[논문]충격파 완화 복합재의 설계

박경민; 조승래; 김혜진; 이재준

doi:10.7234/composres.2024.37.1.021

충격파 완화 복합재의 설계
Design of Polymer Composites for Effective Shockwave Attenuation

Composites research = 복합재료, v.37 no.1, 2024년, pp.21 - 31

박경민 (Department of Polymer Science and Engineering, Pusan National University) , 조승래 (Department of Polymer Science and Engineering, Pusan National University) , 김혜진 (Department of Polymer Science and Engineering, Pusan National University) , 이재준 (Department of Polymer Science and Engineering, Pusan National University)

초록
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이 리뷰 논문은 복합재에 함유되어 충격파를 감쇠하는 물질에 대한 탐구를 통해 폭발로 인한 외상성 뇌손상(bTBI)에 대비하여 인적자원을 보호하는 방법을 살펴보고자 한다. 이에 더하여 복합재의 충격파 감소의 정량화를 위한 충격파의 생성과 측정에 관련된 실험적인 방법들을 알아보고자 한다. 충격파는 고에너지 폭발물, 충격관, 레이저 및 레이저-플라이어 기술과 같은 다양한 접근법을 통해 생성이 가능하다. 충격파 전파 및 감쇠의 평가는 압전, 간섭계, 전자기 유도 및 스트릭 카메라 방법을 비롯한 첨단 기술을 활용하여 진행된다. 또한 충격파 압력감쇠 특성이 알려진 폴리우레아, 이온액체를 포함한 상분리 물질을 조사하였고 복합재 구조의 구성을 통해서 충격파를 감소시킬 수 있는 방법을 제시한다. 본 리뷰에서는 충격파 감쇠 물질 개발에 관한 연구를 종합하고 분석함으로써 폭발로 인한 외상성 뇌 손상에 대한 위험을 낮출 수 있는 재료적인 관점을 제시하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This review paper investigates the use of shockwave attenuating materials within composite structures to enhance personnel protection against blast-induced traumatic brain injury (bTBI). This paper also introduces experimental methodologies exploited in the generation and measurement of shockwaves to evaluate the performance of the shock dissipating composites. The generation of shockwaves is elucidated through diverse approaches such as high-energy explosives, shock tubes, lasers, and laser-flyer techniques. Evaluation of shockwave propagation and attenuation involves the utilization of cutting-edge techniques, including piezoelectric, interferometer, electromagnetic induction, and streak camera methods. This paper investigates phase-separated materials, including polyurea and ionic liquids, and provides insight into composite structures in the quest for shockwave pressure attenuation. By synthesizing and analyzing the findings from these experimental approaches, this review aims to contribute valuable insights to the advancement of protective measures against blast-induced traumatic brain injuries.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1. Shockwave pressure profile as a function of time [3]
그림 Fig. 2. Brain injury mechanisms caused by explosions [2]
그림 Fig. 3. Schematic diagram of the mechanisms of blast-related traumatic brain injury [8]
그림 Fig. 4. Metal projectile technique using pressurized gas [16]
그림 Fig. 5. Shock tube technique using pressurized gas [17]
그림 Fig. 6. Laser-induced flyer plate method [18]
그림 Fig. 7. Laser-induced shockwave generation technique via the rapid evaporation of metals [29]
그림 Fig. 8. Shockwave pressure measurement technique using piezoelectric crystals [14]
그림 Fig. 9. Streak camera method for shock pressure measurement [14]
그림 Fig. 10. Electromagnetic induction technique for the measurement of shockwave pressure [14]
그림 Fig. 11. The schematic depiction of optical components of velocity interferometer system for any reflector (VISAR) system [41]
그림 Fig. 12. Fabry-Perot interferometer setup [42]
그림 Fig. 13. Schematic depiction of Heterodyne interferometer system [43]
그림 Fig. 14. Molecular structure of polyurea consisting of hard and soft segments. Green sphere indicates the soft segment, red one represents the hard segment, where each forms nano-phase clusters
그림 Fig. 15. (a) Chemical structure of NIL 5-6, and (b) XRD patterns before and after shockwave impact for NIL 5-6, where peak I increased significantly after the impact [28]
그림 Fig. 16. Schematic depiction of stress propagation through a multi-layered structure via transmissions and reflections at the interfaces [55]
그림 Fig. 17. Specimen configuration and schematic of shock compression experiment for periodically layered composite [59]

