KR102443363B1 - 레이돔용 섬유강화 복합소재 및 이의 제조 방법 - Google Patents

레이돔용 섬유강화 복합소재 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

외부 환경에 의한 기계적 손상에 영향을 받지 않을 뿐만 아니라, 자체적으로 발열이 가능하고 전자기파 투과도 동시에 가능한 레이돔용 섬유강화 복합소재를 제공한다. 상기 레이돔용 섬유강화 복합소재는, 복수개의 프리프레그층이 적층되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 장기 체류 무인기 또는 항공기등의 자체 방빙/제빙 특성을 갖는 레이돔 소재로써 응용 가능하다.

Description

레이돔용 섬유강화 복합소재 및 이의 제조 방법{Fiber reinforced composite material for radome and Method for manufacturing the same}
본 발명은 섬유 강화 복합소재에 대한 것으로서, 더 상세하게는 자체 발열 및 전자기파 투과 특성을 동시에 가지는 레이돔용 섬유강화 복합소재 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 프리프레그를 적층하여 제작하는 섬유강화 복합소재에 대하여, 프레프레그를 구성하는 직물 표면에 전도성 코팅층이 도입된 자체 발열 및 전자기파 투과 특성을 동시에 가지는 레이돔용 섬유강화 복합소재 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
항공기 또는 무인기용 레이더 시스템에서 통신용 안테나 외부에 장착되는 장비인 레이돔(Radome)은 크게 두 가지 조건이 요구된다. 첫 번째는 항공기 운용 시 외부 환경으로부터 안테나를 보호할 수 있는 우수한 기계적 특성이다. 두 번째는 안테나에서 송수신되는 전자기파의 왜곡을 최소화할 수 있는 우수한 전자기파 투과 특성이다.
항공기 또는 무인기 운용에 있어 대기의 기상학적 요소(온도, 습도 등) 및 공력학적 요소(고도, 속도 등)에 의해 수반되는 결빙은 공력 형상 및 기체 내 전기/전자 정치의 운용 조건에 악영향을 초래할 뿐만 아니라 잠재적인 안전 위협 요인으로 작용한다. 특히, 앞서 말한 레이돔에 있어 결빙은 구조적 손상뿐만 아니라 전자기파 왜곡 또는 간섭에 의한 통신 장애를 야기하게 된다.
현재 일반적으로 사용되는 레이돔 결빙 해결 방법은 항공기 운용 전에 방빙(Anti-icing) 및 제빙(De-icing)용 특수 제작 부동액을 표면에 도포하는 것으로써, 많은 인력과 시간 및 비용이 요구된다는 문제점을 가진다.
또한, 엔진에서 추출한 고온의 압축 공기를 사용하는 방법도 있지만 열 교환을 위한 추가적인 부품이 수반되어야 하기 때문에 비효율적이다. 따라서 효율적인 레이돔 방빙 또는 제빙 기술 개발은 필수적이라 할 수 있다.
최근, 미국의 록히드 마틴(Lockheed Martin)社와 라이스 대학(Rice University)은 전도성이 우수한 소재인 그래핀 나노리본을 두께 100nm 이하로 매우 얇게 코팅함으로써 전자기파 투과 저하를 최소화하면서 줄열(Joule's heat)을 통한 발열이 가능한 효율적인 레이돔 제빙 기술을 보고하였다(Ref: ACS Appl. Mater. Interfaces, 6 (2014) 16661).
일반적으로 전도성 물질 코팅층의 두께가 두꺼울수록 전도성이 향상되어 발열 특성은 향상되지만 전자기파 흡수는 증가되기 때문에, 본 선행 연구에서는 전도성 물질로 사용한 그래핀 나노 리본을 100nm 이하로 매우 얇게 코팅하여, 발열 및 전자기파 투과를 동시에 구현하였다.
하지만, 위와 같은 기술의 경우, 전도성 발열 코팅층을 복잡한 형상의 레이돔 표면에 매우 얇은 두께로 균일하게 적용하기 쉽지 않다는 문제점을 가진다.
또한, 전도성 발열 코팅층을 레이돔 표면에 적용했다고 하더라도 항공기 운용 중에 발생 가능한 마모 또는 긁힘 등의 기계적 손상에 취약하기 때문에 유지보수 측면에서 문제점을 나타낸다.
한편, 직물을 구성하는 섬유자체가 탄소섬유로 되어 있을 수 있으나, 이 경우, 제조상 비용이 유리하지 않다는 문제점이 있다.
