KR20240069739A - 물리적 특성 변화를 검출하기 위해 반강체 구조 부재에 혼입된 센서 - Google Patents
물리적 특성 변화를 검출하기 위해 반강체 구조 부재에 혼입된 센서 Download PDFInfo
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Abstract
개시된 차량 구성요소는 재료 내에 내장될 수 있는 적어도 하나의 분할-링 공진기를 포함할 수 있다. 분할 링 공진기는 3차원(3D) 모놀리식 탄소질 성장으로 형성될 수 있으며, 사용자 디바이스로부터 방출되는 전자기 핑을 검출할 수 있다. 분할 링 공진기는 전자기 핑에 응답하여 전자기 반환 신호를 생성할 수 있다. 전자기 반환 신호는 각 분할 링 공진기에 근접한 위치에 있는 재료의 상태를 나타낼 수 있다. 일부 양태에서, 분할-링 공진기는 재료가 제1 상태에 있을 때 전자기 핑에 응답하여 제1 주파수에서 공진할 수 있고, 재료가 제2 상태에 있을 때 전자기 핑에 응답하여 제2 주파수에서 공진할 수 있다. 3D 모놀리식 탄소질 성장의 공진 주파수는 재료의 물리적 특성에 기초할 수 있다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 미국 특허 가출원 번호 63/242,270(발명의 명칭: "SENSORS INCORPORATED INTO SEMI-RIGID STRUCTURAL MEMBERS TO DETECT PHYSICAL CHARACTERISTIC CHANGES", 출원일: 2021년 9월 9일); 미국 특허 가출원 번호 63/247,680(발명의 명칭: "SENSORS INCORPORATED INTO SEMI-RIGID STRUCTURAL MEMBERS TO DETECT PHYSICAL CHARACTERISTIC CHANGES", 출원일: 2021년 9월 23일); 미국 특허 가출원 번호 63/276,274(발명의 명칭: "SENSORS INCORPORATED IN VEHICLE COMPONENTS TO DETECT PHYSICAL CHARACTERISTIC CHANGES, 출원일: 2021년 11월 5일); 및 미국 특허 가출원 번호 63/281,846(발명의 명칭: "SENSORS INCORPORATED INTO AIRBORNE VEHICLE COMPONENTS TO DETECT PHYSICAL CHARACTERISTIC CHANGES", 출원일: 2021년 11월 22일)(이들 출원 모두는 본 출원의 양수인에게 양도되고; 모든 선출원의 내용은 본 명세서의 일부로 간주되고 본 명세서에 참조에 의해 원용됨)의 우선권의 이익을 주장한다.
기술 분야
본 발명은 일반적으로 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량 구성요소의 물리적 변화를 검출하기 위해 차량 구성요소 내에 또는 상에 분할 링 공진기를 혼입하는 것에 관한 것이다.
차량 센서의 진보로 추가적인 기술 통합 기회가 창출됐다. 이는 특히 (훈련된 유능한 인간과 반대로) 기술이 차량 구성요소의 성능과 신뢰성을 정기적으로 모니터링하여 지속적으로 차량 탑승자의 안전과 편안함을 보장해야 하는 완전 자율 주행 및 내비게이션으로 현대 차량이 전환함에 따라 그러하다. 타이어 압력 모니터링 시스템(TPMS) 또는 다른 전자 장치 또는 기계 기반 센서와 같은 기존의 시스템은 고성능(예를 들어, 경주용) 또는 완전 자율 주행 응용에 필요한 높은 레벨의 충실도를 제공하지 못할 수 있다. 이러한 응용에서는 까다로운 주행에서 나타나는 급격한 차량 구성요소(예를 들어, 타이어)의 마모, 환경에 기초한 차량 항력의 변화 윤곽, 또는 존재하는 인간 운전자가 차량 동작 동안 차량 상태를 점검하지 못할 수 있는 것과 같은 고유한 문제를 제기할 수 있다.
최근의 센서 개발은 많은 새로운 응용 분야에서 재료의 속성 변화를 검출할 수 있게 한다. 그러나, 센서 기술의 추가 개선이 바람직하다.
본 '발명의 내용'란은 아래 '발명을 실시하기 위한 구체적인 내용'란에서 더 설명되는 내용 중 일부 선택된 개념을 단순화된 형태로 소개하기 위해 제공된 것이다. 본 '발명의 내용'란은 청구된 주제의 핵심 특징 또는 필수 특징을 식별하기 위해 의도된 것도 아니며, 청구된 주제의 범위를 제한하기 위해 의도된 것도 아니다.
본 명세서에 설명된 주제의 하나의 혁신적인 양태는 재료 내에 내장되도록 구성된 분할-링 공진기(분할 링 공진기)를 포함하는 전자기 상태 감지 디바이스(EMSSD)로 구현될 수 있다. 각 분할 링 공진기는 3차원(3D) 모놀리식 탄소질 성장으로 형성될 수 있으며, 전자기 자극 신호에 응답하여 전자기 반환 신호를 생성하도록 사용자 디바이스(예를 들어, 스마트폰, 무선 주파수 식별(RFID) 판독기 또는 근거리 통신(NFC) 디바이스)에서 방출되는 전자기 자극 신호에 응답할 수 있다. 전자기 반환 신호는 각 분할 링 공진기에 근접한 위치에 있는 재료의 상태를 나타낼 수 있다. 분할 링 공진기는 재료가 제1 상태에 있을 때 전자기 자극 신호에 응답하여 제1 주파수에서 공진할 수 있고, 재료가 제2 상태에 있을 때 전자기 자극 신호에 응답하여 제2 주파수에서 공진할 수 있다. 3D 모놀리식 탄소질 성장의 자연 공진 주파수는 재료의 물리적 특성, 예를 들어, 유전율 및/또는 투자율에 기초할 수 있다. 이러한 방식으로, 제1 분리 링 공진기와 제2 분리 링 공진기의 전자기 자극 신호에 응답하여 자연 공진 주파수의 편이(shift) 정도는 재료의 변형량을 나타낼 수 있다.
다양한 구현예에서, 각 분할 링 공진기는 전자기 자극 신호에 응답하여 제1 전자기 반환 신호를 생성함으로써 재료의 제1 상태를 나타낼 수 있고, 전자기 핑(electromagnetic ping)에 응답하여 제2 전자기 반환 신호를 생성함으로써 재료의 제2 상태를 나타낼 수 있다. 또한, 제1 전자기 반환 신호는 제1 주파수를 가질 수 있고, 제2 전자기 반환 신호는 제1 주파수와 다른 제2 주파수를 가질 수 있다.
재료의 상태는 재료의 변형을 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 분할 링 공진기는 전자기 자극 신호에 응답하여 제1 전자기 반환 신호를 생성함으로써 재료의 변형을 나타낼 수 있고, 전자기 핑에 응답하여 제2 전자기 반환 신호를 생성함으로써 재료의 변형이 없음을 나타낼 수 있다.
일부 구현예에서, 적어도 하나의 분할 링 공진기는, 재료의 상태가 임계값을 초과할 때 전자기 자극 신호에 응답하여 제1 주파수에서 공진할 수 있고, 재료의 상태가 임계값 아래에 있을 때 전자기 자극 신호에 응답하여 제2 주파수에서 공진할 수 있는 공진 부분을 포함한다. 분할 링 공진기 중 일부는 각각 제1 분할 링 공진기 내의 제1 탄소 입자의 농도 레벨에 기초하여 전자기 자극 신호에 응답하여 고유하게 공진할 수 있는 제1 탄소 입자를 갖는 제1 분할-링 공진기(분할 링 공진기)를 가질 수 있다. 일부 분할 링 공진기는 제2 분할 링 공진기 내의 제2 탄소 입자의 농도 레벨에 적어도 부분적으로 기초하여 전자기 자극 신호에 응답하여 고유하게 공진할 수 있는 제2 탄소 입자를 갖는 제2 분할 링 공진기를 제1 분할 링 공진기에 인접하여 가질 수 있다.
제1 탄소 입자와 제2 탄소 입자 각각은 재료와 화학적으로 결합될 수 있다. 일부 양태에서, 제1 탄소 입자는 제1 다공성 구조를 형성하는 제1 응집체를 포함할 수 있고, 제2 탄소 입자는 제2 다공성 구조를 형성하는 제2 응집체를 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 제1 분할 링 공진기 또는 제2 분할 링 공진기의 공진 진폭은 재료의 마모 정도를 나타낼 수 있다. 또한, 제1 분할 링 공진기는 전자기 핑에 응답하여 제1 주파수에서 공진할 수 있고, 제2 분할 링 공진기는 전자기 핑에 응답하여 제2 주파수에서 공진할 수 있으며, 여기서 제1 주파수는 제2 주파수와 다르다. 제1 분할 링 공진기와 제2 분할 링 공진기 각각은 전자기 핑에 대한 주파수 응답과 연관된 감쇠점을 가질 수 있다.
일부 구현예에서, 분할 링 공진기는 EVTOL의 구조 부재에 배치된다. 또한, 공진 센서가 EVTOL 차량의 안전성과 기동성뿐만 아니라 다른 유형의 공중 차량(airborne vehicle)의 안전성과 기동성과 관련하여 중요한 역할을 하는 방식을 보여주는 기술이 개시된다.
일 구현예에서, 차량 구성요소는 차량 구성요소의 재료 내에 내장된 적어도 하나의 분할-링 공진기(split-ring resonator: SRR)를 포함할 수 있고/있거나, 적어도 하나의 SRR은 3차원(3D) 모놀리식 탄소질 성장으로 형성된다. 추가적으로, 적어도 하나의 SRR은 재료의 가역적 변형, 응력 또는 스트레인 중 적어도 하나에 응답하여 공진 주파수 편이를 갖도록 구성될 수 있다.
다양한 실시예에서, 재료는 비-엘라스토머 재료, 반강성 재료, 및/또는 발포 기반 재료일 수 있다. 발포 기반 재료는 일 실시예에서 공진 주파수 편이를 증폭시킬 수 있다. 추가적으로, 적어도 하나의 SRR과 결합된 발포 기반 재료는 적어도 하나의 SRR의 공진 주파수 편이와 발포 기반 재료의 주파수 응답의 조합에 기초하여 앙상블 주파수 효과를 생성할 수 있다.
차량 구성요소는 육상 차량 또는 공중 차량일 수 있다. 추가적으로, 공중 차량은 수직 이착륙(VTOL) 항공기, 전기 수직 이착륙(eVTOL) 항공기, 드론, 승객용 드론, 상업용 항공기, 군용 항공기 또는 로켓 중 하나일 수 있다.
추가적으로, 일부 구현예에서, 공진 주파수 편이는 재료가 제1 상태에 있을 때 전자기 핑에 응답하여 제1 주파수에 있을 수 있고, 재료가 제2 상태에 있을 때 전자기 핑에 응답하여 제2 주파수에 있을 수 있다. 공진 주파수 편이는 재료의 하나 이상의 물리적 특성에 적어도 부분적으로 기초할 수 있다. 또한, 공진 주파수 편이의 제1 주파수는 전자기 핑에 응답하여 제1 전자기 반환 신호를 생성함으로써 재료의 제1 상태를 나타낼 수 있고, 공진 주파수 편이의 제2 주파수는 전자기 핑에 응답하여 제2 전자기 반환 신호를 생성함으로써 재료의 제2 상태를 나타낼 수 있다. 제1 주파수는 제2 주파수와 다를 수 있다.
공진 주파수 편이는 재료의 가역적 변형에 응답하여 발생할 수 있다. 추가적으로, 적어도 하나의 SRR은 전자기 핑에 응답하여 제1 전자기 반환 신호를 생성함으로써 재료의 가역적 변형의 제1 상태를 나타내도록 구성될 수 있고, 전자기 핑에 응답하여 제2 전자기 반환 신호를 생성함으로써 재료의 가역적 변형의 제2 상태를 나타내도록 구성될 수 있다. 또한, 적어도 하나의 SRR은 공진 부분을 포함할 수 있고/있거나, 공진 부분은 재료의 상태가 임계값을 초과할 때 전자기 핑에 응답하여 제1 주파수에서 공진하도록 구성될 수 있고, 재료의 상태가 임계값 아래에 있을 때 전자기 핑에 응답하여 제2 주파수에서 공진하도록 구성될 수 있다.
다양한 구현예에서, 3D 모놀리식 탄소질 성장의 공진 주파수는 재료의 유전율과 투자율 중 하나 또는 둘 다에 적어도 부분적으로 기초할 수 있다. 추가적으로, 적어도 하나의 SRR은 적어도 하나의 SRR 내의 제1 탄소 입자의 농도 레벨에 적어도 부분적으로 기초하여 전자기 핑에 응답하여 고유하게 공진하도록 구성된 복수의 제1 탄소 입자를 포함할 수 있다. 추가적으로, 제2 SRR은 차량 구성요소의 재료 내에 내장되도록 구성될 수 있고/있거나, 제2 SRR은 제2 SRR 내의 제2 탄소 입자의 농도 레벨에 적어도 부분적으로 기초하여 전자기 핑에 응답하여 고유하게 공진하도록 구성된 복수의 제2 탄소 입자를 포함할 수 있다. 제1 탄소 입자와 제2 탄소 입자 각각은 재료와 화학적으로 결합될 수 있다. 추가적으로, 제1 탄소 입자는 제1 다공성 구조를 형성하는 제1 응집체를 포함할 수 있고, 제2 탄소 입자는 제2 다공성 구조를 형성하는 제2 응집체를 포함할 수 있다. 또한, 적어도 하나의 SRR 각각의 공진 진폭은 재료의 마모 정도를 나타낼 수 있고, 적어도 하나의 SRR의 각 SRR은 감쇠점을 갖는다. 적어도 하나의 SRR의 각 SRR의 감쇠점은 전자기 핑에 대한 주파수 응답과 연관될 수 있다.
하나의 특정 구현예에서, 차량 구성요소는 차량 구성요소의 재료 내에 내장된 적어도 하나의 분할-링 공진기(SRR)를 포함할 수 있고/있거나, 적어도 하나의 SRR은 3차원(3D) 모놀리식 탄소질 성장으로 형성될 수 있다. 또한, 적어도 하나의 SRR은 재료의 엘라스토머 속성의 변화에 응답하여 공진 주파수 편이를 갖도록 구성될 수 있으며, 엘라스토머 속성은 가역적 변형, 응력 또는 스트레인 중 하나 이상을 포함한다.
다양한 실시예에서, 재료는 엘라스토머 재료 또는 엘라스토머 화합물일 수 있다. 추가적으로, 주파수 편이는 이벤트 시그니처로서 저장될 수 있고/있거나, 이벤트 시그니처는 회전 운동에 대한 동역학 또는 비회전 운동에 대한 동역학 중 적어도 하나를 측정하도록 교정될 수 있다.
또한, 공진 주파수 편이는 타이어 스틱션(tire stiction)을 측정하기 위해 교정될 수 있고/있거나, 공진 주파수 편이는 초기 교정 주파수에 기초할 수 있고, 공진 주파수 편이는 초기 교정 주파수로부터의 편차일 수 있다. 초기 교정 주파수와 공진 주파수 편이 각각은 타이어와 주행 표면 사이에 상응하는 계면 유전율 값을 가질 수 있으며, 계면 유전율 값은 타이어 스틱션과 상관 관계가 있다.
공진 주파수 편이는 재료가 제1 상태에 있을 때 전자기 핑에 응답하여 제1 주파수에 있을 수 있고, 재료가 제2 상태에 있을 때 전자기 핑에 응답하여 제2 주파수에 있을 수 있다. 추가적으로, 공진 주파수 편이는 재료의 하나 이상의 물리적 특성에 적어도 부분적으로 기초할 수 있다. 또한, 공진 주파수 편이의 제1 주파수는 전자기 핑에 응답하여 제1 전자기 반환 신호를 생성함으로써 재료의 제1 상태를 나타낼 수 있고, 공진 주파수 편이의 제2 주파수는 전자기 핑에 응답하여 제2 전자기 반환 신호를 생성함으로써 재료의 제2 상태를 나타낼 수 있고/있거나, 제1 주파수는 제2 주파수와 다를 수 있다.
다양한 실시예에서, 공진 주파수 편이는 재료의 가역적 변형에 응답할 수 있다. 추가적으로, 적어도 하나의 SRR은 전자기 핑에 응답하여 제1 전자기 반환 신호를 생성함으로써 재료의 가역적 변형의 제1 상태를 나타내도록 구성될 수 있고, 전자기 핑에 응답하여 제2 전자기 반환 신호를 생성함으로써 재료의 가역적 변형의 제2 상태를 나타내도록 구성될 수 있다. 또한, 적어도 하나의 SRR은 공진 부분을 포함할 수 있고/있거나, 공진 부분은 재료의 상태가 임계값을 초과할 때 전자기 핑에 응답하여 제1 주파수에서 공진하도록 구성될 수 있고, 재료의 상태가 임계값 아래에 있을 때 전자기 핑에 응답하여 제2 주파수에서 공진하도록 구성될 수 있다. 3D 모놀리식 탄소질 성장의 공진 주파수는 재료의 유전율과 투자율 중 하나 또는 둘 다에 적어도 부분적으로 기초할 수 있다.
일부 경우에, 적어도 하나의 SRR은 적어도 하나의 SRR 내의 제1 탄소 입자의 농도 레벨에 적어도 부분적으로 기초하여 전자기 핑에 응답하여 고유하게 공진하도록 구성된 복수의 제1 탄소 입자를 포함할 수 있다. 추가적으로, 제2 SRR은 차량 구성요소의 재료 내에 내장되도록 구성될 수 있고/있거나, 제2 SRR은 제2 SRR 내의 제2 탄소 입자의 농도 레벨에 적어도 부분적으로 기초하여 전자기 핑에 응답하여 고유하게 공진하도록 구성된 복수의 제2 탄소 입자를 포함할 수 있다. 또한, 제1 탄소 입자와 제2 탄소 입자 각각은 재료와 화학적으로 결합될 수 있다. 제1 탄소 입자는 제1 다공성 구조를 형성하는 제1 응집체를 포함할 수 있고, 제2 탄소 입자는 제2 다공성 구조를 형성하는 제2 응집체를 포함할 수 있다. 나아가, 적어도 하나의 SRR 각각의 공진 진폭은 재료의 마모 정도를 나타낼 수 있고, 적어도 하나의 SRR의 각 SRR은 감쇠점을 가질 수 있고/있거나, 적어도 하나의 SRR의 각 SRR의 감쇠점은 전자기 핑에 대한 주파수 응답과 연관될 수 있다.
일 구현예에서, 건설 구조 유닛은 건설 구조 유닛의 재료 내에 내장되거나 재료의 표면에 배치된 적어도 하나의 분할-링 공진기(SRR)를 포함할 수 있다. 추가적으로, 적어도 하나의 SRR은 3차원(3D) 모놀리식 탄소질 성장으로 형성되고, 적어도 하나의 SRR은 무선 전자기 자극에 응답하도록 구성된다. 또한, 적어도 하나의 SRR은 하나 이상의 대응하는 고유 주파수에서 공진하도록 구성되고, 주파수는 적어도 하나의 SRR에 근접한 위치에서 재료의 상태를 나타낸다.
다양한 실시예에서, 재료는 콘크리트 또는 강철일 수 있다. 하나 이상의 대응하는 고유 주파수 중 제1 주파수는 재료의 교정 시그니처와 연관될 수 있고, 교정 시그니처는, 콘크리트가 타설되고, 양생되고, 경화된 후에 측정될 수 있고/있거나, 교정 시그니처가 측정된 후에 제2 시그니처가 측정될 수 있다. 제2 시그니처는 제2 주파수와 연관될 수 있고, 제2 시그니처는 변형, 압축의 변화, 굴곡의 변화, 응답의 변화, 파손, 스트레인 또는 응력 중 적어도 하나를 나타낼 수 있다.
적어도 하나의 SRR은 재료가 제1 상태에 있을 때 무선 전자기 자극에 응답하여 제1 주파수에서 공진하도록 구성될 수 있고, 재료가 제2 상태에 있을 때 무선 전자기 자극에 응답하여 제2 주파수에서 공진하도록 구성될 수 있다. 추가적으로, 3D 모놀리식 탄소질 성장의 동조된 공진 주파수는 재료의 하나 이상의 물리적 특성에 적어도 부분적으로 기초할 수 있다. 적어도 하나의 SRR은 무선 전자기 자극에 응답하여 제1 무선 전자기 반환 신호를 생성함으로써 재료의 제1 상태를 나타내도록 구성될 수 있고, 무선 전자기 자극에 응답하여 제2 무선 전자기 반환 신호를 생성함으로써 재료의 제2 상태를 나타내도록 구성될 수 있다. 또한, 제1 무선 전자기 반환 신호는 제1 주파수를 가질 수 있고, 제2 무선 전자기 반환 신호는 제1 주파수와 다른 제2 주파수를 가질 수 있다.
일부 구현예에서, 재료의 상태는 재료의 변형을 포함할 수 있다. 추가적으로, 적어도 하나의 SRR은 무선 전자기 자극에 응답하여 제1 전자기 반환 신호를 생성함으로써 재료의 변형을 나타내도록 구성될 수 있고, 무선 전자기 자극에 응답하여 제2 전자기 반환 신호를 생성함으로써 재료의 변형이 없음을 나타내도록 구성될 수 있다. 적어도 하나의 SRR은 공진 부분을 포함할 수 있고/있거나, 공진 부분은 재료의 상태가 임계값을 초과할 때 무선 전자기 자극에 응답하여 제1 주파수에서 공진하도록 구성될 수 있고, 재료의 상태가 임계값 아래에 있을 때 무선 전자기 자극에 응답하여 제2 주파수에서 공진하도록 구성될 수 있다.
3D 모놀리식 탄소질 성장의 공진 주파수는 재료의 유전율과 투자율 중 하나 또는 둘 다에 적어도 부분적으로 기초할 수 있다. 추가적으로, 적어도 하나의 SRR은 제1 SRR 내의 제1 탄소 입자의 농도 레벨에 적어도 부분적으로 기초하여 무선 전자기 자극에 응답하여 고유하게 공진하도록 구성된 복수의 제1 탄소 입자를 포함하는 제1 SRR을 추가로 포함할 수 있고, 적어도 하나의 SRR은 제2 SRR 내의 제2 탄소 입자의 농도 레벨에 적어도 부분적으로 기초하여 무선 전자기 자극에 응답하여 고유하게 공진하도록 구성된 복수의 제2 탄소 입자를 포함하는 제2 SRR을 추가로 포함할 수 있고, 제1 탄소 입자와 제2 탄소 입자 각각은 재료와 화학적으로 결합될 수 있고, 제1 탄소 입자는 제1 다공성 구조를 형성하는 제1 응집체를 포함할 수 있고/있거나, 제2 탄소 입자는 제2 다공성 구조를 형성하는 제2 응집체를 포함할 수 있다.
나아가, 적어도 하나의 SRR은 제1 SRR과 제2 SRR을 포함할 수 있다. 추가적으로, 제1 SRR은 무선 전자기 자극에 응답하여 제1 주파수에서 공진하도록 구성될 수 있고, 제2 SRR은 무선 전자기 자극에 응답하여 제2 주파수에서 공진하도록 구성될 수 있고, 제1 주파수는 제2 주파수와 다를 수 있고, 제1 SRR 또는 제2 SRR의 공진 진폭은 재료의 마모 정도를 나타낼 수 있고/있거나, 무선 전자기 자극에 응답하여 제1 SRR과 제2 SRR의 자연 공진 주파수의 편이 정도는 재료의 변형량을 나타낼 수 있다. 또한, 제1 SRR과 제2 SRR 각각은 감쇠점을 가질 수 있으며, 제1 SRR과 제2 SRR 각각의 감쇠점은 무선 전자기 자극에 대한 주파수 응답과 연관될 수 있다.
일 구현예에서, 공중 차량 구성요소는 공중 차량 구성요소의 적어도 일부를 포함할 수 있는 재료 내에 내장된 적어도 하나의 분할-링 공진기(SRR)를 포함할 수 있다. 추가적으로, 적어도 하나의 SRR은 3차원(3D) 모놀리식 탄소질 성장으로 형성될 수 있고, 적어도 하나의 SRR은 안테나로부터 방출되는 전자기 자극에 응답하도록 구성될 수 있다. 또한, 적어도 하나의 SRR에 근접한 위치에 있는 공중 차량 구성요소의 재료와 결합된 적어도 하나의 SRR은 적어도 하나의 SRR에 근접한 위치에서 재료의 상태를 나타낼 수 있는 전자기 반환 신호를 형성하도록 전자기 자극을 변조할 수 있다.
다양한 실시예에서, 공중 차량은 수직 이착륙(VTOL) 항공기, 전기 수직 이착륙(eVTOL) 항공기, 드론, 승객용 드론, 상업용 항공기, 군용 항공기 또는 로켓 중 하나일 수 있다. 추가적으로, 적어도 하나의 SRR은 착륙 패드(landing pad)에 대해 공중 차량의 위치를 찾는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 SRR 중 적어도 3개의 SRR은 공중 차량 구성요소의 위치를 삼각 측량하는 데 사용될 수 있다.
재료는 프로펠러 블레이드, 몸체 재료, 착륙 기어, 조종석 인터페이스 또는 구조 구성요소 중 적어도 하나에서 발견될 수 있다. 추가적으로, 재료의 상태는 표면 굴곡, 프로펠러 굴곡 또는 착륙 기어 굴곡 중 적어도 하나를 나타낼 수 있다. 재료의 상태는 압력, 위치, 온도 또는 고도 중 적어도 하나를 나타내기 위해 상관될 수도 있다.
일부 구현예에서, 적어도 하나의 SRR은 재료가 제1 상태에 있을 때 전자기 자극에 응답하여 제1 주파수에서 공진하도록 구성될 수 있고, 재료가 제2 상태에 있을 때 전자기 자극에 응답하여 제2 주파수에서 공진하도록 구성될 수 있다. 추가적으로, 3D 모놀리식 탄소질 성장의 동조된 공진 주파수는 재료의 하나 이상의 물리적 특성에 적어도 부분적으로 기초할 수 있다.
다양한 실시예에서, 적어도 하나의 SRR은 전자기 자극에 응답하여 제1 전자기 반환 신호를 생성함으로써 재료의 제1 상태를 나타내도록 구성될 수 있고, 전자기 자극에 응답하여 제2 전자기 반환 신호를 생성함으로써 재료의 제2 상태를 나타내도록 구성될 수 있다. 추가적으로, 제1 전자기 반환 신호는 제1 주파수를 갖고, 제2 전자기 반환 신호는 제1 주파수와 다른 제2 주파수를 갖는다. 또한, 재료의 상태는 재료의 변형을 포함할 수 있고/있거나, 적어도 하나의 SRR은 전자기 자극에 응답하여 제1 전자기 반환 신호를 생성함으로써 재료의 변형을 나타내도록 구성될 수 있고, 전자기 자극에 응답하여 제2 전자기 반환 신호를 생성함으로써 재료의 변형이 없음을 나타내도록 구성될 수 있다. 3D 모놀리식 탄소질 성장의 공진 주파수는 재료의 유전율과 투자율 중 하나 또는 둘 다에 적어도 부분적으로 기초할 수 있다.
일 실시예에서, 하나 이상의 SRR은 제1 SRR 내의 제1 탄소 입자의 농도 레벨에 적어도 부분적으로 기초하여 전자기 자극에 응답하여 고유하게 공진하도록 구성된 복수의 제1 탄소 입자를 포함하는 제1 분할-링 공진기(SRR)를 추가로 포함할 수 있다. 추가적으로, 하나 이상의 SRR은 제2 SRR 내의 제2 탄소 입자의 농도 레벨에 적어도 부분적으로 기초하여 전자기 자극에 응답하여 고유하게 공진하도록 구성된 복수의 제2 탄소 입자를 포함하는 제2 SRR을 추가로 포함할 수 있다. 또한, 제1 탄소 입자와 제2 탄소 입자 각각은 재료와 화학적으로 결합될 수 있고, 제1 탄소 입자는 제1 다공성 구조를 형성하는 제1 응집체를 포함할 수 있고/있거나, 제2 탄소 입자는 제2 다공성 구조를 형성하는 제2 응집체를 포함할 수 있다.
나아가, 다른 경우에 제1 SRR 또는 제2 SRR 중 적어도 하나의 SSR의 공진 진폭은 재료의 마모 정도를 나타낼 수 있다. 추가적으로, 제1 SRR은 전자기 자극에 응답하여 제1 주파수에서 공진하도록 구성될 수 있고, 제2 SRR은 전자기 자극에 응답하여 제2 주파수에서 공진하도록 구성될 수 있으며, 제1 주파수는 제2 주파수와 다를 수 있고, 전자기 자극에 응답하여 제1 SRR과 제2 SRR의 자연 공진 주파수의 편이 정도는 재료의 변형량을 나타낼 수 있고, 제1 SRR과 제2 SRR 각각은 감쇠점을 가질 수 있고/있거나, 제1 SRR과 제2 SRR 각각의 감쇠점은 전자기 자극에 대한 주파수 응답과 연관될 수 있다.
일 구현예에서, 착륙 패드는 착륙 패드의 적어도 일부를 포함할 수 있는 재료 내에 내장되도록 구성된 적어도 하나의 분할-링 공진기(SRR)를 포함할 수 있다. 추가적으로, 적어도 하나의 SRR은 3차원(3D) 모놀리식 탄소질 성장으로 형성될 수 있고, 적어도 하나의 SRR은 안테나로부터 방출되는 전자기 자극에 응답하도록 구성될 수 있다. 또한, 적어도 하나의 SRR은 착륙 패드의 재료 및 그 환경과 결합하여 적어도 하나의 SRR에 근접한 위치에서 적어도 하나의 환경 상태를 나타낼 수 있는 전자기 반환 신호를 형성하도록 전자기 자극을 변조할 수 있다.
본 명세서에 설명된 주제의 하나 이상의 구현예의 세부사항은 첨부된 도면 및 아래의 설명에서 제시된다. 다른 특징, 양태 및 이점은 설명, 도면 및 청구범위로부터 명백해질 것이다. 다음 도면의 상대적 치수는 축척에 맞게 도시된 것이 아닐 수도 있다는 것이 주목된다.
도 1은 일 실시예에 따라 핑잉될 때 바람직한 무선 주파수(RF) 신호 공진 및 응답을 나타내도록 동조되는 탄소 함유 복합체(composite)로 형성된 다양한 센서를 포함하는 현장(in-situ) 차량 제어 시스템을 제시한다.
도 2는 일 실시예에 따라 탄소 함유 동조 RF 공진 재료로 형성된 센서에 의해 주파수 편이되고/되거나 감쇠된, 방출된 및/또는 반환된 RF 신호를 분석하는 신호 처리 시스템을 도시한다.
도 3은 일 실시예에 따른 시그니처 분류 시스템을 도시한다.
도 4는 일 실시예에 따라 탄소 함유 동조 RF 공진 재료의 다양한 층의 RF 공진 변화로부터 감지되는 일련의 타이어 상태 파라미터를 도시한다.
도 5는 일 실시예에 따라 단일 타이어 조립체의 몸체에 혼입하기 위해 별도의 독립적인 반응기(reactor)로부터 탄소 함유 동조 RF 공진 재료를 선택함으로써 타이어의 다수의 플라이(ply)를 동조시키는 데 사용되는 장치의 개략도를 도시한다.
도 6 및 도 7은 일 실시예에 따라 탄소 함유 동조 RF 공진 재료의 층으로 형성된 새로운 타이어로부터 방출될 수 있는 예시적인 상태 시그니처 세트를 도시한다.
도 8은 일 실시예에 따라 두 개의 동심 분할 링 공진기를 포함하는 예시적인 분할-링 공진기(분할 링 공진기) 구성의 하향식 개략도를 도시한다.
도 9는 일 실시예에 따라 임피던스 기반 분광법을 통해 타이어 마모를 감지하기 위한 장치 및 완전한 타이어 진단 시스템을 보여주는 개략도를 도시한다.
도 10 및 도 11은 일 실시예에 따라 인쇄된 탄소 기반 재료를 제조하기 위한 장비뿐만 아니라 내비게이션 시스템으로 원격 측정을 통해 전송되는 타이어 정보와 관련된 개략도를 도시한다.
도 12는 일 실시예에 따라 타이어 몸체 플라이 인쇄 인코딩 및/또는 타이어 트레드 층을 통한 차량 타이어의 공진 시리얼 번호 기반 디지털 인코딩에 대한 개략도를 도시한다.
도 13은 일 실시예에 따라 서로 다른 근위에 존재하는 공진기 유형에서 발생하는 앙상블 현상에 기여하는 공진 메커니즘을 보여준다.
도 14는 일 실시예에 따라 본 개시된 분할 링 공진기 중 하나 이상을 포함하는 예시적인 온도 센서이다.
도 15는 일 실시예에 따라 타이어 트레드 층 손실의 높이(밀리미터, mm)에 대해 측정된 공진 시그니처 신호 세기(데시벨, dB)의 그래프이다.
도 16은 일 실시예에 따라 타이어 플라이 변형에 비례하는 공진 응답 편이를 보여주는 분할 링 공진기의 자연 공진 주파수에 대해 측정된 공진 시그니처 신호 세기(데시벨, dB)의 그래프이다.
도 17은 일 실시예에 따라 인코딩된 시리얼 번호에 대응하여 공진할 수 있는 분할 링 공진기의 처프 신호 주파수(chirp signal frequency)에 대한 신호 세기의 그래프이다.
도 18a 내지 도 18y는 일 실시예에 따라 본 개시된 공진기(예를 들어, 분할 링 공진기) 중 임의의 공진기를 생산하기 위한 형성 재료로서 사용되는 탄소질 재료를 도시한다.
도 19aa 및 도 19ab는 일 실시예에 따라 콘크리트가 주어진 구조적 거푸집으로 타설되기 전에 콘크리트에 배치되는 분할 링 공진기 또는 복수의 분할 링 공진기의 도시를 제공한다.
도 19ba 및 도 19bb는 일 실시예에 따라 분할 링 공진기 또는 복수의 분할 링 공진기를 포함하는 기둥(column)의 도시와 구조 부재 내의 변화를 측정하기 위한 수식을 보여준다.
도 20은 이미 사용 중인 형상이 다양한 구조 부재의 외부에 분할 링 공진기를 이용하는 것을 보여준다. 도 20은 또한 일 실시예에 따라 구조 부재 상의 분할 링 공진기 또는 분할 링 공진기들의 크기, 배향, 위치 및 적용을 결정하는 데 중요할 수 있는 가능한 요인 및 수식의 예를 도시한다.
도 21은 일 실시예에 따라 주어진 응용 분야에서 분할 링 공진기가 구현되는 공정을 나타내는 흐름도이다.
도 22aa 내지 도 22ac은 일 실시예에 따라 도로변 장벽 내에 분할 링 공진기 또는 복수의 분할 링 공진기를 사용하는 것을 예시하기 위해 제시된 것이다.
도 22b는 일 실시예에 따라 분할 링 공진기 또는 분할 링 공진기들이 배치될 수 있는 도로변 장벽을 구성하는 구조 구성요소를 보여주는 경주용 트랙(racetrack)에 사용되는 도로변 장벽을 도시한다.
도 23은 일 실시예에 따라 콘크리트가 주어진 구조적 거푸집으로 타설된 후 콘크리트 구조물의 표면에 배치된 분할 링 공진기의 도시를 보여준다.
도 24a는 일 실시예에 따라 서로 접촉하는 탄소 함유 수지와 탄소 섬유의 교대 층을 포함하는 감지 적층체를 도시한다.
도 24ba 및 도 24bb는 일 실시예에 따라 탄소 함유 동조 RF 공진 재료를 포함하는 감지 적층체에 의해 나타나는 주파수 편이 현상을 도시한다.
도 24bc은 일 실시예에 따라 편향의 함수로서 RF 공진의 이상적인 변화를 도시하는 그래프이다.
도 24bd는 일 실시예에 따라 4층 및 5층 적층체에 대한 RF 공진의 변화를 도시한 그래프이다.
도 24c는 일 실시예에 따라 차량 영역에 표면 센서를 전개한 것을 도시한다.
도 25a는 일 실시예에 따라 도로 아스팔트 및/또는 도로 표면에 배치된 분할 링 공진기와 차량 사이의 상호 작용을 보여준다.
도 25b는 일 실시예에 따라 타이어 내에 또는 상에 배치된 분할 링 공진기를 사용하여 타이어 스틱션을 측정할 수 있는 방식을 도시한다.
도 26은 일 실시예에 따라 도로 아스팔트 및/또는 도로 표면에 배치된 분할 링 공진기의 배치를 도시한다.
도 27은 일 실시예에 따라 타이어 스틱션을 결정하는 공정을 나타내는 흐름도이다.
도 28은 일 실시예에 따라 측정된 주파수와 트레드 두께 사이의 상관 관계를 보여준다.
도 29는 일 실시예에 따라 개별적으로 구성된 분할 링 공진기 어레이가 배치된 차량 표면 구획을 보여준다.
도 30은 일 실시예에 따라 주파수 빈(frequency bin)으로 분할 링 공진기의 구성을 도시한다.
도 31은 일 실시예에 따라 공진 주파수의 시간 기반 변화로 나타나는 편향의 시간 기반 변화의 검출 차트를 도시한다.
도 32는 일 실시예에 따라 탄소 함유 동조 공진 재료로 형성된 센서로부터 수신된 신호를 처리하는 시그니처 분류 시스템을 도시한다.
도 33은 일 실시예에 따라 드론 및/또는 드론 플랫폼 내에 및/또는 상에 배치된 분할 링 공진기의 도시를 보여준다.
도 34는 일 실시예에 따라 항공 차량 내에 및/또는 상에 배치된 분할 링 공진기의 도시를 보여준다.
도 35는 일 실시예에 따라 착륙 위치 센서뿐만 아니라 항공 차량 내에 및/또는 상에 배치된 분할 링 공진기의 도시를 보여준다.
도 36a 및 도 36b는 일 실시예에 따라 항공기 내에 및/또는 상에 배치된 분할 링 공진기의 두 가지 도시를 보여준다.
도 37a는 일 실시예에 따라 로켓 내에 및/또는 상에 배치된 분할 링 공진기를 도시한다.
도 37b는 일 실시예에 따라 로켓 및/또는 착륙 플랫폼뿐만 아니라 착륙 위치 센서 내에 및/또는 상에 배치된 분할 링 공진기의 도시를 보여준다.
도 38a는 일 실시예에 따라 분할 링 공진기로부터의 피드백을 보고하는 것과 관련된 흐름도이다.
도 38b는 일 실시예에 따라 분할 링 공진기를 사용하여 항공 차량 및/또는 드론을 착륙시키는 것과 관련된 흐름도이다.
도 39는 일 실시예에 따라 유전체 매트릭스 내의 메타-재료 및 이와 관련된 회로부의 도시를 도시한다.
도 40은 일 실시예에 따라 개방형 또는 폐쇄형 셀 재료 내에 내장된 분할 링 공진기를 도시한다.
도 41은 일 실시예에 따라 개방형 또는 폐쇄형 셀 재료를 사용하는 압력 센서의 도시를 보여준다.
도 42는 일 실시예에 따라 개방형 또는 폐쇄형 셀 재료를 사용한 풍압 감지 데이터의 도시를 보여준다.
도 43은 일 실시예에 따라 주파수 선택성 전도율과 관련된 회로부와 경로의 도시를 보여준다.
도 44는 일 실시예에 따라 분할 링 공진기의 사용이 적용될 수 있는 많은 산업 분야를 도시한다.
여러 도면에서 동일한 참조 번호 및 지정은 동일한 요소를 나타낸다.
도 2는 일 실시예에 따라 탄소 함유 동조 RF 공진 재료로 형성된 센서에 의해 주파수 편이되고/되거나 감쇠된, 방출된 및/또는 반환된 RF 신호를 분석하는 신호 처리 시스템을 도시한다.
도 3은 일 실시예에 따른 시그니처 분류 시스템을 도시한다.
도 4는 일 실시예에 따라 탄소 함유 동조 RF 공진 재료의 다양한 층의 RF 공진 변화로부터 감지되는 일련의 타이어 상태 파라미터를 도시한다.
도 5는 일 실시예에 따라 단일 타이어 조립체의 몸체에 혼입하기 위해 별도의 독립적인 반응기(reactor)로부터 탄소 함유 동조 RF 공진 재료를 선택함으로써 타이어의 다수의 플라이(ply)를 동조시키는 데 사용되는 장치의 개략도를 도시한다.
도 6 및 도 7은 일 실시예에 따라 탄소 함유 동조 RF 공진 재료의 층으로 형성된 새로운 타이어로부터 방출될 수 있는 예시적인 상태 시그니처 세트를 도시한다.
도 8은 일 실시예에 따라 두 개의 동심 분할 링 공진기를 포함하는 예시적인 분할-링 공진기(분할 링 공진기) 구성의 하향식 개략도를 도시한다.
도 9는 일 실시예에 따라 임피던스 기반 분광법을 통해 타이어 마모를 감지하기 위한 장치 및 완전한 타이어 진단 시스템을 보여주는 개략도를 도시한다.
도 10 및 도 11은 일 실시예에 따라 인쇄된 탄소 기반 재료를 제조하기 위한 장비뿐만 아니라 내비게이션 시스템으로 원격 측정을 통해 전송되는 타이어 정보와 관련된 개략도를 도시한다.
도 12는 일 실시예에 따라 타이어 몸체 플라이 인쇄 인코딩 및/또는 타이어 트레드 층을 통한 차량 타이어의 공진 시리얼 번호 기반 디지털 인코딩에 대한 개략도를 도시한다.
도 13은 일 실시예에 따라 서로 다른 근위에 존재하는 공진기 유형에서 발생하는 앙상블 현상에 기여하는 공진 메커니즘을 보여준다.
도 14는 일 실시예에 따라 본 개시된 분할 링 공진기 중 하나 이상을 포함하는 예시적인 온도 센서이다.
도 15는 일 실시예에 따라 타이어 트레드 층 손실의 높이(밀리미터, mm)에 대해 측정된 공진 시그니처 신호 세기(데시벨, dB)의 그래프이다.
도 16은 일 실시예에 따라 타이어 플라이 변형에 비례하는 공진 응답 편이를 보여주는 분할 링 공진기의 자연 공진 주파수에 대해 측정된 공진 시그니처 신호 세기(데시벨, dB)의 그래프이다.
도 17은 일 실시예에 따라 인코딩된 시리얼 번호에 대응하여 공진할 수 있는 분할 링 공진기의 처프 신호 주파수(chirp signal frequency)에 대한 신호 세기의 그래프이다.
도 18a 내지 도 18y는 일 실시예에 따라 본 개시된 공진기(예를 들어, 분할 링 공진기) 중 임의의 공진기를 생산하기 위한 형성 재료로서 사용되는 탄소질 재료를 도시한다.
도 19aa 및 도 19ab는 일 실시예에 따라 콘크리트가 주어진 구조적 거푸집으로 타설되기 전에 콘크리트에 배치되는 분할 링 공진기 또는 복수의 분할 링 공진기의 도시를 제공한다.
도 19ba 및 도 19bb는 일 실시예에 따라 분할 링 공진기 또는 복수의 분할 링 공진기를 포함하는 기둥(column)의 도시와 구조 부재 내의 변화를 측정하기 위한 수식을 보여준다.
도 20은 이미 사용 중인 형상이 다양한 구조 부재의 외부에 분할 링 공진기를 이용하는 것을 보여준다. 도 20은 또한 일 실시예에 따라 구조 부재 상의 분할 링 공진기 또는 분할 링 공진기들의 크기, 배향, 위치 및 적용을 결정하는 데 중요할 수 있는 가능한 요인 및 수식의 예를 도시한다.
도 21은 일 실시예에 따라 주어진 응용 분야에서 분할 링 공진기가 구현되는 공정을 나타내는 흐름도이다.
도 22aa 내지 도 22ac은 일 실시예에 따라 도로변 장벽 내에 분할 링 공진기 또는 복수의 분할 링 공진기를 사용하는 것을 예시하기 위해 제시된 것이다.
도 22b는 일 실시예에 따라 분할 링 공진기 또는 분할 링 공진기들이 배치될 수 있는 도로변 장벽을 구성하는 구조 구성요소를 보여주는 경주용 트랙(racetrack)에 사용되는 도로변 장벽을 도시한다.
도 23은 일 실시예에 따라 콘크리트가 주어진 구조적 거푸집으로 타설된 후 콘크리트 구조물의 표면에 배치된 분할 링 공진기의 도시를 보여준다.
도 24a는 일 실시예에 따라 서로 접촉하는 탄소 함유 수지와 탄소 섬유의 교대 층을 포함하는 감지 적층체를 도시한다.
도 24ba 및 도 24bb는 일 실시예에 따라 탄소 함유 동조 RF 공진 재료를 포함하는 감지 적층체에 의해 나타나는 주파수 편이 현상을 도시한다.
도 24bc은 일 실시예에 따라 편향의 함수로서 RF 공진의 이상적인 변화를 도시하는 그래프이다.
도 24bd는 일 실시예에 따라 4층 및 5층 적층체에 대한 RF 공진의 변화를 도시한 그래프이다.
도 24c는 일 실시예에 따라 차량 영역에 표면 센서를 전개한 것을 도시한다.
도 25a는 일 실시예에 따라 도로 아스팔트 및/또는 도로 표면에 배치된 분할 링 공진기와 차량 사이의 상호 작용을 보여준다.
도 25b는 일 실시예에 따라 타이어 내에 또는 상에 배치된 분할 링 공진기를 사용하여 타이어 스틱션을 측정할 수 있는 방식을 도시한다.
도 26은 일 실시예에 따라 도로 아스팔트 및/또는 도로 표면에 배치된 분할 링 공진기의 배치를 도시한다.
도 27은 일 실시예에 따라 타이어 스틱션을 결정하는 공정을 나타내는 흐름도이다.
도 28은 일 실시예에 따라 측정된 주파수와 트레드 두께 사이의 상관 관계를 보여준다.
도 29는 일 실시예에 따라 개별적으로 구성된 분할 링 공진기 어레이가 배치된 차량 표면 구획을 보여준다.
도 30은 일 실시예에 따라 주파수 빈(frequency bin)으로 분할 링 공진기의 구성을 도시한다.
도 31은 일 실시예에 따라 공진 주파수의 시간 기반 변화로 나타나는 편향의 시간 기반 변화의 검출 차트를 도시한다.
도 32는 일 실시예에 따라 탄소 함유 동조 공진 재료로 형성된 센서로부터 수신된 신호를 처리하는 시그니처 분류 시스템을 도시한다.
도 33은 일 실시예에 따라 드론 및/또는 드론 플랫폼 내에 및/또는 상에 배치된 분할 링 공진기의 도시를 보여준다.
도 34는 일 실시예에 따라 항공 차량 내에 및/또는 상에 배치된 분할 링 공진기의 도시를 보여준다.
도 35는 일 실시예에 따라 착륙 위치 센서뿐만 아니라 항공 차량 내에 및/또는 상에 배치된 분할 링 공진기의 도시를 보여준다.
도 36a 및 도 36b는 일 실시예에 따라 항공기 내에 및/또는 상에 배치된 분할 링 공진기의 두 가지 도시를 보여준다.
도 37a는 일 실시예에 따라 로켓 내에 및/또는 상에 배치된 분할 링 공진기를 도시한다.
도 37b는 일 실시예에 따라 로켓 및/또는 착륙 플랫폼뿐만 아니라 착륙 위치 센서 내에 및/또는 상에 배치된 분할 링 공진기의 도시를 보여준다.
도 38a는 일 실시예에 따라 분할 링 공진기로부터의 피드백을 보고하는 것과 관련된 흐름도이다.
도 38b는 일 실시예에 따라 분할 링 공진기를 사용하여 항공 차량 및/또는 드론을 착륙시키는 것과 관련된 흐름도이다.
도 39는 일 실시예에 따라 유전체 매트릭스 내의 메타-재료 및 이와 관련된 회로부의 도시를 도시한다.
도 40은 일 실시예에 따라 개방형 또는 폐쇄형 셀 재료 내에 내장된 분할 링 공진기를 도시한다.
도 41은 일 실시예에 따라 개방형 또는 폐쇄형 셀 재료를 사용하는 압력 센서의 도시를 보여준다.
도 42는 일 실시예에 따라 개방형 또는 폐쇄형 셀 재료를 사용한 풍압 감지 데이터의 도시를 보여준다.
도 43은 일 실시예에 따라 주파수 선택성 전도율과 관련된 회로부와 경로의 도시를 보여준다.
도 44는 일 실시예에 따라 분할 링 공진기의 사용이 적용될 수 있는 많은 산업 분야를 도시한다.
여러 도면에서 동일한 참조 번호 및 지정은 동일한 요소를 나타낸다.
본 명세서에 개시된 주제의 다양한 구현예는 일반적으로 탄소질 마이크로 구조물로 만들어진 내구성 센서(예를 들어, 분할-링 공진기, 분할 링 공진기)를 전개하는 것에 관한 것이다. 센서는 차량 구성요소 내에, 예를 들어, 현재 상업적으로 이용 가능한 기존 공압(공기, 질소 또는 기타 가스로 채워진) 타이어, 차세대 무공기 솔리드 타이어의 몸체의 플라이 내에 뿐만 아니라 다른 위치에, 예를 들어, 차량 차체 내에 혼입될 수 있다. 센서는 타이어 플라이 및/또는 타이어 트레드 부분, 예를 들어, 포장 도로 또는 지면과 접촉하는 고무 내에 내장될 수 있다. 일상적인 타이어 사용은 접촉 표면의 열화를 초래하고, 결국 특히 악천후 상태(예를 들어, 눈, 폭우 등)에서 도로 표면에 적절하게 부착될 수 없는 벗겨진(트레드 없는) 타이어를 초래한다. 센서가 포함된 타이어 플라이의 열화는, 예를 들어, 측면 타이어 슬라이딩(예를 들어, 일부 열광적인 커뮤니티에서 일반적인 기동인 "드리프트")에서 발생하는 전방 회전 및 타이어 스트레인에 대해 센서 반응 거동에 대응하는 검출 가능한 변화를 생성한다. 이러한 방식으로 예상되는 센서 공진 반응 거동(예를 들어, 아래에서 추가로 설명된 개념인 주파수 편이 키잉(frequency shift-keying)을 통해 달성됨)의 편이를 관찰함으로써 (예를 들어, 드리프트 기동 동안) 타이어 스틱션의 손실과 예상되는 센서 공진 반응 거동의 변화로 일상적인 (예를 들어, 전방 회전) 타이어 열화를 모두 검출할 수 있다. 일반적으로 이해되는 스틱션은, 예를 들어, 드리프트와 같은 측면 이동을 포함하는 성능 주행 기동 동안 발생할 수 있는, 접촉하고 있는 정지한 물체가 상대 운동을 하기 위해 극복해야 하는 정적 마찰력을 의미할 수 있다. 이는 두 접촉 표면 사이의 동시 움직임 등을 의미할 수 있는 운동 및/또는 동적 마찰과 대비되는 것이다.
