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KR102243703B1 - Metamaterial structure and complex structure including the same - Google Patents

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KR102243703B1
KR102243703B1 KR1020200005359A KR20200005359A KR102243703B1 KR 102243703 B1 KR102243703 B1 KR 102243703B1 KR 1020200005359 A KR1020200005359 A KR 1020200005359A KR 20200005359 A KR20200005359 A KR 20200005359A KR 102243703 B1 KR102243703 B1 KR 102243703B1
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KR
South Korea
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channel
pneumatic channel
pneumatic
metamaterial
metamaterial structure
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KR1020200005359A
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Inventor
김웅배
조규진
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서울대학교산학협력단
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    • F16F7/00—Vibration-dampers; Shock-absorbers
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Abstract

The present invention relates to a metamaterial structure and a composite structure including the same. As positive or negative pressure is supplied to a channel member, it is possible to partially change the rigidity of a protruding unit, and accordingly, the composite structure including a metamaterial structure can be continuously changed to have a positive Poisson's ratio or a negative Poisson's ratio with respect to the compressive force.

Description

메타물질 구조체 및 이를 포함하는 복합 구조체{METAMATERIAL STRUCTURE AND COMPLEX STRUCTURE INCLUDING THE SAME}Metamaterial structure and complex structure including the same {METAMATERIAL STRUCTURE AND COMPLEX STRUCTURE INCLUDING THE SAME}

본 발명은 메타물질 구조체 및 이를 포함하는 복합 구조체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공압에 따라 부분적으로 강성을 변화시키는 방법을 이용하여, 푸아송 비를 연속적으로 변경시킬 수 있도록 하는 메타물질 구조체 및 이를 포함하는 복합 구조체에 관한 것이다.The present invention relates to a metamaterial structure and a composite structure including the same, and more particularly, a metamaterial structure capable of continuously changing the Poisson's ratio by using a method of partially changing the stiffness according to pneumatic pressure, and the same. It relates to a containing complex structure.

일반적으로 푸아송 비(Poisson's ratio)는 물질에 축 방향으로 힘이 가해졌을 때 물질의 길이 방향 변형과 횡 방향 변형의 비를 말한다. 푸아송 비는 균질이고 등방성인 재료의 경우에 재료 고유의 값을 갖으며 일반적으로 탄성계수，전단탄성계수 및 체적계수와의 관계를 통하여 -1 부터 0.5로 제한된다. 이러한 푸아송 비는 탄성 변형 영역에서의 변형을 파악함에 있어서 중요하게 고려되는 재료의 강도 지표로서, 음향, 진동 설계, 플랙시블 장치, 웨어러블 장치, 소프트 로봇 등의 기계적 재료, 또는 패션 디자인 등에 활용될 수 있다. In general, Poisson's ratio refers to the ratio of the longitudinal deformation and the transverse deformation of a substance when a force is applied to the substance in the axial direction. In the case of homogeneous and isotropic materials, the Poisson's ratio has a material-specific value and is generally limited to -1 to 0.5 through the relationship between the elastic modulus, shear modulus and volume modulus. This Poisson's ratio is an index of the strength of a material that is importantly considered in grasping the deformation in the elastic deformation region, and can be used for mechanical materials such as acoustics, vibration design, flexible devices, wearable devices, soft robots, or fashion design. I can.

도 1은 구조체의 형상에 따른 푸아송 비를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.1 is a diagram illustrating a Poisson ratio according to a shape of a structure.

도 1의 (a)를 참조하면, 구조체(S1)는 육각형 형상으로 형성되며 복수 개가 반복 배열된다. 이러한 구조체(S1)에 길이방향으로 인장력을 가하면 횡 방향으로 수축하고, 반대로 길이방향으로 압축력을 가하면 횡방향으로 늘어나게 되어, 양의 푸아송 비를 갖게 된다.Referring to (a) of Figure 1, the structure (S1) is formed in a hexagonal shape and a plurality of them are repeatedly arranged. When a tensile force is applied to the structure S1 in the longitudinal direction, it contracts in the transverse direction, and when a compressive force is applied in the longitudinal direction, it is stretched in the transverse direction, thereby having a positive Poisson's ratio.

도 1의 (b)를 참조하면, 구조체(S2)는 오목한 벌집 형상으로 형성되며 복수 개가 반복 배열된다. 이러한 구조체(S2)에 길이방향으로 인장력을 가하면 횡 방향으로 늘어나게 되고, 반대로 길이방향으로 압축력을 가하면 횡방향으로 수축하게 되어, 음의 푸아송 비를 갖게 된다. Referring to (b) of FIG. 1, the structure S2 is formed in a concave honeycomb shape, and a plurality of them are repeatedly arranged. When a tensile force is applied to the structure S2 in the longitudinal direction, it is stretched in the transverse direction, and when a compressive force is applied in the longitudinal direction, it contracts in the transverse direction, resulting in a negative Poisson's ratio.

