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문제 정의
- 그러나 이러한 시험들은, 특정 파장 영역만 방출하는 램프를 사용하여 자외선 또는 가시광선의 영향을 연구하였거나, 자연 상태의 태양광을 그대로 이용해서 시간이 오래 걸린다는 단점이 있었다. 본 연구에서는 MIL-STD-810G를 기준으로 태양광 복사 환경의 모사 및 가속화 시험이 가능한 시험 장치를 개발하였다. MIL-STD-810G에서 규정하고 있는 태양광 복사 시험 규격에 따라 소비전력 2,500W의 메탈 할라이드 램프를 사용하고 기준 복사강도인 1,120W/m2을 최대 3.
- 여기서 재료 변색의 경우 태양광 복사의 화학선 효과에 의한 것으로 규정하고 있다. 본 논문에서는 epoxy polymer의 태양광 복사에 따른 색 변화 특성을 평가하기 위하여 화학선 효과 시험 조건을 가속화하여 시험을 수행하였다.
- 본 논문에서는 태양광 복사 가속화 시험장치를 직접 개발하고, 항공우주용 복합재료에 적용되는 epoxy polymer 소재의 태양광 복사 노출에 따른 색 변화량 특성을 평가하였다.
제안 방법
- Fischer와 Ketola는 태양광이 아닌 실내조명 환경에 노출된 프린터용 잉크의 색 변화 특성을 살펴보았다. 조명의 종류 및 거리에 따른 시편의 색 변화 정도를 시편의 RGB 색 정보를 측정하여 정량적으로 평가하였다[5].
- 본 연구에서는 MIL-STD-810G를 기준으로 태양광 복사 환경의 모사 및 가속화 시험이 가능한 시험 장치를 개발하였다. MIL-STD-810G에서 규정하고 있는 태양광 복사 시험 규격에 따라 소비전력 2,500W의 메탈 할라이드 램프를 사용하고 기준 복사강도인 1,120W/m2을 최대 3.5배까지 증가시켜 가속화 시험이 가능하도록 하였다. 또한 온도 설정 및 제어는 필름 형태의 히터와 냉각팬을 사용해 만족시키도록 제작하였다.
- 5배까지 증가시켜 가속화 시험이 가능하도록 하였다. 또한 온도 설정 및 제어는 필름 형태의 히터와 냉각팬을 사용해 만족시키도록 제작하였다. 이를 통해 항공우주 구조물의 주재료인 복합재료에 적용되는 epoxy polymer 소재 시편에 대한 태양광 복사 가속화 시험을 수행하여 색 변화 특성을 평가하였다.
- 또한 온도 설정 및 제어는 필름 형태의 히터와 냉각팬을 사용해 만족시키도록 제작하였다. 이를 통해 항공우주 구조물의 주재료인 복합재료에 적용되는 epoxy polymer 소재 시편에 대한 태양광 복사 가속화 시험을 수행하여 색 변화 특성을 평가하였다. 이때 epoxy 시편의 경우 인장시험 규격인 ASTM-D638을 기준으로 제작하였다.
- 이때 epoxy 시편의 경우 인장시험 규격인 ASTM-D638을 기준으로 제작하였다. 또한 별도의 색 촬영 장치를 제작하여 태양광 복사 노출에 따른 색 변화 특성을 평가하였으며, 이를 이용하여 측정된 색 변화량 데이터를 바탕으로 가속화 시험주기에 따른 색 변화 특성에 관한 가속화 모형을 네 종류의 형태로 정의하였다. 또한 개발된 태양광 복사 가속화 시험장치의 복사강도에 따른 가속계수를 평가하였다.
- 또한 별도의 색 촬영 장치를 제작하여 태양광 복사 노출에 따른 색 변화 특성을 평가하였으며, 이를 이용하여 측정된 색 변화량 데이터를 바탕으로 가속화 시험주기에 따른 색 변화 특성에 관한 가속화 모형을 네 종류의 형태로 정의하였다. 또한 개발된 태양광 복사 가속화 시험장치의 복사강도에 따른 가속계수를 평가하였다.
