KR101878102B1 - 탄소 섬유 강화 플라스틱의 faw 분석 방법 - Google Patents

탄소 섬유 강화 플라스틱의 faw 분석 방법 Download PDF

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Abstract

탄소 섬유 강화 플라스틱의 FAW 분석 방법에 대한 발명이 개시된다. 한 구체예에서 상기 탄소 섬유 강화 플라스틱의 FAW 분석 방법은 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 성형체 시편을 준비하는 단계; 상기 성형체 시편의 단면 이미지를 분석하여, 상기 시편의 탄소 섬유 토우(tow) 직조 패턴의 최소 단위인 육면체 형태의 단위셀을 설정하고, 상기 단위셀의 면적(Sc)을 계산하는 단계; 상기 단위셀에 포함된 탄소 섬유 토우의 부피(Vt)를 도출하는 단계; 상기 탄소 섬유 토우의 부피(Vt)를 이용하여, 하기 식 1에 따른 단위셀의 탄소 섬유의 총질량(Wf)을 도출하는 단계; 및 상기 단위셀 밑면의 면적(Sc) 및 단위셀의 탄소섬유의 총질량(Wf)을 이용하여, 하기 식 2에 따른 단위셀의 FAW를 도출하는 단계;를 포함한다:
(상기 식 1 및 식 2는, 상세한 설명에 정의된 바와 같다.)

Description

탄소 섬유 강화 플라스틱의 FAW 분석 방법 {ANALYZING METHOD FOR FIBER AREA WEIGHT OF CARBON FIBER REINFORCED PLASTICS}
본 발명은 탄소 섬유 강화 플라스틱의 FAW 분석 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 탄소 섬유 강화 플라스틱 제품에 함유된, 탄소 섬유의 FAW을 정확하게 예측할 수 있는 탄소 섬유 강화 플라스틱의 FAW 분석 방법에 관한 것이다.
탄소 섬유 강화 플라스틱(carbon fiber reinforced plastics, CFRP)은 강도, 강성 및 도전성 등이 우수하며, 특히 자동차 제조 분야에서 탄소 섬유 강화 플라스틱을 사용하려는 시도가 활발히 이루어지고 있다. 이러한 탄소 섬유 강화 플라스틱은 복수 장의 탄소 섬유를 사용하기 때문에, 최외각층의 섬유는 육안으로 구분이 가능하지만 내부의 섬유는 육안으로 분석하기 어렵다.
특히, 상기 탄소 섬유 강화 플라스틱의 FAW(Fiber area weight, FAW)측정의 경우, 상기 탄소 섬유 강화 플라스틱을 열분해하여도 소량의 에폭시 수지 잔여물로 인하여 예측이 어려운 문제가 있었다.
본 발명과 관련한 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제2016-0059655호(2016.05.27. 공개, 발명의 명칭: 탄소섬유강화복합소재 다층쉘 선체 구조재 개발을 위한 최적 탄소섬유량 결정 방법 및 시스템)에 개시되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 탄소 섬유 강화 플라스틱의 탄소 섬유 FAW 예측값의, 정확성 및 신뢰성이 우수한 탄소 섬유 강화 플라스틱의 FAW 분석 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 분석이 신속하고 간편한 탄소 섬유 강화 플라스틱의 FAW 분석 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 관점은 탄소 섬유 강화 플라스틱의 FAW 분석 방법에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 FAW 분석 방법은 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 성형체 시편을 준비하는 단계; 상기 성형체 시편의 단면 이미지를 분석하여, 상기 시편의 탄소 섬유 토우(tow) 직조 패턴의 최소 단위인 육면체 형태의 단위셀을 설정하고, 상기 단위셀의 면적(Sc)을 계산하는 단계; 상기 단위셀에 포함된 탄소 섬유 토우의 부피(Vt)를 도출하는 단계; 상기 탄소 섬유 토우의 부피(Vt)를 이용하여, 하기 식 1에 따른 단위셀의 탄소 섬유의 총질량(Wf)을 도출하는 단계; 및 상기 단위셀 밑면의 면적(Sc) 및 단위셀의 탄소섬유의 총질량(Wf)을 이용하여, 하기 식 2에 따른 단위셀의 FAW를 도출하는 단계;를 포함한다:
[식 1]
단위셀의 탄소 섬유의 총질량(Wf) = 단위셀의 탄소섬유 토우의 부피(Vt) x 탄소섬유의 밀도(g/m3) x 탄소 섬유 토우 보정 인자(α) x 단위셀의 탄소 섬유 토우의 개수(Nc)
(상기 식 1에서, 상기 α는 0.6~0.9 이고, 상기 탄소 섬유 토우가 평직 또는 비크립핑 직물(NCF)인 경우, 상기 Nc는 4이며, 상기 탄소 섬유가 능직인 경우, 상기 Nc는 6이다)
[식 2]
단위셀의 FAW (g/m2) = 탄소섬유의 총질량(Wf)/단위셀 면적(Sc).
한 구체예에서 상기 단위셀의 면적(Sc)은, 하기 식 3에 의해 도출될 수 있다:
[식 3]
단위셀의 면적(Sc) = L1 x L2
(상기 식 3에서, 상기 L1은 상기 단위셀의 한변의 길이이고, 상기 L2는 상기 단위셀의 타변의 길이이다).
