KR20080012288A - 폴리머 스트레인 센서 - Google Patents

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KR20080012288A
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데이비 메인워링
팬디얀 머르가라즈
넬슨 에두아르도 모라 헤르타스
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로얄 멜버른 인스티튜트 오브 테크놀로지
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Abstract

스트레인 센서는 여과 한계값 이하, 바람직하게 폴리머의 10 % v/v 미만인 전도성 나노입자가 혼입된 비 전도성 폴리머로 구성된다. 상기 폴리머는 폴리이미드이며, 전도성 나노입자는 100 내지 200 nm의 응집물 크기와 30 내지 70 nm의 평균 입자 크기를 가진 카본 블랙이다. 센서는 신장, 압축 및 비틀림의 스트레인을 감지할 수 있다.

Description

폴리머 스트레인 센서{POLYMERIC STRAIN SENSOR}
본 발명은 스트레인이 가해진 구조물을 연속적으로 모니터하기 위하여 이용되고, 용이하게 제조할 수 있는 스트레인 센서, 특히 마이크로 스트레인 센서에 관한 것이다.
폴리머 스트레인 게이지가 제안되어 져 왔다. 미국 특허 5,989,700호는 전기적 저항이 가해진 압력을 나타내는 스트레인 게이지로서 압력 변환기를 제조하기 위하여 사용될 수 있는 압력 감지 잉크의 제조 방법을 공개한다. 이러한 잉크는 폴리머 바인더 내에서 불균일하게 확산되는 반도체적 나노입자와 탄성 폴리머의 조성물을 가진다.
미국 특허 제 5,817,944호는 전도성 섬유를 포함하는 단단한 구조물을 위한 스트레인 센서를 공개한다.
미국 특허 제 6079277호는 탄소 필라멘트의 메트릭스를 포함하는 폴리머 조합물로 구성된 스트레인 또는 스트레스 센서를 공개한다.
미국 특허 제 6276214호는 전도성 입자-폴리머 합성물을 이용하는 스트레인 센서를 공개한다. 카본 블랙은 전도성 폴리머 매트릭스를 제조하기 위하여 에틸렌 비닐아세테이트 코폴리머 내에서 분산된다.
이러한 모든 폴리머 센서는 전도성 입자를 준비하고, 그 뒤 필름 제조 단계 이전에 용해 또는 용융 공정에 의해 폴리머 내에 상기 입자들을 혼합시킴으로써 제조된다. 그 뒤 이러한 성분들은 절연 지지체로 이송되고, 모니터되는 기계적 구조물로 매립된다. 전기적 리드는 센서로 연결하기 위하여 요구된다. 일반적으로 전도성 필름의 저항 변화에 의존되는 폴리머 스테리인 게이지는 만족스럽지 못하고, 이력 현상(hysteresis)으로 인해 수명이 길지 못하다. 일반적으로 금속성 스트레인 게이지가 선호된다. 본 발명의 목적은 개선된 성능 특성과 낮은 이력 현상을 가지는 폴리머 스트레인 센서를 개발하는 데 있다.
본 발명의 이러한 목적을 위하여 여과 임계값(percolation threshold) 이하, 바람직하게 폴리머의 부피에 대해 10% 미만의 전도성 나노입자가 혼입된 비-전도성 폴리머로 구성된 복합재료 폴리머 스트레인 센서가 제공된다. 종래의 폴리머 스트레인 센서(일반적으로 30% v/v)에 비해 전도성 입자의 상대적으로 낮은 로딩(loading)은 복합 재료가 금속성을 나타내는 종래의 센서에 비해 반전도성을 나타내는 것을 의미한다.
일반적으로 폴리머는 폴리이미드 물질이며, 전도성 입자는 100 내지 200 nm의 집합체 크기와 30 내지 70 nm의 평균 입자 크기를 가진 글래시 카본(glassy carbon), 카본 블랙 및 그래파이트를 포함하는 다양한 형태의 카본이다. 전도성 트랙(conducting track)과 함께 이러한 나노복합재료 스트레인 센서 요소는 직접적으로 프린트될 수 있거나 또는 요소를 외부 전기 회로로 연결할 수 있는 다양한 캐스팅, 프린팅 또는 종래의 접착 기술에 의해 테스트 하에서 기판으로 부착될 수 있다.
