트 복합체의 응력 변화를 도전성 섬유로부터 검출하여 실시간으로 원격 모니터링할 수 있다.
본 발명에 따르면, 부도체인 시멘트 복합체에 도전성 섬유를 혼입하여 피에조 성질을 구현함으로써 시멘트 복합체를 전도체로 변환시킬 수 있고, 이에 따라 콘크리트 배합시의 충격이나 다짐 충격, 양생 중 변형에 의해 파괴되지 않고 별도 제작된 압전센서를 시멘트 복합체 내에 매립 형성하지 않아도 된다.
도 1a는 종래의 기술에 따른 콘크리트 매립형 센서 구조체의 구성도이고, 도 1b는 콘크리트 매립형 센서 구조체를 이용한 자가센싱-기반 임피던스/초음파 측정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 종래의 기술에 따른 유도초음파를 이용한 콘크리트 양생 강도 발현 측정장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체의 원격 모니터링 시스템에서 도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 시멘트 복합체에 혼입되는 도전성 섬유를 예시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체의 원격 모니터링 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체의 원격 모니터링 시스템에서 미소전류 측정 유닛의 구체적인 구성도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체의 원격 모니터링 시스템에서 데이터 처리 유닛의 구체적인 구성도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체의 원격 모니터링 방법의 동작흐름도이다.
도 2는 종래의 기술에 따른 유도초음파를 이용한 콘크리트 양생 강도 발현 측정장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체의 원격 모니터링 시스템에서 도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 시멘트 복합체에 혼입되는 도전성 섬유를 예시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체의 원격 모니터링 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체의 원격 모니터링 시스템에서 미소전류 측정 유닛의 구체적인 구성도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체의 원격 모니터링 시스템에서 데이터 처리 유닛의 구체적인 구성도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체의 원격 모니터링 방법의 동작흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
[도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체]
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체의 원격 모니터링 시스템에서 도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체를 나타내는 도면이고, 도 4는 도 3에 도시된 시멘트 복합체에 혼입되는 도전성 섬유를 예시하는 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체(Cementitious Composites: 110)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 시멘트 복합체(110)는 지오폴리머(Geopolymer) 또는 AAS(Alkali activated slag-based concrete) 등의 대체재를 사용하여 시멘트의 일부 또는 전체를 치환하여 수화 반응(Hydration reaction), 포졸란 반응(Pozzolanic reaction), 잠재수경성 반응(Potential hydraulic reaction), 중합 반응(Polymerization) 또는 알칼리촉진 반응(Alkali activation reaction) 등에 의해 경화된 물질을 말하며, 이때, 상기 지오폴리머(Geopolymer)는 시멘트를 플라이애시로 100% 치환한 경화체일 수 있고, 상기 AAS(Alkali activated slag-based concrete)는 시멘트를 고로슬래그로 100% 치환한 경화체일 수 있다.
상기 시멘트 복합체(110)는, 예를 들면, 시멘트, 모래, 반응성 분체, 충전재 및 증점제를 미리 골고루 혼합한 프리믹싱(premixing)형 모르타르 재료에 물과 고성능 감수제로 구성된 배합수를 투입하여 고속믹서기로 혼합한 후, 모르타르와 배합수의 혼합물에 도전성 섬유(120)를 단독 또는 하이브리드 형태로 투입하여 다시 혼합한 후 일정 기간의 양생 과정을 거쳐 제조될 수 있다.
구체적으로, 프리믹싱형 모르타르 재료는 건설 현장에서 구성하는 재료의 저장고를 설치하기 위한 장소, 비용의 절감과 계량 오차의 최소화 및 믹싱 시간을 단축시키기 위한 것으로서, 시멘트 100중량부를 기준으로 모래 100~130중량부, 반응성 분체 10~30중량부, 충전재 10~30중량부 및 증점제 0.05~1중량부로 구성되며, 이렇게 구성된 재료를 20∼40rpm 속도로 7∼15분 동안 골고루 혼합하여 제조될 수 있는데, 단지 예시를 위한 것이며, 이에 국한되는 것은 아니다.
