KR20190132276A - 적층시트 - Google Patents

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KR20190132276A
KR20190132276A KR1020190057924A KR20190057924A KR20190132276A KR 20190132276 A KR20190132276 A KR 20190132276A KR 1020190057924 A KR1020190057924 A KR 1020190057924A KR 20190057924 A KR20190057924 A KR 20190057924A KR 20190132276 A KR20190132276 A KR 20190132276A
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laminated sheet
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KR1020190057924A
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송강현
김희준
문영이
박상호
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(주)엘지하우시스
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Abstract

본 출원은 적층시트에 관한 것이다. 상기 적층시트는 무게 대비 강도와 강성이 우수하다.

Description

적층시트{Laminated sheets}
관련출원과의 상호인용
본 출원은, 2018년 5월 17일 자로 출원된 한국 특허출원 제10-2018-0056239호 및 2018년 10월 31일 자로 출원된 한국 특허출원 제10-2018-0131568호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
기술분야
본 출원은 적층시트에 관한 것이다.
차량 또는 건축과 관련된 친환경성 강화(예: 연비규제) 정책에 따라 관련 부품의 경량화가 화두이다. 그리고 경량화에도 불구하고, 상기 용도의 부품은 종래와 동등 또는 그 이상의 기계적 강도를 가질 필요가 있다. 즉, 상대적으로 무거운 금속 성분을 대체할 수 있으면서도 금속 성분에 못지 않은 강도를 갖는 부품이 개발되어야 한다. 이러한 필요성은 연비가 중요시되는 차량에서 보다 중요하게 고려될 수 있다.
트럭과 같은 중대형 차량의 연비는 소형 차량의 그것 보다 중요한 문제이다. 구체적으로, 주행 중인 차량이 받는 공기 저항은 차량의 노출 면적에 크게 영향을 받는데, 트럭과 같은 중대형 차량의 경우 노출 면적을 줄이는데 한계가 있으므로, 동체를 흘러 지나가는 유체 흐름을 억제하고 공기 저항을 저감시킬 수 있도록 차체를 유선형에 가깝게 만드는 것과 같이 공기역학적으로 효과적인 차체 형상 개발을 통해 연비를 높이기 위한 연구가 다수 진행되고 있다.
한편, 도로를 주행하는 트럭의 경우 차체 하부를 경유하는 공기의 흐름이 타이어나 차축과 같은 하부 구조물과 충돌하면서 공기에 대한 저항이 증가하고, 차량이 진동하는 문제가 있다. 이러한 문제는, 필요에 따라 차체에 존재하는 복잡한 구조물이나 차량의 운행 속도 증가에 의해 배가된다. 이는, 크기가 상대적으로 큰 차량의 경우, 차량용 부재의 선택이나 차체 형상 설계와 같이, 공기역학에 대응하는 방식에 따라 차량 연비 향상의 폭이 커질 수 있다는 것과 상통한다.
공기 역학적 대응 방식 중 하나로 소위 사이드 스커트(side skirt)의 사용을 예로 들 수 있다. 사이드 스커트는, 차륜 사이의 공간에서 공기 흐름에 기인하는 진동과 공기 저항을 감소시키는데 사용되는 고강성의 시트를 의미한다. 사이드 스커트를 차륜 사이에 배치할 경우, 공기의 흐름을 개선하여 연비를 높일 수 있고, 부수적으로는 차량의 하부도 보호할 수 있다.
상기 목적의 사이드 스커트 제조시에는 형태와 물성이 특히 중요하다. 예를 들어, 대한민국 공개 제10-2016-0118189호 특허는, 소정의 절곡부를 이용하는 중대형 차량용 사이드 스커트의 개선된 형태 또는 구조를 개시한다.
사이드 스커트의 물성에 관해서는 강도, 강성, 및 무게가 주로 고려될 수 있다. 구체적으로, 차량의 속도가 증가하면, 사이드스커트의 안쪽과 바깥쪽 사이에 공기 속도 차이가 발생하고, 유속이 빠른 바깥쪽의 압력이 커지게 되면서 사이드 스커트의 바깥쪽에서 안쪽을 누르는 힘이 자연적으로 발생한다. 즉, 차량 운행 속도와 사이드 스커트의 위치를 고려해보면, 바깥에서 안쪽 측면을 누르는 힘이 주요하므로, 사이드 스커트는 굴곡강도 및/또는 굴곡강성이 우수할 필요가 있다. 그리고, 차량의 경량화는 연비를 높일 수 있는 가장 직접적인 요인이므로, 사이드 스커트를 사용하더라도 운행하는 차량의 무게 증가를 최소화 할 수 있어야 한다.
결국, 차량에 사용되는 사이드 스커트에서는, 동일 사이즈(예: 부피, 넓이, 두께)에서 보다 무게가 가벼우면서도, 동시에 동일 사이즈에서 보다 개선된 구조물성을 보여줄 수 있는 강도와 강성, 즉 비강도와 비강성의 개선이 중요하다고 할 수 있다.
본 출원의 일 목적은 경량성 시트를 제공하는 것이다.
본 출원의 다른 목적은 사이즈(예: 부피, 넓이, 두께 등으로 평가될 수 있음) 대비 굴곡강도와 굴곡강성이 우수한 시트를 제공하는 것이다.
본 출원의 다른 목적은 무게 대비 굴곡강도와 굴곡강성이 우수한 시트를 제공하는 것이다.
본 출원의 또 다른 목적은 차량용 또는 건축용 시트를 제공하는 것이다.
본 출원의 또 다른 목적은 중대형 차량용 사이드 스커트를 제공하는 것이다.
