KR20180116942A - 형상 회복 구조물 및 이의 구동 방법 - Google Patents

형상 회복 구조물 및 이의 구동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 형상 회복 구조물 및 형상 회복 구조물의 구동 방법을 제공한다. 제1 온도를 유리 전이 온도(Glass transition temperature)로 가지며, 탄소 섬유 기반의 제1 유기층 및 상기 제1 유기층의 일면에 배치되며, 상기 제1 온도보다 낮은 제2 온도를 유리 전이 온도로 가지고, 형상 기억 폴리머(Shape memory polymers)를 포함하는 제2 유기층을 포함한다.

Description

형상 회복 구조물 및 이의 구동 방법{Shape recovery structure having shape memory polymers and driving method of the same}
본 발명은 장치 및 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 형상 기억 폴리머를 가지는 형상 회복 구조물 및 이의 구동 방법에 관한 것이다.
항공기, 유도무기, 자동차 등에 사용되고 있는 구동장치는 20세기 초의 기계식 구동장치에서 시작되었다. 최근 고성능 유도무기와 무인비행체(UAV)와 같은 소형 비행 시스템에 대한 연구 및 투자가 계속되고, 소형 비행 시스템에 적합한 소형 구동 시스템의 개발이 필요로 하게 되었다.
또한, 스마트 재료에 대한 새로운 발견 및 접근이 가능해짐에 따라 이를 이용하여 크기를 더 작게 하고 더 큰 성능을 낼 수 있는 구동장치를 개발하려는 시도가 활발히 진행되고 있다.
형상 기억 폴리머(Shape memory polymers, SMP)는 복원력 기억 효과와 큰 변형 회복력을 가지는 스마트 소재로 개발 가능성 및 적용의 확장성이 높은 소재이다. 형상 기억 폴리머는 기계, 항공 분야 외에 의학 분야와 같은 타 분야에서도 그 응용 가능성이 높다.
그러나, 형상 기억 폴리머는 강성이 낮고, 열 전도성이 낮아 적용에 대한 한계를 가진다.
본 발명은 형상 회복 구조물이 신속하게 형상이 회복되고, 회복 후에도 형상 회복 구조물의 내구성 및 강성도 유지 될 수 있으며, 다양한 구조물에 적용할 수 있는 형상 회복 구조물 및 이의 구동방법을 제공한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 측면에 따르면 제1 온도를 유리 전이 온도(Glass transition temperature)로 가지며, 탄소 섬유 기반의 제1 유기층 및 상기 제1 유기층의 일면에 배치되며, 상기 제1 온도보다 낮은 제2 온도를 유리 전이 온도로 가지고, 형상 기억 폴리머(Shape memory polymers)를 포함하는 제2 유기층을 포함하는 형상 회복 구조물을 제공한다.
또한, 상기 제1 유기층은 에폭시계 수지를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 유기층은 폴리 우레탄계 형상 기억 폴리머를 포함할 수 있다.
또한, 상기 형상 회복 구조물은 상기 제1 온도와 상기 제2 온도 사이의 온도에서 형상이 변형될 수 있다.
또한, 상기 제1 온도는 110℃ 내지 130℃ 중 어느 하나의 온도일 수 있다.
또한, 상기 제2 온도는 50℃ 내지 70℃ 중 어느 하나의 온도일 수 있다.
또한, 상기 형상 회복 구조물은 상기 제1 유기층과 상기 제2 유기층이 적층되고, 폭 방향을 따라 곡률을 가지는 커브드 폴딩부를 구비할 수 있다.
또한, 상기 커브드 폴딩부는 복수개로 구비되고, 볼록한 면이 서로 마주보도록 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 탄소 섬유 기반의 제1 유기층의 일면에 형상 기억 폴리머를 포함하는 제2 유기층이 적층되고, 폭 방향을 따라 곡률을 가지는 제1 커브드 폴딩부 및 상기 제1 유기층의 일면에 적층되는 상기 제2 유기층을 구비하고, 상기 제1 커브드 폴딩부와 마주보도록 배치되고, 상기 제1 커브드 폴딩부와 반대방향으로 곡률을 가지는 제2 커브드 폴딩부를 포함하고, 상기 제1 유기층은 제1 온도를 유리 전이 온도로 가지고, 상기 제2 유기층은 상기 제1 온도보다 낮은 제2 온도를 유리 전이 온도로 가지는 형상 회복 구조물을 제공한다.
