KR101321863B1 - 하이브리드 섬유 재료, 및 이를 포함하는 구조적 구성요소 - Google Patents

하이브리드 섬유 재료, 및 이를 포함하는 구조적 구성요소 Download PDF

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Abstract

재료 상에 또는 재료에 인접하여 배치된 전기적 구성요소에 대해 신호 전력 경로를 제공하는 전기 전도 섬유를 포함하는 복합물의 구조적 구성요소를 개시한다. 따라서 상기 신호 경로는 구조적 구성요소 내에 매립(imbedded)될 수 있다. 또한 유사한 목적의 전기 전도 섬유를 포함하는 가요성(flexible) 또는 주름잡힌(drapable) 섬유, 및 상기 구조체와 섬유를 제조하기 위한 재료, 및 그 제조 방법을 개시한다.

Description

하이브리드 섬유 재료, 및 이를 포함하는 구조적 구성요소 {HYBRID FABRIC MATERIALS, AND STRUCTURAL COMPONENTS INCORPORATING SAME}
본 발명은 전기 회로 어셈블리 및 이를 포함하는 구조적 구성요소에 관한 것이며, 특히 하나 이상의 섬유가 전류를 전달하기 위해 전기적으로 전도하는 섬유강화 복합 재료{fibre reinforced composite materials)에 관한 것이다. 본 발명은 또한 전기 전도 섬유로 구성된 섬유에 관한 것이다.
최신 항공기는 보통 예를 들면 장비에 전력을 공급하기 위해, 제어 신호를 운반하기 위해, 또는 전자 데이터를 전달하기 위해, 전류를 전달하는 많은 마일(mile)의 케이블류(cabling)을 포함한다. 이러한 케이블류는 운송 수단의 무게의 한 원인이 되고, 또한 설치 및 라우팅(routing)에 시간이 걸린다. 그러므로 로우 프로파일 구성(low profile configuration)에 이상적이기도 한, 전류를 전달하는 다른 방법의 제공에 대한 요구가 있다. 또한, 항공기와 같은 운송 수단의 모니터링 및 제어를 위한 새로운 기술이 개발됨에 따라, 구성 요소로의 또는 구성 요소로부터의 신호 또는 전력의 전달에 대한 필요가 증가한다.
따라서, 일 측면에서, 본 발명은 제1 방향으로 연장되고 다른 동일한(other like) 전도 섬유들과는 전기적으로 격리된, 복수의 이격된 전기 전도 섬유( electrically conducting fibre), 및 제2 방향으로 연장되는 복수의 전기 절연 섬유(electrically insulating fibre)를 포함하여, 제1 방향으로 연장되는 복수의 절연된 전기 전도 트랙(track)을 가지는 재료를 형성(define)하는 하이브리드 섬유 재료를 제공한다.
이와 같이, 기존의 섬유 제조 기술을 재료 내에 전기 전도 트랙을 포함하는 섬유의 제조에 용이하게 적용하여 전류 전달로(passage)용의 일체형 전도 구조체(integral conducting structure)를 제공한다. 상기 전기 전도 트랙은 개별로 접근 가능하다(discretely addressable).
일 구성예에서, 상기 섬유는 직조된 것(woven)이고, 상기 이격된 전기 전도 섬유는 경사 섬유(warp fibre)이며, 직조 방향인 제2 방향(second weave direction)으로 연장되는 상기 전기 졀연 섬유는 위사 섬유(weft fibre)이다. 따라서, 종래의 직물에서 예컨대 유리, Kevlar® 등의 비전도 재료 중에서 선택된 경사 보빈은, 제조 시에 전기 전도 섬유, 예컨대 탄소 섬유의 보빈으로 교체된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 경사 섬유인 상기 전기 전도 섬유들은 전기 절연 섬유들 사이에 개재되어 주기적인 또는 비주기적인 구조체를 제공한다.
