[논문]나노입자 코팅 탄소섬유 강화 복합재료의 전기전도도 향상

서성욱; 하만석; 권오양; 최흥섭

doi:10.7234/kscm.2010.23.6.001

나노입자 코팅 탄소섬유 강화 복합재료의 전기전도도 향상
Improvement of Electrical Conductivity of Carbon-Fiber Reinforced Plastics by Nano-particles Coating 원문보기

복합재료 : 한국복합재료학회지 = Journal of the Korean Society for Composite Materials, v.23 no.6, 2010년, pp.1 - 6

서성욱 (인하대학교 대학원 기계공학과) , 하만석 (인하대학교 대학원 기계공학과, (주)삼성전자 OMS 연구소) , 권오양 (인하대학교 기계공학부) , 최흥섭 ((주)대한항공 R&D Center)

초록
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복합재 항공기 동체의 낙뢰손상방지를 목적으로 탄소섬듐-주석 산화물(ITO) 나노입자를 코팅함으로써 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 복합재료의 전기전도도를 향상하였다. 탄소섬유에 코팅된 ITO 나노입자는 10~40%의 농도로 콜로이드 상태에서 분사되었다. CFRP의 전기전도도는 코팅 후 3배 이상 증가하였으며 현재 B-787 복합재 항공기 동체에 사용 중인 기술인 금속메쉬를 CFRP 외층에 매몰한 경우보다도 높은 전기전도도를 얻을 수 있었으며, 나노입자 코팅으로 섬유-기지 계면에 미지는 악영향은 발견되지 않았다. 모의 낙뢰에 의한 손상영역은 각각 다른 처리를 한 재료와 조건에 따라 초음파 C-scan 이미지로 확인하였다. ITO 40% 코팅 시편의 경우 전기전도도는 B-787 샘플의 경우보다 높았지만 낙뢰에 의한 손상영역의 크기는 거의 비슷한 수준이었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The electrical conductivity of carbon-fiber reinforced plastics (CFRP's) has been improved by indium-tin oxide (ITO) nano-particle coating on carbon fibers for the purpose of lightning strike protection of composite fuselage skins. ITO nano-particles were coated on the surface of carbon fibers by spraying the colloidal suspension with 10~40% ITO content. The electrical conductivity of the CFRP has been increased more than three times after ITO coating, comparable to or higher than that of B-787 composite fuselage skins with metal wire-meshes on the outer surface, without sacrificing the tensile property due to the existence of nano-particles at fiber-matrix interface. The damage area by the simulated lightning strike was also verified for different materials and conditions by using ultrasonic C-scan image. As the electrical conductivity of 40% nano-ITO coated sample surpass that of the B-787 sample, the damage area by lightning strike also appeared comparable to that of the materials currently employed for composite fuselage construction.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