종래의 폴리머 스트레인 센서(일반적으로 30% v/v)에 비해 전도성 입자의 상대적으로 낮은 로딩(loading)은 복합 재료가 금속성을 나타내는 종래의 센서에 비해 반전도성을 나타내는 것을 의미한다. 제안된 조성물은 종래의 복합재료 센서에 비해 여과 임계값보다 작으며, 상기 종래의 복합재료 센서는 여과 네트워크(percolating network)를 제공하는 전도성 입자들 사이의 물리적 접촉점에 의존되며, 미세기계적으로 이력이 제거된다.
이러한 조성물은 전자 호핑 메커니즘(electron hopping mechanism)을 통해 증가된 전기 전도성을 나타낸다. 이러한 시스템의 전기 전도성의 특성(온도 의존/ 변형 의존/ 전압 의존, 등등)은 탄소 입자 크기, 탄소 나노입자의 농도 및 입자 간 거리에 의존된다. 복합 재료 구조물의 전기 전도도는 탄소 나노입자의 농도가 1% v/v에서 8% v/v로 증가될 때 10-7에서 10-2 S/cm으로 점진적으로 가변된다. 이와 같이, 상기 복합재료 필름이 스트레인 감시 시 이용되지 않지만 매우 낮은 이력 스트레인 센서 필름(hysteretic strain sensor film)으로 이용되는 비-여과 전자 전잘 메커니즘으로서 거동하는 특성인 온도 거동에 있어서 반전도적이다. 이러한 필름에서, 탄소-폴리이미드 나노복합재료 필름의 전기적 특성에 있어서 변형에 의존되는 변화(결정적으로 변형 공정 동안 발생되는 입자간 간격의 변화에 의존됨)가 활용되어 이러한 필름의 적용예로서 스트레인 센서가 얻어진다.
주요하게 상기 탄소 폴리머 나노복합재료의 얇은 필름 내의 전기 전도도는 0의 스트레인 하에서 전기 전도도를 위한 전도성 입자의 여과 네트워크의 존재에 의존되는 종래의 폴리머 스트레인 센서 필름과 상이하게 입자간 간격에 의해 분리된 폴리머 매트릭스 내에 매립된 나노 입자들 사이의 전자의 호핑에 의존된다. 또한 0의 스트레인 하에서 이러한 나노복합재료 필름의 반도체적 거동은 저항의 온도 의존에 대한 상쇄 메커니즘(compensation mechanism)을 제공한다.
이에 따라 본 발명의 스트레인 센서 요소(SSE)는 다음에 응답한다.
(a) 인장 스트레인 하에서 입자간의 간격이 커짐에 따라, 필름들의 전기적 저항의 증가를 통한 인장(즉 신장 변형),
(b) 여과 네트워크의 존재로 인해, 압축성 로딩에 반응하지 않는 종래의 폴리머계 스트레인 센서와는 상이하게, 압축성 로딩 하에서 감소된 입자간의 간격에 따라 야기되는 SSE 필름의 전기적 저항의 감소를 통한 압축성 변형 및
(c) 신장 및 압축 변형에 응답함에 따른 비틀림 변형.
상기 SSE는 특정 분야 및 감광도 요구사항(sensitivity requirements)에 의존된 얇거나 또는 두꺼운 필름 또는 임의의 고체 형태를 포함하는 임의의 형태 또는 크기로 용이하게 제조되고 사용될 수 있다.
이러한 SSE의 고유의 특성으로 인해 예를 들어 인장 및 압축 변형과 하중, 비틀림 변형과 하중, 진동, 충격 및 사인형 변형(sinusoidal deformation)을 분량적으로 모니터할 수 있다. 폴리머의 적절한 종류는 마이크로 전자 장치 내에서 일반적으로 사용되는 폴리이미드이다. 폴리이미드는 -270 내지 260 ℃ 범위 내에서 우수한 미세기계적, 화학적 및 전기적 특성을 가진다. 선호되는 전도성 나노입자는 100 내지 200 nm의 응집물 크기와 30 내지 70 nm의 평균 입자 크기를 가진 카본 블랙이다. 보다 선호되는 탄소 함유량은 대략 1 % v/v이다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 이용된 제조 단계를 도시하는 도면.
