KR102075264B1 - 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널은 FRP 판재 및 FRP 판재의 일면 상에 소정의 거리를 이격하여 배치되며 한 방향이 열린 요철 형상을 가지는 하나 이상의 FRP 내장부재를 포함하고, FRP 판재의 FRP 내장부재가 위치하지 않은 면 상에 위치하는 지지체 및 지지체와 FRP 판재 사이에 위치한 절연체를 더 포함할 수 있다.

Description

섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널{FIBER REINFORCED PLASTIC SANDWICH PANEL}
본 발명은 샌드위치 패널에 관한 것으로, 구체적으로 섬유강화 플라스틱을 주 소재로 구성된 경량 고강도 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널에 관한 것이다.
산업계의 다양한 분야에 샌드위치 판재가 이용되고 있으며, 분야만큼이나 다양하게 샌드위치 판재의 강도와 무게가 설계되고 있다. 주로 코어재로 알루미늄, 아라미드 섬유와 페놀을 재료로 한 허니컴 보드가 주로 쓰이고 있으며, 각 재료의 특성과 코어의 형상에 따라 다양한 물성을 구현할 수 있다. 이러한 코어재나 폼재를 사용하는 경우, 코어재와 폼재를 감싸는 외피재로 보강성능을 갖는 복합재를 사용할 수 있는데, 이 복합재를 코어재와 폼재에 붙이기 위해 필름형 접착제를 사용할 수 있다.
최근에는 CFRP 연속재를 외피재 사이에 요철형상으로 배치하여 내부 폼재를 사용하지 않고, CFRP 만으로 샌드위치 패널을 구성하여 무게와 비강성을 모두 높인 새로운 개념의 패널이 소개되고 있다. 이 경우, 고가의 필름형 접착제가 아닌, 일반 페이스트형 접착제를 사용할 수 있다는 장점이 있다.
그러나, 이러한 장점에도 불구하고, CFRP를 요철형상의 판으로 성형하는 것은 여러 문제를 가지고 있다. 즉 프리프레그 및 시트 몰딩 컴파운드 (Sheet molding compound, SMC) 등의 중간기재를 이용해 CFRP를 요철형상의 판으로 제작하는 경우, 요철 형상의 높이가 높을수록 강성을 높일 수 있지만, 성형 시에 재료가 요철 형상과 같이 동일하게 구현되기 어려워 생산성을 높이기 어려운 측면이 있다. 이에 따라, 양산 단계에서 부품 가격이 상승되는 문제가 발생한다. 예를 들어, 수지 이송성형 공법을 이용하게 될 경우, 직물을 해당 형상으로 미리 만들어 놓는 작업 (프리폼 작업)을 수행해야 하며, 프리폼에 수지를 주입하는 단계, 수지를 경화시키는 단계, 탈형단계, 트리밍 단계를 거쳐야 제품이 완성된다.
또한 CFRP를 요철형상의 판으로 제작하는 다른 하나의 방법으로는 프리프레그 압축성형 방법을 선택할 수 있으며, 이 방법에 따르면 적층된 프리프레그를 금형의 형상에 따라 미리 모양을 잡아 준비하는 과정을 거쳐, 프레스를 시작해야 하며, 형상이 복잡할수록 프리프레그의 유동이 제한적이기에 굴곡진 부위에서 섬유 분율이 과도하게 높아지고, 섬유 깨짐이 발생할 수도 있다. 또한, 프리프레그는 시트 몰딩 컴파운드(Sheet molding compound, SMC)처럼 요동하는 재료가 아니기 때문에 요철이 큰 형상을 성형하기에는 어려움이 따른다. 즉, 생산성이 낮아짐에 따라 최종제품의 가격이 높아지는 문제가 있었다. 이러한 문제를 방지하기 위해 시트 몰딩 컴파운드 성형법을 이용할 경우에는 중간기재 내부에 포함된 섬유의 길이가 짧아져 재료물성이 감소하기 때문에 고강성, 고강도의 부품을 만들기에 한계가 있다.
