A Study on Impact Monitoring Using a Piezoelectric Paint Sensor

압전 페인트 센서를 활용한 충격 모니터링 활용 방안

A Study on Impact Monitoring Using a Piezoelectric Paint Sensor

최경후*, 강동훈*, 박승복**, 강래형**^✝

Kyungwho Choi*, Donghoon Kang*, Seung-Bok Park** and Lae-Hyong Kang**^✝

초 록 압전 페인트 센서는 압전 세라믹의 주성분인 압전 파우더와 에폭시의 결합으로 이루어진 페인트형 센서이다. 이 센서는 일반 페인트와 같이 구조물에 도포되기 때문에 다른 어느 센서보다 구조물에 부착이 용 이하다. 본 연구에서는 압전 페인트센서가 도포된 구조물의 충격 감지 정도를 판단하고자 하였다. 특히, 철도 차량을 대상으로 연구를 진행하고자 하였다. 철도차량 운용 중에 발생하는 자갈 비산으로 인해 발생하는 충 격손상이 많이 보고되고 있고, 이러한 충격손상을 방지하고자 차량 하부구조물 전체 표면에 발생하는 충격신 호를 실시간으로 감지할 필요가 있다. 철도차량이 운행되는 환경을 고려하여 압전 페인트시편을 -20~60℃의 열사이클 환경에 노출시켜 센서의 감도 변화를 측정하였다. 알루미늄 시편에 압전 페인트센서를 도포하여 감 도 측정을 수행한 결과, 열사이클 환경 전후에 감도 차이가 크지 않음을 확인하였고 이를 통해 환경 노출 후 에도 압전 페인트센서로 충격 감지가 가능함을 확인하였다.

주요용어: 압전, 페인트, 압전 센서, 충격, 감도

Abstract The piezoelectric paint sensor is a paint type sensor comprising of an epoxy and piezoelectric powder, which is the main component of a piezoelectric material. This sensor can be easily attached to any type of structure as compared to other sensors because it is viable to directly apply it on structures, as in the case with a typical paint. In this study, the capability of piezoelectric paint sensor for impact detection was evaluated. In Particular, the applications of the piezoelectric paint sensor for railroad vehicles were considered. There have been various cases reported about the damages caused by flying gravel to the under-cover of the railroad vehicle during operation. In order to prevent this, real-time monitoring of the large under-cover surface of the railroad vehicle is unavoidable.

Under the assumption of vehicle application, sensor sensitivities were measured after multiple and prolonged exposure to thermal cycle environment (-20~60℃). Sensitivity evaluation of paint sensor under environmental conditions was conducted in an aluminum specimen. In results, despite the small variations in sensitivity, we could confirm the applicability of this paint sensor for impact detection even after a severe environmental exposure test.

Keywords: Piezoelectric, Paint, Sensor, Aluminum, Impact Response, Sensitivity

[Received: September 18, 2015, Revised: October 15, 2015, Accepted: October 26, 2015] *한국철도기술연구원, **전 북대학교 메카트로닉스공학과, 로스알라모스연구소-전북대학교 한국공학연구소, ✝Corresponding Author: The Engineering Institute Korea, Chonbuk National University, Jeonju 567-756, Korea (E-mail: [email protected])

ⓒ 2015, Korean Society for Nondestructive Testing

1. 서 론

철도의 운행 중에는 다양한 충격이 철도에 가 해지게 된다. 고속철도의 경우 최고시속 300 km 이상으로 운행되며, 이로 인해 작은 충격도 큰 사고를 가져오게 된다. 이에 철도에 대한 건전성 기술은 그 예방이 매우 중요하게 인식되고 있고, 안전사고를 대비한 국내 철도의 건전성을 모니

터링하기 위한 연구들이 진행되어 왔다. 다양한 건전성 평가기술 중에서도 특히 철도시스템에 적용되고 있는 대표적인 기술은 적외선열화상 기술과 광섬유센서 기술이 주 연구로 진행되어 왔다. 적외선열화상 기술은 선로변 전력선, 신호 선, 터널구간의 시설물 검사 등에 적용되고 있 고, 특히 전차선 및 선로에 대한 검사는 운행 중 인 열차의 전방 또는 후방에 적외선카메라를 설

치하여 선로의 이상고온이나 전차선의 접촉 불 량 등의 문제를 파악 가능하다[1]. 여러 가지 종 류의 충격 발생 중에서 차량 운행 중 빈번하게 보고되는 사례는 자갈 비산에 의한 피해이다.

