KR20220011399A - Fabrication method of 3 dimensional structures of thin shell with triply periodic minimal surfaces without templates - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for manufacturing a three-dimensional thin film porous structure in the form of TPMS and comprises: (a) a step of forming a frame to correspond to a geometric straight line group determined depending on the type of TPMS; (b) a step of forming a fluid thin film between the frames; and (c) a step of curing the fluid thin film; wherein the fluid thin film is formed in a TPMS-shaped curved surface by surface tension. According to the present invention, the frame corresponding to a straight line group determined depending on the type of TPMS is formed without the step of forming and removing a template, and the thin film is formed directly on the frame. Therefore, the process is simple, the cost and time are saved, and in particular, the possibility of environmental pollution occurring in the template removal process such as chemical etching can be minimized. In addition, the three-dimensional thin film porous structure manufactured according to the present invention can be implemented in an ideal TPMS shape, and the strength of the entire structure is improved by the reinforcement effect of the frame.

Description

템플릿 없이 3주기 최소 곡면 형태의 박막으로 구성된 3차원 구조체를 제조하는 방법{FABRICATION METHOD OF 3 DIMENSIONAL STRUCTURES OF THIN SHELL WITH TRIPLY PERIODIC MINIMAL SURFACES WITHOUT TEMPLATES}A method of manufacturing a three-dimensional structure composed of a thin film with a minimum curved shape of three cycles without a template

본 발명은 박막으로 구성된 3차원 구조체를 제조하는 방법에 관한 것으로, 특히 박막 면이 3주기 최소 곡면 또는 이와 유사한 곡면 형태로 구성된 3차원 박막 다공질 구조체를 제조하는 방법에 관한 것이다. 이 경우 상기 박막으로 구성된 3차원 구조체는, "Shelluar" 또는 3차원 박막 다공질 구조체로도 불리운다.The present invention relates to a method for manufacturing a three-dimensional structure composed of a thin film, and more particularly, to a method for manufacturing a three-dimensional thin film porous structure in which the thin film surface has a three-period minimum curved surface or a similar curved surface shape. In this case, the three-dimensional structure composed of the thin film is also called "Shelluar" or a three-dimensional thin film porous structure.

근래 한승철 등은 얇은 박막으로 구성된 소위 "Shellular"라는 3차원 박막 다공질 구조체를 소개하였고(Seung Chul Han, Jeong Woo Lee, Kiju Kang, "A New Type of Low Density Material; Shellular", Advanced Materials, Vol.27, pp.5506-5511, 2015.), 이러한 "Shellular"는 일정한 단위셀이 주기적으로 반복되며 박막으로 구성되어 매우 가볍고 강도가 높은 것으로 알려져 있다.Recently, Seungcheol Han et al. introduced a three-dimensional thin-film porous structure composed of a thin film called “Shellular” (Seung Chul Han, Jeong Woo Lee, Kiju Kang, “A New Type of Low Density Material; Shellular”, Advanced Materials, Vol. 27, pp.5506-5511, 2015.), “Shellular” is known to be very light and high in strength because a certain unit cell is periodically repeated and composed of a thin film.

상기한 "Shellular"의 이상적인 형태로서 1865년 독일의 수학자 H.A. Schwarz가 최초로 발견한 TPMS (Triply Periodic Minimal Surface: 3-주기적 최소곡면)이 알려져 있다(Gesammelte Mathematische Abhandlungen, Springer). TPMS는 곡면 상의 모든 점에서 일정한 평균곡률(mean curverture)은 가지는 곡면으로서 여기서 평균곡률이란 3차원 면의 한 점에서 서로 수직한 두 방향의 최대곡률과 최소곡률의 평균값을 의미한다. TPMS는 도 4에 나타낸 바와 같이 다양한 형태가 존재하며 이중 도 4의 상부 좌측에 나타나 있는 P-surface와 D-surface 가 화학 및 생물분야에서 가장 대표적으로 인용되고 있다. 또한 영의 평균곡률을 갖는 TPMS는 내부와 외부 공간의 최적비가 1:1로 동일하지만, 체적비가 다른 경우에도 평균곡률이 균일하면 주어진 내/외부 공간비에 대해 최소 표면적(minimal surface)의 곡면이 형성되기 때문에 TPMS라고 할 수 있다(참고문헌: M. Maldovan and E. L. Thomas, "Periodic Materials and Interference Lithography, 2009 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, ISBN: 978-3-527-31999-2). 이러한 TPMS는 곡면에 어디에서나 균일한 평균곡률을 가지고 있어 TPMS형태로 제조된 Shellular 에 외부하중이 작용할 때, 응력이 어느 한 부분에 집중 되지 아니하므로 종래 3차원 트러스형 박막 다공질 구조체에서 발생하는 조기 국부좌굴현상이 발생하지 않는다고 보고되고 있다. (참고문헌: Seung Chul Han, Kiju Kang, "Another Stretching-Dominated Micro-Architectured Material, Shellular," Materials Today, Volume 31, Pages 31-38, 2019.) 도 5는 이러한 3차원 트러스형 박막 다공질 구조체에서 트러스 요소 간 연결부에서 발생하는 국부좌굴을 나타내고 있다. (참고문헌: L. Valdevit, S. W. Godfrey, T. A. Schaedler, A. J. Jacobsen, W. B. Carter, "Compressive strength of hollow microlattices: Experimental characterization, modeling, and optimal design," J. Materials Research, Vol. 28, pp. 2461-2473, 2013.)As an ideal form of the above "Shellular", the German mathematician H.A. TPMS (Triply Periodic Minimal Surface: 3-periodic minimum surface) discovered by Schwarz for the first time is known (Gesammelte Mathematische Abhandlungen, Springer). TPMS is a curved surface that has a constant mean curvature at all points on the curved surface. As shown in FIG. 4, various types of TPMS exist, of which P-surface and D-surface shown in the upper left of FIG. 4 are most representatively cited in the fields of chemistry and biology. Also, in TPMS with zero average curvature, the optimal ratio of internal and external spaces is the same at 1:1, but even if the volume ratio is different, if the average curvature is uniform, the curved surface of the minimum surface area for a given internal/external space ratio is It can be called TPMS because it is formed (reference: M. Maldovan and EL Thomas, "Periodic Materials and Interference Lithography, 2009 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, ISBN: 978-3-527-31999-2). Since such TPMS has a uniform average curvature everywhere on the curved surface, when an external load is applied to the shellular manufactured in the TPMS type, the stress is not concentrated on any one part. It is reported that buckling does not occur (Reference: Seung Chul Han, Kiju Kang, "Another Stretching-Dominated Micro-Architectured Material, Shellular," Materials Today, Volume 31, Pages 31-38, 2019.) Fig. 5 shows the local buckling occurring at the connections between truss elements in such a three-dimensional truss-type thin-film porous structure (Reference: L. Valdevit, SW Godfrey, TA Schaedler, AJ Jacobsen, WB Carter, “Compressive strength of hollow microlattices: Experimental characterization, modeling, and optimal design," J. Materials Research, Vol. 28, pp. 2461-2473, 2013.)

