KR102128895B1 - 복합재의 열팽창계수 측정 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복합재의 열팽창계수 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 복합재의 길이 방향과, 폭 방향과, 두께 방향 각각에 대한 선팽창계수 및 체팽창계수를 단일 시험을 통하여 산출해 낼 수 있는 복합재의 열팽창계수 측정 장치 및 이를 이용한 측정방법이 개시된다.

Description

복합재의 열팽창계수 측정 장치 및 방법{Measuring Device And Method of Thermal Expansion Factor of Composite Materials}
본 발명은 복합재의 열팽창계수 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복합재로 이루어진 시편을 단일 시험을 통해 방향성 및 각 방향에 대한 열팽창계수를 측정할 수 있는 복합재의 열팽창계수 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
열팽창계수에는 체팽창계수와 선팽창계수가 있는데, 상기 체팽창계수는 재료의 온도가 1℃ 상승할 때 재료가 팽창한 길이를 재료가 0℃일때의 길이로 나눈 값을 의미하고, 선팽창계수는, 재료의 온도가 1℃ 상승할 때 재료가 팽창한 길이를 재료가 0℃일때의 길이로 나눈 값을 의미한다. 이 중 선팽창계수의 측정은 열팽창계수측정기(TMA: Thermo Mechanical Analysis)를 이용하여 측정하는데, 열팽창계수 측정기의 선팽창계수 측정과정은 다음과 같다.
먼저 ASTM E831(Standard Test Method for Linear Thermal Expansion of Solid Materials by Thermomechanical Analysis)이라는 규격에 따르는 큐빅 형태의 시편을 준비한다. 다음, 열팽창계수측정기에 마련된 석영 스테이지에 시편을 위치시키고 프루브를 이용하여 상기 시편을 수직방향으로 일정 하중을 가하여 시편의 초기 길이를 측정한다. 다음 설정된 온도조건으로 시편을 가열함에 따라 시료의 수직방향 길이변화를 측정하고, 시편의 가열 전후 길이변화와 온도변화를 이용하여 시편의 선팽창계수를 산출한다.
참고로, 상기와 같은 열팽창계수측정기는 균질등방성 재료의 경우는 재료의 경우는 길이 방향, 폭 방향, 두께 방향 각각에 대한 선팽창계수가 모두 동일하므로 해당 재료의 체팽창계수는 선팽창계수의 3배에 해당하므로 체팽창계수 또한 산출할 수 있다.
그런데 재료가 복합재료로 형성되어 방향성이 존재하는 경우, 해당 재료의 선팽창계수는 길이 방향, 폭 방향, 두께 방향 각각에 대한 선팽창계수가 서로 상이한 바, 하나의 재료에 대하여 각 방향별로 개별의 시험을 해야만 재료의 각 방향에 대한 선팽창계수 및 체팽창계수의 산출이 가능하여 이에 따른 번거로움과 상당한 시간이 소요되는 문제가 있어왔다.
또한, 상술한 바와 같은 종래의 열팽창계수 측정 장치는 한 번에 하나의 시편에 대한 시험 데이터를 얻을 수 있어 열팽창계수를 측정해야하는 재료의 종류가 다수개인 경우 재료의 종류별로 개별의 시험을 해야 함에 따른 번거로움 또한 있어왔다.
따라서, 상술한 바와 같은 문제를 해결할 수 있는 열팽창계수 측정 장치의 개발이 시급한 실정이다.
1. 한국등록특허 제10-1717591호("열팽창계수 측정장치") 2. 한국공개특허공보 제10-2018-0077812호("틴성 멤브레인을 활용한 경화 중인 시멘트 복합체의 열팽창계수 측정 방법") 3. 한국공개특허공보 제10-2016-0029883호("열팽창계수 측정장치 및 이의 방법")
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 복합재의 길이 방향과, 폭 방향과, 두께 방향 각각에 대한 선팽창계수 및 체팽창계수를 단일 시험을 통하여 산출해 낼 수 있는 복합재의 열팽창계수 측정 장치 및 이를 이용한 측정방법을 제공함에 있다.
