KR101343912B1

KR101343912B1 - 우주 임무 적용을 위한 격자-강화된 경량 복합재료 전자장비 하우징

Info

Publication number: KR101343912B1
Application number: KR1020130119199A
Authority: KR
Inventors: 이주훈; 장태성; 서정기
Original assignee: 한국항공우주연구원
Priority date: 2013-10-07
Filing date: 2013-10-07
Publication date: 2013-12-20

Abstract

본 발명은 경량 복합재료를 이용한 우주용 전자장비 하우징에 관한 것으로, 프레임 면재(14)와 복수의 격자(15) 및 보스(16)가 결합되어 형성된 격자-강화 프레임(11); 상기 격자-강화 프레임(11)의 일면에 접합 또는 체결되는 러그(12) 및 러그 지지물(17); 상기 격자-강화 프레임(11)에 접착 또는 체결되어 복수 개의 전자회로보드(40)를 인도하고 장착하는 PCB 가이드 레일(13); 및 상기 전자장비 하우징의 닫힘 구조를 형성하는 하우징 전면 커버(20)와 하우징 후면 커버(30)를 포함하여 이루어지고, 상기 격자-강화 프레임(11)과 하우징 전면 커버(20), 및 하우징 후면 커버(30) 중 적어도 하나 이상은 경량 탄소섬유 강화 복합재료(CFRP)를 주 재료로 하여 적층 제작되며, 상기 격자-강화 프레임(11)은 기계적 조립이나 이음이 없는 일체형(monolithic) 구조물로 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

우주 임무 적용을 위한 격자-강화된 경량 복합재료 전자장비 하우징 {Grid-stiffened and Lightweight Composite Electronics Housing for Space Application}

본 발명은 경량 복합재료를 이용한 우주용 전자장비 하우징에 관한 것으로, 특히, 기존 우주용 전자장비 하우징이 알루미늄과 같은 금속재료 구조물로 이루어져 상당한 무게 증가의 원인이 되는데 비해, 본 발명은 경량 복합재료를 적용하여 격자-강화된 일체형 전자장비 하우징 구조물을 구성하여 강성과 강도를 향상시켰으며 알루미늄 하우징 대비 무게절감을 극대화하였을 뿐만 아니라, 기능성 복합재료를 적용하여 우수한 열전도도 및 전기전도도, 우주방사환경에 강인한 방사차폐특성 및 전자기간섭(EMI) 차폐 특성을 크게 향상시킨 첨단 우주용 경량 복합재료 전자장비 하우징 구조체 기술에 관한 것이다.

위성시스템은 임무에 따라 목적한 전기적 기능을 수행하기 위하여 전력계, 통신계, 명령 및 데이터처리계, 자세제어계, 관측기기 등 각종 전자회로보드(PCB)를 탑재하며, 전자장비 하우징(Electronics housing)이라고 불리는 구조물 내에 이들 전자회로보드를 장착함으로써, 외부에서 가해지는 하중이나 극심한 우주환경으로부터 전자회로보드를 안전하게 지지하고 보호한다. 인공위성용 전자장비 하우징의 구조물 소재로 금속재료가 광범하게 사용되고 있는데, 위성시스템에 장착된 금속재료 전자장비 하우징은 위성 무게 증가의 주요 원인으로 지적되고 있다. 위성 무게를 절감하면, 무엇보다도 발사비를 경감할 수 있으며, 절감된 무게만큼 위성에 부가적인 탑재체를 장착하여 추가적인 위성 임무를 구현할 수 있기 때문에, 위성 전자장비 하우징의 경량화는 위성개발에 있어 주요 관심사 중의 하나이다. 현재도 위성 전자장비 하우징의 제작을 위해, 강도, 강성, 열전달, 우주방사 및 EMI 차폐특성이 우수한 경량 알루미늄 합금이 널리 사용되고 있다. 그러나 알루미늄 합금 역시 금속소재로서 중량이 상당하기 때문에 위성경량화 관점에서는 한계를 지닌다. 인공위성에서 통상적으로 널리 사용되고 있는 알루미늄 전자장비 하우징의 무게는, 통계적으로 위성 총중량의 약 20% 수준으로 추산된다.

이러한 전자장비 하우징과 관련하여 시도된 기술로, James F. Stevenson 등이 제안한 전자장비 하우징 (Housing for Electronic Components) 기술이 있다 (미국특허 8,324,515 참조). '515 특허에 의한 전자장비 하우징은, 열전도도 및 전기전도도를 강화시키기 위한 별도 내벽 구조물(cold wall), 하우징 입출구를 형성하는 개구 프레임과 중실 사각단면을 형성하는 실리콘 조각(split)으로 맨드렐(mandrel)을 구성한 뒤, 서로 다른 재료를 첨가한 다물질(Multi-materials) 프리프레그(prepreg)를 맨드렐 주위에 감아서 복합재료 하우징을 구성하는 기술로서, 하우징의 EMI 차폐, 구조특성 강화 등의 기능성을 구현하기 위해 다수의 기능성 소재를 탄소섬유 복합재료 프리프레그에 미리 적층하여 다물질 프리프레그를 제조하고 이를 하우징 외벽면에 감아서 전자장비 하우징을 제작하는 것이 주된 특징이다. 내벽 구조물은 금속으로 피복된 고열전도도 그래파이트(highly thermally conductive graphite)나 알루미늄으로 이루어지며, 개구 프레임은 복합재료 혹은 알루미늄으로 이루어진다.

그러나 전자장비 하우징을 형성하는 주요 부재인 내벽 구조물은 알루미늄을 주 재료로 하며, 복합재료 구조물과는 별도로 사용되므로 원하지 않는 무게증가를 유발하여 경량화 효과를 떨어뜨린다. 또한 하우징 몸체에 감겨지는 복합재료는 다물질 프리프레그로서, 이를 제조하기 위해서는 압착장치나 컨베이어 시스템 등과 같은 제작장치를 추가로 필요로 하여 제작성이 현저히 떨어진다. 아울러 전자파차폐 소재, 구조특성 강화 소재, 외피보호용 소재 등이 다물질 프리프레그에 사용되는데, 이들 각각이 복합재료 프리프레그 내에서 실제 사용 구간에 잘 맞도록 섹션(section)별로 분리되어 적층되어야 하는 등 소재구성에 있어서 상기의 발명은 현실적으로 상당한 복잡성과 실제 제작상의 어려움을 야기한다. 특히 제작 완성품이 실제로 전자장비 하우징으로 적용되기 위해서는, 하우징의 기계적 접속과 전자회로보드의 전기적 접속의 용이성이 매우 중요한 핵심 요구사항이라고 할 수 있으나, James F. Stevenson 등이 제안한 상기의 전자장비 하우징은, 기계적 및 전기적 접속성에 대한 고려가 충분하지 않아서, 전기적 기계적 인터페이스에 상당히 취약한 단점이 존재한다.

이러한 종래기술에 있어서의 한계에 비추어 볼 때, 본 발명의 주된 기술적 과제는, 전기전자 기능을 수행하는 복수 개 전자회로보드(PCB)를 용이하게 장착/수납하고, 전자회로보드의 기능 수행에 필요한 전력분배, 데이터통신 등 외부와의 전기적 접속을 원활히 지원하며, 외부 구조물과의 조립, 장착, 탈착 등 일체의 기계적 접속이 가능한 우주임무용 경량 복합재료 전자장비 하우징을 고안하는 것이다. 아울러 우주용 전자장비 하우징의 경량화를 위하여 탄소섬유 강화 복합재료(CFRP)를 적용하고자 할 때, 복합재료가 갖는 물질적 특성상 해결해야 할 다음과 같은 기술적 과제가 존재한다.

