KR20100011632A

KR20100011632A - 내부에 존재하는 셀들 중 일부에 고체가 채워진 트러스타입의 주기적인 다공질 재료

Info

Publication number: KR20100011632A
Application number: KR1020080072930A
Authority: KR
Inventors: 강기주; 변준형
Original assignee: 전남대학교산학협력단
Priority date: 2008-07-25
Filing date: 2008-07-25
Publication date: 2010-02-03
Also published as: DE112008003956T5; US20110117315A1; WO2010010989A1; CN102105239A; JP5698133B2; JP2011528621A; KR101057946B1

Abstract

본 발명은 내부에 존재하는 셀들 중 일부에 고체가 채워진 3차원 트러스 타입의 주기적인 다공질 재료에 관한 것으로, 트러스 형태의 주기적인 다공질 재료에 압축이나 전단 하중이 가해졌을 때 발생하기 쉬운 트러스 요소의 좌굴을 방지할 수 있도록 내부에 존재하는 각 셀들 중 일부에 금속, 세라믹, 합성수지나 그 복합재 등을 충전하여 고형화시킨 것에 관한 것이다.

이에 따르면, 트러스 타입의 주기적인 다공질 재료의 내부에 존재하는 셀들 중 일부에 고체를 채워 넣음으로써 압축 하중이나 전단 하중이 작용하더라도 트러스 요소가 쉽게 좌굴되지 않고, 좌굴이 발생된다고 하더라도 급격한 강도 저하를 막아 구조재로서의 안정성을 충분히 확보할 수 있다.

트러스 구조, 주기적 다공질 재료, 고체, 충전, 충진, 좌굴, 강도

Description

내부에 존재하는 셀들 중 일부에 고체가 채워진 트러스 타입의 주기적인 다공질 재료{TRUSS TYPE PERIODIC CELLULAR MATERIALS HAVING INTERNAL CELLS, SOME OF WHICH ARE FILLED WITH SOLID MATERIALS}

본 발명은 경량 다공질 재료에 관한 것으로, 보다 상세하게는 트러스 타입의 주기적인 다공질 재료에 존재하는 내부 셀들 중 일부에 고체를 채움으로써 트러스 요소의 좌굴을 최대한 억제하고, 좌굴이 발생한 경우라도 좌굴 발생후 급격한 강도 저하를 막아 구조재로서의 안정성을 충분히 확보할 수 있도록 한 내부에 존재하는 셀들 중 일부에 고체가 채워진 트러스 타입의 주기적인 다공질 재료에 관한 것이다.

일반적으로, 다공질 재료는 내부에 수많은 작은 셀(Cell)을 가짐으로써 가벼우면서도 상대적으로 강도가 높은 재료를 말한다.

이러한 다공질 재료로는 발포수지, 발포금속, 소결 세라믹스 등 많은 것들을 들 수 있고, 이들 내부의 셀들이 서로 통해 있느냐의 여부에 따라 개방형과 폐쇄형으로 분류되며, 다양한 산업분야에서 활발하게 활용되고 있다.

그 중에서도 내부 셀의 크기와 형태, 배치가 균일한 재료를 주기적인 다공질 재료(Periodic Cellular Materials)라고 한다.

최근 새로운 주기적인 다공질 재료로서 트러스 형태를 갖는 것이 소개되고 있다(H. N. G. Wadley, N. A. Fleck, A. G. Evans, 2003, Composite Science and Technology, Vol.63, pp.2331~2343).

특히, 정밀한 계산을 통해 최적의 강도를 갖도록 설계된 트러스 구조는 허니컴(Honeycomb) 격자에 버금가는 기계적 물성을 가지면서 내부가 개방되어 있어 공간을 활용할 수 있다는 이점을 가진다.

아울러, 가장 일반적인 트러스 형태는 도 1에 도시된 바와 같은 피라미드(Pyramid) 트러스인데, 이러한 피라미드 트러스는 보통 4개의 정삼각형 격자가 경사면을 이루고, 정사각형 격자가 아랫(또는 윗)면을 이루도록 구성되어 있어, 사각형 형태의 판구조물을 만들기에 유리하다.

