KR20180091454A - 파괴 및 변형을 감지할 수 있는 구조물 및 그 제조방법 - Google Patents

파괴 및 변형을 감지할 수 있는 구조물 및 그 제조방법 Download PDF

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KR20180091454A
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김호찬
윤해룡
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안동대학교 산학협력단
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Abstract

파괴 및 변형을 감지할 수 있는 구조물 및 그 제조방법에 관한 것으로,
3D 프린터를 통해 제작되며, 내부에 감지센서 및 통신유닛이 삽입되는 센서삽입공간이 마련되는 구조물 본체; 구조물 본체의 제작과정에서 구조물 본체의 센서삽입공간에 삽입 설치되는 감지센서; 감지센서와 함께 구조물 본체에 내장 설치되어 감지센서의 신호변화 정보를 외부에 데이터를 전송할 수 있도록 하는 통신유닛;을 포함하는 기술 구성을 통하여 구조물 본체에 감지센서가 내장되어 구조물 본체의 변형을 감지센서가 정확하게 감지할 수 있게 되고, 감지센서의 오동작이 없게 되는 것이다.

Description

파괴 및 변형을 감지할 수 있는 구조물 및 그 제조방법 { STRAIN SENSING STRUCTURE AND THE MANUFACTURING METHOD THEREOF }
본 발명은 3D프린터를 이용하여 구조물을 제작하는 과정에서 구조물의 내부에 감지센서를 장착하여 구조물의 사용과정에서 외력에 의해 구조물의 파괴 및 굽힘 변형이 발생하였을 때에 외부에서 그 신호를 감지할 수 있도록 한 파괴 및 변형을 감지할 수 있는 구조물 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 구조물은 사용하는 과정에서 외력에 의해 변형되거나 파괴되어 기능을 상실하거나 각종 안전사고의 위험을 초래할 수 있게 되므로 구조물의 변형 여부나 파괴 여부를 실시간으로 감시할 수 있도록 하여 안정적인 구조물 운용이 가능하도록 하는 것이 바람직하다.
이에 구조물의 파괴나 변형을 감지할 수 있도록 하는 감지센서 및 구조물 변형 모니터링 시스템이 다수 제안되었다.
하기의 특허문헌 1에는 전기활성고분자 물질을 이용한 변형 감지 센서 및 이를 포함하는 구조물 건전성 모니터링 시스템이 개시되어 있다.
특허문헌 1에 개시된 전기활성고분자 물질을 이용한 변형 감지 센서는 외력에 의해 변형되는 경우 전압을 생성하는 전기활성고분자 물질을 포함하는 적어도 하나의 제1 섬유와 도전성 물질로 구성되는 적어도 하나의 제2 섬유를 포함하는 코일형태의 섬유코일; 및 섬유코일의 적어도 일부에 연결된 캐패시터;를 포함하고, 적어도 하나의 제2 섬유로 생성된 전압이 인가되는 경우, 캐패시터에 제2 섬유를 통하여 생성된 전압이 충방전됨에 따라 적어도 하나의 제2 섬유에 전류가 흐르고, 제2 섬유에 전류가 흐름에 따라 섬유코일 외부에 전자기장이 형성되는 것을 특징으로 한다.
하기의 특허문헌 2에는 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서 및 이의 제조방법이 개시되어 있다.
특허문헌 2에 개시된 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서는 기판; 상기 기판상에 배치되고, 금속 나노와이어들, 제1 폴리머 물질 및 제2 폴리머 물질로 이루어진 나노 복합체층; 및 상기 나노 복합체층 상에 배치되고 제3 폴리머 물질로 이루어진 보호층을 포함하고, 상기 금속 나노와이어들이 상기 나노 복합체층 내부에서 랜덤하게 배치되어 있는 형태이다.
대한민국 등록특허공보 제10-0570333호 (2006년 04월 05일 등록) 대한민국 공개특허공보 제10-2016-0118025호 (2016년 10월 11일 공개)
그러나 종래에는 구조물의 파괴나 변형을 감지하기 위해 완성된 구조물의 외부에 별도의 감지센서를 부착하는 예가 많았다.
따라서 구조물의 변형 감지를 위한 전체 시스템의 제작이 번거롭고 시스템 구축에 비용이 많이 들게 되게 되는 문제가 있었다.