또한, 상기 제1 커브드 폴딩부와 상기 제2 커브드 폴딩부의 양단에 설치되어 상기 제1 커브드 폴딩부와 상기 제2 커브드 폴딩부를 연결하는 조인트 유닛;을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 커브드 폴딩부의 볼록한 면과 상기 제2 커브드 폴딩부의 볼록한 면이 서로 마주보도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 제1 유기층은 에폭시계 수지를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 유기층은 폴리 우레탄계 형상 기억 폴리머를 포함할 수 있다.
또한, 상기 형상 회복 구조물은 상기 제1 온도와 상기 제2 온도 사이의 온도에서 형상이 변형될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면은, 탄소 섬유 기반의 제1 유기층의 일면에 형상 기억 폴리머를 포함하는 제2 유기층이 적층된 형상 회복 구조물의 구동 방법에 있어서, 상기 제1 유기층의 유리 전이 온도인 제1 온도 보다 낮은 온도로 상기 형상 회복 구조물을 가열하여 형상을 변형하는 단계와, 변형된 상기 형상 회복 구조물을 상기 제2 유기층의 유리 전이 온도인 제2 온도보다 낮은 온도로 냉각하는 단계 및 상기 형상 회복 구조물을 가열하여 상기 형상 회복 구조물의 형상을 회복하는 단계를 포함하는 형상 회복 구조물의 구동 방법을 제공한다.
또한, 상기 제1 온도는 상기 제2 온도보다 높을 수 있다.
또한, 냉각된 상기 형상 회복 구조물의 응력을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 형상이 회복된 상기 형상 회복 구조물에 상기 제1 온도 보다 높은 온도로 가열하여 상기 형상 회복 구조물을 경화하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 유기층은 에폭시계 수지를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 유기층은 폴리 우레탄계 형상 기억 폴리머를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 형상 회복 구조물 및 이의 구동 방법은 유리 전이 온도가 서로 다른 탄소/에폭시와 형상 기억 폴리머를 결합하여 형상 회복 구조물을 형성하고, 변형 온도나 회복 온도를 조절하여 형상 회복 구조물이 신속하게 형상이 회복되고, 회복 후에도 형상 회복 구조물의 내구성 및 강성도 유지 될 수 있다.
또한, 형상 회복 구조물 및 이의 구동 방법은 원래의 형태로 안정적으로 형상이 회복되므로, 이동성이 높고 다양한 구조물에 적용할 수 있다. 형상 회복 구조물이 변형 상태에서 원형 상태로 쉽게 회복 할 수 있으므로, 우주로 운반되어야 하는 구조물에 적용되어 크기가 작은 상태로 발사되어 우주 공간에서 펼쳐질 수 있다.
또한, 형상 회복 구조물 및 이의 구동 방법은 온도 변화로 구조물을 구동시킬 수 있다. 형상 회복 구조물은 온도를 조절하여 접힌 상태와 펼쳐진 상태로 변형될 수 있으므로, 힌지 구조물에 적용될 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 회복 구조물의 사시도이다.
도 2는 도 1의 커브드 폴딩부를 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 커브드 폴딩부를 도시한 단면도이다.
도 4는 도 1의 형상 회복 구조물의 구동 방법을 도시한 순서도이다.
도 5은 도 1의 형상 회복 구조물의 온도변화에 따른 형상 회복 과정을 나타내는 사진이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
한편, 층, 막, 영역, 판 등의 각종 구성요소가 다른 구성요소 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 구성요소 "바로 상에" 있는 경우뿐 아니라 그 사이에 다른 구성요소가 개재된 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 회복 구조물(100)의 사시도이고, 도 2는 도 1의 커브드(curved) 폴딩부들을 도시한 사시도이며, 도 3은 도 2의 커브드 폴딩부들을 도시한 단면도이다.
형상 회복 구조물(100)은 온도를 가열하여 원형 형태(original shape)에서 변형 형태(deformed shape)로 성형한 뒤에, 냉각을 통해 변형 형태를 일시적으로 형태를 유지 할 수 있다. 이후, 열을 다시 가하여 변형 형태에서 다시 원형 형태로 되돌아 갈 수 있다.