우주용 전자장비의 PCB는 전자기능 수행에 따른 지속적 발열이 발생하는데, 우주환경 특성상 공기가 없어, 전도(conduction)와 복사(radiation)의 두 가지 방식에 의해서만 열전달이 가능하다. 일반적으로 위성체 내에 장착되는 우주용 전자장비 하우징은, 발열원이 되는 PCB로부터 하우징 외부까지 전도(conduction)에 의한 신속하고 우수한 열전달 기능을 갖추어야 한다. 그러나 경량화를 위해 많이 적용되는 일반적인 CFRP 소재의 경우, 열전도계수가 금속에 비해 상대적으로 낮아, 열전달 성능이 크게 떨어지기 때문에 이를 극복할 기술적 해결 수단이 요구된다.

또한 우주용 전자장비 하우징은 샤시 접지(Chassis grounding) 기능을 PCB에 제공하는 것이 요구된다. 그러나 일반 CFRP 소재는 금속에 비해 전기전도도가 매우 낮아서, PCB로부터 하우징 몸체로의 샤시 접지(chassis grounding)에 불리하다. 따라서 우주용 전자장비 하우징의 경량화를 위하여 CFRP 소재를 적용할 경우, 일반적인 CFRP의 낮은 전기전도도의 단점을 극복할 수 있는 수단이 필요하다.

전술한 바와 같이 일반적인 CFRP 재료는 금속에 비해 전기전도성이 상대적으로 매우 낮기 때문에, EMI 차폐 성능도 금속에 비해 떨어진다. 하우징 내 전자장비의 효과적인 EMI 차폐를 위해, 하우징 구현에 적용되는 소재는 100MHz~1GHz 대역에서 통상 35dB 이상의 EMI 차폐특성이 요구된다. 따라서 전자장비 하우징에 CFRP 재료를 적용하기 위해서는, EMI 차폐를 위한 효과적 대응수단이 필요하다.

우주임무 수행 시 전자회로는 우주방사환경에 노출된다. 지자계에 붙잡힌 고에너지 양성자 및 전자, 태양에너지입자(SEP, Solar Energy Particle), 고에너지 우주입자(GCR, Galatic Cosmic Ray)가 전자회로에 영향을 주게 되는데, 이 중에서 특히 양성자는 우주궤도 상의 위성전자부품에 방사선 효과를 주는 대표적인 입자이다. 전자장비 하우징을 우주임무에 적용하기 위해서는, 우주방사환경으로부터 전자회로보드를 보호할 수 있는 충분한 방사차폐특성을 갖추어야 한다. 통상 저궤도위성의 전자장비 하우징 설계기준으로 두께 2mm의 알루미늄 소재가 사용된다. 따라서 CFRP를 우주용 전자장비 하우징에 적용하기 위해서는 알루미늄 2mm의 방사차폐 효과와 등가한 차폐성능을 갖추는 것이 요구된다.

뿐만 아니라 전자장비 하우징을 우주용으로 적용하기 위해서는 발사환경에서 가해지는 극심한 외부하중에 대하여 충분한 내구성과, 발사체 및 위성체 고유진동모드와 공진(resonance)을 피하기 위한 충분한 강성이 확보되어야 한다. 하우징의 부재를 증가시키는 방법은 필연적으로 무게증가를 수반하기 때문에, 하우징 형상의 효과적 설계를 통해 구조체의 강도와 강성을 증가시키는 기술적 방법이 요구된다.

아울러 하우징의 측면, 정면, 후면, 상하면 등 각각의 부재에 해당하는 단품을 CFRP 소재로 제작하여 정밀가공하고 이를 조립하는 방식은 상당한 제작상의 어려움과 제작비용의 증가를 야기한다. 일반적으로 CFRP 소재는 금속재료에 비해 가공성이 떨어질 뿐만 아니라, CFRP 소재 가공은 금속재료 가공보다 훨씬 많은 비용이 소요되기 때문이다. 결과적으로 제작비용이 저렴하고, 현실적으로 제작 가능한 우주용 경량 복합재료 하우징을 고안하기 위해서는, 하우징을 구성하는 복합재료를 경화한 후 추가적인 기계가공 및 후처리 과정을 없애거나 최소화할 수 있는 제작공정의 설계가 요구된다.

본 발명은, 기존 위성기술에서 사용되고 있는 알루미늄 하우징을 경량 복합재료 하우징으로 대체함으로써, 위성 경량화를 극대화하는 것을 주목적으로 한다. 알루미늄과 같은 금속으로 구성된 하우징 구조물을 복합재료로 대체하는 것은, 구조적 측면에서 단순히 경량 복합재료로 하우징을 제작하는 것만을 의미하지는 않는다. 우수한 열전도도 및 전기전도도, 우주방사환경에 대한 차폐특성, 전자기간섭(EMI) 차폐 특성 등 금속이 제공하는 장점을 유사하게 구현해야 하므로, 경량 복합재료는 구조적인 기능뿐만 아니라 이들 특성을 고루 갖춘 기능성을 함께 제공할 수 있어야 한다. 이러한 점이 경량 복합재료로 하우징을 구성할 때의 핵심이라고 할 수 있다.

아울러, 본 발명은, 우주용 경량 복합재료 전자장비 하우징을 고안한 것으로서, 전자회로보드 장착 수월성과 복수 개 전자회로보드로의 확장성을 충분히 갖추었으며, 강성, 강도, 열전도도, 전기전도도, 방사차폐 및 EMI 차폐 특성이 우수하여 위성시스템이나 우주 임무용 전자장비 하우징에 적용이 가능하다.

본 발명은, 위성이나 발사체 등 우주분야에 적용이 가능한 경량 전자장비 하우징에 관한 것으로, 복수 개 전자회로보드(PCB)의 장착이 용이하고, 하우징의 기계적 접속과 PCB의 전기적 접속이 수월하며, 기능성 복합재료를 적용함으로써 열전도도, 전기전도도, 방사차폐 및 EMI차폐 성능이 우수할 뿐만 아니라, 격자-강화된(Grid-stiffened) 하우징 구조를 적용하여 강성과 강도가 우수한 경량 복합재료 전자장비 하우징을 고안하는 것을 목적으로 한다.

아울러 전자장비 하우징을 제작하는데 있어서, 복합재료의 열악한 가공성을 극복하기 위하여 복합재료에 대한 기계가공을 거의 하지 않고 단지 복합재료 단일 동시경화과정만으로 격자-강화된 복합재료 하우징 프레임의 제작이 가능한 공정을 고안하는 것을 추가적인 목적으로 한다.

하우징 내에 PCB 지지용 부재를 만든 후 PCB 체결용 나사산(Tap)을 가공하고, PCB 가장자리에는 일정 간격으로 다수의 홀(hole)을 내어 볼트 등으로 체결하는 방식은, 단수의 PCB 장착을 위해 기존 알루미늄 전자장비 하우징에서 많이 적용하고 있는 방법이다. 그러나 장착할 PCB의 수량이 증가함에 따라 PCB 수량만큼의 PCB 지지 및 체결 부재가 필요하고, 체결과정이 수월하지 않아서 하나의 전자장비 하우징에 복수 개 PCB를 장착하는 것이 쉽지 않다.

이러한 점을 해결하기 위하여 본 발명의 우주용 전자장비 하우징은, PCB 가이드 레일(PCB guide rail, 13)과 PCB 고정장치(PCB Locking retainer, 42)를 적용하여 PCB 장착 수월성과, 복수 개 PCB로의 확장성을 쉽게 갖추도록 고안되었다. PCB 고정장치(42)가 달린 복수 개의 PCB를 PCB 가이드 레일(13) 상에 등 간격으로 배치하고 하우징 내로 인도하여, 일괄적으로 전자장비 하우징에 장착할 수 있도록, 한 쌍의 PCB 가이드 레일(13)을 고안하였다. PCB 가이드 레일(13)을 이용하여 복수 개의 PCB를 용이하게 동시에 삽입할 수 있으며, 상용 PCB 고정장치(42)를 이용하여 PCB를 전자장비 하우징에 용이하게 장착할 수 있도록 고안되었다.