도 2는 20℃에서 탄소 함량에 따르는 전기 전도도의 변화를 도시하는 도면.
도 3은 프리스탠딩된 필름과 지지된 필름 사이의 전기적 저항 변화에 따른 온도를 도시하는 도면.
도 4는 열 사이클링에 따른 전기적 이력을 도시하는 도면.
도 5는 충진되지 않은 폴리머에 대한 본 발명의 센서의 미세기계적 거동을 도시하는 도면.
도 6은 본 발명의 센서의 일반적인 전자기계적 거동을 도시하는 도면.
도 7은 본 발명의 센서의 게이지 팩터와 스트레인 저항 변화를 도시하는 도면.
도 8은 오어의 축을 따라 배치된 SSE의 위치를 도시하는, 탄소 섬유 복합재료 로잉 오어의 도면.
도 9는 오어의 반복적인 변형 동안 스트레인 센서 요소를 위해 얻어진 시간에 대해 도표로 표시된 저항비율의 도면.
도 10은 스트레인 센서 요소를 위해 얻어진 가해진 하중에 대한 저항의 변화를 도시하는 도면.
도 11은 스트레인 센서 요소에 의한 저항 변화를 도시하는 도면이며, SG1은 2가지의 상이한 온도에서 반복적인 하중 실험 동안 얻어진다.
도 12는 주어진 스트레인 센서 요소 상에서 반복적인 로딩 동안 시간에 대한 저항 변화를 도시하는 도면.
도 13은 신장 및 압축 변형 시 SSE의 저항의 상대 변화를 도시하는 도면.
도 14는 200 N을 가함으로써 발생된 압축 변형과 신장 변형에 따른 오어 샤프트의 축을 따라 배열된 모든 스트레인 센서 요소에 대한 저항의 상대 변화를 도시하는 도면.
도 15는 반복적인 비틀림 변형이 시계방향과 반시계 방향으로 오어 샤프트로 가해졌을 때, 시간에 대한 저항 변화를 도시하는 도면.
도 16은 INSTRON 장치를 이용하여 비틀림 변형값에 대해 위치 설정된 탄소섬유 복합재료 튜브를 도시하는 도면.
도 17은 반복적인 비틀림 변형이 탄소섬유 복합재료 튜브로 가해질 때 a) 튜브상에 가해진 토크, b) 각도에서의 비틀림 변형 및 c) 시간에 따른 SSE의 전기적 저항의 변화들 도시하는 도면.
도 1에 도시된 바와 같이, 나노복합체 필름(nanocomposite film)은 카본 블랙을 폴리아미드의 전구체로 혼입시킴으로써 제조되며, 즉 n-메틸 2-피롤리돈 (NMP) 용매 내의 4,4'-옥시비스벤젠아민 (BPDA- ODA)과 벤조페논 테트라카르복시릭 디안하이드라이드의 폴리아믹 에시드(polyamic acid)가 필름을 제조하기 위하여 사용된다. 캐스트 필름(cast film)은 50 내지 100 마이크론의 범위로 형성된다. 카본 블랙은 100 내지 200 nm의 집합체 크기와 30 내지 70 nm의 평균 입자 크기를 가진다. 탄소의 로딩(loading)은 10% v/v이하로 유지되어 전기 전도도가 10-6 내지 10-2 S cm-1의 범위로 형성되고, 도 2에 도시된 바와 같이 반도체적 영역 내에 형성된다. 도 3은 실리콘 기판상에서 탄소의 함유량이 5% v/v인 캐스트를 포함하는 나노복합체 필름에 대한 온도 대 전기적 저항을 도시한다. 온도가 증가됨에 따라 전기적 저항이 감소되며, 이는 일반적인 반도체적 특성(semiconducting characteristic)이다. 또한 그래프는 열 사이클링(thermal cycling)이 수행 시 전기적 저항의 감소된 이력 거동을 도시한다.