적설, 착설, 동결 등 눈에 의해 기인하는 빙설 은 선로 주변의 자갈 비산 현상을 유발하고, 이 는 곧 열차 지연/정지, 분기기 비전환, 판토그라 프 하강, 차량 및 선로 구조물 파손을 비롯하여 심할 경우에는 탈선 및 전복에까지 이르는 등 매우 다양한 피해를 유발하고 있다[2,3]. 실제로 설빙이나 자갈 비산에 의한 차량 피해는 에어백 보호 커버, 대차 커버, 유리창 및 차량 하부 커 버 등에서 지속적으로 발생하고 있으나, 많은 전 장품들이 취부되어 있는 차량 하부의 대면적을 대상으로 하는 모니터링 시스템의 부재로 현재 는 충격 발생 후 차량기지에서의 유지보수 시에 파손 상황을 육안으로 확인하는 실정이다.

따라서 충격 빈도 분석을 통한 차량 하부 설 계 반영이나 자갈 비산 빈번발생 지역을 탐지하 여 해당 구간에 선택적으로 자갈 네트, 자갈 스 크린 등을 설치한다면 경제적으로 안전사고 예 방을 할 수 있는 방안을 제시할 수 있을 것이다. 본 연구에 활용한 압전 페인트 센서를 이용한 철도차량의 충격감지는 차량에 직접 가해지는 충격을 감지하여, 작은 충격에도 발생한 위치를 신속하게 점검하기 위한 방안이다.

압전 페인트 센서가 도포된 철도차량에는 도 포된 부위에 충격이 발생한 경우, 센서에서 발생 하는 전압을 모니터링 함으로써 충격 발생 유무 를 판단할 수 있다. 이 센서는 Fig. 1에서 보듯 페인트 형태로 구조물에 적용되기 때문에 페인 트가 떨어지지 않는 이상 반영구적인 센서 역할 을 수행할 수 있다. 뿐만 아니라, 압전재료의 특 성상 센서를 작동하기 위한 별도의 외부전원을 필요로 하지 않기 때문에 원하는 부분에 센서의 부착이 용이하다. 이러한 부분을 검증하기 위해 알루미늄 시편에 압전 페인트 센서를 적용하여 충격센서로서의 적합성 연구를 수행하였다.

1.2. 연구 목적

각종 구조물에 작용한 충격에 의해 누적된 피 로는 구조물을 파괴로 이르게 한다. 갈수록 노후 화 되고 있는 모든 구조물에는 특히 충격에 의

한 손상이 더 쉽게 나타난다. 뿐만 아니라, 현대 에는 크고 복잡한 구조물들이 많이 건설, 제작되 며 이러한 구조물에 작용하는 충격, 변형, 파손 등을 알아보기 위한 연구가 지속적으로 진행되 고 있다.

본 연구에서는 수많은 철도의 건전성 평가 방 법 중 압전재료를 활용하여 차량 구조물에 가해 지는 충격의 유무를 판단하고자 한다. 열차 적용 에 앞서 알루미늄 구조물에 압전 페인트를 도포 하여 구조물에 충격이 발생한 경우 충격신호 및 충격위치 검출 모니터링을 목적으로 연구하였다.

압전 세라믹과 압전 폴리머의 장점들을 접목시 키기 위해 개발한 압전 페인트 센서는, 감도가 높은 압전 세라믹의 분말과 풍력 블레이드 복합 재 구조물에 사용되는 에폭시 수지를 혼합하여 제작하였다. 센서의 특성을 파악하기 위해서 알 루미늄 시편을 이용하여 센서의 감도 및 환경변 화에 의한 영향 등의 실험을 진행하였다. 알루미 늄 시편 위에 약 0.1 mm 두께로 센서를 얇게 도 포한 후 도포된 페인트 위에 실버 페이스트를 코 팅함으로써 전극을 형성하게 된다. 이 전극 위에 전압을 가하는 분극 과정 후, 센서로서 활용할 수 있다. 이렇게 도포된 압전 페인트 센서에 impact hammer를 이용하여 충격을 가한 후, 압전 페인트 센서에서 충격에 반응하는 전압을 측정함으로써 구조물의 충격 발생 유무를 판단할 수 있다. 한 편, 압전 페인트 센서의 환경에 대한 영향을 알 아보기 위해, 환경 노출 실험을 병행하며 충격에 의해 발생하는 전압 크기의 변화를 분석하였다.