한편 종래 상기 "Shellular"는 얇은 박막으로 구성되므로 이를 제조하기 위해서 다음과 같은 단계를 거쳐야 하였다. 1) 폴리머 등으로 템플릿(template, 희생구조물)을 제조하고, 2) 그 표면에 템플릿과 다른 경질 재료의 코팅층을 형성한 후, 3) 코팅층의 일부 표면을 제거하여 내부의 템플릿을 노출시키고, 4) 열 또는 화학적인 방법 등으로 템플릿을 제거함으로써 최종적으로 "Shellular"를 제조하였다. On the other hand, since the conventional "shellular" is composed of a thin film, the following steps had to be performed in order to manufacture it. 1) A template (sacrificial structure) is manufactured with a polymer, etc., 2) a coating layer of a hard material other than the template is formed on the surface, 3) some surface of the coating layer is removed to expose the inner template, 4 ) The "Shellular" was finally manufactured by removing the template by heat or chemical method.

본 발명자 등은 이러한 "Shellular"를 제조하는 방법과 관련하여 총 7가지의 발명을 선행 특허 또는 출원을 통해 제안한 바 있고, 이들 선행 발명들은 아래에서 설명하는 바와 같이 상기 1) 단계를 제외하고 2) ~ 4) 단계는 동일하다. 구체적으로 선행 발명들에서 상기 1) 단계의 템플릿을 제조하는 방식과 관련하여, 첫번째 방식으로 3차원 광 리소그래피를 이용하여 템플릿을 형성하는 것이 대한민국특허 제1341216 호에 개시되어 있고, 두번째 방식으로 폴리머 구슬을 일정한 패턴으로 배열한 후 이것을 처리하여 템플릿을 형성하는 것이 대한민국 특허 제1612500호, 대한민국 특허 제1905483호, 대한민국 특허출원 제10-2019-0027715호, 대한민국 특허출원 제10-2019-0027716호 및 대한민국 특허출원 제10-2019-0101784호에 개시되어 있고, 세번째 방식으로 와이어를 3차원 트러스 형태로 직조한 후 이것 위에 수지를 함침하여 템플릿을 형성하는 것이 대한민국 특허 제1699943 호에 각각 개시되어 있다. 도 1, 2, 3 각각은 이러한 세가지 방식에 따른 템플릿 형성 원리를 나타낸 것이다.The present inventors have proposed a total of 7 inventions through prior patents or applications in relation to the method for manufacturing such "Shellular", and these prior inventions 2) except for step 1) as described below ~ 4) the steps are the same. Specifically, with respect to the method of manufacturing the template of step 1) in the prior inventions, the first method to form the template using 3D optical lithography is disclosed in Korean Patent No. 1341216, and the second method is a polymer bead. Forming a template by arranging , after arranging them in a certain pattern, is to form a template in Korean Patent No. 1612500, Korean Patent No. 1905483, Korean Patent Application No. 10-2019-0027715, Korean Patent Application No. 10-2019-0027716 and Republic of Korea It is disclosed in Patent Application No. 10-2019-0101784, and after weaving a wire in the form of a three-dimensional truss in a third way, impregnating it with resin to form a template is disclosed in Korean Patent No. 1699943, respectively. 1, 2, and 3 each show a template formation principle according to these three methods.

그러나 TPMS형태의 Shellular를 제조하는 종래의 방법들은 모두 상술한 바와 같이 먼저 템플릿을 형성하고 마지막에 템플릿을 제거하는 단계를 수반하고 있기 때문에 공정이 복잡하고, 비용과 시간이 많이 소요되며, 또한 화학 에칭 등에 의해 템플릿을 제거하는 경우 환경 오염의 가능성도 높다. However, since all the conventional methods for manufacturing TPMS-type shellular involve the steps of first forming a template and removing the template at the end, as described above, the process is complicated, costly and time-consuming, and also chemical etching If the template is removed by such a method, the possibility of environmental pollution is also high.

대한민국 특허 제1341216호Korean Patent No. 1341216 대한민국 특허 제1612500호Korean Patent No. 1612500 대한민국 특허 제1699943호Korean Patent No. 1699943 대한민국 특허 제1905483호Korean Patent No. 1905483 대한민국 특허출원 제10-2019-0027715호Korean Patent Application No. 10-2019-0027715 대한민국 특허출원 제10-2019-0027716호Korean Patent Application No. 10-2019-0027716 대한민국 특허출원 제10-2019-0101784호Korean Patent Application No. 10-2019-0101784

- Seung Chul Han, Jeong Woo Lee, Kiju Kang, "A New Type of Low Density Material; Shellular", Advanced Materials, Vol.27, pp.5506-5511, 2015.- Seung Chul Han, Jeong Woo Lee, Kiju Kang, "A New Type of Low Density Material; Shellular", Advanced Materials, Vol.27, pp.5506-5511, 2015. - Gesammelte Mathematische Abhandlungen, Springer- Gesammelte Mathematische Abhandlungen, Springer - M. Maldovan and E. L. Thomas, "Periodic Materials and Interference Lithography, 2009 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, ISBN: 978-3-527-31999-2- M. Maldovan and E. L. Thomas, "Periodic Materials and Interference Lithography, 2009 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, ISBN: 978-3-527-31999-2 - Seung Chul Han, Kiju Kang, "Another Stretching-Dominated Micro-Architectured Material, Shellular," Materials Today, Vol. 31, Pages 31-38, 2019.- Seung Chul Han, Kiju Kang, "Another Stretching-Dominated Micro-Architectured Material, Shellular," Materials Today, Vol. 31, Pages 31-38, 2019. - L. Valdevit, S. W. Godfrey, T. A. Schaedler, A. J. Jacobsen, W. B. Carter, "Compressive strength of hollow microlattices: Experimental characterization, modeling, and optimal design," J. Materials Research, Vol. 28, pp. 2461-2473, 2013.- L. Valdevit, S. W. Godfrey, T. A. Schaedler, A. J. Jacobsen, W. B. Carter, "Compressive strength of hollow microlattices: Experimental characterization, modeling, and optimal design," J. Materials Research, Vol. 28, pp. 2461-2473, 2013.

본 발명의 목적은, 템플릿 없이 TPMS형태의 박막으로 구성된 3차원 구조체를 제조하는 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은, 이러한 3차원 구조체 제조방법에 수반되는 뼈대 형성 방법 및 이에 이용되는 기구적 설계를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a three-dimensional structure composed of a thin film in the form of TPMS without a template. Another object of the present invention is to provide a method for forming a skeleton involved in such a three-dimensional structure manufacturing method and a mechanical design used therefor.

