KR20220147397A

KR20220147397A - 복합재 패널 및 이의 제조 방법

Info

Publication number: KR20220147397A
Application number: KR1020210054492A
Authority: KR
Inventors: 윤상재; 이용범; 박상범; 김경빈; 임상원; 최치훈; 채석준; 박상윤
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아 주식회사
Priority date: 2021-04-27
Filing date: 2021-04-27
Publication date: 2022-11-03
Also published as: US20220339912A1

Abstract

고무 재질을 포함하는 제진층, 제진층 위에 위치하며 섬유 강화 플라스틱(Fiber Reinforced Plastic, FRP)을 포함하는 제1 구조재층, 그리고 제진층 아래에 위치하며 섬유 강화 플라스틱을 포함하는 제2 구조재층을 포함하는, 복합재 패널을 제공한다.

Description

복합재 패널 및 이의 제조 방법{COMPOSITE PANNEL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 진동 특성이 개선된 자동차 루프용 복합재 패널 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

섬유 강화 플라스틱(Fiber Reinforced Plastic, FRP)은 경량이며, 고강성이고 내부식성도 우수하기 때문에 차량을 비롯한 각종 운송 기기의 외부 패널로의 사용이 시도되고 있다. 예컨대, 차량의 본넷 또는 휀더 등의 외부 패널에 FRP가 적용되고 있다.

경량화를 통한 무게 중심의 이동, 심미성, 소비자의 니즈에 의한 상품성 등을 목적으로, 기존의 스틸 또는 글래스 루프를 대체하여, 차량의 루프 패널에도 FRP를 적용하고자 하는 시도가 있다.

이 경우, 플라스틱이라는 소재 특성상 스틸의 진동 특성과 다른 거동을 보이며, 이것으로 인해 주행자에게 심리적인 불편함을 주는 부정적 영향에 대해서 개선할 필요가 있다.

특히, 기존 기술들에서는 다양한 컨셉의 탄소섬유 강화 플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP) 복합재를 포함하는 루프가 제안되고 있지만, 대부분 소재 및 적층의 구성, 또는 제조방법 등에 목적을 두고 있을 뿐, 패널 자체의 진동 특성을 개선하기 위한 시도는 없다.

일 구현예는 우타음(빗방울이 차 위에 떨어질 때 나는 소리) 및 진동 특성이 개선되어, 제진 패드가 불필요하며, 경량화되고, 원가절감할 수 있는 복합재 패널을 제공한다.

일 구현예에 따르면, 고무 재질을 포함하는 제진층, 제진층 위에 위치하며 섬유 강화 플라스틱(Fiber Reinforced Plastic, FRP)을 포함하는 제1 구조재층, 그리고 제진층 아래에 위치하며 섬유 강화 플라스틱을 포함하는 제2 구조재층을 포함하는, 복합재 패널을 제공한다.

제진층은, 수지 매트릭스, 및 수지 매트릭스에 지지된 합성 고무를 포함할 수 있다.

수지 매트릭스는 에폭시 수지를 포함할 수 있다.

합성 고무는 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머(Ethylene Propylene Diene Monomer, EPDM) 고무를 포함할 수 있다.

구조재층은 일방향성 직물(unidirectional fabric), 및 일방향성 직물에 함침된 에폭시 수지를 포함할 수 있다.

일방향성 직물은 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

구조재층은 복수개의 일방향성 직물들을 교차각을 가지도록 적층한 다축 직조형 직물(multiaxis non-crimp fabric), 및 다축 직조형 직물에 함침된 에폭시 수지를 포함할 수 있다.

다축 직조형 직물에서 일방향성 직물들의 교차각은 0 도 초과 90 도 이하일 수 있다.

제진층의 두께는 0.1 mm 내지 0.3 mm일 수 있다.

제1 구조재층 또는 제2 구조재층의 두께는 0.36 mm 내지 0.56 mm일 수 있다.

제진층과 제1 구조재층 또는 제2 구조재층의 두께비는 1 : 1.2 내지 1 : 5.6일 수 있다.

제1 구조재층 위에 위치하는 표면층, 및 제2 구조재층 아래에 위치하는 표면 대칭층을 더 포함할 수 있다.

표면층은 직물(woven fabric)을 포함할 수 있다.

제1 구조재층 위에 위치하는 도장층을 더 포함할 수 있다.

다른 구현예에 따르면, 섬유층을 포함하는 수지 유동층, 수지 유동층 위에 위치하며 고무 재질을 포함하는 제1 제진층, 수지 유동층 아래에 위치하며 고무 재질을 포함하는 제2 제진층, 제1 제진층 위에 위치하며 섬유강화플라스틱을 포함하는 제1 구조재층, 그리고 제2 제진층 아래에 위치하며 섬유강화플라스틱을 포함하는 제2 구조재층을 포함하는, 복합재 패널을 제공한다.

