KR101072686B1 - 내부에 격벽을 가진 3차원 트러스 타입의 주기적인 다공질 재료 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내부에 격벽을 가진 3차원 트러스 타입의 주기적인 다공질 재료 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 주기적인 트러스 구조에 의한 높은 강도 및 내부의 열린 공간을 활용한 우수한 열전달, 촉매지지체 성능을 가지면서도 내부의 격벽을 이용하여 격벽에 평행한 방향으로 작용하는 인장 또는 압축 하중에 대한 강도를 높이고, 내부를 통과 또는 보관하는 유체를 분리하거나 흐름을 유도하는 기능을 가지도록 한 것이다. 이는 충격하중 저항 판재나, 콤팩트한 열전달 핀(heat transfer), 촉매지지체(catalyst support)나 서로 온도가 다른 2가지 이상의 유체를 섞임 없이 통과/보관하게 하여 상호간 열전달이 이루어지도록 하는 열교환 장치로 응용될 수 있다.
트러스 구조, 다공질 금속, 열교환기, 격벽, 와이어

Description

내부에 격벽을 가진 3차원 트러스 타입의 주기적인 다공질 재료 및 그의 제조방법{THREE-DIMENSIONAL TRUSS TYPE PERIODIC CELLULAR MATERIALS HAVING INTERNAL WALLS AND MANUFACTURE METHOD OF THE SAME}
본 발명은 내부에 격벽을 가진 3차원 트러스 타입의 주기적인 다공질 재료 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 트러스 타입의 주기적인 다공질 재료의 내부에 존재하는 평면 형태의 트러스 배열 중 일부를 격벽으로 대체하여 격벽에 평행한 방향으로 작용하는 인장 또는 압축 하중에 대한 강도를 높이고, 통과 또는 보관하는 유체를 분리하거나 흐름을 유도하는 기능을 가지도록 함으로써, 충격 하중 저항 판재나, 열전달 매체, 촉매지지체 등으로 활용되는 다양한 용도에 부합하면서도 대량생산이 용이한 주기적인 다공질 재료 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 다공질 재료는 내부에 수많은 작은 셀(Cell)을 가짐으로써 가벼우면서도 상대적으로 강도가 높은 재료를 말한다. 이러한 다공질 재료로는 발포수 지, 발포금속, 소결 세라믹스 등 많은 것들을 들 수 있고, 이들 내부의 셀들이 서로 통해 있느냐의 여부에 따라 개방형과 폐쇄형으로 분류되며, 다양한 산업분야에서 활발하게 활용되고 있다. 그 중에서도 내부 셀의 크기와 형태, 배치가 균일한 재료를 주기적인 다공질 재료(Periodic Cellular Materials)라고 한다.
최근 새로운 주기적인 다공질 재료로서 트러스 형태를 갖는 것이 소개되고 있다(H. N. G. Wadley, N. A. Fleck, A. G. Evans, 2003, Composite Science and Technology, Vol.63, pp.2331~2343). 특히, 정밀한 계산을 통해 최적의 강도를 갖도록 설계된 트러스 구조는 허니컴(Honeycomb) 격자에 버금가는 기계적 물성을 가지면서 내부가 개방되어 있어 공간을 활용할 수 있다는 이점을 가지고 있다.
아울러, 가장 일반적인 트러스 형태는 도 1a에 도시된 바와 같은 피라미드(Pyramid) 트러스인데, 이러한 피라미드 트러스는 보통 4개의 정삼각형 격자가 경사면을 이루고, 정사각형 격자가 아랫(또는 윗)면을 이루도록 구성되어 있어, 사각형 형태의 판구조물을 만들기에 유리하다.
또한, 다른 트러스 구조로서, 도 1b에 도시된 바와 같이 정사면체와 정팔면체가 조합된 형태의 옥테트(Octet) 트러스(R. Buckminster Fuller, 1961, US Patent 2,986,241)를 들 수 있는데, 이 구조에서는 각 요소가 서로 정삼각형을 이룬다.
또다른 트러스 구조로, 도 1c에 도시된 바와 같은 카고메(Kagome) 트러스(S. Hyun, A.M. Karlsson, S. Torquato, A.G. Evans, 2003, Int J. of Solids and structures, Vol.40, pp.6989-6998)를 들 수 있는데, 이는 21세기에 들어 옥테트 트러스를 변형함으로써 완성된 것이다.
