KR101597283B1

KR101597283B1 - 클로킹 패치

Info

Publication number: KR101597283B1
Application number: KR1020150026737A
Authority: KR
Inventors: 이민경; 김윤영
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2015-02-25
Filing date: 2015-02-25
Publication date: 2016-02-24

Abstract

본 발명은 구조물에 부착되는 클로킹 패치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 소정의 면적 및 두께를 갖되, 면적 방향 중심에 소정의 내경의 중심 홀을 갖고 소정의 외경을 가져서 디스크 형태로 구성되는 바디; 및 상기 바디의 면적 상에 분산되어 상기 바디를 두께 방향으로 관통하는 복수의 홀;을 갖고, 상기 바디는, 면적 방향으로 소정의 면적을 갖는 미소 단위 셀로 구분되되, 상기 복수의 홀은, 상기 각각의 미소 단위 셀 내에 각각 배치되는 구조를 갖는 클로킹 패치에 관한 것이다.

Description

클로킹 패치{CLOCKING PATCH}

종래의 응력 분산 기술은 주로 정하중을 대상으로 하고 있다. 이미 발생한 결함(또는 구멍) 주변에 보조적인 구멍을 일부러 뚫음으로써 응력이 여러 개의 결함에 나누어서 집중되도록 하는 방법과, 구멍 또는 결함 주변에 한가지로 이루어진 물질을 두껍게 덧대어 보강하는 방법이 가장 일반적으로 쓰이고 있다. 하지만 이러한 방법들은 재료의 impedance mismatch 등으로 인해 응력을 발생시키는 기계적 진동의 방향, 경로 등을 바꿈으로써 다른 부분에 기존에는 발생하지 않았던 2차 응력 집중을 발생시킬 우려가 있다. 따라서 클로킹의 기능을 모사하여 마치 해당 결함이 존재하지 않는 것과 같이 기계 진동이 진행하도록 유도할 필요가 있다.

공개특허 2009-0018275

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 구조물에 부착되는 클로킹 패치로서, 소정의 면적 및 두께를 갖되, 면적 방향 중심에 소정의 내경의 중심 홀을 갖고 소정의 외경을 가져서 디스크 형태로 구성되는 바디; 및 상기 바디의 면적 상에 분산되어 상기 바디를 두께 방향으로 관통하는 복수의 홀;을 갖고, 상기 바디는, 면적 방향으로 소정의 면적을 갖는 미소 단위 셀로 구분되되, 상기 복수의 홀은, 상기 각각의 미소 단위 셀 내에 각각 배치되는 구조를 갖는 클로킹 패치를 제공하는 데 있다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 클로킹 패치는, 소정의 면적 및 두께를 갖되, 면적 방향 중심에 소정의 내경의 중심 홀을 갖고 소정의 외경을 가져서 디스크 형태로 구성되는 바디; 및 상기 바디의 면적 상에 분산되어 상기 바디를 두께 방향으로 관통하는 복수의 홀;을 갖고, 상기 바디는, 면적 방향으로 소정의 면적을 갖는 미소 단위 셀로 구분되되, 상기 복수의 홀은, 상기 각각의 미소 단위 셀 내에 각각 배치되는 구조를 갖는다.

바람직하게는, 상기 미소 단위 셀은, 소정의 폭 및 길이를 갖는 윗면이 정사각형인 직육면체 형태를 갖는다.

바람직하게는, 상기 바디는, 서로 평행한 복수의 가로 방향 분할선 및, 이들과 직교하며 서로 평행한 복수의 세로 방향 분할선에 의해서 분할되며, 상기 미소 단위 셀은, 상기 가로 방향 분할선 및 세로 방향 분할선이 만나 분할되는 정사각형 형상의 영역으로 구성된다.

바람직하게는, 상기 복수의 홀은, 적어도 둘 이상의 내경을 갖는다.

바람직하게는, 상기 바디는, 중심을 중심점으로 하여 중심각을 갖고 면적을 4 등분하는 4 사분 영역을 가지며, 상기 중심점을 통과하는 수직선과 수평선을 기준으로 서로 선대칭되게 배치된 1, 3 사분 영역 또는 2, 4 사분 영역 내의 상기 홀 내에는, 소정의 충진물이 삽입되며, 상기 충진물은 상기 바디를 구성하는 재질과 상이한 재질로 구성된다.

바람직하게는, 상기 바디를 구성하는 재질은 제1 파동 전달 속도를 갖고, 상기 충진물을 구성하는 재질은 제2 파동 전달 속도를 갖되, 상기 제1 파동 전달 속도보다 상기 제2 파동 전달 속도가 큰 구성을 갖는다.

바람직하게는, 상기 바디는, 구리를 포함하며, 상기 충진물은, 메탈 실리콘을 포함한다.

바람직하게는, 상기 바디는, 외경에서 내경 방향으로 두께가 증가하여 두께가 테이퍼되게 구성된다.

