KR101762905B1 - 카본 하이브리드 판재 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

제조 비용의 절감과 가공 편의성의 향상으로 생산성 및 경제성이 향상되도록, 본 발명은 탄소섬유로 직조된 직물에 결합수지가 함침되어 형성된 프리프레그 카본시트와 상기 카본시트에 대응되는 면적의 금속판재가 상호 적층되는 제1단계; 상기 카본시트 및 상기 금속판재의 적층방향을 따라 배치된 프레스장치가 상기 결합수지의 경화온도에 대응되는 온도 이상으로 가열되는 제2단계; 및 상기 탄소섬유의 일측이 상기 금속판재의 표면에 밀착되되 타측이 상기 결합수지 외부로 노출되며 상기 결합수지가 경화되도록 적층된 상기 카본시트 및 상기 금속판재가 상기 프레스장치에 의해 기설정된 결합압력으로 가압되어 상호 결합되는 제3단계를 포함하되, 상기 제3단계에서 상기 가압된 탄소섬유가 상기 금속판재의 표면 내부로 함입되어 상기 탄소섬유 및 상기 금속판재 간의 열전달면적이 증가되도록 상기 결합압력은 상기 금속판재의 소성변형압력을 초과하는 크기로 설정됨을 특징으로 하는 카본 하이브리드 판재의 제조방법을 제공한다.

Description

카본 하이브리드 판재 및 그의 제조방법{carbon hybrid plate and method for manufacturing thereof}
본 발명은 카본 하이브리드 판재 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 제조 비용의 절감과 가공 편의성의 향상으로 생산성 및 경제성이 향상되는 카본 하이브리드 판재 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
최근, 계속되는 원유 가격의 상승 및 화석 연료의 고갈 등의 문제로 인해 대체 연료의 개발 필요성이 대두되고 있으며, 이와 함께 항공기, 선박, 자동차 등 운송수단의 에너지 효율성을 개선하기 위한 노력이 이루어지고 있다.
이에 따라, 운송수단에 사용되는 각종 구조재를 충격에 대한 안전성과, 운행시 높은 에너지 효율을 동시에 만족시킬 수 있도록 경량과 고강도을 갖는 탄소 섬유 강화 플라스틱(carbon fiber reinforced plastic, 이하 CFRP) 등을 이용한 판재의 개발이 요구된다.
종래에 주로 사용되는 알루미늄 합금의 경우 비중이 2.7 정도이지만, CFRP는 비중이 1.6~1.7에 불과하여 매우 가벼울 뿐만 아니라 고강도와 더불어 고내식성을 가지고 있으므로 구조재로 뛰어난 특성을 지니고 있으나, 높은 제조비용으로 인해 전투기, 전투 헬기 등의 군수용품으로 적용이 제한되고 있다.
상세히, 상기 CFRP 판재는 탄소 섬유로 직조시트(woven sheet)를 제조하고, 제조된 직조시트에 수지를 함침한 후 0.2mm 두께의 직조시트를 5~10회 이상 적층하고 경화하는 과정을 반복하여 제조된다.
이처럼, 하나의 판재를 제조하기 위해서는 10회 이상의 적층 및 경화 과정이 요구되므로 긴 공정시간으로 인해 제품의 생산성이 저하되는 문제점이 있었다.
또한, 제조된 CFRP 판재는 함침된 수지의 특성상 경화 후에 형상 가공이 어려운 문제점이 있었으며, 골곡이 필요한 제품의 경우에는 별도의 금형 설계가 필수적이므로 판재의 제조를 위해 부가적인 금형설계 비용이 요구되며, 금형 이송장치, 오토클레이브를 비롯한 다양한 장치가 요구되므로 제품의 생산비용이 증가되는 문제점이 있었다.
한국 공개특허 제10-2004-0029073호
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 제조 비용의 절감과 가공 편의성의 향상으로 생산성 및 경제성이 향상되는 카본 하이브리드 판재 및 그의 제조방법을 제공하는 것을 해결과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 탄소섬유로 직조된 직물에 결합수지가 함침되어 형성된 프리프레그 카본시트와 상기 카본시트에 대응되는 면적의 금속판재가 상호 적층되는 제1단계; 상기 카본시트 및 상기 금속판재의 적층방향을 따라 배치된 프레스장치가 상기 결합수지의 경화온도에 대응되는 온도 이상으로 가열되는 제2단계; 및 상기 탄소섬유의 일측이 상기 금속판재의 표면에 밀착되되 타측이 상기 결합수지 외부로 노출되며 상기 결합수지가 경화되도록 적층된 상기 카본시트 및 상기 금속판재가 상기 프레스장치에 의해 기설정된 결합압력으로 가압되어 상호 결합되는 제3단계를 포함하되, 상기 제3단계에서 상기 가압된 탄소섬유가 상기 금속판재의 표면 내부로 함입되어 상기 탄소섬유 및 상기 금속판재 간의 열전달면적이 증가되도록 상기 결합압력은 상기 금속판재의 소성변형압력을 초과하는 크기로 설정됨을 특징으로 하는 카본 하이브리드 판재의 제조방법을 제공한다.
