KR20080053499A - 전기화학적 피로 센서 시스템 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

기판 내에서 성장 균열의 피로 상태를 평가하는 방법이 개시된다. 또한 전기화학적 센서 장치가 제공되며, 상기 장치는 스테인리스 스틸 메쉬로 이루어지는 전극을 포함한다. 상기 전기화학적 장치는 기판에 접촉하는 바닥면을 구비한다. 상기 바닥면은 접착제로 코팅되고, 상기 접착층에는 박리지가 부착된다. 박리지는 상기 접착층에서 분리되고, 이로써 접착층이 노출된다. 접착층을 기판에 접촉시킴으로써 상기 전기화학적 센서 장치가 기판에 고정되고, 이로써 기판에 의하여 부분적으로 속박되는 전해액 공극이 형성된다. 공극으로부터 전해액이 누설되는 것을 방지하기 위하여 상기 접착층은 기판에 대하여 장치의 바닥면을 실링한다. 상기 공극은 전해액에 의하여 채워진다. 상기 기판이 반복 부하를 겪을 때 기준 전극과 기판 사이의 측정된 전류에 따라 성장하는 균열의 피로 상태가 측정된다.

Description

전기화학적 피로 센서 시스템 및 그 방법{Electrochemical fatigue sensor system and methods}

본 발명은 전기화학적 피로 센서 장치와 그 시스템 및 그러한 장치를 사용하는 방법에 관한 것이다.

도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 전기화학적 피로 센서(Eletrochemical Fatigue Sensor : EFS) 장치(10)의 구조를 나타내었다. EFS 장치(10)는 검사되는 피로 균열이 활성적으로 진행중인지를 결정하는 비파괴 피로 균열 검사 방법을 구현하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, EFS 장치(10)는 검사되어지는 실험실 견본 또는 구조상에서 피로 임계 지점에 인가된다. EFS 장치(10)는 전해액(12), 센서(14), 및 구조체(기판 16)와 센서(14) 사이에 일정한 분극 전압을 인가하기 위한 일정전위기(potentiostat: 미도시)로 이루어진다. EFS 장치(10)는 전기화학적 원리로 동작한다. 상기 구조체는 테스트되어지는 표면상에서 보호, 및 패시브 필름을 만들어내기 위하여 양극적으로 분극된다. 상기 구조체와 전극 사이의 분극 전압은 셀 내에서 DC 베이스 전류를 생성한다. 만일 EFS에 의하여 심문되는 상기 구조체가 반복적인 응력을 겪으면 셀 내에서 흐르는 전류는 기계적 응력 상태의 변화에 대하여 복잡한 관계를 가지면서 변동한다.

즉, DC 베이스 전류상에 AC 전류가 첨가된다. 상기 구조체 내의 피로 충격 상태 뿐만 아니라 구조에의 재료 및 부하 조건에 따라, 셀의 변위 전류가 피로 충격 상태에 관한 정보를 제공한다.

상기 구조체의 EFS 심문 동안에 가해지는 전기화학적 조건들은 그 물질의 표면상에 안정적인 패시브 옥사이드 필름을 유기하도록 설계된다. 반복적인 부하조건 동안에, 피로 공정은 미세 유연성(micro plasticity) 및 응력 국부화를 유발한다. 반복 슬립(cyclic slip)과 부동태화 공정은 부동태 필름의 순간적 및 반복되는 변화를 유발한다. 용해 및 재부동태화 공정을 포함한 이러한 변화들은 변위전류를 발생하게 한다.

EFS 변위 전류는 복합적이고, 금속과 EFS 전해액의 경계면에 있는 전기적인 이중막내에서의 반복적인 변화를 포함하며, 일반적으로 기계적 응력과 같은 주파수를 가지나, 심문되는 특정 금속에 의존적인 복합적인 위상 관계를 가진다. 더욱이, 주기적인 슬립에 의한 금속 표면상에서의 산화 필름의 파괴는 신장력있고 압축력있는 주기 부분 동안의 모두에서 유연화 현상이 발생되기 때문에 변위 탄성 전류 주파수의 두 배 주파수인 전류의 추가적인 성분을 유발한다. 누적되는 반복과 균열 형성으로 피로 충격이 진행됨에 따라, 그 균열들은 백그라운드 미세 유연성이 발생되는 곳과 균열이 아직 형성되지 않는 곳으로부터 피로 반복의 서로 다른 부분들에서 국부적인 유연성을 야기한다. 균열을 야기하는 유연성은 그리하여 변위 EFS 전류에 보다 높은 고조파 성분들이 삽입되게 한다. 이러한 다양한 전류 성분들을 분 석하고 교정함으로써 피로 균열 성장을 측정할 수 있다.

