2.1 사용 재료

본 연구에서는 탄소섬유 보강근 제조를 위해 코어용 탄소섬유는 국내 H사의 24K 탄소섬유를, 코어를 감아주는 리브용 유리섬유는 중국 C사의 4,400TEX를 사용하였다. 탄소섬유 접착용 수지는 국내 K사의 비스페놀 F 계열 에폭시 수지와 저점도형 경화제를 사용하였으며, 이들 물성을 Table 1에 나타내었다.

2.2 탄소섬유 보강근 제조 과정

상기 원료들을 사용한 탄소섬유 보강근 제조를 위해 Fig. 1과 같은 인발성형 방식의 파일롯 설비를 사용하였다. 파일롯 설비는 크게 8단계의 공정으로 구성되어 있으며, 탄소섬유 거치용 보빈 랙, 수지 함침조, 탄소섬유 보강근 성형부, 리브 와인딩 부, 경화부, 냉각부, 인발부 및 절단부 등으로 구성되어 있다. 본 연구에서는 Table 2와 같이 탄소섬유 보강근 제조 공정 변수를 설정한 뒤 지름 5 mm의 탄소섬유 보강근을 제조하였다. 실험 변수는 리브 유무 및 경화온도 제어 및 수지 함침부 온도 및 경화시간/온도 제어 등이며, No. 1 탄소섬유 보강근은 리브가 존재하지 않으며 그 외의 보강근 샘플들은 모두 리브가 존재한다. 또한, 수지 함침부 온도는 30 °C, 45 °C 및 60 °C이며, 경화로는 4구역으로 구성하여 각기 다른 온도를 적용하였으며, 경화로의 최대 온도는 195 °C이다. 탄소섬유 보강근의 경화시간은 파일롯 설비의 후단에 설치된 캐터필러의 회전 속도를 조정하여 제어하였다.

Fig. 1 The pilot plant process for CFRP rebar fabrication

2.3 탄소섬유 보강근 특성 실험

다양한 조건으로 제조된 탄소섬유 보강근의 인장강도 및 탄성계수를 ^{ASTM D 7205(2016)}에서 제시하는 방법에 따라 측정하였으며, 제조 공정별로 세 개의 샘플을 제작하여 실험을 수행한 뒤 평균값을 결과로 사용하였다. 인장강도 및 탄성계수 측정에 사용된 탄소섬유 보강근의 총 길이는 1,280 mm이며, 양끝단에는 500 mm의 그립을 에폭시를 이용하여 부착하였으며, 실험을 위한 보강근의 실제 노출 길이는 280 mm이었다.

탄소섬유 보강근의 미세구조 관찰 및 기공률 등을 분석하기 위해 G사의 X-ray CT와 O사의 광학현미경을 사용하였다. X-ray CT 분석에는 50 mm 길이의 샘플이 사용되었으며, 실험 조건은 촬영 전압 120 kV, 전류 100 A, 복셀 크기(voxel size)는 3 µm로 설정하였다. 복셀 크기는 부피를 나타내는 픽셀로 3차원 영상 신호의 최소 단위를 의미하는데 설정 변 길이의 2배 크기부터 측정이 가능하며 기공을 구형으로 가정할 경우 113 µm$^{3}$ 이상부터 측정이 가능하다. 따라서 제작된 탄소섬유 보강근 샘플에 대해 종방향, 횡방향 단층 촬영을 전체 부피에 걸쳐 수행한 후 이를 정합하여 3차원 정보로 나타낸 뒤 샘플의 기공률을 산정하였다. 광학현미경의 경우 25 mm 길이의 탄소섬유 보강근 샘플의 단면을 다양한 배율(400 µm, 200 µm, 50 µm)로 측정한 뒤 Fig. 2와 같이 DSX 프로그램을 사용하여 촬영 이미지를 변환한 뒤 기공 특성을 분석하였다.

또한, 제조 공정에 따른 탄소섬유 보강근의 인장강도와 기공률 간의 상관관계를 OriginPro 8.5 프로그램을 사용하여 도출하였다.

