KR101943731B1 - 조립형 다기능 열메타물질 제조방법 및 이에 의해 제조된 조립형 다기능 열메타물질 - Google Patents

Abstract

본 발명은 조립형 다기능 열메타물질 제조방법 및 이에 의해 제조된 조립형 다기능 열메타물질에 관한 것으로, 변형 열역학 이론을 적용하여 열 시프터 디자인을 도출하는 단계와 상기 열 시프터를 단위 구획마다 배치하는 조립형 열메타물질 디자인을 도출하는 단계와 상기 열 시프터를 열전도성 물질과 단열재를 이용하여 제조하는 단계와 상기 제조한 열 시프터를 상기 열메타물질 디자인에 맞게 배치하는 단계와 상기 열 시프터에 사용된 단열재를 상변화물질로 교체하여 가변형 열메타물질을 구현하는 단계를 포함한다.
본 발명은 기존 일체형 원형 패턴이 가지는 국부 열전달 제어 기능을 조립형 열메타물질에서도 동일하게 구현할 수 있을 뿐 아니라 기존의 열메타물질보다 제작성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

Description

조립형 다기능 열메타물질 제조방법 및 이에 의해 제조된 조립형 다기능 열메타물질{MANUFACTURE METHOD OF TUNABLE MULTIFUNCTIONAL THERMAL META-MATERIAL AND TUNABLE MULTIFUNCTIONAL THERMAL META-MATERIAL MANUFACTURED THEREOF}

본 발명은 조립형 다기능 열메타물질 제조방법 및 이에 의해 제조된 조립형 다기능 열메타물질에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열 시프터 기반 조립형 열메타물질 디자인으로 기존의 열메타물질의 기능과 차이가 없으며, 제작이 용이하고 응용성을 확장한 신개념의 조립형 다기능 열메타물질 제조방법 및 이에 의해 제조된 조립형 다기능 열메타물질에 관한 것이다.

매크로스케일의 산업시스템부터 마이크로스케일의 미세소자까지 다양한 응용분야에서의 열에너지 제어는 기술 발전을 위해 필연적이라 할 수 있다. 특히 공정 또는 작동 과정에서 고열이 발생하는 플랜트 산업 분야부터 미세구조 내에서의 방열-단열 제어가 필수적인 반도체, 스마트폰, 배터리 등에 이르기까지 성능향상 과정에서 불가피하게 발생하는 열에너지는 구조체 내에서 특정 부위의 열팽창 및 물성치 변화와 맞물려 성능 및 내구성에 큰 영향을 주는 중요한 문제이다.

이러한 추세 속에서 제한된 공간 내에서의 열에너지 분포 설계는 중요한 문제로 부각되고 있으며 이를 제어하기 위한 여러 연구가 진행되고 있다.

예를 들어 반도체 분야의 경우, 기존에는 핀 구조를 이용한 방열 기술 혹은 열 접촉 물질의 열전도도 향상을 위한 나노복합물질(Nano composite) 제작 기술 등 기계의 직접적인 냉각 기술이 주를 이루었지만, 열 발생율이 높아지고, 기계의 소형화 기술이 발달함에 따라 종래의 기술로는 발생하는 열을 능동적으로 제어하지 못하는 한계가 발생하고 있다.

최근, 기존기술과 차별화된 새로운 패러다임을 통해 구조체 내에서의 열에너지를 능동적으로 제어할 수 있는 열메타물질을 활용한 열 제어 기술 개발이 진행되고 있다.

메타물질이란, 자연계에 존재하지 않는 물성치를 가진 인공적인 물질로써, 다양한 물질들의 조합 및 구조 배열을 통해 특정 기능에 맞는 복잡한 패턴 및 중첩 구조를 배치함으로써 물리적 성질의 제어를 구현하는 것이 특징이다. 메타물질에 관한 연구는 광학 분야를 필두로 기계물성, 전자기, 음향, 열 제어 등 그 분야가 점점 확장되고 있다.

그 중에서도 열메타물질은 국부 지역에서의 열전달 현상을 능동적으로 제어할 수 있는 기술이다. 열메타물질은 광메타물질 설계 기술의 기반이 되는 변형 광학(transformation optics)에서 파생된 변형 열역학(transformation thermodynamics)을 기반으로 설계할 수 있으며, 구체적으로는 기존 단일물질로 구성된 구조체와 다르게 국부 지역에서의 열전달 방향 및 양을 능동적으로 제어하여 특정 부위의 열에너지 분포를 인위적으로 변형 할 수 있는 기능을 구현할 수 있다.

현재 연구가 진행되고 있는 열메타물질의 큰 범주는, 물체와 외부의 상호작용을 이용한 열메타물질과 물질 내부에서의 열전달 왜곡기능을 가지는 열메타물질 등이 있다. 열이 발생할 때의 파장은 주로 적외선 영역이기 때문에, 외부와의 상호작용을 제어할 수 있는 열메타물질은 적외선 영역대에서 물체의 식별이 불가능 하게 하거나 교란을 주는 군사 기술로 유용하다.

외부와의 상호작용을 이용한 대표적인 열메타물질의 기능은 다음과 같다.

열 클로킹(Thermal cloaking) 기능은, 물체의 내부 기능 종류에 관계없이 주위 온도 환경에 영향을 주지 않도록 물체 외부의 열흐름을 왜곡시키는 기능으로, 주로 주위 환경의 열 물성치 대비 더 높은 내부의 열전도 물성치 값을 선정하여 매칭 시킴으로써 그 기능을 구현할 수 있다.

열 위장(Thermal camouflage) 기능은, 물체의 온도 분포를 주위 환경과 비슷하게 설정함으로써 주위 환경과 동화되어 중심 물체의 식별이 어렵게 하는 기능을 뜻한다, 주로 IR 영역대에서 연구되고 있으며 적외선 카메라로 식별할 수 없도록 물체를 주위 환경에 맞추어 숨길 수 있는, 군사적으로도 유용한 기술로 주목받고 있다.

위와 같이 물질과 주위 환경을 인위적으로 변형하는 기능을 가지는 열메타물질이 있는 반면, 물질 내부, 특히 국부 지역에서의 특수한 열전달 기능을 구현하는 열메타물질에 대한 연구도 이루어지고 있다. 해당 기술들은 특정 부위의 열에너지 분포를 인위적으로 제어하는 기능을 구현할 수 있기 때문에, 국소 지역에서 발생하는 열을 제어할 필요가 있는 산업분야에서 응용성이 높은 기술이다.

대표적인 국부 열에너지 제어를 위한 열메타물질의 기능은 다음과 같다.