Fig. 1 The piezoelectric paint sensor made by piezoelectric powder with epoxy

1.3. 압전 페인트 센서

압전재료는 응력이 가해지면 전기 에너지를 발 생시키고, 전계를 가하면 기계적인 변형을 일으 키는 압전효과를 나타내는 재료로 센서, 액추에 이터, 점호장치, 스피커 등 산업의 많은 분야에 활용되고 있다[4]. 대표적인 압전소자로 많이 연 구되고 있는 압전 세라믹[5,6]은 전기-기계 결합 계수가 높고 실온에서 안정적인 물성 유지를 보 이고 있어 각종 센서나 작동기로 많이 쓰이고 있 다. 센서로 활용 시, 다른 센서에 비해 감도가 매 우 높아 구조물의 다양한 신호 감지 분야에도 많 은 연구가 진행되었다[7,8]. 하지만 취성파괴가 쉽게 발생하고, 곡면 형상 등의 다양한 구조물의 형태에 유연하게 적용하는데 문제가 있다. 압전 세라믹과 달리, 압전 폴리머[9,10]는 그 자체가 유연하여 다양한 구조물의 형태에 적용하여 활용 할 수 있다. 하지만 압전 세라믹에 비해 감도가 많이 떨어지고 고온(약 80~100℃)에서의 문제가 발생하는 등 사용온도의 범위가 넓지 않다.

본 연구에서는 대표적인 압전소자들의 장단점 을 적절히 활용하기 위해 압전 복합소자의 연구 를 진행하였고, 압전 페인트를 제작하여 그 사용 가능성을 검증하고자 한다. 압전 페인트는 고감 도의 압전 세라믹 분말과 고분자 수지의 결합으 로 이루어지며[11] 다른 압전소자와 마찬가지로 추가적인 전원공급 없이 센서 역할을 수행할 수 있는 장점을 지니고 있다. 또한 페인트로서 구조 물에 적용되기 때문에 압전 폴리머보다 유연하게 도포가 가능하며, 압전 페인트 제작 시 다양한 중합체 재료 선택이 가능하다. 이러한 장점을 지 닌 압전 페인트는 구조물의 비파괴검사나 내부진 단, 외력 측정 등 센서로서 사용될 수 있다 [12,13]. 특히, 페인트 형태로 구조물에 적용되기 때문에 대형 구조물과 적용되는 구조물 형태에 큰 영향을 받지 않는다. 때문에 고속 철도차량과 같은 대형 구조물에 유용하게 적용 가능하며, 이 곳에 발생하는 충격을 압전 페인트 센서를 통해 모니터링 할 수 있다. 현재까지 압전 페인트 센 서에 관한 연구는 많이 진행 되고 있지 않고 있 다. 충격 모니터링을 위한 제조 방법에 대한 표 준화가 정립되어 있지 않고, 특성에 대한 기준 (두께, 감도, 환경영향 등)도 연구되지 않고 있다.

본 연구에서는 일정한 비율로 혼합된 다섯 가지

시약으로 압전 페인트 센서를 직접 제작하여 알 루미늄에 도포한 후, 감도, 내구성, 환경변화에 따른 변화 등을 관찰하여 충격에 대한 센서의 반 응을 살펴보았다.

2. 본 론

2.1. 압전 페인트 센서 제작

압전 페인트는 압전 파우더와 에폭시의 결합으 로 제작된다. 먼저 압전 파우더의 제작을 위해 다 섯 가지 시약(PbO, TiO2, ZrO2, Nb2O5, NiO)을 혼 합한다. NiO 시약의 첨가로 제작과정 중 소결 (sintering)과정의 진행되는 온도를 1,200℃에서 1,000℃도로 낮출 수 있다[14]. 이러한 온도 변화 는 약 1,000℃ 이상의 온도에서 발생하는 PbO의 유해성분을 줄일 수 있다. 다섯 가지 시약을 ball milling과정을 통해 잘 혼합한 후, 건조 및 하소 (calcination)과정을 거친다. 하소과정은 900℃에서 2시간동안 진행하였으며, 이 과정은 가열 조작의 일종으로 외부에서 열을 가해 휘발성분을 분리하 는 역할을 한다. 이러한 과정은 일반적으로 시료 가 본질적으로 휘발성분을 포함하며 열분해를 필 요로 할 때 행해진다. 하소과정으로 얻은 혼합분 말은 53 ㎛격자의 미세 분말체를 이용한 sieving과 정 후, 1,000℃에서 2시간의 소결과정을 진행한다.

