KR20160133605A - 자동차 부품용 보강재 및 이를 포함하는 자동차 부품 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연비를 향상시키고, 경량화 효과를 도모하며, 우수한 강도 및 강성을 확보하기 위한 자동차 부품용 보강재와 이를 포함하는 자동차 부품에 관한 것이다. 본 발명은 복수의 섬유 보강 시트의 적층체를 포함하고, 상기 섬유 보강 시트는 배향성을 갖는 섬유 보강재; 및 수지 기지재를 포함하고, 상기 복수의 섬유 보강 시트는 제1 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 적어도 하나의 제1 섬유 보강 시트; 및 제1 방향과 소정의 각도를 이루는 제2 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 적어도 하나의 제2 섬유 보강 시트를 포함하며, 상기 제1 방향은 자동차 부품의 보강 요구 방향(Reinforcement required direction)인 자동차 부품용 보강재를 제공한다. 또한, 본 발명은 상기 자동차 부품용 보강재를 포함하는 자동차 부품을 제공한다.

Description

자동차 부품용 보강재 및 이를 포함하는 자동차 부품 {REINFORCEMENT MEMBER FOR THE AUTO PART AND THE AUTO PART COMPRISING THE SAME}

본 발명은 연비를 향상시키고, 경량화 효과를 도모하며, 우수한 강도 및 강성을 확보하기 위한 자동차 부품용 보강재와 이를 포함하는 자동차 부품에 관한 것이다.

근래에는 원유 가격의 상승 및 에너지 절약에 관한 관심이 크게 증대되고 있으며, 이에 상응하여 자동차 등의 운송 수단에 있어서 연비를 향상시키고, 경량화를 도모하는 것이 중요한 요소 중 하나이다.

기존의 자동차 부품들은 대부분이 금속을 주요 재질로 하여 높은 강도 및 강성을 확보하고자 하였다. 자동차 부품들이 금속으로 제조되는 경우에는 가공 시 비용이 많이 들고, 중량이 커서 연비 향상 또는 경량화에 불리한 면이 있었다. 따라서, 최근에는 다양한 자동차 부품들이 경량화 도모 목적에 부합하도록 금속 대신 플라스틱을 주요 재질로 하여 제조되고 있다. 플라스틱은 일반적으로 금속에 비하여 비중이 약 1/4 내지 약 1/5 정도 수준이므로 자동차에 사용되는 다양한 부품들을 플라스틱 재질로 제조함으로써 경량화 효과를 얻을 수 있고, 연비를 향상시킬 수 있다.

다만, 다양한 자동차 부품들이 플라스틱 재질로 제조되는 경우가 금속 재질로 제조되는 경우에 비하여 동일한 또는 더 높은 수준의 강도 및 강성을 확보하기 위해서는 다양한 연구가 필요한 실정이다. 또한, 플라스틱 재질의 자동차 부품들이 뒤틀림 등의 후-변형 없이 장기간 내구성을 확보하는 것도 중요한 고려 사항 중 하나이다.

본 발명의 일 구현예는 자동차 부품용 보강재에 관한 것으로, 이를 포함하는 자동차 부품이 우수한 강도 및 강성을 나타내며, 장기간 사용되는 경우에도 뒤틀림 등의 후-변형 없는 장점을 얻고자 한다.

본 발명의 다른 구현예는 상기 자동차 부품용 보강재를 포함하는 자동차 부품에 관한 것으로, 이를 자동차에 장착하는 경우 연비를 향상시킬 수 있고 우수한 경량화 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 일 구현예에서, 다양한 자동차 부품에 우수한 강도 및 강성을 부여하며, 동시에 성형성 및 후-변형 방지 성능을 확보하기 위하여, 복수의 섬유 보강 시트의 적층체를 포함하고, 상기 섬유 보강 시트는 배향성을 갖는 섬유 보강재; 및 수지 기지재를 포함하고, 상기 복수의 섬유 보강 시트는 제1 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 적어도 하나의 제1 섬유 보강 시트; 및 제1 방향과 소정의 각도를 이루는 제2 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 적어도 하나의 제2 섬유 보강 시트를 포함하며, 상기 제1 방향은 자동차 부품의 보강 요구 방향(Reinforcement required direction)인 자동차 부품용 보강재를 제공한다.

본 발명의 다른 구현예에서, 상기 자동차 부품용 보강재를 함유함으로써 우수한 강도 및 강성을 나타내고, 성형성 및 뒤틀림 등의 후-변형 방지 성능이 우수한 자동차 부품을 제공한다.

상기 자동차 부품용 보강재는 이를 포함하는 자동차 부품에 일정 수준 이상의 강도 및 강성을 부여함과 동시에 우수한 경량화 효과를 구현할 수 있다.