이에 따라, 특정 조건 하에서 구조체의 형태를 반복적으로 변경하여 구조체가 압축력에 대해 양의 푸아송 비 또는 음의 푸아송 비를 가지도록 연속 제어할 수 있다면, 구조체는 연속적인 움직임이 가능할 것이다.Accordingly, if it is possible to continuously control the structure to have a positive Poisson ratio or a negative Poisson ratio with respect to the compressive force by repeatedly changing the shape of the structure under certain conditions, the structure will be able to move continuously.

한편, 메타물질은 자연계에 존재하지 않는 특성을 구현하기 위해 인위적으로 설계된 재료이며, 일반적으로 동일한 패턴 요소의 집합체로 설계된다. 그런데 메타물질 중 기계적 메타물질(mechanical metamaterial)의 경우 고정된 푸아송 비를 가지도록 설계되며, 푸아송 비를 연속적으로 크게 바꾸는 방법은 아직 개발된 바 없어, 푸아송 비를 인위적으로 조절할 수 있는 메타물질이 필요한 실정이다.On the other hand, metamaterials are artificially designed materials to realize properties that do not exist in nature, and are generally designed as an aggregate of identical pattern elements. However, in the case of a mechanical metamaterial among metamaterials, it is designed to have a fixed Poisson's ratio, and a method of continuously largely changing the Poisson's ratio has not yet been developed. Materials are needed.

국내 등록특허공보 제10-0479965호Korean Registered Patent Publication No. 10-0479965 국내 등록특허공보 제10-0990023호Korean Registered Patent Publication No. 10-0990023

상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 카이랄(chiral) 패턴의 구조체 내부에 공압 채널을 설계하여 공압에 따라 부분적으로 강성을 변화시키는 방법을 이용하여, 푸아송 비를 연속적으로 변경시킬 수 있도록 하는 메타물질 구조체 및 이를 포함하는 복합 구조체를 제공하는 것이다.An object of the present invention for solving the problems of the prior art as described above is to continuously change the Poisson's ratio by using a method of partially changing the stiffness according to the pneumatic pressure by designing a pneumatic channel inside a chiral patterned structure. It is to provide a metamaterial structure that can be changed to and a composite structure including the same.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 본체; 상기 본체의 외주를 따라 복수 개가 방사상으로 돌출되도록 형성되되 플랙시블한 재질로 형성되는 돌출부; 및 상기 본체의 내부에 공기가 이동 가능하도록 형성되되 일측은 각각의 상기 본체에 구비되는 꼭짓점 방향으로 연장되고 타측은 상호 일체로 연결되는 복수 개의 내부채널과, 상기 돌출부의 내부에 공기가 이동 가능하도록 형성되되 일측은 상기 내부채널과 연결되고 타측은 상기 돌출부의 단부를 통하여 외부로 노출되는 공압채널을 갖는 채널부재를 포함하고, 상기 공압채널은, 상기 내부채널과 연결되는 제 1 공압채널과, 상기 제 1 공압채널과 연결된 상태로 상기 돌출부의 외부로 노출되는 제 2 공압채널을 포함하되, 상기 제 1 공압채널의 직경과 상기 제 2 공압채널의 직경이 상호 상이하도록 형성되고, 외부로부터 상기 채널부재로 양압 또는 음압이 공급됨에 따라, 상기 제 1 공압채널과 상기 제 2 공압채널의 굽힘에 대한 강성이 변화되는 것을 특징으로 하는 메타물질 구조체를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention includes a main body; A plurality of protrusions formed to protrude radially along the outer circumference of the main body and formed of a flexible material; And a plurality of internal channels formed to be movable inside the body, wherein one side extends in the direction of a vertex provided in each of the body and the other side is integrally connected to each other, and the air is movable inside the protrusion. It is formed, one side is connected to the inner channel and the other side includes a channel member having a pneumatic channel exposed to the outside through the end of the protrusion, the pneumatic channel, a first pneumatic channel connected to the inner channel, the A second pneumatic channel exposed to the outside of the protrusion while being connected to the first pneumatic channel, wherein the diameter of the first pneumatic channel and the diameter of the second pneumatic channel are formed to be different from each other, and the channel member from the outside It provides a metamaterial structure, characterized in that as positive pressure or negative pressure is supplied to the furnace, the rigidity against bending of the first pneumatic channel and the second pneumatic channel is changed.

또한, 복수 개의 상기 돌출부는 상기 본체에 시계 방향 또는 반 시계 방향을 따라 돌출 형성되어, 각각의 상기 돌출부의 돌출되는 각도는 예각을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 메타물질 구조체를 제공한다.In addition, a plurality of the protrusions are formed to protrude from the main body in a clockwise or counterclockwise direction, so that the protruding angle of each of the protrusions is formed to have an acute angle.

