KR102388096B1 - Multi-functional Composite and Design Method of Structure of the Same - Google Patents

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KR102388096B1
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Abstract

The present invention relates to a multi-functional composite material capable of performing various functions. More specifically, the present invention relates to a multi-functional composite material which comprises two or more layers of non-conductive fiber-reinforced composite material, and a functional fiber layer positioned between two adjacent layers of non-conductive fiber-reinforced composite material, wherein in the functional fiber layer, long axes of functional fibers are arranged in one direction, and positioned to be spaced apart between the functional fibers to be arranged in a non-contact type.

Description

다기능 복합재 및 이의 구조 설계 방법{Multi-functional Composite and Design Method of Structure of the Same}Multi-functional Composite and Design Method of Structure of the Same

본 발명은 다기능 복합재 및 이의 구조 설계 방법에 관한 것으로, 상세하게는 복합재에 포함되는 기능성 섬유의 배열 및 정렬 패턴을 제어하여 동시에 다양한 기능을 가질 수 있는 다기능 복합재 및 이의 구조 설계 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a multifunctional composite material and a method for designing a structure thereof, and more particularly, to a multifunctional composite material capable of having various functions at the same time by controlling the arrangement and alignment pattern of functional fibers included in the composite material and a method for designing a structure thereof.

서로 다른 두 개 이상의 재료 간의 물리적 결합으로 이루어진 복합재료는 우수한 비강도 및 비강성을 가져 다양한 산업에서 연구 개발 및 활용이 크게 증가하고 있다. 특히, 복합재료는 구성 재료들이 서로 물리적으로 결합되기 때문에 각 재료의 고유 성질을 잃지 않아 각 재료들의 고유 성질들을 활용한 다기능 복합재료 설계가 가능해 많은 관심을 받고 있다. 더욱이, 기술의 고도화와 함께 기존의 하중 지지 역할만을 수행하던 구조에 대한 요구도가 다양한 기능을 갖춘 다기능 구조로 변모함에 따라 다기능 복합재료에 대한 다양한 연구 개발이 이어지고 있다.Composite materials composed of physical bonding between two or more different materials have excellent specific strength and specific rigidity, and thus R&D and utilization are greatly increasing in various industries. In particular, since the constituent materials are physically combined with each other, the composite material does not lose the unique properties of each material, so it is possible to design a multifunctional composite material utilizing the unique properties of each material, which is drawing a lot of attention. Moreover, with the advancement of technology, as the demand for a structure that performed only a load-bearing role has been transformed into a multifunctional structure with various functions, various research and development on multifunctional composite materials are continuing.

항공기, 풍력 터빈은 대표적인 복합재료를 적용한 구조체로, 최근에는 다기능 복합재료의 적용 연구도 활발히 수행되고 있다. Aircraft and wind turbines are typical structures to which composite materials are applied.

특히, 항공기의 경우는 적 레이더 저피탐 능력을 위해, 풍력 터빈의 경우는 주변 레이더 시스템 교란을 방지하기 위해 구조의 전자파 흡수 설계를 통한 저피탐 능력을 필요로 한다. In particular, in the case of an aircraft, the low detection capability through the electromagnetic wave absorption design of the structure is required for the enemy radar low detection capability and the wind turbine case to prevent the disturbance of the surrounding radar system.

이와 더불어, 항공기나 풍력 터빈과 같이 상공에서 운용되는 구조체의 경우 조류와의 충돌 위험이 존재하는데, 복합재 구조는 조류 충돌과 같은 저속 충격에 취약해 스마트 센서 시스템 기반의 구조 건전성 감시 능력을 통한 구조 신뢰성 확보를 필요로 한다. In addition, in the case of structures operated in the sky, such as aircraft or wind turbines, there is a risk of collision with birds, but the composite structure is vulnerable to low-speed impacts such as collision with birds, so structural reliability through smart sensor system-based structural health monitoring capability need to secure

이렇듯 시스템이 고도화됨에 따라 구조체에 적용되는 복합재는 하중 지지 역할 이외에도 추가적인 기능들의 수행을 요구 받는다. As such, as the system is advanced, the composite material applied to the structure is required to perform additional functions in addition to the load bearing role.

대한민국 공개특허 10-2012-0051318호에서는 풍력 발전기용 회전 날개를 제공함에 있어 전자파 흡수 기능을 구비하여 추가 기능을 제공하고 있으나, 전술한 바와 같이 상공에서 운용되는 구조체는 전자파 흡수 기능 외에 추가로 저속 충격에 대비할 수 있는 구조 건전성 감시 기능이 필요한 실정이다. Korean Patent Laid-Open No. 10-2012-0051318 provides an additional function by having an electromagnetic wave absorption function in providing a rotary blade for a wind power generator, but as described above, the structure operated in the sky has a low-speed shock in addition to the electromagnetic wave absorption function. There is a need for a structural health monitoring function to prepare for the current situation.

따라서, 이러한 요구 조건을 만족시키기 위한 여러 기능들을 동시에 수행할 수 있는 우수한 성능의 다기능 복합재료가 발명될 필요성이 있고, 복합재가 적용되는 구조체의 추가적인 구조 경량화를 위해 추가 기능 요구를 충족시켜 종래에 요구 기능들의 구현을 위해 필수 불가결하게 추가되었던 구성 요소들을 제거할 필요성이 있다.Therefore, there is a need to invent a multifunctional composite material with excellent performance that can simultaneously perform several functions to satisfy these requirements, and it is required in the prior art by meeting the additional functional requirements for additional structural weight reduction of the structure to which the composite material is applied. There is a need to remove components that have been added indispensable for the implementation of functions.

대한민국 공개특허 10-2012-0051318호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2012-0051318

본 발명의 목적은 동시에 다양한 기능을 수행할 수 있는 다기능 복합재를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a multifunctional composite material capable of performing various functions at the same time.

본 발명의 다른 목적은 다기능 복합재를 포함하여 추가적인 구조 경량화가 가능한 구조체를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a structure capable of additional structural weight reduction including a multifunctional composite material.

본 발명의 또 다른 목적은 복합재가 동시에 다양한 기능을 가질 수 있도록 하는 다기능 복합재 구조의 설계 방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a method for designing a multifunctional composite structure that allows the composite to have various functions at the same time.

본 발명의 일 양태에 따른 다기능 복합재는 둘 이상의 비전도성 섬유 강화 복합재료 층; 및 서로 인접하는 두 비전도성 섬유 강화 복합재료 층 사이에 위치하는 기능성 섬유 층;을 포함하며, 기능성 섬유 층은 기능성 섬유의 장축이 일 방향으로 배열되고 기능성 섬유간 서로 이격 위치하여 비-접촉식으로 배열된다.A multifunctional composite material according to an aspect of the present invention includes two or more layers of non-conductive fiber-reinforced composite material; and a functional fiber layer positioned between two adjacent non-conductive fiber-reinforced composite material layers, wherein the functional fiber layer has long axes of the functional fibers arranged in one direction and spaced apart from each other between the functional fibers so as to be non-contactingly formed. are arranged

본 발명의 일 실시예에 따른 다기능 복합재에 있어, 기능성 섬유간의 이격 거리에 의해 흡수되는 전자파의 주파수 범위가 제어될 수 있다.In the multifunctional composite material according to an embodiment of the present invention, the frequency range of electromagnetic waves absorbed by the separation distance between the functional fibers can be controlled.

본 발명의 일 실시예에 따른 다기능 복합재에 있어, 기능성 섬유간의 이격 거리는 1 내지 20 mm일 수 있다.In the multifunctional composite material according to an embodiment of the present invention, the separation distance between the functional fibers may be 1 to 20 mm.

본 발명의 일 실시예에 따른 다기능 복합재에 있어, 기능성 섬유는 무기탄화물 섬유일 수 있다.In the multifunctional composite material according to an embodiment of the present invention, the functional fiber may be an inorganic carbide fiber.

본 발명의 일 실시예에 따른 다기능 복합재에 있어, 기능성 섬유는 탄화규소 섬유일 수 있다.In the multifunctional composite material according to an embodiment of the present invention, the functional fiber may be a silicon carbide fiber.

본 발명의 일 실시예에 따른 다기능 복합재에 있어, 비전도성 섬유 강화 복합재료 층은 섬유상의 강화 성분으로 비전도성 섬유를 포함하며 매트릭스 성분으로 열경화성 수지를 포함할 수 있다.In the multifunctional composite material according to an embodiment of the present invention, the non-conductive fiber-reinforced composite material layer may include a non-conductive fiber as a fibrous reinforcing component and a thermosetting resin as a matrix component.

본 발명의 일 실시예에 따른 다기능 복합재에 있어, 기능성 섬유 층은 비전도성 섬유와 기능성 섬유가 직조된 것일 수 있다.In the multifunctional composite material according to an embodiment of the present invention, the functional fiber layer may be a non-conductive fiber and a functional fiber woven.

본 발명의 일 실시예에 따른 다기능 복합재에 있어, 다기능 복합재는 비전도성 섬유 강화 복합재료 층과 기능성 섬유 층이 교번 적층되되, 적층 방향으로 최 상부와 최 하부 각각에 비전도성 섬유 강화 복합재료 층이 위치하는 적층체를 포함할 수 있다.In the multifunctional composite material according to an embodiment of the present invention, the multifunctional composite material is a non-conductive fiber-reinforced composite material layer and a functional fiber layer are alternately laminated, and a non-conductive fiber-reinforced composite material layer is formed on each of the uppermost and lowermost layers in the stacking direction. It may include a laminate that is positioned.

본 발명의 일 실시예에 따른 다기능 복합재에 있어, 적층체에서 서로 인접하는 두 기능성 섬유층을 제1섬유층과 제2섬유층으로하여, 제1섬유층의 기능성 섬유의 장축 방향과 제2섬유층의 기능성 섬유 장축 방향간 각도는 10 내지

Figure 112021072204989-pat00001
140도일 수 있다.In the multifunctional composite material according to an embodiment of the present invention, two functional fiber layers adjacent to each other in the laminate are a first fiber layer and a second fiber layer, the long axis direction of the functional fiber of the first fiber layer and the long axis of the functional fiber of the second fiber layer The angle between directions is 10 to
Figure 112021072204989-pat00001
It may be 140 degrees.

본 발명의 일 실시예에 따른 다기능 복합재에 있어, 적층체에 포함되는 비전도성 섬유 강화 복합재료 층의 수는 2 내지 50개일 수 있다.In the multifunctional composite material according to an embodiment of the present invention, the number of non-conductive fiber-reinforced composite material layers included in the laminate may be 2 to 50 pieces.

본 발명의 일 실시예에 따른 다기능 복합재에 있어, 적층체는 기능성 섬유 층별로, 기능성 섬유 사이의 이격 거리가 서로 상이할 수 있다.In the multifunctional composite material according to an embodiment of the present invention, in the laminate, the separation distance between the functional fibers may be different for each functional fiber layer.

본 발명의 일 실시예에 따른 다기능 복합재에 있어, 다기능의 복합재는 하중지지용, 전자파 흡수용 및 외부 충격 자가 감지용일 수 있다.In the multifunctional composite material according to an embodiment of the present invention, the multifunctional composite material may be for load bearing, electromagnetic wave absorption, and external impact self-sensing.

본 발명은 다른 일 양태에 따라, 본 발명의 일 양태에 따라 제공되는 다기능 복합재를 포함하는 구조체를 제공한다.According to another aspect, the present invention provides a structure comprising the multifunctional composite material provided according to an aspect of the present invention.

