• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2013년도 제44회 동계 정기학술대회 초록집
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• pp.137-137
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• 2013

지속 가능한 발전을 위해, 한정된 자원인 석유의 고갈을 막기 위해 석유를 수송에너지로 주로 사용하는 자동차에서 바이오 디젤이나 연료전지, 전기자동차 등 다양한 대안이 제시되고 있다. 그러나 식량 가격 상승, 낮은 안정성, 인프라 확충 등의 문제의 해결이 필요할 뿐만 아니라, 석유의 소비를 감소시키는 대신, 지구에서 소비할 수 있는 다른 형태의 에너지를 소모한다는 측면에서 근본적인 에너지 문제의 해결책의 모색이 필요하다. 19세기 후반, 백열전구의 필라멘트 용도로 사용되기 시작한 탄소 섬유는, 철에 비해 5배 가볍고 강도는 10배가 높으며 내열성이 뛰어난 소재로서, 복합소재의 형태로 제조되어 비행기, 우주선, 풍력 발전 블레이드 등 다양한 산업 분야에서 소재의 장점을 발휘하는 재료로 적용 분야가 확대되고 있다. 특히 비행기 분야에서는 최근 비행기 몸체 구조에 기존 알루미늄 합금을 탄소섬유복합재가 대체하고 있으며, 최근에는 부피 기준 50% 가량까지 탄소섬유 복합재를 사용하여 비행기를 제작하고 있다. 이에 따라 기존에 비해 20% 가량 연료 소모가 감소하여, 비행기 한 대 당 연간 2,700톤의 이산화탄소 배출을 저감하고 있다. 이와 같이 탄소섬유 복합재를 다양한 분야에 적용함으로써, 에너지 문제에 대한 보다 근본적인 접근이 가능하다. 그러나 탄소섬유 복합소재는 금속 등 기존 재료에 비해 높은 가격으로 상용 자동차 등 에너지 소비량이 많은 분야에 널리 적용되는데 한계가 존재한다. 이와 같이 높은 탄소섬유의 가격은, 원가의 50% 가량을 차지하는 PAN 원사 가격과 나머지 반절에 해당하는 안정화/탄화 공정 비용에서 기인하는 것으로, 미국의 ORNL (Oak Ridge National Laboratory), 한국의 KIST 복합소재연구소 등에서는 원사, 안정화 공정, 탄화 공정 등 다양한 측면에서 탄소섬유 복합재의 가격을 절감할 수 있는 방안을 연구 중이다. 미국 ORNL에서는 마이크로웨이브 플라즈마를 이용하여 기존에 열을 이용해 수행하던 탄화 공정 비용을 크게 절감하고 있으며, KIST에서는 대기압 플라즈마를 이용하여 기존에 열을 이용해 2시간 가량이 소요되는 안정화 공정을, 대기압 플라즈마를 이용하여 30분여로 단축된 시간에 수행하는 공정을 개발 중이다. 본 발표에서는 탄소섬유 복합재의 개요와, 탄소섬유 가격 절감 방안으로서의 플라즈마에 대해 논의하며 대기압 플라즈마의 다양한 응용에 대해 소개할 예정이다.

• Composites Research
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• 제19권2호
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• pp.7-12
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• 2006

본 연구에서는 탄소섬유의 첨가가 흑연 보강 전도성 고분자 복합재료의 전기적, 기계적 특성에 미치는 영향을 고찰하였다. 압축성형법을 이용하여 흑연입자/탄소섬유 혼합 보강 전도성 고분자 복합재료를 제조하였으며 흑연입자의 고비율 충진은 복합재료 내에서 입자 사이의 직접 접촉을 통해 높은 전기 전도도(>100S/cm)를 얻는 것을 가능하게 하였다. 하지만 흑연입자의 비율이 높아짐에 따라 소재의 강도가 점차 떨어지게 되므로 이를 보완하기 위해 탄소섬유를 첨가하여 그에 따른 소재의 전기적, 기계적 특성 변화를 연구하였다. 탄소섬유의 충진 비율이 증가함에 따라 소재의 굽힘 강도는 증가하였으나 탄소섬유의 클러스터 형성으로 인해 탄소섬유 사이에 비전도성 영역이 발생하여 복합재료의 전기 전도도는 감소함을 확인하였다. 탄소섬유의 충진 비율이 전체 시스템의 20wt.%인 경우에는 굽힘 강도는 12% 증가한 반면 전기 전도도가 27% 감소하였다.

