KR100812638B1 - 샌드위치 패널 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 일 방향으로 방향성을 부여한 열가소성 복합재를 기재층으로 사용하는 샌드위치 패널에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 본 발명은 유리섬유(glass fiber), 탄소섬유(carbon fiber), 현무암섬유(basalt fiber) 등의 보강재와 PP수지 또는 PP섬유와 같은 열가소성재료를 혼합하고, 이에 방향성을 부여한, 열가소성 복합재를 기재층으로 사용함으로써, 전체적으로 강성이 강화됨과 동시에 코아층과 기재층의 결합력이 현저히 향상되는 샌드위치 패널을 제공하는 것에 관한 것이다. 또한 본 발명은 기재층의 강화된 강성을 바탕으로 접이구조의 인테그럴 힌지의 형성이 가능하게 하는 샌드위치 패널을 제공하는 것이다.
샌드위치 패널, 열가소성 복합재, 인테그럴 힌지
Description
도 1은 통상의 샌드위치 패널의 단면구조를 나타낸 도면,
도 2는 통상의 샌드위치 패널 제조공정을 보여주는 개략도,
도 3은 본 발명에 따른 인테그럴 힌지를 갖는 샌드위치 패널이 차량의 러기지 박스의 커버에 적용된 것을 나타낸 도면,
도 4a는 본 발명에 따른 샌드위치 패널 인테그럴 힌지의 일 실시예의 단면도이며,
도 4b는 본 발명에 따른 제1 실시예의 사진,
도 5는 도 4a 및 4b에 도시된 샌드위치 패널 인테그럴 힌지의 사용 상태도,
도 6은 본 발명에 따른 샌드위치 패널 인테그럴 힌지의 다른 실시예의 단면도,
도 7은 본 발명에 따른 샌드위치 패널 인테그럴 힌지의 또다른 실시예의 단면도,
도 8은 본 발명에 따른 샌드위치 패널 인테그럴 힌지의 또다른 실시예의 단면도,
도 9는 본 발명의 샌드위치 패널과 우드스탁 패널 간의 강성 비교시험 결과를 도시한 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 코아층 2 : 기재층
3 : 마감재층 10, 20, 30, 40, 50 : 샌드위치 패널
11, 21, 31, 41 : 접이부 51 : 걸림고리 형상의 접이부
본 발명은 일 방향으로 방향성을 부여한 열가소성 복합재를 기재층으로 사용하는 샌드위치 패널에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 유리섬유(glass fiber), 탄소섬유(carbon fiber), 현무암섬유(basalt fiber) 등의 보강재와 PP수지 또는 PP섬유와 같은 열가소성재료를 약 30:70 내지 70:30의 비율로 혼합하고, 이에 일 방향으로 방향성을 부여한, 열가소성 복합재를 기재층으로 사용함으로써, 전체적으로 강성이 강화됨과 동시에 코아층과 기재층의 결합력이 현저히 향상되는 샌드위치 패널을 제공하는 것에 관한 것이다.
본 발명에 따른 샌드위치 패널은 다양한 용도로 사용될 수 있는 것이나, 특히 자동차의 내장용 패널, 즉 로드 플로어(load floor), 러기지 플러어(luggage Floor), 파슬 셀프(parcel shelf) 등에 보다 유용하게 사용될 수 있다.
샌드위치 패널은, 일반적으로 코아층, 기재층 및 마감층으로 구성되는 것으로, 도1에서 보듯이, 코아층(1)의 외측으로 두 개의 기재층(2)이 적층되고, 또 그 기재층의 외측에 하나 또는 두 개의 마감재층(3)이 적층되는 구성으로 이루어진다. 샌드위치 패널의 코아층은 일반적으로 하니컴 구조 또는 EPP 폼(foam)의 구조로 형성된다.
하니컴 코아 구조의 샌드위치 패널에 있어서, 기재층은 하니컴의 코아 립(rib)과 잘 결합되어 쉽게 분리되지 않는 것이어야 하고, 또한 자체 강성이 충분히 높아 외부 충격 등으로부터 하니컴 코아를 잘 보호할 수 있는 것이어야 한다. 코아층과 기재층의 접합력이 약하면 코아층과 기재층이 쉽게 분리됨으로 인하여 불량률이 높아지며, 또한 기재층의 강성이 약하면 샌드위치 패널 전체의 강성이 약하게 되어 그 적용분야에 많은 제약이 따르게 된다. 강성 보완을 위하여 기재층을 두껍게 만들면 샌드위치 패널 전체의 두께가 너무 두꺼워지는 단점이 발생하므로, 두께를 두껍게 하지 않으면서 충분한 강성을 확보할 수 있는 기재층의 형성이 필요하다.