또한 유지관리 측면에서도 일 부품의 수리가 불가능하기 때문에, 패널 전체를 교체해야 하는 어려움이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 기계적 강도와 강성을 만족시키면서도, 경량화를 구현하고, 생산성이 향상되며, 유지보수가 용이한 섬유강화 복합재 기반 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 상기 및 다른 목적과 이점은 바람직한 실시예를 설명한 하기의 설명으로부터 보다 분명해질 것이다.
상기 목적은, FRP 판재 및 FRP 판재의 일면 상에 소정의 거리를 이격하여 배치되며 한 방향이 열린 요철 형상을 가지는 하나 이상의 FRP 내장부재를 포함하는 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널에 의해 달성될 수 있다.
바람직하게는, FRP 내장부재는 접착제 및 체결부재 중에서 적어도 하나 이상을 이용하여 FRP 판재의 일면에 고정될 수 있다.
바람직하게는, FRP 내장부재는 FRP 판재와의 접합 부위에 접착제가 소정의 두께로 잔류하는 하나 이상의 접착제홈을 포함할 수 있다.
바람직하게는, FRP 내장부재는 폭 대비 높이의 비가 0.1 이상 5 이하일 수 있다.
바람직하게는, FRP 판재의 FRP 내장부재가 위치하지 않은 면 상에 위치하는 지지체를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 지지체는 단부가 절곡되어 FRP 판재의 양 면에 접촉할 수 있다.
바람직하게는, 지지체는 금속 또는 목재 중에서 어느 하나의 소재일 수 있다.
바람직하게는, 지지체 및 FRP 판재 사이에 위치한 절연체를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 절연체는 유리섬유 강화 플라스틱(GFRP) 및 고무(Rubber) 중에서 어느 하나의 소재일 수 있다.
바람직하게는, FRP 내장부재는 둘 이상이 소정의 간격으로 이격되어 FRP 판재의 일면 상에 수평으로 배치될 수 있다.
바람직하게는, FRP 판재 및 FRP 내장부재가 둘 이상 동일 방향으로 순차적으로 반복 적층된 구조를 가질 수 있다.
바람직하게는, FRP 판재 및 FRP 내장부재가 상하 대칭하여 적층된 구조를 가질 수 있다.
바람직하게는, FRP 내장부재는 베이스 수지 및 강화섬유를 포함하고, 베이스 수지는 열가소성 수지 및 열경화성 수지 중 적어도 어느 하나를 포함하고, 강화 섬유는 금속 섬유, 금속화된 무기 섬유, 금속화된 합성 섬유, 유리 섬유, 폴리에스테르 섬유, 폴리아미드 섬유, 흑연 섬유, 탄소 섬유, 세라믹 섬유, 미네랄 섬유, 현무암 섬유, 무기 섬유, 아라미드 섬유, 케나프 섬유, 주트 섬유, 아마 섬유, 대마 섬유, 셀룰로스 섬유, 사이잘 섬유 및 코이어 섬유 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 열경화성 수지는 에폭시 수지(epoxy resin), 페놀 수지(phenolic resin), 불포화 폴리에스테르 수지(unsaturated polyester resin) 및 비닐에스터, 폴리우레탄 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 열가소성 수지는 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌(polyethylene), 저밀도 폴리에틸렌(low density polyethylene), 고밀도 폴리에틸렌(high density polyethylene), 폴리에스테르(polyester), 폴리스틸렌(polystyrene), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride), 변성 폴리페닐렌옥사이드(modified polyphenyleneoxide), 폴리아미드6(polyamide6), 폴리아미드610(polyamide610), 폴리아미드66(polyamide66), 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide), ABS(acrylonitrile butadiene styrene), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutylene terephthalate), 폴리아세탈(poly acetal), 폴리설폰(polysulfone), 폴리아릴설폰(polyarylsulfone), 폴리페닐설폰(polyphenylsulfone), 폴린에테르설폰(polyethersulfone), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리아미드이미드(polyamideimide), 폴리에테르이미드(polyetherimide) 및 폴리4플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리케톤(polyketone) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널의 분리 구조를 통해 패널에 요구되는 기계적 강도를 만족시키면서도, 경량화 및 유지보수성, 생산성 향상을 구현할 수 있는 등의 효과가 있다.