본 명세서에 설명된 센서는 건물 자재, 건설 자재, 금속 재료, 중합체, 플라스틱, 발포(개방형 및 폐쇄형 셀 모두) 등에 혼입될 수도 있는 것으로 이해된다. 또한, 이러한 재료의 적용은 자동차 이외의 산업(예를 들어, 항공우주, 건설, 광업 등)에도 적용될 수 있다.
탄소질 재료는 방출된 RF 신호에 대해 특정 예상 무선 주파수(RF) 신호 편이(주파수 편이를 나타냄)와 신호 감쇠(신호 크기의 감소를 나타냄) 거동을 달성하기 위해 합성 동안 동조될 수 있다. RF 신호를 방출할 수 있는 장비는, 예를 들어, 탱크 회로, LC 회로 또는 공진기라고도 (상호 교환 가능하게) 지칭되는 인덕터-커패시터(LC) 회로에 의해 및/또는 개시된 시스템이 장착된 차량의 하나 이상의 휠 웰(wheel well) 내에 장착된 트랜시버를 포함할 수 있다. 본 개시된 구현예는 이동 부품을 필요로 하지 않아서, 일상적인 도로 사용으로 인한 마모 및 인열(tear)에 덜 민감하다. 분할 링 공진기는 이미 존재하는 차량 전자 부품, 항공 차량 전자 부품, 건설(콘크리트 포함) 부품 등과 함께 기능한다. 개시된 성분 탄소질 재료의 목표 RF 공진 주파수 값은 목표 성능 특성을 산출하는 상호 작용을 나타내도록 반응 챔버 또는 반응기 내에서 동조될 수 있다. 특성은 예를 들어 트레드가 없는 경주용 트랙 전용 슬릭뿐만 아니라 울퉁불퉁한 낮은 압력의 오프로드 타이어와 같은 임의의 수의 응용 분야에 적용될 수 있다. 고유한 탄소질 재료로 형성된 분할 링 공진기는 원하는 응용 분야에 따라 동조될 수 있는 지정된 무선 주파수(RF)(예를 들어, 0.01GHz 내지 100GHz)에서 주파수 편이 및/또는 신호 감쇠를 나타낸다. 동조 가능성과 관련하여, 탄소질 재료는 장식된 3D 구조를 생성하기 위해 시드 입자를 요구하지 않고 탄소 함유 기체 종으로부터 반응기에서 선천적으로 성장(예를 들어, 자가 핵화)될 수 있다.
개시된 재료 및 시스템이 장착된 차량 주변 환경(예를 들어, 눈, 비 등)의 변화는 분할 링 공진기의 공진, 주파수 편이 및/또는 신호 감쇠 거동에 영향을 미칠 수 있다. 그 결과, 미세한 타이어 상태 변화도 검출하여 운전자에게 전달할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 분할 링 공진기를 포함하는 타이어 플라이가 노면과 접촉(예를 들어, 전방 회전)하여 시간이 지남에 따라 열화 및/또는 변형되는 경우, 열화 및/또는 변형되는 타이어 플라이 내의 분할 링 공진기의 공진이 변할 수 있다. 또한, 기타 검출 가능한 변화가 드리프트(예를 들어, 측면 이동) 시나리오 동안 발생하여, 분할 링 공진기를 포함하는 영향을 받은 타이어 플라이 및/또는 트레드 층의 신호 응답이 마모 정도뿐만 아니라 이 트레드 층의 존재 여부를 나타낼 수 있다. 그 결과 분할 링 공진기는 기상 또는 기타 환경 상태(예를 들어, 성능 주행 기동)의 갑작스럽거나 점진적인 전이를 정확하고 정밀하게 검출할 수 있다.
분할 링 공진기의 RF 범위 공진 주파수 응답에서 검출 가능한 변화 및/또는 편이는 알려진 주파수를 갖는 전자기(EM) 신호로 각 분할 링 공진기 내의 RF 공진 재료를 자극하여 검출될 수 있다. 일부 구성에서, EM 신호는 초기에 (또한 차량에 장착된) 안테나에 의해 출력될 수 있고/있거나, 하나 이상의 휠 웰 내에 장착된 패턴화된 공진 회로(여기에서는 타이어 몸체 플라이 상에 3D 인쇄될 수 있는 "공진기"라고 함)에 의해 추가로 전파될 수 있다. 이러한 방식으로, 방출된 신호에 대한 각 분할 링 공진기와 연관된 감쇠 및/또는 주파수 편이가 전자적으로 관찰되고 분석되어 현재 환경 상태를 측정할 수 있다. 또한, RF 공진 주파수(또는 주파수들)의 변화를 관찰하고 알려진 이산 교정 포인트와 비교하여 주어진 순간에 차량 차체의 하나 이상의 정해진 검출 포인트에서 측정된 타이어 공기압을 결정할 수 있다.
대부분의 도로 타이어의 경우 온로드 주행 동안 또는 오프로드 타이어의 경우 오프로드 주행 동안 발생하는 것과 같은 일반적인 타이어 사용은 타이어 일부에 약간의 변형을 야기할 수 있고, 이는 (RF 신호에 의해 '핑'되는 시간(y)에) 각 분할 링 공진기의 자연 RF 공진 주파수의 변화를 야기할 수 있다. (다양한 분할 링 공진기를 형성하는 본 개시된 탄소와 연관된) 자연 공진 주파수의 이러한 변화를 검출하고 알려진 교정 포인트와 비교하여 타이어 내부 상태를 결정할 수 있다. 타이어 플라이 내에 혼입된 본 개시된 분할 링 공진기와 결합된 안테나를 사용하는 시스템은 타이어 플라이 속성 변화를 감지하고 차량의 연관된 원격 측정 장비에 보고하는 것을 모두 수용할 수 있다.
물론, 분할 링 공진기의 응용이 타이어(및 자동차 산업)와 관련하여 상세히 설명되지만 이러한 응용은 다른 산업(예를 들어, 항공우주, 건설, 자재, 광업, 석유, 콘크리트 등)에도 동일하게 적용될 수 있는 것으로 이해된다.
본 개시된 분할 링 공진기는 차량 스킨에 대한 공기압으로 인한 변화 또는 타이어 내에/상에 가해지는 힘의 외부 적용으로 인한 변화를 포함하여 각 타이어 플라이(및/또는 분할 링 공진기가 내에 또는 상에 내장된 임의의 재료 또는 물질)의 물리적 속성의 미세한 변화도 검출하도록 동조될 수 있다. 이러한 변화는 예를 들어 주파수 영역 반환으로 나타나는 주어진 타이어 플라이, 트레드 층 또는 다른 표면이나 영역의 고유한 검출된 속성 세트(예를 들어, "시그니처")를 처리하기 위해 "핑잉"(예를 들어, RF 신호를 방출하고 나중에 관찰 및 분석하는 것)을 통해 검출될 수 있다. 관찰된 신호 시그니처를 교정하고 반환 시그니처를 처리하는 다양한 메커니즘이 논의된다. 엘라스토머와 상호 작용하는 동조된 탄소 구조 형태의 수동 내장형 센서를 갖춘 타이어를 제조하는 방법이 개시된다. 예를 들어, 여러 플라이로 타이어를 만드는 데 사용되는 메커니즘은 분할 링 공진기의 자연 공진 주파수 거동에 영향을 미칠 수 있다. 또한, 타이어는 다수의 타이어 플라이를 포함하여 구성될 수 있으며, 각 타이어 플라이는 마이크론 크기이거나, 대안적으로 나노미터, 마이크로, 심지어 중간 입자 크기에서 최대 밀리미터(mm) 레벨에 이르는 크기 중 임의의 하나 이상일 수 있는 고유한 동조된 탄소질 마이크로 구조물을 갖는 별개의 동조된 탄소를 혼입한다.
개시된 분할 링 공진기는 (예를 들어, 차량 타이어의 회전과 타이어의 반복적인 마찰 및/또는 포장 도로나 지면과의 접촉에 따라 전류를 생성하는) 마찰 발전기에 의해 가능하게 된 GHz 및 MHz 범위의 공진으로부터 자가 전력 공급 시그니처를 허용할 수 있다. 이러한 마찰 구성요소는 하나 이상의 차량 타이어 플라이의 엘라스토머 층 사이의 다중 강철 벨트 내에 통합되거나 혼입될 수 있다. 이러한 방식으로, 분할 링 공진기는 공진기가 공진하고(이에 따라 RF 신호를 방출하고) 방전하도록 마찰 전기 생성기에 의해 충전(및/또는 전력 공급)될 수 있다. 공진기는 반복되는 충전-방전 사이클을 수용하도록 구성될 수 있으며, (형성 재료 및/또는 구성에 기초하여) 고유한 공진 값 또는 속성을 갖는 타원형을 포함하여 다양한 형상 및/또는 패턴 중 임의의 하나 이상으로 구성될 수 있다.
공진기의 형상이나 배향이 변하면 임의의 연관된 공진 상수도 이에 따라 변할 수 있다. 그 결과 예를 들어, 내부 타이어 압력과 같은 정적 상태 하에서 또는 보츠의 점(Bots Dots) 위를 달리는 동안 발생하는 것과 같은 동적 상태 하에서 변형(또는 분할 링 공진기가 발견되는 재료의 임의의 유사한 변형)으로 인한 타이어의 물리적 속성의 임의의 변화는 각 분할 링 공진기의 형상이나 배향을 변화시킬 수 있다. (예를 들어, 분할 링 공진기에 추가하여 또는 이에 대안적으로) 다양한 공진기 패턴을 사용하여 하나의 유형의 변형에 비해 다른 유형의 변형(예를 들어, 자갈이나 거친 표면 위를 달리는 동안 발생하는 수직 운동과 비교하여 곡선 주위를 이동할 때 발생하는 측면 변형을 말함)에 더 민감하게 반응할 수 있다. 분할 링 공진기가 타이어 변형에 기초하여 신호 응답 거동에서 변하는 구성에 더하여, 분할 링 공진기는 또한 예를 들어 휠의 휠 웰 또는 심지어 림(rim) 내에 배치된 디지털 신호 처리(DSP), 컴퓨터 칩 및/또는 트랜스듀서와 연관된 다른 신호 감쇠 검출 기능부와 전자적으로 통신할 수도 있다. DSP는 옵션 동안 자극과 응답 모두의 경우 외부 트랜시버(반도체 칩)와 함께 작동할 수 있다. 분할 링 공진기는 개별 타이어 플라이에 혼입된 마찰 생성기와 통신할 수도 있으며, 외부 수신기에서 검출될 수 있는 공진 거동을 나타낼 수도 있다.
상세한 설명을 통해 알 수 있는 바와 같이 제공된 예시 정보는 다양한 아키텍처(선택 사항 포함) 및 용도를 제시하기 위해 의도된 것이다. 이 정보는 (가능한 한 철저한 설명을 제공하기 위해) 예시 목적으로 제시된 것일 뿐, 본 발명을 임의의 방식으로 제한하려고 의도된 것이 아니라는 것에 특히 주의해야 한다. 다음 특징 중 임의의 특징은 설명된 다른 특징과 함께 또는 없이 선택적으로 혼입될 수 있다.
도 1은 예를 들어 자동차 및/또는 트럭과 같은 차량에 장착되도록 의도된 차량 상태 검출 시스템(100)의 개략도를 도시한다. 차량 상태 검출 시스템(100)은 동조 RF 공진 구성요소(108)(예를 들어, 도 8에 도시된 것과 같은 분할-링 공진기)와 같은 센서를 포함할 수 있다. 동조 RF 공진 구성요소(108) 각각은 미국 특허 출원 번호 16/785,020(발명자: Stowell 등, 발명의 명칭: "3D Self-Assembled Multi-Modal Carbon-Based Particle", 출원일: 2020년 2월 7일, 전체 내용이 모든 목적을 위해 본 명세서에 참조에 의해 원용됨)에 개시된 것과 같은 다수의 탄소 기반 마이크로구조물 재료, 응집체, 응집물(agglomeration) 및/또는 등(본 명세서에서 집합적으로 "탄소질 재료"라고 지칭됨)으로 형성될 수 있다. 동조 RF 공진 구성요소(108)는 인간 운전자 없이 차량 탑승자를 이동시키기 위해 동작할 수 있는 기존의 운전자 구동식 자동차 또는 완전 자율 운송 포드 또는 차량과 같은 차량의 벨트 센서(104), 호스 센서(105), 타이어 센서(106), 및 트랜시버 안테나(102) 중 임의의 하나 이상에 혼입될 수 있다.
동조 RF 공진 구성요소(108)는 트랜시버(114), 차량 중앙 처리 유닛(116), 차량 센서 데이터 수신 유닛(118), 차량 액추에이터 제어 유닛(120), 및 도어, 창문, 잠금부(집합적으로 124), 엔진 제어부(126), 내비게이션/헤드업 디스플레이(128), 서스펜션 제어부(129) 및 에어포일 트림부(trim)(130)를 포함하는 액추에이터(122) 중 임의의 하나 이상을 사용하여, 예를 들어, 신호 주파수 편이 또는 감쇠를 측정하는 것에 의해 전자적으로 그리고/또는 무선으로 통신하도록 구성될 수 있다. 동조 RF 공진 구성요소(108)는 트랜시버(114)를 사용하여 방출된 "RF" 신호(110) 및/또는 "반환된" RF 신호(112)를 통해 방출된 RF 신호의 관찰된 주파수의 편이(주파수의 임의의 변화를 의미하는 "주파수 편이"라고 지칭됨)를 야기할 수 있다. 방출된 RF 신호(110)에 대응하는 "반환된" RF 신호라는 언급은 (예를 들어, 센서로부터 신호의 실제 물리적 반사 또는 반환이 아니라) 차량의 벨트 센서(104), 호스 센서(105), 타이어 센서(106), 트랜시버 안테나(102) 및/또는 등 중 임의의 하나 이상에 통합된 동조 RF 공진 구성요소(108) 중 하나 이상에 대해 방출된 RF 신호(110)의 주파수 편이 또는 감쇠를 전자적으로 검출하는 것을 말할 수 있다. 방출된 RF 신호(110) 및 반환된 RF 신호(112)는 차량 중앙 처리 유닛(116), 차량 센서 데이터 수신 유닛(118), 차량 액추에이터 제어 유닛(120) 및/또는 액추에이터(122) 중 임의의 하나 이상과 통신할 수 있다(따라서 또한 이에 의해 평가될 수 있다). 차량 상태 검출 시스템(100)은 소프트웨어와 하드웨어의 임의의 적절한 조합을 사용하여 구현될 수 있다.
차량 상태 검출 시스템(100)의 도시된 다양한 센서 중 임의의 하나 이상은 방출된 RF 신호가 "핑(ping)"(신호가 히트(hit)되거나 접촉되는 것을 말함)될 때 특정 RF 공진 거동을 달성하도록 동조된 탄소 기반 마이크로구조물로 형성될 수 있다. 차량 상태 검출 시스템(100)(또는 임의의 양태)은 예를 들어, 진눈깨비, 우박, 눈, 얼음, 서리, 진흙, 모래, 파편, 고르지 않은 지형, 물 및/또는 등을 포함한 악천후 상태 동안 임의의 생각할 수 있는 차량 사용 분야, 영역 또는 환경에서 구현되도록 구성될 수 있다.
동조 RF 공진 구성요소(108)는 차량 주위 및/또는 차량 상에(예를 들어, 객실, 엔진룸, 또는 트렁크 내부 또는 차량 몸체 상에) 배치될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 동조 RF 공진 구성요소는 벨트 센서(104), 호스 센서(105), 타이어 센서(106), 및 트랜시버 안테나(102)를 포함할 수 있고, 이들 중 임의의 하나 이상은 생산 동안 현대 차량에 구현되거나 (대안적으로) 노후화 및/또는 상태에 관계없이 기존 차량에 개장(retro-fitted)될 수 있다. 동조 RF 공진 구성요소(108)는 부분적으로 유리섬유(예를 들어, 에어포일용) 또는 고무(예를 들어, 타이어용) 또는 유리(예를 들어, 윈드실드용)와 같은 쉽게 이용 가능한 재료를 사용하여 형성될 수 있다. 이러한 기존의 재료는, 예를 들어, 탄소 함유 가스 종으로부터 반응 챔버 또는 반응기에서 비행 중 자가 핵 형성되고, (1) 이들이 혼입된 복합체 재료의 기계적 (예를 들어, 인장, 압축, 전단, 스트레인, 변형 및/또는 등) 강도를 개선하고; 및/또는 (2) (10GHz 내지 100GHz 범위 내) 특정 주파수 또는 주파수 세트에서 공진하도록 제형화된 것과 같은, 탄소 기반 재료, 성장체, 응집물, 응집체, 시트, 입자 및/또는 등과 결합될 수 있다. 재료의 RF 공진 속성과 거동을 지배하는 변수는 재료 강도를 제어하는 일을 담당하는 변수와 독립적으로 제어될 수 있다.
무선 주파수(RF) 기반 자극(예를 들어, 트랜시버(114)에 의해 방출되거나 공진기에 의해 방출되는 자극)은 방출된 신호(내부 또는 외부 상태에 의해 영향을 받을 수 있음)의 감쇠로 관찰되는 주파수 편이 및 패턴뿐만 아니라 각각의 공진 주파수 또는 주파수들을 검출하기 위해 RF 신호를 동조 RF 공진 구성요소(108), 액추에이터(122)(및/또는 등, 예를 들어, 동조 RF 공진 구성요소(108) 내 또는 상에 구현된 센서)로 방출하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 동조 RF 공진 구성요소(예를 들어, 타이어 센서(106))가 약 3GHz의 주파수에서 공진하도록 구체적으로 준비된 ("동조된"이라고 지칭됨) 경우, 타이어 센서(106)는 3GHz RF 신호에 의해 자극될 때 교감 공진 또는 교감 진동(이전의 수동적인 현이나 진동체가 외부의 진동에 반응하여 고조파 유사성을 나타내는 고조파 현상을 말함)을 방출할 수 있다.
이러한 교감 진동은 자극 주파수에서 뿐만 아니라 기본 3GHz 톤으로부터 파생된 배음(overtone) 또는 측엽(sidelobe)에서도 발생할 수 있다. (동조 RF 공진 구성요소(108)의) 동조 공진 구성요소가 2GHz에서 공진하도록 동조된 경우, 동조 공진 구성요소가 2GHz RF 신호에 의해 자극될 때 이 동조 공진 구성요소는 설명된 바와 같이 교감 진동을 방출한다. 이러한 교감 진동은 자극 주파수에서 뿐만 아니라 기본 2GHz 톤으로부터 파생된 배음 또는 측엽(공학에서 안테나 또는 기타 복사선 소스의 원거리 복사 패턴에서 주엽(main lobe)이 아닌 국부 최대값을 말함)에서도 발생한다. 많은 추가 동조 공진 구성요소가 RF 방출기에 근접하게 위치될 수 있다. RF 방출기는 먼저 2GHz 핑, 이후 3GHz 핑, 이후 4GHz 핑 등을 방출하도록 제어될 수 있다. 서로 다른 증가하는 주파수로 이러한 연속적인 핑은 "처프"라고 지칭될 수 있다.
도 5 내지 도 7에 일반적으로 도시된 것과 같은 타이어 몸체 내의 인접한 타이어 플라이(예를 들어, 서로 접촉하는 타이어 플라이)는 서로 비-고조파인 다양한 개별 주파수에서 공진하기 위해 이 (각각의) 타이어 몸체 플라이 및/또는 트레드 층 내에 혼입된 센서를 형성하기 위해 탄소 기반 마이크로구조물의 다양한 농도 레벨 또는 구성을 가질 수 있다. 즉, 비-고조파 플라이는 고조파에 의해 야기된 (또는 고조파와 연관된) 신호 간섭으로 인한 혼란의 위험을 최소화하면서 다른 것에 비해 특정 타이어 몸체 플라이 및/또는 트레드 층(또는 다른 표면 또는 재료)을 뚜렷하고 쉽게 인식할 수 있게 검출하는 것을 보장할 수 있다.
트랜시버(114)(및/또는 공진기, 도 1에 도시되지 않음)는 동조 RF 공진 구성요소(108) 중 임의의 하나 이상으로부터의 반환된 RF 신호(112)의 감쇠 및/또는 주파수 편이를 디지털 방식으로 인식하기 위해 동조 RF 공진 구성요소(108) 중 임의의 하나 이상에 방출된 RF 신호(110)를 전송하도록 구성될 수 있다. 이러한 "반환된" 신호(112)는 차량 중앙 처리 유닛(116)에 전자적으로 통신될 수 있는 디지털 정보로 처리될 수 있고, 이 차량 중앙 처리 유닛은 수신된 센서 데이터에 기초하여 추가 차량 성능 관련 신호를 송신하는 차량 센서 데이터 수신 유닛(118) 및/또는 차량 액추에이터 제어 유닛(120)과 상호 작용한다. 반환된 신호(112)는 액추에이터(122)를 적어도 부분적으로 제어할 수 있다. 즉, 차량 액추에이터 제어 유닛(120)은 트랜시버(114)와 통신하는 동조 RF 구성요소에 의해 표시되는 차량 구성요소 마모 또는 열화에 관해 차량 센서 데이터 수신 유닛(118)으로부터 수신된 피드백에 따라 도어, 창문, 잠금부(124), 엔진 제어부(126), 내비게이션/헤드업 디스플레이(128), 서스펜션 제어부(129), 및/또는 에어포일 트림부(130) 중 임의의 하나 이상을 동작시키도록 액추에이터(122)를 제어할 수 있다.
반환된 RF 신호(111)의 거동(예를 들어, 주파수 편이 및/또는 감쇠)을 모니터링할 때 도로 파편 및 악천후 상태를 검출하면, 예를 들어, 액추에이터(122)가 서스펜션 제어부(129)의 대응하는 변화를 트리거할 수 있다. 이러한 변화는 예를 들어 도로 파편 위의 주행을 수용하기 위해 서스펜션 설정을 약화시키는 한편, 폭우(따라서 낮은 견인) 상태 동안 이동하는 데 필요할 수 있는 향상된 차량 응답성을 수용하기 위해 나중에 서스펜션 설정을 강화하는 것을 포함할 수 있다. 차량 액추에이터 제어 유닛(120)에 의한 이러한 제어의 변화는 많으며, 여기서 차량 외부에서 생각할 수 있는 임의의 상태를 트랜시버에 의해 검출할 수 있다(방출된 RF 신호(110) 및/또는 반환된 RF 신호(112)의 주파수 편이 및/또는 감쇠로 나타날 수 있다).
설명된 센서를 형성하는 동조 RF 공진 구성요소(108) 중 임의의 것은 특정 주파수에서 자극될 때 공진하도록 동조될 수 있으며, 여기서 (탄소 기반 마이크로구조물에 의해 야기된) 주파수 또는 주파수들의 정해진 편이는 센서가 혼입된 재료 또는 재료의 상태를 나타내는 하나 이상의 신호 시그니처를 형성할 수 있다.
반환된 RF 신호(112)(예를 들어, 신호 시그니처에 나타난 신호)에서 주파수 편이의 시간 변동 또는 편차(TDEV)(위상(x)의 시간 안정성 대 측정된 클록 소스의 관찰 간격(τ)을 말함; 이에 따라 시간 편차는 신호 소스의 시간 불안정성을 나타내는 표준 편차 측정 유형을 형성함)는 센서 환경의 시간 변동 변화 및/또는 센서 자체의 시간 변동 변화에 대응할 수 있다. 따라서, 신호 처리 시스템(예를 들어, 차량 중앙 처리 유닛(116), 차량 센서 데이터 수신 유닛(118) 및/또는 차량 액추에이터 제어 유닛(120) 등 중 임의의 하나 이상)은 TDEV 원리에 따라 센서와 연관된 신호(예를 들어, 방출된 RF 신호(110) 및 반환된 RF 신호(112))를 분석하도록 구성될 수 있다. (시그니처 분석과 같은) 이러한 분석의 결과는 차량 중앙 처리 유닛(116)에 전달될 수 있으며, 차량 중앙 처리 유닛은 (이어서) 적절한 응답 동작을 위해 차량 액추에이터 제어 유닛(120)에 명령을 전달할 수 있다. 일부 구성에서 액추에이터(122)에 의한 이러한 응답 동작은 적어도 일부 인간 운전자 입력을 포함할 수 있는 반면, 다른 구성에서는 차량 상태 검출 시스템(100)은 장비를 갖춘 차량이 완전히 운전자 없는 환경에서 발생하는 부품 성능 문제를 해결할 수 있도록 완전히 독립적인 방식으로 기능할 수 있다. 또한, 차량 중앙 처리 유닛(116)은 동조된 RF 공진 구성요소(108)와 연관된 모든 데이터를 수집 및/또는 처리하는 것을 담당하는 경주 임무용 제어 유닛(119) 및/또는 하나 이상의 업스트림 구성요소(113)(예를 들어, 정지 영역에 수용된 경주 응용 분야와 연관된 컴퓨터 장비)와 전자적으로 통신할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따라 탄소 함유 동조 RF 공진 재료로 형성된 센서에 의해 주파수 편이 및/또는 감쇠되는, 방출된 및/또는 반환된 RF 신호를 분석하는 신호 처리 시스템(200)을 도시한다. 옵션으로서, 신호 처리 시스템(200)은 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 신호 처리 시스템(200)은 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도시된 바와 같이 도 2는 표면 센서(260) 및 내장형 센서(270)를 포함할 수 있는 신호 처리 시스템(200)의 블록도를 도시하며, 이들 중 임의의 하나 이상이 장비를 갖춘 차량(표면 센서(260)와 내장된 센서(270)를 갖춘 차량을 말함)에 대한 환경 변화(250)와 관련하여 다른 것과 전자적으로 통신할 수 있다. 신호 처리 시스템(200)은 또한 트랜시버(214), 시그니처 분석 모듈(254), 및 차량 중앙 처리 유닛(216)을 더 포함할 수 있으며, 이들 중 임의의 하나 이상이 다른 것과 전자적으로 통신할 수 있다.
일부 구현예에서, (타이어 플라이와 같은 재료 내에 내장될 수 있는) 내장된 센서(270)는 각각의 센서에 포함된 재료 내에 혼입된 마찰 에너지 생성기(도 2에 도시되지 않음)를 포함하는 자가 전력 원격 측정을 사용하고/하거나 자가 전력 원격 측정으로 전력을 공급받을 수 있다. 따라서, 마찰 에너지 생성기는 공진 회로(본 명세서에서 더 자세히 설명됨)에 전력을 공급하여 알려진 주파수에서 RF 신호를 방출하도록 공진 회로가 공진할 수 있게 하기 위해, 예를 들어, 회전하는 타이어 또는 휠과 이 타이어 또는 휠이 접촉하는 포장 도로 사이에 축적된 정전하를 수확함으로써 사용 가능한 전류 및/또는 전력을 생성할 수 있다. 그 결과, 외부에 장착된 트랜시버 유닛(예를 들어, 차량의 각 휠 웰 내에 장착된 트랜시버 유닛)은 이 구성에서 마찰로 전력을 공급받고 타이어 몸체의 플라이에 내장된 공진 회로에 의해 추가로 전파되는 RF 신호를 방출할 수 있다. 방출된 신호의 주파수 편이 및/또는 크기의 감쇠도 예를 들어 시그니처 분석 모듈(254) 및/또는 차량 중앙 처리 유닛(216)에 의해 수신 및 분석된다.
자가 전력 원격 측정(원격 또는 접근 불가능한 지점에서 측정 또는 기타 데이터를 수집하고, 모니터링을 위해 수신 장비로 자동 전송하는 것을 말함)은 차량 타이어에 혼입될 수 있다. 본 명세서에서 언급된 자가 전력 원격 측정은, 공진 회로(글자(L)로 표시되는 인덕터와 함께 연결된 글자(C)로 표시되는 커패시터로 구성된 전기 회로를 말하며, 특정 주파수 또는 주파수들에서 RF 신호를 생성하는 데 사용됨)의 방전 중에 발생하는 "링잉(ringing)"(RF 신호의 추가 방출을 담당하는 공진 회로의 발진을 말함)을 이용하기 위해 타이어 내부에서 마찰 전하 생성, 이 전하의 저장, 및 공진 회로로 또는 공진 회로를 통해 저장된 전하의 차후 방전을 이용하는 것을 포함한다.
핑 자극은 일반적으로 타이어(또는 지속적인 사용으로부터 마모에 관해 모니터링하도록 의도된 기타 차량 구성요소) 외부에 위치된, 예를 들어, 장비를 갖춘 차량의 각 휠 웰 내에 혼입된 기존 트랜시버와 같은 자극 소스에 의해 생성된 신호 또는 '핑'에 대한 의존성; 또는 회전하는 휠 및/또는 타이어와 이와 접촉하는 지면 또는 포장 도로 사이에 그렇지 않은 경우 낭비되는 마찰 에너지로부터 에너지를 수확하는 타이어 내부(탄소 기반 마이크로구조물을 갖는 센서와 유사하게 타이어 플라이에 내장된 것을 말함) 마찰 에너지 생성 디바이스의 사용을 포함하여 본 개시된 차량 구성요소 마모 검출 시스템의 두 가지 가능한 구성 중 하나에서 제공될 수 있다. 일반적으로 이해되고 본 명세서에서 언급된 마찰 공학은 상대 운동으로 상호 작용하는 표면을 과학 및 공학적으로 연구하는 분야를 의미한다. 이러한 마찰 에너지 생성 디바이스는 타이어 속성을 원격 측정하여 자가 방출하는 타이어 내부 공진 디바이스에 전력을 제공할 수 있다.
위에서 논의된 2개의 '핑' 자극 생성기 또는 제공자 중 하나는 (예를 들어, 그래핀 소판과 같은 작은 치수의 구조물의 공진 주파수로 인해) 약 10 내지 99GHz 범위의 복잡한 공진 주파수(CRf) 성분뿐만 아니라, 논의된 타이어 내부 공진의 상대적으로 훨씬 큰 치수로 인해 KHz 범위의 낮은 주파수 공진을 가질 수 있다. 일반적으로, CRf는 엘라스토머 성분 고유 공진 주파수, 탄소 성분 고유 공진 주파수, 구성 성분의 비/앙상블, 및 타이어 내부 공진 디바이스의 기하학적 구조의 함수와 같을 수 있다.
신호 처리 시스템(200)은 탄소 기반 마이크로 구조물로 형성된 센서가 자극을 받으면 신호 시그니처(방출된 RF 신호(210) 및/또는 반환된 RF 신호(212) 중 임의의 하나 이상의 신호의 주파수 편이 및/또는 감쇠를 디지털 방식으로 관찰함으로써 정의됨)를 분석하는 기능을 한다. 처프 신호를 사용하여 자극한 결과 처프/핑 주파수 중 하나에서 공진하는 센서는 대응하는 동조 주파수 또는 그 근처에서 공진하고, 방출된 주파수를 편이시키고/시키거나, 방출된 신호의 진폭을 감쇠시킴으로써 "응답"한다. 처프/핑이 방출되는 동안 환경 변화(예를 들어, 타이어 몸체 플라이 및/또는 트레드 층의 마모를 초래하는 변화)가 발생하면 동조된 주파수보다 높거나 낮은, 변조의 변화를 "반환된" 신호로부터 모니터링할 수 있다. 따라서, 트랜시버(214)는 핑잉되는 표면 등을 나타내는 반환된 RF 신호(212)를 수신하도록 구성될 수 있다.
물론, 도 1 내지 도 18의 상황은 주로 분할 링 공진기의 자동차 응용과 관련되지만, 이러한 교시 내용은 본 명세서에 설명된 다른 시나리오 및 산업(콘크리트, 재료 과학, 항공우주, 드론 및 항공 차량, 광산 재료, 석유 산업 부품 등 포함)에도 동일하게 적용될 수 있다는 점을 다시 한번 인식해야 한다. 따라서, 자동차(및 특히 타이어)에 관한 본 명세서의 교시는 이들 다른 산업의 맥락에서 적용될 수 있으며, 그 중 일부가 이하에 상세히 설명된다.
전술한 처프/핑 신호는 트랜시버(214)에 의해 (예를 들어, 비가청 RF 신호, 펄스, 진동 및/또는 유사한 전송에 의해) 방출될 수 있다. 또한, "반환" 신호는 트랜시버(214)에 의해 수신될 수 있다. 도시된 바와 같이, 처프 신호는 반복되는 처프 시퀀스(예를 들어, 방출된 RF 신호(210))로 발생할 수 있다. 예를 들어, 처프 신호 시퀀스는 1GHz 핑, 이후 2GHz 핑, 이후 3GHz 핑 등을 포함하는 패턴으로 형성될 수 있다. 전체 처프 신호 시퀀스는 완전히 연속적으로 반복될 수 있다. 공진 재료로부터 반환된 신호(반환된 RF 신호(212))가 핑 종료 직후에 수신될 수 있도록 각 핑 사이에는 짧은 기간이 있을 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 핑 자극에 대응하는 신호 및 관찰된 "응답" 신호는 동시에 발생하고/하거나 동일한 일반 경로 또는 루트를 따라 발생할 수 있다. 시그니처 분석 모듈은 관찰된 "응답" 신호를 핑 신호와 구별하기 위해 디지털 신호 처리 기술을 사용할 수 있다. 반환된 응답이 다양한 주파수(예를 들어, 배음, 부엽 등)에 걸친 에너지를 포함하는 상황에서는 노치 필터를 사용하여 자극을 필터링할 수 있다. 트랜시버에 의해 수신된 반환된 신호는 시그니처 분석 모듈(254)로 송신될 수 있으며, 이 시그니처 분석 모듈은 다시 처리된 신호를 차량 중앙 처리 유닛(216)으로 송신할 수 있다. 도 2의 전술한 논의는 탄소 함유 동조 공진 재료로 형성된 센서에 대한 논의를 포함하고 또한 감지 적층체를 참조할 수도 있다.
예를 들어 타이어 플라이 내 탄소 섬유의 추가 층 사이의 공간에 층상화될 수 있는 수지 층을 포함하는 타이어 층 내에 개시된 센서가 포함될 수 있다. 탄소 함유 수지의 각 층은 상이한 예상되거나 원하는 동조 주파수에서 공진하도록 상이하게 제형화될 수 있다. 재료 공진의 물리적 현상은 대응하는 분자 조성과 관련하여 설명될 수 있다. 예를 들어, 제1 분자 구조와 같은 제1 정해진 구조를 갖는 층은 제1 주파수에서 공진하는 반면, 제2 다른 분자 구조를 갖는 층은 제2 다른 주파수에서 공진할 수 있다.
층에 포함된 특정 분자 구조를 갖는 재료는 이 층이 저에너지 상태에 있을 때 제1 동조 주파수에서 공진하고, 층의 재료가 유도된 고에너지 상태에 있을 때 제2 다른 주파수에서 공진한다. 예를 들어, 특정 분자 구조를 나타내는 층의 재료는 층이 본래의 변형되지 않은 저에너지 상태에 있을 때 3GHz에서 공진하도록 동조될 수 있다. 이와 달리, 동일한 층은 층이 본래의 변형되지 않은 저에너지 상태로부터 적어도 부분적으로 변형될 때 2.95GHz에서 공진할 수 있다. 그 결과 이 현상은, 예를 들어, 포장 도로와 같은 노면과 접촉하고 특정 국부적인 접촉 영역에서 향상된 마모를 경험하는 타이어 표면에 매우 미세한 이상(minute aberration)이라도 높은 충실도와 정확도로 검출하기 위한 요구 사항을 수용하도록 조정될 수 있다. 까다로운 경주용 서킷(급회전과 급격한 고도 변화를 특징으로 하는 고도로 기술적이고 바람이 많이 부는 트랙을 의미함)에서 경주하는 경주용 자동차는 시간에 민감한 경주일(race-day) 상태에서도 타이어 교체 결정을 알릴 수 있도록 국부적인 타이어 마모 또는 열화 정보로부터 이익을 얻을 수 있다.
위에서 언급된 주파수 편이 현상(예를 들어, 3GHz에서 공진하는 것에서 2.95GHz에서 공진하는 것으로 전이하는 현상)은 아래에서 논의되는 도 24ba 내지 도 24bb를 참조하여 도시하고 논의될 수 있다.
RF 신호에 의해 핑잉될 때 특정 공진 주파수를 나타내도록 동조된 탄소 함유 재료(예를 들어, 탄소 기반 마이크로구조물을 포함하는 재료)는 특정 전기 임피던스를 갖도록 재료를 구성하는 특정 화합물을 맞춤화함으로써 특정 공진 프로파일을 나타내도록 동조될 수 있다. 다른 전기 임피던스는 이어서 다른 주파수 응답 프로파일에 대응한다.
임피던스는 교류(AC) 전류가 요소를 통해 흐르는 것이 어려운 정도를 나타낸다. 주파수 영역에서, 임피던스는 인덕터로 거동하는 구조로 인해 실수 성분과 허수 성분을 갖는 복소수이다. 허수 성분은 특정 구조의 주파수(f)와 인덕턴스(L)에 기초하는 유도성 리액턴스 성분(XL)(이 회로 요소의 인덕턴스 또는 커패시턴스로 인해 전류 흐름을 위한 회로 요소와는 반대임; 동일한 전압이 인가된 경우 더 큰 리액턴스는 더 작은 전류를 초래함)이다:
XL = 2πfL (수식 1)
수신 주파수가 증가할 때 리액턴스도 증가하여 특정 주파수 임계값에서 방출된 신호의 측정된 세기(진폭)가 감쇠될 수 있다. 인덕턴스(L)는 재료의 전기 임피던스(Z)에 의해 영향을 받으며, 여기서 Z는 다음 수식에 의해 투자율(μ) 및 유전율(ε)의 재료 속성과 관련된다:
(수식 2)
따라서, 재료 속성의 동조는 전기 임피던스(Z)를 변화시키고, 이는 인덕턴스(L)에 영향을 주고 결과적으로 리액턴스(XL)에 영향을 준다.
다른 인덕턴스를 갖는 미국 특허 번호 10,428,197(발명자: Anzelmo 등, 발명의 명칭: "Carbon and Elastomer Integration", 등록일: 2019년 10월 1일, 전체 내용이 본 명세서에 참조에 의해 원용됨)에서 개시된 것과 같은 탄소 함유 구조는 (앞서 언급한 시스템을 위한 센서를 만드는 데 사용되는 경우) 다른 주파수 응답을 나타낼 수 있다. 즉, (전기 임피던스(Z)에 기초하여) 높은 인덕턴스(L)를 갖는 탄소 함유 구조는 낮은 인덕턴스를 갖는 다른 탄소 함유 구조보다 낮은 주파수에서 특정 리액턴스에 도달한다.
특정 전기 임피던스로 동조될 화합물을 제형화할 때 투자율, 유전율 및 전도율의 재료 속성을 더 고려할 수 있다. 더 나아가, 제1 탄소 함유 구조는 제1 주파수에서 공진하는 반면, 제2 탄소 함유 구조는 이 구조가 인장 유도 상태 하에 있을 때, 예를 들어, 이 구조가 약간 변형될 때(예를 들어, 구조의 물리적 특성을 약간 변화시킬 때), 제2 주파수에서 공진하는 것으로 관찰된다.
예시적인 탄소 함유 구조물(예를 들어, 도 18a 내지 도 18y에 도시됨)은 커패시터(C1) 및 인덕터(L1)를 포함하는 등가 전기 회로와 상관될 수 있는 제1 주파수에서 공진할 수 있다. 주파수(f1)는 다음 수식으로 주어진다:
(수식 3)
탄소 함유 구조의 변형은 구조의 인덕턴스 및/또는 커패시턴스를 변화시킬 수 있다. 변화는 커패시터(C2) 및 인덕터(L2)를 포함하는 등가 전기 회로와 상관될 수 있다. 주파수(f2)는 다음 수식으로 주어진다:
(수식 4)
도 3은 일 실시예에 따른 시그니처 분류 시스템(300)을 도시한다. 옵션으로서, 시그니처 분류 시스템(300)은 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 시그니처 분류 시스템(300)은 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
시그니처 분류 시스템(300)은 탄소 함유 동조 공진 재료로 형성된 센서로부터 수신된 신호를 처리한다. 시그니처 분류 시스템(300)은 임의의 물리적 환경이나 기상 상태에서 구현될 수 있다. 도 3은 차량에 설치된 센서에 의해 검출되고, 센서로부터 분류 및/또는 수신된 신호(예를 들어, 시그니처)를 분류하기 위해 동조 공진 감지 재료를 자동차 부품에 혼입하는 것과 관련된다. 선택된 핑 주파수의 핑 신호는 동작(302)에서 전송된다. 핑 신호 생성 메커니즘 및 핑 전송 메커니즘은 임의의 알려진 기술에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어, 송신기 모듈은 3GHz의 선택된 주파수를 생성하고, 안테나 또는 다수의 안테나를 사용하여 이 신호를 방사할 수 있다. (예를 들어, 휠 웰 또는 차량의 임의의 하나 이상 상에 및/또는 내에 장착된) 동조 안테나의 설계 및 위치는 핑의 강도가 근접 센서에서 (RF) 공진을 유도하기에 충분하도록 임의의 동조 안테나 기하학적 구조, 재료 및/또는 위치에 대응할 수 있다. 여러 동조 안테나가 대응하는 센서에 근접한 구조 부재 위에 또는 내에 배치된다. 이와 같이 근위 표면 센서가 핑에 의해 자극되면 센서는 시그니처로 다시 공진할 수 있다. 이 시그니처는 (동작(304)에서) 수신될 수 있고, 수신된 시그니처(310)를 포함하는 데이터세트에 저장될 수 있다. 시그니처의 수신 후에 핑의 전송 시퀀스는 루프에서 반복될 수 있다.
핑 주파수는 루프를 통해 반복적인 통과로 변경될 수 있다(동작(308)). 따라서, 동작(304)이 루프에서 수행될 때, 동작(304)은 제1 시그니처(3121), 제2 시그니처(3122) 내지 제N 시그니처(312N)를 포함하는 시그니처(312)를 저장할 수 있다. 반복 횟수는 결정(306)에 의해 제어될 수 있다. 결정(306)에서 "아니오" 분기가 취해질 때(예를 들어, 전송할 핑이 더 이상 없을 때), 수신된 시그니처는 (동작(314)에서) 디지털 신호 처리 모듈(예를 들어, 도 2에 도시된 시그니처 분석 모듈(254)의 인스턴스)에 제공될 수 있다. 디지털 신호 처리 모듈은 교정 포인트(318)의 세트에 대해 시그니처를 분류한다(동작(316)). 교정 포인트는 특정 핑 주파수에 대응하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 교정 포인트(318)는 임의의 정수 값인 "N"개의 교정 포인트(최대 제N 교정 포인트(320N))에 대해 3GHz 근처에서 제1 핑 및 제1 반환된 시그니처에 대응할 수 있는 제1 교정 포인트(3201), 2GHz 근처에서 제2 핑 및 제2 반환된 시그니처에 대응할 수 있는 제2 교정 포인트(3202), 및 이와 같은 방식으로 대응하는 교정 포인트를 포함할 수 있다.
동작(320)에서, 분류된 신호는 차량 중앙 처리 유닛(예를 들어, 도 1의 차량 중앙 처리 유닛(116))으로 송신된다. 분류된 신호는 차량 중앙 처리 유닛(116)에 의해 기계 학습 알고리즘을 호스팅 및/또는 실행하도록 구성된 컴퓨터화된 데이터베이스를 호스팅하는 업스트림 저장소로 중계될 수 있다. 따라서, 신호, 분류된 신호 및 신호 응답과 관련된 방대한 양의 자극은 후속 데이터 집계 및 처리를 수행하기 위해 캡처될 수 있다. 데이터베이스는 반복 사용으로 인한 타이어 열화와 같은 차량 성능과 관련된 상태 또는 진단과 상관될 수 있는 주어진 감지 측정 세트가 제공되면 계산으로 준비될 수 있고, 이는 "훈련된" 것이라고 지칭될 수 있다. 차량의 동작 동안 에어포일 구성요소의 특정 부분의 측정된 편향(예를 들어, 공기압)이 에어포일 구성요소의 다른 부분의 측정된 편향(예를 들어, 공기압)과 다른 경우, 잠재적 진단은 하나의 타이어의 압력이 부족하여 차량 탑승 높이가 균일하지 않아서, 차량 위, 차량 상 및/또는 차량 주변의 공기 흐름이 에어포일 구성요소의 편향에 의해 검출된 바와 같이 이에 비례하여 불균일성을 나타낼 수 있다는 것일 수 있다. 다른 잠재적인 상태나 진단도 또한 기계 학습 시스템에 의해 결정될 수 있다. 상태 및/또는 진단 및/또는 지원 데이터는 피드백 루프를 완료하기 위해 차량에 반환될 수 있다. 차량의 계기는 (예를 들어, 운전자 또는 엔지니어에 의해) 조치될 수 있는 시각화를 제공한다.
도 4는 일 실시예에 따라 탄소 함유 동조 RF 공진 재료의 다양한 층의 RF 공진 변화로부터 감지되는 일련의 타이어 상태 파라미터를 도시한다.
도 4는 일 실시예에 따라 탄소 함유 동조 RF 공진 재료의 다양한 층의 RF 공진 변화로부터 감지되는 일련의 타이어 상태 파라미터(400)를 도시한다. 옵션으로서, 타이어 상태 파라미터(400)는 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 타이어 상태 파라미터(400)는 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도시된 바와 같이 도 4는 동조 공진 감지 재료를 (타이어와 같은) 자동차 구성요소에 혼입하는 것과 관련된 다양한 물리적 특성 또는 양태(타이어 상태 파라미터(400))를 도시한다. 여기서, 이 도면은 공압 타이어뿐만 아니라 비-공압 타이어를 포함하는 타이어에 생존 가능한 센서를 전개하는 것을 처리하는 것과 관련하여 제공된다. 타이어의 구성은 래디얼 타이어, 바이어스 플라이 타이어, 튜브 없는 타이어, 중실 타이어, 런플랫 타이어 등에 대응할 수 있다. 타이어는 임의의 종류의 차량 및/또는 차량과 관련된 장비 및/또는 부속품에 사용될 수 있다. 이러한 차량은 항공기, 전지형 차량, 자동차, 건설 장비, 덤프 트럭, 토목 기계, 농기구, 지게차, 골프 카트, 수확기, 지게차 트럭, 모페드, 오토바이, 오프로드 차량, 경주용 차량, 탑승용 잔디 깎는 기계, 트랙터, 트레일러, 트럭, 휠체어 등을 포함할 수 있다. 제시된 것에 추가적으로 또는 대안적으로 자전거, 세발자전거, 외발자전거, 잔디 깎는 기계, 휠체어, 카트 등과 같은 비-전동 차량, 장비 및 부속품에 타이어를 사용할 수 있다.
도 4에 도시된 파라미터는 예시이고, (잠재적인 도로 부착 비용으로) 수명 증가를 제공하도록 설계된 트럭 타이어 또는 (잠재적인 수명 비용으로) 최대 도로 부착력을 제공하도록 설계된 소프트 경주용 타이어를 포함하여 생각할 수 있는 많은 최종 사용 시나리오의 특정 바람직한 성능 특성을 목표로 하기 위해 다른 변형이 존재하거나 준비될 수 있다.
다양한 탄소 구조물이 타이어의 각각의 특성을 결정하기 위해 기계적 분석을 받는 타이어에 통합된 다른 비탄소 재료와 함께 다른 제형으로 사용될 수 있다. 이러한 특성 중 일부는 직접 테스트를 통해 경험적으로 결정될 수 있는 반면, 다른 특성은 측정 및 데이터 외삽에 기초하여 결정된다. 예를 들어, 롤링 균일성은 타이어가 롤러와 같은 균일한 표면 위에서 롤링을 받을 때 힘의 변화를 감지함으로써 결정될 수 있는 반면, 트레드 수명은 짧은 기간에 걸친 마모 테스트에 기초하며, 짧은 테스트 결과를 외삽하여 예측된 트레드 수명 값을 산출한다.
더 많은 타이어 특성을 측정할 수 있지만, 이러한 측정 기술 중 일부는 타이어에 물리적으로 파괴적일 수 있으므로 타이어의 수명의 원하는 시점에서 측정될 수 있다. 이와 달리, 타이어에 내장된 생존 가능한 센서를 사용하면 타이어의 전체 수명 동안 이 다른 파괴적인 측정을 수행할 수 있다. 예를 들어, 타이어에 내장된 센서에 대해 핑잉된 RF 신호에 기초한 응답 신호의 검출을 이러한 감지에 사용할 수 있다. 더욱이, 타이어의 각각의 몸체 플라이 및/또는 트레드 층은 본 명세서에 논의된 바와 같이 특정 주파수에서 공진하도록 동조되는 내구성("생존 가능성"이라고도 지칭됨) 센서를 포함할 수 있다.
타이어에 사용되는 플라이는 탄소 함유 구조를 다른 재료와 결합시켜 원하는 성능(예를 들어, 처리 및 수명) 특성을 나타내는 특정 재료 조성을 달성하도록 제형화될 수 있다. 특정 재료 조성의 자연 공진 주파수(또는 주파수들)는 특정 재료 조성에 대한 스펙트럼 프로파일을 생성하기 위해 스펙트럼 분석을 받을 수 있다. 이 스펙트럼 프로파일은 이 재료에 대한 교정 기준선으로 사용될 수 있다. 타이어의 몸체 플라이 및/또는 트레드 층이 변형되면 스펙트럼 프로파일이 변하며, 이 스펙트럼 프로파일의 변화는 추가 교정 포인트(예를 들어, 교정 포인트(318))로 사용될 수 있다. 이러한 많은 교정 포인트는 테스트를 통해 생성될 수 있으며, 이러한 교정 포인트는 차례로 변형을 측정하는 데 사용될 수 있다.
스펙트럼 응답을 분석하면 많은 타이어 파라미터를 정량적으로 측정할 수 있다. 시그니처 분석으로부터 결정될 수 있는 타이어 파라미터는, 예를 들어, 트레드 수명(422), 제1 온도에서의 처리(428), 제2 온도에서의 처리(426), 제1 온도에서의 롤링 경제성(430), 제2 온도에서의 롤링 경제성(432), 롤링 균일성(436) 및 제동 균일성(438)을 포함할 수 있다.
타이어 플라이의 재료에 내장된 센서로부터 수신된 반환 핑 신호에 기초하여 스펙트럼으로 표현된 응답과 같은 응답은 관찰된 변형을 나타낼 수 있다. 즉, 특정 유형의 타이어 변형은 특정 유형의 특정 응답에 대응하여 열화 유형에 대해 응답 또는 응답 유형 사이의 매핑을 수행할 수 있다. 더욱이, 타이어가 현장에서 변형될 때 타이어의 스펙트럼 응답의 시변 변화를 사용하여 많은 주변 상태를 결정할 수 있다. 다수의 플라이를 사용하여 구성된 타이어에서, 각각의 몸체 플라이 및/또는 트레드 층은 특정 동조 주파수 또는 주파수 범위를 나타내도록 제형화될 수 있다. 예를 들어, 도 5(아래에서 제시됨)는 다수의 플라이로부터 타이어를 구성하기 위한 개략도를 도시하고, 이들 각각은 다른 특정 동조 주파수 또는 주파수 범위를 갖는다.
