KR100370592B1 - 외고정기기용 탄소섬유 보강 ˝ｃ˝자형 구조재 및 그의제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 시술시 가해지는 장력으로 인해 발생하는 압축 및 인장력에 대한 저항성이 크도록 일방향 탄소섬유를 하중 축으로 배열시키고 섬유의 굽힘이 생기지 않도록 프리폼을 만들어 물성을 향상시킨 외고정기기용 탄소섬유 보강 "C"자형 구조재 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 일방향 탄소섬유 프리프레그를 섬유축 방향으로 일정한 폭의 테이프 형태로 자른 다음 일정한 길이로 절단하여 다수의 일방향 탄소섬유 프리프레그 유니트를 준비하는 단계와, 상기한 다수의 일방향 탄소섬유 프리프레그 유니트를 적층한 후 일정한 동심원을 형성하도록 원통형 롤러에 감아 "C"형 프리폼을 형성하는 단계와, 상기 프리폼을 진공장치가 부착된 압축성형기로 가열 성형하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 외고정기기용 탄소섬유 보강 "C"자형 구조재 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 특히 섬유축 방향으로 일정한 폭의 띠로 자른 다수의 일방향 탄소섬유 프리프레그를 일정한 동심원을 갖도록 원통형 롤러에 감아 적층시켜 원형 고정기기를 제조하며, 또한 최적 물성을 위하여 고강도 탄소섬유와 고탄성 탄소섬유를 적절히 혼용하여 사용함과 동시에 적당한 양의 평직 또는 주자직 프리프레그로 감아줌으로써 압축 및 인장력 등의 물성을 향상시킨 외고정기기용 탄소섬유 보강 "C"자형 구조재 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
현재 정형외과 분야에서 사지 장관골 골절 후 불유합, 골결손, 변형, 골단축의 치료에 획기적인 치료방법으로 자리잡고 있는 이리자로프(Ilizarov) 치료법은 신연골형성(distraction osteogenesis)이라는 골 연장술의 한 방법으로 전 세계적으로 각광받고 있다.
골 연장술의 역사는 1905년 Codivilla가 그 효시이지만 지난 수십년 동안 많은 방법이 소개되었다. 그러나 대부분 기술상의 어려움과 많은 합병증 등으로 좋은 결과를 얻지는 못하였다. 최근의 이리자로프에 의한 신연골형성 및 오르토픽스(Orthofix)를 이용하는 가골 신연법(callotasis)으로서, 전자의 방법은 1.5-1.8mm의 가는 핀을 원형 외고정기기에 부착하는 반면, 후자의 방법은 4-6mm의 비교적 굵은 핀을 일측방 외고정기기에 부착하여 골을 연장시키는 차이점이 있다.
그러나, 상기 두가지 방법의 주 방법은 기본적인 개념이 동일한 바, 연장시키고자 하는 골을 절골 후 장골축 방향으로 지속적인 장력이 가해지도록 적당한 속도로 주기적인 신연을 가하여 신연 간격에서 골 형성이 저절로 일어나도록 유도하는 방법이다.
특히, 소련에서 개발되어 지금은 전 세계로 전파되고 있는이리자로프(Ilizarov) 기기는 그 독특한 형태 때문에 하지 뿐만 아니라 상지 연장, 복잡한 변형교정, 골절의 치료 등 정형외과 영역에서 치료가 용이하지 않았던 여러 가지 질환의 치료에서 성공함으로써 매우 각광을 받게 되었고, 그 치료 결과에서도 매우 좋은 성적을 얻고 있는 것으로 보고되고 있다.
그러나, 스테인레스강으로 만들어진 이리자로프 기기는 다소 무겁고 방사선 비투과성이라 골형성의 유무, 변형의 교정 정도 등을 파악하기 어려운 단점들이 있다. 이런 배경 하에 최근 여러 선진국에서는 섬유 소재를 기본재료로 사용한 가볍고 방사선 투과성의 고정기기를 개발 중이거나 완료한 바 있다.
한편, 탄소섬유 소재는 의학계에서 생체에 적합한 물질로 인정받고 있으며 이를 이용하여 만든 탄소섬유 보강 복합재료는 임상적으로 건이나 인대 손상의 복원, 연부 조직의 보완, 고정기기 등에 이용되고 있다. 탄소섬유 보강 복합재료는 화학적 안정성이 있으며 금속에 비해 무게가 가볍고 X레이(X-ray) 투과성과 같은 장점을 가지고 있다.
이러한 탄소섬유 보강 복합재료를 원형 외고정기기에 이용하면 같은 부피의 금속보다 무게를 40-60% 정도 감소시킬 수 있어 환자가 외고정기기 착용시 불편을 줄일 수 있으며, 방사선 투과성으로 신연골 부위의 방사선학적 판정에 많은 도움이 될 수 있어 어린 소아의 족부 병변이나 선천성 경골 가관절증 등 복잡한 기구를 밀집해 장착해야 할 경우 특히 유용하게 이용할 수 있다.
