한국해양공학회지 제24권 제5호, pp 75-80, 2010년 10월 (ISSN 1225-0767)

유리섬유 보강재의 적층구성, 제작공법과 수지종류에따른 구조강도 특성에 관한 연구

송하철*․염재선*

*목포대학교 공과대학 조선공학과

A Study of the Mechanical Properties of Fiberglass Reinforcements

with Constitution of Lay-up, Manufacturing Method, and Resins

Ha-Cheol Song* and Jae-Seon Yum*

*Dept. of Naval Architecture and Marine Engineering, Mokpo National University, Jeonnam, Korea

KEY WORDS: FRP composites FRP 복합재료, Constitution of lay-up 적층구성, Hand lay-up 수적층, Vacuum infusion 진공성형, Material test 재료시험, Leisure boat 레저보트

ABSTRACT: Fiberglass-Reinforced Plastic (FRP) composites have been used for small fishing boats and leisure boats for many years. These

composites have different physical characteristics, depending on the constitution of lay-up and manufacturing method. Recently, new manufacturing

methods, such as vacuum infusion, have been used to make the composites lighter and stronger. In this research, the mechanical properties of fiberglass reinforcements with constitution of lay-up, manufacturing method, and two different resins were investigated experimentally. It was found

that the mechanical properties of FRP composites increased with increasing thickness, with the use of vacuum infusion method, and with the use

of vinyl ester resin. The mechanical properties of diverse FRP composites can be used as a practical guide for selecting appropriate materials for specific applications.

교신저자 염재선: 전남 무안군 청계면 도림리 61, 061-450-2765, yummy@mokpo.ac.kr

본 연구는 2010년 제주도에서 개최된 한국해양과학기술협의회 공동학술대회에 발표된 논문을 근간으로 하고 있음을 밝힙니다.

1. 서 론

레저보트나 소형선박 등에 많이 사용되는 FRP(Fiberglass

reinforced plastics)는 복합 재료의 선택뿐만 아니라 수작업

(Hand lay-up) 또는 진공적층법(Vacuum infusion) 등과 같이

적층 및 성형 공법에 따라 다양한 물리적 특성을 갖는 것으로

알려져 있다. 최근 국내에서도 진공적층법과 같은 고효율 생산

기술이 보급되어 사용되어지고 있으나, 이러한 공법이 적용되

어진 복합재료 구조의 강도 특성에 관한 정보가 충분하지 못하

여 설계 단계에서 적층구성과 구조설계가 최적화되지 못하고

제품의 경량화 등 품질의 고급화를 이루지 못하는 실정이다.

일반적으로 FRP 적층판이 두꺼워질수록 매트와 로빙의 각각

의 특성을 유지하기 어렵게 되고, 적층작업을 한 번에 마칠 수

없어 층간 접착성이 떨어지게 된다. 그러므로 보다 정확하게

FRP판의 적층 설계를 하기 위해서는 조선소가 자사의 성형기

술에 대해서 항상 표준함유량의 적층이 가능하도록 작업을 관

리하고, 기존 FRP 선박의 선체적층구성에 관한 물성치 자료를

수집하고, 자사 FRP 재료의 재료시험 결과를 정리․축적해 두

는 것이 절대적으로 필요하다고 할 수 있다(한국중소조선기술

연구소, 2002).

고재용 등(2002)은 적층방향에 따른 FRP 구조강도특성에 관

한 연구를 통해 유리섬유를 하중방향의 0o 또는 90

o로 적층하여

야 구조강도상 가장 유리하다고 밝힌 바 있고, 김영환 등(2007)

은 VIP(Vacuum infusion process)로 제작된 이방성 복합재료인

FRP 시험편을 단일 균질 등방성 재료로 치환하여 인장시험과

유한요소해석을 수행한 바가 있다. 하지만 이 모두 재료의 적층

구성 및 적층방법에 따른 자료가 충분하지 못하여 실질 사용을

위한 적절한 정보를 획득하기는 쉽지 않다. 또한 정진욱 등

(2009)은 FRP 선체의 진공적층 전략을 수립하고 이미 정해진

적층구성 및 수지를 사용하여 시뮬레이션을 통한 최적전략 획

득 가능성에 관한 연구를 수행한 바 있다.

