KR102302053B1 - Structural safety diagnosis system through optical fibers for spiropyran complex - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자가진단 소재인 스피로피란 복합체에 광섬유를 삽입해 구조 안전 진단용 시스템을 구성하는 것으로, 보다 상세하게는 스피로피란 혹은 고분자가 포함된 건축물 또는 운송수단 등에 광섬유를 혼입하여 내부적 혹은 외부적 구조 안전을 원거리에서 진단하여 측정 및 분석할 수 있는 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 여러 구현예에 따르면, 자가 진단 스마트 소재인 스피로피란 복합체에 광섬유를 혼입하여 제조된 진단 시스템을 통해, 건축물 또는 운송수단 등의 응력 및 변형을 외부 또는 원거리에서 실시간으로 모니터링할 수 있어, 대상의 구조적 안전을 보다 편리하고 빠르게 진단하는데 현저한 효과를 나타낸다.
뿐만 아니라, 종래의 진단 시스템 단점을 완벽히 보완하여 저가에 구현이 가능한 스마트 소재로 개발할 수 있어 상시적으로 사회 안정성을 담보할 수 있으며, 이는 구조물의 붕괴나 수송기의 파손과 같은 대형 사고를 미연에 방지하는데도 효과적으로 활용될 수 있다.The present invention configures a system for structural safety diagnosis by inserting an optical fiber into a spiropyran complex, a self-diagnostic material, and more specifically, by incorporating an optical fiber into a building or transportation means containing spiropyran or polymer, internal or external structural safety To provide a system that can diagnose, measure, and analyze
According to various embodiments of the present invention, stress and deformation of a building or transportation means can be monitored in real time from the outside or from a distance in real time through a diagnostic system manufactured by mixing an optical fiber into a spiropyran complex, a self-diagnostic smart material, It has a remarkable effect in more conveniently and quickly diagnosing the structural safety of the subject.
In addition, it is possible to develop a smart material that can be implemented at a low price by completely compensating for the disadvantages of the conventional diagnostic system, thereby guaranteeing social stability at all times, which prevents major accidents such as collapse of structures or damage to transport planes in advance. It can also be used effectively.
Description
본 발명은 자가진단 소재인 스피로피란 복합체에 광섬유를 삽입해 구조 안전 진단용 시스템을 구성하는 것으로, 보다 상세하게는 스피로피란 혹은 고분자가 포함된 건축물 또는 운송수단 등에 광섬유를 혼입하여 내부적 혹은 외부적 구조 안전을 원거리에서 진단하여 측정 및 분석할 수 있는 시스템을 제공하고자 하는 것이다.The present invention configures a system for structural safety diagnosis by inserting an optical fiber into a spiropyran complex, a self-diagnostic material, and more specifically, by incorporating an optical fiber into a building or transportation means containing spiropyran or polymer, internal or external structural safety To provide a system that can diagnose, measure, and analyze
현재 빌딩 및 다리 등과 같은 일반 건축물, 조선, 자동차 및 항공 등의 운송수단에 사용되는 다양한 구조용 소재의 대형화 및 경량화 추세로 인하여 대형사고의 위험이 지속적으로 발생하고 있으며, 이에 지난 수십년 동안 구조용 소재의 건전도 진단에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 이러한 건설/토목 및 운송 분야의 구조용 부품들은 다양한 내·외부 하중 및 환경에 노출되어 있고, 구조용 소재의 경우 손상 및 파괴가 종국에는 대참사로 이어지기 때문에 구조용 부품을 실시간으로 신뢰성 있게 평가하는 것은 매우 중요하다. Currently, the risk of large-scale accidents continues to occur due to the trend of enlargement and weight reduction of various structural materials used in general structures such as buildings and bridges, shipbuilding, automobiles, and aviation. Research on health diagnosis is being actively conducted. In particular, structural parts in the construction/civil engineering and transportation fields are exposed to various internal and external loads and environments, and in the case of structural materials, damage and destruction eventually lead to catastrophe, so it is difficult to reliably evaluate structural parts in real time. very important.
일반적으로 구조용 소재의 모니터링을 위해 가장 널리 사용되는 방법은 PZT(piezoelectric materials element) 센서의 전기역학적 임피던스(Electro-mechanical impedance, EMI) 기법을 활용한 비파괴 검사이다. PZT 센서를 구조물에 매립하게 되면, 초기에 구조물이 지니는 고유의 진동수에 대한 임피던스(impedance) 신호를 출력하는데, 구조물에 손상이 가해지게 되면 신호 패턴이 변화하여 모니터링 대상의 손상 여부를 평가할 수 있다. 구조물의 안전성에 관련된 다른 측정장비로는 LVDT(Linear variable differential transformer), 가속도계 및 GPS(Global Positioning System)와 같은 접촉식 계측기 및 LiDAR(Light detection and ranging)를 등 다양한 방법들이 소개되어져 왔다.In general, the most widely used method for monitoring structural materials is a non-destructive test using an electro-mechanical impedance (EMI) technique of a piezoelectric materials element (PZT) sensor. When the PZT sensor is embedded in a structure, an impedance signal for the inherent frequency of the structure is initially output. When damage is applied to the structure, the signal pattern changes and it can be evaluated whether the monitoring target is damaged. As other measuring equipment related to the safety of a structure, various methods such as a linear variable differential transformer (LVDT), an accelerometer and a contact measuring instrument such as a global positioning system (GPS), and light detection and ranging (LiDAR) have been introduced.
하지만, PZT 센서는 외부 온도/습도 및 기후 환경의 영향에 지나치게 민감하고, LVDT의 경우 1방향의 변위만을 측정하여 동적 변위의 측정이 불확실하며, LiDAR는 촬영을 기반으로 닿기 힘든 지형의 분석이 어렵다. 결정적으로, 상기 모든 방법들은 외부 동력(전기 등)이 지속적으로 공급된 조건하에서 측정이 가능하며, 전문적으로 교육받은 전문가들만이 신호처리 결과를 통하여 손상 여부를 판단할 수 있다. 따라서 가장 효과적인 모니터링 감시자라고 할 수 있는 일반 대중은 매일 같은 장소를 지나가면서도 대상의 이상 유무를 감지하기 어려운 실정이다. 뿐만 아니라, 일부 기술은 활용에 필요한 장비가 지나치게 고가인 이유로 제한적으로 활용될 수 밖에 없으며, 이는 다양한 외부환경에 노출되는 구조 소재들의 특수성을 고려할 때 기술 상용화에 큰 제약이 되고 있다.However, the PZT sensor is too sensitive to the influence of external temperature/humidity and climatic environment, the LVDT only measures displacement in one direction, so the measurement of dynamic displacement is uncertain, and LiDAR makes it difficult to analyze hard-to-reach terrain based on imaging . Crucially, all of the above methods can be measured under the condition that external power (electricity, etc.) is continuously supplied, and only professionally trained experts can determine whether there is damage through the signal processing result. Therefore, it is difficult for the general public, who can be said to be the most effective monitoring supervisor, to detect the presence or absence of an object while passing the same place every day. In addition, some technologies have no choice but to be used limitedly because the equipment required for utilization is too expensive, which is a big limitation to the commercialization of the technology considering the specificity of structural materials exposed to various external environments.
따라서, 전문 인력이나 고가의 외부 장비없이 구조용 소재의 내부 응력 및 변형을 모니터하고 맵핑(mapping)하여 손상 및 파손까지 예측/진단할 수 있는 구조안전 진단 기술이 절대적으로 필요한 실정이다.Therefore, structural safety diagnosis technology capable of predicting/diagnosing damage and breakage by monitoring and mapping internal stresses and deformations of structural materials without specialized personnel or expensive external equipment is absolutely necessary.
따라서, 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 외부 장비나 동력원 없이 스스로 응력, 변형 및 손상을 감지할 수 있는 자가 진단 스마트 소재인 스피로피란 복합체를 이용하여 진단 시스템을 구현하고자 하는 것이다. 즉, 스피로피란 혹은 고분자가 결합된 스피로피란 복합체가 포함된 건축물 또는 운송수단 등에 광섬유를 혼입하여 외부 또는 원거리에서 응력 및 변형을 모니터링할 수 있어 대상의 구조적 안전을 실시간으로 진단할 수 있는 시스템을 제공하고자 하는 것이다. Accordingly, an object of the present invention to solve the conventional problems is to implement a diagnostic system using the spiropyran complex, which is a self-diagnostic smart material capable of detecting stress, deformation and damage by itself without external equipment or power source. In other words, it is possible to monitor stress and strain from the outside or from a distance by mixing optical fibers in buildings or transportation means containing spiropyran or polymer-bound spiropyran complex, providing a system that can diagnose the structural safety of the target in real time. would like to
본 발명의 대표적인 일 측면에 따르면, 스피로피란 및 고분자가 결합된 스피로피란 복합체; 및 상기 스피로피란 복합체의 내부 또는 표면에 일부 또는 전체가 함침되어 형성되는 하나 이상의 광섬유;를 포함하는 구조 안전 진단용 시스템으로서, 상기 스피로피란 복합체에 힘, 응력 또는 변형이 인가되었을 때 광 특성 변화가 일어나며, 상기 광 특성 변화는 상기 광섬유에 빛을 조사하여 측정하는 것을 특징으로 하는 구조 안전 진단용 시스템에 관한 것이다.According to a representative aspect of the present invention, spiropyran and a polymer are combined spiropyran complex; And at least one optical fiber formed by partially or entirely impregnated inside or on the surface of the spiropyran complex; as a system for structural safety diagnosis comprising a system, when a force, stress or deformation is applied to the spiropyran complex, the optical properties change, , The optical characteristic change relates to a system for structural safety diagnosis, characterized in that measured by irradiating light to the optical fiber.
상기 광 특성 변화는 광섬유의 색상, 형광, 흡수, 산란, 반사 및 투과 중 어느 하나 이상의 변화를 나타내는 것이 바람직하다.Preferably, the change in the optical properties represents a change in at least one of color, fluorescence, absorption, scattering, reflection, and transmission of the optical fiber.