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 비교적 오래전부터 개발되어 대중적으로 사용되고 있는 충격파 생성 방식에 대해 소개를 하였다. 최근에는 다양한 산업 분야에서 충격파를 활용하기 위해, 캐비테이션 버블 붕괴를 활용한 충격파 생성 방식[32], 자기 격자를 활용한 충격파 생성 방식[33], 스파크 유도 충격파 생성 방식[34] 등 여러 가지 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
본 리뷰 논문에서는 충격파 감쇠 복합재 연구의 현황을 살펴보기 위하여 실험실에서 복합재의 충격파 감쇠 특성 측정을 위해 개발된 기술들을 우선적으로 살펴보고자 한다. 충격파 감쇠를 위하여 개발된 물질들을 충격파 감쇠 특성과 연관된 물질의 인자들인 수소결합, 미세구조, 임피던스 불일치를 중심으로 살펴보고자 한다.

제안 방법

Castagna 등은 polyurea의 미세 구조에 대한 soft 영역 분자량의 영향을 연구했고, 짧은 soft 영역을 가지고 있는 polyurea가 더 균질한 상(homogeneous phase)을 형성함을 입증했다[45]. Soft 역할을 하는 고분자 사슬의 분자량이 감소할 때 분절 완화 과정(segmental relaxation process)의 역학 (dynamic)이 느려짐을 광대역 유전체 완화 측정방식으로 확인하였다.
레이저를 활용한 충격파 생성 방식이 도입되면서, 충격파의 상승시간이 수 나노초로 제한되었기 때문에, 나노초의 분해능 측정 기술로써 간섭계 방식이 활용되었다. 본 논문에서는 대표적인 3가지 간섭계 방식을 설명한다.
본 연구에서는 외상성뇌손상을 일으키는 주요 요인 중 하나인 충격파의 실험적인 생성과 측정법, 그리고 충격파의 압력을 완화할 수 있는 재료에 대한 연구들을 종합하여 리뷰를 진행하였다. 실험실에서 충격파의 생성은 폭발물의 폭발, 발사체의 충돌, 충격튜브, 레이저 등을 이용하여 생성해 낼 수 있으며, 생성 방식에 따라서 장점과 단점이 존재하며 상이한 충격파의 특징을 구현해 낼 수 있다.
본 리뷰 논문에서는 충격파 감쇠 복합재 연구의 현황을 살펴보기 위하여 실험실에서 복합재의 충격파 감쇠 특성 측정을 위해 개발된 기술들을 우선적으로 살펴보고자 한다. 충격파 감쇠를 위하여 개발된 물질들을 충격파 감쇠 특성과 연관된 물질의 인자들인 수소결합, 미세구조, 임피던스 불일치를 중심으로 살펴보고자 한다. 마지막으로 충격파 감쇠 복합재의 감쇠 효율 향상에 적절한 층 설계 원리를 알아보고 최적의 복합재 구조를 위한 조건들을 논의해보고자 한다.

이론/모형

초기에는 Fig. 4와 같은 가스 건을 사용하여 금속 발사체를 시료와 부딪히는 방식을 이용하였다[16].
레이저는 먼저 움직이는 표면에서 반사된 빛의 도플러 효과를 얻기 위해 사용되며, 이후 도플러 이동이 일어난 빛과 직접적인 레이저가 결합되어 비트 주파수가 생성된다. 도출된 속도-시간 그래프는 비트 파형의 주파수와 연관되며, 데이터 분석은 여러 이산 속도와 푸리에 변환 기법을 사용한다. Heterodyne 간섭계는 결합된 광 신호에서 필요한 비트 주파수의 분해능을 얻기 위해 통신 업계에서 주로 사용되는 광섬유 레이저, 순환기 그리고 높은 대역폭과 샘플링 비율을 가지는 디지타이저가 필요하다.
재현성을 보다 높이기 위해, 레이저를 금속에 직접 조사하는 방식[20]이 활용되었다. Fig.

