직물 성능평가 방법 모니터링 pdf

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Abstract

본 발명은 직물형 스마트 그리드 센서에 관한 것이다. 본 발명에 의한 직물형 스마트 그리드 센서는, 구조재 역할을 할 수 있는 섬유 재질로 이루어지고, 서로 직조됨으로써 상기 구조재의 틀을 형성시키는 베이스 섬유 유닛; 상기 베이스 섬유 유닛과 함께 직조되어서 상기 틀의 일부를 형성하는 것으로, 외력에 의한 변형에 의해 전압을 형성시키는 전기활성 고분자물질을 포함하여 이루지는 동하중 센싱 유닛; 및 상기 동하중 센싱 유닛과 함께 상기 틀의 일부를 형성하는 것으로, 탄성을 가진 재질과 변형에 의해 저항이 변화되는 재질을 포함하여 이루어져서 정적 변형도를 센싱할 수 있게 하는 정하중 및 변형량 센싱 유닛;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

직물형 스마트 그리드 센서{Fabric type smart grid sensor}

본 발명은 직물형 스마트 그리드 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 3차원 구조물의 구조 건전성 모니터링 시스템 구축을 위해 적용되는 경우 센서의 손상이나 파손 등에 의해 센싱의 정밀성을 떨어뜨리는 것을 억제하고, 충격과 같은 동적인 변형 뿐만 아니라 환경 인자에 따른 정적인 변형을 정밀하게 센싱할 수 있도록, 구조가 개선된 직물형 스마트 그리드 센서에 관한 것이다.

복합재료를 포함하는 구조물 등의 객체는, 기존의 금속 구조물과는 달리, 에너지 충격 등에 의해 변형된 부분이 탄성력에 의해 복원되기 때문에, 겉으로는 변형이 이루어지지 않아 정상 상태를 유지하는 것으로 보일 수 있으나, 내부의 미세층 간 분리 및 미세 균열 등의 결함이 발생할 수 있다. 이러한 결함이 구조물의 운행 중, 결함의 확대나 성장으로 이어지거나, 결함에 심한 하중이 작용하면, 객체의 갑작스런 파괴 및 손상이 발생할 수 있어, 객체의 안전을 위해 손상부위의 위치를 초기에 감지하여 적절한 유지 보수를 수행함으로써, 원상으로 복구해야 한다.

이러한 손상부위의 위치 및 손상여부를 파악하는 기술로서, 구조물 안전성 모니터링 기술이 사용되고 있다. 대표적인 구조물안전성 모니터링 기술로는, 광섬유 센서, 음향방출, 마이크로파 센서 등을 이용하는 시험법이 사용되고 있다.

특히 광섬유 센서(FBG sensor)의 경우, 반영구적인 수명, 전자기파 등 외란에 대한 강한 저항특성 등 여러 장점을 가지고 있지만 실리카 유리를 사용하는 센서의 소재 특성 상 일방향 인장력을 제외하고 굽힘력 등 여러 종류의 외력에 대한 강성은 매우 약하다는 치명적인 단점을 가지고 있다. 다시 말해, 취성이 매우 강하여 곡률이 큰구조물 표면에 부착하거나 삽입이 필요한 경우에 그 사용성이 대단히 제한된다. 또한 지속적인 센서 작동을 위해 전력공급이 필수이기 때문에 경제적 측면도 고려하지 않을 수 없다.

이에 따라서 한국 공개특허 2012-0083261호 등의 기존의 기술에서는 압전센서와 센서 상하부에 도포된 전극을 이용하여 구조물의 모니터링을 수행할 수 있는 소형 센서에 대해서 제시하고 있다. 이러한 압전센서 역시 세라믹 재질로 인한 취성은 폭 넓은 활용에 방해가 되고 있는 실정이다. 결국 광섬유 센서(FBG sensor)와 PZT센서 등과 같이 다양한 외력에 대한 유연성이 결여된 센서는 구조물의 건전성 파악 및 평가에 그 활용범위가 매우 제한되어 있음을 의미한다.

