KR102255594B1 - 탄소섬유 복합재를 이용한 구조물용 고강화 구조부재의 제조방법 및 이를 이용한 가설구조물 구축방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 경량성이 우수한 탄소섬유를 이용하여 가설구조물 설치용 건축자재를 제작하고, 여기에 열경화성 또는 열가소성 수지를 함침하거나 표면처리 공정을 추가하여 자체 물성을 개선시킴에 따라 우수한 내구성을 확보하고, 더불어 이를 이용하여 가설구조물을 구축하되 와이어를 다이아몬드 구조공법으로 보강함으로써 가설구조물에 발생하는 누적 하중을 효과적으로 분산시킴에 따라 안전성이 확보됨은 물론, 반영구적인 사용 연한으로 반복적인 재사용이 가능한 탄소섬유 복합재를 이용한 구조물용 고강화 와이어의 제조방법 및 이를 이용한 가설구조물 구축방법에 관한 것으로, 탄소섬유를 공급받아 골조(1) 및 골조 보강용 와이어(2)와 연결봉(3)으로 성형하는 제품 성형단계(S100);와, 성형물을 기설정된 규격으로 재단하거나 연마하는 제품 커팅단계(S200);와, 커팅된 성형물을 진공의 조건에서 속 경화 처리하는 제품 건조단계(S300);와, 건조된 성형물에 열경화성 또는 열가소성 수지를 함침 내지 프라이머 도포하는 제품 후처리단계(S400);를 거쳐 탄소섬유 복합재 고강화 와이어를 제조하고, 탄소섬유에 열경화성 내지 열가소성 수지로 함침, 코팅한 골조(1) 및 보강용 와이어(W)를 준비하는 자재 준비단계(S10);와, 지반에 복수의 골조(1)를 수평 배치하여 무대를 구축하고, 무대의 가장자리로 골조를 입설시켜 기둥과 천장을 구축하는 구조물 시공단계(S20);와, 상기 기둥과 천장을 이루는 골조(1)와 골조 사이마다 보강용 와이어(W)를 복수 설치하는 구조물 보강단계(S30);를 거쳐 비상설 구조물을 구축한다.

Description

탄소섬유 복합재를 이용한 구조물용 고강화 구조부재의 제조방법 및 이를 이용한 가설구조물 구축방법{Manufacturing method for carbon fiber wires}

본 발명은 탄소섬유 복합재를 소재로 한 고강화 와이어와 이를 이용한 가설구조물 구축방법에 관한 기술사상을 개진한 것으로, 더욱 상세하게는 경량성이 우수한 탄소섬유를 이용하여 건축용 와이어를 제작하되 열경화성 또는 열가소성 수지를 이용한 후처리 공정을 통해 탄소섬유의 자체 물성을 개선 유도할 뿐 아니라 해당 와이어를 기설정된 사선방향으로 교차 배치하는 다이아몬드 구조공법에 기인하여 설정 수준의 텐션 유지 및 가설구조물에 발생하는 누적 하중을 효과적으로 분산시킴에 따라 소량의 골조로 이루어진 가설구조물에도 지지력 내지 내구성 등이 견고하게 유지되어 안전성 확보에 기여하는 탄소섬유 복합재를 이용한 구조물용 고강화 구조부재의 제조방법 및 이를 이용한 가설구조물 구축방법에 관한 것이다.

통상적으로 비상설 구조물은 골조의 상호 결합만으로 설치가 이루어지고, 이러한 골조의 입설방향과 지지력 및 지탱력을 유도하기 위해 골조와 골조 사이에 와이어를 복수 연결한 후 장력을 부여한다.

상기와 같이 구조물을 와이어로 고정하는 기술사례 중 일례로 등록특허공보 제10-0589975호 "아이볼트 및 와이어로프를 이용한 구조물 전단보강시스템"이 게재되어 있으며, 해당 기술은 빔(Beam)과 같은 콘크리트 구조물의 전단보강을 위한 기술로서, 아이볼트에 구속된 와이어로프가 전단보강방향(종방향 또는 횡방향)으로 피보강구조물을 감싸도록 설치하되, 상기 와이어로프는 구조물 측면 및 슬래브에 고정시킨 정착구에 정착되고, 압접부재에 의하여 상기 와이어로프가 아이볼트로부터 풀려지지 않도록 함으로서 결국 와이어로프가 전단보강방향으로 구조물을 조여 구조물의 전단보강이 가능하도록 구성한 기술이다.

구조물에 설치된 와이어가 본연의 기능을 충실히 이행하기 위해서는 결합된 공간 사이에서 장력이 유지되어야 하며, 이러한 장력 조절을 보다 편리하게 실시할 수 있는 기술이 개발되었다. 일례로 등록실용신안공보 제20-0354021호 "구조물 보강용 와이어 인장기"가 게재되어 있으며, 해당 기술은 적정량으로 제공되는 압력을 직접 제공받는 로드하우징의 서브실린더실 내주연에 단턱을 다단으로 형성시킴으로서 동일 압력과 비례하는 면적을 다 분할함에 따라 압력을 제공받는 단위 면적은 그대로 유지하는 동시에 압력의 세기는 유지하면서 인장기의 직경을 대폭 줄일 수 있도록 하여 제품의 크기를 소형화 시킬 수 있도록 하는 구조물 보강용 와이어 인장기를 제공하는 것에 목적이 있다.

상기와 같이 구조물용 와이어는 사용상 자체적인 내구성이 우수하여야 하며, 장력 유지가 간편하게 이루어져야 하기 때문에 와이어를 구성하는 소재 선택은 매우 중요한 요인이다.

