KR101239218B1 - 양방향 안정성을 가지는 능동지능형 구조체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다양한 소재를 이용하여 작은 크기로도 제작 가능하며, 두 개의 안정된 형상 사이에서 원활하게 형상을 변경할 수 있도록 구조가 개선된 양방향 안정성을 가지는 능동지능형 구조체에 관한 것이다. 본 발명에 따른 양방향 안정성을 가지는 능동지능형 구조체는 판상으로 형성되며, 일방향으로 휘어져 안정된 상태가 유지되는 제1형상과, 일방향과 상이한 방향으로 휘어져 안정된 상태가 유지되는 제2형상 사이에서 변형되는 구조체와, 구조체가 제1형상과 제2형상 사이에서 변형되도록 구조체에 외력을 인가하는 액츄에이터를 포함하며, 액츄에이터는, 형상기억합금(shape memory alloy; SMA)으로 이루어지며 스프링 구조를 가지며, 구조체에 결합되는 SMA 스프링을 포함한다.

Description

양방향 안정성을 가지는 능동지능형 구조체{Bistable intelligence morphing active plate}
본 발명은 두 개의 안정된 형상 사이에서 변형되는 양방향 안정성을 가지는 능동지능형 구조체에 관한 것이다.
최근 들어, 구조적으로 안정된 두 개의 형상을 가지는 구조체, 즉 양방향 안정성을 가지는 구조체에 관한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이러한 구조체는 로켓이나 항공기 등에서 진행경로변경 또는 자세제어를 위한 날개 부분, 우주탐사선 등에서 형상(자세)을 변경하는 목적 등으로의 활용가능성이 증가하고 있다.
여기서, 양방향 안정성이란 구조적으로 두 개의 안정된 상태, 즉 도 1의 (A) 및 (C)에 도시된 바와 같이 안정된 상태의 제1형상 및 제2형상을 가지는 특성을 말한다. 그리고, 도 1의 (B)에 도시된 바와 같이, 제1형상과 제2형상 사이에서는 구조체는 불안정한 상태를 가지며, 인가되는 외력의 크기에 따라 제1형상 또는 제2형상으로 변형되게 된다. 그리고, 이러한 양방향 안정성을 가지는 구조체는 이미 알려져 있다.
현재, 알려져 있는 양방향 안정성을 가지는 구조체는 탄소섬유강화폴리머(CFRP-Carbon Fiber Reinforced Polymer)와 같은 복합재료로 이루어진다. 보다 상세하게 설명하면, 두 개의 CFRP 플레이트를 접착하되 그 각 플레이트의 결 방향이 서로 직교하도록 에폭시 수지로 접착한 후 열처리하면, 에폭시가 경화되는 과정에서 수축력이 발생하면서 CFRP 플레이트가 휘어지게 된다. 이때, CFRP 플레이트는 결 방향의 강도와 결 방향과 직교하는 방향의 강도가 서로 다르고, 이러한 CFRP 플레이트가 결 방향이 직교하도록 겹쳐져 있으므로, 구조체가 양방향 안정성을 가지게 된다.
다만, 이와 같이 제작되는 구조체는 일정 크기 이상이 되어야만 양방향 안정성이 생기게 되는 한계와, 복합재료를 사용해야 한다는 한계가 있었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 다양한 소재를 이용하여 작은 크기로도 제작 가능하며, 두 개의 안정된 형상 사이에서 원활하게 형상을 변경할 수 있도록 구조가 개선된 양방향 안정성을 가지는 능동지능형 구조체를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 양방향 안정성을 가지는 능동지능형 구조체는 판상으로 형성되며, 일방향으로 휘어져 안정된 상태가 유지되는 제1형상과, 상기 일방향과 상이한 방향으로 휘어져 안정된 상태가 유지되는 제2형상 사이에서 변형되는 구조체와, 상기 구조체가 상기 제1형상과 상기 제2형상 사이에서 변형되도록 상기 구조체에 외력을 인가하는 액츄에이터를 포함하며, 상기 액츄에이터는, 형상기억합금(shape memory alloy; SMA)으로 이루어지며 스프링 구조를 가지며, 상기 구조체에 결합되는 SMA 스프링을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 SMA 스프링은, 형상기억합금으로 이루어지며 일방향으로 길게 형성된 와이어가 나선형으로 감겨져 형성된 1차스프링이 다시 한번 나선형으로 감겨져 이중의 스프링 구조를 가지는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따르면 상기 구조체는, 판상으로 형성된 제1플레이트가 곡률을 가지도록 휘는 단계와, 판상으로 형성된 제2플레이트가 곡률을 가지도록 휘는 단계와, 상기 제1플레이트가 휘어진 방향과, 상기 제2플레이트가 휘어진 방향이 서로 교차되도록 상기 제1플레이트 및 상기 제2플레이트는 부착하는 단계를 통해 제작되는 것이 바람직하다.
