항공용 복합재의 공유 데이터베이스와의 동등성 결정 과정 file공기...

1995년 미국의 AGATE(Advanced General Aviation Transport

Experiments) 프로그램은 중복적인 품질입증 비용의 부담을 경감시켜 범용 항

공 산업의 활성화를 위해, 복합재 물성치 데이터베이스의 공유를 통한 표준화된

특성화 절차를 수립하기 시작했다. 이후 AGATE 프로그램은 NCAMP

(National Center for Advanced Materials Performance)로 발전하였다.

NCAMP의 목적은 AGATE 프로그램으로 얻은 경험을 바탕으로 범용 항공기,

수송급 항공기, 그리고 기타 항공기 제품 형식의 인증에 공통적으로 적용할 수

있는 재료규격서 및 기초 재료물성치 데이터를 개발할 수 있는 수락가능한 방법

론을 수립하는 것이다. 이러한 공유 데이터베이스 체계를 통해 항공기 제작업체

는 최초 품질입증 시험보다 훨씬 적은 수의 시험만으로도 항공용 부품 제작을

위한 승인된 복합재 시스템을 선택할 수 있게 되었다. 이처럼 후속 재료 또는 공

정이 최초 품질입증 재료의 물성치와 동등한 물성치를 생성할 수 있음을 입증하

는 시험을 재료 동등성 시험이라고 한다. 본 논문에서는 수많은 동등성 시험 결

과의 분석을 바탕으로 통계적 시험 결과에 한 동등성 결정 과정에 한 안내

지침을 제시하고자 한다.

주제어 : 동등성, 복합재료, AGATE, NCAMP, 공유 데이터베이스 체계

항공용 복합재의 공유 데이터베이스와의 동등성 결정 과정

83

항공용 복합재의 공유 데이터베이스와의

동등성 결정 과정

이승윤, 서장원, 김일영

한국항공우주연구원 항공인증팀

【국문요약】

항공진흥 제59호

84

Ⅰ. 서 론

1990년 후반 미국에서는 범용 항공

(General Aviation) 산업의 활성화를 위

해 새로운 패러다임의 효율적인 항공용

복합재료 인증 체계가 구축되어 적용되

고 있다. 전통적인 방식의 복합재 인증

체계에서는 각 항공기 회사들에 의하여

생성된 데이터가 해당 회사의 소유이므

로 다른 개별 항공기 회사들이 동일한

품질입증(Qualification) 활동을 반복해

야 했다. 이 과정은 동일한 재료에 한

중복적인 품질입증 활동과 다수의 규격

을 만들어 내게 되었다. FAA는 이러한

품질입증 프로그램들을 감독해야 하기

때문에, 이와 같은 방식은 FAA에게도

가중한 업무부담이 되었다. 이러한 소

모적인 비용을 감소시키기 위해 1995년

NASA는 FAA, MIL-HDBK-17(현재의

CMH-17) 및 항공산업계와 함께

AGATE 프로그램을 통해 복합재 물성

치 데이터베이스 공유에 기반한 효율적

인 복합재 품질입증 프로세스의 개발을

시작하였고, 약 10년 후 AGATE 프로

그램은 NCAMP로 발전하였다.

NCAMP의 목적은 AGATE 프로그램

으로 얻은 경험을 바탕으로 범용 항공

기, 수송급 항공기, 그리고 기타 항공기

제품 형식의 인증에 공통적으로 적용할

수 있는 재료규격서 및 기초 재료물성

치 데이터를 개발할 수 있는 수락가능

한 방법론을 만드는 것이다. 이러한 목

적을 달성하기 위해 NCAMP는 금속재

와 같이 산업체 전반에 걸쳐 적용할 수

있는 비전매특허의 규격과 재료 설계값

의 개발 절차를 개발하였다.

본 논문은 복합재 품질입증의 새로운

패러다임으로 제시되고 있는 미국의

AGATE 혹은 NCAMP 데이터베이스

공유 체계의 적용에 있어 핵심 과정 중

하나인 동등성 입증 과정 및 동등성 판

단의 통계적 기준을 소개한다. 이러한

동등성 기준은 통계적인 오류를 내포하

고 있으며 복합재의 특성상 공정에 따

른 물성치의 가변성이 높으므로, 각 시

험 항목에 한 기준 만족 여부만을 바

탕으로 동등성을 판단하는 것은 오류를

내포할 가능성이 크다. 이에 수많은 동

등성 시험 결과의 분석을 바탕으로 통

계적 시험 결과에 한 동등성 결정 과

정에 한 안내지침을 제시하고자 한다.

Ⅱ. 복합재 물성치 데이터

베이스 공유 시스템

중복적인 품질입증으로 인한 개별 항

공기 제작업체의 부담을 경감시키기 위


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<그림 1> 전통적인 복합재 품질입증 방식

<그림 2> AGATE 프로세스

해, 1995년에 AGATE 프로그램을 통해

복합재 물성치 공유 데이터베이스 프로

세스를 개발하였다. 이러한 AGATE 데

이터베이스는 FAA의 정책(FAA, 2000)

에 의해 소형항공기의 복합재 인증시

사용가능하게 되었다. AGATE 방법은

DOT/FAA/AR-03/19 문서(J. Tomblin,

2003)에 기반한 공통적으로 적용되는

품질입증 계획을 사용하여, 복수의 항

공기 제작회사에 의해 중복적으로 수행


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<그림 3> NCAMP 프로세스

되는 시험으로 인한 부담을 없앨 수 있

었다. 이후 AGATE 프로그램은 NCAMP

로 발전하여 항공 산업 전반에 걸친 보

다 폭넓은 적용을 위한 표준 운용절차

(Y. Ng, 2010)가 개발되었다.

