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본승 모
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1 Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers Vol. 21, No. 1, pp. 1-7, Research Paper DOI: 오초롱 a 김선미 b 박규상 b 최성만 b, * 이대수 a 명노신 c 김원철 d Infrared Emissivity of Stainless Steel Coated with Composites of Copper Particle and m-aramid Resin Chorong Oh a Sunmi Kim b Gyusang Park b Seongman Choi b, * Dai Soo Lee a Rhoshin Myoung c Woncheol Kim d a Division of Semiconductor and Chemical Engineering, Chonbuk National University, Korea b Aerospace Engineering Department, Chonbuk National University, Korea c Aerospace Engineering Department, Gyeongsang National University, Korea d Agency for Defense Development, Korea * Corresponding author. csman@jbnu.ac.kr ABSTRACT As a part of studies to lower the infrared (IR) emissivity from the surface of exhaust nozzle in the turbo jet engine, stainless steel plate was coated with copper particle/meta-aramid resin composites and the IR emissivity of the plate were investigated. Binders of filler particles based on synthetic polymers generally undergo thermal decomposition before 300. It was found that the meta aramid resin was thermally stable after the test at 320, confirming the excellent thermal stability. Contents of copper particles in the composites were varied from 0 to 70% by volume. It was observed that the copper particle/meta aramid resin composites showed good adhesion after the tests at 320. The specimen coated with the composite containing 50 vol% of copper particles showed the lowest IR emissivity, 0.6, at 320. 초 록 항공기엔진배기노즐표면으로부터적외선방사를낮추기위한연구의일환으로스테인리스스틸표면을구리입자 / 메타아라미드수지복합재료로도포하여 320 에서적외선방사율을측정하였다. 일반적인충전제입자바인더합성수지의경우 300 이전에서대부분열분해를일으키지만메타아라미드수지는 320 에서도열안정성을보여구리입자분산내열성매트릭스수지로적합한것으로나타났다. 본연구에서는첨가한구리입자함량은부피기준으로 0 ~ 70% 까지변화시켰다. 구리입자 / 메타아라미드복합재료수지로도포된시편은 320 에서적외선방사율측정실험후에접착력이우수하였다. 그리고구리입자함량이부피기준으로 50% 인구리입자 / 메타아라미드수지를도포함으로써시편의 320 적외선방사율을 0.6 까지낮출수있었다. Key Words: Jet Engine( 제트엔진 ), Exhaust Nozzle( 배기노즐 ), Infrared Emissivity( 적외선방사율 ), Meta Aramid Resin( 메타아라미드수지 ), Copper Particle( 구리입자 ) Received 26 September 2016 / Revised 18 November 2016 / Accepted 22 November 2016 Copyright C The Korean Society of Propulsion Engineers pissn / eissn 서론 This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License( /licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

