KR20170129994A - 플렉서블한 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서 - Google Patents
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Abstract
플렉서블한 특성으로 다양한 형태의 구조물에 바로 부착하여 사용하는 것이 가능하도록 설계되어 센싱 효율을 극대화시킬 수 있는 플렉서블한 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서에 대하여 개시한다.
이때, 본 발명에 따른 플렉서블 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서를 에너지 하베스팅 시스템(energy harvesting system) 또는 발전기 시스템(generator system) 기능으로 활용할 시, 구조물의 안전 진단을 모니터링하기 위한 무전원 자가발전 세라믹 모듈로도 적용하는 것이 가능하다.
이를 위해, 본 발명에 따른 플렉서블한 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서는 제1 전극을 구비하는 제1 전극 필름; 상기 제1 전극 필름 하부에 배치되며, 제2 전극을 구비하는 제2 전극 필름; 상기 제1 및 제2 전극 필름 사이에 배치된 세라믹-고분자 나노섬유 필름; 및 상기 제1 전극 및 제2 전극에 각각 연결된 제1 및 제2 외부 연결배선;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 본 발명에 따른 플렉서블 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서를 에너지 하베스팅 시스템(energy harvesting system) 또는 발전기 시스템(generator system) 기능으로 활용할 시, 구조물의 안전 진단을 모니터링하기 위한 무전원 자가발전 세라믹 모듈로도 적용하는 것이 가능하다.
이를 위해, 본 발명에 따른 플렉서블한 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서는 제1 전극을 구비하는 제1 전극 필름; 상기 제1 전극 필름 하부에 배치되며, 제2 전극을 구비하는 제2 전극 필름; 상기 제1 및 제2 전극 필름 사이에 배치된 세라믹-고분자 나노섬유 필름; 및 상기 제1 전극 및 제2 전극에 각각 연결된 제1 및 제2 외부 연결배선;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 구조물의 건전성 모니터링 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플렉서블한 특성으로 다양한 형태의 구조물에 바로 부착하여 사용하는 것이 가능하도록 설계되어 센싱 효율을 극대화시킬 수 있는 플렉서블한 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서에 관한 것이다.
압전 세라믹은 전자산업과 메카트로닉스 분야에서 중요한 역할을 하며, 초음파 송수신용, 비파괴용 초음파 트랜스듀스, 어군 탐지기, 광세트, 광변조기 컬러필터, 연소가스 조정용 액추에이터를 비롯한 특수용 압전체에 이용된다.
Pb(Zr,Ti)O3(이하, 'PZT'라고 함.)는 압전 특성이 우수하고 가격이 저렴하면서 제조 공정기술이 잘 알려져 있는 압전 재료로서 많은 응용분야에서 이용되고 있다. PbTiO3와 PbZrO3의 고용체에 있어서 정방정계-삼방정계의 상경계에서 강한 압전성을 가지면서 390℃의 퀴리(Curie) 온도를 가지는 PZT 고용체가 발견되었다.
이에 따라, 이러한 세라믹스를 이용해서 압전효과를 이용한 액츄에이터(actuator), 주파수 출력형 센서(frequency output sensor), 압전 트랜스듀서(piezoelectric transducer), 진동자(resonator) 등의 여러 전자소자로서 압전 세라믹스의 활용에 대한 연구가 광범위하게 이루어져 왔다.
이러한 PZT는 우수한 압전 및 유전 특성을 가지고 있어 여러 분야에 널리 사용되고 있으나, 세라믹의 약한 강도와 곡선형상의 어려움, 벌크 형태로 인한 디바이스 내의 일정 공간을 차지한다는 단점을 가지고 있다. 따라서, 압전 나노섬유를 제조할 시, 뛰어난 압전 성능과 휘거나 구부렸을 때 박막에 비해 구조적 손상이 훨씬 덜 하고, 압전 섬유를 연신이 가능한 기판(substrate)에 받아서 소자를 만들 경우 펼 수 있는(stretchable) 소자 제작도 가능하여 이와 관련한 많은 연구가 진행되고 있다.