본 발명자 등은, 템플릿 없이 TPMS형태의 박막으로 구성된 3차원 구조체를 제조하는 것에 관한 연구를 계속하는 과정에서, TPMS의 기하학적 구조에 관한 선행의 공지된 문헌(E. A. Lord and A. L. Mackay, "Periodic minimal surfaces of cubic symmetry," Current Science Vol. 85, pp. 346-362, 2003.)을 통해 P-surface, D-surface, H-surface 또는 Neovius-surface 등 일부 TPMS의 경우 해당 TPMS 곡면에 따라 유일하게 결정되는 가상의 기하학적 복수의 직선 군이 존재하는 것에 주목하여, 이러한 직선 군을 뼈대(framework)으로 하여 그 사이 공간에서 유체 박막을 형성하면 해당 박막이 TPMS 형태의 곡면으로 형성됨을 확인하여 본 발명에 도달하게 되었다. 이상의 해결과제에 대한 인식 및 이에 기초한 해결수단에 관한 본 발명의 요지는 청구범위에 기재된 것과 동일한 아래의 내용이다.In the process of continuing research on manufacturing a three-dimensional structure composed of a thin film in the form of TPMS without a template, the present inventors, in the prior known literature on the geometry of TPMS (EA Lord and AL Mackay, "Periodic minimal surfaces In the case of some TPMS such as P-surface, D-surface, H-surface, or Neovius-surface through Current Science Vol. 85, pp. 346-362, 2003.), it is uniquely determined according to the TPMS surface Paying attention to the existence of a plurality of virtual geometric straight line groups that become did it The gist of the present invention regarding the recognition of the above-described problems and solutions based thereon is the same as described in the claims as follows.

(1) TPMS 종류에 따라 결정되는 기하학적 직선 군에 대응되도록 뼈대를 형성하는 단계; 상기 뼈대 사이에 유체 박막을 형성하는 단계; 및 상기 유체 박막을 경화시키는 단계;를 포함하며, 상기 유체 박막은 표면장력에 의해 TPMS 형태의 곡면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 TPMS 형태의 3차원 박막 다공질 구조체 제조방법.

Figure pat00001
(참고) 원안대로 적용대상을 제한하지 않기 위해 위와 같이 용어를 기재하였으며, 용어의 의미는 상세한 설명에 보충 설명하였습니다.(1) forming a skeleton to correspond to a geometric straight line group determined according to the type of TPMS; forming a fluid thin film between the skeletons; and curing the fluid thin film, wherein the fluid thin film is formed into a TPMS-shaped curved surface by surface tension.
Figure pat00001
(Reference) In order not to limit the scope of application as in the original plan, the terms are described as above, and the meanings of the terms are supplemented in the detailed description.

(2) 상기 빼대의 형성은 3D 프린팅 방식인 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 TPMS 형태의 3차원 박막 다공질 구조체 제조방법.(2) The three-dimensional thin film porous structure manufacturing method of the TPMS type of (1), characterized in that the formation of the pull-out is a 3D printing method.

(3) 상기 뼈대의 형성은 와이어를 배열한 후 교차점을 접합하는 방식인 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 TPMS 형태의 3차원 박막 다공질 구조체 제조방법.(3) The TPMS type three-dimensional thin film porous structure manufacturing method of (1) above, characterized in that the formation of the skeleton is a method of joining the intersections after arranging wires.

(4) 상기 유체 박막의 형성은 침지 방식인 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 TPMS 형태의 3차원 박막 다공질 구조체 제조방법.(4) The TPMS type three-dimensional thin film porous structure manufacturing method of (1) above, characterized in that the formation of the fluid thin film is an immersion method.

(5) 상기 유체 박막은 열가소성 수지, 자외선 경화 수지, 열경화성 수지, 금속 또는 세라믹 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 TPMS 형태의 3차원 박막 다공질 구조체 제조방법.(5) The fluid thin film is a three-dimensional thin film porous structure manufacturing method of the TPMS type of (1), characterized in that any one of a thermoplastic resin, an ultraviolet curing resin, a thermosetting resin, a metal, or a ceramic.

(6) 상기 경화 과정은 건조, 노광, 가열, 냉각 중 어느 하나의 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 TPMS 형태의 3차원 박막 다공질 구조체 제조방법.(6) The curing process is a three-dimensional thin film porous structure manufacturing method in the form of (1) above, characterized in that the drying, exposure, heating, cooling is performed in any one method.

(7) 상기 유체 박막은 폴리머로 형성되고, 열분해에 의한 경화 과정에 의해 상기 폴리머가 세라믹으로 전환되는 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 TPMS 형태의 3차원 박막 다공질 구조체 제조방법.(7) The fluid thin film is formed of a polymer, and the polymer is converted into a ceramic by a curing process by thermal decomposition.

(8) 상기 유체 박막의 경화 과정에서 중력의 영향을 최소화하기 위해 상기 뼈대를 일정 주기에 따라 상하 방향으로 교대로 뒤집는 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 TPMS 형태의 3차원 박막 다공질 구조체 제조방법.(8) The TPMS type three-dimensional thin film porous structure manufacturing method of (1) above, characterized in that the skeleton is alternately turned up and down according to a predetermined period in order to minimize the effect of gravity during the curing process of the fluid thin film.

(9) 상기 TPMS는 P-surface, D-surface, H-surface 또는 Neovius-surface 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 TPMS 형태의 3차원 박막 다공질 구조체 제조방법.(9) The TPMS is P-surface, D-surface, H-surface or Neovius-surface method for manufacturing a three-dimensional thin-film porous structure of the above (1), characterized in that any one.

본 발명에 따르면, 종래 TPMS형태의 박막으로 구성된 3차원 구조체를 제조하는 방법에서 필수적으로 요구되었던 템플릿 형성하고 제거하는 단계 없이 TPMS 종류에 따라 결정되는 직선 군에 대응되는 뼈대를 형성하고 해당 뼈대에 직접 박막을 형성하기 때문에 공정이 단순하고, 비용과 시간이 절약되며, 특히 화학 에칭과 같은 템플릿 제거 과정에서 발생하는 환경오염의 가능성을 최소화할 수 있다. 또한 본 발명에 따라 제조된 3차원 박막 다공질 구조체의 경우, 박막의 곡면이 표면장력에 의해 정밀하게 제어되기 때문에 이상적인 TPMS 형태로 구현될 수 있고, 뼈대가 최종 3차원 박막 다공질 구조체의 일부를 구성하여 보강효과를 나타내기 때문에 종래 단일 재료로 이루어진 3차원 박막 다공질 구조체 대비 전체 구조의 강도가 향상된다.According to the present invention, a skeleton corresponding to a straight line group determined according to the type of TPMS is formed without the step of forming and removing a template, which is essential in the conventional method for manufacturing a three-dimensional structure composed of a thin film of the TPMS type, and is directly attached to the skeleton. Since the thin film is formed, the process is simple, cost and time are saved, and in particular, the possibility of environmental pollution occurring in the template removal process such as chemical etching can be minimized. In addition, in the case of the three-dimensional thin film porous structure manufactured according to the present invention, since the curved surface of the thin film is precisely controlled by surface tension, it can be implemented in an ideal TPMS shape, and the skeleton constitutes a part of the final three-dimensional thin film porous structure. Since it exhibits a reinforcing effect, the strength of the overall structure is improved compared to the conventional three-dimensional thin film porous structure made of a single material.