따라서 본 연구에서는 여러 가지 적층재 구성과 제작 공법 그

리고 수지의 종류를 달리하여 제작한 128개의 복합재료 시편을

대상으로 재료시험을 실시하여 이들의 구조강도 특성을 파악하

였고, 이에 대한 정보를 제공함으로써 사용자들이 용도에 맞는

적합한 FRP 복합재료의 구성과 제작방법을 선택하여 사용할

수 있도록 하였다.

2. FRP 선박의 적층구성, 제작공법 및 수지

일반적으로 FRP 선박의 적층구성은 쵸프트스트랜드매트

(Chopped strand mat)와 로빙클로우드(Roving cloth)를 조합시

75

76 송하철․염재선

Table 1 Mechanical property of glass fibers

Mixed cumulated plate of Chopped Strand Mat and Roving Cloth with average glass content 40%(Mat: 450 g/m2, Roving: 570 g/m2) - Tensile strength: 12.0 kg/mm2

- Young's modulus: 820 kg/mm2

- Compressive strength: 16.7 kg/mm2

- Elastic modulus of compressibility: 1,200 kg/mm2

- Bending strength: 24.0 kg/mm2

(RIMS, 1999)

킨 MR 적층이 상식으로 되어 있다. 이는 유리섬유 보강재의 등

방성재료인 매트(Mat)와 이방성재료인 로빙(Roving)은 상호보

완적인 특성을 지니면서도 가격이 저렴하고, 초기 FRP 선박 개

발 국가에서 주로 사용한 것에 기인된 현상으로 보인다. 그리고

매트와 로빙의 비율은 수밀성의 형성이나 층간접착성의 향상이

필요한 개소에는 매트의 함량을 증가시키고, 인장강도나 충격

강도 등이 요구되는 부위에는 로빙의 함량을 많게 하여 사용한

다. 유리섬유의 함유량이 많아질수록 정적강도가 커지고, 사용

수지의 종류와 함량에 따라 강도가 달라진다. 따라서 선급규칙

에서는 유리섬유 함유율(중량비)을 매트는 30 ± 3%, 로빙은 약

50 ± 3%로 할 것을 제안하고 있는데, 이 경우 MR 적층판의 유

리섬유 함유율은 대개 40% 전후한 값으로 된다.

유리섬유강화플라스틱(FRP) 적층방법으로는 가장 많이 사용

되는 수적층법(Hand lay-up), 그리고 스프레이레이업(Spray lay-

up), 필라멘트와인딩(Filament winding), 진공적층법(Vacuum

infusion bagging), RTM(Resin transfer molding) 및 VARTM

(Vacuum assisted resin transfer molding) 등이 있다.

유리섬유와 결합하여 사용하는 수지(resin)는 폴리에스터수지,

비닐에스터수지 그리고 에폭시수지가 많이 사용되고 주로 열경

화성이다.

3. FRP 복합재의 재료시험

본 연구에서는 FRP 복합재의 적층구성과 적층방법, 그리고

수지의 종류에 따른 시편의 인장 및 굽힘강도를 측정하였다. 적

층구성은 매트와 로빙의 적층순서 및 반복횟수, 그리고 샌드위

치형 적층 구조로서 매트 내에 심재로 Core재와 Foam재를 넣

은 총 5가지 종류를 준비하여 시험하였다. 적층방법으로는 가장

많이 사용되는 수적층법(Hand lay-up)과 최근 도입된 진공적층

Table 2 Specimens with polyester resin

Manufacturingmethod

type

Handlay-up

Vacuum infusion

M-M-R-M-M (polyester) ① ②

M-R-M-R-M (polyester) ③ ④

M-R-M-R-M-R-M (polyester) ⑤ ⑥

M-M-CORE-M-M (polyester) ⑦ ⑧

M-M-FOAM-M-M (polyester) ⑨ ⑩

Table 3 Specimens with vinylester resin

Manufacturingmethod

type

Handlay-up

Vacuum Infusion

M-M-R-M-M (vinylester) ⑪ ⑫

M-R-M-R-M (vinylester) ⑬ ⑭

M-R-M-R-M-R-M (vinylester) ⑮ ⑯M-M-CORE-M-M (vinylester) ⑰ ⑱M-M-FOAM-M-M (vinylester) ⑲ ⑳

Fig. 1 Testing system

법(Vacuum infusion)의 2가지를 준비하였고, 수지의 종류로는

폴리에스테르수지와 비닐에스테르수지 2가지를 사용하였다.

