WO2022158867A1 - 복합체 제조방법 및 이에 의해 제조된 복합체 - Google Patents

복합체 제조방법 및 이에 의해 제조된 복합체 Download PDF

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WO2022158867A1
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PCT/KR2022/001018
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왕웨이
강범찬
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한양대학교 산학협력단
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    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
    • B29C64/118—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using filamentary material being melted, e.g. fused deposition modelling [FDM]
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    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2075/00—Use of PU, i.e. polyureas or polyurethanes or derivatives thereof, as moulding material

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a composite and a composite prepared thereby, and to a method for producing a composite advantageous for various shape deformation and a composite prepared thereby.
  • a composite surface can be manufactured using two different materials.
  • the composite manufactured in this way is required to have appropriate rigidity and conductivity as well as flexibility such as bending and folding, and can be applied to various product groups such as home appliances, wearable systems, sensors, and satellites.
  • the composite surface made of heterogeneous or multiple types of printing materials has a low bonding strength due to the difference in physical properties of each material and has a defect that is easily separated. Therefore, it provides a cause of defects when applied to product groups that require free form deformation, including rollable or bendable products.
  • Another object of the present invention is to provide a composite prepared by a method for producing a composite in which the above object is achieved.
  • the first and second members may be formed using a 3D printer of a fused deposition modeling (FDM) method.
  • FDM fused deposition modeling
  • a plurality of the first members are sequentially formed in parallel to be spaced apart from each other, and then the second members are spaced apart from each other at the spaced intervals between the plurality of first members.
  • a plurality may be sequentially formed side by side.
  • first and second members may have a width of 100 ⁇ m or more and a thickness of 100 ⁇ m or more.
  • the method may further include a cover manufacturing step of forming a cover that covers the second member in a planar direction.
  • the base may be formed of the same material as any one of the first and second members, or may be formed of a different material from the first and second members, and the cover may be formed of the same or different material as the base. have.
  • the first member may be made of a rigid material having rigidity
  • the second member may be made of a flexible material having flexibility
  • At least one of the first and second members may be made of a rigid material including PLA (Poly Lactic Acid).
  • At least one of the first and second members may be made of a flexible material including temperature polyurethane (TPU).
  • TPU temperature polyurethane
  • At least one of the first and second members may be made of a conductive material.
  • the composite according to a preferred embodiment of the present invention is provided in a plurality of first members spaced apart from each other and made of a first material so as to be parallel to each other, and the first member is provided in a spaced interval between the plurality of first members so as to be spaced apart from each other and parallel to each other.
  • a plurality of second members made of a second material different from that of the member, wherein the plurality of first and second members are repeatedly stacked in a first direction and a second direction intersecting the first direction to interlock each other (Interlocking).
  • the plurality of first and second members may be formed by stacking multiple layers using a fused deposition modeling (FDM) 3D printer.
  • FDM fused deposition modeling
  • first and second members may have a width of 100 ⁇ m or more and a thickness of 100 ⁇ m or more.
  • first and second members are laminated in a plane direction with respect to the base, and are covered in a plane direction by a cover, and the base and the cover are different from each other by at least one of the first and second materials.
  • the same may be provided, or a third material different from the first and second materials may be provided.
  • first and second materials may be provided as a flexible material including at least one of a rigid material containing PLA (Poly Lactic Acid), TPU (Temperature polyurethane), or a conductive material.
  • PLA Poly Lactic Acid
  • TPU Temporary polyurethane
  • first, the first and second members made of different materials or different materials are coupled to each other in an interlocking structure, whereby a high coupling force advantageous for shape deformation can be secured.
  • the composite by manufacturing the composite by 3D printing, which is easy to change design, it is advantageous for manufacturing the composite corresponding to various shapes and conditions.
  • the manufacturing process is simple, and it is possible to manufacture an economical and eco-friendly composite.
  • the composite is made of heterogeneous or multiple materials having different characteristics, it is advantageous to secure use diversity.
  • FIG. 1 is a flowchart schematically illustrating a method for manufacturing a composite according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram schematically sequentially illustrating each step corresponding to the method for manufacturing the composite shown in FIG. 1 .
  • FIG. 3 is a view schematically showing a composite prepared by the method for manufacturing the composite shown in FIG. 1 .
  • FIG. 4 is a view schematically comparing the conventional composite and the composite according to the present invention.
  • FIG. 5 is a view schematically illustrating the bending performance of the composite prepared by the method for manufacturing the composite shown in FIG. 1 .
  • FIG. 6 is a view schematically showing the bendable and rollable state of the composite manufactured by the method for manufacturing the composite shown in FIG. 1 .
  • FIG. 7 is a diagram schematically illustrating conductivity in a deformed state of a composite prepared by the method for manufacturing the composite shown in FIG. 1 .
  • FIG. 8 is a view schematically illustrating the surface rolling performance of the composite prepared by the composite manufacturing method shown in FIG. 1 .
  • FIG. 9 is a diagram schematically illustrating a pattern arrangement structure utilizing a composite prepared by the composite manufacturing method shown in FIG. 1 .
  • the method (1) for manufacturing a composite according to a preferred embodiment of the present invention is a base manufacturing step 10, a first layer manufacturing step 20, a second layer manufacturing step 30 , including a repeated manufacturing step 40 and a cover manufacturing step 50 .
  • the method for manufacturing the composite described in the present invention (1) is for manufacturing the composite 100 (see FIG. 3 ) having a multilayer structure formed of different first and second materials, and is limited only to the illustrated shape doesn't happen
  • a plate-shaped base B is formed with a first material.