그러나, 최근 전 세계적으로 전자산업을 중심으로 납이 함유된 소재의 사용이 규제되고 있다. 이러한 무연 압전 세라믹 소재에 대한 전세계적인 관심은 2002년 전자제품 폐기물에 포함된 유해물질에 대한 규제(waste electrical and electronic equipment : WEEE) 및 전자제품에 유해물질 사용 자체를 제한하는 규제(restriction of the use of certain hazardous substances in electrical and electronic equipment : RoHS)가 유럽 연합에서 공표되면서 본격화되었다.
또한, 최근 들어 구조물의 건전성 감시가 중요한 화제가 되고 있다. 이러한 구조물의 결점이나 손상을 확인하기 위해, 전통적인 외관검사 및 초음파 및 와전류 스캐닝, 어쿠스틱 에미션(acoustic emission) 및 X선 검사와 같은 비파괴법을 포함하는 수많은 검사방법이 이용되어 왔으나, 이러한 방법은 많은 시간과 비용을 필요로 하는 문제가 있다.
관련 선행 문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0134927호(2012.12.12. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 비스무스계 무연 압전 세라믹스 및 그 제조 방법이 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 플렉서블한 특성으로 다양한 형태의 구조물에 바로 부착하여 사용하는 것이 가능하도록 설계되어 센싱 효율을 극대화시킬 수 있는 플렉서블한 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 플렉서블한 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서는 제1 전극을 구비하는 제1 전극 필름; 상기 제1 전극 필름 하부에 배치되며, 제2 전극을 구비하는 제2 전극 필름; 상기 제1 및 제2 전극 필름 사이에 배치된 세라믹-고분자 나노섬유 필름; 및 상기 제1 전극 및 제2 전극에 각각 연결된 제1 및 제2 외부 연결배선;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 플렉서블한 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서는 고분자 수지 재질로 이루어진 제1 및 제2 전극 필름과 PVDF의 첨가로 섬유 형상 안전화로 유연성 및 탄력성이 우수한 세라믹-고분자 나노섬유 필름으로 구성되므로 플렉서블한 특성을 가져 다양한 형태의 구조물에 바로 부착하여 사용하는 것이 가능하므로 센싱 효율을 극대화할 수 있게 된다.
이 결과, 본 발명에 따른 플렉서블한 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서는 플렉서블한 특성으로 구조물에 직접 부착되어 사용되며, 구조물에 충격이 가해질 시 생성되는 전압을 제1 및 제2 외부 연결배선으로 전달받아 충격이 발생한 위치를 센싱할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 플렉서블 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서는 제1 및 제2 전극 필름의 사이에 삽입 배치되어, 압전체로 사용되는 세라믹-고분자 나노섬유 필름으로 환경 유해 규제 물질인 납이 첨가되지 않는 BNT계 무연 압전 세라믹 분말을 적용하는 것을 통해 인체에 무해하면서도 저전압에서 높은 압전 성능을 가질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 플렉서블 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서는 세라믹-고분자 나노섬유 필름이 전기방사법으로 제조됨에 따라 고온 소결 공정이 불필요하므로 제조 공정 단축에 따른 원가 절감 효과를 도모할 수 있을 뿐만 아니라, 고온 소결 공정 후 취성(brittle) 재료의 본질적인 특성에 기인한 핸들링의 어려움을 극복할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플렉서블 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서를 나타낸 분해 사시도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플렉서블 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서를 나타낸 결합 사시도.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ' 선을 따라 절단하여 나타낸 단면도.
도 4는 전기방사 공정을 설명하기 위한 모식도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 플렉서블 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서를 나타낸 실측 사진.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 플렉서블 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서를 나무문에 부착하여 측정한 충격 검출 테스트 결과를 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 플렉서블 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서를 금속 파이프에 부착하여 측정한 충격 검출 테스트 결과를 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 플렉서블 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서를 시멘트 벽에 부착하여 측정한 충격 검출 테스트 결과를 나타낸 그래프.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 플렉서블 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서를 실리콘 호스에 부착하여 측정한 충격 검출 테스트 결과를 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플렉서블 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서를 나타낸 결합 사시도.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ' 선을 따라 절단하여 나타낸 단면도.
