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ANSYS를 이용한 플라스틱 성형 및 금형 시뮬레이션(4화)

ANSYS Polyflow 소개ANSYS Polyflow는 압출(Extru-sion) 해석, 압출기(Extruder) 해석 및 성형(Blow molding & Thermofor-ming) 해석, 그리고 필름 캐스팅(Film Casting) 해석 등의 고점도, 고분자 및 점탄성 유변물질에 대한 사출을 제외한 거의 대부분의 공정 해석을 위한 기능들을 제공한다. 또한 구조물에 대한 선형구조 및 연성해석 기능을 제공함으로써 공정상에 발생하는 구조물에 적용되는 복합적인 현상 구현을 가능하게 하여 보다 신뢰성 높은 결과를 얻게 해준다.ANSYS Polyflow 해석을 수행하여 제품에 대한 다양한 평가가 가능하고, 제품의 불량을 최소화 하거나 시제품 생산의 부담을 줄일 수 있다. 그림 1. ANSYS Polyflow 해석 사례ANSYS Polyflow를 이용한 압출기 해석일반적인 연속식 압출기는 단축(Single Screw) 또는 이축(Twin Screw) 압출기로 스크류의 형태 및 배열을 어떻게 설계하느냐에 따라 압출기의 성능이 결정된다. ANSYS Polyflow를 사용하면 해석을 통해 스크류의 형상과 배열 등의 다양한 조건에 따른 압출기의 성능을 미리 확인해볼 수 있다. 또한 기존에 설계된 압출기의 설계상의 문제를 확인할 수 있고, 압출기가 구동되는 동안 발생하는 스크류와 배럴(Barrel)의 구조적인 문제에 대한 부분도 확인이 가능하다. ANSYS Polyflow의 압출기 해석은 그림 2와 같이 단축과 이축 압출기 모두 적용이 가능하다. ANSYS Polyflow에서는 해석을 통해 스크류가 받는 압력, 온도와 전단응력 등을 확인할 수 있으며, 배럴 내부의 유체의 압력, 온도, 속도, 전단 등의 결과를 확인할 수 있다. 그림 2에서 보이는 것처럼 해석을 통해 설계가 잘못된 이축 압출기의 문제점을 파악하고 이를 개선할 수 있다. 그림 2. ANSYS Polyflow 압출기 해석 사례ANSYS Polyflow를 이용한 압출 해석압출기를 통해 공급된 원료가 금형(Die)을 통해 밀려나와 성형이 되는데, 이 과정에서 원료의 특성과 공정 조건에 따라 금형을 통과한 형상이 부풀거나 줄어드는 현상이 발생하게 된다. 이런 현상으로 인해 원하는 제품 형상으로 금형을 설계하면 최종 제품의 형상은 금형과 다른 형상을 얻게 된다. 이를 실험을 통해 개선 하려면 매번 금형을 새로 만들어야 하지만, 압출 해석을 이용하면 보다 쉽고 빠르고 효율적으로 제품의 최종 형상을 예측할 수 있다. 그림 3과 같이 ANSYS Polyflow는 Inv-erse Technique나 Co-Extrusion 등의 기능을 제공함으로써 제품의 최종 형상을 쉽게 예측하고 설계자가 원하는 제품 형상을 얻기 위한 금형설계를 가능하게 한다. 또한, 앞서 언급한 것처럼 ANSYS Polyflow는 선형 구조해석 기능을 제공하기 때문에 압출과정에서 발생하는 금형이 받는 응력에 대한 구조해석이 가능하다. 이를 통해 압출과정에서 발생할 수 있는 금형의 변형문제도 개선이 가능하다. 그림 3. ANSYS Polyflow 압출 해석 사례그림 4. ANSYS Polyflow 금형 최적 설계ANSYS Polyflow를 이용한 성형 해석ANSYS Polyflow는 압출관련 해석뿐만 아니라 다양한 성형문제에 대한 해석기능도 제공하고 있다. 블로우 성형(Blow molding), 압축 성형(Compression molding), 그리고 열성형(Thermoforming) 등의 다양한 성형해석 기능을 제공하고 있으며, ANSYS Workbench의 연성해석 기능을 통해 성형이 완료된 최종 형상과 두께를 ANSYS 구조해석으로 넘겨 최종 결과물에 대한 구조해석도 가능하다. 성형해석을 통해 최종 형상의 두께 분포와 미성형성을 확인할 수 있으며, 다양한 초기 파리손(Parison, preform) 두께 분포와 형상에 따른 최종 결과물의 두께분포를 예측하여 최적의 파리손 형상 및 양을 예측할 수 있다. 공정에 사용되는 파리손의 양을 줄이면 그만큼 생산단가를 줄일 수 있기 때문에 파리손의 양을 줄이기 위한 노력을 많이 한다. 하지만 무작정 파리손의 양을 줄이면, 최종 제품의 두께나 강도, 성형성 등의 기준을 만족할 수 없기 때문에 이를 만족할 수 있는 최적의 초기 파리손 형상과 양을 결정하는 것은 매우 중요하다. ANSYS Polyflow를 이용하여 최적의 초기 파리손 설계를 할 수 있고, 공정조건에 대한 부분도 최적화가 가능하기 때문에 성형공정에서 그동안 경험적으로 수행하던 업무들을 보다 정확하게 예측하여 수행할 수 있다. 그림 5. ANSYS Polyflow 성형 해석 사례그림 6. ANSYS Polyflow 블로우 성형 해석 과정그림 7. ANSYS Polyflow & ANSYS 구조 연성 해석맺음말이번 화에서는 ANSYS Polyflow 프로그램을 소개하고 이를 사용하여 유변물질의 압출과 성형에 대한 해석적 접근방법 및 가능성을 확인해보았다. 사출해석은 프로그램들도 비교적 다양하고, 해석도 많이 진행되고 있지만 그에 반해 압출 및 성형 해석은 많이 수행되고 있지 않다. 압출이나 성형 공정에 대한 해석적인 접근과 다양한 사례가 늘어나길 기대한다.