또한, 상기 제 1 공압채널의 직경이 상기 제 2 공압채널의 직경보다 작도록 형성되어, 상기 채널부재로 양압이 가해지면, 상기 제 1 공압채널보다 상기 제 2 공압채널이 더 팽창되어, 굽힘에 대한 강성이 상기 제 1 공압채널보다 상기 제 2 공압채널이 상대적으로 더 강해지게 되고, 상기 채널부재로 음압이 가해지면, 상기 제 1 공압채널보다 상기 제 2 공압채널이 더 수축되어, 굽힘에 대한 강성이 상기 제 2 공압채널보다 상기 제 1 공압채널이 상대적으로 더 강해지게 되는 것을 특징으로 하는 메타물질 구조체를 제공한다.In addition, the diameter of the first pneumatic channel is formed to be smaller than the diameter of the second pneumatic channel, and when positive pressure is applied to the channel member, the second pneumatic channel expands more than the first pneumatic channel, thereby preventing bending. The second pneumatic channel is relatively stronger than the first pneumatic channel, and when negative pressure is applied to the channel member, the second pneumatic channel contracts more than the first pneumatic channel, thereby preventing bending. It provides a metamaterial structure, characterized in that the rigidity of the first pneumatic channel is relatively stronger than the second pneumatic channel.

또한, 상기 본체는 삼각형으로 형성되고, 상기 돌출부는 상기 본체에 구비되는 3개의 꼭짓점에 형성되도록 3개로 구성되는 것을 특징으로 하는 메타물질 구조체를 제공한다.In addition, the main body is formed in a triangular shape, and the protrusion provides a metamaterial structure, characterized in that it is formed in three so as to be formed at three vertices provided in the body.

또한, 본 발명은 메타물질 구조체를 포함하는 복합 구조체에 있어서, 6개의 상기 메타물질 구조체가 육각형 형태의 카이랄 패턴으로 배열되되, 상호 마주보는 상기 돌출부끼리 상호 연결되어 하나의 그룹을 형성하는 것을 특징으로 하는 메타물질 구조체를 포함하는 복합 구조체를 제공한다.In addition, the present invention is characterized in that in a composite structure including a metamaterial structure, six metamaterial structures are arranged in a hexagonal chiral pattern, and the protrusions facing each other are interconnected to form one group. It provides a composite structure including a metamaterial structure.

또한, 상기 그룹 다수 개가 상호 병렬로 배열되되 상호 인접한 2개의 상기 그룹의 상호 마주보는 상기 돌출부끼리 상호 연결되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 메타물질 구조체를 포함하는 복합 구조체를 제공한다.In addition, there is provided a composite structure including a metamaterial structure, wherein the plurality of groups are arranged in parallel with each other, and the protrusions facing each other of the two adjacent groups are connected to each other.

또한, 상기 제 1 공압채널의 직경이 상기 제 2 공압채널의 직경보다 작도록 형성되어, 상기 채널부재로 양압 또는 음압이 가해짐에 따라 푸아송 비(Poisson's rate)가 변화되는 것을 특징으로 하는 메타물질 구조체를 포함하는 복합 구조체를 제공한다.In addition, since the diameter of the first pneumatic channel is formed to be smaller than the diameter of the second pneumatic channel, the Poisson's rate is changed as positive or negative pressure is applied to the channel member. It provides a composite structure including a material structure.

또한, 상기 채널부재로 양압이 가해지면, 상기 제 1 공압채널보다 상기 제 2 공압채널이 더 팽창되어, 굽힘에 대한 강성이 상기 제 1 공압채널보다 상기 제 2 공압채널이 상대적으로 더 강해지게 되고, 상기 채널부재로 음압이 가해지면, 상기 제 1 공압채널보다 상기 제 2 공압채널이 더 수축되어, 굽힘에 대한 강성이 상기 제 2 공압채널보다 상기 제 1 공압채널이 상대적으로 더 강해지게 되는 것을 특징으로 하는 메타물질 구조체를 포함하는 복합 구조체를 제공한다.In addition, when positive pressure is applied to the channel member, the second pneumatic channel expands more than the first pneumatic channel, so that the stiffness against bending becomes relatively stronger in the second pneumatic channel than the first pneumatic channel. When a negative pressure is applied to the channel member, the second pneumatic channel is more contracted than the first pneumatic channel, so that the stiffness against bending becomes relatively stronger than the second pneumatic channel. It provides a composite structure including the characterized meta-material structure.

본 발명은 채널부재로 양압 또는 음압을 공급함에 따라, 돌출부의 강성을 부분적으로 변화시킬 수 있으며, 이를 통하여 복합 구조체가 압축력에 대해 양의 푸아송 비 또는 음의 푸아송 비를 갖도록 연속적으로 변경시킬 수 있는 효과가 있다.The present invention can partially change the stiffness of the protrusion by supplying positive pressure or negative pressure to the channel member, through which the composite structure can be continuously changed to have a positive Poisson ratio or a negative Poisson ratio with respect to the compressive force. There is an effect that can be.