소결과정에서 시약들이 서로 접한 면에서 접합이 이루어지거나 일부가 증착하여 서로 연결되어 한 덩어리가 된다. 소결과정까지 완료된 혼합분말은 다시 53 ㎛ 이하의 파우더로 sieving되어 고운 압 전 분말을 얻을 수 있다.

53 ㎛ 이하로 얻어진 압전 세라믹 분말은 에폭 시 수지와 일정 비율 혼합하여 페인트화 한다.

에폭시 수지는 실제 풍력 블레이드 복합재 구조 물에 적용되는 KFR-120, 경화제로 KFH-150 (Kukdo Chemical Co., Ltd., Korea)가 사용되었으 며 에폭시와 경화제 각각 100:27의 무게비로 혼 합하여 사용하였다. 본 연구에서 제작된 페인트 는 압전 분말과 에폭시의 무게비를 1:1로 유지하 였으며 혼합과정 중 공기 유입을 최소화하기 위 해 노력하였다. 페인트 내부의 미세한 기포는 후 에 진행되는 분극과정 시 내부 기포들로부터 발 생하는 타는 현상을 방지하기 위해 진공 데시케 이터 내에서 기포를 제거하였다. 여러 번의 시도

Aluminum

Specimen 50×50 mm², thickness : 2.9~3.0 mm PNN-PZT/Epoxy

Paint Thickness 0.15(mm) Poling Treatment 4 kV/mm, 30min,

at room temperature

Fig. 3 Aluminum specimen specification for measuring the sensitivity of the piezoelectric paint sensor

Table 1 Definition of the aluminum specimens Times of the environmental

exposure test Name of specimens

10 T1-1 T1-2 T1-3

20 T2-1 T2-2 T2-3

30 T3-1 T3-2 T3-3

50 T4-1 T4-2 T4-3

100 T5-1 T5-2 T5-3

150 T6-1 T6-2 T6-3

200 T7-1 T7-2 T7-3

250 T8-1 T8-2 T8-3

300 T9-1 T9-2 T9-3

Fig. 2 Experimental setup for impact monitoring of aluminum specimen using piezoelecric paint sensor

끝에 약 30분 동안 진공 데시케이터 내에서 기포 제거를 진행하였다. 최종적으로 제작한 압전 페 인트는 일반 페인트와 같이 페인트 붓을 활용하 여 구조물에 도포할 수 있다. 구조물에 도포된 센서에 4 kV/mm, 30분 동안 전압을 가해주었고, 모든 실험은 일반적인 적용을 고려하여 상온에서 진행하였다.

2.2. 압전 페인트 충격 특성 연구 방법

압전 페인트 센서의 충격반응 실험을 위해 알 루미늄 시편에 센서를 도포하여 평균 감도, RMS 오차, Adj. R²(회귀분석 결정계수)를 분석하였으 며, -20~60℃에 노출된 센서의 감도 전ㆍ후를 비 교하여, 철도 환경에 적합한지의 여부를 연구하 였다. 또한 철도차량 구조물의 주된 고정 상태를 고려하여 시편에 경계조건을 추가하여 감도의 변 화가 있는지 여부를 확인하였다. 마지막으로 충 격센서로서의 적합성을 판단하기 위해 보다 넓은 알루미늄 시편에 압전 페인트 센서를 36영역으로 구분하여 충격이 가해진 센서 영역과 나머지 센 서에서의 충격 반응을 관찰하여 센서의 충격반응 특성 연구를 수행하였다.

