KR102288913B1 - 전면볼록곡률 변형 특성을 갖는 샌드위치 판재 및 그 제조방법 - Google Patents

전면볼록곡률 변형 특성을 갖는 샌드위치 판재 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 신체 착용 기기(wearable device)에 유리하게 적용될 수 있는 샌드위치 판재 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 샌드위치 판재의 경우, 보통의 심재 양면에 2차원 팽창성 재료가 면재로 부착된 형태를 가져, 경량/박형 제작이 가능하고 소정의 강도 및 강성도 부여할 수 있고 또한 3차원 팽창성 재료에 준하여 굽힙 모멘트에 대한 전면볼록곡률 변형 거동을 부여하여 피착물과의 밀착성이 개선됨으로써 신체 착용 기기의 구조재로 유리하게 활용될 수 있다. 또한, 2차원 팽창성 재료를 면재 형태로 선가공한 후 보통의 심재에 단순 부착하는 방식으로 저비용으로 간단히 제조되면서도 3차원 팽창성 재료에 준하는 거동을 부여할 수 있기 때문에, 종래 3차원 팽창성 재료를 이용한 얇은 판상 구조재로의 단순 구성시 제조 난이도가 높아지고 구조재의 강도가 지나치게 낮아져 신체 착용 기기에 적용하는 데 있어 장애가 되는 실용상의 한계가 용이하게 극복할 수 있다.

Description

전면볼록곡률 변형 특성을 갖는 샌드위치 판재 및 그 제조방법{SYNCLATIC CURVATURE DEFORMABLE SANDWICH PANEL AND FABRICATION METHOD THEREOF}
본 발명은 샌드위치 판재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 신체 착용 기기(wearable device)에 유리하게 적용될 수 있는 샌드위치 판재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
가까운 미래에는 모바일 기기가 신체 착용 기기(weable device) 형태로 진화할 것으로 예상되고 있다. 신체 착용 기기는 가벼울 뿐만 아니라 구조재로서 강도를 가지면서도 유연하고 또한 신체 밀착성 내지 착용성이 우수해야 한다. 특히, 둔부, 가슴, 팔 또는 다리의 근육과 같이 신체 착용 기기가 부착될 곳으로 예상되는 인체 부위는 대부분 볼록한 형상이기 때문에, 인체에 대한 신체 착용 기기의 밀착성을 높이기 위해서는 신체 착용 기기의 유연한 변형이 해당 신체 부위의 볼록한 형태로 진행될 필요가 있다.
이 경우 볼록한 인체 부위에 접촉시 일어나는 신체 착용 기기의 변형은 굽힘 모멘트에 의한 변형으로 인지될 수 있고, 이러한 굽힘 모멘트에 의한 변형 특성 및 그에 따른 신체 밀착성은 사용되는 재료에 따라 달라질 수 있다. 구체적으로, 도 1은 x-z평면 상에 넓은 판상 구조재에 z방향 굽힘 모멘트가 작용할 때 발생하는 두가지 변형 형태를 나타내고 있다. 도 1의 (a)와 같이, 양(+)의 값의 포아송 비를 갖는 일반적인 고체 구조재는 굽힘 모멘트에 의한 굴곡이 x-y평면과 y-z평면에서 서로 반대 방향으로 발생하는 배사곡률(anticlastic curvature) 변형 특성을 갖는다. 이러한 배사곡률의 변형 특성을 갖는 판상 구조재를 신체 착용 기기에 적용할 경우 볼록한 신체 부위에 대한 밀착성은 좋지 않다. 반면에 도 1의 (b)와 같이, 후술하는 팽창성 재료와 같이 음(-)의 값의 포아송 비를 갖는 고체 구조재는 굽힘 모멘트에 의한 굴곡이 x-y평면과 y-z평면에서 서로 같은 방향으로 발생하는 전면볼록곡률(synclastic curvature) 변형 특성을 가지며, 이러한 전면볼록곡률 변형 특성을 갖는 판상 구조재를 신체 착용 기기로 적용할 경우 밀착성이 우수하다(Y. Liu and H. Hu, Scientific Research and Essays Vol. 5, pp. 1052-1063, 2010. A. Alderson and K. L. Alderson Proc. IMechE Part G: J. Aerospace Engineering, Vol. 221, pp. 565-575, 2007.).