또한, 구조물이 아닌 감지센서에 외력이 가해지는 경우에 구조물의 변형과 관계없이 감지센서의 감지값이 변화하게 되므로 구조물의 변형을 안정적으로 감지할 수 없게 되는 문제가 있었다.
본 발명은 상기 종래 기술에 따른 구조물 변형 감지 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적이 구조물에 직접적으로 작용하는 외력에 의한 구조물의 파괴 및 변형을 보다 안정적으로 감지할 수 있도록 하고, 감지된 변형 신호를 외부로 전송할 수 있도록 하여 구조물의 관리를 용이하게 할 수 있도록 하는 파괴 및 변형을 감지할 수 있는 구조물 및 그 제조방법을 제공하는 데에 있는 것이다.
본 발명은 그 다른 목적이 제작을 용이하게 할 수 있도록 함으로써 구조물 변형감지를 위한 시스템 구축비용을 절감할 수 있도록 하는 파괴 및 변형을 감지할 수 있는 구조물 및 그 제조방법을 제공하는 데에 있는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 파괴 및 변형을 감지할 수 있는 구조물은 3D 프린터를 통해 제작되며, 내부에 감지센서 및 통신유닛이 삽입되는 센서삽입공간이 마련되는 구조물 본체; 구조물 본체의 제작과정에서 구조물 본체의 센서삽입공간에 삽입 설치되는 감지센서; 감지센서와 함께 구조물 본체에 내장 설치되어 감지센서의 신호변화 정보를 외부에 데이터를 전송할 수 있도록 하는 통신유닛;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 파괴 및 변형을 감지할 수 있는 구조물은 구조물 본체의 센서삽입공간에 감지센서 및 통신유닛이 삽입 설치된 후 그 위에 다시 구조물 본체의 나머지 부분이 적층되어 감지센서 및 통신유닛이 완전 밀폐되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 파괴 및 변형을 감지할 수 있는 구조물의 감지센서는 탄성과 유연성을 가지는 모노머에 CNT가 혼합된 형태인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 파괴 및 변형을 감지할 수 있는 구조물의 감지센서는 구조물 본체의 센서삽입공간에 직접인쇄(Direct Write)하는 방식으로 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 파괴 및 변형을 감지할 수 있는 구조물의 통신유닛은 감지센서와 접속되어 감지센서의 신호변화를 수신하여 저장할 수 있도록 하는 센서측정칩; 센서측정칩과 접속되어 그에 저장된 감지신호를 외부로 전송할 수 있도록 하는 통신칩;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 파괴 및 변형을 감지할 수 있는 구조물은 통신유닛의 통신칩이 무선주파수(RF, Radio Frequency)를 이용하여 대상물을 식별(Identification)할 수 있는 RFID칩인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 파괴 및 변형을 감지할 수 있는 구조물의 제조방법은 3D 프린터를 통해 구조물 본체를 제작하는 과정에서 구조물 본체의 표면에 센서삽입공간을 형성하는 단계; 구조물 본체의 센서삽입공간에 감지센서 및 통신유닛을 삽입하는 단계; 3D 프린터를 통해 감지센서 및 통신유닛의 상부에 수지를 적층하여 감지센서 및 통신유닛이 완전 밀폐된 상태의 구조물를 완성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 파괴 및 변형을 감지할 수 있는 구조물 및 그 제조방법에 의하면, 3D 프린터로 구조물을 제작하는 과정에서 구조물 본체의 내부에 감지센서 및 통신유닛을 설치함으로써 실시간 변형감지 기능을 갖는 구조물을 간편하게 제작할 수 있게 된다.
본 발명에 따른 파괴 및 변형을 감지할 수 있는 구조물 및 그 제조방법에 의하면, 완성된 구조물에 별도의 감지센서를 장착하기 위하여 완성된 구조물을 홀가공, 감지센서 삽입, 감지센서의 안정적 부착을 위한 고정마감의 번거롭고 추가적인 공정이 필요하지 않고, 구조물 제작과정에서 구조물 본체에 감지센서를 내장하는 방식이므로 원하는 위치에 정확하게 감지센서를 장착할 수 있어, 구조물 변형 감지 시스템 구축에 필요한 시간 및 비용을 절감할 수 있게 된다.
