KR101699943B1 - Fabrication method of three-dimension shell cellular structure based on wire-weaving - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 경량 구조체에 관한 것으로, 특히 3차원 박막 다공질 구조체 및 그 제조방법에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a lightweight structure, and more particularly, to a three-dimensional thin-film porous structural body and a manufacturing method thereof.
종래 경량 구조재로 발포 금속(metal foam)이 주로 사용되어 왔으나, 최근 이러한 발포 금속을 대체할 수 있는 소재로서 주기적인 트러스 구조를 갖는 개방형 경량 구조체가 개발되고 있다. 이러한 개방형 경량 구조체는 정밀한 수학적/역학적 계산을 통해 최적의 강도(strength) 및 강성(stiffness)을 갖도록 설계된 트러스 구조로 이루어지기 때문에 기계적 물성이 우수하다. 대표적인 트러스 구조로는 정팔면체의 단위셀을 갖는 옥테트(Octet) 트러스(R. Buckminster Fuller, 1961, US Patent 2,986,241)가 있으며, 옥테트 트러스는 각 요소가 정삼각형을 이루고 있어 강도와 강성이 우수하다. 또한, 최근에는 옥테트 트러스를 변형한 카고메(Kagome) 트러스가 알려져 있다(S.Hyun, A.M.Karlsson, S.Torquato, A.G.Evans, 2003. Int. J. of Solids and Structures, Vol.40, pp.6989~6998).Conventionally, metal foam has been mainly used as a lightweight structural material. Recently, an open type lightweight structure having a periodic truss structure has been developed as a substitute for such a foamed metal. Such an open type light weight structure is excellent in mechanical properties because it is made of a truss structure designed to have optimum strength and stiffness through precise mathematical / mechanical calculations. Typical truss structures include octet trusses (R. Buckminster Fuller, 1961, US Patent 2,986,241) having unit cells of an octahedron, and octet trusses have an equilateral triangle with excellent strength and rigidity. Recently, Kagome trusses are known which have modified octet trusses (S. Hyun, AMKarlsson, S. Torquato, AGEvans, 2003. Int. J. of Solids and Structures, Vol. 6989 to 6998).
본 발명자들은, 이러한 트러스 구조와 관련하여 대한민국 특허 제1029183호, 제0944326호 및 제1114153호에서 미리 형성된 2차원 카메메 트러스와 유사한 개체 일정 간격으로 배치한 상태에서 면외 3방향으로 유연한 선상체 또는 나선형 와이어를 삽입하여 제조되는, 도 1에 도시된 바와 같은 3차원 카고메 트러스 구조체와 유사한 3차원 다공질 경량 구조체를 제안한 바 있다. The present inventors have found that, in relation to such a truss structure, in a state in which they are arranged at regular intervals similar to those of a two-dimensional cammeter previously formed in Korean Patent Nos. 1029183, 0944326 and 1114153, A three-dimensional porous light weight structure similar to a three-dimensional Kagome truss structure as shown in Fig. 1, which is manufactured by inserting wires, has been proposed.
또한 본 발명자들은, 대한민국 특허 제1155267호에서 나선형 와이어로 제작하면서도 카고메 트러스와 다른 형태를 갖는, 도 2 내지 도 6에 도시된 바와 같은 옥테트 트러스 구조체 또는 정팔면체와 14면체가 조합된 트러스 구조체와 유사한 3차원 다공질 경량 구조체에 대해서도 제한한 바 있다. 도 7은 이러한 나선형 와이어로 직조된 다층 트러스 구조체의 단위셀을 나타낸다. The present inventors have also found that the octet truss structure as shown in Figs. 2 to 6, which is made of a spiral wire in Korean Patent No. 1155267, but having a different form from the Kagome truss, or a truss structure in which an octahedron and a tetrahedron are combined There is also a limitation on the three-dimensional porous lightweight structure. Fig. 7 shows a unit cell of a multi-layer truss structure woven with such a helical wire.
또한 본 발명자들은, 대한민국 특허 제1057946호에서 유사 카고메 트러스 구조체에 액상의 합성 수지 또는 금속을 일정시간 침지하여 잔류시킨 후 경화시킴으로써, 트러스 구조체의 단위셀 중 작은 크기의 셀에 고체가 충진된 도 8에 도시된 바와 같은 트러스 타입의 주기적인 다공질 재료를 제안한 바 있다. 이러한 다공질 재료는 압축이나 전단 하중 인가시 트러스 요소의 급격한 좌굴을 억제함으로써 그 강도가 향상될 수 있다. Further, the present inventors have found that, in Korean Patent No. 1057946, a synthetic resin or metal of a liquid phase is immersed in a quasi-Kagome truss structure to remain for a predetermined time and then cured to obtain a unit cell of a truss structure, A truss type periodic porous material as shown in Fig. The strength of the porous material can be improved by suppressing abrupt buckling of the truss element when compression or shear load is applied.
또한 본 발명자들은, 대한민국 특허 제1495474호에서 도 9에 도시된 바와 같이 유연한 선상체 또는 와이어를 면내 방향 및 면외 방향에서 연속적인 공정으로 동시에 직조하는 방법으로서, 상기한 트러스 유사 구조의 3차원 다공질 경량 구조체를 단순한 방식으로 대량으로 생산할 수 있는 방법을 제안한 바 있다. 해당 특허에 따라 제조된 예로서 도 10의 구조체는, 각주 형상을 가지며 측면 경계가 일정하여 외관 디자인이 우수하고 기계적 강도가 우수하다.The inventors of the present invention have also proposed a method for simultaneously weaving a flexible strand or wire in a continuous process in an in-plane direction and an out-of-plane direction as shown in Fig. 9 in Korean Patent No. 1495474, wherein the truss- We have proposed a method to mass-produce a structure in a simple manner. As an example manufactured according to the patent, the structure shown in Fig. 10 has a prism shape and a constant lateral boundary, which is excellent in appearance design and excellent in mechanical strength.
이상의 도 1 내지 도 10에서 설명한 3차원 격자 트러스 구조체 또는 이와 유사한 구조체들은 공극률(porosity)이 50 ~ 99% 수준의 다공성을 갖는다. The three-dimensional lattice truss structures or similar structures described in FIGS. 1 to 10 have a porosity of 50 to 99%.
종래 또 다른 형태의 경량 구조재로서 중공형의 트러스 요소로 이루어진 격자 구조의 극저밀도 재료가 제안되고 있다. 그 일례로서, 2011년 11월자 Science 지(紙) (T.A. Schaedler, et al., Science, Vol.334. pp.962-965 November 18, 2011)에는 3차원 격자 트러스 구조를 가지며 밀도가 물의 1/1000 수준의 새로운 개념의 극저밀도 금속 마이크로격자(micro-lattice)가 소개된 바 있다. 도 11은 이러한 금속 마이크로격자를 제조하는 방법을 나타낸다. 먼저 자외선에 노출되면 고체화되는 액상 감광성수지(photo monomer) 벌크에 미세한 구멍이 규칙적으로 천공된 패턴을 갖는 마스크(mask)를 상기 벌크의 특정면에 배치한 상태에서 그 위로 자외선을 조사한다. 마스크를 통과한 다수의 빔(beam) 형태의 자외선에 노출된 액상 감광성수지는 고체화된다. 고상수지는 액상 감광성수지보다 밀도가 높기 때문에, 자외선은 고상수지 내부로 전반사가 유도되어 분산되지 않고 직진하는, 소위 “self propagating” 현상이 발생한다. 자외선 조사 방향을 다르게 하여 이러한 과정을 복수의 방향으로 반복함으로써 액상 감광성수지 벌크 내부에 고상수지로 이루어진 격자를 형성하게 된다. 고상수지 마이크로격자로부터 액상 감광성수지를 제거한 후, 고상수지 마이크로격자의 표면에 니켈 합금인 NiP를 자기촉매 무전해(autocatalytic electoroless) 도금한 후, 고상수지를 화학적 에칭으로 제거함으로써 도 12와 같은 극저밀도이면서도 상대적으로 높은 강도와 강성을 갖는 마이크로격자(Microlattice)를 완성한다. Conventionally, another ultra-low-density material having a lattice structure made of a hollow truss element has been proposed as a lightweight structural material. As an example, in the November 2011 Science paper (TA Schaedler, et al., Science, Vol.334 pp.962-965 November 18, 2011), a three-dimensional lattice truss structure and a density of 1 / A new concept of ultra-low-density metal micro-lattices of 1000 levels has been introduced. Fig. 11 shows a method of manufacturing such a metal micro-grating. First, a mask having a pattern in which fine holes are regularly punctured in a bulk of a liquid photo-solid resin which solidifies when exposed to ultraviolet rays is arranged on a specific surface of the bulk, and ultraviolet rays are irradiated on the mask. The liquid photosensitive resin exposed to ultraviolet rays in the form of a plurality of beams passing through the mask is solidified. Since the solid resin has a density higher than that of the liquid photosensitive resin, a so-called " self propagating " phenomenon occurs in which ultraviolet light is totally guided into the solid resin and dispersed without being dispersed. By repeating this process in a plurality of directions with different ultraviolet irradiation directions, a lattice made of solid resin is formed in the bulk of the liquid photosensitive resin. After the liquid photosensitive resin was removed from the solid resin micro-grid, the nickel alloy NiP was plated by autocatalytic electroless onto the surface of the solid-state resin micro-grid, and the solid resin was removed by chemical etching to obtain a very low density (Microlattice) with relatively high strength and rigidity.