일반적으로 PCB는 전기접속을 위해 각종 커넥터를 구비하고, 이를 전력분배와 데이터통신에 활용한다. 본 발명은, 복수 개 PCB에 설치된 커넥터의 용이한 전기접속이 가능하도록, 전자장비 하우징 전면 커버(20)에 복수 개의 커넥터 홈(23)을 만들고 이 홈을 통한 커넥터의 기계적 접속을 지원한다. 홈에 끼워 맞추어진 커넥터를 통해 하우징 내에 장착된 PCB의 외부와의 용이한 전기적 접속이 가능하다. 아울러 본 발명은, 하우징 전체를 외부 구조물에 조립, 장착, 탈착 가능하도록, 하우징 격자-강화 프레임(11)의 하부 측면에 일련의 러그(Lug, 12)를 부착하여 하우징의 기계적 접속을 지원한다. 본 발명의 경량 복합재료 전자장비 하우징의 내/외부 기계적 접속을 위해 적용된 부재는 보스(Boss, 16), 러그(Lug, 12), 부싱(Bushing, 22) 및 PCB 가이드 레일(PCB guide rail, 13)로서, 체결 시 충분한 내마모성을 확보하기 위하여 이들 부재에는 AL7075와 같은 알루미늄합금이 사용된다.

일반적인 구조용 소재로 널리 사용되는 팬계열(PAN-based) 탄소섬유 강화 복합재료도 경량소재로서 구조 경량화에 이로우나, 열전도도가 금속에 비해 매우 낮고, 전기전도성이 매우 열악하다는 단점을 지닌다. 이러한 단점을 극복하기 위해서 본 발명은 피치계열(pitch-based) 탄소섬유 강화 복합재료(CFRP, Carbon fiber reinforced plastic)를 하우징의 주 재료로 적용한다. 피치계열 CFRP는, AL7075와 같은 알루미늄합금 소재에 비하여 비중이 약 40% 정도 작아서 질량절감에 큰 장점을 지니며, 강도 및 강성(Stiffness)이 매우 높고, 열전도도(Thermal conductivity)가 우수할 뿐만 아니라, 탄소섬유 방향으로의 높은 전기전도도(Electrical conductivity)까지 갖추고 있다. 본 발명에 적용가능한 피치계열 CFRP의 대표적 소재로는 P-120S, K-800X, K-1100, K13C2U, K13D2U, YS-95A 등이 있다. 피치계열 CFRP를 주 소재로 하여 구성된 본 발명의 경량 복합재료 전자장비 하우징은, 강성, 강도, 열 및 전기전도도가 매우 우수하며, 질량절감에 있어 알루미늄합금으로 제작된 하우징에 비해 매우 큰 이득을 갖는다.

본 발명의 경량 복합재료 전자장비 하우징은 전기전도성이 우수한 피치계열 CFRP를 적용함으로써, 전자기간섭(EMI) 차폐에 이점이 있다. 아울러 하우징이 충분한 전자파차폐 특성을 완벽히 갖추도록 하우징의 격자-강화 프레임(11)과 하우징 전면 커버(20), 하우징 후면 커버(30)에는 니켈이 코팅된 탄소섬유 메쉬(Ni-coated carbon fiber mesh)나 니켈-구리 직조물(Ni-Cu fabric)과 같은 전자파 차폐 소재 (EMI shielding material)를 적용한다. 이들 소재는 피치계열 CFRP와 함께 적층되어 구조물 내 EMI 차폐 층(Layer)을 형성함으로써 100MHz~1GHz 대역에서 80dB 이상의 우수한 전자파 차폐 성능을 제공한다.

본 발명의 경량 복합재료 전자장비 하우징에 방사차폐 기능을 구현하기 위하여, 소재 두께에 따른 양성자(Proton)의 비정거리(Stopping distance)를 실험적으로 측정하고, 이를 바탕으로 전자장비 하우징에 적용될 피치계열 CFRP 소재의 두께를 설정한다. 통상 저궤도위성의 전자장비 하우징 설계기준으로 적용되는 알루미늄 2mm의 방사차폐 효과와 등가한 차폐성능을 갖추기 위해 필요한 피치계열 CFRP 소재의 두께를 실험적으로 구하여 하우징 격자-강화 프레임 제작에 적용한다. 한편 텅스텐과 같은 고밀도 재료에서는 양성자빔의 비정거리가 매우 짧다는 장점이 있다. 일반적으로 외부에서 입사한 입자의 경우, 재료의 원자 주위의 전자에 의해 형성된 전자기장에 의해 영향을 받는데, 이들의 상호작용에 의해 입자는 광자를 발생하면서 에너지가 감소된다. 이러한 현상을 제동복사(Bremsstrahlung radiation)이라고 부른다. 텅스텐과 같이 원자번호가 높은 금속(텅스텐 원자번호 74)이 제동복사를 감소시키는 데에는 효과적이다. 반면에 텅스텐(비중 19.24)과 같은 고밀도 재료는 경량화 관점에서 이롭지 않은 면이 있어서, 적용 두께를 최소화해야 한다. 이러한 점을 고려하여, 경량 재료인 CFRP와 텅스텐(W)의 조합에 의한 다물질 차폐재를 적용하여 효과적인 방사차폐를 얻을 수 있도록 설계하였다. CFRP/텅스텐/CFRP의 조합은 양성자의 비정거리를 감소시키므로 더 얇은 재료로도 차폐를 가능하게 할 수 있으나, 하우징의 면재 전역에 적용한다면, 경량화를 극대화하기에는 어려움이 있다. 따라서 CFRP/텅스텐/CFRP의 물질조합에 의한 방사차폐는 국부차폐에 활용하고, 하우징 전역에는 CFRP 소재를 이용한 방사차폐기능을 구비한다.

본 발명의 경량 전자장비 하우징 주 구조물인 격자-강화 프레임(11)은, 피치계열 탄소섬유 강화 복합재료의 경화공정을 통하여 이음매가 없는 일체형 사각튜브 구조물(monolithic structure)로 제작되며, 격자로 강화되어(Grid-stiffened) 굽힘 강성에 매우 강인한 구조를 갖추었다. 일반적인 프레임 구조물은 평판 부재의 기계적 조립을 통해 공간 구조물로 완성되는데 비하여, 본 발명의 격자-강화프레임(11)은 복합재료 경화공정을 통하여, 고온에서 복합재료 소재를 압축 경화하여 제작함으로써, 이음매가 없는 단일 구조로 제작되도록 고안되었다. 본 발명은, 우주용 전자장비 하우징을 제작하는데 있어, 단 한 번의 복합재료 경화과정을 통하여 하우징의 주 구조물인 격자-강화 프레임(11)을 동시에 경화하여 완성한다는 것이 특징이며, 기계가공 및 후처리과정을 최소화할 수 있는 동시경화 제작 공정을 고안하였다.

