영상처리를 이용한 사이징 제거 상태 측정 알고리즘과 전자파 차폐 성능을 갖는 탄소 섬유 개발 Measurement Algorithms of Sizing removed state using Image Process And Development of Carbon fibers with Electromagnetic shielding Performance원문보기
본 논문에서는 복합재료로 만들기 위한 전처리 단계에서 수행한 사이징 제거 상태를 영상처리알고리즘을 적용하여 수치적으로 나타내었고, 전자파 차폐 성능을 높이기 위해서 건식 공정 방식으로 니켈도금 탄소섬유를 제작하였다. 탄소섬유 제조에서 폴리머 종류로 감싸져 나온 사이징은 건식 코팅을 위해서는 제거해야 한다. 사이징이 제거된 상태를 주사 전자현미경(scanning electron microscope, SEM)으로 촬영한 이미지에서 탄소 섬유의 규칙적인 패턴, 즉 상관성을 구함으로써 수치적인 값으로 나타낼 수 있다. 사이징의 제거 방식은 용액, 압축 공기와 용액과 압축공기(하이브리드)로 제거한 SEM 영상에 대하여 제안된 방법을 적용한 결과 하이브리드 방식이 우수함을 확인 할 수 있었다. 그리고 사이징이 제거된 스프레딩 탄소 섬유 롤을 롤투롤 스퍼터 방식으로 니켈도금 탄소 섬유를 제작할 수 있었다. 제작된 30um, 40um과 100um 니켈코팅 탄소섬유에 대해서 전자파 차폐 성능을 측정하였다. 한국산업기술시험원에서 100um 니켈코팅 탄소섬유의 전자파 차폐 성능을 평가한 결과 최저 66.7(dB)에서 최고 73.2(dB)의 전자파 차폐 성능을 보였다. 이것은 구리의 전자파 차폐율과 유사하여 EV/HEV자동차의 케이블로 사용될 수 있다.
본 논문에서는 복합재료로 만들기 위한 전처리 단계에서 수행한 사이징 제거 상태를 영상처리 알고리즘을 적용하여 수치적으로 나타내었고, 전자파 차폐 성능을 높이기 위해서 건식 공정 방식으로 니켈도금 탄소섬유를 제작하였다. 탄소섬유 제조에서 폴리머 종류로 감싸져 나온 사이징은 건식 코팅을 위해서는 제거해야 한다. 사이징이 제거된 상태를 주사 전자현미경(scanning electron microscope, SEM)으로 촬영한 이미지에서 탄소 섬유의 규칙적인 패턴, 즉 상관성을 구함으로써 수치적인 값으로 나타낼 수 있다. 사이징의 제거 방식은 용액, 압축 공기와 용액과 압축공기(하이브리드)로 제거한 SEM 영상에 대하여 제안된 방법을 적용한 결과 하이브리드 방식이 우수함을 확인 할 수 있었다. 그리고 사이징이 제거된 스프레딩 탄소 섬유 롤을 롤투롤 스퍼터 방식으로 니켈도금 탄소 섬유를 제작할 수 있었다. 제작된 30um, 40um과 100um 니켈코팅 탄소섬유에 대해서 전자파 차폐 성능을 측정하였다. 한국산업기술시험원에서 100um 니켈코팅 탄소섬유의 전자파 차폐 성능을 평가한 결과 최저 66.7(dB)에서 최고 73.2(dB)의 전자파 차폐 성능을 보였다. 이것은 구리의 전자파 차폐율과 유사하여 EV/HEV자동차의 케이블로 사용될 수 있다.
In this paper, the sizing removal condition for the pretreatment of composite materials is obtained numerically by applying an image processing algorithm and nickel-plated carbon fiber is fabricated by a dry process method to enhance its electromagnetic shielding performance. Sizings that are wrappe...
In this paper, the sizing removal condition for the pretreatment of composite materials is obtained numerically by applying an image processing algorithm and nickel-plated carbon fiber is fabricated by a dry process method to enhance its electromagnetic shielding performance. Sizings that are wrapped in a polymer type material during the manufacturing of carbon fiber should be removed for dry coating. A numerical value, that is the correlation, can be obtained by determining the regular pattern of the carbon fiber in the image taken by a scanning electron microscope (SEM) after the sizing is removed. The application of the proposed numerical method to the SEM image of the fiber after the sizing is removed with solution, compressed air, solution and compressed air (hybrid), showed that this method of eliminating the sizing is superior to the hybrid method. Then, by spreading the carbon fiber roll with the sizing removed, we were able to produce nickel plated carbon fiber by the roll-to-roll sputtering method. The electromagnetic shielding performance of the fabricated 30, 40 and 100 nickel coated carbon fibers was measured. The Korea Advanced Institute of Science and Technology evaluated the electromagnetic shielding performance of the 100 nickel-coated carbon fiber to have a maximum value of 73.2 (dB) and a minimum value of 66.7 (dB). This is similar to the electromagnetic shielding rate of copper and shows that this material can be used as a cable for EV / HEV automobiles.