이용우 2018-05-09

최신 복합소재 기술 동향 (I)

JEC WORLD 2018 참관Ⅰ. 서론프랑스 파리에서 개최된 JEC WORLD 2018는 세계적으로 복합소재를 개발 생산하거나 부품화하는 기업들의 ‘교류의 장’으로 자리 잡고 있다. 2017년부터 한국에서 JEC ASIA를 개최하면서 국내 복합소재 기술 관련자들의 관심이 더욱 커지고 있다. 이번 JEC WORLD에서는 복합소재의 원재료 및 제조공정, 그리고 부품화를 위한 기술 및 장비가 소개되어 전 공정에서의 기술개발 흐름을 파악할 수 있는 기회를 제공했다.

이용우 2018-05-08

1% 전해액 첨가제의 매직, 리튬배터리 성능 책임진다

- 최남순·홍성유 에너지 및 화학공학부 교수팀, 양·음극 모두 보호하는 첨가제 원천기술 개발- 에너지 밀도 높고 수명 긴 리튬이온배터리 실현 가능… EES 표지논문 선정리튬이온배터리의 용량 한계를 뛰어넘을 기술이 나왔다. 에너지 밀도가 높은 실리콘계 음극 물질을 사용할 때의 단점을 해결할 ‘전해액 첨가제(Electrolyte additive)’ 기술이다. 새 첨가제를 1% 더하면 기존보다 오래 쓰고, 한 번에 많은 힘을 내는배터리가 된다.최남순·홍성유 에너지 및 화학공학부 교수팀은 리튬이온배터리의 한계(고전압, 고용량)를 극복할 수 있는 ‘전해액 첨가제’ 기술을 개발했다. 이 결과는 ‘에너지 및 환경과학(Energy & Environmental Science, EES)’ 4월 6일자 온라인판에 발표됐으며, 중요성을 인정받아 표지논문(Back Cover)으로도 선정됐다.

이용우 2018-05-08

코오롱플라스틱, 고강성 경량화 열가소성 복합소재 ‘KompoGTe® Hybrid Woven Sheet’ 개발

코오롱플라스틱의 KompoGTe®가 Portfolio의 다양화를 통해 한층 더 성장코오롱플라스틱의 KompoGTe®는 고강성 경량화 열가소성 복합소재로써 크게 LFT, UD Tape, Laminated Sheet, Woven Sheet로 분류되는 다양한 종류의 중간재 Portfolio를 가지고 있다.LFT는 Long Fiber reinforced Thermoplastic의 약자로, 베이스 Resin에 다양한 종류의 열가소성 수지와 강화 섬유를 함침시켜 일정한 길이로 커팅된 펠릿 형태를 가지는 소재이며, 기존의 컴파운딩 공정에서 생산되는 섬유 강화 플라스틱 소재(SGF)(~2㎜)에 비해 잔존 섬유의 길이가 길어(10~12㎜) 높은 물성을 나타내는 장점을 가지고 있다.