본 출원의 상기 목적 및 기타 그 밖의 목적은 하기 상세히 설명되는 본 출원에 의해 모두 해결될 수 있다.
본 출원에 관한 일례에서, 본 출원은 다층 구조의 시트 또는 패널에 관한 것이다(이하, 적층시트라고 호칭한다). 상기 적층시트는 건축물 또는 운송수단(예: 차량)에 사용될 수 있고, 특히, 차량용 사이드 스커트로서 적합하다.
상기 적층시트는 경량성과 우수한 기계적 물성을 동시에 제공할 수 있다. 예를 들어, 공기 흐름에 대한 저항성 확보가 필요한 사이드 스커트 분야에서는, 굴곡 강성 확보와 무게는 트레이드-오프(trade-off) 관계로 알려져 있었다. 그러나, 본 출원은, 사이드 스커트에 적합한 비중과 비강도/비강성을 갖는 사이드 스커트를 제공할 수 있다.
본 출원에서, 상기 적층시트는 다공층 및 2 이상의 복합재층을 포함한다.
구체적으로, 상기 적층시트는 다공층, 제 1 방향으로 나란히 정렬된 보강재를 포함하는 제 1 복합재층, 및 제 2 방향으로 나란히 정렬된 보강재를 포함하는 제 2 복합재층을 포함한다.
구체적으로, 도면 1 내지 6을 참고하여 설명한다. 상기 제 1 복합재층과 제 2 복합재층은 다공층의 대향하는 양면 상에 모두 위치할 수 있다. 본 출원에서, 층간 적층 위치와 관련하여 사용되는 「~ 상」 또는 「~ 상에」라는 용어는, 어떤 구성이 다른 구성 바로 위에 형성되는 경우뿐 아니라 이들 구성 사이에 제3의 구성이 개재되는 경우까지 포함하는 것을 의미할 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 복합재층 및 제 2 복합재층은 다공층의 일면(S1) 상에 순차로 위치할 수 있다. 그리고, 상기 다공층은 제 1 복합재층 및 제 2 복합재층이 순차로 위치하는 다른 일면(S2)을 더 포함할 수 있다. 즉, 상기 다공층은 제 1 복합재층과 제 2 복합재층이 순차로 위치하게 되는 2개의 면(S1, S2)을 가질 수 있고, 상기 2 개의 면(S1, S2)은 다공층이 갖는 서로 대향하는 면일 수 있다. 이때, 복합재층이 위치하게 되는 다공층 면(S1, S2)은 상대적인 위치에 따라 상면(S1) 또는 하면(S2)으로 호칭될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 다공층의 상면 상에는 제 1 복합재층이 위치할 수 있고, 상기 제 1 복합재층 상에는 제 2 복합재층이 위치할 수 있다. 또 하나의 예시에서, 상기 다공층의 상면 상에는 제 2 복합재층이 위치할 수 있고, 상기 제 2 복합재층 상에는 제 1 복합재층이 위치할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 다공층의 하면 상에는 제 1 복합재층이 위치할 수 있고, 상기 제 1 복합재층 상에는 제 2 복합재층이 위치할 수 있다. 또 하나의 예시에서, 상기 다공층의 하면 상에는 제 2 복합재층이 위치할 수 있고, 상기 제 2 복합재층 상에는 제 1 복합재층이 위치할 수 있다.
상기 설명한 바와 같이, 본 출원의 적층시트에서, 상기 제 1 복합재층과 제 2 복합재층은 상기 다공층의 대향하는 양면 모두에 위치할 수 있다. 예를 들어, 상기 적층시트는 제 1 복합재층/제 2 복합재층/다공층/제 2 복합재층/제 1 복합재층의 적층 순서를 갖거나 제 1 복합재층/제 2 복합재층/다공층/제 1 복합재층/제 2 복합재층의 적층 순서를 가질 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 제 1 복합재층과 제 2 복합재층이 순차로 적층된 구조는 2 회 이상 반복될 수 있다. 구체적으로, 적층시트의 상면에는 제 1 복합재층, 제 2 복합재층, 제 1 복합재층, 및 제 2 복합재층이 순차로 위치할 수 있다. 적층 시트의 무게나 비중을 크게 증가시키지 않는다면 반복 횟수는 특별히 제한되지 않는다. 이러한 구성은 다공층의 하면에 대해서도 마찬가지로 적용될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 적층시트는 적어도 1 이상의 제 1 복합재층과 적어도 1 이상의 제 2 복합재층을 다공층의 상면 상에 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 적층시트는 다공층의 상면 상에서, 하나의 제 1 복합재층과 2 이상의 제 2 복합재층을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 적층 순서는 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어, 다공층/제 2 복합재층/제 1 복합재층/제 2 복합재층 순서로 위치할 수 있다. 이러한 구성은 다공층의 하면에 대해서도 마찬가지로 적용될 수 있다.
본 출원에 관한 일례에서, 상기 다공층과 각 복합재층, 즉 제 1 복합재층과 제 2 복합재층은 인접하하는 층과 서로 융착되어 있을 수 있다. 구체적으로, 본 출원의 적층시트는 상기 층 구성들을 포함하는데 있어서 별도의 점착제(접착제) 또는 점착층을 사용하지 않을 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 다공층은 제 1 복합재층 및/또는 제 2 복합재층과 서로 융착된 상태로 적층시트를 형성할 수 있고, 상기 제 1 복합재층은 상기 다공층 및/또는 제 2 복합재층과 서로 융착된 상태로 적층시트를 형성할 수 있으며, 상기 제 2 복합재층은 상기 다공층 및/또는 제 1 복합재층과 서로 융착된 상태로 적층시트를 형성할 수 있다. 이러한 구성은 하기 설명되는 바와 같이, 각 층을 형성하는 수지 성분의 융점을 합착 온도 보다 낮게 조절함으로써 가능하다.