lTO(In2O₃ - SnO₂) 나노입자는 콜로이드 상태에서 20, 30, 40% 농도로 스프레이 코팅하였다. 300x300mm 크기로 절단한 프리프레그를 스테인리스 강철 프레임에 체결하여 MEK가 채워진 수조에서 약 40초간 resin을 용해하였고, MEK를 충분히 증발시킨 후 스프레이건을 사용하여 노출된 섬유에 시간을 측정하면서 ITO 나노입자를 분사하였다. ITO colloid의 분사량은 분당 15ml로 고정하였고 안전상의 이유로 글로브박스(glove box) 안에서 분사하였다.
300x300mm 크기로 절단한 프리프레그를 스테인리스 강철 프레임에 체결하여 MEK가 채워진 수조에서 약 40초간 resin을 용해하였고, MEK를 충분히 증발시킨 후 스프레이건을 사용하여 노출된 섬유에 시간을 측정하면서 ITO 나노입자를 분사하였다. ITO colloid의 분사량은 분당 15ml로 고정하였고 안전상의 이유로 글로브박스(glove box) 안에서 분사하였다. 코팅이 완료된 후 용매를 증발시켜 섬유에 ITO 나노입자는 남기면서도 불순물은 될 수 있으면 섞이지 않게 하였다.
ITO 나노입자가 섬유와 기지 간 결합에 미치는 영향을 평가하기 위해 인장시편(4-ply 직교적층, ASTM D5083)을 종류당 5개씩 제작하고, 인장시험기(INOVA EMC-100)를 이용하여 실험하였다. Fig.
ITO 나노입자를 탄소섬유에 코팅한 CFRP 시편을 SEM과 EDS로 분석하였다. Fig.
ITO 나노입자의 탄소섬유 표면 코팅 상태와 전기적 네트워크의 형성 및 농도를 확인하기 위하여 EDS가 장착된 SEM(S-4300)으로 측정하였다. 전기전도도 측정용 시편은 오토클레이브로 성형된 시편을 실험용 절단기(diamond saw)로 lcmx5cm로 절단하고 양끝 프로브가 물릴 부분을 사포 (#2000)로 연삭하여 제작하였다.
재함침하는 방법을 고안하였다[7]. lTO(In2O₃ - SnO₂) 나노입자는 콜로이드 상태에서 20, 30, 40% 농도로 스프레이 코팅하였다. 300x300mm 크기로 절단한 프리프레그를 스테인리스 강철 프레임에 체결하여 MEK가 채워진 수조에서 약 40초간 resin을 용해하였고, MEK를 충분히 증발시킨 후 스프레이건을 사용하여 노출된 섬유에 시간을 측정하면서 ITO 나노입자를 분사하였다.
고전압대전류인가장치(Type ICVG001)를 이용하여 40kA 의 전류를 8/20輿의 wavefbnn으로 시편에 인가하여 모의 낙뢰 손상을 유도한 다음 손상영역을 평가하였다. 기준이 되는 B-787 샘플(20-ply woven fabrics, ASTM D7174)과 ITO 40% 코팅, 은나노 10% 코팅, 대조용 CFRP 낙뢰시험 시편(32-ply cross-ply, ASTM D7174)을 제작하여 사용하였으며, Fig.
나노입자로 코팅한 탄소섬유로 CFRP를 제작해야 하나 실험실 수준에서 프리프레그를 만들 수 없으므로 상용 프리프레그(USN₁₂5C, SK Chemical)의 수지를 Methyl-Ether-Ketone (MEK)로 제거하고 나노입자를 코팅한 다음 같은 회사의 resin film으로 재함침하는 방법을 고안하였다[7]. lTO(In2O₃ - SnO₂) 나노입자는 콜로이드 상태에서 20, 30, 40% 농도로 스프레이 코팅하였다.
좋아진다[4]. 낙뢰시험에 앞서 ITO로 코팅된 CFRP의 전자파차폐 성능을 확인하기 위하여 박스형 CFRP 시험체(8-ply UD 155x230x205) 를 대조용, 은나노 10% 코팅, nano-ITO 40% 코팅에 대하여 제작하고, 그 내부에 전자파 발생원을 넣은 다음, 외부에서 전자파를 검출하는 방식으로 전자파차폐 실험을 수행하였다. 결과는 코팅하지 않은 대조시편보다 전자파차폐 성능이 우수함을 보여주며, 차폐율은 원 신호에 대비하여 10% 은 나노입자 코팅 CFRP(22.
실험실적인 방법으로 나노입자가 코팅된 프리프레그를 제작하기 위하여 MEK를 이용하여 상용 CFRP 프리프레그로부터 resin을 용출시키고, 드러난 섬유 표면에 ITO 나노입자를 코팅한 다음 resin film을 입혀서 가압성형하는 과정을 거쳤으므로, 제작된 프리프레그가 상용 CFRP 프리프레그와 유사한 섬유분율을 갖는지 확인하고자 하였다. Fig.
측정돤 저항값을 전기전도도로 바꾸기 위해 Simens 식 (1)을 이용하여 계산하였다. 측정 시 온도에 따른 저항값 변화의 영향을 최소화하기 위해 상온(25℃) 에서 측정을 수행하였다.
코팅이 완료된 후 용매를 증발시켜 섬유에 ITO 나노입자는 남기면서도 불순물은 될 수 있으면 섞이지 않게 하였다. 코팅된 섬유를 다시 프리프레그 상태로 만들기 위하여 섬유층 위아래에 resin film을 놓고 핫프레스에서 복합재료 성형 사이클 B-stage 상태와 유사한 90℃, 7MPa 조건으로 10초간 가압성형 함으로써 상용 프리프레그와 유사하게 섬유분율이 70%에 이르도록 제작하였다. 전기전도도 시편은 4-ply 직교적층으로 제작하고 오토클레이브에서 경화하여 완성하였다.
의한 이점을 상쇄할 수 있다. 코팅하지 않은 CFRP, ITO 40% 코팅 CFRP, B-787 샘플을 각각 동일 크기 (1x5cm) 로 3개씩 절단 후 l/10000g까지 측정가능한 전자저울(OHAUS AR2140)로 무게를 측정하였다. Fig.
프리프레그로부터 수지를 제거한 탄소섬유 표면에 IT0 나노입자를 스프레이 코팅하고 resin film을 추가하여 핫 프레스에서 압축 성형함으로써 프리 프레그를 제작하는 공정을 고안하였고, ITO 나노입자 코팅의 농도에 따른 전기전도도의 향상과 기계적 강도의 유지, 전자파차폐 효과, 낙뢰손상영역의 감소, 무게 절감 효과를 검토하였다. 지금까지 얻어진 결론은 다음과 같다.

