[논문]복합재료 구조물의 건전성 모니터링을 위한 P(VDF-TrFE) 직물센서의 가능성 평가

배지훈; 장승환

doi:10.7234/composres.2017.30.2.126

복합재료 구조물의 건전성 모니터링을 위한 P(VDF-TrFE) 직물센서의 가능성 평가
Feasibility Check of Textile Sensor Made of P(VDF-TrFE) for Structural Health Monitoring of Composite Structures 원문보기

Composites research = 복합재료, v.30 no.2, 2017년, pp.126 - 131

배지훈 (School of Mechanical Engineering, Chung-Ang University) , 장승환 (School of Mechanical Engineering, Chung-Ang University)

초록
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복잡한 형상의 구조 건전성 모니터링을 위해서는 높은 취성 등 기존 센서의 단점을 보완 할 수 있는 매우 유연하고 내구성이 확보된 센서가 필요하다. 본 연구에서는 전기활성고분자의 한 종류인 Polyvinylidene fluoride trifluoroethylene (PVDF-TrFE)를 사용하여 직물센서를 제작하였다. 또한 제작된 직물센서를 복잡한 형상을 가지는 탄소섬유/에폭시 복합재료 구조물에 적용하여 구조 건전성 모니터링을 위한 도구로써 활용 가능성을 평가하였다. 복합재료 구조물의 손상 반응과 파손 메커니즘을 분석하기 위해 다중간헐적 압축시험을 수행하였다. 시험 과정에서 복합재료 구조물에 삽입된 직물센서는 전기적 신호를 발생 (0.05 V-0.25 V)하며 실시간으로 균열발생과 균열위치를 감지해냈다.

Abstract ▼ AI-Helper

For structural health monitoring of a complex shaped structure a new sensor that can compensate for the drawbacks of the current sensors such as brittleness is needed and the sensor should be highly flexible and durable. In this study a textile sensor made of polyvinylidene fluoride trifluoroethylene (PVDF-TrFE) which is a type of electroactive polymer was fabricated. And the textile sensors were applied to a complex shaped structure (an egg-box panel made of carbon/epoxy composite) for checking their feasibility of structural health monitoring. To correlate the collapse response with failure mechanisms of the structure the multiply-interrupted compressive test was carried out. During the test, the textile sensors succeeded to prove their applicability for damage detection (crack initiation) by generating electric voltages (0.05 V-0.25 V) in the real time.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 P(VDF-TrFE) 섬유를 활용하여 평직구조 직물센서를 제작 후 복잡형상의 탄소섬유/에폭시 복합재료 구조물에 삽입하여 다중간헐적 압축시험(Multiplyinterrupted compressive test)을 통해 직물센서가 구조물 건전성 모니터링을 위한 도구로써 활용가능성을 평가하였다.

가설 설정

따라서 정적 하중 및 그에 따른 손상과정은 P(VDFTrFE) 직물센서가 감지해내기 쉽지 않다. 전하소멸속도는 재료의 유전 상수, 내부 저항 및 전도도에 의존한다. 복합재료 계란판이 완전히 파괴된 후에도 내부에 삽입된 모든 직물센서는 여전히 생존했으며 추가적인 외부 충격을 감지 할 수 있었다.

제안 방법

만능재료시험기(810, MTS, USA)를 사용하여 복합재료 계란판의 손상 반응과 파손 메커니즘을 분석하기 위해 다중 간헐적 압축시험을 수행하였다. 직물센서가 삽입된 복합재료 계란판은 판의 상·하면과 접촉하고 시험시편의 모서리를 약간 넘어서 확장된 강철 압착판 사이에 배치한 후 계란판의 두께 방향으로 압축되었다(Fig.
직물센서 3개를 2장의 복합재료 프리프레그 사이 계란판의 주요 지점(잘린 마루, 잘린 골, 등마루)에 삽입하였다. 붕괴 반응과 계란판의 파손 메커니즘을 연관시키기 위해 다중간헐적 압축시험을 직물센서가 삽입된 복합재료 계란판을 사용하여 수행하였다. 시험 중 직물센서는 복합재료 구조에 균열이 발생하는 순간에 전압(0.

