KR100839226B1 - 탄소나노튜브를 포함한 센서를 사용한 크랙 측정 방법 및 부식 측정 방법 - Google Patents
탄소나노튜브를 포함한 센서를 사용한 크랙 측정 방법 및 부식 측정 방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR100839226B1 KR100839226B1 KR1020060031464A KR20060031464A KR100839226B1 KR 100839226 B1 KR100839226 B1 KR 100839226B1 KR 1020060031464 A KR1020060031464 A KR 1020060031464A KR 20060031464 A KR20060031464 A KR 20060031464A KR 100839226 B1 KR100839226 B1 KR 100839226B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- sensor
- carbon nanotubes
- polymer
- measurement object
- corrosion
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 52
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 title claims abstract description 51
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 51
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 title claims abstract description 28
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 title claims abstract description 28
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 title claims abstract description 10
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 65
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 42
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 27
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 27
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 20
- 239000006199 nebulizer Substances 0.000 claims description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 3
- 239000007921 spray Substances 0.000 claims description 2
- 238000005336 cracking Methods 0.000 abstract description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 19
- 238000010292 electrical insulation Methods 0.000 description 18
- 239000000463 material Substances 0.000 description 18
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 16
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylformamide Chemical compound CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 15
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 10
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 9
- 239000010408 film Substances 0.000 description 8
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 8
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 7
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 7
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 6
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 6
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 description 5
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 5
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 5
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 5
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 4
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 4
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 4
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 4
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 4
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 4
- 239000002048 multi walled nanotube Substances 0.000 description 4
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 4
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- 239000007853 buffer solution Substances 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 239000012777 electrically insulating material Substances 0.000 description 3
- 239000011344 liquid material Substances 0.000 description 3
- -1 polyethylene Polymers 0.000 description 3
- 239000002109 single walled nanotube Substances 0.000 description 3
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 2
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 2
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 2
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M Fluoride anion Chemical compound [F-] KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000004677 Nylon Substances 0.000 description 1
- 244000137852 Petrea volubilis Species 0.000 description 1
- 239000004695 Polyether sulfone Substances 0.000 description 1
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 1
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 1
- 238000005411 Van der Waals force Methods 0.000 description 1
- DHKHKXVYLBGOIT-UHFFFAOYSA-N acetaldehyde Diethyl Acetal Natural products CCOC(C)OCC DHKHKXVYLBGOIT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000002777 acetyl group Chemical class [H]C([H])([H])C(*)=O 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N acrylic acid group Chemical group C(C=C)(=O)O NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XECAHXYUAAWDEL-UHFFFAOYSA-N acrylonitrile butadiene styrene Chemical compound C=CC=C.C=CC#N.C=CC1=CC=CC=C1 XECAHXYUAAWDEL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004676 acrylonitrile butadiene styrene Substances 0.000 description 1
- 229920000122 acrylonitrile butadiene styrene Polymers 0.000 description 1
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 description 1
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000011231 conductive filler Substances 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 229920002313 fluoropolymer Polymers 0.000 description 1
- 238000007306 functionalization reaction Methods 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000001746 injection moulding Methods 0.000 description 1
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000002923 metal particle Substances 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 210000002569 neuron Anatomy 0.000 description 1
- 229920001778 nylon Polymers 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000000053 physical method Methods 0.000 description 1
- 229920003223 poly(pyromellitimide-1,4-diphenyl ether) Polymers 0.000 description 1
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 description 1
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 description 1
- 229920000728 polyester Polymers 0.000 description 1
- 229920006393 polyether sulfone Polymers 0.000 description 1
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 1
- 229920000915 polyvinyl chloride Polymers 0.000 description 1
- 239000004800 polyvinyl chloride Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
- G01B7/16—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
- G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
- G01D5/16—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying resistance
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
- G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
- G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
- G01R27/2605—Measuring capacitance
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
- G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y15/00—Nanotechnology for interacting, sensing or actuating, e.g. quantum dots as markers in protein assays or molecular motors
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
본 발명은, 폴리머와 상기 폴리머 내에 배치된 탄소나노튜브를 포함하는 복합소재로 이루어진 몸체부와, 상기 몸체부의 일부에 연결되는 제1전극부와, 상기 몸체부의 타부에 연결되는 제2전극부를 포함하는 센서를 이용하는 크랙 또는 부식 측정 방법에 있어서, 상기 센서를 측정 대상물에 설치하는 단계;와, 상기 센서의 상기 제1전극부와 상기 제2전극부 사이의 저항 및 커패시턴스의 값의 변화를 측정하는 단계;와, 상기 측정된 저항 및 커패시턴스의 값의 변화로 상기 측정 대상물의 크랙 또는 부식의 정도를 결정하는 단계;를 포함하는 측정 방법들을 제공한다.
Description
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 센서가 측정 대상물에 장착된 모습을 도시한 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 자른 개략적인 확대 단면도이다.
도 3은 탄소나노튜브가 폴리머에 배치된 복합소재의 모습을 보여주는 전자 주사 현미경 사진이다.
도 4는 도 3의 사진에 나타난 복합소재 모습을 개괄적으로 도시한 도면이다.
도 5 내지 도 8은 본 제1 실시예에 따른 센서의 제조 공정을 도시한 도면이다.
도 9는 본 제1 실시예에 따른 센서의 전기적 모델링과 측정 회로의 회로도이다.
도 10은 측정 대상물에 정적 하중을 준 상태의 결과를 도시한 그래프이다.
도 11은 본 제1 실시예의 센서가 장착된 캔틸레버 빔이 자유진동을 할 때, 측정한 전압 출력값(Vout)에 대한 그래프이다.
도 12는 탄소나노튜브가 폴리머에 포함된 정도를 나타내는 중량 포함율에 따 른 게이지 팩터 K의 값을 도시한 그래프이다.
도 13은 탄소나노튜브가 폴리머에 포함된 정도를 나타내는 중량 포함율에 따른 비저항의 값을 도시한 그래프이다.
도 14는 측정 대상물의 부분 중 센서가 부착된 부분에 크랙이 형성된 모습을 도시한 개략적인 평면도이다.
도 15는 크랙이 진행되는 경우에, 센서의 저항의 변화율과 커패시턴스의 변화율을 도시한 그래프이다.
도 16은 측정 대상물이 인장과 압축을 반복하는 경우, 크랙이 없는 경우와 크랙 진행율이 50％일 경우에의 전압 출력값(Vout)을 비교 도시한 그래프이다.
도 17은 부식 실험이 진행되는 경우에, 오염율에 따른 센서의 저항의 변화율과 커패시턴스의 변화율을 도시한 그래프이다.
도 18은 본 제2 실시예에 따른 센서가 측정 대상물에 장착된 모습을 도시한 개략적인 단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100, 200: 센서 110, 210: 몸체부
111: 탄소나노튜브 112: 폴리머
120, 220: 제1전극부 130, 230:제2전극부
140, 240: 측정 대상물 150: 전기절연층
160, 260: 전기전도성 접착수단 170, 270: 보호층
181, 182, 183: 분무기
본 발명은 탄소나노튜브를 포함한 센서를 이용한 측정 방법들에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 탄소나노튜브를 폴리머 내에 분산시켜 형성된 복합소재를 포함하는 센서를 이용한 크랙 측정 방법 및 부식 측정 방법에 관한 것이다.