가장 최근의 또 다른 극저밀도 재료로서 2013년 Nature Materials 지(紙) (D. Jang, et al., Nat. Mater., Vol. 12, pp. 893-898, 2013)와 2014년 Science 지(紙) (L.R. Meza, et al., Science, Vol. 345, pp. 1322-1326, 2014)에는 나노 격자(Nanolattice)라고 명명된 새로운 극저밀도 구조체가 소개된 바 있고, 2014년 Science 지(紙) (X. Zheng, et al., Science, Vol. 344, pp. 1373, 2014)에는 기계적 메타재료(Mechanical Metamaterial)이라고 명명된 세번째 극저밀도 재료가 소개된 바 있다. 이러한 가장 최근의 나노 격자(nanolattice)와 기계적 메타재료(Mechanical Metamaterial)는 면내 격자 요소가 결여되지 않은 안정적인 팔면체(Octahedron) 또는 옥테트(Octet) 격자 구조를 가지므로 무게 대비 강도가 높다. 이러한 나노 격자(nanolattice)와 기계적 메타재료(Mechanical Metamaterial)는 광 리소그래피로 고상수지로 구성된 3차원 격자 구조체를 만들고 표면에 고경도 물질을 코팅한 후 내부 고상수지를 식각하는 방법으로 제조된다는 점에서 상기한 마이크로격자(Microlattice)와 동일하지만, 나노 격자(nanolattice)와 기계적 메타재료(Mechanical Metamaterial)에 사용된 광 리소그래피 기술은 각각 2광자(Two Photon) 리소그래피와 프로젝션 마이크로스테레오(Projection microstereo) 리소그래피로서 일종의 3D 프린팅법이다. 따라서, 이 두 기술에 의한 제작 속도가 매우 느려 대량생산이 어렵고 리소그래피 기술은 속도가 매우 느려 대량 생산에 적용되기에 극히 부적절하며 제품 크기 또한 수 내지 수백 마이크로미터 수준의 초소형이어서 공학적 응용에 큰 제약이 되고 있다. The most recent ultra-low density material is Nature Materials (paper) (D. Jang, et al., Nat. Mater., Vol. 12, pp. 893-898, 2013) A new ultra-low density structure, named Nanolattice, has been introduced in LR Meza, et al., Science, Vol. 345, pp. 1322-1326, X. Zheng, et al., Science, Vol. 344, pp. 1373, 2014) has introduced a third ultra-low density material named Mechanical Metamaterial. These latest nanolattices and mechanical metamaterials have a strong weight-to-weight ratio because they have a stable Octahedron or Octet lattice structure free of in-plane lattice elements. Such a nanolattice and a mechanical metamaterial are manufactured by a method of forming a three-dimensional lattice structure composed of a solid resin by photolithography, coating a hard material on the surface, and then etching the internal solid resin. Same as one microlattice, but the photolithography techniques used in nanolattices and mechanical metamaterials are two-photon lithography and projection microstereo lithography, respectively, Printing method. Therefore, the production speed is very slow due to these two techniques, and it is difficult to mass-produce and the lithography technique is very slow to be applied to mass production, and the size of the product is also very small, ranging from several to several hundred micrometers, .
상기한 3종의 마이크로 격자(Microlattice), 나노격자(nanolattice) 및 기계적 메타재료(Mechanical Metamaterial) 극저밀도 재료 모두 중공형의 트러스 요소로 이루어진 격자 구조이고, 공통적으로 트러스 요소의 교차점 부근의 형상이 복잡하여 결합이나 응력 집중이 발생하기 쉬운 문제가 있다.The microlattices, nanolattices, and mechanical metamaterials of the above-mentioned three types of extremely low density materials are lattice structures made of hollow truss elements. In general, the shape of the vicinity of the intersection of the truss elements is complicated There is a problem that bonding or stress concentration is likely to occur.
한편 본 발명자들은, 대한민국 특허 제1341216호에서 광 리소그래피에 기초하여 수백 나노미터의 두께를 갖는 박막으로 이루어진 균일한 3차원 다면체가 공간상에 다수 규칙적으로 배열된 형태를 가짐으로써, 무게 대비 강도 및 강성이 높고 표면적이 큰 극저밀도 3차원 박막 다공질 구조체를 제조하는 방법을 제시한 바 있다. 도 13의 상부와 하부는 각각 그 제조공정과 8면체 박막구조체를 만드는 사용된 마스크, 희생구조체(template) 및 완성된 제품의 형상을 나타내고 있다. 해당 특허에 따른 박막 구조체 역시 폴리머 희생구조체(template)를 먼저 만들고 그 표면에 경질 코팅을 한 후 내부의 폴리머 희생구조체를 식각(etching)하는 방법으로 제조한다는 점에서 상기한 3종의 극저밀도 재료와 동일하나, 상기한 3종의 극저밀도 재료는 내부가 빈 트러스(hollow truss) 요소로 구성되었지만 해당 특허에 따른 박막 구조체는 얇은 다면체 쉘(thin polyhedron shell)로 구성되며, 상기 마이크로격자와 동일하게 마스크(mask)와 “self propagating”현상에 기반한 광 리소그래피를 이용하기 때문에 대량생산성과 상대적으로 대형으로 제품 제조에 유리하다. 또한 면외(out-of-plane) 방향으로만 조사되는 자외선에 의하여 희생구조물(template)를 제조함에도 불구하고 음각형태로(negative template) 제조되기 때문에 구조적으로 안정된 제품을 얻을 수 있다. 이 극저밀도 재료는 쉘(shell)로 구성된 다공질 (cellular) 재료라는 뜻으로 소위 “L-Shellular”로 명명되었다. (Seung Chul Han, Jeong Woo Lee, Kiju Kang, “A New Type of Low Density Material; Shellular”, Advanced Materials, Vol.27, pp.5506-5511, 2015.)On the other hand, the present inventors have found that, in Korean Patent No. 1341216, a plurality of uniform three-dimensional polyhedrons composed of thin films having a thickness of several hundred nanometers are arrayed regularly on the basis of optical lithography, Density thin film porous structure having a high surface area and a high surface area. The upper and lower portions of FIG. 13 respectively show the shapes of the mask, the sacrificial template and the finished product used to make the manufacturing process and the octahedral thin film structure. The thin film structure according to the patent is also prepared by first preparing a polymer sacrificial template, hard coating the surface thereof, and then etching the inner sacrificial polymer structure, However, the three kinds of extremely low density materials are composed of hollow truss elements. However, the thin film structure according to the patent is composed of a thin polyhedron shell, and like the micro grating, because of the use of photolithography based on mask and "self propagating" phenomenon, it is advantageous for mass production and relatively large product manufacturing. In addition, even though the ultraviolet ray is irradiated only in the out-of-plane direction, the template is manufactured in a negative shape, so that a structurally stable product can be obtained. This very low density material is called "L-Shellular" which means a cellular material composed of a shell. (Seung Chul Han, Jeong Woo Lee, Kiju Kang, " A New Type of Low Density Material; Shellular ", Advanced Materials, Vol.27, pp.5506-5511,
상기한 4종의 마이크로격자(Microlattice), 나노래티스(nanolattice), Mechanical Metamaterial 및 Shellur 등의 극저밀도 재료는 모두 박막으로 구성되며 그 형상이 위치에 따라 다르게 되므로 외부 하중을 받자마자 국부적으로 좌굴이 발생하게 된다. 이러한 조기국부좌굴이 즉각적인 구조적 붕괴를 일으키지는 않지만 강도를 크게 떨어뜨리는 원인이 된다.The very low density materials such as Microlattice, Nanolattice, Mechanical Metamaterial and Shellur are all composed of thin films and their shapes are different according to their positions. As a result, local buckling occurs as soon as an external load is applied . This early local buckling does not cause immediate structural collapse but causes a significant drop in strength.