상기 광섬유는 빛이 공급되는 제1 광섬유; 또는 공급된 빛을 받아 변화된 광 특성을 측정하는 제2 광섬유;를 포함하거나, 상기 제1 광섬유 및 제2 광섬유를 모두 포함하는 것이 바람직하다.The optical fiber includes a first optical fiber to which light is supplied; or a second optical fiber that receives the supplied light and measures the changed optical properties; or preferably includes both the first optical fiber and the second optical fiber.
상기 제1 광섬유 및 상기 제2 광섬유는 각각 단수 또는 복수 개로 형성되는 것이 바람직하다.Preferably, the first optical fiber and the second optical fiber are formed in single or plural, respectively.
상기 제1 광섬유의 개수가 M이고, 상기 제2 광섬유의 개수가 N일 때, 상기 광 특성 변화의 측정은 M × N 개 이하의 교차 위치에서 측정하는 것이 바람직하다.When the number of the first optical fibers is M and the number of the second optical fibers is N, it is preferable that the measurement of the optical property change is measured at M × N or less crossing positions.
상기 제1 광섬유의 개수가 M이고, 상기 제2 광섬유의 개수가 N일 때, 상기 제1 광섬유 및 제2 광섬유는 각각 상기 스피로피란 복합체의 내부 또는 표면에 종방향과 횡방향으로 일정 간격 이격되어 있되, 상기 제1 광섬유 및 제2 광섬유는 서로 교차하거나 마주보도록 배열된 구조인 것이 바람직하다.When the number of the first optical fiber is M and the number of the second optical fiber is N, the first optical fiber and the second optical fiber are respectively spaced apart from each other at regular intervals in the interior or surface of the spiropyran complex in the longitudinal and transverse directions. However, it is preferable that the first optical fiber and the second optical fiber have a structure arranged to cross or face each other.
상기 시스템은 상기 광 특성 변화를 측정하기 위한 RGB 센서, 분광기 및 광학 필터 중 어느 하나 이상을 더 포함하는 것이 바람직하다.Preferably, the system further includes any one or more of an RGB sensor, a spectrometer, and an optical filter for measuring the change in the optical characteristics.
상기 빛은 레이저 또는 모노크로메이터가 부착된 광원으로부터 조사되거나, 또는 자연광으로부터 공급되는 것이 바람직하다.The light is preferably irradiated from a light source to which a laser or a monochromator is attached, or supplied from natural light.
상기 광원 또는 자연광은 하나 이상의 제1 광섬유에 빛이 조사되고, 상기 RGB 센서, 분광기 또는 광학 필터는 하나 이상의 제2 광섬유로부터 감지되는 상기 광 특성 변화를 측정하는 것이 바람직하다.Preferably, the light source or natural light is irradiated to one or more first optical fibers, and the RGB sensor, the spectrometer or the optical filter measures the change in the optical properties sensed from the one or more second optical fibers.
상기 광섬유는 빛이 공급되는 제1 광섬유; 및 공급된 빛을 받아 변화된 광 특성을 측정하는 제2 광섬유;를 포함하고, 상기 제1 광섬유의 개수가 M이고, 상기 제2 광섬유의 개수가 N일 때, 상기 제1 광섬유 및 제2 광섬유는 각각 상기 스피로피란 복합체의 내부 또는 표면에 종방향과 횡방향으로 일정 간격 이격되어 있되, 상기 제1 광섬유 및 제2 광섬유는 서로 교차하거나 마주보도록 배열된 구조이며, 상기 광 특성 변화의 측정은 M × N 개 이하의 교차 위치에서 측정하고, 상기 시스템은 상기 광 특성 변화를 측정하기 위한 RGB 센서, 분광기 또는 광학 필터를 더 포함하고, 상기 빛은 레이저 또는 모노크로메이터가 부착된 광원으로부터 조사되고, 상기 광원은 하나 이상의 제1 광섬유에 빛이 조사되고, 상기 RGB 센서, 분광기 또는 광학 필터는 하나 이상의 제2 광섬유로부터 감지되는 상기 광 특성 변화를 측정하는 것이 바람직하다.The optical fiber includes a first optical fiber to which light is supplied; and a second optical fiber that receives the supplied light and measures the changed optical characteristics, wherein when the number of the first optical fibers is M and the number of the second optical fibers is N, the first optical fiber and the second optical fiber are Each of the spiropyran complexes are spaced apart at regular intervals in the longitudinal and lateral directions on the inside or surface of the complex, and the first optical fiber and the second optical fiber have a structure arranged to cross or face each other, and the measurement of the optical property change is M × Measuring at N or less crossing positions, the system further comprises an RGB sensor, a spectrometer or an optical filter for measuring the change in the optical properties, wherein the light is irradiated from a light source to which a laser or a monochromator is attached; Preferably, the light source is irradiated with light to one or more first optical fibers, and the RGB sensor, the spectrometer or the optical filter measures the change in the optical properties sensed from the one or more second optical fibers.
본 발명의 다른 대표적인 일 측면에 따르면, 상기 구조 안전 진단용 시스템의 측정 방법에 있어서, 스피로피란 복합체에 힘, 응력 또는 변형이 인가되었을 때 광 특성 변화를 광섬유로 측정하는 것을 특징으로 하는 구조 안전 진단용 시스템의 측정 방법에 관한 것이다.According to another representative aspect of the present invention, in the method for measuring the system for structural safety diagnosis, when a force, stress or strain is applied to the spiropyran complex, the optical characteristic change is measured with an optical fiber. of the measurement method.
본 발명의 또 다른 대표적인 일 측면에 따르면, 상기 스피로피란 복합체; 및 광섬유;를 포함하는 구조 안전 진단용 시스템의 분석 방법에 있어서, (A) 광원으로부터 공급되는 빛을 직접 또는 제1 광섬유를 통해 받아서 변화된 광 특성을 나타내는 제2 광섬유의 광 특성 변화 정도를 측정하는 단계; 및 (B) 상기 측정된 광 특성 변화를 분석하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조 안전 진단용 시스템의 분석 방법에 관한 것이다.According to another representative aspect of the present invention, the spiropyran complex; and an optical fiber; in the method of analyzing a system for structural safety diagnosis, comprising: (A) measuring a degree of change in optical properties of a second optical fiber exhibiting changed optical properties by receiving light supplied from a light source directly or through a first optical fiber ; and (B) analyzing the measured optical characteristic change.
상기 제1 광섬유는 광원으로부터 광분배기를 이용하여 빛이 조사된 것이 바람직하다.The first optical fiber is preferably irradiated with light from a light source using a light splitter.
상기 제1 광섬유 또는 광원으로부터 공급되는 빛은 위치 별로 순차적으로 공급되어, 구조체에 인가되는 힘, 응력 또는 변형을 위치 별로 분해하여 측정하는 것이 바람직하다.It is preferable that the light supplied from the first optical fiber or the light source is sequentially supplied for each position, and the force, stress or strain applied to the structure is measured by decomposing it for each position.
상기 순차적으로 공급되는 빛은 시간에 따라 빛의 강도가 변화하는 광원을 이용해 구현하는 것이 바람직하다.The sequentially supplied light is preferably implemented using a light source whose intensity of light changes with time.
상기 (A) 단계에서의 측정은 상기 제2 광섬유로부터 전송되는 모든 광신호를 합산하여 구조체 전체에 인가되는 힘, 응력 또는 변형의 유무를 측정하는 것이 바람직하다.In the measurement in step (A), it is preferable to measure the presence or absence of force, stress or deformation applied to the entire structure by summing all optical signals transmitted from the second optical fiber.
상기 (A) 단계는 상기 제2 광섬유로부터 전송되는 광신호를 순차적으로 측정하는 것이 바람직하다.In step (A), it is preferable to sequentially measure the optical signal transmitted from the second optical fiber.
상기 (B) 단계는 측정된 광 특성 변화를 힘, 응력 또는 변형으로 환산하여 정량화하는 것이 바람직하다.In the step (B), it is preferable to quantify the measured optical property change by converting it into force, stress or strain.
상기 광신호는 하나 이상의 픽셀 구획별로 나누어 측정하여, 스피로피란 복합체에 인가되는 힘, 응력 또는 변형 정도를 위치별로 분해하는 것이 바람직하다.Preferably, the optical signal is divided and measured for one or more pixel sections, and the force, stress or strain applied to the spiropyran complex is decomposed by position.
본 발명의 여러 구현예에 따르면, 응력, 변형 및 손상을 감지할 수 있는 자가 진단 스마트 소재인 스피로피란 복합체에 광섬유를 혼입하여 제조된 시스템을 통해, 건축물 또는 운송수단 등의 응력 및 변형을 외부 또는 원거리에서 실시간으로 모니터링할 수 있어, 대상의 구조적 안전을 보다 편리하고 빠르게 진단하는데 현저한 효과를 나타낸다.According to various embodiments of the present invention, stress and deformation of a building or transportation means can be externally or As it can be monitored in real time from a distance, it has a remarkable effect in more conveniently and quickly diagnosing the structural safety of an object.
뿐만 아니라, 종래의 진단 시스템 단점을 완벽히 보완하여 저가에 구현이 가능한 스마트 소재로 개발할 수 있어 상시적으로 사회 안정성을 담보할 수 있으며, 이는 구조물의 붕괴나 수송기의 파손과 같은 대형 사고를 미연에 방지하는데도 효과적으로 활용될 수 있다.In addition, it is possible to develop a smart material that can be implemented at a low price by perfectly complementing the shortcomings of the conventional diagnostic system, thus ensuring social stability at all times, which prevents major accidents such as collapse of structures or damage to transport planes in advance. It can also be used effectively.
도 1은 스피로피란 분자의 외부자극(힘, 응력, 변형)에 따른 화학구조의 변화를 나타낸 것이다.
