KR20240044151A - 내부식성이 향상된 허니컴 구조물 - Google Patents

내부식성이 향상된 허니컴 구조물 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 허니컴 구조물은 3차원(3D) 프린터로 금속을 적층하여 제조되며, 복수개의 육각형 단위셀들을 포함하며, 상기 허니컴 구조물의 두께(L)는 상기 단위셀의 직경의 5배 이상일 수 있다.

Description

내부식성이 향상된 허니컴 구조물{HONEYCOMB STRUCTURE WITH IMPROVED CORROSION RESISTANCE}
본 발명은 내부식성이 향상된 허니컴 구조물에 관한 것이다.
WBC(Waveguide Below Cutoff, 허니컴 구조물)는 컷오프 주파수(cutoff frequency) 이상은 통과시키고 그 이하의 주파수는 차단하는 기능과 함께 공기의 흐름은 허용하는 허니컴(Honeycomb) 형태의 구조물이다. 주로 EMP(Electro-Magnetic Pulse, 전자기펄스 또는 전자기파) 방호시설의 환기구용으로 사용되고 있으며, 공공분야의 방호시설 확대와 함께 EMP 방호가 가능한 WBC 수요도 증가하고 있다.
허니컴 구조물은 단순한 모양의 반복되는 구조물이라도 구멍의 크기가 작기 때문에 금속으로 주조(casting), 용접(welding), 타공(두꺼운 금속판에 작은 구멍을 드릴이나 레이저 등으로 뚫는 방식) 등의 방식으로 제조될 수 있다.
도 1은 종래 허니컴 구조물의 제조 방법의 일 예를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래 허니컴 구조물의 제조 방법은 주재료가 되는 금속(알루미늄, 철 등) 띠(10)를 요철 모양으로 절곡(구부리기)한다(S10). 금속 띠(10)와 금속 띠(10) 사이에 얇은 납 띠(20)를 삽입하고(S20), 고온에서 납을 녹여 납땜(soldering)하여 허니컴 구조물(30)을 생산하고 있다.
그런데, 허니컴 구조물의 역할이 공기 중으로 전파되어 들어오는 전자기파를 차폐하는 것이기 때문에 허니컴 구조물에는 유도기전력이 발생하게 된다. 결과적으로 전기전도도(electric conductivity)가 서로 다른 주재료가 되는 금속(알루미늄, 철 등)과 접합용 금속(납) 사이에서 갈바닉부식(Galvanic corrosion) 현상이 발생된다.
특히, 30년 이상 장기간 성능이 유지되어야 하는 EMP 방호시설에서 WBC 허니컴 구조물의 갈바닉부식으로 인한 문제가 심각하게 발생되고 있다. 좁은 틈으로 강한 공기의 압력을 받게 되는 허니컴 구조물의 특성상 부식으로 인해 접합부위가 손상을 받게 되면 접합이 떨어져서 본연의 기능을 발휘할 수 없게 된다. 이종(종류가 다른)금속의 접합(납땜)을 통해 제조되는 허니컴 구조물의 접합부위의 개수가 허니컴 구조물 당 최소 수백 개소가 넘는다. 한 개의 시설에 적게는 수십 개 이상이 소요되는 허니컴 구조물이므로 이중에서 한 곳의 접합부위에서만 부식으로 인해 결함이 발생되면 시설 전체가 기능을 상실할 수도 있게 된다.
본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 이종금속으로 제작된 허니컴 구조물의 갈바닉부식 문제를 해소하기 위해 단일금속으로 제조된 허니컴 구조물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 허니컴 구조물은 3차원(3D) 프린터로 금속을 적층하여 제조되며, 복수개의 육각형 단위셀들을 포함하며, 상기 허니컴 구조물의 두께(L)는 상기 단위셀의 직경의 5배 이상이다.
상기 단위셀의 직경은 4 mm 이하일 수 있다.
상기 허니컴 구조물은 복수개의 단위 허니컴을 연결함으로써 제조되며, 상기 복수개의 단위 허니컴 각각은 적어도 일 측면에 다른 단위 허니컴과 끼워 맞춰지는 복수개의 결합부를 포함할 수 있다.
상기 허니컴 구조물은 원통형일 수 있다.