임의의 적당한 전기 전도 섬유는, 예를 들면 탄소 섬유, 금속 도금 섬유(metal plated fibre), 및 금속화 섬유(metallised fibre) 중에서 하나 이상을 사용할 수 있다.
본 발명은 전술한 바와 같이 하이브리드 재료로 이루어진 섬유 복합 재료(fibre composite material), 및 매트릭스 재료(matrix material)에 관심을 기울인다. 유리하게는, 상기 섬유들은 섬유 복합 재료의 제조에 이미 일반적으로 사용되는 것에서 선택되고, 사용된 매트릭스 재료와 관련된 강도 및 보딩(boding) 특성은 알려져 있다. 상기 매트릭스 재료는 폴리머 재료, 엘라스토머 재료, 금속 재료, 및 세라믹 재료 또는 이들 중 하나 이상의 혼합물 중에서 선택된다.
상기 섬유 복합 재료는 전술한 바와 같은 하이브리드 재료로 이루어진 복수의 층, 및 상기 섬유 복합 재료의 두께를 관통하여 연장되는 하나 이상의 전도성 섬유(conductive fibre)를 포함할 수 있다. 상기 섬유 복합 재료는 상기 전도성 섬유의 양단에 전기적 연결(electrical connention)이 이루어질 수 있도록 구성될 수 있다. 유의할 것은, 복수의 섬유를 결합하여 상기 섬유 복합 재료의 두께를 관통하여 연장되는 전도성 토우(conductive tow)를 형성할 수 있다는 것이다. 몇 개의 이러한 전도성 토우를 사용하여, 두께를 관통하는 다수의 전기적 연결이 이루어질 수 있다.
응용예의 범위가 매우 광범위하긴 하지만, 특별한 관심사 중 하나는 각각 데이터, 전력, 제어 신호 또는 이들 중 하나 이상의 조합의 전달로용의 복수의 전기 전도 트랙을 형성하는 강성의 시트 형태인 섬유 복합 재료이다. 예를 들면, 섬유 복합 재료로 이루어진 시트는 운송 수단의 표면 요소(surface element) 또는 패널이 될 수 있다.
다른 응용예에서, 전기 신호의 전송을 위한 전송 선로는 전술한 바와 같은 하이브리드 재료로 이루어진 층으로 구성되고 복수의 절연 전기 전도 트랙을 형성하는 다층 구조체, 및 상기 하이브리드 직조 재료층에 인접하여 배치된 하나 이상의 전기 절연층을 포함한다. 상기 전송 선로는 상기 하이브리드 재료층을 사이에 끼우도록 상기 하이브리드 재료층의 양측에 제공되는 하나 이상의 전기 절연 재료층을 포함할 수 있다. 전기 전도 재료로 이루어진 하나 이상의 스크리닝층(screening layer)이 가장 바깥쪽의 상기 전기 절연층에 인접하고 상기 하이브리드 재료층과는 떨어져 배치될 수 있다.
전술한 바와 같은 전기 회로 어셈블리는 특정한 응용예에서 의도되는 바에 따라 여러 형태를 취할 수 있다. 따라서 예를 들면, 상기 전기 회로 어셈블리는 디지털 신호의 입력 및/또는 출력을 위한 각각의 디지털 입력/출력 단자를 각각 가지는 전기적 구성요소들을 포함할 수 있으며, 상기 전기 회로 어셈블리를 사용하여 상기 디지털 입력/출력 단자 간에 디지털 신호를 전달하는 복수의 전도 섬유를 제공한다.
본 발명은 물론, 상기 전기 신호 어셈블리가 주로 디지털 구성요소로의 및/또는 디지털 구성요소로부터의 신호를 전송 또는 변조하는 아날로그 센서들을 포함하는 경우, 상기 전기 회로 어셈블리가 두 개의 이격된 아날로그 전기 회로 구성요소 및 실제로 하이브리드 구성을 포함할 수 있으므로, 디지털 전자적 구성요소와 함께 사용하는 것으로 한정되지 않는다.