이와 같이, 스트레인게이지, 광섬유 센서, 필름형 압전 센서는 급격한 굴곡을 가지는 3차원 구조물의 구조 건전성 모니터링 시스템을 구축하기 위해 적용되는 경우 센서 자체의 취성과 형태로 인해 센서에 파손 및 구김이 발생할 가능성이 높기 때문에, 해당 센서를 통해 측정되는 신호의 신뢰성을 보장할 수 없게 된다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 본 출원인이 등록특허공보 등록번호 제10-1653061호와 같은 직물 센서를 제안한 바 있으나, 이러한 센서의 경우에도 실제 구조물의 변형을 초래하는 다양한 요소들, 즉 강한 충격과 같은 동적하중 뿐만 아니라 정적하중을 고려하여 그 적용 가능범위를 넓게 확장할 수 있도록 설계될 필요성이 제기되었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 3차원 구조물의 구조 건전성 모니터링 시스템 구축을 위해 적용되는 경우 섬유 재질의 다른 직물과 함께 직조되고, 강한 충격과 같은 동적인 변형 뿐만 아니라 하중 및 환경적 요인에 의한 정적인 변형을 정밀하게 센싱할 수 있게 하는 직물형 스마트 그리드 센서를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 직물 형태의 센서를 설계하는 경우 인접한 다른 센서 유닛과의 연결 작업을 신속하고 정밀하게 수행할 수 있게 하는 직물형 스마트 그리드 센서를 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 직물형 스마트 그리드 센서는, 구조재 역할을 할 수 있는 섬유 재질로 이루어지고, 서로 직조됨으로써 상기 구조재의 틀을 형성시키는 베이스 섬유 유닛; 상기 베이스 섬유 유닛과 함께 직조되어서 상기 틀의 일부를 형성하는 것으로, 외력에 의한 변형에 의해 전압을 형성시키는 전기활성 고분자물질을 포함하여 이루지는 동하중 센싱 유닛; 및 상기 동하중 센싱 유닛과 함께 상기 틀의 일부를 형성하는 것으로, 탄성을 가진 재질과 변형에 의해 저항이 변화되는 재질을 포함하여 이루어져서 정적 변형도를 센싱할 수 있게 하는 정하중 및 변형량 센싱 유닛;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 동하중 센싱 유닛은, 각각 전기활성고분자 물질을 포함하여 이루어지고, 그리드 형태로 서로 교차되게 직조됨으로써 교차된 부위에서 외력에 의한 변형에 의해 전압을 형성시키는 한 쌍의 전극 유닛들을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 정하중 센싱 유닛은, 상기 변형에 의해 압전특성을 가지는 재질인 페로브스카이트 계열의 파우더를 이용하여 제작됨으로써, 상기 베이스 섬유 유닛과 함께 직조될 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.

상기 페로브스카이트는 ZnSnO₃인 것이 바람직하다.

상기 정하중 센싱 유닛은, 은나노와이어 물질을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명은, 인접한 센서와의 전기적 접속을 위해, 상기 베이스 섬유 유닛의 말단, 동하중 센싱 유닛 및 정하중 센싱 유닛의 말단에 마련되는 복수의 접속블럭들;을 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명은, 상기 접속블럭들과, 그 접속블럭들 사이사이에 위치되는 상기 인접한 센서의 터미널블럭들을, 서로 한 번의 접속동작에 의해 연결되게 하는 지퍼 타입 연결유닛;을 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 직물형 스마트 그리드 센서는, 3차원 구조물에 가해지는 강한 충격과 같은 동적 하중을 센싱하기 위한 동하중 센싱 유닛과 정적 하중 및 환경에 의한 변형량을 센싱하기 위한 정하중 및 변형량 센싱 유닛을 섬유 형태 또는 리본 형태로 형성하고, 이러한 섬유 구조의 센싱 유닛들을 3차원 구조물의 구조재 역할을 하는 베이스 섬유 유닛과 직조시켜 직물 형태의 센서 구조를 가질 수 있도록 구성됨으로써, 동적인 변형 뿐만 아니라 정적인 변형을 정밀하게 센싱할 수 있게 하여 3차원 구조물의 모니터링을 정밀하게 수행할 수 있게 하는 효과와, 동하중 센싱 유닛과 정하중 센싱 유닛을 3차원 구조물의 틀을 형성시키는 다양한 위치에 변경 배치되게 한 후 베이스 섬유 유닛과 직조시킴으로써, 센싱이 요구되는 부분의 변형도를 집중적으로 측정할 수 있게 하는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 직물형 스마트 그리드 센서의 평면도.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 단면도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 직물형 스마트 그리드 센서의 평면도.
도 4는 도 3의 Ⅳ부분 확대도.