도 2는 실시예 1에서 합성된 스피로피란 복합체의 응력 또는 변형에 의한 색 변화를 실험하여 실험 전과 후의 이미지를 나타낸 것이다.
도 3은 광섬유 내부 배치 방법 및 표면 배치 방법에 대한 모식도를 나타낸 것이다.
도 4는 광 공급 광섬유와 광 측정 광섬유의 1 : 1 대응 및 M × N 대응(2 ×3) 배치 방법 모식도를 나타낸 것이다.
도 5는 광 공급 광섬유로 공급되는 빛의 순차적 변경 방법의 예를 나타낸 것이다.
도 6은 광 측정 광섬유에서 광측정장치로 연결되는 방법의 예를 나타낸 것이다.
도 7은 실시예 1에서 합성된 스피로피란 복합체(SP-PMMA)를 외부자극(힘, 응력, 변형)에 의한 자가진단 색 분석법을 통해 정량화한 그래프를 나타낸 것이다.
도 8는 도 2의 외부 자극(힘, 응력, 변형)에 의한 복합체의 변화를 형광세기 분석법을 통해 해석한 그래프이다.
도 9는 실시예의 스피로피란 복합체 소재 내·외부에 광섬유를 함침시켜 상기 광섬유를 이용한 응력(또는 변형)에 따른 광 스펙트럼의 변화를 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 10은 실시예의 스피로피란 복합체 소재 내·외부에 광섬유를 함침시켜 상기 광섬유를 이용한 응력(또는 변형)에 따른 색의 세기 변화를 나타낸 것이다.
도 11은 실시예의 스피로피란 복합체 소재 내·외부에 광섬유를 함침시켜 상기 광섬유를 이용한 응력(또는 변형)에 따른 형광 세기를 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 12의 (a)는 건설/토목 및 운송 분야의 구조용 소재의 손상 및 파괴로 인한 실제 사례를 나타낸 이미지이고, (b)는 본 발명의 일 구현예에 따른 스피로피란 복합체 소재 내·외부에 광섬유를 함침시켜 상기 광섬유를 이용한 힘/응력/변형 분포에 따른 진단 및 분석 인터페이스 시스템의 예를 나타낸 것이다.Figure 1 shows the change of chemical structure according to the external stimulus (force, stress, deformation) of a molecule of spiropyran.
Figure 2 shows the images before and after the experiment by testing the color change due to stress or deformation of the spiropyran complex synthesized in Example 1.
3 shows a schematic diagram of a method for placing an optical fiber inside and a method for placing a surface.
4 shows a schematic diagram of a 1:1 correspondence and an M × N correspondence (2 × 3) arrangement method of a light supply optical fiber and a light measurement optical fiber.
5 shows an example of a method of sequentially changing the light supplied to the light supply optical fiber.
6 shows an example of a method of connecting an optical measuring optical fiber to an optical measuring device.
7 is a graph showing the quantification of the spiropyran complex (SP-PMMA) synthesized in Example 1 through self-diagnostic color analysis by external stimuli (force, stress, deformation).
FIG. 8 is a graph in which changes in the complex caused by external stimuli (force, stress, and strain) of FIG. 2 are analyzed through fluorescence intensity analysis.
9 shows the results of analyzing the change in the optical spectrum according to the stress (or deformation) using the optical fiber by impregnating the optical fiber inside and outside the spiropyran composite material of the embodiment.
10 shows the change in color intensity according to the stress (or deformation) using the optical fiber by impregnating the optical fiber inside and outside the spiropyran composite material of the embodiment.
11 shows the results of analyzing the fluorescence intensity according to the stress (or deformation) using the optical fiber by impregnating the optical fiber inside and outside the spiropyran composite material of the embodiment.
Figure 12 (a) is an image showing an actual case due to damage and destruction of structural materials in the field of construction / civil engineering and transportation, (b) is an optical fiber inside and outside the spiropyran composite material according to an embodiment of the present invention It shows an example of a diagnostic and analysis interface system according to force/stress/strain distribution using the optical fiber by impregnating it.
이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.Hereinafter, various aspects and various embodiments of the present invention will be described in more detail.
본 발명의 일 측면에 따르면, 스피로피란 및 고분자가 결합된 스피로피란 복합체; 및 상기 스피로피란 복합체의 내부 또는 표면에 일부 또는 전체가 함침되어 형성되는 하나 이상의 광섬유;를 포함하는 구조 안전 진단용 진단 시스템으로서, 상기 스피로피란 복합체에 힘, 응력 또는 변형이 인가되었을 때 광 특성 변화가 일어나며, 상기 광 특성 변화는 상기 광섬유에 빛을 조사하여 측정하는 것을 특징으로 하는 구조 안전 진단용 시스템을 제공한다.According to an aspect of the present invention, spiropyran and a polymer are combined spiropyran complex; And at least one optical fiber formed by partially or entirely impregnated inside or on the surface of the spiropyran complex; as a diagnostic system for structural safety diagnosis, the optical property changes when a force, stress or deformation is applied to the spiropyran complex Occurs, and the optical characteristic change is provided with a system for structural safety diagnosis, characterized in that measured by irradiating light to the optical fiber.
상기 스피로피란(Spiropyran) 분자는 응력 또는 변형 등의 외부 자극에 스스로 색이 변하고 형광 특성을 나타내므로, 별도의 외부 장비와 동력원 없이 소재 자체적으로 손상을 감지하는데 현저한 효과를 나타낸다. 뿐만 아니라 다른 재료와의 배합에 따라 저렴하면서도 매우 안정한 물질로 합성이 가능하며 고분자, 콘크리트, 또는 금속 등에 직접 혼입하거나 이차원(2D) 필름, 구조 모듈 등과 같이 다양한 형태로 가공이 용이하며 인체에 무해하여 반영구적으로 사용이 가능한 장점을 갖는다. Since the spiropyran molecule itself changes color and exhibits fluorescence characteristics in response to external stimuli such as stress or strain, it exhibits a remarkable effect in detecting damage to the material itself without additional external equipment and power source. In addition, it can be synthesized as an inexpensive and very stable material depending on the combination with other materials. It can be mixed directly into polymers, concrete, or metal, or can be easily processed into various forms such as two-dimensional (2D) films and structural modules, and is harmless to the human body. It has the advantage that it can be used semi-permanently.
상기 스피로피란 분자를 원하는 구조용 소재인 고분자에 화학적으로 결합시키는 과정이 필요한데, 상기 스피로피란 화학 구조에 공유결합을 통해 연결시켜 외부에서의 힘, 응력 및 변형(변위)의 전달이 효율적으로 이루어지게 하는 것이 핵심이다. 상기 고분자와 스피로피란 분자를 화학적으로 결합시키기 위해서는 상기 스피로피란 분자의 양단을 기능화시켜야 하는데, 이는 한쪽만 화학적으로 결합된 스피로피란의 경우 힘, 응력 및 변형(변위)에 대한 활성을 나타내지 않기 때문이다.A process of chemically bonding the spiropyran molecule to a desired structural material, a polymer, is required. is the key In order to chemically bond the polymer and the spiropyran molecule, both ends of the spiropyran molecule must be functionalized, because in the case of spiropyran chemically bound to only one side, it does not exhibit activity against force, stress and strain (displacement). .
상기 고분자로는 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리메틸아크릴레이트, 폴리아크릴레이트, 폴리우레탄, 폴리디메틸실록세인, 폴리아크릴로니트릴, 폴리카프로락톤, 폴리아미드, 폴리술폰, 폴리아닐린, 폴리스타이렌, 폴리부틸아크릴레이트, 에폭시 및 실리콘 중에서 선택된 1종 이상인 것이 바람직하다.Examples of the polymer include polymethyl methacrylate, polymethyl acrylate, polyacrylate, polyurethane, polydimethylsiloxane, polyacrylonitrile, polycaprolactone, polyamide, polysulfone, polyaniline, polystyrene, and polybutyl acrylate. , It is preferable that at least one selected from epoxy and silicone.
이와 관련하여 도 2는 스피로피란 복합체의 응력 또는 변형에 의한 색 변화에 대한 일 구현예를 나타낸 이미지로서, 상기 스피로피란 복합체는 외부 자극에 의하여 보라색으로 변색되고, 상기 변색된 스피로피란 복합체는 가시광선에 의해 다시 색상이 원상태로 복구되는 것을 확인하였다.In this regard, FIG. 2 is an image showing an embodiment of the color change due to stress or deformation of the spiropyran complex, wherein the spiropyran complex is discolored to purple by an external stimulus, and the discolored spiropyran complex is visible light It was confirmed that the color was restored to its original state again by
또한, 상기 스피로피란 복합체는 (a) 스피로피란 전구체, 제1 고분자 전구체, 및 첨가제를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 및 (b) 상기 혼합물을 반응시키는 단계;를 포함하여 제조될 수도 있다.In addition, the spiropyran complex is prepared by (a) mixing a spiropyran precursor, a first polymer precursor, and an additive to prepare a mixture; and (b) reacting the mixture.
보다 상세하게는 상기 (a) 단계는 스피로피란 전구체, 제1 고분자 전구체, 및 첨가제를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계로서, 질소 분위기하에서 0 내지 150 ℃의 온도에서 1분 내지 24시간 동안 교반하여 혼합하는 것이 바람직하다. 만일 상기 온도 및 시간 범위를 벗어나는 경우에는 충분한 교반이 이루어지지 않아 불균일한 혼합물을 형성할 수 있으므로 바람직하지 않다. 또한, 공기중의 산소와의 부 반응을 억제하기 위해 비활성 기체인 질소 분위기를 유지해야만 한다.In more detail, step (a) is a step of preparing a mixture by mixing the spiropyran precursor, the first polymer precursor, and the additive, and is mixed by stirring at a temperature of 0 to 150° C. under a nitrogen atmosphere for 1 minute to 24 hours. It is preferable to do If it is out of the above temperature and time range, it is not preferable because sufficient stirring may not be achieved and a non-uniform mixture may be formed. In addition, in order to suppress a side reaction with oxygen in the air, it is necessary to maintain an inert gas nitrogen atmosphere.