한편, 1865년 독일의 수학자 H.A. Schwarz는, 3차원 공간상에 스스로 교차하지 않고(non-self intersecting) 주기적으로 반복되는 곡면 구조체로서, 특히 영의 평균곡률(zero mean curverture)을 갖는 TPMS(Triply Periodic Minimal Surface: 3-주기적 최소곡면)를 발표하였다(Gesammelte Mathematische Abhandlungen, Springer). 이 경우, 상기 평균곡률(mean curverture)은 3차원 면의 한 점에서 서로 수직한 두방향의 최대곡률과 최소곡률의 평균값을 의미하며, 3차원 면의 굴곡진 정도를 나타낸다. 1960년대 A. Schoen이 이를 정리하고 새로운 몇가지 TPMS를 추가하였다(S. Hyde et al., The Language of Shape, Elsevier, 1997, ISBN: 978-0-444-81538-5). 이러한 TPMS는 도 14에 나타낸 바와 같이 다양한 형태가 존재하며 이중 P-surface와 D-surface 가 화학 및 생물분야에서 가장 대표적으로 인용되고 있다. 자연계에서 TPMS는 물-유화제 혼합물, 세포박막, 성게 표피판, 실리케이트 meso-phase 등에서 발견되는데, 대부분 두 개의 상 (phase)을 분리하는 계면의 형태로 존재하며 경량 다공질 구조체의 형태로는 발견되지 않는다.Meanwhile, in 1865 the German mathematician H.A. Schwarz is a curvilinear structure that is periodically repeated in non-self intersecting on a three-dimensional space. In particular, it is a Triply Periodic Minimal Surface (TPMS) with zero mean curvature ) (Gesammelte Mathematische Abhandlungen, Springer). In this case, the mean curvature means an average value of the maximum curvature and the minimum curvature in two directions perpendicular to each other at a point on the three-dimensional surface, and represents the degree of curvature of the three-dimensional surface. In the 1960s A. Schoen summarized and added several new TPMSs (S. Hyde et al., The Language of Shape, Elsevier, 1997, ISBN: 978-0-444-81538-5). As shown in FIG. 14, there are various types of TPMS such as P-surface and D-surface, which are cited most typically in the chemical and biological fields. In nature, TPMS is found in water-emulsifier mixtures, cell membranes, urchin epidermis, silicate meso-phase, most of which are in the form of interfaces separating the two phases and are not found in the form of lightweight porous structures .
나아가, 상기한 영의 평균곡률(zero mean curverture)을 갖는 TPMS는 구조체의 경우 내부와 외부공간의 체적비가 1:1로 동일하지만, 구조체의 체적비가 다른 경우에도 평균곡률이 균일(constant)하면 주어진 내/외부 공간비에 대해 최소 표면적(minimal surface)의 곡면이 형성되기 때문에 TPMS라고 할 수 있다. (참고문헌: M. Maldovan and E. L. Thomas, “Periodic Materials and Interference Lithography, 2009 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, ISBN: 978-3-527-31999-2) 상기 TPMS는 곡면에 어디에서나 균일한 평균곡률을 가지고 있어 TPMS형태로 제조된 박막 구조체에 외부하중이 작용할 때, 응력이 어느 한 부분에 집중 되지 아니 하므로 상기의 극저밀도 재료에서 발생하는 조기 국부좌굴현상이 발생하지 않을 것으로 기대된다. Rajagopalan와 Robb은 P-surface 형태의 박막 구조체에 압축하중이 작용할 경우 응력분포가 균일하여 높은 하중을 받을 수 있을 것으로 보고하였다(S. Rajagopalan, R.A. Robb, Med. Image Anal. 2006, 10, 693.). 상기에 언급한 광 리소그래피를 기반으로 제조된 “Shellular”도 대한민국 특허 제1341216호에서 제시한 정팔면체로 구성된 구조체 대신 마스크 패턴의 변형과 희생구조체의 형성공정 개선을 통하여 날카로운 모서리들이 부드럽게 변형되어 상기 “L-Shellular”의 일종으로서 도 15에 도시된 P-surface 와 유사한 형태로 제조될 수 있다(Seung Chul Han, Jeong Woo Lee, Kiju Kang, “A New Type of Low Density Material; Shellular”, Advanced Materials, pp.5506-5511, 2015.). 하지만 상기의 방법은 TPMS 형태의 박막구조를 가진 극저밀도 재료를 대형 또는 대량으로 만드는데 부적합하다.Furthermore, the TPMS having a zero mean curvature of zero has a volume ratio of 1: 1 between the inner and outer spaces of the structure. However, even if the volume ratios of the structures are different, if the average curvature is constant, TPMS can be said because a surface of minimal surface is formed for the inner / outer space ratio. (References: M. Maldovan and EL Thomas, "Periodic Materials and Interference Lithography, 2009 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, ISBN: 978-3-527-31999-2) When an external load is applied to a thin film structure having an average curvature and formed in the form of TPMS, it is expected that early local buckling phenomenon occurring in the extremely low density material will not occur because the stress is not concentrated at a certain portion. Rajagopalan and Robb reported that when the compressive load is applied to the P-surface thin film structure, the stress distribution is uniform and can be subjected to a high load (S. Rajagopalan, RA Robb, Med. ). The "Shellular" fabricated on the basis of the above-mentioned photolithography is also modified by the modification of the mask pattern and the formation process of the sacrificial structure instead of the structure composed of the octahedron presented in Korean Patent No. 1341216, (Seung Chul Han, Jeong Woo Lee, Kiju Kang, " A New Type of Low Density Material, Shellular ", Advanced Materials, pp .5506-5511, 2015.). However, the above method is unsuitable for making a very low-density material having a thin film structure of TPMS type in a large size or a large volume.
본 발명은, 대량생산에 유리하고 고강도 및 강성을 갖는 TPMS 형태의 3차원 다공질 박막 구조체 및 그 제조방법을 제공하는 것이다. Disclosed is a TPMS-type three-dimensional porous thin film structure which is advantageous for mass production and has high strength and rigidity, and a method for producing the same.
본 발명자들은, 종래 마이크로격자(Microlattice), 나노래티스(nanolattice), Mechanical Metamaterial 및 Shellur 등의 극저밀도 재료에서 문제가 되는 조기 국부좌굴 현상이 TPMS형태로 제조된 박막 구조체서는 발생하지 않는다는 사실을 인지하였다. 또한 본 발명자들은, 이러한 TPMS 형태의 3차원 다공질 박막 구조체를 대량으로 생산할 수 있는 방안을 도모하는 과정에서, 본 발명자들이 이미 개발한 유연한 선상체 또는 강성의 나선형 와이어로 구성된 3차원 트러스와 유사한 형태의 구조체의 셀 일부를 액상 수지로 충진하고 고형화하여 템플릿으로 하는 것에 착안하고, 이 경우 충진되는 액상 수지의 표면 장력과 액상 수지와 와이어간의 분자간력이 적절히 제어될 경우 TPMS 형태의 템플릿 제조가 가능함을 발견하고 본 발명에 이르게 되었다. 이상의 해결과제에 대한 인식 및 이에 기초한 해결수단에 관한 본 발명의 요지는 아래와 같다. The present inventors have recognized that a thin film structure produced in the TPMS form does not occur in the early local buckling phenomenon which is a problem in extremely low density materials such as microlattice, nanolattice, mechanical metamaterial and shellur . The present inventors have also found that, in the process of producing such a TPMS-type three-dimensional porous thin film structure in large quantities, the inventors of the present invention have found that a three-dimensional truss structure similar to a three-dimensional truss composed of a flexible stranded wire or a rigid spiral wire In this case, it is found that the TPMS type template can be manufactured when the surface tension of the liquid resin to be filled and the intermolecular force between the liquid resin and the wire are appropriately controlled, in order to find out that a part of the cell of the structure is filled with a liquid resin and solidified to form a template. And led to the present invention. The gist of the present invention regarding the recognition of the above-mentioned problems and the solution means based on the above is as follows.
(1) 템플릿을 제조하는 단계; 상기 템플릿의 외부에 박막을 형성하는 단계; 상기 박막의 일부를 제거하여 템플릿의 일부를 노출시키는 단계; 및 상기 템플릿을 제거하는 단계를 포함하고, 상기 템플릿은 단위셀이 액상 물질로 충진되어 고형화된 트러스 형태의 3차원 경량 구조체이고, 상기 액상 물질의 표면 장력과 액상 물질과 트러스 요소 사이의 분자간력이 균형을 이루어 충진된 액상 물질의 곡면이 균일 평균곡률을 갖도록 제어되는 것을 특징으로 하는, 극저밀도 3차원 박막 다공질 구조체의 제조방법.(1) fabricating a template; Forming a thin film outside the template; Removing a portion of the thin film to expose a portion of the template; And removing the template, wherein the template is a truss-shaped three-dimensional lightweight structure in which the unit cell is filled with a liquid material and solidified, and the surface tension of the liquid material and the intermolecular force between the liquid material and the truss element And the curved surface of the filled liquid material is controlled so as to have a uniform average curvature in a balanced manner.
