KR101634237B1 - 레진 함량에 따른 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료 제조 방법 및 이를 포함하는 전자기파 흡수 구조체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레진 함량에 따른 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료 제조 방법 및 이를 포함하는 전자기파 흡수 구조체로서, 고분자계열의 수지 및 나노 물질로 이루어진 레진과 강화섬유를 포함하는 프리프레그에서 레진 함량을 조절하는 단계, 상기 프리프레그에 필플라이(peel ply), 천공필름(perforated film)과 브리더(bleeder)등의 성형 부자재를 적층하는 단계, 상기 적층된 프리프레그와 성형 부자재에 압력을 가함으로써, 브리더에 레진을 유출하여 전자기 특성을 제어하는 오토클레이브 성형 단계를 포함하여, 나노 물질의 필터링 효과에 의해 레진 함량에 따라 브리더에 유출되는 고분자계열의 수지 및 나노 물질의 비율이 달라져 전자기 특성이 변하는 것을 특징으로 하는 레진 함량에 따른 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료 제조 방법 및 이를 포함하는 전자기파 흡수 구조체에 관한 것이다.
본 발명에 따른 레진 함량에 따른 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료 제조 방법 및 이를 포함하는 전자기파 흡수 구조체는 나노 물질의 필터링 효과에 의해 레진 함량에 따라 변화되는 복합재료 전자기 특성을 이용한 다양한 전자기파 흡수 구조체를 설계할 수 있는 장점이 있다.

Description

레진 함량에 따른 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료 제조 방법 및 이를 포함하는 전자기파 흡수 구조체{Method of manufacturing composite structures with variable electromagnetic characteristics according to variation of resin content and Radar-absorbing structure comprising the same}

본 발명은 레진 함량에 따른 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료 제조 방법 및 이를 포함하는 전자기파 흡수 구조체에 관한 것으로서, 상세하게는 복합재료의 초기 레진 함량을 조절함에 따라 성형 후 나노물질의 필터링 효과에 의해 브리더(bleeder)에 유출되는 고분자계열의 수지 및 나노 물질의 비율이 달라져 변하는 전자기 특성을 이용하여 폭 넓은 설계가 가능한 전자기파 흡수 구조체에 관한 것이다.

최근 들어 복합재료는 다기능 재료로 적용이 가능하며 기존의 철 및 알루미늄과 같은 재료에 비해 비강도(specific strength) 및 비강성(specific stiffness) 등의 장점을 가지고 있어 군사 분야 및 민수 분야에 각광을 받고 있다. 복합재료(composites)는 섬유(fiber)와 기지(matrix)로 구성되어 있으며 대표적으로 섬유로는 유리섬유 및 탄소섬유가 있으며 기지로는 고분자계열의 화합물을 말한다. 무엇보다 다기능 구조물(multifuctional structure)로써 다양한 분야에 적용이 가능하다. 특히, 전자파흡수구조(radar-absorbing structure)로 사용이 가능하기에 현재 선진국에서 저피탐 전투기에 40%이상 적용하여 운용 중에 있다. 다시 말해 이러한 기지에 추가적인 기능하는 첨가물(filler)을 분산할 수 있기 때문에 가능하다. 즉, 전자기 특성을 갖는 나노 물질(nano-sized materials)을 기존의 복합재료에 첨가하여 하중을 견딜 수 있는 구조에 전자기파 흡수 기능을 설계할 수 있다. 이를 위해 나노 물질 첨가량에 따라 전자기파 흡수 성능에 영향을 끼치므로 전자기파 흡수 구조체 설계에 있어서 다양한 전자기 특성을 갖도록 복합재료를 제조하는 것이 효과적인 방법이다.

또한 나노 물질의 필터링 효과란 나노 물질이 특정 필터에 의해 걸러지는 현상이다. 여기서 언급한 특정 필터는 프리프레그와 성형 부자재를 말하며 특히, 성형 부자재는 필플라이(peel ply), 천공이형필름(perforated release film)과 브리더(bleeder)를 말한다. 이러한 필터에 의해 나노 물질이 온전히 밖으로 빠지지 않도록 함으로써 나노물질이 복합재료에 남도록 하는 효과이다.

전자파흡수구조의 설계 방법으로 기지(matrix)에 필러(filler)로써 나노손실물질(nano-sized lossy materials)을 첨가하여 유전율(permittivity)과 투자율(permeability)를 변화시켜 전자파의 에너지를 산란 및 흡수하는 방법인 Dallenbach layer 흡수체(absorber)가 있다. 도 1은 단층형 흡수체의 원리를 나타낸 도면으로서, 한 층으로 이루어진 구조로 한 종류의 복합재료를 사용하여 단층형 설계를 하는 것이다. 반면에 도 2는 다층형 흡수체의 원리를 나타낸 도면으로서, 여러 층으로 쌓아 전자파를 흡수하는 원리인 다층형 흡수체는 도 2와 같이 두 가지 이상의 재료를 이용하여 다층형 설계를 하는 것을 말한다.

단층형 및 다층형 흡수체의 성능은 재료의 전자기적 특성에 따라서 변화한다. 즉, 유전율 혹은 투자율 값에 따라 흡수체의 두께가 결정되기 때문에 전자기적 특성을 다양하게 확보하면 할수록 성능이 좋은 흡수체를 설계 및 제작 할 수 있을 것이다.

한 가지 재료에서 얻을 수 있는 유전율과 투자율이 정해져 있으며 이것은 재료의 특성으로서 변하지 않는 고유한 값으로 알려져 있다. 복합재료를 이용한 유전율 관련 많은 연구가 진행이 되었으며 나노물질을 첨가물(filler)로써 사용하여 수지에 분산시켜 프리프레그를 만들어 복합재료를 제작하여 유전율 또는 투자율을 측정한 연구는 극히 제한적이다.

또한 나노 물질을 분산시킨 복합재료의 유전율값은 주파수에 지배적이며 온도와 습도 등에 영향을 받지만 특정 환경에서의 유전율은 변화가 없어 기존의 전자기파 흡수 구조체 제조방법은 설계 요구사항에 따라 나노 물질의 함량을 조절해가며 재료의 적합성을 확인한 후 흡수체를 설계하고 제작해야 하기 때문에 비용 및 시간 소모가 많이 들어 비효율적이다. 이는 수지에 나노 물질을 분산시킨 후 프리프레그를 생산하는 작업에 있어서 불확실도(uncertainty)가 많기 때문에 프리프레그의 다양한 제작에 한계가 존재한다.