본 발명에 따른 파괴 및 변형을 감지할 수 있는 구조물 및 그 제조방법에 의하면, 구조물 본체에 감지센서가 내장되어 구조물 본체의 변형을 감지센서가 정확하게 감지할 수 있게 되고, 감지센서의 오동작이 없게 된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 파괴 및 변형을 감지할 수 있는 구조물의 평면도,
도 2는 동 바람직한 실시 예에 따른 파괴 및 변형을 감지할 수 있는 구조물의 종단면도,
도 3은 동 바람직한 실시 예에 따른 파괴 및 변형을 감지할 수 있는 구조물의 제작과정중 센서삽입공간을 마련한 상태의 종단면도,
도 4는 동 바람직한 실시 예에 따른 파괴 및 변형을 감지할 수 있는 구조물의 제작과정중 감지센서를 직접 인쇄하는 상태의 개념도,
도 5는 동 바람직한 실시 예에 따른 파괴 및 변형을 감지할 수 있는 구조물의 제작과정중 통신유닛을 감지센서와 접속한 상태의 개념도,
도 6은 동 바람직한 실시 예에 따른 파괴 및 변형을 감지할 수 있는 구조물의 변형 감지신호 전송순서도,
도 7은 동 바람직한 실시 예에 따른 파괴 및 변형을 감지할 수 있는 구조물의 감지센서의 변형전 및 변형후의 CNT 상태 변화도.
이하 본 발명에 따른 파괴 및 변형을 감지할 수 있는 구조물 및 그 제조방법을 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
이하에서, "상방", "하방", "전방" 및 "후방" 및 그 외 다른 방향성 용어들은 도면에 도시된 상태를 기준으로 정의한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 파괴 및 변형을 감지할 수 있는 구조물의 평면도이고, 도 2는 동 바람직한 실시 예에 따른 파괴 및 변형을 감지할 수 있는 구조물의 종단면도이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 파괴 및 변형을 감지할 수 있는 구조물(100)은 구조물 본체(110), 감지센서(120), 통신유닛(130)을 포함한다.
구조물 본체(110)는 3D 프린터를 통해 제작되며, 내부에 감지센서(120) 및 통신유닛(130)이 삽입되는 센서삽입공간(111)이 마련된다.
감지센서(120)는 구조물 본체(110)에 내장되는 것으로, 구조물 본체(110)의 제작과정에서 구조물 본체(110)의 센서삽입공간(111)에 삽입된다.
즉, 3D프린터를 통해 구조물 본체(110)를 제작하는 과정에서 구조물 본체(110)의 센서삽입공간(111)을 형성하고, 센서삽입공간(111)에 감지센서(120) 및 통신유닛(130)을 삽입한 후 그 위에 다시 구조물 본체(110)의 나머지 부분을 적층하여 감지센서(120) 및 통신유닛(130)을 완전 밀폐한다.
도 3은 동 바람직한 실시 예에 따른 파괴 및 변형을 감지할 수 있는 구조물의 제작과정중 센서삽입공간을 마련한 상태의 종단면도이다.
감지센서(120)는 탄성과 유연성을 가지는 모노머에 CNT(탄소나노튜브)가 혼합된 형태이고, 구조물 본체(110)의 센서삽입공간(111)에 직접인쇄(Direct Write)하는 방식으로 제작될 수 있다.
도 4는 동 바람직한 실시 예에 따른 파괴 및 변형을 감지할 수 있는 구조물의 제작과정 중 감지센서를 직접 인쇄하는 상태의 개념도이다.
알려진 바와 같이 탄소나노튜브는 6각형 고리로 연결된 탄소들이 긴 대롱 모양을 이루는 지름 1나노미터(1나노미터는 10억분의 1m) 크기의 미세한 분자이다.
지름 0.5~10nm의 원통형 탄소 결정체인 탄소나노튜브는 높은 인장력과 전기 전도성 등의 특성을 가지고 있다.
탄소나노튜브는 그 튜브의 지름이 얼마나 되느냐에 따라 도체가 되기도 하고 반도체가 되는 성질이 있음이 밝혀지면서 차세대 반도체 물질로 각광받고 있다.
이러한 우수한 성질을 활용, 반도체와 평판 디스플레이ㆍ연료전지ㆍ초강력섬유ㆍ생체센서 등 다양한 분야에 두루 활용되고 있다.
예를 들어 탄소나노튜브로 반도체 칩을 만들면 현재 기가(10억)바이트의 한계를 뛰어넘는 테라(1조)바이트급의 집적도가 가능해지고, 비어있는 관 속에 수소를 저장해 배터리로 쓰거나 고순도 정화필터로 활용할 수도 있다.