실험 환경은 Fig. 2와 같이 구축하여 충격 반응 을 모니터링 하였다. 압전 페인트 센서에 가해지 는 충격은 충격력을 측정할 수 있는 impact hammer(PCB 086C01)를 사용하여 충격력을 취득 하였고, 일정한 위치에서 충격을 가할 수 있도록 hammer holder를 구축하여 실험을 진행하였다.

impact hammer의 충격력과 압전 페인트 센서의 충격 반응 전압은 DS1202 DAQ board를 이용하여

수집할 수 있다. 충격신호 수집을 위한 sampling frequency는 10 kHz를 유지하며 실험을 진행했다.

2.3. 압전 페인트 감도 측정

개발한 압전 페인트 센서의 충격반응 감도 측 정을 위해 Fig. 3의 시편을 사용하였다. 50×50 mm² 면적의 두께 약 3.0 mm의 알루미늄 시편에 약 0.15 mm의 압전 페인트를 도포하였다. 전극을 형성하기 위하여 실버 페이스트(ELCOAT P-100) 를 페인트 위에 얇게 코팅하였고, 그 위에 전선 을 실리콘 테이프를 활용해 연결하여 측정부와 연결시켰다. Fig. 4와 같이 알루미늄 시편위에 압 전 페인트 센서와 전극부가 적층 형태로 이루어 져 있으며, 잔사가 남지 않으며 배선류의 일시적 인 고정에 활용되는 실리콘 테이프를 활용하여

Fig. 4 The model of laminated structure constructed of piezoelectric paint sensor and silver paste

Fig. 6 Comparing the sensitivity value of the piezo- electric paint sensors with error bar graph before and after the environmental exposure experiment

Fig. 7 Comparing the sensitivity Adj. R² of the piezo- electric paint sensors with error bar graph before and after the environmental exposure experiment

전선을 측정부와 연결시켰다. 분극과정은 현재까 지 연구된 최적의 분극 조건인 4 kV/mm의 전압 을 상온에서 30분 동안 진행되었으며[15], Table 1과 같이 총 27개의 동일한 알루미늄 시편을 실 험시편으로 사용하여 환경 노출의 정도에 따른 센서의 충격반응 감도를 분석하였다. 본 연구에 서는 impact hammer 의 충격력과 페인트 센서에 서 출력되는 전압을 비교 분석하여 센서의 감도 를 다음과 같이 정의하였다.

Sensitivity(mV/N) = Output Voltage / Impact Force (1) 감도값은 impact hammer로 알루미늄 시편에 도 포된 압전 페인트 센서에 impact를 가할 때 발생 하는 두 peak point(impact hammer에서 발생하는 peak point와 압전 페인트 센서에서 발생하는 peak point)의 값을 Matlab을 활용해 수집하였고, 그 점들은 Fig. 5의 흑색점과 같이 나타난다. 한 편, 외력이 가해지지 않을 때는 센서로부터 전압 이 발생하지 않으므로, (0,0)을 지나는 linear fitting 처리 결과 발생한 충격력에 의한 센서의 감도를 추정할 수 있다.

0 50 100 150 200 250 300 350 400

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

T1-1

Sensor output(V)

Impact(N)

Fig. 5 Linear fitting of peak points of impact hammer and sensor for measuring sensor sensitivity when impact is applied to the paint sensor coated on the specimen T1-1

2.4. 환경 노출 실험 전·후 감도

알루미늄 시편에 도포된 압전 페인트 센서는 약 1.0~1.4 mV/N의 감도로 분포하고 있으며, 400 N이내에서 충격 크기에 선형적인 반응을 나 타내었다. 총 평균 감도값은 약 1.16 mV/N의 감 도가 측정되었다. 열환경에 노출된 시편은 T1-1~

T9-3으로 총 27개의 알루미늄 시편이 -20~60℃

온도에 노출되었다. 노출된 횟수에 따라서 압전 페인트 센서의 감도 변화는 Fig. 6 같은 결과가 나타난다. 노출 전과 비교해서 약간의 감도 변화 가 발생했지만 그 값이 0.5 mV/N 이하의 값으로 매우 미비한 변화만을 보이고 있다. 한편, 열환경 노출 후에는 상대적으로 전에 비해 분산도가 다 소 증가하는 경향을 보인다.

감도 변화와 분산도 정도를 분석하기 위한 Adj.