스트레인 센서(strain sensor)는 구조체의 변형율을 측정하는 센서로서, 일반적으로 스트레인 게이지(strain gage)라 불리는 센서가 널리 사용되어 왔다.
종래의 스트레인 게이지는, 기계식 스트레인 게이지(mechanical strain gage)와 전기식 스트레인 게이지(electrical strain gage)로 구별되는데, 기계식 스트레인 게이지는 구조체의 변형을 기계적으로 측정하여 스트레인을 측정하는 방식을 채용하고 있으며, 전기식 스트레인 게이지는 구조체에 변형이 가해짐에 따라, 내부 전기저항이 변하여 스트레인을 측정할 수 있는 압저항형(piezoresistive) 소재를 사용하고 있다.
최근에는 카본 블랙(carbon black), 금속 입자, 직경이 10㎛ 정도의 카본 섬유(carbon fiber) 등의 도전성 필러(filler)와 비도전성 매트릭스(matrix) 물질을 혼합한 소재를 사용하여 스트레인 센서를 제조하려는 시도가 있었으나, 그러한 스트레인 센서는 동하중의 측정시에 높은 비선형성을 가지고 있었으므로, 스트레인을 측정함에 있어 여러 가지 문제점을 발생시켰다.
또한, 종래의 스트레인 게이지는 일반적으로 스트립(strip)형상으로 제조되어 사용되는데, 스트립 형상을 가지는 스트레인 게이지는 측정대상물의 굴곡된 부분이나 거친 표면 등에 장착이 용이하지 않는 문제점이 있었다.
또한, 지금까지의 스트레인을 측정하는 센서는 스트레인만을 측정하는 것이 일반적이었다. 따라서, 구조체에 발생하는 크랙이나 부식 정도 등을 측정하기 위해서는 별도의 센서들을 추가로 장착할 필요가 있었으므로, 그 별도의 센서 장착을 위한 공간 및 비용이 추가적으로 필요하다는 문제점이 있었다.
그러므로, 장착이 용이하면서, 감도가 우수하고 낮은 비선형성을 가지며, 스트레인 뿐만 아니라, 그 외의 필요한 물성치를 측정할 수 있는 새로운 소재의 센서를 개발할 필요가 대두된다.
본 발명의 주된 목적은, 탄소나노튜브를 폴리머내에 분산시켜 형성된 복합소재로 이루어진 센서를 이용한 크랙 측정 방법과 부식 측정 방법을 제공하는 것이다.
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
본 발명은, 폴리머와 상기 폴리머 내에 배치된 탄소나노튜브를 포함하는 복합소재로 이루어진 몸체부와, 상기 몸체부의 일부에 연결되는 제1전극부와, 상기 몸체부의 타부에 연결되는 제2전극부를 포함하는 센서를 이용하는 크랙 측정 방법에 있어서, (a) 상기 센서를 측정 대상물에 설치하는 단계;와, (b) 상기 센서의 상기 제1전극부와 상기 제2전극부 사이의 저항 및 커패시턴스의 값의 변화를 측정하는 단계;와, (c) 상기 측정된 저항 및 커패시턴스의 값의 변화로 상기 측정 대상물의 크랙의 형성 정도를 결정하는 단계;를 포함하는 크랙 측정 방법을 제공한다.
여기서, 상기 (a) 단계에서, 분무기를 이용하여 상기 센서를 상기 측정 대상물에 설치할 수 있다.
또한, 본 발명은, 폴리머와 상기 폴리머 내에 배치된 탄소나노튜브를 포함하는 복합소재로 이루어진 몸체부와, 상기 몸체부의 일부에 연결되는 제1전극부와, 상기 몸체부의 타부에 연결되는 제2전극부를 포함하는 센서를 이용하는 부식 측정 방법에 있어서, (a) 상기 센서를 측정 대상물에 설치하는 단계;와, (b) 상기 센서의 상기 제1전극부와 상기 제2전극부 사이의 저항 및 커패시턴스의 값의 변화를 측정하는 단계;와, (c) 상기 측정된 저항 및 커패시턴스의 값의 변화로 상기 측정 대상물의 부식의 정도를 결정하는 단계;를 포함하는 부식 측정 방법을 제공한다.
여기서, 상기 (a) 단계에서, 분무기를 이용하여 상기 센서를 상기 측정 대상물에 설치할 수 있다.
이하, 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 상세히 설명한다.
여기서, 상기 (a) 단계에서, 분무기를 이용하여 상기 센서를 상기 측정 대상물에 설치할 수 있다.
또한, 본 발명은, 폴리머와 상기 폴리머 내에 배치된 탄소나노튜브를 포함하는 복합소재로 이루어진 몸체부와, 상기 몸체부의 일부에 연결되는 제1전극부와, 상기 몸체부의 타부에 연결되는 제2전극부를 포함하는 센서를 이용하는 부식 측정 방법에 있어서, (a) 상기 센서를 측정 대상물에 설치하는 단계;와, (b) 상기 센서의 상기 제1전극부와 상기 제2전극부 사이의 저항 및 커패시턴스의 값의 변화를 측정하는 단계;와, (c) 상기 측정된 저항 및 커패시턴스의 값의 변화로 상기 측정 대상물의 부식의 정도를 결정하는 단계;를 포함하는 부식 측정 방법을 제공한다.
여기서, 상기 (a) 단계에서, 분무기를 이용하여 상기 센서를 상기 측정 대상물에 설치할 수 있다.
이하, 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 센서가 측정 대상물에 장착된 모습을 도시한 개략적인 사시도이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 자른 개략적인 확대 단면도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 제1 실시예에 따른 센서(100)는 몸체 부(110), 제1전극부(120) 및 제2전극부(130)를 포함하여 이루어져 있다.
몸체부(110)는 탄소나노튜브(111) 및 폴리머(polymer)(112)를 포함하는 복합소재(P1)로 이루어져 있는데, 이하, 복합소재(P1) 대해 먼저 살펴본다.
도 3은 탄소나노튜브가 폴리머에 배치된 복합소재의 모습을 25000배로 확대하여 보여주는 전자 주사 현미경 사진이고, 도 4는 도 3의 사진에 나타난 복합소재 모습을 개괄적으로 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 복합소재(P1)는 탄소나노튜브(111)와 폴리머(112)를 포함하고 있는데, 탄소나노튜브(111)는 폴리머(112) 내에 분산되어 배치되어 있다.
탄소나노튜브(111)로는 단일벽 탄소나노튜브(single-wall carbon nanotube: SWNT)를 사용한다.
본 제1 실시예의 탄소나노튜브로는 단일벽 탄소나노튜브를 사용하지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 센서는 탄소나노튜브를 포함하고 있으면 되는 것이고, 센서에 포함되는 탄소나노튜브의 종류에는 제한이 없다. 예를 들면, 본 발명에 적용되는 탄소나노튜브로 다중벽 탄소나노튜브(multi-walled carbon nanotube: MWNT)도 사용할 수 있다.