또한, 상기 자동차 부품용 보강재를 포함하는 자동차 부품은 뒤틀림 등의 후-변형 방지 성능이 우수하고, 우수한 성형성을 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 자동차 부품용 보강재의 분해 조립도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 자동차 부품용 보강재의 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 자동차 부품용 보강재를 포함하는 자동차 부품을 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 구현예에 따른 자동차 부품용 보강재를 포함하는 자동차 부품을 개략적으로 도시한 것이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 후술하는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 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 구성요소를 지칭한다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.

본 발명의 일 구현예는 복수의 섬유 보강 시트의 적층체를 포함하고, 상기 섬유 보강 시트는 배향성을 갖는 섬유 보강재; 및 수지 기지재를 포함하고, 상기 복수의 섬유 보강 시트는 제1 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 적어도 하나의 제1 섬유 보강 시트; 및 제1 방향과 소정의 각도를 이루는 제2 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 적어도 하나의 제2 섬유 보강 시트를 포함하며, 상기 제1 방향은 자동차 부품의 보강 요구 방향(Reinforcement required direction)인 자동차 부품용 보강재를 제공한다.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 자동차 부품용 보강재의 분해 조립도를 개략적으로 도시한 것이다.

도 1을 참조할 때, 본 발명에 따른 상기 자동차 부품용 보강재(100)는 복수의 섬유 보강 시트(10)를 적층한 적층체를 포함한다. 구체적으로, 도 1은 상기 복수의 섬유 보강 시트(10)를 이의 두께 방향(Y)으로 적층한 적층체를 포함하는 자동차 부품용 보강재(100)에 관한 것이다.

상기 섬유 보강 시트(10) 각각은 배향성을 갖는 섬유 보강재(20); 및 수지 기지재(30)를 포함한다. 이때, '배향성'을 갖는다는 것은 상기 섬유 보강재(20)의 섬유 단일 가닥들이 어느 하나의 방향으로 나란히 배열된 것을 의미한다. 이러한 섬유 보강 시트(10)는 소위 UD 시트 (unidirection sheet) 또는 UD 프리프레그(unidirection prepreg)라고도 한다. 즉, 상기 자동차 부품용 보강재(100)는 복수의 UD 시트 또는 복수의 UD 프리프레그의 적층체를 포함할 수 있다.

이때, 상기 복수의 섬유 보강 시트(10)는 제1 방향(d1)으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 적어도 하나의 제1 섬유 보강 시트(11); 및 상기 제1 방향(d1)과 소정의 각도(θ)를 이루는 제2 방향(d2)으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 적어도 하나의 제2 섬유 보강 시트(12)를 포함할 수 있다.

또한, 이때 상기 제1 방향(d1)은 자동차 부품의 보강 요구 방향(Reinforcement required direction)일 수 있다.

본 명세서에서 '보강 요구 방향(Reinforcement required direction)'이란 자동차 부품이 자동차에 장착될 때, 혹은 장착 이후에 자동차를 가동 및 사용하는 기간 동안에 외력, 하중 등을 고려하여 강도 및 강성이 보완될 필요가 있는 소정의 방향을 의미한다. 이러한 자동차 부품의 보강 요구 방향은 상기 자동차 부품이 자동차에 장착될 때의 구속 위치, 설치 조건 등에 의해 결정될 수 있으며, 가장 주요하게 강도 및 강성이 보완될 필요가 있는 일 방향을 의미한다.

상기 자동차 부품용 보강재(100)의 복수의 섬유 보강 시트(10)는 제1 방향, 즉, 상기 자동차 부품의 보강 요구 방향으로 배향성을 갖는 제1 섬유 보강 시트(11)만을 포함하는 경우 강도 및 강성의 향상 측면에서는 유리할 수 있으나, 성형성이 저하되거나 뒤틀림 등의 후-변형이 생길 우려가 있다. 구체적으로, 상기 제1 섬유 보강 시트(11)만이 존재하는 경우에는 제1 방향(d1)에 힘이 집중되어 절곡 또는 벤딩(bending) 가공 시 파손의 우려가 크고, 자동차 부품을 장기간 사용하는 경우 뒤틀림과 같은 후-변형 현상이 발생할 수 있다.

따라서, 상기 복수의 섬유 보강 시트(10)는 상기 제1 섬유 보강 시트(11)와 함께 제2 섬유 보강 시트(12)를 포함함으로써 제1 방향(d1) 및 제2 방향(d2)으로 적절하게 힘을 분배하여 우수한 강도 및 강성뿐만 아니라, 우수한 성형성 및 후-변형 방지 성능을 함께 확보할 수 있다.

구체적으로, 상기 제1 방향(d1) 및 상기 제2 방향(d2)이 이루는 각도는 약 70°내지 약 110°일 수 있고, 예를 들어 약 80°내지 약 100°일 수 있고, 예를 들어 수직일 수 있다. 이때, '수직'의 의미는 반드시 수학적으로 정확하게 90°인 경우만을 의미하는 것은 아니며, 통상적으로 직교하는 것으로 이해되는 각도 범위를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 '수직'의 각도 범위는 약 85° 내지 약 95°일 수 있다.

