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Composites Research(구 한국복합재료학회지)검색


  • - 주제 : 공학분야 > 재료공학
  • - 성격 : 학술지
  • - 간기: 격월
  • - 국내 등재 : KCI 등재
  • - 해외 등재 : -
  • - ISSN : 2288-2103
  • - 간행물명 변경 사항 :
논문제목
수록 범위 : 34권 3호 (2021)

테라헤르츠 중첩 신호의 FWHM 분석을 통한 유리섬유 복합재료 내부 미세 박리 검출 기술

김헌수 ( Heon-Su Kim ) , 박동운 ( Dong-Woon Park ) , 김상일 ( Sang-il Kim ) , 김학성 ( Hak-sung Kim )
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유리섬유 복합재료(GFRP) 내부 미세 박리에서 나타나는 테라헤르츠(THz) 중첩 신호의 FWHM 분석을 통한 미세 박리 검출 기술을 연구하였다. 테라헤르츠 시간영역 분광(THz-TDS) 시스템의 반사모드를 통해 유리섬유 복합재료 내부의 미세 박리 크기 별 THz 신호를 측정하였고, 미세 박리 위치에서 반사되어 검출되는 THz 중첩 신호의 Full Width Half Maximum (FWHM) 값을 추출하였다. 이후, 유리섬유 복합재료의 복소굴절률을 측정하여 미세 박리 크기에 따른 미세 박리 위치에서의 THz 중첩 신호 및 FWHM 값을 계산하여 비교하였다. 이론적으로 계산된 THz 중첩 신호로부터 미세 박리 크기와 중첩 신호에서의 FWHM 값의 상관관계를 도출하였으며, 미세 박리 위치에서의 THz 신호로부터 추출된 FWHM의 분석을 통해 미세 박리 크기를 예측할 수 있었다.

바나듐 레독스 흐름 전지용 복합재료 분리판 개발

임준우 ( Jun Woo Lim )
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탄소/에폭시 복합재료 분리판(BP)은 높은 기계적 특성과 생산성으로 인해 바나듐 레독스 흐름전지(VRFB)의 기존 흑연 분리판을 대체할 가능성이 있는 BP이다. 다기능 구조인 탄소/에폭시 복합재료 BP는 계면접촉저항(ICR)을 줄이기 위해 흑연 코팅 또는 추가 표면 처리가 필요하다. 그러나 팽창 흑연 코팅은 VRFB 작동 조건에서 낮은 내구성을 가지며 별도의 표면 처리는 추가 비용이 발생한다는 단점이 있다. 본 연구에서는 폴리에스테르 직물을 적용하여 탄소/에폭시 복합재료 BP 표면의 잉여 수지층을 균일하게 제거하여 탄소섬유를 노출시키는 잉여 수지 흡수법을 개발하였다. 이 방법은 BP 표면에 탄소섬유를 노출하여 ICR을 감소시킬 뿐만 아니라 탄소 펠트 전극을 효과적으로 고정할 수 있는 고유한 도랑 패턴을 형성한다. 잉여 수지 흡수법에 의해 제작된 복합재료 BP의 산성 환경 내구성, 기계적 특성 및 기체 투과도에 대해 실험적으로 검증하였다.

우드파일 메타물질의 변수 별 진동 및 충격에 끼치는 영향

하영선 ( Young Sun Ha ) , 황희윤 ( Hui Y. Hwang ) , 전성식 ( Seong S. Cheon )
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메타물질은 자연발생 물질에서 발견되지 않는 특성을 만들 수 있는 여러가지 요소들의 복합체로, 힘의 방향을 변환하거나, 음의 강성을 만들거나, 진동 및 충격 특성을 바꿀 수 있다. 제작이 용이하고, 수직방향의 진동과 충격을 저감시키는데 탁월한 성능을 지닌 우드파일 메타물질의 경우, 충격 저감을 위해 충격 전달에 영향을 끼치는 변수에 대한 기초 연구가 필요하다. 최근 기하학적 요소에 따른 충격저감에 대해 연구가 진행되고 있지만, 재료적 변수가 충격저감에 끼치는 영향에 대한 연구는 미흡하다. 본 논문에서는 우드파일 실린더의 기하학적 특성(적층각도, 직경, 길이)과 재료적 특성(탄성계수, 비중, 포아송 비)을 변수화하여 유한요소해석이 진행되었다. 유한 요소해석을 통해 우드파일 실린더가 충격을 전달하는 양상을 확인하고, 주효과도 분석을 통해 충격 힘과 에너지의 저감에 대한 변수 별 영향이 고찰되었고, 고속 푸리에 변환(FFT)을 통해 주파수 대역에 대한 분석이 진행되었다. 충격 힘과 진동을 저감시키기 위하여 실린더의 접촉 면적에 영향을 주는 변수들이 크게 영향을 끼치는 것으로 나타났다.