특히, 한 예로 탄소나노튜브(carborn nano tube: CNT)가 모재에 첨가된 섬유강화 복합재의 유전율은 CNT의 분산도에 영향을 받고, CNT의 첨가량이 증가함에 따라 거의 선형적인 증가를 보인다. 하지만 CNT를 에폭시 수지에 분산하는 경우, 분산하면서 점도가 증가하여 2~3wt.% 이상에서는 분산이 어려운 문제점이 있다. 첨가물(filler)의 분산이 어려워짐에 따라 다양한 프리프레그를 생산하기 위한 비용 및 시간 소모가 증가한다.

종래의 기술로서, 특허문헌 1은 광대역 전자파차폐용 복합재에 관한 것으로, 저주파 대역의 전자파에 대한 흡수차폐와 고주파 대역의 전자파에 대한 반사차폐를 동시에 만족하는 광대역 전자파차폐용 복합재를 제안하고 있으나, 단일 복합재료를 이용하여 다양한 전자기파 흡수 구조체를 설계할 수 없다.

1. 한국 등록특허 제10-1349029호

본 발명은 상기와 같은 필요성에 따라 안출된 것으로서, 종래의 전자기파 흡수 구조체의 한계를 극복하고자 레진 함량(resin content)에 따라 브리더(bleeder)에 유출되는 고분자계열의 수지 및 나노 물질의 비율이 달라져 변하는 전자기 특성을 이용하여 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료 제조 방법 및 이를 포함하는 전자기파 흡수 구조체를 제공하고자 한다.

상기의 해결하고자 하는 과제를 위한 본 발명의 레진 함량에 따른 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료 제조 방법은, 고분자계열의 수지 및 나노 물질로 이루어진 레진과 강화섬유를 포함하는 프리프레그에서 레진 함량을 조절하는 단계, 상기 프리프레그에 필프라이(peel ply), 천공이형필름(perforated film)과 브리더(bleeder)를 적층하는 단계 및 이에 압력을 가함으로써, 브리더에 레진을 유출하여 전자기 특성을 제어하는 오토클레이브 성형단계를 포함하여, 레진 함량에 따라 나노 물질의 필터링 효과에 의한 브리더에 유출되는 고분자계열의 수지 및 나노 물질의 비율이 달라져 전자기 특성이 변하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예로서, 상기 레진 함량 조절단계는 강화섬유 및 고분자계열의 수지로 이루어진 혼합물에 일정한 무게 분율(weight fraction)로 상기 나노 물질을 분산시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예로서, 상기 프리프레그 및 성형 부자재를 구성하는 섬유 조직의 갭(gap) 사이즈를 변화시켜 나노 물질의 필터링 효과를 조절하고, 상기 프리프레그 및 성형 부자재의 적층 방향 및 순서를 변화시켜 필터의 크기와 방향을 조절하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예로서, 상기 프리프레그와 성형 부자재 적층 단계는 전자기파 흡수 구조체를 성형할 수 있는 몰드를 준비하는 단계, 상기 몰드 위에 이형필름(release film)을 적층하는 단계, 상기 이형필름 위에 상기 프리프레그를 적층하는 단계, 상기 프리프레그 위에 필플라이(peel ply), 천공이형필름(perforated release film), 브리더(bleeder) 및 진공 백 필름(vacuum bag film) 순으로 적층하는 단계 및 상기 몰드와 상기 진공 백 필름 사이에 진공 백 실란트 테이프(vacuum bag sealant tape)를 사용하여 상기 진공 백 필름과 상기 몰드 사이를 밀폐하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예로서, 상기 프리프레그, 필플라이, 천공이형필름 및 브리더는 점차적으로 증가되는 면적을 갖도록 형성되어, 하부층이 노출되지 않도록 적층하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예로서, 상기 오토클레이브 성형단계는 일정한 두께로 전자기파 흡수 구조체를 성형하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예로서, 상기 오토클레이브 성형단계는 진공펌프에 연결된 호스를 진공 백 커넥터(vacuum bag connector)에 연결하여 상기 적층된 프리프레그와 성형 부자재에 진공압을 가하는 단계 및 상기 적층된 프리프레그와 성형 부자재를 오토클레이브에 넣고 열과 압력을 가하는 가온가압단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기의 해결하고자 하는 과제를 위한 본 발명의 다층형 전자기파 흡수 구조체는 레진 함량에 따른 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료 제조 방법에 따라 제조된 복합재료를 적어도 한층 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기의 해결하고자 하는 과제를 위한 본 발명의 레진 함량에 따른 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료는 고분자계열의 수지 및 나노 물질로 이루어진 레진과 강화섬유를 포함하는 프리프레그에서 레진 함량에 따라 성형 후 전자기 특성이 변하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예로서, 상기 레진 함량은 37 내지 46%인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예로서, 상기 나노 물질은 유전성 손실재료, 자성 손실재료 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예로서, 상기 유전성 손실재료는 카본블랙(carbon black), 탄소나노섬유(carbon nano fiber), 탄소나노튜브(carbon nanotube) 또는 이들의 혼합물을 포함하되, 상기 프리프레그의 레진 함량에 따라 유전율이 변하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예로서, 상기 자성 손실재료는 페라이트계 산화물, 금속나노분말 또는 이들의 혼합물을 포함하되, 상기 프리프레그의 레진 함량에 따라 투자율이 변하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예로서, 상기 페라이트계 산화물은 스피넬계 페라이트(spinel ferrite) 또는 육방정 페라이트(hexagonal ferrite)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예로서, 상기 금속나노분말은 철(Fe)계, 코발트(Co)계, 니켈(Ni)계 금속분말 또는 금속합금분말을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예로서, 상기 강화섬유는 탄소 섬유(carbon fiber), 유리 섬유(glass fiber) 또는 아라미드 섬유(aramid fiber)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예로서, 상기 강화섬유는 단방향 강화섬유(unidirectional fiber) 또는 평직강화섬유(plane weave fiber)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예로서, 상기 수지는 에폭시 수지(epoxy resin), 페놀 수지(phenolic resin) 또는 불포화폴리에스터 수지(unsaturated polyester resin)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기의 해결하고자 하는 과제를 위한 본 발명의 다층형 전자기파 흡수 구조체는 레진 함량에 따른 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료를 적어도 한층 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 나노 물질의 필터링 효과를 이용한 프리프레그의 레진 함량에 따라 변화되는 복합재료 전자기 특성을 갖도록 제작할 수 있다.

또한, 다양한 전자기 특성에 따라 변화하는 전자기파 흡수 구조체의 설계 가능 범위를 폭 넓게 확보 할 수 있다.

또한, 동일한 흡수 대역의 요구사항에서 다양한 형태의 설계가 가능하며 한 가지 흡수 대역이 아닌 다양한 흡수 대역에 맞도록 단일 재료로 설계할 수 있다.

또한, 고분자 수지는 열가소성 수지 및 열경화성 수지 모두 적용이 가능하고, 나노 물질은 유전성 손실재료 및 자성 손실재료 모두 적용이 가능하여 다양한 전자기파 흡수 구조체를 설계할 수 있다.

