KR101928141B1 - 충격진동 저감을 위한 음향메타물질 복합재료 구조체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 음향메타물질에 관한 것으로, 보다 상세하게는 음향메타물질 복합재료 구조체를 제조하고, 음향메타물질 복합재료 구조체를 이루는 단위 음향메타물질의 길이, 단면직경, 단면형상, 재질, 배열간격 및 적층 구조 등의 변수 설계를 통해 재사용 및 기계시스템의 구조재료로써 사용이 가능한 충격진동 저감을 위한 음향메타물질 복합재료 구조체에 관한 것이다.
일방향성을 갖는 하나 이상의 단위 음향메타물질이 평행하게 배열되어 단일층을 이루고, 상기 단일층 복수개가 서로 인접하게 교차 적층되어 다층구조체를 이루며, 상기 다층구조체를 단일기지체가 감싸고 있는 것을 특징으로 한다.

Description

충격진동 저감을 위한 음향메타물질 복합재료 구조체{ACOUSTIC METAMATERIALS COMPOSITE STRUCTURES FOR IMPACT AND VIBRATION MITIGATION}

본 발명은 음향메타물질에 관한 것으로, 보다 상세하게는 음향메타물질 복합재료 구조체를 제조하고, 음향메타물질 복합재료 구조체를 이루는 단위 음향메타물질의 길이, 단면직경, 단면형상, 재질, 배열간격 및 적층 구조 등의 변수 설계를 통해 재사용 및 기계시스템의 구조재료로써 사용이 가능한 충격진동 저감을 위한 음향메타물질 복합재료 구조체에 관한 것이다.

음향메타물질은 자연계에서는 발견되지 않는 특성을 지니도록 금속이나 플라스틱과 같은 소재를 이용하여 인공적으로 주기적인 형상을 만들어 특정 주파수에서 소리 혹은 초음파 등을 통과, 변조, 흡수 등이 가능하도록 구현된 소재이다.

이러한 음향메타물질의 개념은 유전율과 투자율이 모두 음의 값을 가지는 물질의 가능성이 발표되면서 처음 제안되었고, 이후 주기적인 금속 와이어와 분할 링 공명기(Split ring resonator)을 통해서 인공적으로 각각 음의 유전율과 투자율을 갖는 음향메타물질을 구현할 수 있음이 증명되었다.

음향결정(Phononic crystal)이라고 불리는 주기적인 인공 구조는 삼차원의 매트릭스 형태로 배열된 비균질의 매질로 구성되어 있어 이로 인해 특정 주파수 대역에서의 음향 혹은 진동 에너지를 반사 및 투과시키지 않고 저지시킬 수 있으며, 또 특정 영역을 이 음향메타물질로 감싸게 되면 외부의 파동 에너지로부터 완전하게 은폐 및 고립 시킬 수 있는 장점이 있다.

한편, 일반적으로 충격진동을 저감시키는 방법으로는 크게 고무와 같은 탄성중합체, 복합재료, 다공질소재(Foam) 또는 액체 및 기체를 이용한 댐퍼 등과 같이 충격진동을 흡수하는 소재를 이용한 재료적인 방법과 충격이 왔을 때 자기 변형을 통해 충격을 흡수하는 허니콤(Honeycom) 구조 등과 같이 구조의 설계를 통해 충격진동을 흡수하는 구조적인 방법이 있다.

하지만, 상기 재료적인 방법은 이에 사용되는 소재의 강도 및 강성과 같은 기계적인 특성이 낮아 비교적 큰 충격을 견디지 못하는 이유로 기계시스템의 구조재료로써 적용이 어렵고, 상기 구조적인 방법은 충격 흡수 후에 재료의 소성변형 및 파괴가 일어나 재사용이 어려운 단점이 있다.

음향메타물질 역시 구조물에 가해지는 충격진동의 전달 경로를 전단방향으로 분산하여 구조물 내부에 전달되는 충격진동을 효과적으로 저감시키는 능력이 우수하고 소재의 탄성 영역 내에서 구형이 가능하나, 외부 하중에 의해 서로 분리될 수 있고 이로 인해 배열 자체가 흐트러지는 문제가 발생하여 재사용이 어려울 뿐 아니라, 기계시스템의 구조재료로써 사용할 수 없는 한계가 있다.