In this paper, the sizing removal condition for the pretreatment of composite materials is obtained numerically by applying an image processing algorithm and nickel-plated carbon fiber is fabricated by a dry process method to enhance its electromagnetic shielding performance. Sizings that are wrapped in a polymer type material during the manufacturing of carbon fiber should be removed for dry coating. A numerical value, that is the correlation, can be obtained by determining the regular pattern of the carbon fiber in the image taken by a scanning electron microscope (SEM) after the sizing is removed. The application of the proposed numerical method to the SEM image of the fiber after the sizing is removed with solution, compressed air, solution and compressed air (hybrid), showed that this method of eliminating the sizing is superior to the hybrid method. Then, by spreading the carbon fiber roll with the sizing removed, we were able to produce nickel plated carbon fiber by the roll-to-roll sputtering method. The electromagnetic shielding performance of the fabricated 30, 40 and 100 nickel coated carbon fibers was measured. The Korea Advanced Institute of Science and Technology evaluated the electromagnetic shielding performance of the 100 nickel-coated carbon fiber to have a maximum value of 73.2 (dB) and a minimum value of 66.7 (dB). This is similar to the electromagnetic shielding rate of copper and shows that this material can be used as a cable for EV / HEV automobiles.
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문제 정의
본 논문에서는 영상처리 알고리즘을 이용하여 사이징 제거상태를 수치적으로 나타낼 수 있음을 확인 하였다. 제안된 알고리즘을 적용한 결과 용해를 이용한 사이징의 제거상태는 80%, 압축공기를 이용한 사이징의 제거상태는 93%, 2개가 결합된 하이브리드 방식이 사이징 제거 상태는 96%로 가장 우수함 수치적으로 확인할 수 있었다.
이렇게 제거된 사이징의 제거 상태를 대략적인 수치적로 표현하지만, 논리적 근거는 부족하였다. 본 논문에서는 이 부족한 논리를 영상처리를 통하여 제안 하였다.
본 논문에서는 이러한 과정 중에서 탄소 섬유의 영상분석을 통한 사이징의 제거 상태를 수치적으로 나타내는 알고리즘과 롤투롤 스퍼터 방식으로 니켈도금 탄소섬유를 제작하였으며, 제작된 니켈도금 탄소섬유의 전자파차폐 성능이 우수함을 제시하였다.
탄소섬유의 전기전도성의 향상을 위해서 전해도금 및 비전해도금법을 이용하여 탄소섬유 표면에 니켈 도금법을 개발하고 있다. 본 논문에서는 전자파 차폐를 위한 건식 방식의 금속 코팅된 탄소섬유의 개발 및 새로운 방식의 전처리 개발 기술과 전자파 차폐성능에 대해서 다룬다.
가설 설정
본 논문에서는 사이징 제거 상태를 영상처리의 질감 분석 방법을 적용하여 수치적으로 나타내도록 하였다. 제안된 방법은 먼저 Fig 3.과 같이 사이징이 많이 제거된 영상의 표면의 질감 분석을 100으로 가정하여 사이징이 제거가 되지 않은 영상을 상대적인 수치 값으로 나타낸 것이다.
제안 방법
제안된 알고리즘을 적용한 결과 용해를 이용한 사이징의 제거상태는 80%, 압축공기를 이용한 사이징의 제거상태는 93%, 2개가 결합된 하이브리드 방식이 사이징 제거 상태는 96%로 가장 우수함 수치적으로 확인할 수 있었다. 건식 방식으로 니켈코팅 탄소섬유를 제조하여 전자파 차폐 성능을 고찰해 보았다. 전자파 차폐 성능의 분석 결과 30µm 두께로 코팅된 탄소섬유에서는 24(dB), 40µm 두께로 코팅된 탄소섬유 36(dB) 그리고 100µm 두께로 코팅된 탄소섬유에서는 65(dB)의 전자파 차폐 성능을 보였다.
첫째, 사이징을 제거한 뒤 탄소 섬유의 SEM 영상을 획득한다. 둘째, 획득된 영상의 특정 부위를 취한 뒤 표면 성분을 영상처리를 통해서 분석한다. 여기서 탄소 섬유의 표면이 주기적인 패턴을 보이면 사이징이 대부분 제거된 것으로 간주하였다.
본 논문에서는 Matlab 2014a 버전을 이용과 Image tool box를 사용하여 영상표면의 질감을 수치적으로 나타내었다. 탄소섬유의 사이징이 제거된 영상에서는 상관성이 1 값에 가깝게 나오며 사이징의 제거되지 않은 영상은 0 값에 근접하다.
