KR20200051297A

KR20200051297A - 비전도성 복합재의 토우 스케일 센서 및 이를 이용한 손상 감지 방법

Info

Publication number: KR20200051297A
Application number: KR1020180134478A
Authority: KR
Inventors: 박영빈; 이인용
Original assignee: 울산과학기술원
Priority date: 2018-11-05
Filing date: 2018-11-05
Publication date: 2020-05-13
Also published as: KR102141909B1

Abstract

본 발명에 따른 비전도성 복합재의 토우 스케일 센서는, 탄소섬유 토우 가닥을 이용하여 층간 분리나 크랙 등 손상을 미리 예측하거나 손상을 감지할 수 있으므로, 구조가 매우 간단하면서도 센싱이 유리한 이점이 있다. 또한, 탄소섬유 토우 가닥을 이용하는 것이므로, 비전도성 복합재의 제조시 내부에 함께 삽입하여 제조가 가능하기 때문에, 풍력 발전기용 블레이나 항공기에 적용이 용이한 이점이 있다.

Description

비전도성 복합재의 토우 스케일 센서 및 이를 이용한 손상 감지 방법{Tow scale sensor in nonconductive composites and detecting method of failure using the same}

본 발명은 비전도성 복합재의 토우 스케일 센서 및 이를 이용한 손상 감지 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 비전도성 복합재에 섬유 토우를 배치하고 저항 변화를 측정하여, 크랙(crack)과 박리(delamination)를 구분하여 감지할 수 있는 비전도성 복합재의 토우 스케일 센서 및 이를 이용한 손상 감지 방법에 관한 것이다.

최근에는 유리 섬유 복합재 등 비전도성 복합재를 고강도, 고강성의 경량 구조재로서 항공기, 자동차, 구조물 등 다양한 분야에 활발하게 이용하고 있다. 비전도성 복합재는 비행기, 자동차, 구조물 등과 같이 높은 안정성이 요구되는 구조체에 적용되기 때문에, 손상을 검출할 수 있는 기술에 대한 관심이 증대되고 있다.

따라서, 비전도성 복합재로 형성된 제품의 변형이나 손상을 측정할 수 있는 센서 등을 추가적으로 설치하여 검사하고자 하는 특정 부분의 검사를 실시하거나, 음향 센서 등 검사 장비를 통해 스캔 하거나, 육안 등으로 손상 여부를 판단하였다.

그러나, 센서를 추가 설치하는 경우 비용이 많이 드는 문제점이 있을 뿐만 아니라, 검사 대상이 되는 부분이 매우 광범위하므로 센서의 설치에는 한계가 있다. 또한, 검사 장비를 이용하거나 육안으로 검사할 경우 이미 파손이나 손상이 발생된 이후에서야 확인이 가능하기 때문에 안전성 확보에 문제점이 있다.

한국등록특허 10-0682574호

본 발명의 목적은, 크랙과 박리를 구분하여 진단할 수 있는 비전도성 복합재의 토우 스케일 센서 및 이를 이용한 손상 감지 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명에 따른 비전도성 복합재의 토우 스케일 센서는, 복수의 비전도성 섬유 플라이들이 복수의 층들로 적층되어 형성된 비전도성 복합재에 구비되고, 상기 복수의 비전도성 섬유 플라이들 중 어느 하나의 제1비전도성 섬유 플라이 위에 길게 배치된 제1탄소섬유 토우(tow)와; 적어도 일부분이 상기 비전도성 섬유 플라이들을 적층 방향을 따라 관통하여 상기 비전도성 복합재의 두께 방향으로 길게 배치된 제2탄소섬유 토우와; 상기 제1탄소섬유 토우의 양단에 연결된 한 쌍의 제1전극과; 상기 제2탄소섬유 토우의 양단에 연결된 한 쌍의 제2전극과; 상기 제1전극들의 저항값과 상기 제2전극들의 저항값을 측정하는 저항 측정기와; 상기 제1전극에서 측정된 제1저항 변화율과 상기 제2전극에서 측정된 제2저항 변화의 차이에 따라 상기 비전도성 복합재의 층간 분리와 크랙을 구분하여 판단하는 컴퓨터를 포함한다.

