Enhanced Thermal Conductivity of Polymer Composites Incorporating h-BN and BNNT Hybrid

Ji-un Jang(장지운),장승연,김성훈,김성륜 한국고분자학회 2023 한국고분자학회 학술대회 연구논문 초록집 Vol.48 No.2

미래모빌리티를 위한 차세대 경량구조복합재료 검토: 자기강화복합재료의 적용 가능성

김미나 ( Mi Na Kim ),장지운 ( Ji-un Jang ),이혜성 ( Hyeseong Lee ),오명준 ( Myung Jun Oh ),김성륜 ( Seong Yun Kim ) 한국복합재료학회 2023 Composites research Vol.36 No.1

미래모빌리티의 발전 기대에 따라 에너지 소비 절감에 대한 수요가 증가하고 있다. 경량구조용소재는 온실가스 배출 감소 및 에너지 효율 향상을 위한 방안으로 알려져 있다. 특히, 섬유강화복합재료(FRP, fiber reinforced polymer composite)는 뛰어난 기계적 특성 및 낮은 무게로 인해 기존 합금을 대체할 수 있는 소재로 주목받는다. 본 논문에서는, 탄소섬유강화복합재료(CFRP, carbon FRP) 및 자기강화복합재료(SRC, self-reinforced composite)의 산업 적용 및 연구 동향을 강화재, 고분자 매트릭스 및 공정에 기반하여 검토하였다. 항공분야에서 주로 활용되는 에폭시 수지 기반 오토클레이브 공법의 높은 공정단가 및 긴 제조시간을 극복하기 위하여, 속경화성 에폭시 수지를 이용한 고압수지이송성형 공정으로 CFRP가 적용된 전기자동차의 양산을 보고하였다. 또한, 탄소섬유복합재료의 재활용 이슈를 해결하기 위한 열가소성 수지 기반 CFRP 및 계면 향상 방안들이 재료 및 공정 측면에서 검토되었다. FRP의 우수한 기계적 특성을 유도하는 주요한 요인으로 알려진 완벽한 매트릭스-강화재 계면을 형성하기 위하여, 고분자 섬유에 동일한 매트릭스를 함침시킨 SRC에 대한 연구들이 보고되고 있다. 다양한 열가소성 고분자에 기초한 SRC의 물리적 및 기계적 특성들을 고분자 배향 및 복합재료 구조 측면에서 검토하였다. 또한, 고연신 폴리프로필렌 섬유 기반 SRC의 공정창 확장을 위한 공중합체 매트릭스 전략이 논의되었다. 경량구조용소재의 CFRP 및 SRC 적용은 미래모빌리티의 에너지 효율 향상에 대한 잠재적인 선택을 제공할 수 있다. Demand for energy consumption reduction is increasing according to the development expectations of future mobility. Lightweight structural materials are known as a method to reduce greenhouse gas emissions and improve energy efficiency. In particular, fiber reinforced polymer composite (FRP) is attracting attention as a material that can replace existing metal alloys due to its excellent mechanical properties and light weight. In this paper, industrial applications and research trends of carbon fiber reinforced composites (CFRP, carbon FRP) and self-reinforced composites (SRC) were reviewed based on the reinforcement, polymer matrix, and manufacturing process. In order to overcome the expensive process cost and long manufacturing time of the epoxy resin-based autoclave method, which is mainly used in the aircraft field, mass production of CFRP-applied electric vehicles has been reported using a high-pressure resin transfer molding process including fast-curing epoxy. In addition, thermoplastic resin-based CFRP and interface enhancement methods to solve the recycling issue of carbon fiber composites were reviewed in terms of materials and processes. To form a perfect matrix-reinforcement interface, which is known as the major factor inducing the excellent mechanical properties of FRP, studies on SRC impregnated with the same matrix in polymer fibers have been reported. The physical and mechanical properties of SRC based on various thermoplastic polymers were reviewed in terms of polymer orientation and composite structure. In addition, a copolymer matrix strategy for extending the processing window of highly drawn polypropylene fiber-based SRC was discussed. The application of CFRP and SRC as lightweight structural materials can provide potential options for improving the energy efficiency of future mobility.