또한, 다른 트러스 구조로서, 도 1에 도시된 바와 같이 정사면체와 정팔면체가 조합된 형태의 옥테트(Octet) 트러스(R. Buckminster Fuller, 1961, US Patent 2,986,241)를 들 수 있는데, 이 구조에서는 각 요소가 서로 정삼각형을 이룬다.

또 다른 트러스 구조로, 카고메(Kagome) 트러스(S. Hyun, A.M. Karlsson, S. Torquato, A.G. Evans, 2003, Int J. of Solids and structures, Vol.40, pp.6989-6998)를 들 수 있는데, 이는 21세기에 들어 옥테트 트러스를 변형함으로써 완성된 것이다.

도 1에 예시된 상기 카고메 트러스는 피라미드 트러스와, 옥테트 트러스에 비하여 방향에 따른 구조의 강성 변화가 적고, 좌굴에 대한 저항성, 좌굴 후 변형 의 안정성, 에너지 흡수능력 등이 우수하다고 알려져 있다.

한편, 와이어는 대량생산, 가공 및 고강도의 실현이 용이하다. 좋은 예로 피아노선을 들 수 있다. 최근에는 이러한 와이어 특성에 착안하여 와이어를 소재로 한 트러스 형태의 주기적인 다공질 재료를 제작하는 방법이 개시되었다.

예컨대, 대한민국 등록특허 제0566729호, 제0633657호, 제0700212호, 제0767186호, 특허출원 제2006-0119233호 등이 그것인데, 이들은 모두 와이어를 소재로 주기적인 다공질 재료를 제작하는 방법에 관한 것이며, 도 2 내지 도 6에는 상기에서 개시된 기술들에 의한 주기적 다공질 재료의 형상이 도시되어 있다.

그런데, 상기에서 제시된 트러스 형태의 주기적인 다공질 재료는 이들에 압축이나 전단(Shear)과 같은 하중이 작용할 경우 이를 구성하는 트러스 요소의 좌굴에 의하여 다공질 재료 자체가 파손되는 경우가 많다.

특히, 트러스 요소의 세장비가 높거나 와이어의 소재가 피아노선과 같이 고강도 금속이나 복합재료에 사용되는 고강도 섬유 또는 섬유강화 수지일 경우에는 탄성좌굴이 일어나기 쉬운데 이 경우 좌굴 발생 후 강도가 급격히 감소하는 경향이 있어 이를 소재로 사용하여 트러스 형태의 주기적인 다공질 재료를 제조할 경우 구조재로서 필요한 안정성이 저하되고 변형에 의한 에너지 흡수량도 적어진다.

이를 테면, 등록특허 제0708483호와, 특허출원 제2006-0119233호에서와 같이, 와이어로 조립되는 다공질 재료는 트러스 요소가 굴곡되어 있으므로 좌굴에 더욱 취약할 가능성이 커 이의 보완이 요구된다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 많은 한계성들을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 트러스 타입의 주기적인 다공질 재료의 내부에 존재하는 셀들 중 일부에 고체를 채워 넣음으로써 압축 하중이나 전단 하중이 작용하더라도 트러스 요소가 쉽게 좌굴되지 않고, 좌굴이 발생된다고 하더라도 급격한 강도 저하를 막아 구조재로서의 안정성을 충분히 확보할 수 있도록 한 내부에 존재하는 셀들 중 일부에 고체가 채워진 트러스 타입의 주기적인 다공질 재료를 제공함에 그 주된 해결 과제가 있다.

본 발명은 상기한 해결 과제를 달성하기 위한 수단으로, 내부에 다수의 셀들이 주기적으로 형성된 3차원 트러스 타입의 다공질 재료에 있어서; 상기 다수의 셀들 중 일부에 고체가 채워진 것을 특징으로 하는 3차원 트러스 타입의 주기적인 다공질 재료를 제공한다.

본 발명에 따른 내부에 존재하는 셀들 중 일부에 고체가 채워진 다공질 재료는 다음과 같은 효과를 갖는다.