기존의 복합재 품질입증 프로세스

(<그림 1>)에서는 이미 인증을 받은 재

료를 다른 항공기에 사용할 경우, 다시

감항당국의 인증절차를 거쳐야 재료 설

계값을 사용할 수 있었으나, 새로운

AGATE 방법(<그림 2>)에서는 복합재

료 데이터베이스를 감항당국에서 관리

하여, 다른 사업에서 사용할 경우, 동등

성 시험 절차만 거치면 사용할 수 있도

록 간소화하였다. NCAMP 프로세스

(<그림 3>)에서는, 좀더 많은 참조 문서

들(S. Ward, 2007; W. McCarvill, 2007;

G. Bogucki, 2003)이 생성되었고, 동등

성 시험이 품질입증 시험과 동시에 수

행할 수 있어 보다 큰 모집단을 구성할

수 있도록 하였다.

FAA는 NCAMP 복합재 데이터베이


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스와 규격이 연방항공법 FAR Parts 23,

25, 27 및 29의 각 해당 절인 2x.603(a)&(b),

2x.605 및 2x.613(a)&(b), 그리고 엔진

과 프로펠러와 관련된 Parts 33.15와

35.17에 적합하다는 정책(M. Freisthler,

2010)을 발표하였다.

이러한 일련의 노력의 결과, 복합재

인증기준을 수립하였고 일련의 복합재

데이터베이스를 생성하여 복합재 인증

방식에 혁신을 가져왔다. 이러한 공유

복합재 데이터베이스를 통한 인증 방법

론은 품질입증 및 시험에 한 주요 의

무를 항공기 제작업체에서 재료공급자

로 이동시킨 보다 효율적인 개념이다.

재료공급자가 승인된 복합재 데이터베

이스를 생성하면, 항공기 제작업체는

품질입증 과정 없이 승인된 재료를 선

택할 수 있다. (왜냐하면 승인된 재료는

주요 물성치의 관리를 규정한 재료규격

서에 맞춰 제작되고 주요 공정 파라미

터를 관리하는 공정규격서에 따라 제작

되어야 하기 때문이다.) 따라서 항공기

제작업체는 재료공급자가 수행한 것에

비해 훨씬 적은 수의 시험만으로도 최

초 데이터와 동등한 물성치를 갖는 재

료를 제작할 수 있다는 것을 입증할 수

있다.

Ⅲ. 복합재 동등성 과정

“재료 동등성(Material Equivalency)”

이라는 용어는 복합재 품질입증 데이터

베이스를 공유할 목적 및/또는 재료 제

작공정에서의 경미한 변경(Minor Change)

이 물성치에 영향을 거의 미치지 않음

을 입증하기 위한 목적으로 재료 물성

치를 입증하는 과정을 일컫는다. 즉, 재

료 동등성 시험은 후속(follow-on) 재료

또는 후속 공정이 최초(original) 품질입

증을 받은 재료와 동등한 물성치를 생

성함을 보증하기 위한 시험이다. 이러

한 재료 동등성은 샘플링 시험을 통해

수락기준을 통과함으로써 달성할 수 있

으며, 수락기준은 보다 큰 재료 데이터

모집단으로부터 유도된다.

3.1 정규화(Normalization)

일반적으로 통계적인 시험을 위해서는,

최초 품질입증시 정규화된(normalized)

물성치를 후속 재료의 정규화된 물성치

와 비교해야 하며, 특히 일방향 테이프

의 경우에 이러한 정규화 과정은 중요

하다. 두 개의 데이터 집합에 적용한 정

규화 방법은 동일해야 한다. 정규화 과

정 이후 최초 혹은 후속 재료 물성치의

산포성(scatter)이 심하게 증가한다면,

그 이유를 조사해야 한다.


88

최초 품질입증시 정규화되지 않은 물

성치는 정규화되지 않은 후속 재료 물

성치와 비교해야 한다. 물성치에 한

섬유체적율(Fiber Volume Fraction)의

영향은 인지되어 왔지만, 현재로서는

모체(matrix)의 영향을 많이 받는 물성

치를 정확하게 정규화할 수 있는 확연

한 모델은 없다. 이러한 형태의 오차는

통계적인 시험의 유효성 및 타당성을

해칠 수 있다. 경화된 플라이 두께(CPT,

Cured Ply Thickness), 섬유체적율, 또는

공극함유율(Void Content)에서 큰 차이

가 발생한다면 통계적 시험을 통해 물

성치를 기각하는 것이 정당화되지만,

그러한 차이가 발생하는 원인을 조사해

야 한다. 일반적으로, 기준을 통과하지

못하는 물성치의 중요도를 판단하기 위

해 공학적 판단을 해야 하며, 통계적 시

험을 무효화할 수 있다.