미국등록특허공보 제8960365호

이에 상기와 같은 문제점을 해결하고자, 본 발명은 섬유강화 복합재료 구조체와 유사한 음향메타물질 복합재료 구조체를 제조하고, 음향메타물질 복합재료 구조체를 이루는 단위 음향메타물질의 길이, 단면직경, 단면형상, 재질, 배열간격 및 적층 구조 등의 변수 설계를 통해 재사용 및 기계시스템의 구조재료로써 사용이 가능한 충격진동 저감을 위한 음향메타물질 복합재료 구조체를 제공하는 데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 음향메타물질 복합재료 구조체는 일방향성을 갖는 하나 이상의 단위 음향메타물질이 평행하게 배열되어 단일층을 이루고, 상기 단일층 복수개가 서로 인접하게 교차 적층되어 다층구조체를 이루며, 상기 다층구조체를 단일기지체가 감싸고 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 단일층을 이루는 하나 이상의 단위 음향메타물질은 일정한 배열간격(a)을 이루며 평행하게 배열된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 단일층을 이루는 하나 이상의 단위 음향메타물질은 동일한 길이, 동일한 단면직경, 동일한 단면형상 및 동일한 재질로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 다층구조체를 이루는 단일층 복수개는 층마다 서로 다른 배열간격(a)이 적용된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 다층구조체를 이루는 단일층 복수개는 층마다 서로 다른 길이를 갖는 단위 음향메타물질이 적용된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 다층구조체를 이루는 단일층 복수개는 층마다 서로 다른 단면직경을 갖는 단위 음향메타물질이 적용된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 다층구조체를 이루는 단일층 복수개는 층마다 서로 다른 단면형상을 갖는 단위 음향메타물질이 적용된 것을 특징으로 한다.

상기 단면형상은 원형, 다각형 또는 타원형 중 어느 하나가 적용되어 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 다층구조체를 이루는 단일층 복수개는 층마다 서로 다른 재질을 갖는 단위 음향메타물질이 적용된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 다층구조체를 이루는 단일층 복수개는 층마다 서로 다른 적층각을 갖고 서로 인접하게 교차 적층되어 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 적층각은 0도 초과 180도 미만인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 단일기지체는 고분자로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 고분자는 고분자재료, 탄성중합체, 폴리에스터, 폴리에폭시, 폴리우레탄, 비닐에스터 또는 폴리디메틸실록산 중 어느 하나가 적용되어 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 음향메타물질 복합재료 구조체는 섬유강화 복합재료 구조체와 유사하게 제조되어 음향메타물질이 외부 하중에 의해 서로 분리되어 배열 자체가 흐트러지는 문제를 해결함으로써 재사용이 가능한 효과가 있다.

또한, 본 발명의 음향메타물질 복합재료 구조체는 충격 흡수 후에 재료의 파괴를 동반하지 않으므로 일반 구조재료를 넘어서 기계시스템의 구조재료로써 사용이 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예인 단일층의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예인 다층구조체의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예인 음향메타물질 복합재료 구조체의 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예인 적층각의 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예인 다층구조체의 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예인 다층구조체의 모식도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예인 다층구조체의 모식도이다.

이하, 본 발명의 음향메타물질 복합재료 구조체를 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명하며, 이는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 하는 설명에 한정되지 않는다.

일반적으로 복합재료 구조체는 두 가지 이상의 재료가 조합되어 물리적, 화학적으로 서로 다른 상(Phase)을 형성하면서 원래의 소재보다 우수한 성능을 발현하는 재료를 말하며 크게 강화재와 기지체(Matrix)로 구성되고, 상기 강화재의 구조에 따라 섬유강화 복합재료(Fibrous composite)와 입자강화 복합재료(Particle composite)로 구분된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 음향메타물질 복합재료 구조체는 상기 섬유강화 복합재료(Fibrous composite)의 구조와 유사하며, 일방향성으로 길이(L)를 갖는 섬유(Fiber) 형상의 단위 음향메타물질(1)을 강화재로 적용한 음향메타물질 복합재료 구조체이다.

본 명세서에서 사용된 '단위 음향메타물질'이라는 용어는 음향메타물질 복합재료 구조체를 이루고 있는 하나의 단위 요소 즉, 도면에서 도시된 부호 '1'이 가리키고 있는 대상을 의미한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 먼저 하나 이상의 단위 음향메타물질(1)이 일정한 배열간격(a)을 두고 평행하게 배열되어 단일층(10)을 형성한다.