본 발명의 구조체에 있어, 구조체는 풍력 터빈, 제트 엔진, 항공기 구조체 및 위성 구조체 중에서 선택되는 어느 하나 이상일 수있다.In the structure of the present invention, the structure may be any one or more selected from a wind turbine, a jet engine, an aircraft structure, and a satellite structure.

본 발명의 또 다른 일 양태에 따라 제공되는 다기능 복합재 구조의 설계방법에 있어서, 다기능 복합재 구조의 설계방법은 a) 서로 인접하는 2개의 비전도성 섬유 강화 복합재료 층 사이에 위치하는 기능성 섬유가 외부 충격에 의한 자가 감지가 필요한 영역의 범위에 위치하도록 설정하는 단계; 및 b) 기능성 섬유가 위치하는 일 영역에서 장축이 일 방향으로 배열되고 기능성 섬유간 서로 이격 위치하여 목적 주파수의 전자파를 흡수시키기 위해 비-접촉식으로 제1배열을 갖도록 이격 거리를 설정하는 단계;를 포함한다.In the method for designing a multifunctional composite structure provided according to another aspect of the present invention, the method for designing a multifunctional composite structure comprises: a) a functional fiber positioned between two non-conductive fiber-reinforced composite material layers adjacent to each other by an external impact setting it to be located in a range of an area requiring self-sensing by ; and b) setting the separation distance so that the long axis is arranged in one direction in one region where the functional fibers are located and the functional fibers are spaced apart from each other to have a first arrangement in a non-contact manner to absorb electromagnetic waves of a target frequency; includes

본 발명의 일 실시예에 따른 다기능 복합재 구조의 설계방법에 있어, b) 단계에서, 기능성 섬유간의 이격 거리는 목적 주파수의 파장보다 작도록 설정되는 것일 수 있다.In the design method of the multifunctional composite structure according to an embodiment of the present invention, in step b), the separation distance between the functional fibers may be set to be smaller than the wavelength of the target frequency.

본 발명의 일 실시예에 따른 다기능 복합재 구조의 설계방법에 있어, 다기능 복합재는 일 방향으로 배열된 제1배열을 갖는 기능성 섬유와 상기 제1배열과 상이한 방향으로 배열된 제2배열을 갖는 기능성 섬유를 더 포함하되, 상기 제1배열을 갖는 기능성 섬유와 제2배열을 갖는 기능성 섬유는 비전도성 섬유 강화 복합재료 층 일면 및 타면에 각각 접하는 것일 수 있다.In the method of designing a multifunctional composite structure according to an embodiment of the present invention, the multifunctional composite is a functional fiber having a first arrangement arranged in one direction and a functional fiber having a second arrangement arranged in a different direction from the first arrangement Further comprising, the functional fiber having the first arrangement and the functional fiber having the second arrangement may be in contact with one surface and the other surface of the non-conductive fiber-reinforced composite material layer, respectively.

본 발명의 일 실시예에 따른 다기능 복합재 구조의 설계방법에 있어, 다기능 복합재는 제N배열을 갖는 기능성 섬유가 포함된 N개의 기능성 섬유층이 N개 또는 N+1개의 비전도성 섬유 강화 복합재료 층을 개재하여 적층된 구조를 가지되, 다기능 복합재의 복소 유전율(complex permittivity)이 입사되는 목적 주파수의 전자파를 반사시키지 않는 두께를 갖는 단층 흡수체(single slab absorber)의 복소 유전율과 매칭되는 점을 기준으로 상기 단층 흡수체의 두께와 동일한 두께를 갖도록 다기능 복합재의 두께를 설정할 수 있다.In the method of designing a multifunctional composite structure according to an embodiment of the present invention, the multifunctional composite includes N or N+1 non-conductive fiber-reinforced composite material layers including N functional fibers having an N-th arrangement. It has a stacked structure therebetween, but the complex permittivity of the multifunctional composite is matched with the complex permittivity of a single slab absorber having a thickness that does not reflect the electromagnetic wave of the incident target frequency. The thickness of the multifunctional composite can be set to have the same thickness as that of the single-layer absorber.

본 발명에 따른 다기능 복합재는 둘 이상의 비전도성 섬유 강화 복합재료 층을 포함하고 서로 인접하는 두 비전도성 섬유 강화 복합재료 층 사이에 섬유의 장축이 일 방향으로 배열되고 섬유간 서로 이격 위치하여 비-접촉식으로 배열된 기능성 섬유를 포함함에 따라 하중지지의 역할, 전자파 흡수의 역할 및 외부 충격에 대한 자가 감지의 역할을 동시에 수행할 수 있다.The multifunctional composite material according to the present invention includes two or more layers of non-conductive fiber-reinforced composite material, and between two non-conductive fiber-reinforced composite material layers adjacent to each other, the long axes of the fibers are arranged in one direction, and the fibers are spaced apart from each other to make non-contact By including functional fibers arranged in such a way, the role of load bearing, the role of electromagnetic wave absorption, and the role of self-sensing against external impact can be simultaneously performed.

나아가, 본 발명의 다기능 복합재를 포함하여 종래에 필수 불가결하게 추가되었던 구성 요소의 제거를 통해 추가적인 구조 경량화가 가능한 구조체를 제공할 수 있다.Furthermore, it is possible to provide a structure capable of additional structural weight reduction through the removal of components that have been indispensable in the prior art, including the multifunctional composite material of the present invention.

도 1은 모델링한 탄화규소 섬유를 도시한 도면으로 도 1(a) 및 도 1(b)는 각각 타원형의 굴곡없이 일직선으로 모델링된 탄화규소 섬유의 모식도 및 모델링된 탄화규소 섬유의 단면을 나타낸 도면이다.
도 2는 모델링된 복합재의 모식도를 도시한 도면으로 도 2(a)는 모델링된 복합재 내에서 탄화규소 섬유가 제1패턴을 가지도록 정렬된 복합재의 모식도, 사이드 뷰 및 완전 파동 시뮬레이션을 위한 대표요소체적(representative elementary volume, REV)을 나타내는 도면이고, 도 2(b), 도 2(c) 및 도 2(d)는 각각 유효투영면적의 크기가 상이한 패턴을 가지는 제1패턴, 제2패턴 및 제3패턴으로 모델링된 복합재의 모식도를 도시한 도면이다.
도 3은 디자인된 패턴 및 각 패턴을 갖는 복합재에서 동일 층에 삽입된 탄화규소 섬유간의 이격거리에 따른 복소 유전율 및 10 GHz 주파수에서 단층 흡수체(single slab absorber)의 최적화 복소 유전율(optimum complex permittivity)을 도시한 도면이다.
도 4는 제3패턴으로 선택된 디자인으로 최종 두께가 3.12 mm로 설정된 복합재의 전자파 반사 손실의 시뮬레이션된 결과값을 나타낸 도면이다.
도 5는 일 실시예의 전자주사현미경(SEM) 이미지로 도 5(a)는 실시예의 단면 이미지이고, 도 5(b)는 도 5(a)의 하얀색 박스로 표시된 부분을 확대한 이미지이며, 도 5(c)는 섬유(유리섬유 및 탄화규소 섬유) 및 에폭시 수지 사이의 계면 결합을 도시한 도면이다.
도 6은 일 실시예의 전자파 반사 손실을 자유공간 측정 시스템(free space measurement system)을 이용하여 실험적으로 측정한 결과 값을 도시한 도면이다.
도 7은 일 실시예의 충격 실험의 수행을 위한 실험 준비 모식도를 도시한 도면이다.
도 8은 일 실시예에 가해진 충격으로 인한 시간 영역(time domain)에서 각각의 넘버링된 센서로부터 획득한 충격 신호를 도시한 도면이다.
도 9는 일 실시예에 포함된 각각의 탄화규소 섬유 센서 및 가속도센서의 주파수 응답 함수를 도시한 도면이다.1 is a view showing a modeled silicon carbide fiber, and FIGS. 1 (a) and 1 (b) are a schematic diagram of a silicon carbide fiber modeled in a straight line without an elliptical bend and a cross-section of the modeled silicon carbide fiber am.
2 is a diagram showing a schematic diagram of a modeled composite, and FIG. 2 (a) is a schematic diagram of a composite material in which silicon carbide fibers are aligned to have a first pattern in the modeled composite, a side view, and a representative element for full wave simulation It is a diagram showing a representative elementary volume (REV), and FIGS. 2(b), 2(c) and 2(d) are a first pattern, a second pattern and It is a diagram showing a schematic diagram of the composite material modeled in the third pattern.
3 shows the complex permittivity according to the spacing between the silicon carbide fibers inserted in the same layer in the designed pattern and the composite material having each pattern, and the optimized complex permittivity of a single slab absorber at a frequency of 10 GHz. It is the drawing shown.
4 is a view showing simulated results of electromagnetic wave reflection loss of a composite material having a final thickness of 3.12 mm in the design selected as the third pattern.
Figure 5 is a scanning electron microscope (SEM) image of an embodiment, Figure 5 (a) is a cross-sectional image of the embodiment, Figure 5 (b) is an enlarged image of the portion indicated by the white box in Figure 5 (a), Fig. 5(c) is a diagram showing the interfacial bond between the fibers (glass fibers and silicon carbide fibers) and the epoxy resin.
6 is a diagram illustrating a result of experimentally measuring an electromagnetic wave reflection loss according to an embodiment using a free space measurement system.
7 is a view showing a schematic diagram of test preparation for performing an impact test according to an embodiment.
8 is a diagram illustrating an impact signal obtained from each numbered sensor in a time domain due to an applied impact according to an embodiment.
9 is a view showing frequency response functions of each of the silicon carbide fiber sensor and the acceleration sensor included in an embodiment.

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 다기능 복합재를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. Hereinafter, the multifunctional composite material of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The drawings introduced below are provided as examples so that the spirit of the present invention can be sufficiently conveyed to those skilled in the art. Accordingly, the present invention is not limited to the drawings presented below and may be embodied in other forms, and the drawings presented below may be exaggerated to clarify the spirit of the present invention. At this time, if there is no other definition in the technical terms and scientific terms used, it has the meaning commonly understood by those of ordinary skill in the art to which this invention belongs, and the gist of the present invention in the following description and accompanying drawings Descriptions of known functions and configurations that may be unnecessarily obscure will be omitted.

또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다. Also, the singular forms used in the specification and appended claims may also be intended to include the plural forms unless the context specifically dictates otherwise.

본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용된다. In this specification and the appended claims, terms such as first, second, etc. are used for the purpose of distinguishing one element from another, not in a limiting sense.

본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 특별히 한정하지 않는 한, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.In this specification and the appended claims, terms such as include or have means that a feature or element described in the specification is present, and unless specifically limited, one or more other features or elements are added. This does not preclude the possibility that it will be.