이렇게 제조된 프리믹싱형 모르타르 재료의 유동성 및 시공성을 확보하기 위해 물(일반적으로 증류수가 바람직함)과 고형분 30∼40중량%인 폴리칼본산계(Polycarboxylic) 고성능 감수제 또는 나프탈렌계(Naphthalene) 고성능 감수제를 각각 90~99.5중량%와 0.5~10중량% 비를 이루도록 배합수를 제조하여, 배합수-결합재(시멘트와 반응성 분체의 합)의 비가 0.25 이하가 되도록 프리믹싱형 모르타르와 배합수를 고속 믹서기에서 80∼120rpm 속도로 7∼20분 동안 혼합한 후, 다시 40∼60rpm의 속도로 2∼5분 동안 혼합한다.
이렇게 혼합된 모르타르와 배합수의 혼합물에 다시 특정 직경과 길이를 갖는 도전성 섬유(120)를 단독 또는 하이브리드(Hybrid) 형태로 상기 혼합물에 1~5체적%를 투입하여 30∼50rpm의 속도로 3∼10분 동안 혼합한다.
그리고 이와 같이 최종 혼합물을 1∼3일 동안의 습윤 양생을 실시한 다음, 시멘트의 수화반응과 반응성 분체의 포졸란 반응(Pozzolanic reaction)을 활성화시키기 위해 60∼110℃의 고온 하에서 증기양생을 2∼4일 동안 실시함으로써 시멘트 복합체가 제조될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 도전성 섬유(120)는 상기 시멘트 복합체(110) 내에 혼입되며, 각각 1개 또는 2개의 도전성 섬유 입력단(121a, 121b) 및 도전성 섬유 출력단(122a, 122b)이 상기 시멘트 복합체(110)로부터 외부로 노출되도록 형성된다. 예를 들면, 상기 도전성 섬유 입력단(121a, 121b) 및 도전성 섬유 출력단(122a, 122b)은 구리판으로 형성될 수 있고, 각각 1개 또는 2개로 형성될 수 있다.
이러한 도전성 섬유(Electro conductive fiber: 120)는 전기전도성 섬유라고도 하며, 10-3~101 Ω-1cm-1 정도의 전기전도도를 갖고, 금속섬유나 금속을 도금한 섬유 등으로 응용된다. 현재로는 전기전도성의 탄소 입자를 소재 고분자에 혼입하여 섬유 형태로 만든 것이 주류를 이루고 있다. 예를 들면, 탄소섬유, 카본나노튜브, 그래핀옥사이드, 흑연 등 전기전도성(Electrical conductivity)을 띠는 섬유를 말하며, 또한, 이상의 섬유를 개질한 섬유일 수도 있다.
이중에서, 상기 탄소나노튜브(carbon nanotubes: CNT)는 나노미터 스케일을 가진 섬유로서, 우수한 역학적 특성, 전기전도성, 열전도성, 낮은 단위중량, 우수한 부식에 대한 저항성 등으로 인해 다양한 산업분야에서 널리 활용되고 있다. 이러한 CNT는, 도 4의 a)에 도시된 바와 같이, 탄소원자를 육각 벌집구조로 평평하게 배열한 그래핀옥사이드(Graphene Oxide)의 변형된 형태(120a)로서 한 겹 또는 여러 겹의 그래핀옥사이드가 튜브 구조로 말려져 있는 상태이거나, 또는, 도 4의 b)에 도시된 바와 같이, 한 겹으로 구성된 것을 SWCNT(single-walled carbon nanotubes)(120b)라고 하고, 도 4의 c)에 도시된 바와 같이, 여러 겹으로 된 것을 MWCNT(multi-walled carbon nanotubes)(120c)라고 한다. 또한, 이러한 CNT의 역학적 특징을 살펴보면, 탄성계수는 약 1 TPa, 인장강도는 약 60 GPa에 이르며 강재와 비교하였을 때 탄성계수는 5배, 인장강도는 100배 이상 높고, CNT의 단위질량은 강재의 단위질량에 비해 약 1/6 수준에 지나지 않는다.
