KR101598355B1 - Sensor measuring material properties of polymer composite - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 폴리머 복합소재의 물성 측정 센서에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 필러와 같은 첨가제가 추가된 폴리머 복합소재의 비등방성 열물성을 소재 시편의 표면에 직접 부착하여 측정함으로써 정확하게 측정할 수 있는 폴리머 복합소재의 물성 측정 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a polymer composite material property measuring sensor, and more particularly, to a polymer composite material which is capable of accurately measuring an anisotropic thermal property of a polymer composite material to which an additive such as a filler is added, And a sensor for measuring a physical property of a composite material.
각각의 소재는 고유의 기계, 전기 및 열적 특성을 가지고 있으며, 필러 등과 같은 첨가제를 추가하여 이러한 특성을 향상시키는 것이 일반적이다. Each material has inherent mechanical, electrical and thermal properties, and it is common to add such additives as fillers to improve these properties.
특히, 폴리머 복합소재의 경우 탄소 또는 금속 소재의 첨가제를 추가하여 기계, 전기 및 열적 특성을 향상시킨다. 이러한 첨가제 중 섬유(fiber) 혹은 플레이크(flake)와 같은 형상의 첨가제가 추가되는 폴리머 복합소재의 경우, 사출이나 압출 등의 성형시 금형의 유로 방향으로 첨가제가 정렬되게 되며, 이에 따른 폴리머 복합소재의 물성은 비등방성을 가지게 된다.In particular, in the case of polymer composites, additives such as carbon or metal are added to improve mechanical, electrical and thermal properties. In the case of a polymer composite material in which additives such as fibers or flakes are added among such additives, the additives are aligned in the flow direction of the mold during molding such as injection or extrusion, The physical properties are anisotropic.
도 1은 필러가 추가된 일반적인 폴리머 복합소재의 배열상태를 보여주는 단면도이다. FIG. 1 is a cross-sectional view showing an arrangement state of a general polymer composite material to which a filler is added.
도 1을 참조하면, 폴리머 복합소재에 추가된 필러들이 굴곡진 부분에서 소재의 두께, 굽힘각도, 곡률반경 및 제조환경 등의 요인 때문에, 그 방향이 일정하게 배열되어 있음을 알 수 있다. 이러한 필러가 추가된 폴리머 복합소재의 열물성은 위치마다 다른 열물성을 나타내게 되는데 특히, 소재의 굴곡진 부분에서의 열전도도는 첨가제의 정렬 및 방향성 때문에 이외 부분에서의 열전도도와는 큰 차이를 보이게 된다.Referring to FIG. 1, it can be seen that the directions of the fillers added to the polymer composite material are uniformly arranged due to factors such as the thickness of the material, the bending angle, the radius of curvature, and the manufacturing environment at the bent portions. The thermal properties of polymer composites with these fillers exhibit different thermal properties depending on the location. Particularly, the thermal conductivity at the bent portion of the material is greatly different from the thermal conductivity at other portions due to alignment and orientation of the additives .
따라서 폴리머 복합소재의 위치별 열물성을 정확하게 측정하는 것은 산업적으로 매우 중요한 문제로 인식되고 있다.Therefore, accurate measurement of the thermophysical properties of the polymer composite material is recognized as a very important problem in industry.
일반적으로 폴리머 복합소재의 열물성을 측정하는 장치로서, laser flash apparatus(LFA)나 열류계(heat flow meter) 등을 이용한다. In general, a laser flash apparatus (LFA) or a heat flow meter is used for measuring the thermal properties of a polymer composite material.
그러나 상기한 기존의 측정장치를 이용하여 폴리머 복합소재의 열물성을 측정하는 경우 제한된 시편의 크기나 두께만이 측정가능하다는 문제점이 있다. 정확한 열물성 측정을 위하여 시편에 추가적인 성형 등을 통하여 열이력을 부가하여 측정하게 되는데, 이로 인하여 측정된 시편의 상태는 측정하고자 하는 최종 소재의 상태와는 다른 상태의 열물성을 갖게되는 문제점을 여전히 가지고 있게 된다.However, when the thermo-physical properties of the polymer composite material are measured using the conventional measuring apparatus, there is a problem that only a limited size or thickness of the specimen can be measured. In order to accurately measure the thermal properties, the thermal history is added to the specimen through additional molding or the like, and thus the measured specimen has a thermal property different from that of the final material to be measured. .
또한, 정확한 측정을 위하여 완제품 상태의 소재에 직접 센서를 부착하여 측정하는 것이 바람직한데, 폴리머 복합소재에 직접 센서를 증착하는 것은 어려운 실정이다.In addition, it is desirable to measure by attaching a sensor directly to the material of the finished product for accurate measurement. It is difficult to deposit the sensor directly on the polymer composite material.
