직물형 복합재료 (Woven Fabric Composite)

한 줄 정의: 씨실과 날실을 서로 엮어 짠 섬유 직물을 강화재로 사용하여, 여러 방향의 하중에 균형 있게 대응하도록 만든 복합재료입니다.

서로 다른 층(레이어)이 겹겹이 쌓인 적층 구조를 나타냅니다.

쉽게 풀면

직물형 복합재료는 옷감을 짜듯이 섬유를 씨실과 날실 방향으로 엮어 만든 천 모양의 강화재를 수지에 함침시켜 만든 재료입니다. 실이 한 방향으로만 나란히 놓인 단방향 복합재와 달리, 직물은 최소한 두 방향(가로와 세로)으로 섬유가 교차되어 있어 여러 방향에서 오는 힘에 골고루 대응할 수 있습니다. 또한 천처럼 유연하게 구부러지기 때문에 곡면 형상의 부품을 만들 때 다루기 쉽다는 장점도 있습니다. 씨실과 날실이 서로 얽혀 있어 층간 분리(박리)에도 어느 정도 저항력을 갖는다는 점이 단방향 적층판과의 큰 차이입니다.

왜 중요한가

실제 구조물은 한 방향으로만 힘을 받는 경우가 드물기 때문에, 여러 방향의 하중에 균형 있게 견딜 수 있는 직물형 복합재료는 스포츠 용품, 자동차 부품, 항공기 외장재 등 다양한 분야에서 널리 쓰입니다. 또한 제작 과정에서 다루기 쉽고 형상 적응성이 좋아 복잡한 곡면 부품 제작에도 유리하다는 점이 산업적으로 중요하게 다뤄집니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

"The plain-woven carbon fabric composite exhibited balanced tensile properties in the warp and weft directions."

평직 탄소 직물 복합재료가 날실과 씨실 방향에서 균형 잡힌 인장 특성을 나타냈다는 뜻으로, 직물형 복합재료의 다방향 균형 특성을 보여주는 예문입니다.

"Crimp of the woven yarns reduced the in-plane stiffness compared to unidirectional laminates."

직조된 실의 굴곡(크림프)이 단방향 적층판에 비해 면내 강성을 낮췄다는 내용으로, 직물 특유의 실 굴곡이 물성에 미치는 영향을 설명하는 문장입니다.

조금 더 깊게 보면

직조 방식에는 평직(plain weave), 능직(twill weave), 수자직(satin weave) 등이 있으며, 방식에 따라 실이 교차하는 빈도와 굴곡 정도가 달라져 강성과 성형성에 차이가 생깁니다. 실이 교차하며 생기는 굴곡(크림프)은 단방향 복합재보다 강성을 다소 낮추는 경향이 있지만, 대신 층간 인성과 손상 저항성을 높이는 데 유리한 것으로 알려져 있습니다. 최근에는 3차원으로 직조한 직물을 이용해 두께 방향의 강도까지 보강하는 연구도 이루어지고 있습니다.

주의할 점

직물형 복합재료는 다방향 물성이 균형 잡혀 있지만, 특정 한 방향으로만 최대 강도가 필요한 경우에는 단방향 복합재보다 그 방향의 강성이 낮을 수 있다는 점을 고려해야 합니다.