KR102624809B1 - 3d 프린팅-에폭시 복합 소재가 적용된 액체수소 저장탱크 및 그 제조방법 - Google Patents

3d 프린팅-에폭시 복합 소재가 적용된 액체수소 저장탱크 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 3D 프린팅-에폭시 복합 소재가 적용된 액체수소 저장탱크 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 액체수소를 연료로 하는 드론에 적용할 수 있도록 소정의 내압성능 및 단열성능을 구비한 3D 프린팅-에폭시 복합 소재가 적용된 액체수소 저장탱크 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 액체수소가 저장되도록 소정의 압력에 대해 내압 가능하도록 3D 프린팅 되는 내부탱크(1); 소정의 점도를 가지며, 상기 내부탱크(1)의 외측에 도포되는 제1에폭시접착제; 상기 내부탱크(1)의 외주면으로부터 소정의 거리만큼 이격되도록 3D 프린팅 되는 외부탱크(2); 상기 제1에폭시접착제와 다른 점도를 가지며, 상기 외부탱크(2)의 외측에 도포되는 제2에폭시접착제; 및 상기 내부탱크(1)의 일측 이상에 연결되는 공급배관(3);을 포함하고, 상기 내부탱크(1) 및 외부탱크(2) 사이의 공간에는 소정의 진공이 형성되는, 3D 프린팅-에폭시 복합 소재가 적용된 액체수소 저장탱크를 제공한다.

Description

3D 프린팅-에폭시 복합 소재가 적용된 액체수소 저장탱크 및 그 제조방법{Liquid hydrogen storage tank to which 3D printing-epoxy composite material is applied and its manufacturing method}
본 발명은 3D 프린팅-에폭시 복합 소재가 적용된 액체수소 저장탱크 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 액체수소를 연료로 하는 드론에 적용할 수 있도록 소정의 내압성능 및 단열성능을 구비한 3D 프린팅-에폭시 복합 소재가 적용된 액체수소 저장탱크 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 2020년 세계 최대 IT/가전 국제 전자제품 박람회인 CES(Consumer Electronics Show)에서 이슈화 되었던 것 중 하나는 도심 항공 모빌리티 (Urban Air Mobility, UAM)이다. UAM은 도시로의 인구 밀집이 지속해서 발생하고 있는 가운데 도시의 교통과 환경문제를 해결하고자 하는 측면에서 부상하였으며, 공중을 이용한 도시의 항공 운송 생태계를 의미한다.
이러한 UAM의 에너지원으로써 수소가 주목받고 있으며, 이에 따라 수소 저장기술의 필요성이 증대되고 있다.
현재 상용화되어 사용되고 있는 드론용 수소 저장 탱크는 대부분 기체수소를 고압으로 압축하여 충전시킨 수소 저장탱크이다.
기체수소를 상압, -253℃로 액화시키면 부피를 약 1/780으로 감소시킬 수 있기 때문에 그 에너지 밀도는 기체수소에 비해 약 780배 높아진다. 또한, 액체수소의 밀도는 1 L당 70.8 g으로, 상온의 700 bar에서 1 L당 39.6 g의 기체 상태로 저장되는 기체수소 보다 약 1.75 배 가량 높다. 따라서, 에너지원으로 액체수소를 사용할 경우 높은 에너지 밀도와 경량성의 이점을 가진다.
수소를 액체 상태로 저장하기 위해서는 별도의 단열 저장 용기가 필요하다. 극저온의 액체수소와 외부 상온과의 온도 차에 의해 저장 탱크로의 열침입이 불가피하며, 이 열침입에 의해 액체수소는 지속적으로 기화하기 때문에 외부로부터의 열침입 및 증발에 의한 손실을 최소화 할 수 있는 단열성능이 우수한 용기가 요구된다.
일반적인 극저온 유체 저장탱크의 단열 방법으로는, 대류에 의한 열전달을 최소화 시킬 수 있는 진공단열(Vacuum insulation), 얇은 필름에 알루미늄을 코팅하여 층층히 쌓은 단열재를 통한 다층박막단열(MLI : Multi-Layer Insulation), 액체수소에서 증발된 차가운 기체수소를 이용하여 복사열을 차단하는 증기냉각쉴드(vapor-cooled shield) 등이 있다.
단열성능을 극대화 시키기 위해 이러한 여러 단열 방법등을 적용하면 액체수소 저장탱크의 무게가 증가하게 된다. 드론, 무인기 등의 E-mobility 및 우주항공 분야의 비행체는 기체중량이 증가할수록 비추력이 감소하기 때문에 비추력 향상 및 페이로드 증가를 위해 저장탱크의 경량화 설계가 필요하다.
기체수소를 고압으로 충전하는 기체수소 저장탱크는 상온에서 고압으로 충전되기 때문에 온도에 대한 소재의 특성 변화를 비교적 무시할 수 있다. 따라서, 열적 설계보다는 용기 내부의 내압 설계를 중점적으로 진행하게 된다.
반면, 극저온 유체가 충전되는 액체수소 저장탱크의 경우, 극저온 환경에서 소재의 물성이 변하기 때문에 소재의 물성 변화를 고려한 구조적/열적 설계가 필수적이다.
국내등록특허 제10-2105883호에는 드론 등에 적용하기 위한 액체수소용기로써, 액체가스의 역류현상을 방지하는 기술이 제안되고 있다.
전술한 특허문헌 등 선행기술에 따르면 단열성능이 우수한 저장용기를 구성하는 것은 널리 알려진 기술로 볼 수 있으나, 충분한 단열성능을 확보하면서도 저장용기를 경량화하여 드론의 비추력을 향상시킬 수 있는 기술은 매우 드물다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전술한 바와 같은 종래 액체수소 저장용기의 한계점을 개선하기 위하여, 3D 프린팅 소재에 에폭시접착제를 도포한 복합 소재를 통해 종래 알루미늄 용기 대비 30% 가량 무게를 저감시킬 수 있는 3D 프린팅-에폭시 복합 소재가 적용된 액체수소 저장탱크 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 전술한 바와 같은 종래 액체수소 저장용기의 한계점을 개선하기 위하여, 액체수소가 저장되도록 소정의 압력에 대해 내압 가능하도록 3D 프린팅 되는 내부탱크(1); 소정의 점도를 가지며, 상기 내부탱크(1)의 외측에 도포되는 제1에폭시접착제; 상기 내부탱크(1)의 외주면으로부터 소정의 거리만큼 이격되도록 3D 프린팅 되는 외부탱크(2); 상기 제1에폭시접착제와 다른 점도를 가지며, 상기 외부탱크(2)의 외측에 도포되는 제2에폭시접착제; 및 상기 내부탱크(1)의 일측 이상에 연결되는 공급배관(3);을 포함하고, 상기 내부탱크(1) 및 외부탱크(2) 사이의 공간에는 소정의 진공이 형성되는, 3D 프린팅-에폭시 복합 소재가 적용된 액체수소 저장탱크를 제공한다.
