KR20210096980A - 아두이노 기반의 금속 부식속도 모니터링용 센서 - Google Patents

아두이노 기반의 금속 부식속도 모니터링용 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 아두이노 기반의 금속 부식속도 모니터링용 센서에 관한 것으로, 보다 구체적으로 아두이노(arduino)를 기반으로 하여 대기 환경에 노출된 금속의 전기화학적 임피던스(Impedance) 등을 실시간으로 측정하고, 이를 부식 속도로 변환시킴으로써 상기 대기 환경에서 노출된 금속의 부식을 실시간으로 예측하고 관리 가능한 모니터링 센서에 관한 것이다.

Description

아두이노 기반의 금속 부식속도 모니터링용 센서 {ARDUINO BASED SENSOR FOR METAL CORROSION RATE MONITORING}
본 발명은 아두이노 기반의 금속 부식속도 모니터링용 센서에 관한 것으로, 보다 구체적으로 아두이노(arduino)를 기반으로 하여 대기 환경에 노출된 금속의 전기화학적 임피던스(impedance) 등을 실시간으로 측정하고, 이를 부식 속도로 변환시킴으로써 상기 대기 환경에서 노출된 금속의 부식을 실시간으로 예측하고 관리 가능한 모니터링 센서에 관한 것이다.
부식(Corrosion)은 금속이 주위환경으로부터 전기화학적인 반응에 의해 발생되는 파괴 또는 수명 단축을 의미한다. 물과 산소가 풍부한 대기 환경 하에서 금속은 안정된 상태인 금속 산화물(oxides)로 돌아간다. 예를 들어, 철(Fe)의 경우에는 부식에 의한 산화반응으로 자연에서 존재하는 녹(Rust)으로 돌아간다.
대기부식(Atmospheric Corrosion)은 육안으로도 관찰할 수 있는 가장 일반적인 균일부식(Uniform Corrosion)의 한 예이다. 균일부식은 다른 부식과는 달리 국부적이지 않으므로 부식으로 인한 손상 예측이 가능하며, 설계과정에서 이를 고려할 수 있으므로 공학적인 측면에서 대응 가능하다고 볼 수 있다. 항공, 항만, 건축 등에서 금속재료의 대기부식 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
대기부식은 대기 중 존재하는 수분으로 금속 표면에 수 μm ~ 수백 μm의 수막을 형성하게 되어 부식이 발생한다고 볼 수 있다. 일반적으로 금속의 대기부식은 부동태를 형성하므로 부식속도는 매우 낮다. 하지만 상대습도, 강우, 대기오염, 대기 온도, 일사량 등에 의해서 부식속도가 현저하게 증가할 수 있다.
특히, 항공기와 교량을 포함한 각종 건축물은 이러한 대기부식을 예측하는 것이 중요하다고 할 수 있다. 미국 공군에서도 CPAB(Corrosion Prevent Advisory Board)의 조직을 운영하면서, 대기부식 환경을 분류하는 등의 부식관리를 위해 막대한 투자를 하고 있다.
종래의 경우, 이러한 환경인자들을 장기간동안 실제 환경에서 측정을 하여, 사후에 취득한 데이터를 통해서 대기부식환경을 분류하였다. 이는 부식이라는 큰 위험을 실시간으로 확인하지 못한다는 단점 때문에 실용성이 적은 문제점이 있다. 또한, 대개의 장비들은 해당 금속의 무게감량 또는 갈바닉 전류을 이용하여 부식속도만을 측정하는 방법이고, 이들은 대기 환경적인 인자(염화물, 황화물 등)를 고려하지 않고 있는 것이 실상이다.
따라서 전술한 문제점을 보완하기 위해 본 발명가들은 다양한 인자를 통해 실시간으로 금속 부식속도를 모니터링 할 수 있는 센서의 개발이 시급하다 인식하여, 본 발명을 완성하였다.
대한민국 등록특허공보 제10-1958403호 대한민국 등록특허공보 제10-1202387호
본 발명의 목적은 아두이노(arduino)를 기반으로 하여 대기 환경에 노출된 특정 금속의 전기화학적 임피던스(impedance)를 실시간으로 측정하고, 이를 부식 속도로 변환시킴으로써 상기 대기 환경에서 노출된 특정 금속의 부식을 실시간으로 예측하고 관리 가능한 모니터링 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 대기 환경에 노출된 금속의 표면 pH, Ag/AgCl 전극을 이용하여 측정된 염화이온의 농도 및 아두이노 모듈을 활용한 온도, 습도, UV 등의 대기부식 인자들을 실시간으로 측정함으로써 대기부식환경 분류가 가능한 모니터링 센서를 제공하는 것이다.
발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 아두이노(arduino) 기반의 금속 부식속도 모니터링용 센서를 제공한다.
이하, 본 명세서에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 교류 전압 인가를 통한 특정 금속의 임피던스(impedance)를 측정하기 위한 특정 금속 센서; Ag/AgCl 작업전극 및 Au 기준전극을 이용하여 상기 대기 중의 염화이온의 농도를 측정하기 위한 염화물 센서; 및 금속(Ir 또는 Ti 또는 W) 전극의 산화-환원 반응을 통한 상기 금속의 표면 pH를 측정하기 위한 pH 센서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 아두이노(arduino) 기반의 금속 부식속도 모니터링용 센서를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 아두이노 기반의 금속 부식속도 모니터링용 센서는 대기 환경의 UV를 측정하기 위한 아두이노 UV 모듈; 및 상기 대기 환경의 온도 및 습도를 측정하기 위한 아두이노 온습도 모듈;을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 임피던스 센서는 상기 금속에 10 kHz 에서 10 mHz 사이의 교류 전압을 