이하에서는 변형은 형상 회복 구조물(100)의 형상이 원형에서 변화된 상태, 과정, 단계로 정의하고, 회복은 형상 회복 구조물(100)이 원형으로 형상이 변화 다시 변화하는 상태, 과정, 단계로 정의한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 형상 회복 구조물(100)은 커브드(curved) 폴딩부가 온도 변화에 의해서 펼쳐진 상태에서 접힌 상태로 변형될 수 있다. 또한, 커브드 폴딩부가 온도 변화에 의해서 접힌 상태에서 펼쳐진 상태로 변형될 수 있다.
커브드 폴딩부는 단수개로 구비되어 온도 변화에 의해서 펼쳐진 상태와 접힌 상태가 형성될 수 있다. 또한, 커브드 폴딩부는 복수개로 구비되고 복수개의 커브드 폴딩부가 온도 변화에 의해서 동시에 펼쳐진 상태와 접힌 상태가 형성될 수 있다.
예를 들어, 커브드 폴딩부는 2개가 서로 마주보도록 배치되거나, 3개가 이웃하도록 배치되어 대략 삼각 기둥 형태를 가질 수 있다. 또한, 커브드 폴딩부는 4개가 서로 마주보도록 배치되어 대략 사각 기둥 형태를 가질 수 있다. 커브드 폴딩부의 개수는 이에 한정되지 않으며, 형상 회복 구조물(100)의 설치 위치, 이용 목적에 따라 다양한 개수를 가질 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위해서 2개의 커브드 폴딩부가 배치된 경우를 중심으로 설명하기로 한다.
형상 회복 구조물(100)은 제1 커브드 폴딩부(110)와 제2 커브드 폴딩부(120) 및 조인트 유닛(130)을 구비할 수 있다. 제1 커브드 폴딩부(110)와 제2 커브드 폴딩부(120)는 서로 반대 방향으로 만곡지게 형성될 수 있다. 제1 커브드 폴딩부(110)와 제2 커브드 폴딩부(120)는 도 2와 같이 길이 방향으로 연장될 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며 제1 커브드 폴딩부(110)와 제2 커브드 폴딩부(120)의 길이는 형상 회복 구조물(100)의 설치 위치, 이용 목적에 따라 선택 될 수 있다.
도 3을 참조하면, 제1 커브드 폴딩부(110)는 탄소 섬유 기반의 제1 유기층(O1)과 형상 기억 폴리머를 포함하는 제2 유기층(O2)을 구비할 수 있다. 제1 커브드 폴딩부(110)는 제1 유기층(O1)과 제2 유기층(O2)이 적층되어 형성될 수 있다.
제1 유기층(O1)은 탄소 섬유(Carbon fiber) 기반으로 형성될 수 있다. 제1 유기층은 탄소 섬유에 에폭시(epoxy)계 수지가 포함될 수 있다. 제1 유기층(O1)은 탄소 섬유에 에폭시계 수지가 도포되거나, 탄소 섬유 자체가 에폭시계 물질이 포함되어 형성될 수 있다. 제1 유기층은 카본/에폭시 페브릭(carbon/epoxy fabric)일 수 있다.
제1 유기층(O1)은 제1 온도를 유리 전이 온도(Glass transition temperature, Tg)로 가질 수 있다. 제1 온도는 에폭시의 유리 전이 온도 일 수 있다. 제1 온도는 섭씨 110도 내지 130도 중 어느 하나의 온도일 수 있다.
제2 유기층(O2)은 형상 기억 폴리머(Shape memory polymer, SMP)를 포함할 수 있다. 제2 유기층(02)은 폴리 우레탄(polyurethane)계 형상 기억 폴리머를 포함할 수 있다. 다른 실시예로, 제2 유기층(O2)은 폴리 우레탄계 형상 기억 폴리머 수지와 카본/에폭시 수지가 혼합되어 제1 유기층(O1)의 일면에 적층될 수 있다. 제2 유기층(O2)은 제1 유기층(O1)의 일면에 적층 또는 도포될 수 있다.
제2 유기층(O2)은 제2 온도를 유리 전이 온도(Glass transition temperature, Tg)로 가질 수 있다. 제2 온도는 폴리 우레탄의 유리 전이 온도 일 수 있다. 제2 온도는 섭씨 50도 내지 70도 중 어느 하나의 온도일 수 있다. 제2 온도는 제1 온도 보다 낮은 온도로 설정될 수 있다.
