KR20060057667A - 압전 재료 혹은 전도성 재료를 이용하여 민감도가 향상된접합 구조물의 접합부 안전성 검사방법 - Google Patents

압전 재료 혹은 전도성 재료를 이용하여 민감도가 향상된접합 구조물의 접합부 안전성 검사방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 압전 재료 (壓電 材料, Piezoelectric material) 또는 전도성 재료 (電導性 材料, Conductive material)가 혼합된 접착제를 이용하여 접합된 접합 구조물의 접합부 안전성 비파괴 검사의 검사 민감도를 향상시키기 위한 검사방법을 개시한다. 본 발명에 따라 접합부 안전성 검사용 접착제는 피접착체의 사이에 접착되며, 압전 특성을 갖도록 압전 재료와 혼합되거나 또는 전기 전도도를 높이기 위하여 전도성 재료와 혼합된다. 본 발명에 따른 접합부 안전성 검사방법은 압전 재료 또는 전도성 재료를 접착제에 균일하게 혼합하는 단계와, 피접착체 사이에 압전 재료 또는 전도성 재료가 혼합된 접착제를 도포하여 경화시키는 단계와, 피접착체를 도선을 이용하여 전기적으로 연결하는 단계와, 하중이 가해질 때 접합부에서 방출되는 전하량을 측정하는 단계와, 측정된 전하량의 크기값을 통해 피접착체와 접착제 사이의 접착 손상여부를 판단하고 잔존수명을 예측하는 단계로 구성된다. 그에 따라, 본 발명은 별도의 장치를 요구하지 않고 검사의 민감도를 향상시킬 수 있으며, 또한 접착제 내의 잔류 열응력을 감소시키고 강도를 증가시켜 접착 구조물의 피로 특성을 향상시킬 수 있다.
접착제, 압전, 단섬유, 전도, 비파괴, 피로도, 수명, 접합 안전성

Description

압전 재료 혹은 전도성 재료를 이용하여 민감도가 향상된 접합 구조물의 접합부 안전성 검사방법{NONDESTRUCTIVE RELIABILITY MONITORING METHOD FOR ADHESIVELY BONDED STRUCTURES WHOSE SENSITIVITY IS IMPROVED BY USING PIEZOELECTRIC OR CONDUCTIVE MATERIALS }
도 1은 접착제가 특정 피로하중을 받을 때 발생되는 전하밀도와 피로수명과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 접합 구조물의 구성 및 검사 방법의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 접합 구조물의 구성 및 검사방법의 개념도이다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 접합 구조물의 구성 및 검사방법의 개념도이다.
도 5는 본 발명에 제 1 실시예에 따라 제작된 원통형 비틀림 피로 시험편을 도시한 단면도이다.
도 6a는 도 5의 시험편을 통해 측정된 접착제 내의 압전 재료 부피분율과 1000싸이클(cycle)에서의 전하밀도와의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 6b는 도 5의 시험편을 통해 측정된 접착제 내의 압전 재료 부피분율과 피 로수명의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 접착부 안전성 검사방법의 순서도이다.
♣도면의 주요부분에 관한 부호의 설명 ♣
11, 21, 31, 41 : 접착제 12, 22, 32, 42 : 고분자 수지재료
13 : 압전재료 14, 24, 34 : 피접착체
23 : 압전 단섬유 33 : 전도성 재료
44 : 외부 피접착체 45 : 내부 피접착체
본 발명은 접착제를 이용하여 접합된 접합 구조물의 접합부 안전성 비파괴 검사 방법에 관한 것으로서, 특히 압전 재료 또는 전도성 재료가 혼합된 접착제를 이용하여 검사 민감도를 향상시키기 위한 검사방법에 관한 것이다.
최근에 고강도의 강으로 제작된 구조물이 점차 늘어나는 추세에 발맞추어 강구조물이 결합된 부분의 용접상태 점검 및 피로균열을 검사하는 다양한 방법이 제시되고 있다. 이와 같은 방법들은 구조물을 파괴시키지 않는 상태로 접합 상태를 검사해야 하므로 비파괴방식이 사용되고 있고, 그 주요방식으로는 방사선 투과법, 초음파 탐상법, 자분 탐상법, 염료 침투법, 와상 전류법 등의 기술들이 개발되었다.
그러나, 이러한 검사방법들은 각각 다음과 같은 문제점을 내포하고 있다. 먼 저, 방사선 투과법은 인체에 유해한 방사선을 사용하기 때문에 검사중에 검사자의 건강을 해칠 수 있을 뿐 아니라, 잔류 방사선에 의하여 검사된 구조물에 접근하는 자들의 건강을 해칠 수 있다. 또한, 방사선 투과법은 탐색속도가 느리고 탐색비용이 고가이며 구조물의 작동중에는 실시간 검사가 불가능하다. 초음파 탐상법은 방사선 투과법에 비하여 상대적으로 안전하고 경제적이나, 초음파로 탐지된 결과를 처리하는 신호를 분석하기가 어렵고 노이즈에 의한 신호처리상의 문제가 발생할 수 있다. 또한, 초음파 탐상법은 신호를 수신하여 이를 분석해야 하기 때문에 실시간 검사가 불가능하다.