"전기적으로 전도하는(또는 전기 전도)"라는 용어는 상대적이고, 유용한 전기 신호가 요구된 신호 또는 전력 경로를 따라 전송된다는 것을 의미하는 것으로 해석되도록 하려는 의도를 가지는 것이다. 마찬가지로 "전기적으로 절연하는(또는 전기 절연)"이라는 용어는 상대적이고, 재료가 전기 전도 재료에 비해 우수한 절연 특성을 가지는 것을 의미하기 위해 사용된다.
"금속"이라는 용어는 순수한 금속뿐 아니라 금속 합금, 반도체 및 반금속(semi-metal)을 포함하기 위해 사용된다.
일 구성예에서, 상기 전도 섬유는 안테나와 같은 능동 센서의 일부를 구성할 수 있다. 여기서, 상기 전도 섬유는 간단한 다이폴(dipole) 또는 어레이(array)로의 및/또는 간단한 다이폴 또는 어레이로부터의 신호를 전달할 수 있다. 이들 다이폴 또는 어레이는 독립된 것일 수 있고, 또는 이들 다이폴 또는 어레이는 적절하게 구성된 전기 전도 섬유를 포함할 수 있다. 다른 구성예에서, 상기 전도 섬유는 주파수 선택성 구조체(frequency selective structure, FSS)를 형성하도록 구성될 수 있다. 후자의 경우, 본 발명에 따른 복합 구조체는 예컨대 관심 파장(wavelength of interest)에 투명하도록 이격된 전기 전도 트랙을 구비한 레이돔(radome) 역할을 하도록 제공될 수 있다.
본 발명은 하이브리드 재료를 가로질러 전기적 연결이 이루어질 수 있도록, 경사 방향인 제1 방향(first, warp direction)으로 연장되는 복수의 전기 절연 섬유, 위사 방향인 제2 방향(second, weft direction)으로 연장되는 복수의 전기 절연 섬유, 및 상기 제1 방향과 상기 제2 방향에 대체로 수직인 제3 방향으로 연장되는 하나 이상의 전기 전도 섬유를 포함하는 하이브리드 재료로 확장된다.
전기 전도 섬유 중 어느 것이든 전기 전도 섬유의 토우로 용이하게 교체될 수 있다는 것을 알아야 한다.
본 발명은 첨부도면을 참조하여 이루어진 이하의 설명 및 예를 참조하면 더욱 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 하이브리드 직조(hybrid weave)의 개략 단면도이다.
도 2a 내지 도 2c는 각각 오믹 결합, 및 무접촉의 용량성 및 유도성 결합을 사용하는, 본 발명의 실시예에 사용하는 다양한 결합 구성의 상세도이다.
도 3은 항공기의 확장된 표면 영역(extended surface area)에 걸쳐 있는 센서의 모니터링에 본 발명의 구성을 사용하는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 다른 하이브리드 직조의 개략 단면도이다.
이하의 예에서, 하이브리드 직조 재료는 이격된 전기 전도 섬유들을 구비하여, 신호, 전력 등의 전기 전도 트랙을 제공하도록 뻗어 있는 전기 전도 섬유를 가지는 섬유 복합 재료가 만들어질 수 있도록 한다. 이렇게 하여, 섬유 복합 구조체는, 외부 섬유와 매트릭스 재료 사이의 계면(interface)이 영향을 받지 않는, 섬유 내부에 완전히 수용된 전기 전도 영역을 구비할 수 있다.