한 구체예에서 상기 단위셀의 탄소섬유 토우의 부피(Vt)는, 하기 식 4에 따라 도출될 수 있다:
[식 4]
단위셀의 탄소섬유 토우의 부피(Vt) = 단위셀의 탄소섬유 토우의 길이(l) X 단위셀의 탄소섬유 토우의 단면적(St).
한 구체예에서 상기 단위셀의 탄소섬유 토우의 직조 패턴이 이루는 배향 각도 θ가 0° 또는 90° 인 경우, 상기 단위셀의 탄소섬유 토우의 길이(l)는 단위셀의 한변의 길이(L1)이며, 상기 배향 각도가 0°< θ < 90°인 경우, 상기 단위셀의 탄소섬유 토우의 길이(l)는 L1/cosθ일 수 있다.
한 구체예에서 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우의 단면적(St)은, 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우가 직조물인 경우 하기 식 5-1에 의해 도출될 수 있다:
[식 5-1]
St = π x a x b
(상기 식 5-1에서, 상기 a는 상기 탄소 섬유 토우의 장변의 반지름이며, 상기 b는 상기 탄소 섬유 토우의 단변의 반지름이다).
한 구체예에서 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우의 단면적(St)은, 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우가 비크립핑 직물(NCF)인 경우 하기 식 5-2에 의해 도출될 수 있다:
[식 5-2]
St = c x d
(상기 식 5-2에서, 상기 c는 상기 탄소 섬유 토우의 장변 길이이며, 상기 d는 상기 탄소 섬유 토우의 단변의 길이이다).
다른 구체예에서 상기 단위셀의 탄소섬유 토우의 부피(Vt)는, 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우의 시작 지점 및 말단 지점에 대한 좌표를 각각 설정하는 단계; 및 상기 탄소 섬유 토우의 단면적(St)을 계산하고, 상기 시작 지점에서부터 말단 지점의 좌표 사이의 거리를 적분하여, 상기 단위셀의 탄소섬유 토우의 부피(Vt)를 도출하는 단계;를 포함하여 도출될 수 있다.
본 발명에 따른 탄소 섬유 강화 플라스틱의 FAW 분석 방법을 적용시, 탄소 섬유 강화 플라스틱의 탄소 섬유 FAW 예측값의 정확성 및 신뢰성이 우수하며, 분석이 신속하고 간편할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 탄소 섬유 강화 플라스틱의 FAW 분석 방법을 나타낸 것이다.
도 2는 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 성형체 시편의 단면 이미지이다.
도 3(a)는 직조 섬유로 이루어진 탄소 섬유 토우의 형상을 나타낸 것이며, 도 3(b)는 비크립핑 직물 섬유(NCF)로 이루어진 탄소 섬유 토우의 형상을 나타낸 것이다.
도 4(a)는 평직 패턴의 탄소 섬유 토우로 이루어진 단위셀을 나타낸 것이고, 도 4(b)는 평직 패턴의 탄소 섬유 토우로 이루어진 단위셀을 나타낸 것이고, 도 4(c)는 능직 패턴의 탄소 섬유 토우로 이루어진 단위셀을 나타낸 것이다.
도 5(a)는 단위셀의 탄소 섬유 토우가 평직인 경우의 한 변의 길이를 나타낸 것이며, 도 5(b)는 단위셀의 탄소 섬유 토우가 능직인 경우의 한 변의 길이를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 한 구체예에 따른 단위셀의 한 변의 길이와, 단위셀 탄소 섬유 토우의 배향을 이용하여, 단위셀의 타변의 길이를 도출하는 과정을 나타낸 것이다.
도 7(a)는 단위셀의 탄소 섬유 토우가 90° 배향 각도의 평직인 경우이며, 도 7(b)는 단위셀의 탄소 섬유 토우가 90° 배향 각도의 비크립핑 직물(NCF)인 경우 탄소 섬유 토우의 길이(l)를 도출하는 과정을 나타낸 것이다.
도 8(a)는 단위셀의 탄소 섬유 토우가 45° 배향 각도의 평직인 경우이며, 도 8(b)는 단위셀의 탄소 섬유 토우가 45° 배향 각도의 비크립핑 직물(NCF)인 경우이며, 도 8(c)는, 단위셀의 한 변의 길이(L1)와 탄소 섬유 토우의 배향 각도를 이용하여, 탄소 섬유 토우의 길이(l)를 도출하는 과정을 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 한 구체예에 따른 단위셀의 탄소 섬유 토우의 단면을 나타낸 광학 현미경 사진이다.
도 10(a)는 본 발명의 한 구체예에 따른 탄소 섬유 강화 플라스틱 성형체 시편의 단위셀을 나타낸 것이며, 도 10(b)는 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우의 단면을 나타낸 광학 현미경 사진이다.