본 연구에서는 유리섬유 보강재로 CSM-300과 WR-570를 사

용하였고, 재료시험은 한국선급의 FRP 규칙 및 적용지침(한국

선급, 2009)을 준행하여 실시하였으며, 시험장비는 목포대학교

조선공학과에 있는 100톤 성능의 MTS사의 인장, 압축, 굽힘, 피

로시험이 가능한 Fig. 1의 장비를 사용하였다.

3.1 인장시험시편은 Fig. 2와 같이 총 길이 230mm, 폭 45mm, 표점간 길

이 60mm, 좁은 부분의 폭 25mm, 두께는 적층구성에 따라 달

라져서 2.0~5.25mm를 사용하였고, Fig. 3과 같이 장착하여 인장

속도는 5mm/min로 설정, 시험하였다. Table 2, 3에서의 ①~⑥,

⑪~⑯까지의 시편은 각각 4개씩을 사용하여 총 48개의 시편에

Fig. 2 Before and After shape of the tensile test

유리섬유 보강재의 적층구성, 제작공법과 수지종류에 따른 구조강도 특성에 관한 연구 77

Fig. 3 Fixture of tensile test

대해 인장시험을 실시하였고, Core와 Foam이 들어간 샌드위치

형 적층구성의 시편은 굽힘 시험만을 실시하였다. 이는 인장 시

험시 지그제작과 관련한 문제와 인장시편의 양 끝단에서의 눌

림 현상으로 인해 약한 재질로 된 심재인 경우 인장시험은 제

외하고 굽힘 시험만을 실시하였다.

3.2 굽힘시험굽힘시험을 위한 시편은 Fig. 4와 같이 제작하여 총 길이

170mm, 폭 30mm, 두께는 적층구성에 따라 달라져서 2.0~

Fig. 4 Before & After shape of the bending test

Fig. 5 Fixture of bending test

19.1mm를 사용하였고, Fig. 5와 같이 장착하여 하중속도는 분

당 t/2mm로 설정, 시험하였다. Table 2와 Table 3에서의 모든

시편은 각각 4개씩을 사용하여 총 80개의 시편에 대해 굽힘시

험을 실시하였다.

4. 유리섬유 보강재의 구조강도 특성

총 128개의 시편에 대해 인장시험과 굽힘시험을 실시한 결과

를 정리하면 Table 4와 같다. 이 재료시험 결과는 각 종류별로

4개씩의 시편에 대해 실시하여 그 평균값을 기록한 것으로, Fig.

6과 Fig. 7의 결과에서 알 수 있듯이 FRP 재료는 응력과 변형율

관계가 거의 선형적이고 특별한 항복점이 없이 파단되는 것을

알 수 있다.

얻어진 인장 및 굽힘강도를 서로 다른 두께를 갖는 시편과 직

접 비교하기 위하여 단위밀도당 강도를 말하는 비강도(Specific

strength), 단위밀도당 탄성계수를 나타내는 비탄성률(Specific

modulus) 개념을 사용하여 비교하였다.

Fig. 6 Stress-strain curve for MRMRM (hand lay-up)

Fig. 7 Stress-strain curve for MRMRM (vacuum infusion)

78 송하철․염재선

Table 4 Results of tension and bending test

Test Specimens

Tensile test Bending test

Thickness(mm)

Specific strength(10

6mm)

Specific modulus(10

9mm)

Thickness(mm)

Specific strength(10

6mm)

Specific modulus(10

9mm)