직립마늘 파종기의 생육측정

이충호 ( Choong Ho Lee ),장지운 ( Ji Un Jang ),이인범 ( In Beom Lee ),김현경 ( Hyun Gyung Kim ) 한국농업기계학회 2017 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.22 No.1

직립식 마늘파종기는 마늘 종구를 한 알씩 집어 올려 중간이송컵으로 이송하는 자세교정컵과 배종부와 자세교정컵에서 낙하된 마늘종구를 땅속으로 파종하는 구조로 설계 제작되었으며,전라북도 익산시에 테스트베드를 구축하여 기계파종을 통한 파종기의 성능개선연구를 수행하였다. 기계파종은 1차년도 기존 파종기의 성능을 개선한 7조식 시제품과, 국내산과 스페인산 마늘을 파종하였으며, 11조용 참여기업의 기존 파종기를 이용하여 테스트베드에서 수행하였다. 비가 온 뒤의 땅에 파종한 라인의 샘플링 자료조사 결과(5m 구간 기준으로 체크) 결주율이 각각 17.81%, 35.6%로 평균적인 결주율이 0.57%인 일반기상상태와 비교하면 매우 높은 결주율을 보이는 것을 알 수 있다. 마늘 파종법에 대한 결과로, 총 4가지의 파종법을 사용하였으며, 사용한 파종방법에는 2조 병목식 스페인식 파종법, 11조식 트랙터용 파종법, 7조식 트랙터용 파종법, 6조식 이양기용 파종법이다. 이 4가지 파종법 중에서 3가지 파종법에 대한 성장률에 대해서 조사를 해보았다. 11조식의 경우에는 제주도식 파종을 하여 비닐 멀칭이 되어있지 않으며, 7조식의 경우에는 비닐 멀칭이 되어있는 파종방식을 사용하였고, 2조식 병목식 스페인식 파종법의 경우에는 자유낙하 방식으로 비닐 멀칭의 유무에 따라 성장률에 대해서 조사를 하였다. 결주율은 파종된 마늘 중 샘플링한 데이터에 대해서 얼마나 파종이 잘되었는지에 퍼센트로 나타낸 것으로 11조식의 경우 비닐멀칭도 없고 비온 뒤에 파종 되어 파종시기에 문제가 있는 것으로 사료됨. 비가오지 않은 날씨에서 측정한 7조식 1차년도 성능개선 시작품의 결주율은 0.57%로 우수하게 나타났다. 발아율은 파종된 마늘 중샘플링한 데이터에 대해서 다립파종 되어서 미성장된 것과 결주율을 합하여 퍼센트로 나타낸 것으로 시제품으로 개발한 7조식 파종기는 스페인산과 국내산 마늘의 발아율이 모두 90% 이상으로 나타났으며, 차이점은 파종시기의 차이에 따라 발아율의 차이가 있는 것으로 사료(토양, 재배환경 및 기후에 따른 변동요인이 많음)되며, 이는 파종법의 종류뿐만 아니라 비닐멀칭의 온도유지가 마늘 성장률에 얼마나 영향을 끼치는지에 대한 병행연구도 필요한 것으로 나타났다. 마늘의 성장률에 대해서는 아직 표준화, 정형화 되어있는 측정방법이 없기 때문에 이를 표준화, 정형화를 할 필요가 있다. 향후 이와 같은 결과를 토대로 직립식 마늘파종기의 성능을 더욱 개선시키는 연구를 지속적으로 수행할 계획이다.

압전 에너지 수확기의 성능 향상을 위한 복합재료 기반 소재 및 공정 기술 검토

김건수 ( Geon Su Kim ),장지운 ( Ji-un Jang ),김성륜 ( Seong Yun Kim ) 한국복합재료학회 2021 Composites research Vol.34 No.6