성능/효과

Fig. 7을 살펴보면, 고에너지 펄스 레이저는 높은 감쇠 계수로 인해 금속 흡수층에 1 um 미만으로 침투가 가능하고, 매우 얇은 흡수층만 레이저에 의해 가열된다. 금속은 기화되어 1000도 이상의 초고온에 도달하고, 전자의 이온화에 이어 플라즈마가 형성된다.
이에 더하여 결정질의 PIL은 비정질 구조의 PIL에 비해서 충격파 소산 능력이 현저히 떨어짐을 확인하였다. PIL의 경우 NIL에 비해서 알킬 길이에 따른 유리전이온도의 변화가 미미하여 다이나믹에 따른 충격파의 소산을 무시할 수 있다고 가정하였고, PIL의 구조에 의한 충격파 압력 감쇠 결정의 중요성이 강조되었다.
이들은 수 나노초의 시간 분해능으로 약 1%의 정확도로 속도 정보를 직접 생성한다. VISAR는 Fabry-Perot 간섭계보다 유연성, 감도, 시간 분해능이 우수하지만 데이터 분석이 복잡할 수 있다. Fabry-Perot 간섭계의 데이터 분석은 간단하다.
Lee 등은 후속 연구를 통해서 고분자 IL(polymer ionic liquid, PIL)의 주사슬에 알킬 도메인을 도입하고 이의 길이를 조절하여 미세 상분리 구조에 의한 충격파의 소산 특성을 비교하였다[30]. X-ray diffraction 분석을 통해 알킬 도메인의 길이가 길어질수록 더 정렬이 잘 된 그리고 잘게 쪼개진 미세상이 형성됨을 확인하였고, 나노 스케일 상분리가 발달 될수록 PIL의 충격파 소산 능력이 증대됨을 확인하였다. 이에 더하여 결정질의 PIL은 비정질 구조의 PIL에 비해서 충격파 소산 능력이 현저히 떨어짐을 확인하였다.
긴 알킬 사슬을 가지는 NIL은 짧은 알킬 사슬을 가진 NIL보다 더 많은 충격파 피크 압력을 감쇠했다. X-ray 회절 데이터에 따르며 충격파에 노출된 후에 나노 상분리에 직접적으로 연관된 peak이 더 높은 intensity를 가짐을 확인할 수 있는데, 이는 충격파에 의한 나노 상분리 유도 현상으로 여겨진다(Fig. 15).
17). 기계적 임피던스가 큰 구성요소인 금속을 경질 (hard) 층이라 하고, 기계적 임피던스가 낮은 폴리카보네이트를 연질 (soft)층이라고 명명하였다. 첫 번째 층이 단위 셀에서 항상 연질층이 되도록 복합재 층을 순서화하였다.
양이온의 긴 알킬 촉쇄(alkyl side chain)는 결정화를 어렵게하여 냉각 시 비정질 유리질 고체가 형성되도록 한다. 긴 알킬 사슬을 가지는 NIL은 짧은 알킬 사슬을 가진 NIL보다 더 많은 충격파 피크 압력을 감쇠했다. X-ray 회절 데이터에 따르며 충격파에 노출된 후에 나노 상분리에 직접적으로 연관된 peak이 더 높은 intensity를 가짐을 확인할 수 있는데, 이는 충격파에 의한 나노 상분리 유도 현상으로 여겨진다(Fig.
이 시스템은 VISAR 및 Fabry-Perot 간섭계와 같은 프린지 점프 모호성이 없으며 매우 긴 기록을 기록할 수 있다. 또 다른 장점은 잘 설계된 실험에서 여러 표면 속도를 1%의 정확도로 측정할 수 있다는 것이다.
VISAR에서 레이저 빔은 움직이는 표면에서 반사된 후 두 개의 빔으로 분할되고 한 빔은 렌즈 또는 에탈론으로 만들어진 지연 시스템을 통과한다. 분할된 빔은 검출기에서 결합되며, 결과 비트 주파수는 지연 간격 동안의 속도 변화(즉, 가속도)에 비례한다. 프린지를 계산하면 총 속도 변화를 알 수 있다.