일례로 등록특허공보 제10-0829001호 "유리섬유 또는 탄소섬유 위에 탄소나노와이어를 직접합성하는 방법 및 이를 이용한 강화복합체 제조방법"이 게재되어 있으며, 해당 기술은 와이어의 소재로 인장강도, 탄성율, 경량성, 내화학성, 내구성, 내열성, 내진성, 내풍성, 전기전도성 등이 우수한 탄소섬유를 사용하되, 자체적인 성능 개선을 위해 유리섬유 위에 나노크기의 금속촉매입자를 간단한 방식으로 코팅하고, 이 금속을 매개체로 이용하여 탄소나노섬유를 합성하는 방법과 탄소섬유 위에 금속촉매입자를 간단한 방식으로 코팅하고, 이 금속을 매개체로 이용하여 탄소나노튜브를 합성하는 방법, 그리고 유리섬유와 탄소섬유에 합성되는 탄소나노와이어들의 형상 제어 및 성장 밀도분포 제어 등에 관한 기술을 제공한다.

상기와 같이 탄소섬유는 우수한 경량성은 물론, 인장강도, 탄성율, 경량성, 내화학성, 내열성, 내진성, 내풍성, 전기전도성 등 기존 소재와 비교할 수 없을 정도의 성능이 보유되어 구조물용 와이어로써 탁월한 평가를 받으면서 많은 건축업계에서는 탄소섬유를 이용하여 구조물용 와이어를 제작, 사용하고 있으나 이를 채택한 구조물이 전도되는 현상이 빈번하게 발생하였고, 이러한 현상은 구조물용 와이어로 사용된 탄소섬유의 낮은 내구성이 그 원인으로 밝혀져 이를 보완하기 위한 각고의 노력이 이루어지고 있다.

이러한 노력 중 하나로 부족한 내구력을 보완하기 위해 더욱 많은 보강용 골조를 투입하여 구조물을 구축하고 있으나, 이는 다시 건축물의 누적 하중을 증가시킴은 물론 추가 투입된 보강용 골조만큼 자재비가 증가하는 또 다른 문제점을 야기하였다.

이에 따라 최소한의 건축자재만으로도 견고한 내구성을 지닌 가설구조물을 신속 간편하게 구축할 수 있는 탄소섬유 복합재를 이용한 가설구조물의 시공법이 필요한 시점이다.

대한민국등록특허공보 제10-0589975호 "아이볼트 및 와이어로프를 이용한 구조물 전단보강시스템" 대한민국등록실용신안공보 제20-0354021호 "구조물 보강용 와이어 인장기" 대한민국등록특허공보 제10-0829001호 "유리섬유 또는 탄소섬유 위에 탄소나노와이어를 직접합성하는 방법 및 이를 이용한 강화복합체 제조방법"

본 발명은 상기의 제반 문제점을 보다 적극적으로 해소하기 위하여 창출된 것으로, 탄소섬유를 이용하여 건축용 자재 보강용 와이어를 생산하되 각종 후처리 공정을 별도 진행함으로써 건축용 자재로써의 부족한 내구성을 적극 보완할 수 있는 기술 제공을 주된 해결과제로 한다.

또한, 본 발명은 가설구조물에 보강용 와이어를 기설정된 사선방향으로 상호 교차 설치하여 구조물의 균형과 지탱 및 지지를 적극 보완하는 기술을 제공함으로써, 소량의 골조만으로 견고한 가설구조물을 구축할 수 있는 기술 제공을 다른 해결과제로 한다.

또한, 본 발명은 가설구조물 설치용 건축자재를 생산하는 과정에서 각 공정별로 특화된 가공장치를 배치함으로써 우수한 품질의 제품을 생산되게 하고, 이를 기반으로 자동화 라인을 구축하여 쾌적한 작업환경에서 우수한 품질의 가설구조물용 건축자재를 신속하게 생산할 수 있도록 기술을 제공하는 것이 또 다른 해결과제이다.

상기의 해결 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서 제안하는 탄소섬유 복합재를 이용한 구조물용 고강화 구조부재의 제조방법 및 이를 이용한 가설구조물 구축방법은 다음과 같다.

먼저, 탄소섬유 복합재를 이용한 구조물용 고강화 구조부재의 제조방법은 하기와 같다.

본 발명의 고강화 와이어의 제조방법은 보빈에 권취된 탄소섬유를 공급받아 권선적층방식으로 골조 및 와이어를 성형하고, 자체적으로 물성을 개선하기 위해 성형된 골조와 와이어에 열경화성 또는 열가소성 수지를 함침하거나 프라이머 도포로 표면처리하는 것을 특징으로 한다.

이에 따라 본 발명은 탄소섬유를 공급받아 골조(1) 및 골조 보강용 와이어(2)와 연결봉(3)으로 성형하는 제품 성형단계(S100);와, 성형물을 기설정된 규격으로 재단하거나 연마하는 제품 커팅단계(S200);와, 커팅된 성형물을 진공의 조건에서 속 경화 처리하는 제품 건조단계(S300);와, 건조된 성형물에 열경화성 또는 열가소성 수지를 함침하거나 프라이머 도포하는 제품 후처리단계(S400);로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제품 성형단계(S100)는 편조기(braiding machine)를 이용하며, 탄소섬유 원사와 프리폼 및 중간재를 보빈에 권취하여 준비하는 원사 준비단계(S110);와, 준비된 원사를 편조기의 투입구에 교차 투입하는 원사 세팅단계(S120);와, 각 원사가 세팅된 투입구의 중심축 방향으로 맨드럴을 통과시켜 주축의 형상으로 감싸며 직조하는 성형물 가공단계(S130);로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제품 성형단계(S100)는 권선기(Winding machine)를 이용하며, 탄소섬유 원사와 프리폼 및 중간재를 보빈에 권취하여 준비하는 원사 준비단계(S110);와, 준비된 원사를 권선기의 가공축에 배치하는 원사 세팅단계(S120);와, 제어부에 설정된 프로그램을 기반으로 4축의 위치 연동이 제어됨에 따라 가공축을 기점으로 주축의 형상으로 감싸며 직조하는 성형물 가공단계(S130);로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제품 후처리단계(S400)는 함침기를 이용하며, 열경화성 또는 열가소성 수지가 담수된 수지탱크 성형물을 장입하고, 설정압력을 가하여 수지를 함침하는 수지 함침단계(S410);와, 수지가 함침된 성형물의 표면에 열경화성 또는 열가소성 수지를 프라이머 도포하는 수지 표면처리단계(S420);로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 수지 함침단계(S410)는 탄소섬유 성형물을 탈지 및 탈수한 후 열경화성 또는 열가소성 수지가 담수된 수지탱크에 장입하여 함침하는 함침 전처리단계(S411);와, 수지가 함침된 탄소섬유 성형물을 원심분리한 후 세척 및 건조하는 함침 후처리단계(S412);로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 수지 표면처리단계(S420)는 함침이 완료된 탄소섬유 성형물을 탈지와 탈수 및 샌딩처리를 순차 진행한 후 표면에 열경화성 또는 열가소성 수지를 프라이머 도포하는 표면 전처리단계(S421);와, 수지가 도포된 탄소섬유 성형물을 70 내지 80℃로 1차 열처리한 후 다시 290 내지 300℃의 고온에서 2차 열처리하는 표면 후처리단계(S422);로 구성되는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 고강화 구조부재를 이용한 가설구조물 구축방법은 하기와 같다.