일반적으로 재료는 인장하면 그에 수직한 방향으로는 수축하고, 반대로 압축하면 그에 수직한 방향으로는 신장된다. 즉, 하중 인가 방향으로의 변형(종변형)에 대한 이중 인가 방향에 수직한 방향으로의 변형(횡변형)은 서로 반대이며, 일반적인 재료의 경우 종변형에 대한 횡변형의 비에 음(-)의 값을 부여하여 정의되는 포아송 비(Poisson's ratio)는 양(+)의 값을 갖고 굽힘 모멘트에 의한 변형 특성은 상기 도 1의 (a)와 같다. 이에 대해, 특정 구조를 갖는 재료의 경우 음(-)의 포아송 비를 갖는데, 이러한 재료를 소위 팽창성 재료(Auxetic material)라 한다. 이러한 팽창성 재료는 2차원 또는 3차원 구조를 가질 수 있으며, 또한 분자 구조와 같은 미시적인 수준에서 수센티미터 단위의 거시적인 수준까지 넓은 범위에서 확인된다. 도 2 및 도 3은 종래 알려져 있는 대표적인 팽창성 재료의 2차원 및 3차원 구조도를 각각 나타낸다(Juan Carlos A´ lvarez Elipe and Andre´s D´ıaz Lantada, Smart Mater. Struct., Vol. 21, article id. 105004, 2012.).
여기서 2차원 팽창성 재료 또는 구조체란 구조가 2차원적이고 변형이 면내(in-plane)에서만 발생하는 구조체를 말하고, 3차원 팽창성 구조체는 구조 및 변형이 모두 3차원 공간상에 규정되는 것을 말한다.
이러한 2차원 또는 3차원 팽창성 재료는 그 기하학적 구조에 따라 고유의 명칭을 갖는다. 이 밖에 개방형 발포재(foam material)의 경우, 서로 수직인 3방향에서 압축되면 상기 오목구조(re-rentrant structure)로 변형됨으로써 팽창성 재료의 특성이 부여될 수 있는 것으로 알려져 있다(R. S. Lakes, Science, Vol. 235, pp. 1038-1040, 1987.).
다만 이러한 팽창성 재료만으로 판상 구조재를 구성하는 경우에 있어 도 1의 (b)에서와 같은 전면볼록곡률 변형 특성을 갖기 위해서는, 도 3과 같은 3차원 팽창성 재료가 사용되어야 하고, 도 2와 같은 2차원 팽창성 재료를 사용할 수는 없다. 그 이유는 구체적으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 소정의 두께를 갖는 판상 구조재가 z축 방향의 굽힘 모멘트 Mz 작용시 전면볼록곡률 변형 특성이 일어나기 위해서는, 중립면 상부에서 x축 방향으로 인장응력을 받는 부분은 이에 수직한 z방향으로도 인장 변형되어야 하며 중립면 하부에서 x축 방향으로 압축응력을 받는 부분은 이에 수직한 z방향으로도 압축 변형을 해야 하지만, 2차원 팽창성 재료의 경우 두께 방향으로는 균일한 변형만이 일어날 뿐이며 그 두께 내부에 위치하게 되는 굽힘 모멘트의 중립면을 기준으로 상하 방향에서 서로 다른 변형 거동이 발생하지 않기 때문이다. 그러나, 3차원 팽창성 재료만으로 신체 착용 기기용 판상 구조재를 제작할 경우에 있어서도, 굽힘 모멘트의 중립면을 기준으로 상대적으로 ?湛? 두께의 상하 부분에서 서로 반대 방향의 변형 거동이 이루어져 전면블록곡률 변형 특성이 일어나도록 하기 위해서는 3차원 팽창성 재료의 단위셀(unit cell)을 매우 미세하게 형성해야 하기 때문에 제조 난이도가 높아지고 구조재의 강도가 지나치게 낮아져 신체 착용 기기에 적용하는 데 있어 실용상의 한계가 있다.