다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널의 사시도이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널의 단면도이다.
도 2는 도 1b에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널의 C-C 방향의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널의 단면도이다.
도 6a 및 도 6b는 양면 모두에 지지체 및 절연체를 포함하는 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널의 단면도이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 갖는다. 상충되는 경우, 정의를 포함하는 본 명세서가 우선할 것이다. 또한 본 명세서에서 설명되는 것과 유사하거나 동등한 방법 및 재료가 본 발명의 실시 또는 시험에 사용될 수 있지만, 적합한 방법 및 재료가 본 명세서에 기재된다.
이하, 도 1a 내지 도 6을 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널에 대해서 상세하게 설명한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널의 사시도이고, 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널의 단면도이며, 도 2는 도 1b에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널의 C-C 방향의 단면도이다.
먼저, 도 1a 내지 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널(100)은 FRP 판재(110) 및 하나 이상의 FRP 내장부재(120)를 포함한다. 또한 지지체(130) 및 절연체(140)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널(100)은 하나 이상의 열린 요철형상의 FRP 내장부재(120)가 FRP 판재(110)의 어느 일면에 수평방향으로 소정의 거리를 이격하여 배치된다. 이때 둘 이상의 FRP 내장부재(120) 사이의 이격 거리는 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널(100)에 요구되는 강도 및 무게에 따라 자유롭게 조절이 가능하다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널(100)은 내부의 요철 형상의 구조가 하나로 연결된 구조가 아니라, 둘 이상의 FRP 내장부재(120)가 소정의 거리를 이격하여 FRP 판재(110)의 일면 상에 배치된 구조를 통해 요구되는 강도를 만족시키면서도 경량화, 유지보수 및 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한 FRP 내장부재(120)는 섬유강화 플라스틱(Fiber Reinforced Plastic, FRP) 소재로 형성되며, 한 방향이 개방된 열린 요철형상을 가진다. FRP 내장부재(120)의 단면 형상은 중앙 부분이 오목하며 양 단부가 FRP 판재(110)와 수평하도록 절곡되어, FRP 판재(110)와의 접촉 면적이 증가될 수 있다. FRP 내장부재(120)의 수평방향 길이는 FRP 판재(110)의 수평방향 길이와 동일할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 또한, FRP 판재(110) 및 FRP 내장부재(120)의 두께 및 크기는 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널(100)의 요구되는 기계적 강도 및 용도에 따라 자유롭게 조절이 가능하다.
또한 FRP 내장부재(120)는 폭(d) 대비 높이(h)의 비(A)가 하기 수학식 1을 만족할 수 있다.
Figure 112018086622805-pat00001
이와 같이 FRP 내장부재(120)는 폭(d) 대비 높이(h)의 비(A)가 0.1 이상이고 5 이하인 조건을 만족하는 형상을 가질 수 있다. 이와 같은 형상을 통해 FRP 내장부재(120)의 최적 강성을 유도할 수 있다. 즉 폭 대비 높이의 비(A)가 0.1 미만일 경우에는 요철형상을 통해 얻을 수 있는 강성 향상 효과가 낮으며, 5를 초과할 경우에는 요철 형상을 프리프레그와 같은 중간기재가 성형 시에 구현되기 힘들어 불량률이 많아지고, 부하에 따른 제품의 좌굴(buckling)이 발생할 위험도가 증가하기 때문에 상기 범위로 하는 것이 바람직하다.