본 발명에 따른 클로킹 패치는 손상이 발생한 타겟에 부착됨으로써 진행하는 탄성파의 진행 경로를 변경할 수 있기 때문에, 장치 설치에 의한 2 차 응력 집중이나 원하지 않는 부분에서의 응력, 파괴 발생 등을 사전에 예방할 수 있다. 즉, 진행하는 탄성파의 진행 경로를 자유자재로 변경할 수 있으므로 장치 설치에 의한 2 차 응력 집중이나 원치 아니하는 부분에서의 응력 집중, 및 파괴 발생 등을 예방할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 클로킹 패치는 단순히 손상이 발생한 구조물에 부착시킴으로서 상기와 같은 효과를 달성할 수 있기 때문에, 구조물에 대한 보강을 간단하게 달성할 수 있으며, 구조물의 작동 중에도 적절한 응급 처치로 활용될 수 있다. 따라서 항공기, 선박, 플랜트 등 구동 중에 큰 기계적 진동 및 응력이 발생하며 보강을 위해 작동 정지가 곤란한 경우에 적절히 활용될 수 있다.

아울러, 클로킹 패치를 구성하는 바디의 크기 및 재질, 바디에 형성된 홀의 크기 및 배치, 아울러 홀에 충진되는 충진물의 재질을 적절히 탄성파의 진행 경로를 자유자재로 선택할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 클로킹 패치의 제원을 조절하는 재설계를 수행함으로서 탄성파의 진행 경로를 자유자재로 변경할 수 있고, 이에 따라서 2차 응력 집중 및 파괴 발생이 용이하게 방지될 수 있다. 특히, 복잡한 구성 및 구조의 추가 없이, 단순히 홀에 충진되는 충진물의 재질을 적절히 선택하는 것만으로도 이러한 탄성파 진행 경로의 변경이 달성될 수 있으며, 따라서 다양한 환경 및 타겟에 대한 광범위한 적용이 이루어질 수 있다. 아울러 부착하고자 하는 구조물의 재질 및 주요 주파수대역에 따라서 재설계를 수행하여 적용 가능하여 광범위한 범용성을 확보할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 클로킹 패치를 나타낸 도면이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 클로킹 패치를 나타낸 도면이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 클로킹 패치를 구성하는 미소 단위 셀을 나타낸 도면이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 클로킹 패치를 나타낸 도면이다.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 클로킹 패치를 구성하는 미소 단위 셀을 나타낸 도면이다.
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 클로킹 패치를 구성하는 미소 단위 셀을 나타낸 도면이다.
도 7 은 본 발명의 일 실시예에 따른 클로킹 패치를 구성하는 미소 단위 셀의 배치 구조를 나타낸 도면이다.
도 8 은 본 발명의 일 실시예에 따른 클로킹 패치가 타겟에 부착된 형태를 나타낸 도면이다.
도 9 는 본 발명의 일 실시예에 따른 클로킹 패치가 타겟에 부착되었을 때 탄성파의 진행을 나타낸 도면이다.
도 10 은 본 발명의 일 실시예에 따른 클로킹 패치의 각 영역에 따른 탄성파 전달 속도를 나타낸 도면이다.
도 11 은 본 발명에 따라서 포노닉 크리스털로 구성된 클로킹 패치가 응력 완화 효과를 달성하는 것을 시뮬레이션을 통해 나타낸 도면이다.
도 12 내지 도 14 는 본 발명에 따른 클로킹 패치를 이용한 응력 저감 현상을 실험을 통해 확인한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대하여 설명한다. 본 실시예는 제한적인 것으로 의도된 것이 아니다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

공간적으로 상대적인 용어인 "상부", "하부"등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 부재 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작 시 부재의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 부재를 가로놓을 경우, "상하방향"은 "좌우방향" 으로 해석될 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "상하"는 좌우 방향을 모두 포함할 수 있다. 부재는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 부재는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 부재의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 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.

도면에서 각 부재의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기와 면적은 실제크기나 면적을 전적으로 반영하는 것은 아니다.

또한, 실시예에서 본 발명의 구조를 설명하는 과정에서 언급하는 각도와 방향은 도면에 기재된 것을 기준으로 한다. 명세서에서 본 발명을 이루는 구조에 대한 설명에서, 각도에 대한 기준점과 위치관계를 명확히 언급하지 않은 경우, 관련 도면을 참조하도록 한다.

도 1 및 도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 클로킹 패치(1)를 나타낸 도면이고, 도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 클로킹 패치(1)를 구성하는 미소 단위 셀을 나타낸 도면이며, 도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 클로킹 패치(1)를 나타낸 도면이고, 도 5 및 도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 클로킹 패치(1)를 구성하는 미소 단위 셀을 나타낸 도면이며, 도 7 은 본 발명의 일 실시예에 따른 클로킹 패치(1)를 구성하는 미소 단위 셀의 배치 구조를 나타낸 도면이다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 클로킹 패치(1)는, 구조물에 부착되는 클로킹 패치(1)로서, 소정의 면적 및 두께를 갖되, 면적 방향 중심에 소정의 내경의 중심 홀(110)을 갖고 소정의 외경을 가져서 디스크 형태로 구성되는 바디(100); 및 상기 바디(100)의 면적 상에 분산되어 상기 바디(100)를 두께 방향으로 관통하는 복수의 홀(200);을 갖고, 상기 바디(100)는, 면적 방향으로 소정의 폭 및 길이를 갖는 복수의 사각형 미소 단위 셀로 구분되되, 상기 복수의 홀(200)은, 상기 각각의 미소 단위 셀 내에 각각 배치되는 구성을 갖는다.