상기 복합재층은 매트릭스로 불리는 모재에 보강재 또는 강화재가 함침된 구조를 갖는다. 본 출원에서 상기 보강재는 일반적으로 길이에 따라 분류되는 장섬유 또는 단섬유 강화재와 구별될 수 있다. 구체적으로, 상기 보강재는 물리적인 연속성 또는 단속성에 따라 개별 단위체(unit)인 골격으로 구별될 수 있고, 하기 설명되는 것과 같이, 물리적인 연속성을 가진 상태로 보강재가 함침되는 복합재층의 제 1 가장자리로부터 연장하여 상기 제 1 가장자리와 대향하는 제 2 가장자리와 접할 수 있다. 그리고, 하나의 복합재층은 2 이상의 보강재를 포함하고, 하나의 층에 포함된 상기 2 이상의 보강재는 복합재층 내에서 동일한 방향으로 정렬될 수 있다. 상기 보강재는, 예를 들어, 탄소 섬유 또는 유리 섬유와 같은 단일가닥의 섬유가 쌓이거나 꼬이면서 형성된 일종의 섬유 골격일 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 제 1 복합재층과 제 2 복합재층은 서로 다른 보강재의 정렬 방향을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 제 1 복합재층에 포함되는 보강재는 제 1 방향으로 나란히 정렬된 상태로 모재에 함침될 수 있고, 상기 제 2 복합재층에 포함되는 보강재는 제 2 방향으로 나란히 정렬된 상태로 모재에 함침될 수 있다. 상기 제 1 방향은 제 1 복합재층이 가질 수 있는 형상 내에서 특정될 수 있는 임의의 방향일 뿐 특별히 제한되지 않는다. 또한, 상기 제 2 방향은 제 1 방향과 동일하지 않은 방향이라는 것을 전제로, 제 2 복합재층이 가질 수 있는 형상 내에서 특정될 수 있는 임의의 방향일 수 있다.
복합재층 내에서 함침된 보강재의 배열과 관련하여, 보강재가 「나란히 정렬되었다」라는 것은, 예를 들어 제 1 복합재층 내에 배열된 복수의 보강재가 서로 접촉하지 않는 경우, 또는 서로 인접하는 복수의 보강재가 실질적으로 평행하게 배열된 경우를 의미한다. 보다 구체적으로, 각 보강재의 형상(골격)을 원기둥 또는 임의의 선으로 가정할 경우, 인접하는 보강재 중 어느 하나로부터 연장하는 가상의 수직선이 인접하는 다른 보강재와 맞닿은 위치에서 측정된 각도가 실질적으로 90°인 경우, 상기 인접하는 보강재들은 서로 나란히 정렬되었다고 할 수 있다. 이때, 실질적으로 90°라 함은, 제조 오차(error) 또는 편차(variation) 등을 감안한 의미로 사용되고, 예를 들어, 상기 오차나 편차는 ± 10° 이내, ± 8° 이내, ± 6° 이내, ± 4° 이내, ± 2° 이내, ± 1° 이내, ± 0.5° 이내, ± 0.2° 이내, 또는 ± 0.1° 이내일 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 제 1 복합재층은 제 1 방향으로 나란히 정렬된 보강재만을 포함할 수 있고, 상기 제 2 복합재층은 제 2 방향으로 나란히 정렬된 보강재만을 포함할 수 있다. 즉, 각 복합재층에 포함되는 보강재는 단일한 방향성을 가질 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 제 1 복합재층 및 제 2 복합재층 중 어느 하나에 포함되는 보강재는, 상기 보강재가 포함되는 복합재층의 길이 방향으로 정렬될 수 있다. 길이 방향이란, 복합재층이 갖는 형상 중에서 가장 긴 차원의 방향을 의미할 수 있다. 예를 들어, 시트에 대한 법선 방향에서 관찰할 경우, 제 1 복합재층이 L1 x L2 (L1 > L2) 크기의 표면을 갖는 경우, 보강재가 정렬하는 제 1 방향은 제 1 복합재층의 길이 방향인 L1 방향일 수 있다. 정사각형과 같이 복합재층의 표면 길이가 같은 경우에는 보강재가 정렬되는 방향은 문제되지 않는다.