(2) 상기 단위셀은 카고메, 팔면체, 육면체, 사방 십이면체, 육팔면체 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 상기 (1)의 극저밀도 3차원 박막 다공질 구조체의 제조방법.(2) The method for producing an ultra-low density three-dimensional thin film porous structural body according to (1), wherein the unit cell is any one of a Kagome, an octahedron, a hexahedron, a quadrilateral, and a hexahedron.
(3) 상기 3차원 경량 구조체는 유연한 선상체 또는 나선형 와이어로 직조되는 것을 특징으로 하는, 상기 (1)의 극저밀도 3차원 박막 다공질 구조체의 제조방법. (3) The method for manufacturing an ultra-low density three-dimensional thin film porous structural body according to (1), wherein the three-dimensional lightweight structure is woven with a flexible wire or a spiral wire.
(4) 상기 액상 물질은 수지 또는 금속인 것을 특징으로 하는, 상기 (1)의 극저밀도 3차원 박막 다공질 구조체의 제조방법.(4) The method for producing an ultra-low density three-dimensional thin film porous structural body according to (1), wherein the liquid material is a resin or a metal.
(5) 상기 박막은 금속, 수지 또는 세라믹인 것을 특징으로 하는, 상기 (1)의 극저밀도 3차원 박막 다공질 구조체의 제조방법.(5) The method for producing an ultra-low density three-dimensional thin film porous structural body according to (1), wherein the thin film is a metal, a resin or a ceramic.
(6) 상기 박막은 동종 또는 이종 재질이 복층으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 상기 (1)의 극저밀도 3차원 박막 다공질 구조체의 제조방법.(6) The method of manufacturing the ultra-low density three-dimensional thin film porous structural body of (1), wherein the thin film is formed of a homogeneous or heterogeneous material in a multilayer.
(7) 상기 박막은 도금 또는 증착 방식으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 상기 (1)의 극저밀도 3차원 박막 다공질 구조체의 제조방법.(7) The method of manufacturing the ultra-low density three-dimensional thin film porous structural body of (1), wherein the thin film is formed by plating or vapor deposition.
(8) 상기 박막 일부의 제거는 기계적 연마, 전해 연마 또는 화학적 에칭 중 어느 하나의 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는, 상기 (1)의 극저밀도 3차원 박막 다공질 구조체의 제조방법.(8) The method of manufacturing the ultra-low density three-dimensional thin film porous structural body of (1), wherein the removal of the thin film portion is performed by any one of mechanical polishing, electrolytic polishing, and chemical etching.
(9) 상기 템플릿의 제거는 화학적, 물리적, 열적, 또는 광학적인 방법 중 어느 하나의 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는, 상기 (1)의 극저밀도 3차원 박막 다공질 구조체의 제조방법.(9) The method of manufacturing the ultra-low density three-dimensional thin film porous structural member of (1), wherein the removal of the template is performed by any one of chemical, physical, thermal, and optical methods.
(10) 상기 템플릿의 제거 전 또는 후에 발포성 재료를 충진하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 상기 (1)의 극저밀도 3차원 박막 다공질 구조체 제조방법.(10) The method of manufacturing the ultra-low density three-dimensional thin film porous structural body of (1), further comprising filling the foamable material before or after the removal of the template.
(11) 박막형 셀이 3차원 공간상에서 규칙적으로 배열되어 연결된 구조로 이루어지고, 상기 박막형 셀의 표면은 균일 평균곡률을 갖는 곡면인 것을 특징으로 하는 극저밀도 3차원 박막 다공질 구조체.(11) The ultra-low density three-dimensional thin film porous structure according to any one of (1) to (7), wherein the thin-film type cells are regularly arranged and connected in a three-dimensional space and the surfaces of the thin-film type cells are curved surfaces having a uniform average curvature.
(12) 상기 박막형 셀의 표면은 P-Surface 형태의 3주기적 최소곡면을 이루는 것을 특징으로 하는 상기 (11)의 극저밀도 3차원 박막 다공질 구조체. (12) The ultra-low density three-dimensional thin film porous structural body according to (11), wherein the surface of the thin-film type cell forms a three periodic minimum curved surface of a P-surface type.
(13) 상기 박막형 셀의 표면은 D-Surface 형태의 3주기적 최소곡면을 이루는 것을 특징으로 하는 상기 (11)의 극저밀도 3차원 박막 다공질 구조체.(13) The ultra-low density three-dimensional thin film porous structural body according to (11), wherein the surface of the thin-film type cell has three periodic minimum curved surfaces of D-surface type.
(14) 상기 박막형 셀이 점유하는 내부 공간 또는 외부공간 중 어느 하나 또는 양자 모두에 충진되는 발포성 재료를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 (11)의 극저밀도 3차원 박막 다공질 구조체.(14) The ultra-low density three-dimensional thin film porous structural body according to (11), further comprising a foamable material filled in one or both of an inner space and an outer space occupied by the thin-film type cells.
(15) 상기 (1) 내지 (11) 중 어느 한 항에 따라 제조된 극저밀도 3차원 박막 다공질 구조체.(15) An extremely low-density three-dimensional thin-film porous structural body produced according to any one of (1) to (11) above.
본 발명에 따른 3차원 박막 다공질 구조체 제조방법은, 용이하게 제작될 수 있는 3차원 경량 구조체를 템플릿으로 하여 고강도 고강성의 극저밀도 3차원 박막 다공질 구조체를 대량으로 생산하기에 적합하고, 제조시 결함 발생이 억제될 수 있다.The method for manufacturing a three-dimensional thin film porous structural body according to the present invention is suitable for mass production of a very low-density three-dimensional thin-film porous structural body of high strength and high rigidity using a three-dimensional lightweight structural body that can be easily produced, The occurrence can be suppressed.
또한 본 발명에 따른 3차원 박막 다공질 구조체는, 박막형 셀이 3차원 공간상에서 규칙적으로 배열되어 연결된 구조로서, 박막형 셀의 표면이 균일 평균곡률을 갖는 3주기적 최소곡면을 가짐으로써 외부하중 인가시 조기 국부좌굴현상 및 응력집중이 억제되어 높은 강도와 강성을 갖는다. 이러한 3차원 박막 다공질 구조체는, 종래 마이크로래티스와 같은 극저밀도 재료와 비교하여 중량 대비 높은 강도와 강성을 갖기 때문에 경량 구조재로 유리하게 적용될 수 있고, 상대적으로 큰 비표면적을 갖기 때문에 열전달 매체 또는 촉매지지체 등의 용도로도 활용될 수 있다.The three-dimensional thin-film porous structural body according to the present invention is a structure in which thin-film cells are regularly arranged and arranged in a three-dimensional space, and the surface of the thin-film cell has three periodic minimum curved surfaces having uniform average curvature, The buckling phenomenon and the stress concentration are suppressed to have high strength and rigidity. Such a three-dimensional thin film porous structural body can be advantageously applied as a lightweight structural material because it has high strength and rigidity as compared with extreme low density materials such as micro lattices in the prior art and has a relatively large specific surface area, And the like.
도 1 내지 도 6은 종래 기술에 따라 나선형 와이어로 제조된 3차원 다공질 경량 구조체의 구조도.
도 7은 종래 기술에 따라 나선형 와이어로 제조된 3차원 다공질 경량 구조체의 단위셀의 구조도.
도 8은 종래 기술에 따라 나선형 와이어로 제조되고, 단위셀이 충진된 형태의 3차원 다공질 경량 구조체의 구조도.
도 9는 종래 기술에 따라 유연한 선상체(와이어)로 3차원 다공질 경량 구조체를 제조하는 방법에 관한 모식도.
도 10은 도 9의 방법에 따라 제조된 3차원 다공질 경량 구조체의 구조도.
도 11은 종래기술에 따른 마이크로격자의 제조방법에 관한 공정 개념도.
도 12는 종래기술에 따른 마이크로 격자의 구조도.
도 13은 종래기술에 따른 3차원 박막 다공질 구조체의 제조 공정도.
도 14는 3주기적 최소곡면(TPMS; Triply Periodic Minimal Surface)의 기하학적 구조도.
도 15는 종래기술에 따른 3 주기적 최소곡면을 갖는 3차원 박막 구조체의 제품 사진.
도 16은 본 발명에 따른 3차원 박막 다공질 구조체의 제조방법에 관한 플로우차트.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 박막 다공질 구조체의 제조 공정도.
도 18은 도 17의 실시예에서 액상 수지의 표면장력과 액상 수지와 와이어 간의 분자간력의 차이에 따른 표면 형태의 변화를 나타낸 도면.
도 19는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 박막 다공질 구조체의 제조 공정도.
도 20은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 3차원 박막 다공질 구조체에 대한 유한요소해석 결과.FIGS. 1 to 6 are structural diagrams of a three-dimensional porous lightweight structure made of a spiral wire according to the prior art.