한편, 본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 복합재의 열팽창계수 측정 장치는 개폐 가능한 하우징; 상기 하우징 내부에 마련되며, 상면에 직육면체 형상의 복합재 시편이 배치되는 플레이트; 상기 하우징 내부에 마련되며, 상기 복합재 시편을 가열하는 가열수단; 상기 복합재 시편이 가열되기 전후에 상기 복합재 시편의 온도정보를 측정하여 제1 온도정보와 제2 온도정보를 획득하는 온도센서; 상기 복합재 시편이 가열되기 전후에 상기 복합재 시편을 스캐닝하여 제1 이미지 및 제2 이미지를 획득하되, 상기 플레이트의 중심으로부터 상측 대각선 방향에 위치하는 3D스캐너; 및 상기 제1 이미지에서의 상기 복합재 시편의 서로 수직한 세 방향으로 이루어지는 측정축에 대한 길이 정보인 제1 형상데이터를 산출하고, 상기 제2 이미지에서의 상기 복합재 시편의 상기 측정축에 대한 길이 정보인 제2 형상테이터를 산출하며, 상기 제1 형상데이터와, 제2 형상데이터와, 제1 온도정보 및 제2온도정보를 이용하여 직육면체 형상인 상기 복합재 시편의 측정축에 대한 열팽창계수를 산출하는 연산수단;을 포함 한다.
또한, 상기 제1 이미지 및 제2 이미지는, 서로 동일 좌표로 이루어진 공간으로 이루어지며, 상기 측정축을 이루는 서로 수직한 세 방향은, 상기 제1 이미지에 나타난 상기 복합재 시편의 모서리와 수평한 방향으로 설정되어 상기 제1 형상데이터 및 제2 형상데이터를 산출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연산수단은, 상기 제1 이미지 및 제2 이미지로부터 상기 제1 형상데이터 및 제2 형상데이터를 산출할 시, 상기 제1이미지로부터 상기 제1 평면상에서 스캐닝된 이미지와, 상기 제2이미지로부터 상기 제1 평면상에서 스캐닝된 이미지를 픽셀단위로 변환시켜 산출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연산수단은, 상기 제1 이미지 및 제2 이미지로부터 상기 제1 형상데이터 및 제2 형상데이터를 산출할 시, 상기 제1 평면상에서 스캐닝된 이미지와 상기 제2 평면상에서 스캐닝된 이미지를 픽셀단위로 변환시켜 산출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 복합재 시편은 다수개일 수 있으며, 상기 복합재 시편이 다수개인 경우 상기 연산수단은 각각의 복합재 시편에 대해 서로 다른 측정축을 설정하고, 다수의 상기 복합재 시편에 대해 상기 제1 형상데이터 및 제2 형상데이터를 각각 산출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연산수단은, 상기 제2 이미지 중 상기 플레이트를 평면으로 하는 제1 평면상에서 스캐닝된 이미지를 기준으로 상기 복합재 시편 각각을 파악하여 상기 복합재 시편 각각의 중심점 위치를 산출하고, 상기 제1 이미지에 상기 각각의 중심점 위치를 대입하여 상기 제1이미지의 상기 복합재 시편 위치에 상기 각각의 중심점 위치가 포함되는지의 여부에 따라 상기 제1 이미지와 제2 이미지에 나타난 각각의 상기 복합재 시편의 동일 복합재 시편 여부를 판단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 3D 스캐너는, 상기 복합재 시편의 온도가 설정온도에 도달하기까지 상기 복합재 시편을 일정 온도단위로 상기 제2 이미지를 다회 스캐닝하고, 상기 연산수단은, 상기 복합재 시편의 온도에 따라 상기 제2 형상데이터를 다회 산출하여 상기 복합재 시편의 온도에 따른 열팽창계수를 산출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가열수단 및 상기 온도센서는, 상기 플레이트에 적어도 하나 이상 설치되며, 상기 복합재 시편은 상기 온도센서가 설치된 위치에 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 복합재의 열팽창계수 측정 장치는, 상기 하우징 내부의 온도가 냉각온도에 이르기까지 냉각시키는 냉각수단;이 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 냉각수단은, 상기 하우징 내부로 저온의 가스를 주입하여 냉각시키는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명에 따른 복합재의 열팽창계수 측정 방법은, a) 플레이트에 배치된 복합재 시편의 온도를 측정하여 제1온도정보를 획득하고, 상기 복합재 시편을 스캐닝하여 제1 이미지를 획득하는 