상기 카고메 트러스는 상기 피라미드 트러스와 옥테트 트러스에 비하여 방향에 따른 구조의 강성 변화가 적고, 좌굴에 대한 저항성, 좌굴 후 변형의 안정성, 에너지 흡수능력 등이 우수하다고 알려져 있다.
한편, 와이어는 대량 생산, 가공 및 고강도의 실현이 용이하다. 좋은 예로 피아노 선을 들 수 있다. 최근에는 이러한 와이어 특성에 착안하여 와이어를 소재로 한 트러스 형태의 주기적인 다공질 재료를 제작하는 방법이 제시되었다.
예컨대, 본 발명인이 출원한 대한민국 등록특허 제0566729호(등록일: 2006.03.27, 발명자: 강기주 외 1인), 등록특허 제0633657호(등록일: 2006.10.02, 발명자: 강기주 외 4인), 등록특허 제0700212호(등록일: 2007.03.20, 발명자: 강기주 외 1인), 등록특허 제0767186호(등록일: 2007.10.08, 발명자: 강기주 외 1인), 공개특허 10-2006-0130539(공개일: 2006.12.19, 발명자: 강기주 외 1인) 등이 그것이다. 이들은 모두 와이어를 소재로 주기적인 다공질 재료를 제작하는 방법에 관한 것이며, 상기에서 개시된 기술들에 의한 주기적 다공질 재료의 형상을 도 2 내지 도 6에 도시하였다. 그 기술요지를 간략하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 등록특허 제0566729호에는 도 2의 대표도와 같이, 3차원 공간 상에서 서로 60도 또는 120도 각도를 갖는 6방향의 와이어들이 굽히지 않고 서로 교차하여 적층되어 트러스를 형성한 와이어로 구성된 3차원 다공질 경량 구조체와 그 제조장치에 대해 게시하고 있다.
상기 등록특허 제0633657호에는 도 3의 대표도와 같이, 서로 직교하는 2 방 향 또는 3 방향의 와이어를 그물 형태로 직조한 후, 프레스 가공을 통하여 각각 피라미드 또는 정사면체 트러스를 형성한 다음, 상하에 얇은 면판을 대고 교차점이나 접합부위는 용접등의 방법으로 부착하는 비강성 및 비강도가 우수한 초경량 샌드위치 판재의 제조방법에 대해 게시하고 있다.
상기 등록특허 제0700212호에는 도 4의 대표도와 같이, 서로 60도 또는 120도 각도를 갖는 3 방향의 평행한 코일 스프링을 조합하여 매트리스 형태로 만든 후 스프링 사이의 교차점을 접착, 와이어 감기, 용접, 납땜, 브레이징, 기타 기계식 체결구 등을 이용하여 고정한 코일 스프링 구조물 및 이를 이용한 샌드위치 판재에 대해 게시하고 있다.
상기 등록특허 제0767186호에는 도 5의 대표도와 같이, 상/하 면판(face sheet)과 트러스형 중간층(core)으로 구성된 샌드위치 판재로서, 동일 평면에 존재하며 서로 수직인 X축, Z축과 이 면에 수직인 Y축으로 표현되는 공간상에서, 상/하 면판은 X-Z 평면과 평행하고, 그 중간에 Z축에 수직인 면에 투사하였을 때 삼각파(triangular wave) 형태를 가짐과 동시에, Y-축에 수직인 면에 투사하였을 때, 상기 삼각파를 이루는 변 2 마디마다 방향이 번갈아 바뀌는, 삼각파 형태를 가지도록 성형된 와이어가 배치되어 있는 트러스형 중간층이 있는 와이어로 구성된 중간층을 갖는 경량 샌드위치 판재와 그의 제조 방법에 대해 게시하고 있다.
상기 공개특허 10-2006-0130539에는 도 6과 같이, 공간상에서 서로 60도 또는 120도의 방위각을 갖는 6방향의 연속된 나선형 와이어 군을 서로 교차시킴으로써 일정한 모양으로 형성되는 강도나 강성 등의 기계적 물성이 우수한 3차원 경량 구조체와 이를 저비용/대량으로 생산하는 방법에 대해 게시하고 있다.