도 1은 구조체의 형상에 따른 푸아송 비를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메타물질 구조체를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메타물질 구조체를 포함하는 복합 구조체를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메타물질 구조체를 포함하는 복합 구조체가 양의 푸아송 비를 갖도록 변형되는 상태를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메타물질 구조체를 포함하는 복합 구조체가 음의 푸아송 비를 갖도록 변형되는 상태를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.1 is a diagram illustrating a Poisson ratio according to a shape of a structure.
2 is a diagram illustrating a metamaterial structure according to a preferred embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating a composite structure including a metamaterial structure according to a preferred embodiment of the present invention.
4 and 5 are views illustrating a state in which a composite structure including a metamaterial structure according to a preferred embodiment of the present invention is deformed to have a positive Poisson ratio.
6 and 7 are views illustrating a state in which a composite structure including a metamaterial structure according to a preferred embodiment of the present invention is deformed to have a negative Poisson ratio.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메타물질 구조체 및 이를 포함하는 복합 구조체를 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, a metamaterial structure and a composite structure including the same according to a preferred embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메타물질 구조체를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.2 is a diagram illustrating a metamaterial structure according to a preferred embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메타물질 구조체(10)는 본체(12), 돌출부(14) 및 채널부재(16)를 포함한다.Referring to FIG. 2, the metamaterial structure 10 according to a preferred embodiment of the present invention includes a main body 12, a protrusion 14, and a channel member 16.

본체(12)는 다각형으로 형성되는 것으로, 예를 들면 평면이 3개의 꼭짓점을 갖는 삼각형으로 형성될 수 있으며, 입체 형상 즉, 삼각면체로 형성될 수 있다. The main body 12 is formed in a polygonal shape, for example, a plane may be formed in a triangular shape having three vertices, and may be formed in a three-dimensional shape, that is, a triangular body.

돌출부(14)는 본체(12)의 외주를 따라 복수 개가 방사상으로 돌출되도록 형성되는 것으로, 본체(12)에 구비되는 3개의 꼭짓점에 형성되도록 3개로 구성될 수 있다. 이러한 3개의 돌출부(14)는 본체(12)에 시계 방향 또는 반 시계 방향을 따라 일정 간격으로 돌출 형성되어, 각각의 돌출부(14)의 돌출되는 각도는 예각을 갖도록 형성된다. 그리고 돌출부(14)는 플랙시블한 재질로 형성되어, 외부 압력이 인가되면 돌출부(14)의 형상이 탄성 변형되고, 외부 압력이 해제되면 원래 상태로 복귀될 수 있도록 구성된다. 이러한 본체(12) 및 돌출부(14)는 탄성을 갖는 TPU(Temperature polyurethane) 또는 엘라스토머 등으로 구성될 수 있다. 그리고 본체(12) 및 돌출부(14)의 내부는 후술하는 채널부재(16)를 제외하고는 빈 공간이 없도록 구성된다. 이러한 본체(12), 돌출부(14) 및 채널부재(16)는 3D프린터를 통하여 일체로 형성될 수 있으나, 본 발명을 이로 제한하는 것은 아니다.A plurality of protrusions 14 are formed to protrude radially along the outer circumference of the main body 12 and may be formed of three so as to be formed at three vertices provided in the main body 12. These three protrusions 14 are formed to protrude from the main body 12 at regular intervals in a clockwise or counterclockwise direction, so that the protruding angle of each protrusion 14 has an acute angle. Further, the protrusion 14 is formed of a flexible material, so that when external pressure is applied, the shape of the protrusion 14 is elastically deformed, and when the external pressure is released, it is configured to return to its original state. The main body 12 and the protrusion 14 may be made of elastic TPU (Temperature polyurethane) or elastomer. In addition, the interior of the main body 12 and the protrusion 14 is configured such that there is no empty space except for the channel member 16 to be described later. The main body 12, the protrusion 14, and the channel member 16 may be integrally formed through a 3D printer, but the present invention is not limited thereto.

채널부재(16)는 본체(12) 및 돌출부(14)의 내부를 따라 공기가 이동 가능하도록 형성되는 것으로, 내부채널(16a), 제 1 공압채널(16b) 및 제 2 공압채널(16c)을 포함한다. 내부채널(16a)은 본체(12)의 내부에 공기가 이동 가능하도록 형성되는 것으로, 3개로 구성되어, 각각의 내부채널(16a)의 일측은 각각의 꼭짓점 방향으로 연장되고 타측은 본체(12)의 중앙 방향으로 연장된 상태로 상호 일체로 연결된다. 제 1 공압채널(16b)은 돌출부(14)의 내부 일측 길이방향을 따라 공기가 이동 가능하도록 형성되는 것으로, 일측은 내부채널(16a)과 연결되고, 타측은 돌출부(14)의 길이방향 중앙 방향으로 연장된다. 제 2 공압채널(16c)은 돌출부(14)의 내부 타측 길이방향을 따라 공기가 이동 가능하도록 형성되는 것으로, 일측은 돌출부(14)의 중앙에 위치되는 제 1 공압채널(16b)과 일체로 연결되고 타측은 돌출부(14)의 길이방향을 따라 그 외부로 노출되도록 연장된다.The channel member 16 is formed to move air along the inside of the main body 12 and the protrusion 14, and includes an internal channel 16a, a first pneumatic channel 16b, and a second pneumatic channel 16c. Includes. The internal channels 16a are formed to allow air to move inside the body 12, and consist of three, one side of each inner channel 16a extending in the direction of each vertex and the other side of the body 12 They are integrally connected to each other in a state extending in the center direction of. The first pneumatic channel (16b) is formed to move the air along the inner longitudinal direction of the protrusion (14), one side is connected to the inner channel (16a), the other side is the longitudinal center direction of the protrusion (14) Is extended to. The second pneumatic channel 16c is formed to move air along the longitudinal direction of the other side of the protrusion 14, and one side is integrally connected with the first pneumatic channel 16b located at the center of the protrusion 14 And the other side extends to be exposed to the outside along the longitudinal direction of the protrusion 14.