단계; b) 상기 제1 이미지로부터 제1 이미지에 포함된 각각의 상기 복합재 시편에 대해 서로 수직한 세 방향으로 이루어지는 측정축을 설정하는 단계; c) 상기 제1 이미지의 상기 복합재 시편 각각에 대해 상기 각각의 복합제 시편에 해당하는 상기 측정축을 적용하여, 상기 측정축에 대한 길이 정보인 제1 형상데이터를 산출하는 단계; d) 상기 복합재 시편을 가열하는 단계; e) 상기 복합재 시편의 가열 후 온도를 측정하여 제2 온도정보를 획득하고, 가열 후의 상기 복합재 시편을 스캐닝하여 제2 이미지를 획득하는 단계; f) 상기 제1 이미지 및 제2 이미지에 포함된 각각의 상기 복합재 시편의 위치를 비교하여 서로 동일한 시편을 매칭하는 단계; g) 상기 제2 이미지의 상기 복합재 시편 각각에 대해 상기 각각의 복합제 시편에 해당하는 상기 측정축을 적용하여 상기 측정축에 대한 길이 정보인 제2 형상데이터를 산출하는 단계; h) 상기 제1 형상데이터와, 제2 형상데이터와, 제1 온도정보와, 제2 온도정보를 이용하여, 각각의 상기 복합재 시편에 대한 각각의 상기 측정축을 이루는 세 방향에 대한 열팽창계수를 각각 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 복합재의 열팽창계수 측정 장치 및 방법은, 3D스캐너의 구성을 통하여 복합재 시편의 서로 수직한 세 방향으로의 선팽창계수 및 체팽창계수를 단일 시험을 통하여 얻을 수 있는 효과가 있다.
또한, 적어도 하나 이상 설치되며, 각각이 복합재 시편이 배치되는 위치에 마련되도록 하는 가열수단 및 온도센서의 구성을 통해 단일 시험을 통해 다수의 복합재 시편의 시험이 가능한 효과가 있다.
또한, 연산수단의 구성을 통해 제1 평면상과 제2 평면상에서 스캐닝된 이미지를 픽셀 단위로 변환시켜 비교함으로써 복합재 시편의 가열 전후의 크기 비교가 용이한 효과가 있다.
또한, 연산수단의 구성을 통해 제2 이미지의 각 복합재 시편의 중심점 위치를 산출하고 이를 제1 이미지에 대입하여, 제1 이미지와 제2 이미지에 나타난 복합재 시편의 동일 여부를 판단함으로써 시험의 정확도를 높이는 효과가 있다.
또한, 일정 온도단위로 제2 이미지를 다회 스캐닝하는 3D 스캐너 및 연산수단을 통하여 복합재시편의 온도에 따른 열팽창계수를 산출할 수 있는 효과가 있다.
또한, 냉각수단의 구성을 통해, 시험 초기 하우징 내부의 온도를 일정 온도로 냉각시켜 시험의 정확도를 높이는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합재의 열팽창계수 측정 장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합재의 열팽창계수 측정 장치의 플레이트와 플레이트에 설치된 열선 및 온도센서를 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합재의 열팽창계수 측정 장치의 각 복합재 시편에 가상의 측정축이 설정된 모습을 도시한 개념도이다.
도 4는 제1 이미지와 제2 이미지 각각의 복합재 시편의 동일 복합재 시편 여부를 판단하기 위하여 중심점 위치를 산출한 모습을 도시한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합재의 열팽창계수 측정 장치의 복합재 시편의 가열 전 모습을 도시한 평면도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합재의 열팽창계수 측정 장치의 복합재 시편의 가열 후 모습을 도시한 평면도이다.
도 7은 본 발명의 바람지한 실시예에 따른 복합재의 열팽창계수 측정 장치의 각 복합재 시편에 설정된 제1방향을 기준선을 기준으로 변환하는 모습을 도시한 개념도이다.
이하, 상기와 같은 본 발명의 일실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
[복합재의 열팽창계수 측정 장치]
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합재의 열팽창계수 측정 장치의 사시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합재의 열팽창계수 측정 장치(10)는 크게 하우징(100)과, 플레이트(200)와, 가열수단(미도시)과, 온도센서(미도시)와, 3D 스캐너(500)와 연산수단(600) 및 냉각수단(700)을 포함하여 구성된다.
먼저 상기 하우징(100)은 복합재 시편(20)의 열팽창계수 측정 시험을 위한 공간을 제공하는 구성으로, 일측에 도어(110)가 마련되어 개폐 가능하게 형성된다.
