KR20200030772A - 샌드위치 구조체 - Google Patents

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윤용훈
정서정
조수정
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(주)엘지하우시스
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Abstract

샌드위치 구조체가 제공된다. 상기 샌드위치 구조체는 홀수 개의 연속섬유강화복합재들의 교차 적층체를 포함하는 스킨층들과 상기 스킨층들의 사이에 배치된 코어층을 포함한다. 상기 코어층은 다공성 물질로 구성된다.
상기 샌드위치 구조체 대비 상기 코어층의 두께 백분율은 93% 초과 98% 미만이며, 상기 코어층의 두께 대비 상기 스킨층들 중 어느 하나의 두께의 비는 0.0115 초과 0.035 미만이다.

Description

샌드위치 구조체{SANDWICH STRUCTURE}
본 발명은 샌드위치 구조체에 관한 것이다.
샌드위치 구조체는 인장강도가 높은 스킨층들(skin layers)과, 이들 사이에 개재된 코어층(core layer)를 포함하여 구성되며, 높은 구조적 강성을 가지면서도 경량화가 가능하여, 자동차용 고강성 복합재로 주목받고 있다.
샌드위치 구조체는 자동차용 내/외장재로 사용될 수 있으며, 예를 들어, 자동차용 도어 트림(Door Trim), 자동차 천장(Roof Panel), 시트 백 프래임(seat back frame) 등으로 사용될 수 있다. 높은 인장강도를 확보하기 위해, 스킨층으로 금속판 및 유리 장섬유 매트에 폴리우레탄이 함침된 복합재료 등이 사용되어 왔다.
본 발명은 연속섬유강화 복합재를 활용하여, 역학적 물성과 경량화를 동시에 향상시킬 수 있는 샌드위치 구조체를 제공하고자 한다.
그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 샌드위치 구조체는 제1 스킨층(skin layer), 제2 스킨층 및 코어층(core layer)을 포함한다.
상기 코어층은 상기 제1 스킨층과 상기 제2 스킨층의 사이에 배치되며, 다공성 물질로 구성된다. 상기 다공성 물질의 밀도는 0.06 g/cm3 내지 0.15 g/cm3 일 수 있다. 상기 샌드위치 구조체 대비 상기 코어층의 두께 백분율은 93% 초과 98% 미만이다.
상기 제1 스킨층 및 제2 스킨층은 각각 홀수 개의 연속섬유강화복합재들의 교차 적층체를 포함한다. 상기 홀수 개의 연속섬유강화복합재들의 교차 적층체는, 홀수 층의 연속보강섬유의 일방향 배향방향과 짝수 층의 연속보강섬유의 일방향 배향방향이 서로 엇갈리도록 연속섬유강화복합재들이 적층된 구조를 가진다.
상기 코어층의 두께 대비 상기 제1 스킨층과 상기 제2 스킨층 중 어느 하나의 두께의 비는 0.0115 초과 0.035 미만이다.
연속섬유강화복합재는 단섬유강화복합재 및 장섬유강화복합재에 비해 고 함량의 보강섬유를 포함할 수 있을 뿐만 아니라 보강섬유의 길이가 현저히 증가하여, 이들에 비해 높은 수준의 기계적 물성을 발휘할 수 있다. 본 발명에 따른 샌드위치 구조체는 스킨층들에 기계적 물성이 우수한 연속섬유강화복합재를 적용한 것으로, 스킨층들의 두께가 얇고 저밀도/저강도의 다공성 물질로 구성된 코어층의 백분율이 높다. 따라서, 발명은 우수한 역학적 물성을 발현시키면서 동시에 경량화가 가능한 샌드위치 구조체를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 샌드위치 구조체는 스킨층들이 각각 홀수 개의 연속섬유강화복합재들의 교차 적층체를 포함하며, 홀수 개의 연속섬유강화복합재들의 교차 적층체는 홀수 층의 연속보강섬유의 일방향 배향방향과 짝수 층의 연속보강섬유의 일방향 배향방향이 서로 엇갈리도록 홀수 개의 연속섬유강화복합재들이 적층된다. 이 때문에, 본 발명에 따른 샌드위치 구조체는 서로 교차하는 임의의 두 방향에 대한 굽힘 강성이 우수한 장점이 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 샌드위치 구조체의 모식적인 단면도이다.