여기서, 상기 제1단계에서, 상기 결합수지는 완전 경화 후 탄성 및 고접착성을 갖는 에폭시 계열로 구비되되, 상기 금속판재는 알루미늄, 알루미늄 합금, 철, 철 합금 중 적어도 하나로 구비되며, 상기 카본시트는 한쌍으로 구비되어 상기 금속판재의 상하면에 적층됨이 바람직하다.
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그리고, 상기 제1단계는, 상기 카본시트 및 상기 금속판재가 밀폐된 케이싱 내부에 배치되되, 상기 카본시트의 외면에 다공성 수지흡수시트가 적층되는 단계와, 상기 케이싱의 내부에 기설정된 공정압력 미만의 진공이 형성되는 단계를 더 포함하되, 상기 제3단계는, 상기 프레스장치를 통한 가압시 상기 탄소섬유 사이의 공간을 초과하는 상기 결합수지가 진공 분위기로 인한 확산 속도 증가에 따라 상기 다공성 수지흡수시트의 내부로 포집되어 제거되는 단계를 포함함이 바람직하다.
한편, 본 발명은 알루미늄, 알루미늄 합금, 철, 철 합금 중 하나의 금속판재로 구비된 베이스층; 및 상기 베이스층의 외면에 결합수지가 함침된 탄소섬유 직물로 구비된 프리프레그 카본시트가 상기 결합수지의 경화온도 이상으로 가열된 프레스장치에 의해 상기 금속판재의 소성변형압력을 초과하는 기설정된 결합압력으로 가압되어 상기 탄소섬유의 일측이 상기 금속판재의 표면 내부로 함입되어 밀착되되 타측이 상기 결합수지 외부로 노출된 상태로 상기 결합수지가 경화되어 상기 베이스층의 외면에 결합되는 보강층을 포함하는 카본 하이브리드 판재를 제공한다.
상기의 해결 수단을 통해서, 본 발명의 카본 하이브리드 판재 및 그의 제조방법은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 상기 금속판재의 표면에 고강도의 탄소섬유를 함유한 보강층이 중첩 형성되므로 종래의 금속판재에 비해 높은 강도를 가질 수 있으며, 카본시트를 적층/경화하는 과정을 반복하여 형성되는 CFRP 판재와 달리 표면에 적층된 카본시트를 일회 경화하여 제품이 완성되므로 공정시간의 감소로 제품의 생산성이 향상될 수 있다.
둘째, 가공성이 뛰어난 금속판재의 표면에 유연하게 변형 가능한 보강층이 얇게 형성됨에 따라 내식성 및 내마모성이 개선되면서도 금속판재의 형상 가공에 따라 보강층이 변형될 수 있으므로 종래의 CFRP 판재와 달리 부품별 형상에 따른 별도의 성형금형 없이 일반적인 금속 가공을 위한 프레스 내지 3차원 롤포밍 가공이 적용될 수 있어 공정비용의 감소로 제품의 경제성이 현저히 개선될 수 있다.
셋째, 상기 프레스장치의 가압에 따라 탄소섬유가 금속판재 및 프레스장치에 밀착된 상태에서 결합수지의 경화가 진행되므로 프레스장치의 분리시 탄소섬유의 일측이 금속판재에 접촉되되 타측이 외부 대기에 노출되어 금속판재와 외부 대기 사이의 열유동로가 형성되므로 제품의 열전달 성능 및 방열 성능이 개선될 수 있다.
넷째, 상기 카본시트 및 금속판재가 프레스장치 사이에서 가압됨에 따라 탄소섬유 사이의 공간을 초과하는 여분의 결합수지가 금속판재 및 카본시트의 측부로 배출되므로 카본시트에 의해 형성된 보강층에서 결합수지의 비율이 최소화될 수 있어 탄소섬유의 보강으로 강도가 개선되면서도 결합수지로 인한 무게 증가가 최소화된 경량의 제품이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 카본 하이브리드 판재의 제조방법을 나타낸 흐름도.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 카본 하이브리드 판재의 제조방법을 나타낸 예시도.