본 발명은, 우주용 전자장비 하우징의 경량화를 위하여, 경량 복합재료를 적용한 우주용 전자장비 하우징을 고안한 것으로서, 복수 개의 전자회로보드를 용이하게 장착할 수 있고, 전자회로보드의 전력분배, 데이터통신을 위해 외부와 전기접속이 가능하도록 고안되었으며, 위성구조물과 기계적 접속이 매우 용이하도록 설계되었다. 본 발명의 우주용 전자장비 하우징 본체는, 조립이나 이음매가 없는 일체형 격자-강화 프레임으로 제작되어 구조적으로 강인하고, 격자 구조로 강화됨으로써 강성이 우수할 뿐만 아니라, 피치계열 CFRP가 주 소재로 적용되어 열전도도, 전기전도도가 우수하다. 또한, 차폐소재(EMI-shielding material)가 피치계열 CFRP와 함께 경화되어 구조물 내 EMI 차폐층(Layer)을 형성함으로써 우수한 전자파 차폐 성능을 제공한다. 뿐만 아니라 피치계열 CFRP 적층 두께의 다양한 변형을 통하여 우주방사환경에 대한 충분한 방사차폐 효과를 얻을 수 있으며, 국부적으로 방사차폐 효과를 증진하기 위하여 피치계열 CFRP 적층 시 텅스텐 박막을 추가 적층할 수 있으며, 방사차폐를 증진하고자 하는 위치에 따라 다양한 변형이 가능하다.

아울러, 본 발명은, 열전도도, 전기전도도, 방사차폐 및 EMI보호 특성과 더불어 구조적으로 강성이 우수한 우주용 경량 복합재료 전자장비 하우징을 고안한 것으로, 우주환경에서 임무를 수행하는 위성시스템의 전자장비 하우징에 활용될 수 있다. 특히 기존의 우주용 전자장비 하우징의 제작에 적용되는 알루미늄합금을 기능성 복합재료로 대체함으로써 기존의 알루미늄 전자장비 하우징 대비 전자장비 하우징의 무게를 약 30%이상 크게 절감함으로써, 위성시스템 경량화를 극대화하고 발사비 감소에 기여할 수 있다. 또한 본 발명에서 제시하는 하우징 제작의 특징은, 격자-강화 프레임이 오토클레이브 경화과정에서 한 번에 제작되는 공정을 고안함으로써, 별도의 부재 접착 또는 조립 과정 없이 복합재료 경화공정을 통해 격자-강화 프레임의 완성품을 제작할 수 있어서 제작비용의 절감에도 큰 효과를 발휘할 수 있다.

도 1은 본 발명의 경량 복합재료 전자장비 하우징 구성도
도 2는 본 발명의 경량 복합재료 전자장비 하우징의 하우징 본체 구성도
도 3은 본 발명의 경량 복합재료 전자장비 하우징의 하우징 본체에 전자회로보드가 장착되는 개념도
도 4는 본 발명의 경량 복합재료 전자장비 하우징의 하우징 본체에 전자회로보드가 완전히 장착된 상태에 대한 사시도
도 5는 본 발명의 경량 복합재료 전자장비 하우징의 하우징 전면 커버 및 하우징 후면 커버 상세 구성도
도 6은 본 발명의 경량 복합재료 전자장비 하우징의 PCB 가이드 레일에 장착되는 일련의 PCB 상세 개념도
도 7은 본 발명의 경량 복합재료 전자장비 하우징의 PCB 가이드 레일 상세 사시도
도 8은 본 발명의 경량 복합재료 전자장비 하우징의 PCB 장착에 사용되는 PCB 고정장치의 작동원리 개념도
도 9는 본 발명의 경량 복합재료 전자장비 하우징의 격자-강화 프레임에 대한 사시도와 측면도
도 10은 본 발명의 경량 복합재료 전자장비 하우징의 격자-강화 프레임에 대한 러그 및 러그 지지물의 장착 개념도
도 11은 본 발명의 경량 복합재료 전자장비 하우징의 도선을 이용한 샤시 접지 구현 개념도
도 12는 본 발명의 경량 복합재료 전자장비 하우징에 부착되는 보스 상세도
도 13은 본 발명의 경량 복합재료 전자장비 하우징의 격자-강화 프레임에 CFRP를 감는 축을 정의한 개념도
도 14는 본 발명의 경량 복합재료 전자장비 하우징의 격자-강화 프레임 동시경화 제작을 위한 전체 몰드 어셈블리 사시도
도 15는 본 발명의 경량 복합재료 전자장비 하우징의 격자-강화 프레임 동시경화 제작을 위한 튜브 몰드 및 치구 블록 어셈블리 사시도
도 16은 본 발명의 경량 복합재료 전자장비 하우징의 격자-강화 프레임 동시경화 제작 후 치구 블록 탈착 개념도
도 17은 본 발명의 경량 복합재료 전자장비 하우징 제작 공정 검증 예시: (a) CFRP를 감은 치구 블록, (b) CFRP 및 EMI 차폐 소재 감은 튜브 몰드, (c) 치구블록 및 튜브 몰드 조립, (d) 전체 몰드 어셈블리 조립, (e) 몰드 분리 및 보스에 탭 가공, (f) 경량 전자장비 하우징 완성

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 아울러, 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음을 유의해야 하고, 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 우주용 경량 전자장비 하우징(Electronic housing, 100)을 전개하여 도시한 것이다. 전자장비 하우징(100)은 크게 하우징 본체(Housing main body, 10), 하우징 전면 커버(Housing front cover, 20), 하우징 후면 커버(Housing rear cover, 30)로 구성된다. 하우징 전면 커버(20) 및 하우징 후면 커버(30)는 하우징의 닫힘을 위한 평판 구조물로서, 하우징 본체(10)의 보스(Boss, 16)에 체결된다. 특히 하우징 전면 커버(20)는 전기접속을 위한 커넥터 경로를 확보할 수 있도록 설계되었다.

도 2는 하우징 본체(10)의 구성을 상세히 도시한 것으로, 하우징 본체(10)는 격자-강화 프레임(Grid-stiffened frame, 11), 러그(Lug, 12), PCB 가이드 레일(PCB guide rail, 13)의 세 부분으로 구성된다. 러그(12)는 전자장비 하우징 전체를 위성체 플랫폼에 고정하는 데 필요한 볼트를 장착하기 위한 구조물로서, AL7075와 같은 알루미늄 합금 소재로 제작된다. 러그(12)는 격자-강화 프레임(11)의 하부 부재와 면접촉하고, 상온 경화용 접착제에 의해 하부 부재에 부착되며, 볼트를 인도하기 위한 홀(hole)이 가공되어 있다. PCB 가이드 레일(13)은, PCB를 인도하고 장착하기 위해 격자-강화 프레임(11) 내부의 상하면에 위치하는 한 쌍의 구조물로서, 역시 알루미늄 합금 소재로 제작된다. PCB 가이드 레일(13)은 PCB를 장착하는 구조물로서의 역할과 더불어 PCB에서 생성된 열원을 격자-강화 프레임(11)으로 전달하는 열전도 링크(Thermal conduction link)의 역할을 수행한다. 격자-강화 프레임(11)이 제작된 후, PCB 가이드 레일(13)은 상온 경화용 접착제에 의해 격자-강화 프레임(11)에 부착된다. 러그(12)와 PCB 가이드 레일(13)의 부착에 적용되는 상온 경화 기법은, 고온 경화 시 발생할 수 있는 알루미늄과 CFRP의 열팽창계수(CTE, Coefficient of thermal expansion) 차이에 의한 열 변형(thermal distortion)의 영향을 제거하기 위한 접근이다. 접착제로서는, Hysol사의 EA9321이나 3M사의 EC2216 등 상온 경화용 상용 에폭시의 적용이 가능하며, 열전도도를 향상시킨 상온 경화용 특수 에폭시의 적용이 권장된다.

도 3은 하우징 본체(10) 내에 전자회로보드(PCB, 40)가 장착되는 개념을 도시한 것이다. 하우징 본체(10)의 PCB 가이드 레일(13) 위에 복수 개의 PCB(40)를 나란히 정렬하고, 하우징 본체(10) 내에 삽입하여 장착한다.

