KR20190123113A - 연필을 이용한 저항센서, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 물성 및 박리 평가 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수지나 복합재료의 물성 및 박리를 평가하기 위한 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연필을 이용해 종이에 라인을 드로잉하고, 드로잉된 흑연의 전기 저항 변화를 감지해 대상물의 물성 및 박리를 평가하는 연필을 이용한 저항센서, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 물성 및 박리 평가 장치에 관한 것이다.

Description

연필을 이용한 저항센서, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 물성 및 박리 평가 장치{Ohm Sensor using Pencil and Making Method of the Same and Testing Apparatus for Mechanical Properties and Delamination having the Same}

본 발명은 수지나 복합재료의 물성 및 박리를 평가하기 위한 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연필을 이용해 종이에 라인을 드로잉하고, 드로잉된 흑연의 전기 저항 변화를 감지해 대상물의 물성 및 박리를 평가하는 연필을 이용한 저항센서, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 물성 및 박리 평가 장치에 관한 것이다.

현대의 재료는 주로 가볍고 견고한 특성을 요구하고 이에 발맞춰 발전해가고 있다. 그 중 금속보다 강하면서도 가벼운 FRP(Fiber Reinforcement plastic)가 이에 매우 부합하는 특성 때문에 세계적으로 연구, 개발되어지고 있다. 특히 자동차, 항공 분야에 FRP를 적용하여 더 가볍고 외부에 충격에 강한 자동차, 비행기를 제작하기 위해 많은 연구가 되어 지고 있다.

복합재료의 물성을 시험하면서 변위 등의 물성을 계측하기 위해서는 방사선을 이용한 방사선 투과법과 초음파를 이용한 초음파탐상법이 주로 이용되고 있으나, 상기 검사법 모두 고가의 장비가 요구되며, 검사시간이 길어지는 단점이 있다.

따라서 저비용으로 제작이 가능하도록 간단한 구성을 갖고, 신속하게 복합재료의 물성이나, 박리 특성을 평가하기 위한 장치의 개발이 요구되고 있다.

한국공개특허 제2013-0132195호(2013.12.04. 공개)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 복합재료의 물성 시험 시 사용되는 고가의 센서를 대체하기 위해 연필을 종이에 드로잉한 센서를 이용하여 복합재료의 물성 및 박리정도를 간편하게 상대적으로 평가할 수 있는 연필을 이용한 저항센서, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 물성 및 박리 평가 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 일실시 예에 따른 연필을 이용한 저항센서는, 판상의 몸체(110); 상기 몸체(110)의 일면에 형성된 전도성 재질의 센싱 라인(120); 및 일단이 상기 센싱 라인(120)의 양단부에 각각 전기적으로 연결되는 한 쌍의 연결 라인(130)을 포함한다.

이때, 상기 몸체(110)는 종이이고, 상기 센싱 라인(120)은 연필을 이용해 상기 종이에 드로잉한 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 센서는, 상기 센싱 라인에 상기 연결 라인을 고정시키기 위한 접착 부재를 더 포함하며, 상기 접착 부재를 통해 상기 센싱 라인과 연결 라인이 전기적으로 연결됨과 동시에 결합 고정된다.

본 발명의 일실시 예에 따른 연필을 이용한 저항센서를 포함하는 물성 및 박리 평가 센서는, 상술된 연필을 이용한 저항센서; 및 상기 연결 라인(130)의 타단에 각각 연결되어 상기 센싱 라인(120)의 저항 변화를 측정하는, 저항 측정 수단을 포함한다.

본 발명의 일실시 예에 따른 연필을 이용한 저항센서의 제조 방법은, 연필을 이용해 상기 몸체에 센싱 라인을 드로잉하는, 센싱 라인(120) 형성 단계; 및 접착 부재(150)를 이용하여 센싱 라인(120)에 연결 라인(140)을 고정하는 연결 라인(140) 접착 단계를 포함한다.