바디(100)는 본 발명에 따른 클로킹 패치(1)의 본체를 구성하며, 소정의 면적 및 두께를 가져서 소정의 구조물에 부착되는 구성을 갖는다. 이에 따라서 바디(100)는 면적 방향으로 부착면이 형성되며, 상기 부착면에 에폭시 등과 같은 소정의 부착물이 구비되어 구조물에 부착될 수 있다.

바디(100)는 면적 방향 중심에 소정의 내경을 갖는 중공(110)을 갖게 구성되며, 아울러 원형의 외주를 가져서 전체적으로 디스크 형태로 구성된다. 즉, 바디(100)는 도 2 에 도시된 바와 같이, 소정의 외경과 소정의 내경을 갖는 디스크 형태의 구성을 갖는다. 여기서 R1 은 상기 바디(100)의 직경을 의미하며, R2 는 상기 중공(110)의 직경을 의미한다.

바디(100)는 전체적으로 소정의 재질로 구성될 수 있으며, 일 예로는 구리(Cu)를 포함할 수 있고, 이에 한정하지 아니한다. 즉, 본 발명에 따른 클로킹 패치(1)는 다양한 구조물에 활용될 수 있으므로, 부착되는 타겟의 재질 및 손상 등에 따라서 적절한 재질로 구성된 바디(100)가 마련될 수 있고, 그 재질은 한정하지 아니한다. 바람직하게는, 부착되는 타겟이 구리로 구성될 경우, 본 발명에 따른 클로킹 패치(1)의 바디(100) 또한 구리로 구성될 수 있으며, 반드시 이에 한정하는 것은 아니다.

한편, 바람직하게는, 상기 바디(100)는, 외경에서 내경 방향으로 두께가 증가하여 두께가 테이퍼되게 구성된다. 즉, 도 2 에 도시된 바와 같이, 외측부는 소정의 두께 P1 을 갖고, 내측부는 소정의 두께 P2 를 갖되, P2 는 P1 보다 클 수 있다. 이에 따라서 상기 바디(100)를 측방향에서 보면 외측 방향으로 완만하게 경사진 형태를 가질 수 있다. 아울러, 이때, 외측부의 두께 P1 의 값이 0 으로서 바디(100)의 외측부에 첨부가 형성되는 구성 또한 가능하며, 이에 한정하지 아니한다.

상기 바디(100)에는 면적 상에 분산되어 상기 바디(100)를 두께 방향으로 관통하는 복수의 홀(200)이 형성된다. 상기 홀(200)은 상기 바디(100)의 일 부분을 관통하는 관통부로 이해될 수 있으나, 여기서 관통된다 함은 반드시 빈 공간이 형성되는 것에 한정되는 의미는 아니며, 상기 홀(200)에는 후술하는 바와 같이 소정의 재질의 충진물(300)이 충진될 수 있다. 한편, 상기 홀(200)에 충진물(300)이 충진됨은 반드시 바디(100)를 관통하는 홀(200)을 형성한 후 상기 홀(200)에 충진물(300)을 충진시키는 것에 한정하지 않고, 클로킹 패치(1)를 구성하는 전체적인 본체의 일 부분이 상기 바디(100)와 상이한 재질로 구성되어 실질적으로 바디(100)가 홀(200)을 갖는 구조로 구성되는 경우도 상정할 수 있으며, 이에 한정하지 아니한다.

상기 바디(100)는, 면적 방향으로 소정의 면적을 갖는 복수의 미소 단위 셀로 구분되되, 상기 복수의 홀(200)은, 상기 각각의 미소 단위 셀 내에 각각 배치되는 구성을 갖는다. 도 3 은 도 1 의 영역 E 를 나타낸 도면으로서, 하나의 미소 단위 셀을 나타낸 도면이다.

즉, 상기 바디(100)는, 면적 방향으로 미소 면적을 갖는 복수의 미소 단위 셀의 집합으로 구성될 수 있다. 여기서, 구분된다 함은 각각 독립된 부재로서 분할된다는 의미가 아니며, 미소한 면적의 영역들로 나눌 수 있다는 의미로 이해될 수 있다.

상기 미소 단위 셀은 소정의 면적을 가지며, 상기 미소 단위 셀이 집합되어 상기 바디(100)의 전체 면적을 구성할 수 있다.