하나의 예시에서, 각 복합재층에 포함되는 보강재는 복합재층의 어느 한 가장자리와 물리적으로 접하는 접점을 갖고, 상기 접접으로부터 제 1 방향 또는 제 2 방향으로 연장하도록 마련될 수 있다. 본 출원에서 「복합재층의 어느 한 가장자리」란, 복합재층이 갖는 형상 중에서 둘레나 끝부분을 의미할 수 있다. 예를 들어, 시트의 법선 방향에서 관찰할 때, 적층시트 또는 복합재층이 원형 또는 타원형일 경우에는 상기 가장자리는 원의 둘레를 의미할 수 있다. 또는, 예를 들어, 시트의 법선 방향에서 관찰할 때, 적층시트 또는 복합재층이 다각형 형상을 갖는 경우에는 상기 가장자리는 다각형을 구성하는 어느 한 변을 의미할 수 있다. 이때, 각 보강재는 가상의 직선을 따라 연장할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 보강재는 복합재층의 제 1 가장자리로부터 연장하여 상기 제 1 가장자리와 대향하는 제 2 가장자리와 접할 수 있다. 이때, 제 2 가장자리란, 보강재가 연장하는 방향(제 1 방향 또는 제 2 방향)에서 보강재가 접하는 제 1 가장자리의 접점과 상이한 접접을 포함하는 복합재층의 둘레 또는 그 일부분을 의미할 수 있다. 예를 들어, 시트의 법선 방향에서 관찰할 때, 적층시트 또는 복합재층이 사각형 형상을 갖는 경우, 보강재는 사각형상에서 평행하게 서로 마주보는 2개의 변 모두에 접할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 제 2 복합재층은 제 1 복합재층의 보강재가 정렬되는 제 1 방향과 교차하는 보강재의 정렬 방향(제 2 방향)을 가질 수 있다. 예를 들어, 적층시트의 법선 방향에서 관찰할 때, 제 1 방향을 기준(0 °)으로 제 2 방향이 제 1 방향에 대하여 갖는 각도(예각)는 0 °를 초과할 수 있다. 특별히 제한되지는 않으나, 상기 제 1 방향과 제 2 방향의 교차각도는 0 ° 초과 내지 90 °이하 범위일 수 있고, 예를 들어, 15 °, 30 °, 45 °, 60 °, 75° 또는 90° 일 수 있다. 상기 교차 각도는 제조 오차(error) 또는 편차(variation) 등을 감안한 의미이고, 제조 오차 또는 편차는 ± 10° 이내, ± 8° 이내, ± 6° 이내, ± 4° 이내, ± 2° 이내, ± 1° 이내, ± 0.5° 이내, ± 0.2° 이내, 또는 ± 0.1° 이내 일 수 있다. 상기 제 1 방향과 제 2 방향이 교차하는 경우 적층시트의 강도 개선에 유리할 수 있다. 제 1 방향과 제 2 방향이 교차하지 않는 경우, 예를 들어, 보강재가 제 1 방향으로 배열된 제 1 복합재층만을 사용한 경우에는 다른 방향 또는 제 1 방향과 반대되는 방향의 외력(응력)이 가해질 경우 시트가 파손될 수 있다. 특히 제 1 방향과 제 2 방향이 90 °로 교차하는 경우에는 물성, 예를 들어 기계적 강도가 적층시트의 가로 및 세로 방향에서 동등한 수준으로 형성될 수 있기 때문에, 적층시트의 강도 개선에 보다 유리하다.
하나의 예시에서, 복합재층에 포함되는 보강재의 개수 또는 보강재의 간격은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 제 1 복합재층(또는 제 2 복합재층)은 제 1 방향(또는 제 2 방향)으로 나열된 보강재를 5 개 이상, 10 개 이상, 15 개 이상, 20 개 이상, 25 개 이상, 30 개 이상, 35 개 이상, 40 개 이상, 45 개 이상, 50 개 이상, 55 개 이상, 60 개 이상, 65 개 이상, 70 개 이상, 75 개 이상, 80 개 이상, 85 개 이상, 90 개 이상, 95 개 이상, 100 개 이상, 105 개 이상, 110 개 이상, 115 개 이상, 120 개 이상, 125 개 이상 또는 130 개 이상 포함할 수 있다. 보강재 간 간격은 각 복합재층의 너비와 보강재의 개수에 따라 적절하게 조절될 수 있다. 보강재의 개수 상한은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 적층시트의 강도를 고려하여 조절될 수 있고, 약 250 개 이하, 240 개 이하, 230 개 이하, 220 개 이하, 210 개 이하 또는 200 개 이하일 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 적층시트는, 제 1 방향 및 제 2 방향과는 상이한 제 3 방향으로 보강재가 나란히 정렬된 제 3 복합재층을 더 포함할 수 있다. 상기 제 3 방향으로 정렬된 보강재는 제 1 방향으로 정렬된 보강재 및 제 2 방향으로 정렬된 보강재와 각각 교차하는 각도를 가질 수 있다. 상기 제 3 복합재층은, 외력이 가해지는 위치를 고려하여 다공층의 상면 및/또는 하면에서 적절한 위치에 위치할 수 있다. 그리고, 상기 제 3 복합재층은 제 1 복합재층 또는 제 2 복합재층의 일면 상에 위치할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 복합재층은 매트릭스 수지 또는 모재로서 열가소성 수지를 포함할 수 있다. 이러한 모재 또는 매트릭스 수지로는 예를 들어, 방향족 비닐계 수지, 고무변성 방향족 비닐계 수지, 폴리페닐렌에테르계 수지, 폴리카보네이트계 수지, 폴리에스테르계 수지, 메타크릴레이트계 수지, 폴리아릴렌설파이드계 수지, 폴리아미드계 수지, 폴리염화비닐계 수지 또는 폴리올레핀계 수지가 사용될 수 있다. 또는 상기 나열된 열가소성 수지 중 2 이상의 수지가 모재 또는 매트릭스 수지로서 사용될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 복합재층은 폴리올레핀계 수지를 모재 또는 매트릭스 수지로서 포함할 수 있다. 폴리올레핀계 수지의 구체적인 종류는 특별히 제한되지 않으나, 예를 들면 프로필렌의 단일 중합체인 폴리프로필렌 또는 에틸렌-프로필렌 공중합체일 수 있다.
특별히 제한되는 것은 아니나 상기 수지는 그 융점이 적층시트의 각 구성을 합착 또는 융착시키기 위한 공정 온도 보다 낮을 수 있다. 예를 들어, 합착을 위한 공정 온도가 230 ℃ 인 경우, 상기 수지의 융점은 약 150 내지 220 ℃ 범위 내일 수 있다. 이러한 경우, 서로 적층되는 층 구성(예: 다공층과 복합재층) 사이에는 점착제 또는 접착제가 사용되지 않을 수 있다. 합착 또는 융착을 위한 수단은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 열프레스 성형 기기가 사용될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 복합재층은 보강재를 구성하는 섬유로서, 탄소 섬유, 바잘트 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유 또는 나일론 섬유 등을 예로 들 수 있다. 목적하는 효과를 고려할 때, 탄소섬유 또는 유리 섬유를 사용하는 것이 바람직하다. 복합재층 형성시, 상기 섬유가 적층되어 보강재와 관련된 상기 설명된 구성을 만족할 수 있다면, 보강재 골격을 형성하기 위해 사용되는 섬유의 길이 등은 특별히 제한되지 않는다.