또한, 상기 제조 방법은, 상기 접착단계 이전에, 센싱 라인(120)의 양단에 접지층(130)을 형성하는 접지층 도포단계를 더 포함한다.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 연필을 이용한 저항센서, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 물성 및 박리 평가 장치는, 시중에서 쉽게 구할 수 있는 연필과 종이를 주재료로 하기 때문에 저렴한 비용으로 센서의 제조가 가능하여 수지 및 복합재료의 물성 평가를 위한 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

또한, 연필을 이용하여 종이에 라인을 그리는 동작만으로 센서의 제조가 가능하기 때문에 빠른 시간에 센서의 제작이 가능하고, 누구나 쉽게 제조가 가능하여 물성 평가를 위한 다양한 분야에서 활용이 가능할 것으로 기대된다.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 연필을 이용한 저항센서 평면도와, 이를 이용한 물성 및 박리 평가 장치 개략도
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 연필을 이용한 저항센서 정면도
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 연필을 이용한 저항센서 제조 방법에 대한 예시도
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 연필을 이용한 저항센서 제조 방법의 순서도
도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 연필을 이용한 저항센서를 이용한 충격 강도 시험 시 전기 저항의 변화를 나타낸 그래프
도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 연필을 이용한 저항센서를 이용한 복합재료의 굴곡강도 시험 시 전기저항의 변화를 나타낸 그래프가
도 7은 본 발명의 일실시 예에 따른 연필을 이용한 저항센서를 이용한 외력에 의한 전기저항 변화를 나타낸 그래프 및 각각의 변화에 대응되는 센싱 라인의 확대도

이하, 상기와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 연필을 이용한 저항센서(100, 이하 "저항센서") 및 이를 이용한 물성 및 박리 평가 장치(1000, 이하 "평가 장치")에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1에는 본 발명의 일실시 예에 따른 저항센서(100)의 평면도 및 평가 장치(1000)의 개략도가 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명의 일실시 예에 따른 저항센서(100)의 정면도가 도시되어 있다.

도시된 바와 같이 저항센서(100)는 몸체(110)와, 센싱 라인(120)과, 접지층(130, 도 2에만 도시)과, 연결 라인(140)과, 접착부재(150)를 포함하여 구성될 수 있다.

몸체(110)의 일면에는 센싱 라인(120)이 형성되며, 타면이 평가 대상물에 부착되어 대상물의 굴절이나 박리에 따른 센싱 라인(120)의 저항 변화를 통해 대상물의 물성이나 박리를 평가하게 된다. 몸체(110)는 통상의 종이 재질이 적용될 수 있다.

센싱 라인(120)은 소정의 폭과 길이를 갖는 전도성 재질의 라인형태로 이루어진다. 센싱 라인(120)은 몸체(110)의 변형에 따라 전기적 저항이 변하는 재질로 이루어지는 것이 바람직하고, 본 발명의 일실시 예에 따른 센싱 라인(120)은 그라파이트 재질로 이루어질 수 있다. 보다 바람직하게 센싱 라인(120)은 편의성을 위해 연필을 이용해 드로잉하여 형성될 수 있다. 센싱 라인(120)의 폭은 약 1mm, 길이는 약 20mm 로 이루어질 수 있다.

접지층(130)은 센싱 라인(120)의 양 단부에 도포 형성되며, 센싱 라인(120)의 양단에 전기적으로 연결되는 연결 라인(140)과 센싱 라인(120)의 전기적 연결성을 향상시키기 위해 구비된다. 접지층(130)은 일예로 은 재질의 실버페이스트가 적용될 수 있다. 다만, 접지층(130)을 실버페이스트로 한정하는 것은 아니며, 센싱 라인(120)과 연결 라인(140)의 전기적 연결성을 향상시키기 위한 구성이면, 어떠한 접지 수단도 적용될 수 있다.

연결 라인(140)은 센싱 라인(120)의 저항 변화를 감지하기 위한 저항 측정 장치와, 센싱 라인(120)을 연결하기 위한 선으로 연결 라인(140)은 일예로 구리선이 적용될 수 있다.

접착부재(150)는 센싱 라인(120)과 연결 라인(140)을 전기적으로 연결하면서도 견고하게 고정시키기 위한 구성으로 접착부재(150)는 시중에서 간단하게 구할 수 있는 에폭시 접착제가 적용될 수 있다. 다만, 접착부재(150)를 에폭시 접착제로 한정하는 것은 아니며, 센싱 라인(120)과 연결 라인(140)을 견고하게 고정시킬 수 있는 구성이면 어떠한 접착 수단도 적용될 수 있다.

