장홍규
(Composite Structures & System Department, Composites Research Division, Korea Institute of Materials Science)
,
김영철
(Composite Structures & System Department, Composites Research Division, Korea Institute of Materials Science)
본 논문에서는 복합재 풍력 블레이드를 위한 CNT 코팅 유리섬유의 전자기적/기계적 적용성에 대한 연구를 수행하였다. MW급 이상의 대형 복합재 블레이드는 민수용/군수용 레이더와의 신호간섭 문제로 인한 발전단지 위치선정 제약과 무게 증가에 따른 발전효율 저해, 구조적 건전성 부족에 따른 수리비용 증가의 당면과제를 안고 있다. 이에 본 연구에서는 이러한 문제를 극복하기 위한 방안으로 CNT 코팅 유리섬유를 제안하였다. 먼저 제안된 CNT 코팅 공정을 통해 유리섬유 표면에 CNT를 강력히 코팅하고, Va-RTM을 통해 CNT 코팅/유리섬유 에폭시 복합재를 제작하여 전자기적/기계적 물성을 평가하였다. 또한 전자파 흡수체 설계/제작 및 시험/평가를 통해 X-band의 8.3~12.1 GHZ에서 90% 이상 전자파 흡수성능을 가짐을 검증하였다. 이와 더불어 기계적 물성 시험/평가를 통해서 인장, 압축, 면내전단 강도/강성의 모든 기계적 물성이 향상됨을 확인하였다.
본 논문에서는 복합재 풍력 블레이드를 위한 CNT 코팅 유리섬유의 전자기적/기계적 적용성에 대한 연구를 수행하였다. MW급 이상의 대형 복합재 블레이드는 민수용/군수용 레이더와의 신호간섭 문제로 인한 발전단지 위치선정 제약과 무게 증가에 따른 발전효율 저해, 구조적 건전성 부족에 따른 수리비용 증가의 당면과제를 안고 있다. 이에 본 연구에서는 이러한 문제를 극복하기 위한 방안으로 CNT 코팅 유리섬유를 제안하였다. 먼저 제안된 CNT 코팅 공정을 통해 유리섬유 표면에 CNT를 강력히 코팅하고, Va-RTM을 통해 CNT 코팅/유리섬유 에폭시 복합재를 제작하여 전자기적/기계적 물성을 평가하였다. 또한 전자파 흡수체 설계/제작 및 시험/평가를 통해 X-band의 8.3~12.1 GHZ에서 90% 이상 전자파 흡수성능을 가짐을 검증하였다. 이와 더불어 기계적 물성 시험/평가를 통해서 인장, 압축, 면내전단 강도/강성의 모든 기계적 물성이 향상됨을 확인하였다.
This paper conducted the study on the electromagnetic and mechanical applicability of CNT-coated glass fiber for wind blades. Large-size wind blade has the serious pending problems to meet the target, such as interfering radar signals, increasing weights, and increasing repair costs. In this paper, ...
This paper conducted the study on the electromagnetic and mechanical applicability of CNT-coated glass fiber for wind blades. Large-size wind blade has the serious pending problems to meet the target, such as interfering radar signals, increasing weights, and increasing repair costs. In this paper, we are suggesting the CNT-coated glass fiber in order to overcome these problems. First, the CNTs were strongly coated on the surfaces of glass fiber by suggested coating process, and the CNT-coated glass fiber/epoxy composites were fabricated by Va-RTM process. We designed and fabricated a radar absorbing structure using the CNT-coated glass fiber, which showed over 90% radar absorbing performance between 8.3 and 12.1 GHz frequency. In addition, we confirmed the improvement of mechanical properties on the strength and modulus of tensile, compressive, and in-plane shear.
This paper conducted the study on the electromagnetic and mechanical applicability of CNT-coated glass fiber for wind blades. Large-size wind blade has the serious pending problems to meet the target, such as interfering radar signals, increasing weights, and increasing repair costs. In this paper, we are suggesting the CNT-coated glass fiber in order to overcome these problems. First, the CNTs were strongly coated on the surfaces of glass fiber by suggested coating process, and the CNT-coated glass fiber/epoxy composites were fabricated by Va-RTM process. We designed and fabricated a radar absorbing structure using the CNT-coated glass fiber, which showed over 90% radar absorbing performance between 8.3 and 12.1 GHz frequency. In addition, we confirmed the improvement of mechanical properties on the strength and modulus of tensile, compressive, and in-plane shear.
