KR100562598B1 - 압전 수지 조성물, 압력 센서, 압전 케이블, 압력 및 온도 검출용 케이블, 압력 및 온도 검출 장치 - Google Patents

압전 수지 조성물, 압력 센서, 압전 케이블, 압력 및 온도 검출용 케이블, 압력 및 온도 검출 장치 Download PDF

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Abstract

비정질 염소화된 폴리에틸렌과 결정질 염소화된 폴리에틸렌 및 압전 세라믹 파우더로 구성된 압전 조성물을 이용한 두 종류의 압력 센서가 개시된다. 첫 번째는 금속 나선의 내부 전도체와, 금속 나선 내부에 채워지는 절연의 미세한 폴리머 섬유와, 내부 전도체를 원주형으로 둘러싸는 압전 조성물층, 및 폴리머 멤브레인에 금속막이 접착된 구성의 외부 전도체를 포함하며, 금속막은 상기 조성물층에는 접촉되어 있고 내부 전도체 및 보호 자켓과는 분리되어 있는 압전 케이블이다. 두 번째는 두 개의 폴리머 멤브레인에 접착된 두 개의 금속막 전도체 사이에 샌드위치된 평면 형상의 압전 조성물을 포함하며, 각 금속막은 조성물과는 접촉되어 있고 서로간에는 분리되어 있는 평면 센서이다.

Description

압전 수지 조성물, 압력 센서, 압전 케이블, 압력 및 온도 검출용 케이블, 압력 및 온도 검출 장치{PIEZOELECTRIC PRESSURE SENSOR}
도 1은 본 발명에 따른 압전 케이블을 나타낸 도면,
도 2는 본 발명에 따른 압전 케이블을 나타낸 또다른 도면,
도 3은 본 발명에 따른 압전 케이블을 나타낸 것으로, 외부 전도체와 외부 도선을 연결하는 수단을 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 압전 케이블을 나타낸 것으로, 외부 전도체와 외부 도선을 연결하는 다른 수단을 설명하기 위한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 압전 케이블을 나타낸 것으로, 외부 전도체와 외부 도선을 연결하는 또다른 수단을 설명하기 위한 도면,
도 6은 본 발명에 따른 압력 및 온도를 동시에 검출할 수 있는 압전 케이블을 나타낸 도면,
도 7은 본 발명에 따른 새로운 내부 전도체의 저항과 온도와의 관계를 나타낸 도면,
도 8은 압력 및 온도를 검출하는 장치의 구성도,
도 9는 본 발명에 따른 평면 압전 압력 센서를 나타낸 도면,
도 10은 본 발명에 따른 또다른 평면 압전 압력 센서의 횡단면도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 내부 전도체 2 : 압전 조성물층
3 : 외부 전도체 4 : 보호 자켓
6,18 : 전위차 검출 수단 7 : 전도성 접착제
8 : 금속선 9 : 편조
11 : 압력 검출 수단 12 : 온도 검출 수단
13 : 평면 압전 조성물 14,15 : 조립형 멤브레인
16,17,19,20,51,52 : 외부 도선 31 : 금속막
32 : 폴리머 멤브레인
본 발명은 압전 조성물을 이용한 압력 센서에 관한 것으로, 두 종류의 센서가 개시된다.
압전 압력 센서는 많은 용도, 예를 들어 수중 청음기, 스트레인(strain) 센서, 및 진동 센서 등에 적용될 수 있기 때문에, 지금까지는 압전 물질, 구성물, 및 그밖의 다른 것들에 관하여 많은 센서들이 제안되고 있는 실정이다.
예를 들어, 압전 케이블은 U.S. Pat. No.s 4,278,000과 4,568,851, 및 4,849,946에 개시된다. 전형적인 내부 전도체로서 단일 금속선, 직경이 대략 0.3mm의 소형 트위스트(twisted) 강선, 및 전도성 폴리머(polymer)층이 개시된다. 압전 케이블에서는 가요성(flexibility)이 아주 중요하기 때문에, 압전 폴리머 및 압전 조성물이 압전 물질로서 사용된다. 전형적인 압전 폴리머로서, 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride : PVDF), 폴리비닐 다이플루오라이드/폴리비닐 트라이플루오라이드 에틸렌 코폴리머(polyvinyl di-fluoride : VDF/polyvinyl tri-fluoride ethylene copolymer : TrFE) 등과 같은 폴리머들이 개시된다. 전형적인 압전 조성물로서, 리드 티타네이트(lead titanate : PbTiO3), 리드 티타네이트-리드 지르코네이트(lead titanate-lead zyrconate : PbTiO3-PbZrO3)의 고체 용액 등과 같은 압전 세라믹 파우더(ceramic powder)를 포함하는 실리콘(silicon) 고무와, 클로로프렌(chloroprene) 고무와, 우레탄(urethane) 고무 등과 같은 조성물이 개시된다. 외부 전도체로서, 진공 증착된 금속막, 전도성 페이스트(paste)의 코팅막, 금속 호일(foil), 전도성 고무 또는 폴리머층 등이 개시된다. 보호 자켓(jacket)으로서, 폴리에틸렌(polyethlene)이나 폴리비닐 클로라이드(polyvinyl chloride)를 이용되는 것이 개시된다.
