KR100654365B1 - 골프 샤프트의 보강 시트 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 골프 샤프트에 관한 것으로서 특히, 골프 샤프트의 이겹지층(2) 위에 부분보강시트(4)를 적층하여 형성되는 다수개의 보강 시트에 의해 상기 골프 샤프트의 강도를 향상시키는 것으로서, 부분보강시트(4)는 상기 골프 샤프트의 선단으로부터 50mm 내지 100mm 이격된 위치로부터 형성되는 한편, 상기 부분보강시트(4)의 간격은 20mm 미만으로 하고, 상기 부분보강시트(4)의 탄소 섬유의 방향은 상기 골프 샤프트의 축방향을 기준으로 -70° 내지 + 70°의 각도를 가지도록 하여 상기 골프 샤프트의 강도를 향상시키는 골프 샤프트의 보강 시트 구조에 관한 것이다.

맨드랠, 탄소 섬유 강화 시트, 굽힘강성, 전단 강성, 파손특성

Description

골프 샤프트의 보강 시트 구조{Reinforced sheet structure of golf shaft}

도 1은 종래 탄소섬유강화 골프샤프트의 제조방법을 나타낸 도시도.

도 2는 종래 탄소섬유강화 골프샤프트의 파손 경향.

도 3a는 종래 탄소섬유강화 골프샤프트의 굽힘강성 및 전단강성 그리고, 축방향 탄성계수와, 횡방향 탄성계수를 나타내는 도시도.

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도 3b는 본 발명에 의한 탄소섬유강화 골프샤프트의 굽힘강성 및 전단강성의 그리고, 축방향 탄성계수 및 횡방향 탄성계수를 나타낸 도시도.

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도 4는 본 발명에 의한 탄소섬유강화 골프샤프트의 제조방법을 나타낸 도시도.

도 5는 본 발명에 의한 이겹지층을 감은 후 보강 작업 전의 도시도.

도 6은 본 발명에 의한 보강 작업을 마친 도시도.

도 7은 골프샤프트의 3점 굽힘 시험을 위한 도시도.

도 8은 종래 탄소섬유강화 골프샤프트와 본 발명에 의한 탄소섬유강화 골프샤프트의 굽힘 강도의 비교도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

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1 : 맨드랠

2 : 이겹지층

3 : 일방향 탄소섬유강화시트

4 : 부분보강시트

5 : 탄소섬유강화 골프샤프트의 선단

6 : 부분보강 시트의 폭

7 : 부분보강 시트간의 간격

본 발명은 골프샤프트의 이겹지층 위에 부분보강시트를 형성하여 상기 골프 샤프트의 강도를 향상시킬 수 있는 구조에 관한 것으로서, 특히 골프샤프트의 선단 부근에 탄소섬유 시트로 제작되는 보강시트를 형성함으로서 사용자의 느낌을 그대로 유지하면서 골프샤프트의 파손 특성을 개선한 섬유 강화 골프샤프트의 보강 시트 구조에 관한 것이다.
일반적으로, 탄소 섬유 강화 골프샤프트는 비강도 및 비강성 등의 우수한 성능으로 인하여 골프클럽을 경량화 할 수 있었다. 현재의 골프클럽시장 또한 "보다 가볍게, 보다 안전하게"라는 골프클럽을 원하는 소비 계층이 두터워지고 있다. 이러한 소비자의 경향을 맞추기 위하여 골프샤프트는 점점 경량화 되어가고 있는 추세이다. 그러나 골프샤프트의 경량화 되어짐에 따라 골프샤프트의 안전사고가 문제시되었으며, 실제로 안전사고가 발생하기도 하였다. 이는 골프샤프트의 경량화로인하여 구조적 강도저하에 따른 원인이다.
다시말해, 경량화를 위해서는 골프샤프트의 두께가 얇아지고, 얇아진 두께로서는 외부의 충격하중을 골프샤프트가 극복할 수 없기 때문이다. 즉, 원주방향의 강도가 저하됨에 따라 골프샤프트의 강도가 급격히 저하되어 결국 파손되는 문제점이 있었다.