하나의 단일층(10)은 모두 동일한 길이(L), 동일한 단면직경(d), 동일한 단면형상 및 동일한 재질을 갖는 단위 음향메타물질(1)이 하나 이상 적용되어 이루어져 있는데, 여기서 상기 단면형상은 원형, 다각형 또는 타원형 중 어느 하나가 적용될 수 있으며, 상기 재질은 고체, 액체 또는 기체 중 어느 하나가 적용될 수 있다.

특히, 상기 액체는 물 또는 기름과 같이 비압축성 액체이거나 밀도가 높은 액체인 것이 바람직할 수 있으며, 상기 기체는 공기, 질소 또는 헬륨과 같은 불활성 기체인 것이 바람직하게 적용될 수 있으나, 이에 한정되어 있지 않고 해당 기술 분야의 종사자의 편의나 사용환경에 맞춰 보다 적합한 재질을 제공하도록 변경이 가능하다.

이후, 도 2에 도시된 바와 같이, 하나의 단일층(10) 상부에 또 하나의 단일층(10)이 도 4의 적층각(A)을 이루며 인접하게 교차 적층되고, 상기 단일층(10) 상부에 또 다른 하나의 단일층(10)이 적층각(A)을 이루며 인접하게 교차 적층되며, 이를 반복적으로 실시함으로써 다층구조체(100)를 형성한다.

여기서 상기 적층각(A)은 0도 초과 180도 미만인 것을 특징으로 한다.

도 2는 두 개의 단위 음향메타물질(1)이 하나의 단일층(10)을 형성하고, 단일층(10) 복수개가 적층각(A) 90도를 이루며 서로 인접하게 교차 적층된 다층구조체(100)의 일 실시 예이며, 이는 본 발명의 일 실시 예일 뿐 하나의 단일층(10)을 형성하는 단위 음향메타물질(1)의 개수, 다층구조체(100)를 이루는 단일층(10) 복수개의 개수 또는 적층각(A)과 같은 조건은 이에 한정되어 있지 않고, 해당 기술 분야의 종사자의 편의나 사용환경에 맞춰 보다 적합한 조건을 제공하도록 변경이 가능하다.

도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 실시 예인 다층구조체를 보여주는 모식도로, 도 5는 단일층(10) 복수개가 층마다 각각 서로 다른 길이(L)를 갖는 단위 음향메타물질이 적용된 다층구조체(101)를 보여주고 있다.

도 6은 단일층(10) 복수개가 층마다 각각 서로 다른 단면형상을 갖는 단위 음향메타물질이 적용된 다층구조체(102)를 보여주고 있다.

도 7은 단일층(10) 복수개가 층마다 각각 서로 다른 적층각(A)을 이루며 인접하게 교차 적층된 다층구조체(103)을 보여주고 있다.

여기서 상기 단면형상은 도 6에 한정되어 있지 않고, 원형, 다각형 또는 타원형 중 어느 하나가 적용될 수 있으며, 상기 적층각(A) 역시 도 7에 한정되어 있지 않고 0도 초과 180도 미만인 값 중 어느 하나가 적용될 수 있다.

또 도면으로 나타내고 있지는 않지만, 본 발명의 일 실시 예로 단일층(10) 복수개가 층마다 각각 서로 다른 배열간격(a)을 이루고 있는 다층구조체를 형성할 수 있고, 또 다른 일 실시 예로 단일층(10) 복수개가 층마다 각각 서로 다른 단면직경(d)을 갖는 단위 음향메타물질이 적용된 다층구조체를 형성할 수 있다.

나아가 단일층(10) 복수개가 층마다 각각 서로 다른 재질을 갖는 단위 음향메타물질이 적용된 다층구조체를 형성할 수 있는데, 여기서 상기 재질은 앞서 언급한 것과 같이 고체, 액체 또는 기체 중 어느 하나가 적용될 수 있다.

특히, 상기 액체는 물 또는 기름과 같이 비압축성 액체이거나 밀도가 높은 액체인 것이 바람직할 수 있으며, 상기 기체는 공기, 질소 또는 헬륨과 같은 불활성 기체인 것이 바람직하게 적용될 수 있으나, 이에 한정되어 있지 않고 해당 기술 분야의 종사자의 편의나 사용환경에 맞춰 보다 적합한 재질을 제공하도록 변경이 가능하다.