본 발명의 일 양태에 따른 다기능 복합재는 둘 이상의 비전도성 섬유 강화 복합재료 층; 및 서로 인접하는 두 비전도성 섬유 강화 복합재료 층 사이에 위치하는 기능성 섬유 층;을 포함하되, 기능성 섬유 층은 기능성 섬유의 장축이 일 방향으로 배열되고 기능성 섬유간 서로 이격 위치하여 비-접촉식으로 배열된다.A multifunctional composite material according to an aspect of the present invention includes two or more layers of non-conductive fiber-reinforced composite material; and a functional fiber layer positioned between two adjacent non-conductive fiber-reinforced composite material layers, wherein the functional fiber layer has long axes of the functional fibers arranged in one direction and spaced apart from each other between the functional fibers so that the functional fibers are non-contacting. are arranged

본 발명의 다기능 복합재는 둘 이상의 비전도성 섬유 강화 복합재료 층 및 서로 인접하는 두 비전도성 섬유 강화 복합재료 층 사이에 위치하며, 특정 기능을 갖는 섬유의 장축이 일 방향으로 배열되고 섬유간 서로 이격 위치하여 비-접촉식으로 배열된 구조의 기능성 섬유를 포함하는 기능성 섬유 층을 포함할 수 있다. 이에 따라, 일반적으로 하중지지의 역할을 수행하는 섬유 강화 복합재의 성능과 더불어 기능성 섬유가 갖는 본연의 기능을 독립적으로 및/또는 배열의 구조에 의해 본연의 기능 외에 다른 기능을 가질 수 있어 다양한 역할을 수행할 수 있으므로 종래에 특정 기능의 수행을 위해 필수 불가결하게 추가되었던 구성 요소를 제거할 수 있는 장점을 가질 수 있다.The multifunctional composite material of the present invention is located between two or more non-conductive fiber-reinforced composite material layers and two non-conductive fiber-reinforced composite material layers adjacent to each other, the long axes of fibers having a specific function are arranged in one direction, and the fibers are spaced apart from each other to include a functional fiber layer comprising functional fibers of a structure arranged in a non-contact manner. Accordingly, in addition to the performance of the fiber-reinforced composite, which generally performs the role of supporting a load, the original function of the functional fiber can be independently and/or have other functions in addition to the original function by the arrangement of the structure, thereby fulfilling various roles. Since it can be performed, it can have the advantage of being able to remove a component that has been previously indispensable for performing a specific function.

본 발명에 따른 다기능 복합재는 하중지지용, 전자파 흡수용 및 외부 충격 자가 감지용일 수 있다.The multifunctional composite material according to the present invention may be for load bearing, electromagnetic wave absorption, and external impact self-sensing.

종래의 복합재와 달리, 본 발명에 따른 다기능 복합재는 하중지지의 성능 뿐 아니라, 전자파 흡수 능력을 구비하여 상공에서 운용되는 구조체가 전자파를 흡수하여 항공기나 전투기가 적의 레이더로부터 탐지되지 않는 저피탐 성능의 구현이 가능하며, 풍력 터빈에 본 발명의 다기능 복합재가 적용될 경우 주변 레이더 시스템 교란을 방지할 수 있는 효과가 있으며, 또한, 외부 충격을 자가 감지하여 구조체의 구조 건전성 감시 역할을 동시에 수행할 수 있는 장점이 있다.Unlike the conventional composite material, the multifunctional composite material according to the present invention has not only load bearing performance, but also electromagnetic wave absorption ability, so that the structure operated in the sky absorbs electromagnetic waves so that aircraft or fighters are not detected by enemy radar. It is possible to implement, and when the multifunctional composite material of the present invention is applied to a wind turbine, there is an effect to prevent disturbance of the surrounding radar system. There is this.

일 실시예에 있어, 본 발명의 다기능 복합재의 사용 용도는 전술한 용도로 동시에 다양한 기능을 수행할 수 있는 성능이 있을 뿐 아니라, 각각의 용도로 독립적으로 사용될 수 있는 성능을 포함함은 물론이다.In one embodiment, the use of the multifunctional composite material of the present invention includes the performance that can be used independently for each purpose, as well as the ability to perform various functions at the same time for the above-described use, of course.

본 발명의 일 실시예로, 본 발명의 다기능 복합재는 전술한 용도로 사용될 수 있는 기능이 있는 기능성 섬유를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the multifunctional composite material of the present invention may include a functional fiber having a function that can be used for the above-mentioned purpose.

일 실시예에 있어, 기능성 섬유는 기능성 무기 섬유일 수 있고, 일 예로 기능성 무기섬유는 산화물계 세라믹 섬유, 비산화물계 세라믹 섬유 및 탄소 섬유 중에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있으며, 보다 구체적으로 무기 탄화물 섬유일 수 있으며, 보다 더 구체적으로 13 내지 17족 원소를 함유한 무기 탄화물 섬유일 수 있으며, 바람직하게는 탄화규소 섬유일 수 있다. In one embodiment, the functional fiber may be a functional inorganic fiber, for example, the functional inorganic fiber may be any one or more selected from oxide-based ceramic fibers, non-oxide-based ceramic fibers and carbon fibers, and more specifically, inorganic carbide fibers may be, and more specifically, may be inorganic carbide fibers containing a group 13 to 17 element, preferably silicon carbide fibers.

탄화규소 섬유는 1200℃ 이상의 고온에서도 강도의 저하가 거의 없어 고온 내산화성이 매우 우수하며, 우수한 압저항 특성으로 게이지 팩터(gauge factor)가 8.25 정도로 변형 민감도를 지니고 있으며, 기존의 변형 센서와 달리 복합재 내의 강화섬유와 동일한 형상을 가지기 때문에 강화섬유 복합재에 포함되어 기존의 형상학적 불연속으로부터 기인한 전형적인 문제인 기계적 특성을 저하시키는 않으면서 복합재의 구조적 경도 및 강도를 유지시킬 수 있는 장점이 있다. 또한, 섬유 내/외부의 결함 및 포함되는 산소 함량이 현저히 적을 경우 탄화규소 섬유는 우수한 전기전도도 특성을 가질 수 있기 때문에 복합재에 포함되어 전자파 흡수 성능을 가질 수 있다.Silicon carbide fiber has very good high-temperature oxidation resistance as there is almost no decrease in strength even at high temperatures above 1200°C, and has excellent piezoresistive properties with a deformation sensitivity of about 8.25 gauge factor. Since it has the same shape as the reinforcing fibers in the inner fiber, it is included in the reinforcing fiber composite material and has the advantage of maintaining the structural hardness and strength of the composite material without degrading the mechanical properties, a typical problem resulting from the existing geometric discontinuity. In addition, since the silicon carbide fiber may have excellent electrical conductivity when the oxygen content included and the defects inside/outside the fiber is remarkably small, it may be included in the composite material to have electromagnetic wave absorption performance.

일 예로, 기능성 섬유는 모노필라멘트, 멀티필라멘트, 토우(tow) 및 번들(bundle) 중에서 선택되는 하나 이상의 형태를 포함할 수 있으나, 전술한 특성을 지닌 섬유의 어떠한 형태라도 사용할 수 있으므로, 섬유의 형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다. As an example, the functional fiber may include one or more types selected from monofilament, multifilament, tow and bundle, but any type of fiber having the above-described characteristics may be used, so the type of fiber The present invention is not limited by

일 실시예에 있어, 기능성 섬유의 직경은 1 내지 100 μm일 수 있고, 구체적으로 3 내지 50 μm일 수 있으며, 보다 구체적으로 5 내지 15 μm일 수 있다.In one embodiment, the diameter of the functional fiber may be 1 to 100 μm, specifically 3 to 50 μm, more specifically 5 to 15 μm.

기능성 섬유가 본 발명의 다기능 복합재에 포함되어 전술한 용도로 사용 가능할 수 있는 성능을 가져 다양한 역할을 수행하기 위해서는 기능성 섬유의 직경은 상기 범위를 갖는 것이 유리하다.In order for the functional fiber to be included in the multifunctional composite of the present invention to perform various roles with the performance that can be used for the above-mentioned purpose, it is advantageous that the diameter of the functional fiber has the above range.

일 구체예에 있어, 기능성 섬유는 유기금속화학증착(MOCVD)법，폴리머 블렌딩법，템플레이트를 이용한 기체환원법 및 전기방사법 중에서 선택되는 하나 이상의 방법으로 제조될 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment, the functional fiber may be prepared by one or more methods selected from metal organometallic chemical vapor deposition (MOCVD) method, polymer blending method, gas reduction method using a template, and electrospinning method, but the present invention is not limited thereto .

일 실시예로, 서로 인접하는 두 비전도성 섬유 강화 복합재료 층 사이에 위치하는 기능성 섬유 층에서 동일 층에 위치하는 기능성 섬유간의 이격 거리에 의해 흡수되는 전자파의 주파수 범위가 제어될 수 있다.In one embodiment, the frequency range of electromagnetic waves absorbed by the separation distance between the functional fibers positioned in the same layer in the functional fiber layer positioned between the two non-conductive fiber-reinforced composite material layers adjacent to each other may be controlled.

복합재로 입사되는 특정 주파수를 갖는 전자파의 흡수는 복합재의 복소 유전율(complex permittivity)의 특성에 따라 달라질 수 있고, 복소 유전율은 기능성 섬유간의 이격 거리에 따라 달라질 수 있기 때문에 기능성 섬유간의 이격 거리에 의해 흡수되는 전자파의 주파수 범위가 제어될 수 있는 것이다.The absorption of electromagnetic waves having a specific frequency incident on the composite material may vary depending on the complex permittivity of the composite material, and since the complex permittivity may vary depending on the separation distance between the functional fibers, it is absorbed by the separation distance between the functional fibers. The frequency range of the resulting electromagnetic wave can be controlled.

일 실시예에 있어, 기능성 섬유간의 이격 거리는 목적하는 주파수를 갖는 전자파에 따라 조절될 수 있으므로 본 발명이 이에 제한 되는 것은 아니나, 유리한 일 예로, 기능성 섬유간의 이격 거리는 0.1 내지 25 mm일 수 있고, 구체적으로 1 내지 20 mm일 수 있으며, 보다 구체적으로 3 내지 20 mm일 수 있으며, 보다 더 구체적으로 5 내지 15 mm일 수 있다.In one embodiment, the separation distance between the functional fibers can be adjusted according to the electromagnetic wave having a desired frequency, so the present invention is not limited thereto, but as an advantageous example, the separation distance between the functional fibers may be 0.1 to 25 mm, specifically may be 1 to 20 mm, more specifically 3 to 20 mm, and even more specifically 5 to 15 mm.

일 구체예에 있어, 전술한 이격 거리로 접촉하지 않고 배열된 기능성 섬유를 포함하는 본 발명의 다기능 복합재는 군사용으로 널리 사용되는 8 내지 12 GHz 주파수 범위인 X-밴드(X-band) 대역의 전자파를 70% 이상, 바람직하게는 80% 이상, 보다 바람직하게는 90% 이상의 전자기파 에너지 흡수할 수 있기 때문에 전투기에 본 발명의 다기능 복합재를 포함할 경우, 현저히 우수한 저피탐 능력을 가질 수 있는 것이다.In one embodiment, the multifunctional composite material of the present invention comprising functional fibers arranged without contact with the above-described separation distance is an X-band (X-band) frequency range widely used for military use in the X-band (X-band) band of electromagnetic waves 70% or more, preferably 80% or more, more preferably 90% or more of electromagnetic wave energy can be absorbed.

나아가, 흡수되는 전자파의 주파수 범위는 동일 층에 위치하는 기능성 섬유간의 이격 거리뿐만 아니라, 후술할 다기능 복합재 구조의 설계 방법에서 서술할 적층된 구조에 포함되는 기능성 섬유의 배열에 의해서도 제어될 수 있으며, 보다 자세한 설명은 다기능 복합재 구조의 설계 방법에서 하도록 한다.Furthermore, the frequency range of absorbed electromagnetic waves can be controlled not only by the separation distance between functional fibers located in the same layer, but also by the arrangement of functional fibers included in the laminated structure to be described in the design method of the multifunctional composite structure to be described later, A more detailed description will be given in the design method of the multifunctional composite structure.

본 발명의 일 실시예로, 비전도성 섬유 강화 복합재료 층은 섬유상의 강화 성분으로 비전도성 섬유를 포함하며 매트릭스 성분으로 열경화성 수지를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the non-conductive fiber-reinforced composite material layer may include a non-conductive fiber as a fibrous reinforcing component and a thermosetting resin as a matrix component.