앞서 상술한 바와 같이, 상기 스피로피란 화학 구조에 공유결합을 통해 연결시켜 외부에서의 힘, 응력 및 변형(변위)의 전달이 효율적으로 이루어지게 하는 것이 핵심이다. 상기 고분자와 스피로피란 분자를 화학적으로 결합시키기 위해서는 상기 스피로피란 분자의 양단을 기능화시켜야 하는데, 이는 한쪽만 화학적으로 결합된 스피로피란의 경우 힘, 응력 및 변형(변위)에 대한 활성을 나타내지 않기 때문이다.As described above, the key is to efficiently transfer external force, stress and strain (displacement) by connecting the spiropyran to the chemical structure through a covalent bond. In order to chemically bond the polymer and the spiropyran molecule, both ends of the spiropyran molecule must be functionalized, because in the case of spiropyran chemically bound to only one side, it does not exhibit activity against force, stress and strain (displacement). .
따라서, 상기 스피로피란 전구체는 메타크릴레이트기, 아크릴레이트기, 히드록실기, 바이닐기, 아민기, 아미드기, 아마이드기, 에스테르기, 에폭시기 및 이소시아네이트기 중에서 선택된 어느 하나가 결합된 스피로피란 공중합체인 것이 바람직하다.Therefore, the spiropyran precursor is a spiropyran copolymer to which any one selected from a methacrylate group, an acrylate group, a hydroxyl group, a vinyl group, an amine group, an amide group, an amide group, an ester group, an epoxy group, and an isocyanate group is bonded. it is preferable
상기 제1 고분자 전구체는 메틸메타크릴레이트, 메틸아크릴레이트, 아크릴레이트, 이소시아네이트, 히드록실, 아민, 아크릴로니트릴, 아미드, 아마이드, 아닐린, 스타이렌, 부틸아크릴레이트 및 에폭사이드 중에서 선택된 1종 이상인 것이 바람직하다.The first polymer precursor is at least one selected from methyl methacrylate, methyl acrylate, acrylate, isocyanate, hydroxyl, amine, acrylonitrile, amide, amide, aniline, styrene, butyl acrylate and epoxide. desirable.
상기 첨가제는 가교제, 개시제, 촉매, 사슬 연장제 및 용매 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 Ethylene glycol dimethacrylate, Benzoyl peroxide, N, N-dimethylaniline 및 Tin 촉매 중에서 선택된 1종 이상인 것이다. The additive preferably includes at least one selected from a crosslinking agent, an initiator, a catalyst, a chain extender, and a solvent. More preferably, it is at least one selected from ethylene glycol dimethacrylate, benzoyl peroxide, N, N-dimethylaniline, and Tin catalyst.
상기 (b) 단계는 상기 (a) 단계를 통해 혼합된 혼합물을 반응시키는 단계로서, 후술하는 (b1) 또는 (b2) 단계를 선택적으로 수행하는 것이 바람직하다.Step (b) is a step of reacting the mixture mixed through step (a), and it is preferable to selectively perform step (b1) or (b2) to be described later.
상기 (b1) 단계는 상기 혼합물에 경화제를 첨가하여 경화시키는 단계로, 바람직하게는 상기 혼합물에 경화제를 첨가하고 20 내지 30 ℃의 온도에서 5 내지 20시간 동안 1차로 경화시킨 후, 70 내지 90 ℃의 온도로 승온시켜 1 내지 100 분 동안 2차로 경화시키는 것이다. 예를 들면, 폴리메틸메타크릴레이트와 같은 경화가 필요한 고분자를 스피로피란에 결합시키는 경우에는 상술한 경화 공정 단계(b1)로 수행되는 것이 바람직하다. 상기 경화 공정에 있어서 상술한 바와 같이 1차 및 2차 경화를 차례로 수행되고 상기 온도 및 시간 범위 내에서 수행되는 것이 바람직한데, 상기 조건에서 후술하는 광섬유를 이용한 분석 시 시그널의 감소가 전혀 없는 것을 확인하였다. 그러나 만일 상기 경화 공정(b1) 중 어느 하나라도 충족시키지 못하거나 범위를 벗어나는 경우에는 시그널 감소가 발생하는 것을 확인하였다.The step (b1) is a step of curing by adding a curing agent to the mixture, preferably after adding a curing agent to the mixture and first curing for 5 to 20 hours at a temperature of 20 to 30° C., then 70 to 90° C. It is to be cured secondarily for 1 to 100 minutes by raising the temperature of the. For example, when a polymer requiring curing, such as polymethyl methacrylate, is bound to spiropyran, it is preferably carried out in the above-described curing process step (b1). In the curing process, as described above, the primary and secondary curing are sequentially performed and preferably performed within the above temperature and time range, and it is confirmed that there is no decrease in signal during analysis using an optical fiber to be described later under the above conditions. did. However, if any one of the curing process (b1) is not satisfied or out of the range, it was confirmed that a signal decrease occurs.
상기 (b2) 단계는 상기 혼합물에 제2 고분자 전구체를 첨가하고 40 내지 100 ℃의 온도에서 1 내지 10 시간 동안 반응시키는 것이 바람직하다. 만일 상기 온도 및 시간 범위를 벗어나는 경우에는 미반응물이 잔존할 우려가 있어 바람직하지 않다.In step (b2), it is preferable to add a second polymer precursor to the mixture and react at a temperature of 40 to 100° C. for 1 to 10 hours. If it is out of the above temperature and time ranges, there is a risk that unreacted substances may remain, which is not preferable.
상기 제2 고분자 전구체는 Polytetramethylene etherglycol인 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.The second polymer precursor is preferably polytetramethylene etherglycol, but is not limited thereto.
특히, 하기 실시예 또는 비교예 등에는 명시적으로 기재하지는 않았지만, 본 발명에 따른 구조 안전 진단용 시스템을 광섬유의 종류 및 개수, 광원 및 광 특성 변화 측정 장치 구성을 달리하여 제작한 후 광 특성 변화를 100회 반복하여 분석하였다.In particular, although not explicitly described in the following Examples or Comparative Examples, the optical characteristic change after manufacturing the system for structural safety diagnosis according to the present invention by varying the type and number of optical fibers, the light source and the configuration of the optical characteristic change measuring device The analysis was repeated 100 times.
그 결과, 다른 조건에서와는 달리, 아래 조건을 모두 만족하였을 때 외부에서 민감한 광 특성 변화에도 정량적인 측정이 가능할 뿐만 아니라 다양한 위치에서도 광 특성 변화가 측정되었고, 100회 반복 실시하여도 오차 범위가 거의 발생하지 않는 것을 확인하였다.As a result, unlike in other conditions, when all of the following conditions are satisfied, not only can quantitative measurement of changes in optical properties sensitive from the outside, but also changes in optical properties are measured at various locations, and even if repeated 100 times, an error range is almost generated. confirmed not to do so.
상기 광섬유는 빛이 공급되는 제1 광섬유; 및 공급된 빛을 받아 변화된 광 특성을 측정하는 제2 광섬유;를 포함하고, 상기 제1 광섬유의 개수가 M이고, 상기 제2 광섬유의 개수가 N일 때, 상기 제1 광섬유 및 제2 광섬유는 각각 상기 스피로피란 복합체의 내부 또는 표면에 종방향과 횡방향으로 일정 간격 이격되어 있되, 상기 제1 광섬유 및 제2 광섬유는 서로 교차하거나 마주보도록 배열된 구조이며, 상기 광 특성 변화의 측정은 M × N 개 이하의 교차 위치에서 측정하고, 상기 시스템은 상기 광 특성 변화를 측정하기 위한 RGB 센서, 분광기 또는 광학 필터를 더 포함하고, 상기 빛은 레이저 또는 모노크로메이터가 부착된 광원으로부터 조사되고, 상기 광원은 하나 이상의 제1 광섬유에 빛이 조사되고, 상기 RGB 센서, 분광기 또는 광학 필터는 하나 이상의 제2 광섬유로부터 감지되는 상기 광 특성 변화를 측정하는 것일 수 있다.The optical fiber includes a first optical fiber to which light is supplied; and a second optical fiber that receives the supplied light and measures the changed optical characteristics, wherein when the number of the first optical fibers is M and the number of the second optical fibers is N, the first optical fiber and the second optical fiber are Each of the spiropyran complexes are spaced apart at regular intervals in the longitudinal and lateral directions on the inside or surface of the complex, and the first optical fiber and the second optical fiber have a structure arranged to cross or face each other, and the measurement of the optical property change is M × Measuring at N or less crossing positions, the system further comprises an RGB sensor, a spectrometer or an optical filter for measuring the change in the optical properties, wherein the light is irradiated from a light source to which a laser or a monochromator is attached; The light source may be one in which light is irradiated to one or more first optical fibers, and the RGB sensor, the spectrometer, or the optical filter measures the change in the optical properties sensed from the one or more second optical fibers.
다만, 상기 조건 중 어느 하나라도 충족되지 않는 경우에는 일부 위치에서는 신호의 세기가 매우 약하였고, 두꺼운 소재, 불투명 또는 오염 가능성이 높은 소재에서는 광 특성 변화가 제대로 측정되지 않았으며, 100회 반복 실시하였을 때 오차 범위가 큰 폭으로 증가하는 것을 확인하였다.However, if any one of the above conditions was not met, the signal strength was very weak at some locations, and the optical property change was not properly measured in thick materials, opaque materials, or materials with a high possibility of contamination. It was confirmed that the error range increased significantly when
본 발명의 다른 측면에 따르면, 스피로피란 복합체에 힘, 응력 또는 변형이 인가되었을 때 광 특성 변화를 광섬유로 분석하는 것을 특징으로 하는 구조 안전 진단용 시스템의 분석 방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided an analysis method of a system for structural safety diagnosis, characterized in that the optical characteristic change is analyzed with an optical fiber when a force, stress or strain is applied to the spiropyran complex.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 스피로피란 복합체; 및 광섬유;를 포함하는 구조 안전 진단용 시스템의 분석 방법에 있어서, (A) 제1 광섬유, 또는 광원으로부터 공급되는 빛을 받아 변화된 광 특성을 나타내는 제2 광섬유의 광 특성 변화 정도를 측정하는 단계; 및 (B) 상기 측정된 광 특성 변화를 분석하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조 안전 진단용 시스템의 분석 방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, spiropyran complex; and an optical fiber; comprising the steps of: (A) measuring a degree of change in optical properties of a first optical fiber or a second optical fiber exhibiting changed optical properties by receiving light supplied from a light source; and (B) analyzing the measured optical characteristic change.