종래의 탄소섬유소재로 이루어진 체외 고정기기는 도 1에 도시된 바와같이 주자직(Satin) 소재(1)를 45˚ 각도로 절단한 후 둘둘 말아서, 적당한 부피의봉체(5)로 만든 다음 이를 "C"자 모양의 금형에 넣어 "C"자형 프리프레그(5)를 압축 성형하는 방법으로 제조되었다.
그런데 상기 방법으로 제조된 종래의 프리프레그(5)는 반원의 내측 부분에서는 탄소섬유의 배열이 압축하중 방향에서 예각으로 분포되기 때문에 압축하중에 대해서 버팀 정도가 작다는 문제가 있다. 마찬가지로 프리프레그(5)의 반원의 외측 부분은 인장하중에 대해서 탄성계수가 작게 나타난다. 이러한 이유는 주자직을 쓰는 경우, 내·외측의 압축, 인장 탄성계수 저하 현상은 탄소섬유의 배열이 압축, 인장축으로 배열이 안되기 때문이다.
따라서 본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 섬유축 방향으로 일정한 폭의 띠로 자른 다수의 일방향 탄소섬유 프리프레그를 일정한 동심원을 갖도록 원통형 롤러에 감아 적층시킴에 의해 물성이 향상된 외고정기기용 탄소섬유 보강 "C"자형 구조재 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 최적 물성을 위하여 고강도 탄소섬유와 고탄성 탄소섬유를 적절히 혼용하여 사용함과 동시에 적당한 양의 평직 또는 주자직 프리프레그로 감아줌으로써 압축 및 인장력 등의 물성을 향상시킨 외고정기기용 탄소섬유 보강 "C"자형 구조재 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
도 1은 종래 방법에 따른 탄소섬유 소재 외고정기기의 제조 공정도,
도 2는 본 발명에 따른 탄소섬유 보강 복합재료 소재를 이용한 링타입의 외고정기기 제조 공정도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 *
11 ; 다수의 일방향 탄소섬유 프리프레그 유니트
11a ; 고강도 탄소섬유 프리프레그 유니트
11b ; 고탄성 탄소섬유 프리프레그 유니트
13 ; 프리폼
15 ; 평직 또는 주자직 탄소섬유 프리프레그
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 일방향 탄소섬유 프리프레그를섬유축 방향으로 일정한 폭의 테이프 형태로 자른 다음 일정한 길이로 절단하여 다수의 일방향 탄소섬유 프리프레그 유니트를 준비하는 단계와, 상기한 다수의 일방향 탄소섬유 프리프레그 유니트를 적층한 후 일정한 동심원을 형성하도록 원통형 롤러에 감아 "C"형 프리폼을 형성하는 단계와, 상기 프리폼을 진공장치가 부착된 압축성형기로 가열 성형하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 외고정기기용 탄소섬유 보강 "C"자형 구조재의 제조방법을 제공한다.
상기 다수의 일방향 탄소섬유 프리프레그 유니트는 고강도 탄소섬유 프리프레그 유니트와 고탄성 탄소섬유 프리프레그 유니트로 구성될 수 있으며, 상기 고강도 탄소섬유 프리프레그 유니트에 혼합되는 고탄성 탄소섬유 프리프레그 유니트의 함량은 80중량% 미만으로 첨가되는 것이 바람직하다.
더욱이, 본 발명의 "C"자형 구조재의 제조방법에 있어서는 상기 외고정기기에 발생된 크랙의 진행을 방지하기 위하여 프리폼의 외주에 소정량의 주자직 또는 평직 탄소섬유 프리프레그를 권취하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이 경우 상기 일방향 탄소섬유 프리프레그 유니트의 프리폼과 평직 또는 주자직 프리프레그의 함량비율은 부피비로 3:1에서 8:1 범위로 설정되는 것이 바람직하다.
상기 일방향 탄소섬유 프리프레그는 매트릭스로서 300˚F 이상의 온도에서 경화되는 열경화성 수지, 바람직하게는 에폭시수지를 사용한다.
상기한 바와같이 본 발명에서는 섬유축 방향으로 일정한 폭의 띠로 자른 다수의 일방향 탄소섬유 프리프레그를 일정한 동심원을 갖도록 원통형 롤러에 감아적층시킴에 의해 물성이 향상된 외고정기기용 탄소섬유 보강 "C"자형 구조재를 얻을 수 있다.
이 경우 최적 물성을 위하여 고강도 탄소섬유와 고탄성 탄소섬유를 적절히 혼용하여 사용함과 동시에 적당한 양의 평직 또는 주자직 프리프레그로 감아줌으로써 압축 및 인장력 등의 물성을 더욱더 향상시킬 수 있게 된다.