이하의 설명에서 본 발명에 대한 이해를 명확히 하기 위하여, 본 발명의 특징에 대한 공지의 기술에 대한 설명은 생략하기로 한다. 이하의 실시 예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아님은 당연할 것이다. 따라서, 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 균등한 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.

그리고, 이하의 설명에서 동일한 식별 기호는 동일한 구성을 의미하며, 불필요한 중복적인 설명 및 공지 기술에 대한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 상기 발명의 배경이 되는 기술에 대한 기재 내용과 중복되는 이하의 본 발명의 각 실시예에 관한 설명 역시 생략하기로 한다.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 직물형 스마트 그리드 센서를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 직물형 스마트 그리드 센서의 평면도이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 단면도이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 직물형 스마트 그리드 센서는, 3차원 구조물의 구조 건전성 모니터링 시스템 구축을 위해 사용되는 것으로, 베이스 섬유 유닛(1)과 동하중 센싱 유닛(2)과 정하중 및 변형량 센싱 유닛(3)을 포함하여 이루어진다.

상기 베이스 섬유 유닛(1)은, 비행기 동체나 자동차 바디와 같은 3차원 구조물의 구조재 역할을 하는 것으로, 탄소섬유 또는 유리섬유와 같이 구조재를 형성할 수 있는 다양한 섬유 재질에 의해 구현이 가능하고, 서로 직조됨으로써 상기 구조재의 틀을 형성시킨다.

상기 동하중 센싱 유닛(2)은, 3차원 구조물에 물체가 부딪히는 것과 같은 동적 하중을 센싱하기 위한 것으로, 상기 베이스 섬유 유닛(1)과 함께 직조되어서 상기 틀의 일부를 형성하고, 외력에 의한 변형에 의해 전압을 형성시키는 전기활성 고분자물질을 포함하여 이루어진다.

상기 전기활성고분자 물질은, 외력에 의해 변형되는 경우 전압을 생성하는 특징을 갖는 모든 물질을 의미하는 것으로, 예를 들어, 이완 강유전성(Relaxor ferroelectric)의 기작으로 거동하는 PVDF 계열의 전기활성고분자 물질로 구성될 수 있다. 다만 이에 제한되지 않으며, 상기 동하중 센싱 유닛(2)은 외력에 의해 전원을 생성하고, 외력 제거시 복원될 수 있는 물질에 의해 구현할 수 있음은 물론이다.

이러한 동하중 센싱 유닛(2)은, 도 2에 잘 도시된 바와 같이, 한 쌍의 전극(21a)(22a)들 사이에 PVDF층(21b)(22b)이 위치됨으로써, 외력에 의한 변형시 전기 에너지 생성을 가능하게 한다.

상기 베이스 섬유 유닛(1)과 동하중 센싱 유닛(2)은 평직, 주자직 및 능직 구조를 포함하여 다양한 직물 형태로 직조됨으로써, 변형에 대한 적응성이 뛰어난 직물 구조의 센서를 제작할 수 있게 한다.

이러한 구성을 가지는 본 실시예는, 직물 센서가 설치되는 구조물이 받는 외력의 종류, 외부환경의 조건 등에 따라서 다양한 구조(각 구조를 조합하는 구성)로 구현할 수 있고, 2차원 직물 구조 이외에, 3차원의 쉘구조 및 구체 구조 등 일반적으로 직물이 가질 수 있는 모든 형태로 적용 가능한 장점을 가진다.

상기 정하중 및 변형량 센싱 유닛(3)은, 상기 동하중 센싱 유닛(2) 및 베이스 섬유 유닛(1)과 함께 직조되어서 상기 틀의 일부를 형성하는 것으로, 동체에 가해지는 강한 충격이 아닌 정적인 하중 및 환경변화에 의한 변형도 센싱이 가능하도록, 탄성을 가진 재질과 변형에 의해 저항이 변화되는 재질을 포함하여 이루어진다.

