KR20180044694A - 구조 손상 모니터링 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 구조 손상 모니터링 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 장치는 복수의 홀이 형성되는 제1 봉지재, 복수의 홀에 각각 삽입되는 복수의 압전 센서부, 제1 봉지재 상에 형성되어 복수의 압전 센서부와 전기적으로 연결되는 제1 회로부, 제1 봉지재 상에 형성되는 복수의 스트레인 게이지부, 제1 봉지재 상에 형성되고, 복수의 스트레인 게이지부와 전기적으로 연결되는 제2 회로부, 그리고 복수의 스트레인 게이지부, 제1 회로부 및 제2 회로부를 커버하는 제2 봉지재를 포함한다. 본 발명에 의하면, 구조물의 국부 변형을 측정하기 위한 스트레인 게이지와 구조물의 균열 또는 박리 등과 같은 미세 손상을 측정할 수 있는 압전세라믹 변환기가 함께 내장된 구조를 가질 수 있다.

Description

구조 손상 모니터링 센서 및 그 제조 방법{Sensor for Monitoring Damage of Structure and Manufacturing Method thereof}
본 발명은 구조 손상 모니터링 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 구조물의 국부 변형을 측정하기 위한 스트레인 게이지와 구조물의 균열 또는 박리 등과 같은 미세 손상을 측정할 수 있는 압전세라믹 변환기(Piezoceramic Transducer)가 함께 내장된 구조를 가지는 구조 손상 모니터링 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근 가전제품을 비롯하여 자동차, 항공, 의료 기기 또는 환경 관련 설비 등과 같은 각종 구조물에서 발생되는 손상을 모니터링하기 위하여 스트레인 게이지(Strain gauge)가 이용된다.
스트레인 게이지는 구조물에 변형이 가해지면 즉, 금속 또는 반도체의 저항체에 변형이 가해지면 그 저항 값이 변화하는 압력 저항 효과를 이용한 것으로, 노이즈에 매우 강하고 응답성이 빠르며, 온도, 진동 또는 충격 등의 영향이 적다는 장점이 있으나, 구조물에서 발생될 수 있는 균열이나 박리 등과 같은 미세 손상은 탐지할 수 없는 문제가 있었다.
한편, 압전세라믹 변환기(Piezoceramic Transducer)는 센서 기능과 엑츄에이터 기능을 모두 수행하는 센서로, 구조물 표면에 부착되어 램파(Lamb wave)를 발생시키고 구조물에 균열이나 박리 등에 따른 램파의 특성 변화를 감지하여 미세 손상을 탐지할 수 있으나, 구조물에 인가되는 국부적인 변형을 측정하기에는 용이하지 않은 문제점이 있었다.
그리고 압력세라믹 변환기는 구조물이 가진 특성 변화를 측정하기 때문에 박막 필름 및 구조물 간 부착층 박리에 의한 특성 변화도 발생되는데, 이를 구조물의 자체 결함으로 오진단할 수 있는 문제점이 있었다.
이와 같이, 구조물의 국부 변형과, 균열 또는 박리 등과 같은 미세 손상을 모두 측정하기 위해서는 스트레인 게이지 및 압전세라믹 변환기를 별도로 설치해야 하기 때문에 설치 공간에 제약이 발생되는 문제점이 있었다.
그리고 스트레인 게이지 및 압전세라믹 변환기를 별도로 제조해야 하기 때문에 제조 공정의 분리에 따른 비용 증가와 생산성 저하가 발생되는 문제점이 있었다.
한국공개특허공보 제2003-0064534호 (공개일 2003. 08. 02.)