3.2 동등성 수락 기준

동등성 기준의 주요부분은 가설검정

(Test of Hypotheses)1)으로 일반적으로

알려진 통계적 시험에 기초하고 있으

며, 물성치의 특성에 따라 적용 기준이

달라진다. 예를 들어, 강도(Strength) 물

성치에 해서는 평균값과 최소값이 모

두 고려된다. 따라서 낮은 평균값이나

낮은 최소값 또는 양자가 데이터의 수

락/실패 여부를 판단할 때 적용된다. 이

를 단측검정(One-Sided Test)라고 한다.

탄성계수(Modulus)에 해서는 평균값

만이 고려되며 양측검정(Two-Sided

Test)이 적용된다. 즉, 최소 기준값보다

크고 최 기준값보다 작아야 결과를

수락할 수 있다. <표 1>과 <표 2>에 각

각 물리적/화학적/열적 물성치 및 기계

적 물성치에 한 적절한 수락/실패 기

준이 주어져 있다.

동등성 입증에 착수하게 되면, 공학

적 판단을 뒤로 미루어서는 아니 된다.

어떤 온도에서의 일부 기계적 물성치

가 통계적 동등성을 보이지 않는다면,

그 재료가 동일하거나 동등하지 않다

고 판단하기 전에 반드시 해당 물성치

의 중요도 및 불일치(discrepancy) 크기

를 조사해야 한다. 예를 들어, 인장 강

도와 인장 탄성계수 및 ETW 압축 강

도와 압축 탄성계수는 일반적으로 설

계상 중요한 물성치이므로 그 통계적

시험 결과에 좀 더 많은 비중을 두어야

한다.

본 논문에서 기술된 기준들은 배치간

가변성(between-batch variability)이 사

1) 가설검정(Test of Hypotheses) : 내세우고 있는 가설이 옳은가의 여부를 통계적인 방법으로 판정하는 일.


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시험 물성치 동등성 수락/실패 기준

Resin Content Failure for Change in Mean 또는 주1

Volatile Content Failure for High Mean 또는 주1, 주5

Gel Time Failure for Change in Mean 또는 주1

Resin Flow Failure for Change in Mean 또는 주1

Fiber Areal Weight Failure for Change in Mean 또는 주1

IR 주2

HPLC 주2

DSC Failure for Change in Mean 또는 주4

Cured Ply Thickness Failure for Change in Mean 또는 주1

Fiber Volume Failure for Change in Mean 또는 주1

Resin Volume Failure for Change in Mean 또는 주1

Void Content Failure for High Mean 또는 주1

Cured Neat Resin Density Failure for Change in Mean 또는 주1

Glass Transition Temperature (dry) Failure for Change in Mean

Glass Transition Temperature (wet) Failure for Change in Mean

주:

1. 기체 제작자와 재료 공급자 간에 동의된 값. 이 값들은 통계적 시험으로부터 얻어진 값과 큰 차이

가 없어야 한다.

2. 지문(fingerprint)의 시각적 비교만으로도 충분하나, 정량적인 수락/실패 한계값이 강력하게 추천된

다. 최초 도표의 모든 최고점은 후속 도표에 나타나야 한다. 관계없는 최고점은 잘못된 화학적 구

성 또는 오염을 암시할 수 있다. 관계없는 최고점이 의도적인 것이 아니라면, 그 재료는 기각되어

야 한다.

3. 이 물성치들은 정규화되지 않지만 섬유체적율에 민감할 수 있다. 이 물성치들이 기준을 통과하지

못한다면, 그 원인을 반드시 조사해야 하며, 실패의 중요도를 판단하기 위해 공학적 판단을 해야

한다.

4. 기체 제작자와 재료 공급자 간에 동의되는 정량적 한계값.

5. 첨가(addition) 반응(즉, 에폭시)에 의해 경화된 수지(resin) 시스템에 대해서는 “Failure for a

High Mean”을 적용하고, 응축(condensation) 반응(즉, 페놀릭)에 의해 경화된 수지 시스템에 대

해서는 “Failure for Change in Mean”을 적용한다.

6. Failure for Change in Mean 기준 : DOT/FAA/AR-03/19 문서의 6.3.2절 참조.

7. Failure for a High Mean 기준 : DOT/FAA/AR-03/19 문서의 6.3.3절 참조.

<표 1> 물리적/화학적/열적 물성치에 대한 재료 동등성 수락/실패 기준

소하다고 가정할 수 있을 때에만 적용

가능하다. CMH-17-1G(CMH-17, 2012)

의 8.4.5.2절~8.4.5.4절에는 배치간 가변

성이 상당한 경우에 한 설명이 나와

있다.


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시험 물성치 동등성 수락/실패 기준

0°(warp) 인장 강도 Failure for Decrease in Mean or Minimum Individual

0°(warp) 인장 탄성계수 Failure for Change in Mean

90°(fill) 인장 강도 Failure for Decrease in Mean or Minimum Individual

90°(fill) 인장 탄성계수Failure for Change in Mean

그리고 일방향 재료 형태에 대해서는 주1 참조

0°(warp) 압축 강도 Failure for Decrease in Mean or Minimum Individual

0°(warp) 압축 탄성계수 Failure for Change in Mean

90°(fill) 압축 강도Failure for Decrease in Mean or Minimum Individual


90°(fill) 압축 탄성계수Failure for Change in Mean


면내방향 전단 강도 Failure for Decrease in Mean or Minimum Individual

면내방향 전단 탄성계수 Failure for Change in Mean

숏빔 전단 강도 Failure for Decrease in Mean or Minimum Individual

주:

1. 이 물성치들은 정규화되지 않지만 섬유체적율에 민감할 수 있다. 이 물성치들이 기준을 통과하지

못한다면, 그 원인을 반드시 조사해야 하며, 실패의 중요도를 판단하기 위해 공학적 판단을 해야

한다.