도 4는 전기방사 공정을 설명하기 위한 모식도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 플렉서블 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서를 나타낸 실측 사진.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 플렉서블 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서를 나무문에 부착하여 측정한 충격 검출 테스트 결과를 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 플렉서블 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서를 금속 파이프에 부착하여 측정한 충격 검출 테스트 결과를 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 플렉서블 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서를 시멘트 벽에 부착하여 측정한 충격 검출 테스트 결과를 나타낸 그래프.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 플렉서블 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서를 실리콘 호스에 부착하여 측정한 충격 검출 테스트 결과를 나타낸 그래프.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플렉서블한 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플렉서블 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서를 나타낸 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플렉서블 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서를 나타낸 결합 사시도이며, 도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ' 선을 따라 절단하여 나타낸 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 플렉서블 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서(100)는 제1 전극 필름(120), 제2 전극 필름(140), 세라믹-고분자 나노섬유 필름(160) 및 제1 및 제2 외부 연결배선(180, 182)을 포함한다.
제1 전극 필름(120)은 제1 수지층(122), 제1 전극(124) 및 제1 전극 단자(126)를 갖는다. 이러한 제1 전극 필름(120)은 0.1 ~ 0.5cm의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 제1 전극 필름(120)의 두께가 0.1cm 미만일 경우에는 그 두께가 너무 얇아 외부 충격이나 스크래치에 의해 제1 전극 필름(120)에 손상이 가해질 우려가 있다. 반대로, 제1 전극 필름(120)의 두께가 0.5cm를 초과할 경우에는 과도한 두께 설계로 인하여 플렉서블한 특성을 발휘하는데 어려움이 따를 수 있다.
제1 수지층(122)은 플렉서블한 특성을 구현하기 위해 고분자 수지 재질이 이용된다. 구체적으로, 제1 수지층(122)으로는 폴리이미드 수지(polyimide resin), 시아네이트 에스테르 수지(cyanate ester resin), 에폭시 수지(epoxy resin), 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol) 및 폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral) 중 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다.
제1 전극(124)은 제1 수지층(122) 상에 배치된다. 이러한 제1 전극(124)은 제1 수지층(122)의 상면 상에 배치되거나, 제1 수지층(122)의 내부에 일부가 매립될 수 있다. 이때, 제1 전극(124)은 매트릭스 형태로 배열될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
제1 전극 단자(126)는 제1 전극(124)과 전기적으로 연결되며, 제1 수지층(122)의 일측 가장자리에 배치된다. 이때, 제1 전극 단자(126)가 제1 수지층(122)의 네 모서리에 각각 배치된 것으로 나타내었으나, 이는 예시적인 것으로 그 위치 및 개수는 다양한 형태로 변경될 수 있다.
제2 전극 필름(140)은 제2 수지층(142), 제2 전극(144) 및 제2 전극 단자(146)를 갖는다. 이러한 제2 전극 필름(140)은 제1 전극 필름(120) 하부에 배치된다. 제2 전극 필름(140)은, 제1 전극 필름(120)과 마찬가지로, 0.1 ~ 0.5cm의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
제2 수지층(142)은, 제1 수지층(122)과 마찬가지로, 플렉서블한 특성을 구현하기 위해 고분자 수지 재질이 이용된다. 이를 위해, 제2 수지층(142)으로는 폴리이미드 수지(polyimide resin), 시아네이트 에스테르 수지(cyanate ester resin), 에폭시 수지(epoxy resin), 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol) 및 폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral) 중 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다.
제2 전극(144)은 제2 수지층(142) 상에 배치된다. 이러한 제2 전극(144)은 제2 수지층(142)의 상면 상에 배치되거나, 제2 수지층(142)의 내부에 일부가 매립될 수 있다. 이때, 제2 전극(144)은 매트릭스 형태로 배열될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
제2 전극 단자(146)는 제2 전극(144)과 전기적으로 연결되며, 제2 수지층(142)의 일측 가장자리에 배치된다. 이때, 제2 전극 단자(146)가 제2 수지층(142)의 네 모서리에 각각 배치된 것으로 나타내었으나, 이는 예시적인 것으로 그 위치 및 개수는 다양한 형태로 변경될 수 있다.
세라믹-고분자 나노섬유 필름(160)은 제1 및 제2 전극 필름(120, 140) 사이에 배치된다. 이러한 세라믹-고분자 나노섬유 필름(160)은 PVDF 를 용매에 첨가하여 교반하고, 무연 압전 세라믹 분말을 첨가하여 세라믹-고분자 복합 용액을 형성한 후, 세라믹-고분자 복합 용액을 토출시켜 기재 상에 전기방사한 후, 건조하는 것에 의해 제조될 수 있다.