에너지 수확장치는 석유자원의 고갈로 인한 자원난을 해결할 수 있는 대안으로 유망하다고 알려져 있다. 기계적 움직임을 전기 에너지로 전환할 수 있는 압전 소자들의 한계(환경오염 및 낮은 기계적 특성)를 극복하기 위하여, 고분자 기지재 기반 복합재료 압전 에너지 수확장치에 대한 많은 연구들이 수행되었다. 본 논문에서는 사용된 재료 및 공정에 기초하여, 보고된 압전 복합재료의 출력 성능 및 관련된 응용 분야를 검토하였다. 압전 필러는 티탄산 지르콘산 연 및 티탄산바륨 기반의 세라믹 필러뿐만 아니라, 친환경, 생체적합성 및 유연성 측면에서 유리한 산화아연을 검토하였다. 기지재는 폴리비닐리덴플로오라이드 및 공중합체로 구성된 압전 고분자 및 에폭시 및 폴리디메틸실록산 기반의 유연한 고분자로 분류하여 복합재료의 압전 시너지 및 높은 외력 적용에 의한 압전 출력 향상을 논의하였다. 또한, 금속 혹은 탄소 소재 기반 2차 필러의 적용에 의한 복합재료의 전도성 혹은 기계적 특성의 향상이 압전 수확장치의 출력 성능에 미치는 영향을 복합재료의 구조 측면에서 검토하였다. 향상된 성능으로 소형 전자기기, 스마트 센서, 의학 분야 등에 응용 가능한 복합재료 기반 압전 수확장치는 미래의 일상에서 접할 수 있는 무선 전자 장치의 전원으로써 잠재적인 통찰을 제공할 수 있다. The energy harvesting device is known to be promising as an alternative to solve the resource shortage caused by the depletion of petroleum resources. In order to overcome the limitations (environmental pollution and low mechanical properties) of piezoelectric elements capable of converting mechanical motion into electrical energy, many studies have been conducted on a polymer matrix-based composite piezoelectric energy harvesting device. In this paper, the output performance and related applications of the reported piezoelectric composites are reviewed based on the applied materials and processes. As for the piezoelectric fillers, zinc oxide, which is advantageous in terms of eco-friendliness, biocompatibility, and flexibility, as well as ceramic fillers based on lead zirconate titanate and barium titanate, were reviewed. The polymer matrix was classified into piezoelectric polymers composed of polyvinylidene fluoride and copolymers, and flexible polymers based on epoxy and polydimethylsiloxane, to discuss piezoelectric synergy of composite materials and improvement of piezoelectric output by high external force application, respectively. In addition, the effect of improving the conductivity or the mechanical properties of composite material by the application of a metal or carbon-based secondary filler on the output performance of the piezoelectric harvesting device was explained in terms of the structure of the composite material. Composite materialbased piezoelectric harvesting devices, which can be applied to small electronic devices, smart sensors, and medicine with improved performance, can provide potential insights as a power source for wireless electronic devices expected to be encountered in future daily life.

수동 마늘 파종기 컨셉디자인

이충호 ( Choong Ho Lee ),장지운 ( Ji Un Jang ),김현경 ( Hyun Gyung Kim ),정용준 ( Young Jun Jeong ) 한국농업기계학회 2017 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.22 No.2

마늘파종기는 마늘 종구를 한 알씩 집어 올려 중간이송컵으로 이송하는 자세교정컵과 배종부와 자세교정컵에서 낙하된 마늘 종구를 땅속에 직립으로 파종하는 구조로 제작된 직립마늘 파종기를 원리모델로 텃밭농사를 짓는 사람들을 위해서 기존 마늘파종기의 구조를 분석하여 1인용 마늘파종기의 컨셈모델을 개발하였다. 트랙터를 이용 하지 않고 사람 한명의 힘으로 충분히 마늘파종기를 구동 할 수 있도록 설계하는 것이 목적이다. 1인용 마늘 파종기는 먼저 기존 마늘 파종기의 형태에서 트랙터의 바퀴가 굴러가면서 전달된 동력을 인력으로 대체하므로 작업하기 어렵기에 1인용 마늘 파종기를 사람 한명의 힘으로 충분히 구동이 가능하도록 만들기 위해서 in-wheel moter를 전면 구동바퀴에 탑재하도록 설계를 진행하였다. 기존 마늘파종기의 표준 작업속도는 0.8~1 km/h 이다. 호퍼에 탑재된 마늘과 기체의 중량을 고려하여 in-wheel moter는 350~500 W 수준의 동력구동 모터를 이용할 수가 있다. 사람이 다룰 수 있는 높이는 편의성을 위해서 자세 교정컵을 기존 장치에서 제외하였으며, in-wheel moter를 바퀴에 부착하여 회전토크가 발생하면 파종시스템에 동력이 전달하도록 디자인하였다. 파종 조간 간격은 기존 모델과 동일하게 130~180 mm로 설정할 수 있고, 파종 깊이는 0~70 mm까지 설정할 수 있도록 설계하였다. 파종의 생력화를 위해 사용된 인휠들라이브 모터는 견인력을 최대화하기 위해서 전면보다는 후면부 좌/우로 분리하여 추진력을 받도록 실증연구를 통해 설계 개선이 필요할 것으로 사료된다.

