[논문]압전 페인트 센서를 이용한 복합재 구조물의 충격 신호 감지

박승복; 한대현; 강래형

doi:10.7234/composres.2014.27.4.141

압전 페인트 센서를 이용한 복합재 구조물의 충격 신호 감지
Impact Signal Monitoring of a Composite Structure Using Piezoelectric Paint Sensor 원문보기

Composites research = 복합재료, v.27 no.4, 2014년, pp.141 - 145

박승복 (Dept. of Mechatronics Engineering, and LANL-CBNU Engineering Institute Korea, Chonbuk National University) , 한대현 (Dept. of Mechatronics Engineering, and LANL-CBNU Engineering Institute Korea, Chonbuk National University) , 강래형 (Dept. of Mechatronics Engineering, and LANL-CBNU Engineering Institute Korea, Chonbuk National University)

초록
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본 논문은 충격 센서로써 압전 페인트 센서를 사용해 구조물 건전성 모니터링을 수행하였다. 본 연구에 적용된 압전 페인트는 페인트 형태의 압전 재료로 물체에 얇게 코팅할 수 있고, 추가적인 외부 전원 필요 없이 충격 센서로 사용할 수 있다는 장점을 지닌다. 본 논문에서는 복합재 시편에 압전 페인트 센서를 네 부분으로 구분하여 도포한 후 충격 실험을 수행하였다. 압전 페인트 센서의 감도는 충격 힘에 따른 출력 전압을 측정하여 구하였고, 감도 측정과 더불어, 시편에 충격이 가해진 경우 압전 페인트 센서의 출력 신호를 비교하여 충격 위치도 추정하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a structural health monitoring method using piezoelectric paint sensor designed for an impact sensor. The piezoelectric paint sensor can be flexibly deposited onto most structural surfaces in a thin form of the paint, and measure impact signals without any external device such as a power amplifier. In this study, a composite plate having four zones coated with piezoelectric paint was used for impact monitoring test. The sensitivity of the piezoelectric paint sensor was obtained by measuring the output voltages against the impact force. In addition to the sensitivity measurement, the impact position has been also estimated by comparing the output signals of the paint sensors when the impact occurs on the specimen.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 현재까지 압전 재료로써 연구되어온 압전 세라믹이나 PVDF[9-12]와는 달리 압전 페인트의 제조 방법 에 대한 표준화가 정립되어 있지 않고, 압전 페인트의 무게 비가 높으며[13] 그 특성에 대한 연구도 많이 부족한 실정이다. 본 논문에서는 PNN-PZT/Epoxy paint를 제조하여 그 특성에 대해 연구하고자 한다. 실험에서는 큰 구조물에 적용하기에 앞서 두께 1 mm의 정사각형 복합재 시편에 압전 페인트를 코팅하여 실험하였고, 그 위에 충격이 작용 하였을 때 압전 페인트에서 발생하는 출력 신호를 분석하였다.
이런 현실에 구조물 안전성을 실시간 모니터링하기 위해서 여러 해석적 방법, 센서의 활용 등 여러 가지 연구가 진행[3-7]되어 왔다. 본 연구에서는 압전 페인트를 활용한 구조물에 발생하는 외력들을 실시간 모니터링 하고 그 충격의 위치를 예측하는 연구를 하고자 한다. 압전 물질은 압전 특성을 보유한 물질로써 그 특성을 활용하여 구조물에 작용하는 충격이나 진동, 건전성 모니터링 등에 활용[7,8] 가능한 센서이다.
압전 페인트 센서가 도포된 복합재료 평판에 충격이 가해진 경우 충격 위치가 S1~S4 영역 중 어느 부분인지 판단 할 수 있는지 검토하여 보았다. 우선 각 센서 영역별 모서 리 부분을 a, b, c, d로 두고(Fig.