2. Failure for Decrease in Mean or Minimum Individual Value 기준 : DOT/FAA/AR-03/19 문서

의 6.3.1절 참조.

3. Failure for Change in Mean 기준 : DOT/FAA/AR-03/19 문서의 6.3.2절 참조.

<표 2> 기계적 물성치에 대한 재료 동등성 수락/실패 기준

3.3 동등성 시험 적용 영역

재료 동등성 차는 다음과 같은 특

정 형태의 변경에 해서만 용가능

하다.

(1) 다른 장소에서 동일 제작공정을 이

용하여 동일한 기체 제작자에 의해

제작된 동일 재료.

(2) 최초 공정과 동등한 후속 공정을 이

용하여 다른 기체 제작자에 의해 제

작된 동일 재료.

(3) 최초 공정과 약간 다른 후속 공정을

이용하여 동일한 기체 제작자에 의

해 제작된 동일 재료.

(4) 프리프레그 성분 또는 성분 제작 공

정에서의 경미한 변경.

(5) 상기 사항들의 조합.

상기 변경들은 다음의 제한을 받는다.

(1) 모든 주요한(critical) 프리프레그 성

분 또는 성분 제작공정은 변경되지


91

말아야 한다.

(2) 최초 및 후속 재료시스템을 제작하

기 위한 공정규격에서 모든 주요한

단계는, 후속 재료시스템의 성능이

최초로 품질입증된 시스템의 성능

보다 떨어지게 만들 수 있는 어떠한

정보도 포함해서는 안된다.

(3) 후속 재료시스템의 제작은 다음 사

항을 포함한(단, 여기에 국한되지는

않음) 적용가능한 CFR 요구조건을

만족해야 한다.

- § 23.603 (a) 및 (b)

- § 23.605 (a) 및 (b)

한 변경으로 고려되는 후속 재

료시스템의 변경 형태는 다음을 포함하

며(단, 여기에 국한되지는 않음), 본 논

문에서는 다루지 않는다.

(1) 섬유(Fiber)의 변경(예를 들어, AS4

섬유에서 T300 섬유로의 변경)

(2) 수지(Resin)의 변경(예를 들어, 3501-6

수지에서 E7K8 수지로의 변경)

(3) 직조(Fabric Weave) 방식의 변경(예

를 들어, 8매-주자직(8-Harness Satin

Weave)에서 평직(Plain Weave)으로

의 변경)

(4) 직물(Fabric) 치수의 변경(예를 들

어, 6K tow에서 3K tow로의 변경)

(5) 프리프레그의 수지 함유량에서의

중 한 변경

(6) 크기 또는 결합제(Coupling Agent)

형태의 변경

경미한 변경으로 고려될 수 있는 후

속 재료시스템 는 공정 변경의 특정

형태는 다음을 포함한다.(단, 여기에 국

한되지는 않음)

(1) 후속 공정 동안 경화압력(cure

pressure) 또는 진공수준(vacuum

level)의 증가. 이는 오븐(Oven) 경

화(진공만 있는 경우)에서 오토클레

이브(Autoclave) 경화로의 변경을

포함한다. 그러나 후속 공정 동안

경화압력 또는 진공수준의 감소는

일반적으로 허용되지 않는다.

(2) 체류시간(Dwell Time) 및 가열율

(Heat-up Rate)과 같은 경화 파라미터

(3) 프리프레그 점착성(Tackiness)

변경의 정도에 따라 추가적인 평가나

시험이 요구될 수 있다. DOT/FAA/

AR-02/109 문서(W. McCarvill, 2003)는

재료 동등성의 입증에 적용가능한 변경

의 수준에 관한 추가적인 상세안내를

제공하고 있다. 예를 들어, 프리프레그

점착성을 높이는 것은 휘발성 물질의

함유량이 보다 높아질 수 있다. 이러한

휘발성 물질 함유량의 증가는 경화된


92

라미네이트에 공극함유량의 증가 및 유

리전이온도(Tg, Glass Transition Temp-

erature)의 감소를 가져오는 것으로 알

려져 있다. CMH-17-1G의 2.3.4절, 2.3.7

절, 2.5.3.2절, 및 8.4.2절은 이러한 주제

에 관해 좀더 안내하고 있다. 하지만,

특별한 경우에는 공학적 판단을 통해

다른 재료 또는 제작공정 변경 사이의

유사성 정도와 변경의 중요성을 평가해

야 한다.

재료 공급자가 재료시스템을 변경하

고자 결정한 경우, 물성치를 개선하기

위한 목적이라 하더라도, 기체 제작자

는 재료 동등성 시험을 수행하여 그 변

경이 제작자의 공정 파라미터에 적합함

을 입증해야 한다.