R²와 RMS 오차값은 Fig. 7, Fig. 8과 같은 결과를 보인다. 환경 노출된 압전 페인트 센서의 Adj. R² 값은 다소 하락했지만 여전히 0.9 이상의 높은

Fig. 8 Comparing the sensitivity RMS errors of the piezoelectric paint sensors with error bar graph before and after the environmental exposure experiment

Fig. 9 The specimen fixed four corners to take into account the condition of the real structure

Fig. 10 Sensitivity of the piezoelectric paint sensor under the fixed boundary condition

신뢰도를 보이고 있다. 산포도의 증가 원인으로 는 페인트 센서 제작을 위해 사용한 에폭시 수지 로써 bisphenol A형의 KFR-120(Kukdo Chemical Co., Ltd., Korea)를 사용하였는데, 활용된 수지의 DSC 분석 결과 50~60℃가 유리전이온도이며[16], 열환경 실험과정 중 유리전이온도 부근에서 도포 된 시편과 결합력이 떨어져 감도 측정에 영향을 미친 것으로 판단된다. 따라서, 사용자는 압전 페 인트 센서가 활용될 온도 환경을 숙지하여 최고 사용 온도보다 높은 유리전이온도를 지니는 페인 트 수지를 선택해 수지 내부의 압전 분말들이 외 부 온도로 인해 구조적인 변형을 일으키지 않도 록 하는 것이 바람직 할 것이다. 감도 측정 point 들의 RMS 오차값 역시 노출 전에 비해 최대 3배 정도 증가한 부분이 있지만, 충격 검출을 위해 제작된 압전 페인트 센서의 충격 응답 모니터링 에는 큰 영향을 미치지 않는다.

3. 경계조건에 의한 센서 감도 변화

실제 철도차량에 적용되는 구조물(차량 하부커 버)의 조건을 고려하여 Fig. 9와 같이 시편의 네 모서리를 고정 후 감도 변화 실험을 진행하였다.

기존 알루미늄 시편에 도포된 센서의 감도 측정 을 위해서 바닥면이 고정되었던 알루미늄 시편의 환경과 달리, 네 모서리 부분에 고정단을 형성하 여 이러한 조건에서 감도의 변화 차이가 발생하 는지 살펴보았다. 감도 측정은 이전 실험과 동일 하게 impact hammer로 충격을 가했을 때 발생하 는 충격력의 peak point와 이 때 발생하는 센서의 전압 peak point를 수집하여 감도를 평가했다. 그

결과, Fig. 10의 결과와 같이 각 시편들에 도포된 압전 페인트 센서의 감도는 1.1~1.4 mV/N으로 분 포했으며, 평균 1.20 mV/N으로 자유단 실험과 네 모서리의 고정단을 적용했을 때의 감도 변화는 크게 발생하지 않았다.

4. 압전 페인트 센서를 활용한 충격위치 검출

센서가 도포된 구조물에 충격이 가해진 경우에 발생하는 충격신호를 모니터링하고, 정확한 충격 위치 추정을 위해서 이웃한 압전 페인트 센서의 반응을 분석할 필요가 있다. 이를 위해 넓은 알 루미늄 시편을 활용하여 충격 신호를 살펴보았다. 활용된 시편은 300×300 mm²의 알루미늄 시편으 로 약 3 mm 두께로 Fig. 11과 같은 사양을 갖는 다. 센서의 제작은 동일하게 진행되었으며, Fig.

12과 같이 센서를 A-1부터 F-6까지 총 36영역으 로 구분하여 충격실험이 진행되었고, 한 센서 부 분에 충격을 줄 때, 다른 모든 센서에서 발생하 는 전압을 분석하였다. Fig. 13은 A-1 센서부에 충격이 가해진 경우의 신호를 보여준다. 직접 충

Aluminum

Specimen 300×300 mm², thickness : 2.9~3.0 mm PNN-PZT/Epoxy

Paint Thickness 0.15(mm) Poling Treatment 4 kV/mm, 30min,

at room temperature

Fig. 11 Aluminum specimen specification divided into 36-area for measuring the impact response of the piezoelecric paint sensor

Fig. 12 Impact response signals at all other sensors when impact is applied to the A-1 sensor area

Fig. 13 The impact response of the sensor when impact is applied to the A-1 sensor area

격을 받은 A-1영역의 센서에서만 Impact 신호가 발생했으며, 그 외의 센서에서는 충분히 무시할 만한 매우 작은 반응을 보임으로써 직접 충격을 받은 센서부에서만 신호가 검출되는 결과를 확인 할 수 있다.