제안 방법

, Gr/Ep [902/02]s)에 적용했다. Fig. 3과 같이 한 변 360 mm 정사각형의 복합재 시편 위에 복합재 시편의 외곽 경계로 30 mm 폭의 공간을 두었으며, 외력의 작용에 대한 보다 정확한 결과를 얻기 위하여내부 전극을 네 영역으로 나누어 실험하였다. 네 부분의 140 × 140 mm² 면적 위에 약 50 g의 압전 페인트가 사용되었고, 압전 페인트의 두께는 약 0.
이후 분극 과정은 전계 4 kV/mm로 30분 동안 분극 처리를 하였다. 모든 실험은 일반적인 적용을 고려하여 상온에서 진행하였다.
본 연구에서는 압전 페인트 센서로 PNN-PZT와 Epoxy를 혼합한 PNN-PZT/Epoxy 페인트를 제작하여 이를 복합재 평판에 적용 후 충격 실험을 수행하였다. 압전 페인트 도표 영역을 네 부분으로 나눠 각 영역별 센서 감도를 측정해 보고 각 센서별 감도의 차이가 없음을 확인하였다.
본 논문에서는 PNN-PZT/Epoxy paint를 제조하여 그 특성에 대해 연구하고자 한다. 실험에서는 큰 구조물에 적용하기에 앞서 두께 1 mm의 정사각형 복합재 시편에 압전 페인트를 코팅하여 실험하였고, 그 위에 충격이 작용 하였을 때 압전 페인트에서 발생하는 출력 신호를 분석하였다. 이 신호를 이용하여 구조물에 외력이 작용 했을 때 실시간으로 모니터링이 가능[14,15]하고 신호의 크기로부터 외력의 크기를 예측 가능할 것으로 판단된다.
앞서 제조한 PNN-PZT 파우더를 에폭시와 혼합하여 페인트 제작을 한다. 에폭시는 국도화학의 KFR-120와 KFH-150을 혼합하여 사용하였다.
압전 페인트 센서가 도포된 복합재료 평판에 충격이 가해진 경우 충격 위치가 S1~S4 영역 중 어느 부분인지 판단 할 수 있는지 검토하여 보았다. 우선 각 센서 영역별 모서 리 부분을 a, b, c, d로 두고(Fig. 10 참고) 센서 간 인접한 부분에 충격을 가한 경우에 서로 인접한 센서간 출력 신호의 차이가 어느 정도 되는지 살펴보았다. Fig.
압전 페인트 도표 영역을 네 부분으로 나눠 각 영역별 센서 감도를 측정해 보고 각 센서별 감도의 차이가 없음을 확인하였다. 이후, 충격을 각 센서 모서리 부분에 작용하게 한 후 인접한 센서 간 신호 특성을 살펴봄으로써 충격 위치 검출 유무를 확인하였다. 실험 결과, 충격이 가해진 지점과 그렇지 않은 지점간에 출력 신호의 차이가 매우 크게 나타났으며 이를 통해 충격 위치 판별이 가능함을 확인하였다.
측정 결과, 충격이 가해진 지점 외에서는 거의 신호가 출력되지 않는 특성을 보였다. 좀더 정량적인 평가를 위해 충격이 가해진 지점의 출력 전압 peak 값을 1로 두었을 때 나머지 영역의 센서 신호는 어느 정도의 값을 가지는지 비교하였다. Fig.
15 mm로 얇게 코팅 되었다. 충격이 가해질 경우 발생하는 충격 신호 감도를 알아보기 위해 전극의 중심 부분에 충격 실험을 하여 그 출력 값을 측정하였다. 충격은 임팩트 해머(PCB 086C01) 를 사용하여 입력되는 충격의 크기를 얻기 용이했으며 dSPACE DS1102 DSP Controller Board를 이용하여 10 kHz 취득 주파수로 데이터들을 수집하였다.
5와 같은 경계조건으로 실험을 수행하였다. 해당 경계 조건에서 각각의 압전 페인트 센서에 충격이 가해진 경우(S1~S4), 감도를 측정하여 각 센서별 감도 차이는 없는지 살펴보고, 충격 위치 검출시 각 센서별 신호는 어느 정도 차이가 나는지 실험을 수행하였다.