본 발명에 따른 비전도성 복합재의 토우 스케일 센서를 이용한 손상 감지 방법은, 복수의 비전도성 섬유 플라이들이 복수의 층들로 적층된 비전도성 복합재에서, 상기 복수의 비전도성 섬유 플라이들 중 어느 하나의 제1비전도성 섬유 플라이 위에 길게 배치된 제1탄소섬유 토우의 양단에 제1전극을 연결하고, 적어도 일부분이 상기 복수의 비전도성 섬유 플라이들을 관통하여 상기 비전도성 복합재의 두께 방향으로 길게 배치된 제2탄소섬유 토우의 양단에 제2전극을 연결하는 단계와; 상기 제1전극에서 측정된 제1저항 변화율과 상기 제2전극에서 측정된 제2저항 변화율의 차이에 따라 상기 비전도성 복합재의 층간 분리와 크랙을 구분하여 판단하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 비전도성 복합재의 토우 스케일 센서는, 탄소섬유 토우 가닥을 이용하여 층간 분리나 크랙 등 손상을 미리 예측하거나 손상을 감지할 수 있으므로, 구조가 매우 간단하면서도 센싱이 유리한 이점이 있다.

또한, 탄소섬유 토우 가닥을 이용하는 것이므로, 비전도성 복합재의 제조시 내부에 함께 삽입하여 제조가 가능하기 때문에, 풍력 발전기용 블레이드나 항공기에 적용이 용이한 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 토우 스케일 센서가 적용된 비전도성 복합재의 일 예를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 토우 스케일 센서가 적용된 비전도성 복합재의 다른 예를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 제1탄소섬유 토우의 저항 변화와 제2탄소섬유 토우의 저항 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 제1탄소섬유 토우의 저항 변화율과 제2탄소섬유 토우의 저항 변화율을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 제1탄소섬유 토우의 저항 변화율과 제2탄소섬유 토우의 저항 변화율의 차이를 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 토우 스케일 센서가 적용된 비전도성 복합재의 일 예를 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 토우 스케일 센서가 적용된 비전도성 복합재는, 복수의 비전도성 섬유 플라이들(10)이 복수의 층들로 적층되어 형성된 복합재이다.

본 실시예에서는, 상기 비전도성 섬유 플라이(ply)(10)는, 유리 섬유(glass fiber)로 형성된 것으로 예를 들어 설명한다.

상기 토우 스케일 센서(Tow scale sensor)는, 제1탄소섬유 토우(21), 제2탄소섬유 토우(22), 제1전극(31), 제2전극(32), 저항 측정기(미도시) 및 컴퓨터(미도시)를 포함한다.

상기 제1탄소섬유 토우(21)는, 복수의 탄소섬유들이 꼬아져서 한 가닥으로 형성된 토우(tow)이다.

상기 제1탄소섬유 토우(21)는 상기 복수의 비전도성 섬유 플라이들(10) 중에서 어느 하나의 제1비전도성 섬유 플라이(11) 위에 길게 배치된다.

상기 제1탄소섬유 토우(21)는, 상기 복수의 비전도성 섬유 플라이들(10)을 적층할 때 상기 제1비전도성 섬유 플라이(11)위에 일직선으로 길게 배치된다.

상기 제1비전도성 섬유 플라이(11)는, 상기 복수의 비전도성 섬유 플라이들(10) 중에서 최하층에 위치되는 것으로서, 상기 제1탄소섬유 토우(21)는 최하층 위에 배치된 것으로 예를 들어 설명한다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 제1탄소섬유 토우(21)는 최상층 아래에 배치되는 것도 물론 가능하다.

상기 제2탄소섬유 토우(22)는, 복수의 탄소섬유들이 꼬아져서 한 가닥으로 형성된 토우(tow)이다. 상기 제2탄소섬유 토우(22)의 직경은 상기 제1탄소섬유 토우(21)와 동일한 것을 사용한다.

상기 제2탄소섬유 토우(22)는, 적어도 일부분이 상기 비전도성 섬유 플라이들(10)을 적층방향을 따라 관통하여 상기 비전도성 복합재(10)의 두께 방향으로 길게 배치된다.

즉, 상기 제2탄소섬유 토우(22)는, 상기 제1비전도성 섬유 플라이(11)위에 배치된 제1부분(22a)과, 상기 제1부분(22a)에서 절곡되어 상기 비전도성 섬유 플라이들(10)을 상기 두께 방향(Y)으로 관통하는 제2부분(22b)과, 상기 제2부분(22b)에서 절곡되어 상기 비전도성 섬유 플라이들(10) 중 다른 하나의 제2비전도성 섬유 플라이(12)위에 길게 배치된 제3부분(22c)을 포함한다.