도 4는 프리스탠딩 카본-폴리아미드 나노복합체 얇은 필름(freestanding carbon-polyimide nanocomposite thin film)과 지지된(suppported) 카본-폴리아미드 나노복합체 얇은 필름에서의 전기적 저항 변화에 따른 온도를 도시한다. 2가지 타입의 필름에서 전기적 저항 변화의 차이는 폴리머 나노복합체 필름 내에서 전기적 거동에 대한 기판의 효과를 보여준다. 본 발명의 이점은 여과 범위 내에서 입자 하중에 따른 폴리머 필름에 비해 도 3에 도시된 매우 낮은 이력(hysteresis)이 존재한다는 것이다. 상대적으로 낮은 로딩으로 인해, 복합물의 미세기계적 특성이 도 5에 도시된 바와 같이 순수한 폴리이미드의 특성과 유사하다. 본 발명의 센서에 따라 수득된 정적 스트레인(static strain)에 대한 저항은 도 6 및 도 7에 도시된다. 인장 모드 하에서, 프리-스탠딩 스트레인 센서 필름(free-standing strain sensor film)은 8의 게이지 팩터(gauge factor)를 나타내며, 실리콘 기판으로 고정된 스트레인 센서 필름은 굽힘 모드 하에서 12의 게이지 팩터를 나타낸다. 25의 값까지의 게이지 팩터는 스트레인 센서 요소가 다양한 기판상에 이용될 때 얻어진다.
몇몇의 기판에 따라 25의 게이지 팩터가 가능하다. 종래의 금속 스트레인 게이지는 항시 5 미만의 게이지 팩터를 가진다. 이러한 SSE 재료의 고유 특성은 탄소 섬유 복합재료 로잉 오어(carbon fibre composite rowing Oar)의 미세기계적 거동을 모니터하기 위해 SSE 재료를 이용함으로써 예시화된다. 다음은 스트레인 센서 요소들의 가능한 응용들을 증명하는, 로잉 오어 상에 스트레인 센서 요소들을 배치시킴으로써 얻어진 실시예들이다.
도 8은 왼손 오어(left hand Oar)(LO)을 도식적으로 도시한다. 블레이드로부터의 거리는 블레이드를 연결하는 샤프트의 지점으로부터 특정된다. 이러한 위치는 블레이드에 따라 결정된다. 테이블 1은 테스트 하에서 오어 상에 SSE의 정확한 기하학적 위치를 제공한다.
테이블 1: 주위 온도 SSE의 각각의 전기적 저항값뿐만 아니라 오어 상의 SSE의 상세 위치.
Figure 112007079484418-PCT00001
실험적 배치
이러한 실시예에 사용된 SSE는 대략 0.06 mm의 두께, 1 mm의 폭 및 5 mm의 길이를 가진 스트립으로 구성된다. SSE의 전기 저항은 하부를 향하는 블레이드의 전방과 오어를 수평 방향으로 클램핑 고정하고(clamping), 오어를 핸들로부터 버튼으로 고정시키며(holding), INSTRON을 이용하여 샤프트의 단부를 상부를 향하여 끌어 당김(pulling)으로써 로잉 움직임(rowing movement)이 만능시험기(Universal Testing Machine)(INSTRON)를 이용하여 모의 실험되는 동안 멀티미터가 제공된 컴퓨터 제어식 데이터 획득 장치를 이용하여 측정된다. 상기 로잉 오어(rowing Oar)는 실험하는 동안 오어의 일부분이 움직이거나 또는 변형되지 않도록 핸들로부터 슬리브를 향하여 콘크리트 테이블로 고정된다. 테이블과 결합되는 샤프트의 단부는 특정 설계의 고정물을 이용하여 INSTRON으로 부착된다. 이러한 지점에 발생되는 블레이드의 수직 변위는 300 N의 힘에 대해 대략 130 mm이다. 오어는 분당 1000 mm의 속도로 반복 변형된다(연속 실험에서 1450 초에 대해 대략 122 로딩 사이클). 모든 SSE의 전기적 저항은 동시에 모니터된다.