그리고 제 1 공압채널(16b)의 직경과 제 2 공압채널(16c)의 직경은 상호 상이하도록 형성되어, 외부로부터 채널부재(16)로 양압 또는 음압이 공급되면, 제 1 공압채널(16b)과 제 2 공압채널(16c)의 굽힘에 대한 강성이 변화된다. And the diameter of the first pneumatic channel (16b) and the diameter of the second pneumatic channel (16c) are formed to be different from each other, and when positive or negative pressure is supplied to the channel member 16 from the outside, the first pneumatic channel (16b) and The stiffness against bending of the second pneumatic channel 16c is changed.

예를 들면, 제 1 공압채널(16b)의 직경이 제 2 공압채널(16c)의 직경보다 작도록 형성된다. 그러면 돌출부(14)의 제 1 공압채널(16b)이 형성된 일측의 두께는 돌출부(14)의 제 2 공압채널(16c)이 형성된 타측 두께보다 두껍도록 구성된다. 이에 따라, 채널부재(16)로 양압이 가해지면, 제 1 공압채널(16b)보다 제 2 공압채널(16c)이 더 팽창되며, 이때, 굽힘에 대한 강성이 제 1 공압채널(16b)보다 제 2 공압채널(16c)이 상대적으로 더 강해지게 된다. 따라서, 채널부재(16)로 양압이 가해진 상태에서, 외부에서 돌출부(14)로 압축 응력이 가해지면 제 2 공압채널(16c)보다 상대적으로 강성이 약한 제 1 공압채널(16b)이 먼저 굽어지게 된다. For example, the diameter of the first pneumatic channel (16b) is formed to be smaller than the diameter of the second pneumatic channel (16c). Then, the thickness of one side of the protrusion 14 on which the first pneumatic channel 16b is formed is thicker than the thickness of the other side of the protrusion 14 on which the second pneumatic channel 16c is formed. Accordingly, when positive pressure is applied to the channel member 16, the second pneumatic channel 16c expands more than the first pneumatic channel 16b, and at this time, the stiffness against bending is greater than that of the first pneumatic channel 16b. 2 The pneumatic channel 16c becomes relatively stronger. Therefore, in a state in which positive pressure is applied to the channel member 16, when compressive stress is applied to the protrusion 14 from the outside, the first pneumatic channel 16b, which is relatively weaker than the second pneumatic channel 16c, is first bent. do.

반대로, 제 1 공압채널(16b)의 직경이 제 2 공압채널(16c)의 직경보다 작도록 형성된 상태에서, 채널부재(16)로 음압이 가해지면, 제 1 공압채널(16b)보다 제 2 공압채널(16c)이 더 수축되며, 이때, 굽힘에 대한 강성이 제 2 공압채널(16c)보다 제 1 공압채널(16b)이 상대적으로 더 강해지게 된다. 따라서, 채널부재(16)로 음압이 가해진 상태에서, 외부에서 돌출부(14)로 압축 응력이 가해지면 제 1 공압채널(16b)보다 상대적으로 강성이 약한 제 2 공압채널(16c)이 먼저 굽어지게 된다.Conversely, in a state in which the diameter of the first pneumatic channel 16b is formed to be smaller than the diameter of the second pneumatic channel 16c, when negative pressure is applied to the channel member 16, the second pneumatic pressure is higher than that of the first pneumatic channel 16b. The channel 16c is further contracted, and at this time, the first pneumatic channel 16b is relatively stronger than the second pneumatic channel 16c, which has a stiffness against bending. Therefore, in a state in which negative pressure is applied to the channel member 16, when compressive stress is applied to the protrusion 14 from the outside, the second pneumatic channel 16c, which is relatively weaker than the first pneumatic channel 16b, is first bent. do.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메타물질 구조체를 포함하는 복합 구조체를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.3 is a diagram illustrating a composite structure including a metamaterial structure according to a preferred embodiment of the present invention.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메타물질 구조체(10)를 포함하는 복합 구조체(100)는 6개의 메타물질 구조체(10)가 육각형 형태의 카이랄(chiral) 패턴으로 배열된다. 그리고 상호 인접한 한 쌍의 메타물질 구조체(10)의 상호 마주보는 돌출부(14)끼리는 상호 연결되어 6개의 메타물질 구조체(10)가 하나의 그룹을 형성한다. 이러한 메타물질 구조체(10)는 채널부재(16)로 양압이 가해지느냐 또는 음압이 가해지느냐에 따라 돌출부(14)의 굽어지는 부분이 달라지도록 변화되고, 이러한 변화를 이용하면 메타물질 구조체(10)가 압축력에 대해 양의 푸아송 비 또는 음의 푸아송 비를 갖도록 연속 제어할 수 있다.2 and 3, a composite structure 100 including a metamaterial structure 10 according to a preferred embodiment of the present invention includes six metamaterial structures 10 in a hexagonal chiral pattern. Are arranged as. In addition, the mutually facing protrusions 14 of the pair of metamaterial structures 10 adjacent to each other are connected to each other so that the six metamaterial structures 10 form one group. The metamaterial structure 10 is changed so that the bent portion of the protrusion 14 changes depending on whether a positive pressure is applied to the channel member 16 or a negative pressure is applied, and using this change, the metamaterial structure 10 Can be continuously controlled to have a positive Poisson ratio or a negative Poisson ratio with respect to the compressive force.