상기한 구성의 본 발명에 따르면, 다양한 소재를 이용하여 작은 크기로도 양방향 안정성을 가지는 구조체를 제작할 수 있다. 또한, 두 개의 안정된 형상 사이에서 구조체의 형상을 효율적으로 변경할 수 있다.
도 1은 양방향 안정성을 가지는 구조체를 설명하기 위한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 안정성을 가지는 능동지능형 구조체의 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 구조체의 제작과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 SMA 스프링의 제작과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 구조체의 제작과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 구조체의 샘플 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 안정성을 가지는 능동지능형 구조체에 관하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 안정성을 가지는 능동지능형 구조체의 사시도이며, 도 3은 도 2에 도시된 구조체의 제작과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 양방향 안정성을 가지는 능동지능형 구조체(100)는 구조체(10)와, 액츄에이터를 포함한다.
구조체(10)는 양방향 안정성, 즉 구조적으로 안정된 상태가 유지되는 두 개의 형상, 즉 제1형상 및 제2형상을 가지는 것이다. 이러한 구조체는 앞서 배경기술에서 설명한 방식으로 제작할 수도 있지만, 본 실시예에서는 다른 방식으로 구조체를 제작한다.
먼저, 판상으로 형성된 제1플레이트(11)가 곡률을 가지도록 일방향으로 휜다(즉, 응력(prestress)을 인가함). 그리고, 판상으로 형성된 제2플레이트(12) 역시 곡률을 가지도록 휜다. 이때, 사용되는 플레이트는 금속(예를 들어, 구리)과 같이 탄성을 가지는 소재로 사용하는데, 복합재료 역시 사용될 수 있다. 이후, 도 3에 도시된 바와 같이 제1플레이트(11)의 휘어진 방향과 제2플레이트(12)의 휘어진 방향이 서로 교차(직교)되며, 볼록한 면이 서로 마주보도록 부착한다. 이와 같이, 두 개의 플레이트를 결합하면, 각각의 플레이트는 잔존하는 응력으로 인해, 원래 휘어져 있던 방향으로 휘어지려고 하며, 이러한 특성으로 인해 구조체가 양방향 안정성을 가지게 된다. 즉, 도 2에 실선 및 가상선으로 도시된 바와 같이, 구조체(10)가 두 개의 안정된 상태의 형상을 가지게 된다.
이러한 방식으로 구조체를 형성하면, 앞서 복합재료를 이용할 때보다 작은 크기로도 양방향 안정성을 가지는 구조체를 제작할 수 있으며, 금속 등과 같이 다양한 소재로 구조체를 제작할 수 있다. 또한, 초기에 플레이트에 인가된 응력의 크기, 즉 플레이트를 휜 정도에 따라서, 구조체가 안정된 상태에서의 곡률을 변경할 수 있다. 즉, 초기에 플레이트를 많이 휜 상태에서 두 개의 플레이트를 부착하면, 구조체가 안정된 상태에서 휘어진 정도가 증가하게 된다.
액츄에이터는 구조체가 제1형상과 제2형상 사이에서 변형되도록, 구조체에 외력을 인가하기 위한 것이다. 이러한 액츄에이터로는 다양한 것이 이용될 수 있으나, 본 실시예의 경우 형상기억합금(shape memory alloy; SMA)으로 이루어진 SMA 스프링(20)을 사용한 액츄에이터가 이용된다.
