KR101776432B1 - 자동차 루프용 복합재 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 섬유 구조체와 에폭시 수지를 포함하는 복합재 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 차체의 경량화, 제품의 사이클 타임(cycle time) 저감 및 원가의 절감에 유리한 자동차 루프용 복합재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

자동차 루프용 복합재 및 이의 제조방법{A COMPOSITE FOR ROOF OF AN AUTOMAOBILE AND A METHOD FOR PREPARATION THEREOF}

본 발명은 섬유 구조체와 에폭시 수지를 포함하는 복합재 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 차체의 경량화, 제품의 사이클 타임(cycle time) 저감 및 원가의 절감에 유리한 자동차 루프용 복합재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

자동차 업계는 날이 갈수록 경쟁이 치열해 지고 있다. 이에 따라 각 자동차사는 자동차의 경량화, 디자인의 차별화, 원가의 절감 등으로 경쟁력을 확보하고자 연구 개발에 매진하고 있다.

그 일환으로 자동차의 차체 또는 자동차용 각종 부재를 철이나 알루미늄이 아닌 고강성 및 고강도의 탄소 섬유 기반의 복합재로 만드는 기술의 개발이 활발히 이루어지고 있다.

그 예로 한국공개특허 제10-2014-0018198호는 강화 섬유와 매트릭스 수지로 이루어진 섬유 강화 복합 재료 에폭시 수지 조성물을 개시하고, 이를 자동차용 각종 부재에 사용할 수 있음을 명시하고 있다.

그러나 종래의 위와 같은 특허문헌은 복합재의 구성요소 중 주로 매트릭스 수지로 사용되는 수지 조성물의 물성 향상에 초점을 맞추고 있다. 즉, 수지 조성물의 지지체가 되는 강화 섬유 등에 관해서는 연구 개발이 미흡한 실정이다.

한국공개특허 제10-2014-0018198호

본 발명은 위와 같은 문제점 및 한계를 극복하기 위해 안출된 것으로 다음과 같은 목적이 있다.

본 발명은 섬유 구조체의 소재, 두께 등을 새롭게 정의하여 효율적으로 차체를 경량화할 수 있고, 원가를 현격히 절감할 수 있는 자동차 루프용 복합재 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 섬유 구조체에 대한 수지 조성물의 침투성을 향상시켜 제품의 사이클 타임(cycle time)을 현저히 단축할 수 있는 자동차 루프용 복합재 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 목적은 이하의 설명으로 보다 분명해 질 것이며, 특허청구범위에 기재된 수단 및 그 조합으로 실현될 것이다.

본 발명은 위와 같은 목적을 달성하기 위해 이하의 구성을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 자동차 루프용 복합재는 시트 형상인 유리섬유 재질의 중앙층, 상기 중앙층의 양면으로 일방향성 직물(unidirectional fabric)을 포함하는 중간층이 적층되고, 상기 중간층의 양면으로 직물(woven fabric) 재질의 최외각층이 적층된 구조인 섬유 구조체와 상기 섬유 구조체에 함침된 에폭시 수지를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 자동차 루프용 복합재에 있어서, 상기 중앙층은 섬유체적비(fiber volume ratio)가 5 내지 20 %일 수 있다.

본 발명에 따른 자동차 루프용 복합재에 있어서, 상기 중앙층은 두께가 상기 섬유 구조체 두께의 1/5 내지 1/3인 자동차 루프용 복합재.

본 발명에 따른 자동차 루프용 복합재에 있어서, 상기 중앙층은 두께가 0.4 mm일 수 있다.

본 발명에 따른 자동차 루프용 복합재에 있어서, 상기 중앙층은 외주면으로 탄소섬유 재질의 프리폼을 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 자동차 루프용 복합재에 있어서, 상기 에폭시 수지는 점도가 50 내지 200 cps일 수 있다.

본 발명에 따른 자동차 루프용 복합재의 제조방법은 (1) 상기 섬유 구조체를 준비하는 단계, (2) 상기 섬유 구조체를 금형에 위치시킨 뒤, 상기 금형에 에폭시 수지를 주입하여 상기 섬유 구조체에 함침시키는 단계 및 (3) 상기 에폭시 수지를 경화하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 자동차 루프용 복합재의 제조방법에 있어서, 상기 에폭시 수지는 RTM(resin transfer molding) 성형으로 상기 섬유 구조체에 함침될 수 있다.