상기 허니컴 구조물은 상기 허니컴 구조물과 일체화되어 형성된 케이블 수용부 및 열교환용 파이프중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 허니컴 구조물은 니켈도금 처리 또는 아노다이징(anodizing) 후처리가 수행될 수 있다.
상기 허니컴 구조물은 활성탄소 필터를 결합하여 EMP(EMP(Electro-Magnetic Pulse) 방호통합필터로 사용될 수 있다.
상기 허니컴 구조물과 방폭밸브를 결합하여 EMP(EMP(Electro-Magnetic Pulse) 방호통합필터로 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 3D 프린터로 허니컴 구조물을 제조하기 때문에, 갈바닉부식(Galvanic corrosion) 현상을 방지하여, 전자기파 차폐, 환기, 온도/습도조절을 동시에 가능하게 된다.
도 1은 종래 허니컴 구조물의 제조 방법의 일 예를 도시한 도면이다.
도 2은 본 발명의 일실시예에 따른 허니컴 구조물의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 허니컴 구조물을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 허니컴 구조물들을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따라 단위 허니컴들을 연결하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 허니컴을 도시한 도면이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 허니컴 구조물을 도시한 도면들이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 본 발명의 일실시예에 대해서 상세히 설명한다. 다만, 실시형태를 설명함에 있어서, 관련된 공지 특징 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
도 2은 본 발명의 일실시예에 따른 허니컴 구조물의 사시도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 허니컴 구조물은 한 종류의 금속으로 복잡한 구조의 허니컴 모양을 제작하기 위해 3D 프린팅 기술을 사용하여 제조된다. 상기 허니컴 구조물은 WBC(waveguide below cutoff) 제품이다.
상기 허니컴 구조물은 금속분말을 레이저 등으로 소결하면서 한 층(layer)씩 쌓는 방식으로 제작되며, 완성된 허니컴 구조물은 알루미늄이나 철을 주성분으로 하는 금속분말의 조성(composition)과 전체가 동일하고 균질한 물질로 구성되어 있다. 상기 허니컴 구조물은 금속분말과 분말 사이에 금속 원자의 확산을 통해 소결(sintering)이 이루어졌으며 전기 전도율이 모든 구간에서 균일하게 된다.
구멍의 방향이 경사진 허니컴 구조물은 외부에서 내부를 관찰하거나 내부에서 외부를 관찰하는 것을 제한하는 기능도 있다. 또한, 경사진 허니컴 구조물의 특성상 제한적이나마 파편이나 총탄으로부터 내부를 방호할 수도 있다.
금속 3D 프린팅은 기존의 허니컴 구조물이 사각형 평면구조에 국한되던 것을 극복하여 원형 평면, 원통형 또는 3차원 구조물로 제작이 가능하다. 그에 따라, 허니컴 구조물(100)의 송풍량에 영향을 미치는 단위면적을 증대시킬 수 있다.
도 2에 도시된 허니컴 구조물(100)은 원통형으로 제조되어 있다. 또한, 본 발명에 따른 허니컴 구조물(100)의 육각형 단위셀(110)은 4 mm의 직경을 가질 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 허니컴 구조물(100)은 2차원 평면 방향에 대해 중공의 단위셀 방향이 90도 이내로 경사져 있다.
금속 3D 프린팅에 의해 제조된 허니컴 구조물(100)은 예컨대, 알루미늄을 주 재료로 이루어질 수 있다. 본 발명은 이에 한정되지 않고, 허니컴 구조물(100)은 금속 3D 프린팅에 유리한 어떠한 금속으로도 이루어질 수 있다.
일 실시예에 따라, 허니컴 구조물(100)이 금속 3D 프린팅에 의해 제조된 후 허니컴 구조물(100)에 대해 아노다이징(anodizing) 후처리가 수행되어 그 표면에 알루미나 세라믹 피막을 형성시켜서 내부식성과 내마모성을 높일 수 있다.
다른 실시예에 따라,금속 3D 프린팅에 의해 제조된 후 허니컴 구조물(100)에 대해 니켈도금 처리가 수행되어 내부식성을 향상시킬 수 있다.
이와 같이, 금속 3D 프린팅을 이용하므로 기존 허니컴 구조물의 한계로 여겨지던 육각형 단위셀의 직경(D)를 더욱 작게 제조할 수 있다.