FRP 판재(110) 및 FRP 내장부재(120)는 체결부재(11) 및 접착제(12) 중에서 적어도 하나 이상을 이용하여 고정될 수 있다. 즉 FRP 내장부재(120)를 FRP 판재(110)의 어느 일면에 배치할 경우, 체결부재(11)를 이용한 기계적 체결을 단독으로 사용하거나, 접착제(12)와 함께 사용하여 보다 강한 결속을 유도하고, 제품의 안전성을 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, FRP 판재(110) 혹은 FRP 내장부재(120)는 접착제가 잔류할 수 있는 오목한 공간인 접착제홈(121)을 포함할 수 있다. 접착제홈(121)은 접착 시에 오목한 공간에 접착제(12)가 초기 설계한 접착제의 적정량이 잔류할 수 있도록 할 수 있다. 오목하지 않은 평평한 공간에는 구멍을 갖도록 하여, 리벳 혹은 볼트를 포함하는 체결부재(11)를 이용한 기계적 체결도 할 수 있다. 이와 같은 접착제홈(121)은 FRP 내장부재(120)의 절곡된 단부에 요철 형태 또는 홈 형태로 형성될 수 있다.
접착제(12)는 아크릴계, 에폭시계, 스티렌계 등의 접착제가 사용될 수 있으며, 단 접착제(12)는 이와 같은 소재로 한정되지 않으며 FRP 사이에 접착력을 가지는 물질을 모두 포함할 수 있다.
또한 일 실시예에 따르면, FRP 내장부재(120)가 설치된 FRP 판재(110)의 반대편, 즉 FRP 판재(110)의 외부로 노출된 일면에는 지지체(130)를 추가로 구성할 수 있다. 지지체(130)는 FRP 판재(110)를 외부에서 감싸 충격에 상대적으로 취약한 FRP의 단점을 보완할 수 있다. FRP 판재(110)를 감싸는 지지체는 단부가 FRP 판재(110) 방향으로 절곡된 헤밍을 통해 FRP 판재(110)의 가장자리를 적어도 2면 이상 접촉하도록 마감될 수 있으며, 샌드위치 패널의 외피를 이룰 수 있다. 충격에 상대적으로 취약한 FRP의 단점을 보완하기 위해 지지체(130)로 사용될 수 있는 재료로는 금속판재로 스틸 혹은 알루미늄 합금이 적용될 수 있으며, 목재도 상황에 따라 적용될 수 있다. 상기 지지체를 통해 순간 들어오는 충격에너지 혹은 요철에 의해 발생하는 응력집중에 따른 FRP 판재(110) 및 FRP 내장부재(120)의 손상을 막을 수 있어 재료의 설계치를 구현하고, FRP의 단점을 보완하여 제품의 신뢰성 및 수명을 향상시킬 수 있다.
또한 일 실시예에 따르면, 지지체(130) 및 FRP 판재(110) 사이에는 절연체(140)를 추가로 구성할 수 있다. FRP 판재(110)의 일면 상에 절연체(140)를 구성하고, 그 위에 지지체(130)가 감싸진 형태로 형성될 수 있다. 이때 절연체(140)도 지지체(130)의 절곡된 헤밍 구조와 같이 FRP 판재(110)를 함께 감싸도록 구성한다.
절연체(140)는 FRP 판재(110) 및/또는 FRP 내장부재(120)를 구성하는 FRP가 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)이고, 지지체(130)가 금속일 경우에 발생하는 갈바닉 부식을 방지하기 위해 필요하며, FRP가 CFRP가 아닌 경우 혹은 지지체(130)가 금속이 아닌 경우에는 생략될 수 있다. 갈바닉 부식을 방지하기 위해 절연체(140)를 사용하는 경우, 유리섬유 강화 플라스틱 (GFRP) 혹은 고무(Rubber)류가 사용될 수 있다.
FRP 판재(110) 및 FRP 내장부재(120)를 형성하는 섬유 강화 플라스틱은 베이스 수지 및 베이스 수지에 함침되어 있는 강화 섬유를 포함할 수 있다.