7 is a structural view of a unit cell of a three-dimensional porous lightweight structure made of a spiral wire according to the prior art.
8 is a structural view of a three-dimensional porous lightweight structure in the form of a unit cell filled with a spiral wire according to a conventional technique.
9 is a schematic diagram of a method for manufacturing a three-dimensional porous lightweight structure with a flexible strand (wire) according to the prior art.
10 is a structural view of a three-dimensional porous lightweight structure manufactured according to the method of FIG.
11 is a process conceptual diagram of a method of manufacturing a micro-grating according to the prior art.
12 is a structural view of a micro-grid according to the prior art.
13 is a view showing a manufacturing process of a three-dimensional thin-film porous structural body according to the prior art.
14 is a geometrical view of a triple periodic minimum surface (TPMS).
15 is a photograph of a product of a three-dimensional thin film structure having three periodic minimum curved surfaces according to the related art.
16 is a flowchart related to a method for manufacturing a three-dimensional thin-film porous structural body according to the present invention.
17 is a view showing a manufacturing process of a three-dimensional thin-film porous structural body according to an embodiment of the present invention.
Fig. 18 is a view showing a change in the surface morphology according to the difference between the surface tension of the liquid resin and the intermolecular force between the liquid resin and the wire in the embodiment of Fig. 17; Fig.
19 is a view showing a manufacturing process of a three-dimensional thin-film porous structural body according to another embodiment of the present invention.
FIG. 20 shows the result of finite element analysis of a three-dimensional thin film porous structure manufactured according to an embodiment of the present invention.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예의 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명의 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 한편, 도면에서 동일 또는 균등물에 대해서는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하였으며, 또한 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.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. Prior to this, terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms, and the inventor should appropriately interpret the concepts of the terms appropriately It should be construed as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention. Therefore, the configuration of the embodiment described in the present specification is merely the most preferred embodiment of the present invention, and does not represent all the technical ideas of the present invention, so that various equivalents And variations may be made. On the other hand, in the drawings, the same or similar reference numerals are given to the same or equivalent elements in the drawings, and, in the entire specification, when a component is referred to as being "comprising" But may include other components.
도 16은 본 발명에 따른 3차원 박막 다공질 구조체의 제조방법에 관한 플로우차트이다. 상기 제조방법은, 템플릿을 제조하는 단계(S10); 상기 템플릿의 외부에 박막을 형성하는 단계(S20); 상기 박막의 일부를 제거하여 템플릿의 일부를 노출시키는 단계(S30); 및 상기 템플릿을 제거하는 단계(S40)를 포함한다. 이 경우, 상기 템플릿은 단위셀이 액상 물질로 충진되어 고형화된 트러스 형태의 3차원 경량 구조체이고, 상기 액상 물질의 표면 장력과 액상 물질과 트러스 요소 사이의 분자간력(intermorecular force)이 균형을 이루어 충진된 액상 물질이 균일 평균곡률(constant mean curverture), 즉 곡면의 모든 점에서 일정한 평균곡률을 갖도록 제어되는 것이 특징이다. 3차원 경량 구조체 템플릿의 곡면이 균일 평균곡률을 가짐으로써 주어진 부피에서 그 표면적은 최소가 된다.16 is a flowchart related to a method for manufacturing a three-dimensional thin-film porous structural body according to the present invention. The manufacturing method includes: (S10) fabricating a template; Forming a thin film outside the template (S20); Removing a portion of the thin film to expose a portion of the template (S30); And removing the template (S40). In this case, the template is a truss-shaped three-dimensional lightweight structure in which a unit cell is filled with a liquid material and solidified, and the surface tension of the liquid material and the intermorecular force between the liquid material and the truss element are balanced, The liquid material is controlled so as to have a constant mean curvature, that is, a constant average curvature at all points of the curved surface. Since the curved surface of the 3D lightweight template has a uniform average curvature, its surface area is minimized at a given volume.
상기 템플릿 제조(S10)와 관련하여, 도 17 및 도 19에 도시된 실시예를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.With reference to the above-mentioned template production (S10), a more detailed description will be given with reference to the embodiments shown in Figs. 17 and 19. Fig.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 박막 다공질 구조체의 제조 공정도를 나타낸다. 본 실시예에서, 템플릿으로 이용되는 3차원 경량 구조체는 사면체 단위셀을 갖는 카고메 트러스 형태이고, 사면체 단위셀는 액상 수지와 같은 액상 물질로 충진되어 고형화되어 있다. FIG. 17 shows a manufacturing process of a three-dimensional thin-film porous structural body according to an embodiment of the present invention. In this embodiment, the three-dimensional lightweight structure used as a template is a Kagome truss type having a tetrahedral unit cell, and the tetrahedral unit cell is filled with a liquid material such as liquid resin and solidified.
먼저, 카고메 트러스 구조물을 제작한다. 이러한 카고메 트러스 구조물은 예컨대 상술한 대한민국 특허 제0944326호 및 대한민국 특허 제1114153호에 개시된 바와 같이 강성의 와이어를 나선형으로 성형한 후 2차원적 트러스 중간 구조물을 일정 간격으로 이격 배치한 상태에서 면외방향에서 나선형 와이어를 삽입하는 방식으로 제조하거나, 대한민국 특허 제1495474호에 개시된 바와 같이 유연한 선상체 또는 와이어를 면내 방향 및 면외 방향에서 연속적인 공정으로 동시에 직조하는 방식으로 제조될 수 있다. First, a Kagome truss structure is manufactured. Such a Kagome truss structure can be obtained by forming a rigid wire into a spiral shape as disclosed in, for example, Korean Patent No. 0944326 and Korean Patent No. 1114153, and then separating the two-dimensional truss intermediate structures apart from each other at regular intervals, Or a method of simultaneously weaving a flexible strand or wire into a continuous process in an in-plane direction and an out-of-plane direction, as disclosed in Korean Patent No. 1495474.
다음으로, 카고메 트러스의 사면체 단위셀을 액상 수지로 충진하고 고체화하여 고정한다. 이러한 액상 수지의 충진 과정 및 고형화 과정은, 예컨대 상술한 대한민국 특허 제1057946호에 개시된 바와 같이 액상 수지를 일정시간 침지하여 잔류시킨 후 경화시키는 방식으로 수행될 수 있다. Next, the tetrahedron unit cell of the Kagome truss is filled with liquid resin, solidified and fixed. The filling process and the solidification process of the liquid resin can be performed in such a manner that the liquid resin is dipped for a predetermined time to remain after curing the liquid resin as disclosed in the aforementioned Korean Patent No. 1057946, for example.
이 경우, 충진되는 액상 수지의 표면장력과 액상 수지와 와이어 간의 분자간력이 적절히 균형을 이루어 중력의 영향이 배제되면, 3차원 경량 구조체 템플릿의 외면은 도 14에 도시된 'D-Surface' 형태의 3주기적 최소곡면을 갖게 되고, 이러한 3차원 경량 구조체를 템플릿으로 하여 박막 형성 및 템플릿 제거 과정을 거치면 도 17의 하부 우측에 도시된 극저밀도 3차원 박막 다공질 구조체를 제조할 수 있다. 액상 물질의 표면장력과 와이어와의 분자간력이 균형을 이룰 때, 액상 물질의 곡면이 균일 평균곡률을 갖게 된다. In this case, if the surface tension of the liquid resin to be filled and the intermolecular force between the liquid resin and the wire are appropriately balanced so that the influence of the gravity is excluded, the outer surface of the three-dimensional lightweight structure template may have a "D-surface" 3 periodic minimum curved surface. When the thin film formation and the template removal process are performed using the three-dimensional lightweight structure as a template, the extremely low density three-dimensional thin film porous structure shown in the lower right side of FIG. 17 can be manufactured. When the surface tension of the liquid material and the intermolecular force of the wire are balanced, the curved surface of the liquid material has a uniform average curvature.
이에 대해, 액상물질의 표면장력 대비 액상물질과 와이어간의 분자간력이 상대적으로 너무 크게 되면, 3차원 경량 구조체 템플릿의 외면은 균일 평균곡률을 갖는 부드러운 3주기적 최소곡면을 형성하지 못하고 예컨대 상술한 대한민국 특허 제1057946호에 도시된 바와 같이 트러스 요소에 의한 가상의 평면에 대체로 일치하는 형태로 다각 형상의 표면으로 형성된다. 이러한 형태의 3차원 경량 구조체를 템플릿으로 하여 박막 형성 및 템플릿 제거 과정을 거치면 도 17의 하부 좌측에 도시된 형태의 3차원 박막 다공질 구조체를 형성하여 바람직하지 않다.On the other hand, if the intermolecular force between the liquid material and the wire relative to the surface tension of the liquid material is relatively excessively large, the outer surface of the three-dimensional lightweight structure template does not form a smooth three periodic minimum curved surface having uniform average curvature, Is formed into a polygonal surface in a shape substantially conforming to a virtual plane by a truss element, as shown in Fig. When a thin film formation and a template removal process are performed using this type of three-dimensional lightweight structure as a template, a three-dimensional thin film porous structure of the shape shown in the lower left side of FIG. 17 is formed.