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 구조물의 국부 변형을 측정하기 위한 스트레인 게이지와 구조물의 균열 또는 박리 등과 같은 미세 손상을 측정할 수 있는 압전세라믹 변환기가 함께 내장된 구조를 가지는 구조 손상 모니터링 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 명시적으로 언급된 목적 이외에도, 후술하는 본 발명의 구성으로부터 달성될 수 있는 다른 목적도 포함한다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 구조 손상 모니터링 센서는 복수의 홀이 형성되는 제1 봉지재, 상기 복수의 홀에 각각 삽입되는 복수의 압전 센서부, 상기 제1 봉지재 상에 형성되어 상기 복수의 압전 센서부와 전기적으로 연결되는 제1 회로부, 상기 제1 봉지재 상에 형성되는 복수의 스트레인 게이지부, 상기 제1 봉지재 상에 형성되고, 상기 복수의 스트레인 게이지부와 전기적으로 연결되는 제2 회로부, 그리고 상기 복수의 스트레인 게이지부, 상기 제1 회로부 및 상기 제2 회로부를 커버하는 제2 봉지재를 포함한다.
상기 복수의 홀은 상기 제1 봉지재의 길이 방향을 따라 미리 정해진 간격만큼 이격되게 형성될 수 있다.
상기 제1 회로부는 상기 복수의 압전 센서부와 각각 접촉 가능하게 형성되는 복수의 압전 전극 및 상기 복수의 압전 전극과 전기적으로 연결되는 복수의 제1 회로 패턴을 포함할 수 있다.
상기 복수의 스트레인 게이지부는 상기 복수의 압전 전극과 교대로 배치될 수 있다.
상기 복수의 압전 센서부는 상기 복수의 압전 전극과 전도성 페이스트에 의해 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 제2 봉지재는 외부 측정 시스템과 전기적으로 연결되기 위하여 상기 제1 회로 패턴 및 상기 제2 회로부가 노출되는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 제1 봉지재 상에 형성되는 접지 및 쉴드부를 더 포함할 수 있다.
상기 압전 센서부는 압전세라믹 변환기를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 구조 손상 모니터링 센서의 제조 방법은 제1 봉지재에 복수의 홀을 형성하는 단계, 상기 복수의 홀에 복수의 압전 센서부를 각각 삽입하는 단계, 상기 제1 봉지재 상에 상기 복수의 압전 센서부와 전기적으로 연결되는 제1 회로부, 복수의 스트레인 게이지부, 상기 복수의 스트레인 게이지부와 전기적으로 연결되는 제2 회로부를 각각 배치하는 단계, 그리고 제2 봉지재로 상기 복수의 스트레인 게이지부, 상기 제1 회로부 및 상기 제2 회로부를 커버하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 복수의 홀은 상기 제1 봉지재의 길이 방향을 따라 미리 정해진 간격만큼 이격되게 형성될 수 있다.
상기 제1 회로부는 상기 복수의 압전 센서부와 각각 접촉 가능하게 형성되는 복수의 압전 전극 및 상기 복수의 압전 전극과 전기적으로 연결되는 복수의 제1 회로 패턴을 포함할 수 있다.
상기 복수의 스트레인 게이지부는 상기 복수의 압전 전극과 교대로 배치될 수 있다.
상기 복수의 압전 센서부는 상기 복수의 압전 전극과 전도성 페이스트에 의해 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 제2 봉지재는 외부 측정 시스템과 전기적으로 연결되기 위하여 상기 제1 회로 패턴 및 상기 제2 회로부가 노출되는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 제1 봉지재 상에 접지 및 쉴드부를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 압전 센서부는 압전세라믹 변환기를 포함할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 구조 손상 모니터링 센서 및 그 제조 방법에 따르면, 구조물의 국부 변형을 측정하기 위한 스트레인 게이지와 구조물의 균열 또는 박리 등과 같은 미세 손상을 측정할 수 있는 압전세라믹 변환기가 함께 내장된 플라스틱 박막 센서를 구현할 수 있다.
이와 같이, 구조물의 특정 위치에서 발생하는 국부적인 변형과 구조물에서 발생 가능한 손상 탐지에 용이한 스트레인 게이지 및 압전 세라믹 변환기를 하나의 플라스틱 박막 필름에 탑재함으로써 공간 효율성을 증대시킬 수 있다.