먼저, 액츄에이터의 연결을 위해 구조체에는 구조체의 면에 대하여 돌출되는 연결부가 마련되어 있다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이 구조체의 모서리 및 중앙부에는 관통공이 형성되어 있으며, 이 관통공에는 볼트 및 너트가 결합되어 있다. 이때, 볼트는 구조체의 면에 대하여 돌출되며, 후술하는 바와 같이 SMA 스프링이 연결되는 연결부가 된다.
액츄에이터는 SMA 스프링(20)과, 전원부(도면 미도시)를 포함한다.
SMA 스프링(20)은 형상기억합금으로 이루어지며, 스프링 구조(나선형으로 감긴 구조)로 형성된다. 형상기억합금은 온도변화에 따라 '팽창 형태'와 '수축 형태' 사이에서 열탄성 변형하는 소재로, '팽창 형태'란 형상기억합금이 마르텐사이트 상(martensite phase)으로 연신되어 있음을 의미하며, 반대로 '수축 형태'란 형상기억합금이 오스테나이트 상(austenite phase)으로 짧아져 있음을 말하는 것이다. 그리고, 이때의 변형량이 액츄에이터의 출력으로 이용된다. SMA 스프링(20)은 볼트에 결합되는데, 본 실시예의 2개의 SMA 스프링(20)이 각각 구조체(10)의 상측 및 하측에 하나씩 배치되도록 결합되며, 이 2개의 SMA 스프링(20)은 서로 직교하도록 배치된다.
전원부는 SMA 스프링(20)이 변형되도록 SMA 스프링에 전원을 인가한다. 전원부에서 SMA 스프링에 전원을 인가하면, SMA 스프링이 발열함에 따라 온도가 변화되고, 이에 따라 SMA 스프링(20)이 신장된다. 그리고, SMA 스프링이 신장됨에 따라, 도 2에 실선 및 가상선으로 도시된 바와 같이 이에 결합된 구조체(10)가 제1형상 및 제2형상 사이에서 변경된다. 특히, 이와 같이 형상기억합금을 스프링 구조로 형성하면, 단순히 형상기억합금을 와이어 형태로 이용할 때보다, 형상기억합금의 길이 변형량(출력)이 훨씬 더 증가하게 되며, 따라서 구조체의 형상을 효율적으로 변경할 수 있다.
한편, 앞서 설명한 실시예와 달리, 이중 스프링 구조를 가지는 SMA 스프링을 액츄에이터로 사용할 수 있다. 이하, 이중 스프링 구조를 가지는 SMA 스프링의 제작과정 및 구조에 관하여 설명한다. 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 SMA 스프링의 제작과정을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 형상기억합금 소재로 이루어진 와이어를 제1코어(1) 둘레를 따라 나선형으로 감아 1차스프링(21)을 형성한 다음, 이 1차스프링(21)을 열처리한 후 1차스프링에서 제1코어(1)를 빼낸다. 이후, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 제1코어(1)보다 큰 직경을 가지는 제2코어(2) 둘레를 따라 1차스프링을 나선형으로 감으면 이중 스프링 구조가 형성되며, 이후 제2코어(2)를 빼낸 후 열처리하면 이중 스프링 구조를 가지는 SMA 스프링(20A)의 제작이 완료된다.
그리고, 이와 같이 이중 스프링 구조로 이루어지면, 도 2에서와 같이 단일 스프링 구조로 되어 있을 때보다 스프링의 변형량(길이방향으로 변형량)이 증가하게 되며, 그 결과 구조체의 형상을 더 효율적으로 변경할 수 있다. 실험결과, 형상기억합금의 종류와 코어의 직경에 따라 조금씩 상이하기는 하지만, 이중 스프링 구조를 형성하였을 때 단일 스프링 구조에 비하여 단위길이당 약 2배의 변형을 보이는 사실이 확인되었다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 구조체의 제작과정을 설명하기 위한 도면이며, 도 6은 도 5에 도시된 구조체의 샘플 사진이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 구조체(10B)는 복수의 제1플레이트(11B)와, 복수의 제2플레이트(12B)와, 접착부재(13)를 포함하며, 그 제작과정은 다음과 같다.