통신유닛(130)은 감지센서(120)의 신호변화 정보를 저장하고, 외부에 전송할 수 있도록 하는 것으로, 감지센서(120)와 함께 구조물 본체(110)에 내장 설치된다.
통신유닛(130)은 감지센서(120)와 접속되어 감지센서(120)의 신호변화를 수신하여 저장할 수 있도록 하는 센서측정칩(131); 센서측정칩(131)과 접속되어 그에 저장된 감지신호를 외부로 전송할 수 있도록 하는 통신칩(132);을 포함한다.
통신유닛(130)은 감지센서(120)의 신호변화를 수신하여 저장할 수 있도록 하는 센서측정칩(131)을 제외하고 감지센서(120)의 신호변화를 외부로 전송하는 통신칩(132)만으로 이루어질 수도 있다.
상기 통신유닛(130)의 통신칩(132)은 무선주파수(RF, Radio Frequency)를 이용하여 대상물을 식별(Identification)할 수 있는 RFID칩을 사용할 수 있다.
RFID칩은 수지물인 구조물 본체(110)의 내부에 삽입되어도 전파통신이 가능하며, 다량의 Tag판독, 냉온, 습기 등 열악한 판독 환경에서도 판독이 가능하다.
도 5는 동 바람직한 실시 예에 따른 파괴 및 변형을 감지할 수 있는 구조물의 제작과정중 통신유닛을 감지센서와 접속한 상태의 개념도이다.
본 발명에 따른 파괴 및 변형을 감지할 수 있는 구조물(100)은 사용과정에서 외력 등에 의해 파괴되거나 변형이 발생되었을 때에 감지센서(120)를 통해 변형 신호가 감지되고, 감지센서(120)로 감지된 변형 신호가 통신유닛(130)을 통해 외부로 전송된다.
도 6은 동 바람직한 실시 예에 따른 파괴 및 변형을 감지할 수 있는 구조물의 변형 감지신호 전송순서도이다.
즉, 도 6의 (a)와 구조물 본체(110)에 외력이 가해져서 굽힘이 발생되면 구조물 본체(110)에 내장된 감지센서(120)가 구조물 본체(110)와 함께 굽혀지게 되면서 감지센서(120)의 내부에 분포하고 있는 CNT의 분포 상태가 변형되고, 그에 따라 전압, 전류, 저항값 등이 변화하게 된다.
상기 구조물 본체(110)의 변형에 따라 변화된 감지센서 감지값은 감지센서(120)에 접속된 통신유닛(130)의 센서측정칩(131)에 저장되고, 센서측정칩(131)에 저장된 변형 감지신호는 통신칩(132)을 통해 외부로 전송되거나, 감지센서(120)의 감지값을 연속적 또는 일정주기로 통신칩(132)을 통하여 외부로 전송된다.
그리고 도 6 (c)와 같이 통신칩(132)으로부터 데이터를 전송받은 안테나는 컴퓨터로 데이터를 전송하고, 도 6 (d)와 같이 컴퓨터를 통해 안테나로부터 전송받은 데이터를 확인하여 구조물의 파손, 단락, 굽힘 정도를 알 수 있게 된다.
도 7은 동 바람직한 실시 예에 따른 파괴 및 변형을 감지할 수 있는 구조물의 감지센서의 변형전 및 변형후의 CNT 상태 변화도이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 파괴 및 변형을 감지할 수 있는 구조물(100)에서 구조물 본체(110)에 굽힘이 발생하게 되면 구조물 본체(110)와 동일하게 감지센서(120)도 굽혀지므로 감지센서(120)의 단면적이 증가하게 된다.
또한, 감지센서(120) 내부의 CNT가 외부로부터 충격을 받아 CNT 특성이 전기전자의 터널링효과로 탄소사이의 변위량이 증가하면 저항이 증가하고 변위량이 감소하면 저항이 감소하며 전기적 특성이 변화한다.
이처럼 굽힘이 발생하면 구조물 본체(110)의 내부에 삽입된 감지센서(120)가 변형이 발생하여 감지센서(120)의 CNT가 변형을 일으킨다. 이때 변형데이터는 감지센서(120)와 연결된 센서측정칩(131)에 저장되고, 센서측정칩(131)에 저장된 데이터는 통신칩(132) 및 그에 연결된 안테나를 통하여 컴퓨터로 전송된다.