① 4.10 10.71 2.95 04.60 11.69 0.60

② 2.23 15.30 4.12 02.20 24.71 1.48

③ 3.60 11.64 3.53 03.40 20.05 1.01

④ 2.08 16.90 4.59 02.08 22.96 1.68

⑤ 5.25 12.82 3.49 05.03 21.50 0.66

⑥ 2.95 19.52 5.34 02.95 28.53 1.23

⑦  - - - 07.40 18.78 0.83

⑧ - - - 03.30 27.93 1.67

⑨ - - - 19.10 21.35 1.07

⑩ - - - 16.50 29.69 1.47

⑪ 3.90 11.89 3.66 03.90 22.55 0.73

⑫ 2.20 16.85 4.47 02.20 39.25 1.29

⑬ 3.60 12.88 3.90 03.50 13.99 0.38

⑭ 2.40 17.72 4.68 02.40 07.76 0.21

⑮ 4.90 14.18 3.92 05.10 03.82 0.07

⑯ 3.00 19.67 4.71 02.90 04.97 0.05 ⑰ -  - - 08.15 17.33 0.36 ⑱ - - - 04.40 10.62 0.60 ⑲ - - - 19.15 04.01 0.03 ⑳ - - - 16.65 05.38 0.06

Fig. 8 Specific strength vs Specific modulus for tensile test

비강도는 재료의 강도(Strength)를 비중량(Mass density)으로

나눈 값으로, 가볍고도 튼튼한 재료를 나타내는 척도이다. 강도

의 단위는 kg/mm2, 비중량은 kg/mm

3이면, 비강도의 단위는

mm가 된다.

비탄성률은 재료의 탄성계수(Elastic modulus)를 비중량으로

나눈 값으로, Specific stiffness라고도 한다. 수치가 높으면 강성

Fig. 9 Specific strength vs Specific modulus for bending test

이 높은 재료를 나타내며, 최소중량을 나타내는 척도로 단위는

비강도와 마찬가지로 mm이다.

4.1 적층재의 구성에 따른 결과 비교동일 제작공법, 동일 수지를 사용하고 적층재의 구성만 달리

하였을 경우 비강도와 비탄성률을 비교하였다. 즉, Table 4에서

유리섬유 보강재의 적층구성, 제작공법과 수지종류에 따른 구조강도 특성에 관한 연구 79

Fig. 10 Relative value of tensile specific strength with two

different constitution of lay-up

폴리에스테르수지를 사용한 ①, ③, ⑤의 비교와 ②, ④, ⑥의

비교, 그리고 비닐에스테르수지를 사용한 ⑪, ⑬, ⑮의 비교와

⑫, ⑭, 의 비교가 여기에 해당한다.동일한 두께이지만 매트와 로빙을 교대로 적층한 경우 즉,

MRMRM 조합이 MMRMM 조합보다 인장 비강도 9%, 굽힘 비

강도에서 약 30% 우수한 결과가 나왔다. 따라서 동일한 두께이

지만 적층구성을 어떻게 하느냐에 따라 최대 30%의 강도차이가

나타남을 확인하였다. 그리고 적층을 많이 할수록 두께는 두꺼

워져서 비강도는 높게 나타나지만 비탄성률은 비슷하거나 오히

려 더 낮은 결과가 나왔다. MRMRMRM으로 7개 적층한 경우는

MRMRM으로 5개 적층한 것에 비해 인장 비강도는 약 11.7%,

굽힘 비강도는 17% 정도 더 우수한 것으로 나타났다. 그러나 인

장 비탄성률은 4%, 굽힘 비탄성률은 −16%로 나타났다. 즉 두께가 두꺼우면 강도면에서는 약간 도움이 되지만 굽힘변형에 저항

하는 탄성률 면에서는 오히려 역효과가 나타남을 알 수 있었다.

4.2 적층방법에 따른 비교동일 적층재구성, 동일 수지를 사용하고 적층제작방법을 달리

Fig. 11 Relative value of tensile specific strength with two

different manufacturing method

Fig. 12 Relative value of tensile specific strength with two

different resins

하였을 경우 즉, 수적층법 또는 진공적층법을 사용하였을 경우

인 두 가지 방법을 비교하였다. Table 4에서 ①과 ②, ③과 ④,

⑤와 ⑥ 사이의 비교가 여기에 해당한다. 즉, 폴리에스테르수지

를 사용한 3가지 적층구성에 대한 시험결과 진공적층법이 수적

층법에 비해 인장 비강도는 평균 43%, 인장 비탄성률은 31% 높

게 나타났고, 또한 굽힘 비강도는 평균 53%, 굽힘 비탄성률은

86% 우수한 것으로 나타났다. 이렇게 진공적층법이 수적층법에

비해 강도와 중량면에서 더 우수하다는 것은 이미 누구나 아는

사실이지만, 일반적으로 생각하는 약 2배정도 강하겠지 하는 막

연한 예상보다는 정확하게 50% 더 우수하다는 결론을 낼 수 있

었다.