따라서 폴리머 복합소재의 위치별 열물성을 정확하게 측정할 수 있는 새로운 측정장치의 개발이 요구되고 있다.Therefore, it is required to develop a new measuring device capable of accurately measuring the thermophysical properties of polymer composite materials.
본 발명자들은 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위해 연구 노력한 결과, 측정하고자 하는 소재의 시편에 추가적인 형상이나 열이력을 부가하지 않고 소재 시편의 표면에 직접 부착할 수 있는 PDMS 기판과 박막열선을 적용함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.DISCLOSURE OF THE INVENTION The present inventors have made efforts to solve all the disadvantages and problems of the prior art as described above, and as a result, they have found that a PDMS substrate, which can be directly attached to a surface of a workpiece without adding additional shape or thermal history to the workpiece, The present invention has been accomplished by applying a thin film heating wire.
따라서, 본 발명의 목적은 필러와 같은 첨가제가 추가된 폴리머 복합소재의 열물성을 소재 시편의 표면에 직접 부착하여 측정할 수 있는 폴리머 복합소재의 물성 측정 센서를 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a physical property measuring sensor of a polymer composite material capable of measuring the thermal property of a polymer composite material to which an additive such as a filler is added, directly on the surface of the material sample.
본 발명의 또 다른 목적은 필러와 같은 첨가제가 추가된 폴리머 복합소재의 비등방성 열물성을 효율적으로 정확하게 측정할 수 있는 폴리머 복합소재의 물성 측정 센서를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a polymer composite material property measuring sensor capable of efficiently and accurately measuring an anisotropic thermo physical property of a polymer composite material to which an additive such as a filler is added.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 측정대상물의 표면에 부착되는 기판; 상기 기판 상에 적어도 하나 이상 구비되며, 열을 발생함과 함께 온도측정을 수행하는 박막열선; 상기 박막열선에 교류전류를 공급하는 교류전원; 및 상기 박막열선으로부터의 온도신호를 수신하여 상기 측정대상물의 열물성을 측정하는 제어부;를 포함하며, 상기 측정대상물의 위치별 열물성을 측정하는 것을 특징으로 하는 복합소재의 물성 측정 센서를 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a plasma display panel comprising: a substrate; A thin film heating wire provided on at least one of the substrates to perform temperature measurement together with generating heat; An alternating-current power supply for supplying an alternating current to the thin-film hot wire; And a controller for receiving a temperature signal from the thin film heating wire and measuring the thermal properties of the measurement object, wherein the thermal property of the measurement object is measured for each position of the measurement object .
바람직한 실시예에 있어서, 상기 측정대상물은 폴리머 복합소재이다.In a preferred embodiment, the object to be measured is a polymer composite material.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 열물성은 열전도도, 열확산율 및 비열 중 어느 하나이다. In a preferred embodiment, the thermal properties are any of thermal conductivity, thermal diffusivity and specific heat.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 열물성은 상기 폴리머 복합소재의 비등방 열물성이다.In a preferred embodiment, the thermal properties are anisotropic thermal properties of the polymer composite.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 복합소재의 물성 측정 센서는 3오메가(3ω) 열분석법을 이용하여 열물성을 측정할 수 있다.In a preferred embodiment, the material property measuring sensor of the composite material is capable of measuring thermal properties using 3 omega (3ω) thermal analysis.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 기판은 폴리다이메틸실록세인(polydimethylsiloxane, 이하 PDMS) 또는 캡톤테이프(kaptone tape) 소재로 이루어지며, 상기 기판은 1 내지 10㎛ 범위의 일정 두께로 형성되는 것이 바람직하다.In a preferred embodiment, the substrate is made of polydimethylsiloxane (PDMS) or captone tape, and the substrate is preferably formed to a thickness of 1 to 10 μm.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 박막열선은 Al, Pt, Ni, W, Ti 및 Cr으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나로 이루어지며, 상기 박막열선의 길이는 2㎜이하, 두께는 1㎛이하, 폭은 1 내지 40㎛ 범위의 일정 폭으로 형성되는 것이 바람직하다. In a preferred embodiment, the thin film hot wire is made of any one selected from the group consisting of Al, Pt, Ni, W, Ti and Cr, the thin film hot wire has a length of 2 mm or less, And is preferably formed to have a constant width in the range of 1 to 40 mu m.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 박막열선과 이웃하는 박막열선과의 간격은 수십 ㎛ 내지 수 ㎜ 범위의 일정 간격을 유지하며, 길이방향으로 서로 평행하게 형성된다.In a preferred embodiment, the gap between the thin film heating wire and the adjacent thin film heating wire is formed to be parallel to each other in the longitudinal direction, maintaining a constant gap of several tens of micrometers to several millimeters.