제1 유기층(O1)과 제2 유기층(O2)은 교번하여 적층 될 수 있다. 제1 유기층(O1)과 제2 유기층(O2)의 개수는 특정 개수에 한정되지 않는다. 형상 회복 구조물(100)의 강성이나, 온도 변화 민감도에 따라서 다양하게 형성될 수 있다.
제1 커브드 폴딩부(110)는 제1 유기층(O1)과 제2 유기층(O2)이 만곡되게 형성될 수 있다. 제1 커브드 폴딩부(110)는 폭 방향을 따라 곡률을 가질 수 있다. 제1 커브드 폴딩부(110)는 아래 방향으로 볼록하게 형성되어 제1 볼록면(111)과 제1 오목면(112)을 구비할 수 있다. 제1 볼록면(111)은 아래에 배치되고, 제1 오목면(112)은 위에 배치될 수 있다. 제1 커브드 폴딩부(110)는 레진 트랜스퍼 몰딩(resin transfer molding) 프로세스를 통해서 형성될 수 있다.
제2 커브드 폴딩부(120)는 탄소 섬유 기반의 제1 유기층(O1)과 형상 기억 폴리머를 포함하는 제2 유기층(O2)을 구비할 수 있다. 제2 커브드 폴딩부(120)는 제1 유기층(O1)과 제2 유기층(O2)이 적층되어 형성될 수 있다. 제2 커브드 폴딩부(120)는 제1 커브드 폴딩부(110)와 실질적으로 동일하고, 배치 위치에 대해서만 차이가 있는바 이하에서는 배치에 대해서 상세히 설명하기로 한다.
제2 커브드 폴딩부(120)는 제2 볼록면(121)과 제2 오목면(122)을 구비할 수 있다. 제2 볼록면(121)은 위에 배치되고, 제2 오목면(122)은 아래에 배치된다. 그리하여, 제1 커브드 폴딩부(110)와 제2 커브드 폴딩부(120)는 볼록한 면이 서로 마주보도록 배치된다. 제1 볼록면(111)과 제2 볼록면(121)은 서로 마주보도록 배치되고, 제1 커브드 폴딩부(110)와 제2 커브드 폴딩부(120)는 소정의 거리로 이격되게 배치될 수 있으며, 그 최단거리는 2d로 설정될 수 있다.
도 3을 참조하면, 제1 커브드 폴딩부(110)와 제2 커브드 폴딩부(120)는 하기의 수학식 1에 따라 곡률이 설정될 수 있다.
Figure pat00001
d는 제1 커브드 폴딩부(110)와 제2 커브드 폴딩부(120)의 최단거리의 절반이고, r은 제1 커브드 폴딩부(110)나 제2 커브드 폴딩부(120)의 곡률반경이며, α는 제1 커브드 폴딩부(110)나 제2 커브드 폴딩부(120)의 중심각의 절반이다.
수학식 1에 따르면, 제1 커브드 폴딩부(110)나 제2 커브드 폴딩부(120)는 중심각의 크기가 증가하면 최단거리가 줄어든다.
제1 커브드 폴딩부(110)와 제2 커브드 폴딩부(120)는 서로 볼록한 면이 마주 보도록 배치되어, 쉽게 회복 할 수 있다. 제1 커브드 폴딩부(110)와 제2 커브드 폴딩부(120)는 제1 온도와 제2 온도 사이에서 변형된다. 이때, 제1 커브드 폴딩부(110)와 제2 커브드 폴딩부(120)는 접힐 수 있다. 이후 가열되어 다시 제1 커브드 폴딩부(110)와 제2 커브드 폴딩부(120)가 펼쳐진다. 이때, 제1 커브드 폴딩부(110)와 제2 커브드 폴딩부(120)는 서로 만곡되도록 형성되므로 강한 탄성력으로 원래 상태로 쉽게 펼쳐질 수 있다.
조인트 유닛(130)은 제1 커브드 폴딩부(110)와 제2 커브드 폴딩부(120)를 연결할 수 있다. 조인트 유닛(130)은 제1 커브드 폴딩부(110)와 제2 커브드 폴딩부(120)를 지지할 수 있다. 조인트 유닛(130)은 제1 커브드 폴딩부(110)와 제2 커브드 폴딩부(120) 사이의 간격을 유지할 수 있다. 조인트 유닛(130)은 제1 커브드 폴딩부(110)나 제2 커브드 폴딩부(120)가 접촉되는 부분이 만곡되게 형성되므로, 제1 커브드 폴딩부(110)나 제1 커브드 폴딩부(110)의 곡률을 유지할 수 있다. 다만, 이에 한정되지는 않으며 조인트 유닛(130)은 형상 회복 구조물(100)의 설치되는 위치에 따라 다양한 형태로 변형될 수 있다.