도 11(a)는 본 발명의 다른 구체예에 따른 탄소 섬유 강화 플라스틱 성형체 시편의 단위셀을 나타낸 것이며, 도 11(b)는 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우의 단면을 나타낸 광학 현미경 사진이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다. 이때, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
탄소 섬유 강화 플라스틱의 FAW 분석 방법
본 발명의 하나의 관점은 탄소 섬유 강화 플라스틱의 FAW 분석 방법에 관한 것이다. 도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 탄소 섬유 강화 플라스틱의 FAW 분석 방법을 나타낸 것이다. 상기 도 1을 참조하면, 상기 탄소 섬유 강화 플라스틱의 FAW 분석 방법은 (S10) 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 성형체 시편 준비 단계; (S20) 단위셀 면적(Sc) 계산 단계; (S30) 단위셀 탄소 섬유 토우의 부피(Vt) 도출 단계; (S40) 단위셀 탄소 섬유의 총질량(Wf) 도출 단계; 및 (S50) 단위셀의 FAW 도출 단계;를 포함한다.
더욱 상세하게는 (S10) 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 성형체 시편을 준비하는 단계; (S20) 상기 성형체 시편의 단면 이미지를 분석하여, 상기 시편의 탄소 섬유 토우(tow) 직조 패턴의 최소 단위인 육면체 형태의 단위셀을 설정하고, 상기 단위셀의 면적(Sc)을 계산하는 단계; (S30) 상기 단위셀에 포함된 탄소 섬유 토우의 부피(Vt)를 도출하는 단계; (S40) 상기 탄소 섬유 토우의 부피(Vt)를 이용하여, 하기 식 1에 따른 단위셀의 탄소 섬유의 총질량(Wf)을 도출하는 단계; 및 (S50) 상기 단위셀 밑면의 면적(Sc) 및 단위셀의 탄소섬유의 총질량(Wf)을 이용하여, 하기 식 2에 따른 단위셀의 FAW를 도출하는 단계;를 포함한다:
[식 1]
단위셀의 탄소 섬유의 총질량(Wf) = 단위셀의 탄소섬유 토우의 부피(Vt) x 탄소섬유의 밀도(g/m3) x 탄소 섬유 토우 보정 인자(α) x 단위셀의 탄소 섬유 토우의 개수(Nc)
(상기 식 1에서, 상기 α는 0.6~0.9 이고, 상기 탄소 섬유 토우가 평직 또는 비크립핑 직물(NCF)인 경우, 상기 Nc는 4이며, 상기 탄소 섬유가 능직인 경우, 상기 Nc는 6이다)
[식 2]
단위셀의 FAW (g/m2) = 탄소섬유의 총질량(Wf)/단위셀 면적(Sc).
이하, 본 발명에 따른 탄소 섬유 강화 플라스틱의 FAW 분석 방법을 단계별로 상세히 설명하도록 한다.
(S10) 탄소 섬유 강화 플라스틱( CFRP ) 성형체 시편 준비단계
상기 단계는 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 성형체 시편을 준비하는 단계이다. 상기 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 성형체는, 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)를 이용하여, 통상적인 방법으로 제조된 것을 사용할 수 있다.
(S20) 단위셀 면적( Sc ) 계산 단계
상기 단계는 상기 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 성형체 시편의 단면 이미지를 분석하여, 상기 시편의 탄소 섬유 토우(tow) 직조 패턴의 최소 단위인 육면체 형태의 단위셀을 설정하고, 상기 단위셀의 면적(Sc)을 계산하는 단계이다.
한 구체예에서 상기 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 시편의 단면 이미지는, 전자주사현미경(SEM) 및 광학현미경(OM) 등을 이용하여 얻을 수 있다. 또한, 본 명세서에서 “탄소 섬유 토우”는, 복수 개의 탄소 섬유 필라멘트로 구성되어, 꼬지 않은 탄소 섬유 다발을 의미한다. 상기 탄소 섬유 토우는 1000, 3000, 6000 또는 12000개 단위의 모노 필라멘트 다발로 형성되며, 1K, 3K, 6K 또는 12K 등으로 표현한다.
하기 도 2는 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 시편의 단면 이미지이며, 도 3(a)는 직조 섬유로 이루어진 탄소 섬유 토우의 형상을 나타낸 것이고, 그리고 도 3(b)는 비크립핑 직물 섬유로 이루어진 탄소 섬유 토우의 형상을 나타낸 것이다. 상기 도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 시편의 단면 이미지에서 탄소 섬유 토우는, 동일한 형상으로 연속적인 패턴(pattern)을 이루며 발생되는 여부를 확인하여 판정할 수 있으며, 상기 도 2 시편의 단면에 대하여 수평을 이루며 형성된 탄소 섬유는 제외한다.
한 구체예에서 상기 단위셀은, 계산 편의를 위해 육면체 형태(밑면이 사각 형태)인 것으로 가정한다. 한 구체예에서 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우의 배향 각도가 0°, 90°, +45° 및 -45°인 경우는 단위셀 밑면이 정사각형이며, 그 외 각도로 배향되는 경우는 단위셀 밑면이 직사각형일 수 있다. 이때, 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우의 직조 패턴의 배향 각도(θ)는, 탄소 섬유 토우의 위사와 경사가 이루는 각도일 수 있다.