상기에서 설명된 압전 조성물은 종종 물리적 강도 및 열적 안정도를 증가시키기 위해서 경화된다. 예를 들어, 클로로프렌 고무 및 리드 티타네이트로 이루어진 조성물은, 이들이 혼합된 후, 150kg/cm2의 압력하에 170℃에서 경화되며, 이에 대한 것은 "Huntai to Kogyo" Vol.22, No.1, p53-54, 1999에 보고되어 있다. 또한 1984년의 Ultrasonic Symposium의 p504 및 "Ferroelectronics", Vol.77, p39, 1988에 간략히 보고된 바와 같이, 또다른 조성물이 경화된다. 경화를 위해서는 특별한 장치 및 공정이 필요하기 때문에, 경화없이 조성물이 생성되는 것이 바람직하다.
상기에서 설명된 통상적인 압전 폴리머 및 조성물은 70-100℃보다 낮은 온도에서 열적 안정도를 갖는다. 그러나, 동축 케이블이 100℃보다 높은 온도로 가열되는 물질에 적용될 때, 예를 들어 전기 가열 블랭킷으로 이용될 때, 가열선 근처의 온도는 대략 최대 120℃까지 상승한다. 이 경우에, 120℃에서 높은 열적 안정도가 요구된다.
진공 증착된 또는 코팅된 막은 가장 적합한 외부 전도체 중의 하나인데, 이는 낮은 기계적 임피던스 때문이다. 그러나, 이러한 막을 생성할 때, 고가의 장치 및 복잡한 공정이 특히 요구된다. 예를 들어, 진공 증착 금속막이 생성될 때에는, 배기 시스템을 갖춘 진공 증착 장치, 증발 시스템 등이 필요하다. 더욱이, 압전층의 표면 세척, 증착율 제어, 증착 온도 제어, 막의 두께 제어 등과 같은 적절한 조건 하에 압전층의 원주 표면 둘레를 금속막으로 증착하는 증착 작용 및 밸브(valve) 작용과 같은 많은 공정이 요구된다. 또한 코팅된 막이 이용될 때에는 고가의 코팅 장치 및 복잡한 공정이 요구된다. 얇은 금속 호일(foil)이 외부 전도체로 이용될 때에는, 고가의 장치 및 복잡한 공정이 요구되지 않는다. 그러나, 금속 호일은, 물리적 강도가 약하기 때문에 압전층의 원주 표면 둘레에 견고하게 감기기가 어렵다. 예를 들어, 두께가 15㎛보다 얇은 알루미늄 호일은 손으로 쉽게 부서진다. 전도체 고무 또는 폴리머층은 압전 및 보호층과 동일한 압축 성형 공정에 의해 생성될 수 있는 장점이 있다. 그러나 그러한 층들이 외부 전도체로 이용될 때에는, 고가의 압출 성형 장치 및 복잡한 공정이 요구된다.
한편, 현재까지 많은 평면 압축 센서들이 개발되어 오고 있다. 압전 물질로서, 리드 티타네이트(PbTiO3), 리드 티타네이트-리드 지르코네이트(PbTiO3-PbZrO3) 등과 같은 압전 세라믹이 상기에서 설명된 압전 폴리머 및 압전 조성물과 함께 사용되며, 이에 관한 것은 "Piezoelectric Ceramic"(Bernard Jaffe, William R. Cook Jr. and Hans Jaffe, Academic Press, 1971, p262)에 나타나 있다. 금, 팔라듐, 및 백금과 같은 금속막은 전도체와 같이 압전 세라믹상에서 연소되거나 증발된다. 그러나, 압전 세라믹은 부서지기 쉬운 성질이 있어서, 곡선 표면에는 적용될 수 없다.