대상 데이터

에폭시는 국도화학의 KFR-120와 KFH-150을 혼합하여 사용하였다. KFR-120과 KFH-150의 무게 비는 100:27로 혼합하여 사용하였으며 압전 파우더와 에폭시의 무게 비는 1:1로 적용하였다. 이러한 에폭시와 혼합하여 사용하는 압전 페인트는 에폭시 수지 내에 압전 파우더들이 널리 분포되며 압전 세라믹과는 달리 분극에 어려움이 많다.
혼합 용매로는 증류수(Distilled water)가 사용되었다. 사용 원료로 다섯 시약이 사용되었으며 PbO(99.9%, Sigma), NiO(99.99%, Aldrich), Nb₂O₅(99.9%, Aldrich), ZrO₂(99.99%, Aldrich), TiO₂(99.5%, Aldrich)순도의 시약을 사용하였다. 먼저 다섯 가지 시약을 일정 비율로 증류수와 함께 혼합하여 Ball Milling 과정을 거친다.
1에 요약하였다. 압전 재료로는 많이 활용되고 있는 압전 세라믹의 재료인 PZT 원료 분말에 소량의 첨가제로 저온소결이 가능하다고 검증[16]된 PNN(Pb(Ni_1/3Nb_2/3)O₃)를 첨가하여 사용하였다. NiO의 비율은 4.
앞서 제조한 PNN-PZT 파우더를 에폭시와 혼합하여 페인트 제작을 한다. 에폭시는 국도화학의 KFR-120와 KFH-150을 혼합하여 사용하였다. KFR-120과 KFH-150의 무게 비는 100:27로 혼합하여 사용하였으며 압전 파우더와 에폭시의 무게 비는 1:1로 적용하였다.
제작된 압전 페인트는 그 충격 검출 특성을 알아보기 위해 복합재 평판 시편(CU-125NS, Hankuk Fiber Co., Ltd., Gr/Ep [902/02]s)에 적용했다. Fig.
충격이 가해질 경우 발생하는 충격 신호 감도를 알아보기 위해 전극의 중심 부분에 충격 실험을 하여 그 출력 값을 측정하였다. 충격은 임팩트 해머(PCB 086C01) 를 사용하여 입력되는 충격의 크기를 얻기 용이했으며 dSPACE DS1102 DSP Controller Board를 이용하여 10 kHz 취득 주파수로 데이터들을 수집하였다.
분말의 혼합은 일반적인 산화물 혼합법으로 진행되었다. 혼합 용매로는 증류수(Distilled water)가 사용되었다. 사용 원료로 다섯 시약이 사용되었으며 PbO(99.

