[논문]우주용 접착제의 중첩 전단 강도 시험

서유덕; 박상훈; 윤성기; 이상률; 이덕규; 장홍술; 이승훈; 김현중; 김지연; 엄태경; 이응식; 정대준

doi:10.5139/jksas.2006.34.10.040

[국내논문] 우주용 접착제의 중첩 전단 강도 시험
Lap Shear Strength Test of Space Adhesives 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.34 no.10, 2006년, pp.40 - 47

서유덕 (한국과학기술원) , 박상훈 , 윤성기 (한국과학기술원) , 이상률 (한국항공우주연구원) , 이덕규 (서울대학교) , 장홍술 (한국항공우주연구원) , 이승훈 (한국항공우주연구원) , 김현중 (한국과학기술원) , 김지연 (한국과학기술원) , 엄태경 (한국과학기술원) , 이응식 (한국항공우주연구원) , 정대준 (한국항공우주연구원)

초록
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반사경 지지부의 접착 특성은 인공위성카메라 반사경의 광학적 성능에 지대한 영향을 미치므로 이에 대한 연구가 필수적이다. 이를 위해 본 연구에서는 세 종류의 우주용 접착제의 접착 특성에 관한 연구를 수행하였다. 반사경의 재료인 제로더(Zerodur)와 금속이 접착된 시편을 사용하여 중첩 전단(lap shear) 시험을 수행하였고 금속과 금속이 접착된 시편에 대해서도 시험을 수행하였다. 또한 다양한 온도 환경을 겪더라도 안정적인 접착력이 보장되는지의 여부를 확인하였으며 세 접착제의 접착력을 비교하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Optical performance of the mirror for satellite camera is highly dependent on the adhesive properties of its support. Therefore, in this paper, the adhesive properties of three kinds of space adhesives are investigated. For this purpose, the lap shear test is performed with Zerodur-to-metal lap shear specimen as well as metal-to-metal one. And it is also investigated whether reliable adhesive strength can be secured after the specific thermal cycle. Finally, the properties of three adhesives are compared with each other.

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AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 반사경의 광학성능에 지대한 영향을 미치는 반사경지지부의 접착 특성에 관한 연구를 수행한다. 우주용접착제로 널리 사용되어 온 세 종류의 접착제를 선정하여 접착 특성 연구를 위해 중첩 전단(lap shear) 시험을 수행하였다.
본 연구에서는 인공위성 카메라 반사경의 지지부에 사용되는 우주용접착제의 접착 특성에 관한 연구를 수행하였다. 반사경지지부의 접착면에 전단력이 작용하므로 접착 특성 연구를 위해 중첩 전단 시험을 수행하였다.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 반사경의 광학성능에 지대한 영향을 미치는 반사경지지부의 접착 특성에 관한 연구를 수행한다. 우주용접착제로 널리 사용되어 온 세 종류의 접착제를 선정하여 접착 특성 연구를 위해 중첩 전단(lap shear) 시험을 수행하였다. 또한 시편에 온도 사이클(cycle)을 부여하여 온도히스테리시스에 의한 접착력의 변화 여부를 파악하였다.
우주용접착제로 널리 사용되어 온 세 종류의 접착제를 선정하여 접착 특성 연구를 위해 중첩 전단(lap shear) 시험을 수행하였다. 또한 시편에 온도 사이클(cycle)을 부여하여 온도히스테리시스에 의한 접착력의 변화 여부를 파악하였다.
또한 겹치는 길이가 6mm보다 작아지면 중첩 전단 시편의 제작이 매우 힘들기 때문에 겹치는 길이를 6mm로 결정하였다. 접착면의 접착 두께는 ASTM의 표준시 편 규격에서 0.025mm 이하로 제시되어 있으나 이러한 미세한 두께를 조절하여 시편을 제작하기 매우 힘들기 때문에 실제적으로 반사경의 제작에서 사용되는 접착제의 두께인 0.11mm로 접착 두께를 결정하였다.
중첩 전단 시편을 제작 후각 접착제의 경화 조건에 맞춰 시편을 경화하였다. 각각의 접착제들은 상온 경화 조건과 고온 경화를 모두 적용할 수 있는데 반사경의 제작환경을 고려하여 모든 접착제에 대해 상온경화 조건을 적용하였다.
중첩 전단 시편을 제작 후각 접착제의 경화 조건에 맞춰 시편을 경화하였다. 각각의 접착제들은 상온 경화 조건과 고온 경화를 모두 적용할 수 있는데 반사경의 제작환경을 고려하여 모든 접착제에 대해 상온경화 조건을 적용하였다. Fig.
3과 같은 온도 사이클을 부여하였다. 온도 범위는 -25℃ ~ +55℃이고 온도 변화율은 2℃/min, 극한 온도인-25℃와 +55℃에서의 항온시간은 2시간이며 총 7번의 온도 사이클을 적용하였다.
마지막으로 이중 중첩 전단 시편을 인장시험기에 장착하여 중첩 전단 시험을 수행하였다. 이때 치구의 작동 속도(crosshead speed)는 ASTM의 기준을 따라 l.
유리와 금속이 접착되는 구조이므로 제로더와 강을 사용하여 시편을 제작하였고 이를 위해 새로운 시 편형상과 규격을 고안하여 사용하였다. 또한 온도히스테리 시스에 의한 접착강도의 변화 여부를 파악하기 위해 강강 시편을 제작하여 중첩 전단 시험을 수행하였다. 시험 결과, 사용된 세 종류의 접착제 모두 온도히스테리시스에 의해 접착강도가 저하되지 않았으므로 다양한 온도 환경을 겪더라도 안정적인 접착력이 보장됨을 확인하였다.
본 연구에서는 인공위성 카메라 반사경의 지지부에 사용되는 우주용접착제의 접착 특성에 관한 연구를 수행하였다. 반사경지지부의 접착면에 전단력이 작용하므로 접착 특성 연구를 위해 중첩 전단 시험을 수행하였다. 유리와 금속이 접착되는 구조이므로 제로더와 강을 사용하여 시편을 제작하였고 이를 위해 새로운 시 편형상과 규격을 고안하여 사용하였다.
반사경지지부의 접착면에 전단력이 작용하므로 접착 특성 연구를 위해 중첩 전단 시험을 수행하였다. 유리와 금속이 접착되는 구조이므로 제로더와 강을 사용하여 시편을 제작하였고 이를 위해 새로운 시 편형상과 규격을 고안하여 사용하였다. 또한 온도히스테리 시스에 의한 접착강도의 변화 여부를 파악하기 위해 강강 시편을 제작하여 중첩 전단 시험을 수행하였다.