참고로, 상기 도어(110)의 하우징(100)과의 접촉면에는 고무 또는 실리콘 재질의 실링이 마련되어 상기 복합재 시편의 열팽창계수 측정 시험 시 상기 하우징(100) 내외부의 공기 유통을 억제하여 정밀한 시험이 가능하도록 할 수 있다.
플레이트(200)는 상기 하우징(100) 내부 바닥에 마련되며, 그 상면에 상기 복합재 시편(20)이 배치될 수 있도록 하는 구성이다.
가열수단은 복합재 시편(20)을 설정된 온도로 가열하는 역할을 하며, 필요에 따라 제어부(미도시)를 통하여 상기 복합재 시편의 가열속도를 조절할 수 있다.
상기 온도센서는 상기 복합재 시편(20)의 가열 전후에 복합재 시편(20)의 온도를 측정하여 복합재 시편(20)의 가열 전의 온도인 제1 온도정보와 복합재 시편(20)의 가열 후의 온도인 제2 온도정보를 획득하고, 각각의 정보 획득 시 후술할 연산수단(600)으로 전달한다.
여기서, 도 2, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합재의 열팽창계수 측정 장치의 플레이트와 플레이트에 설치된 열선 및 온도센서를 도시한 사시도에 도시된 바와 같이, 상기 가열수단(300)은 상기 플레이트(200) 내부에 마련된 열선 형태로 설치될 수 있는데, 한 번의 시험에 다수의 복합재 시편(20_1, 20_2, 20_3, 20_4)의 시험이 가능하도록 하기 위해 상기 플레이트(200)는 격자(210) 형태로 그 영역이 구분되고, 각각의 영역에는 개별로 조작이 가능하도록 하는 가열수단(300)과 개별로 측정이 가능한 온도센서(400)가 마련될 수 있다.
이때, 상기 플레이트(200)에 배치되는 각각의 복합재 시편(20_1, 20_2, 20_3, 20_4)은 각 영역의 온도센서(400)가 마련된 위치에 복합재 시편(20_1, 20_2, 20_3, 20_4)의 하면이 접하도록 배치하여, 정확한 온도측정이 이루어지도록 함이 바람직하다.
또한, 플레이트(200)의 각 영역 사이에는 단열재(미도시)를 마련하여, 각 영역에 설치된 가열수단(300)이 서로 간에 미치는 영향을 최소화 하는 것이 좋다.
다시 도 1을 참고로, 냉각수단(700)은 상기 하우징 내부의 온도가 기 설정된 온도인 냉각온도에 이르기까지 냉각시키는 역할을 하는 것으로, 상기 냉각온도는 0℃ 일 수 있다.
도 1에서는 저온의 가스를 하우징 내부에 주입시킬 수 있도록 하우징 내 외부가 연통하도록 마련된 개폐가능한 홀 형태로 도시하였다.
상기 3D 스캐너(500)는 상기 복합재 시편(20)의 가열 전후에 복합재 시편(20)을 스캐닝하여, 복합재 시편(20)의 가열 전의 스캐닝 데이터인 제1 이미지와, 복합재 시편(20)의 가열 후의 스캐닝 데이터인 제2 이미지를 획득하여 각각의 이미지 획득 시 상기 연산수단(600)으로 전달하는 역할을 한다.
이때, 상기 제1 이미지 및 제2 이미지는 상기 하우징(100) 내부 공간으로 이루어져, 서로 동일한 좌표로 이루어진 공간으로 마련되며, 상기 공간 내부에는 하우징(100) 내부에 배치된 복합재 시편(20)의 위치 및 크기 정보 또한 포함될 수 있다.
덧붙여, 상기 제1 이미지는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합재의 열팽창계수 측정 장치(10)를 통한 시험 시 최초로 스캐닝된 이미지로, 상기 제1 이미지의 스캐닝 시점은 상기 복합재 시편(20)의 온도가 상기 냉각온도에 도달하는 시점이며, 만약 온도센서를 통해 측정된 복합재 시편(20)의 온도가 냉각온도보다 낮거나 높은 경우에는, 별도로 마련된 제어부를 통해 상기 가열수단 또는 냉각수단(700)을 구동시켜, 상기 복합재 시편(20)의 온도를 냉각온도에 이르도록 조절하여 제1 이미지를 스캐닝 할 수 있을 것이다.