자분 탐상법은 검사 가능한 재료가 전도체로 한정되고, 자기장 형성을 위한 고압 전류가 검사 장비에 영향을 미쳐 정확한 검사결과를 도출할 수 없을 뿐 아니라, 실시간 검사가 불가능하다. 와상 전류법은 자분 탐상법과 마찬가지로 검사 가능한 재료가 전도체에 한정되고 검사결과가 접합부의 표면조건에 민감하게 변한다는 단점을 갖는다. 음향 탐사법은 실시간으로 전체 구조물의 상태를 모니터링할 수 있고 검사될 수 있는 재료의 범위가 넓으나, 사용하는 센서의 감도에 따라 검사결과가 좌우되고 음향이 구조물의 형상에 많은 영향을 받아 정확한 결함 위치검출이 어렵다.
나아가, 방사선 투과법, 초음파 탐상법, 자분 탐상법, 염료 침투법, 와상 전류법 등의 기존의 비파괴 기술은 용접 결합으로 제작된 강구조물의 내부결함과 표층결함 및 손상감지에 그 사용이 제한되어 있다. 그에 따라, 최근에 사용이 늘어나고 있는 접착 조인트와 신소재 복합재료 구조물에 적용하기 부적합하다. 또한, 장 비가 고가이고 현재상태의 검사만 가능하여 구조물의 잔존 수명을 예측하는 것이 불가능하다.
이러한 종래의 검사방법들이 갖는 문제점들을 고려하여 접착 조인트의 하중 전달 능력과 실시간 안전성 검사기법에 대한 많은 연구가 수행되어 왔고, 구조물의 안전성을 실시간으로 진단하는 다양한 방법이 개발되어 왔다. 미국특허 제5,345,293호는 접착 구조물의 접합부 안전성을 실시간으로 검사하는 방법을 개시하고 있다. 이 미국특허에서는 접착제로 접착된 피접착체에 전류를 흘려보내 저항 또는 정전용량의 변화를 측정하여 접합상태를 검사한다. 그러나, 이 발명은 저항과 정전용량의 정량적 수치를 통해 접합상태를 검사하는 것이 아니라 이러한 값들의 변화를 통해 접합상태를 검사함에 따라, 접합부의 정전용량이 주위 온도, 습도, 도선의 길이, 또는 부유용량 등에 민감하게 변하기 때문에, 접합상태를 정확하게 판단할 수 없다는 단점을 갖는다.
다른 예로, 대한민국 특허출원 제 10-2003-0066640 호에는 접착제의 압전특성을 이용한 접합 구조물의 접합부 안전성 검사방법이 개시되어 있다. 이 발명에서는 접착제가 압력을 받으면 전하를 방출하는 압전특성을 이용하여, 피접착체에 도선을 연결하여 이 도선을 통하여 방출되는 전하량을 모니터링 함으로써 접합 구조물의 안전성을 검사하는 방법이다.
도 1은 접착제가 특정 피로하중을 받을 때 발생되는 전하밀도와 피로수명과의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 1에 나타난 전하밀도는 발생하는 전하량을 피접착체가 접착제로 접합된 면적으로 나눈 값이고, 피로수명은 특정 피로하중을 1회 가하였을 경우를 1싸이클(Cycle)로 하여 나타낸 값이다.
동일한 하중 하에서의 접착제에 작용하는 응력은 접착면의 면적과 반비례하며 전하밀도는 응력에 비례하므로, 접착면적이 감소할수록 전하밀도가 증가한다. 그에 따라, 전하밀도의 증가는 접착면적이 감소하고 균열면적이 증가한다는 것을 나타낸다. 따라서, 접착제의 종류에 따른 접착제의 물성(압전상수, 인장강도, 압축강도, 전단강도 등)을 측정하고 인가되는 하중상태(인장, 압축, 전단)를 결정한 이후, 전하밀도와 피로수명의 관계를 사전에 측정해둔 경우, 임의의 시점에서 접합부에서 발생되는 전하량을 측정하여 접합 구조물의 안정성과 잔존수명을 즉시 평가할 수 있다. 또한, 방출되는 전하량은 접합부 전체에 걸쳐 측정되므로 접합부 전체의 안전성 검사가 가능하다. 이와 같은 접합 구조물 내의 응력과 전하밀도의 관계는 Journal of Adhesion Science Technology, Vol. 17, No. 6, (2003) 학술지 pp. 777∼796에 수록된 본 출원 발명자의 논문 "압전특성을 이용한 접착 조인트의 안전성 모니터링(Piezoelectric monitoring of the reliability of adhesive joints)"에 개시되어 있다.