본 발명은 위와 같은 구성을 포함하므로 다음과 같은 효과가 있다.

본 발명인 자동차 루프용 복합재 및 이의 제조방법에 따르면 비틀림 강성, 강도 등을 유지하면서도 차체를 경량화할 수 있으므로 효율적으로 연비를 개선할 수 있다.

또한 본 발명인 자동차 루프용 복합재 및 이의 제조방법에 따르면 섬유 구조체의 중앙층으로 저비중 저밀도의 유리섬유를 적용하므로 원가를 절감할 수 있어 가격 경쟁력을 확보할 수 있다.

또한 본 발명인 자동차 루프용 복합재 및 이의 제조방법에 따르면 수지 조성물의 침투성이 좋아 제품의 사이클 타임(cycle time)을 현저히 단축할 수 있으므로 생산성이 비약적으로 향상될 수 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 자동차 루프용 복합재에 포함된 섬유 구조체의 단면을 도시한 것이다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예는 발명의 요지가 변경되지 않는 한 다양한 형태로 변형될 수 있다. 그러나 본 발명의 권리범위가 이하의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되면 공지의 구성 및 기능에 대한 설명은 생략하도록 한다.

본 명세서에서 "포함"한다는 것은 특별한 기재가 없는 한 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.

본 발명에 따른 자동차 루프용 복합재(이하, '복합재'라 함)는 섬유 구조체와 이에 함침된 에폭시 수지를 포함할 수 있다.

도 1은 상기 섬유 구조체의 단면을 간략하게 도시한 것이다. 이를 참조하면, 상기 섬유 구조체는 시트 형상의 중앙층(10)과, 상기 중앙층(10)의 양면으로 적층된 중간층(20)과, 상기 중간층(20)의 양면으로 적층된 최외각층(30)을 포함할 수 있다.

상기 섬유 구조체는 상기 복합재에서 일종의 틀 역할을 수행하는 구성으로 경량이면서도 강도, 비틀림 강성 등이 뛰어나야 한다. 이에 사용하는 소재(재질), 두께 등의 물성을 적절히 선택하는 것이 중요할 수 있다.

특히 상기 섬유 구조체의 중심이 되는 중앙층이 중요할 수 있다. 종래에는 상기 중앙층이 다축 직조형 직물(non-crimp fabric, NFC), 탄소 섬유 또는 직물(woven fabric) 재질로 구성된 복합재를 주로 사용하였다. 무게뿐만 아니라 강도, 강성 등의 기계적 물성도 함께 만족해야 하기 때문이다.

본 발명은 기계적 물성의 저하 없이 복합재의 경량화를 달성하기 위해 상기 중앙층의 소재, 두께 및 섬유체적비(fiber volume ratio)를 최적화하였다는 것에 그 기술적 특징이 있다. 이하 구체적으로 설명한다.

상기 중앙층은 에폭시 수지보다 높은 강성을 갖는 어떠한 섬유 소재로도 형성할 수 있으나, 바람직하게는 유리섬유 재질로 형성할 수 있다. 더욱 바람직하게는 중공형 유리섬유를 사용할 수 있다. 경량화의 효과를 최대화할 수 있기 때문이다.

상기 유리섬유 소재는 종래의 NFC, 탄소 섬유에 비하여 강성 등의 기계적 물성이 떨어지지만 상기 섬유 구조체는 총 3 층의 구조를 가지므로 섬유 구조체 전체로 보았을 때, 위와 같은 소재의 변경에 따른 비틀림 강성, 강도의 하락 정도가 크지 않다.

또한 상기 중앙층을 유리섬유 재질로 형성함으로써, 에폭시 수지의 함침성이 좋아지고, 원가를 현저히 절감할 수 있으므로 그 이익이 더 클 수 있다.

또한 본 발명에 따르면 상기 중앙층의 섬유체적비와 두께를 최적화하여 전술한 소재 변경에 따른 불이익을 제거할 수 있다.