본 발명의 가설구조물 구축방법은 탄소섬유에 열경화성 또는 열가소성 수지를 함침 내지 표면에 코팅한 골조(1) 및 보강용 와이어(W)를 준비하는 건축자재 준비단계(S10);와, 지반에 복수의 골조(1)를 수평 배치하여 무대를 구축하고, 무대의 가장자리로 골조를 입설시켜 기둥과 천장을 구축하는 가설구조물 시공단계(S20);와, 상기 기둥과 천장을 이루는 골조(1)와 골조 사이마다 보강용 와이어(W)를 복수 설치하는 구조물 보강단계(S30);로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 보강용 와이어(W)는 골조와 골조 사이를 연결하는 와이어(2) 및 와이어를 골조에 결합시키는 연결봉(3)으로 이루어지고, 상기 와이어(2)는 양단에 나사부가 구비되어 연결봉(3)이 각각 결합하고, 상기 연결봉(3)은 가설구조물을 이루는 각 골조에 연결된 상태에서 와이어 또는 연결봉의 조임정도에 따라 장력 여부가 결정되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 구조물 보강단계(S30)는 보강용 와이어를 다이어몬드 구조 공법에 기반하여 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 구조물 보강단계(S30)는 가설구조물의 정면 골조에 보강용 와이어를 설치하는 정면부 보강단계(S31);와, 가설구조물의 측면 골조에 보강용 와이어를 설치하는 측면부 보강단계(S32);로 순차 진행되고, 상기 정면부 보강단계(S31)는 천장의 중심부에서 무대 좌측 가장자리로 제1,2와이어(2-1, 2-2)를 연결하고, 천장의 중심부에서 무대 우측 가장자리로 제3,4와이어(2-3, 2-4)를 연결하는 정면부 제1보강단계(S31-1);와, 천장의 좌측 가장자리에서 무대 중심부로 제5와이어(2-5)를 연결하고, 천장의 우측 가장자리에서 무대 중심부로 제6와이어(2-6)를 연결하는 정면부 제2보강단계(S31-2);로 구성된다.

상술한 구성으로 이루어지는 본 발명에 의하면, 탄소섬유 48K를 적용한 와이어로 골조 간 장력을 조절함으로써 비상설 구조물에 가해지는 수직 하중과 수평하중에 의한 휨 모멘트의 한계허용치를 효율적으로 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 조밀 구조로 적층 하중을 증가시키는 기존의 기술과는 달리, 경량성이 우수한 탄소섬유를 사용함과 더불어 열경화성 또는 열가소성 수지를 이용한 표면처리 기술을 적용하여 구조물용 와이어의 사용량을 최소화함으로써 자재비를 절감하고 신속한 작업을 유도하면서 비상설 구조물에 가해지는 하중 감소를 통해 안전성 및 안정성을 확보할 수 있는 다른 효과가 있다.

또한, 본 발명은 내화학성, 내식성 등이 우수하여 반영구적인 사용연한으로 반복적인 재사용이 가능하여 비상설 구조물의 활용 및 보관이 매우 편리하고, 덧붙여 비상설 구조물에 설치되는 스피커 또는 특수조명과 같이 고중량의 시설장비 설치에도 탁월하여 범용성이 우수한 또 다른 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 의하여 구성되는 고강화 와이어의 제조방법을 순차적으로 나열한 플로차트.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 의하여 구성되는 고강화 와이어의 제조공정을 정면도로 나타낸 레이아웃.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 의하여 구성되는 편조기의 사시도.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 의하여 구성되는 권선기의 사시도.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 의하여 구성되는 커팅기의 사시도.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 의하여 구성되는 건조기의 사시도.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 의하여 구성되는 후처리장치의 사시도.
도 8은 가설구조물의 정면도와 측면도.
도 9는 본 발명의 와이어와 연결봉의 결합관계를 나타낸 단면도.
도 10은 본 발명이 제안하는 방법에 의해 제조된 골조 및 고강화 와이어를 이용하여 가설구조물의 구축과정을 순서대로 나열한 플로차트.
도 11은 본 발명이 제안하는 방법에 의해 제조된 골조 및 고강화 와이어를 이용하여 구축된 가설구조물의 사시도.
도 12는 가설구조물의 정면도.
도 13은 가설구조물의 측면사시도.
도 14는 본 발명의 실시 양태를 기존과 대비하여 예시적으로 도시한 사용 상태도.

이하, 첨부도면을 참고하여 본 발명의 구성 및 이로 인한 작용, 효과에 대해 일괄적으로 기술하기로 한다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 그리고 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

본 발명은 탄소섬유 복합재를 이용한 구조물용 고강화 구조부재의 제조방법 및 이를 이용한 가설구조물 구축방법에 관하여 개진한 것이다.