일반적인 접착제로 사용되고 극히 적은 크기의 압전 특성을 갖는 에폭시계열 접착제를 접합부 안전성 검사용으로 사용하는 기술이 개시되어 있다. 그 기술에서, 피접착체의 사이에서 피접착체를 접착시키는 에폭시계열 접착제는 압력이 가해질 경우 압전 특성에 의하여 전하를 방출하게 되고, 그에 따라 피접착체를 전기적으로 연결할 경우 그 사이에 흐르는 전하량이 측정될 수 있다. 그러나, [표 1]에 나타난 바와 같이 일반적으로 사용되고 있는 접착제인 에폭시(Epoxy)계열 접착제는 극히 낮은 압전 상수를 갖고 있다. 따라서, 접합 구조물의 접합부 안전성 검사 시 측정되는 전하량이 상대적으로 작아 검사의 민감도가 낮다는 단점을 갖는다. 이와 같이 상대적으로 작은 전하량의 검사를 용이하게 하기 위해서는 필수적으로 증폭기 등의 수단이 필요하다.
재료 압전 응력상수(단위: pC/N) 압전 변형율상수(단위: 10-3C/m2)
PZT(Pb(Zn-Ti)O3) 120 18
PVDF 30 16
PVC 1 3
Nylon 11 0.3 0.5
Rubber 0.1 0.0001∼0.001
Epoxy(Rubber Toughened) 0.029 0.027
Epoxy(Without Rubber) 0.019 0.057

본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 접착제에 압전 재료 또는 전도성 재료를 혼합하여 접착제의 압전 특성 또는 전기 전도성을 향상시켜 접합 구조물의 접합부부 안전성 검사 시 검사의 민감도를 향상시킬 수 있는 (내용 삭제) 검사방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 피접착체 사이에 가해지는 압력에 대하여 발생하는 전하량의 크기가 크기 때문에 신호증폭기 등의 별도의 장치 없이도 접합 구조물의 접합부 안전성을 측정할 수 있는 검사방법을 제공함에 있다.
본 발명에 따르면 열팽창계수가 상대적으로 작은 압전 재료 또는 전도성 재료를 접착제에 혼합하여 사용함으로써, 잔류 열응력으로 인한 접합부 손상을 줄일 수 있으며, 또한 압전 재료 또는 전도성 재료가 균열 진전 억제재로서의 역할을 수행하여 접합 구조물의 피로수명을 향상시킬 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
이와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 특징으로서, 본 발명에 따른 접합부 안전성 검사방법은 압전 특성을 갖는 접착제를 이용한 접합 구조물의 비파괴 접합부 안전성 검사 방법에 있어서, 압전 재료 또는 전도성 재료를 접착제와 혼합하여 접착제의 압전 특성을 향상시킨다.
본 발명의 다른 특징으로서, 본 발명에 따른 접합부 안전성 검사방법은 압전 재료 또는 전도성 재료를 접착제에 균일하게 혼합하는 단계와, 피접착체의 사이에 압전 재료 또는 전도성 재료가 혼합된 접착제를 도포하여 경화시키는 단계와, 피접착체를 도선을 이용하여 전기적으로 연결하는 단계와, 하중이 가해질 때 접합부에서 방출되는 전하량을 측정하는 단계와, 측정된 전하량의 크기값을 통해 피접착체와 접착제 사이의 접착 손상여부를 판단하고, 사전에 얻어진 전하량과 피로수명의 관계 데이터를 통해 잔존수명을 예측하는 단계로 구성된다.
이하에서는 본 발명에 따른 접합 구조물의 구성 및 이를 이용하여 민감도가 향상된 접합부 안전성 검사방법에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따라 제작된 접합 구조물 검사방법의 개념도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 접착제(11)는 2개의 피접착체(14)의 사이에 개재된다.
접착제(11)는 접착성을 갖는 고분자 수지재료(12)에 압전 재료(13)가 혼합되어 이루어진다. 고분자 수지재료(12)는 소량의 압전 특성과 접착력을 갖는 에폭시 수지 등으로 구성된다. 압전 재료(13)는 전기를 가하면 압력이 발생하거나 압력을 가하면 전기를 발생시키는 재료이다. 압전 재료(13)는 압전 크리스탈(Piezoelectric crystals), 압전 세라믹(Piezoelectric ceramics), 압전 폴리머(Piezo electirc polymers), 또는 압전 반도체(Piezoelectric semiconductors) 등의 압전 상수가 큰 재료로 구성된다.
[표 1]에는 이와 같은 재료들의 압전 상수가 나타나 있다. 압전 특성을 갖는 세라믹제인 PZT(Pb(Zn-Ti)O3, Lead Zirconate Titanate)는 120pC/N의 압전 응력상수와 18ㅧ10-3C/m2의 압전 변형율상수를 가져 표에 나타난 물질중 가장 큰 압전 상수들을 갖는다. 압전 특성을 갖는 폴리머 재료인 PVDF(Poly Vinylidene Fluoride), PVC(Poly Vinyl Chloride), Nylon 11은 PZT에 비하여 상대적으로 낮은 압전 상수값들을 갖지만, Epoxy 수지에 비하여는 상대적으로 높은 압전 상수를 갖는다는 것을 알 수 있다.
이와 같이 압전 상수가 큰 압전 재료(13)를 에폭시 계열의 고분자 수지재료(12)에 혼합하여 접착제(11)가 제작될 경우, 접착제(11)의 압전 상수가 압전 재료 (13)를 혼합하기 이전보다 증가한다. 그에 따라, 동일한 외력이 가해지더라도 접착부에서 발생되는 전하량의 크기가 커지게 되어 결과적으로 검사 민감도가 향상된다.