또한, 탄소섬유로 구성된 직물은 탄소섬유 자체의 높은 전기 전도도로 인해 발열에는 매우 유리하지만 전자기파 흡수 성능이 매우 높아 레이돔용 소재로는 사용될 수 없다는 단점이 있다.
1. 한국등록특허번호 제10-1532194호(등록일자: 2015년 06월 22일)
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 프레프레그를 구성하는 직물 표면에 전도성 코팅층이 도입되어 외부 환경에 의한 기계적 손상에 영향을 받지 않을 뿐만 아니라, 자체적으로 발열이 가능하고 전자기파 투과도 동시에 가능한 레이돔용 섬유강화 복합소재 및 이의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 외부 환경에 의한 기계적 손상에 영향을 받지 않을 뿐만 아니라, 자체적으로 발열이 가능하고 전자기파 투과도 동시에 가능한 레이돔용 섬유강화 복합소재를 제공한다.
상기 레이돔용 섬유강화 복합소재는,
복수개의 프리프레그층이 적층되는 것을 특징으로 한다.
또한, 복수개의 상기 프리프레그층의 내부에는 원기둥 형상의 섬유가 적어도 하나의 열 또는 행으로 배열되며, 상기 섬유의 원주면에 전도성 코팅층이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전도성 코팅층의 재질은 금속, ITO(Indium Tin Oxide), FTO(Fluorine doped Tin Oxide), AZO((Aluminium-doped zinc oxide), 탄소 나노 튜브, 및 그래핀 중 어느 한 개인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 프리프레그층의 내부 중 상기 섬유를 제외한 공간에는 기지재가 함침되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 섬유의 소재는 전파투과가 가능한 실리카, 알루미나, 및 질화규소 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기지재의 소재는 에폭시, 페놀, 및 바이닐에스터 중 어느 한 개인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전도성 코팅층은 진공 침지법, 물리적 기상 증착법, 및 화학적 기상 증착법 중 어느 하나를 이용하여 생성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 섬유는 유전 손실값이 0.01 내지 0.05인 것을 특징으로 한다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, (a) 복수개의 직물을 준비하는 단계; (b) 복수개의 상기 직물 중 한개의 직물을 이루는 원기둥 형상의 섬유의 원주면에 탄소 나노 튜브를 코팅하여 전도성 코팅층을 형성하는 단계; (b) 상기 전도성 코팅층이 형성된 직물 및 복수개의 상기 직물 중 나머지 직물 모두에 기지재를 적용하여 복수개의 프리프레그를 제작하는 단계; 및 (c) 복수개의 상기 프리프레그를 적층하고 미리 설정되는 압력 및 열을 가하여 복수개의 프리프레그층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이돔용 섬유강화 복합소재의 제작 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 장기 체류 무인기 또는 항공기등의 자체 방빙/제빙 특성을 갖는 레이돔 소재로써 응용 가능하다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 항공기 또는 무인기 등의 작전 수행시 외부 환경에 의한 기계적 손상에 영향을 받지 않고 자체 발열 및 전자기파 투과가 동시에 가능한 레이돔용 섬유강화 복합소재를 제작 가능하다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 복잡한 외부 형상을 갖는 레이돔 제조에 용이하다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 전도성 물질의 종류 및 코팅 공정 변수 제어를 통해 요구되는 발열 및 전파투과 특성을 손쉽게 구현이 가능하다는 점을 들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 섬유강화 복합소재의 단면 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 탄소 나노 튜브가 코팅된 실리카 직물을 제작하는 과정을 보여주는 공정도이다.
도 3은 도 2에 따른 탄소 나노 튜브가 코팅된 실리카 직물을 이용하여 섬유강화 복합소재를 제작하는 과정을 보여주는 공정도이다.
도 4는 도 2에 따른 탄소 나노 튜브가 코팅된 직물의 주사 전자 현미경 사진의 예이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 섬유강화 복합소재의 발열특성을 보여주는 실험 결과 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 섬유강화 복합소재의 전자기파 투과도를 보여주는 실험 결과표이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 어떤 부분이 다른 부분 위에 "전체적"으로 형성되어 있다고 할 때에는 다른 부분의 전체 면(또는 전면)에 형성되어 있는 것뿐만 아니라 가장 자리 일부에는 형성되지 않은 것을 뜻한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 섬유강화 복합소재(100)의 단면 개념도이다. 도 1을 참조하면, 섬유강화 복합소재(100)는 제 1 내지 제 3 프리프레그층(110,120,130)으로 이루어질 수 있다. 부연하면, 프리프레그를 구성하는 섬유(111)의 원주면(즉 표면)에 전도성 코팅층이 도입된 것을 특징으로 한다. 섬유(111)는 원기둥 형상으로 열과 행으로 배열된다. 도 1에서는 2개의 열을 나타냈으나, 하나의 열 또는 행이 될 수 있다. 또는, 2개 이상의 열 또는 행이 될 수 있다.