본 발명의 목적은 경화없이 생성될 수 있는 높은 열적 안정도를 갖는 압전 조성물을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 압전 케이블에서 외부 전도체로 이용될 수 있으며, 평면 압력 센서에서 전도체로 이용될 수 있는 전도체를 제공함에 있다.
본 발명의 또다른 목적은 압력 및 온도를 검출할 수 있는 케이블을 제공함에 있다.
본 발명은 염소화된 비정질 폴리에틸렌과, 염소화된 결정질 폴리에틸렌, 및 압전 세라믹 파우더를 포함하는 압전 조성물을 이용하는 두 종류의 압력 센서를 제공한다. 제 1 유형은 절연성의 미세한 폴리머 섬유가 내부에 채워지는 금속 나선의 내부 전도체와, 내부 전도체를 원주형으로 둘러싸는 상기 압전 조성물층, 및 폴리머 멤브레인에 금속막이 접착된 구성의 외부 전도체를 포함하며, 금속막은 상기 조성물층과는 접촉되어 있고 외부 전도체를 원주형으로 둘러싸는 절연성 및 탄성 물질의 보호 자켓과 내부 전도체와는 분리되어 있는 압전 케이블이다. 제 2 유형은 폴리머 멤브레인에 접착된 두 개의 금속막 전도체 사이에 샌드위치된 평면 형상의 압전 조성물을 포함하며, 각 금속막은 조성물과는 접촉되어 있고 서로간에는 분리되어 있는 평면 센서이다.
압전 케이블에 의해 압력과 함께 온도를 검출하기 위해서, 본 발명은 온도가 내부 전도체의 금선 나선의 저항에 따라 달라지는 온도로부터 검출되어 압력 및 온도 모두를 검출할 수 있는 케이블을 제공한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 압전 케이블의 바람직한 구조가 도시되며, 압전 케이블은 단일 금속선 또는 소형의 트위스트 강선과 같은 내부 전도체(1), 비정질 염소화된 폴리에틸렌(a-CPE), 결정질 염소화된 폴리에틸렌(c-CPE) 및 압전 세라믹 파우더로 구성된 것으로, 내부 전도체(1)를 원주형으로 둘러싸는 압전 조성물층(2); 및 금속막(31)과 폴리머 멤브레인(polymer membrane)(32)에 금속막(31)이 접착된 구성의 외부 전도체(3)를 포함하며, 금속막(31)은 압전 조성물층(2)과는 접촉되어 있으며, 외부 전도체(3)를 둘러싸는 절연성 및 탄성 물질의 보호 자켓(4) 및 내부 전도체(1)와는 분리되어 있다.
본 발명에 따른 압전 케이블은 다음의 공정에 의해 생성된다. 첫 번째, 40-70 vol.%의 원료 PbTiO3-PbZrO3 파우더가 롤링(rolling)법에 의해 원료 CPE 박판에 균일하게 첨가된다. 세라믹 파우더를 포함하는 롤링된 조성물 박판이 소형의 펠릿(pellet) 형태로 절단된 후, 펠릿이 내부 전도체(1)와 함께 압출 성형되어 연속적으로 압전 조성물층(2)을 형성한다. 외부 전도체(3)는 금속막(31)이 압전 조성물층(2)과 접촉하도록 압전 조성물층(2)의 둘레에 감겨진다. 또한 외부 전도체(3)를 둘러싸는 보호 자켓(4)은 연속적으로 사출 성형된다. 마지막으로, 80-120℃의 분위기에서 3-10kV/mm의 높은 DC 전기장이 내부 전도체(1)와 외부 전도체(3) 사이의 분극된 압전 조성물층(2)에 가해진다.