열 방어기(thermal shield)는, 물체가 열을 방어하여 목표를 우회하게 디자인하여, 국소 지역 내부에서 온도구배를 없애는 기능을 가진다. 응용분야로써, 내부의 온도구배를 없애 목표 안에서의 열팽창 비율을 같게 하여 내부 응력을 줄여 다양한 미세 소자, 예를 들면 반도체 소자, 배터리 등의 수명을 향상시키는 역할을 할 수 있다.

열 집중기(thermal concentrator)는, 열을 특정 부위에 집중시켜 해당 부위에서 외부 환경 대비 온도구배를 극대화하는 기능을 가진다. 특정 부위로 열을 집중시키기 때문에 국소 부위에서의 에너지 변환 등에 필요한 큰 온도 구배를 구현할 때 사용된다.

열 분산기(thermal diffuser)는, 열에너지를 특정 부위를 기점으로 물체 바깥쪽으로 퍼져나가도록 하는 기능을 하며 국소 부위의 열에너지를 균일하게 외부로 분산하는 기능을 가진다.

열 회전기(thermal rotator)는, 물체 내부에서 열을 회전시켜, 외부 환경과는 반대로 국소 지역 주변의 온도 구배 역전 현상을 구현하는 기능을 가진다. 이 기능을 적용하여, 국소 부위로 열에너지가 유입되는 방향을 능동적으로 조절할 수 있다.

위에서 서술한 열메타물질의 개별 기능들을 실제로 구현하기 위해 기존의 연구들은 다양한 소재들을 특정 패턴으로 기능에 맞게 반복 배치하여 제작하는 방식을 이용하고 있다.

주로 열전도성이 좋은 금속 물질과 이와 대비되는 폴리머와 같은 단열소재를 반복적으로 배치하여, 열에너지는 열전도성 물질이 배치된 곳을 따라 이동하게 되는 반면, 단열 소재는 이의 분산을 막아주는 원리를 통해 국부 지역에서의 열에너지를 능동적으로 제어하는 접근법을 사용하고 있다.

주로 사용하는 물질로는 열전도성 물질로 구리, 알루미늄 등의 금속 재질을 적용하고 있으며, 단열물질로는 폴리우레탄, 에폭시 및 PDMS 등 성형이 쉽고 열전도도가 낮은 물질이 주로 사용되고 있다.

금속 재질로도 열전도도가 낮은 스테인레스강(~16W/m·K)부터 구리(~400W/m·K)에 이르기까지 다양한 열전도도를 가진 소재를 활용하고 있으며, 열 클로킹 기능의 경우 외부 재질을 니켈스틸과 같은 중간 정도의 열전도도를 가지는 금속으로 설정하고, 내부를 구리와 같은 높은 열전도성 물질과 PDMS와 같은 단열재를 원형 패턴으로 반복 배치하여 구현하고 다양한 물질을 동시에 활용하여 구조체를 구성하는 연구 또한 이루어지고 있다.

열메타물질의 내부 기능은 물질의 배합을 기본으로 하여 이를 배치한 패턴에 따라 정해지는데, 대부분의 기존 열메타물질들은 공통적으로 원형 구조를 가지고 있으며 세부적인 형상에 따라 그 기능이 나누어진다.

열 방어기(thermal shield)의 경우, 원형의 국소 지역을 중심으로 열전도성 물질과 단열재가 껍질구조(core-shell)로 반복적으로 배치되어 있으며, 이를 통해 열이 목표를 우회하여 감싸는 경로로 디자인되어 있다.

열 집중기(thermal concentrator)의 경우, 원형 국소 지역을 중심으로 구리와 같은 열전도성 물질과 단열재가 방사형으로 주기적으로 배치되어, 열에너지를 해당 부위에 집중하는 형태로 디자인되어 있다.

열 회전기(thermal rotator)의 경우, 원형 국소 지역을 중심으로 열전도성 물질과 단열재가 나선 형태로 주기적으로 배치되어 있으며, 이를 통해 열에너지가 목표를 중심으로 회전하여 유입되는 형태로 디자인 되어 있다.

상기 디자인의 응용기술로, 열메타물질을 이루고 있는 물질의 범위를 확대하면, 주위 환경에 따라 기능이 변하는 가변형 열메타물질 또한 개발이 가능하다.

주위의 온도, 조도, 습도 및 자기장 환경 등 다양한 환경의 변화에 따라 열 물성치가 변하는 물질을 이용하여, 주위 환경에 맞게 스스로 기능이 변하는 가변형 열메타물질을 구현할 수 있지만 현재까지 해당 분야에 대한 연구는 이루어지지 않고 있다.

예를 들면, 열메타물질에 사용된 단열재를 상변화물질로 교체함으로써 가변형 열메타물질을 구현할 수 있다. 상변화물질은 물질의 녹는점을 기준으로 액체 혹은 고체상태로 존재하며, 그 상태에 따라 열 물성치에 차이가 나게 된다. 일반적으로 사용되는 상변화물질은 구성 재료의 구조 및 분자량에 따라 녹는점이 결정되며, 액체상태보다 고체상태의 열 전도도가 더 높게 나타나게 된다. 이러한 특성을 이용하여 기존 열메타물질의 단열재를 상변화물질로 교체했을 때, 열메타물질의 작동 온도범위가 상변화물질의 녹는점보다 낮으면 상변화물질이 고체상태로 존재하여 열전도성 물질로써 기능하게 되어 열메타물질의 기능이 나타나지 않지만, 작동 온도범위가 올라가 상변화물질의 녹는점보다 높아지게 되면 상변화물질이 녹아 액체상태로 바뀌어 열전도도가 낮아져 단열재로써 기능하게 되어 열메타물질의 기능이 나타나게 할 수 있다.

이 외에도 점형 열원을 이용하여 기판의 부채꼴 패턴에 따라 열이 집중되거나 가두기도 하는 패턴형 열메타물질, 열과 전기 물성치를 동시에 다룰 수 있는 물질을 사용하여 전기장과 온도 분포를 동시 제어하여 국부지역에 집중 시키거나 클로킹하는 메타물질 등 그 확장 분야 또한 넓다.

열메타물질의 기능은 열메타물질을 이루고 있는 물질의 물성치와 그 배치 형상에 매우 큰 영향을 받는다. 따라서 열메타물질의 개별 기능을 위한 제작은 그 기능에 맞는 최적화 된 구조로 제작되어야 한다.

그러나 현재까지의 일반적인 접근법으로는 한 가지 형상으로 한 가지 기능밖에 구현할 수 없으며, 새로운 기능을 위해서는 해당 목적에 맞는 새로운 디자인을 구상하고 이를 다시 제작해야 하는 한계를 지니고 있다.

또한, 열메타물질은 국부 경계에서의 연속적인 열 물성치 제어가 필요하기 때문에 현재까지는 복합소재로 이루어진 복잡한 원형 패턴을 사용해왔으며 이를 디자인하고 실제 성형하는 것은 설계 및 제작의 측면에서 새로운 시뮬레이션 구조 해석 및 정밀한 제조장비가 필요하다. 이러한 이유로 설계 시간 및 제조 비용이 크게 증가한다는 문제점을 가지고 있다.

