[논문]낙뢰손상방지를 위한 전도성 나노입자 코팅에 의한 탄소섬유 복합재료의 전기전도도 향상 연구

하민석; 권오양; 최흥섭

doi:10.7234/kscm.2010.23.1.031

문제 정의

이때의 나노입자 함량을 임계함량이라 하고 임계함량 이상에서는 계속 나노입자를 첨가해도 저항의 변화는 그리 크지 않다[14, 15]. 본 연구에서는 분사하는 콜로이드 용액 중의 은나노입자 농도와 분사시간에 따른 전기전도도의 변화를 관찰하였고, 이를 . 통해 얻은 전기전도도와 현재 B-787 동체에 사용 중인 CFRP의 전기전도도를 비교하였다.
본 연구에서는 탄소섬유에 전도성 은나노입자를 직접 코팅한 CFRP의 제조공정을 개발하고 은나노입자의 농도, 분사 시간의 변화에 따른 전기전도도 향상과 동시에 인장강도 변화를 연구하였다. 지금까지의 결과로부터 얻어진 결론은 다음과 같다.
현재는 복합재료 외층에 금속 와이어메쉬를 삽입하여 전기전도도를 확보함으로써 낙뢰손상을 방지하는 방법을 사용하지만 이는 금속층을 추가함으로써 무게를 증가시키고, 장기적으로는 갈바닉부식 (galvanic corrosion) 에 대한 우려도 있다[1 이. 본 연구에서는 탄소섬유에 직접 전도성 나노입자를 코팅하기 위하여, 프리프레그 제조를 실험실적으로 재현할 수 있도록 상용 프리프레그에 함침된 수지를 제거한 후 탄소섬유에 은나노입자를 코팅하고 수지로 재함침하는 방법을 고안함으로써 충분한 섬유분율에 전도성 나노입자가 코팅된 CFRP 시편을 제작하고, 전기전도도의 향상과 동시에 인장강도의 유지 등을 확인하고자 하였다. 탄소섬유에 코팅된 은나노입자의 분포상태는 SEM 관찰과 EDS를 통하여 검증하였으며, CFRP 의 전기전도도를 향상시키되 중량증가 (weight penalty)가 지나치지 않도록 함으로써 낙뢰 손상방지에 활용할 수 있는 방법을 구현하고자 하였다.
본 연구에서는 탄소섬유에 직접 전도성 나노입자를 코팅하기 위하여, 프리프레그 제조를 실험실적으로 재현할 수 있도록 상용 프리프레그에 함침된 수지를 제거한 후 탄소섬유에 은나노입자를 코팅하고 수지로 재함침하는 방법을 고안함으로써 충분한 섬유분율에 전도성 나노입자가 코팅된 CFRP 시편을 제작하고, 전기전도도의 향상과 동시에 인장강도의 유지 등을 확인하고자 하였다. 탄소섬유에 코팅된 은나노입자의 분포상태는 SEM 관찰과 EDS를 통하여 검증하였으며, CFRP 의 전기전도도를 향상시키되 중량증가 (weight penalty)가 지나치지 않도록 함으로써 낙뢰 손상방지에 활용할 수 있는 방법을 구현하고자 하였다.

제안 방법

하부에 수지필름을배치시키고 핫프레스를 이용하여 90℃, 7MPa 조건에서 10초간 성형함으로써 섬유분율이 70%에 이르도록 상용 프리프레그와 유사한 상태로 제작하였다[11]. 또한 은나노입자 코팅에 의한 강도변화를 관찰하기 위해 Fig. 2와 같은 인장시험용 시편을 제작하여 시험하였다.
먼저 3*300ccm m 크기로 CFRP 프리프레그를 재단한 후 Fig. 1과 같은 알루미늄 프레임에 고정한 후 체결하여 MEK 가 가장자리에 스며드는 것을 방지하고 MEK로 채워진 수조에서 약 40초간 수지를 용해시켰다.
수지를 용출해 낸 후 은나노입자를 분산시킨 콜로이드 용액을 분무기에 주입한 다음 시간을 측정하면서 압축공기를 이용하여 섬유표면에 분사하였으며, 분사량은 분당 15ml로노즐을 조정하였다. 나노입자를 코팅한 후 다시 프리프레그 상태로 제조하기 위해 코팅된 섬유층 상.
아울러 탄소섬유 표면에 코팅된 은나노입자의 존재에 대해서는 EDS 분석을 통해 확인하였다. Fig.
은나노입자의 코팅에 따른 인장강도의 변화를 관찰하기 위하여 Fig. 2와 같은 시편을 나노입자 분산 농도별로 코팅한 CFRP 시편을 제작하였고, 미소인장시험기(TIRA27025) 를 이용하여 인장시험한 결과는 Fig. 8과 같다.
전도성 은나노입자가 코팅된 CFRP 시편은 SEM 관찰과 EDS 분석을 통하여 은나노입자의 코팅 상태와 전기적 네트워크의 형성을 점검하였다. 전기전도도 측정은 4단자법 (4-point probe method) 방식을 이용한 Hioki사의 저항측정기를 사용하였고 시편의 치수(A: 시편 측면의 단면적, L: 단자사 이의 거리)와의 관계를 이용하여 다음 식(1)과 같이 전기전도도(0)를 계산하였다.
측정 시 온도변화에 의한 저항값의 변화를 최소화하기 위하여 25℃를 유지한 상태에서 측정하였으며, 이물질의 혼입에 의한 측정값의 오차를 감소시키기 위해 코팅 후 밀폐된 글로브박스(glove box) 내에서 3일간 건조시켜 분산용 매인 알코올이 증발되도록 하였다. 코팅조건에 따른 전기전도도의 변화를 확인하기 위하여 분사시간과 은나노입자의 농도 변화에 따른 전기전도도의 향상 정도를 측정하였다.
증발되도록 하였다. 코팅조건에 따른 전기전도도의 변화를 확인하기 위하여 분사시간과 은나노입자의 농도 변화에 따른 전기전도도의 향상 정도를 측정하였다.
본 연구에서는 분사하는 콜로이드 용액 중의 은나노입자 농도와 분사시간에 따른 전기전도도의 변화를 관찰하였고, 이를 . 통해 얻은 전기전도도와 현재 B-787 동체에 사용 중인 CFRP의 전기전도도를 비교하였다.