• Composites Research
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• 제35권5호
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• pp.347-358
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• 2022

탄소섬유 복합소재의 우수성은 이미 여러 산업분야에서 입증되었으며, 조선산업 또한 예외는 아니다. 특히, 해양선진국에서는 탄소섬유 복합소재 선체의 해군과 해경의 특수선박이 이미 실전 배치된 바 있다. 국내에서도 10톤 급 레저선박 혹은 30톤 급 고속정 등에 탄소섬유 복합소재가 적용된 바 있으나, 아직까지 수 백 톤 이상의 경비함급에 대한 연구는 이루어진 바 없다. 본 연구에서는 해외 유사사례 분석을 통해 탄소섬유 복합소재 선체의 500톤 급 경비함에 대한 건조가능성 검토를 수행하였다. 연구결과, 기존 알루미늄 혹은 FRP 선체 대비 약 21%~25%의 경량화가 가능함을 확인할 수 있었으며, 이러한 경량화 효과는 동급 선박보다 최대 운항 속력의 향상과 함께 작전 반경의 향상효과 또한 기대할 수 있는 것으로 시뮬레이션되었다.

• Composites Research
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• 제33권3호
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• pp.153-160
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• 2020

질화붕소(BN)는 높은 열전도도를 가지는 2D 형상의 부도체로 복합재료의 강화 필러로 연구되고 있는 물질이다. 본 연구에서는 판상의 육방정 질화붕소(h-BN)를 탄소섬유 다발 사이에 첨가하여 BN이 함유된 탄소섬유강화 복합소재(CFRPs)를 제조하여 BN 필러가 CFRP의 여러 물성에 어떤 영향을 주는지 탐구하였다. 사용된 프리프레그의 수지 총량의 0-15 wt%의 BN 필러가 프리프레그 층 사이에 첨가되었다. BN 필러가 첨가된 복합소재의 인장강도는 최대 13.6%, 계면간 전단응력은 최대 6.7% 증가하는 것을 관찰하였다. BN 첨가량에 따른 열전도도와 전기전도도의 변화와, BN의 첨가량에 따른 시편의 단면 형상 변화 또한 관찰되어 탄소섬유-BN-에폭시 복합소재의 물성 제어 가능성을 제시하였다.

• 한국가스학회지
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• 제15권5호
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• pp.37-41
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• 2011

본 연구에서는 미국의 DOT-CFFC와 한국의 KS 기준에 근거하여 수소가스 복합소재 연료탱크에 대한 강도안전성을 FEM으로 해석하였다. 알루미늄 라이너 소재인 6061-T6와 탄소섬유 복합소재인 T800-24K로 적층이 형성되도록 감은 수소가스 복합소재 연료탱크는 130L의 저장용량을 갖으며, 70MPa의 충전압력으로 수소가스가 채워진다. FEM 해석결과에 의하면, 내부탱크를 형성하는 알루미늄 라이너에 작용하는 von Mises 응력 255.2MPa은 알루미늄 소재의 항복응력 대비 95%인 272MPa보다 낮기 때문에 안전하다. 또한, 복합소재 연료탱크에서 후프방향의 탄소섬유 응력비는 3.11이고, 헤리컬방향의 응력비는 3.04인 것으로 나타났다. 이들 응력비 데이터는 탄소섬유 복합소재 연료탱크에서 안전기준으로 권고한 2.4에 비해 높기 때문에 양방향 모두에서 안전하다. 따라서 70MPa의 충전압력을 갖는 130L 저장용량의 복합소재 연료탱크에 대한 강도안전성은 유용한 것으로 판단된다.

• Elastomers and Composites
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• 제46권2호
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• pp.118-124
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• 2011

최근 모든 산업분야에서 기존 소재의 물성을 뛰어넘는 우수한 기계적 특성과 기능적 특성을 만족하는 새로운 소재에 대한 필요성이 점점 증가하고 있으며, 특히 연료 절감과 이산화탄소($CO_2$)와 같은 온난화 가스 배출의 절감을 통한 환경보호가 요구됨에 따라 우주항공 산업에서는 신규 소재를 통한 구조체 경량화에 대한 중요성이 더욱 강조되고 있다. 또한, 신규 소재의 다양한 응용을 위하여 우수한 기계적 물성뿐만 아니라 여러가지 특성에 부합되는 고기능성 맞춤형 재료의 개발은 현재의 재료 과학기술의 최우선적인 목표이며, 이러한 맞춤형 재료에 가장 근접한 소재는 탄소섬 유강화 복합재료라 할 수 있다. 실제로 최근 탄소섬유강화 복합재료는 항공기 경량화를 위한 필수적인 물질로서 그 수요는 크게 증가하고 있다. 따라서, 본고에서는 항공기의 경량화를 위한 탄소섬유강화 복합재료의 필요성과 더불어 탄소섬유강화 복합재료의 기술동향에 대하여 중심으로 살펴보도록 하겠다.