한편 샌드위치 판재는 일반적으로 두꺼운 다공성/저강도의 심재(core)와 그 양면에 부착되는 얇은 고밀도/고강도의 면재(face sheet)의 이종 재료로 이루어진 구조재로서 굽힘 모멘트는 면재가 담당하고 상대적은 낮은 전단력은 심재가 담당하도록 설계되어 무게 대비 높은 강도와 강성을 갖는 것으로 알려져 있다. 최근 팽창성 재료를 샌드위치 판재로 응용한 예로서, 팽창성 재료를 심재로 구성하고 보통(conventional)의 소재를 면재로 구성한 샌드위치 판재에 대한 연구가 보고되고 있으나, 이러한 구조의 샌드위치 판재는 충격에 대한 저항이 크거나 곡면 형상을 갖는 판재를 제조하기 위한 것이며 굽힘 모멘트에 따른 변형 특성을 개선하는 것과는 무관하다.
- Y. Liu and H. Hu, Scientific Research and Essays Vol. 5, pp. 1052-1063, 2010. - A. Alderson and K. L. Alderson Proc. IMechE Part G: J. Aerospace Engineering, Vol. 221, pp. 565-575, 2007. - Juan Carlos A´ lvarez Elipe and Andre´s D´ıaz Lantada, Smart Mater. Struct., Vol. 21, article id. 105004, 2012. - R. S. Lakes, Science, Vol. 235, pp. 1038-1040, 1987. - Z. Wang, A. Zulifqar, H. Hu, Auxetic composites in aerospace engineering, 2016.
본 발명은 경량 및 박형이면서도 필요한 강도 및 강성과 함께 유연한 변형시 전면볼록곡률 변형 특성을 가짐으로써 특히 신체 착용 기기의 구조재로 유리하게 적용될 수 있는 샌드위치 판재 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명자들은, 상기 해결과제와 관련된 신체 착용 기기용 구조재로서 이종 재료가 적층 부착된 샌드위치 판재를 활용하는 방안을 연구하는 과정에서, 보통(conventional)의 심재 양면에 2차원 팽창성 재료가 면재로 부착된 형태로 샌드위치 판재를 구성하는 경우, 경량/박형 제작이 가능하고 또한 신체 착용 기기에 요구되는 소정의 강도 및 강성과 함께 특히 심재 양면에 부착된 2차원 팽창성 재료 각각이 굽힙 모멘트 중립면의 상하에서 서로 반대 방향의 팽창성 거동을 하여 판재 전체적으로 전면볼록곡률 변형 특성을 갖게 됨으로써 우수한 착용성도 구현할 수 있음을 확인하는 한편, 3차원 팽창성 재료를 이용한 얇은 판상 구조재로의 단순 구성시 제조 난이도가 높아지고 구조재의 강도가 지나치게 낮아져 신체 착용 기기에 적용하는 데 있어 장애가 되는 실용상의 한계가 극복될 수 있음을 지견하여 본 발명에 이르게 되었다. 상기한 해결과제에 대한 인식 및 지견에 기초한 본 발명의 요지는 아래와 같다.
(1) 심재; 및 상기 심재의 양면에 부착되는 면재;를 포함하는 샌드위치 판재에 있어서, 상기 면재는 2차원 팽창성 재료인 것을 특징으로 하는 샌드위치 판재.
(2) 굽힘 모멘트에 따른 중립면이 상기 심재에 형성되는 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 샌드위치 판재.
(3) 상기 심재는 다공성 재질인 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 샌드위치 판재.
(4) 상기 심재는 폴리머, 세라믹 또는 금속 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 샌드위치 판재.
(5) 상기 면재는 금속, 폴리머, 세라믹 또는 복합재료인 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 샌드위치 판재.
(6) 상기 면재는 상기 심재보다 밀도, 강도 및 강성이 큰 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 샌드위치 판재.
(7) 면재를 가공하는 단계; 및 면재를 심재의 양면에 부착하는 단계;를 포함하는 샌드위치 판재 제조방법에 있어서, 상기 면재는 2차원 팽창성 구조를 갖도록 가공되는 것을 특징으로 하는 샌드위치 판재 제조방법.