도 5는 일 실시예에 따라 단일 타이어 조립체의 몸체에 혼입하기 위해 별도의 독립적인 반응기로부터 탄소 함유 동조 RF 공진 재료를 선택함으로써 타이어의 다수의 플라이를 동조하는 데 사용되는 장치의 개략도(500)를 도시한다. 옵션으로서, 개략도(500)는 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 개략도(500)는 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
개략도(500)는 임의의 환경에서 구현될 수 있는 타이어 조립체 또는 구조물에 혼입되기 위해 탄소 함유 동조 공진 재료를 선택함으로써 타이어의 다수의 몸체 플라이 및/또는 트레드 층을 미세 조정 또는 동조하는 데 사용될 수 있다. 도 5는 다중 플라이 타이어에 조립되는 타이어 복합체 제형으로 상이한 탄소를 혼합하는 방법을 예시한다. 결과적인 다중 플라이 타이어는 다양한 공진 민감 및 주파수 편이 특성을 나타낸다.
다수의 반응기(예를 들어, 반응기(5521), 반응기(5522), 반응기(5523) 및 반응기(5524))는 각각 특정 정해진 스펙트럼 프로파일을 생성하도록 동조되는 네트워크로 특정 탄소 첨가제/충전제를 생성한다(또는 운반 또는 제공한다). 탄소 첨가제(예를 들어, 제1 동조 탄소(554), 제2 동조 탄소(556), 제3 동조 탄소(558), 및 제4 동조 탄소(560))는 다른 (탄소 기반 또는 비탄소 기반) 조성물(550)과 혼합될 수 있다. 임의의 알려진 기술을 사용하여 특정 탄소 첨가제를 다른 조성물과 혼합, 가열, 전처리, 후처리 또는 조합할 수 있다. 혼합기(예를 들어, 혼합기(5621), 혼합기(5622), 혼합기(5623) 및 혼합기(5624))는 다른 동조 탄소가 타이어의 다양한 구성요소에 도입될 수 있는 방식을 보여주기 위해 제공된다. 타이어 조립을 위한 다른 기술은 다른 구성 기술 및/또는 타이어를 포함하는 다른 구성요소를 포함할 수 있다. 다중 플라이 타이어에 대해 임의의 알려진 기술을 사용할 수 있다. 더욱이, 특정 몸체 플라이 및/또는 트레드 층(예를 들어, 몸체 플라이 및/또는 트레드 층(5681), 몸체 플라이 및/또는 트레드 층(5682), 몸체 플라이 및/또는 트레드 층(5683), 및 몸체 플라이 및/또는 트레드 층(5684)을 포함하는, 몸체 플라이 및/또는 트레드 층(568)의 그룹)의 스펙트럼 프로파일은 특정 몸체 플라이 및/또는 트레드 층 제형의 특성화에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 자극 및 응답 특성화에 기초하여, 제1 몸체 플라이 및/또는 트레드 층 제형(예를 들어, 몸체 플라이 및/또는 트레드 층 제형(5641))은 제1 스펙트럼 프로파일을 나타낼 수 있는 반면, 제2 몸체 플라이 및/또는 트레드 층 제형(예를 들어, 몸체 플라이 및/또는 트레드 층 제형(5642))은 제2 스펙트럼 프로파일을 나타낼 수 있다.
몸체 플라이 및/또는 트레드 층 각각이 대응하는 스펙트럼 프로파일을 나타내는, 결과적인 상이한 제형(예를 들어, 몸체 플라이 및/또는 트레드 층 제형(5641), 몸체 플라이 및/또는 트레드 층 제형(5642), 몸체 플라이 및/또는 트레드 층 제형(5643), 및 몸체 플라이 및/또는 트레드 층 제형(5644))은 타이어 조립체(566)에 형성되는 상이한 몸체 플라이 및/또는 트레드 층에 사용된다.
도 6은 일 실시예에 따라 탄소 함유 동조 RF 공진 재료의 층으로 형성된 새로운 타이어로부터 방출될 수 있는 예시적인 상태 시그니처(600)의 세트를 도시한다. 옵션으로서, 예시적인 상태 시그니처(600)는 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 예시적인 상태 시그니처(600)는 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 6은 탄소 함유 동조 공진 재료의 층으로 형성된 타이어로부터 방출되는 예시적인 상태 시그니처(600)의 제2 세트를 도시한다. 예시적인 상태 시그니처(600) 또는 이의 임의의 양태는 임의의 환경에서 방출될 수 있다. 도 6은 새로운 타이어의 다수의 몸체 플라이 및/또는 트레드 층(예를 들어, 몸체 플라이 및/또는 트레드 층 #1, 몸체 플라이 및/또는 트레드 층 #2, 및 몸체 플라이 및/또는 트레드 층 #3)을 예시한다. 제시된 구현예 중 임의의 하나 이상과 관련하여 이 예 및 다른 곳에서 사용되는 "플라이"라는 용어는 타이어 몸체 내의 플라이 또는 층, 또는 대안적으로 (단단한 포장 도로 또는 오프로드 타이어의 경우 땅과 접촉하도록 의도된) 타이어의 몸체로부터 반경 방향 바깥쪽으로 돌출된 타이어 트레드 층을 말할 수 있다. 일 실시예에서, 제1 몸체 플라이 및/또는 트레드 층은 1.0GHz 핑 자극(예를 들어, 제1 핑(602))으로 자극될 때 제1 몸체 플라이 및/또는 트레드 층이 1.0GHz에서 공진하도록 동조 탄소로 제형화될 수 있다(특정 제형을 갖게 생성되는 것을 말함). 유사하게, 제2 몸체 플라이 및/또는 트레드 층은 2.0GHz 핑 자극(예를 들어, 제2 핑(604))으로 자극될 때 제2 몸체 플라이 및/또는 트레드 층이 2.0GHz에서 공진하도록 동조 탄소로 제형화된다. 또한, 제3 몸체 플라이 및/또는 트레드 층은 3.0GHz 핑 자극(예를 들어, 제3 핑(606))으로 자극될 때 제3 몸체 플라이 및/또는 트레드 층이 3.0GHz에서 공진하도록 동조 탄소로 제형화된다. 제1 응답(608), 제2 응답(610) 및 제3 응답(614)에 의해 도시된 바와 같이, 모든 3-몸체 플라이 및/또는 트레드 층은 각각의 동조 주파수에서 응답한다.
트랜시버 안테나는 대응하는 타이어의 휠 웰 내에 및/또는 상에 (및/또는 분할 링 공진기 근처 임의의 위치에) 위치될 수 있다. 이러한 생성된 임의의 응답 신호를 처리하는 시스템은 예를 들어 차량의 나머지 비-목표 타이어와 같은 다른 표면으로부터 발생하는 다른 잠재적인 응답과 구별하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 차량의 오른쪽 전방 휠에 장착된 오른쪽 전방 타이어가 차량의 왼쪽 전방 휠 웰에 위치된 트랜시버 안테나로부터 방출되는 핑에 응답하는 경우에도, 오른쪽 전방 타이어의 응답 신호는 차량의 왼쪽 전방 타이어의 응답 신호에 비해 크게 감쇠된다(그리고 그렇게 인식된다). 다양한 실시예에서, 트랜시버 안테나의 위치는 분할 링 공진기의 수 인치 내에 있거나, 필요에 따라 5 내지 10미터(또는 훨씬 더 멀리) 있을 수 있다. 이러한 위치는 방출기 수신기의 전력의 함수일 수 있다.
트랜시버 안테나가 대응하는 타이어의 휠 웰에 위치될 때, 대응하는 타이어로부터의 응답은 핑 자극에 대해 감쇠된다. 예를 들어, 대응하는 타이어의 응답은 핑 자극에 대해 9데시벨(-9dB) 이상 감쇠될 수 있거나, 또는 핑 자극에 대해 18 데시벨(-18 dB) 이상 감쇠될 수 있거나, 또는 핑 자극에 대해 36데시벨(-36dB) 이상 감쇠될 수 있거나, 또는 핑 자극에 대해 72 데시벨(-72 dB) 이상 감쇠될 수 있다. 일부 경우에, 핑 신호 생성기는 휠 웰에 위치된 트랜시버 안테나와 결합되어 대응하는 타이어의 핑 응답이 75dB(-75dB) 이하 감쇠되도록 설계된다.
도 7은 일 실시예에 따라 탄소 함유 동조 RF 공진 재료의 층으로 형성된 새로운 타이어로부터 방출될 수 있는 예시적인 상태 시그니처(700)의 세트를 도시한다. 옵션으로서, 예시적인 상태 시그니처(700)는 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 예시적인 상태 시그니처(700)는 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도시된 바와 같이 예시적인 상태 시그니처(700)의 제3 세트는 탄소 함유 동조 공진 재료의 일부가 마모된 후 타이어로부터 방출된다. 옵션으로서, 예시적인 상태 시그니처(700) 또는 이의 임의의 양태의 하나 이상의 변형이 본 명세서에 설명된 구현예의 아키텍처 및 기능의 맥락에서 구현될 수 있다. 예시적인 상태 시그니처(700) 또는 이의 임의의 양태는 임의의 환경에서 방출될 수 있다.
이 예에서, 타이어는 마모되었다. 보다 구체적으로, 가장 바깥쪽 몸체 플라이 및/또는 트레드 층이 완전히 마모되었다. 이와 같이, 1.0GHz에서 핑 자극은 가장 바깥쪽 플라이에서 응답을 제공하지 않는다. 이것은 차트에서 제1 응답 감쇠(702)로 표시된다. 타이어의 트레드가 계속 마모되면서, 그 다음 몸체 플라이 및/또는 트레드 층의 핑 응답 및 그 다음 연속 몸체 플라이 및/또는 트레드 층의 핑 응답 등이 감쇠되며, 이러한 감쇠는 타이어의 총 트레드 마모를 측정하는 데 사용될 수 있다. 대안적으로, 모든 플라이에 동일한 동조 탄소를 사용할 수 있다. 타이어의 트레드 마모 및 기타 표시는 타이어로부터 반환된 신호 시그니처에 기초하여 결정될 수 있다.
도 8은 일 실시예에 따라 두 개의 동심 분할 링 공진기를 포함하는 예시적인 분할-링 공진기(분할 링 공진기) 구성의 하향식 개략도(800)를 도시한다. 옵션으로서, 하향식 개략도(800)는 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 하향식 개략도(800)는 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도시된 바와 같이, 도 8은 2개의 층의 상면도이고, 각 층은, 예를 들어, 2개의 동심 분할 링 공진기를 포함하는 예시적인 분할-링 공진기(분할 링 공진기) 구성을 형성하는 분할 링 공진기(분할 링 공진기)를 호스팅한다. 본 명세서에 사용된 분할 링 공진기(분할 링 공진기)는 유전체 기판에 배치된 한 쌍의 동심 링으로 구성되고, 각 링은 (예를 들어, 인쇄 패턴으로 인해) 슬릿을 갖는다. 분할 링 공진기 어레이가 시변 자기장을 통해 여기되면, 구조는 분할 링 공진기 공진 포인트 주변의 좁은 대역에서 음의 유효 투자율을 갖는 유효 매체로 거동한다. 예를 들어, 치수 "a", "r" 및/또는 "c"를 포함하는 각 분할 링 공진기 사이의 치수 및/또는 간격이 특정 대응 스펙트럼 응답을 달성하기 위해 선택되도록 많은 기하학적 구조가 가능하다. 예를 들어, "a"는 대략 1mm일 수 있고, "r"은 2mm일 수 있고, "c"는 대략 0.6mm일 수 있다. 이러한 치수는 원하는 및/또는 예상되는 스펙트럼 응답을 생성하는 데 대응할 수 있고, 예를 들어, 좁고/좁거나 노치가 있는 응답보다는 상대적으로 넓고/넓거나 넓은 신호 응답을 초래하여, 향상된 스펙트럼 분석을 촉진하여, 스펙트럼 분석 도구(예를 들어, 스펙트럼 분석기)를 사용하는 비용 효율성을 향상시킬 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 임의의 치수는 특정 원하는 최종 결과 목표, 예를 들어, 오프로드 응용 등에 비해 경주 회로에서의 응용을 달성하기 위해 추가로 조정될 수 있다. 일 실시예에서, 특정 기하학적 구조는 동심 링 사이의 갭을 포함할 수 있다. 이러한 갭은 한 쌍의 동심 링에 고유한 인덕턴스와 결합하여 앙상블의 공진에 변화를 가져오는 커패시턴스를 생성할 수 있다.
인쇄 가능한 시트 중심 원통형 분할 링 공진기 설계는 금속, 전기 전도성 비금속, 유전체 재료, 반도체 재료 등을 포함하여 임의의 전기 전도성 재료로 구축될 수 있다. 전기 전도성 재료를 선택 및/또는 처리한 것에 기초하여 동조하는 것에 더하여 분할 링 공진기는 유효 유전율이 이에 따라 동조되도록 기하학적 구조를 변경하여 동조될 수 있다. 분할 링 공진기의 기하학적 구조의 함수로서 유효 유전율은 수식 5에 주어진다.
(수식 5)
여기서 α는 원통의 간격이고, ω는 각주파수이고, μ0은 자유 공간의 투자율이며, r은 반경이고, d는 동심 전도성 시트의 간격이고, l은 적층 길이이며, c는 링의 두께이고, σ는 원주 주위로 측정된 시트의 단위 길이의 저항이다.
일부 상황에서는 α의 값(예를 들어, 원통형 분할 링 공진기의 실린더의 간격)은 동심 링이 상대적으로 좁은 주파수 범위 내에서 EM 복사선을 흡수하도록 상대적으로 작게 만들어질 수 있다. 다른 상황에서는 α의 값은 동심 링이 각각 넓은 범위만큼 분리된 주파수의 EM 복사선을 흡수하도록 상대적으로 크게 만들어질 수 있다. 일부 상황에서는 서로 다른 크기의 분할 링 공진기가 타이어의 서로 다른 표면에 배치될 수 있다. 일부 상황에서는 타이어의 서로 다른 표면에 배치된 서로 다른 크기의 분할 링 공진기를 사용하여 타이어 상태(예를 들어, 온도, 노후화, 마모 등)를 측정할 수 있다.
일부 실시예에서, 분할 링 공진기를 형성하는 재료는 복합 재료이다. 각 분할 링 공진기는 EM 자극에 대한 임의의 특정 원하는 동조 응답으로 구성될 수 있다. 적어도 분할 링 공진기가 (비록 규모는 훨씬 크고 주파수는 낮이지만) 원자의 공진 반응을 모방하도록 설계되는 한, 원자에 비해 더 큰 규모의 분할 링 공진기는 공진 반응을 더 잘 제어할 수 있다. 더욱이, 분할 링 공진기는 자연에서 발견되는 강자성 재료보다 반응성이 훨씬 뛰어나다. 분할 링 공진기의 뚜렷한 자기 반응은 더 무겁고 자연적으로 발생하는 재료에 비해 상당한 장점을 제공한다.
도 9는 일 실시예에 따라 임피던스 기반 분광법을 통한 타이어 마모 감지를 위한 장치 및 완전한 타이어 진단 시스템을 보여주는 개략도(900)를 도시한다. 옵션으로서, 개략도(900)는 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 개략도(900)는 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도시된 바와 같이 공기나 질소 가스(N2)로 채워진 공압 고무 타이어와 같은 타이어의 개략도(900)는, 몸체(920), 내부 라이너(912), 비드 충전제 영역(922), 비드(916), 하나 이상의 벨트 플라이(904, 906, 908 및 910), 트레드(902) 및 임피던스 기반 분광형 마모 감지 인쇄 전자 장치(918)(대안적으로 임의의 하나 이상의 벨트 플라이(904 내지 910)에 내장된 공진기에 의해 신호 주파수 편이 및 감쇠를 모니터링하기 위한 탄소 기반 마이크로 구조물을 포함하는 센서)를 포함하는 기존의 타이어 구성요소를 포함할 수 있다.
여기에 도시된 바와 같이 무선 스트레인 센서는 자동차 안전을 위해 타이어 상태를 모니터링하기 위해 (예를 들어, 손상된 타이어를 검출하기 위해) 내부 라이너의 표면이나 측면에 배치될 수 있다(또는 표면 또는 측면에 내장될 수 있다). 타이어 변형 또는 스트레인 모니터링은 타이어와 이와 접촉하는 노면 사이의 마찰 정도를 나타내는 정보를 (간접적으로) 제공할 수 있으며, 이를 사용하여 자동차 타이어 제어 시스템을 최적할 수 있다. 타이어 정보는 공진 센서 플랫폼에 기초하여 휠 웰(및/또는 분할 링 공진기 근처의 임의의 위치)에 위치된 수신기에 무선으로 전송될 수 있다. 수신기는 무선 주파수(무선) 신호에 불투명하지 않은 임의의 곳에 잠재적으로 위치될 수 있는 것으로 이해된다.
도 10은 일 실시예에 따라 인쇄된 탄소 기반 재료를 제조하기 위한 장비뿐만 아니라 내비게이션 시스템으로 원격 측정을 통해 전송되는 타이어 정보에 관한 개략도(1000)를 도시한다. 옵션으로서, 개략도(1000)는 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 개략도(1000)는 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도시된 바와 같이 개략도(1000)는 인쇄된 탄소 기반 재료를 제조하기 위한 장비 및 내비게이션 시스템으로 원격 측정을 통해 전달된 타이어 마모 관련 정보를 제공하기 위한 시스템을 예시한다. 개략도(1000)는 탄소 기반 마이크로구조물을 포함하는 센서와 같은 본 개시된 시스템, 방법 및 재료 중 임의의 하나 이상과 함께 기능할 수 있으므로 이에 대한 중복 설명은 생략한다. 전기화학적 임피던스 분광법(EIS)이라고도 하는 임피던스 분광법은 타이어(1002)의 하나 이상의 타이어 벨트 플라이 내에 혼입된 탄소 기반 마이크로구조물을 포함하는 센서와 같이 샘플을 측정할 때 광범위한 주파수에 걸쳐 사인파형 전기화학적 섭동(잠재적 또는 현재)의 적용을 포함하는 임피던스 변환 방법을 말한다. 인쇄된 탄소 기반 공진기(1004)는 타이어 벨트 플라이와 같은 하나 이상의 타이어 구성요소 내에 혼입될 수 있으며, 각각의 인쇄된 탄소 기반 공진기(1004)는 도시된 일반적인 타원형 구성을 가지거나, 또는 주파수 편이 및/또는 감쇠를 모니터링(예를 들어, 제1 응답 감쇠는 약 1.0GHz의 자연 공진 주파수를 갖는 타이어 몸체 플라이 및/또는 트레드 층의 마모를 나타낸다)하는 것을 통해 효율적이고 정확한 차량 구성요소 마모를 검출하기에 적합한 특정 바람직한 공진 속성을 달성하도록 맞춰진 일부 다른 형상 또는 구성을 갖는다.
인쇄된 탄소 기반 공진기(1004)를 형성할 수 있는 롤러(1010)의 조립체는 탄소 기반 마이크로구조물 및/또는 마이크로구조물 재료(예를 들어, 그래핀)의 저장소(1012)(예를 들어, 통), 아닐록스 롤러(1014)(일반적으로 셀로 알려진 수백만 개의 매우 미세한 딤플(dimple)이 포함된 표면을 갖는 산업용 세라믹으로 코팅된 강철 또는 알루미늄 코어로 구성된 단단한 실린더를 말함), 플레이트 실린더(1016) 및 압인 실린더(1018)를 포함한다. 동작 시, 저장소(1012)에서 추출된 그래핀은 롤러(1010) 조립체의 롤러에 의해 롤링되거나, 가압되거나, 신장되거나 가공되어 인쇄 탄소 기반 공진기(1004)로 제조될 수 있다. 개략도(1000)가 적절히 기능하는 데 인쇄 탄소 기반 공진기(1004)의 정합(정렬을 말함)은 필요하지 않을 수 있다.
이와 같이, 전술한 특징의 임의의 조합은 공진기(실제 또는 "등가" 탱크를 말함), LC 및/또는 공진 회로를 갖는 타이어를 제조하는 데 사용될 수 있고, 여기서 탄소 함유 마이크로구조물 자체는 트랜시버로부터 방출된 RF 신호 및/또는 진보된 에너지 소스에 의해 공급되는 에너지에 응답하여 공진함으로써, 타이어의 트레드, 플라이 또는 플라이들, 내부 라이너 등과 같은 임의의 하나 이상의 구성요소 내에 또는 구성요소 위에 배치된 다른 센서가 주파수 편이 또는 신호 감쇠 속성 또는 거동을 나타낼 수 있다. 설명된 공진기는 반드시 실제 전기 및/또는 집적 회로(IC)로 구현될 필요는 없다. 설명된 공진기는 단순히 동조 탄소 함유 마이크로구조물로 실현됨으로써, 타이어 트레드 층과 같은 분해 가능한 재료에 기존의 개별 회로를 구현할 때 발생할 수 있는 일반적인 열화 문제를 피할 수 있다. 이러한 공진기는 외부에서 공급되는 '핑'(예를 들어, 차량의 휠 웰에 위치된 트랜시버에 의해 공급되는 핑)에 응답하여 공진할 수 있으며, 또는 공진기는 임의의 변형 또는 임의의 수의 전력 또는 전하 생성기(예를 들어, 열전 발전기, 압전 에너지 생성기, 마찰 전기 에너지 생성기 등)에 의해 촉진되는 공동 위치된 (동일한 타이어 트레드 층 내를 말하지만, 이 타이어 트레드 층 내의 다른 위치일 수도 있음), 자가 전력, 자가 핑잉 능력에 의해 충전되는 것에 응답할 수 있다.
타이어가 구르거나 변형될 때마다 설명된 공진기(및 기타 공진기 및/또는 공진 회로) 중 임의의 것이 발진 RF 신호(또는 전체 구성에 따라 다른 형태의 전자기 복사선)를 방출 및/또는 추가로 방출하도록 구성될 수 있다. 차량 타이어는 사용(예를 들어, 온로드 또는 오프로드 주행)으로 인해 마모를 경험하므로, 포장 도로 또는 지면(땅)과 접촉하는 타이어 트레드 층은 순간적으로 또는 시간에 따라 변형(예를 들어, 회전 또는 롤링 동안 노출된 차량 타이어 트레드 층의 구획이 적어도 부분적으로 편평해지는 것을 말하는 "스퀴싱(squished)"으로부터 및/또는 회전 동안 경험하는 측방 움직임 등으로부터 관찰되는 변형)을 받아서, 연관 신호가 하나 이상의 알려진 진폭 범위에서 발진할 수 있으므로 결과적인 신호 주파수 편이 및/또는 감쇠 거동은 이러한 "스퀴싱"에 따라 변할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로 타이어가 변형됨에 따라, 관찰된 신호는 특정 공진기에 대응하는 알려진 주파수 범위 내에서 발진하여, 차량이 정지해 있는 동안 운전자, 승객 및/또는 기타 차량 탑승자가 차량에서 나가서 타이어 트레드 상태를 관찰할 것을 요구하는 것이 아니라 열화가 발생하는 동안 발생하는 열화 유형을 정밀하고 정확히 식별할 수 있다. 이러한 주파수 편이 발진은 알려진 주파수 범위 내에서 둘 이상의 주파수 사이에서 이리저리 주파수 편이로 관찰될 수 있다.
내부 라이너 측에 위치된 무선 가능 스트레인 센서(예를 들어, 외부 제약이나 부하(load)에 의해 야기될 수 있는 재료 몸체 내 입자 사이의 상대 변위를 나타내는 변형의 기하학적 척도를 말함)는 (예를 들어, 손상된 타이어를 검출하는 것에 의해) 자동차 안전을 위해 타이어 상태를 모니터링할 수 있다. 추가적으로, 타이어 변형 또는 스트레인 모니터링은 타이어와 노면 사이의 마찰 정도와 관련된 정보를 간접적으로 제공할 수 있으며, 이를 사용하여 자동차 타이어 제어 시스템을 최적화할 수 있다. 이러한 타이어 정보는 공진 센서(예를 들어, 임피던스 분광법(IS), 센서) 플랫폼에 기초하여 휠 허브에 위치된 수신기(및/또는 트랜시버)에 무선으로 전송될 수 있다.
도 11은 일 실시예에 따라 인쇄된 탄소 기반 재료를 제조하기 위한 장비뿐만 아니라 내비게이션 시스템으로 원격 측정을 통해 전송되는 타이어 정보에 관한 개략도(1100)를 도시한다. 옵션으로서, 개략도(1100)는 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 개략도(1100)는 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
일 실시예에서, 개략도(1100)는 플라이 인쇄 인코딩을 통해 차량 타이어의 마모를 결정하기 위한 공진 시리얼 번호 기반 디지털 인코딩 시스템에 관한 것이다. 공진 시리얼 번호 기반 디지털 인코딩 시스템은 본 개시된 시스템, 방법 및 센서 중 임의의 것과 혼입되고/되거나 기능할 수 있다. 공진 시리얼 번호 기반 디지털 인코딩 시스템은 플라이 인쇄 인코딩을 통해 타이어의 디지털 인코딩을 제공하고, 따라서 타이어의 일상적인 마모 및 인열에 민감한 기존의 전자 디바이스를 요구하지 않고 타이어(및 관련 성능 메트릭) 및 사용 프로파일을 요람에서 무덤까지(전체 수명을 말함) 추적하는 것을 제공할 수 있다.
타이어 트레드 층 인쇄를 통한 타이어의 공진 시리얼 번호 디지털 인코딩은 일부 구현예에서 타이어 내에 전자 장치가 존재하지 않고도 타이어의 요람에서 무덤까지 타이어 추적 및 사용을 용이하게 할 수 있다. 예를 들어, 임피던스 분광법을 통해 달성된 타이어 마모 감지와 함께 추가 공진기는 예를 들어 원격 측정 추적에 사용되는 시리얼 번호에 대한 하나 이상의 인쇄 패턴에 디지털 방식으로 인코딩될 수 있다. 결과적으로 이러한 장비를 갖춘 차량은 무선 주파수 식별(RFID) 기술 없이도 트레드 마모, 주행 거리(예를 들어, 총 주행 거리) 및 타이어 노후화를 추적할 수 있다.
임피던스 분광법(IS) 및/또는 전기화학적 임피던스 분광법(EIS)을 통한 타이어 마모 감지와 함께, 원격 측정 기반 타이어 성능 추적을 위한 인식 가능한 시리얼 번호를 제공하기 위해 추가 공진기가 인쇄된 패턴에 디지털 방식으로 인코딩될 수 있다. 몸체 플라이 및/또는 트레드 층에 증분적으로 인쇄함으로써, 논의된 인쇄된 탄소 기반 공진기를 혼입한 타이어는 고유하게 시리얼화될 수 있다.
도 12는 일 실시예에 따라 타이어 트레드 층 및/또는 타이어 몸체 플라이 인쇄 인코딩을 통한 차량 타이어의 공진 시리얼 번호 기반 디지털 인코딩을 위한 개략도(1200)를 도시한다. 옵션으로서, 개략도(1200)는 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 개략도(1200)는 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도시된 바와 같이 시리얼 번호 "6E"는 '핑' 자극-응답도(1212)에 따라 공진하도록 구성된 구체적으로 준비된 인쇄된 탄소 공진기 어레이로 인코딩된 것으로 표시되고, 이에 의해 장비를 갖춘 차량 타이어의 이 특정 몸체 플라이 및/또는 트레드 층을 편리하고 신뢰성 있게 식별할 수 있다.
도 13은 일 실시예에 따라 서로 다른 근위에 존재하는 공진기 유형에서 발생하는 앙상블 현상에 기여하는 공진 메커니즘(1300)을 도시한다. 옵션으로서, 공진 메커니즘(1300)은 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 공진 메커니즘(1300)은 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
일 실시예에서, 공진 메커니즘(1300)은 서로 다른 근위에 존재하는 공진기 유형에서 발생하는 앙상블 현상에 기여하는 공진 디바이스로서 분할 링 공진기(분할 링 공진기)의 사용을 예시하는 데 사용될 수 있다. 이 도면은 타이어의 내부 표면(1301)을 도시하며, 여기서 내부 표면은 2개의 분할 링 공진기(예를 들어, 분할 링 공진기(1303A) 및 분할 링 공진기(1303B))를 갖고, 각각의 분할 링 공진기는 특정 주파수에서 신호를 감쇠하거나 특정 주파수 범위 내에 감쇠하도록 조정될 수 있는 회로 구성(1305)을 형성한다. 이 실시예에서 회로 구성(1305)은 실질적으로 원형 분할 링 공진기에 대응하는 기하학적 패턴으로 도시되지만, 대안적인 회로 구성은 다양한 기하학적 패턴(예를 들어, 원통형, 타원, 직사각형, 타원형, 정사각형 등)을 가질 수 있으므로 임의의 가능한 기하학적 구성이 가능하다. 기하학적 패턴의 공진 성능에 대한 영향에 기초하여 기하학적 구성의 변형을 선택할 수 있다. 특히, 도시된 바와 같이, 기하학적 패턴은 다양한 응집 패턴(예를 들어, 응집 패턴(1306), 응집 패턴(1308), 및 응집 패턴(1310))을 갖는 자기 조립 탄소 기반 입자를 포함할 수 있으며, 이들 중 임의의 하나 이상이 탄소 기반 마이크로 구조가 혼입된 재료의 공진 성능에 영향을 미칠 수 있는 집중된 영역(1304)을 구성할 수 있다. 응집 패턴 및/또는 일련의 응집 패턴은 탄소 기반 마이크로 구조가 혼입된 재료의 공진 성능에 영향을 미칠 수도 있다.
다양한 구성에서, 탄소 기반 마이크로 구조는 적어도 부분적으로 그래핀으로 형성될 수 있다. 이러한 맥락에서, 그래핀은 1개의 원자가 각 꼭지점을 형성하는 2차원 육각형 격자에서 단일 원자층 형태의 탄소 동소체를 의미할 수 있다. 이러한 육각형 격자의 다중 배치를 보다 복잡한 구조로 동일 위치 및/또는 병치하면 추가 공진 효과가 발생한다. 예를 들어, 그래핀의 두 개의 시트 또는 소판의 병치(1302)는 길이, 폭, 간격, 두께, 간격의 형상, 및/또는 시트 또는 소판의 다른 물리적 특성 및/또는 서로에 대한 상대적 병치 상태에 따라 달라지는 주파수로 이들 간에서 공진할 수 있다.
표 1은 앙상블 효과로 인해 발생하는 감쇠의 한 가지 가능한 코드를 보여준다. 이 표에 표시된 바와 같이 각 구조는 규모 지정에 대응하는 서로 다른 공진 주파수 영역을 갖는다.
| 구조 | 규모 지정 | 공진 주파수 영역 |
| 인쇄된 패턴(예를 들어, 분할 링 공진기 기하 구조) |
매크로 규모 | 낮은 GHz |
| 응집 패턴 | 중간 규모 | 높은 GHz |
| 그래핀 시트 또는 소판의 병치 | 마이크로 규모 | 매우 높은 GHz |
| 분자 | 나노 규모 | THz |
임의의 수의 다양한 분할 링 공진기가 타이어 표면에 인쇄될 수 있다. 또한, 임의의 수의 다양한 크기의 분할 링 공진기가 타이어 표면의 임의의 표면에 인쇄될 수 있다. 특정 분할 링 공진기의 재료 특성 및/또는 크기 및/또는 기타 구조 또는 치수 선택을 사용하여 이 특정 공진기 분할 링의 공진 주파수를 제어할 수 있다. 패턴이 디지털로 인코딩된 값에 대응하도록 다양한 크기의 일련의 분할 링 공진기를 인쇄할 수 있다. 전자기 신호 통신을 통해 다양한 크기의 일련의 분할 링 공진기를 자극하고, 예를 들어, 8GHz 내지 9GHz 또는 이와 유사한 범위를 스위프(sweeping)하고, 반환 범위를 통해 감쇠 응답을 측정하면 인식 가능한 인코딩된 시리얼 번호를 생성할 수 있다. 많은 다른 인코딩 방식이 가능하며, 따라서 표 2의 비제한적인 예는 단지 예시를 위한 것이다.
| 크기 (외부 직경) |
1mm | 2mm | 2.5mm | 3mm | 4mm | 5mm | 6mm | 7mm |
| 비트 할당 | 8 | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 |
| 교정된 감쇠점(GHz) | 8.890 | 8.690 | 8.655 | 8.570 | 8.470 | 8.380 | 8.350 | 8.275 |
| 인코딩된 6E 분할 링 공진기 패턴 |
존재 | 존재 | 존재 | 존재 | 존재 | |||
| 인코딩된 6E 비트 패턴 |
0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| 인코딩된 4E 분할 링 공진기 패턴 |
존재 | 존재 | 존재 | 존재 | ||||
| 인코딩된 4E 비트 패턴 |
0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| 인코딩된 E1 분할 링 공진기 패턴 |
존재 | 존재 | 존재 | 존재 | ||||
| 인코딩된 E1 비트 패턴 |
1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 |
도 14는 일 실시예에 따라 본 개시된 분할 링 공진기 중 하나 이상을 포함하는 예시적인 온도 센서(1400)이다. 옵션으로서, 예시적인 온도 센서(1400)는 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 예시적인 온도 센서(1400)는 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
일 구현예에서, 예시적인 온도 센서(1400)는 다수의 타이어 플라이를 갖는 (예를 들어, 도 9에 도시된) 타이어 몸체의 구획(1402)을 포함할 수 있다. 예시적인 온도 센서(1400)는 예를 들어 예시적인 온도 센서(1400)가 혼입된 타이어 플라이의 온도(1408)를 검출할 수 있다. 일 구현예에서, 타이어 센서는 세라믹 재료(1404)(예를 들어, 매트릭스로 구성됨) 및 하나 이상의 분할 링 공진기(1406)(도 8 및 본 명세서의 다른 곳에 도시됨)를 포함할 수 있다. 하나 이상의 분할 링 공진기(1406) 각각은 엘라스토머 속성의 변화 또는 개별 타이어의 온도 변화 중 하나 이상에 응답하여 편이할 수 있는 자연 공진 주파수(예를 들어, 도 16에 도시됨)를 가질 수 있다. 전기 전도성 층(1410)은 하나 이상의 분할 링 공진기(1406)의 각 분할 링 공진기로부터 유전체로 분리될 수 있다. 일부 구현예에서, 예시적인 온도 센서(1400)는 타이어에 혼입되지 않고 생산 및 배송될 수 있고 나중에 타이어 및/또는 타이어 플라이 내에 혼입되는 것이 가능하다.
추가적으로 또는 대안적인 실시예에서, 예시적인 온도 센서(1400)는 차량의 타이어 스트레인(예를 들어, 도 16에 도시)을 검출하도록 구성된 시스템(도 14에 도시되지 않음)에 혼입될 수 있다. 시스템은 차량 또는 차량 구성요소 중 하나 이상에 배치된 안테나(예를 들어, 전자기 신호의 방출 및/또는 전파와 관련하여 본 명세서에서 논의됨)를 포함할 수 있다. 안테나는 전자기 핑을 출력하도록 구성될 수 있다. 시스템은 또한 하나 이상의 타이어 플라이로 형성된 몸체(예를 들어, 도 9에 도시)를 갖는 타이어를 포함할 수 있다. 임의의 하나 이상의 타이어 플라이는 예를 들어 본 명세서에서 논의된 분할-링 공진기(분할 링 공진기)를 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 각 분할 링 공진기는 개별 하나 이상의 타이어 플라이의 엘라스토머 속성의 변화, 예를 들어, 가역적 변형, 응력 및/또는 스트레인에 응답하여 비례적으로 편이하도록(예를 들어, 도 16에 도시) 구성된 자연 공진 주파수를 가질 수 있다.
일부 구현예에서, 설명된 시스템은 타이어 및/또는 차량, 예를 들어, 자동차 및 트럭과 관련된 구성 외부의 재료의 물리적 속성의 변화를 검출하는 기능을 할 수 있다. 예를 들어, 시스템은 예를 들어 우주선 및/또는 유사한 것과 연관된 비행기 날개 및/또는 다른 유형의 에어포일(airfoil)의 표면 온도의 변화를 검출할 수 있다. 또한, 시스템은 하나 이상의 분할 링 공진기(1406)가 병원 환경에서 환자에게 제거 가능하게 부착될 수 있는 경우를 허용할 수 있으므로, (예를 들어, 복사열 전달 기술 등에 의존하는) 기존의 열 센서를 사용하지 않고도 각 환자의 체온 판독값을 얻을 수 있다. 이러한 예뿐만 아니라 다른 예 중 임의의 것에서 이러한 시스템은 표면과 연관된 물리적 특성을 검출할 수 있다.
일 구현예에서, 시스템은 전자기 핑을 출력하도록 구성된 단일 안테나와, 하나 이상의 가요성 기판을 포함할 수 있다. 가요성 기판 각각은 가요성 기판에 배치된 복수의 분할-링 공진기(분할 링 공진기)(예를 들어, 하나 이상의 분할 링 공진기(1406))를 포함하는 제1 측면을 포함할 수 있다. 각 분할 링 공진기는 개별 하나 이상의 타이어 플라이의 엘라스토머 속성의 변화에 응답하여 (예를 들어, 도 16에 도시) 비례적으로 편이할 수 있는 자연 공진 주파수를 가질 수 있다. 엘라스토머 속성은 가역적 변형, 응력, 스트레인 또는 온도 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 시스템은 흡수 프로파일을 생성할 수 있다(예를 들어, 안테나에 의해 출력되는 전자기 핑의 흡수 현상의 고유한 변화를 나타냄). 시스템은 제1 측면과 반대편에 위치된 제2 측면을 포함할 수 있다. 제2 측면은 표면에 부착될 수 있다. 단일 안테나는 흡수 프로파일과 연관된 데이터를 분석하여 물리적 속성의 지형을 출력할 수 있다.
도 15는 일 실시예에 따라 타이어 트레드 층 손실의 높이(밀리미터, mm)에 대해 측정된 공진 시그니처 신호 세기(데시벨, dB)의 그래프(1500)이다. 옵션으로서, 그래프(1500)는 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 그래프(1500)는 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
여기에 도시된 바와 같이 탄소 함유 마이크로 구조 및/또는 마이크로 구조 재료는 도시된 고유한 열화 프로파일을 달성하기 위해 주어진 농도 레벨 또는 다수의 다른 농도 레벨로 센서에 혼입될 수 있거나, 일부 구성에서는 (하나 이상의 타이어 트레드 층 각각에서) 하나 이상의 타이어 트레드의 전체 층에 혼입될 수 있다. 즉, 측정 공진 시그니처(해당 특정 타이어 트레드 층의 식별 "시그니처"를 나타냄)는 도시된 바와 같이 이 방출된 신호의 감쇠를 나타내기 위해 하나 이상의 RF 신호에 의해 본 명세서에 설명된 바와 같이 '핑'될 수 있다.
새로운 타이어 트레드 층은 약 0의 신호 세기(데시벨, dB로 측정)를 나타내도록 구성될 수 있다. 이 세기는 이 타이어 트레드 층의 열화 정도에 비례하여 변할 수 있다. 예를 들어, 타이어 트레드 층(아마도 포장 도로와 접촉하는 타이어 트레드 층)의 2mm 높이 손실은 도시된 측정 공진 시그니처 신호 세기 프로파일 측정값에 대응할 수 있다. 6.7GHz의 '핑' 신호는 약 9dB 등의 세기 레벨에서 측정될 수 있고 이와 같이 측정될 수 있다.
따라서, 탄소 함유 마이크로구조물의 고유한 농도 레벨, 화학물질, 분산, 분포 및/또는 등은 도시된 바와 같이 고유하고 쉽게 식별할 수 있는 측정된 공진 시그니처 신호 세기를 달성하기 위해 타이어 트레드 층에 내장(또는, 일부 경우에, 타이어 트레드 층의 하나 이상의 표면에 배치)될 수 있다. 따라서 이러한 시스템의 사용자는, 차량이 정지 상태에 있는 동안 타이어를 관찰하는 것(시간이 많이 걸리고 번거로울 수 있는 과정임)으로 제한되지 않고, 주행 중 발생하는 타이어 트레드 마모의 정확한 정도와 위치를 즉시 알 수 있다.
도 16은 일 실시예에 따라 타이어 플라이 변형에 비례하는 공진 응답 편이를 보여주는 분할 링 공진기의 자연 공진 주파수에 대해 측정된 공진 시그니처 신호 세기(데시벨, dB)의 그래프(1600)이다. 옵션으로서, 그래프(1600)는 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 그래프(1600)는 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
일 실시예에서, 그래프(1600)는 일 실시예에 따라 (예를 들어, 본 명세서에서 논의된 바와 같이) 타이어 트레드 및/또는 타이어 플라이에 혼입된 분할-링 공진기(들)(분할 링 공진기)의 자연 공진 주파수에 대해 측정된 공진 시그니처 신호 세기(데시벨, dB)를 보여준다. 여기에 도시된 바와 같이, 탄소 함유 및/또는 탄소질 마이크로 구조 및/또는 마이크로 구조 재료는 도시된 고유한 열화 프로파일을 달성하기 위해 센서에 혼입될 수 있거나, 일부 구성에서는 (하나 이상의 타이어 트레드 층 각각에서) 주어진 농도 레벨 또는 다수의 다른 농도 레벨에서 하나 이상의 타이어 트레드의 전체 층에 혼입될 수 있다. 즉, 측정 공진 시그니처(해당 특정 타이어 트레드 층의 식별 "시그니처"를 나타냄)는 도시된 바와 같이, 예를 들어, (드리프트 시나리오에서 발생할 수 있는) 가역적인 타이어 변형, 예를 들어, 응력 및/또는 스트레인 정도를 나타내고/내거나 비례하는 방출된 신호의 편이를 나타내기 위해 하나 이상의 RF 신호에 의해 본 명세서에 설명된 바와 같이 '핑'될 수 있다. 이러한 방식으로, 분할 링 공진기 "응답" 신호 거동은 (드리프트와 연관된) 타이어 변형, 예를 들어, 스트레인의 함수로 모델링될 수 있고 이에 타이어 상태와 성능을 완벽하게 파악할 수 있다. 측면 타이어 스틱션 손실을 초래하는 실제 시나리오에는, 예를 들어, 차량의 휠과 노면 사이에 수막 층이 형성되어 견인력이 상실되어 차량이 제어 입력에 응답하지 못하게 될 때 발생하는 현상을 의미하는 수막 현상 및/또는 드리프트가 포함될 수 있다. 모든 접촉 휠에 동시에 수막 현상이 발생하면 차량은 사실상 제어할 수 없는 썰매가 된다. 본 개시된 분할 링 공진기 및/또는 안테나 및/또는 신호 처리 장비와 결합된 공진기를 사용하면, 예를 들어, 장기간 사용을 통해 열화되고 손상될 수 있는 타이어 표면과 결합된 진동 검출 유닛을 사용하는 것을 통해 기존의 수막 검출 기술에 의존할 필요성을 효과적으로 제거할 수 있다. 또한, 도 16은 드리프트 중 스틱션 손실 동안 발생하는 측면 타이어 움직임과 연관된 스펙트럼 응답(신호 데시벨 단위)을 보여준다. 실제 시나리오에서는 예를 들어 일시적인 스틱션 손실은 빠른 전방 회전 중에만 들리는 다른 소리와 달리 높은 음조의 "날카로운 소리(screech)"가 들릴 수 있다. (드리프트 차량이 스틱션 및/또는 견인력을 회복하기 전) 이러한 유형의 주기적인 스틱션 손실은 대응하는 분할 링 공진기의 자연 공진 주파수의 주기적 및/또는 순환적 편이로 나타날 수 있다(도 16에는 도시되지 않음). 또한, 도 16과 관련하여, "날카로운 소리"가 나는 유형의 상황은 곡선의 다양한 최저점(trough) 및/또는 최고점(peak)의 주파수의 작은 주기적 및/또는 순환적 편이로 시각적으로 도시될 수 있다.
볼 수 있는 바와 같이 실시간 다중 양식 공진기는 엘라스토머 속성 변화 검출을 위해 공진 재료가 포함된 센서를 사용하여 스틱션을 측정하는 방법을 지원한다. 한 설정에서는 엘라스토터 속성 변화 검출을 위한 하나 이상의 공진 재료 함유 센서가 트랜스듀서에 가까운 위치에 배치된다. 엘라스토머 속성 변화 검출을 위해 하나 이상의 공진 재료 함유 센서를 여기시키기 위해 자극 신호가 방출될 수 있다. 방출은 알려진 주파수 범위에 걸쳐 있는 전자기 에너지를 포함한다. 교정 신호는 알려진 스틱션 조건에서 캡처된다. 자극 신호에 응답하는 주파수를 적어도 부분적으로 포함하는 반환 신호를 수신한 후, 다양한 신호 처리 기술이 반환 신호에 적용된다. 예를 들어, 자극 신호와 비교하기 위해 반환 신호에 다양한 신호 처리 기술이 적용된다. 반환 신호의 주파수 및/또는 진폭이 교정 신호와 다를 때마다 (예를 들어, 타이어와 주행 표면 사이의 계면에서) 대응하는 계면 간접 유전율이 계산된다. 계면 간접 유전율의 절대 및/또는 상대 값은 (예를 들어, 교정 테이블을 사용하여) 스틱션 값과 상관된다. 시간에 따른 스틱션 값의 변화는 도로 및/또는 타이어 상태와 상관 관계가 있다.
전술한 교정 신호 및/또는 교정 테이블을 구성하는 정적 및/또는 동적 값은 자극 신호의 분석 및/또는 트랜스듀서에 인접한 환경의 분석에 적어도 부분적으로 기초할 수 있다. 더욱이, 전술한 교정 신호 및/또는 교정 테이블은 유전율 교정 신호, 투자율 교정 신호, 온도 교정 신호, 진동 교정 신호, 도핑 교정 신호 등을 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 교정 절차는 (테스트 차량은 측면 스키딩 및/또는 슬라이딩 움직임 없이 바로 전방으로만 이동하도록) 다양한 전방 지향 각속도에서 기준선 데이터를 생성하기 위해 알려진 및/또는 제어된 환경 조건, 예를 들어, 건조한 포장 도로 및 맑은 날씨에서 수행될 수 있다. 이 기준선 데이터는 하나 이상의 교정 곡선 역할을 하고, 이 변형 값은 이후 비교 및/또는 계산될 수 있다. 이러한 방식으로, 명확한 성능 변화가 예를 들어, 도 16에 도시된 바와 같이 초기 신장되지 않은 (기준선) 교정 곡선에 대해 관찰될 수 있다.
반환 신호가 교정 신호와 다를 때마다 그리고 다른 곳마다 자극 신호에 대한 반환 신호의 추가 분석은 반환 신호의 주파수 중 어느 것이 교정 신호와 다른지 식별하는 역할을 할 수 있다. 차이는 교정 신호에 대한 주파수 또는 주파수들의 감쇠로 관찰/측정될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 차이는 교정 신호의 피크에 대한 피크의 주파수 편이로서 관찰/측정될 수 있다(0.5% 등으로 신장된 대응하는 데이터에 대해 도 16에 도시됨).
도 17은 일 실시예에 따라 인코딩된 시리얼 번호에 대응하여 공진할 수 있는 분할 링 공진기에 대한 처프 신호 주파수에 대한 신호 세기의 그래프(1700)이다. 옵션으로서, 그래프(1700)는 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 그래프(1700)는 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
일 실시예에서, 그래프(1700)는 인코딩된 시리얼 번호에 대응하는 방식으로 공진하도록 구성된 분할 링 공진 구조의 사용을 보여준다. 분할 링 공진 구조의 이러한 패턴은 타이어나 기타 엘라스토머에 인쇄될 수 있다. 도시된 바와 같이 인코딩된 시리얼 번호 "E1"은 4가지 다른 크기의 분할 링 공진기로 표시된다. 그래프(1700)는 약 8GHz 내지 약 9GHz 범위의 EM 자극을 보여주는 반면, 응답은 약 -8dB 내지 약 -18dB 범위의 감쇠로 표시된다. 범위에 걸쳐 전자기 신호 통신을 통해 다양한 크기의 일련의 분할 링 공진기를 자극하고, 범위에 걸쳐 반환의 S 파라미터를 측정하면 이 특정 인쇄 패턴을 편리하고 신뢰성 있게 식별할 수 있다. 그러면 일련의 타이어 각각에 고유한 패턴이 인쇄되고, 이 패턴이 인코딩된 시리얼 번호와 연관되면, EM 질의에 대한 패턴의 응답에 기초하여 특정 타이어를 결정할 수 있게 된다.
보다 구체적으로, 일련의 타이어 각각에 고유한 패턴이 인쇄되고, 이 패턴이 인코딩된 시리얼 번호와 연관되면, 인코딩 방식에 대응하는 범위의 EM 자극에 대한 EM 질의에 응답하여 측정된 S-파라미터(예를 들어, 감쇠에 대응하는 S-파라미터 비율)에 기초하여 특정 타이어를 결정할 수 있다. 도 17의 예에서, 감쇠는 약 -8dB에서 약 -18dB 범위에 속하지만 다른 측정에서 감쇠는 약 -1dB에서 약 -9dB 범위에 속한다. 다른 측정에서 감쇠는 약 -10dB에서 약 -19dB 범위에 속한다. 다른 측정에서 감쇠는 약 -20dB 내지 약 -35dB 범위에 속한다. 경험적 실험에서 감쇠는 타이어 표면에 근위에 함께 배치된 다르게 구성된 공진기의 수와 실질적으로 독립적이다. 보다 구체적으로, 일부 실험에서 공진기가 (예를 들어, 강철 벨트 레이디얼 타이어의) 강철 벨트의 트레드 측에 있을 수 있는 타이어 표면에 근위에 함께 위치에 배치될 때 특히 감쇠가 두드러질 수 있다.
전술한 인코딩 및 인쇄 기술은 타이어 및 기타 엘라스토머 함유 부품에 사용될 수 있다. 일부 경우에, 공진기 인쇄는 엘라스토머와 공진기의 탄소 원자 사이에 화학 결합이 형성되도록 상대적으로 높은 온도 및/또는 화학 작용제(예를 들어, 촉매)를 사용하여 수행된다. 엘라스토머와 공진기의 탄소 원자 사이에 형성되는 화학 결합은 앙상블 효과에 기여하므로, 앞서 언급한 화학 결합의 유형과 정도를 고려하여 교정 곡선을 고려할 수 있다.
엘라스토머는 임의의 하나 이상의 유형의 고무를 함유할 수 있다. 예를 들어, 아이소프렌은 일반적인 고무 제제이다. 아이소프렌은 리간드의 다른 분자 요소 사이에 자체 단일 C-C 결합과 이중 결합을 가지고 있다. 분할 링 공진기의 고온 인쇄로 형성된 추가 이중 탄소 결합은 전도성 증가 효과를 가지며, 이 효과는 더 크고 더 낮은 주파수 공진기를 형성하는 데 이용될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 응집물은 특정 크기로 동조될 수 있으며, 이는 앙상블 효과에 기여하는 배음을 발생시키고, 결과적으로 동조된 범위에서 EM 질의가 주어지면 매우 높은 감도를 초래한다. 일부 경우에, EM 질의에 대한 재료의 반응이 충분히 식별하여 엘라스토머의 노후화나 기타 양태의 건전성 상태를 (예를 들어, 하나 이상의 교정 곡선과 비교하여) 결정할 수 있다.