도 4는 하우징 본체(10)에 일련의 PCB(40)가 모두 장착되고, 하우징 전면 커버(20)와 하우징 후면 커버(30)가 닫힌 형상을 도시한 것이다. PCB(40)에 부착된 커넥터(Connectors, 41)가 하우징 전면 커버(20)의 커넥터 홈(Connector slot, 23)에 끼워 맞추어진 상태를 나타낸다. 일련의 커넥터(41)를 통해 외부와의 전기적 접속이 가능하며, 임무 수행에 필요한 전력분배 및 데이터통신이 이루어진다.

도 5는 하우징 전면 커버(20)와 하우징 후면 커버(30)를 상세히 도시한 것이다. 하우징 전면 커버(20)는 복합재료 평판 (Composite plate, 21)에, 체결용 볼트를 인도하기 위한 부싱(Bushing, 22)과 커넥터 접속을 위해 필요한 커넥터 홈(23)을 갖춘 것이다. 하우징 후면 커버(30) 역시 복합재료 평판(31)에 체결용 볼트의 인도를 위한 부싱(32)을 구비한 것이다.

복합재료 평판(21, 31)은 피치계열 CFRP 프리프레그(pitch-based CFRP prepreg)를 준등방성으로 적층하여, 진공백 성형(Vacuum bag molding) 방법에 의해 경화하여 제작된다. 이때 중립 내면 또는 외면에, 니켈이 코팅된 탄소섬유 메쉬(Ni-coated carbton fiber mesh)나 니켈-구리 직조물(Ni-Cu fabric) 등 EMI 차폐소재(EMI-shielding material)를 함께 적층하여 경화하며, 이들 소재는 피치계열 CFRP와 함께 경화되어 구조물 내 EMI 차폐층(Layer)을 형성함으로써 100MHz~1GHz 대역에서 약 80dB 이상의 우수한 전자파 차폐 성능을 제공한다. 피치계열 CFRP 프리프레그의 가능한 준등방성 적층 예로써, {[0/90/90/0]n/EMI-shielding-material/[0/90/90/0]n}을 들 수 있으며, 이들을 대체할 수 있는 다양한 적층순서로의 변형도 물론 가능하다. 하우징 전면 커버(20)의 커넥터 홈(23)은, 복합재료 평판 경화 후 기계가공에 의해 제작된다. 또한 하우징 전면 커버(20) 및 하우징 후면 커버(30)를 하우징 본체(10)에 기계적으로 접속하기 위하여, 복합재료 평판(21, 31) 경화 후 가장자리에 홀(hole)을 가공하고, 알루미늄 합금으로 제작된 부싱(22, 32)을 상온 경화용 접착제를 적용하여 홀에 접착한다. 부싱(22, 32)은, 볼트(bolt) 체결 시 볼트나 와셔(washer)가 복합재료 평판(21, 31)과 직접 접촉함에 의해 발생할 수 있는 복합재료 평판의 마모나 긁힘 등의 손상을 방지하고 볼트를 인도하는 역할을 한다.

도 6은 PCB 가이드 레일(13)과 PCB(40)만을 도시한 것으로, 상용 PCB 고정장치 (PCB locking retainer, 42)와 PCB(40)가 일체로 조립된 상태로 PCB 가이드 레일(13)에 삽입되는 개념을 나타낸 것이다.

도 7은 PCB 가이드 레일(13)의 형상을 나타낸 것으로, PCB 고정장치(42)의 폭에 해당하는 치수만큼의 높이를 갖는 레일을 반복 패턴으로 배치하고, 레일에 홈을 파서 경량 구조로 설계한 것이다. 상기에서 설명한 바와 같이 PCB 가이드 레일(13)은, 격자-강화 프레임(11)이 제작된 후 격자-강화 프레임의 상하 내면과 정밀정렬을 유지한 상태에서 상온 경화방식으로 견고하게 접착된다.

도 8은 상용 PCB 고정장치(42)의 잠김 구조(Locking mechanism)를 개념적으로 나타낸 것이다. PCB 고정장치(42)를 잠그면, 고정장치의 폭이 증가하여 PCB 가이드 레일과 PCB를 서로 압착함으로써, 결과적으로 PCB를 고정하는 원리를 지녔다.

도 9는 격자-강화 프레임(11)을 도시한 것으로, 격자-강화 프레임(11)은 프레임 면재(Frame skin, 14), 격자(Grid, 15) 및 보스(Boss, 16)로 구성된다. 프레임 면재(14)는 하우징의 주 구조물 형상을 만들어내는 역할을 하고, 격자(15)는 구조물의 강성과 강도를 향상시키는 역할을 하며, 보스(16)는 하우징 전면/후면 커버를 체결하기 위한 너트(Nut)의 역할을 수행한다.

격자-강화 프레임(11)을 구성하는 프레임 면재(14), 격자(15), 보스(16)는 단 한 번의 복합재료 경화공정에 의해 일체형으로 동시에 결합 및 경화되어 하우징 주 구조를 형성하는 것이 본 발명의 큰 특징이다. 전자장비 하우징의 열전도도 및 전기전도도를 증가시키기 위하여, 열전도계수 및 전기전도도가 우수한 피치계열 탄소섬유/에폭시 프리프레그(Pitch-based CFRP prepreg)을 프레임 면재(14)와 격자(15)의 재료로 사용한다. 보스(16)는 하우징 전면 커버(20) 및 하우징 후면 커버(30)의 장착을 위해 격자-강화 프레임(11)에 삽입되는 알루미늄 합금 소재로 이루어진 인서트 블록(Insert block)이다. 격자-강화 프레임(11) 경화 시 함께 결합되며, 경화 후 기계가공을 통해 블록 인서트 중앙부에 나사산(Thread)이 가공됨으로써, 체결을 위한 너트로서 역할을 한다.

도 10은 러그(12)를 견고하게 장착하기 위해 별도로 고안한 러그 지지물(Lug support, 17)을 도시한 것이다. 상온경화 접착제를 이용하여 러그(12)가 부착되는 격자-강화 프레임(11) 하단 부재에, 가공이 용이한 단순 홀(Hole)을 가공한다. 또한 러그(12)가 부착되는 프레임의 하단 부재 맞은편에는, 나사산(Thread)이 가공된 러그 지지물(17)을 상온 경화 접착시킨다. 최종적으로 러그(12)의 홀과, 프레임 하단 부재의 홀을 통과한 볼트가 러그 지지물(17)과 체결됨으로써, 러그(12)의 견고한 장착을 유도한다. 볼트의 잠김을 위한 너트 구조물로 알루미늄 합금으로 제작된 러그 지지물(17)를 활용하는 것이다. 러그(12)와 격자-강화 프레임(11) 하단부 및 러그 지지물(17)은 상온경화 접착제에 의해 함께 부착되는 동시에, 러그(12)와 러그 지지물(17)은 볼트에 의해 서로 견고하게 고정된다.

도 11은 PCB(40)의 확실한 샤시 접지(chassis grounding)를 위해 도선을 활용한 통전 및 접지 개념을 도시한 것으로, 격자-강화 프레임(11)의 하단부에 가공이 용이한 작은 홀(Hole)을 가공하여 샤시 접지용 도선(Wire, 18)의 경로로 활용하는 개념을 나타낸다. 도선(18)은 PCB 가이드 레일(13)로부터 홀을 통과하여 러그 지지물(17)로 연결된다. 러그 지지물(17)은 러그(12)와 금속 볼트에 의해 체결이 되어 있고, 러그(12)는 금속 볼트에 의해 위성체 플랫폼에 체결되기 때문에 결국 PCB(40)로부터 위성체 플랫폼까지 직접적인 샤시 접지가 가능하도록 고안되었다.