상기에서 제시된 트러스 형태의 주기적인 다공질 재료는 내부의 공간이 열려 있어(open cell) 내부에 유체를 저장하거나 통과시키는 기능을 가진다. 특히, 주기적인 형태로 배열된 트러스 요소들이 통과 유체가 층류유동(laminar flow)으로 전이되는 것을 막아 유동저항(flow resistanse)은 낮으면서도 열전달 효율은 뛰어나다(참고문헌 추가 TJ Lu 논문). 또한, 같은 이유로 트러스 형태의 주기적인 다공질 재료는 촉매지지체로서도 응용될 수 있다.
상기에 언급한 바와 같이, 트러스 형태의 주기적인 다공질 재료는 무게대비 강도나 강성이 우수하여 구조재로서 응용할 뿐만 아니라 내부공간을 이용하여 열전달 매체나 촉매 지지체로 응용될 수 있다. 하지만, 여러 가지 용도로 활용되기 위해서는 용도에 맞으면서도 저렴하게 대량생산에 적합한 형태로 개발될 필요가 있다. 그러나, 현재까지는 트러스 형태의 주기적인 다공질 재료 상하부에 면재(face sheet)를 부착한 샌드위치 형태로만 제안된 실정이다.
전술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 내부에 존재하는 평면 형태의 트러스 배열 중 일부를 평판으로 대체하여 평면에 평행한 방향으로 작용하는 인장 또는 압축 하중에 대한 강도를 높이고, 통과 또는 보관하는 유체의 분리를 위한 격벽 역할을 하게 함으로써, 충격하중 저항 판재나, 열전달 매체, 촉매지지체 등으로 활용되는 다양한 용도에 부합하면서도 대량생산이 용이한 3차원 트러스 타입의 주기적인 다공질 재료를 제공하는데 있다.
또한 전술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 내부에 격벽을 가진 3차원 트러스 타입의 주기적인 다공질 재료의 제조 방법을 제공하는데 있다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 청구항 1에 기재된 발명은, (a) 규칙적인 구멍을 갖는 3개 이상의 판재를 제조하는 단계와; (b) 2방향 이상의 평행한 와이어 군을 배치 또는 직조하여 평면 형태의 2차원 트러스 구조를 제조하는 단계와; (c) 상기 제조된 다수의 판재 및 2차원 트러스 구조를 일정 간격을 두고 상하로 배치하는 단계와; (d) 상기 배치된 판재의 구멍과 상기 2차원 트러스 구조를 통과하여 면외(out-of-plane) 방향으로 다수의 와이어를 삽입하여 주기적인 3차원 트러스 형태로 만드는 단계; 및 (e) 상기 삽입 단계를 통하여 조립된 구조체에서, 상기 3차원 트러스 형태를 이루는 와이어끼리 접촉하는 부위를 접합하고, 상기 면외 방향으로 삽입된 와이어와 상기 판재가 접촉되는 부위를 접합하여 고정하는 단계;를 포함하는 주기적인 다공질 재료의 제조 방법을 제공한다.
청구항 2에 기재된 발명은, 상기 (b)단계의 2차원 트러스 구조는 유사 2차원 사각형 트러스 구조이고, 상기 (d)단계의 3차원 트러스 형태는 유사 3차원 정육면체 트러스 형태인 것을 특징으로 하는 주기적인 다공질 재료의 제조 방법을 제공한다.
청구항 3에 기재된 발명은, 상기 (b)단계의 2차원 트러스 구조는 삼각구멍을 갖는 유사 2차원 삼각형 트러스 구조이고, 상기 (d)단계의 3차원 트러스 형태는 유사 3차원 옥테트 트러스 형태인 것을 특징으로 하는 주기적인 다공질 재료의 제조 방법을 제공한다.
청구항 4에 기재된 발명은, 상기 (b)단계의 2차원 트러스 구조는 유사 2차원 카고메 트러스 구조이고, 상기 (d)단계의 3차원 트러스 형태는 유사 3차원 카고메 트러스 형태인 것을 특징으로 하는 주기적인 다공질 재료의 제조 방법을 제공한다.
청구항 5에 기재된 발명은, 상기 (c)단계에서의 판재는 지그재그 형으로 배치하는 것을 특징으로 하는 주기적인 다공질 재료의 제조 방법을 제공한다.