직물은 이러한 섬유(111)가 날실(경사)과 씨실(위사)이 서로 아래위로 교차하여 짜여져 어떤 넓이의 평면체가 된 천을 의미한다. 전도성 코팅층이 도입되는 프레프레그의 갯수와 적층 위치는 기지재(Matrix) 함침에 따른 열 손실과 레이돔 응용을 위한 전파 투과도를 고려하여 결정된다.
도 1은 프리프레그 3장을 이용하여 제작한 복합소재에서 가장 바깥 표면쪽에 위치한 프리프레그 한 층에만 전도성 코팅층이 도입된 경우이다. 즉, 아래쪽에서부터 순차적으로 제 1 프리프레그층(110), 제 2 프리프레그층(120), 제 3 프리프레그층(130)이 형성된다.
제 3 프리프레그층(130)은 가장 바깥 표면쪽에 위치한 프리프레그 한 층에만 전도성 코팅층(131)이 도입된다. 강화재로 사용되는 프리프레그의 섬유 소재는 전파투과가 가능한 소재로써 유전 손실값이 약 0.01 내지 0.05일 수 있다. 물론, 직물 표면에 탄소 나노 튜브가 코팅됨으로써 발열 특성이 부여 될 수 있다. 대표적인 직물 소재로는 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 질화규소(Si3N4) 등이 될 수 있다.
전도성 코팅층(131)은 금속, 전도성 금속 산화물, 탄소 나노 튜브, 및 그래핀들이 될 수 있다. 전도성 금속 산화물은 ITO(Indium Tin Oxide), FTO(Fluorine doped Tin Oxide), AZO((Aluminium-doped zinc oxide) 등이 될 수 있다.
또한, 전도성 코팅층(131)은 전도성 물질 분산 용액에 직물을 침지하여 진공을 유지하는 진공 침지법, 물리적 기상 증착법(PVD:physical vapour deposition), 화학적 기상 증착법(CVD: chemical vapor deposition ) 중 하나 이상을 이용하여 도입될 수 있다. 이들 방식들은 기본적으로 직물내 모든 섬유를 표면에 전도성 코팅층을 형성할 수 있는 방식이어야 한다.
프리프레그(110,120,130)의 기지재(함침재)(101)는 전파투과가 가능한 소재로써, 유전 손실이 0.01 내지 0.05인 소재인 것을 특징으로 할 수 있다. 대표적인 소재로는 에폭시(Epoxy), 페놀(Phenol), 바이닐에스터(Vinyl Ester) 등이 될 수 있다. 기지재(101)는 프리프레그층(110,120,130)의 내부 중 상기 섬유를 제외한 공간에 함침된다.
전도성 코팅층이 도입된 섬유강화 복합소재는 전자기파 투과도가 레이돔용으로 적용가능한 수준이 될 수 있다. 레이돔용 적용가능 전자기파 투과도 기준은 약 55 %가 될 수 있다.
일반적으로 전도성 물질은 전자기파를 흡수하는 특성을 가지므로 발열을 위한 전도성 코팅층 도입에 따른 전자기파 투과 감소는 피할 수 없다. 따라서 요구되는 발열 및 전자기파 투과 특성에 따라 전도성 물질 코팅 공정 조건의 제어가 필요하다.
도 1에서는 이해의 편의를 위해 3개의 프리프레그층을 도시하였으나, 2개의 프리프레그층도 가능하다. 물론, 2개 이상의 다수개(3개 이상으로 한다)의 프리프레그층도 가능하다. 다수개는 복수개를 포함할 수도 있고, 복수개보다 큰 것을 의미할 수 있다. 물론, 직물의 수도 도 1에 도시된 것에 한정되는 것은 아니며, 3장 이상의 직물이 사용될 수도 있다. 또는 1장의 직물이 사용될 수도 있다.
