Glass fiber reinforced plastics(GFRPs) have been widely used and developed as structural materials to fill the good mechanical properties, corrosion resistance, and light weight. Despite of the diverse use of GFRPs, it has a limitation that it becomes opaque when a transparent glass fiber is reinforced to the matrix. Because light scattering which occurs at the interface of the two materials degrades optical transmittance. General GFRPs thus have not satisfied both of the optical properties and the mechanical properties heretofore. If GFRP can possess the optical transmittance with their mechanical properties, it can expand the fields of application.
To overcome this problem, several research groups studied the optical transmittance of composites. Some groups reported optically transparent composites, such as a glass fiber-reinforced PMMA matrix composite and glass fiber-reinforced polycarbonate matrix composite. T. Naganuma reported glass particle reinforced epoxy matrix composites and H.Iba reported continuous glass fibre-reinforced epoxy matrix composites. Especially H. Iba group suggested new concept of transparent composites and defined it as an ‘opto-mechanical composite’.
In my research, an optically transparent composite is fabricated with glass fibers as the reinforcement agent and epoxy-functionalized oligosiloxane hybrid material (hybrimer) as the matrix. The refractive indices of glass fibers and hybrimer were matched to achieve optical transparency of the composite by using chopped strand as a representative glass fiber. Flexural properties, optical transparency, and surface hardness of the fabricated composites were monitored as a function of composite thickness, fiber content and fiber length of chopped strands. Also, comparison of various kinds of glass fibers( chopped strands, woven glass fabric, filament mat, milled glass)-reinforced composites was investigated in respect to the optical transmittance and the flexural properties. Finally, in order to get a both enhanced optical and mechanical properties, sandwich structure composite was newly designed with the chopped strands & glass fabric. It shows light transmittance level of 80.1% at 550 nm of wavelength and improved mechanical properties as well as surface hardness.
복합 소재는 금속, 세라믹, 화학 소재 등 서로 다른 종류의 소재들이 필요에 따라 결합되어 진보된 물성을 나타내는 소재로 최근에는 나노기술의 발전 등으로 기존의 복합소재에서 아예 새로운 소재로 환골탈태 하고 있다.
다양한 복합재료 중 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유 등의 섬유를 강화제로 사용하여 수지와 혼합하여 만들어진 복합재료를 섬유강화플라스틱 (FRP: Fiber Reinforced Plastic)이라고 하며 특히 유리섬유를 사용하여 만들어진 복합재료를 유리섬유강화플라스틱 (GFRP: Glass Fiber Reinforced Plastic)이라고 하며 널리 사용되고 있다. 이는 외부 충격에 강하고 기존 플라스틱에 비해 월등한 내구성, 내충격성, 내마모성 등을 나타내며 녹슬지 않고, 열에 강하며, 가공하기 쉽고 무엇보다 경량화가 가능하다는 장점을 지니기에 산업 전반에 널리 사용되고 있다. 이러한 장점에 반해, 섬유로 강화를 시킬 경우 재료의 투명성이 급격히 저하되는 단점으로 인해 투명성이 요구되는 분야에는 적용하기가 힘든 한계가 있다.
최근에는 이러한 유리섬유 등을 사용하여 투명한 복합재료를 구현하는 “Opto-mechanical composite“,즉, 투명복합체의 연구가 대두되고 있다. 이는 기존에 매트릭스로 사용되던 PMMA나 Epoxy 계열의 수지와 강화제로 사용되는 유리섬유의 가시광선 영역대의 굴절률을 일치시켜, 복합재료가 완성이 되어서도 광학적 투명성을 유지할 수 있는 재료를 의미한다. 이는 기존 FRP의 장점을 지니면서 높은 투명성을 유지하여 기존 적용분야의 한계를 넘어서 더 넓은 분야까지 확장 될 수 있게 되는 의의를 지닌다.
본 연구에서는 chopped strands (유리단섬유), woven glass fabric (유리직물섬유), filament mat, milled glass fiber 등의 다양한 유리섬유를 강화재로 사용하고, 유리섬유와 굴절률이 일치하는 sol-gel 유무기 하이브리드 재료 (Hybrimer)를 함침하여 강화된 투명복합체를 제작한다.
먼저 유리단섬유를 이용하여 유리섬유의 길이, 무게중량, 복합체 두께 등이 투명복합체의 광학적, 기계적 특성에 미치는 영향을 분석한다. 다음으로, 다양한 유리섬유를 사용하여 제작한 투명복합체 각각의 특성을 비교, 분석 후 최적화 된 고강도 및 고투명도의 투명복합체를 얻기 위하여 유리직물섬유와 유리단섬유를 이용해 샌드위치 구조의 새로운 형태의 복합체를 디자인하고 광학적, 기계적 특성을 평가하였다.
본 연구는 각종 전자제품용 cover window, 자동차용 sunroof, 엔진의 undercover, 가전기구용 용 fan, 각종 package용 등 다양한 분야에 응용 할 수 있으리라 전망된다.