무엇보다, 본 발명은 경량성이 우수한 탄소섬유를 이용하여 건축용 와이어를 제작하되 열경화성 또는 열가소성 수지를 이용한 후처리 공정을 통해 탄소섬유의 자체 물성을 개선함으로써 부족한 내구성을 적극 보완하였으며, 특히 해당 와이어를 기설정된 사선방향으로 교차 배치하는 다이아몬드 구조공법에 기인하여 가설구조물에 발생하는 누적 하중을 효과적으로 분산시킴에 따라 소량의 골조로 이루어진 가설구조물에도 지지력, 지탱력 등이 충만하게 제공되어 안전성이 확보되는 탄소섬유 복합재를 이용한 구조물용 고강화 구조부재의 제조방법 및 이를 이용한 가설구조물 구축방법에 관련됨을 주지한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 의하여 구성되는 고강화 와이어의 제조방법을 순차적으로 나열한 플로차트이다.

본 발명은 보빈에 권취된 탄소섬유를 공급받아 권선적층방식으로 골조 및 와이어를 성형하고, 자체적으로 물성을 개선하기 위해 성형된 골조와 와이어에 열경화성 또는 열가소성 수지를 함침하거나 프라이머 도포로 표면처리하는 것을 주된 목적으로 한다.

이러한 목적 달성은 도 1를 참고하여 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 골조(1)와 보강용 와이어(W)는 탄소섬유로 제조되며, 다음과 같은 단계를 거쳐 이루어진다.

먼저, 탄소섬유를 공급받아 골조(1) 및 골조 보강용 와이어(2)와 연결봉(3)으로 성형하는 제품 성형단계(S100);와, 성형물을 기설정된 규격으로 재단하거나 연마하는 제품 커팅단계(S200);와, 커팅된 성형물을 진공의 조건에서 속 경화 처리하는 제품 건조단계(S300);와, 건조된 성형물에 에폭시 수지를 함침하고 표면에 테프론 수지를 프라이머 도포하는 제품 후처리단계(S400);로 구성된다.

상기 제품 성형단계(S100)는 제품의 형상에 따라 편조기(braiding machine) 또는 권선기(Winding machine) 중 어느 하나를 택일하여 성형 가공된다.

도 3은 편조기(100A)에 관한 것으로, 상기 편조기는 직선 형상에 대한 가공이 탁월하여 관체(PIPE)나 와이어(WIRE) 등을 생산하는데 매우 효율적이다.

상기 편조기(100A)는 중심부가 내통되어 로봇(R)이 제공하는 관(a)의 진입을 허용하는 바디(110A); 및 바디의 가장자리 영역에서 탄소섬유 원사가 권취된 복수의 롤러(120A);와, 바디의 전방에서 다소 이격된 위치에 배치되어 로봇이 제공하는 관의 진입 위치 선정 및 경로를 제공하면서 롤러에 권취된 탄소섬유가 세팅되는 투입구(130A);로 구성된다.

상기와 같은 구조로 이루어지는 편조기(100A)는 탄소섬유 원사와 프리폼 및 중간재를 보빈에 권취하여 준비하는 원사 준비단계(S110);와, 준비된 원사를 편조기의 투입구에 교차 투입하는 원사 세팅단계(S120);와, 각 원사가 세팅된 투입구의 중심축 방향으로 맨드럴을 통과시켜 주축의 형상으로 감싸며 직조하는 성형물 가공단계(S130);로 구성된다.

도 4는 권선기(100B)에 관한 것으로, 상기 권선기는 4축의 위치 가변이 자유로워 다양하고 복잡한 형상의 건축자재를 생산하는데 매우 효율적이다.

상기 권선기(100B)는 이동식 베어링(LM guide) 등에 의해 사방위로 이동 가능하게 설치되는 메인프레임(110B)와, 메인프레임의 상단에서 수직 입설된 캐비넷의 내부에 일정한 배열로 복수 설치되어 탄소섬유를 공급하는 보빈(120B)과, 보빈으로부터 탄소섬유를 공급받아 다양한 형태로 권선하여 성형 가공되게 하는 가공축(130B)으로 구성된다.

상기와 같은 구조로 이루어지는 권선기(100B)는 탄소섬유 원사와 프리폼 및 중간재를 보빈에 권취하여 준비하는 원사 준비단계(S110);와, 준비된 원사를 권선기의 가공축에 배치하는 원사 세팅단계(S120);와, 제어부에 설정된 프로그램을 기반으로 4축의 위치 연동이 제어됨에 따라 가공축을 기점으로 주축의 형상으로 감싸며 직조하는 성형물 가공단계(S130);로 구성된다.

상기 제품 커팅단계(S200)는 상기 제품 성형단계(S100)에서 편조기(braiding machine) 또는 권선기(Winding machine)를 통해 성형 가공된 성형물(골조, 와이어, 연결봉)을 기설정된 균일한 크기로 재단 또는 절단 또는 절삭 또는 연마하는 공정이다.

상기 제품 커팅단계(S200)는 성형물을 커팅가공 하기 위해 워터젯 커팅기 또는 초음파 커팅기를 사용하며, 도 5는 바람직한 실시 예를 목적으로 워터젯 커팅기를 도시하였으나 이는 단순 실시 예일 뿐 한정하는 것은 아니다.

상기 제품 커팅단계(S200)를 설명하기에 앞서 본 발명의 보강용 와이어(W)는 골조와 골조 사이에 배치되어 골조 간 상호 이음이 이루어지는 와이어(2)와, 와이어의 양 단부에 결합하여 와이어를 골조 설치되게 하는 연결봉(3)으로 구성된다.

상기 와이어(2)는 양단에 연결봉(3)이 결합될 수 있도록 볼트와 같이 나사산을 구비하고, 상기 연결봉은 와이어의 나사산과 대응하는 사사홀이 구비되어 상호 나사 체결에 의해 일체화된다. 이러한 결합구조를 가진 보강용 와이어(W)는 와이어(2) 또는 연결봉(3)을 회전시켜 조임 정도에 따라 장력 여부가 결정되어 가설구조물의 지지력을 제어하는데 매우 중요한 역할을 수행한다.