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 또한 측정대상물의 표면에 부착되는 기판; 상기 기판 상에 적어도 하나 이상 구비되며, 열을 발생시키는 박막열선; 상기 박막열선과 일정 간격을 유지하여 구비되며, 온도를 측정하는 온도센서; 상기 박막열선에 교류전류를 공급하는 교류전원; 및 상기 온도센서의 온도신호를 수신하여 상기 측정대상물의 열물성을 측정하는 제어부;를 포함하며, 상기 측정대상물의 위치별 열물성을 측정하는 것을 특징으로 하는 복합소재의 물성 측정 센서를 제공한다.In order to accomplish the above object, the present invention also provides a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: a substrate attached to a surface of a measurement object; A thin film heating wire provided on the substrate and generating at least one heat; A temperature sensor provided at a predetermined interval from the thin film heating line for measuring a temperature; An alternating-current power supply for supplying an alternating current to the thin-film hot wire; And a controller for receiving the temperature signal of the temperature sensor and measuring the thermal properties of the measurement object, wherein the thermal property of the measurement object is measured for each position.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 측정대상물은 폴리머 복합소재이다.In a preferred embodiment, the object to be measured is a polymer composite material.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 열물성은 열전도도, 열확산율 및 비열 중 어느 하나이다. In a preferred embodiment, the thermal properties are any of thermal conductivity, thermal diffusivity and specific heat.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 열물성은 상기 폴리머 복합소재의 비등방 열물성이다.In a preferred embodiment, the thermal properties are anisotropic thermal properties of the polymer composite.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 기판은 폴리다이메틸실록세인(polydimethylsiloxane, 이하 PDMS) 또는 캡톤테이프(kaptone tape) 소재로 이루어지며, 상기 기판은 1 내지 10㎛ 범위의 일정 두께로 형성되는 것이 바람직하다.In a preferred embodiment, the substrate is made of polydimethylsiloxane (PDMS) or captone tape, and the substrate is preferably formed to a thickness of 1 to 10 μm.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 박막열선은 Al, Pt, Ni, W, Ti 및 Cr으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나로 이루어지며, 상기 박막열선의 길이는 2㎜이하, 두께는 1㎛이하, 폭은 1 내지 40㎛ 범위의 일정 폭으로 형성되는 것이 바람직하다. In a preferred embodiment, the thin film hot wire is made of any one selected from the group consisting of Al, Pt, Ni, W, Ti and Cr, the thin film hot wire has a length of 2 mm or less, And is preferably formed to have a constant width in the range of 1 to 40 mu m.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 박막열선과 이웃하는 박막열선과의 간격은 수십 ㎛ 내지 수 ㎜ 범위의 일정 간격을 유지하며, 길이방향으로 서로 평행하게 형성된다.In a preferred embodiment, the gap between the thin film heating wire and the adjacent thin film heating wire is formed to be parallel to each other in the longitudinal direction, maintaining a constant gap of several tens of micrometers to several millimeters.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 박막열선과 이웃하는 박막열선은 길이방향으로 일정 각도를 형성하며 구비될 수 있다.In a preferred embodiment, the thin film hot wire adjacent to the thin film hot wire may be provided at a predetermined angle in the longitudinal direction.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과가 있다.The present invention has the following excellent effects.
먼저, 본 발명의 폴리머 복합소재의 물성 측정 센서에 의하면, 첨가제가 추가된 폴리머 복합소재의 열물성을 소재 시편의 표면에 직접 부착하여 측정할 수 있으므로, 소재의 시편에 추가적인 형상이나 열이력을 부가하지 않고 간단하면서도 효율적으로 측정할 수 있다.First, according to the polymer composite material property measuring sensor of the present invention, since the thermo-physical properties of the polymer composite material to which the additive is added can be directly measured on the surface of the material specimen, additional shape or thermal history Can be measured easily and efficiently.
또한, 본 발명의 폴리머 복합소재의 물성 측정 센서에 의하면 필러와 같은 첨가제가 추가된 폴리머 복합소재의 위치별 비등방성 열물성을 정확하게 측정할 수 있는 효과가 있다.In addition, according to the physical property measuring sensor of the polymer composite material of the present invention, anisotropic thermal properties of the polymer composite material with additives such as filler can be accurately measured.
도 1은 필러가 추가된 일반적인 폴리머 복합소재의 배열상태를 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 폴리머 복합소재의 물성 측정 센서를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 폴리머 복합소재의 물성 측정 센서를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 폴리머 복합소재의 물성 측정 센서를 보여주는 도면이다.FIG. 1 is a cross-sectional view showing an arrangement state of a general polymer composite material to which a filler is added.
FIG. 2 is a view showing a physical property measuring sensor of a polymer composite material according to a first embodiment of the present invention.
3 is a view showing a physical property measuring sensor of a polymer composite material according to a second embodiment of the present invention.