이용우 2018-05-08

탄소섬유강화 복합재(CFRP) 재활용 기술 동향

자료제공 : 소재종합솔루션센터(www.matcenter.org), 화학소재정보은행(www.cmib.org) 지식정보 심층보고서Ⅰ. 기술적 개요 자동차, 선박, 항공, 우주 분야에서는 기존의 철강, 알루미늄 등의 금속소재를 대체하기 위한 신소재 개발이 끊임없이 진행되어 왔다. 그 중 탄소섬유강화 복합재(CFRP)는 가벼우면서도 높은 내구성 및 기계적 특성을 지녀 가장 주목 받는 신소재 중 하나로써 그 사용 분야가 점차 확대되고 있다.특히 자동차 분야에 있어서 환경 문제가 점차 대두됨에 따라 세계 각국에서 자동차의 연비나 이산화탄소 배출량을 규제하려는 움직임이 일어나고 있다. EU의 경우 2012년부터 이산화탄소의 평균 배출량을 120g/km 이하로 규제하고 있으며, 일본의 경우 2015년부터 16.8km/L 이상의 연비를 갖도록 규제하고 있다. 우리나라의 경우에도 2015년부터 연비 17km/L 이상, 이산화탄소 배출량 140g/km 이하 등의 규제를 실시하기 시작했다. 이러한 움직임에 발맞추어 이제는 자동차의 연비를 높이고 이산화탄소 배출을 줄이기 위해 차체를 경량화하는 것이 필수과제가 되었다.이에 따라 여러 자동차 제조사들이 2020년까지 차체 무게를 20~30% 감량할 것을 목표로 삼았다. 현재 국내에서 일반 승용차 차체에 사용되는 재료의 약 75%가 철강, 특수강, 알루미늄 등의 금속 소재인데, 이를 점차 CFRP로 대체함으로써 차체를 경량화하면서 기계적 강도 등은 유지하려는 개발이 진행되고 있다. CFRP를 사용할 경우, 알루미늄대비 약 30%, 철강대비 약 50%의 경량화 효과를 얻을 수 있으므로 차체를 크게 경량화하여 연비를 향상시키고 이산화탄소 배출량을 감소시킬 수 있다.그림 1. CFRP 도입을 통한 차체 경량화출처 : Hexel사탄소섬유 시장은 매년 20% 내외로 성장하고 있으며, 2020년 세계시장 규모는 약 5조 원, 사용량은 약 14만 톤에 이를 것으로 예상된다. 또한 CFRP 시장은 탄소섬유 시장의 약 10배 규모로, 2015년 기준 사용량 9만 톤과 세계시장 규모 21조 원을 기록했으며, 2020년에는 약 18만 톤의 사용량과 42조 원의 규모로까지 성장할 것으로 예측되고 있다. 또한 현재 주로 사용되는 자동차, 항공기 이외에도 의료기기, 건축재료, 산업용 케이블, 전자제품 등의 신규 용도가 지속적으로 창출될 것으로 보여 시장의 성장세는 더 가파를 것으로 예상된다.그림 2. CFRP 시장 예측(좌) 사용량(우) 시장 규모출처 : Lux Research ReportCFRP의 기지재 플라스틱으로는 PEEK와 같은 열가소성 수지나 불포화 폴리에스테르, 페놀수지, 에폭시수지와 같은 열경화성 수지가 주로 사용된다. 그 중에서도 에폭시수지는 점도가 낮고 탄소섬유와의 상용성이 좋으며, 내열성이나 기계적 특성 역시 우수하기 때문에 가장 널리 사용되고 있다.그러나 건식공정을 통해 간단하게 기지재와 탄소섬유를 분리하여 재활용할 수 있는 열가소성 수지와 달리, 열경화성 수지의 경우 한번 경화되고 나면 기지재와 탄소섬유를 분리해내기 매우 어렵다는 단점이 있다. 따라서 열경화성 수지를 사용한 CFRP는 수명이 다한 뒤에는 산업폐기물로 취급되어 주로 매립 형태로 처리되고 있다. 이러한 형태의 처리는 탄소섬유의 재활용이 불가능하고, 매립에 막대한 비용이 소요되며, 지구 환경에도 많은 부담을 주게 된다는 문제점이 있다. 또한 탄소섬유를 새로 생산하려면 알루미늄의 2배, 철강의 10배 이상의 많은 비용이 필요하며, 생산 공정 중에도 이산화탄소 등의 많은 오염 물질을 배출하게 된다.이러한 환경 및 경제적 이유로 인해, CFRP로부터 기지재를 분해함으로써 탄소섬유를 회수하여 재활용하려는 기술의 중요성이 확대되고 있다. 예를 들어 EU는 2008년 11월에 발표한 “The New Waste Framework Directive”에서 CFRP 폐기물의 매립을 금지하고 재활용하도록 하며, 환경오염에 있어서 폐기물 생산자의 책임범위를 확대하겠다고 발표했다. 이에 따라 국내 업체들이 유럽에 진출할 경우, 이러한 규제에 대응하기 위한 재활용 기술을 확보할 필요가 있다. 하지만 현재 95% 이상의 재활용 기술을 보유 중인 유럽이나 일본 업체들과 달리, 국내 업체의 재활용 기술보유 수준은 약 60% 정도로 평가되고 있다. 그림 3. EU가 2008년 발표한 “The New Waste Framework Directive”출처 : RecyctecTM II. 기술 및 시장 현황 1. 기술개발 동향 상기 언급한 환경적, 경제적 이유로 CFRP로부터 탄소섬유를 회수하여 재활용하기 위한 여러 방법들이 발표되었다. 현재까지 발표된 방법들은 크게 ①열분해와 ②화학적 분해로 나눌 수 있다. 그러나 이러한 방법들은 기지재의 분해공정 중에 생성되거나 미 분해된 불순물들이 탄소섬유 표면에 남게 되거나, 탄소섬유 자체가 분해공정 중에 변성하는 문제점이 있는 것으로 알려져 있다. 이에 따라 신규 제조된 탄소섬유대비 회수된 탄소섬유의 물성이 저하되어, 회수된 탄소섬유의 사용분야가 제한적이라는 문제점이 있다. 또한 분해공정의 친환경성이나 경제성이 아직 충분히 확보되지 못했다는 문제점 또한 가지고 있다.그림 4. 현재까지 발표된 CFRP 재활용 방법의 종류질소나 공기 환경 하에서 CFRP를 열분해(Pyrolysis)하는 방법은 다른 부재료가 필요하지 않고, 공정이 간단하기 때문에 높은 경제성을 지녀 현재 양산단계에 있어서 가장 널리 사용되는 방법이다. 