KR20230037312A - Piezocomposite damage detecting sensor and non-destructive inspection apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 압전 복합체 손상 탐지 센서 및 비파괴 검사 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고신뢰성의 안정한 압전 복합체 손상 탐지 센서 및 비파괴 검사 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a piezoelectric composite damage detection sensor and a non-destructive testing device, and more particularly, to a highly reliable and stable piezoelectric composite damage detection sensor and a non-destructive testing device.
종래의 비파괴 검사 기술은 구조물 표면의 국부적인 위치의 손상만을 검사할 수 있었으나, 최근의 비파괴 검사 기술은, 예를 들어, 초음파 두께 탐지 등을 이용하여 구조물의 건전성 상태를 평가하여, 그 구조물의 잔류 수명을 예측할 수 있도록 도와줄 수 있고, 기존의 스케줄에 따른 검사(Schedule-driven inspections)가 아닌 조건 기반의 유지보수(Condition-based maintanece)가 가능할 수 있다.Conventional non-destructive testing techniques were able to inspect only localized damage on the surface of a structure, but recent non-destructive testing techniques evaluate the integrity of a structure using, for example, ultrasonic thickness detection, and the residual of the structure. It can help predict lifespan, and condition-based maintenance rather than conventional schedule-driven inspections can be possible.
이러한, 비파괴 검사 기술은 관련 센서 기술과 밀접한 관계가 있다. 센서는 구조물을 모니터링하고, 안전성과 건전성을 평가하기 위한 기본적인 도구로 사용되고 있다. 각종 센서 개발 및 센싱 기술은 현대의 모든 산업과 연구 분야에 사용되는 핵심 기술로서 구조물의 건전성 및 손상 탐지 분야에 적극적으로 활용되고 있으며, 비파괴검사 기술의 발전을 위해서는 새롭고 효율적인 센서의 개발이 병행되어야 한다.These non-destructive inspection technologies are closely related to related sensor technologies. Sensors are used as basic tools for monitoring structures and assessing their safety and health. Various sensor development and sensing technology are core technologies used in all modern industries and research fields, and are actively used in the field of soundness and damage detection of structures. In order to develop non-destructive testing technology, the development of new and efficient sensors must be carried out in parallel. .
이에, 최근의 요구 사항을 반영하여 Lamb wave와 같은 Guided wave를 활용한 비파괴 검사 기술이 크게 주목받고 있다. Lamb wave는 얇은 벽으로 이루어진 구조물 내에서 먼 거리까지 전파가 가능한 탄성파이다. Lamb wave 사용시 기존에 비하여 손상 탐지에 필요한 센서의 수를 대폭 줄일 수 있으며, 특히 압전 세라믹을 활용한 센서는 소형, 경량, 저가격, 다양한 형상 등의 장점과 함께 구조물 건전성 모니터링, 손상 탐지, 비파괴 검사 등에 유용한 기술로 부각되고 있다.Accordingly, non-destructive inspection technology using a guided wave such as a lamb wave is attracting great attention by reflecting the recent requirements. A lamb wave is an elastic wave that can propagate a long distance within a thin-walled structure. When using a lamb wave, the number of sensors required for damage detection can be significantly reduced compared to conventional ones. In particular, sensors using piezoelectric ceramics have advantages such as small size, light weight, low price, and various shapes, as well as structural integrity monitoring, damage detection, and non-destructive inspection. It is emerging as a useful technique.
Lamb wave를 포함한 초음파 방식 비파괴 검사에서는 주로 디스크 형상의 압전 세라믹을 활용한 트랜스듀서와 센서가 사용되고 있다. 이러한, 압전 세라믹을 이용한 비파괴 검사에는 대표적으로 파동의 전파, 주파수 응답특성, 임피던스 변화를 활용하는 방법 등이 있다. In ultrasonic non-destructive testing including Lamb wave, transducers and sensors using disc-shaped piezoelectric ceramics are mainly used. Such non-destructive testing using piezoelectric ceramics typically includes a method of utilizing wave propagation, frequency response characteristics, and impedance change.
그러나 압전 세라믹은 세라믹이 가지는 전형적인 특성인 높은 취성으로 인하여 외부의 큰 충격으로 깨지기 쉽다는 문제점이 발생할 수 있다. 따라서, 압전센서에 사용되는 압전 세라믹의 높은 취성 문제를 해결하는 기술이 요구된다.However, due to high brittleness, which is a typical characteristic of ceramics, piezoelectric ceramics may cause a problem in that they are easily broken by a large external impact. Therefore, a technique for solving the problem of high brittleness of piezoelectric ceramics used in piezoelectric sensors is required.
또한, 손상을 탐지하고자 하는 구조물은 운용 수명 기간에 발생한 피로 손상, 환경 손상, 낙뢰, 우박, 조류 및 외부 물질에 의한 사고로 인해 손상을 입을 수 있다. 이러한 손상은 구조물의 건정성에 치명적인 영향을 주는 문제점이 있다. 따라서, 낙뢰를 포함하는 극한 환경에서 안정적인 성능을 유지할 수 있는 기술도 필요하다.In addition, the structure for which damage is to be detected may be damaged due to fatigue damage, environmental damage, accidents caused by lightning, hail, algae, and external objects occurring during its operating life. This damage has a problem that has a fatal effect on the soundness of the structure. Therefore, a technology capable of maintaining stable performance in extreme environments including lightning strikes is also required.
본 발명은 고신뢰성의 안정한 압전 복합체 손상 탐지 센서 및 비파괴 검사 장치를 제공한다.The present invention provides a highly reliable and stable piezoelectric composite damage detection sensor and a non-destructive testing device.
본 발명의 일실시예에 따른 압전 복합체 손상 탐지 센서는 복수의 압전소자; 상기 복수의 압전소자 각각을 이격되도록 수용하는 기지부; 및 상기 기지부와 상기 복수의 압전소자를 지지하는 지지필름;을 포함하고, 상기 지지필름은, 상기 기지부와 상기 복수의 압전소자의 상에 제공되는 제1 절연층; 상기 제1 절연층의 상에 형성되는 회로패턴층; 및 상기 회로패턴층의 상에 제공되어, 상기 회로패턴층을 보호하는 제2 절연층;을 포함할 수 있다.A piezoelectric composite damage detection sensor according to an embodiment of the present invention includes a plurality of piezoelectric elements; a base portion accommodating each of the plurality of piezoelectric elements so as to be spaced apart from each other; and a support film supporting the base and the plurality of piezoelectric elements, wherein the support film includes: a first insulating layer provided on the base and the plurality of piezoelectric elements; a circuit pattern layer formed on the first insulating layer; and a second insulating layer provided on the circuit pattern layer to protect the circuit pattern layer.
상기 복수의 압전소자는, 각각 펠렛 형상으로 제공되며 세라믹 물질로 이루어진 압전 세라믹스이고, 상기 기지부는 판상일 수 있다.Each of the plurality of piezoelectric elements is provided in a pellet shape and is a piezoelectric ceramic made of a ceramic material, and the base portion may be plate-shaped.
상기 기지부는, 상기 지지필름보다 높은 탄성률을 나타내고, 상기 압전소자보다 낮은 탄성률을 나타낼 수 있다.The base portion may exhibit a higher elastic modulus than the support film and a lower elastic modulus than the piezoelectric element.
상기 제2 절연층의 두께는 상기 제1 절연층의 두께보다 두꺼울 수 있다.A thickness of the second insulating layer may be greater than a thickness of the first insulating layer.
상기 제2 절연층은 복수의 층으로 제공될 수 있다.The second insulating layer may be provided in a plurality of layers.
상기 지지필름은, 손상을 탐지하고자 하는 대상물과 상기 압전소자 사이에 배치되는 제1 지지필름; 및 상기 압전소자를 기준으로 상기 제1 지지필름에 대향하여 배치되는 제2 지지필름;을 포함하고, 상기 제1 지지필름 및 제2 지지필름의 제1 절연층 각각은, 서로 대응하는 위치에 제공되어, 상기 제1 지지필름과 상기 제2 지지필름을 전기적으로 연결하는 비아 홀을 포함할 수 있다.The support film may include a first support film disposed between an object to be damaged and the piezoelectric element; and a second support film disposed to face the first support film based on the piezoelectric element, wherein the first insulating layers of the first support film and the second support film are respectively provided at positions corresponding to each other. and a via hole electrically connecting the first support film and the second support film.
상기 제2 지지필름은, 상기 제2 절연층 상에 제공되고, 상기 회로패턴층과 외부장치를 전기적으로 연결하는 외부 연결 단자를 더 포함할 수 있다.The second support film may further include an external connection terminal provided on the second insulating layer and electrically connecting the circuit pattern layer and an external device.
상기 기지부는 이격되어 관통된 복수의 수용홀을 포함하고, 상기 복수의 압전소자는 각각 상기 복수의 수용홀 각각에 수용될 수 있다.The base portion may include a plurality of accommodating holes spaced apart from each other, and the plurality of piezoelectric elements may be accommodated in each of the plurality of accommodating holes.
상기 압전소자는 측면 일부가 돌출된 형태로 제공되는 돌출부를 포함하고, 상기 돌출부의 단부는 상기 수용홀의 내벽 일부와 접할 수 있다.The piezoelectric element includes a protruding portion provided in a form in which a portion of a side surface protrudes, and an end portion of the protruding portion may contact a portion of an inner wall of the receiving hole.
상기 복수의 압전소자는 각각 일정한 간격으로 이격되어 제공될 수 있다.The plurality of piezoelectric elements may be spaced apart from each other at regular intervals.
상기 제1 절연층은 상기 간격으로 이격된 복수의 관통홀을 포함할 수 있다.The first insulating layer may include a plurality of through holes spaced apart at the interval.
상기 기지부 및 지지필름 각각은 정렬마크를 포함하고, 상기 기지부와 지지필름은 상기 정렬마크를 기준으로 정렬되어 서로 부착될 수 있다.Each of the base part and the support film may include an alignment mark, and the base part and the support film may be aligned based on the alignment mark and attached to each other.
상기 기지부는 일방향으로 연장된 스트립 형태이고, 상기 복수의 압전소자가 상기 일방향을 따라 일렬로 배치될 수 있다.The base may have a strip shape extending in one direction, and the plurality of piezoelectric elements may be arranged in a line along the one direction.
본 발명의 다른 일실시예에 따른 비파괴 검사 장치는 본 발명의 일실시예에 따른 압전 복합체 손상 탐지 센서; 상기 복수의 압전소자 중 선택된 적어도 어느 하나의 압전소자가 탄성파를 발생시키도록 전압을 인가하는 전원부; 발생된 상기 탄성파가 선택된 상기 압전소자에 인접한 주변의 압전소자에 도달하여 출력된 전기 신호를 측정하는 신호 측정부; 및 상기 복수의 압전소자를 각각 상기 전원부 또는 상기 신호 측정부에 선택적으로 연결시키는 스위치부;를 포함할 수 있다.A non-destructive testing device according to another embodiment of the present invention includes a piezoelectric composite damage detection sensor according to an embodiment of the present invention; a power supply unit for applying a voltage so that at least one selected piezoelectric element among the plurality of piezoelectric elements generates an elastic wave; a signal measurer for measuring an electrical signal output when the generated elastic wave reaches a piezoelectric element adjacent to the selected piezoelectric element; and a switch unit selectively connecting the plurality of piezoelectric elements to the power supply unit or the signal measurement unit, respectively.