첫째, 트러스 형태의 주기적인 다공질 재료에 압축이나 전단과 같은 하중이 작용할 경우 발생하는 트러스 요소의 좌굴을 억제하고, 좌굴 발생 후에도 급격한 강도 저하를 억제하여 구조재로서 필요한 안정성을 높이고 변형에 의한 에너지 흡 수량을 증가시킨다.

둘째, 내부 셀 중의 일부에만 고체를 충전하여도 트러스를 구성하는 모든 트러스 요소를 구속할 수 있어 트러스 요소의 좌굴 억제를 극대화시키면서 내부 다공성도 유지할 수 있다.

셋째, 트러스 형태의 주기적 다공질 재료를 제조할 때 납땜, 브레이징, 수지접합과 같은 단순하고 이미 확립된 기술을 사용함으로써 생산비용이 절감되고 대량 생산이 용이하다.

넷째, 내부의 일부 셀을 고체로 채우는 방법으로서, 3차원 트러스 형태로 제조한 후에 액체 상태의 합성수지나 금속에 담궜다가 꺼내어 액체의 무게와 점도와 모세관현상 등의 작용에 의하여 내부 셀 중의 작은 것에만 액체가 남게 하고, 자연 혹은 강제 냉각시키거나 열을 가하여 합성수지나 금속을 고체화하는 방법은 생산 비용이나 대량 생산성 면에서 더욱 유리하다.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 3차원 트러스 형태의 주기적인 내부의 셀들 중 일부에 고체가 채워진 구조를 갖는 다공질 재료를 제공한다.

이때, 상기 트러스 형태의 주기적인 내부 셀들 중 일부에 채워지는 고체는 납땜이나 브레이징 페이스트, 액상의 합성수지나 금속, 세라믹, 그 복합재 등이 될 수 있다.

이 경우, 상기 납땜이나 브레이징 페이스트는 셀들 중 일부에 주입되는 방식으로 채워진 후 열에 의해 페이스트 내부의 용가제(Filler Metal)가 녹아 셀을 채우는 형태로 고형화됨이 바람직하다.

뿐만 아니라, 상기 액상의 합성수지 또는 금속은 셀들 중 일부에 주입되는 방식으로 채워진 후 일정시간이 경과함으로써 자연적으로 고형화되도록 하거나 혹은 냉각하거나 그 반대로 열을 가하는 것에 의해 강제적으로 고형화시키는 형태가 될 수 있다.

특히, 카고메 트러스와 같이 다공질 재료 내부의 셀 크기가 서로 다른 두가지로 구성되어 있는 경우에는, 상기 3차원 트러스 형태의 다공질 재료를 이들 액상의 합성수지 혹은 금속에 담궜다가 꺼내는 방식으로 일부 셀에 액상의 합성수지 또는 금속을 채울 수 있는데, 이때 셀에 채우는 방식은 액체상태를 이루는 합성수지 또는 금속이 갖는 점도, 밀도, 표면장력 및 트러스 요소를 이루는 물질과의 친화성, 모세관현상 등을 적절히 이용하여 내부의 여러 셀들 중 작은 것에만 채워지도록 유도할 수 있고, 충전 후에는 자연냉각 혹은 강제냉각, 기타 가열에 의한 고형화 방식이 가능하다.

이와 같이 3차원 트러스 형태의 주기적인 셀들을 갖는 다공질 재료의 일부 셀에 상술한 형태의 고체를 채워 넣는 방식은 다음과 같은 형태를 가질 수 있다.

이때, 상기 셀들은 동일 크기의 셀들이 주기적으로 반복 형성된 형태가 될 수도 있고, 혹은 서로 다른 두 가지 크기의 셀들이 주기적으로 다수 형성된 형태가 될 수도 있다.

여기에서, 서로 다른 두 가지 크기의 셀들이 주기적으로 다수 형성된 형태일 경우에는 상대적으로 더 작은 크기의 셀들에 상기 고체가 채워지는 것이 바람직하다.