성능/효과

6~9에 나타내었다. S1~S4 각 네 영역에서 압전 페인트 센서 출력과 충격 힘을 비교하였으며, 결과 데이터를 Fitting한 결과 약간의 차이는 있으나 충격 크기에 비례한 1차 그래프 형태의 결과를 얻을 수 있었다. 구분된 네 영역의 구체적인 감도 값은 Table 1에 요약하였으며, 실험 결과, 각 압전 페인트 센서 감도는 0.
S1~S4 각 네 영역에서 압전 페인트 센서 출력과 충격 힘을 비교하였으며, 결과 데이터를 Fitting한 결과 약간의 차이는 있으나 충격 크기에 비례한 1차 그래프 형태의 결과를 얻을 수 있었다. 구분된 네 영역의 구체적인 감도 값은 Table 1에 요약하였으며, 실험 결과, 각 압전 페인트 센서 감도는 0.208~0.224 mV/N의 분포를 보이고, 평균적으로는 약 0.215 mV/N의 감도를 가짐을 알 수 있었다.
이후, 충격을 각 센서 모서리 부분에 작용하게 한 후 인접한 센서 간 신호 특성을 살펴봄으로써 충격 위치 검출 유무를 확인하였다. 실험 결과, 충격이 가해진 지점과 그렇지 않은 지점간에 출력 신호의 차이가 매우 크게 나타났으며 이를 통해 충격 위치 판별이 가능함을 확인하였다. 본 연구에서 개발한 압전 페인트 센서는 복합재 표면에 적용하여 충격 신호 감지에 사용될 수 있고, 추후에는 복합재료 제작에 직접 이용함으로써 복합재 구조/센서 일체형 구조물로 적용할 계획이다.
본 연구에서는 압전 페인트 센서로 PNN-PZT와 Epoxy를 혼합한 PNN-PZT/Epoxy 페인트를 제작하여 이를 복합재 평판에 적용 후 충격 실험을 수행하였다. 압전 페인트 도표 영역을 네 부분으로 나눠 각 영역별 센서 감도를 측정해 보고 각 센서별 감도의 차이가 없음을 확인하였다. 이후, 충격을 각 센서 모서리 부분에 작용하게 한 후 인접한 센서 간 신호 특성을 살펴봄으로써 충격 위치 검출 유무를 확인하였다.
11은 복합재 시편의 압전 페인트 S1 부분에 임팩트를 가했을 경우, 주변 다른 센서에서 발생한 값을 비율로 나타낸 것이다. 측정 결과 모두 직접 임팩트가 작용한 부분의 신호 외 에는 세 결과 모두 거의 신호의 변화가 나타나지 않았으며 신호 차이는 100배 이상으로써 충격이 가해진 지점과 그렇지 않은 지점을 확연히 구분할 수 있음을 알 수 있었다.
10은 하나의 예로 S1의 세 모서리(b, c, d)에 임팩트를 가했을 때 주변 압전 페인트에서 발생되는 신호를 보여준다. 측정 결과, 충격이 가해진 지점 외에서는 거의 신호가 출력되지 않는 특성을 보였다. 좀더 정량적인 평가를 위해 충격이 가해진 지점의 출력 전압 peak 값을 1로 두었을 때 나머지 영역의 센서 신호는 어느 정도의 값을 가지는지 비교하였다.

후속연구

실험 결과, 충격이 가해진 지점과 그렇지 않은 지점간에 출력 신호의 차이가 매우 크게 나타났으며 이를 통해 충격 위치 판별이 가능함을 확인하였다. 본 연구에서 개발한 압전 페인트 센서는 복합재 표면에 적용하여 충격 신호 감지에 사용될 수 있고, 추후에는 복합재료 제작에 직접 이용함으로써 복합재 구조/센서 일체형 구조물로 적용할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	압전 페인트는 어디에서 활용되는가?	압전 물질은 압전 특성을 보유한 물질로써 그 특성을 활용하여 구조물에 작용하는 충격이나 진동, 건전성 모니터링 등에 활용[7,8] 가능한 센서이다. 특 히, 압전 페인트의 경우 페인트 형태로 구조물에 적용되기 때문에 대형 선박이나 항공체, 교량 등의 거대한 구조물은 물론 그 형태에 크게 영향을 받지 않고 그 활용 위가 방대하다. 하지만 현재까지 압전 재료로써 연구되어온 압전 세라믹이나 PVDF[9-12]와는 달리 압전 페인트의 제조 방법 에 대한 표준화가 정립되어 있지 않고, 압전 페인트의 무게 비가 높으며[13] 그 특성에 대한 연구도 많이 부족한 실정이다.
	압전 물질은 무엇인가?	본 연구에서는 압전 페인트를 활용한 구조물에 발생하는 외력들을 실시간 모니터링 하고 그 충격의 위치를 예측하는 연구를 하고자 한다. 압전 물질은 압전 특성을 보유한 물질로써 그 특성을 활용하여 구조물에 작용하는 충격이나 진동, 건전성 모니터링 등에 활용[7,8] 가능한 센서이다. 특 히, 압전 페인트의 경우 페인트 형태로 구조물에 적용되기 때문에 대형 선박이나 항공체, 교량 등의 거대한 구조물은 물론 그 형태에 크게 영향을 받지 않고 그 활용 위가 방대하다.
	분극 시 압전 페인트 내부의 기공을 없애는 이유는?	이러한 에폭시와 혼합하여 사용하는 압전 페인트는 에폭시 수지 내에 압전 파우더들이 널리 분포되며 압전 세라믹과는 달리 분극에 어려움이 많다. 특히, 분극 시 압전 페인트의 불규칙한 코팅이나 내부의 미세 기공 등이 존재하면 상하부의 전극이 도전되어 타버리는 문제가 발생한다. 때문에 최대한 분극 과정에서의 문제점을 줄이기 위해 페인트 내부의 기공을 없애는 작업을 하였다.