여기서 비전도성 섬유는 유리섬유, 아라미드 섬유, 초고분자량 폴리에틸렌 섬유 및 초고분자량 폴리비닐알콜 섬유 중에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있고, 열경화성 수지는 에폭시 수지, 폴리우레탄 수지, 아미노 수지, 페놀 수지, 불포화 폴리에스테르 수지 및 폴리이미드 수지 중에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.Here, the non-conductive fiber may be any one or more selected from glass fiber, aramid fiber, ultra-high molecular weight polyethylene fiber, and ultra-high molecular weight polyvinyl alcohol fiber, and the thermosetting resin is an epoxy resin, a polyurethane resin, an amino resin, a phenol resin, and an unsaturated polyester. It may be any one or more selected from a resin and a polyimide resin.

이 때, 비전도성 섬유 강화 복합재료 층은 전술한 열경화성 수지 내에서 랜덤한 방향성을 갖는 비전도성 섬유를 포함할 수 있고, 일 방향으로 정렬된 비전도성 섬유를 포함할 수 있음은 물론이다.In this case, the non-conductive fiber-reinforced composite material layer may include non-conductive fibers having a random direction in the above-described thermosetting resin, and may include non-conductive fibers aligned in one direction.

비전도성 섬유 강화 복합재료 층이 전술한 열경화성 수지 내에서 일 방향으로 정렬된 비전도성 섬유를 포함할 경우, 비전도성 섬유 강화 복합재료 층은 서로 인접하는 비전도성 섬유 강화 복합재료 층이 각각의 비전도성 섬유 강화 복합재료 층에 포함되어 정렬된 비전도성 섬유가 서로 이방성을 갖도록 적층되어 강화제(reinforcement)의 역할을 수행하는 비전도성 섬유에 의해 우수한 비강도 및 비강성을 가질 수 있으므로, 하중지지의 능력을 구비할 수 있게 되는 것이다.When the non-conductive fiber-reinforced composite material layer comprises non-conductive fibers aligned in one direction within the aforementioned thermosetting resin, the non-conductive fiber-reinforced composite material layer may include adjacent non-conductive fiber-reinforced composite material layers with each non-conductive layer of the non-conductive fiber reinforced composite material. The non-conductive fibers included in the fiber-reinforced composite material layer are laminated to have anisotropy with each other and can have excellent specific strength and specific stiffness due to the non-conductive fibers acting as a reinforcement, thereby increasing the ability of load bearing. will become available.

또한, 서로 인접하는 두 비전도성 섬유 강화 복합재료 층 사이에 위치하는 기능성 섬유 층에서 서로 간의 접촉없이 일 방향으로 배열된 기능성 섬유는 적층 방향으로 접하여 하부에 위치하는 비전도성 섬유 강화 복합재료 층에 포함되는 비전도성 섬유의 정렬 방향과 평행하도록 배열될 수 있고, 이로 인해 복합재의 비강도 및 비강성 특성을 더욱 향상 시킬 수 있는 장점을 가질 수 있다.In addition, in the functional fiber layer positioned between two adjacent non-conductive fiber-reinforced composite material layers, the functional fibers arranged in one direction without contact with each other are included in the non-conductive fiber-reinforced composite material layer positioned below in contact with each other in the lamination direction. It can be arranged to be parallel to the alignment direction of the non-conductive fibers, which can have the advantage of further improving the specific strength and non-rigidity properties of the composite material.

일 실시예에 있어, 서로 인접하는 두 비전도성 섬유 강화 복합재료 층 사이에 위치하는 기능성 섬유 층은 비전도성 섬유와 기능성 섬유가 직조된 것일 수 있고, 직조되어 기능성 섬유 층에 위치하는 기능성 섬유는 구조적 안정성을 가질 수 있는 장점이 있다.In one embodiment, the functional fiber layer positioned between the two non-conductive fiber-reinforced composite material layers adjacent to each other may be a woven non-conductive fiber and a functional fiber, and the functional fiber positioned in the woven functional fiber layer is structurally It has the advantage of having stability.

비전도성 섬유와 기능성 섬유가 직조되어 형성된 기능성 섬유 층에서 기능성 섬유는 전술한 이격 거리를 갖도록 비-접촉식으로 배열될 수 있으면 비전도성 섬유와 기능성 섬유의 직조 방법은 당업계에 알려진 방법이라면 제한 없이 사용될 수 있다.In the functional fiber layer formed by weaving the non-conductive fiber and the functional fiber, the functional fiber can be arranged non-contact to have the above-described separation distance. can be used

일 실시예로, 본 발명의 다기능 복합재는 비전도성 섬유 강화 복합재료 층과 기능성 섬유 층이 교번 적층되되, 적층 방향으로 최 상부와 최 하부 각각에 비전도성 섬유 강화 복합재료 층이 위치하는 적층체를 포함할 수 있다.In one embodiment, the multifunctional composite material of the present invention is a laminate in which a non-conductive fiber-reinforced composite material layer and a functional fiber layer are alternately stacked, and a non-conductive fiber-reinforced composite material layer is positioned on each of the uppermost and lowermost layers in the stacking direction. may include

일 구체예로, 적층체에서 서로 인접하는 두 기능성 섬유층을 제1섬유층과 제2섬유층으로하여, 제1섬유층의 기능성 섬유의 장축 방향과 제2섬유층의 기능성 섬유 장축 방향간 각도는 0 내지

Figure 112021072204989-pat00002
180도일 수 있다.In one embodiment, by using two functional fiber layers adjacent to each other in the laminate as the first fiber layer and the second fiber layer, the angle between the long axis direction of the functional fiber of the first fiber layer and the long axis direction of the functional fiber of the second fiber layer is 0 to
Figure 112021072204989-pat00002
It may be 180 degrees.

비전도성 섬유 강화 복합재료 층과 전술한 각도의 범위 내로 배열된 기능성 섬유 층이 교번 적층되어 있는 구조에 따라 다기능 복합재의 복소 유전율이 제어될 수 있으므로 목적 주파수의 전자파 흡수 성능을 효과적으로 향상 시킬 수 있다.According to the structure in which the non-conductive fiber-reinforced composite material layer and the functional fiber layer arranged within the above-mentioned angle range are alternately stacked, the complex dielectric constant of the multifunctional composite material can be controlled, so that the electromagnetic wave absorption performance of the target frequency can be effectively improved.

이와 같이, 비전도성 섬유가 서로 이방성을 갖도록 적층된 비전도성 섬유 강화 복합재료 층 및 서로 인접하는 두 비전도성 섬유 강화 복합재료 층 사이에 위치하는 전술한 각도의 범위 내로 배열된 기능성 섬유를 포함하는 기능성 복합재 내에서 서로 인접하는 두 기능성 섬유층인 제1섬유층 및 제2섬유층 각각에 포함되는 기능성 섬유의 장축 방향간 각도는 0 내지

Figure 112021072204989-pat00003
180도 일 수 있고, 구체적으로 10 내지
Figure 112021072204989-pat00004
140도 일 수 있으며, 보다 구체적으로 30 내지
Figure 112021072204989-pat00005
100도 일 수 있다.In this way, the non-conductive fiber-reinforced composite material layer laminated so that the non-conductive fibers are anisotropic to each other and the functional fibers arranged within the range of the above-described angle positioned between the two non-conductive fiber-reinforced composite material layers adjacent to each other. The angle between the major axis directions of the functional fibers included in each of the first fiber layer and the second fiber layer, which are two functional fiber layers adjacent to each other in the composite material, is 0 to
Figure 112021072204989-pat00003
may be 180 degrees, specifically 10 to
Figure 112021072204989-pat00004
It may be 140 degrees, more specifically 30 to
Figure 112021072204989-pat00005
It can be 100 degrees.

전술한 각도의 범위 내에서 기능성 섬유의 장축 방향간 각도가 서로 상이하게 정렬된 인접하는 두 기능성 섬유층을 포함하는 본 발명의 다기능 복합재는 적층체에 포함된 기능성 섬유들이 다양한 패턴을 가질 수 있고, 이러한 다양한 패턴에 갖는 다기능 복합재의 복소 유전율을 제어하여 전자파 흡수 성능의 효율을 향상 시킬 수 있다.In the multifunctional composite material of the present invention comprising two adjacent functional fiber layers in which the angle between the major axis directions of the functional fibers are differently aligned within the above-mentioned range of angles, the functional fibers included in the laminate may have various patterns, such It is possible to improve the efficiency of electromagnetic wave absorption performance by controlling the complex permittivity of the multifunctional composite material in various patterns.

본 발명의 일 실시예로 적층체는 각각의 기능성 섬유 층별로 기능성 섬유 사이의 이격 거리가 서로 상이할 수 있다. 각각의 기능성 섬유 층 별로 서로 상이한 이격 거리를 갖는 기능성 섬유가 포함되어 적층된 구조를 가짐에 따라 전자기파 에너지를 흡수할 수 있는 주파수의 대역폭(bandwidth)을 더 확장 시킬 수 있기 때문에 유리하다.In an embodiment of the present invention, in the laminate, the separation distance between the functional fibers may be different for each functional fiber layer. It is advantageous because functional fibers having different separation distances are included for each functional fiber layer and have a laminated structure, so that the bandwidth of the frequency that can absorb electromagnetic wave energy can be further extended.

일 실시예에 있어, 적층체에 포함되는 비전도성 섬유 강화 복합재료 층의 수는 2 내지 100개, 구체적으로 2 내지 50개, 보다 구체적으로 10 내지 40개, 보다 더 구체적으로 20 내지 30개 일 수 있으나, 본 발명의 다기능 복합재의 사용 목적에 따라 적층체에 포함되는 비전도성 섬유 강화 복합재료 층의 수는 선택될 수 있기 때문에 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.In one embodiment, the number of non-conductive fiber reinforced composite material layers included in the laminate is from 2 to 100, specifically from 2 to 50, more specifically from 10 to 40, even more specifically from 20 to 30. However, the present invention is not limited thereto because the number of non-conductive fiber-reinforced composite material layers included in the laminate may be selected according to the purpose of use of the multifunctional composite material of the present invention.

본 발명의 다기능 복합재는 다기능 복합재에 포함된 기능성 섬유의 압저항 특성으로부터 기인한 외부 충격에 대한 자가 감지 능력을 구비한 복합재일 수 있다. The multifunctional composite material of the present invention may be a composite material having self-sensing ability for external impact resulting from the piezoresistive properties of functional fibers included in the multifunctional composite material.

구체적으로, 다기능 복합재를 센서로 활용하여 복합재에 가해진 외부 충격으로부터 동적 신호(dynamic signal)를 획득할 수 있으며, 이러한 신호는 감지되는 저항의 변화로부터 기인한 것으로 기능성 섬유와 휘트스톤 브리지 회로(Wheatstone bridge-based electric circuit)를 연결하여 얻어진 신호일 수 있다.Specifically, by using a multifunctional composite as a sensor, a dynamic signal can be obtained from an external impact applied to the composite, and this signal is derived from a change in the sensed resistance. It may be a signal obtained by connecting a -based electric circuit).