압전 재료(13)는 압전 특성을 갖는 재료의 분말로 구성되는 것이 바람직하다. 이는 접착특성을 측정하는데 있어서 발생되는 전하량을 전체 접착면에 대하여 고르게 측정할 수 있게 한다. 압전 재료(13)의 입자는 10 nm에서 10 ㎛ 범위내의 크기를 갖는 것이 바람직하다. 압전 재료(13)의 입자 크기가 10 nm 보다 작은 경우에는 압전의 효과가 거의 발생하지 않는 문제점이 있고, 압전 재료(13)의 입자 크기가 10 ㎛ 보다 큰 경우에는 측정하고자 하는 접착제(11)의 두께(t1)에 비하여 상대적으로 그 크기가 너무 커져서 균일하게 분포시킬 수 없는 단점이 있다. 이러한 압전 재료(13)의 입자 크기는 접착제(11)의 두께(t1)에 비하여 상대적으로 작은 크기라면 그 크기에 특별한 제한을 두지 않는다.
압전 재료(13)는 구형, 타원체형, 판형, 또는 육면체형의 다양한 형상으로 제작될 수 있다. 압전 재료(13)가 구형인 경우에는 압력이 가해질 때 압전 재료(13) 자체의 압전 특성이 등방성이 된다. 그러나, 접합 구조물에 일정한 방향의 외력이 작용하는 경우 그 방향으로의 압전 특성 혹은 기계적인 특성을 향상시키기 위해 타원체형, 판형, 또는 직육면체형의 압전 재료(13)를 외력의 방향으로 정렬시켜 접착제(11)와 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.
2개의 피접착체(14)의 양단은 피접착체(14)의 사이에 흐르는 전하량을 측정 할 수 있도록 도선(16)에 연결된다. 도선(16)의 각 타단은 전하량 측정장치(18)에 연결된다. 그에 따라, 전하량 측정 장치(18)는 2개의 피접착체(14)를 접착시키도록 그 사이에 개재된 접착제(11)에 흐르는 전하량을 측정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따라 제작된 접합 구조물 검사방법의 개념도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 접착제(21)는 2개의 피접착체(24)의 사이에 개재된다. 본 발명의 제 2 실시예는 제 1 실시예의 압전 재료(13)가 압전 단섬유(23)로 구성된다는 점을 제외하고 나머지 구성은 동일한 바, 기타 구성에 관한 상세한 설명은 생략한다.
접착제(21)는 에폭시 계열의 고분자 수지재료(22)에 가늘고 긴 형상의 압전 단섬유(23)가 혼합되어 제작된다. 고분자 수지재료(22)는 상술한 본 발명의 제 1 실시예와 같이 미소한 압전 특성을 가지면서 접착력을 갖는 재료로 구성된다. 접착제(21)가 두께(t2)에 비하여 길이(ℓ2)가 상대적으로 더 길기 때문에, 대부분의 압전 단섬유(23)가 접착제(21)의 길이(ℓ2)방향으로 길게 배열된다.
따라서, 접착제(21)에 가해지는 외력 중에서 압전 단섬유(23)의 길이(ℓ2)방향으로 작용하는 힘에 의하여 발생하는 전하량이 두께(t2)방향으로 작용하는 힘에 의하여 발생하는 전하량보다 상대적으로 더 크다. 그에 따라, 외력이 피접착체(24)의 길이 방향으로 작용하는 경우가 피접착체(24)의 사이에 압축응력이 작용하는 경우에 비하여 발생하는 전하량이 더 크다. 또한, 접착제(21)의 강도 등의 기계적 특성은 압전 단섬유(23)의 길이(ℓ2)방향이 두께(t2)방향에 비하여 더 우수하다. 따라서, 압전 단섬유(23)는 외력이 두께(t2)방향보다는 길이(ℓ2)방향으로 작용하는 경우에 사용하는 것이 바람직하다.
압전 단섬유(23)는 바람직하게 10 ㎛에서 10 mm의 범위내의 길이와 10 nm에서 10 ㎛ 사이의 직경을 갖도록 제작되는 것이 바람직하다. 압전 단섬유(23)의 길이가 10 ㎛ 보다 작을 경우에는 압전 단섬유(23)의 길이 대 직경비의 값이 너무 작아져서 특정한 일방향의 측정효과를 크게 향상시킬 수 없는 반면, 압전 단섬유(23)의 길이가 10 mm보다 클 경우에는 실제로 측정하고자 하는 접착제(21)의 길이에 가까운 길이가 될 수 있어 균일한 분포가 어렵다. 압전 단섬유(23)의 직경이 10 nm 보다 작은 경우에는 압전의 효과가 거의 발생하지 않는 문제점이 있고, 압전 단섬유(23)의 입자 크기가 10 ㎛ 보다 큰 경우에는 측정하고자 하는 접착제(21)의 두께(t2)에 비하여 상대적으로 그 크기가 너무 커져서 균일하게 분포시킬 수 없는 단점이 있다.