Fig. 2 Pore analysis using an optical microscope and the DSX program

3.1 X-ray CT 및 광학현미경을 이용한 탄소섬유 보강근 미세구조 분석

파일롯 공정 조건 변화에 따라 제조된 탄소섬유 보강근의 미세구조 분석을 X-ray CT와 광학현미경을 이용하여 분석하였으며, 그 결과는 Fig. 3 및 Fig. 4와 같다. 미세구조 분석은 리브 유무 및 경화 온도가 변수인 No. 1~No. 3 샘플을 대표로 분석하였다. X-ray CT의 경우 제조된 탄소섬유 보강근의 종단면 및 횡단면 이미지를 촬영한 뒤 이를 3차원으로 정합한 뒤 분석을 수행하였다. 제조된 모든 탄소섬유 보강근에서 기공이 관찰되었으며, 이 외에도 3차원 구조에서는 리브 접착 부분에서의 기공도 관찰되었다. 리브 접착부분에서 기공이 관찰된 이유는 수지 미코팅 리브가 코어부에 존재하는 수지를 흡착하여 기공이 형성된 것으로 판단되었다.

이어 광학현미경을 이용하여 No. 1~No. 3 샘플에 대해 미세구조 분석을 수행하였다. 광학현미경으로 탄소섬유 보강근의 단면을 다양한 배율로 확인한 결과 탄소섬유는 흰색의 원형으로, 경화 수지는 탄소섬유 사이의 회색, 공극은 검은색으로 판단되었다^{(Ivey et al. 2018)}. 모든 샘플에서 기공이 생성된 것을 확인할 수 있었으며, 공극의 크기나 그 양은 제조 공정에 따라 상이하였다. 또한, 리브가 있는 샘플의 경우 리브 부근에서 상대적으로 큰 크기의 공극(약 20~200 µm)이 일부 확인되었는데, 이는 리브에 수지가 코팅되지 않았기 때문에 생성되었다고 판단되었다.

한편, 측정 방법(X-ray CT 및 광학현미경)에 따라 관찰할 수 있는 샘플의 단면, 공극의 크기 및 양 등이 상이하였는데 그 이유는 측정 방법이 서로 상이하기 때문이다. X-ray CT의 경우 샘플 전체를 종단면 및 횡단면으로 촬영한 뒤 이를 3차원으로 정합하기 때문에 샘플의 전반적인 관찰이 가능하다는 장점이 있으나, 복셀 크기에 따라 관측 가능한 공극의 크기가 달라지는 단점이 존재한다. 반면 광학현미경의 경우 샘플의 특정 단면을 2차원으로 촬영한 뒤 그에 따른 공극을 분석하기 때문에 샘플의 특정 부분만 촬영이 가능하며 배율에 따라 분석 가능한 공극의 크기가 달라지는 단점이 존재한다. 따라서 탄소섬유 보강근의 미세구조분석 및 공극 분석을 수행할 경우 제조 조건, 탄소섬유 보강근의 특징 등을 고려하여 적절한 방법을 선택하거나 두 가지 방법을 병행하여 적용하는 것이 적합하다고 판단된다.

Fig. 3 X-ray computerized tomography images of CFRP rebar with/without rib along with hardening temperature

Fig. 4 Optical microscope images of CFRP rebar as fabrication condition

3.2 X-ray CT 및 광학현미경을 이용한 탄소섬유 보강근 기공률 분석

각각의 파일롯 공정 조건 변화에 따라 제조된 탄소섬유 보강근의 기공률을 X-ray CT 및 광학현미경을 이용하여 측정하였으며 그 결과는 Table 3과 같다. 기공률 측정 결과 파일롯 공정 조건 변화에 따라 제조된 탄소섬유 보강근의 기공률이 변하는 것을 확인할 수 있었으며, 이를 통해 공정 조건이 탄소섬유 보강근의 물리적 특성에 영향을 미치는 것을 확인하였다^{(Ivey et al. 2018)}. 동일한 조건에서 제조된 탄소섬유 보강근이라도 기공률 측정 방법에 따라 다른 기공률이 측정된 것을 확인할 수 있었는데, 이는 X-ray CT와 광학현미경의 측정 방법, 측정 가능한 기공의 크기, 기공률 산정 방법이 상이하기 때문인 것 같다.