베이스 수지는 열가소성 수지 및 열경화성 수지 중 적어도 어느 하나를 포함하며, 상기 강화 섬유는 금속 섬유, 금속화된 무기 섬유, 금속화된 합성 섬유, 유리 섬유, 폴리에스테르 섬유, 폴리아미드 섬유, 흑연 섬유, 탄소 섬유, 세라믹 섬유, 미네랄 섬유, 현무암 섬유, 무기 섬유, 아라미드 섬유, 케나프 섬유, 주트 섬유, 아마 섬유, 대마 섬유, 셀룰로스 섬유, 사이잘 섬유 및 코이어 섬유 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
열경화성 수지는 에폭시 수지(epoxy resin), 페놀 수지(phenolic resin), 불포화 폴리에스테르 수지(unsaturated polyester resin) 및 비닐에스터, 폴리우레탄 중 적어도 어느 하나를 포함하고,
열가소성 수지는 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌(polyethylene), 저밀도 폴리에틸렌(low density polyethylene), 고밀도 폴리에틸렌(high density polyethylene), 폴리에스테르(polyester), 폴리스틸렌(polystyrene), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride), 변성 폴리페닐렌옥사이드(modified polyphenyleneoxide), 폴리아미드6(polyamide6), 폴리아미드610(polyamide610), 폴리아미드66(polyamide66), 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide), ABS(acrylonitrile butadiene styrene), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutylene terephthalate), 폴리아세탈(poly acetal), 폴리설폰(polysulfone), 폴리아릴설폰(polyarylsulfone), 폴리페닐설폰(polyphenylsulfone), 폴린에테르설폰(polyethersulfone),폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리아미드이미드(polyamideimide), 폴리에테르이미드(polyetherimide) 및 폴리4플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리케톤(polyketone) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널의 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널(300)은 상황에 따라 사용자가 필요한 적절한 강성을 확보하기 위해 도 1에 도시된 FRP 판재(110) 및 FRP 내장부재(120)가 같은 방향으로 반복 적층 구조를 가지도록 형성될 수 있다.
즉, FRP 판재(110)의 일면 상에 둘 이상의 FRP 내장부재(120)가 수평 방향으로 소정의 거리를 이격하여 위치하고, 이와 같이 연결된 FRP 판재(110) 및 FRP 내장부재(120)가 순차적으로 반복 적층된다. 이때 최외곽에 위치한 FRP 판재(110)의 외부면에는 도 1과 같이 지지체(130) 및 절연체(140)가 더 위치할 수 있다. 이때 순차적으로 적층된 FRP 내장부재(120) 및 FRP 판재(110) 사이의 기계적 강도를 높이기 위해 상부의 FRP 내장부재(120)와 하부의 FRP 판재(110)를 체결부재 및/또는 접착제를 이용하여 고정할 수 있다. 이와 같은 도 3의 적층 구조를 통해 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널(300)을 제조하여 요구되는 기계적 강도 및 두께를 달성할 수 있다.
도 3에서 도 1과 동일한 구성에 대한 반복적인 설명은 생략한다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널의 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널(400)은 FRP 판재(110) 및 FRP 내장부재(120)가 상하 대칭하여 적층된 구조를 가진다. 도 3의 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널(300)이 FRP 판재(110) 및 FRP 내장부재(120)가 순차적으로 반복 적층된 것과 달리, 도 4의 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널(400)은 하나의 FRP 판재(110)의 일면에 둘 이상의 FRP 내장부재(120)가 수평 방향으로 소정의 거리를 이격하여 위치하고, FRP 내장부재(120) 및 FRP 판재(110)가 상하 대칭하여 적층된다. 일례로, 도 4와 같이 FRP 판재(110), FRP 내장부재(120), 뒤집힌 FRP 내장부재(120)의 형태로 반복 적층 될 수 있다. 이와 같은 도 4의 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널(400)은 도 3의 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널(300)과 비교하여, 동일한 두께를 형성할 경우 요구되는 FRP 판재(110)의 개수를 줄여, 무게, 가공성 및 비용 측면에서 이점을 가질 수 있다.