상기 제1 방향 및 상기 제2 방향이 이루는 각도가 수직인 경우에 상기 자동차 부품용 보강재의 강도 및 강성 보완 역할과 성형성 및 후-변형 방지 성능 확보의 역할이 균형을 이룰 수 있으며, 상기 제1 섬유 보강 시트 및 상기 제2 섬유 보강 시트를 제조 및 적층하는 과정에서 공정 효율이 높고, 재료 손실이 적어 경제적으로 유리할 수 있다.

상기 복수의 섬유 보강 시트의 적층체는 상기 제1 섬유 보강 시트 및 상기 제2 섬유 보강 시트의 적층체를 포함하고, 이때, 두 시트의 적층의 개수비는 설계 및 구조를 고려하여 상기 자동차 부품용 보강재의 전체 두께에 따라 적절히 설정할 수 있다.

예를 들어, 상기 복수의 섬유 보강 시트는 상기 제1 섬유 보강 시트 : 상기 제2 섬유 보강 시트를 1 : 1 내지 10 : 1의 개수비로 포함할 수 있고, 예를 들어 1 : 1 내지 5 : 1의 개수비로 포함할 수 있다. 상기 제1 섬유 보강 시트 및 상기 제1 섬유 보강 시트가 상기 범위의 개수비로 포함됨으로써 상기 자동차 부품의 강도 및 강성의 강 효과가 우수할 수 있고, 이와 함께 성형성 및 후-변형 방지 성능을 확보하기에 유리할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 자동차 부품용 보강재(100)의 단면을 개략적으로 도시한 것이다.

도 2를 참조할 때, 상기 자동차 부품용 보강재(100)는 복수의 섬유 보강 시트(10)의 적층체를 포함할 수 있고, 상기 섬유 보강 시트(10)는 전술한 바와 같이 제1 섬유 보강 시트(11) 및 제2 섬유 보강 시트(12)를 포함할 수 있다.

이때, 구체적으로, 상기 적층체의 복수의 섬유 보강 시트(10)는 최상부 섬유 보강 시트 및 최하부 섬유 보강 시트가 제2 섬유 보강 시트(12)일 수 있다. 즉, 상기 적층체의 최상부 섬유 보강 시트 및 최하부 섬유 보강 시트에는 자동차 부품의 보강 요구 방향(Reinforcement required direction)인 제1 방향(d1)과 소정의 각도를 이루는 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 섬유 보강 시트가 배치될 수 있다.

이와 같이, 상기 최상부 섬유 보강 시트 및 상기 최하부 섬유 보강 시트에 제2 섬유 보강 시트(12)가 위치함으로써 동일한 위치에 제1 섬유 보강 시트(11)가 위치하는 경우에 비하여 성형성 및 후-변형 방지 성능을 확보하는 측면에서 더 유리할 수 있다.

도 2를 참조하면, 상기 적층체의 최상부 및 최하부에 배치되는 제2 섬유 보강 시트(12)는 자동차 부품의 보강 요구 방향인 제1 방향(d1)에 대하여 수직한 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 적층체는 최상부 및 최하부에 제2 섬유 보강 시트(12)를 배치하며, 그 이외의 섬유 보강 시트들은 모두 제1 섬유 보강 시트(11)일 수 있다. 이 경우, 상기 최상부 섬유 보강 시트 및 상기 최하부 섬유 보강 시트 사이에 적층된 복수의 제1 섬유 보강 시트들에 의하여 자동차 부품에 우수한 강도 및 강성을 부여할 수 있고, 상기 적층체의 최상부 및 최하부에만 배치된 최소의 제2 섬유 보강 시트를 통해 성형성 및 후-변형 방지 성능을 급진적으로 향상시킬 수 있다.

대안적으로, 상기 적층체는 최상부 및 최하부에 제2 섬유 보강 시트(12)를 배치하며, 그 이외의 섬유 보강 시트들을 제1 섬유 보강 시트(11)로 구성하는 한편, 자동차 부품용 보강재의 목적하는 기능 및 성능을 저하시키지 않는 범위 내에서, 상기 제1 섬유 보강 시트(11)로 구성된 섬유 보강 시트들 사이에 1 내지 5 개의 제1 섬유 보강 시트(12)를 배치할 수도 있다.

상기 자동차 부품용 보강재는 복수의 섬유 보강 시트의 적층체를 포함하고, 상기 섬유 보강 시트는 각각 배향성을 갖는 섬유 보강재; 및 수지 기지재를 포함할 수 있다.