상기 제2탄소섬유 토우(22)는, 상기 비전도성 섬유 플라이들(10)의 적층시 상기 비전도성 섬유 플라이들(10)에 미리 설정된 위치에 상기 제2부분(22a)이 통과하도록 관통홀을 형성한 후, 상기 제2부분(22a)을 끼워 넣을 수 있다.

본 실시예에서는, 상기 비전도성 섬유 플라이들(10)이 7개가 적층되고, 상기 제2탄소섬유 토우(22)의 제2부분(22b)은 상기 비전도성 섬유 플라이들(10) 중 최상층과 최하층을 제외한 나머지 층들을 모두 관통하도록 배치된 것으로 예를 들어 설명한다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 제2탄소섬유 토우(22)는 적어도 2개 이상의 층을 관통할 수 있으며, 상기 제2탄소섬유 토우(22)는 복수개가 구비되어 각각 서로 다른 층들을 관통하는 것도 가능하다.

도 1b를 참조하면, 상기 제2탄소섬유 토우(22)의 제1부분(22a)과 상기 제1탄소섬유 토우(21)는 상기 제1비전도성 섬유 플라이(11)위에 배치되나, 상기 제2탄소섬유 토우(22)의 제1부분(22a)과 상기 제1탄소섬유 토우(21)는 서로 소정간격(d)으로 이격되어 평행하게 배치된다.

다만, 이에 한정되지 않고, 도 1c를 참조하면, 상기 제2탄소섬유 토우(22)의 제1부분(22a)과 상기 제1탄소섬유 토우(21)는 상기 제1비전도성 섬유 플라이(11)위에서 서로 이격되지 않고 같은 위치에 겹치게 배치되는 것도 물론 가능하다.

상기 제1전극(31)은, 상기 제1탄소섬유 토우(21)의 양단에 연결된 한 쌍의 전극이다.

상기 제2전극(32)은, 상기 제2탄소섬유 토우(22)의 양단에 연결된 한 쌍의 전극이다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 비전도성 복합재의 두께가 미리 설정된 설정 두께 이상이면, 상기 제2부분(22b)의 양단에 한 쌍의 제3전극(미도시)을 추가로 연결하는 것도 가능하다.

상기 저항 측정기(미도시)는, 상기 제1전극들(31)의 저항값(R1)과, 상기 제2전극들(32)의 저항값(R2)을 각각 측정하는 멀티미터(Multimeter)가 사용된다.

상기 컴퓨터(미도시)는, 상기 제1전극들(31)에서 측정된 제1저항 변화율(△R1/R1)과, 상기 제2전극들(32)에서 측정된 제2저항 변화율(△R2/R2)의 차이(D)를 미리 저장된 데이터와 비교하고, 상기 차이(D)에 따라 상기 비전도성 복합재의 층간 분리(delamination)과 크랙(crack)을 구분하여 판단한다.

상기 데이터는, 상기 토우 스케일 센서를 포함한 비전도성 복합재 시편에 3점 밴딩(3 point bending) 시험을 실시하여, 상기 비전도성 복합재의 변형에 따른 상기 제1저항 변화율(△R1/R1)과 상기 제2저항 변화율(△R2/R2)의 차이(D)를 구축한 것이다.

상기 비전도성 복합재 시편의 제조시, 복수의 비전도성 섬유 플라이들 중 2개의 플라이들 사이에 층간 분리용 테이프를 끼운 후 수지를 함침하여 제조하고, 이후 상기 층간 분리용 테이프를 빼내어서 인위적으로 층간 분리를 만들 수 있다. 따라서, 층간 분리시 나타나는 상기 제1저항 변화율(△R1/R1)과 상기 제2저항 변화율(△R2/R2)의 차이(D)를 데이터로 구축하여, 상기 차이(D)에 따른 손상 변화를 예측할 수 있다.

상기와 같이 구성된 토우 스케일 센서를 포함하는 비전도성 복합재는, 풍력 발전기용 블레이드나 항공기 등에 적용할 수 있다.

상기 토우 스케일 센서는 탄소섬유 토우 한 가닥을 이용하는 것이므로, 구조가 매우 간단하고, 비전도성 복합재의 제조시 내부에 포함시켜 제조가 가능하기 때문에, 제조 및 손상 검지가 용이한 이점이 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 토우 스케일 센서를 포함하는 비전도성 복합재의 손상 감지 방법을 설명하면 다음과 같다.