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문제 정의
본 논문에서는 풍력 블레이드를 위한 CNT 코팅 유리섬유의 적용성에 대한 연구를 수행하였다. 현재 MW급 이상의 대형 복합재 블레이드는 레이더와의 신호간섭 문제로 인한 발전위치 제약, 무게 증가에 따른 발전효율 저해, 구조적 건전성 부족에 따른 수리비용 증가의 당면과제를 안고 있다.
이에 본 논문에서는 대형 풍력 블레이드가 갖는 신호간섭/신호왜곡, 무게 증가, 구조 건전성 등의 문제를 보완하기 위한 방안으로 CNT 코팅 유리섬유 복합재를 제안하였다. 이를 위해 CNT 코팅 유리섬유 복합재 제조공정을 제안하고, CNT 코팅 유리섬유 복합재의 전자기적/기계적 물성 시험/평가를 통해 적용성을 검증하였다.
현재 MW급 이상의 대형 복합재 블레이드는 레이더와의 신호간섭 문제로 인한 발전위치 제약, 무게 증가에 따른 발전효율 저해, 구조적 건전성 부족에 따른 수리비용 증가의 당면과제를 안고 있다. 이에 본 연구에서는 이러한 문제를 극복하기 위한 방안으로 CNT 코팅 유리섬유를 제안하였다.
제안 방법
CNT가 코팅된 유리섬유/에폭시 복합재의 전자기적 물성 측정 및 전자파 흡수성능을 평가하기 위해서 네트워크 분석기와 두 개의 Horn 안테나, 시편 거치대로 구성된 자유공간측정 시스템(free-space measurement system)을 활용하여 신뢰도 높은 시험을 수행하였다. 특히 전자파 흡수구조 설계에 필수적인 복합재 복소 유전율(complex permittivity)의 경우 CNT가 1, 3, 5회 코팅된 시편에 대해 물성 측정을 수행하였다.
먼저 CNT 코팅 유리섬유를 활용하여 복합재 블레이드 제조방법과 동일한 Va-RTM 성형공정을 통해서 성공적으로 CNT 보강 유리섬유/에폭시 복합재를 제작하였다. 특히 기존 나노입자를 활용한 공정에서 문제시 되던 수지의 점도 증가에 따른 수지 미주입/미함침 문제와 나노입자의 여과현상은 CNT를 수지가 아닌 유리섬유 표면에 강력하게 코팅함으로써 해결할 수 있었다.
특히 복합재 평판 제작시 CNT 코팅 유리섬유의 수지 주입성, 섬유 함침성, 성형성 등의 공정성을 함께 검토하였다. 본 논문에서 제안된 CNT 코팅 유리섬유를 통해서 기존 RTM 공정을 이용해 제작하기 어려웠던 CNT 보강 유리섬유/에폭시 복합재를 성공적으로 제작하였다. 특히 기존 RTM 성형공정에서 문제시 되던 수지의 점도 증가에 따른 수지 미주입/미함침 문제와 나노입자의 여과(filtering) 현상이 발생하지 않음을 확인하였다.
이를 위해 유리섬유와 CNT의 소수성 상호작용(hydrophobic interaction)과 강력한 이온 결합(ionic bond)을 이용한 Dipping 방법을 활용하였다[12]. 본 연구에서 적용된 코팅 공정은 CNT 1.0 wt% + SDS 분산액과 PEI(polyethyleneimine) 용액에 순차적으로 순수 유리섬유를 각 10초간 담가 표면에 강력한 CNT 코팅을 형성하고, 이후 세척 및 건조(80oC 오븐, 48시간) 과정을 통해 CNT가 코팅된 유리섬유를 제작하였다[13]. 본 연구에서는 코팅 과정을 1, 3, 5회 반복적으로 수행하여 3종류의 CNT 코팅 유리섬유를 제작하였다.