예 1
하이브리드 직조는 유리 섬유의 하나 이상의 토우로 구성되는 위사를 사용하여, 유리 섬유(비전도성)와 탄소 섬유(전도성)로 이루어진 교번 토우(alternate tow)의 위사 방향으로 이루어진다. 하이브리드 직조는, 교번 경사 토우(altenate wrap tow)가 경사 방향으로 나란한 절연된 전기 전도 트랙을 형성하는 직물 재료(woven fabric material)를 제공한다. 이 직물은 재료를 둘러싸는 층이 있거나 없는 가요성 직물(flexible fabric)로 사용될 수 있거나, 또는 적당한 매트릭스 재료를 함침하여 복합물(composite)을 형성할 수 있다.
신호가 재료에 전기적으로 결합될 수 있으므로 트랙들은 전기 회로의 일부를 구성할 수 있다. 일 구성예에서, 전술한 바와 같은 나란한 전도 트랙들을 포함하는 섬유 복합 재료는 USB 포맷의 데이터 신호를 웹캠(Web Cam)에서 랩톱(laptop)으로 전달하는 데 사용되어, 전기 전도 트랙이 복합 재료를 따라 랩톱에서 재구성될 데이터를 전달할 수 있다는 것을 보여준다. USB 커넥터를 가지는 웹캠은 복합 재료의 각 트랙에 전기적으로 연결된 USB 단자와 연결된다. 웹캠으로부터 일정 거리 떨어진 곳에는 랩톱에 연결된 USB 플러그에 신호가 전달되도록 단자들이 대응하는 전도 트랙들에 연결된 다른 USB 커넥터가 있다. 웹캠 USB 신호는 복합 재료를 따라 전달되고 랩톱 모니터 상에 이미지가 나타난다.
예 2
스크린 커넥터(screened connector)는 도 1에 도시된 바와 같이 재료층의 스택을 쌓아서 만든다. 경사 방향으로 교대로 배치된 전도 토우(12) 및 비전도 토우(14), 및 절연 위사 토우(16)를 가지는 전술한 바와 같은 하이브리드 재료의 층(10)은 절연체 역할을 하는 종래의 유리 섬유 직물(woven glass fibre fabric)(18) 사이에 끼워져, 스택의 중앙에 위치된다. 전도 재료(20)로 이루어진 두 개의 층은 최상층과 최하층으로 사용된다. 전도 재료(20)는 상호 연결된 전기 전도 섬유로 이루어진 이차원 전기 전도 스크린 또는 그리드를 제공하는 직물 탄소 섬유 재료(woven carbon fibre material)일 수 있다. 추가 스크리닝이 필요한 경우, 도시된 바와 같이 교번 전도 토우(12)를 접지하여 향상된 스크리닝을 제공할 수 있다.
이 구조체의 전기 특성은 전기 전도 토우와 전기 비전도 토우, 매트릭스 재료 등의 적절한 선택에 의해 추가로 조정될 수 있다.
전도 요소를 다른 회로 또는 구성요소에 전기적으로 결합할 수 있는 다른 방법은 많이 있다. 예를 들어 도 2a에 도시된 바와 같이, 결합은 예를 들면 전도 섬유(42)와 직접 물리적으로 접촉하고 복합물 외부로 연장되는 단자(40)의 제공에 의한, 오믹 방식일 수 있다. 다르게는, 도 2b 및 도 2c에 도시된 바와 같이, 결합은 용량성 또는 유도성 결합 요소(coupling element)(44 또는 46)에 의한 무접촉 방식일 수 있다. 이러한 구성의 이점은, 예를 들면 원래의 전도 섬유가 손상된 경우에 전기 회로를 재구성하기 위해 필요에 따라 결합 요소를 재배치(re-site)할 수 있다는 것이다. 결합 요소는 하부의 전도 섬유와의 필요한 전기적 결합을 제공하기 위해 복합 재료에 영구적 또는 반영구적으로 접합될 수 있는 접착 패드의 형태를 취할 수 있다.