도 4는 도 3의 A-B단면을 나타낸 확대단면도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 카본 하이브리드 판재를 나타낸 단면도.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 카본 하이브리드 판재의 제조방법을 나타낸 예시도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 카본 하이브리드 판재 및 그의 제조방법을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 카본 하이브리드 판재의 제조방법을 나타낸 흐름도이며, 도 2 및 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 카본 하이브리드 판재의 제조방법을 나타낸 예시도이며, 도 4는 도 3의 A-B단면을 나타낸 확대단면도이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 카본 하이브리드 판재를 나타낸 단면도.
도 1 내지 도 5에서 보는 바와 같이, 상기 카본 하이브리드 판재(100)는 다음과 같은 과정으로 제조된다.
먼저, 탄소섬유(21)로 직조된 직물에 결합수지(22)가 함침되어 형성된 프리프레그 카본시트(20)와 상기 카본시트(20)에 대응되는 면적의 금속판재(10)가 상호 적층된다(s10).
여기서, 상기 탄소섬유(carbon fiber)는 유기섬유, 주지, 피치(pitch) 등과 같은 유기재료를 방사하여 제조된 전구체섬유(precursor fiber)가 1000~3000℃의 온도로 열처리되어 생산될 수 있다.
이때, 상기 탄소섬유(21)는 하나의 탄소섬유 필라멘트 내지는 복수의 필라멘트가 모여 형성된 탄소섬유 집합체를 포함하는 의미로 이해함이 바람직하며, 상기 탄소섬유(21)가 평직, 능직의 형태로 직조되어 직물이 형성될 수 있다. 그리고, 상기 직물에는 열경화성 결합수지(22)가 함침되며, 상기 함침된 결합수지(22)가 점성을 갖도록 가경화됨에 따라 프리프레그 카본시트(20)가 제조될 수 있다.
여기서, 상기 결합수지(22)의 가경화는 경화재의 비율 조절을 통해 이루어질 수 있으며, 프리프레그 카본시트(20)에서 상기 결합수지(22)가 차지하는 부피비율은 60% 내외로 구비될 수 있다.
그리고, 상기 금속판재(10)는 높은 강성을 갖되 가공성이 뛰어난 알루미늄, 알루미늄 합금, 철, 철 합금 중 적어도 하나로 구비됨이 바람직하며, 상기 카본시트(20)의 적층단계 이전에 불순물 제거공정, 에칭공정 등의 전처리 과정을 거치는 것이 바람직하다.
상세히, 상기 금속판재(10)는 다이캐스트 내지는 기계가공 등에 의해 제조되며 제조 공정으로 인해 표면에 유제나 유지 등의 불순물이 존재할 수 있다. 이때, 상기 금속판재(10)를 탈지재가 5~10% 함유된 50~80℃의 탈지용액에 5~10분간 침지하여 표면의 불순물이 제거될 수 있다.
그리고, 불순물이 제거된 금속판재(10)는 화학적인 에칭공정으로 표면이 거칠기 가공되며, 표면의 거칠기 가공을 통해 적층될 카본시트(20)와의 접촉면적이 증가되고 결합수지(22)를 통한 탄소섬유(21) 및 금속판재(10)의 결합이 견고하게 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 카본시트(20)는 상기 금속판재(10)와 유사한 면적을 갖도록 구비되어 상기 금속판재의 상하면 중 일면에 적층되는 것도 가능하며, 상하면 양면에 모두 적층되는 것도 가능하다.
한편, 도 1 내지 도 2를 참조하면, 상기 카본시트(20) 및 상기 금속판재(10)가 적층되고(s10), 상기 카본시트(20) 및 상기 금속판재(10)의 적층방향을 따라 배치된 프레스장치(30)가 상기 결합수지(22)의 경화온도에 대응되는 온도 이상으로 가열된다.
여기서, 상기 결합수지(22)는 완전 경화 후 탄성 및 고접착성을 갖는 에폭시 계열로 구비됨이 바람직하다. 이때, 상기 에폭시 계열의 수지는 접착성이 높으면서도 경화시 치수 안정성이 뛰어나, 탄소섬유(21)로 제조된 카본시트(20)가 상기 금속판재(10)에 견고하게 접착될 수 있으며, 결합수지(22)의 경화시 수축으로 인한 금속판재(10)의 휘어짐 변형 등이 예방될 수 있다.
또한, 상기 결합수지(22)는 완전 경화 후에도 탄성을 갖는 실리콘 변성, 아크릴 변성 등 고무 변성 에폭시 계열로 구비됨이 바람직하며, 상기 탄소섬유(21) 및 상기 결합수지(22)에 의해 금속판재(10)의 외면에 형성된 보강층이 상기 금속판재(10)의 변형에 대응하여 유연하게 변형될 수 있다.