무동력 트랙터 복합작업기의 디스크 구조해석

이충호 ( Choong Ho Lee ),장지운 ( Ji Un Jang ),이인범 ( In Beom Lee ),김현경 ( Hyun Gyung Kim ) 한국농업기계학회 2017 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.22 No.1

무동력 복합작업기는 치즐쟁기와 디스크의 배열에 따라 작업성능이 좌우된다. 프레임과 디스크, 치즐쟁기에 가해지는 기본적인 힘의 상태를 확인하기 위한 정적 구조해석을 수행하였다. 복합작업기는 디스크는 18°가 경사진 형태로 전면9개 후면9로 총 18개, 치즐쟁기(Chiselplow)는 4개로, 디스크는 모두 18개이다. 정적인 상태에서 끄는 견인력은 100마력, 150마력, 200마력으로 하였으며 Inventor의 해석 시스템은 힘을 N으로 사용하기 때문에 각 마력에 부가되는 하중을 N으로 치환하여 사용하였다. 구속조건은 frame과, disc, chisel plow에 맞닿는 면을 구속하고, 힘의 방향은 프레임과 트랙터의 연결면, 디스크 날과 땅의 접촉면에 적용했다. front /rear 디스크는 이론상으로는 양 디스크가 쌍으로 마주하고 있어서 스캔데이타를 중심으로 모델링한 결과를 바탕으로, 전후면 디스크해로우의 해석을 수행하였다. 조립 또는 사용상의 문제점이나 자연적인 유격에 의해 어느 정도 대칭이 되지 않을 수 있으나 그 정도에 따라 진동과 내구성에 문제가 될 수도 있기에 한쌍에 대해 모델링을 통한 해석을 수행하였다. 해석결과에 따르면 디스크에 작용하는 폰미세스 응력은 극한강도에 미치지 않은 것으로 나타났으며 Frame의 최대 폰 미세스응력을 제외하면, 대부분의 응력은 항복강도에 현저히 미치지 못하는 수치이고, 프레임의 경우는 150마력, 200마력으로 힘을 가할 때 항복강도는 넘는 수치이지만 극한인장강도에는 미치지 못하는 수치인 것을 알 수 있었다. 100마력에 폰 미세스 응력의 최대값은 0.161918 MPa이고 프레임 강의 항복강도인207MPa와 디스크의 항복강도인 250MPa에 못 미치는 수치이다. 150마력과 200마력의 힘으로 회전할 때의 폰 미세스 응력의 최대값은 0.286425MPa과 0.381921 MPa로 항복강도인 250MPa에 크게 못 미치는 수치이다. 그 이유는 디스크해로우 방식의 복합작업기는 견인저항력이 작게 설계되고 작업속도를 개선하기 위한 목적으로 사용되기 때문으로 사료된다. 벤치마킹 기대의 Rear 디스크도 마찬가지로 각도는 18°이며, 동일한 구속조건을 적용하여 시뮬레이션을 수행하였으며 해석결과는 모두 항복강도 이내로 예측되었다. 디스크에 최대로 응력이 미치는 부분은 디스크와 프레임이 연결되는 허브 부분이다. 각도가 커짐에 따라 응력이 증가하므로 이를 감안한 설계인자 도출이 가능하다. 마력과 각도가 증가함에 따라 디스크 해로우에 작용하는 폰미세스 응력과, 접촉압력이 증가하므로 이에 대한 검토와 동적하중인 로드프로파일을 적용한 해석을 수행하여 내구수명 특성에 대한 연구를 수행할 계획이다.