상기 수지 기지재는 상기 섬유 보강재에 함침된 구조일 수 있다. 구체적으로, 상기 섬유 보강재는 섬유 단일 가닥들이 배향성을 갖도록 배열된 구조를 갖고, 상기 수지 기지재는 상기 섬유 단일 가닥들이 배열된 구조 내에 침투되어 함침될 수 있다. 상기 수지 기지재가 상기 섬유 보강재에 함침된 구조를 가짐으로써 상기 섬유 보강재의 배향성이 잘 유지될 수 있고, 상기 제1 방향을 자동차 부품의 보강 요구 방향과 일치시키기 용이하며, 상기 제1 방향 및 제2 방향이 이루는 각도의 조절이 용이할 수 있다.

상기 섬유 보강재는 연속섬유일 수 있다. 상기 섬유 보강재는 연속섬유의 형상을 가짐으로써 장섬유 또는 단섬유와 같이 소정의 길이를 갖는 경우에 비하여, 최종 자동차 부품용 보강재 내에서 최종 제품의 길이에 따라 연속적인 형상으로 포함될 수 있고, 배향성을 더 잘 형성하고 유지할 수 있다. 또한, 상기 섬유 보강재가 연속섬유의 형상을 가짐으로써 장섬유 또는 단섬유와 같이 소정의 길이를 갖는 경우에 비하여, 강도 및 강성의 향상 효과에 더 많이 기여할 수 있다.

상기 섬유 보강재는 예를 들어, 유리 섬유, 탄소 섬유, 바잘트 섬유, 아라미드 섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 섬유 보강재는 유리 섬유를 포함할 수 있고, 이 경우 설비 구축이 용이하며 기계적 물성 대비 원가 등의 부품 경쟁력 확보 측면에서도 유리할 수 있다.

상기 섬유 보강재는 섬유 단일 가닥들의 집합체를 나타내는 것이며, 상기 섬유 보강재의 섬유 단일 가닥들은 예를 들어, 그 단면의 직경이 약 5㎛ 내지 약 25㎛일 수 있다. 상기 섬유 보강재의 섬유 단일 가닥들이 상기 범위의 단면 직경을 가짐으로써 2겹 내지 6겹으로 배향성을 가지면서 나란히 배열될 수 있고, 상기 섬유 보강 시트의 제조 과정에서 상기 수지 기지재의 함침이 용이할 수 있다. 또한, 상기 섬유 보강 시트가 적절한 두께로 형성될 수 있다.

도 2에서는 상기 섬유 보강 시트의 섬유 보강재에 있어서, 섬유 단일 가닥들이 2겹의 두께로 형성된 것을 예시로 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 수지 기지재(matrix)는 수지를 포함하며, 이러한 수지는 제한되지 아니하나 원하는 용도 및 성능에 따라 열가소성 수지 또는 열경화성 수지를 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 수지 기지재의 수지는 폴리프로필렌계 수지, 방향족 폴리아미드계 수지, 지방족 폴리아미드계 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 수지 기지재는 상기 수지를 주재료로 하면서, 적절하게 열안정제, 커플링제 등의 첨가제를 포함하는 조성물로부터 형성될 수 있다.

상기 섬유 보강 시트를 제조하는 구체적인 방법은 섬유 보강재를 형성하기 위한 섬유 다발을 원하는 두께 및 형상으로 광폭으로 펼치는 섬유 광폭화 단계; 및 수지 기지재를 형성하기 위한 조성물을 상기 광폭화된 섬유 보강재에 함침시키는 수지 함침 단계를 포함한다.

상기 섬유 광폭화 단계는 예를 들어, 기계적인 마찰을 이용하는 방법, 에어나이프를 이용하는 방법 등을 사용하여 수행될 수 있다.

상기 섬유 보강재를 형성하기 위한 섬유 다발은 수천 내지 수만 개의 섬유 단일 가닥의 다발일 수 있고, 이를 섬유 보강재가 배향성을 갖는 방향과 수직한 방향으로 광폭화하여 섬유 단일 가닥들이 나란히 배열되도록 할 수 있다.

상기 섬유 광폭화 단계를 거쳐 광폭으로 펼쳐진 섬유 보강재가 수지 함침 금형으로 투입되면, 수지 기지재를 형성하기 위한 조성물이 압출기 등을 통해 주입되어 상기 섬유 보강재에 함침될 수 있다.

이로써, 배향성을 갖는 섬유 보강재 및 수지 기지재를 포함하는 섬유 보강 시트를 제조할 수 있다.

상기 섬유 보강 시트는 그 두께가 약 0.20㎜ 내지 약 0.30㎜일 수 있고, 자동차 부품용 보강재를 원하는 두께로 형성하기 위하여 적절한 수의 섬유 보강 시트를 이용할 수 있다.

복수의 섬유 보강 시트는 고온에서 가압하여 합지될 수 있고, 이로써 복수의 섬유 보강 시트의 적층체를 포함하는 자동차 부품용 보강재를 제조할 수 있다.