또 다른 구현예에 따르면, 미가황된 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머(Ethylene Propylene Diene Monomer, EPDM) 고무 양면에 일방향성 직물(unidirectional fabric)을 적층하는 단계, 적층체에 에폭시 수지를 함침시키는 단계, 그리고 에폭시 수지를 경화시키는 동시에 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머 고무를 가황시키는 단계를 포함하는, 복합재 패널의 제조 방법을 제공한다.

또 다른 구현예에 따르면, 섬유층 양면에 미가황된 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머(Ethylene Propylene Diene Monomer, EPDM) 고무를 적층하는 단계, 적층체 양면에 일방향성 직물(unidirectional fabric)을 적층하는 단계, 적층체에 에폭시 수지를 함침시키는 단계, 그리고 에폭시 수지를 경화시키는 동시에 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머 고무를 가황시키는 단계를 포함하는, 복합재 패널의 제조 방법을 제공한다.

복합재 패널의 제조 방법은 적층체에 에폭시 수지를 함침시키는 단계 전에, 적층체 양면에 직물(woven fabric)을 적층하는 단계를 더 포함할 수 있다.

복합재 패널의 제조 방법은 에폭시 수지를 경화시킨 후, 적층체 일면에 도장층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

일 구현예에 따른 복합재 패널은 우타음 및 진동 특성이 개선되어, 제진 패드가 불필요하며, 경량화되고, 원가절감할 수 있다.

도 1은 복합재 패널이 차량에 설치되는 상태를 나타내는 부분 분해 사시도이다.
도 2는 일 구현예에 따른 복합재 패널의 일 예시를 나타내는 단면도이다.
도 3은 일 구현예에 따른 복합재 패널의 다른 예시를 나타내는 단면도이다.
도 4는 일 구현예에 따른 복합재 패널의 또 다른 예시를 나타내는 단면도이다.
도 5는 도 2의 복합재 패널에서 우타음이 감쇠되는 메커니즘을 나타내는 단면도이다.
도 6은 도 2의 복합재 패널에서 차체 진동이 감쇠되는 메커니즘을 나타내는 단면도이다.
도 7은 비교예 1에서 제조된 복합재 패널을 나타내는 단면도이다.
도 8은 참조예 1에서 제조된 복합재 패널을 나타내는 단면도이다.
도 9는 비교예 1, 실시예 1 내지 3 및 참조예 1에서 제조된 복합재 패널의 하중에 따른 층별 응력 분포를 나타내는 그림이다.
도 10은 비교예 1 및 실시예 1에서 제조된 복합재 패널의 진동 방사 성능 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 11은 비교예 1 및 실시예 1에서 제조된 복합재 패널의 실차 우타음 음압 측정 결과를 나타내는 그래프이다.

이후 설명하는 기술의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 구현되는 형태는 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 할 수 있다. 다른 정의가 없다면 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로, 또는 과도하게 해석되지 않는다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.

층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 “위에” 있다고 할 때, 이는 다른 부분 “바로 위에” 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 “위에” 있다고 할 때, 위와 아래가 바뀌어 “아래에” 있는 경우도 포함한다.

마찬가지로, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 “아래에” 있다고 할 때, 이는 다른 부분 “바로 아래에” 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 “아래에” 있다고 할 때, 위와 아래가 바뀌어 “위에” 있는 경우도 포함한다.

도 1은 복합재 패널이 차량에 설치되는 상태를 나타내는 부분 분해 사시도이다. 도 1을 복합재 패널이 차량용 루프 패널에 적용되는 경우를 예시한다.

도 1을 참조하면, 차량은 루프레일(11)과, 루프레일(11)을 차체와 연결하기 위한 A 필라(12) 및 B 필라(13)를 포함한다. 복합재 패널(20)은 차량에서 A 필라(12)의 상단으로부터 차량 루프의 후단까지 연장되는 길이를 가지고, 서로 이격된 루프레일(11) 사이의 폭을 가진다.

다만, 복합재 패널(20)이 도 1에 도시된 바에 한정되는 것은 아니고, 그 조립 형태 및 형상은 다양할 수 있다. 일 예로, 복합재 패널(20)은 차체에 직접 접착되거나, 별도의 브라켓을 통해 차체와 기계적 조립될 수 있다. 또한, 복합재 패널(20)은 루프에 캐릭터 라인용 굴곡이 있는 경우도 포함한다.

도 2 및 도 3은 일 구현예에 따른 복합재 패널의 각각 다른 예시를 나타내는 단면도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 복합재 패널(20)은 제진층(21), 제진층(21) 위에 위치하는 제1 구조재층(22), 그리고 제진층(21) 아래에 위치하는 제2 구조재층(23)을 포함한다.