이하, 도 5 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체의 원격 모니터링 시스템 및 그 방법에 대해 구체적으로 설명한다.
[도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체의 원격 모니터링 시스템]
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체의 원격 모니터링 시스템의 개략적인 구성도이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체의 원격 모니터링 시스템에서 미소전류 측정 유닛의 구체적인 구성도이며, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체의 원격 모니터링 시스템에서 데이터 처리 유닛의 구체적인 구성도이다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체의 원격 모니터링 시스템은, 시멘트 복합체(110), 도전성 섬유(120), 미소전류 측정 유닛(130), 데이터 처리 유닛(140) 및 원격 모니터링 유닛(150)을 포함한다.
시멘트 복합체(110)는 대체재를 사용하여 시멘트의 일부 또는 전체를 치환하여 수화 반응, 포졸란 반응, 잠재수경성 반응, 중합 반응 또는 알칼리촉진 반응에 의해 경화되어 형성되며, 하중, 화재 또는 지진의 외부 환경적 요인에 의해 응력이 변화하게 된다.
도전성 섬유(120)는 상기 시멘트 복합체(110)를 보강하기 위해 혼입되는 전기전도성을 갖는 보강섬유로서, 상기 시멘트 복합체(110)로부터 1개 또는 2개의 입력단(121a, 121b) 및 출력단(122a, 122b)이 노출되도록 형성되며, 상기 시멘트 복합체(110)의 응력 변화에 따라 상기 출력단(122a, 122b)의 전류가 변화하도록 피에조 성질을 갖는다. 여기서, 피에조 성질(Piezo-resistivity)이란 외부에서 작용하는 하중의 변화에 따라 내부에 흐르는 전류의 전기저항성(Electrical resistivity)이 증가 또는 감소하는 성질을 말하며, 외부 하중의 변화와 내부 전기저항의 변화가 동시에 거동하게 된다. 또한, 전술한 바와 같이, 상기 도전성 섬유(120)는 전기전도성(Electrical conductivity)을 띠고 시멘트 복합체에 혼입되어 피에조 성질을 갖는 섬유로서 탄소섬유(Carbon fibers), 그래핀옥사이드(Graphene Oxide), SWCNT(single-walled carbon nanotubes), MWCNT(multi-walled carbon nanotubes), 흑연 또는 이상의 섬유를 개질한 섬유일 수 있다.
미소전류 측정 유닛(130)은 상기 시멘트 복합체(110)의 응력 변화를 측정할 수 있도록 상기 도전성 섬유(120)의 입력단(121a, 121b)에 예를 들면, 0~30V의 가변전압을 인가하고, 상기 도전성 섬유(120)의 출력단(122a, 122b)으로부터, 예를 들면, 100㎁~100㎂의 미소전류를 검출한다. 이때, 상기 미소전류 측정 유닛(130)은 상기 도전성 섬유(120)의 입력단(121a, 121b) 및 출력단(122a, 122b)에 각각 전기적으로 연결되고, 상기 시멘트 복합체(110)의 일측 면에 고정 설치되는 것이 바람직하다.
구체적으로, 상기 미소전류 측정 유닛(130)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 가변전압 인가부(131), 미소전류 검출부(132), 제어부(132), 증폭기(134), 필터(135), 아날로그/디지털 변환부(136), 데이터 인코딩부(137), 데이터 변조부(138) 및 근거리 무선통신모듈(139)을 포함할 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다.
상기 미소전류 측정 유닛(130)의 가변전압 인가부(131)는 상기 도전성 섬유(120)의 입력단(121a, 121b)에 전기적으로 연결되어 상기 시멘트 복합체(110) 내에 가변전압을 인가한다.