[제1실시예]

도 7은 본 발명에 따른 다공질 재료인 정육면체 트러스 형태의 내부 셀 중 일부에 고체가 채워진 예를 보인 예시적인 사시도이다.

도 7에 따르면, 본 발명 제1실시예는 고체(200)가 채워지는 방식에 있어 정육면체 트러스 형태의 내부 셀(100)들 중 하나씩 건너 뛰어 상, 하, 좌, 우 교대로 채워지는 형태의 채움 구조를 갖는다.

이 경우, 원래 정육면체 트러스는 구조적 안정성이 매우 낮은 구조이지만 채워진 고체(200)로 인하여 모든 트러스 요소가 구속되므로 트러스 요소 자체의 좌굴이 억제될 뿐만 아니라 전체 구조체의 안정성이 획기적으로 높아진다.

반면, 전체 셀(100)들 중 1/4이 고체(200)로 채워지게 되어 다공률(porosity)은 그만큼 감소한다.

그리고, 상기 셀(100)에 채워지는 고체(200)는 앞서 설명하였듯이, 납땜이나 브레이징 페이스트, 액상의 합성수지나 금속이 바람직하며, 주입 방식으로 채워짐이 더욱 바람직하다.

[제2실시예]

도 8은 본 발명에 따른 다공질 재료인 피라미드 트러스 형태의 내부 셀 중 일부에 고체가 채워진 예를 보인 예시적인 사시도이다.

도 8에 따르면, 본 발명 제2실시예는 피라미드 트러스 형태를 구성하는 피라미드체와 정사면체 셀(100)들 중에서 정사면체 셀에만 고체(300)가 채워진 형태를 갖는다.

이로 인하여, 모든 트러스 요소가 구속되므로 트러스 요소 자체와 전체 구조체의 안정성이 획기적으로 높아진다.

반면에, 내부 셀(100)들의 전체 부피 중 약 1/3이 고체(300)로 채워지게 되어 다공률(porosity)은 그만큼 감소한다.

뿐만 아니라, 상기 셀(100)에 채워지는 고체(300)도 앞서 설명하였듯이, 납땜이나 브레이징 페이스트, 액상의 합성수지나 금속이 바람직하며, 주입 방식으로 채워짐이 더욱 바람직하다.

[제3실시예]

도 9는 본 발명에 따른 다공질 재료인 옥테트 트러스 형태의 내부 셀 중 일부에 고체가 채워진 예를 보인 예시적인 사시도이다.

도 9에 따르면, 본 발명 제3실시예는 옥테트 트러스 형태를 구성하는 정팔면체와 정사면체 셀(100)들 중에서 정사면체 셀에만 고체(400)가 채워진 형태를 갖는다.

반면에, 내부 셀(100)들의 전체 부피 중 약 1/3이 고체(400)로 채워지게 되어 다공률(porosity)은 그만큼 감소하게 된다.

이 경우에도, 상기 셀(100)에 채워지는 고체(400)는 앞서 설명하였듯이, 납땜이나 브레이징 페이스트, 액상의 합성수지나 금속이 바람직하며, 주입 방식으로 채워짐이 더욱 바람직하다.

여기에서, 옥테트 트러스 형태의 다른 변형 가능한 실시예로, 제조된 다공질 재료가 유사 정팔면체와 유사 정사면체를 갖는 와이어로 구성된 유사 옥테트 트러스 형태라면, 주입되는 고체가 유사 정사면체의 셀에만 주입되는 형태를 갖도록 구성할 수도 있다.

[제4실시예]

도 10은 본 발명에 따른 다공질 재료인 카고메 트러스 형태의 내부 셀 중 일부에 고체가 채워진 예를 보인 예시적인 사시도이다.

도 10에 따르면, 본 발명 제4실시예는 카고메 트러스를 구성하는 팔면체와 정사면체 셀(100)들 중에서 정사면체 셀에만 고체(500)가 채워진 형태를 갖는다.

이때, 본 발명 제4실시예의 경우에는 내부 셀(100)들의 전체 부피 중 약 1/24만 고체(500)로 채워지게 되므로 다공률(porosity) 감소가 앞서 설명된 제1,2,3실시예에 비해 보다 더 최소화되게 된다.