도 9는 연속된 10 사이클 동안 시간에 따른 저항 변화를 도시한다. 다양한 위치에 배열된 SSE는 이의 각각의 저항 비율의 변화량을 반영하는 상이한 양의 스트레인이 제공된다. 블레이드의 중심으로부터 900 mm에 위치된 스트레인 게이지 SG4와 600 mm에 위치된 스트레인 게이지 SG3은 이러한 2가지의 위치에서 오어의 변형 특성을 나타내는 가해진 하중이 유사하기 때문에 유사한 스트레인 응답(strain response)이 야기된다. 상기 2가지의 SSE는 오어 샤프트 변형을 나타내는 최대 응답이 이러한 위치에서 최대인 것으로 나타난다. 스트레인 게이지 SG1(300 mm에 위치됨)는 이러한 위치에서 오어 샤프트의 상대적으로 작은 변형을 나타내는 SG3과 SG4에 비해 낮은 스트레인을 나타내며, SG2(500 mm에 위치됨)는 최소 스트레인으로 도시된다. 축을 따라 800 mm에 위치된(상부 위치) 스트레인 게이지 SG5는 오어가 300 뉴턴의 인장 하중이 가해졌을 때의 압축 특성을 나타낸다.
상기 실험에 따라 로잉 오어의 변형을 분량적으로 모니터링하는데 있어서 상기 SSE는 오어 상의 최대 및 최소 스트레인 위치를 알려줄 수 것이 입증되었다. 상기 실험에 따라, 오어 샤프트의 축을 따라 배치되지만 그 외의 다른 스트레인 센서 요소의 위치에 대해 90°로 위치된 스트레인 센서 요소 SG5의 거동에 의해 도시된 바와 같이 스트레인 센서 요소는 압축 변형에 응답할 수 있다는 것이 입증되었다.
도 10은 가해진 하중에 따른 저항 변화의 도표를 도시한다. 전기 저항은 하중이 없는 상태에 대해 83,300 옴 내지 300 뉴턴에 대해 83,700 옴까지 변동된다. 가해진 하중에 따라 저항은 선형으로 변동된다. 이러한 거동은 축을 따라 배열된 모든 스트레인 센서 요소에 대해 동일하다. 스트레인 센서의 온도가 일정하기 유지되는 동안 전기적 저항 응답은 반복 하중 하의 모든 스트레인 센서 요소 내에서 높 은 재현성을 가진다.
이의 반도체 특성으로 인해, 하중이 없는 상태 하에서 전기적 저항은 온도에 따라 가변된다. 그러나 온도에 따른 스트레인 센서 요소의 저항의 변동비율은 동일하게 유지된다. 예를 들어 도 11은 2가지의 상이한 온도에서 스트레인 센서 요소 SG1에 대한 가해진 하중에 따르는 저항 변화를 나타낸다. 주변 온도의 효과는 Y축을 따라 저항 대 가해진 하중 곡선을 이동시킨다. 그러나 저항(기울기)의 하중 계수는 동일하게 유지된다. 이에 따라 본 발명의 스트레인 센서 요소는 압축 변형 특성을 감지한다.
도 8에서, 샤프트를 따라 배열되지만 그 외의 다른 SSE에 대해 90°로 배열된 스트레인 센서 요소 SG5는 가해진 하중이 증가됨에 따라 저항이 감소되는 것으로 도시된다. 이는 샤프트 축을 따라 SG5의 측면에 위치된 압축 성분(sideway compressive component)으로 인함이다.
INSTRON을 이용하여 하중이 오어 샤프트 상에서 상반된 방향으로 가해져서 사전에 신장 변형된 모든 스트레인 센서 요소는 이러한 로딩 형상 하에서 압축된다. 도 12는 주어진 스트레인 센서 요소에 반복적으로 하중이 가해지는 동안 시간에 대해 점으로 표시된 저항 변화를 도시한다. 스트레인 센서 요소의 신장 변형 동안 샤프트에 가해진 최대 하중은 300 N으로 유지되고, 200 N의 최대 하중이 상반된 방향으로 오어 샤프트의 변형 실험 동안 유지된다.
