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1 한국해양공학회지제 28 권제 4 호, pp , 2014 년 8 월 / ISSN(print) / ISSN(online) Original Research Article Journal of Ocean Engineering and Technology 28(4), August, 서프보드적용을위한하이브리드복합재료의열적특성 김윤해 * 이진우 * 박창욱 * 박수정 ** * 한국해양대학교재료공학과 Thermal Characteristics of Hybrid Composites for Application to Surfboard Yun-Hae Kim *, Jin-Woo Lee *, Chang-Wook Park * and Soo-Jeong Park * * Material engineering, Korea Maritime and Ocean University, Busan, Korea KEY WORDS: Surfboard 서핑보드, Carbon heater 탄소발열체, Composite 복합재료, Thermal characteristic 열적특성, Leisure 여가 ABSTRACT: Today, carbon fibers are used as heating elements. Carbon fibers are generally used to reinforce composite materials because they are lightweight and have a high strength and modulus. Carbon fiber reinforced composite materials are used for aerospace, automobile, and wind turbine blade applications. This work explored the possibility of using carbon fiber reinforced composite materials as self heating materials. The temperatures of the carbon fiber reinforced composites were measured. These results verified that the carbon fiber reinforced composite materials could be used as heating elements. A glass fiber was laminated using various methods. The thermal characteristics of the composites were evaluated. This confirmed that the generation of heat varied according to the lamination thicknesses of the carbon fiber and glass fiber. As the number of carbon fiber laminations increased, the heat-generating temperature increased. In contrast, as the number of glass fiber laminations increased, the amount of heat decreased. The generation of heat and ability to remain warm could be controlled by controlling the carbon fiber and glass fiber laminations. 1. 서론서핑과같은해양에서행해지는지구성운동은인체에많은영향을끼친다. 환경온도에대한인체의반응기전중대표적인몇가지반응으로체온과체액성분의변화를들수있다. 두가지반응모두인체의대사에매우중요하며체온이 33 이하또는 44 이상이면매우치명적인결과를초래한다. 뿐만아니라체액성분역시우리몸의구성과생명활등의매개체로서의역할을하며, 체액의구성성분중하나인면역세포및성분도생명활동을유지하기위한매개체로서그리고외부로부터침입한병원체로부터우리몸을보호하는역할을한다. 특히, 상대적으로온도가낮은해양환경에서의장시간서핑을하는경우사용자가체온을유지하기어렵고, 이에따라신체가부정적으로변하는원인이되기도한이에다. 따라체온을유지해줄수있는전용슈트혹은다른장치에의한체온유지가필수적이다 (Lee, 2002; Ok, 2006). 탄소섬유는우수한열적, 전기적성질과내식성등물리적으로우수한특성을가지고있기때문에발열 체로널리사용되고있다. 특히탄소발열체는기존의니크롬선을이용한발열체보다효율이우수하며, 니크롬선발열체에서나오는전자파의감소뿐만아니라천연재료로부터인체에유용한원적외선의방출등이보고되고있다 (Kim et al, 2013; Jin et al, 2006; Bae et al, 2003). 서핑보드의내부충진재로사용되는발포경질플라스틱제는최고사용온도가약 70~110 정도로 (Jun, 2013) 탄소발열체와직접접촉시, 순간적인고온상승에의해손상될위험성을갖고있다. 한편, 유리섬유복합재료는강재에비해낮은열전달율을갖는특성을산업에적용하여단열재등다양한산업분야에단열물질로사용되고있다 (Jang et al, 2013; Ahn et al, 2013). 따라서본연구에서는서프보드의내부에서체온을유지하기위한발열특성을갖는탄소섬유와발포경질플라스틱재에게직접적인열전달을막아줄방열체인유리섬유를다양한방법으로적층하여, 탄소섬유의적층두께에따른발열특성및유리섬유의적층두께에의한방열효과를확인하여탄소섬유와유리섬유로 Received 28 May 2014, revised 13 August 2014, accepted 19 August 2014 Corresponding author Jin-Woo Lee: , zenith1179@naver.com c 2014, The Korean Society of Ocean Engineers 351

352 김윤해 이진우 박창욱 박수정 구성된하이브리드복합재료의열적특성을평가하였다. 2. 실험방법 2.1 시편제작하이브리드복합재료시편의열적특성을평가를위한전기인가장치로탄소섬유프리프레그사이에구리전극을 Fig. 1과같이삽입하였고, 방열특성을평가하기위해적층된탄소섬유및구리전극판위에유리섬유를종류별로적층하였다.