- 5 SUN이라 정의하였다. 또한 방사되는 빛으로 인해 수반되는 시편 주위의 온도는 평균 90℃로 결정하여 복사강도와 마찬가지로 일정하게 유지하는 형태로 시험조건을 설정하였다. 시험주기는 정상상태의 복사강도를 5시간 방사하고 1시간 차단하는 것을 1주기로 규정하였으며 각각 28주기, 56주기에 걸쳐 2회 수행하도록 계획하였다.
- 또한 방사되는 빛으로 인해 수반되는 시편 주위의 온도는 평균 90℃로 결정하여 복사강도와 마찬가지로 일정하게 유지하는 형태로 시험조건을 설정하였다. 시험주기는 정상상태의 복사강도를 5시간 방사하고 1시간 차단하는 것을 1주기로 규정하였으며 각각 28주기, 56주기에 걸쳐 2회 수행하도록 계획하였다. 사용한 epoxy 시편은 polymer 및 플라스틱의 기계적 특성 측정 시험 규격인 ASTM-D638을 참고로 하여 Fig.
- 단계별 복사강도마다 각각 3개씩의 시편을 동일한 기간 동안 노출시킨 뒤 시험군의 평균 색 변화량을 산출하고, 이를 태양광 노출기간에 따라 예측할 수 있는 수학적 관계식과 가속화 모형을 산출하였다. 또한 산출된 관계식으로부터 특정한 색 변화량 수준에 도달하는데 소요되는 시간을 각각의 복사강도 별로 산출하여, 기준이 되는 환경에서의 소요 시간과 비교할 수 있도록 가속계수를 산출하고 가속화 모형을 생성하였다.
- 단계별 복사강도마다 각각 3개씩의 시편을 동일한 기간 동안 노출시킨 뒤 시험군의 평균 색 변화량을 산출하고, 이를 태양광 노출기간에 따라 예측할 수 있는 수학적 관계식과 가속화 모형을 산출하였다. 또한 산출된 관계식으로부터 특정한 색 변화량 수준에 도달하는데 소요되는 시간을 각각의 복사강도 별로 산출하여, 기준이 되는 환경에서의 소요 시간과 비교할 수 있도록 가속계수를 산출하고 가속화 모형을 생성하였다.
- 시험장치의 외형은 온도 유지를 위해 밀폐된 캐비넷(cabinet)형태로 결정하였고, 높은 온도와 광선으로 인해 변형이 일어나지 않도록 알루미늄 프레임(frame)과 철제 판넬(panel)을 사용하였으며 난반사를 방지하고자 모든 부품들은 흑색 피막 처리하였다. 또한 완전 밀폐를 위해 알루미늄 프레임과 철제 판넬 사이는 내열 실리콘을 도포하여 빈틈이 없도록 하였다.
- 시험장치의 외형은 온도 유지를 위해 밀폐된 캐비넷(cabinet)형태로 결정하였고, 높은 온도와 광선으로 인해 변형이 일어나지 않도록 알루미늄 프레임(frame)과 철제 판넬(panel)을 사용하였으며 난반사를 방지하고자 모든 부품들은 흑색 피막 처리하였다. 또한 완전 밀폐를 위해 알루미늄 프레임과 철제 판넬 사이는 내열 실리콘을 도포하여 빈틈이 없도록 하였다. 마지막으로 램프가 설치될 광원부와 시편을 놓을 시험조(test chamber) 사이에는 광학 필터를 장착하여 시편에 닿는 빛의 스펙트럼을 조정하였다.
- 또한 완전 밀폐를 위해 알루미늄 프레임과 철제 판넬 사이는 내열 실리콘을 도포하여 빈틈이 없도록 하였다. 마지막으로 램프가 설치될 광원부와 시편을 놓을 시험조(test chamber) 사이에는 광학 필터를 장착하여 시편에 닿는 빛의 스펙트럼을 조정하였다.
- 메탈 할라이드 램프로부터 나오는 빛의 스펙트럼은 자연광과 많은 차이를 보인다. 이를 자연광에 최대한 근접할 수 있도록 본 연구에서 개발한 시험 장치는 광원부와 시험대 사이에 광학필터(optical filter)를 장착하고 있다. Fig.