여기서, 일반적으로, 탄소나노튜브란, 다중 혹은 단겹의 흑연면(graphite sheet)이 둥그렇게 말림으로써(roll-up), 나노크기 직경의 원통형 구조를 가지는 물질이되, 그 표면은 육각형 벌집 모양이며, 길이가 직경에 비하여 크고, 그 길이 방향으로 형상의 이음매가 없는 연속형 구조의 물질을 의미한다. 상기와 같이, 탄소나노튜브는 특유의 구조를 가지고 있으므로, 폴리머(112) 내에 적절히 분산시키면, 높은 전기전도성 및 선형성의 특성을 가지게 된다.
따라서, 인장과 압축이 반복되는 동하중이 측정 대상물에 작용하게 됨으로써 발생하는 동적 스트레인(dynamic strain)을 측정하고자 할 때, 종래의 탄소 파이버(carbon fiber)나 카본 블랙(carbon black) 등을 포함한 센서는 비선형적인 성질을 보이나, 본 제1 실시예에 따른 센서(100)는 선형적인 성질을 보임으로써, 동적 스트레인의 정확한 측정이 가능하다.
본 제1 실시예의 탄소나노튜브(111)의 직경은 약 1㎚∼5㎚의 범위에 있으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 탄소나노튜브로 다양한 직경의 범위의 탄소나노튜브를 사용할 수 있게 된다.
폴리머(112)로는 폴리메틸 메타크리레이트(polymethyl methacrylate: PMMA)를 사용한다.
본 제1 실시예의 폴리머(112)로는 폴리메틸 메타크리레이트를 사용하지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 폴리머는 탄소나노튜브가 고루 분산됨으로써, 센서로서 필요한 성질을 나타낼 수 있다면, 그 소재에 있어 제한은 없다. 즉, 본 발명에 따른 폴리머는 폴리에테르 설폰(polyether sulfone), 에폭시(epoxy), 폴리비닐리딘 프루오라이드(polyvinylidine fluoride), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리비닐 크로라이드(polyvinyl chloride), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에스테르(polyester), 아크리릭(acrylic), 나일론(nylon), 셀룰로식(cellusosic), 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 폴리머(acrylonitrile-butadiene-styrene polymer), 폴리카본나이트(polycarbonate), 아세탈(acetal), 플루오로플라스틱(fluoroplastic) 등을 포함할 수 있으며, 이들 중 적어도 2개 이상을 함께 사용할 수도 있다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 몸체부(110)와 측정 대상물(140) 사이에는 전기절연층(150)이 배치된다. 전기절연층(150)은 에폭시(epoxy) 수지를 포함하여 이루어지는데, 에폭시 수지가 포함된 액상의 소재를 분무기로 뿌림으로서, 측정 대상물(140)위에 소정의 두께를 가지도록 형성한다.
전기절연층(150)은 측정 대상물(140)과 몸체부(110)의 전기적인 절연을 가능하게 하고, 몸체부(110)의 형성을 용이하게 한다. 따라서, 전기절연층(150)을 형성함에 있어서는, 측정 대상물(140)과 센서(100)의 도전성 부분과의 전기적인 절연을 위하여 충분히 넓은 폭으로 형성하는 것이 바람직하다.
본 제1 실시예의 전기절연층(150)은 에폭시 수지로 이루어졌지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명의 전기절연층은 전기 절연성의 물질로 이루어지면서, 복합소재(P1)와 잘 결합하여 측정 시 슬립(slip)을 방지할 수 있는 소재로 이루어지면 되고, 그 외에 특별한 제한은 없다.
본 제1 실시예의 전기절연층(150)은 액상의 소재를 분무기로 뿌려 측정 대상물(140)위에 형성되지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따르면, 전기절연층(150)의 소재를 미리 필름(film) 형상으로 형성한 뒤, 그 필름 형상의 소재를 적절한 크기로 재단하여, 센서(100)가 설치될 곳에 부착할 수 있다. 그 경우, 상기 필름 형상의 소재를 일면 또는 양면에 접착면이 형성되는 테이프 형상으로 구성하면, 더욱 편리하게 전기절연층을 형성할 수 있다. 예를 들면, 본 발명에 따른 전기절연층은 Kapton® 필름으로 이루어질 수도 있다.
본 제1 실시예의 센서(100)는 전기절연층(150)을 구비하고 있지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명의 측정 대상물이 도전성의 물질로 이루어지지 않은 경우에, 본 발명의 센서는 전기절연층을 구비하지 않아도 된다.
한편, 몸체부(110)는 상기의 복합소재(P1)를 액상으로 만든 후, 분무기를 사용하여 전기절연층(150)위에 소정의 두께로 도포하여 형성된다.
본 제1 실시예의 몸체부(110)는 분무기를 사용하여 액상의 복합소재(P1)를 도포함으로써, 측정 대상물(140)에 직접 설치되나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명의 몸체부(110)의 설치는, 복합소재(P1)를 사출성형 등의 방법을 사용하여 필름(film), 판(plate) 등의 형태로 가공한 후, 소정의 크기로 잘라 측정 대상물에 부착시킴으로써 이루어질 수도 있다.
몸체부(110)는 제1전극부(120) 및 제2전극부(130)와 전기적으로 연결된다.
몸체부(110)와 제1전극부(120) 및 제2전극부(130)의 전기적 연결은 전기전도성 접착수단(160)에 의해 이루어지는데, 전기전도성 접착수단(160)으로서는 실버 에폭시 페이스트(silver epoxy paste)를 사용한다.
본 제1 실시예의 전기전도성 접착수단(160)으로 실버 에폭시 페이스트를 사 용하지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 전기전도성 접착수단은 제1전극부와 제2전극부가 몸체부에 전기적으로 연결될 수 있기만 하면, 그 소재에 있어서 특별한 제한은 없다.
한편, 제1전극부(120)의 일단은 측정 회로와 연결되는 케이블과 연결될 수 있으며, 제1전극부(120) 자체가 케이블의 일단을 구성할 수도 있다.
마찬가지로, 제2전극부(130)의 일단도 측정 회로와 연결되는 케이블과 연결될 수 있으며, 제2전극부(130) 자체가 케이블의 일단을 구성할 수도 있다.
몸체부(110)의 외부와 제1전극부(120) 및 제2전극부(130)의 일부 외부에는 에폭시 소재의 보호층(170)이 형성된다.
보호층(170)은 외부의 충격 등으로부터 몸체부(110)를 보호할 뿐만 아니라, 보호층(170)은 전기 절연성의 소재로 이루어져 외부의 도전성 물체가 몸체부(110)에 접촉하는 경우, 센서(100)의 성능을 유지시키는 기능을 수행한다.
본 제1 실시예의 보호층(170)은 에폭시 수지를 포함한 소재로 이루어져 있지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명의 보호층(170)의 소재는 전기 절연성의 성질을 가지고 있고, 몸체부(110)에 잘 부착되어 배치될 수 있으면, 그 소재에 특별한 제한은 없다.
본 제1 실시예의 보호층(170)은 몸체부(110)의 전부, 제1전극부(120) 및 제2전극부(130)의 일부를 모두 덮도록 구성되어 있지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명의 보호층은 필요에 따라 몸체부의 일부만을 덮도록 구성될 수도 있다.