CPE는 결정 구조상, 비정질 염소화된 폴리에틸렌(amorphous chlorinated polyethylene : a-CPE)과 결정질 염소화된 폴리에틸렌(crystalline chlorinated polyethylene : c-CPE)으로 분류된다. 압전 세라믹 파우더를 첨가할 때, 원료 CPE 박판으로서 a-CPE가 사용되면, 대략 80 vol.%에 달하는 많은 양의 압전 세라믹 파우더가 첨가될 수 있고, 펠릿이 쉽게 압출 성형되는 장점이 있다. 압출 성형된 조성물층(2)은 매우 가요성을 갖는다. 그러나, 이러한 조성물층(2)은 낮은 강성으로 인해 80℃를 넘어서면 쉽게 변형되기 때문에, 실용성이 없다. 120℃에서도 거의 변형되지 않는 충분한 강도의 조성물층(2)을 제조하기 위해서는, 조성물층(2)이 상기에서 설명된 복잡한 공정에 의해 경화되어야 한다. 한편, 압전 파우더가 첨가될 때, 원료 CPE 박판으로서 c-CPE가 사용되면, 120℃에서도 거의 변형이 없을 정도로 충분한 강도를 갖기 때문에, 조성물층(2)은 경화되지 않아도 되는 장점이 있다. 그러나, 펠릿은 대략 40 vol.%에 달하는 소량의 압전 세라믹 파우더를 포함할 수 있고, 압출 성형되기 어려운 단점이 있다. 본 발명에 따른 조성물은 a-CPE 및 c-CPE로 구성되어 있기 때문에, 두 CPE의 장점을 모두 가지고 있다. 따라서 본 발명에 따른 조성물은 경화되지 않아도 되며, 압전 세라믹 파우더가 대략 70 vol.%에 이르도록 첨가될 수 있다.
상기에서 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 조성물은 a-CPE, c-CPE 및 압전 세라믹 파우더로 구성된다. 압출 성형된 조성물층(2)의 압전 및 물리적 특성은 a-CPE 및 c-CPE의 분자 중량 및 결정도(crystallinity), a-CPE와 c-CPE간의 체적비, 및 압전 세라믹 파우더량에 따라 달라진다. 분자 중량 및 결정도가 낮으면, 조성물층(2)은 120℃에서 거의 변형되지 않을 정도의 충분한 강도를 갖기가 어렵다. 반대로, 분자 중량 및 결정도가 높으면, 조성물층(2)은 압출 성형되기가 어렵다. 압전 세라믹 파우더의 양이 늘어날수록 압전 특성이 좋아지지만, 조성물층(2)은 압출 성형되기 어렵다. 이와 같은 조건을 고려하여, 분자 중량이 60,000∼150,000인 75wt%의 a-CPE와, 분자 중량이 200,000∼400,000인 25wt%와 c-CPE, 및 15∼25%의 결정도로 구성하는 것이 a-CPE 및 c-CPE의 바람직한 혼합이라는 것이 실험적으로 밝혀졌다. 압전 세라믹 파우더는 대략 70vol.%까지 이러한 혼합물에 첨가될 수 있다.
압전 세라믹 파우더가 이러한 a-CPE 및 c-CPE의 혼합물에 첨가되기 전에, 파우더는 티타늄 결합 작용제의 용액에 담겨지고 건조되는 것이 바람직하다. 이러한 공정으로 인해, 액체에 담겨진 파우더 표면이 친수성(hydrophilic) 및 소수성(hydrophobic) 그룹으로 덮어 씌어진다. 친수성 그룹은 파우더가 뭉쳐지는 것을 방지하고, 소수성 그룹은 세라믹 파우더의 습식력을 CPE까지 증가시킨다. 결과적으로, 세라믹 파우더는 대략 70vol.%까지 a-CPE 및 c-CPE의 혼합물에 균일하게 첨가될 수 있다. 상기 공정 대신에, 혼합물과 파우더가 롤링(rolling)할 때 티타늄 결합 작용제를 첨가함으로써 유사한 효과를 얻을 수 있다. 이러한 간단한 공정은 용액에 담겨지지 않아도 되므로, 바람직하다.
외부 전도체(3)로서, 진공 증착 또는 코팅 장치와 비교하여 더 간단한 장치에 의해 쉽게 감겨질 수 있기 때문에 금속 박막(31)에 폴리머 멤브레인(32)을 접착하여 구성한 조립형 멤브레인(3)이 바람직하다. 더구나, 조립형 멤브레인(3)은 금속 박막(31)의 고 전도성 및 폴리머막(32)의 큰 물리적 강도를 갖고 있어, 압전 조성물층(2)상에 견고하게 감길 수 있는 장점이 있다. 조립형 멤브레인(3)으로서, 알루미늄 박막(31)에 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate : PET) 멤브레인(32)을 접착하여 구성한 특수 멤브레인(3)은 120℃에서 높은 열적 안정도를 가지고 있으며, 상업적으로 유용한 장점이 있다. 상업적으로 유용한 전형적인 조립형 멤브레인(3)은 두께가 6-10㎛인 알루미늄층(31)에 두께가 10-20㎛이고 폭이 3-10㎜인 PET 멤브레인(32)을 접착하여 구성한다. 조립형 멤브레인(3)이 압전 조성물층(2)에 감길 때, 주어진 압력하에서 케이블을 보다 쉽게 팽팽하게 할 수 있기 때문에, 조립형 막(3)의 폭은 좁은 것이 바람직하다.