또한, 상기 내부탱크(1)의 저면에 부착되어, 액체수소의 증발량을 조절하도록 내부탱크(1)를 가열시키는 가열부재; 및 상기 가열부재가 내측에 수용되도록 내부탱크(1)의 외측을 감싸도록 구비되는 적층단열재;를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 내부탱크(1) 및 외부탱크(2)의 벽면은 30% 내지 40% 범위의 Triangular infill 구조로 형성될 수 있다.
아울러, 외벽이 30% 내지 40% 범위의 Triangular infill 구조로 형성되도록 내부탱크(1)를 3D 프린터로 출력하는 단계; 상기 내부탱크(1)의 일측 이상에 형성된 통공을 통해, 내부탱크(1)의 내측에 형성된 서포트를 제거하는 단계; 상기 내부탱크(1)의 일측 이상에 형성된 통공에, 배관고정부(4) 및 공급배관(3)을 삽입하는 단계; 상기 내부탱크(1)의 외측 및 배관고정부(4)에 소정의 점도를 가지는 제1에폭시접착제를 도포하는 단계; 상기 제1에폭시접착제를 건조시키는 단계; 상기 내부탱크(1)의 저면에 가열부재를 부착시키는 단계; 상기 내부탱크(1)의 외측을 감싸도록 적층단열재를 8층 이상 적층시키는 단계; 외벽이 30% 내지 40% 범위의 Triangular infill 구조로 형성되도록, 탱크상부 및 탱크하부를 3D 프린터로 출력하는 단계; 상기 탱크상부 및 탱크하부 사이에 내부탱크(1)를 삽입하는 단계; 상기 탱크상부 및 탱크하부의 외주면에 상기 제1에폭시접착제와 다른 점도를 가지는 제2에폭시접착제를 도포하며 탱크상부 및 탱크하부를 접착시켜 외부탱크(2)를 구성하는 단계; 및 상기 제2에폭시접착제를 건조시키는 단계;를 포함하는, 3D 프린팅-에폭시 복합 소재가 적용된 액체수소 저장탱크 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 3D 프린팅-에폭시 복합 소재가 적용된 액체수소 저장탱크 제조방법에 따라 제조된, 3D 프린팅-에폭시 복합 소재가 적용된 액체수소 저장탱크를 제공한다.
그리고, 상기 3D 프린팅-에폭시 복합 소재가 적용된 액체수소 저장탱크를 연료탱크로써 사용하는, 드론을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 액체수소를 실외 공간에서 저장 및 운반할 수 있도록 충분한 내압성능 및 단열성능을 가지면서도, 종래 알루미늄 저장용기(1200g 가량) 등에 비해 30% 이상 경량화 되는 3D 프린팅-에폭시 복합 소재가 적용된 액체수소 저장탱크를 구성할 수 있다.
또한, 내부탱크 및 외부탱크를 3D 프린터로 출력하므로, 드론의 구조/성능/특성에 따라 외형을 자유롭게 변형하여 설계할 수 있다.
그리고, 내부탱크와 외부탱크 사이의 공간을 진공으로 형성함으로써 대류열침입을 차단하고, 표면의 결빙 발생을 방지할 수 있다.
도 1 은 극저온 환경에서 인장시험을 진행할 수 있는 극저온 인장시험기의 개략도이다.
도 2 는 Onyx, Nylon 및 Loctite EA 9394 Epoxy의 상온/극저온 인장시험 결과 그래프이다.
도 3 은 3D 프린팅 재료및 에폭시의 상온/극저온 탄성계수를 나타낸 그래프이다.
도 4 는 극저온 열수축률 측정 시험의 개략도이다.
도 5 는 Onyx, Epoxy, AL 6061 소재의 극저온 열수축률 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6 은 투과도 테스트를 진행하기 위해 제작된 시편의 형상이다.
도 7 은 제작된 Onyx/epoxy 시편의 투과도 테스트 개략도 및 실험 사진이다.
도 8 (a) 및 (b) 는 Onyx/Epoxy 시편의 1 Bar부터 5 Bar까지의 압력에서 상온 및 극저온 유체 투과도 측정 결과, 도 8 (c) 및 (d) 는 Onyx/epoxy 시편의 5 Bar에서의 상온/극저온 9 시간 리크 테스트 결과이다.
도 9 는 본 발명의 실시 예에 따른 3D 프린팅-에폭시 복합 소재가 적용된 액체수소 저장탱크의 단면도이다.
도 10 은 본 발명의 실시 예에 따른 3D 프린팅-에폭시 복합 소재가 적용된 액체수소 저장탱크의 내부탱크 형상 및 재원이다.
도 11 은 Solid fill와 Triangular fill의 열응력 해석 결과이다.
도 12 는 액체질소의 수위가 90 % 정도 충전되었을 때의 열응력 분포 결과이다.
도 13 은 액체질소 수위 10 mm와 90 mm 에서의 저장탱크 온도 분포 및 최대 열응력 값을 나타낸 결과이다.
도 14 는 내부탱크에 에폭시접착제를 도포하기 전 후의 무게를 측정한 사진이다.
도 15 는 내부탱크에 온도센서, 열선(가열부재) 및 적층단열재를 부착한 상태를 나타낸 사진이다.
도 16 은 내부탱크에 외부탱크를 결합하고 에폭시접착제를 도포하여 무게를 측정한 사진이다.
도 17 은 액체수소 저장탱크 특성 평가를 위한 실험 장치를 나타낸 사진이다.
도 18 은 액체질소 주입에 따른 저장탱크 벽면 상/하단부 온도 및 기체질소 유량 측정 결과이다.
이하, 본 문서의 다양한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 그러나, 이는 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 문서의 실시예의 다양한 변경(modifications), 균등물(equivalents), 및/또는 대체물(alternatives)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.