대상 데이터

연구에 사용된 CFRP 프리프레그는 (주)SK케미컬의 UIN₁₂5C 이며 수지(Fesin)의 재함침에도 같은 회사의 수지 필름을 사용하였다. 프리프레그의 탄소섬유 사이에 함침된 수지를 용출해 내기 위하여 MEK(Methyl Ethyl Ketone)를 사용하였으며, 전도성은 나노입자로는 (주)미지 테크의 AGS-WP005(Ag 5% 콜로이드), AGS-WP010(Ag 10% 콜로이드), AGP-200(Ag 24.
프리프레그의 탄소섬유 사이에 함침된 수지를 용출해 내기 위하여 MEK(Methyl Ethyl Ketone)를 사용하였으며, 전도성은 나노입자로는 (주)미지 테크의 AGS-WP005(Ag 5% 콜로이드), AGS-WP010(Ag 10% 콜로이드), AGP-200(Ag 24.5% powder)를사용하였다.

이론/모형

형성을 점검하였다. 전기전도도 측정은 4단자법 (4-point probe method) 방식을 이용한 Hioki사의 저항측정기를 사용하였고 시편의 치수(A: 시편 측면의 단면적, L: 단자사 이의 거리)와의 관계를 이용하여 다음 식(1)과 같이 전기전도도(0)를 계산하였다. 전기전도도의 단위는 S/m이며 S (Siemens)는 전기저항의 역수이다.