이러한 단점들은 열메타물질의 산업화에 있어서 다양한 환경에 적용하지 못하는 응용성 저하 및 기능별 구현을 위해 요구되는 복잡한 패턴 디자인으로 인한 제작비용 증가와 같은 문제점을 초래할 수 있다.

가변형 열메타물질에 관한 기존 연구는, 그 개념이 이론적으로는 제안되어 왔으나 상온에서 이용되는 상변화물질들은 대부분이 상변화시 열 물성치 변화폭이 매우 적기 때문에 실제적으로 구현한 연구는 매우 드물다.

물체의 직접 냉각 기술과 관련한 다른 분야에서는, 이를 해결하기 위해 탄소나노튜브, 그래핀 및 금속 분말 등을 필러로 첨가하여 제조한 나노복합재(nano composite)로 상변화물질의 열전도도를 높이는 연구가 많이 수행되고 있다.

위에서 서술한 나노복합재 제작 기술을 열메타물질 제작 기술과 접목하면, 상변화물질의 열전도도 변화폭을 주변 환경에 따라 제어할 수 있다. 해당 기술을 확보할 경우, 기존 연구가 주위 환경에 수동적으로 응답하는 형태로 작동하는 반면, 주위 환경 변화에 맞추어 개별 기능을 스스로 변화시킬 수 있는 가변형 열메타물질 제작이 가능하여, 보다 능동적인 열전달 현상 제어가 가능할 수 있다.

본 발명의 목적은 조립형-다기능 개념의 열메타물질 디자인을 적용하여, 공정과정이 간단하여 제작 편의성이 높으면서도 다양한 환경에서 이용 가능하도록 응용성을 높인 조립형 다기능 열메타물질 제조방법 및 이에 의해 제조된 조립형 다기능 열메타물질을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은 열메타물질에 이용되는 물질을 주위 온도에 따라 열 물성치가 변하는 상변화물질로 구현하여, 주위 온도환경에 따라 기능이 바뀌는 가변형 열메타물질 제작 기술을 확보하는 조립형 다기능 열메타물질 제조방법 및 이에 의해 제조된 조립형 다기능 열메타물질을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은 개별 유닛셀이라 할 수 있는 열 시프터 기반 조립형 열메타물질 디자인으로도 기존 열메타물질의 기능과 차이가 없으며, 기존 열메타물질의 원형 구조를 탈피하여 제작 용이성을 높이고, 응용성을 확장한 신개념의 다기능 열메타물질 제조방법 및 이에 의해 제조된 조립형 다기능 열메타물질을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 변형 열역학 이론을 적용하여 열 시프터 디자인을 도출하는 단계와 상기 열 시프터를 단위 구획마다 배치하는 조립형 열메타물질 디자인을 도출하는 단계와 상기 열 시프터를 열전도성 물질과 단열재를 이용하여 제조하는 단계와 상기 제조한 열 시프터를 상기 열메타물질 디자인에 맞게 배치하는 단계와 상기 열 시프터에 사용된 단열재를 상변화물질로 교체하여 가변형 열메타물질을 구현하는 단계를 포함한다.

상기 변형 열역학 이론을 적용하여 열 시프터 디자인을 도출하는 단계는, 좌표 회전과 텐서 표현을 기반으로 한 왜곡각도 θ를 포함하는 변형된 열전도도 k'를 도출하는 단계와 상기 왜곡각도 θ를 변수로 하여 여러 종류의 열 시프터를 디자인하는 단계를 포함한다.

상기 열 시프터를 단위 구획마다 배치하는 조립형 열메타물질 디자인을 도출하는 단계는, 기존의 열메타물질의 온도 퍼포먼스를 복수 개의 정사각형 모양의 단위구획으로 미분하여 각 구역별 열전달 흐름을 도출하는 단계와 상기 열 시프터를 기본 단위블록으로 이용하여 각 구역에 배치하는 단계와 상기 열 시프터의 블록화를 위해 상기 열 시프터 영역 사이의 경계조건을 고려한 조립형-다기능 열메타물질을 디자인하는 단계를 포함한다.

상기 기존의 열메타물질의 온도 퍼포먼스를 복수 개의 정사각형 구획으로 미분하여 각 구역별 열전달 흐름을 도출하는 단계는, 기존의 4가지 타입(열 방어기, 열 집중기, 열 분산기, 열 회전기) 열메타물질의 온도 퍼포먼스를 사분면으로 나누어 열전달 흐름을 설계하는 단계와 상기 사분면으로 나눈 각 구획의 열전달 흐름을 설계하는 단계를 포함한다.

상기 열 시프터를 열전도성 물질과 단열재를 이용하여 제조하는 단계는, 왜곡각도 θ를 통합하는 단계와 스케일을 조정하는 단계와 열전도성 물질과 단열재를 특정 왜곡각도 θ에 따라 반복 선형 배치하는 단계와 상기 열전도성 물질로 이루어진 테두리를 적용하여 블록화하는 단계를 포함한다.

상기 열전도성 물질은 구리이고, 상기 단열재는 PDMS이다.

상기 제조한 열 시프터를 상기 열메타물질 디자인에 맞게 배치하는 단계는, 미분된 열메타물질의 열전달 흐름을 각 사분면의 역할에 따라 통합하는 단계와 상기 통합된 열전달 흐름에 따라 열 시프터를 각 타입에 맞게 배치하는 단계를 포함한다.

상기 열 시프터에 사용된 단열재를 상변화물질로 교체하여 가변형 열메타물질을 구현하는 단계는, 상변화물질과 필러를 사용하여 나노복합체를 제조하는 단계와 상기 나노복합체의 상변화시 열전도도 변화 범위에 맞춘 열 시프터의 열전도성 물질 교체 디자인하는 단계와 나노복합체를 열 시프터의 단열재를 대체하는데 사용하여 가변형 열 시프터를 제조하는 단계와 상기 가변형 열 시프터를 단위블록으로 사용하여 각 타입에 맞게 배치하여 가변형 열메타물질을 구현하는 단계를 포함한다.

상기 상변화물질은 옥타데칸이고, 상기 필러는 구리 분말과 카본나노튜브이다.

변형 열역학 이론을 적용하여 디자인하고 열전도성 물질과 단열재를 이용하여 제조한 열 시프터를 열메타물질 디자인에 맞게 배치하여 제조된 열메타물질이며, 상기 열 시프터에 사용된 단열재는 상변화물질로 교체하여 가변형 열메타물질로 구현한다.

본 발명은 기존 일체형 원형 패턴이 가지는 국부 열전달 제어 기능을 조립형 열메타물질에서도 동일하게 구현할 수 있다.