하나의 예시에서, 상기 보강재의 직경은 5 ㎛ 이상일 수 있다. 구체적으로, 상기 보강재의 직경 하한은 10 ㎛ 이상, 15 ㎛ 이상, 20 ㎛ 이상 또는 25 ㎛ 이상일 수 있고, 그 상한은 40 ㎛ 이하, 35 ㎛ 이하 또는 30 ㎛ 이하일 수 있다. 상기 직경을 갖는 보강재는, 소정 방향의 정렬을 유지한채, 하기 설명되는 복합재층의 두께 방향에서 서로 접하면서 적층되거나 및/또는 모재 성분을 사이에 두고 소정 간격 이격된 채로 존재할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 복합재층은 모재 또는 매트릭스 수지와 보강재를 합한 전체 중량 대비 40 중량% 이상의 보강재를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 보강재는 복합재층 내에서 45 중량% 이상, 50 중량% 이상, 55 중량% 이상, 60 중량% 이상, 65 중량% 이상, 70 중량% 이상 또는 75 중량% 이상 사용될 수 있다. 상기 보강재 함량의 상한은 예를 들어, 85 중량% 또는 80 중량%일 수 있다. 상기 함량 범위 내에서 적절한 강도와 내구성을 확보할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 제 1 복합재층 및/또는 제 2 복합재층은 0.01 mm 내지 1 mm 범위 내의 두께를 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 두께는 예를 들어, 0.05 mm 이상, 0.1 mm 이상, 0.15 mm 이상 또는 0.20 mm 이상일 수 있고, 그 상한은 예를 들어, 0.9 mm 이하, 0.8 mm 이하, 0.7 mm 이하, 0.6 mm 이하 또는 0.5 mm 이하일 수 있다. 상기 두께 범위를 만족하는 경우, 적층시트의 성형성이 우수하고, 목표로 하는 강도를 얻을 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 복합재층은 안료, 산화방지제, 열안정제, UV 안정제 및 점도 조절제 중 선택된 하나 이상의 첨가제를 더 포함할 수 있다. 상기 첨가제의 함량은 특별히 제한되지 않으며, 목적하는 효과에 따라 적절히 조절될 수 있다.
상기 다공층은 그 표층 및/또는 내부에 공극 또는 기공을 갖는 층을 의미한다. 예를 들어, 상기 다공층은 부직포 또는 발포폼을 포함할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 부직포는 그 평량이 1,000 내지 1,300 g/㎡ 범위를 만족하는 부직포일 수 있다. 평량 값이 상기 범위 미만인 경우에는 기계적 물성이 낮아질 수 있고, 상기 범위를 초과하는 경우에는 적층시트의 두께가 두꺼워지면서 시트의 경량화 및 콤팩트화에 장애가 된다. 평량은 관련 기술 분야에서 공지된 방법에 따라 측정될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 다공층이 포함하는 부직포는, 부직포를 형성하는 섬유로서, 상기 복합재층의 모재 또는 매트릭스 성분과 동일한 수지 성분을 갖는 섬유를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 부직포는 방향족 비닐계 수지, 고무변성 방향족 비닐계 수지, 폴리페닐렌에테르계 수지, 폴리카보네이트계 수지, 폴리에스테르계 수지, 메타크릴레이트계 수지, 폴리아릴렌설파이드계 수지, 폴리아미드계 수지, 폴리염화비닐계 수지 또는 폴리올레핀계 수지로부터 형성된 섬유를 포함할 수 있다. 그러나, 상기 부직포를 형성하는데 사용되는 섬유 형성 수지의 종류가 상기 나열된 것들로 제한되는 것은 아니다.
하나의 예시에서, 상기 다공층이 포함하는 부직포 형성 수지는 그 융점이 적층시트의 각 구성을 합착 또는 융착시키기 위한 공정 온도 보다 낮을 수 있다. 예를 들어, 합착을 위한 공정 온도가 230 ℃ 인 경우, 상기 수지의 융점은 약 150 내지 220 ℃ 범위 내일 수 있다. 이러한 경우, 서로 적층되는 층 구성(예: 다공층과 복합재층) 사이에는 점착제 또는 접착제가 사용되지 않을 수 있다. 합착시키는 수단은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 열프레스 성형 기기가 사용될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 다공층 부직포는, 복합재층의 매트릭스 수지와 동일한 종류의 수지로부터 형성된 섬유를 포함할 수 있다. 예를 들어, 복합재층의 매트릭스 수지가 폴리올레핀계 인 경우, 상기 부직포는 폴리올레핀계 섬유를 포함할 수 있다. 이러한 경우, 다공층과 복합재층 간의 우수한 접착력을 확보하는데 유리할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 부직포는 유리 섬유 및 폴리프로필렌 섬유를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 부직포는 상기 부직포를 형성하는 전체 성분 100 중량%를 기준으로, 약 55 중량% 이하로 유리 섬유를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 유리 섬유의 함량은 50 중량% 이하, 45 중량% 이하, 40 중량% 이하, 35 중량% 이하, 30 중량% 이하 또는 25 중량% 이하일 수 있다. 상기 함량의 하한은 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어, 5 중량% 이상, 10 중량% 이상, 15 중량% 이상 또는 20 중량% 이상일 수 있다. 상기 함량을 만족하는 경우, 상기 평량을 갖는 부직포가 우수한 기계적 물성을 가질 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 다공층은 25 내지 45 부피% 범위 내의 기공률을 갖는 층일 수 있다. 기공률은 하기 설명되는 다공층 형성 섬유의 굵기, 길이, 제조 공정 조건 및/또는 다공층 형성시 사용되는 섬유의 함량을 적절하게 조절하여 구현될 수 있다. 다공층의 기공률을 상기 범위로 확보하는 경우, 상기 적층시트의 성형성 개선과 경량화에 유리하다. 기공률은 관련 기술 분야에서 공지된 방법에 따라 측정될 수 있다.