바람직하게는, 상기 미소 단위 셀은 도 3 에 도시된 바와 같이 각각 균일한 폭 L, 길이 M 및 두께 N 을 갖는 윗면이 정사각형인 직육면체 형태를 갖고, 상기 사각형의 미소 단위 셀이 집합하여 상기 바디(100)의 전체 면적을 구성할 수 있다. 이러한 형태를 달리 설명하면, 상기 바디(100)는 복수의 가로 방향 분할선과 복수의 세로 방향 분할선이 서로 교차하여 상기 가로 방향 분할선과 상기 세로 방향 분할선이 만나 형성하는 복수의 사각형 미소 단위 셀로 분할되는 것으로 이해될 수 있다. 이때, 상기 가로 방향 분할선과 상기 세로 방향 분할선은 서로 직교하여 이에 따라 분할되는 미소 단위 셀은 각각 정사각형 영역을 가질 수 있다.

상술한 복수의 홀(200)은 각각, 각각의 미소 단위 셀 내에 배치된다. 즉, 미소 단위 셀 내에 상기 홀(200)이 위치하도록 상기 홀(200)은 소정의 배치 형태를 갖는다. 달리 설명하면, 상기 홀(200)이 형성된 배치에 따라서 상기 바디(100)의 면적을 분할하면 복수의 미소 단위 셀로 구분될 수 있다고 설명될 수 있다. 한편, 이에 따라서 미소 단위 셀의 크기 및 수에 따라 바디(100)에 형성되는 홀(200)의 개수 및 단위 면적당 홀의 분포 밀도 또한 가변될 수 있으며, 미소 단위 셀이 작고 바디(100)를 분할하는 미소 단위 셀이 증가하면 바디(100)에 형성된 홀(200)의 수도 증가하고 단위 면적당 홀의 분포 밀도 또한 증가한다고 이해될 수 있다.

한편, 미소 단위 셀이 소정의 배치를 가짐에 따라서 상기 홀(200) 또한 소정의 배치를 가질 수 있다. 즉, 상기 각각의 미소 단위 셀에 상기 각각의 홀(200)이 위치함에 따라서, 상기 홀(200)의 배치는 상기 미소 단위 셀의 배치에 따르는 것으로 이해될 수 있다.

예컨대, 상술한 바와 같이, 상기 바디(100)가 복수의 가로 방향 분할선과 복수의 세로 방향 분할선이 서로 교차하여 상기 가로 방향 분할선과 상기 세로 방향 분할선이 만나 형성하는 복수의 사각형 미소 단위 셀로 분할되며, 상기 각각의 미소 단위 셀에 각각의 홀(200)이 위치하는 경우, 상기 미소 단위 셀의 배치와 마찬가지로 상기 홀(200)은 가로 방향 및 세로 방향으로 정렬되어 복수의 행렬을 갖는 배치를 가질 수 있다. 이때, 바람직하게는, 상기 홀(200)은 상기 미소 단위 셀의 중심에 위치하여 균일한 배치를 이룰 수 있다. 즉, 상기 홀(200)의 중심은 상기 미소 단위 셀의 중심과 일치하여 상기 홀(200)이 균일한 행렬 배치를 가질 수 있다.

바람직하게는, 상기 바디(100)는, 중심을 중심점으로 하여 중심각을 갖고 면적을 4 등분하는 4 개의 사분 영역을 가지며, 상기 중심점을 통과하는 수직선과 수평선을 중심으로 서로 선대칭되게 배치된 제1, 제3 사분 영역(A, C) 또는 제2, 제4 사분 영역(B, D) 내의 상기 홀(200) 내에는, 소정의 충진물(300)이 삽입되며, 상기 충진물(300)은 상기 바디(100)를 구성하는 재질과 상이한 재질로 구성된다. 여기서, 수직선과 수평선을 중심으로 서로 선대칭된다는 의미는 1사분면과 3 사분면의 관계와 같이 중심점을 중심으로 서로 마주보는 위치로 이해될 수 있다.

즉, 도 1 및 도 4 에 도시된 바와 같이, 상기 바디(100)는 4 개의 영역으로 구분된다. 여기서 구분된다 함은 상기 미소 단위 셀의 분할에서 설명한 바와 같이 각각 독립된 부재로 분할되는 것이 아니라, 소정의 면적을 갖는 영역으로 나누어짐을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.

상기 4 개의 영역은 상기 바디(100)의 중심을 중심점으로 하고, 상기 중심점을 지나 서로 소정의 사이각을 갖고 교차하는 2 개의 교차선으로 나누어지는 4 개의 사분 영역으로 이루어진다. 상기 중심점은 상기 바디(100)의 중심으로서, 상술한 바와 같이 상기 바디(100)가 디스크 형태를 가짐에 따라서 마련되는 중심으로 이해될 수 있다.

상기 4 개의 사분 영역은 순차적으로 제1 내지 제4 사분 영역(A, B, C, D)으로 나타내어질 수 있다. 즉, 예컨대 도 4 에 도시된 바와 같이 상방향의 사분 영역을 제1 사분 영역(A)으로 하고, 이어서 반시계 방향으로 제2 내지 제4 사분 영역(B, C, D)이 순차적으로 위치하는 것으로 나타내어질 수 있다. 한편, 이에 따라서 제1 사분 영역(A)과 제3 사분 영역(C)은 서로 중심점을 중심으로 하여 대칭으로 위치하고, 제2 사분 영역(B)과 제4 사분 영역(D) 또한 마찬가지의 배치를 갖는다.