성공적인 재료 동등성의 입증이, 후

속 재료 또는 후속 공정이 라미네이트,

요소(element), 및 하부구성품 수준에서

도 동일한 물성치를 생성할 것이라는

것을 의미하지는 않는다. 왜냐하면 개

별적인 적용에서 제작의 복잡성으로 인

해 다른 물성치가 생성될 수 있기 때문

이다. 보다 복잡한 모양과 형상

(configurations)에 해 물성치가 발산

하는지 확인하기 위해, 장비 등에 투자

하기 전에 간단한 라미네이트-노치

(Laminate-Notched) 인장 및 압축 시험

을 수행해야 한다.

본 논문에 설명된 재료 동등성 절차

는 허니컴(Honeycomb) 또는 폼(Foam)

상에 프리프레그를 동시경화(Cocuring)

하는 효과를 결정하는 데에는 사용되지

않는다. 이러한 수준의 시험은 라미네

이트 수준에서 수행되어야 한다.

해당 재료가 최초 재료 품질입증에서

조사된 유체가 아닌 다른 유체에 노출

될 거라면, 재료 동등성 시험 매트릭스

에 유체민감도 조사(Fluid Sensitivity

Screening)를 포함시켜야 한다. 이에

해서는 DOT/FAA/AR-03/19 문서의

4.5.3절을 참조한다.

3.4 시편 선택 방법

DOT/FAA/AR-03/19 문서에 기술된

통계적 방법은 적용의 편의성을 위해

선택된 것이며, 유사한 동등성 평가를

수행할 수 있는 다른 방법들이 CMH-

17-1G에 주어져 있다. 재료 동등성 시

험은 공정 또는 패널간 가변성을 반영

하기 위해 수행되어야 한다. <그림 4>

에 나와 있듯이, 시편의 샘플링 및 선택

은 적어도 두 개의 독립적인 공정 또는

경화사이클에 기초해야 한다.


93

<그림 4> 동등성 시편 선택 방법

시험 항목 시편 개수시험 방법

ASTM SACMA

Resin Content 6 D3529, C613, D5300 SRM 23, SRM 24

Volatile Content 6 D3530 -

Gel Time 6 D3532 SRM 19

Resin Flow 6 D3531 SRM 22

Fiber Areal Weight 6 D3776 SRM 23, SRM 24

FT-IR1 3 E1252, E168 -

HPLC2,3 3 - SRM 20

DSC4 3 E1356 SRM 25

주: 1. FT-IR : Fourier Transform Infrared Spectroscopy

2. HPLC : High Performance Liquid Chromatography

3. CMH-17-1G의 5.5.1절과 5.5.2절은 프리프레그에서 수지를 추출하여 HPLC 시험을 수행하기

위한 상세 절차를 설명하고 있다.

4. DSC : Differential Scanning Calorimetry

<표 3> 물리적/화학적/열적 물성치에 대한 재료 동등성 시험 요건

3.5 동등성 시험 요건

<표 3>, <표 4>, 및 <표 5>에는 재료

동등성을 입증하기 위한 최소의 시험

요구조건이 정리되어 있다. <표 3>에

주어진 시험 매트릭스는 상 재료가

원래(original) 재료와 동일하다는 것을

검증하기 위한 것이며, 또는 의도적인

변경의 경우 그 변경의 정도를 결정하


94

시험 항목시편 개수

시험 방법RTD1 ETW2

0° 인장 강도 및 탄성계수 8 8 ASTM D3039

90° 인장 강도 및 탄성계수 8 8 ASTM D3039

0° 압축 강도 8 8 SACMA SRM 1

0° 압축 탄성계수 8 8 SACMA SRM 1

90° 압축 강도 8 8 SACMA SRM 1

90° 압축 탄성계수 8 8 SACMA SRM 1

면내방향 전단 강도 및 탄성계수 8 8 ASTM D5379

숏빔 전단 강도 8 - ASTM D2344

주1: 온도=70±10°F, 제작시의 습도 조건

주2: 온도=180°±5°F, 85%(±5%) 상대습도

<표 4> 경화된 라미나의 기계적 물성치에 대한 재료 동등성 시험 요건

시험 항목 시편 개수 시험 방법

Cured Ply Thickness 주8 SACMA RM 10R

Fiber Volume 주3 ASTM D31711 or D25842

Resin Volume 주3 ASTM D31711 or D25842

Void Content 주3 ASTM D27344

Cured Neat Resin Density 주5 ASTM D792

Glass Transition Temperature (dry6) 2 SACMA RM 18

Glass Transition Temperature (wet7) 2 SACMA RM 18

주:

1. 탄소 또는 그래파이트(graphite) 재료에 대해 사용되는 시험법.

2. 섬유유리(fiberglass) 재료에 대해 사용되는 시험법.

3. 재료 동등성을 위해 제작된 각 패널에 대해 적어도 한 번의 시험이 수행되어야 한다.

4. 이 시험법은 탄소 또는 그래파이트 재료에 적용될 수도 있다.

5. 각각의 뱃치(batch)에 대한 재료 공급자가 데이터 또는 깨끗한(neat) 수지 시편을 제공해야 한다.