압전 케이블이 전기적 잡음 환경에서 이용될 경우, 조립형 멤브레인(3)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 부분적으로 길이 L만큼 겹쳐지도록 감겨지는 것이 바람직하다. 물체를 밀착시킴으로써 야기되는 압력이 케이블에 가해지면, 압전 조성물층(2)의 팽팽함으로 인하여 내부 전도체(1)와 외부 전도체(3) 사이에 전위차가 발생된다. 외부 전도체(3)가 접지 전위를 유지할 때, 내부 전도체(1)가 환경 잡음으로부터 차폐되기 때문에, 전위차가 유용하게 될 수 있다. 또한, 겹쳐진 부분이 팽팽함을 방해하기 때문에, 조립형 멤브레인(3)의 겹쳐진 길이 L(도 1 참조)을 가능하면 짧게 하는 것이 바람직하다. 한편, 압전 케이블이, 예를 들어 차폐 박스(shielded box)와 같이 보다 낮은 잡음 환경에서 이용될 경우에, 케이블이 압력에 의해 보다 쉽게 팽팽하게 될 수 있으므로, 조립형 멤브레인(3)은 도 2에 도시된 바와 같이 소정의 간격 L'을 두고 감겨지는 것이 바람직하다. 폴링(poling)시에, 내부 전도체(1) 및 외부 전도체(3) 사이에 DC 전기장이 균일하게 가해지기 때문에, 간격 L'을 가능하면 짧게 하는 것이 바람직하다.
삭제
보호 자켓(4)으로서, 우레탄, 폴리에틸렌, 폴리비닐리딘 클로라이드(PVC) 등과 같은 절연성 및 탄성 폴리머 물질이 이용된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 실제적인 적용에 있어서, 내부 전도체(1) 및 외부 전도체(3)에 접속된 외부 도선(51,52)은 각각 검출 수단(6)에 연결된다. 케이블에 가해진 압력에 의해 내부 전도체(1)와 외부 전도체(3a) 사이에 전위차가 발생되면, 외부 도선(51,52)에 연결된 검출 수단(6)에 의해 전위차를 검출할 수 있다. 도선을 용이하게 연결하기 위해서는, 폴리머 멤브레인(32a)을 금속막(31a,31a') 사이에 샌드위치(sandwich)시켜 구성한 다른 조립형 멤브레인(3a)으로 외부 전도체(3)를 구현하는 것이 바람직하고, 다른 조립형 멤브레인(3a)이 부분적으로 겹쳐지는 방식으로 감겨지는 것이 바람직하다. 결과적으로, 압전 조성물층(2)과 접촉되는 금속층(31a)은 겹쳐진 부분에서 금속막(31a')과 접촉된다. 금속막(31a')이 외부에 위치하기 때문에, 외부 도선(51)은 금속막(31a')과 쉽게 연결될 수 있다.
상기에서 설명된 바와 같이, 금속막(31a,31a')을 알루미늄으로 구현하고, 폴리머 멤브레인(32a)을 PET로 구현함이 바람직하다. 일반적인 땜납 또는 용접으로는, 외부 도선(51)이 알루미늄막(31a)과 연결될 수 없다는 점을 고려하여, 다음과 같이, 외부 도선(51)과 알루미늄막(31a')을 연결하는 임의의 바람직한 연결 수단이 제안된다. 첫째로, 도 3에 도시된 바와 같이, 외부 도선(51)은 전도성 접착제를 사용하여 연결될 수 있다. 이 수단은 단순한 구성으로 된 것이 바람직하나, 접착 강도가 낮은 단점이 있다. 외부 도선(51)과 알루미늄층(31a')간의 높은 접속 강도를 얻기 위해서는, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 단일 금속 코일(8)이나 금속선 편조(braiding)(9)가 알루미늄막(31a)상에 물리적으로 감기는 것이 바람직하다. 외부 도선(51)은 납땜을 통해 금속 코일(8)이나 편조(9)에 쉽게 연결된다. 한편, 금속 코일(8)이나 편조(9)와 알루미늄막(31a)간의 물리적 접촉은 보호 자켓(4)에 의해 충분한 강도를 유지할 수 있다. 따라서, 외부 도선(51)은 알루미늄막(31a)과 견고하게 연결될 수 있다. 금속 코일(8)이나 편조(9)와 알루미늄층(31a)간의 물리적 접촉으로 인해, 금속 코일(8)이나 편조(9)는 알루미늄층(31a')과 전기적으로 연결된다. 그들간에 접합 저항이 있지만, 압전 조성물층(2)은 전기적 절연체이기 때문에, 100㏀보다 낮은 접촉 저항은 전위차를 검출하는데 아무런 문제를 제공하지 않는다.