즉, 복합재 패널(20)은 외판의 기계적 성능을 유지하기 위해 섬유 강화 플라스틱(Fiber Reinforced Plastic, FRP)을 포함하는 제1 구조재층(22)과 제2 구조재층(23) 사이에, 제진 성능을 향상시키기 위한 제진층(21)을 포함한다.

차체에 접합된 복합재 패널(20)은 보통 비틀림 및 굽힘 하중에 노출되기 때문에, 제1 구조재층(22) 또는 제2 구조재층(23)을 통하여 이를 지지한다. 이에, 제1 구조재층(22) 또는 제2 구조재층(23)은 섬유 강화 플라스틱(Fiber Reinforced Plastic, FRP)을 포함할 수 있다.

일 예로, 제1 구조재층(22) 또는 제2 구조재층(23)의 섬유 강화 플라스틱은 일방향성 직물(unidirectional fabric), 및 일방향성 직물에 함침된 에폭시 수지를 포함할 수 있다.

에폭시 수지의 종류는 특별히 한정되지 않으나, 비스페놀계 에폭시 수지(비스페놀 A형 에폭시 수지, 비스페놀 F형 에폭시 수지), 또는 시아네이트 에스테르(cyanate ester)를 포함하는 에폭시 수지를 예시할 수 있다.

다른 예로, 제1 구조재층(22) 또는 제2 구조재층(23)은 복수개의 일방향성 직물들을 교차각을 가지도록 적층한 다축 직조형 직물(multiaxis non-crimp fabric), 및 다축 직조형 직물에 함침된 에폭시 수지를 포함할 수 있다.

다축 직조형 직물에서 적층된 일방향성 직물들 간의 교차각은 0 도 초과 90 도 이하일 수 있고, 예를 들어 45 도의 교차각으로 적층하는 경우 루프의 비틀림 강성을 보강할 수 있어 요구되는 차체 강성을 확보할 수 있다.

또한, 제1 구조재층(22) 또는 제2 구조재층(23)과 관련된 필요 성능은 굽힘 및 비틀림 물성이 지배적으로 인장 및 압축 물성 대비 우선 순위가 앞선다. 따라서, 제진층(21)의 중립축을 기준으로 제1 구조재층(22)과 제2 구조재층(23)은 대칭을 이뤄야 기계적 성능 불균형, 성형 후 성형품 뒤틀림 예방 가능하므로, 제1 구조재층(22)과 제2 구조재층(23)은 서로 동일한 두께를 가질 수 있다.

복합재 패널(20)은 제1 구조재층(22) 위에 위치하는 표면층(24), 및 제2 구조재층(23) 아래에 위치하는 표면 대칭층(25)을 더 포함할 수 있다.

표면층(24)은 직조 패턴이 드러나 심미적으로 유려하여 소비자에게 선호도가 높은 직물(woven fabric)을 포함할 수 있다. 표면층(24)은 0.2 mm 내지 0.25 mm의 두께를 가질 수 있다.

표면 대칭층(25)은 성형품의 뒤틀림을 방지하고 준등방성의 기계적 성능 구현을 위하여 표면층(24)과 대칭을 이루는 것으로, 원가 절감을 위해 섬유 다발(bundle)의 사이즈는 일치시키지 않아도 된다.

다만, 도 3과 같이, 제1 구조재층(22) 위에 위치하는 도장층(26)을 더 포함하는 경우, 표면에 유색 도장을 하기 때문에 심미성이 무의미하므로, 표면층(24) 및 표면 대칭층(25)은 포함하지 않는 것이 부품 원가상 유리하다.

제진층(21)은 제진 특성 향상에 유리한 고무 재료를 포함한다. 고무 재료는 복합재 패널(20)의 성형 특성과 및 층간 결합력에 미치는 영향이 없어야 한다.

일 예로, 제진층(21)은 에폭시 수지를 포함하는 매트릭스, 및 매트릭스에 지지된 합성 고무를 포함한다.

합성 고무로는 복합재 패널(20)의 매트릭스(Matrix)인 에폭시 수지와 접착력을 높일 수 있으며, 복합재 패널(20)의 성형 공정에서 고온 및 고압 하에서 함께 성형할 수 있도록 내열 특성을 가지며, 비중이 낮고, 진폭에 따른 탄성율 및 감쇄율 등의 진동 특성과 내구성이 뛰어난 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머 고무를 사용할 수 있다.