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이러한 문제를 해결하기 위해 섬유강화 복합재료가 제안되었다.
상기 섬유강화 복합재료는 스포츠-레저용품 등에 다양한 소재로 대량 사용되면서 원가절감을 가져왔으며, 에너지 위기 시점에서도 대체재료로서 여러 산업 분야에서 각광을 받고 있는 실정이다. 그 중 탄소섬유강화재 즉, CFRP(carbon fiber-reinforced plastic)로 제작된 골프샤프트의 사용이 증가하고 있는 것은 아래의 내용이 중요시되고 있기 때문이다. 탄소섬유강화 복합재료는 금속재료에 비하여 내구성, 내열성, 내마모성, 내화학성등의 우수한 기계적, 화학적 성질을 갖고 있을 뿐만 아니라, 이들은 섬유방향 및 적층 방법에 따라 재료의 기계적 특성을 조절함으로써 예상되는 외부하중에 적합한 구조로 제조할 수 있으며, 골프샤프트의 중요한 특성인 비틀림 특성, 굽힘강성, 굽힘 강도를 탄소섬유강화 프리프레그(preperg)의 특성을 이용하여 사용자에 맞게 제조 될 수 있기 때문이다.

일반적인 탄소섬유강화 골프샤프트의 제조 방법에 대해 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 먼저 맨드랠(1)을 선정한다. 상기 맨드랠(1)과 경화 후 탄소섬유강화 골프샤프트와 분리하기 위한 예비 작업으로 왁스를 상기 맨드랠(1)에 도포한다. 이 후, 상기 왁스가 도포된 맨드랠(1) 위에 다시 미경화 수지를 도포한다.
그리고, 미경화 수지가 도포된 맨드랠(1) 위에 미리 일정한 치수로 재단된 탄소섬유강화 시트로 이루어진 이겹지층(2)을 적층한다. 상기 이겹지층(2)을 적층한 후 일방향 탄소섬유강화시트(3)를 적층한다. 이때 상기 이겹지층(2)은 ±70∼±45의 배향각이 유지되도록 재단된다.
상기 이겹지층(2)의 재단 방법은 골프샤프트의 축방향과 같이 적층한다. 상기 도1에서와 같은 순서로 적층 작업을 마친 골프샤프트는 폴리프로필렌 테이프(P.P. tape)를 사용하여 피복되어지고, 탄소섬유강화시트에 사용한 에폭시 수지에 맞는 적절한 경화 온도를 사용하여 열풍 오븐 중에서 경화시킨 후, 맨드랠과 분리하여 탄소섬유강화 골프샤프트를 제조한다. 위에서 열거한 방법으로 제조된 탄소섬유 강화 골프샤프트는 세기의 발명으로 명할 만큼 우수한 기계적 특성이 있고, 이로 인한 수요 또한 계속 증가하고 있다.

종래의 탄소섬유강화 골프샤프트의 제조방법으로는 골프샤프트의 원주 방향의 보강 방법이 취약한 점을 들 수 있다. ASTM 3039의 규격에 의해 시험 결과 이겹지층의 강도는 약 180인데 비하여 섬유 수직 방향의 강도는 약 50으로 현저히 낮아진 다.

골프샤프트의 원주 방향 보강을 설계 특성상 내부에 사선으로 재단된, 도 1의 이겹지층(2)만이 원주 방향을 보강할 수 있기 때문이다.
즉, 상기 경량의 골프샤프트의 선단부분 즉 골프공에 타격하는 부분이 취약한 관계로 인하여 도 2와 같은 파손의 예가 발생될 수 있는데 이는, 탄소섬유강화 골프샤프트를 제작하는 제조업체에서 가장 우려하는 부분이다. 이러한 문제점을 해결하기 종래의 설계 방법은 3가지로 요약할 수 있다. 첫째 맨드랠의 형태를 보완한다. 둘째 이겹지층의 권수를 증가시킨다. 셋째 이겹지층에 사용되는 탄소섬유강화시트의 두께를 증가시킨다.
이러한 방법을 설계에 적용할 경우 골프샤프트의 무게 증가는 일반적으로 약 10∼40%정도의 과도한 증가를 보일 뿐만 아니라 시장에서 원하는 경량화와 거리가 멀어지는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 경량화를 달성하면서도 강도를 향상시킬 수 있는 골프 샤프트를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적은 도 4의 골프 샤프트의 이겹지층(2) 위에 부분보강시트(4)를 적층하여 형성되는 다수개의 보강 시트에 의해 상기 골프 샤프트의 강도를 향상시키는 골프 샤프트의 보강 시트 구조에 의해 달성될 수 있다.