도 12는 격자-강화 프레임(11)의 경화 제작 과정에 사용되는 보스(16)의 형상을 나타낸 것으로서, 보스(16)는 격자-강화 프레임(11)에 경화 시 동시 결합된다. 보스(16) 주변에 생성된 플랜지(flange)는 외부의 강한 하중 작용에도 보스(16)가 뽑히지 않고 강건하게 격자-강화 프레임에 부착된 상태를 유지하도록 도와준다.

도 13는 격자-강화 프레임(11) 제작을 위해 프레임 면재(14)와 격자(15) 영역에서의 CFRP 프리프레그 적층 축을 도시한 것으로서, 면재와 격자 상에 표시된 화살표 방향이 프리그레그를 감는 0° 축 방향으로 정의된다. 피치계열 CFRP는 이방성 재료로서 탄소섬유방향으로의 열전도도 및 전기전도도는 매우 우수한 반면, 탄소섬유의 직각방향으로는 열전도도와 전기전도도가 상대적으로 낮기 때문에 모든 방향으로 비슷한 특성을 갖도록 하기 위해, 피치계열 CFRP 프리프레그를 준등방성으로 적층한다. 또한, 프레임 면재(14)에서 충분한 EMI 차폐 특성을 얻기 위해, 피치계열 CFRP 프리프레그를 감을 때, 니켈이 코팅된 탄소섬유 메쉬(Ni-coated carbton fiber mesh)나 니켈-구리 직조물(Ni-Cu fabric) 등 EMI 차폐소재(EMI-shielding material)를 중간층에 적층한다. 이들 소재는 피치계열 CFRP와 함께 적층되어 구조물 내 EMI 차폐층(Layer)을 형성함으로써, 100MHz~1GHz 대역에서 약 80dB 이상의 우수한 전자파 차폐 성능을 제공한다. 구현 가능한 준등방성 적층의 일례로서, 격자(15) 구역의 경우에는 [0/90]n, 프레임 면재(14) 구역의 경우에는 {[0/90]n/ EMI-shielding-material/[0/90]n}을 들 수 있으며, 이들을 대체할 수 있는 다양한 적층순서로의 변형도 물론 가능하다.

전자장비 하우징(100)의 방사차폐는, 프레임 면재(14)과 하우징 전면 커버(20) 및 하우징 후면 커버(30)의 피치계열 CFRP 적층 두께에 의해 영향을 받는다. 알루미늄 2mm가 차폐할 수 있는 양성자 에너지는 약 20MeV이며, 실험에서 얻은 결과에 따르면 20MeV의 양성자를 피치계열 CFRP로 차폐하기 위해서는 약 2.7mm의 적층 두께가 필요하다. 한편 전자장비 하우징(100)은 위성체 내부에 장착되며, 통상 총 두께 1mm 이상의 알루미늄으로 이루어진 위성체 외부 패널의 방사차폐 이득을 고려할 때, 전자장비 하우징(100) 벽면의 피치계열 CFRP 적층 두께는 2mm로 충분하다. 물론, 예상되는 우주방사환경에 대한 충분한 방사차폐 효과를 얻기 위하여 피치계열 CFRP 적층 두께의 다양한 변형이 가능하다. 아울러 프레임 면재(14)나 하우징 전/후면 커버(20, 30)에 피치계열 CFRP를 적층 시, 특정부위의 방사차폐 효과를 증진하기 위하여 국부적으로 두께 약 100㎛의 텅스텐 박막을 추가 적층할 수 있으며, 적층 부위는 방사차폐를 증진하고자 하는 위치에 따라 다양한 변형이 가능하다. 이는 피치계열 CFRP 프리프레그 적층 과정에 EMI 차폐 소재를 삽입하는 방식과 유사한 과정으로 용이하게 얻을 수 있으며, 다양한 형상 및 다양한 위치로의 삽입이 가능하다.

도 14는 프레임 면재(14), 격자(15) 그리고 보스(16)의 조합으로 구성되는 격자-강화 프레임(11)을 동시경화 방식으로 제작하기 위해 고안한 일체의 몰드 어셈블리(Mold assembly, 50)를 도시한 것이다. 본 발명에서 제시하는 하우징 제작 공정의 특징은, 격자-강화 프레임(11)이 오토클레이브 경화과정에서 한 번에 제작이 된다는 점이다. 격자-강화 프레임(11)은 별도의 부재 접착이나 부재 조립 과정 없이 복합재료 경화공정을 통해 거의 완성품으로 제작되며, 복합재료 경화 후 단지 체결용 보스(16)의 나사산, 러그(12) 부착용 홀(Hole), 전기접지 배선를 위한 홀(Hole)에만 단순 기계가공이 이루어지므로, 후가공이 최소화된다. 동시 경화 공정에 사용되는 모든 몰드(mold)는, AL7075와 같은 알루미늄 합금 소재로 제작된다. 바깥 쪽 6면에 배치된 상부 몰드(Top mold, 51), 하부 몰드(Bottom mold, 52), 우측 몰드(Right-side mold, 53), 좌측 몰드(Left-side mold, 54), 전방 몰드(Front-side mold, 55), 후방 몰드(Rear-side mold, 56)는 격자-강화 프레임(11)의 외면을 압착 성형하는 역할을 한다. 이들 평판 몰드의 중앙부에 배열된 홀(Hole)은 복합재료 경화과정 중 에폭시 레진의 유동을 원활히 하고, 배출하는 역할을 한다.

도 15는 보스(16)이 삽입된 프레임 면재(14)와 격자(15)를 제작하는데 직접 사용되는 몰드와 치구 블록만을 도시한 것이다. 먼저 중공(Hollow) 사각기둥 모양의 튜브 몰드(Tube mold, 57) 주변으로 피치계열 CFRP 프리프레그를 감아서 적층하며, 적층된 프리프레그는 격자-강화 프레임(11)의 프레임 면재(14)를 구성하게 된다. 개별적인 치구 블록(Tooling block, 58) 주변에도 피치계열 CFRP 프리프레그를 감고, 프리프레그가 적층된 모든 치구 블록(58)을, 앞서 프리프레그가 적층된 튜브 몰드(57)의 사방에 규칙적으로 배열하여 격자(15)를 형성한다. 또한 보스(16)를 목적한 위치에 함께 배치함으로써, 최종적으로 프레임 면재(14), 격자(15), 보스(16)가 한 덩어리로 배열된다. 이렇게 배치하면 프레임 면재(14)를 형성하는 프리프레그와 격자(15)를 형성하는 프리프레그 그리고 보스(16)가 경화과정에서 동시 접착하게 된다. 치구 블록(58)의 중앙부에는 관통되지 않을 정도로 나사산을 일부 가공하여, 복합재료 경화가 끝난 후 나사산에 볼트를 장착하여 치구블록(58)을 용이하게 탈형할 수 있도록 설계되었다. 또한 상기에서 설명한 일체의 몰드와 치구 블록 표면에는 이형제를 사전에 도포하고 고온 건조하여 사용함으로써, 복합재료 경화 후 일체의 몰드와 치구 블록이 레진에 달라붙지 않고 잘 분리되도록 한다.

도 16은 복합재료 경화 후, 치구 블록(58)을 탈착하는 개념을 도시한 것이다. 도 17은 본 발명에서 제시하는 제작공정을 전자장비 하우징 제작에 적용하여 검증함으로써, 공정의 구현 가능성을 실질적으로 입증한 것이다. 본 발명에서 제시하는 격자-강화 프레임의 동시 경화 공정은, 경량 복합재료 전자장비 하우징 제작을 위한 효과적 제작 방안이 될 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명을 요약하면 다음과 같다.