상기에서 설명된 바와 같이, 압전 조성물층(2)은 120℃에서 1000시간 이상 작동할 수 있다. 그러나, 120℃보다 높은 온도에서는, 온도가 상승할수록 작동 시간이 짧아진다. 이러한 사실은, 작동중에는, 작동 온도가 검출되는 것이 바람직하다는 것을 나타낸다. 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 또다른 바람직한 압전 케이블 구조가 도시된다. 본 발명에 따른 또다른 바람직한 압전 케이블의 구조에서는 통상적인 내부 전도체(1)와는 다른 새로운 전도체(1a)가 사용된다. 새로운 내부 전도체(1a)는 나선형으로 감겨지는 금속 내부 전도체(1aa)와 절연성의 미세한 폴리머 파이버(1ab)로 구성되며, 금속 나선(1aa)의 내부는 폴리머 파이버(1ab)로 채워진다. 금속 나선(1aa)과 미세한 폴리머 파이버(1ab)는 각각 5wt%의 은을 함유한 구리 함금 및 폴리에스터 파이버로 구성함이 바람직하며, 이것은 특수 내부 전도체(1a)가 전기 블랭킷과 같이 상업적으로 적용되어 왔기 때문이다.
새로운 내부 전도체(1a)는 압전 조성물층(2)에 의해 둘러싸이기 때문에 금속 나선(1aa)의 온도는 압전층(2)의 온도와 거의 같다.
케이블 양측 에지(10a,10b) 사이의 금속 나선(1aa)의 길이가 도 1 내지 5에 도시된 통상적인 금속 내부 전도체(1)보다 실질적으로 더 길기 때문에, 양측 에지(10a,10b) 사이의 금속 나선(1aa)의 전기적 저항은 쉽게 검출될 수 있을 정도로 높다. 더구나, 금속 나선(1aa)은 온도 계수 저항이 크다. 이러한 특성들은 금속 나선(1aa)이 온도 센서로서 적합하다는 것을 나타낸다. 예를 들어, 상기에서 설명된 특수 내부 전도체(1a)의 전형적인 금속 나선(1aa)의 폭은 0.3㎜이고, 두께는 0.05㎜이다. 이러한 금속 나선(1aa)의 저항은 케이블의 단위 길이 당 실온에서 대략 2.7Ω으로서, 약 0.1Ω보다 낮은 통상적인 내부 전도체(1)의 저항보다 10배 이상의 크기를 갖는다. 길이가 대략 6.5m인 이러한 금속 나선(1aa)의 온도와 저항간의 관계가 도 7에 도시된다. 도 7에서, 마크 X는 측정값을 나타내고, 실선은 선형적으로 근사화된 식에 의해 얻어진 직선을 나타낸다. 온도 및 저항은 각각 T 및 R에 의해 표시된다. 이러한 금속 나선(1aa)은 120℃에서 대략 25.5Ω의 높은 저항을 가지고 있으며, 약 3800ppm/℃의 높은 양(+)의 온도 계수를 가지기 때문에, 케이블의 작동 동안에 온도가 쉽게 검출될 수 있다.
상기 예에 있어서, 금속 나선의 물질은 5wt%의 은을 함유한 구리 합금이지만, 보다 높은 양(+)의 TCR이 요구될 때에는, 순수한 구리나 순수한 니켈 금속이 금속 나선으로 이용될 수 있다. 압력과 온도를 동시에 검출하기 위해서는, 도 8에 나타낸 바와 같이, 검출 장치는 압전 케이블과, 내부 전도체(1a)와 외부 전도체(3a) 사이에 연결된 압력 검출 수단(11)과, 케이블의 단부(10a,10b) 사이에 연결된 온도 검출 수단(12)을 포함하는 것이 바람직하다. 두 검출 수단(11,12)은 각각 서로 별개로 작동할 수 있기 때문에, 압력과 온도가 동시에 검출될 수 있다. 온도가 케이블의 통상의 작동 온도보다 높게 증가하면, 경고 또는 작동 중지와 같은 보호 작용이 실행될 수 있다. 물론, 온도 검출이 요구되지 않으면, 금속 나선(1aa)이 압력을 검출하기 위한 내부 전도체(1)로서 작동될 수 있음이 명백하다.