일 실시예에 있어, 전술한 회로와 연결되는 기능성 섬유는 앞서 상술한 적층체에서 충격이 가해지는 층 즉, 충격이 가해지는 비전도성 섬유 강화 복합재료 층(최 외각층)과 인접하여 위치하는 1 내지 5 번째에 해당하는 기능성 섬유 층에 포함된 하나 이상의 기능성 섬유일 수 있고, 구체적으로 1 내지 3 번째에 해당하는 기능성 섬유 층에 포함된 하나 이상의 기능성 섬유일 수 있다.In one embodiment, the functional fiber connected to the circuit described above is a layer to which an impact is applied in the aforementioned laminate, that is, a non-conductive fiber-reinforced composite material layer (outermost layer) to which an impact is applied. It may be one or more functional fibers included in the functional fiber layer corresponding to the fifth to fifth, and specifically, one or more functional fibers included in the functional fiber layer corresponding to the first to third.

본 발명은 다른 일 양태에 따라, 본 발명의 다기능 복합재를 포함하는 구조체를 제공한다.According to another aspect, the present invention provides a structure comprising the multifunctional composite material of the present invention.

일 구체예로, 본 발명의 다른 일 양태에 따라 제공되는 구조체는 하중지지의 성능 뿐 아니라, 전자파 흡수 능력 및 외부 충격에 대한 자가 감지 능력을 구비한 본 발명의 다기능 복합재를 포함하는 구조체로 군사용 및/또는 민간용으로 상공에서 운용되는 구조체 일 수 있고, 일 예로, 풍력 터빈, 제트 엔진, 항공기 구조체 및 위성 구조체 중에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다. In one embodiment, the structure provided according to another aspect of the present invention is a structure comprising the multifunctional composite material of the present invention with self-sensing ability for electromagnetic wave absorption ability and external impact as well as load bearing performance for military use and / or may be a structure operated in the sky for civilian use, for example, may be any one or more selected from a wind turbine, a jet engine, an aircraft structure, and a satellite structure.

본 발명의 또 다른 일 양태에 따라 제공되는 다기능 복합재 구조의 설계방법에 있어서, 다기능 복합재 구조의 설계 방법은 a) 서로 인접하는 2개의 비전도성 섬유 강화 복합재료 층 사이에 위치하는 기능성 섬유가 외부 충격에 의한 자가 감지가 필요한 영역의 범위에 위치하도록 설정하는 단계; 및 b) 기능성 섬유가 위치하는 일 영역에서 장축이 일 방향으로 배열되고 기능성 섬유간 서로 이격 위치하여 목적 주파수의 전자파를 흡수시키기 위해 비-접촉식으로 제1배열을 갖도록 이격 거리를 설정하는 단계;를 포함한다.In the method for designing a multifunctional composite structure provided according to another aspect of the present invention, the method for designing a multifunctional composite structure comprises: a) a functional fiber positioned between two non-conductive fiber-reinforced composite material layers adjacent to each other by an external impact setting it to be located in a range of an area requiring self-sensing by ; and b) setting the separation distance so that the long axis is arranged in one direction in one region where the functional fibers are located and the functional fibers are spaced apart from each other to have a first arrangement in a non-contact manner to absorb electromagnetic waves of a target frequency; includes

본 발명의 다기능 복합재 구조의 설계방법에 있어, 서로 인접하는 2개의 비전도성 섬유 강화 복합재료 층 사이에 위치하는 기능성 섬유가 외부 충격에 의한 자가 감지가 필요한 영역의 범위에 위치하도록 설정하는 단계를 포함할 수 있다.In the design method of the multifunctional composite structure of the present invention, it includes the step of setting the functional fibers positioned between two adjacent non-conductive fiber-reinforced composite material layers to be located in the range of a region requiring self-sensing due to external impact can do.

이 때, 기능성 섬유를 외부 충격에 의한 자가 감지가 필요한 영역의 범위에 위치하도록 설정하는 단계는 다기능 복합재가 센서의 기능을 효율적으로 수행할 수 있도록 설정하는 단계로, 설정된 위치에 따라 감지되는 변형 민감도에 영향을 줄 수 있고, 기능성 섬유 서로 간에 이격되어 독립적으로 센서의 역할을 수행할 수 있도록 기능성 섬유의 위치를 설정할 수 있다.At this time, the step of setting the functional fiber to be located in the area requiring self-sensing by external impact is a step of setting the multifunctional composite to efficiently perform the function of the sensor, and the deformation sensitivity detected according to the set position It is possible to set the position of the functional fiber so that it can affect the function, and the functional fiber can be spaced apart from each other to perform the role of a sensor independently.

나아가, 본 발명의 다기능 복합재 구조의 설계방법에 있어, 기능성 섬유가 위치하는 일 영역에서 장축이 일 방향으로 배열되고 기능성 섬유간 서로 이격 위치하여 목적 주파수의 전자파를 흡수시키기 위해 비-접촉식으로 제1배열을 갖도록 이격 거리를 설정하는 단계를 포함할 수 있다.Furthermore, in the design method of the multifunctional composite structure of the present invention, the long axis is arranged in one direction in one area where the functional fibers are located, and the functional fibers are spaced apart from each other to absorb electromagnetic waves of the target frequency in a non-contact manner. It may include the step of setting the separation distance to have one arrangement.

전술한 바와 같이, 기능성 섬유가 위치하는 영역에서 비-접촉식으로 서로 이격 위치하여 기능성 섬유 각각이 독립적으로 센서의 역할을 수행함과 더불어 효율적으로 목적 주파수의 전자파를 흡수시키기 위해 제1배열을 갖도록 이격 거리를 설정할 수 있다. As described above, the functional fibers are spaced apart from each other in a non-contact manner in the area where the functional fibers are located so that each of the functional fibers independently performs the role of a sensor and has a first arrangement to efficiently absorb electromagnetic waves of a target frequency. You can set the distance.

일 구체예로, 기능성 섬유간의 이격 거리는 목적 주파수의 파장보다 작도록 설정되는 것일 수 있다.In one embodiment, the separation distance between the functional fibers may be set to be smaller than the wavelength of the target frequency.

구체적 일 예로, 흡수시키고자 하는 전자파가 X-band 대역의 전자파일 경우, 기능성 섬유간의 이격 거리는 X-band 대역의 최소 파장인 약 25 mm 이내의 범위에서 제어되도록 설정하여 전자파 흡수 효율을 향상 시킬 수 있는 것이다. X-band 대역의 전자파의 흡수를 일 예로, 기능성 섬유간의 이격 거리는 0.1 내지 25 mm일 수 있고, 구체적으로 1 내지 20 mm일 수 있으며, 보다 구체적으로 3 내지 20 mm일 수 있으며, 보다 더 구체적으로 5 내지 15 mm일 수 있다.As a specific example, when the electromagnetic wave to be absorbed is an electromagnetic wave in the X-band band, the separation distance between functional fibers can be set to be controlled within the range of about 25 mm, which is the minimum wavelength of the X-band band, to improve the electromagnetic wave absorption efficiency. there will be As an example of the absorption of electromagnetic waves in the X-band band, the separation distance between the functional fibers may be 0.1 to 25 mm, specifically 1 to 20 mm, more specifically 3 to 20 mm, and even more specifically It may be 5 to 15 mm.

일 실시예에 있어, 다기능 복합재는 일 방향으로 배열된 제1배열을 갖는 기능성 섬유와 제1배열과 상이한 방향으로 배열된 제2배열을 갖는 기능성 섬유를 더 포함하되, 제1배열을 갖는 기능성 섬유와 제2배열을 갖는 기능성 섬유는 일 비전도성 섬유 강화 복합재료 층 일면 및 타면에 각각 접하는 것일 수 있다.In one embodiment, the multifunctional composite further comprises functional fibers having a first arrangement arranged in one direction and functional fibers having a second arrangement arranged in a direction different from the first arrangement, wherein the functional fibers having a first arrangement And the functional fiber having the second arrangement may be in contact with one surface and the other surface of one non-conductive fiber-reinforced composite material layer, respectively.

서로 접촉되지 않도록 인접하여 위치하며, 서로 상이한 배열을 갖는 기능성 섬유가 비전도성 섬유 강화 복합재료 층 사이에 포함되어 비전도성 섬유 강화 복합재료에 의한 기계적 특성을 더욱더 향상 시킬 수 있으며, 상이한 배열 구조에 따라 다기능 복합재의 복소 유전율을 제어할 수 있기 때문에 목적 주파수의 전자파를 효율적으로 흡수 시킬 수 있는 장점이 있다.They are located adjacent to each other so as not to contact each other, and functional fibers having different arrangements are included between the layers of the non-conductive fiber-reinforced composite material to further improve the mechanical properties of the non-conductive fiber-reinforced composite material. Since the complex dielectric constant of the multifunctional composite can be controlled, it has the advantage of efficiently absorbing electromagnetic waves of the target frequency.

보다 구체적인 전자파 흡수 성능의 향상을 위한 다기능 복합재 구조의 설계 방법으로, 다기능 복합재는 제N배열을 갖는 기능성 섬유가 포함된 N개의 기능성 섬유층이 즉, 비-접촉식으로 서로 이격 위치한 기능성 섬유가 포함된 N개의 기능성 섬유층이 N개 또는 N+1개의 비전도성 섬유 강화 복합재료 층을 개재하여 적층된 구조를 가지되, 다기능 복합재의 복소 유전율이 입사되는 목적 주파수의 전자파를 반사시키지 않는 두께를 갖는 단층 흡수체(single slab absorber)의 복소 유전율과 매칭되는 점을 기준으로 단층 흡수체의 두께와 동일한 두께를 갖도록 다기능 복합재의 두께를 설정할 수 있다.As a design method of a multi-functional composite material structure for more specific improvement of electromagnetic wave absorption performance, the multi-functional composite material includes N functional fiber layers including functional fibers having an N-th arrangement, that is, functional fibers spaced apart from each other in a non-contact manner. A single-layer absorber having a structure in which N functional fiber layers are laminated with N or N+1 non-conductive fiber-reinforced composite material layers interposed therebetween, but having a thickness that does not reflect electromagnetic waves of the target frequency to which the complex dielectric constant of the multifunctional composite material is incident Based on the point matching the complex dielectric constant of the (single slab absorber), the thickness of the multifunctional composite can be set to have the same thickness as the thickness of the single-layer absorber.

상세하게, 다기능 복합재는 적층방향을 기준으로 최하부에 비전도성 섬유 강화 복합재료 층(제 0 비전도성 층), 제1배열을 갖는 기능성 섬유 층, 제 1 비전도성 층, 제2배열을 갖는 기능성 섬유 층, 제 2 비전도성 층 순으로 적층된 구조를 가질 수 있고, 이 때, 전술한 적층된 구조를 갖는 다기능 복합재의 복소 유전율이 최적화 복소 유전율(optimum complex permittivity)인 입사되는 목적 주파수의 전자파를 반사시키지 않는 특정 두께를 갖는 단층 흡수체(single slab absorber)의 복소 유전율과 매칭되는 점을 기준으로 단층 흡수체의 특정 두께와 동일한 두께를 갖도록 다기능 복합재의 두께를 설정하는 것이다.Specifically, the multifunctional composite material has a non-conductive fiber-reinforced composite material layer (0th non-conductive layer), a functional fiber layer having a first arrangement, a first non-conductive layer, and a functional fiber having a second arrangement at the bottom based on the lamination direction. The layer and the second non-conductive layer may have a stacked structure in that order, and in this case, the complex permittivity of the multifunctional composite having the above-described stacked structure is the optimal complex permittivity. It is to set the thickness of the multifunctional composite material to have the same thickness as the specific thickness of the single slab absorber based on the point matching the complex dielectric constant of the single slab absorber with a specific thickness that is not specified.