그러나, 압전 단섬유(23)의 길이는 접착제(21)의 길이(ℓ2)에 비하여 상대적으로 작고, 압전 단섬유(23)의 직경은 접착제(21)의 두께(t2)에 비하여 상대적으로 작은 크기라면 그 크기에 제한을 두지 않는다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따라 제작된 접합 구조물 검사방법의 개념도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 접착제(31)는 2개의 피접착체(34)의 사이에 개재된다. 본 발명의 제 3 실시예는 제 1실시예의 압전 재료(13)가 전도성 재료(33)로 구성된다는 점을 제외하고 나머지 구성은 동일한 바, 기타 구성에 관한 상세한 설명은 생략한다.
접착제(31)는 접착성을 갖는 고분자 수지재료(32)에 전도성 재료(33)가 혼합 되어 이루어진다. 고분자 수지재료(32)는, 상술한 본 발명에 제 1실시예와 제 2실시예와 같이, 소량의 압전특성과 접착력을 갖는 에폭시 수지 등으로 구성된다. 전도성 재료(33)는 전기전도성이 우수한 분말입자로 구성된다. 이러한 전도성 재료로는 구리, 은, 철 등의 금속 또는 탄소, 카본 블랙 등이 있다. 아래의 [표 2]는 이러한 재료들의 전기전도성을 나타낸다.
재료 전도성(단위: 1/Ωm)
알루미늄 35.3×106
구리 58.0×106
금 41.0×106
철 10.3×106
은 62.9×106
에폭시 10-12∼10-13
[표 2]에 나타난 전도성 재료들은 에폭시에 비하여 상대적으로 상당히 높은 전기전도성을 갖는다. 그에 따라, 전도성 재료(33)가 혼합된 접착제(31)는 전도성 재료가 혼합되지 않는 접착제에 비하여 상대적으로 전기전도성이 훨씬 더 크다. 그에 따라, 접착제의 국부적인 균열 주위에서 발생되는 전하를 피접착체(34)에 보다 더 잘 전달하여 결과적으로 전하량 측정의 민감도가 향상된다.
전도성 재료(33)는 전기전도성이 우수한 재료의 분말로 구성되는 것이 바람직하다. 이는 접합부 안전성을 검사하는데 있어서 발생되는 전하량을 전체 접착면에 관하여 고르게 측정할 수 있게 한다. 그에 따라, 전도성 재료(33)의 입자는 수십 nm에서 수 ㎛ 범위내의 크기를 갖는다. 그리고, 전도성 재료(33)의 입자 크기는 접착제(31)의 두께(t3)에 비하여 상대적으로 작은 크기로 제작된다. 이는 전도성 재료(33)의 입자 크기가 접착제(31)의 두께(t3)를 제한하지 않도록 하기 위함이다.
전도성 재료(33)는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 압전 재료(13)와 마찬가지로 구형, 타원체형, 판형, 또는 육면체형의 다양한 형상으로 제작될 수 있다. 특히, 전도성 재료(33)가 구형인 경우에는 전도성 재료(33) 자체의 전기전도성이 등방성이 된다.
도 5는 본 발명에 제 1 실시예에 따른 접착제를 이용한 원통형 비틀림 시료 시험편을 도시한 단면도이고, 도 6a는 도 5를 통해 측정된 접착제 내의 압전 재료 부피분율과 1000싸이클(cycle)에서의 전하밀도와의 관계를 나타낸 그래프이며, 도 6b는 도 5를 통해 측정된 접착제 내의 압전 재료 부피분율과 피로수명의 관계를 나타낸 그래프이다.
접착제(41)는 에폭시 계열의 고분자 수지재료(42)와, 그 고분자 수지재료(42)와 혼합된 압전 재료(43)로 구성된다. 도 5에 도시된 실험에서, 압전 재료(43)는 평균 입자의 크기가 0.8㎛인 수정(Quartz)이 사용되었다. 실험에서 평균 힘은 8MPa의 전단응력이 작용되었다.
비틀림에 의한 접합 안전성을 테스트하기 위하여 피접착체들(44, 45)은 소정의 부분이 접착된 상태의 실린더형으로 형성된다. 피접착체들(44, 45)은 종단면이 원형인 단면 겹치기 조인트(Tubular single lap joint)로 접착되어 있다. 피접착체들(44, 45)은 외부 피접착체(44)와 외부 피접착체(44)의 일단면에 길이(L)만큼으로 접착된 내부 피접착체(45)로 구성된다. 외부 피접착체(44)와 내부 피접착체(45)의 접착되지 않은 부분의 사이에는 테프론 스페이서(47)로 간격이 유지된다. 이는 외 부 피접착체(44)와 내부 피접착체(45)의 길이(L)에서 접착되는 부분에 의한 전하량 데이터만을 얻기 위함이다.