0 wt% + SDS 분산액과 PEI(polyethyleneimine) 용액에 순차적으로 순수 유리섬유를 각 10초간 담가 표면에 강력한 CNT 코팅을 형성하고, 이후 세척 및 건조(80oC 오븐, 48시간) 과정을 통해 CNT가 코팅된 유리섬유를 제작하였다[13]. 본 연구에서는 코팅 과정을 1, 3, 5회 반복적으로 수행하여 3종류의 CNT 코팅 유리섬유를 제작하였다. 코팅 표면 상태를 확인하기 위해서 CNT가 코팅된 유리섬유를 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)을 통해 분석하였으며, Fig.
유리섬유/에폭시 복합재의 기계적 물성을 평가하기 위해서 ASTM 규격을 참고하여 인장, 압축, 면내전단 시험을 수행하였다. 특히 복합재의 기계적 특성 향상을 검증하기 위해서 CNT가 코팅되지 않은 순수한 유리섬유/에폭시 복합재 시편과 CNT가 5회 코팅된 유리섬유/에폭시 복합재 시편을 준비하여 비교시험하였다.
유리섬유/에폭시 복합재의 복소 유전율을 자유공간측정 장비를 활용해 측정하였다. 측정을 위한 시편은 순수 유리섬유와 CNT 1.
유리섬유/에폭시 복합재의 전자기적 물성 구현 및 기계적 물성 향상을 위해서 유리섬유 표면에 CNT를 직접 코팅 하였다. 이를 위해 유리섬유와 CNT의 소수성 상호작용(hydrophobic interaction)과 강력한 이온 결합(ionic bond)을 이용한 Dipping 방법을 활용하였다[12].
이에 본 논문에서는 대형 풍력 블레이드가 갖는 신호간섭/신호왜곡, 무게 증가, 구조 건전성 등의 문제를 보완하기 위한 방안으로 CNT 코팅 유리섬유 복합재를 제안하였다. 이를 위해 CNT 코팅 유리섬유 복합재 제조공정을 제안하고, CNT 코팅 유리섬유 복합재의 전자기적/기계적 물성 시험/평가를 통해 적용성을 검증하였다.
0 mm 부근에서 무반사 곡선에 가장 근접한 해를 가짐을 확인할 수 있다. 이에 유전자 알고리즘(genetic algorithm)을 이용한 In-house 코드[15]를 이용해서 복소 유전율 6.42-j3.13(CNT 3회 코팅)에서 최적의 흡수 성능을 갖는 전자파 흡수구조를 설계하였으며, 두께는 2.99 mm로 반사손실은 -27.0 dB(99% 이상 전자파 흡수)를 갖는다.
전자파 흡수구조의 설계 결과를 바탕으로 제작된 CNT가 3회 코팅된 유리섬유/에폭시 전자파 흡수구조의 성능 시험/평가를 수행하고, 그 결과를 Fig. 8과 Table 2에 정리하였다. 시험 결과에 따르면 전자파 흡수구조는 설계 목표 주파수인 X-band(8.
유리섬유/에폭시 복합재의 복소 유전율을 자유공간측정 장비를 활용해 측정하였다. 측정을 위한 시편은 순수 유리섬유와 CNT 1.0 wt% 분산액에 1, 3, 5회씩 코팅된 유리섬유를 이용하여, Va-RTM 성형공정을 통해 제작하였다. 측정된 복소 유전율 실수부와 허수부를 각각 Fig.
본 연구에서는 코팅 과정을 1, 3, 5회 반복적으로 수행하여 3종류의 CNT 코팅 유리섬유를 제작하였다. 코팅 표면 상태를 확인하기 위해서 CNT가 코팅된 유리섬유를 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)을 통해 분석하였으며, Fig. 2와 같이 유리 섬유 표면에 CNT가 균일하게 코팅이 된 것을 확인하였다.
전자기적/기계적 물성 평가를 위한 CNT 코팅 유리섬유/에폭시 복합재 평판을 제작하기 위해 복합재 풍력 블레이드 제조방법과 동일한 Va-RTM(vacuum assisted resin transfer molding) 성형공정을 활용하였다. 특히 복합재 평판 제작시 CNT 코팅 유리섬유의 수지 주입성, 섬유 함침성, 성형성 등의 공정성을 함께 검토하였다. 본 논문에서 제안된 CNT 코팅 유리섬유를 통해서 기존 RTM 공정을 이용해 제작하기 어려웠던 CNT 보강 유리섬유/에폭시 복합재를 성공적으로 제작하였다.
