KR100759595B1

KR100759595B1 - 풍력발전 터빈 블레이드용 탄소-유리섬유 하이브리드복합체 제조방법

Info

Publication number: KR100759595B1
Application number: KR1020060124850A
Authority: KR
Inventors: 한인섭; 김세영; 서두원; 홍기석; 이시우; 유지행; 우상국
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2006-12-08
Filing date: 2006-12-08
Publication date: 2007-09-18

Abstract

본 발명은 풍력발전의 터빈 블레이드 제조에 사용되는 탄소-유리섬유 하이브리드 복합체 제조방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 유리섬유 복합체의 중심부에 탄소섬유가 적층되도록 배열한 후 수지에 함침되도록 함으로써 강성 및 강도를 향상시키고 밀도를 감소시킨 풍력발전 터빈 블레이드용 탄소-유리섬유 하이브리드 복합체 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 제조방법은, 탄소-유리섬유 제조방법에 있어서, VARTM 공법으로 유리섬유과 탄소섬유를 이형제 처리하고, 건조시킨 금형위에 중간층에는 탄소섬유가 위치하도록 하고 상하부층에는 유리섬유가 동일한 두께로 적층되도록 하여 복합체를 형성하는 적층단계와; 상기 상부층을 형성하는 유리섬유의 상측으로 이형처리된 필 플라이 (peel ply) 직포와 수지의 흐름을 향상시키기 위한 매트를 순차적으로 적층하고, 몰드에는 수지 주입구과 진공구를 제외한 다른 부분을 투명 나일론 배깅 필름 (bagging film)을 밀봉재로 덮어 밀봉시키는 밀봉단계와; 상기 밀봉된 몰드에는 수지주입구을 밀폐시키고 진공구를 통해 1기압으로 감압하여 적층된 섬유가 서로 잘 압착되도록 하는 진공단계와; 상기 압착된 상태에서 수지주입구를 개방하여 진공압력에 의해 수지가 밀봉된 몰드내로 주입되도록 하여 내부의 섬유가 수지에 함침되도록 한 후 공기의 유입을 차단하기 위해 수지주입구를 밀폐시키는 수지주입단계와; 몰드 내에 진공압력을 계속 가하면서 경화시키는 경화단계를 포함하여 이루어진다.

터빈 블레이드, 하이브리드, 탄소섬유, 유리섬유, 복합체

Description

풍력발전 터빈 블레이드용 탄소-유리섬유 하이브리드 복합체 제조방법{Manufacturing method of carbon-glass fiber hybrid composites for wind turbine blade}

도 1는 본 발명에 따른 하이브리드 복합체의 제조과정을 나타낸 흐름도.

도 2는 본 발명의 실시일예에 따른 복합체 내부 탄소섬유의 배열량과 외부의 유리섬유의 배열량을 나타낸 그림.

도 3는 도 2의 조건으로 제조된 하이브리드 복합체의 밀도 특성을 도시한 그래프.

도 4은 도 2의 조건으로 제조된 하이브리드 복합체의 굽힘강도 실험 결과를 도시한 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

S1 : 적층단계 S2 : 밀봉단계

S3 : 진공단계 S4 : 수지주입단계

S5 : 경화단계

풍력발전에 사용되는 터빈 블레이드는 효율을 상승시키기 위해 터빈 블레이드의 구조설계 변경과 더불어 소재를 개발하는 방법이 적용되고 있으며, 특히 소재개발의 경우에는 강화제로 사용되는 섬유의 종류나 형상이 매우 중요한 변수로 작용하고 있다.

지금까지는 풍력발전용 터빈 블레이드의 소재로는 유리섬유를 강화제로 사용한 GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer)가 사용되고 있으나, 최근에는 풍력발전 용량이 증가되고 있으므로, 내구성 향상이 요구되고 있다. 상기 내구성을 향상시키기 위해서는 고탄성, 저비중의 특성을 요구하고 있으므로, 최적의 블레이드 소재로서 탄소섬유를 이용한 CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer)로의 전환이 시도되고 있는 실정이다.