건축물 또는 운송수단의 구조용 소재는 손상과 혹시 모를 대참사를 사전에 정확하게 진단하기 위해서는 힘/응력/변위에 따른 소재 내부에서의 구조 변화를 실시간으로 모니터링하고 분석할 필요가 있다. 상술한 스피로피란 복합체(SP 분자 센서)를 포함하는 자가진단 스마트 소재의 경우 내부에서 발생하는 힘, 응력 또는 변형을, 스피로피란 복합체에서 발생하는 가시적인 색상, 형광 특성, 흡수 특성 및 발광 특성 중에서 어느 하나 이상의 광 특성 변화를 외부에서 감지 및 정량화함으로써 소재의 실시간 응력을 각 위치 별로 측정/분석하고 구조 안정성을 진단할 수 있다.In order to accurately diagnose damage and possible catastrophes in advance of structural materials for buildings or vehicles, it is necessary to monitor and analyze structural changes within the material according to force/stress/displacement in real time. In the case of the self-diagnostic smart material including the above-described spiropyran complex (SP molecular sensor), the force, stress, or deformation generated inside the spiropyran complex can be selected from any of the visible color, fluorescence, absorption, and luminescence properties. By externally detecting and quantifying one or more changes in optical properties, real-time stresses of materials can be measured/analyzed for each location and structural stability can be diagnosed.
상기 광 특성 변화를 위해서는 상기 스피로피란 복합체 내부로 광이 입사되어 흡수, 형광, 산란, 발색 등의 반응을 나타내야 하는데, 이를 위한 광원은 태양광이나 구조물이 위치한 곳에 기존에 설치된 광원을 그대로 사용하거나 필터 혹은 단색화 장치 등을 통해 특정 파장 대역의 빛을 선택적으로 조사할 수 있으며, 빛이 충분하지 않거나 입사 광원의 빛의 특성의 제어가 필요한 경우 추가적인 광원을 통해 빛을 조사할 수 있다. In order to change the optical properties, light must be incident into the spiropyran complex to exhibit reactions such as absorption, fluorescence, scattering, and color development. Alternatively, light of a specific wavelength band may be selectively irradiated through a monochromator or the like, and when the light is insufficient or it is necessary to control the characteristics of the light of the incident light source, the light may be irradiated through an additional light source.
상기 광 특성 변화 관찰을 위해서는 외부에서 빛의 공급이 필요하나, 외부에서 상기 복합체 내부로 빛이 공급되는 경우 빛이 측정위치까지 도달하는 경로에서 빛의 흡수, 형광, 산란 등으로 광량 뿐만 아니라, 스펙트럼, 즉, 파장 별 빛의 강도 분포까지 변화하므로 측정 위치 별 광원 특성 변화를 유발하여 광 특성 변화의 정량적인 측정이 매우 어려워지게 된다. In order to observe the change in the optical properties, it is necessary to supply light from the outside, but when light is supplied from the outside to the inside of the complex, not only the amount of light, but also the spectrum as well as absorption, fluorescence, scattering, etc. , that is, even the intensity distribution of light for each wavelength changes, causing a change in light source characteristics for each measurement location, making it very difficult to quantitatively measure the change in optical characteristics.
한편, 광섬유는 내부 전반사에 의해 광을 손실없이 전달할 수 있고 두께를 최소화하여 원 소재의 구조적 안정성을 크게 해치지 않는다는 장점이 있다. 그러므로 상기 광섬유를 구조체 내부 혹은 표면에 개재하여 빛을 공급함으로써 상기 측정 위치 별 광원 특성 변화를 최소화 할 수 있으며, 어두운 소재에도 빛을 충분히 공급하거나, 측정을 원하는 위치에 빛을 집중적으로 공급할 수 있어 내부의 구조 변화 감지가 용이해 진다. 이를 도 3에 나타내었다.On the other hand, the optical fiber has the advantage that it can transmit light without loss by total internal reflection and does not significantly impair the structural stability of the original material by minimizing the thickness. Therefore, by supplying light by interposing the optical fiber inside or on the surface of the structure, it is possible to minimize the change in light source characteristics for each measurement position, and to supply light sufficiently even to dark materials, or to supply light intensively to the position where the measurement is desired. It is easy to detect structural changes of This is shown in FIG. 3 .
또한, 상기 빛의 공급을 위한 광섬유 이외에 빛의 관찰을 위한 광섬유가 별도로 상기 구조체 내부 혹은 표면에 개재되어, 상기 스피로피란 복합체에서 위치 별로 발생하는 광 특성 변화를 노이즈 발생을 최소화하여 측정할 수 있으며, 이에 따라 측정 신호의 잡음 대비 신호 비율을 최대화 하며 측정 감도를 향상할 수 있다. 다른 실시예로 상기 측정을 위한 광섬유는 광 공급을 위한 광섬유의 일부 혹은 전체를 활용해 별도의 배치 없이 공용으로 광섬유를 사용할 수 있다.In addition, in addition to the optical fiber for supplying the light, an optical fiber for light observation is separately interposed inside or on the surface of the structure, so that the change in optical properties occurring at each location in the spiropyran complex can be measured by minimizing the occurrence of noise, Accordingly, it is possible to maximize the signal-to-noise ratio of the measurement signal and improve the measurement sensitivity. In another embodiment, the optical fiber for the measurement may use a part or the whole of the optical fiber for light supply to use the optical fiber in common without separate arrangement.
상기 광 공급을 위한 제1 광섬유와 광 측정을 위한 제2 광섬유는 각각 1 대 1 대응 되어 사용될 수 있으며, 이때 상기 1 대 1 대응쌍 광섬유는 서로 근방에 배치되어 상기 광 공급 경로 및 광 측정 경로에서 흡수/형광/산란 등으로 인한 스펙트럼 변화, 광량 감소를 최소화 할 수 있다.The first optical fiber for supplying the light and the second optical fiber for measuring the light may be used in a one-to-one correspondence, respectively, wherein the one-to-one corresponding pair of optical fibers are disposed near each other in the light supply path and the light measurement path. It is possible to minimize the spectral change and decrease in the amount of light due to absorption/fluorescence/scattering.
상기 광 공급을 위한 제1 광섬유와 광 측정을 위한 제2 광섬유의 수는 1 대 1로 대응하지 않을 수 있으며, 이때 광 공급을 위한 제1 광섬유 M개와 광 측정을 위한 제2 광섬유 N개는 최대 M × N 개, 또는 그 이하의 교차 위치에서의 상기 광 특성 변화를 측정할 수 있다. 상기 제1 광섬유 및 제2 광섬유는 각각 상기 스피로피란 복합체의 내부 또는 표면에 종방향과 횡방향으로 일정 간격 이격되어 있되, 상기 제1 광섬유 및 제2 광섬유는 서로 교차하거나 마주보도록 배열된 구조인 것일 수 있다. 상기 제1 광섬유 및 제2 광섬유가 서로 거리를 두고 교차하는 구조의 경우 위치 특정면에서 이점이 있다. 바람직하게는 상기 제1 광섬유 및 제2 광섬유는 서로 마주보도록 배열된 구조일 수 있다. 이 경우, 스피로피란 복합체의 강도를 향상시킬 수 있고, 가장 신호의 세기가 강하며, 정량적인 측정에 유리한 이점이 있다. 또한 상기 제1 광섬유 및 제2 광섬유가 서로 마주보는 형태로 배치하게 되면 위치 특정은 약하나 강도를 최대로 하여 손상 정도에 대한 정량적 측정의 정밀도를 향상시킬 수 있고, 두껍거나 불투명도 또는 오염 가능성이 높은 소재에서도 측정이 가능한 이점이 있다(도 4의 첫 번째 도면 참고). 이와 같이 M × N 개의 교차 방법을 통해 상기 광 공급을 위한 제1 광섬유 혹은/및 광 측정을 위한 제2 광섬유 개수 대비 다양한 위치에서의 광 변화 특성을 측정할 수 있다. 이를 도 4에 나타내었다.The number of the first optical fiber for supplying light and the second optical fiber for measuring light may not correspond to one-to-one, in which case M first optical fibers for supplying light and N second optical fibers for measuring light are the maximum. It is possible to measure the change in the optical properties at M × N or less intersection positions. The first optical fiber and the second optical fiber are spaced apart from each other at regular intervals in the longitudinal and lateral directions on the inside or surface of the spiropyran complex, and the first optical fiber and the second optical fiber are arranged to cross or face each other. can The structure in which the first optical fiber and the second optical fiber intersect at a distance from each other is advantageous in terms of location specification. Preferably, the first optical fiber and the second optical fiber may be arranged to face each other. In this case, the strength of the spiropyran complex can be improved, the signal strength is the strongest, and there are advantages to quantitative measurement. In addition, when the first optical fiber and the second optical fiber are disposed to face each other, the position specification is weak, but the strength is maximized to improve the precision of quantitative measurement of the degree of damage, and the material is thick, opaque, or highly contaminated There is an advantage that can also be measured (refer to the first drawing of FIG. 4). As described above, through the M×N crossing method, it is possible to measure light change characteristics at various positions compared to the number of the first optical fibers for supplying the light and/or the number of the second optical fibers for measuring the light. This is shown in FIG. 4 .