본 제1 실시예의 보호층(170)은, 분무기를 사용하여 에폭시 수지를 포함한 액상의 소재를 도포함으로써 형성되나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 예를 들면, 본 발명의 보호층을 얇은 필름의 형상으로 형성한 다음, 그 필름으로 몸체부를 덮도록 형성할 수도 있다.
본 제1 실시예의 센서(100)는 보호층(170)을 구비하지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명의 센서는 보호층을 구비하지 않을 수도 있다. 그러나, 센서의 보호 및 성능의 보전을 위해서는 가급적 보호층을 구비하는 것이 바람직하다.
이상과 같이, 본 제1 실시예의 센서(100)의 몸체부(110)는, 탄소나노튜브(111)를 포함한 복합소재(P1)로 이루어지기 때문에, 감도가 우수하고, 동하중 하의 변형률의 측정 시에도 선형성을 유지할 수 있는 장점이 있다.
이하에서는, 도 5 내지 도 8을 참조하여, 본 제1 실시예에 따른 센서(100)의 제조방법에 대해 설명한다.
도 5 내지 도 8은 본 제1 실시예에 따른 센서의 제조 공정을 도시한 도면이다.
우선, 몸체부(110)를 이루는 복합소재(P1)의 제조에 대해 살펴본다.
복합소재(P1)는 탄소나노튜브(111)를 폴리머(112)의 내부에 분산시킴으로써 형성된다.
탄소나노튜브(111)는 자체적으로 반데르발스 힘(van der Waals forces)에 의 해 서로 결합되어 있기 때문에 폴리머(112) 내부에 분산시키기 위해 다음과 같은 방법을 사용한다.
먼저, 탄소나노튜브(111)를 디메틸 포름아미드(dimethyl formamide)의 용매(solvent)에 투입한 후, 소닉케이터(sonicator)에서 약 12시간 동안 위치시켜, 탄소나노튜브(111)를 디메틸 포름아미드에 분산시킨다.
그 다음, 탄소나노튜브(111)가 분산되어 있는 디메틸 포름아미드에 폴리머인 폴리메틸 메타크리레이트(PMMA)를 투입시킨 후, 약 70℃의 온도에서 4시간 동안 드레멜 드릴(Dremel drill)로 전단력을 가해주며 섞는다. 여기서, 섞는 시간은 용매의 종류와, 가해주는 동력의 양에 따라 변화할 수 있다.
상기와 같은 방식으로, 탄소나노튜브(111)를 폴리머(112)에 분산시킴으로써, 몸체부(110)의 재료인 복합소재(P1)를 준비할 수 있게 된다.
본 제1 실시예에서는 폴리머(112)의 소재 이외에도 추가적인 용매인 디메틸 포름아미드를 사용하나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따르면, 추가적인 용매로 다른 용매를 사용할 수도 있고, 추가적인 용매 자체를 사용하지 않고, 바로 탄소나노튜브를 폴리머 내에 분산시킬 수 있다. 추가적인 용매 없이 바로 탄소나노튜브를 폴리머 내에 분산시키는 경우에는, 열 등을 가하거나, 액상의 폴리머를 사용하는 등의 방법으로 이루어질 수 있다.
상기와 같이, 본 제1 실시예에 따르면, 탄소나노튜브(111)를 디메틸 포름아미드 용매에 투입함으로써, 폴리머(112) 내에 용이하게 분산시킬 수 있게 된다. 상 기의 방법을 사용하는 것과 같은 맥락에서, 본 발명에 따르면, 화학적 방법 또는 물리적 방법을 사용함으로써, 탄소나노튜브에 여러 종류의 기능성 처리(functionalization)를 할 수 있다. 예를 들면, 탄소나노튜브를 폴리머에 고르게 분산시키기 위해서나, 센서의 기능, 감도 등을 높이기 위하여, 탄소나노튜브에 산(acid) 처리를 하여 표면을 개질시키거나, 탄소나노튜브에 불순물을 도핑(doping)시키거나, 필요한 물질을 탄소나노튜브에 코팅시킬 수 있다.
한편, 측정 대상물(140)에는 센서(100)를 장착할 장착 장소를 미리 지정한 후, 그 장착 장소에 샌드 페이퍼 등을 사용하여 표면을 매끄럽게 만든다. 이후, 그 표면을 세척하여 깨끗하게 한다.
다음에, 에폭시(epoxy) 수지를 포함한 용액을 액상으로 한 다음, 도 5에 도시된 바와 같이, 분무기(181)를 사용하여 상기 장착 장소에 도포함으로써 전기절연층(150)을 형성한다. 이 때, 전기절연층(150)은 측정 대상물(140)과 센서(100)의 도전성 부분과의 전기적 절연을 위해 소정의 두께를 가지도록 형성하여야 하는데, 이를 위해, 분무기로 상기 에폭시 수지를 포함한 용액을 다수의 횟수로 반복하여 뿌려 전기절연층(150)을 형성하는 것이 바람직하다.
다음에, 도 6에 도시된 바와 같이, 준비한 복합소재(P1) 용액을 전기절연층(150)에 도포함으로써 몸체부(110)를 형성하는데, 그 경우 분무기(182)를 사용하여 복합소재(P1) 용액을 뿌림으로써, 소정 두께의 몸체부(110)가 형성되도록 한다.
그 다음에, 도 7에 도시된 바와 같이, 형성된 몸체부(110)의 일단에 제1전극 부(120)를 전기전도성 접착수단(160)인 실버 에폭시 페이스트를 사용하여 연결한다. 마찬가지로, 몸체부(110)의 타단에 제2전극부(130)를 전기전도성 접착수단(160)인 실버 에폭시 페이스트를 사용하여 연결한다.
그 다음에, 도 8에 도시된 바와 같이, 보호층(170)을 몸체부(110)와, 제1전극부(120) 및 제2전극부(130)와 몸체부(110)의 연결부에 형성한다. 즉, 에폭시를 포함한 용액을 분무기(183)를 사용하여 뿌림으로써, 소정 두께의 보호층(170)이 형성되도록 한다.
이상과 같이, 본 제1 실시예의 센서(100)는 분무기(181)(182)(183)를 사용하여 몸체부(110)를 형성하기 때문에, 측정 대상물의 굴곡된 부분에도 용이하게 부착할 수 있으며, 뉴런(neuron) 형상으로 형성할 수 있으므로, 보다 넓게 센서 망(網)을 구축하기가 용이하다.
이하, 본 제1 실시예의 센서(100)를 사용한 측정방법에 대해 설명한다.
본 제1 실시예의 센서(100)는 스트레인을 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 크랙의 존재 및 부식의 정도도 측정할 수가 있다.
먼저, 센서(100)를 사용한 스트레인의 측정방법에 대해 설명하도록 한다.
우선, 사용자는 전술한 센서(100)의 제조방법을 이용하여, 측정대상물(140)에 센서(100)를 설치한다.
다음에, 제1전극부(120) 및 제2전극부(130)를 휘스톤 브릿지 회로를 포함한 측정 회로에 연결시킨다.
도 9는 본 제1 실시예에 따른 센서(100)의 전기적 모델링과 측정 회로의 회 로도이다.