제진층(21)은 고무를 에폭시 수지 매트릭스와 혼합하여 제조됨으로써 고무-복합재 층간 접합력을 높일 수 있다. 이때, 매트릭스 재질 소재를 너무 많이 혼합하여 고무 자체의 기능을 상실하거나, 너무 적게 혼합하여 접합력을 잃지 않도록 해야 한다. 따라서, 제진층(21)은 제진층(21) 전체 중량에 대하여 매트릭스를 7 중량% 이하, 예를 들어 6 중량% 이하, 5 중량% 이하, 4 중량% 이하, 3 중량% 이하, 또는 3 중량% 내지 7 중량%로 포함할 수 있고, 고무를 93 중량% 이상, 예를 들어 94 중량% 이상, 95 중량% 이상, 96 중량% 이상, 97 중량% 이상, 또는 93 중량% 내지 97 중량%로 포함할 수 있다. 또한, 추가적인 기능이 필요한 경우 고무의 중량을 조절하여 해당 기능을 수행할 수 있는 충전제를 더 포함할 수 있다.

한편, 제진층(21)은 복합재 패널(20)의 층간 접착력을 저해하지 않아야 한다. 이 경우, 성형 품질 미달 및 소재간 불균형 초래의 원인이 되어 층간 박리를 유발할 수 있고 부품의 물성 저하를 야기시킬 수 있다. 제진층(21)은 복합재 패널(20)의 성형 공정에 악영향을 미치지 않아야 한다. 복합재 패널(20) 성형 공정에서 매트릭스 수지는 온도 및 압력 조건에 따라 유동하여 형상을 이룬 후 경화되는데, 고무 재료는 경우 수지 투과에 불리하기 때문에 유동을 방해할 수 있다. 복합재 패널(20) 성형 중 소재의 변형 및 이탈이 없어야 한다. 구체적으로, 고온 및 고압 조건에서 소재가 녹아 흐르거나 손실되지 않아야 하며, 잘못된 위치 선정으로 가압 단계에서 지정 위치를 이탈하지 않도록 해야 한다.

또한, 제진층(21)의 두께를 증가시키면 제진 특성 향상을 기대할 수 있으나, 이는 기계적 성능과 트레이드-오프(trade-off) 관계가 될 수 있으므로, 최적화된 두께와 위치 선정이 필요하다.

일 예로, 복합재 패널(20)이 차체에 조립되면 주행 환경에서 주로 비틀림 및 굽힘 환경에 노출되는데, I-빔(I-Beam)과 같은 원리로 적층 중앙부에 굽힘 및 전단 하중이 최소화되는 특성을 이용하여, 기계적 물성이 낮은 제진층(21)을 배치하는 것이 유리하다.

또한, 제진층(21)의 두께와 굽힘 및 전단 특성은 반비례하므로 물성 계산을 통해 동등한 물성을 유지할 수 있는 두께로 제진층을 구성한다. 일 예로, 복합재 패널(20)에서 재료의 물성은 아래 표 1과 같다.

	인장강도	인장 탄성계수	전단 탄성계수
표면층	698 MPa	55 GPa	3.6 GPa
구조재층	2172 MPa	110 GPa	3.8 GPa
제진층	10 MPa	0.28 GPa	0.09 GPa

또한, 표면층(24)을 구성하는 직물(woven fabric)은 섬유가 직교하는 제조 특성상 두께 조절이 제1 구조재층(22) 또는 제2 구조재층(23)의 일방향성 직물 대비 어려우므로, 제1 구조재층(22) 또는 제2 구조재층(23)의 두께를 조절하는 것이 용이하다. 따라서, 복합재 패널(20)의 고전 적층판 이론(Classical Laminate Theory)을 이용하여 제진층(21)의 두께를 최적화하면, 제진층(21)의 두께는 0.1 mm 내지 0.3 mm일 수 있고, 예를 들어 0.11 mm 내지 0.29 mm, 0.12 mm 내지 0.28 mm, 0.13 mm 내지 0.27 mm, 0.14 mm 내지 0.26 mm, 0.15 mm 내지 0.25 mm, 0.16 mm 내지 0.24 mm, 0.17 mm 내지 0.23 mm, 0.18 mm 내지 0.22 mm, 0.19 mm 내지 0.21 mm, 또는 0.20 mm일 수 있다.

제1 구조재층(22) 또는 제2 구조재층(23)의 두께는 0.36 mm 내지 0.56 mm 일 수 있고, 0.38 mm 내지 0.54 mm, 0.40 mm 내지 0.52 mm, 0.42 mm 내지 0.50 mm, 또는 0.44 mm 내지 0.48 mm일 수 있다.

또한, 제진층(21)과 제1 구조재층(22) 또는 제2 구조재층(23)의 두께비는 1 : 1.2 내지 1 : 5.6일 수 있고, 예를 들어 1 : 1.4 이상, 1 : 1.6 이상, 또는 1 : 1.8 이상일 수 있고, 1 : 5 이하, 1 : 4 이하, 또는 1 : 3.6 이하일 수 있다.