4 is a view showing a physical property measuring sensor of a polymer composite material according to a third embodiment of the present invention.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다. Although the terms used in the present invention have been selected as general terms that are widely used at present, there are some terms selected arbitrarily by the applicant in a specific case. In this case, the meaning described or used in the detailed description part of the invention The meaning must be grasped.
이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시 예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the technical structure of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and preferred embodiments.
그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 본 발명을 설명하기 위해 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. Like reference numerals used to describe the present invention throughout the specification denote like elements.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 폴리머 복합소재의 물성 측정 센서를 보여주는 도면이다.FIG. 2 is a view showing a physical property measuring sensor of a polymer composite material according to a first embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 폴리머 복합소재의 물성 측정 센서(100)는 기판(110)과, 상기 기판(110) 상에 적어도 하나 이상 구비되는 박막열선(120)과, 교류전원(130) 및 제어부(미도시)를 포함하여 구비된다.2, the polymer composite material
본 발명의 제1실시예에 따른 폴리머 복합소재의 물성 측정 센서(100)는 측정대상물인 필러와 같은 첨가제가 추가된 폴리머 복합소재의 열물성을 측정할 수 있는 센서로서, 열전도도나 열확산율 및 비열 등과 같은 열물성을 효율적으로 측정할 수 있는 센서이다. 특히, 첨가제가 추가된 폴리머 복합소재의 물성은 도 1과 같이 비등방성을 갖기 때문에 폴리머 복합소재의 비등방 열물성을 효율적으로 측정할 수 있다. The polymer composite material
이때, 측정대상물인 상기 폴리머 복합소재로서 탄소나노튜브, 그래핀, 그라파이트 분말, 카본 블랙, 절단된 PAN 또는 pitch계열 탄소섬유 등 첨가제가 중량비 대비 70%중량부 까지 포함된 폴리머 복합소재를 사용할 수 있다. 그리고, 측정대상물의 시편은 사출, 압출, 컴프레션 몰딩(compression molding) 등의 방법으로 제작하거나, 완제품 상태를 그대로 또는 원하는 부분을 절단하여 폴리싱(polishing)한 후 사용할 수도 있다.At this time, a polymer composite material containing 70% by weight of additives such as carbon nanotubes, graphene, graphite powder, carbon black, cut PAN or pitch-based carbon fibers as the polymer composite material may be used . The specimen of the object to be measured may be prepared by a method such as injection molding, extrusion molding, compression molding, etc., or may be used after being polished by cutting the desired part or the desired part.
상기 기판(110)은 폴리머 복합소재의 표면에 직접 부착할 수 있는 소재를 사용하였다. 즉, 폴리머 복합소재에 센서 기판을 직접 증착하는 것은 어렵기 때문에 플렉시블하면서도 소재와의 접착성이 높은 기판을 사용함으로써, 측정대상물의 시편의 형상이나 소재 등의 제한 없이 효율적이면서도 정확하게 측정할 수 있도록 하였다. The
이러한 상기 기판(110)으로서 폴리다이메틸실록세인(polydimethylsiloxane, 이하 PDMS)이나 캡톤테이프(kaptone tape) 등과 같은 소재를 사용하였다.As the
상기 PDMS나 캡톤테이프와 같은 소재의 기판을 사용함으로써, 별도의 접착제없이 상기 PDMS나 캡톤테이프의 접착력만으로도 시편에 접착할 수 있으며, 시편의 형상이나 소재 등의 제한없이 용이하게 접착하여 사용할 수 있다. 또한, 완성된 측정센서와 시편 사이 접촉 열저항을 줄일 수 있는 장점이 있다.By using a substrate such as PDMS or Capton Tape, it can be bonded to a specimen only by the adhesive force of the PDMS or capton tape without any adhesive, and can be easily bonded without restriction of the shape and material of the specimen. It also has the advantage of reducing contact thermal resistance between the completed measurement sensor and the specimen.