• 한국가스학회지
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• 제15권1호
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• pp.35-39
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• 2011

본 논문에서는 FEV 차량용 복합소재 연료탱크의 탄소섬유 적층두께에 따라 달라지는 강도안전성에 미치는 기여율의 영향을 해석하고자 한다. 기여율에 의한 영향을 FEM 모델링으로 고찰하기 위해, 복합소재 연료탱크의 알루미늄 라이너와 탄소섬유 적층에 작용하는 von Mises 등가응력을 후프방향과 헤리컬방향에 대하여 각각 계산 하였다. FEM 해석결과에 따르면, 알루미늄 라이너에 작용하는 등가응력 기여율은 후프방향으로는 77.5%, $70^{\circ}C$ 경사진 헤리컬방향으로는 18.11%, $12^{\circ}C$ 경사진 헤리컬방향으로는 4.39%로 각각 작용하는 것으로 나타났다. $12^{\circ}C$ 경사진 탄소섬유의 적층 두께비가 후프방향 적층 두께비의 42% 정도로 높게 유지됨에도 불구하고 알루미늄 라이너 소재에서 보여준 기여율 경향은 탄소섬유 적층의 강도안전성에 대해서도 유사한 것으로 나타났다. 결과적으로, 탄소섬유 연료탱크의 강도안전성은 탄소섬유 적층의 두께보다 와인딩 각도에 의해 더 많은 영향을 받는다는 계산결과를 보여주고 있다.

• Elastomers and Composites
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• 제47권1호
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• pp.65-74
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• 2012

최근 전세계적으로 자원 고갈로 인한 에너지 절약과 환경 문제에 관한 규제 강화는 환경 친화적인 소재 개발의 필요성을 가속화시키고 있다. 이러한 추세는 자동차 산업을 포함한 운송 산업도 예외가 아니다. 또한, 기본적으로 단순히 성능이 좋으면서도 값이 저렴한 제품이 아니라, 소비자와 사회의 요구에 부합되는 고기능성 소재의 개발이 필요하다. 이에 부합하는 소재로는 최근 운송 수단의 경량화를 위하여 많은 연구가 진행중인 탄소섬유 복합재료라할 수 있다. 최근 탄소섬유 복합재료는 자동차의 경량화를 위해 차체 및 부품 등 다양한 부분에 적용됨에 따라 그 수요는 크게 증가하고 있고, 차량에 적용시 차체 중량감소에 따른 제동, 조향, 내구 및 연비향상과 이에 따른 에너지 절약 및 이산화탄소 배출을 최소화 하는 장점을 갖는다. 따라서, 본고에서는 자동차의 경량화를 위한 탄소섬유 복합재료의 필요성과 더불어 탄소섬유 복합재료의 기술동향과 나아가야 할 방향에 대하여 살펴보도록 하겠다.

• Composites Research
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• 제24권6호
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• pp.25-30
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• 2011

본 연구에서는 유리섬유, 탄소섬유 및 유리섬유-탄소섬유 복합재에 MWCNT층을 삽입하는 경우 복합재의 전자파차폐 물성에 대한 연구를 수행하였다. 유리섬유 복합재의 경우, $200mm{\times}200mm$ 면적에 0.1~0.2 g의 MWCNT를 도포했을 때 (1.8~3.6 ${\mu}m$ 두께) 전자파차폐효과가 현격히 증가함을 발견하였다. 아울러, 두개 이상의 MWCNT층을 삽입하는 경우, 이들을 분산배치 하는 것 보다는 복합재 중앙에 집중배치 하는 것이 더 효과적이었다. 반면, 탄소섬유 및 유리섬유-탄소섬유 복합재의 경우, MWCNT층이 전자파차폐효과에 영향을 미치지 않음을 알 수 있었다. MWCNT를 비롯한 탄소나노소재를 전자파차폐용 소재로 효과적으로 활용하기 위해서는, 탄소나노소재의 첨가에 의한 다양한 전자파차폐 메커니즘 간 상관관계를 이해하는 것이 중요하다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2007년도 추계학술대회 논문집
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• pp.378-381
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• 2007

탄소섬유가 중앙에 적층된 풍력발전용 블레이드 소재인 탄소 유리섬유 하이브리드 복합재료가 VARTM(Vacuum Assisted Resin Transfer Molding)공법을 이용하여 제작되었다. 아이조드 충격시험법을 이용하여 온도, 하이브리드화 비율 그리고 노치에 대한 충격강도의 영향을 연구하였다. 온도 감소 및 탄소섬유의 증가에 의해 충격강도는 감소하는 경향을 보였으며, 노치에 의해 하이브리드 복합재료는 약 $25{\sim}30$%가량의 충격강도 감소를 보였다. 그러나 단일 탄소섬유 복합재료의 경우 노치민감도는 없었으며, 이에 소량의 유리섬유 첨가로 인해 하이브리드화 하였을 경우 충격강도 향상 및 저온 충격강도 안정성을 확보 할 수 있었다.