따라서, 기존에 연구된 열메타물질이 기능마다 새로 복잡한 패턴을 디자인해야했던 제약을 제작이 용이한 단순한 구조체인 열 시프터의 배열만 변경함으로써 다양한 기능을 얻을 수 있는 다기능 열메타물질을 완성할 수 있으며, 열 시프터 사이의 경계영역을 적용한 디자인을 고려하여 실제 적용성을 높일 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 실제 열메타물질 구조 제작의 기본이 되는 열 시프터의 제작 공정이 간단하여, 여러 종류의 온도 왜곡기능을 가진 열 시프터의 제작이 가능하며, 이를 조합하여 전체 조립형 구조의 열메타물질 제작이 용이하므로 기존의 열메타물질보다 제작성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1의 (a)는 열 시프터 개념도이고, (b)는 열 시프터의 왜곡 각도 θ에 따른 온도 왜곡 기능을 보인 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 조립형 열메타물질 디자인 도출 과정을 보인 도면(예시: 열 방어기).
도 3은 4가지 타입(열 방어기, 열 집중기, 열 분산기, 열 회전기) 기존 일체형 구조와 본 발명의 실시예에 의한 조립형 열메타물질 구조의 열 시프터 배치도를 보인 도면.
도 4의 (a)는 본 발명의 실시예에 의한 구리와 PDMS를 이용하여 제조한 각도별 열 시프터이고, (b)는 (a)에 의해 제조한 열 시프터의 온도 퍼포먼스를 보인 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 의해 제조한 4가지 타입 열메타물질(열 방어기, 열 집중기, 열 분산기, 열 회전기)를 보인 도면.
도 6은 나노복합물질의 상변화시 열전도 네트워크 형성 원리 개념도.
도 7은 본 발명의 실시예에 의한 가변형 열 시프터 제조과정을 보인 도면.
도 8은 온도분포 측정 장비를 셋업한 상태를 보인 도면.
도 9의 (a)는 본 발명의 실시예에 의한 4가지 타입 열메타물질(열 방어기, 열 집중기, 열 분산기, 열 회전기)의 온도 퍼포먼스 시뮬레이션 결과이고, (b)는 4가지 타입 열메타물질의 등온 등곡선.
도 10은 경계영역을 고려한 조립형 열메타물질 온도 퍼포먼스 시뮬레이션 결과.
도 11는 본 발명의 실시예에 의해 제조된 열메타물질 온도 퍼포먼스 시뮬레이션 결과 및 실험 결과 비교.
도 12의 (a)는 가변형 열 시프터이고, (b)는 단열재 적용 열 시프터이고, (c)는 고체상태의 가변형 열 시프터이고, (d)는 액체상태의 가변형 열 시프터를 보인 도면.
도 13은 4가지 타입(열 방어기, 열 집중기, 열 분산기, 열 회전기)의 가변형 열메타물질 온도 퍼포먼스 시뮬레이션.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명의 조립형 다기능 열메타물질 제조방법은, a)변형 열역학 이론을 적용하여 열 시프터 디자인을 도출하는 단계와, b)열 시프터를 단위 구획마다 배치하는 조립형 열메타물질 디자인을 도출하는 단계와, c)열 시프터를 열전도성 물질과 단열재를 이용하여 제조하는 단계와, d)제조한 열 시프터를 열메타물질 디자인에 맞게 배치하는 단계와, e)열 시프터에 사용된 단열재를 상변화물질로 교체하여 가변형 열메타물질을 구현하는 단계를 포함한다.

구체적으로 본 발명은, 변형 열역학을 적용하여 국부 열전달을 특정 방향으로 왜곡할 수 있는 열 시프터들을 디자인 하고, 이를 단위블록으로 활용하여 열 시프터들의 배치 조합에 따라 상황에 맞는 여러 가지 열적 기능을 수행할 수 있는 조립형-다기능 개념의 열메타물질 이론 확립 및 실제 제작에 관한 기술이다.

이에 더하여 열메타물질 구성에 사용하는 단열재를 특정 임계온도에 따라 상변화를 일으키는 온도 반응형 상변화물질과 열전도성 소재롤 조합한 나노복합재로 교체하여 목표 온도에 따라 열전도성 등의 핵심 열 물성치를 변화시키고 그에 따라 기능이 능동적으로 변하는 가변형 가변형 열메타물질을 제조한다.

본 발명의 실시예로 4가지 타입의 열메타물질(열 방어기, 열 집중기, 열 분산기, 열 회전기)을 이론 및 해석을 통해 열 시프터 기반 조립형 구조로 디자인하고, 시뮬레이션과 실제 제작 및 기능구현 결과를 통해 실제 본 발명이 가능함을 보인다. 더 나아가 단열재를 나노복합재로 교체하여 온도에 따라 기능이 변하는 가변형 열메타물질 기술을 확립한다.

a)변형 열역학 이론을 적용하여 열 시프터 디자인을 도출하는 단계는 변형 열역학(transformation thermodynamics) 이론을 기반으로 하여 열 시프터(thermal shifter)의 디자인 개념을 확립한다.

열 시프터는 열에너지 흐름 방향을 특정 방향(기울기)으로 왜곡할 수 있는 기능을 가지는 구조체이다.

도 1에 도시된 바에 의하면, 일반적인 물질은 고온부에서 저온부로 열이 이동할 때, 수평 방향으로 이동하게 되어 온도 구배가 수직한 형태로 나타난다. 그러나 열 시프터는 열이 이동하는 방향을 특정 각도로 설정하면, 주로 설정된 방향으로 열에너지가 갇힌 상태로 전달되어 열전달 방향이 해당 방향으로 인위적으로 변경된다.

예를 들어, 각도를 45°방향으로 설정하면, 열이 고온부에서 저온부로 이동할 때 수평 방향이 아닌 대각선 위쪽으로 이동하기 때문에, 열 시프터 하단보다 상단에 열이 모이게 되어 상대적으로 상단의 온도가 높은 현상이 발생하고, 열의 연속 성질을 유지하기 위해 온도구배가 사선 형태로 나타난다.

이러한 특징은 열 시프터의 열적 비등방성 특성으로 인해 나타나는 것이며, 변형 열역학을 적용하여 좌표계 왜곡을 통해 특정 방향으로만 열전달 현상이 주로 일어나도록 유도하기 위해 필요한 물성치 조건 및 열 시프터 패턴 설계 조건을 도출할 수 있다.

변형 열역학은 변형광학(transformation optics)에서 파생된 이론으로, 열메타물질 디자인의 기본 이론이 된다. 물성치를 텐서 표현을 통해 나타내어 좌표변환을 통해 왜곡시키는 방식으로 이루어지며, 이 과정을 통해 원래 등방성 물성치였던 열전도도 k(original thermal conductivity)는 변형된 열전도도 k'(transformed thermal conductivity)으로 대체되어 본래 열전도 방정식(fourier equation for conduction)을 통해 재배치 된다.