발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시형태들과 실험예들을 참조하면 명확해질 것이다. 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 기술의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 그 기술의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니됨을 유의해야 한다.
또한, 발명은 이하에서 개시되는 내용에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 이하에서 개시되는 내용은 발명의 개시가 완전하도록 하며, 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이고, 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 기술의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략할 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 도면에서 층 및 영역들의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장된 것일 수 있다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것으로, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 제1 구성요소는 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
명세서 전체에서, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 각 구성요소는 단수일 수도 있고 복수일 수도 있다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함하는(including)", "가진(having)" 이라고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, A, B 또는 A 및 B 를 의미하며, "C 내지 D" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, C 이상이고 D 이하인 것을 의미한다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작 시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다.
도 1에는 샌드위치 구조체(100)의 모식적인 단면도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 샌드위치 구조체(100)는 제1 스킨층(10), 제2 스킨층(20) 및 코어층(30)을 포함한다. 샌드위치 구조체(100)는 접착제(미도시)를 더 포함할 수 있다. 접착제(미도시)는, 제1 스킨층(10)과 코어층(30)의 사이에 존재하며 제2 스킨층(20)과 코어층(30)의 사이에 존재하여, 열접착 시 샌드위치 구조체(100)의 각 층들 간의 결합력을 향상시킬 수 있다.
접착제(미도시)는, 핫 프레스 (Hot Press) 혹은 더블 벨트 프레스 (Double Belt Press) 등과 같은 복합재 성형 공정을 통해 제1 스킨층(10)과 코어층의 사이와 제2 스킨층(20)과 코어층(30)의 사이에 형성될 수 있다.
샌드위치 구조체(100)의 제조과정은 코어층(30)을 제1 스킨층(10)과 제2 스킨층(20)의 사이에 개재시킨 뒤, 접착제(미도시)를 주입하여, 제1 스킨층(10), 제2 스킨층(20) 및 코어층(30)에 접착제(미도시)를 함침시키고 고화하는 것을 포함하며, 이를 통해, 제1 스킨층(10), 제2 스킨층(20) 및 코어층(30)이 일체화될 수 있다.
이하, 제1 스킨층(10), 제2 스킨층(20) 및 코어층(30)에 대해 순서대로 설명하기로 한다.
제1 스킨층(10)은 홀수 개의 제1 연속섬유강화복합재들의 교차 적층체를 포함한다. 홀수 개의 제1 연속섬유강화복합재들의 교차 적층체는 홀수 층의 연속보강섬유의 일방향 배향방향과 짝수 층의 연속보강섬유의 일방향 배향방향이 서로 엇갈리도록 홀수 개의 제1 연속섬유강화복합재들이 적층된다. 홀수 층의 연속보강섬유의 일방향 배향방향과 짝수 층의 연속보강섬유의 일방향 배향방향 간의 교차각은 45 °내지 90 °일 수 있으며, 예를 들어, 90 °일 수 있다.
홀수 개의 제1 연속섬유복합재들의 교차 적층체는 제1 스킨층(10)에 가해지는 서로 교차하는 임의의 두 방향의 외력에 대해 샌드위치 구조체(100)가 균일한 강성, 균일한 비에너지 흡수율 및 향상된 굽힘 강성을 가질 수 있도록 할 수 있다.
한편, 홀수 개의 제1 연속섬유강화복합재들의 교차 적층체는 홀수 층들의 연속보강섬유의 일방향 배향방향이 같으며, 다시 말하면, 홀수 층들의 연속보강섬유의 일방향 배향방향 간의 교차각은 대략 0 ° 이다.