본 문서에서, "가진다," "가질 수 있다," "포함한다," 또는 "포함할 수 있다" 등의 표현은 해당 특징(예: 수치, 기능, 동작, 또는 부품 등의 구성요소)의 존재를 가리키며, 추가적인 특징의 존재를 배제하지 않는다.
본 문서에서, "A 또는 B," "A 또는/및 B 중 적어도 하나," 또는 "A 또는/및 B 중 하나 또는 그 이상"등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. 예를 들면, "A 또는 B," "A 및 B 중 적어도 하나," 또는 "A 또는 B 중 적어도 하나"는, (1) 적어도 하나의 A를 포함, (2) 적어도 하나의 B를 포함, 또는 (3) 적어도 하나의 A 및 적어도 하나의 B 모두를 포함하는 경우를 모두 지칭할 수 있다.
본 문서에서 사용된 "제 1," "제 2," "첫째," 또는 "둘째,"등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 예를 들면, 제 1 사용자 기기와 제 2 사용자 기기는, 순서 또는 중요도와 무관하게, 서로 다른 사용자 기기를 나타낼 수 있다. 예를 들면, 본 문서에 기재된 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 바꾸어 명명될 수 있다.
어떤 구성요소(예: 제 1 구성요소)가 다른 구성요소(예: 제 2 구성요소)에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어(operatively or communicatively) coupled with/to)" 있다거나 "접속되어(connected to)" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(예: 제 3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 문서에서 사용된 용어들은 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시 예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 용어들은 본 문서에 기재된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 본 문서에 사용된 용어들 중 일반적인 사전에 정의된 용어들은, 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미로 해석될 수 있으며, 본 문서에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 문서에서 정의된 용어일지라도 본 문서의 실시 예들을 배제하도록 해석될 수 없다.
본 발명의 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
본 발명의 실시 예에서는 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식의 3D 프린팅 기술이 사용되었으며, 프린팅 소재(필라멘트)로는 Markforged 사(社)의 Onyx 필라멘트를 사용하였다.
필라멘트는 PA6 계열 터프 나일론(Nylon) 80%에 마이크로 탄소섬유(Chopped Carbon) 20%가 혼합된 열가소성 수지일 수 있다. 이러한 소재는 카본이 20% 가량 혼합되어 있기 때문에 일반 ABS 소재보다 1.4배 정도 강도가 뛰어날 뿐만 아니라, 열에 강하고 내화학성이 뛰어나다. 따라서, 극저온 환경에서의 열수축이 적어 액체수소 저장탱크로 사용하기에 적합하다.
본 발명의 실시 예에서는 내부탱크에 도포하는 제1에폭시접착제로써 Loctite 사의 복합재 접착용 에폭시인 EA 9394 Aero를 사용하였다. 이 에폭시는 항공우주 구조용 접착제로 접착력, 기계적 특성 및 내화학성이 뛰어나 복합재료의 구조용 접착제로 많이 사용된다. 또한, 다른 에폭시 수지 제품들과 달리 상대적으로 접착력이 우수하고, 열수축이 Onyx 소재(3D 프린팅 소재)와 비슷하기 때문에 극저온 환경에서 수축에 의한 열응력이 덜 발생한다. 따라서, 극저온 환경에 노출 될 내부 저장용기의 접착 및 누설 방지 용도로 사용하기에 적합하다.
본 발명의 실시 예에서는 외부탱크에 도포하는 제2에폭시접착제로써 Loctite 사의 복합재 접착용 에폭시인 EA 9396 Aero를 사용하였다. EA 9394 Aero 와 EA 9396 Aero는 기계적 물성은 비슷하지만, EA 9396이 EA 9394 보다 상대적으로 점도가 낮다. 외부탱크는 내부탱크와 같은 극저온 환경이 아니며, 내부(외부탱크와 내부탱크 사이의 공간)에 압력이 크게 발생하는 것이 아니기 때문에 기밀성만 확보하여 진공 환경만 조성해주면 된다. 따라서, 최대한 점도가 낮으며 기공이 적게 발생하는 에폭시가 적합하며, EA 9396의 경우 점도가 매우 낮아 에폭시 사이사이 존재하는 기포들을 제거하는 탈포할 수 있기 때문에 외부탱크용 제2에폭시접착제로 사용하였다.
1. 액체수소 저장탱크의 물성 측정
① 인장시험
액체질소를 사용하여 -196 ℃의 온도에서 인장시험을 진행하였다.
인장시험기는 큐로 社의 만능재료시험기인 QRUTS-S100을 사용하였다.
상기 인장시험기로는 상온에서의 인장시험밖에 할 수 없기 때문에, 액체질소 내부에서 인장시험을 할 수 있게 내부에 수조를 설치하여 액체질소를 주입 할 공간을 확보하였다.
도 1 은 극저온 환경에서 인장시험을 진행할 수 있는 극저온 인장시험기의 개략도이다.
상부 및 하부 지그와 시편은 액체질소 수조 안에 위치하게 되며, 상부, 하부 지그 중앙과 시편 중앙에 온도센서가 위치한다. 온도센서는 E-type Thermo couple을 사용하였다.
수조 내부에 액체질소를 채운 다음, 상/하단부 지그와 시편이 액체질소 온도로 수렴하여 열적 평형을 이룰 때까지 기다린다. 그 후, 인장시험을 진행하며 최상단에 위치한 Load cell을 통하여 인장 시 발생 하는 힘을 측정하고, Crosshead를 통하여 변위를 측정한다.
시험에 사용 될 시편의 규격은 ASTM D 638 규격을 사용하였으며, 3D 프린터로 출력하였다.
액체질소를 주입하게 되면 시간이 지남에 따라 하부 지그의 온도센서부터 온도가 감소하게 되고 점차 수렴하여 상부 온도센서 까지 77 K으로 수렴하게 된다. 3개의 온도센서가 모두 수렴하고 나면 인장시험을 진행하며, 2 mm/min의 속도로 하중을 부여하였다.
인장시험에서 얻어지는 Force-Displacement Curve에 대하여 Strain 은 다음과 같이 산출 할 수 있다.
Figure 112021135990947-pat00001
여기서, Ｌ은 Gauge length이며, ΔＬ의 경우 초기길이 대비 늘어난길이, ε은 변형률이다. 또한, Stress의 경우 시편의 인장 방향 단면적인 19 mm 2 에 대하여 다음과 같이 산출 가능하다.
Figure 112021135990947-pat00002
이후, 수학식 3의 Stress, Strian, Young’s modulus 관계식에 의해 Young’s modulus를 산출 할 수 있다.