부연하면, 섬유강화 복합재에서 최외곽 프리프레그를 구성하는 직물의 섬유 표면에만 전도성 코팅층이 도입되는 것이며, 그 밑에 적층되는 프리프레그의 수에 상관없이 최종적으로 레이돔으로 사용이 가능한 전파투과 특성이 확보만 되면 된다.
이와 관련하여, 최외곽의 프리프레그의 직물 표면에만 전도성 코팅층이 도입되는 이유는 하위 프리프레그에 전도성 코팅층이 도입될 시에는 전파투과에는 큰 차이가 없겠지만 제빙을 위한 발열 특성이 저하되기 때문에, 발열 특성의 최대화를 위하여 최외곽 프리프레그의 직물 표면에만 전도성 코팅층이 도입된다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 탄소 나노 튜브가 코팅된 실리카 직물을 제작하는 과정을 보여주는 공정도이다. 도 2를 참조하면, 먼저 탄소 나노 튜브 분산액을 제조한다(단계 S210). 부연하면, 탄소 나노 튜브 0.1중량%, 분산제 0.1중량%를 증류수 99.8중량%에 혼합하고 초음파를 인가하여 탄소나노튜브 분산액을 제조한다. 분산제는 SDBS(Sodium Dodecyl Benzene Sulfonate), SDS (Sodium Dodecyl Sulfonate) 등이 될 수 있다.
이후, 섬유(111)로 짜여진 직물을 탄소 나노 튜브 분산액에 침지한다(단계 S220). 이후, 진공 챔버(미도시) 내에서 약 30분 동안 침지 상태를 유지한다(단계 S230). 이후, 오븐에서 약 12시간동안 건조한다(240). 건조후, 단계 S210 내지 S240을 2회 반복한다(단계 S250).
도 3은 도 2에 따른 탄소 나노 튜브가 코팅된 실리카 직물을 이용하여 섬유강화 복합소재를 제작하는 과정을 보여주는 공정도이다. 도 3을 참조하면, 도 2에 의해 탄소 나노 튜브가 코팅된 실리카 직물 1장과 비코팅 실리카 직물 3장을 준비하고, 에폭시등과 같은 기지재(101)를 적용하여 프리프레그를 제작한다(단계 S320).
이후, 이 프리프레그를 적층하여 압력 및 열을 가한다(단계 S330,S340).
[실시예 1]
탄소 나노 튜브 0.1중량%, SDBS(Sodium Dodecyl Benzene Sulfonate) 0.1중량%를 증류수 99.8중량%에 혼합하고 초음파를 인가하여 탄소 나노 튜브 분산액을 제조하였다.
실리카 직물을 탄소 나노 튜브 분산액에 침지하여 진공 챔버 내에서 30분 유지함으로써 탄소나노튜브를 실리카 직물을 구성하는 섬유들 표면에 코팅하였다. 그리고 직물을 꺼내어 물로 씻어낸 후 80℃ 오븐에서 12시간 동안 건조하였다.
상기 코팅 공정을 2회 반복 수행하였다. 탄소나노튜브가 코팅된 실리카 직물 1장 및 코팅되지 않은 직물 12장 각각에 기지재(모재)인 에폭시를 적용하여 프리프레그를 제작하고 적층한 후 압력과 열을 가하여 자체 발열 및 전파 투과 특성을 동시에 가지는 레이돔용 섬유강화 복합소재를 제작하였다. 이때, 압력은 3kgf/cm2, 열은 125℃가 적용되었다. 자체 발열은 전극층에 전압을 가함으로써 생성된다. 본 실시예에서는 탄소 나노 튜브 코팅층이 적용된 프레프레그를 가장 바깥 표면 쪽에 적층하였다.