상기 신호 측정부에서 측정된 데이터를 전달받으며, 상기 측정된 데이터를 기준 데이터와 비교하여 미리 설정된 범위를 벗어날 경우 손상이 존재하는 것으로 판단하는 손상 판단부;를 더 포함할 수 있다.It may further include a damage determination unit that receives data measured by the signal measurement unit, compares the measured data with reference data, and determines that damage exists when it is out of a preset range.
본 발명의 실시 형태에 따른 압전 복합체 손상 탐지 센서는 제1 절연층, 회로패턴층 및 제2 절연층을 구비하는 지지필름을 포함하여, 전기적인 충격에 강하여 극한 환경에서 안정적인 센싱 성능을 유지할 수 있다. 특히, 제2 절연층의 두께가 제1 절연층의 두께보다 두꺼움으로써, 손상을 탐지하고자 하는 대상물의 건전성에 치명적인 영향을 주는 손상을 억제하여 센서의 신뢰성을 담보할 수 있다. 또한, 압전 복합체 손상 탐지 센서는 복수의 압전소자를 이격되도록 수용하는 기지부를 제공하여 압전 복합체를 형성함으로써, 압전 세라믹스의 취성이 보완된 손상 탐지 센서를 제공할 수 있으며, 각 압전소자 사이의 거리는 기지부에 의해 이격된 상태로 유지되므로, 손상 탐지를 위한 별도의 거리측정 절차가 불필요할 수 있고, 편리한 손상 탐지를 제공할 수 있다.The piezoelectric composite damage detection sensor according to an embodiment of the present invention includes a support film having a first insulating layer, a circuit pattern layer, and a second insulating layer, and is resistant to electrical shock to maintain stable sensing performance in extreme environments. . In particular, since the thickness of the second insulating layer is thicker than that of the first insulating layer, reliability of the sensor can be secured by suppressing damage that has a fatal effect on the integrity of an object to be detected. In addition, the piezoelectric composite damage detection sensor may provide a damage detection sensor in which the brittleness of piezoelectric ceramics is supplemented by providing a base portion accommodating a plurality of piezoelectric elements spaced apart to form a piezoelectric composite, and the distance between each piezoelectric element is Since they are kept spaced apart by branches, a separate distance measurement procedure for damage detection may not be necessary, and convenient damage detection may be provided.
이때, 기지부의 탄성률은 압전소자보다 낮게 함으로써, 탄성파를 이용한 대상물의 손상 탐지 시 압전소자와 맞닿아 있는 지지부를 통해 탄성파가 주변의 다른 압전소자로 직접 전파되는 것을 방지할 수 있고, 센서의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.At this time, by making the modulus of elasticity of the base part lower than that of the piezoelectric element, it is possible to prevent the elastic wave from propagating directly to other piezoelectric elements around it through the support part in contact with the piezoelectric element when damage to the object is detected using the elastic wave, and the reliability of the sensor can improve
또한, 지지필름은 압전소자를 기준으로 서로 대향하여 배치되는 제1 지지필름 및 제2 지지필름을 포함하여, 압전소자를 외부로부터 절연하여 보호할 수 있다. 이때, 제1 지지필름 및 제2 지지필름은 비아 홀을 포함하여, 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 그리고 제2 지지필름은 외부 연결 단자를 포함하여, 회로패턴층과 외부장치를 전기적으로 연결할 수 있다.In addition, the support film may include a first support film and a second support film disposed to face each other based on the piezoelectric element to insulate and protect the piezoelectric element from the outside. In this case, the first support film and the second support film may be electrically connected to each other by including via holes. The second support film may include an external connection terminal to electrically connect the circuit pattern layer and an external device.
특히, 제1 절연층은 복수의 압전소자가 이격된 간격으로 이격된 복수의 관통홀을 포함하여, 휘어짐으로써 곡면의 대상물 표면에서도 부착되며 정위치에서 압전소자가 관통홀의 내부에 닿을 수 있다. 즉, 본 발명의 압전 복합체 손상 탐지 센서는 복잡한 구조물의 표면에 부착되어 손상을 탐지할 수 있다.In particular, the first insulating layer includes a plurality of through-holes in which a plurality of piezoelectric elements are spaced apart, and is attached to the surface of a curved object by being bent, and the piezoelectric element can reach the inside of the through-holes at a fixed position. That is, the piezoelectric composite damage detection sensor of the present invention can be attached to the surface of a complex structure to detect damage.
그리고 본 발명에 따른 압전 복합체 손상 탐지 센서를 이용한 비파괴 검사 장치는, 각각의 압전소자가 탄성파를 발생시키는 액추에이팅 또는 탄성파에 의해 전기 신호를 출력하는 센싱 중 선택적으로 기능을 변경할 수 있고, 하나의 압전소자가 액추에이터 및 센서로서 기능할 수 있으므로, 복잡한 설계를 축소시킬 수 있고, 장치를 경량화할 수 있다.In addition, the non-destructive testing device using the piezoelectric composite damage detection sensor according to the present invention can selectively change its function among actuating in which each piezoelectric element generates an elastic wave or sensing in which an electrical signal is output by an elastic wave, and one Since the piezoelectric element can function as an actuator and a sensor, a complicated design can be reduced and the weight of the device can be reduced.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압전 복합체 손상 탐지 센서의 지지필름을 보여주는 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압전 복합체 손상 탐지 센서를 보여주는 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제1 지지필름 및 제2 지지필름을 보여주는 단면도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 지지필름을 보여주는 개략도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 압전 복합체 손상 탐지 센서를 보여주는 단면도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 압전 복합체 손상 탐지 센서의 압전소자를 보여주는 단면도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 압전 복합체 손상 탐지 센서를 보여주는 분해사시도.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 비파괴 검사 장치를 나타낸 구성도.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 비파괴 검사 장치에서 시간에 따라 측정된 전기 신호를 나타낸 그래프.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 비파괴 검사 장치의 손상 데이터 생성 방법을 나타낸 개념도.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 압전 복합체 손상 탐지 센서의 비파괴 검사 방법을 나타낸 개념도.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 복수 개의 압전 복합체 손상 탐지 센서의 비파괴 검사 방법을 나타낸 개념도.1 is a cross-sectional view showing a support film of a piezoelectric composite damage detection sensor according to an embodiment of the present invention.
2 is a view showing a piezoelectric composite damage detection sensor according to an embodiment of the present invention.
3 is a cross-sectional view showing a first support film and a second support film according to an embodiment of the present invention.
4 is a schematic view showing a support film according to an embodiment of the present invention.
5 is a cross-sectional view showing a piezoelectric composite damage detection sensor according to an embodiment of the present invention.
6 is a cross-sectional view showing a piezoelectric element of the piezoelectric composite damage detection sensor according to an embodiment of the present invention.
7 is an exploded perspective view showing a piezoelectric composite damage detection sensor according to an embodiment of the present invention;
8 is a configuration diagram showing a non-destructive testing device according to another embodiment of the present invention.
9 is a graph showing electrical signals measured over time in a non-destructive testing device according to another embodiment of the present invention.
10 is a conceptual diagram illustrating a method for generating damage data of a non-destructive testing device according to another embodiment of the present invention.
11 is a conceptual diagram illustrating a non-destructive inspection method of a piezoelectric composite damage detection sensor according to an embodiment of the present invention.
12 is a conceptual diagram illustrating a non-destructive inspection method of a plurality of piezoelectric composite damage detection sensors according to an embodiment of the present invention.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 설명 중, 동일 구성에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하도록 하고, 도면은 본 발명의 실시예를 정확히 설명하기 위하여 크기가 부분적으로 과장될 수 있으며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in a variety of different forms, only these embodiments will complete the disclosure of the present invention, and will fully cover the scope of the invention to those skilled in the art. It is provided to inform you. During the description, the same reference numerals are assigned to the same components, and the drawings may be partially exaggerated in size in order to accurately describe the embodiments of the present invention, and the same numerals refer to the same elements in the drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)의 지지필름(130)을 보여주는 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)를 보여주는 도면이다.2 is a diagram showing a piezoelectric composite
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)는 복수의 압전소자(110); 상기 복수의 압전소자(110) 각각을 이격되도록 수용하는 기지부(120); 및 상기 기지부(120)와 상기 복수의 압전소자(110)를 지지하는 지지필름(130);을 포함하고, 상기 지지필름(130)은, 상기 기지부(120)와 상기 복수의 압전소자(110)의 상에 제공되는 제1 절연층(131); 상기 제1 절연층(131)의 상에 형성되는 회로패턴층(132); 및 상기 회로패턴층(132)의 상에 제공되어, 상기 회로패턴층(132)을 보호하는 제2 절연층(133);을 포함할 수 있다.1 and 2, the piezoelectric composite
압전소자(110)는 전기에너지가 기계적 에너지로 또는 그 반대로 기계적 에너지가 전기적 에너지로 변환되는 특성을 나타내는 재료이며, 압전효과는 압전소자(110)에 외부로부터 전압을 걸어주면 상기 압전소자(110)가 기계적 변위를 일으키는 현상을 말한다. 이러한 압전효과에는 압전소자(110)에 외부 응력, 진동 변위 등을 주면 그 출력단자에서 전기 신호가 발생하는 압전직접효과와, 압전소자(110)에 외부로부터 전압을 걸어주면 소자가 기계적 변위를 일으키는 역압전효과가 있다.The
이와 같은, 압전효과에 의해 압전소자(110)는 전압을 걸어주면 기계적 변위를 일으키며 탄성파를 발생시킬 수 있고, 예를 들어, Lamb Wave와 같은 두 개의 평행하고 근접한 자유 경계면을 나타내는 얇은 플레이트 등의 고체 내에서, 먼 거리까지 전파가 가능한 탄성파를 이용하여, 상기 탄성파를 대상물에 전파하고, 상기 탄성파의 변화를 측정하는 방법으로 비파괴 검사가 진행될 수 있다.Due to the piezoelectric effect, the
이러한, 압전체의 종류에는 Quartz, 로셀염, 티탄산바륨(PbTiO3), PZT, Non-Pb계 압전 세라믹스 등이 있으며, 이 중 PZT 및 Non-Pb계 압전 세라믹스 등의 압전 세라믹스는 전기기계 변환효율이 매우 높고, 정밀제어가 가능한 재료이므로, 정밀함이 요구되는 센서 기술에 사용하기 적합할 수 있다.The types of piezoelectric materials include quartz, Rochelle salt, barium titanate (PbTiO 3 ), PZT, and Non-Pb piezoelectric ceramics. Since it is a very high and precisely controllable material, it can be suitable for use in sensor technology that requires precision.