변형 열역학을 적용하여 새로 도출된 변형된 열전도도 k'는 다음과 같다.

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위 식에서 k는 본래 열전도도, k'는 변형된 열전도도, J는 자코비안 행렬(Jacobian matrix)을 나타내며, u는 변형된 좌표계, x는 본래 좌표계를 나타낸다. 본래 좌표계와 변형된 좌표계의 설정값에 따라 다양한 열메타물질의 기능이 결정된다.

본 발명의 실시예에서 적용한 이차원 열 시프터에 적용시키기 위한 좌표변환은 아래의 식과 같이 진행하며, 이를 통해 도출된 이차원에서의 변형된 열전도도 k'는 다음과 같다.

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θ는 인위적으로 왜곡하고자 하는 열전달 방향의 각도를 나타내며, θ가 증가할수록 왜곡되는 정도가 증가하여 열 시프터의 열전달 방향 왜곡 기능이 심화되어 온도 구배가 더욱 사선형으로 나타난다.

도 1의 (b)에 의하면, 왜곡각도 θ값 설정에 따라 여러 종류의 열 시프터를 구현할 수 있다. 예를 들어, -90°에서 +90°까지 5°단위의 왜곡각도 θ값을 설정할 수 있다.

왜곡각도 θ에 따른 여러 종류의 열 시프터들의 조합으로 4가지 타입(열 방어기, 열 집중기, 열 분산기, 열 회전기)의 조립형 열메타물질을 디자인할 수 있다.

그에 따라, a)변형 열역학 이론을 적용하여 열 시프터 디자인을 도출하는 단계는 좌표 회전과 텐서 표현을 기반으로 한 왜곡각도 θ를 포함하는 변형된 열전도도 k'를 도출하는 단계와 왜곡각도 θ를 변수로 하여 여러 종류의 열 시프터를 디자인하는 단계를 포함한다.

b)열 시프터를 단위 구획마다 배치하는 조립형 열메타물질 디자인을 도출하는 단계는 a)단계에서 디자인한 열 시프터들을 배치하여 4가지 타입(열 방어기, 열 집중기, 열 분산기, 열 회전기)의 열메타물질을 구현한다. 각 기능 구현을 위한 열 시프터의 배치형태 도출은 다음 과정과 같다.

도 2에 도시된 바에 의하면, 기존의 일체형 원형 구조를 가지는 열메타물질의 온도 퍼포먼스를 작은 정사각형 모양의 단위구획으로 미분한다. 미분한 각 단위영역에서의 열 흐름 방향을 분석하여 각 구역에서 대표되는 열 흐름 방향을 특정 방향으로 나타낸다. 각 단위영역에서 나타내는 열 흐름 방향에 맞게 열 시프터를 배치한다. 마지막으로 배치 스케일에 맞게 최적화 과정을 거쳐 배치를 완료한다.

도 3에 도시된 바에 의하면, 최적화 단계에서 100개의 열 시프터를 10행10열로 배치하고, 각각의 열 시프터의 크기는 5mm×5mm로 설정하였다. 배치된 열 시프터를 사분면으로 나누었을 때, 각 사분면의 25개의 열 시프터 그룹은 열을 왜곡하는 큰 흐름을 담당하며, 그룹 내부에서는 세부적으로 부드러운 퍼포먼스를 위해 각각의 열 시프터의 방향이 조정된 형태이다.

열 방어기의 경우, 열전달 방향을 중앙부분을 우회하는 경로로 설정하여 중앙부분의 온도 구배를 완화하여 열을 방어한다. 2사분면과 3사분면은 열이 바깥쪽으로 빠지는 흐름을 만들며, 1사분면과 4사분면은 바깥쪽으로 빠지는 열을 다시 중앙으로 모아, 전체적으로 열이 중앙부분을 우회하여 감싸는 형태로 배치한다.

열 집중기의 경우, 열전달 방향을 중앙부분에 집중되는 경로로 설정하여 중앙부분의 온도 구배를 심화한다. 2사분면과 3사분면은 열을 중앙 쪽으로 집중시키는 흐름을 만들며, 1사분면과 4사분면은 집중된 열을 다시 바깥쪽으로 빠지게 하여, 전체적으로 열이 중앙부분으로 집중되는 형태로 배치한다.

열 분산기(thermal diffuser)의 경우, 열전달 방향을 양쪽 방향으로 분산되는 경로로 설정하여 중앙부분의 온도를 낮추며 열이 우회하게 한다. 2사분면과 3사분면은 열이 수평에 가깝게 이동하다가 중앙 쪽으로 갈수록 열이 바깥으로 빠지게 하는 흐름을 만들며, 1사분면과 4사분면은 열이 바깥쪽으로 빠지는 흐름을 심화시켜, 전체적으로 열이 바깥쪽으로 분산되는 형태로 배치한다.

열 회전기의 경우, 열전달 방향을 중앙부분을 중심으로 회전하는 경로로 설정하여 기능이 심화될수록 중앙부분의 온도구배가 역전되게 한다. 3사분면은 열을 2사분면 쪽으로 보내 열이 모이게 하며, 2사분면은 열이 수평이동 하는 흐름을 담당, 1사분면은 2사분면에서 온 열을 4사분면 쪽으로 보내며, 4사분면은 열을 다시 역전시켜 3사분면 쪽으로 보내어, 전체적으로 열이 회전하는 형태로 배치한다.

조립형 열메타물질 구조를 실제로 적용할 사례를 고려할 때, 열 시프터의 단위 블록화를 위해 각각의 열 시프터에서 변형 열역학이 적용된 부분을 연결하는 접촉 계면(인터페이스)이 필요할 수 있다. 이 부분은 변형 열역학 기반 설계를 적용할 수 없는, 단일 물질로 구성된 접촉 계면 역할을 하기 때문에 해당 인터페이스의 두께가 두꺼울수록 열메타물질의 퍼포먼스가 저하될 수 있다. 따라서, 변형 열역학을 적용하기 어려운 각각의 열 시프터 사이의 경계 부분을 고려한 모델을 추가로 디자인하여 온도 퍼포먼스 변화를 예측하고 시뮬레이션 결과 검증을 통해 해당 기술의 실제 제조 시 성능 검증을 진행한다.

4가지 타입(열 방어기, 열 집중기, 열 분산기, 열 회전기)의 열메타물질 디자인에서 5mm×5mm로 설정된 열 시프터 사이 경계 두께를 2mm로 설정하여 경계 영역에 의한 열메타물질 온도 퍼포먼스 변화를 시뮬레이션 결과를 통해 확인하였다.