(8) 상기 2차원 팽창성 구조를 갖는 면재의 가공은 시트상 모재를 대상으로 레이저, 전자빔, 방전 또는 워터젯을 이용한 선형 절단 가공에 의해 수행되거나, 광 리소그래피, 프레스 가공 또는 에칭에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 상기 (6)의 샌드위치 판재 제조방법.
(9) 상기 2차원 팽창성 구조를 갖는 면재의 가공은 일방향(uni-directional) 복합 재료를 직조하거나 경사접합 적층 구조(angle-ply laminates structure)로 형성하여 수행되는 것을 특징으로 하는 상기 (6)의 샌드위치 판재 제조방법.
본 발명의 샌드위치 판재의 경우, 보통의 심재 양면에 2차원 팽창성 재료가 면재로 부착된 형태를 가져, 경량/박형 제작이 가능하고 소정의 강도 및 강성도 부여할 수 있고 또한 3차원 팽창성 재료에 준하여 굽힙 모멘트에 대한 전면볼록곡률 변형 거동을 부여하여 피착물과의 밀착성이 개선됨으로써 신체 착용 기기의 구조재로 유리하게 활용될 수 있다. 또한, 2차원 팽창성 재료를 면재 형태로 선가공한 후 보통의 심재에 단순 부착하는 방식으로 저비용으로 간단히 제조되면서도 3차원 팽창성 재료에 준하는 거동을 부여할 수 있기 때문에, 종래 3차원 팽창성 재료를 이용한 얇은 판상 구조재로의 단순 구성시 제조 난이도가 높아지고 구조재의 강도가 지나치게 낮아져 신체 착용 기기에 적용하는 데 있어 장애가 되는 실용상의 한계가 용이하게 극복할 수 있다. 또한 외형이 미려하고, 면재와 심재의 재료 및 구조의 조합에 따라 기계적 물성의 조절이 쉽고, 제작이 현저히 용이하다. 또한 전도성 면재를 사용하는 경우 전파신호의 수신이나 차폐기능을 부여할 수 있다.
도 1은 z-방향 굽힘 모멘트 인가에 따른 판상 구조재의 변형 특성에 관한 모식도.
도 2는 종래 알려진 예의 2차원 팽창성 재료의 구조도.
도 3은 종래 알려진 예의 3차원 팽창성 재료의 구조도.
도 4는 z-방향 굽힘 모멘트 인가시 전면블록곡률 변형 특성 발현을 위한 변형 모식도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 샌드위치 판재의 구조도.
도 6은 z-방향 굽힘 모멘트 인가시 본 발명의 실시예에 따른 샌드위치 판재의 변형 특성에 관한 모식도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 2차원 팽창성 면재의 평면 사진.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따라 제조된 2차원 팽창성 면재의 평면 사진.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 샌드위치 판재를 구성하는 시트상 우레탄 폼의 사진.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 도 9의 심재에 도 7의 면재를 적용한 샌드위치 판재의 사진.
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 도 9의 심재에 도 8의 면재를 적용한 샌드위치 판재의 사진.
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.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 샌드위치 판재(10)의 구조도를 나타낸다. 상기 샌드위치 판재(10)는 심재(110); 및 심재(110)의 양면에 부착되는 면재(120a, 120b);를 포함하여 구성된다.
상기 심재(110)는 상부 면재(120a) 및 하부 면재(120b)를 지지하는 역할을 하며, 샌드위치 두께 방향을 따라 상부 면재(120a) 및 하부 면재(120b) 각각을 굽힘 모멘트의 중립면(CF)을 기준으로 별도의 체적 요소로 분리하는 역할을 한다. 이러한 심재(110)는 박형으로 제공시 유연성 변형이 가능한 재질이면 특별히 제한되지 않으면 바람직하게는 경량 다공성 폴리머로 구성될 수 있고, 금속도 가능하다. 나아가 일반적으로 경질 취성 재료로 알려져 있는 세라믹의 경우도, 최근 나노 두께로 제작시 유연성 변형이 가능하기 때문에 본 발명에 따른 심재(110)로 적용가능하다. 또한 경량화 측면에서 이러한 심재(110)는 다공성 재질 또는 저밀도 재질로 구성하는 것이 바람직하며, 이러한 다공성 또는 저밀도 재질의 심재(110)를 사용하면 강성이 면재(120a, 120b)보다 낮게, 즉 유연하게 되어 포아송비가 0에 가까워지게 함으로써 면재(120a, 120b)가 팽창성 변형할 때 이에 구속되어 함께 변형되기 용이하다. 다만, 이러한 심재(110)는 면재(120a, 120b)와의 관계에서 상대적으로 결정되는 것이 바람직하며, 예컨대 유연성 재질이더라도 포아송비가 +0.5인 고무와 같은 비압축성 고체로서 면재(120a, 120b)의 팽창성 변형을 구속할 염려가 있는 재료의 경우 심재(110)로 적절하지 않을 수 있다.
