섬유 강화 복합재는 일반적인 금속재보다 높은 비강도와 비강성을 가지고 있고 열적, 피로 특성도 우수하여, 항공기, 우주선, 자동차뿐만 아니라 최근에는 철도차량, 풍력발전 시스템 등 다양한 분야에서 광범위하게 사용되고 있다^[1–6].

섬유 강화 복합재에 적용 가능한 여러 제작공정 중 필라멘트 와인딩(filament winding) 공정은 일반적으로 작업성과 제품 복제성이 우수하다. 주로 사용되는 강화 섬유로는 유리 섬유(glass fiber)와 탄소 섬유(carbon fiber)가 있다. 유리 섬유는 상대적으로 가격이 저렴하고, 탄소 섬유는 두께 및 중량 감소에 보다 효과적이다. 기지는 열경화성 고분자 수지인 에폭시 수지(epoxy resin)와 페놀 수지(phenolic resin)를 주로 사용한다. 에폭시 수지는 열경화성 수지 중 기계적 물성, 작업성, 내화학성과 내열성 등이 우수한 장점을 가지고 있다. 그러나 에폭시 수지는 연소 과정 중에 다량의 연기와 그을음이 발생되므로, 화염에 노출되는 환경에서 사용하기에 적합하지 않다. C. Park et al.^[7]은 유리-에폭시 복합재의 표면에 다양한 난연성 도료를 적용하여 화염에 의한 그을음 발생이 감소됨을 확인하였으나, 긁힘이 발생되는 환경에서는 다량의 도료 가루가 발생되어 사용이 제한적이다. 페놀 수지는 에폭시 수지에 비해 화염에 대한 난연성은 우수하나 기계적 강도가 낮아, 동일한 하중 지지를 위해 복합재의 두께와 중량 증가가 필요하다. 구조 안전성, 난연성과 긁힘 저항성 등이 요구되는 환경에서 운용하기 위한 복합재 구조물을 제작할 때, 최근에는 이러한 수지별 특성들을 고려하여 높은 기계적 강도를 가지는 에폭시 수지 함침 복합재와 난연성이 우수한 페놀 수지 함침 복합재를 혼합하여 사용하는 경우도 있다. 에폭시 수지 함침 복합재를 이용하여 부가하중에 대한 구조강도를 지지하고, 화염 노출면에 페놀 수지 함침 복합재를 적용하여 화염에 의한 그을음 발생을 최소화한다. 그러나 에폭시 수지와 페놀 수지는 화학적 구조 등의 차이로 인해, 하나의 복합재 구조물에서 이종 수지를 개별적으로 경화할 경우에 각 수지 함침 복합재 층 사이의 결합력은 상대적으로 약하게 된다. 또한 긁힘이 발생되는 환경에서 페놀 수지 함침 복합재를 필라멘트 와인딩 공정으로 제작할 경우, 긁힘에 의해 강화 섬유가 끊어져 주변의 섬유까지 다량으로 박리, 손상될 수 있다.

본 연구에서는 구조하중 부가, 화염 노출, 긁힘 등의 환경에서 운용되는 복합재 구조물에 대해, 높은 기계적 강도를 가지는 에폭시 수지와 난연성이 우수한 페놀 수지를 혼합하여 하나의 복합재 구조물 형태로 구성하면서 이종 수지 층간의 결합력을 향상시키기 위해, 이종 수지 복합재의 동시 경화 제작기법을 제안하였다. 또한 유리-페놀 복합재에 대해 긁힘 저항성을 증대시키기 위한 다양한 형태를 고려하였다. 동시 경 화 제작기법으로 제작한 이종 수지 복합재에 대해 연기 발생, 긁힘 저항성 및 굴곡 강도 등의 성능시험을 수행하여, 운용환경에서 요구되는 열적, 기계적 특성을 확인하였고 유리-페놀 복합재에 적합한 형태를 선정하였다. 본 연구에서 시험 시편의 강화 섬유는 유리 섬유를 사용하였다.

유리 섬유 강화 복합재(GFRP: Glass Fiber Reinforced Plastic)에 대해 구조 안전성이 요구되면서 내부가 화염에 노출될 때, Fig. 1과 같이 기계적 강도가 우수한 유리-에폭시(G/E: Glass/Epoxy) 복합재 내부에 난연성이 우수한 유리-페놀(G/P: Glass/Phenolic) 복합재를 얇게 적용하는 이종 수지 복합재로 구성한다.