이에 따라, 상기 탄소섬유(21) 및 상기 금속판재(10) 간의 변형율 차이에 따른 결합수지(22)의 찢어짐이나 균열 등이 방지될 수 있어 제품의 내구성이 향상될 수 있다.
이때, 상기 프레스장치(30)가 가열되는 온도는 카본시트(20)에 함침된 결합수지(22)의 종류에 따라 상이하게 설정될 수 있으나, 에폭시 계열의 수지를 사용하는 경우 120~350℃ 이상으로 가열됨이 바람직하다.
여기서, 상기 프레스장치(30)는 유압실린더 등에 의해 승강되는 펀치(31)와, 펀치(31)의 하부에 배치되어 상기 카본시트(20) 및 상기 금속판재(10)를 지지하는 다이(32)로 구비될 수 있으며, 상기 펀치(31) 및 상기 다이(32)의 내부에는 가열수단이 구비됨이 바람직하다.
예를 들어, 상기 금속판재(10)의 일면에만 상기 카본시트(20)가 적층되는 경우에, 상기 프레스장치(30)의 다이(32)에 상기 금속판재(10)를 배치한 후, 상기 금속판재(10)의 상면을 덮도록 상기 프리프레그 카본시트(20)가 적층될 수 있으며, 상기 카본시트(20)의 상부에 배치되어 하강시 카본시트(20)의 상면에 접촉되는 프레스장치(30)의 펀치(31)가 가열될 수 있다.
물론, 상기 카본시트(20)는 상기 금속판재(10)의 상하면에 적층되도록 한쌍으로 구비됨이 더욱 바람직하다.
이에 따라, 상기 금속판재(10)에서 대기 내지 외부환경에 노출되는 면적이 최소화되어 부식으로 인한 강도 저하가 예방될 수 있으며, 금속판재(10)의 상하면에 고강도의 탄소섬유(21)를 함유한 보강층이 중첩 형성되어 기존의 금속판재에 비해 현저히 높은 강도를 갖는 제품이 제조될 수 있다.
이때, 상기 프레스장치(30)의 다이(32)에는 카본시트(20), 금속판재(10), 카본시트(20)가 순차 적층될 수 있으며, 상기 프레스장치(30)의 펀치(31)가 먼저 가열되고, 상기 프레스장치(30)의 다이(32)는 상기 펀치(31)가 하강되어 상기 금속판재(10)의 상부에 적층된 카본시트(20)와 접촉되는 시점에 대응하여 가열됨이 바람직하다.
이에 따라, 금속판재(10)의 하부 및 상부에 구비된 카본시트(20)가 균일하게 경화될 수 있다.
한편, 도 1 내지 도 3을 참조하면, 상기 프레스장치(30)가 가열되고(s20), 상기 탄소섬유(21)가 상기 금속판재(10)의 표면에 밀착되며 상기 결합수지(22)가 경화되도록 적층된 상기 카본시트(20) 및 상기 금속판재(10)가 상기 가열된 프레스장치(30)에 의해 기설정된 결합압력으로 가압되어 상호 결합된다(s30).
이때, 상기 카본시트(20)를 이루는 탄소섬유(21)는 상기 프레스장치(30)의 압력에 의해 상기 금속판재(10)의 표면에 밀착될 수 있으며, 프레스장치(30)의 열에 의해 결합수지(22)가 경화됨에 따라 금속판재(10)의 표면에 결합될 수 있다.
여기서, 상기 프레스장치(30)의 열은 높은 열전도성을 갖는 탄소섬유(21)를 통해 결합수지(22)의 내부로 공급될 수 있다. 즉, 상기 프레스장치(30)의 표면에 직접 접촉되는 결합수지(22)의 표면과, 프레스장치(30)의 표면에 직접 접촉되지 않는 결합수지(22)의 내부를 포함하는 결합수지(22)의 각 부분이 균일하게 경화될 수 있다.
이때, 상기 결합수지(22)의 경화완료 시간은 경화재의 비율 및 프레스장치(30)의 온도에 따라 상이할 수 있으나, 일반적인 경우 30~60분 내외에서 결합수지(22)의 완전경화가 완료되며, 결합수지(22)의 경화가 완료되면 상기 카본시트(20) 및 상기 금속판재(10)가 결합되어 카본 하이브리드 판재(100)가 제조될 수 있다.
