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문제 정의
- 이러한 이론적 기반으로 발전된 전자기장 활용 입자배열 기술이 나노복합재 제작에 활용된 것은 최근의 일이며 아직 기술개발 초기 단계에 있다. 본 연구에서는 이 기술을 활용하여 나노복합재를 제작하고, 제작된 나노복합재의 강성 및 방사능 차폐 성능을 실험을 통하여 결과를 제시함으로써 기술의 효과성을 입증한다.
제안 방법
- 이론적 배경을 기반으로 하여 그 결과를 실험을 통하여 확인하였다. Graphite와 CNT 입자들이 전기장에 의해 잘 배열 하였고 이러한 입자의 배열에 따른 물성치의 변화를 측정하였다. 강성과 방사능 차폐 특성을 측정하여 결과를 제시하였다.
- 우주방사선의 종류도 다양하고 복합하나 위성의 설계에 있어서 지상 시험용으로 가장 많이 사용하는 양성자 입자(proton) 의 투과량을 측정하는 총이온화 선량(TID: total ionizing dose) 시험을 수행하였다[21]. 본 연구에서 제시한 입자배열 방법에 의해서 제작된 입자가 길이방향으로 일정하게 배열된 시편과, 입자가 랜덤하게 분포된 시편의, 두 가지 종류의 시편에 대하여 방사선 차폐 시험을 수행하였다.
- 섬유강화 복합재료의 경우 섬유의 배열방향에 따라 직교 이방성 복합재의 강성이 전적으로 좌우된다. 본 연구에서는 마이크로/나노 사이즈의 입자를 일정한 형태로 변화시킴으로써 강성의 변화를 관찰하였다. CNT의 경우 입자의 전체 성분비에 따라서 강성이 변하니 대체적으로 약 5~20%정도의 배합비율에서 강성의 변화가 가장 확연하게 나타나는 것으로 예측이 된다.
- 본 연구에서는 전기장을 이용하여 에폭시 속에 포함된 마이크로 혹은 나노 사이즈의 강화 입자들(CNT, graphite)을 배열하는 기술을 제시하였다. 이론적 배경을 기반으로 하여 그 결과를 실험을 통하여 확인하였다.
- 위성 및 우주구조체는 내부의 전장부품 등을 보호하기 위해서 방사선 차폐 기능을 가지고 있어야 한다. 우주방사선의 종류도 다양하고 복합하나 위성의 설계에 있어서 지상 시험용으로 가장 많이 사용하는 양성자 입자(proton) 의 투과량을 측정하는 총이온화 선량(TID: total ionizing dose) 시험을 수행하였다[21]. 본 연구에서 제시한 입자배열 방법에 의해서 제작된 입자가 길이방향으로 일정하게 배열된 시편과, 입자가 랜덤하게 분포된 시편의, 두 가지 종류의 시편에 대하여 방사선 차폐 시험을 수행하였다.
대상 데이터
- Graphite 역시 첨단복합재의 소재로 많이 사용되고 있으며 섬유의 형태로 제작되어 복합재의 강화재로 활용되고 있다. CNT는 MWCNT10nm, graphite는 입자의 사이즈가 약 10~20 μm의 제품을 사용하였다. 나노복합재 기지로서는 상온경화가 가능한 ㈜ 제일하이텍의 HTC-665C를 사용하였고 점도는 약 30.
- 본 연구에서는 나노사이즈의 CNT와 마이크로 사이즈의 graphite로 연구를 진행하였다. CNT는 ㈜카본나노텍사의 다중벽나노튜브(MWNT)를 사용하였고 graphite는 ㈜티씨케이사의 것을 사용하였다. CNT의 입자는 외형상 실린더의 형상을 가지고 있으므로 Fig.
- 첨단 복합재의 소재로 가장 많이 활용되는 소재는 탄소 계열의 graphite나 CNT이다[19,20]. 본 연구에서는 다중벽탄소나노튜브(Multiwalled carbon nanoutube)를 사용하였다. CNT는 일반적으로 강철의 약 10배 정도의 강성을 가지고 있으며 전도성과 열전달률 또한 매우 높다.
- 이러한 입자단위의 배열 기술은 기존 복합재의 제조 및 성능 개념을 한단계 업그레이드 시키는 기술로써, 국부적으로 강성 및 물리적 성질을 변화 시킴으로써 다양한 성능 혹은 기능을 가지는 다기능복합재, 스마트 복합재 등을 제조하는 핵심 기초기술이다. 본 연구에서는 탄소나노튜브(CNT)와 그레파이트(Graphite)를 대상으로 하여 연구가 진행되었다. CNT는 지금까지 꿈의 신소재라고 알려질 정도로 그 이론적 혹은 실험적 결과들이 매우 훌륭하다.