보다 구체적으로, 엘라스토머가 노화됨에 따라 분자 간격이 변하고 에너지의 결합 및/또는 퍼콜레이션이 이에 따라 감소하여 전도성 위치가 인접한 위치에 대해 점점 더 격리됨에 따라 응답 주파수가 편이한다. 일부 경우에, 감쇠 및/또는 반환 신호 강도가 특정 주파수에서 변한다. 이러한 변화는 시간이 지남에 따라 결정될 수 있으며, 이러한 변화는 교정 곡선을 구성하는 데 사용될 수 있다.
타이어의 디자인은 분할 링 공진기를 인쇄하기 위한 다양한 위치를 지원한다. 예로서, 분할 링 공진기는 타이어의 임의의 내부 표면 위, 예를 들어, 캡 플라이, 및/또는 강철 벨트 위 또는 근처(예를 들어, 강철 벨트의 트레드 면 위), 및/또는 방사형 플라이 위 또는 근처, 및/또는 측벽 위, 및/또는 비드 채퍼(bead chafer) 위, 및/또는 비드 위 등을 포함하되 이에 국한되지 않는 표면에 위치될 수 있다.
분할 링 공진기 기술의 사용은 타이어로만 국한되는 것은 아니다. 기술은 벨트와 호스와 같은 임의의 엘라스토머 함유 부품에 적용될 수 있다. 또한, 분할 링 공진기 기술의 사용은 차량으로만 국한되는 것은 아니다. 즉, 광범위한 기동 디바이스(motive device)(예를 들어, 산업 기계 시스템)의 유기 동력 트레인 및/또는 구동 트레인 부품에 소모품이 존재하므로 분할 링 공진기 기술은 이러한 소모품에도 적용될 수 있다. 마모 현상의 일부 양태는 마찰, 열, 열 순환 및 부식의 결과이며, 이의 임의의 것은 재료의 분자 구조에 변화를 초래하고/하거나 가속화할 수 있다. 재료의 분자 구조의 변화는 EM 질의를 통해 검출할 수 있다. 보다 구체적으로, 주파수 편이를 계산함으로써, 교정 곡선과 관련하여 특정 EM 질의 방식 하에서 특정 샘플의 반응(예를 들어, 노후화된 샘플의 반응), 재료의 노후화 또는 건전성을 주파수 편이의 크기에 기초하여 평가할 수 있다.
도 18a 내지 도 18y는 일 실시예에 따라 본 개시된 공진기(예를 들어, 분할 링 공진기) 중 임의의 것을 생성하기 위한 형성 재료로서 사용되는 탄소질 재료를 도시한다. 옵션으로서, 도 18a 내지 도 18y는 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 도 18a 내지 도 18y는 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 18a 내지 도 18y는 미국 특허 출원 번호 16/785,020(발명자: Stowell 등, 발명의 명칭: "3D Self-Assembled Multi-Modal Carbon-Based Particle", 출원일: 2020년 2월 7일, 전체 내용이 모든 목적을 위해 본 명세서에 참조에 의해 원용됨)에 개시된, 메탄(CH4)과 같은 탄소 함유 가스 종으로부터 반응 챔버 또는 반응기에서 비행 중 자가 핵 형성되는 것과 같은, 탄소 기반 재료, 성장물, 응집물, 응집체, 시트, 입자 및/또는 등을 도시한다.
도시된 탄소 기반 나노입자 및 응집체는 기존의 시스템 및 방법으로 달성할 수 있는 더 낮은 균일성, 덜 정렬된 및 더 낮은 순도 입자와 달리, 높은 레벨의 "균일성"(예를 들어, 원하는 탄소 동소체의 높은 질량 분율), 높은 레벨의 "질서"(예를 들어, 낮은 농도 결함) 및/또는 높은 레벨의 "순도"(예를 들어, 낮은 농도의 원소 불순물)를 특징으로 할 수 있다.
본 명세서에 설명된 방법을 사용하여 생성된 나노입자는 다중 벽을 갖는 구형 풀러렌(MWSF) 또는 연결된 MWSF를 함유할 수 있고, 높은 균일성(예를 들어, 그래핀 대 MWSF의 비율이 20% 내지 80%), 높은 질서도(예를 들어, ID/IG 비율이 0.95 내지 1.05인 라만 시그니처) 및 높은 순도(예를 들어, 탄소 대 다른 원소(수소 제외)의 비율은 99.9%보다 큼)를 가질 수 있다. 본 명세서에 설명된 방법을 사용하여 생성된 나노입자는 MWSF 또는 연결된 MWSF를 함유하고, MWSF는 탄소 이외의 불순물 원소로 구성된 코어를 함유하지 않는다. 본 명세서에 설명된 방법을 사용하여 생성된 입자는 큰 직경(예를 들어, 10㎛ 초과)을 갖는 상기 설명된 나노입자를 함유하는 응집체일 수 있다.
높은 질서도의 다중 벽을 갖는 구형 풀러렌을 함유하는 입자를 생성하기 위해 통상적인 방법이 사용되어 왔지만 최종 생성물은 다양한 결점을 가질 수 있다. 예를 들어, 고온 합성 기술은 많은 탄소 동소체의 혼합물 및 그리하여 낮은 균일성(예를 들어, 다른 탄소 동소체에 비해 20% 미만의 풀러렌) 및/또는 낮은 입자 크기(예를 들어, 1㎛ 미만 또는 일부 경우에 100nm 미만)를 가진 입자를 초래한다. 촉매를 사용하는 방법은 촉매 원소를 포함하고 따라서 상대적으로 낮은 순도(다른 원소에 비해 95% 미만의 탄소를 말함)를 갖는 생성물을 초래할 수 있다. 이러한 바람직하지 않은 속성은 종종 생성된 탄소 입자의 바람직하지 않은 전기적 속성(예를 들어, 1,000 S/m 미만의 전기 전도율)을 초래한다.
본 명세서에 설명된 탄소 나노입자 및 응집체는 구조물의 높은 질서도 및 균일성을 나타내는 라만 분광법으로 특징지어질 수 있다. 본 명세서에 설명된 균일한 정렬된 및/또는 순수한 탄소 나노입자 및 응집체는 하기에 설명된 비교적 고속, 저비용 개선된 열 반응기 및 방법을 사용하여 생성될 수 있다.
일반적으로 이해되고 본 명세서에 언급된 "그래핀"이라는 용어는 하나의 원자가 각 꼭지점을 형성하는 2차원, 원자 규모의, 육각형 격자 형태의 탄소 동소체를 의미한다. 그래핀의 탄소 원자는 sp2 결합되어 있다. 추가적으로, 그래핀은 (532nm 여기 레이저를 사용할 때) 약 1580cm-1의 G 모드와 약 1350cm-1의 D 모드를 포함하는 두 가지 주요 피크가 있는 라만 스펙트럼을 가지고 있다.
일반적으로 이해되고 본 명세서에서 언급된 "풀러렌"이라는 용어는 속이 빈 구형, 타원형, 관형 또는 기타 형상의 탄소 분자를 의미한다. 구형 풀러렌은 벅민스터풀러렌(Buckminsterfullerene) 또는 버키볼(buckyball)이라고도 한다. 원통형 풀러렌은 탄소 나노튜브라고도 한다. 풀러렌은 육각형 링이 연결된 적층된 그래핀 시트로 구성된 흑연과 구조가 유사하다. 풀러렌은 오각형(또는 때때로 칠각형) 링을 더 포함할 수 있다.
일반적으로 이해되고 본 명세서에서 언급된 "다중 벽을 갖는 풀러렌"이라는 용어는 다수의 동심 층을 갖는 풀러렌을 의미한다. 예를 들어, 다중 벽을 갖는 나노튜브(MWNT)는 그래핀의 다수의 롤링 층(동심 튜브)을 포함한다. 다중 벽을 갖는 구형 풀러렌(MWSF)은 풀러렌의 다수의 동심 구체를 포함한다.
일반적으로 이해되고 본 명세서에서 언급된 "나노입자"라는 용어는 1nm 내지 989nm에 이르는 입자를 의미한다. 나노입자는 하나 이상의 구조적 특성(예를 들어, 결정 구조, 결함 농도 등), 및 하나 이상의 유형의 원자를 포함할 수 있다. 나노입자는 구형, 회전타원체형, 덤벨형, 원통형, 세장형 원통형, 직사각형 및/또는 각기둥형, 디스크형, 와이어형, 불규칙한 형상, 조밀한 형상(예를 들어, 공극이 거의 없는 것), 다공성 형상(예를 들어, 공극이 많은 것) 등을 포함하지만 이들로 제한되지 않는 임의의 형상일 수 있다.
일반적으로 이해되고 본 명세서에서 언급된 "응집체"라는 용어는 반 데르 발스 힘, 공유 결합, 이온 결합, 금속 결합 또는 기타 물리적 또는 화학적 상호 작용에 의해 함께 연결된 다수의 나노입자를 의미한다. 응집체는 크기가 상당히 다양할 수 있지만, 일반적으로 약 500nm보다 크다.
탄소 나노입자는 2개 이상의 연결된 다중 벽을 갖는 구형 풀러렌(MWSF), 및 연결된 MWSF를 코팅하는 그래핀 층을 포함할 수 있고, 탄소 이외의 불순물 원소로 구성된 코어와 독립적으로 형성될 수 있다. 본 명세서에 설명된 바와 같은 탄소 나노입자는 2개 이상의 연결된 다중 벽을 갖는 구형 풀러렌(MWSF), 및 연결된 MWSF를 코팅하는 그래핀 층을 포함할 수 있다. 이와 같은 구성에서, MWSF는 중심에 공극(약 0.5nm보다 큰 또는 약 1nm보다 큰 탄소 원자가 없는 공간을 말함)을 포함하지 않는다. 연결된 MWSF는 (본 명세서에 개시된 예상치 못한 유리한 특성 중 임의의 하나 이상을 달성하지 못할 수 있는, 무작위로 정렬된, 불균일한, 비정질 탄소 입자의 통상적인 구체와 달리 유리한) sp2 혼성 결합된 탄소 원자의 동심의 잘 정렬된 구체로 형성될 수 있다.
연결된 MWSF를 함유하는 나노입자는 5 nm 내지 500 nm, 또는 5 nm 내지 250 nm, 또는 5 nm 내지 100 nm, 또는 5 nm 내지 50 nm, 또는 10 nm 내지 500 nm, 또는 10 nm 내지 250 nm, 또는 10 nm 내지 100 nm, 또는 10 nm 내지 50 nm, 또는 40 nm 내지 500 nm, 또는 40 nm 내지 250 nm, 또는 40 nm 내지 100 nm, 또는 50 nm 내지 500 nm, 또는 50 nm 내지 250 nm, 또는 50 nm 내지 100 nm 범위의 평균 직경을 갖는다.
본 명세서에 설명된 탄소 나노입자는 응집체를 형성하고, 여기서 많은 나노입자는 함께 응집되어 더 큰 단위를 형성한다. 탄소 응집체는 복수의 탄소 나노입자일 수 있다. 탄소 응집체에 걸친 직경은 10㎛ 내지 500㎛ 또는 50㎛ 내지 500㎛, 또는 100㎛ 내지 500㎛, 또는 250㎛ 내지 500㎛, 또는 10㎛ 내지 250㎛, 또는 10㎛ 내지 100㎛, 또는 10㎛ 내지 50㎛ 범위일 수 있다. 응집체는 상기 언급한 바와 같이 복수의 탄소 나노입자로 형성될 수 있다. 응집체는 높은 균일성 메트릭(예를 들어, 그래핀 대 MWSF의 비율이 20% 내지 80%), 높은 질서도(예를 들어, ID/IG 비율이 0.95 내지 1.05인 라만 시그니처) 및 높은 순도(예를 들어, 99.9% 초과의 탄소)를 가진 것과 같은 연결된 MWSF를 함유할 수 있다.
기본적으로 위에서 설명한 범위의 직경을 갖는 것을 의미하는 탄소 나노입자, 특히 10㎛보다 큰 입자의 응집체는 일반적으로 500nm보다 작은 입자 또는 입자의 응집체보다 수집하기가 더 쉽다. 수집의 용이성은 탄소 나노입자를 생산하는 데 사용되는 제조 장비의 비용을 줄이고 탄소 나노입자의 수율을 증가시킨다. 크기가 10㎛보다 큰 입자는 또한 더 작은 나노입자의 흡입으로 인한 잠재적인 건강 및 안전 위험과 같이 더 작은 나노입자를 처리할 때의 위험에 비해 더 적은 안전 문제를 야기한다. 따라서, 건강 상태 및 안전 위험이 낮을수록 제조 비용이 더 절감된다.
본 명세서에 개시된 것과 관련하여 탄소 나노입자는 10% 내지 90%, 또는 10% 내지 80%, 또는 10% 내지 60%, 또는 10% 내지 40%, 또는 10% 내지 20%, 또는 20% 내지 40%, 또는 20% 내지 90%, 또는 40% 내지 90%, 또는 60% 내지 90%, 또는 80% 내지 90%의 그래핀 대 MWSF의 비율을 가질 수 있다. 탄소 응집체는 10% 내지 90%, 또는 10% 내지 80%, 또는 10% 내지 60%, 또는 10% 내지 40%, 또는 10% 내지 20%, 또는 20% 내지 40%, 또는 20% 내지 90%, 또는 40% 내지 90%, 또는 60% 내지 90%, 또는 80% 내지 90%의 그래핀 대 MWSF의 비율을 갖는다. 탄소 나노입자는 10% 내지 90%, 또는 10% 내지 80%, 또는 10% 내지 60%, 또는 10% 내지 40%, 또는 10% 내지 20%, 또는 20% 내지 40%, 또는 20% 내지 90%, 또는 40% 내지 90%, 또는 60% 내지 90%, 또는 80% 내지 90%의 그래핀 대 연결된 MWSF의 비율을 갖는다. 탄소 응집체는 10% 내지 90%, 또는 10% 내지 80%, 또는 10% 내지 60%, 또는 10% 내지 40%, 또는 10% 내지 20%, 또는 20% 내지 40%, 또는 20% 내지 90%, 또는 40% 내지 90%, 또는 60% 내지 90%, 또는 80% 내지 90%의 그래핀 대 연결된 MWSF의 비율을 갖는다.
라만 분광법을 사용하여 탄소 동소체를 특성화하여 분자 구조물을 구별할 수 있다. 예를 들어, 라만 분광법을 사용하여 그래핀을 특성화하여 질서/무질서, 에지, 및 결정립 경계, 두께, 층의 수, 도핑, 스트레인 및 열 전도율과 같은 정보를 결정할 수 있다. 또한 라만 분광법을 사용하여 MWSF를 특성화하여 MWSF의 질서도를 결정하였다.
라만 분광법은 본 명세서에 논의된 바와 같이 다양한 타이어 관련 타이어 플라이 내에 혼입된 것과 관련하여 사용되는 MWSF 또는 연결된 MWSF의 구조를 특성화하는 데 사용된다. 라만 스펙트럼의 주요 피크는 G 모드와 D 모드이다. G 모드는 sp2 혼성 결합 탄소 네트워크에서 탄소 원자의 진동에 기인하고, D 모드는 결함이 있는 육각형 탄소 링의 호흡(breathing)과 관련이 있다. 일부 상황에서, 결함이 존재할 수 있지만 라만 스펙트럼에서는 검출할 수 없다. 예를 들어, 제시된 결정 구조가 기저면에 대해 직교하면, D 피크는 증가를 보일 것이다. 대안적으로 기저면에 대해 평행한 완벽하게 편평한 표면이 제공되면 D 피크는 0이 될 것이다.
532nm 입사광을 사용할 때, 라만 G 모드는 일반적으로 평면 흑연에 대해 1582cm-1에 있지만, MWSF 또는 연결된 MWSF에 대해 (예를 들어, 1565cm-1 또는 1580cm-1로) 다운 편이될 수 있다. D 모드는 MWSF 또는 연결된 MWSF의 라만 스펙트럼에서 약 1350cm-1에서 관찰된다. D 모드 피크 대 G 모드 피크(예를 들어, ID/IG)의 세기의 비율은 MWSF의 질서도와 관련되며, 여기서 ID/IG가 낮을수록 질서도가 높다는 것을 나타낸다. ID/IG가 1에 가깝거나 1 아래이면 상대적으로 높은 질서도를 나타내고, ID/IG가 1.1보다 크면 낮은 질서도를 나타낸다.
본 명세서에 설명된 바와 같은, MWSF 또는 연결된 MWSF를 함유하는 탄소 나노입자 또는 탄소 응집체는, 532nm 입사광을 사용할 때 약 1350cm-1에서 제1 라만 피크를 갖고 약 1580cm-1에서 제2 라만 피크를 갖는 라만 스펙트럼을 갖고/갖거나 나타낼 수 있다. 본 명세서에 설명된 나노입자 또는 응집체에 대한 제1 라만 피크의 세기 대 제2 라만 피크의 세기의 비율(예를 들어, ID/IG)은 0.95 내지 1.05, 또는 0.9 내지 1.1, 또는 0.8 내지 1.2, 또는 0.9 내지 1.2, 또는 0.8 내지 1.1, 또는 0.5 내지 1.5의 범위, 또는 1.5 미만, 또는 1.2 미만, 또는 1.1 미만, 또는 1 미만, 또는 0.95 미만, 또는 0.9 미만, 또는 0.8 미만일 수 있다.
상기 언급한 바와 같이, MWSF 또는 연결된 MWSF를 함유하는 탄소 응집체는 고순도를 갖는다. MWSF 또는 연결된 MWSF를 함유하는 탄소 응집체는 99.99% 초과, 또는 99.95% 초과, 또는 99.9% 초과, 또는 99.8% 초과, 또는 99.5% 초과, 또는 99% 초과의 탄소 대 금속의 비율을 갖는다. 탄소 응집체는 99.99% 초과, 또는 99.95% 초과, 또는 99.9% 초과, 또는 99.5% 초과, 또는 99% 초과, 또는 90% 초과, 또는 80% 초과, 또는 70% 초과, 또는 60% 초과의 탄소 대 다른 원소의 비율을 갖는다. 탄소 응집체는 99.99% 초과, 또는 99.95% 초과, 또는 99.9% 초과, 또는 99.8% 초과, 또는 99.5% 초과, 또는 99% 초과, 또는 90% 초과, 또는 80% 초과, 또는 70% 초과, 또는 60% 초과의 탄소 대 다른 원소(수소 제외)의 비율을 갖는다.
상기 언급한 바와 같이, MWSF 또는 연결된 MWSF를 함유하는 탄소 응집체는 높은 비표면적을 갖는다. 탄소 응집체는 10m2/g 내지 200m2/g, 또는 10m2/g 내지 100m2/g, 또는 10m2/g 내지 50m2/g, 또는 50m2/g 내지 200m2/g, 또는 50m2/g 내지 100 m2/g, 또는 10m2/g 내지 1000m2/g의 브루나우어, 에미트 및 텔라(Brunauer, Emmett and Teller)(BET) 비표면적을 갖는다.
상기 언급한 바와 같이, MWSF 또는 연결된 MWSF를 함유하는 탄소 응집체는 높은 전기 전도율을 갖는다. 위에서 언급한 MWSF 또는 연결된 MWSF를 함유하는 탄소 응집체는 펠릿으로 압축되고, 펠릿은 500 S/m 초과, 또는 1,000 S/m 초과, 또는 2,000 S/m 초과, 또는 3,000 S/m 초과, 또는 4,000 S/m 초과, 또는 5,000 S/m 초과, 또는 10,000 S/m 초과, 또는 20,000 S/m 초과, 또는 30,000 S/m 초과, 또는 40,000 S/m 초과, 또는 50,000 S/m 초과, 또는 60,000 S/m 초과, 또는 70,000 S/m 초과, 또는 500 S/m 내지 100,000 S/m, 또는 500 S/m 내지 1,000 S/m, 또는 500 S/m 내지 10,000 S/m, 또는 500 S/m 내지 20,000 S/m, 또는 500 S/m 내지 100,000 S/m, 또는 1000 S/m 내지 10,000 S/m, 또는 1,000 S/m 내지 20,000 S/m, 또는 10,000 내지 100,000 S/m, 또는 10,000 S/m 내지 80,000 S/m, 또는 500 S/m 내지 10,000 S/m의 전기 전도율을 갖는다. 일부 경우에, 펠릿의 밀도는 약 1g/cm3, 또는 약 1.2g/cm3, 또는 약 1.5g/cm3, 또는 약 2g/cm3, 또는 약 2.2g/cm3, 또는 약 2.5g/cm3, 또는 약 3g/cm3이다. 추가적으로, 2,000psi 및 12,000psi의 압축과 800℃ 및 1,000℃의 어닐링 온도에서 압축된 탄소 응집체 재료의 펠릿을 형성하는 테스트를 수행하였다. 더 높은 압축 및/또는 더 높은 어닐링 온도를 사용하면 일반적으로 12,410.0 S/m 내지 13,173.3 S/m 범위를 포함하여 더 높은 전기 전도율을 갖는 펠릿을 생산할 수 있다.
본 명세서에 설명된 탄소 나노입자 및 응집체는 열 반응기 및 방법을 사용하여 생산될 수 있다. 열 반응기 및/또는 사용 방법에 관한 추가 세부사항은 미국 특허 번호 9,862,602(등록일: 2018년 1월 9일, 발명의 명칭: "CRACKING OF A PROCESS GAS", 전체 내용이 모든 목적을 위해 본 명세서에 참조에 의해 원용됨)에서 찾아볼 수 있다. 추가적으로, 탄소 함유 및/또는 탄화수소 전구체(적어도 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 및 천연 가스를 말함)를 열 반응기에서 사용하여 본 명세서에 설명된 탄소 나노입자 및 탄소 응집체를 생산할 수 있다.
본 명세서에 설명된 탄소 나노입자 및 응집체는 1 slm 내지 10 slm, 또는 0.1 slm 내지 20 slm, 또는 1 slm 내지 5 slm, 또는 5 slm 내지 10 slm의 범위, 또는 1 slm 초과, 또는 5 slm 초과의 가스 흐름률을 갖는 열 반응기를 사용하여 생산된다. 본 명세서에 설명된 탄소 나노입자 및 응집체는 0.1초 내지 30초, 또는 0.1초 내지 10초, 또는 1초 내지 10초, 또는 1초 내지 5초, 5초 내지 10초의 범위, 또는 0.1초 초과, 또는 1초 초과, 또는 5초 초과, 또는 30초 미만의 가스 공진 시간으로 열 반응기를 사용하여 생산된다.
본 명세서에 설명된 탄소 나노입자 및 응집체는 10g/hr 내지 200g/hr, 또는 30g/hr 내지 200g/hr, 또는 30g/hr 내지 100g/hr, 또는 30g/hr 내지 60g/hr, 또는 10g/hr 내지 100g/hr의 범위, 또는 10g/hr 초과, 또는 30 g/hr 초과, 또는 100 g/hr 초과의 생산 속도로 열 반응기를 사용하여 생산될 수 있다.
열 반응기(또는 다른 분해 장치) 및 열 반응기 방법(또는 다른 분해 방법)을 사용하여 공급 원료 공정 가스를 그 구성성분으로 정제, 열 분해, 해리 또는 분해하여 본 명세서에 설명된 탄소 나노입자 및 탄소 응집체뿐만 아니라 기타 고체 및/또는 가스 생성물(예를 들어, 수소 가스 및/또는 낮은 차수의 탄화수소 가스)을 생산할 수 있다. 공급 원료 공정 가스는 일반적으로 예를 들어 수소 가스(H2), 이산화탄소(CO2), C1 내지 C10 탄화수소, 방향족 탄화수소, 및/또는 다른 탄화수소 가스, 예를 들어, 천연 가스, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 이소부탄, 포화/불포화 탄화수소 가스, 에텐, 프로펜 등 및 이들의 혼합물을 포함한다. 탄소 나노입자 및 탄소 응집체는 예를 들어 다중 벽을 갖는 구형 풀러렌(MWSF), 연결된 MWSF, 탄소 나노 구체, 그래핀, 흑연, 고도로 정렬된 열 분해 흑연, 단일 벽을 갖는 나노튜브, 다중 벽을 갖는 나노튜브, 기타 고체 탄소 제품, 및/또는 본 명세서에 설명된 탄소 나노입자 및 탄소 응집체를 포함할 수 있다.
본 명세서에 설명된 탄소 나노입자 및 탄소 응집체를 제조하는 방법은, 예를 들어, 열 분해 장치의 세장형 케이싱, 하우징 또는 몸체 내에 선택적으로 봉입된 세장형 길이 방향 가열 요소를 사용하는 열 분해 방법을 포함할 수 있다. 몸체는 예를 들어 스테인리스강, 티타늄, 흑연, 석영 등으로 만들어진 하나 이상의 튜브 또는 다른 적절한 인클로저를 포함할 수 있다. 열 분해 장치의 몸체는 일반적으로 중심 세장형 길이 방향 축이 수직으로 배열된 원통형 형상이고, 몸체의 상부에 또는 상부 부근에 공급 원료 공정 가스 입구가 있다. 공급 원료 공정 가스는 몸체 또는 몸체의 일부를 통해 길이 방향 아래로 흐를 수 있다. 수직 구성에서, 가스 흐름과 중력은 열 분해 장치의 몸체로부터 고체 제품을 제거하는 데 도움이 된다.
가열 요소는 공급 원료 공정 가스의 분자를 열 분해하기에 충분한 특정 온도(예를 들어, 분자 분해 온도)로 가열될 수 있는 가열 램프, 하나 이상의 저항성 와이어 또는 필라멘트(또는 꼬인 와이어), 금속 필라멘트, 금속 스트립 또는 막대, 및/또는 다른 적절한 열 라디칼 생성기 또는 요소 중 임의의 하나 이상을 포함할 수 있다. 가열 요소는 중심 길이 방향 축을 따라 열 분해 장치의 몸체 내에서 중심 방향으로 연장되도록 배치, 위치 또는 배열될 수 있다. 단 하나의 가열 요소만이 있는 구성에서 가열 요소는 중심 길이 방향 축에 배치되거나 중심 길이 방향 축과 동심일 수 있고; 대안적으로, 다수의 가열 요소를 갖는 구성에서는 가열 요소가 중심 길이 방향 축 근처에 그리고 중심 길이 방향 축 주변에 그리고 중심 길이 방향 축과 평행한 위치에서 일반적으로 대칭으로 또는 동심으로 이격되거나 오프셋되어 배치될 수 있다.
본 명세서에 설명된 탄소 나노입자 및 응집체를 생산하기 위한 열 분해는 특정 분자 분해 온도로 또는 특정 분자 분해 온도에서 공급 원료 공정 가스를 가열하기 위해 열 분해 장치의 몸체에 의해 정해지고 몸체 내에 포함된, 가열 요소의 열에 의해 생성된 길이 방향 세장형 반응 구역 내의 가열 요소 위로 또는 가열 요소와 접촉하여 또는 가열 요소 부근으로 공급 원료 공정 가스를 흐르게 함으로써 달성될 수 있다.
반응 구역은 공급 원료 공정 가스가 분자를 열 분해하기에 충분한 열을 받을 수 있도록 가열 요소를 둘러싸고 가열 요소에 충분히 가까이 있는 영역으로 간주될 수 있다. 따라서 반응 구역은 일반적으로 몸체의 중심 길이 방향 축과 축 방향으로 정렬되거나 동심이다. 열 분해는 특정 압력에서 수행된다. 공급 원료 공정 가스는 반응 구역 내로 공급 원료 공정 가스를 흐르게 하기 전에 용기 또는 챔버를 냉각시키고 공급 원료 공정 가스를 예열하기 위해 반응 구역 또는 가열 챔버의 용기의 외부 표면 주위 또는 외부 표면에 걸쳐 순환된다.
본 명세서에 설명된 탄소 나노입자 및 응집체 및/또는 수소 가스는 촉매를 사용하지 않고 생산된다. 따라서, 공정은 완전히 촉매가 없을 수 있다.
개시된 방법 및 시스템은, 유리하게는, 예를 들어, 정제 장치 및/또는 등을 위해 더 높은 용량의 시스템을 제공하기 위해, 독립형 수소 및/또는 탄소 나노입자 생산 스테이션, 탄화수소 소스, 또는 연료 전지 스테이션을 제공하도록 원하는 대로 다양한 생산 레벨로 빠르게 확장 또는 축소될 수 있고, 예를 들어, 크기 조정될 수 있다.
본 명세서에 설명된 탄소 나노입자 및 응집체를 생산하기 위해 공급 원료 공정 가스를 분해하기 위한 열 분해 장치는 몸체, 공급 원료 공정 가스 입구, 및 세장형 가열 요소를 포함한다. 몸체는 길이 방향 축이 있는 내부 부피를 갖는다. 내부 부피는 길이 방향 축과 동심인 반응 구역을 갖는다. 공급 원료 공정 가스는 열 분해 동작 동안 공급 원료 공정 가스 입구를 통해 내부 부피로 흐를 수 있다. 세장형 가열 요소는 길이 방향 축을 따라 내부 부피 내에 배치될 수 있고, 반응 구역에 의해 둘러싸여 있다. 열 분해 동작 동안, 세장형 가열 요소는 전력에 의해 분자 분해 온도까지 가열되어 반응 구역을 생성하고, 공급 원료 공정 가스는 세장형 가열 요소로부터 열에 의해 가열되고, 열은 반응 구역 내에 있는 공급 원료 공정 가스의 분자를 분자의 구성 성분으로 열 분해한다.
본 명세서에 설명된 탄소 나노입자 및 응집체를 생산하기 위해 공급 원료 공정 가스를 분해하는 방법은 (1) 길이 방향 축이 있는 내부 부피 및 길이 방향 축을 따라 내부 부피 내에 배치된 세장형 가열 요소를 갖는 열 분해 장치를 제공하는 단계; (2) 세장형 가열 요소를 전력에 의해 분자 분해 온도로 가열하여 내부 부피 내에 길이 방향 세장형 반응 구역을 생성하는 단계; (3) 공급 원료 공정 가스가 내부 부피 내로 그리고 길이 방향 세장형 반응 구역을 통해 흐르게 하는 단계(예를 들어, 여기서 세장형 가열 요소로부터 열에 의해 공급 원료 공정 가스를 가열함); 및 (4) 공급 원료 공정 가스가 길이 방향 세장형 반응 구역을 통해 흐를 때 길이 방향 세장형 반응 구역 내의 공급 원료 공정 가스의 분자를 그 구성 성분(예를 들어, 수소 가스 및 하나 이상의 고체 생성물)으로 열 분해하는 단계 중 적어도 임의의 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 명세서에 설명된 탄소 나노입자 및 응집체를 생산하는 데 사용되는 공급 원료 공정 가스는 탄화수소 가스를 포함할 수 있다. 분해 결과는 가스 형태의 수소(예를 들어, H2) 및 본 명세서에 설명된 다양한 형태의 탄소 나노입자 및 응집체를 더 포함할 수 있다. 탄소 나노입자 및 응집체는 둘 이상의 MWSF 및 MWSF를 코팅하는 그래핀 층, 및/또는 연결된 MWSF, 및 연결된 MWSF를 코팅하는 그래핀 층을 포함한다. 공급 원료 공정 가스가 내부 부피로 흐르기 전에 가열 챔버와 열 분해 장치의 쉘 사이의 가스 예열 영역을 통해 공급 원료 공정 가스를 흐르게 함으로써 공급 원료 공정 가스를 (예를 들어, 100℃ 내지 500℃로) 예열한다. 내부에 나노입자를 갖는 가스가 내부 부피로 그리고 길이 방향 세장형 반응 구역을 통해 흐르며 공급 원료 공정 가스와 혼합되어 나노입자 주위에 고체 생성물(예를 들어, 그래핀 층)의 코팅을 형성한다.
본 명세서에 설명된 다중 벽을 갖는 구형 풀러렌(MWSF) 또는 연결된 MWSF를 함유하는 탄소 나노입자 및 응집체는 임의의 후처리 작업 또는 동작의 완료를 요구하지 않고 생산 및 수집될 수 있다. 대안적으로, 본 개시된 MWSF 중 하나 이상에 일부 후처리를 수행할 수 있다. 공진 재료를 만들고 사용하는 것과 관련된 후처리의 일부 예로는 MWSF를 손상시키지 않고 입자 크기를 줄이기 위한 볼 밀링, 분쇄, 마찰 밀링, 미세 유동화, 및 기타 기술과 같은 기계적 처리를 포함한다. 후처리의 일부 추가 예로는 다른 것 중에서도 특히 전단 혼합, 화학적 에칭, 산화(예를 들어, 허머(Hummer) 방법), 열 어닐링, 어닐링 동안 원소(예를 들어, 황 및/또는 질소)를 추가하여 도핑, 스티밍, 필터링 및 동결 건조를 포함하는 박리 공정(흑연으로부터 그래핀 층을 생성 또는 추출하는 등과 같은 탄소 함유 재료 층의 완전한 분리를 말함)을 포함한다. 후처리의 일부 예로는 불활성 가스에서 고압 및 고온에서 수행될 수 있는 스파크 플라즈마 소결(SPS), 직류 소결, 마이크로파 소결 및 자외선(UV) 소결과 같은 소결 공정을 포함한다. 다수의 후처리 방법을 함께 또는 연속적으로 사용할 수 있다. 후처리는 다중 벽을 갖는 구형 풀러렌(MWSF) 또는 연결된 MWSF를 포함하는 기능화된 탄소 나노입자 또는 응집체를 생산한다.
재료는 상이한 조합, 양 및/또는 비율로 함께 혼합될 수 있다. MWSF 또는 연결된 MWSF를 함유하는 상이한 탄소 나노입자 및 응집체는 존재하는 경우 하나 이상의 후처리 동작 전에 함께 혼합될 수 있다. 예를 들어, 다른 속성(예를 들어, 다른 크기, 다른 조성, 다른 순도, 다른 처리 실행 등)을 가진 MWSF 또는 연결된 MWSF를 함유하는 다른 탄소 나노입자 및 응집체를 함께 혼합할 수 있다. 본 명세서에 설명된 MWSF 또는 연결된 MWSF를 함유하는 탄소 나노입자 및 응집체는 그래핀과 혼합되어 혼합물에서 연결된 MWSF 대 그래핀의 비율을 변경할 수 있다. 본 명세서에 설명된 MWSF 또는 연결된 MWSF를 함유하는 다른 탄소 나노입자 및 응집체는 후처리 후에 함께 혼합될 수 있다. 다른 속성 및/또는 다른 후처리 방법(예를 들어, 다른 크기, 다른 조성, 다른 기능, 다른 표면 속성, 다른 표면적)을 갖는 MWSF 또는 연결된 MWSF를 함유하는 다른 탄소 나노입자 및 응집체는 임의의 양, 비율 및/또는 조합으로 함께 혼합될 수 있다.
본 명세서에 설명된 탄소 나노입자 및 응집체는 생산 및 수집되고 후속적으로 기계적 분쇄, 밀링 및/또는 박리에 의해 처리된다. 처리(예를 들어, 기계적 분쇄, 밀링, 박리 등)는 입자의 평균 크기를 줄일 수 있다. 처리(예를 들어, 기계적 분쇄, 밀링, 박리 등)는 입자의 평균 표면적을 증가시킨다. 기계적 분쇄, 밀링 및/또는 박리에 의한 처리는 탄소 층의 일부 부분을 잘라내어 탄소 나노입자와 혼합된 흑연 시트를 생산한다.
기계적 분쇄 또는 밀링은 볼 밀, 유성 밀, 막대 밀, 전단 혼합기, 고전단 과립기, 자가 밀, 또는 기타 유형의 기계 가공, 예를 들어, 분쇄, 제분 또는 절단에 의해 고체 재료를 더 작은 조각으로 부수는 데 사용되는 기계 가공을 사용하여 수행된다. 기계적 분쇄, 밀링 및/또는 박리는 습식 또는 건식으로 수행된다. 기계적 분쇄는 일정 시간 기간 분쇄한 다음, 일정 시간 기간 공회전하고, 다수의 사이클 동안 분쇄 및 공회전을 반복하여 수행된다. 분쇄 기간은 1분(min) 내지 20분, 또는 1분 내지 10분, 또는 3분 내지 8분, 또는 약 3분 또는 약 8분이다. 공회전 기간은 1분 내지 10분, 또는 약 5분 또는 약 6분이다. 분쇄 및 공회전 사이클의 수는 1분 내지 100분, 또는 5분 내지 100분, 또는 10분 내지 100분, 또는 5분 내지 10분, 또는 5분 내지 20분이다. 분쇄 및 공회전의 총 시간 기간은 10분 내지 1,200분, 또는 10분 내지 600분, 또는 10분 내지 240분, 또는 10분 내지 120분, 또는 100분 내지 90분, 또는 10분 내지 60분, 또는 약 90분, 또는 약 수 분이다.
사이클에서 분쇄 단계는 제1 사이클(예를 들어, 시계 방향) 동안 밀을 일 방향으로 회전시킨 다음, 그 다음 사이클 동안 반대 방향(예를 들어, 반시계 방향)으로 밀을 회전시킴으로써 수행된다. 기계적 분쇄 또는 밀링은 볼 밀을 사용하여 수행되며, 분쇄 단계는 100rpm 내지 1000rpm, 또는 100rpm 내지 500rpm, 또는 약 400rpm의 회전 속도를 사용하여 수행된다. 기계적 분쇄 또는 밀링은 0.1 mm 내지 20 mm, 또는 0.1 mm 내지 10 mm, 또는 1 mm 내지 10 mm, 또는 약 0.1 mm, 또는 약 1 mm, 또는 약 10 mm의 직경을 갖는 밀링 매체를 사용하는 볼 밀을 사용하여 수행된다. 기계적 분쇄 또는 밀링은 강철과 같은 금속, 산화물, 예를 들어, 산화지르코늄(지르코니아), 이트리아 안정화 산화지르코늄, 실리카, 알루미나, 산화마그네슘, 또는 실리콘 카바이드 또는 텅스텐 카바이드와 같은 기타 경질 재료로 구성된 밀링 매체를 사용하는 볼 밀을 사용하여 수행된다.
본 명세서에 설명된 탄소 나노입자 및 응집체는 생산 및 수집되고 후속적으로 열 어닐링 또는 소결과 같은 상승된 온도를 사용하여 처리된다. 상승된 온도를 사용한 처리는 질소 또는 아르곤과 같은 불활성 환경에서 수행된다. 상승된 온도를 사용하는 처리는 대기압, 진공 또는 저압에서 수행된다. 상승된 온도를 사용하는 처리는 500℃ 내지 2,500℃, 또는 500℃ 내지 1,500℃, 또는 800℃ 내지 1,500℃, 또는 800℃ 내지 1,200℃, 800℃ 내지 1,000℃, 또는 2,000℃ 내지 2,400℃, 또는 약 8,00℃, 또는 약 1,000℃, 또는 약 1,500℃, 또는 약 2,000℃, 또는 약 2,400℃의 온도에서 수행된다.
본 명세서에 설명된 탄소 나노입자 및 응집체는 생산 및 수집되고 후속적으로 후처리 작업에서 추가 원소 또는 화합물이 탄소 나노입자에 첨가되어 탄소 나노입자 및 응집체의 고유한 속성을 재료의 다른 혼합물에 혼입한다.
후처리 전 또는 후에, 본 명세서에 설명된 탄소 나노입자 및 응집체는 탄소 나노입자 및 응집체의 고유한 속성을 혼입하는 재료의 추가 혼합물을 형성하기 위해 다른 원소 또는 화합물의 고체, 액체 또는 슬러리에 첨가된다. 본 명세서에 설명된 탄소 나노입자 및 응집체는 다른 고체 입자, 중합체 또는 기타 재료와 혼합된다.
후처리 전 또는 후에, 본 명세서에 설명된 탄소 나노입자 및 응집체는 공진 재료를 만들고 사용하는 것에 관한 응용을 넘어 다양한 응용 분야에서 사용된다. 이러한 응용 분야는 운송 분야(예를 들어, 자동차 및 트럭 타이어, 커플링, 마운트, 엘라스토머 "o" 링, 호스, 실런트, 그로밋 등) 및 산업 분야(예를 들어, 고무 첨가제, 중합체 재료용 기능성 첨가제, 에폭시 첨가제 등)를 포함하지만 이들로 제한되지 않는다.
도 18a 및 도 18b는 합성된 탄소 나노입자의 투과 전자 현미경(TEM) 이미지를 보여준다. 도 18a의 탄소 나노입자(제1 배율)와 도 18b의 탄소 나노입자(제2 배율)는 연결된 MWSF를 코팅하는 그래핀 층으로 연결된 다중 벽을 갖는 구형 풀러렌(MWSF)을 포함한다. 이 예에서 MWSF 대 그래핀 동소체의 비율은 상대적으로 짧은 공진 시간으로 인해 약 80%이다. 도 18b의 MWSF는 직경이 약 5 nm 내지 10 nm이고, 직경은 전술한 상태를 사용하면 5 nm 내지 500 nm일 수 있다. MWSF에 걸친 평균 직경은 5 nm 내지 500 nm, 또는 5 nm 내지 250 nm, 또는 5 nm 내지 100 nm, 또는 5 nm 내지 50 nm, 또는 10 nm 내지 500 nm, 또는 10 nm 내지 250 nm, 또는 10 nm 내지 100 nm, 또는 10 nm 내지 50 nm, 또는 40 nm 내지 500 nm, 또는 40 nm 내지 250 nm, 또는 40 nm 내지 100 nm, 또는 50 nm 내지 500 nm, 또는 50 nm 내지 250 nm, 또는 50 nm 내지 100 nm의 범위이다. 이 공정에서 촉매가 사용되지 않았으므로 오염물을 함유하는 중심 시드(seed)가 없다. 이 실시예에서 생산된 응집체 입자는 약 10㎛ 내지 100㎛ 또는 약 10㎛ 내지 500㎛의 입자 크기를 가졌다.
도 18c는 532nm 입사광으로 취해진 이 실시예에서 합성된 응집체의 라만 스펙트럼을 보여준다. 이 예에서 생산된 응집체의 ID/IG는 응집체가 높은 질서도의 탄소 동소체로 구성된 것을 나타내는 약 0.99 내지 1.03이다.
도 18d 및 도 18e는 볼 밀에서 분쇄하여 크기를 감소시킨 후의 탄소 나노입자의 예시적인 TEM 이미지를 보여준다. 볼 밀링은 3분(min) 반시계 방향 분쇄 작업, 이후 6분 공회전 작업, 이후 3분 시계 방향 분쇄 작업, 이후 6분 공회전 작업으로 사이클이 수행되었다. 분쇄 작업은 400rpm의 회전 속도를 사용하여 수행되었다. 밀링 매체는 지르코니아였으며, 크기 범위는 0.1mm에서 10mm이다. 전체 크기 감소 처리 시간은 60분 내지 120분이었다. 크기 감소 후, 이 실시예에서 생산된 응집체 입자의 입자 크기는 약 1㎛ 내지 5㎛였다. 크기 감소 후 탄소 나노입자는 연결된 MWSF를 코팅하는 그래핀 층으로 연결된 MWSF이다.
도 18f는 532nm 입사광으로 취해진 크기 감소 후 이들 응집체로부터의 라만 스펙트럼을 보여준다. 크기 감소 후 이 예에서 응집체 입자의 ID/IG는 약 1.04이다. 추가적으로, 크기 감소 후 입자는 약 40 m2/g 내지 50 m2/g의 브루나우어, 에미트, 및 텔러(BET) 비표면적을 가졌다.
이 샘플에서 생산된 응집체의 순도는 질량 분석법 및 x-선 형광 분광법(XRF)을 사용하여 측정되었다. 16개의 다른 배취(batch)에서 측정된, 수소를 제외한, 다른 원소에 대한 탄소의 비율은 99.86% 내지 99.98%였고 평균은 탄소 99.94%이었다.
이 예에서, 탄소 나노입자는 고온 열선 처리 시스템을 사용하여 생산되었다. 전구체 재료는 1 slm 내지 5 slm으로 흐르는 메탄이었다. 이러한 흐름률 및 도구 형상을 사용하여 반응 챔버에서 가스의 공진 시간은 약 20초 내지 30초였으며 탄소 입자 생산 속도는 약 20 g/hr이었다.
이러한 처리 시스템에 관한 추가 세부사항은 이전에 언급된 미국 특허 번호 9,862,602(발명의 명칭: "CRACKING OF A PROCESS GAS", 전체 내용이 모든 목적을 위해 본 명세서에 참조에 의해 원용됨)에서 찾아볼 수 있다.
실시예
1
도 18g, 도 18h 및 도 18i는 이 예의 합성 탄소 나노입자의 TEM 이미지를 보여준다. 탄소 나노입자는 연결된 MWSF를 코팅하는 그래핀 층으로 연결된 다중 벽을 갖는 구형 풀러렌(MWSF)을 함유한다. 이 예에서 그래핀 동소체에 대한 다중 벽을 갖는 풀러렌의 비율은 상대적으로 긴 공진 시간으로 인해 약 30%이며, 이는 MWSF를 코팅하기 위해 더 두꺼운 또는 더 많은 그래핀 층이 가능하다. 이 공정에서 촉매가 사용되지 않았으므로 오염물을 함유하는 중심 시드는 없다. 이 실시예에서 생산된 합성된 응집체 입자는 약 10㎛ 내지 500㎛의 입자 크기를 가졌다. 도 18j는 이 실시예의 응집체로부터 라만 스펙트럼을 보여준다. 이 예에서 합성된 입자의 라만 시그니처는 합성된 재료에서 MWSF를 코팅하는 더 두꺼운 그래핀 층을 나타낸다. 추가적으로, 합성된 입자는 약 90 m2/g 내지 100 m2/g의 브루나우어, 에미트 및 텔러(BET) 비표면적을 가졌다.
실시예
2
도 18k 및 도 18l은 이 실시예의 탄소 나노입자의 TEM 이미지를 보여준다. 구체적으로, 이미지는 볼 밀에서 분쇄하여 크기 감소를 수행한 후의 탄소 나노입자를 나타낸다. 사이즈 감소 공정 상태는 전술한 도 18g 내지 도 18j에 속하는 것으로 설명한 것과 동일하다. 크기 감소한 후, 이 실시예에서 생산된 응집체 입자의 입자 크기는 약 1㎛ 내지 5㎛였다. TEM 이미지는 그래핀 코팅에 매립된 연결된 MWSF가 크기 감소 후에 관찰될 수 있음을 보여준다. 도 18m은 532nm 입사광으로 취해진 크기 감소 후 이 실시예의 응집체로부터 라만 스펙트럼을 보여준다. 이 예에서 크기 감소 후 응집체 입자의 ID/IG는 약 1이고, 이는 합성된 그래핀 코팅에 매립된 연결된 MWSF가 크기 감소한 후 라만에서 검출 가능하고 잘 정렬되었다는 것을 나타낸다. 크기 감소 후 입자는 약 90 m2/g 내지 100 m2/g의 브루나우어, 에미트, 및 텔러(BET) 비표면적을 가졌다.
실시예
3
도 18n은 제1 배율로 흑연 및 그래핀 동소체를 나타내는 탄소 응집체의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지이다. 도 18o는 제2 배율로 흑연 및 그래핀 동소체를 보여주는 탄소 응집체의 SEM 이미지이다. 층상화된 그래핀은 탄소의 뒤틀림(주름) 내에서 명확하게 보인다. 탄소 동소체의 3D 구조도 볼 수 있다.
도 18n 및 도 18o의 탄소 입자의 입자 크기 분포는 도 18p에 도시되어 있다. 질량 기준 누적 입자 크기 분포(1806)는 그래프의 왼쪽 y 축(Q3(x)[%])에 대응한다. 질량 기준 입자 크기 분포(1808)의 히스토그램은 그래프의 오른쪽 축(dQ3(x)[%])에 대응한다. 중간 입자 크기는 약 33㎛이다. 10번째 백분위수 입자 크기는 약 9㎛이고, 90번째 백분위수 입자 크기는 약 103㎛이다. 입자의 질량 밀도는 약 10 g/L이다.
실시예
4
다단계 반응기로부터 포획된 탄소 입자의 입자 크기 분포는 도 18q에 도시된다. 질량 기준 누적 입자 크기 분포(1814)는 그래프의 왼쪽 y 축(Q3(x)[%])에 대응한다. 질량 기준 입자 크기 분포(1816)의 히스토그램은 그래프의 오른쪽 축(dQ3(x)[%])에 대응한다. 포획된 중간 입자 크기는 약 11㎛이다. 10번째 백분위수 입자 크기는 약 3.5㎛이고, 90번째 백분위수 입자 크기는 약 21㎛이다. 도 18q의 그래프는 또한 그래프의 왼쪽 y 축 (Q0(x)[%])에 대응하는 수 기준 누적 입자 크기 분포(1818)를 도시한다. 수 기준에 의한 중간 입자 크기는 약 0.1㎛ 내지 약 0.2㎛이다.
도 18p의 논의로 돌아가면, 그래프는 또한 예시적인 결과의 제2 세트를 보여준다. 구체적으로, 이 실시예에서 기계적 분쇄에 의해 입자 크기를 감소시킨 후 사이클론 분리기를 이용하여 크기 감소된 입자를 처리하였다. 이 예에서 포획된 크기 감소된 탄소 입자의 질량 기준 누적 입자 크기 분포(1810)는 그래프의 왼쪽 y 축(Q3(x)[%])에 대응한다. 질량 기준 입자 크기 분포(1812)의 히스토그램은 그래프의 오른쪽 축(dQ3(x)[%])에 대응한다. 이 예에서 포획된 크기 감소된 탄소 입자의 중간 입자 크기는 약 6㎛이다. 10번째 백분위수 입자 크기는 1㎛ 내지 2㎛이고, 90번째 백분위수 입자 크기는 10㎛ 내지 20㎛이다.
사이클론 분리기를 제조하고 사용하는 것에 관한 추가 세부사항은 미국 특허 출원 번호 15/725,928(출원일: 2017년 10월 5일, 발명의 명칭: "MICROWAVE REACTOR SYSTEM WITH GAS-SOLID SEPARATION", 전체 내용이 모든 목적을 위해 본 명세서에 참조에 의해 원용됨)에서 찾아볼 수 있다.
일부 경우에, 흑연, 그래핀 및 비정질 탄소를 함유하는 탄소 입자 및 응집체는 메탄을 함유하거나 아이소프로필 알코올(IPA)을 함유하거나 에탄올을 함유하거나 응축된 탄화수소(예를 들어, 헥산)를 함유하는 전구체 재료를 사용하는 마이크로파 플라즈마 반응기 시스템을 사용하여 생산될 수 있다. 일부 다른 예에서, 탄소 함유 전구체는 선택적으로 공급 가스(예를 들어, 아르곤)와 혼합된다. 이 실시예에서 생성된 입자는 흑연, 그래핀, 비정질 탄소를 함유하고 시드 입자를 포함하지는 않았다. 이 예에서 입자는 다른 원소(수소 제외)에 대한 탄소의 비율이 약 99.5% 이상이었다.