도 1의 종래 기술에 따른 3차원 박막 다공질 구조체 제조용 템플릿의 제조 공정에 관한 모식도.
도 4는 3주기적 최소 곡면(TPMS; Triply Periodic Minimal Surface)에 관한 예.
도 5는 종래 기술에 따른 3차원 트러스형 박막 다공질 구조체에서 국부 좌굴 현상을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명에 따라 뼈대에 유체 박막을 형성시 표면장력에 의해 TPMS가 형성되는 원리를 설명한 도면.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 TPMS 종류에 따라 결정되는 직선 군을 단위셀과 함께 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 TPMS 종류에 따라 결정되는 직선 군을 복수의 단위셀과 함께 나타낸 도면.
도 9는 도 8에서 직선 군만을 나타낸 도면.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 TPMS 종류에 따라 결정되는 직선 군에 대응되는 뼈대를 3-D 프린팅으로 제작한 사진.
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 TPMS 종류에 따라 결정되는 직선 군에 대응되는 뼈대를 와이어를 배열한 후 교차점을 접합하여 제작한 사진.
도 12는 도 10의 뼈대에 유체 박막을 형성한 사진.
도 13은 도 11의 뼈대에 유체 박막을 형성한 사진.
A schematic diagram of a manufacturing process of a template for manufacturing a three-dimensional thin film porous structure according to the prior art of FIG. 1 .
Figure 4 is an example of a three-periodic minimal surface (TPMS; Triple Periodic Minimal Surface).
5 is a view showing a local buckling phenomenon in a three-dimensional truss-type thin film porous structure according to the prior art.
6 is a view for explaining the principle of forming a TPMS by surface tension when forming a fluid thin film on the skeleton according to the present invention.
7 is a view showing a straight line group determined according to a type of TPMS together with a unit cell according to an embodiment of the present invention.
8 is a view showing a straight line group determined according to a type of TPMS together with a plurality of unit cells according to an embodiment of the present invention.
9 is a view showing only the straight line group in FIG. 8 .
10 is a photograph of 3-D printing of a skeleton corresponding to a straight line group determined according to the type of TPMS according to an embodiment of the present invention.
11 is a photograph produced by arranging wires in a skeleton corresponding to a straight line group determined according to the type of TPMS according to an embodiment of the present invention and then joining the intersection points.
12 is a photograph of a fluid thin film formed on the skeleton of FIG. 10;
13 is a photograph of a fluid thin film formed on the skeleton of FIG. 11;

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.Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples. Prior to this, the terms or words used in the present specification and claims should not be construed as being limited to conventional or dictionary meanings, and the inventor should properly understand the concept of the term in order to best describe his invention. Based on the principle that can be defined, it should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention. Accordingly, since the configuration of the embodiments described in this specification is only one of the most preferred embodiments of the present invention and does not represent all the technical spirit of the present invention, various equivalents that can be substituted for them at the time of filing of the present invention It should be understood that there may be variations and variations. On the other hand, in the drawings, the same or similar reference numbers are given to the same or equivalents, and in the entire specification, when it is said that a part "includes" a certain component, it is a different component unless specifically stated to the contrary. It does not exclude, but means that other components may be further included.

본 발명에 따른 박막으로 구성된 3차원 구조체는, 그 종류는 다를 수 있지만 대한민국특허 제1905483호와 마찬가지로 3주기적 최소곡면 형태 또는 이에 근접한 형태로 구현된다. 이 경우, 박막으로 구성된 3차원 구조체(이하, "3차원 박막 다공질 구조체")는 상술한 "shellular"와 같이 박막으로 구성된 일정한 단위셀이 주기적으로 반복되는 경량 구조체이다.The three-dimensional structure composed of a thin film according to the present invention may be of a different type, but is implemented in the form of a three-period minimum curved surface or a form close to it, as in Korean Patent No. 1905483. In this case, the three-dimensional structure composed of a thin film (hereinafter, “three-dimensional thin film porous structure”) is a lightweight structure in which certain unit cells composed of a thin film are periodically repeated as in the above-described “shellular”.

본 발명에 따른 3차원 박막 다공질 구조체 제조방법은 TPMS 종류에 따라 결정되는 기하학적 직선 군에 대응되도록 뼈대를 형성하는 단계; 상기 뼈대 사이에 유체 박막을 형성하는 단계; 및 상기 유체 박막을 경화시키는 단계;를 포함하며, 상기 유체 박막은 표면장력에 의해 TPMS 형태의 곡면으로 형성되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에서 3차원 박막 다공질 구조체의 TPMS 곡면은 뼈대(framework) 사이 공간에서 유체 박막을 형성하면 해당 유체 박막이 표면장력에 의해 TPMS 곡면으로 자연스럽게 유도되는 원리이다. A three-dimensional thin film porous structure manufacturing method according to the present invention comprises the steps of: forming a skeleton to correspond to a geometric straight line group determined according to the type of TPMS; forming a fluid thin film between the skeletons; and curing the fluid thin film, wherein the fluid thin film is formed into a TPMS-shaped curved surface by surface tension. In the present invention, the TPMS curved surface of the three-dimensional thin film porous structure is a principle that when a fluid thin film is formed in the space between the frameworks, the fluid thin film is naturally guided to the TPMS curved surface by surface tension.

먼저 상기 뼈대는 3차원 박막 다공질 구조체의 제조과정에서 TPMS 형태의 박막 형성의 기초를 이루거나 매개하는 역할을 하며, 또한 최종 목적물인 3차원 박막 다공질 구조체에 박막과 함께 잔류하여 구조체의 강성을 전체적으로 보강하는 역할을 한다. 이러한 뼈대는 3차원 박막 가공질 구조체의 곡면 형상 즉 TPMS에 관련된 직선 군에 대응되도록 한다.First, the framework serves to form the basis or mediate the formation of a TPMS type thin film in the manufacturing process of the three-dimensional thin film porous structure, and also remains with the thin film in the final target, the three-dimensional thin film porous structure, to reinforce the overall rigidity of the structure. plays a role Such a skeleton corresponds to the curved shape of the three-dimensional thin film workable structure, that is, a straight line group related to TPMS.