이에, 상기 압전소자(110)를 손상을 탐지하고자 하는 대상물의 표면에 이격되도록 복수 개 부착하여, 상기 압전소자(110)에 전압을 인가하여 탄성파를 발생시킬 수 있고, 상기 탄성파가 상기 대상물의 표면을 따라 전파되어 이격된 다른 압전소자(110)에서 전기 신호를 발생시킬 수 있으며, 상기 전기 신호를 분석하여 상기 대상물의 손상을 탐지할 수 있다.Accordingly, a plurality of
하지만, 이와 같은 손상 탐지 센서에서는 각각의 압전소자(110) 사이의 거리를 직접 측정하여 데이터를 분석해야 하는 번잡한 절차가 필요할 수 있으며, 압전 세라믹스는 취성이 있는 재료이므로, 상기 압전소자(110)가 외부환경에 그대로 노출되며, 쉽게 파괴될 수 있는 문제점이 발생할 수 있다.However, such a damage detection sensor may require a cumbersome procedure of directly measuring the distance between each
위와 같은 문제점을 해결하기 위해 복수의 압전소자(110)의 적어도 일면 상에 부착될 수 있는 얇은 두께의 필름 등을 사용하여, 상기 복수의 압전소자(110) 사이의 간격을 일정하게 배치시킴으로써, 각각의 압전소자(110) 사이의 거리를 매번 측정해야 하는 번잡한 작업절차를 축소시키려는 시도가 있을 수 있다.In order to solve the above problem, by using a thin film or the like that can be attached on at least one surface of the plurality of
그러나, 상기 필름 등을 이용한 압전소자(110)의 배치만으로는 압전 세라믹스의 취성 문제는 해결되기 어려울 수 있고, 센서의 수명이 감소할 수 있으며, 신뢰성 또한 떨어질 수 있다. 또한, 상기 필름이 대상물의 형태에 따라 연신될 수 있으므로, 상기 압전소자(110) 사이의 간격은 일정하게 유지되기 어려울 수 있다.However, it may be difficult to solve the problem of brittleness of piezoelectric ceramics by only disposing the
따라서, 상기 압전 세라믹스의 취성을 보완해줄 수 있는 기술과 상기 압전소자(110) 사이의 간격을 일정하게 유지할 수 있는 기술이 추가적으로 요구될 수 있다.Therefore, a technique capable of compensating for the brittleness of the piezoelectric ceramics and a technique capable of maintaining a constant distance between the
반면, 본 발명의 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)는 이러한 압전소자(110)의 취성을 보완할 수 있도록, 우수한 기계적 특성을 갖는 재료를 기지상으로 제공하고, 압전소자(110)를 상기 기지상 내부에 배치함으로써, 상기 압전소자(110)와 상기 기지상이 압전 복합체를 형성할 수 있으며, 압전소자(110)의 취성이 보완된 센서 기술을 제공할 수 있다. 또한, 상기 기지상에 의해 상기 복수의 압전소자(110)의 간격이 일정하게 유지될 수 있으므로, 상기 복수의 압전소자(110) 사이의 거리 측정이 불필요할 수 있으며, 편리한 센서 기술을 제공할 수 있다.On the other hand, in the piezoelectric composite
압전소자(110)는 복수로 제공되며 기지부(120)에 의해 이격되어 수용될 수 있고, 상기 압전소자(110)와 상기 기지부(120) 각각의 상부면과 대향하는 하부면은 각각 지지필름(130)으로 지지되어, 상기 압전소자(110)가 외부로부터 절연될 수 있다. 상기 지지필름(130)은 손상을 탐지하고자 하는 대상물의 표면에 부착될 수 있으며, 상기 압전소자(110)의 양단에는 전극(111)이 연결되고, 상기 전극(111)은 상기 지지필름(130)에 형성된 회로패턴(132a)과 연결된다. 상기 회로패턴(132a)은 배선(138)에 의해 외부 연결 단자(135)로 연결되어, 상기 외부 연결 단자(135)를 통해 상기 압전소자(110)는 외부 장치와 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 상기 압전소자(110)는 상기 외부 연결 단자(135)에 연결된 외부 장치로부터 상기 배선(138)을 통해 전압을 인가받아 탄성파를 발생시킬 수 있다.A plurality of
이에, 상기 탄성파는 손상을 탐지하고자 하는 대상물과 상기 지지필름(130)의 접촉면을 따라 전파될 수 있고, 상기 탄성파의 발생 지점으로부터 인접한 주변의 다른 압전소자(110)는 상기 탄성파에 의해 전기 신호를 출력할 수 있다. 상기 전기 신호는 상기 배선(138) 및 외부 연결 단자(135)를 통해 외부 장치에 전달될 수 있고, 상기 전기 신호를 분석하여 상기 대상물의 손상을 탐지할 수 있다.Accordingly, the elastic wave may propagate along the contact surface of the
상기 기지부(120)와 상기 다수의 압전소자(110)는 동일한 평면을 공유하는 일면 상에 각각 배치될 수 있고, 상기 배치되는 형태는 상기 기지부(120) 내부에 상기 압전소자(110)가 분산되며 삽입되는 형태일 수 있으며, 상기 기지부(120)와 상기 다수의 압전소자(110)는 동일한 평면인 상기 일면 상에서 압전 복합체를 형성할 수 있다.The
이때, 상기 기지부(120)는 유연성(Flexibility)이 있는 물질일 수 있고, 상기 기지부(120)의 구조적 지지에 의해 상기 압전소자(110)에 가해지는 응력이 분산됨으로서, 상기 압전소자(110)의 취성이 보완될 수 있고, 외부의 충격에 의해 상기 압전소자(110)가 깨지는 것을 방지할 수 있으며, 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.At this time, the
이러한, 기지부(120)는 유연성이 우수한 폴리머 또는 폴리머를 포함하는 복합체를 사용할 수 있고, 예를 들어, FRP(Fiber reinforced plastics) 등의 외부충격에 강하고 유연성이 있는 물질을 사용할 수 있으며, 특히, FR4(Flame retardant 4) 등의 글라스 에폭시(Glass epoxy)를 이용하면, 높은 기계적 강도뿐만 아니라 전기 절연성을 나타내므로 본 발명에 더욱 적합할 수 있다. Such a
또한, 상기 기지부(120)에 의해 상기 복수의 압전소자(110)가 이격된 거리를 일정하게 유지할 수 있으므로, 각각의 상기 압전소자(110) 사이의 거리를 매번 측정해야 하는 번잡한 작업절차를 축소 시킬 수 있다. In addition, since the distance between the plurality of
그리고, 상기 기지부(120)와 상기 다수의 압전소자(110)가 공유하는 동일한 평면인 상기 일면과 대향하는 이면에는 상기 압전소자(110) 및 기지부(120)를 구조적으로 지지하고, 외부로부터 보호할 수 있는 지지필름(130)이 각각 부착될 수 있으며, 상기 지지필름(130)은 상기 압전소자(110) 및 기지부(120)의 상기 일면 및 이면이 외부에 직접 노출되는 것을 방지할 수 있으며, 상기 압전소자(110) 및 기지부(120)가 결합된 압전 복합체가 굴곡 되더라도 상기 기지부(120)에서 상기 압전소자(110)가 이탈하지 않도록 구조적으로 보호할 수 있으며, 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)의 외형을 안정적으로 유지할 수 있다.In addition, the
또한, 상기 지지필름(130)은 절연성이 있는 물질로 이루어질 수 있으며, 상기 압전소자(110)의 전기적 연결을 유지시킬 수 있고, 상기 압전소자(110) 및 기지부(120)를 외부로부터 보호할 수 있다. 이러한 지지필름(130)으로는 예를 들어, PI(Polyimide)필름 등을 이용할 수 있으나, 이에 특별히 한정하지 않는다.In addition, the
이러한, 기지부(120)는 예를 들어, 상기 복수의 압전소자(110)를 몰드에 배열하고 상기 기지부(120)를 상기 몰드에 사출하여 성형하는 방법으로 제공될 수 있고, 상기 압전소자(110)의 액추에이팅 및 센싱 기능을 방해하지 않으며, 복수로 제공되는 압전소자(110) 사이에 오차공간이 발생하지 않도록 제공될 수 있고, 손상을 탐지하고자 하는 대상물의 표면에 부착시키기에 방해되지 않는 형태로 제공될 수 있으면 족하다.The
예를 들어, 상기 압전소자(110) 및 상기 지지필름(130)만으로 구성된 센서를 사용할 경우, 복수로 제공되는 각각의 압전소자(110) 사이 빈 공간은 상기 압전소자(110)의 상부면에 부착된 지지필름(130)과 상기 압전소자(110)의 하부면에 부착된 지지필름(130)이 서로 맞닿는 형태로 제공될 수 있으며, 상기 압전소자(110)의 주위에는 상기 압전소자(110)의 두께에 의해 지지필름(130)들이 맞닿지 않으며 공기를 포함하는 공간이 발생할 수 있다.For example, when using a sensor composed of only the
이러한, 공기를 포함하는 공간에 의해 대상물과 부착되는 접촉면의 형태가 왜곡(예를 들어, 지지필름(130)이 대상물의 표면과 접촉하지 못하고 들뜨는 등)될 수 있으며, 이에, 상기 대상물과 상기 지지필름(130) 사이의 접촉면 일부에 공기에 노출되는 면이 형성될 수 있으며, 상기 대상물의 손상을 탐지하기 위해 상기 압전소자(110)에서 발생되는 탄성파의 형태가 변형되거나 전파 속도가 감소할 수 있고, 센서의 신뢰성이 저하될 수 있다.The shape of the contact surface attached to the object may be distorted (eg, the
한편, 낙뢰시험 등의 가혹한 외부 환경에서의 센서 사용 시 상기 공기를 포함하는 공간이 존재할 경우, 낙뢰 전기에 의해 상기 공간의 공기가 급속히 팽창하며 충격파가 발생할 수 있고, 이러한 충격파에 의해 센서의 성능이 저하될 수 있다.On the other hand, when a space containing the air exists when a sensor is used in a harsh external environment such as a lightning test, the air in the space is rapidly expanded by lightning electricity and a shock wave may be generated, and the performance of the sensor is improved by the shock wave may be lowered
이에, 상기 기지부(120)가 상기 복수의 압전소자(110)를 수용하도록 제공함으로써, 상기 압전소자(110)의 주변에 공기를 포함하는 상기 공간이 발생하지 않을 수 있으며, 대상물과의 접촉면 일부에 공기에 노출되는 면이 형성되지 않을 수 있고, 가혹한 외부 환경에서 이용 시 센서의 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있으며, 센서의 신뢰성이 증가할 수 있다.Therefore, by providing the
상기 지지필름(130)은 상기 기지부(120)와 상기 복수의 압전소자(110)의 상하부에 배치되어, 상기 기지부(120)와 상기 복수의 압전소자(110)를 지지할 수 있다. 예를 들어, 지지필름(130)은 후술하는 바와 같이 제1 지지필름(130a) 및 제2 지지필름(130b)을 포함하고, 상기 제1 지지필름(130a) 및 제2 지지필름(130b)은 상기 압전소자(110)의 상부면 및 하부면에 각각 제공되며, 각각 서로 대칭하는 형태로 형성될 수 있다. 이러한 상기 지지필름(130)은 제1 절연층(131), 회로패턴층(132) 및 제2 절연층(133)을 포함할 수 있다.The
상기 제1 절연층(131)은 상기 기지부(120)와 상기 복수의 압전소자(110)의 상에 제공되어, 상기 압전소자(110)의 양단에 연결된 상기 전극(111)을 전기적으로 보호할 수 있다.The first insulating