이렇듯 중요한 역할을 수행하는 와이어(2)를 만약 일반 커팅기로 재단할 경우 고속으로 회전하는 커팅날이 와이어를 재단하면서 상호 마찰에 의해 절단면은 열변형이 발생하고, 이로 인해 절단면 상에 나사산을 가공할 수 없었다.

이러한 이유로 재단과정에서 열변형이 발생하지 않는 워터젯 커팅기와 초음파 커팅기를 사용하는 것이 본 발명의 보강용 와이어(W)를 제조하는데에 중요한 조건임을 강조하는 바이다.

특히, 상기 초음파 커팅기는 난삭재인 탄소섬유를 초음파로 절삭하기 때문에 절삭성과 절삭속도가 향상되어 연결봉을 신속하게 가공할 수 있음은 물론, 10,000rpm으로 부품을 형상 가공하기 때문에 다양한 형상의 연결봉이라도 연마 가공이 가능하다.

상기 제품 건조단계(S300)는 진공조건에서 열을 공급하여 경화하는 Vacuum microwave kiln을 사용한다.

상기 Vacuum microwave kiln은 내부공간을 진공 상태로 형성하는 건조 프레임(310);과, 외부로부터 건조 프레임의 내부를 차폐하는 도어(320);와, 건조 프레임의 내부공간과 연계되어 진공상태를 조성하는 진공펌프(도면 미도시)로 구성된다.

상기 Vacuum microwave kiln은 마이크로웨이브로 재료를 직접 가열함으로써 와이어(2)는 물론, 다양한 형상의 연결봉(3)이라도 신속하고 균일하게 가열할 수 있음에 따라 속경화 시간을 획기적으로 단축할 수 있는 장점이 있다. 특히 본 발명이 제안하는 Vacuum microwave kiln은 대류열을 이용하는 기존의 건조기에 비해 기계적 특성이 우수한 와이어(2) 및 연결봉(3)을 제조할 수 있다.

아래 표 1은 와이어(2)와 연결봉(3)의 후처리 과정을 나타낸 공정표이다.

구분	원료	성형조건				물성 개선
		전처리		후처리
		1차	2차	1차	2차
함침	열경화성 or 열가소성 수지지	진공 작업 탈지/탈수	수지탱크 투입(가압)	원심분리	세척/건조	절연 점착 내충격성
표면 처리		탈지/탈수 후 센딩	프라이머 코팅	열처리 (80℃) 후 투코팅	열처리 (300℃)	절연 내화학성 비점착

<제품의 후처리 공정표>

표 1에 대해 설명하기에 앞서 상기 원료로 지정된 열경화성 또는 열가소성 수지는 에폭시 또는 테프론을 비롯해 LDPE(Low Density Polyethylene), PP(Polypropylene), PS(Polystyrene), PVC(Polyvinyl chloride) 중 어느 하나를 선택하여 구성된다.

상기 표 1과 같이 본 발명은 성형물을 후처리하기 위해 함침기를 이용하며, 에폭시 수지가 담수된 수지탱크 성형물을 장입하고, 설정압력을 가하여 에폭시 수지를 함침하는 수지 함침단계(S410);와, 에폭시 수지가 함침된 성형물의 표면에 테프론 수지를 프라이머 도포하는 수지 표면처리단계(S420);로 구성된다.

상기 수지 함침단계(S410)는 탄소섬유 성형물을 탈지 및 탈수한 후 에폭시 수지가 담수된 수지탱크에 장입하여 함침하는 함침 전처리단계(S411);와, 에폭시 수지가 함침된 탄소섬유 성형물을 원심분리한 후 세척 및 건조하는 함침 후처리단계(S412);로 다시 구분 구성된다.

여기에서 상기 함침 전처리단계(S411)는 탄소섬유 성형물을 진공 환경에서 25 내지 30분간 탈지 및 탈수하여 불순물을 제거하고 이를 수지탱크에 투입한 후 압력을 가하여 수지를 함침하는 조건이 있다. 그리고 상기 함침 후처리단계(S412)는 전처리된 탄소섬유 성형물을 원심분리하여 잔여 수지를 제거하고 탄소섬유 성형물의 표면을 세척 후 190 내지 200℃의 온도 조건에서 건조하는 조건이 있다.

또한, 상기 함침 전처리단계(S411)는 탄소섬유 29 내지 30 중량%와, 열경화성 또는 열가소성 수지 70 내지 71 중량%의 성분비로 함침하는 것이 바람직하다. 예컨대 상기 성분비에 비해 열경화성 또는 열가소성 수지의 첨가량이 초과할 경우 탄소섬유가 가진 내화학성, 내구성, 내열성, 내진성, 내풍성, 전기전도성 등의 성능이 저하될 수 있고, 상기 성분비에 비해 수지의 첨가량이 미달할 경우 수지가 가진 내열성, 전기절연성, 접착성 등의 성능이 저하됨과 더불어 실질적으로 탄소섬유와의 함침이 어려워진다.

상기와 같이 열경화성 또는 열가소성 수지가 함침된 탄소섬유 복합재는 절연성, 점착성, 내충격성의 물성이 적극적으로 개선되어 기존 탄소섬유에 비해 가설구조재로써의 우수한 성능을 발휘할 수 있다.

상기 수지 표면처리단계(S420)는 함침이 완료된 탄소섬유 성형물을 탈지와 탈수 및 샌딩처리를 순차 진행한 후 표면에 테프론 수지를 프라이머 도포하는 표면 전처리단계(S421);와, 테프론 수지가 도포된 탄소섬유 성형물을 70 내지 80℃로 1차 열처리한 후 다시 290 내지 300℃의 고온에서 2차 열처리하는 표면 후처리단계(S422);로 더 구분 구성된다.