이때, 상기 사이각은 직각일 수 있고, 따라서 상기 2 개의 교차선은 서로 직교하며 상기 제1 내지 제4 사분 영역(A, B, C, D)은 서로 동일한 면적을 갖는 사분면 형태를 가질 수 있다.

상기 중심점을 중심으로 서로 대칭되게 배치된 제1, 제3 사분 영역(A, C) 또는 제2, 제4 사분 영역(B, D) 내의 상기 홀(200) 내에는, 소정의 충진물(300)이 삽입된다. 도 5 는 도 4 의 E1 을 나타내며, 도 6 은 도 4 의 E2 를 나타낸다. 여기서, 도 6 의 E2 에서는 홀(200) 내에 충진물(300)이 충진되어 있음을 확인할 수 있다.

즉, 상기 충진물(300)은 상기 홀(200) 내에 충진되는 소정의 재질로서, 상기 제1 내지 제4 사분 영역(A, B, C, D) 중 중심점을 중심으로 서로 대칭되는 2 개의 영역 내에 형성된 홀(200) 내에 충진되는 구성을 갖는다. 여기서, 충진된다 함은 반드시 홀(200) 내에 소정의 재질이 주입되어 충진되는 것을 의미하는 것이 아니며, 상기 홀(200) 내에 소정의 재질의 부재가 위치하는 모든 경우를 포함하는 것으로 이해될 수 있다.

상기 충진물(300)은 상기 바디(100)를 구성하는 재질과 상이한 재질로 구성된다. 즉, 예컨대 상기 바디(100)는 구리(Cu)로 구성되며, 상기 충진물(300)은 소정의 메탈 실리콘 재질로 구성될 수 있다.

더욱 구체적으로는, 상기 바디(100)를 구성하는 재질은 제1 파동 전달 속도를 갖고, 상기 충진물(300)을 구성하는 재질은 제2 파동 전달 속도를 갖되, 상기 제1 파동 전달 속도와 상기 제2 파동 전달 속도는 상이하여, 각각 서로 상이한 파동 전달 속도를 갖는 재질로 구성될 수 있다. 즉, 상기 바디(100)를 구성하는 재질과 상기 충진물(300)을 구성하는 재질은 서로 상이한 파동 전달 속도를 갖는 재질로 구성되며, 이는 곧 파동 전달에 대해 매질로 작용할 때 서로 상이한 밀도를 갖게 작용하는 재질로 구성됨을 의미한다.

이때, 상기 제2 파동 전달 속도는 상기 제1 파동 전달 속도보다 클 수 있다. 즉, 상기 충진물(300)을 구성하는 재질의 파동 전달 속도는 상기 바디(100)를 구성하는 재질의 파동 전달 속도보다 크며, 따라서 파동 전달에 대해 보다 소한 매질로 기능하는 재질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 상술한 바와 같이 상기 바디(100)를 구성하는 재질이 구리이고, 상기 충진물(300)을 구성하는 재질이 메탈 실리콘일 경우, 상기 메탈 실리콘은 구리보다 소한 매질로 기능하는 것을 의미한다.

한편, 반면에 상기 다른 2 개의 사분 영역에 위치한 홀(200)에는 상기와 같은 충진물(300)이 배치되지 아니하며, 이는 상기 홀(200)에는 파동 전달 속도가 느린 충진물(300)이 위치하는 것과 같은 효과를 야기한다. 즉, 도면에 도시된 바와 같이, 예컨대 제1 사분 영역(A) 및 제3 사분 영역(C) 내의 홀(200)에는 상기와 같은 충진물(300)이 없고, 제2 사분 영역(B) 및 제4 사분 영역(D) 내의 홀(200)에는 상기와 같은 충진물(300)이 있는 경우, 상기 제1 사분 영역(A) 및 제3 사분 영역(C)은 파동의 전달이 비교적 억제되는 영역을 구성하며, 상기 제2 사분 영역(B) 및 제4 사분 영역(D)은 파동의 전달이 촉진되는 영역을 구성하는 것으로 파악될 수 있다.

한편, 상기 각각의 홀(200)의 크기는 상이할 수 있으며, 따라서 복수의 홀(200)은 적어도 2 개 이상의 크기를 가질 수 있다. 바람직하게는, 도 7 에 도시된 바와 같이, 대략 중심에 가까운 홀(200)이 외측에 가까운 홀(200)보다 큰 내경을 가질 수 있으며, 반드시 이에 한정하는 것은 아니다.

본 발명에 따른 클로킹 패치(1)는 도 8 에 도시된 바와 같이, 소정의 타겟(T)에 부착되어 사용될 수 있다. 이때, 타겟(T)에 대한 부착은 상술한 바와 같이 에폭시 등과 같은 소정의 부착물에 의해 이루어질 수 있으며, 이에 한정하지 아니한다.