도 4의 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널(400)은 최외곽에 위치한 FRP 판재(110)의 외부면에는 도 1과 같이 지지체(130) 및/또는 절연체(140)가 더 위치할 수 있으며, 지지체(13) 및/또는 절연체(140)는 패널의 상부 및 하부 최외곽에 위치한 두 개의 FRP 판재(110) 상에 모두 위치하거나, 어느 하나의 FRP 판재(110) 상면에만 위치할 수 있다. 이때 대칭하여 적층된 상하층의 서로 다른 FRP 내장부재(120)는 체결부재(11) 및/또는 접착제(12)를 이용하여 고정할 수 있다. 이와 같은 도 4의 적층 구조를 통해 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널(400)을 제조하여 요구되는 기계적 강도 및 두께를 달성할 수 있다.
도 4에서 도 1과 동일한 구성에 대한 반복적인 설명은 생략한다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널의 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널(500)은 FRP 내장부재(110)이 위치한 FRP 판재(110)의 반대면에 목재 지지체(510)가 배치된다. 도 5의 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널(500)은 목재 지지체(510)가 FRP 판재(110)를 외부에서 감싸 충격에 상대적으로 취약한 FRP의 단점을 보완한다. 특히, 목재 지지체(510)는 목재가 가지는 탄성을 통해 외부 충격을 흡수하여 FRP 판재(110) 및 FRP 내장부재(120)를 더욱 효과적으로 외부 충격으로부터 보호할 수 있다. 또한, 목재 지지체(510)는 자체로 절연성을 가지고 있어 별도의 절연층(140)을 FRP 판재(110)와의 사이에 구비할 필요가 없다는 장점도 가질 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 양면 모두에 지지체 및 절연체를 포함하는 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널의 단면도이다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 본 발명에 따른 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널은 외부로 드러나는 상부 및 하부 모두에 지지체(130)를 포함하고, 절연층(140)을 더 포함할 수 있다. 패널의 적층 구조 및 적층 형태에 따라 상부 및 하부 모두에 각각 FRP 판재(110)가 위치하고, 각각의 FRP 판재(110) 외부에 각각의 지지체(130)를 위치시켜 내부의 FRP 판재(110) 및 FRP 내장부재(120)를 보호할 수 있다. 상부와 하부 모두에 각각 지지체(130)를 가짐에 따라 상부 및 하부 모두의 지지체(130)와 FRP 판재(110) 사이에 절연체(140) 또한 선택적으로 위치할 수 있다. 도 6a 및 도 6b와 같이 상부와 하부 모두에 지지체(130)를 위치시킴으로써, 양 방향에서 발생하는 충격을 모두 흡수 및 분산시킬 수 있으며 기계적 강도를 증가시킬 수 있다.
이하, 실시예와 비교예를 통하여 본 발명의 구성 및 그에 따른 효과를 보다 상세히 설명하고자 한다. 그러나 본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
[실시예 1 내지 3]
도 1b의 그림과 같이 FRP 판재와 FRP 판재의 일면 상에 소정의 거리를 이격하여 배치되어 한 방향이 열린 요철 형상을 가지는 3개의 FRP 내장부재(120)의 폭(d) 대비 높이(h)의 비(A)가 0.1, 2, 5인 샌드위치 패널을 각각 제조하여 실시예 1 내지 3으로 하였다.
[실시예 4 내지 6]
도 1b의 그림과 같이 FRP 판재와 FRP 판재의 일면 상에 소정의 거리를 이격하여 배치되어 한 방향이 열린 요철 형상을 가지는 10개의 FRP 내장부재(120)의 폭(d) 대비 높이(h)의 비(A)가 0.1, 2, 5인 샌드위치 패널을 각각 제조하여 실시예 4 내지 6으로 하였다.
[비교예]
[비교예 1, 2]
실시예 1과 같은 샌드위치 패널을 제조하되, FRP 내장부재(120)의 폭(d) 대비 높이(h)의 비(A)가 0.05, 6인 샌드위치 패널을 각각 제조하여 비교예 1, 2로 하였다.