2 The specimen of hybrid composites for temperature measurement Table 1 Naming of hybrid composites.

3 The specimen of hybrid composites for temperature measurement 에서 2시간동안후경화시켜 350m 750m 크기의 Carbon/ Glass/Epoxy 하이브리드시편을제작하여 Fig. 2와같이완성하였다. 2.2 열적특성평가제작된하이브리드복합재료의열적특성을평가하기위하여전압과전류를고정시킬필요가있다.

2 352 김윤해 이진우 박창욱 박수정 구성된하이브리드복합재료의열적특성을평가하였다. 2. 실험방법 2.1 시편제작하이브리드복합재료시편의열적특성을평가를위한전기인가장치로탄소섬유프리프레그사이에구리전극을 Fig. 1과같이삽입하였고, 방열특성을평가하기위해적층된탄소섬유및구리전극판위에유리섬유를종류별로적층하였다. 적층방법에따른하이브리드복합재료의적층된시편의개수와시편은 Table 1과같이명명하였다. 적층된섬유는평직으로재직된유리섬유 (G218-EPC) 및탄소섬유 (1321P-EPC) 프리프레그를이용하였고, 물성을 Table 2에나타내었다. 탄소, 유리섬유프리프레그를이용하여진공오븐 120 에서 2시간동안경화시킨후 150 Fig. 2 The specimen of hybrid composites for temperature measurement Table 1 Naming of hybrid composites. Amount of carbon pre-preg sheet Amount of glass pre-preg sheet A-0 A-1 A-2 A-3 A-4 4 B-0 B-1 B-2 B-3 B-4 6 C-0 C-1 C-2 C-3 C-4 8 D-0 D-1 D-2 D-3 D-4 Fig. 3 The specimen of hybrid composites for temperature measurement 에서 2시간동안후경화시켜 350m 750m 크기의 Carbon/ Glass/Epoxy 하이브리드시편을제작하여 Fig. 2와같이완성하였다. 2.2 열적특성평가제작된하이브리드복합재료의열적특성을평가하기위하여전압과전류를고정시킬필요가있다. 모든시편에서약 13V에 1.2A의출력을보였기때문에전압 13±1V, 전류 1.2±0.1A로수행하였다. 줄의법칙에따르면저항에흐르는전류에의해서매초발생하는열량은전류의제곱과저항의곱에비례한다. 이때, 발생한열을줄열또는저항열이라고한다. 줄의법칙을수학적으로표현하면열량 H, 전류 I, 저항 R, 시간 t로아래와같이나타낼수있다. (1) Fig. 1 The measuring sample for temperature measurement. (a) schematic of fabrication (b) size of test specimen 열적특성을평가시험하기위하여 Fig. 3의시험장치를사용하였다. 평가의정확성을높이기위해다수의접촉식온도계 Table 2 Material specification of glass and carbon prepreg. 1321p- EPC G218- EPC construction Yarn type Density (Count/inch) Warp Fill Warp Fill FAW, Dry [g/m 2 ] Thickness Total weight [g/m 2 ] Total thickness Width Plain 3k 3k ± ± ± satin G75 0/1 G150 0/1 64±2 26±2 207± ± ± R/C [%]

3 서프보드적용을위한하이브리드복합재료의열적특성 353 를온도측정부분에부착하였고, 비접촉식온도계를이용하여확인하였다. 특히, 김명수등의연구결과에의하면구리전극이삽입된탄소섬유복합재료에서는구리전극의가장자리에서저항에의한발열이다른부분보다높게나타나는데, 이는구리전극과복합재료의경계에서접촉저항의증가로저항에의한발열이다른부분보다높게발생하기때문이다 (Kim et al, 2013). 따라서이러한발열에의해구리전극의경계부에서온도가급격이올라가는현상이발생하였으며, 본연구에서는양끝단의전극과가장먼중심부분에서측정하였다. 3. 결과및고찰카본프리프레그를 2장, 4장, 6장, 8장으로변화시켜각각을상온에서 6분 (360초) 동안 10초간격으로측정하였다. 신뢰성있는데이터측정을위하여접촉식온도계와비접촉식온도측정계를이용하여발열체의온도를측정하였다. Fig. 4에는탄소섬유위에유리섬유를적층하여유리섬유의적층된수에따른하이브리드복합재료발열체의온도변화를나타내었다. A 0, B 0, C 0, D 0 시편은유리섬유를적층하지않았고, X 1, X 2, X 3, X 4 는 1~4장까지유리섬유의적층수를변화시켜실험하였다. 그림을통해, 탄소섬유의적층수가증가할수록발열이증가함을알수있고, A~D까지의하이브리드복합재료발열체시편에서유리섬유의적층수가증가할수록표면에서발열되는온도가낮아지는경향을보였다. 이러한경향으로보아탄소섬유의적층수가증가하면서탄소의함유량이증가하기때문에발열체내의비저항값이높아진다. 발열체내의비저항값이높아지기때문에발열온도가증가하게된다. 또한유리섬유의적층수가증가함에따라표면에서의발열온도가낮아지는것은유리섬유가탄소섬유에서표면으로방출시키는열을차단시키는역할을한다. 유리섬유의적층수가많아질수록방출되는열의양또한감소하여발포경질플라스틱에직접적인열전달을막아주고, 탄소섬유내의열전도특성이좋아질것이라유추된다. 탄소섬유의적층수, 함유량과탄소섬유위의유리섬유의적층수의조절에따라표면발열특성과열전도특성을조절할수있다. 사용용도에따라표면의온도와열전도특성의조절이가능하므로여러산업에 Fig. 4 Effect of number of laminated glass fiber