이 결과는 압전 페인트 센서는 진동신호와 같 은 주변에서 발생하는 신호보다 직접 센서에 작 용하는 충격에 매우 큰 반응을 보이고 있음을 보 여 준다.

5. 결 론

본 연구에서는 구조물의 충격검출을 목적으로 하는 유연한 센서 개발을 연구 목표로 압전 페인 트센서를 개발하고 충격센서로써의 활용 여부를 연구하였다. 압전 페인트 센서는 페인트 형태로 센서의 역할을 수행할 수 있기 때문에 그 어느 센서보다도 높은 적용성을 지니고 있다. 직접 개 발된 PNN-PZT 페인트 센서는 먼저 알루미늄 시 편에 적용하여 감도 및 충격반응 신호를 측정하 였다. 특히, 항상 외부 환경에 노출되어 있는 철 도 상황을 고려하여 -20~60℃의 온도 범위에 압 전 페인트 센서를 노출시켜 감도의 변화를 관찰 하였다.

1) 먼저 환경노출 시험 전 50×50 mm² 시편에 도 포된 센서는 평균 1.16 mV/N (1.0 mV/N ~ 1.4 mV/N 분포)의 감도를 보였다.

2) 열환경 노출실험 이전에 비해서 노출 진행 이 후, 센서로부터 측정된 감도 point들의 분산도 가 증가하였다. RMS 오차값은 기존 약 10%

내외에서 20~30% 분포의 범위에 impact peak point가 위치했다. Adj. R²값도 환경 노출 전에 비해 다소 줄어들었지만 기존 98% 이상의 Adj. R²에서 노출 후 93% 이상의 회귀분석 결 정계수 값으로 여전히 높은 수치의 결정계수 를 나타내고 있다.

3) 네 모서리를 고정한 알루미늄 시편에 도포된 압전 페인트 센서의 감도는 1.20 mV/N으로, 이전 1.16 mV/N에 비해 큰 차이가 나타나지 않았으며, 경계조건의 변화는 감도 변화에 큰 영향을 미치지 않는다.

4) 알루미늄 시편 300×300 mm²에 도포된 36영역 의 압전 페인트 센서에 적용된 충격실험에서

는 직접 충격이 인가된 영역에서만 신호가 발 생하였으며, 충격 감지에 활용할 수 있는 감 도를 갖는 특성을 확인하였다.

충격으로 인한 출력신호가 노이즈로 분류될 수 있는 충격외의 신호(주위 환경의 진동 등)는 충 격검출에 영향을 주지 않는다. 예를 들어, Fig.

12의 결과에서처럼 A-1의 부위에 충격을 가했을 때 그 진동이 인접한 부분으로 전해졌음에도 불 구하고 A-2, B-1, B-2 영역에서 전혀 신호 검출 이 되지 않았으므로 적용된 압전 페인트 센서는 충격으로 인한 신호가 진동으로 인한 신호에 대 한 상대적 크기가 매우 크다는 결론을 도출해 낼 수 있다. 다만, 향후 미세한 진동까지 검출해 낼 수 있을 만큼의 고감도를 지닌 센서를 개발한다 면 충격검출 이외에도 활용 범위가 대단히 넓어 질 것으로 예상된다.

현재까지 국내외로 압전 페인트 센서의 연구는 많이 진행되어 있지 않다. 때문에 최적의 제작 과정 및 시약 비율, 조합, 적절한 에폭시의 선정 등의 연구가 필요하다. 본 연구의 결과를 토대로 더욱 개선된 감도를 지닌 압전 페인트 제작 방법 을 모색하고, 구조물과의 결합을 위한 적합한 에 폭시의 연구, 그리고 충격센서로서의 활용하기 위한 다양한 후처리 방법들을 연구할 계획이다.

후 기

본 연구는 한국철도기술연구원 자체사업의 연 구비 지원으로 수행되었음. 또한, 2011년도 정부 (미래창조과학부)의 재원으로 한국연구재단의 지 원을 받아 수행된 과학기술국제화사업 연구임 (2011-0030063).

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