도 4는 전기방사 공정을 설명하기 위한 모식도로, 이를 참조하여 설명하면, 전기방사는 세라믹-고분자 복합 용액(S)을 시린지(210)에 투입한 후, 제어부(220)로부터의 제어 신호에 응답하여 구동하는 시린지 펌프를 이용하여 기재(P) 상에 0.5 ~ 3.0ml/hr의 속도로 토출시키는 방식으로 실시될 수 있다.
이때, 전기방사는 방사 전압 : 10 ~ 15kV 및 방사 거리 : 5 ~ 15cm 조건으로 실시하는 것이 바람직하며, 노즐 팁의 직경은 20 ~ 30G인 것이 이용될 수 있다. 여기서, 방사 거리는 방사 대상물인 기재(P)와 노즐 팁 간의 이격 거리를 의미한다.
방사 전압이 10kV 미만일 경우에는 제조 시간이 과도하게 소요되어 제조 비용을 상승시킬 우려가 있을 뿐만 아니라, 균일한 막질 형성에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 방사 전압이 15kV를 초과할 경우에는 효과 상승 대비 비용만을 상승시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다. 또한, 방사 거리가 5cm 미만일 경우에는 노즐에 의한 간섭으로 막질 특성이 저하될 우려가 있다. 반대로, 방사 거리가 15cm를 초과할 경우에는 균일한 막을 확보하는데 어려움이 따를 수 있다.
도 1 내지 도 3을 다시 참조하면, 전기방사 후에 실시되는 건조 과정에서 용매가 휘발되어 제거된다. 이에 따라, 세라믹-고분자 나노섬유 필름(160)은 PVDF(polyvinyleden floride) : 80 ~ 20 중량% 및 무연 압전 세라믹 분말 : 20 ~ 80 중량%로 조성된다. 보다 바람직하게, 무연 압전 세라믹 분말은 55 ~ 65 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 좋다.
PVDF(polyvinyleden floride)의 첨가량이 세라믹-고분자 나노섬유 필름(160) 전체 중량의 20 중량% 미만일 경우에는 전기방사시 농도가 낮아 방울형태로 축적되어 구슬 형태의 섬유상이 형성될 우려가 크다. 반대로, PVDF(polyvinyleden floride)의 첨가량이 세라믹-고분자 나노섬유 필름(160) 전체 중량의 80 중량%를 초과할 경우에는 과도한 수축으로 인해 나노섬유 필름의 형성시 안정성이 저하되는 문제가 있다.
특히, 무연 압전 세라믹 분말의 첨가량이 세라믹-고분자 필름(160) 전체 중량의 20 중량% 미만일 경우에는 유연성 확보에는 유리하나, 압전 성능 확보에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 무연 압전 세라믹 분말의 첨가량이 세라믹-고분자 복합 필름(160) 전체 중량의 80 중량%를 초과할 경우에는 압전 성능 측면에서는 유리하나, 섬유 형태의 성질에 따라 취성이 증가하여 취급성에 어려움이 따를 뿐만 아니라, 유연성이 급격히 저하되는 문제를 유발한다.
이때, 무연 압전 세라믹 분말은 환경 유해 규제 물질인 납이 첨가되지 않는 BNT계 무연 압전 세라믹 분말을 적용하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 본 발명에서는 BNT계 무연 압전 세라믹 분말을 이용하는 것을 통해 인체에 무해하면서도 저전압에서 높은 압전 성능을 확보할 수 있게 된다.
구체적으로, 무연 압전 세라믹 분말은 BiNaTiO3(BNT)계, Bi(Na, K)TiO3(BNKT)계 및 BiKTiO3(BKT)계 중 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다. 이때, BNT계 무연 압전 세라믹이라 함은 BNT, BNKT, BKT를 모두 포함하는 것으로 통용되어 사용된다.
또한, 세라믹-고분자 나노섬유 필름(160)은 100 ~ 5000㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 세라믹-고분자 나노섬유 필름(160)의 두께가 100㎛ 미만일 경우에는 그 두께가 너무 얇은 관계로 압전 성능을 제대로 발휘하는데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 세라믹-고분자 나노섬유 필름(160)의 두께가 5000㎛를 초과할 경우에는 구조물의 건전성 모니터링 센서(100)의 두께를 증가시켜 실용성을 저하시키는 요인으로 작용할 수 있으며, 플렉서블한 특성이 감소될 수 있으므로 바람직하지 못하다.