2 2 오초롱 김선미 박규상 최성만 이대수 명노신 김원철 한국추진공학회지 열은전도, 복사, 대류의세가지형태로이동한다. 이중복사에너지는절대온도 0 K 이상의모든물체에서방출한다. 적외선영역의복사에너지는열상장비를통해가시적으로물체의온도분포를확인할수있으며이를통해탐지하고추적표적을탐지하고포착할수있어군사적탐지와추적을목적으로많이이용된다 [1,2]. 방사율 (Emissivity) 이란물체가임의의특정파장을갖는에너지를조사하였을때흡수, 투과및반사하는비율을의미한다. 적외선방사율은적외선파장영역에있는적외선에너지의흡수정도를나타내는것으로적외선파장영역중 3 에서 5 μm영역과 8에서 12 μm의적외선영역은우수한대기투과특성을나타내어적외선표적탐지에주로사용된다 [3,4]. 일반적으로저방사코팅은은 (Ag), 구리 (Cu), 금 (Au) 등과같이적외선영역에서의방사율이낮은금속을사용하며, 실란화합물들을이용한표면처리를통하여성능개선을위한노력이보고되었다 [5-7]. 본연구에서는경제성을고려하여구리입자를바인더에첨가한복합재료를스프레이코팅공정을통하여엔진노즐과동일한재질의철판에도포하여적외선방사특성을고찰하였다. 도포재료의바인더로우수한기계적물성과내구성때문에폴리우레탄수지, 아크릴수지, 그리고테프론공중합체등이주로사용된다. 이러한유기바인더의경우일반적으로 300 이상에서는열분해를보여고온에서사용이곤란하다. 그리고특징적인관능기에의해높은적외선방사율을갖는편이다 [8,9]. 따라서고온의엔진노즐코팅에적용할수있을것으로기대되는메타아라미드수지를바인더로사용하였다. Fig. 1에는메타아라미드수지의화학구조를나타내었다. 일반적으로아라미드수지는방향족구조로이루어져액정거동을보이며, 내열성이우수하여항공기내장재제조에사용하는소재이다. 파라아라미드는황산에만녹는성질을보여철판에도포하는것이어렵지만메타아라미드는 dimethyl acetamide (DMAC) 에용해되어도포가용이한복합재료코팅재제조가가능한점을이용할수있었다. Fig. 1. Chemical structure of meta aramid. 2. 실험 2.1 실험재료구리 / 메타아라미드코팅재료를제조하기위해사용된재료들과특성을 Table 1에명시하였다. 구리분말 (Cu, 20 μm ) 은아세톤 (Acetone) 으로세척후건조하여사용하였다. 메타아라미드수지는삼양사의시제품약을제공받아사용하였으며, 고형분이중량기준 17% 이고용매는 DMAC 로이루어진것이었다. 본연구에서는구리입자를첨가함에따라점도가증가하는경우추가로 DMAC를첨가하여도포성을조절하였다. 스테인레스스틸판에코팅소재를도포하기전에이물질들은아세톤으로세척후사용하였다. 2.2 실험방법구리분말의세척을위하여아세톤을 1 리터용량의비커에구리 / 아세톤혼합물을 0.1 g/ml 농도로투입한후초음파장치 (Ultrasonicator 50 khz) 를이용하여 300 watt로 1시간동안진동으로세척하였다. 구리분말을여과분리한후상온에서감압하에하루동안건조시켰다. 메타아라미드에분산된구리분말함량은부피기준으로 0 ~ 70로조절하여구리입자들의영향을고찰하였다. 한편혼합물들의기포를효과적으로제거하기위해서고점도혼합물탈포장치 (Paste Mixer-1000 rpm) 에서혼합하였다. 얻어진혼합물은닥터블레이드를이용하여철판면에도포하였다. 질소분위기하에서 2일동안상온건조를진행한후 100 에서감압하여하루동안건조시켰다. 실험조건에따른샘플코드와조성은 Table 2에명시하였다.

제 21 권제 1 호 2017. 2. 3 Table 1. Raw Materials for the Cu/Meta Aramid Composite.

3 제 21 권제 1 호 Table 1. Raw Materials for the Cu/Meta Aramid Composite. Materials Characteristics Supplier Copper (Cu) particle Meta aramid resin Dimethyl acetamide 20 μm Avention Solid content 17% Samyangsa 98% Dae-Jung Table 2. Sample Code for Cu/Meta Aramid Composite. Fig. 3 SEM Image of Copper Particles. Composition (v/v) Sample code Cu Meta aramid Control (Binder) 0 10 C C C Fig. 4 TGA Thermograms of Copper Particle (a) and Meta Aramid (b). Fig. 2Layout of a FT-IR spectrometry for the measurement of emissivity of samples. 2.3 물성조사 구리분말의크기와구리분말과메타아라미드복합재료의표면및단면을확인하기위해주사전자현미경 (Scanning Electron Microscope: SEM) 를사용하였다. 코팅재료의열안정성을확인하기위해열중량분석 (Thermogravimetric Analysis: TGA, TA Q600) 을이용하였고방사율측정을위해적외선분광기 (Fourier Transform Infrared Spectroscopy: FT-IR, Vertex 70) 를사용하였다. 열중량분석은질소분위기에서상온부터 800 까지승온속도 (Heating Rate) 를 20 /min로하여측정하였고, 방사율은 100 및 320 에서측정하였다. Fig. 2에는적외선분광기를이용한방사율측정장치구성을나타내었다. 시료물질 (Sample) 과흑체기준물질 (Black body) 의방사에너지 (Emission) 측정값으로부터방사율 (Emissivity) 을 Eq. 1과같이계산하였다. 3. 결과및고찰 (1) Fig. 3 에실험에사용한구리분말의세척후