X-ray CT를 이용하여 측정한 탄소섬유 보강근의 기공률 차이를 공정 조건 변화에 따라 분석하였다. 먼저, 리브 유무에 따라 분석한 결과, 리브가 존재하지 않는 No. 1 탄소섬유 보강근의 기공률은 2.47 %이었으며, 리브가 조재하는 탄소섬유 보강근(No. 2)에서는 0.90 %이었다. No. 1 샘플에서 상대적으로 높은 기공률이 측정된 이유는 리브가 존재하지 않기 때문에 탄소섬유가 존재하는 코어부를 단단하게 압축할 수 없어 보강근 생성 과정 중 내부 기공이 외부로 빠져나가지 못하기 때문인 것 같다. 이어 수지 함침부 온도에 따른 분석 결과, 수지 함침부 온도를 45 °C(No. 4)에서 60 °C(No. 5)로 증가시킬 경우, 기공률은 3.27 %에서 2.49 %로 감소한다는 것을 확인하였다. 이를 통해 수지 함침부의 온도가 제조된 탄소섬유 보강근의 기공률에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있다. 또한, 최대 경화 온도가 150 °C(No. 6)에서 170 °C(No. 7)로 증가할 경우 기공률이 3.64 %에서 3.22 %로 소폭 감소하는 것을 확인하였다. 섬유 보강근 제조에 있어 수지의 종류에 따른 점성, 경화시간, 온도 등이 보강근의 물리적 특성에 영향을 미친다고 알려져 있다^{(Zaman et al. 2013)}. 수지 함침부의 경우 온도가 증가함에 따라 수지의 점성이 낮아져 탄소섬유 보강근의 매트릭스를 더욱 밀실하게 만들었기 때문이라고 판단되었다. 경화온도 또한 수지의 물리적 특성에 영향을 주었고, 이는 탄소섬유 보강근의 물리적 특성에 영향을 끼친 것 같다. 따라서 상기 결과로부터 탄소섬유 보강근의 리브 유무 및 제조 조건에 따라 기공률은 변화될 수 있으며, 특히 수지 함침부 온도는 기공률을 변화시킬 수 있는 주요 인자라는 것을 확인할 수 있었다.

광학현미경을 이용하여 탄소섬유 보강근의 제조 조건별 기공률을 DSX 프로그램을 사용하여 확인하였으며, X-ray CT와 동일하게 리브가 존재하는 탄소섬유 보강근이 리브가 존재하지 않는 탄소섬유 보강근에 비해 상대적으로 낮은 기공률이 측정되었다. 또한, 수지 함침부 온도 및 경화 온도 변화에 따라서도 기공률 변화가 관측되었으며 X-ray CT 결과와 동일한 경향이 확인되었다. 하지만 동일한 조건에서 제조된 탄소섬유 보강근이라도 광학현미경으로 측정할 때 상대적으로 더 높은 기공률이 측정되었는데, 이는 X-ray CT와 광학현미경이 측정할 수 있는 기공의 크기가 달랐기 때문이라고 판단되었다. 또한, X-ray CT의 경우 탄소섬유 보강근을 3차원으로 분석하나, 광학현미경의 경우 특정 부분의 단면을 분석하기 때문에 측정 위치에 따라 기공률 값이 일부 달라질 수 있다고 판단되었다.

3.3 인장강도 특성

탄소섬유 보강근의 파일롯 제조 조건을 다르게 하여 제작한 탄소섬유 보강근의 인장강도와 탄성계수를 실험 결과를 Table 4와 같이 나타내었으며, 탄소섬유 보강근의 인장강도 및 탄성계수 범위는 각각 2,979~3,430 MPa 및 165~195 GPa 이였다.