이처럼, 상기 카본 하이브리드 판재(100)는 금속판재(10)의 표면에 고강도의 탄소섬유(21)가 함유된 보강층이 중첩 형성됨에 따라 종래의 금속판재(10)에 비해 현저히 높은 강도를 가질 수 있다.
그리고, 상기 프레스장치(30)에 의해 가압된 결합수지(22)가 상기 탄소섬유(21)와 함께 상기 금속판재(10)의 표면을 밀폐함에 따라 대기나 수분으로 인한 금속판재(10)의 부식이 방지될 수 있다.
또한, 가공성이 뛰어난 금속판재(10)를 주구조체로 하되, 금속판재(10)의 표면에 유연하게 변형 가능하도록 탄소섬유(21) 및 결합수지(22)로 구비된 얇은 보강층을 형성함으로써, 종래의 CFRP 판재가 갖는 높은 내식성 및 내마모성을 유지하면서도 금속판재(10)의 가공성이 그대로 유지될 수 있다.
즉, 주구조체인 금속판재(10)의 형상 가공에 따라 탄소섬유(21) 및 결합수지(22)의 보강층이 유연하게 변형될 수 있으므로 종래의 CFRP 판재와 달리 부품별 형상에 따른 별도의 성형금형이 요구되지 않으며 일반적인 금속 가공을 위한 프레스나 3차원 롤포밍 가공 등이 호환 적용될 수 있다. 이에 따라, 공정비용이 절감되어 제품의 경제성이 현저히 개선될 수 있다.
또한, 카본시트를 적층/경화하는 과정을 적층횟수에 따라 반복하여 형성되는 CFRP 판재와 달리 표면에 적층된 카본시트를 일회 경화하여 제품이 완성될 수 있으므로 공정시간이 절감될 수 있어 제품의 생산성이 개선될 수 있다.
한편, 도 1 내지 도 4를 참조하면, 상기 탄소섬유(21)가 프레스장치(30)에 의해 금속판재(10)의 표면에 밀착된 상태에서 결합수지(22)가 경화됨에 따라, 상기 결합수지(22)가 상기 탄소섬유(21) 사이의 공간에서 상기 카본시트(20)와 상기 금속판재(10)를 결합시킬 수 있다.
상세히, 상기 탄소섬유(21)는 복수개가 상호 교차되어 직물을 형성하며, 탄소섬유(21)와 인접한 탄소섬유 사이에는 빈 공간이 존재하게 된다. 이때, 상기 프레스장치(30)에 의해 카본시트(20) 및 금속판재(10)가 가압되면, 상기 탄소섬유(21)의 상부 및 하부는 상기 프레스장치(30)의 표면 및 금속판재(10)의 표면에 각각 접촉된다.
그리고, 상기 프레스장치(30)의 표면 및 금속판재(10)의 표면 사이 및 탄소섬유(21) 사이의 빈 공간에 충진된 결합수지(22)가 경화됨에 따라 상기 탄소섬유(21)가 금속판재(10)에 결합될 수 있으며, 탄소섬유(21) 사이 공간을 초과하는 결합수지(22)는 상기 금속판재(10) 및 카본시트(20)의 측부를 따라 유동되어 프레스장치(30)의 외부로 배출된다.
이에 따라, 상기 금속판재(10)에 카본시트(20)에 의해 형성된 보강층에서 결합수지(22)가 차지하는 부피비율이 최소화될 수 있다. 예를 들어, 상기 카본시트(20)가 탄소섬유(21)의 능직 형태로 구비된 경우 결합수지(22)의 부피비율은 최초 프리프레그 형태의 60%에서 적층 완료시 40% 미만으로 20% 이상 감소될 수 있다.
이처럼, 상기 탄소섬유(21)와 상기 금속판재(10)를 결합하기 위한 결합수지(22)의 비율이 감소됨에 따라 탄소섬유(21)의 보강으로 높은 강도를 가지면서도 결합수지(22)로 인한 무게 증가가 최소화된 경량의 제품이 제공될 수 있다.
또한, 상기 결합수지(22)가 경화된 후 상기 프레스장치(30)가 제거되면, 상기 탄소섬유(21)의 일측은 상기 금속판재(10)의 밀착되되 타측은 결합수지(22)의 외부로 노출될 수 있다. 이에 따라, 금속판재(10)와 외부 대기 사이에 탄소섬유(21)를 통한 열유동로가 형성될 수 있으므로 제품의 열전도성이 향상될 수 있으며, 방열판 등으로 사용되는 경우에도 원활한 열의 전달 및 방출이 가능하다.