Figure 112021135990947-pat00003
도 2 는 Onyx, Nylon 및 Loctite EA 9394 Epoxy의 상온/극저온 인장시험 결과 그래프이다.
상기 세가지 재료 모두 상온에 비해 극저온 환경에서 변형률이 감소하였으며, 이는 온도가 감소함에 따라 소재가 취성화(Brittle)되었다고 볼 수 있다. 또한, 모든 재료에서 강도가 증가하였으며 EA 9394 에폭시와 Nylon보다 Onxy가 강도 증가 폭이 조금 더 큰 것을 볼 수 있다.
도 3 은 3D 프린팅 재료및 에폭시의 상온/극저온 탄성계수를 나타낸 그래프이다. 온도가 감소함에 따라 모든 재료에서 탄성계수가 증가하였다.
종합적으로, 3D 프린팅 소재 및 에폭시는, 극저온 환경에서 상온 대비 인장강도가 약 1.2 ~ 3배 증가하였으며, 탄성계수가 약 3 ~ 9배 증가하는 것을 확인하였다. 이에 따라, 극저온 유체 저장탱크의 소재는 Onyx와 Nylon 중 극저온 환경에서 인장강도 및 탄성계수가 30 ~ 40 % 더 큰 Onyx를 채택하였다.
② 열수축률 측정
Onyx와 Epoxy의 경우 극저온 환경에서의 열수축률 관련 데이터가 없어 측정이 필요하다.
열수축률을 알기 위해 측정해야 하는 변수는 소재의 변위 및 온도이다. 변위(displacement)는 스트레인 게이지를 사용하여 측정하였으며, 극저온 환경에서도 사용가능한 Kyowa 사의 스트레인 게이지를 사용하였다.
시편의 온도는 E-type Thermo couple 온도센서를 이용하여 계측기를 통해 측정하였다.
측정 시편의 경우 Onyx 소재는 3D 프린터로 출력하였으며, Epoxy 시편의 경우 시편 틀에 넣어 제작하였다.
일반적으로 재료는 온도가 증가함에 따라 팽창하고 온도가 감소함에 따라 수축한다. 온도가 감소함에 따라 재료가 수축하는 정도는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112021135990947-pat00004
여기서, Ｌ은 Strain gauge의 초기 길이이며, ΔＬ의 경우 초기길이 대비 줄어든 길이, ε은 변형률이다.
도 4 는 극저온 열수축률 측정 시험의 개략도이다. 온도가 감소함에 따른 소재의 수축 정도를 측정하기 위해서는 재료의 극저온 환경 구축이 필요하다. 또한, 열수축률은 충분한 시간간격을 두고 측정해야 정확한 값을 얻을 수 있다. 따라서, 밀폐된 용기 내부에 액체 질소를 조금씩 분사하여 극저온 환경을 모사하는 방식을 채택하였다.
용기 상단에 액체질소 분사 노즐 2개와 써큘레이터가 위치하며 분사노즐을 통해 액체질소가 조금씩 분사된다. 분사된 액체질소는 써큘레이터를 통해 기체질소로 상변화 하면서 용기 내부 온도를 낮추게 된다. 동시에 서서히 냉각되는 시편의 온도와 변위를 동시에 실시간으로 측정한다. 시편의 온도가 액체질소의 온도인 77 K 근처까지 수렴하게 되면 시험은 종료된다.
도 5 는 Onyx, Epoxy, AL 6061 소재의 극저온 열수축률 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
열수축률 신뢰성을 위해 극저온에서 열수축률이 알려진 AL 6061 금속에 대하여 열수축률을 측정한 후 비교하여 신뢰성을 검증하였다. 두 소재 모두 온도가 감소함에 따라 수축하는 변위가 조금씩 증가하였으며, 77 K 근처까지 온도가 떨어졌을 때 Onyx는 초기길이 대비 약 0.4%의 수축을 보였으며, Epoxy의 경우 초기길이 대비 약 0.8%의 수축률이 측정되었다.
③ 유체 투과성 측정
극저온 환경에서 액체 수소를 사용하기 위해 필수적으로 검토해야할 사항 중 하나는 소재의 유체 투과성이다.
수소는 폭발성이 있는 기체이기 때문에 탱크 외부로 가스가 새어나가게 되면 폭발의 위험이 있다. 따라서, 사용되는 소재에 대하여 상온 및 극저온 환경에서의 유체 투과도를 확인해야 한다.
유체 투과도의 기준에 대해서는 정확한 기준이 없기 때문에 입자 가속기와 KSTAR에 적용되는 기준을 참고하여,
Figure 112021135990947-pat00005
이하로 기준을 설정하였다. 이 값은 약 10시간 동안 누설되었을 때, 가로 x 세로 x 높이 3.6 cm의 부피에 해당하는 양이다. 또한 내부압력에 대한 누설률을 확인하기 위해 헬륨 압력은 1 bar ~ 5 bar로 설정하였다.
도 6 및 표 1 은 투과도 테스트를 진행하기 위해 제작된 시편의 형상 및 재원이다.
실제 제작되는 복합재 탱크의 조건과 동일하게 하기 위해 Onyx에 EA 9394 Aero Epoxy를 도포하여 시편을 제작하였다. 둥근 원판 형태의 Onyx 시편을 3D 프린터로 제작 후, 안쪽 면에 Epoxy를 도포하였다.
Parameter Value
Printed filament thickness [mm] 0.1
Epoxy application thickness [mm] 1.25
Assemble part thickness [mm] 4
Measuring plane printing thickness [mm] 1.5
Measuring plane total thickness [mm] 2.75
Measuring plane cross sectional area [mm^2] 2,551
도 7 은 제작된 Onyx/epoxy 시편의 투과도 테스트 개략도 및 실험 사진이다.
투과도 테스트를 하기 위한 사용 유체로는 헬륨을 사용하였다. 헬륨은 수소 원자 다음으로 입자가 작은 원자로 투과도를 알아보기에 용이하다.
도 7 을 살펴보면, 입구와 출구로 구성된 경로상에 테스트 시편을 두고 시편 외부로 가스가 세지 않도록 CF Flange를 통하여 체결되어 있다. 상기 입구에서 헬륨을 가압하고 출구쪽에서 Leak Detector를 통해 헬륨을 검출한다.
온도센서와 압력센서를 통해 내부 배관의 압력 및 시편의 온도를 측정하며, 리크디텍터의 정밀한 측정을 위해 진공펌프를 사용하여 출구 경로상의 진공도를 높게 유지하였다.