리브 유무에 따른 탄소섬유 보강근의 물리적 특성을 확인한 결과, No. 1(리브 무) 및 No. 2(리브 유)의 인장강도는 각각 3,044 MPa 및 2,993 MPa로 유사하였으며, 탄성계수도 유사한 수준이었다. 따라서 리브 유무에 따라 인장강도 및 탄성계수는 크게 변화하지 않는 것을 확인하였으며, 이는 다른 연구 결과와 동일한 경향을 나타내었다^{(You et al. 2015)}. 수지 함침부 온도를 동일(30 °C)하게 유지하고, 경화로 최대 온도를 175 °C(No. 2)에서 195 °C(No. 3)로 상승시킬 경우, 인장강도는 유사하였으나, 탄성계수는 경화온도 상승에 따라 증가하였다. 경화로 온도를 동일(150 °C)하게 유지하고 수지 함침부 온도를 45 °C(No. 4)에서 60 °C(No. 5)로 증가시킬 경우, 인장강도가 약 13 % 증가하였으나 비슷한 수준의 탄성계수가 측정되었다. 또한, 경화로 최대 온도가 유사한(No. 2-175 °C, No. 7-170 °C) 경우, 수지 함침부 온도가 30 °C에서 45 °C로 증가함에 따라 인장강도는 2,993 MPa에서 3,300 MPa로 증가, 탄성계수도 165 MPa에서 183 MPa로 증가하였다. 수지 함침부 온도와 경화로 최대 온도를 동일하게 유지하고, 경화시간을 15분(No. 4)에서 30분(No. 6)으로 증가시킬 경우, 인장강도가 372 MPa 증가하였으며, 이때 인장강도 증가율은 12.3 % 수준이었다. 상기와 같이 파일롯 설비 공정 제어 시험을 통해 인장강도 및 탄성계수는 수지 함침부 온도, 경화 시간 및 경화 온도 등에 의해 크게 변화한다는 것을 확인할 수 있었다. 즉 탄소섬유 보강근의 물리적 특성은 제조 공정 변화에 따라 크게 변화될 수 있어, 인장강도 등의 극대화 방안 도출은 최적 공정 조건 확립을 통해 이루어질 수 있다. 또한 본 연구를 통해 도출된 최대 인장강도는 3,430 MPa이었으며, 이때 탄성계수는 172 GPa이었다. 이는 기존 탄소섬유 보강근(일반적으로 인장강도≒2,200 MPa, 탄성계수≒120 GPa)보다 매우 높은 수준이었으며^{(Zhou et al. 2019)}, 본 연구를 통해 제조된 탄소섬유 보강근의 기존 대비 상승률은 인장강도 약 56 %, 탄성계수 약 43 % 수준이었다.

3.4 기공과 인장강도의 상관성

일반적으로 기공은 강도와 반비례 관계이며, 기공률뿐만 아니라 기공 크기에 의해서도 강도는 변화한다고 알려져 있다^{(Monteiro 2006)}. 하지만 탄소섬유 보강근의 인장강도에 미치는 기공 영향에 관한 연구는 미미한 수준이다. 따라서 본 연구에서 다양한 조건에 따라 제조된 탄소섬유 보강근의 인장강도와 기공의 상관성을 도출해 보고자 하였다. X-ray CT 기공률과 인장강도의 상관성을 도출하기는 매우 어려웠으나, 광학현미경(Origin Pro8.5 프로그램) 기공률과의 상관관계는 일정부분 존재하였다. X-ray CT 기공률과 인장강도 간의 상관관계 도출이 어려운 이유는 Voxel 크기가 10 µm인 X-ray CT 측정법으로는 미세 기공 측정이 매우 어려워, 전체 기공의 영향을 모두 고려해 주기 어렵기 때문이라고 판단되었다. 하지만 광학현미경 관찰 시에는 10 µm 이하 기공도 측정이 가능하여, 평균적 기공 분포를 관찰 및 분석할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 광학현미경 기공률과 인장강도의 상관성 도출이 좀 더 용이하다고 추정되었다.

본 연구의 탄소섬유 보강근 인장강도와 광학현미경 기공률의 상관관계계수는 -0.58이었으며, 상관관계방정식은 아래 식 (1)과 같이 계산되었다. Fig. 5는 기공률(X축)과 인장강도(Y축)의 상관성을 도식화한 것이며, Fig. 5와 같이 기공률과 인장강도는 음의 상관성을 나타낸다는 것을 확인할 수 있었다.

여기서, $y$ : 인장강도, $x$ : 기공률

일반적으로 상관관계계수(절대값)가 1.0~0.7은 강한 선형관계, 0.7~0.3은 뚜렷한 선형관계, 0.3~0.1은 약한 선형관계라고 표현되고 있다(Johnson and Bhattacharyya 2019). 따라서 본 연구에서 도출된 인장강도와 기공률은 뚜렷한 선형관계를 나타낸다고 할 수 있을 것이다. 하지만 제조된 보강근의 인장강도와 탄송계수 간의 상관관계를 명확하게 보여주기에는 본 연구에서 사용된 샘플의 개수가 다소 적으며, 광학현미경의 경우 특정 단면의 기공률만 확인할 수 있기때문에 추후 연구를 통해 탄소섬유 보강근의 기공률과 인장강도 간의 상관관계를 추가로 연구할 예정이다.

Fig. 5 Correlation between tensile strength and porosity