대상 데이터

직물센서의 직조패턴은 평직이며 3가지의 구성요소를 가지고 있다. (1) 센서섬유다발: 비틂-신장 방법으로 제작된 P(VDF-TrFE) 섬유 10가닥을 꼬아 제작된 섬유다발, (2) 전극섬유: 1가닥의 섬유 직경이 약 7 μm인 탄소섬유 1k 토우, 그리고 (3) 절연섬유: 전극섬유 사이의 전기적 단락 및 안전성 확보를 위한 폴리에스터 섬유. P(VDF-TrFE) 섬유 다발은 날실에 정렬됐으며, 전극섬유와 절연섬유는 씨실에 각각 위치하였다(Fig.
P(VDF-TrFE) 공중합제 파우더(KF W#2200, Kureha, Japan)의 PVDF와 TrFE의 몰분율은 각각 75%와 25%이다. P(VDF-TrFE) 섬유는 비틂-신장 방법(Torsion-stretching method)을 통해 제작됐으며 그 과정은 다음과 같다[25].
직물센서의 장점인 높은 유연성과 내구성을 극대화 시킬 수 있는 복잡형상의 복합재료 구조물은 계란판(Egg-box panel)으로 결정하였다. 복합재료 계란판은 평직 탄소섬유/에폭시 프리프레그(WSN3k, SK Chemical)를 사용하여 제작됐으며 기본적인 물성정보는 Table 1에 표기했다[26,27].
비틂-신장 방법으로 제작된 P(VDF-TrFE) 섬유를 사용하여 평직 구조의 직물센서를 제작하였다. 직물 센서는 구조 건전성 모니터링의 도구로써 활용가능성 평가를 위해 복잡 형상의 구조(탄소섬유/에폭시 복합재료로 제작된 계란판)에 적용하였다.
2c). 제작된 직물센서의 크기는 가로 20 mm × 세로 20 mm의 정사각형의 형태이며, P(VDF-TrFE) 섬유다발, 전극 섬유 및 절연 섬유의 폭은 각각 약 650 μm, 400 μm, 280 μm이다(Fig. 2d).
비틂-신장 방법으로 제작된 P(VDF-TrFE) 섬유를 사용하여 평직 구조의 직물센서를 제작하였다. 직물 센서는 구조 건전성 모니터링의 도구로써 활용가능성 평가를 위해 복잡 형상의 구조(탄소섬유/에폭시 복합재료로 제작된 계란판)에 적용하였다. 직물센서 3개를 2장의 복합재료 프리프레그 사이 계란판의 주요 지점(잘린 마루, 잘린 골, 등마루)에 삽입하였다.
2b). 직물센서 제작 시 3종류의 섬유의 정렬을 위해 일정한 간격의 리브가 새겨진 알루미늄 프레임을 사용하였다(Fig. 2c).
직물센서의 장점인 높은 유연성과 내구성을 극대화 시킬 수 있는 복잡형상의 복합재료 구조물은 계란판(Egg-box panel)으로 결정하였다. 복합재료 계란판은 평직 탄소섬유/에폭시 프리프레그(WSN3k, SK Chemical)를 사용하여 제작됐으며 기본적인 물성정보는 Table 1에 표기했다[26,27].

이론/모형

P(VDF-TrFE) 공중합제 파우더(KF W#2200, Kureha, Japan)의 PVDF와 TrFE의 몰분율은 각각 75%와 25%이다. P(VDF-TrFE) 섬유는 비틂-신장 방법(Torsion-stretching method)을 통해 제작됐으며 그 과정은 다음과 같다[25]. (1) P(VDF-TrFE) 파우더를 용제(Methyl ethyl ketone)에 녹여 용액 제조, (2) 10 wt% 용액을 유리판 위에 적당량 부은 뒤 자동 도포장치(ZAA 2300, Zehntner, Switzerland)와 초정밀 도포 막대(ZWA 2121, Zehntner, Switzerland)를 사용하여 필름 제작, (3) 제작된 P(VDF-TrFE) 필름을 가로(2 mm) × 세로(50 mm) 크기의 스트립으로 자른 후 40π 라디안만큼 꼬아준 뒤 길이방향으로 450% 만큼 신장시킴(Fig.

성능/효과

제작된 P(VDF TrFE) 섬유 내 잔여 용제제거와 결정화 향상을 위해 위해 140°C에서 24시간동안 열처리를 수행했으며, 전기적 분극(Electrical poling) 처리와기계적신장(Mechanical stretching) 처리를 수행하여 압전성능을 극대화시켰다[25]. 더불어 비틂-신장 방법으로 제작된 P(VDF-TrFE) 섬유의 인장강도, 영률, 그리고 변형률은 각각 260 MPa, 900 MPa, 그리고 35%로 측정됐다[25].
붕괴 반응과 계란판의 파손 메커니즘을 연관시키기 위해 다중간헐적 압축시험을 직물센서가 삽입된 복합재료 계란판을 사용하여 수행하였다. 시험 중 직물센서는 복합재료 구조에 균열이 발생하는 순간에 전압(0.05 V0.25 V)을 생성했으며, 해당 데이터를 통해 균열 발생 및 균열위치 파악을 할 수 있었다. 그러나 직물 센서는 균열 발생만을 감지했으며 정적 하중 및 균열 성장과 같은 다른 유형의 손상은 감지하지 못했다.
또한 완전히 파괴된 복합재료 계란판 내에서 모든 직물센서는 여전히 생존하여 추가적인 충격을 감지 할 수 있었다. 이러한 결과로부터 비틂-신장 방법으로 제작된 P(VDFTrFE) 섬유로 만들어진 직물센서의 높은 기계적 신뢰성(유연성 및 내구성)을 확인할 수 있었으며, 직물센서는 FBG 센서와 같은 기존의 센서가 취성으로 인해 적용될 수 없는 많은 복잡한 모양의 구조물(스마트 공장, 자동차 부품, 압력 용기, 파이프 라인, 콘크리트 구조물 등)에 성공적으로 적용될 수 있는 가능성을 보였다. 더불어 P(VDF-TrFE) 직물 센서는 자연 재해 및 산업 재해 예측 시스템 및 자체 구동 웨어러블 장치와 같은 많은 산업 분야에서 수많은 잠재적인 응용 분야에서 유망할 것이라고 판단된다.