따라서, 전자기파 흡수 구조체는 전자기 특성을 바탕으로 설계해야 하므로 다양한 전자기 특성을 확보하는 본 발명의 제조 방법으로 인해 다양하고 향상된 성능의 설계를 할 수 있다.

도 1은 단층형 흡수체의 원리를 나타낸 도면.
도 2는 다층형 흡수체의 원리를 나타낸 도면.
도 3은 평판형 전자기파 흡수 구조체 설계 요소를 나타낸 도면.
도 4는 레진 함량에 따라 성형 전후의 강화섬유, 수지 및 나노 물질의 함량 비율의 변화를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 따른 복합재료의 성형방법을 나타낸 도면.
도 6는 본 발명에 따른 프리프레그와 성형 부자재의 모식도를 나타낸 도면.
도 7은 glass/CNT1.8-ep 복합재료의 레진 함량에 따른 유전율을 나타낸 그래프.
도 8은 glass/CNT1.8-ep 복합재료의 레진 함량과 복소 유전율의 혼합법칙을 나타낸 그래프.
도 9는 glass/CNT1.8-ep 복합재료를 사용한 단층형 전자기파 흡수 구조체의 레진 함량에 따른 반사손실을 나타낸 그래프.
도 10은 glass/CNT1.8-ep와 glass/ep 복합재료를 사용한 이층형 전자기파 흡수 구조체의 레진 함량에 따른 반사손실을 나타낸 그래프.

이하 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 도면을 참고하여 설명한다. 예시된 도면은 발명의 명확성을 위하여 핵심적인 내용만 확대 도시하고 부수적인 것은 생략하였으므로 도면에 한정하여 해석하여서는 아니 된다.

본 발명에 따른 복합재료는 강화섬유, 고분자계열의 수지 및 나노 물질을 포함하는 프리프레그의 레진 함량(resin content)에 따라 전자기 특성이 변하여 동일한 흡수대역의 요구사항에 대하여 다양한 형태의 설계가 가능하고, 다양한 흡수 대역에 맞도록 단일 복합재료를 이용하여 전자기파 흡수 구조체 설계가 가능하다.

프리프레그(prepreg)는 Pre-impregnated Material의 약어이며, 모재(matrix)를 강화섬유(reinforced fiber)에 미리 함침시킨 제품으로 복합재료(composite) 제품의 중간 재료이다. 상기 강화섬유는 탄소 섬유(carbon fiber), 유리 섬유(glass fiber) 또는 아라미드 섬유(aramid fiber)가 사용될 수 있고, 상기 강화섬유는 단방향 섬유(unidirectional fiber) 또는 평직 섬유(plain weave fiber)로 직조되어 사용될 수 있으며, 상기 수지는 에폭시 수지(epoxy resin), 페놀 수지(phenolic resin) 등의 열경화성 수지(thermoset resin) 또는 불포화폴리에스터 수지(unsaturated polyester resin)등의 열가소성 수지가 사용될 수 있다.

상기 프리프레그는 유전성 손실재료, 자성 손실재료 또는 이들의 혼합물로 이루어진 나노물질을 포함하고, 유전성 손실재료를 포함하면 레진 함량에 따라 유전율(permittivity)이 변하고, 자성 손실재료를 포함하면 레진 함량에 따라 투자율(permeability)이 변할 수 있다.

어떠한 매질에서의 전자기파 거동은 매우 복잡한 현상을 보이게 된다. 미시적 관점에서 전자기파는 매질을 이루고 있는 원자들과의 상호 관계를 통해 매질에 반응하게 된다. 하지만, 이러한 매질 내에서의 전자기파 특성을 미시적 관점에서 기술하게 되면 너무나도 복잡하게 되어 그 의미조차 파악하기 힘들어지게 된다.

따라서, 매질에서 전자기파의 특성을 나타낼 수 있는 거시적 관점에서의 파라미터가 필요하게 되는데, 이러한 파라미터가 유전율과 투자율이다. 물질의 전기적, 자기적 특성은 유전율과 투자율로 대표되고, 유전율이라는 것은 물질이 전기력을 함유할 수 있는 크기(capacity)를 의미한다. 분자적 측면에서 보면, 유전체(dielectric material) 내에 임의의 방향으로 각자 흩어져있던 쌍극자들이 전자기장에 의해 얼마나 민감하게 잘 정렬되는가의 정도를 유전율이라 표현할 수 있다. 유전율에 따른 전자기적 특성을 예를 들면, 유전율이 낮은 흙에서는 전기가 잘 흐르지 않고 전자기파는 잘 투과하지만, 수분에 젖어 유전율이 상승된 토양의 경우는 점차 전기가 흐르기 시작하며 전자기파는 잘 투과되지 않는다. 유전율은 다음과 같이 정의한다.

일반적으로 자연계에 존재하는 모든 매질은 복소수 형태의 유전율을 갖는다. 실수항은 랜덤하게 배열되어있는 쌍극자들이 전자장에 얼마나 잘 반응하는지를 나타내며, 허수항은 유전 손실항(dielectric lossy component)로 유전체에 전자장이 인가되었을 때, 분자들간의 진동에 의한 열, 그리고 유전체에 포함되어 있는 자유전자들에 의한 저항손(ohmic loss)을 나타내는 항이다.

투자율은 매질에 따른 자속(magnetic flux)의 통과하기 쉬운 정도로 만약 어떤 물질의 비투자율이 100이라면 진공상태보다 100배 자속이 잘 통과함을 의미한다. 투자율은 다음과 같은 식으로 나타낸다.

허수항이 나타내는 자성손실은 일반적인 재료에서는 나타나지 않고, 페라이트(ferrite)와 같은 분자 쌍극자를 가지는 재료에서 발생한다. 어떤 특정한 주파수가 되면 이 쌍극자가 공명(resonance)을 일으키며 스핀(spin)을 일으키고 이때 분자간에 충돌하며 발생하는 마찰열로 손실이 발생한다. 이러한 자성을 이용하는 방법은 유전적 성질을 이용하는 방법보다 훨씬 전자파 흡수에 뛰어난 성능을 보이지만, 공명주파수 대역이 비교적 저주파인 MHz대역에 치우쳐 있고 이 지점 이후로는 손실값이 급격히 줄어들기 때문에 X-band에서는 그 성능을 다 발휘하기가 어렵고, 최소한의 성능을 발휘하기 위해서는 손실값이 1이상이 되어야 한다.