상기 면재(120a, 120b)는 샌드위치 판재(10)의 두께 방향을 따라 굽힘 모멘트의 중립면(CF)을 기준으로 상부 및 하부 각각의 체적 요소를 이루며, 샌드위치 판재(10) 전체에 대해 3차원 팽창성 재료 특성을 부여하여 굽힘 모멘트 인가시 상기한 도 1의 (b)에 따른 전면볼록곡률 변형 특성을 부여하는 역할을 한다. 이를 위해 상기 면재는 상부 면재(120a) 및 하부 면재(120b)가 쌍으로 제공되며, 각각이 2차원 팽창성 재료로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 면재(120a, 120b)를 이루는 2차원 팽창성 재료의 기하학적 구조는 특별히 제한되지 않으며, 예컨대 도 2에 도시된 다양한 형태로 제공될 수 있다. 또한 상부 면재(120a) 및 하부 면재(120b)의 2차원 팽창성 재료의 기하학적 구조는 서로 동일하거나 또는 다를 수 있다. 또한 면재(120a, 120b)의 재질도 특별히 제한되지 않으며, 신체 착용 기기로의 응용시 요구되는 유연성 변형의 정도, 후술하는 2차원 기하학적 구조에 대한 가공 방법 등을 고려하여 선택될 수 있고, 바람직하게는 이러한 면재(120a, 120b)는 심재(110)에 비하여 고밀도, 고강도/강성을 갖는 재료로서 예컨대 금속 외에 폴리머, 세라믹 또는 복합재료로 구현하는 것도 가능하다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 샌드위치 판재(10)에 대해 z-방향 굽힘 모멘트 인가시 변형 특성에 관한 모식도를 나타낸다. 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 심재(110) 및 양 표면에 부착된 한 쌍의 면재(120a, 120b)에 의해 소정 두께를 갖는 샌드위치 판재(10)에 대해 z축 방향의 굽힘 모멘트 Mz 작용시, 굽힘 모멘트에 따른 중립면(CF)는 상기 심재(110) 내부에 형성됨으로써 상부 면재(120a) 및 하부 면재(120b) 각각은 샌드위치 판재(10)의 두께 방향을 따라 상부 및 하부 각각의 체적 요소를 이루게 된다. 이 경우, 중립면(CF)의 형성 위치는 상부 면재(120a) 및 하부 면재(120b)의 두께와 영률에 의해 영향을 받을 수 있으며, 이러한 인자들을 조절함으로써 중립면(CF)의 형성 위치를 심재(110) 내부에 형성되도록 할 수 있다. 2차원 팽창성 재료의 기하학적 구조를 갖는 상부 면재(120a)에 대해서는 x축 방향으로 인장응력을 받고 이에 수직한 z방향으로도 인장 변형됨으로써 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이 x-z 평면상에서 등방성 신장하게 된다. 반대로 또 다른 2차원 팽창성 재료의 기하학적 구조를 갖는 하부 면재(120b)에 대해서는 x축 방향으로 압축응력을 받고 이에 수직한 z방향으로도 압축 변형됨으로써 도 6의 (c)에 도시된 바와 같이 x-z 평면상에서 등방성 수축하게 된다. 결과적으로 굽힘 모멘트 인가시, 샌드위치 판재(10)의 두께 방향을 따라 중립면(CF)을 기준으로 별개의 체적 요소로 분리되는 상부 면재(120a) 및 하부 면재(120b) 각각에 대해 독립적으로 이루어지는 등방성 신장 및 등방성 압축 변형에 의해 샌드위치 판재(10)는 거시적으로 도 1의 (b)에 도시된 바와 같은 전면볼록곡률 변형 특성을 갖게 되며, 이는 마치 얇은 두께에 맞도록 단위셀에 대한 미시적 제어가 이루어진 도 3의 팽창성 재료만으로 판상 구조재를 형성한 경우와 동일한 변형 거동을 유도할 수 있게 된다.