그리고 스트레인 게이지 및 압전 세라믹 변환기를 개별적으로 제작함에 따른 공정을 하나로 통합할 수 있기 때문에 생산 경쟁력을 확보할 수 있는 장점이 있다.
한편, 본 발명의 효과는 상술된 것에 국한되지 않고 후술하는 본 발명의 구성으로부터 도출될 수 있는 다른 효과도 본 발명의 효과에 포함된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조 손상 모니터링 센서의 사시도이다.
도 2는 도 1의 a-a 선에 따른 단면도이다.
도 3은 도 1의 b-b 선에 따른 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조 손상 모니터링 센서의 제조 과정을 보여주는 동작 흐름도이다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조 손상 모니터링 센서의 제조 과정을 보여주는 도면들이다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조 손상 모니터링 센서의 사시도, 도 2는 도 1의 a-a 선에 따른 단면도 및 도 3은 도 1의 b-b 선에 따른 단면도를 나타낸다.
도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 구조 손상 모니터링 센서(1)는 측정하고자 하는 구조물에 접착제(adhesive, 10)로 부착되고, 제1 봉지재(100), 복수의 압전 센서부(200), 제1 회로부(300), 복수의 스트레인 게이지부(400), 제2 회로부(500), 접지 및 쉴드부(600) 및 제2 봉지재(700)를 포함하여 구성된다.
제1 봉지재(100)는 복수의 홀(110)이 형성될 수 있다. 복수의 홀(110)은 제1 봉지재(100)의 길이 방향을 따라 미리 정해진 간격만큼 이격되게 형성될 수 있다. 제1 봉지재(100, Encapsulation layer 1)는 외부에서 유입되는 수분과 산소를 차단해 전극 재료의 산화를 막고, 기계적 또는 물리적 충격에 소자를 보호하는 층으로서, 세라믹, 글라스 또는 고분자 플라스틱 등으로 이루어질 수 있다.
복수의 압전 센서부(200)는 복수의 홀(110)에 각각 삽입될 수 있다. 압전 센서부(200)에는 2개의 전극(210)이 존재하고, 이러한 2개의 전극(210)과 제1 회로부(300)가 접하도록 위치할 수 있다. 압전 센서부(200)는 압전세라믹 변환기(Piezoceramic Transducer)를 포함할 수 있다. 압전세라믹 변환기는 센서 기능과 엑츄에이터 기능을 모두 수행하는 센서로, 구조물 표면에 부착되어 램파(Lamb wave)를 발생시키고 구조물에 균열이나 박리 등에 따른 램파의 특성 변화를 감지하여 미세 손상을 탐지할 수 있도록 구성된다.
제1 회로부(300)는 제1 봉지재(100) 상에 형성되어 복수의 압전 센서부(200)와 전기적으로 연결될 수 있다.
보다 자세하게는, 제1 회로부(300)는 복수의 압전 센서부(200)와 각각 접촉 가능하게 형성되는 복수의 압전 전극(310) 및 복수의 압전 전극(310)과 전기적으로 연결되는 복수의 제1 회로 패턴(330)을 포함할 수 있다. 각 압전 센서부(200) 상에는 2개의 압전 전극(310)이 배치되고, 전도성 페이스트(50)를 통해 2개의 압전 전극(310)과 각 압전 센서부(200)에 있는 2개의 전극(210)이 전기적으로 연결될 수 있다. 그리고 복수의 압전 전극(310)은 전선을 통해 복수의 제1 회로 패턴(330)과 전기적으로 연결될 수 있는데, 예컨대 복수의 압전 전극(310)이 제1 봉지재(100)의 일측 상에 형성되면 제1 회로 패턴(330)은 제1 봉지재(100)의 타측 상에 형성될 수 있다.