이렇게 형성된 회로는 종래의 전력 공급 또는 데이터 전송 외에 많은 목적으로 사용될 수 있다. 따라서 예를 들면 도 3에 도시된 바와 같이, 공기 역학 연구에 또는 공기 역학의 제어를 목적으로, 표면 센서(50)의 어레이를 구조체 및/또는 공기 역학 환경에 관련한 하나 이상의 파라미터를 검출하기 위해 항공기 상의 복합 요소(52)의 노출된 표면에 제공하고, 복합 요소 내의 전기 전도 섬유(54)로 모니터링 장비(56)에 연결할 수 있다. 센서(50)와 전기 전도 섬유(52) 사이에 유도성 또는 용량성 결합의 사용은 용이한 재구성 및 설치를 가능하게 한다.
이 복합물에 도체의 어레이를 제공하는 것은 리던던시(redundancy)를 내장 가능하게 하여, 필요한 경우 회로를 다시 라우팅할 수 있다(reroute). 이 도체들은 복합 재료를 가열하는 데 사용할 수 있고, 따라서 결빙을 제거하거나(de-icing), 또는 본체의 적외선 특성(infrared signature)을 변경할 수 있게 해준다.
예 3
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합 구조체(400)의 개략 단면도이다. 구조체(400)는 섬유로 이루어진 다수의 층(410)을 포함하고, 각 층(410)은 종래의 비전도층, 또는 전술한 바와 같이 배치된 다수의 전도 토우를 포함하는 층일 수 있다. 또, 추가의 전도 토우(420)가 제공된다. 이 전도 토우(420)는 층(410)의 평면에 수직으로, 복합 구조체(400)의 두께를 관통하여 연장되고, 하이브리드 재료층(410)을 관통하여 연장되는 다른 모든 전도성 토우와 전기적으로 격리되어 있다. 접촉 패드(430, 440)는 토우(420)의 양단부에 제공된다. 각 접촉 패드(430, 440)는 복합 구조체(400)의 외면 상에 금속화된 영역을 포함한다. 이러한 두께를 관통하는(through-thickness) 전도성 토우는, 수지 함침(resin impregnation) 이전에, 전술한 하이브리는 섬유와 같은, 하이브리드 섬유로 이루어진 몇 개의 층에 의해 직조될 수 있다. 전도성 토우는 수동으로 또는 기계로 스티칭(stitching)될 수 있다. 다른 토우와의 전기적 격리는 토우(420)를 동일 평면(in-plane) 상에 존재하는 다른 전도성 토우와 떨어지게, 적절히 배치함으로써 보장된다.
이러한 두께를 관통하는 전도성 채널은, 결과물인 복합 구조체가 기계적 강도가 중요한 응용예에 사용되는 경우, 또는 구조체의 양측의 상이한 주변 환경 간을 잘 밀봉하는 것이 중요한 경우(예를 들면 구조체가 연료 탱크의 일부를 형성하는 경우)에 특히 바람직하다. 종래의 커넥터는 복합 구조체 내에 절개될 개구(aperture)를 필요로 하므로, 구조체의 기계적 특성의 저하를 초래하고 필요한 경우 구조체를 다시 밀봉해야 할 필요가 생긴다. 본 발명의 실시예는 상기한 문제점 없이 복수의 전기적 연결이 복합 구조체의 두께를 관통하여 형성될 수 있게 해준다. 실제, 이러한 두께를 관통하는 전도성 토우를 포함하는 구조체의 기계적 강도는 'z-피닝(z-pinning)'을 사용하여 달성된 향상과 유사한 정도로 향상될 수 있다. 그러므로, 이러한 두께를 관통하는 전도성 토우는 또한 "동일 평면" 상에 전도성 섬유 또는 토우가 존재하지 않는 재료에도 바람직할 수 있음을 알 것이다.