한편, 본 발명에 따른 샌드위치 판재(10)는 면재(120a, 120b)를 가공하는 단계; 및 가공된 면재(120a, 120b)를 심재(110)의 양면에 부착하는 단계;를 포함하여 간단한 방식으로 제작될 수 있으며, 이 경우 상기 면재(120a, 120b)를 가공하는 단계는 2차원 팽창성 구조를 갖도록 가공하는 단계로서 다양한 방식으로 수행될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 3차원 팽창성 면재(120a, 120b)의 평면 사진을 나타낸다. 금속 재질의 시트상 모재를 대상으로 광학 리소그래피(photo lithography)로 0.2mm 두께의 스테인레스 강판에 도 2의 (d)에 따른 2차원 팽창성 패턴을 새겨 넣은 것이다. 도 7에서 2차원 팽창성 패턴의 사이즈는 용도별로 조절되어 있다. 광학 리소그래피는 일반적으로 전자 제품의 인쇄 회로기판 (printed circuit board) 가공 공정에서 많이 쓰이는 것으로 정밀한 패턴을 대량으로 생산하는데 적합하다. 광학 리소그래피로 금속판 표면에 패턴을 인쇄한 후에 노출된 금속부분을 화학적으로 에칭하여 제거하는 방식이다. 한편, 이러한 시트상 모재를 대상으로 하지만 광리소그래피 및 에칭 방법을 적용하기 적합하지 않는 폴리머 또는 세라믹 재질의 경우, 레이저, 전자빔, 방전 또는 워터젯을 이용한 선형 절단 가공에 의하거나 프레스 성형 등의 기계적 가공 방식으로 2차원 팽창성 패턴을 구현할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따라 제조된 2차원 팽창성 면재(120a, 120b)의 평면 사진을 나타낸다. 도 8의 (a)는 본 발명의 실시예에 따른 2차원 팽창성 면재(120a, 120b)의 다른 예이다. 가늘게 절취된 복수의 일방향 프리프레그(prepreg) 선을 평직(plain weaving)하여 일정한 주기를 갖는 그물 형태로 만든 다음, 도 8의 (b)와 같이 도 2의 (h)에 따른 2차원 팽창성 패턴이 음각된 금형에 억지로 끼워 넣어 선을 굴곡지게 변형하고, 가열하여 경화함으로써 그물 형태의 복합재 면재(120a, 120b)를 얻는다. 추가로 복합재 선 사이의 교차 접합부에 초저점도 에폭시(epoxy)를 소량 도포한 후 다시 가열하여 경화함으로써, 서로 교차하는 프리프레그 사이에서 발생하는 전단(shear) 변형을 방지한다. 이 경우 두방향 복합재 사이의 결합력을 증대하기 위하여 서로 직조할 수도 있다.
한편, 이러한 2차원 팽창성 면재(120a, 120b)의 가공은 도 8에 도시된 일방향 복합 재료를 직조하는 방식 외에, 일방향 복합재 프리프레그를 특정하게 경사진 방향으로 적층함으로써 소위 경사접합 적층 구조(angle-ply laminates structure)를 형성하는 방식일 수 있다(Z. Wang, A. Zulifqar, H. Hu, Auxetic composites in aerospace engineering, 2016.). 경사접합 적층 구조의 2차원 팽창성 재료의 제조는 전용 소프트웨어를 이용해 면내 또는 면외 방향으로 팽창성이 발현되도록 특별히 설계된 적층 방법을 사용하며, 본 발명 적용시 면내 방향으로 팽창성을 갖도록 제조된 것을 사용할 수 있다.