복수의 스트레인 게이지부(400)는 제1 봉지재(100) 상에 형성될 수 있다. 스트레인 게이지부(400)는 구조물에 변형이 가해지면 즉, 스트레인 게이지 저항선에 변형이 가해지면 그 저항 값이 변화하는 압력 저항 효과를 이용하여 구조물의 국부 변형을 감지할 수 있다.
복수의 스트레인 게이지부(400)는 복수의 압전 전극(310)과 교대로 배치될 수 있다. 예컨대, 복수의 스트레인 게이지부(400)는 제1 봉지재(100)의 일측 상에서 복수의 압전 전극(310)과 번갈아 가며 배치될 수 있다.
제2 회로부(500)는 제1 봉지재(100) 상에 형성되고, 복수의 스트레인 게이지부(400)와 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 회로부(500)는 복수의 스트레인 게이지부(400)와 동일층에 형성되고, 전선을 통해 복수의 스트레인 게이지부(400)와 전기적으로 연결될 수 있으며, 제1 봉지재(100)의 타측 상에서 복수의 제1 회로 패턴(330)과 교대로 배치될 수 있다.
접지 및 쉴드부(600)는 제1 봉지재(100) 상에 형성되는데, 그라운드로 이루어지거나 외부에서 인가되는 노이즈를 차단할 수 있는 쉴딩(shielding) 배선으로 이루어질 수 있다.
제2 봉지재(700)는 복수의 스트레인 게이지부(400), 제1 회로부(300) 및 제2 회로부(500)를 커버하여 외부에서 유입되는 수분과 산소를 차단하고, 기계적 또는 물리적 충격으로부터 보호하는 층으로서, 세라믹, 글라스 또는 고분자 플라스틱 등으로 이루어질 수 있다.
제2 봉지재(700)는 외부 측정 시스템과 전기적으로 연결되기 위하여 일부가 절삭되거나 구멍이 형성되어 제1 회로 패턴(330) 및 제2 회로부(500)가 노출되는 구조로 이루어질 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조 손상 모니터링 센서의 제조 방법에 대하여 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조 손상 모니터링 센서의 제조 과정을 보여주는 동작 흐름도와, 도 5 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조 손상 모니터링 센서의 제조 과정을 보여주는 도면들이다.
도 4 및 도 5와 같이, 제1 봉지재(100)에 복수의 홀(110)을 형성할 수 있다(S400). 복수의 홀(110)은 제1 봉지재(100)의 길이 방향을 따라 미리 정해진 간격만큼 이격되게 형성될 수 있다. 제1 봉지재(100, Encapsulation layer 1)는 외부에서 유입되는 수분과 산소를 차단해 전극 재료의 산화를 막고, 기계적 또는 물리적 충격에 소자를 보호하는 층으로서, 세라믹, 글라스 또는 고분자 플라스틱 등으로 이루어질 수 있다.
다음으로 도 6과 같이, 복수의 홀(110)에 복수의 압전 센서부(200)를 각각 삽입할 수 있다(S410). 압전 센서부(200)에는 2개의 전극(210)이 존재하고, 이러한 2개의 전극(210)과 제1 회로부(300)가 접하도록 위치할 수 있다. 압전 센서부(200)는 압전세라믹 변환기(Piezoceramic Transducer)를 포함할 수 있는데, 압전세라믹 변환기는 센서 기능과 엑츄에이터 기능을 모두 수행하는 센서로, 구조물 표면에 부착되어 램파(Lamb wave)를 발생시키고 구조물에 균열이나 박리 등에 따른 램파의 특성 변화를 감지하여 미세 손상을 탐지할 수 있도록 구성될 수 있다.
그리고 도 7과 같이, 제1 봉지재(100) 상에 복수의 압전 센서부(200)와 전기적으로 연결되는 제1 회로부(300), 복수의 스트레인 게이지부(400), 복수의 스트레인 게이지부와 전기적으로 연결되는 제2 회로부(500)를 각각 배치할 수 있다(S420).