도 4는 일 구현예에 따른 복합재 패널의 또 다른 예시를 나타내는 단면도이다.

도 4를 참조하면, 복합재 패널(20)은 섬유층을 포함하는 수지 유동층(27), 수지 유동층(27) 위에 위치하며 고무 재질을 포함하는 제1 제진층(21-1), 수지 유동층(27) 아래에 위치하며 고무 재질을 포함하는 제2 제진층(21-2), 제1 제진층(21-1) 위에 위치하며 섬유강화플라스틱을 포함하는 제1 구조재층(22), 그리고 제2 제진층(21-2) 아래에 위치하며 섬유강화플라스틱을 포함하는 제2 구조재층(23)을 포함할 수 있다.

이 경우, 제1 제진층(21-1) 내지 제2 제진층(21-2)의 두께는 0.01 mm 내지 0.1 mm일 수 있고, 예를 들어 0.05 mm 내지 0.1 mm, 0.05 mm 내지 0.09 mm, 또는 0.06 mm 내지 0.08 mm일 수 있다.

복합재 패널(20)은 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 구조재층(22) 위에 위치하는 표면층(24), 및 제2 구조재층(23) 아래에 위치하는 표면 대칭층(25)을 더 포함하거나, 표면층(24) 및 표면 대칭층(25)을 포함하지 않고 제1 구조재층(22) 위에 위치하는 도장층(26)을 더 포함할 수도 있다.

RTM 성형법을 통해 복합재 패널(20)을 제조하는 경우, 수지가 제진층(21)에 막혀 건조 직물(Dry fabric)에 흐르지 못할 수 있기 때문에, 제진층(21)을 두 층으로 나누고 그 사이에 저비중의 섬유층을 포함하는 수지 유동층(27)을 포함하도록 함으로써, 수지가 고르게 함침되도록 할 수 있다.

일 예로, 수지 유동층(27)은 에폭시 수지보다 높은 강성을 갖는 어떠한 섬유 소재로도 형성할 수 있고, 예를 들어 유리섬유 재질로 이루어진 섬유층을 포함할 수 있다. 또한, 중공형 유리섬유를 포함함으로써 경량화의 효과를 최대화할 수도 있다. 수지 유동층(27)이 유리섬유 재질로 이루어진 섬유층을 포함함으로써, 에폭시 수지의 함침성이 좋아지고, 원가를 절감할 수 있다.

수지 유동층(27)은 섬유체적비가 5 % 내지 20 %이고, 그 두께가 복합재 패널(20) 전체 두께의 1/5 내지 1/3일 수 있다. 수지 유동층(27)의 섬유체적비가 5 % 미만이거나 두께가 1/5 미만이면 복합재 패널(20)의 비틀림 강성, 강도의 하락폭이 너무 클 수 있고, 섬유체적비가 20 % 초과이거나 두께가 1/3 초과이면 유리섬유를 사용하였을 때 얻을 수 있는 함침성, 원가절감의 효과가 미미할 수 있다.

도 5는 도 2의 복합재 패널에서 우타음이 감쇠되는 메커니즘을 나타내는 단면도이다.

도 5를 참조하면, 복합재 패널(20)의 표면에 떨어지는 빗방울의 진동(A)을 제진층(21)이 감쇠시켜 차량 내부 탑승자 가청하는 소음을 저감할 수 있다.

도 6은 도 2의 복합재 패널에서 차체 진동이 감쇠되는 메커니즘을 나타내는 단면도이다.

도 6을 참조하면, 주행 시 발생하는 다양한 원인의 진동(B)이 차체를 통해 복합재 패널(20)에 전달되었을 때 복합재 패널(20)을 통해 방사되는 소음을 제진층(21)이 감쇠시켜 차량 내부 탑승자가 가청하는 소음을 저감할 수 있다.

다른 구현예에 따른 복합재 패널(20)의 제조 방법은 미가황된 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머(Ethylene Propylene Diene Monomer, EPDM) 고무 양면에 일방향성 직물(unidirectional fabric)을 적층하는 단계, 적층체에 에폭시 수지를 함침시키는 단계, 그리고 에폭시 수지를 경화시키는 동시에 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머 고무를 가황시키는 단계를 포함한다.

즉, 제진층(21)의 고무는 미가황 상태로 섬유 구조체와 적층된 후, 복합재 패널(20)의 성형 공정에서 매트릭스와 함께 경화된다. 이를 통하여, 고무 재질의 제진층(21)과 제1 구조재층(22) 또는 제2 구조재층(23)의 층간 접합력을 높일 수 있다.

