KR102476258B1 - 이종 소재의 고분자 폼 층을 포함하는 다층 구조체 및 이를 포함하는 충격 흡수용 패드 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 L1층 내지 Ln층 (n은 2 이상의 정수)의 n개층의 고분자 폼(foam) 층이 순차적으로 적층된 구조를 가지며, 상기 L1층 내지 Ln층은 서로 상이한 고분자 또는 고분자 블렌드로 구성된 고분자 폼으로 이루어지고, Lm층 (2 ≤ m ≤ n)을 이루는 고분자 폼의 경도(hardness)는 Lm-1층을 이루는 고분자 폼의 경도보다 높은 것을 특징으로 하는 다층 구조체 및 이를 포함하는 충격 흡수용 패드에 대한 것이다.

Description

이종 소재의 고분자 폼 층을 포함하는 다층 구조체 및 이를 포함하는 충격 흡수용 패드{MULTI-LAYER STRUCTURE INCLUDING POLYMER FOAM LAYERS OF DIFFERENT MATERIAL AND SHOCK ABSORBING PAD INCLUDING THE SAME}
본 발명은 충격 흡수용 복합재료 및 이를 포함하는 충격 흡수용 패드에 대한 것이다.
인류는 코르크 나무와 같은 천연의 다공성 구조체를 가공하여 다양한 목적에 맞게 사용하거나, 벌집, 동물의 뼈 등 다양한 형태로 존재하는 천연의 다공성 구조를 모방하여 인공적인 다공성 구조체를 제작하여 활용해 왔다.
인공적인 3차원 다공성 구조를 세분화하면 내부 구조가 규칙적인 형상과 불규칙적인 형상의 다공성 구조로 나눌 수 있으며, 각각의 구조는 개방형 구조와 폐쇄형 구조로 다시 나뉜다.
대표적인 불규칙적인 형상의 3차원 다공성 구조는 금속 및 비금속 폼(foam)이나 스폰지(sponge) 형태를 말하며, 규칙적인 형상의 3차원 다공성 구조는 트러스(truss), 직조(weave), 허니컴(honeycomb) 등과 같이 특정 형상의 단위 셀(cell)이 규칙적, 반복적으로 배열되어 있는 격자 구조를 말한다.
특히, 상기 격자 구조는 불규칙적 다공성 구조나 체적 소재에 비해 비강도 및 비강성이 우수하여, 항공기, 자동차, 선박 등 수송기기류의 초경량 구조재료로서의 적용 뿐만 아니라 외부의 충격하중을 내부구조가 흡수하는 충격 에너지 흡수능이 우수하여 충격 흡수용 패드 등 생활 및 산업용 충격 흡수용 제품의 재료로 주목받고 있으며, 나아가 방탄·방폭 재료로서의 잠재적인 가능성도 가지고 있다.
한국 등록특허 제10-1910305호 (등록일 : 2018.10.15) 한국 등록특허 제10-2131839호 (등록일 : 2020.07.02)
본 발명은 3차원 다공성 구조의 고분자 소재를 기반으로 하는 충격 흡수용 다층 구조체 및 이를 포함하는 충격 흡수용 패드의 제공을 그 목적으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 L1층 내지 Ln층 (n은 2 이상의 정수)의 n개층의 고분자 폼(foam) 층이 순차적으로 적층된 구조를 가지며, 상기 L1층 내지 Ln층은 각각 서로 상이한 고분자 또는 고분자 블렌드로 구성된 고분자 폼으로 이루어지고, Lm층 (2 ≤ m ≤ n)을 이루는 고분자 폼의 경도(hardness)는 Lm-1층을 이루는 고분자 폼의 경도보다 높은 것을 특징으로 하는 다층 구조체를 제공한다.
또한, 상기 L1층 내지 Ln층 각각의 고분자 폼 층은 허니컴(honeycomb) 구조 또는 오그제틱(auxetic) 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 다층 구조체를 제공한다.
또한, 상기 L1층 내지 Ln층 각각의 고분자 폼 층은 FDM (fused deposition modeling) 공법을 통해 제조된 것을 특징으로 하는 다층 구조체를 제공한다.
또한, 상기 L1층 내지 Ln층 각각의 고분자 폼 층은, ABS(acrylonitrile butadiene styrene copolymer), PLA(polylactic acid), TPU(thermoplastic polyurethane), TPE(Thermo Plastic Elastomer), Nylon, HDPE(High density polyethylene), PVC(polyvinyl chloride), PET(Polyethylene Terephtalate), PP(Polypropylene), PE(Polyethylene), HIPS(High Impact Polystyrene), EVA(Ethylene Vinyl Acetate), TPO(Thermoplastic Poly Olefin), PC(Polycarbonate), PETG(glycol-modified polyethylene terephthalate), PEN(polyethylene naphthalate) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 고분자로 이루어진 필라멘트를 이용한 FDM 공법 통해 제조된 것을 특징으로 하는 다층 구조체를 제공한다.