도 8 (a) 및 (b) 는 Onyx/Epoxy 시편의 1 Bar부터 5 Bar까지의 압력에서 상온 및 극저온 유체 투과도 측정 결과이다. 약 1000초 간격으로 1 Bar부터 5 Bar까지 헬륨 압력을 증가시켰으며, 상온과 극저온두 경우 모두 5 Bar까지
Figure 112021135990947-pat00006
의 Leak rate를 유지하였다.
도 8 (c) 및 (d) 는 Onyx/epoxy 시편의 5 Bar에서의 상온/극저온 9 시간 리크 테스트 결과이다. 장시간 운전을 해야 하는 드론용 액체수소 저장용기 특성상 충분히 긴 시간 동안 Leak rate를 확인할 필요가 있다. 따라서, 최대 설정 압력인 5 Bar에서의 상온과 극저온에서의 Leak rate를 측정 하였다. 측정 결과 상온과 극저온 모두 9시간 동안
Figure 112021135990947-pat00007
의 Leak rate를 유지하였다.
상온 및 극저온 유체 투과도 측정 결과는 표 2에 종합하였다.
Parameter Room Cryogenic
1~5 Bar Max.
Leak rate (mbar·L/s)		 1 1.9 X 10^-10 1.8 X 10^-10
2 1.9 X 10^-10 1.8 X 10^-10
3 2.0 X 10^-10 2.4 X 10^-10
4 2.1 X 10^-10 2.0 X 10^-10
5 2.3 X 10^-10 2.0 X 10^-10
1~5 Bar Max. Vacuum rate (torr) 2.3 X 10^-6 2.3 X 10^-6
5 Bar, 9 hr Max. Leak rate (mbar·L/s) 3.4 X 10^-10 2.4 X 10^-10
5 Bar, 9 hr Vacuum rate (torr) 5.9 X 10^-6 2.8 X 10^-6
2. 액체수소 저장탱크의 설계 사양
① 목표 사양 설계
도 9 는 본 발명의 실시 예에 따른 3D 프린팅-에폭시 복합 소재가 적용된 액체수소 저장탱크의 단면도이다.
도 10 은 본 발명의 실시 예에 따른 3D 프린팅-에폭시 복합 소재가 적용된 액체수소 저장탱크의 내부탱크 형상 및 재원이다.
3D 프린터를 통하여 출력 가능한 크기에는 제한이 있기 때문에 소형 어플리케이션에 적용 가능하도록 목표를 설정하였다. 벽면 두께의 경우 제작성을 고려하여 4.8 mm로 설정하였으며, 액체수소 저장탱크의 용량은 약 1.1 L 로 산출되었다.
벽면 두께의 내부 Filament 채움 정도를 Triangular fill(37%)로 설정하여 무게를 최소화하였으며, 내부탱크는 극저온 액체 저장을 위한 저장용기로써, 외부탱크는 진공 환경을 구성해 주는 진공용기로써 구비된다. 본 발명의 실시 예에 따른 3D 프린팅-에폭시 복합 소재가 적용된 액체수소 저장탱크의 총 무게는 약 870 g으로 측정되었다.
소형 드론부터 대형 무인기까지 일반적으로 사용되는 연료전지 배터리의 정격출력은 작게는 300 W부터 많게는 1000 W 까지 사용된다. 위 사양을 기준으로 연료전지가 요구하는 기체수소 유량 및 그에따른 유지시간을 산출할 수 있다. 표 3 은 1.1 L 액체수소 저장탱크에 대하여 수위 90 % 충전되었을 때, 300 W부터 1000 W 까지 적용가능한 연료전지 배터리의 사양이다.
Fuel cell power (W) Required H 2 (g/s) Operating time (hr)
300 0.0043 10
400 0.0057 7.6
500 0.0071 6
600 0.0085 5
700 0.01 4.4
800 0.011 3.8
900 0.013 3.4
1000 0.014 3
충전된 액체수소 저장탱크에서의 액체수소는 지속적으로 증발하며, 증발량은 외부에서 들어오는 열침입량에 비례한다.
저장탱크의 액체 수소 유지 시간을 최대한 늘리고, 버려지는 기체수소의 양을 최소화하기 위해 외부에서 들어오는 열침입을 최소화해야 한다. 기본적으로 입/출구 배관을 통한 전도 열침입, 외부 용기 면적에 대한 복사 열침입 등이 기저 열부하가 된다.
먼저, 전도 열침입은 입/출구 배관으로의 상온에서부터 열침입이 있으며, 다음의 푸리에의 열전도 법칙에 의해 계산 할 수 있다.
Figure 112021135990947-pat00008
여기서, sus 316L 재질에 대하여 1/4 inch 사이즈의 입/출구 배관 각각의 전도 열침입량은 약 0.5 W로 산출되었다.
복사 열침입은 전도나 대류에 비해 상대적으로 큰 비중을 차지하기 때문에 다층박막단열재(MLI, multi-layer insulation)을 통하여 최소화 하였다.
외부 진공용기의 상온에서부터 내부 저장용기의 극저온 온도까지 두 온도 사이에 발생하는 복사열전달은 수학식 6으로 표현된다.
여기서 σ는 스테판-볼츠만 상수, ε는 방사율(emissivity), T1, T1는 열전달 대상의 온도, A는 열전달 면적이다. 일반적으로 T2는 대기 온도가 된다.
Figure 112021135990947-pat00009
MLI가 없을 경우, 내부 저장용기 소재인 Onyx의 방사율을 모르기 때문에 복사 열침입을 계산 할 수 없다. 하지만 MLI를 시공하였을 때에는 MLI 매수에 따른 복사 열침입량이 알려져 있기 때문에 복사 열침입을 산출할 수 있다. MLI의 매수에 따른 복사 열침입량은 수학식 7과 같다
Figure 112021135990947-pat00010
수학식 7을 참조하여 MLI가 10매 정도 시공되었을 때의 복사 열침입량 12 W/m^2 에 대하여, 및 액체수소 저장용기 전체 면적 0.067 m^2 에 해당하는 복사 열침입량은 약 0.8 W로 산출되었다.
대류 열침입의 경우, 용기 내부를 고진공 상태로 유지하여 없다고 가정하였다.
열부하에 따른 액체수소의 증발량은 수학식 8에 따라 계산 할수 있다
Figure 112021135990947-pat00011
여기서,
Figure 112021135990947-pat00012
은 외부 열부하이며,
Figure 112021135990947-pat00013
의 경우 액체 수소의 증발잠열이다.