도 4는 도 2에 따른 탄소 나노 튜브가 코팅된 직물의 주사 전자 현미경 사진의 예이다. 도 4를 참조하면, 실시예 1로부터 제조한 탄소나노튜브가 코팅된 직물의 SEM(주사전자현미경) 사진을 보여준다. 실리카 직물을 이루고 있는 직물가닥의 표면에 탄소 나노 튜브가 고르게 코팅되어 있음을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 섬유강화 복합소재의 발열특성을 보여주는 실험 결과 그래프이다. 도 5를 참조하면, 실시예 1로부터 제조한 섬유강화 복합소재의 발열 특성을 보여준다. 탄소나노튜브 전도성 코팅층이 적용되지 않은 섬유강화 복합소재(510)의 경우에는 전압을 인가하였을 때 발열 특성이 전혀 발현되지 않은 반면에, 탄소 나노 튜브 전도성 코팅층이 적용된 섬유강화 복합소재(520)는 발열 특성이 발현되고 인가전압이 증가함에 따라 최대 발열 온도가 증가함을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 섬유강화 복합소재의 전자기파 투과도를 보여주는 실험 결과이다. 도 6을 참조하면, 실시예 1로부터 제조한 섬유강화 복합소재의 전자기파 투과도를 보여준다. 일반적으로 전도성 물질은 전자기파를 흡수하기 때문에 탄소나노튜브 전도성 코팅층이 적용된 섬유강화 복합소재는 X-band 주파수 대역에 포함된 10GHz에서 탄소나노튜브 전도성 코팅층이 적용되지 않은 섬유강화 복합소재의 경우에 비해 전파 투과도가 9% 정도 소폭 감소하지만 여전히 우수한 전자기파 투과도를 나타냄을 알 수 있다.
100: 레이돔용 섬유강화 복합소재
101: 기지재(matrix)
110 내지 130: 제 1 내지 제 3 프리프레그층
111: 섬유
131: 전도성 코팅층

Claims (9)

  1. 레이돔용 섬유강화 복합소재에 있어서,
    복수개의 프리프레그층(110,120,130)이 적층되며,
    복수개의 상기 프리프레그층(110,120,130)의 내부에는 원기둥 형상의 섬유(111)가 적어도 하나의 열 또는 행으로 배열되며, 자체 발열 및 전자기파 투과 특성을 동시에 가지도록 복수개의 상기 프리프레그층(110,120,130) 중 가장 바깥 표면쪽에 위치한 프리프레그층(130)의 상기 섬유(111)의 원주면에 전도성 코팅층(131)이 형성되고,
    상기 프리프레그층(110,120,130)의 내부 중 상기 섬유(111)를 제외한 공간에는 기지재(101)가 함침되는 것을 특징으로 하는 레이돔용 섬유강화 복합소재.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 코팅층(131)의 재질은 금속, ITO(Indium Tin Oxide), FTO(Fluorine doped Tin Oxide), AZO((Aluminium-doped zinc oxide), 탄소 나노 튜브, 및 그래핀 중 어느 한 개인 것을 특징으로 하는 레이돔용 섬유강화 복합소재.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 섬유(111)의 소재는 전파투과가 가능한 실리카, 알루미나, 및 질화규소 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 레이돔용 섬유강화 복합소재.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 기지재(101)의 소재는 에폭시, 페놀, 및 바이닐에스터 중 어느 한 개인 것을 특징으로 하는 레이돔용 섬유강화 복합소재.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 코팅층(131)은 진공 침지법, 물리적 기상 증착법, 및 화학적 기상 증착법 중 어느 하나를 이용하여 생성되는 것을 특징으로 하는 레이돔용 섬유강화 복합소재.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 섬유(111)는 유전 손실값이 0.01 내지 0.05인 것을 특징으로 하는 레이돔용 섬유강화 복합소재.
  9. (a) 복수개의 직물을 준비하는 단계;
    (b) 복수개의 상기 직물 중 한개의 직물을 이루는 원기둥 형상의 섬유(111)의 원주면에 탄소 나노 튜브를 코팅하여 전도성 코팅층(131)을 형성하는 단계;
    (b) 상기 전도성 코팅층(131)이 형성된 직물 및 복수개의 상기 직물 중 나머지 직물 모두에 기지재(101)를 적용하여 복수개의 프리프레그를 제작하는 단계; 및
    (c) 복수개의 상기 프리프레그를 적층하고 미리 설정되는 압력 및 열을 가하여 복수개의 프리프레그층(110,120,130)을 형성하는 단계;를 포함하며,
    복수개의 상기 프리프레그층(110,120,130)의 내부에는 원기둥 형상의 섬유(111)가 적어도 하나의 열 또는 행으로 배열되며, 자체 발열 및 전자기파 투과 특성을 동시에 가지도록 복수개의 상기 프리프레그층(110,120,130) 중 가장 바깥 표면쪽에 위치한 프리프레그층(130)의 상기 섬유(111)의 원주면에 전도성 코팅층(131)이 형성되고,
    상기 프리프레그층(110,120,130)의 내부 중 상기 섬유(111)를 제외한 공간에는 기지재(101)가 함침되는 것을 특징으로 하는 레이돔용 섬유강화 복합소재의 제작 방법.
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