본 발명의 한 구체예에서 상기 단위셀의 면적(Sc)은, 하기 식 3에 의해 도출될 수 있다:
[식 3]
단위셀의 면적(Sc) = L1 x L2
(상기 식 3에서, 상기 L1은 상기 단위셀의 한변의 길이이고, 상기 L2는 상기 단위셀의 타변의 길이이다)
도 4(a)는 평직 패턴의 탄소 섬유 토우로 이루어진 단위셀(배향 각도: 0/90°)을 나타낸 것이고, 도 4(b)는 평직 패턴의 탄소 섬유 토우로 이루어진 단위셀(배향 각도: 45/45°)을 나타낸 것이고, 도 4(c)는 능직 패턴의 탄소 섬유 토우로 이루어진 단위셀을 나타낸 것이다.
상기 도 4를 참조하면 본 발명의 탄소 섬유 강화 플라스틱의 탄소 섬유 토우 직조물은, 평직(plain weave), 능직(twill weave) 또는 주자직(satin weave)일 수 있다. 상기 도 4(a) 및 도 4(b)를 참조하면, 평직은 경사(warp)와 위사(weft)가 한올씩 교대로 교차하면서 한번은 올라가고 그 다음은 내려가면 짜이는 조직이다. 상기 도 4(c)를 참조하면, 능직은 위사와 경사가 연속하여 두 올 이상을 아래와 위로 교차하면서 짜이는 조직이다.
도 5(a)는 단위셀의 탄소 섬유 토우가 평직인 경우의 한 변의 길이를 나타낸 것이며, 도 5(b)는 단위셀의 탄소 섬유 토우가 능직인 경우의 한 변의 길이를 나타낸 것이다. 상기 도 5(a)를 참조하면, 상기 탄소 섬유 토우가 경사 및 위사가 한 올씩 교차하는 평직의 경우, 상기 단위셀의 한 변(L1)은 시편 단면 이미지 상 2 개의 타원형의 탄소 섬유 토우 사이의 길이를 한 변(L1)으로 설정할 수 있다. 또한, 상기 도 5(b)를 참조하면 상기 탄소 섬유 토우가 경사와 위사가 연속하여 두 올을 아래와 위로 교차하여 짜이는 능직의 경우, 상기 단위셀의 한 변(L1)은 시편 단면 이미지 상 3 개의 타원형의 탄소 섬유 토우 사이의 길이를 한 변(L1)으로 설정할 수 있다.
도 6은 본 발명의 한 구체예에 따른 단위셀의 한 변의 길이와, 단위셀 탄소 섬유 토우의 배향을 이용하여, 단위셀의 타변(L2)의 길이를 도출하는 과정을 나타낸 것이다. 상기 도 6을 참조하면, 상기 단위셀의 한 변의 길이(L1)와, 직조 패턴의 배향 각도(θ)를 이용하여, 상기 단위셀의 타변의 길이(L2)를 도출할 수 있다.
상기 도 6을 참조하면, 상기 단위셀의 한변의 길이(L1) 및 타변의 길이(L2)는 하기 식 3-1의 관계를 갖는다:
[식 3-1]
L2 = L1 x tan θ
(상기 식 3-1에서, 상기 θ는 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우 직조 패턴이 이루는 배향 각도이며, 상기 배향 각도가 0° 또는 90°인 경우, L1 = L2이다).
(S30) 단위셀 탄소 섬유 토우의 부피( Vt ) 도출 단계
상기 단계는 상기 단위셀에 포함된 탄소 섬유 토우의 부피(Vt)를 도출하는 단계이다. 한 구체예에서 상기 단위셀의 탄소섬유 토우의 부피(Vt)는, 하기 식 4에 따라 도출될 수 있다:
[식 4]
단위셀의 탄소섬유 토우의 부피(Vt) = 단위셀의 탄소섬유 토우의 길이(l) X 단위셀의 탄소섬유 토우의 단면적(St)
도 7(a)는 단위셀의 탄소 섬유 토우가 90° 배향 각도의 평직인 경우이며, 도 7(b)는 단위셀의 탄소 섬유 토우가 90° 배향 각도의 비크립핑 직물(NCF)인 경우 탄소 섬유 토우의 길이(l)를 도출하는 과정을 나타낸 것이다.
또한, 도 8(a)는 단위셀의 탄소 섬유 토우가 45° 배향 각도의 평직인 경우이며, 도 8(b)는 단위셀의 탄소 섬유 토우가 45° 배향 각도의 비크립핑 직물(NCF)인 경우이며, 도 8(c)는, 단위셀의 한 변의 길이(L1)와 탄소 섬유 토우의 배향 각도를 이용하여, 탄소 섬유 토우의 길이(l)를 도출하는 과정을 나타낸 것이다.
상기 도 7 및 도 8을 참조하면, 한 구체예에서 상기 단위셀의 상기 탄소섬유 토우의 직조 패턴이 이루는 배향 각도 θ가 0° 또는 90° 인 경우, 상기 단위셀의 탄소섬유 토우의 길이(l)는 단위셀의 한변의 길이(L1)이며, 상기 배향 각도가 0°< θ < 90°인 경우, 상기 단위셀의 탄소섬유 토우의 길이(l)는 L1/cosθ일 수 있다.
한 구체예에서 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우의 단면적(St)은, 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우가 직조물인 경우 하기 식 5-1에 의해 도출될 수 있다:
[식 5-1]
St = π x a x b
(상기 식 5-1에서, 상기 a는 상기 탄소 섬유 토우의 장변의 반지름이며, 상기 b는 상기 탄소 섬유 토우의 단변의 반지름이다).