이하, 실시예를 통해 본 발명에 따른 다기능 복합재에 대해 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다.Hereinafter, the multifunctional composite material according to the present invention will be described in more detail through examples. However, the following examples are only a reference for describing the present invention in detail, and the present invention is not limited thereto, and may be implemented in various forms.

또한, 달리 정의되지 않은 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.Further, unless otherwise defined, all technical and scientific terms have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. The terminology used herein is for the purpose of effectively describing particular embodiments only and is not intended to limit the invention.

(다기능 복합재 구조 설계를 위한 시뮬레이션)(Simulation for multifunctional composite structural design)

다기능 복합재의 실질적인 제조에 앞서 복합재 구조 설계를 위한 시뮬레이션을 진행하였다.Simulations were performed for the design of the composite structure prior to the actual manufacture of the multifunctional composite.

완전 파동 시뮬레이션(full-wave simulation)을 위해 탄화규소 섬유 및 탄화규소 섬유를 포함하는 복합재 구조를 모델링하였다.For full-wave simulations, silicon carbide fibers and composite structures including silicon carbide fibers were modeled.

도 1은 모델링한 탄화규소 섬유를 도시한 도면으로 도 1(a) 및 도 1(b)는 각각 타원형의 굴곡없이 일직선으로 모델링된 탄화규소 섬유의 모식도 및 모델링된 탄화규소 섬유의 단면을 나타낸 것이다. 이 때, 단면에서 장축은 1.5 mm, 단축은 0.1 mm로 설정하였다.1 is a view showing a modeled silicon carbide fiber, and FIGS. 1 (a) and 1 (b) are a schematic diagram of a silicon carbide fiber modeled in a straight line without an elliptical curve, respectively, and a cross-section of the modeled silicon carbide fiber. . At this time, in the cross section, the major axis was set to 1.5 mm and the minor axis to 0.1 mm.

도 2는 모델링된 복합재의 모식도를 도시한 도면으로 앞서 모델링한 탄화규소 섬유가 각 비전도성 섬유 강화 복합재료 층 사이 즉, 중간층에 삽입되도록 설계하였고, 적층되는 순서는 플라이(ply)가 직교하도록 하였다. 이 때, 비전도성 섬유 강화 복합재료는 일 방향으로 배열된 유리섬유와 에폭시 수지 복합재를 적용하였고 적층은 최하단의 비전도성 섬유 강화 복합재료 층에 포함된 유리섬유의 정렬된 방향을 기준(0도)으로 0도의 탄화규소 섬유, 90도의 비전도성 섬유 강화 복합재료 층, 90도의 탄화규소 섬유의 배열을 갖도록 적층시켰으며 이를 [0/SiC0/90/SiC90]으로 명명하였다. 또한, 삽입된 탄화규소 섬유를 감안하여 플라이 당 두께는 0.13 mm로 설정하였으며, 모델링된 복합재의 전체 두께는 1.04 mm였다. 2 is a diagram showing a schematic diagram of a modeled composite material. The previously modeled silicon carbide fibers were designed to be inserted between each non-conductive fiber-reinforced composite material layer, that is, in an intermediate layer, and the stacking order was such that the plies were orthogonal. . At this time, as the non-conductive fiber-reinforced composite material, glass fibers and epoxy resin composites arranged in one direction were applied, and the lamination was based on the alignment direction of the glass fibers included in the lowermost non-conductive fiber-reinforced composite material layer (0 degrees). was laminated to have an arrangement of silicon carbide fibers at 0 degrees, a non-conductive fiber-reinforced composite material layer at 90 degrees, and silicon carbide fibers at 90 degrees, and this was named [0/SiC 0 /90/SiC 90 ]. In addition, the thickness per ply was set to 0.13 mm in consideration of the inserted silicon carbide fiber, and the overall thickness of the modeled composite was 1.04 mm.

도 2(a)는 모델링된 복합재 내에서 탄화규소 섬유가 제1패턴을 가지도록 정렬된 복합재의 모식도, 사이드 뷰 및 완전 파동 시뮬레이션을 위한 대표요소체적(representative elementary volume, REV)을 나타내는 도면이다.Figure 2 (a) is a schematic diagram of the composite material in which silicon carbide fibers are arranged to have a first pattern in the modeled composite material, a side view, and a diagram showing a representative elementary volume (REV) for full wave simulation.

모델링된 복합재 내에서 탄화규소 섬유의 정렬된 패턴에 따라, 수직으로 입사되는 전자파에 대한 탄화규소 섬유 층(네트워크)의 유효투영면적(effective projected area)은 달라질 수 있기 때문에 유효투영면적의 크기가 상이한 패턴을 가지는 제1패턴, 제2패턴 및 제3패턴의 유효투영면적을 각각 도 2(b), 도 2(c) 및 도 2(d)에 도시하였다. 이 때, 유효투영면적에 제1패턴 내지 제3패턴 모두 8개의 탄화규소 섬유가 사용되었고, 제1패턴이 가장 작은 유효투영면적을 가지고, 제3패턴이 가장 큰 유효투영면적을 가짐을 알 수 있다.Depending on the ordered pattern of silicon carbide fibers within the modeled composite, the effective projected area of the silicon carbide fiber layer (network) for a vertically incident electromagnetic wave can vary, so the size of the effective projected area is different. The effective projection areas of the first pattern, the second pattern, and the third pattern having the pattern are shown in FIGS. 2(b), 2(c) and 2(d), respectively. At this time, it can be seen that eight silicon carbide fibers were used in all of the first to third patterns for the effective projected area, and the first pattern had the smallest effective projected area and the third pattern had the largest effective projected area. there is.

전술한 제1패턴 내지 제3패턴으로 정렬된 복합재의 동일 층에 위치하는 탄화규소 섬유의 이격거리를 6 내지 15 mm의 범위에서 다르게 설정하여 각각의 복합재의 복소 유전율(complex permittivity)의 완전 파동 시뮬레이션을 수행하였고 그 결과를 도 3에 도시하였다.Complete wave simulation of the complex permittivity of each composite by setting the spacing distance of silicon carbide fibers positioned in the same layer of the composite material arranged in the above-described first to third patterns differently in the range of 6 to 15 mm was performed and the results are shown in FIG. 3 .

도 3은 디자인된 패턴 및 각 패턴을 갖는 복합재에서 동일 층에 삽입된 탄화규소 섬유간의 이격거리에 따른 복소 유전율 및 10 GHz 주파수에서 단층 흡수체(single slab absorber)의 최적화 복소 유전율(optimum complex permittivity)을 도시한 도면이다. 여기서, 최적화 복소 유전율은 특정 주파수(10 GHz)에서 입사되는 전자파를 반사시키지 않는 특정 두께를 갖는 단층 흡수체의 복소 유전율을 의미하며, 이는 하기 식 1로부터 계산하였다.3 shows the complex permittivity according to the spacing between the silicon carbide fibers inserted in the same layer in the designed pattern and the composite having each pattern, and the optimized complex permittivity of a single slab absorber at 10 GHz frequency. It is the drawing shown. Here, the optimized complex permittivity refers to the complex permittivity of a single-layer absorber having a specific thickness that does not reflect an electromagnetic wave incident at a specific frequency (10 GHz), which was calculated from Equation 1 below.

(식 1)(Equation 1)

Figure 112021072204989-pat00006
Figure 112021072204989-pat00006

식 1에서 d 는 단층 흡수체의 두께, ε r 은 상대 복소 유전율(relative complex permittivity) 및 λ 는 입사되는 전자파의 파장이다.In Equation 1, d is the thickness of the single-layer absorber, ε r is the relative complex permittivity, and λ is the wavelength of the incident electromagnetic wave.

도 3에 도시된 바와 같이, 동일 층에 위치하는 탄화규소 섬유간의 이격거리가 감소함에 따라 복합재의 복소 유전율은 증가함이 관찰되었고, 이는 탄화규소 섬유간의 이격거리가 감소함에 따라 단위 면적당 존재하는 탄화규소 섬유가 증가하기 때문이다. 즉, 탄화규소 섬유의 복소 유전율은 비전도성 섬유 강화 복합재료의 복소 유전율 대비 더 높은 값을 가지기 때문인 것이다.As shown in FIG. 3 , it was observed that the complex dielectric constant of the composite material increased as the separation distance between the silicon carbide fibers located in the same layer decreased, which is the carbide present per unit area as the separation distance between the silicon carbide fibers decreased. This is because the silicon fiber increases. That is, this is because the complex dielectric constant of the silicon carbide fiber has a higher value than that of the non-conductive fiber-reinforced composite material.

또한, 탄화섬유 간의 이격거리가 동일할 경우, 서로 상이한 유효투영면적을 가지는 정렬된 패턴에 따라 복소 유전율이 변화하는 것을 알 수 있으며, 특히, 복소 유전율에서 실수부(real part) 대비 허수부(imaginary part)의 변화 정도가 더 큼을 확인하였다.In addition, when the spacing between the carbonized fibers is the same, it can be seen that the complex permittivity changes according to the aligned patterns having different effective projection areas. In particular, in the complex permittivity, the real part versus the imaginary part) was confirmed to be larger.

이로부터, 복합재의 복소 유전율은 정해진 정렬 패턴에서 탄화섬유 간의 이격거리를 조절하거나, 복합재의 단위 면적당 포함될 수 있는 탄화규소 섬유가 제한될 경우, 적층 패턴 즉, 유효투영면적을 조절하여 복합재의 복소 유전율은 목적에 따라 조절 가능함을 확인하였다. From this, the complex permittivity of the composite material is determined by controlling the spacing between the carbide fibers in a predetermined alignment pattern, or when silicon carbide fibers that can be included per unit area of the composite material are limited, the stacking pattern, that is, the effective projected area, to control the complex dielectric constant of the composite material. It was confirmed that it can be adjusted according to the purpose.

도 3을 살펴보면, 최적화 복소 유전율 커브와 비교하여 제1패턴 내지 제3패턴의 복합재는 각각 7, 8 및 9 mm로 이격된 탄화규소 섬유를 포함한 경우에 유사한 복소 유전율을 가짐을 알 수 있고, 특히, 제3패턴의 9 mm의 거리로 이격된 탄화섬유를 포함하는 복합재는 3.12 mm 두께를 갖는 단층 흡수체의 복소 유전율과 가장 유사함을 확인하였다.Referring to FIG. 3 , compared with the optimized complex permittivity curve, it can be seen that the composite materials of the first to third patterns have similar complex permittivity when including silicon carbide fibers spaced apart by 7, 8 and 9 mm, respectively, and, in particular, , it was confirmed that the composite material including carbonized fibers spaced apart by a distance of 9 mm of the third pattern was most similar to the complex permittivity of a single-layer absorber having a thickness of 3.12 mm.

추가로, 전술한 제3패턴의 9 mm의 거리로 이격된 탄화섬유를 포함하는 디자인을 선택하여 복합재의 최종 두께를 3.12 mm로 설정하여 전자파 흡수 성능을 시뮬레이션 하였고, 그 결과를 도 4에 도시하였다.In addition, the electromagnetic wave absorption performance was simulated by selecting a design including carbonized fibers spaced apart by a distance of 9 mm of the third pattern described above and setting the final thickness of the composite to 3.12 mm, and the result is shown in FIG. .