6. 건조 조건(dry) 시편은 환경적으로 관리되는 실험실에서 대기 조건으로 보관된 제작상태

그대로의(as-fabricated) 시편이다.

7. 습한 조건(wet) 시편은 평형 수분무게 이익(equilibrium moisture weight gain)이 달성될 때까지

습한 환경에 놓이게 된다.

8. 모든 시험 패널에 대해 각각 수행해야 한다.

<표 5> 경화된 라미나의 물리적 물성치에 대한 재료 동등성 시험 요건

기 위한 것이다. <표 5>는 최초(original)

A-기초 또는 B-기초 설계 허용치에

한 재료 동등성을 수립하기 위한 관련

시험방법과 함께, 각각의 환경 조건에

해 요구되는 시험의 최소 개수를 나

타내고 있다.


95

Ⅳ. 동등성 결정 방법론

재료 동등성을 위한 부분의 통계적

시험 결과, 최소 몇 개의 시험 항목에서

통계적 기준을 벗어난 결과가 발생한

다. 이러한 통계적인 시험실패(test

failure)는 통계적 시험에 내재되어 있는

오류, 실제 재료 물성치의 차이, 그리고

시험 절차의 차이 등 많은 원인에 기인

한다. 통계적 시험실패 결과를 무시할

수 있는 경우도 있지만, 시험실패가 재

료 물성치의 중 한 변화를 의미할 수

도 있기 때문에 그 결과는 주의깊게 다

루어져야 한다. 신청자가 반드시 염두

에 두어야 할 것은, 재료에 한 전반적

인 동등성에 한 결정은 인증당국과의

긴 한 협의를 거쳐 내려져야 한다는

것이다. 다음에 설명할 내용은 통계적

시험에 한 전반적인 이해와, 기술적

인 판단 및 결정을 내리는 데에 도움을

줄 것이다.

4.1 배 경

복합재 동등성에 한 통계적 시험이

개발되어 DOT/FAA/AR-03/19 문서에

최초로 기술된 이후 CMH-17 Vol.1에

도 그 내용이 포함되었다. DOT/FAA/

AR-03/19 문서에 기술된 통계적 시험

은 95%의 신뢰수준을 가지고 통계적

동등성 시험을 수행할 것을 추천하고

있다. 쉽게 설명하면, 동등성 데이터가

최초 품질입증 데이터와 완벽하게 동일

하다 해도 략 5%의 시험실패 결과가

나올 것으로 기 된다는 것이다. 이는

동등성 비교를 위한 40개의 시험에서

이론적으로 2개의 실패 결과가 발생한

다는 것이다. 두 데이터가 완벽하게 동

일하지 않기 때문에 실제적으로 실패

빈도수는 개 5%보다 크다.

이러한 형태의 통계적 시험에서는,

99%나 99.9%의 신뢰수준보다 95%의

신뢰수준에서 더 민감하며, 민감한 통

계적 시험은 사소한 시험실패를 보다

많이 감지하여 잘못된 경고를 하게 된

다. 동등성 시험은 95% 신뢰수준에서

수행되므로, 상 적으로 높은 빈도의

잘못된 경고가 예상된다. 신청자는 통

계적 시험실패에 한 올바른 처를

위해 다음에 설명할 내용을 참조하여

인증당국과 논의를 해야 한다.

4.2 동등성 판단시 고려 요소

통계적 시험실패를 평가할 때, 시험

실패 빈도수(frequency)와 각 실패의 심

각도(severity), 그리고 해당 물성치의

중요도를 고려해야 한다.


96

분 류 탄성계수 강도

가벼운 실패 %Fail ≤ 4% %Fail ≤ 5%

가벼운-적당한 실패 4% < %Fail ≤ 8% 5% < %Fail ≤ 10%

적당한 실패 8% < %Fail ≤ 12% 10% < %Fail ≤ 15

적당한-심각한 실패 12% < %Fail ≤ 16% 15% < %Fail ≤ 20%

심각한 실패 16% < %Fail ≤ 20% 20% < %Fail ≤ 25%

극심한 실패 20% < %Fail 25% < %Fail

* %Fail : 통과/실패 기준으로부터 벗어난 정도(%)

<표 6> 시험실패의 심각도 분류

4.2.1 실패 빈도수(frequency)

앞서 언급했듯이, 두 개의 데이터세

트가 완벽하게 동등하다고 해도 략

5%의 시험실패가 예측된다. 실제적으

로는 일부 제어불가능한 가변성

(variability)이 존재하므로, 5%보다 약

간 높은 시험실패 빈도수가 예측된다.

예를 들어, 두 시험패널 제작자 사이의

차이를 평가하기 위한 동등성 비교에

서, 개 원료(raw material) 물성치의

가변성(예를 들어, 뱃치간 가변성, 프리

프레그 보관시간, 프리프레그 외부노출

시간 등)은 제어하기 힘들다. 또한, 최

초 품질입증 시에 고려하지 못했던 가

변성 요소들은 시험실패의 빈도수를 높

인다.

4.2.2 실패 심각도(severity)

각 시험실패의 심각도 또한 반드시

고려해야 할 파라미터이다. 5%로 가정

된 통계적 오류에 의한 시험실패는 매

우 사소한 실패일 가능성이 높다. 즉,

해당 시험은 통과/실패 기준에 비해

부분 4% 또는 5%보다 작은 차이로 실

패하는 경우다.