참고문헌 (16)

Richard, H.A., Fulland, M., Sander, M., and Kullmer, G., "Examples of Fatigue Crack Growth in Real Structures", 2013, In CP2006.
Cho, B.H., Lee, D.Y., and Kim, H.J. ,"Policy for Safety of Non-buildings and Non-structural Elements Against Natural Hazards in Korea." Journal of the Earthquake Engineering Society of korea, Vol. 17, No. 5, 2013 , pp. 119-128.
Yoon, D.J., "Development of Self-Sensing Sensors for Smart Structures," Journal of the Korean Society for Composite Materials, Vol. 2003, No. 1, 2003, pp. 3-19.
Taha, M.R., Noureldin, A., Lucero, J.L., and Baca, T. J., "Wavelet Transform for Structural Health Monitoring: A Compendium of Uses and Features," Structural Health Monitoring, Vol. 5, No. 3, 2006, pp. 267-295.

상세보기
Ihn, J.B. and Chang, F.K.,"Pitch-catch Active Sensing Methods in Structural Health Monitoring for Aircraft Structures," Structural Health Monitoring, Vol. 7, No. 1, 2008, pp. 5-19.

상세보기
Kang, I., Schulz, M.J., Kim, J.H., Shanov, V., and Shi, D., "A Carbon Nanotube Strain Sensor for Structural Health Monitoring., Smart materials and structures, Vol. 15, No. 3, 2006, pp. 737.

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Gul, M., and Catbas, F.N., "Structural Health Monitoring and Damage Assessment Using a Novel Time Series Analysis Methodology with Sensor Clustering," Journal of Sound and Vibration, Vol. 330, No. 6, 2011, pp. 1196-1210.

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Levassort, F., Tran-Huu-Hue, P., Ringaard, E.. and Lethiecq, M., "High-frequency and High-temperature Electromechanical Performances of New PZT-PNN Piezoceramics," Journal of the European Ceramic Society, Vol. 21, No. 10, 2001, pp. 1361-1365.

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Lin, X., and Yuan, F.G., "Experimental Study Applying a Migration Technique in Structural Health Monitoring," Structural Health Monitoring, Vol. 4, No. 4, 2005, pp. 341-353.

상세보기
Ueberschlag, P., "PVDF Piezoelectric Polymer," Sensor Review, Vol. 21, No. 2, 2001, pp. 118-126.

상세보기
Luo, H., and Hanagud, S., "PVDF Film Sensor and Its Applications in Damage Detection," Journal of Aerospace Engineering, Vol. 12, No. 1, 1999 pp. 23-30.

상세보기
Kim, J.W., and Kim, I.G., "Detection of High-Velocity Impact Damage in Composite Laminates Using PVDF Senson Signals," Journal of the Korean Society for Composite Materials, Vol. 18, No. 6, 2005, pp. 26-33.
Payo, I., and Hale, J.M., "Sensitivity Analysis of Piezoelectric Paint Sensors Made Up of PZT Ceramic Powder and Water-based Acrylic Polymer," Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 168, No. 1, 2011, pp. 77-89.

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Zhang, Y., "Piezoelectric Paint Sensor for Nondestructive Structural Condition Monitoring," Proc. SEM X International Congress and Exposition on Experimental and Applied Mechanics, 2004, pp. 7-10.
Zhang, Y., "In situ Fatigue Crack Detection Using Piezoelectric Paint Sensor," Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol. 17, No. 10, 2006, pp. 843-852.

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Shiratsuyu, K., Hayashi, K., Ando, A., and Sakabe, Y., "Piezoelectric Characterization of Low-Temperature-Fired Pb (Zr, Ti) $O_3-Pb$ (Ni, Nb) $O_3$ Ceramics," Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 39, No. 9S, 2000, pp. 5609-5612.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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