열 시프터를 단위 구획마다 배치하는 조립형 열메타물질 디자인을 도출하는 단계는, 기존의 열메타물질의 온도 퍼포먼스를 복수 개의 정사각형 모양의 단위구획으로 미분하여 각 구역별 열전달 흐름을 도출하는 단계와 열 시프터를 기본 단위블록으로 이용하여 각 구역에 배치하는 단계와 열 시프터의 블록화를 위해 열 시프터 영역 사이의 경계조건을 고려한 조립형-다기능 열메타물질을 디자인하는 단계를 포함한다.

또한, 기존의 열메타물질의 온도 퍼포먼스를 복수 개의 정사각형 구획으로 미분하여 각 구역별 열전달 흐름을 도출하는 단계는, 기존의 4가지 타입(열 방어기, 열 집중기, 열 분산기, 열 회전기) 열메타물질의 온도 퍼포먼스를 사분면으로 나누어 열전달 흐름을 설계하는 단계와 사분면으로 나눈 각 구획의 열전달 흐름을 설계하는 단계를 포함한다.

c)열 시프터를 열전도성 물질과 단열재를 이용하여 제조하는 단계는 특정 각도로 선형 패터닝된 열전도성 물질 조각에 단열재를 반복적으로 배치하여 열 시프터를 실험적으로 제조하고, 열적외선(thermal IR) 카메라 기반 측정 셋업을 통해 퍼포먼스를 측정하여 개별 기능을 검증한다.

c)열 시프터를 열전도성 물질과 단열재를 이용하여 제조하는 단계는, 왜곡각도 θ를 통합하는 단계와 스케일을 조정하는 단계와 열전도성 물질과 단열재를 특정 왜곡각도 θ에 따라 반복 선형 배치하는 단계와 열전도성 물질로 이루어진 테두리를 적용하여 블록화하는 단계를 포함한다.

열전도성 물질은 구리이고, 단열재는 PDMS이다.

열전도성 물질과 단열재가 특정 방향을 가진 선형으로 반복되어 배치되면, 각 물질의 열전도도 차이 때문에 열은 주로 열전도성 물질을 통해 이동하게 되며, 배치된 열전도성 물질의 각도 θ에 따라 열이 이동하는 경로가 바뀌어 여러 종류의 열 시프터를 구현할 수 있다.

본 실시예에서는 열 시프터를 열메타물질 제조의 편의성을 위해 왜곡각도 θ를 ±15°, ±45°, ±75°로 총 6가지 타입으로 통합하였고, 열 시프터의 크기를 5mm×5mm에서 40mm×40mm로 확장하였다. 전체적인 스케일을 유지하면서 해상도를 감소시켜 공정 편의성을 향상하였다. 통합 각도 및 스케일 변화값은 본 발명에서 실시예를 위해 설정한 것이며, 그 수치는 설정에 따라 변할 수 있다.

이하 선정한 소재에 관해서도, 선정되는 소재의 폭은 실시예에 사용된 소재에 국한되지 않고 열전도성 물질과 단열재를 이용하는 범주에서 다양한 소재를 이용할 수 있다.

도 4의 (a)에 도시된 바에 의하면, 열 시프터는 레이저 컷팅 기술을 통해 특정 각도로 선형 패터닝된 금속 조각을 이용하며, 본 발명의 실시예에서는 구리를 사용하였다.

특정 각도별로 선형 패터닝된 정사각형 모양의 구리 조각의 홈에 중합체와 경화제를 10:1로 섞은 PDMS를 채운 후 오븐에서 60℃에서 3시간 가열하여 경화시켜, 복합 물질을 사용한 열 시프터를 제조한다.

본 발명에서 실시 예로 사용된 구리의 열전도도는 400[W/m·K]으로 열메타물질에서 열의 이동 통로 역할을 수행한다. 높은 열전도도로 인해 구리판의 두께(1mm)에 따른 온도 퍼포먼스 차이를 무시할 수 있어 이차원에서의 온도 퍼포먼스를 나타내기에 적합하다. PDMS의 열전도도는 0.2[W/m?K]이며 열메타물질에 사용된 물질 중 단열 역할을 담당한다. 열전도성 물질로 열전도도가 너무 낮은 물질을 사용할 경우, 열전달 방정식에서 전도와 관련된 항의 영향이 낮아져 상대적으로 대류와 관련된 항의 영향이 높아지기 때문에, 단열재와의 열전도도 차이가 있음에도 대류현상에 의한 퍼포먼스 저하가 크게 일어나게 된다. 반면, 단열재로 PDMS를 이용하지 않고 빈 공간으로 방치하면 공기의 단열 성질로 인해 열메타물질의 기능을 나타낼 수는 있으나, 그만큼 표면적이 넓어져 대류현상에 의한 영향을 많이 받기 때문에 주위 환경에 의한 심각한 퍼포먼스 저하가 일어날 문제가 있다.

결론적으로, 실제 실험을 위한 열 시프터 제조 시, 열전도성 물질로 최소 80[W/m·K]이상의 열전도도를 가지는 열전도성 재료를 사용하며, 대류 현상에 의한 퍼포먼스 저하를 막기 위해 열전도도가 낮고 성형이 쉬운 중합체 계열 재료를 사용한다.

d)제조한 열 시프터를 열메타물질 디자인에 맞게 배치하는 단계는 실제 제조한 열 시프터를 기능에 맞게 배치하여 4가지 타입(열 방어기, 열 집중기, 열 분산기, 열 회전기)의 열메타물질을 실험적으로 제조하고, 열적 기능을 측정하여 검증한다.

d)제조한 열 시프터를 열메타물질 디자인에 맞게 배치하는 단계는, 미분된 열메타물질의 열전달 흐름을 각 사분면의 역할에 따라 통합하는 단계와 통합된 열전달 흐름에 따라 열 시프터를 각 타입에 맞게 배치하는 단계를 포함한다.

도 5에 도시된 바에 의하면, b)단계에서 100개(10행10열)로 디자인되었던 열 시프터의 배치를 16개(4행4열)로 축소하여 열 시프터 통합과정에 따른 전체적인 스케일 조정을 수행한다.

실제 제조한 열메타물질의 열 시프터 배치 형태는, b)단계에서 기술한 10행10열 모델 디자인을 사분면으로 나눈 후 각 사분면의 25개의 열 시프터를 다시 사분면으로 나누어 총 16개로 나뉜 구역에, 실제 제조한 열 시프터를 각각의 구역에 배치한 형태로 도출된다.