4 오초롱 김선미 박규상 최성만 이대수 명노신 김원철 한국추진공학회지 SEM으로관찰한구리분말의이미지를나타내었다. Fig. 3에서구리분말은약 20 μm의직경을가지며판상인것으로나타나코팅소재충전첨가제로적절한것으로판단되었다. Fig. 4에세척한구리분말과용매를제거한메타아라미드의열중량분석데이터를나타내었다.

4 4 오초롱 김선미 박규상 최성만 이대수 명노신 김원철 한국추진공학회지 SEM으로관찰한구리분말의이미지를나타내었다. Fig. 3에서구리분말은약 20 μm의직경을가지며판상인것으로나타나코팅소재충전첨가제로적절한것으로판단되었다. Fig. 4에세척한구리분말과용매를제거한메타아라미드의열중량분석데이터를나타내었다. 구리분말은아세톤에의해세척되지않은 300 에서분해되는유기물질에의한중량감소를보였다. 따라서본논문에사용된구리분말은약 2.2 wt의불순물을가지고있다고볼수있었다. 메타아라미드제품의열중량분석데이터에서구리입자 / 메타아라미드에포함되어있는 DMAC는모두건조되었으며메타아라미드수지는 400 이상에서열분해가일어나는열안정을보임을확인할수있었다. Fig. 5에 SEM으로관찰한스테인레스스틸기판에코팅된구리 / 메타아라미드복합재료의단면이미지를나타내었다. Fig. 5의단면사진에 Fig. 5 SEM Image of Coating Thickness. 서도포된복합재료코팅소재의두께는약 μm인것으로확인되었다. Fig. 6는방사율을측정하기위해스테인레스스틸기판에구리입자 / 메타아라미드복합재료를도포한사진이다. 구리입자함량증가에따라구리입자색깔이강하게관찰되었으며, 도포는균일함을확인할수있었다. 도포의균일성은우선육안으로관찰이가능하고전자현미경으로판단이한바, 균일한도포가이루어진것으로볼수있었다. 도포면이균일하지못한경우에는건조후표면형상이불균일하게관찰되기때문이다. 그리고구리입자함량이 10인경우메타아라미드수지가응집되는현상을보이는바, 용융된상태에서유동성을가짐에기인하는것으로추측되었다. 적외선분광기를이용하여 100 와 320 에서방사율을측정한후의구리입자 / 메타아라미드복합재료코팅표면사진을 Fig. 7에나타내었다. 구리입자 / 메타아라미드도포면은 320 emissivity 측정후산화반응으로회색을띠는경향이관찰되었다. 구리입자들이산화되었지만메타아라미드수지는기판들에대한부착력을유지하고있어열안정이우수함을확인할수있었다. Fig. 8에코팅소재를도포한시편기판의 10 0 와 320 에서의적외선방사스펙트럼을나타내었다. 본연구는고온적외선방사율저감을위한실험적고찰이어서적외선분광기에서최대한승온시킬수있는온도인 320 에서의특성을조사하였다. 연구실험에서먼저 100 에서 (a) Control (b) C-10 (c) C-50 (d) C-70 Fig. 6Images of Stainless Steel Plate Coated with Different Copper Particle/Meta Aramid Composites after Drying Before the Emissivity Measurement. (a) Control (b) C-10 (c) C-50 (d) C-70 Fig. 7Images of Stainless Steel Plate Coated with Different Copper Particle/Meta Aramid Composites after the Emissivity Tests at 320.