에폭시 수지는 점도가 50 cps 내지 200 cps일 수 있다. 에폭시 수지의 점도가 50 cps 미만이면 유동성이 과도하게 높아 오히려 성형성이 저하될 수 있고, 점도가 200 cps 초과이면 짧은 시간에 함침성이 저하될 수 있다.

에폭시 수지의 경화는 100 ℃ 내지 120 ℃로 가온함으로써 이루어질 수 있다.

복합재 패널(20)의 성형법은 오토클레이브(Autoclave), 프리프레그 컴프레션(Prepreg Compression), 또는 몰딩(Molding) 등의 방법을 이용할 수 있으나, 본 발명에서 복합재 패널(20)의 성형법은 제한되지 않는다.

한편, 복합재 패널(20)의 제조 방법은 RTM(resin transfer molding) 성형법을 이용할 수 있다. RTM 성형은 금형 내의 압력차를 발생시켜 에폭시 수지를 압력이 낮은 곳으로 이동시킴으로써 적층체를 통과하도록 하는 방법이다.

RTM 성형법을 통해 복합재 패널(20)을 제조하는 경우, 복합재 패널(20)의 제조 방법은 섬유층 양면에 미가황된 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머(Ethylene Propylene Diene Monomer, EPDM) 고무를 적층하는 단계, 적층체 양면에 일방향성 직물(unidirectional fabric)을 적층하는 단계, 적층체에 에폭시 수지를 함침시키는 단계, 그리고 에폭시 수지를 경화시키는 동시에 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머 고무를 가황시키는 단계를 포함할 수 있다.

즉, RTM 성형법을 통해 복합재 패널(20)을 제조하는 경우, 수지가 제진층(21)에 막혀 건조 직물(Dry fabric)에 흐르지 못할 수 있기 때문에, 제진층(21)을 두 층으로 나누고 그 사이에 저비중의 섬유층을 포함하는 수지 유동층(27)을 포함하도록 함으로써, 수지가 고르게 함침되도록 할 수 있다.

선택적으로, 복합재 패널(20)의 제조 방법은 표면층(24) 및 표면 대칭층(25)를 형성하기 위하여, 적층체에 에폭시 수지를 함침시키기 전에, 적층체 양면에 직물(woven fabric)을 적층하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또는, 선택적으로, 복합재 패널(20)의 제조 방법은 도장층(26)을 형성하기 위하여, 에폭시 수지를 경화시킨 후, 적층체 일면에 도장층(26)을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

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

[제조예: 복합재 패널의 제조]

(실시예 1)

도 2에 도시된 구조로 복합재 패널(20)을 제조하였다.

이때, 제진층(21)의 두께는 0.2 mm, 제1 구조재층(22) 및 제2 구조재층(23)의 두께는 각각 0.46 mm, 표면층(24) 및 표면 대칭층(25)의 두께는 각각 0.24 mm였다.

(실시예 2)

실시예 1과 같이, 도 2에 도시된 구조로 복합재 패널(20)을 제조하였다.

다만, 제진층(21)의 두께는 0.1 mm, 제1 구조재층(22) 및 제2 구조재층(23)의 두께는 각각 0.52 mm, 표면층(24) 및 표면 대칭층(25)의 두께는 각각 0.24 mm로 변경하였다.

(실시예 3)

다만, 제진층(21)의 두께는 0.3 mm, 제1 구조재층(22) 및 제2 구조재층(23)의 두께는 각각 0.41 mm, 표면층(24) 및 표면 대칭층(25)의 두께는 각각 0.24 mm로 변경하였다.

(비교예 1)

도 7에 도시된 구조로 복합재 패널(20)을 제조하였다.

도 7을 참조하면, 비교예 1의 복합재 패널(20)은 제진층(21)을 포함하지 않으며, 제2 구조재층(23’) 바로 위에 제1 구조재층(22’)이 위치하며, 제1 구조재층(22’) 위에 표면층(24’)이 위치하고, 제2 구조재층(23’) 아래에 표면 대칭층(25’)이 위치한다.

이때, 제1 구조재층(22’)과 제2 구조재층(23’)의 두께는 각각 0.56 mm이고, 표면층(24) 및 표면 대칭층(25)의 두께는 각각 0.24 mm였다.

(참조예 1)

도 8에 도시된 구조로 복합재 패널(20)을 제조하였다.

도 8을 참조하면, 참조예 1의 복합재 패널(20)은 제1 제진층(21-1’) 위에 제1 구조재층(22’)이 위치하고, 제1 구조재층(22’) 위에 제2 제진층(21-2’)이 위치하고, 제2 제진층(21-2’) 위에 표면층(24’)이 위치하며, 제1 제진층(21-1’) 아래에 제2 구조재층(23’)이 위치하고, 제2 구조재층(23’) 아래에 제3 제진층(21-3’)이 위치하고, 제3 제진층(21-3’) 아래에 표면 대칭층(25’)이 위치한다.