  • the base (B) is a pedestal for supporting the multilayer structure of the composite 100, and has a predetermined width and height.
  • the shape of the base (B) is not limited only to the shape of the square plate shown in FIG.
  • the first member M1 made of the first material and the second member M2 made of the second material are moved in the first direction. Alternately repeated first layers are formed.
  • the base ( B) is laminated. In this case, the plurality of first members M1 are spaced apart from each other by a predetermined distance so as to be parallel to each other in the first direction.
  • the second member (M2) extending in the longitudinal direction at the spaced interval between the plurality of first members (M1) is formed of the second material. Accordingly, the first and second members M1 and M2 are alternately and repeatedly manufactured to form the first layer.
  • the first and second members M1 and M2 have the same width and height, and have the same distance from each other. Accordingly, the first and second members M1 and M2 are alternately closely contacted and repeated to form a flat first layer.
  • the first material forming the first member M1 described in the present invention includes a material having rigidity
  • the second material includes a flexible material.
  • at least one of the first and second materials may be provided as a rigid material including PLA (Poly Lactic Acid), and the other may be provided as a flexible material including TPU (Temperature polyurethane).
  • at least one of the first and second materials may be provided as a conductive material.
  • the first member (M1) is provided with a first material including PLA
  • the second member (M2) is illustrated as being provided with a second material including TPU, but this is not a limitation. That is, the first member M1 may be made of any one of various materials having rigidity, and the second member M2 may be made of any one of flexible or conductive materials.
  • various modified embodiments are possible, such as a third member (not shown) which is provided with a flexible material and has rigidity in both the first and second members M1 and M2.
  • first and second members M1 and M2 may be manufactured by a 3D printer. More preferably, it may be manufactured by a 3D printer of a Fused Deposition Modeling (FDM) method, which is one of modeling techniques for laminating layers layer by layer by heating and extruding a thermoplastic material.
  • FDM Fused Deposition Modeling
  • the second layer manufacturing step 30 alternately in a second direction crossing the first and second members M1 and M2 with respect to the first direction, as shown in FIGS. 2(e) and (f).
  • a repeated second layer is formed. More specifically, in the second layer manufacturing step 30, after manufacturing a plurality of first members M1 in parallel to be spaced apart from each other in a second direction intersecting with respect to the first direction, as shown in FIG. 2(e), As shown in (f) of FIG. 2 , a plurality of second members M2 are manufactured side by side so as to be spaced apart from each other at a distance between the plurality of first members M1 .
  • the second layer manufacturing step 30 may be manufactured by an FDM-type 3D printer for laminating the first and second materials, respectively, similarly to the above-described first layer manufacturing step 20 . That is, in the second layer manufacturing step 30 , only the manufacturing direction is different from the first layer manufacturing step 20 , and the second layer is manufactured in the same manner as in the first layer manufacturing step 20 .
  • the first and second layer manufacturing steps 20 and 30 are alternately and repeatedly manufactured.
  • This repeated manufacturing step 40 stacks a plurality of first and second members M1 and M2 in first and second directions intersecting each other, as shown in FIGS. 2 ( g ) and ( h ).
  • the number of repetitions of the repeated manufacturing step 40 is not limited to that shown in FIG. 2 , and can be variously varied according to the conditions of the composite 100 to be manufactured.
  • the first and second members M1 and M2 are repeatedly manufactured in the first and second directions in the repeated manufacturing step 40 , the first and second layers are first formed by repeated manufacturing. and the second members M1 and M2 are interlocked with each other. That is, it is possible to form an interlocking coupling structure between the first and second members M1 and M2 made of different first and second materials through 3D printing.
  • the first and second members (M1) (M2) are bonded to each other by physical bonding, which is a dry bonding method, rather than a chemical bonding, in which the composite 100 composed of different heterogeneous or multiple materials is a composite having high bonding strength ( 100) can be prepared.
  • the stacking directions and angles of the first and second members M1 and M2 that are interlocked do not affect the surface bonding force of the composite 100 to be manufactured. Accordingly, the stacking directions and angles of the first and second members M1 and M2 are not limited to the illustrated examples, and may be variously modified according to manufacturing conditions and usage conditions.
  • the cover manufacturing step 50 forms a cover C that covers the first and second members M1 and M2 in the plane direction. That is, in the cover manufacturing step 50, as shown in (i) of FIG. 2 , a plate-shaped cover C for covering the first and second members M1 and M2 in the plane direction is manufactured and stacked.
  • the cover manufacturing step 50 is preferably made of a material different from the base (B), and in this embodiment, the base (B) is made of a first material, and the cover (C) is made of a second material.
  • the base (B) may be formed of any one of the first and second materials or may be formed of a third material different from the first and second materials, and the cover (C) is the base (B). ) and various embodiments formed of different or the same material are possible.
  • the composite 100 manufactured as described above is shown in FIG. 3 .
  • the composite 100 has a high bonding force by physically coupling the first and second members M1 and M2 to each other by an interlocking structure.
  • the FDM type 3D printer for manufacturing these first and second members (M1) (M2) is inexpensive, PLA, ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene copolymer), TPU, TPE (Thermoplastic Elastomer), PET (Polyethylene Terephthalate) , PETG (Glycolmodified Polyethylene Terephthalate), PC (Polycarbonate), Nylon (Nylon), ASA (Acrylic Styrene Acrylonitrile), ULTEM, SLA, etc. can be applied to various thermoplastic materials.
  • the thermoplastic material that can be employed as the first and second materials is preferably an inexpensive and environmentally friendly material.
  • the manufacturing speed is fast, and a special environment and additional equipment for manufacturing are not required.