상기 적층시트는 얇고 가벼우면서도 우수한 기계적 강도와 플렉서블 특성을 갖는다.
하나의 예시에서, 상기 적층시트의 비중은 1.2 (단위: g/cm3) 이하일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 1.19 이하, 1.18 이하, 1.17 이하, 1.16 이하, 1.15 이하, 1.14 이하, 1.13 이하, 1.12 이하, 1.11 이하, 1.10 이하, 1.09 이하, 1.08 이하, 1.07 이하 또는 1.06 이하일 수 있다. 그리고 그 하한은 예를 들어, 1.01 이상, 1.02 이상, 1.03 이상, 1.04 이상 또는 1.05 이상일 수 있다. 본 출원의 적층시트는 상기와 같이 낮은 비중, 즉 경량화 특성을 가지면서도 하기 설명되는 것과 같이 우수한 기계적 강도를 가질 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 적층시트는 120 Mpa/(g/㎤) 이상의 비강도 값을 가질 수 있다. 비강도는 아래 실험례에서 설명되는 것과 같이, 굴곡 강도(strength)를 비중으로 나눈 값일 수 있다. 구체적으로, 상기 비강도 값은 125 Mpa/(g/㎤) 이상, 130 Mpa/(g/㎤) 이상 135 Mpa/(g/㎤) 이상, 140 Mpa/(g/㎤) 이상, 145 Mpa/(g/㎤) 이상 또는 150 Mpa/(g/㎤) 이상일 수 있다. 비강도가 상기 범위를 만족하는 경우, 무게 및 부피 대비 굴곡강도가 우수하다는 것을 의미한다. 높은 비강도를 확보하는 것은 공기역학적인 측면에서 바람직하다고 볼 수 있지만, 무게가 증가할 경우 강도 역시 상승하는 경향이 있고 무게의 증가는 차량의 연비 저하를 가져올 수 있으므로, 상기 비강도의 상한은 예를 들어, 200 Mpa/(g/㎤) 이하, 195 Mpa/(g/㎤) 이하, 190 Mpa/(g/㎤) 이하, 185 Mpa/(g/㎤) 이하 또는 180 Mpa/(g/㎤) 이하인 것이 바람직할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 적층시트는 100 내지 300 Mpa의 굴곡 강도를 가질 수 있다. 굴곡 강도는 하기 실험례에서 설명되는 방법에 따라 측정될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 범위 내에서, 본 출원의 적층시트는 110 Mpa 이상, 120 Mpa 이상, 130 Mpa 이상 또는 140 Mpa 이상의 굴곡 강도를 가질 수 있다. 하나의 예시에서, 굴곡 강도는 예를 들어, 다공층에 사용되는 부직포의 평량에 따라 달라질 수 있으나, 290 Mpa 이하, 280 Mpa 이하, 270 Mpa 이하, 260 Mpa 이하, 250 Mpa 이하, 240 Mpa 이하, 230 Mpa 이하, 220 Mpa 이하, 210 Mpa 이하, 200 Mpa, 190 Mpa 이하, 180 Mpa 이하, 170 Mpa 이하, 160 Mpa 이하 또는 150 Mpa 이하일 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 적층시트는 8 Gpa/(g/㎤) 이상의 비강성 값을 가질 수 있다. 비강성는 아래 실험례에서 설명되는 것과 같이, 굴곡 강성(modulus)을 비중으로 나눈 값일 수 있다. 구체적으로, 상기 비강성 값은 8.5 Gpa/(g/㎤) 이상, 9.0 Gpa/(g/㎤) 이상, 9.5 Gpa/(g/㎤) 이상 또는 10.0 Gpa/(g/㎤) 이상일 수 있다. 비강성이 상기 범위를 만족하는 경우, 무게 및 부피 대비 굴곡강성이 우수하다는 것을 의미한다. 높은 비강성을 확보하는 것은 공기역학적인 측면에서 바람직하다고 볼 수 있지만, 무게가 증가할 경우 강성 역시 상승하는 경향이 있고 무게의 증가는 차량의 연비 저하를 가져올 수 있으므로, 상기 비강성의 상한은 예를 들어, 20 Gpa/(g/㎤) 이하 또는 15 Gpa/(g/㎤) 이하, 구체적으로는 14 Gpa/(g/㎤) 이하, 13 Gpa/(g/㎤) 이하 또는 12 Gpa/(g/㎤) 이하일 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 적층시트는 10 내지 20 Gpa의 굴곡 강성을 가질 수 있다. 굴곡 강성은 하기 실험례에서 설명되는 방법에 따라 측정될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 범위 내에서, 본 출원의 적층시트는 10.1 Gpa 이상, 10.2 Gpa 이상, 10.3 Gpa 이상, 10.4 Gpa 이상, 10.5 Gpa 이상, 10.6 Gpa 이상, 10.7 Gpa 이상, 10.8 Gpa 이상, 10.9 Gpa 이상 또는 11 Gpa 이상의 굴곡 강성을 가질 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 굴곡 강성의 상한은, 예를 들어, 다공층에 사용되는 부직포의 평량에 따라 달라질 수 있으나, 예를 들어 19 Gpa 이하, 18 Gpa 이하, 17 Gpa 이하, 16 Gpa 이하, 15 Gpa 이하, 14 Gpa 이하, 13 Gpa 이하 또는 12 Gpa 이하일 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 적층시트는 1.5 내지 2.5 범위 내의 신율(strain, %)을 가질 수 있다. 신율은 하기 실험례에서 설명되는 방법에 따라 측정될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 범위 내에서, 본 출원의 적층시트는 1.51 % 이상, 1.52 % 이상, 1.53 % 이상, 1.54 % 이상, 1.55 % 이상, 1.56 % 이상, 1.57 % 이상, 1.58 % 이상, 1.59 % 이상 또는 1.60 % 이상일 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 신율의 상한은, 예를 들어, 2.4 % 이하, 2.3 % 이하, 2.2 % 이하, 2.1 % 이하 또는 2.0 % 이하일 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 다공층의 두께는 2.5 mm 이하의 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 적층시트는 3.5 mm 이하의 두께를 가질 수 있고, 상기 다공층은 2.5 mm 이하의 두께를 가질 수 있다.