제1 및 제2 외부 연결배선(180, 182)은 제1 전극(124) 및 제2 전극(144)에 각각 연결된다. 구체적으로, 제1 외부 연결배선(180, 182)은 제1 전극(124)에 전기적으로 연결되는 제1 전극 단자(126)에 접지되고, 제2 외부 연결배선(182)은 제2 전극(144)에 전기적으로 연결되는 제2 전극 단자(146)에 접지된다.
이러한 제1 및 제2 외부 연결배선(180, 182)은 모니터링 센서(100)를 구조물에 직접 부착하여 사용할 시, 구조물에 발생하는 충격에 의한 진동으로 세라믹-고분자 나노섬유 필름(160)으로부터 생성되는 전압을 외부 기기(미도시)에 전달하기 위한 목적으로 설치하게 된다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 플렉서블한 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서(100)는 제1 접착제층(190) 및 제2 접착제층(192)을 더 포함할 수 있다.
제1 접착제층(190)은 제1 전극 필름(120)과 세라믹-고분자 나노섬유 필름(160) 사이에 배치되고, 제2 접착제층(192)은 제2 전극 필름(140)과 세라믹-고분자 나노섬유 필름(160) 사이에 배치된다.
이러한 제1 및 제2 접착제층(190, 192)에 의해, 제1 및 제2 전극 필름(120, 140)과 세라믹-고분자 나노섬유 필름(160)이 물리적으로 합착될 수 있다. 이때, 제1 및 제2 접착제층(190, 192)의 재질로는 열경화성 에폭시 접착제를 이용하는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이때, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 플렉서블 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서를 나타낸 실측 사진이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 플렉서블 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서(100)는 고분자 수지 재질로 이루어진 제1 및 제2 전극 필름과 PVDF의 첨가로 섬유 형상 안전화로 유연성 및 탄력성이 우수한 세라믹-고분자 나노섬유 필름으로 구성되어 구부리거나 펼 수 있는 플렉서블한 특성을 갖는 것을 확인할 수 있다.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 플렉서블 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서(100)는 구부리거나 펼 수 있는 플렉서블한 특성을 가지므로 곡면을 갖거나, 울퉁불퉁한 표면을 갖는 구조물에 자유자재로 부착하여 사용하는 것이 가능하므로 센싱 효율을 극대화할 수 있게 된다.
한편, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 플렉서블 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서를 나무문에 부착하여 측정한 충격 검출 테스트 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 플렉서블 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서를 나무문에 직접 부착한 후, 모니터링 센서로부터 5cm 및 10cm의 간격으로 각각 이격된 위치에서 망치로 충격을 가하는 방식으로 충격 검출 테스트를 실시하였다.
이때, 망치로 충격을 가하지 않은 평상시에는 Vpp = 0.50mV로 측정되었다.
반면, 모니터링 센서로부터 5cm 이격된 위치에서 망치로 충격을 가했을 경우에는 대략 16.00mV의 전압이 생성되었고, 모니터링 센서로부터 10cm 이격된 위치에서 망치로 충격을 가했을 경우에는 대략 11.00mV의 전압이 생성되었다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 플렉서블 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서를 금속 파이프에 부착하여 측정한 충격 검출 테스트 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 플렉서블 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서를 금속 파이프에 직접 부착한 후, 모니터링 센서로부터 5cm 및 10cm의 간격으로 각각 이격된 위치에서 망치로 충격을 가하는 방식으로 충격 검출 테스트를 실시하였다.
이때, 망치로 충격을 가하지 않은 평상시에는 Vpp = 0.30mV로 측정되었다.
반면, 모니터링 센서로부터 5cm 이격된 위치에서 망치로 충격을 가했을 경우에는 대략 8.00mV의 전압이 생성되었고, 모니터링 센서로부터 10cm 이격된 위치에서 망치로 충격을 가했을 경우에는 대략 1.15 mV의 전압이 생성되었다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 플렉서블 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서를 시멘트 벽에 부착하여 측정한 충격 검출 테스트 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 플렉서블 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서를 시멘트 벽에 직접 부착한 후, 모니터링 센서로부터 5cm 및 10cm의 간격으로 각각 이격된 위치에서 망치로 충격을 가하는 방식으로 충격 검출 테스트를 실시하였다.