상기 회로패턴층(132)은 상기 제1 절연층(131)의 상에 형성되고, 금속성 물질이 프린팅되어 제공될 수 있다. 이때, 상기 회로패턴층(132)은 외부장치와 연결되는 복수의 회로패턴(132a) 및 배선(138)을 포함할 수 있다. 이로 인해, 상기 압전소자(110)는 상기 회로패턴(132a)과 배선(138)을 통하여 외부 장치와 전기 신호를 주고받을 수 있다. 이때, 상기 회로패턴층(132) 및 배선(138)은 상기 압전소자(110)의 상부면 및 하부면에 각각 제공될 수 있으며, 각각 서로 대칭하는 형태로 형성되어, 압전 복합체 손상 탐지 센서(100) 내부에 복수의 압전소자(110)가 배치되더라도 상기 압전소자(110)를 외부장치로 연결 시키기 위한 외부 연결 단자(135)까지의 전기적 연결을 편리하게 제공할 수 있다.The
상기 제2 절연층(133)은 상기 회로패턴층(132)의 상에 제공되어, 상기 회로패턴층(132)을 보호할 수 있다. 즉, 본 발명의 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)는 상기 회로패턴층(132)의 상하부에 제공된 상기 제1 절연층(131) 및 제2 절연층(133)을 포함함으로써, 이러한 이중 구조를 통해 상기 회로패턴층(132)을 보호하므로 센서의 안정성을 확보할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)가 손상을 탐지하고자 하는 대상물로서 항공기 구조물에 부착되어 사용될 경우, 센서의 신뢰성을 담보할 수 있다. 복잡한 구조로 제작되는 항송기 구조물은 운용 수명 기간에 발생한 피로 손상, 환경 손상, 낙뢰, 우박, 조류 및 외부 물질에 의한 사고로 인해 손상을 입게 될 수 있다. 이러한 손상은 항공기 구조의 건정성에 치명적인 영향을 줄 수 있다. 특히, 항공기에 부착된 센서는 낙뢰를 포함하는 극한 환경에서 안정적인 성능을 유지하여야 하며 이를 위하여 센서의 신뢰성을 담보하기 위한 구조가 필수적일 수 있다. 이때, 본 발명의 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)는 상기 회로패턴층(132)을 보호하는 상기 제2 절연층(133)을 포함함으로써 센서의 안정성을 확보할 수 있다. The second
즉, 본 발명의 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)는 상기 제1 절연층(131), 회로패턴층(132) 및 제2 절연층(133)을 구비하는 지지필름(130)을 포함하여, 전기적인 충격에 강하여 극한 환경에서 안정적인 센싱 성능을 유지할 수 있다. 특히, 상기 회로패턴층(132)는 상기 회로패턴층(132)에 포함된 배선(138)로 인하여 쉴드(shield) 역할을 할 수 있다. That is, the piezoelectric composite
추가로, 상기 지지필름(130)은 상기 제1 절연층(131) 및 회로패턴층(132) 또는 상기 회로패턴층(132) 및 제2 절연층(133) 사이에 접착층을 포함하여, 이들의 층간 분리를 억제하여 구조적 안정성을 증가시킬 수 있다.In addition, the
상기 복수의 압전소자(110)는, 각각 펠렛 형상으로 제공되며 세라믹 물질로 이루어진 압전 세라믹스이고, 상기 기지부(120)는 판상일 수 있다.The plurality of
상기 복수의 압전소자(110)는 각각 펠렛 형상으로 제공되며, 상기 기지부(120)는 판상일 수 있다. 또한, 상기 압전소자(110)는 하나의 압전소자(110) 자체에서는 동일한 두께를 나타내는 형태로 제공될 수 있다. 즉, 상부면과 하부면이 편평한 형태인, 예를 들어, 펠렛 형상일 수 있으나, 이에 특별히 한정하지 않는다.Each of the plurality of
압전효과에 의한 압전소자(110)의 변위량은 압전소자(110)의 두께에 비례할 수 있고, 압전소자(110)의 두께가 일정하지 않은 경우, 변위량이 일정하지 못할 수 있고, 이때 발생하는 탄성파의 형태 또한 균질하지 못할 수 있다. 따라서, 하나의 압전소자(110)에서 압전효과에 의한 상기 압전소자(110)의 두께 방향으로의 변위량이 일정하도록 제공함으로써, 하나의 압전소자(110) 내에서 두께방향의 변위량은 일정하게 제공될 수 있고, 상기 압전소자(110)에 전압이 인가되며 발생하는 탄성파의 세기 또한 일정할 수 있으며, 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)의 신뢰성이 향상될 수 있다. The amount of displacement of the
따라서, 상기 기지부(120)도 상기 압전소자(110)와 동일한 평면상에 존재할 수 있도록 판상의 형태로 제공될 수 있으며, 이에, 상기 지지필름(130)이 지지하기 용이할 수 있고, 탐지하려는 대상물의 표면에 부착되기 용이하도록 제공될 수 있다.Therefore, the
이때, 상기 기지부(120)의 두께는 상기 복수의 압전소자(110)의 평균 두께의 90% 내지 110%일 수 있다. 다수의 압전소자(110) 각각은 동일한 두께로 제공될 수 있으며, 상기 동일의 의미는 물리적 동일만을 의미하는 것이 아니고, -5% 내지 +5%의 오차범위에서는 기능적으로 동일하다는 것을 의미할 수 있다.At this time, the thickness of the
상기 복수의 압전소자(110)와 기지부(120) 사이에 두께 차이가 발생할 경우, 지지필름(130)이 상기 압전소자(110) 및 기지부(120) 각각의 상부면과 하부면에 각각 부착되었을 때, 상기 지지필름(130)은 상기 압전소자(110) 및 기지부(120)의 두께 차에 의해 휘어지게 될 수 있고, 공기를 포함하는 공간이 발생하여 탄성파의 전달에 오류가 발생할 수 있다.When a difference in thickness occurs between the plurality of
이에, 상기 기지부(120)의 두께는 상기 복수의 압전소자(110)의 평균 두께와 기능적으로 동일할 수 있도록 상기 압전소자(110)의 평균두께의 90% 내지 110%로 제공될 수 있고, 상기 압전소자(110) 및 기지부(120)의 높이 차이에 의해 상기 지지필름(130)이 휘어지는 것을 방지할 수 있으며, 공기를 포함하는 공간이 발생하는 것을 방지할 수 있고, 탄성파 전달의 오류를 방지하여 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.Accordingly, the thickness of the
그리고, 상기 압전소자(110)는 세라믹 물질로 이루어진 압전 세라믹스를 포함할 수 있다. 압전체의 종류에는 Quartz, 로셀염, 티탄산바륨(PbTiO3), PZT, Non-Pb계 압전 세라믹스 등이 있으며, 이 중 PZT 및 Non-Pb계 압전 세라믹스 등의 압전 세라믹스는 전기기계 결합계수가 높고, 압전성이 우수하여 본 발명에 사용하기 적합할 수 있다.Also, the
그러나, 상기 압전 세라믹스는 세라믹이 가지는 전형적인 특성인 높은 취성으로 인하여, 외부의 충격에 의해 깨지기 쉬울 수 있으며, 센서로서 사용 시 센서장치의 내구성을 감소시키는 문제점이 발생할 수 있다.However, due to high brittleness, which is a typical characteristic of ceramics, the piezoelectric ceramics may be easily broken by external impact, and when used as a sensor, a problem of reducing durability of the sensor device may occur.
따라서, 상기 기지부(120)는 유연할 수 있다. 본 발명의 기지부(120)는 유연성(Flexibility)이 있도록 제공될 수 있고, 상기 압전소자(110)와 압전 복합체를 형성하여, 상기 압전소자(110)에 작용하는 응력을 분산시킬 수 있으며, 압전 세라믹의 취성을 보완할 수 있고, 외부의 충격으로부터 상기 압전소자(110)가 깨지는 것을 방지할 수 있다.Thus, the
이러한, 기지부(120)는 유연성이 우수한 폴리머 또는 폴리머를 포함하는 복합체를 사용할 수 있고, 예를 들어, FRP(Fiber reinforced plastics) 등의 외부충격에 강하고 유연성이 있는 물질을 사용할 수 있으며, 특히, FR4(Flame retardant 4) 등의 글라스 에폭시(Glass epoxy)를 이용하면, 높은 기계적 강도뿐만 아니라 전기 절연성을 나타내므로 본 발명에 더욱 적합할 수 있다.Such a
이때, 상기 기지부(120)는 상기 지지필름(130)보다 높은 탄성률을 나타낼 수 있다. 상기 지지필름(130)은 다양한 형상의 대상물의 표면에 밀착하며 부착될 수 있도록 굴곡 내지는 연신할 수 있는 재료로 제공될 수 있으며, 상기 대상물이 곡면을 나타내더라도 상기 지지필름(130)이 굴곡되며 상기 대상물에 부착될 수 있다.At this time, the
상기 기지부(120)는, 상기 지지필름(130)보다 높은 탄성률을 나타내고, 상기 압전소자(110)보다 낮은 탄성률을 나타낼 수 있다.The
이에, 상기 기지부(120)는 상기 지지필름(130)보다는 높은 탄성률을 나타낼 수 있으며, 상기 지지필름(130)이 연신되는 것을 방지할 수 있으며, 상기 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)의 전체 구조를 안정적으로 유지할 수 있다. 또한, 상기 복수의 압전소자(110) 사이의 거리가 일정하게 유지할 수 있고, 상기 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)의 오류가 발생하는 것을 감소시킬 수 있고, 상기 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.Accordingly, the
한편, 상기 지지필름(130)은 손상을 탐지하고자 하는 대상물과 직접적으로 접촉할 수 있으며, 이때, 상기 압전소자(110)로부터 발생한 탄성파가 상기 대상물에 전달되기 위해 상기 지지필름(130)을 통과할 수 있다. Meanwhile, the
상기 압전소자(110)에서 발생하는 탄성파는, 매질에 변형을 가했을 경우 원래의 상태로 되돌아가려는 복원력에 의해 전파되므로, 매질의 탄성률이 작을 경우 변형에 대한 회복속도가 감소하며 탄성파의 전달되기 어려워질 수 있다.Since the elastic wave generated from the
상기 지지필름(130)은 다양한 형상의 대상물 표면에 부착될 수 있도록 변형이 쉬운 물질로 제공될 수 있어야 하므로, 즉, 낮은 탄성률을 나타내는 물질을 사용할 수 있으며, 따라서, 상기 지지필름(130)의 낮은 탄성률에 의해 상기 탄성파가 통과하기 어려울 수 있으며, 상기 대상물로의 상기 탄성파 전파에 방해가 되는 문제가 발생할 수 있고, 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)의 신뢰성이 감소할 수 있다.Since the
이에, 상기 지지필름(130)의 두께를 얇게 제공할 수 있으며, 상기 지지필름(130)의 탄성률에 의한 영향을 최소화하여, 상기 탄성파가 상기 지지필름(130)을 통과하기 어려워지는 것을 방지할 수 있고, 상기 대상물로 상기 탄성파가 원활히 전파될 수 있으며, 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)의 성능을 향상시킬 수 있다.Accordingly, it is possible to provide a thin thickness of the
한편, 상기 기지부(120)는 상기 압전소자(110)보다 낮은 탄성률을 나타낼 수 있다. 압전소자(110)에 전압을 인가하여 탄성파가 발생할 때, 손상을 탐지하고자 하는 대상물과의 접촉면이 아닌, 상기 압전소자(110)와 접촉하고 있는 상기 기지부(120)를 통해 상기 탄성파가 전파될 수 있고, 상기 대상물에 손상정보를 측정하지 못할 수 있으며, 전파의 간섭이 발생할 수 있으므로, 인접한 주변의 다른 압전소자(110)에서 출력되는 전기 신호가 왜곡될 수 있고, 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)의 신뢰성이 감소할 수 있다.Meanwhile, the
이에, 상기 기지부(120)는 상기 압전소자(110)보다 낮은 탄성률을 나타내도록 제공될 수 있으며, 전술한 바와 같이 탄성파는 탄성률이 낮을수록 전파되기 어려워질 수 있으므로, 상기 압전소자(110)에서 발생한 탄성파는 낮은 탄성률을 나타내는 상기 기지부(120)에서는 전파되기 어려워지며, 다른 압전소자(110)에서 출력되는 전기신호가 왜곡되는 것을 최소화할 수 있으며, 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.Accordingly, the
그러므로, 상기 기지부(120)의 탄성률은 상기 지지필름(130) 및 압전소자(110)의 탄성률에 의해 결정될 수 있고, 상기 지지필름(130)보다는 높은 탄성률을 나타내며, 상기 압전소자(110)보다는 낮은 탄성률을 나타내는 범위에서 결정될 수 있다.Therefore, the modulus of elasticity of the