상기와 같은 구성을 갖는 저항센서(100)는 한 쌍의 연결 라인(140)의 끝단을 각각 저항 측정 수단(200)에 연결함으로써 평가 장치(1000)를 구성할 수 있다.

위와 같은 평가 장치(1000)는, 저항센서(100)의 몸체(110)를 센싱 대상물에 부착하여 대상물의 물성이나 박리를 평가하게 된다. 보다 구체적으로 대상물의 변형이 몸체(110)에 전달되고, 몸체(110)의 센싱 라인(120)의 저항 변화가 저항 측정 수단(200)을 통해 모니터링 되어 대상물의 굴곡 강도에 따른 응력이나, 대상물의 박리에 따른 파단 정도를 감지할 수 있게 된다.

이하, 상기와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 연필을 이용한 저항센서(100, 이하 "저항센서")의 제조 방법에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3에는 본 발명의 일실시 예에 따른 저항센서(100)의 제조 방법에 대한 예시도가 도시되어 있고, 도 4에는 본 발명의 일실시 예에 따른 저항센서(100)의 제조 방법의 순서도가 도시되어 있다.

도시된 바와 같이 우선 몸체(110)로 쓰이는 종이를 준비하는 몸체(110) 준비 단계(S10)를 수행한다.

다음으로 종이의 일면에 연필(Pencil)을 이용하여 소정 길이를 드로잉하는 센싱 라인(120) 드로잉 단계(S20)를 수행한다. 센싱 라인(120)의 폭은 약 1mm, 길이는 약 20mm 로 이루어질 수 있으므로, 센싱 라인(120)의 폭에 상응하는 연필을 준비하거나, 두세 번 겹칠 하여 폭을 1mm 정도로 맞추어 20mm 길이로 드로잉하도록 한다. 연필에 있어서, 심이 너무 무르거나 너무 단단한 재질은 저항 변화가 너무 민감하거나, 너무 둔해질 수 있으므로, HB에서 4B 사이의 재질을 선택하는 것이 바람직하다.

다음으로 센싱 라인(120)의 양단에 접지층(130)을 형성하는 접지층 도포단계(S30)를 수행한다. 접지층(130, 도 2 참조)은 센싱 라인(120)과 연결 라인(140) 연결 시 전기적 접지력을 향상시키기 위한 구성으로 접지층(130)은 전기전도성이 우수한 페이스트 재질로 이루어질 수 있다. 일예로 실버 페이스트가 적용될 수 있다. 위 단계(S30)는 필수 단계는 아니며, 센싱 라인(120)과 연결 라인(140)을 견고하게 연결 및 고정시킬 수 있다면 제외될 수 있다.

다음으로 접착 부재(150)를 이용하여 센싱 라인(120)에 연결 라인(140)을 고정하는 연결 라인(140) 접착 단계(S40)를 수행한다. 위 단계(S40)는 센싱 라인(120)과 연결 라인(140)이 맞붙은 상태에서 견고하게 고정시키기 위한 단계로 접착 부재(150)는 주변에서 흔히 구할 수 있는 에폭시 접착제일 수 있다.

상기와 같은 구성을 갖는 센서(100)의 몸체(110)를 센싱 대상물에 부착한 상태에서 연결 라인(140)을 저항 측정 수단(미도시)에 연결하면, 대상물의 변형이 몸체(110)에 전달되고, 몸체(110)의 센싱 라인(120)의 저항 변화가 저항 측정 수단을 통해 모니터링 되어 대상물의 굴곡 강도에 따른 응력이나, 대상물의 박리에 따른 파단 정도를 감지할 수 있게 된다.

도 5에는 저항센서(100)를 이용한 충격 강도 시험 시 전기 저항의 변화를 나타낸 그래프가 도시되어 있다.

도 5a는 p-DCPD와 Epoxy의 충격강도를 비교한 그래프다. 이 그래프로 p-DCPD가 epoxy 보다 강한 충격강도를 가짐을 알 수 있다.

도 5b는 p-DCPD와 Epoxy를 이용하여 Izod 충격강도 실험을 진행하면서 연필센서의 전기저항변화를 나타낸 그래프이다. 빨간색 실선은 p-DCPD가 충격 시 변화되는 전기저항을 나타내고 검은색 실선은 Epoxy가 변화되는 전기저항을 나타낸다. 도 5a와 비교하여 충격강도가 강하면 전기저항의 변화도 크게 나타나는 것에 비교하여 충격강도가 약하면 전기 저항의 변화도 적은 것을 확인할 수 있었다.