예컨대, 탄성변형이 가능한 PDMS(Polydimethylsiloxane) elastomer과 같은 물질을 이용하여 형상 변형 및 복원을 가능하게 하고, 이러한 물질과 함께 페로브스카이트(perovskite)와 같은 높은 압전성을 가진 물질을 이용하여 섬유 구조를 형성시킴으로써, 강한 충격이 아닌 정하중 및 환경적인 요인에 의한 변형 정도를 원활하게 측정할 수 있는 것이다.

이러한 구성을 가지는 본 발명의 일실시예에 따른 직물형 스마트 그리드 센서는, 3차원 구조물에 가해지는 강한 충격과 같은 동적 하중을 센싱하기 위한 동하중 센싱 유닛(2)과 정적 하중 및 변형량을 센싱하기 위한 정하중 및 변형량 센싱 유닛(3)을 섬유 형태 또는 리본 형태로 형성하고, 이러한 섬유 구조의 센싱 유닛들을 3차원 구조물의 구조재 역할을 하는 베이스 섬유 유닛(1)과 직조시켜 직물 형태의 센서 구조를 가질 수 있도록 구성됨으로써, 동적인 변형 뿐만 아니라 정적인 변형을 정밀하게 센싱할 수 있게 하여 3차원 구조물의 모니터링을 정밀하게 수행할 수 있게 하는 장점과, 동하중 센싱 유닛(2)과 정하중 센싱 유닛(3)을 3차원 구조물의 틀을 형성시키는 다양한 위치에 변경 배치되게 한 후 베이스 섬유 유닛(1)과 직조시킴으로써, 센싱이 요구되는 부분의 변형도를 집중적으로 측정할 수 있게 하는 장점을 도출한다.

본 실시예에서 동하중 센싱 유닛(2)은, 각각 전기활성고분자 물질과 전극(21a)(22a)을 구비하는 한 쌍의 전극 유닛을 포함하여 이루어진다. 상기 각 전극 유닛은, 전극(21a)(22a)을 사이에 두고 형성된 한 쌍의 PVDF층(21b)(22b)을 포함하여 이루어져서, 충격에 의한 전압 형성을 가능하게 한다.

즉, 상기 각 전극 유닛은, 그리드 형태로 서로 교차되게 직조됨으로써 교차된 부위에 위치된 PVDF층(21b)(22b)에 의해 변형에 따른 전압을 형성시킨다.

상기 정하중 센싱 유닛(3)은, 정적 변형에 의한 압전거동이 민감하게 발생할 수 있도록, ZnSnO₃와 같은 페로브스카이트 계열의 파우더를 이용하여 섬유 형태 또는 리본 형태로 제작된 이후 상기 베이스 섬유 유닛(1)과 함께 직조되는 것이 바람직하다.

이러한 구성을 가지는 본 실시예는, 상기 정하중 및 변형량 센싱 유닛(3)을, 정하중에 의한 형상 변형 및 복원이 가능한 재질에 상기 페로브스카이트와 같은 압전 성능이 우수한 재질을 함께 사용하여 형성시킴으로써, 정적인 변형도를 원활하게 센싱할 수 있게 한다.

이러한 정적인 변형도를 더욱 정밀하게 센싱할 수 있도록, 상기 정하중 센싱 유닛(3)은 은나노와이어 물질을 포함하여 제작되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 ZnSnO₃는 나노크기의 육면체 형상(3D)이고, 은나노와이어는 섬유형태(1D)이므로, 볼륨당 표면적 비율이 매우 크며, 전도성 패스가 우수하여 전하가 잘 이동할 수 있기 때문에, 정적 하중에 의한 변형률도 정밀하게 측정할 수 있게 한다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 직물형 스마트 그리드 센서의 평면도이고, 도 4는 도 3의 Ⅳ부분 확대도이다.

본 실시예는 인접한 센서 또는 구조물 건전성 모니터링을 위한 회로 기판 등과의 전기적 접속을 위한 복수의 접속블럭(4)들을 더 포함하여 이루어진다. 상기 각 접속블럭(4)은, 상기 베이스 섬유 유닛의 말단, 동하중 센싱 유닛 및 정하중 센싱 유닛의 말단에 마련된다.