본 출원에 관한 다른 일례에서, 본 출원은 상기 적층시트를 포함하는 운송수단 또는 건축자재에 관한 것이다. 예를 들어, 상기 적층시트는 서로 이격된 복수의 차륜을 갖는 운송수단에 사용될 수 있다. 구체적으로, 상기 적층시트는 이격된 차륜 사이의 공간에서 공기 흐름에 기인하는 진동과 공기 저항을 감소시키기 위한 용도, 즉, 소위 트레일러용 사이드 스커트로 사용될 수 있다. 그에 따라, 상기 운송수단은 서로 이격된 복수의 차륜; 및 적층시트를 포함할 수 있다. 적층시트의 구체적인 구성이나 특성은 상술한 바와 같다.
본 출원의 일례에 따르면, 경량성을 갖고, 무게 대비 강도와 강성이 우수한 적층시트가 제공될 수 있다. 상기 적층시트는 차량용 또는 건축용 부품에 적합하다.
도 1 내지 도 6은 본 출원의 일례에 따른 적층 시트의 적층 순서를 개략적으로 도시한 것이다.
이하, 실시예를 참고로 본원발명의 적층시트를 자세히 설명한다. 그러나, 본 출원 발명의 보호 범위가 하기 설명되는 실시예로 제한되는 것은 아니다.
실시예 및 비교예
실시예
복합재층의 제조: 제 1 방향의 보강재 배열을 갖는 제 1 복합재층 및 제 2 방향의 보강재 배열을 갖는 제 2 복합재층을 포함하는 제 1 적층체(두께 약 0.50 mm)를 준비하였다. 각 복합재층은 단일 가닥이 쌓이면서 형성된 섬유 골격(보강재) 사이에 매트릭스인 수지 성분이 침투된 소위 프리프레그(prepreg) 형상으로 제조되었다. 구체적으로, 상기 각 복합재층은 폴리프로필렌(PP) 모재와 유리 섬유 보강재를 포함하도록 구성되었다. 이때, 상기 복합재층 내 섬유 보강재의 함량은 약 60 wt% 로 조절하였고, 상기 모재에 함침된 보강재 유닛의 직경은 약 15 ㎛로 하였다. 또한, 제 1 방향과 제 2 방향의 교차 각도는 (제 1 방향을 0° 기준으로 하였음) 90 °로 하였다. 그리고, 상기 제 1 적층체와 동일한 구성의 제 2 적층체를 준비하였다.
다공층의 제조: 폴리프로필렌 섬유와 유리 섬유를 포함하고, 그 평량이 약 1,100 g/㎡ 인 부직포층을 제조하였다. 이때, 유리 섬유의 함량은 약 40 wt%로 조절하였다.
적층시트의 제조: 상기 제 1 적층체와 제 2 적층체 사이에 상기 다공층을 위치시키고, 이들을 220 내지 230 ℃ 온도 범위에서 합착하여 적층시트(두께 약 3.5 mm)를 제조하였다.
비교예 1
부직포를 포함하는 다공층을 사용하지 않고, 제 1 복합재층/제2 복합재층/ 제 1 복합재층/제2 복합재층/ 제 1 복합재층/제2 복합재층/ 제 1 복합재층/제2 복합재층/ 제 1 복합재층/제2 복합재층/제 1 복합재층의 적층 구조를 갖는 시트를 제조하였다. 이때, 각 복합재층은 실시예에 기재된 보강재와 동일한 방향성을 갖는 복합재층이지만, 유리 섬유의 함량을 55 wt%로 조절하였다.
비교예 2
유리 섬유로만 이루어진 매트를 준비하고, 상기 매트의 대향하는 양면 상에 제 1 복합재층과 제 2 복합재층을 형성하였다. 구체적으로, 상기 매트의 상면 상에는 제 1 복합재층/제 2 복합재층/제 1 복합재층을 위치시켰고, 상기 매트의 하면 상에는 제 1 복합재층/제 2 복합재층을 위치시켰다. 이때, 각 복합재층은 실시예에 기재된 보강재와 동일한 방향성을 갖는 복합재층이지만, 유리 섬유의 함량은 47 wt% 함량이다.