[비교예 3, 4]
실시예 4와 같은 샌드위치 패널을 제조하되, FRP 내장부재(120)의 폭(d) 대비 높이(h)의 비(A)가 0.05, 6인 샌드위치 패널을 각각 제조하여 비교예 3, 4로 하였다.
상기 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 4에서 제조된 샌드위치 패널을 시편으로 제작한 후 다음과 같은 실험예를 통해 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
[실험예]
1. 굴곡 강도 (Flexural strength, MPa): ASTM C393에 의거하여 샌드위치 패널의 굴곡 강도를 측정하였다.
2. 굴곡 강성 (Flexural modulus, GPa): ASTM C393에 의거하여 샌드위치 패널의 굴곡 강도를 측정하였다.
3. 휨 강성 (Bending strength, N/mm2): KS F4737을 사용하여 3-점-벤딩(3-point-bending) 방법에 따라 샌드위치 패널의 휨강성을 측정하였다. 측정장비로는 INSTRON 5569A를 사용하였다.
4. 경량화율(%): 샌드위치 패널과 동일한 두께의 동일한 금속을 기준으로 하여 경량화율을 계산하였다.
5. 불량율(%): 샌드위치 패널을 제조 시 100개의 샌드위치 패널 당 불량 제품이 나오는 비율을 계산하였다.
6. 좌굴(buckling) 현상: 샌드위치 패널 제조 시 좌굴의 발생여부를 육안으로 확인하여 하나라도 좌굴 현상이 발생한 경우 "○", 하나라도 좌굴 현상이 발생하지 않은 경우 "Ｘ"로 표시하였다.
표 1은 실시예 1 내지 6과 비교예 1 내지 4에 대한 실험예의 측정 결과를 나타낸다.
굴곡 강도 굴곡 강성 휨 강성 경량화율 불량률 좌굴 현상
실시예 1 244 142 96 12 0.2% Ｘ
실시예 2 266 153 100 13 0.3% Ｘ
실시예 3 286 160 108 15 0.5% Ｘ
실시예 4 289 170 118 21 0.2% Ｘ
실시예 5 298 172 121 23 0.3% Ｘ
실시예 6 303 185 130 25 0.5% Ｘ
비교예 1 160 110 80 10 0.7% Ｘ
비교예 2 310 190 100 17 11% ○
비교예 3 180 120 85 20 0.5% Ｘ
비교예 4 330 195 120 28 12% ○
상술한 표 1을 참조하면, 본 발명의 실시예 1 내지 6에 따른 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널은, 우수한 굴곡 강도, 굴곡 강성 및 휨 강성을 가져 우수한 기계적 강도와 강성을 만족하면서, 경량성을 구현할 수 있고, 또한 불량률이 작아 생산성이 높고, 좌굴 현상이 발생하지 않는 우수한 상품성을 갖는 경량 고강성 FRP 샌드위치 패널을 제조할 수 있음을 알 수 있다.
이에 대해 폭(d) 대비 높이(h)의 비(A)가 0.05인 비교예 1, 3의 경우 강성 향상 효과가 미미하고 불량률이 다소 높으며, 또한 폭(d) 대비 높이(h)의 비(A)가 6인 비교예 2, 4의 경우 불량률이 많아짐과 동시에 부하에 따른 제품의 좌굴(buckling) 현상이 발생함으로써 상품성이 없는 것을 확인할 수 있다.