후속연구

공통된 단점으로는 복잡형상 구조물에 적용하기 어려울 정도로 상대적으로 큰 취성을 가지고 있다는 것이다[2,3]. 그러므로 기존 센서들의 단점을 충분히 보완할 수 있는 높은 연성과 내구성을 가진 새로운 형태의 센서개발이 필요하다.
이러한 결과로부터 비틂-신장 방법으로 제작된 P(VDFTrFE) 섬유로 만들어진 직물센서의 높은 기계적 신뢰성(유연성 및 내구성)을 확인할 수 있었으며, 직물센서는 FBG 센서와 같은 기존의 센서가 취성으로 인해 적용될 수 없는 많은 복잡한 모양의 구조물(스마트 공장, 자동차 부품, 압력 용기, 파이프 라인, 콘크리트 구조물 등)에 성공적으로 적용될 수 있는 가능성을 보였다. 더불어 P(VDF-TrFE) 직물 센서는 자연 재해 및 산업 재해 예측 시스템 및 자체 구동 웨어러블 장치와 같은 많은 산업 분야에서 수많은 잠재적인 응용 분야에서 유망할 것이라고 판단된다. 후속연구로서 하중의 크기에 따른 P(VDF-TrFE)의 전기적 신호 크기의 선형성 평가, P(VDF-TrFE) 직물센서 삽입으로 인한 복합재료구조의 기계적 물성 저하 평가, 복합재료구조의 곡면에 드레이핑 될 경우 직물센서의 거시적·미시적 변형 및 그에 따른 물성변화 평가 등이 수행될 예정이다.
더불어 P(VDF-TrFE) 직물 센서는 자연 재해 및 산업 재해 예측 시스템 및 자체 구동 웨어러블 장치와 같은 많은 산업 분야에서 수많은 잠재적인 응용 분야에서 유망할 것이라고 판단된다. 후속연구로서 하중의 크기에 따른 P(VDF-TrFE)의 전기적 신호 크기의 선형성 평가, P(VDF-TrFE) 직물센서 삽입으로 인한 복합재료구조의 기계적 물성 저하 평가, 복합재료구조의 곡면에 드레이핑 될 경우 직물센서의 거시적·미시적 변형 및 그에 따른 물성변화 평가 등이 수행될 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기활성고분자란 무엇인가?	전기활성고분자(Electroactive polymers; EAPs)는 전기적 자극에 반응하여 대변형(~수백 %)을 발생시키는 지능형 재료이다. 전기활성고분자의 한 종류이자 강유전성 중합체 계열의 P(VDF-TrFE)는 상대적으로 빠른 전기-기계적 반응 속도, 높은 기계-화학적 안정성, 유연함, 그리고 낮은 임피던스 등 여러 장점을 가지고 있다[8-16].
	섬유강화 복합재료의 특성은 무엇인가?	섬유강화 복합재료는 우수한 비강성, 비강도, 높은 감쇠능 및 낮은 열팽창계수 등의 특성을 가지고 있기 때문에 기존의 금속재료를 대체하여 전기기기, 자동차 등 일반 산업을 비롯하여 우주항공과 군수산업 분야까지 널리 활용되고 있다[4-6]. 섬유강화 복합재료의 구조 건전성 모니터링을 위한 센서의 기본적 요구사항은 간소·간결성, 대면적 모니터링, 최소한의 전기 배선, 쉬운 장착, 그리고 복합재료 및 그 제조기술과의 호환성 등이다[7].
	구조 건전성 모니터링이 비파괴 검사 시스템을 포함함으로 인해 가능한 것은?	구조 건전성 모니터링(Structural health monitoring, SHM)은 센서를 구조물에 통합하여 주기적 또는 지속적인 검사를 가능하게 하는 비파괴 검사 시스템을 포함한다. 따라서 구조물 해체 및 수동 검사 등 별도의 복잡한 과정과 방법에 의존하지 않고 결과 데이터를 통해 운영자가 구조물의 손상상태를 실시간으로 파악할 수 있으며 손상 유형, 위치, 크기, 그리고 구조의 건전성 진단을 가능케 한다. 광섬유 센서(Fiber Bragg Grating sensor), 스트레인 게이지, PZT 등 세라믹 기반의 압전센서 등 구조 건전성 모니터링을 위한 다양한 종류의 센서가 존재한다[1].

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표제어: PCR

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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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