상기 기판(110)의 두께는 1 내지 10㎛ 범위의 일정 두께의 박막으로 형성하는 것이 바람직하며, 실리콘(Si) 웨이퍼 위에 스핀코팅된 PDMS 등에 박막열선을 증착한 후에 사용하거나 또는 실리콘 웨이퍼 없이 상기 PDMS 또는 캡톤테이프 위에 박막열선을 증착하여 사용할 수도 있다.The thickness of the
상기 기판(110) 상에는 박막열선(120)이 구비되어 있으며, 상기 박막열선(110)에 교류전류를 공급하는 교류전원(130)이 구비되어 있다. A thin film
상기 박막열선(120)은 상기 기판(110) 상에 적어도 하나 이상 구비되는 것이 바람직하며, 열을 발생함과 함께 온도를 측정하는 온도센서 역할을 수행한다.Preferably, the thin
상기 박막열선(120)은 금속을 이용하여 형성할 수 있는데, Al, Pt, Ni, W, Ti 및 Cr으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 이용하여 형성할 수 있다. 이때, 상기 박막열선(130) 길이는 2㎜이하, 두께는 1㎛이하, 폭은 1 내지 40㎛ 범위의 일정 폭으로 형성하는 것이 바람직하다. 상기 박막열선(120)의 길이는 길수록, 두께는 얇을수록 또한 폭은 작은수록 소재의 열전도도 측정 민감도가 증가한다. 하지만 측정 공간해상도, 박막열선-시편 제조 방법에 따른 제한요소 등에 따라서 상기 범위 내에서 적절한 수치를 정하여 사용하는 것이 바람직하다The thin
그리고, 상기 박막열선(120)과 이웃하는 박막열선과의 간격은 수십 ㎛ 내지 수 ㎜ 범위의 일정 간격을 유지하도록 구비하는 것이 바람직하며, 상기 박막열선(120)의 길이방향으로 서로 평행하게 형성하는 것이 바람직하다.The gap between the thin
상기 각각의 박막열선(120)에는 상기 교류전원(130)이 연결되어 있으며, 필요에 따라 각각의 박막열선(120)의 상기 교류전원(130)의 인가를 조절(최대 수 mW/ 0.1Hz 내지 수 kHz의 주파수 범위)할 수 있다.The
즉, 상기 박막열선(120)에 상기 교류전원(130)이 모두 인가된 경우에는 각각의 상기 박막열선(120)에서 저항열을 측정하여 온도를 측정하며, 하나의 박막열선에는 교류전원이 인가되고 이웃하는 박막열선에는 교류전원을 인가하지 않은 경우에는 이웃하는 박막열선에서 저항열을 측정하여 온도를 측정한다. That is, when all of the
상기 제어부(미도시)는 상기 박막열선(120)으로부터 측정된 온도신호를 검출하고, 이러한 온도신호를 온도진폭과 위상으로 환산하여 상기 측정대상물의 열물성을 측정한다. 이때, 3오메가(3ω) 열분석법을 이용하여 열물성을 측정할 수 있다.The controller (not shown) detects a temperature signal measured from the thin
환산된 온도진폭과 위상은 상기 기판(110)의 재질과 시편의 열물성의 함수로 이루어지며, 이를 3오메가 열분석법으로 계산하여 시편의 열물성인 열전도도, 열확산율 및 비열 등의 정보를 얻을 수 있다.The converted temperature amplitude and phase are a function of the material of the
즉, 본 발명의 제1실시예에 따른 폴리머 복합소재의 물성 측정 센서(100)는 상기 박막열선(120)에 가해지는 상기 교류전원(130)의 주파수를 조절하여 공간해상도를 수 ㎜에서 수십㎛로 조절할 수 있으며, 시편의 위치별 열물성 측정을 통하여 시편의 첨가제 균일 혼합도를 정량적으로 분석할 수 있다. 이때, 상기 박막열선(120)의 다양한 배열을 통하여 시편의 비등방 열물성을 정량적으로 측정할 수 있다.That is, the polymer composite material
상술한 본 발명의 제1실시예에 따른 폴리머 복합소재의 물성 측정 센서(100)는 다양한 크기로 절단하여 사용할 수 있는데, 예를 들면 5x5㎟ 크기로 센서를 절단하여 측정대상물인 폴리머 복합소재의 시편에 부착하여 사용할 수 있다. 한편, 측정대상물인 폴리머 복합소재의 시편의 평평한 부분에 상기 센서를 부착하여 사용하는 것이 바람직하며, 필요시 상기 시편을 절단하거나 또는 폴리싱(polishing) 과정을 거친 다음 측정하는 것이 바람직하다.
The physical
이하에서는 본 발명의 제1실시예에 따른 폴리머 복합소재의 물성 측정 센서(100)를 이용하여 폴리머 복합소재의 열물성을 측정하는 과정에 대해 설명하기로 한다.Hereinafter, the process of measuring the thermal properties of the polymer composite material using the polymer composite material
먼저, 폴리머 복합소재의 물성 측정 센서(5x5㎟)를 시편의 평평한 면위에 부착한다. 이때, Si 웨이퍼 위에 스핀코팅한 PDMS 기판 상에는 두 개의 박막열선이 형성되어 있으며, 각각 교류전원이 열결되어 있다. First, a physical property measurement sensor (5x5mm2) of a polymer composite material is attached on the flat surface of the specimen. At this time, two thin film heating wires are formed on the PDMS substrate which is spin-coated on the Si wafer, and the AC power source is thermally connected.
이어서, 각각의 박막열선에 교류전원을 연결하여 발생하는 저항열을 각각 측정하여 온도를 측정한다. 제어부는 측정된 온도신호를 검출하고, 이러한 온도신호를 온도진폭과 위상으로 환산하여 시편의 열물성을 측정한다. Next, the resistance heat generated by connecting the AC power source to each thin film heating wire is measured and the temperature is measured. The control unit detects the measured temperature signal and converts the temperature signal into temperature amplitude and phase to measure the thermal properties of the specimen.