마찬가지로, 상기 셀(100)에 채워지는 고체(500)는 앞서 설명하였듯이, 납땜이나 브레이징 페이스트, 액상의 합성수지 또는 금속이 바람직하며, 주입 방식으로 채워짐이 더욱 바람직하다.

[제5실시예]

도 11은 본 발명에 따른 연속된 와이어로 구성된 유사 카코메 트러스 구조체의 내부 셀 중 일부에 고체가 채워진 예를 보인 예시적인 사시도이다.

도 11에 따르면, 본 발명 제5실시예는 등록특허 제0708483호와 특허출원 제2006-0119233호에 개시되어 있는 연속된 와이어로 구성된 유사 카고메 트러스 구조체의 내부 셀(100)들 중에 정사면체와 유사한 셀에 고체(600)가 채워진 형태를 갖는다.

이때, 트러스 요소역할을 수행하는 와이어가 굴곡져 있기 때문에 고체(600)가 채워지기 전 상태에서는 좌굴에 특히 취약하지만, 고체(500)가 채워짐으로써 좌굴을 크게 억제할 수 있게 된다.

특히, 와이어를 이용하여 이 구조체를 조립한 후 고체(600)를 채우는 방법으로는 앞서 설명하였던 바와 같이, 납땜, 브레이징, 수지접합 등을 사용할 수 있는데 이를 이용하게 되면 와이어끼리 접합을 위한 별도의 과정을 생략할 수 있게 된다.

상술한 바와 같은 실시예들에 나타난 구조로 이루어진 본 발명 다공질 재료는 다음과 같이 제조될 수 있다.

예컨대, 채워지는 고체가 납땜이나 브레이징 페이스트일 경우에는 도 12에 예시된 플로우챠트에서와 같이, 먼저 내부에 다수의 셀들을 갖는 3차원 트러스 형태의 다공질 재료를 제조하는 단계가 수행된다(S100).

상기 다공질 재료 제조단계(S100)를 통해 3차원 트러스 형태의 다공질 재료 가 준비되면, 이어 제1실시예 내지 제5실시예 중 어느 하나의 형태를 갖도록 납땜이나 브레이징 페이스트를 내부에 존재하는 셀들 중 일부에 주입하는 단계가 수행된다(S110).

상기 주입단계(S110)를 통해 납땜이나 브레이징 페이스트가 다공질 재료의 각 셀들 중 적소에 주입되면 이어 열을 가하여 상기 납땜이나 브레이징 페이스트를 용융시키는 단계가 수행된다(S120).

이때, 상기 용융단계에서 가해지는 열은 납땜이나 브레이징 페이스트 내부의 용가제를 용융시키게 되고, 용융된 용가제는 해당 셀을 가득 채우게 된다.

이 상태에서, 셀을 자연 혹은 강제냉각하여 고형화시키는 냉각단계(S130)를 수행함으로써 본 발명에서 요구하는 좌굴에 대항력이 큰 3차원 트러스 형태의 경량 구조체이고 내부에 주기적인 셀들을 갖는 다공질 재료를 완성할 수 있게 된다.

한편, 채워지는 고체가 액상의 합성수지나 금속일 경우에는 도 13에 예시된 플로우챠트에서와 같이, 먼저 내부에 다수의 셀들을 갖는 3차원 트러스 형태의 다공질 재료를 제조하는 단계가 수행된다(S200).

상기 다공질 재료 제조단계(S200)를 통해 3차원 트러스 형태의 다공질 재료가 준비되면, 이어 제1실시예 내지 제5실시예 중 어느 하나의 형태를 갖도록 액상의 합성수지 혹은 금속을 내부에 존재하는 셀들 중 일부에 주입하는 단계가 수행된다(S210).

상기 주입단계(S210)를 통해 액상의 합성수지 혹은 금속이 다공질 재료의 각 셀들 중 적소에 주입되면 이어 자연 혹은 강제 냉각하여 이들 용융물을 고형화시키 는 냉각단계가 수행된다(S220).

