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문제 정의
- 본 연구에서는 우주 안테나 설계용 PCO 형상 기억 폴리머 시편의 전개 시험을 수행하였다. PCO 형상기억 폴리머를 제조하고, 이를 이용하여 지름이 120mm인 전개형 안테나의 축소 모델을 제작하였다.
제안 방법
- 250초 근처에서 속도가 급격히 증가하는 것이 중력의 영향일 가능성이 제기되어 시편을 수직으로 설치하여 실험을 진행하였다. Fig.
- 2 (b), (c), (d)에 나타낸 것과 같이 2-fold, 4-fold, 8-fold의 형태로 변형시킬 수 있다. 4-fold, 8-fold 시편 제작을 위해서는 치구제작이 필요하고 시야 확보가 어려워 실험이 어렵기 때문에 반으로 접는 2-fold 모델로 전개실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 원형 형태의 형상기억 폴리머 시편을 반으로 접어 임시 형상을 만든 후 두 개의 히터로 열을 가하여 전개 실험을 수행하였다. 동적기계분석기 (dynamic mechanical analysis, DMA 800)를 사용하여 계측된 형상기억 폴리머의 유리 전이 온도(glass transition temperature, 이하 Tg,본 연구에서는 45℃)보다 높은 최적의 가열 온도를 결정한 후 이 온도로 가열하였다. 먼저 시편을 수평 설치하여 전개 실험을 수행하였다.
- 중력의 효과를 최소화하기 위하여 수직 설치하여 다시 실험을 수행하였다. 두 실험의 결과를 비교하여 형상기억 폴리머의 전개 성능을 고찰하였다.
- 형상기억 폴리머의 물성 실험 결과인 유리전이 온도를 고려하여 가열 온도를 조절하였다. 또한 원형 시편의 온도가 최대한 균일하게 되도록 히터의 위치를 조절하였다.
- 동적기계분석기 (dynamic mechanical analysis, DMA 800)를 사용하여 계측된 형상기억 폴리머의 유리 전이 온도(glass transition temperature, 이하 Tg,본 연구에서는 45℃)보다 높은 최적의 가열 온도를 결정한 후 이 온도로 가열하였다. 먼저 시편을 수평 설치하여 전개 실험을 수행하였다. 시편의 전개는 디지털 카메라를 사용하여 촬영한 후 트래커 프로그램을 이용하여 분석하였다.
- 본 연구에서는 원형 형태의 형상기억 폴리머 시편을 반으로 접어 임시 형상을 만든 후 두 개의 히터로 열을 가하여 전개 실험을 수행하였다. 동적기계분석기 (dynamic mechanical analysis, DMA 800)를 사용하여 계측된 형상기억 폴리머의 유리 전이 온도(glass transition temperature, 이하 Tg,본 연구에서는 45℃)보다 높은 최적의 가열 온도를 결정한 후 이 온도로 가열하였다.
- 이 상태에서 옆에서 전개 형상을 카메라로 촬영하였다. 수직 설치는 안테나 시편을 90도 회전시킨 후, 위쪽에 카메라를 설치한 후 전개 형상을 촬영하였다.
- PCO 형상기억 폴리머를 제조하고, 이를 이용하여 지름이 120mm인 전개형 안테나의 축소 모델을 제작하였다. 시편을 수평 및 수직으로 설치하여 전개 실험을 수행하였다. 실험 결과를 보면 수평 설치 시에는 중력의 영향으로 형상회복이두 배 정도 빠르게 발생하였다.
- 먼저 시편을 수평 설치하여 전개 실험을 수행하였다. 시편의 전개는 디지털 카메라를 사용하여 촬영한 후 트래커 프로그램을 이용하여 분석하였다. 중력의 효과를 최소화하기 위하여 수직 설치하여 다시 실험을 수행하였다.
- 시편의 전개는 디지털 카메라를 사용하여 촬영한 후 트래커 프로그램을 이용하여 분석하였다. 중력의 효과를 최소화하기 위하여 수직 설치하여 다시 실험을 수행하였다. 두 실험의 결과를 비교하여 형상기억 폴리머의 전개 성능을 고찰하였다.
- 3에 나타낸 바와 같이 두 개의 1kW 히터, 열전대, Labview 프로그램을 이용한 실험 장치를 구성하였다. 형상기억 폴리머의 물성 실험 결과인 유리전이 온도를 고려하여 가열 온도를 조절하였다. 또한 원형 시편의 온도가 최대한 균일하게 되도록 히터의 위치를 조절하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 기존의 연구를 참고하여 Poly(cyclooctene) (PCO) 형상기억폴리머를 제조하였다[7]. PCO (Evonik Industries Vestenamer 8012),dicumyl peroxide (DCP, Aldrich), Tetrahydrofuran(THF, 대정화학)를 사용하였다. PCO 형상기억 폴리머를 제조하기 전에 먼저 PCO와 DCP가 혼합되어 있는 가교 전 물질을 제조하였다.
- 본 연구에서는 우주 안테나 설계용 PCO 형상 기억 폴리머 시편의 전개 시험을 수행하였다. PCO 형상기억 폴리머를 제조하고, 이를 이용하여 지름이 120mm인 전개형 안테나의 축소 모델을 제작하였다. 시편을 수평 및 수직으로 설치하여 전개 실험을 수행하였다.
- PCO/DCP 혼합물을 이용하여 전개시험용 시편을 제조하였다. PCO/DCP 혼합물을 지름 120mm,두께 1mm의 원형 몰드에 넣은 후 80℃에서 5분간 가열하여 원형 시편의 형상을 만들었다.