이러한 기재층 형성을 위하여 종래 다양한 방법들이 연구되어 보고된바 있다. 미국특허 제4,353,947호는 하니컴 코아층과 표피층(마감재층) 사이에 저장층을 개재시키는 것에 관한 것으로, 저장층은 무방향성의 섬유로서 스폰지 형상으로 형성되는 것인데, 이 저장층에 열경화성 수지를 흡수시킴으로써 외부에서 가열 가압할 때, 그 열경화성 수지가 배어나와 코아층과 표피층을 공고히 결착되도록 하는 역할을 하게 하는 것이다. 그러나 이 발명의 주된 목적은 코아층과 표피층의 결착을 강화시키는데 목적이 있는 것이어서, 샌드위치 패널의 강성을 향상시키는 효과는 갖지 못한다는 단점이 있다.
일본특허 제2627851호는 항공기 날개의 패널 등에 적용되는 하니컴 샌드위치 구조체에 관한 것으로, 이 발명의 요지는 직포 또는 부직포로 된 면판의 상부에 일방향성 섬유강화수지계의 섬유를 적층하여서 된 포상 복합재를 제공하는 것이다. 그러나 이 발명에 따른 포상 복합재는 직포 또는 부직포로 된 면판과 일방향성 섬유강화수지계의 섬유가 별도 제작되어 결합되어짐으로 인하여, 결합력이 충분하지 아니할 염려가 있고, 또한 그로 인하여 샌드위치 패널의 강성이 충분히 향상되지 못한다는 단점이 있다.
한국특허 제561246호는 열 융착성 재료를 사용하여 기재층을 형성시키는 것에 관한 것으로, 그러한 열 융착성 재료로서 무가교 발포 폴리에칠렌 시트, 열 융착되는 부직포 등을 제시하고 있다. 그러나 이 발명 역시 샌드위치 패널의 강성을 강화시키는 효과는 갖지 못하는 것이다.
한편, 샌드위치 패널은 도 1에 도시된 바와 같이, 하니콤이나 EPP폼형상의 코아층(1)을 갖는 구조로 인하여 굽힘 혹은 절곡에 의한 성형성이 좋지 않다. 이러한 샌드위치 패널에 대하여 외부에서 압력을 강하여 접이식 구조의 인테그럴 힌지를 형성시키면 (즉 외부압력을 가하여 샌드위치 패널을 강제로 굽혀 절곡시키면), 내부 코아층이 찌그러들고 절곡이 반복되면 결국 코아층이 절단되는데, 이로 인하여 샌드위치 패널 전체가 코아층이 절곡된 부위에서 절단될 수도 있다. 따라서 샌드위치 패널에 접이구조의 인테그럴 힌지를 형성시키기 위해서는 코아층의 절단으로 약해진 부분을 기재층이 충분히 보상해 줄 정도로 강해야 한다.
일본특허 제3237341호는 하니컴층과 표피층이 경질 플라스틱에 의하여 일체가 되도록 성형시키고, 판재의 일정 위치에 인테그럴 힌지를 형성시킨 것이다. 그 러나 이 발명은 코아층이 찌그러지며 약해진 강성을 충분히 보상할 수 있는 방안이 제시되어 있지 않아 그 실용성이 의문시된다.
본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명의 목적은, 일 방향으로 방향성을 부여한 열가소성 복합재를 기재층으로 사용함으로써 샌드위치 패널 전체의 강성을 강화시킴과 동시에 코아층과 기재층의 결합력을 향상시키는 것이다.
그리고 본 발명의 다른 목적은, 이러한 강성의 강화 및 결합력의 향상으로, 접이구조의 인테그럴 힌지 형성을 가능하게 하는 것이다.
이하 본 발명의 구성에 대하여 설명한다.
본 발명의 샌드위치 패널은 코아층, 기재층 및 마감재층으로 이루어지는데, 코아층은 통상의 샌드위치 패널과 마찬가지로, 하니컴 또는 EPP폼 등의 소재를 사용한다. 하니컴 코아는 폴리프로필렌 수지를 압출다이를 통해 원형 또는 벌집 모양의 육각 형태를 취하게 한 것이고, EPP폼(foam)은 폴리프로필렌 펠릿을 함침조에서 부탄가스로 함침시킨 후 발포시킨 비드를 이용하여 형성시키는 것으로, 이 비드를 판 모양의 금형 내에 채우고 스팀을 가하여 비드 입자끼리 융착시켜 판상이 되도록 한 것이다. 특히 하니컴 구조의 코아에 있어서는 그 코아립이 외관에 보이는 것을 방지하고, 또한 기재층과의 결합력을 향상시키기 위하여 그 상하로 부직포를 열 접착해 둘 수도 있다.
