KR20010072920A - 간섭 광학 측정을 기초로 하는 박막 변형률 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 투명 유리 기판(14)과, 이 기판(14)으로부터 연속해서 폴리이미드 층(18a), 알루미나 입자로 채워진 폴리실록산 층(16a), 폴리이미드 층(18b) 및 알루미나 입자로 채워진 폴리실록산 층(16b)의 적층식 구조체를 갖는 박막 수동 센서(12)로 향하는 분광계(10)로부터의 가시광선을 포함하는 중합체/반도체 박막 변형률 게이지에 관한 것이다.

Description

간섭 광학 측정을 기초로 하는 박막 변형률 센서{THIN FILM STRAIN SENSORS BASED ON INTERFEROMETRIC OPTICAL MEASUREMENTS}

많은 토목 공학적 구조물들은 피로(fatigue)를 나타내고, 때때로 자연의 힘에 수년간 노출된 후에 파손된다. 다른 경우에, 지진, 토네이도, 또는 허리케인과 같은 재난 사고의 결과로 파손된다. 계절적인 환경 변화에 영향을 받지 않는, 저렴하고 견고하며 민감한 변형률 게이지가 필요하다. 또한, 이러한 센서는 간단하고, 쉽게 설치되며, 현대 데이타 커뮤니케이션 시스템에 용이하게 통합될 수 있어야만 한다.

본원 명세서에 개시된 센서 시스템은 공중 안전과 보수 유지를 위해 구조물의 본래의 상태를 모니터링할수 있다. 특정 용도로서는, 건물, 도로 및 교량의 본래의 상태를 모니터링할 수 있다. 본 시스템은, 저렴하고 자연 환경에 대해 무해하며 물리적으로 견고한 복합 광학 변형률 게이지를 센싱 부품으로서 채용한다. 자동화된 데이타 수집 및 진단 분석 프로그래밍과 관련하여, 이러한 센서 및 그 광섬유 데이타 링크는 교량의 상부 구조물 및 기초 상에, 건물의 지지 부품에 놓여질 수 있거나 또는 도로 및 보행자 통로의 표면에 삽입될 수 있다. 이러한 구조물 및표면의 '건강 상태(health)'는 최소한의 인건비로 자동적으로 모니터링 및 평가될 수 있다. 상세 사용 정보는 잠재적 재난 사고 발생 후의 수리에 대한 필요성 또는 일상적인 보수 유지에 대한 필요성을 평가할 때 유용할 것이다.

본 발명은 중합체/반도체 박막 변형률 게이지에 관한 것이다.

도1은 수동 센서의 설명도이다.

도2a 및 도2b는 도1의 다른 실시예의 설명도이다.

도3은 능동 센서의 광학 응답성의 그래프이다.

도4는 수동 센서의 광학 응답성의 그래프이다.

도5는 수동 센서의 광학 응답성의 그래프이다.

센서의 감응성(sensitivity) 및 부동성(passivity) 거동은 종래 기술과는 구별된다. 전류 저항 변형률 센서는 약 2 내지 3개의 게이지 인자(감응성의 측정)를 갖는다. 개시된 센서는 200 내지 800개 정도의 게이지 인자를 갖는다. 종래 기술은 동력에 의존하지 않는 메모리를 갖는 수동 센서(passive sensor)를 개시하고 있지 않는 것으로 여겨진다.

반도체 또는 폴리머의 박막은 변형률을 측정하는데 사용된다. 박막은 다른 굴절률을 갖는 재료들로 이루어진 각각의 층으로 적층되어 있다. 각각의 층은 다른 굴절률을 가지고 있기 때문에, 복합 구조물에 유입되는 광선은 각각의 경계면에서 반사되거나 또는 통과할 수 있다. 이는 반사되는 광선이 결과적으로는 측정가능한 흡광 변화가 되는 상태로 통과하는 입사광의 간섭을 허용한다. 간섭의 정도는 각각의 층의 두께 및 굴절률에 대해 민감하다. 각각의 층의 두께는 외부 응력의 인가와 함께 변한다. 결과적으로 흡광 변화는 변형률을 측정하는데 사용되도록변형률의 함수로서 변화한다.

본원 명세서에는 능동 및 수동의 2가지 형태의 간섭 센서가 개시되어 있다. 능동 센서(active sensor)는 변형에 대해 가역적으로 변하는데, 즉 변형률이 변함에 따라 흡광 변화는 가역적이고 예측 가능한 방식으로 변한다. 이러한 형태의 센서는 구조물의 현존 변형률을 측정하는데 사용된다.