청구항 6에 기재된 발명은, 다공질 재료의 내부에 위치한 평판은 유체가 통과하는 제1 방향과 제2 방향으로 번갈아가면서 돌출된 형태를 가지도록 제조하고, 상기 다공질 재료의 외부로 돌출된 평판은 경계선을 따라 절곡되어 상기 제1 방향과 제2 방향 중 어느 한 방향의 공기 흐름을 차단하도록 제조하는 것을 특징으로 하는 주기적인 다공질 재료의 제조 방법을 제공한다.
청구항 7에 기재된 발명은, 상기 절곡되어 제1 방향과 제2 방향 유동의 차단벽 역할을 하는 판재(평판)의 가장자리와 인접 층의 판재의 트러스 타입 다공질 재료의 표면으로 노출된 끝단과의 접촉 부분을 수지 접착이나 납땜, 브레이징, 용접 등의 방법으로 접합한 것을 특징으로 하는 주기적인 다공질 재료의 제조 방법을 제공한다.
청구항 8에 기재된 발명은, 주기적인 3차원 형태의 내부에 존재하는 평면 형태의 트러스 배열 중 일부를 평판으로 구성하여 통과 또는 보관하는 유체를 분리하거나 흐름을 유도하는 격벽 역할을 하도록 구성한 것을 주기적인 다공질 재료의 제조 방법을 제공한다.
또한, 전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서, 청구항 9에 기재된 발명은, 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 제조 방법에 의해 제조되고, 규칙적인 구멍을 갖는 3개 이상의 판재를 구비하고, 상기 각 판재 사이에, 2방향 이상의 평행한 와이어 군이 배치 또는 직조된 평면 형태의 2차원 트러스 구조가 일정 간격을 두고 형성되고, 상기 판재의 구멍과 상기 2차원 트러스 구조를 통과하여 면외(out-of-plane) 방향으로 와이어가 삽입되어 3차원 트러스 구조가 형성되고, 상기 3차원 트러스 구조를 이루는 와이어끼리 접촉하는 부위가 접합되고, 상기 면외 방향으로 삽입된 와이어와 상기 판재가 접촉되는 부위가 접합되어 형성된 내부에 격벽을 가진 3차원 트러스 타입의 주기적인 다공질 재료를 제공한다.
본 발명에 따르면, 내부에 격벽을 갖는 3차원 트러스 타입의 주기적인 다공질 재료는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 기존의 트러스 타입의 주기적인 다공질 재료가 갖는 재료 강도 측면의 여러가지 장점을 그대로 유지하고 있으므로, 무게 대비 강도 및 강성도가 높다.
둘째, 내부 공간 활용 시 기존의 트러스 타입의 주기적인 다공질 재료가 갖 는 장점을 그대로 갖는다. 즉, 유체를 보관하거나 통과 시킬 수 있고 낮은 유동저항, 높은 열전달 성능, 촉매 반응성을 갖는다.
셋째, 내부에 배치된 격벽을 활용하여 2종류 이상의 유체를 서로 섞이지 않으면서 통과하게 하거나 긴 유로를 작은 공간 안에 구성함으로써 콤팩트한 열교환기나 촉매 반응기를 실현할 수 있다.
넷째, 기존의 와이어로 구성된 트러스 타입의 주기적인 다공질 재료의 제조 공정을 크게 변경하지 않고 그대로 사용할 수 있다.
다섯째, 조립된 구조체의 와이어끼리 접촉하는 부위를 접착제를 도포하거나 용접, 브레이징, 납땜 등으로 접합하고, 면외 방향으로 삽입된 와이어와 판재가 접촉되는 부위를 접착제를 도포하거나 용접, 브레이징, 납땜 등으로 접합하여 고정시킴으로써, 가벼우면서도 기계적 강도와 강성도가 높은 구조체를 제조할 수 있다.
여섯째, 격벽에 평행한 방향으로 작용하는 인장 또는 압축 하중에 대한 강도가 높아진다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙여 설명하기로 한다.
이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 주기적인 3차원 트러스 형태의 내부에 격벽이 배치된 구조를 갖는 다공질 재료를 제공한다. 이 재료를 구성하는 트러스 구조의 종류와 이 재료를 응용하는 용도에 따라 다음과 같은 여러 가지 형태의 실시예를 가질 수 있다.