4 354 김윤해 이진우 박창욱 박수정 응용이가능할것이다. 서퍼보드의경우 X 2 의경우가가장적합한결과치를나타내었다. X 3, X 4 를제외한모든조건에서 40 이상의표면발열특성을나타내며, 발열과열전도특성을모두만족시키는값을나타내었다. 한편, 탄소프리프레그의적층수에따른온도변화를 T/T max 를이용하여온도상승률에따른그래프를 Fig. 6에나타내었다. 또한, Fig. 4의온도상승곡선을이용하여측정한데이터의최고온도의반에도달하는시간, 즉 t 1/2 로부터열확산계수를아래식을이용하여열확산계수를계산하였다 (Kim et al, 1999). (2) 이때, L은시편의두께이고, 단위는 mm 이다. Fig. 5는 X 0~X 4 까지의열확산계수 ( ) 를나타내었다. A시편은최고온도의반에도달하는시간이너무빠르기때문에 A시편을제외한시편에대한열확산계수를나타내었다. 모든시편에서유리섬유의적층수가많을수록열확산계수가커지는경향을보아, 유리섬유가표면으로방출되는열을감소시키고주위로열을전달하는데큰역할을한다고판단된다. 또한, 탄소섬유의적층수가많아질수록열확산계수가높아지는것으로보아방출되는양뿐만아니라주위로열을전달하는특성또한향상된다. Fig. 6에온도상승곡선과열확산계수 ( ) 를나타내었다. 유리섬유의적층없이탄소섬유만의발열특성을분석하였다. 열확산계수는 A (2장) 와 B (4장) 는 m 2 /s, m 2 /s 로비슷하게계산되었고, C (6 장 ) 와 D (8 장 ) 는각각 m 2 /s, m 2 /s으로계산되었다. 열확산계수가 C시편즉, 탄소프리프레그의적층수가 6장이상이되었을때, 열확산계수가급격히증가하여높은열전도도를가지고있다고할수있다. 온도상승곡선을고려하였을때, 약 180초 ( 약 3분 ) 까지온도상승률의기울기가높아지다가, 그이후점점온도상승률의기울기가낮아진다. Fig. 7에시편의온도와열확산계수가가장높은 D시편에대하여 T/T max 를이용하여온도상승률에따른그래프와각각의 Fig. 5 Thermal diffusivities of hybrid composites Fig. 6 Temperature profile on the front side of specimens and Thermal diffusivities of X0 Fig. 7 Temperature profile on the front side of D specimens and Thermal diffusivities of D specimens 열확산계수를나타내었다. 온도상승률은유리섬유가적층되지않은 D 0 를제외하면유리섬유의적층수가많을수록온도상승률이더높게측정되었고, 열확산계수또한높게나타났다. 이러한경향으로보아유리섬유는표면으로방출되는열을감소시키는대신주위로열을전달하는역할을한다는것을다시한번확인할수있다. 열확산계수는 D 2 에서급격히커졌다. 유리섬유가두장이상적층되었을때주위로의열을전달하는특성이강해졌다. Fig. 4 를보았을때 D 1 일때온도는많이올라갔지만, 온도상승률과열확산계수는굉장히낮은것을알수있다. 최고온도까지의온도상승률과열확산계수가상대적으로너무낮기때문에 D 1 즉, 유리섬유가한장적층된탄소섬유발열체를산업에응용하기에는어려울것으로판단된다. 반대로, D 2 는온도, 온도상승률, 열확산계수가모두고르게좋은특성을보이고있으므로유리섬유가 2장적층된탄소섬유발열체가다양한산업에응용하기적합한재료로판단된다.