이때, 3오메가(3ω) 열분석법을 이용하여 상기 시편의 열물성을 측정한다.At this time, the thermal properties of the specimen are measured using 3 omega (3?) Thermal analysis.
3ω 열분석법은 금속 박막열선(heater)이 놓여있는 시편의 열물성을 측정하는 방법으로 사용되고 있다. 상기 3ω 열분석법은 반무한 기저물질(semi-infinite substrate) 위에 박막열선이 위치하고 있다고 가정한다. 일정 길이의 금속 박막열선에 ω각속도의 교류전류를 인가하면, 줄(Joule)열에 의한 2ω각속도의 열유속이 발생한다. 발생한 열유속은 기저물질의 열확산율에 따라 박막열선 주변으로 전도열이 전달된다. 기저물질의 열물성치에 따라서 박막열선의 2ω온도진폭이 결정되며, 박막열선의 온도, 저항간 선형적 관계를 통해서 박막열선 저항 역시 2ω의 각속도로 진동한다. 박막열선의 저항 진동과 입력 교류전류가 합쳐져서 발생한 3ω각속도의 전압을 측정함으로 박막열선의 온도진폭을 알 수 있다. 상기 박막열선에서 발생한 열유속(Q’), 반무한 기저물질 표면 x 위치에서의 온도진폭(ΔT(x))과 기저물질의 열전도율(k)의 관계는 [수학식 1]로 표현될 수 있다. 3 Ω thermal analysis is used as a method to measure the thermal properties of a specimen on which a metal thin film heater is placed. The 3? Thermal analysis assumes that a thin film hot line is located on a semi-infinite substrate. When an alternating current of an angular velocity of ω is applied to a hot metal wire of a certain length, a heat flux of 2ω angular velocity is generated by a joule heat. The generated heat flux is transferred to the periphery of the thin film heat line according to the thermal diffusivity of the base material. The 2ω temperature amplitude of the thin film hot wire is determined by the thermal properties of the base material, and the thin film hot wire resistance also oscillates at an angular velocity of 2ω through the linear relationship between the temperature and the resistance of the thin film hot wire. The temperature amplitude of the thin film hot wire can be determined by measuring the voltage of 3 ω angular velocity generated by the combined resistance oscillation of the thin film hot wire and the input alternating current. The relationship between the heat flux (Q ') generated in the thin film hot wire, the temperature amplitude (ΔT (x)) at the position of the semi-infinite base material surface x and the thermal conductivity k of the base material can be expressed by the following equation (1).
여기서 k는 적분상수, b는 열선의 반폭, q는 복합열파동수(complex thermal wave number)로 입력교류전류의 진동 각속도 ω, 유체의 밀도 ρ, 유체의 열용량 Cp로 이루어졌으며, 다음과 같은 [수학식 2]로 나타낼 수 있다.Where k is the integral constant, b is the half-width of the hot line, q is the complex thermal wave number, the vibration angular velocity of the input alternating current, the density of the fluid, and the heat capacity of the fluid, Cp. (2).
여기서 열선의 평균 온도진폭(ΔT)을 구하기 위하여 상기 수학식식 1을 박막열선 너비로 적분하면 다음과 같은 [수학식 3]을 유도할 수 있다.Here, in order to obtain the average temperature amplitude? T of the hot line, the following Equation (3) can be derived by integrating Equation 1 with the thin film hot line width.
일반적으로 측정한 2ω의 열선 온도진폭을 상기 [수학식 3]의 해석해와 비교함으로 기저물질의 열물성치를 계산한다. The thermal property value of the base material is calculated by comparing the measured heat wave temperature amplitude of 2? With the analytical solution of Equation (3).
한편, 3ω 열분석법은 교류방법이기 때문에, 입력 주파수를 조절함으로 기저물질 혹은 유체로의 열침투깊이(thermal penetration depth)를 조절할 수 있다. 열침투깊이는 │1/q│로 정의되는데, 박막열선에서 발생한 온도진동이 매질의 깊이 방향으로 전파되는 물리적인 거리 단위(length scale)이다. 박막열선 구조의 3ω 센서를 고려할 때, 열침투깊이의 7배 떨어진 거리에서의 온도진폭은 박막열선의 그것과 비교하여 0.1% 미만의 값을 가지는 것으로 알려져 있다. On the other hand, since 3Ω thermal analysis is an alternating method, the thermal penetration depth of base material or fluid can be controlled by controlling the input frequency. The thermal penetration depth is defined as | 1 / q |, which is a physical distance scale in which the temperature oscillation generated in the thin film hot line propagates in the depth direction of the medium. Considering a 3 ω sensor with a thin-film hot-wire structure, the temperature amplitude at a distance of 7 times the depth of thermal penetration is known to have a value of less than 0.1% in comparison with that of a thin-film hot wire.