제1 회로부(300)는 복수의 압전 센서부(200)와 각각 접촉 가능하게 형성되는 복수의 압전 전극(310) 및 복수의 압전 전극(310)과 전기적으로 연결되는 복수의 제1 회로 패턴(330)을 포함할 수 있다. 각 압전 센서부(200) 상에는 2개의 압전 전극(310)이 배치되고, 전도성 페이스트(50)를 통해 2개의 압전 전극(310)과 각 압전 센서부(200)에 있는 2개의 전극(210)이 전기적으로 연결될 수 있다. 그리고 복수의 압전 전극(310)은 전선을 통해 복수의 제1 회로 패턴(330)과 전기적으로 연결될 수 있는데, 예컨대 복수의 압전 전극(310)이 제1 봉지재(100)의 일측 상에 형성되면 제1 회로 패턴(330)은 제1 봉지재(100)의 타측 상에 형성될 수 있다.
스트레인 게이지부(400)는 구조물에 변형이 가해지면 즉, 스트레인 게이지 저항선에 변형이 가해지면 그 저항 값이 변화하는 압력 저항 효과를 이용하여 구조물의 국부 변형을 감지할 수 있다. 복수의 스트레인 게이지부(400)는 복수의 압전 전극(310)과 교대로 배치될 수 있다. 예컨대, 복수의 스트레인 게이지부(400)는 제1 봉지재(100)의 일측 상에서 복수의 압전 전극(310)과 번갈아 가며 배치될 수 있다.
제2 회로부(500)는 복수의 스트레인 게이지부(400)와 동일층에 형성되어 전선을 통해 전기적으로 연결될 수 있으며, 제1 봉지재(100)의 타측 상에서 복수의 제1 회로 패턴(330)과 교대로 배치될 수 있다.
이때, 접지 및 쉴드부(600)를 제1 봉지재(100) 상에 더 배치할 수 있는데, 접지 및 쉴드부(600)는 그라운드로 이루어지거나 외부에서 인가되는 노이즈를 차단할 수 있는 쉴딩(shielding) 배선으로 이루어질 수 있다.
그 다음, 도 8과 같이, 제2 봉지재(700)로 복수의 스트레인 게이지부(400), 제1 회로부(300) 및 제2 회로부(500)를 커버하여 구조 손상 모니터링 센서(1)를 제조할 수 있다(S430). 제2 봉지재(700)는 복수의 스트레인 게이지부(400), 제1 회로부(300) 및 제2 회로부(500)를 커버하여 외부에서 유입되는 수분과 산소를 차단하고, 기계적 또는 물리적 충격으로부터 보호하는 층으로서, 세라믹, 글라스 또는 고분자 플라스틱 등으로 이루어질 수 있다.
제2 봉지재(700)는 외부 측정 시스템과 전기적으로 연결되기 위하여 일부가 절삭되거나 구멍이 형성되어 제1 회로 패턴(330) 및 제2 회로부(500)가 노출되는 구조로 이루어질 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
1: 구조 손상 모니터링 센서
100: 제1 봉지재
200: 압전 센서부
300: 제1 회로부
400: 스트레인 게이지부
500: 제2 회로부
600: 접지 및 쉴드부
700: 제2 봉지재

Claims (16)

  1. 복수의 홀이 형성되는 제1 봉지재,
    상기 복수의 홀에 각각 삽입되는 복수의 압전 센서부,
    상기 제1 봉지재 상에 형성되어 상기 복수의 압전 센서부와 전기적으로 연결되는 제1 회로부,
    상기 제1 봉지재 상에 형성되는 복수의 스트레인 게이지부,
    상기 제1 봉지재 상에 형성되고, 상기 복수의 스트레인 게이지부와 전기적으로 연결되는 제2 회로부, 그리고
    상기 복수의 스트레인 게이지부, 상기 제1 회로부 및 상기 제2 회로부를 커버하는 제2 봉지재
    를 포함하는 구조 손상 모니터링 센서.