  • a simple manufacturing step that does not require an additional manufacturing process it is possible to easily manufacture the surface of the composite 100 having a high bonding force capable of multifunctionality.
  • first and second members M1 and M2 constituting the composite 100 having an interlocking structure have a width of 100 ⁇ m or more, and may be manufactured to a thickness of 100 ⁇ m or more by a 3D printer.
  • the coupling force between the first and second members M1 and M2 made of different dissimilar materials, that is, the first and second materials is greater than or equal to 100 ⁇ m in width of the first and second members M1 and M2.
  • the bonding strength can be confirmed from the above, and it has excellent bonding strength above 500um.
  • the total thickness of the composite 100 manufactured by the 3D printer can also be variously adjusted according to the conditions of use, and the total thickness can be adjusted as thin as about 400 ⁇ m.
  • FIG. 4 a diagram comparing the composite 100 according to the present invention to the conventional one is schematically shown.
  • Fig. 4 (a) is a view schematically showing a conventional composite prepared by a general method (Conventional method)
  • Figure 4 (b) is a composite manufacturing method (1) according to the present invention by It is a diagram schematically showing the manufactured composite 100 .
  • the interlocking structure is not formed by providing a flat surface between the first and second members M1 and M2.
  • a separate adhesive is provided between the first and second members (M1) (M2) to chemically bond them.
  • first and second members M1 and M2 when an adhesive is provided between the first and second members M1 and M2, the first and second members M1 and M2 are separated from each other with a greater force than the adhesive, so that they can be easily separated.
  • the first and second members M1 and M2 are physically coupled by a mutual interlocking structure.
  • the first and second members M1 and M2 can secure a physical interlocking bonding force, it can have a high bonding strength.
  • the first and second members (M1) (M2) is shown to have a three-layer structure in order to be coupled to each other in an interlocking structure.
  • the base (B) and the cover (C) provided with first and second materials corresponding to the first and second members (M1) and (M2), respectively have a three-layer structure of the first and second members (M1) ( M2) is in a state of being mutually coupled with the interlocking bonding layer therebetween.
  • FIG. 5 is a diagram schematically illustrating the bending performance of the composite 100 having an interlocking structure according to the present invention.
  • the composite 100 is schematically shown in a bent (Bending) state
  • the composite 100 is schematically shown in the unbending (Unbending) state.
  • the first member (M1) provided with a first material containing PLA having rigidity is interlocked with the second member (M2) provided with a second material made of a flexible material containing TPU.
  • the composite 100 can be flexibly bent while having rigidity. If the composite 100 is provided only with PLA, due to the properties of the rigid material, the composite 100 may be bent and damaged, but the composite 100 according to the present invention is not damaged by having both rigidity and flexibility characteristics. .
  • Figure 6 is a view schematically showing the bendable (Bendable) and rollable (Rollable) state of the composite 100 according to the present invention.
  • the composite 100 shown in FIG. 6 has a total height of 400 um, and in FIG. .
  • the composite 100 is provided with an interlocking structure having both rigidity and flexibility, so that both bending and rolling are possible.
  • FIG. 7 is a diagram schematically illustrating the conductivity of the composite 100 according to the present invention in a deformed state. As it is confirmed that the lamps electrically connected to both ends of the composite 100 are turned on as shown in (a) of FIG. 7 , conductivity can be confirmed.
  • Such a composite 100 is, as shown in (b), (c) and (d) of FIG. 7, that the conductive performance is maintained even when the shape is deformed in the bending, folding and twisting states of the lamp. You can check it by turning it on.
  • a layer eg, a base
  • the first member M1 made of a rigid material.
  • a layer eg, a base
  • the first member M1 made of a rigid material.
  • a plurality of first members (M1) spaced apart by an interval of a plurality of first members (M1) provided at regular intervals with a rigid material is rolled, and may be rolled with a cross section of a polygonal shape as shown in FIG. .
  • FIG. 9 is schematically shown to explain the pattern arrangement structure utilizing the composite 100 according to the present invention.
  • FIG. 9 by forming a predetermined pattern on the surface of the composite 100 having an interlocking structure, it is possible to provide the composite 100 that can be deformed into a desired shape.
  • FIG. 9 illustrates a structure in which the first member M1, which is a rigid material, is provided in a polygonal shape and is foldable, the shape of the composite 100 is variously variable.
  • the composite 100 described in the present invention is laminated so that the first and second members M1 and M2 made of different materials or different materials are interlocked by 3D printing. Accordingly, the multi-layer structure including the first and second members M1 and M2 may be coupled to each other with high physical bonding force.

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Abstract

개시된 본 발명에 의한 복합체의 제조방법은, 서로 다른 재료로 형성된 복수의 제1 및 제2부재가 제1방향으로 상호 교번적으로 반복된 제1층을 형성시키는 제1층 제조단계, 복수의 제1 및 제2부재를 상기 제1방향에 대해 교차하는 제2방향으로 상호 교번적으로 반복된 제2층을 형성시키는 제2층 제조단계 및, 제1 및 제2층 제조단계를 상호 교번적으로 적어도 1회 반복하는 반복 제조단계를 포함하며, 반복 제조단계에서 제1 및 제2층이 반복 적층되어 제1 및 제2부재가 상호 인터락킹(Interlocking)된다. 이러한 구성에 의하면, 물리적으로 상호 인터락킹된 복합체를 제조할 수 있어, 높은 결합력을 제공할 수 있다.

Description

복합체 제조방법 및 이에 의해 제조된 복합체
본 발명은 복합체 제조방법 및 이에 의해 제조된 복합체에 관한 것으로서, 다양한 형상 변형에 유리한 복합체 제조방법 및 이에 의해 제조된 복합체에 관한 것이다.
