KR20160016067A - 압전 섬유 복합재를 이용한 플레시블 패치 센서 - Google Patents

압전 섬유 복합재를 이용한 플레시블 패치 센서 Download PDF

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Abstract

압전효과를 발생시키는 압전소재층(10)과, 상기 압전소재층(10)의 상부에 접하여 형성된 제1 전극층(20)과, 상기 압전소재층(10)의 하부에 접하여 형성된 제2 전극층(30)과, 상기 제1 전극층(20)의 상부에 형성된 제1 유전체 접착제층(40)과, 상기 제2 전극층(20)의 하부에 형성된 제2 유전체 접착제층(50)과, 상기 제1 유전체 접착제층(40)의 상부에 형성된 제1 보호 필름층(60)과, 상기 제2 유전체 접착제층(50)의 하부에 형성된 제2 보호 필름층(70),을 포함하여 구성되되; 상기 압전소재층(10)은, 복수개의 압전 장판(piezoceramic rectangular plate, 壓電 長板, 11)들이 서로 이격되어 수평하게 배열되는 있는 것을 특징으로 하는 압전 섬유 복합재를 이용한 플레시블 패치 센서.

Description

압전 섬유 복합재를 이용한 플레시블 패치 센서 { Patch Sensor }
본 발명은 압전 섬유 복합재를 이용한 플레시블 패치 센서에 관한 것이다.
공개특허 제10-2006-0097635호(출원인 : 티디케이가부시기가이샤) 압전 자기 조성물 및 그 제조방법, 및 압전소자,압전소자의 제조방법은 압전 자기 조성물을 함하는 복수의 압전층과, 압전층 사이에 삽입되는 복수의 내부 전극을 구비하고, 상기 압전 자기 조성물은 Pb, Ti, 및 Zr을 구성원소로 하는 복합 산화물을 주성분으로 하는 압전 자기 조성물로서, 제 1 부성분으로서 Mn, Co, Cr, Fe, Ni로부터 선택되는 적어도 1종을 함유하고, 당해 제 1 부성분의 함유량이 산화물 환산으로 0.2질량% 이하(단, 0은 포함하지 않는다.)인 것을 특징으로 하는 압전소자를 제공한다.
종래의 압전소자는 하드한(단단한) 물질로 만들어져서 예를들어, 풍력발전기용 블레이드, 헬리콥터 로터 블레이드와 같이 넓고 평평하지만 고속으로 회전하는 구조물에 간단히 단단하게(납작하게) 접착제 등으로 부착하여 사용하기 어려웠으며, 또한 플렉시블(Flexible) 하진 않아서 3차원 곡률을 갖는 구조물에 전체면이 부착되게 사용하는 것이 어려운 문제점이 있었다.
또한, 플레시블 하지 않은 관계로 센서의 전체면이 구조물에 밀착되지 않아서 스트레인(변형, Strain)의 정밀 측정, 음파 또는 초음파 영역 진동 발생 및 반사파 수신을 통한 구조물 결함 감지, 및 진동 또는 압력을 이용한 전기에너지 획득 성능이 떨어지는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 센서를 사각형상의 납작하고 플레시블하게 구성함으로서, 풍력발전기 블레이드, 헬리콥터 로터 블레이드와 같이 넓고 평평하지만 고속으로 회전하는 구조물 등에 단단하게(납작하게) 접착제 등으로 부착하여 사용할 수 있으며, 또한 플렉시블(Flexible) 하기 때문에 3차원 곡률을 갖는 구조물에 전체면이 밀착되게 부착하여 사용할 수 있는 압전 섬유 복합재를 이용한 플레시블 패치 센서를 제공하기 위함이다.