액체수소의 증발잠열은 443 kJ/kg이며, 앞서 산출된 액체수소 저장탱크의 기본 열부하인 1.8 W에 대해 액체수소 증발률을 산출하면 약 0.0041 g/s이다. 이는 액체수소 증발잠열에 의해 초당 약 0.0041 g 의 기체수소가 증발하는 것을 의미하며, 표 3 의 연료전지 요구 사양에 따라 정격출력 300 W 이상의 연료전지 배터리에 적용가능한범위이다. 실제 실험과의 비교를 위해 액체질소 증발잠열(199 kJ/kg) 에 대한 증발량을 산출하면 약 0.009 g/s로 산출된다.
② 열응력 해석
액체수소 저장탱크 내부에 액체수소를 충전하게 되면, 초기 상온의 탱크 벽면과 극저온의 액체수소의 열전달에 의해 액체수소의 증발이 일어나며, 충전되는 양과 증발되는 양의 차이만큼 수위가 상승하게 된다.
또한, 수위 상승에 따라 탱크 벽면에서의 온도 구배가 형성되고, 각 소재의 온도에 따른 수축 정도에 따라 열응력이 발생한다. 수축률이 서로 다르기 때문에 각 위치에서의 변위가 모두 다르며, 이로 인해 열응력이 과도하게 발생할 수 있다.
과도한 열응력 발생으로 인해 미세한 크랙이나 파괴가 일어날 경우, 내부 수소의 누설이 발생하게 되고, 저장탱크로서의 역할을 하지못하게 된다. 따라서, 액체수소 저장탱크의 극저온 환경에서의 열적 건전성 평가를 위해 열응력 해석이 필요하다. 해석 프로그램은 구조 해석과 열해석을 커플링하여 시뮬레이션 하기에 적합한 Comsol Multiphysics를 사용하였다.
극저온 유체 저장탱크의 열응력 해석은 크게 2가지로 볼 수 있다(액체질소를 충전한다고 가정했을 때).
첫번째는, 저장탱크 내부의 최대 열응력이 발생하는 부분을 확인하는 것이다. 저장탱크 내부에 액체질소가 90 % 이상 충전되었을 때, 저장 탱크 내부 벽면 대부분의 온도는 액체질소의 온도인 77 K 근처로 형성된다. 이때, 외부 벽면 및 입/출구 수소 충전 포트 와의 열전달에 의한 최대 열응력 발생 지점을 확인한다.
두 번째는, 액체질소 충전 시 액체질소 수위에 따른 열응력 변화를 비교하는 것이다. 액체질소가 충전됨에 따라 수위는 점차 증가하며, 수위가 90 % 이상 충전 되었을 때는 내부 벽면의 온도가 77 K 근처로 형성되지만, 수위가 10 % 정도 형성되었을 때에는 저장탱크의 상단부와 하단부의 온도 차가 발생하게 되며 내부 벽면에 온도 구배가 생기게 된다. 온도 변화에 따른 수축률의 변화가 크다면, 저장탱크 하단부의 수축 변위가 크기 때문에 수위 90 % 충전 시 보다 더 큰 열응력이 발생 할 수 있다.
액체수소 저장탱크 열응력 해석 모델은 실제 크기와 동일하게 모델링하였으며, 축을 중심으로 대칭을 갖기 때문에 전체 용기 크기에 대하여 1/4 모델로 해석을 수행하였다.
구속 조건으로는 축을 경계로 Symmetric 조건을 부가하였으며, sus 끝단에 z축으로의 변위를 고정시키는 조건을 부가하였다. 온도 조건으로는 입/출구 포트인 sus tube 맨 끝단에 293 K 의 조건을 부가하였으며, 내부 용기 벽면에 77 K 조건을 부가하였다. 실제 실험은 액체질소로 진행하기 때문에 비교를 위하여 액체질소의 온도를 적용하였다.
적용된 소재로는 입/출구 포트로 sus 316L, 액체수소 저장탱크 본체인 Onyx, 저장탱크에 도포될 Loctite EA 9394 Epoxy를 적용하였다. SUS 316L의 경우 Comsol Multiphysics 내부에 있는 온도에 따른 물성치를 적용하였으며, Onyx와 Epoxy의 경우 측정한 Thermal strain 및 Young’s modulus 실험 값을 사용하였으며, 나머지 물성치는 제조사에서 제공하는 데이터를 사용하였다. Onyx와 EA 9394 Aero Epoxy에 대하여 해석에 적용된 물성치는 다음 표 4과 같다.
Parameter Onyx EA 9394 Aero Epoxy
Density [kg/m^3] 1200 1400
Thermal conductivity [W/m-K] 0.9 0.331
Young’s modulus [GPa] 2.4 4.24
Thermal strain Experiment Experiment
poisson’s ratio 0.35 0.35
액체수소 저장용기의 무게를 최소화 하기 위해 액체수소 저장탱크 두께에 대하여 내부 채움 정도를 Triangular infill (37 %)로 결정하였다. Triangular infill 비율은 경량성 및 내압성능을 비교하여 적절한 범위 내에서 조절할 수 있다. 액체수소 저장탱크의 무게를 줄이기 위해선 내부채움 정도를 작게 할수록 유리하지만, 극저온 환경에서 수축 시, 변형에 대한 저항이 줄어들어 크랙이 발생할 수 있다. 따라서, 내부채움 정도를 Solid fill (100 %)로 했을 때와 Triangular infill (37 %)로 했을 때의 열응력을 비교하여야 한다.
도 11 에서 보이는 바와 같이 Solid fill와 Triangular fill의 열응력 해석 결과 전반적으로 비슷한 응력 분포를 보였다.
Solid fill 에서 Epoxy 부분의 응력이 Triangular fill에서 Epoxy 부분의 응력보다 크게 발생하였으며, 이는 전체 형상에서 Solid fill이 Onyx 부피를 더 많이 가짐으로써 극저온 환경에서 더 많이 수축하는 영향인 것으로 판단된다. 하지만, Onyx 부분에서의 전체적인 응력은 Triangular fill이 미미하게 더 높은 것으로 확인되었다.
도 12 는 액체질소의 수위가 90 % 정도 충전되었을 때의 열응력 분포 결과이다.