직교 그리드 센서가 삽입된 인솔을 이용한 족압분포 연구

손정협 ( Jeong-Hyeop Son ) , 정인준 ( In-jun Jung ) , 장승환 ( Seung-hwan Chang )
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본 연구에서는 당뇨병 환자들의 균일한 족압 분포를 유도하여 발의 상처를 예방하는 신발을 개발하기 위한 연구방법을 제시하였다. 직교 그리드 센서를 사용하여 일반인의 직립 상태 시 족압 분포를 확인하고, 다양한 조건에 대한 족압분포의 변화를 비교하였다. 신발 바닥부에 삽입된 스프링의 스프링 상수와 인솔의 아치부 유무 등에 따른 족압 분포의 변화를 파악하여 효과적인 족압 분산 조건을 확인하였다. 인체거동의 임의성 등에 의한 실험 오차를 최소화 하기 위해, 직립 상태를 모사한 유한요소해석을 통해 특정 조건에서의 족압 분포를 예측하고 실험 결과와 비교하여 실험의 정확성을 확보할 수 있도록 하였다. 스프링의 개수와 배치에 따른 족압 분포의 변화를 유한요소해석을 통해 확인하여 보다 균일한 족압을 구현할 수 있는 조건을 제시하였다. 이러한 결과는 당뇨발을 가진 환자를 위한 신발 설계에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

금속-복합재료 하이브리드 구조체 재활용 프로세스 개발

황희윤 ( Hui-yun Hwang ) , ( Fardim Sufian Roney ) , ( Zhu Xi )
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최근 금속-복합재료 하이브리드 구조는 설계 유연성과 우수한 기계적 특성 때문에 자동차나 항공기 등 다양한 분야에 응용이 가능한 매우 매력적인 소재 시스템이 되었다. 한편, 버려지는 재료를 줄이고 환경 오염을 막기 위한 재활용이 아주 중요해졌다. 많은 국가에서 자동차나 전자제품의 재활용 규정을 만들어 적용하고 있으나, 금속-복합재료 하이브리드 구조는 아직 연구개발 및 응용의 초기 단계로 재활용에 대해서는 충분히 고려되지 않고 있다. 본 연구에서는 재활용 업체에서 도입할 수 있는 금속-복합재료 하이브리드 구조의 재활용 프로세스를 개발하고 최적화하였다.

CFRP 파이프의 와인딩 적층 패턴 설계 및 HNT 나노입자 보강에 따른 수 환경에서의 기계적 물성 평가

최지수 ( Ji-su Choi ) , 박수정 ( Soo-jeong Park ) , 김윤해 ( Yun-hae Kim )
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유체 이송에 사용되는 강재 파이프는 신설과 도장, 또는 부식과 노후화로 인한 제반 시설 보수에 거대한 규모의 시간과 비용이 요구된다. 이에 본 연구에서는 강재 파이프의 대체재로, 내부식성과 내화학성이 우수한 탄소섬유강화복합재료(Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP) 파이프 구조의 최적화 설계를 수행하였다. 헬리컬 패턴 표면에 후프 패턴을 혼합적층하여 내구성을 향상시켰으며, 수분 환경에서의 에폭시 흡습 현상을 억제하기 위해, 할로이사이트 나노튜브(Halloysite Nanotube, HNT)를 첨가하였다. HNT/CFRP 파이프는 필라멘트 와인딩 공정으로 제작하였으며, 기계적 물성 시험과 70°C 고온 증류수 환경하에서 흡습 시험을 진행하였다. 그 결과, 파이프 두께의 0.6%에 해당하는 후프 패턴의 적층 시, 가장 우수한 물성을 나타냈다. 또한 0.5 wt.% HNT 첨가 시 상대적으로 높은 내흡습성을 가졌으며, 층간 계면에서의 박리 현상이 지연되어 가장 낮은 강도 저하율을 보였다.

양이온 개시제를 이용한 열경화성 액정 에폭시의 열분해 활성화에너지

정예지 ( Jung Ye Ji ) , 현하늘 ( Ha Nuel Hyun ) , 조승현 ( Seung Hyun Cho )
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기존 아민계 경화제를 사용해 액정 에폭시를 경화할 경우, 랜덤 한 3차원 네트워크 구조의 생성으로 인해 phonon의 산란이 많이 발생하기 때문에 열전도도가 낮게 나타났다. 이러한 문제를 mesogen그룹을 적층된 구조로 형성하는 양이온 개시제를 이용하여 해결하기 위해 본 연구에서는 아민계 경화제와 양이온 개시제를 사용한 에폭시의 TGA분석(Thermogravimetric Analysis)을 통해 등온 열분해 활성화에너지를 조사하여 열적안정성을 비교하였다. 양이온 개시제를 이용한 에폭시의 경우 활성화가 에너지가 높았으며 기존 실험과 비교했을 때, 열적안정성은 열전도도와 비슷한 양상을 보인다.