위 과정과 열 시프터 왜곡각도 θ 통합과정을 통해 기존 10행10열 모델보다 세부적인 해상도는 감소하나, 전체적인 기능 유지에는 변함이 없으며 제조 편의성이 크게 증가한다.

c)단계를 통해 제조한 열 시프터를 기능에 맞게 4행4열로 배치하여 4가지 타입(열 방어기, 열 집중기, 열 분산기, 열 회전기)의 열메타물질을 실제 제조하고 이의 성능을 측정함과 동시에 시뮬레이션 결과와의 비교를 통해 실제 제조한 열메타물질의 기능을 확인한다.

e)열 시프터에 사용된 단열재를 상변화물질로 교체하여 가변형 열메타물질을 구현하는 단계는, 열 시프터에 사용된 단열재를 상변화물질을 기반으로 열전도성 나노소재를 조합한 나노복합재(nano composite)로 교체하여, 주위 온도에 따라 기능이 변하는 가변형 열메타물질을 제조하고 열적 기능을 검증한다.

열 시프터에 사용된 단열재를 상변화물질로 교체하여 가변형 열메타물질을 구현하는 단계는, 상변화물질과 필러를 사용하여 나노복합체를 제조하는 단계와 나노복합체의 상변화시 열전도도 변화 범위에 맞춘 열 시프터의 열전도성 물질 교체 디자인하는 단계와 나노복합체를 열 시프터의 단열재를 대체하는데 사용하여 가변형 열 시프터를 제조하는 단계와 가변형 열 시프터를 단위블록으로 사용하여 각 타입에 맞게 배치하여 가변형 열메타물질을 구현하는 단계를 포함한다.

상변화물질은 옥타데칸이고, 필러는 구리 분말과 카본나노튜브이다.

통상적으로 사용되는 유기 상변화물질들은 액체뿐만 아니라 고체상태에서도 열전도도가 낮은 특성을 가진다. 이를 해결하기 위해 탄소나노튜브, 그래핀 및 금속 분말 등을 필러로 첨가하면, 상변화 성질은 유지되며 고체상태의 열전도도가 증가하게 되는 반면, 상대적으로 액체상태의 열전도도는 작게 증가하게 되는 부가적인 효과가 있다.

도 6에 도시된 바에 의하면, 액체상태에서는 개별적으로 상변화물질 속에 부유하던 필러들이 상변화물질이 고체상태로 변할 때, 부피가 감소함과 동시에 주위의 필러들을 압박하면서 필러들끼리의 접촉이 생겨 열전도 네트워크가 형성되게 된다. 이를 이용하여, 액체상태의 열전도도는 낮게 유지하며, 고체상태일때 높은 열전도도를 가지는 상변화물질을 제조할 수 있다.

상변화물질로 옥타데칸(Octadecane), 필러로는 구리 분말과 카본나노튜브(Carbonnanotube, CNT)를 이용하여 나노복합재(nano composite)를 제조한다.

옥타데칸은 26~29℃ 사이에서 상변화하는 특징을 가지고 있으며 독성이 없고 상온 영역에서 상변화를 일으키기 때문에 실험적 검증이 용이하기에 대표 물질로 적용한다.

제1 필러인 구리 분말은 직경 5~7μm의 크기를 가지고 있으며 열전도 네트워크에서 거점(island) 역할을 수행하게 한다. 구리는 400[W/m·K]의 높은 열전도도를 가지며 다른 고 열전도도 재료와 가격에서 유리하다.

제2 필러인 카본나노튜브는 직경 20~40nm, 길이 5~20μm를 사용하여 열전도 네트워크에서 연결 및 전달(bridge) 역할을 수행하게 한다.

상변화물질과 필러의 적정 비율은 필러의 크기와 이용되는 형상에 따라 다르다. 본 실시예에서는 c)단계에서 제조한 열 시프터 형상에 맞추어 비율을 최적화 하였으며, 상변화물질로 옥타데칸 4ml, 구리 분말 15g, 카본나노튜브 150mg을 섞어 교반과정을 통해 나노복합물질(nano composite)을 제조하였다.

도 7에 도시된 바에 의하면, 제조한 나노복합물질로 열 시프터 구조체 내의 단열재 부분을 대체하여 채워 넣고 내열테이프 등으로 밀봉한다.

열 시프터의 재료로 구리를 사용하게 되면, 제조한 나노복합물질과 열전도도 차이가 매우 크기 때문에 상변화물질이 고체상태일 때도 열메타물질의 기능이 나타나게 되므로, 명확한 기능 구현 검증을 위해 열 시프터(therma shifter)의 재료를 구리(400[W/m·K])에서 스테인리스강(16[W/m·K])으로 교체하였다. 제조한 나노복합물질의 열전도도 추정범위는 고체일 때 3[W/m·K], 액체일 때 0.5[W/m·K]으로 스테인리스강의 열전도도 16[W/m·K]와 매치되어 온도에 따른 가변형 기능을 나타낼 수 있다.

도 8에 도시된 바에 의하면, 본 발명의 실시예에 사용된 실험 장비 세팅은 크게 고온부, 저온부, 온도 퍼포먼스를 측정할 열적외선(thermal IR) 카메라로 구성된다.

고온부는 실리콘 히팅 배드가 사용됐으며, 저온부는 펠티어 소자로 구성되어 있다. 열메타물질 좌우에 각각 고온부, 저온부가 배치되어 있으며 이곳으로부터 열을 전달받아 온도 퍼포먼스를 나타낼 수 있고, 수직한 방향으로 열적외선 카메라를 통해 온도 퍼포먼스를 측정할 수 있다.

도 9에 도시된 바에 의하면, 10열10행으로 배치된 열 시프터를 사분면으로 나누었을 때, 각 사분면 영역별로 설정된 열 시프터 그룹이 역할에 맞게 온도 왜곡 기능을 가지는 것을 관측할 수 있으며, 이를 조합하여 4가지 타입의 열메타물질 개별 기능을 구현할 수 있다.

도 10에 도시된 바에 의하면, 열 시프터 사이의 경계 영역을 고려한 모델에서도 퍼포먼스가 유지되는 것을 확인할 수 있으며, 경계 영역의 두께가 감소할수록 전체적인 퍼포먼스가 향상된다.

따라서, 기존에 연구된 열메타물질이 기능마다 새로 복잡한 패턴을 디자인해야 했던 제약을, 제조가 용이한 단순한 구조체인 열 시프터의 배열만 변경함으로써 다양한 기능을 얻을 수 있는 조립형 다기능 열메타물질을 완성할 수 있으며, 열 시프터 사이의 경계영역을 적용한 디자인을 고려하여 실제 적용성을 높일 수 있다.

또한, 실제 열메타물질 구조 제조의 기본이 되는 열 시프터의 제조 공정이 간단하여, 여러 종류의 온도 왜곡기능을 가진 열 시프터의 제조가 가능하며, 이를 조합하여 전체 조립형 구조의 열메타물질 제조가 용이하다.

이를 뒷받침 하는 결과인 도 4의 (b)를 참조하면, 실제 제조한 열 시프터(thermal shifter)의 왜곡각도 θ에 따라 실제 온도 왜곡기능이 바뀌는 것을 관측할 수 있다.