- 형상기억 폴리머의 형상회복능을 이용하기 위해서는 적절한 가열이 필요하다. 본 연구에서는 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 두 개의 1kW 히터, 열전대, Labview 프로그램을 이용한 실험 장치를 구성하였다. 형상기억 폴리머의 물성 실험 결과인 유리전이 온도를 고려하여 가열 온도를 조절하였다.
- 본 연구에서는 기존의 연구를 참고하여 Poly(cyclooctene) (PCO) 형상기억폴리머를 제조하였다[7]. PCO (Evonik Industries Vestenamer 8012),dicumyl peroxide (DCP, Aldrich), Tetrahydrofuran(THF, 대정화학)를 사용하였다.
- 6과 마찬가지로 (a) 는 임시 형상, 즉 접혀 있는 상태이고, (b)는 회복 형상 (recovered shape)이다. 참고로 https://youtu.be/7Z3s7LZZm4s에 23배속으로 처리된 영상을 업로드 하였다. 동영상의 오른쪽에는 Tracker 프로그램으로 계산한 왼쪽 끝점 (Fig.
- (a)는 임시 형상, 즉 접혀 있는 상태이고, (b)는 회복 형상 (recovered shape)이다. 참고로 https://youtu.be/PVIy6_M5IS4에 23배속으로 처리된 영상을 업로드 하였다. 동영상의 오른쪽에는 Tracker 프로그램으로 계산한 왼쪽 끝점(Fig.
성능/효과
- 시편이 완전히 전개하는 데 걸린 시간은 300초이었다. 대략 250초 정도까지는 초당 0.2mm의 완만한 전개가 이루어지고 있으나 250초 대에서 속도가 갑자기 증가하는 것을 확인하였다. 250초 부근은 전개 각도가 수직선에 대하여 50도 정도 되는 지점으로 이때부터 급격히 전개 되었다.
- 임시 형상에서 영구 형상으로 회복하는 최적의 온도는 형상기억 폴리머의 특성에 따라 달라지며 온도가 낮으면 전개 속도가 낮아지고 높으면 폴리머의 온도가 급격히 올라가 열화 현상이 발생하였다. 여러 온도에 대한 실험 결과, Tg 보다 15℃ 높은 온도인 60℃가 최적 온도임을 확인하였다.
- 250초 부근은 전개 각도가 수직선에 대하여 50도 정도 되는 지점으로 이때부터 급격히 전개 되었다. 전개 영상을 보면 전개가 비대칭적으로 이루어짐을 관찰하였다.
- 4의 Point 1~3)의 온도를 계측한 결과를 나타내었다. 중앙점인 Point 2를 기준으로 시편 표면 온도가 60℃에 도달하는 시간은 220초 정도였으며, 중앙점인 Point 2의 온도가 모서리 부분에 위치한 Point 1과 Point 3보다 빠르게 온도가 상승하며 150초 이후부터 세 점의 온도가 유사하게 나타나는 것을 확인할 수 있어 전반적으로 가열이 잘 이루어지고 있음을 확인할 수 있다.
후속연구
- 첫째, 우주에서는 가열 히터를 설치하여 전개하기 어렵기 때문에 실제 응용을 위해서는 가열 요소를 SMP 안테나 표면에 부착한다든지 태양열 복사를 이용하여 가열한다든지 하는 방법을 고안하여야 할 것으로 판단된다. 둘째, 폴리머의 전개 성능만을 고찰하였는데, 통신 기능을 가지는 폴리머의 개발 또는 전도성 피막 도포 등의 연구가 필요하다. 셋째, 진공 챔버에서의 전개 실험 및 무중력상태에서의 전개 실험이 필요하다.
- 본 연구 결과를 실제 우주 환경에서 적용하기 위해서는 추가적인 연구가 수행되어야 한다. 첫째, 우주에서는 가열 히터를 설치하여 전개하기 어렵기 때문에 실제 응용을 위해서는 가열 요소를 SMP 안테나 표면에 부착한다든지 태양열 복사를 이용하여 가열한다든지 하는 방법을 고안하여야 할 것으로 판단된다.
- 이러한 안테나의 직경은 용도에 따라 다르나 작은 것은 1m에서 큰 것은 10m가 넘는 것도 있는 것으로 보고되고 있다[11]. 본 연구는 120mm의 축소형 모델을 가지고 전개 실험한 결과로 큰 크기의 시편에 대해서는 접는 방법, 가열 방법 등 별도의 연구가 진행되어야 할 것이다. 그러나 크기가 커지게 되더라도 시편을 충분히 가열하여 온도를 빨리 올릴 수 있다면 전개 시간은 유사할 것으로 예측된다.
- 따라서 중력의 효과를 최소화하기 위해서는 시편을 수직으로 설치하여 실험하여야 함을 확인하였다. 본 연구를 통하여 PCO 형상기억 폴리머 시편의 기본적인 전개 성능을 고찰하였으며 향후 실제 적용을 위해서는 다중으로 접는 방법, 가열 방법, 다중 기능 폴리머 개발 및 무중력 상태 시험 등의 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 본 연구 결과를 실제 우주 환경에서 적용하기 위해서는 추가적인 연구가 수행되어야 한다. 첫째, 우주에서는 가열 히터를 설치하여 전개하기 어렵기 때문에 실제 응용을 위해서는 가열 요소를 SMP 안테나 표면에 부착한다든지 태양열 복사를 이용하여 가열한다든지 하는 방법을 고안하여야 할 것으로 판단된다. 둘째, 폴리머의 전개 성능만을 고찰하였는데, 통신 기능을 가지는 폴리머의 개발 또는 전도성 피막 도포 등의 연구가 필요하다.
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