FDM 방식의 3D 프린팅 기술을 이용하여 서로 다른 두가지 재료를 사용하여 복합체 표면을 제작할 수 있다. 이렇게 제조된 복합체는 굽힘 및 접힘 등과 같은 유연성과 함께, 적당한 강성 및 도전성의 특성이 요구되며, 가전 제품, 웨어러블 시스템, 센서, 인공위성 등과 같은 다양한 제품군에 적용될 수 있다.
한편, 이종 또는 다종 프린팅 재료로 제작된 복합체 표면은 각 재료의 물성 차이로 인하여 결합력이 낮으며 쉽게 분리되는 결함을 가진다. 그로 인해, 롤러블(Rollable) 또는 벤더블(Bendable) 제품을 비롯하여, 자유로운 형태 변형이 요구되는 제품군에 적용시의 결함 원인을 제공한다.
이에 따라, 근래에는 서로 다른 재료들 사이의 결합력을 증대시키면서도 형태 변형에 유리한 복합체 제조에 대한 연구가 지속적으로 요구되고 있는 추세이다.
본 발명의 목적은 자유로운 형상 변형이 가능하면서도 높은 결합력을 가지는 복합체의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 목적이 달성된 복합체의 제조방법에 의해 제조된 복합체를 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 복합체 제조방법은, 서로 다른 재료로 형성된 복수의 제1 및 제2부재가 제1방향으로 상호 교번적으로 반복된 제1층을 형성시키는 제1층 제조단계, 상기 복수의 제1 및 제2부재를 상기 제1방향에 대해 교차하는 제2방향으로 상호 교번적으로 반복된 제2층을 형성시키는 제2층 제조단계 및, 상기 제1 및 제2층 제조단계를 상호 교번적으로 적어도 1회 반복하는 반복 제조단계를 포함하며, 상기 반복 제조단계에서 상기 제1 및 제2층이 반복 적층되어 상기 제1 및 제2부재가 상호 인터락킹(Interlocking)된다.
또한, 상기 제1 및 제2층 제조단계는 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식의 3D 프린터를 이용하여 상기 제1 및 제2부재를 형성시킬 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2층 제조단계는, 상기 제1부재를 상호 이격되도록 나란하게 순차적으로 복수개 형성시킨 후, 상기 복수의 제1부재 사이의 이격된 간격에 상기 제2부재를 상호 이격되도록 나란하게 순차적으로 복수개 형성시킬 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2부재는 100um 이상의 폭을 가지며, 100um 이상의 두께를 가질 수 있다.
또한, 상기 제1층 제조단계 이전에, 상기 제1 및 제2층이 적층될 플레이트 형상의 베이스를 형성시키는 베이스 제조단계 및, 상기 반복 제조단계 이후에, 상기 베이스와 상이한 재료로 상기 제1 및 제2부재를 면방향으로 커버하는 커버를 형성시키는 커버 제조단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 베이스는 상기 제1 및 제2부재 중 어느 하나와 동일한 재료로 형성되거나, 상기 제1 및 제2부재와 상이한 재료로 형성되며, 상기 커버는 상기 베이스와 동일하거나 상이한 재료로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1부재는 강성을 가지는 강성 재료로 마련되고, 상기 제2부재는 유연성을 가지는 유연 재료로 마련될 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2부재 중 적어도 어느 하나는 PLA(Poly Lactic Acid)를 포함하는 강성 재료로 마련될 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2부재 중 적어도 어느 하나는 TPU(Temperature polyurethane)를 포함하는 유연 재료로 마련될 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2부재 중 적어도 어느 하나는 전도성 재료로 마련될 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 복합체는, 상호 이격되어 나란하도록 제1재료로 마련된 복수의 제1부재 및, 상기 복수의 제1부재 사이의 이격된 간격에 마련되어 상호 이격되어 나란하도록 상기 제1부재와 상이한 제2재료로 마련된 복수의 제2부재를 포함하며, 상기 복수의 제1 및 제2부재는 제1방향 및 상기 제1방향에 대해 교차하는 제2방향으로 반복 적층되어, 상호 인터락킹(Interlocking)된다.
또한, 상기 복수의 제1 및 제2부재는 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식의 3D 프린터를 이용하여 다층 적층되어 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2부재는 100um 이상의 폭을 가지며, 100um 이상의 두께를 가질 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2부재는 베이스에 대해 면방향으로 적층되며, 커버에 의해 면방향으로 커버되며, 상기 베이스 및 커버는 상기 제1 및 제2재료 중 적어도 어느 하나의 재료로 각각 상이하거나 동일하게 마련되거나, 상기 제1 및 제2재료와 상이한 제3재료로 마련될 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2재료는 PLA(Poly Lactic Acid)를 포함하는 강성 재료, TPU(Temperature polyurethane) 또는 전도성 재료 중 적어도 어느 하나를 포함하는 유연 재료로 마련될 수 있다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 첫째, 서로 다른 이종 또는 다종 재료로 마련된 제1 및 제2부재가 상호 인터락킹 구조로 결합됨으로써, 형상 변형에 유리한 높은 결합력을 확보할 수 있다.
둘째, 기존의 화학적 결합방식과 비교하여, 서로 다른 재료들 사이의 높은 건식 물리적 결합력을 제공할 수 있어, 굽힘, 접힘 또는 비틀림 등과 같은 다양한 형상 변형에 유리한 고 품질의 복합체를 제공할 수 있다.