이러한 열분해방법을 통해 분해된 기지재의 일부를 원료로 재활용하려는 연구가 일부 진행되고는 있지만, 아직까지는 열분해로 인해 기지재로부터 발생하는 폐기물, 특히 이산화탄소와 다이옥신 다량 발생 등의 환경문제가 지적되고 있다. 또한 고온 조건으로 인해 탄소섬유 표면의 변성이 발생하거나, 탄소섬유 표면에 폐기물이 흡착되거나 하는 현상이 발생하여 회수된 탄소섬유의 물성이 크게 저하되는 단점이 있다.2004년 Lester 등은 질소 중에서 3kW의 마이크로파를 8초간 조사함으로써 에폭시 수지를 열분해하고, 약 28%의 인장강도 저하만 나타내어 탄소섬유를 회수할 수 있음을 보고한 바 있다.2009년 Meyer 등은 회수된 탄소섬유의 표면변화와 물성저하를 최소화할 수 있는 열분해 조건에 대해 연구한 결과, 질소 중에서는 약 380℃부터 600℃까지의 구간에서 에폭시 수지의 열분해가 진행되어 약 19%의 폐기물이 남게 되고, 공기 중에서는 약 310℃부터 580℃까지의 구간에서 에폭시 수지가 완전히 사라지는 결과를 발표했다. 또한 공기 중에서는 약 600℃로부터 탄소섬유 표면의 산화반응이 시작되어 회수된 탄소섬유의 기계적 강도가 저하되므로, 질소 중에서 550℃로 2시간 가열한 뒤 200℃까지 냉각시킨 후, 다시 550℃로 열분해하는 방법이 탄소섬유의 물성 저하를 최소화할 수 있다는 결과를 보고하였다.그림 5. 열분해 온도 및 분위기에 따른 탄소 섬유 표면의 변화를 관찰한 주사전자현미경 사진출처 : Journal of Composite Materials유동상식 소각 분해법(Fluidized bed)은 이산화규소를 450℃이상으로 가열하여 유체화 시킨 뒤, 그 안에서 CFRP를 탄소섬유와 기지재로 분리하여 탄소섬유만을 선택적으로 회수하는 방법이다. 기존의 열분해방법보다 환경오염 물질을 적게 배출하고, 높은 순도의 탄소섬유 및 기지재를 회수할 수 있다는 장점이 있지만, 이 방법을 사용하기 위해서는 CFRP를 2.5cm 길이 이하로 잘게 분쇄해야 하고, 결과적으로 회수된 탄소섬유의 길이 역시 짧을 수밖에 없기 때문에 탄소섬유의 재활용 가능분야가 제한적일 수밖에 없다는 단점이 있다. 그림 6. 유동상식 소각 분해법의 공정도출처 : Composite: Part A초임계유체 분해법은 액체와 기체의 구분이 사라지는 임계점(Critical point) 근처 혹은 이상의 온도 및 압력을 가하여 초임계유체화한 용매를 이용하여 기지재를 녹여내는 방법으로, 공정속도가 빠르고 물이나 알코올 등의 값싼 용매를 사용할 수 있기 때문에 경제적이면서 친환경적이라는 장점이 있으나, 고온 및 고압을 견딜 수 있는 설비 제조에 많은 비용이 소요되기 때문에 부가가치가 높지 않은 폐기물 재활용 공정에 적용하기에는 아직 어려움이 있어, 실용화 단계에 도달하기는 어려울 것으로 알려져 있다. 2008년 Pinero-Hernanz 등은 400℃, 270기압의 초임계수를 이용하여 약 15~30분 만에 CFRP의 에폭시수지를 분해하고, 약 3~12%의 인장강도 저하만을 나타내 탄소섬유를 회수할 수 있음을 발표하였다. 특히 초임계수 대신에 초임계 수산화칼륨 수용액을 이용하면 공정 속도를 더욱 빠르게 할 수 있고, 탄소섬유의 표면변화 역시 최소화할 수 있다는 결과를 보고했다.그림 7. 초임계 수산화칼륨 수용액을 이용하였을 때의 탄소섬유 표면 변화를 관찰한 주사전자현미경 사진출처 : Composites: Part A상기 언급한 열분해법, 유동상식 소각 분해법, 초임계유체 분해법은 모두 고온 및 고압의 조건을 요하므로, 설비제조가 어렵고 분해공정에 따른 탄소섬유의 성질 변화를 피하기 어렵다는 단점을 지니고 있다. 이를 개선하기 위해 온화한 조건에서 진행할 수 있는 여러 화학적 분해법이 활발히 연구되고 있다.2004년 Liu 등은 질산 수용액을 이용하여 CFRP의 에폭시수지를 분해하고 약 3~13%의 인장강도 저하만 나타내 탄소섬유를 회수할 수 있음을 발표했다. 이 방법의 경우, 1기압에서 100℃이하의 매우 온화한 조건으로 에폭시수지를 분해할 수 있다는 장점이 있지만, 공정시간이 17시간 이상으로 매우 길고, 강산성의 질산을 사용하기 때문에 탄소섬유 표면에 화학적 변화가 발생할 수 있다는 단점이 있다.- 투명전극용 소재의 요구 특성 : 투과율(@550nm)≥80%(Base film 투과도 100% 기준), 면저항≤103Ω/sqm, 균일도≥99%, 내굴곡성 직격 10.0mm(Bending test 10,000회 후, 면저항 값 동일), 패턴 정밀도≤2㎛그림 8. 질산 수용액을 이용하여 회수한 탄소섬유의 표면 변화를 관찰한 주사전자현미경 사진출처 : Journal of Applied Polymer Science2014년 Shibata 등은 200℃에서 10시간동안 인산칼륨과 벤질알코올을 이용하여 CFRP로부터 약 27%의 인장강도 저하를 나타내며 탄소섬유를 회수할 수 있음을 발표했다. 이 방법의 경우, 1기압에서 에폭시수지를 분해할 수 있고, 독성이 낮은 인산칼륨과 벤질알코올을 이용한다는 장점이 있지만, 에스테르 교환반응을 통한 분해가 일어나기 때문에 산무수물 경화제를 이용한 CFRP 이외는 분해할 수 없고, 회수된 탄소섬유의 물성 저하 역시 크다는 단점이 있다.그림 9. 인산칼륨과 벤질알코올을 이용한 에폭시 수지 분해 반응 출처 : Hitachi Technical Report2012년 Li 등은 아세톤과 과산화수소가 반응하여 발생하는 Triacetone triperoxide를 이용하여 CFRP의 에폭시수지를 분해하고 약 5~13%의 인장강도 저하를 나타내 탄소섬유를 분리할 수 있음을 발표했다. 