KR20170011600A - 전도성 복합재료 구조물의 손상 감지 및 손상 이력 기록 장치 및 그 제조방법 - Google Patents

전도성 복합재료 구조물의 손상 감지 및 손상 이력 기록 장치 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전도성 복합재료 구조물의 손상 감지 및 손상 이력 기록 장치, 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 복수 개의 손상 감지층; 상기 손상 감지층과 전기적으로 연결되어 상기 손상 감지층에 전류를 공급하는 전원; 및 상기 손상 감지층으로부터의 전기적 신호를 측정 및 기록하기 위한 전기적 신호 측정수단을 포함하며, 상기 손상 감지층은, 전도성 복합재료의 상면 및 배면에 각각 형성되며, 서로 평행하게 배열된 복수 개의 전극 띠를 포함하고, 상기 상면에 형성된 전극 띠와 상기 배면에 형성된 전극띠는 서로 수직인, 전기저항 측정층; 상기 전극층을 덮도록 형성되는 절연층; 및 상기 절연층 상에 형성되며, 복수 개의 전극 쌍과 각각의 전극 쌍 사이에 개재되는 유전물질을 포함하는 전기용량 측정층을 포함하는, 전도성 복합재료의 손상 감지 및 손상 이력 기록 장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 탄소계 복합재료의 손상 위치 및 손상 정도를 매우 정밀하게 실시간으로 검출할 수 있을 뿐만 아니라, 저렴한 비용으로 제작이 가능하여 자동차 등 다양한 분야에 널리 상용화될 수 있고, 구조물에 전혀 손상을 일으킬 염려가 없으며, 더 나아가 손상 부위의 자가치유까지도 가능한 전도성 복합재료 구조물의 손상 감지 및 손상 이력 기록 장치를 제공할 수 있다.

Description

전도성 복합재료 구조물의 손상 감지 및 손상 이력 기록 장치 및 그 제조방법 {Deveice for detection and recordation of damages on conductive composite material and method for manufacturing the same}
본 발명은 전도성 복합재료 구조물의 손상 감지 및 손상 이력 기록 장치, 및 그 제조방법에 관한 것이다.
탄소나노튜브, 탄소섬유와 같이 전도성이 있는 탄소나노재료가 포함된 탄소계 복합재료는 우수한 기계적 및 전기적 물성을 보유하고 있어 최근 이에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 탄소계 복합재료는 상대적으로 적은 탄소 함량에도 불구하고, 우수한 강성 및 전기전도성을 보유하기 때문에, 우주항공 재료뿐만 아니라 차량용 재료와 같은 다양한 분야로 그 적용이 확대되고 있다.
그러나, 탄소계 복합재료는 미세손상이 발생할 경우, 물성이 급격히 저하되면서 파괴가 일어나는 문제점을 가지고 있다. 따라서, 상기 문제를 극복하기 위해서, 탄소계 복합재료의 미세손상을 예측 및 확인할 수 있는 다양한 평가방법에 대한 연구가 진행되고 있다. 종래 전도성 복합재료 구조물의 손상을 감지하기 위한 일반적 기술들은 주로 음향방출 (acoustic emission), 초음파 테스트 (ultrasonic test)와 같은 고가의 비파괴 장비를 이용하여 항공기에 적용된 부품에 감지기를 연결해 평가를 진행하고 있다. 그러나, 이러한 평가는 전문 인력을 필요로 하며, 장비가 고비용이기 때문에 매우 높은 평가 비용이 소요되었다. 따라서, 최근에는 상기 방법들의 대안으로서, 광섬유센서 (optical fiber sensor) 또는 압전센서 (piezoelectic sensor)를 구조물에 부착하고, 구조물의 임피던스를 측정하여 신호변화 감지를 통해 구조물의 손상 여부를 평가하는 방법이 제안된 바도 있지만, 이는 넓은 범위의 손상감지가 어렵고, 구조물 내부에 센서를 삽입하는 방식인 관계로 측정 대상이 되는 구조물 내부에 손상을 일으킬 염려가 있으며, 마찬가지로 적지 않은 비용이 든다는 문제가 있기 때문에 널리 상용화되지 못하여 한정적인 범위 내에서만 이용되고 있다. 더 나아가, 기존의 방법들은 극한의 환경 (저온, 고습도)에서 센서가 작동하지 않거나, 고장 등에 취약하여 손상감지에 어려움이 있었다.