고속 복합작업기의 외부하중에 따른 디스크 및 치즐쟁기의 구조해석

이충호 ( Choong Ho Lee ),장지운 ( Ji Un Jang ),김현경 ( Hyun Gyung Kim ),강대식 ( Dae Sik Kang ) 한국농업기계학회 2017 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.22 No.2

고속 복합작업기는 일반적인 로타리 형식의 작업기 대신에 디스크와 치즐쟁기를 가로 세로로 다수로 배열하여 작업부하를 감소시키고 작업속도를 높이기 위해 사용(약 2.5배) 되는데, 기존 로터베이터와 달리 기어박스 등 동력장치가 없고 부하량이 상대적으로 적다. 3D 모델링 파일을 이용하여 오프로드에서의 부하가 걸리는 요소를 세부적으로 분해하여 해석하고자 하는 부분의 가설을 세운 후 구조해석 프로그램을 이용하여 분석을 수행하였다. 3D모델링 데이터에서 핀 결합부의 조립성을 점검하였으며 다양한 하중에 따른 핀 결합부의 접촉응력 해석을 통한 문제점 파악도 중요하다. 외부 견인력은 한 개의 치즐 또는 디스크에 걸리는 힘을 전체 개수를 계산하여 평균값으로 구하였으며, 100마력일 때 1000 N, 150마력일 때 1500 N, 200마력일때 2000 N으로 가정하여 수행하였다. 기존의 강철보다 튼튼하며 가벼운 재질의 보론강의 물성치를 찾아서 직접 입력하여 분석을 실시 하였다. 디스크해로우의 경우에는 우력모멘트의 값을 중심부 핀으로 대치하여 계산하였으며, 각 마력에 따른 부하값을 입력하여 분석을 실시하였다. 치즐의 경우에는 깊이에 따른 분석을 수행하였다. 구조해석결과 폰미세스 응력, 안전율, 변형량 등 다른 문제점이 없었으며, 반면에 보론강으로 재질을 변경하고 경량화를 한 치즐의 경우에는 전년도 시제품 모델링 보다 개선된 결과를 나타냈다.

In Wheel Moror를 이용한 소형 마늘파종기 개념설계

이충호(Choong Ho Lee),장지운(Ji Un Jang),김현경(Hyun Gyung Kim),정용준(Yong Jun Jung) 한국기계가공학회 2017 한국기계가공학회 춘추계학술대회 논문집 Vol.2017 No.10

트랙터용 무동력 복합작업기 경량화 설계모델링

이충호 ( Choong Ho Lee ),장지운 ( Ji Un Jang ),김현경 ( Hyun Gyung Kim ),강대식 ( Dae Sik Kang ) 한국농업기계학회 2017 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.22 No.2

기존 로타베이터의 경우 부하량 증대와 복잡성으로 고속작업이 불리하여 작업시간이 많이 걸렸으나, 무동력 디스크 해로우는 트랙터 견인의 불필요한 동력원을 제거하고 중력과 토양부하를 최소화하는 디스크와 치즐로 구성된다. 이는 토양과의 마찰을 줄이는 대신 폭이 좁은 경심을 통해 기존 로타베이터의 기능을 대체하여 과도한 토양부하작업을 줄이고 이로 인해 작업속도를 개선하는 효과가 있으므로, 자중이 감소하면 트랙터 견인력에 영향을 미쳐 작업속도가 증가하므로 이에 따른 경량설계를 위한 구조해석 연구를 수행하였다. 기존에 개발한 벤치마킹 기대를 변형한 모델과의 비교를 위해 새로운 3D 모델링 파일을 수행하였으며, 1차적으로 구조해석은 Inventor 프로그램을 이용하여 프레임, 디스크, 치즐 부분으로 나누어 분석을 수행하였다. 스틸(steel) 재질로 이전과 동일 재질로 제작한 시제품의 구조해석결과 폰 미세스 응력, 안전율, 변형량 등에 문제점이 없었으며, 반면에 연신율이 24%, 밀도가 7.80 g/cm³이고 인장강도 500 MPa인 보론강으로 치즐쟁기의 재질을 변경하고 경량화를 수행한 해석결과는 기존 시제품 모델보다 우수한 결과를 나타냈다. 또한, 무게도 줄어들어 경량화와 제품의 내구성 모두 좋은 결과를 얻게 되었다. Powertrain 100%에 토양추진력 100%로 가정한 값과 Powertrain 90%에 토양 추진력 85% 가정의 응력해석 결과를 구하였으며, 경심이 커질수록 폰 미세스 응력값이 아주 미세하게 늘어나지만 거의 차이가 없게 나타났다. 무동력 디스크 해로우 복합 작업기 치즐 재질은 SS400강으로 항복강도230 MPa 최대 인장강도가 약 500 MPa로 작업 깊이와 마력이 증가할수록 작용하는 힘이 증가한다. 디스크의 재질은 이전과 같은 스틸소재로 인장강도 400 MPa, 밀도 7.73 g/cm³로 구성하였다 100마력, 200마력, 300마력 모두 7000 MPa 이상으로 나왔으므로 복합작업기는 구조적으로 안전하고 기존대비 경량화가 수행되었으며, 이를 근거로 새로운 개선된 설계 모델링을 수행하여 시제품 제작을 수행하였다.