상기 표면 전처리단계(S421)는 열경화성 또는 열가소성 수지가 함침된 탄소섬유 성형물을 탈지 및 탈수한 후 샌딩함으로써 수지가 더욱 원활하게 도포될 수 있는 초석을 마련하고, 즉시 표면에 열경화성 또는 열가소성 수지를 프라이머 도포하여 코팅막을 형성한다. 그리고 열경화성 또는 열가소성 수지가 도포된 탄소섬유를 75 내지 80℃의 온도 조건하에서 15 내지 20분간 열처리한 후 열경화성 또는 열가소성 수지를 재도포하여 2중 코팅막을 형성시킨 다음, 2중 코팅막이 형성된 탄소섬유를 190 내지 200℃의 온도 조건하에서 15 내지 20분간 열처리한다.

상기와 같이 열경화성 또는 열가소성 수지가 코팅된 탄소섬유 복합재는 내열성, 내화학성, 비점착 등의 물성이 적극적으로 개선되어 기존 탄소섬유에 비해 가설구조재로써의 우수한 성능을 발휘할 수 있다.

한편, 본 발명의 골조(1)와 와이어(2) 그리고 연결봉(3)은 비상설 구조물의 사용처에 따라 열경화성 또는 열가소성 수지를 이용하여 함침 공정만 진행하여 제조하거나, 또는 코팅 공정만 진행하여 제조되거나, 또는 함침 공정과 코팅 공정 모두 적용하여 제조될 수 있다.

또한, 상기 연결봉(3)은 일반적인 하이텐 전산볼트를 적용, 양쪽으로 배치하고 볼트의 권선을 서로 대칭하는 방향으로 마련하여 상호 장력조절이 용이하도록 설계하는 것이 바람직하다. 단, 상기 볼트 부위와 너트 부위는 하이텐을 적용하되, 상기 연결봉은 탄소섬유 복합재를 혼용하여 제작한다.

이러한 이유는 탄소섬유 복합재는 난삭재이고, 현존하는 가공 기술로는 탄소섬유 복합재에 볼트 및 너트와 같은 권선 가공이 불가능하기 때문이다.

결과적으로 다양한 조건으로 제조 가능하기 때문에 생산자 내지 작업자는 인장강도, 탄성율, 내구성 등의 자체 성능을 선택적으로 보완 가능하여 가설구조물의 시공 안전성을 확보함은 물론, 자재비의 절감이 도모되는 바 각종 비용 절감에 따른 우수한 이점이 있다.

아래는 상기와 같은 공정을 통해 제조된 탄소섬유 복합재로 이루어진 보강용 와이어의 성능을 입증할 시험성적서들을 나열한 것이다.

<한국섬유개발연구원 시험성적서>

상기와 같이 본 발명의 바람직한 실시 예에 의하여 제조된 탄소섬유 복합재를 대구에 소재한 한국섬유개발연구원에 의뢰하여 압축강도와 인장강도에 대한 시험을 실시하였고, 상기 시험성적서와 같은 결과를 도출하였다.

<국제공인시험기관 인정서>

상기와 같이 본 발명의 바람직한 실시 예에 의하여 제조된 탄소섬유 복합재를 대구에 소재한 한국섬유개발연구원에 의뢰하여 국제공인시험기관의 인정서를 발급받았다.

<기술자료임치증>

상기와 같이 본 발명의 바람직한 실시 예에 의하여 제조된 탄소섬유 복합재는 대.중소기업.농어업협력재단으로부터 임치증을 발급받았다.

도 10은 본 발명이 제안하는 방법에 의해 제조된 골조 및 고강화 와이어를 이용하여 가설구조물의 구축과정을 순서대로 나열한 플로차트이다.

도 10에 도시된 바와 같이 본 발명의 가설구조물 구축방법은 탄소섬유에 열경화성 또는 열가소성 수지로 함침 내지 코팅한 골조(1) 및 보강용 와이어(W)를 준비하는 자재 준비단계(S10);와, 지반에 복수의 골조(1)를 수평 배치하여 무대를 구축하고, 무대의 가장자리로 골조를 입설시켜 기둥과 천장을 구축하는 구조물 시공단계(S20);와, 상기 기둥과 천장을 이루는 골조(1)와 골조 사이마다 보강용 와이어(W)를 복수 설치하는 구조물 보강단계(S30);로 구성된다.

상기 자재 준비단계(S10)는 상기 탄소섬유를 이용한 고강화 와이어를 제조하는 방법에서 서술하였으며, 상기 구조물 시공단계(S20)는 탄소섬유 복합재로 이루어진 골조(1)와 보강용 와이어(W)를 사용하는 것이 특징이지만 가설구조물을 구축하는 진행사항은 일반적인 기술이므로 더이상의 설명은 생략한다.

본 발명이 제안하는 가설구조물 구축방법의 핵심적인 특징은 탄소섬유 복합재로 이루어진 골조(1)를 이용하여 가설구조물을 구축하고, 골조와 골조 사이에 탄소섬유 복합재로 이루어진 보강용 와이어(W)를 체결함으로써 지지력을 향상시키는 것이다.

이에 따라 상기 구조물 보강단계(S30)는 보강용 와이어(W)를 다이아몬드 구조 공법에 기반하여 설치되며, 자세한 설명은 도 11 내지 도 13을 바탕으로 설명한다.

상기 다이아몬드 구조공법이란, 골조와 골조 사이를 이은 보강용 와이어(W)의 배치형태가 다이아몬드의 무늬와 유사하여 착안된 것이다.

상세히 설명하자면 상기 구조물 보강단계(S30)는 가설구조물의 정면 골조에 보강용 와이어를 설치하는 정면부 보강단계(S31);와, 가설구조물의 측면 골조에 보강용 와이어를 설치하는 측면부 보강단계(S32);로 순차 진행된다.

상기 정면부 보강단계(S31)는 도 12를 참고할 수 있고, 상기 측면부 보강단계(S32)는 도 13을 참고하면 이해가 수월할 것이다.