상기 자동차 부품용 보강재는 적용되는 구체적인 자동차 부품에 따라 그 두께를 적절히 설정할 수 있으며, 예를 들어 그 두께가 약 1㎜ 내지 약 10㎜일 수 있고, 예를 들어 약 1.2㎜ 내지 약 10㎜일 수 있다. 상기 자동차 부품용 보강재의 두께가 상기 범위를 만족함으로써 제조가 용이할 수 있고, 다양한 자동차 부품에 광범위하게 적용될 수 있으며, 강도 및 강성을 보완함과 동시에 성형성을 확보하기에 유리할 수 있다.

상기 자동차 부품용 보강재는 구체적으로, 루프랙(Roof rack), 범퍼 백빔(Bumper backbeam), 시트백 프레임(Seatback frame), 도어 빔(Door beam), 테일 게이트(Tail gate), FEM 캐리어(FEM carrier) 등의 자동차 부품에 적용될 수 있다.

종래에 금속 재질로 제조되었던 상기 자동차 부품들의 본체는 경량화 효과 및 연비 향상의 효과를 구현하기 위하여 플라스틱 복합재료로 제조될 수 있다. 이때, 상기 자동차 부품들은 본 발명에 따른 상기 자동차 부품용 보강재를 통하여 금속 대비 요구되는 굴곡 강도 및 인장 강도를 확보함과 동시에 우수한 성형성 및 후-변형 방지 특성을 확보할 수 있다.

구체적으로, 상기 자동차 부품용 보강재는 상기 자동차 부품의 본체 내부 표면에 배치될 수 있다. 상기 자동차 부품용 보강재가 상기 자동차 부품의 본체 내부에 배치됨으로써 외관으로 드러나지 않으면서 강도 및 강성의 보완 역할을 할 수 있고, 상기 자동차 부품의 본체 성형과 동시에 배치되기 용이할 수 있다.

구체적으로, 상기 자동차 부품의 본체는 플라스틱 복합재료를 사출 성형하여 형성될 수 있다. 이때, 상기 자동차 부품용 보강재는 미리 금형에 배치될 수 있고, 상기 플라스틱 복합재료를 상기 금형에 사출하여 용도에 따른 형상으로 성형함으로써 자동차 부품을 제조할 수 있다.

상기 자동차 부품의 본체가 플라스틱 복합재료를 사출 성형하여 형성됨으로써 상기 자동차 부품용 보강재를 미리 금형에 배치하여 본체의 내부 표면에 일체로 삽입시키기 유리하고, 제조 공정 및 제조 비용의 측면에서 효율적일 수 있다.

나아가, 기존에 자동차 부품의 본체를 금속 등의 재질로 제조하는 경우에는 프레스 공법을 이용하는 것이 일반적이었다. 그러나, 이러한 프레스 공법은 가공 기기의 비용이 고가이다. 반면, 상기 자동차 부품용 보강재를 포함하는 상기 자동차 부품의 본체는 사출 성형의 방법으로 성형됨으로써 저비용으로 대량 생산이 가능하며 산업적으로 긍정적인 파급 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 다른 구현예는 전술한 바에 따른 상기 자동차 부품용 보강재를 포함하는 자동차 부품을 제공한다.

상기 자동차 부품은 자동차의 외부 또는 내부에 설치되는 다양한 부재들을 의미하며, 루프랙(Roof rack), 범퍼 백빔(Bumper backbeam), 시트백 프레임(Seatback frame), 도어 빔(Door beam), 테일 게이트(Tail gate), FEM 캐리어(FEM carrier) 등일 수 있다.

상기 자동차 부품은 자동차에 장착될 때, 혹은 장착 이후에 자동차를 가동 및 사용하는 기간 동안에 외력, 하중에 따라 강도 및 강성이 보완될 필요가 있는 소정의 방향으로서 보강 요구 방향(Reinforcement required direction)을 가진다. 이러한 보강 요구 방향은 상기 자동차 부품이 자동차에 장착될 때의 구속 위치, 설치 조건 등에 의해 결정될 수 있으며, 가장 주요하게 강도 및 강성이 보완될 필요가 있는 일 방향을 의미한다.

이때, 상기 자동차 부품용 보강재는 전술한 바와 동일하고, 상기 자동차 부품이 이러한 자동차 부품용 보강재를 포함함으로써 우수한 강도 및 강성과 성형성을 확보할 수 있다.

상기 자동차 부품은 그 본체가 플라스틱 복합재료를 포함할 수 있고, 전술한 바와 같이 상기 플라스틱 복합재료를 사출 성형하여 제조될 수 있다.

상기 플라스틱 복합재료는 장섬유, 단섬유 또는 연속섬유를 포함하는 섬유; 및 수지를 포함하는 섬유 강화 복합재료일 수 있고, 상기 섬유 및 수지의 종류는 특별히 제한되지 않는다.