상기 비전도성 복합재의 제조시, 상기 비전도성 섬유 플라이들을 적층시 상기 제1탄소섬유 토우(21)와 상기 제2탄소섬유 토우(22)를 각각 삽입하여 배치하고, 수지에 함침시켜 상기 토우 스케일 센서를 포함시켜 제조한다.

이후, 상기 제1탄소섬유 토우(21)의 양단에 한 쌍의 상기 제1전극들(31)을 연결하고, 상기 제2탄소섬유 토우(22)의 양단에 한 쌍의 제2전극들(32)을 연결한다.

상기 제1전극(31)에서 측정된 상기 제1저항 변화율(△R1/R1)과 상기 제2전극(32)에서 측정된 상기 제2저항 변화율(△R2/R2)의 차이(D)를 미리 저장된 데이터와 비교하여, 상기 차이(D)에 따른 손상을 예측하거나 판단할 수 있다.

상기 제1저항 변화율(△R1/R1)에서 상기 제2저항 변화율(△R2/R2)을 뺀 값인 상기 차이(D)가 미리 설정된 제1설정값 미만이면, 상기 층간 분리, 즉 박리가 발생하였다고 판단한다.

여기서, 상기 제1설정값은 0이다. 즉, 상기 차이(D)가 음수이면, 상기 층간 분리가 발생하였다고 판단할 수 있다.

도 3을 참조하면, 상기 층간 분리가 발생하는 시점(t1)에 상기 제2탄소섬유 토우(22)의 양단에서 측정되는 상기 제2전극(32)의 저항(R2)이 증가하는 것을 알 수 있다.

따라서, 상기 층간 분리가 발생하는 시점(t1)에 상기 제1전극(31)에서 측정된 저항(R1)과 상기 제2전극(32)에서 측정된 저항(R2)의 차이가 커지는 것을 알 수 있다.

또한, 도 4를 참조하면, 상기 층간 분리가 발생하는 시점(t1)에 상기 제2저항 변화율(△R2/R2)이 증가하는 것을 알 수 있다. 따라서, 상기 제1저항 변화율(△R1/R1)과 상기 제2저항 변화율(△R2/R2)의 차이(D)가 커지게 된다.

따라서, 도 5를 참조하면, 상기 차이(D)가 음수가 되면, 상기 층간 분리가 발생하였다고 판단할 수 있다.

도 5의 A는 상기 층간 분리의 발생시 상기 제1저항 변화율(△R1/R1)과 상기 제2저항 변화율(△R2/R2)의 차이(D) 거동을 나타낸다.

도 5의 B는 층간 분리가 극대화되는 시점을 나타내며, 상기 제1저항 변화율(△R1/R1)과 상기 제2저항 변화율(△R2/R2)의 차이(D)가 음수에서 양수로 변하면, 상기 층간 분리가 심해지면서 크랙이 발생한다고 판단할 수 있다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 층간 분리가 발생한 이후 상기 크랙이 발생하는 시점(t2)에는 상기 제1탄소섬유 토우(21)의 양단에서 측정되는 상기 제1전극(31)의 저항(R1)은 증가하나, 상기 제2탄소섬유 토우(22)의 양단에서 측정되는 상기 제2전극(32)의 저항(R2)은 거의 변화가 없는 것을 알 수 있다.

따라서, 상기 크랙이 발생하는 시점(t2)에는 상기 제1저항 변화율(△R1/R1)과 상기 제2저항 변화율(△R2/R2)의 차이(D)가 음수에서 양수로 변하는 것을 알 수 있다.

또한, 도 5의 C는 영구적인 파손이 일어나면서 층간분리보다는 크랙으로 인한 저항 변화율이 크게 변하기 시작하는 부분이다.