먼저, 판상으로 형성된 복수의 제1플레이트(11B)가 곡률을 가지도록 일방향으로 휜 다음 일렬로 배치한다. 그리고, 판상으로 형성된 복수의 제2플레이트(12B)가 곡률을 가지도록 휜 다음 일렬로 배치한다. 이후, 접착부재를 제1플레이트와 제2플레이트 사이에 배치한 다음, 제1플레이트(11B)의 휘어진 방향과 제2플레이트(12B)의 휘어진 방향이 서로 교차되며, 볼록한 면이 서로 마주보도록 부착한다. 이때, 접착부재는 강성이 없는 소재, 예를 들어 폴리머 등으로 이루어진다.
그리고, 이와 같이 구조체를 제작하면, 구조체가 안정된 상태의 형상 즉 제1형상 및 제2형상으로 되었을 때, 휘어진 정도가 더 증가하게 된다. 그 이유는, 앞서 설명한 실시 예와 같이 제1플레이트 및 제2플레이트가 하나의 판으로 되어 있을 때에는, 구조체가 제1형상 즉 제1플레이트가 휘어져 있던 방향으로 휠 때 제2플레이트의 강성 때문에 휘는 정도가 감소하게 되며, 반대로 제2형상으로 휠 때에도 제1플레이트의 강성 때문에 휘는 정도가 감소된다. 하지만, 본 실시예의 경우에는, 구조체가 제1플레이트가 휘어져 있던 방향으로 휠 때, 이 방향으로는 제2플레이트가 서로 분리되어 있으므로 구조체의 휘는 정도가 감소되지 않으며, 반대의 경우에도 동일하다. 따라서, 안정된 상태에서의 구조체의 휜 정도가 증가하게 된다.
한편, 본 실시예의 경우에는 접착부재가 제1플레이트와 제2플레이트 사이에 배치되었으나, 이 접착부재 없이 제1플레이트와 제2플레이트를 직접 접착하여도 된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
예를 들어, 앞서 설명한 실시예에서는 도 2에 도시된 바와 같이 구조체에 5개의 볼트를 결합하고, 이에 SMA 스프링을 연결하였다. 하지만, 이 볼트는 SMA 스프링의 힘을 구조체에 전달하기 위한 것이므로, 볼트의 형태가 아니라 구조체에 부착된 바 형태일 수도 있다. 또한, 볼트의 수 및 배치 역시 도 2에 국한되는 것이 아니라, 다수의 볼트가 일렬로 구조체에 결합되고, 이 볼트에 SMA 스프링이 연결된 구조를 가질 수도 있다.
100...양방향 안정성을 가지는 능동지능형 구조체
10...구조체 11...제1플레이트
12...제2플레이트 20...SMA 스프링

Claims (4)

  1. 판상으로 형성되며, 일방향으로 휘어져 안정된 상태가 유지되는 제1형상과, 상기 일방향과 상이한 방향으로 휘어져 안정된 상태가 유지되는 제2형상 사이에서 변형되는 구조체; 및
    상기 구조체가 상기 제1형상과 상기 제2형상 사이에서 변형되도록 상기 구조체에 외력을 인가하는 액츄에이터;를 포함하며,
    상기 액츄에이터는,
    형상기억합금(shape memory alloy; SMA)으로 이루어지며 스프링 구조를 가지며, 상기 구조체에 결합되는 SMA 스프링을 포함하며,
    상기 구조체는,
    판상으로 형성된 제1플레이트가 곡률을 가지도록 휘는 단계와,
    판상으로 형성된 제2플레이트가 곡률을 가지도록 휘는 단계와,
    상기 제1플레이트가 휘어진 방향과, 상기 제2플레이트가 휘어진 방향이 서로 교차되도록 상기 제1플레이트 및 상기 제2플레이트를 부착하는 단계를 통해 제작되는 것을 특징으로 하는 양방향 안정성을 가지는 능동지능형 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 SMA 스프링은, 형상기억합금으로 이루어지며 일방향으로 길게 형성된 와이어가 나선형으로 감겨져 형성된 1차스프링이 다시 한번 나선형으로 감겨져 이중의 스프링 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 양방향 안정성을 가지는 능동지능형 구조체.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 구조체에는 그 면에 대하여 돌출되는 복수의 연결부가 서로 이격되게 마련되어 있으며,
    상기 SMA 스프링은 상기 연결부에 결합되는 것을 특징으로 하는 양방향 안정성을 가지는 능동지능형 구조체.
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