셋째, 설계 변경이 용이한 3D 프린팅에 의해 복합체를 제조함으로써, 다양한 형상 및 조건에 대응되는 복합체 제조에 유리하다. 또한, 제조 공정이 간단하며 경제적이고 친환경적인 복합체 제조가 가능하다.
넷째, 복합체가 서로 다른 특성을 가지는 이종 또는 다종 재료로 제조됨으로써, 사용 다양성 확보에 유리하다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 복합체 제조방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 2는 도 1에 도시된 복합체 제조방법에 대응되는 각 단계를 순차적으로 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 복합체 제조방법에 의해 제조된 복합체를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 기존의 복합체와 본 발명에 의한 복합체를 개략적으로 비교한 도면이다.
도 5는 도 1에 도시된 복합체 제조방법에 의해 제조된 복합체의 휨 성능을 설명하기 위해 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 도 1에 도시된 복합체 제조방법에 의해 제조된 복합체의 밴더블 및 롤러블 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 도 1에 도시된 복합체 제조방법에 의해 제조된 복합체의 형상 변형 상태에서의 전도성을 비교하기 위해 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 도 1에 도시된 복합체 제조방법에 의해 제조된 복합체의 표면 롤링 성능을 설명하기 위해 개략적으로 도시한 도면이다. 그리고,
도 9는 도 1에 도시된 복합체 제조방법에 의해 제조된 복합체를 활용한 패턴 배치 구조를 설명하기 위해 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 일 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 설명한다. 다만, 본 발명의 사상이 그와 같은 실시예에 제한되지 않고, 본 발명의 사상은 실시예를 이루는 구성요소의 부가, 변경 및 삭제 등에 의해서 다르게 제안될 수 있을 것이나, 이 또한 발명의 사상에 포함되는 것이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 복합체의 제조방법(1)은 베이스 제조단계(10), 제1층 제조단계(20), 제2층 제조단계(30), 반복 제조단계(40) 및 커버 제조단계(50)를 포함한다.
참고로, 본 발명에서 설명하는 복합체의 제조방법(1)은 서로 다른 제1 및 제2재료로 형성된 다층 구조의 복합체(100)(도 3 참조)를 제조하기 위한 것으로서, 도시된 형상으로만 한정되지 않는다.
베이스 제조단계(10)는 도 2의 (a)와 같이, 제1재질로 플레이트 형상의 베이스(B)를 형성시킨다. 베이스(B)는 복합체(100)의 다층 구조를 지지하는 받침대로써, 소정 넓이와 높이를 가진다. 이러한 베이스(B)의 형상은 도 2의 (a)에 도시된 사각 플레이트의 형상으로만 한정되지 않으며, 원형 또는 다각 플레이트와 같이 다양하게 변형 가능함은 당연하다.
제1층 제조단계(20)는 도 2의 (b) 내지 (d)와 같이, 제1재료로 마련된 제1부재(M1)와 제2재료로 마련된 제2부재(M2)를 제1방향으로 상호 교번적으로 반복된 제1층을 형성시킨다. 이러한 제1층 제조단계(20)는 우선, 도 2의 (b) 및 (c)와 같이, 제1재료로 형성된 복수의 제1부재(M1)를 길이 방향으로 연장된 형상을 가지도록 베이스(B)에 적층 형성시킨다. 이때, 복수의 제1부재(M1)들은 제1방향으로 상호 나란하도록, 소정 간격 이격된 상태이다.
이 후, 도 2의 (d)와 같이, 복수의 제1부재(M1) 사이의 이격된 간격에 길이 방향으로 연장된 제2부재(M2)를 제2재료로 형성시킨다. 그로 인해, 제1 및 제2부재(M1)(M2)가 상호 교번적으로 반복되어 제조됨으로써, 제1층을 형성시킨다. 여기서, 제1 및 제2부재(M1)(M2)는 상호 동일한 폭 및 높이를 가지며, 이격된 간격을 상호 동일함이 좋다. 그로 인해, 제1 및 제2부재(M1)(M2)가 상호 교번적으로 밀착되어 반복됨으로써, 평탄한 제1층을 형성시킨다.
참고로, 본 발명에서 설명하는 제1부재(M1)를 형성시키는 제1재료는 강성을 가지는 재질을 포함하고, 제2재질은 유연 재질을 포함한다. 보다 바람직하게는 제1 및 제2재질 중 적어도 어느 하나는 PLA(Poly Lactic Acid)를 포함하는 강성 재료로 마련되고, 다른 하나는 TPU(Temperature polyurethane)를 포함하는 유연 재료로 마련될 수 있다. 또한, 제조되는 복합체(100)의 사용 목적에 따라, 제1 및 제2재질 중 적어도 어느 하나는 전도성 재질로 마련될 수도 있다.
본 실시예에서는 제1부재(M1)가 PLA을 포함하는 제1재료로 마련되고, 제2부재(M2)가 TPU를 포함하는 제2재료로 마련되는 것으로 예시하나, 이는 한정사항은 아니다. 즉, 제1부재(M1)가 강성을 가지는 다양한 재질 중 어느 하나의 재질로 마련될 수 있으며, 제2부재(M2)는 유연하거나 전도성을 가지는 재질 중 어느 하나의 재질로 마련될 수 있다. 또는, 제1 및 제2부재(M1)(M2) 모두 유연한 재질로 마련되고, 강성을 가지는 제3부재(미도시)를 더 포함하는 것과 같은 다양한 변형 실시예가 가능하다.
또한, 제1 및 제2부재(M1)(M2)는 3차원 프린터에 의해 제조될 수 있다. 보다 바람직하게는, 열가소성 재료를 가열 및 압출하여 레이어(Layer)를 한 층씩 적층하는 모델링 기술 중 하나인 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식의 3D 프린터에 의해 제조될 수 있다.