유리섬유/에폭시 복합재의 기계적 물성을 평가하기 위해서 ASTM 규격을 참고하여 인장, 압축, 면내전단 시험을 수행하였다. 특히 복합재의 기계적 특성 향상을 검증하기 위해서 CNT가 코팅되지 않은 순수한 유리섬유/에폭시 복합재 시편과 CNT가 5회 코팅된 유리섬유/에폭시 복합재 시편을 준비하여 비교시험하였다.
CNT가 코팅된 유리섬유/에폭시 복합재의 전자기적 물성 측정 및 전자파 흡수성능을 평가하기 위해서 네트워크 분석기와 두 개의 Horn 안테나, 시편 거치대로 구성된 자유공간측정 시스템(free-space measurement system)을 활용하여 신뢰도 높은 시험을 수행하였다. 특히 전자파 흡수구조 설계에 필수적인 복합재 복소 유전율(complex permittivity)의 경우 CNT가 1, 3, 5회 코팅된 시편에 대해 물성 측정을 수행하였다.
이론/모형
유리섬유/에폭시 복합재의 전자기적 물성 구현 및 기계적 물성 향상을 위해서 유리섬유 표면에 CNT를 직접 코팅 하였다. 이를 위해 유리섬유와 CNT의 소수성 상호작용(hydrophobic interaction)과 강력한 이온 결합(ionic bond)을 이용한 Dipping 방법을 활용하였다[12]. 본 연구에서 적용된 코팅 공정은 CNT 1.
전자기적/기계적 물성 평가를 위한 CNT 코팅 유리섬유/에폭시 복합재 평판을 제작하기 위해 복합재 풍력 블레이드 제조방법과 동일한 Va-RTM(vacuum assisted resin transfer molding) 성형공정을 활용하였다. 특히 복합재 평판 제작시 CNT 코팅 유리섬유의 수지 주입성, 섬유 함침성, 성형성 등의 공정성을 함께 검토하였다.
성능/효과
9와 Table 3에 정리하였다. 기계적 물성 시험 결과, CNT가 코팅되지 않은 시편에 비해서 CNT가 코팅된 시편의 경우 인장, 압축, 면내전단 강도/강성(strength/modulus) 측면에서 모든 항목의 기계적 물성이 향상됨을 확인 하였다. 특히 복합재 강도의 경우 CNT가 코팅된 유리섬유를 활용하여 시편을 제작하였을 때, 순수 유리섬유/에폭시 복합재 시편보다 작게는 15.
또한 CNT 코팅 유리섬유/에폭시 복합재의 전자기적 물성 시험/평가를 수행하였으며, 유리섬유의 CNT 코팅을 통해서 전자파 흡수체 설계를 위한 충분한 복소 유전율이 확보됨을 확인하였다. 또한 설계/제작된 전자파 흡수구조가 X-band 10 GHz에서 최대 흡수 성능인 -24 dB를 나타내며, 8.
또한 CNT 코팅 유리섬유/에폭시 복합재의 전자기적 물성 시험/평가를 수행하였으며, 유리섬유의 CNT 코팅을 통해서 전자파 흡수체 설계를 위한 충분한 복소 유전율이 확보됨을 확인하였다. 또한 설계/제작된 전자파 흡수구조가 X-band 10 GHz에서 최대 흡수 성능인 -24 dB를 나타내며, 8.3~12.1 GHz에서 90% 이상 전자파 흡수성능을 가짐을 검증하였다.
시험 결과에 따르면 CNT 코팅 횟수가 증가함에 따라서 복소 유전율의 실수부와 허수부가 모두 증가하는 경향을 갖는다. 특히 전자파 흡수성능과 밀접한 허수부의 경우 CNT 코팅 1회는 순수 유리섬유/에폭시 복합재와 큰 차이를 보이지 않지만, 3회부터 허수부가 큰 폭으로 증가함을 보인다.
8과 Table 2에 정리하였다. 시험 결과에 따르면 전자파 흡수구조는 설계 목표 주파수인 X-band(8.2~12.4 GHz)의 10 GHz에서 최대 흡수 성능인 -24 dB(99% 이상 전자파 흡수)를 나타내며, X-band내 8.3~12.1 GHZ에서 90% 이상(-10 dB)의 전자파 흡수대역을 가짐을 알 수 있다. 특히 Fig.