또한, 3D 프린터로 허니컴 구조물(100)을 요구 높이 이상으로 적층 후 슬라이스하여 단위 허니컴을 생성하고 이들 단위 허니컴들을 퍼즐처럼 결합함으로써 단위 허니컴들의 결합시 발생할 수 있는 제품의 오차를 최소화할 수 있다.
구체적으로, WBC는 컷오프 주파수가 단위셀의 직경에 의존하므로 고주파 영역으로 갈수록 단위셀의 직경을 작게 제작해야 한다. 그러나 기존의 이종금속 접합방식으로는 4mm 이하로 단위셀의 직경을 제작하는 것이 제한되었다.
본 발명은 금속 3D 프린팅 기술을 이용하여 허니컴 구조물을 생성하기 때문에, 현재의 기술수준으로도 단위셀의 직경이 1~2mm이 되도록 제조가 가능하다. 향후 기술이 발달되면 1mm 이하로도 제작이 가능하다.
또한, 금속 3D 프린팅은 단위셀의 중공 방향을 허니컴 구조물의 면 방향과 수직으로 제작하지 않고 경사지게 제작하거나 복잡한 3차원 구조로 제작이 가능하다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 허니컴 구조물을 도시한 도면이다.
허니컴 구조물(200)은 육각형 단위셀들이 연결된 형상을 가진다. 하나의 육각형 단위셀(210)은 중공 구조를 갖는다. 허니컴 구조물(200)은 허니컴 구조물이 적용될 EMP 방호시설이나 장비에 따라 다양한 폭(L)을 가질 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 허니컴 구조물들을 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 허니컴 구조물(200, 300)은 단위 셀(cell)의 직경(D)의 5배 이상의 두께(L)를 가질 수 있다.
구체적으로, EMP 방호시설이나 장비에 사용되는 WBC의 구조는 전자기파의 파장을 고려하여 벌집모양의 구멍의 크기(D, 6각형의 가장 큰 지름)가 결정되고, D의 5배 이상으로 구멍의 깊이(L)가 연속적으로 이어지며, 이러한 다각형(대체로 6각형의 벌집모양)의 파이프가 다발형태로 묶여서 2차원 평면의 형태를 띠게 된다.
일 실시예에 따라, 도 4의 (a)에 도시된 허니컴 구조물(200)의 두께(L)은 25 mm 이상이고, 허니컴 구조물(200)의 육각형 단위셀(210)은 5 mm의 직경을 가질 수 있다.
다른 실시예에 따라, 도 4의 (b)에 도시된 허니컴 구조물(300)의 두께(L)은 10 mm 이상이고, 허니컴 구조물(300)의 육각형 단위셀(310)은 2 mm의 직경을 가질 수 있다.
한편, 금속용 3D 프린터로는 넓은 면적의 제품 제작이 제한되기 때문에 단위 허니컴을 제작하고, 단위 허니컴을 연결하여 하나의 허니컴 구조물을 제조할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따라 단위 허니컴들을 연결하는 원리를 설명하기 위한 도면이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 허니컴을 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 허니컴 구조물은 복수개의 단위 허니컴을 연결함으로써 제조될 수 있다. 도 5를 참조하면, 복수개의 단위 허니컴들을 연결하는 원리는 레고블록(또는 퍼즐매트)(50)과 같이 복수개의 단위 허니컴들을 연결하여 규모가 큰 허니컴 구조물을 제작할 수 있다.
도 6을 참조하면, 단위 허니컴들(400)은 대략 정사각형 형상인 것이 바람직하다. 상기 단위 허니컴(400)의 적어도 일 측면에는 레고블록처럼 서로 끼워 맞출 수 있는 복수개의 결합부(410)가 형성되어 있다. 단위 허니컴들(400)은 복수개의 결합부(410)가 결합됨으로써 서로 연결될 수 있다.
하나의 단위 허니컴의 결합부들(410)은 다른 단위 허니컴의 결합부들(410)과 결합되도록 구성된다. 예컨대, 하나의 단위 허니컴의 결합부들(410)은 다른 단위 허니컴의 결합부들(410)과 서로 끼워 맞춤되도록 구성될 수 있다.
도 6을 참조하면, 하나의 단위 허니컴(400a)과 다른 단위 허니컴(400b)이 결합되어 있다. 복수개의 단위 허니컴(400)은 전술한 바와 같이, 금속용 3D 프린터로 제작할 수 있다. 또한, 복수개의 단위 허니컴(400)을 연결하여 원하는 크기의 허니컴 구조물을 제조할 수 있다.