티타늄과 탄소 섬유 강화 PEEK로 구성된 요추 유합술용 연결봉의 의공학적 영향에 대한 비교 분석

서혜성 ( Hye-Sung Seo ) , 강해성 ( Hae-seong Kang ) , 전흥재 ( Houng-jae Chun )
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요추에 퇴행이 발생하였을 때 이를 치료하기 위해 요추 유합술이 시행된다. 유합술은 척추체 사이의 추간판을 제거하고 뼈 그래프트 등을 삽입하여 굳혀 하나 이상의 분절을 완전히 고정시켜 척추의 안정성을 복원한다. 둘 이상의 척추체가 단단히 유합될 수 있게끔 척추체를 고정하는 수단으로 척추경 나사못과 연결봉이 환자의 체내에 삽입된다. 본 연구에서는 중증 요추 퇴행성 질환의 치료에 쓰이는 척추 유합술에서 사용하는 척추경 나사못 구조물이 적용된 총 7개의 환자 맞춤형 요추 유한 요소 모델을 생성하였다. 생성한 모델에 각각 티타늄과 CFR-PEEK로 구성된 연결봉을 구성하였다. 척추의 4가지 대표적 거동에 대해 유한요소해석과 통계적 분석을 진행하여 연결봉의 재질이 척추 상태에 미치는 의공학적 영향을 조사하였다. 인접 분절의 추간판 내 압력과 각 분절의 관절 구동 범위가 의공학적 영향을 확인하기 위한 지표로 사용되었다. 연결봉에 CFR-PEEK를 사용한 경우 Ti 연결봉에 비해 인접 분절의 추간판 내 압력은 감소하였고 각 분절의 관절 구동 범위는 증가하였다. 그러나 모든 하중 조건에서 통계학적으로 유의미한 경향성 차이는 관찰되지 않았다.

전기차 인너벨트 웨더스트립용 EPDM/PP Thermoplastic Vulcanizates 재료설계인자에 따른 점탄성과 글라스 마찰 소음 상관관계 연구

조승현 ( Seunghyun Cho ) , 윤범용 ( Bumyong Yoon ) , 이상현 ( Sanghyun Lee ) , 홍경민 ( Kyoung Min Hong ) , 이상현 ( Sang Hyun Lee ) , 서종환 ( Jonghwan Suhr )
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전기차의 수요 및 보급이 확대됨에 따라 차량 내 이음(buzz, squeak, rattle, BSR) 개선에 대한 요구가 커지고 있다. 이에 풍절음, 도어 글라스 및 차량 진동을 차단하는 인너벨트 웨더스트립(innerbelt weatherstrip)의 댐핑(damping) 특성 향상을 통해 BSR을 저감하는 기술 개발이 필수적이다. 기존 열경화성(thermoset) 탄성체 대비 가볍고 재활용이 가능한 열가소성(thermoplastic) 탄성체가 주목을 받고 있지만 낮은 소재 댐핑과 영구압축줄음률(compression set)로 인해 도어 글라스와 웨더스트립 간 마찰 소음을 발생하는 문제가 있다. 고분자 댐핑 특성은 점탄성(viscoelastic)에 좌우되므로, 본 연구에서는 인너벨트 웨더스트립과 도어 글라스 간 마찰 소음을 개선하기 위해 EPDM (ethylene-propylene-diene monomer)/PP (polypropylene) thermoplastic vulcanizates (TPV)의 재료설계인자(EPDM/PP 비율, EPDM 내 ENB 함량)에 따른 점탄성 분석을 통해 소재 댐핑 특성을 평가하였다. EPDM/PP 비율에 따른 분석을 통해 PP 비율이 낮을수록 소재가 연화되고, 탄성회복력(resilience)이 증가하여 저장탄성률(storage modulus)은 10.8% 감소하고 댐핑 특성을 의미하는 감쇠계수(tanδ)는 88.2% 증가함을 확인하였다. 또한 EPDM 내 ENB 함량이 높을수록 소재의 가교밀도(crosslink density)가 증가하지만, 동적가교(dynamic vulcanizate) 과정 중 PP에 분산된 EPDM particle의 크기가 감소한다. 이로 인해 증가된 EPDM/PP 계면 간 면적 증가로 인해 계면 미끄러짐에서 기인한 손실탄성률(loss modulus)이 24.7% 증가하여 댐핑 특성이 향상되었다. 재료설계인자에 따른 물성 분석을 바탕으로 최적 소재(낮은 PP 비율(14 wt%), 높은 ENB 함량 (8.9 wt%))를 배합한 결과 소재 댐핑 특성(tanδ peak)은 기존 소재(PP27, EPDM/PP 30/27, ENB content 5.7 wt%) 대비 140% 증가하여 재료설계인자에 따라 댐핑 특성을 제어할 수 있음을 확인하였다. 설계된 소재의 글라스 마찰 소음 개선 효과를 확인하기 위해 stick-slip 시험을 통해 마찰 소음을 평가하였다. 소재 댐핑 특성이 향상됨에 따라 마찰 진동의 가속도 peak가 약 57.9% 감소하였다. 이러한 결과로부터 재료설계인자에 따른 소재 댐핑 특성 향상을 통해 인너벨트 웨더스트립의 글라스 마찰 소음을 개선할 수 있음을 확인하였으며, 향후 소재 재료설계인자에 따른 물성 제어를 통해 부품의 요구 성능에 맞는 다양한 재료설계에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
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