KR100936183B1 - 이 방향 형상기억효과를 갖는 코일 스프링 및 그 제조방법과, 이를 이용한 단열 제품 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이 방향 형상기억효과를 갖는 코일 스프링 및 그 제조 방법과 이를 이용한 단열 제품에 관한 것으로서, 형상기억합금 소재의 코일 스프링 내부에 특정 방위의 석출물을 내포시켜 이 방향 형상기억효과를 발현시키고, 변태 온도 전·후에서의 변위 차가 큰 상기 코일 스프링을 두 부재 사이에 설치하여, 단열 성능이 우수하고 제작이 간단한 단열 제품을 제공한다.

형상기억합금, 이 방향 형상기억효과, 석출물, 방열복, 단열

Description

이 방향 형상기억효과를 갖는 코일 스프링 및 그 제조 방법과, 이를 이용한 단열 제품{COIL SPRING HAVING TWO-WAY SHAPE MEMORY EFFECT AND THE FABRICATION METHOD THEREOF, AND ADIABATIC PRODUCT USING THE SAME}

본 발명은 이 방향 형상기억효과를 갖는 코일 스프링 및 그 제조 방법과, 이를 이용한 단열 제품에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 특정 방위로 배향된 석출물을 이용하여 이 방향 형상기억효과를 발현시킨 코일 스프링 및 그 제조 방법과, 이 코일 스프링을 이용하여 단열 성능이 우수하고 제작이 간단한 단열 제품에 관한 것이다.

일반적으로, 방열복 등의 산업안전 관련 제품은 고온의 외부 조건하에서 단열 효과를 발생시킴으로써 착용자의 안전을 보장하는데, 이 경우 온도가 상승하게 되면 방열복의 안쪽과 바깥쪽 옷감 사이의 공기층을 크게 만들어 단열시키는 방법을 많이 사용하고 있다.

현재는 이러한 단열 효과를 발생시키기 위해, 금속의 열팽창의 차이를 이용한 바이메탈이 많이 쓰이고 있다. 그러나 바이메탈은 온도상승에 따른 변위가 작아 그다지 효과적이지 않은 문제점이 있다.

한편, 형상기억합금은 형상기억에 수반되는 회복력이 좋고, 반복 사용성이 우수하여 유리한 점이 많으나, 실제 산업적이 적용을 위해서 갖추어야 할 요건이 많다. 이러한 형상기억합금은 변위를 크게 하기 위해서 코일 스프링 형태로 많이 쓰이고 있는데, 제작 방법 등에 따라 온도 변화에 의한 변위 등 성능이 크게 달라진다.

따라서, 이러한 형상기억합금을 방열복 등의 단열 제품에 적용하여 단열 성능을 향상시키는 방법을 착상할 수 있는데, 기존에는 이러한 시도가 전혀 없는 실정이다.

본 발명은 이러한 종래의 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은,

1) 이 방향 형상기억효과를 가지며 상 변태 온도 전·후에서의 변위 차가 큰 코일 스프링 및 그 제조 방법을 제공하고,

2) 단열 성능이 우수하고 제조 비용이 저렴하여 산업에 쉽게 적용할 수 있는 단열 제품을 제공하는 데 그 목적이 있다.

이러한 목적들은 다음의 본 발명의 구성에 의하여 달성될 수 있다.

(1) 형상기억합금 소재로 코일 형태를 가지며, 특정 방위로 배향된 석출물을 내포하여 이 방향 형상기억효과를 갖는 것을 특징으로 하는 이 방향 형상기억효과를 갖는 코일 스프링.

(2) 형상기억합금으로 이루어진 선재를 밀착되도록 감아 코일 스프링을 형성하는 단계;

상기 코일 스프링을 600∼1200 ℃에서 용체화 처리 후 급냉하는 단계;

상기 코일 스프링을 팽창시킨 상태에서 350∼600 ℃에서 시효 처리를 하여 특정 방위로 배향된 석출물을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이 방향 형상기억효과를 갖는 코일 스프링의 제조 방법.

(3) 제1 및 제2 부재와;

상기 두 부재 사이에 개재되며, 형상기억합금 소재로 코일 형태를 가지고 특정 방위로 배향된 석출물을 내포하여 이 방향 형상기억효과를 갖는 코일 스프링;을 포함하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 단열 제품.

본 발명에 의하면, 간단하고 저렴한 방법으로 형상기억합금 소재의 코일 스프링 내에 특정 방위를 갖는 석출물을 형성시켜 이 방향 형상기억효과를 발현시키고, 변태 온도 전·후에서의 변위 차가 매우 큰 코일 스프링을 제공할 수 있다.