첫 번째 층이 단위 셀에서 항상 연질층이 되도록 복합재 층을 순서화하였다. 실험 결과에 따르면 계면 산란으로 인해 충격파의 완화와 연관된 변수인 충격파 점도(shock viscosity)는 계면 임피던스 불일치의 증가와 함께 증가하고, 계면 밀도 및 충격파 압력의 증가와 함께 감소한다. 균일한 금속에 대한 충격파 점도보다 layered composite이 계면/미세 구조 산란으로 인해 훨씬 더 큰 충격 점도를 가짐을 나타낸다.
본 연구에서는 외상성뇌손상을 일으키는 주요 요인 중 하나인 충격파의 실험적인 생성과 측정법, 그리고 충격파의 압력을 완화할 수 있는 재료에 대한 연구들을 종합하여 리뷰를 진행하였다. 실험실에서 충격파의 생성은 폭발물의 폭발, 발사체의 충돌, 충격튜브, 레이저 등을 이용하여 생성해 낼 수 있으며, 생성 방식에 따라서 장점과 단점이 존재하며 상이한 충격파의 특징을 구현해 낼 수 있다. 빠른 전파와 변형률, 그리고 높은 압력으로 말미암아 특별한 방식의 측정법이 사용되는데, 이는 압전 재료, 고속 카메라, 간섭계 등을 포함한다.
Heterodyne 간섭계는 결합된 광 신호에서 필요한 비트 주파수의 분해능을 얻기 위해 통신 업계에서 주로 사용되는 광섬유 레이저, 순환기 그리고 높은 대역폭과 샘플링 비율을 가지는 디지타이저가 필요하다. 이 시스템은 VISAR 및 Fabry-Perot 간섭계와 같은 프린지 점프 모호성이 없으며 매우 긴 기록을 기록할 수 있다. 또 다른 장점은 잘 설계된 실험에서 여러 표면 속도를 1%의 정확도로 측정할 수 있다는 것이다.
X-ray diffraction 분석을 통해 알킬 도메인의 길이가 길어질수록 더 정렬이 잘 된 그리고 잘게 쪼개진 미세상이 형성됨을 확인하였고, 나노 스케일 상분리가 발달 될수록 PIL의 충격파 소산 능력이 증대됨을 확인하였다. 이에 더하여 결정질의 PIL은 비정질 구조의 PIL에 비해서 충격파 소산 능력이 현저히 떨어짐을 확인하였다. PIL의 경우 NIL에 비해서 알킬 길이에 따른 유리전이온도의 변화가 미미하여 다이나믹에 따른 충격파의 소산을 무시할 수 있다고 가정하였고, PIL의 구조에 의한 충격파 압력 감쇠 결정의 중요성이 강조되었다.
PE를 통과하는 충격파는 탄성 전구체 파동(elastic precursor wave)이 플라스틱 파동(plastic wave) 보다 더 빠르게 움직이며, 탄성 전구체 파동에 의해서 작은 비정질 영역이 압축이 강하게 일어나며, 이는 밀도의 증가를 가져온다. 이에 더하여 비정질 PE의 경우 벌크 비정질 PE 보다 confinement 효과로 인해서 더 높은 강성을 가지는데, 더 작은 비정질 영역을 가질수록 더 높은 강성을 가진다. 이로 인해서 더 작은 영역의 비정질을 가지는 PE는 결정 영역과의 임피던스 불일치가 감소하게 되고 충격파의 소산 능력도 감소한다.
그들은 결정/비정질 사이의 계면에서의 에너지 부분 반사가 임피던스 불일치의 증가로 향상된다는 것을 발견했다. 하지만 PE의 경우 비정질 영역의 크기에 따라서 충격파를 감쇠할 수 있는 능력에 있어서는 PIL과는 상이한 결과가 도출되었다. PE를 통과하는 충격파는 탄성 전구체 파동(elastic precursor wave)이 플라스틱 파동(plastic wave) 보다 더 빠르게 움직이며, 탄성 전구체 파동에 의해서 작은 비정질 영역이 압축이 강하게 일어나며, 이는 밀도의 증가를 가져온다.