제 1 실시예
도 7은 본 발명의 바람직한 제1 실시예로써, 다공질 재료인 정육면체 트러스 유사 구조체의 내부에 평판이 배치된 예를 보인 사시도이다. 즉, 다수의 2차원 평면 형태의 사각트러스 망과 평판을 일정간격을 두고 평행하게 배치한 후에 면에 수직한 방향으로 평판의 구멍과 사각 트러스의 와이어 교차점을 통과하도록 삽입하고 와이어와 와이어 와이어와 평판의 교차점을 접합하여 완성한다.
이는 가장 단순한 구조의 트러스로서, 내부에 배치되는 판재에는 구멍이 정방형 패턴으로 사방으로 분포하며 면에 직각으로 뚫려 있어야 한다. 상하에 배치된 모든 평판 내의 구멍 위치는 모두 같다. 제조 과정은 단순하나 정육면체 트러스와 같이 구조적 안정성은 낮다.
도 8a 및 도 8b는 제조 방법을 나타내고 있다. 여기에 필요한 2차원 평면 형태의 사각트러스를 와이어로 제조하는 만드는 방법으로, 서로 수직한 두 방향의 와이어 무리를 서로 중첩하는 방법(도 8a)과 옷감을 짜는 것처럼 직조하는 방법(도 8b)이 있다.
제 2 실시예
도 9a는 본 발명의 바람직한 제2 실시예로써, 다공질 재료인 유사 옥테트 트러스 형태의 내부에 평판이 배치된 예를 나타낸 사시도이다. 도 9a에 따르면, 본 발명의 제3 실시예는 본 발명인이 출원한 등록특허 제566729호(등록일: 2006.03.27, '와이어로 구성된 3차원 다공질 경량 구조체와 그 제조장치')에서 연속된 와이어로 구성된 유사 옥테트 트러스 구조체의 내부의 2차원 평면 형태로 배치된 트러스 들 중의 일부를 평판으로 대체한 형태를 갖는다. 이 유사 옥테트 트러스는 각 꼭지점에서 면내(in-plane) 방향으로 3개, 면외(out-of-plane) 방향으로 3개의 와이어가 교차하고 있다. 그러므로, 면내 트러스를 평판으로 대체하면 평판 상에 뚫어야 할 구멍은 3개의 면외 방향으로 와이어가 통과하도록 충분한 크기가 되어야 한다.
도 9b는 직선 와이어가 교차하여 구성된 유사 옥테트 트러스를 확대하여 나타낸 것이다. 유사 옥테트 트러스 내의 트러스 요소들이 정사면체와 유사한 구조를 이루고 있어 구조적 안정성이 높다.
제 3 실시예
도 10a는 본 발명의 바람직한 제3 실시예로써, 연속된 와이어로 구성된 유사 카고메 트러스 구조체의 내부에 평판이 배치된 예를 나타낸 사시도이다.
도 10a에 따르면, 본 발명의 제3 실시예는 본 발명인이 출원한 등록특허 제 0708483호(등록일: 2007.04.10, '연속 와이어로 직조된 3차원의 다공질 경량 구조체 및 그의 제조 방법')와 공개특허 10-2006-0130539(공개일: 2006.12.19, '나선형 와이어로 직조된 3차원의 다공질 경량 구조체 및 그의 제조 방법')에 게시되어 있는 연속된 와이어로 구성된 유사 카고메 트러스 구조체의 내부의 2차원 평면 형태로 배치된 트러스 들 중의 일부를 평판으로 대체한 형태를 갖는다. 평판에 뚤린 각각의 구멍에는 오직 1개의 면외 방향 와이어 만이 통과한다.
도 10b는 나선형 와이어가 교차하여 구성된 유사 카고메 트러스가 확대되어 도시되어 있다. 유사 카고메 트러스 내의 트러스 요소들이 정사면체와 유사한 구조를 이루고 있고, 와이어끼리의 접합점 또는 와이어와 평판의 교차점의 거리가 짧아 구조적 안정성이 가장 높다.