본 발명과 같이 측정하고자 하는 소재 위에 열침투깊이와 비교하여 무시할 수 있는 두께의 추가 기판 (PDMS 혹은 캡톤테이프 등)의 물질이 있는 경우를 고려할 수 있다. 이 경우에 기판에서의 온도 진폭은 다음 [수학식 4]와 같다.As in the present invention, there may be considered a case where there is a substance of additional substrate (PDMS or Capton tape or the like) having a negligible thickness compared to the depth of penetration on the material to be measured. In this case, the temperature amplitude in the substrate is expressed by the following equation (4).
여기서 t는 기판의 두께, Kf는 기판의 열전도도이다. Where t is the thickness of the substrate, and Kf is the thermal conductivity of the substrate.
상술한 방법을 통하여 실험적으로 측정한 온도진폭과 이미 알고 있는 기판의 두께, 열전도도, 열선 열유속을 이용하여 시편의 열전도도, 열확산율 및 비열을 계산할 수 있다.
The thermal conductivity, thermal diffusivity and specific heat of the specimen can be calculated by using the experimentally measured temperature amplitude and the known thickness, thermal conductivity, and heat flux of the substrate through the above-described method.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 폴리머 복합소재의 물성 측정 센서를 보여주는 도면이다.3 is a view showing a physical property measuring sensor of a polymer composite material according to a second embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 폴리머 복합소재의 물성 측정 센서(200)는 기판(210)과, 상기 기판(210) 상에 적어도 하나 이상 구비되는 박막열선(220)과, 교류전원(230), 온도센서(240) 및 제어부(미도시)를 포함하여 구비된다.3, the polymer composite material
본 발명의 제2실시예에 따른 폴리머 복합소재의 물성 측정 센서(200)의 주요 구성은 본 발명의 제1실시예에 따른 폴리머 복합소재의 물성 측정 센서(100)와 동일하며, 상기 박막열선(220) 및 상기 온도센서(240)의 구성에 있어 차이가 있다. 따라서, 상기 박막열선(220)과 상기 온도센서(240) 구성의 설명을 제외하고는 본 발명의 제1실시예를 참조하기로 한다.The main structure of the polymer composite material
상기 박막열선(220)은 상기 기판(210) 상에 적어도 하나 이상 구비되는 것이 바람직하며, 저항을 측정하는 열을 발생함과 함께 온도를 측정하는 온도센서 역할을 수행한다. 이때, 상기 박막열선(220)은 시편의 깊이 방향의 온도를 측정한다.Preferably, at least one thin
상기 온도센서(240)는 상기 박막열선(220)과 일정 간격을 유지하며 구비되는데, 상기 박막열선(220)으로부터 발생한 열이 확산되어 일정 간격 떨어진 곳의 온도를 측정한다. 즉, 상기 온도센서(240)는 시편의 평면과 평행한 방향의 열물성(특히, 열전도도)을 측정한다. 이때, 상기 온도센서(240)는 상기 박막열선(220)의 길이방향으로 서로 평행하게 구비되는 것이 바람직하며, 그 형상(길이, 두께, 폭)도 상기 박막열선(220)과 동일하게 형성하는 것이 바람직하다.The
상기 온도센서(240)는 상기 박막열선(220)의 주변에 하나 또는 필요한 수만큼 구비하여 사용할 수 있다.The
즉, 본 발명의 제2실시예에 따른 폴리머 복합소재의 물성 측정 센서(200)는 상기 박막열선(120)에서 측정하는 시편의 깊이 방향으로 등방성으로 열확산되어 전파된 결과의 온도신호와 함께, 상기 온도센서(240)에서 측정하는 시편의 평면과 평행인 방향으로 열확산된 결과의 온도신호를 측정함으로써 시편의 비등방 열물성을 정량적으로 분석할 수 있다. 이때, 상기 박막열선(220)과 상기 온도센서(240)의 다양한 배열을 통하여 시편의 비등방 열물성을 정량적으로 측정할 수 있다.
That is, in the polymer composite material
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 폴리머 복합소재의 물성 측정 센서를 보여주는 도면이다.4 is a view showing a physical property measuring sensor of a polymer composite material according to a third embodiment of the present invention.