도 4는 도 1의 형상 회복 구조물(100)의 구동 방법을 도시한 순서도이다.
도 4를 참조하면, 형상 회복 구조물(100)의 구동 방법은 형상 회복 구조물을 가열하는 단계(S10), 형상 회복 구조물을 냉각하는 단계(S20), 형상 회복 구조물의 응력을 제거하는 단계(S30), 형상 회복 구조물의 형상을 회복하는 단계(S40), 형상 회복 구조물을 경화하는 단계(S50)를 구비할 수 있다.
형상 회복 구조물을 가열하는 단계(S10)는 제1 유기층(O1)의 유리 전이 온도인 제1 온도보다 낮은 온도로 형상 회복 구조물(100)을 가열하여 형상을 변형할 수 있다. 상세히, 형상 회복 구조물(100)은 제1 온도와 제2 온도 사이의 온도로 가열되고, 형상이 변형될 수 있다. 일 실시예로, 제1 커브드 폴딩부(110)와 제2 커브드 폴딩부(120)가 펼쳐진 상태(원형)에서 접힌 상태(변형)으로 성형될 수 있다. 도 5를 참조하면, 제1 커브드 폴딩부(110)와 제2 커브드 폴딩부(120)가 접힌 상태를 유지한다.
제2 유기층(O2)의 유리 전이 온도인 제2 온도보다 높은 온도로 형상 회복 구조물(100)이 가열되므로, 제2 유기층(O2)이 플렉서블한 상태가 되어 형상 회복 구조물(100)을 쉽게 변형할 수 있다.
형상 회복 구조물(100)은 탄소 섬유가 포함되어 있으므로, 전류를 흐르게 하여 전기 저항에 의해서 가열 될 수 있다. 또한, 형상 회복 구조물(100)은 챔버(미도시) 내부에 배치되고, 열원(미도시)로부터 열을 전달받아 가열될 수 있다.
형상 회복 구조물을 냉각하는 단계(S20)는 형상 회복 구조물(100)을 냉각 시켜서 변형 상태를 유지 할 수 있다. 형상 회복 구조물(100)은 제2 온도 보다 낮은 온도로 냉각 시켜서 형상 회복 구조물(100)의 변형 상태가 유지될 수 있다.
형상 회복 구조물의 응력을 제거하는 단계(S30)는 변형된 형상 회복 구조물에 열 처리 하거나, 기계적인 처리를 통해서 응력을 제거할 수 있다. 잔류 응력을 제거하여, 형상 회복 구조물(100)의 내구성을 향상시키고, 형상이 회복시에 발생하는 크랙 등을 방지할 수 있다. 형상 회복 구조물의 응력을 제거하는 단계는 선택적으로 행해질 수 있다.
형상 회복 구조물의 형상을 회복하는 단계(S40)는 형상 회복 구조물의 변형 전의 온도로 가열하여, 형상 회복 구조물(100)의 원형으로 회복될 수 있다. 일 예로, 형상 회복 구조물(100)은 접힌 상태에서 펼쳐진 상태로 회복 될 수 있다. 형상 회복 구조물(100)은 가열되어 형상이 회복 될 수 있다. 또한, 형상 회복 구조물은 제1 온도와 제2 온도 사이로 온도가 변화하면 점차적으로 형상이 회복 될 수 있다.
형상 회복 구조물(100)은 제1 커브드 폴딩부(110)나 제2 커브드 폴딩부(120)가 곡률을 가지도록 형성되므로, 신속하게 회복 될 수 있다. 제1 커브드 폴딩부(110)나 제2 커브드 폴딩부(120)가 접힌 상태에서 온도가 증가하여 펼쳐질 수 있다. 이때, 제1 커브드 폴딩부(110)나 제2 커브드 폴딩부(120)의 만곡된 부분이 펴지면서 탄성력을 발생하게 되므로, 쉽고 신속하게 원래 상태로 변형될 수 있다.
