연구실 탐방 (Smart Structures and Composites Lab., 지도교수: 김천곤)

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   스마트 구조 및 복합재료 실험실(Smart Structures and Composites Lab.)은 김천곤 교수님의 지도하에 복합재료에 대한 다양한 연구를 수행하는 연구실 입니다. 본 연구실에서는 복합재 구조전지, 광섬유 센서를 이용한 복합재의 건전성 모니터링, 전자파 흡수 재료, 우주 환경에서의 복합재 특성 및 적용 연구 등의 연구를 수행해 왔고, 최근에는 이를 융합한 새로운 연구에 도전하고 있습니다. 탄탄한 실험 기반을 갖추고 있어 심도 있는 실험적 연구를 수행할 뿐 만 아니라, 실험적으로 구현하기 어려운 분야에 대해서는 시뮬레이션을 수행하여 실험과 해석을 아우르는 폭넓은 연구를 수행하고 있습니다. 다음은 저희 연구실에서 수행하고 있는 연구를 소개해 드리겠습니다. 이 외의 정보는 저희 연구실 홈페이지 smartech.kaist.ac.kr 에서 확인하실 수 있습니다.

 

복합재 구조전지 핵심기술 개발 연구

   복합재 구조전지 연구는 이차전지의 전기화학적 성능과 기계적 물성을 함께 확보하기 위해 구조적 기능이 가능한 복합재를 전지의 일부 구성요소에 적용하는 기술을 말합니다. 일반적인 리튬이온전지는 양극 음극 사이의 산화 환원 반응을 통해 전기에너지를 공급하며 각 요소는 크게 전극, 분리막, 전해질 부분으로 나눌 수 있습니다. 그러나 이들 각각은 물리적 하중을 지지하기 어렵기 때문에 외부 충격이나 하중이 예상되는 어플리케이션에 이차전지를 적용할 경우 케이싱 구조에만 이를 의존하는 한계가 있으며, 추가적인 부피 및 질량 증가 또한 발생된다는 단점이 있습니다. 이를 개선하기 위해 본 연구실에서는 상대적으로 강한 물성을 가진 탄소섬유를 전극의 물리적 지지 및 전도성 향상의 목적으로 이용하거나, 유리섬유를 직물 형태로 만들어 분리막으로 사용하는 연구를 수행하고 있습니다. 또한 각 단위의 전지 사이에 추가적인 복합재를 설치하여 기계적 하중이나 충격을 전지 이외로 분산시키는 거시적 관점의 구조 디자인 및 이에 따른 시뮬레이션 연구도 함께 병행하고 있습니다. 본 연구를 통해 개발된 구조 전지 기술은 강한 외부 충격에도 높은 안전성이 요구되는 소형가전, 전기자동차뿐만 아니라 최근 각광받고 있는 드론과 같은 무인 이동체의 에너지 공급장치로 활용할 수 있습니다.

그림 1 복합재 구조전지 개념도

 

광섬유 센서를 이용한 복합재 항공기의 실시간 구조 건전성 모니터링 연구

   복합재료는 기존의 금속 재료와 비교하여 우수한 기계적 성질을 갖으면서도 경량화가 용이하기 때문에 다양한 분야에서 수요가 급격히 증가하고 있습니다. 하지만 복합재료는 기존의 금속 재료와는 다른 손상 유형을 갖고, 파손을 예측하기 어렵다는 단점이 있습니다. 따라서 복합재 구조물의 신뢰성과 안전성을 보장하기 위해서는 지속적인 감시 혹은 모니터링이 필수적입니다. 구조물을 지속적으로 관찰 및 검사하기 위해서는 센서가 필요합니다. 다양한 센서 중에서도 빛을 이용하는 광섬유 센서는 부식에 강하고 전자기파 간섭에 면역이 되는 특성을 갖기 때문에 실제 현장에 적용되었을 때, 극한 환경에서도 지속적으로 신뢰성 있는 측정이 가능하다는 장점이 있습니다. 따라서 저희 연구실에서는 광섬유 센서를 이용하여 복합재 항공기를 대상으로 외부 충격, 날개 하중 등을 실시간으로 감시하는 연구를 하고 있습니다. 이 구조 건전성 모니터링 기술이 다리와 풍력발전기 등 대형 구조물에 적용되고 있으며 더 복잡한 실제 항공기에 적용된다면 예기치 못한 항공 사고를 막고, 항공기 유지 관리의 효율성을 증가시키는데 도움이 될 것으로 보입니다.