클로킹 패치(1)의 부착은 타겟(T)에 형성된 홀, 균열과 같은 소정의 결함(H)이 본 발명에 따른 클로킹 패치(1)의 본체의 중심부에 형성된 중공(110) 내에 위치하도록 이루어진다. 이에 따라서, 도 8 과 같이 중공(110) 내에 상기 결함(H)도록 클로킹 패치(1)가 부착되되, 바람직하게는 타겟(T) 측면에 대해 클로킹 패치(1)가 모두 위치하는 형태로 부착이 이루어질 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 클로킹 패치(1)의 작동 원리에 대해 설명한다.

클로킹을 구현하기 위한 기초이론인 transformation 에 관해 설명하면, 클로킹은 공간을 변형시킴으로써, 변형전 공간에서는 직진하는 파동이 변형후 공간에서는 변형된 grid line을 따라 휘어져 전파하는 원리를 이용한다. 이는 클로킹에 사용되는 transformation 뿐만 아니라, 여러 가지 파동 조절에 사용되는 기술로서, 실제로는 공간이 휘어져있는 효과를 내기 위하여 해당 장비를 이루고 있는 매질의 물성치(탄성파의 경우 밀도, 강성)를 연속적으로 변화하도록 배치하는 설계과정을 필요로 한다.

본 발명에서 사용한 transformation 은 아래의 그림 1 과 같다. 변형전 공간은 단일의 등방성 물질로 가득 차있다고 가정하면, 이 공간을 지나는 탄성파는 직선형 grid line을 따라 직진한다. 하지만 이 공간을 두 번째 그림과 같이 변형시키면 +x 축으로 입사한 탄성파는 변형된 grid line을 따라 진행하기 때문에 내부 원형 공간에 미치지 못하고, 그 주변을 돌아간다. 따라서 내부 공간은 탄성파에 의해 인식되지 않고, 클로킹이 이루어지는 영역이라고 할 수 있다. 클로킹의 내부, 외부 경계는 아래 그림 1 의 두 번째 그림에 빨간 선으로 표시되어 있다.

<그림 1>

설명한 바와 같이 클로킹 설계의 바탕은 공간 변형이지만 실제로는 공간을 변형시키는 것은 불가능하기 때문에, 탄성파가 장치 내부에서 계속 의도한 대로 방향 및 속도가 변경되도록 하기 위해서 장치를 이루고 있는 물성치를 알맞게 변경시키는 과정을 거칠 수 있다. 물성치(밀도, 강성)의 배치는 공간 변형식으로부터 구할 수 있으며, 그 결과는, 공간좌표인 (x, y)에 대한 함수로 나타난다.

본 발명에서는 이에 맞춰서 원하는 밀도와 강성을 구현하기 위해서 주기(period)를 가지는 미소구조인 포노닉 크리스털(phononic crystal)을 이용한다. 이러한 포노닉 크리스털은 아래 그림 2 와 같이 본 발명에 따른 미소 단위 셀의 구조를 나타낸다.

<그림 2>

포노닉 크리스털을 구성하는 미소 단위 셀의 크기는 전체적인 클로킹 패치(1)의 크기나 탄성파의 구동 파장에 비하여 매우 작다. 예컨대, 상기 그림 2 에서 도시한 바와 같이, 클로킹 패치(1)의 내경과 외경이 각각 20 mm, 100 mm 이고 기본 물질을 구리로 채택한 경우에 사용되는 포노닉 크리스털을 구성하는 미소 단위 셀의 경우, 각각 5 mm 의 폭과 길이를 가질 수 있다.

이 때, 미소 단위 셀 가운데에 삽입된 물질의 종류 및 크기에 따라 해당 미소 단위 셀에서의 밀도 및 강성이 달라진다. 그리고 밀도 및 강성이 달라지면 해당 미소 단위 셀에서의 탄성파의 속도 및 방향이 달라지게 되고, 비로소 탄성파가 원하는 경로에 맞춰 진행한다. 예를 들면, 미소 단위 셀의 홀(200) 내의 내부 물질이 없고 홀(200)이 단순히 구멍(hole)인 경우, 이는 공기가 상기 홀(200) 내에 삽입된 것으로 볼 수 있고, 이러한 홀(200)의 크기가 커질수록 해당 단위셀에서의 속도가 느려지는데, 이는 공기에서는 탄성파의 진행이 억제되거나 아예 진행이 방해되기 때문이다. 반대로 홀(200) 내에 삽입되는 내부 삽입물질이 메탈 실리콘이라면, 구리로만 이루어진 미소 단위 셀에서보다 탄성파의 속도가 빨라진다. 클로킹의 전 영역을 미소구조인 미소 단위 셀로 구성하되, 각 위치에 따라 삽입 물질 종류 및 크기를 달리 하여 설계하면 원하는 대로 탄성파를 조절하는 것이 가능하다.