- 시편 주위의 온도는 90℃로 설정하였으며 이를 일정하게 유지하기 위하여 가열과 냉각을 동시에 가하는 형태로 온도 조절 시스템을 구성하였다. 여러 종류의 가열 장치를 탐색하여 시험장치 내부 과열의 가능성, 시공의 용이함, 온도 제어 및 유지의 용이함 등을 비교하는 과정을 수행하였고, 그 결과 벽면을 이용해 시공할 수 있는 필름 히터(film heater)를 가열 장치로 채택하였다.
- 시편 주위의 온도는 90℃로 설정하였으며 이를 일정하게 유지하기 위하여 가열과 냉각을 동시에 가하는 형태로 온도 조절 시스템을 구성하였다. 여러 종류의 가열 장치를 탐색하여 시험장치 내부 과열의 가능성, 시공의 용이함, 온도 제어 및 유지의 용이함 등을 비교하는 과정을 수행하였고, 그 결과 벽면을 이용해 시공할 수 있는 필름 히터(film heater)를 가열 장치로 채택하였다. 또한 시험대 주위에 3개의 냉각용 팬을 설치하여 시편 주위 온도를 조절/유지하는 방식을 구성하였다.
- 여러 종류의 가열 장치를 탐색하여 시험장치 내부 과열의 가능성, 시공의 용이함, 온도 제어 및 유지의 용이함 등을 비교하는 과정을 수행하였고, 그 결과 벽면을 이용해 시공할 수 있는 필름 히터(film heater)를 가열 장치로 채택하였다. 또한 시험대 주위에 3개의 냉각용 팬을 설치하여 시편 주위 온도를 조절/유지하는 방식을 구성하였다. Fig.
- 태양광 복사에 따른 시편의 색 변화량, ΔE를 평가하기 위하여 균일한 조건(초점, 거리, 조명 등)에서 시편의 색 촬영을 할 수 있는 촬영 장치를 제작하였다.
- 먼저 시험용 시편 제작에 사용된 재료는 Bisphenol-A type의 XFR-17053 Epoxy polymer resin으로써 경화제는 Dyhard 100s, 촉매제는 Dyhard 500ur을 사용하였다. 이들을 각각 100 : 6.5 : 3의 무게 비율로 혼합하여 표준 경화조건과 Fig. 1에 나타난 시편의 형상 및 제원에 따라 제작하였다.
-
2.3 가속화 모형 산출 및 가속계수 평가
가속화 모형은 1차 선형 모형, 2차 다항식 모형, 지수함수 모형, 역제곱 모형을 대상으로 회귀분석 하였다
. 고장시간 τ와 가속변수 I를 입력하여 최소제곱법으로 각 모형의 관계식과 결정계수 R2를 Table 6에 나타내었으며 Fig. - 태양광 복사현상을 모사할 수 있는 가속화 시험 장치를 설계/제작하였으며, 색 변화량을 정량화하기 위해 색 촬영 장치를 직접 제작하였다. 색 변화량은 RGB 및 Lab 색 공간 값을 이용해 도출하였으며, 각 시편의 gauge section에 대한 색 변화 특성을 평가하였다.
- 태양광 복사현상을 모사할 수 있는 가속화 시험 장치를 설계/제작하였으며, 색 변화량을 정량화하기 위해 색 촬영 장치를 직접 제작하였다. 색 변화량은 RGB 및 Lab 색 공간 값을 이용해 도출하였으며, 각 시편의 gauge section에 대한 색 변화 특성을 평가하였다. 태양광 복사 노출시간에 따른 색 변화 특성에 관한 네 종류의 가속화 모형을 정의하였다.
대상 데이터
- 지표면에 도달하는 복사강도(1,120W/m2)를 사용 환경으로 설정하였고 이것을 1 SUN이라 명명하였다. 가속화 환경시험에 필요한 복사강도는 2,240W/m2와 3,920W/m2로 산정하였으며 각각 1 SUN의 2배, 3.