압력 센서를 곡선형의 평면 표면에 적용했을 경우, 도 9에 도시된 평면의 가요성 압력 센서가 상기에서 설명된 압력 케이블에 비해 명백히 효과적이다. 예를 들어, 모터에 의해 구동되는 자동차의 창(window)이 닫혀질 때, 손가락 또는 손이 창과 프레임(frame) 사이에 꽉 끼워져서 눌려지는 경우가 있다. 이러한 사고는 위험하기 때문에, 창 프레임에 손가락이 끼워져 있음이 검출되면, 그 즉시 창의 움직임이 멈추어지는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 평면의 가요성 압력 센서는 곡선의 창 프레임에 쉽게 접착되기 때문에, 손가락이 끼워지는 것을 검출하기 용이하다.
다시 도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 평면의 가요성 압력 센서의 바람직한 구성이 도시되며, 상기 압력 센서는 조립형 멤브레인(14,15)과, 조립형 멤브레인(14,15) 사이에 샌드위치된 평면 압전 조성물층(13)을 포함한다. 조립형 멤브레인(14)은 금속막(141)에 폴리머 멤브레인(142)을 접착하여 구성하고, 조립형 멤브레인(15)은 금속막(151)에 폴리머 멤브레인(152)를 접착하여 구성한다. 금속막(141,151)은 평면 압전 조성물(13)과 접촉된다.
평면 압력 센서의 전극으로서, 조립형 멤브레인(14,15)을 사용함이 바람직하며, 그 이유는 강성 전도체, 예를 들어 바인더(binder)로서 유리나 열경화성 수지를 포함하는 열화 금속막에 비해 가요성이 높기 때문이다.
평면 압력 센서가 전기적 잡음 환경에서 이용될 경우, 도 10에 도시된 바와 같이, 조립형 멤브레인(14,15)은 또다른 조립형 멤브레인(14a,15a)으로 대체됨이 바람직하다. 조립형 멤브레인(14a)은 금속막(141a,141a')과, 금속막(141a,141a') 사이에 샌드위치된 폴리머 멤브레인(142a)으로 구성된다. 또한 조립형 멤브레인(15a)은 금속막(151a,151a')과, 금속막(151a,151a') 사이에 샌드위치된 폴리머 멤브레인(152a)으로 구성된다. 내부 금속막(141a,151a)은 평면 조성물(13)과 접촉된다. 외부 도선(external lead)(16,17)은 각각 내부 금속막(141a,151a)과 연결된다. 평면 압력 센서에 압력이 가해지면, 금속막(141a)과 금속막(151a) 사이에 전위차가 발생된다. 전위차를 검출하기 위하여, 외부 도선(16,17)은 검출 수단(18)에 연결된다. 전위차가 잡음 환경에서 검출되면, 전위차가 외부 잡음으로부터 차폐되기 때문에 외부 금속막(141a',151a')을 접지 전위로 유지하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 금속막(141a'1541a')에 연결된 외부 도선(19,20)을 단락시킴으로써, 외부 금속막(141a',151a')이 접지 전위로 유지되는 것이 용이하게 이루어진다.
본 발명에 따른 평면의 가요성 압력 센서는 후술할 공정에 의해 생성된다. 롤링(rolling)법에 의해 균일하고 얇은 압전 조성물층(143)을 얻기 어렵기 때문에, 롤링된 조성물 박판은 50∼150㎏/㎠의 압력 및 120∼180℃의 온도 조건에서 압축된다. 두께가 0.1∼1㎜인 균일한 압전 조성물층(13)이 이러한 공정에 의해 생성될 수 있다. 금속막(141,151)과 압전 조성물층(13)을 견고하게 접촉하기 위해, 금속막(141,151)과 평면 압전 조성물층(13)을 접촉하도록 전도체(14)와 전도체(15)사이에 놓여진 압전 조성물층(13)의 조립체가 또한 압축된다. 마지막으로, 높은 DC 전압이 압전 조성물층(13)의 극(pole) 부분에 가해진다. 접합제로서 아크릴 또는 폴리에스테르 수지와 같은 열가소성 수지를 포함하는 열화성 금속막이 좋다. 이러한 열화 금속막은 다양한 패턴으로 쉽게 형성될 수 있는 장점이 있다. 그러나, 차폐 전도체를 형성하기 위한 특별한 공정이 요구되는 단점이 있다. 이막은 금속 입자 및 열 가소성 물질이 포함된 페이스트의 인쇄막을 100∼150℃에서 가열함으로써 생성된다. 은과, 아크릴 또는 폴리에스테르 수지를 포함한 페이스트는 상업적으로 유용하기 때문에, 금속으로서 은을 이용함이 바람직하다.