이때, 본 발명의 지지필름(130)으로 쓰일 수 있는 물질의 바람직한 탄성률은 수 GPa의 탄성률을 나타낼 수 있으며, 예를 들어, PI필름 등을 사용할 수 있고, 이에, 적합하게는 1 내지 5 GPa의 탄성률을 나타낼 수 있다.At this time, the preferred elastic modulus of the material that can be used as the
또한, 본 발명의 압전소자(110)의 탄성률은 바람직하게는 수 백GPa의 높은 탄성률일 수 있으며, 이러한 높은 탄성률에 의해, 상기 탄성파의 발생이 용이할 수 있으며, 손상을 탐지하고자 하는 대상물로 상기 탄성파가 전달되기 수월할 수 있고, 이에, 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)의 신뢰성이 향상될 수 있다.In addition, the elastic modulus of the
따라서, 상기 기지부(120)는 상기 지지필름(130) 및 압전소자(110)의 탄성률을 고려하여, 바람직하게는 10GPa 내지 50GPA 의 탄성률을 나타낼 수 있으며, 상기 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)의 내부구조를 지지하여 상기 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)가 기능하지 못할 정도로 변형되는 것을 방지할 수 있고, 상기 압전소자(110)에서 발생한 탄성파가 상기 기지부(120)를 통해 전달되는 것을 방지할 수 있으며, 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.Therefore, the
상기 제2 절연층(133)의 두께는 상기 제1 절연층(131)의 두께보다 두꺼울 수 있다.A thickness of the second insulating
상기 제2 절연층(133)의 두께가 상기 제1 절연층(131)의 두께보다 두꺼움으로써, 상기 회로패턴층(132)을 보호할 수 있다. 또한, 상기 제2 절연층(133)의 두께가 상기 제1 절연층(131)의 두께보다 두꺼움으로써, 절연 특성이 향상될 수 있다. 예를 들어, 손상을 탐지하고자 하는 대상물이 항공기 구조물일 경우, 상기 제2 절연층(133)을 통해 피로 손상, 환경 손상, 낙뢰, 우박, 조류 및 외부 물질에 의한 사고로부터 상기 회로패턴층(132)을 보호할 수 있다. 이로 인해, 본 발명의 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)는 낙뢰를 포함하는 극한 환경에서 안정적인 성능을 유지하므로, 센서의 안정성을 확보하며 신뢰성을 담보할 수 있다.When the thickness of the second insulating
상기 제2 절연층(133)은 복수의 층으로 제공될 수 있다.The second
상기 제2 절연층(133)이 복수의 층으로 제공됨으로써, 상기 회로패턴층(132)을 보호할 수 있다. 또한, 상기 제2 절연층(133)이 복수의 층으로 제공됨으로써, 절연 특성이 향상될 수 있다. 예를 들어, 손상을 탐지하고자 하는 대상물이 항공기 구조물일 경우, 상기 제2 절연층(133)을 통해 피로 손상, 환경 손상, 낙뢰, 우박, 조류 및 외부 물질에 의한 사고로부터 상기 회로패턴층(132)을 보호할 수 있다. 이로 인해, 본 발명의 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)는 낙뢰를 포함하는 극한 환경에서 안정적인 성능을 유지하므로, 센서의 안정성을 확보하며 신뢰성을 담보할 수 있다.Since the second insulating
추가로, 상기 제2 절연층(133)의 복수의 층 사이에 접착층을 포함하여, 이들의 층간 분리를 억제하여 구조적 안정성을 증가시킬 수 있다.Additionally, by including an adhesive layer between a plurality of layers of the second insulating
상기 지지필름(130)은, 손상을 탐지하고자 하는 대상물과 상기 압전소자(110) 사이에 배치되는 제1 지지필름(130a); 및 상기 압전소자(110)를 기준으로 상기 제1 지지필름(130a)에 대향하여 배치되는 제2 지지필름(130b);을 포함하고, 상기 제1 지지필름(130a) 및 제2 지지필름(130b)의 제1 절연층(131) 각각은, 서로 대응하는 위치에 제공되어, 상기 제1 지지필름(130a)과 상기 제2 지지필름(130b)을 전기적으로 연결하는 비아 홀(134)을 포함할 수 있다.The
상기 제1 지지필름(130a)(즉, 하부 지지필름)은 손상을 탐지하고자 하는 대상물과 상기 압전소자(110) 사이에 배치될 수 있다. 즉, 상기 제1 지지필름(130a)는 손상을 탐지하고자 하는 대상물의 표면에 부착될 수 있다. 이때, 상기 제1 지지필름(130a)의 회로패턴층(132)은 공통 전극(즉, 공통 배선)을 포함할 수 있다. The
상기 제2 지지필름(130b)(즉, 상부 지지필름)은 상기 압전소자(110)를 기준으로 상기 제1 지지필름(130a)에 대향하여 배치될 수 있다. 이로 인해, 상기 압전소자(110)는 외부로부터 절연될 수 있다. 이때, 상기 제2 지지필름(130b)의 회로패턴층(132)은 후술하는 바와 같이 외부 연결 단자(135)와 연결되는 복수의 회로패턴(132a)을 포함할 수 있다. 이러한 상기 외부 연결 단자(135a)와 연결되는 복수의 회로패턴(132a)은 후술하는 바와 같이 비아 홀(134)을 통해 상기 공통 전극(즉, 공통 배선)과 연결될 수 있다. 또한, 상기 공통 전극은 상기 비아 홀(134)을 통해 공통 전극과 연결되는 외부 연결 단자(135b)와 연결될 수 있다.The
상기 제1 지지필름(130a)의 비아 홀(134) 및 상기 제2 지지필름(130b)의 비아 홀(134) 각각은, 상기 제1 절연층(131)의 서로 대응하는 위치에 제공됨으로써 서로 맞닿을 수 있다. 이때, 상기 비아 홀(134)은 전도성 물질로 충진되어 있을 수 있다. 이로 인해, 상기 제1 지지필름(130a)과 상기 제2 지지필름(130b)은 상기 비아 홀(134)을 통해 전기적으로 연결될 수 있다. 특히, 비아 홀(134)을 통하여, 상기 외부 연결 단자(135)와 연결되는 복수의 회로패턴(132a)은 상기 공통 전극(즉, 공통 배선)과 연결될 수 있다.The via
여기서, 상기 제1 지지필름(130a)의 비아 홀(134) 및 상기 제2 지지필름(130b)의 비아 홀(134) 각각이 상기 제1 절연층(131)의 서로 대응하는 위치에 제공되기 위해, 상기 지지필름(130)은 후술하는 바와 같이 정렬마크(137)를 포함할 수 있다.Here, the via
상기 제2 지지필름(130b)은, 상기 제2 절연층(133) 상에 제공되고, 상기 회로패턴층(132)과 외부장치를 전기적으로 연결하는 외부 연결 단자(135)를 더 포함할 수 있다.The
상기 외부 연결 단자(135)는 상기 제2 절연층(133) 상에 제공되고, 상기 회로패턴층(132)과 외부장치를 배선(138)에 의해 전기적으로 연결할 수 있다. 이때, 상기 외부 연결 단자(135)는 상기 회로패턴(132a)과 연결되는 외부 연결 단자(135a) 및 공통 전극과 연결되는 외부 연결 단자(135b)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 압전소자(110)는 상기 외부 연결 단자(135)에 연결된 외부 장치로부터 상기 배선(138)을 통해 전압을 인가받아 탄성파를 발생시킬 수 있다. 이때, 상기 회로패턴(132a)과 연결되는 외부 연결 단자(135a)의 개수는 상기 압전소자(110)의 개수와 동일할 수 있다. 즉, 상기 복수의 압전소자(110) 각각은 복수의 상기 회로패턴(132a)과 연결되는 외부 연결 단자(135a) 각각과 연결될 수 있다.The external connection terminal 135 is provided on the second insulating
여기서, 본 발명의 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)의 모든 영역이 손상을 탐지하고자 하는 구조물에 밀착되어야 하므로, 복수의 상기 외부 연결 단자(135)는 상기 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)의 일부분에 배치될 수 있다. 즉, 상기 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)로부터 상기 외부 연결 단자(135)로의 연결은, 상기 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)의 한쪽 면에서 이루어질 수 있다. 이를 위해, 본 발명의 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)는 상기 비아 홀(134)을 통해 상기 제1 지지필름(130a)과 상기 제2 지지필름(130b)을 전기적으로 연결할 수 있다.Here, since all areas of the piezoelectric composite
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제1 지지필름(130a) 및 제2 지지필름(130b)을 보여주는 단면도이다.3 is a cross-sectional view showing the
도 3을 살펴보면, 제1 지지필름(130a) 및 제2 지지필름(130b) 각각이 제1 절연층(131), 회로패턴층(132) 및 제2 절연층(133)을 포함하는 것을 알 수 있다. 또한, 제1 지지필름(130a) 및 제2 지지필름(130b)의 제1 절연층(131) 각각은 비아 홀(134)을 구비하는 것을 확인할 수 있다. 그리고 제2 지지필름(130b)의 제2 절연층(133) 상에 외부 연결 단자(135)가 더 포함된 것을 알 수 있다. 또한, 제2 지지필름(130b)의 제2 절연층(133)이 복수의 층으로 제공되며, 제1 절연층(131)의 두께보다 두꺼운 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 3 , it can be seen that each of the
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 지지필름(130)을 보여주는 개략도이다.4 is a schematic diagram showing a
도 4를 살펴보면, 지지필름(130)은 회로패턴(132a), 배선(138), 회로패턴(132a)과 연결되는 외부 연결 단자(135a) 및 공통 전극과 연결되는 외부 연결 단자(135b)를 포함하는 것을 알 수 있다. 이때, 지지필름(130)의 복수의 회로패턴(132a) 각각은 배선(138)을 통해 상부 외부 연결 단자(135a)와 연결되는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 4 , the
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)를 보여주는 단면도로, 도 5의 (a)는 시트 형상의 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)를 나타내고, 도 5의 (b)는 스트립 형상의 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)를 나타낸다.5 is a cross-sectional view showing a piezoelectric composite
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)는, 탐지하고자 하는 대상물의 형태에 따라 상기 압전소자(110)를 배치하는 형태를 다양하게 제공할 수 있다. 예를 들어, 도 5의 (a)와 같은 시트 형상의 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)는 넓은 면적의 대상물에 사용할 수 있으며, 도 5의 (b)와 같은 스트립 형상의 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)는 폭이 좁고 길이 방향으로 연장된 형태의 대상물에 사용할 수 있다.Referring to FIG. 5 , the piezoelectric composite
상기 기지부(120)는 이격되어 관통된 복수의 수용홀(121)을 포함하고, 상기 복수의 압전소자(110)는 각각 상기 복수의 수용홀(121) 각각에 수용될 수 있다.The