그러나 이 경우에도 자성체만으로는 전자기파 흡수 구조의 정합두께를 박층화 시키기는 어렵고 유전적 특질까지 함께 이용하여야 한다. 기존의 일반 페라이트 계열의 재료는 대부분 10 GHz정도에서 1 미만의 아주 작은 손실값을 갖게 되는데, 전자기파 흡수 구조에 사용하기 위해서는 공명주파수 이후로부터 떨어지는 손실 정도를 완화시킬 수 있는 특수한 처리가 필요하다.

본 발명에 따른 복합재료는 나노 물질의 필터링 효과에 의해 레진 함량에 따라 브리더에 유출되는 고분자계열의 수지 및 나노 물질의 비율이 달라져 변하는 전자기 특성을 이용하여 단층형 및 다층형 흡수체 설계에 적용할 수 있다.

프리프레그는 유전성 손실재료, 자성 손실재료 또는 이들의 혼합물로 이루어진 나노 물질을 포함할 수 있다. 유전성 손실재료를 포함하면 유전율(permittivity)이 변하고, 자성 손실재료를 포함하면 투자율(permeability)이 변할 수 있다.

유전성 손실재료는 카본블랙(carbon black), 탄소나노섬유(carbon nano fiber), 탄소나노튜브(carbon nano tube) 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 특히, 다중벽 탄소나노튜브(multi-wall carbon nano tube)는 무게의 측면에서 아주 큰 장점을 가지며, 기계적 강도가 우수하여 첨가물(filler)로 사용하여 유전특성을 조절할 수 있다.

자성 손실재료는 페라이트계 산화물, 금속나노분말 또는 이들의 혼합물을 포함하되, 상기 페라이트계 산화물은 스피넬계 페라이트(spinel ferrite) 또는 육방정 페라이트(hexagonal ferrite)을 포함하고, 상기 금속나노분말은 철(Fe)계, 코발트(Co)계, 니켈(Ni)계 금속분말 또는 금속합금분말을 포함할 수 있다.

페라이트의 전자파 흡수 재료로의 사용은 손실이 많은 자연공명주파수 이상의 영역에서 사용을 하기 때문에 재료의 화학조성에 따라서 그 사용 주파수가 달라진다. 일반적으로 스피넬계 페라이트(spinel ferrite)는 낮은 자기이방성으로 인해 1 GHz 미만의 대역에서 자연공명주파수(natural resonance frequency)가 나타나는 반면, 높은 자기이방성을 갖는 육방정 페라이트(hexagonal ferrite)는 자연공명주파수가 대부분 1 GHz 이상에서 나타나기 때문에 GHz 이상의 대역에서 전파흡수재로 사용이 가능하다.

스피넬 페라이트는 Ni-Zn 페라이트, Mn-Zn 페라이트 또는 Cu-Zn 페라이트로 이루어진 스피넬 구조의 페라이트로 이루어지고, 상기 육방정 페라이트는 바륨(Ba) 페라이트 또는 스트론튬(Sr) 페라이트로 이루어진 육방정 구조의 페라이트로 이루어 질 수 있다. 또한, 철(Fe)계, 코발트(Co)계, 니켈(Ni)계 등과 같은 강자성계물질을 자성 손실재료로 사용할 수 있고, 페라이트계 산화물과 금속나노분말의 단순 혼합물 또는 도금을 이용한 코팅 등의 방식으로 화학적으로 결합한 화합물을 자성 손실재료로 사용할 수 있다.

또한, 프리프레그는 유전성 손실재료과 자성 손실재료의 혼합물로 이루어진 나노 물질을 포함할 수 있다. 탄소나노입자와 페라이트 계열의 나노입자를 단순 혼합 또는 화학적으로 결합하여 첨가물(filler)로 사용하는 경우 유전율 및 투자율이 가변될 수 있어 다양한 흡수대역을 가지는 전자기파 흡수 구조체를 개발할 수 있다.

본 발명에 따른 다층형 전자기파 흡수 구조체는 고분자계열의 수지 및 나노 물질로 이루어진 레진과 강화섬유를 포함하는 프리프레그에서 레진 함량에 따라 나노 필터링 효과가 다르게 적용됨으로써 전자기 특성이 다양하게 변하는 레진 함량에 따른 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료를 적어도 한층 포함할 수 있다.

다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료 제조방법은, 프리프레그(prepreg)의 레진 함량 조절단계, 상기 프리프레그에 필프라이(peel ply), 천공이형필름(perforated film) 및 브리더(bleeder)를 적층하는 단계 및 이에 압력을 가함으로써 브리더에 레진을 유출하여 전자기 특성을 제어하는 오토클레이브 성형단계를 포함하여 상기 프리프레그의 나노 물질 필터링 효과에 의해 레진 함량에 따라 전자기 특성이 변하는 다양한 복합재료를 제조할 수 있다.

상기 레진 함량 조절단계는 고분자계열의 수지 및 나노 물질로 이루어진 레진과 강화섬유를 포함하는 프리프레그에서 레진 함량을 조절하는 단계이다. 상기 프리프레그는 강화섬유 및 고분자계열의 수지로 이루어진 혼합물에 일정한 무게 분율(weight fraction)로 상기 나노 물질을 분산시켜 준비할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 복합재료의 성형방법을 나타낸 도면으로서, 상기 오토클레이브 성형단계는 상기 프리프레그(30)에 천공필름(perforated film)(50)과 브리더(bleeder)(60)를 적층하여 압력을 가함으로써, 브리더(60)에 레진을 유출하여 전자기 특성을 제어하는 단계이다. 일정한 두께로 복합재료를 성형하는 경우, 나노 물질의 필터링 효과에 의해 레진 함량에 따라 브리더에 유출되는 고분자계열의 수지 및 나노 물질의 비율이 달라져 전자기 특성이 변할 수 있다.

기존의 복합재료은 설계 요구사항에 따라 나노 물질의 함량을 조절해가며 재료의 적합성을 확인한 후 흡수체를 설계하고 제작해야 하기 때문에 비용 및 시간 소모가 많이 들어 비효율적이다. 하지만 본 발명에 따른 복합재료의 제조방법의 경우 레진 함량을 조절하고, 나노 물질의 필터링 효과에 의해 레진 함량에 따라 브리더에 유출되는 고분자계열의 수지 및 나노 물질의 비율이 달라져 변하는 전자기 특성을 이용하여 다양한 전자기파 흡수 구조체를 설계할 수 있다.

프리프레그의 레진 함량을 조절함으로써 단일재료를 이용하면서 동시에 전자기 특성을 변화시키고 각 레진 함량에 해당하는 전자기 특성을 이용하여 단층형 및 다층형 흡수체 설계에 적용 가능하기 때문에 최적의 흡수성능을 구현할 수 있다. 프리프레그의 불확실도를 줄여 설계 범위가 폭넓게 확장이 된다는 점에서 비용과 시간이 상당히 줄어들 수 있다.