이때, 제1 제진층(21-1’) 내지 제3 제진층(21-3’)의 두께는 각각 0.07 mm, 제1 구조재층(22’) 및 제2 구조재층(23’)의 두께는 각각 0.46 mm, 표면층(24’) 및 표면 대칭층(25’)의 두께는 각각 0.24 mm였다.

[실험예 1: 복합재 패널의 기계적 성능 확인]

실시예 1 내지 3, 비교예 1 및 참조예 1에서 제조된 복합재 패널에 대하여, 적층 구조의 타당성을 확인하기 위해 동일 두께(1.6 mm) 조건에서 층별 응력 분포를 계산하였고, 그 결과를 도 9에 나타내었다.

도 9를 참조하면, 비교예 1의 경우 I-빔 효과에 따라 일반적으로 중립축 주변에는 인가 응력이 낮음을 알 수 있다.

실시예 1 내지 3에서는 물성이 취약한 제진층에는 거의 응력이 분포하지 않음을 알 수 있다. 또한, 실시예 1 내지 3의 경우 중립축에서 지지하지 못한만큼의 응력을 ±45 도 구조재층이 분담하여 지지하며, 그 값이 낮았기 때문에 비교예 1의 경우와 큰 응력 차이를 보이지 않아 하중에 따른 유사 변위가 예상된다.

참조예 1의 경우 중립축으로부터 멀어질 수록 증가하는 응력을 분산된 제진층이 지지하지 못함으로써 표면층에 가해지는 응력 부담이 커지고, 물성면에서 구조재층 대비 불리한 표면층에 높은 응력이 작용하여 변형율의 상승됨으로써 부품의 변위량 증가를 초래하게 된다.

또한, 실시예 1 내지 3, 비교예 1 및 참조예 1에서 제조된 복합재 패널의 부품 단위 강성을 비교하기 위해, 동일 굽힘/비틀림 하중 조건에서 변위를 비교하였고, 그 결과를 아래 표 2에 나타내었다.

하중 조건	비교예 1	실시예 1	실시예 2	실시예 3	참조예 1
굽힘	3.6 mm	3.6 mm	3.6 mm	3.6 mm	3.8 mm
비틀림	2.5 mm	2.5 mm	2.5 mm	2.5 mm	2.8 mm
인장 탄성	30.88 GPa	28.84 GPa	29.87 GPa	27.66 GPa	28.82 GPa

표 2를 참조하면, 실시예 1 내지 실시예 3의 경우 I-빔 효과에 따라 물성이 취약한 제진층이 중앙부에 들어가 있음에도 비교예 1과 동등한 변위를 나타냄을 알 수 있다. 가격 및 경량화 고려 시 실시예 3이 가장 유리하지만, 인장 물성 값이 불리하므로 정/측면 하중에 대한 부품 요구 성능에 따라 선택할 필요가 있다.

물성에서 참조예 1이 상대적으로 불리하지만 제진층의 수가 늘어날수록 제진특성/충돌특성/수명이 증가하므로 부품 요구 성능에 따라 선택할 필요가 있다.

[실험예 2: 복합재 패널의 진동 방사 성능 확인]

도 10은 비교예 1 및 실시예 1에서 제조된 복합재 패널의 진동 방사 성능 측정 결과를 나타내는 그래프이다. 도 10에서 Reference는 사용 스틸 재질을 나타낸다.

도 10을 참조하면, 비교예 1 및 실시예 1에서 제조된 복합재 패널 및 양산 차량에 사용하는 스틸 재질을 이용하여 1,000 m²의 평판을 제작하고 마이크와 스피커로 구성된 진동가진 장치로 평가해본 결과, 제진층을 포함하는 실시예 1의 경우 기존 비교예 1의 적층 구조 대비 25 Hz 내지 2500 Hz 주파수 영역의 대부분에서 음압 레벨이 낮아짐으로써 스틸 재질과 동등 수준으로 개선된 방사 특성을 보였다.

도 11은 비교예 1 및 실시예 1에서 제조된 복합재 패널의 실차 우타음 음압 측정 결과를 나타내는 그래프이다. 도 11에서 Reference는 스틸 재질을 나타낸다.

도 11을 참조하면, 비교예 1 및 실시예 1에서 제조된 복합재 패널 및 양산 차량에 사용하는 스틸 재질을 이용하여 1,000 m²의 평판을 제작하고, 실차하여 후석에서의 우타음 음압을 측정한 결과, 비교예 1의 경우 스틸 재질 대비 열세하나, 실시예 1의 경우 스틸 재질과 동등한 수준을 얻을 수 있었다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.