상기 기지부(120)는 상기 압전소자(110)를 수용하기 위한 복수의 수용홀(121)을 구비할 수 있으며, 상기 수용홀(121)에 의해 상기 압전소자(110)의 상부면과 대향하는 하부면이 상기 기지부(120)에서 노출되도록 제공될 수 있다. 이에, 상기 기지부(120)에 의해 탄성파가 전파되는 것을 방지할 수 있으며, 상기 기지부(120)를 통과하는 탄성파에 의해 신호의 간섭이 발생하는 것을 방지할 수 있고, 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.The
상기 압전소자(110)는 측면 일부가 돌출된 형태로 제공되는 돌출부(112)를 포함하고, 상기 돌출부(112)의 단부는 상기 수용홀(121)의 내벽 일부와 접할 수 있다.The
상기 압전소자(110)는 전압을 인가받아 탄성파를 발생시킬 수 있으며, 이러한 탄성파가 상기 압전소자(110)와 접촉되어있는 상기 기지부(120)를 통해 직접 주변의 다른 압전소자(110)로 전파되지 않도록, 상기 압전소자(110)에 돌출부(112)를 제공할 수 있으며, 상기 돌출부(112)의 단부에 의해서만 상기 기지부(120)와 압전소자(110)가 접촉할 수 있고, 상기 기지부(120)를 통해 상기 탄성파가 전달되는 것을 최소화할 수 있다.The
상기 복수의 압전소자(110)는 각각 일정한 간격으로 이격되어 제공될 수 있다.The plurality of
상기 복수의 압전소자(110)는 각각이 액추에이터 및 센서로서 기능해야하므로 복수의 압전소자(110)들이 일정한 간격으로 이격됨으로써, 상기 액추에이터 및 센서로서의 기능이 상호 전환되더라도 액추에이터와 센서 사이는 동일한 거리를 유지할 수 있다. 이에, 상기 탄성파의 변화를 판단하기 위한 기준 데이터로서 동일한 거리 값을 사용할 수 있고, 대상물의 손상을 탐지하기 위한 데이터 처리를 편리하게 제공할 수 있다.Since each of the plurality of
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)의 압전소자(110)를 보여주는 단면도이다.6 is a cross-sectional view showing the
도 6을 참조하면, 압전소자(110)는 측면 일부가 돌출된 형태로 제공되는 돌출부(112)를 포함하고, 돌출부(112)의 단부는 수용홀(121)의 내벽 일부와 접하는 것을 알 수 있다. 또한, 복수의 압전소자(110)는 각각 일정한 간격으로 이격되어 제공되는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 6 , it can be seen that the
상기 제1 절연층(131)은 상기 간격으로 이격된 복수의 관통홀(136)을 포함할 수 있다.The first insulating
상기 복수의 관통홀(136)은 상기 복수의 압전소자(110)가 이격되어 있는 상기 간격으로 이격됨으로써, 상기 복수의 관통홀(136)과 상기 복수의 압전소자(110)는 서로 대응하는 위치에 제공될 수 있다. 여기서, 상기 관통홀(136) 내부의 적어도 일부분은 외부의 압력에 의해 상기 압전소자(110)와 닿을 수 있다. 또한, 상기 제1 절연층(131)은 상기 복수의 관통홀(136)로 인하여 휘어질 수 있다. 이로 인해, 본 발명의 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)은 손상을 탐지하고자 하는 대상물의 형태에 따라 대응하여 유연하게 부착될 수 있다. 즉, 곡면의 대상물 표면에도 부착될 수 있으며, 다양한 형상의 대상물에서 손상을 탐지할 수 있다. 이때, 상기 관통홀(136)은 충진되어 있거나 비어있을 수 있다. The plurality of through
상기 기지부(120) 및 지지필름(130) 각각은 정렬마크(137)를 포함하고, 상기 기지부(120)와 지지필름(130)은 상기 정렬마크(137)를 기준으로 정렬되어 서로 부착될 수 있다.Each of the
상기 기지부(120) 및 지지필름(130) 각각은 정렬마크(137)를 포함함으로써, 상기 정렬마크(137)를 기준으로 상기 기지부(120)와 지지필름(130)을 정렬시켜 서로 부착시킬 수 있다. 여기서, 상기 지지필름(130)의 제1 절연층(131), 회로패턴층(132) 및 제2 절연층(133) 각각도 정렬마크(137)를 포함할 수 있다. 이로 인해, 상기 제1 지지필름(130a)의 비아 홀(134) 및 상기 제2 지지필름(130b)의 비아 홀(134) 각각이 상기 제1 절연층(131)의 서로 대응하는 위치에 제공되어, 정위치에서 서로 맞닿아 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 상기 복수의 압전소자(110)와 상기 제1 지지필름(130a)의 복수의 관통홀(136) 각각이 서로 대응하는 위치에 제공되어, 정위치에서 상기 압전소자(110)가 상기 관통홀(136) 내부와 닿을 수 있다.Each of the
상기 기지부(120)는 일방향으로 연장된 스트립 형태이고, 상기 복수의 압전소자(110)가 상기 일방향을 따라 일렬로 배치될 수 있다.The
상기 기지부(120)의 형태는 손상 탐지하고자 하는 대상물에 의해 적합한 형태로 제공될 수 있으나, 도 3의 (b)와 같이 스트립 형상의 기지부(120)는 폭이 좁고 길이 방향으로 연장된 형태의 대상물에 사용할 수 있다. 이러한 스트립형태의 기지부(120)로 이루어진 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)는 다양한 곡면에 부착되기 용이할 수 있고, 수평방향으로 복수개 사용할 수 있도록 제공되어, 손상을 탐지하고자 하는 대상물이 규격에 맞지 않더라도 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)를 빈틈없이 부착할 수 있고, 손상을 탐지하지 못하는 면적을 최소화할 수 있다.The shape of the
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)를 보여주는 분해사시도이다. 7 is an exploded perspective view showing a piezoelectric composite
도 7을 참조하면, 기지부(120)는 이격된 복수의 수용홀(121)을 포함하고, 복수의 압전소자(110)는 각각 복수의 수용홀(121) 각각에 수용될 수 있다. 또한, 압전소자(110)의 양단에 전극(111)이 연결되는 것을 확인할 수 있다. 그리고 압전소자(110)를 기준으로 제1 지지필름(130a)과 제2 지지필름(130b)이 서로 대향하여 배치되는 것을 알 수 있다. 또한, 기지부(120) 및 지지필름(130) 각각은 정렬마크(137)를 포함하는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 7 , the
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 비파괴 검사 장치를 나타낸 구성도이다.8 is a configuration diagram showing a non-destructive testing device according to another embodiment of the present invention.
도 8을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 비파괴 검사 장치를 보다 상세히 살펴보는데, 본 발명의 일실시예에 따른 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)와 관련하여 앞서 설명된 부분과 중복되는 사항들은 생략하도록 한다.Referring to FIG. 8, a non-destructive testing device according to another embodiment of the present invention will be looked at in more detail. Matters overlapping with those described above in relation to the piezoelectric composite
본 발명의 다른 실시예에 따른 비파괴 검사 장치는 본 발명의 일실시예에 따른 압전 복합체 손상 탐지 센서(100); 상기 복수의 압전소자(110) 중 선택된 적어도 어느 하나의 압전소자(110)가 탄성파를 발생시키도록 전압을 인가하는 전원부(300); 발생된 상기 탄성파가 선택된 상기 압전소자(110)에 인접한 주변의 압전소자(110)에 도달하여 출력된 전기 신호를 측정하는 신호 측정부(400); 및 상기 복수의 압전소자(110)를 각각 상기 전원부(300) 또는 상기 신호 측정부(400)에 선택적으로 연결시키는 스위치부(500);를 포함할 수 있다.A non-destructive testing device according to another embodiment of the present invention includes a piezoelectric composite
상기 신호 측정부(400)에서 측정된 데이터를 전달받으며, 상기 측정된 데이터를 기준 데이터와 비교하여 미리 설정된 범위를 벗어날 경우 손상이 존재하는 것으로 판단하는 손상 판단부(210);를 더 포함할 수 있다.It may further include a
압전소자(110)는 복수로 제공되며 기지부(120)에 의해 이격되어 수용될 수 있고, 상기 압전소자(110)와 상기 기지부(120) 각각의 상부면과 대향하는 하부면은 각각 지지필름(130)으로 지지되어, 상기 압전소자(110)가 외부로부터 절연될 수 있다. 즉, 상기 지지필름(130)은 제1 지지필름(130a) 및 제2 지지필름(130b)을 포함하고, 상기 제1 지지필름(130a) 및 제2 지지필름(130b)은 상기 압전소자(110)의 상부면 및 하부면에 각각 제공되며, 각각 서로 대칭하는 형태로 형성될 수 있다. 이러한 상기 지지필름(130)은 제1 절연층(131), 회로패턴층(132) 및 제2 절연층(133)을 포함할 수 있다. 이때, 상기 제2 절연층(133)은 상기 제2 절연층(131)보다 두께가 두꺼움으로써, 절연 특성이 향상될 수 있다. 이로 인해, 본 발명의 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)는 전기적인 충격에 강하여 극한 환경에서 안정적인 센싱 성능을 유지할 수 있다.A plurality of
상기 지지필름(130)은 손상을 탐지하고자 하는 대상물의 표면에 부착될 수 있으며, 상기 압전소자(110)의 양단에는 전극(111)이 연결되고, 상기 전극(111)은 상기 지지필름(130)에 형성된 회로패턴(132a)과 연결되고, 상기 회로패턴(132a)은 배선(138)에 의해 외부 연결 단자(135)로 연결되어, 상기 외부 연결 단자(135)를 통해 상기 압전소자(110)는 외부 장치와 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 상기 압전소자(110)는 상기 외부 연결 단자(135)에 연결된 외부 장치로부터 상기 배선(138)을 통해 전압을 인가 받아 탄성파를 발생시킬 수 있다.The
이에, 상기 탄성파는 상기 대상물과 상기 지지필름(130)의 접촉면을 따라 전파될 수 있고, 상기 탄성파의 발생 지점으로부터 인접한 주변의 다른 압전소자(110)는 상기 탄성파에 의해 전기 신호를 출력할 수 있다. 상기 전기 신호는 상기 회로패턴(132a)을 통해 신호 측정부(400)에 전달될 수 있고, 상기 신호 측정부(400)에서 상기 전기 신호의 세기를 측정된 데이터를 손상 판단부(210) 및 손상 정보부(220)를 포함하는 제어부(200)로 전달할 수 있다. 상기 손상 판단부(210)는 상기 측정된 데이터를 기준값과 비교하여 상기 대상물의 손상 여부를 탐지할 수 있으며, 상기 손상 정보부(220)는 상기 데이터를 분석하여 손상위치 손상크기 등을 파악할 수 있다. 또한, 상기 압전소자(110)는 스위치부(500)에 의해 상기 전원부(300) 또는 상기 신호 측정부(400)에 선택적으로 연결될 수 있다.Accordingly, the elastic wave may propagate along the contact surface between the object and the
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 비파괴 검사 장치에서 시간에 따라 측정된 전기 신호를 나타낸 그래프이다.9 is a graph showing electrical signals measured over time in a non-destructive testing device according to another embodiment of the present invention.
