KR101282664B1

KR101282664B1 - 우주발사체 탑재장비 보호용 구조물의 제조방법

Info

Publication number: KR101282664B1
Application number: KR1020110107892A
Authority: KR
Inventors: 진승보
Original assignee: 한국항공우주연구원
Priority date: 2011-10-21
Filing date: 2011-10-21
Publication date: 2013-07-12
Also published as: KR20130043788A

Abstract

본 발명은 우주발사체 탑재장비 보호용 구조물의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 우주발사체 탑재장비 보호용 구조물은, 외형을 형성하는 외벽이 강화복합재로 이루어져 있되 상기 강화복합재는 탄소나노튜브가 폴리이미드수지)에 고르게 분포되어 있는 판형의 매트릭스와 직물형태의 아라미드섬유가 일체화된 형태이다.
본 발명의 구조물 제조방법은, 탄소나노튜브가 강산에 접촉되어 산화되도록 하는 탄소나노튜브산화단계; 상기 탄소나노튜브산화단계에 의해 산화된 탄소나노튜브와 폴리이미드수지를 혼합하는 혼합단계; 상기 혼합단계에 의해 만들어진 혼합물에 열을 가하여 산화처리를 위해 사용된 강산을 제거하는 산화용매제거단계; 상기 산화용매제거단계를 경유한 탄소나노튜브와 폴리이미드수지의 혼합물에 경화제를 넣고 혼합 후 판 형상의 매트릭스를 만드는 매트릭스제조단계; 상기 매트릭스 위에 직물 형태의 아라미드섬유를 올려 놓고 일체화시켜 강화복합재를 제조하는 강화복합재제조단계; 상기 강화복합재를 소정의 형태로 성형하는 성형단계;를 포함하여 구성된다.
본 발명의 우주발사체 탑재장비 보호용 구조물은, 하중을 지지하는 기능이 우수하고 가벼우면서도 전도성과 열차단 성능이 우수하다.

Description

우주발사체 탑재장비 보호용 구조물의 제조방법{MANUFACTURE METHOD FOR STRUCTURE PROTECTING ELECTRONIC EQUIPMENT OF SPACE LAUNCH VEHICLE}

본 발명은 우주의 환경에 놓이게 되는 우주발사체의 탑재장비 보호를 위한 구조물에 관한 것이다.

기술력의 발달로 많은 국가들이 우주산업에 관심을 가지고 있으며, 이를 위해 다양한 우주발사체가 우주를 향해 발사되고 있다.

우주발사체를 이루고 있는 구조물 중 탑재장비 보호용 구조물은, 우주 발사체의 성공적인 미션수행을 위해 탑재부 탑재시스템의 전기-전자 기능을 하는 장치들을 극한의 외부환경요인으로부터 보호하는 역할을 수행한다.

또, 가벼운 경량구조물이어야 하고, 전기전도도 및 열전도도의 특성을 가져야 한다.

기존의 발사체에 탑재되는 전자박스는 무게를 줄이기 위해 가벼운 알루미늄 재질로 제작되며, 발사체의 전기적 본딩 요구조건을 만족하기 위해 전도성 코팅처리를 하고 있었다.

또, 전기-전자 기능을 하는 장치들의 자체열을 효율적으로 방출시키고 페어링이 개방된 후 태양의 복사열로부터 전자박스를 보호하기 위해 열차단 코팅처리를 하고 있었다.

상기와 같은 전도성 코팅처리 및 열차단 코팅처리는 구성품 개발과정에서 코팅처리로 인한 탑재부 중량증가, 추가적인 공정 절차와 시간 등이 불필요하게 소비되는 문제점을 발생시켰다.

한국 특허출원 제10-1994-0026952호 등에는 고밀도 탄소섬유 강화 탄소복합재의 제조방법에 대하여 제시되어 있으나 상기와 같은 종래의 탄소복합재를 우주발사체 탑재장비 보호용 구조물로 사용하고 있지 않을 뿐만 아니라 사용한다고 하더라도 전술한 문제점을 해소할 수 있는 것은 아니었다.