특히, 전술한 고비용의 문제점 때문에, 현재 이러한 탄소계 복합재료의 실시간 손상감지는 항공기와 같은 첨단 분야에만 일부 적용되고 있는 바, 최근 탄소계 복합재료의 적용 분야가 확대됨에 따라 차량 등에도 탄소계 복합재료를 적용하려는 연구가 증가하고 있다. 이에 따라, 탄소 복합재의 미세손상을 예측 및 확인할 수 있는 저가형의 실시간 손상감지 시스템에 대한 필요성이 증가되고 있는 실정이다. 예를 들어, 차량 등에 실시간 손상감지 시스템을 구축하는 것이 가능케 되면, 운전자 안전을 획기적으로 제고할 수 있을 뿐만 아니라, 정확한 사고 경위 파악이 가능하고, 차량 대여업자들의 경우 효율적인 차량 관리가 가능하게 된다.
한편, 검사 대상이 되는 물체의 전기적 특성을 이용하여 해당 물체의 이상 또는 손상 부위를 검출하기 위한 다양한 기술들이 알려져 있으며, 예를 들어 일본국 공개특허공보 특개2009-6497호에서는 유리강화섬유 패널의 이상 검출방법으로서, 유리강화섬유로 이루어진 플라스틱 패널의 내부에 도선을 매립하고, 상기 도선의 양 말단을 패널 단면까지 연장한 다음, 도선의 전기저항 또는 전기용량 변화를 측정함으로써 해당 패널의 이상 여부를 검출하는 기술을 개시하고 있으며, 미국 공개특허공보 US 2009/0121121 A1호에서는 섬유 기반의 검사 대상 물체의 내부에 손상이 발생할 경우 전기저항 또는 전기용량이 변화하는 별도의 검사용 섬유를 삽입하여 그 측정값 변화에 의해서 섬유 기반 구조의 손상을 검출하는 방법을 개시하고 있다.
그러나, 전술한 종래기술들은 모두 탄소계 복합재료에 적용되기에 적합하지 않으며, 더 나아가 손상의 발생 여부만을 알려줄 뿐 정확한 손상의 정도 및 위치에 관한 정보를 제공해 주지는 못하고, 이러한 손상 부위를 치유할 수 있는 수단도 전혀 개시하고 있지 못하다.
특허문헌 1: 일본국 공개특허공보 특개2009-6497호 특허문헌 2: 미국 공개특허공보 US 2009/0121121 A1호
이에, 본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 탄소계 복합재료의 손상 위치 및 정도를 매우 정밀하게 검출할 수 있을 뿐만 아니라, 저렴한 비용으로 제작이 가능하여 자동차 등 다양한 분야에 널리 상용화될 수 있고, 측정 대상이 되는 구조물에 삽입되는 방식이 아니어서 구조물에 전혀 손상을 일으킬 염려가 없으며, 더 나아가 손상 부위의 자가치유까지도 가능한 전도성 복합재료 구조물의 손상 감지 및 손상 이력 기록 장치를 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은,
복수 개의 손상 감지층;
상기 손상 감지층과 전기적으로 연결되어 상기 손상 감지층에 전류를 공급하는 전원; 및
상기 손상 감지층으로부터의 전기적 신호를 측정 및 기록하기 위한 전기적 신호 측정수단을 포함하며,
상기 손상 감지층은,
전도성 복합재료의 상면 및 배면에 각각 형성되며, 서로 평행하게 배열된 복수 개의 전극 띠를 포함하고, 상기 상면에 형성된 전극 띠와 상기 배면에 형성된 전극띠는 서로 수직인, 전기저항 측정층;
상기 전극층을 덮도록 형성되는 절연층; 및
상기 절연층 상에 형성되며, 복수 개의 전극 쌍과 각각의 전극 쌍 사이에 개재되는 유전물질을 포함하는 전기용량 측정층을 포함하는,
전도성 복합재료의 손상 감지 및 손상 이력 기록 장치를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 전도성 복합재료는 탄소섬유, 탄소나노튜브 및 그 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 탄소계 복합재료일 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 복수 개의 전극 띠는 서로에 대해서 1 mm 내지 200 mm의 간격을 두고 이격될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 전극 띠는 1 mm 내지 100 mm의 폭을 갖는 전극 띠일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 전극 띠 및 상기 전극 쌍은 전도성 물질로 이루어지며, 상기 전도성 물질은 구리 (Cu), 금 (Au), 은 (Ag), 니켈 (Ni), 백금 (Pt), 코발트 (Co), 철 (Fe), 카드뮴 (Cd), 텅스텐 (W), 몰리브데늄 (Mo), 망간 (Mn), 크롬 (Cr), 아연 (Zn), 알루미늄 (Al), 금속 산화물 전구체, 탄소나노튜브 (CNT), 그래핀, 탄소나노입자 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 물질일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 유전물질은 실리카 (SiO2), 실리콘 질화물 (Si3N4), 금속 산화물 및 이미드계 고분자로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 전도성 복합재료의 상면에 형성된 전기용량 측정층과, 상기 전도성 복합재료의 배면에 형성된 전기용량 측정층은 서로 수직인 방향으로 배치될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 전도성 복합재료는 열적 치유 가능 폴리머 (thermally mendable polymer)를 포함할 수도 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 열적 치유 가능 폴리머는 딜스-알더 반응 (Diels-Alder reaction)에 의해서 형성되고, 역-딜스-알더 반응 (Retro-Diels-Alder reaction)에 의해서 분해될 수 있다.
