힘 측정 센서(force measuring sensor)는 탄성 재료로 제작되며, 일반적으로 알루미늄 합금, 합금강, 스테인리스강과 같은 금속 소재가 사용됩니다.
이러한 합금 재료는 우수한 변형 일관성, 복원력, 내후성을 갖추고 있습니다.
탄성 재료의 핵심 요구 조건은 다음과 같습니다.
- 힘 정보를 정확하게 전달할 것
- 동일한 힘에 대해 일관된 변형 특성을 유지할 것
- 하중 제거 후 완전한 복원이 가능할 것
힘 측정 센서의 재료 구성
1. 스트레인 게이지 및 저항 소자 재료
저항 스트레인 게이지의 구조는 매우 복잡하며, 변형 요구 조건에 따라 수천 종의 제품이 존재합니다.
이들은 스트레인 게이지의 조합 및 다양한 배열 방식으로 제조됩니다.
- 기판(Substrate): 주로 고분자 필름 소재 사용
- 변형 감지 금속: 고순도 강(Steel) 및 구리(Copper)
기판 위의 구리는 광학 처리 및 에칭(부식) 공정을 거치며, 이 과정에서 변형에 따른 저항 변화 특성이 형성됩니다.
따라서 스트레인 게이지의 품질은 다음 요소들과 밀접한 관련이 있습니다.
- 기판 및 복합 금속의 순도
- 복합 공정 기술
- 에칭 공정 및 화학 물질
- 후처리 기술 및 사용 재료
2. 힘 측정 센서용 접착 테이프(본딩 재료)
저항 스트레인 게이지 접착에는 주로 2액형 고분자 에폭시 접착제가 사용됩니다.
이러한 고분자 화학 제품의 성능은 다음 요소들에 크게 좌우됩니다.
- 재료의 순도
- 분자 사슬 구조 및 크기
- 보관 기간
- 혼합 비율
- 분자 변형 특성
- 혼합 방식 및 혼합 시간
- 경화 시간 및 경화 온도
- 첨가제의 종류 및 비율
3. 힘 측정 센서의 실링 젤(봉지재) 재료
초기 힘 측정 센서 제작 단계에서는 용접 기술 및 장비가 충분하지 않아 특수 실리콘 고무 실링제가 널리 사용되었습니다.
실리콘 고무는 다음과 같은 특성을 갖습니다.
- 장기적인 화학적 안정성
- 내식성
- 방습성
- 내노화성
- 우수한 절연 성능
이러한 이유로 실리콘 고무는 오랫동안 센서용 실링 재료의 대표적인 선택지로 사용되어 왔습니다.
자동차 안전에서 힘 측정 센서의 역할
힘 측정 센서에 대해 잘 모르는 사람도 많지만, 자동차 충돌 시험 영상은 대부분 한 번쯤 본 경험이 있을 것입니다.
이러한 충돌 실험에서 차량의 안전 성능은 **더미(dummy, 충돌 시험용 인체 모형)**에서 출력되는 센서 신호를 통해 평가됩니다.
👉 힘 측정 센서가 없다면, 더미는 단순한 모형에 불과하며 실질적인 안전 평가가 불가능합니다.
자동차 충돌 시험에서의 활용
자동차 안전 연구소에서는 차량 제조사가 실제 주행 사고를 가정하여 의도적인 충돌 실험을 수행합니다.
- 더미를 차량에 탑승시킨 후 충돌
- 충돌 순간 더미의
- 가속도
- 하중
- 변형량
을 측정
- 이 데이터를 바탕으로 차량의 안전 등급 및 보호 성능을 평가
충돌 시험 더미와 힘 측정 센서
충돌 시험용 더미는 대부분 금속과 플라스틱으로 제작되며, 외형뿐만 아니라 다음과 같은 구조를 갖습니다.
- 실제 인체와 유사한 척추
- 갈비뼈
- 합성 근육 구조
가장 중요한 점은 더미의 몸 전체에 다축(force multi-axis) 힘 측정 센서가 장착되어 있다는 것입니다.
- 설치 위치:
- 목(Neck)
- 팔(Hands)
- 다리(Legs) 등
- 목적: 충돌 순간 발생하는 다양한 힘과 하중을 정밀하게 측정하여 자동차의 안전 성능을 과학적으로 분석