물론, 케이블과 평면 압력 센서의 기본 구조는, 명백히 서로 각기 분리되어 있는 두 개의 전도체 사이에 샌드위치된 압전 조성물층으로 이루어진다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 압전 조성물은 높은 열적 안정도를 갖기 때문에 경화없이 생성될 수 있으며, 본 발명에 따른 전도체는 압전 케이블에서는 외부 전도체로 이용될 수 있고, 평면 압력 센서에서는 전도체로 이용될 수 있는 효과가 있다. 또한 본 발명에 따른 케이블은 압력 및 온도를 동시에 검출할 수 있는 장점이 있다.
상기에서 본 발명이 설명되었지만, 본 발명의 범주내에서 많은 변형 및 수정이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 범주는 후술하는 청구 범위에 의해 나타내어진다.

Claims (31)

  1. 비정질 염소화 폴리에틸렌(amorphous chlorinated polyethylene : a-CPE)과 압전 세라믹 파우더로 이루어지는 압전 수지 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 비정질 염소화 폴리에틸렌의 분자량은 60,000∼150,000인 압전 수지 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서,
    결정화 염소화 폴리에틸렌(crystalline chlorinated polyethylene : c-CPE)을 더 포함하는 압전 수지 조성물.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 결정화 염소화 폴리에틸렌의 분자량은 200,000∼400,000이며, 결정화도는 15∼25%인 압전 수지 조성물.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 비정질 염소화 폴리에틸렌과 상기 결정화 염소화 폴리에틸렌의 중량 조성 비율은 75 대 25인 압전 수지 조성물.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 기재된 압전 수지 조성물을 2개의 도체로 샌드위칭한 압력 센서.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 압력 센서의 형상은 판상(板狀)인 압력 센서.
  8. 내부 도체와, 상기 내부 도체를 둘러싸는 압전 수지 조성물과, 상기 압전 수지 조성물을 둘러싸며, 또한 상기 내부 도체와는 절연된 외부 금속 도체와, 상기 외부 금속 도체를 둘러싸는 절연 보호층으로 이루어지는 압전 케이블로서,
    상기 압전 수지 조성물은 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 기재된 압전 수지 조성물인 것을 특징으로 하는 압전 케이블.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 외부 금속 도체는 금속 필름의 일부를 겹쳐서 감겨진 것인 압전 케이블.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 외부 금속 도체는 금속 필름이 겹쳐지지 않도록 감겨진 것인 압전 케이블.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 외부 금속 도체는 양면에 금속 증착막이 형성된 수지 필름인 압전 케이블.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 외부 금속 도체에 외부 접속용 리드선이 도전성 접착제로 고정되어 있는 압전 케이블.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 외부 금속 도체에 외부 접속용 리드선이 납땜되어 있는 압전 케이블.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 외부 접속용 리드선은 편조선인 압전 케이블.
  15. 제 8 항 있어서,
    상기 내부 도체는 절연 수지 섬유에 감겨진 금속 코일인 압전 케이블.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 금속 증착막은 알루미늄막이며, 상기 수지 필름은 폴리에틸렌 테레프탈레이트 필름인 압전 케이블.
  17. 내부 도체와, 상기 내부 도체를 둘러싸는 압전 수지 조성물과, 상기 압전 수지 조성물을 둘러싸며, 또한 상기 내부 도체와는 절연된 외부 금속 도체와, 상기 외부 금속 도체를 둘러싸는 절연 보호층으로 이루어지는 압력 및 온도 검출용 케이블로서,
    상기 압전 수지 조성물은 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 기재된 압전 수지 조성물인 것을 특징으로 하는 압력 및 온도 검출용 케이블.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 내부 도체는 절연 수지 섬유에 감겨진 금속 코일인 압력 및 온도 검출용 케이블.
  19. 청구항 17에 기재된 압력 및 온도 검출용 케이블과, 상기 압력 및 온도 검출용 케이블의 상기 내부 도체와 상기 외부 금속 도체간에 접속된 압력 검출 수단과, 상기 압력 및 온도 검출용 케이블의 상기 내부 도체와 상기 외부 금속 도체간에 접속된 온도 검출 수단으로 구성된 압력 및 온도 검출 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 내부 도체는 절연 수지 섬유에 감겨진 금속 코일인 압력 및 온도 검출 장치.
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