한국 특허출원 제10-1994-0026952호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하려는 것으로서, 더욱 상세하게는 하중을 지지하는 기능이 우수하고 가벼우면서도 전도성과 열차단 성능이 우수하여 전도나 열차단을 위한 별도의 코팅 공정이 요구되지 않는, 우주발사체 탑재장비 보호용 구조물의 제조방법을 제공하려는데 목적이 있다.

본 발명에서는 우주발사체 탑재장비 보호용 구조물의 외벽 형태가 강화복합재의 형태가 되도록 하되 상기 강화복합재는 탄소나노튜브가 폴리이미드수지(PL, poly imide resin)에 고르게 분포되어 있는 매트릭스와 직물형태의 아라미드 섬유가 일체화된 형태(함침 등에 의한 일체화)가 되도록 함으로써 하중을 지지하는 기능을 가지면서 동시에 가볍고, 전도성과 열차단 성능이 우수하도록 한다.

이러한 본 발명의 우주발사체 탑재장비 보호용 구조물은, 외형을 형성하는 외벽이 강화복합재로 이루어져 있되 상기 강화복합재는 탄소나노튜브가 폴리이미드수지에 고르게 분포되어 있는 매트릭스와 직물형태의 아라미드 섬유가 함침 등의 방법으로 일체화된 형태이다.

이러한 우주발사체 탑재장비 보호용 구조물의 제조방법은, 탄소나노튜브가 강산에 접촉되어 산화되도록 하는 탄소나노튜브산화단계를 갖는다.

또, 탄소나노튜브산화단계에 의해 산화된 탄소나노튜브와 폴리이미드수지를 혼합하는 혼합단계를 갖는다.

또, 혼합단계에 의해 만들어진 혼합물에 열을 가하여 산화처리를 위해 사용된 강산을 제거하는 산화용매제거단계를 갖는다.

또, 산화용매제거단계를 경유한 탄소나노튜브와 폴리이미드수지의 혼합물에 경화제를 넣고 혼합 후 판 형상의 매트릭스를 만드는 매트릭스제조단계를 갖는다.

또, 매트릭스 위에 직물 형태의 아라미드섬유를 올려 놓고 일체화시켜 강화복합재를 제조하는 강화복합재제조단계를 갖는다.

또, 강화복합재를 소정의 형태로 성형하는 성형단계를 갖는다.

본 발명의 우주발사체 탑재장비 보호용 구조물은, 그 외벽의 형태가 강화복합재의 형태인데 탄소나노튜브가 폴리이미드수지에 고르게 분포되어 있는 매트릭스와 직물형태의 아라미드 섬유가 일체화된 강화복합재의 형태이어서 하중을 지지하는 기능이 우수하고 가벼우면서도 전도성과 열차단 성능이 우수한 특징이 있다.

또, 외벽은 강화복합재가 복수 개 겹쳐져 일체화된 형태이되 어느 하나의 강화복합재에 구비된 아라미드섬유의 결 방향은 상부나 하부에 접촉된 다른 강화복합재의 아라미드섬유가 갖는 결 방향과 교차되는 방향이 되도록 겹쳐지고 일체화된 형태일 수 있는데 이러한 경우 하중을 지지하는 기능이 더욱 우수하고, 전도성과 열차단 성능도 더 우수한 특징이 있다.

도 1은 본 발명의 구성요소인 매트릭스를 설명하기 위한 개략도
도 2는 본 발명의 구성요소인 강화복합재를 설명하기 위한 개략도
도 3은 본 발명의 강화복합재가 복수 개 적층되어 이루어진 본 발명의 우주발사체 탑재장비 보호용 구조물의 외벽을 설명하기 위한 개략도

이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.

그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일 예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.

본 발명은 우주발사체 탑재장비 보호용 구조물의 제조방법에 관한 것이다.

따라서 본 발명의 우주발사체 탑재장비 보호용 구조물도 종래와 같이 우주발사체 탑재장비가 내부에 위치하게 되는 탑재장비 설치공간을 갖는다.