이것은 다수의 2차원 카고메 트러스와 유사한 평면 형태의 트러스 망과 평판을 일정간격을 두고 평행하게 배치한 후에 면외 3방향으로 와이어를 회전 삽입하여 조립된다. 이때 삽입되는 와이어는 평판의 구멍과 평면 형태의 트러스망 내의 와이어 교차점을 모두 밀착하여 통과하도록 각 평면의 구멍과 평면 형태의 트러스망들이 적절한 간격과 적절한 면내 좌표에 위치하여야 한다. 위치에 대한 정보는 상기 등록특허 제0708483호와 공개특허 10-2006-0130539에 기재되어 있다. 조립 후 와이어와 와이어, 와이어와 평판의 교차점을 접합하여 완성한다. 도 11은 이것의 조립방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
제 4 실시예
도 12는 본 발명의 바람직한 제4 실시예로써, 상기의 여러가지 실시예에 따른 구조체를 응용하여 컴팩트한 열교환 장치나 촉매반응장치로 사용될 수 있는 구조를 나타내고 있다.
트러스 타입의 다공질 재료 내부에 위치한 평판을 지그재그 형으로 배치하여 통과하는 유체가 가능한 한 많은 트러스 요소와 접촉하게 하여 열전달 또는 촉매반응을 촉진하도록 한 것이다. 트러스 타입 다공질 재료는 다른 다공질 재료에 비하여 유동저항이 매우 낮은 편이기 때문에 유로가 복잡하고 길어지더라도 압력손실은 크지 않는 콤팩트한 열교환 장치나 촉매반응장치를 실현할 수 있다.
제 5 실시예
도 13은 본 발명의 바람직한 제5 실시예로써, 두 가지 유체가 서로 섞이지 않으면서 통과하면서 상호 열교환이 이루어지는 장치의 구조를 나타내고 있다. A 방향으로 통과하는 유체와 B 방향으로 통과하는 유체 사이에 온도 차가 존재하는 경우 격벽과 각 유로 상에 존재하는 트러스 요소를 통하여 열전달이 이루어지게 된다.
도 14는 도 13의 장치의 구성도를 나타내고 있다. 트러스타입 다공질 재료 내부에 위치한 평판이 A와 B 방향으로 번갈아가면서 돌출된 형태를 가지고 있고, 다공질 재료 외부로 돌출되는 평판을 경계선을 따라 절곡하여 A, B 두 방향 중 한 방향의 공기 흐름을 차단하게 한다. 절곡되어 A, B 방향 유동의 차단벽 역학을 하게 되는 판재의 가장자리와 인접 층의 판재의 트러스 타입 다공질 재료의 표면으로 노출된 끝단과의 접촉 부분은 수지 접착이나 납땜, 브레이징, 용접 등의 방법으로 접합하여 완성한다.
다공질 재료의 제조 방법
상술한 바와 같은 실시예들에 나타난 구조로 이루어진 본 발명의 다공질 재료(Cellular Materials)는 다음과 같이 제조될 수 있다(도 15 참조).
먼저, 규칙적인 구멍을 갖는 다수의 판재를 제조한다(단계 S10).
그 다음, 2방향 이상의 평행한 와이어 군을 배치 또는 직조하여 평면 형태의 2차원 트러스 구조를 다수 제조한다(단계 S20).
그 다음, 상기 제조된 다수의 판재 및 2차원 트러스 구조를 일정 간격을 두고 상하로 배치한다(단계 S30).
그 다음, 상기 배치된 판재의 구멍과 상기 2차원 트러스 구조를 통과하여 면외(out-of-plane) 수직 방향으로 다수의 와이어를 삽입하여(단계 S40) 주기적인 3차원 트러스 형태로 만든다(단계 S50).
끝으로, 상기 삽입 단계를 통하여 조립된 구조체의 와이어끼리 접촉하는 부위를 접착제를 도포하거나 용접, 브레이징, 납땜 등으로 접합하고, 면외 방향으로 삽입된 와이어와 판재가 접촉되는 부위를 접착제를 도포하거나 용접, 브레이징, 납땜 등으로 접합하여 고정한다(단계 S60).
한편, 상기 단계 S20에서 상기 2차원 트러스가 유사 사각형 구조일 때 상기 단계 S50에서 완성된 3차원 트러스는 유사 정육면체 트러스 구조가 되고, 상기 2차원 트러스가 삼각구멍을 갖는 유사 삼각형 구조일 때 상기 완성된 3차원 트러스는 유사 옥테트 트러스 구조가 되며, 상기 2차원 트러스가 유사 2차원 카고메 트러스 구조일 때 상기 완성된 3차원 트러스는 유사 3차원 카고메 트러스 구조가 된다.