홀수 개의 제1 연속섬유강화복합재들의 교차 적층체가 2 이상의 짝수 층을 포함하는 때, 짝수 층들의 연속보강섬유의 일방향 배향방향이 같으며, 즉, 짝수 층들의 연속보강섬유의 일방향 배향방향 간의 교차각은 대략 0 ° 이다.
도시된 것처럼, 제1 스킨층(10)은 제1-1 연속섬유강화복합재(n), 제1-2 연속섬유강화복합재(n+1) 및 제1-3 연속섬유강화복합재(n+2)의 교차 적층체로 구성될 수 있다. 이 때, 제1-1 연속섬유강화복합재(n), 제1-2 연속섬유강화복합재(n+1) 및 제1-3 연속섬유강화복합재(n+2)는 각각 고분자 기재(P)와 이에 함침되어 일방향으로 배향된 연속보강섬유(1)를 포함한다. 연속섬유강화복합재들(n, n+1, n+2)은 각각 고분자 기재(P) 30 부피% 내지 50 부피% 및 연속보강섬유(1) 50 부피% 내지 70 부피% 를 포함할 수 있다.
제1-1 연속섬유강화복합재(n)의 연속보강섬유들(1)의 일방향 배향방향을 제1 방향이라 하고, 제1-2 연속섬유강화복합재(n+1)의 연속보강섬유들(1)의 일방향 배향방향을 제2 방향이라 하며, 제1-3 연속섬유강화복합재(n+2)의 연속보강섬유들(1)의 일방향 배향방향을 제3 방향이라 할 때, 제1 방향과 제2 방향 간의 교차각은 45 °내지 90 °일 수 있으며, 예를 들어, 90 °일 수 있다. 또한, 제1 방향과 제3 방향의 교차각은 0 °일 수 있다.
'보강요구방향'이란 샌드위치 구조체(100)가 차량 또는 항공기 등에 장착될 때, 혹은 장착 이후 차량 또는 항공기 등이 가동 및 운동할 때, 외부에서 가해지는 외력 또는 하중을 고려하여 강도 및 강성이 보완될 필요가 있는 소정의 방향을 의미한다. 이러한 보강요구방향은 샌드위치 구조체(100)가 차량 또는 항공기 등의 부품으로 이에 장착될 때의 구속 위치, 설치 조건 등에 의해 결정될 수 있으며, 가장 주요하게 강도 및 강성이 보완될 필요가 있는 일 방향을 의미한다.
제1-1 연속섬유강화복합재(n)의 연속보강섬유(1)의 일방향 배향방향은 보강요구방향에 대해 +90°내지 +45°의 방향일 수 있고, 제1-2 연속섬유강화복합재(n+1)의 연속보강섬유(1)의 일방향 배향방향은 보강요구방향에 대해 0°내지 -45°의 방향일 수 있다. 제1-3 연속섬유강화복합재(n+2)의 연속보강섬유(1)의 일방향 배향방향은 보강요구방향에 대해 +90°내지 +45°의 방향일 수 있다.
예를 들어, 제1-1 연속섬유강화복합재(n)의 연속보강섬유(1)의 일방향 배향방향은 보강요구방향에 대해 +90°방향일 수 있고, 제1-2 연속섬유강화복합재(n+1)의 연속보강섬유(1)의 일방향 배향방향은 보강요구방향에 대해 0°방향일 수 있으며, 제1-3 연속섬유강화복합재(n+2)의 연속보강섬유(1)의 일방향 배향방향은 보강요구방향에 대해 +90°방향일 수 있다.
고분자 기재(P)는 열가소성 수지로 구성될 수 있으며, 예를 들어, 폴리프로필렌(PP) 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 수지, 폴리에틸렌(PE)수지, 폴리아미드(PA) 수지 등으로 구성될 수 있다.
코어층(30)과 제1 스킨층(10) 간의 계면 접착력을 높이기 위해, 코어층(30)을 구성하는 고분자 수지와 동종의 수지로 연속섬유강화복합재들(n, n+1, n+2)의 고분자 기재(P)를 구성할 수 있다. 본 명세서에서, 동종의 수지는 주사슬의 반복단위가 동일한 수지를 의미한다. 예를 들어, 코어층(30)을 구성하는 고분자 수지가 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET, polyethyleneterephthalate)인 경우, 연속섬유강화복합재들(n, n+1, n+2)의 고분자 기재(P)는 PET 로 구성될 수 있다.