최대 열응력 발생 지점은 sus tube에서 발생하였으며, 약 175 MPa 정도이다. sus tube를 둘러싸고 있는 Onyx와 Epoxy가 복합적으로 수축하면서 sus tube에 열응력이 발생하게 된다. SUS tube를 제외한 저장탱크의 전반적인 열응력은 0 ~ 33 MPa 정도로 확인되었다.
액체수소 저장탱크 내부 유체 수위가 서서히 증가함에 따라 발생하는 최대 열응력 크기도 변화하게 된다. 수위 증가에 따른 최대 열응력 변화를 확인하기 위해 저장탱크 내부 유체 수위에 따른 열응력 해석을 진행하였다. 유체의 수위는 10 mm부터 90 mm 까지 10 mm 단위로 설정하였다.
도 13 은 액체질소 수위 10 mm와 90 mm 에서의 저장탱크 온도 분포 및 최대 열응력 값을 나타낸 결과이다.
표 5 는 각 수위에서의 최대 열응력 값 및 SUS tube를 제외한 최대 열응력 값이다.
Height (mm) Maximum thermal stress in tank (MPa) Maximum thermal stress in tank except for the sus tube (MPa)
10 111.5 32.3
20 124.6 33.4
30 130.3 33.2
40 135.4 32.2
50 140.4 32.8
60 145.6 32.5
70 151.7 33.1
80 158.8 32.8
90 170.8 33.0
수위가 증가함에 따라 저장탱크 내부 벽면의 온도 분포도 변화하는 것을 확인할 수 있으며, 전도 열전달에 의해 탱크 하단부터 상부까지 탱크 벽면이 냉각된다.
수위가 증가함에 따라 sus tube의 최대 열응력이 증가하였다. 수위가 증가함에 따라, 저장탱크 내부 sus tube를 감싸고 있는 Epoxy와 Onyx의 수축률이 증가하여 SUS tube의 최대 열응력이 증가하게 된다. 수위가 90 % 일때, 최대 170.8 MPa가 발생하였으며, 이는 SUS tube에서 발생하는 열응력이다.
반대로 SUS tube를 제외한 최대 열응력 변화에서는 수위가 증가함에 따라, 전반적인 저장탱크의 열응력이 비슷한 경향을 보였다. 이는 수위가 증가하더라도, 탱크의 전반적인 최대 열응력은 약 33 MPa 이하를 유지한다는 것을 의미한다.
3. 3D 프린팅-에폭시 복합 소재가 적용된 액체수소 저장탱크 제조방법
① 내부탱크 제작
앞서 설계된 액체수소 저장탱크 모델을 토대로 3D 프린터를 통하여 내부탱크를 제작할 수 있다.
벽면 두께에 대하여 Triangular infill (37 %)가 적용되어 출력되었다.
극저온 환경에서의 내부탱크의 크랙 및 누설을 최대한 방지하기 위해 내부탱크를 한 몸체로 출력하였고, 내부탱크가 원통형 형상이기 때문에, 3D 프린터의 특성상 내부탱크의 내부에 서포트가 생긴다.
따라서, 출력 후 서포트를 제거할 수 있도록 내부탱크 모델링 시에 내부탱크의 한쪽 면에 구멍을 내고, 출력이 끝난 후에 구멍을 통하여 서포트를 전부 제거해야 한다.
도 14 (a)에 도시된 바와같이, 출력이 끝난 내부탱크의 Onyx 무게는 약 210 g 이다.
수소의 누설을 방지하기 위해, 제작된 내부탱크의 Onyx 면에 Loctite 사의 EA 9394 epoxy를 도포하였다. 또한, SUS 316L 재질의 수소 입/출구 배관을 시공하였으며, 제작 된 액체수소 저장탱크의 최종 무게는 도 14 (b)와 같이 329 g으로 확인되었다.
또한, 도 15 에 도시된 바와 같이, 내부탱크의 온도분포 및 내부 수위 예측을 위해 내부탱크 옆면 상단부와 하단부에 온도센서를 각각 부착하였다. 온도센서는 E-type Thermo couple을 사용하였다. 또한, 증발되는 기체수소의 유량을 조절하기 위해 저장탱크 바닥면에 Nichrome wire 히터를 시공하였으며, 총 길이 1 m에 대해 저항은 33 Ω이다. 도 15 (c) 는 내부탱크에 적층단열재(MLI)를 10층 적층한 모습이다.
② 외부탱크 제작 / 결합
액체수소 저장탱크 단열성능을 높이기 위해 저장탱크 외부탱크를 3D 프린터로 제작하였다.
액체수소 저장탱크 내부로의 열침입량을 최소화 하기 위해서는 전도, 대류, 복사 열침입을 최소화하는 것이 중요하다.
그 중에서 대류열전달에 의한 열침입량을 줄이기 위해 내부탱크의 외부 환경을 진공으로 구성하여 대류 열침입량을 최소화 하였다.
MLI 시공 공간 확보를 위해서 내부탱크 보다 각 치수들이 약 10 mm 크게 제작 되었으며(외부탱크 내주면이 내부탱크 외주면으로부터 소정의 거리만큼 이격되도록 형성), 외부탱크도 동일하게 벽면 두께에 Triangular fill(37 %)을 적용하여 무게를 최소화 하였다.
외부탱크는 내부탱크와의 결합을 위해 두 파트(탱크상부 및 탱크하부)로 제작되었으며, 도 16 (a)와 같이, 제작 된 탱크하부에 내부탱크를 위치시키고, 위에 탱크상부를 덮은 뒤 에폭시접착제를 사용하여 접합하였다.
외부탱크에는 Loctite 사의 EA 9396 epoxy를 사용하였으며, 이 에폭시의 경우 점도가 낮아 누설이 거의 없기 때문에, 진공용기의 진공 환경을 구성하는 데에 있어 유리할 뿐만 아니라, 접착에도 충분한 본딩력을 가진다. 또한, 에폭시 내부 기포 제거를 위해 에폭시는 탈포 후 도포하였다.
내부탱크와 외부탱크 결합 후 최종 액체수소 저장탱크의 무게는 SUS 316L 입/출구 배관(공급배관)을 포함하여 약 873g으로 측정되었다.
4. 3D 프린팅-에폭시 복합 소재가 적용된 액체수소 저장탱크 특성 평가
도 17 은 액체수소 저장탱크 특성 평가를 위한 실험 장치를 나타낸 사진이다.