도 1에 도시한 바와 같은 종래의 EFS 장치들은 많은 단점들을 가지고 있다. 예를 들어, 알려져 있는 EFS 장치들은 기판에 부착하고 전해액을 채우기가 까다롭다. 또한 알려진 EFS 장치들은 낮은 감도로 인한 문제가 있고 그러한 장치들에 의하여 발생된 EFS 신호를 분석하기 위한 처리 기법들도 적절하지 않아 보인다는 문제점이 있다. 본 발명은 종래 기술의 그러한 단점들을 해결하고자 발명된 것이다.

본 발명은 기판내에서 성장하는 균열 피로 상태를 측정하는 방법을 제공하기 위한 것이다. 본 발명에 따르면 전기 화학적 센서 장치가 제공되며, 상기 본 발명에 따른 전기 화학적 센서 장치는 스테인리스 스틸 메쉬로 이루어지는 전극을 포함한다. 상기 전기화학적 장치는 기판에 접촉하는 바닥면을 구비한다. 상기 바닥면은 접착층으로 코팅되며, 상기 접착층에는 박리지가 부착된다. 상기 박리지는 상기 접착층으로부터 분리되어, 접착층이 노출되도록 한다. 상기 접착층이 기판과 접촉되도록 함으로써 상기 전기화학적 센서 장치는 기판에 고정되고, 이로써 기판에 의하여 부분적으로 구속(bounded)되는 전해질 공극이 형성된다. 공극으로부터 전해액이 누설되는 것을 방지하기 위하여 상기 접착층은 기판에 대하여 장치의 바닥면을 실링한다. 상기 공극은 전해액에 의하여 채워진다. 상기 기판이 반복 부하를 겪을 때 기준 전극과 기판 사이의 측정된 전류에 따라 성장하는 균열의 피로 상태가 측정된다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명은 기판 내에서 성장하는 균열의 피로 상태를 측정하는 전기 화학적 센서 시스템이 제공된다.

상기 시스템은 실질적으로 전해액 불침투성인 스테인리스 스틸 메쉬로 이루어지는 기준 전극을 포함한다. 상기 기준 전극은 상기 기판과 마주보는 바닥면과 상기 기판과 떨어져 마주보는 상부면을 구비한다. 매쉬 물질내에는 적어도 하나의 개구가 구비되며, 상기 적어도 하나의 개구는 기준 전극을 따라 전해액이 흐르는 것을 허용할 정도의 크기이면 족하다. 상기 기판과 상기 기준 전극의 바닥면 사이에는 제1 전해액 공극이 형성된다. 상기 기준 전극의 상부면과 상기 장치의 커버 사이에는 제2 전해액 공극이 형성된다. 상기 제1 전해액 공극의 지붕내에는 전해액 공급 포트가 형성된다. 제2 전해액 공극의 지붕 내에는 블리더 출력 포트(bleeder output port)가 형성된다. 센서는 상기 기판이 반복 부하를 겪을 때 전극과 기판 사이의 전류를 측정한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 본 발명은 기판상의 의심되는 피로 위치에서 성장 균열의 피로 상태를 측정하는 방법을 제공한다. 제1 기준전극을 구비하는 제1 전기화학적 센서 장치가 제공된다. 또한, 제2 기준전극을 구비하는 제2 전기화학적 센서 장치가 제공된다.

제1 전기화학적 센서 장치는 기판상의 의심되는 피로 위치에 걸쳐 위치되며, 기판이 반복 부하 조건을 겪을 때에 제1 기준전극과 기판 사이의 제1 전류 신호가 측정된다. 제2 전기화학적 센서 장치는 기판상에서 피로 균열이 일어나기 어려운 지점에 위치되며, 기판이 반복 부하 조건을 겪을 때에 제2 기준전극과 기판사이의 제2 전류 신호가 측정된다. 의심되는 피로 지점에서의 성장 균열의 피로 상태는 제1 및 제2 신호 전류로부터의 정보를 비교함으로써 평가된다.