연속보강섬유(1)는, 재질에 따라 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리부틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 천연 섬유 등으로 분류될 수 있으며, 예를 들어, 연속보강섬유(1)는 유리 섬유로 구성될 수 있다.
연속섬유강화복합재는 단섬유강화복합재 및 장섬유강화복합재에 비해 고 함량의 보강섬유를 포함할 수 있으며, 보강섬유의 길이가 현저히 증가하여, 애스펙트 비(aspect ratio)가 증가함에 따라, 단섬유강화복합재 및 장섬유강화복합재에 비해 우수한 기계적 물성을 발휘할 수 있다.
제2 스킨층(20)은 홀수 개의 제2 연속섬유강화복합재들의 교차 적층체를 포함한다. 홀수 개의 제2 연속섬유강화복합재들의 교차 적층체는 홀수 층의 연속보강섬유의 일방향 배향방향과 짝수 층의 연속보강섬유의 일방향 배향방향이 서로 엇갈리도록 홀수 개의 제2 연속섬유강화복합재들이 적층된다. 홀수 층의 연속보강섬유의 일방향 배향방향과 짝수 층의 연속보강섬유의 일방향 배향방향 간의 교차각은 45 °내지 90 °일 수 있으며, 예를 들어, 90 °일 수 있다.
홀수 개의 제2 연속섬유복합재들의 교차 적층체는 제2 스킨층(20)에 가해지는 서로 교차하는 임의의 두 방향의 외력에 대해 샌드위치 구조체(100)가 균일한 강성, 균일한 비에너지 흡수율 및 향상된 굽힘 강성을 가질 수 있도록 할 수 있다.
한편, 홀수 개의 제2 연속섬유강화복합재들의 교차 적층체는 홀수 층들의 연속보강섬유의 일방향 배향방향이 같으며, 다시 말하면, 홀수 층들의 연속보강섬유의 일방향 배향방향 간의 교차각은 대략 0 ° 이다.
홀수 개의 제2 연속섬유강화복합재들의 교차 적층체가 2 이상의 짝수 층을 포함하는 때, 짝수 층들의 연속보강섬유의 일방향 배향방향이 같으며, 즉, 짝수 층들의 연속보강섬유의 일방향 배향방향 간의 교차각은 대략 0 ° 이다.
도시된 것처럼, 제2 스킨층(20)은 제2-1 연속섬유강화복합재(m), 제2-2 연속섬유강화복합재(m+1) 및 제2-3 연속섬유강화복합재(m+2)의 교차 적층체로 구성될 수 있다. 이 때, 제2-1 연속섬유강화복합재(m), 제2-2 연속섬유강화복합재(m+1) 및 제2-3 연속섬유강화복합재(m+2)는 각각 고분자 기재(P)와 이에 함침되어 일방향으로 배향된 연속보강섬유(1)를 포함한다. 연속섬유강화복합재들(m, m+1, m+2)은 각각 고분자 기재(P) 30 부피% 내지 50 부피% 및 연속보강섬유(1) 50 부피% 내지 70 부피% 를 포함할 수 있다.
제2-1 연속섬유강화복합재(m)의 연속보강섬유들(1)의 일방향 배향방향을 제1 방향이라 하고, 제2-2 연속섬유강화복합재(m+1)의 연속보강섬유들(1)의 일방향 배향방향을 제2 방향이라 하며, 제2-3 연속섬유강화복합재(m+2)의 연속보강섬유들(1)의 일방향 배향방향을 제3 방향이라 할 때, 제1 방향과 제2 방향 간의 교차각은 45 °내지 90 °일 수 있으며, 예를 들어, 90 °일 수 있다. 또한, 제1 방향과 제3 방향의 교차각은 0 °일 수 있다.