도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 자동차 부품(200)을 개략적으로 도시한 것이고, 구체적으로 루프랙(Roof rack)에 상기 자동차 부품용 보강재가 적용된 경우를 개략적으로 도시한 것이다.

도 3을 참조할 때, 상기 자동차 부품용 보강재(100)는 상기 루프랙의 본체의 내부 표면에 위치할 수 있으며, 상기 자동차 부품용 보강재(100)의 복수의 섬유 보강 시트는 제1 방향(d1)으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 제1 섬유 보강 시트 및 제2 방향(d2)으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 제2 섬유 보강 시트를 포함한다.

이때, 도 3에 도시된 제1 방향(d1)이 상기 루프랙의 보강 요구 방향일 수 있다. 또한, 도 3에 도시된 제1 방향(d1) 및 제2 방향(d2)이 이루는 각도는 수직일 수 있다.

또한, 상기 루프랙의 본체는 플라스틱 복합재료를 사출 성형하여 형성될 수 있고, 이때 상기 자동차 부품용 보강재(100)는 미리 금형에 배치되어 상기 루프랙의 본체의 성형과 동시에 내부 표면에 삽입될 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 구현예에 따른 자동차 부품(200')을 개략적으로 도시한 것이고, 구체적으로 범퍼 백빔(Bumper backbeam)에 상기 자동차 부품용 보강재가 적용된 경우를 개략적으로 도시한 것이다.

도 4를 참조할 때, 상기 자동차 부품용 보강재(100)는 상기 범퍼 백빔의 본체의 내부 표면에 위치할 수 있으며, 상기 자동차 부품용 보강재(100)의 복수의 섬유 보강 시트는 제1 방향(d1)으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 제1 섬유 보강 시트 및 제2 방향(d2)으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 제2 섬유 보강 시트를 포함한다.

이때, 도 4에 도시된 제1 방향(d1)이 상기 범퍼 백빔의 보강 요구 방향일 수 있다. 또한, 도 4에 도시된 상기 제1 방향(d1) 및 제2 방향(d2)이 이루는 각도는 수직일 수 있다.

또한, 상기 범퍼 백빔의 본체는 플라스틱 복합재료를 사출 성형하여 형성될 수 있고, 이때 상기 자동차 부품용 보강재(100)는 미리 금형에 배치되어 상기 루프랙의 본체의 성형과 동시에 내부 표면에 삽입될 수 있다.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되어서는 아니된다.

< 실시예 및 비교예 >

실시예 1

유리 섬유 다발을 광폭화시키고, 폴리프로필렌 수지를 포함하는 조성물을 함침시켜, 배향성을 갖는 유리 연속 섬유의 섬유 보강재 및 폴리프로필렌 수지 기지재를 포함하는 0.25㎜ 두께의 섬유 보강 시트를 9장 제조하였다. 최종 제조된 자동차 부품용 보강재가 적용될 자동차 부품의 보강 요구 방향을 제1 방향으로 하고, 상기 제1 방향과 수직인 방향을 제2 방향으로 설정하였다. 이어서, 상기 제1 방향으로 배향성을 갖는 제1 섬유 보강 시트(A)를 7장 합지하였고, 최상부 및 최하부에 각각 제2 방향으로 배향성을 갖는 제2 섬유 보강 시트(B)를 1장씩 합지하여 적층체를 제조함으로써 제1 섬유 보강 시트 : 제2 섬유 보강 시트가 7 : 2(= 3.5 : 1)의 개수비로 적층된 B/A/A/A/A/A/A/A/B 구조의 적층체를 포함하는 자동차 부품용 보강재를 형성하였다.

실시예 2

상기 실시예 1과 동일한 섬유 보강 시트 9장을 이용하여 제1 섬유 보강 시트 : 제2 섬유 보강 시트가 6 : 3(= 2 : 1)의 개수비로 적층된 B/A/A/A/B/A/A/A/B 구조의 적층체를 포함하는 자동차 부품용 보강재를 형성하였다.

실시예 3

상기 실시예 1과 동일한 섬유 보강 시트 9장을 이용하여 제1 섬유 보강 시트 : 제2 섬유 보강 시트가 6 : 3(= 2 : 1)의 개수비로 적층된 A/B/A/A/B/A/A/B/A 구조의 적층체를 포함하는 자동차 부품용 보강재를 형성하였다.

실시예 4

상기 실시예 1과 동일한 섬유 보강 시트 9장을 이용하여 제1 섬유 보강 시트 : 제2 섬유 보강 시트가 5 : 4(= 1.25 : 1)의 개수비로 적층된 B/A/B/A/A/A/B/A/B 구조의 적층체를 포함하는 자동차 부품용 보강재를 형성하였다.

비교예 1

상기 실시예 1과 동일한 섬유 보강 시트 9장을 이용하여 A/A/A/A/A/A/A/A/A 구조의 적층체를 포함하는 자동차 부품용 보강재를 형성하였다.