상기 중앙층은 섬유체적비가 5 내지 20 %이고, 그 두께가 상기 섬유 구조체 전체 두께의 1/5 내지 1/3일 수 있다. 섬유체적비가 5 % 미만이거나 두께가 1/5 미만이면 상기 섬유 구조체의 비틀림 강성, 강도의 하락폭이 너무 클 수 있다. 또한 섬유체적비가 20 % 초과이거나 두께가 1/3 초과이면 유리섬유를 사용하였을 때 얻을 수 있는 함침성, 원가절감의 효과가 미미할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면 상기 중앙층이 그 외주면으로 탐소섬유 재질의 프리폼을 더 포함할 수 있어, 전술한 불이익을 완전 상쇄할 수 있다.

상기 프리폼(11)은 도 1과 같이 상기 중앙층(10)의 가장자리에 형성될 수 있다. 이에 따라 상기 중앙층(10)에 외부로부터 압력 등의 힘이 가해지더라도 그 두께를 유지할 수 있고, 상기 중앙층(10)을 유리섬유로 형성하여도 상기 섬유 구조체의 비틀림 강성, 강도가 저하되지 않을 수 있다.

상기 프리폼은 상기 중앙층과 동일한 두께로 형성할 수 있고, 그 폭은 상기 섬유 구조체 전체 폭의 1/20 내지 1/10일 수 있다. 폭이 1/20 미만이면 그 면적이 너무 좁아 상기 프리폼이 외부로부터의 압력 등의 힘으로부터 상기 중앙층을 보호하지 못할 수 있다. 또한 폭이 1/10 초과이면 중간층에서 프리폼이 차지하는 비율이 높아져 유리섬유로의 소재 변경의 효과가 미미해질 수 있다.

상기 중간층은 일방향성 직물(unidirectional fabric)을 포함할 수 있다. 구체적으로는 상기 일방향성 직물을 일정한 교차각으로 적층하여 형성한 다축 직조형 직물(NFC)일 수 있다.

상기 일방향성 직물의 교차각은 특별히 한정되지 않으나, 바람직하게는 45 도의 교차각으로 적층하여 다축 직조형 직물을 형성할 수 있다. 약 45 도의 교차각으로 적층하였을 때, 루프의 비틀림 강성을 보강할 수 있어 요구되는 차체강성을 확보할 수 있기 때문이다.

상기 중간층은 상기 중앙층의 양면으로 각각 0.3 내지 0.35 mm의 두께로 적층될 수 있다.

상기 최외각층은 직물(woven fabric) 재질로 형성할 수 있다. 구체적으로는 연속섬유를 직조한 것을 적용할 수 있다.

상기 최외각층은 상기 중간층의 양면으로 각각 0.2 내지 0.25 mm의 두께로 적층될 수 있다.

상기 중간층과 최외각층의 소재 및 두께를 위와 같이 함으로써 상기 섬유 구조체의 구조적인 강성과 강도를 종래와 동등한 수준으로 유지하거나 그 이상의 수준으로 향상시킬 수 있다.

상기 에폭시 수지는 상기 섬유 구조체에 함침되어 상기 섬유 구조체와 함께 복합재를 형성하는 구성이다.

상기 에폭시 수지의 종류는 특별히 한정되지 않으나, 바람직하게는 RTM(resin transfer molding) 성형에 적합하도록 비스페놀계 에폭시 수지(비스페놀A형 에폭시 수지, 비스페놀F형 에폭시 수지), 시아네이트 에스테르(cyanate ester)를 포함하는 에폭시 수지를 사용할 수 있다.

상기 에폭시 수지는 점도가 50 내지 200 cps인 것을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 점도가 50 cps 미만이면 유동성이 과도하게 높아 오히려 성형성이 저하될 수 있다. 또한 점도가 200 cps 초과이면 짧은 시간에 상기 섬유 구조체로의 함침성이 저하될 수 있다.

이하 본 발명의 실시예와 함께 본 발명에 따른 상기 복합재의 제조방법을 구체적으로 설명한다.

다만 상기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이에 의해 한정되는 것은 아니다.

(1) 섬유 구조체의 준비

중앙층을 유리섬유를 사용하여, 섬유체적비가 10 %인 시트 형상으로 형성하였다. 이 때 상기 중앙층은 두께는 0.4 mm, 넓이는 40 mm × 40 mm로 형성하였다.