그러나 블레이드 전체를 탄소섬유 재질로 적용할 경우에는 고탄성, 저비중에는 기여할 수 있으나, 탄소섬유의 가격이 유리섬유에 비해 매우 고가 (유리섬유의 약 10배)이기 때문에 제조단가가 높아지는 단점이 있으며, 또한 탄소섬유는 전도성 을 갖고 있으므로, 우천 시 낙뢰에 의한 치명적인 파괴를 일으킬 수 있는 문제점을 가지고 있다. 따라서 종류가 다른 두 가지 또는 그 이상의 섬유를 기지상과 복합화시킨 하이브리드 복합체의 연구가 요구되고 있는 설정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로,

기존 유리섬유 복합체의 중심부에 탄소섬유를 배열함으로써 굽힘강도가 정점인 탄소섬유의 함유량을 제시함과 아울러 밀도는 기존 유리섬유 복합체보다 약 10% 이상 감소되도록 하는 등 강성과 강도를 향상시키고, 밀도는 감소시킨 하이브리드 복합체의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 블레이드 소재 제조에 있어 유리섬유를 탄소섬유의 외부에 위치하게 함으로써 낙뢰에 의한 피해로부터 블레이드 구조물을 보호하도록 하는 제조방법의 제공을 목적으로 한다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 풍력발전 터빈 블레이드용 탄소-유리섬유 하이브리드 복합체 제조방법은,

탄소-유리섬유 제조방법에 있어서, VARTM 공법으로 유리섬유과 탄소섬유를 이형제 처리하고, 건조시킨 금형위에 중간층에는 탄소섬유가 위치하도록 하고 상하부층에는 유리섬유가 동일한 두께로 적층되도록 하여 복합체를 형성하는 적층단계 와; 상기 상부층을 형성하는 유리섬유의 상측으로 이형처리된 필 플라이 (peel ply) 직포와 수지의 흐름을 향상시키기 위한 매트를 순차적으로 적층하고, 몰드에는 수지 주입구과 진공구를 제외한 다른 부분을 투명 나일론 배깅 필름 (bagging film)을 밀봉재로 덮어 밀봉시키는 밀봉단계와; 상기 밀봉된 몰드에는 수지주입구을 밀폐시키고 진공구를 통해 1기압 이상으로 감압하여 적층된 섬유가 서로 잘 압착되도록 하는 진공단계와; 상기 압착된 상태에서 수지주입구를 개방하여 진공압력에 의해 수지가 밀봉된 몰드내로 주입되도록 하여 내부의 섬유가 수지에 함침되도록 한 후 공기의 유입을 차단하기 위해 수지주입구를 밀폐시키는 수지주입단계와; 몰드 내에 진공압력을 계속 가하면서 경화시키는 경화단계;를 포함하여 이루어진다.

상기 유리섬유는 E-glass, S-glass로 이루어진 군으로부터 일종을 선택사용하고, 상기 탄소섬유는 Rayon계, PAN계로 이루어진 군으로부터 일종을 선택사용되며, 상기 유리섬유와 탄소섬유는 일방향 (unidirectional) 형태 또는 평직 (plain weave) 형태로 직조될 수 있다. 또한, 상기 복합체에서 탄소섬유의 함유량은 복합체 전체 두께의 25 ~ 75% 범위가 되도록 하는 것이 바람직하다.

또한 상기 탄소섬유는 적층각도를 0°, 90°및 이의 혼합배열로 하고, 유리섬유는 적층각도를 0°, 90°, -45°~45°및 이의 혼합배열로 하여 적층되도록 할 수 있다.

이하, 상기한 바와 같은 풍력발전 터빈 블레이드용 탄소-유리섬유 하이브리 드 복합체 제조방법을 첨부된 도면을 참조로 상세하게 설명한다.

본 발명의 제조방법은 VARTM (Vacuum Assisted Resin Transfer Molding) 공법을 사용하여 하이브리드 복합체를 제조하는 것으로, 적층단계와, 밀봉단계와, 진공단계와, 수지주입단계와, 경화단계를 포함하여 이루어진다.

상기 적층단계(S1)는, 두종류의 섬유를 사용하여 복합체를 형성하는 것으로 사용되는 섬유는 높은 특성계수와 높은 가격을 갖는 흑연이나 보론 (boron) 섬유와 반대로 낮은 특성계수를 갖는 케블라 (Kevla), E-glass 또는 S-glass 섬유 등이 사용될 수 있으며, 여기에서 높은 특성계수를 갖는 섬유는 강성과 내하중 특성을 높이며, 낮은 특성계수를 갖는 섬유는 손상저항 특성 향상과 제조단가 저하에 기여하게 된다. 따라서 상기 두 섬유를 혼합사용하되 각 섬유의 적층위치를 한정하여 각 섬유의 장점을 수취함과 동시에 생산비를 절감시킬 수 있는 것이다. 즉, 일반적으로는 낮은 특성계수를 갖는 유리섬유나 높은 특성계수를 갖는 탄소섬유 중 한 종류만을 사용하고 있으나, 본 발명에서는 두 종류의 섬유를 적층 사용하고 있다. 상기 유리섬유와 탄소섬유의 직조형태는 평직 (plain weave) 또는 일방향 (unidirectional)으로 직조된 것을 사용할 수 있는 것으로, 두 직조 형태를 혼용하여 사용할 수 있다.