이때, 망치로 충격을 가하지 않은 평상시에는 Vpp = 0.10mV로 측정되었다.
반면, 모니터링 센서로부터 5cm 이격된 위치에서 망치로 충격을 가했을 경우에는 대략 16.00mV의 전압이 생성되었고, 모니터링 센서로부터 10cm 이격된 위치에서 망치로 충격을 가했을 경우에는 대략 4.00mV의 전압이 생성되었다.
위의 실험 결과들로부터 알 수 있는 바와 같이, 충격 위치가 가까울수록 생성 전압이 크며, 구조물의 재질에 따라 잔류 파동이 존재하는 것을 확인하였다.
한편, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 플렉서블 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서를 실리콘 호스에 부착하여 측정한 충격 검출 테스트 결과를 나타낸 그래프이다. 이때, 길이 20cm 및 직경 9mm를 갖는 실리콘 호수 2개를 준비하였으며, 모니터링 센서는 2개의 실리콘 호스의 최 하단으로부터 5cm 이격된 위쪽에 각각 부착하였다. 이때, 하나의 실리콘 호스의 경우, 모니터링 센서의 최 상단에서 3cm 이격된 위치에 직경 0.3cm의 구멍을 뚫었다.
도 9에 도시된 바와 같이, 물이 흐르지 않는 정상 실리콘 호스의 경우에는 최대 2.21mV의 전압 값이 측정되었고, 물이 흐르는 정상적인 실리콘 호스의 경우에는 최대 4.01mV의 전압 값이 측정되었다.
그러나, 물이 흐르며, 구멍이 뚫린 실리콘 호스의 경우에는 최대 6.78mV의 전압 값으로 증가한 것을 확인할 수 있다. 이는 실리콘 호스에 구멍이 생기면서 물이 일정하게 흐르다가 구멍이 생긴 곳으로 일부분 빠져나가면서 구멍을 뚫지 않은 실리콘 호스보다 진동 값이 더 커지게 되고, 이에 따라 측정되는 전압 값이 확연하게 변화되는 것을 확인하였다.
지금까지 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 플렉서블한 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서는 고분자 수지 재질로 이루어진 제1 및 제2 전극 필름과 PVDF의 첨가로 섬유 형상 안전화로 유연성 및 탄력성이 우수한 세라믹-고분자 나노섬유 필름으로 구성되므로 플렉서블한 특성을 가져 다양한 형태의 구조물에 바로 부착하여 사용하는 것이 가능하므로 센싱 효율을 극대화할 수 있게 된다.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 플렉서블한 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서는 플렉서블한 특성으로 구조물에 직접 부착되어 사용되며, 구조물에 충격이 가해질 시 생성되는 전압을 제1 및 제2 외부 연결배선으로 전달받아 충격이 발생한 위치를 센싱할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 플렉서블 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서는 제1 및 제2 전극 필름의 사이에 삽입 배치되어, 압전체로 사용되는 세라믹-고분자 나노섬유 필름으로 환경 유해 규제 물질인 납이 첨가되지 않는 BNT계 무연 압전 세라믹 분말을 적용하는 것을 통해 인체에 무해하면서도 저전압에서 높은 압전 성능을 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 플렉서블 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서는 세라믹-고분자 나노섬유 필름이 전기방사법으로 제조됨에 따라 고온 소결 공정이 불필요하므로 제조 공정 단축에 따른 원가 절감 효과를 도모할 수 있을 뿐만 아니라, 고온 소결 공정 후 취성(brittle) 재료의 본질적인 특성에 기인한 핸들링의 어려움을 극복할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
100 : 모니터링 센서
120 : 제1 전극 필름
122 : 제1 수지층 124 : 제1 전극
126 : 제1 전극 단자 140 : 제2 전극 필름
142 : 제2 수지층 144 : 제2 전극
146 : 제2 전극 단자 160 : 세라믹-고분자 나노섬유 필름
180 : 제1 외부 연결배선 182 : 제2 외부 연결배선
190 : 제1 접착제층 192 : 제2 접착제층
122 : 제1 수지층 124 : 제1 전극
126 : 제1 전극 단자 140 : 제2 전극 필름
142 : 제2 수지층 144 : 제2 전극
146 : 제2 전극 단자 160 : 세라믹-고분자 나노섬유 필름
180 : 제1 외부 연결배선 182 : 제2 외부 연결배선
190 : 제1 접착제층 192 : 제2 접착제층
Claims (11)
- 제1 전극을 구비하는 제1 전극 필름;
상기 제1 전극 필름 하부에 배치되며, 제2 전극을 구비하는 제2 전극 필름;
상기 제1 및 제2 전극 필름 사이에 배치된 세라믹-고분자 나노섬유 필름; 및
상기 제1 전극 및 제2 전극에 각각 연결된 제1 및 제2 외부 연결배선;
을 포함하는 플렉서블한 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 전극 필름 각각은
0.1 ~ 0.5cm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 플렉서블한 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 전극 필름은