상기 미소전류 측정 유닛(130)의 미소전류 검출부(132)는 상기 도전성 섬유(120)의 출력단(122a, 122b)에 전기적으로 연결되어 하중, 화재 또는 지진의 외부 환경적 요인에 의해 응력이 변화하는 시멘트 복합체(110)에서 발생하는 미소전류(Iout)를 검출한다.
제어부(132)는 상기 가변전압 인가부(131)에서 인가되는 입력전원(Vin)을 가변 제어하고, 상기 미소전류 검출부(132)에서 검출되는 미소전류(Iout)를 디지털신호로 변환한다. 여기서, 상기 제어부(132)는 증폭기(134), 필터(135) 및 아날로그/디지털 변환부(136)가 내장되도록 구현될 수 있고, 상기 미소전류 검출부(132)에서 검출된 미소전류(Iout)는 증폭기(134)에 의해 증폭되고, 필터(135)에 의해 노이즈가 제거되며, 아날로그/디지털 변환기(136)에 의해 디지털신호로 변환될 수 있다.
데이터 인코딩부(137)는 상기 디지털신호로 변환된 미소전류(Iout) 데이터를 인코딩하고, 데이터 변조부(138)는 무선 전송을 위해서 상기 인코딩된 미소전류(Iout) 데이터를 변조한다.
근거리 무선통신모듈(139)은 상기 디지털신호로 변환된 미소전류(Iout) 데이터를 무선으로 전송한다.
도 5를 다시 참조하면, 데이터 처리 유닛(140)은 상기 미소전류 측정 유닛(130)로부터 검출된 미소전류에 대응하는 저항값을 산출하고, 상기 산출된 저항값에 따라 상기 시멘트 복합체(110)의 응력 변화를 분석하여, 분석된 응력 변화 데이터를 무선으로 전송한다.
구체적으로, 상기 데이터 처리 유닛(140)은, 도 7에 도시된 바와 같이, 근거리 무선통신모듈(141), 데이터 복조부(142), 데이터 디코딩부(143), 데이터 처리부(144), 무선통신모듈(145) 및 디스플레이(146)를 포함할 수 있다.
상기 데이터 처리 유닛(140)의 근거리 무선통신모듈(141)은 상기 미소전류 측정 유닛(130)의 근거리 무선통신모듈(139)로부터 디지털신호로 변환된 미소전류(Iout) 데이터를 수신한다.
상기 데이터 처리 유닛(140)의 데이터 복조부(142)는 상기 근거리 무선통신모듈(141)에서 수신된 미소전류(Iout) 데이터를 복조하고, 데이터 디코딩부(143)는 인코딩된 상기 미소전류(Iout) 데이터를 디코딩한다.
상기 데이터 처리 유닛(140)의 데이터 처리부(144)는 상기 수신된 미소전류(Iout) 데이터에 따른 저항값을 산출하고, 상기 산출된 저항값에 따라 상기 시멘트 복합체(110)의 응력 변화를 분석하여 상기 시멘트 복합체(110)의 응력 변화 데이터로 처리한다.
상기 데이터 처리 유닛(140)의 무선통신모듈(145)은 상기 데이터 처리부(144)에서 처리된 상기 시멘트 복합체(110)의 응력 변화 데이터를 원격 모니터링을 위해 무선으로 전송한다. 여기서, 상기 무선통신모듈(145)은 WIFI, 블루투스 또는 CDMA/LTE 모뎀일 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다.
상기 데이터 처리 유닛(140)의 디스플레이(146)는 상기 데이터 처리부(144)에서 처리된 상기 시멘트 복합체(110)의 응력 변화 데이터를 표시하며, 예를 들면, 상기 디스플레이(146)는 LCD 모니터일 수 있다.
도 5를 다시 참조하면, 원격 모니터링 유닛(150)은 상기 데이터 처리 유닛(140)으로부터 무선으로 전송되는 상기 시멘트 복합체(110)의 응력 변화 데이터를 실시간으로 확인 및 저장한다. 또한, 상기 원격 모니터링 유닛(150)은 상기 시멘트 복합체(110)의 응력 변화 데이터를 실시간으로 확인하여 기준값 이상인 경우, 알림메시지를 발생할 수 있다. 예를 들면, 상기 원격 모니터링 유닛(150)은 스마트폰용 앱 등을 이용하여 데이터를 실시간으로 확인할 수 있고, 경고 및 알림메시지를 발생할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체의 원격 모니터링 시스템은 건축구조물의 재난안전 스마트 시스템으로 활용될 수 있다.