비교예 3
유리 섬유로만 이루어진 매트를 준비하고, 상기 매트의 일면 상에 폴리에스테르에 함침된 직물(woven) 형태의 유리 섬유를 갖는 층이 형성된 적층시트를 제조하였다. 이때, 유리 섬유의 함량은 41 wt% 이다.
비교예 4
부직포를 포함하는 다공층을 사용하지 않고, 제 1 복합재층/제 2 복합재층/ 제 1 복합재층/제 2 복합재층/ 제 1 복합재층/제 2 복합재층/ 제 1 복합재층/제 2 복합재층/ 제 1 복합재층/제 2 복합재층/제 1 복합재층의 적층 구조를 갖는 시트를 제조하였다. 이때, 각 복합재층은 실시예에 기재된 보강재와 동일한 방향성을 갖는 복합재층이지만, 유리 섬유의 함량을 60 wt%로 조절하였다.
평가항목
하기 항목에 대한 평가를 하고, 그 결과를 표 1에 기재하였다.
* 적층시트의 비중: ASTM D792를 이용하여 적층시트의 비중을 측정하였다.
* 굴곡 강도 및 굴곡 강성: ASTM D790에 따른 three-point bending 방법으로 기계 방향(MD, Machine Direction)의 굴곡 강도와 굴곡 강성을 측정하였다.
* 비강도: 굴곡강도/비중 [Mpa/(g/㎤)]
* 비강성: 굴곡강성/비중 [Gpa/(g/㎤)]
* 신율(Strain): ASTM D790에 따른 three-point bending 방법으로 신율(strain(%))을 측정하였다.
실시예 1 비교예 1 비교예 2 비교예 3 비교예 4
비중 (g/㎤) 1.10 1.41 1.24 1.53 1.48
굴곡강도
(Mpa)		 145 290 140 220 360
굴곡강성
(GPa)		 11.5 13.8 9.9 9.4 20
비강도
Mpa/(g/㎤)		 131.8 205.7 112.9 143.8 243.2
비강성
Gpa/(g/㎤)		 10.5 9.8 8.0 6.1 13.5
Strain (%) 1.6 2.4 1.7 2.9 2.3
상기 표 1에서 확인되듯이, 실시예의 적층시트는 그 비중이 가장 낮음에도 불구하고, 높은 수준의 기계적 물성(비강도와 비강성)을 갖는다.
10: 보강재가 제 1 방향으로 배열된 제 1 복합재층
20: 보강재가 제 2 방향으로 배열된 제 2 복합재층
30: 다공층
S1: 다공층의 일면(상면)
S2: S1과 반대되는 다공층의 일면(하면)

Claims (17)

  1. 다공층; 제 1 방향으로 나란히 정렬된 보강재를 포함하는 제 1 복합재층; 및 제 2 방향으로 나란히 정렬된 보강재를 포함하는 제 2 복합재층을 포함하고,
    상기 제 1 복합재층과 제 2 복합재층은 상기 다공층의 대향하는 양면 상에 모두 위치하는 적층시트.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 보강재는 상기 각 복합재층의 제 1 가장자리로부터 연장하여 상기 제 1 가장자리와 대향하는 제 2 가장자리와 접하는 적층시트.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 방향과 제 2 방향은 서로 교차하는 적층시트.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 방향과 제 2 방향은 서로 직교하는 적층시트.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 보강재는 탄소 섬유, 바잘트 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유 또는 나일론 섬유를 포함하는 적층시트.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 복합재층 및 제 2 복합재층은 매트릭스 수지를 포함하고,
    상기 매트릭스 수지는 방향족 비닐계 수지, 고무변성 방향족 비닐계 수지, 폴리페닐렌에테르계 수지, 폴리카보네이트계 수지, 폴리에스테르계 수지, 메타크릴레이트계 수지, 폴리아릴렌설파이드계 수지, 폴리아미드계 수지, 폴리염화비닐계 수지 또는 폴리올레핀계 수지를 포함하는 적층시트.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 복합재층은 모재 또는 매트릭스 수지와 보강재를 합한 전체 중량 대비 40 중량% 이상의 보강재를 포함하는 적층시트.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 다공층은 부직포를 포함하는 적층시트.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 부직포는 1,000 내지 1,300 g/㎡ 범위 내의 평량을 갖는 적층시트.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 부직포를 포함하는 다공층은 유리 섬유 및 폴리프로필렌 섬유를 포함하는 적층시트.
  11. 제 10 항에 있어서, 다공층의 전체 중량을 기준으로, 상기 유리 섬유를 55 중량% 이하로 포함하는 적층시트.
  12. 제 8 항에 있어서, 상기 다공층은 25 내지 45 % 범위 내의 기공률을 갖는 적층시트.
  13. 제 1 항에 있어서, 비중이 1.2 이하인 적층시트.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 적층시트는 3.5 mm 이하의 두께를 갖고, 상기 다공층은 2.5 mm 이하의 두께를 갖는 적층시트.
  15. 제 1 항에 있어서, 차량용 사이드 스커트에 사용되는 적층시트.
  16. 제 15 항에 있어서, ASTM D792로 측정한 비중이 1.2 g/㎤ 이하이고, ASTM D790으로 측정한 강도(Strength)를 비중으로 나눈 비강도 값이 120 Mpa/(g/㎤) 이상이며, ASTM D790으로 측정한 강성(Modulus)을 비중으로 나눈 비강성 값이 8 Gpa/(g/㎤) 이상인 적층시트.
  17. 서로 이격된 복수의 차륜; 및 상기 이격된 차륜 사이의 공간에서 공기 흐름에 기인하는 진동과 공기 저항을 감소시키는 제 1 항에 따른 적층시트;를 포함하는 운송수단.
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