압전 센서를 이용한 다기능 내장 안테나 구조물의 손상 예측 기술 개발
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차량,선박,항공기 및 우주발사체 등의 다양한 운송수단에 안테나(Antenna)가 내·외부에 탑재되어 폭넓게 활용되고 있다.특히 항공기의 경우,기존의 안테나 설계 및 장착 방식은 외형이 결정된 후 최대의 안테나 성능을 얻기 위하여 외부 돌출형으로 장착되었지만,돌출형 안테나 구조물이 비행체의 무게증가,항력 및 레이더 반사면적(Radar Cross Section,RCS)증가 등을 초래하게 된다.따라서 이러한 단점을 감소시키고 스텔스(Stealth)기술을 향상시키기 위한 연구가 세계적으로 활발히 수행되고 있지만,각국의 기술 공개가 매우 미흡한 실정이다.따라서 다기능 구조물에 대한 국내의 독자적인 개발 및 연구가 필수적이라 사료된다.또한 최근 민간 항공기의 대형사고에서 보는 바와 같이 항공기 사고가 발생하면 항공기 동체가 파손되어 물질 및 인명의 피해규모가 매우 크다.이러한 사고를 예측하고 방지하기 위한 구조 건전성 모니터링(Structural Health Monitoring)의 필요성이 한층 증가하고 있다.따라서 본 연구에서는 그동안의 연구를 바탕으로'압전 센서를 이용한 다기능 내장 안테나 구조물의 손상 예측 기술 개발을 통한 구조 건전성 모니터링'에 관한 연구를 수행하고자 한다.
1 압전센서를 이용한 구조 건전성 모니터링 압전 재료는 가해진 응력에 따라 전압을 발생시키는 압전 효과로 인해 센서로 사용되기도 하고,외부의 전기장에 따라 형상이 변화하는 역압전 효과로 인해 작동기로 사용되기도 한다.압전 효과 때문에 구조물의 구조적 변화에 따라 구조물에 부착된 압전 재료의 발생 전압이 변화하게 되고,구조 변화에 따른 구조물의 임피던스 변화에 따라 압전 재료의 임피던스가 변화하게 된다.이러한 특성으로 인해 압전 재료는 전압 및 임피던스를 측정함으로써 구조물의 변형률 및 손상 여부를 모니터링하는 센서로 사용될 수 있다.따라서 본 연구에서는 PZT 및 PVDF 센서의 전압을 측정하여 전체적인 변형률을 측정하고,구조물에 센서를 부착하여 국부적인 임피던스를 측정함으로써 손상 여부를 판단하는 연구를 수행할 계획이다.2.PZT 실험을 통한 기술 개발 일체 성형 날개 BOX 구조에서는 초음파,형광 탐상 등의 비 파괴 검사가 곤란하다는 결점을 극복하기 위해 내부 접착 구조 부위의 박리를 모니터링하는 PZT 시스템을 개발하고자 한다.그림 8과 같이 이 시스템은 압전소자·필름을 탄성파 발신원으로 하여 접착 구조 부위의 접착 필름내의 센서에 의해 탄성파 왜곡을 수신해 탄성파 전파 경로에서 발생하는 박리 등의 손상을 검출하는 것이다.또한,박리 손상 발생을 판단하는 손상 파라미터 설정과 그것을 시각적으로 표시하는 손상 진단 시스템을 구축한다.센서와 케이블 등은 항공기 외피에 설치되어 있으며 압전재료 모니터링 시스템을 장착해 실험적으로 평가 및 고찰을 수행할 계획이다.
1)기술적 측면 전 세계적으로 자주 국방에 대한 관심의 증가로 일반적인 항공기와는 달리 전투기의 경우에는 레이더상에서 적을 속이고 은폐하여 생존성을 높이는 스텔스(Stealth)기술이 매우 중요하다고 할 수 있다.다양한 연구 자료에 보고되었듯이,다기능 스마트 스킨 안테나는 항공기에 돌출된 안테나를 제거하면서도 레이더 단면적을 효과적으로 줄여줄 수 있어서 전투기의 기동성의 향상과 스텔스 기능을 활용되어 자주 국방에 크게 기여함은 물론,차량,선박,항공기 등의 다양한 운송수단에 외피로서 안테나가 탑재되어 그 역할은 매우 증대될 것이다.항공기 노화 등으로 인해 고가의 장비들이 파손되고 소중한 인명이 희생되는 경우가 많아서 이러한 재난을 예측하고 최소화하기 위한 구조 건전성 평가의 역할이 증대되고 있고,본 연구가 구조물의 건전성 평가 기술의 발전에 기여를 할 것으로 사료된다.2)경제적·산업적 측면 다기능 스마트 스킨 안테나는 앞으로 국내 CLAS 시스템의 안정화 및 상용화를 위해서는 구조 경량화 및 신소재 기술뿐만 아니라 통신기술 등 여러 분야의 통합적인 기술 융합이 필요하며,이를 위해 국가차원에서 장기간의 체계적인 지원이 요구된다.또한,CLAS 시스템을 이용한 분야는 앞으로 더욱 다양할 것으로 보이며,항공기뿐만 아니라 군용차량,군함,일반 차량까지 폭 넓게 활용할 수 있을 것이다.내구성이 강한 구조물 본체를 이용하므로,구조물 표면 자체 아테나를 이용하여 AM/FM,TV,GPS 및 디지털 멀티미디어 방송 등 다양한 분야에 활용될 수 있으며,가전 기기의 무선 통신 시스템 등에도 폭넓게 활용될 것으로 다양한 연구 자료가 보고되고 있다.