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이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거 상세히 설명하기로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명은 탄소섬유 강화 골프샤프트의 비강도 및 비강성의 특성을 충분히 활용하고 이를 보완하고자, 부분보강시트(4)가 적층되어 형성되는 보강 시트 구조를 가지는 것이다.
첨부된 도 4를 참조하여 설명하면, 탄소섬유강화 골프샤프트의 경화 후 맨드랠(1)과의 분리를 용이하게 하기 위하여 왁스를 도포 한다. 왁스가 도포된 맨드랠(1)에 탄소섬유강화시트와의 접착성을 높이기 위하여, 미경화 에폭시 수지를 도포한다. 그 위에 탄소섬유에 에폭시가 함침되고 사선으로 제단된 이겹지층(2)을 맨드랠(1)에 적층한다.
도5는 상기 이겹지층(2)의 적층후의 모습으로, 부분보강시트(4)가 적층되기 전의 모습이다. 상기 부분보강시트(4)의 시작점은 골프샤프트의 선단(5)에서 50∼100mm 떨어진 위치에서 시작한다. 이는 종래 탄소섬유강화 골프샤프트의 파손 경향을 인식하고 이를 적극적으로 보강하기 위한 것이다.
즉, 상기 도 2에서 도시된 바와 같이 일반적으로 골프 샤프트의 파손부위를 보강하기 위한 것으로서, 골프샤프트의 파손부위는 선단으로부터 50mm 내지 100mm의 범위에서 집중적으로 발생하게 되는데, 이는 도 3a에 나타난 바와 같이 상기 50mm 내지 100mm 범위에서의 강도가 제일 취약하기 때문이다.
도6은 이겹지층(2) 위에 부분보강시트(4)를 적층하여 형성된 모습이다. 상기의 부분보강시트(4)에 의해 상술한 바와 같이 골프 샤프트의 강도를 극대화할 수 있다.
한편 상기 부분보강시트(4) 형성 작업을 마치고, 이어서 상기 도 4의 일방향 탄소섬유강화시트(3)를 적층 후 폴리프로필렌(P.P.) 테이프로 피복한다. 이어서 에폭시의 경화 조건에 맞추어 경화한다. 경화 작업을 마친 후 탄소섬유강화 골프샤프트를 맨드랠(1)에서 분리하고 테이프를 제거하게 되면 부분보강시트(4)로 보강된 골프샤프트의 제작이 완료된다. 이와 같은 과정을 통하여 제작된 탄소섬유강화 골프샤프트는 도3b에서 도시된 바와 같이 취약부위가 보강되었음을 볼 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명은 골프 샤프트에 부분보강시트(4)를 형성하여 강도를 향상시키는 것으로서 이때 상기 부분보강시트(4)를 형성하기 위한 보강 시트의 최대 면적은 골프샤프트의 무게를 100으로 할 경우 사용자가 느낄 수 있는 무게의 변화는 2이하이므로, 전체 무게에서 5%미만으로 제한 할 수 있다. 보강 무게가 결정되면, 보강 무게에 따라 부분보강시트(4)의 종류 및 최대 면적을 구할 수 있다. 이때 결정되는 면적은 0.001∼0.01m²으로 제한된다.
또한, 상기 부분보강시트(4) 간의 간격(7)은 복합재료의 구조해석 이론과 복합재료의 파손이론(Tsai-Hill, Tsai-Wu)을 적용하여 최적화하였다. 파손이론 적용시 보강 시트(4)의 간격은 20mm 미만으로 제한된다. 이는 간격이 20mm 미만일 경우 보강되지 않은 영역에서도 보강의 효과를 얻을 수 있기 때문이다.
한편, 상기 부분보강시트(4)를 형성하기 위한 탄소섬유강화시트의 섬유각도 θ를 변경함으로서 보강 효과를 극대화하는 것도 가능하다.
탄소섬유강화 복합재료를 이용한 구조물의 장점은 설계자가 섬유의 각도, 재료의 두께, 재료의 강성 등을 이용하여 효율을 극대화 할 수 있는 것에 있다. 본 발명에서는 부분보강시트(4) 형성을 위한 탄소섬유강화시트의 섬유각도 θ를 조정함으로 보강 효과를 극대화 시켰다. 이를 위하여 골프샤프트의 축방향의 각도를 0도로 정의하고, 부분보강시트(4)의 섬유각도 θ를 -70°∼+70°로 하였다.
이는 상술한 바와 같이 골프 샤프트의 강도는 골프공을 타격하는 방향 즉 원주방향의 강도가 제일 약하기 때문에, 이러한 특성을 가지는 골프 샤프트의 강도를 향상시키기 위해서는 원주방향으로 섬유가 배열되어야 하며 실험에 의하면 -70°∼ +70°의 섬유각도가 강도 향상에 제일 유리하였다.
이하, 상술한 바와 같은 본 발명에 의한 골프 샤프트와 종래의 샤프트의 성능을 비교하여 설명하기로 한다.
우선 사용자의 느낌의 측면에서 볼때 본 발명에 사용된 탄소섬유강화시트의 보강효과로 인하여 탄소섬유강화 골프샤프트의 중량(0.8%), 비틀림(1.6%), 고유진동수(0.4%)의 미세한 증가를 보였다. 이는 사용자의 느낌에 관한 특성이 변하지 않았다고 단정지을 수 있다.
한편, 골프샤프트의 선단에서 150mm 떨어진 곳에 하중을 부가하여 종래의 골프샤프트(A type)와 본 발명의 골프샤프트(B type)의 기계적 특징을 비교하여 보면, 다음과 같은 표 1에서와 같이 최대하중(26.2%), 인성(26.0%), 최대굽힘응력(22.0%) 그리고 굽힘강성(25.5%)이 증가함을 볼수 있다. 이는 선단을 보강함으로 탄소섬유강화 골프샤프트의 파손 특성을 높이 개선한 것으로 사료된다.