플렉서블한 제1 수지층과,
상기 제1 수지층의 상면 상에 배치된 상기 제1 전극과,
상기 제1 전극과 전기적으로 연결되며, 상기 제1 수지층의 일측 가장자리에 배치된 제1 전극 단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블한 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 제2 전극 필름은
제2 수지층과,
상기 제2 수지층의 상면 상에 배치된 상기 제2 전극과,
상기 제2 전극과 전기적으로 연결되며, 상기 제2 수지층의 일측 가장자리에 배치된 제2 전극 단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블한 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 수지층은 각각
폴리이미드 수지(polyimide resin), 시아네이트 에스테르 수지(cyanate ester resin), 에폭시 수지(epoxy resin), 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol) 및 폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral) 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블한 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 세라믹-고분자 나노섬유 필름은
PVDF(polyvinyleden floride) : 80 ~ 20 중량% 및 무연 압전 세라믹 분말 : 20 ~ 80 중량%로 조성되는 것을 특징으로 하는 플렉서블한 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서.
- 제6항에 있어서,
상기 무연 세라믹 분말은
55 ~ 65 중량%의 함량비로 첨가되는 것을 특징으로 하는 플렉서블한 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서.
- 제6항에 있어서,
상기 무연 압전 세라믹 분말은
BiNaTiO3(BNT)계, Bi(Na, K)TiO3(BNKT)계 및 BiKTiO3(BKT)계 중 선택된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블한 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 세라믹-고분자 나노섬유 필름은
100 ~ 5000㎛의 두께를 갖는 플렉서블한 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 모니터링 센서는
상기 제1 전극 필름과 세라믹-고분자 나노섬유 필름 사이에 배치된 제1 접착제층과,
상기 제2 전극 필름과 세라믹-고분자 나노섬유 필름 사이에 배치된 제2 접착제층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블한 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 모니터링 센서는
플렉서블한 특성으로 구조물에 부착되어 사용되며, 상기 구조물에 충격이 가해질 시 생성되는 전압을 상기 제1 및 제2 외부 연결배선으로 전달받아 충격이 발생한 위치를 센싱하는 것을 특징으로 하는 플렉서블한 특성을 갖는 구조물의 건전성 모니터링 센서.
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| KR101996472B1 (ko) * | 2018-01-30 | 2019-07-04 | 한국세라믹기술원 | 플렉서블 압전섬유 모듈 |
| KR20200130954A (ko) * | 2019-05-13 | 2020-11-23 | 한국세라믹기술원 | 전극 배열 및 모듈 연결 구조 최적화를 통해 우수한 출력 전압 특성을 갖는 구조진단용 모니터링 센서 및 에너지 하베스터용 플렉서블 멀티 압전체 모듈 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR101473346B1 (ko) * | 2013-11-12 | 2014-12-16 | 한국세라믹기술원 | 압전 섬유 복합체 및 그 제조 방법 |
-
2016
- 2016-05-17 KR KR1020160060189A patent/KR101815071B1/ko active IP Right Grant
Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| KR101996472B1 (ko) * | 2018-01-30 | 2019-07-04 | 한국세라믹기술원 | 플렉서블 압전섬유 모듈 |
| KR20200130954A (ko) * | 2019-05-13 | 2020-11-23 | 한국세라믹기술원 | 전극 배열 및 모듈 연결 구조 최적화를 통해 우수한 출력 전압 특성을 갖는 구조진단용 모니터링 센서 및 에너지 하베스터용 플렉서블 멀티 압전체 모듈 |
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| KR101815071B1 (ko) | 2018-01-05 |
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