즉, 상기 알루미늄 계열의 금속판재(10)의 열전도성은 약 240W/m·K이며, 상기 탄소섬유(221)는 열전도성이 낮은 피치계가 약 900W/m·K, 개량 계열이 약 1,200W/m·K를 가진다.
이처럼, 상기 금속판재(10)의 3~5배 이상의 높은 열전도성을 갖는 탄소섬유(21)가 금속판재(10)와 외부 대기 사이를 연결하여 상기 금속판재(10)의 열을 신속하게 외부 대기로 배출시킬 수 있다. 물론, 상기 결합수지(22)는 은, 알루미늄, 구리 합금 계열의 나노 분말이 함유되어 열전도성이 개선된 에폭시 수지 등으로 구비됨이 더욱 바람직하다.
그리고, 상기 결합수지(22)가 경화되면, 상기 카본 하이브리드 판재(100)의 제조가 완료될 수 있다. 여기서, 상기 카본하이브리드 판재(100)는 베이스층(110) 및 보강층(120)을 포함하여 구비된다.
즉, 상기 베이스층(110)은 금속판재(10)에 의해 형성된 중앙부의 주구조체를 의미하는 것으로 이해함이 바람직하며, 상기 보강층(120)은 카본시트(20)에 의해 상기 베이스층(110)의 표면에 중첩 형성된 층을 의미하는 것으로 이해함이 바람직하다.
한편, 상기 카본시트(20) 및 상기 금속판재(10)가 가압되어 경화되는 단계(s30)에서, 상기 프레스장치(30)에 의해 가해지는 결합압력은 상기 금속판재(10)의 소성변형압력을 초과하는 크기로 설정됨이 바람직하다.
상세히, 상기 베이스층(110)은 알루미늄 합금 등의 금속판재(10)로 구비되며, 상기 보강층(120)은 상기 카본시트(20)가 가열된 프레스장치(30)에 의해 상기 금속판재(10)의 소성변형압력을 초과하는 기설정된 결합압력으로 가압되어 상기 베이스층(110)의 외면에 형성될 수 있다.
이때, 상기 보강층(120)은 상기 탄소섬유(21)가 상기 금속판재(10)의 표면 내부로 함입되며 상기 결합수지(22)가 경화됨에 따라 상기 베이스층(110)의 외면에 결합된다.
여기서, 금속판재(10)의 소성변형압력이라는 말은 소재의 영률(Young's modulus) 내지는 전단탄성계수(shear modulus of elasticity)를 의미하는 것으로 이해함이 바람직하다.
즉, 상기 결합압력은 금속판재(10)의 소재에 따라 상이하게 설정될 수 있으며, 상기 결합압력이 소성변형압력을 초과하는 크기로 가해지면 상기 금속판재(10)에 영구적인 소성변형이 발생하게 된다.
상세히, 상기 프레스장치(30)에 의해 탄소섬유(21)가 가압되면, 가압된 탄소섬유(21)에 의해 상기 금속판재(10)가 가압된다. 여기서, 상기 금속판재(10)는 탄소섬유(21)에 비해 낮은 강도를 가지고 있으며 탄소섬유(21)로 전달된 열을 통해 상온 상태보다 낮은 강도를 가지게 된다.
이때, 상기 탄소섬유(21)가 상기 금속판재(10)에 밀착된 상태에서, 상기 탄소섬유(21)에 소성변형압력 이상의 압력이 가해지면, 상기 탄소섬유(21)는 상기 금속판재(10)의 표면을 함몰시키게 된다.
그리고, 상기 탄소섬유(21)에서 상기 금속판재(10)의 표면과 접촉된 부분이 상기 금속판재(10)의 표면 내부로 함입되며, 상기 금속판재(10)에 의해 감싸진 형태를 가지게 된다.
이에 따라, 상기 카본시트(20)와 상기 금속판재(10) 간의 결합력이 향상될 수 있으며, 카본시트(20)의 박리 현상이 감소되어 제품의 내구성이 향상될 수 있다.
더욱이, 상기 탄소섬유(21)와 상기 금속판재(10) 간의 열전달면적이 증가되므로 탄소섬유(21)를 경유한 금속판재(10) 및 외부 대기간의 열교환 성능이 개선됨에 따라 제품의 열전도성 내지 방열 성능이 현저히 개선될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 카본 하이브리드 판재의 제조방법을 나타낸 예시도이다. 본 실시예에서는 상기 카본시트(20)의 외면에 다공성 수지흡수시트(50)가 적층되어 진공이 형성된 케이싱(40) 내부에서 가압되는 것을 제외한 기본적인 구성은 상술한 일실시예와 동일하므로 동일한 구성에 대한 구체적인 설명은 생략하며, 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면번호를 부여하여 설명한다.