도 9를 참조하면, 탄성파에 의한 손상 탐지는, 손상이 없을 경우의 기준 데이터를 축적하고 손상이 발생하였을 경우 상기 기준 데이터와 비교하여 발생된 차이를 분석하는 방법 등이 있을 수 있다.Referring to FIG. 9 , damage detection by elastic waves may include a method of accumulating reference data when there is no damage and comparing the reference data when damage occurs to analyze a difference.
이러한, 기준 데이터는 예를 들어, 탄성파가 도달하는데 걸린 시간일 수 있다. 이에, 상기 탄성파가 상기 손상을 거쳐 도달되는 시간을 측정하고, 측정하고자 하는 대상물에 손상이 있는 경우, 상기 기준데이터와 비교하여 상기 탄성파가 도달하는 시간이 증가한 것을 확인하는 방법으로 손상이 발생하였음을 탐지할 수 있다.Such reference data may be, for example, the time taken for the elastic wave to arrive. Therefore, it is determined that the damage has occurred by measuring the time for which the elastic wave reaches through the damage and confirming that the time for the elastic wave to arrive has increased compared to the reference data when there is damage to the object to be measured. can detect
이때, 액추에이팅된 압전소자(A)로부터 센싱하는 압전소자(S)까지의 거리는 이미 알고 있기 때문에, 액추에이팅된 압전소자(A)에서 발생한 신호가 센싱하는 압전소자(S)에 신호가 도달하는 시간을 측정하면 위의 수식과 같이 탄성파의 속도(Vg, Group Velocity)를 구할 수 있고, 이와 같이 구해진 상기 탄성파의 속도를 이용하여 손상까지의 거리(dd)를 계산할 수 있다.At this time, since the distance from the actuated piezoelectric element A to the sensing piezoelectric element S is already known, the signal generated from the actuated piezoelectric element A is transmitted to the sensing piezoelectric element S. When the arrival time is measured, the elastic wave velocity (V g, group velocity) can be obtained as in the above formula, and the distance to damage (d d ) can be calculated using the thus obtained velocity of the elastic wave.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 비파괴 검사 장치의 손상 데이터 생성 방법을 나타낸 개념도이다.10 is a conceptual diagram illustrating a method of generating damage data of a non-destructive testing device according to another embodiment of the present invention.
도 10을 참고하면, 액추에이팅된 압전소자(A)와 센싱하는 압전소자(S)를 두 초점으로 하는 타원 방정식을 구성할 수 있다.Referring to FIG. 10 , an elliptic equation having an actuated piezoelectric element A and a sensing piezoelectric element S as two focal points may be configured.
이러한 액추에이팅된 압전소자(A)와 센싱하는 압전소자(S)로 이루어진 최소3개의 실험 데이터를 측정하면 3개의 타원 방정식을 구할 수 있고, 타원의 중첩된 중심점으로 손상 위치를 추정할 수 있다.By measuring at least three experimental data consisting of the actuated piezoelectric element (A) and the sensing piezoelectric element (S), three elliptic equations can be obtained, and the damage location can be estimated with the overlapping center point of the ellipse. .
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)의 비파괴 검사 방법을 나타낸 개념도이다.11 is a conceptual diagram illustrating a non-destructive inspection method of the piezoelectric composite
도 11을 참조하면, 비파괴 검사 방법은 상기 복수의 압전소자(110) 중 적어도 어느 하나의 압전소자(110)를 선택하는 과정; 선택된 상기 압전소자(110)에 전압을 인가하여 탄성파를 발생시키는 과정; 및 선택된 상기 압전소자(110)에 인접한 압전소자(110)에서 상기 탄성파에 의해 출력된 전기신호를 측정하는 과정;을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 11 , the non-destructive testing method includes selecting at least one
선택된 상기 압전소자(110)와 상이한 위치의 압전소자(110) 중 적어도 어느 하나의 압전소자(110)를 다시 선택하는 과정;을 더 포함하고, 상기 탄성파를 발생시키는 과정, 및 상기 전기 신호를 측정하는 과정을 반복할 수 있다.A process of re-selecting at least one
본 발명의 실시예에 따른 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)에 포함되는 복수의 압전소자(110)는 각각 탄성파를 발생시키는 액추에이팅과 상기 탄성파에 의해 전기 신호를 출력하는 센싱의 두 가지 기능을 수행할 수 있도록 제공될 수 있고, 상기 복수의 압전소자(110)를 순차적으로 액추에이팅 및 센싱하도록 제공함으로써, 넓은 면적의 대상물에 발생한 손상의 구체적인 위치를 탐지할 수 있다.The plurality of
이에, 가장 선단의 압전소자(110)에 전압을 인가하여 탄성파를 발생시킬 수 있고, 상기 탄성파는 탐지하고자 하는 대상물을 통해 주변에 인접한 다른 압전소자(110)에 도달하여 상기 다른 압전소자(110)는 전기 신호를 출력시킬 수 있고, 상기 전기 신호를 측정하여 상기 대상물의 손상을 탐지할 수 있다.Accordingly, an elastic wave can be generated by applying a voltage to the frontmost
또한, 상기 전압을 해제하고, 상기 전압이 해제된 압전소자(110)로부터 인접한 다른 압전소자(110)에 전압을 인가함으로써 순차적으로 액추에이팅하는 압전소자(A)의 위치를 변경할 수 있고, 대상물에 발생한 손상의 구체적인 위치를 탐지할 수 있다.In addition, by releasing the voltage and applying a voltage from the
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 복수 개의 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)의 비파괴 검사 방법을 나타낸 개념도이다.12 is a conceptual diagram illustrating a non-destructive inspection method for a plurality of piezoelectric composite
도 12를 참조하면, 비파괴 검사 방법은, 서로 평행하도록 복수개의 상기 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)를 배치하는 과정; 복수의 압전소자(110) 중 적어도 어느 하나를 선택하는 과정; 선택된 상기 압전소자(110)에 전압을 인가하여 탄성파를 발생시키는 과정; 및 선택된 상기 압전소자(110)를 포함하는 압전 복합체 손상 탐지 센서(100) 및 그에 이웃한 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)에 구비되는 복수의 압전소자(110) 중, 상기 선택된 압전소자(110)와 인접한 압전소자(110)에서 상기 탄성파에 의해 출력된 전기 신호를 측정하는 과정;을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 12 , the non-destructive testing method includes arranging a plurality of the piezoelectric composite
본 발명의 실시예에 따른 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)는 스트립 형태일 수 있으며, 상기 스트립 형태의 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)를 수평방향으로 복수개 사용할 수 있도록 제공될 수 있다.The piezoelectric composite
상기 스트립 형태의 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)는 하나의 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)에 포함된 압전소자(110)로부터 발생한 탄성파를 이웃한 다른 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)에 구비된 압전소자(110)에서 탐지할 수 있으며, 예를 들어, 상기 복수개의 스트립 형태의 압전 복합체 손상 탐지 센서(100) 사이의 거리를 측정하여 기준 데이터를 입력하는 등으로 복수개의 스트립 형태의 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)를 사용하여 대상물의 손상을 탐지할 수 있다.The piezoelectric composite
이에, 손상을 탐지하고자 하는 대상물이 규격에 맞지 않더라도 상기 압전 복합체 손상 탐지 센서(100)를 빈틈없이 부착할 수 있고, 손상을 탐지하지 못하는 면적을 최소화할 수 있다.Accordingly, even if the object to be damaged does not meet the standard, the piezoelectric composite
이처럼, 본 발명에서는 압전 복합체 손상 탐지 센서가 제1 절연층, 회로패턴층 및 제2 절연층을 구비하는 지지필름을 포함하여, 극한 환경에서 안정적인 센싱 성능을 유지할 수 있다. 특히, 제2 절연층의 두께가 제1 절연층의 두께보다 두꺼움으로써, 손상을 탐지하고자 하는 대상물의 건전성에 치명적인 영향을 주는 손상을 억제하여 센서의 신뢰성을 담보할 수 있다. 또한, 압전 복합체 손상 탐지 센서는 복수의 압전소자를 이격되도록 수용하는 기지부를 제공하여 압전 복합체를 형성함으로써, 압전 세라믹스의 취성이 보완된 손상 탐지 센서를 제공할 수 있으며, 각 압전소자 사이의 거리는 기지부에 의해 이격된 상태로 유지되므로, 손상 탐지를 위한 별도의 거리측정 절차가 불필요할 수 있고, 편리한 손상 탐지를 제공할 수 있다.As such, in the present invention, the piezoelectric composite damage detection sensor includes a support film having a first insulating layer, a circuit pattern layer, and a second insulating layer, and can maintain stable sensing performance in an extreme environment. In particular, since the thickness of the second insulating layer is thicker than that of the first insulating layer, reliability of the sensor can be secured by suppressing damage that has a fatal effect on the integrity of an object to be detected. In addition, the piezoelectric composite damage detection sensor may provide a damage detection sensor in which the brittleness of piezoelectric ceramics is supplemented by providing a base portion accommodating a plurality of piezoelectric elements spaced apart to form a piezoelectric composite, and the distance between each piezoelectric element is Since they are kept spaced apart by branches, a separate distance measurement procedure for damage detection may not be necessary, and convenient damage detection may be provided.