일 특정 예에서, 탄화수소는 마이크로파 플라즈마 반응기에 대한 입력 재료였고, 반응기의 분리된 출력은 수소 가스, 및 흑연, 그래핀 및 비정질 탄소를 함유하는 탄소 입자를 포함하였다. 탄소 입자는 다단계 가스-고체 분리 시스템에서 수소 가스로부터 분리되었다. 반응기로부터 분리된 산출물의 고형물의 부하는 0.001 g/L 내지 2.5 g/L였다.
실시예
5
도 18r, 도 18s 및 도 18t는 합성된 탄소 나노입자의 TEM 이미지이다. 이미지는 흑연, 그래핀 및 비정질 탄소 동소체의 예를 보여준다. 그래핀과 기타 탄소 재료의 층을 이미지에서 명확하게 볼 수 있다.
포획된 탄소 입자의 입자 크기 분포는 도 18u에 도시된다. 질량 기준 누적 입자 크기 분포(1820)는 그래프의 왼쪽 y 축(Q3(x)[%])에 대응한다. 질량 기준 입자 크기 분포(1822)의 히스토그램은 그래프의 오른쪽 축(dQ3(x)[%])에 대응한다. 이 예에서 사이클론 분리기에 포획된 중간 입자 크기는 약 14㎛였다. 10번째 백분위수 입자 크기는 약 5㎛였고, 90번째 백분위수 입자 크기는 약 28㎛였다. 도 18u의 그래프는 또한 그래프의 왼쪽 y 축(Q0(x)[%])에 대응하는 수 기준 누적 입자 크기 분포(1824)를 도시한다. 이 예에서 수 기준에 의한 중간 입자 크기는 약 0.1㎛ 내지 약 0.2㎛였다.
도 18v, 도 18w, 및 도 18x, 및 도 18y는 다른 3차원 구조 위로 성장된 3차원 탄소 함유 구조를 보여주는 이미지이다. 도 18v는 탄소 섬유 위에 성장된 3차원 탄소 구조를 100배 확대한 것인 반면, 도 18w는 탄소 섬유 위에 성장된 3차원 탄소 구조를 200배 확대한 것이다. 도 18x는 탄소 섬유 위에 성장된 3차원 탄소 구조를 1601배 확대한 것이다. 섬유 표면 위에 성장된 3차원 탄소가 도시된다. 도 18y는 탄소 섬유 위에 성장된 3차원 탄소 구조를 10000배 확대한 것이다. 이미지는 기저면에서 뿐만 아니라 에지면에서 성장한 것을 보여준다.
보다 구체적으로, 도 18v 내지 도 18y는 마이크로파 플라즈마 반응기의 플라즈마 에너지와 열 반응기의 열 에너지를 사용하여 섬유 위에 성장된 3D 탄소 재료의 예시적인 SEM 이미지를 보여준다. 도 18v는 섬유 표면 상에 성장된 3D 탄소 재료(1830)를 갖는 섬유(1831)와 섬유(1832)가 교차하는 SEM 이미지를 도시한다. 도 18w는 섬유(1832) 상에 3D 탄소 재료(1830)를 보여주는 더 높은 배율 이미지(축척 막대는 도 18v의 500㎛와 달리 300㎛임)이다. 도 18x는 섬유 표면(1835) 상의 3D 탄소 재료(1830)를 보여주는 추가 확대도(축척 막대는 40㎛임)이고, 여기서 3D 탄소 재료(1830)의 3D 성질을 명확하게 볼 수 있다. 도 18y는 섬유 위에 성장된 3D 탄소 재료의 수많은 하위 입자의 에지면(1834)과 섬유(1832)의 기저면 사이의 상호 연결을 보여주는 탄소 단독의 확대도(축척 막대는 500nm임)를 나타낸다. 도 18v 내지 도 18y는 3D 탄소 섬유 위에 성장된 3D 탄소 성장과 같은 3D 섬유 구조 위에 3D 탄소를 성장시키는 능력을 보여준다.
섬유 위에 3D 탄소의 성장은 복수의 섬유를 마이크로파 플라즈마 반응기에 도입하고 마이크로파 반응기에서 플라즈마를 사용하여 섬유를 에칭함으로써 달성될 수 있다. 에칭은 핵 형성 부위를 생성하고, 이에 반응기에서 탄화수소 해리에 의해 탄소 입자와 하위 입자가 생성될 때 핵 형성 부위에서 3D 탄소 구조의 성장이 개시된다. 특성상 3차원인, 섬유 위 3D 탄소 구조의 직접 성장은 수지가 침투할 수 있는 기공을 갖는 고도로 통합된 3D 구조물을 제공한다. 수지 복합체를 위한 이 3D 보강 매트릭스(고종횡비의 보강 섬유와 일체화된 3D 탄소 구조물을 포함)는, 매끄러운 표면을 갖고 일반적으로 매끄러운 표면이 수지 매트릭스로부터 박리되는, 기존의 섬유를 갖는 복합체에 비해 인장 강도 및 전단력과 같은 재료 속성을 향상시킨다.
본 명세서에 설명된 3D 탄소 재료 중 임의의 하나 이상과 같은 탄소 재료는, 예를 들어, 산소, 질소, 탄소, 규소 또는 경화제와 같은 요소를 첨가하고/하거나 접착을 촉진하는 기능화를 위해 준비된 하나 이상의 노출된 표면을 가질 수 있다. 기능화는 화학적 합성에 의해 화합물에 기능기를 첨가하는 것을 말한다. 재료 과학에서 기능화를 사용하여 원하는 표면 속성을 얻을 수 있고; 예를 들어, 기능기는 또한 화학 디바이스의 표면에 작용 분자를 공유 결합으로 연결하는 데 사용될 수 있다. 탄소 재료는 현장에서, 즉 탄소 재료를 생산한 것과 동일한 반응기 내 현장에서 기능화될 수 있다. 탄소 재료는 후처리에서 기능화될 수 있다. 예를 들어, 풀러렌 또는 그래핀의 표면은 수지 매트릭스의 중합체와 결합을 형성하는 산소 또는 질소 함유 종으로 기능화되어, 접착력을 향상시켜 강한 결합을 제공하여 복합체의 강도를 향상시킬 수 있다.
표면 처리 기능화는 본 명세서에 설명된 플라즈마 반응기(예를 들어, 마이크로파 플라즈마 반응기)를 사용하여 개시된 탄소 기반 재료(예를 들어, CNT, CNO, 그래핀, 3D 그래핀과 같은 3D 탄소 재료) 중 임의의 하나 이상에 수행될 수 있다. 이러한 처리는 복합체 재료에서 결합제 또는 중합체와 결합될 수 있는 탄소 재료를 생성하는 동안 현장에서 표면 처리하는 것을 포함하거나, 또는 탄소 재료가 반응기 내에 여전히 있는 동안 탄소 재료를 생성한 후 표면 처리하는 것을 포함할 수 있다.
앞선 실시예 중 일부는 타이어의 하나의 플라이 또는 플라이들 내에 내장된 탄소 함유 재료로 형성된 복수의 3차원(3D) 응집체를 포함하는 공진기를 포함한다. 그러나, 일부 실시예는 타이어의 내부 표면(예를 들어, 타이어의 내부 라이너)에 인쇄되거나 배치되는 공진기를 포함한다.
도 19aa은 일 실시예에 따라 콘크리트가 주어진 구조적 거푸집으로 타설되기 전에 콘크리트에 배치되는 분할 링 공진기 또는 복수의 분할 링 공진기의 도시(19A100)를 제공한다. 옵션으로서, 도시(19A100)는 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 도시(19A100)는 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 19aa에 도시된 바와 같이, 분할 링 공진기는 콘크리트 타설물(1902)에 혼입될 수 있다. 분할 링 공진기 또는 복수의 분할 링 공진기(1904)는 혼합 용기에 있는 동안 콘크리트(1906)에 혼합될 수 있고, 또는 분할 링 공진기 또는 복수의 분할 링 공진기는 타설 공정 동안 콘크리트가 중간 흐름에 있는 동안 콘크리트에 혼합될 수 있다.
분할 링 공진기 또는 복수의 분할 링 공진기(1904)는 콘크리트 타설물(1902) 내에 포획될 수 있다. 분할 링 공진기는 임의의 배향으로 거푸집 내에 포획될 수 있지만 구조 요소의 바닥 근처에 정착될 가능성이 높고; 예를 들어, 임의의 주어진 분할 링 공진기는 분할 링 공진기 평면으로부터의 법선 벡터가 실질적으로 수직이 되도록 배향될 수 있거나, 임의의 주어진 분할 링 공진기는 분할 링 공진기의 평면으로부터의 법선 벡터가 실질적으로 수평이 되도록 배향될 수 있거나, 임의의 주어진 분할 링 공진기는 분할 링 공진기의 평면으로부터의 법선 벡터가 수직과 수평 사이의 각도에 있도록 배향될 수 있다.
특정 상황에서, 분할 링 공진기는 거푸집 경계에 상대적으로 가까운 위치에서 거푸집 내에 포획된다. 다른 경우에, 분할 링 공진기가 거푸집 경계에서 상대적으로 먼 위치에서 거푸집 내에 도달한다. 이는 콘크리트 타설물(1902) 내에 무작위로 위치되는 이물질(예를 들어, 분할 링 공진기)의 자연스러운 경향(예를 들어, 유체 역학) 때문이다. 거푸집 내에서 분할 링 공진기의 위치에 관계없이 신호로 분할 링 공진기를 핑잉하고 반환 신호를 수신하는 기술이 동작 가능하다. 보다 구체적으로, 신호 대 잡음비가 매우 넓기 때문에(도 17에 도시된 바와 같이 18dB 분리 참조), 교정 신호와의 비교를 용이하게 하기 위해 임의의 특정 위치에 있는 임의의 분할 링 공진기로부터의 반환 신호를 수신하고 처리할 수 있다. 이 기술은 다양한 구조물에 적용될 수 있으며, 이러한 예 중 하나가 수직 배향의 콘크리트 구조 부재를 예시하는 도 19aa에서 볼 수 있다.
전술한 예는 수직 배향의 콘크리트 구조 부재와 관련된 것이지만, 본 명세서에 개시된 기술은 수평 배향의 콘크리트 구조 부재(또는 임의의 각도의 콘크리트 구조 부재)를 형성할 때에도 적용된다.
도 19ab는 일 실시예에 따라 콘크리트가 주어진 구조적 거푸집으로 타설되기 전에 콘크리트에 배치되는 분할 링 공진기 또는 복수의 분할 링 공진기의 도시(19A200)를 제공한다. 옵션으로서, 도시(19A200)는 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 도시(19A200)는 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
일 실시예에서, 도 19ab는 슬래브(1910)를 타설할 때 콘크리트 타설물(1902)에 혼입될 수 있는 분할 링 공진기 또는 복수의 분할 링 공진기(1904)를 보여준다. 분할 링 공진기 또는 복수의 분할 링 공진기(1904)는 혼합 용기에 있는 동안 콘크리트(1906)에 혼합될 수 있고, 또는 분할 링 공진기 또는 복수의 분할 링 공진기(1904)는 콘크리트가 타설 공정 동안 중간 흐름에 있는 동안 콘크리트(1906) 내에 혼합될 수 있다.
분할 링 공진기 또는 복수의 분할 링 공진기(1904)는 콘크리트 타설물(1902) 내에 그리고 임의의 배향으로 거푸집 내에 포획될 수 있다. 예를 들어, 임의의 주어진 분할 링 공진기는 분할 링 공진기의 평면으로부터의 법선 벡터가 실질적으로 수직이 되도록 배향될 수 있거나, 임의의 주어진 분할 링 공진기는 분할 링 공진기의 평면으로부터의 법선 벡터가 실질적으로 수평이 되도록 배향될 수 있거나, 임의의 주어진 분할 링 공진기는 분할 링 공진기의 평면으로부터의 법선 벡터가 수직과 수평 사이의 각도에 있도록 배향될 수 있다. 분할 링 공진기 또는 복수의 분할 링 공진기(1904)는 일 실시예에서 수평 배향의 콘크리트 구조 부재(1914)의 벽에 더 가깝게 분포될 수 있다. 특정 실시예에서, 분할 링 공진기 또는 복수의 분할 링 공진기(1904)는 수평 배향의 콘크리트 구조 부재(1914)의 상부 표면에 비교적 가까운 위치에서 거푸집 내에 도달할 수 있다. 특정 다른 실시예에서, 분할 링 공진기 또는 복수의 분할 링 공진기(1904)는 수평 배향의 콘크리트 구조 부재(1914)의 바닥 표면에 상대적으로 근접할 수 있다. 나아가, 분할 링 공진기 또는 복수의 분할 링 공진기(1904)는 분할 링 공진기 또는 복수의 분할 링 공진기(1904)의 위치가 콘크리트 부재에 콘크리트 타설(1902) 동안 유지될 수 있도록 철근(또는 콘크리트 부재 내의 다른 지지 구조물) 내에 배향, 통합, 및/또는 부착될 수 있다.
다양한 실시예에서, 도 19aa 및 도 19ab는 콘크리트가 주어진 구조적 거푸집(예를 들어, 수직 배향의 콘크리트 구조 부재, 수평 배향의 콘크리트 구조 부재)으로 타설되기 전에 콘크리트에 배치되는 분할 링 공진기 또는 다수의 분할 링 공진기의 일 실시예를 도시한다. 또한, 도 19aa 및 도 19ab는 일 실시예에서 분할 링 공진기(예를 들어, 링형 또는 원통형) 또는 복수의 분할 링 공진기(1904)(예를 들어, 링형, 원통형, 또는 이들의 조합)가 콘크리트를 거푸집으로 타설하기 전에 콘크리트 혼합물에 혼입될 수 있는 방식을 예시하기 위해 제공된 것이다. 거푸집은 임의의 형상일 수 있다. 엄밀히, 도 19aa에 도시된 바와 같이, 거푸집은 수직 배향의 콘크리트 구조 부재(1912)(예를 들어, 도시된 기둥 또는 벽(1908))를 위한 타설물을 수용하도록 구성될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 도 19ab에 도시된 바와 같이, 거푸집은 수평 배향의 콘크리트 구조 부재(1914)(예를 들어, 도시된 슬래브(1910))를 위해 타설물을 수용하도록 구성될 수 있다.
거푸집 내에서 분할 링 공진기의 위치(예를 들어, 상부 표면, 하부, 콘크리트 내부 등)에 관계없이, 신호로 분할 링 공진기를 핑잉하고 반환 신호를 수신하는 기술은 유지되고 동작 가능할 수 있다. 보다 구체적으로, 신호 대 잡음비가 매우 넓기 때문에(도 17에 도시된 바와 같이 18dB 분리 참조), 임의의 특정 위치에 있는 임의의 분할 링 공진기로부터의 반환 신호는 이전에 캡처된 교정 신호와의 비교를 용이하게 하기 위해 수신되고 처리될 수 있다.
일 실시예에서, 전술한 교정 신호는 타설물이 경화되면 캡처될 수 있다. 이러한 교정 신호는 데이터베이스 및/또는 지정된 정보를 보유하는 임의의 시스템에 저장될 수 있다. 나중에 구조 부재는 핑 신호로 질의될 수 있으며, 당시의 반환 신호는 대응하는 교정 신호와 비교될 수 있다. 일 실시예에서, 나중에 캡처된 신호와 교정 신호 사이의 차이는 교정 신호가 캡처된 시간과 질의가 수행되는 시간 사이의 압축의 변화를 나타낼 수 있다.
구조 부재 전체에 분산된 복수의 분할 링 공진기가 있는 경우에도 유사한 접근 방식이 적용될 수 있다. 구체적으로, 실질적으로 동일한 위치에 많은 분할 링 공진기가 있는 구조 부재 영역에서 핑잉을 수행하면 교정 신호가 반환되고, 이는 데이터베이스나 정보를 저장할 수 있는 다른 시스템에도 저장될 수 있다. 다시 말해, 임의의 나중 시간에 구조 부재는 핑 신호로 질의될 수 있으며, 당시의 반환 신호는 대응하는 교정 신호와 비교될 수 있다. 두 신호 사이에 차이가 결정되면, 이 현상은 구조 및/또는 그 구성 재료의 변화를 나타낼 수 있다. (예를 들어, 압축 또는 굴곡 등으로 인한) 응답의 변화를 분석하는 데는 여러 가지 가능한 기술이 있으며, 그 중 일부 기술은 도 19ba과 관련하여 도시되고 설명된다.
도 19ba은 일 실시예에 따라 분할 링 공진기 또는 복수의 분할 링 공진기를 포함하는 기둥의 도시(19B00)와 구조 부재 내의 변화를 측정하기 위한 수식을 보여준다. 옵션으로서, 도시(19B00)는 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 도시(19B00)는 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도시된 바와 같이, 도시(19B00)는 분할 링 공진기 또는 복수의 분할 링 공진기(1904)를 포함하는 경화된 기둥과, 구조 부재 내의 변화를 측정하기 위한 다양한 수식을 보여준다. 추가적으로, 분할 링 공진기(1904)를 둘러싸는 재료의 압축의 변화(1916)는 (도 19bb에 도시된 바와 같이) 분할 링 공진기로부터의 응답의 변화(1922)를 개시한다. 또한, 도 19ba은 (압축의 변화의 함수로서) 구조 부재 내의 압축 정도를 측정하기 위한 예시적인 수식(수식 6)을 보여준다. 추가적으로, 수식 6은 압축에 관한 것으로 도시되고, 수식 7(이하)은 응답의 변화에 관한 것으로 도시되어 있지만, 비틀림, 습도 측정(습도), 굴곡, 응답, 재료 속성 등의 임의의 변화는 분할 링 공진기(들)의 변화를 결정 및/또는 측정하기 위한 기초일 수 있는 것으로 이해된다.
일 실시예에서, 하나의 사용 모델은 기반 시설의 콘크리트 기초(예를 들어, 아파트 단지, 콘도, 주택, 호텔)의 구조적 평가를 지원할 수 있다. 추가적으로, 하나의 사용 모델은 강철 빔, 지지 기둥/필라(pillar) 모니터링 및 구조 건전성 모니터링의 기타 양태를 포함하여 일반적으로 건물 인프라의 구조적 평가를 지원할 수 있다. 시간이 지남에 따라 재료의 무결성을 지속적으로 또는 주기적으로 모니터링하면 구조를 형성하는 재료가 노후화, 과도하거나 관련된 응력 및/또는 물리적 손상 등으로 인해 변경되었는지 여부를 나타낼 수 있다. 일부 경우에, 재앙을 피하기 위해 재료의 임박한 파괴를 방지하는 것이 가능할 수 있다. 일부 상황에서는 여러 구조 부재가 하나의 하중 지지 구조물에 결합될 수 있으며, 전체 하중 지지 구조물이 시간이 지남에 따라 모니터링된다. 예를 들어, 교정 및 주기적인 모니터링은 2단계 방식으로 수행될 수 있다. 제1 단계에서, 신호 생성기(또는 유사한 도구)를 동작시키는 기술자는 신호 생성기를 선택된 주파수로 동조하고, 구조 부재의 분할 링 공진기에 근접하여 신호를 방출한다. 분할 링 공진기로부터의 반환 신호 및/또는 그 특성(예를 들어, 감쇠, 단일 주파수 공진, 다중 주파수 공진 등)이 캡처된다. 기술자는 반환 신호 및/또는 그 특성을 이 주어진 시점에서 이 위치의 핑과 관련된 교정 포인트로 저장한다. 반환 신호 및/또는 그 특성은 나중에 재료가 구조적 무결성의 기준선 상태를 갖는 것으로 간주되는 시점에 대응하는 교정 시그니처로 사용된다.
제1 단계 이후 임의의 나중 시간에 수행되는 제2 단계에서 기술자는 구조 부재의 분할 링 공진기에 의해 반환된 당시 데이터를 수집하기 위해 핑잉 및 시그니처 캡처 공정을 반복할 수 있다. 교정 시그니처와 당시 데이터 간의 비교는 잠재적으로 재료의 무결성의 변화를 나타낼 수 있다. 일 실시예에서, 응답의 변화(1918)는 단지 압축의 변화를 나타낼 수 있다. 시간이 지남에 따라 특정 범위의 압축의 변화는 일반적인 것으로 간주될 수 있고, 일반적인 사용에서 (예를 들어, 지진 떨림과 같은 지구 움직임으로 인한 응력 하에서 구조물이 휘어지기 때문에) 발생할 수 있다. 압축의 변화를 측정하기 위한 전술한 기술에 더하여, 굴곡의 변화를 측정하는 것과 관련된 추가 기술이 아래에 제시된다.
도 19bb는 일 실시예에 따라 분할 링 공진기 또는 복수의 분할 링 공진기를 포함하는 기둥의 도시(19B02)와 구조 부재 내의 변화를 측정하기 위한 수식을 보여준다. 옵션으로서, 도시(19B02)는 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 도시(19B02)는 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
일 실시예에서, 도시(19B02)는 분할 링 공진기 또는 복수의 분할 링 공진기(1904)를 포함하는 경화된 슬래브와, (굴곡의 변화의 함수로서) 구조 부재 내의 굴곡 정도를 측정하기 위한 예시적인 수식(수식 7)을 보여준다. 추가적으로, 분할 링 공진기(1904)를 둘러싸는 재료의 굴곡의 변화(1920)는 분할 링 공진기로부터의 응답의 변화(1922)를 야기하여 초기에 결정된 것과는 다른 신호 응답을 초래한다. 이 정보는 적용 시 재료의 무결성을 모니터링하는 데 필수적인 것으로 간주된다.
주어진 경우에서 이전에 언급한 바와 같이, 분할 링 공진기 또는 분할 링 공진기(1904)들은 재료의 모니터링을 허용하기 위해 콘크리트 기초에 구현된다. 예를 들어 이는 2단계 방식으로 수행될 수 있다. 제1 단계에서, 신호 생성기(또는 유사한 도구)를 동작시키는 기술자는 신호 생성기를 선택된 주파수로 동조하고, 이는 구조 부재의 분할 링 공진기에 근접하여 신호를 방출할 수 있다. 분할 링 공진기로부터의 반환 신호 및/또는 그 특성(예를 들어, 감쇠, 단일 주파수 공진, 다중 주파수 공진 등)이 캡처된다. 기술자는 반환 신호 및/또는 그 특성을 이 특정 시점에서 이 위치의 핑과 관련된 교정 포인트로 저장한다. 반환 신호 및/또는 그 특성은 나중에 재료가 구조적 무결성의 기준선 상태를 갖는 것으로 간주되는 시점에 대응하는 교정 시그니처로 사용된다.
분할 링 공진기 또는 분할 링 공진기들을 부재에 구현할 때 타설 동안 정확한 배향과 위치는 제어 가능하지 못할 수 있지만 앞서 설명한 2단계 절차는 계속 사용할 수 있다. 이는 복수의 분할 링 공진기를 핑잉할 때 앙상블 효과 신호(다수의 분할 링 공진기로부터의 반환)를 교정으로 사용할 수 있기 때문이다. 다시 말해, 제1 단계 후에 임의의 나중 시간에 수행되는 제2 단계에서 기술자는 핑잉 및 시그니처 캡처 공정을 반복하여 구조 부재의 분할 링 공진기에 의해 반환된 당시 데이터를 수집한다. 교정 시그니처와 당시 데이터 간의 비교는 잠재적으로 재료의 무결성의 변화를 나타낼 수 있다. 한편, 응답의 변화(1918)는 단순히 압축의 변화를 나타낼 수 있다. 시간이 지남에 따라 특정 범위의 압축의 변화는 일반적인 것으로 간주될 수 있고, 일반적인 사용에서 (예를 들어, 지진 떨림과 같은 지진 움직임으로 인한 응력 하에서 구조물이 휘어지기 때문에) 발생할 수 있다. 압축의 변화를 측정하기 위한 전술한 기술에 더하여, 굴곡의 변화를 측정하는 것과 관련된 추가 기술이 아래에 제시된다.
구조 부재가 이미 주어진 대로 사용 중에 있는 경우, 물리적 특성(예를 들어, 형상, 크기, 위치)에 관계없이 분할 링 공진기 또는 복수의 분할 링 공진기(1904)가 여전히 구조 부재에 구현될 수 있다. 이러한 예는 도 20에 관련하여 도시되고 설명된다.
도 20은 일 실시예에 따라 이미 사용 중인 형상이 다양한 구조 부재의 외부에 적용되는 분할 링 공진기의 이용(2000)을 보여준다. 옵션으로서, 이용(2000)은 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 이용(2000)은 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
일 실시예에서, 도 20은 또한 구조 부재의 분할 링 공진기 또는 분할 링 공진기들의 크기, 배향, 위치 및 적용을 결정하는 데 중요할 수 있는 가능한 요인 및 수식의 예를 보여준다. 추가적으로, 도 20은 다양한 형상의 구조 부재의 외부에 적용되는 분할 링 공진기의 이용을 보여준다. 도 20은 구조 부재의 분할 링 공진기 또는 분할 링 공진기들의 크기, 배향, 위치 및 적용을 결정하는 데 중요할 수 있는 가능한 요인 및 수식의 예를 보여준다.
보다 구체적으로, 도 20은 분할 링 공진기(1904)가 (예를 들어, 초음파 용접을 사용하여) 부착될 수 있고 주어진 응용(예를 들어, 액슬 부품, 타이 로드 부품, 푸시 로드, 철근 등)에서 사용될 수 있는 수평 부재(2002)를 보여준다. 수평으로 세장형인 부재에 더하여 분할 링 공진기는 만곡된 부재(2004)(예를 들어, 버킷 핸들, 서스펜션 부품, 스프링 부분, 철근 등)에도 부착될 수 있다.
한 가지 특정 경우에, 분할 링 공진기(1904) 또는 복수의 이격된 분할 링 공진기는 임의의 알려진 기술을 사용하여 철근에 적용될 수 있으며, 이후 철근은 거푸집 내에 배치될 수 있다. 콘크리트나 기타 건설 조성물을 거푸집으로 타설할 때, 철근 위의 분할 링 공진기의 병치와 거푸집 내 분할 링 공진기의 병치는 분할 링 공진기가 철근에 적용되어 거푸집에 위치될 때와 실질적으로 동일하게 유지된다. 그리하여, 분할 링 공진기는 실질적으로 수평 배향 평면(즉, 'X' 방향)으로 정렬되거나, 실질적으로 수직 배향 평면(즉, 'Y' 방향)으로 정렬되거나, 실질적으로 깊이 배향 평면(즉, 'Z' 방향)으로 정렬되도록 위치될 수 있다.
추가적으로 또는 대안적으로, 분할 링 공진기는 편평한 구조 부재(2006)(예를 들어, 자동차 후드)에 부착될 수 있다. 이 주어진 응용에서 분할 링 공진기는 임의의 주어진 순간에 동적으로 자동차 후드의 굴곡을 측정하는 데 사용될 수 있다. 이 방법은 자동차의 후드의 굴곡을 측정하기 위해 풍동(wind tunnel)을 사용하는 것에 비해 많은 발전이 있다. 이는 풍동의 경우 차량이 정지해 있는 반면 차량이 실제로 진행 중인 고려된 사용 모델에서는 실제 실시간 응답을 계산할 수 있기 때문이다. 따라서, 분할 링 공진기 또는 분할 링 공진기(1904)들은 실제 운전 조건 동안 즉각적인 피드백을 제공한다.
구조 부재 각각에 대한 분할 링 공진기 또는 분할 링 공진기들의 결정된 크기는 이 부재의 크기 및 응용에 따라 달라질 수 있다. 이는 수식 8로 표시된다. 구체적으로, 분할 링 공진기 또는 분할 링 공진기들의 서로 다른 크기는 상응하는 서로 다른 주파수에서 공진한다. 다양한 크기가 초기 교정 테스트 동안 고려될 수 있다.
특정 상황에서(예를 들어, 직선 수평 부재에 분할 링 공진기를 적용하는 경우, 또는 만곡된 부재에 분할 링 공진기를 적용하는 경우, 또는 편평한 부재에 분할 링 공진기를 적용하는 경우) 최적의 위치(수식 10) 및/또는 배향(수식 9)이 유한 요소 모델(예를 들어, SOLIDWORKS, AGROS2D, CALCILIX와 같은 CAD 소프트웨어 사용)을 분석하여 결정되거나 추론될 수 있다. 보다 구체적으로, 유한 요소 해석의 결과는 관심 있는 응용 분야 및 원하는 특성에 따라 굴곡 벡터, 압축 벡터 및 팽창 벡터를 산출한다. 유한 요소 분석의 결과에 기초하여 특정 구조 부재는 대응하는 위치(수식 10) 및/또는 배향(수식 9)에서 분할 링 공진기를 갖도록 구성될 수 있다.
도 21은 일 실시예에 따라 분할 링 공진기가 주어진 응용에서 구현되는 공정을 나타내는 흐름도(2100)이다. 옵션으로서, 흐름도(2100)는 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 흐름도(2100)는 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도시된 바와 같이, 공정의 제1 단계는 시나리오가 분할 링 공진기의 내부 또는 외부 배치를 허용하는지 여부를 결정하는 것이다(단계(2102)). 분할 링 공진기 또는 분할 링 공진기들의 내부 응용(단계(2104))의 경우, 혼합 기술을 결정해야 한다(단계(2106)). 일 실시예에서, 분할 링 공진기 또는 분할 링 공진기들은 골재 혼합물 또는 시멘트와 결합될 수 있다. 골재 혼합물 또는 시멘트는 구조물 또는 기초에 타설될 수 있으며, 분할 링 공진기는 혼합물 전체에 무작위로 분산되어 궁극적으로 부재를 형성한다(단계(2110)).
기초 또는 구조물이 경화되면 분할 링 공진기가 교정될 수 있고, 초기 상태 또는 교정 시그니처가 수집될 수 있다(단계(2114)). 교정 시그니처를 달성하기 위해 고유한 신호를 사용하여 분할 링 공진기로부터 응답을 핑잉할 수 있다. 분할 링 공진기가 담겨 있는 매체의 특성에 기초하여 매체의 파라미터(압축, 밀도, 주파수 등)의 함수로서 응답이 생성될 수 있다. 구조물이 일부 초기 상태에 있을 때 이 초기 판독값은 향후 비교를 위한 교정 시그니처 및 참조 파라미터가 될 수 있다. 물론, 초기 판독값은 나중 시점에(예를 들어, 시멘트 재주조, 지진 업그레이드 등) 재설정(및/또는 재교정)될 수 있다는 점을 이해해야 한다.
(예를 들어, 초음파 용접을 통해) 외부 응용의 경우 분할 링 공진기 또는 분할 링 공진기들은 분할 링 공진기의 정확도를 손상시키지 않는 방식으로 구성요소에 통합된다. 분할 링 공진기의 배향, 위치 및 응용은 분할 링 공진기로부터 정확한 데이터를 수집하는 데 사용(예를 들어, 분할 링 공진기를 자동차 액슬에 설치)될 수 있다(단계(2108)). 액슬에 대한 분할 링 공진기의 배향은 신호 대 잡음비를 손상시키지 않고 교정 시그니처 또는 포인트의 동작 가능한 반환을 허용하는 분할 링 공진기의 평면으로부터 법선, 수평 또는 각진 벡터를 달성하는 데 사용될 수 있다. 액슬에서 분할 링 공진기의 위치는 액슬의 무결성을 적절하게 모니터링하기 위해 고장 및 변동하는 응력 구역에 배치될 수 있다. 액슬에 분할 링 공진기를 음파 용접하는 것(단계(2112))은 분할 링 공진기 교정 시그니처 및 포인트의 정확성을 보장하기 위해 사용될 수 있다. 서로 다른 재료를 결합할 수 있는 음파 용접은 분할 링 공진기의 응답을 약화시키거나 변경할 수 있는 용접을 형성하는 데 납땜이나 기타 재료를 사용하지 않는다. 물론, 용접 대신에 임의의 유형의 부착이 또한 사용될 수 있는 것으로 이해된다.
흐름도에 도시된 바와 같이, 외부 공정과 내부 공정 모두는 테스트 이벤트로 수렴된다(단계(2116)). 테스트 이벤트 동안 자극이 가해지고(단계(2118)) 응답이 측정된다(단계(2120)). 테스트 이벤트는 교정 포인트를 수집하고 교정 시그니처와 비교하는 데 사용된다(단계(2122)). 주어진 시간 기간이 경과한 후, 엄밀히 예로서, 구조물이나 구성요소에 응력이 많은 이벤트가 발생하고 또는 일상적인 유지 관리 점검 또는 테스트 수행에 필요한 구성요소나 구조물 렌더링의 시각적 관찰이 수행된다. 이 테스트는 구조물 또는 구성요소가 구조물 무결성에서 다를 수 있는 경우 나중에 수행된 교정 시그니처와 본질적으로 유사할 수 있는 교정 포인트를 반환한다. 필요한 교정을 얻는 것을 달성하기 위해 2단계 기술을 사용할 수 있다. 제1 단계(단계(2120))에서, 신호 생성기(또는 유사한 도구)를 동작시키는 기술자는 신호 생성기를 선택된 주파수로 동조하고, 구조 부재의 분할 링 공진기에 근접하여 신호를 방출한다. 분할 링 공진기로부터의 반환 신호 및/또는 그 특성(예를 들어, 감쇠, 단일 주파수 공진, 다중 주파수 공진 등)이 캡처된다. 기술자는 반환 신호 및/또는 그 특성을 이 주어진 시점에서 이 위치의 핑과 관련된 교정 포인트로 저장한다. 반환 신호 및/또는 그 특성은 나중에 재료가 구조적 무결성의 기준선 상태를 갖는 것으로 간주되는 시점에 대응하는 교정 시그니처로 사용된다.
제1 단계 후 임의의 나중 시간에 수행되는 제2 단계(단계(2122))에서 기술자는 구조 부재의 분할 링 공진기에 의해 반환된 당시 데이터를 수집하기 위해 핑잉 및 시그니처 캡처 공정을 반복한다. 교정 시그니처와 당시 최신 데이터 간의 비교는 잠재적으로 재료의 무결성의 변화를 나타낼 수 있다. 다른 한편, 응답의 변화(1918)는 단지 압축의 변화를 나타낼 수 있다. 시간이 지남에 따라 특정 범위의 압축의 변화는 일반적인 것으로 간주될 수 있으며, 일반적인 사용에서 (예를 들어, 지진 떨림과 같은 지진 움직임으로 인한 응력 하에서 구조물이 휘어지기 때문에) 발생할 수 있다. 압축의 변화를 측정하기 위한 전술한 기술에 더하여, 굴곡의 변화를 측정하는 것과 관련된 추가 기술이 아래에 제시된다. 부재의 형태에 관계없이 이전 기술 또는 본 명세서에 개시된 임의의 관련 기술을 사용하여 필요한 정보를 수집할 수 있다.
그런 다음 교정 포인트를 교정 시그니처와 비교한다. 두 신호의 차이가 허용 가능한 오류 임계값 또는 허용 범위를 벗어나면(결정(2124)의 "예" 옵션) 결정(2124)의 "예" 분기가 취해지며 보고가 작성된다(단계(2126)). 추가적으로, 도 22aa 내지 도 22ac은 전술한 내용이 적용되는 다른 실시예를 예시한다.
도 22aa 내지 도 22ac은 일 실시예에 따라 도로변 장벽에 분할 링 공진기 또는 복수의 분할 링 공진기의 사용을 예시하기 위해 제시된 것이다. 옵션으로서, 도 22aa 내지 도 22ac은 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 도 22aa 내지 도 22ac은 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도시된 바와 같이, 도 22aa은 분할 링 공진기 또는 복수의 분할 링 공진기를 사용하는 콘크리트 장벽(2206) 및/또는 금속 장벽(2204), 또는 가능하게는 이 둘 다를 포함하는 도로(2202)를 도시한다. 도로변 장벽은 다가오는 차량의 힘을 흡수하고 장벽 몸체의 형상이 변형되도록 하여 차량이 계속해서 경로를 따라가는 것을 막아 잠재적인 차량 사고(예를 들어, 절벽을 넘어가거나 물 속으로 들어가는 등)의 심각성을 줄이기 위한 것이다. 이것이 달성된 후 장벽 재료의 무결성이 변경될 수 있으며 가능하게는 재료의 변형으로 인해 교체해야 할 수도 있다. 장벽의 외부 물리적 양태가 변경되지 않은 것처럼 보이더라도 재료 내부에 변형이 있어 충격으로 인해 약화되어 장벽을 교체해야 할 수 있다.
주어진 장벽을 언제, 얼마나 자주 교체해야 하는지 결정하기 위해 분할 링 공진기는 도 22ab(예를 들어, 도 19a에 도시된 기술의 예)에 도시된 바와 같이 콘크리트 장벽 내에 배치될 수 있다. 기초 또는 구조물이 경화되면 분할 링 공진기를 교정할 수 있으며, 예를 들어 2단계 방식 기술을 통해 초기 상태 또는 교정 시그니처를 수집할 수 있다. 제1 단계에서, 신호 생성기(또는 유사한 도구)를 동작시키는 기술자는 신호 생성기를 선택한 주파수로 동조하고, 콘크리트 장벽의 분할 링 공진기에 근접하여 신호를 방출한다. 분할 링 공진기로부터의 반환 신호 및/또는 그 특성(예를 들어, 감쇠, 단일 주파수 공진, 다중 주파수 공진 등)이 캡처된다. 기술자는 반환 신호 및/또는 그 특성을 이 주어진 시점에서 이 위치의 핑과 관련된 교정 포인트로 저장한다. 반환 신호 및/또는 그 특성은 나중에 재료가 구조적 무결성의 기준선 상태를 갖는 것으로 간주되는 시점에 대응하는 교정 시그니처로 사용된다.
이는 도 22ac에 도시된 금속 장벽에도 동일하게 적용될 수 있다. 분할 링 공진기는 단계(2112)의 적용 기술(예를 들어, 초음파 용접)을 사용하여 부착될 수도 있다. 금속 장벽에 부착되면 분할 링 공진기를 교정할 수 있으며, 이전의 2단계 기술을 사용하여 초기 상태 또는 교정 시그니처를 수집할 수 있다. 유사하게, 경주용 트랙 장벽은 또한 도 22b에 도시된 장벽의 무결성을 모니터링하기 위해 복수의 분할 링 공진기를 사용할 수 있다.
물론, 분할 링 공진기는 항공 관련 실시예(예를 들어, 날개, 착륙 기어, 비행기 부품 등), 항해 관련 실시예(예를 들어, 돛, 돛대, 부표, 구조용 강철 등), 유틸리티 관련 실시예(예를 들어, 전력선 구조, 전송선, 전달 파이프라인 등), 건설 관련 실시예(예를 들어, 빔, 콘크리트 파일론 등), 생체의학 관련 실시예(예를 들어, 보철물, 임플란트, 교정기 등), 전문 스포츠 장비 관련 실시예(예를 들어, 헬멧, 보호 패드, 휴대용 도구, 신발 등), 단조 또는 제련 관련 실시예(예를 들어, 금속, 복합재, 합금 등), 전력 생산 관련 실시예(예를 들어, 태양 전지판, 수력 발전 댐, 풍력 터빈, 천연 가스 주택 및 수송 등), 자동차 관련 안전 및/또는 성능 실시예(예를 들어, 엔진 성능, 서스펜션, 섀시 및 차체 무결성 등), 제조 관련 실시예(예를 들어, 조립, 3D 인쇄, 부품 융합, 테스트 등), 농업 관련 실시예(예를 들어, 성장률, 온도 제어, 수분 포화도, 자외선 노출 등), 및/또는 우주 여행 관련 실시예(예를 들어, 에어록 성능, 추진제 용기 무결성, 발사 효과 허용 오차 측정, 비행 중 캡슐/동체 왜곡 등)를 포함하지만 이에 국한되지 않는 다른 재료(도 22ab의 콘크리트 장벽 및/또는 도 22ac의 금속 장벽 이외)에 내장될 수 있다는 점을 이해해야 한다. 간단히 말해, 부착되거나 혼입된 재료의 변형을 결정하기 위해 분할 링 공진기를 사용하는 것은 내장 및/또는 부착될 수 있는 임의의 응용 분야와 관련될 수 있으며, 여기서 부착되거나 내장된 기판은 기판의 임의의 변형이 재료 피로를 나타내는 정도로 충분히 영구적인 상태이다.
하나의 특정 예와 관련하여, 시추 장비는 해양 적용을 위해 종종 고온 및 부식성 환경에 노출된다. 이러한 조건은 주로 금속 피로로 인해 드릴파이프 파손을 일으키는 경우가 종종 있다. 일 실시예에서, 드릴파이프 자체 내에 분할 링 공진기를 내장하면 드릴파이프 파손(및 이러한 파손으로 인해 발생하는 고유한 문제)을 유발하기 전에 금속 피로를 검출할 수 있다. 본 명세서의 설명에 따라, 드릴파이프에 내장된 분할 링 공진기는 초기에 교정될 수 있으며, 여기서 초기 상태 또는 교정 시그니처가 (2단계 방식 기술에 따라) 수집될 수 있다. 신호 생성기(또는 유사한 도구)는 신호 생성기를 선택된 주파수로 동조하고, 드릴파이프의 분할 링 공진기에 인접하여 신호를 방출할 수 있다. 반환 신호 및/또는 그 특성이 캡처될 수 있으며, 이는 시간적으로 이 상태에 재료의 교정 시그니처로 저장될 수 있다. (단계(2116)에 따라) 나중 시간 기간에서 자극이 (단계(2118)에 따라) 적용될 수 있고 응답이 (단계(2120)에 따라) 측정될 수 있으며 이는 결국 (단계(2122)에 따라) 교정 시그니처와 비교될 수 있다. 자극은 사용자에 의해 미리 결정된 대로 임의의 시간 기간 비율(예를 들어, 매 분, 일, 주, 월 등)로 적용될 수 있는 것으로 이해된다. 이러한 방식으로, 변형(피로 균열, 균열 전파 등을 나타낼 수 있음)이 드릴파이프 내에서 측정될 수 있으며, 실제로 드릴파이프 파손이 발생하기 전에 검출될 수 있다.
도 22b는 일 실시예에 따라 분할 링 공진기 또는 분할 링 공진기들이 배치될 수 있는 도로변 장벽을 구성하는 구조 구성요소를 보여주는 경주용 트랙에 사용되는 도로변 장벽(22B00)을 도시한다. 옵션으로서, 도로변 장벽(22B00)은 임의의 이전 및/또는 이후 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 도로변 장벽(22B00)은 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
일 실시예에서, 도로변 장벽(22B00)은 강철 및 발포 에너지 감소 장벽을 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 경주용 트랙은 발포 흡수체(내부 분할 링 공진기(2208) 포함)의 측면에 있다. 강철 및 발포 에너지 감소 장벽은 특정 트랙의 고속 구획에서 사용될 수 있으며, 충격 중 운동 에너지를 흡수하여 사고의 심각성을 줄이고 자동차 충돌 시 구경하는 관중을 가능한 위험으로부터 분리하고/하거나 위험 재료가 군중 속으로 발사되는 것을 방지함으로써 작용할 수 있다. 장벽이 자동차 또는 자동차들과 접촉하면 흡수된 에너지가 벽의 측면을 따라 이동하여 자동차 손상을 줄이고 관중의 부상을 방지한다.
추가적으로, 분할 링 공진기(2212)의 어레이는 예를 들어, 한번 이상의 충돌 후 장벽의 무결성을 결정하거나 특정 시간 기간 동안 장벽의 무결성을 결정하는 데 필요한 정보를 얻기 위해 퍼터 강철 장벽(2210)의 내부 및/또는 표면에 배치될 수 있다. 예시적인 경우에, 분할 링 공진기(2212)의 어레이는 퍼터 강철 장벽의 전면 및 후면에 배치될 수 있고/있거나 시멘트 벽 중 임의의 것 상에 또는 내에 및/또는 발포 흡수체 내에 내장될 수 있다.
하나의 특정 실시예에서, 분할 링 공진기(2212)의 어레이가 배치된 후(예를 들어, 내부 분할 링 공진기(2208)를 갖는 발포 흡수체에 배치되고/되거나 퍼터 강철 장벽(2210)의 외부 또는 내부에 배치되고/되거나 발포 흡수체의 외부 또는 내부 등에 배치된 후), 이는 본 명세서에 상세히 설명된 2단계 기술을 통해 교정될 수 있다.
제1 단계에서, 신호 생성기(또는 유사한 도구)를 동작시키는 기술자는 신호 생성기를 선택된 주파수로 동조하고, 이는 퍼터 강철 장벽(2210)의 외부 또는 내부에 및/또는 내부 또는 외부에 분할 링 공진기(2008)가 있는 발포 흡수체의 분할 링 공진기에 근접하여 신호를 방출한다. 분할 링 공진기로부터의 반환 신호 및/또는 그 특성(예를 들어, 감쇠, 단일 주파수 공진, 다중 주파수 공진 등)이 캡처된다. 기술자는 반환 신호 및/또는 그 특성을 이 주어진 시점에서 이 위치의 핑과 관련된 교정 포인트로 저장한다. 반환 신호 및/또는 그 특성은 나중에 재료가 구조적 무결성의 기준선 상태를 갖는 것으로 간주되는 시점에 대응하는 교정 시그니처로 사용된다.
제1 단계 후 임의의 나중 시간에 수행되는 제2 단계에서, 기술자는 구조 부재의 분할 링 공진기에 의해 반환된 당시 데이터를 수집하기 위해 핑잉 및 시그니처 캡처 공정을 반복한다. 교정 시그니처와 당시 데이터 간의 비교는 잠재적으로 재료의 무결성의 변화를 나타낼 수 있다. 다른 한편으로, 응답의 변화(1918)는 단지 압축의 변화를 나타낼 수도 있다. 시간이 지남에 따라 특정 범위의 압축의 변화는 일반적인 것으로 간주될 수 있으며, 일반적인 사용에서 (예를 들어, 지진 떨림과 같은 지진 움직임으로 인한 응력 하에서 구조물이 휘어지기 때문에) 발생할 수 있다. 압축의 변화를 측정하기 위한 전술한 기술에 더하여, 굴곡의 변화를 측정하는 것과 관련된 추가 기술이 아래에 제시된다. 수집된 데이터를 분석한 후 장벽 교체를 결정할 수 있는 보고서를 작성할 수 있다.
도 23은 일 실시예에 따라 콘크리트가 주어진 구조적 거푸집으로 타설된 후 콘크리트 구조물의 표면에 배치된 분할 링 공진기의 도시(2300)를 보여준다. 옵션으로서, 도시(2300)는 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 도시(2300)는 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도시된 바와 같이, 도시(2300)는 콘크리트가 주어진 구조적 거푸집으로 타설된 후 콘크리트 구조물(예를 들어, 기둥 또는 벽(1908))의 표면에 배치된 분할 링 공진기(예를 들어, 분할 링 공진기(19041), 분할 링 공진기(19042), 분할 링 공진기(19043))를 포함한다. 이러한 분할 링 공진기(예를 들어, 도시된 표면 적용 분할 링 공진기(2302))의 배치는 일부 경우에 타설물이 경화된 지 오랜 후에 그리고 일부 경우에는 기둥 및/또는 벽을 사용하여 건물을 세운 지 오랜 후에 "개조"로 수행될 수 있다. 표면 적용 분할 링 공진기(2302)를 구조물에 부착하는 공사, 배치 및 수단은 임의의 알려진 기술을 사용하여 달성될 수 있다. 예를 들어, 이러한 표면 적용 분할 링 공진기(2302)는 롤로 기판에 인쇄되거나 실크 스크린될 수 있으며, 기판 또는 그 일부의 이 롤은 가능하게는 접착제를 사용하여 기둥이나 벽의 표면에 적용될 수 있다. 일부 경우에, 기판이 들어올려져 표면 적용 분할 링 공진기(2302)가 기둥이나 벽의 표면에 부착된 상태로 남는다. 일부 경우에, 표면 적용 분할 링 공진기(2302)는 철근에 직접 인쇄될 수 있다. 일부 경우에, 표면 적용 분할 링 공진기(2302)는 잉크젯 또는 버블젯 프린터를 사용하여 기판에 인쇄될 수 있다. 일부 경우에, 표면 적용 분할 링 공진기(2302)는 오프셋 또는 인쇄(예를 들어, 다색 오프셋 인쇄)를 사용하여 기판에 인쇄될 수 있다. 일부 경우에, 표면 적용 분할 링 공진기(2302)는 그라비어 인쇄 기술을 사용하여 기판에 인쇄될 수 있다.
교정 및 테스트 모듈(2301)은 표면 적용 분할 링 공진기(2302)가 있는 임의의 위치에 근접하게 위치될 수 있다. 방출된 RF 신호(210)의 발생과 반환 RF 신호(212)의 대응하는 발생의 특정 조합에 기초하여 하나 이상의 교정 시그니처는 네트워크를 통해 업스트림 구성요소(113)로 전달될 수 있다. 엄밀히 이 실시예 및 다른 실시예에 관련된 예로서, 업스트림 구성요소에는 구조물에 대한 지속적인 검사 및 분석을 수행하는 모듈, 조기 경고 시스템의 기능을 제공하기 위해 결합되는 모듈, 거버넌스를 준수하는 모듈, 및/또는 임의의 규제 보고 요구 사항을 준수하는 모듈이 포함될 수 있지만 이에 국한되지는 않는다.
분할 링 공진기를 만들고 사용하기 위한 전술한 기술 중 임의의 것을 결합할 수 있다. 예를 들어, 표면 적용 분할 링 공진기는 도로변 장벽 및/또는 그 구성요소의 표면에 새로 장착될 수 있다. 추가적으로, 예를 들어 업스트림 구성요소에는 경주용 트랙 안전 모니터링 유닛이 포함될 수 있다. 또한, 분할 링 공진기의 제1 기하학적 구조(예를 들어, 동심 링)의 분할 링 공진기는 제2 기하학적 구조(예를 들어, 동심 원통형)의 분할 링 공진기와 결합(예를 들어, 근위에 병치)될 수 있다. 엄밀히 또 다른 실시예로서, 강철로 만들어진 도로변 장벽 및/또는 다른 전기 전도성 재료의 강철로 만들어진 기타 장벽 구성요소는 도로변 장벽의 표면에 배치된 임의의 하나 이상의 분할 링 공진기로부터 (예를 들어, 접착제를 통해) 유전체로 분리된 전기 전도성 층의 역할을 할 수 있다.
전술한 내용은 분할 링 공진기를 의도된 구조 부재를 형성하는 기본 재료(예를 들어, 시멘트 타설물)에 혼입하거나 내장하는 다양한 방식을 개시한다. 또한, 전술한 내용은 분할 링 공진기를 구조 부재의 표면(예를 들어, 자동차의 조향 메커니즘의 타이로드)에 부착하는 다양한 방식을 개시한다. 추가적으로 본 명세서에서 논의된 바와 같이, RF "혼(horn)"을 사용하여 특정 신호를 방출하고 내장된 분할 링 공진기의 응답을 측정하는 것도 구상된다.
일부 방법은 구조 부재의 표면에 적용되는 조립체를 형성하는 (아마도 인쇄된) "지면 평면"에 분할 링 공진기를 배치하는 것을 포함한다. 이는 광범위한 EM에 걸쳐 분할 링 공진기의 감도를 크게 증가시킬 수 있다.