이러한 코일 스프링을 방열복 등의 단열 제품에 적용하면, 큰 변위 차에 기인하여 안쪽 옷감과 바깥쪽 옷감 사이의 공기층을 크게 만들 수 있고, 이에 따라 단열 효과가 우수한 방열복을 간단한 방법으로 제조할 수 있다.

이하, 첨부 도면에 따라 본 발명의 최선의 실시 상태를 상세히 설명하겠다.

본 발명은 형상기억합금 (Shape Memory Alloy; SMA)을 이용하여 이 방향 형상기억효과를 가지면서도 변태 온도 전·후에서의 변위 차가 매우 큰 코일 스프링을 제공하는데, 이러한 코일 스프링은 방열복 등의 단열 제품에 적용 가능하다.

SMA는 형상기억에 수반되는 회복력이 좋고, 반복 사용성이 우수하여 유리한 점이 많으나, 실제 산업적인 적용을 위해서는 갖추어야 할 요건이 많다. 이러한 SMA는 변위를 크게 하기 위해서 코일 스프링 형태로 많이 쓰이고 있는데, 제작 방법 등에 따라 온도 변화에 의한 변위 차가 크게 달라진다.

SMA가 상업성을 갖추기 위해서는 다음과 같은 세 가지의 특성이 필요하다. 첫째, 온도에 따른 변위가 커야 한다. 온도에 따른 변위가 크면, 쓰이는 합금의 양이 적어도 되므로, 경제적이며 제품도 가벼워지는 장점이 있다. 둘째, 제작 방법이 간단해야 하며, 이는 단가와도 관계가 있다. 셋째, 저온에서는 코일 스프링이 가장 짧은 길이로, 가능한 한 밀착된 상태로 있는 것이 바람직하다. 그래야만 온도 상승에 의한 팽창 효과를 극대화할 수 있다.

SMA는 제조 상태에서는 저온에서 변형한 다음 가열에 의해서 원상태로 돌아가는데, 다시 냉각되면 일반적으로 형상의 변화가 없다. 이러한 현상을 일 방향 형상기억효과 (one-way shape memory effect)라고 한다. 한편, 고온의 형상과 저온의 형상을 모두 기억하여 형상이 바뀌는 현상을 이 방향 (two-way shape memory effect) 또는 가역형상기억효과 (reversible shape memory effect)라고 한다.

본 발명은, 도 1에 보이는 바와 같이, 저온에서의 밀착된 형상 (a)과 고온에서의 팽창된 형상 (b)을 모두 기억하는 SMA의 이 방향 형상기억효과를 이용하여 온도 변화에 따라 두 부재 간의 변위 차를 극대화한 단열 제품을 제공한다.

SMA에서 이 방향 형상기억효과가 일어나게 하는 방법은 몇 가지가 알려져 있다.

가장 많이 쓰이고 있는 방법으로 냉각-변형-가열의 공정을 반복하면 비교적 쉽게 이 방향 형상기억효과가 달성된다. 고온에서 팽창하고 저온에서 수축하는 이 방향으로 작동하는 SMA 스프링의 제작 방법을 도식적으로 표현하면 도 2와 같다. 먼저, 스프링이 팽창된 상태로 SMA 스프링을 제작한다 (상태 1). 팽창된 스프링을 저온에서 수축시키고 (상태 1→2), 이를 가열하여 팽창이 되게 하고 (상태 2→3), 다시 냉각시킨다 (상태 3→2). 그리고, 가열 팽창과 저온 수축을 반복한다 (상태 2↔3). 그 결과, 도 2에서 점선으로 표시한 바와 같은 이 방향 기억효과를 나타낸다.

그러나, 이 방법을 적용하기에는 세 가지 문제가 있다. 첫째, 저온에서 수축변형시킬 때 변형량을 크게 해야 이 방향 형상기억효과가 커지는데, 코일이 밀착되는 데까지밖에 수축이 안 되므로 효과가 작을 수밖에 없다. 둘째, 저온에서도 스프링이 크게 팽창되어 있어 작동 효율이 떨어지게 된다. 즉, 도 2를 참조하면, 저온에서 수축 변형시 점선의 화살표 (상태 4)까지만 수축이 일어난다. 셋째, 수십∼수백 번 냉각-변형-가열의 공정을 반복하는 데에 비용이 많이 드는 문제가 있다.