11: 루프레일
12: A 필라
13: B 필라
20: 복합재 패널
21, 21’: 제진층
21-1, 21-2: 제1 및 제2 제진층
21-1’, 21-2’, 21-3’: 제1 내지 제3 제진층
22, 22’: 제1 구조재층
23, 23’: 제2 구조재층
24, 24’: 표면층
25, 25’: 표면대칭층
26: 도장층
27: 수지 유동층

Claims

고무 재질을 포함하는 제진층,
상기 제진층 위에 위치하며 섬유 강화 플라스틱(Fiber Reinforced Plastic, FRP)을 포함하는 제1 구조재층, 그리고
상기 제진층 아래에 위치하며 섬유 강화 플라스틱을 포함하는 제2 구조재층
을 포함하는, 복합재 패널.
제1항에서,
상기 제진층은,
수지 매트릭스, 및 상기 수지 매트릭스에 지지된 합성 고무를 포함하는,
복합재 패널.
제1항에서,
상기 수지 매트릭스는 에폭시 수지를 포함하고,
상기 합성 고무는 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머(Ethylene Propylene Diene Monomer, EPDM) 고무를 포함하는,
복합재 패널.
제1항에서,
상기 구조재층은 일방향성 직물(unidirectional fabric), 및
상기 일방향성 직물에 함침된 에폭시 수지를 포함하는, 복합재 패널.
제4항에서,
상기 일방향성 직물은 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유, 또는 이들의 조합을 포함하는, 복합재 패널.
제1항에서,
상기 구조재층은 복수개의 일방향성 직물들을 교차각을 가지도록 적층한 다축 직조형 직물(multiaxis non-crimp fabric), 및
상기 다축 직조형 직물에 함침된 에폭시 수지를 포함하는, 복합재 패널.
제6항에서,
상기 일방향성 직물들의 교차각은 0 도 초과 90 도 이하인, 복합재 패널.
제1항에서,
상기 제진층의 두께는 0.1 mm 내지 0.3 mm인, 복합재 패널.
제1항에서,
상기 제1 구조재층 또는 상기 제2 구조재층의 두께는 0.36 mm 내지 0.56 mm인, 복합재 패널.
제1항에서,
상기 제진층과 상기 제1 구조재층 또는 상기 제2 구조재층의 두께비는 1 : 1.2 내지 1 : 5.6인, 복합재 패널.
제1항에서,
상기 제1 구조재층 위에 위치하는 표면층, 및
상기 제2 구조재층 아래에 위치하는 표면 대칭층을 더 포함하는, 복합재 패널.
제11항에서,
상기 표면층은 직물(woven fabric)을 포함하는, 복합재 패널.
제1항에서,
상기 제1 구조재층 위에 위치하는 도장층을 더 포함하는, 복합재 패널.
섬유층을 포함하는 수지 유동층,
상기 수지 유동층 위에 위치하며 고무 재질을 포함하는 제1 제진층,
상기 수지 유동층 아래에 위치하며 고무 재질을 포함하는 제2 제진층,
상기 제1 제진층 위에 위치하며 섬유강화플라스틱을 포함하는 제1 구조재층, 그리고
상기 제2 제진층 아래에 위치하며 섬유강화플라스틱을 포함하는 제2 구조재층
을 포함하는, 복합재 패널.
미가황된 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머(Ethylene Propylene Diene Monomer, EPDM) 고무 양면에 일방향성 직물(unidirectional fabric)을 적층하는 단계,
상기 적층체에 에폭시 수지를 함침시키는 단계, 그리고
상기 에폭시 수지를 경화시키는 동시에 상기 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머 고무를 가황시키는 단계를 포함하는,
복합재 패널의 제조 방법.
섬유층 양면에 미가황된 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머(Ethylene Propylene Diene Monomer, EPDM) 고무를 적층하는 단계,
상기 적층체 양면에 일방향성 직물(unidirectional fabric)을 적층하는 단계,
상기 적층체에 에폭시 수지를 함침시키는 단계, 그리고
상기 에폭시 수지를 경화시키는 동시에 상기 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머 고무를 가황시키는 단계를 포함하는,
복합재 패널의 제조 방법.
제15항 또는 제16항에 있어서,
상기 적층체에 에폭시 수지를 함침시키는 단계 전에,
상기 적층체 양면에 직물(woven fabric)을 적층하는 단계를 더 포함하는, 복합재 패널의 제조 방법.
제15항 또는 제16항에 있어서,
상기 에폭시 수지를 경화시킨 후,
상기 적층체 일면에 도장층을 형성하는 단계를 더 포함하는, 복합재 패널의 제조 방법.