본 발명에 따른 클로킹 패치(1)의 구조는 상술한 바, 및 도면에 도시된 바와 같다. 즉, 4 개의 사분 영역으로 클로킹 패치(1)를 구성하는 바디(100)의 영역이 분할되며, 바디(100)에 형성된 홀(200) 내의 구조는 각각의 사분 영역에 따라서 결정된다. 즉, 상술한 바와 같이 중심점을 중심으로 대칭되게 위치한 사분 영역 내의 홀(200)은 서로 동일한 충진물(300)을 가지며, 그 외의 사분 영역 내의 홀(200) 내의 충진물(300)과 상이하게 구성된다.

이에 따라서 도 9 에 도시된 바와 같이 바디(100)를 구성하는 각각의 사분 영역에서의 탄성파의 속도 및 경로가 적절히 조절될 수 있고, 따라서 본 발명에 따른 클로킹 패치(1)가 부착되는 타겟에 소정의 결함이 있을 경우 상기 결함에 의해서 응력이 부분적으로 집중되어 추가적인 파손이 발생하는 것이 효과적으로 방지될 수 있다. 도 9 에서는, 제1 사분 영역(A) 및 제3 사분 영역(C) 내의 홀(200)에는 충진물(300)이 존재하지 않고, 제2 사분 영역(B) 및 제4 사분 영역 내의 홀(200)에는 충진물(300)이 충진되어 각각 파동 전달 속도가 조절되어 있는 것이 나타나 있다.

이에 따라서, 도 10 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 클로킹 패치(1)는 손상이 발생한 타겟에 부착됨으로써 진행하는 탄성파의 진행 경로를 변경할 수 있기 때문에, 장치 설치에 의한 2 차 응력 집중이나 원하지 않는 부분에서의 응력, 파괴 발생 등을 사전에 예방할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 클로킹 패치(1)는 단순히 손상이 발생한 구조물에 부착시킴으로서 상기와 같은 효과를 달성할 수 있기 때문에, 구조물에 대한 보강을 간단하게 달성할 수 있으며, 구조물의 작동 중에도 적절한 응급 처치로 활용될 수 있다. 따라서 항공기, 선박, 플랜트 등 구동 중에 큰 기계적 진동 및 응력이 발생하며 보강을 위해 작동 정지가 곤란한 경우에 적절히 활용될 수 있다. 즉, 바람직하게는, 클로킹 부재가 대상물에 대해 embed 됨이 이상적이나, 이러한 경우 클로킹 부재의 설치 및 적용 가능성 면에서 불리할 수 있다. 그러나, 본 발명에 따른 클로킹 패치(1)는 단순히 대상물에 대해 부착하는 것 만으로 그에 상응하는 효과를 달성할 수 있는 바, 간단한 설치에 따른 적절한 활용 가능성을 확보할 수 있다.

아울러, 바디(100)의 크기 및 재질, 바디(100)에 형성된 홀(200)의 크기 및 배치, 그리고 홀(200)에 충진되는 충진물(300)의 재질을 적절히 탄성파의 진행 경로를 자유자재로 선택할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 클로킹 패치(1)의 제원을 조절하는 재설계를 수행함으로써, 대상으로 하는 탄성파의 모드, 주파수 및 탄성파의 진행 경로를 자유자재로 변경할 수 있고, 이에 따라서 2차 응력 집중 및 파괴 발생이 용이하게 방지될 수 있다. 특히, 복잡한 구성 및 구조의 추가 없이, 단순히 홀(200)에 충진되는 충진물(300)의 재질을 적절히 선택하는 것만으로도 이러한 탄성파 진행 경로의 변경이 달성될 수 있으며, 따라서 다양한 환경 및 타겟에 대한 광범위한 적용이 이루어질 수 있다.

도 11 은 본 발명에 따라서 포노닉 크리스털로 구성된 클로킹 패치(1)가 응력 완화 효과를 달성하는 것을 시뮬레이션을 통해 나타낸 도면이다. 도 11 의 (a), (b), (c) 는 각각 패치를 부착하지 아니하여 타겟인 구리 평판에 구멍만 있는 경우와, 단순히 구리로 구성된 균일한 구조의 패치만을 부착한 경우, 및 본 발명에 따라서 포노닉 크리스털로 구성된 클로킹 패치(1)가 평판 표면에 부착된 경우로서 각각에 대해 100 kHz S0 탄성파를 인가한 결과를 나타낸다. 인장 응력이 발생하는 wave front 가 구멍 주변에 최대 응력을 가하는 것을 확인하기 위해, 별 표시가 된 부분의 응력을 측정하여 보면, 패치의 부착이 없이 구멍만이 있는 경우에는 대략 6.23 Pa 가 나타나며, 균일한 구리 구조의 패치를 부착한 경우에는 대략 4.72 Pa 나타나고, 본 발명에 따라서 포노닉 크리스털로 구성된 클로킹 패치(1)가 부착된 경우에는 약 1.93 Pa 가 나타나 집중 응력의 크기가 매우 감소하는 것을 확인할 수 있다.