도 12에 도시된 바와 같이 상기 정면부 보강단계(S31)는 가설구조물의 무대와 천장의 균형을 유지하기 위한 목적으로 보강하며, 천장의 중심부에서 무대 좌측 가장자리로 제1,2와이어(2-1, 2-2)를 연결하고, 천장의 중심부에서 무대 우측 가장자리로 제3,4와이어(2-3, 2-4)를 연결하는 정면부 제1보강단계(S31-1);와, 천장의 좌측 가장자리에서 무대 중심부로 제5와이어(2-5)를 연결하고, 천장의 우측 가장자리에서 무대 중심부로 제6와이어(2-6)를 연결하는 정면부 제2보강단계(S31-2);로 구성된다.

도 13에 도시된 바와 같이 상기 측면부 보강단계(S32)는 골조(1)를 육면체로 설치함으로써 가설구조물의 무대와 천장을 양측에서 적극적으로 지탱할 수 있는 구조를 채택하며, 해당 구조상에서 4개의 와이어를 서로 상반되는 사선방향으로 설치하여 이루어진다.

다시말해, 육면체의 상단을 평면에서 봤을 때 육면체의 모서리 중 5시 방향의 모서리를 제1부, 7시 방향을 제2부, 11시 방향을 제3부, 1시 방향을 제4부로 지칭하고, 육면체의 하단을 평면에서 봤을때 5시 방향의 모서리를 제5부, 7시 방향을 제6부, 11시 방향을 제7부, 1시 방향을 제8부로 지칭한다고 가정한다.

여기에서 제1부와 제7부에 제7와이어(2-7)가 연결되고, 제2부와 제8부에 제8와이어(2-8)가 연결되며, 제3부와 제5부에 제9와이어(2-9)가 연결되고, 제4부와 제6부에 제10와이어(2-10)가 연결된다.

상기와 같이 연결할 경우 상단 모서리에 연결된 제7,8,9,10와이어(2-7, 2-8, 2-9, 2-10)가 하단의 상반되는 모서리를 잡아당기면서 골조 간 결합력에 팽창력을 부여하게 되어 지지력, 지탱력, 결합력 등을 적극적으로 향상시키게 된다.

상기와 같이 다이아몬드 구조공법은 비상설 가설구조물에 가해지는 하중 압력과 외력의 영향에 따른 구조적 불안정 요소들을 견고하게 지지하여 구조 안정성을 확보할 수 있는 기술로써 본 발명에서는 도면에 도시된 바와 같이 고강화 와이어를 다이아몬드 형상으로 엮어 전단력과 반대 방향으로 동등한 힘의 장력을 유지할 수 있도록 설치한다.

도 14에서 좌측의 도면은 일반 소재로 이루어진 골조 및 와이어로 구축된 가설구조물의 일부를 나타낸 것이고, 우측의 도면은 본 발명의 탄소섬유 복합재로 이루어진 골조(1) 및 보강용 와이어(W)로 구축된 가설구조물의 일부를 나타낸 것이다.

도 14와 같이 일반 소재로 이루어진 가설구조물은 견고한 지지력을 유지하기 위해서 약 5m 내외의 짧은 간격(D)으로 골조를 설치하며, 입설된 골조의 수에 비례하여 더욱 많은 와이어를 설치하여야만 하는바, 필요 수준의 지지력이 유발되게 하기 위해서는 필수적으로 골조와 와이어의 자재비 및 관련 시공비가 증가하는 문제를 해소할 수 없다.

반면, 본 발명에서 특징으로 제안하고 있는 탄소섬유 복합재로 이루어진 가설구조물의 경우 약 5m 간격 혹은 그 이상으로 골조를 설치할 수 있으며, 이러한 경우에도 적정 텐션이 유지되는 수개 와이어에 의해 기존보다 월등한 지지력이 유도될 수 있다. 결국, 기존에 비해 골조 설치 개수 축소와 함께 와이어의 수가 감소되는 등 경제적으로 탁월할 뿐 아니라 일반 가설구조물에 비해 더욱 우수한 견고성을 나타낸다.

상기와 같은 공정을 순차 거쳐 설치된 가설구조물은 다음과 같은 실험을 실시함으로써 본 발명이 제안하는 탄성섬유 복합재 고강화 와이어의 성능을 입증하고자 한다.

- 허용하중 구조해석 테스트(구조용 탄소강관)

(단관파이프)

<압력분포 및 전단력 발생포인트> <휨 모멘트 발생 포인트>

(시스템동바리)

<압력분포 및 전단력 발생포인트> <휨 모멘트 발생 포인트>

- 휨 모멘트 구조해석

a)하중 W를 가할 때 A는 우측으로 수평하중(H)

b)풍하중 - 바람이 부는 방향으로 수평하중

㉠ ㉡

휨 모멘트(M) - ㉠과 같은 풍하중(H)과 압력(P)으로 인해 ㉡과 같은 힘을 받는다.

아래 표 2는 실시예 1과 실시예 2의 실험을 통해 본 발명의 탄소섬유 복합재를 이용한 고강화 와이어의 성능 결과를 기존의 구조용 탄소강를 이용한 와이어와 비교한 것이다.

구 분			구조용 탄소강	탄소복합재	효율
효율성 (성능)	중량		7.89	1.97	405%
	강도		300	3500	1.166%
	탄성		80	220	275%
	내구성	내진	진도 6-	진도 8+	3,200%
		내풍	30	80	266%
		내열	800	3,000	375%
경제성	제조	원료	1	3	33.3%
		운전	2	1	200%
	물류관리		3	2	150%
	유통		3	2	150%
	설계	구조	2	1	200%
		디자인	2	1	200%
	시공	인건	5	1	500%
		자재	3	1	300%
		장비	3	1	300%
친환경성	에너지 절감		2	1	200%
	재활용성		1	3	300%
	후처리		3	1	33.3%
	폐기물		2	1	200%

<제품에 따른 효율성/경제성/친환경성 비교표>

아래 표 3은 상기 비교표를 바탕으로 측정 값을 그래프로 나타낸 것이다.

<구조용 탄소강 와이어와 탄소섬유 복합재 와이어의 성능 비교 그래프>

아래 표 4는 구조용 탄소강 와이어와 탄소섬유 복합재 와이어의 자체 성능을 측정하고, 이를 비교하여 분석한 것이다.