이러한 액상 수지의 표면장력과 액상 수지와 와이어간의 분자간력의 차이에 따른 3차원 경량 구조체 템플릿의 표면 형태의 변화를 보다 도 18을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다. 일반적으로 액상 물질의 표면장력이 클수록 구형에 가까운 표면이 형성되고, 액상 물질과 와이어간의 분자간력이 클수록 액상물질이 트러스 구조체의 표면에 일정한 두께로 도포된 형태로 표면이 형성된다. 구체적으로, 도 18(a)와 같이 분자간력이 표면장력 보다 압도적으로 크면 트러스 구조체의 단위셀이 액상물질로 충진되지 않고 단순히 와이어 표면에만 도포되는 형태가 되고, 도 18(b)와 같이 분자간력이 표면장력보다 상대적으로 크면 단위셀이 액상물질로 충진되되, 트러스 구조체의 다각 형상의 표면이 여전히 존재하는 형태가 되고, 도 18(c)와 같이 분자간력이 표면장력과 균형을 이루면 'D-Surface' 형태의 3주기적 최소곡면을 갖게 되고, 도 18(d)와 같이 표면장력이 분자간력보다 압도적으로 크면, 단위셀을 중심으로 액상물질이 이슬이 맺히는 형태가 된다. The change in the surface morphology of the three-dimensional lightweight structural template according to the difference between the surface tension of the liquid resin and the intermolecular force between the liquid resin and the wire will be described in more detail with reference to FIG. Generally, as the surface tension of the liquid material increases, the surface near the spherical shape is formed, and as the intermolecular force between the liquid material and the wire becomes larger, the liquid material is applied to the surface of the truss structure to have a uniform thickness. 18 (a), when the intermolecular force is overwhelmingly larger than the surface tension, the unit cell of the truss structure is not filled with the liquid material but is simply applied to the wire surface. As shown in Fig. 18 (b) The surface tension of the truss structure is still present. If the intermolecular force is in balance with the surface tension as shown in Fig. 18 (c), the 'D- Surface "type, and when the surface tension is overwhelmingly larger than the intermolecular force as shown in FIG. 18 (d), the liquid material becomes dew-like around the unit cell.
도 19는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 박막 다공질 구조체의 제조 공정도를 나타낸다. 본 실시예에서, 템플릿으로 이용되는 3차원 경량 구조체는 팔면체 단위셀을 갖는 옥테트 트러스 형태이고, 팔면체 단위셀은 액상 수지와 같은 액상 물질로 충진되어 고형화된다.FIG. 19 shows a manufacturing process of a three-dimensional thin-film porous structural body according to another embodiment of the present invention. In this embodiment, the three-dimensional lightweight structure used as a template is an octet truss structure having an octahedral unit cell, and the octahedral unit cell is filled with a liquid material such as liquid resin and solidified.
상기 옥테트 트러스 구조물은 예컨대 상술한 대한민국 특허 제1155267호에 개시된 바와 같이 강성의 와이어를 나선형으로 성형한 후 2차원적 트러스 중간 구조물을 일정간격으로 이격 배치한 상태에서 면외방향에서 나선형 와이어를 삽입하는 방식으로 제조하거나, 상술한 대한민국 특허 제1495474호에 개시된 바와 같이 유연한 선상체 또는 와이어를 면내 방향 및 면외 방향에서 연속적인 공정으로 동시에 직조하는 방식으로 제조될 수 있다.The octet truss structure may be formed by forming a rigid wire into a spiral shape and inserting a helical wire in an out-of-plane direction in a state where two-dimensional truss intermediate structures are spaced apart at regular intervals, for example, as disclosed in Korean Patent No. 1155267 Or may be manufactured in such a manner that a flexible strand or wire is woven simultaneously in a continuous process in an in-plane direction and an out-of-plane direction, as disclosed in the aforementioned Korean Patent No. 1495474.
다음으로, 옥테트 트러스의 팔면체 단위셀을 상기 도 17의 실시예에서와 마찬가지로 액상 수지로 충진하고 고체화하여 고정하며, 이러한 액상 수지의 충진 및 고형화 과정은, 예컨대 상술한 대한민국 특허 1057946호에 개시된 바와 같이 액상 수지를 일정시간 침지하여 잔류시킨 후 경화시키는 방식으로 수행될 수 있다.Next, the octahedral unit cells of the octet truss are packed with a liquid resin and solidified and fixed in the same manner as in the embodiment of Fig. 17. The filling and solidifying process of the liquid resin is performed, for example, as described in Korean Patent No. 1057946 Or may be performed in such a manner that the liquid resin is remained by immersing it for a predetermined time and then hardened.
이 경우에 있어서도, 상기 도17의 실시예어서와 마찬가지로, 충진되는 액상 물질의 표면 장력과 액상 수지와 와이어 간의 분자간력이 적절히 균형을 이루어 중력의 영향이 배제되면, 3차원 경량 구조체 템플릿의 외면은 도 14에 도시된 'P-Surface' 형태의 3주기적 최소곡면을 갖게 되고, 이러한 3차원 경량 구조체를 템플릿으로 하여 박막 형성 및 템플릿 제거 과정을 거치면 도 19의 하부 우측에 도시된 극저밀도 3차원 박막 다공질 구조체를 제조할 수 있다. 액상 물질의 표면장력과 와이어와의 분자간력이 균형을 이룰 때, 액상 물질의 곡면이 균일 평균곡률을 갖게 된다.In this case as well, as in the embodiment of Fig. 17, if the surface tension of the liquid material to be filled and the intermolecular force between the liquid resin and the wire are appropriately balanced and the influence of gravity is excluded, the outer surface of the three- When the thin film forming process and the template removing process are performed using the three-dimensional lightweight structure as a template, the extremely low density three-dimensional thin film shown in the lower right side of FIG. 19 A porous structure can be produced. When the surface tension of the liquid material and the intermolecular force of the wire are balanced, the curved surface of the liquid material has a uniform average curvature.
반대로, 액상물질의 표면 장력 대비 액상물질과 와이어간의 분자간력이 상대적으로 너무 크게 되면, 템플릿의 외면은 트러스 요소에 의한 가상의 평면에 대체로 일치하는 형태로 다각 형상의 표면으로 형성되며, 이를 이용하여 제조된 3차원 박막 다공질 구조체는 도 19의 하부 좌측에 도시된 형태로 형성되어 바람직하지 않다.On the contrary, when the intermolecular force between the liquid material and the wire relative to the surface tension of the liquid material is relatively excessively large, the outer surface of the template is formed into a polygonal surface in a shape substantially matching the imaginary plane by the truss element. The produced three-dimensional thin-film porous structural body is formed in the shape shown in the lower left of Fig. 19, which is not preferable.
다시 도 16을 참조할 때, 3주기적 최소곡면을 갖는 3차원 경량 구조체 템플릿 제조가 완료된 후, 템플릿의 외부에 박막을 형성한다(S20). 이러한 박막은 수백 나노미터 두께를 가지며 최종 3차원 박막 다공질 구조체에서 남겨지는 요소로서, 상기 3차원 경량 구조체와 후속공정에서 3차원 박막 다공질 구조체 형성을 위해 선택적으로 제거될 수 있도록 3차원 경량 구조체 템플릿을 구성하는 재료와 이종의 재료로 구성되는 것이 바람직하다. 예컨대 실시예에서와 같이 금속 재질로 구성될 수 있다. 금속 재질의 박막 형성은, 예컨대 일반적인 전해 또는 무전해 도금 또는 화학 기상 증착(CVD), 물리적 증차(PVD), 원자층 증착(ALD) 방식으로도 수행될 수 있다. 무전해 도금의 경우는 화학적 환원 도금의 방식의 일종으로 자기촉매형 도금이 용이하게 적용될 수 있다. Referring again to FIG. 16, after the fabrication of the three-dimensional lightweight structure template having the three periodic minimum curved surfaces is completed, a thin film is formed on the outside of the template (S20). Such a thin film has a thickness of several hundred nanometers and is left in the final three-dimensional thin-film porous structure. In the three-dimensional light-weight structure and the subsequent process, a three-dimensional light-weight structure template It is preferable that it is made of the constituent material and the dissimilar materials. For example, as in the embodiment. Thin film formation of the metal material can also be performed by, for example, general electrolytic or electroless plating or chemical vapor deposition (CVD), physical vapor deposition (PVD), atomic layer deposition (ALD) In the case of electroless plating, it is a kind of chemical reduction plating method, and it is easy to apply an electrocatalytic plating.