다른 구체예에서 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우의 단면적(St)은, 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우가 비크립핑 직물(NCF)인 경우 하기 식 5-2에 의해 도출될 수 있다:
[식 5-2]
St = c x d
(상기 식 5-2에서, 상기 c는 상기 탄소 섬유 토우의 장변 길이이며, 상기 d는 상기 탄소 섬유 토우의 단변의 길이이다).
본 발명의 한 구체예에서 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우는, 직선으로 가정하여 계산할 수 있다. 도 9는 본 발명의 한 구체예에 따른 단위셀의 탄소 섬유 토우의 단면을 나타낸 광학 현미경 사진이다. 상기 도 9를 참조하면, 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우는, 곡선의 형태를 가질 수 있다. 따라서, 상기 탄소 섬유 토우를 곡선으로 가정하고, 상기 탄소 섬유 토우의 위치를 좌표로 설정한 다음, 상기 좌표 사이의 거리를 적분하여 탄소 섬유 토우의 부피(Vt)를 도출할 수 있다.
예를 들면 상기 단위셀의 탄소섬유 토우의 부피(Vt)는, 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우의 시작 지점 및 말단 지점에 대한 좌표를 각각 설정하는 단계; 및 상기 탄소 섬유 토우의 단면적(St)을 계산하고, 상기 시작 지점에서부터 말단 지점의 좌표 사이의 거리를 적분하여, 상기 단위셀의 탄소섬유 토우의 부피(Vt)를 도출하는 단계;를 포함하여 도출될 수 있다. 상기 방법으로 보다 정확한 탄소 섬유 토우의 부피를 도출할 수 있다.
(S40) 단위셀 탄소 섬유의 총질량 ( Wf ) 도출 단계
상기 단계는 상기 탄소 섬유 토우의 부피(Vt)를 이용하여, 하기 식 1에 따른 상기 단위셀의 탄소 섬유의 총질량(Wf)을 도출하는 단계이다:
[식 1]
단위셀의 탄소 섬유의 총질량(Wf) = 단위셀의 탄소섬유 토우의 부피(Vt) x 탄소섬유의 밀도(g/m3) x 탄소 섬유 토우 보정 인자(α) x 단위셀의 탄소 섬유 토우의 개수(Nc)
(상기 식 1에서, 상기 α는 0.6~0.9 이고, 상기 탄소 섬유 토우가 평직 또는 비크립핑 직물(NCF)인 경우, 상기 Nc는 4이며, 상기 탄소 섬유가 능직인 경우, 상기 Nc는 6이다).
상기 탄소 섬유 토우(tow) 보정 인자(α)는, 탄소 섬유 토우의 탄소 섬유의 직조 패턴, 탄소 섬유 토우 내 수지의 면적과, 탄소 섬유의 체적률을 고려하여 본 발명의 단위셀의 탄소섬유 토우의 질량을 보다 정확하게 예측할 수 있다.
상기 탄소 섬유 토우 보정 인자는 시중에 판매되는 탄소 섬유 토우 제품을 이용하여, 실험적으로 도출한 것이다. 한 구체예에서 상기 탄소 섬유 토우 보정 인자는 탄소 섬유 토우에 함유된 탄소 섬유 개수 및 탄소 섬유의 체적률 등을 고려하여 실험적으로 도출할 수 있다.
예를 들면, 탄소 섬유 총 개수를 알고 있는 탄소 섬유 토우 제품을 체적률(Vf) 별로 HP-RTM(High Pressure Resin Transfer Molding) 방법을 이용하여 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 샘플을 제조하고, 상기 탄소 섬유 강화 플라스틱 샘플을 절단하여, 그 단면을 전자주사현미경(SEM)으로 촬영한다. 촬영한 단면을 통해 탄소 섬유 토우의 단면적과, 탄소 섬유의 단면적을 각각 계산한 다음, 상기 계산된 탄소 섬유 토우의 단면적을 탄소섬유의 단면적으로 나누어, 탄소 섬유 토우 내 섬유 개수를 계산한다. 그 다음에, 상기 계산된 탄소 섬유의 개수를, 상기 제품의 탄소 섬유 토우의 탄소 섬유 개수와 비교하여, 보정인자를 도출할 수 있다.
상기 범위의 탄소 섬유 토우(tow) 보정 인자 값을 적용시, 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우의 질량을 보다 정확하게 예측할 수 있다.
상기 도 4를 참조하면, 상기 단위셀이 탄소 섬유 토우 패턴이 평직인 경우, 단위셀의 탄소 섬유 토우의 개수(Nc)는 4개 이며, 상기 도 4(c)와 같이 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우 패턴이 능직인 경우 탄소 섬유 토우의 개수(Nc)는 6개이다.
(S50) 단위셀의 FAW 도출 단계
상기 단계는 상기 단위셀 면적(Sc) 및 단위셀의 탄소섬유의 총질량(Wf)을 이용하여, 하기 식 2에 따른 단위셀의 FAW를 도출하는 단계이다:
[식 2]
단위셀의 FAW (g/m2) = 탄소섬유의 총질량(Wf)/단위셀 면적(Sc)
상기 FAW는 단위면적당 질량(g/m2)이므로, 이를 감안하여, 비례식 등을 이용하여 단위 환산을 하여 도출해낼 수 있다.