<평가>

실험예 1

상기 실시예 1 내지 4 및 상기 비교예 1에서 제조된 자동차 부품용 보강재에 대하여, ASTM D790에 의해 굽힘 특성을 측정하여 하기 표 1에 기재하였다.

구분	Strength [MPa]		Modulus [GPa]
	제1 방향	제2 방향	제1 방향	제2 방향
실시예 1	470	160	23	7
실시예 2	430	350	22	15
실시예 3	430	350	22	15
실시예 4	370	340	15	14
비교예 1	550	25	25	3

실험예 2

상기 실시예 1 내지 4 및 상기 비교예 1에서 제조된 자동차 부품용 보강재에 대하여, ASTM D3039에 의해 인장 특성을 측정하여 하기 표 2에 기재하였다.

구분	Strength [MPa]		Modulus [GPa]
	제1 방향	제2 방향	제1 방향	제2 방향
실시예 1	650	140	17	7
실시예 2	520	230	25	13
실시예 3	520	230	25	13
실시예 4	350	350	15	15
비교예 1	740	13	30	5

상기 표 1 및 표 2의 결과를 참조할 때, 상기 실시예 1 내지 4의 자동차 부품용 보강재는 제1 섬유 보강 시트 및 제2 섬유 보강 시트를 함께 포함하는 것으로, 제1 섬유 보강 시트만을 포함하는 비교예 1에 비하여 인장 특성 및 굽힘 특성의 측면에서 제1 방향 및 제2 방향으로 적절히 강도 및 강성을 분산하여 구현함을 알 수 있었다.

상기 비교예 1의 경우에는 자동차 부품의 보강 요구 방향인 제1 방향으로의 강도 및 강성이 우수하나, 보강 요구 방향과 수직을 이루는 제2 방향으로의 강도 및 강성이 현저히 낮은 것을 알 수 있고, 이러한 차이는 후술하는 실험예 3에 기재된 바와 같이 성형성 및 후-변형 방지 성능에 있어서 차이를 가져옴을 알 수 있었다.

실험예 3

플라스틱 복합재료를 사출 성형하여 루프랙(Roof rack)의 본체를 제조하면서, 상기 실시예 1 내지 4 및 상기 비교예 1에서 제조된 자동차 부품용 보강재를 상기 사출 성형의 금형에 미리 배치함으로써 최종적으로 상기 루프랙의 본체 내부 표면에 상기 실시예 1 내지 4 및 상기 비교예 1에서 제조된 자동차 부품용 보강재를 적용하였다.

이때, 루프랙(Roof rack)의 종횡비는 40 : 1이었고, 종방향이 상기 루프랙의 보강 요구 방향이며, 횡방향이 상기 루프랙의 보강 요구 방향과 수직인 방향이었다. 이때, 성형성 평가 및 후-변형 방지 성능을 각각 4점 기준의 평가 기준으로 평가하여 하기 표 3에 기재하였다.

<성형성 평가 기준>

상기 자동차 부품용 보강재에 있어서, 루프랙의 보강 요구 방향의 유리 섬유의 배향성이 흐트러지지 않고, 루프랙 본체의 내부 표면 형상에 부합하도록 잘 부착되는 정도를 관측하여, i) 4점: 매우 우수, ii) 3점: 우수, iii) 2점: 보통, iv) 1점: 나쁨의 기준에 따라 성형성을 평가하였다.

<후-변형 방지 성능 평가 기준>

상기 자동차 부품용 보강재에 있어서, 루프랙의 보강 요구 방향을 기준으로 루프랙의 본체가 뒤틀리는 현상이 발생하는지 여부를 관측하여, i) 4점: 전혀 발생하지 않음, ii) 3점: 육안으로 관측되지 않지만 미세한 정도로 발생함, iii) 2점: 육안으로 관측될 정도로 발생함, iv) 1점: 많이 뒤틀리는 현상이 발생함의 기준에 따라 후-변형 방지 성능을 평가하였다.

구분	성형성	후-변형 방지 성능
실시예 1	3점	3점
실시예 2	4점	4점
실시예 3	3점	4점
실시예 4	2점	2점
비교예 1	1점	1점

상기 실시예 1 내지 4 및 상기 비교예 1의 자동차 부품용 보강재를 적용한 자동차 부품은 루프랙(Roof rack)으로서 종횡비가 40 : 1로 비교적 크며, 종방향이 보강 요구 방향이다. 이때, 표 3의 결과를 참조하면, 상기 비교예 1의 보강재는 루프랙의 보강 요구 방향, 즉 종방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강 시트만을 적층하여 제조된 것으로 성형성 및 후-변형 방지 성능이 상기 실시예 1 내지 4에 비하여 현저히 열등한 것을 알 수 있었다.