참고로, 상기 복합재 시편(20)과 온도센서와 가열수단이 다수개인 경우, 상기 제1 이미지의 스캐닝 시점은 복수의 상기 복합재 시편(20) 모두가 냉각온도가 되는 시점임은 물론이다.
상기 제2 이미지는 상기 제1 이미지의 스캐닝 이후에 상기 복합재 시편(20)을 가열하고 스캐닝한 이미지로, 상기 제2 이미지는 상기 복합재 시편(20)이 설정온도에 이르기 까지 일정 온도단위로 상기 제2 이미지를 다회 스캐닝 할 수 있다.
마찬가지로, 상기 복합재 시편(20)과 온도센서와 가열수단이 다수개인 경우, 상기 제2 이미지의 스캐닝 시점은 복수의 상기 복합재 시편(20) 모두가 동일한 온도가 되는 시점일 것이다.
그리고 상기 3D 스캐너(500)에 포함된 렌즈는 내열성이 있는 재질로 이루어져, 상기 제1 이미지와 제2 이미지에 왜곡이 발생되지 않도록 함이 바람직하다.
연산수단(600)은 상기 제1 이미지와, 제2 이미지와, 제1 온도정보와, 제2 온도정보를 이용하여 상기 복합재 시편(20)의 열팽창계수를 산출하는 역할을 하는 것으로, 상기 연산수단(600)이 상기 복합재 시편(20)의 열팽창계수를 산출하는 과정에 관해서는 도 3 내지 도 7을 참고로 좀 더 상세히 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합재의 열팽창계수 측정 장치의 각 복합재 시편에 가상의 측정축이 설정된 모습을 도시한 개념도이다.
연산수단은 상기 제1 이미지의 수신 시, 상기 플레이트(200)를 평면으로 하는 제1 평면상에서 스캐닝된 이미지로부터 각 복합재 시편(20_1, 20_2, 20_3, 20_4)의 서로 다른 방향으로 이루어진 두 모서리와 수평한 두 방향과, 상기 플레이트(200)와 수직한 한 방향으로 이루어지는 측정축(601)을 도출하여 각각의 복합재 시편(20_1, 20_2, 20_3, 20_4)에 부여한다.
참고로, 상기 복합재 시편(20_1, 20_2, 20_3, 20_4)은 직육면체 형태로 형성되므로, 상기 측정축(601)을 이루는 세 방향은 서로 수직을 이룬다.
다음, 상기 연산수단은 상기 제1 이미지로부터 제1 평면상에서 스캐닝 된 이미지를 픽셀단위로 변환시켜 제1 평면이미지를 얻고, 상기 제1 이미지로부터 상기 플레이트(200)와 수직한 방향인 제2 평면상에서 스캐닝된 이미지를 픽셀단위로 변환시켜 제1 측면이미지를 얻는다. 그리고 상기 제1 평면이미지 및 제1 측면이미지에 나타난 각각의 복합재 시편(20_1, 20_2, 20_3, 20_4)에 각각에 해당하는 상기 측정축(601)을 적용하여, 상기 측정축(601)을 이루는 각 방향에 대한 상기 복합재 시편(20_1, 20_2, 20_3, 20_4)의 길이 정보인 제1 형상데이터(d1, d2, d3)를 도출한다.
이때, 상기 제1 형상데이터는 각각의 복합재 시편(20_1, 20_2, 20_3, 20_4)별로 각각 도출됨은 물론이다.
다음, 상기 연산수단은 상기 제2 이미지 수신 시, 상기 제2 이미지로부터 제1 평면상에서 스캐닝된 이미지를 픽셀 단위로 변환시켜 도 4의 (a)와 같이 제2 평면이미지를 얻는다. 그리고 상기 제2 평면이미지로부터 각각의 복합재 시편(20_b)의 중심점(620)의 위치를 산출하고, 각각의 중심점(620)을 도 4의 (b)에 도시된 바와 같은 상기 제1 평면이미지에 대입시킨다. 그 결과, 상기 제1 평면이미지의 복합재 시편 영역 중 어느 하나에 상기 중심점(620) 중 어느 하나가 포함된 경우, 제1 평면이미지의 해당 중심점(620) 위치를 포함하는 영역으로 이루어진 복합재 시편(20_a)은 제2 평면이미지의 해당 중심점(620) 위치를 가지는 복합재 시편(20_b)과 동일한 시편인 것으로 처리된다.