본 발명의 기재층은 유리섬유, 탄소 섬유, 현무암섬유 등의 보강재와 PP수지나 PP섬유 등의 열가소성재료를 혼합하고, 이에 일 방향으로 방향성을 가하여 형성시킨 것이어서, 열가소성 재료의 작용으로 코아층 및 마감재층과의 결합이 공고히 될 수 있고, 또한 이 복합재는 일 방향으로 방향성이 가해진 것이어서 샌드위치 패널의 강성을 특정 방향으로 극대화시킬 수 있는 것이다.
본 발명에 있어서 마감재층은, 일반 샌드위치 패널에서와 마찬가지로, 제품의 외관을 미려하게 하기 위하여 샌드위치 패널의 표면에 부착되는 것인데, 샌드위치 패널이 사용되는 용도에 따라서 카펫이나 부직포 등을 마감재층으로 사용할 수 있으며, 필요에 따라서는 마감재를 부착하지 않거나 한 면에만 부착시킬 수도 있다.
본 발명의 특징은 방향성 열가소성 복합재로된 기재층에 있는 만큼, 이하에서는 이 기재층에 관하여 구체적으로 살펴본다.
본 발명의 기재층은 다음과 같은 4가지 방법으로 제조될 수 있다.
첫째 방법은, 유리섬유, 탄소섬유 또는 현무암섬유 등의 보강재를 5-10cm로 커팅(또는 chopping)하여 균일하게 분포시킨 후 이에 대하여 니들 펀칭(needle punching)하여 1차 유리 섬유 매트를 형성시키고, 이에 UD(Uni Direction)빔(beam) 형태의 유리 섬유를 추가적으로 투입하여 다시 니들 펀칭하여 2차 유리섬유 매트를 형성시키고, 이 2차 유리섬유 매트의 상하에 열가소성 PP섬유를 적층한 후, 이 전체를 200-300℃ 및 1-3기압으로 가열 가압한 후, 이를 냉각시켜 시트 상으로 형성시켜 기재층으로 사용하는 방법이다.
이 첫째 방법에 있어서, 가열 가압을 위해서는 DBP롤(Double Belt Press roll)을 사용하는 것이 바람직하다. 그리고 이 방법에 있어서, 보강재 섬유로 된 1차 매트에 UD 빔(beam) 형태의 유리섬유를 추가 투입하여 2차 유리섬유매트를 형성시키는 이유는 열가소성 복합재 시트의 방향성을 보다 강화시키기 위함이다. 그리고 보강재 섬유 매트의 상하에 열가소성 PP섬유를 적층시키는 이유는, PP섬유에 가열 가압할 때 일부 융해되면서 보강재 섬유 매트에 스며들게 되고, 그렇게 함으로써, 기재층과 코아층이나 마감재층의 결합을 공고히 할 수 있도록 함이다. 가열 온도를 200-300℃로 하고, 가압조건을 1-3기압으로 하는 이유는 이 온도범위 및 가압조건이 열가소성 PP층을 융해하여 유리섬유에 스며드는데 가장 적합하기 때문이다.
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위에서와 같은 방법들에 의하여 형성된 기재층을 사용하여 샌드위치 패널을 제조하는 공정은 통상의 샌드위치 패널 제조의 공정과 동일하며, 자동화시스템에 의하는 경우, 그 대략적인 공정은 도2와 같다. 도2에 의거, 자동시스템을 사용하여 샌드위치 패널을 제조하는 공정을 간략히 설명한다.
샌드위치 패널 제조 설비는 기재층 가열오븐, 하니컴층 가열오븐, 적층 및 자동이송장치, 프레스 금형으로 이루어진다. 이 장치에 의거 샌드위치 패널 제조공 정의 흐름은 아래와 같다.