구분	인장 강도 (MPa)	탄성률 (GPa)	* 허용하중			** 내구성(Ass’y)
			무게 (kg)	휨 모멘트 (KN)	안전율 적용 (KN)	내진성 (진도)	내풍성 (m/s)	내열성 (℃)
구조용 탄소강 (C 0.6%-)	300 ~ 400	80 ~ 100	7.89	18+	9	7-	30	800+
실증 Test	O	O	O	O	O	O	O	O
탄소 복합재 (C 92%+)	3500 ~ 4500	220 ~ 250	1.97	180 (파손)	90 (파손)	8+	80	3,000+
실증 Test	O	O	O	O	O	×	×	O

<제품에 따른 자체 성능 비교 분석표>

상술한 바와 같이 본 발명의 탄소섬유 복합재를 이용한 고강화 와이어는 탄소섬유 48K를 적용한 와이어로 골조와 골조간 장력을 조절함으로써 비상설 구조물에 가해지는 수직 하중과 수평하중에 의한 휨 모멘트의 한계허용치를 효율적으로 향상시킬 수 있으며, 더불어 조밀 구조로 적층 하중을 증가시키는 기존의 기술과는 달리, 경량성이 우수한 탄소섬유를 사용함과 더불어 열경화성 또는 열가소성 수지의 함침과 표면처리 기술을 적용하여 구조물용 와이어의 사용량을 최소화함으로써 자재비를 절감하고 신속한 작업을 유도하면서 구조물에 가해지는 하중 감소를 통해 안전성 및 안정성을 확보할 수 있다. 또한, 내화학성, 내식성 등이 우수하여 반영구적인 사용연한으로 반복적인 재사용이 가능하여 비상설 구조물로의 활용 및 보관이 매우 편리하고, 덧붙여 비상설 구조에 설치되는 스피커, 특수조명, 스크린, 촬영용 카메라 등과 같이 고중량의 시설장비 설치에도 탁월하여 범용성이 우수하다.

이상에서 설명한 본 발명은, 도면에 도시된 일실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 명확히 하여야 할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100. 성형기 100A. 편조기
100B. 권선기 200. 커팅기
300. 건조기 400. 함침기
S100. 제품 성형단계 S200. 제품 커팅단계
S300. 제품 건조단계 S400. 제품 후처리단계
S10. 자재 준비단계 S20. 구조물 시공단계
S30. 구조물 보강단계

Claims (9)

1. 탄소섬유를 공급받아 골조(1) 및 골조 보강용 와이어(2)와 연결봉(3)으로 성형하는 제품 성형단계(S100)와, 성형물을 기설정된 규격으로 재단하거나 연마하는 제품 커팅단계(S200)와, 커팅된 성형물을 진공의 조건에서 속 경화 처리하는 제품 건조단계(S300)와, 건조된 성형물에 에폭시 수지를 함침하고 표면에 테프론 수지를 프라이머 도포하는 제품 후처리단계(S400)로 구성되는 탄소섬유 복합재를 이용한 구조물용 고강화 구조부재의 제조방법에 있어서,
   상기 제품 성형단계(S100)는 권선기(Winding machine)에 의해 실시되는 것을 포함하되, 탄소섬유 원사와 프리폼 및 중간재를 보빈에 권취하여 준비하는 원사 준비단계(S110);와, 준비된 원사를 권선기의 가공축에 배치하는 원사 세팅단계(S120);와, 제어부에 설정된 프로그램을 기반으로 4축의 위치 연동이 제어됨에 따라 가공축을 기점으로 주축의 형상으로 감싸며 직조하는 성형물 가공단계(S130);로 구성되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 복합재를 이용한 구조물용 고강화 구조부재의 제조방법.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 제품 성형단계(S100)는 편조기(braiding machine)에 의해 실시되는 것을 포함하되,
   탄소섬유 원사와 프리폼 및 중간재를 보빈에 권취하여 준비하는 원사 준비단계(S110);
   준비된 원사를 편조기의 투입구에 교차 투입하는 원사 세팅단계(S120);
   각 원사가 세팅된 투입구의 중심축 방향으로 맨드럴을 통과시켜 주축의 형상으로 감싸며 직조하는 성형물 가공단계(S130);
   로 구성되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 복합재를 이용한 구조물용 고강화 구조부재의 제조방법.
   
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 제품 후처리단계(S400)는 함침기에 의해 실시되는 것을 포함하되,
   에폭시 수지가 담수된 수지탱크 성형물을 장입하고, 설정압력을 가하여 에폭시 수지를 함침하는 수지 함침단계(S410);
   에폭시 수지가 함침된 성형물의 표면에 테프론 수지를 프라이머 도포하는 수지 표면처리단계(S420);
   로 구성되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 복합재를 이용한 구조물용 고강화 구조부재의 제조방법.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 수지 함침단계(S410)는,
   탄소섬유 성형물을 탈지 및 탈수한 후 에폭시 수지가 담수된 수지탱크에 장입하여 함침하는 함침 전처리단계(S411);
   에폭시 수지가 함침된 탄소섬유 성형물을 원심분리한 후 세척 및 건조하는 함침 후처리단계(S412);
   로 구성되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 복합재를 이용한 구조물용 고강화 구조부재의 제조방법.
   
7. 제5항에 있어서,
   상기 수지 표면처리단계(S420)는,
   함침이 완료된 탄소섬유 성형물을 탈지와 탈수 및 샌딩처리를 순차 진행한 후 표면에 테프론 수지를 프라이머 도포하는 표면 전처리단계(S421);
   테프론 수지가 도포된 탄소섬유 성형물을 70 내지 80℃로 1차 열처리한 후 다시 290 내지 300℃의 고온에서 2차 열처리하는 표면 후처리단계(S422);
   로 구성되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 복합재를 이용한 구조물용 고강화 구조부재의 제조방법.
   
8. 삭제
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