한편, 본 발명은
전도성 복합재료의 상면 및 배면에 각각 서로 평행하게 배열된 복수 개의 전극 띠로서, 상기 상면에 형성된 전극 띠와 상기 배면에 형성된 전극 띠가 서로 수직이 되도록 전극 띠를 형성하여 전기저항 측정층을 형성하는 단계;
상기 전기저항 측정층을 덮도록 절연층을 형성하는 단계;
상기 절연층 상에 복수 개의 전극 쌍과 각각의 전극 쌍 사이에 개재되는 유전물질을 포함하는 전기용량 측정층을 형성하는 단계;
상기 전기저항 측정층 및 상기 전기용량 측정층에 전류를 공급하는 전원을 전기적으로 연결하는 단계; 및
상기 전기저항 측정층 및 상기 전기용량 측정층으로부터의 전기적 신호를 측정 및 기록하기 위한 전기적 신호 측정수단을 연결하는 단계를 포함하는,
전도성 복합재료의 손상 감지 및 손상 이력 기록 장치의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 전도성 복합재료의 상면 및 배면과 상기 전극 띠 사이의 접착력을 향상시키기 위해서 상기 전극 띠 형성 이후에 플라즈마 또는 오존 처리를 수행할 수도 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 전극 띠 및 상기 전극 쌍은 전도성 테이프 부착 방법 및 전도성 잉크를 사용한 프린팅 방법으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 방법에 의해서 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 전도성 잉크의 프린팅은 스크린 프린팅 (screen printing), 잉크젯 프린팅 (inkjet printing), 그라뷰어링 (Gravuring), 바 코터 (bar coater) 및 스프레이 분사법으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 방법에 의해서 수행될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 전도성 잉크를 사용한 프린팅 방법에서 프린팅된 상기 전도성 잉크는 열 소결, 플라즈마 소결, 레이저 소결 및 광 소결로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 소결 방법에 의해서 소결될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 전도성 복합재료는 열적 치유 가능 폴리머를 포함할 수도 있다.
상술한 본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 윈칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에 따르면, 탄소계 복합재료의 손상 위치 및 손상 정도를 매우 정밀하게 실시간으로 검출할 수 있을 뿐만 아니라, 저렴한 비용으로 제작이 가능하여 자동차 등 다양한 분야에 널리 상용화될 수 있고, 구조물에 전혀 손상을 일으킬 염려가 없으며, 더 나아가 손상 부위의 자가치유까지도 가능한 전도성 복합재료 구조물의 손상 감지 및 손상 이력 기록 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전도성 복합재료의 손상 감지 및 손상 이력 기록 장치 중, 전도성 복합재료 및 전도성 복합재료 표면에 형성된 손상 감지층을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 저항 맵핑 과정에 의해서 전도성 복합재료 상의 손상 부위를 알아내는 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 전도성 복합재료의 손상 정도에 따른 저항의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4a 내지 4e는 전도성 복합재료로부터 시작하여 전기용량 측정층을 형성하는 단계에 이르는 과정을 개략적으로 도시한 공정도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 일 실시 예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 이하에서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
이하, 도면 및 실시예를 참고하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 전도성 복합재료의 손상 감지 및 손상 이력 기록 장치 중 전도성 복합재료 (110) 및 상기 전도성 복합재료 (110) 표면에 형성된 손상 감지층 (120)을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 손상 감지층 (120)에는 전원이 전기적으로 연결되어 전류가 공급되며, 또한 전기적 신호 측정수단이 전기적으로 연결되어 후술하는 바와 같이 손상 감지층 (120)의 전류 및 저항 등과 같은 전기적 신호가 측정된다. 더불어, 이러한 전기적 신호 측정수단은 손상이 발생한 위치, 손상 정도, 손상 발생 시간 등까지 함께 저장하는 수단도 포함할 수 있다.
먼저, 본 발명에 따른 장치를 사용하여 손상 감지가 가능한 복합재료는 반드시 전기 전도성을 나타내는 물질이어야 하는 바, 탄소섬유, 탄소나노튜브 및 그 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 탄소계 복합재료, 또는 이러한 탄소계 복합재료와 다른 전도성 복합재료, 예를 들어 유리섬유와의 하이브리드 복합재료일 수 있다.