상기 유리섬유와 탄소섬유는 이형제 처리를 한 후 건조시킨 금형 위에 탄소섬유가 가운데 오도록 중간에 적층하고 위아래에는 유리섬유를 적층하며, 이 때 위쪽의 유리섬유 두께와 아래쪽의 유리섬유의 두께는 동일하게 적층한다. 또한, 가운데 탄소섬유의 양은 전체 두께 대비 25~75%이고, 탄소섬유의 장수는 짝수가 되도록 하여 두께 방향으로 대칭되게 적층한다.

다음으로 상기 밀봉단계(S2)는, 적층이 완료된 섬유의 가장 위쪽에는 이형처리가 되어 있는 나일론 fabric으로 성형공정 완료 후 떼어낼 수 있어 표면을 매끄럽게 해주는 기능이 있는 필 플라이 (peel ply) 직포를 덮고, 수지의 흐름을 좋게 하기 위하여 직조가 매우 성긴 polypropylene fabric으로 수지의 흐름을 돕는 기능을 가지고 있는 매트인 알디엠 (RDM, Resin Distribution Mat)을 한 장 적층한다.

그 후, 진공을 적용하기 위한 투명 나일론 bagging film을 밀봉재로 사용해 몰드 전체를 덮고 밀봉한다. 이때, 밀봉 전에 수지 주입라인인 수지주입구와, 진공을 잡기 위한 라인인 진공구를 확보 해 놓는다.

상기 진공단계(S3)는, 수지 주입 쪽의 라인을 막은 상태에서 진공을 잡아 적층된 섬유들이 서로 잘 압착되도록 하는 공정이다. 이때 적용하는 진공의 압력은 1기압 정도로서 약 15분간 진공에 의해 섬유적층체를 압착하는 것이다.

상기 수지주입단계(S4)는 몰드 내를 진공한 상태에서 수지주입구를 열어 진공 압력에 의하여 수지가 진공백 내부의 섬유내로 주입되도록 한다. 수지 주입은 내부의 섬유가 모두 수지에 함침 되었을 때 끝내며, 공기가 유입되지 않도록 수지 주입 라인을 막는다. 이때 사용된 수지로는 상온 경화형 저점도 에폭시가 사용되었다.

또한, 상기 경화단계(S5)는 수지 주입구를 막고, 진공압력을 계속 가하면서 경화 시키는 공정으로 완전 경화가 진행될 때까지 진공은 계속 적용해서 내부의 기공을 최소화시켜 성형체의 치밀화를 유도하는 것이다.

한편, 복합재료의 적층 각도는 풍력 터빈 블레이드의 적층방법인 주하중 방향에 대하여 0°, 90°및 -45°~45°로 적층하게 된다. 상기 주 하중 방향은 루트 부위부터 팁으로의 방향이며, 블레이드의 경우 이 주하중 방향으로 주로 하중이 발생하므로 일방향으로 섬유를 강화하고, 블레이드 소재의 안정성 확보를 위해 -45°~45°로 적층 섬유를 소량 사용하여 구조를 강화시키는 것이다.

실시예1

도 2를 참고한 바와 같이 내부 탄소섬유의 배열량과 외부의 유리섬유의 배열량을 각각 달리하여 복합체를 제조하였다. 즉, G100은 유리섬유 100%로 이루어지고, G0은 유리섬유가 포함되지 않고 탄소섬유로만 제조된 것으로 표시하였다.

각 성분 혼합량에 따른 복합체의 밀도를 측정한 결과 (도 3 참조), 탄소섬유의 첨가가 증가될수록 복합체 전체의 밀도는 낮아짐을 알 수 있다. 또한, 굽힘강도 실험 (도 4 참조)에서는 유리섬유 없이 탄소섬유만 100%로 제조된 G0 이 가장 낮은 218MPa의 강도를 나타냈으며, 다음으로 G100 이 241MPa, G25 가 243MPa, G75 가 275MPa, G50 이 298MPa의 강도를 갖는 것으로 측정되었다. 따라서, 상기 유리섬유와 탄소섬유의 혼합은 전체 복합체에 대해 탄소섬유의 혼합을 25~75% 범위로 하는 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 유리섬유와 탄소섬유를 각각 50%로 혼합사용하는 것이다.