대상 데이터

이는 표준시험 시편을 적용하면 유리가 시험기의 치구에 직접 연결되어 파단이 발생하기 때문이다. 따라서 유리와 금속으로 제작된 중첩 전단 시편에 적용할 수 있도록 기존의 시편 규격과 형상을 Fig. 1과 같이 수정한 이중 중첩 전단 시편을 사용하였다. 금속 시 편의 경우 기존의 중첩 전단 시편 규격을 그대로 적용하여 101.
1과 같이 수정한 이중 중첩 전단 시편을 사용하였다. 금속 시 편의 경우 기존의 중첩 전단 시편 규격을 그대로 적용하여 101.6 X 25.4 X 1.6mm를 사용하였고 제로 더 시편은 유리의 제작성을 고려하여 두께를 8mm로 적용하였다. 접착면의 오버랩(overlap) 길이는 그림에서와 같이 6mm로 결정하였다.

성능/효과

온도히스테리시스의 적용 여부에 상관없이 모두 접착면에서 파단이 발생하였다. 온도히스테리시스를 적용하지 않은 경우 파단 강도가 대체적으로 유사하게 분포되었고 히스테리시스를 적용한 경우에는 상대적으로 큰 편차를 보였다. 이러한 편차는 온도히스테리시스로 인한 접착 특성의 변화에 의한 결과라기보다는 시험 과정 중에 발생하는 시험 오차 요인에 의한 결과로 판단된다.
12에서 확인할 수 있다. 온도히스테리시스의 적용 여부와 상관없이 유사한 파단 강도를 나타내었고 온도히스테리시스를 거친 후에 파단 강도의 편차가 상대적으로 작게 나타났다.
이 실험 결과로부터 접착제 B 역시 접착제 A와 마찬가지로 온도히스테리시스에 의해 접착강도가 저하되지 않았으므로 다양한 온도 환경을 거치더라도 안정적인 접착력이 보장됨을 확인할 수 있다.
이 결과에서도 온도히스테리시스에 의해 접착력이 크게 저하되지 않음을 확인할 수 있다. 한편 접착제 C의 제조사에서 제공하는 중첩 전단 강도는 11.7MPa로 시험 결과로 얻은 4~6MPa보다 다소 큰 것으로 확인되었다. 이 오차의 요인을 시험방법의 차이로 설명할 수 있다.
또한 온도히스테리 시스에 의한 접착강도의 변화 여부를 파악하기 위해 강강 시편을 제작하여 중첩 전단 시험을 수행하였다. 시험 결과, 사용된 세 종류의 접착제 모두 온도히스테리시스에 의해 접착강도가 저하되지 않았으므로 다양한 온도 환경을 겪더라도 안정적인 접착력이 보장됨을 확인하였다. 접착제 B의 접착력이 가장 큰 것으로 나타났고 접착제 C의 경우 매우 유연한 재료 특성으로 인해 상대적으로 약한 접착력을 가지며 접착면에서 파단이 발생하지 않고 항복이 발생하였다.

후속연구

여러 가지의 요인 중에서 특히, 반사경은 다양한 온도 환경을 거치게 되므로 온도의 히스테리시스(hysteresis)에 의해 접착력이 저하되지 않고 안정적인 접착 특성을 유지하여야 한다. 또한 유리와 금속이 결합되는 반사경지지부의 재질을 고려한 접착 특성에 대한 연구와 접착제 자체의 접착 특성에 관한 연구가 요구된다.
접착제 B의 접착력이 가장 큰 것으로 나타났고 접착제 C의 경우 매우 유연한 재료 특성으로 인해 상대적으로 약한 접착력을 가지며 접착면에서 파단이 발생하지 않고 항복이 발생하였다. 접착제들이 서로 다른 접착 특성을 보이므로 반사경의 제작에 사용할 접착제를 선정하기 위해 반사경에 작용하는 하중 및 온도환경, 재료 특성 등의 여러 가지 요인들을 고려한 추가적인 연구가 필요할 것이다.

참고문헌 (8)

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상세보기
M. K. Cho, R. M. Richard and D. Vukobratovich, 'Optimum mirror shape and supports for light weight mirrors subjected to self-weight.', Proc. of SPIE, Vol. 1167, Precision Engineering and Optomechanics, 1989, pp. 2-19
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N. J. DeLellis, Adhesives for metals: Theory and Technology, Indestrial Press INC., 1970
A. J. Kinloch, Adhesion and adhesives: Science and technology, Chapman and Hall, 1987
A. V. Pocius, Adhesion and adhesives technology, Hanser Publishers, 1997

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