이 경우 상기 'TPMS에 관련된 직선 군'는 'TPMS 종류에 따라 결정되는 직선 군'으로서 일반적으로 통용되는 명칭은 없으나 본 명세서에서는 해당 'TPMS 곡면에 따라 유일하게 결정되는 가상의 기하학적 요소'의 의미로 사용되며, TPMS의 곡면 프로파일은 이러한 직선 군에 의해 한정 내지 정의할 수 있다. 현재까지 이러한 직선 군은 TPMS의 기하학적 구조에 관한 선행의 공지된 문헌(E. A. Lord and A. L. Mackay, "Periodic minimal surfaces of cubic symmetry," Current Science Vol. 85, pp. 346-362, 2003.)을 통해 P-surface, D-surface, H-surface 또는 Neovius-surface 등의 일부 TPMS에서 그 존재가 증명되어 있다. 본 발명이 적용될 수 있는 3차원 박막 다공질 구조체의 곡면 프로파일은 TPMS 곡면 또는 이에 준하는 곡면 중 상기한 선행 문헌에서 개시하고 있는 직선 군과 기하학적으로 동일한 성격의 직선 군이 존재하는 것을 전제로 하며, 이를 위해 상기 선행 문헌에 기재된 내용은 본 발명의 일부로서 일체로 참조될 수 있다. In this case, the 'group of straight lines related to TPMS' is a 'group of straight lines determined according to the type of TPMS', and there is no commonly used name, but in the present specification, it means 'a virtual geometric element uniquely determined according to the TPMS curved surface'. used, and the curved profile of the TPMS can be defined or defined by this straight line group. Until now, this straight line group has been identified through the prior known literature on the geometry of TPMS (EA Lord and AL Mackay, "Periodic minimal surfaces of cubic symmetry," Current Science Vol. 85, pp. 346-362, 2003.) Its existence has been demonstrated in some TPMS such as P-surface, D-surface, H-surface or Neovius-surface. The curved profile of the three-dimensional thin film porous structure to which the present invention can be applied is premised on the existence of a straight line group having the same characteristics as the straight line group disclosed in the preceding document among the TPMS curved surface or a curved surface equivalent thereto, for this purpose The contents described in the preceding documents may be incorporated by reference as a part of the present invention.

도 6은 본 발명에 따라 뼈대에 유체 박막을 형성시 표면장력에 의해 TPMS가 형성되는 원리를 예시적으로 설명한 사진 도면이다. 도면에는 와이어로 제작된 육면체형, 정확히는 4개의 직선 요소가 빠진 뼈대 및 두 개의 원형 링이 평행하게 배치되는 뼈대 2종이 예시되어 있으나, 도 6에 도시된 뼈대는 상술한 특정의 TPMS에 관련되는 직선 군에 대응되는 것은 아니며 곡면 형성의 원리를 단순화시켜 설명하기 위해 제시된 예이다. 이러한 2종의 뼈대 각각을 대상으로 하여 해당 뼈대 사이에 유체 박막의 일종으로 비누막을 형성시켰을 때 비누막은 표면장력에 의해 최소 면적을 갖도록 형성된다. 6 is a photograph illustrating the principle of forming a TPMS by surface tension when forming a fluid thin film on a skeleton according to the present invention. Although the figure illustrates two types of a hexahedral type made of wire, a skeleton without four straight elements, and a skeleton with two circular rings arranged in parallel, the skeleton shown in FIG. 6 is a straight line related to the specific TPMS described above. It does not correspond to a group and is an example presented to simplify and explain the principle of forming a curved surface. When a soap film is formed as a kind of a fluid thin film between the skeletons for each of these two types of skeletons, the soap film is formed to have a minimum area by surface tension.

즉, 도 6과 같이 비누막 형성을 위한 뼈대가 2차원 평면 상에 있지 않으면 이를 매개로 3차원 공간상에 형성되는 비누막은 두 방향의 주 곡률 (principal curvature)로 정의되는 곡면 형상을 갖는다. 이러한 두 방향의 주 곡률의 평균을 해당 곡면에 대한 평균곡률 (mean curvature)이라고 하며, 이것이 영 또는 일정한 값을 가지고 3차원 공간상에서 세 방향으로 주기적으로 반복되는 곡면이면 3주기적 최소곡면(TPMS)라고 할 수 있다. That is, if the skeleton for forming the soap film is not on a two-dimensional plane as shown in FIG. 6, the soap film formed in a three-dimensional space through it has a curved shape defined by principal curvatures in two directions. The average of the principal curvatures in these two directions is called the mean curvature for the corresponding surface. If this is a surface that has zero or a constant value and is periodically repeated in three directions in three-dimensional space, it is called a three-period minimum surface (TPMS). can do.

이 경우 3차원 공간상에서 세방향으로 주기적으로 반복되는 곡면은, 예컨대 도 6에 예시된 뼈대를 하나의 단위셀로 하여 3차원 공간상에서 세방향으로 규칙성을 갖도록 확장한 상태를 가정하고 이 확장된 뼈대에서 비누막과 같은 유체 박막을 형성함으로써 구현될 수 있는 것으로 볼 수 있다.In this case, a curved surface that is periodically repeated in three directions in three-dimensional space is assumed to be expanded to have regularity in three directions in three-dimensional space, for example, by using the skeleton illustrated in FIG. 6 as one unit cell. It can be seen that it can be realized by forming a fluid thin film such as a soap film on the skeleton.

도 7은 본 발명의 실시예에 따라 TPMS 종류에 따라 결정되는 직선 군을 해당 TPMS의 단위셀과 함께 예시적으로 나타낸 도면으로서, 도 7의 (a) ~ (d) 각각은 TPMS 중 입방체 대칭 구조(Cubic Symmetry)를 갖는 P, D, H, Neovius 곡면의 단위셀에 존재하는 직선 군을 나타내고 있다. 도 8은 도 7의 단위셀이 3차원 공간상에 복수개로 연결되어 구성된 곡면 상에 존재하는 직선 군을 해당 복수의 단위셀과 함께 예시적으로 나타낸 도면이고, 도 9는 복수의 단위셀 및 그에 의한 곡면을 제외하고 직선 군만을 예시적으로 나타낸 도면이다.7 is a view exemplarily showing a straight line group determined according to the type of TPMS together with a unit cell of the corresponding TPMS according to an embodiment of the present invention. (Cubic Symmetry) P, D, H, and Neovius shows a group of straight lines existing in a unit cell of a curved surface. FIG. 8 is a view exemplarily showing a group of straight lines existing on a curved surface configured by connecting a plurality of unit cells of FIG. 7 together with a plurality of unit cells, and FIG. 9 is a view showing a plurality of unit cells and their It is a diagram showing only the straight line group by way of example except for the curved surface by

따라서 도 9와 같이 제조하고자 하는 3차원 박막 다공질 구조체의 TPMS 곡면에 관계된 직선 군에 대응되는 뼈대를 형성하고, 이러한 뼈대를 기초로 유체 박막을 형성하면 표면장력에 의해 의도한 TPMS가 자연스럽게 구현되고, 유체 박막을 경화함으로써 뼈대와 유체 박막이 일체화된 고상의 TPMS 형태의 3차원 박막 다공질 구조체를 제조할 수 있게 된다.Therefore, as shown in FIG. 9, when a skeleton corresponding to a straight line group related to the TPMS curved surface of the three-dimensional thin film porous structure to be manufactured is formed, and a fluid thin film is formed based on this skeleton, the intended TPMS is naturally realized by surface tension, By curing the fluid thin film, it becomes possible to manufacture a three-dimensional thin film porous structure in the form of a solid TPMS in which the skeleton and the fluid thin film are integrated.