본 발명은 우주용 임무에 적용되는 전자장비 하우징에 관한 것으로, 프레임 면재(14)와 복수의 격자(15) 및 보스(16)가 결합되어 형성된 격자-강화 프레임(11); 상기 격자-강화 프레임(11)의 일면에 접합 또는 체결되는 러그(12) 및 러그 지지물(17); 상기 격자-강화 프레임(11)에 접착 또는 체결되어 복수 개의 전자회로보드(40)를 인도하고 장착하는 PCB 가이드 레일(13); 전자장비 하우징의 닫힘 구조를 형성하는 하우징 전면 커버(20)와 하우징 후면 커버(30)를 포함하여 구성되며, 전자장비 하우징의 경량화를 위하여 경량 탄소섬유 강화 복합재료(CFRP)를 주 재료로 적층하여 제작되는 격자-강화 프레임(11)과 하우징 전면 커버(20), 하우징 후면 커버(30) 및 복합재료(CFRP) 동시경화 과정을 통하여, 기계적 조립이나 이음이 없는 일체형(monolithic) 구조물로 한 번에 제작되는 격자-강화 프레임(11)으로 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 전자장비 하우징(100)의 우수한 열전도도, 전기전도도를 구현하기 위하여, 격자-강화 프레임(11)과 하우징 전면 커버(20), 하우징 후면 커버(30)의 제작에 피치계열 탄소섬유 강화 복합재료(Pitch-based CFRP)를 적층하여 경화하는 것을 특징으로 한다.

상기 전자장비 하우징(100)의 우수한 전자기간섭(EMI) 차폐 특성을 구현하기 위하여, 니켈이 코팅된 탄소섬유 메쉬(Ni-coated carbton fiber mesh)나 니켈-구리 직조물(Ni-Cu fabric) 등 EMI 차폐소재(EMI-shielding material)가 적어도 한 층 이상으로 피치계열 CFRP와 함께 적층되어 제작됨으로써, 구조물 내 EMI 차폐 층(Layer)을 형성하고 우수한 전자파 차폐 성능을 제공하는 격자-강화 프레임(11)과 하우징 전면 커버(20) 및 하우징 후면 커버(30)로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 전자장비 하우징(100)의 우수한 방사차폐 특성을 구현하기 위하여, 텅스텐 박막이 CFRP와 함께 적층되어 하우징의 전체 또는 국부영역의 방사차폐 성능을 제공하는 격자-강화 프레임과 하우징 전면 커버(20) 및 하우징 후면 커버(30)로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 전자장비 하우징(100)의 복수 개 전자회로보드(40)를 PCB 고정장치(42)를 이용하여 용이하게 하우징 내로 인도하고 집합적으로 장착하며, 전자회로보드(40)에서 발생한 열을 하우징 본체(10)로 신속히 전달하고, 별도 접착 또는 체결을 통하여 하우징 본체(10)에 부착되는 PCB 가이드 레일(13)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 전자장비 하우징(100)에 장착된 PCB(40) 커넥터(41)의 기계적 접속경로를 제공하는 커넥터 홈(23)을 구비함으로써, 전력분배, 데이터통신 등 원활한 전기접속을 가능하게 하는 하우징 전면 커버(20)가 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 전자장비 하우징(100)의 우수한 샤시 접지(chassis grounding) 성능을 제공하기 위하여, PCB 가이드 레일(13)로부터 러그 지지물(17)까지의 도선 연결에 의한 직접 통전과, 러그 지지물(17)과 러그(12) 간의 금속볼트 체결에 의한 직접 통전을 활용하여 결과적으로 우수한 접지 특성을 제공하는 것을 특징으로 한다.

상기 전자장비 하우징(100)을 위성 플랫폼에 기계적으로 용이하게 접속하기 위해, 금속재질 특히 경량 알루미늄 합금으로 제작된 러그(12)를 하우징의 격자-강화 프레임(11)에 상온 경화 접착하거나 별도 러그 지지물(17)을 설치하여 견고한 체결을 유지하게 함으로써, 위성 플랫폼 접속용 볼트 체결을 인도하고, 볼트 체결에 강인한 내마모성을 제공하며, 볼트 체결력에 대한 충분한 강도를 제공하는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 전자장비 하우징(100)의 격자-강화 프레임(11)을 제작하는데 있어서, 프레임 면재(14), 격자(15), 보스(16)가 한 번의 경화과정을 통해 동시에 경화되어 일체형으로 결합되도록 하기 위해 고안된 제작공정으로서, CFRP 프리프레그 및 기능성 복합재가 감겨 적층된 튜브 몰드(Tube mold, 57) 사방으로 역시 CFRP 프리그레그가 감겨 적층된 복수 개의 치구 블록(58)과 복수 개의 보스(16)를 함께 배치하여 한 덩어리로 배열한 후, 압착하여 경화함으로써 프레임 면재(14), 격자(15), 보스(16)을 일체형으로 결합 제작하는 것을 특징으로 한다.

격자-강화 프레임 제작 공정에 있어, 프레임 면재(14), 격자(15), 보스(16)을 일체형으로 결합 제작하기 위하여 고안된, 모서리부에 적정 곡률을 갖는 튜브 몰드(57)와 복수 개의 치구 블록(58), 그리고 레진의 원활한 유동을 돕기 위해 복수 개의 홀(hole)을 갖는 평판 형상의 상부 몰드(51), 하부 몰드(52), 우측 몰드(53), 좌측 몰드(54), 전방 몰드(55), 후방 몰드(56)로 구성되는 몰드 어셈블리를 특징으로 한다.

그리고, 프레임 면재(14), 격자(15)와 함께 동시 배열되어 경화된 보스(16)가, 제작 후 강한 외부 하중에도 분리되지 않도록 가장자리에 플랜지(flange)를 갖도록 설계된 보스를 특징으로 한다.

이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

10: 하우징 본체 (Housing main body)
11: 격자-강화 프레임 (Grid-stiffened frame)
12: 러그 (Lug)
13: PCB 가이드 레일 (PCB guide rail)
14: 프레임 면재 (Frame skin)
15: 격자 (Grid)
16: 보스 (Boss)
17: 러그 지지물 (Lug support)
18: 샤시 접지용 도선 (Wire)
20: 하우징 전면 커버 (Housing front cover)
21: 복합재료 평판 (Composite plate)
22: 부싱 (Bushing)
23: 커넥터 홈 (Connector slot)
24: 전자기 차폐 소재 (EMI shielding material)
30: 하우징 후면 커버 (Housing rear cover)
31: 복합재료 평판 (Composite plate)
32: 부싱 (Bushing)
40: 전자회로보드 (PCB)
41: 커넥터 (Connectors)
42: PCB 고정장치 (PCB locking retainer)
50: 몰드 어셈블리 (Mold assembly)
51: 상부 몰드 (Top mold)
52: 하부 몰드 (Bottom mold)
53: 우측 몰드 (Right-side mold)
54: 좌측 몰드 (Left-side mold)
55: 전방 몰드 (Front-side mold)
56: 후방 몰드 (Rear-side mold)
57: 튜브 몰드 (Tube mold)
58: 치구 블록 (Tooling block)
100: 전자장비 하우징 (Electronic housing)