제2층 제조단계(30)는 도 2의 (e) 및 (f)와 같이, 제1 및 제2부재(M1)(M2)를 제1방향에 대해 교차하는 제2방향으로 상호 교번적으로 반복된 제2층을 형성시킨다. 보다 구체적으로, 제2층 제조단계(30)는 도 2의 (e)와 같이, 제1부재(M1)를 제1방향에 대해 교차하는 제2방향으로 상호 이격되도록 나란하게 복수개 제조시킨 후에, 도 2의 (f)와 같이, 복수의 제1부재(M1) 사이의 간격에 상호 이격되도록 나란하게 복수의 제2부재(M2)들을 제조시킨다.
이러한 제2층 제조단계(30)는 상술한 제1층 제조단계(20)와 마찬가지로, 제1 및 제2재료를 각각 적층시키는 FDM 방식의 3D 프린터에 의해 제조될 수 있다. 즉, 제2층 제조단계(30)는 제1층 제조단계(20)와 제조 방향만이 상이할 뿐, 제1층 제조단계(20)와 동일한 방법으로 제2층을 제조시킨다.
반복 제조단계(40)는 제1 및 제2층 제조단계(20)(30)를 상호 교번적으로 반복 제조한다. 이러한 반복 제조단계(40)는 도 2의 (g) 및 (h)와 같이, 상호 교차하는 제1 및 제2방향으로 복수의 제1 및 제2부재(M1)(M2)를 적층시킨다. 이러한 반복 제조단계(40)의 반복 횟수는 도 2의 도시로만 한정되지 않으며, 제조하고자 하는 복합체(100)의 조건에 따라 다양하게 가변 가능하다.
한편, 반복 제조단계(40)에서 제1 및 제2부재(M1)(M2)가 상호 반복되어 제1 및 제2방향으로 적층 제조됨에 따라, 제1 및 제2층이 반복 제조에 의해 제1 및 제2부재(M1)(M2)가 상호 인터락킹(Interlocking)된다. 즉, 3D 프린팅을 통하여 서로 다른 제1 및 제2재료로 마련된 제1 및 제2부재(M1)(M2) 사이의 인터락킹 결합구조를 형성시킬 수 있는 것이다. 그로 인해, 서로 다른 이종 또는 다종 재료로 구성된 복합체(100)가 화학적 결합이 아닌 건식 접착 방식인 물리적 결합으로 제1 및 제2부재(M1)(M2)가 상호 결합됨으로써, 고 결합력을 가지는 복합체(100)의 표면을 제조할 수 있다.
참고로, 상호 인터락킹되는 제1 및 제2부재(M1)(M2)의 적층 방향 및 각도는 제조되는 복합체(100)의 표면 결합력에 영향을 미치지 않는다. 이에 따라, 제1 및 제2부재(M1)(M2)의 적층 방향 및 각도는 도시된 예로만 한정되지 않으며, 제조 조건, 사용 조건 등에 따라 다양하게 변형 가능하다.
커버 제조단계(50)는 제1 및 제2부재(M1)(M2)를 면방향으로 커버하는 커버(C)를 형성시킨다. 즉, 커버 제조단계(50)는 도 2의 (i)와 같이, 제1 및 제2부재(M1)(M2)를 면 방향으로 커버하기 위한 플레이트 형상의 커버(C)를 제조하여 적층시킨다.
한편, 커버 제조단계(50)는 베이스(B)와 상이한 재료로 제조됨이 바람직하며, 본 실시예에서는 베이스(B)가 제1재료로 제조되고, 커버(C)가 제2재료로 제조되는 것으로 예시한다. 그러나, 꼭 이에 한정하는 것은 아니며, 베이스(B)가 제1 및 제2재료 중 어느 하나로 형성되거나 제1 및 제2재료와 상이한 제3재료로 형성될 수 있으며, 커버(C)는 베이스(B)와 상이하거나 동일한 재료로 형성되는 다양한 실시예가 가능하다.
이상과 같이 제조된 복합체(100)는 도 3과 같다. 도 3의 도시와 같이, 복합체(100)는 제1 및 제2부재(M1)(M2)가 인터락킹 구조에 의해 상호 물리적으로 결합됨으로써, 높은 결합력을 가진다. 이러한 제1 및 제2부재(M1)(M2)를 제조하는 FDM 방식의 3D 프린터는 가격이 저렴하며, PLA, ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene copolymer), TPU, TPE(Thermoplastic Elastomer), PET(Polyethylene Terephthalate), PETG(Glycolmodified Polyethylene Terephthalate), PC(Polycarbonate), 나일론(Nylon), ASA(Acrylic Styrene Acrylonitrile), ULTEM, SLA 등과 같은 다양한 열가소성 재료를 적용할 수 있다. 여기서, 제1 및 제2재료로 채용될 수 있는 열가소성 재료는 저렴하면서도 친환경적인 재료가 바람직하다.
이에 따라, 복합체(100)를 3D 프린터를 활용하여 제조함으로써, 제조 속도가 빠르고, 제조를 위한 특수 환경 및 추가적인 장비가 필요하지 않는 이점을 가진다. 아울러, 추가적인 제조 공정이 불필요한 간단한 제조 단계로 인해, 손쉽게 다기능이 가능한 높은 결합력을 가지는 복합체(100)의 표면을 제조할 수 있다.