기존에는 이종 수지 복합재를 제작할 때, 난연성을 위해 내부에 위치하는 유리-페놀 층을 제작금형(mandrel) 위에 필라멘트 와인딩 후 먼저 경화한다. 이후 경화된 유리-페놀 층 위에 이종 수지 층간 접착력을 향상시키기 위한 에폭시 접착 필름을 적용하고, 그 위에 유리-에폭시 층을 필라멘트 와인딩 후 경화한다. 이때 복합재 내부 긁힘이 발생되는 환경에서는 필요에 따라 유리-페놀 층의 섬유가 끊어져 박리되는 현상을 방지하기 위해 페놀 접착 필름을 제작금형 위에 먼저 적용하기도 한다. 페놀 접착 필름은 유리-페놀 층을 보호하고 표면조도를 향상시키는 역할을 한다.

본 연구에서는 이종 수지 복합재의 유리-페놀 층과 유리-에폭시 층간의 결합력을 향상시키기 위한 제작기법을 제안하였다. Fig. 2와 같이 이종 수지 층별로 개별적으로 경화하지 않고 최종 단계에서 동시에 경화하는 공정을 적용하였다. 먼저 미경화 또는 반경화 상태의 유리-페놀 층을 제작금형 위에 위치시킨다. 이때 유리-페놀 층의 경화공정을 바로 진행하지 않으며, 최소한으로 반경화 상태까지만 진행한다. 이후 유리-페놀 층 위에 유리-에폭시 층을 필라멘트 와인딩 후 Fig. 3의 경화 사이클에 따라 전체를 동시에 경화한다. 초기에 불필요한 수지가 빠져 나오도록 수지의 점도가 저하되는 90 ℃에서 경화 후, 열적 안정화를 위해 105 ℃를 거쳐 에폭시 수지의 경화 온도인 125 ℃에서 최종적으로 경화한다. 이종 수지 층간의 접착력 향상을 위해 기존 개별 경화 공정에서 적용한 에폭시 접착 필름은 동시 경화 공정에서 필요 시 적용한다.

동시 경화 제작기법으로 제작한 이종 수지 복합재에 대한 난연성을 확인하기 위해 연기 발생 시험을 수행하였다. 이종 수지 복합재를 제작할 때 난연성을 위해 적용되는 유리-페놀 층의 페놀 수지는 에폭시 수지에 비해 경도가 상대적으로 낮다. 따라서 유리-페놀 층에 대해 긁힘 저항성이 우수한 형태를 선정하기 위해, 기존의 필라멘트 와인딩 공정 이외에 부직포(felt), 시트(sheet), 프리프레그(prepreg) 등 다양한 형태에 대한 긁힘 저항성 시험을 수행하였다. 또한 동시 경화 제작기법에 따른 굴곡 강도 저하 여부를 확인하기 위한 굴곡 강도 시험도 수행하였다.

유리-페놀 층과 유리-에폭시 층으로 구성되는 이종 수지 복합재의 층간 결합력을 향상시키기 위해 동시 경화 제작기법을 제안하였다. 또한 난연성을 위한 이종 수지 복합재의 유리-페놀 층에 대해 긁힘 저항성이 우수한 형태를 선정하기 위해 성능시험을 수행하였다. 연기 발생 시험을 통해, 유리-페놀 복합재 시편은 적용 형태와 무관하게 화염에 의한 그을음 발생을 최소화할 수 있고 유리-에폭시 복합재 시편에 비해 난연성이 우수함을 확인하였다. 유리-에폭시 층에 다양한 형태의 유리-페놀 층을 동시 경화기법으로 제작한 이종 수지 복합재에 대해 긁힘 저항성 시험을 수행한 결과, 부직포, 시트, 프리프레그 형태의 유리-페놀 층을 적용한 시편 모두 이종 수지 층간에 박리가 발생되지 않아, 동시 경화기법이 층간 결합력 측면에서 우수함을 확인하였다. 이 중 프리프레그 형태의 유리-페놀 층이 표면의 손상 없이 긁힘 저항성이 가장 우수하였다. 또한 굴곡 강도 시험으로부터, 유리-에폭시 복합재에 비해 프리프레그 형태의 유리-페놀 층을 적용한 이종 수지 복합재의 굴곡 강도가 저하되지 않아, 유리-페놀 층과 유리-에폭시 층을 동시에 경화하는 과정 중에 페놀 수지가 에폭시 수지 층으로 거의 침투되지 않음을 확인하였다. 이와 같이 기계적 강도가 우수한 유리-에폭시 층과 프리프레그 형태의 난연성이 우수한 유리-페놀 층을 동시 경화 기법으로 제작할 경우, 층간 결합력이 증대될 뿐만 아니라 난연성, 긁힘 저항성, 굴곡 강도 등의 열적, 기계적 특성에 대한 운용 요구환경을 모두 만족함을 확인하였다. 이종 수지 복합재에 대한 동시 경화 제작기법은 항공우주, 산업 분야 등에서 이종 수지 층간 결합력이 요구되는 다양한 복합재 구조물에 활용이 가능할 것으로 기대된다.