또한, 본 발명의 목적은 플레시블하면서 압전반응이 우수하여 센서의 전체면이 구조물에 밀착되어 스트레인(변형, Strain)의 정밀 측정 기능, 음파 또는 초음파 영역 진동 발생 및 반사파 수신을 통한 구조물 결함 감지 기능, 및 진동 또는 압력을 이용한 전기에너지 획득 성능이 우수한 압전 섬유 복합재를 이용한 플레시블 패치 센서를 제공하기 위함이다.
압전효과를 발생시키는 압전소재층(10)과,
상기 압전소재층(10)의 상부에 접하여 형성된 제1 전극층(20)과,
상기 압전소재층(10)의 하부에 접하여 형성된 제2 전극층(30)과,
상기 제1 전극층(20)의 상부에 형성된 제1 유전체 접착제층(40)과,
상기 제2 전극층(20)의 하부에 형성된 제2 유전체 접착제층(50)과,
상기 제1 유전체 접착제층(40)의 상부에 형성된 제1 보호 필름층(60)과,
상기 제2 유전체 접착제층(50)의 하부에 형성된 제2 보호 필름층(70),
을 포함하여 구성되되;
상기 압전소재층(10)은,
복수개의 압전 장판(piezoceramic rectangular plate, 壓電 長板, 11)들이 서로 이격되어 수평하게 배열되는 있는 것을 특징으로 하는 압전 섬유 복합재를 이용한 플레시블 패치 센서.
본 발명에 따르는 경우, 센서가 사각형상의 납작하고 플레시블하게 구성됨으로서, 풍력발전기 블레이드, 헬리콥터 로터 블레이드와 같이 넓고 평평하지만 고속으로 회전하는 구조물 등에 단단하게(납작하게) 접착제 등으로 부착하여 사용할 수 있으며, 또한 플렉시블(Flexible) 하기 때문에 3차원 곡률을 갖는 구조물에 전체면이 밀착되게 부착하여 사용할 수 있는 압전 섬유 복합재를 이용한 플레시블 패치 센서가 제공된다.
또한, 플레시블하면서 압전반응이 우수하여 센서의 전체면이 구조물에 밀착되어 스트레인(변형, Strain)의 정밀 측정 기능, 음파 또는 초음파 영역 진동 발생 및 반사파 수신을 통한 구조물 결함 감지 기능, 및 진동 또는 압력을 이용한 전기에너지 획득 성능이 우수한 압전 섬유 복합재를 이용한 플레시블 패치 센서가 제공된다.
도 1(a, b)은 본 발명의 일실시예에 따른 압전 섬유 복합재를 이용한 플레시블 패치 센서 전체 구성도.
도 2(a, b)은 본 발명의 일실시예에 따른 압전 섬유 복합재를 이용한 플레시블 패치 센서 세부 구성도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 압전 섬유 복합재를 이용한 플레시블 패치 센서 전극부 세부 구성도.
이하에서 본 발명의 일실시예에 따른 압전 섬유 복합재를 이용한 플레시블 패치 센서에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 도 1(a, b)은 본 발명의 일실시예에 따른 압전 섬유 복합재를 이용한 플레시블 패치 센서 전체 구성도, 도 2(a, b)은 본 발명의 일실시예에 따른 압전 섬유 복합재를 이용한 플레시블 패치 센서 세부 구성도, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 압전 섬유 복합재를 이용한 플레시블 패치 센서 전극부 세부 구성도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 압전 섬유 복합재를 이용한 플레시블 패치 센서는, 압전효과를 발생시키는 압전소재층(10)과, 상기 압전소재층(10)의 상부에 접하여 형성된 제1 전극층(20)과, 상기 압전소재층(10)의 하부에 접하여 형성된 제2 전극층(30)과, 상기 제1 전극층(20)의 상부에 형성된 제1 유전체 접착제층(40)과, 상기 제2 전극층(20)의 하부에 형성된 제2 유전체 접착제층(50)과, 상기 제1 유전체 접착제층(40)의 상부에 형성된 제1 보호 필름층(60)과, 상기 제2 유전체 접착제층(50)의 하부에 형성된 제2 보호 필름층(70)을 포함하여 구성된다. 