제2-1 연속섬유강화복합재(m)의 연속보강섬유(1)의 일방향 배향방향은 보강요구방향에 대해 +90°내지 +45°의 방향일 수 있고, 제2-2 연속섬유강화복합재(m+1)의 연속보강섬유(1)의 일방향 배향방향은 보강요구방향에 대해 0°내지 -45°의 방향일 수 있다. 제2-3 연속섬유강화복합재(m+2)의 연속보강섬유(1)의 일방향 배향방향은 보강요구방향에 대해 +90°내지 +45°의 방향일 수 있다.
예를 들어, 제2-1 연속섬유강화복합재(m)의 연속보강섬유(1)의 일방향 배향방향은 보강요구방향에 대해 +90°방향일 수 있고, 제2-2 연속섬유강화복합재(m+1)의 연속보강섬유(1)의 일방향 배향방향은 보강요구방향에 대해 0°방향일 수 있으며, 제2-3 연속섬유강화복합재(m+2)의 연속보강섬유(1)의 일방향 배향방향은 보강요구방향에 대해 +90°방향일 수 있다.
고분자 기재(P)는 열가소성 수지로 구성될 수 있으며, 예를 들어, 폴리프로필렌(PP) 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 수지, 폴리에틸렌(PE)수지, 폴리아미드(PA) 수지 등으로 구성될 수 있다.
코어층(30)과 제2 스킨층(20) 간의 계면 접착력을 높이기 위해, 코어층(30)을 구성하는 고분자 수지와 동종의 수지로 연속섬유강화복합재들(m, m+1, m+2)의 고분자 기재(P)를 구성할 수 있다. 예를 들어, 코어층(30)을 구성하는 고분자 수지가 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET, polyethyleneterephthalate)인 경우, 연속섬유강화복합재들(m, m+1, m+2)의 고분자 기재(P)는 PET 로 구성될 수 있다.
연속보강섬유(1)는, 재질에 따라 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리부틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 천연 섬유 등으로 분류될 수 있으며, 예를 들어, 연속보강섬유(1)는 유리 섬유로 구성될 수 있다.
코어층(30)은 제1 스킨층(10)과 제2 스킨층(20)의 사이에 배치되며, 제1 스킨층(10) 및 제2 스킨층(20)에 비해 비중과 구조 강성이 낮다. 코어층(30)은 연속섬유강화복합재들(n, n+1, n+2, m, m+1, m+2)에 비해 저밀도/저강성의 다공성 물질로 구성된다. 다공성 물질의 공극률 또는 기공율은 샌드위치 구조체(100)가 적용되는 제품의 요구 강도 및 강성에 따라 정해질 수 있다. 예를 들어, 다공성 물질의 밀도는 0.06 g/cm3 내지 0.15 g/cm3 일 수 있다.
다공성 물질은 열가소성 수지의 발포폼으로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 폴리프로필렌(PP) 수지의 발포폼, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 수지의 발포폼, 폴리에틸렌(PE)수지의 발포폼, 폴리아미드(PA) 수지의 발포폼 등으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 코어층(30)은 PET 수지의 발포폼으로 구성될 수 있다.
샌드위치 구조체(100)가 그것의 상부와 하부에서 인가되는 외력에 대해, 균일한 강성 및 균일한 비에너지 흡수율을 발휘할 수 있도록, 제1 스킨층(10)의 제1 연속섬유강화복합재들(n, n+1, n+2)과 제2 스킨층(20)의 제2 연속섬유강화복합재들(m, m+1, m+2)은 코어층(30)을 사이에 두고 동수(同數)로 적층될 수 있다.
또한, 샌드위치 구조체(100)가 그것의 상부와 하부에서 인가되는 외력에 대해, 균일한 강성 및 균일한 비에너지 흡수율을 발휘할 수 있도록, 제1 스킨층(10)의 홀수 층의 연속섬유강화복합재들(n, n+2)과 제2 스킨층(20)의 홀수 층의 연속섬유강화복합재들(m, m+2)은 각각 연속보강섬유의 일방향 배향방향이 동일하게 배치될 수 있으며, 제1 스킨층(10)의 짝수 층의 연속섬유강화복합재(n+1) 과 제2 스킨층(20)의 짝수 층의 연속섬유강화복합재(m+1)는 연속보강섬유의 일방향 배향방향이 동일하게 배치될 수 있다.