도 1은 종래 기술에 따른 전기화학적 피로 센서 장치를 나타낸 도면이다.

도 2A는 본 발명에 따른 EFS 장치의 사시도이다.

도 2B는 도 2A에 나타낸 EFS 장치의 분해 사시도이다.

도 2C는 도 2B에 나타낸 EFS 장치의 상면도이다.

도 3은 균열 개시 과정의 초기 상태를 나타낸 도면이다.

도 4는 본 발명에 따라 0.01 인치 성장 균열에 대한 EFS의 FFT 데이터를 나타낸 도면이다.

도 5는 본 발명에 따라 EFS 차이 기법을 적용하여 기준 EFS 장치와 균열 모니터링 EFS 장치로부터의 EFS 신호를 비교한 결과를 나타낸 도면이다.

이제 도 2A 내지 도 2C를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명하면, 본 발명에 따른 EFS 장치(100)를 나타내었다. 센서는 기준 전극을 포함하는데, 이는 일실시예에서, 스테인리스 스틸(304)로 만들어진 메쉬이다. 또한 상기 센서는 120 및 130으로 참조되는 부분을 포함하는데, 일실시예에서, 이들 각각은 압력 감응성 접착제로 양면이 코팅된 발포체(foam)로 만들어진다. 일실시예에서는 120 및 130의 각각은 2인치 x 2인치 평방 또는 미만에 해당하는 면적부를 구비한다. 120 부분의 바닥측(122)상의 접착제에는 박리지(미도시)가 접착된다. 120 부분의 지붕에는 전해액 투입 포트(150)가 형성되어 있다. 전해액 투입 포트(150) 에는 필러 튜브(160: 예를들어 플라스틱 빨대)가 끼워진다. 130 부분의 지붕에는 블리더 출력 포트(170)가 형성되어 있다. 블리더 출력포트(170)에는 블리더 튜브(18)가 끼워진다. 또한, EFS 장치(100)는 투명 커버플레이트(190)를 포함한다. 상기 EFS 장치(100)는 130 부분 상부면(134)의 접착제에 커버 플레이트(190)를 접촉시키고; 130 부분의 바닥면(132)을 전극(110)의 상부면(114)에 접촉시키며; 120 부분의 상면(124)을 전극(110)의 바닥면(112)에 접촉시키므로써 조립된다.

일단 조립이 되면, EFS 장치(100)은 기판내의 성장 균열의 피로 상태를 모니터링하기 위하여 기판을 걸 수 있는 준비가 된 것이다. 상술한 바와 같이 120 부분의 바닥면(122)은 접착층으로 코팅되어 있고, 상기 접착층에는 박리지가 부착된다. 상기 기판에 EFS 장치(100)를 걸기 위하여 120 부분의 바닥면(122)상의 접착층에 붙어있는 박리지가 분리되고, 이로써 120 부분의 바닥면(122)상의 접착층이 노출된다. 다음으로 접착층을 기판에 접촉되도록 가져감으로써 EFS 장치(100)가 기판에 고정되고, 그럼으로써 기판에 의하여는 바닥에 속박되고, 측면들에 의하여는 120 부분의 지붕들이 속박되며, 전극(110)에 의하여는 상부면이 속박되는 하부 전해질 공극을 형성한다. 상기 접착층은 하부 전해액 공극으로부터 전해액이 누설되는 것을 방지하기 위하여 기판에 대하여 120 부분의 바닥면(122)을 실링한다. 또한 EFS 장치(100)는 전극(110)에 의하여 바닥이 속박되고, 130 부분의 지붕들에 의하여 측면이 속박되며, 투명 커버(190)에 의하여 지붕이 속박되는 상부 전해액 공극을 포함한다. 일실시예에서, 전극(110)을 구성하기 위하여 사용되는 스테인리스 스틸 메쉬는 실질적으로 전극에 대하여 불침투성이다. 메쉬 부재내에는 적어도 하나의 개 구부(116)가 구비되며(도 2C 참조), 상기 적어도 하나의 개구(116)는 기준 전극(110)을 따라 전해액이 흐르는 것을 허용할 정도의 크기이면 족하다.