 

그림 2 광섬유 센서를 이용한 복합재 항공기의 실시간 하중 모니터링

 

전자파 흡수 구조 핵심기술 개발 연구

   스텔스 기술은 항공 무기를 탐지하는 레이더, 적외선 탐지기, 음향 탐지기 등의 탐지 기술로부터 그 신호를 최소화 하는 기술을 의미합니다. 그 중 레이더에 의한 탐지는 전자기파를 이용하기 때문에 탐지 거리가 가장 길어, 레이더에 의한 전자기 신호를 최소화 하는 것이 스텔스 기술의 주요한 기술 중 하나입니다. 전자기 신호를 최소화 하는 방법으로는 항공기의 형상 설계, 전자파 흡수 도료, 전자파 흡수 구조 등의 기술이 존재하는데, 그 중 본 연구실에서는 전자파 흡수 구조에 대한 연구를 수행하고 있습니다. 전자파 흡수 구조는 전자파를 흡수하는 기능과 하중 지지 역할을 수행하는 구조를 의미합니다. 전자파 흡수 구조는 복합재료에 적절한 전자기 물성을 부여함으로써 구현될 수 있으며, 본 연구실에서는 그 방법에 따라 크게 3개의 기술로 구분하여 연구를 진행 중입니다. 먼저 1세대 기술은 기지재료에 전자기 물성을 부여하는 방법으로, 기지재료에 카본블랙, 탄소나노튜브, 그래핀과 같은 나노 손실입자를 분산시켜 전자파 흡수 구조를 구현하는 연구를 수행하였습니다. 2세대 기술은 주파수 선택 표면을 이용하는 방법으로, 복합재료 표면 또는 내부에 금속과 같은 전도성 재료로 이루어진 주기패턴층을 이용한 전자파 흡수 구조에 대한 연구를 수행하였습니다. 3세대 기술은 복합재료의 강화재료에 전자기 물성을 부여하는 방법으로, 화학적 또는 물리적 방법을 통해 강화 재료에 전도성 재료를 코팅함으로써 전자기 물성을 확보하고 전자파 흡수 구조를 구현하는 연구를 수행하고 있습니다.

 

그림 3 (a)전자파 흡수 구조가 적용된 날개 모델, (b)자유공간측정장비를 이용한 전자파 흡수 성능 측정 실험

 

우주 환경에서의 복합재 특성 및 적용 연구

   인공위성과 같이 우주 공간에 노출된 우주비행체는 우주 환경에 영향을 받게 됩니다. 그 중 지구 저궤도 환경은 태양과 지구 그림자에 의한 열사이클, 태양으로부터 오는 강한 자외선, 고진공, 원자 산소 그리고 미소행성과 우주파편물(micro-meteoroid and orbital debris)에 의한 초고속 충격 등으로 구성되어 있는데, 이러한 환경 요소에 의하여 우주비행체가 손상될 수 있고 심한 경우 큰 파손이 발생하여 사용 불능 상태에 빠뜨릴 수 있어 지상 환경보다 매우 극심한 환경이라 할 수 있습니다. 본 연구실에서는 우주 환경에서 복합재료를 사용하기 위하여 다양한 연구를 수행하고 있습니다. 우주 파편물에 의한 초고속 충격을 모사하기 위하여 초고속 충격 시험 장비(two-stage light gas gun) 개발하였고, 이를 이용하여 초고속 충격에 대한 우주비행체의 보호 성능을 향상시키기 위하여 PBI 코팅과 STF가 연구되어 그 효과를 입증하였습니다. 또 다른 환경 요소인 원자 산소에 대한 저항성을 향상시키기 위하여 카본 나노튜브와 그래핀을 실란화(silanized)하여 에폭시에 첨가함으로써 원자 산소 저항성과 기계적 물성을 향상시키는 연구를 수행하였습니다. 이러한 연구 결과들은 향후 우주비행체의 건전성 및 생존성 향상에 크게 기여함으로써 큰 경제적 효과를 나을 수 있을 것으로 예상됩니다.

 

그림 4 초고속 충격 시험 장비(two-stage light gas gun)와 초고속 충격 시험

 

 

편집         손대성[son5963@kaist.ac.kr]