도 6에서 보는 바와 같이, 상기 카본시트(20) 및 상기 금속판재(10)가 적층되는 단계(도 1의 s10 참조)에서, 상기 카본시트(20) 및 상기 금속판재(10)는 밀폐된 케이싱(40) 내부에 배치되되, 상기 카본시트(20)의 외면에 다공성 수지흡수시트(50)가 적층된다.
여기서, 상기 케이싱(40)은 유연한 합성수지 소재의 백으로 구비될 수 있으며, 상기 결합수지(22)의 경화온도에서 녹거나 변형되지 않는 열안정성 소재로 구비됨이 바람직하다.
이때, 상기 케이싱(40)의 일측에는 유체를 흡입하기 위한 흡입펌프 등이 구비될 수 있으며, 상기 케이싱(40)의 타측에는 내부 공간으로 각 부재를 삽입하기 위한 개방부(52)가 구비될 수 있다. 그리고, 상기 다공성 수지흡수시트(50)는 상하방향으로 관통된 복수의 포집홀(51)이 형성된 얇은 판 형태로 구비된다.
상세히, 상기 케이싱(40)의 내부에는 다공성 수지흡수시트, 카본시트, 금속판재, 카본시트, 다공성 수지흡수시트가 순차적으로 배치될 수 있다. 즉, 상기 금속판재(10)의 상하면에 상기 카본시트(20)가 배치되며, 상기 카본시트(20)의 상면 내지 하면에 상기 다공성 수지흡수시트(50)가 배치되어 하나의 적층체를 형성하게 된다.
이때, 각 시트(20,50) 및 금속판재(10)는 개방부(52)를 통해 상기 케이싱(40)의 내부에 삽입될 수 있으며, 적층이 완료되면 상기 개방부(52)는 밀폐수지(53) 등을 통해 봉합된다.
그리고, 상기 케이싱(40)이 밀폐되면, 상기 흡입펌프를 이용하여 내부의 유체를 케이싱(40) 외부로 흡입 내지 배출시켜 기설정된 공정압력 미만의 진공을 형성하게 된다. 여기서, 상기 공정압력은 고진공의 기준인 0.000075torr로 설정됨이 가장 바람직하나, 공정의 생산성 향상을 위해서 중진공의 기준인 25torr로 설정되는 것도 가능하다.
이때, 상기 케이싱(40)의 내부에 진공이 형성되면, 상기 가열된 프레스장치(30)를 통해 상기 시트(20,50) 및 금속판재(10)의 적층체를 가압한다(도1의 s30 참조).
여기서, 상기 카본시트(20)는 상기 프레스장치(30)에 의해 가압된 다공성 수지흡수시트(50)에 의해 가압되며, 상기 탄소섬유(21)의 상하부는 상기 다공성 수지흡수시트(50) 및 상기 금속판재(20)에 각각 밀착된다.
그리고, 상기 탄소섬유(21)의 공간을 초과하는 결합수지가 진공 분위기로 인한 확산 속도 증가에 따라 상기 다공성 수지흡수시트(50)의 내부, 즉 포집홀(51)로 포집되어 제거된다.
상세히, 상기 카본시트(20)는 결합수지(22)가 함침시 상기 탄소섬유(21) 사이 공간을 초과하는 여분의 결합수지를 포함하고 있다. 이때, 상기 가열된 프레스장치(30)를 통해 상기 카본시트(20) 및 금속판재(10)가 가압되면, 프레스장치(30)의 열로 인해 결합수지(22)의 경화가 시작된다.
여기서, 케이싱(40) 내부에 형성된 진공은 프레스장치(30)를 통한 가압과 더불어 결합수지(22)의 확산을 촉진시킬 수 있으며, 결합수지(22)가 탄소섬유(21) 사이 공간으로 균일하게 침투될 수 있다.
이때, 상기 카본시트(20)의 외면에 적층된 다공성 수지흡수시트(50)의 포집홀(51)에 결합수지(22)가 흡수되며, 카본시트(20)에 합침된 결합수지(22)에 다공성 수지흡수시트(50)의 방향의 확산 흐름이 형성될 수 있다.
이에 따라, 상기 결합수지(22)가 카본시트(20)의 탄소섬유(21) 및 금속판재(10) 사이로 유동되어 탄소섬유(21) 및 금속판재(10)를 구획하는 수지막을 형성하는 것을 방지할 수 있으며, 탄소섬유(21) 및 금속판재(10) 간의 직접적인 접촉면적이 증가될 수 있다.