이러한 탑재장비 설치공간은 우주발사체 탑재장비 보호용 구조물의 외형을 형성하는 외벽에 의해 감싸져 보호되는 형태이다.

그런데 본 발명은 하중을 지지하는 기능이 우수하고 가벼우면서도 전도성과 열차단 성능이 우수하여 전도나 열차단을 위한 별도의 코팅 공정이 요구되지 않는 우주발사체 탑재장비 보호용 구조물의 제조방법을 제공하려는 목적을 갖는다.

이를 위하여 본 발명에서는 우주발사체 탑재장비 보호용 구조물의 외형을 형성하는 외벽(100)이 강화복합재로 이루어져 있되 상기 강화복합재는 탄소나노튜브가 폴리이미드수지에 고르게 분포되어 있는 판형의 매트릭스(판형의 물체) 위에 직물형태의 아라미드 섬유가 안치된 형태로 놓인 후 일체화된 형태가 되도록 한다.

탄소나노튜브는 첨가제로 사용하는 경우 기계적, 전기적, 열적 특성이 매우 우수하다.

또, 폴리이미드수지는 고온용 수지로서 고온에서도 매우 안정적인 형태를 유지할 뿐만 아니라 전도성도 우수하다.

그러나 단순히 탄소나노튜브와 폴리이미드수지만으로 이루어진 경우 본 발명의 목적 달성이 어려우므로 탄소나노튜브(11a)가 고르게 분포되어 있는 폴리이미드수지(11b)로 이루어진 판형의 매트릭스(11)와 아라미드섬유(12)가 일체화된 강화복합재(10)가 되도록 하는 것이다.

본 발명의 목적을 고려할 때 우주발사체 탑재장비 보호용 구조물의 외벽(100)은, 강화복합재(100)가 복수 개 겹쳐져 이루어진 형태로 구현하는 것이 바람직하다. (도 2 참조)

이는 곧 판형의 매트릭스(11)와 아라미드섬유(12)가 일체화된 것이 복수 개 겹쳐져 있는 형태가 되는 것이다.

이러한 경우에 아라미드섬유(12)의 결 방향이 동일한 방향을 향하고 있는 것보다 서로 다른 방향을 향하여 교차되는 형태가 되도록 하는 것이 더 견고하다.(어느 하나의 아라미드섬유의 결방향과 또 다른 아라미드섬유의 결방향이 90°각도로 교차(직교)되도록 하는 것이 가장 바람직함)

즉, 외벽(100)은 강화복합재(10)가 복수 개 겹쳐져 일체화된 형태이되 어느 하나의 강화복합재(10)에 구비된 아라미드섬유(12)의 결 방향은 상부나 하부에 접촉된 다른 강화복합재(10)의 아라미드섬유(12)가 갖는 결 방향과 교차되는 방향이 되도록 겹쳐지고 일체화되도록 하는 것이다.

이하, 상기와 같은 본 발명의 우주발사체 탑재장비 보호용 구조물을 제조하는 방법을 구체적으로 설명한다.

본 발명의 구조물을 제조하는 첫 번째 방법은, 탄소나노튜브산화단계, 혼합단계, 산화용매제거단계, 매트릭스제조단계, 강화복합재제조단계, 성형단계를 포함하여 구성된다.

상기 탄소나노튜브산화단계는 탄소나노튜브가 강산에 접촉되어 산화되도록 하는 단계이다.

탄소나노튜브의 산화처리가 요구되는 이유는 후술하는 강화복합재제조단계에서 매트릭스(11)와 아라미드섬유(12) 간의 계면결합을 촉진시키기 위한 것이다.

구체적인 산화처리 방법으로는 황산(H₂SO₄)이나 질산(HNO₃) 등의 강산에 탄소나노튜브를 접촉시키는 방법이 있다.

혼합단계는 탄소나노튜브산화단계에 의해 산화처리된 탄소나노튜브와 폴리이미드수지를 혼합하는 단계이다.