본 발명에 따른 탄소 섬유 강화 플라스틱의 FAW 분석 방법을 적용시, 탄소 섬유 강화 플라스틱에 대한 탄소 섬유 FAW 예측값의, 정확성 및 신뢰성이 우수하며, 분석이 신속하고 간편할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
실시예
탄소 섬유 토우 보정 인자 도출
(1) 평직 탄소섬유 토우 제품
체적률(Vf)이 40%, 50%, 60%이며, 탄소 섬유 총 개수가 3K, 6K 및 12K인 평직 탄소 섬유 토우 제품에 대하여, 제품별로 HP-RTM(High Pressure Resin Transfer Molding) 방법을 이용하여 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 성형체 시편을 제조하였다. 그 다음에, 상기 성형체 시편의 그 단면을 전자주사현미경(SEM)으로 촬영하였다.
상기 촬영된 샘플의 단면 사진을 통해 탄소 섬유 토우의 단면적과, 탄소 섬유의 단면적을 각각 계산한 다음, 상기 계산된 탄소 섬유 토우의 단면적을 탄소섬유의 단면적으로 나누어, 탄소 섬유 토우 내 총 섬유 개수를 계산하였다. 그 다음에, 상기 계산된 탄소 섬유 토우의 총 섬유 개수를, 상기 샘플의 탄소 섬유 개수와 비교하여, 보정인자를 도출하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
구분 3K 6K 12K
체적률(Vf): 40% 0.801 0.796 0.784
체적률(Vf): 50% 0.804 0.802 0.794
체적률(Vf): 60% 0.802 0.800 0.801
(2) 비크립핑 직물(NCF) 탄소섬유 토우 제품
체적률(Vf)이 40%, 50%, 60%이며, 탄소 섬유 총 개수가 6K 및 12K인 2축 비크립핑 직물(NCF) 탄소 섬유 토우 제품에 대하여, 상기 평직 탄소 섬유 토우 제품과 동일한 방법으로 보정인자를 도출하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
구분 6K 12K
체적률(Vf): 40% 0.800 0.837
체적률(Vf): 50% 0.801 0.812
체적률(Vf): 60% 0.803 0.805
실시예 1: 평직 탄소 섬유 강화 플라스틱( CFRP ) 성형체 시편의 FAW 계산
평직 조직의 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 성형체 시편을 준비하여, 상기 성형체 시편의 FAW를 계산하였다.
(1) 셀 면적 계산(Sc): 도 10(a)는 본 발명의 한 구체예에 따른 탄소 섬유 강화 플라스틱 성형체 시편의 단위셀을 나타낸 것이며, 도 10(b)는 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우의 단면을 나타낸 광학 현미경 사진이다. 도 10과 같은 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 성형체 시편의 단면 이미지를 분석하여 상기 시편의 탄소 섬유 토우(tow) 직조 패턴의 최소 단위인, 사각 형태의 단위셀의 면적(Sc)을 하기 식 3에 따라 계산하였다:
[식 3]
단위셀의 면적(Sc) = L1 x L2
(상기 식 3에서, 상기 L1은 상기 단위셀의 한변의 길이이고, 상기 L2는 상기 단위셀의 타변의 길이이며, 상기 L2는 하기 식 4-1에 의해 도출된다)
[식 3-1]
L2 = L1 x tan θ
(상기 식 3-1에서, 상기 θ는 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우 직조 패턴이 이루는 배향 각도이며, 상기 배향 각도가 0° 또는 90°인 경우, L1 = L2이다).
이때, 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우 직조 패턴이 이루는 배향 각도(θ)는 90° 인 정사각형 형태였으며, 상기 단위셀의 한변의 길이(L1)와 타변의 길이(L2)는, 탄소 섬유 토우의 길이(l)와 동일한 3230.77㎛ 이었다. 따라서 단위셀의 면적(Sc) = (3.23077mm) x (3.23077mm) = 10.43787 mm2 이었다.
(2) 탄소 섬유 토우의 부피(Vt) 계산: 하기 식 4를 이용하여 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우의 부피(Vt)를 계산하였다:
[식 4]
단위셀의 탄소섬유 토우의 부피(Vt) = 단위셀의 탄소섬유 토우의 길이(l) X 단위셀의 탄소섬유 토우의 단면적(St).
이때, 상기 시편의 탄소 섬유 토우는 단면이 타원형인 직조물(평직)이었으며, 탄소 섬유 토우의 장변의 반지름(a)는 0.7375mm 이고, 단변의 반지름(b)는 0.0625mm 이었으며, 하기 식 5-1을 이용하여 상기 단위셀의 탄소섬유 토우의 단면적(St)을 도출하여, 상기 탄소섬유 토우의 부피(Vt)를 계산하였다:
[식 5-1]
St = π x a x b
(상기 식 5-1에서, 상기 a는 상기 탄소 섬유 토우의 장변의 반지름이며, 상기 b는 상기 탄소 섬유 토우의 단변의 반지름이다)
단위셀의 탄소섬유 토우의 부피(Vt) = π x (0.0625mm) x (0.7375mm) x (3.23077mm) = 0.46784mm3 이었다.