본 발명에 따른 복합재료의 레진 함량에 따른 다양한 전자기 특성은 2가지 특이점으로 인해 발생한다. 첫번째로는 복합재료 제작시 흡출 기술(bleedout technique)을 사용한다. 이는 프리프레그의 레진을 빼는 기술을 말하며 레진 함량이 특정 범위(예: 37.5% 내지 46%)를 벗어나지 않는다면 최종적으로 제작되는 복합재료의 두께는 동일하게 나타난다. 따라서 레진이 많은 프리프레그의 성형 후 복합재료의 레진과 레진이 적은 프리프레그의 성형 후 복합재료의 레진은 동일한 양이 된다. 다시 말해 많은 레진을 갖는 프리프레그의 성형 후 제거되는 레진의 양은 적은 레진을 갖는 프리프레그의 성형 후 제거되는 레진 양 보다 많게 된다.

두번째로는 나노손실재료(lossy material)의 필터링(filtering) 효과가 적용된다는 점이다. 필터링은 특정 재료를 여과시키는 것을 말하며 본 연구에서는 수지 내에 존재하는 고상의 나노소재가 특정 필터에 의해 액상의 수지와 달리 여과되는 것을 말한다. 즉, 나노 물질은 프리프레그와 성형부자재 등의 필터에 의해 여과되며 이러한 필터의 사이즈 및 위치 그리고 적층 순서와 적층 방향 등에 따라 액상 수지가 제거되는 양과 달리 고상의 나노 물질이 여과되는 양이 차이가 나면서 발생하는 필터링 현상이 적용된다.

도 4는 레진 함량이 적은 프리프레그(RC_1l)와 레진 함량이 많은 프리프레그(RC_1h)의 성형 전후 강화섬유, 수지 및 나노 물질의 함량 비율을 나타낸 도면이다. 도 4(a)는 탄소나노튜브, 에폭시 및 유리섬유로 이루어진 3상의 프리프레그 복합재료(multi-phase composites)의 모식도이고, 도 4(b)는 성형 전의 복합재료, 도 4(c)는 성형 후의 모식도이다.

프리프레그(RC_1l) 및 프리프레그(RC_1h)의 레진함량(resin content)은 다르지만 첨가된 탄소나노튜브의 무게 분율(weight fraction, w_f, wt.%)은 동일하다. 성형 후 최종 두께가 같아지기 때문에 초기 레진함량이 많으면 많을수록 빠진 레진의 양은 많아 진다. 이 때 탄소나노튜브의 필터링 효과로 인해 수지와 탄소나노튜브의 무게분율이 동일하게 나타나지 않게 된다. 즉, 최종 제작된 복합재료의 탄소나노튜브의 무게 분율은 필터링 효과를 더욱 많이 적용된 레진함량이 많은 프리프레그(RC_1h)에서 크게 나타난다. 따라서 초기 레진 함량에 따라 최종 제작된 레진 함량과 무게 분율이 달라지고 이로 인해 유전율이 차이가 발생하게 된다. 이러한 메커니즘은 앞서 언급한 나노물질 및 수지 그리고 강화섬유에서 모두 적용할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 복합재료의 성형방법을 나타낸 도면으로서, 프리프레그 및 성형부자재 적층 단계 및 오토클레이브 성형단계는 복합재료를 성형할 수 있는 몰드(10)를 준비하는 단계, 상기 몰드(10) 위에 이형필름(release film)(20)을 적층하는 단계, 상기 이형필름(20) 위에 상기 프리프레그(30)를 적층하는 단계, 상기 프리프레그(30) 위에 필플라이(peel ply)(40), 천공이형필름(perforated release film)(50), 브리더(bleeder)(60), 진공 백 필름(vacuum bag film)(70) 순으로 적층하는 단계, 상기 몰드(10)와 상기 진공 백 필름(70) 사이에 진공 백 실란트 테이프(vacuum bag sealant tape)(80)를 사용하여 상기 진공 백 필름(70)과 상기 몰드(10) 사이를 밀폐하는 단계, 진공펌프에 연결된 호스를 진공 백 커넥터(vacuum bag connector)에 연결하여 진공압을 가하는 단계 및 상기 몰드를 오토클레이브에 넣고 열과 압력을 가하는 가온가압단계를 포함한다.

이형필름(20)은 에폭시와 같은 레진과 쉽게 떨어지도록 하는 역할을 하고, 필플라이(40)는 복합재료의 이차 결합(secondary bonding) 혹은 도장(painting)을 하는데 도와주도록 복합재료의 표면에 약간의 요철을 형성한다.

천공이형필름(50)은 천공필름으로 레진을 빼기 위해 사용하는 이형 필름으로 레진이 빠지기 위한 구멍 역할을 하며, 이형 필름의 역할로 브리더(bleeder)(60)와 필플라이(40)를 서로 분리할 수 있다.

브리더(bleeder)(60)는 진공성형이므로 진공을 뽑기 위해 모든 것을 덮어 모든 공기가 다 빠질 수 있도록 내부 공기를 완전히 빼는 솜 또는 쿠션과 같은 역할을 하고, 프리프레그(30)의 레진을 빼면서 빠진 레진을 충분히 저장하는 저장장치(capacitor)와 같은 역할을 한다. 이와 유사한, 브리더(breather)는 일정부분 이상 연속적으로 진공의 경로 역할을 하는 느슨하게 짠 직물 또는 부직포 재료로 본 발명에서 브리더(bleeder)를 대체할 수 있다. 진공 백 필름(70)은 오토클레이브 성형 시 복합재료 및 부자재 전체의 진공을 뽑는 역할을 한다.

또한, 상기 프리프레그(30), 필플라이(40), 천공이형필름(50) 및 브리더(60)는 점차적으로 증가되는 면적을 갖도록 형성되어, 하부층이 노출되지 않도록 적층할 수 있다. 오토클레이브 공정에 천공필름을 사용한다. 이는 프리프레그의 레진의 양을 조절하기 위해 사용되며 재료가 순수 수지(neat resin)의 프리프레그가 아닐 때 이용하는 공정방법이다. 기재로 사용된 고분자계열의 수지는 일정 온도에서 물처럼 흐름성이 생기며 브리더(60)에 의해 흡수될 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 프리프레그 및 성형부자재의 모식도를 나타낸 도면이다. 프리프레그 및 성형 부자재를 구성하는 섬유 조직의 갭(gap) 사이즈를 변화시켜 나노 물질의 필터링 효과를 조절하고, 프리프레그 및 성형 부자재의 적층 방향 및 순서를 변화시켜 필터의 크기와 방향을 조절할 수 있다. 프리프레그를 구성하는 강화섬유 또는 필 플라이 필름을 이루는 섬유는 도 6의 필터와 같은 짜임으로 형성되어 나노 물질의 필터링 효과를 만들 수 있다. 일정한 두께로 복합재료를 성형하는 경우, 나노 물질의 필터링 효과에 의해 레진 함량에 따라 브리더에 유출되는 고분자계열의 수지 및 나노 물질의 비율이 달라져 전자기 특성을 변화시킬 수 있다. 이러한 필터의 갭(gap) 크기에 따라 필터 효과의 정도가 달라질 수 있으며 또한 여러 필터의 적층 순서와 방향에 따라서 달라질 수 있다.