또한, 실제 제조한 열 시프터를 조합 및 배치하여 b)단계에서 디자인한 여러 가지 기능의 조립형 열메타물질을 쉽게 제조할 수 있다.

이를 뒷받침 하는 결과인 도 11에 의하면, d)단계에서 열 시프터가 4행4열 형태로 배치되어 제조된 4가지 타입을 가지는 조립형 열메타물질이 목표 기능에 맞게 열에너지를 분포시키는 것을 관측할 수 있으며, b)단계에서 도출된 해당 구조체 디자인의 온도 분포 시뮬레이션 결과와 차이가 없음을 보인다.

따라서, 본 발명의 조립형 열메타물질 디자인 개념은 열 시프터의 배치 조합만 바꿈으로써 여러 종류의 열메타물질 구현이 가능하여, 기존 열메타물질보다 제조성을 획기적으로 향상시킬 수 있다.

또한, 열 시프터의 조합 용이성을 이용하여 상기한 4가지 타입의 열메타물질 기능에 국한되지 않고, 배치 및 배열 방향 변화에 따라 특정한 여러 가지 기능을 구현할 수 있기 때문에 그 응용성이 높아 여러 군수, 민수산업분야에서 상황에 맞게 적용될 수 있다.

또한, 열 시프터에 사용된 단열재를, 상변화물질을 사용한 나노복합재로 교체하여, 주위 온도에 따라 기능이 변하는 가변형 열메타물질을 제조하고 열적 기능을 검증한다.

이를 뒷받침 하는 결과인 도 12에 의하면, 단열재로 PDMS를 사용하였을 때와 비교하여, 나노복합물질의 상변화에 따른 열전도도 변화가 유효하여 열 시프터의 기능이 작동, 비작동 상태를 왕복할 수 있음을 알 수 있다.

도 12의 (c)에 도시된 바에 의하면, 고체상태의 가변형 열 시프터는 온도 구배가 거의 일반 물질에 가까운 수직 형태를 나타내고 있으며, 액체상태의 가변형 열 시프터는 온도 구배가 사선을 나타내어 PDMS를 사용한 일반 열 시프터와 퍼포먼스가 비슷함을 관측할 수 있다.

따라서, 도 13에 도시된 본 발명의 가변형 열 시프터의 온도 퍼포먼스 결과를 토대로 가변형 열메타물질 구현 디자인이 갖추어 졌으며, 이를 바탕으로 4가지 타입(열 방어기, 열 집중기, 열 분산기, 열 회전기)의 가변형 열메타물질을 구현하는 것이 가능하다. 가변형 열메타물질은 작동 온도 범위에 따라 기능이 활성화, 비활성화 상태가 된다.

본 발명은 도면과 명세서에 최적의 실시예들이 개시되었다. 여기서, 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 발명은 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면, 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 권리범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (12)

1. 변형 열역학 이론을 적용하여 열 시프터 디자인을 도출하는 단계;
   상기 열 시프터를 단위 구획마다 배치하는 조립형 열메타물질 디자인을 도출하는 단계;
   상기 열 시프터를 열전도성 물질과 단열재를 이용하여 제조하는 단계;
   상기 제조한 열 시프터를 상기 열메타물질 디자인에 맞게 배치하는 단계; 및
   상기 열 시프터에 사용된 단열재를 상변화물질로 교체하여 가변형 열메타물질을 구현하는 단계;를 포함하며,
   상기 열 시프터를 열전도성 물질과 단열재를 이용하여 제조하는 단계는,
   왜곡각도 θ를 통합하는 단계;
   스케일을 조정하는 단계;
   상기 열전도성 물질과 단열재를 상기 왜곡각도 θ에 따라 반복 선형 배치하는 단계;
   상기 열전도성 물질로 이루어진 테두리를 적용하여 블록화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 조립형 다기능 열메타물질 제조방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 변형 열역학 이론을 적용하여 열 시프터 디자인을 도출하는 단계는,
   좌표 회전과 텐서 표현을 기반으로 한 상기 왜곡각도 θ를 포함하는 변형된 열전도도 k'를 도출하는 단계; 및
   상기 왜곡각도 θ를 변수로 하여 여러 종류의 열 시프터를 디자인하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 조립형 다기능 열메타물질 제조방법.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 열 시프터를 단위 구획마다 배치하는 조립형 열메타물질 디자인을 도출하는 단계는,
   기존의 열메타물질의 온도 퍼포먼스를 복수 개의 정사각형 모양의 단위구획으로 미분하여 각 구역별 열전달 흐름을 도출하는 단계;
   상기 열 시프터를 기본 단위블록으로 이용하여 각 구역에 배치하는 단계; 및
   상기 열 시프터의 블록화를 위해 상기 열 시프터 영역 사이의 경계조건을 고려한 조립형-다기능 열메타물질을 디자인하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 조립형 다기능 열메타물질 제조방법.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 기존의 열메타물질의 온도 퍼포먼스를 복수 개의 정사각형 구획으로 미분하여 각 구역별 열전달 흐름을 도출하는 단계는,
   기존의 4가지 타입(열 방어기, 열 집중기, 열 분산기, 열 회전기) 열메타물질의 온도 퍼포먼스를 사분면으로 나누어 열전달 흐름을 설계하는 단계; 및
   상기 사분면으로 나눈 각 구획의 열전달 흐름을 설계하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 조립형 다기능 열메타물질 제조방법.
5. 삭제
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 열전도성 물질은 구리이고, 상기 단열재는 PDMS인 것을 특징으로 하는 조립형 다기능 열메타물질 제조방법.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 제조한 열 시프터를 상기 열메타물질 디자인에 맞게 배치하는 단계는,
   미분된 열메타물질의 열전달 흐름을 각 사분면의 역할에 따라 통합하는 단계; 및
   상기 통합된 열전달 흐름에 따라 상기 열 시프터를 각 타입에 맞게 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 조립형 다기능 열메타물질 제조방법.
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 열 시프터에 사용된 단열재를 상변화물질로 교체하여 가변형 열메타물질을 구현하는 단계는,
   상변화물질과 필러를 사용하여 나노복합체를 제조하는 단계;
   상기 나노복합체의 상변화시 열전도도 변화 범위에 맞춘 열 시프터의 열전도성 물질 교체 디자인하는 단계;
   나노복합체를 열 시프터의 단열재를 대체하는데 사용하여 가변형 열 시프터를 제조하는 단계; 및
   상기 가변형 열 시프터를 단위블록으로 사용하여 각 타입에 맞게 배치하여 가변형 열메타물질을 구현하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 조립형 다기능 열메타물질 제조방법.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 상변화물질은 옥타데칸이고, 상기 필러는 구리 분말과 카본나노튜브인 것을 특징으로 하는 조립형 다기능 열메타물질 제조방법.
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제

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