그리고, 본 발명은 발명의 다른 측면에서 상기 다층 구조체를 포함하는 충격 흡수용 패드를 제공한다.
본 발명에 따른 다층 구조체는 충격 에너지 흡수능이 우수한 고분자 폼 층을 2개층 이상 포함하되, 상기 2개층 이상의 고분자 폼 층이 서로 상이한 고분자로 이루어지고 다층 구조체의 두께 방향으로 경도(hardness)가 증가하도록 적층된 구조를 가짐으로써, 종래의 고분자 폼 기반의 충격 흡수용 소재에 비해 현저히 향상된 충격 에너지 흡수능을 가진다.
따라서, 본 발명에 따른 다층 구조체를 포함해 이루어지는 충격 흡수용 패드는, 고령층 인구의 낙상 사고 방지를 위해 엉덩이 보호대 등에 사용되는 의료용 충격 흡수용 패드나 경기용 헬멧, 안전모 등과 같은 스포츠용 또는 산업용 보호 장비 등에 도입되는 충격 흡수용 패드로서 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 다층 구조체의 일례에 대한 단면 모식도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 다층 구조체의 일 구현예로서 허니컴 구조를 가지는 TPE 폼 층(L1층), 허니컴 구조를 가지는 TPU 폼 층(L2층) 및 허니컴 구조를 가지는 ABS 폼 층(L3층)의 3개층의 고분자 폼 층으로 구성된 다층 구조체의 단면 모식도이다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명에 대해 실시예를 들어 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 명세서에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
본 발명에 따른 충격 흡수용 다층 구조체는, L1층 내지 Ln층 (n은 2 이상의 정수)의 n개층의 고분자 폼(foam) 층이 순차적으로 적층된 구조를 가지며, 상기 L1층 내지 Ln층은 각각 서로 상이한 고분자 또는 고분자 블렌드로 구성된 고분자 폼으로 이루어지고, 이웃하는 2개층, 즉 Lm층 (2 ≤ m ≤ n)을 이루는 고분자 폼의 경도(hardness)는 Lm-1층을 이루는 고분자 폼의 경도보다 높은 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 다층 구조체는 2개층 이상의 서로 다른 고분자 소재로 이루어진 고분자 폼 층을 포함하고, 그 두께 방향을 따라 각 고분자 폼 층의 기계적 물성이 증가하거나 감소하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이, 본 발명에 따른 다층 구조체는 경도에 있어서 경사 기능성(functionally graded property)을 가짐으로써 해당 다층 구조체를 충격 흡수용 패드 소재로 사용할 경우 충격 완화에 효과적이다.
도 1은 본 발명에 따른 다층 구조체의 일례에 대한 단면 모식도를 나타낸 것으로서, 서로 상이한 소재의 2개층의 고분자 폼 층을 포함하는 다층 구조체(2 Stage 타입)부터 서로 상이한 소재의 5개층의 고분자 폼 층을 포함하는 다층 구조체(5 Stage 타입)까지 예시적으로 도시했다.
본 발명에 따른 다층 구조체의 도 2에 도시한 대로 각 고분자 폼 층이 허니컴(honeycomb) 구조의 발포체로 이루어질 수 있음은 물론, 각 고분자 폼 층이 리엔트런트(re-entrant) 구조, 키랄(chiral) 구조, 회전 강체(rotating rigid unit) 등과 같은 오그제틱 (auxetic) 구조로 이루어질 수도 있고, 1개층 이상의 허니컴 구조의 고분자 폼 층 및 1개층 이상의 오그제틱 구조를 가진 고분자 폼 층을 모두 포함해 이루어질 수도 있다.
참고로, 오그제틱 구조의 소재는 변형 전후 체적이 일정한 양의 프와송비(Poisson's ratio)를 갖는 일반적인 재료와 달리 내부구조를 적절히 설계한 격자구조의 경우 인장시 팽창하고, 압축시 수축함으로써 음의 프와송비를 갖는데 오그제틱 특성은 다양한 응용 분야에서 장점으로 활용될 수 있는데, 예를 들어 압축 부위의 밀도 증가로 인해 국부적인 강화 효과를 나타낼 수 있음에 따라 방탄·방폭 구조물, 자동차 범퍼, 헬멧 등 충격에너지를 효과적으로 흡수할 수 있는 구조재로 활용 가능하다.