예를 들면, 건축구조물이 고온의 화재에 노출될 경우, 표면부에 급격한 열팽창이 발생되지만, 그 내부는 시멘트 복합체(110)의 낮은 열전도성에 기인하여 외부보다 열팽창률이 현저히 낮게 상당시간 유지된다. 이러한 시멘트 복합체(110)의 외부와 내부와의 열팽창률 차이는 높은 응력을 발생시키고, 이러한 응력 발생은 도전성 섬유(120)를 혼입한 시멘트 복합체(110)의 전기저항값을 급격히 증가시킨다. 이때, 전기저항값이 한계치 이상으로 증가될 경우, 원하는 디바이스로 경고 알림메시지를 전송해 줌으로써 조속한 조치가 이루어질 수 있다. 또한, 화재진압이 끝난 후에도 전기저항값을 분석하여 발생된 응력의 크기와 건축구조물의 화재피해 정도를 과학적으로 조사할 수 있다.
또한, 설계당시 계획한 하중보다 용도 변경에 따라 지나치게 하중이 많이 걸리면 전기저항값이 급격히 증가하게 되는데, 이때, 본 발명의 실시예에 따른 도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체의 원격 모니터링 시스템은, 미리 설정한 디바이스로 경고 알림메시지를 전송받음으로써 건축물 붕괴와 같은 사고를 미연에 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체의 원격 모니터링 시스템은, 장기간 차량 이동에 의해 교량의 피로하중이 증가될 경우, 눈에 보이지 않는 균열과 현장의 장비로 측정하기 어려운 부분에서 발생되는 균열 등 교량 전체에서 발생되는 응력 변화(균열 포함)를 실시간으로 모니터링할 수 있다. 따라서 전기저항값이 한계치 이상일 경우, 경고 알림메시지를 전송함으로써 교량 붕괴와 같은 사고를 미연에 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 시멘트 복합체의 강성을 증가시키는 보강섬유로서 도전성 섬유를 시멘트 복합체 내에 혼입하고, 하중, 화재 또는 지진의 외부 환경적 요인에 따른 시멘트 복합체의 응력 변화를 도전성 섬유로부터 검출하여 실시간으로 원격 모니터링할 수 있다. 또한, 부도체인 시멘트 복합체에 도전성 섬유를 혼입하여 피에조 성질을 구현함으로써 시멘트 복합체를 전도체로 변환시킬 수 있고, 이에 따라 콘크리트 배합시의 충격이나 다짐 충격, 양생 중 변형에 의해 파괴되지 않고 별도 제작된 압전센서를 시멘트 복합체 내에 매립 형성하지 않아도 된다.
[도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체의 원격 모니터링 방법]
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체의 원격 모니터링 방법의 동작흐름도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체의 원격 모니터링 방법은, 먼저, 도전성 섬유(120)가 혼입된 시멘트 복합체(110)로부터 상기 도전성 섬유(120)의 1개 또는 2개의 입력단(121a, 121b) 및 출력단(122a, 122b)이 노출되도록 형성한다(S110). 여기서, 상기 도전성 섬유(120)는 전기전도성(Electrical conductivity)을 띠고 시멘트 복합체에 혼입되어 피에조 성질을 갖는 섬유로서 탄소섬유(Carbon fibers), 그래핀옥사이드(Graphene Oxide), SWCNT(single-walled carbon nanotubes), MWCNT(multi-walled carbon nanotubes), 흑연 또는 이상의 섬유를 개질한 섬유일 수 있다.