먼저 기재층을 오븐에 통과시켜 유연하게 만든다. 오븐 온도 및 가열시간은 오븐의 종류에 따라 상이하나 IR 오븐의 경우 180-280℃ 범위에서 2-3분간 가열한다. 기재층 가열오븐에서 기재층이 가열되어 나온 직후, 하니컴층이 가열되어 나오게 되고, 다시 기재층이 나오게 되어 연속적으로, 기재층, 하니컴층, 기재층의 순서로 적층되게 된다. 이때, 하니컴층의 가열온도는 40-60℃ 범위로 하여, 적층되는 기재층과 잘 결합될 수 있도록 한다. 이렇게 적층된 소재는 적층 및 자동이송장치에 의하여 프레스 금형에 이송된 후 프레스 된다.
마감재층은 프레스 금형할 때에 적층될 수도 있고, 기재층과 함께 하니컴층에 적층될 수도 있다. 필요에 따라서는 기재층의 한 면에만 적층될 수도 있고, 마감재층이 모두 생략될 수도 있다.
프레스 금형에 있어서 금형의 온도는 30-120℃가 적합하며, 성형 압력은 100-300ton의 범위가 적합하다. 압력이 100ton보다 낮은 경우에는 성형이 잘 이루어 지지 않는 문제가 발생할 수 있고, 300ton 이상의 과도한 압력이 가해지는 경우에는 기재층의 열가소성재료가 마감재층 밖으로 배어나오는 경우가 발생할 수 있다.
기재층과 코아층을 미리 하나의 스택(stack)으로 제조한 후, 최종 프레스 성형함으로써 샌드위치 패널을 제조할 수도 있다. 즉, 코아층의 상하로 기재층을 언와인딩시켜 적층시켜 동시에 오븐에 투입한 후, DBP 롤, 칼렌더 롤, 폴리싱 롤 등을 이용하여 용착시킴으로써 하나의 스택을 제조하는 것이다. 제품 성형시 이 스택 을 오븐에 투입함으로써 성형 금형내에 적층을 단순화시키고 각 층간의 결합을 보다 강화시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 의한 기재층을 사용하는 경우 접이구조의 인테그럴 힌지를 형성시킬 수 있다. 도3은 차량 후방에 마련되는 러기지 박스의 커버에 인테그럴 힌지가 형성된 샌드위치 패널을 도시한 도면으로, 샌드위치 패널(10)의 일단부에, 가능한 한 기재층에 형성된 방향성에 직각이 되도록, 패널의 길이방향을 따라 접이부(11)가 길게 형성된다. 차량에의 적용 시 샌드위치 패널(10)은 접이부(11)를 따라 접혀진다.
본 발명의 인테그럴 힌지는 도 4의 (a), (b)에 도시된 바와 같이, 접이부를 기준으로 양측의 패널이 서로 어긋나 있는 형태로 이루어지며 접이부의 대략 중앙측으로 두께가 점차 얇아지도록 형성된 파단형 구조일 수 있다. 접이부(21)에서 파단이 발생될 듯한 형상으로 인하여 '파단형'이라는 용어를 사용했을 뿐, 샌드위치 패널을 구성하는 본 발명의 기재층에 의해 충분히 지지되므로 실제로는 패널의 파단문제가 발생되지는 않는다. 도 5에 도시된 바와 같이, 파단형 접이부(21)를 갖는 샌드위치 패널이 러기지 박스(L)에 적용하는 경우, 조립시 간단히 접이부(21)를 접어 샌드위치 패널(20)의 일단부를 러기지 박스(L)에 스크루 또는 핫 스테이킹 체결할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 인테그럴 힌지에 있어서 접이부(31)에서의 두께가 다른 패널(30) 부위 보다는 얇으나 일정한 두께를 가지며, 그 중앙부가 볼록하게 형성된 굴곡형 구조일 수 있다. 그리고 필요에 따라서는 도 7에 도시된 바와 같이, 다른 패널(30) 부위 보다 얇으며 굴곡 형성되어 접이부(41)의 중앙부가 쐐기형으로 돌출된 구조로 이루어질 수 있다. 위와 같은 굴곡형 접이부(31) 및 쐐기형 접이부(41)는 접이부의 중앙부를 기준으로 양측이 대칭적으로 형성되어, 접이부에서 샌드위치 패널을 접었을 때 굽힘력은 접이부 양측의 패널에 균등하게 전달된다.
도 8은 접이부의 넓이를 다소 넓게 하고, 압착된 후에도 상당한 두께를 갖도록 한 것으로, 자동차 로드 플로어(load floor)에 있어서 마무리 부분에 걸림고리를 형성시킨 것이다. 일반의 로드 플로어에 있어서는 이러한 걸림고리를 형성시키기 위해서는 별도의 사출물을 부착하여야 하는데, 본 발명의 경우에는 로드 플로어 마무리 부분의 일정 부위를 단순히 압착함으로써 이러한 걸림고리를 형성시킬 수 있다.