또한, 인장과 압축변형에 의해 내·외부공간이 변하는 특징을 응용하여 세척이 용이한 필터, 패스너, 흡음재 등 스마트 기능성 소재로 활용 가능하며, 3차원 곡면형상으로의 변형이 용이함에 따라 곡면동체, 윙 패널, 노우즈콘 등 항공우주 부품으로 활용 가능하다.
이러한 다양한 장점을 가진 오그제틱 구조체는 내부구조가 매우 복잡하여 폴리머 소재에 국한하여 적용되어 왔으나, 최근 3D 프린팅의 기술적 진보와 함께 금속 등을 이용한 오그제틱 구조체의 적용을 위한 많은 연구가 시도되고 있으며 향후 항공, 바이오, 자동차 등 다양한 산업분 야에서 오그제틱 구조를 활용한 격자 구조체 제조를 위한 3D 프린팅 기술이 가속화될 것으로 기대되고 있다.
한편, 본 발명에 따른 다층 구조체에 포함되는 각 고분자 폼 층의 제조방법으로는 전기화학적 특성, 열 계수 변형 차를 이용하거나 나노임프린트, 리소그래피 기술 등이 사용될 수 있으나, 상기 공정들은 복잡하고 공정 시간이나 비용 등이 많이 필요로 하는 단점이 있다.
그에 따라, 본 발명에서는 소량생산에 특화되어 있으며, 맞춤형 제작, 금형 없는 제품 생산이 가능하다는 점 등의 장점으로 인해 최근 크게 각광 받고 있는 3D 프린팅을 통해 본 발명에 따른 다층 구조체를 이루는 고분자 폼 층을 제조하는 것이 바람직하다.
3D 프린팅은 컴퓨터 기반 설계 3D(Computer Aided Design: CAD) 정보를 바탕으로 직접적으로 제품을 제조하는 기술로서, ASTM(American Society for Testing and Materials) F2792-12a에 정의된 3D 프린팅 방식으로서 광중합 방식 (Photo polymerization, PP), 재료 압출 방식 (Material Extrusion, ME), 접착제 분사 방식 (Binder Jetting, BJ), 재료분사 방식 (Material Jetting, MJ), 고에너지 직접 조사 방식 (Direct Energy Deposition, DED), 분말 적층 용융 방식 (Powder Bed Fusion, PBF), 쉬트 적층 방식 (Sheet Lamination, SL) 등을 들 수 있다.
상기 재료 압출 방식(Material Extrusion, ME)은 필라멘트 소재를 노즐을 통하여 가소화시킨 후 압출(Extrusion)시켜 형상을 제조하는 공법(FDM 등)이고, 재료분사 방식(Material Jetting, MJ)은 액상의 소재를 다수개의 미세노즐을 통해 분사한 후 경화시켜 형상을 제조하는 공법(Polyjet, MJM 등)이고, 접착제 분사 방식(Binder Jetting, BJ)은 액상 결합제를 다수개의 미세노즐을 통해 분사하여 분말소재를 선택적으로 결합시켜 형상을 제조하는 공법(3DP, CJP 등)이고, 쉬트 적층방식(Sheet Lamination, SL)은 판재형태의 소재를 원하는 단면으로 가공하고 접착하여 형상을 제조하는 공법(LOM, VLM 등), 광중합 방식(Photo polymerization, PP)은 액상의 폴리머를 광에너지를 이용하여 선택적으로 경화시켜 형상을 제조하는 공법(SLA, DLP 등)이며, 분말 적층 용융 방식(Powder Bed Fusion, PBF)은 파우더 챔버 내에서 높은 열에너지원(레이저)을 이용하여 선택적으로 소결/용해시켜 형상을 제조하는 공법(SLS, DMLS 등)이고, 고에너지 직접 조사 방식(Direct Energy Deposition, DED)은 금속표면에 레이저를 조사하여 국부적으로 용해된 Pool을 구성하고, 여기에 분말을 공급하여 형상을 제조하는 공법(MWAAM, LENS, DMT 등)이다.
상기 공법 중 광중합 방식 (Photo polymerization, PP)에 속하는 대표적인 3D 프린팅 기술인 FDM (fused deposition modeling)은 재료에 해당하는 필라멘트를 가열된 노즐에서 용융시키고 이를 빌드 플랫폼에 분사하여 형상을 제작하는 방식으로서, 다른 방식에 비해 저렴한 특징과 단순한 구성을 지니고 있다. FDM 기술은 폴리머 부품의 신속한 프로토타입 제작에 주로 사용되며, 재료의 선택은 제조물의 유형이나 특성에 따라 다양하다.