도 4는 선택된 디자인으로 최종 두께가 3.12 mm로 설정된 복합재의 전자파 반사 손실의 시뮬레이션된 결과값을 나타낸 것으로 90% 이상의 전자기파 에너지 흡수가 일어나는 주파수 범위는 8.25 내지 11.83 GHz임을 알 수 있다. 또한, -10dB의 반사 손실에 대한 대역폭(bandwidth)은 3.58 GHz이고, 최소 반사 손실은 9.87 GHz에서 -39.00dB로 확인 되었다.4 shows the simulated results of the electromagnetic wave return loss of the composite material with the final thickness set to 3.12 mm with the selected design, and it can be seen that the frequency range in which electromagnetic wave energy absorption of 90% or more occurs is 8.25 to 11.83 GHz. In addition, the bandwidth for the return loss of -10dB was 3.58 GHz, and the minimum return loss was confirmed to be -39.00dB at 9.87 GHz.

전술한 전자파 흡수 성능의 시뮬레이션 결과, 디자인된 복합재는 8 내지 12 GHz 주파수 범위인 대부분의 X-band를 커버할 수 있는 전자파 흡수 성능을 나타내는 것을 확인하였다. As a result of simulation of the electromagnetic wave absorption performance described above, it was confirmed that the designed composite material exhibited electromagnetic wave absorption performance capable of covering most of the X-band in the frequency range of 8 to 12 GHz.

(실시예)(Example)

길이 300 mm x 너비 300mm 크기의 다기능 복합재를 제조하기 위하여 일방향으로 정렬된 유리 섬유/ 에폭시 프리프레그 플라이(UGN 160, Muhan Composite Co., Ltd) 24개를 적층 시켰다. 이 때, 유리 섬유/ 에폭시 프리프레그 플라이 각각의 중간 층에 앞서 상술한 제3패턴을 갖도록 탄화규소 섬유((Tyranno S, Ube Industries, Ltd)를 위치시켰으로 동일층에서 탄화규소 섬유간 이격거리는 9 mm이었고, 적층 순서는 전술한 시뮬레이션에서와 마찬가지로 [0/SiC0/90/SiC90]의 순서로 6회 반복하여 적층하였다.Twenty-four unidirectionally aligned glass fiber/epoxy prepreg plies (UGN 160, Muhan Composite Co., Ltd) were laminated to produce a multifunctional composite material with a length of 300 mm x width of 300 mm. At this time, silicon carbide fibers ((Tyranno S, Ube Industries, Ltd) were placed to have the above-mentioned third pattern in the middle layer of each glass fiber/epoxy prepreg ply, so the spacing between silicon carbide fibers in the same layer was 9 mm, and the stacking order was repeated 6 times in the order of [0/SiC 0 /90/SiC 90 ] as in the above simulation.

추가로, 유리 섬유/ 에폭시 프리프레그 플라이에 삽입된 탄화규소 섬유 중에서 독립적인 외부충격 감지 센서로 활용하기 위해서 4개의 탄화규소 섬유를 선택하였고 이 중, 2개는 22번째 및 23번째 프리프레그 플라이 사이에 위치시켰으며, 다른 2개는 23번째 및 24번째 플라이 사이에 위치시켰다. 센서의 역할을 수행하는 선택된 탄화규소 섬유 센서의 이그레스(egress)를 위하여 각각의 탄화규소 섬유 센서의 말단에 위치하는 프리프레그에 홀(구멍)을 생성시킨 후 생성된 구멍을 전도성 실버 페이스트로 채워 넣었다.In addition, among the silicon carbide fibers inserted into the glass fiber/epoxy prepreg ply, four silicon carbide fibers were selected for use as independent external impact sensors, and two of them were between the 22nd and 23rd prepreg ply. , and the other two were placed between the 23rd and 24th plies. For the egress of the selected silicon carbide fiber sensor performing the role of the sensor, a hole (hole) is created in the prepreg located at the end of each silicon carbide fiber sensor, and then the hole is filled with conductive silver paste. put

전술한 적층체를 진공 배깅(vacuum bagging) 공정을 거쳐 오토클레이브(autoclave)를 이용하여 건조하였으며 두께 3.132 mm의 다기능 복합재를 제조하였다.The above-described laminate was dried using an autoclave through a vacuum bagging process to prepare a multifunctional composite material having a thickness of 3.132 mm.

(실험예 1)(Experimental Example 1)

제조된 복합재의 단면을 전자주사현미경(SEM)을 이용하여 관찰하였고, 측정된 SEM 이미지를 도 5에 도시하였다.The cross-section of the prepared composite was observed using a scanning electron microscope (SEM), and the measured SEM image is shown in FIG. 5 .

도 5(a)는 실시예의 단면 이미지이고, 도 5(b)는 도 5(a)의 하얀색 박스로 표시된 부분을 확대한 이미지이며, 도 5(c)는 섬유(유리섬유 및 탄화규소 섬유) 및 에폭시 수지 사이의 계면 결합을 도시한 도면이다.Figure 5 (a) is a cross-sectional image of the embodiment, Figure 5 (b) is an enlarged image of the portion indicated by the white box in Figure 5 (a), Figure 5 (c) is fiber (glass fiber and silicon carbide fiber) and an interfacial bond between the epoxy resins.

도 5(a) 도시된 바와 같이, 탄화규소 섬유는 서로간의 접촉없이(비-접촉식) 안정적으로 프리프레그 층간에 삽입되어 있는 것이 확인 되었고, 도 5(b)를 통해 유리섬유의 직경 및 탄화규소 섬유의 직경은 각각 13 μm 및 8.5 μm임을 확인 하였다. 또한, 도 5(c)에서 탄화규소 섬유들 사이로 유리 섬유/ 에폭시 프리프레그에서 여분의 수지가 안정적으로 스며들어 있음이 관찰되었다.As shown in Fig. 5(a), it was confirmed that the silicon carbide fibers were stably inserted between the prepreg layers without contact with each other (non-contact type), and the diameter and carbonization of the glass fibers through Fig. 5(b) It was confirmed that the diameters of the silicon fibers were 13 μm and 8.5 μm, respectively. In addition, it was observed that the excess resin in the glass fiber/epoxy prepreg stably permeated between the silicon carbide fibers in Fig. 5(c).

(실험예 2) (Experimental Example 2)

제조된 복합재의 전자파 반사 손실을 자유공간 측정 시스템(free space measurement system)을 이용하여 실험적으로 측정하였다.The electromagnetic wave reflection loss of the prepared composite was experimentally measured using a free space measurement system.

제조된 복합재의 전자파 반사 손실의 측정은 두개의 X-band 뿔형의 안테나(horn antenna) 및 네트워크 분석기((N5222A, Keysight Technologies Inc.)로 구성된 자유공간 측정 시스템을 이용하였으며, 도 6에 측정된 결과를 앞서 시뮬레이션의 결과 값과 함께 도시하였다.For the measurement of the electromagnetic wave return loss of the manufactured composite material, a free space measurement system consisting of two X-band horn antennas and a network analyzer (N5222A, Keysight Technologies Inc.) was used, and the results measured in FIG. is shown together with the results of the simulation above.

실질적으로 제조된 복합재는 8.22 내지 11.73 GHz 주파수 범위에서 90% 이상의 전자기파 에너지 흡수가 일어나는 것이 관찰되었고, -10dB의 반사 손실에 대한 대역폭(bandwidth)은 3.51 GHz이고, 최소 반사 손실은 9.73 GHz에서 -38.70dB로 확인 되었다. 이 결과는 앞서 상술한 시뮬레이션 결과와 거의 일치하는 것으로 본원의 다기능 복합재는 목적 주파수에 맞게 디자인을 변경하여 목적 주파수의 전자파를 효과적으로 흡수할 수 있는 성능을 가질 수 있음이 확인 되었다.In the substantially manufactured composite, it was observed that more than 90% of electromagnetic wave energy absorption occurs in the frequency range of 8.22 to 11.73 GHz, the bandwidth for a return loss of -10 dB is 3.51 GHz, and the minimum return loss is -38.70 at 9.73 GHz. was confirmed in dB. This result is almost consistent with the simulation results described above, and it was confirmed that the multifunctional composite material of the present application can have the ability to effectively absorb electromagnetic waves of the target frequency by changing the design according to the target frequency.

(실험예 3)(Experimental Example 3)

제조된 복합재를 센서로 활용하여 동적 신호(dynamic signal) 획득의 성능을 평가하기 위해 복합재 상에 충격 실험(impact testing)을 수행하였다.Impact testing was performed on the composite material to evaluate the performance of acquiring a dynamic signal by using the prepared composite material as a sensor.

도 7에 충격 실험의 수행을 위한 실험 준비 모식도를 도시하였고, 충격 실험을 위해 제조된 복합재를 스틸 고정 지그를 이용하여 고정시켰다. 7 shows a schematic diagram of the experimental preparation for the performance of the impact test, and the composite material prepared for the impact test was fixed using a steel fixing jig.

충격에 의해 발생되는(측정되는) 저항의 변화는 휘트스톤 브리지 회로(Wheatstone bridge-based electric circuit)를 이용하여 측정하였고, 이를 위하여 실시예에서 제조된 탄화규소 섬유 센서의 이그레스(egress)를 와이어로 회로와 연결하였다.The change in resistance caused (measured) by the impact was measured using a Wheatstone bridge-based electric circuit, and for this purpose, the egress of the silicon carbide fiber sensor manufactured in Example was wire connected to the circuit.

비교검증(comparative verification)을 위한 기준 신호를 획득하기 위해 가속도센서(accelerometer, (208C01, PCB Piezotronics Inc.))를 복합재에 부착하였고, 23번째 및 24번째 플라이 사이에 위치한 탄화규소 섬유를 각각 센서 #1 및 #2로 명명하였으며, 22번째 및 23번째 플라이 사이에 위치한 탄화규소 섬유를 각각 센서 #3 및 #4로 명명하였다. 복합재로의 충격은 충격 햄머(086C03, PCB Piezotronics Inc.)를 이용하여 10 kHz의 표본화 속도(sampling rate)로 수행하였고 이로부터 충격 신호를 획득하였다. 충격 실험을 위한 각각의 넘버링된 센서, 가속도센서 및 수행된 충격의 위치는 도 7에 나타내었다.To obtain a reference signal for comparative verification, an accelerometer (208C01, PCB Piezotronics Inc.) was attached to the composite, and silicon carbide fibers positioned between the 23rd and 24th ply were placed on the sensor # 1 and #2, and the silicon carbide fibers located between the 22nd and 23rd ply were named sensors #3 and #4, respectively. The impact to the composite was performed using an impact hammer (086C03, PCB Piezotronics Inc.) at a sampling rate of 10 kHz, and the impact signal was obtained therefrom. The positions of each numbered sensor, accelerometer, and performed impact for the impact test are shown in FIG. 7 .

도 8은 복합재에 가해진 충격으로 인한 시간 영역(time domain)에서 각각의 넘버링된 센서로부터 획득한 충격 신호를 도시한 도면이다.FIG. 8 is a diagram illustrating an impact signal obtained from each numbered sensor in the time domain due to an impact applied to the composite; FIG.

각각의 센서에서 충격 이 후에 충격 신호가 감지되었음을 확인하였고, 복합재의 중립축(neutral axis)으로부터 상대적으로 멀리 위치하는 센서 #1 및 #2에서 센서 #3 및 #4 대비 상대적으로 높은 진폭이 나타남을 확인하였다.It was confirmed that the shock signal was detected after the impact in each sensor, and it was confirmed that sensors #1 and #2 located relatively far from the neutral axis of the composite showed a relatively high amplitude compared to sensors #3 and #4 did

추가적으로, 제조된 복합재의 고유 진동수(natural frequency)를 획득하기 위해 일시적 신호(temporal signal)를 기반으로 주파수 응답 함수(frequency response function, FRF)를 인가 및 응답 신호에 대한 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform, FFT)을 적용하여 추정하였다. Additionally, a frequency response function (FRF) is applied based on a temporal signal to obtain the natural frequency of the manufactured composite material, and a fast Fourier transform on the response signal is performed. FFT) was applied to estimate.