즉, 센서(100)는 도 9에 도시된 바와 같이 전기적 모델링(electrical modeling)을 수행하여 표시할 수 있다. 즉, 센서(100)는 전기적 매개변수인 저항(resistance) Rs과 커패시턴스(capacitance) Cs가 병렬로 연결된 회로로 모델링할 수 있게 된다.
본 제1 실시예에서의 센서(100)의 모델링은 저항 1개와 커패시턴스 1개를 사용하여 모델링하였지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명의 센서는 정확도를 위하여 더욱 복잡한 형식으로 모델링할 수도 있다. 그러나, 본 제1 실시예의 센서(100)의 모델링으로도 필요한 특성을 충분히 표현할 수 있다.
센서(100)는 그 저항 Rs의 변화를 측정하기 위해 휘스톤 브릿지(Wheatstone bridge)에 연결되어 있는데, 센서(100)의 저항 Rs과 커패시턴스 Cs의 변화는 휘스톤 브릿지의 전압 출력값(Vout)으로 변환되어 출력되게 된다.
여기서, 휘스톤 브릿지는 크게 노드a(Na), 노드b(Nb), 노드c(Nc), 노드d(Nd)를 포함하여 구성되어 있다. 여기서, 노드b와 노드d 사이에는 저항 R1이 있고, 노드a와 노드c 사이에는 저항 R2가 있고, 노드c와 노드d 사이에는 저항 R3이 있다.
이하, 도 9를 참조하여 설명을 하도록 한다.
전압 출력값(Vout)은 노드b와 노드c 사이의 전압의 차이이며, 따라서, 다음 수학식 1에 따라 결정된다.
그리고, 수학식 2와 같이, 회로의 구동 전압(Vdrv)은 노드a와 노드c 사이의 전압(V21)과, 노드c와 노드d 사이의 전압(V22)의 합으로 표시될 수 있다.
오옴(Ohm)의 법칙에 따라, 노드a와 노드c 사이의 전압(V21)을 구하면, 다음의 수학식 3과 같다.
여기서, V11은 다음의 수학식 4로 표현할 수 있게 된다.
키르히호프(Kirchoff)의 제1법칙에 따르면, 다음의 수학식 5에 기재된 바와 같이, 센서(100)에 흐르는 전류(i1)은 저항 Rs에 흐르는 전류(i11)와 커패시턴스 Cs에 흐르는 전류(i12)의 합으로 표시되게 된다.
여기서, 스트레인의 변화율에 대해 변하는 것은 저항 Rs의 값이고, 커패시턴스 Cs의 값은 변하지 않는다.
여기서, 수학식 4에 수학식 5를 대입시키면, 1계 비선형 미분 방정식인 다음과 같은 수학식 6을 구할 수 있게 된다.
수학식 6에서, 센서의 저항 Rs와 센서에 흐르는 전압(V11)은 동시에 변하게 되는데, 이는 동 변형율(dynamic strain)이 센서의 저항 Rs과 센서에 흐르는 전압(V11)을 동시에 변화시키기 때문이다.
따라서, 센서에 흐르는 전압(V11) 값을 알기 위해서는, 우선, 게이지 팩터(K)와 측정 대상물의 스트레인으로부터 찾을 수 있는 스트레인 모델을 이용하여 센서의 저항 Rs 값을 구하는 것이 필요하다.
한편, 수학식 1의 전압 출력값은 수학식 6을 수학식 3에 대입함으로써, 구할 수 있다. 여기서, 센서의 저항 Rs은 다음의 수학식 7로 표시되고, 센서의 커패시턴 스 Cs는 다음의 수학식 8로 표시된다.
여기서, R0 및 C0는 각각 센서의 초기 저항값 및 초기 커패시턴스의 값이다.
이상과 같은 방식으로 센서(100)와 측정 회로를 이용하게 되면, 전압 출력값(Vout)을 구할 수 있게 되는데, 그러한 전압 출력값(Vout)으로부터 측정 대상물(140)의 정적 반응과 동적 반응에 의한 변형율을 알 수 있게 된다.
즉, 센서(100)와 측정 회로를 이용함으로써, 정적 반응과 동적 반응에 대해 측정한 전압출력값(Vout)에 대한 그래프는 각각 도 10, 도 11에 도시되어 있다.
도 10은 측정 대상물에 정적 하중을 준 상태의 결과를 도시한 그래프이고, 도 11은 본 제1 실시예의 센서가 장착된 캔틸레버 빔이 자유진동을 할 때, 측정한 전압 출력값(Vout)에 대한 그래프이다.
특히, 도 11에 도시된 바와 같이, 본 제1 실시예의 센서(100)는, 측정 대상물(140)이 인장과 압축을 반복해도, 측정 값의 왜곡없이 인장과 압축의 변형율을 잘 측정함을 알 수 있다.
한편, 스트레인의 측정시에는 일반적으로 게이지 팩터(gage factor)값으로 스트레인의 감도(sensitivity)를 나타내는데, 게이지 팩터 K는 다음의 수학식 9로 표현된다.
여기서, ε은 스트레인의 값, ΔR은 센서 저항 Rs의 변화량이다.
다음의 표 1은, 탄소나노튜브(111)가 폴리머(112)에 포함된 정도를 나타내는 중량 포함율에 따른 게이지 팩터 K와 비저항(resistivity)의 값을 도시한 표이고, 도 12 및 도 13은 이를 나타낸 도면이다.
여기서, 중량 포함율(％)이 100인 경우는 폴리머(112)가 없고, 탄소나노튜브(111)만으로 이루어진 경우이다.
| 중량 포함율(％) | 게이지 팩터, K | 비저항[㎝/S] |
| 0.1 | 0 | ∞ |
| 0.5 | 5.22 | 5988 |
| 1 | 3.36 | 2941 |
| 3 | 2.82 | 575 |
| 5 | 1.8 | 58 |
| 10 | 0.99 | 3 |
| 100 | 6.69 | 0.01 |
이상과 같이, 표 1, 도 12 및 도 13에 따르면, 중량 포함율이 커짐에 따라 전기 전도성이 높아지고, 게이지 팩터 K가 변화함을 알 수 있다.
또한, 일반적으로는 포함율이 1∼10％일 때가 스트레인 센서로서 적합함을 알 수 있으나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따르면, 필요에 따라 카본나노튜브(111)의 중량 포함율을 1％ 미만이나 10％이상으로 사용할 수도 있다.
이상과 같이, 본 제1 실시예의 센서(100)를 사용하면, 측정 대상물(140)의 스트레인을 측정할 수 있으며, 특히, 동하중이 작용하는 동적 스트레인의 측정에 있어서도, 측정신호의 왜곡이 없도록 정확하게 스트레인을 측정할 수 있게 된다.
다음은, 센서(100)를 사용한 크랙(crack)의 측정방법에 대해 설명하도록 한다.
우선, 사용자는 전술한 센서(100)의 제조방법을 이용하여, 측정대상물(140)에 센서(100)를 설치한다.
도 14는 측정 대상물의 부분 중 센서가 부착된 부분에 크랙이 발생된 모습을 도시한 개략적인 평면도이다.
도 14에 도시된 바와 같이, 측정 대상물(140)의 부분 중 센서(100)가 부착된 부분에 크랙(W)이 발생되기 시작하면, 측정 대상물(140)과 센서(100)의 밀착성에 의해 센서(100)의 일부 부분도 분리되기 시작한다.