도 1을 참조하면, 상기 손상 감지층 (120)은 전기저항 측정층 (121), 절연층 (122) 및 전기용량 측정층 (123)을 포함하며, 전기저항 측정층 (121)은 복수 개의 전극 띠들로 이루어지고, 전도성 복합재료 (110)의 상면에 형성된 전극 띠들 (121a) 및 전도성 복합재료 (110)의 배면에 형성된 전극 띠들 (121b)을 포함한다. 상기 상면 전극 띠들 (121a)과 상기 하면 전극 띠 (121b)들은 각각 서로 평행하게 배열된 복수 개의 전극 띠들을 포함한다. 한편, 상면 전극 띠들 (121a)로 이루어진 전극 띠 세트와, 하면 전극 띠들 (121b)로 이루어진 전극 띠 세트는 서로 수직을 이루게 되는 바, 상면 전극 띠 (121a)와 하면 전극 띠 (121b) 중 하나는 x 축 방향으로 배치되고, 다른 하나는 y 축 방향으로 배치되어 평면에서 관찰하는 경우 전체적으로 격자 모양의 전극 네트워크가 형성되는 것이다. 이러한 전극 네트워크의 배치는 손상이 발생될 경우, 저항 맵핑 (resistance mapping)을 통해서 손상 부위를 정확히 검출해내는 것을 가능케 한다.
도 2에는 이러한 저항 맵핑 과정에 의해서 손상 부위를 알아내는 방법을 개략적으로 나타내었다. 도 2를 참조하면, 예를 들어, 상면 전극 띠들 (121a) 중 하나 (도 2에서 a2로 표시)에는 + 전압을, 하면 전극 띠들 (121b) 중 하나 (도 2에서 b2로 표시)에는 - 전압을 걸어주게 되면, 전류는 상면 전극 띠 (a2)와 하면 전극 띠 (b2) 사이의 가장 가까운 부분으로 흐르게 되고, 이때 전류가 흐르는 부분의 두께 방향으로 저항이 발생된다. 즉, 상면 전극 띠 (a2)와 하면 전극 띠 (b2)에 각각 +와 - 전압을 걸어줄 때, 전류는 상면 전극 띠 (a2)를 따라서 흐르다가, 전도성 복합재료 (110)의 두께 방향으로 흐른 후, 하면 전극 띠 (b2)를 따라서 흐르게 되는데, 이때, 전도성 복합재료 (110)가 박리 등의 이유로 손상되었을 경우 (예를 들어, 도 2에서는 a2 전극 띠와 b2 전극 띠가 서로 교차하는 구역인 구역 5에 손상이 발생), 저항이 변화하게 되어 이를 통해 복합재료의 손상을 감지할 수 있다. 따라서, 이러한 원리를 이용하여, 상면 전극 띠 (121a)와 하면 전극 띠 (121b)의 다양한 조합들, 예를 들어 a1-b1, a2-b1, a3-b1, a3-b1, a3-b3 등의 조합에서 저항의 변화를 측정하게 되면, 도 2의 우측 그림과 같이 전도성 복합재료 (110)에 대한 저항 맵핑이 가능해지게 된다.
또한, 도 3에는 전도성 복합재료의 손상 정도에 따른 저항의 변화를 나타낸 그래프를 도시하였다. 도 3의 그래프를 참조하면, 저항 측정 대상이 되는 전도성 복합재료에 더 큰 변형을 가해줄수록 저항 변화율 (ΔR)이 상승하는 것을 알 수 있으며, 여기에서 ΔR이란 처음 저항 (R0)에 대한 변형 인가 후 저항 (R)의 변화 비율로서, ΔR = (R - R0)/R0로 표현된다. 즉, 도 3을 참조하면, 저항 변화율 값이 클수록 더 큰 변형이 가해져서 손상의 정도가 크다는 것을 알 수 있고, 반대로 저항 변화율 값이 작을수록 더 작은 변형이 가해져서 손상의 정도가 작다는 것을 알 수 있다. 이와 같이, 외부에서 가해주는 변형의 정도에 따라서 저항 변화율이 변화하는 이유는, 외부 변형력에 의해서 복합재료가 인장 또는 압축되어 손상이 발생됨으로써 구조에 변화가 야기되었으며, 이러한 구조 변화가 전기저항 측정층 (121)에 흐르는 전기 흐름에 영향을 미치기 때문인 것으로 판단된다. 결국, 이러한 저항 변화율의 정도를 측정함으로써 전도성 복합재료에 야기된 손상 정도를 파악하는 것이 가능해진다. 이러한 저항 변화율 (ΔR) 값의 측정은 2 프로브 또는 4 프로브 평가법을 이용할 수 있다.
한편, 하나의 상면 전극 띠 (121a)와 다른 상면 전극 띠 (121a) 사이의 간격, 또는 하나의 하면 전극 띠 (121b)와 다른 하면 전극 띠 (121b) 사이의 간격은 1 mm 내지 200 mm일 수 있는데, 이는 전극 띠 사이의 간격이 너무 좁은 경우에는 전극 띠 사이에 간섭현상이 발생되어 정확한 손상 감지가 어려울 수 있고, 반면에 전극 띠 사이의 간격이 너무 넓은 경우에는 정확한 손상 위치 파악이 불가능해지기 때문이다.