이에 따라, 별도의 용접이나 볼트접합 등이 필요 없이 기계적으로 단위 허니컴(400)이 연결되므로 갈바닉부식의 가능성을 최대한 낮출 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따르면 단일 금속으로 넓은 면적의 허니컴 구조물을 제작할 수 있다는 점이다.
한편, 습기로 인한 결로현상으로도 허니컴 구조물의 부식이 가속화되기도 하는데, 경사진 허니컴 구멍은 결로현상으로 생긴 물방울이 허니컴 구조물에서 흘러내리기 용이하도록 하여 습기로 인한 부식현상을 최소화할 수 있다.
3D 프린팅된 허니컴 구조물은 전기전도도 및 열전도도가 우수한 금속으로 제작되므로 냉매가스가 허니컴 구조물과 접촉하여 통과되도록 제작되면 흡기된 공기에서 습기가 제거되고 온도도 조절될 수 있다. 지면과 수직된 벽면에 설치하더라도 경사진 구멍으로 인해 물방울이 벽면의 바깥방향으로 흐르게 하여 내부를 건조하게 유지할 수도 있다.
이 경우, 허니컴 구조물은 냉난방용 열교환기 등을 연결하여 허니컴 구조물이 열교환기의 방열판 역할을 할 수 있도록 하여 온도조절 및 제습 기능을 제공할 수 있다.
이를 위해, 본 발명에 따라, 냉매 가스 또는, 열기가 흐를 있는 파이프 등을 허니컴 구조물과 일체로 형성할 수 있다.
다시 말해, 본 발명에 따른 허니컴 구조물은 3D 프린팅 기술에 따라 3D 프린터로 제조하기 때문에, 열교환용 파이프 또는 케이블 수용부가 일체로 형성될 수 있다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 허니컴 구조물을 도시한 도면들이다.
도 7을 참조하면, 허니컴 구조물(500)은 복수개의 육각형 단위셀(510)을 포함한다. 또한, 허니컴 구조물(500)은 복수개의 케이블 수용부(530, 540)를 포함할 수 있다. 복수개의 케이블 수용부(530, 540)는 서로 다른 크기의 케이블들을 수용할 수 있다. 그에 따라, 허니컴 구조물(500)은 케이블들을 통해 전기가 흐를 때 발생할 수 있는 전자기파를 차폐할 수 있다. 다시 말해, 케이블들은 허니컴 구조물(500) 내에 삽입되어 장착(마운트)될 수 있다.
복수개의 케이블들은 예컨대, 전선, 광통신선 등을 포함할 수 있다. 그에 따라, 복수의 케이블들이 허니컴 구조물(500) 내에 용이하게 수용될 수 있다.
복수개의 케이블 수용부(530, 540)의 개수는 적어도 1개 일 수 있다. 복수개의 케이블 수용부(530, 540)는 제1 크기를 갖는 제1 케이블 수용부(530) 및 제2 크기를 갖는 제2 케이블 수용부(540)를 포함할 수 있다.
복수개의 케이블 수용부(530, 540)는 허니컴 구조물(500)의 단위셀(510)의 모양과 크기와 다르게 제조될 수 있다.
본 실시예에서, 복수개의 케이블 수용부(530, 540)는 2가지 크기의 케이블을 수용하는 것으로 도시되어 있지만, 3 이상의 다양한 크기의 케이블을 수용하도록 구성될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
또한, 도 8을 참조하면, 허니컴 구조물(600)은 3D 프린팅으로 일체화된 열교환용 파이프들(710 내지 750)을 포함할 수 있다.
이에 따라, 광학장비의 렌즈 앞에 원형의 허니컴 구조물을 설치할 수도 있고, 파이프의 입구나 중간에도 설치가 가능하다. 광학장비 렌즈에 설치하면 공기의 통과 목적보다는 빛이 통과되는 목적이다. 즉, 광학장비의 렌즈를 통해 전자기파가 침해를 일으키는 것을 차단하는 용도로 허니컴 구조물이 사용될 수 있다.