한편, 상기 실시예 4의 보강재는 제1 섬유 보강 시트 : 제2 섬유 보강 시트의 개수비가 1.25 : 1인 것으로, 루프랙과 같이 종횡비가 큰 자동차 부품에 적용하는 경우 보강 요구 방향으로의 강도 및 강성 보완 역할이 실시예 1 내지 3에 비하여 약하여, 상기 비교예 1에 비해서는 성형성 및 후-변형 방지 성능이 우수하나, 상기 실시예 1 내지 3의 보강재에 비해서는 열등한 것을 알 수 있었다.

표 1 및 2의 결과를 참조할 때, 상기 실시예 1의 보강재는 상기 실시예 2 및 3에 비해서 제1 섬유 보강 시트를 많이 함유하는 것으로서, 상기 루프랙의 본체에 적용 시, 루프랙의 보강 요구 방향, 즉 종방향으로의 강도 및 강성은 상기 실시예 2 및 3에 비하여 높은 것을 알 수 있다. 다만, 상기 실시예 1의 보강재는 전술한 바와 같이 종횡비가 비교적 큰 루프랙과 같은 자동차 부품에 적용하는 경우 횡방향으로의 보완 정도가 약하여 실시예 2 및 3에 비해서는 성형성 및 후-변형 방지 성능이 좋지 않은 것을 알 수 있었다.

표 1 및 2의 결과를 참조할 때, 상기 실시예 2 및 3의 보강재는 제1 섬유 보강 시트 및 제2 섬유 보강 시트의 개수비가 동일하여 그 자체의 제1 방향 및 제2 방향의 강도 및 강성은 동일하거나 유사함을 알 수 있었다. 다만, 상기 실시예 2의 보강재는 상기 실시예 3과 달리 최외각에 상기 루프랙의 횡방향, 즉 제2 방향으로 배향성을 갖는 제2 섬유 보강 시트가 배치된 적층체를 포함하는 것으로 보강 요구 방향, 제1 섬유 보강 시트가 최외각에 배치된 상기 실시예 3에 비하여 우수한 성형성을 나타냄을 알 수 있었다.

100: 자동차 부품용 보강재
10: 섬유 보강 시트
11: 제1 섬유 보강 시트
12: 제2 섬유 보강 시트
d1: 제1 방향
d2: 제2 방향
20: 섬유 보강재
30: 수지 기지재
200, 200': 자동차 부품

Claims (12)

1. 복수의 섬유 보강 시트의 적층체를 포함하고,
   상기 섬유 보강 시트는 배향성을 갖는 섬유 보강재; 및 수지 기지재를 포함하고,
   상기 복수의 섬유 보강 시트는 제1 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 적어도 하나의 제1 섬유 보강 시트; 및 제1 방향과 소정의 각도를 이루는 제2 방향으로 배향성을 갖는 섬유 보강재를 포함하는 적어도 하나의 제2 섬유 보강 시트를 포함하며,
   상기 제1 방향은 자동차 부품의 보강 요구 방향(Reinforcement required direction)인
   자동차 부품용 보강재.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 방향과 상기 제2 방향이 이루는 각도는 70°내지 110°인
   자동차 부품용 보강재.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 섬유 보강 시트는 상기 제1 섬유 보강 시트 : 상기 제2 섬유 보강 시트를 1 : 1 내지 10 : 1의 개수비로 포함하는
   자동차 부품용 보강재.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 적층체의 복수의 섬유 보강 시트는 최상부 섬유 보강 시트 및 최하부 섬유 보강 시트가 제2 섬유 보강 시트인
   자동차 부품용 보강재.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 섬유 보강재는 연속섬유인
   자동차 부품용 보강재.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 섬유 보강재는 유리 섬유, 탄소 섬유, 바잘트 섬유, 아라미드 섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는
   자동차 부품용 보강재.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 수지 기지재는 열가소성 수지 또는 열경화성 수지를 포함하는
   자동차 부품용 보강재.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 수지 기지재는 폴리프로필렌계 수지, 방향족 폴리아미드계 수지, 지방족 폴리아미드계 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는
   자동차 부품용 보강재.
   
9. 제1항에 있어서,
   상기 자동차 부품은 루프랙(Roof rack), 범퍼 백빔(Bumper backbeam), 시트백 프레임(Seatback frame), 도어 빔(Door beam), 테일 게이트(Tail gate) 또는 FEM 캐리어(FEM carrier)인
   자동차 부품용 보강재.
   
10. 제1항에 있어서,
    상기 자동차 부품용 보강재는 상기 자동차 부품의 본체 내부 표면에 배치되는
    자동차 부품용 보강재.
    
11. 제1항에 있어서,
    상기 자동차 부품의 본체는 플라스틱 복합재료를 사출 성형하여 형성되는
    자동차 부품용 보강재.
    
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 자동차 부품용 보강재를 포함하는 자동차 부품.

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