앞선 방법은 단지 현재 응답/시그니처를 이전에 수행된 교정 응답/시그니처와 비교한 다음 두 시그니처 간의 차이를 분류함으로써 정적 비파괴 테스트를 지원한다. 보다 구체적으로, 시그니처 사이에 명백한 특정 차이는 대응하는 물리적 속성 변화와 상관될 수 있다. 일부 경우에, 물리적 속성 변화는 노후화(예를 들어, 취성화)를 나타낸다. 일부 경우에, 물리적 속성 변화는 신장, 압축, 기타 변형 등을 나타낸다.
일부 경우에, 물리적 속성 변화는 동적으로 변하는 속성 변화(예를 들어, 진동)를 나타낸다. 이전에 수행된 일련의 교정 응답/시그니처에 대해 동적으로 수행된 일련의 응답/시그니처를 캡처하는 것은 동적 비파괴 테스트를 지원한다. 두 세트의 시그니처 사이에 뚜렷한 차이는 순환적 변형과 같은 물리적 속성 변화와 상관될 수 있다. 일부 경우에, 물리적 속성 변화는 노후화(예를 들어, 탄성 변형 곡선의 변화)를 나타낸다. 일부 경우에, 판독값 사이에 발생하는 물리적 속성 변화 및/또는 하나의 일련의 판독값을 다른 일련의 판독값과 비교할 때 측정되는 물리적 속성 변화는 때로는 임박한 고장을 나타내는 탄성 대 소성 변형을 나타낼 수 있다. 엄밀히 하나의 예로서, (예를 들어, 일련의 판독값에 기초하여) 측정된 탄성 곡선이 고장 이벤트 이전으로 지정된 탄성 곡선 영역과 유사할 때 부품의 임박한 고장을 나타날 수 있다.
도 24a는 일 실시예에 따라 서로 접촉하는 탄소 함유 수지와 탄소 섬유의 교대 층을 포함하는 감지 적층체(24A00)를 도시한다. 옵션으로서, 감지 적층체(24A00)는 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 감지 적층체(24A00)는 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도시된 바와 같이, 감지 적층체(24A00)는 탄소 함유 수지(24042), 탄소 섬유(24022), 탄소 함유 수지(24041) 및 탄소 섬유(24021)를 (순차적으로) 포함하여 서로 상하로 배치된 다수의 층으로 구성된 개략 측단면도를 포함한다. 일 실시예에서, 감지 적층체(24A00)는 도 24a 내지 도 24c에 도시된 것과 관련하여 논의된 임의의 센서를 나타낼 수 있다. 일반적으로 (중합체 화학 물질 및 재료 과학에서) "수지"라는 용어는 일반적으로 중합체(많은 반복 하위 단위로 구성된 큰 분자 또는 거대 분자)로 전환될 수 있는 플랜트 또는 합성 기원의 고체 또는 고점도 물질을 의미한다. 합성 수지는 일반적으로 경화 공정을 통해 단단한 중합체로 변환되는 점성 물질인 산업적으로 생산된 수지일 수 있다. 경화되기 위해 수지는 일반적으로 아크릴레이트나 에폭사이드와 같은 반응성 말단 그룹을 포함한다. "탄소 섬유"라는 용어는 직경이 약 5 내지 10 마이크로미터(㎛)이고 대부분 탄소 원자로 구성된 섬유를 의미한다. 탄소 섬유는 높은 강성, 높은 인장 강도, 낮은 중량, 높은 내화학성, 높은 내열성 및 낮은 열팽창 등 여러 가지 장점을 가지고 있다.
탄소 함유 수지(24042), 탄소 섬유(24022), 탄소 함유 수지(24041), 및 탄소 섬유(24021) 중 임의의 하나 이상은 전술한 탄소 함유 마이크로 구조 중 임의의 하나 이상의 특정 농도 레벨을 통합함으로써 RF 신호에 의해 핑잉될 때 하나 이상의 특정 공진 주파수를 보여주거나 나타내도록 동조될 수 있다. 감지 적층체는 탄소 함유 수지(24042), 탄소 섬유(24022), 탄소 함유 수지(24041) 및 탄소 섬유(24021) 및/또는 유사하거나 유사하지 않은 재료를 포함하는 더 적거나 추가적인 층 중 임의의 하나 이상의 것의 임의의 구성, 배향, 순서 또는 층상화를 포함할 수 있다. 탄소 섬유의 추가 층 사이의 공간에 추가 수지 층이 층상화될 수 있다.
탄소 함유 수지의 각 층은 서로 다른 예상되거나 원하는 동조 주파수에서 공진하도록 다르게 구성될 수 있다. 재료 공진의 물리적 현상은 대응하는 분자 조성과 관련하여 설명될 수 있다. 예를 들어, 제1 분자 구조와 같은 제1 정해진 구조를 갖는 층은 제1 주파수에서 공진하는 반면, 상이한 제2 분자 구조를 갖는 층은 상이한 제2 주파수에서 공진할 수 있다.
특정 분자 구조를 갖고 층에 포함된 재료는 이 층이 낮은 에너지 상태에 있을 때 제1 동조 주파수에서 공진하고, 층의 재료가 유도된 더 높은 에너지 상태에 있을 때 다른 제2 주파수에서 공진한다. 예를 들어, 특정 분자 구조를 나타내는 층의 재료는 층이 자연스럽고 변형되지 않은 낮은 에너지 상태에 있을 때 3GHz에서 공진하도록 동조될 수 있다. 이와 달리, 동일한 층이 자연스럽고 변형되지 않은 낮은 에너지 상태로부터 적어도 부분적으로 변형되면 이 층은 2.95GHz에서 공진할 수 있다. 결과적으로, 이 현상은, 예를 들어, 포장 도로와 같은 도로 표면과 접촉하고 특정 국부적 접촉 영역에서 강화된 마모를 경험하는 타이어 표면의 매우 미세한 이상이라도 높은 레벨의 충실도와 정확도로 검출해야 하는 요구 사항을 수용하도록 조정될 수 있다. 까다로운 경주용 서킷(급회전과 급격한 고도 변화를 특징으로 하는 고도로 기술적이고 바람이 많이 부는 트랙을 의미함)에서 경주하는 경주용 자동차는 시간에 민감한 경주일 상황에서도 타이어 교체 결정을 알릴 수 있도록 국소화된 타이어 마모 또는 열화 정보로부터 이익을 얻을 수 있다. 본 명세서에 설명된 바와 같이 이 현상은 분할 링 공진기가 기판 내에 통합되거나 기판에 부착될 수 있는 임의의 상황 및/또는 응용 분야에 적용될 수 있다.
도 24ba 및 도 24bb는 일 실시예에 따라 탄소 함유 동조 RF 공진 재료를 포함하는 감지 적층체에 의해 나타나는 주파수 편이 현상을 도시한다. 옵션으로서, 도 24ba 및 도 24bb는 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 도 24ba 및 도 24bb는 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
위에서 언급한 주파수 편이 현상(도 24a와 관련하여, 3GHz 주파수에서 공진하는 것에서 2.95GHz에서 공진하는 것으로 전이하는 것과 같은 현상)이 도 24ba 내지 도 24bb를 참조하여 도시되고 논의된다. 도 24bb는 탄소 함유 동조 공진 재료를 포함하는 감지 적층체에서 나타나는 주파수 편이 현상을 도시한다.
일반적으로 이해되는 바와 같이, 원자는 주어진 원소에 대한 자연 진동수에서 전자기 복사선을 방출한다. 즉, 특정 원소의 원자는 이 원자의 특성에 대응하는 자연 진동수를 갖는다. 예를 들어, 세슘 원자가 자극을 받으면 원자가 전자는 낮은 에너지 상태(예를 들어, 바닥 상태)에서 높은 에너지 상태(예를 들어, 들뜬 에너지 상태)로 점프한다. 전자가 더 낮은 에너지 상태로 돌아갈 때 전자는 광자 형태로 전자기 방사선을 방출한다. 세슘의 경우 방출되는 광자는 마이크로파 주파수 범위에 있고; 9.192631770 THz에 있다. 다수의 원자로 형성된 분자와 같이 원자보다 큰 구조도 (예를 들어, 전자기 방사선 방출함으로써) 예측 가능한 주파수에서 공진한다. 예를 들어, 대량의 액체 물은 109.6THz에서 공진한다. 장력을 받는 물(예를 들어, 벌크 표면, 다양한 표면 장력 상태)은 112.6THz에서 공진한다. 탄소 원자와 탄소 구조도 구조에 따라 달라지는 자연 진동수를 나타낸다. 예를 들어, 탄소 나노튜브(CNT)의 자연 공진 주파수는 CNT의 튜브 직경과 길이에 따라 달라진다. 튜브 직경과 길이를 제어하기 위해 제어된 조건에서 CNT를 성장시키면 구조의 자연 공진 주파수가 제어된다. 따라서, CNT를 합성하거나 "성장"시키는 것은 원하는 공진 주파수에 동조하는 하나의 방식이다.
탄소로 형성된 다른 구조는 통제된 조건 하에서 형성될 수 있다. 이러한 구조에는 탄소 나노 양파(CNO), 탄소 격자, 그래핀, 탄소 함유 응집체 또는 응집물, 그래핀 기반, 기타 탄소 함유 재료, 가공된 나노 규모 구조 등 및/또는 이들의 조합(이들 중 임의의 하나 이상은 본 개시된 구현예에 따라 차량 구성요소의 센서에 혼입됨)이 포함되지만 이에 국한되지는 않는다. 이러한 구조는 특정 동조 주파수에서 공진하도록 형성될 수 있고/있거나, 이러한 구조는 원하는 특성 또는 속성을 얻기 위해 후처리에서 수정될 수 있다. 예를 들어, 높은 강화 값과 같은 원하는 속성은 재료 조합의 선택과 비율 및/또는 다른 재료의 추가에 의해 달성될 수 있다. 더욱이, 이러한 구조의 배수가 같은 위치에 있으면 추가적인 공진 효과가 발생한다. 예를 들어, 두 개의 그래핀 시트는 시트의 길이, 폭, 간격, 간격의 형상 및/또는 다른 물리적 특성 및/또는 서로의 병치 상태에 따라 달라지는 주파수에서 이들 간에 공진할 수 있다.
이 기술 분야에 알려진 바와 같이, 재료는 구체적이고 측정 가능한 특성을 가지고 있다. 이는 자연적으로 발생하는 재료뿐만 아니라 가공된 탄소 동소체에도 해당된다. 이러한 가공된 탄소 동소체는 물리적 특성을 나타내도록 동조될 수 있다. 예를 들어, 탄소 동소체는 (a) 구성 1차 입자의 특정 구성; (b) 응집체의 형성; 및 (c) 응집물의 형성에 대응하는 물리적 특성을 나타내도록 가공될 수 있다. 이러한 물리적 특성 각각은 대응하는 특정 탄소 동소체를 사용하여 형성된 재료의 특정 공진 주파수에 영향을 미친다.
특정 공진 주파수에 대응하는 특정 물리적 구성에 대해 특정 탄소 기반 구조에 동조하는 것에 더하여 탄소 함유 화합물은 특정 공진 주파수(또는 공진 주파수 세트)에 동조할 수 있다. 공진 주파수 세트는 공진 프로파일이라고 한다.
도 24ba은 커패시터(C1)와 인덕터(L1)를 포함하는 등가 전기 회로와 상관될 수 있는 제1 주파수에서 공진하는 제1 탄소 함유 구조를 도시한다(아래 제공된 수식 3의 내용은 또한 특히 도 2 및/또는 도 18a 내지 도 18y의 탄소 함유 구조와 관련하여 위에서 찾아볼 수 있음이 주목된다). 주파수(f1)는 다음 수식으로 주어진다:
(수식 3)
도 24bb는 도 24ba의 동일한 제1 탄소 함유 구조의 약간의 변형을 도시한다. 변형은 물리적 구조에 변화를 야기하고, 이는 결과적으로 구조의 인덕턴스 및/또는 커패시턴스를 변화시킨다. 이러한 변화는 커패시터(C2)와 인덕터(L2)를 포함하는 등가 전기 회로와 상관될 수 있다. 주파수(f2)는 다음 수식으로 주어질 수 있다:
(수식 4)
도 24bc은 일 실시예에 따라 편향의 함수로서 RF 공진의 이상적인 변화를 도시하는 그래프(24B300)이다. 옵션으로서, 그래프(24B300)는 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 그래프(24B300)는 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도시된 바와 같이, 그래프(24B300)는 편향의 함수로서 측정된 공진의 이상적인 변화를 도시한다. 옵션으로서, 그래프(24B300)의 하나 이상의 변형 또는 이의 임의의 양태가 본 명세서에 설명된 구현의 맥락에서 구현될 수 있다. 그래프(24B300)(또는 이의 임의의 양태)는 임의의 환경에서 구현될 수 있다.
도 24bc에 도시된 구현은 단지 하나의 예일 뿐이다. 도시된 그래프는 변형, 구체적으로 편향의 일 양태를 보여준다. 부재 또는 표면이 편향(예를 들어, 만곡)에 의해 변형됨에 따라 변형은 RF 신호와 같은 신호에 의해 핑잉될 때 부재의 나타나는 공진 주파수를 변화시킬 수 있다. 곡선의 형상은 부재 또는 표면을 형성하는 적층체의 특성과 같은 부재의 특성에 따라 달라질 수 있다. 곡선은 작은 변동에서 가파르게 될 수 있는 반면, 편향이 최대에 도달하면 곡선은 평평해진다. 더욱이, 곡선의 형상은 부분적으로 적층체의 층 수, 탄소 구조의 기하학적 구조, 탄소가 적층체에 결합되는 방식 등에 따라 달라진다.
도 24bd는 일 실시예에 따라 4층 및 5층 적층체에 대한 RF 공진의 변화를 도시하는 그래프(24B400)이다. 옵션으로서, 그래프(24B400)는 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 그래프(24B400)는 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도시된 바와 같이, 그래프(24B400)는 4층 적층체(292)와 5층 적층체(294)에 대한 공진의 변화를 도시한다. 옵션으로서, 그래프(24B400)의 하나 이상의 변화 또는 이의 임의의 양태가 본 명세서에 설명된 재료 및 시스템에서 구현될 수 있다. 설명된 적층체와 같은 재료는 많은 응용에서 전개될 수 있다. 한 가지 특정 응용 분야는 차량 전체의 많은 위치에, 상에 또는 위에 전개될 수 있는 표면 센서에 대한 것일 수 있다. 이러한 전개의 일례는 도 24c와 관련된 것으로 도시되고 설명될 수 있다.
도 24c는 일 실시예에 따라 차량(24C00) 영역에 표면 센서를 전개한 것을 도시한다. 옵션으로서, 차량(24C00)은 임의의 이전 및/또는 이후 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 차량(24C00)은 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도시된 바와 같이, 차량(24C00)은 차량의 선택된 위치에 예시적인 표면 센서를 전개한 것을 보여준다. 이러한 예시적인 표면 센서의 전개 또는 이의 임의의 양태는 눈, 진눈깨비, 우박 등과 같은 임의의 가능한 외부 환경 조건에 노출된 차량 내 또는 상에 구현될 수 있다.
동조된 공진 감지 탄소 함유 재료는 차량의 다양한 외부 표면에 있는 내구성 센서의 맥락에서 자동차 특징부, 표면 및/또는 구성요소 내에 혼입되거나 또는 이와 혼입될 수 있다. 도시된 바와 같이, 차량에는 차량의 전면 페어링(front fairing)(예를 들어, 후드), 차량의 지지 부재 및 차량의 루프에 표면 센서가 장착되어 있다. 차량의 전술한 위치 각각은 차량 동작 동안 응력과 이에 따른 변형을 받을 수 있다. 예로서, 차량이 동작 중일 때(예를 들어, 전방 이동 동안) 전면 페어링의 표면 센서는 공기압 변화를 받는다. 공기압의 힘 하에서, 표면을 구성하는 재료는 약간 변형될 수 있으며, 도 24ba 및 도 24bb에 관련하여 설명된 현상에 따라, 재료의 변화 또는 변형 정도에 비례하여 재료의 공진 주파수의 변화를 보여준다. 이러한 변화는 앞에서 설명된 '핑' 및 관찰 기술을 사용하여 검출될 수 있다.
관찰된 방출 신호는 특정 재료나 표면에 대한 시그니처를 집합적으로 한정할 수 있으며, 추가로 분류될 수 있다. 특정 격리된 특성에 대응하는 교정 포인트를 결정하기 위한 비교 및 측정을 위해 신호의 특정 특성을 격리할 수 있다. 따라서, 차량 주변 환경의 양태를 정확하고 신뢰성 있게 결정할 수 있다.
예를 들어, 표면 센서의 변형이 3GHz에서 2.95GHz로 주파수 편이를 초래하는 경우 이 차이는 교정 곡선으로 매핑되고 이는 공기압 값을 산출할 수 있다. 패널, 지붕, 후드, 트렁크 또는 에어포일 구성요소와 같은 차량 구성요소는 상대적으로 넓은 표면적을 제공할 수 있다. 이러한 경우에, 트랜시버 안테나는 구성요소의 관찰 가능한 측면에 분포될 수 있다. 여러 개의 트랜시버 안테나는 어레이로 분포될 수 있으며, 어레이의 각 요소는 넓은 표면 영역의 한 부분에 대응한다. 각 트랜시버 안테나는 도시된 바와 같이 표면 센서 전개(24C00)의 휠 웰 위 또는 내에 설치될 수 있으며, 핑/처프에 의해 독립적으로 자극될 수 있다. 일부 경우에, 어레이의 각 요소는 순차적으로 자극될 수 있는 반면, 다른 경우에는 어레이의 각 요소는 동시에 자극될 수 있다. 차량의 공기역학은 시그니처 반환을 근위 어레이 요소와 구별하기 위해 사용되는 신호 처리를 통해 넓은 표면적에 걸쳐 측정될 수 있다.
특정 어레이 요소의 시그니처 반환은 다른 환경 조건 및/또는 기타 감지 데이터와 관련하여 분석될 수 있다. 예를 들어, 에어포일 구성요소의 특정 부분의 편향은 에어포일 구성요소의 다른 부분의 편향과 비교될 수 있으며, 이는 차례로 차량이나 환경의 당시 온도 및/또는 당시 타이어 압력 및/또는 임의의 다른 감지된 양태와 관련하여 분석될 수 있다. 지금까지 설명한 바와 같이, 공진기 회로(예를 들어, 도 24ba 및 도 24bb에 도시됨)는 (도 24C에 도시된) 차량의 표면 패널에 공진기를 배치함으로써 구현될 수 있다. 다른 실시예의 구성은 차량 표면 전체에 공진기(예를 들어, 분할 링 공진기)를 배치할 수 있도록 특별히 동조되었다. 크기가 다양한 표면 센서의 어레이 또는 매트릭스는 현재 차량의 상태를 분석하기 위해 차량 전체의 여러 위치 내에 또는 상에 전개될 수 있다. 이러한 전개 중 하나는 예를 들어 아래에 설명된 도 29에서 찾아볼 수 있다.
도 25a는 일 실시예에 따라 도로 아스팔트 및/또는 도로 표면에 배치된 분할 링 공진기와 차량 사이의 상호 작용에 대한 도시(2500)를 제공한다. 옵션으로서, 도시(2500)는 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 도시(2500)는 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도시된 바와 같이, 도시(2500)는 차량(2502), 노면 내에 및/또는 상에 위치된 분할 링 공진기(2504), 및 노면과 차량의 상호 작용(2506)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 도시(2500)는 타이어 스틱션(및/또는 구름 마찰력)을 결정하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 도로와 정적 접촉을 유지하면 차량을 제어할 수 있다(반면 도로와 정적 접촉을 잃으면 차량 통제력 상실로 이어질 수 있음). 분할 링 공진기(2504)는 (타이어 트레드 두께의 함수로서) 타이어(및/또는 계면) 스틱션을 측정하는 데 사용될 수 있다. 타이어 스틱션을 결정하는 공정은 도 27을 참조하여 아래에 보다 상세히 설명된다.
도 25b는 일 실시예에 따라 타이어 내 또는 위에 배치된 분할 링 공진기를 사용하여 타이어 스틱션을 측정할 수 있는 방식에 대한 도시를 제공한다. 옵션으로서, 도시(2500)는 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 도시(2500)는 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도시된 바와 같이, 도시(2501)는 차량(2502), 타이어 내 및/또는 상에 위치된 분할 링 공진기(2503), 및 타이어 상호 작용(2505)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 도시(2501)는 타이어 스틱션(및/또는 구름 마찰력)을 결정하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 타이어 내 및/또는 상에 위치된 분할 링 공진기(2503)는 (타이어 트레드 두께의 함수로서) 타이어(및/또는 계면) 스틱션을 측정하는 데 사용될 수 있다.
다양한 실시예에서, 도로 표면 내에 및/또는 상에 위치된 분할 링 공진기(2504)와 타이어 내 및/또는 위에 위치된 분할 링 공진기(2503)는 도로 표면에 대한 타이어의 실제 스틱션을 측정하고 도로 표면의 타이어 실제 두께를 측정하는 데 사용될 수 있다. 이러한 측정은 차량(2502)이 동작되는 동안에도 실시간으로 발생할 수 있다. 이러한 방식으로, 분할 링 공진기(2504 및 2503)가 전자 장치(고장 및 기타 기계적 문제에 더 취약함)에 의존하지 않는다는 사실을 고려하면 타이어 스틱션은 높은 정확도로 연속적으로(또는 거의 연속적으로) 측정될 수 있다.
예로서, 자동차 경주 산업에서 차량(2502)이 주행하는 동안 분할 링 공진기(타이어와 같이 자동차 내 및/또는 상에 및/또는 도로 내에 및/또는 상에 위치됨)는 타이어 스틱션과 관련된 실시간 유전율의 실시간 데이터를 운전자와 피트 크루(pit crew)에게 제공할 수 있다. 이러한 실시간 데이터는 타이어가 도로 표면에 응답하고 상호 작용하는 방식에 대한 즉각적인 피드백을 얻을 수 있게 하고, 이를 통해 운전자와 피트 크루는 타이어 스틱션을 높이기 위해(최소한 차량의 제어 및 성능을 최대화하기 위해) 차량(예를 들어, 타이어 트레드 유형, 타이어 출력, 윈드실드, 날개, 스포일러 등)을 조정하고 미세 동조할 수 있다. 물론, 타이어 스틱션을 보장하기 위해 차량의 임의의 임의의 다른 미세 동조를 수행할 수 있다.
일 실시예에서 분할 링 공진기(2504 및 2503)는 기능을 하는 데 전자 장치에 의존하지 않는다는 사실로 인해 저가형 센서일 수 있다. 따라서, 분할 링 공진기(2504 및 2503)는 실시간 데이터 수집을 (더 높은 정확도로) 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 당시 대안보다 비용이 저렴할 수 있다.
도 26은 일 실시예에 따라 도로 아스팔트 및/또는 도로 표면에 배치된 분할 링 공진기의 배치(2600)를 도시한다. 옵션으로서, 배치(2600)는 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 배치(2600)는 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도시된 바와 같이, 배치(2600)는 차량(2602), 분할 링 공진기(2604) 및 차량 상호 작용(2606)을 포함한다. 분할 링 공진기(2604)(도 26에 도시됨)의 위치는 임의적이다. 이러한 분할 링 공진기(2604)의 위치에 대한 주요 요점은 이 분할 링 공진기가 도로 표면 내 또는 상에 임의의 곳에 배치될 수 있다는 것이다. 일 실시예에서, 도 26은 (증가된 데이터 수집 및 성능 미세 동조를 위해) 더 많은 수의 분할 링 공진기(2604)가 필요할 수 있는 경주용 자동차 트랙에 적용될 수 있다. 대조적으로, 일반 고속도로나 도로와 같은 다른 응용 분야에서는 분할 링 공진기(2604)의 위치가 더 큰 간격으로 배치될 수 있다(성능의 미세 동조가 필요하지 않을 수 있음).
본 명세서에 논의된 바와 같이, 분할 링 공진기(2604)는 타이어 스틱션과 관련된 데이터를 수집하는 데 사용될 수 있다. 이러한 데이터는 자동차와 연관된 파라미터를 수정하는 데 사용될 수 있다. 추가적으로, 이러한 데이터는 (차량 및/또는 도로의) 안전을 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 분할 링 공진기(2604)가 실시간 스틱션 레벨이 감소(견인력 손실을 나타냄)했다고 결정한 경우, 교통 조언은 도로 상태가 위험하다는 것을 다른 운전자에게 즉시 경보할 수 있다(그리고 마찬가지로 견인력 상실이 검출된 영역 내 및/또는 주위의 속도 제한을 줄일 수 있다). 이러한 방식으로, 분할 링 공진기(2604)는 교통 관리 및/또는 안전을 위해 사용될 수 있다.
또한, 타이어 내 및/또는 상에 위치된 것과 같은 분할 링 공진기(예를 들어, 분할 링 공진기(2503))는 기존 잠금 방지 제동 시스템(이는 일반적으로 휠 속도 센서와 차량 속도 센서를 사용하여 타이어 회전이 멈췄는지 여부를 결정함)의 대안으로 사용될 수 있다. 분할 링 공진기(2503)는 대기 시간(검출 시간과 제어 모듈에 보고하는 시간 사이의 시간, 예를 들어, 밀리초)을 줄여 보다 정확한 데이터를 제공할 수 있다. 또한, 다시 한번, 분할 링 공진기(2503)는 (기존 센서 시스템과 달리) 기능을 위해 전자 장치에 의존하지 않기 때문에 오류 및 고장이 발생할 가능성이 적다.
다른 실시예에서, 분할 링 공진기(2604)는 운전자 능력을 결정 및/또는 운전자 수행을 추적하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 지나치게 열정적인 운전자가 빠르게 가속하거나 공격적인 운전자가 강제로 브레이크를 밟는 경우 이러한 데이터를 사용하여 (운전자 수행의) 운전자 프로파일을 생성할 수 있다. 훈련 중인(그리고 객관적인 데이터 피드백이 필요한) 운전자의 경우, 이러한 데이터는 운전자의 훈련을 지원하는 데 (보다 즐거운 방식으로 운전하는 방식을 배우는 데) 사용될 수 있다. 또한, 이러한 데이터는 자동차 보험사에 연결될 수 있으며, 여기서 우대 요율은 덜 공격적인 운전 기록 경향과 연관될 수 있다.
이러한 방식으로, 분할 링 공진기(2604)는 타이어 스틱션 측정은 차량을 보다 잘 제어(차량과 도로 표면 사이의 견인력을 보장)하는 데 사용될 수 있을 뿐만 아니라 수집된 데이터에 기초하여 안전, 운전자 훈련, 보험사 요율 등에 사용될 수 있도록 다양한 시나리오와 방식으로 사용될 수 있다.
도 27은 일 실시예에 따라 타이어 스틱션을 결정하는 공정을 나타내는 흐름도(2700)이다. 옵션으로서, 흐름도(2700)는 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 흐름도(2700)는 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도시된 바와 같이, 흐름도(2700)는 타이어 트레드 두께를 결정하는 것(단계(2702))으로 시작한다. 다음으로, 전류 측정이 결정된다(단계(2704)). 예를 들어, 전류 측정에는 타이어가 도로와 만나는 포인트에서 분할-링 공진기의 변형이 포함될 수 있다. 이러한 변형은 (주파수 편이의 형태로) 측정될 수 있고, 앙상블 효과(변형을 유발하는 작용과 연관되거나 이에 의해 영향을 받는 것)는 물, 타르, 아스팔트 포장(아스팔트), 콘크리트 등을 포함하되 이에 국한되지 않는 주변의 유전율을 추적할 수 있다. 현재 측정값이 (결정(2706)에 따라) 기준선 측정값과 일치하는 경우, 방법은 타이어 트레드 두께를 결정하기 위해 단계(2702)로 돌아가고, 굴절률을 결정하기 위해 단계(204)로 돌아간다. (결정(2706)에 따라) 굴절률이 일치하지 않는 경우, 방법(2700)은 단계(2708)로 진행하고 일치를 달성하도록 차량을 조정한다.
일 실시예에서, 굴절률은 각 타이어 층에 대한 반사율(굴절률을 사용할 수 있음)을 측정하고, 각 타이어 층의 유전율을 결정하는 것과 관련될 수 있다. 타이어 스틱션이 높으면 트레드 두께(따라서 반사율과 유전율)가 비례하여 증가한다. 타이어 스틱션이 손실된 경우(즉, 견인력이 손실된 경우) 타이어 트레드 두께와 관련하여 불일치(예를 들어, 비례하지 않는 반사율과 유전율)가 존재한다. 이러한 방식으로, 타이어 트레드 두께는 굴절률(따라서 반사율)과 유전율의 함수로서 타이어 스틱션을 결정하는 데 사용될 수 있다.
추가적으로, 혼합 재료(특히 타이어, 아스팔트, 플라스틱, 고무, 금속 합금 등)의 굴절률 불일치를 사용하여 스틱션 레벨에 대한 산란 파라미터(또는 S-파라미터, 산란 행렬 요소 등)의 변화를 검출할 수 있다. 이러한 산란 파라미터는 타이어(또는 차량, 차량 구성요소, 도로 표면 등) 내에 또는 위에 위치된 하나 이상의 분할 링 공진기를 (무선 신호를 통해) 자극하는 것과 관련될 수 있다. 이러한 하나 이상의 분할 링 공진기는 타이어 트레드 두께(이는 위에서 설명된 바와 같이 타이어 스틱션을 결정하는 데 사용될 수 있음)를 즉시 판독하는 데 사용될 수 있다.
또한, (타이어 스틱션을 결정하는 기준으로) 분할 링 공진기를 사용하면 기능하는 데 전자 장치에 의존하지 않고 매우 경제적인 소형 발포 요인 솔루션을 제공한다. 따라서, 이러한 요인은 낮은 대기 시간과 높은 정확도와 결합하여 분할 링 공진기를 수많은 응용 분야에 대한 실행 가능한 솔루션으로 만든다.
도 28은 일 실시예에 따라 측정된 주파수와 트레드 두께 사이의 상관 관계(2800)를 보여준다. 옵션으로서, 상관 관계(2800)는 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 상관 관계(2800)는 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도시된 바와 같이, 타이어(2802)는 (타이어(1002)에 따른 방식으로) 다수의 하나 이상의 타이어 벨트 플라이를 포함한다. 타이어(2802) 내에 혼입된 탄소 기반 마이크로 구조물은 분할 링 공진기를 포함할 수 있다. 이러한 분할 링 공진기는 자연 공진(예를 들어, 대략 1.0GHz)을 가질 수 있으며, 외부 조건(예를 들어, 타이어 구동)에 응답하여 타이어(2802)는 변형 및/또는 변경될 수 있다. 타이어(2802) 내의 변형 및/또는 변경은 분할 링 공진기의 주파수 응답으로서 (응답 감쇠의 관점에서) 측정될 수 있다.
주파수 응답은 모델(2804)에 표시된다. 일 실시예에서, 모델(2804)은 타이어로/로부터의 임피던스 분광 에너지와 상관될 수 있다. 이러한 에너지(주파수로 측정)는 타이어 스틱션을 결정하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 타이어(2802)의 타이어 두께는 예를 들어 자연 상태와 사용 중 주행 상태 간에 변할 수 있다. 사용 중 주행 상태 동안, 타이어(2802)는 노면과의 스틱션(및 견인력)을 가질 수 있다. 이러한 상태(타이어 스틱션 상태)는 일치하는 주파수 모델(일 예에서 모델(2804)에 표시됨)과 상관될 수 있다. 그러나, 타이어 스틱션이 상실된 경우(즉, 타이어 견인력 상실이 발생한 경우), 대응하는 모델(2804)은 더 이상 일치하지 않을 수 있다. 예를 들어, 스틱션이 상실되면 유전율이 급격히 감소할 수 있다. 다양한 조건에서 스틱션이 작동하는 방식을 교정하면 당시 판독값(및 판독값의 변화)을 교정 곡선과 비교할 수 있다.
이러한 방식으로, 임피던스 분광법은 타이어 내부 또는 상에서 발견되는 분할 링 공진기의 주파수 샘플을 측정하는 데 사용될 수 있다. 비록 상관 관계(2800)가 타이어의 일 실시예와 관련하여 도시되어 있지만, 다른 응용 분야(예를 들어, 자동차 부품, 자동차 스킨, 노면 상태, 금속 피로 상태, 건설 자재 등과 관련하여)도 유사한 방식으로 구상된다는 점을 이해해야 한다.
따라서, 분할 링 공진기는 재료(배선과 같은 내부 구성요소 또는 도로 아스팔트와 같은 외부 구성요소 포함) 내에 및/또는 상에 배치될 수 있으며, 공진기가 내에 및/또는 위에 위치되는 재료에 관한 정보를 제공하는 데 사용될 수 있다.
도 29는 일 실시예에 따라 개별적으로 구성된 분할 링 공진기 어레이가 배치된 차량 표면의 구획(2900)을 보여준다. 옵션으로서, 구획(2900)은 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 구획(2900)은 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도시된 바와 같이, 차량 표면(2902)의 구획은 차량 동작 동안 응력 및 동반 변형을 받을 수 있으며, 분할 링 공진기(분할 링 공진기)(도 29에 F11, F12, F13, F21, F22, F23 내지 FNN으로 표시됨)는 이러한 환경적 응력 및 변형 하에서 재료 내에서 가능한 변화를 검출하는 데 사용될 수 있다. 분할 링 공진기는 차량의 해면질 재료(예를 들어, 차량의 비닐 랩)에 인쇄되거나 적용될 수 있고/있거나, 공진기와 해면질 재료의 조합은 차량 전체 또는 관심 있는 차량 표면 구획에 배치될 수 있다.
예를 들어, 앞 범퍼에 있는 분할 링 공진기는 차량이 동작 중일 때(예를 들어, 전방 이동 동안 차량의 이 부분에 하향 힘을 생성하는 등) 공기압 변화를 받을 수 있다. 표면을 구성하는 재료는 공기압의 힘 하에서 약간 변형될 수 있으며, 도 24ba 및 도 24bb와 관련하여 설명된 현상에 따라 재료의 변화 또는 변형 정도에 비례하는 재료의 공진 주파수의 변화를 보여준다. 모든 분할 링 공진기가 동시에 공진하는 동안, 분할 링 공진기 중 하나 또는 여러 분할 링 공진기의 차이는 혼/수신기 또는 유사한 디바이스에 의해 전체적으로 또는 부분적으로 구현될 수 있는 바와 같이 자극/응답 비교기에 의해 검출될 수 있는 피치의 변화로 인해 결정될 수 있다.
차량 표면(2902)과 구성 성분 위에 있는 분할 링 공진기의 어레이 또는 매트릭스는 어레이의 구성 부재 중 임의의 부재 주파수 응답이 인접한 분할 링 공진기와 충돌하지 않는 방식으로 구성된다. 이러한 구성 성분 중 하나가 도 30과 관련하여 도시되고 설명된다.
도 30은 일 실시예에 따라 주파수 빈의 분할 링 공진기의 구성(3000)을 도시한다. 옵션으로서, 구성(3000)은 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 구성(3000)은 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도시된 바와 같이, 분할 링 공진기(F11, F21 내지 FNN으로 도시)는 각각 주파수 빈에 상주할 수 있다. 분할 링 공진기를 포함하는 표면이 편향에 의해 변형됨에 따라 양의 편향 또는 음의 편향은 분할 링 공진기의 물리적 특성을 변경하여 부재의 고유 중심 주파수를 변경할 수 있다. 부재의 주파수 응답의 변화는 도 30에서 Δ 기호로 표시된다. 공진 주파수의 이러한 변화는 도시된 바와 같이 최대치에서도 인접한 분할 링 공진기와 충돌하지 않을 수 있다. 시간에 따른 순환적 편향을 측정하면 차량 표면에서 발생하는 순환적 응력(예를 들어, 버피팅(buffeting))을 쉽게 검출할 수 있다. 시간 기반 편향 변화를 검출하는 이러한 예 중 하나가 도 31과 관련하여 도시되고 설명된다.
도 31은 일 실시예에 따라 공진 주파수의 시간 기반 변화에 의해 표시되는 편향의 시간 기반 변화를 검출하는 차트(3100)를 도시한다. 옵션으로서, 차트(3100)는 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 차트(3100)는 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도시된 바와 같이, 차트(3100)는 분할 링 공진기의 순환적 편향의 지속적인 측정을 통해 시간 기반 편향 변화의 검출을 보여주며, 이는 차량의 주어진 제어 표면에 대한 압력 분석을 수행할 수 있게 해준다. 예를 들어, 제어 표면의 개별 분할 링 공진기로부터 결합된 반사를 분석하는 기술과 결합하여 제어 표면 차량 전체에 분할 링 공진기 어레이를 배치하는 전술한 기술은 순환적 응력(예를 들어, 버피팅)을 받는 표면 영역을 식별할 수 있게 한다. 일부 경우에, 물리적 속성 변화는 상대적으로 높은 주파수, 동적으로 변화하는 속성 변화(예를 들어, 진동)를 나타낸다. 동적으로 취해진 일련의 응답/시그니처를 캡처하고 이를 이전에 취해진 일련의 교정 응답/시그니처와 비교하면 동적 비파괴 테스트를 용이하게 할 수 있다. 두 세트의 시그니처 사이에 뚜렷한 차이는 순환적 변형(예를 들어, 버피팅)과 같은 물리적 속성 변화와 상관될 수 있다.
도 32는 일 실시예에 따라 탄소 함유 동조 공진 재료로 형성된 센서로부터 수신된 신호를 처리하는 시그니처 분류 시스템(3200)을 도시한다. 옵션으로서, 시그니처 분류 시스템(3200)은 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 시그니처 분류 시스템(3200)은 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
일 실시예에서, 시그니처 분류 시스템(3200)은 임의의 물리적 환경에서 구현될 수 있다. 보다 구체적으로, 시그니처 분류 시스템(3200)은 신호(예를 들어, 시그니처)를 분류하는 방법의 일례를 도시한다. 도시된 바와 같이, 선택된 핑 주파수의 핑 신호가 동작(3202)에서 전송된다. 핑 신호 생성 메커니즘 및 핑 전송 메커니즘은 임의의 알려진 기술에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어, 송신기 모듈은 3GHz의 선택된 주파수를 생성하고, 혼 또는 다중 혼 및 다중 수신 안테나를 사용하여 이 신호를 방사할 수 있다. 동조된 안테나의 설계 및 위치는 핑의 강도가 근접 센서에서 (RF) 공진을 유도하기에 충분하도록 임의의 동조된 안테나 기하 구조, 재료 및/또는 위치에 대응할 수 있다. 일부 실시예에서, 여러 개의 동조된 안테나는 (예를 들어, 차량 또는 휠 웰의 임의의 하나 이상 상에 및/또는 내에 장착된) 대응하는 센서에 근접한 구조 부재 위 또는 내에 배치된다. 따라서, 근위 표면 센서가 핑으로 자극되면 센서는 시그니처로 다시 공진할 수 있다. 동작(3204)에서, 이 시그니처는 수신되고, 수신된 시그니처(3210)를 포함하는 데이터세트에 저장될 수 있다. 핑 전송에 이어 시그니처의 수신의 시퀀스는 교정 신호 세트를 캡처하기 위해 루프에서 반복될 수 있으며, 이는 이어서 교정 포인트(3212)로 저장될 수 있다.
핑 주파수는 결정(3206)을 통한 반복 공정에서 변경될 수 있다(동작(3208)). 따라서, 동작(3202)이 (결정(3206)을 통해) 루프에서 수행됨에 따라, 동작(3204)은 시그니처(3210)(제1 시그니처(32101), 제2 시그니처(32102) 내지 제N 시그니처(3210N) 포함)를 수신하고 저장할 수 있다. 반복 횟수는 결정(3206)에 의해 제어될 수 있다. 결정(3206)의 "아니오" 분기가 취해질 때(예를 들어, 반복 루프에서 전송할 추가 핑이 더 이상 없을 때), 수신된 시그니처가 디지털 신호 처리 모듈에 제공될 수 있다(동작(3214)). 디지털 신호 처리 모듈은 교정 포인트(3212) 세트에 대해 시그니처를 분류한다(동작(3216)). 교정 포인트는 특정 핑 주파수에 대응하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 교정 포인트(3212)는 임의의 정수 값 "N"개의 교정 포인트에 대해 3GHz 근처의 제1 핑 및 제1 반환 시그니처에 대응할 수 있는 제1 교정 포인트(32121), 2GHz 근처의 제2 핑 및 제2 반환 시그니처에 대응할 수 있는 제2 교정 포인트(32122), 및 이와 같은 방식으로 대응하는 교정 포인트를 포함할 수 있다.
동작(3220)에서, 분류된 신호는 차량 중앙 처리 유닛으로 송신된다. 분류된 신호는 차량 중앙 처리 유닛(예를 들어, 차량 중앙 처리 유닛(116))에 의해 기계 학습 알고리즘을 호스팅 및/또는 실행하도록 구성된 컴퓨터화된 데이터베이스를 호스팅하는 업스트림 저장소(예를 들어, 업스트림 구성요소(113))로 중계될 수 있다. 따라서 신호, 분류된 신호 및 신호 응답과 관련된 방대한 양의 자극은 후속 데이터 집계 및 처리를 위해 캡처될 수 있다. 기계 학습 하위 시스템의 데이터베이스(예를 들어, 훈련 모델)는 차량 성능과 관련된 조건과 상관되는 일련의 감지된 측정값을 제공하여 형성되거나 "훈련"될 수 있다. 데이터베이스가 계산적으로 준비되거나 "훈련"되면 차량 동작 동안 에어포일 구성요소의 특정 부분에 대해 측정된 편향(예를 들어, 공기압)은 교정 포인트와 비교될 수 있으며, 비교를 통해 특정 공기압에 대응하는 편향의 변화에 대응하는 주파수의 델타가 생성된다. 다른 잠재적인 상태나 진단은 기계 학습 시스템에 의해 결정될 수 있다. 상태 및/또는 진단 및/또는 지원 데이터는 차량의 계기에 사용하여 피드백 루프를 완료할 수 있다. 일부 경우에, 차량의 계기는 (예를 들어, 운전자나 엔지니어에 의해) 조치될 수 있는 시각화를 제공한다.
도 33은 일 실시예에 따라 드론 및/또는 드론 플랫폼 내에 및/또는 위에 배치된 분할 링 공진기의 도시(3300)를 보여준다. 옵션으로서, 도시(3300)는 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 도시(3300)는 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도시된 바와 같이, 드론(3302)은 하나 이상의 분할 링 공진기(3304)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 드론(3302)은 패키지(3306)를 운반하는 데 사용될 수 있다. 물론, 드론(3302)은 다른 물품(예를 들어, 카메라, 기상 감지 기구, 동물, 의료 용품, 식품, 상품, 화물, 페이로드 등)을 운반하도록 구성될 수 있는 것으로 이해된다. 추가적으로, 다른 실시예에서, 드론(3302)은 (무인 전투 항공 차량으로 구성되는 것을 포함하여) 군사적 또는 전술적 목적으로 구성될 수 있다. 또한, 후술하는 바와 같이, 드론(3302)은 승객용 드론, 무인 항공 차량(UAV), 및/또는 자율 항공 차량(AAV)으로 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 드론(3302)은 수직 이착륙(VTOL) 및/또는 전기 수직 이착륙(eVTOL)이 가능할 수 있다.
추가적으로, 하나 이상의 분할 링 공진기(3312)를 포함할 수 있는 드론 착륙 패드(3308)가 제공된다. 드론(3302)과 드론 착륙 패드(3308)를 정렬하기 위한 목표 위치(3310)도 제공된다.
다양한 실시예에서, 하나 이상의 분할 링 공진기(3304)는 드론(3302)의 물리적 상태 및/또는 드론(3302) 외부의 환경 조건을 실시간으로 감지하는 것을 용이하게 하는 데 사용될 수 있다. 이러한 실시간 감지는 밀리초 단위로 발생할 수 있으며, 문제가 발생하기 전에 드론(3302) 내의 구조적 변화를 검출하고/하거나 의도한 목적지(예를 들어, 목표 위치(3310))에 도달하기 위해 드론(3302)의 경로를 변경하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서 드론(3304)의 프로펠러가 재료 피로를 겪고 파손되기 쉬운 경우, 프로펠러에 위치된 분할 링 공진기가 (주파수 변화 측면에서) 구조적 변화를 결정할 수 있다. 추가적으로, 드론(3302)의 임의의 요소는 변화의 부정적인 효과가 관찰되기 전에 임의의 구조적 변화를 검출할 수 있도록 모니터링될 수 있다.
다른 실시예에서, 드론(3302)은 드론 착륙 패드(3308)에서 이륙 또는 착륙을 시작할 수 있다. 드론(3302) 상태의 (하나 이상의 분할 링 공진기(3304)에 의한) 실시간 감지는 드론(3302) 및/또는 드론 착륙 패드(3308)를 모두 보호할 수 있다. 이러한 방식으로, 하나 이상의 분할 링 공진기(3304)는 이륙 전 및/또는 후에 변화를 검출할 수 있다. (드론(3302)이 하나 이상의 분할 링 공진기(3304)를 갖는지 여부와 관계없이) 드론 착륙 패드(3308) 상의 하나 이상의 분할 링 공진기(3312)는 추가적으로 착륙 패드(3308)의 상태 및/또는 드론(3302)의 위치 모두를 감지하는 데 사용될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 또한, 착륙 시 드론(3302)의 하나 이상의 분할 링 공진기(3304) 또는 드론 착륙 패드(3308)의 하나 이상의 분할 링 공진기(3312)는 드론이 드론 착륙 패드(3308)에 접근함에 따라 드론(3302)의 정확한 위치를 실시간으로 결정하는 데 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 하나 이상의 분할 링 공진기(3304 및/또는 3312)는 정밀 착륙 기능을 위해 사용될 수 있다.
드론 착륙 패드(3308)의 하나 이상의 분할 공진기(3312)는 추가적으로 드론 착륙 패드(3308)의 상태를 결정하여 재료 피로 및/또는 구성요소 고장이 시각적으로 나타나기 전에 검출될 수 있도록 사용될 수 있다.
다른 시나리오에서는 착륙 후 드론(3302)의 상태가 하나 이상의 분할 링 공진기(3304)로부터 건강 관련 데이터를 수신하여 평가될 수 있다. 예를 들어, 드론(3302)은 무선 신호를 방송할 수 있는 드론 건강 시스템을 통과할 수 있다. 하나 이상의 분할 링 공진기(3304) 각각은 (재료 피로 및 구성요소 고장 측면에서) 드론(3302)의 구조 건강에 대응할 수 있는 주파수 응답을 제공할 수 있다. 이러한 방식으로, 분할 링 공진기(3304)는 이륙 및/또는 착륙 전, 도중 및 후에 드론(3302)의 건강 상태를 검출하는 데 사용될 수 있다. 건강 상태는 인간/사용자 및/또는 자율 시스템에 경보 및/또는 전달되는 데 사용될 수 있다.
이러한 방식으로, 드론 함대(fleet)에 대한 건강 점검의 자율 시스템이 달성될 수 있다. 드론이 착륙 포인트에 도착하면 드론을 검사 및 평가할 수 있다. 분할 링 공진기가 드론의 구조적 문제를 나타내는 경우 드론을 추가 검사(예를 들어, 수동 검사 등) 및/또는 수리할 수 있다. 드론에 문제가 발견되지 않으면 드론은 "건강 양호" 지정을 받고 다시 발송할 준비가 될 수 있다. 이러한 방식으로, 드론의 지속적인 관리는 함대의 건강 무결성과 관련하여 달성될 수 있으며, 이는 차례로, (특히 소비자 영공 공간 내) 드론 사용에 대한 법적 및 사회적 제약을 충족할 수 있다.
도 34는 일 실시예에 따라 항공 차량 내에 및/또는 상에 배치된 분할 링 공진기의 도시(3400)를 보여준다. 옵션으로서, 도시(3400)는 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 도시(3400)는 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도시된 바와 같이, 무인 항공 차량(UAV)(3402)은 항공 차량 몸체(3404), 구조 구성요소(3406) 및/또는 프로펠러 구성요소(3408)에 위치된 분할 링 공진기를 포함할 수 있다. 물론, 분할 링 공진기는 드론(3404)의 임의의 및/또는 모든 구성요소 내에 및/또는 위에 위치될 수 있다는 점을 이해해야 한다.
다양한 실시예에서 분할 링 공진기(예를 들어, 항공 차량 몸체(3404), 구조 구성요소(3406) 및/또는 프로펠러 구성요소(3408)에 위치되는 것)는 진동, 스트레인, 치수 및/또는 재료 속성 변화, 압력 및 온도를 포함하되 이에 국한되지 않는 무인 항공 차량(3402)과 연관된 실시간(밀리초 단위) 측정값을 얻는 데 사용될 수 있다.
예를 들어, 진동과 관련하여 분할 링 공진기는 진동 주파수(Hz 레벨 내지 수백 KHz 레벨)를 읽을 수 있다. 추가적으로, 일 실시예에서, 가속도계 및 기타 비접촉 변위 센서는 (예를 들어, 대형 교량형 구조와 같은 낮은 헤르츠 범위의 매우 낮은 주파수에서부터 초음속 응용 분야에서 발견되는 더 높은 진동(최대 수백 킬로헤르츠)에 이르는) 저주파 진동 내지 고주파 진동을 측정하는 데 사용될 수 있다. 스트레인과 관련하여 분할 링 공진기는 구성요소 굴곡/비틀림뿐만 아니라 구조적 피로/고장도 검출할 수 있다. 치수 및/또는 재료 속성 변경과 관련하여 분할 링 공진기는 엘라스토머 구성요소(예를 들어, 타이어, 벨트, 호스 등에서 발견되는 것)를 (마모 및 노후화로 인해) 교체해야 하는지 여부를 결정할 수 있다. 또한, 치수 및/또는 재료 속성 변화는 착륙을 위해 지면까지의 거리를 결정하는 데 사용될 수 있다(도 33과 관련하여 위에서 설명됨). 압력과 관련하여, 분할 링 공진기는 공기 압력, 공기 차압 및/또는 공기 압력의 순환적 변화를 검출하는 데 사용될 수 있다. 추가적으로, 온도와 관련하여, 분할 링 공진기는 표면 및 구성요소 내부 온도를 검출할 수 있다.
따라서, 무인 항공 차량(3402)을 통해 구성요소 내에 또는 상에 발견되는 분할 링 공진기는 무인 항공 차량(3402)의 건강 상태와 연관된 파라미터 측정값을 검출하는 데 사용될 수 있다. 또한, 두 개 이상의 측정값이 동시에 수신될 수 있다. 예를 들어, 무선 핑에 응답하여 분할 링 공진기 각각은 주파수 응답을 제공할 수 있다. 이러한 주파수 응답은 일 경우에 압력 측정으로 교정될 수 있는 반면, 다른 주파수 응답은 다른 경우에 재료 속성 변화로 교정될 수 있다. 따라서, 모든 분할 링 공진기로부터의 응답이 수신될 수 있으며, 이는 무인 항공 차량(3402)과 연관된 모든 센서 파라미터의 동시 결과를 제공할 수 있다.