상기 중앙층의 가장자리로 두께 0.4 mm, 폭 4 mm의 프리폼을 형성하였다. 상기 프리폼으로는 탄소섬유를 적용하였다.

상기 중앙층의 상하면으로 중간층을 형성하였다. 교차각이 45도인 NCF를 각각 0.35mm 두께로 하여 중간층을 형성하였다.

상기 중간층의 상하면으로 최외각층을 형성하였다. 직물(woven fabric) 재질의 소재를 사용하였는바, 구체적으로는 탄소섬유 평직(plain weave)을 적용하였다. 상기 최외각층의 두께는 0.25 mm로 하였다.

(2) 에폭시 수지의 함침

상기 섬유 구조체를 금형에 위치시킨 뒤, 금형을 닫고 에폭시 수지를 주입하여 상기 섬유 구조체에 함침시켰다.

이 때 RTM(resin transfer molding) 성형법을 사용하였다.

상기 RTM 성형은 금형 내의 압력차를 발생시켜 상기 에폭시 수지를 압력이 낮은 곳으로 이동시킴으로서 상기 섬유 구조체를 통과하도록 하는 방법일 수 있다.

본 발명에 있어서 상기 섬유 구조체는 중앙층이 섬유체적비가 5 내지 20 %(본 실시예는 10%)인 유리섬유로 형성되어 있으므로 종래에 비하여 상기 에폭시 수지의 침투성이 향상된다. 즉, 이로 인해 복합재의 사이클 타임을 현저히 단축할 수 있다.

(3) 에폭시 수지의 경화

위와 같이 에폭시 수지를 함침시킨 뒤, 상기 금형의 온도를 100 내지 120 ℃로 가온함으로써 상기 에폭시 수지를 경화하여 복합재를 완성하였다.

본 발명에 따른 복합재는 중앙층이 강화 섬유 등으로 구성된 종래의 복합재와 비교하여 비틀림 강성이 동등 또는 그 이상의 수준일 수 있다.

또한 중앙층의 소재, 섬유체적비 및 두께를 최적화하여 10 % 이상의 복합재경량화, 20 % 이상의 재료비 절감을 할 수 있다.

이에 더해 중앙층을 저밀도 저비중의 유리섬유로 구성하였으므로 에폭시 수지의 침투성이 향상되어 복합재의 사이클 타임을 획기적으로 단출할 수 있다.

이상으로 본 발명의 실험예 및 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실험예 및 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

10 : 중앙층
11 : 프리폼
20 : 중간층
30 : 최외각층

Claims (8)

1. 시트 형상인 유리섬유 재질의 중앙층,
   상기 중앙층의 양면으로 일방향성 직물(unidirectional fabric)을 포함하는 중간층이 적층되고,
   상기 중간층의 양면으로 직물(woven fabric) 재질의 최외각층이 적층된 구조인 섬유 구조체와,
   상기 섬유 구조체에 함침된 에폭시 수지를 포함하고,
   상기 중앙층은 외주면으로 탄소섬유 재질의 프리폼을 더 포함하는 자동차 루프용 복합재.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 중앙층은 섬유체적비(fiber volume ratio)가 5 내지 20 %인 자동차 루프용 복합재.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 중앙층은 두께가 상기 섬유 구조체 두께의 1/5 내지 1/3인 자동차 루프용 복합재.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 중앙층은 두께가 0.4 mm인 자동차 루프용 복합재.
   
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 에폭시 수지는 점도가 50 내지 200 cps인 자동차 루프용 복합재.
   
7. (1) 제 1 항 내지 제 4 항 및 제 6 항 중 어느 한 항의 섬유 구조체를 준비하는 단계;
   (2) 상기 섬유 구조체를 금형에 위치시킨 뒤, 상기 금형에 에폭시 수지를 주입하여 상기 섬유 구조체에 함침시키는 단계; 및
   (3) 상기 에폭시 수지를 경화하는 단계를 포함하는 자동차 루프용 복합재의 제조방법.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 에폭시 수지는 RTM(resin transfer molding) 성형으로 상기 섬유 구조체에 함침되는 자동차 루프용 복합재의 제조방법.

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