초록 ▼

본 연구과제는 잔류 응력을 줄이고 저온에서의 취성을 완화시키는 신공정 개발 및 나노섬유 보강을 통해 극저온 환경에서 사용되는 복합재료 및 접착조인트의 내구성을 향상시키는 목표로 연구를 진행하였다.
1차 년도에는 잔류 응력을 줄이는 신공정 개발을 위하여 유전센서 및 광센서로 구성된 계측부와 이들로부터 나온 데이터로부터 재료의 거동을 GUI (Graphic User Interface) 시스템으로 보여주는 소프트웨어로 이루어진 복합 경화 모니터링 시스템을 구축하였다. 구축된 시스템으로부터 다양한 경화 공정에 따라 유전센서로부터의 소

본 연구과제는 잔류 응력을 줄이고 저온에서의 취성을 완화시키는 신공정 개발 및 나노섬유 보강을 통해 극저온 환경에서 사용되는 복합재료 및 접착조인트의 내구성을 향상시키는 목표로 연구를 진행하였다.
1차 년도에는 잔류 응력을 줄이는 신공정 개발을 위하여 유전센서 및 광센서로 구성된 계측부와 이들로부터 나온 데이터로부터 재료의 거동을 GUI (Graphic User Interface) 시스템으로 보여주는 소프트웨어로 이루어진 복합 경화 모니터링 시스템을 구축하였다. 구축된 시스템으로부터 다양한 경화 공정에 따라 유전센서로부터의 소산 계수(Dissipation factor) 정보와 광센서로부터 계측된 성형 잔류 열응력을 분석하여 최적의 지능형 경화 공정을 개발을 통해 복합재료 내부의 잔류 열응력을 최소화 하는 경화 공정을 개발하였다. (기존 기술 수준과 비교시 성형잔류 열변 형률: 49% 감소, 굽힘 강도: 21% 향상)
2차 년도에는 접착조인트의 내구성 향상을 위해 나노 섬유 개발과 입자의 보강에 따른 물성 데이터베이스 구축에 관한 연구를 수행하였고, 내구성 향상을 위한 추가 연구로 극저온용 단열 폼의 내구성 향상을 위한 경화 조건 구축,보강재와 기저와의 계면 결합력을 향상시키기 위한 표면처리 기술, 복합재료의 내충격성 향상에 관한 연구를 수행하였다. 나노섬유 보강재로는 뛰어난 기계적 강도, 높은 파괴인성, 낮은 열팽창계수 (CTE) 특성을 지닌 메타아라미드를 선택하였고, 전기방사법을 통해 나노섬유로 제조하였다. 메타 아라미드는 섬유 표면에 화학적 활성기가 적어 접착특성이 좋지 않기 때문에 젖음 특성을 향상시키기 위해 코어-쉘 구조의 에폭시/메타아라미드 나노섬유를 개발하였고,이 섬유 표면의 Epoxide 작용기에 의해 기저와 화학적 결합을 유도함으로서 계면 결합력이 크게 향상되어 열적, 기계적 특성을 크게 향상시키는 결과를 얻었다.(단일 구조의 나노섬유와 비교 시, 전단강도: 25% 향상, 파괴 인성: 121%향상, 열팽창계수: 10% 감소)
또한, 나노 입자 보강재를 적용해 부피분율 및 분산도에 따른 복합재료의 기계적 물성에 관한 연구를 진행하였고, 입자 보강의 경우 분산 방법에 따라 보강효과가 크게 영향을 받으므로, 기계적, 전기적,화학적 분산 방법을 수행하여 기계적 물성을 확인하였다. 그 중 전기적 반발력을 유도할 수 있는 전기분무법을 도입하여 가장 큰 강도 향상(1wt%일 때 인장강도 32.9%, 탄성계수: 32% 향상)을 얻을 수 있었고, 이와 같이 다양한 실험 결과로부터 나노 보강재의 종류, 부피 분율, 공정에 따른 물성 데이터베이스를 구축할 수 있었다. LNG 선박의 경우 금속재 방벽 사이에 단열폼으로 구성된 이중 방벽 구조로 접착제로 접합되어 있는데, 여기에 사용되는 고분자 폼은 극저온 환경에 노출되므로 재료의 취성이 커져 구조의 신뢰성에 크게 영향을 미친다.
따라서 추가적으로 단열폼의 내구성 향상을 위한 연구를 수행하였고, 지능형 경화 모니터링의 도입을 통해 경화도를 실시간으로 모니터링 함으로써 수지의 발포 시점에 따른 제조 및 입자(활성탄) 보강을 통해 열적, 기계적 특성을 크게 향상시키는 결과를 얻었다. 극저온에서 보강재와 기저의 약한 계면 결합력은 효과적인 응력 전달이 이루어지지 않아 보강효과가 감소되고,약한 계면을 따라 크랙의 진행을 유도하여 낮은 응력에서 파괴가 일어날 수 있으므로 내구성 향상을 위해 적용하는 섬유 및 입자 보강시 적용될 효과적인 표면처리 기법을 개발하였다. 표면의 작용기가 적은 탄소 섬유의 표면처리 방법으로는 산 처리 및 Plasma 처리를 통해 표면에 작용기를 도입한 뒤 Coupling Agent (Titanate, Silane)를 수행함으로써 계면 결합력을 크게 향상시켰다. (탄소섬유/에폭시 복합재료: 계면 전단강도: 최대 49% 향상)
또한, 열가소성 고분자 중에서 계면 특성이 좋지 않은 PP의 경우, PP 용액의 급속 냉각 방법을 통해 gelation 시킴으로써 얻어진 PP사이징 용액을 개발하였고, 탄소섬유 표면에 PP 사이징 처리를 통해 계면 특성을 크게 향상시키는 결과를 얻었다.(계면 전단강도: 102%) LNG 선박의 경우, 유체화물 운송시 운반 용기 내부에서 발생하는 Sloshing 현상에 의해 운반 용기에 충격력을 발생시켜 구조물의 파손을 초래할 수 있으므로, 복합재료의 내충격성을 향상시키기 위한 연구를 수행하였다. 복합재료 제조 시, 탄소섬유의 적층각에 따른 낙하 충격시험을 수행하였고 복합재료 내부의 파단 발생을 3차원 형상 측정 및 C-scan 방법을 통해 감지 후 유한요소해석을 결과와 비교하여 복합재료의 최적설계를 수행하였고, 적층각의 변화로 내충격성을 향상시키는 결과를 얻었다.
3차 년도에는 FBG (Fiber Bragg Grating) 센서를 이용한 OFDR (Optical Frequency Domain Reflectometry) 시스템을 활용하여 온도와 외부 하중을 독립적이고 연속적으로 내부의 잔류 변형률을 계측할 수 있는 시스템을 구축하였고, 이 시스템을 토대로 극저온에서 파손이론을 정립하였다. 구축된 시스템의 경우 연속적으로 구조의 잔류 변형률을 측정할 수 있는 시스템으로 실제 접착 조인트의 제조 공정에 적용하여 공정 중 발생되는 잔류 변형률을 측정하였고, 기존 파손 이론을 토대로 극저온에서의 접착 조인트의 파손 이론을 정립하였다.
지난 3년간 정량적 성과를 살펴보면, SCI급 논문 10편, 국내논문 1편, 국내 특허 출원 5건, 해외 (PCT) 출원 3건으로 요약할 수 있다.