이에, 본 발명에 따른 다층 구조체에 포함되는 복수의 고분자 폼 층 각각은 상기 FDM 공법에 의해 제조된 고분자 폼으로 이루어질 수 있다.
이때, FDM 공법을 이용해 고분자 폼 층의 제조를 위해 제공되는 필라멘트는, ABS(acrylonitrile butadiene styrene copolymer), PLA(polylactic acid), TPU(thermoplastic polyurethane), TPE(Thermo Plastic Elastomer), Nylon, HDPE(High density polyethylene), PVC(polyvinyl chloride), PET(Polyethylene Terephtalate), PP(Polypropylene), PE(Polyethylene), HIPS(High Impact Polystyrene), EVA(Ethylene Vinyl Acetate), TPO(Thermoplastic Poly Olefin), PC(Polycarbonate), PETG(glycol-modified polyethylene terephthalate), PEN(polyethylene naphthalate) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 고분자로 이루어질 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2에 도시한 3개층의 고분자 폼 층을 포함하는 3 Stage 타입의 다층 구조체를 예로 들면, 허니컴 구조를 가지는 TPE 폼 층(L1층), 허니컴 구조를 가지는 TPU 폼 층(L2층) 및 허니컴 구조를 가지는 ABS 폼 층(L3층)의 3개층의 고분자 폼 층으로 구성된 다층 구조체와 같이 최하층으로부터 최상층 방향으로 기계적 강도가 증가하도록 각각의 고분자 폼 층을 상이한 소재로 구성하되, 각 고분자 폼 층을 각 층을 구성하는 소재로 이루어진 필라멘트를 원료로 사용해 FDM 공법을 통해 순차적으로 적층 제조해 본 발명에 따른 다층 구조체를 구현할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 다층 구조체는 충격 에너지 흡수능이 우수한 고분자 폼 층을 2개층 이상 포함하되, 상기 2개층 이상의 고분자 폼 층이 서로 상이한 고분자로 이루어지고 다층 구조체의 두께 방향으로 경도(hardness)가 증가하도록 적층된 구조를 가짐으로써, 종래의 고분자 폼 기반의 충격 흡수용 소재에 비해 현저히 향상된 충격 에너지 흡수능을 가진다.
따라서, 본 발명에 따른 다층 구조체를 포함해 이루어지는 충격 흡수용 패드는, 고령층 인구의 낙상 사고 방지를 위해 엉덩이 보호대 등에 사용되는 의료용 충격 흡수용 패드나 경기용 헬멧, 안전모 등과 같은 스포츠용 또는 산업용 보호 장비 등에 도입되는 충격 흡수용 패드로서 유용하게 사용될 수 있다.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (5)

  1. L1층 내지 Ln층 (n은 3 이상의 정수)의 n개층의 고분자 폼(foam) 층이 순차적으로 적층된 구조를 가지며,
    상기 L1층 내지 Ln층은 서로 상이한 고분자 또는 고분자 블렌드로 구성된 고분자 폼으로 이루어지고,
    Lm층 (2 ≤ m ≤ n)을 이루는 고분자 폼의 경도(hardness)는 Lm-1층을 이루는 고분자 폼의 경도보다 높고,
    상기 L1층 내지 Ln층 각각의 고분자 폼 층은 오그제틱(auxetic) 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 다층 구조체.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 L1층 내지 Ln층 각각의 고분자 폼 층은 FDM (fused deposition modeling) 공법을 통해 제조된 것을 특징으로 하는 다층 구조체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 L1층 내지 Ln층 각각의 고분자 폼 층은,
    ABS(acrylonitrile butadiene styrene copolymer), PLA(polylactic acid), TPU(thermoplastic polyurethane), TPE(Thermo Plastic Elastomer), Nylon, HDPE(High density polyethylene), PVC(polyvinyl chloride), PET(Polyethylene Terephtalate), PP(Polypropylene), PE(Polyethylene), HIPS(High Impact Polystyrene), EVA(Ethylene Vinyl Acetate), TPO(Thermoplastic Poly Olefin), PC(Polycarbonate), PETG(glycol-modified polyethylene terephthalate), PEN(polyethylene naphthalate) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 고분자로 이루어진 필라멘트를 이용한 FDM 공법 통해 제조된 것을 특징으로 하는 다층 구조체.
  5. 제1항, 제3항 및 제4항 중 어느 한 항의 다층 구조체를 포함하는 충격 흡수용 패드.
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