압전소재층(10)은, 복수개의 압전 장판(piezoceramic rectangular plate, 壓電 長板, 11)들이 서로 이격되어 수평하게 배열되는 있다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 압전 섬유 복합재를 이용한 플레시블 패치 센서에 있어서, 압전 장판(piezoceramic rectangular plate, 壓電 長板, 11)은 압전 섬유 또는 압전 섬유 복합재(Macro Fiber Composite, MFC)로 구성되고, 압전 장판(11) 사이의 갭(13)은 열경화성 수지(예를들어, 에폭시)로 채워지는 것이 바람직하다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 압전 섬유 복합재를 이용한 플레시블 패치 센서에 있어서, 복수개 압전 장판(壓電 長板, 11)으로 구성된 상기 압전소재층(10)의 배열방향과, 복수개 제1, 제2 전극바(21, 31)로 이루어진 제1 전극층(20) 및 제2 전극층(30)의 배열방향은 서로 수직으로 교차하며; 제1 전극층(20)과 제2 전극층(30)의 배열방향은 서로 평행한 것이 바람직하다.
도 1, 도 2(a)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 압전 섬유 복합재를 이용한 플레시블 패치 센서에 있어서, 제1 전극층(20)은 일극성 제1 전극바(21a)와 타극성 제1 전극바(21b)가 교대로 수평하게 배열되고; 제2 전극층(20)도 상기 제1 전극층(20)과 상응하는 형상으로 일극성 제2 전극바(31a)와 타극성 제2 전극바(31b)가 교대로 수평하게 배열될 수 있다. 상기 도 2a의 실시예는 10KHZ 범위 내의 가진기, 신축 액튜에이터(Elongator), 스트레인 센서로 적합한 형태이다.
도 1, 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 압전 섬유 복합재를 이용한 플레시블 패치 센서에 있어서, 상기 제1 전극층(20)을 이루는 제1 전극바(21)들의 극성은 서로 같으며, 제2 전극층(20)을 이루는 제2 전극바(31)의 극성은 서로 같으며 상기 제1 전극바(21)들의 극성과 반대로 구성될 수 있다. 상기 도 2b의 실시예는 에너지 수확기(Energy Harvesting), 스트레인 센서로 적합한 형태이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 압전 섬유 복합재를 이용한 플레시블 패치 센서에 있어서, 압전소재층(10)의 제1두께(t1)는 50 ~ 200 ㎛이고, 제1, 제2 전극바(21, 31)의 이격거리(W1)는 50 ~ 300 ㎛이고, 제1, 제2 전극바(21, 31)의 폭(t2)는 10 ~ 100 ㎛ 인 것이 바람직하다. 이 범위 내에서 감도, 압전 효과, 발진성, 에너지 수확율, 패치성이 우수함을 테스트 결과 알수 있었다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 압전 섬유 복합재를 이용한 플레시블 패치 센서에 있어서, 전극바와 평행한 방향인 상기 압전소재층(10)의 세로변 길이(L1)은 0.5 ~ 3 cm이고, 전극바와 수직한 방향인 상기 압전소재층(10)의 가로변 길이(L2)은 3 ~10 cm 인 것이 바람직하다. 이 범위 내에서 감도, 압전 효과, 발진성, 에너지 수확율, 패치성, 제작성이 우수함을 테스트 결과 알수 있었다.