수동 센서는 구조물이 받은 최대 변형률의 메모리를 갖는다. 예를 들어, 구조물이 큰 변형(큰 변형률)을 받지만 이어서 작은 휴지 값으로 완화되면, 큰 변형은 가역적이지 않게 된다. 능동 센서는 연속적으로 모니터링되기만 한다면 변형률을 측정하는 반면, 수동 센서는 단지 받은 최대 변형률만을 측정할 것이다. 능동 센서가 최대 변형률이 발생하고 있는 동안 모니터링되지 않는다면, 큰 변형률 편의는 관찰되지 않을 것이다. 수동 센서는 이러한 문제점을 극복한다.

본 발명은 넓게는 동일한 구조물에 양호하게 사용되는 능동 및 수동 센서 양자 모두를 포함한다. 양 센서들은 재료, 즉 다른 굴절률을 갖는 폴리머 또는 반도체를 적층시킴으로써 구성된다. 감응성은 굴절률의 차이가 최대로 될 때 그리고 또한 층의 개수가 증가함에 따라 증가된다. 수동 센서는 한 세트의 층에 작은 입자를 덧붙임으로써 구성된다.

반사 또는 투과되는 입사광은 변형률을 결정하기 위해 측정될 수 있다.

도1을 참조하면, 반사 모드에서 퍼킨 엘머 람다(2; Perkin Elmer Lambda)와 같은 분광계(10)로부터의 가시광선은 도면 부호 12로 도시된 박막 수동 센서로 향한다. 센서(12)는 투명 유리 기판(14) 및 이 기판(14)으로부터 연속해서, 폴리이미드 층(18a), 알루미나 입자로 채워진 폴리실록산 층(16a), 폴리이미드 층(18b) 및 알루미나 입자로 채워진 폴리실록산 층(16b)의 적층된 구조체를 포함하고 있다. 입사광 비임은 센서 표면에 대해 수직하다. 광은 분광계(10)의 광전자증배기(photomultiplier) 튜브 검출기(20)의 입사 비임 경로를 따라 수집된다. 층들은 그 두께가 1 내지 20미크론의 범위일 수 있다. 수동 센서는 폴리실록산 층의 전체 중량을 기초로한 중량의 0.5 내지 10%의 양으로 50㎚의 산화 알루미늄 입자를 폴리실록산 층에 혼합함으로써 준비된다. 준비하는 동안, 작은 입자들은 어느 정도(현재 알려지지 않음) 결합될 수 있다. 변형하에서, 결합된 입자의 일부는 분리되고, 새로이 분리된 알루미나 입자들 사이에 폴리머가 채워진다. 변형이 제거될 때, 입자는 간섭 폴리머 때문에 재결합될 수 없다. 이는 결합체의 크기가 샘플의 산란하는 광선의 양을 결정하기 때문에 광학적으로 검출되는데, 집합체의 크기가 변형률에 때문에 변하면서, 검출기를 향하는 광선의 양은 검출기가 단지 작은 공간의 체적만을 샘플링하기 때문에 변한다. 수동 센서는 그 메모리 효과를 달성하기 위한 어떠한 동력도 필요로 하지 않는다.

도2a를 참조하면, 투과 모드에서 능동 센서의 경우에 예를 들어 내경이 0.5㎜이고 외경이 0.7㎜인 모세관 튜브(30)가 광선 도관으로서 사용된다. 예를 들어 폴리실록산/폴리이미드(polyimide)와 같은 박막(32)은 모세관 튜브(30)의 외측벽상에 부착된 다음, 이 막은 알루미늄(34)으로 코팅된다. 알루미늄(34)은 튜브(30) 안에 형성된 광선 모두를 유지하고 주위 환경으로부터 전체 구조물을 보호하도록 거울로서 작용한다. 광섬유원(36)은 500 내지 1000Å의 파장 범위의 광선을 튜브의 종방향 축에 대해 평행하게 모세관 튜브(30)의 한 단부로 입력시키고, 타 단부에서 검출기(38)가 광선을 수집한다.

모세관 형상으로, 튜브(30)는 도파관(waveguide) 및 센서 양자 모두로서 작용한다. 변형이 없는 상태하에서, 대부분의 광선은 벽과의 상호 작용 없이 튜브 아래로 지나간다. 변형을 인가함으로써, 모세관 튜브(30)는 도2에서와 같이 만곡되고, 그 결과 상당량의 광선이 튜브 벽을 따라서 박막 코팅체 속으로 유입된다. 2가지 효과가 출력 광선 강도의 변조를 야기한다. 첫째, 경로 길이는, 광선을 받는 바운드의 개수 및 벽 재료의 흡광도에 따라 발생되는 흡수가 증가하도록 변화된다. 둘째, 광선이 박막 층을 통과함에 따라 관찰되는 간섭 효과가 작동해서, 또한 각각의 층의 굴절률과 두께 및 사용되는 광선의 파장에 따라 보강(constructive) 또는 상쇄(destructive) 간섭에 의한 강도 변조를 야기한다.