도 6a를 함께 참조하면, 압전 재료(43)로서 수정이 혼합된 접착제(41)로 결합된 피접착체들(44, 45)이 수정이 혼합되지 않은 접착제로 결합된 피접착체들에 비하여 더 큰 전하밀도를 발생시킨다는 것을 확인할 수 있다. 접착제 내의 압전 재료(43) 부피분율이 5vol%일 경우 전하밀도가 4.3nC/m2 정도로 측정되었고, 접착제 내의 압전 재료(43) 부피분율이 10vol%일 경우 전하밀도가 3.9nC/m2 정도로 측정되었다는 것을 확인할 수 있다. 이에 반하여, 압전 재료가 전혀 혼합되지 않은 경우인 압전 재료의 부피분율이 0vol%인 경우에는 전하밀도가 1.0nC/m2 를 약간 넘는 수치로 측정되었다는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 압전 재료가 접착제의 소정의 부피를 차지할 경우 접착제를 통해 발생하는 전하밀도의 민감도가 압전 재료가 전혀 혼합되지 않은 경우에 비하여 훨씬 크다. 특히, 접착제(41)에 압전 재료(43)가 5%vol∼10%vol의 부피분율로 혼합된 경우, 전하밀도의 크기가 3.9nC/m2∼4.3nC/m2의 범위내로 측정되어 다른 범위의 부피분율로 혼합된 경우에 비하여 보다 높은 전하밀도를 나타내었다.
보다 상세하게, 도 6b를 참조하면, 압전재료(43)로서 수정이 혼합된 접착제(41)로 결합된 피접착체들(44, 45)이 수정이 혼합되지 않은 접착제로 결합된 피접착체들에 비하여 더 큰 피로수명을 갖는다는 것을 확인할 수 있다. 특히, 접착제 (41)에 압전 재료(43)가 5%vol∼10%vol의 부피분율로 혼합된 경우, 다른 범위의 부피분율로 혼합된 경우에 비하여 보다 높은 피로수명을 갖는 것으로 확인되었다.
접착제(41)에 압전 재료(43)의 부피분율은 주위 파라미터에 따라 달라질 수 있으며 5%vol∼30%vol인 것이 바람직하다. 압전 재료(43)의 부피분율이 5%vol이하인 경우에는 압전 재료(43)의 압전율이 현저히 떨어지게 되는 반면, 압전 재료(43)의 부피분율이 30%vol이상인 경우에는 압전 재료(43)의 함유가 너무 많아 균일한 압전 재료(43)의 분포가 어렵게 된다. 전도성 재료(11, 21, 31)도 또한 상기와 같은 이유로 부피분율이 5%vol∼30%vol인 것이 바람직하다.
도 7은 본 발명에 따른 접합부 안전성 검사방법의 순서도이다. 접합부 안전성을 검사하기 위하여, 먼저, 압전 재료 또는 전도성 재료를 접착제에 균일하게 혼합한다(S50). 압전 재료(13, 23)는 상술한 소정의 형상을 갖고 압전 특성을 갖는 소정의 재료로 구성된다. 전도성 재료(33)는 분말형의 전도특성을 갖는 재료로 구비될 수 있다.
압전 재료(13, 23) 또는 전도성 재료(33)를 접착제(11, 21, 31)에 균일하게 혼합하기 위하여 다양한 수단이 적용될 수 있다. 균일한 혼합을 위하여, 접착제(11, 21, 31)에 압전 재료(13, 23) 또는 전도성 재료(33)를 함께 용기에 수용하여 기계적인 교반기로 이들을 혼합시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 용기에 함께 수용된 압전 재료(13, 23) 또는 전도성 재료(33)를 초음파 발진기에 의한 초음파 진동을 통하여 혼합시킬 수 있다.
압전 재료(13, 23) 또는 전도성 재료(33)를 접착제(11, 21, 31)에 균일하게 혼합한 이후, 피접착체(14, 24, 34)의 사이에 혼합된 접착제(11, 21, 31)를 경화시킨다(S52). 접착제의 경화를 위하여, 접착제(11, 21, 31)는 피접착체(14, 24, 34)의 사이에 도포된 이후 가열된다. 가열 후 접착제(11, 21, 31)를 사이에 두고 피접착체(14, 24, 34)가 가압되면서 접착제(11, 21, 31)가 냉각된다. 그에 따라, 피접착체(14, 24, 34) 사이에서 접착제(11, 21, 31)가 고착된다. 접착제(11, 21, 31)를 경화시킨 후, 접착제(11, 21, 31)에 온도를 가하면서 전류가 통하도록 하여 압전 재료(13, 23) 또는 전도성 재료(33)의 전계방향을 정렬시킬 수 있다. 이와 같은 정렬공정을 분극이라 하고, 이 단계에서는 실험시 가해지는 힘의 방향에 따라 압전 재료(13, 23) 또는 전도성 재료(33)가 향하도록 전류를 흘려준다.
접착제(11, 21, 31)가 피접착체(14, 24, 34)의 사이에서 경화되어 고착된 이후, 피접착체(14, 24, 34)를 전기적으로 연결한다(S54). 피접착체(14, 24, 34) 사이의 전기적 연결은 도선(16, 26, 36) 등을 통해 연결된다. 이 경우, 각 도선(16, 26, 36)은 전하량 측정장치(18, 28, 38)의 단자에 각각 연결된다.