한편, 상기 서술한 예는, 본 발명을 설명하고자하는 예일 뿐이다. 따라서 본 발명이 속하는 기술분야의 통상적인 전문가가 본 상세한 설명을 참조하여 부분변경 사용한 것도 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연한 것이다.

이상과 같이 본 발명의 풍력발전 터빈 블레이드용 탄소-유리섬유 하이브리드 복합체 제조방법은,

기존 유리섬유 복합체의 중심부에 탄소섬유를 배열함으로써 굽힘강도가 정점인 탄소섬유의 함유량을 제시함과 아울러 밀도는 기존 유리섬유 복합체보다 약 10% 이상 감소되도록 하는 등 강성과 강도를 향상시키고, 밀도는 감소시킨 하이브리드 복합체를 제공하는 것으로, 대형이면서 복잡한 제품의 성형이 가능하고 짧은 공정시간으로 생산성을 향상시킬 수 있다. 즉, 금형 치수 그대로의 성형체 제조가 가능하기 때문에 터빈 블레이드와 같이 대형인 제품을 단일공정으로 전체 형상화가 가능하다.

또한, 성형체 표면상태가 매우 우수하기 때문에 다른 방법에 비해 2차 접합공정 적용 시 가장 유리하며, 모든 작업이 폐쇄금형 내에서 진행되기 때문에 유해가스의 배출없이 작업이 이루어지는 환경친화적인 제조방법이다.

또한 전도성을 갖지 않는 유리섬유를 외부에 위치하도록 하여 낙뢰에 의한 피해로부터 블레이드 구조물을 보호하는 구조를 갖는 제조방법의 제공이 가능하게 되었다.

Claims

탄소-유리섬유 제조방법에 있어서,

VARTM 공법으로 유리섬유와 탄소섬유를 이형제 처리하고, 건조시킨 금형위에 중간층에는 탄소섬유가 위치하도록 하고 상하부층에는 유리섬유가 동일한 두께로 적층되도록 하여 복합체를 형성하는 적층단계(S1)와;

상기 상부층을 형성하는 유리섬유의 상측으로 이형처리된 필 플라이 (peel ply) 직포와 수지의 흐름을 향상시키기 위한 매트를 순차적으로 적층하고, 몰드에는 수지 주입구과 진공구를 제외한 다른 부분을 투명 나일론 배깅 필름 (bagging film)을 밀봉재로 덮어 밀봉시키는 밀봉단계(S2)와;

상기 밀봉된 몰드에는 수지주입구을 밀폐시키고 진공구를 통해 1기압 이상으로 감압하여 적층된 섬유가 서로 잘 압착되도록 하는 진공단계(S3)와;

상기 압착된 상태에서 수지주입구를 개방하여 진공압력에 의해 수지가 밀봉된 몰드 내로 주입되도록 하여 내부의 섬유가 수지에 함침되도록 한 후 공기의 유입을 차단하기 위해 수지주입구를 밀폐시키는 수지주입단계(S4)와;

몰드 내에 진공압력을 계속 가하면서 경화시키는 경화단계(S5);를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 풍력발전 터빈 블레이드용 탄소-유리섬유 하이브리드 복합체 제조방법.
제 1항에 있어서,

상기 유리섬유는 E-glass, S-glass로 이루어진 군으로부터 일종 선택사용하고, 상기 탄소섬유는 Rayon계, PAN계로 이루어진 군으로부터 일종 선택사용하는 것을 특징으로 하는 풍력발전 터빈 블레이드용 탄소-유리섬유 하이브리드 복합체 제조방법.
제 1항에 있어서,

상기 유리섬유와 탄소섬유는 일방향 (unidirectional) 형태로 직조됨을 특징으로 하는 풍력발전 터빈 블레이드용 탄소-유리섬유 하이브리드 복합체 제조방법.
제 1항에 있어서,

상기 유리섬유와 탄소섬유는 평직 (plain weave) 형태로 직조됨을 특징으로 하는 풍력발전 터빈 블레이드용 탄소-유리섬유 하이브리드 복합체 제조방법.
제 1항에 있어서,

상기 탄소섬유의 함유량은 복합체 전체 두께의 25 ~ 75% 범위가 되도록 한 것을 특징으로 하는 풍력발전 터빈 블레이드용 탄소-유리섬유 하이브리드 복합체 제조방법.
제 1항에 있어서,

상기 탄소섬유는 적층각도를 0°, 90°및 이의 혼합배열로 하고, 유리섬유는 적층각도를 0°, 90°, -45°~45°및 이의 혼합배열로 하여 적층됨을 특징으로 하는 풍력발전 터빈 블레이드용 탄소-유리섬유 하이브리드 복합체 제조방법.