도 4 및 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메타물질 구조체를 포함하는 복합 구조체가 양의 푸아송 비를 갖도록 변형되는 상태를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.4 and 5 are views illustrating a state in which a composite structure including a metamaterial structure according to a preferred embodiment of the present invention is deformed to have a positive Poisson ratio.

도 3 및 도 4를 참조하면, 6개의 메타물질 구조체(10)는 상호 연결되어 하나의 그룹을 형성한다. 그리고 이 그룹은 복수 개가 상호 병렬로 배열되되 상호 인접한 2개의 그룹의 상호 마주보는 돌출부(14)끼리 상호 연결되도록 구성되어 복합 구조체(100)를 형성한다. 이러한 복합 구조체(100)의 채널부재(16)로 양압이 가해지면, 제 1 공압채널(16b)보다 제 2 공압채널(16c)이 더 팽창되어, 굽힘에 대한 강성이 제 1 공압채널(16b)보다 제 2 공압채널(16c)이 상대적으로 더 강해지게 된다.3 and 4, six metamaterial structures 10 are interconnected to form one group. In addition, a plurality of the groups are arranged in parallel with each other, but are configured such that the mutually facing protrusions 14 of two groups adjacent to each other are interconnected to form the composite structure 100. When positive pressure is applied to the channel member 16 of the composite structure 100, the second pneumatic channel 16c expands more than the first pneumatic channel 16b, so that the stiffness against bending is increased by the first pneumatic channel 16b. The second pneumatic channel 16c is relatively stronger than that.

이 상태에서, 도 5와 같이, 외부의 압축 응력이 복합 구조체(100)로 가해지면, 제 2 공압채널(16c)보다 상대적으로 강성이 약한 제 1 공압채널(16b)이 먼저 굽어지게 된다. 그러면 본체(12)와 연결된 돌출부(14)의 내측이 굽어지거나 펴지게 되어, 돌출부(14)의 경사각이 변화되고, 이는 복합 구조체(100)가 횡 방향으로 늘어나도록 하여, 복합 구조체(100)는 양의 푸아송 비를 갖게 된다.In this state, as shown in FIG. 5, when external compressive stress is applied to the composite structure 100, the first pneumatic channel 16b, which is relatively weaker than the second pneumatic channel 16c, is first bent. Then, the inner side of the protrusion 14 connected to the main body 12 is bent or unfolded, so that the inclination angle of the protrusion 14 changes, which causes the composite structure 100 to stretch in the transverse direction, so that the composite structure 100 is You will have a positive Poisson's ratio.

도 6 및 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메타물질 구조체를 포함하는 복합 구조체가 음의 푸아송 비를 갖도록 변형되는 상태를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.6 and 7 are views illustrating a state in which a composite structure including a metamaterial structure according to a preferred embodiment of the present invention is deformed to have a negative Poisson ratio.

도 3 및 도 6을 참조하면, 6개의 메타물질 구조체(10)는 상호 연결되어 하나의 그룹을 형성한다. 그리고 이 그룹은 복수 개가 상호 병렬로 배열되되 상호 인접한 2개의 그룹의 상호 마주보는 돌출부(14)끼리 상호 연결되도록 구성되어 복합 구조체(100)를 형성한다. 이러한 복합 구조체(100)의 채널부재(16)로 음압이 가해지면, 제 1 공압채널(16b)보다 제 2 공압채널(16c)이 더 수축되어, 굽힘에 대한 강성이 제 2 공압채널(16c)보다 제 1 공압채널(16b)이 상대적으로 더 강해지게 된다. 3 and 6, the six metamaterial structures 10 are interconnected to form one group. In addition, a plurality of the groups are arranged in parallel with each other, but are configured such that the mutually facing protrusions 14 of two groups adjacent to each other are interconnected to form the composite structure 100. When a negative pressure is applied to the channel member 16 of the composite structure 100, the second pneumatic channel 16c is more contracted than the first pneumatic channel 16b, so that the second pneumatic channel 16c is more rigid against bending. The first pneumatic channel 16b is relatively stronger than that.