상기 광섬유를 통해 얻어지는 시그널은 가시광선 영역(400~750 nm), 적외선 영역 또는 자외선 영역 중 일부 파장 대역을 소스로 하여 진단 대상의 구조물에서 나오는 형광, 흡수, 산란, 반사 및 투과에 의한 광 특성 변화를 통해 정량적으로 분석할 수 있다. The signal obtained through the optical fiber uses as a source some wavelength bands of the visible ray region (400-750 nm), the infrared region, or the ultraviolet region, and changes in optical properties due to fluorescence, absorption, scattering, reflection and transmission from the structure of the diagnosis target. can be quantitatively analyzed.
상기 빛은 레이저 또는 모노크로메이터가 부착된 광원으로부터 조사되거나, 또는 자연광으로부터 공급되는 것일 수 있다. 상기 광원 또는 자연광은 하나 이상의 제1 광섬유에 빛이 조사되는 것일 수 있다. 일 실시예로 상기 광 공급을 위한 광원은 광분배기를 통해 여러 위치에 광섬유에 나누어져 공급할 수 있다. 다른 실시예로 상기 광 공급을 위한 광원은 상기 복수의 광원이 순차적으로 점멸되는 방식 대신, 순차적으로 광 스펙트럼 혹은 광량이 바뀌는 방식일 수 있다. 또 다른 실시예로 상기 복수의 광원의 순차적인 변화를 사용하는 방식 대신, 순차적으로 광원과 광측정장치의 연결구조를 변경하는 방식으로 힘/응력/변위 발생 위치를 특정할 수 있다. 상기 방법은 도 5에 표현하였다.The light may be irradiated from a light source to which a laser or a monochromator is attached, or may be supplied from natural light. The light source or natural light may be one in which light is irradiated to one or more first optical fibers. In an embodiment, the light source for supplying the light may be divided and supplied to the optical fiber at various locations through a light splitter. In another embodiment, the light source for supplying light may be a method in which a light spectrum or amount of light is sequentially changed instead of a method in which the plurality of light sources are sequentially flickered. In another embodiment, instead of using the sequential change of the plurality of light sources, the force/stress/displacement generation position may be specified by sequentially changing the connection structure between the light source and the optical measuring device. The method is represented in FIG. 5 .
일 실시예로 상기 광 공급을 위한 광원은 도 4의 2 × 3 대응 배치 방법의 경우, 위치별로 복수의 광원이 순차적으로 점멸되는 방식으로 힘/응력/변위 발생 위치를 특정할 수 있다. 일 예로 도 4에서 기준 시간 t0 ~ t0 + 0.1초 구간에서는 광원 1이, t0 + 0.1초 ~ t0 + 0.2초 구간에서는 광원 2이 켜지는 경우, t0 + 0.05초의 시점에 광측정장치 2에서 측정된 광 특성 변화는 위치 2에서 기인함을 확인할 수 있다. In an embodiment, in the case of the 2×3 corresponding arrangement method of FIG. 4 , the light source for supplying light may specify a force/stress/displacement generating position in such a way that a plurality of light sources are sequentially flickered for each position. For example, in FIG. 4 , when light source 1 is turned on in the period of reference time t0 to t0 + 0.1 seconds, and light source 2 is turned on in the period t0 + 0.1 seconds to t0 + 0.2 seconds, the light source 2 is measured at the time point of t0 + 0.05 seconds. It can be seen that the optical characteristic change originates from position 2.
광 측정 장치의 경우, RGB(Red-green-blue) 센서, PM(Photomultiplier) tube에 결합된 필터, 분광기 등의 형태일 수 있다. 상기 RGB 센서, 분광기 또는 광학 필터는 하나 이상의 제2 광섬유로부터 감지되는 상기 광 특성 변화를 측정하는 것일 수 있다. 광 측정 장치와 광 측정 광섬유 연결 방법의 경우에는 일 실시예로, 상기 광 측정 광섬유에서 나오는 빛은, 여러 위치에서 측정된 빛이 모아져 측정장치에 인가되어, 위치별 측정이 아닌 임의의 위치에서의 힘, 응력 또는 변형의 변화를 감지하는 용도로 사용될 수 있다. 다른 실시예로 상기 광 측정 광섬유에서 나오는 빛은 여러 위치에서 측정된 빛이 각각 다른 측정장치에 인가되거나 한 측정장치 내 다른 픽셀 위치에 인가되어, 위치 별로 분해하여 위치 별, 힘, 응력 또는 변형의 변화를 감지하는 용도로 사용될 수 있다. 다른 실시예로 상기 광 측정 광섬유에서 나오는 빛은 순차적으로 연결상태가 변화하며 측정장치에 인가되어 적은 수의 측정 장치로 보다 다양한 위치에서의 위치 별, 힘, 응력 또는 변형의 변화를 감지하는 용도로 사용될 수 있다. 상기 개념은 도 6에 나타내었다.In the case of a light measuring device, it may be in the form of a red-green-blue (RGB) sensor, a filter coupled to a photomultiplier (PM) tube, a spectrometer, and the like. The RGB sensor, the spectrometer, or the optical filter may measure the change in the optical characteristic sensed from one or more second optical fibers. In the case of the optical measuring device and the optical measuring optical fiber connection method as an embodiment, the light emitted from the optical measuring optical fiber is collected from the light measured at various positions and applied to the measuring device, It can be used to detect changes in force, stress or strain. In another embodiment, the light emitted from the optical measuring optical fiber is applied to different measuring devices or applied to different pixel positions in one measuring device. It can be used to detect changes. In another embodiment, the light emitted from the optical measuring optical fiber sequentially changes its connection state and is applied to a measuring device for the purpose of detecting changes in force, stress, or strain by location at various locations with a small number of measuring devices. can be used The concept is shown in FIG. 6 .
광 측정 장치로 연결되는 이렇게 복수 개의 광섬유를 상기 스피로피란 복합체에 연결시켜 진단 대상 구조물의 여러 곳에 대한 분석 인터페이스를 구현할 수 있으며, 각각의 광섬유에서 나오는 색상과 형광을 분석하여 이를 디스플레이함으로써 비전문가도 쉽게 구조물의 위험을 진단하고 판단할 수 있는 인터페이스를 구축할 수 있다.By connecting the plurality of optical fibers connected to the optical measuring device to the spiropyran complex, it is possible to implement an analysis interface for various places of the structure to be diagnosed. It is possible to build an interface that can diagnose and judge the risk of
예를 들면, 자가진단 센서 분자를 포함하는 구조체의 서로 다른 지점에 혼입된 여러 광섬유 가닥들을 중앙 컨트롤 센터에서 하나의 번들로 모은 후, 광 스펙트럼, 색 또는 형광 분석 인터페이스의 구현을 통해 구조체의 위치에 따른 힘/응력/변위를 도식화하고 위험 상황을 실시간으로 모니터링하고 진단할 수 있다. 이와 관련하여 광섬유를 이용한 자가진단 소재의 구조안전 진단 인터페이스 시스템의 모식도를 도 12의 (b)에 나타내었다. 도 12의 (b)는 비행기 선체 내부의 수많은 응력 집중부들에 자가진단 스마트 소재 및 광섬유를 장착한 후, 형광(혹은 광 스펙트럼, 색) 변화를 감지하고 각 부위별로 장착된 광섬유들을 중앙의 컨트롤 센터에서 디스플레이화를 통해 힘/응력/변위 분포를 진단 및 해석하는 시스템을 나타내고 있다.For example, several fiber optic strands incorporated at different points in a structure containing self-diagnostic sensor molecules are gathered into one bundle at a central control center, and then placed into the structure through the implementation of optical spectral, color or fluorescence analysis interfaces. The resulting force/stress/displacement can be schematized, and dangerous situations can be monitored and diagnosed in real time. In this regard, a schematic diagram of a structural safety diagnosis interface system of a self-diagnosis material using an optical fiber is shown in FIG. 12(b). Figure 12 (b) shows that after mounting self-diagnostic smart materials and optical fibers in numerous stress concentrations inside the aircraft hull, fluorescence (or optical spectrum, color) changes are detected and the optical fibers installed for each part are transferred to the central control center. shows a system for diagnosing and interpreting force/stress/displacement distribution through display.
이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 또한, 이하의 실시예를 포함한 본 발명의 개시 내용에 기초한다면, 구체적으로 실험 결과가 제시되지 않은 본 발명을 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있음은 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of Examples and the like, but the scope and content of the present invention may not be construed as being reduced or limited by the Examples below. In addition, based on the disclosure of the present invention including the following examples, it is clear that a person skilled in the art can easily practice the present invention for which no specific experimental results are presented, and such modifications and modifications are included in the attached patent. It goes without saying that they fall within the scope of the claims.
또한, 이하에서 제시되는 실험 결과는 상기 실시예 및 비교예의 대표적인 실험 결과만을 기재한 것이며, 아래에서 명시적으로 제시하지 않은 본 발명의 여러 구현예의 각각의 효과는 해당 부분에서 구체적으로 기재하도록 한다.In addition, the experimental results presented below describe only the representative experimental results of the Examples and Comparative Examples, and the effects of each of the various embodiments of the present invention that are not explicitly presented below will be described in detail in the corresponding part.