탄소섬유 직물 및 전도성 탄소 필러가 고충진 된 열가소성 탄소섬유강화플라스틱의 전도 특성

김성륜 ( Seong Yun Kim ),노예지 ( Ye Ji Noh ),장지운 ( Ji-un Jang ),최성규 ( Seong Kyu Choi ) 한국복합재료학회 2021 Composites research Vol.34 No.5

지구 온난화 억제를 위한 전 세계적인 연비규제에 발맞춘 해결책으로 자동차에 경량구조복합재료를 적용하는 것이 메가트렌드로 인식되고 있다. 본 연구에서는 수리, 폐기 및 재활용 측면에서 유리한 열가소성 탄소섬유강화플라스틱의 적용을 극대화하기 위해 전도특성이 요구되는 부품 대체 이슈에 대응할 수 있는 기술적 접근을 제공하는 것을 목표로 수행되었다. 저점도 중합 가능한 기지재의 특성을 활용하여 전도성 필러를 파우더 믹싱 방법으로 균일하게 혼입하면서도 우수한 함침 특성을 나타내는 열가소성 탄소섬유강화플라스틱 제조방법에 기초하여 카본블랙, 탄소나노튜브, 그래핀 나노플레이틀렛, 흑연, 피치계 탄소섬유 등 다양한 탄소기반 전도성 필러를 최대 함량까지 혼입하여 전기저항 및 열전도도를 비교하여 고찰하였다. 전도성 탄소 필러의 종류나 형태보다는 최대 혼입량이 시편의 전도 특성을 제어하기 위해 가장 중요한 인자임을 확인하였고, 전기전도 특성을 향상시키기 위해서는 1차원 형태의 전도성 탄소필러를 적용하는 것이 유리할 수 있는 반면 열전도 특성을 향상시키기 위해서는 2차원 형태의 전도성 탄소필러를 적용하는 것이 유리 할 수 있다는 실험 결과를 확인하였다. 본 연구의 결과들은 열가소성 탄소섬유강화플라스틱의 전도 특성을 제어하기 위한 최적 구조 설계에 잠재적인 통찰력을 제공할 수 있다. The application of lightweight structural composites to automobiles as a solution in line with global fuel economy regulations to curb global warming is recognized as a megatrend. This study was conducted to provide a technical approach that can respond to the issue of replacing parts that require conductive properties to maximize the application of thermoplastic carbon fiber reinforced plastics (CFRPs), which are advantageous in terms of repair, disposal and recycling. By utilizing the properties of the low-viscosity polymerizable oligomer matrix, it was possible to prepare a thermoplastic CFRP exhibiting excellent impregnation properties while uniformly mixing the conductive filler. Various carbon-based conductive fillers such as carbon black, carbon nanotubes, graphene nanoplatelets, graphite, and pitch-based carbon fibers were filled up to the maximum content, and electrical and thermal conductive properties of the fabricated composites were compared and studied. It was confirmed that the maximum incorporation of filler was the most important factor to control the conductive properties of the composites rather than the type or shape of the conductive carbon filler. Experimental results were observed in which it might be advantageous to apply a one-dimensional conductive carbon filler to improve electrical conductivity, whereas it might be advantageous to apply a two-dimensional conductive carbon filler to improve thermal conductivity. The results of this study can provide potential insight into the optimization of structural design for controlling the conductive properties of thermoplastic CFRPs.