이와 같이, 본 발명의 다공질 재료는 주기적인 3차원 트러스 형태의 내부에 존재하는 평면 형태의 트러스 배열 중 일부를 평판(판재)으로 구성하여, 통과 또는 보관하는 유체를 분리하거나 흐름을 유도하는 격벽 역할을 하도록 한다.
이때, 상기 다공질 재료의 내부에 위치한 평판은 유체가 통과하는 제1 방향과 제2 방향으로 번갈아가면서 돌출된 형태로 구성하고, 상기 다공질 재료의 외부로 돌출된 평판은 경계선을 따라 절곡되어 상기 제1 방향과 제2 방향 중 어느 한 방향의 공기 흐름을 차단하도록 구성하여 격벽과 각 유로 상에 존재하는 트러스 요소를 통하여 열전달이 이루어지게 함으로써, 제1 방향으로 통과하는 유체와 제2 방향으로 통과하는 유체 사이에 존재하는 온도차를 제거하였다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 주기적인 다공질 재료 및 그의 제조방법은 3차원 트러스 타입의 주기적인 다공질 재료의 내부에 존재하는 평면 형태의 트러스 배열 중 일부를 평판으로 대체하여 평면에 평행한 방향으로 작용하는 인장 또는 압축 하중에 대한 강도를 높였고, 통과 또는 보관하는 유체를 분리하거나 흐름을 유도하는 기능을 가지도록 하여 충격 하중 저항 판재나, 열전달 매체, 촉매지지체 등으로 활용되는 다양한 용도에 부합하면서도 대량생산이 용이하도록 함으로써 본 발명의 기술적 과제를 해결하였다.
이상에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시 예들은 기술적 과제를 해결하기 위해 개시된 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(당업자)라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
본 발명에서는 주기적인 다공질 재료를 예로 들어 설명하고 있으나, 이에 한정되지 않고 내부에 평판을 가진 3차원 트러스 타입의 주기적인 다공질 재료를 이용하는 하중 지지 판재, 촉매반응장치, 자동차의 인터쿨러용 열교환기를 포함한 모든 기술분야에 적용될 수 있다.
도 1 내지 도 3은 종래의 피라미드(Pyramid), 옥테트(Octet), 카고메(Kagome) 트러스 구조를 갖는 샌드위치 판재의 형상을 각각 나타낸 도면
도 4 내지 도 6은 종래의 와이어를 소재로 주기적인 다공질 재료를 제작하는 방법의 예를 나타낸 도면
도 7는 본 발명의 바람직한 제1 실시예로써, 다공질 재료인 정육면체 트러스 유사 구조체의 내부에 평판이 배치된 예를 보인 사시도
도 8a 및 도 8b는 도 7에 나타낸 구조체의 제조 방법으로, 서로 수직한 두 방향의 와이어 무리를 서로 중첩하는 방법(도 8a)과 옷감을 짜는 것처럼 직조하는 방법(도 8b)을 나타낸 도면
도 9a는 본 발명의 바람직한 제2 실시예로써, 다공질 재료인 유사 옥테트 트러스 형태의 내부에 평판이 배치된 예를 나타낸 사시도
도 9b는 직선 와이어가 교차하여 구성된 유사 옥테트 트러스를 확대하여 나타낸 도면
도 10a는 본 발명의 바람직한 제3 실시예로써, 연속된 와이어로 구성된 유사 카고메 트러스 구조체의 내부에 평판이 배치된 예를 나타낸 사시도
도 10b는 나선형 와이어가 교차하여 구성된 유사 카고메 트러스를 확대하여 나타낸 도면
도 11은 유사 카고메 트러스 구조체의 조립방법을 개략적으로 나타낸 도면
도 12는 본 발명의 바람직한 제4 실시예로써, 본 발명의 실시예에 의한 구조 체를 응용하여 컴팩트한 열교환 장치나 촉매반응장치로 사용될 수 있는 구조를 나타낸 도면
도 13은 본 발명의 바람직한 제5 실시예로써, 두 가지 유체가 서로 섞이지 않으면서 통과하면서 상호 열교환이 이루어지는 장치의 구조를 나타낸 도면
도 14는 도 13의 장치의 구성도
도 15는 본 발명에 의한 다공질 재료의 제조 방법을 나타낸 제조공정 순서도

Claims (9)

  1. 다공질 재료(Cellular Materials)의 제조 방법에 있어서,
    (a) 규칙적인 구멍을 갖는 3개 이상의 판재를 제조하는 단계와;
    (b) 2방향 이상의 평행한 와이어 군을 배치 또는 직조하여 평면 형태의 2차원 트러스 구조를 제조하는 단계와;