피접착체(14, 24, 34)의 양단을 전하량 측정장치(18, 28, 38)의 단자에 각각 연결한 이후에, 피접착체(14, 24, 34)에 힘을 가하여 흐르는 전하량을 측정한다(S56). 피접착체(14, 24, 34)에 힘을 가할 경우, 접착제(11, 21, 31)는 압전 특성을 갖기 때문에 그 자체에서 전하가 방출된다. 특히, 접착제(11, 21, 31)는 압전 특성이 강화되도록 압전 재료(13, 23) 또는 미세한 압전 특성을 갖는 재료에 전도성 재료(33)와 혼합되어 압전에 의한 신호전달의 민감도가 높은 재료로 구성된다. 그에 따라, 피접착체(14, 24, 34)에 힘이 가해질 경우, 도선(16, 26, 36)의 사이에 흐르는 전하량, 즉, 피접착체(14, 24, 34)의 사이에 흐르는 전하량을 측정할 수 있다.
피접착체(14, 24, 34)에 가해지는 가압력은 제작하고자 하는 접합 구조물의 용도에 따라서 다른 힘이 적용된다. 그에 따라, 가압력은 압축응력 혹은 전단응력 (내용 삭제) 등의 다양한 형태로 적용될 수 있다. 가압력이 전단응력으로 작용하는 경우, 압전 단섬유를 접착제에 혼합시키는 것이 바람직하다.
전하량이 측정된 이후, 측정된 전하량의 크기값을 통해 피접착체와 접착제 사이의 접합 손상여부를 판단하고, 사전에 얻어진 전하량과 피로수명의 관계 데이터를 통해 잔존수명을 예측한다(S58). 피접착체(14, 24, 34)와 접착제(11, 21, 31) 사이의 접착상태가 나쁜 경우, 즉 접착면이 줄어든 경우에는 하중을 지지하는 접착유효단면적이 감소한다. 유효단면적의 감소는 같은 힘에 대하여도 작용하는 응력의 크기를 크게 하여 접착상태가 양호한 경우에 비하여 상대적으로 큰 값의 전하량이 검출되도록 한다. 따라서, 검출된 전하량의 크기가 클수록 접착면의 접착상태가 좋지 않다고 판단할 수 있다.
또한, 잔존수명을 예측하기 위하여, 소정의 응력이 작용할 경우에 있어서 사전에 측정한 전하밀도와 피로수명과의 관계를, 도 1에 도시된 바와 같이, 데이터화한다. 그에 따라, 일정 시점에서 피접착체(14, 24, 34)에 힘을 가할 경우의 측정된 전하량을 통해 전하밀도를 계산할 수 있고, 계산된 전하밀도에서의 피로수명을 사전에 정리된 데이터를 통해 예측할 수 있다.
이상에서 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하 고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 압전 재료 또는 전도성 재료가 혼합된 접착제를 사용하여 접합 구조물을 제작함으로써, 접합부의 안전성 검사 시 작용하는 힘에 대하여 큰 전하량을 검출할 수 있어 검사의 민감도를 향상시킬 수 있는 현저한 효과가 있다. 또한, 본 발명은 큰 전하량이 검출되어 별도의 증폭기 등의 장치가 필요하지 않다. 나아가, 본 발명은 압전 재료 또는 전도성 재료를 혼합하여 열팽창계수를 낮춤으로써, 잔류 열응력을 감소시키고 강도를 증가시켜 접합 구조물의 피로 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (23)

  1. 압전 특성을 갖는 접착제를 이용한 접합 구조물의 비파괴 접합부 안전성 검사 방법에 있어서,
    압전 재료를 상기 접착제와 혼합하여 접착제의 압전 특성을 향상시키는 민감도가 향상된 접합 구조물의 접합부 안전성 검사방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 압전 재료는 압전 크리스탈, 압전 세라믹, 압전 폴리머, 압전 반도체 중의 어느 하나의 물질로 구성된 것을 특징으로 하는 민감도가 향상된 접합 구조물의 접합부 안전성 검사방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 압전 재료의 형상이 구형인 압전 분말인 것을 특징으로 하는 민감도가 향상된 접합 구조물의 접합부 안전성 검사방법.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 압전 재료의 형상이 외력이 가해지는 방향으로 길이가 긴 부분이 정렬되는 타원체형, 판형 혹은 육면체형 중 하나로 구성된 압전 분말인 것을 특징으로 하는 민감도가 향상된 접합 구조물의 접합부 안전성 검사방법.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전 재료를 혼합한 접착제를 이용하여 접합 구조물을 제작한 후,
    분극 과정을 통하여 임의의 방향으로의 압전 특성을 향상시키는 것을 특징으로 하는 민감도가 향상된 접합 구조물의 접합부 안전성 검사방법.
  6. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전 재료의 부피 분율이 5vol%에서 30vol%인 것을 특징으로 하는 민감도가 향상된 접합 구조물의 접합부 안전성 검사방법.
  7. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 압전 분말의 평균 크기가 10 nm에서 10 ㎛인 것을 특징으로 하는 민감도가 향상된 접합 구조물의 접합부 안전성 검사방법.
  8. 제 2항에 있어서,
    상기 압전 재료의 형상이 단섬유 형상인 것을 특징으로 하는 민감도가 향상된 접합 구조물의 접합부 안전성 검사방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 압전 단섬유의 길이가 10 ㎛에서 10 mm인 것을 특징으로 하는 민감도가 향상된 접합 구조물의 접합부 안전성 검사방법.