그리고, 본 실시예는, 도 3의 확대부분에 잘 도시된 바와 같이, 상기 접속블럭(4)들과, 그 접속블럭(4)들 사이사이에 위치되는 상기 인접한 센서의 터미널블럭(5)들을, 서로 한 번의 접속동작에 의해 연결되게 하는 지퍼 타입 연결유닛(6)을 포함하여 이루어진다.

이러한 구성을 가지는 본 실시예는, 동하중에 의한 변형을 센싱하는 동하중 센싱 유닛과 정하중에 의한 변형을 센싱하는 정하중 센싱 유닛들과 다른 회로 부품과의 전기적 연결 작업을, 상기 접속블럭(4)과 지퍼 타입 연결유닛(6)에 의해 한 번의 동작으로 수행할 수 있도록 구성됨으로써, 3차원 구조물의 다양한 위치에 본 실시예를 원활하게 설치하여 원하는 기능을 구현할 수 있게 하는 장점을 기대할 수 있게 한다.

한편, 도 4에 잘 도시된 바와 같이, 상기 인접한 센서의 터미널블럭(5)은, 상기 각 센싱 유닛과의 전기적 연결을 위한 전도체(51)와, 다른 센싱 유닛과의 절연을 위한 절연체(52)를 포함하여 이루어져서, 각 센싱 유닛에 의한 정밀한 변형도 측정을 가능하게 한다.

이상 본 발명의 다양한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.

1:베이스 섬유 유닛 2:동하중 센싱 유닛
21a,22a:전극 21b,22b:PVDF층
3:정하중 및 변형량 센싱 유닛

Claims (7)

1. 구조재 역할을 할 수 있는 섬유 재질로 이루어지고, 서로 직조됨으로써 상기 구조재의 틀을 형성시키는 베이스 섬유 유닛; 상기 베이스 섬유 유닛과 함께 직조되어서 상기 틀의 일부를 형성하는 것으로, 외력에 의한 변형에 의해 전압을 형성시키는 전기활성 고분자물질을 포함하여 이루어지는 동하중 센싱 유닛; 상기 동하중 센싱 유닛과 함께 상기 틀의 일부를 형성하는 것으로, 탄성을 가진 재질과 변형에 의해 저항이 변화되는 재질을 포함하여 이루어져서 정적 변형도를 센싱할 수 있게 하는 정하중 및 변형량 센싱 유닛; 및 인접한 센서와의 전기적 접속을 위해, 상기 베이스 섬유 유닛의 말단, 동하중 센싱 유닛 및 정하중 센싱 유닛의 말단에 마련되는 복수의 접속블럭들;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 직물형 스마트 그리드 센서.

2. 제1항에 있어서,
   상기 동하중 센싱 유닛은,
   각각 전기활성고분자 물질을 포함하여 이루어지고, 그리드 형태로 서로 교차되게 직조됨으로써 교차된 부위에서 외력에 의한 변형에 의해 전압을 형성시키는 한 쌍의 전극 유닛들을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 직물형 스마트 그리드 센서.

3. 제1항에 있어서,
   상기 정하중 및 변형량 센싱 유닛은, 상기 변형에 의해 저항을 변화시키는 재질인 페로브스카이트 계열의 파우더를 이용하여 섬유 형태로 제작됨으로써, 상기 베이스 섬유 유닛과 함께 직조될 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 직물형 스마트 그리드 센서.

4. 제3항에 있어서,
   상기 페로브스카이트는 ZnSnO₃(Zinc Stannate)인 것을 특징으로 하는 직물형 스마트 그리드 센서.

5. 제3항에 있어서,
   상기 정하중 및 변형량 센싱 유닛은, 은나노와이어 물질을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 직물형 스마트 그리드 센서.

7. 제1항에 있어서,
   상기 접속블럭들과, 그 접속블럭들 사이사이에 위치되는 상기 인접한 센서의 터미널블럭들을, 서로 한 번의 접속동작에 의해 연결되게 하는 지퍼 타입 연결유닛;을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 직물형 스마트 그리드 센서.

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