형상 회복 구조물을 경화하는 단계(S50)는 형상 회복 구조물(100)의 온도가 제1 유기층(O1)의 제1 온도보다 높은 온도로 가열이 유지되어 형상 회복 구조물(100)이 경화 될 수 있다. 형상 회복 구조물(100)은 탄소/에폭시 페브릭의 유리 전이 온도인 제1 온도 보다 높은 온도로 유지되어, 경화가 발생하므로, 형상 회복 구조물(100)의 강성은 증가될 수 있다.
도 5은 도 1의 형상 회복 구조물의 온도변화에 따른 형상 회복 과정을 나타내는 사진이다.
도 5를 참조하면, 형상 회복 구조물(100)은 접힌 변형 상태에서 온도가 가열되면 점차적으로 원형으로 회복 될 수 있다. 도 5의 실험에 따르면, 형상 회복 구조물(100)은 가열되어 26℃에서 점차적으로 온도가 증가한다. 형상 회복 구조물은 107초 동안 가열이 되면 형상이 완전히 회복 된다.
형상 기억 폴리머(Shape memory polymers, SMP)는 복원력 기억 효과와 큰 변형 회복력을 가지는 스마트 소재이다. 그러나, 형상 기억 폴리머는 강성이 낮고, 열 전도성이 낮아 다양한 적용에 대한 한계를 가진다. 종래에는 형상 기억 폴리머를 포함하는 구조물이 형상이 회복시에 경화되어 크랙이나 깨짐이 발생하였다.
본 발명의 형상 회복 구조물(100) 및 이의 구동 방법은 유리 전이 온도가 서로 다른 탄소/에폭시와 형상 기억 폴리머를 결합하여 형상 회복 구조물을 형성하고, 변형 온도나 회복 온도를 조절하여 형상 회복 구조물(100)이 신속하게 형상이 회복되고, 내구성 및 강성도 유지 될 수 있다.
본 발명의 형상 회복 구조물(100) 및 이의 구동 방법은 탄소 섬유 기반의 제1 유기층(O1)의 유리 전이 온도인 제1 온도와 형상 기억 폴리머를 포함하는 제2 유기층(O2)의 유리 전이 온도인 제2 온도에서 형상 회복 구조물(100)을 가열하여 형상을 변형한 뒤, 형상 회복 구조물(100)에 열을 가하여 형상이 회복 될 수 있다. 이때, 형상 회복 구조물(100)에서 B-STAGE 단계에서 제1 유기층(O1)은 완전히 경화되지 않으므로, 형상이 회복하더라도 크랙이나 깨짐을 최소화 할 수 있다.
본 발명의 형상 회복 구조물(100) 및 이의 구동 방법은 형상 회복 구조물(100)이 원래의 형태로 안정적으로 형상이 회복되므로, 이동성이 높고 다양한 구조물에 적용할 수 있다. 형상 회복 구조물(100)이 변형 상태에서 원형 상태로 쉽게 회복 할 수 있으므로, 운반이 어려운 기술 분야에 적용할 수 있다. 예를 들어, 항공 우주분야의 구조물로 적용되면 지구에서 접힌 상태로 발사되어 우주공간에서 펼쳐진 상태로 변형될 수 있다.
본 발명의 형상 회복 구조물(100) 및 이의 구동 방법은 온도 변화로 구조물을 구동시킬 수 있다. 형상 회복 구조물(100)은 온도를 조절하여 접힌 상태와 펼쳐진 상태로 변형될 수 있으므로, 힌지 구조물로 적용될 수 있다. 예를 들어, 안테나로 적용하면 접힌 상태에서 저장되고 구동 시에는 온도를 조절하여 펼쳐진 상태로 전환 할 수 있다.
본 발명에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예를 들어, 등등)의 사용은 단순히 본 발명을 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한 해당 기술 분야의 통상의 기술자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터(factor)에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라, 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위는 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
O1: 제1 유기층
O2: 제2 유기층
100: 형상 회복 구조물
110: 제1 커브드 폴딩부
120: 제2 커브드 폴딩부
130: 조인트 유닛

Claims (20)

  1. 제1 온도를 유리 전이 온도(Glass transition temperature)로 가지며, 탄소 섬유 기반의 제1 유기층; 및
    상기 제1 유기층의 일면에 배치되며, 상기 제1 온도보다 낮은 제2 온도를 유리 전이 온도로 가지고, 형상 기억 폴리머(Shape memory polymers)를 포함하는 제2 유기층;을 포함하는, 형상 회복 구조물.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 유기층은 에폭시계 수지를 포함하는, 형상 회복 구조물.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 유기층은 폴리 우레탄계 형상 기억 폴리머를 포함하는, 형상 회복 구조물.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 형상 회복 구조물은 상기 제1 온도와 상기 제2 온도 사이의 온도에서 형상이 변형되는, 형상 회복 구조물.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 온도는 110℃ 내지 130℃ 중 어느 하나의 온도인, 형상 회복 구조물.