다음으로, 미소전류 측정 유닛(130)이 상기 도전성 섬유(120)의 입력단(121a, 121b)에 가변전압(Vin)을 인가한다(S120). 이때, 상기 미소전류 측정 유닛(130)은 상기 도전성 섬유(120)의 입력단(121a, 121b) 및 출력단(122a, 122b)에 각각 전기적으로 연결되고, 상기 시멘트 복합체(110)의 일측 면에 고정 설치되는 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 미소전류 측정 유닛(130)이 상기 도전성 섬유(120)의 출력단(122a, 122b)으로부터 미소전류(Iout)를 검출한다(S130). 이때, 상기 검출된 미소전류(Iout)는 디지털 데이터로 변환되어 무선으로 전송될 수 있다.
다음으로, 데이터 처리 유닛(140)이 검출된 미소전류(Iout)에 대응하는 저항값을 산출한다(S140).
다음으로, 상기 데이터 처리 유닛(140)이 산출된 저항값에 따른 상기 시멘트 복합체(110)의 응력 변화를 분석한다(S150).
다음으로, 상기 데이터 처리 유닛(140)이 상기 시멘트 복합체(110)의 응력 변화 데이터를 무선으로 전송한다(S160). 즉, 본 발명의 실시예에 따르면, 와이파이(WIFI), 블루투스, 안테나 등을 이용하여 현장에서 측정된 데이터를 무선으로 전송 및 수신할 수 있다.
다음으로, 원격 모니터링 유닛(150)이 상기 시멘트 복합체(110)의 응력 변화 데이터를 실시간 확인하고 저장한다(S170).
후속적으로, 상기 원격 모니터링 유닛(150)이 상기 시멘트 복합체(110)의 응력 변화 데이터를 실시간으로 확인하여 기준값 이상인 경우, 알림메시지를 발생할 수 있다.
결국, 본 발명의 실시예에 따르면, 부도체인 시멘트 복합체에 도전성 섬유를 혼입하여 피에조 성질을 구현하고, 시멘트 복합체를 전도체로 변환시키며, 이러한 피에조 성질을 활용하여 외부 환경 변화와 이에 따른 시멘트 복합체 내부의 응력 변화를 저항값으로 읽어내고, 이를 와이파이, 블루투스 등의 무선으로 송신할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
110: 시멘트 복합체
120: 도전성 섬유
130: 미소전류 측정 유닛
140: 데이터 처리 유닛
150: 원격 모니터링 유닛
121a, 121b: 도전성 섬유 입력단
122a, 122b: 도전성 섬유 출력단
131: 가변전압 인가부
132: 미소전류 검출부
133: 제어부(MCU)
134: 증폭기(AMP)
135: 필터(Filter)
136: 아날로그/디지털 변환부(ADC)
137: 데이터 인코딩부
138: 데이터 변조부
139: 미소전류 측정 유닛의 근거리 무선통신모듈
141: 데이터 처리 유닛의 근거리 무선통신모듈
142: 데이터 복조부
143: 데이터 디코딩부
144: 데이터 처리부
145: 무선통신모듈
146: 디스플레이
120: 도전성 섬유
130: 미소전류 측정 유닛
140: 데이터 처리 유닛
150: 원격 모니터링 유닛
121a, 121b: 도전성 섬유 입력단
122a, 122b: 도전성 섬유 출력단
131: 가변전압 인가부
132: 미소전류 검출부
133: 제어부(MCU)
134: 증폭기(AMP)
135: 필터(Filter)
136: 아날로그/디지털 변환부(ADC)
137: 데이터 인코딩부
138: 데이터 변조부
139: 미소전류 측정 유닛의 근거리 무선통신모듈
141: 데이터 처리 유닛의 근거리 무선통신모듈
142: 데이터 복조부
143: 데이터 디코딩부
144: 데이터 처리부
145: 무선통신모듈
146: 디스플레이
Claims (13)
- 대체재를 사용하여 시멘트의 일부 또는 전체를 치환하여 수화 반응, 포졸란 반응, 잠재수경성 반응, 중합 반응 또는 알칼리촉진 반응에 의해 경화되어 형성되며, 하중, 화재 또는 지진의 외부 환경적 요인에 의해 응력이 변화하는 시멘트 복합체(110);
상기 시멘트 복합체(110)를 보강하기 위해 혼입되는 전기전도성을 갖는 보강섬유로서, 상기 시멘트 복합체(110)로부터 1개 또는 2개의 입력단(121a, 121b) 및 출력단(122a, 122b)이 노출되도록 형성되며, 상기 시멘트 복합체(110)의 응력 변화에 따라 상기 출력단(122a, 122b)의 전류가 변화하도록 피에조 성질을 갖는 도전성 섬유(120);