그렇게 되면, 센서(100)의 저항 Rs은 커지고, 커패시턴스 Cs의 값은 작아지게 되는데, 그렇게 되면, 도 8에 도시된 휘스턴 브릿지 회로의 전압 출력값(Vout)이 변하게 된다.
즉, 전압 출력값(Vout)은 크랙이 커짐에 따라, 진폭값이 커지면서, 위상(phase)이 더욱 앞서게 된다.
크랙이 완전히 진행되게 되면, 센서(100)가 크랙(W)에 의해 완전히 분리되기 때문에 저항 Rs은 무한대의 값을 갖게 되고, 커패시턴스 Cs는 0의 값을 갖게 된다.
도 15는 크랙이 진행되는 경우에, 저항 Rs의 변화와 커패시턴스 Cs의 변화를 도시한 그래프이다. 여기서, 가로축의 단위인 크랙 진행율이란 센서(100)의 길이 방향에 대해 수직방향으로 크랙(W)이 진행될 때, 크랙(W)의 진행 길이(d)와 센서의 폭(b)의 비((d×100)/b)로 정의된다. 따라서, 크랙 진행율이 100％에 도달하게 되면, 크랙(W)에 의해 센서(100)가 완전히 분리되었음을 의미한다.
도 16은 측정 대상물이 인장과 압축을 반복하는 경우, 크랙이 없는 경우와 크랙 진행율이 50％일 경우에의 전압 출력값(Vout)을 비교 도시한 그래프이다.
도 16에 도시된 바와 같이, 크랙(W)이 존재하는 경우에 진폭이 더 커지고, 위상이 앞서게 됨을 알 수 있는데, 이는 전술한 바와 같이, 센서(100)의 저항 Rs과 커패시턴스 Cs가 변하기 때문이다.
이상과 같이, 크랙(W)의 진행 정도에 따라, 전기적 매개변수인 저항 Rs 및 커패시턴스 Cs의 변화가 일어나고, 그 경우, 그에 따라, 전압 출력값(Vout)의 진폭 및 위상도 변함을 알 수 있다. 따라서, 이러한 데이터들을 이용하여, 크랙 발생 시스템을 식별(system identification)함으로써, 크랙 측정을 위한 수학적 모델을 수립할 수 있게 된다. 그렇게 되면, 본 제1 실시예의 센서(100)를 사용하여 크랙의 진행 정도를 파악할 수 있게 된다.
다음은, 센서(100)를 사용한 부식(corrosion)의 정도의 측정방법에 대해 설명하도록 한다.
우선, 사용자는 전술한 센서(100)의 제조방법을 이용하여, 측정대상물(140)에 센서(100)를 설치한다.
측정 대상물(140)의 부식이 일어나게 되면, 측정 대상물(140)로부터 부식 이온(corrosion ion)이 발생하게 된다. 그러한, 부식 이온들은 센서(100)로 침투하여 확산되게 되는데, 확산된 부식 이온들은 마치 도핑(doping) 효과처럼, 센서(100)의 전기적 매개변수(electrical parameter)에 영향을 주게 된다.
센서(100)의 전기적 매개변수 중 저항 Rs 및 커패시턴스 Cs가 변하게 되는데, 특히, 커패시턴스 Cs의 변화가 두드러지게 된다.
부식에 의해 센서의 저항 Rs과 커패시턴스 Cs가 변하는 정도를 보기 위해, 부식실험을 실시하였고, 그 결과 그래프는 도 17에 도시되어 있다.
즉, 도 17은 부식 실험이 진행되는 경우에, 오염율에 따른 센서(100)의 저항Rs의 변화율과 커패시턴스 Cs의 변화율을 도시한 그래프이다.
부식실험은 센서(100)가 장착된 측정 시편에 화학적 버퍼 솔루션(chemical buffer solution)을 이용하여 인위적으로 오염시킴으로써, 부식의 경우와 유사하게 환경을 조성한 후, 저항 Rs과 커패시턴스 Cs를 측정하여 이루어진다. 여기서, 오염율 50％라 함은 센서(100)의 50％에 화학적 버퍼 솔루션이 접촉한 경우이고, 오염율 100％라 함은 센서(100)의 전체에 화학적 버퍼 솔루션이 접촉함으로써 센서(100)의 전체에 이온들이 침투한 경우를 의미한다.
도 17에 도시된 바와 같이, 이온에 의한 오염율이 증가할수록 센서(100)의 저항 Rs과 커패시턴스 Cs가 변화한다. 특히, 커패시턴스 Cs는 약 60배 정도로 증가함을 알 수가 있다.
따라서, 부식의 정도와 저항 Rs및 커패시턴스 Cs의 변화에 대한 데이터를 이용하면, 부식 메커니즘에 대해 시스템 식별을 통하여 부식 측정을 위한 모델을 수립할 수 있으므로, 센서(100)로 부식의 정도를 측정할 수 있게 된다.
이상과 같이, 스트레인, 크랙 및 부식의 측정함에 있어서, 본 제1 실시예의 센서(100)를 사용하기 위해서는 휘스톤 브릿지를 이용한 측정 회로와 같이 사용하였지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따르면, 본 제1 실시예의 센서(100)를 사용함에 있어, 기타 다른 형태의 측정 회로와 같이 사용할 수 있으며, 직접 센서(100)에 저항 및 커패시턴스를 측정할 수 있는 계측기기를 연결하여 사용할 수도 있다.
이상과 같이, 본 제1 실시예의 센서(100)를 이용하면, 스트레인, 크랙 및 부식의 정도의 측정을 수행할 수 있게 된다. 특히, 이를 위해, 하나의 측정 회로를 이용할 수 있으므로, 보다 경제적으로 측정할 수 있게 된다.
이하에서는 도 18을 참조하여, 본 발명의 제2 실시예에 관하여 설명하되, 상기 제1 실시예와 상이한 사항을 중심으로 설명한다.
도 18은 본 제2 실시예에 따른 센서가 측정 대상물에 장착된 모습을 도시한 개략적인 단면도이다.
도 18에 도시된 바와 같이, 본 제2 실시예에 따른 센서(200)는 몸체부(210), 제1전극부(220) 및 제2전극부(230)를 포함하여 이루어져 있다.
몸체부(210)는 탄소나노튜브(미도시) 및 폴리머(polymer)(미도시)를 포함하는 복합소재로 이루어져 있다.
본 제2 실시예에 사용되는 탄소나노튜브로는 다중벽 탄소나노튜브가 사용된다.
본 제2 실시예에 사용되는 폴리머로는 전술한 제1 실시예의 폴리머(112)와 동일한 소재를 사용할 수 있으므로, 여기서 설명은 생략하기로 한다.
본 제2 실시예에 센서(200)는 전기 절연성의 소재로 이루어진 측정 대상물(240)에 부착되기 때문에, 전기절연층을 구비하지 않고, 바로, 몸체부(210)가 측정 대상물(240)에 배치된다.
본 제2 실시예에 따른 몸체부(210)는 탄소나노튜브를 포함한 복합소재를 미리 필름 형상으로 성형한 후, 그 필름 형상의 물체를 필요한 크기로 잘라 측정 대상물(240)에 부착하여 형성된다.