시험 결과에 따르면 코팅된 CNT가 복합재의 압축강도(44.0%)와 면내전단 강도(39.6%)의 증가에 크게 기여하는 것을 알 수 있는데, 이는 유리섬유 표면에 코팅된 CNT에 의한 섬유와 수지 사이의 계면 특성의 향상의 효과이다[8,9]. 즉 섬유강화 복합재의 계면 강도와 밀접한 관계인 Surface Area, Mechanical Interlocking, Local Stiffening 증가로 설명된다.
본 논문에서 제안된 CNT 코팅 유리섬유를 통해서 기존 RTM 공정을 이용해 제작하기 어려웠던 CNT 보강 유리섬유/에폭시 복합재를 성공적으로 제작하였다. 특히 기존 RTM 성형공정에서 문제시 되던 수지의 점도 증가에 따른 수지 미주입/미함침 문제와 나노입자의 여과(filtering) 현상이 발생하지 않음을 확인하였다. Fig.
먼저 CNT 코팅 유리섬유를 활용하여 복합재 블레이드 제조방법과 동일한 Va-RTM 성형공정을 통해서 성공적으로 CNT 보강 유리섬유/에폭시 복합재를 제작하였다. 특히 기존 나노입자를 활용한 공정에서 문제시 되던 수지의 점도 증가에 따른 수지 미주입/미함침 문제와 나노입자의 여과현상은 CNT를 수지가 아닌 유리섬유 표면에 강력하게 코팅함으로써 해결할 수 있었다.
3% 향상되었다. 특히 섬유에 코팅된 CNT양은 유리섬유 무게의 0.63%로 매우 적은 CNT 첨가를 통해서 우수한 기계적 물성 향상의 결과를 보였다.
후속연구
따라서 이러한 연구 결과를 바탕으로 CNT 코팅 유리섬유를 이용하여 복합재 블레이드에 적용할 경우, 레이더 신호간섭 문제, 무게 증가 문제, 구조적 건전성 부족 문제를 보완할 수 있을 것이라 결론 내릴 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
풍력 블레이드가 대형화, 단지화 됨에 따라 부각되는 이슈는?
풍력 블레이드가 대형화, 단지화 됨에 따라서 민수용/군수용 레이더 시스템(주로 X-band를 사용)과의 신호간섭과 신호왜곡(signal interference and distortion) 문제가 주요 이슈로 부각되고 있다. 고속으로 회전하는 대형 블레이드는 큰 레이더 반사면적(radar cross section)과 다양한 선속도를 갖기에 Clutter와 Shadowing, Ghost Target 등의 레이더 시스템 장애를 발생시킨다[2].
고속으로 회전하는 대형 블레이드에서 발생할 수 있는 문제는?
풍력 블레이드가 대형화, 단지화 됨에 따라서 민수용/군수용 레이더 시스템(주로 X-band를 사용)과의 신호간섭과 신호왜곡(signal interference and distortion) 문제가 주요 이슈로 부각되고 있다. 고속으로 회전하는 대형 블레이드는 큰 레이더 반사면적(radar cross section)과 다양한 선속도를 갖기에 Clutter와 Shadowing, Ghost Target 등의 레이더 시스템 장애를 발생시킨다[2].
블레이드가 대형화 됨에 따라 발생하는 문제를 보완하기 위한 연구에는 무엇이 있는가?
이처럼 블레이드가 대형화 됨에 따라 발생하는 문제들을 보완하기 위한 다양한 연구들이 수행되었다. Kim[5]과 Jang[6]은 복합재 블레이드 표면에 전자파 흡수특성을 갖도록 DLS(dielectric lossy sheet)나 PPS(periodic pattern surface)를 적용한 스텔스(stealth) 블레이드를 보고하였다. 또한 Loos[7], Qian[8], Gojny[9]은 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)를 이용하여 복합재의 구조적 성능향상 연구를 수행하였다. 하지만 이러한 연구들은 무게 증가나 나노입자 분산 영향[10,11]의 문제로, 실제 풍력 블레이드에 적용하기에 한계를 갖는다.
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