상기 시멘트 복합체(110)의 응력 변화를 측정할 수 있도록 상기 도전성 섬유(120)의 입력단(121a, 121b)에 가변전압을 인가하고, 상기 도전성 섬유(120)의 출력단(122a, 122b)으로부터 미소전류를 검출하는 미소전류 측정 유닛(130);
상기 미소전류 측정 유닛(130)로부터 검출된 미소전류에 대응하는 저항값을 산출하고, 상기 산출된 저항값에 따라 상기 시멘트 복합체(110)의 응력 변화를 분석하여, 분석된 응력 변화 데이터를 무선으로 전송하는 데이터 처리 유닛(140); 및
상기 데이터 처리 유닛(140)으로부터 무선으로 전송되는 상기 시멘트 복합체(110)의 응력 변화 데이터를 실시간으로 확인 및 저장하는 원격 모니터링 유닛(150)을 포함하는 도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체의 원격 모니터링 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 도전성 섬유(120)는 전기전도성(Electrical conductivity)을 띠고 시멘트 복합체에 혼입되어 피에조 성질을 갖는 섬유로서 탄소섬유(Carbon fibers), 그래핀옥사이드(Graphene Oxide), SWCNT(single-walled carbon nanotubes), MWCNT(multi-walled carbon nanotubes), 흑연 또는 이상의 섬유를 개질한 섬유인 것을 특징으로 하는 도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체의 원격 모니터링 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 미소전류 측정 유닛(130)은 상기 도전성 섬유(120)의 1개 또는 2개의 입력단(121a, 121b) 및 출력단(122a, 122b)에 각각 전기적으로 연결되고, 상기 시멘트 복합체(110)의 일측 면에 고정 설치되는 것을 특징으로 하는 도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체의 원격 모니터링 시스템. - 제3항에 있어서, 상기 미소전류 측정 유닛(130)은,
상기 도전성 섬유(120)의 입력단(121a, 121b)에 전기적으로 연결되어 상기 시멘트 복합체(110) 내에 가변전압을 인가하는 가변전압 인가부(131);
상기 도전성 섬유(120)의 출력단(122a, 122b)에 전기적으로 연결되어 하중, 화재 또는 지진의 외부 환경적 요인에 의해 응력이 변화하는 시멘트 복합체(110)에서 발생하는 미소전류(Iout)를 검출하는 미소전류 검출부(132);
상기 가변전압 인가부(131)에서 인가되는 입력전원(Vin)을 가변 제어하고, 상기 미소전류 검출부(132)에서 검출되는 미소전류(Iout)를 디지털신호로 변환하는 제어부(132); 및
상기 디지털신호로 변환된 미소전류(Iout) 데이터를 무선으로 전송하는 근거리 무선통신모듈(139)을 포함하는 도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체의 원격 모니터링 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 미소전류 검출부(132)에서 검출된 미소전류(Iout)는 증폭기(134)에 의해 증폭되고, 필터(135)에 의해 노이즈가 제거되며, 아날로그/디지털 변환기(136)에 의해 디지털신호로 변환되는 것을 특징으로 하는 도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체의 원격 모니터링 시스템. - 제4항에 있어서, 상기 데이터 처리 유닛(140)은,
상기 미소전류 측정 유닛(130)의 근거리 무선통신모듈(139)로부터 디지털신호로 변환된 미소전류(Iout) 데이터를 수신하는 근거리 무선통신모듈(141);
상기 수신된 미소전류(Iout) 데이터에 따른 저항값을 산출하고, 상기 산출된 저항값에 따라 상기 시멘트 복합체(110)의 응력 변화를 분석하여 상기 시멘트 복합체(110)의 응력 변화 데이터로 처리하는 데이터 처리부(144); 및