더 나아가, 각각의 전극 띠는 1 mm 내지 100 mm의 폭을 가질 수 있는 바, 전극 띠의 폭이 너무 좁은 경우에는 손상을 감지하는 영역이 너무 작아 손상에 대한 감지가 잘 되지 않는 문제점이 있고, 반면에 전극 띠의 폭이 너무 넓은 경우에는 한번에 손상을 감지하는 부분이 너무 넓어서 손상 부위에 대한 정확한 위치 파악이 어렵다는 문제점이 있어서 바람직하지 않다.
전기저항 측정층 (121)을 이루는 전극 띠 (121a, b)와 후술하는 전기용량 측정층 (123) 중 전극 쌍 (123a", b")은 전도성 물질로 이루어지며, 구체적으로, 상기 전도성 물질은 구리 (Cu), 금 (Au), 은 (Ag), 니켈 (Ni), 백금 (Pt), 코발트 (Co), 철 (Fe), 카드뮴 (Cd), 텅스텐 (W), 몰리브데늄 (Mo), 망간 (Mn), 크롬 (Cr), 아연 (Zn), 알루미늄 (Al), 금속 산화물 전구체, 탄소나노튜브 (CNT), 그래핀, 탄소나노입자 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 물질일 수 있다.
이어서, 다시 도 1을 참조하면, 상기 전기저항 측정층 (121)을 덮도록 절연층 (122)이 배치된다. 상기 절연층 (122)은 전기저항 측정층 (121)의 전극 띠 (121a, b)를 보호하는 기능 이외에도, 상기 전극 띠 (121a, b)와 후술하는 전기용량 측정층 (123) 중 전극 쌍 (123a", b")을 서로 전기적으로 절연시키는 기능을 수행한다. 이러한 절연층 (122) 형성에는 절연잉크 도포, 에폭시 코팅, PSR 계열의 잉크 코팅 등과 같은 종래 공지된 다양한 방법들을 사용할 수 있다.
마지막으로 상기 절연층 (122) 위에는 전기용량 측정층 (123a, b)이 배치된다. 상기 전기용량 측정층 (123a, b)은 복수 개의 전극 쌍 (123a")과 각각의 전극 쌍 사이에 개재되는 유전물질 (123a')을 포함하며, 상기 전극 쌍 (123a")은 전술한 바와 같은 전도성 물질로 이루어지며, 상기 유전물질 (123a')로는 실리카 (SiO2), 실리콘 질화물 (Si3N4), 금속 산화물 및 이미드계 고분자로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질이 사용될 수 있다.
상기 전기용량 측정층 (123a, b)은 전도성 복합재료에 가해지는 충격 또는 습도나 온도와 같은 주변 환경을 측정하는 것을 가능케 한다. 이는, 전기용량 (C)란 전압 당 물체가 저장하거나 물체에서 분리되는 전하의 양으로서, 절연된 한 쌍의 도체 사이에 존재하는 값을 의미하는 바, 하기 식으로 표현하는 것이 가능하며,
[식]
C = ε0εr × A/d
상기 식에서, C는 전기용량, ε0는 진공에서의 유전율, εr은 사용된 부도체의 유전율, A는 도체 판의 넓이, d는 도체 판 사이의 거리를 의미하므로, 전도성 복합재료에 충격이 가해져서 손상이 발생되면 A 또는 d 값이 변화하게 되고, 이는 C 값의 변화를 초래하게 된다. 이러한 C 값의 변화에 의해서 상기 전기저항 측정층 (121)이 감지하지 못한 미세한 손상도 감지하는 것이 가능하다. 또한, 전술한 전기저항 측정층 (121)에서와 마찬가지로, 전도성 복합재료의 상면에 형성된 전기용량 측정층 (123a)과, 상기 전도성 복합재료의 배면에 형성된 전기용량 측정층 (123b)를 서로 수직인 방향으로 형성하여 네트워크 구조를 형성하여 좌표를 설정함으로써, 손상의 정도 파악과 더불어 정확한 손상 위치를 파악하는 것도 가능해진다. 더 나아가, 상기 전기용량 측정층 (123)에 사용되는 유전물질 (123a')은 주변 수분의 분위기에 따라 흡습 특성을 나타내는 바, 주변 습도를 측정하는 것도 가능하다.