(제조방법)
첨부된 도 2는 본 발명에 따른 탄소섬유 보강 복합재료 소재를 이용한 링타입의 외고정기기 제조공정을 나타낸 그림이다.
도시된 바와같이 본 발명의 주 요지는 시술시 가해지는 장력으로 인해 발생하는 압축 및 인장력에 대한 저항성이 크도록 일방향 탄소섬유를 하중 축으로 배열시키고 섬유의 굽힘이 생기지 않도록 프리폼을 만드는 것이다.
본 발명에서는 먼저 일방향 탄소섬유 프리프레그를 굽힘 현상 없이 적층을 하기 위하여 일방향 탄소섬유 프리프레그를 섬유축 방향으로 일정한 폭의 테이프 형태로 자른 다음 일정한 길이로 절단하여 다수의 일방향 탄소섬유 프리프레그 유니트(11)를 준비한다(S1).
이 경우 상기 일방향 탄소섬유 프리프레그에 매트릭스로서 사용된 수지는 예를들어, 열경화성 수지로서 300˚F 이상의 온도에서 경화되는 열경화성 수지를, 바람직하게는 에폭시수지를 사용한다.
또한, 상기 다수의 일방향 탄소섬유 프리프레그 유니트(11)에는 고강도 탄소섬유 프리프레그 유니트(11a)와 고탄성 탄소섬유 프리프레그 유니트(11b)를 적절히혼용하여 최적의 물성을 갖도록 하는 것이 바람직하다.
이 경우 고강도 탄소섬유 프리프레그 유니트(11a)에 혼합되는 고탄성 탄소섬유 프리프레그 유니트(11b)의 함량은 80중량% 미만으로 첨가되는 것이 바람직하다.
고강도 탄소섬유 프리프레그 유니트(11a)에 혼합되는 고탄성 탄소섬유 프리프레그 유니트(11b)의 함량이 80 중량%를 초과하는 경우에는 취약성이 높아져서 나사 조임시 부서지기 쉬운 문제점이 있고 고탄성 탄소섬유가 고강도 탄소섬유 보다 가격이 고가이므로 첨가되는 고탄성 탄소섬유 프리프레그 유니트(11b)의 함량은 80중량% 미만으로 결정한다.
상기와 같이 일방향 고탄성 탄소섬유 프리프레그 유니트(11b)의 함량을 증가시킴에 따라 외고정기기의 압축 탄성률이 직선적으로 증가하였다. 즉, 고탄성 탄소섬유 프리프레그 유니트(11b)의 함량을 증가시킴으로써 강성도(Stiffness)를 증가시킬 수 있으므로 고탄성 탄소섬유와 고강도 탄소섬유를 적당한 비율로 사용하면 원하는 물성을 얻을 수 있다.
이어서, 상기한 다수의 일방향 탄소섬유 프리프레그 유니트(11)를 적층한 후 일정한 동심원을 형성하도록 원통형 롤러에 감아 "C"형 또는 링형 프리폼(13)을 형성한다(S2). 이 경우 상기 프리폼(13)에서 일방향 탄소섬유는 하중 축으로 배열되며 섬유의 굽힘이 발생되지 않도록 프리폼(13)을 만드는 것이 중요하다.
그후 이와 같이 만든 프리폼(13)을 적당한 양의 주자직 또는 평직 프리프레그(15)로 감아준다(S3).
이 경우 주자직 또는 평직 프리프레그(15)로 프리폼(13)을 감아주는 이유는일방향 탄소섬유 프리프레그 만을 사용하여 외고정기기를 제조하였을 경우는 높은 하중으로 인해 크랙이 발생하였을 경우 이 크랙을 차단하지 못한다. 즉, 발생된 크랙의 진행을 방지하기 위하여 상기와 같이 평직 또는 주자직 프리프레그(15)를 이용하여 프리폼(13) 주위를 감아주는 것이 바람직하다.
이때 사용되는 일방향 탄소섬유 프리프레그의 프리폼(13)과 평직 또는 주자직 프리프레그(15)의 함량비율은 부피비로 3:1에서 8:1 범위로 설정되는 것이 바람직하다.
상기 프리폼(13)에 권취되는 평직 또는 주자직 프리프레그(15)의 함량비율은 부피비로 3:1(25%)를 초과하는 경우에는 섬유의 굽힘 현상이 심해져서 물성의 저하를 초래하고, 8:1(11%) 미만인 경우에는 시술시 발생된 크랙을 차단시키지 못하는 문제가 있어, 프리폼(13)에 권취되는 평직 또는 주자직 프리프레그(15)의 함량비율은 상기 범위로 결정된다.