(3) 탄소 섬유 토우의 총질량(Wt) 계산:
하기 식 1에 따라, 탄소 섬유 토우의 총질량(Wt)을 계산하였다. 이때, 상기 평직 직물에 대한 탄소 섬유 토우 보정인자(α)는 80%(0.8)로 계산하였다.
[식 1]
단위셀의 탄소 섬유의 총질량(Wf) = 단위셀의 탄소섬유 토우의 부피(Vt) x 탄소섬유의 밀도(g/m3) x 탄소 섬유 토우 보정 인자(α) x 단위셀의 탄소 섬유 토우의 개수(Nc)
(상기 식 1에서, 상기 α는 0.6~0.9 이고, 상기 탄소 섬유 토우가 평직 또는 비크립핑 직물(NCF)인 경우, 상기 Nc는 4이며, 상기 탄소 섬유가 능직인 경우, 상기 Nc는 6이다).
단위셀의 탄소 섬유의 총질량(Wf) = 0.46784 X 10-9m3 X 1.8 g/m3 X 0.8 X 4 = 2.69475 X 10-9 g
(4) 단위셀의 FAW 계산: 하기 식 2를 이용하여 단위셀의 FAW를 계산하였다:
[식 2]
단위셀의 FAW (g/m2) = 탄소섬유의 총질량(Wf)/단위셀 면적(Sc).
상기 FAW는 단위면적당 질량(g/m2)이므로, 이를 감안하여, 비례식을 이용하여 단위 환산을 하여 상기 FAW를 도출할 수 있다.
(단위셀의 FAW) : 1m2 = (2.69475 X 10-6 g):(10.43787) x (10-3 m/mm)3
상기 단위셀의 FAW = 0.258041 g/m2 이었다.
실시예 2: 2축 NCF 탄소 섬유 강화 플라스틱( CFRP ) 성형체 시편의 FAW 계산
2축 NCF 조직의 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 성형체 시편을 준비하여, 상기 성형체 시편의 FAW를 계산하였다.
(1) 셀 면적 계산(Sc): 도 11(a)는 본 발명의 다른 구체예에 따른 탄소 섬유 강화 플라스틱 성형체 시편의 단위셀을 나타낸 것이며, 도 11(b)는 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우의 단면을 나타낸 광학 현미경 사진이다. 도 11과 같은 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 성형체 시편의 단면 이미지를 분석하여 상기 시편의 탄소 섬유 토우(tow) 직조 패턴의 최소 단위인, 사각 형태의 단위셀의 면적(Sc)을 계산하였다:
[식 3]
단위셀의 면적(Sc) = L1 x L2
(상기 식 3에서, 상기 L1은 상기 단위셀의 한변의 길이이고, 상기 L2는 상기 단위셀의 타변의 길이이다)
이때, 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우 직조 패턴이 이루는 배향 각도(θ)는 0° 인 2축 비크립핑 직물이고, 상기 단위셀의 한변의 길이(L1)는 8790.35㎛ 이며, 타변의 길이(L2)는 8790.35㎛ 이었다. 상기 단위셀의 면적은 Sc = (8.79035 mm X 8.79035 mm) = 77.2702 mm2 이었다.
(2) 탄소 섬유 토우의 부피(Vt) 계산: 하기 식 4를 이용하여 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우의 부피(Vt)를 계산하였다:
[식 4]
단위셀의 탄소섬유 토우의 부피(Vt) = 단위셀의 탄소섬유 토우의 길이(l) X 단위셀의 탄소섬유 토우의 단면적(St).
상기 단위셀의 탄소 섬유 토우가 비크립핑 직물(NCF)이므로, 상기 단위셀의 탄소섬유 토우의 단면적은 하기 5-2에 의해 도출되었다:
[식 5-2]
St = c x d
(상기 식 5-2에서, 상기 c는 상기 탄소 섬유 토우의 장변 길이이며, 상기 d는 상기 탄소 섬유 토우의 단변의 길이이다).
이때, 상기 탄소 섬유 토우의 장변 길이는 3.1983 mm 이며, 단변의 길이는 0.09231 mm 이었다. 따라서, 상기 탄소 섬유 토우의 부피(Vt) = (3.1983 mm) x (0.09231 mm) x (8.79035 mm) = 2.59522mm3 이었다.
(3) 탄소 섬유 토우의 총질량(Wt) 계산: 하기 식 1에 따라, 탄소 섬유 토우의 총질량(Wt)을 계산하였다. 이때, 상기 2축 NCF 직물에 대한 탄소 섬유 토우 보정인자(α)는 80%(0.8)로 계산하였다:
단위셀의 탄소 섬유의 총질량(Wf) = 단위셀의 탄소섬유 토우의 부피(Vt) x 탄소섬유의 밀도(g/m3) x 탄소 섬유 토우 보정 인자(α) x 단위셀의 탄소 섬유 토우의 개수(Nc)
(상기 식 1에서, 상기 α는 0.8 이고, 상기 탄소 섬유 토우가 평직 또는 비크립핑 직물(NCF)인 경우, 상기 Nc는 4이며, 상기 탄소 섬유가 능직인 경우, 상기 Nc는 6이다).