<표 4>는 9개의 항공기 제작회사가

참여한 Hexcel 8552 AS4 PW에 한

NCAMP 동등성 시험 결과의 분석에 기

초하여 통과/실패 기준으로부터 벗어난

정도에 따라 시험실패의 심각도를 분류

한 것이며, 13개의 재료시스템으로부터

얻은 100개 이상의 NCAMP 동등성 결

과를 종합하여 작성된 것이며, 이 자료

는 2011년 CMH-17 회의(CMH-17,

2011)에서 발표되었다. 일반적으로 “가

벼운 실패(Mild Failure)”는 통계적으로

잘못된 경고, 사소한 시험 오류, 또는

제어불가능한 요소에 의한 사소한 차이

에 기인한다. “적당한 실패(Moderate

Failure)”는 실제적인 재료 물성치의 변

경에 기인한다. “심각한 실패(Severe

Failure)” 및 “극심한 실패(Extreme


97

Failure)”는 달리 지적된 원인이 식별되

지 않은 경우 재료 물성치의 실제적인

변경에 기인한다.

4.2.3 물성치의 요도

일부 재료 물성치는 실제 설계에 적

용되는 방식에 따라 다른 물성치에 비

해 보다 실제적으로 그리고 공학적으로

중요할 수 있다. 예를 들어, 일부 설계

에서는 ETW 조건의 유공(open-hole)

압축강도가 RTD 조건의 면내방향 전단

강도보다 좀더 중요한 물성치로 간주할

수 있다. 따라서, 엔지니어와 인증당국

은 중요한 물성치의 실패를 다른 물성

치에 비해 좀더 의미있게 다룰 수 있다.

4.3 동등성 결정 과정

궁극적으로, 동등성 프로그램의 성공

여부에 한 결정은 종합적으로 판단해

야 한다. 모든 시험이 통계적 기준을 통

과했다면 동등성은 확실히 성공적으로

입증된 것이다. 하지만, 그러한 결과를

얻는 경우는 매우 드물다. 부분의 동

등성 프로그램은 일부 항목에서 실패

결과가 발생하며, 그 중 일부는 “적당한

-심각한 실패”일 수 있으며 중요한 물

성치에서 실패할 수도 있다. 본 절에서

는 시험 결과에 한 동등성 결정 과정

에 한 안내지침을 제공한다. 하지만,

최종적인 결정은 반드시 인증당국과의

긴 한 협의를 통해 내려져야 한다. 시

험 실패의 특성에 따라 다음과 같은 결

정을 내릴 수 있다.

(1) 동등성이 입증되었다고 결론: 단지

2~3개의 중요하지 않은 물성치의

“가벼운 실패”가 발생한 경우에 추

천된다.

(2) 하나 이상의 물성치에 한 재시험:

“적당한 실패”이며 중요한 물성치

를 포함하는 경우에 추천된다. 반드

시 가능한 실패 원인을 조사해야 한

다. 실패 원인이 밝혀지면 적절한

시정조치를 이행한 후 재시험을 수

행한다.

(3) 좀더 많은 재료 뱃치를 시험함으로

써 일부 물성치에 한 허용치를 재

생성: 재료나 공정에 의도적인 변경

이 발생해 재료 물성치의 변화가 충

분히 예상된 경우에 추천된다.

(4) 동등성 시험 결과에 근거하여 허용

치 재조정: 이 결정은 상당히 신중

하게 내려져야 한다.

(5) 전체 동등성 시험을 재수행: 시험의

반 이상이 실패한 경우에 추천된다.

동등성 시험을 재수행하기 전에 제

조공정을 재논의하여 시정조치를

이행한다.


98

통계적 실패의 특성 동등성 판단 예시

중요하지 않은 물성치의 “가벼운 실패”가 20%

미만(1) 동등성 입증 결론

“가벼운 실패”가 30% 미만, 및/또는

중요하지 않은 물성치의 “적당한 실패”가 20%

미만

(1) 동등성 입증 결론, 또는

(2) (원인이 밝혀진 경우) 시정조치 이행 그리고 일

부 물성치에 대한 재시험 요구

“가벼운 실패”가 10%~40%, 및/또는


미만, 및/또는

중요한 물성치의 “적당한 실패”가 30% 미만

(1) (원인이 밝혀진 경우) 시정조치 이행 그리고 일

부 물성치에 대한 재시험 요구, 또는

(2) 시정조치를 이행할 수 없다면, 좀더 많은 재료

뱃치를 시험함으로써 일부 물성치에 대한 허용

치를 재생성

“가벼운 실패”가 10%-50%, 및/또는


미만, 및/또는

중요한 물성치의 “적당한 실패”가 30% 미만,

및/또는

중요한 물성치의 “심각한 실패”가 20% 미만

(1) 시정조치 이행 그리고 일부 물성치에 대한 재시

험 요구, 또는

(2) 시정조치를 이행할 수 없다면, 좀더 많은 재료

뱃치를 시험함으로써 일부 물성치에 대한 허용

치를 재생성, 또는

(3) 시정조치 이행 후 전체 동등성 시험 반복

<표 7> 통계적 실패의 특성에 따른 동등성 판단의 예시

Ⅴ. 결 론

본 논문은 복합재 품질입증의 새로운

패러다임으로 제시되고 있는 복합재 데

이터베이스 공유 체계의 항공기 적용에

있어 핵심 과정 중 하나인 통계적 동등

성 시험에서 동등성을 결정하기 위한

안내지침을 제시하고 있다. 국내 소형

항공기 인증 사업에서 복합재 품질입증

을 위해 AGATE 데이터베이스와의 동

등성 시험을 수행한 결과, 통계적 동등

성 기준을 모든 시험항목에 해 만족

하기란 쉽지 않다는 것을 알 수 있었다.