    (c) 상기 제조된 판재 및 2차원 트러스 구조를 일정 간격을 두고 상하로 배치하는 단계와;
    (d) 상기 배치된 판재의 구멍과 상기 2차원 트러스 구조를 통과하여 면외(out-of-plane) 방향으로 다수의 와이어를 삽입하여 주기적인 3차원 트러스 형태로 만드는 단계; 및
    (e) 상기 삽입 단계를 통하여 조립된 구조체에서, 상기 3차원 트러스 형태를 이루는 와이어끼리 접촉하는 부위를 접합하고, 상기 면외 방향으로 삽입된 와이어와 상기 판재가 접촉되는 부위를 접합하여 고정하는 단계;
    를 포함하는 주기적인 다공질 재료의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 (b)단계의 2차원 트러스 구조는 유사 2차원 사각형 트러스 구조이고,
    상기 (d)단계의 3차원 트러스 형태는 유사 3차원 정육면체 트러스 형태인 것 을 특징으로 하는 주기적인 다공질 재료의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 (b)단계의 2차원 트러스 구조는 삼각구멍을 갖는 유사 2차원 삼각형 트러스 구조이고,
    상기 (d)단계의 3차원 트러스 형태는 유사 3차원 옥테트 트러스 형태인 것을 특징으로 하는 주기적인 다공질 재료의 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 (b)단계의 2차원 트러스 구조는 유사 2차원 카고메 트러스 구조이고,
    상기 (d)단계의 3차원 트러스 형태는 유사 3차원 카고메 트러스 형태인 것을 특징으로 하는 주기적인 다공질 재료의 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 (c)단계에서의 판재는 지그재그 형으로 배치하는 것을 특징으로 하는 주기적인 다공질 재료의 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 주기적인 다공질 재료의 제조 방법은:
    다공질 재료의 내부에 위치한 평판은 유체가 통과하는 제1 방향과 제2 방향으로 번갈아가면서 돌출된 형태를 가지도록 제조하고,
    상기 다공질 재료의 외부로 돌출된 평판은 경계선을 따라 절곡되어 상기 제1 방향과 제2 방향 중 어느 한 방향의 공기 흐름을 차단하도록 제조하는 것을 특징으로 하는 주기적인 다공질 재료의 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 주기적인 다공질 재료는:
    상기 절곡되어 제1 방향과 제2 방향 유동의 차단벽 역할을 하는 판재(평판)의 가장자리와 인접 층의 판재의 트러스 타입 다공질 재료의 표면으로 노출된 끝단과의 접촉 부분을 수지 접착이나 납땜, 브레이징, 용접 등의 방법으로 접합한 것을 특징으로 하는 주기적인 다공질 재료의 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 주기적인 다공질 재료는:
    주기적인 3차원 형태의 내부에 존재하는 평면 형태의 트러스 배열 중 일부를 평판으로 구성하여 통과 또는 보관하는 유체를 분리하거나 흐름을 유도하는 격벽 역할을 하도록 구성한 것을 주기적인 다공질 재료의 제조 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 제조 방법에 의해 제조되고,
    규칙적인 구멍을 갖는 3개 이상의 판재를 구비하고, 상기 각 판재 사이에, 2방향 이상의 평행한 와이어 군이 배치 또는 직조된 평면 형태의 2차원 트러스 구조가 일정 간격을 두고 형성되고, 상기 판재의 구멍과 상기 2차원 트러스 구조를 통과하여 면외(out-of-plane) 방향으로 와이어가 삽입되어 3차원 트러스 구조가 형성되고, 상기 3차원 트러스 구조를 이루는 와이어끼리 접촉하는 부위가 접합되고, 상기 면외 방향으로 삽입된 와이어와 상기 판재가 접촉되는 부위가 접합되어 형성된 내부에 격벽을 가진 3차원 트러스 타입의 주기적인 다공질 재료.
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