상기와 같이, 상기 층간 분리 또는 상기 크랙의 발생시 상기 제1저항 변화율(△R1/R1)과 상기 제2저항 변화율(△R2/R2)의 차이(D)의 거동을 알 수 있으므로, 상기 제1저항 변화율(△R1/R1)과 상기 제2저항 변화율(△R2/R2)을 측정하고, 그 차이(D)의 거동을 통해 상기 비전도성 복합재의 내부에서 일어나는 손상을 미리 예측하거나 손상 발생을 감지할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

10: 비전도성 섬유 플라이 21: 제1탄소섬유 토우
22: 제2탄소섬유 토우 31: 제1전극
32: 제2전극

Claims

복수의 비전도성 섬유 플라이들이 복수의 층들로 적층되어 형성된 비전도성 복합재에 구비되고,
상기 복수의 비전도성 섬유 플라이들 중 어느 하나의 제1비전도성 섬유 플라이 위에 길게 배치된 제1탄소섬유 토우(tow)와;
적어도 일부분이 상기 비전도성 섬유 플라이들을 적층 방향을 따라 관통하여 상기 비전도성 복합재의 두께 방향으로 길게 배치된 제2탄소섬유 토우와;
상기 제1탄소섬유 토우의 양단에 연결된 한 쌍의 제1전극과;
상기 제2탄소섬유 토우의 양단에 연결된 한 쌍의 제2전극과;
상기 제1전극들의 저항값과 상기 제2전극들의 저항값을 측정하는 저항 측정기와;
상기 제1전극에서 측정된 제1저항 변화율과 상기 제2전극에서 측정된 제2저항 변화의 차이에 따라 상기 비전도성 복합재의 층간 분리와 크랙을 구분하여 판단하는 컴퓨터를 포함하는 비전도성 복합재의 토우 스케일 센서.
청구항 1에 있어서,
상기 제2탄소섬유 토우는,
상기 제1비전도성 섬유 플라이 위에 배치된 제1부분과,
상기 제1부분에서 절곡되어 상기 비전도성 섬유 플라이들을 상기 두께 방향으로 관통하는 제2부분과,
상기 제2부분에서 절곡되어 상기 복수의 비전도성 섬유 플라이들 중 다른 하나의 제2비전도성 섬유 플라이 위에 길게 배치된 제3부분을 포함하는 비전도성 복합재의 토우 스케일 센서.
청구항 2에 있어서,
상기 제2탄소섬유 토우는,
상기 제1부분이 상기 제1비전도성 섬유 플라이 위에서 상기 제2탄소섬유 토우와 소정간격 이격되어 평행하게 배치된 비전도성 복합재의 토우 스케일 센서.
청구항 2에 있어서,
상기 제2탄소섬유 토우는,
상기 제2부분이 상기 비전도성 섬유 플라이들 중 적어도 2개 이상을 관통하도록 구비된 비전도성 복합재의 토우 스케일 센서.
청구항 1에 있어서,
상기 비전도성 복합재의 두께가 미리 설정된 설정 두께 이상이면,
상기 제2부분의 양단에 연결된 한 쌍의 제3전극을 더 포함하는 비전도성 복합재의 토우 스케일 센서.
청구항 1에 있어서,
상기 제1탄소섬유 토우는,
상기 복수의 비전도성 섬유 플라이들 중 최하층에 위치한 상기 제1비전도성 섬유 플라이 위에 배치되는 비전도성 복합재의 토우 스케일 센서.
복수의 비전도성 섬유 플라이들이 복수의 층들로 적층된 비전도성 복합재에서, 상기 복수의 비전도성 섬유 플라이들 중 어느 하나의 제1비전도성 섬유 플라이 위에 길게 배치된 제1탄소섬유 토우의 양단에 제1전극을 연결하고, 적어도 일부분이 상기 복수의 비전도성 섬유 플라이들을 관통하여 상기 비전도성 복합재의 두께 방향으로 길게 배치된 제2탄소섬유 토우의 양단에 제2전극을 연결하는 단계와;
상기 제1전극에서 측정된 제1저항 변화율과 상기 제2전극에서 측정된 제2저항 변화율의 차이에 따라 상기 비전도성 복합재의 층간 분리와 크랙을 구분하여 판단하는 단계를 포함하는 비전도성 복합재의 토우 스케일 센서를 이용한 손상 감지 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 제1저항 변화율에서 상기 제2저항 변화율을 뺀 값이 음수이면, 상기 층간 분리가 발생하였다고 판단하는 비전도성 복합재의 토우 스케일 센서를 이용한 손상 감지 방법.
청구항 8에 있어서,
상기 제1저항 변화율에서 상기 제2저항 변화율을 뺀 값이 음수에서 양수로 변하면, 상기 크랙 발생이 시작되었다고 판단하는 비전도성 복합재의 토우 스케일 센서를 이용한 손상 감지 방법.