상술한 바와 같이 EFS 장치(100)가 기판에 고정되고 나서 전해액이 필러 튜브(150)을 통해 장치내로 공급된다(예컨대, 펌핑되어). 전해액은 초기에 하부 전해액 공극을 채운다. 하부 전해액 공극이 채워지고 나서 계속해서 전해액이 필러 튜브(150)을 통해 공급되어, 전해액이 개구부(116)를 따라 하부 전해액 공극에서 상부 전해액 공극내로 흐르게 된다. 상부 전해액 공극이 꽉 찰 때까지 이 과정은 계속된다(예컨대, 전해액이 블리더 튜브(180) 밖으로 흐르기 시작할 때 까지). 일단 채움 과정이 종료되면, 튜브(160, 180)는 조여 잠겨지고, 전극(110)의 양측면(112, 114)은 전해액으로 덮여진다. 채움 과정 동안에, 장치가 전해액으로 채워졌는지와 거품이 존재하지 않는지 확인하기 위하여 EFS 장치(100)의 안쪽은 투명 커버(190)를 통해 육안 관찰이 가능할 수 있다. 일실시예에서 EFS 장치(100)를 채우는데 사용되는 전해액은:

일 수 있다. 당업자에 의하여 이해되어질 수 있는 바와 같이 다른 전해액 조성도 사용될 수 있다.

위에서 설명한 바와 같이 EFS 장치(100)가 설치되고 채워지고 나서, 전극(100)과 기판 사이의 전류 흐름을 측정하기 위하여 전위차계(미도시)가 기준 전극(110)과 기판에 접속된다. 기판이 반복 부하 조건을 겪게 될 때, 기준 전극(110) 과 기판 사이에서의 측정 전류(EFS 신호)에 따라 기판내 성장 균열의 피로 상태가 측정될 수 있다.

본 발명에 따른 EFS 기법은 종래의 다른 비파괴 평가 방법에 비하여 몇 가지 장점을 제공하는데, 이는 아주 작은 균열(0.005 인치)을 감지할 수 있는 능력을 가진다는 것뿐만 아니라 피로 균열 성장을 감지할 수 있는 가능성을 제공한다는 것이다. 도 3에는 누적되는 변위 과정으로 함몰 및 돌출을 형성하는 과정을 나타내고 있다. 균열 성장 초기 과정에서의 이러한 함몰과 돌출 및 균열은 본 발명에 따른 전기화학적 피로 센서에 의하여 감지될 수 있다.

실험적으로는, 순수한 정현파적 부하가 피로 샘플로 사용될 때 EFS 신호내에 두 개의 주요 주파수가 포함된다는 것을 발견하였다. 0.01 인치 성장 균열을 가지는 시료에 대하여 EFS 데이터의 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform: FFT)한 결과 도 4와 같이 1 Hz 및 2 Hz 주파수 성분이 나타났다. 1 Hz 성분은 탄성 변형에 기인한 것이고, 2 Hz 성분은 국부적인 소성 변형에 의한 것이다. 균열 성장과 균열 성장율이 증가됨에 따라 2 Hz에서의 제2 고조파 크기가 증가한다. 높은 부하와, 높게 가해지는 부하에 의해 야기되는 피로 균열 국부 소정의 직전에 유사 2차 고조파가 만들어진다. 균열과 부하에 의하여 야기되는 소성을 구분하기 위하여 제2 기준 센서가 사용된다. 일차 및 2차 센서를 함께 사용하는 것은 차동 EFS라 칭한다.

본 발명에 따른 차동 EFS는 두 개의 EFS 센서(100)를 사용되는데, 기판상의 의심되는 피로 지점에서 성장 균열의 피로 상태를 측정하기 위하여 하나는 기준(R : reference)으로 사용되고, 다른 하나는 균열 측정(M: measurement)를 위하여 사용되는 것이다. 제1 EFS 장치(100)(즉, M 센서 장치)는 기판상에서 의심되는 피로 지점에 걸쳐 위치되고, 기판이 반복 부하를 겪을 때 C 센서 장치 내의 기준 전극과 기판 사이에서의 제1 전류 신호가 측정된다. 제2 EFS 장치(100)(즉, R 센서 장치)는 기판상에서 피로 균열이 발생되지 않을 지점에 위치되고, 기판이 반복 부하를 겪을 때 기준 센서 장치내 기준 전극과 기판 사이의 제2 전류 신호가 측정된다. 의심되는 피로 지점에서 성장 균열의 피로 상태는 제1 및 제2 전류 신호로부터의 정보를 비교함으로써 평가된다. 보다 상세하게는, 두 신호에 대한 신호 처리를 사용함으로써 균열이 존재하는지를 비교 평가할 수 있다. 도 5를 참조하면, M 측정 센서 장치는 기준 신호보다 보다 큰 신호 크기(magnitude)를 제공하여 균열을 나타낸다.