몸체부(210)는 제1전극부(220) 및 제2전극부(230)와 전기적으로 연결되는데, 전술한 제1 실시예의 경우와 상이하게, 제1전극부(220) 및 제2전극부(230)는 몸체부(210)의 상면에 접촉하여 설치된다.
몸체부(210)와 제1전극부(220) 및 제2전극부(230)의 전기적 연결은 전기전도성 접착수단(260)에 의해 이루어지는데, 전기전도성 접착수단(260)으로서는 실버 에폭시 페이스트를 사용한다.
몸체부(210)의 외부와 제1전극부(220) 및 제2전극부(230)의 일부 외부에는 에폭시 소재의 보호층(270)이 형성된다.
이상과 같이, 본 제2 실시예에 따른 센서(200)는 필름형상으로 미리 형성된 몸체부(210)를 구비함으로써, 그 설치가 신속하게 이루어질 수 있는 장점이 있다.
이상과 같이 살펴본 구성, 작용 및 효과 이외의 제2 실시예의 센서(200)의 구성, 작용 및 효과는 상기 제1 실시예에 따른 센서(100)의 구성, 작용 및 효과와 동일하므로, 본 설명에서는 생략하기로 한다.
또한, 제2 실시예의 센서(200)의 제조방법은, 전술한 바와 같이 다중벽 탄소나노튜브를 포함한 복합소재를 필름형태로 우선 형성한 후, 그 필름형상의 소재를 이용한 몸체부(210)를 측정 대상물에 부착시킨다는 점 이외에는 전술한 제1 실시예의 센서(100)의 제조방법과 동일하므로, 여기서 설명은 생략하기로 한다.
또한, 제2 실시예의 센서(200)를 이용한 측정방법도, 전술한 제1 실시예의 센서(100)를 이용한 측정방법과 동일한 방법으로, 스트레인, 크랙 및 부식을 측정할 수 있으므로, 여기서 설명은 생략하기로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 센서는, 탄소나노튜브를 포함함으로써, 감도가 우수하고, 뛰어난 선형성을 가지는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 센서를 이용하면, 스트레인 뿐만 아니라, 크랙, 부식을 측정할 수 있으므로, 추가적으로 필요한 설치 공간 및 비용 등을 줄일 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
Claims (11)
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 폴리머와 상기 폴리머 내에 배치된 탄소나노튜브를 포함하는 복합소재로 이루어진 몸체부와, 상기 몸체부의 일부에 연결되는 제1전극부와, 상기 몸체부의 타부에 연결되는 제2전극부를 포함하는 센서를 이용하는 크랙 측정 방법에 있어서,(a) 상기 센서를 측정 대상물에 설치하는 단계;(b) 상기 센서의 상기 제1전극부와 상기 제2전극부 사이의 저항 및 커패시턴스의 값의 변화를 측정하는 단계; 및(c) 상기 측정된 저항 및 커패시턴스의 값의 변화로 상기 측정 대상물의 크랙의 형성 정도를 결정하는 단계;를 포함하는 크랙 측정 방법.
- 제8항에 있어서,상기 (a) 단계에서, 분무기를 이용하여 상기 센서를 상기 측정 대상물에 설치하는 크랙 측정 방법.
- 폴리머와 상기 폴리머 내에 배치된 탄소나노튜브를 포함하는 복합소재로 이루어진 몸체부와, 상기 몸체부의 일부에 연결되는 제1전극부와, 상기 몸체부의 타부에 연결되는 제2전극부를 포함하는 센서를 이용하는 부식 측정 방법에 있어서,(a) 상기 센서를 측정 대상물에 설치하는 단계;(b) 상기 센서의 상기 제1전극부와 상기 제2전극부 사이의 저항 및 커패시턴스의 값의 변화를 측정하는 단계; 및(c) 상기 측정된 저항 및 커패시턴스의 값의 변화로 상기 측정 대상물의 부식의 정도를 결정하는 단계;를 포함하는 부식 측정 방법.
- 제10항에 있어서,상기 (a) 단계에서, 분무기를 이용하여 상기 센서를 상기 측정 대상물에 설치하는 부식 측정 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020060031464A KR100839226B1 (ko) | 2006-04-06 | 2006-04-06 | 탄소나노튜브를 포함한 센서를 사용한 크랙 측정 방법 및 부식 측정 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020060031464A KR100839226B1 (ko) | 2006-04-06 | 2006-04-06 | 탄소나노튜브를 포함한 센서를 사용한 크랙 측정 방법 및 부식 측정 방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20070099983A KR20070099983A (ko) | 2007-10-10 |
| KR100839226B1 true KR100839226B1 (ko) | 2008-06-17 |
Family
ID=38805146
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020060031464A Expired - Fee Related KR100839226B1 (ko) | 2006-04-06 | 2006-04-06 | 탄소나노튜브를 포함한 센서를 사용한 크랙 측정 방법 및 부식 측정 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR100839226B1 (ko) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101291452B1 (ko) | 2011-11-29 | 2013-07-30 | 한국가스공사 | 배관 비파괴 검사로봇의 트랙션 시스템 |
| KR101293077B1 (ko) | 2011-11-22 | 2013-08-05 | 주식회사 엘앤엘 | 부식감지센서 및 부식감지방법 |
| KR101294586B1 (ko) * | 2010-12-01 | 2013-08-07 | 서강대학교산학협력단 | 스트레인 게이지의 부착 구조물 |
| KR20180044050A (ko) * | 2016-10-21 | 2018-05-02 | 경북대학교 산학협력단 | 변형률을 표시하는 변형률 계측 센서 및 이의 제조 방법 |
| US10502676B2 (en) | 2016-06-30 | 2019-12-10 | Seth S. Kessler | Disposable witness corrosion sensor |
| US10939379B2 (en) | 2016-11-14 | 2021-03-02 | Analog Devices Global | Wake-up wireless sensor nodes |
| US10944162B2 (en) | 2016-06-10 | 2021-03-09 | Analog Devices, Inc. | Passive sensor system with carbon nanotube components |
| US11656193B2 (en) | 2020-06-12 | 2023-05-23 | Analog Devices, Inc. | Self-calibrating polymer nano composite (PNC) sensing element |
| US12044715B2 (en) | 2020-10-27 | 2024-07-23 | Analog Devices, Inc. | Wireless integrity sensing acquisition module |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101966541B1 (ko) * | 2017-09-13 | 2019-04-05 | 포항공과대학교 산학협력단 | 마이크로 섬유표면의 크랙 구조를 이용한 신축성 고민감도 변형률 측정 센서 및 그 제조방법 |
| JP7523113B2 (ja) | 2020-06-15 | 2024-07-26 | 公立大学法人大阪 | 気流センサ及び飛行体 |
| KR102421428B1 (ko) * | 2020-12-21 | 2022-07-14 | 부경대학교 산학협력단 | 스마트 범퍼 스토퍼 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6528020B1 (en) | 1998-08-14 | 2003-03-04 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Carbon nanotube devices |
| JP2003247802A (ja) * | 2002-02-25 | 2003-09-05 | Toyoaki Kimura | 導電性粒子−高分子系による歪みセンサー |
| KR20030086442A (ko) * | 2002-05-02 | 2003-11-10 | 지벡스 코포레이션 | 폴리머 및 나노튜브를 용해시키기 위한 이 폴리머의이용방법 |
| US6918284B2 (en) | 2003-03-24 | 2005-07-19 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Interconnected networks of single-walled carbon nanotubes |
| JP2005281672A (ja) * | 2004-03-01 | 2005-10-13 | Mitsubishi Rayon Co Ltd | カーボンナノチューブ含有組成物、これからなる塗膜を有する複合体、及びそれらの製造方法 |
| JP2005285822A (ja) | 2004-03-26 | 2005-10-13 | Fujitsu Ltd | 半導体装置および半導体センサ |
-
2006
- 2006-04-06 KR KR1020060031464A patent/KR100839226B1/ko not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6528020B1 (en) | 1998-08-14 | 2003-03-04 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Carbon nanotube devices |
| JP2003247802A (ja) * | 2002-02-25 | 2003-09-05 | Toyoaki Kimura | 導電性粒子−高分子系による歪みセンサー |
| KR20030086442A (ko) * | 2002-05-02 | 2003-11-10 | 지벡스 코포레이션 | 폴리머 및 나노튜브를 용해시키기 위한 이 폴리머의이용방법 |
| US6918284B2 (en) | 2003-03-24 | 2005-07-19 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Interconnected networks of single-walled carbon nanotubes |
| JP2005281672A (ja) * | 2004-03-01 | 2005-10-13 | Mitsubishi Rayon Co Ltd | カーボンナノチューブ含有組成物、これからなる塗膜を有する複合体、及びそれらの製造方法 |