막 두께(32)는 1 내지 20 미크론 정도이고, 얇을수록 더 좋다. 최대 응답성의 파장은 층 두께에 달려 있지만, 파장은 박막 구조물과 매치하도록 임으로 선택될 수 있다. 알루미늄 코팅체는 400 내지 800㎚ 사이의 두께를 갖는다.

교번 층은 다른 굴절률을 가져야만, 그 차이가 클수록 센서 응답성은 더 좋다. 폴리이미드는 n=1.6 내지 1.7(사용된 정밀 폴리이미드,경화성 및 서플라이어에 달려 있음)을 가지고, 폴리실록산은 n=1.44를 갖는다. 다른 상용으로 입수 가능한 투명 폴리머 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 테플론(등록상표), 리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에스테르 등은 약 1.4의 굴절률을 가지고, 폴리실록산 층을 대체할 수 있다. 폴리카보네이트(polycarbonates)와 같은 높은 굴절률의 폴리머는 대략 폴리이미드와 같은 굴절률을 갖는다.

양호한 센서 시스템은 밀접한 관계에 있는 수동 및 능동 센서 양자 모두를 필요로 한다. 수동 센서는 순간 이력이 아닌 받은 최대 변형 편의를 측정하는데, 즉 측정된 변형률이 현재 또는 이전의 것일 수 있다. 따라서, 수동 센서의 역할은 측정시의 현존 변형률을 측정하는 것이다.

센서는 현재 새대의 변형률 센서에 사용되는 공지된 결합 기술에 의해 구조물에 적용될 수 있다. 센서는 작기 때문에, 이는 기판 재료의 변형률을 확실하게 측정할 것이다. 광학원 및 검출기가 센서에 삽입될 필요가 없다. 적절한 광섬유로 연결해서, 파지형 분광계를 센서의 입력부 및 출력부에 연결함으로써 광학 측정은 주기적으로 이루어질 수 있다. 따라서, 예를 들어 지진이 일어난 후에, 건물의 각각의 구조적 요소가 받은 최대 변형률은 수동 센서가 동력이 손실되더라도 이러한 정보를 보유하고 있기 때문에 건물의 안전성을 달성하도록 사고(수일 또는 수주)후에 결정될 수 있다. 다르게는, 건물의 각각의 센서에 연결된 광섬유망은 변형률을 자동으로 원격 감지한다. 그러나, 재난 사고 동안에는 섬유망이 파손되고 이러한 작동 모드를 방해하기 쉽다.

센서에 사용되는 재료는 저렴하고 또한 견고하다. 예를 들면, 폴리실록산은 상용으로 입수할 수 있는 가스켓 밀봉제이다. 모세관 형상은 필요할 경우에 전체센서가 내장될 수 있기 때문에 장기간 용으로 특히 바람직하다. 다음에, 예를 들어 센서가 교량과 같은 거친 환경에 사용된다면, 전체 센서는 알루미늄 층의 외부에 도포된 임의의 코팅은 센서 성능에 어떠한 영향도 미치지 않기 때문에 바람, 비, 염수 분무등으로부터 분리될 수 있다.

예

센서 응답성의 예들은 도3, 도4 및 도5에 도시되어 있다. 광원은 텅스텐 램프이고, 변형은 4개 지점을 굽힘으로써 인가되었는데, 이는 ASTM C-1341-97을 참조로 한다.

도3은 2개의 다른 수동 변형률 센서를 도시하고 있는데, 하나는 12개의 층(폴리실록산 및 폴리이미드의 6개의 교번층)을 가지고 다른 하나는 26개의 교번층을 가지고 있다. 층 두께는 약 10미크론이었다. 흡광도는 인가된 변형률의 함수로서 600㎚에서 모니터링되고, 그 결과가 도시되었다. 게이지 인자는 응답성의 간섭성을 나타내는 층의 개수의 함수이다. 또한, 게이지 인자는 통상의 저항 변형률 게이지에서 발견되는 크기의 제곱 이상으로 크다. 최종적으로, 응답성은 약 2000 ㎲train(이는 대부분의 재료가 약 2000㎲train에서 그 탄성 변형 한계를 초과하기 때문에 구조적 인가에 대해 요구되는 통상의 한계이다)까지 전체 범위에 걸쳐 선형이고 가역적이다.