이러한 단계를 통해 본 발명에서 요구하는 좌굴에 대항력이 큰 3차원 트러스 형태의 경량 구조체이고 내부에 주기적인 셀들을 갖는 다공질 재료를 완성할 수 있게 된다.

다른 한편, 카고메 트러스와 같은 다공질 재료의 경우 내부에 존재하는 셀들의 크기가 서로 다르게 형성된 경우에는 도 14에 예시된 플로우챠트에서와 같이, 먼저 카고메 트러스 구조의 다공질 재료를 제조하는 단계(S300), 제조된 카고메 트러스 구조의 다공질 재료를 액상의 합성수지 혹은 금속이 수용된 욕조에 침지하는 단계(S310), 일정시간 경과 후 욕조로부터 다공질 재료를 꺼낸 다음 잔류된 액상의 합성수지 혹은 금속을 경화시키는 단계(S320)를 통해 작은 셀들 내부를 고체로 쉽게 채울 수도 있다.

이 경우, 앞서 설명하였듯이 침지시 액상의 합성수지 혹은 금속이 선택적으로 셀들 속에 채워질 수 있는 이유는 이들 액상의 합성수지 또는 금속이 갖는 물성(점도, 밀도, 표면장력, 모세관 현상 및 카고메 트러스 구조를 이루는 물질과의 친화성)에 의해 가능한 것이다.

이상의 설명은 본 발명의 설명을 위해 예시된 것에 불과할 뿐이며, 본 발명의 목적을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능함은 당연하다 할 것이다.

도 1은 각각 피라미드, 옥테트 및 카고메 트러스의 1층 구조를 보인 예시적인 사시도,

도 2는 등록특허 제0566729에 개시된 와이어를 소재로 제작된 다층 구조의 유사 옥테트 트러스 형태의 주기적인 다공질 재료를 나타내는 사시도,

도 3은 등록특허 제0633657호에 개시된 와이어를 소재로 제작된 1층 구조의 유사 옥테트 트러스 형태의 주기적인 다공질 재료를 나타내는 사시도,

도 4는 등록특허 제0700212호에 개시된 코일 스프링 형태로 성형된 와이어를 소재로 제작된 1층 구조의 트러스 형태의 주기적인 다공질 재료를 중간재로 갖는 샌드위치 판재의 사시도,

도 5는 등록특허 제0767186호에 의한 와이어를 소재로 제작된 트러스 형태의 주기적인 다공질 재료를 하부 면재 위에 배치한 사시도,

도 6은 특허출원 제2006-0119233호에 개시된 와이어를 소재로 제작된 다층 구조의 유사 카고메 트러스 형태의 주기적인 다공질 재료를 나타내는 사시도,

도 7은 본 발명에 따른 다공질 재료인 정육면체 트러스 형태의 내부 셀 중 일부에 고체가 채워진 예를 보인 예시적인 사시도,

도 8은 본 발명에 따른 다공질 재료인 피라미드 트러스 형태의 내부 셀 중 일부에 고체가 채워진 예를 보인 예시적인 사시도,

도 9는 본 발명에 따른 다공질 재료인 옥테트 트러스 형태의 내부 셀 중 일부에 고체가 채워진 예를 보인 예시적인 사시도,

도 10은 본 발명에 따른 다공질 재료인 카고메 트러스 형태의 내부 셀 중 일부에 고체가 채워진 예를 보인 예시적인 사시도,

도 11은 본 발명에 따른 연속된 와이어로 구성된 유사 카코메 트러스 구조체의 내부 셀 중 일부에 고체가 채워진 예를 보인 예시적인 사시도,

도 12 내지 도 14는 본 발명에 따른 다공질 재료의 제조방법을 예시하는 플로우챠트.

♧ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♧

100....셀 200,300,400,500,600....고체

Claims

내부에 다수의 셀들이 주기적으로 형성된 3차원 트러스 타입의 다공질 재료에 있어서;

상기 다수의 셀들 중 일부에는 고체가 채워진 것을 특징으로 하는 트러스 타입의 주기적인 다공질 재료.