프리프레그의 레진은 하부면을 제외한 모든 방향으로 빠져나가므로 프리프레그(30), 필플라이(40), 천공이형필름(50) 및 브리더(60)는 점차적으로 증가되는 면적을 갖도록 형성되어, 하부층이 노출되지 않도록 적층하여 성형함으로써 압력에 따라 빠져나오는 레진의 양을 일정하게 할 수 있다.

보다 구체적으로 도 7 내지 도 10과 실험예들을 통해 본 발명의 레진 함량에 따른 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료 제조방법과 이를 포함하는 전자기파 흡수 구조체를 설명하면 다음과 같다.

실험예 1

탄소나노튜브가 첨가된 에폭시 기지를 사용한 유리섬유강화 복합재료(Glass/CNT-Epoxy prepreg composites)와, 1.8wt.% 첨가된 탄소나노튜브를 사용하였으며, 레진함량은 37.5%에서 46.0%까지 총 8가지 경우에 대해 제작을 하였다. 제작된 복합재료의 유전율을 측정하여 전자파흡수구조 설계에 적용하여 단층형 흡수체와 이층형 흡수체의 흡수 성능을 해석적으로 확인하였다.

도 7은 glass/CNT1.8-ep 복합재료의 레진 함량에 따른 유전율을 나타낸 그래프로서, 레진 함량이 변함에 따라 복수 유전율(complex permittivity)이 변하는 것을 알 수 있다. 이는 유전율과 레진 함량이 밀접한 관계가 있음을 보여주며 또한 레진 함량이 증가함에 따라 유전율도 증가하는 것을 알 수 있다. 이는 유전율은 탄소나노튜브의 첨가량과 밀접하게 관련되기 때문에 유전율이 증가는 곧 탄소나노튜브의 첨가량의 증가를 나타낸다.

레진 함량이 증가하면서 유전율 또한 증가하는 경향을 보이며 이를 선형 근사(linear fitting)를 이용하여 계산하여 보았다. 유전율 실수부(real permittivity)는 y=-0.15+0.26x이며 유전율 허수부(imaginary permittivity)는 y=-13.29+0.48x이다. 복소 유전율의 실수부와 허수부 모두 선형 근사로 인해 증가하는 경향은 보였다.

하지만 유전율 허수부의 기울기가 유전율 실수부의 기울기보다 크기 때문에 증가하는 정도에서 차이를 보인다. 이는 레진 함량이 증가함에 따라 유전율 실수부의 증가보다 유전율 허수부의 증가에 큰 영향을 끼치는 것을 알 수 있다. 따라서 프리프레그의 레진 함량에 따라 레진이 빠지면서 동시에 빠져나가는 CNT의 양이 동일하지 않아 남는 CNT의 양이 서로 상이하기 때문에 최종적으로 복합재료의 유전율이 다르게 된다.

다시 말해 서로 다른 비율로 빠지는 에폭시 수지와 CNT양에 의해 레진 함량이 증가할수록 더 많은 CNT가 복합재료에 남게 되어 유전율이 증가하는 요인이 되며 특히 CNT의 영향으로 유전율 실수부 보다 허수부에 급격한 변화를 보여준다.

도 7과 같이 8가지의 서로 다른 레진 함량을 가진 프리프레그의 CNT 무게 분율(weight fraction)은 모두 동일하게 1.8wt%로 같다. 레진 안에 있는 CNT 양은 레진 함량에 무관하게 동일한 무게 분율로 분산되어 있으므로 레진이 많을 경우 CNT가 많이 분산되어 있고, 반대로 레진이 적을 경우 CNT가 적게 분산되어 있을 것이다. 이는 레진 함량은 곧 프리프레그에서 섬유와 레진의 무게 관계이다.

천공필름(perforated film)을 사용하는 공정은 레진을 제거하는 공정이므로 일반적인 프리프레그의 레진 함량은 35%내외에 해당한다. 상용되고 있는 유리섬유강화복합재료(Glass/Ep prerpeg, GEP118)는 레진 함량이 34%인 프리프레그이지만 CNT를 분산하면서 상대적으로 증가한 레진의 양이 37.5%에서 46.0%까지 변화시키면서 제작이 되었다. 이처럼 레진의 함량이 기존의 프리프레그보다 많지만 레진을 빼는 공정으로 인해 잉여레진들이 모두 제거가 되면서 결국 앞선 8가지 프리프레그 모두 거의 동일한 두께를 갖게 된다.

다시 말해 두께는 초기 B-stage prepreg의 레진 함량이 좌우하는 것이 아닌 프리프레그의 섬유에 따른 두께가 절대적(dominant)이라고 할 수 있다. 따라서 동일한 두께와 동일한 CNT 무게 분율에도 불구하고 서로 다른 유전율을 보이는 이유는 앞서 설명한 나노소재의 필터링(filtering) 효과라고 할 수 있다.

프리프레그의 초기 레진 양에 관계없이 레진이 빠질 때 CNT도 또한 같은 비율로 빠진다면 모든 경우의 복합재료가 항상 같은 유전율을 보여야 한다. 하지만 필터링 효과로 인해 레진이 빠지면서 CNT가 빠지는 양은 같은 비율로 빠지지 않고 에폭시 수지가 빠지는 양에 비해 CNT가 빠져나가는 양이 상대적으로 적다는 것이다. 그러므로 많은 레진 함량을 갖는 프리프레그에서 빠지는 수지의 양에 비해 CNT가 빠지는 양의 비율이 적은 레진 함량을 갖는 프리프레그에서의 그 비율보다 적다는 것이다.

이러한 CNT 필터링 효과로 인해 레진 함량이 다른 프리프레그를 통해 복합재료를 제작할 경우 유전율 차이를 보이며 레진 함량이 많으면 많을수록 CNT 필터링 효과가 커져 유전율이 증가하는 경향을 보인다.

기존에는 요구사항에 따라 적합한 CNT 함량이 분산된 프리프레그를 생산해야만 했다. 하지만 본 발명에 따른 복합재료 제조방법에 의하면 복합재료의 전자기 특성, 특히 유전율이 레진 함량(resin content)에 따라 변하기 때문에 다양한 전자파흡수구조 설계가 가능하다.