도 4을 참조하면, 폴리머 복합소재의 물성 측정 센서(300)는 기판(310)과, 상기 기판(310) 상에 적어도 하나 이상 구비되는 박막열선(320)과, 교류전원(330), 온도센서(340) 및 제어부(미도시)를 포함하여 구비된다.4, the polymer composite material
이때, 상기 박막열선(320)과 이웃하는 박막열선은 길이방향으로 일정한 각도를 유지하면서 형성되어 있다. At this time, the thin film heating wire adjacent to the thin
따라서, 본 발명의 제3실시예에 따른 폴리머 복합소재의 물성 측정 센서(300)는 하나의 센서에서 시편의 다양한 방향의 열물성을 측정할 있다. Accordingly, the polymer composite material
본 발명의 제3실시예에 따른 폴리머 복합소재의 물성 측정 센서(300)의 주요 구성은 본 발명의 제2실시예에 따른 폴리머 복합소재의 물성 측정 센서(200)와 동일하며, 상기 온도센서(340)의 구비 위치에 있어 차이가 있다. 따라서, 상기 온도센서(340) 구성의 설명을 제외하고는 본 발명의 제2실시예를 참조하기로 한다.The main configuration of the polymer composite material
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능하다 할 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of limitation, Various changes and modifications may be made by those skilled in the art.
10: 시편 100: 폴리머 복합소재의 물성 측정 센서
110: 기판 120: 박막열선
130: 교류전원 240: 온도센서10: PSI 100: Physical property measurement sensor of polymer composite material
110: substrate 120: thin film heating wire
130: AC power supply 240: Temperature sensor
Claims (21)
상기 기판상에 구비되며, 상기 폴리머 복합소재의 깊이 방향의 온도를 측정하는 박막열선;
상기 박막열선과 일정 간격을 유지하며 상기 기판상에 구비되며, 상기 폴리머 복합소재의 평면과 평행한 방향의 상기 박막열선으로부터의 온도를 측정하는 온도센서;
상기 박막열선에 교류전류를 공급하는 교류전원; 및
상기 박막열선 및 상기 온도센서에서 측정한 온도신호를 수신하여 상기 폴리머 복합소재의 열물성을 측정하는 제어부;를 포함하며,
상기 제어부는 상기 박막열선으로부터의 등방성 열물성과 함께, 상기 온도센서로부터의 비등방성 열물성을 측정하는 것을 특징으로 하는 복합소재의 물성 측정 센서.A substrate formed of polydimethylsiloxane (hereinafter referred to as PDMS) or captone tape with a certain thickness in the range of 1 to 10 μm and adhered to the surface of the polymer composite material as a measurement object;
A thin film heating wire provided on the substrate and measuring the temperature in the depth direction of the polymer composite material;
A temperature sensor disposed on the substrate at a predetermined interval from the thin film heating line and measuring a temperature from the thin film heating line in a direction parallel to the plane of the polymer composite material;
An alternating-current power supply for supplying an alternating current to the thin-film hot wire; And
And a controller for receiving the temperature signal measured by the temperature sensor and measuring the thermal properties of the polymer composite material,
Wherein the controller measures anisotropic thermal properties from the thin film hot wire and anisotropic thermal properties from the temperature sensor.
상기 열물성은 열전도도, 열확산율 및 비열 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 복합소재의 물성 측정 센서.The method according to claim 1,
Wherein the thermal property is any one of thermal conductivity, thermal diffusivity, and specific heat.
상기 복합소재의 물성 측정 센서는 3오메가(3ω) 열분석법을 이용하여 열물성을 측정하는 것을 특징으로 하는 복합소재의 물성 측정 센서.The method according to claim 1,
Wherein the physical property measuring sensor of the composite material measures thermal property using a 3 omega (3?) Thermal analysis method.
상기 박막열선은 Al, Pt, Ni, W, Ti 및 Cr으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합소재의 물성 측정 센서.The method according to any one of claims 1, 4, and 5,
Wherein the thin film heating wire is made of any one selected from the group consisting of Al, Pt, Ni, W, Ti, and Cr.
상기 박막열선 및 상기 온도센서의 길이는 2㎜이하, 두께는 1㎛이하, 폭은 1 내지 40㎛ 범위의 일정 폭으로 형성되는 것을 특징으로 하는 복합소재의 물성 측정 센서.The method according to claim 6,
Wherein the thin film heating wire and the temperature sensor have a length of 2 mm or less, a thickness of 1 占 퐉 or less, and a width of 1 to 40 占 퐉.
상기 박막열선과 상기 온도센서와의 간격은 수십 ㎛ 내지 수 ㎜ 범위의 일정 간격을 유지하며, 길이방향으로 서로 평행하게 형성되는 것을 특징으로 하는 복합소재의 물성 측정 센서.8. The method of claim 7,
Wherein the gap between the thin film heating wire and the temperature sensor is maintained at a constant interval of several tens of micrometers to several millimeters and is formed parallel to each other in the longitudinal direction.
상기 박막열선과 상기 온도센서는 길이방향으로 일정 각도를 형성하며 구비되는 것을 특징으로 하는 복합소재의 물성 측정 센서.8. The method of claim 7,
Wherein the thin film heating wire and the temperature sensor are provided at a predetermined angle in the longitudinal direction.
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