성능/효과

(1) 탄소섬유 표면에 전도성 은나노입자를 코팅하고 수지를재함침함으로써 일반 CFRP에 비해 전기전도도가 대폭 향상되었다.
(2) 은나노입자의 농도가 증가함에 따라 전기전도도가 증가하며 나노입자의 농도가 증가하더라도 항공기 구조의 무게를 증가시킬 위험은 매우 적다는 점에서 CFRP에 알루미늄 와이어메쉬를 매몰하는 기존 방식(B-787)에 비하여 유리하다.
(3) 탄소섬유에 은나노입자를 코팅하고 수지를 재함침한시편의 인장강도가 코팅하지 않은 시편과 비교하여 저하되지 않음을 확인하여 전도성 나노입자 코팅 방식이 CFRP의 기계적특성에 악영향을 끼치지 않는다는 점을 확인하였다.
7에는 전도성 은나노입자로 코팅한 CFRP와 현재 B-787 항공기에 사용되고 있는 와이어메쉬 매몰 CFRP의 전기전도도를 비교하였다. 10% 은나노 콜로이드를 5초 분사하여 코팅한 시편의 경우 B-787 적용 시편 대비 약 86%의 전기전도도를 가짐으로써 알루미늄 와이어메쉬를 사용하지 않고 전도성 나노입자 코팅만으로도 충분한 수준의 전기전도도를 얻을 수 있는 가능성을 확인하였다.
결과는 코팅하지 않은 시편에 비해 은나노 코팅 시편이 오차범위 내에서 오히려 약간 높은 강도를 나타내었다. 이는 에폭시 기지와 탄소섬유 사이의 계면에 나노입자가 존재하더라도 CFRP의 강도에 큰 영향을 미치지 않음을 보여주며, 전도성 나노입자의 코팅에 의해 전기전도도는 향상되고 강도는 유지된다.
이는 분사 시간과 분산 나노입자 농도의 변화가 전기전도도 향상에 미치는 주요 원인이라는 것을 알 수 있다. 결과적으로 10% 은 나노 콜로이드를 5초 분사하여 코팅한 시편의 경우 코팅하지 않은 시편 대비 약 4배 이상의 전기전도도를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
5% 상승하며 10% 은나노 콜로이드를 분사한 경우에는 약 11% 상승하는 것을 관찰할 수있다. 또한 분사시간이 5초로 일정할 때 분산 나노입자 농도의 변화를 주게 되면 농도가 5%에서 10%로 증가할 경우 전기전도도가 약 2배로 향상됨을 확인할 수 있다. 이는 분사 시간과 분산 나노입자 농도의 변화가 전기전도도 향상에 미치는 주요 원인이라는 것을 알 수 있다.
먼저 은나노입자 분산 콜로이드의 분사시간에 따른 전기전도도의 변화를 보면 Fig. 6에서 보는 바와 같이 분사 시간이 3초에서 5초로 증가하면 5% 은나노 콜로이드를 분사한 경우에는 전기전도도가 약 7.5% 상승하며 10% 은나노 콜로이드를 분사한 경우에는 약 11% 상승하는 것을 관찰할 수있다. 또한 분사시간이 5초로 일정할 때 분산 나노입자 농도의 변화를 주게 되면 농도가 5%에서 10%로 증가할 경우 전기전도도가 약 2배로 향상됨을 확인할 수 있다.
3은 핫프레스를 이용하여 수지를 재함침한 후 섬유분율을 확인하기 위하여 자체 제작한 프리프레=1를 다이아몬드 절단기(diamond saw)를 이용하여 절단한 후 SEM(S-4300) 을 통해 단면을 관찰한 것이다. 섬유와 에폭시의 밀도가 근소한 차이만을 나타내므로 SEM을 이용해 단면을 촬영한 후 2*255piim m 크기의 구역을 설정하고 이 구역 내의 섬유가 차지하는 면적을 구하는 방법으로 비율을 확인한 결과 섬유분율이 약 70%로 상용 CFRP 프리프레그와 유사한 상태로 제작되었음을 확인하였다.
5 (b)의 경우 10% 은나노입자 분산 콜로이드로 코팅하였으므로 탄소, 산소 성분 외에 은(Ag) 성분이 EDS 분석을 통해 검출되었다. 이러한 SEM 관찰과 EDS 분석으로 은나노입자가 섬유 표면에 균일하게 코팅되었음을 확인할 수 있었다.
이상의 결과로부터 항공기 동체 구조물을 전도성 나노입자를 코팅한 CFRP로 제작할 경우 기존에 사용 중인 알루미늄 와이어메쉬 매몰 CFRP보다 중량증가 회피 측면에서 이점을 가질 수 있다. 최신형 항공기의 경우 전통적인 알루미늄 구조에 비하여 복합재료 구조로 제작함으로써 동체 무게의 감소로 인한 연료절감 효과를 매우 중요한 마케팅 전략의 하나로 삼을 만큼 민간항공기에 있어서 중량을 감소시키는 것은 상업적으로도 중요하다.

후속연구

(4) 은나노입자가 코팅된 CFRP를 프리프레그 제조 단계에서부터 적용한다면 현재 사용중인 복합재료 항공기 동체 구조의 낙뢰손상방지 대책을 대체하여 사용될 수 있는 가능성이 충분하다.
본 연구에서 고안한 방법이 새로운 방식의 복합재료 구조 항공기의 낙뢰손상방지 대책으로 채택되기 위해서는 열주기시험, 수분흡수시험, 피로시험 등의 내구성 시험이 추가로 이루어져야 하며, 그 중 일부는 현재 이미 수행 중에 있으므로 춘계학술대회 등 다른 기회에 보고할 수 있을 것으로 기대한다.
최신형 항공기의 경우 전통적인 알루미늄 구조에 비하여 복합재료 구조로 제작함으로써 동체 무게의 감소로 인한 연료절감 효과를 매우 중요한 마케팅 전략의 하나로 삼을 만큼 민간항공기에 있어서 중량을 감소시키는 것은 상업적으로도 중요하다. 은나노입자 분산 콜로이드로 코팅하는 경우에 비해 알루미늄 와이어메쉬를 사용하는 경우 약 2.5배의 중량증가를 나타내므로, 역으로 전도성 나노입자 코팅 방식을 이용하면 복합재료 항공기의 연료절감효과를 충분히 살리면서도 낙뢰손상방지 대책을 마련할 수 있을 것으로 기대된다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

낙뢰손상방지를 위한 전도성 나노입자 코팅에 의한 탄소섬유 복합재료의 전기전도도 향상 연구
Improved Electrical Conductivity of CFRP by Conductive Nano-Particles Coating for lightning Strike Protection 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

참고문헌 (15)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

낙뢰손상방지를 위한 전도성 나노입자 코팅에 의한 탄소섬유 복합재료의 전기전도도 향상 연구 Improved Electrical Conductivity of CFRP by Conductive Nano-Particles Coating for lightning Strike Protection 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

참고문헌 (15)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

권오양 (28) 최흥섭 (12)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

낙뢰손상방지를 위한 전도성 나노입자 코팅에 의한 탄소섬유 복합재료의 전기전도도 향상 연구
Improved Electrical Conductivity of CFRP by Conductive Nano-Particles Coating for lightning Strike Protection 원문보기

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper