KR102132596B1 - 탄소섬유 클래드 강판의 제조방법 - Google Patents

Abstract

양면이 전기도금된 도금강판 코일의 일면에 접착수지층을 형성하는 단계; 탄소섬유 원사롤을 이용하여 롤투롤(roll to roll) 공정으로 상기 접착수지층 상에 탄소섬유를 상온 가압하여 부착하는 단계; 및 일면에 상기 탄소섬유가 부착된 도금강판을 핫 프레스 롤(hot press roll)을 이용하여 가압하며 탄소섬유에 함침된 수지와 상기 도금강판 일면 상에 도포된 접착수지 간의 가교결합 형성 및 상기 접착수지의 수분을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 클래드 강판의 제조방법을 제공한다.

Description

탄소섬유 클래드 강판의 제조방법{Fabrication methods of carbon fiber clad steel plates}

본 발명은 탄소섬유 클래드 강판의 제조방법에 대한 것으로, 전기아연도금 생산공정과 연결된 설비로 도금강판 상에 탄소섬유를 적층함으로써 연신율과 인장강도가 향상된 복합소재를 형성하는 탄소섬유 클래드 강판의 제조방법에 대한 것이다.

탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP; Carbon Fiber Reinforcement Plastics) 소재는 주로 탄소섬유에 수지를 함침시킨 형태로 몰딩을 이용한 수제 성형법, 진공 성형법, 압축 몰딩법 등을 이용하여 부품을 제조할 수 있다.

탄소섬유 강화 플라스틱 소재는 강도, 탄성률, 경량성, 안정성 등이 우수함으로 인해 자동차의 경량화에 매우 큰 효과를 가져올 수 있으며 항공분야에도 응용될 수 있다. 하지만 탄소섬유 강화 플라스틱 소재는 600Mpa 내지 1,000Mpa 범위의 인장강도에 비해 2% 내외의 연신율을 가지므로, 차량의 충돌과 같은 국소부 충격으로 인한 벤딩(bending)에 취약점을 가질 수 있다.

따라서 자동차 분야에 적용하기 위해서 연신율이 높은 기존의 강판 또는 알루미늄 판재 등과 같은 금속 소재에 탄소섬유를 접합하여 사용하는 기술을 개발하고 있으나, 수작업으로 인해 금속소재와 탄소섬유 간의 접합 공정 시간이 많이 소요되거나 접합 후 품질의 균일성에 문제가 생길 수 있다.

1. 한국등록특허 제10-1865775호(2018. 06. 01. 등록) 2. 한국등록특허 제10-1543895호(2015. 08. 05. 등록)

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 도금공정 이후 탄소섬유 접착공정을 연속적으로 수행함으로써 공정 시간을 감소시키고 품질의 균일성을 향상시킬 수 있는 탄소섬유 클래드 강판의 제조방법을 제공하는 것에 목적이 있다.

또한 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 도금된 성분으로 인해 도금강판 상에 형성된 접착수지와 탄소섬유에 함침된 수지의 반응을 활성화시켜 도금강판과 탄소섬유의 접착력을 향상시키며 연신율과 인장강도가 향상될 수 있는 탄소섬유 클래드 강판의 제조방법을 제공하는 것에 목적이 있다.

본 발명의 실시예들의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 문제를 해결하기 위하여 본 발명은 양면이 전기도금된 도금강판 코일의 일면에 접착수지층을 형성하는 단계; 탄소섬유 원사롤을 이용하여 롤투롤(roll to roll) 공정으로 상기 접착수지층 상에 탄소섬유를 상온 가압하여 부착하는 단계; 및 일면에 상기 탄소섬유가 부착된 도금강판을 핫 프레스 롤(hot press roll)을 이용하여 가압하며 탄소섬유에 함침된 수지와 상기 도금강판 일면 상에 도포된 접착수지 간의 가교결합 형성 및 상기 접착수지의 수분을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 클래드 강판의 제조방법을 제공할 수 있다.

상기 접착수지층을 형성하는 것은, 수지의 고형분이 10 내지 20%인 에폭시 수지를 도포하여 형성하는 것일 수 있다.

상기 전기도금은, 니켈이 9 내지 11% 포함된 조성의 아연-니켈 전기도금일 수 있다.

상기 아연은 도금강판 일면에 위치하며, 상기 접착수지와 상기 탄소섬유에 함침된 수지의 결합을 활성화시키는 것일 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유 클래드 강판의 제조방법은 도금공정 이후 탄소섬유 접착공정을 연속적으로 수행함으로써 공정 시간을 감소시키고 품질의 균일성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 또한, 도금된 성분으로 인해 도금강판 상에 형성된 접착수지와 탄소섬유에 함침된 수지의 반응을 활성화시켜 도금강판과 탄소섬유의 접착력을 향상시키며 연신율과 인장강도가 향상될 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본발명의 실시예에 따른 접착수지층 형성과 상온가압과정을 나타낸 도면,
도 2는 본발명의 실시예에 따른 상온가압과정과 핫 프레스 롤 가압을 나타낸 도면,
도 3은 본발명의 실시예에 따른 핫 프레스 롤의 구성을 나타낸 도면이다.

본 발명의 실시예들에 대한 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본발명의 실시예에 따른 접착수지층 형성과 상온가압과정을 나타낸 도면, 도 2는 본발명의 실시예에 따른 상온가압과정과 핫 프레스 롤 가압을 나타낸 도면, 도 3은 본발명의 실시예에 따른 핫 프레스 롤의 구성을 나타낸 도면이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유 클래드 강판의 제조방법은 양면이 전기도금된 도금강판 코일의 일면에 접착수지층을 형성하는 단계, 탄소섬유 원사롤을 이용하여 롤투롤(roll to roll) 공정으로 상기 접착수지층 상에 탄소섬유를 상온 가압하여 부착하는 단계, 및 일면에 상기 탄소섬유가 부착된 도금강판을 핫 프레스 롤(hot press roll)을 이용하여 가압하며 탄소섬유에 함침된 수지와 상기 도금강판 일면 상에 도포된 접착수지 간의 가교결합 형성 및 상기 접착수지의 수분을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.

상세히 설명하면 먼저, 강판의 양면을 전기도금하여 도금강판 코일을 형성한다. 예를 들어, 전기도금공정의 연속형 설비를 이용할 수 있으며, 합금성분을 가지는 통상적 소둔조건에서 생산된 냉연 코일을 이용하여, 수평 셀(Cell) 전기도금을 수행할 수 있다.

상기 전기도금은, 니켈이 9 내지 11중량% 포함된 조성의 아연-니켈 전기도금일 수 있다. 니켈의 조성범위가 11중량%를 초과하면 도금의 밀착성이 저하될 수 있으며, 9중량% 미만이면 내식성이 저하될 수 있으므로 상기의 범위인 것이 바람직하다.

이후 진행될 탄소섬유 부착공정에서 탄소섬유가 부착되지 않는 면의 내식성 확보를 위해 5~6㎛의 두께로 도금층이 형성될 수 있도록 전기도금을 수행할 수 있다. 또한, 탄소섬유가 부착되는 면에 있어서 상기 전기도금 성분 중 아연은 도금강판 일면에 형성되어, 이후 수행되는 접착수지층과 탄소섬유에 함침된 수지의 가교결합 시 아연의 표면이 활성화되어 접착수지층과 탄소섬유에 함침된 수지에 쉽게 접착되어 접착력을 더욱 향상시킬 수 있다.

다음으로, 양면이 전기도금된 도금강판 코일의 일면에 접착수지층을 형성한다. 상기 접착수지층을 형성하는 것은, 고형분이 10 내지 20중량%인 에폭시 수지(10)를 도포하여 형성하는 것일 수 있다.

즉, 롤루롤(Roll-to-Roll) 방식의 수지코터(100)에 위치하는 접착제 성분의 수지(10)가 제1 이송롤(110)로 이송되는 도금강판(P)에 코팅되어 도포됨으로써 도금강판 코일의 일면에 접착수지층을 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 접착수지층은 0.5㎛ 두께로 강판 상면에 도포 될 수 있다. 도포되는 수지는 통상 도료나 접착제로 사용되는 고분자 합성수지인 에폭시 수지일 수 있으며, 이후 접착될 탄소섬유와의 효과적인 접착성을 위해 수지의 고형분은 10~20중량%일 수 있다. 즉, 수지의 고형분의 조성에 따라 접착수지층의 두께에 영향을 줄 수 있는데, 고형분이 10중량% 미만이면 접착수지층의 두께가 얇아져 롤투롤 공정 시 탄소섬유와 도금강판의 부착이 약하게 될 수 있고, 고형분이 20중량%를 초과하면 접착수지층의 두께가 두꺼워짐으로 인해 불량이 발생할 수 있으므로, 수지의 고형분은 상기의 성분인 것이 바람직하다.

접착수지층이 도포된 도금강판(P)은 수지코팅롤(120)로 인해 제1 오븐(130)을 통과할 수 있다. 상기 제1 오븐(130)은 50℃~100℃의 온도로 유지될 수 있으며, 이로 인해 제1 오븐(130)을 통과한 도금강판(P) 상의 접착수지층은 반건조 상태가 될 수 있다.

다음으로, 탄소섬유 원사롤(210)을 이용하여 롤투롤(roll to roll) 공정으로 상기 접착수지층 상에 탄소섬유(C)를 상온 가압하여 부착한다. 다시 말하면, 제2 이송롤(220)로 이동된 도금강판(P)의 접착수지층 상에 상온가압롤(200)을 이용하여 두루마리 형태의 탄소섬유(C)를 부착 할 수 있다. 즉, 탄소섬유가 도금강판의 편면에 Clad 되는 형태로 될 수 있다. 이때, 탄소섬유(C)는 도금강판(P)의 폭과 동일한 넓이를 가질 수 있고, 탄소섬유 원사에 수지를 합침시킨 형태이며, 일반적으로 몰딩을 이용하여 수제작 되는 섬유 소재일 수 있다.

탄소섬유(C)는 탄소섬유 원사롤(210)에서 회전하여 풀리게 되며 접착수지층이 형성된 도금강판의 일면에 부착될 수 있다. 이때, 도금강판에 작용하는 텐션(tension)은 1,000~20,000kgf 이므로 탄소섬유(C)와 도금강판(P)의 전단력이 탄소섬유(C)와 도금강판(P) 사이의 부착력보다 클 경우 연속부착이 어려울 수 있다. 따라서, 부착 직후 연속적으로 상온가압롤(200)을 통과하여 상하 가압 하중을 가하는 것이 바람직하다. 즉, 상온가압롤(200)의 하중에 의해 탄소섬유(C)와 도금강판(P)의 부착력이 전단력보다 크게 됨으로써 연속하여 부착된 형태로 다음단계로 공정이 진행될 수 있다.

다음으로, 상기의 과정으로 일면에 상기 탄소섬유가 부착된 탄소섬유 클래드 강판(50)을 핫 프레스 롤(hot press roll; A)을 이용하여 가압한다. 이 때, 탄소섬유(C)에 함침된 수지와 상기 도금강판 일면 상에 도포된 접착수지층 간의 가교결합이 형성될 수 있으며 또한 상기 접착수지의 수분을 제거할 수 있다. 따라서 탄소섬유(C)에 합침된 수지는 접착수지층과 반응하여 도금강판과 탄소섬유간의 접착성이 향상될 수 있다.

상세히 설명하면, 탄소섬유 원사의 경우 비활성 표면을 가지고 있으므로, 모재로 사용되는 수지, 예를 들어 에폭시 수지와 매우 약하게 결합을 할 수 있다. 따라서, 탄소섬유 원사와 수지는 기존의 건조 조건에서는 결합력이 낮을 수 있다.

따라서 도금강판 상에 상온가압으로 약하게 접착된 탄소섬유는 도금강판과의 강한 밀착력을 얻기 위해 핫 프레스 롤(A)을 이용하여 고온 가압으로 압착시킬 수 있다. 나아가서 도 3과 같이 핫 프레스 롤(A) 주변의 고온의 온도 유지 또는 복사열로 인한 간접가열 수단을 위해 제2 오븐(300) 내에 핫 프레스 롤(A)을 설치할 수 있으며, 상기 핫 프레스 롤(A)은 상기 탄소섬유 클래드 강판(50)에 열을 가하여 가압하는 상부롤(320a)과 하부롤(320b)로 구성될 수 있다. 또한 핫 프레스 롤(A)은 상부롤(320a)과 하부롤(320b)의 일측에 각각 위치하여 상부롤(320a)과 하부롤(320b)의 회전 속도 및 압력을 조절하는 상부 백업롤(310a)와 하부 백업롤(320b)을 포함할 수 있다. 또한 제2 오븐(300)은 복수개의 연속된 오븐이 벨로우즈로 연결된 형태로 구비될 수 있으며, 유도가열오븐을 이용하여 구비될 수 있다.

상기 핫 프레스 롤(A)의 상부롤(320a)과 하부롤(320b) 사이를 통과함으로써 고온가압에 의해 탄소섬유에 합침된 수지와 도금강판 상에 형성된 접착수지층 간의 접착력이 향상될 수 있다. 예를 들어 에폭시 수지간에 가교 결합이 형성되고 수분이 증발하여 고형화가 이루어질 수 있도록 제2 오븐(300) 또는 핫 프레스 롤(A)은 140℃ 내지 200℃의 온도를 유지할 수 있다. 이때 상부롤(320a)과 하부롤(320b)은 100℃ 내지 250℃의 고온의 환경에서도 사용할 수 있는 내열 코팅된 롤인 것이 바람직하다.

나아가서, 제2 오븐(300)을 통과하는 시간은 1 내지 2분, 핫 프레스 롤(A)로 가하는 압력은 1.0 내지 2.0Mpa일 수 있다. 이때, 도금강판 상에 위치하는 아연은 접착수지층과 탄소섬유에 함침된 수지의 가교결합 시 아연의 표면이 활성화되므로, 접착수지층과 탄소섬유에 함침된 수지에 쉽게 접착되어 접착력을 더욱 향상시킬 수 있다. 즉, 아연은 도금강판과 수지의 결합력에 도움을 줄 수 있으며 이로 인해 150 내지 200℃ 에서 가열되는 탄소섬유의 수지와 도금강판 일면의 접착수지층 간의 강한 결합을 형성함으로써 접착력을 더욱 향상시킬 수 있다. 따라서 상하부 고온가압에 의해 탄소섬유의 수지와 도금강판 일면의 접착수지층이 결합함으로써 도금강판과 탄소섬유의 접착력이 향상되어 연신율과 인장강도가 향상되는 탄소섬유 클래드 강판(50)이 형성될 수 있다.

따라서 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유 클래드 강판의 제조방법은 도금공정 이후 탄소섬유 접착공정을 연속적으로 수행함으로써 공정 시간을 감소시키고 품질의 균일성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 또한, 도금된 성분으로 인해 도금강판 상에 형성된 접착수지와 탄소섬유에 함침된 수지의 반응을 활성화시켜 도금강판과 탄소섬유의 접착력을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

이상의 설명에서는 본 발명의 다양한 실시예들을 제시하여 설명하였으나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함을 쉽게 알 수 있을 것이다.

10; 수지,
50; 탄소섬유 클래드 강판,
100: 수지 코터(coater),
110; 제 1 이송롤,
P; 도금 강판,
120; 수지 코팅 롤
130; 제1 오븐,
200; 상온가압 롤,
210; 탄소섬유 원사롤
220; 제2 이송롤,
300; 제2 오븐
A; 핫 프레스 롤

Claims (4)

1. 양면이 전기도금된 도금강판 코일의 일면에 수지의 고형분이 10 내지 20중량%인 에폭시 수지를 도포하여 접착수지층을 형성하는 단계;
   상기 도금강판 코일이 제 1 오븐에 통과하여 상기 접착수지층을 반건조 시키는 단계;
   탄소섬유 원사롤을 이용하여 롤투롤(roll to roll) 공정으로 상기 접착수지층 상에 탄소섬유를 상온 가압하여 부착하는 단계; 및
   일면에 상기 탄소섬유가 부착된 도금강판을 유도가열오븐으로 구비된 제 2 오븐 내에 위치하는 핫 프레스 롤(hot press roll)을 이용하여 가압하며 탄소섬유에 함침된 수지와 상기 도금강판 일면 상에 도포된 접착수지 간의 가교결합 형성 및 상기 접착수지의 수분을 제거하는 단계;를 포함하고,
   상기 제 2 오븐 또는 상기 핫 프레스롤은 140 내지 200℃의 온도를 유지하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 클래드 강판의 제조방법.
   
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 전기도금은, 니켈이 9 내지 11중량% 포함된 조성의 아연-니켈 전기도금인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 클래드 강판의 제조방법.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 아연은 도금강판 일면에 위치하며, 상기 접착수지와 상기 탄소섬유에 함침된 수지의 결합을 활성화시키는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 클래드 강판의 제조방법.
   

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