또한, 인터락킹 구조를 가지는 복합체(100)를 구성하는 제1 및 제2부재(M1)(M2)는 3D 프린터에 의해 100um 이상의 폭을 가지며, 100um 이상의 두께로 제조될 수 있다. 여기서, 서로 다른 이종 재료 즉, 제1 및 제2재료로 제조된 제1 및 제2부재(M1)(M2) 사이의 결합력은 제1 및 제2부재(M1)(M2)의 폭이 100um 이상부터 결합력을 확인할 수 있으며, 500um 이상에서는 우수한 결합력을 가진다.
참고로, 3D 프린터에 의해 제조되는 복합체(100)의 총 두께도 사용 조건에 따라 다양하게 조절할 수 있으며, 총 두께가 400um 내외로 얇게 조절할 수도 있다.
도 4를 참고하면, 본 발명에 의한 복합체(100)를 종래와 비교한 도면이 개략적으로 도시된다. 여기서, 도 4의 (a)는 일반적인 방법(Conventional method)에 의해 제조된 종래의 복합체를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 4의 (b)는 본 발명에 의한 복합체의 제조방법(1)에 의해 제조된 복합체(100)를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4의 (a)와 같이, 제1 및 제2부재(M1)(M2)의 사이는 평면(Flat surface)으로 마련됨으로써, 인터락킹 구조가 형성되지 않는다. 이렇게 제1 및 제2부재(M1)(M2)의 사이에 어떠한 결합 구조가 없이 평면으로 마련될 경우, 제1 및 제2부재(M1)(M2)의 사이에는 별도의 접착제가 마련되어 화학적으로 결합시킬 수 있다.
그러나, 제1 및 제2부재(M1)(M2)의 사이에 접착제가 마련될 경우, 접착제보다 큰 힘으로 제1 및 제2부재(M1)(M2)를 상호 분리시켜 쉽게 분리될 수 있다. 또한, 제1 및 제2부재(M1)(M2) 사이의 화학적 접착에 의해 제1 및 제2부재(M1)(M2)의 물성이 가변되는 것과 같은, 문제점을 가진다.
반면에, 도 4의 (b)와 같은 본 발명에 의한 복합체(100)의 경우, 제1 및 제2부재(M1)(M2)가 상호 인터락킹 구조에 의해 물리적으로 결합됨을 확인할 수 있다. 이러한 본 발명에 의한 복합체(100)는 제1 및 제2부재(M1)(M2)가 물리적인 인터락킹 결합력을 확보할 수 있어, 높은 결합력을 가질 수 있다.
참고로, 도 4의 (b)의 도시에서는, 제1 및 제2부재(M1)(M2)가 상호 인터락킹 구조로 결합되기 위해, 3층 구조를 가지는 것으로 도시한다. 아울러, 제1 및 제2부재(M1)(M2)에 각각 대응되는 제1 및 제2재료로 마련된 베이스(B) 및 커버(C)는 3층 구조의 제1 및 제2부재(M1)(M2)의 인터락킹 결합층을 사이에 두고 상호 결합된 상태이다.
도 5는 본 발명에 의한 인터락킹 구조를 가지는 복합체(100)의 휨 성능을 설명하기 위해 개략적으로 도시한 도면이다. 도 5의 (a)에서는 복합체(100)가 밴딩(Bending)된 상태가 개략적으로 도시되며, 도 5의 (b)에서는 복합체(100)가 언밴딩(Unbending)된 상태가 개략적으로 도시된다.
도 5의 도시와 같이, 강성을 가지는 PLA를 포함하는 제1재료로 마련된 제1부재(M1)가 TPU를 포함하는 유연 재질로 마련된 제2재료로 마련된 제2부재(M2)와 인터락킹 구조로 결합됨으로써, 복합체(100)는 강성을 가지면서도 유연하게 휘어짐 가능하다. 만약, PLA로만 복합체(100)가 마련될 경우, 강성 재질의 특성으로 인해, 복합체(100)는 휘어져 파손될 수 있으나, 본 발명에 의한 복합체(100)는 강성 및 유연 특성을 모두 가짐으로써 파손되지 않는다.
도 6에는 본 발명에 의한 복합체(100)의 밴더블(Bendable) 및 롤러블(Rollable) 상태를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 6에 도시된 복합체(100)는 총 높이가 400um로써, 도 6의 (a)에는 복합체(100)의 밴더블 상태가 도시되고, (b)에는 복합체(100)의 롤러블 상태가 도시된다. 도 6과 같이, 복합체(100)는 강성과 유연성을 모두 구비하는 인터락킹 구조로 마련됨으로써, 굽힘 및 롤링이 모두 가능함을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명에 의한 복합체(100)의 형상 변형 상태에서의 전도성을 비교하기 위해 개략적으로 도시한 도면이다. 도 7의 (a)와 같이 복합체(100)의 양단과 전기적으로 연결된 램프가 켜짐을 확인함에 따라, 전도성을 확인할 수 있다. 이러한 복합체(100)는 도 7의 (b), (c) 및 (d)와 같이, 굽힘(Bending), 접힘(Folding) 및 비틀림(Twisting) 상태로 형상이 변형되어도 전도성 성능이 유지됨을 램프의 켜짐을 통해 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명에 의한 복합체(100)의 형상에 따른 표면 롤링 성능을 설명하기 위해 개략적으로 도시한 도면이다. 도 8의 도시와 같이, 강성을 가지는 제1재료와 유연한 제2재료로 각각 마련된 제1 및 제2재료를 제조함에 있어서, 강성 재료로 마련되는 제1부재(M1)로 마련된 층(예컨대, 베이스)은 일정한 간격을 가지고 복수개 형성될 수 있다. 이 경우, 강성 재료로 일정 간격을 두고 복수개 마련된 제1부재(M1)의 간격만큼 이격된 복수의 제1부재(M1)들이 롤링됨에 있어서, 도 8과 같은 다각 형상의 단면을 가지고 롤링될 수 있다.