4.3 서로 다른 수지 사용에 따른 결과 비교동일 적층재 구성, 동일 적층제작방법을 사용하고 수지의 종

류만을 달리하였을 경우, 즉 폴리에스테르수지 또는 비닐에스

테르수지를 사용한 경우인 두 가지 경우를 비교하였다. 즉,

Table 4에서 ①과 ⑪, ②와 ⑫, ③과 ⑬, ④와 ⑭, ⑤와 ⑮, ⑥과

의 비교에 해당한다.비닐에스테르수지가 폴리에스테르수지보다 인장 비강도와 인

장 비탄성률 모두 평균 8% 높게 나타났고, 또한 비닐에스테르수

지가 폴리에스테르수지보다 굽힘 비강도에서 평균 25%, 굽힘 비

탄성률에서 평균 10% 우수한 것으로 나타났다. 하지만 일반적으

로 많이 사용되는 폴리에스테르수지에 비해 비닐에스테르수지를

사용할 경우에는 경화제 이외에 경화촉진제를 부가적으로 사용

하여야 하고, 비용면에서도 50% 정도 더 비싸다는 단점이 있다.

5. 결 론

적층재의 구성과 수지의 종류를 달리하고 적층방법인 기존의

수적층법과 새로운 선진공법인 진공적층법에 의해 제작된 FRP

시험편에 대한 인장 및 굽힘시험을 실시하여 다음과 같은 결론

을 도출하였다.

(1) 적층재의 구성에 따른 비교

동일한 두께이지만 매트와 로빙을 교대로 적층한 경우가 비

80 송하철․염재선

강도면에서 유리하다. 그리고 적층을 많이 할수록 두께는 두꺼

워져서 비강도는 높게 나타나지만 비탄성률은 비슷하거나 오히

려 더 낮은 결과가 나왔다. 즉 적층두께가 두꺼울수록 강도면에

서는 약간 도움이 되지만 변형에 저항하는 탄성률 면에서는 오

히려 마이너스효과가 나타남을 알 수 있었다.

(2) 적층방법에 따른 비교

폴리에스테르수지를 사용한 3가지 적층구성에 대한 시험결과

진공적층법이 수적층법에 비해 인장 비강도는 평균 43%, 인장

비탄성률은 31% 높게 나타났고, 또한 굽힘 비강도는 평균 53%,

굽힘 비탄성률은 86% 우수한 것으로 나타났다.

(3) 수지의 종류에 따른 비교

비닐에스테르수지가 폴리에스테르수지보다 인장 비강도와 인

장 비탄성률 모두 평균 8% 높게 나타났고, 또한 비닐에스테르

수지가 폴리에스테르수지보다 굽힘 비강도에서 평균 25%, 굽힘

비탄성률에서 평균 10% 우수한 것으로 나타났다.

적층재의 구성과 수지의 종류, 적층방법을 달리하여 제작된

FRP 시험편에 대한 인장 및 굽힘강도 비교평가를 통해 얻은 정

보를 활용하여 사용용도에 적합한 재료를 선택․제작함으로써

FRP 소형 어선 및 레저보트의 경량화 및 고품질화에 기여할 것

으로 기대한다. 앞으로 비강도와 비탄성률이 우수한 조합을 선

정하여 어선 및 레저보트에 적용하고, 구조해석을 통해 기존 선

박과의 장단점을 비교하는 연구가 필요하다.

후 기

본 연구는 교육과학기술부와 한국산업기술진흥원의 지역혁신

인력양성사업 및 목포대학교 중형조선산업 지역혁신센터(RIC)

에 의하여 지원된 연구결과를 정리한 것으로 위 기관의 후원에

감사드립니다.

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한국중소조선기술연구소 (2002). FRP 어선 현장기술.

2010년 8월 13일 원고 접수

2010년 10월 8일 심사 완료

2010년 10월 8일 게재 확정

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