5 서프보드적용을위한하이브리드복합재료의열적특성 결론본논문에서는서프보드의내부에서체온을유지하기위한발열특성을갖는탄소섬유와발포경질플라스틱재에게직접적인열전달을막아줄방열체인유리섬유를다양한방법으로적층하여, 탄소섬유의적층두께에따른발열특성및유리섬유의적층두께에의한방열효과를확인하여탄소섬유와유리섬유로구성된하이브리드복합재료의열적특성을평가하였다. (1) A, B, C, D는각각 m 2 /s, m 2 /s, m 2 /s, m 2 /s로계산되었다. 열확산계수가 C시편즉, 탄소프리프레그의적층수가 6장이상이되었을때열확산계수가급격히증가하였다. 탄소프리프레그의적층수가 6장이상이되었을때좋은열전도도를가지게된다. (2) 유리섬유를적층하지않은 A 0, B 0, C 0, D 0 시편의온도변화실험을통하여발열의온도가증가하는것을알수있었다. 이것은탄소섬유의적층수가증가하면서탄소의함유량이증가하고발열체내의비저항값이높아지기때문에발열온도가증가하게된다고볼수있다. (3) 유리섬유의적층수를 1~4장까지변화시켜방열특성을실험한결과, 유리섬유의적층수가많아질수록방열되는열의양이감소하여발포경질플라스틱에직접적인열전달을막아주고, 탄소섬유내의열전도특성이좋아질것으로판단된다. (4) 탄소섬유의적층수, 함유량과유리섬유의적층수의조절에따라표면발열특성과열전도특성을조절할수있으므로, 여러산업에응용이가능할것이다. 후기본연구는중소기업청에서지원하는 2013년도산학연협력기술개발사업 (No. C ) 의연구수행으로인한결과물임을밝힙니다. References Ahn, S.H., Ha, Y.S., Moon, C.K., Electrofusion Joining Technology for Polyethylene Pipes Using Carbon Fiber. Journal of Ocean Engineering and Technology, 27(5), Bae, K.Y., Lee, K.S., Kong, T.W., Chung, H.S., Jeong, H.Y., Chung, H.T., A Study on Application of Warm Air Circulator by Using the Carbon Heating Element with Particle Type. Jounal of the Korean Society for Power System Engineering, 7(4), Jang, S.J., You, Y.C., Kim, H.R., Yun, H.D., Effect of Glass Fiber-Reinforced Polymer (GFRP) Shear Connector s Shape on Inplane Shear Strength of Insulated Concrete Sandwich Panels. Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, 17(4), Jin, Z.H., Shim, K.J., Kong, T.W., Jeong H.M., Chung, H.S., A Study on the Temperature and Electrical Characteristics of Carbon Heater. Jounal of the korean society for power system engineering, 10(1), Jun, S.J., Study on the improvement of the resilient materials for noise reducing. Degree of master, Han Yang University, Seoul, Korea. Kim, H.Y., Kim, P.W., Hong, S.H., Kim, Y.C., Yeh, B.H., Jung, B., Analysis of Thermal Conductivities of Carbon/Phenolic and Silica/Phenolic Ablative Composites by Laser Pulse Method. Journal of composites research, 12(3), Kim, M.S., Kong, K.G., Kim, N.R., Park, H.W., O.Y. Park, Y. B Park, M. Y Jung, S. H Lee, S. G Kim, 2013, Experimental and Numerical Study of Heating Characteristics of Discontinuous Carbon Fiber-Epoxy Composites, Journal of composites research, 26(1), Lee, W.Y., Skin Temperature and Body Fluid Changes during a Distance Running in Different Ambient Temperatures. Degree of Doctor, Kook-Min University, Seoul, Korea. Ok, D.P., Effective of the Usage of Wetsuits and Its Impact to the Windsurfer's Body Temperature Changes to Prevent the Buildup of Fatige Chemicals Which can Lead to the Windsurfers' Muscle Fatigue and Injuries. Degree of Doctor, Busan University, Busan, Korea.

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14.531~539(08-037).fm G Journal of the Korea Concrete Institute Vol. 20, No. 4, pp. 531~539, August, 2008 š x y w m š gj p { sƒ z 1) * 1) w w Evaluation of Flexural Strength for Normal and High Strength Concrete with Hooked