우주환경 운용을 위한 PAEK계 고분자 소재의 3D 프린팅 및 응용 연구 = Study of PAEK’s Polymer 3D Printing and Application for Space Environment

국문 초록 (Abstract)

최근 누리호 발사 및 차세대중형위성 1호 발사 성공 등 국가 주도의 우주산업이 성장함에 따라 우주 소재에 관한 관심이 증가하고 있다. 전통적으로 인공위성 소재인 알루미늄·마그네슘 등 금속의 경우, 고중량의 한계로 인해 높은 발사 비용이 요구되었고, 이를 대체하기 위한 저중량 소재 및 공정 연구의 필요성이 증가하고 있다. 따라서 본 연구에서는 기존 우주환경에 활용되고 있는 PAEK(Poly Aryl Eter Ketone)계 소재를 활용하여 FFF(Fused Filament Fabrication) 3D프린터를 통해 높은 정밀도를 갖는 전자부품을 제작하였으며, 프린팅 온도에 따른 조형 신뢰도를 분석하였다. 추가적으로, 전자부품 작동을 위한 금속층을 표면개질을 통해 무전해도금 방식으로 니켈을 증착하였으며 표면개질 효과에 따른 금속층의 접착강도 및 우주환경을 모사한 고진공 고온의 극한 환경에서 영향을 분석하였다.
PAEK계 고분자는 다른 고분자에 비해 수축율이 커 내부에 공극이 발생하며, 이는 표면 거칠기 및 강도에 악영향을 미친다. 따라서 균일한 증착층 형성을 위해 노즐온도를 360℃~400℃로 변화시켜 증착층의 두께 및 표면 거칠기를 분석하였으며, Weibull modulus를 활용해 신뢰성을 평가하였다. 이를 통해 370℃의 노즐온도에서 가장 균일한 증착층을 형성하는 것을 확인하였으며, 28.6의 Weibull 계수를 나타내었다.
무전해도금을 위한 표면개질 효과를 확인하기 위해 13.4M의 Sulfuric acid(H2SO4, 황산)이 사용되었으며, 아레니우스 방정식을 이용하여 0.57eV의 활성화에너지를 계산하였다. 반응 촉매인 Pd의 표면 흡착을 강화하기 위해 산화제인 KMnO4-H3PO4 시스템을 이용하였으며, XPS 측정을 통해 표면에 복합적인 친수성이 증가함을 확인하였다. 접착강도 측정 결과 ASTM D3359 기준 29.56%가 개선되었으며, 우주환경 시험 결과 질량변화율 0.62%로 허용 기준인 1.00%를 만족하였다. 마지막으로 X-band 대역의 주파수 영역에서 2.9의 비유전율, 0.00882의 손실탄젠트를 가짐으로 타 소재 대비 회로의 소형화 및 경량화가 가능하여 우주 환경에서 PAEK계 고분자 적용 가능성을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• 1.서 론 1
• 1.1 연구의 필요성 1
• 1.2 국내외 기술개발 동향 3
• 2.이론적 배경 6
• 2.1 PAEK계 고분자 6
• 2.2 적층 제조 기술 8
• 3.실험 방법 11
• 3.1 전장부품 제작을 위한 3D 프린팅 소재 11
• 3.2 고분자 결정화도 제어를 위한 열처리 공정 14
• 3.3 표면 개질 및 무전해도금 공정 18
• 3.4 도금 특성 분석 및 우주환경 시험 21
• 4.결과 및 고찰 24
• 4.1 3D 프린팅 정밀도에 대한 공정조건의 영향 24
• 4.1.1 고분자 결정화도에 의한 프린팅 거동 변화 24
• 4.1.2 압출 너비 및 표면 거칠기 변화 27
• 4.1.3 프린팅 정밀도 및 신뢰성 분석 32
• 4.2 전장부품 특성에 대한 무전해도금의 영향 35
• 4.2.1 금속 층 형성을 위한 표면 개질 35
• 4.2.2 접착강도 및 특성 평가 41
• 4.2.3 유전율 및 손실탄젠트 분석 45
• 5.결 론 47
• 참고문헌 48
• Abstract 52