이 때, 제1 스킨층(10)의 홀수 층의 연속섬유강화복합재들(n 또는 n+2)과 제2 스킨층(20)의 짝수 층의 연속섬유강화복합재(m+1)는 연속보강섬유의 일방향 배향방향이 엇갈리게 배치될 수 있으며, 교차각은 45 ° 내지 90 °일 수 있다. 또한, 제2 스킨층(20)의 홀수 층의 연속섬유강화복합재들(m 또는 m+2)과 제1 스킨층(10)의 짝수 층의 연속섬유강화복합재(n+1)는 연속보강섬유의 일방향 배향방향이 엇갈리게 배치될 수 있으며, 교차각은 45 ° 내지 90 °일 수 있다.
코어층(30)을 사이에 두고, 제1 스킨층(10)과 제2 스킨층(20)이 서로 대칭되게 배치됨으로써, 샌드위치 구조체(100)는 상부와 하부 모두에서 가해지는 외력에 대해 균일한 강성 및 균일한 비에너지 흡수율을 가질 수 있다.
제1 스킨층(10) 대비 제2 스킨층(20)의 두께의 비는 대략 1 일 수 있으며, 예를 들어, 0.95 내지 1.05 일 수 있다. 제1 스킨층(10)과 제2 스킨층(20)은 샌드위치 구조체(100)의 전체 두께 대비 매우 얇은 두께를 가진다. 코어층(30)의 두께 대비 제1 스킨층(10) 및 제2 스킨층(20) 중 어느 하나의 두께의 비는 0.0115 초과 0.035 미만이다.
고강도의 스킨층들(10, 20)이 샌드위치 구조체(100)의 전체 두께 대비 매우 얇은 두께로 설계되어, 샌드위치 구조체(100)는 저밀도의 코어층(30)이 비율이 높다. 샌드위치 구조체(100) 대비 코어층(30)의 두께 백분율은 93% 초과 내지 98% 미만이다. 이로 인해, 발명은 경량의 샌드위치 구조체(100)를 제공할 수 있다.
샌드위치 구조체(100)는 경량이면서도 800 N 초과의 최대하중을 버틸 수 있다. 따라서, 발명은 경량이면서도 중량 대비 고강도 및 고강성을 가진 샌드위치 구조체(100)를 제공할 수 있다.
한편, 코어층(30)과 제1 스킨층(10) 및/또는 제2 스킨층(20) 간의 열접착을 위해, 제1 스킨층(10) 및/또는 제2 스킨층(20)의 연속섬유강화복합재들의 열가소성 수지의 가공온도에 비해 코어층(30)의 열가소성 수지의 융점이 높은 것이 샌드위치 구조체(100)의 제조에 유리하다. 코어층(30)의 열가소성 수지의 융점에 비해 낮은 가공온도에서, 연속섬유강화복합재들의 열가소성 수지가 녹아서 붙게 되며, 코어층(30)은 녹아버리지 않고 형태 안정성을 유지할 수 있기 때문이다.
예를 들어, 제1 스킨층(10) 및/또는 제2 스킨층(20)의 홀수 개의 연속섬유강화복합재들에 적용된 열가소성 수지의 융점과 코어층(30)에 적용된 열가소성 수지의 차이는 40 ℃ 내지 105 ℃ 일 수 있다.
제1 스킨층(10) 및/또는 제2 스킨층(20)의 홀수 개의 연속섬유강화복합재들에 적용된 열가소성 수지의 가공온도는 180 ℃ 내지 220 ℃ 일 수 있고, 코어층(30)에 적용된 열가소성 수지의 융점은 260 ℃ 내지 285 ℃ 일 수 있다.