  10. 제 8항 또는 제 9항에 있어서,
    상기 압전 단섬유의 직경이 10 nm에서 10 ㎛인 것을 특징으로 하는 민감도가 향상된 접합 구조물의 접합부 안전성 검사방법.
  11. 제 8항 또는 제 9항에 있어서,
    상기 압전 재료를 혼합한 접착제를 이용하여 접합 구조물을 제작한 후,
    분극 과정을 통하여 임의의 방향으로의 압전 특성을 향상시키는 것을 특징으로 하는 민감도가 향상된 접합 구조물의 접합부 안전성 검사방법.
  12. 압전 특성을 갖는 접착제를 이용한 접합 구조물의 비파괴 접합부 안전성 검사 방법에 있어서,
    전도성 재료를 상기 접착제와 혼합하여 접착제의 전기전도도를 향상시킴으로써 민감도가 향상된 접합 구조물의 접합부 안전성 검사방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 전도성 재료는 전기전도도가 높은 구리, 은, 철, 탄소, 카본 블랙 등의 재료 중 어느 하나 이상의 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 민감도가 향상된 접합 구조물의 접합부 안전성 검사방법.
  14. 제 12항 또는 제 13항에 있어서,
    상기 전도성 재료의 부피 분율이 5vol%에서 30vol%인 것을 특징으로 하는 민감도가 향상된 접합 구조물의 접합부 안전성 검사방법.
  15. 압전 재료를 접착제에 균일하게 혼합하는 단계와;
    피접착체의 사이에 상기 압전 재료가 혼합된 접착제를 경화시키는 단계와;
    상기 피접착체를 전기적으로 연결하는 단계와;
    상기 피접착체에 힘을 가하여 흐르는 전하량을 측정하는 단계와;
    상기 측정된 전하량의 크기값을 통하여 상기 피접착체와 상기 접착제 사이의 접착 손상여부를 판단하고, 사전에 얻어진 전하량과 피로수명의 관계 데이터를 통해 접착된 구조물의 잔존수명을 예측하는 단계로 구성되는 민감도가 향상된 접합 구조물의 접합부 안전성 검사방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 접착제를 경화시키는 단계는 상기 접착제에 온도를 가하면서 전류가 통하도록 하여 상기 압전 재료의 전계방향을 정렬시켜 분극하는 단계를 더 포함하는 민감도가 향상된 접합 구조물의 접합부 안전성 검사방법.
  17. 제 15항 또는 제 16항에 있어서,
    상기 압전 재료를 접착제에 균일하게 혼합하는 단계는 단섬유 형상의 압전 재료를 접착제에 균일하게 혼합하는 민감도가 향상된 접합 구조물의 접합부 안전성 검사방법.
  18. 제 15항 또는 제 16항에 있어서,
    상기 압전 재료를 접착제에 균일하게 혼합하는 단계는 상기 압전 재료의 부피 분율이 5vol%에서 30vol%가 되도록 혼합하는 민감도가 향상된 접합 구조물의 접합부 안전성 검사방법.
  19. 제 15항 또는 제 16항에 있어서,
    상기 압전 재료를 접착제에 균일하게 혼합하는 단계는 상기 압전 재료의 부피 분율이 5vol%에서 10vol%가 되도록 혼합하는 민감도가 향상된 접합 구조물의 접합부 안전성 검사방법.
  20. 전도성 재료를 접착제에 균일하게 혼합하는 단계와;
    피접착체의 사이에 상기 전도성 재료가 혼합된 접착제를 경화시키는 단계와;
    상기 피접착체를 전기적으로 연결하는 단계와;
    상기 피접착체에 힘을 가하여 흐르는 전하량을 측정하는 단계와;
    상기 측정된 전하량의 크기값을 통하여 상기 피접착체와 상기 접착제 사이의 접착 손상여부를 판단하고, 사전에 얻어진 전하량과 피로수명의 관계 데이터를 통 해 접착된 구조물의 잔존수명을 예측하는 단계로 구성되는 민감도가 향상된 접합 구조물의 접합부 안전성 검사방법.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 접착제를 경화시키는 단계는 상기 접착제에 온도를 가하면서 전류가 통하도록 하여 상기 전도성 재료의 전계방향을 정렬시켜 분극하는 단계를 더 포함하는 민감도가 향상된 접합 구조물의 접합부 안전성 검사방법.
  22. 제 20항 또는 제 21항에 있어서,
    상기 전도성 재료를 접착제에 균일하게 혼합하는 단계는 상기 전도성 재료의 부피 분율이 5vol%에서 30vol%가 되도록 혼합하는 민감도가 향상된 접합 구조물의 접합부 안전성 검사방법.
  23. 제 20항 또는 제 21항에 있어서,
    상기 전도성 재료를 접착제에 균일하게 혼합하는 단계는 상기 전도성 재료의 부피 분율이 5vol%에서 10vol%가 되도록 혼합하는 민감도가 향상된 접합 구조물의 접합부 안전성 검사방법.
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