다음, 연산수단은 상기 제2 이미지로부터 상기 제2 평면상에서 스캐닝된 이미지를 픽셀단위로 변환시킨 제2 측면이미지와 상기 제2 평면이미지에 나타난 각각의 복합재 시편(20_b)에, 상술한 바와 같은 과정을 통해 서로 동일한 복합재 시편(20_a, 20_b)으로 판단된 상기 제1 평면이미지 및 제1 이미지의 복합재 시편(20_a)의 측정축을 적용하여, 상기 측정축을 이루는 각 방향에 대한 상기 복합재 시편(20_b)의 길이 정보인 제2 형상데이터를 도출한다. 상기 제2 형상데이터 역시 각각의 복합재 시편별로 각각 도출된다.
참고로, 상기 제1 형상데이터 및 제2 형상데이터는 픽셀단위로 변환시킨 제1 평면이미지와 제2 평면이미지와, 제1 측면이미지와, 제2 측면이미지를 이용하므로 서로간의 크기 비교가 용이한 효과가 있다.
다음, 도 5 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 연산수단은 상기 제1 평면이미지와 제2 평면이미지에 나타난 서로 대응되는 각각의 복합재 시편(20_a, 20_b)을 각각에 해당하는 측정축을 기준으로 그 길이(d1, D1, d2, D2)를 비교하여, 길이변화가 작게 나타나는 방향을 제1 방향으로 설정하고, 길이변화가 크게 나타난 방향을 제2 방향으로 설정하며, 상기 플레이트(200)와 수직한 방향을 제3 방향으로 설정한다. 그리고 설정된 각 방향에 대하여, 상기 제1 형상데이터(d1, d2)와 제2 형상데이터(D1, D2)로부터 각 복합재 시편(20)의 길이변화를 도출하고, 제1 온도데이터와 제2 온도데이터로부터 온도차를 도출하여 각각의 복합재 시편의 제1 방향과 제2 방향과 제3 방향에 대한 열팽창계수, 더욱 정확하게는 선팽창계수를 산출해 낸다. 그리고 필요에 따라 상기 길이변화와 온도차를 이용하여 체팽창계수 또한 별도로 산출해 낼 수 있다.
참고로, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 3D 스캐너는 일정 온도단위로 제2 이미지를 다회 스캐닝 하는데, 상기 연산수단은 상기 제1 이미지 데이터 및 상기 이미지데이터로부터 도출된 각 값들과, 새로 스캐닝된 제2 이미지로부터 새로 산출된 각 값들을 비교하여 각 온도별 복합재 시편의 열팽창계수를 구할 수 있고, 연산수단에는 하나의 복합재 시편에 대하여 각 온도별 제2 이미지데이터와 제2 형상데이터와 열팽창계수 값이 저장되어 출력될 수 있다.
도 7은 본 발명의 바람지한 실시예에 따른 복합재의 열팽창계수 측정 장치의 각 복합재 시편에 설정된 제1방향을 기준선을 기준으로 변환하는 모습을 도시한 개념도이다.
상기 연산수단은 상기 각 복합재 시편(20_1, 20_2, 20_3, 20_4)의 제1 방향과 제2 방향에 대한 선팽창계수의 출력 시 제1 방향과 제2 방향의 구분을 위한 별도의 방향구분데이터가 더 포함되어 출력될 수 있다.
상기 플레이트(200) 상면에는 일측으로 길게 형성된 기준축(220)이 형성되는데, 상기 방향구분데이터는 상기 기준축(220)을 기점으로 상기 복합재 시편(20_1, 20_2, 20_3, 20_4) 각각의 제1 방향이 이루는 반시계방향 각도로 출력된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합재의 열팽창계수 측정 장치는 상술한 바와 같은 방향구분데이터를 출력하여, 시험자로 하여금 각 복합재 시편의 방향성을 더욱 용이하게 파악할 수 있을 것이다.
[복합재의 열팽창계수 측정 방법]
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합재의 열팽창계수 측정 방법은 앞서 설명한 복한재의 열팽창계수 측정 장치를 이용한 것으로, 방법에서 설명하는 구성과 장치에서 설명하는 구성의 명칭이 동일할 경우 서로 동일한 것으로 간주한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합재의 열팽창계수 측정 방법은 a단계와, b단계와, c단계와, d단계와, e단계와, f단계와, g단계와, h단계를 포함한다.