특히 CFRP를 분해하기 전에 초산으로 팽윤시킴으로써 분해공정시간을 크게 단축시킬 수 있다는 결과를 보고했다. 이 방법의 경우, 1기압, 80~120℃의 온화한 조건으로 분해공정을 진행할 수 있다는 장점이 있으나, 반응제로 작용하는 Triacetone triperoxide가 화학적으로 민감하여 다루기 어렵다는 단점이 있다.그림 10. 아세톤과 과산화수소를 이용한 CFRP의 분해출처 : Green Chemistry현재 한국과학기술연구원(KIST)에서는 무기염을 이용하여 CFRP 내의 에폭시수지를 분해하고 탄소섬유를 회수하는 방법 개발을 위한 연구를 수행하고 있다. 이 방법의 경우, 상기 질산이나 Triacetone triperoxide과 같이 높은 반응성으로 인해 다루기 어려운 화합물이 아닌, 상대적으로 취급이 용이한 무기염과 물을 사용하여 공정 환경을 크게 개선하였다. 또한 60~120℃, 상압~5기압의 온화한 조건으로 분해공정을 진행할 수 있으며, 공정시간 역시 2~4시간 내외로 짧아 높은 경제성을 확보할 수 있다. 회수된 탄소섬유의 기계적 강도 저하는 약 13% 이하로, 기존의 분해방법들과 비교했을 때 낮거나 비슷한 수준을 나타낸다. 특히 CFRP의 분쇄가 필요 없고 분해공정 조건이 온화하기 때문에, CFRP 내부에 함침된 탄소섬유의 본래 형태를 거의 그대로 유지하면서 회수할 수 있다는 장점이 있어, 단순한 재활용이 아니라 Repair 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다. 그림 11. KIST에서 개발 중인 CFRP 분해 과정 및 회수된 탄소 섬유2. 시장 전망Toray, Toho Tenax, Mitsubishi Rayon 등 일본 탄소섬유 업체들로 이루어진 탄소섬유협회가 2011년부터 수명이 다한 CFRP를 잘게 분쇄하여 열분해한 뒤 회수된 탄소섬유를 콘크리트 보강재로 사용하는 재활용 플랜트를 가동하기 시작했다. 해당 플랜트는 2020년까지 연간 2,000톤 규모로 탄소섬유 재활용을 진행하려는 계획을 세우고 있다.영국의 ELG Carbon Fibre사, 이탈리아의 Karborex사, 독일의 CFK Valley사, 미국의 Material Innovation Te-chnologies사, Adherent Technologi-es사 등에서도 열분해를 이용한 CFRP 재활용 사업을 전개하고 있으며, 각각 연간 2천, 1천, 1천, 2천 200, 400톤 규모의 처리능력을 보유하고 있는 것으로 알려져 있다.일본의 Hitachi사에서는 앞서 얘기한 인산칼륨과 벤질알코올을 이용한 화학적 분해법으로 CFRP 재활용 사업을 진행 중에 있으며, 현재 연간 200톤 규모의 처리능력을 보유하고 있다고 한다.한국과학기술연구원(KIST) 의 경우, 현재 개발 중인 CFRP 분해방법을 이용해 연간 200톤 규모로 탄소섬유를 재활용할 수 있는 기술을 개발하려는 계획을갖고 있다. III. 기술적 효과 및 전망 자원고갈의 위기 및 지구온난화 문제가 Global Agenda로 부각되고 있으며, 전 세계적으로 이를 해결하기 위한 대책이 강구되고 있다. 일례로 2007년 12월 인도네시아 발리에서 이루어진 제13차 기후변화협약 당사국 회의에서 채택된 발리 로드맵에 따르면, 2050년까지 전 세계의 온실가스 배출량을 2000년대비 50% 삭감하고, 각국의 구체적인 배출량 및 감축상황을 보고해야 한다. 이러한 환경관련 전 세계적 인식강화는 자동차나 항공분야에 큰 영향을 끼치게 될 것이 자명하며, 특히 소재 경량화에 유리한 CFRP는 미래 환경기술시장으로 급부상하여 거대 블루오션 시장으로 확대될 전망이다.그러나 CFRP가 본격적으로 산업분야에서 기존의 금속재료를 대체하기 위해서는 높은 제조비용과 폐기물 처리비용의 단점을 반드시 개선해야만 한다. 예를 들어 2013년 Kim 등은 차체의 일부를 CFRP로 만드는데 드는 비용과 이렇게 만들어진 자동차의 연비 및 이산화탄소 배출량을 고려한 전 과정 평가(Life Cycle Assessment, LCA)를 실시한 결과, 아직까지 차체의 일부 재료로 CFRP를 사용하여도 에너지소비 측면에서 예상보다 크게 개선되지 않고, 이는 CFRP 제조에 소비되는 에너지가 철강대비 4배가량 높고 재활용 비율이 거의 존재하지 않는 것이 주된 이유임을 보고한바 있다.그림 12. 자동차 재료변경의 전 과정평가 결과 Normalized Primary Energy가 1.0이상일 경우 재료변경이 에너지 상 유리하고, 1.0이하이면 기존의 철강재료를 사용하는 것이 유리함출처 : Environmental Science & Technology따라서 이러한 단점을 개선하기 위한 CFRP의 효율적 재활용방법 개발은 필수적이라 할 수 있으며, 만약 효율적인 재활용방법이 개발된다면 빠르게 시장이 형성될 것으로 전망된다. 또한 단순히 CFRP 재활용 시장이 형성되는 것뿐만이 아니라, 이로 인한 CFRP 사용의 증가로 탄소섬유 시장 전체가 더욱 급속하게 성장할 가능성이 충분하다. 예를 들어 비교적 고도의 물성을 요구하지 않는 건축용 보강재나 자동차 또는 항공기의 내장재 등에 탄소섬유를 사용하는 것은 지금까지는 탄소섬유의 높은 가격으로 쉽게 생각하기 어려웠으나, 만약 수명이 다한 CFRP로부터 저가의 탄소섬유를 재생산할 수 있게 된다면 이러한 분야에도 보다 쉽게 탄소섬유를 사용할 수 있게 되어 탄소섬유의 사용분야가 극적으로 확대될 수 있으리라 예상할 수 있다.현재까지 개발된 다양한 CFRP의 재활용 방법들은 낮은 경제성, 회수된 탄소섬유의 질적 저하 등의 문제점을 지니고 있어, 앞으로의 기술개발에 있어 이러한 단점들을 개선하는 것이 가장 중요하다 하겠다.