제 21 권제 1 호 2017. 2. 5 (a) 100 at 2.5 ~ 5 μm (a) 100 at 2.5 ~ 5 μm (b) 100 at 8 ~ 15 μm (b) 100 at 8 ~ 15 μm (c) 320 at 2.5 ~ 5 μm (c) 320 at 2.5 ~ 5 μm (d) 320 at 8 ~ 15 μm Fig.

5 제 21 권제 1 호 (a) 100 at 2.5 ~ 5 μm (a) 100 at 2.5 ~ 5 μm (b) 100 at 8 ~ 15 μm (b) 100 at 8 ~ 15 μm (c) 320 at 2.5 ~ 5 μm (c) 320 at 2.5 ~ 5 μm (d) 320 at 8 ~ 15 μm Fig. 8 Infrared Emission Spectra of the Plates Coated with Different Copper/Meta Aramid Composite. (d) 320 at 8 ~ 15 μm Fig. 9 Infrared Emissivity of the Plates Coated with Different Copper/Meta Aramid Composites.

6 6 오초롱 김선미 박규상 최성만 이대수 명노신 김원철 한국추진공학회지 는흑체기준물질에비하여기판코팅소재의구리함량이증가함에따라시편들로부터적외선방사가감소하는것으로나타났다. 320 에서도유사한경향을보이나구리함량이부피기준으로 70% 인경우보다 50인경우적외선방사가약간낮게나타나는특징이관찰되었다. Fig. 9는제조한시편의 100 와 320 에서적외선방사스펙트럼데이터로부터계산된방사율을나타내었다. 방사율의경우 100 에서는메타아라미드바인더수지에비하여기판코팅소재의구리함량이증가함에따라시편들로부터적외선방사율이감소하는것으로나타났으며구리함량이부피기준으로 50% 및 70% 인경우 0.3 ~ 0.4로나타났다. 320 에서는구리함량이부피기준으로 70% 인경우보다 50% 인경우가적외선방사율이 0.6 수준으로약간높게측정되었다. 구리함량이높은 70% 인시편의방사율이구리함량이 50% 인경우보다높은것은바인더수지함량이낮아짐에따라구리입자도포가부분적으로충분치못한상태에서방사율이높은산화구리생성이증가하였기때문인것으로추측할수있다. 이것은구리와 m-aramid의비중이각각 8.96, 1.38이고부피기준 70% 의구리입자를포함한경우바인더인 m-aramid 의중량기준함량이 6.2% 에불과하기때문이다. 정확한판단을위하여는바인더조성물인 m-aramid 함량이구리입자를커버한두께가얼마나되는지를확인하는것이요구되는바, 추후정밀분석을통하여고찰할예정이다. 일반적으로구리입자와같은것들이바인더수지에충분한계면적심이가능한첨가량의척도는최대충전율 (maximum packing volume fracion) 으로평가하며, 일반적으로부피기준 70% 는상한치에근접하고 [10], m-aramid의밀도는바인더수지중매우높은편에속하여위와같은추측이가능하다. 4. 결론항공기배기노즐의재료로이용되는스테인리 스스틸표면을구리입자함량을부피기준으로 0 ~ 70% 까지변화시킨구리입자 / 메타아라미드수지복합재료로도포하여적외선방사율의변화를고찰한결과다음과같이나타났다. 1) 메타아라미드수지는 320 에서열안정성을보여구리입자분산고온내열성매트릭스수지로적합한것으로나타났다. 320 에서적외선방사율측정실험후도포된시편을확인한결과접착력은양호함을확인하였다. 2) 구리입자함량이부피기준으로 50% 인구리입자 / 메타아라미드수지를도포함으로써시편의 320 적외선방사율을 0.6까지낮출수있었다. 3) 구리입자부피분율이 70% 인경우 320 에서의방사율이구리입자분율이 50% 인경우보다낮게관찰되는바, 바인더함량이충분치못하여구리입자표면을충분히도포하지못하여산화구리가생성되었기때문인것으로해석할수있으나, 추가연구가필요할것으로나타났다. 향후본코팅방식을항공기표면또는추진기관의배기노즐에적용하여항공기작동시의적외선신호에대한특성연구를계속적으로수행하고자한다. 후기본연구는방위사업청과국방과학연구소가지원하는국방피탐지감소기술특화연구센터사업의일환으로수행되었습니다. References 1.Park, G.S., Choi, S.M. and Kim, W.C., Infrared Measurement of the Micro Turbojet Engine, Proceeding of the 2014 KSPE Spring Conference, Seoul Korea, pp , May Liu, R., Ji, C., Mock J.J., Chin, J.Y., Cui T.J. and Smith, D.R., Broadband