도 35는 일 실시예에 따라 착륙 위치 센서뿐만 아니라 항공 차량 내에 및/또는 상에 배치된 분할 링 공진기의 도시(3500)를 보여준다. 옵션으로서, 도시(3500)는 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 도시(3500)는 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도시된 바와 같이, 무인 항공 차량(3502)은 수직 이착륙 및/또는 착륙(VTOL 및/또는 eVTOL)이 가능할 수 있다. 다른 실시예에서, 무인 항공 차량(3502)은 다른 이륙 능력(예를 들어, 기존의 이륙 및 착륙, 단거리 이륙 및 착륙 등)을 위해 구성될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
하나 이상의 분할 공진기는 항공 차량 몸체(3504), 구조 구성요소(3506) 및/또는 착륙 기어(3508)에 위치되는 것을 포함하여 무인 항공 차량(3502)에서 발견될 수 있다. 물론, 도 34에 따라 하나 이상의 분할 공진기는 무인 항공 차량(3502)의 어느 곳에서나(그리고 수량에 관계없이) 위치될 수 있으며 센서 관련 정보를 제공하는 데 사용될 수 있다.
일례로서, 무인 항공 차량(3502)에 위치된 분할 링 공진기는 표면 전체에 분산될 수 있다. 추가적으로, 경량 안테나가 무인 항공 차량(3502) 전체에 추가로 분산될 수 있다. 일 실시예에서, 분할 링 공진기와 안테나는 (특히 임무 수행에 중요한 구성요소, 안전 제약 등을 위해) 중복될 수 있다. 이러한 분할 링 공진기는 실시간 동시 감지(밀리초 단위)를 제공할 수 있다. 또한, 상태 시그니처는 분할 링 공진기로부터의 동시 피드백 응답과 연관될 수 있다. 예를 들어, 상태 시그니처는 구성요소 오류, 외부 상태(날씨, 비행 패턴 등) 등과 연관될 수 있다. 또한, 분할 링 공진기는 (도 33과 관련하여 본 명세서에 설명된 것에 따라) 정확한 착륙을 돕기 위해 삼각 측량 위치 지정을 허용하도록 배열될 수 있다.
이를 위해, 분할 링 공진기는 위치 센서(3512)를 포함할 수 있고, 착륙 기어 굴곡(3510), 표면 굴곡(3518), 프로펠러 굴곡(3514) 및/또는 공기압(3516)을 계산하는 데 사용될 수 있다. 다른 곳에서도 강조했듯이, 분할 링 공진기는 비틀림, 타이어 마모, 공기 속도, 공기압, 차량 구성요소의 굴곡 등을 포함하되 이에 국한되지 않는 무인 항공 차량(3502)의 이륙, 비행, 착륙, 관리 등과 관련된 임의의 기능에 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 위치 센서(3512)는 정확한 착륙을 위한 위치를 정확히 찾아내도록 동작할 수 있다. 또한, 지면(3520) 내에 및/또는 상에 위치된 분할 링 공진기(3522)는 정확한 착륙을 달성하는 데 도움을 주기 위해 추가로 사용될 수 있다.
도 36a 및 도 36b는 일 실시예에 따라 항공기 내에 및/또는 상에 배치된 분할 링 공진기의 두 가지 도시(3600)를 보여준다. 옵션으로서, 두 개의 도시(3600)는 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 두 가지 도시(3600)는 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도시된 바와 같이, 항공기(3602)는 엔진(3604)(제트, 프로펠러 등), 날개(3606), 수평 안정기(3608), 동체(3610), 및/또는 타이어(3612)를 포함하지만 이에 국한되지 않는 항공기(3602)의 다양한 위치 내에 및/또는 위에 위치되는 하나 이상의 분할 링 공진기를 포함한다. 임의 개수의 분할 링 공진기가 항공기(3602)에서 발견될 수 있으며 분할 링 공진기의 목적이 다를 수 있다는 점을 이해해야 한다. 예를 들어, 항공기 전면에 위치된 분할 링 공진기(3602)는 외부 기상 상태(공기압, 온도, 풍속 등)를 수집하는 데 사용될 수 있고, 타이어에 있는 분할 링 공진기는 트레드 수명과 상태를 결정하는 데 사용될 수 있고/있거나, 엔진에 위치된 분할 링 공진기는 재료 피로의 없음과 안전성을 보장하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 상태 시그니처가 생성되어 알려진 상태(날씨 패턴, 재료 피로의 징후 등)와 상관될 수 있다. 추가적으로, 분할 링 공진기의 주파수는 동시에 두 개 이상의 상태 시그니처에 사용될 수 있다. 예를 들어, 분할-링 공진기는 트레드 두께를 결정하는 데 사용될 수 있으며, 스틱션 측정, 수막 검출 등에 사용될 수도 있다.
두 개의 도시(3600)에는 상업용 항공기가 도시되어 있지만, 임의의 항공기(상업용, 군용, 개인용 등)가 적용될 수 있는 것으로 이해된다. 추가적으로, 항공기에서 분할 링 공진기를 사용하면 이륙 전, 비행 중 연속적으로, 및 착륙 동안 연속적인 밀리초 단위의 변화를 제공할 수 있다. 이러한 변화에는 구조적 파라미터 변화(예를 들어, 피로 임계값, 임박한 구성요소 고장 등)가 포함될 수 있으며, 이는 결국 시스템과 직원에게 경보를 보낼 수 있다. 예를 들어, 경보가 트리거되면 항공기가 항공기를 피하거나 임박한 고장이 발생하기 전에 안전하게 착륙할 수 있다.
도 37a는 일 실시예에 따라 로켓 내에 및/또는 위에 배치된 분할 링 공진기의 도시(3700)를 보여준다. 옵션으로서, 도시(3700)는 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 도시(3700)는 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도시된 바와 같이, 우주선(3702)은 날개(3704), 보조익(3714), 엔진(3708), 비행 갑판(3710) 및/또는 화물칸(3708)을 포함하지만 이에 국한되지 않는 우주선(3702)을 통해 위치되는 하나 이상의 분할 링 공진기를 포함할 수 있다. 임의의 개수의 분할 링 공진기가 우주선(3702)에서 발견될 수 있다는 점을 이해해야 한다.
우주선에서 분할 링 공진기를 사용하면 이륙 전, 비행 중 연속적으로, 및 재진입 동안 연속적인 밀리초 단위의 변화를 제공할 수 있다. 이러한 변화에는 구조적 파라미터 변화(예를 들어, 피로 임계값, 임박한 구성요소 고장 등)가 포함될 수 있으며, 이는 결국 시스템과 직원에게 경보를 보낼 수 있다. 또한, 우주선(종종 궤도선이라고 함)이 로켓 부스터에 부착되는 경우가 종종 있다. 일반적으로, 우주선이나 로켓 부스터의 임의의 구성요소에 구조적 고장이 발생하면 우주선과 로켓 부스터 모두에 완전한 고장이 발생하는 경우가 종종 있다. 그러나, 분할 링 공진기를 사용하면 우주선이나 로켓 부스터에 충돌하기 전에 (우주선이나 로켓 부스터에 대한) 임의의 구조적 파라미터 변화를 검출하는 것을 보장할 수 있다. 일부 실시예에서, 구조적 파라미터 변화는 (식별된 구조적 파라미터 변화에 기초하여) 우주선과 로켓 부스터를 분리시켜 둘 중 하나를 보존하게 할 수 있다.
도 37b는 일 실시예에 따라 로켓 및/또는 착륙 플랫폼 내에 및/또는 위에 배치된 분할 링 공진기의 도시(3701)를 보여준다. 옵션으로서, 도시(3701)는 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 도시(3701)는 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도시된 바와 같이, 우주선(3709)은 로켓 부스터(3707)에 부착될 수 있다. 분할 링 공진기는 우주선(3709)과 로켓 부스터(3707) 각각에 위치되고 발견될 수 있다. 또한 발사대 플랫폼(3703), 화염 구덩이(3711), 플랫폼 트러스(3713) 및/또는 발사대 서비스 구조물(3705)을 포함하는, 우주선(3709) 및 로켓 부스터(3707)용 발사 패드가 도시되어 있다. 분할 링 공진기는 도시(3701)의 발사 패드의 각 구성요소 전체에 걸쳐 위치 및 발견될 수 있다. 이러한 방식으로, 발사 패드의 일부 내에 및/또는 위에 위치된 분할 링 공진기를 사용하여 구조적 파라미터 변화(예를 들어, 피로 임계값, 임박한 구성요소 고장 등)를 검출할 수 있으며, 이는 결과적으로 시스템 및 직원에게 경보를 보낼 수 있다. 예를 들어, (구성요소 중 하나에서 발생한) 구조적 고장은 발사 중단을 야기할 수 있다. 추가적으로, 발사가 시작된 후(그러나 이륙 전) 구조적 결함은 추가로 발사 중단을 야기할 수 있다. 따라서, (임의의 시점에서) 임의의 구조적 고장은 발사 중단 및/또는 시정 조치를 실행하는 기초가 될 수 있다.
이러한 방식으로, 조기 경고 시스템은 발사 패드, 우주선 및/또는 로켓 부스터 및/또는 이와 관련된 임의의 구성요소를 통해 발견된 분할 링 공진기에 기초할 수 있으며, 임의의 검출된 변화를 안전하게 교정하기 위해 실시간 데이터를 얻을 수 있다.
또한 임의의 유형의 공중 차량에서 분할 링 공진기는 안전을 위한 저가형 공진 센서로 사용될 수 있다. 예를 들어, 분할 링 공진기는 구성요소의 과도한 진동을 검출하고, 재료의 미세 균열을 검출 및 모니터링하고, (과거/순환적 변화뿐 아니라 순간적인 값을 제공할 때) 비금속 구성요소 표면의 국지적 온도를 모니터링하고, (과거/순환적 변화뿐 아니라 순간적인 값을 제공할 때) 비금속 구성요소 내의 국지적 온도를 모니터링하고, (일례로서, 정확한 착륙을 위해) 정확한 위치 정확도를 제공하고/하는 데 사용될 수 있고/있거나, 재료 내에, 표면 위에 및/또는 표면 아래(예를 들어, 도장된 표면)에 설치될 수 있다.
도 38a는 일 실시예에 따라 분할 링 공진기로부터 피드백을 보고하는 것과 관련된 흐름도(3800)이다. 옵션으로서, 흐름도(3800)는 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 흐름도(3800)는 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
흐름도(3800)는 하나 이상의 분할 링 공진기로부터 센서 데이터를 수신하고 이에 응답하여 하나 이상의 조치를 취하는 일 실시예에 관한 것이다.
도시된 바와 같이, 흐름도(3800)는 교정된 센서로부터 센서 데이터를 수신하는 것(단계(3802))에서 시작한다. 교정된 센서는 자연 공진에 기초하여 교정된 하나 이상의 분할 링 공진기를 포함할 수 있다. 센서 데이터가 미리 결정된 범위 내에 있는지 여부가 결정된다(결정(3804)). 예를 들어, 센서 데이터는 상태 시그니처와 상관될 수 있다(알려진 편차가 알려진 고장 및/또는 상태와 상관됨). 센서 데이터가 범위 내에(또는 허용된 상태 시그니처 내에) 있으면, 방법은 계속해서 센서 데이터를 수신하는 단계(단계(3802))로 돌아간다. 물론, 센서 데이터를 수신하는 간격은 미리 결정되고/되거나 필요에 따라 조정될 수 있다.
센서 데이터가 범위 내에 있지 않으면, 흐름도(3800)는 감소하는 테스트 간격 기간으로 진행한다(단계(3806)). 일 실시예에서, 단계(3806)는 선택적일 수 있다. 예를 들어, 테스트 간격 기간은 (단계(3802)에 따라) 이미 거의 연속적일 수 있으며, 이 경우 테스트 간격 기간을 줄일 필요가 없을 수 있다. 단계(3806)에 응답하여(또는 동시에), 경보가 트리거될 수 있고(단계(3808)), 보고가 생성될 수 있다(단계(3810)).
일부 실시예에서, 범위 내에 있지 않은 센서 데이터와 관련된 경보 및/또는 보고는 사람(예를 들어, 운영자, 감독자 등)에게 알리고/알리거나 경보하고, 저장소(예를 들어, 저장부 등)에 저장되고, 조직(예를 들어, 환경보호국, 자동차국 등) 등에 알리고/알리거나 경보하는 데 사용될 수 있다. 이러한 범위 내에 있지 않은 센서 데이터는 자동화된 작업(예를 들어, AI 통합 시스템 등)을 트리거하고, 차량(또는 분할 링 공진기가 위치된 장치)의 자동 설정 변경(들)을 유발하고/하거나 (인간의 개입 없이) 임의의 다른 자동화된 작업을 수행하는 데 사용될 수 있다.
도 38b는 일 실시예에 따라 분할 링 공진기를 사용하여 항공 차량 및/또는 드론을 착륙시키는 것과 관련된 흐름도(3812)이다. 옵션으로서, 흐름도(3812)는 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 흐름도(3812)는 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
흐름도(3812)는 정확한 착륙 능력을 지원하기 위해 (현장에 위치된) 하나 이상의 분할 링 공진기로부터 센서 데이터를 수신하는 일 실시예에 관한 것이다. 유사한 흐름이 (현장 기반 센서에 의존하는 대신) 항공 차량에 위치된 분할 링 공진기를 사용하기 위해 생성될 수 있다는 점을 이해해야 한다.
도시된 바와 같이, 흐름도(3812)는 항공 차량이 착륙 현장에 접근하는 것(단계(3814))으로 시작한다. 항공 차량이 설정된 범위(예를 들어, 착륙 패드로부터 미리 결정된 거리) 내에 있는지 여부가 결정된다(결정(3816)). 일 실시예에서, 항공 차량이 설정된 범위 내에 있는지 여부를 (결정(3816)에 따라) 결정하는 것은 항공 차량에 위치된 분할 링 공진기에 적어도 부분적으로 의존할 수 있다.
항공 차량이 설정된 범위 내에 있으면, 현장 센서로부터 데이터가 수신될 수 있다(단계(3818)). 이러한 현장 센서로부터의 데이터는 위치 조정이 수행될 수 있도록 항공 차량에 송신될 수 있다(결정(3820)). 위치에 추가 변경이 필요하지 않은 경우, 항공 차량이 착륙될 수 있다(단계(3822)). 물론, 결정(3820)은 항공 차량이 착륙 패드에 접근함에 따라 연속적으로 발생하여, 항공 차량의 위치에 대한 실시간 조정이 이루어질 수 있는 것으로 이해된다.
일 실시예에서, (단계(3818)에 따라) 현장 센서는 항공 차량의 정확한 위치를 삼각 측량하는 데 사용될 수 있다. 이해될 수 있는 바와 같이, 흐름도(3812)는 분할 링 공진기를 사용하여 항공 차량 착륙을 지원할 수 있는 방식에 대한 단지 하나의 예를 제공한다.
도 39는 일 실시예에 따라 유전체 매트릭스 내의 메타-재료 및 이와 관련된 회로부의 도시(3900)를 도시한다. 옵션으로서, 도시(3900)는 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 도시(3900)는 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
본 설명의 맥락에서, 메타-재료는 자연적으로 발생하는 재료에서는 발견되지 않는 물리적 속성을 갖도록 가공된 임의의 재료를 포함할 수 있다.
도시된 바와 같이, SEM 이미지(3902)에서, 메타-재료는 유전체 매트릭스에서 동조될 수 있다. 예를 들어, 메타-재료는 적용 시에 메타-재료가 선천적으로 동조되고 구성되는 경우를 포함하여 주파수 선택성 속성에 대해 선택될 수 있다. 추가적으로, 메타-재료는 직류 전도성이 없이 주파수 선택 전도성을 제공할 수 있다. 또한, 이러한 메타-재료는 (연결을 수행하고 유지하기 위해 접촉해야 하는 표준 전도성 잉크/플레이크/코팅과 달리) 접촉 없이 연결을 수행하고 유지할 수 있다.
(SEM 이미지(3902)에 따라) 유전체 매트릭스에서 동조된 메타-재료의 배열은 집중 회로(lumped circuit)(3904)를 통해 표시될 수 있으며, 여기서 공진 주파수에서 최소 임피던스를 갖는 직렬 저항 또는 공진 주파수에서 최대 임피던스를 갖는 병렬 저항이 달성될 수 있다. 메타-재료의 배열은 직렬 저항 및/또는 병렬 저항으로 배열될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
다양한 실시예에서, 유전체 매트릭스의 메타-재료는 회로부 유형 구성(3908)으로 표현될 수 있는 분할 링 공진기(3906)에 배열될 수 있다. 이러한 구성(3908)은 링과 연관된 인덕터, 및 분할 링 공진기의 갭과 연관된 커패시터를 포함할 수 있다. 이러한 구성은 위에서 논의된 도 24ba 및 도 24bb에 따른 방식으로 해석되어야 한다.
주파수 선택 재료로 메타-재료를 사용하면 전도성의 저하 없이 (재료의) 지속적인 굴곡이 허용될 수 있다. 추가적으로, 주파수 동조를 통해 더 나은 검출 및 분해능을 위해 신호 대 잡음비를 높일 수 있다. 또한, 다른 파라미터(온도, 응력 스트레인 등)는 유전체 매트릭스의 신장, 변형 및/또는 온도 판독을 통해 직접 측정될 수 있다.
이러한 방식으로, 메타-재료는 분할 링 공진기 내에 및/또는 상에 사용될 수 있으며, 이는 결국 DC 전도성 없이 주파수 선택 전도성을 제공할 수 있다. 또한, 메타-재료의 고주파 전도성은 분할 링 공진기에 사용하는 것을 허용할 수 있다.
도 40은 일 실시예에 따라 개방형 또는 폐쇄형 셀 재료 내에 내장된 분할 링 공진기의 도시(4000)를 보여준다. 옵션으로, 도시(4000)는 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 도시(4000)는 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도시된 바와 같이, 분할 링 공진기(4006)는 제1 층(4002)과 제2 층(4004) 사이에 내장될 수 있다. 다양한 실시예에서, 제1 층 및/또는 제2 층의 재료는 개방형 또는 폐쇄형 셀 (선택되거나 코팅된) 재료를 포함할 수 있다. 이러한 재료는 재료와 재료 자체 내의 기공에 있는 공기의 혼합인 특정 유전율을 가질 수 있고, 이에 공기 흐름이 압축될 때 발포물이 공기를 몰아내고 응집체의 유전율은 재료(개방형 또는 폐쇄형 셀 발포)의 유전율이 된다. 재료의 유전율이 공기보다 훨씬 높기 때문에 재료의 압축은 주파수의 다운 편이를 야기한다.
이를 대안적인 관점에서 설명하기 위해, 발포 기반 재료에 분할 링 공진기(4006)를 내장하면 (분할 링 공진기가 자체적으로 응답하는 경우에 비해) 더 큰 공진 주파수가 허용된다. 이렇게 더 큰 공진 주파수는 적어도 부분적으로 발포 기반 재료의 변형에 기인하며, 변형이 발생하면 발포 기반 재료의 유전율 변화와 직접적이고 큰 상관 관계가 있다.
추가적으로, 다른 실시예에서, 분할 링 공진기는 개방형 또는 폐쇄형 셀 재료 발포물의 상부에 인쇄될 수 있으며, 상부와 지면 평면 레벨 사이에 발포 재료가 있는 후면에 지면 평면이 있다. 전면 센서와 지면 평면 사이의 거리(그 사이에 발포물이 있음)는 (커패시터와 같이) 주파수 편이를 야기할 수 있다. 이러한 방식으로, 발포 재료는 압력 센서로 기능할 수 있으며, 발포물의 존재는 공진 주파수를 위 또는 아래로 편이시키는 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 발포 요소(들)가 (밀어 넣어지거나 빼내어) 변형되거나 편향되는 경우 발포 요소는 분할 링 공진기의 변화로 측정될 수 있다.
따라서, 본 명세서에 설명된 바와 같이, 분할 링 공진기는 무선 핑/처프/쿼리(query)에 대한 응답을 제공할 수 있다. 추가적으로 발포 기반 재료를 사용하여 분할 링 공진기를 감싸면 분할 링 공진기의 응답을 증폭시킬 수 있다. 다시 말해, 발포 기반 재료의 변형은 예를 들어 반강성 재료보다 크며, 이는 차례로 (발포 기반 재료를 반강성 재료와 다시 비교하여) 더 큰 유전율 차이로 해석된다. 도 24bd의 맥락에서 발포 기반 재료는 유사한 유형의 응답을 가질 수 있다(y 축 좌표는 주파수가 아닌 유전율을 나타냄). 추가적으로, 일 실시예에서, 이러한 유전율은 단극성 또는 양극성일 수 있다. 예를 들어, 일부 경우(예를 들어, 난류 상황)에는 표면에 양압과 음압이 존재할 수 있다. 본 설명의 맥락에서, 반강성 재료는 구부러질 수 있는 강성 재료를 의미한다. 발포 기반 재료는 셀형 해면질 재료를 의미한다. 반강성 재료를 발포 기반 재료와 비교할 때, 발포 기반 재료는 (해면질 형태를 고려할 때) 더 큰 압축 및 변형이 가능하다. 따라서 분할 링 공진기와 결합된 발포 기반 재료를 사용하면(여기에 자세히 설명된 대로) 응답을 더 크게 증폭할 수 있다(이는 더 낮은 주파수 및 전력 레벨에서 동작할 수 있는 계기와 상관될 수 있음).
따라서, 분할 링 공진기와 동반 재료 및/또는 기판(예를 들어, 반강성 재료, 발포 기반 재료, 콘크리트, 고무, 중합체 등)의 조합은 앙상블 효과를 가질 수 있다. 본 설명의 맥락에서 앙상블 효과는 수반되는 재료 및/또는 기판과 결합된 분할 링 공진기의 주파수 응답을 의미한다.
도 41은 일 실시예에 따라 개방형 또는 폐쇄형 셀 재료를 사용하는 압력 센서의 도시(4100)를 보여준다. 옵션으로서, 도시(4100)는 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 도시(4100)는 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
기능적으로 파동 펄스는 (차량(4104) 및/또는 주변 물체/장소에 위치된) 안테나로부터 전파될 수 있으며, 이는 결국 에너지를 반사하거나 흡수하는 실제 및 가상의 물리적 재료 구성요소를 가진 물체(예를 들어, 최적화되지 않은 센서(4104))에 영향을 줄 수 있다. 이는 결국, 무선 통신을 통해 일종의 아날로그 원격 측정을 생성할 수 있고(온도, 압력 및/또는 기타 측정값이 파동 펄스의 반사 또는 흡수에 의해 전송될 수 있고), 이는 결국 물리적 세계에 대한 원격 저비용 파라미터 감지를 제공할 수 있다.
감지 데이터를 사용한 차량(4102)의 실제 테스트는 도 42에 도시되어 있다.
도 42는 일 실시예에 따라 개방형 또는 폐쇄형 셀 재료를 사용한 풍압 감지 데이터의 도시(4200)를 보여준다. 옵션으로서, 도시(4200)는 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 도시(4200)는 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도시된 바와 같이, 도시(4200)는 차량(예를 들어, 차량(4102))에 기초한 풍압 감지 데이터에 대한 것이다. 풍압 센서는 도 40에 따른 방식으로 구성될 수 있다. 추가로 도 42는 (풍압에 대한) 단일 사용 사례 시나리오를 표시하는 것으로 이해된다. 다른 지표(온도, 압력, 속도 등)에 대해서도 유사한 감지 데이터를 얻을 수 있다.
도시(4200)는 세 가지 경우의 시나리오, 즉 (1) 차량의 움직임이 없는 것에 기초한 주파수; (2) 차량의 직선 트랙 가속도에 기초한 주파수; 및 (3) 회전 시 속도가 느려지는 차량에 기초한 주파수를 보여준다. 관찰할 수 있는 바와 같이 각 사례 시나리오는 별도의 고유한 주파수 측정을 생성한다. 이러한 주파수 측정은 전술한 바와 같이 상태 시그니처와 상관될 수 있다. 추가적으로 각 선에 있는 별은 최대값/최소값 데이터 포인트를 나타낸다.
도 43은 일 실시예에 따라 주파수 선택 전도율과 관련된 경로 및 회로부의 도시(4300)를 보여준다. 옵션으로서, 도시(4300)는 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론, 도시(4300)는 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도시된 바와 같이, 도시(4300)는 현재 재료(4302) 및 메타-재료(4304)의 이미지(4301)를 포함한다. 관찰할 수 있는 바와 같이 현재 재료에는 전류가 흐르는 것을 허용하는 직접 연결에 기초하는 DC 전류가 필요하다. 이러한 현재 재료는 회로(4306)로 표현될 수 있다. 이러한 기존 시스템과 달리, 메타-재료(4304)를 사용하면 저항성 및 반응성 경로를 통해 전도성이 달성될 수 있다. 이러한 경로는 전도성이 되기 위해 (각 경로 및/또는 노드가 접촉할 필요가 없는) 비직접 연결에 기초할 수 있다. 회로(4308)는 전도성을 수립하기 위한 메타-재료의 사용을 나타낸다.
도 44는 일 실시예에 따라 분할 링 공진기의 사용을 적용할 수 있는 많은 산업의 도시(4400)를 보여준다. 옵션으로서, 도시(4400)는 임의의 이전 및/또는 후속 도면(들) 및/또는 이에 대한 설명에 제시된 임의의 하나 이상의 실시예의 맥락에서 구현될 수 있다. 그러나 물론 도시(4400)는 임의의 원하는 환경의 맥락에서 구현될 수 있다. 또한, 전술한 정의는 이하의 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도시된 바와 같이, 도시(4400)는 분할 링 공진기(들)와 연관된 공진 주파수 편이가 말 그대로 수백 가지 잠재적 시나리오에 관해 조기 검출 기능을 제공하여 잠재적인 문제가 발견될 수 있는 부분을 교정하고 조정하는 능력을 제공할 수 있는 다양한 예시적인 세계적 산업 응용 분야를 포함한다. 분할 링 공진기(들)의 공진 주파수 편이와 연관된 데이터는, 유틸리티, 우주 여행 및 탐사, 농업, 전력 생산, 제조, 차량 안전, 상업용 타이어 역학, 프로 스포츠, 단조, 건설, 분자 분석 및 분해, 생체의학, 배터리 조성, 항공 및/또는 항공학, 항해, 소비자 포장 상품, 교량 및 도로 등을 포함하지만 이에 국한되지 않는 거의 모든 산업 및 시장에 적용될 수 있다. 이러한 산업(및 분할 링 공진기의 적용 가능성) 중 일부가 본 명세서에 상세히 설명된다.
가능한 한 정확하게 설명하고 다른 많은 산업 분야에서 분할 링 공진기 사용(및 이와 관련된 공진 주파수 편이)의 잠재적 적용 가능성을 보여주기 위해 아래에 추가 자료가 제공된다.
앞서 논의한 바와 같이 분할 링 공진기는 동일하게 광범위한 글로벌 산업 내에서 광범위한 응용 분야를 포괄하는 (도 22ab의 콘크리트 장벽 및/또는 도 22ac의 금속 장벽 이외에) 다른 재료에 내장되거나 인쇄될 수 있다. 이러한 방식으로, 공진 주파수 편이 측정은 분할 링 공진기가 (표면 상에, 재료 내 등에) 내장되거나 인쇄될 수 있는 거의 임의의 응용 분야에서 발생할 수 있다. 또한, 분할 링 공진기는 공진 주파수의 변화(물리적 상태를 나타내는 신호와 연관될 수 있음)를 결정하는 데 사용될 수 있을 뿐만 아니라 이러한 입력의 수신에 응답하여 양태를 제어하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 미리 정해진 온도에 도달하면 주변 온도가 미리 정해진 온도에 도달할 때까지 외부 유닛(에어컨, 히터, 에어 벤트 등)이 활성화될 수 있도록 온도 센서에는 분할 링 공진기가 내장될 수 있다. 일부 경우에, 조치를 취하는 것이 분할 링 공진기의 공진 주파수 편이로부터 데이터를 해석하고 이에 응답하여 조치(예를 들어, 환경 상태 등을 수정하는 조치를 취하라는 명령)를 개시할 수 있는 프로세서에 따라 달라질 수 있다. 다른 실시예에서, 외부 프로세서를 사용하지 않고도 조치를 취할 수 있다. 예를 들어, 미리 정해진 온도 내에 유지되어야 하는 물품을 운반할 수 있다. 물품을 운반하는 동안 온도의 무결성에 대한 테스트를 결정하기 위해 분할 링 공진기가 내장된 온도 센서를 물품에 부착할 수 있으며, 온도가 미리 정해진 임계값을 초과하면 센서의 변형이 물리적 발현(색상 변화, 표시기 변형 등)을 야기할 수 있다. 따라서 환경 변화 또는 발현은 분할 링 공진기의 상태와 직접적으로 연관될 수 있다.
일 실시예에서, 항공 관련 응용은 항공기가 아음속, 천음속, 초음속 및 극초음속을 경험할 때 알려진 공차에 접근하거나 이를 초과하는 재료 응력, 온도 또는 진동 레벨의 검출을 포함할 수 있다. 보조익(들), 승강타(들) 및 방향타(들)를 포함하여 날개 표면 내에 및 위에 분할 링 공진기를 사용하면 날개 표면 위와 아래 모두의 공기압, 온도 증가 및 감소, 표면적 왜곡, 및 심지어 잠재적인 재료 파손이나 파괴를 검출할 수 있고, 이에 따라 조종사와 지상 직원 모두에게 항공기에 대한 잠재적인 위험을 경보하는 기회를 제공하고, 임의의 재앙적인 사건이 발생하기 전에 공기 속도, 양력, 비행 자세, 페이로드 분배 등을 대응하고 수정할 수 있는 적절한 시간을 제공할 수 있다. 추가적으로, 적용 가능한 실시예는 에어로 포일 블레이드 내에 및 상에 분할 링 공진기를 사용하여 에어로 포일 표면 위 및 아래의 공기압을 측정하여 에어로 포일의 연장 또는 수축을 최적으로 결정하여 비행 파라미터를 조정하고 항공기 성능을 극대화할 수 있는 기회를 제공하는 에어로 포일 블레이드와 결합된 고정 날개 구조를 포함할 수 있다. 항공에 대한 또 다른 실시예에서, 보조익(들), 승강타(들) 및 방향타(들)를 포함하여 날개 표면 내부 및 위에 분할 링 공진기를 사용하면 날개 표면의 고조파 또는 기하학적 구조가 변형되기 시작하여 평활한 공기를 난류로 바꾸는 포인트를 검출할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 항공 관련 응용에는 항공기 제트 엔진 터보 팬 및 프로펠러 엔진 결함 허용 오차 측정 및 이러한 허용 오차를 초과하는 잠재적인 위험이 포함될 수 있다. 예를 들어, 분할 링 공진기는 온도 변화, 진동 주파수 증가 및 감소, 재료 굴곡 또는 뒤틀림, 공기 흡입, 연료 흡입, 연소, 매니폴드 압력, 오일 압력, 압축 및/또는 배기 측정을 제공하기 위해 하우징 및 카울링을 포함하여 거의 모든 엔진 부품에 사용될 수 있다. 예로서, 엔진 프로펠러의 표면 영역의 분할 링 공진기는 각도 회전의 속도, 축 방향 및/또는 원심 공기 흐름, 및 토크와 같은 일반적인 측정과, 프로펠러와 팬 블레이드가 경험하는 과도한 응력 또는 굴곡, 프로펠러와 팬 블레이드에 발생하는 미세한 응력 파손, 과열, 엔진 윤활유 점도 파괴율 및 정도 등과 같은 보다 잠재적인 위협 분석 측정의 표시를 검출하고 제공할 수 있고, 이에 따라 임박하거나 궁극적인 엔진 고장을 방지하기 위해 잠재적으로 즉각적인 시정 조치가 필요함을 조종사에게 경보하고, 유지 보수 직원이 유지 보수 사이클에서 수행할 적절한 교정 조치를 결정하게 할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 항공 관련 응용에는 고정 및 분리 가능한 (모듈식) 동체 무결성 측정 파라미터와, 비행 동안 및 지상에서 내부 및 외부 힘으로부터의 이 파라미터의 변화가 모두 포함될 수 있다. 분할 링 공진기는 동체 표면 내에 및 상에 사용되어 내부 및 외부 공기압, 온도 변화, 이륙(또는 발사) 동안 경험하는 진동 주파수 증가 및 감소, 고도 증가 및 감소, 및/또는 공기 속도의 증가 및 감소로 인한 다양한 레벨의 왜곡을 검출하고, 치명적인 사건이 발생하기 전에 금속 및/또는 이와 연관된 복합재의 구조적 파괴에 대한 조기 경고를 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 생체의학 관련 응용에는 환자의 의수족(들) 부품의 약간의 변경 및/또는 과도한 마모를 검출하는 것이 포함될 수 있다. 분할 링 공진기를 사용하면 의수족 부품의 조성 및/또는 형상의 작은 (심지어 미세한) 변화를 매우 조기에 검출하고 해결할 수 있으며, 환자에게 통증이나 불편함이 나타나기 전에도 이를 검출하고 해결할 수 있다. 예를 들어, 무릎 교체 수술에 사용되는 고정 지지 또는 이동 지지 무릎 보철물은 체중 지지 및/또는 기타 환경 영향으로 인한 응력으로 인해 약간의 정렬 불량이나 뒤틀림이 발생하여 수혜자가 경험할 수 있는 통증이나 불편함을 초래할 수 있다. 보다 구체적으로, 인공 무릎의 대퇴골 및/또는 경골 부품의 접촉 표면과 함께 분할 링 공진기를 사용하면 압력 및/또는 응력 포인트의 약간의 차이뿐만 아니라 이와 연관된 폴리에틸렌 관절 표면의 가능한 저하를 발견할 수 있고, 이에 따라 조정, 유지 관리 및/또는 완전한 개조가 필요할 수 있음을 의료진에게 경보하여 환자의 편안함과 안정성을 극대화할 수 있다.
다른 실시예에서, 생체의학 관련 응용은 수술 후 환경에서 수십 또는 수백 개의 의료용 임플란트 중 임의의 하나와 관련하여 위치, 흐름 및/또는 운동 범위의 가능한 변화를 검출하는 것을 포함할 수 있다. 일례에서, 하나 이상의 분할 링 공진기는 인공 심장 판막 임플란트가 동작 동안 움직이거나 위치를 이동하지 않도록 하고/하거나 심장 자체로 또는 심장 자체로부터 비산소화 또는 산소화 혈액의 자유로운 흐름을 막거나 제한하지 않는 것을 보장하여 환자에게 심각한 부상이나 치명적인 결과를 초래할 위험을 야기하지 않게 하는 데 이용될 수 있다. 판막 임플란트와 이에 인접한 동맥벽 모두 위에 또는 내에 배치되면, 분할 링 공진기는 환자가 명백한 증상을 경험하기 전이라도 적절한 심장 판막 기능을 복원하기 위해 조정 또는 재장착이 필요한 경미하거나 중대한 이상을 환자 및/또는 의료진에게 경보할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 생체의학 관련 응용은 환자의 운동 범위 및 편안함을 개선, 제한, 약화 및/또는 보강 또는 강화하도록 설계된 보조기를 조정하는 필요성 또는 유효성을 검출하는 것을 포함할 수 있다. 보조기 적용과 관련하여 분할 링 공진기를 사용하면 심각한 신경 기능 장애 및/또는 부상 또는 외상으로 인해 영향을 받은 환자의 정상적인 보행의 상실 또는 손상을 교정하거나 균형을 맞추는 데 도움을 줄 수 있다. 하나의 이러한 예에서, 연장 스윙 보조 메커니즘을 갖춘 대응 무릎 보조기와 탄소 섬유 및/또는 기타 복합 발목 및/또는 발 보조기 내에 및 위에 설치된 분할 링 공진기는 환자의 원하는 레벨의 발 높이 교정, 무릎 지지, 향상된 균형, 향상된 고유 감각 및 향상된 보행 생체 역학을 달성하는 데 추가 조정이 필요함을 나타낼 수 있는, 허용 가능한 파라미터 값을 벗어나는 응력, 압력 및/또는 동작 범위를 검출할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 개인 보호 장비(PPE) 관련 응용은 예를 들어 안면 마스크의 재료와 접촉하게 되는 수분 방울 내의 특정 화합물 및/또는 바이러스 균주를 검출하기 위해 상기 PPE의 효율성을 향상시키는 것을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 탄소질 성장에 기초하는 분할 링 공진기는 특정 검출 관련 목적에 맞게 동조될 수 있으므로, 이러한 분할 링 공진기는 특정 유형의 분자 화합물 및/또는 바이러스 균주를 검출할 수 있는 다양한 다르게 동조된 분할 링 공진기와 함께 N-95형 안면 마스크(또는 임의의 유형의 안면 마스크)의 섬유질 재료 내에 주입되어, 착용자와 (특히) 의료 인력이 전염 위험 및/또는 임박한 질병이 즉각적인 위협이 될 수 있는지 여부를 신속하게 결정하고 부정적인 영향을 최소화하기 위해 적절한 격리, 치료 또는 교정 프로토콜을 사용할 수 있게 할 수 있다.
예를 들어, 일 실시예에서, 안면 마스크는 특정 균주(예를 들어, COVID)를 검출하는 데 사용될 수 있으며, 특정 균주가 검출되면 안면 마스크(또는 마스크의 특정 부분)의 색상이 적어도 부분적으로 눈에 띄게 변할 수 있다. 이는 마스크 사용자가 특정 균주에 걸렸음을 나타낼 수 있다. 추가적으로, 주변 공기가 지나가는 것에 기초하여 특정 균주가 검출되면 색상이 변하여 특정 균주를 가진 개인이 이 센서를 지나갔음을 나타낼 수 있도록 임의의 위치(예를 들어, 버스 진입로, 지하철 차량, 지하철 입구 등)에 다른 바이러스 센서가 설치될 수 있다.
생체재료를 검출하기 위한 분할 링 공진기 사용의 추가 적용 가능성은 미국 특허 출원 번호 17/382,661(발명의 명칭: "METHOD OF MANUFACTURING A GRAPHENE-BASED BIOLOGICAL FIELD-EFFECT TRANSISTOR", 출원일: 2021년 7월 22일, 전체 내용이 본 명세서에 참조에 의해 원용됨)에서 찾아볼 수 있다.
공항 보안의 맥락에서 이러한 센서는 일반적인 금속 검출 시스템에 내장되어 개인을 스캔할 때 개인으로부터 방출되는 공기를 분석하여 특정 균주의 존재를 결정할 수 있다. 한 가지 맥락에서, 저가형 직물 기반 센서를 금속 검출기 내에 매달아 개인이 공기 중을 지나갈 때 자동으로 분석할 수 있으며 특정 균주를 검출하면 저가형 직물에 색상 변화가 발생할 수 있도록 할 수 있다. 이러한 검출은 전자 구성이나 부품이 필요하지 않은 경우에도 발생할 수 있다. 대안적으로, 센서는 공기를 분석할 때 특정 균주가 검출되면 응답(예를 들어, 알람, 알림 등)이 발생할 수 있도록 프로세서에 전자적으로 부착될 수 있다.
일 실시예에서, 유틸리티 관련 응용에는 고전력선 전도체 구조 및/또는 하우징/절연 슬리브에서 결함이 천천히 및/또는 갑자기 발생하는 것을 검출하는 것이 포함될 수 있다. 일례로서, 분할 링 공진기는 건조한 초목(예를 들어, 풀, 나무, 나뭇잎 등)이 전력선 구조에 상대적으로 근접해 있는 것으로 인해 스파크나 기타 직접적인 영향이 산불에 잠재적으로 영향을 미치거나 발화시키는 데 기여 요인이 될 수 있는 보호 전력선 절연체 및/또는 하우징 슬리브의 응력 굴곡 또는 파손을 검출할 수 있다. 보다 구체적으로, 마스터 전도체 케이블 주위에 방사상으로 설치된 슬리브 및/또는 하나 이상의 하우징 층 내에 및 주위에 설치된 분할 링 공진기를 사용하면 확인하지 않은 채 방치한 경우 마스터 전도체 와이어(들)가 자연 요소에 위험하게 노출될 수 있는 작은 (심지어 미세한) 결함이 시간에 따라 발생하는 것을 검출할 수 있다.
다른 실시예에서, 유틸리티 관련 응용은 하나 이상의 전달 장치(파이프라인) 형태를 통한 액체 및/또는 가스 흐름을 측정하고 (내부 및/또는 외부 압력으로 인해) 상기 전달 시스템의 성능에 영향을 미칠 수 있는 형상, 온도, 구조적 무결성 및 응력의 임의의 변화를 측정하는 것을 포함할 수 있다. 특히, 분할 링 공진기를 사용하면 전달 메커니즘의 물리적 구조(원통형 및 기타)의 조성의 변화를 검출하고 운영 및 유지 관리 담당자에게 경보함으로써 전달 파이프라인에서 최적의 동작 압력 레벨을 유지하고, 초기 상태에서 진단하고 처리할 경우 파이프라인 전달 시스템 전체에 치명적인 손실이나 손상을 초래하거나 나타내지 않는 구조 재료의 미세한 결함도 검출하는 데 도움을 줄 수 있다. 다른 예로서, 분할 링 공진기는 과압된 전달 세그먼트를 검출할 수 있고, 이에 따라 운영 및 유지 관리 담당자가 업스트림 및/또는 다운스트림 조정을 수행하여 이러한 압력을 표준 동작 임계값 내로 유지하고 추가 유지 관리, 수리 및/또는 심지어 교체로 이어지는 과도한 응력을 완화하는 기회를 가질 수 있게 한다.
일 실시예에서, 건설 관련 응용에는 분할 링 공진기를 사용하여 응력, 예측하지 못하거나 계산되지 않은 하중 지지, 및/또는 성능에 대한 기타 환경 기반 영향, 예를 들어, 주변 온도 변화, 수분 지수 및/또는 포화도, 및 필수 지원, 하중 균형 맞춤 및 안정성을 제공하는 데 사용되는 원자재의 상대적인 물리적 크기가 포함되지만 이에 국한되지는 않는 영향을 검출하는 것이 포함될 수 있다. 예로서, 지붕 구조물의 서까래에 있는 지지 빔 및/또는 장선(joist)의 장축을 따라 배치된 분할 링 공진기는 상기 빔 또는 장선의 예상치 못한 휘어짐을 드러낼 수 있으며, 이에 따라 이 건축물이 부담하는 무게와 관련하여 건축 방법으로 인해 발생할 수 있는 잠재적으로 위험한 휘어짐 상태를 건축업자 및/또는 점유자에게 경보할 수 있다. 또한, 천연 목재 이외의 구조 재료(복합강, 합판, 또는 연신 스트랜 보드 등을 포함하되 이에 국한되지 않음)를 사용하는 경우 하중을 지탱하는 재료 자체의 구조 내에 내장된 분할 링 공진기는 결함 심각도가 미리 결정된 임계값을 넘어 상승할 경우 결국 지지 구조의 결함으로 이어질 수 있는, 시간에 따라 발생하는 작은 결점이나 결함을 검출할 수 있다.
다른 실시예에서, 건설 관련 응용에는 보행자 및 차량용 교량, 고가 철도, 주차 구조물, 다층 주택 및 상업용 구조물 등을 위한 매우 높은 레벨의 내력을 지닌 강철 보강 또는 순수 콘크리트 지지 철탑(pylon)의 조성 및 구조의 변화를 검출하는 것이 포함될 수 있다. 보다 구체적으로, 철근 콘크리트 철탑 구조의 복합 재료의 일부로 통합된 분할 링 공진기와 조성 변화를 검출할 수 있는 표면 설치 분할 링 공진기를 사용하면 구조의 무결성을 보존하고 설계에 따라 적절한 하중 지지를 계속 제공하는 데 필요한 추가 외부 지원 및/또는 기타 교정 조치가 필요할 수 있는 작은 결함의 초기 발생 및/또는 주조 후 기존의 약간의 결함의 존재를 검출할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 건설 관련 응용에는 정부 표준 및 규정에서 요구하는 화재 예방 및 기타 안전 조치의 준수를 보장하는 것이 포함될 수 있다. 이러한 기능에서 분할 링 공진기는 금속 프레임 및 경량 구조 시멘트(SCP) 패널을 포함하는 예를 들어 건설된 "방화벽" 및/또는 기타 내화 조립 시스템에서 예상치 못한 눈에 띄지 않는 변화가 발생하는 것을 검출하는 데 도움을 줄 수 있다. 특히, 분할 링 공진기는 방화벽 또는 SCP 설치 시 발생하는 작은 "갭"을 검출할 수 있고, 일반적인 시각적 확인 조치로 해당 부적합을 검출할 수 없는, 앞서 언급한 정부 규정을 준수하지 않는 보호 조치에 대해 건설업자 및/또는 유지 보수 담당자에게 경보할 수 있다.
일 실시예에서, 항해 관련 응용은 풍하중 하에서 돛의 흘수(draft)가 열릴 때 펼쳐진 돛의 돛천에 적용되는 풍압 및/또는 구조적 무결성의 임의의 변화를 검출하는 것을 포함할 수 있다. 돛을 포함하는 여러 천 층 사이 및/또는 그 표면에 분할 링 공진기를 사용하면 항해 승무원에게 사용 시 돛의 무결성과 관련된 잠재적인 문제에 대한 중요한 실시간 정보를 제공할 수 있다. 하나의 구체적인 예에서, 분할 링 공진기는 일반 및/또는 경쟁 항해 중 풍하중과 연관된 응력 하에서 스피니커 돛 조성 내에 및 위에 재료 왜곡 또는 결함을 검출할 수 있고, 이에 따라 승무원은 마스트, 스파 및/또는 스테이에 대한 테더링과 관련하여 스피니커 돛 자세에 필요한 조정에 보다 신속하게 영향을 미칠 수 있다.
다른 실시예에서, 항해 관련 응용은 메인 돛(또는 메인 시트)이 일반 동작 동안 다양한 정도의 풍하중을 경험할 때 솔리드 및/또는 관형 마스트 압축의 변화를 검출하는 것을 포함할 수 있다. 예로서, 구부릴 수 있고/유연한 마스트의 표면에 부착된 분할 링 공진기를 사용하면 항해 승무원이 메인 돛에 적용되는 풍하중의 최적 레벨이 달성되었는지 및/또는 조정이 필요한지 여부를 결정하는 데 도움을 줄 수 있다. 추가적으로, 견고한 마스트 구조에 부착된 분할 링 공진기를 사용하면 동작 중 메인 돛에 과도한 풍하중이 있음을 나타낼 수 있는, 마스트의 과도하거나 계획되지 않은 굴곡 정도를 검출할 수 있고, 이에 승무원은 진단하고 적절한 조정을 하여 최적의 성능으로 되돌릴 수 있다. 또한, 솔리드 및/또는 관형 마스트 내에 및 외부에 부착된 분할 링 공진기를 사용하면 승무원이 마스트의 재료 구조에서 발생하는 응력 결함의 조기 징후를 검출하는 데 도움을 줄 수 있고, 이에 승무원은 보다 포괄적인 테스트, 유지 관리, 및 심지어 피로가 미리 결정된 "안전한" 임계값을 초과한 경우 완전한 교체를 위한 창을 보다 정확하게 결정할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 항해 관련 응용은 온도와 같은 (물 안팎 모두에서) 외부 힘, 정박 시 및 추진 중일 때 금속, 복합재 및/또는 합금 재료 구성 성능에 영향을 미칠 수 있는 크고 작은 스트레인으로 인해 선박 구성요소(특히 선체) 구조의 변화 및/또는 이상을 검출하는 것을 포함할 수 있다. 일례로서, 분할 링 공진기를 사용하면 예를 들어 잔잔한 물 및/또는 험난한 물 위를 항해할 때 쌍동선의 폰툰(pontoon)의 변화나 왜곡을 검출할 수 있다. 특히, 더 빠른 속도로 이동하고 단일 선체보다 상대적으로 더 안정적으로 유지되는 우수한 능력으로 인해 일반적으로 다중 선체 설계 선박이 사용되는 경우 둘 사이의 비교 수식의 일부에는 동작 동안 물과 접촉하는 선체 표면적이 포함될 수 있다. 이러한 선박의 선체(들) 표면에 분할 링 공진기를 사용하면 최적의 선체 표면 형상이 유지될 때보다 달성 가능한 속도를 낮출 수 있는 항력 증가를 초래할 수 있는 수온 변화, 후류의 영향, 작동 중 재료 굴곡 등으로 인해 선체(들) 형상의 일시적인 변화, 이상 및/또는 왜곡을 검출할 수 있다. 이 정보를 사용하여 선박 승무원은 최적의 성능으로 되돌리기 위한 노력의 일환으로 하나 이상의 환경 파라미터를 조정할 수 있는 능력을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 이러한 환경 파라미터(예를 들어, 돛 각도, 코드 길이 등)는 (분할 링 공진기(들)로부터의 데이터를 처리하기 위해 공정에 부착된 액추에이터에 기초하여) 자동으로 발생할 수 있다.
일 실시예에서, 단조 관련 응용에는 단조 금속, 복합재, 및/또는 합금의 농도/밀도에서 경미한 이상을 검출하는 것이 포함될 수 있다. 단조 금속, 복합재 및/또는 합금 분야는 구현 생산의 두 가지 주요 단계, 즉, 높은 레벨의 열을 가하고 잉곳 블랭크를 주조하는 단계, 및 단조 재료에서 파생된 최종 결과 도구를 실제로 형성하고 생성하는 단계에 걸쳐 있을 수 있다. 제1 예에서는 분할 링 공진기를 사용하여 제2 예에서 예시된 완제품의 품질, 강도 및 신뢰성에 잠재적으로 영향을 미칠 수 있는 원시 금속, 복합재 및/또는 합금의 매우 작은(심지어 미세한) 변형 및/또는 이상을 검출하는 데 도움을 줄 수 있다. 단조 공정의 최종 제품인 제2 예는 공진기가 허용 가능한 설정된 파라미터를 벗어난 표면 형상, 밀도 및/또는 농도 변화를 검출하는 데 도움이 될 수 있기 때문에 금속, 복합재 및/또는 합금 원료 내부뿐만 아니라 완제품 외부에 부착된 분할 링 공진기의 이점을 누릴 수 있다. 구체적인 예로서, 골프 클럽(예를 들어, "철")의 샤프트 및/또는 헤드 단조에 분할 링 공진기를 사용하면 조립 시 클럽 헤드 각도가 약간 부정확하거나 골프 클럽 샤프트와 헤드 사이의 결합이 예상보다 약할 수 있음을 제조업체와 설계자에게 경보할 수 있고, 또는 분할 링 공진기는 클럽을 다시 제조 표준에 맞게 만들기 위해 재단조 또는 기타 재료 조정이 필요할 수 있는, 엄격한 설계 지침에 약간 벗어나는 클럽 헤드 형상을 검출할 수 있다.