도4는 26개의 교번층을 갖는 수동 변형률 게이지의 응답성을 도시하고 있다. 층 두께는 약 10미크론이었다. 변형이 인가되면서, 응답성은 능동 게이지와 유사하다. 흡광도는 600㎚에서 모니터링되었다. 그러나, 변형이 해제될 때, 변형률은더 이상 가역적이지 않는데, 즉 제로 변형률 흡광도는 샘플의 이력에 달려 있다. 이는 몇몇 다른 변형률 편의 경우에 대해 도4에 도시되어 있다. 버진 게이지는 600㎚에서 A=0.73인 흡광도 값을 갖는다. 300㎲train의 인가는 이를 A=0.83으로 변화시킨다. 응력을 다시 0㎲train으로 해제할 때, 흡광도는 도4에 짧은 점선으로 도시된 바와 같이 A=0.78로 복귀한다. 300㎲train 보다 작은 임의의 변형의 인가는 가역적으로 점선 경로를 따른다. 그러나, 변형이 300㎲train을 초과하면, 이어서 경로는 도4의 600㎲train 지점에 대해 도시된 바와 같이 실선으로 복귀한다. 이제 응력이 해제될 때, 새로운 경로는 점선으로 도시된 바와 같이 0㎲train에서의 새로운 흡광도로 취해진다.

연속하는 변형 편위들 사이의 증가량은 변형을 증가시킴에 따라 감소되고(즉, 수동 응답성은 비선형이다), 이는 도5에 도시되어 있다. 12개의 층 게이지는 작은 게이지 인자를 갖지만, 크고 거의 선형인 응답성 범위를 갖는다. 26개의 층 게이지는 보다 큰 게이지 인자를 갖지만, 현저하게 작은 최소 변형에서 분명하게 비선형이 된다.

상기 설명은 본 발명의 특정 실시예로 제한되었다. 그러나, 본 발명의 잇점 중 일부 또는 전부를 달성하기 위해서, 본 발명에 대한 수정 및 변형이 있을 수 있다. 따라서, 첨부된 청구범위의 목적은 본 발명의 기술 사상 및 범주 내에 있는 이러한 모든 수정 및 변형을 포함하는 것이다.

Claims (16)

1. 간섭 변형률 게이지 센서에 있어서,

   지지체와, 제1 굴절률을 갖는 중합체 재료의 제1 층과, 제1 굴절률과 구별되는 제2 굴절률을 갖는 중합체 재료의 제2 층을 포함하고,

   적어도 100개의 게이지 인자를 가지고, 광에너지는 상기 센서와 연통해서, 변형이 센서에 인가될 경우 광에너지가 부분적으로 흡수되고 광에너지의 변화는 인가된 변형률과 상관 관계가 있는 것을 특징으로 하는 간섭 변형률 게이지 센서.
2. 제1항에 있어서, 교번하는 다수의 제1 및 제2 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
3. 제2항에 있어서, 제1 층은 대략 1.6 내지 1.7의 굴절률을 가지고 폴리이미드 및 폴리카보네이트로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 센서.
4. 제3항에 있어서, 제1 층은 폴리이미드인 것을 특징으로 하는 센서.
5. 제2항에 있어서, 제2 층은 약 1.4의 굴절률을 가지고 폴리실록산, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 테플론(등록상표), 폴리비닐리덴 플루오라이드 및 폴리에스테르로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 센서.
6. 제5항에 있어서, 제2 층은 폴리실록산인 것을 특징으로 하는 센서.
7. 제4항 또는 제6항에 있어서, 층의 두께는 약 1 내지 20 미크론 사이에 있는 것을 특징으로 하는 센서.
8. 제1항에 있어서, 센서를 광에너지와 접촉시키기 위한 수단 및 광에너지의 변화를 측정하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
9. 제1항에 있어서, 센서는 수동 센서이고 상기 층들 중 하나는 미립자로 채워지는 것을 특징으로 하는 센서.
10. 제9항에 있어서, 제1 및 제2 층은 교번 관계로 다중으로 되어 있고, 제1 층은 폴리이미드 및 폴리카보네이트로 이루어진 그룹으로부터 선택되고, 제2 층은 폴리실록산, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 테플론(등록상표), 폴리비닐리덴 플루오라이드 및 폴리에스테르로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 센서.
11. 제10항에 있어서, 제1 층은 폴리이미드이고, 제2 층은 산화 알루미늄 미립자로 채워지는 것을 특징으로 하는 센서.
12. 제9항에 있어서, 센서를 광에너지와 접촉시키기 위한 수단 및 광에너지의 변화를 측정하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
13. 제1항에 있어서, 센서는 능동 변형률 게이지이고 제1 및 제2 층을 위한 튜브형 지지체를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
14. 제13항에 있어서, 제1 층은 대략 1.6 내지 1.7의 굴절률을 가지고 폴리이미드 및 폴리카보네이트로 이루어진 그룹으로부터 선택되고, 제2 층은 약 1.4의 굴절률을 가지고 폴리실록산, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 테플론(등록상표), 폴리비닐리덴 플루오라이드 및 폴리에스테르로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 센서.
15. 제14항에 있어서, 가장 외측의 층은 알루미늄으로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 센서.
16. 제15항에 있어서, 센서를 광에너지와 접촉시키기 위한 수단 및 광에너지의 변화를 측정하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.