Claims

전자장비 하우징에 있어서,
프레임 면재(14)와 복수의 격자(15) 및 보스(16)가 결합되어 형성된 격자-강화 프레임(11);
상기 격자-강화 프레임(11)의 일면에 접합 또는 체결되는 러그(12) 및 러그 지지물(17);
상기 격자-강화 프레임(11)에 접착 또는 체결되어 복수 개의 전자회로보드(40)를 인도하고 장착하는 PCB 가이드 레일(13); 및
상기 전자장비 하우징의 닫힘 구조를 형성하는 하우징 전면 커버(20)와 하우징 후면 커버(30)를 포함하여 이루어지고,
상기 격자-강화 프레임(11)과 하우징 전면 커버(20), 및 하우징 후면 커버(30) 중 적어도 하나 이상은 경량 탄소섬유 강화 복합재료(CFRP)를 주 재료로 하여 적층 제작되며,
상기 격자-강화 프레임(11)은 기계적 조립이나 이음이 없는 일체형(monolithic) 구조물로 구성된 것을 특징으로 하는 전자장비 하우징.
제1항에 있어서,
상기 격자-강화 프레임(11)는 복합재료(CFRP) 동시경화 과정을 통하여, 기계적 조립이나 이음이 없는 일체형(monolithic) 구조물로 한 번에 제작되는 것을 특징으로 하는 전자장비 하우징.
제1항에 있어서,
상기 격자-강화 프레임(11)과 하우징 전면 커버(20), 하우징 후면 커버(30) 중 적어도 하나 이상은 피치계열 탄소섬유 강화 복합재료(Pitch-based CFRP)를 적층하여 경화한 것을 특징으로 하는 전자장비 하우징.
제 3 항에 있어서,
상기 피치계열 탄소섬유 강화 복합재료(Pitch-based CFRP)와 함께 EMI 차폐층(EMI-shielding layer)가 적어도 한 층 이상으로 적층되어 제작된 것을 특징으로 하는 전자장비 하우징.
제4항에 있어서,
상기 EMI 차폐층은, 니켈이 코팅된 탄소섬유 메쉬(Ni-coated carbton fiber mesh) 또는 니켈-구리 직조물(Ni-Cu fabric)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자장비 하우징.
제1항에 있어서,
상기 경량 탄소섬유 강화 복합재료(CFRP)와 함께 텅스텐 박막이 적층된 것을 특징으로 하는 전자장비 하우징.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전자장비 하우징(100)의 복수 개 전자회로보드(40)를 하우징 내로 인도하고 집합적으로 장착하도록 구성된 PCB 고정장치(42)를 포함하고,
상기 PCB 가이드 레일(13)은 상기 전자회로보드(40)에서 발생한 열을 하우징 본체(10)로 전달하도록 상기 하우징 본체(10)에 결합된 것을 특징으로 하는 전자장비 하우징.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하우징 전면 커버(20)는 상기 전자장비 하우징(100)에 장착된 전자회로보드(40) 커넥터(41)의 기계적 접속경로를 제공하는 커넥터 홈(23)을 구비하는 것을 특징으로 하는 전자장비 하우징.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전자장비 하우징(100)의 샤시 접지(chassis grounding) 성능을 제공하기 위하여, 상기 PCB 가이드 레일(13)로부터 상기 러그 지지물(17)까지의 도선 연결에 의한 직접 통전과, 상기 러그 지지물(17)과 상기 러그(12) 간의 금속볼트 체결에 의한 직접 통전을 활용하는 것을 특징으로 하는 전자장비 하우징.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전자장비 하우징(100)을 위성 플랫폼에 기계적으로 용이하게 접속하기 위해, 금속재질로 제작된 상기 러그(12)를 상기 격자-강화 프레임(11)에 상온 경화 접착하거나 별도 러그 지지물(17)을 설치하여 체결을 유지하는 것을 특징으로 하는 전자장비 하우징.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 러그의 금속재질은 경량 알루미늄 합금으로 구성된 것을 특징으로 하는 전자장비 하우징.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 격자-강화 프레임(11)은 프레임 면재(14), 격자(15), 보스(16)가 한 번의 경화과정을 통해 동시에 경화되어 일체형으로 결합되는 것을 특징으로 하는 전자장비 하우징.
제12항에 있어서,
상기 프레임 면재(14), 격자(15), 보스(16)에 대한 동시 경화 및 일체형 결합은, CFRP 프리프레그 및 기능성 복합재가 감겨 적층된 튜브 몰드(Tube mold, 57) 사방으로 역시 CFRP 프리그레그가 감겨 적층된 복수 개의 치구 블록(58)과 복수 개의 보스(16)를 함께 배치하여 한 덩어리로 배열한 후 압착하여 경화함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 전자장비 하우징.
제13항에 있어서,
상기 프레임 면재(14), 격자(15), 보스(16)의 일체형 결합 제작은, 모서리부에 적정 곡률을 갖는 튜브 몰드(57)와 복수 개의 치구 블록(58), 그리고 레진의 원활한 유동을 돕기 위해 복수 개의 홀(hole)을 갖는 평판 형상의 상부 몰드(51), 하부 몰드(52), 우측 몰드(53), 좌측 몰드(54), 전방 몰드(55), 후방 몰드(56)로 구성되는 몰드 어셈블리에 의하는 것을 특징으로 하는 전자장비 하우징.
제12항에 있어서,
상기 프레임 면재(14), 격자(15)와 함께 동시 배열되어 경화된 보스(16)는, 제작 후 강한 외부 하중에도 분리되지 않도록 가장자리에 플랜지(flange)를 갖도록 구성된 것을 특징으로 하는 전자장비 하우징.
제1항에 따른 전자장비 하우징의 격자-강화 프레임(11)의 제조방법에 있어서,
상기 프레임 면재(14), 격자(15), 보스(16)가 한 번의 경화과정을 통해 동시에 경화되어 일체형으로 결합되는 것을 특징으로 하는 격자-강화 프레임 제조방법.
제16항에 있어서,
상기 프레임 면재(14), 격자(15), 보스(16)에 대한 동시 경화 및 일체형 결합은, CFRP 프리프레그 및 기능성 복합재가 감겨 적층된 튜브 몰드(Tube mold, 57) 사방으로 역시 CFRP 프리그레그가 감겨 적층된 복수 개의 치구 블록(58)과 복수 개의 보스(16)를 함께 배치하여 한 덩어리로 배열한 후 압착하여 경화함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 격자-강화 프레임 제조방법.
제17항에 있어서,
상기 프레임 면재(14), 격자(15), 보스(16)의 일체형 결합 제작은, 모서리부에 적정 곡률을 갖는 튜브 몰드(57)와 복수 개의 치구 블록(58), 그리고 레진의 원활한 유동을 돕기 위해 복수 개의 홀(hole)을 갖는 평판 형상의 상부 몰드(51), 하부 몰드(52), 우측 몰드(53), 좌측 몰드(54), 전방 몰드(55), 후방 몰드(56)로 구성되는 몰드 어셈블리에 의하는 것을 특징으로 하는 격자-강화 프레임 제조방법.
제17항에 있어서,
상기 프레임 면재(14), 격자(15)와 함께 동시 배열되어 경화된 보스(16)는, 제작 후 강한 외부 하중에도 분리되지 않도록 가장자리에 플랜지(flange)를 갖도록 구성된 것을 특징으로 하는 격자-강화 프레임 제조방법.
제16항, 제17항 또는 제19항에 따른 격자-강화 프레임 제조방법에 사용되는 몰드 어셈블리에 있어서,
모서리 부에 적정 곡률을 갖는 튜브 몰드(57)와 복수 개의 치구 블록(58), 그리고 레진의 원활한 유동을 돕기 위해 복수 개의 홀(hole)을 갖는 평판 형상의 상부 몰드(51), 하부 몰드(52), 우측 몰드(53), 좌측 몰드(54), 전방 몰드(55), 후방 몰드(56)로 구성되어, 상기 프레임 면재(14), 격자(15), 보스(16)를 일체형으로 결합 제작하도록 구성된 몰드 어셈블리.
제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따른 격자-강화 프레임 제조방법에 사용되는 보스(16)에 있어서,
상기 프레임 면재(14), 격자(15)와 함께 동시 배열되어 경화된 보스(16)가, 제작 후 강한 외부 하중에도 분리되지 않도록 가장자리에 플랜지(flange)를 갖도록 구성된 것을 특징으로 하는 보스.