일 실시예에서, 전력 생산 관련 응용에는 대형 태양광 패널 어레이 내의 개별 태양 전지의 일관성과 최적의 성능을 설정하고 유지하는 것이 포함될 수 있다. 예를 들어, 분할 링 공진기는 제조 시 개별 태양 전지의 실제 재료에 통합될 수 있으며, 이를 통해 정기적인 동작/수집 및 보존 기간 동안 전지의 재료가 열화되거나 수립된 표준을 벗어나 작동될 수 있는 시기를 검출할 수 있다. 추가적으로, 분할 링 공진기는 태양 전지 어레이에 인접하여 (예를 들어, 전지와 캡슐화재 사이) 사용되어 태양 전지 어레이 전체가 성능 저하를 겪고 있는지, 아니면 단지 하나 이상의 개별 전지를 경험하고 있는지 여부를 검출할 수 있다.
다른 실시예에서, 전력 생산 관련 응용에는 수력 발전 댐 및/또는 이와 연관된 발전소(들)의 구조 및 작동과 관련된 환경 상태의 검출을 포함할 수 있다. 댐 건설에 분할 링 공진기를 사용하면 댐 건설 자재(누출 방지 장갑 콘크리트, 콘크리트 말뚝, 1차 밀봉 금속판, 금속 연결판, 2차 밀봉 금속판, 및 2차 누출 방지 장갑 콘크리트 등의 구성요소를 포함하되 이에 국한되지 않음)의 조성 변화를 검출하는 능력을 제공할 수 있으며, 건설자, 운영 인력 및 유지 관리 인력이 댐 구조의 현재 상태에 대한 실시간 데이터를 분석할 수 있도록 하며, 해결되지 않은 채 방치되면 댐의 주요 기능에 본격적인 치명적인 위반이 발생할 수 있는 잠재적인 결함에 대한 조기 경고를 제공할 수 있다. 구체적으로, 댐의 기본 구조를 구성하는 원시 시멘트 타설물 내에 설치된 분할 링 공진기와 함께 댐을 건설하면 댐 내에 및 주변에 설치된 센서가 누출 방지 장갑 콘크리트 구조(들)의 약간의 변화, 왜곡 및 변형에 대한 조기 경고를 제공하여, 임의의 실제 문제가 표면화되기 전에 운영 및 유지 관리 담당자가 임의의 잠재적인 문제를 해결하거나 완화할 수 있는 기회를 가질 수 있게 한다.
또 다른 실시예에서, 전력 생산 관련 응용에는 수평축 풍력 터빈 스탠드, 블레이드 및/또는 에너지 발전기의 생존 가능성과 상태를 지속적으로 모니터링하고 평가하는 것이 포함될 수 있다. 분할 링 공진기를 사용하면 팬 블레이드 내구성, 마모, 및 수직 스탠드의 자세, 형상, 강도, 및 내구성 및/또는 터빈 자체의 표준 동작의 변화를 검출할 수 있다. 구체적인 예로서, 수평축 풍력 터빈 장치의 블레이드와 이 블레이드가 부착된 허브 모두에 분할 링 공진기를 배치하면 시간이 지남에 따라 허브에 대한 개별 블레이드(일 실시예에서는 알루미늄-유리 섬유 하이브리드 구조로 구성될 수 있음)의 연결이 약해지고 있다는 조기 징후를 제공할 수 있고, 이에 따라 가능한 유지 관리 및 적절한 교정 조치가 불가능한 경우 심지어 교체가 필요할 수 있다. 이러한 유형의 가능한 결함을 조기에 검출하면 "1온스의 예방이 1파운드의 치료 가치가 있을 수 있다"는 점에서 시간과 비용이 절약되고, 최대 동작 시간은 지속되거나 심지어 증가된 전기 에너지 생산과 직접적으로 관련될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 전력 생산 관련 응용에는 천연 가스 저장 및 수송 도관의 변화를 검출하고 추적하는 것이 포함될 수 있다. 천연 가스 저장 및 수송과 관련된, (시간, 자본 지출, 잠재적인 에너지 손실 및 추가 유지 관리 사이클 측면에서) 가장 비용이 많이 드는 문제 중 하나로서, 천연 가스 에너지원 전달과 관련된 광범위한 물리적 시스템 중 임의의 것을 따른 누출은 시스템 전체에 전개된 분할 링 공진기를 사용하여 완전히 최소화되거나 완화될 수 있는 문제이다. 예로서, A 지점에서 B 지점으로 천연 가스를 수송하는 물리적 전달 도관(들)에 적용되는 분할 링 공진기는 수송 도관의 일부가 하나 이상의 추가 구성요소에 물리적으로 부착될 수 있는 경우 잠재적인 결함, 왜곡 및/또는 이상 현상이 임의의 조인트 또는 접합부 및/또는 수송 도관(들)의 재료 내에 직접 형성되고 있음을 운영 및 유지 관리 담당자에게 표시함으로써 잠재적인 누출을 조기에 검출할 수 있다. 추가적으로, 미리 결정된 가스(예를 들어, 메탄 등)의 누출을 검출할 수 있다는 점은 환경에 유해한 가스를 검출하여 심각한 피해가 발생하기 전에 차단할 수 있다는 점에서 친환경 적용 가능성을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 제조 관련 응용은 형성 및 조립 공정의 마지막에 주어진 제품의 부품 융합 및/또는 최종 조립 상태(적합 또는 부적합)에 대한 정보를 표시하는 것을 포함할 수 있다. 전체 기계 또는 기타 제품을 형성하기 위해 함께 모인 개별 부품의 정확한 위치에 분할 링 공진기를 사용하면 최종 조립체에 부정확성 및/또는 오정렬이 존재할 수 있는지 여부와 위치를 검출할 수 있다. 예를 들어, 최종 제품의 세 부분 A, B 및 C를 간격 및/또는 정렬과 관련하여 알려진 엄격한 공차 지침에 따라 조립하면, 두 부분 A와 B(또는 경우에 따라 B와 C 또는 A와 C)가 지정된 갭이나 정렬의 과도한 변화 없이 서로 올바르게 연결되어 있는지 확인하기 위한 목적으로 정확하게 배치된 다른 분할 링 공진기의 존재(또는 부재)를 검출할 수 있도록 배치된 분할 링 공진기는 허용 가능한 공차를 벗어나는 분할 링 공진기 간의 근접성 측정에 기초하여 조립 결함이 존재할 수 있는 위치를 검출할 수 있다.
다른 실시예에서, 제조 관련 응용은 생산 후 테스트를 통해 장치 내의 임의의 잠재적인 결함 또는 오류를 검출하는 것을 포함할 수 있다. 새로이 제조된 초음속 가능 제트 엔진 애프터 버너 조립체의 중요한 위치에 부착된 분할 링 공진기를 사용하면 실제 조건에서 기능을 수행할 때 해당 조립체의 정확성과 관련하여 엔지니어 및 유지 관리 담당자에게 중요한 정보를 제공할 수 있다. 구체적으로, 애프터 버너 "추력 형성" 메커니즘을 포함하는 길이 방향으로 이동 가능한 슈라우드 및 가변 면적 출구 노즐에 분할 링 공진기를 부착하면 상기 슈라우드 및 노즐 기능이 설정된 최적 허용 오차 내에서 수행되는지 여부를 중계함으로써 이 조립체의 생산 후 성능에 관한 중요한 정보를 제공하여, 조립체가 의도된 기능을 수행할 초음속 제트 전투기에 상기 애프터버너 조립체를 궁극적으로 도입하기 전에 적절한 기능을 보장할 수 있다.
일 실시예에서, 농업 관련 응용은 농산물 제품의 샘플 사이의 성장 속도를 검출하고 추적하여 그 표본이 확립된 지침 내의 속도로 성장하고 있는지 여부(예를 들어, 너무 느리게 성장하지도 않고 너무 빠르게 성장하지도 않음)를 결정하는 것을 포함할 수 있다. 식물 표본 자체의 실제 섬유 내에 분할 링 공진기를 배치하는 것은 어렵고 아마도 불합리할 수 있기 때문에, 이러한 농업 표본의 비식용 부분(들)의 주요 외부 포인트에 사용된 분할 링 공진기는 상기 식물 표본의 일반적인 성장 사이클에 걸쳐 올바른 간격으로 핑잉될 때 성장 속도를 검출할 수 있다. 또한, 사용된 분할 링 공진기는 핑이 수행될 때마다 표면 온도를 폴링 메커니즘에 다시 보고함으로써 설정된 폴링 기간 동안 표면 온도 판독값을 간단히 검출하고 보고하는 데 사용될 수 있고, 따라서 재배자와 식물학자는 성장 사이클 기간 동안 주어진 농업 표본의 온도와 관련된 정보를 얻을 수 있다. 또한, 분할 링 공진기를 사용하여 분할 링 공진기가 부착된 농업 표본의 수분 포화도에 대한 주요 정보를 제공할 수도 있다. 즉, 폴링 및 기록 메커니즘이 주어진 농업 표본 그룹에 부착된 하나 이상의 분할 링 공진기로부터 응답을 찾을 때마다, 성장 과정을 모니터링하는 직원은 하나 이상의 농업 표본의 수분 포화도가 허용 가능한 파라미터를 벗어나는 측정값(너무 적거나 너무 많음)을 나타내는지 여부와 그 정도를 발견하고, 이 수분 이상의 영향에 대한 것을 배울 수 있다. 더욱이, 분할 링 공진기는 성장 사이클 동안 농업 표본이 부적절하거나 부적절하거나 과도한 자외선에 노출될 수 있는지 여부와 노출 정도를 검출할 수 있다. 이러한 농업 표본의 비식용 부분(들)의 주요 외부 지점에 부착되는 경우, 그늘진 구역 안팎에서 식물에 부착된 분할 링 공진기는 폴링 및 기록 메커니즘에 의한 정기적인 폴링 동안 반환된 판독값을 통해 각 표본의 광원에의 직접 노출, 간접 노출 또는 광원의 가려짐을 면밀히 추적할 수 있다.
일 실시예에서, 우주 여행 관련 응용에는 우주선 모듈이 서로 맞춰지고 설계된 대로 우주 비행사뿐만 아니라 다른 민감한 존재 및/또는 선박의 무생물 탑재물에 대해 안전하게 유지되는지 여부를 결정하는 것이 포함될 수 있다. 하나의 특정 예로서, 분할 링 공진기는 무중력 설정에서 동작하는 동안 어떤 지점에서 연결되거나 결합되는 두 개의 우주선 차량 및/또는 우주선 모듈과 함께 사용될 수 있다. 분할 링 공진기는 결합 공정(제어기는 커플링 시스템의 활성 절반이 목표 구성요소를 성공적으로 캡처하고 두 구성요소를 정렬하고 정적/강성 연결을 설정하기 위해 커플링 시스템을 관절식으로 연결하도록 설계됨)이 정확하고 안전하게 완료되었는지 여부를 검출하여 근접성, 공기압, 온도 판독 허용 오차에 기초하여 잠재적으로 위험한 상태가 허용 가능한 지침 내에 있는지 여부를 우주 비행사 및/또는 기타 모니터링 인력에게 경보할 수 있다.
다른 실시예에서, 우주 여행 관련 응용에는 우주선의 모든 발사 단계(발사 전, 발사 중, 발사 후)에 대한 지속적인 고체 로켓 추진제 무결성 모니터링 및 보고가 포함될 수 있다. 예를 들어, 고체 로켓 추진제(SRB) 복합재는 균열이 포함된 추진제 복합재는 차량의 폭발 파괴 위험을 나타내기 때문에 균열/결함 없이 유지되어야 한다. 잠재적인 결함/균열/결점을 적절하게 모니터링하지 않으면 고체 추진제 시스템이 기계적 충격 및 정전기를 포함한 여러 가능한 원인으로 인해 실수로 점화될 수 있다. 실제 복합 연료 혼합물과 고체 연료 요소 표면 모두에 분할 링 공진기를 사용할 가능성은 우주비행사와 지상 승무원이 우주선 발사 전 SRB 연료원의 결함 및 그에 따른 잠재적으로 치명적인 고장에 대한 조기 경고를 받을 수 있는 검출 매체를 제공할 수 있다.
다른 실시예에서, 우주 여행 관련 응용에는 발사 중 로켓 추진 선박의 프레임, 몸체 및 구성요소에 대한 외부 힘의 영향을 검출하고 추적하는 것이 포함될 수 있다. 극심한 열, 진동, 공기압 증가 및 감소 및/또는 들어올림(lift-off)으로 인한 토크는 실제 발사 동안 발사체에 잠재적으로 부정적인 영향을 미칠 수 있는 외부 힘 중 일부에 불과하다. 이러한 힘은 조기에 검출하고 효과적으로 완화하지 않으면 잠재적으로 위험한 결과를 초래할 수 있는 발사 차량의 표면 형상의 변화 및/또는 왜곡으로 이어질 수 있다. 따라서, 발사 차량의 표면 위에 그리고 구성요소 내에 분할 링 공진기를 사용하면 상태 변화 및/또는 기타 예상치 못한 상황에 대한 실시간 데이터를 우주비행사와 지상 직원에게 제공하는 데 도움이 될 수 있으며, 이들은 원격 측정 등에서 사소한 임시 조정에 영향을 주어 설계 파라미터에 따라 발사 공정이 계속 진행되도록 할 수 있다.
일 실시예에서, 프로 스포츠 장비 관련 응용은 경기 동안 프로 운동 선수의 보호(및 비보호) 장비로부터 원시 데이터를 모니터링하고 추적하는 것을 포함할 수 있다. 한 가지 중요한 예는 프로 축구 대회에서 (헬멧 사용이 필요한 기타 스포츠도 마찬가지) 풋볼 헬멧을 사용하는 것과, 대회가 진행되는 동안 다양한 충격 유형으로 인해 착용자의 머리가 선형 가속과 회전 가속을 모두 경험할 때 발생하는 뇌진탕(또는 그보다 더 심각한 상황)으로부터 착용자를 적절하게 보호하기 위해 헬멧이 필요하다는 것이다. 특정 예로서, 분할 링 공진기는 흡수성 발포, 공기, 젤 또는 이들의 조합으로 형성되어 선수 헬멧의 구성물에 통합된 크라운 에너지 감쇠 조립체(또는 "패딩")에 설치될 수 있다. 실제로, 분할 링 공진기는 헬멧의 실제 재료 조성(예를 들어, 흡수성 발포)의 일부일 수 있으며, 충격 동안 헬멧 내의 하나 이상의 특정 압력 지점 내에서 극심한 압축을 검출하는 데 사용된다. 따라서, 진행 중인 대회 옆에 있는 운동 훈련 스태프가 특정 선수의 헬멧에 있는 하나 이상의 흡수성 발포 삽입물이 잠재적으로 과도한 (위험한) 충격을 받았을 때 선수 자신도 모르게 실시간 "경보"를 받을 수 있으며, 심지어 이 직원에게 잠재적인 문제에 대해 전체적으로 경보할 필요도 있다.
일 실시예에서, 프로 스포츠 장비 관련 응용은 특정 선수의 주어진 경기에서 이기는 데 필요한 안전 지향적이지 않은 다른 장비의 무결성을 모니터링하는 것을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 프로 하키 선수는 경기 동안 얼음 주위의 퍽을 조작하는 데 사용되는 적절한 하키 스틱 없이 경기를 하는 것이 (일반 경기 중에) 금지될 수 있다. 스틱이 부러지면 이 선수는 부러진 도구를 즉시 버려야 할 수 있으며(거의 항상 선수는 이 부러진 스틱의 잔재물을 그 순간 얼음 위에 있는 곳마다 떨어뜨리는 것으로 끝남), 따라서 경기 중 얼음 위에 있는 동안 선수는 본질적으로 아무런 효과도 없게 된다. 구조물 내부와 흑연 하키 스틱 외부 모두에 (천연 목재 하키 스틱 외부에 부착된) 분할 링 공진기를 사용하면 스틱이 실제로 부러지기 전에 사용 중인 하키 스틱의 무결성이 한계점에 접근하는지 여부를 벤치 인력이 알 수 있어서, 선수는 임의의 이러한 파괴가 발생하기 전에 새로운 스틱으로 전환할 수 있다. 또한, 또 다른 하키 중심 응용에는 스냅 온 스냅 오프 교체 가능한 스케이트 블레이드가 포함될 수 있다. 교체 가능한 스케이트 날이 경기 동안 하우징에서 예기치 않게 해제되거나 분리되면 치명적인 결과를 초래할 수 있다. 교체 가능한 스케이트 블레이드 연결을 구성하는 두 개의 결합 요소에 분할 링 공진기를 사용하면 두 분할 링 공진기의 근접성의 변화에 기초하여 분리가 임박했는지 여부를 검출할 수 있고, 이에 따라 경기 중 이러한 분리를 방지하기 위해 선수 및/또는 벤치 스태프가 필요한 조정 및/또는 재연결을 수행할 수 있다.
일 실시예에서, 윤활유(및 연료, 냉각수 및 기타 공정 유체를 포함하되 이에 국한되지 않는 기타 필수 유체) 점도 및/또는 분자 분해 관련 응용에는 동작 동안 엔진 내에서 필수 유체(예를 들어, 모터 오일)가 분해되기 시작할 때를 분자 레벨에서 검출하는 것이 포함될 수 있다. 하나의 특정 예로서, 액체의 실제 조성물 내에 주입된 미세한 분할 링 공진기는 예를 들어 액체 내의 이물질(예를 들어, 수천 번의 점화실 연소로 인한 탄소 침전물 등)의 증가된 레벨을 검출함으로써 정규 엔진 동작 동안 유체의 분자 분해를 검출할 수 있고, 이에 따라 외부 모니터링 구성요소가 외부 미립자의 잠재적 임계값 레벨이 이 기계 수명을 연장하기 위해 윤활유를 세척하고 새로 고쳐야 하는 엔진 내 윤활유 풀의 "일부"가 된 경우 운영 및 유지 보수 담당자에게 경보하는 기능을 활성화하기 위해 보고를 표시하거나 알람을 실행할 수 있다. 유사한 분할 링 공진기를 사용하는 것은 연료, 냉각수 및 유압 유체와 같은 공정 유체를 포함하여 앞서 언급한 알려진 다른 엔진 작동 액체에도 적용될 수 있다는 점에 유의해야 한다.
일 실시예에서, 충전식 배터리 조성, 충전 및 재충전 관련 응용은 충전식 배터리의 막 구성요소(캐소드, 애노드, 분리막 등) 내의 상태가 언제 얼마나 심각하게 변화하는지 실시간으로 검출하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 충전식 배터리의 외부 케이스에 부착된 전극은 배터리 작동의 초기 충전, 방전 및 재충전 단계 동안 리튬 배터리의 캐소드(및/또는 애노드) 전체에 통합된 분할 링 공진기로부터 검출 정보를 수신할 수 있다. 따라서, 분할 링 공진기에 의해 캐소드(및/또는 애노드) 막의 재료 구성에서 이상 또는 부정합 검출은 전체 성능에 잠재적으로 영향을 미칠 수 있는, 더 큰 배터리 하우징의 단일 셀 또는 리튬 셀 블록의 잠재적인 문제를 운영 담당자에게 경보할 수 있다.
추가적으로, 일부 실시예에서 분할 링 공진기를 핑잉하는 것은 외부 소스(예를 들어, 차량 표면에 위치된 분할 링 공진기에 대한 핑)에 의해 발생할 수 있다. 다른 경우, 분할 링 공진기를 핑잉하는 것은 (예를 들어, 분할 링 공진기가 액체에 내장되거나 엔진 등의 강철 구조물 내에 내장된 경우) 주변 장애물에 의해 방지될 수 있다. 이러한 경우, 분할 링 공진기가 위치된 곳에서 데이터가 수집될 수 있다. 예를 들어, 분할 링 공진기가 장치를 통해 이동하는 액체 내에 있는 경우 이러한 분할 링 공진기는 이동 동안 마이크로프로세서(액체 내에 위치됨)에 의해 핑잉될 수 있으며, 이동 동안 데이터를 기록할 수 있다. 이러한 방식으로, 액체가 장치를 빠져나갈 때, 이동 동안 수집된 데이터를 제공할 수 있다. 또한, 이러한 데이터는 공진기가 이동하고 있는 장치와 연관된 상태 및 시그니처와 상관될 수 있다. 예를 들어, 분할 링 공진기가 윤활제 내에 내장된 경우, 이러한 윤활유는 엔진을 통해 송신될 수 있으며, 종료 후에 엔진을 통해 이동할 때 분할 링 공진기와 연관된 데이터는 분할 링 공진기의 특정 위치가 타임스탬프와 상관될 수 있도록 각 핑과 연관된 타임스탬프를 가질 수 있다. 이러한 방식으로 내부에서 검출된 이상은 윤활유가 장치를 빠져나간 후에 확인될 수 있다. 추가적으로, 다른 실시예에서, 분할 링 공진기를 핑잉하는 것으로부터 얻어진 데이터는 내부에서 (분할 링 공진기가 내장된 시스템 내에서) 수신될 수 있으며 유선 연결을 통해 외부 안테나로 전달될 수 있으며, 외부 안테나는 외부 데이터 수집 소스로 데이터를 전달할 수 있다.
함대 관리와 관련하여 분할 링 공진기는 다양한 상황에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 함대(예를 들어, 드론, 차량, 트럭, 비행기 등)를 양호한 작동 상태로 유지하는 것은 각 물품의 분할 링 공진기에 대한 개별 판독값에 기초할 수 있다. 물품의 사용을 중단하고 서비스를 받아야 하는 시기를 아는 것은 종종 1) 미리 결정된 시간 또는 이동 임계값 또는 2) 디바이스 고장(수리해야 함을 나타냄)에 기초한다. 이러한 함대 물품에 분할 링 공진기를 내장하면 함대를 정밀하게 관리할 수 있고, 이에 3) 함대 관리, 개별 차량 또는 부품 마모와 관련하여 물품의 센서가 상태 변화를 검출할 때마다 물품을 서비스하고 고장 데이터를 함대 및 부품 제조업체의 창고 및 공장 주문 시스템(CRM)에 전달하여 예정된 서비스에 앞서 부품을 적시에 동기화하여 제조 현장이나 창고 현장에서 필요한 부품에 대한 보다 정확한 예측을 향상시킬 수 있다. 추가적으로, 대량 관리(서비스 창고, 부동산 주택, 상업용 부동산 등)는 유지 관리에 시간과 비용이 많이 소요될 수 있다. 분할 링 공진기는 특정 감도(예를 들어, 바닥에서 먼지 층이 발견되는 시기 검출)에 맞게 동조될 수 있다. 이러한 적용 가능성은 (먼지가 없는 지역에서 운영되는) 연구 시설에도 적용될 수 있다.
다양한 실시예에서, 분할 링 공진기의 작동은 삼각 측량(또는 위치 지정)에 사용될 수 있다. 추가적으로, 분할 링 공진기로부터의 응답은 차례로 제2 분할 링 공진기에서 응답을 유발할 수 있으며, 이는 차례로 제3 분할 링 공진기에서 또 다른 응답을 생성할 수 있는 등의 방식이다. 이러한 방식으로, 단일 분할 링 공진기로부터의 응답은 필요에 따라 다른 분할 링 공진기를 통해 순서화될 수 있다. 다른 실시예에서, 분할 링 공진기의 작동은 GPS 데이터가 존재하지 않거나, 손상되거나, 정확도가 불충분한 지역에서 정확한 내비게이션 및 위치를 위해 삼각 측량(또는 위치 측위)에 사용될 수 있다.
다른 실시예에서, 매트리스 산업은 분할 링 공진기를 사용하여 사용자의 선호도에 맞게 매트리스의 윤곽을 수정할 수 있다. 예를 들어, 사용자는 (허리 통증 완화 등을 위해) 매트리스 특정 지점의 압력을 낮추고 싶을 수 있다. 사용자가 매트리스 위에 누워 있을 때, 분할 링 공진기(매트리스 내, 발포 재료 등 내에 내장될 수 있음)는 전체 매트리스에 걸쳐 압력 지점을 나타낼 수 있다. 매트리스와 연관된 프로세서는 이러한 데이터를 해석하고 매트리스의 윤곽(기계적 조작, 압축량에서 발포의 팽창/수축 등을 포함)을 수정하여 원하는 결과(특정 지점의 특정 압력이 표시됨)를 얻는 데 사용될 수 있다. 추가적으로, 의사는 사용자가 매트리스 위에 누워 있을 때 매트리스가 규정된 압력 지점을 충족하도록 실시간으로 구성될 수 있도록 매트리스에 입력될 수 있는 특정 세트의 매트리스 압력 지점을 (상태 완화를 위해) 제공할 수 있다. 또한, 사용자가 침대에서 자세를 (옆으로 누은 상태에 등을 대고 자는 등으로) 바꾸면, 매트리스는 사용자가 취하는 자세에 관계없이 미리 결정된 압력 지점을 충족하도록 침대의 윤곽을 지속적으로 조정할 수 있다.
나아가, 일 실시예에서는 분할 링 공진기를 사용하여 물체에서 성장을 검출할 수 있다. 예를 들어, 분할 링 공진기는 예를 들어 벽 표면(예를 들어, 외부를 향하지 않는 내부 벽)에 검은 곰팡이가 자란 경우 검은 곰팡이가 벽 표면에서 검출될 수 있도록 섬유 및 복합 섬유에 내장될 수 있다. 추가적으로, 분할 링 공진기는 누수(예를 들어, 집 지하실의 누수)를 검출하는 데 사용될 수 있다. 따라서, 주택 유지 관리 및 안전 측면에서 분할 링 공진기를 사용하여 주택 상태를 검출할 수 있다.
또한, 분할 링 공진기는 약물의 무결성(예를 들어, 약물 부패)을 검출하는 데 사용될 수 있다. 추가적으로, 이 공진기는 신체 상태(괴저의 존재, 당뇨병의 혈당 수치 등)를 검출하기 위해 센서에 사용될 수 있다.
분할 링 공진기의 공진 주파수 편이를 사용하는 것의 추가 적용 가능성은 미국 특허 출원 번호 17/884,735(발명의 명칭: "BATTERY SAFETY SYSTEM FOR DETECTING ANALYTES", 출원일: 2022년 8월 10일) 및 미국 특허 출원 번호 17/182,006(발명의 명칭: "ANALYTE SENSING DEVICE", 출원일: 2021년 2월 22일)(이들 출원 문헌의 전체 내용은 모든 목적을 위해 본 명세서에 참조에 의해 원용됨)의 맥락 내에서 적용될 수 있다.
또한, 분할 링 공진기는 소비자용 포장 상품, 예를 들어, 세탁세제, 우유 등의 개별 용기 또는 소비자용 RX 용기에 배치되어 용기에 담긴 제품의 잔량을 결정하고, 그런 다음 이 정보를 환자의 의료 관리 시스템이나 자동 재주문 시스템에 중계하여 검출하는 데 사용될 수 있다.
전술한 설명에서, 본 발명은 특정 구현예를 참조하여 설명되었다. 그러나, 본 발명의 보다 넓은 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 변형 및 변경이 이루어질 수 있음이 명백하다. 예를 들어, 위에서 설명한 공정 흐름은 처리 동작의 순서를 참조하여 설명된다. 그러나, 설명된 처리 동작 중 많은 동작의 순서는 본 발명의 범위 또는 동작에 영향을 주지 않고 변경될 수 있다. 본 설명 및 도면은 본 발명을 제한하는 의미가 아니라 예시하는 의미로 간주되어야 한다.
Claims (80)
- 차량 구성요소로서,
상기 차량 구성요소의 재료 내에 내장된 적어도 하나의 분할-링 공진기(split-ring resonator: SRR)로서, 상기 적어도 하나의 SRR은 3차원(3D) 모놀리식 탄소질 성장으로 형성된, 상기 적어도 하나의 분할-링 공진기를 포함하고;
상기 적어도 하나의 SRR은 상기 재료의 가역적 변형, 응력 또는 스트레인 중 적어도 하나에 응답하여 공진 주파수 편이를 갖도록 구성된, 차량 구성요소. - 제1항에 있어서, 상기 재료는 비-엘라스토머 재료 또는 반강성 재료인, 차량 구성요소.
- 제1항에 있어서, 상기 재료는 발포(foam) 기반 재료인, 차량 구성요소.
- 제3항에 있어서, 상기 발포 기반 재료는 상기 공진 주파수 편이를 증폭시키는, 차량 구성요소.
- 제3항에 있어서, 상기 적어도 하나의 SRR과 결합된 상기 발포 기반 재료는 상기 적어도 하나의 SRR의 공진 주파수 편이와 상기 발포 기반 재료의 주파수 응답의 조합에 기초하여 앙상블 주파수 효과를 생성하는, 차량 구성요소.
- 제1항에 있어서, 상기 차량 구성요소는 육상 차량 또는 공중 차량인, 차량 구성요소.
- 제6항에 있어서, 상기 공중 차량은 수직 이착륙(VTOL) 항공기, 전기 수직 이착륙(eVTOL) 항공기, 드론, 승객용 드론, 상업용 항공기, 군용 항공기 또는 로켓 중 하나인, 차량 구성요소.
- 제1항에 있어서, 상기 공진 주파수 편이는 상기 재료가 제1 상태에 있을 때 전자기 핑(electromagnetic ping)에 응답하여 제1 주파수에 있고, 상기 재료가 제2 상태에 있을 때 상기 전자기 핑에 응답하여 제2 주파수에 있는, 차량 구성요소.
- 제1항에 있어서, 상기 공진 주파수 편이는 상기 재료의 하나 이상의 물리적 특성에 적어도 부분적으로 기초하는, 차량 구성요소.
- 제1항에 있어서, 상기 공진 주파수 편이의 제1 주파수는 전자기 핑에 응답하여 제1 전자기 반환 신호를 생성함으로써 상기 재료의 제1 상태를 나타내고, 상기 공진 주파수 편이의 제2 주파수는 상기 전자기 핑에 응답하여 제2 전자기 반환 신호를 생성함으로써 상기 재료의 제2 상태를 나타내는, 차량 구성요소.
- 제10항에 있어서, 상기 제1 주파수는 상기 제2 주파수와 다른, 차량 구성요소.
- 제1항에 있어서, 상기 공진 주파수 편이는 상기 재료의 가역적 변형에 응답하는, 차량 구성요소.
- 제12항에 있어서, 상기 적어도 하나의 SRR은 전자기 핑에 응답하여 제1 전자기 반환 신호를 생성함으로써 상기 재료의 가역적 변형의 제1 상태를 나타내도록 구성되고, 상기 전자기 핑에 응답하여 제2 전자기 반환 신호를 생성함으로써 상기 재료의 가역적 변형의 제2 상태를 나타내도록 구성된, 차량 구성요소.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 SRR은 공진 부분을 포함하고, 상기 공진 부분은 상기 재료의 상태가 임계값을 초과할 때 전자기 핑에 응답하여 제1 주파수에서 공진하도록 구성되고, 상기 재료의 상태가 상기 임계값 미만일 때 상기 전자기 핑에 응답하여 제2 주파수에서 공진하도록 구성된, 차량 구성요소.
- 제1항에 있어서, 3D 모놀리식 탄소질 성장의 공진 주파수는 상기 재료의 유전율과 투자율 중 하나 또는 둘 다에 적어도 부분적으로 기초하는, 차량 구성요소.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 SRR은 상기 적어도 하나의 SRR 내의 제1 탄소 입자의 농도 레벨에 적어도 부분적으로 기초하여 전자기 핑에 응답하여 고유하게 공진하도록 구성된 복수의 제1 탄소 입자를 포함하는, 차량 구성요소.
- 제16항에 있어서,
상기 차량 구성요소의 재료 내에 내장되도록 구성된 제2 SRR를 추가로 포함하고,
상기 제2 SRR은 상기 제2 SRR 내의 제2 탄소 입자의 농도 레벨에 적어도 부분적으로 기초하여 전자기 핑에 응답하여 고유하게 공진하도록 구성된 복수의 제2 탄소 입자를 포함하는, 차량 구성요소. - 제17항에 있어서, 상기 제1 탄소 입자와 제2 탄소 입자 각각은 상기 재료와 화학적으로 결합되는, 차량 구성요소.
- 제17항에 있어서, 상기 제1 탄소 입자는 제1 다공성 구조를 형성하는 제1 응집체를 포함하고, 상기 제2 탄소 입자는 제2 다공성 구조를 형성하는 제2 응집체를 포함하는, 차량 구성요소.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 SRR 각각의 공진 진폭은 상기 재료의 마모 정도를 나타내고, 상기 적어도 하나의 SRR의 각 SRR은 감쇠점을 갖고, 상기 적어도 하나의 SRR의 각 SRR의 감쇠점은 전자기 핑에 대한 주파수 응답과 연관되는, 차량 구성요소.
- 차량 구성요소로서,
상기 차량 구성요소의 재료 내에 내장된 적어도 하나의 분할-링 공진기(SRR)로서, 상기 적어도 하나의 SRR은 3차원(3D) 모놀리식 탄소질 성장으로 형성된, 상기 적어도 하나의 분할-링 공진기를 포함하고;
상기 적어도 하나의 SRR은 상기 재료의 엘라스토머 속성의 변화에 응답하여 공진 주파수 편이를 갖도록 구성되고, 상기 엘라스토머 속성은 가역적 변형, 응력 또는 스트레인 중 하나 이상을 포함하는, 차량 구성요소. - 제21항에 있어서, 상기 재료는 엘라스토머 재료 또는 엘라스토머 화합물인, 차량 구성요소.
- 제21항에 있어서, 상기 공진 주파수 편이는 이벤트 시그니처로 저장되는, 차량 구성요소.
- 제23항에 있어서, 상기 이벤트 시그니처는 회전 운동에 대한 동역학 또는 비회전 운동에 대한 동역학 중 적어도 하나를 측정하도록 교정되는, 차량 구성요소.
- 제21항에 있어서, 상기 공진 주파수 편이는 타이어 스틱션(tire stiction)을 측정하도록 교정되는, 차량 구성요소.
- 제21항에 있어서, 상기 공진 주파수 편이는 초기 교정 주파수에 기초하고, 상기 공진 주파수 편이는 상기 초기 교정 주파수로부터의 편차인, 차량 구성요소.
- 제26항에 있어서, 상기 초기 교정 주파수와 상기 공진 주파수 편이 각각은 타이어와 주행 표면 사이에 상응하는 계면 유전율 값을 갖고, 상기 계면 유전율 값은 타이어 스틱션 값과 상관 관계가 있는, 차량 구성요소.
- 제21항에 있어서, 상기 공진 주파수 편이는 상기 재료가 제1 상태에 있을 때 전자기 핑에 응답하여 제1 주파수에 있고, 상기 재료가 제2 상태에 있을 때 상기 전자기 핑에 응답하여 제2 주파수에 있는, 차량 구성요소.
- 제21항에 있어서, 상기 공진 주파수 편이는 상기 재료의 하나 이상의 물리적 특성에 적어도 부분적으로 기초하는, 차량 구성요소.
- 제21항에 있어서, 상기 공진 주파수 편이의 제1 주파수는 전자기 핑에 응답하여 제1 전자기 반환 신호를 생성함으로써 상기 재료의 제1 상태를 나타내고, 상기 공진 주파수 편이의 제2 주파수는 상기 전자기 핑에 응답하여 제2 전자기 반환 신호를 생성함으로써 상기 재료의 제2 상태를 나타내는, 차량 구성요소.
- 제30항에 있어서, 상기 제1 주파수는 상기 제2 주파수와 다른, 차량 구성요소.
- 제21항에 있어서, 상기 공진 주파수 편이는 상기 재료의 가역적 변형에 응답하는, 차량 구성요소.
- 제32항에 있어서, 상기 적어도 하나의 SRR은 전자기 핑에 응답하여 제1 전자기 반환 신호를 생성함으로써 상기 재료의 가역적 변형의 제1 상태를 나타내도록 구성되고, 상기 전자기 핑에 응답하여 제2 전자기 반환 신호를 생성함으로써 상기 재료의 가역적 변형의 제2 상태를 나타내도록 구성된, 차량 구성요소.
- 제21항에 있어서, 상기 적어도 하나의 SRR은 공진 부분을 포함하고, 상기 공진 부분은 상기 재료의 상태가 임계값을 초과할 때 전자기 핑에 응답하여 제1 주파수에서 공진하도록 구성되고, 상기 재료의 상태가 상기 임계값 미만일 때 상기 전자기 핑에 응답하여 제2 주파수에서 공진하도록 구성된, 차량 구성요소.
- 제21항에 있어서, 3D 모놀리식 탄소질 성장의 공진 주파수는 상기 재료의 유전율과 투자율 중 하나 또는 둘 다에 적어도 부분적으로 기초하는, 차량 구성요소.
- 제21항에 있어서, 상기 적어도 하나의 SRR은 상기 적어도 하나의 SRR 내의 제1 탄소 입자의 농도 레벨에 적어도 부분적으로 기초하여 전자기 핑에 응답하여 고유하게 공진하도록 구성된 복수의 제1 탄소 입자를 포함하는, 차량 구성요소.
- 제36항에 있어서,
상기 차량 구성요소의 재료 내에 내장되도록 구성된 제2 SRR을 추가로 포함하고;
상기 제2 SRR은 상기 제2 SRR 내의 제2 탄소 입자의 농도 레벨에 적어도 부분적으로 기초하여 전자기 핑에 응답하여 고유하게 공진하도록 구성된 복수의 제2 탄소 입자를 포함하는, 차량 구성요소. - 제37항에 있어서, 상기 제1 탄소 입자와 제2 탄소 입자 각각은 상기 재료와 화학적으로 결합된, 차량 구성요소.
- 제37항에 있어서, 상기 제1 탄소 입자는 제1 다공성 구조를 형성하는 제1 응집체를 포함하고, 상기 제2 탄소 입자는 제2 다공성 구조를 형성하는 제2 응집체를 포함하는, 차량 구성요소.
- 제21항에 있어서, 상기 적어도 하나의 SRR 각각의 공진 진폭은 상기 재료의 마모 정도를 나타내고, 상기 적어도 하나의 SRR의 각 SRR은 감쇠점을 갖고, 상기 적어도 하나의 SRR의 각 SRR의 감쇠점은 전자기 핑에 대한 주파수 응답과 연관되는, 차량 구성요소.
- 건설 구조 유닛으로서,
상기 건설 구조 유닛의 재료 내에 내장되거나 상기 재료의 표면에 배치되는 적어도 하나의 분할-링 공진기(SRR)를 포함하고;
상기 적어도 하나의 SRR은 3차원(3D) 모놀리식 탄소질 성장으로 형성되고, 상기 적어도 하나의 SRR은 무선 전자기 자극에 응답하도록 구성되고;
상기 적어도 하나의 SRR은 하나 이상의 대응하는 고유 주파수에서 공진하도록 구성되고, 상기 주파수는 상기 적어도 하나의 SRR에 근접한 위치에 있는 상기 재료의 상태를 나타내는, 건설 구조 유닛. - 제41항에 있어서, 상기 재료는 콘크리트 또는 강철인, 건설 구조 유닛.
- 제42항에 있어서, 상기 하나 이상의 대응하는 고유 주파수의 제1 주파수는 상기 재료의 교정 시그니처와 연관되는, 건설 구조 유닛.
- 제43항에 있어서, 상기 교정 시그니처는 콘크리트가 타설되고 양생되고 경화된 후에 측정되는, 건설 구조 유닛.
- 제43항에 있어서, 상기 교정 시그니처가 측정된 후에 제2 시그니처가 측정되는, 건설 구조 유닛.
- 제45항에 있어서, 상기 제2 시그니처는 제2 주파수와 연관되는, 건설 구조 유닛.
- 제45항에 있어서, 상기 제2 시그니처는 변형, 압축의 변화, 굴곡 변화, 응답의 변화, 파손, 스트레인 또는 응력 중 적어도 하나를 나타내는, 건설 구조 유닛.
- 제41항에 있어서, 상기 적어도 하나의 SRR은 상기 재료가 제1 상태에 있을 때 상기 무선 전자기 자극에 응답하여 제1 주파수에서 공진하도록 구성되고, 상기 재료가 제2 상태에 있을 때 상기 무선 전자기 자극에 응답하여 제2 주파수에서 공진하도록 구성된, 건설 구조 유닛.
- 제41항에 있어서, 상기 3D 모놀리식 탄소질 성장의 동조된 공진 주파수는 상기 재료의 하나 이상의 물리적 특성에 적어도 부분적으로 기초하는, 건설 구조 유닛.
- 제41항에 있어서, 상기 적어도 하나의 SRR은 상기 무선 전자기 자극에 응답하여 제1 무선 전자기 반환 신호를 생성함으로써 상기 재료의 제1 상태를 나타내도록 구성되고, 상기 무선 전자기 자극에 응답하여 제2 무선 전자기 반환 신호를 생성함으로써 상기 재료의 제2 상태를 나타내도록 구성된, 건설 구조 유닛.
- 제50항에 있어서, 상기 제1 무선 전자기 반환 신호는 제1 주파수를 갖고, 상기 제2 무선 전자기 반환 신호는 상기 제1 주파수와 다른 제2 주파수를 갖는, 건설 구조 유닛.
- 제41항에 있어서, 상기 재료의 상태는 상기 재료의 변형을 포함하는, 건설 구조 유닛.
- 제52항에 있어서, 상기 적어도 하나의 SRR은 상기 무선 전자기 자극에 응답하여 제1 전자기 반환 신호를 생성함으로써 상기 재료의 변형을 나타내도록 구성되고, 상기 무선 전자기 자극에 응답하여 제2 전자기 반환 신호를 생성함으로써 상기 재료의 변형이 없음을 나타내도록 구성된, 건설 구조 유닛.
- 제41항에 있어서, 적어도 하나의 SRR은 공진 부분을 포함하는, 건설 구조 유닛.
- 제54항에 있어서, 상기 공진 부분은 상기 재료의 상태가 임계값을 초과할 때 상기 무선 전자기 자극에 응답하여 제1 주파수에서 공진하도록 구성되고, 상기 재료의 상태가 상기 임계값 미만일 때 상기 무선 전자기 자극에 응답하여 제2 주파수에서 공진하도록 구성된, 건설 구조 유닛.
- 제41항에 있어서, 3D 모놀리식 탄소질 성장의 공진 주파수는 상기 재료의 유전율과 투자율 중 하나 또는 둘 다에 적어도 부분적으로 기초하는, 건설 구조 유닛.
- 제41항에 있어서,
상기 적어도 하나의 SRR은 제1 SRR 내의 제1 탄소 입자의 농도 레벨에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 무선 전자기 자극에 응답하여 고유하게 공진하도록 구성된 복수의 제1 탄소 입자를 포함하는 제1 SRR을 추가로 포함하고,
상기 적어도 하나의 SRR은 제2 SRR 내의 제2 탄소 입자의 농도 레벨에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 무선 전자기 자극에 응답하여 고유하게 공진하도록 구성된 복수의 제2 탄소 입자를 포함하는 제2 SRR을 추가로 포함하고,
상기 제1 탄소 입자와 제2 탄소 입자 각각은 상기 재료와 화학적으로 결합되고;
상기 제1 탄소 입자는 제1 다공성 구조를 형성하는 제1 응집체를 포함하고; 또는
상기 제2 탄소 입자는 제2 다공성 구조를 형성하는 제2 응집체를 포함하는, 건설 구조 유닛. - 제41항에 있어서, 상기 적어도 하나의 SRR은 제1 SRR과 제2 SRR을 포함하는, 건설 구조 유닛.
- 제58항에 있어서,
상기 제1 SRR은 상기 무선 전자기 자극에 응답하여 제1 주파수에서 공진하도록 구성되고;
상기 제2 SRR은 상기 무선 전자기 자극에 응답하여 제2 주파수에서 공진하도록 구성되고;
상기 제1 주파수는 상기 제2 주파수와 다르고;
상기 제1 SRR 또는 상기 제2 SRR의 공진 진폭은 상기 재료의 마모 정도를 나타내고; 또는
상기 무선 전자기 자극에 응답하여 상기 제1 SRR과 상기 제2 SRR의 자연 공진 주파수의 편이 정도는 상기 재료의 변형량을 나타내는, 건설 구조 유닛. - 제58항에 있어서, 상기 제1 SRR과 상기 제2 SRR 각각은 감쇠점을 갖고, 상기 제1 SRR과 상기 제2 SRR 각각의 감쇠점은 상기 무선 전자기 자극에 대한 주파수 응답과 연관되는, 건설 구조 유닛.
- 공중 차량 구성요소로서,
상기 공중 차량 구성요소의 적어도 일부를 포함하는 재료 내에 내장된 적어도 하나의 분할-링 공진기(SRR)를 포함하고,
상기 적어도 하나의 SRR은 3차원(3D) 모놀리식 탄소질 성장으로 형성되고, 상기 적어도 하나의 SRR은 안테나로부터 방출된 전자기 자극에 응답하도록 구성되고;
상기 적어도 하나의 SRR에 근접한 위치에 있는 상기 공중 차량 구성요소의 재료와 결합된 상기 적어도 하나의 SRR은 상기 적어도 하나의 SRR에 근접한 위치에 있는 상기 재료의 상태를 나타내는 전자기 반환 신호를 형성하도록 상기 전자기 자극을 변조하는, 공중 차량 구성요소. - 제61항에 있어서, 상기 공중 차량은 수직 이착륙(VTOL) 항공기, 전기 수직 이착륙(eVTOL) 항공기, 드론, 승객용 드론, 상업용 항공기, 군용 항공기 또는 로켓 중 하나인, 공중 차량 구성요소.
- 제61항에 있어서, 상기 적어도 하나의 SRR은 착륙 패드에 대해 상기 공중 차량의 위치를 찾는 데 사용되는, 공중 차량 구성요소.
- 제61항에 있어서, 상기 적어도 하나의 SRR 중 적어도 3개의 SRR은 상기 공중 차량 구성요소의 위치를 삼각 측량하는데 사용되는, 공중 차량 구성요소.
- 제61항에 있어서, 상기 재료는 프로펠러 블레이드, 몸체 재료, 착륙 기어, 조종석 인터페이스, 또는 구조 구성요소 중 적어도 하나에서 발견되는, 공중 차량 구성요소.
- 제61항에 있어서, 상기 재료의 상태는 표면 굴곡, 프로펠러 굴곡, 또는 착륙 기어 굴곡 중 적어도 하나를 나타내는, 공중 차량 구성요소.
- 제61항에 있어서, 상기 재료의 상태는 압력, 위치, 온도 또는 고도 중 적어도 하나를 나타내기 위해 상관되는, 공중 차량 구성요소.
- 제61항에 있어서, 상기 적어도 하나의 SRR은 상기 재료가 제1 상태에 있을 때 상기 전자기 자극에 응답하여 제1 주파수에서 공진하도록 구성되고, 상기 재료가 제2 상태에 있을 때 상기 전자기 자극에 응답하여 제2 주파수에서 공진하도록 구성된, 공중 차량 구성요소.
- 제61항에 있어서, 상기 3D 모놀리식 탄소질 성장의 동조된 공진 주파수는 상기 재료의 하나 이상의 물리적 특성에 적어도 부분적으로 기초하는, 공중 차량 구성요소.
- 제61항에 있어서, 상기 적어도 하나의 SRR은 상기 전자기 자극에 응답하여 제1 전자기 반환 신호를 생성함으로써 상기 재료의 제1 상태를 나타내도록 구성되고, 상기 전자기 자극에 응답하여 제2 전자기 반환 신호를 생성함으로써 상기 재료의 제2 상태를 나타내도록 구성된, 공중 차량 구성요소.
- 제70항에 있어서, 상기 제1 전자기 반환 신호는 제1 주파수를 갖고, 상기 제2 전자기 반환 신호는 상기 제1 주파수와 다른 제2 주파수를 갖는, 공중 차량 구성요소.
- 제61항에 있어서, 상기 재료의 상태는 상기 재료의 변형을 포함하는, 공중 차량 구성요소.
- 제72항에 있어서, 상기 적어도 하나의 SRR은 상기 전자기 자극에 응답하여 제1 전자기 반환 신호를 생성함으로써 상기 재료의 변형을 나타내도록 구성되고, 상기 전자기 자극에 응답하여 제2 전자기 반환 신호를 생성함으로써 상기 재료의 변형이 없음을 나타내도록 구성된, 공중 차량 구성요소.
- 제61항에 있어서, 3D 모놀리식 탄소질 성장의 공진 주파수는 상기 재료의 유전율과 투자율 중 하나 또는 둘 다에 적어도 부분적으로 기초하는, 공중 차량 구성요소.
- 제61항에 있어서, 하나 이상의 SRR은 제1 SRR 내의 제1 탄소 입자의 농도 레벨에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 전자기 자극에 응답하여 고유하게 공진하도록 구성된 복수의 제1 탄소 입자를 포함하는 제1 분할-링 공진기(SRR)를 추가로 포함하는, 공중 차량 구성요소.
- 제75항에 있어서, 하나 이상의 SRR은 제2 SRR 내의 제2 탄소 입자의 농도 레벨에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 전자기 자극에 응답하여 고유하게 공진하도록 구성된 복수의 제2 탄소 입자를 포함하는 제2 SRR을 추가로 포함하는, 공중 차량 구성요소.
- 제76항에 있어서,
상기 제1 탄소 입자와 제2 탄소 입자 각각은 상기 재료와 화학적으로 결합되고;
상기 제1 탄소 입자는 제1 다공성 구조를 형성하는 제1 응집체를 포함하고; 또는
상기 제2 탄소 입자는 제2 다공성 구조를 형성하는 제2 응집체를 포함하는, 공중 차량 구성요소. - 제76항에 있어서, 상기 제1 SRR 또는 상기 제2 SRR 중 적어도 하나의 SRR의 공진 진폭은 상기 재료의 마모 정도를 나타내는, 공중 차량 구성요소.
- 제76항에 있어서,
상기 제1 SRR은 상기 전자기 자극에 응답하여 제1 주파수에서 공진하도록 구성되고, 상기 제2 SRR은 상기 전자기 자극에 응답하여 제2 주파수에서 공진하도록 구성되고;
상기 제1 주파수는 상기 제2 주파수와 다르고;
상기 전자기 자극에 응답하여 상기 제1 SRR과 상기 제2 SRR의 자연 공진 주파수의 편이 정도는 상기 재료의 변형량을 나타내고;
상기 제1 SRR과 상기 제2 SRR 각각은 감쇠점을 갖고; 또는
상기 제1 SRR과 상기 제2 SRR 각각의 감쇠점은 상기 전자기 자극에 대한 주파수 응답과 연관되는, 공중 차량 구성요소. - 착륙 패드로서,
상기 착륙 패드의 적어도 일부를 포함하는 재료 내에 내장되도록 구성된 적어도 하나의 분할-링 공진기(SRR)를 포함하고,
상기 적어도 하나의 SRR은 3차원(3D) 모놀리식 탄소질 성장으로 형성되고, 상기 적어도 하나의 SRR은 안테나로부터 방출된 전자기 자극에 응답하도록 구성되고;
상기 착륙 패드의 재료 및 그 환경과 결합된 상기 적어도 하나의 SRR은 상기 적어도 하나의 SRR에 근접한 위치에서 적어도 하나의 환경 상태를 나타내는 전자기 반환 신호를 형성하도록 상기 전자기 자극을 변조하는, 착륙 패드.
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