마지막으로, 상술한 실시예들에는 그들의 넓은 발명적 사상을 벗어남이 없이 수정이 가해질 수 있다는 것이 당업자에 의하여 이해될 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 개시된 특정 실시예들에 한정되지 않으며, 첨부된 청구항들에 의하여 정의되는 본 발명의 사상 및 범위 내에서 변형될 수 있다고 이해될 것이다.

Claims (3)

1. (a) 스테인리스 스틸 메쉬로 이루어지는 전극을 포함하고, 바닥면은 기판에 접촉하고 접착층으로 코팅되고 상기 접착층에는 박리지가 부착되는 전기화학적 센서 장치를 제공하는 단계;

   (b) 상기 박리지를 접착층에서 분리함으로써 접착층을 노출시키는 단계;

   (c) 상기 접착층을 기판에 가져가 접촉시킴으로써 전기화학적 센서 장치를 고정하되 공극으로부터의 전해액 누출을 방지하기 위하여 접착제가 기판에 대하여 장치의 바닥면을 씰링하면서 기판에 의하여 부분적으로 속박되는 전해액 공극을 형성하는 단계;

   (d) 전해액으로 상기 공극을 채우는 단계; 및

   (e) 상기 기판이 반복 부하를 겪을 때에 상기 기준전극과 상기 기판 사이에서 측정된 전류에 의하여 성장 균열의 피로 상태를 측정하는 단계;를 포함하는 기판 내의 성장 균열의 피로 상태를 평가하는 방법.
2. (a) 전해액에 대하여 실질적으로 불침투성인 스테인리스 스틸 메쉬로 이루어지고, 기판과 마주보는 바닥면과 상기 기판과 떨어져 마주보는 상부면을 구비하며, 매쉬 물질내에는 적어도 하나의 개구가 구비되고, 상기 개구는 상기 기준 전극을 따라 전해액이 흐르는 것을 허용하기에 충분한 크기를 가지는 기준 전극;

   (b) 상기 기판과 상기 기준 전극의 바닥면 사이에는 형성된 제1 전해액 공극;

   (c) 상기 기준 전극의 상부면과 상기 장치의 커버 사이에는 형성된 제2 전해액 공극;

   (d) 상기 제1 전해액 공극의 지붕 내에 형성된 전해액 공급 포트;

   (e) 제2 전해액 공극의 지붕 내에는 형성된 블리더 출력 포트(bleeder output port); 및

   (f) 상기 기판이 반복 부하를 겪을 때 전극과 기판 사이의 전류를 측정하는 센서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 내의 성장 균열의 피로 상태를 평가하는 전기화학적 센서 장치.
3. (a) 제1 기준전극을 구비하는 제1 전기화학적 센서 장치를 제공하는 단계;

   (b) 제2 기준전극을 구비하는 제2 전기화학적 센서 장치를 제공하는 단계;

   (c) 상기 제1 전기화학적 센서 장치를 기판상의 의심되는 피로 위치에 걸쳐 위치시키고, 기판이 반복 부하 조건을 겪을 때에 제1 기준전극과 기판 사이의 제1 전류 신호를 측정하는 단계;

   (d) 상기 제2 전기화학적 센서 장치는 기판상에서 피로 균열이 일어나기 어려운 지점에 위치시키고, 기판이 반복 부하 조건을 겪을 때에 제2 기준전극과 기판사이의 제2 전류 신호를 측정하는 단계; 및

   (e) 제1 및 제2 신호 전류로부터의 정보를 비교함으로써 의심되는 피로 지점에서의 성장 균열의 피로 상태를 평가하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 내의 성장 균열의 피로 상태를 평가하는 방법.

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