  2. 제 1 항에서,
    상기 복수의 홀은,
    상기 제1 봉지재의 길이 방향을 따라 미리 정해진 간격만큼 이격되게 형성되는 구조 손상 모니터링 센서.
  3. 제 2 항에서,
    상기 제1 회로부는,
    상기 복수의 압전 센서부와 각각 접촉 가능하게 형성되는 복수의 압전 전극 및 상기 복수의 압전 전극과 전기적으로 연결되는 복수의 제1 회로 패턴을 포함하는 구조 손상 모니터링 센서.
  4. 제 3 항에서,
    상기 복수의 스트레인 게이지부는,
    상기 복수의 압전 전극과 교대로 배치되는 구조 손상 모니터링 센서.
  5. 제 3 항에서,
    상기 복수의 압전 센서부는,
    상기 복수의 압전 전극과 전도성 페이스트에 의해 전기적으로 연결되는 구조 손상 모니터링 센서.
  6. 제 3 항에서,
    상기 제2 봉지재는,
    외부 측정 시스템과 전기적으로 연결되기 위하여 상기 제1 회로 패턴 및 상기 제2 회로부가 노출되는 구조로 이루어지는 구조 손상 모니터링 센서.
  7. 제 1 항에서,
    상기 제1 봉지재 상에 형성되는 접지 및 쉴드부를 더 포함하는 구조 손상 모니터링 센서.
  8. 제 1 항에서,
    상기 압전 센서부는,
    압전세라믹 변환기를 포함하는 구조 손상 모니터링 센서.
  9. 제1 봉지재에 복수의 홀을 형성하는 단계,
    상기 복수의 홀에 복수의 압전 센서부를 각각 삽입하는 단계,
    상기 제1 봉지재 상에 상기 복수의 압전 센서부와 전기적으로 연결되는 제1 회로부, 복수의 스트레인 게이지부, 상기 복수의 스트레인 게이지부와 전기적으로 연결되는 제2 회로부를 각각 배치하는 단계, 그리고
    제2 봉지재로 상기 복수의 스트레인 게이지부, 상기 제1 회로부 및 상기 제2 회로부를 커버하는 단계
    를 포함하는 구조 손상 모니터링 센서의 제조 방법.
  10. 제 9 항에서,
    상기 복수의 홀은,
    상기 제1 봉지재의 길이 방향을 따라 미리 정해진 간격만큼 이격되게 형성되는 구조 손상 모니터링 센서의 제조 방법.
  11. 제 9 항에서,
    상기 제1 회로부는,
    상기 복수의 압전 센서부와 각각 접촉 가능하게 형성되는 복수의 압전 전극 및 상기 복수의 압전 전극과 전기적으로 연결되는 복수의 제1 회로 패턴을 포함하는 구조 손상 모니터링 센서의 제조 방법.
  12. 제 11 항에서,
    상기 복수의 스트레인 게이지부는,
    상기 복수의 압전 전극과 교대로 배치되는 구조 손상 모니터링 센서의 제조 방법.
  13. 제 11 항에서,
    상기 복수의 압전 센서부는,
    상기 복수의 압전 전극과 전도성 페이스트에 의해 전기적으로 연결되는 구조 손상 모니터링 센서의 제조 방법.
  14. 제 11 항에서,
    상기 제2 봉지재는,
    외부 측정 시스템과 전기적으로 연결되기 위하여 상기 제1 회로 패턴 및 상기 제2 회로부가 노출되는 구조로 이루어지는 구조 손상 모니터링 센서의 제조 방법.
  15. 제 9 항에서,
    상기 제1 봉지재 상에 접지 및 쉴드부를 형성하는 단계를 더 포함하는 구조 손상 모니터링 센서의 제조 방법.
  16. 제 9 항에서,
    상기 압전 센서부는,
    압전세라믹 변환기를 포함하는 구조 손상 모니터링 센서의 제조 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20030064534A (ko) 2002-01-28 2003-08-02 학교법인 동서학원 금속박막형 압력센서 및 그 제조방법
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