도 9는 복합재에 포함된 각각의 탄화규소 섬유 센서 및 가속도센서의 주파수 응답 함수를 도시한 도면이다.9 is a view showing the frequency response function of each of the silicon carbide fiber sensor and the acceleration sensor included in the composite material.

도 9에 나타난 바와 같이, 각각의 탄화규소 섬유 센서들의 주파수 응답 함수는 가속도센서의 주파수 응답 함수와 매우 유사한 특성을 보이는 것을 확인하였고, 세 번째 모드까지의 고유 진동수는 충분히 구별 가능함을 확인하였다.As shown in FIG. 9 , it was confirmed that the frequency response function of each silicon carbide fiber sensor showed very similar characteristics to the frequency response function of the acceleration sensor, and it was confirmed that the natural frequencies up to the third mode were sufficiently distinguishable.

실질적으로 첫 번째, 두 번째 및 세 번째 모드에서 확인된 가속도센서의 고유 진동수는 각각 242.3, 482.0 및 516.1 Hz로 제조된 복합재를 이용하여 측정된 각 모드에서의 고유 진동수 242.7, 476.2 및 514.5 Hz와 매우 유사함을 알 수 있다. 이로부터, 본원의 복합재는 충격을 감지하는 센서로써 외부 충격으로부터 감지되어 획득한 충격 신호는 상업적 가속도센서와 필적하는 충격 감지 성능을 가지고 있음을 확인하였다. Practically, the natural frequencies of the accelerometers confirmed in the first, second and third modes are very similar to the natural frequencies of 242.7, 476.2 and 514.5 Hz in each mode measured using the composite fabricated at 242.3, 482.0 and 516.1 Hz, respectively. It can be seen that similar From this, it was confirmed that the composite material of the present application is a sensor for detecting an impact, and the impact signal obtained by sensing from an external impact has impact detection performance comparable to that of a commercial accelerometer.

따라서, 본원의 다기능 복합재는 일반적으로 하중지지의 역할을 수행하는 섬유 강화 복합재의 성능과 더불어 목적 주파수의 전자파를 효과적으로 차단할 수 있는 우수한 전자파 흡수의 성능 뿐 아니라, 우수한 충격 감지 성능을 지닌 충격 감지 센서의 역할도 동시에 수행할 수 있는 다기능 복합재임을 알 수 있다.Therefore, the multifunctional composite material of the present application generally has the performance of a fiber-reinforced composite material that serves as a load bearing and excellent electromagnetic wave absorption performance that can effectively block electromagnetic waves of the target frequency, as well as the impact sensor with excellent impact detection performance. It can be seen that it is a multifunctional composite material that can perform both roles at the same time.

이상과 같이 특정된 사항들과 한정된 실시예를 통해 본 발명이 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.Although the present invention has been described with reference to specific matters and limited examples as described above, these are only provided to help a more general understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the above examples, and the present invention belongs to Various modifications and variations are possible from these descriptions by those of ordinary skill in the art.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Therefore, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and not only the claims to be described later, but also all those with equivalent or equivalent modifications to the claims will be said to belong to the scope of the spirit of the present invention. .

Claims (18)

둘 이상의 비전도성 섬유 강화 복합재료 층; 및
서로 인접하는 두 비전도성 섬유 강화 복합재료 층 사이에 위치하는 기능성 섬유 층;을 포함하며,
상기 기능성 섬유 층은 기능성 섬유의 장축이 일 방향으로 배열되고 기능성 섬유간 서로 이격 위치하여 비-접촉식으로 배열되어 하중지지, 전자파 흡수 및 외부 충격 자가 감지가 가능한 다기능 복합재.two or more layers of non-conductive fiber-reinforced composite material; and
a functional fiber layer positioned between two adjacent non-conductive fiber-reinforced composite material layers;
The functional fiber layer is a multifunctional composite material in which the long axes of the functional fibers are arranged in one direction and the functional fibers are spaced apart from each other and arranged in a non-contact manner to support load, absorb electromagnetic waves, and self-sensing external impacts. 제 1항에 있어서,
상기 기능성 섬유간의 이격 거리에 의해 흡수되는 전자파의 주파수 범위가 제어되는 다기능 복합재.The method of claim 1,
A multifunctional composite material in which the frequency range of electromagnetic waves absorbed by the separation distance between the functional fibers is controlled. 제 2항에 있어서,
상기 이격 거리는 1 내지 20 mm인 다기능 복합재.3. The method of claim 2,
The separation distance is 1 to 20 mm multifunctional composite material. 제 1항에 있어서,
상기 기능성 섬유는 무기탄화물 섬유인 다기능 복합재.The method of claim 1,
The functional fiber is an inorganic carbide fiber multifunctional composite material. 제 4항에 있어서,
상기 기능성 섬유는 탄화규소 섬유인 다기능 복합재.5. The method of claim 4,
The functional fiber is a multifunctional composite material of silicon carbide fiber. 제 1항에 있어서,
상기 비전도성 섬유 강화 복합재료 층은 섬유상의 강화 성분으로 비전도성 섬유를 포함하며 매트릭스 성분으로 열경화성 수지를 포함하는 다기능 복합재.The method of claim 1,
The non-conductive fiber-reinforced composite material layer includes a non-conductive fiber as a fibrous reinforcing component and a multifunctional composite comprising a thermosetting resin as a matrix component. 제 6항에 있어서,
상기 기능성 섬유 층은 상기 비전도성 섬유와 상기 기능성 섬유가 직조된 것인 다기능 복합재.7. The method of claim 6,
The functional fiber layer is a multifunctional composite material in which the non-conductive fiber and the functional fiber are woven. 제 1항에 있어서,
상기 다기능 복합재는 상기 비전도성 섬유 강화 복합재료 층과 상기 기능성 섬유 층이 교번 적층되되, 적층 방향으로 최 상부와 최 하부 각각에 비전도성 섬유 강화 복합재료 층이 위치하는 적층체를 포함하는 다기능 복합재.The method of claim 1,
The multifunctional composite is a multifunctional composite comprising a laminate in which the non-conductive fiber-reinforced composite material layer and the functional fiber layer are alternately stacked, the non-conductive fiber-reinforced composite material layer is positioned at each of the uppermost and lowermost portions in the stacking direction. 제 8항에 있어서,
상기 적층체에서 서로 인접하는 두 기능성 섬유층을 제1섬유층과 제2섬유층으로하여, 상기 제1섬유층의 기능성 섬유의 장축 방향과 상기 제2섬유층의 기능성 섬유 장축 방향간 각도는 10 내지
Figure 112021072204989-pat00007
140도인 다기능 복합재.9. The method of claim 8,
In the laminate, two functional fiber layers adjacent to each other are used as a first fiber layer and a second fiber layer, and the angle between the long axis direction of the functional fiber of the first fiber layer and the long axis direction of the functional fiber of the second fiber layer is 10 to
Figure 112021072204989-pat00007
140 degree multifunctional composite. 제 9항에 있어서,
상기 적층체에 포함되는 비전도성 섬유 강화 복합재료 층의 수는 2 내지 50개인 다기능 복합재.10. The method of claim 9,
The number of non-conductive fiber-reinforced composite material layers included in the laminate is from 2 to 50. 제 10항에 있어서,
상기 적층체는, 기능성 섬유 층별로, 기능성 섬유 사이의 이격 거리가 서로 상이한 다기능 복합재.11. The method of claim 10,
The laminate is a multifunctional composite material having a different separation distance between the functional fibers for each functional fiber layer. 삭제delete 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 따른 다기능 복합재를 포함하는 구조체.12. A structure comprising the multifunctional composite according to any one of claims 1 to 11. 제 13항에 있어서,
상기 구조체는 풍력 터빈, 제트 엔진, 항공기 구조체 및 위성 구조체 중에서 선택되는 어느 하나 이상인 구조체. 14. The method of claim 13,
The structure is any one or more structures selected from a wind turbine, a jet engine, an aircraft structure, and a satellite structure. 다기능 복합재 구조의 설계방법에 있어서,
a) 서로 인접하는 2개의 비전도성 섬유 강화 복합재료 층 사이에 위치하는 기능성 섬유가 외부 충격에 의한 자가 감지가 필요한 영역의 범위에 위치하도록 설정하는 단계; 및
b) 상기 기능성 섬유가 위치하는 일 영역에서 장축이 일 방향으로 배열되고 기능성 섬유간 서로 이격 위치하여 목적 주파수의 전자파를 흡수시키기 위해 비-접촉식으로 제1배열을 갖도록 이격 거리를 설정하는 단계;를 포함하는 다기능 복합재 구조의 설계 방법.In the design method of the multifunctional composite structure,
a) setting the functional fibers positioned between the two adjacent non-conductive fiber-reinforced composite material layers to be positioned in a region requiring self-sensing by external impact; and
b) setting the separation distance so that the long axis is arranged in one direction in one region where the functional fibers are located and the functional fibers are spaced apart from each other to have a first arrangement in a non-contact manner to absorb electromagnetic waves of a target frequency; A design method of a multifunctional composite structure comprising a. 제 15항에 있어서,
상기 b) 단계에서, 상기 이격 거리는 상기 목적 주파수의 파장보다 작도록 설정되는 것인 다기능 복합재 구조의 설계 방법.16. The method of claim 15,
In the step b), the separation distance is a design method of a multifunctional composite structure that is set to be smaller than the wavelength of the target frequency. 제 15항에 있어서,
상기 일 방향으로 배열된 제1배열을 갖는 기능성 섬유와 상기 제1배열과 상이한 방향으로 배열된 제2배열을 갖는 기능성 섬유를 더 포함하되, 상기 제1배열을 갖는 기능성 섬유와 제2배열을 갖는 기능성 섬유는 상기 비전도성 섬유 강화 복합재료 층 일면 및 타면에 각각 접하는 것인, 다기능 복합재 구조의 설계 방법.16. The method of claim 15,
Further comprising a functional fiber having a first arrangement arranged in the one direction and a functional fiber having a second arrangement arranged in a direction different from the first arrangement, wherein the functional fiber having the first arrangement and a second arrangement having a second arrangement The functional fiber is in contact with one side and the other side of the non-conductive fiber-reinforced composite material layer, respectively, the design method of the multifunctional composite structure. 제 17항에 있어서,
상기 다기능 복합재는 제N배열을 갖는 기능성 섬유가 포함된 N개의 기능성 섬유층이 N개 또는 N+1개의 비전도성 섬유 강화 복합재료 층을 개재하여 적층된 구조를 가지되, 다기능 복합재의 복소 유전율(complex permittivity)이 입사되는 상기 목적 주파수의 전자파를 반사시키지 않는 두께를 갖는 단층 흡수체(single slab absorber)의 복소 유전율과 매칭되는 점을 기준으로 상기 단층 흡수체의 두께와 동일한 두께를 갖도록 다기능 복합재의 두께를 설정하는 다기능 복합재 구조의 설계방법. 18. The method of claim 17,
The multi-functional composite has a structure in which N functional fiber layers including functional fibers having an N-th arrangement are stacked with N or N+1 non-conductive fiber-reinforced composite material layers interposed therebetween, the complex dielectric constant of the multi-functional composite material Set the thickness of the multifunctional composite to have the same thickness as the thickness of the single slab absorber based on the point that permittivity) matches the complex dielectric constant of the single slab absorber having a thickness that does not reflect the electromagnetic wave of the target frequency A method of designing a multifunctional composite structure.
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