이용우 2018-04-05

ANSYS를 이용한 플라스틱 성형 및 금형 시뮬레이션(3화)

3화 : ANSYS를 이용한 적층형 복합재 해석 및 멀티스케일 해석1. 복합재료의 정의 및 분류복합재료는 두 가지 이상의 재료가 혼합되어 물리적/화학적으로 서로 다른 상(phase)을 유지하면서 보다 뛰어난 물성을 나타내는 재료를 말한다. [그림 1]과 같이 강화재의 구조에 따라 섬유강화 복합재료(Fiber Reinforced Composite), 입자강화 복합재료(Par-ticulate Reinforced Composite)로 구분되며, 강화재의 종류에 따라서도 구분된다. 복합재료는 일반적인 등방성 재료와 다르게 해석에서 고려해야 할 중요한 항목들이 몇 가지 있다. 그중 하나가 재료의 방향성으로, 등방성 재료는 외부에서 적용되는 하중의 방향과 관계없이 동일한 강성을 나타내지만, 복합재료의 경우에는 하중의 방향에 따라 재료의 강성이 다르게 나타난다. 이러한 이유로 복합재료를 구조물에 적용하여 해석하는 것은 매우 까다롭고 어려운 작업이 될 수 있어 전용 프로그램을 사용하여 해석을 수행하는 경우가 많다.그림 1. 복합재료의 분류 출처 : ANSYS ACP 교육 자료2. 섬유강화 복합재료에 대한 적층형 복합재료 해석 프로그램 소개A. 섬유강화 복합재료섬유강화 복합재료는 섬유의 길이에 따라서 짧은 섬유강화 복합재료(Short Fiber Reinforced Composite)와 긴 섬유강화 복합재료(Long Fiber Rein-forced Composite)로 구분된다. ● 짧은 섬유강화 복합재료(Short Fiber Reinforced Composite)보통 짧은 섬유강화 복합재료는 해석적으로 접근하기가 쉽지 않다. 이유는 짧은 섬유 자체를 단일한/일정한 방향으로 배향시켜서 사용하기보다는 구조물에 무작위로 위치시켜 구조물을 제작하는 경우가 많은데, 해석을 위해 이러한 섬유의 배향성을 데이터화 시키기가 어렵기 때문이다. 그래서 보통은 섬유가 구조물에 충분히 균일하게 분포되어있고, 배향성이 랜덤하다고 가정하여 일반 금속재료와 같이 등방성으로 해석을 수행한다. 또는 사출공정으로 제작된 구조물의 경우에는 사출해석 프로그램을 사용하여 얻은 섬유배향 결과를 사용하여 해석을 수행하는 방법도 있다. (핸들러 3월호에 게재된 “2화 : ANSYS를 이용한 플라스틱 성형 및 금형 시뮬레이션” 참고)● 긴 섬유강화 복합재료(Long Fiber Reinforced Composite)긴 섬유강화 복합재료는 짧은 섬유강화 복합재료와 마찬가지로 섬유를 랜덤하게 배치하여 구조물을 제작할 수도 있지만, 대부분은 [그림 2]와 같은 시트(Layer, Lamina) 형태를 적층하여 사용한다. 이를 적층형 복합 재료라고 한다.그림 2. 적층형 복합재료의 구성적층형 복합재료를 해석으로 접근하기 위해서는 구조물에 적용되는 위치별 Layer의 개수, 두께, 적층 각도, 적층 순서를 알아야 한다. 단순 평판 형태의 복합재료인 경우, 이러한 정보를 정의하여 해석을 수행하기에 어려움이 없다. 문제는 곡면이 많은 구조로 제작된 적층형 복합재료의 경우로, 위치별 적층 정보를 적용하기가 쉽지 않다. ANSYS에서는 적층형 복합재료에 대한 해석을 쉽게 수행하기 위해 전용 프로그램인 ACP(ANSYS Composite PrepPost)를 사용하여 해석을 수행한다. B. 적층형 복합재료 해석 프로그램 소개ACP는 복합재료 해석에서 정의하기 까다로웠던 문제점들을 더욱 쉽고 편리하게 해결할 수 있도록 여러 기능을 제공한다. 특히 파이썬 스크립트(Python-Script)를 기반으로 프로그램되었기 때문에 계산 속도가 빠르고, 적층 정의의 모든 과정 및 후처리 부분을 자동으로 처리할 수 있다. [그림 3]과 같이 Workbench 환경에서 구조해석 시스템의 앞과 뒤에 각각 ACP(Pre)와 ACP(Post)를 구성하여 해석을 수행한다. 복합재료의 해석을 수행하기 위해 먼저 ACP(Pre)에서 복합재료의 적층을 정의하고, ACP(Pre)와 연결된 구조해석 시스템에서 경계조건 및 하중조건을 적용하여 해석을 수행한다. 해석 수행 후에 ACP(Post)에서 복합재료의 응력 분포 및 변형, 그리고 복합재료 파괴이론을 적용한 파손 등을 확인할 수 있다. 즉, ACP(Pre)와 ACP(Post)로 각각 구분하여, 전처리 기능과 후처리 기능을 시스템으로 나누어서 설정한다.