도 9 및 도 10은 각각 본 발명의 실시예에 따른 심재(110) 및 샌드위치 판재(10)의 실구현 예를 나타낸다. 도 9은 심재(110)로 시용되는 시트상의 폴리머 면재(120a, 120b)로서 우레탄 폼에 대한 실물 사진을 나타내고, 도 10은 도 9의 심재(110)에 도 7의 금속 면재(120a, 120b)를 에폭시롤 부착하여 완성한 샌드위치 판재(10)의 실물 사진을 나타낸다. 도 11은 도 9의 심재(110)에 일방향 복합재료를 직조(평직)하여 제작한 도 8의 면재(120a, 120b)를 부착하여 완성한 샌드위치 판재(10)의 실물 사진을 나타낸다.
이상과 같이 본 발명의 샌드위치 판재(10)의 경우, 보통의 심재(110) 양면에 2차원 팽창성 재료가 면재(120a, 120b)로 부착된 형태를 가져, 경량/박형 제작이 가능하고 소정의 강도 및 강성도 부여할 수 있고 또한 3차원 팽창성 재료에 준하여 굽힙 모멘트에 대한 전면볼록곡률 변형 거동을 부여하여 피착물과의 밀착성이 개선됨으로써 신체 착용 기기의 구조재로 유리하게 활용될 수 있다. 또한, 2차원 팽창성 재료를 면재(120a, 120b) 형태로 선가공한 후 보통의 심재(110)에 단순 부착하는 방식으로 저비용으로 간단히 제조되면서도 3차원 팽창성 재료에 준하는 거동을 부여할 수 있기 때문에, 종래 3차원 팽창성 재료를 이용한 얇은 판상 구조재로의 단순 구성시 제조 난이도가 높아지고 구조재의 강도가 지나치게 낮아져 신체 착용 기기에 적용하는 데 있어 장애가 되는 실용상의 한계가 용이하게 극복할 수 있다. 기타, 금속 면재(120a, 120b)의 경우 고유의 광택 및 팽창성 구조 고유의 패턴을 이용해 미려한 외형 구현도 가능하며, 면재(120a, 120b)와 심재(110)의 재료 및 구조의 조합에 따라 기계적 물성의 조절이 쉽고, 제작이 현저히 용이하다. 또한 전도성 면재(120a, 120b)를 사용하는 경우 차폐기능을 부여하거나 모바일 기기의 안테나 겸용으로 사용할 수 있어 전파신호의 수신이 가능하다.
이상의 설명은, 본 발명의 구체적인 실시예에 관한 것이다. 본 발명에 따른 상기 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. 따라서, 이러한 모든 수정과 변경은 특허청구범위에 개시된 발명의 범위 또는 이들의 균등물에 해당하는 것으로 이해될 수 있다.
10: 샌드위치 판재
110: 심재
120a: 상부 면재
120b: 하부 면재
CF: 중립면

Claims (9)

  1. 심재; 및 상기 심재의 양면에 부착되는 상하 한쌍의 면재;를 포함하는 샌드위치 판재에 있어서, 상기 면재는 2 차원 팽창성 재료이고, 상기 심재는 상기 면재보다 낮은 강성을 가지며,
    상기 샌드위치 판재의 면을 x-z 평면으로 하고 두께를 y방향으로 할 때, 굽힘 모멘트에 대한 중립면(CF)이 상기 심재의 내부에 형성되어 상기 상하 한쌍의 면재 각각이 상기 중립면(CF)를 기준으로 상부 및 하부의 독립된 체적요소를 이루며,
    상기 샌드위치 판재에 대해 x 또는 z 방향 굽힘 모멘트 인가시 상기 상부 및 하부 체적요소 중 어느 한 쪽에서 x 방향 및 z 방향으로 2차원 등방성 신장이 일어나면 다른 한 쪽에서는 x 방향 및 z 방향으로 2차원 등방성 압축이 일어남으로써, 전면볼록곡률 변형 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 샌드위치 판재.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 심재는 다공성 재질인 것을 특징으로 하는 샌드위치 판재.
  4. 제1항에 있어서, 상기 심재는 폴리머, 세라믹 또는 금속 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 샌드위치 판재.
  5. 제1항에 있어서, 상기 면재는 금속, 폴리머, 세라믹 또는 복합재료인 것을 특징으로 하는 샌드위치 판재.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
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