이 경우 상기 뼈대는 와이어 또는 로드 등으로 제작된 일종의 트러스 구조물로서, 그 형성 방법은 다양한 방식으로 이루어질 수 있다. 뼈대의 재질은 특별히 제한되지 않으며, 뼈대 제작 방식에 따라 수지, 금속 또는 세라믹 등 다양한 재료로부터 선택될 수 있다. 또한 뼈대를 구성하는 와이어 또는 로드의 직경은 특별히 제한되지 않으며 제작되는 구조체의 박막 두께를 고려하여 보다 이상적인 TPMS 곡면을 구현하기 위해 가능한 한 작게 할 수 있다.In this case, the skeleton is a kind of truss structure made of a wire or a rod, and the formation method thereof may be made in various ways. The material of the skeleton is not particularly limited, and may be selected from various materials such as resin, metal, or ceramic according to a method of fabricating the skeleton. In addition, the diameter of the wire or rod constituting the skeleton is not particularly limited and may be made as small as possible in order to realize a more ideal TPMS curved surface in consideration of the thin film thickness of the structure to be manufactured.

도 10은 본 발명의 실시예에 따라 TPMS 종류에 따라 결정되는 직선 군에 대응되는 뼈대를 3-D 프린팅으로 제작한 사진을 나타낸다. 구체적으로 도 10의 (a)와 (b)는 3D 프린터로 각각 P와 D 곡면 상의 직선 군에 대응하는 뼈대를 제작 예이다. 한편 도 10의 (a)에 따른 P 곡면용 뼈대의 경우 현재 3-D 프린팅 기술의 한계상 도 9 (a)와 같이 최외각에 뾰쭉한 삼각 꼭지점이 형성되도록 프린트하기가 현실적으로 곤란하여 도 9의 점선으로 표시된 것을 기준으로 바로 하부에서 절단되어 원형 링 형태를 갖도록 제작하였다.10 shows a photograph of 3-D printing of a skeleton corresponding to a straight line group determined according to the type of TPMS according to an embodiment of the present invention. Specifically, FIGS. 10(a) and 10(b) are examples of manufacturing skeletons corresponding to straight line groups on P and D curved surfaces, respectively, with a 3D printer. On the other hand, in the case of the skeleton for the P curved surface according to FIG. Based on the dotted line, it was cut from the bottom and manufactured to have a circular ring shape.

도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따라 TPMS 종류에 따라 결정되는 직선 군에 대응되는 뼈대를 와이어를 배열한 후 교차점을 접합하여 제작한 사진을 나타낸다. 구체적으로 도 11의 (a)와 (b)는 작은 직경의 금속 와이어로 각각 P와 D 곡면 상의 직선 군에 대응하는 뼈대를 제작한 예로서, 앞서 도 10의 실시예에 따라 3D 프린터로 제작하는 경우와는 P 곡면용 뼈대의 최외각에 뾰쭉한 삼각 꼭지점을 그대로 유지한 형태로 제작하는 것이 가능하다. 도 11의 실시예의 경우, 가능한 한 소구경의 와이어를 이용하고 와이어의 교차점을 수지 등의 접착제를 이용하거나 또는 용접 등을 통해 접합 고정함으로써 도 9에 제시된 이상적인 형태의 직선 군에 대응되거나 또는 이에 근접한 뼈대를 제작할 수 있다.11 shows a photograph prepared by arranging wires in a skeleton corresponding to a straight line group determined according to the type of TPMS and then joining the intersection points according to another embodiment of the present invention. Specifically, FIGS. 11 (a) and (b) are examples of manufacturing a skeleton corresponding to a straight line group on P and D curved surfaces, respectively, with a small diameter metal wire, which is manufactured by a 3D printer according to the embodiment of FIG. Unlike the case, it is possible to manufacture in the form of maintaining the sharp triangular vertex on the outermost part of the skeleton for the P surface. In the case of the embodiment of FIG. 11, by using a wire of a small diameter as much as possible and fixing the intersection point of the wire by using an adhesive such as resin, or by bonding and fixing through welding, etc. Skeletons can be crafted.

상기 유체 박막의 형성은 바람직하게는 박막 재료로 사용되는 유체에 뼈대를 간단히 침지하는 방식으로 수행될 수 있다. 구체적으로 도 12의 (a)와 (b)는 각각 도 10 (a)와 (b)에 따라 3D 프린터로 제작된 뼈대에 열가소성 수지의 일종인 스테인드 글래스 페인트(stained glass paint)를 유체 박막으로 형성하여 P와 D 곡면을 형성한 예를 나타내고 있다. 마찬가지로 도 13의 (a)와 (b)는 각각 도 11 (a)와 (b)에 따라 와이어를 접합하여 제작된 뼈대에 스테인드 글래스 페인트를 유체 박막으로 형성한 예를 나타내고 있다. 이러한 유체 박막의 형성 과정에서 뼈대를 액상의 열가소성 수지에 담궜다가 꺼내는 것외에 별도의 작업 없이도 유체의 표면장력에 의해 얇고 균일한 두께를 가지며 이상적 TPMS 또는 이에 근접한 박막으로 구성된 3차원 박막 다공질 구조체를 제작할 수 있다. 한편 경우에 따라서는 침지 후 원하지 않는 뼈대 요소 사이, 특히 최외곽측에 노출되는 뼈대 요소 사이에 유체 박막이 형성되면 터뜨려 제거하는 작업이 수반될 수 있다.The formation of the fluid thin film may be preferably carried out in a manner of simply immersing the skeleton in a fluid used as a thin film material. Specifically, in FIGS. 12 (a) and (b), stained glass paint, a type of thermoplastic resin, is formed as a fluid thin film on a skeleton manufactured by a 3D printer according to FIGS. 10 (a) and (b), respectively. Thus, an example in which P and D curved surfaces are formed is shown. Similarly, FIGS. 13(a) and 13(b) show examples in which stained glass paint is formed as a fluid thin film on a skeleton manufactured by bonding wires according to FIGS. 11(a) and (b), respectively. In the process of forming such a fluid thin film, a three-dimensional thin film porous structure composed of an ideal TPMS or a thin film close to it can be manufactured without any additional work other than immersing the skeleton in the liquid thermoplastic resin and taking it out. have. On the other hand, in some cases, when a fluid thin film is formed between unwanted skeletal elements after immersion, particularly between skeletal elements exposed to the outermost side, an operation of bursting and removing may be involved.

상기 유체 박막의 경화 과정은 액상의 유체 박막을 고상으로 전환하여 최종의 3차원 박박 다공질 구조체를 얻기 위한 마무리 작업으로서, 이러한 경화 과정은 사용되는 유체 박막의 재료에 따라 선택되어 단순 건조, 자외선 노광, 가열, 냉각 또는 이들을 조합한 다양한 방식으로 수행될 수 있다. 도 12 및 도 13의 열가소성 수지를 사용하는 경우 단순 건조 방식으로 경화될 수 있다. 또한 유체 박막의 경화 과정에서 중력의 영향을 최소화하기 위해 상기 뼈대를 일정 주기에 따라 상하 방향으로 교대로 뒤집는 것이 이상적인 TPMS 형태의 3차원 박막 다공질 구조체 제작에 유리할 수 있다.The curing process of the fluid thin film is a finishing operation to obtain a final three-dimensional thin porous structure by converting the liquid thin film into a solid phase. Heating, cooling, or a combination thereof may be performed in various ways. When the thermoplastic resin of FIGS. 12 and 13 is used, it may be cured by a simple drying method. In addition, in order to minimize the effect of gravity during the curing process of the fluid thin film, it may be advantageous to produce an ideal three-dimensional thin film porous structure in the form of an ideal TPMS to alternately invert the skeleton in the vertical direction according to a predetermined period.