그림 3. ACP 시스템 구성먼저 ACP(Pre)는 복합재료의 적층 정보를 정의하는 전처리 시스템이다. [그림 4]와 같이 여러 기능을 통해 모델의 형상 및 위치에 따라 적층 방향, 적층 각도들을 설정하고 확인하는 것이 쉽게 되어 있다. 또한 [그림 5]와 같이 적용된 재료의 순서 및 두께, 방향별 강성 확인이 가능하고 모델의 특정 영역을 설정하여 영역마다 데이터를 다르게 설정할 수 있는 다양한 옵션들을 제공한다. 그림 4. 복합재료 적층 방향 설정 및 확인그림 5. 복합재료 적층 정보 및 영역 설정ACP(Post)를 통해서 복합재료에 특화된 후처리 기능들을 사용할 수 있다. 복합재료에 대한 구조해석 수행 후, 구조물의 안정성을 평가할 때, 이를 위해서는 구조물에 발생하는 응력이나 변형율을 재료의 방향별 허용 응력, 허용 변형율과 비교해야 한다. ACP(Post)는 [그림 6]과 같이 구조물의 결과를 확인할 때 각 방향별로 응력을 확인할 수 있다. 복합재료는 물성뿐만 아니라 재료의 강도 또한 이방성으로 각각의 적층 각도에 맞춰서 결과를 확인해야 한다. 또한 [그림 7]과 같이 ACP(Post)에서는 원하는 요소의 두께 방향으로 결과를 확인하는 것이 가능하여 각각의 단면 정보와 함께 다양한 결과를 나타낼 수 있다. 그림 6. Layer의 응력 분포 결과그림 7. 두께 방향 결과 확인ACP(Post)의 가장 큰 장점은 복합재료 파손이론을 적용하여 결과를 확인할 수 있는 점이다. [그림 8]과 같이 원하는 항목의 파손이론을 선택하여 결과를 확인할 수 있다. 각각의 요소에 대해 파손을 확인할 수 있으며 요소마다 나타나는 텍스트로 파손 Layer와 파손 모드를 알 수 있다.그림 8. 복합재료 Failure Criteria 결과적층형 복합재료의 경우에는 재료의 방향성 등으로 인해 그 파손형태가 등방성 재료의 파손 양상과 다르게 나타난다. 그러므로 일반적으로 적용되는 등방성 재료를 기준으로 하는 파손이론들을 복합재료에 사용하여 평가하는 것은 적합하지 않다. 이를 위해 ACP(Post)에서 복합재료에 적합한 파손이론을 기준으로 복합재료를 평가할 필요가 있다.3. 입자강화 복합재료에 대한 멀티스케일 해석 프로그램 소개A. 입자강화 복합재료입자강화 복합재료는 입자 형상의 재료가 강화재료로 사용되어 다른 기지재료에 분산된 것을 말한다. 입자의 모양과 크기는 다양하게 구형, 타원형, 다면체, 또는 불규칙적인 형상을 가지고 있다. 이러한 입자강화 복합재료를 해석하는 방법은 다음과 같다. ▪ 첫 번째, 입자를 직접 모델링하여 해석하는 방법▪ 두 번째, 일반 금속과 같은 등방성 재료로 해석하는 방법▪ 세 번째, Homogenization 해석을 통한 등가물성을 사용하여 해석하는 방법첫 번째 방법은 랜덤하게 분산된 입자들을 직접 모델링하여 해석하는 방법이다. 기지재, 강화재에 대한 물성을 각각 적용하여 모델링된 볼륨을 직접 해석한다. 이 방법의 장점은 정확도 높은 결과를 도출할 수 있다는 점이다. 단점은 입자 모양 및 입자 분산 정도를 직접 모델링하고 배치해야 하는 어려움이 있으며, 격자 생성 시에 과도한 수가 사용되어 해석시간이 매우 길게 소요될 수 있다. 또한 각각의 물성을 따로 알고 있어야 하는데, 문제는 복합재의 특성상 각 재료의 합이 계면의 특성에 따라 구조 강도가 크게 달라질 수 있는 점이다.(복합재료의 강도가 각 재료의 강도보다 계면의 강도가 약할 경우, 재료가 매우 취약해짐)두 번째 방법은 입자가 충분히 작고 균일하게 구조물 내에 분포하고 있다고 가정하여 해석하는 방법이다. 일반 금속재료와 같이 등방성 물성을 적용하여 해석을 수행한다. 이 방법의 장점은 입자 모델링이 필요 없어 적은 격자 수로 쉽게 해석 수행이 가능하다. 단점은 입자가 크거나 분산 밀도가 다르거나 균질하지 않을수록 정확도가 매우 떨어진다는 것이다. 세 번째 방법은 단위모델을 생성하여 등가물성을 얻어 해석에 사용하는 방법이다. 직접 단위모델을 생성하여 등가모델을 계산할 수도 있으며, 이를 위한 전용 프로그램이 존재한다. 전용 프로그램을 사용하면 직접 입자를 모델링 하거나 배치할 필요 없이 모양, 크기, 분포 정도만 설정하면 프로그램이 자동으로 쉽게 단위모델에 대한 등가물성을 추출해준다. ANSYS에서는 CMAS (Cybernet Multiscale Analysis Sys-tem) 프로그램을 사용하여 멀티스케일 해석을 통한 등가물성을 계산할 수 있다. B. 