Claims (16)

  1. 제1 방향으로 연장되고 다른 동일한 전도 섬유들과는 전기적으로 격리된, 복수의 이격된 전기 전도 섬유, 및 제2 방향으로 연장되는 복수의 전기 절연 섬유를 포함하여, 상기 제1 방향으로 연장되는 복수의 절연된 전기 전도 트랙을 가지는 재료를 형성(define)하는 하이브리드 재료; 및 매트릭스 재료로 구성된 섬유 복합 재료로서,
    상기 섬유 복합 재료는 각각 데이터, 제어 신호 또는 이들의 조합의 전달로용으로서의 복수의 전기 전도 트랙을 형성하는 강성의 시트 형태이고,
    복수의 전도 섬유가 결합되어 상기 섬유 복합 재료의 두께를 관통하여 연장되는 전도성 토우를 형성하는, 섬유 복합 재료.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하이브리드 재료는 직조되고, 상기 이격된 전기 전도 섬유는 경사 섬유이고, 직조 방향인 상기 제2 방향으로 연장되는 상기 전기 절연 섬유는 위사 섬유인, 섬유 복합 재료.
  3. 제2항에 있어서,
    경사 섬유인 상기 전기 전도 섬유는 전기 절연 섬유 사이에 개재되어 주기적 구조체를 제공하는, 섬유 복합 재료.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 전도 섬유는 탄소 섬유, 금속 도금 섬유, 및 금속화 섬유 중 하나 이상을 포함하는, 섬유 복합 재료.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    두께를 관통하는 다수의 전기적 연결이 이루어질 수 있도록 하는 전도성 토우들을 포함하는, 섬유 복합 재료.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 매트릭스 재료는 폴리머 재료, 엘라스토머 재료, 금속 재료, 또는 세라믹 재료 또는 이들의 혼합물을 포함하는, 섬유 복합 재료.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하이브리드 재료로 이루어진 복수의 층, 및 상기 섬유 복합 재료의 두께를 관통하여 연장되는 하나 이상의 전도성 섬유를 포함하는, 섬유 복합 재료.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전도성 섬유의 양단에 전기적 연결이 이루어질 수 있도록 구성되는, 섬유 복합 재료.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 전도 트랙은 무접촉 결합 방식으로 다른 회로 또는 구성요소에 전기적으로 결합되는, 섬유 복합 재료.
  11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 전도 섬유는 주파수 선택성 구조체(frequency selective structure)를 형성하도록 구성된, 섬유 복합 재료.
  12. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    전기 신호용의 전송 선로를 포함하되, 상기 전송 선로는 복수의 절연된 전기 전도 트랙을 형성하는 상기 하이브리드 재료의 층을 포함하는 다층 구조체, 및 상기 하이브리드 재료의 층에 인접하여 배치된 하나 이상의 전기 절연층을 포함하는, 섬유 복합 재료.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 전송 선로는 상기 하이브리드 재료의 층을 사이에 끼우도록 상기 하이브리드 재료의 층의 양측에 제공된 전기 절연 재료로 이루어진 하나 이상의 층을 포함하는, 섬유 복합 재료.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 전송 선로는 가장 바깥쪽의 전기 절연층에 인접하고 상기 하이브리드 재료의 층과는 떨어져 배치된 전기 전도 재료로 이루어진 하나 이상의 스크리닝층을 포함하는, 섬유 복합 재료.
  15. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 섬유 복합 재료를 포함하는, 운송 수단의 표면 요소 또는 패널.
  16. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하이브리드 재료는 경사 방향인 제1 방향으로 연장되는 복수의 전기 절연 섬유, 위사 방향인 제2 방향으로 연장되는 복수의 전기 절연 섬유, 및 상기 제1 방향과 상기 제2 방향에 수직인 제3 방향으로 연장되는 하나 이상의 전기 전도 섬유를 포함하고, 상기 전기 전도 섬유가 상기 하이브리드 재료의 층들을 관통하여 연장되는 다른 모든 전도성 토우(conductive tow)로부터 전기적으로 격리되어 상기 하이브리드 재료를 가로질러 전기적 연결이 이루어질 수 있는, 섬유 복합 재료.
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