그 원인은 복합재료가 같은 원료를 사

용한다고 해도 공정에 따라 물성치가

금속재에 비해 상 적으로 쉽게 변할

수 있는 재료이고, 동등성 판단 기준이

통계해석에 바탕을 두고 있기 때문에

그 판단의 적절성 또한 통계적 오류를

내포하고 있기 때문이다. 또한, AGATE

프로그램에서 개발된 초기의 통계적 판

단 기준이 너무나 엄격했던 것도 하나

의 원인이 된다. 이러한 경험을 바탕으

로 최근 미국 복합재 커뮤니티는 통계

적 판단 기준의 오류를 최소화하기 위

해 실제 동등성 시험 결과들을 수집하

여 연구를 진행해 왔으며, 동등성을 판


99

단하기 위해서는 기준에 어긋난 시험

항목의 개수와 어긋난 정도 및 시험 항

목의 중요도를 종합적으로 검토하여 기

술적인 판단을 내리는 것이 타당하다는

결론을 내리게 되었다. 이러한 기술적

인 판단을 함에 있어 신청자가 반드시

숙지해야 하는 것은, 재료에 한 전반

적인 동등성에 한 결정은 인증당국과

의 긴 한 협의를 거쳐 내려져야 한다

는 것이다.

본 논문에서 제시한 복합재 동등성

결정 접근법은 현재 시점에서의 복합재

동등성 시험의 경험을 바탕으로 하고

있다. 따라서, 복합재 원소재 제작 및

경화 공정 기술, 공정관리 및 품질관리

수준, 시험 방법, 그리고 통계해석 및

복합재 물성치 해석 기법의 발전에 따

라 동등성 결정 기준은 변할 수 있으며

보다 안정적인 기준을 수립할 수 있을

것이다. 이를 위해서는 다양한 복합재

형태에 한 수많은 시험 경험과 데이

터가 필요하며, 복합재 제작 및 시험,

그리고 해석 기법에 관한 심도깊은 연

구가 필요하다.

<참고문헌>

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Composites Guidelines for Characterization of Structural Materials, CMH-17-1G.[4] FAA (2000), Material Qualification and Equivalency for Polymer Matrix

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Developed using the NCAMP Process, FAA Memorandum AIR100-2010- 120-003.

[6] McCarvill, W., Ward, S., Bogucki, G., and J. Tomblin (2003), Guidelines and Recommended Criteria for the Development of a Material Specification for


100

Carbon Fiber/Epoxy Unidirectional Prepregs, FAA report DOT/FAA/AR-02/109.[7] McCarvill, W., Ward, S., Bogucki, G., and J. Tomblin (2007), Guidelines and

Recommended Criteria for the Development of a Material Specification for Carbon Fiber/Epoxy Unidirectional Prepregs Update, FAA report DOT/FAA/AR-07/3.

[8] Ng, Y. and J. Tomblin (2010), NCAMP Standard Operating Procedures (SOP), NSP 100.

[9] Tomblin, J., Ng, Y., and K. S. Raju (2003), Material Qualification and Equivalency for Polymer Matrix Composite Material Systems: Updated Procedure, FAA report DOT/FAA/AR-03/19.

[10] Ward, S., McCarvill, W., and J. Tomblin (2007), Guidelines and Recommended Criteria for the Development of a Material Specification for Carbon Fiber/Epoxy Fabric Prepregs, FAA report DOT/FAA/AR-06/10.


101

Decision Making Procedure for Equivalency

to the Shared Composite Materials Database

for Aircraft

Seung Yun Rhee, Ph.D

(Mechanical Engineering) Korea Aerospace Research Institute Aircraft Certification Team

【Abstract】

In 1995, Advanced General Aviation Transport Experiments (AGATE) program started with General Aviation (GA) industry's desire to share databases and standardize procedures used in composite materials characterization. In AGATE program, NASA, FAA and the industry have worked together to develop a cost-effective method of qualifying composite materials by sharing material qualification databases. The AGATE program has since evolved to the National Center for Advanced Materials Performance (NCAMP). The objective of NCAMP is to take the experience gained from AGATE and develop acceptable methods for developing common material specifications and baic material property data suitable for general use in the certification of general aviation, transport category airplanes, and other aircraft product types. Through these shared databases, a manufacturer can select an approved composite material system to fabricate parts and perform a smaller subset of testing to a specific application. Material equivalency tests are required to ensure that a follow-on material or process will produce material properties equivalent to those of the original qualification. In this paper, I will introduce the equivalency test procedures and talk about the decision making procedure for composite materials equivalency.

Key words : Equivalency, Composite Materials, AGATE, NCAMP, Shared Database System

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