상술한 바와 같이, 단위셀이 액상 수지로 충진되어 고형화되어 그 외면이 3주기적 최소곡면을 갖는 3차원 경량 구조체는 3차원 박막 다공질 구조체를 형성하기 위한 템플릿 즉 몰드(mold)로 기능하는 것이고 최종적으로 제거되어야 한다. 이를 위해, 상기 박막의 일부를 제거하여 3차원 경량 구조체의 일부를 노출시키고(S30), 노출된 부분을 통해 3차원 경량 구조체를 완전히 제거하게 된다(S40).As described above, the three-dimensional lightweight structure in which the unit cells are filled with the liquid resin to solidify and has the outer surface of the three-periodic minimum curved surface functions as a template or mold for forming the three-dimensional thin film porous structure, Should be removed. For this, a part of the thin film is removed to expose a part of the three-dimensional lightweight structure (S30), and the three-dimensional lightweight structure is completely removed through the exposed part (S40).
먼저, 상기 3차원 경량 구조체 벌크의 최외측 표면에 형성된 박막의 제거(S30)는 기계적 연마, 전해 연마 또는 화학적 에칭 중 어느 하나의 방법으로 수행될 수 있으며, 선택적 제어 측면에서는 기계적 연마 방식이 유리하다. 화학적 에칭 방식 또는 전해 연마로 3차원 경량 구조체의 최외측 표면의 박막만을 선택적으로 제거하기 위해서는 에칭액이나 전해액이 구조체 내부로 스며들지 않도록 파라핀과 같은 물질을 이용하여 관통부를 봉쇄할 필요가 있다.First, the removal (S30) of the thin film formed on the outermost surface of the bulk of the three-dimensional lightweight structure may be performed by any one of mechanical polishing, electrolytic polishing or chemical etching, and mechanical polishing is advantageous in terms of selective control . In order to selectively remove only the thin film on the outermost surface of the three-dimensional lightweight structure by chemical etching or electrolytic polishing, it is necessary to seal the penetration portion by using a material such as paraffin so that the etching solution or the electrolyte does not permeate into the structure.
최종적으로, 일부가 노출된 3차원 경량 구조체는 템플릿의 재질에 따라 일반적으로 알려진 화학적, 물리적, 열적, 또는 광학적인 방식으로 제거됨으로써, 도 17 및 도 19의 하부 우측에 도시된 바와 같이 3주기적 최소곡면을 갖는 극저밀도 3차원 박막 다공질 구조체를 형성하게 된다. 실시예에서와 같이 3차원 경량 구조체 템플릿이 트러스 요소로서 와이어와 단위셀을 충진하고 있는 액상 수지의 이종의 물질로 이루어진 경우, 먼저 액상 수지에 반응하는 화학물질로 식각하여 액상 수지를 제거한 후 와이어에 반응하는 화학물질로 와이어를 식각하는 2단계의 화학적 식각공정을 통해 제거할 수 있다. 식각용 화학물질의 선정과 관련하여, 박막의 손상이 최소화될 수 있는 종류로 선정될 필요가 있다. 예컨대, PLA(Poly Lactic Acid) 재질의 와이어, 티올-엔(thiol-ene) 재질의 액상 수지 및 NiP 재질의 금속박막에서, 먼저 티올-엔은 수산화나트륨(NaOH) 수용액으로 용해 제거한 후 PLA를 클로로포름(chloroform)으로 용해시키면 NiP 금속 박막의 손상을 최소화시킬 수 있다.Finally, the exposed three-dimensional lightweight structure is removed in a generally known chemical, physical, thermal, or optical manner, depending on the material of the template, so that the three periodic minimum Density three-dimensional thin-film porous structure having a curved surface. When the three-dimensional lightweight structural template is made of a different kind of liquid resin filling the wire and the unit cell as a truss element as in the embodiment, first, the liquid resin is removed by etching with a chemical reactive to the liquid resin, It can be removed through a two-step chemical etching process that etches the wire into the reacting chemical. Regarding the selection of etching chemicals, it is necessary to select a kind that can minimize the damage of the thin film. For example, thiol-enes are dissolved and removed in an aqueous solution of sodium hydroxide (NaOH) in a wire made of PLA (poly lactic acid), a liquid resin made of thiol-ene, and a metal thin film made of NiP, it is possible to minimize the damage of the NiP metal thin film by dissolving it in chloroform.
도 20은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 3차원 박막 다공질 구조체에 대한 유한요소해석 결과를 나타낸다. 도면에서, 'L-Shelluar'는 종래 기술로서 상술한 대한민국 특허 제1341216호에 개시된 광리소그래피에 기반하여 제조된 3차원 박막 다공질 구조체를 나타내고, 'P-Surface'는 본 발명의 도 19의 실시예에 따라 와이어 직조에 기반하여 제조된 3차원 박막 다공질 구조체를 나타낸다. 이 경우, ‘L-Shelluar' 와 ‘P-Surface'에서 단위셀을 포함한 박막 구조체의 외형 크기와 박막의 재질 및 두께는 동일한 것으로 하여 비교하였다.20 shows a finite element analysis result of a three-dimensional thin-film porous structural body manufactured according to an embodiment of the present invention. In the drawings, 'L-Shelluar' represents a three-dimensional thin-film porous structure manufactured on the basis of the photolithography disclosed in Korean Patent No. 1341216 as a prior art, and 'P-Surface' Dimensional thin-film porous structure fabricated on the basis of wire weaving. In this case, 'L-Shelluar' and 'P-Surface' are compared with each other assuming that the outer size of the thin film structure including the unit cell and the material and thickness of the thin film are the same.
도 20에 상부에 도시된 두 개의 모형은 박막 구조체가 압축하중의 최대값(즉, 항복강도)에 도달하였을 때 발생하는 응력분포를 나타낸다. 종래 ‘L-Shelluar'에서는 단위셀 간 연결부에 높은 응력이 집중되고 단위셀 몸체 중간부에는 응력이 이보다 훨씬 낮은 반면에, 본 발명의 실시예에 따른 'P-Surface'에서는 비교적 균일한 응력이 분포함을 알 수 있다.The two models shown in the upper part of FIG. 20 show the stress distribution that occurs when the thin film structure reaches the maximum value of compressive load (i.e., yield strength). Conventionally, in 'L-Shelluar', a high stress is concentrated on a connection portion between unit cells and a stress is much lower in the middle portion of a unit cell body, whereas a 'P-Surface' according to an embodiment of the present invention has relatively uniform stress .
도 20의 하부 그래프는 동일한 크기에서 박막 두께 변화에 따른 무차원화된 최대하중(강도) 변화를 나타낸다. 박막이 두꺼워 항복에 의해 파손이 일어날 경우에는 두 구조체의 강도 차이가 거의 없지만, 박막이 얇아져 구조체의 파손이 박막의 국부좌굴에 의하여 좌우될 경우에는 본 발명의 실시예에 따른 'P-surface' 의 강도가 종래 '‘L-Shelluar' 보다 월등히 높으며, 파손의 원인이 항복에서 국부좌굴로 이행되는 박막 두께도 훨씬 얇음을 알 수 있다.The lower graph of FIG. 20 shows the non-dimensionalized maximum load (intensity) change with the change of the thin film thickness at the same size. In the case where breakage occurs due to breakage due to the thickness of the thin film, there is almost no difference in strength between the two structures. However, when the breakage of the structure due to the thinness of the thin film depends on the local buckling of the thin film, The strength is much higher than that of the conventional 'L-Shelluar', and the thickness of the thin film which is transferred from yielding to local buckling is much thinner.
이상과 같이, 본 발명에 따른 3차원 박막 다공질 구조체 제조방법은, 용이하게 제작될 수 있는 3차원 경량 구조체를 템플릿으로 하여 고강도 고강성의 극저밀도 3차원 박막 다공질 구조체를 대량으로 생산하기에 적합하고, 제조시 결함 발생이 효과적으로 억제될 수 있다. 또한 본 발명에 따른 3차원 박막 다공질 구조체는, 수백 나노미터의 박막을 벽체 요소로 하고 내부에는 중공부가 형성된 셀이 3차원 공간상에서 규칙적으로 배열되어 연결된 구조로서, 박막형 셀의 표면이 균일 평균곡률을 갖는 3주기적 최소곡면을 가짐으로써 외부하중 인가시 조기 국부좌굴현상 및 응력집중이 억제되어 높은 강도와 강성을 갖는다. 이러한 3차원 박막 다공질 구조체는, 종래 마이크로래티스와 같은 극저밀도 재료와 비교하여 중량 대비 높은 강도와 강성을 갖기 때문에 경량 구조재로 유리하게 적용될 수 있고, 상대적으로 큰 비표면적을 갖기 때문에 열전달 매체 또는 촉매지지체 등의 용도로도 활용될 수 있다.As described above, the method of manufacturing a three-dimensional thin film porous structural body according to the present invention is suitable for mass production of a very low-density three-dimensional thin-film porous structural body of high strength and high rigidity using a three-dimensional light- , The occurrence of defects can be effectively suppressed during manufacture. In addition, the three-dimensional thin-film porous structure according to the present invention is a structure in which a thin film of several hundred nanometers is a wall element and cells having hollow portions are arranged in a three-dimensional space in a regular manner. And it has high strength and stiffness due to suppression of early local buckling and stress concentration when external load is applied. Such a three-dimensional thin film porous structural body can be advantageously applied as a lightweight structural material because it has high strength and rigidity as compared with extreme low density materials such as micro lattices in the prior art and has a relatively large specific surface area, And the like.