- 1~2000 Hz 사인파 교류(AC)를 시험에 적용하였으나, 대략 5~10 Hz 근방에서 입자의 배열이 가장 빠른 시간에 잘 나타났다. 수십 kv/mm의 전기장을 만들기 위해서는 고전압 증폭기(High voltage amplifier)가 필요하며 본 실험에서는 TREK 사의 610E 모델을 사용하였다. 일정한 주파수의 사인파를 만들기 위한 신호발생기는 NOVATEST사의 33521A 모델을, 전압 신호의 파형확인을 위해서는 Tektronix 사의 오실로스코프 TBS1000모델을 사용하였다.
- 시험은 원자력병원(KIRAMS: Korea Institute of Radiological and Medical Sciences)에서 수행하였다. Fig.
- 수십 kv/mm의 전기장을 만들기 위해서는 고전압 증폭기(High voltage amplifier)가 필요하며 본 실험에서는 TREK 사의 610E 모델을 사용하였다. 일정한 주파수의 사인파를 만들기 위한 신호발생기는 NOVATEST사의 33521A 모델을, 전압 신호의 파형확인을 위해서는 Tektronix 사의 오실로스코프 TBS1000모델을 사용하였다. 디지털 전자 현미경인 SOMETECH VISION사의 I-Megascope(200M-fixel)을 활용하여 실시간으로 입자의 운동을 관찰하였다.
이론/모형
- Fig. 8에 나타낸 것과 같이 제작된 시편의 강성시험을 위해서 DMA(dynamic mechanical analyzer)를 사용하였다. 측정된 CNT와 graphite의 방향성을 나타내는 영률(Young's modulus) 값은 다음과 같다.
- 국부적으로 입자의 배열상태 혹은 밀도가 틀려지면 그 재료의 구성방정식 또한 틀려지게 된다. 국부적 변화재료의 구성방정식은 Hook의 법칙을 따르며 기본적인 물성치로 다음과 같이 나타난다
- 구, 디스크, 실린더, 타원형 등 다양한 형태를 가진다. 본 연구에서는 나노사이즈의 CNT와 마이크로 사이즈의 graphite로 연구를 진행하였다. CNT는 ㈜카본나노텍사의 다중벽나노튜브(MWNT)를 사용하였고 graphite는 ㈜티씨케이사의 것을 사용하였다.
- 본 연구에서는 이러한 기술의 발달 및 현시점에서 개발가능한 기술 중에서 가장 최신의 기술 중 하나인 전기장에 의한 입자배열기술(FAiMTa: Field Aided Micro Tailor)을 적용한다[1-4]. 전기장에 의해서 에폭시 현탁액 속에 포함된 강화 입자를 일정한 위치에 자리잡게 하거나 혹은 일정한 방향으로 배열 함으로써 국부적으로 혹은 전체 적으로 강성의 변화 및 물리적 성질의 변화를 구현한다[5-7].
성능/효과
- 강성과 방사능 차폐 특성을 측정하여 결과를 제시하였다. 입자의 배열에 상태에 따라 직교이방성의 특성을 나타내는 강성의 변화가 나타났으며 또한 이것은 방사능 차폐에 효과가 있음을 증명하였다. 유전영동 현상을 나노복합재 제작에 응용하여 그 적용가능성을 제시하였으며 차후 기능성 혹은 지능형 나노복합재 제작에 활용 할 수 있는 가능성을 입증하였다.
후속연구
- 이러한 경우 입자의 분포가 아주 적은 부분에서 상대적으로 많은 방사선 입자들이 매우 잘 통과하기 때문이라고 판단된다. 그러나 이러한 것을 명확하게 밝히기 위해서는 추가적인 상세한 다음 단계의 연구가 필요하다.
- 입자의 배열에 상태에 따라 직교이방성의 특성을 나타내는 강성의 변화가 나타났으며 또한 이것은 방사능 차폐에 효과가 있음을 증명하였다. 유전영동 현상을 나노복합재 제작에 응용하여 그 적용가능성을 제시하였으며 차후 기능성 혹은 지능형 나노복합재 제작에 활용 할 수 있는 가능성을 입증하였다.
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