[논문]압광 및 형광 기반의 스마트 센서 개발

조민영; 김지식

압광 및 형광 기반의 스마트 센서 개발 원문보기

인포메이션 디스플레이 = Information display, v.17 no.2, 2016년, pp.25 - 31

조민영 (경북대학교 나노소재공학부) , (경북대학교 나노소재공학부) , 김지식 (경북대학교 나노소재공학부)

초록
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압광 기술의 발전으로 인하여 압광 소재가 형광 페인트나 박막 형태로 제조되어, 응력을 받고 있는 소재의 표면에 적용됨으로써 실시간으로 가해지는 응력과 변형의 정도 및 그 변화를 가시적으로 표시 하고자 하는 센서 기술이 지난 10 여 년간 비약적으로 발전하였다. 이러한 성과를 바탕으로 본 기술 특집 원고에서는 압광 및 형광 기반의 스마트 센서 개발과 관련된 분야에 특화된 내용을 중점적으로 요약 소개 하였다.

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 압광 재료 개발의 최종 목표는 형광 페인트나 박막 형태로 제조되어, 응력을 받고 있는 소재의 표면에 적용됨으로써 실시간으로 가해지는 응력과 변형의 정도 및 그 변화를 가시적으로 표시 하고자 하는 것이다. 상술한 물리적 특성을 기반으로 지난 10 여 년간 다양한 연구 성과들이 발표되어왔으나, 본 기술 특집 원고에서는 그 중에서도 압광 및 형광 기반의 스마트 센서 개발과 관련된 분야에 특화된 내용을 중점적으로 요약해서 소개하고자 한다.
압광 기술의 발전으로 인하여 압광 소재가 형광 페인트나 박막 형태로 제조되어, 응력을 받고 있는 소재의 표면에 적용됨으로써 실시간으로 가해지는 응력과 변형의 정도 및 그 변화를 가시적으로 표시 하고자 하는 센서 기술이 지난 10 여 년간 비약적으로 발전하였다. 이러한 성과를 바탕으로 본 기술 특집 원고에서는 압광및 형광 기반의 스마트 센서 개발과 관련된 분야에 특화된 내용을 중점적으로 요약 소개 하였다.
[1-5] 특히, 동 재료의 압광 특성은 외부에서 가해진 응력수준에 비례하여 가시적인 발광특성을 나타냄으로써, 극히 최근에 들어서야 응력상태 표시기로서의 가능성에 기초하여 본격적인 연구가 시작된 분야이다. 이러한 압광 재료 개발의 최종 목표는 형광 페인트나 박막 형태로 제조되어, 응력을 받고 있는 소재의 표면에 적용됨으로써 실시간으로 가해지는 응력과 변형의 정도 및 그 변화를 가시적으로 표시 하고자 하는 것이다. 상술한 물리적 특성을 기반으로 지난 10 여 년간 다양한 연구 성과들이 발표되어왔으나, 본 기술 특집 원고에서는 그 중에서도 압광 및 형광 기반의 스마트 센서 개발과 관련된 분야에 특화된 내용을 중점적으로 요약해서 소개하고자 한다.

제안 방법

일반적인 촬영 장치를 이용할 경우 균열 발생 및 진행상황을 직접 촬영이 가능하나, 장비 성능의 한계로 인해 미세 균열의 발생과 진행상황을 관찰하기에는 그 한계가 있다. 따라서 최근에 압광 소재(Mechano luminescence material)와 비교적 저가의 촬영 장치를 이용하여, 콘크리트 균열의 발생과 진행상황의 시각화를 위한 시험을 하였다. 그 시험 결과로서, 시험체에 가해진 하중 및 시간에 따른 균열의 진행 형상, 길이, 속도 등의 정보를 시각적으로 확보할 수 있었다.
이러한 잔 장광 감소 현상을 극복하기 위하여 Sohn 등은 하중이 가해지는 동안 고출력 UV 램프로부터 지속적인 에너지를 공급함으로써, 트랩 포화에 의해 성취된 표준화된 ML 상태를 제안하였다. 이를 확인하기 위해, ML 현상이 반복 또는 정적 하중 상태에서 관찰되었으며, 그림 2에서 고출력 여기 원을 끄거나 킨 상태의 반복 하중에서 ML 반응을 보여주었다. ML 현상은 그림 1(a)에서 식(4)에 의해 정규화 된 응용의 하중 P(t)와 장 잔광 요소 D(t)의 함수로써, 수학적으로 모델이 된 긴 인광의 붕괴 현상의 효과를 여실히 보여줬지만, 고출력 여기 원이 있을 때 긴 인광의 붕괴 현상의 효과는 제거되고, 따라서 ML의 진폭이 부가된 하중의 빈도수를 무시하고 부가된 하중의 진폭에 의해 선형적으로 비례하는 센서 친화적 특성을 보였다.

성능/효과

그 시험 결과로서, 시험체에 가해진 하중 및 시간에 따른 균열의 진행 형상, 길이, 속도 등의 정보를 시각적으로 확보할 수 있었다. 결과적으로 압광 재료를 이용하여 콘크리트의 균열 진행 상황을 시각화 하였으며 성공적으로 그 적용가능성을 보여주었다. 또한 동 연구에서 균열 진행속도에 비해 하중 재하 속도가 현저하게 느리다는 것을 확인하였다.
따라서 최근에 압광 소재(Mechano luminescence material)와 비교적 저가의 촬영 장치를 이용하여, 콘크리트 균열의 발생과 진행상황의 시각화를 위한 시험을 하였다. 그 시험 결과로서, 시험체에 가해진 하중 및 시간에 따른 균열의 진행 형상, 길이, 속도 등의 정보를 시각적으로 확보할 수 있었다. 결과적으로 압광 재료를 이용하여 콘크리트의 균열 진행 상황을 시각화 하였으며 성공적으로 그 적용가능성을 보여주었다.
결과적으로 압광 재료를 이용하여 콘크리트의 균열 진행 상황을 시각화 하였으며 성공적으로 그 적용가능성을 보여주었다. 또한 동 연구에서 균열 진행속도에 비해 하중 재하 속도가 현저하게 느리다는 것을 확인하였다. 건설 분야에서 압광 재료의 활용성은 다양할 것으로 생각된다.
이러한 비접촉 토크 센서를 사용하면 측정 시스템의 구조도 간단해 지며 차량의 엔진 토크 또는 변속기 출력 토크를 실제 회전 환경 상태(in-situ)에서 실시간 측정이 가능해 진다. 또한 폐루프 제어가 가능하여 외란에 보다 강건한 동력 전달 제어가 가능해지므로 차량의 상품성 및 연비 등을 향상 시킬 수 있다. 이러한 비접촉 토크 센서를 사용하면 측정 시스템의 구조도 간단해 지며 차량의 엔진 토크 또는 변속기 출력 토크를 실제 회전 환경 상태(in-situ)에서 실시간 측정이 가능해 진다.
구체적으로는 광학적인 방법, 모아레 패턴에 기반을 둔 방법, 변형된 표면에서의 외곡현상을 이용한 방법, 광학 간섭법, 홀로그래피법, 광학현미경을 이용한 소성역의 부식기법을 포함하는 금속학적 접근법 등을 들 수 있다. 상술한 연구 성과들의 결과로 균열 첨단 근처의 응력장을 제어하는 변수인 응력확대계수는 다양한 광학적 방법에 의해 도출된 등강도 응력 프린지 패턴과 이론적으로 예측된 값 사이의 상호 비교를 통해 비교적 성공적으로 결정될 수 있었다. 그러나 앞서 언급된 모든 시각적 기법들은 고비용의 다루기 힘든 장치나 복잡한 시편 준비 혹은 데이터의 후 처리 과정 등을 요구하거나, 미소 영역에서의 변형장을 결정하기에 불충분한 해상도를 제공하거나, 또는 동적 균열 전파 혹은 일반적인 균열전파 과정에서의 측정에도 미치지 못하는 상대적으로 느린 반응 특성 등을 가지는 다양한 문제점들을 노출함으로써, 사실상 상업적 측면에서 뿐만 아니라 학문적 측면에서 조차도 그 적용 가능 범위가 급격하게 감소하고 있는 추세에 있다.
따라서 학문적인 관점에서 변태에 의해 발생된 균열 활동부의 형성과 균열 진전에 의한 점진적 변화가 R-곡선 거동에 미치는 영향을 밝혀내는 것은 명확한 기구 규명에 필수적이라 할 수 있다. 이러한 목적 하에 새롭게 개발된 압광 기술을 마그네시아 부분 안정화 지르코니아(Mg-PSZ) 소재에 적용함으로써, 동 재료의 급작스럽게 전파되는 준-동적 영역에서의 매크로 스케일 균열을 실시간으로 검출하고 동시에 변태에 의한 R-곡선 거동을 정량적으로 모사 가능함이 입증되었다.(그림 6)[14,15]
또한 Sohn 등은 관찰되어진 Clabau 등의 모델의 기초 트랩에 관여하는 ML 과정을 통해서 하중에 의존하는 ML 행동을 충분히 잘 설명할 수 있었다. 저자들에 따르면, 고출력 여기 원은 충분하게 채워진 트랩 양이 증가되었고 그것은 안정된 상태로 유지되었으며, 부하 하중은 트랩에 존재하는 전자를 방출하는 것에 의해 즉각적인 트랩감소에 의해 상승했고, 거의 동시에 트랩이 연속적인 여기에 의해 다시 채워지는 안정 상태가 연속적으로 가능함이 입증되었다.
특히, ML 반응은 고출력 여기 원을 사용하고 있을 때, 하중 속도에 의존하지 않고, 하중만의 함수로 반응하는 결과를 얻을 수 있었다. 또한 Sohn 등은 관찰되어진 Clabau 등의 모델의 기초 트랩에 관여하는 ML 과정을 통해서 하중에 의존하는 ML 행동을 충분히 잘 설명할 수 있었다.

후속연구

Kim 등은 이러한 학문적 산업적 요구에 부응하여 압광 세라믹 재료를 이용하여 일반적인 속도로 전파되는 동적 균열을 시각적으로 검출하는 새로운 기법을 그림 5와 같이 개발함으로서, 균열 영향부에서의 브리징 거동과 관련된 파괴 기구를 새롭게 밝혀내었다. 동 결과에서 압광 기술은 응력 및 균열 표시기로서의 폭넓은 응용 가능성을 가지며 특히 구조물의 비파괴검사 혹은 미세전계시스템(MEMS) 등의 작동 가시화와 같은 특수한 용도로도 사용될 수 있을 것으로 기대되었다.[12,13]
그러나 앞서 언급된 모든 시각적 기법들은 고비용의 다루기 힘든 장치나 복잡한 시편 준비 혹은 데이터의 후 처리 과정 등을 요구하거나, 미소 영역에서의 변형장을 결정하기에 불충분한 해상도를 제공하거나, 또는 동적 균열 전파 혹은 일반적인 균열전파 과정에서의 측정에도 미치지 못하는 상대적으로 느린 반응 특성 등을 가지는 다양한 문제점들을 노출함으로써, 사실상 상업적 측면에서 뿐만 아니라 학문적 측면에서 조차도 그 적용 가능 범위가 급격하게 감소하고 있는 추세에 있다. 따라서 이러한 문제점들을 근본적으로 모두 회피할 수 있는 새로운 형태의 시각적 균열 탐지 및 파괴인성 측정 기법 확립이 무엇보다 절실하게 요구되어 왔으며, 압광 현상을 이용한 균열 탐지, 전파추적 및 균열첨단의 응력장 평가기법이 이러한 산업적 요구를 충족시킬 수 있을 것으로 기대되었다. 이러한 산업적 요구에 부합하여 응력 및 균열 센서로서의 응용에 필수적인 균열 탐지, 추적 및 평가와 관련된 기초기술들이 아래와 같이 확립되었다.
적용 가능 분야 중 하나는 콘크리트 구조물에서의 눈에 잘 띄지 않는 미세한 균열검출이다. 이러한 미세균열 검출은 작은 외부 하중 변화에 따른 균열선단에서의 높은 응력, 변형률 필드의 변화로서 검출 가능할 것으로 보인다.[16,17]
대표적인 연구 사례가 비틀림 응력 변화에 의해 자기장 변화를 능동적으로 발생시키는 자기 탄성(magneto-elastic) 재료를 이용한 새로운 비접촉 방식의 토크 변환기에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 이러한 비접촉 토크 센서를 사용하면 측정 시스템의 구조도 간단해 지며 차량의 엔진 토크 또는 변속기 출력 토크를 실제 회전 환경 상태(in-situ)에서 실시간 측정이 가능해 진다. 또한 폐루프 제어가 가능하여 외란에 보다 강건한 동력 전달 제어가 가능해지므로 차량의 상품성 및 연비 등을 향상 시킬 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SrAl2O3:Eu,Dy (SAO) 소재의의 물성은 어떤 것들이 있는가?	SrAl2O3:Eu,Dy (SAO) 소재의 경우 녹색 형광(GreenPhospher; GP), 장-잔광(Long Phosphorescent; LP),열여기-형광(Thermo-luminescent; TL), 압광 특성(Mechano-luminiscence; ML) 등 다양한 물성으로 인하여 다수의 응용분야에서 많은 주목을 받아왔다.[1-5] 특히, 동 재료의 압광 특성은 외부에서 가해진 응력수준에 비례하여 가시적인 발광특성을 나타냄으로써, 극히 최근에 들어서야 응력상태 표시기로서의 가능성에 기초하여 본격적인 연구가 시작된 분야이다.
	SrAl2O3:Eu,Dy (SAO) 소재가 압광 현상을 유발하는 메커니즘은?	압광 관련 연구에 사용되어온 SAO 소재의 경우 응력 또는 변형에 의해 유발된 트랩 방출 과정이 발광 기구의 해석에 주로 사용되어 왔으며, 그림 1에 이러한 압광 기구의 전체 모식도를 기술하였다. 동 그림에서 압광현상에 있어 가장 주요한 활성인자인 Eu2+이온들은 통상 외부 에너지의 공급(UV 램프 조사 등)에 의해 광-여기 현상을 일으키며 충만대로의 홀 방출을 일으키게 된다. 방출된 홀은 Dy3+이온들이 충만대(valence band)직 상의 홀 트랩 에너지 준위를 구성하게 되므로 결과적으로 Dy4+에 의해 트랩 될 수밖에 없다. 이때 하중이 외부에서 부가되면, 트랩된 홀은 그림 1의 터널링 및 가전자대를 경유하는 두 가지 경로에 의해 방출되어 Eu+활성인자와 재결합함으로써, Eu2+여기 상태를 만들게 되며, 그 즉시 즉각적인 기저 상태로의 전환에 의해압광 현상을 유발시키게 된다.[2]
	압광 재료 개발의 최종 목표는?	[1-5] 특히, 동 재료의 압광 특성은 외부에서 가해진 응력수준에 비례하여 가시적인 발광특성을 나타냄으로써, 극히 최근에 들어서야 응력상태 표시기로서의 가능성에 기초하여 본격적인 연구가 시작된 분야이다. 이러한 압광 재료 개발의 최종 목표는 형광 페인트나 박막 형태로 제조되어, 응력을 받고 있는 소재의 표면에 적용됨으로써 실시간으로 가해지는 응력과 변형의 정도 및 그 변화를 가시적으로 표시 하고자 하는 것이다. 상술한 물리적 특성을 기반으로 지난 10 여 년간 다양한 연구 성과들이 발표되어왔으나, 본 기술 특집 원고에서는 그 중에서도 압광 및 형광 기반의 스마트 센서 개발과 관련된 분야에 특화된 내용을 중점적으로 요약해서 소개하고자 한다.

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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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