멀티스케일 해석 프로그램 소개CMAS(Cybernet Multiscale Ana-lysis System)는 복합재료, 다공성 물질, 반복적인 미세패턴 형상의 기계적 물성 정보를 유한요소해석으로 쉽게 구할 수 있게 하는 프로그램이다. CMAS를 사용하여 해석을 진행하는 과정은 [그림 9]와 같이 크게 4단계로 구분된다. 그림 9. 멀티스케일 해석 흐름도1) Micro Model 생성 : 물성을 구하기 위한 단위 셀(Micro Model)을 모델링하는 단계이며, CMAS에서는 이를 Micro Model 생성이라고 표현한다. CMAS는 [그림 10]과 같이 7가지 모델에 관한 라이브러리를 제공하고 있다. 라이브러리에서 제공하지 않는 형상의 경우 추가적으로 사용자가 직접 관련 형상을 만들어 사용할 수도 있다.그림 10. Micro 모델 라이브러리2) Homogenization 해석 :Micro Model의 모델링이 완료된 후, ANSYS에서 Numerical material testing을 실시하여 이방성 등가물성을 추출할 수 있으며, 이를 Homogenization 해석이라 한다. 이 해석을 통해 입자강화 복합재료뿐만 아니라, 무작위로 분산된 짧은 섬유강화 복합재료에 대한 등가물성을 얻을 수도 있다. 3) Macro Model 해석 : 추출한 등가 물성을 거시적 모델에 적용한 후 전체 모델의 거동에 관한 해석을 수행하여 구조적 특성을 파악할 수 있으며, 이를 Macro Model 해석이라고 한다. [그림 11]은 Macro Model과 Direct Model의 해석 수행 시간을 비교한 것이다. 다공성 재료에 대한 해석에서 등가물성을 사용한 Macro Model의 경우 Hole의 개수와 관계없이 해석시간이 일정한 것을 알 수 있다. 반면에 Direct Model은 Hole의 개수가 많아질수록 형상을 표현하기 위해 격자 수가 늘어나게 되면서 Hole의 개수가 2,205개일 때는 약 300배 이상 차이가 나는 것을 확인할 수 있다.그림 11. Macro Model과 Direct Model 해석 시간 비교4) Localization 해석 :거시적 모델의 결과에서 특정 미소영역 부분의 단위셀 거동을 따로 추출하여 결과를 분석할 수 있는 Localization 방법도 제공하고 있으며, 이를 Localization 해석이라고 한다. [그림 12]는 Macro Model의 결과를 사용하여 단위 셀의 결과를 따로 확인한 것이다. 그림 12. Macro Model과 Direct Model 해석 결과 비교[그림 12]를 보면 앞서 언급한 것처럼 입자가 상대적으로 너무 크거나 분산 밀도가 달라 균질하지 않을 때에는 Direct Model보다 정확도가 떨어지지만, 충분히 입자가 작고 일정한 분산 밀도를 가진 모델에서는 오차가 크게 줄어드는 것을 알 수 있다. 맺음말이번 화에서는 복합재료에 대한 소개 및 ANSYS에서 수행하는 적층형 복합재료 해석 프로그램인 ACP(ANSYS Composite PrepPost) 및 멀티스케일 해석이 가능한 CMAS(Cybernet Multi-scale Analysis System) 프로그램을 소개하였다. 이어서 연재될 4화에서는 “ANSYS Polyflow를 이용한 압출 및 성형(Blow Molding & Thermoforming)해석”이란 주제로 플라스틱 압출 및 성형해석에 대한 프로그램을 소개할 예정이다. * 원고에 사용한 이미지는 ANSYS ACP 교육 자료 및 Cybernet CMAS 자료를 참고하였음.

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Ⅰ. 서론○ 우리나라의 디스플레이패널은 기술력 우위를 바탕으로 지속적으로 글로벌 선두를 유지해오고 있음.○ 중장기적으로 우리나라의 디스플레이패널 시장은 OLED 패널이 새로운 성장 동력으로 부상. 디지털 TV, 모니터 등에 활용되는 9인치 이상 대형 디스플레이패널은 여전히 OLED 패널보다는 LCD 패널이 주류를 이루고 있으나 최근 휴대폰 내 OLED 패널 채용률이 확대되면서 9인치 이하 중소형 패널에서는 OLED 비율이 급속도로 증가 중.

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