프리프레그의 생산시 레진 함량을 조절함으로써 동일한 재료를 이용하여 여러 번의 작업을 거치지 않음으로써 설계 요구사항에 맞게 다양한 설계가 가능하다. 이 또한 전자파흡수대역에서 X-band (8.2GHz-12.4GHz)가 아닌 Ku-band (12.4GHz-18GHz)와 C-band (4GHz-8GHz)와 같이 다양한 주파수영역에 대해 원하는 설계가 가능하다.

실험예 2

도 8은 glass/CNT1.8-ep 복합재료의 레진 함량과 복소 유전율의 혼합법칙을 나타낸 그래프이다. 실험예 1의 결과와 같이, 레진 함량이 다른 프리프레그를 이용하여 복합재료를 적층할 경우 레진 함량이 많을수록 유전율이 증가한다. 이러한 경향을 통해 서로 다른 레진 함량을 갖는 두 종의 프리프레그를 반반씩 교차 적층할 경우 최종 적층된 복합재료의 레진 함량은 중간값이 나와야 한다. 실제 그 중간값에 해당하는 레진 함량을 갖는 복합재료의 유전율을 혼합법칙(rule of mixture)을 이용하여 계산한 이론값과 실제 두 종을 이용하여 적층한 복합재료의 유전율의 실험값이 동일하게 나타나는지를 도 8을 통해 확인할 수 있다.

서로 다른 유전율을 갖는 A와 B를 이용할 경우 각각을 14장씩 적층한 복합재료의 성형 후 복소 유전율은 각각 11.89-j8.52와 10.23-j4.33을 나타낸다. 이 두 종의 프리프레그를 각각을 7장씩 번갈아가며 적층 할 경우 혼합법칙(mixture rule)에 의해 계산된 복소 유전율은 11.06-j*6.42를 나타내며 실제 제작한 복합재료의 복소 유전율은 10.48-j*6.03를 보여준다.

예측값과 실험값을 비교할 경우 복소 유전율 차이는 0.58-j*0.39가 났다. 이는 5%내의 값으로 유전율 측정시 발생할 수 있는 오차 범위에 존재한다. 따라서 서로 다른 레진 함량을 갖는 두 종의 프리프레그를 가지고 절반씩 교차 적층해서 제작할 경우 성형된 복합재료의 유전율은 각각을 따로 제작하여 만든 복합재료의 유전율의 평균값을 보이는 것을 알 수 있다.

실험예 3

실험예 1 및 2로부터 서로 다른 레진 함량을 갖는 프리프레그를 8가지로 나눠 복합재료를 제작하여 유전율을 확인하였으며 이때 프리프레그의 레진 함량이 증가함에 따라 나노물질의 필터링이 증가하여 유전율이 증가한다는 것을 알았다. 따라서 동일한 재료를 이용하여 CNT의 무게 분율이 같지만 서로 다른 레진 함량을 갖는 프리프레그를 제작함으로써 유전율 차이를 볼 수 있었다.

본 예는 도 7에 의한 유전율 차이를 이용하여 도 1의 단층형 (dallenbach) 흡수체에 대한 다양한 설계 가능성에 대해 확인하였다. 이와 같이 단층형 흡수체의 설계두께 및 최대 흡수성능 결과가 표 1에 나타나 있다.

표 1은 레진 함량에 따른 복합재료의 단층형 및 다층형 흡수체의 설계값과 최대 흡수성능을 나타낸다.

도 9는 glass/CNT1.8-ep 복합재료를 사용한 단층형 전자기파 흡수 구조체의 레진 함량에 따른 반사손실을 나타낸 그래프이다. 표 1의 8가지의 프리프레그를 통해 X-band에서 단층형 (Dallenbach layer) 흡수체를 설계할 경우, 도 9와 같은 흡수 성능을 보여준다.

단층형 전자파흡수구조(single layer radar absorbing structure)로 설계할 경우, 각각의 레진 함량에 따라 설계 두께가 다르며 성능 또한 모두 다르게 나타나는 것을 알 수 있다.

레진의 함량이 37 내지 42% 인 경우 흡수성능이 우수하게 나타났다. 이와 같이 단층형 흡수체 경우 레진 함량이 가장 작은 39.0%일 때가 설계 두께 2.36mm로 흡수성능은 가장 좋았으며, 레진 함량이 가장 많은 46.0%일 때의 설계 두께가 2.12mm로 흡수성능은 가장 안 좋은 것을 알 수 있다. 이를 통해 흡수성능 면에서 가장 좋은 단층형 흡수체를 구현하기 위해서는 레진 함량이 39.0%일 때의 복합재료를 사용하여야 한다. 하지만 설계 두께 면에서는 흡수성능이 가장 좋지 않은 46.0%보다 0.24mm 두꺼운 것을 알 수 있다. 이처럼 90psi의 압력 조건으로 CNT를 1.8wt% 분산시켜 프리프레그를 통해 단층형 복합재료를 설계하기 위해서는 최적 설계값으로 프리프레그의 레진 함량이 39.0%인 경우 흡수성능이 우수함을 알 수 있다.

실험예 4

실험예 3의 단층형 흡수설계와 같이 다층형 흡수체(multi-layer radar absorbing structure) 설계에 있어서도 각각의 재료를 이용하여 해석을 하였다. 이를 위해 Glass/Ep prepreg와 Glass/CNT1.8-Ep prepreg 두 재료를 흡수체 앞면과 뒷면으로 적용하여 제작할 경우 표 1과 같이 설계가 가능하며 이에 대한 흡수성능이 도 10에 나타나있다.

도 10은 glass/CNT1.8-ep와 glass/ep 복합재료를 사용한 이층형 전자기파 흡수 구조체(double-layer radar absorbing structure)의 레진 함량에 따른 반사손실을 나타낸 그래프로서, 단층형 흡수체에 비해 어느 레진 함량을 갖는 프리프레그라도 -10dB 이상의 흡수성능을 보이며 중심주파수에서 거의 -∞의 값을 갖는 것을 알 수 있다. 그러므로 단층형보다 이층형 설계시 흡수성능 면에서 매우 유리한 것을 알 수 있다. 하지만 이층형으로 설계함으로써 흡수체의 설계 두께가 모두 2.83mm부터 3.19mm까지 증가하는 것을 알 수 있다.

앞선 단층형 흡수체의 최적 성능시 최대 설계 두께가 2.36mm였으므로 최소 0.47mm에서 최대 0.83mm까지 증가하는 것을 알 수 있다. 이처럼 단층형보다는 20%에서 35%까지 설계 두께가 증가하는 것을 알 수 있다. 그러므로 X-band에서 -10dB이상의 전자파흡수를 발현하는 이층형 흡수체는 설계 두께면에서 가장 얇은 2.83mm의 설계 두께의 레진 함량이 39.0%의 복합재료가 사용되어야 한다.