  6. 제1 항에 있어서,
    상게 제2 온도는 50℃ 내지 70℃ 중 어느 하나의 온도인, 형상 회복 구조물.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 형상 회복 구조물은
    상기 제1 유기층과 상기 제2 유기층이 적층되고, 폭 방향을 따라 곡률을 가지는 커브드 폴딩부를 구비하는, 형상 회복 구조물.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 커브드 폴딩부는 복수개로 구비되고, 볼록한 면이 서로 마주보도록 배치되는, 형상 회복 구조물.
  9. 탄소 섬유 기반의 제1 유기층의 일면에 형상 기억 폴리머를 포함하는 제2 유기층이 적층되고, 폭 방향을 따라 곡률을 가지는 제1 커브드 폴딩부; 및
    상기 제1 유기층의 일면에 적층되는 상기 제2 유기층을 구비하고, 상기 제1 커브드 폴딩부와 마주보도록 배치되고, 상기 제1 커브드 폴딩부와 반대방향으로 곡률을 가지는 제2 커브드 폴딩부;를 포함하고,
    상기 제1 유기층은 제1 온도를 유리 전이 온도로 가지고, 상기 제2 유기층은 상기 제1 온도보다 낮은 제2 온도를 유리 전이 온도로 가지는, 형상 회복 구조물.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 커브드 폴딩부와 상기 제2 커브드 폴딩부의 양단에 설치되어 상기 제1 커브드 폴딩부와 상기 제2 커브드 폴딩부를 연결하는 조인트 유닛;을 더 포함하는, 형상 회복 구조물.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 커브드 폴딩부의 볼록한 면과 상기 제2 커브드 폴딩부의 볼록한 면이 서로 마주보는, 형상 회복 구조물.
  12. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 유기층은 에폭시계 수지를 포함하는, 형상 회복 구조물.
  13. 제9 항에 있어서,
    상기 제2 유기층은 폴리 우레탄계 형상 기억 폴리머를 포함하는, 형상 회복 구조물.
  14. 제9 항에 있어서,
    상기 형상 회복 구조물은 상기 제1 온도와 상기 제2 온도 사이의 온도에서 형상이 변형되는, 형상 회복 구조물.
  15. 탄소 섬유 기반의 제1 유기층의 일면에 형상 기억 폴리머를 포함하는 제2 유기층이 적층된 형상 회복 구조물의 구동 방법에 있어서,
    상기 제1 유기층의 유리 전이 온도인 제1 온도 보다 낮은 온도로 상기 형상 회복 구조물을 가열하여 형상을 변형하는 단계;
    변형된 상기 형상 회복 구조물을 상기 제2 유기층의 유리 전이 온도인 제2 온도보다 낮은 온도로 냉각하는 단계; 및
    상기 형상 회복 구조물을 가열하여 상기 형상 회복 구조물의 형상을 회복하는 단계;를 포함하는, 형상 회복 구조물의 구동 방법.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 제1 온도는 상기 제2 온도보다 높은, 형상 회복 구조물의 구동 방법.
  17. 제15 항에 있어서,
    냉각된 상기 형상 회복 구조물의 응력을 제거하는 단계;를 더 포함하는, 형상 회복 구조물의 구동 방법.
  18. 제15 항에 있어서,
    형상이 회복된 상기 형상 회복 구조물에 상기 제1 온도 보다 높은 온도로 가열하여 상기 형상 회복 구조물을 경화하는 단계;를 더 포함하는, 형상 회복 구조물의 구동 방법.
  19. 제15 항에 있어서,
    상기 제1 유기층은 에폭시계 수지를 포함하는, 형상 회복 구조물의 구동 방법.
  20. 제15 항에 있어서,
    상기 제2 유기층은 폴리 우레탄계 형상 기억 폴리머를 포함하는, 형상 회복 구조물의 구동 방법.
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