대상 데이터

유도한 다음 손상영역을 평가하였다. 기준이 되는 B-787 샘플(20-ply woven fabrics, ASTM D7174)과 ITO 40% 코팅, 은나노 10% 코팅, 대조용 CFRP 낙뢰시험 시편(32-ply cross-ply, ASTM D7174)을 제작하여 사용하였으며, Fig. 6은 인가 후 시편의 낙뢰손상영역 크기를 초음파 C-scan 장치(1*血trixeye EX, Toshiba)로 분석한 사진들이다.
측정하였다. 전기전도도 측정용 시편은 오토클레이브로 성형된 시편을 실험용 절단기(diamond saw)로 lcmx5cm로 절단하고 양끝 프로브가 물릴 부분을 사포 (#2000)로 연삭하여 제작하였다. 전기전도도 측정에는 4단 자법(4-terminal method)을 이용한 Hioki사의 저항측정기(3560 Hitester)를 사용하였다.

이론/모형

전기전도도 시편은 4-ply 직교적층으로 제작하고 오토클레이브에서 경화하여 완성하였다. 또한 인장시험용 시편은 ASTM D5083에 따라 4-ply 직교적층으로 제작하여 실험하였다[7丄
전기전도도 측정용 시편은 오토클레이브로 성형된 시편을 실험용 절단기(diamond saw)로 lcmx5cm로 절단하고 양끝 프로브가 물릴 부분을 사포 (#2000)로 연삭하여 제작하였다. 전기전도도 측정에는 4단 자법(4-terminal method)을 이용한 Hioki사의 저항측정기(3560 Hitester)를 사용하였다. 측정돤 저항값을 전기전도도로 바꾸기 위해 Simens 식 (1)을 이용하여 계산하였다.