제1 스킨층(10) 및/또는 제2 스킨층(20)의 연속섬유강화복합재들의 열가소성 수지의 융점과 코어층(30)의 열가소성 수지의 융점의 차이를 상기한 범위 내로 제어함으로써, 제1 스킨층(10) 및/또는 제2 스킨층(20)과 코어층(30)은 별도의 접착제가 필요없이 열접착만으로 서로 접착될 수 있다.
샌드위치 구조체(100)는 자동차의 내외장재로 사용될 수 있으며, 예를 들어, 차량의 러기지 보드용으로 사용될 수 있다.
실시예
두께 19 mm 인 PET(Polyethyleneterphthalate) 수지 발포폼의 상부와 하부에 각각 두께가 0.7 mm 인 스킨층들을 적층한 뒤, 각 층을 200 ℃의 온도, 1 bar의 압력으로 열접작하여 폭 70 mm, 길이 210 mm 의 샌드위치 구조체(실시예의 샌드위치 구조체)를 제작하였다.
수지 발포폼의 상부에 배치된 제1 스킨층은 3 개의 연속섬유강화복합재들의 적층체로 구성되었으며, PET 수지 발포폼으로부터 제1 연속섬유강화복합재, 제2 연속섬유강화복합재 및 제3 연속섬유강화복합재가 순서대로 적층되었고, 3 개의 연속섬유강화복합재들은 각각 연속유리섬유 60중량%와 이에 함침된 PET 공중합체 수지 40 중량% 로 구성되었다.
제1 연속섬유강화복합재의 연속유리섬유의 배향방향과 제2 연속섬유강화복합재의 연속유리섬유의 배향방향의 교차각은 90 ° 이었으며, 제2 연속섬유강화복합재의 연속유리섬유의 배향방향과 제3 연속섬유강화복합재의 연속유리섬유의 배향방향의 교차각은 90 ° 이었다.
수지 발포폼의 하부에 배치된 제2 스킨층은 3 개의 연속섬유강화복합재들의 적층체로 구성되었으며, PET 수지 발포폼으로부터 제1 연속섬유강화복합재, 제2 연속섬유강화복합재 및 제3 연속섬유강화복합재가 순서대로 적층되었고, 3 개의 연속섬유강화복합재들은 각각 연속유리섬유 60중량%와 이에 함침된 PET 수지 40 중량% 로 구성되었다.
제1 연속섬유강화복합재의 연속유리섬유의 배향방향과 제2 연속섬유강화복합재의 연속유리섬유의 배향방향의 교차각은 90 ° 이었으며, 제2 연속섬유강화복합재의 연속유리섬유의 배향방향과 제3 연속섬유강화복합재의 연속유리섬유의 배향방향의 교차각은 90 ° 이었다.
비교예 1
제1 스킨층으로 2 개의 연속섬유강화복합재들의 적층체를 사용하고, 제2 스킨층으로 2 개의 연속섬유강화복합재들의 적층체를 사용하여, 두께 19 mm 인 PET(Polyethyleneterphthalate) 수지 발포폼의 상부와 하부에 각각 두께가 0.46 mm 인 제1 스킨층 및 제2 스킨층을 적층한 것을 제외하고는 실시예와 같은 방법으로 샌드위치 구조체(비교예 1의 샌드위치 구조체)를 제작하였다.
비교예 2
제1 스킨층으로 1 개의 연속섬유강화복합재들의 적층체를 사용하고, 제2 스킨층으로 1 개의 연속섬유강화복합재들의 적층체를 사용하여, 두께 19 mm 인 PET(Polyethyleneterphthalate) 수지 발포폼의 상부와 하부에 각각 두께가 0.23 mm 인 제1 스킨층 및 제2 스킨층을 적층한 것을 제외하고는 실시예와 같은 방법으로 샌드위치 구조체(비교예 2의 샌드위치 구조체)를 제작하였다.
비교예 3
두께 19 mm 인 PET(Polyethyleneterphthalate) 수지 발포폼의 상부와 하부에 각각 두께가 0.23 mm인 유리섬유 매트 (Glass mat) 위에 폴리우레탄 (Polyurethane) 수지를 경화시킨 것을 스킨층으로 제조한 것을 제외하고는 실시예와 같은 방법으로 샌드위치 구조체를 제작하였다.
