초록 ▼

탄소섬유 복합재료는 항공구조, 자동차, 로봇 등 다양한 분야에 널리 사용되고 있으며 한국, 일본 미래 산업에 중추적인 역할을 담당하고 있는 재료이다. 탄소섬유 복합재료의 사용처가 확장됨에 따라 재료의 구조 건전성을 유지하는 것이 더욱 중요한 주제로 부각되고 있다. 일본 도쿄 공업대학의 Takahashi 교수팀에서는 이러한 탄소섬유 재료의 실시간 구조 건전성 감시를 위한 위치 인식형 전극 네트워크 (Addressable Conductive Network)를 제안하였다. ACN은 탄소섬유 복합재료양면에 구성되어 있는 전극쌍으로 구성되는

탄소섬유 복합재료는 항공구조, 자동차, 로봇 등 다양한 분야에 널리 사용되고 있으며 한국, 일본 미래 산업에 중추적인 역할을 담당하고 있는 재료이다. 탄소섬유 복합재료의 사용처가 확장됨에 따라 재료의 구조 건전성을 유지하는 것이 더욱 중요한 주제로 부각되고 있다. 일본 도쿄 공업대학의 Takahashi 교수팀에서는 이러한 탄소섬유 재료의 실시간 구조 건전성 감시를 위한 위치 인식형 전극 네트워크 (Addressable Conductive Network)를 제안하였다. ACN은 탄소섬유 복합재료양면에 구성되어 있는 전극쌍으로 구성되는데 이러한 전극쌍 간의 저항 변화를 감지하여 재료의 건전성을 판단하게 된다.
본 연구에서는 ACN의 성능에 중요한 요소인 전극과 복합재료 사이의 접촉저항(Contact resistance)에 관한 연구를 수행하였다. 접촉저항에 영향을 주는 인자인복합재료의 표면거칠기와 은 나노 입자의 소결온도에 따른 접촉저항을 측정하였다. ACN을 형성하기 위하여 인쇄전자기술이 사용되었다.
원자현미경(AFM, Atomic Force Microscope)을 이용하여 사포의 입자크기에 따라 폴리싱된 복합재료의 표면 거칠기를 측정하였고, 폴리싱된 복합재료의 면적과 노출된 탄소섬유의 면적 등을 계산하였다. 또한, 복합재료 표면 거칠기에 따른 소결된 은 전극과 복합재료의 계면을 분석하기 위하여 주사현미경(SEM, Scanning Electron Microscope)을 사용하였다. 표면 및 계면 분석을 통하여 복합재료의 표면 거칠기, 전극의 소결온도와 접촉저항 간의 상관관계를 정립하였다.
복합재료와 소결된 은 전극 사이의 접착강도에 대한 평가도 수행하였다. 접착강도 측정을 위해 스카치 테이프 테스트와 스크래치 테스트를 수행하였으며, 인쇄전자기법을 통해 제작된 전극이 ACN을 형성하기 위해 적합한지에 대하여 고찰하였다. 또한, 인장에 따른 은 전극/복합재료 사이의 접촉저항 변화를 살펴보았다.
기존의 고온, 장시간이 소요되는 열 소결 공정을 대체하는 광 소결 기법(Intense Light Pulsed Sintering)을 선보였다. 광 소결 기법은 상온에서 단시간(ms 단위)내에 전도성 잉크를 소결시킬 수 있다. 이러한 광 소결 기법을 이용하여 은나노 잉크를 소결하기 위하여 광조사 조건 최적화에 관한 연구를 수행하였다.
본 연구를 통해 탄소섬유 복합재료와 은 전극의 접촉저항은 은 전극의 소결온도가 120 ℃, 사포 번호가 #2000일 때 가장 낮은 0.3664 Ω을 나타내었다. 또한, 은 나노 잉크를 소결시키기 위한 최적의 광조사 조건은 3 J/cm² , 3ms, 펄스 갯 수 1 이었다. 본 연구로부터 개발되는 복합재료 표면 전극 형성용 인쇄전자 기술은 넓은 면적의 복합재료 구조체에 실시간 전극 형성을 가능하게 하여주므로 비행기 혹은 우주선등 자가 구조 손상 진단이 필요한 대형 복합재료 구조물에 사용될 수 있으며 궁극적으로는 구조 신뢰도 향상에 매우 중요한 발판이 될 것으로 기대된다.

Abstract ▼

Carbon fiber reinforced plastic (CFRP) is expanding its application especially to aerospace structures, which are now key industry in both Japan and Korea. As the application increases, it becomes more important to keep the structural integrity. Japanese team introduced the concept of addressable co

Carbon fiber reinforced plastic (CFRP) is expanding its application especially to aerospace structures, which are now key industry in both Japan and Korea. As the application increases, it becomes more important to keep the structural integrity. Japanese team introduced the concept of addressable conducting network (ACN) as structural health management system, which consists of pairs of metallic electrodes on both surfaces perpendicular to each other.
In this work, the contact resistance as the important factor in the performance of ACN was investigated. The contact resistance between the silver electrode and CFRP was measured with respect to the surface roughness of CFRP and sintering temperature of silver nano-ink.
The surface roughness of polished CFRP was measured using atomic force microscope (AFM). The area of polished CFRP and exposed carbon fiber was calculated. Also, the interface between silver electrode and carbon fibers were observed using scanning electron microscope (SEM). The relationship between the surface roughness, sintering temperature and contact resistance was established by the analysis of the surface of the sintered electrode and the interface of the electrode/CFRP.
To measure the adhesion strength between the silver electrode and CFRP laminates, the scratch test and scotch tape test were performed. It was discussed whether the electrode fabricated by printed electronics is proper to fabricate ACN or not. Also, the change of contact resistance between silver electrode and CFRP was measured under tensile loading.
The intense pulsed light (IPL) sintering method was introduced to replace the conventional thermal sintering method that it takes long sintering time under high temperature. It is possible to sinter the conductive nano-ink in short time (ms unit) at room temperature using IPL. The study on optimization of irradiation condition for sintering of silver nano-ink was performed using IPL sintering method.
From the study, it was found that the lowest contact resistance of 0.3664Ω could be achieved when the sintering temperature of silver nano-ink and surface roughness of CFRP were 120 ℃ and 230nm, respectively. Also, the optimal irradiation condition to sinter the silver nano-ink using IPL was 3J/cm² , 3ms and pulse number 1. The printed electronics technique for fabricating ACN developed from this work can be adapted in real time fabrication of ACN on large composite structure. Also, it will contribute to further progress in self-management composite structure such as aerospace industry.