한편, 본 발명에 따른 장치는 전도성 복합재료에 손상이 발생될 경우, 이를 실시간으로 치유하는 기능을 가질 수도 있다. 이는 열에 의해서 폴리머화 반응이 제어되는 열적 치유 가능 폴리머 (thermally mendable polymer)를 사용함으로써 가능해지는데, 상기 전도성 복합재료가 열적 치유 가능 폴리머 (thermally mendable polymer)를 포함하도록 제작함으로써 구현된다. 외부 손상에 반응해서 자가치유가 가능한 치유 가능 폴리머에 관한 연구는 최근에 매우 활발하게 이루어지고 있으며 (예를 들어, Polym. Chem., 2010, 1, 978-987 등 다수의 논문), 그 예로, 열에 의해서 폴리머가 형성되는 딜스-알더 반응 (Diels-Alder reaction) 또는 반대로 폴리머가 분해되는 역-딜스-알더 반응 (Retro-Diels-Alder reaction) 등을 들 수 있다.
즉, 전술한 전기저항 측정층 및 전기용량 측정층으로부터 측정된 값들을 바탕으로 손상 위치 및 손상 정도가 파악되면, 해당 위치로 전류를 흘려주어 해당 위치에 배치된 전극에 열을 발생시키는 것이 가능하며, 발생된 열에 의해서 폴리머화 반응이 진행되고, 이로부터 해당 손상 부위의 치유가 가능해지는 것이다. 한편, 이러한 자가치유 기능을 구현하기 위해서, 상기 열적 치유가능 폴리머 이외에도, 열에 의해서 재경화가 발생되는 다양한 열가소성 폴리머를 사용하는 방안도 고려해 볼 수 있다.
또한, 전도성 복합재료가 열적 치유 가능 폴리머를 포함하도록 제작하는 것 이외에도, 전도성 복합재료가 온도 하강에 의한 결로 현상 등에 의해서 수축됨으로써 손상이 감지되면, 전술한 손상 모니터링 시스템에 의해서 정확한 부위를 파악하고, 해당 부위 주변의 전극에 전류를 흘려서 열을 발생시킴으로써 결로를 제거하는 것도 가능하다.
한편, 본 발명은, 또한 본 발명에 따른 장치의 제조방법을 제공하는 바, 본 발명에 따른 방법은,
전도성 복합재료의 상면 및 배면에 각각 서로 평행하게 배열된 복수 개의 전극 띠로서, 상기 상면에 형성된 전극 띠와 상기 배면에 형성된 전극 띠가 서로 수직이 되도록 전극 띠를 형성하여 전기저항 측정층을 형성하는 단계;
상기 전극층을 덮도록 절연층을 형성하는 단계;
상기 절연층 상에 복수 개의 전극 쌍과 각각의 전극 쌍 사이에 개재되는 유전물질을 포함하는 전기용량 측정층을 형성하는 단계;
상기 전기저항 측정층 및 상기 전기용량 측정층에 전류를 공급하는 전원을 전기적으로 연결하는 단계; 및
상기 전기저항 측정층 및 상기 전기용량 측정층으로부터의 전기적 신호를 측정 및 기록하기 위한 전기적 신호 측정수단을 연결하는 단계를 포함한다.
하기에 본 발명에 따른 전도성 복합재료의 손상 감지 및 손상 이력 기록 장치의 제조방법을 서술함에 있어서, 전술한 장치 구조, 구성 요소의 재질 등에 관한 서술내용들은 모두 하기 내용들에 동일하게 적용된다.
도 4a 내지 4e에는 본 발명에 따른 방법에 있어서, 전도성 복합재료로부터 시작하여 전기용량 측정층을 형성하는 단계에 이르는 과정을 개략적으로 도시한 공정도를 도시하였다. 도 4a 및 4b를 참조하면, 본 발명에서는 먼저 전도성 복합재료 (110)의 표면에 전술한 바와 같이 전기저항 측정층 (121)을 형성하게 된다. 이러한 전기저항 측정층 (121)은 전도성 복합재료 (110)의 상면 및 배면에 각각 형성되며, 각각의 전기저항 측정층 (121)을 구성하는 전극 띠 (121a, b) 및 전기용량 측정층을 구성하는 전극 쌍 (123a", b")은 전도성 테이프 부착 방법 및/또는 전도성 잉크를 사용한 프린팅 방법에 의해서 제작될 수 있고, 이때, 선택적으로, 전도성 복합재료의 상면 및 배면과 상기 전극 띠 (121a, b) 사이의 접착력을 향상시키기 위해서 상기 전극 띠 (121a, b) 형성 이후에 플라즈마 또는 오존 처리를 수행할 수도 있다.
전도성 잉크의 프린팅 방법에 의하는 경우, 이러한 프린팅은 스크린 프린팅 (screen printing), 잉크젯 프린팅 (inkjet printing), 그라뷰어링 (Gravuring), 바 코터 (bar coater) 및 스프레이 분사법으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 방법에 의해서 수행될 수 있으며, 프린팅된 상기 전도성 잉크는 열 소결, 플라즈마 소결, 레이저 소결 및 광 소결로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 소결 방법에 의해서 소결될 수 있다.