상기 데이터 처리부(144)에서 처리된 상기 시멘트 복합체(110)의 응력 변화 데이터를 원격 모니터링을 위해 무선으로 전송하는 무선통신모듈(145)을 포함하는 도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체의 원격 모니터링 시스템. - 제6항에 있어서,
상기 데이터 처리부(144)에서 처리된 상기 시멘트 복합체(110)의 응력 변화 데이터를 표시하는 디스플레이(146)를 추가로 포함하는 도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체의 원격 모니터링 시스템. - 제6항에 있어서,
상기 데이터 처리 유닛(140)의 무선통신모듈(145)은 WIFI, 블루투스 또는 CDMA/LTE 모뎀인 것을 특징으로 하는 도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체의 원격 모니터링 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 원격 모니터링 유닛(150)은 상기 시멘트 복합체(110)의 응력 변화 데이터를 실시간으로 확인하여 기준값 이상인 경우, 알림메시지를 발생하는 것을 특징으로 하는 도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체의 원격 모니터링 시스템. - a) 도전성 섬유(120)가 혼입된 시멘트 복합체(110)로부터 상기 도전성 섬유(120)의 1개 또는 2개의 입력단(121a, 121b) 및 출력단(122a, 122b)이 노출되도록 형성하는 단계;
b) 미소전류 측정 유닛(130)이 상기 도전성 섬유(120)의 입력단(121a, 121b)에 가변전압(Vin)을 인가하는 단계;
c) 상기 미소전류 측정 유닛(130)이 상기 도전성 섬유(120)의 출력단(122a, 122b)으로부터 미소전류(Iout)를 검출하는 단계;
d) 데이터 처리 유닛(140)이 검출된 미소전류(Iout)에 대응하는 저항값을 산출하는 단계;
e) 상기 데이터 처리 유닛(140)이 산출된 저항값에 따른 상기 시멘트 복합체(110)의 응력 변화를 분석하는 단계;
f) 상기 데이터 처리 유닛(140)이 상기 시멘트 복합체(110)의 응력 변화 데이터를 무선으로 전송하는 단계; 및
g) 원격 모니터링 유닛(150)이 상기 시멘트 복합체(110)의 응력 변화 데이터를 실시간 확인하고 저장하는 단계를 포함하는 도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체의 원격 모니터링 방법. - 제10항에 있어서,
상기 a) 단계의 도전성 섬유(120)는 전기전도성(Electrical conductivity)을 띠고 시멘트 복합체에 혼입되어 피에조 성질을 갖는 섬유로서 탄소섬유(Carbon fibers), 그래핀옥사이드(Graphene Oxide), SWCNT(single-walled carbon nanotubes), MWCNT(multi-walled carbon nanotubes), 흑연 또는 이상의 섬유를 개질한 섬유인 것을 특징으로 하는 도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체의 원격 모니터링 방법. - 제10항에 있어서,
상기 b) 단계의 미소전류 측정 유닛(130)은 상기 도전성 섬유(120)의 1개 또는 2개의 입력단(121a, 121b) 및 출력단(122a, 122b)에 각각 전기적으로 연결되고, 상기 시멘트 복합체(110)의 일측 면에 고정 설치되는 것을 특징으로 하는 도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체의 원격 모니터링 방법. - 제10항에 있어서,
h) 상기 원격 모니터링 유닛(150)이 상기 시멘트 복합체(110)의 응력 변화 데이터를 실시간으로 확인하여 기준값 이상인 경우, 알림메시지를 발생하는 단계를 추가로 포함하는 도전성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체의 원격 모니터링 방법.
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