| JP2005285822A (ja) | 2004-03-26 | 2005-10-13 | Fujitsu Ltd | 半導体装置および半導体センサ |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101294586B1 (ko) * | 2010-12-01 | 2013-08-07 | 서강대학교산학협력단 | 스트레인 게이지의 부착 구조물 |
| KR101293077B1 (ko) | 2011-11-22 | 2013-08-05 | 주식회사 엘앤엘 | 부식감지센서 및 부식감지방법 |
| KR101291452B1 (ko) | 2011-11-29 | 2013-07-30 | 한국가스공사 | 배관 비파괴 검사로봇의 트랙션 시스템 |
| US10944162B2 (en) | 2016-06-10 | 2021-03-09 | Analog Devices, Inc. | Passive sensor system with carbon nanotube components |
| US10502676B2 (en) | 2016-06-30 | 2019-12-10 | Seth S. Kessler | Disposable witness corrosion sensor |
| KR20180044050A (ko) * | 2016-10-21 | 2018-05-02 | 경북대학교 산학협력단 | 변형률을 표시하는 변형률 계측 센서 및 이의 제조 방법 |
| KR101895681B1 (ko) | 2016-10-21 | 2018-09-05 | 경북대학교 산학협력단 | 변형률을 표시하는 변형률 계측 센서 및 이의 제조 방법 |
| US10939379B2 (en) | 2016-11-14 | 2021-03-02 | Analog Devices Global | Wake-up wireless sensor nodes |
| US11656193B2 (en) | 2020-06-12 | 2023-05-23 | Analog Devices, Inc. | Self-calibrating polymer nano composite (PNC) sensing element |
| US12044715B2 (en) | 2020-10-27 | 2024-07-23 | Analog Devices, Inc. | Wireless integrity sensing acquisition module |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20070099983A (ko) | 2007-10-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR100839226B1 (ko) | 탄소나노튜브를 포함한 센서를 사용한 크랙 측정 방법 및 부식 측정 방법 | |
| Wang et al. | Strain sensing of printed carbon nanotube sensors on polyurethane substrate with spray deposition modeling | |
| Loyola et al. | In situ strain monitoring of fiber-reinforced polymers using embedded piezoresistive nanocomposites | |
| Rein et al. | Sensors and sensitivity: Carbon nanotube buckypaper films as strain sensing devices | |
| Parmar et al. | Effect of CNT alignment on the strain sensing capability of carbon nanotube composites | |
| US8159235B2 (en) | Electrical impedance tomography of nanoengineered thin films | |
| Fujimoto et al. | Aerosol jet printed capacitive strain gauge for soft structural materials | |
| Wang et al. | A review for conductive polymer piezoresistive composites and a development of a compliant pressure transducer | |
| US7971489B2 (en) | Carbon nanotube-based load cells | |
| US20090121872A1 (en) | Passive wireless readout mechanisms for nanocomposite thin film sensors | |
| US9618403B2 (en) | Strain sensors and methods of manufacture and use | |
| Shakeel et al. | Fabrication of cost effective and high sensitivity resistive strain gauge using DIW technique | |
| US9194832B2 (en) | Structural health monitoring using sprayable paint formulations | |
| Anas et al. | Structural health monitoring of GFRP laminates using graphene-based smart strain gauges | |
| Guo et al. | Pre-fatigue enhancing both long-term stability and sensitivity of direct-ink-writing printed sensors | |
| Sanli et al. | Piezoresistive pressure sensor based on carbon nanotubes/epoxy composite under cyclic loading | |
| CN107726971A (zh) | 应变传感器 | |
| Loh et al. | Conformable single-walled carbon nanotube thin film strain sensors for structural monitoring | |
| Helseth | Electrical impedance spectroscopy of multiwall carbon nanotube–PDMS composites under compression | |
| Feng et al. | Highly stretchable and sensitive strain sensors with ginkgo-like sandwich architectures | |
| US20240110069A1 (en) | Process for producing paint containing carbon nanomaterials, products and use in monitoring strains, stresses and impact | |
| JP5605559B2 (ja) | 金属表面処理を施したナノフィラーからなる高感度ひずみセンサ | |
| Słoma et al. | Investigations on printed elastic resistors containing carbon nanotubes | |
| Zhu et al. | Influences of compression cycles on piezocapacitive effect of carbon black filled silicone rubber composite | |
| Nadeem et al. | Fabrication of temperature-and humidity-independent silver nanoparticle's carbon composite-based strain sensor through additive manufacturing process |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| PA0109 | Patent application |
Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20060406 |
|
| PA0201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| PE0902 | Notice of grounds for rejection |
Comment text: Notification of reason for refusal Patent event date: 20070417 Patent event code: PE09021S01D |
|
| PG1501 | Laying open of application | ||
| E90F | Notification of reason for final refusal | ||
| PE0902 | Notice of grounds for rejection |
Comment text: Final Notice of Reason for Refusal Patent event date: 20071116 Patent event code: PE09021S02D |
|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| PE0701 | Decision of registration |
Patent event code: PE07011S01D Comment text: Decision to Grant Registration Patent event date: 20080324 |
|
| GRNT | Written decision to grant | ||
| PR0701 | Registration of establishment |
Comment text: Registration of Establishment Patent event date: 20080611 Patent event code: PR07011E01D |
|
| PR1002 | Payment of registration fee |
Payment date: 20080612 End annual number: 3 Start annual number: 1 |
|
| PG1601 | Publication of registration | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20110608 Year of fee payment: 4 |
|
| PR1001 | Payment of annual fee |
Payment date: 20110608 Start annual number: 4 End annual number: 4 |
|
| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee | ||
| PC1903 | Unpaid annual fee |