이 상태에서, 도 7과 같이, 외부의 압축 응력이 복합 구조체(100)로 가해지면, 제 1 공압채널(16b)보다 상대적으로 강성이 약한 제 2 공압채널(16c)이 먼저 굽어지게 된다. 그러면 돌출부(14)의 경사각 변화는 거의 없는 대신, 제 2 공압채널(16c)이 형성되는 돌출부(14)의 외측이 안쪽으로 휘어지게 되고, 이는, 복합 구조체(100)가 횡 방향으로 수축되도록 하여, 복합 구조체(100)는 음의 푸아송 비를 갖게 된다.In this state, as shown in FIG. 7, when external compressive stress is applied to the composite structure 100, the second pneumatic channel 16c, which is relatively weaker than the first pneumatic channel 16b, is first bent. Then, there is little change in the inclination angle of the protrusion 14, but the outside of the protrusion 14 on which the second pneumatic channel 16c is formed is bent inward, which causes the composite structure 100 to contract in the transverse direction. , The composite structure 100 has a negative Poisson ratio.

이처럼 본 발명은 채널부재(16)로 양압 또는 음압을 공급함에 따라, 돌출부(14)의 강성을 부분적으로 변화시킬 수 있으며, 이를 통하여 복합 구조체(100)가 압축력에 대해 양의 푸아송 비 또는 음의 푸아송 비를 갖도록 연속적으로 변경시킬 수 있는 효과가 있다.As such, the present invention can partially change the stiffness of the protrusion 14 by supplying positive pressure or negative pressure to the channel member 16, through which the composite structure 100 is There is an effect that can be continuously changed to have a Poisson's ratio of.

또한, 본 발명은 채널부재(16)로 양압 또는 음압을 공급하는 간단한 구조로, 복합 구조체(100)의 푸아송 비를 연속적으로 가변시킬 수 있으므로, 웨어러블 장치, 인공 로봇, 음향 재료, 진동 전달 재료 등 다양한 분야에서 활용이 가능한 효과가 있다.In addition, the present invention is a simple structure for supplying positive pressure or negative pressure to the channel member 16, and since the Poisson ratio of the composite structure 100 can be continuously varied, wearable devices, artificial robots, acoustic materials, and vibration transmission materials It has an effect that can be used in various fields such as.

본 발명은 상기 실시예에서 상세히 설명되었지만, 본 발명을 이로 한정하지 않음은 당연하고, 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 청구범위의 범주에 속하는 것이라면 그 기술사상 역시 본 발명에 속하는 것으로 보아야 한다.Although the present invention has been described in detail in the above embodiments, it is natural that the present invention is not limited thereto, and it is obvious to those skilled in the art that various modifications and modifications are possible within the scope of the technical idea of the present invention, and such modifications and modifications are attached. If it falls within the scope of the claims, the technical idea should also be regarded as belonging to the present invention.

10: 메타물질 구조체 12: 본체
14: 돌출부 16: 채널부재
16a: 내부채널 16b: 제 1 공압채널
16c: 제 2 공압채널 100: 복합 구조체10: metamaterial structure 12: main body
14: protrusion 16: channel member
16a: internal channel 16b: first pneumatic channel
16c: second pneumatic channel 100: composite structure

Claims (8)