탄소 기술원에 문의한 결과 사이징이 제거된 상태를 대략 93%라고 하였다. 본 논문에서는 사이징 제거 상태를 영상처리의 질감 분석 방법을 적용하여 수치적으로 나타내도록 하였다. 제안된 방법은 먼저 Fig 3.
균일한 고품질 금속코팅 면을 얻기 위해 사이징 부착면을 조사하고, 전처리로 제거해야 한다. 본 논문에서는 톨루엔과 벤젠 및 사이클로헥산을 통한 탄소섬유 사이징 용해 제거 시험, 압축공기를 이용한 탄소섬유 사이징 용해 제거 시험, 용해를 통한 제거 후 압축공기의 분사 노즐 방식, 즉 하이브리드 방식으로 사이징을 탄소 섬유의 표면에서 제거하였다. 이렇게 제거된 사이징의 제거 상태를 대략적인 수치적로 표현하지만, 논리적 근거는 부족하였다.
상기 시험들에 의해 얻은 조건 중 가장 우수한 조건으로 사이징 제거 과정을 거치고 스프레딩 장치를 통해 사이징이 제거된 스프레딩 탄소섬유 롤을 얻었다. 12K 탄소섬유를 사용하였고, 폭은 25mm로 설정하여서 실시하였다.
탄소섬유에 건식코팅을 순서는 탄소섬유의 진행방향 조절 단계, 스퍼터 작업 순서로 이뤄진다. 섬유의 진행방향 조절은 보빈 중심축 회전방향의 정렬과 장력 조절 회전체의 축방향 조절, 가이드 회전체의 높낮이 조절의 순서로 중요도에 따라 이와 같이 조절하였다. Fig 6.
과 같이 저장한다. 이렇게 저장된 영상을 영상 처리를 통해서 수식 (1)의 상관성을 구하였다.
1M/분이 가능하도록 설계 및 제작된 롤투롤 스퍼터 이다. 이송은 토크모터의 RPM조절과 브레이크의 장력조절을 통해 팽팽한 당김 상태로 이송을 가능하게 직접 제작 하였다.
본 논문에서 제안한 알고리즘 순서는 다음과 같다. 첫째, 사이징을 제거한 뒤 탄소 섬유의 SEM 영상을 획득한다. 둘째, 획득된 영상의 특정 부위를 취한 뒤 표면 성분을 영상처리를 통해서 분석한다.
탄소섬유 전자파 차페층의 형성은 30µm 두께와 40µm두께를 형성하는 방법을 비교 평가하였다.
대상 데이터
상기 시험들에 의해 얻은 조건 중 가장 우수한 조건으로 사이징 제거 과정을 거치고 스프레딩 장치를 통해 사이징이 제거된 스프레딩 탄소섬유 롤을 얻었다. 12K 탄소섬유를 사용하였고, 폭은 25mm로 설정하여서 실시하였다.
이론/모형
이렇게 제작된 탄소섬유의 전자파 차폐(SE) 시험 방법은 ASTM D4935 테스트 방법으로 측정하였다.[12] 재료의 전자파 차폐효과는 입사하는 전자파에 대해 재료 입사면 에서의 임피던스 부정합에 의한 반사손실과 투과하는 동안 일어나는 투과손실의 합과 재료 양쪽 면에서의 임피던스 부정합에 의한 다중 반사손실 보정에 의해서 결정되며, 차폐물질이 있을 때의 수신 전력(p1)에 대해 차폐 물질이 없을 때의 수신 전력(p2)의 비로 식(2)와 같이 정의된다.
성능/효과
그리고 앞에서 직접 실험했던 100µm 두께로 니켈코팅 탄소섬유의 전자파 차폐율 시험을 KOLAS 인증기관인 한국산업기술시험원에서 같은 조건으로 평가한 결과 최저 66.7(dB), 최고 73.2(dB)의 전자파 차폐율을 보였다.
11은 100µm두께로 니켈코팅된 탄소섬유의 전자파 차폐율의 시험 결과 이다. 시험 결과 66dB라는 높은 차폐율을 보여주었다.
전자파 차폐 성능의 분석 결과 30µm 두께로 코팅된 탄소섬유에서는 24(dB), 40µm 두께로 코팅된 탄소섬유 36(dB) 그리고 100µm 두께로 코팅된 탄소섬유에서는 65(dB)의 전자파 차폐 성능을 보였다. 이 결과로 니켈로 코팅된 면적이 클수록 전자파 차폐 성능이 우수함을 확인할 수 있었다. 특히 100µm 두께로 코팅된 탄소 섬유는 구리의 차폐율과 유사하여 향후 EV/HEV 자동차 케이블로도 사용될 수 있다.