그후 프리프레그(15)가 권취된 프리폼(13)을 진공장치가 부착된 압축성형기로 가열 성형하면 링타입의 외고정기기에 사용되는 "C"형 구조재를 얻게 된다(S4).
상기와 같이 압축성형기에 진공장치를 부착하여 가열 압축성형하면 성형된 외고정기기의 내부에 기공이 존재하지 않게 되어 물성이 향상된다.
상기와 같은 제조공정에 따라 얻어지는 본 발명의 "C"형 구조재의 굴곡탄성률은 6Kgf/MM ~ 20Kgf/MM로 측정되어 종래 제품에 비하여 크게 향상된 효과를 나타내었다.
(실시예)
이하에 상기한 본 발명을 바람직한 실시예를 참고하여 더욱 상세하게 설명한다.
고탄성 탄소섬유의 보강효과를 살펴보기 위하여 고강도 일방향 탄소섬유와 고탄성 일방향 탄소섬유의 함량을 바꿔가며 "C"자형 구조재를 제조하였다. 고강도 일방향 탄소섬유와 고탄성 일방향 탄소섬유를 적당한 비율로 배열시킨 후 45˚각도로 절단된 직사각형의 3K 평직을 이용하여 둘둘 말은 다음 반원 형태의 모양으로 구부린 후 금형에 넣은 후 프레스로 압축성형하였다.
C-링 압축실험 결과 고탄성 일방향 탄소섬유의 함량이 증가함에 따라 굴곡탄성률이 증가함을 보여주었다. 평직으로만 제조된 종래의 제품은 굴곡탄성률이 4Kgf/MM인데 비해 본 발명에 따른 고강도 일방향 탄소섬유만으로 된 시편의 물성은 6Kgf/MM이었고, 고강도 일방향 탄소섬유에 20%의 고탄성 일방향 탄소섬유가 함유된 시편의 물성은 8Kgf/MM로 측정되었다.
(C-링 압축실험)
C-링의 굴곡물성을 측정하기 위하여 Instron Universal Tensile Machine을 사용하였으며 C자 모양의 복합재료를 양단부가 위/아래가 되도록 수직으로 세운 후 양 단부에 압축력을 작용시켜 힘과 변형률 관계 데이터를 얻었다. 힘과 변형률 관계 그래프에서 초기의 기울기로부터 C-링의 단위 두께당 굴곡탄성률을 계산하였다.
상기한 바와같이 본 발명에서는 섬유축 방향으로 일정한 폭의 띠로 자른 다수의 일방향 탄소섬유 프리프레그를 일정한 동심원을 갖도록 원통형 롤러에 감아적층시킴에 의해 물성이 향상된 외고정기기용 탄소섬유 보강 "C"자형 구조재를 얻을 수 있다.
이 경우 최적 물성을 위하여 고강도 탄소섬유와 고탄성 탄소섬유를 적절히 혼용하여 사용함과 동시에 적당한 양의 평직 또는 주자직 프리프레그로 감아줌으로써 압축 및 인장력 등의 물성을 더욱더 향상시킬 수 있게 된다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
Claims (9)
- 고강도 탄소섬유 프리프레그 유니트와 고탄성 탄소섬유 프리프레그 유니트가 혼합되어 이루어진 일방향 탄소섬유 프리프레그를 섬유축 방향으로 일정한 폭의 테이프 형태로 자른 다음 일정한 길이로 절단하여 다수의 일방향 탄소섬유 프리프레그 유니트를 준비하는 단계와,상기한 다수의 일방향 탄소섬유 프리프레그 유니트를 적층한 후 일정한 동심원을 형성하도록 원통형 롤러에 감아 "C"형 프리폼을 형성하는 단계와,외고정기기에 발생된 크랙의 진행을 방지하기 위하여 상기 "C"형 프리폼의 외주에 소정량의 주자직 또는 평직 탄소섬유 프리프레그를 권취하는 단계와,상기 프리폼을 진공장치가 부착된 압축성형기로 가열 성형하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 외고정기기용 탄소섬유 보강 "C"자형 구조재의 제조방법.
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- 제1항에 있어서, 상기 일방향 탄소섬유 프리프레그 유니트의 프리폼과 평직 또는 주자직 프리프레그의 함량비율은 부피비로 3:1에서 8:1 범위로 설정되는 것을 특징으로 하는 외고정기기용 탄소섬유 보강 "C"자형 구조재의 제조방법.
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- 제1항에 있어서, 상기 "C"자형 구조재의 굴곡탄성률이 6Kgf/MM ~ 20Kgf/MM인 것을 특징으로 하는 외고정기기용 탄소섬유 보강 "C"자형 구조재의 제조방법.
- 제1항의 제조방법에 따라 제조된 외고정기기용 탄소섬유 보강 "C"자형 구조재.
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