상기 a단계는 플레이트에 배치된 복합재 시편의 온도를 측정하여 제1온도정보를 획득하고, 상기 복합재 시편을 스캐닝하여 제1 이미지를 획득한다.
상기 b단계는 상기 제1 이미지로부터 제1 이미지에 포함된 각각의 상기 복합재 시편에 대해 서로 수직한 세 방향으로 이루어지는 측정축을 설정한다.
상기 c단계는 상기 제1 이미지의 상기 복합재 시편 각각에 대해 상기 각각의 복합제 시편에 해당하는 상기 측정축을 적용하여, 상기 측정축에 대한 길이 정보인 제1 형상데이터를 산출한다.
상기 d단계는 상기 복합재 시편을 가열한다.
상기 e단계는 상기 복합재 시편의 가열 후 온도를 측정하여 제2 온도정보를 획득하고, 가열 후의 상기 복합재 시편을 스캐닝하여 제2 이미지를 획득한다.
상기 f단계는 상기 제1 이미지 및 제2 이미지에 포함된 각각의 상기 복합재 시편의 위치를 비교하여 서로 동일한 시편을 매칭한다.
상기 g단계는 상기 제2 이미지의 상기 복합재 시편 각각에 대해 상기 각각의 복합재 시편에 해당하는 상기 측정축을 적용하여 상기 측정축에 대한 길이 정보인 제2 형상데이터를 산출한다.
상기 h단계는 상기 제1 형상데이터와, 제2 형상데이터와, 제1 온도정보와, 제2 온도정보를 이용하여, 각각의 상기 복합재 시편에 대한 각각의 상기 측정축을 이루는 세 방향에 대한 열팽창계수를 각각 산출한다.
본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
10: 복합재의 열팽창계수 측정 장치
20: 복합재 시편
100: 하우징
110: 도어
200: 플레이트
210: 격자
220: 기준선
300: 가열수단
400: 온도센서
500: 3D 스캐너
600: 연산수단
601: 측정축
602: 제1 평면
620: 중심점
700: 냉각수단

Claims (11)

  1. 개폐 가능한 하우징;
    상기 하우징 내부에 마련되며, 상면에 직육면체 형상의 복합재 시편이 배치되는 플레이트;
    상기 하우징 내부에 마련되며, 상기 복합재 시편을 가열하는 가열수단;
    상기 복합재 시편이 가열되기 전후에 상기 복합재 시편의 온도정보를 측정하여 제1 온도정보와 제2 온도정보를 획득하는 온도센서;
    상기 복합재 시편이 가열되기 전후에 상기 복합재 시편을 스캐닝하여 제1 이미지 및 제2 이미지를 획득하되, 상기 플레이트의 중심으로부터 상측 대각선 방향에 위치하는 3D스캐너; 및
    상기 제1 이미지에서의 상기 복합재 시편의 서로 수직한 세 방향으로 이루어지는 측정축에 대한 길이 정보인 제1 형상데이터를 산출하고,
    상기 제2 이미지에서의 상기 복합재 시편의 상기 측정축에 대한 길이 정보인 제2 형상테이터를 산출하며,
    상기 제1 형상데이터와, 제2 형상데이터와, 제1 온도정보 및 제2온도정보를 이용하여 직육면체 형상인 상기 복합재 시편의 측정축에 대한 열팽창계수를 산출하는 연산수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재의 열팽창계수 측정 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 이미지 및 제2 이미지는,
    서로 동일 좌표로 이루어진 공간으로 이루어지며,
    상기 측정축을 이루는 서로 수직한 세 방향은,
    상기 제1 이미지에 나타난 상기 복합재 시편의 모서리와 수평한 방향으로 설정되어 상기 제1 형상데이터 및 제2 형상데이터를 산출하는 것을 특징으로 하는 복합재의 열팽창계수 측정 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 연산수단은,
    상기 제1 형상데이터와 제2 형상데이터를 비교하여, 상기 플레이트를 평면으로 하는 제1 평면상을 기준으로 상기 복합재 시편의 길이변화가 작게 나타난 방향을 제1 방향으로 설정하고, 제1 방향과 수직한 방향을 제2 방향으로 설정하며, 상기 플레이트와 수직한 방향을 제3 방향으로 설정하여 상기 제1 방향과, 제2 방향과, 제3 방향에 대한 열팽창계수를 각각 산출하여 출력하는 것을 특징으로 하는 복합재의 열팽창계수 측정 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 연산수단은,