상기 유체 박막 재료로는 뼈대의 소재와 친화력 즉 분자간력을 가지며 표면장력을 가지는 액상의 유동성 물질이라면 특별히 제한되지 않으며, 상기 도 12 및 도 13이 실시예서와 같이 열가소성 수지를 이용하거나, 기타 3차원 박막 다공질 구조체의 용도나 경화 공정과 같은 제조 공정 조건 등을 고려해 용제(solvent)로 용해된 열가소성 수지(예를 들면 페인트), 단량체(monomer) 상태의 자외선 경화성 수지(UV resin), 에폭시(epoxy)와 같은 열경화성 수지, 액상의 금속 또는 세라믹 등에서 다양하게 선택될 수 있다. The fluid thin film material is not particularly limited as long as it is a liquid fluid material having affinity with the material of the skeleton, that is, intermolecular force and surface tension. In consideration of the use of thin-film porous structures or manufacturing process conditions such as curing process, thermoplastic resin (e.g. paint) dissolved in solvent, UV-curable resin in monomer state, epoxy It may be variously selected from a thermosetting resin, such as a liquid metal or ceramic.

예컨대 유체 박막 재료가 열가소성 수지 또는 자외선 경화성 수지인 경우 금속, 폴리머, 또는 세라믹 소재의 뼈대에 막을 형성한 후 일정 온도의 대기 중에 건조하거나 자외선에 노출하는 과정을 통하여 경화가 이루어지고 추가로 고온으로 가열함으로써 더 높은 강도를 얻을 수 있다. 유체 박막 재료가 액상의 금속이나 유리 또는 석영 등의 세라믹인 경우 고온에 견딜수 있는 소재의 뼈대에 막을 형성한 후 냉각함으로써 고상의 박막을 얻을 수 있다. 또한, 경화시 경화제 또는 용제를 혼합하여 수지의 경우 막 형성 과정에서 시간에 따라 점성이 증가하여 막 두께가 과도하게 커지거나 막 형성 자제가 불가능할 수 있지만, 자외선 경화성 수지의 경우 자외선을 조사하여 경화를 개시하기 전까지는 일정한 점도를 유지할 수 있어 작업 및 공정 조건을 조절하기가 상대적으로 용이할 수 있다. For example, when the fluid thin film material is a thermoplastic resin or UV-curable resin, after forming a film on the skeleton of a metal, polymer, or ceramic material, it is dried in the air at a certain temperature or exposed to UV rays to cure and further heat to high temperature. By doing so, higher strength can be obtained. When the fluid thin film material is a liquid metal, glass, or ceramic such as quartz, a solid thin film can be obtained by forming a film on the skeleton of a material that can withstand high temperatures and then cooling. In addition, in the case of a resin by mixing a curing agent or a solvent during curing, the viscosity increases over time during the film formation process, resulting in an excessively large film thickness or film formation inhibition. A constant viscosity can be maintained until initiation, which makes it relatively easy to control operating and process conditions.

한편 경화 과정에서는 유체 막막을 이종 재질로 개질하는 과정을 포함함으로써 최종 3차원 박막 다공질 구조체의 재질을 결정할 수도 있다. 예컨대 최근에는 산소를 억제한 고온 환경에서 폴리머를 열분해(pyrolysis)함으로써 세라믹으로 변환하는 기술이 소개된 바 있으며(참고문헌: P. Colombo, R. Riedel, G. D. Sorar

Figure pat00002
, H. J. Kleebe, Eds., Polymer Derived Ceramics (DEStech Publications, Lancaster, PA, 2010), 이러한 열분해를 통하여 3차원 다공질 세라믹을 제작한 사례도 소개되고 있다 (참고문헌: A. J. Jacobsen, S. Mahoney, W. B. Carter, S. Nutt, "Vitreous carbon micro-lattice structures", Carbon Vol. 49, pp.1025-1032, 2011. Z. C. Eckel, C. Zhou, J. H. Martin, A. J. Jacobsen, W. B. Carter, T. A. Schaedler, "Additive manufacturing of polymer-derived ceramics," Science, Vol. 351, Issue 6268, pp.58-59, 2016.) 이와 같이 수지로 박막 재료로 하여 뼈대에 박막 구조체를 만든 후, 해당 수지 재질의 박막 구조체를 열분해하여 세라믹으로 변환하면 보다 높은 강도를 가지며 내열성을 갖는 세라믹 3차원 박막 구조체를 얻을 수 있다. 이 경우 본 발명의 박막 구조체는 매우 얇고 부드러운 TPMS 곡면 형태를 가지므로 열분해에 따른 부피수축 과정에서 발생하기 쉬운 균열을 억제하는데 유리하다. Meanwhile, in the curing process, the material of the final three-dimensional thin film porous structure may be determined by including the process of reforming the fluid film film into a heterogeneous material. For example, recently, a technology for converting a polymer into a ceramic by pyrolysis in a high-temperature environment in which oxygen is suppressed has been introduced (References: P. Colombo, R. Riedel, GD Sorar).
Figure pat00002
, HJ Kleebe, Eds., Polymer Derived Ceramics (DEStech Publications, Lancaster, PA, 2010), a case of producing a three-dimensional porous ceramic through such pyrolysis is also introduced (References: AJ Jacobsen, S. Mahoney, WB Carter , S. Nutt, “Vitreous carbon micro-lattice structures”, Carbon Vol. 49, pp.1025-1032, 2011. ZC Eckel, C. Zhou, JH Martin, AJ Jacobsen, WB Carter, TA Schaedler, “Additive manufacturing of Polymer-derived ceramics," Science, Vol. 351, Issue 6268, pp.58-59, 2016.) After making a thin film structure on the skeleton using resin as a thin film material, the thin film structure made of the resin material is pyrolyzed to produce ceramics. When converted to , a ceramic three-dimensional thin film structure having higher strength and heat resistance can be obtained. In this case, since the thin film structure of the present invention has a very thin and soft TPMS curved surface, it is advantageous in suppressing cracks that are likely to occur in the process of volume shrinkage due to thermal decomposition.