액체수소 대신 액체질소를 사용하여 실험을 진행하였으며, 실험 장비는 액체질소, 진공펌프, 질량 유량계, 열교환기, 진공 게이지, 진공 모니터, 온도센서 계측기 및 파워서플라이 등으로 구성된다.
우선 액체수소 저장탱크 진공용기 내부를 진공펌프를 통하여 진공환경으로 만들어 준 다음, 저장탱크에 차가운 기체질소를 먼저 주입하여 저장탱크 내부를 Pre-cooling 시킨다. Pre-cooling 후에 액체질소를 서서히 주입하여 저장탱크 내부에 액체질소를 충전한다.
충전이 완료된 후 대기 중으로 배출되는 Vent valve를 잠근 후 증발 하는 기체질소의 유량을 측정한다. 증발되는 기체질소는 열교환기를 통해 바깥 공기에 열전달을 한 후 유량계를 거쳐 배출된다.
도 18 은 액체질소 주입에 따른 저장탱크 벽면 상/하단부 온도 및 기체질소 유량 측정 결과이다.
초기에는 기체질소 및 액체질소를 주입함에 따라 급격하게 온도가 감소 하는 것을 볼 수 있다.
저장탱크 하단부의 온도는 85 K 근처에서 수렴하였으며, 액체질소의 온도인 77 K 보다 높은데, 실제 E-type Thermo couple 온도센서의 오차 및 벽면 두께에 대한 내/외부 온도 차를 생각하면 어느정도 액체질소 온도에 수렴했다고 판단 할 수 있다.
외부 열침입에 의해 증발된 기체질소는 열교환기를 통과한 후 유량계를 거쳐 배출되며, 증발량은 약 0.005 g/s (0.25 LPM)으로 유지되었다. 이를 토대로 총 실험시간에 대하여 측정된 유량 데이터를 적분하여 액체질소 주입량을 산출하였다. 액체질소의 주입량은 약 390 g 으로 전체 용량에 대해 약 42 % 정도 충전되었다.
실제 측정된 유량을 토대로 역산하여 외부 열침입을 산출하였다.
수학식 8 을 통해 액체수소 저장탱크의 외부 열침입을 산출하면, 액체질 소의 증발잠열이 199 kJ/kg이므로 증발량 0.005 g/s에 대해 약 1 W 의 외부 열침입이 산출된다.
이는 앞서 예상했던 전도와 복사 열침입량의 합인 1.8 W 에 비해 45 % 정도의 수준이다. 이는 예상했던 전도 열침입과 복사 열침입에서의 오차라고 판단할 수 있다.
300 K에서 77 K으로의 전도 열침입을 예상했으나, 실제 실험 시에는 액체질소에 의해 SUS tube의 온도가 더 낮을 것이므로 전도 열침입에서 약간의 차이가 발생했을 것으로 예상된다.
실험은 약 20시간 동안 진행되었으며, 약 0.005 g/s의 유량이 지속적으로 유지되었다. 저장탱크 수위 90%에 대하여 최대 운전시간을 산출하면, 약 42시간 정도 유지 가능할 것으로 예상된다.
1 : 내부탱크
2 : 외부탱크
3 : 공급배관
4 : 배관고정부

Claims (6)

  1. 액체수소가 저장되도록 소정의 압력에 대해 내압 가능하도록 3D 프린팅 되는 내부탱크;
    소정의 점도를 가지며, 상기 내부탱크의 외측에 도포되는 제1에폭시접착제;
    상기 내부탱크의 외주면으로부터 소정의 거리만큼 이격되도록 3D 프린팅 되는 외부탱크;
    상기 제1에폭시접착제와 다른 점도를 가지며, 상기 외부탱크의 외측에 도포되는 제2에폭시접착제; 및
    상기 내부탱크의 일측 이상에 연결되는 공급배관;을 포함하고,
    상기 내부탱크 및 외부탱크 사이의 공간에는 소정의 진공이 형성되며,
    상기 내부탱크 및 외부탱크의 벽면은 30% 내지 40% 범위의 Triangular infill 구조로 형성되는, 3D 프린팅-에폭시 복합 소재가 적용된 액체수소 저장탱크
  2. 청구항 1항에 있어서,
    상기 내부탱크의 저면에 부착되어, 액체수소의 증발량을 조절하도록 내부탱크를 가열시키는 가열부재; 및
    상기 가열부재가 내측에 수용되도록 내부탱크의 외측을 감싸도록 구비되는 적층단열재;를 포함하는, 3D 프린팅-에폭시 복합 소재가 적용된 액체수소 저장탱크
  3. 삭제
  4. 외벽이 30% 내지 40% 범위의 Triangular infill 구조로 형성되도록 내부탱크를 3D 프린터로 출력하는 단계;
    상기 내부탱크의 일측 이상에 형성된 통공을 통해, 내부탱크의 내측에 형성된 서포트를 제거하는 단계;
    상기 내부탱크의 일측 이상에 형성된 통공에, 배관고정부 및 공급배관을 삽입하는 단계;
    상기 내부탱크의 외측 및 배관고정부에 소정의 점도를 가지는 제1에폭시접착제를 도포하는 단계;
    상기 제1에폭시접착제를 건조시키는 단계;
    상기 내부탱크의 저면에 가열부재를 부착시키는 단계;
    상기 내부탱크의 외측을 감싸도록 적층단열재를 8층 이상 적층시키는 단계;
    외벽이 30% 내지 40% 범위의 Triangular infill 구조로 형성되도록, 탱크상부 및 탱크하부를 3D 프린터로 출력하는 단계;
    상기 탱크상부 및 탱크하부 사이에 내부탱크를 삽입하는 단계;
    상기 탱크상부 및 탱크하부의 외주면에 상기 제1에폭시접착제와 다른 점도를 가지는 제2에폭시접착제를 도포하며 탱크상부 및 탱크하부를 접착시켜 외부탱크를 구성하는 단계; 및
    상기 제2에폭시접착제를 건조시키는 단계;를 포함하는, 3D 프린팅-에폭시 복합 소재가 적용된 액체수소 저장탱크 제조방법
  5. 청구항 4항의 3D 프린팅-에폭시 복합 소재가 적용된 액체수소 저장탱크 제조방법에 따라 제조된, 3D 프린팅-에폭시 복합 소재가 적용된 액체수소 저장탱크
  6. 청구항 1항, 청구항 2항, 청구항 5항 중 어느 한 항의 3D 프린팅-에폭시 복합 소재가 적용된 액체수소 저장탱크를 연료탱크로써 사용하는, 드론
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