실시예 1: SP linked PMMA 스피로피란 복합체 제조Example 1: Preparation of SP linked PMMA spiropyran complex
SP(Spiropyran)이 화학적으로 결합된 SP linked PMMA(Polymethyl methacrylate)를 합성하기 위하여, MMA monomer, methacrylate-functionalized SP 분자, Eethylene glycol Dimethacrylate(crosslinking agent) 및 benzoyl peroxide(initiator)를 질소 분위기에서 0 내지 100 ℃의 온도로 24 시간 동안 충분히 교반하였다. 여기에 화학적 활성제인 N,N-Dimethylaniline를 첨가하여 고분자 경화를 시작하는데 상온에서 12시간 동안 경화시킨 후에 100 ℃ 이상의 온도로 승온시켜 최소 30분 이상 경화시켜 SP linked PMMA를 제조하였다. To synthesize SP-linked polymethyl methacrylate (PMMA) chemically bound to SP (Spiropyran), MMA monomer, methacrylate-functionalized SP molecule, ethylene glycol dimethacrylate (crosslinking agent), and benzoyl peroxide (initiator) were mixed with 0 to 100 in a nitrogen atmosphere. The mixture was sufficiently stirred at a temperature of ℃ for 24 hours. A chemical activator, N,N-Dimethylaniline, was added to start curing the polymer. After curing at room temperature for 12 hours, the temperature was raised to 100° C. or higher and cured for at least 30 minutes to prepare SP linked PMMA.
시험예 1: 스피로피란 복합체의 응력 또는 변형에 의한 색 변화 분석Test Example 1: Analysis of color change due to stress or deformation of spiropyran complex
실시예 1에서 합성된 스피로피란 복합체를 응력 또는 변형에 의한 색 변화를 실험하여 실험 전과 후의 이미지를 도 2에 나타내었다.The spiropyran complex synthesized in Example 1 was tested for color change due to stress or deformation, and images before and after the experiment are shown in FIG. 2 .
도 2를 참조하면, 실시예 1의 스피로피란 복합체(SP-linked PMMA)는 힘, 응력, 혹은 변형을 가하면 시편의 색이 약한 노란색 혹은 투명한 색(왼쪽)에서 강렬한 보라색(오른쪽)으로 변화하는 것을 알 수 있다. 이는 별다른 외부 장비 또는 전문가의 도움 없이 일반인들도 색의 변화를 육안으로 쉽게 감지할 수 있을 정도로 충분한 색의 변화를 보여주고 있음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 2 , the spiropyran composite (SP-linked PMMA) of Example 1 shows that the color of the specimen changes from a weak yellow or transparent color (left) to intense purple (right) when force, stress, or deformation is applied. Able to know. It can be confirmed that this shows sufficient color change so that ordinary people can easily detect the color change with the naked eye without any external equipment or professional help.
또한, 실시예 1에서 합성된 스피로피란 복합체(SP-PMMA)를 외부자극(힘, 응력, 변형)에 의한 자가진단 색 분석법을 통해 정량화하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다. 실험 결과를 통해, 붉은색, 녹색, 파란색 등 다양한 색을 기준으로 분석이 가능하고, 외부 힘/응력/변위가 시편에 가해질 때 색이 증가(혹은 감소)함을 확인할 수 있다. 본 실험에서는 대표적으로 붉은색(red)의 분석 결과만을 나타내고 있는데, 흥미로운 점은 단순히 힘을 받는지에 대한 on/off의 개념보다 외부의 자극에 비례하여 붉은색의 세기(red intensity)도 증가한다는 것이다. 즉, 본 발명에 따른 스피로피란 복합체(SP 센서 분자)를 이용한 자가진단 소재의 경우, 색의 분석을 통해 소재에 가해지는 응력 혹은 변형의 정도(혹은 세기)를 정량적으로 측정할 수 있음을 의미한다. In addition, the spiropyran complex (SP-PMMA) synthesized in Example 1 was quantified through self-diagnostic color analysis by external stimuli (force, stress, deformation), and the results are shown in FIG. 3 . Through the experimental results, analysis is possible based on various colors such as red, green, and blue, and it can be confirmed that the color increases (or decreases) when external force/stress/displacement is applied to the specimen. In this experiment, only red analysis results are typically shown. Interestingly, the red intensity also increases in proportion to external stimuli rather than simply on/off concept of whether or not a force is applied. . That is, in the case of a self-diagnostic material using a spirophyll complex (SP sensor molecule) according to the present invention, it means that the degree (or strength) of stress or deformation applied to the material can be quantitatively measured through color analysis. .
도 8은 도 2의 외부 자극(힘, 응력, 변형)에 의한 색 변화를 형광 분석법을 통해 해석한 그래프이다. 위에서 설명한 색 분석법과 마찬가지로, 외부 자극(힘, 응력, 변위)이 가해졌을 때 형광이 크게 향상함을 확인할 수 있다. 또한, 외부 자극의 세기에 비례하여 형광의 세기 역시 증가하여 정량적인 분석에 큰 이점이 있음을 확인할 수 있다. 형광 세기의 경우 RGB(red-green-blue) 보다 센서의 감도가 훨씬 좋아진다는 장점이 있기 때문에 미세한 힘 또는 변위를 측정할 수 있다.FIG. 8 is a graph in which color changes due to external stimuli (force, stress, and strain) of FIG. 2 are analyzed through fluorescence analysis. As with the color analysis method described above, it can be seen that the fluorescence is greatly improved when an external stimulus (force, stress, displacement) is applied. In addition, it can be confirmed that the intensity of fluorescence also increases in proportion to the intensity of the external stimulus, which has a great advantage in quantitative analysis. In the case of fluorescence intensity, since the sensitivity of the sensor is much better than that of RGB (red-green-blue), it is possible to measure minute force or displacement.
시험예 2: 스피로피란(spiropyran) 복합체를 포함한 자가진단 스마트 소재의 광섬유를 통한 진단 분석Test Example 2: Diagnostic analysis through optical fiber of self-diagnostic smart material including spiropyran complex
실시예 1의 스피로피란 복합체 소재 내부에 광섬유를 위치시키고 응력을 가하면서 광 스펙트럼, 색상 및 형광 세기를 측정하였으며, 그 결과를 도 9 내지 11에 나타내었다.The optical fiber was placed inside the spiropyran composite material of Example 1 and the optical spectrum, color, and fluorescence intensity were measured while applying stress, and the results are shown in FIGS. 9 to 11 .
먼저, 광 스펙트럼 결과를 나타낸 도 9를 참조하면, 응력이 없는 상태에서는 60% 정도의 상대적으로 균일한 투과도(transmission)를 나타내지만, 응력이 가해지면 580 nm 근처에서 투과도가 크게 감소하고 450 nm와 700 nm 부근에서는 투과도가 크게 증가함을 알 수 있다. First, referring to FIG. 9 showing the light spectrum results, in the absence of stress, a relatively uniform transmission of about 60% is shown, but when stress is applied, the transmittance is greatly reduced near 580 nm, and It can be seen that the transmittance is greatly increased around 700 nm.
또한, 색 분석의 경우는 응력을 가하면서 붉은색(red), 녹색(green), 파란색(blue)의 세기 변화를 측정하였는데, 그 결과 응력이 증가함에 따라 녹색은 줄어들고 붉은색과 파란색의 세기는 증가함을 확인할 수 있다(도 10 참조). Also, in the case of color analysis, changes in intensity of red, green, and blue were measured while applying stress. As a result, as the stress increased, green decreased and the intensity of red and blue decreased. It can be seen that the increase (see FIG. 10).
뿐만 아니라, 형광을 측정하는 경우 응력이 없는 상태에서는 형광이 거의 발생하지 않았다. 하지만 응력이 가해짐에 따라 자가진단 스마트 소재 내부 스파이로 파이란 센서 분자가 SP form에서 MC form으로 변화하면서 형광 특성을 나타내고(도 1의 화학 구조 참조), 따라서 도 11에서 보는 바와 같이, 응력이 가해질 때 650 nm 파장을 중심으로 큰 형광이 측정되는 것을 확인할 수 있다.In addition, when the fluorescence was measured, almost no fluorescence occurred in the absence of stress. However, as stress is applied, the self-diagnostic smart material inner spyro sensor molecule changes from SP form to MC form and exhibits fluorescence properties (see the chemical structure of FIG. 1 ). Therefore, as shown in FIG. 11 , the stress It can be seen that large fluorescence is measured centered on the 650 nm wavelength.
따라서, 본 발명의 여러 구현예에 따르면, 자가 진단 스마트 소재인 스피로피란 복합체에 광섬유를 혼입하면 응력 및 변형에 대한 구조 안전 진단 시스템을 구현할 수 있다.Therefore, according to various embodiments of the present invention, if an optical fiber is incorporated into the spiropyran composite, which is a self-diagnostic smart material, a structural safety diagnosis system for stress and deformation can be implemented.
또한, 상기의 시스템은 건축물 또는 운송수단 등의 외부 또는 원거리에서 응력 및 변형을 실시간으로 모니터링할 수 있어, 대상의 구조적 안전을 보다 편리하고 빠르게 진단하는데 현저한 효과를 나타낸다.In addition, the system can monitor the stress and strain in real time from the outside or from a remote location, such as a building or transportation means, which has a remarkable effect in more conveniently and quickly diagnosing the structural safety of the object.
뿐만 아니라, 종래의 진단 시스템 단점을 완벽히 보완하여 저가에 구현이 가능한 스마트 소재로 개발할 수 있어 상시적으로 사회 안정성을 담보할 수 있으며, 이는 구조물의 붕괴나 수송기의 파손과 같은 대형 사고를 미연에 방지하는데도 효과적으로 활용될 수 있다.In addition, it is possible to develop a smart material that can be implemented at a low price by perfectly complementing the shortcomings of the conventional diagnostic system, thus ensuring social stability at all times, which prevents major accidents such as collapse of structures or damage to transport planes in advance. It can also be used effectively.
Claims (18)
상기 스피로피란 복합체의 내부 또는 표면에 일부 또는 전체가 함침되어 형성되는 하나 이상의 광섬유;를 포함하는 구조 안전 진단용 시스템으로서,
상기 스피로피란 복합체에 힘, 응력 또는 변형이 인가되었을 때 광 특성 변화가 일어나며,
상기 광 특성 변화는 상기 광섬유에 빛을 조사하여 측정하는 것을 특징으로 하는 구조 안전 진단용 시스템.