이상과 같이 본 발명에 따르면, 종래 TPMS형태의 박막으로 구성된 3차원 구조체를 제조하는 방법에서 필수적으로 요구되었던 템플릿 형성하고 제거하는 단계 없이 TPMS 종류에 따라 결정되는 직선 군에 대응되는 뼈대를 형성하고 해당 뼈대에 직접 박막을 형성하기 때문에 공정이 단순하고, 비용과 시간이 절약되며, 특히 화학 에칭과 같은 템플릿 제거 과정에서 발생하는 환경오염의 가능성을 최소화할 수 있다. 또한 본 발명에 따라 제조된 3차원 박막 다공질 구조체의 경우, 박막의 곡면이 표면장력에 의해 정밀하게 제어되기 때문에 이상적인 TPMS 형태로 구현될 수 있고, 뼈대가 최종 3차원 박막 다공질 구조체의 일부를 구성하여 보강효과를 나타내기 때문에 종래 단일 재료로 이루어진 3차원 박막 다공질 구조체 대비 전체 구조의 강도가 향상된다.As described above, according to the present invention, a skeleton corresponding to a straight line group determined according to the type of TPMS is formed without the step of forming and removing the template, which is essential in the method of manufacturing a three-dimensional structure composed of a conventional TPMS type thin film, and the corresponding Since the thin film is formed directly on the skeleton, the process is simple, cost and time are saved, and in particular, the possibility of environmental pollution occurring in the template removal process such as chemical etching can be minimized. In addition, in the case of the three-dimensional thin film porous structure manufactured according to the present invention, since the curved surface of the thin film is precisely controlled by surface tension, it can be implemented in an ideal TPMS shape, and the skeleton constitutes a part of the final three-dimensional thin film porous structure. Since it exhibits a reinforcing effect, the strength of the overall structure is improved compared to the conventional three-dimensional thin film porous structure made of a single material.

이상의 설명은, 본 발명의 구체적인 실시예에 관한 것이다. 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 상기 실시예는 설명의 목적으로 개시된 사항으로서 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. The above description relates to specific embodiments of the present invention. As described above, the embodiments according to the present invention are disclosed for the purpose of explanation and are not to be construed as limiting the scope of the present invention, and those of ordinary skill in the art will not depart from the essence of the present invention. It should be understood that various changes and modifications are possible.

예컨대, 본 발명의 실시예에서는 일부 TPMS, 즉 P-surface, D-surface, H-surface 또는 Neovius-surface를 예로 하여 설명하였으나 제한적이지 않으며, 뼈대 형성의 기초가 되는 직선 군의 존재가 선행의 공지된 문헌(E. A. Lord and A. L. Mackay, "Periodic minimal surfaces of cubic symmetry," Current Science Vol. 85, pp. 346-362, 2003.)에서 직선 군이 존재하는 것으로 개시된 모든 TPMS에 적용될 수 있다. 참고적으로, 해당 문헌에 따르면 이러한 직선 군을 갖는 TPMS에는 입방체 대칭 구조(Cubic symmetry)인 것도 있고 아닌 것도 있다. 나아가, 현재 시점에서 이러한 직선 군의 존재가 상기 선행 문헌 등을 통해 확인되지 않은 다른 TPMS 경우라도 상기한 선행 문헌에서 개시하고 있는 직선 군과 기하학적으로 동일한 성격의 직선 군의 존재가 확인된다면 본 발명이 개시하고 있는 제조방법이 동일한 원리로 적용될 수 있다. 따라서 이러한 모든 수정과 변경은 특허청구범위에 개시된 발명의 범위 또는 이들의 균등물에 해당하는 것으로 이해될 수 있다.For example, in the embodiment of the present invention, some TPMS, that is, P-surface, D-surface, H-surface, or Neovius-surface has been described as an example, but it is not limited, and the existence of a straight line group that is the basis of skeletal formation is known in the prior art. It can be applied to all TPMS disclosed in the literature (EA Lord and AL Mackay, "Periodic minimal surfaces of cubic symmetry," Current Science Vol. 85, pp. 346-362, 2003.) as having a straight group. For reference, according to the literature, TPMS having such a straight line group may have cubic symmetry or not. Furthermore, even in other TPMS cases in which the existence of such a straight line group has not been confirmed through the preceding documents, etc. at the present time, if the existence of a straight line group having the same characteristics as that of the straight line group disclosed in the preceding document is confirmed, the present invention The disclosed manufacturing method can be applied in the same principle. Accordingly, all such modifications and variations can be understood to correspond to the scope of the invention disclosed in the claims or equivalents thereof.

Claims (9)

TPMS 종류에 따라 결정되는 기하학적 직선 군에 대응되도록 뼈대를 형성하는 단계; 상기 뼈대 사이에 유체 박막을 형성하는 단계; 및 상기 유체 박막을 경화시키는 단계;를 포함하며, 상기 유체 박막은 표면장력에 의해 TPMS 형태의 곡면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 TPMS 형태의 3차원 박막 다공질 구조체 제조방법.
forming a skeleton to correspond to a geometric straight line group determined according to the type of TPMS; forming a fluid thin film between the skeletons; and curing the fluid thin film, wherein the fluid thin film is formed into a TPMS-shaped curved surface by surface tension.
제1항에 있어서, 상기 빼대의 형성은 3D 프린팅 방식인 것을 특징으로 하는 TPMS 형태의 3차원 박막 다공질 구조체 제조방법.
[Claim 3] The method according to claim 1, wherein the strip is formed by a 3D printing method.
제1항에 있어서, 상기 뼈대의 형성은 와이어를 배열한 후 교차점을 접합하는 방식인 것을 특징으로 하는 TPMS 형태의 3차원 박막 다공질 구조체 제조방법.
[Claim 3] The method according to claim 1, wherein the framework is formed by arranging wires and then joining the intersections.
제1항에 있어서, 상기 유체 박막의 형성은 침지 방식인 것을 특징으로 하는 TPMS 형태의 3차원 박막 다공질 구조체 제조방법.
The method according to claim 1, wherein the fluid thin film is formed by an immersion method.
제1항에 있어서, 상기 유체 박막은 열가소성 수지, 자외선 경화 수지, 열경화성 수지, 금속 또는 세라믹 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 TPMS 형태의 3차원 박막 다공질 구조체 제조방법.
The method of claim 1, wherein the fluid thin film is any one of a thermoplastic resin, an ultraviolet curing resin, a thermosetting resin, a metal, or a ceramic.
제1항에 있어서, 상기 경화 과정은 건조, 노광, 가열, 냉각 중 어느 하나의 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는 TPMS 형태의 3차원 박막 다공질 구조체 제조방법.
The method of claim 1, wherein the curing process is performed by any one of drying, exposure, heating, and cooling.
제1항에 있어서, 상기 유체 박막은 폴리머로 형성되고, 열분해에 의한 경화 과정에 의해 상기 폴리머가 세라믹으로 전환되는 것을 특징으로 하는 TPMS 형태의 3차원 박막 다공질 구조체 제조방법.
The method according to claim 1, wherein the fluid thin film is formed of a polymer, and the polymer is converted into a ceramic by a curing process by thermal decomposition.
제1항에 있어서, 상기 유체 박막의 경화 과정에서 중력의 영향을 최소화하기 위해 상기 뼈대를 일정 주기에 따라 상하 방향으로 교대로 뒤집는 것을 특징으로 하는 TPMS 형태의 3차원 박막 다공질 구조체 제조방법.
The method according to claim 1, wherein in order to minimize the effect of gravity during the curing process of the fluid thin film, the skeleton is alternately turned up and down according to a predetermined period.
제1항에 있어서, 상기 TPMS는 P-surface, D-surface, H-surface 또는 Neovius-surface 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 TPMS 형태의 3차원 박막 다공질 구조체 제조방법.
The method of claim 1, wherein the TPMS is any one of P-surface, D-surface, H-surface, and Neovius-surface.
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