    상기 제1 이미지 및 제2 이미지로부터 상기 제1 형상데이터 및 제2 형상데이터를 산출할 시, 상기 제1이미지로부터 상기 제1 평면상에서 스캐닝된 이미지와, 상기 제2이미지로부터 상기 제1 평면상에서 스캐닝된 이미지를 픽셀단위로 변환시켜 산출하는 것을 특징으로 하는 복합재의 열팽창계수 측정 장치.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 복합재 시편은,
    다수개일 수 있으며, 상기 복합재 시편이 다수개인 경우 상기 연산수단은 각각의 복합재 시편에 대해 서로 다른 측정축을 설정하고, 다수의 상기 복합재 시편에 대해 상기 제1 형상데이터 및 제2 형상데이터를 각각 산출하는 것을 특징으로 하는 복합재의 열팽창계수 측정 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 연산수단은,
    상기 제2 이미지 중 상기 플레이트를 평면으로 하는 제1 평면상에서 스캐닝된 이미지를 기준으로 상기 복합재 시편 각각을 파악하여 상기 복합재 시편 각각의 중심점 위치를 산출하고, 상기 제1 이미지에 상기 각각의 중심점 위치를 대입하여 상기 제1이미지의 상기 복합재 시편 위치에 상기 각각의 중심점 위치가 포함되는지의 여부에 따라 상기 제1 이미지와 제2 이미지에 나타난 각각의 상기 복합재 시편의 동일 복합재 시편 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 복합재의 열팽창계수 측정 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 3D 스캐너는,
    상기 복합재 시편의 온도가 설정온도에 도달하기까지 상기 복합재 시편을 일정 온도단위로 상기 제2 이미지를 다회 스캐닝하고,
    상기 연산수단은,
    상기 복합재 시편의 온도에 따라 상기 제2 형상데이터를 다회 산출하여 상기 복합재 시편의 온도에 따른 열팽창계수를 산출하는 것을 특징으로 하는 복합재의 열팽창계수 측정 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 가열수단 및 상기 온도센서는,
    상기 플레이트에 적어도 하나 이상 설치되며,
    상기 복합재 시편은 상기 온도센서가 설치된 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 복합재의 열팽창계수 측정 장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 복합재의 열팽창계수 측정 장치는,
    상기 하우징 내부의 온도가 냉각온도에 이르기까지 냉각시키는 냉각수단;이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 복합재의 열팽창계수 측정 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 냉각수단은, 상기 하우징 내부로 저온의 가스를 주입하여 냉각시키는 것을 특징으로 복합재의 열팽창계수 측정 장치.
  11. a) 플레이트에 배치된 복합재 시편의 온도를 측정하여 제1온도정보를 획득하고, 상기 복합재 시편을 스캐닝하여 제1 이미지를 획득하는 단계;
    b) 상기 제1 이미지로부터 제1 이미지에 포함된 각각의 상기 복합재 시편에 대해 서로 수직한 세 방향으로 이루어지는 측정축을 설정하는 단계;
    c) 상기 제1 이미지의 상기 복합재 시편 각각에 대해 상기 각각의 복합제 시편에 해당하는 상기 측정축을 적용하여, 상기 측정축에 대한 길이 정보인 제1 형상데이터를 산출하는 단계;
    d) 상기 복합재 시편을 가열하는 단계;
    e) 상기 복합재 시편의 가열 후 온도를 측정하여 제2 온도정보를 획득하고, 가열 후의 상기 복합재 시편을 스캐닝하여 제2 이미지를 획득하는 단계;
    f) 상기 제1 이미지 및 제2 이미지에 포함된 각각의 상기 복합재 시편의 위치를 비교하여 서로 동일한 시편을 매칭하는 단계;
    g) 상기 제2 이미지의 상기 복합재 시편 각각에 대해 상기 각각의 복합제 시편에 해당하는 상기 측정축을 적용하여 상기 측정축에 대한 길이 정보인 제2 형상데이터를 산출하는 단계;
    h) 상기 제1 형상데이터와, 제2 형상데이터와, 제1 온도정보와, 제2 온도정보를 이용하여, 각각의 상기 복합재 시편에 대한 각각의 상기 측정축을 이루는 세 방향에 대한 열팽창계수를 각각 산출하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 복합재의 열팽창계수 측정 방법.
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