이때, 기지부의 탄성률은 압전소자보다 낮게 함으로써, 탄성파를 이용한 대상물의 손상 탐지 시 압전소자와 맞닿아 있는 지지부를 통해 탄성파가 주변의 다른 압전소자로 직접 전파되는 것을 방지할 수 있고, 센서의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.At this time, by making the modulus of elasticity of the base part lower than that of the piezoelectric element, it is possible to prevent the elastic wave from propagating directly to other piezoelectric elements around it through the support part in contact with the piezoelectric element when damage to the object is detected using the elastic wave, and the reliability of the sensor can improve
또한, 지지필름은 압전소자를 기준으로 서로 대향하여 배치되는 제1 지지필름 및 제2 지지필름을 포함하여, 압전소자를 외부로부터 절연하여 보호할 수 있다. 이때, 제1 지지필름 및 제2 지지필름은 비아 홀을 포함하여, 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 여기서, 제2 지지필름은 외부 연결 단자를 포함하여, 회로패턴층과 외부장치를 전기적으로 연결할 수 있다.In addition, the support film may include a first support film and a second support film disposed to face each other based on the piezoelectric element to insulate and protect the piezoelectric element from the outside. In this case, the first support film and the second support film may be electrically connected to each other by including via holes. Here, the second support film may include an external connection terminal to electrically connect the circuit pattern layer and the external device.
특히, 제1 절연층은 복수의 압전소자가 이격된 간격으로 이격된 복수의 관통홀을 포함하여, 휘어짐으로써 곡면의 대상물 표면에서도 부착되며 정위치에서 압전소자가 관통홀의 내부와 닿을 수 있다. 즉, 본 발명의 압전 복합체 손상 탐지 센서는 복잡한 구조물의 표면에 부착되어 손상을 탐지할 수 있다.In particular, the first insulating layer includes a plurality of through-holes in which a plurality of piezoelectric elements are spaced apart, and is attached to the surface of a curved object by being bent, and the piezoelectric element can come into contact with the inside of the through-holes at a fixed position. That is, the piezoelectric composite damage detection sensor of the present invention can be attached to the surface of a complex structure to detect damage.
그리고 본 발명에 따른 압전 복합체 손상 탐지 센서를 이용한 비파괴 검사 장치는, 각각의 압전소자가 탄성파를 발생시키는 액추에이팅 또는 탄성파에 의해 전기 신호를 출력하는 센싱 중 선택적으로 기능을 변경할 수 있고, 하나의 압전소자가 액추에이터 및 센서로서 기능할 수 있으므로, 복잡한 설계를 축소시킬 수 있고, 장치를 경량화할 수 있다.In addition, the non-destructive testing device using the piezoelectric composite damage detection sensor according to the present invention can selectively change its function among actuating in which each piezoelectric element generates an elastic wave or sensing in which an electrical signal is output by an elastic wave, and one Since the piezoelectric element can function as an actuator and a sensor, a complicated design can be reduced and the weight of the device can be reduced.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been shown and described above, the present invention is not limited to the above embodiments, and common knowledge in the field to which the present invention pertains without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. Those who have will understand that various modifications and other equivalent embodiments are possible from this. Therefore, the technical protection scope of the present invention should be determined by the claims below.
100 : 압전 복합체 손상 탐지 센서 110 : 압전소자
111 : 전극 112 : 돌출부
120 : 기지부 121 : 수용홀
130 : 지지필름 130a: 제1 지지필름
130b: 제2 지지필름 131 : 제1 절연층
132 : 회로패턴층 132a: 회로패턴
133 : 제2 절연층 134 : 비아 홀
135 : 외부 연결 단자 136 : 관통홀
137 : 정렬마크 138 : 배선
200 : 제어부 210 : 손상 판단부
220 : 손상 정보부 300 : 전원부
400 : 신호 측정부 500 : 스위치부
A : 액추에이팅된 압전소자 S : 센싱하는 압전소자100: piezoelectric composite damage detection sensor 110: piezoelectric element
111: electrode 112: protrusion
120: base 121: accommodation hall
130:
130b: second support film 131: first insulating layer
132:
133: second insulating layer 134: via hole
135: external connection terminal 136: through hole
137: alignment mark 138: wiring
200: control unit 210: damage determination unit
220: damage information unit 300: power unit
400: signal measurement unit 500: switch unit
A: Actuated piezoelectric element S: Sensing piezoelectric element
Claims (15)
상기 복수의 압전소자 각각을 이격되도록 수용하는 기지부; 및
상기 기지부와 상기 복수의 압전소자를 지지하는 지지필름;을 포함하고,
상기 지지필름은,
상기 기지부와 상기 복수의 압전소자의 상에 제공되는 제1 절연층;
상기 제1 절연층의 상에 형성되는 회로패턴층; 및
상기 회로패턴층의 상에 제공되어, 상기 회로패턴층을 보호하는 제2 절연층;을 포함하는 압전 복합체 손상 탐지 센서.a plurality of piezoelectric elements;
a base portion accommodating each of the plurality of piezoelectric elements so as to be spaced apart from each other; and
Including; a support film supporting the base and the plurality of piezoelectric elements,
The support film,
a first insulating layer provided on the base and the plurality of piezoelectric elements;
a circuit pattern layer formed on the first insulating layer; and
A piezoelectric composite damage detection sensor including a second insulating layer provided on the circuit pattern layer to protect the circuit pattern layer.
상기 복수의 압전소자는, 각각 펠렛 형상으로 제공되며 세라믹 물질로 이루어진 압전 세라믹스이고,
상기 기지부는 판상인 압전 복합체 손상 탐지 센서.The method of claim 1,
The plurality of piezoelectric elements are each provided in a pellet shape and are piezoelectric ceramics made of a ceramic material,
The base portion is a plate-shaped piezoelectric composite damage detection sensor.
상기 기지부는,
상기 지지필름보다 높은 탄성률을 나타내고, 상기 압전소자보다 낮은 탄성률을 나타내는 압전 복합체 손상 탐지 센서.The method of claim 1,
The base part,
A piezoelectric composite damage detection sensor exhibiting a higher elastic modulus than the support film and a lower elastic modulus than the piezoelectric element.
상기 제2 절연층의 두께는 상기 제1 절연층의 두께보다 두꺼운 압전 복합체 손상 탐지 센서.The method of claim 1,
The thickness of the second insulating layer is thicker than the thickness of the first insulating layer piezoelectric composite damage detection sensor.
상기 제2 절연층은 복수의 층으로 제공되는 압전 복합체 손상 탐지 센서.The method of claim 1,
The second insulating layer is a piezoelectric composite damage detection sensor provided in a plurality of layers.
상기 지지필름은,
손상을 탐지하고자 하는 대상물과 상기 압전소자 사이에 배치되는 제1 지지필름; 및
상기 압전소자를 기준으로 상기 제1 지지필름에 대향하여 배치되는 제2 지지필름;을 포함하고,
상기 제1 지지필름 및 제2 지지필름의 제1 절연층 각각은,
서로 대응하는 위치에 제공되어, 상기 제1 지지필름과 상기 제2 지지필름을 전기적으로 연결하는 비아 홀을 포함하는 압전 복합체 손상 탐지 센서.The method of claim 1,
The support film,
a first support film disposed between an object to be damaged and the piezoelectric element; and
A second support film disposed to face the first support film based on the piezoelectric element;
Each of the first insulating layers of the first support film and the second support film,
A piezoelectric composite damage detection sensor comprising via holes provided at corresponding positions to electrically connect the first support film and the second support film.
상기 제2 지지필름은,
상기 제2 절연층 상에 제공되고, 상기 회로패턴층과 외부장치를 전기적으로 연결하는 외부 연결 단자를 더 포함하는 압전 복합체 손상 탐지 센서.The method of claim 6,
The second support film,
The piezoelectric composite damage detection sensor further comprising an external connection terminal provided on the second insulating layer and electrically connecting the circuit pattern layer and an external device.
상기 기지부는 이격되어 관통된 복수의 수용홀을 포함하고,
상기 복수의 압전소자는 각각 상기 복수의 수용홀 각각에 수용되는 압전 복합체 손상 탐지 센서.The method of claim 1,
The base portion includes a plurality of receiving holes spaced apart and penetrating,
The plurality of piezoelectric elements are respectively accommodated in the plurality of receiving holes, respectively, the piezoelectric composite damage detection sensor.
상기 압전소자는 측면 일부가 돌출된 형태로 제공되는 돌출부를 포함하고,
상기 돌출부의 단부는 상기 수용홀의 내벽 일부와 접하는 압전 복합체 손상 탐지 센서.The method of claim 8,
The piezoelectric element includes a protrusion provided in a form in which a portion of a side surface protrudes,
The end of the protrusion is in contact with a portion of the inner wall of the receiving hole piezoelectric composite damage detection sensor.
상기 복수의 압전소자는 각각 일정한 간격으로 이격되어 제공되는 압전 복합체 손상 탐지 센서.The method of claim 1,
The plurality of piezoelectric elements are piezoelectric composite damage detection sensors provided at regular intervals.
상기 제1 절연층은 상기 간격으로 이격된 복수의 관통홀을 포함하는 압전 복합체 손상 탐지 센서.The method of claim 10,
The first insulating layer is a piezoelectric composite damage detection sensor comprising a plurality of through-holes spaced apart at the interval.
상기 기지부 및 지지필름 각각은 정렬마크를 포함하고,
상기 기지부와 지지필름은 상기 정렬마크를 기준으로 정렬되어 서로 부착되는 압전 복합체 손상 탐지 센서.The method of claim 1,
Each of the base portion and the support film includes an alignment mark,
The piezoelectric composite damage detection sensor in which the base and the support film are aligned based on the alignment mark and attached to each other.
상기 기지부는 일방향으로 연장된 스트립 형태이고,
상기 복수의 압전소자가 상기 일방향을 따라 일렬로 배치되는 압전 복합체 손상 탐지 센서.The method of claim 1,
The base portion has a strip shape extending in one direction,
A piezoelectric composite damage detection sensor in which the plurality of piezoelectric elements are arranged in a line along the one direction.
상기 복수의 압전소자 중 선택된 적어도 어느 하나의 압전소자가 탄성파를 발생시키도록 전압을 인가하는 전원부;
발생된 상기 탄성파가 선택된 상기 압전소자에 인접한 주변의 압전소자에 도달하여 출력된 전기 신호를 측정하는 신호 측정부; 및
상기 복수의 압전소자를 각각 상기 전원부 또는 상기 신호 측정부에 선택적으로 연결시키는 스위치부;를 포함하는 비파괴 검사 장치.Claims 1 to 13 of any one of the piezoelectric composite damage detection sensor;
a power supply unit for applying a voltage so that at least one selected piezoelectric element among the plurality of piezoelectric elements generates an elastic wave;
a signal measurer for measuring an electrical signal output when the generated elastic wave reaches a piezoelectric element adjacent to the selected piezoelectric element; and
A non-destructive testing device including a switch unit for selectively connecting the plurality of piezoelectric elements to the power supply unit or the signal measurement unit, respectively.
상기 신호 측정부에서 측정된 데이터를 전달받으며, 상기 측정된 데이터를 기준 데이터와 비교하여 미리 설정된 범위를 벗어날 경우 손상이 존재하는 것으로 판단하는 손상 판단부;를 더 포함하는 비파괴 검사 장치.The method of claim 14,
A damage determination unit that receives the data measured by the signal measurement unit, compares the measured data with reference data, and determines that damage exists when it is out of a preset range.
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