인가하여 임피던스 분광법(Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)을 통해 상기 금속의 임피던스(impedance)를 측정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 염화물 센서는 Au 기준전극에 대한 Ag/AgCl 작업전극의 전위차를 측정하여 상기 대기 중의 염화이온의 농도를 측정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 pH 센서의 금속 전극은 이리듐(Ir), 티타늄(Ti) 또는 텅스텐(W)으로 제작이 가능한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 아두이노(arduino) 기반의 금속 부식속도 모니터링용 센서는 목적 금속의 임피던스와 그에 따른 부식 속도가 실시간으로 확인 가능하며, 측정되는 다양한 부식 환경인자들을 통해 부식 환경을 분류할 수 있다.
또한, 본 발명의 아두이노 기반의 금속 부식속도 모니터링용 센서는 부식에 대한 위험이 존재하는 구조물을 실시간으로 감시할 수 있으며, 구조 건전성뿐만 아니라 다양한 산업에서 경제적인 효과에 큰 기여할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 아두이노(arduino) 기반의 금속 부식속도 모니터링용 센서의 대략적인 구성도이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
수치 범위는 상기 범위에 정의된 수치를 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 최대의 수치 제한은 낮은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼 모든 더 낮은 수치 제한을 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 최소의 수치 제한은 더 높은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼 모든 더 높은 수치 제한을 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 수치 제한은 더 좁은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼, 더 넓은 수치 범위 내의 더 좋은 모든 수치 범위를 포함할 것이다.
이하, 본 발명의 실시예를 상세히 기술하나, 하기 실시예에 의해 본 발명이 한정되지 아니함은 자명하다.
아두이노(arduino) 기반의 금속 부식속도 모니터링용 센서
본 발명은 교류 전압 인가를 통한 금속의 임피던스(impedance)를 측정하기 위한 임피던스 센서; Au 기준전극에 대한 Ag/AgCl 전극의 전위차를 측정하여 상기 대기 중의 염화이온의 농도를 측정하기 위한 염화물 센서; 및 금속 전극(Ir 또는 Ti 또는 W) 의 산화 환원 반응을 통한 상기 금속의 표면 pH를 측정하기 위한 pH 센서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 아두이노(arduino) 기반의 금속 부식속도 모니터링용 센서를 제공한다.
또한, 상기 아두이노 기반의 금속 부식속도 모니터링용 센서는 대기 환경의 UV를 측정하기 위한 아두이노 UV 모듈; 및 상기 대기 환경의 온도 및 습도를 측정하기 위한 아두이노 온습도 모듈;을 추가적으로 포함할 수 있다.
상기 아두이노는 오픈 소스를 지향하는 마이크로 컨트롤러(micro controller)를 내장한 기기 제어용 시스템을 의미한다.
상기 임피던스 센서는 상기 금속에 10 kHz 에서 10 mHz 사이의 교류 전압을 인가하여 임피던스 분광법(Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)을 통해 상기 금속의 임피던스(impedance)를 측정할 수 있다.
상기 인가된 교류 전압으로부터 상기 금속의 임피던스를 측정하고, 이를 이용하여 금속의 부식 속도를 산출할 수 있다.
상기 임피던스는 매질에서 파동의 진행이나 도선에서 전기적 흐름을 방해하는 정도를 나타내는 척도를 의미한다.
상기 임피던스 분광법은 주파수가 다른 미소한 교류 신호를 부여하여 상기 임피던스를 계측하는 방법을 의미한다.
상기 염화물 센서는 상기 Au 기준전극에 대한 Ag/AgCl 전극의 전위차를 측정함으로써 상기 대기 중의 염화이온의 농도를 측정할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 Ag/AgCl 전극은 상기 Au 기준전극에 대하여 염화이온의 농도가 달라짐에 따라 전위가 달라진다. 이러한 변화를 상기 대기 중의 염화이온의 농도로 환산할 수 있다.
상기 pH 센서의 금속 전극의 환원 반응을 통한 상기 금속의 표면 pH를 측정할 수 있다.
상기 금속 전극은 티타늄(Ti), 이리듐(Ir) 또는 텅스텐(W)일 수 있다.
본 발명의 아두이노(arduino) 기반의 금속 부식속도 모니터링용 센서는 금속의 임피던스와 그에 따른 부식 속도가 실시간으로 확인 가능하며, 측정되는 다양한 부식 환경인자들을 통해 부식 환경을 분류할 수 있다.
또한, 본 발명의 아두이노 기반의 금속 부식속도 모니터링용 센서는 부식에 대한 위험이 존재하는 구조물을 실시간으로 감시할 수 있으며, 구조 건전성뿐만 아니라 다양한 산업에서 경제적인 효과에 큰 기여할 수 있다.
이상 설명으로부터, 본 발명에 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이와 관련하여, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다.