도 4c를 참조하면, 전술한 과정에 의해서 전기저항 측정층 (121)을 완성한 이후에는, 상기 전기저항 측정층 (121)을 덮도록 절연층 (122)을 형성하게 된다. 이러한 절연층 (122) 역시 상면 전기저항 측정층 (121a) 및 배면 전기저항 측정층 (121b) 각각을 덮도록 상면과 배면에 형성되며 (122a, 122b), 전술한 바와 같이 상면 절연층 (122a)과 배면 절연층 (122b)은 서로 수직인 방향으로 형성되어 네트워크 구조를 형성하도록 함으로써, 좌표 설정이 가능하도록 배치될 수 있다.
다음 과정으로, 도 4d 및 4e를 참조하면, 형성된 절연층 (122) 상에 전기용량 측정층 (123)을 형성하는 단계를 수행하게 되는 바, 이러한 전기용량 측정층 (123) 및 상면 전기용량 측정층 (123a)과 배면 전기용량 측정층 (123b)을 포함하게 된다. 이러한 전기용량 측정층 (123)은 복수 개의 전극 쌍 (123a")과 상기 복수 개의 전극 쌍 (123a") 사이에 개재되는 유전물질 (123a')을 포함하게 되므로, 먼저 유전물질 (123a')을 프린팅 방법 등에 의해서 형성하고 (도 4d), 전술한 바와 같이 전도성 테이프 부착 방법 및/또는 전도성 잉크를 사용한 프린팅 방법에 의해서 전극 쌍 (123a")을 형성함으로써 (도 4e) 완성할 수 있게 된다.
전술한 바와 같이, 전도성 복합재료 (110)로부터 시작하여 전기용량 측정층 (123)을 형성하는 단계까지를 수행한 다음에는, 전기저항 측정층 (121) 및 상기 전기용량 측정층 (123)에 전류를 공급하는 전원 (미도시)을 전기적으로 연결하고, 이어서 상기 전기저항 측정층 (121) 및 상기 전기용량 측정층 (123)으로부터의 전기적 신호를 측정 및 기록하기 위한 전기적 신호 측정수단 (미도시)을 연결하게 되면, 본 발명에 따른 전도성 복합재료의 손상 감지 및 손상 이력 기록 장치가 완성된다.
한편, 전술한 바와 같이, 상기 전도성 복합재료 (110)를 열적 치유 가능 폴리머를 포함하도록 제작하는 것도 가능하다.
또한, 본 발명은 상기 전도성 복합재료의 손상 감지 및 손상 이력 기록 장치를 이용하여, 전도성 복합재료의 손상을 실시간으로 감지하고, 또한 실시간으로 손상 이력을 기록하는 방법을 제공한다.
이하, 실시예를 통해서 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 하되, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
실시예
탄소섬유/에폭시 프리프래그 (carbon fiber/epoxy preprag, PYROFIL #380 from Mitsbishi Rayon Co., Ltd)를 8장 적층하여 탄소섬유 복합재료 패널을 제작하였다. 제작된 복합재료 패널의 상면 및 배면에 5 mm 폭의 은 전극을 10 mm 간격으로 은 나노잉크 (ANP GDP-OS (12,000), 입자 크기: 30-50 nm)를 이용하여 인쇄한 후, 80 ℃에서 30분 동안 건조하고, 120 ℃에서 1시간 동안 소결함으로써 전기저항 측정층을 형성하였다.
상기 전도성 복합재료를 인장 시험기를 이용하여 인장시키면서 동시에 2 프로브를 이용하여 저항 변화를 측정하였다. 저항 변화 결과를 도 3에 도시하였으며, 도 3을 참조하면, 인장이 증가할수록 저항 변화율이 증가하는 것을 확인할 수 있고, 따라서 복합재료에 가해진 손상의 정도가 클수록 저항 변화율도 크다는 사실을 알 수 있다.