또한, 앞서 언급한 일 실시 예 외에, 단위 음향메타물질의 길이(L), 단면직경(d), 단면형상, 재질, 하나 이상의 단위 음향메타물질이 평행하게 배열되며 이루는 배열간격(a) 또는 단일층 복수개가 서로 인접하게 교차 적층될 때 이루는 적층각(A)의 변수들 중 하나 이상의 변수가 복합 적용되어 보다 다양한 형상 및 구조를 갖는 다층구조체(100)를 형성할 수 있다.

다시 말해, 단위 음향메타물질(1)의 길이(L), 단면직경(d), 단면형상, 재질, 배열간격(a) 또는 단일층(10) 복수개가 서로 인접하게 교차 적층될 때 이루는 적층각(A)과 같은 변수들을 다양하게 변화시켜 설계함으로써, 각기 다른 충격진동 저감의 효과를 보이는 음향메타물질 복합재료 구조체를 제조할 수 있다.

마지막으로, 상기 언급한 다양한 특징을 갖는 다층구조체(100~103)는 도 3에 도시된 바와 같이 하나의 단일기지체(20)에 감싸져 음향메타물질 복합재료 구조체(200)를 이루는 것을 특징으로 한다.

여기서 단일기지체(20)는 고분자일 수 있으며, 바람직하게는 고분자재료, 탄성중합체, 폴리에스터, 폴리에폭시, 폴리우레탄, 비닐에스터 또는 폴리디메틸실록산 중 어느 하나가 적용될 수 있으나, 이에 한정되어 있지 않고 해당 기술 분야의 종사자의 편의나 사용환경에 맞춰 보다 적합한 재질을 제공하도록 변경이 가능하다.

앞서 살펴본 실시 예는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자인 당업자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하는 바람직한 실시 예일 뿐, 전술한 실시 예 및 첨부한 도면에 한정되는 것은 아니므로 이로 인해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다.

따라서 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 당업자에게 있어 명백할 것이며, 당업자에 의해 용이하게 변경 가능한 부분도 본 발명의 권리범위에 포함됨은 자명하다.

1 : 단위 음향메타물질 10 : 단일층
20 : 단일기지체 100~103 : 다층구조체
200 : 음향메타물질 복합재료 구조체

Claims (13)

1. 일방향성을 갖는 하나 이상의 단위 음향메타물질이 평행하게 배열되어 단일층을 이루고, 상기 단일층 복수개가 서로 인접하게 교차 적층되어 다층구조체를 이루고, 상기 다층구조체를 고분자재료, 탄성중합체, 폴리에스터, 폴리에폭시, 폴리우레탄, 비닐에스터 또는 폴리디메틸실록산 중 어느 하나가 적용되는 고분자로 이루어진 단일기지체가 감싸고 있되,
   상기 다층구조체를 이루는 단일층 복수개는 층마다 서로 다른 배열간격(a), 길이, 단면직경, 단면형상, 재질 및 적층각 중 어느 하나 이상의 특성을 갖는 단위 음향메타물질이 적용되어, 충격 흡수 후에도 재료가 파괴되지 않는 것을 특징으로 하는 충격진동 저감을 위한 음향메타물질 복합재료 구조체.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 단일층을 이루는 하나 이상의 단위 음향메타물질은 일정한 배열간격(a)을 이루며 평행하게 배열된 것을 특징으로 하는 충격진동 저감을 위한 음향메타물질 복합재료 구조체.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 단일층을 이루는 하나 이상의 단위 음향메타물질은 동일한 길이, 동일한 단면직경, 동일한 단면형상 및 동일한 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 충격진동 저감을 위한 음향메타물질 복합재료 구조체.
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 제 1항에 있어서,
   상기 단면형상은 원형, 다각형 또는 타원형 중 어느 하나가 적용되어 이루어진 것을 특징으로 하는 충격진동 저감을 위한 음향메타물질 복합재료 구조체.
9. 삭제
10. 제 1항에 있어서,
    상기 적층각은 층마다 0도 초과 180도 미만의 범위로 서로 다른 적층각을 갖고 서로 인접하게 교차 적층되어 이루어진 것을 특징으로 하는 충격진동 저감을 위한 음향메타물질 복합재료 구조체.
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제

Images