도 6에는 센서(100)를 이용한 복합재료의 굴곡강도 시험 시 전기저항의 변화를 나타낸 그래프가 도시되어 있다.

도 6은 GF/Epoxy 복합재료 아래쪽에 센서(100)를 부착한 후 굴곡강도 실험을 진행하여 휨 정도에 따라 변화되는 굴곡 응력과 전기저항을 나타낸 그래프이다. 검정색 실선은 굴곡 응력을, 파란색 실선은 전기저항 변화를 타나낸다. 두 그래프를 비교하면 실험이 진행됨에 따라 복합재료가 휘는 정도가 증가하게 되는데 이에 부착된 센서(100)의 센싱 라인(110)의 흑연 간의 간격이 멀어져 전기저항은 계속해서 상승한다. stress 그래프에서 나타나는 변곡점은 전기저항 그래프에서도 발견할 수 있는데 이 변곡점은 복합재료의 층간 박리가 진행되어 나타난 형태이다. 이에 대해 전기저항으로 층간 박리의 여부를 관찰 할 수 있음을 확인할 수 있었다.

도 7에는 센서(100)를 이용한 외력에 의한 전기저항 변화를 나타낸 그래프 및 각각의 변화에 대응되는 센싱 라인(110)의 확대도가 도시되어 있다.

도 7은 수지 및 복합재료에 부착된 센서(100)가 물성 실험 시 외력에 의한 흑연 입자의 변화를 나타난 도식이다. 외력이 작용하면 종이에 부착되어 있던 연필의 흑연 입자가 본래의 위치에 벗어나서 이동하기 때문에 이에 따른 전기 전기저항 변화가 작용하였고 외력이 크면 흑연의 이동이 더 확연하기 진행되었다. 이후 외력이 계속 작용하여 종이가 파단 되면 연필 센서의 저항이 무한대로 측정된다. 이러한 연필 센서의 전기저항 변화가 수지 및 복합재료에 작용하는 외력을 판단할 수 있는 자료가 될 수 있음을 확인하였다.

본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.

1000 : 물성 및 박리 평가 장치
100 : 연필을 이용한 물성 및 박리 평가 센서
110 : 몸체
120 : 센싱 라인
130 : 접지층
140 : 연결 라인
150 : 접착 부재

Claims (6)

1. 판상의 몸체(110);
   상기 몸체(110)의 일면에 형성된 전도성 재질의 센싱 라인(120); 및
   일단이 상기 센싱 라인(120)의 양단부에 각각 전기적으로 연결되는 한 쌍의 연결 라인(130)을 포함하는, 연필을 이용한 저항센서.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 몸체(110)는 종이이고,
   상기 센싱 라인(120)은 연필을 이용해 상기 종이에 드로잉한 것을 특징으로 하는, 연필을 이용한 저항센서.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 센서는,
   상기 센싱 라인에 상기 연결 라인을 고정시키기 위한 접착 부재를 더 포함하며,
   상기 접착 부재를 통해 상기 센싱 라인과 연결 라인이 전기적으로 연결됨과 동시에 결합 고정되는, 연필을 이용한 저항센서.
   
   
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항의 연필을 이용한 저항센서; 및
   상기 연결 라인(130)의 타단에 각각 연결되어 상기 센싱 라인(120)의 저항 변화를 측정하는, 저항 측정 수단을 포함하는, 연필을 이용한 저항센서를 포함하는 물성 및 박리 평가 센서.
   
5. 연필을 이용한 저항센서의 제조 방법에 있어서,
   연필을 이용해 몸체에 센싱 라인을 드로잉하는, 센싱 라인(120) 형성 단계; 및
   접착 부재(150)를 이용하여 센싱 라인(120)에 연결 라인(140)을 고정하는 연결 라인(140) 접착 단계를 포함하는 연필을 이용한 물성 및 박리 평가 센서의 제조 방법.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 제조 방법은,
   상기 접착 단계 이전에,
   센싱 라인(120)의 양단에 접지층(130)을 형성하는 접지층 도포단계를 더 포함하는, 연필을 이용한 물성 및 박리 평가 센서의 제조 방법.

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