Claims (15)

  1. 복수 개의 손상 감지층;
    상기 손상 감지층과 전기적으로 연결되어 상기 손상 감지층에 전류를 공급하는 전원; 및
    상기 손상 감지층으로부터의 전기적 신호를 측정 및 기록하기 위한 전기적 신호 측정수단을 포함하며,
    상기 손상 감지층은,
    전도성 복합재료의 상면 및 배면에 각각 형성되며, 서로 평행하게 배열된 복수 개의 전극 띠를 포함하고, 상기 상면에 형성된 전극 띠와 상기 배면에 형성된 전극띠는 서로 수직인, 전기저항 측정층;
    상기 전극층을 덮도록 형성되는 절연층; 및
    상기 절연층 상에 형성되며, 복수 개의 전극 쌍과 각각의 전극 쌍 사이에 개재되는 유전물질을 포함하는 전기용량 측정층을 포함하는,
    전도성 복합재료의 손상 감지 및 손상 이력 기록 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전도성 복합재료는 탄소섬유, 탄소나노튜브 및 그 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 탄소계 복합재료인 것을 특징으로 하는 전도성 복합재료의 손상 감지 및 손상 이력 기록 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 복수 개의 전극 띠는 서로에 대해서 1 mm 내지 200 mm의 간격을 두고 이격되는 것을 특징으로 하는 전도성 복합재료의 손상 감지 및 손상 이력 기록 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전극 띠는 1 mm 내지 100 mm의 폭을 갖는 전극 띠인 것을 특징으로 하는 전도성 복합재료의 손상 감지 및 손상 이력 기록 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전극 띠 및 상기 전극 쌍은 전도성 물질로 이루어지며, 상기 전도성 물질은 구리 (Cu), 금 (Au), 은 (Ag), 니켈 (Ni), 백금 (Pt), 코발트 (Co), 철 (Fe), 카드뮴 (Cd), 텅스텐 (W), 몰리브데늄 (Mo), 망간 (Mn), 크롬 (Cr), 아연 (Zn), 알루미늄 (Al), 금속 산화물 전구체, 탄소나노튜브 (CNT), 그래핀, 탄소나노입자 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 물질인 것을 특징으로 하는 전도성 복합재료의 손상 감지 및 손상 이력 기록 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 유전물질은 실리카 (SiO2), 실리콘 질화물 (Si3N4), 금속 산화물 및 이미드계 고분자로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질인 것을 특징으로 하는 전도성 복합재료의 손상 감지 및 손상 이력 기록 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 전도성 복합재료의 상면에 형성된 전기용량 측정층과, 상기 전도성 복합재료의 배면에 형성된 전기용량 측정층은 서로 수직인 방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 전도성 복합재료의 손상 감지 및 손상 이력 기록 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 전도성 복합재료는 열적 치유 가능 폴리머 (thermally mendable polymer)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 복합재료의 손상 감지 및 손상 이력 기록 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 열적 치유 가능 폴리머는 딜스-알더 반응 (Diels-Alder reaction)에 의해서 형성되고, 역-딜스-알더 반응 (Retro-Diels-Alder reaction)에 의해서 분해되는 것을 특징으로 하는 전도성 복합재료의 손상 감지 및 손상 이력 기록 장치.
  10. 전도성 복합재료의 상면 및 배면에 각각 서로 평행하게 배열된 복수 개의 전극 띠로서, 상기 상면에 형성된 전극 띠와 상기 배면에 형성된 전극 띠가 서로 수직이 되도록 전극 띠를 형성하여 전기저항 측정층을 형성하는 단계;
    상기 전기저항 측정층을 덮도록 절연층을 형성하는 단계;
    상기 절연층 상에 복수 개의 전극 쌍과 각각의 전극 쌍 사이에 개재되는 유전물질을 포함하는 전기용량 측정층을 형성하는 단계;
    상기 전기저항 측정층 및 상기 전기용량 측정층에 전류를 공급하는 전원을 전기적으로 연결하는 단계; 및
    상기 전기저항 측정층 및 상기 전기용량 측정층으로부터의 전기적 신호를 측정 및 기록하기 위한 전기적 신호 측정수단을 연결하는 단계를 포함하는,
    전도성 복합재료의 손상 감지 및 손상 이력 기록 장치의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 전도성 복합재료의 상면 및 배면과 상기 전극 띠 사이의 접착력을 향상시키기 위해서 상기 전극 띠 형성 이후에 플라즈마 또는 오존 처리를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 복합재료의 손상 감지 및 손상 이력 기록 장치의 제조방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 전극 띠 및 상기 전극 쌍은 전도성 테이프 부착 방법 및 전도성 잉크를 사용한 프린팅 방법으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 방법에 의해서 형성되는 것을 특징으로 하는 전도성 복합재료의 손상 감지 및 손상 이력 기록 장치의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 전도성 잉크의 프린팅은 스크린 프린팅 (screen printing), 잉크젯 프린팅 (inkjet printing), 그라뷰어링 (Gravuring), 바 코터 (bar coater) 및 스프레이 분사법으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 방법에 의해서 수행되는 것을 특징으로 하는 전도성 복합재료의 손상 감지 및 손상 이력 기록 장치의 제조방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 전도성 잉크를 사용한 프린팅 방법에서 프린팅된 상기 전도성 잉크는 열 소결, 플라즈마 소결, 레이저 소결 및 광 소결로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 소결 방법에 의해서 소결되는 것을 특징으로 하는 전도성 복합재료의 손상 감지 및 손상 이력 기록 장치의 제조방법.
  15. 제10항에 있어서, 상기 전도성 복합재료는 열적 치유 가능 폴리머를 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 복합재료의 손상 감지 및 손상 이력 기록 장치의 제조방법.
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