성능/효과

1) 탄소섬유 표면에 IT0 나노입자를 코팅함으로써 상용 CFRP에 비해 전기전도도를 약 3배 이상 향상시킬 수 있었으며, 이는 항공기 동체 구조물의 낙뢰 손상방지에 충분한 수준이다.
2) IT0 나노입자가 섬유와 기지 계면특성에 미치는 부정적인 영향은 인장하중조건에서는 발견되지 않았다.
3) 전자파차폐 효과는 주파수 대역에 따라 최저 22%부터 최고 57%까지 나타났으며, ITO 나노 40% 및 은나노 10% 코팅 시편의 졍우에 효과는 비슷하였다.
4) 낙뢰손상영역에 대한 평가 결과 전기전도도가 증가할수록 손상영역은 작아졌으며 ITO 40% 코팅의 경우에 B-787 샘플과 거의 비슷한 손상영역을 보여주었다.
이후 임계함량 이상에서는 더는 저항이 떨어지지 않게 된다. ITO 20%부터 35%까지 시편의 전기전도도는 거의 일정하게 증가하다가 40%부터는 그 증가율이 훨씬 커졌다. 무엇보다도 ITO 40% 코팅한 시편의 경우 전기전도도는 실험적인 오차를 고려하더라도 B-787 샘플의 전기전도도를 초과하였다.
낙뢰시험에 앞서 ITO로 코팅된 CFRP의 전자파차폐 성능을 확인하기 위하여 박스형 CFRP 시험체(8-ply UD 155x230x205) 를 대조용, 은나노 10% 코팅, nano-ITO 40% 코팅에 대하여 제작하고, 그 내부에 전자파 발생원을 넣은 다음, 외부에서 전자파를 검출하는 방식으로 전자파차폐 실험을 수행하였다. 결과는 코팅하지 않은 대조시편보다 전자파차폐 성능이 우수함을 보여주며, 차폐율은 원 신호에 대비하여 10% 은 나노입자 코팅 CFRP(22.7~54.6%)와 ITO 40% 나노입자 코팅 CFRP (25.0~57.1%)가 거의 비슷한 수준을 보여준다.
3%의 증가를 보였다. 금속 와이어메쉬를 매몰한 B-787 방식에 비해 ITO 나노입자 코팅을 사용하면 무게절감 촉 면에서 더 유리함을 보여준다.
1은 가압성형된 프리프레그의 단면을 SEM으로 관찰한 사진이다. 사진에서 전체 면적과 섬유의 면적을 비교하여 계산하면 섬유분율은 70%로 상용 CFRP 프리프레그의 섬유분율과 유사함을 확인하였다. 충분한 섬유분율은 기계적 강도의 유지는 물론 전기전도도의 향상에도 매우 중요하다.
이로써 ITO 나노입자 40% 코팅 탄소섬유 강화 복합재료에서는 3~5초 분사시간으로 현재 기준이 되는 복합재 항공기 동체 구조물에 사용 중인 재료를 넘는 충분한 전기전도도를 얻을 수 있음을 확인하였다. 선행연구에서 사용된 은나노 10% 코팅의 경우와 비교해 보더라도 ITO 코팅 CFRP에서 약 37%의 향상이 있음을 알 수 있다[7].
이로써 ITO 나노입자가 섬유와 기지 간 결합에 부정적인 영향을 미친다고 볼 수 없고, ITO 나노입자가 코팅된 탄소섬유 강화 복합재료의 기계적 성질이 인장하중 환경에서는 저하되지 않음을 확인하였다.
은나노 입자를 코팅하더라도 복합재료의 강도가 저하되지 않았으나 기준이 되는 B-787 샘플에 버금가는 전기전도도를 얻지는 못하였다[7]. 이번 연구에서는 ITO 나노입자로 코팅된 탄소섬유로 CFRP의 제작하고, B-787 샘플보다 높은 전기전도도를 가지면서도 기계적 특성이 유지되고 무게절감 측면에서 유리하며 전자파차폐 효과까지 거둘 수 있음을 확인하였다.
97at%로 증가하였다. 탄소섬유 표면에 ITO 코팅이 농도별로 잘 수행되었음을 확인할 수 있었다. Fig.

참고문헌 (8)

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Qian. D, Bao. L, Takatera. M, Kemmochi. K, and Yamanaka. A, "Fiber-reinforced polymer composite materials with high specific strength and excellent solid particle erosion resistance," Wear, Vol. 268, No. 3-4, 2010, pp. 637-642.

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V. I. Roldughin and V. V. Vysotskii, Prog. Organic Coatings. Vol. 39, 2000, pp. 81-

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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