후속연구

충격파를 완화시키는 재료들은 고분자 물질들이 많이 연구가 진행되었고, 대표적으로 polyurea, 미세 상분리 고분자 등이 대표적이다. 각각의 물질들이 가지고 있는 충격파 완화에 대한 메커니즘이 일부 밝혀져 있으나 추가적으로 밝혀져야 할 부분이 많이 남아 있으며, 새로운 획기적인 메커니즘을 가지는 재료의 개발을 통해서 충격파 감소 성능도 획기적으로 높여야 한다. 충격파와 물리적 파편의 위협은 동반되기에 충격 감쇠 고분자 재료를 활용한 복합재의 개발은 필수적이며 본 연구에서 가장 강조하고 싶은 주제이다.
보호구의 구조를 설계할 때 충격파 압력의 완화를 위한 가장 일반적인 접근법 중 하나는 충격파가 계면에서 산란하게 하는 다층 구조(multi-layer structure)를 채택하는 것이다[55]. 다층 구조는 앞서 설명한 충격파를 흡수하는 물질들의 적층을 통해서 충격파를 직접적으로 소산 시킬 수도 있지만, 추가적으로 산란 또는 반사의 메커니즘을 더할 수 있다. 다층 구조는 물질의 밀도와 탄성계수에 의해서 임피던스가 결정되며, 고분자와 세라믹 또는 금속의 적층은 큰 어쿠스틱 임피던스의 차이를 가진다[56].
그 외에도 충격파는 공기로 채워진 장기 기관이나 공기-액체 계면에 우선적으로 치명적인 손상을 미치며, 가장 취약한 장기로는 고막, 폐, 대장 등이 있다[10-12]. 따라서 bTBI로 인한 증상을 치료하는 것도 중요하지만, 우선 1차적인 피해를 방지하기 위해 충격파를 효과적으로 흡수할 수 있는 소재의 개발이 시급한 실정이다.
충격파 감쇠를 위하여 개발된 물질들을 충격파 감쇠 특성과 연관된 물질의 인자들인 수소결합, 미세구조, 임피던스 불일치를 중심으로 살펴보고자 한다. 마지막으로 충격파 감쇠 복합재의 감쇠 효율 향상에 적절한 층 설계 원리를 알아보고 최적의 복합재 구조를 위한 조건들을 논의해보고자 한다.
충격파와 물리적 파편의 위협은 동반되기에 충격 감쇠 고분자 재료를 활용한 복합재의 개발은 필수적이며 본 연구에서 가장 강조하고 싶은 주제이다. 충격파 감쇠용 보호 재료 개발의 중요성은 무기 성능의 개량과 잇따르는 전쟁으로 인해서 점점 증대되고 있으며, 효과적인 충격파의 감소를 위한 물질의 연구와 개발이 시뮬레이션, 실험적 방법 등을 통해서 시급히 요구된다.
각각의 물질들이 가지고 있는 충격파 완화에 대한 메커니즘이 일부 밝혀져 있으나 추가적으로 밝혀져야 할 부분이 많이 남아 있으며, 새로운 획기적인 메커니즘을 가지는 재료의 개발을 통해서 충격파 감소 성능도 획기적으로 높여야 한다. 충격파와 물리적 파편의 위협은 동반되기에 충격 감쇠 고분자 재료를 활용한 복합재의 개발은 필수적이며 본 연구에서 가장 강조하고 싶은 주제이다. 충격파 감쇠용 보호 재료 개발의 중요성은 무기 성능의 개량과 잇따르는 전쟁으로 인해서 점점 증대되고 있으며, 효과적인 충격파의 감소를 위한 물질의 연구와 개발이 시뮬레이션, 실험적 방법 등을 통해서 시급히 요구된다.
폭발물을 활용한 방식은 오늘날에도 일부 고압 실험에 사용되며[15], 대부분의 재료에 관한 충격파 상태 방정식은 이러한 폭발 시스템을 사용하여 계산되었다. 하지만 하나의 폭발물 설계에 대해 유도 응력의 범위가 작고, 대형 폭발물 발사 시설을 갖춘 실험실로 제한되었다. 시료를 테스트하기 위해 초기 압력을 더 잘 제어하고 더 쉽게 접근할 수 있는 충격파 시설이 필요했기 때문에, 가스(아르곤 또는 수소)를 사용하는 건(gun) 튜브 기술이 개발되었다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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