본 발명에서 압전섬유는 압전 물질로 이루어진 섬유이고, 압전 섬유 복합재는 압전물질(piezoelectric material)이 코팅된 섬유 및 압전 섬유와 압전 물질이 코팅된 섬유의 조합을 포함하는 개념이다. 압전물질은 PVDF(polyvinylidene fluoride), PZT(lead zirconate titanate) 등일 수 있다. 압전물질이 코팅된 상기 섬유는 일반적으로 사용되는 다양한 섬유일 수 있다. 본 발명에 있어서, 티탄산 지르콘산 연(PZT , lead zirconate titanate]는 대표적인 압전ㆍ초전성(焦電性) 세라믹이다. 점화기, 텔레비전 수상기, 트랜시버 등, 일상 생활 속에 널리 사용되고 있다. 강유전체(强誘電體)인 BaTiO3(티탄산 바륨)과 같은 페로브스카이트형 결정 구조를 가지면서도, 반 강유전체인 PbZrO3은 PbTiO3과 고용(固溶)하여 혼정(混晶) 강유전체가 된다. 이 2성분계(成分系)에서 Ti/Zr=53/47에 모르포트로빅상(相) 경계(MPB)가 있으며, PbTiO3측에서 정방정(正方晶), PbZrO3측에서 능면체정(菱面體晶) 구조를 취하고, MPB 부근의 조성(組成)은 큰 압전성을 나타내므로 성분의 원소 기호 머리 글자를 따서 PZT라 부른다(PZT는 원래는 상품 이름이었다). 이 PbTiO3-PbZrO3에 다시 Pb(Mn1 /2Nb2 /3)O3 같은 제3성분을 가한 계(系)는, 점이 아니라 선으로 나타내는 MPB 주변에서 우수한 압전성을 나타내며, 이용 목적에 따라 압전특성, 공진 주파수(共振周波數)의 온도물성(溫度物性) 여러 정수(定數)의 컨트롤을 할 수 있어 광범한 첨가물이 검토되고 있다. 이들 계를 포함하여 일반적으로 PZT라고 총칭한다.PZT의 조성은 MPB 부근을 정확히 제어하는 것이 특성상 중요하다. 그리고 La를 첨가한 PLZT는 투광성(透光性)이 있어 광학적 성질을 전기적으로 제어할 수 있는 세라믹으로 주목된다.[응용과 전망]압전 착화소자(壓電 着火素子)로서 가스레인지, 라이터 등의 점화기에, 진동자(振動子)로서 초음파 세척기(洗滌器)에 이용된다. 그리고 어군 탐지기와 초음파 현미경의 검출기로서도 이용되고 있다. 세라믹 필터로서의 용도는 통신기, FM, TV용 등 다양하다. 초전성의 이용 예로는 전자레인지의 적외선 온도센서가 있다. PZT 시장은 600~1000억 원으로 예상된다.[참고용어]PLZT: PZT의 일부를 La로 대치하여 Pb1 - x La x (Zr y Ti z )1- x /4O3로 나타내는 화합물이다. 가시광(可視光) 및 적외광(赤外光)에 대해 높은 투광성을 가지며, 전장(電場)을 인가(印可)하면 광학 이방성(光學異方性)을 나타낸다. 화상기억(畵像記憶) 소자와 디스프레이 소자로 응용이 기대되고 있다. 본 발명에서 폴리마이드(polyimide)는 고온, 마찰, 방사선, 다수 화학 약품에 대해 내구성이 강한 수지를 말한다.
본 발명은 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명됐지만, 본 발명의 범위가 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 범위는 이하의 특허청구범위에 의하여 정하여지는 것으로 본 발명과 균등 범위에 속하는 다양한 수정 및 변형을 포함할 것이다.
아래의 특허청구범위에 기재된 도면부호는 단순히 발명의 이해를 보조하기 위한 것으로 권리범위의 해석에 영향을 미치지 아니함을 밝히며 기재된 도면부호에 의해 권리범위가 좁게 해석되어서는 안될 것이다.