이때, 제1 및 제2부재(M1)(M2)의 사이에는 인터락킹 구조가 마련됨에 따라, 일정 간격으로 제1부재(M1)가 롤링되어도 제1 및 제2부재(M1)(M2) 사이의 결합력이 해제되지 않음을 확인할 수 있다.
도 9는 본 발명에 의한 복합체(100)를 활용한 패턴 배치 구조를 설명하기 위해 개략적으로 도시된다. 도 9와 같이, 인터락킹 구조를 가지는 복합체(100)의 표면에 일정한 패턴을 형성함으로써, 원하는 변형 형태로 변형 가능한 복합체(100)를 제공할 수 있다. 도 9는 강성 재질인 제1부재(M1)를 다각 형상으로 마련하여 접철 가능한 구조로 도시하였으나, 복합체(100)의 형상은 다양하게 가변 가능하다.
이상과 같이, 본 발명에서 설명하는 복합체(100)는 서로 다른 이종 또는 다종 재료로 제조된 제1 및 제2부재(M1)(M2)가 3D 프린팅에 의해 인터락킹되도록 적층 제조된다. 그로 인해, 제1 및 제2부재(M1)(M2)로 이루어진 다층 구조가 상호 높은 물리적 결합력으로 결합될 수 있다. 또한, 3D 프린터를 활용한 간단하고 저렴하면서도 높은 결합력을 가지는 복합체(100)를 제공할 수 있어, 원하는 사용 조건에 대응되는 다양한 형상으로 복합체(100)를 제조하여 사용성을 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (16)

  1. 서로 다른 재료로 형성된 복수의 제1 및 제2부재가 제1방향으로 상호 교번적으로 반복된 제1층을 형성시키는 제1층 제조단계;
    상기 복수의 제1 및 제2부재를 상기 제1방향에 대해 교차하는 제2방향으로 상호 교번적으로 반복된 제2층을 형성시키는 제2층 제조단계; 및
    상기 제1 및 제2층 제조단계를 상호 교번적으로 적어도 1회 반복하는 반복 제조단계;
    를 포함하며,
    상기 반복 제조단계에서 상기 제1 및 제2층이 반복 적층되어 상기 제1 및 제2부재가 상호 인터락킹(Interlocking)되는 복합체의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2층 제조단계는 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식의 3D 프린터를 이용하여 상기 제1 및 제2부재를 형성시키는 복합체의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2층 제조단계는,
    상기 제1부재를 상호 이격되도록 나란하게 순차적으로 복수개 형성시킨 후, 상기 복수의 제1부재 사이의 이격된 간격에 상기 제2부재를 상호 이격되도록 나란하게 순차적으로 복수개 형성시키는 복합체의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2부재는 100um 이상의 폭을 가지며, 100um 이상의 두께를 가지는 복합체의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1층 제조단계 이전에, 상기 제1 및 제2층이 적층될 플레이트 형상의 베이스를 형성시키는 베이스 제조단계; 및
    상기 반복 제조단계 이후에, 상기 베이스와 상이한 재료로 상기 제1 및 제2부재를 면방향으로 커버하는 커버를 형성시키는 커버 제조단계;
    를 더 포함하는 복합체의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 베이스는 상기 제1 및 제2부재 중 어느 하나와 동일한 재료로 형성되거나, 상기 제1 및 제2부재와 상이한 재료로 형성되며,
    상기 커버는 상기 베이스와 동일하거나 상이한 재료로 형성되는 복합체의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1부재는 강성을 가지는 강성 재료로 마련되고,
    상기 제2부재는 유연성을 가지는 유연 재료로 마련되는 복합체의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2부재 중 적어도 어느 하나는 PLA(Poly Lactic Acid)를 포함하는 강성 재료로 마련되는 복합체의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2부재 중 적어도 어느 하나는 TPU(Temperature polyurethane)를 포함하는 유연 재료로 마련되는 복합체의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2부재 중 적어도 어느 하나는 전도성 재료로 마련되는 복합체의 제조방법.
  11. 제1항에 기재된 복합체의 제조방법에 의해 제조된 복합체.
  12. 상호 이격되어 나란하도록 제1재료로 마련된 복수의 제1부재; 및
    상기 복수의 제1부재 사이의 이격된 간격에 마련되어 상호 이격되어 나란하도록 상기 제1부재와 상이한 제2재료로 마련된 복수의 제2부재;
    를 포함하며,
    상기 복수의 제1 및 제2부재는 제1방향 및 상기 제1방향에 대해 교차하는 제2방향으로 반복 적층되어, 상호 인터락킹(Interlocking)되는 복합체.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 제1 및 제2부재는 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식의 3D 프린터를 이용하여 다층 적층되어 형성되는 복합체.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제1 및 제2부재는 100um 이상의 폭을 가지며, 100um 이상의 두께를 가지는 복합체.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 제1 및 제2부재는 베이스에 대해 면방향으로 적층되며, 커버에 의해 면방향으로 커버되며,
    상기 베이스 및 커버는 상기 제1 및 제2재료 중 적어도 어느 하나의 재료로 각각 상이하거나 동일하게 마련되거나, 상기 제1 및 제2재료와 상이한 제3재료로 마련되는 복합체.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 제1 및 제2재료는 PLA(Poly Lactic Acid)를 포함하는 강성 재료, TPU(Temperature polyurethane) 또는 전도성 재료 중 적어도 어느 하나를 포함하는 유연 재료로 마련되는 복합체.
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