탄소나노튜브 간의 강한 반데르발스 힘은 탄소나노튜브의 분산을 방해하고, 고분자 기지에서 탄소나노튜브들을 응집시킨다.

이러한 현상은 탄소나노튜브의 기계적 물성 저하를 유발하며, 전기적 특성도 좋지 않게 한다.

이러한 이유로 탄소나노튜브를 미리 산화처리한 후 산화처리된 탄소나노튜브와 폴리이미드수지를 혼합함으로써 탄소나노튜브가 폴리이미드수지에서 고르게 분산되어 있도록 하는 것이다.

탄소나노튜브와 폴리이미드수지가 혼합된 것에 초음파를 가하면 탄소나노튜브의 분산이 더욱 원활해진다.

산화용매제거단계는 혼합단계에 의해 만들어진 혼합물에 열을 가하여 산화처리를 위해 사용된 강산을 제거하는 단계이다.

즉, 열을 가하여 강산 용액을 증발시켜 제거하는 것이다.

강산 용액의 제거를 위한 온도는 그 종류에 따라 다소 차이가 있으나 통상 75℃∼85℃ 정도면 가능하고, 바람직하게는 80℃ 정도로 가열하는 것이다.

상기와 같이 분산용매가 제거되면 탄소나노튜브가 고르게 분포되어 있는 폴리아마이드 용액을 얻을 수 있다.

매트릭스제조단계는 산화용매제거단계를 경유한 탄소나노튜브와 폴리이미드수지의 혼합물에 경화제를 첨가 후 몰드를 이용하여 오븐 등에서 경화시켜 판형 것을 메트릭스를 만드는 단계이다.(본 발명이 속하는 기술분야에서 상기와같이 판형으로 만들어진 것을 매트릭스라고 함)

물론, 쓰리롤밀(Three-roll-mill) 등에 투입하여 판형의 매트릭스를 만들 수도 있다.

이와 같은 판형의 매트릭스는 1mm 정도의 두께로 만드는 것도 가능하다.

상기와 같은 경화제에는 에폭시 수지의 경화에 사용되는 아민류 등이 있다.

강화복합재제조단계는 매트릭스 위에 직물형태의 아라미드섬유를 올려 놓고 일체화시켜 강화복합재를 제조하는 단계이다.

필라멘드 와인딩 공법을 이용하여 매트릭스에 직물형태의 아라미드섬유를 함침시켜 강화복합재를 제조할 수 있다.

성형단계는 제조된 강화복합재를 소정의 구조물 형상이나 구조물의 일부분 형상으로 성형하는 단계이다.

이러한 성형단계는 통상의 탄소복합재를 성형하는 방법을 적용하여 성형 가능하다.

다만 폴리이미드수지의 성형을 위해서는 종래 일반적인 성형방법에서의 성형 온도보다 높은 성형온도(180℃ 정도)를 필요로 한다.

실험결과 180℃에서 2시간 정도 가열하면 딱딱한 상태로 성형이 완료됨을 알 수 있었다.

강화복합재가 복수 개 겹쳐져 일체화된 형태이되 어느 하나의 강화복합재에 구비된 아라미드섬유의 결 방향은 상부나 하부에 접촉된 다른 강화복합재의 아라미드섬유가 갖는 결 방향과 교차되는 방향이 되도록 겹쳐지고 일체화되도록 하기 위해서는 성형을 위한 공간에 강화복합재를 적층시켜 놓되 상, 하에 위치된 강화복합재의 결 방향이 교차되도록 적층시켜 놓고 성형한다.

상기와 같은 첫 번째 제조방법에서, 탄소나노튜브산화단계에 의해 산화처리된 탄소나노튜브에 트리에틸렌아민(TETA, triethylenetetramine)을 접촉시켜 아미노 기능기를 생성시키는 탄소나노튜브기능화단계;를 더 시행하면 탄소나노튜브를 더욱 고르게 분산시킬 수 있다.

본 발명의 구조물을 제조하는 두 번째 방법은, 분산유도처리단계, 혼합단계, 분산유도용매제거단계, 매트릭스제조단계, 강화복합재제조단계, 성형단계를 포함하여 구성된다.