Spiropyran and a polymer conjugated spiropyran complex; and
As a system for structural safety diagnosis including; at least one optical fiber formed by partially or entirely impregnating the inside or surface of the spiropyran complex,
When a force, stress or strain is applied to the spiropyran composite, a change in optical properties occurs,
The structural safety diagnosis system, characterized in that the optical characteristic change is measured by irradiating the optical fiber with light.
상기 광 특성 변화는 광섬유의 색상, 형광, 흡수, 산란, 반사 및 투과 중 어느 하나 이상의 변화를 나타내는 것을 특징으로 하는 구조 안전 진단용 시스템.
According to claim 1,
The optical property change is a system for structural safety diagnosis, characterized in that it represents a change in any one or more of color, fluorescence, absorption, scattering, reflection, and transmission of the optical fiber.
상기 광섬유는 빛이 공급되는 제1 광섬유; 또는
공급된 빛을 받아 변화된 광 특성을 측정하는 제2 광섬유;를 포함하거나,
상기 제1 광섬유 및 제2 광섬유를 모두 포함하는 것을 특징으로 하는 구조 안전 진단용 시스템.
According to claim 1,
The optical fiber includes a first optical fiber to which light is supplied; or
a second optical fiber that receives the supplied light and measures the changed optical characteristics; or
A system for structural safety diagnosis comprising both the first optical fiber and the second optical fiber.
상기 제1 광섬유의 개수가 M이고, 상기 제2 광섬유의 개수가 N일 때,
상기 광 특성 변화의 측정은 M × N 개 이하의 교차 위치에서 측정하는 것을 특징으로 하는 구조 안전 진단용 시스템.
4. The method of claim 3,
When the number of the first optical fibers is M and the number of the second optical fibers is N,
The measurement of the optical characteristic change is a structural safety diagnosis system, characterized in that measured at M × N or less intersection positions.
상기 제1 광섬유의 개수가 M이고, 상기 제2 광섬유의 개수가 N일 때,
상기 제1 광섬유 및 제2 광섬유는 각각 상기 스피로피란 복합체의 내부 또는 표면에 종방향과 횡방향으로 일정 간격 이격되어 있되, 상기 제1 광섬유 및 제2 광섬유는 서로 교차하거나 마주보도록 배열된 구조인 것을 특징으로 하는 구조 안전 진단용 시스템.
4. The method of claim 3,
When the number of the first optical fibers is M and the number of the second optical fibers is N,
The first optical fiber and the second optical fiber are spaced apart from each other at regular intervals in the longitudinal and lateral directions on the inside or surface of the spiropyran complex, and the first optical fiber and the second optical fiber are arranged to cross or face each other. A system for structural safety diagnosis characterized.
상기 시스템은 상기 광 특성 변화를 측정하기 위한 RGB 센서, 분광기 및 광학 필터 중 어느 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구조 안전 진단용 시스템.
According to claim 1,
The system for structural safety diagnosis, characterized in that it further comprises any one or more of an RGB sensor, a spectrometer, and an optical filter for measuring the change in the optical characteristics.
상기 빛은 레이저 또는 모노크로메이터가 부착된 광원으로부터 조사되거나, 또는 자연광으로부터 공급되는 것을 특징으로 하는 구조 안전 진단용 시스템.
4. The method of claim 3,
The light is irradiated from a light source to which a laser or a monochromator is attached, or a system for structural safety diagnosis, characterized in that it is supplied from natural light.
상기 광원 또는 자연광은 하나 이상의 제1 광섬유에 빛이 조사되고, 상기 RGB 센서, 분광기 또는 광학 필터는 하나 이상의 제2 광섬유로부터 감지되는 상기 광 특성 변화를 측정하는 것을 특징으로 하는 구조 안전 진단용 시스템.
8. The method of claim 6 and 7,
The light source or natural light is irradiated to one or more first optical fibers, and the RGB sensor, the spectrometer or the optical filter measures the change in the optical properties sensed from the one or more second optical fibers.
상기 광섬유는 빛이 공급되는 제1 광섬유; 및 공급된 빛을 받아 변화된 광 특성을 측정하는 제2 광섬유;를 포함하고,
상기 제1 광섬유의 개수가 M이고, 상기 제2 광섬유의 개수가 N일 때, 상기 제1 광섬유 및 제2 광섬유는 각각 상기 스피로피란 복합체의 내부 또는 표면에 종방향과 횡방향으로 일정 간격 이격되어 있되, 상기 제1 광섬유 및 제2 광섬유는 서로 교차하거나 마주보도록 배열된 구조이며, 상기 광 특성 변화의 측정은 M × N 개 이하의 교차 위치에서 측정하고,
상기 시스템은 상기 광 특성 변화를 측정하기 위한 RGB 센서, 분광기 또는 광학 필터를 더 포함하고,
상기 빛은 레이저 또는 모노크로메이터가 부착된 광원으로부터 조사되고,
상기 광원은 하나 이상의 제1 광섬유에 빛이 조사되고, 상기 RGB 센서, 분광기 또는 광학 필터는 하나 이상의 제2 광섬유로부터 감지되는 상기 광 특성 변화를 측정하는 것을 특징으로 하는 구조 안전 진단용 시스템.
According to claim 1,
The optical fiber includes a first optical fiber to which light is supplied; and a second optical fiber that receives the supplied light and measures the changed optical characteristics.
When the number of the first optical fibers is M and the number of the second optical fibers is N, the first optical fiber and the second optical fiber are respectively spaced apart from each other at regular intervals in the interior or surface of the spiropyran complex in the longitudinal and transverse directions. However, the first optical fiber and the second optical fiber have a structure arranged to cross or face each other, and the measurement of the optical property change is measured at M × N or less intersection positions,
The system further comprises an RGB sensor, a spectrometer or an optical filter for measuring the change in the optical properties,
The light is irradiated from a light source to which a laser or a monochromator is attached,
The light source irradiates light to one or more first optical fibers, and the RGB sensor, spectrometer, or optical filter measures the change in the optical properties sensed from one or more second optical fibers.
스피로피란 복합체에 힘, 응력 또는 변형이 인가되었을 때 광 특성 변화를 광섬유로 측정하는 것을 특징으로 하는 구조 안전 진단용 시스템의 측정 방법.
In the measurement method using the system for structural safety diagnosis of claim 1,
A method of measuring a system for structural safety diagnosis, characterized in that the optical property change is measured with an optical fiber when a force, stress or strain is applied to the spiropyran composite.
(A) 광원으로부터 공급되는 빛을 직접 또는 제1 광섬유를 통해 받아서 변화된 광 특성을 나타내는 제2 광섬유의 광 특성 변화 정도를 측정하는 단계; 및
(B) 상기 측정된 광 특성 변화를 분석하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조 안전 진단용 시스템의 분석 방법.
The spiropyran complex of claim 1; In the analysis method of a system for structural safety diagnosis comprising a; and an optical fiber,
(A) measuring a degree of change in optical properties of a second optical fiber exhibiting changed optical properties by receiving light supplied from a light source directly or through a first optical fiber; and
(B) analyzing the measured optical characteristic change; analysis method of a system for structural safety diagnosis comprising a.
상기 (B) 단계는 측정된 광 특성 변화를 힘, 응력 또는 변형으로 환산하여 정량화하는 것을 특징으로 하는 구조 안전 진단용 시스템의 분석 방법.
12. The method of claim 11,
The step (B) is characterized in that the measured optical property change is quantified by converting it into force, stress or strain. Methods of analysis of systems for structural safety diagnostics.
상기 제1 광섬유는 광원으로부터 광분배기를 이용하여 빛이 조사된 것을 특징으로 하는 구조 안전 진단용 시스템의 분석 방법.
12. The method of claim 11,
The first optical fiber is an analysis method of a system for structural safety diagnosis, characterized in that light is irradiated from a light source using a light splitter.
상기 제1 광섬유 또는 광원으로부터 공급되는 빛은 위치 별로 순차적으로 공급되어, 구조체에 인가되는 힘, 응력 또는 변형을 위치 별로 분해하여 측정하는 것을 특징으로 하는 구조 안전 진단용 시스템의 분석 방법.
12. The method of claim 11,
The light supplied from the first optical fiber or light source is sequentially supplied for each position, and the force, stress, or deformation applied to the structure is decomposed and measured for each position.
상기 순차적으로 공급되는 빛은 시간에 따라 빛의 강도가 변화하는 광원을 이용해 구현하는 것을 특징으로 하는 구조 안전 진단용 시스템의 분석 방법.
15. The method of claim 14,
The sequentially supplied light is an analysis method of a system for structural safety diagnosis, characterized in that it is implemented using a light source whose intensity of light changes with time.
상기 (A) 단계에서의 측정은 상기 제2 광섬유로부터 전송되는 모든 광신호를 합산하여 구조체 전체에 인가되는 힘, 응력 또는 변형의 유무를 측정하는 것을 특징으로 하는 구조 안전 진단용 시스템의 분석 방법.
12. The method of claim 11,
The measurement in step (A) is an analysis method of a system for structural safety diagnosis, characterized in that by summing all optical signals transmitted from the second optical fiber, the presence or absence of force, stress or deformation applied to the entire structure is measured.
상기 (A) 단계는 상기 제2 광섬유로부터 전송되는 광신호를 순차적으로 측정하는 것을 특징으로 하는 구조 안전 진단용 시스템의 분석 방법.
13. The method of claim 12,
The step (A) is an analysis method of a system for structural safety diagnosis, characterized in that sequentially measuring the optical signal transmitted from the second optical fiber.
상기 광신호는 하나 이상의 픽셀 구획별로 나누어 측정하여, 스피로피란 복합체에 인가되는 힘, 응력 또는 변형 정도를 위치별로 분해하는 것을 특징으로 하는 구조 안전 진단용 시스템의 분석 방법.18. The method of claim 17,
The optical signal is divided and measured by one or more pixel sections, and the strength, stress, or strain applied to the spiropyran complex is decomposed by position.
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