이상의 설명은, 본 발명의 구체적인 실시예에 관한 것이다. 본 발명에 따른상기 실시예는 설명의 목적으로 개시된 사항이나 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 이해되지는 않으며, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질을 벗어나지 아니하고 다양한 변경 및 수정이 가능한 것으로 이해되어야 한다. The foregoing is a description of specific embodiments of the present invention. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments or constructions. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention. It should be understood that this is possible.
예컨대, 실시예에서 트러스 구조물의 상기 단위셀은 도 17에서 카고메 트러스의 사면체와, 도 19에서 옥테트 트러스의 팔면체를 예시하였으나, 육면체, 사방 십이면체(Rhombic dodecahedron), 육팔면체(cuboctahedron or vector equilibrium)의 단위셀로 이루어진 트러스 구조물을 템플릿으로 활용하는 것도 가능하다.For example, in the embodiment, the unit cell of the truss structure is exemplified by a tetrahedron of Kagome truss in FIG. 17 and an octahedron of Octet truss in FIG. 19, but a hexahedron, Rhombic dodecahedron, cuboctahedron or vector equilibrium It is also possible to use a truss structure as a template.
또한, 실시예에서 상기 단위셀의 내부에 충진되는 액상 물질로 액상 수지를 예시하였으나 제한적이지는 않으며, 사용되는 트러스 요소의 재질에 따라 액상 금속 과 같은 다른 재질을 선택하여 활용하는 것도 가능하다. 이 경우, 액상 물질 자체의 표면 장력과 사용되는 트러스 요소와의 분자간력이 적절히 균형을 이루어 균일 평균곡률을 갖도록 제어되어야 함은 물론이다.In addition, although the liquid resin is exemplified as the liquid material to be filled in the unit cell in the embodiment, the material is not limited to the liquid resin, and other materials such as the liquid metal may be selected depending on the material of the truss element used. In this case, it is needless to say that the surface tension of the liquid material itself and the intermolecular force between the truss element used should be controlled so as to have a proper average curvature by appropriately balancing.
또한, 실시예에서 상기 박막은 금속을 형성되는 것을 예시하였으나, 폴리머 또는 세라믹 등을 이용하여 화학 기상 증착(CVD), 물리적 증차(PVD), 원자층 증착(ALD) 방식으로 형성하는 것도 가능하다. In addition, although the thin film is formed of a metal in the embodiment, it may be formed by chemical vapor deposition (CVD), physical vapor deposition (PVD), or atomic layer deposition (ALD) using a polymer or a ceramic.
또한, 실시예에서 박막을 단일 재질로 하여 단층으로 형성하는 것을 예시하였으나, 동종 또는 다른 재료로 복층으로 형성하여 최종 3차원 박막 다공질 구조체의 강도 및/또는 강성을 보강하거나 추가적인 기능을 갖게 하는 것도 가능하다. 이 경우 바람직하게는, 화학적, 물리적 또는 열적인 후처리 공정을 수행하여 코팅 또는 도금된 층간의 물질의 확산, 화학반응, 합금 현상을 유도함으로써 박막 층간엥 발생하는 응력을 완하하거나 층의 박리에 대한 저항을 높일 수도 있다. 예커대, 1차로 금속 박막을 형성한 후 실리콘과 같은 세라믹 박막을 형성하면 온도 변화시 두 재료의 열팽창율의 차이 때문에 응력이 발생하며 이것이 층간 분리를 일으키는 원인이 될 수 있으나, 열을 가하여 금속 박막과 세라믹 박막 사이에 확산이 일어나게 하면 소위 경사(Gradient) 재료가 되어 층간 응력 집중을 완화할 수 있다.In addition, although the thin film is formed as a single layer in the embodiment, it is also possible to form the thin film as a single layer, but it is also possible to reinforce the strength and / or rigidity of the final three-dimensional thin film porous structure or to have additional functions Do. In this case, chemical, physical or thermal post-treatment is preferably carried out to induce diffusion of the material between the coated or plated layers, chemical reaction, and alloy phenomenon, thereby relieving the stress generated between the thin film layers, The resistance can also be increased. For example, when a metal thin film is first formed and then a ceramic thin film such as silicon is formed, a stress is generated due to a difference in thermal expansion ratio between the two materials at the time of temperature change, which may cause interlayer separation. However, And the ceramic thin film, it becomes a so-called gradient material, so that concentration of inter-layer stress can be alleviated.
또한, 최종 극저밀도 3차원 박막 다공질 구조체의 내부 공간에는 발포성 재료(prous material)을 충진하여, 박막형 셀과 발포성 재료로 이루어진 일종의 계층구조(hierarchical structure)를 형성함으로써 무게 증가를 최소화하면서 강도 향상을 도모하는 것도 가능하다. 이 경우, 상기 내부 공간은 박막형 셀이 점유하는 내부 공간 또는 그 외부 공간 중 어느 하나 또는 양자를 모두 포함할 수 있다.In addition, the inner space of the final ultra-low density three-dimensional thin film porous structure is filled with a prous material to form a hierarchical structure composed of a thin film type cell and a foamable material, It is also possible to do. In this case, the inner space may include any one or both of an inner space occupied by the thin film type cell or an outer space thereof.
따라서, 이러한 모든 수정과 변경은 특허청구범위에 개시된 발명의 범위 또는 이들의 균등물에 해당하는 것으로 이해될 수 있다.It is therefore to be understood that all such modifications and alterations are intended to fall within the scope of the invention as disclosed in the following claims or their equivalents.
Claims (15)
상기 템플릿은 단위셀이 액상 물질로 충진되어 고형화된 트러스 형태의 3차원 경량 구조체이고, 상기 액상 물질의 표면 장력과 액상 물질과 트러스 요소 사이의 분자간력이 균형을 이루어 충진된 액상 물질의 곡면이 균일 평균곡률을 갖도록 제어되는 것을 특징으로 하는, 극저밀도 3차원 박막 다공질 구조체의 제조방법.
Fabricating a template; Forming a thin film outside the template; Removing a portion of the thin film to expose a portion of the template; And removing the template,
The template is a truss-shaped three-dimensional lightweight structure in which a unit cell is filled with a liquid material and solidified. The surface tension of the liquid material and the intermolecular force between the liquid material and the truss element are balanced, Dimensional thin film porous structural body is controlled so as to have an average curvature.
The method according to claim 1, wherein the unit cell is one of a Kagome, an octahedron, a hexahedron, a quadrilateral, and a hexahedron.
2. The method of claim 1, wherein the three-dimensional lightweight structure is woven with a flexible strand or a spiral wire.
The method of manufacturing an ultra-low density three-dimensional thin film porous structural body according to claim 1, wherein the liquid material is resin or metal.
The method according to claim 1, wherein the thin film is a metal, a resin, or a ceramic.
The method according to claim 1, wherein the thin film is formed of a homogeneous or heterogeneous material in a multi-layered structure.
The method of claim 1, wherein the thin film is formed by plating or vapor deposition.
2. The method of claim 1, wherein the removal of the thin film portion is performed by any one of mechanical polishing, electrolytic polishing, and chemical etching.
2. The method of claim 1, wherein the removal of the template is performed by any one of chemical, physical, thermal, and optical methods.
2. The method of claim 1, further comprising filling the foamable material before or after removing the template.
Wherein the thin-film type cells are arranged in a three-dimensional space, and the surface of the thin-film type cell is a curved surface having a uniform average curvature.
12. The ultra-low density three-dimensional thin film porous structure according to claim 11, wherein the surface of the thin-film type cell forms a three periodic minimum curved surface of P-surface type.
12. The ultra-low density three-dimensional thin film porous structure according to claim 11, wherein the surface of the thin film cell forms a three periodic minimum curved surface of a D-surface type.
The ultra-low density three-dimensional thin film porous structural body according to claim 11, further comprising a foamable material filled in at least one of an inner space and an outer space occupied by the thin film type cell.
The ultra low density three-dimensional thin film porous structure according to any one of claims 1 to 10.
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