상기와 같이 구성된 허니컴 구조물은 전자기파 차폐 랙(rack) 또는 전자기파 차폐 함체(containment)에 적용될 수 있다. 또한, 상기 허니컴 구조물은 원통형 형상을 가진 경우, 활성탄소 필터(여과기)와 결합한 화생방과 EMP 방호통합필터에 사용될 수 있다. 또한, 상기 허니컴 구조물은 원통형 형상을 가진 경우 활성탄소 필터(여과기)와 방폭밸브를 결합한 방폭, 화생방, EMP 통합방호필터에 사용될 수 있다. 또한, 상기 허니컴 구조물은 방폭, 화생방 여과, EMP 방호 기능이 일부 또는 전부가 포함된 통합방호필터가 적용된 함체(containment)에 사용될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 허니컴 구조물을 건물이 아닌 함체나 랙(rack)에 적용하면 전자기파 차폐, 환기(공기순환), 온도/습도조절이 허니컴 구조물에서 가능하므로 컴팩트하게 제작가능하다.
또한, 기존의 허니컴 구조물이 평면의 2차원 구조인데 비해 원통형으로 제작된 3차원 형상의 허니컴 구조물은 공기나 유류의 유입량을 입체적으로 조절함으로써 좁은 원형의 개구부에 설치하고도 유체의 흐름을 좋게 하는 효과를 발휘할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 허니컴 구조물은 차폐와 환기가 주된 용도이지만, 내부식성이 우수하고 단위셀의 크기를 작게 하여 공기와의 접촉면적을 늘리게 되면 냉난방과 제습 기능을 추가할 수 있다.
또한, 허니컴 구조물이 주로 사용되는 방호시설은 지하에 설치되는 경우가 많다. 그렇기 때문에 강제로 외부의 공기를 내부로 송풍하는데 지하시설의 특성상 결로현상이 발생된다. 여름철 외부의 뜨겁고 습한 공기가 지하시설 등에 송풍되더라도 결로현상을 줄이기 위해서는 송풍과정에서 최대한 습기를 제거할 필요가 있다. EMP 방호시설이라면 허니컴 구조물이 외부의 공기와 접촉하는 가장 외곽에 설치되는 구조물이다. 따라서 허니컴 구조물에서 온도와 습도의 조절이 가능하다면 시설내부에 소요되는 항온항습 비용을 절감할 수 있다.
또한, 3D 프린팅 된 허니컴 구조물은 전기전도도 및 열전도도가 우수한 금속으로 제작되므로 냉매가스가 허니컴 구조물과 접촉하여 통과되도록 제작되면 흡기된 공기에서 습기가 제거되고 온도도 조절될 수 있다. 지면과 수직된 벽면에 설치하더라도 경사진 구멍으로 인해 물방울이 벽면의 바깥방향으로 흐르게 하여 내부를 건조하게 유지할 수도 있다.
전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 전술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100, 200, 200, 400, 500: 허니컴 구조물

Claims (8)

  1. 허니컴 구조물에 있어서,
    3차원(3D) 프린터로 금속을 적층하여 제조되며,
    복수개의 육각형 단위셀들을 포함하며,
    상기 허니컴 구조물의 두께(L)는 상기 단위셀의 직경의 5배 이상인 허니컴 구조물.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 단위셀의 직경은 4 mm 이하인 허니컴 구조물.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 허니컴 구조물은 복수개의 단위 허니컴을 연결함으로써 제조되며,
    상기 복수개의 단위 허니컴 각각은 적어도 일 측면에 다른 단위 허니컴과 끼워 맞춰지는 복수개의 결합부를 포함하는 허니컴 구조물.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 허니컴 구조물은 원통형인 허니컴 구조물.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 허니컴 구조물은
    상기 허니컴 구조물과 일체화되어 형성된 케이블 수용부 및 열교환용 파이프중 적어도 하나를 포함하는 허니컴 구조물.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 허니컴 구조물은
    니켈도금 처리 또는 아노다이징(anodizing) 후처리가 수행된 허니컴 구조물.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 따른 허니컴 구조물과 활성탄소 필터를 결합한 EMP(EMP(Electro-Magnetic Pulse) 방호통합필터.
  8. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 따른 허니컴 구조물과 방폭밸브를 결합한 EMP(EMP(Electro-Magnetic Pulse) 방호통합필터.
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KR101433349B1 (ko) * 2012-03-27 2014-09-23 경운범양에너지 주식회사 히트 파이프를 이용한 박판형 벽체복사난방 패널
KR20150037799A (ko) * 2015-03-23 2015-04-08 정창진 이엠피 방호 캐비닛
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