위와 같은 실험결과는 FRP 판재의 일면 상에 소정의 거리를 이격하여 배치된 한 방향이 열린 요철 형상을 가지는 하나 이상의 FRP 내장부재를 포함하고 이의 폭 대비 높이의 비를 일정한 수준으로 제어함으로써 달성될 수 있음을 확인할 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 여러 실시예에 따른 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널을 통해 기계적 강도와 강성을 만족하면서, 경량성을 구현하고, 생산성과 제품 단가의 최적화를 통해 상품성을 갖는 경량 고강성 FRP 샌드위치 패널을 제작할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100, 300, 400, 500: 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널
110: FRP 판재
120: FRP 내장부재
121: 접착제홈
130: 지지체
140: 절연체
11: 체결부재
12: 접착제

Claims (15)

  1. 탄소섬유 강화 플라스틱으로 형성된 FRP 판재;
    상기 FRP 판재의 일면 상에 소정의 거리를 이격하여 배치되며, 한 방향이 열린 요철 형상을 가지는 하나 이상의 FRP 내장부재;
    상기 FRP 판재의 상기 FRP 내장부재가 위치하지 않은 면 상에 위치하는 금속 소재의 지지체; 및
    상기 지지체 및 상기 FRP 판재 사이에 위치하여 상기 지지체와 상기 FRP 판재 사이의 갈바닉 부식을 방지하는 절연체;
    를 포함하는 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 FRP 내장부재는 접착제 및 체결부재 중에서 적어도 하나 이상을 이용하여 상기 FRP 판재의 일면에 고정되는 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 FRP 내장부재는 상기 FRP 판재와의 접합 부위에 접착제가 소정의 두께로 잔류하는 하나 이상의 접착제홈;
    을 포함하는 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 FRP 내장부재는 폭 대비 높이의 비가 0.1 이상 5 이하인 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 지지체는 단부가 절곡되어 상기 FRP 판재의 양 면에 접촉하는 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 절연체는 유리섬유 강화 플라스틱(GFRP) 및 고무(Rubber) 중에서 어느 하나의 소재인 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널.
  10. 제1항 내지 제4항, 제6항 및 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 FRP 내장부재는 둘 이상이 소정의 간격으로 이격되어 상기 FRP 판재의 일면 상에 수평으로 배치되는 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널.
  11. 제1항 내지 제4항, 제6항 및 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 FRP 판재 및 상기 FRP 내장부재가 둘 이상 동일 방향으로 순차적으로 반복 적층된 구조를 가지는 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널.
  12. 제1항 내지 제4항, 제6항 및 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 FRP 판재 및 상기 FRP 내장부재가 상하 대칭하여 적층된 구조를 가지는 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 FRP 내장부재는 베이스 수지 및 강화섬유를 포함하고,
    상기 베이스 수지는 열가소성 수지 및 열경화성 수지 중 적어도 어느 하나를 포함하고,
    상기 강화 섬유는 금속 섬유, 금속화된 무기 섬유, 금속화된 합성 섬유, 유리 섬유, 폴리에스테르 섬유, 폴리아미드 섬유, 흑연 섬유, 탄소 섬유, 세라믹 섬유, 미네랄 섬유, 현무암 섬유, 무기 섬유, 아라미드 섬유, 케나프 섬유, 주트 섬유, 아마 섬유, 대마 섬유, 셀룰로스 섬유, 사이잘 섬유 및 코이어 섬유 중 적어도 어느 하나를 포함하는 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 열경화성 수지는 에폭시 수지(epoxy resin), 페놀 수지(phenolic resin), 불포화 폴리에스테르 수지(unsaturated polyester resin) 및 비닐에스터, 폴리우레탄 중 적어도 어느 하나를 포함하는 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 열가소성 수지는 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌(polyethylene), 저밀도 폴리에틸렌(low density polyethylene), 고밀도 폴리에틸렌(high density polyethylene), 폴리에스테르(polyester), 폴리스틸렌(polystyrene), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride), 변성 폴리페닐렌옥사이드(modified polyphenyleneoxide), 폴리아미드6(polyamide6), 폴리아미드610(polyamide610), 폴리아미드66(polyamide66), 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide), ABS(acrylonitrile butadiene styrene), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutylene terephthalate), 폴리아세탈(poly acetal), 폴리설폰(polysulfone), 폴리아릴설폰(polyarylsulfone), 폴리페닐설폰(polyphenylsulfone), 폴린에테르설폰(polyethersulfone), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리아미드이미드(polyamideimide), 폴리에테르이미드(polyetherimide) 및 폴리4플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리케톤(polyketone) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 섬유강화 플라스틱 샌드위치 패널.
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