전자파 차폐 성능의 분석 결과 30µm 두께로 코팅된 탄소섬유에서는 24(dB), 40µm 두께로 코팅된 탄소섬유 36(dB) 그리고 100µm 두께로 코팅된 탄소섬유에서는 65(dB)의 전자파 차폐 성능을 보였다.
본 논문에서는 영상처리 알고리즘을 이용하여 사이징 제거상태를 수치적으로 나타낼 수 있음을 확인 하였다. 제안된 알고리즘을 적용한 결과 용해를 이용한 사이징의 제거상태는 80%, 압축공기를 이용한 사이징의 제거상태는 93%, 2개가 결합된 하이브리드 방식이 사이징 제거 상태는 96%로 가장 우수함 수치적으로 확인할 수 있었다. 건식 방식으로 니켈코팅 탄소섬유를 제조하여 전자파 차폐 성능을 고찰해 보았다.
측정 조건은 30MH에서 1.5GHz까지의 주파수 범위의 평면파에 대해서 100µm 두께로 니켈코팅 탄소 섬유에서 66.96(dB)의 전자파 차폐 효과를 보였다.
탄소섬유의 규칙적 패턴은 사이징이 많이 제거 될수록 이론적으로 1 값에 근접하는데, Table 1.에서 보면 용액으로 사이징 제거는 상태는 80%, 압축 공기로 사이징제거는 93% 그리고 용액과 압축공기로 사이징 제거는 96%라고 수치적으로 나타낼 수 있음을 확인할 수 있었다.
후속연구
전자파 차폐를 위한 건식 방식의 금속도금 탄소섬유의 개발을 위해서는 “탄소섬유 표면처리기술”, “탄소섬유 금속코팅기술”, “표면 사이징기술”, “탄소섬유 스프레딩 및 슬리팅기술”, 탄소섬유 브레이딩 기술에 의한 전자파쉴드 제조기술” 및 “탄소섬유 전자파차폐 케이블 평가기술”등의 요소들이 종합적으로 연구되어 져야 한다.
이 결과로 니켈로 코팅된 면적이 클수록 전자파 차폐 성능이 우수함을 확인할 수 있었다. 특히 100µm 두께로 코팅된 탄소 섬유는 구리의 차폐율과 유사하여 향후 EV/HEV 자동차 케이블로도 사용될 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
탄소섬유가 흡착제, 또는 고분자 물질의 특성 향상을 위한 충전물질 등으로 많이 사용된 이유는 무엇인가?
탄소섬유는 그 자체가 가지는 높은 강도와 전도성 등의 특성으로 흡착제, 또는 고분자 물질의 특성 향상을 위한 충전물질 등으로 많이 사용되어 왔다. 이러한 특성을지닌 탄소섬유는 표면을 개선할 경우, 고분자 매트릭스와 탄소섬유와의 결합력이 높아져 복합재료의 물리적 특성이 향상되거나, 흡착특성 향상되는 등 더욱 향상된 효과가 나타날 수 있다.
100µm 두께로 니켈코팅 탄소 섬유가 EV/HEV 자동차에 사용될 수 있는 성능인 이유는 무엇인가?
96(dB)의 전자파 차폐 효과를 보였다. 그리고 앞에서 직접 실험했던 100m두께로 니켈코팅 탄소섬유의 전자파 차폐율 시험을 KOLAS 인증기관인 한국산업기술시험원에서 같은 조건으로 평가한 결과 최저 66.7(dB), 최고 73.2(dB)의 전자파 차폐율을 보였다. 전자파 차폐 효과에서 60～90 dB를 우수, 90～120 dB를 최고 수준으로 판단하고 있다.[13]따라서 제작된 100µm 두께로 니켈코팅 탄소 섬유는 EV/HEV 자동차에 사용될 수 있는 성능이다.
고성능 탄소섬유의 장점은 무엇인가?
복합재료에서 가장 핵심적인 소재중의 하나가 탄소섬유이다. 고성능 탄소섬유는 인장강도, 탄성률이 매우 크고, 내마모성, 윤활성, 전도성이 우수하여 우주 · 항공용 1차 구조 재료로 사용하는 등 개발되고 있는 소재이다.[3-5]
참고문헌 (13)
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B. O. Lee, W. J. Woo, H. S. Song, H. S. Park, H. S. Hahm, J.P. Wu, and M. S. Kim, J. Ind. Eng. Chem., 7, 305, 2011.
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Chen, H. C., Lee, K. C. and Lin, J. H., "Electromagnetic and electrostatic shielding properties of co-weaving-knitting fabrics reinforced composites", Composites Part1, Vol. 35, pp. 1249-1256, 2004. DOI: https://doi.org/10.1016/S1359-835X(04)00119-8
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