7 제 21 권제 1 호 Ground-Plane Cloak, Science, Vol. 323, Issue 5912, pp , Mahulikar, S.P., Sonawane, H.R. and Rao, G.A., Infrared signature studies of aerospace vehicles, Progress in Aerospace Sciences, Vol. 43, Nos. 7-8, pp , Liou, K.N., An Introduction to Atmospheric Radiation, 2nd Edition, Academic Press, Cambidge, M.A., U.S.A., Yan, X. and Xu, G., Influence of silane coupling agent on corrosion-resistant property in low infrared emissivity Cu/polyurethane coating, Progress in Organic Coatings, Vol. 73, Issues 2-3, pp , Yan, X. and Xu, G., Synergy effect of silane and CTAB on corrosion-resistant property of low infrared emissivity Cu/polyurethane coating formed on tinplate, Surface & Coatings Technology, Vol. 204, pp , Chou, K.S. and Lu, Y.C., The application of nanosized silver colloids in far infrared low-emissive coating, Thin Solid Films, Vol. 515, Issue 18, pp , Chen, J., Zhou, Y., Nan, Q., Ye, X. and Wang, Z., Synthesis, characterization and infrared emissivity study of polyurethane/ TiO 2 nanocompo- sites, Applied surface science, Vol. 253, Issue 23, pp , Yu, H., Xu, G., Shen, X., Yan, X. and Cheng, C., Low infrared emissivity of polyurethane/cu composite coatings, Applied Surface Science, Vol. 255, Issue 12, pp , H. A. Barnes, J. F. Hutton and K. Walters, Introduction to Rheology, Chapter 7, Elsevier-Amsterdam, Amsterdam, Netherlands, 1989.

농학석사학위논문 폴리페닐렌설파이드복합재료의기계적및열적 특성에영향을미치는유리섬유 환원된 그래핀옥사이드복합보강재에관한연구 The combined effect of glass fiber/reduced graphene oxide reinforcement on the mecha

농학석사학위논문 폴리페닐렌설파이드복합재료의기계적및열적 특성에영향을미치는유리섬유 환원된 그래핀옥사이드복합보강재에관한연구 The combined effect of glass fiber/reduced graphene oxide reinforcement on the mecha 저작자표시 - 비영리 - 변경금지 2.0 대한민국 이용자는아래의조건을따르는경우에한하여자유롭게 이저작물을복제, 배포, 전송, 전시, 공연및방송할수있습니다. 다음과같은조건을따라야합니다 : 저작자표시. 귀하는원저작자를표시하여야합니다. 비영리. 귀하는이저작물을영리목적으로이용할수없습니다. 변경금지. 귀하는이저작물을개작, 변형또는가공할수없습니다. 귀하는, 이저작물의재이용이나배포의경우,