본체;
상기 본체의 외주를 따라 복수 개가 방사상으로 돌출되도록 형성되되 플랙시블한 재질로 형성되는 돌출부; 및
상기 본체의 내부에 공기가 이동 가능하도록 형성되되 일측은 각각의 상기 본체에 구비되는 꼭짓점 방향으로 연장되고 타측은 상호 일체로 연결되는 복수 개의 내부채널과, 상기 돌출부의 내부에 공기가 이동 가능하도록 형성되되 일측은 상기 내부채널과 연결되고 타측은 상기 돌출부의 단부를 통하여 외부로 노출되는 공압채널을 갖는 채널부재를 포함하고,
상기 공압채널은, 상기 내부채널과 연결되는 제 1 공압채널과, 상기 제 1 공압채널과 연결된 상태로 상기 돌출부의 외부로 노출되는 제 2 공압채널을 포함하되, 상기 제 1 공압채널의 직경과 상기 제 2 공압채널의 직경이 상호 상이하도록 형성되고,
외부로부터 상기 채널부재로 양압 또는 음압이 공급됨에 따라, 상기 제 1 공압채널과 상기 제 2 공압채널의 굽힘에 대한 강성이 변화되는 것을 특징으로 하는 메타물질 구조체.
main body;
A plurality of protrusions formed to radially protrude along the outer circumference of the main body and formed of a flexible material; And
A plurality of internal channels are formed to be movable inside the body, with one side extending in the direction of a vertex provided in each of the main bodies and the other side being formed to be movable inside the protrusion. One side is connected to the inner channel and the other side includes a channel member having a pneumatic channel exposed to the outside through an end of the protrusion,
The pneumatic channel includes a first pneumatic channel connected to the inner channel, and a second pneumatic channel exposed to the outside of the protrusion while being connected to the first pneumatic channel, wherein the diameter of the first pneumatic channel and the The diameters of the second pneumatic channels are formed to be different from each other,
Metamaterial structure, characterized in that as positive pressure or negative pressure is supplied from the outside to the channel member, the rigidity against bending of the first pneumatic channel and the second pneumatic channel is changed.
 제 1 항에 있어서,
복수 개의 상기 돌출부는 상기 본체에 시계 방향 또는 반 시계 방향을 따라 돌출 형성되어, 각각의 상기 돌출부의 돌출되는 각도는 예각을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 메타물질 구조체.
The method of claim 1,
The plurality of protrusions are formed to protrude from the main body in a clockwise or counterclockwise direction, and the protruding angle of each of the protrusions is formed to have an acute angle.
 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 공압채널의 직경이 상기 제 2 공압채널의 직경보다 작도록 형성되어,
상기 채널부재로 양압이 가해지면, 상기 제 1 공압채널보다 상기 제 2 공압채널이 더 팽창되어, 굽힘에 대한 강성이 상기 제 1 공압채널보다 상기 제 2 공압채널이 상대적으로 더 강해지게 되고,
상기 채널부재로 음압이 가해지면, 상기 제 1 공압채널보다 상기 제 2 공압채널이 더 수축되어, 굽힘에 대한 강성이 상기 제 2 공압채널보다 상기 제 1 공압채널이 상대적으로 더 강해지게 되는 것을 특징으로 하는 메타물질 구조체.
The method of claim 2,
The diameter of the first pneumatic channel is formed to be smaller than the diameter of the second pneumatic channel,
When positive pressure is applied to the channel member, the second pneumatic channel expands more than the first pneumatic channel, so that the stiffness against bending becomes relatively stronger in the second pneumatic channel than the first pneumatic channel,
When a negative pressure is applied to the channel member, the second pneumatic channel is contracted more than the first pneumatic channel, so that the first pneumatic channel is relatively stronger than the second pneumatic channel in bending stiffness. Metamaterial structure made of.
 제 2 항에 있어서,
상기 본체는 삼각형으로 형성되고,
상기 돌출부는 상기 본체에 구비되는 3개의 꼭짓점에 형성되도록 3개로 구성되는 것을 특징으로 하는 메타물질 구조체.
The method of claim 2,
The body is formed in a triangle,
The metamaterial structure, characterized in that consisting of three protrusions formed at three vertices provided in the body.
 제 4 항 기재의 메타물질 구조체를 포함하는 복합 구조체에 있어서,
6개의 상기 메타물질 구조체가 육각형 형태의 카이랄 패턴으로 배열되되, 상호 마주보는 상기 돌출부끼리 상호 연결되어 하나의 그룹을 형성하는 것을 특징으로 하는 메타물질 구조체를 포함하는 복합 구조체.
In the composite structure comprising the metamaterial structure of claim 4,
A composite structure including a metamaterial structure, wherein the six metamaterial structures are arranged in a hexagonal chiral pattern, and the protrusions facing each other are interconnected to form one group.
 제 5 항에 있어서,
상기 그룹 다수 개가 상호 병렬로 배열되되 상호 인접한 2개의 상기 그룹의 상호 마주보는 상기 돌출부끼리 상호 연결되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 메타물질 구조체를 포함하는 복합 구조체.
The method of claim 5,
A composite structure comprising a metamaterial structure, wherein the plurality of groups are arranged in parallel with each other, and the protrusions of the two adjacent groups are mutually connected to each other.
 제 6 항에 있어서,
상기 제 1 공압채널의 직경이 상기 제 2 공압채널의 직경보다 작도록 형성되어,
상기 채널부재로 양압 또는 음압이 가해짐에 따라 푸아송 비(Poisson's rate)가 변화되는 것을 특징으로 하는 메타물질 구조체를 포함하는 복합 구조체.
The method of claim 6,
The diameter of the first pneumatic channel is formed to be smaller than the diameter of the second pneumatic channel,
Composite structure comprising a metamaterial structure, characterized in that the Poisson's rate is changed as positive pressure or negative pressure is applied to the channel member.
 제 7 항에 있어서,
상기 채널부재로 양압이 가해지면, 상기 제 1 공압채널보다 상기 제 2 공압채널이 더 팽창되어, 굽힘에 대한 강성이 상기 제 1 공압채널보다 상기 제 2 공압채널이 상대적으로 더 강해지게 되고,
상기 채널부재로 음압이 가해지면, 상기 제 1 공압채널보다 상기 제 2 공압채널이 더 수축되어, 굽힘에 대한 강성이 상기 제 2 공압채널보다 상기 제 1 공압채널이 상대적으로 더 강해지게 되는 것을 특징으로 하는 메타물질 구조체를 포함하는 복합 구조체.The method of claim 7,
When positive pressure is applied to the channel member, the second pneumatic channel expands more than the first pneumatic channel, so that the stiffness against bending becomes relatively stronger in the second pneumatic channel than the first pneumatic channel,
When a negative pressure is applied to the channel member, the second pneumatic channel is contracted more than the first pneumatic channel, so that the first pneumatic channel is relatively stronger than the second pneumatic channel in bending stiffness. A complex structure including a metamaterial structure made of.
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