Type	Max Load [kgf]	Max. dis. [mm]	Toughness [kgf mm]	Max. stress[MPa]	EI [Nm2]
A type	51.0	5.5	135.4	351.6	15.2
B type	64.4	5.5	170.5	429.0	19.0
	26.2% ↑	-	26.0% ↑	22.0% ↑	25.5% ↑

도 7은 상술한 물성치를 얻기 위한 시험조건을 도시한 도면이며 도 8은 종래탄소섬유강화 골프샤프트와 본 발명에서 제안한 개선 방법으로 제작된 탄소섬유강화 골프샤프트의 3점 굽힘 시험을 통한 변위와 하중곡선을 나타낸 것이다.
상기 도 8에 나타난 그래프는 세로축은 하중을 나타낸 것이며 가로축은 상기 하중에 의한 변위를 도시한 것으로서 상기 가로축의 좌측이 선단을 나타낸다.
상기 도 8에서 확인할 수 있듯이 본 발명(B type)이 하중 대비 변위가 낮음을 알 수 있고 이는 종래(A type)의 경우에 비해 강도가 향상되었음을 알 수 있다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은 이겹지층(2)위에 부분보강시트(4)를 형성함에 의해 골프샤프트의 강도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

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Claims (3)

1. 탄소섬유에 에폭시가 함침된 탄소섬유강화시트를 맨드랠상에 적층하여 형성되는 이겹지층;과,

   상기 이겹지층 위에 형성되는 다수개의 부분보강시트;와,

   상기 이겹지층 및 부분보강시트를 감싸는 일방향 탄소섬유강화시트;와,

   상기 일방향 탄소섬유강화시트를 피복하는 폴리프로필렌 테이프;를 포함하여 골프 샤프트의 강도를 향상시키는 것을 특징으로 하는 골프 샤프트의 보강 시트 구조.
2. 제1항에 있어서,

   상기 부분보강시트는 상기 골프 샤프트의 선단으로부터 50mm 내지 100mm 이격된 위치로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 골프 샤프트의 보강 시트 구조.
3. 제1항에 있어서,

   상기 부분보강시트의 간격은 20mm 미만인 것을 특징으로 하는 골프 샤프트의 보강 시트 구조.

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