도 12는 양의 방향뿐만 아니라 음의 방향으로 반복 하중 동안 스트레인 센서 요소의 저항의 연속적인 변화를 도시한다. 이러한 양 방향에서, 관찰된 변형은 하 중에 비례한다.
도 13은 신장 및 압축 하중 동안 가해진 하중에 대해 저항의 상대적인 변화를 좌표로서 상세히 도시한다.
도 14는, 200 뉴턴의 하중에 따라 신장 및 압축 변형되는, 샤프트의 축을 따라 오어 상에 배열된 다양한 스트레인 게이지의 저항의 상대적 변화를 도시한다. 각각의 스트레인 게이지에 대한 값들의 상대적으로 작은 변화는 샤프트 축을 따라 SSE 필름을 배치시키는데 있어서 작은 실험적 변화에 따른 것이다. 스트레인 센서 요소의 고유 기능이 신장 및 압축 변형에 대해 전기적으로 응답하기 때문에, SSE 스트립을 샤프트 상의 특정 기하학적 위치에 배치시킴으로써 이러한 스트립은 테스트 하에서 재료 내에 발생되는 비틀림 변형을 측정하기 위해 이용될 수 있다.
카본 폴리머 나노복합체의 얇은 필름의 거동을 입증하기 위한 이러한 실험에서, 얇은 스트립의 형태인 SSE는 이의 길이가 샤프트의 축에 대해 45°로 형성되도록 배치된다. 그 뒤 오어의 샤프트는 시계 방향과 반시계 방향으로 비틀림 변형된다. 이러한 형상 하에서, SSE는 비틀림 하중이 한 방향으로 가해질 때 신장 응력이 가해지고, 비틀림 하중의 방향이 반전될 대 압축 응력이 가해진다. 따라서 SSE로부터의 전기적 반응은 비틀림 하중이 한 방향으로 가해질 때 저항이 양으로 변화되고, 이러한 방향이 반전될 때 음으로 변화된다. 또한 이러한 상대적인 변화는 비틀림 변형량에 따라 가변된다.
도 15에 도시된 바와 같이, 오어를 시계방향과 반시계방향으로 트위스트함으로써 스트레인 센서 요소 SG2로 토크가 가해진다. SG2는 한 방향으로 압축 응력이 가해지는 반면 상반된 방향으로 인장 응력이 가해진다. 저항값의 변화는 토크의 크기에 의존되며, 회전 각도도 토크의 크기에 의존되고, 변동(change)의 신호(sign)는 가해진 토크의 방향에 의존된다.
상기 측정값에 따라 비틀림 변형을 위해 사용된 탄소 섬유 샤프트는 오어 핸들로부터 오어 블레이드까지 직경이 감소되는 중공 튜브이며, 이에 따라 분량적인 비틀림 변형의 경향(determination)이 복잡해진다. 개별적인 실험이 분량적인 관점에서 SSE의 성능을 나타내기 위하여 INSTRON 장치를 이용하여 수행된다. 도식적인 실험 장비가 도 16에 도시된다.