단위셀의 탄소 섬유의 총질량(Wf) = 2.59522 X 10-9m3 X 1.8 g/m3 X 0.8 X 4 = 1.49238 X 10-8 g
(4) 단위셀의 FAW 계산: 하기 식 2를 이용하여 단위셀의 FAW를 계산하였다:
[식 2]
단위셀의 FAW (g/m2) = 탄소섬유의 총질량(Wf)/단위셀 면적(Sc).
상기 FAW는 단위면적당 질량(g/m2)이므로, 이를 감안하여, 비례식을 이용하여 단위 환산을 하여 상기 FAW를 도출할 수 있다.
(단위셀의 FAW) : 1m2 = (1.49238 X 10-2 g):(77.2702) x (10-3 m/mm)3
상기 단위셀의 FAW = 193.4569182 g/m2 이었다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (7)

  1. 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 성형체 시편을 준비하는 단계;
    상기 성형체 시편의 단면 이미지를 분석하여, 상기 시편의 탄소 섬유 토우(tow) 직조 패턴의 최소 단위인 육면체 형태의 단위셀을 설정하고, 상기 단위셀의 면적(Sc)을 계산하는 단계;
    상기 단위셀에 포함된 탄소 섬유 토우의 부피(Vt)를 도출하는 단계;
    상기 탄소 섬유 토우의 부피(Vt)를 이용하여, 하기 식 1에 따른 단위셀의 탄소 섬유의 총질량(Wf)을 도출하는 단계; 및
    상기 단위셀 밑면의 면적(Sc) 및 단위셀의 탄소섬유의 총질량(Wf)을 이용하여, 하기 식 2에 따른 단위셀의 FAW를 도출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 강화 플라스틱의 FAW 분석 방법:
    [식 1]
    단위셀의 탄소 섬유의 총질량(Wf) = 단위셀의 탄소섬유 토우의 부피(Vt) x 탄소섬유의 밀도(g/m3) x 탄소 섬유 토우 보정 인자(α) x 단위셀의 탄소 섬유 토우의 개수(Nc)
    (상기 식 1에서, 상기 α는 0.6~0.9 이고, 상기 탄소 섬유 토우가 평직 또는 비크립핑 직물(NCF)인 경우, 상기 Nc는 4이며, 상기 탄소 섬유가 능직인 경우, 상기 Nc는 6이다)
    [식 2]
    단위셀의 FAW (g/m2) = 탄소섬유의 총질량(Wf)/단위셀 면적(Sc).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단위셀의 면적(Sc)은, 하기 식 3에 의해 도출되는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 강화 플라스틱의 FAW 분석 방법:
    [식 3]
    단위셀의 면적(Sc) = L1 x L2
    (상기 식 3에서, 상기 L1은 상기 단위셀의 한변의 길이이고, 상기 L2는 상기 단위셀의 타변의 길이이다).
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단위셀의 탄소섬유 토우의 부피(Vt)는, 하기 식 4에 따라 도출되는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 강화 플라스틱의 FAW 분석 방법:
    [식 4]
    단위셀의 탄소섬유 토우의 부피(Vt) = 단위셀의 탄소섬유 토우의 길이(l) X 단위셀의 탄소섬유 토우의 단면적(St).
  4. 제3항에 있어서,
    상기 단위셀의 탄소섬유 토우의 직조 패턴이 이루는 배향 각도 θ가 0° 또는 90° 인 경우, 상기 단위셀의 탄소섬유 토우의 길이(l)는 단위셀의 한변의 길이(L1)이며,
    상기 배향 각도가 0°< θ < 90°인 경우, 상기 단위셀의 탄소섬유 토우의 길이(l)는 L1/cosθ인 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 강화 플라스틱의 FAW 분석 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 단위셀의 탄소 섬유 토우의 단면적(St)은, 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우가 직조물인 경우 하기 식 5-1에 의해 도출되는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 강화 플라스틱의 FAW 분석 방법:
    [식 5-1]
    St = π x a x b
    (상기 식 5-1에서, 상기 a는 상기 탄소 섬유 토우의 장변의 반지름이며, 상기 b는 상기 탄소 섬유 토우의 단변의 반지름이다).
  6. 제3항에 있어서,
    상기 단위셀의 탄소 섬유 토우의 단면적(St)은, 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우가 비크립핑 직물(NCF)인 경우 하기 식 5-2에 의해 도출되는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 강화 플라스틱의 FAW 분석 방법:
    [식 5-2]
    St = c x d
    (상기 식 5-2에서, 상기 c는 상기 탄소 섬유 토우의 장변 길이이며, 상기 d는 상기 탄소 섬유 토우의 단변의 길이이다).
  7. 제1항에 있어서,
    상기 단위셀의 탄소섬유 토우의 부피(Vt)는, 상기 단위셀의 탄소 섬유 토우의 시작 지점 및 말단 지점에 대한 좌표를 각각 설정하는 단계; 및
    상기 탄소 섬유 토우의 단면적(St)을 계산하고, 상기 시작 지점에서부터 말단 지점의 좌표 사이의 거리를 적분하여, 상기 단위셀의 탄소섬유 토우의 부피(Vt)를 도출하는 단계;를 포함하여 도출되는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 강화 플라스틱의 FAW 분석 방법.
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