본 발명의 기재층은 충분한 강성과 결합력이 보장되는 것이어서, 위에서 본 바와 같은 다양한 형태의 인테그럴 힌지의 형성이 가능하다.
이하 실시예에 의거 본 발명을 설명한다.
(실시예)
본 실시예는 본 발명의 첫째 방법에 따라 제조된 하니콤 샌드위치 패널과 기존의 차량 내장재로 사용되는 통상의 우드스탁 패널 간의 강성 비교 시험을 실시하였다.
강성 시험은 820×25.5mm 크기의 시험편 정중앙에 속도 100mm/min로 하중(표선거리 300mm)을 가했을 경우 발생되는 최대 하중값을 측정하는 방식으로 이루어졌다. 결과는 아래의 [표 1]에 나타냈다.
| 구 분 | 하니콤 샌드위치 패널 | 우드스탁 패널 |
| 최대하중(kgf) | 132.5 | 77.5 |
| 제품중량(kg/㎡) | 3.91 | 5.25 |
위 [표 1]에서 볼 수 있는 바와 같이, 샌드위치 패널과 우드스탁 패널의 최대하중은 각각 77.5kgf와 132.5kgf로 샌드위치 패널이 70.9% 정도 높게 나타났으며, 이때 제품중량은 1㎡ 당 각각 3.91kg과 5.25kg로서 샌드위치 패널이 34% 정도 경량이었다. 따라서 중량 및 강성면에서 본 발명에 따른 샌드위치 패널이 통상의 우드스탁 패널에 비하여 월등히 우수함을 확인할 수 있었다.
상술한 바와 같이 본 발명은 일 방향으로 방향성을 부여한 열가소성 복합재를 기재층으로 사용함으로써, 전체적으로 강성이 강화됨과 동시에 코아층과 기재층의 결합력이 현저히 향상되는 샌드위치 패널을 제공하는 것이다. 그리고 본 발명은 이러한 강성의 강화 및 결합력의 향상으로, 접이구조의 인테그럴 힌지 형성을 가능하게 하는 것이다. 이러한 본 발명에 따른 샌드위치 패널은 다양한 용도로 사용될 수 있는 것으로, 특히 자동차의 내장용 패널, 즉 로드 플로어(load floor), 러기지 플러어(luggage Floor), 파슬 셀프(parcel shelf) 등에 사용될 수 있는 매우 유용한 것이라 하겠다.
Claims (9)
- 통상의 샌드위치 패널에 있어서, 기재층은 유리섬유, 탄소섬유 또는 현무암섬유 중의 하나로 된 보강재를 5-10cm로 커팅(또는 chopping)하여 균일하게 분포시킨 후 이에 대하여 니들 펀칭하여 1차 유리 섬유 매트를 형성시키고, 이에 UD beam 형태의 유리 섬유를 추가적으로 투입하여 다시 니들 펀칭하여 2차 유리섬유 매트를 형성시키고, 이 2차 유리섬유 매트의 상하에 열가소성 PP섬유를 적층시킨 후, 이 전체를 200-300℃ 및 1-3기압으로 가열 가압 후 냉각시켜 시트 상으로 형성시켜서 된 것을 특징으로 하는 샌드위치 패널.
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- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서, 인테그럴 힌지가 형성된 것을 특징으로 하는 샌드위치 패널.
- 제5항에 있어서, 상기 인테그럴 힌지는 접이부를 기준으로 양측의 패널이 서로 어긋나 있는 형태로 이루어지며 접이부의 중앙 측으로 두께가 점차 얇아지도록 형성된 파단형 구조인 것을 특징으로 하는 샌드위치 패널.
- 제5항에 있어서, 상기 인테그럴 힌지는 접이부에서의 두께가 다른 패널 부위 보다는 얇으나 일정한 두께를 가지며, 그 중앙부가 볼록하게 형성된 굴곡형 구조인 것을 특징으로 하는 샌드위치 패널.
- 제5항에 있어서, 상기 인테그럴 힌지는 접이부가 다른 패널 부위 보다 얇으며 굴곡 형성되어 접이부의 중앙부가 쐐기형으로 돌출된 구조인 것을 특징으로 하는 샌드위치 패널.
- 제5항에 있어서, 상기 인테그럴 힌지는 접이부가 마무리 부위에 걸림고리 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 샌드위치 패널.
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