10 : 압전소재층
11 : 압전 장판
13 : 에폭시로 채워진 갭
20 : 제1 전극층
30 : 제2 전극층
40 : 제1 유전체 접착제층
50 : 제2 유전체 접착제층
60 : 제1 폴리마이드(Polyimide) 필름층
70 : 제2 폴리마이드(Polyimide) 필름층

Claims (8)

  1. 압전효과를 발생시키는 압전소재층(10)과,
    상기 압전소재층(10)의 상부에 접하여 형성된 제1 전극층(20)과,
    상기 압전소재층(10)의 하부에 접하여 형성된 제2 전극층(30)과,
    상기 제1 전극층(20)의 상부에 형성된 제1 유전체 접착제층(40)과,
    상기 제2 전극층(20)의 하부에 형성된 제2 유전체 접착제층(50)과,
    상기 제1 유전체 접착제층(40)의 상부에 형성된 제1 보호 필름층(60)과,
    상기 제2 유전체 접착제층(50)의 하부에 형성된 제2 보호 필름층(70),
    을 포함하여 구성되되;
    상기 압전소재층(10)은,
    복수개의 압전 장판(piezoceramic rectangular plate, 壓電 長板, 11)들이 서로 이격되어 수평하게 배열되는 있는 것을 특징으로 하는 압전 섬유 복합재를 이용한 플레시블 패치 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압전 장판(piezoceramic rectangular plate, 壓電 長板, 11)은 압전 섬유 또는 압전 섬유 복합재(Macro Fiber Composite, MFC)로 구성되고,
    상기 압전 장판(11) 사이의 갭(13)은 열경화성 수지로 채워지는 것을 특징으로 하는 압전 섬유 복합재를 이용한 플레시블 패치 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    복수개 압전 장판(壓電 長板, 11)으로 구성된 상기 압전소재층(10)의 배열방향과, 복수개 제1, 제2 전극바(21, 31)로 이루어진 제1 전극층(20) 및 제2 전극층(30)의 배열방향은 서로 수직으로 교차하며; 제1 전극층(20)과 제2 전극층(30)의 배열방향은 서로 평행한 것을 특징으로 하는 압전 섬유 복합재를 이용한 플레시블 패치 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 전극층(20)은 일극성 제1 전극바(21a)와 타극성 제1 전극바(21b)가 교대로 수평하게 배열되고;
    상기 제2 전극층(20)도 상기 제1 전극층(20)과 상응하는 형상으로 일극성 제2 전극바(31a)와 타극성 제2 전극바(31b)가 교대로 수평하게 배열되는 것을 특징으로 하는 압전 섬유 복합재를 이용한 플레시블 패치 센서.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 전극층(20)을 이루는 제1 전극바(21)들의 극성은 서로 같으며,
    상기 제2 전극층(20)을 이루는 제2 전극바(31)의 극성은 서로 같으며 상기 제1 전극바(21)들의 극성과 반대인 것을 특징으로 하는 압전 섬유 복합재를 이용한 플레시블 패치 센서.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 압전소재층(10)의 제1두께(t1)는 100 ~ 500 ㎛이고,
    상기 제1, 제2 전극바(21, 31)의 이격거리(W1)는 200 ~ 600 ㎛이고,
    상기 제1, 제2 전극바(21, 31)의 폭(t2)는 30 ~ 100 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 압전 섬유 복합재를 이용한 플레시블 패치 센서.
  7. 제3항에 있어서,
    전극바와 평행한 방향인 상기 압전소재층(10)의 세로변 길이(L1)은 0.5 ~ 3 cm이고,
    전극바와 수직한 방향인 상기 압전소재층(10)의 가로변 길이(L2)은 2 ~10 cm 인 것을 특징으로 하는 압전 섬유 복합재를 이용한 플레시블 패치 센서.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 압전 장판(11)의 폭은 0.5 ~ 5 mm이고,
    상기 압전 장판(11)의 갯수는 2 ~ 100 인 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 압전 섬유 복합재를 이용한 플레시블 패치 센서.









KR1020140099297A 2014-08-01 2014-08-01 압전 섬유 복합재를 이용한 플레시블 패치 센서 KR20160016067A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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