실험예
실시예의 샌드위치 구조체와 비교예 1 내지 3의 샌드위치 구조체를 이용하여, 평량(GSM) 및 최대하중을 측정하였다. 표 1에는 그 결과가 정리되어 있다.
측정 기준은 ASTM D7250으로 시험편은 70 × 210 × 20 mm, Span 길이는 160 mm, 시험 속도는 6 mm/min으로 하였다.
하중시험 - 샘플의 센터부에 블록(Block, 300 mm × 300 mm)으로 상온에서 80 kgf의 힘을 30 분간 가하고 수직 변형량을 측정하였다.
구분 최대하중(N) GSM (g/m2)
실시예 1 853 4048
비교예 1 418 3243
비교예 2 401 2334
비교예 3 713 4900
이상 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명하였으나, 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 각 실시예에 개시된 내용들을 조합하여 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1: 연속보강섬유
P: 고분자 기재
10: 제1 스킨층 20: 제2 스킨층
30: 코어층
100: 샌드위치 구조체

Claims (8)

  1. 홀수 층의 연속보강섬유의 일방향 배향방향과 짝수 층의 연속보강섬유의 일방향 배향방향이 서로 엇갈리도록 홀수 개의 제1 연속섬유강화복합재들이 적층된 제1 연속섬유강화복합재들의 적층체를 포함하는 제1 스킨층(skin layer);
    홀수 층의 연속보강섬유의 일방향 배향방향과 짝수 층의 연속보강섬유의 일방향 배향방향이 서로 엇갈리도록 홀수 개의 제2 연속섬유강화복합재들이 적층된 제2 연속섬유강화복합재들의 적층체를 포함하는 제2 스킨층; 및
    상기 제1 스킨층과 상기 제2 스킨층의 사이에 배치되며, 밀도가 0.06 g/cm3 내지 0.15 g/cm3 인 다공성 물질로 구성된 코어층(core layer);을 포함하고,
    상기 코어층의 두께 대비 상기 제1 스킨층 및 상기 제2 스킨층 중 어느 하나의 두께의 비가 0.0115 초과 0.035 미만인 샌드위치 구조체로서,
    상기 샌드위치 구조체 대비 상기 코어층의 두께 백분율이 93% 초과 98% 미만인
    샌드위치 구조체.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 연속섬유강화복합재들의 적층 수와 상기 제2 연속섬유강화복합재들의 적층 수가 동일한 샌드위치 구조체.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 스킨층 및 상기 제2 스킨층은 각각,
    상기 홀수 층의 연속보강섬유의 일방향 배향방향과 상기 짝수 층의 연속섬유보강섬유의 일방향 배향방향의 교차각이 45° 내지 90°인
    샌드위치 구조체.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 연속섬유강화복합재들의 적층체 중 상기 홀수 층의 연속섬유강화복합재의 연속보강섬유의 일방향 배향방향과 상기 제2 연속섬유강화복합재들의 적층체 중 상기 짝수 층의 연속섬유강화복합재의 연속보강섬유의 일방향 배향방향의 교차각이 45° 내지 90°인
    샌드위치 구조체.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 다공성 물질은 열가소성 수지의 발포폼으로 이루어지며,
    상기 제1 연속섬유강화복합재들 및 상기 제2 연속섬유강화복합재들은 각각 상기 연속보강섬유 50 중량% 내지 70 중량% 및 상기 열가소성 수지 30 중량% 내지 50 중량% 를 포함하는
    샌드위치 구조체.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 연속보강섬유는 유리섬유이고, 상기 열가소성 수지는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET, polyethyleneterephthalate)인
    샌드위치 구조체.
  7. 제1 항에 있어서,
    최대하중 측정 결과가 800 N 초과인 샌드위치 구조체.
  8. 제1 항에 있어서,
    차량의 러기지 보드용인 샌드위치 구조체.
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