또한, 상기 포집홀(51)은 탄소섬유(21)가 금속판재(10)측으로 밀착됨에 따라 다공성 수지흡수시트(50)측으로 유동되는 여분의 결합수지를 포집함으로써 탄소섬유(21)의 외면에 결합수지(22)가 경화된 수지막이 형성되는 것을 최소화할 수 있으며, 탄소섬유(21)가 외부 대기에 노출되는 면적이 최대한으로 보장될 수 있다.
이에 따라, 탄소섬유(21)를 경유한 금속판재(10) 및 외부 대기간의 열교환 성능이 더욱 개선될 수 있으므로 제품의 열전도성 내지 방열 성능이 현저히 개선될 수 있다.
그리고, 상기 결합수지(22)가 경화되면 다공성 수지흡수시트(50)를 제거한다. 이때, 다공성 수지흡수시트(50)의 포집홀(51)에 카본시트(20)의 외면측으로 유동된 여분의 결합수지가 포집되므로 제조된 카본 하이브리드 판재(100)의 외면에서 불필요한 결합수지를 제거하는 후속 공정이 생략될 수 있어 제품의 생산성이 개선될 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 각 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 청구항에서 청구하는 범위를 벗어남 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 변형 실시되는 것은 가능하며, 이러한 변형 실시는 본 발명의 범위에 속한다.
100: 카본 하이브리드 판재 10: 금속판재
20: 프리프레그 카본시트 21: 탄소섬유
22: 결합수지 30: 프레스장치
40: 케이싱 50: 다공성 수지흡수시트
110: 베이스층 120: 보강층

Claims (5)

  1. 탄소섬유로 직조된 직물에 결합수지가 함침되어 형성된 프리프레그 카본시트와 상기 카본시트에 대응되는 면적의 금속판재가 상호 적층되는 제1단계;
    상기 카본시트 및 상기 금속판재의 적층방향을 따라 배치된 프레스장치가 상기 결합수지의 경화온도에 대응되는 온도 이상으로 가열되는 제2단계; 및
    상기 탄소섬유의 일측이 상기 금속판재의 표면에 밀착되되 타측이 상기 결합수지 외부로 노출되며 상기 결합수지가 경화되도록 적층된 상기 카본시트 및 상기 금속판재가 상기 프레스장치에 의해 기설정된 결합압력으로 가압되어 상호 결합되는 제3단계를 포함하되,
    상기 제3단계에서 상기 가압된 탄소섬유가 상기 금속판재의 표면 내부로 함입되어 상기 탄소섬유 및 상기 금속판재 간의 열전달면적이 증가되도록 상기 결합압력은 상기 금속판재의 소성변형압력을 초과하는 크기로 설정됨을 특징으로 하는 카본 하이브리드 판재의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1단계에서,
    상기 결합수지는 완전 경화 후 탄성 및 고접착성을 갖는 에폭시 계열로 구비되되, 상기 금속판재는 알루미늄, 알루미늄 합금, 철, 철 합금 중 적어도 하나로 구비되며,
    상기 카본시트는 한쌍으로 구비되어 상기 금속판재의 상하면에 적층됨을 특징으로 하는 카본 하이브리드 판재의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1단계는,
    상기 카본시트 및 상기 금속판재가 밀폐된 케이싱 내부에 배치되되, 상기 카본시트의 외면에 다공성 수지흡수시트가 적층되는 단계와, 상기 케이싱의 내부에 기설정된 공정압력 미만의 진공이 형성되는 단계를 더 포함하되,
    상기 제3단계는,
    상기 프레스장치를 통한 가압시 상기 탄소섬유 사이의 공간을 초과하는 상기 결합수지가 진공 분위기로 인한 확산 속도 증가에 따라 상기 다공성 수지흡수시트의 내부로 포집되어 제거되는 단계를 포함함을 특징으로 하는 카본 하이브리드 판재의 제조방법.
  5. 알루미늄, 알루미늄 합금, 철, 철 합금 중 하나의 금속판재로 구비된 베이스층; 및
    상기 베이스층의 외면에 결합수지가 함침된 탄소섬유 직물로 구비된 프리프레그 카본시트가 상기 결합수지의 경화온도 이상으로 가열된 프레스장치에 의해 상기 금속판재의 소성변형압력을 초과하는 기설정된 결합압력으로 가압되어 상기 탄소섬유의 일측이 상기 금속판재의 표면 내부로 함입되어 밀착되되 타측이 상기 결합수지 외부로 노출된 상태로 상기 결합수지가 경화되어 상기 베이스층의 외면에 결합되는 보강층을 포함하는 카본 하이브리드 판재.
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