본 발명에 따른 파괴 및 변형을 감지할 수 있는 구조물의 제조방법은 3D 프린터를 통해 구조물 본체(110)를 제작하는 과정에서 구조물 본체(110)의 표면에 센서삽입공간(111)을 형성하는 단계; 구조물 본체(110)의 센서삽입공간(111)에 감지센서(120) 및 통신유닛(130)을 삽입하는 단계; 3D 프린터를 통해 감지센서(120) 및 통신유닛(130)의 상부에 수지를 적층하여 감지센서(120) 및 통신유닛(130)이 완전 밀폐된 상태의 구조물(100)를 완성하는 단계;를 포함한다.
상기 센서삽입공간(111)에 감지센서(120) 및 통신유닛(130)을 삽입하는 단계에서 감지센서(120)는 직접인쇄방식으로 삽입될 수 있다.
상기 통신유닛(130)은 감지센서(120)와 접속되어 감지센서(120)의 신호변화를 수신하여 저장할 수 있도록 하는 센서측정칩(131); 센서측정칩(131)과 접속되어 그에 저장된 감지신호를 외부로 전송할 수 있도록 하는 통신칩(132);을 포함하고, 이때 통신칩(132)은 RFID칩을 사용할 수 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
100 : 파괴 및 변형을 감지할 수 있는 구조물
110 : 구조물 본체
120 : 감지센서
130 : 통신유닛
131 : 센서측정칩
132 : 통신칩

Claims (7)

  1. 3D 프린터를 통해 제작되며, 내부에 감지센서(120) 및 통신유닛(130)이 삽입되는 센서삽입공간(111)이 마련되는 구조물 본체(110);
    구조물 본체(110)의 제작과정에서 구조물 본체(110)의 센서삽입공간(111)에 삽입 설치되는 감지센서(120);
    감지센서(120)와 함께 구조물 본체(110)에 내장 설치되어 감지센서(120)의 신호변화 정보를 외부에 데이터를 전송할 수 있도록 하는 통신유닛(130);을 포함하는 것을 특징으로 하는 파괴 및 변형을 감지할 수 있는 구조물.
  2. 제1항에 있어서,
    구조물 본체(110)의 센서삽입공간(111)에 감지센서(120) 및 통신유닛(130)이 삽입 설치된 후 그 위에 다시 구조물 본체(110)의 나머지 부분이 적층되어 감지센서(120) 및 통신유닛(130)이 완전 밀폐되는 것을 특징으로 하는 파괴 및 변형을 감지할 수 있는 구조물.
  3. 제1항에 있어서,
    감지센서(120)는 탄성과 유연성을 가지는 모노머에 CNT가 혼합된 형태인 것을 특징으로 하는 파괴 및 변형을 감지할 수 있는 구조물.
  4. 제1항에 있어서,
    감지센서(120)는 구조물 본체(110)의 센서삽입공간(111)에 직접인쇄(Direct Write)하는 방식으로 설치되는 것을 특징으로 하는 파괴 및 변형을 감지할 수 있는 구조물.
  5. 제1항에 있어서,
    통신유닛(130)은
    감지센서(120)와 접속되어 감지센서(120)의 신호변화를 수신하여 저장할 수 있도록 하는 센서측정칩(131);
    센서측정칩(131)과 접속되어 그에 저장된 감지신호를 외부로 전송할 수 있도록 하는 통신칩(132);을 포함하는 것을 특징으로 하는 파괴 및 변형을 감지할 수 있는 구조물.
  6. 제5항에 있어서,
    통신유닛(130)의 통신칩(132)은 무선주파수(RF, Radio Frequency)를 이용하여 대상물을 식별(Identification)할 수 있는 RFID칩인 것을 특징으로 하는 파괴 및 변형을 감지할 수 있는 구조물.
  7. 3D 프린터를 통해 구조물 본체(110)를 제작하는 과정에서 구조물 본체(110)의 표면에 센서삽입공간(111)을 형성하는 단계;
    구조물 본체(110)의 센서삽입공간(111)에 감지센서(120) 및 통신유닛(130)을 삽입하는 단계;
    3D 프린터를 통해 감지센서(120) 및 통신유닛(130)의 상부에 수지를 적층하여 감지센서(120) 및 통신유닛(130)이 완전 밀폐된 상태의 구조물(100)를 완성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 파괴 및 변형을 감지할 수 있는 구조물의 제조방법.
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KR20160118025A (ko) 2015-04-01 2016-10-11 성균관대학교산학협력단 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서 및 이의 제조방법

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