균일한 보어의 탄소 섬유 복합물로 제조된 중공 튜브(11)가 사용된다. 상기 장비는 튜브(11)로 구성되며, 상기 튜브(11)는 한 단부 상에서 앵커(14)를 이용하여 고정된 기저부(12)로 클램프 고정되고, 베어링(15) 내에 지지된 그 외의 다른 단부에 비틀림 하중이 가해진다. 튜브의 치수는 1500 mm의 길이, 44.7 mm의 내부 직경 및 46.2 mm의 외부 직경으로 형성된다. 얇은 스트립의 형태인 SSE(17)는 이의 길이가 튜브가 고정되는 지점으로부터 100 mm이고 튜브의 축에 대해 45°로 형성되도록 배열된다. 그 뒤 튜브(11)는 이동식 암(moving arm, 16)(레버)과 INSTRON 장치를 이용하여 시계 방향으로 150 Nm 그리고 반시계 방향으로 120 Nm의 토크를 가함으로써 비틀림 변형된다. 토크는 고정된 지점으로부터 1160 mm의 지점과 센서 위치로부터 1060 mm의 지점에 가해진다. 가해진 토크에 따라 오어의 굽힘 효과를 최소화하기 위하여, 토크는 360 mm로 이격된 2개의 고정된 볼 베어링들 사이의 지점으로 가해진다. 이러한 형상 하에서, SSE(17)는 비틀림 응력이 시계 방향으로 가해 질 때 정미 유효 신장 응력(net effective extensional stress)을 받으며, 비틀림 하중이 반시계 방향으로 가해질 때 정미 유효 압축 응력을 받는다. 이에 따라서, SSE(17)의 전기적 저항 변화는 비틀림 하중이 시계 방향으로 가해질 때 양으로 형성되고, 비틀림 하중이 반시계 방향으로 가해질 때 음으로 형성된다. 또한 상대적인 변화는 가해진 비틀림 하중의 양에 따라 가변된다. 반복적인 비틀림 변형될 때 a) 튜브 상에 가해진 토크, b) 각도에서의 비틀림 변형 및 c) 시간에 따른 SSE의 전기적 저항의 변화는 도 17에 도시된다.
저항값의 변화는 토크의 크기에 의존되며, 회전 각도도 토크의 크기에 의존되고, 변동의 신호는 가해진 토크의 방향에 의존된다.
상기 기술된 바와 같이, 본 발명은 크고 작은 스트레인을 측정하기 위하여 이용될 수 있는 스트레인 게이지를 제공한다. 폴리머 필름은 최상의 표면 타입과 형태로 용이하게 절단되고 결합될 수 있다.
종래 기술의 당업자는 본 발명이 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 상기 기술된 실시예와 상이한 실시예에서 이용가능하다는 것을 인식할 수 있다.

Claims (10)

  1. 여과 임계값(percolation threshold) 이하, 바람직하게 폴리머의 부피에 대해 10% 미만의 전도성 나노입자가 혼입된 비-전도성 폴리머로 구성된 복합재료 폴리머 스트레인 센서.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 폴리머는 폴리이미드인 것을 특징으로 하는 스트레인 센서.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 전도성 나노입자는 100 내지 200 nm의 응집물 크기와 30 내지 70 nm의 평균 입자 크기를 가진 카본 블랙인 것을 특징으로 하는 스트레인 센서.
  4. 전 항들 중 어느 한 항에 있어서, 전기 전도도는 10-6 내지 10-2 Scm-1의 범위인 것을 특징으로 하는 스트레인 센서.
  5. 전 항들 중 어느 한 항에 있어서, 전도성 트랙(conducting track)은 장치를 외부 전기 회로로 연결시키기 위하여 복합재료 폴리머 스트레인 센서 위에 적층되는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서.
  6. 폴리머 스트레인 센서를 제조하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은
    - 폴리머의 용액 내에서 극미세 전도성 입자를 충분히 확산시키는 단계(dispersing) 및
    - 전도성 나노입자가 폴리머의 여과 임계값 이하의 양으로 존재하는 필름을 형성하기 위하여 폴리머의 필름을 캐스팅하는 단계(casting)를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 스트레인 센서를 제조하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 폴리머는 폴리이미드이고, 전도성 나노입자는 100 내지 200 nm의 응집물 크기와 30 내지 70 nm의 평균 입자 크기를 가진 카본 블랙인 것을 특징으로 하는 폴리머 스트레인 센서를 제조하는 방법.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 전도성 나노입자는 폴리머의 부피에 대해 10% 미만의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 폴리머 스트레인 센서를 제조하는 방법.
  9. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 전도성 나노입자는 10-6 내지 10-2 Scm-1의 범위 내의 전도도를 가진 폴리머 복합재료를 제공하는 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 폴리머 스트레인 센서를 제조하는 방법.
  10. 신장, 압축 및 비틀림의 스트레인을 감지할 수 있는 청구항 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따르는 폴리머 복합재료로 제조된 스트레인 센서 요소.
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