- )를 사용 환경으로 설정하였고 이것을 1 SUN이라 명명하였다. 가속화 환경시험에 필요한 복사강도는 2,240W/m2와 3,920W/m2로 산정하였으며 각각 1 SUN의 2배, 3.5배라는 의미로 2 SUN, 3.5 SUN이라 정의하였다. 또한 방사되는 빛으로 인해 수반되는 시편 주위의 온도는 평균 90℃로 결정하여 복사강도와 마찬가지로 일정하게 유지하는 형태로 시험조건을 설정하였다.
- 시험주기는 정상상태의 복사강도를 5시간 방사하고 1시간 차단하는 것을 1주기로 규정하였으며 각각 28주기, 56주기에 걸쳐 2회 수행하도록 계획하였다. 사용한 epoxy 시편은 polymer 및 플라스틱의 기계적 특성 측정 시험 규격인 ASTM-D638을 참고로 하여 Fig. 1과 같이 제작하였다.
- 5에서는 메탈 할라이드 램프(metal halide lamp)와 제논-아크 램프(xenon-arc lamp), 할로겐 램프(halogen lamp) 등을 태양광 모사에 적합한 램프 및 구성방식으로 제안하고 있다. 이 중 메탈 할라이드 램프가 제논-아크 램프에 비해 같은 사용 시간 동안 복사강도의 감소가 더 적다는 점과, 전극에서 발생하는 전기적 노이즈(noise)로 인해 스펙트럼이 분산되는 현상이 덜하다는 장점을 갖고 있으므로 시험 장치의 광원부에는 Fig. 3과 같은 소비전력 2,500W의 메탈 할라이드 램프를 사용하였다.
- 8과 같은 절차로 수행된다. 먼저 시험용 시편 제작에 사용된 재료는 Bisphenol-A type의 XFR-17053 Epoxy polymer resin으로써 경화제는 Dyhard 100s, 촉매제는 Dyhard 500ur을 사용하였다. 이들을 각각 100 : 6.
데이터처리
- 11에서 추출한 시험 전, 후 gauge section의 digital image를 나타내고 있다. MATLAB을 이용해 1 pixel당 R, G, B값을 추출하였으며 각 시편 당 40,000개의 R, G, B값 평균을 해당 시편 색의 시험 전, 후 대푯값으로 하여 Table 3으로 정리하였다. Table 4는 식 (2) ~ (5)를 이용해 도출한 3개 시편의 평균 색 변화량 ΔE의 값을 정리한 결과이다.
- Table 4의 결과를 바탕으로 가속화 복사강도별로 시험주기에 따른 색 변화량 간의 관계식을 도출하였다. X를 시험주기 0, 28, 56 Cycles로 하고 Y를 2 SUN과 3.5 SUN에서의 색 변화량으로 하여 최소제곱법으로 관계식의 계수를 도출하였으며, 그 결과는 Table 5와 같다.
이론/모형
- 이를 통해 항공우주 구조물의 주재료인 복합재료에 적용되는 epoxy polymer 소재 시편에 대한 태양광 복사 가속화 시험을 수행하여 색 변화 특성을 평가하였다. 이때 epoxy 시편의 경우 인장시험 규격인 ASTM-D638을 기준으로 제작하였다. 또한 별도의 색 촬영 장치를 제작하여 태양광 복사 노출에 따른 색 변화 특성을 평가하였으며, 이를 이용하여 측정된 색 변화량 데이터를 바탕으로 가속화 시험주기에 따른 색 변화 특성에 관한 가속화 모형을 네 종류의 형태로 정의하였다.
- Table 7은 가속화 모형으로부터 가속계수들과, 실제 시험 데이터로부터 구한 가속계수를 비교한 것이다. 본 연구에서 산출한 epoxy polymer의 색 변화 특성에 대해 가장 적합한 가속화 모형은 2차 다항식 모형이라 추정하였다.
후속연구
- 6배로 단축된다고 추정할 수 있다. 본 논문을 통해 정의된 가속화 모형은 태양광 복사강도 조건 및 노출 시간에 따른 epoxy polymer 소재의 색 변화 특성을 예측 및 평가하기 위해 활용될 것이다.
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