기존에는 CNT와 같은 나노물질을 분산시킴에 있어서 분산된 무게 분율(weight fraction)에 의해 유전율을 조절하면서 설계 및 제작을 하였다. 이로 인해 설계 요구사항에 따라 CNT의 함량을 조절해가며 재료의 적합성을 확인한 후 흡수체를 설계하고 제작해야 하기 때문에 프리프레그 제작 및 흡수체 제작에 비용 및 시간 소모가 많이 들어 비효율적이다. 이는 레진에 CNT를 분산시킨 후 프리프레그를 생산하는 작업에 있어서 불확실도(uncertainty)가 많아 프리프레그의 다양한 제작엔 한계가 존재하기 때문이다.

하지만 본 발명의 전자기파 흡수 구조체는 동일한 CNT 무게 분율을 갖는 프리프레그 이용하면서 레진 함량에 따라 복합재료 유전율이 변하는 것을 알 수 있었다. 이처럼 레진 함량에 의해 단층형 및 다층형 흡수체를 설계하는데 있어서 다양한 종류의 설계치를 얻을 수 있다. 무엇보다 CNT의 무게 분율을 완전히 정하지 않고서도 대략적인 설계 근사치만 있더라도 레진 함량을 조절하여 대량샌산을 위한 프리프레그 제작에 필요로 하는 시간과 비용을 절감할 수 있다.

3상 형태의 복합재료 특징을 이용하였기 때문에 실험예들에서 사용된 탄소나노튜브 재료 이외의 모든 나노물질과 에폭시 수지 이외의 모든 수지에도 모두 적용이 가능하다. 즉, 항상 정지해 있는 고체의 섬유 물질과 달리 나노사이즈의 고체와 수지의 액상이 서로 다른 유동 성질 가지고 있기 때문에 성형 후 최종적으로 복합재료에 남아 있는 세 가지 재료의 비율이 초기와는 달라지는 점을 이용할 수 있다.

따라서 실험예들에서 제시한 재료 이외에 동일한 성질을 갖는 모든 재료에 적용이 가능하다. 다시 말해, 나노손실재료로는 유전재료와 자성재료 모두 고체상태의 나노 사이즈로 분산이 된다면 탄소나노튜 대신 사용이 가능하다. 또한 수지로는 에폭시와 같은 열경화성 수지와 폴리에틸렌과 같은 열가소성 수지 모두 적용이 가능하다. 다양한 적용 가능성으로 인해 본 연구에서 제시한 방법을 이용하면 다양한 유전율 및 투과율을 얻을 수 있고 이를 통해서 다양한 전자파흡수구조체를 자유롭게 설계할 수 있을 것이다.

이와 같이, 본 발명은 고분자계열의 수지 및 나노 물질로 이루어진 레진과 강화섬유를 포함하는 프리프레그에서 레진 함량에 따라 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료로서, 나노 물질의 필터링 효과로 인한 레진 함량에 따른 복합재료 전자기 특성 변화를 이용한 다양한 전자기파 흡수 구조체를 설계할 수 있다. 또한, 동일한 흡수 대역의 요구사항에서 다양한 형태의 설계가 가능하며 또한 한 가지 흡수 대역이 아닌 다양한 흡수 대역에 맞도록 단일 재료로 설계할 수 있으며, 고분자 수지는 열가소성 수지 및 열경화성 수지 모두 적용이 가능하고, 나노 물질은 유전성 손실재료 및 자성 손실재료 모두 적용이 가능하여 다양한 전자기파 흡수 구조체를 설계할 수 있다.

이상에서는 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10: 몰드 20: 이형필름
30: 프리프레그 40: 필플라이
50: 천공이형필름 60: 브리더
70: 진공 백 필름 80: 진공 백 실란트 테이프

Claims (18)

1. 고분자계열의 수지 및 나노 물질로 이루어진 레진과 강화섬유를 포함하는 프리프레그에서 레진 함량(resin content)을 조절하는 단계;
   상기 프리프레그와 필플라이(peel ply), 천공이형필름(perforated film) 및브리더(bleeder)의 성형 부자재를 적층하는 단계 및
   상기 적층된 프리프레그와 성형 부자재에 압력을 가함으로써, 브리더에 레진을 유출하여 전자기 특성을 제어하는 오토클레이브 성형단계를 포함하여,
   나노 물질의 필터링 효과에 의해 레진 함량에 따라 브리더에 유출되는 고분자계열의 수지 및 나노 물질의 비율이 달라져 전자기 특성이 변하는 것을 특징으로 하는 레진 함량에 따른 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 레진 함량 조절 단계는,
   강화섬유 및 고분자계열의 수지로 이루어진 혼합물에 일정한 무게 분율(weight fraction)로 상기 나노 물질을 분산시키는 것을 특징으로 하는 레진 함량에 따른 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료 제조 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 프리프레그 및 성형 부자재를 구성하는 섬유 조직의 갭(gap) 사이즈를 변화시켜 나노 물질의 필터링 효과를 조절하고, 상기 프리프레그 및 성형 부자재의 적층 방향 및 순서를 변화시켜 필터의 크기와 방향을 조절하는 것을 특징으로 하는 레진 함량에 따른 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료 제조 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 오토클레이브 성형단계는,
   일정한 두께로 전자기파 흡수 구조체를 성형하는 것을 특징으로 하는 레진 함량에 따른 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료 제조 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 프리프레그와 성형 부자재 적층 단계는,
   전자기파 흡수 구조체를 성형할 수 있는 몰드를 준비하는 단계;
   상기 몰드 위에 이형필름(release film)을 적층하는 단계;
   상기 이형필름 위에 상기 프리프레그를 적층하는 단계;
   상기 프리프레그 위에 필플라이(peel ply), 천공이형필름(perforated release film), 브리더(bleeder) 및 진공 백 필름(vacuum bag film) 순으로 적층하는 단계 및
   상기 몰드와 상기 진공 백 필름 사이에 진공 백 실란트 테이프(vacuum bag sealant tape)를 사용하여 상기 진공 백 필름과 상기 몰드 사이를 밀폐하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레진 함량에 따른 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료 제조 방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 프리프레그, 필플라이, 천공이형필름 및 브리더는 점차적으로 증가되는 면적을 갖도록 형성되어, 하부층이 노출되지 않도록 적층하는 것을 특징으로 하는 레진 함량에 따른 레진 함량에 따른 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료 제조 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 오토클레이브 성형단계는,
   진공펌프에 연결된 호스를 진공 백 커넥터(vacuum bag connector)에 연결하여 상기 적층된 프리프레그와 성형 부자재에 진공압을 가하는 단계 및
   상기 적층된 프리프레그와 성형 부자재를 오토클레이브에 넣고 열과 압력을 가하는 가온가압단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레진 함량에 따른 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료 제조 방법.
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