분산유도처리단계는 아릴 디아조늄(Aryl diazonium), 과산화수소(H₂O₂), 디메틸포름아라미드(Dimethyformamide) 및 디클로로벤젠(Dichlorobenzene) 중 어느 하나 이상에 탄소나노튜브를 침지시키는 단계이다.

혼합단계는 상기 탄소나노튜브가 침지된 아릴 디아조늄(Aryl diazonium), 과산화수소(H₂O₂), 디메틸포름아라미드(Dimethyformamide) 및 디클로로벤젠(Dichlorobenzene) 중 어느 하나 이상에 폴리이미드수지를 혼합하는 단계이다.

분산유도용매제거단계는 혼합단계에 의해 만들어진 혼합물에 열을 가하여 아릴 디아조늄(Aryl diazonium), 과산화수소(H₂O₂), 디메틸포름아라미드(Dimethyformamide) 및 디클로로벤젠(Dichlorobenzene) 을 제거하는 단계이다.

매트릭스제조단계는 분산유도용매제거단계를 경유한 탄소나노튜브와 폴리이미드수지의 혼합물에 경화제를 넣고 혼합 후 판 형상의 매트릭스를 만드는 단계이다.

분산유도용매제거단계, 매트릭스제조단계, 강화복합재제조단계 및 성형단계의 일반적 사항은 전술한 첫 번째 방법에서의 산화용매제거단계, 매트릭스제조단계, 강화복합재제조단계, 성형단계와 같다.

분산유도처리단계에서 과산화수소를 사용하는 경우에는 탄소나노튜브와 폴리이미드수지가 혼합된 것에 초음파를 가하는 것이 바람직하다.

10. 강화복합재
11. 매트릭스
11a. 탄소나노튜브
11b. 폴리이미드수지
12. 아라미드섬유
100. 외벽

Claims

삭제
삭제
우주발사체 탑재장비 보호용 구조물의 제조방법에 있어서,
탄소나노튜브가 강산에 접촉되어 산화되도록 하는 탄소나노튜브산화단계;
상기 탄소나노튜브산화단계에 의해 산화된 탄소나노튜브와 폴리이미드수지를 혼합하는 혼합단계;
상기 혼합단계에 의해 만들어진 혼합물에 열을 가하여 산화처리를 위해 사용된 강산을 제거하는 산화용매제거단계;
상기 산화용매제거단계를 경유한 탄소나노튜브와 폴리이미드수지의 혼합물에 경화제를 넣고 혼합 후 판 형상의 매트릭스를 만드는 매트릭스제조단계;
상기 매트릭스 위에 직물 형태의 아라미드섬유를 올려 놓고 일체화시켜 강화복합재를 제조하는 강화복합재제조단계;
상기 강화복합재를 소정의 형태로 성형하는 성형단계;를 포함하여 구성된, 우주발사체 탑재장비 보호용 구조물의 제조방법.
삭제
제 3항에 있어서,
상기 탄소나노튜브산화단계에 의해 산화처리된 탄소나노튜브에 트리에틸렌아민(TETA, triethylenetetramine)을 접촉시켜 아미노 기능기를 생성시키는 탄소나노튜브기능화단계;를 시행한 후 혼합단계를 실시하는 것을 특징으로 하는, 우주발사체 탑재장비 보호용 구조물의 제조방법.
제 3항에 있어서,
상기 성형단계에서는 복수 개의 강화복합재를 겹쳐놓고 성형하되 어느 하나의 강화복합재에 구비된 아라미드섬유의 결 방향은 상부나 하부에 접촉된 다른 강화복합재의 아라미드섬유가 갖는 결 방향과 교차되는 방향이 되도록 겹쳐놓고 성형하는 것을 특징으로 하는, 우주발사체 탑재장비 보호용 구조물의 제조방법.
제 3항 또는 제 5항에 있어서,
상기 경화제는 아민류인 것을 특징으로 하는, 우주발사체 탑재장비 보호용 구조물의 제조방법.