Claims (5)

  1. 교류 전압 인가를 통한 특정 금속의 임피던스(impedance)를 측정하기 위한 임피던스 센서;
    Au전극과 Ag/AgCl 전극을 이용하여 상기 대기 중의 염화이온의 농도를 측정하기 위한 염화물 센서; 및
    금속 전극의 산화 환원 반응을 통한 상기 금속의 표면 pH를 측정하기 위한 pH 센서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 아두이노(arduino) 기반의 금속 부식속도 모니터링용 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 아두이노 기반의 금속 부식속도 모니터링용 센서는
    대기 환경의 UV를 측정하기 위한 아두이노 UV 모듈; 및
    상기 대기 환경의 온도 및 습도를 측정하기 위한 아두이노 온습도 모듈;을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 아두이노 기반의 금속 부식속도 모니터링용 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 임피던스 센서는,
    상기 금속에 10 kHz 에서 10 mHz 사이의 교류 전압을 인가하여 임피던스 분광법(Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)을 통해 상기 금속의 임피던스(impedance)를 측정하는 것을 특징으로 하는 아두이노 기반의 금속 부식속도 모니터링용 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 염화물 센서는,
    상기 Ag/AgCl 전극은 상기 Au 기준전극에 대한 전위차를 측정함으로써 상기 대기 중의 염화이온의 농도를 측정하는 것을 특징으로 하는 아두이노 기반의 금속 부식속도 모니터링용 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 pH 센서의 금속 전극은 티타늄(Ti), 이리듐(Ir) 또는 텅스텐(W)인 것을 특징으로 하는 아두이노 기반의 금속 부식속도 모니터링용 센서.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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