도 12 내지 도 14 는 본 발명에 따른 클로킹 패치(1)를 이용한 응력 저감 현상을 실험을 통해 확인한 도면이다.

실험에 사용된 클로킹 패치(1)는 (a)와 같이 반지름 0.015 mm인 구멍이 패치 내부로 들어가도록 구리 평판 표면에 에폭시를 사용하여 부착했다. 그리고 S0 모드 탄성파에 의해 응력이 집중되는 부분에서의 신호를 측정하기 위해 (b) 와 같이 센싱 패치 및 센서를 위치시켰다. 여기서 신호가 측정되는 부분은 별(star) 표시가 된 부분이다. 그리고 응력 집중이 이루어지도록 (b) 과 같이 평면파를 입사시켰다. 이 과정에서 사용한 센서 및 액츄에이터는 모두 100 kHz 주파수 대역에서 S0 모드 탄성파를 발생시키고 측정하는데 특성화된 트랜스듀서들이다. 이 과정을 통해 원하는 부분에서 time signal을 측정하였다.

이로부터 얻은 신호로부터 원하는 시간대/주파수대역의 신호 크기를 추출하기 위하여 Short-Time Fourier Transformation(STFT)를 거친 결과는 도면 13 과 같다. 액츄에이터로부터 센서까지 신호가 도달하는 시간을 계산하여 해당 시간대에 100 kHz에서의 신호 크기를 측정한 결과, 클로킹 패치(1)가 부착되지 않았을 때 (a) 와 부착되었을 때 (b), 각각 0.083과 0.047 로, 그 크기가 반감되었음을 확인할 수 있다.

결론적으로 본 발명을 통해 클로킹 패치(1)를 응력이 집중되는 부분에 단지 부착함으로써 응력을 분산시킬 수 있음을 알 수 있다.그리고 클로킹 패치(1) 부착이 평판에 내장된 클로킹의 본연의 기능을 일부 모사할 수 있는지 확인하기 위하여 도 14 와 같이 구멍/클로킹으로부터 떨어진 위치에서 한 line을 따라 1cm 간격으로 신호를 측정하였다. 구멍만 있는 경우, 클로킹이 평판에 내장된 경우, 클로킹 패치(1)가 부착된 경우 세 가지에 대해 모두 신호를 받은 결과, 클로킹 패치(1) 부착만으로도 클로킹이 내장된 경우와 비슷한 신호 크기 분포를 얻을 수 있는 것이 확인된다.

이상에서는 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.

1: 클로킹 패치
100: 바디
110: 중공
200: 홀
300: 충진물

Claims

소정의 면적 및 두께를 갖되, 면적 방향 중심에 소정의 내경의 중심 홀을 갖고 소정의 외경을 가져서 디스크 형태로 구성되는 바디;
상기 바디의 면적 상에 분산되어 상기 바디를 두께 방향으로 관통하는 복수의 홀;을 갖고,
상기 바디는,
면적 방향으로 소정의 면적을 갖는 미소 단위 셀로 구분되되,
상기 복수의 홀은,
상기 각각의 미소 단위 셀 내에 각각 배치되며,
상기 바디는,
중심을 중심점으로 하여 중심각을 갖고 면적을 4 등분하는 4 사분 영역을 가지며,
상기 중심점을 통과하는 수직선과 수평선을 중심으로 서로 선대칭되게 배치된 1, 3 사분 영역 또는 2, 4 사분 영역 내의 상기 홀 내에는,
소정의 충진물이 삽입되며,
상기 충진물은 상기 바디를 구성하는 재질과 상이한 재질로 구성되는 클로킹 패치.
청구항 1에 있어서,
상기 미소 단위 셀은,
소정의 폭 및 길이를 갖는 윗면이 정사각형인 직육면체 형태를 갖는 클로킹 패치.
청구항 1에 있어서,
상기 바디는,
서로 평행한 복수의 가로 방향 분할선 및,
상기 가로 방향 분할선과 직교하며 서로 평행한 복수의 세로 방향 분할선에 의해서 분할되며,
상기 미소 단위 셀은,
상기 가로 방향 분할선 및 세로 방향 분할선이 만나 분할되는 정사각형 형상의 영역으로 구성되는 클로킹 패치.
청구항 1에 있어서,
상기 복수의 홀은,
적어도 둘 이상의 내경을 갖는 클로킹 패치.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 바디를 구성하는 재질은 제1 파동 전달 속도를 갖고,
상기 충진물을 구성하는 재질은 제2 파동 전달 속도를 갖되,
상기 제1 파동 전달 속도보다 상기 제2 파동 전달 속도가 큰 클로킹 패치.
청구항 1에 있어서,
상기 바디는,
구리를 포함하며,
상기 충진물은,
메탈 실리콘을 포함하는 클로킹 패치.
청구항 1에 있어서,
상기 바디는,
외경에서 내경 방향으로 두께가 증가하여 두께가 테이퍼되게 구성된 클로킹 패치.