한편, 이 방향 형상기억효과를 발현시키는 또 한 가지 방법으로는 도 3에서 도해적으로 보여주는 바와 같이 원래 팽창된 스프링을 수축시킨 후, 구속된 상태에서 변태 온도 이상과 이하로 가열과 냉각을 반복하는 방법이 있다. 그 결과, 점선으로 표시한 바와 같은 이 방향 기억효과를 나타낸다. 그러나 역시 상기 방법과 같은 문제가 있다.

본 발명은 상기 문제점들을 해결한 이 방향 형상기억효과 처리 방법을 제공한다. 본 발명에 의하면, 저온에서 스프링이 밀착되어 있다가 온도가 상승하면 크게 팽창하며, 냉각되면 다시 수축해서 밀착되는 이 방향 형상기억효과를 나타나게 된다. 이는 제작도 간단하여 단가가 높지 않다는 장점이 있다.

본 방법은 여러 종류의 형상기억합금 중 Ni-Ti계 합금에 잘 적용된다. Ni-Ti 계 합금의 경우 Ni₄Ti₃의 석출물이 이 방향 형상기억효과를 나타나게 하는데, 이러한 석출물이 생성되게 하기 위해서 Ni-Ti 중 Ni이 50.2∼52.0 at%인 조성의 합금을 이용할 필요가 있다. Ni이 50.2 at% 미만에서는 석출물이 생기지 않아 이 방향 효과를 나타나게 하지 못하고, 52.0 at%를 넘으면 선재를 만드는 가공이 매우 어렵다. 이때, 합금 조성에 불가피한 불순물이 들어갈 수도 있으나, 본 발명의 효과에는 크게 영향을 미치지 않는다.

석출물을 이용한 이 방향 형상기억효과를 발현시키는 공정은 다음과 같다.

먼저, 코일 스프링을 밀착한 상태에서 600∼1200 ℃에서 용체화 처리 및 급냉 처리를 행한다. 그 다음, 다시 스프링을 팽창시킨 상태에서 350∼600 ℃에서 석출물이 생성되도록 시효 처리를 행하는데, 스프링을 팽창시킨 상태에서 시효 처리를 행하면 외부 응력이 가해져 특정 방위의 석출물을 생성시키게 된다. 이때, 석출물의 양은 합금조성과 온도에 따라 다르지만, 전체 합금조성의 0 초과 15 vol% 이하의 양이 생성된다. 원래 석출물은 4가지 방위 (예컨대, 어느 한 그레인에 [111], [-111], [1-11], [11-1] 방향, 여기서 "-" 부호는 밀러 지수에서의 음의 부호를 나타낸다)를 가질 수 있다. 만일, 응력이 없는 상태에서 시효하면 4가지 방위의 석출물이 비슷한 양으로 생겨 냉각시 형상 변화가 없지만, 응력이 가해지면 어느 하나 (예컨대, 한 그레인에 [111] 방향의 석출물)만 생겨 이것이 냉각시 형상 변화를 생성시키게 된다. 이렇게 특정 방위의 석출물이 생성되면 특정 방위 (12개의 방위 중 한 방위)의 마르텐사이트를 우선적으로 생성시켜 이 방향 형상기억효과가 나타나게 되는데, 도 4와 같은 거동을 보이게 된다. 높은 온도에서는 스프링이 팽창되고 온도가 낮아지면 수축하게 되는데 완전히 밀착 후에도 마이너스로 수축하게 되어있다. 그러나, 더 이상 수축할 수 없으므로 완전히 밀착 상태를 유지하게 된다.

스프링 변위 테스트

1. 비교예 1

직경 1.0 mm이고 조성이 50.7Ni-Ti 인 선재를 직경 19 mm의 봉에 10회 감는데 선과 선 사이의 간격이 12.5 mm이 되도록 하였다. 이를 450 ℃에서 2시간 가열하여 형상을 기억시켜 스프링을 제작하였다. 이 스프링을 도 2의 원리를 적용하여 -10 ℃에서 밀착 변형시키고 60 ℃로 가열하여 회복시키는 공정을 50회 반복하였다 (시편 A).

2. 비교예 2

직경 1.0 mm이고 조성이 50.7Ni-Ti 인 선재를 직경 19 mm의 봉에 10회 감는데 선과 선 사이의 간격이 12.5 mm이 되도록 하였다. 이를 450 ℃에서 2시간 가열하여 형상을 기억시켜 스프링을 제작하였다. 이 스프링을 도 3의 원리를 적용하여 -10 ℃에서 밀착시킨 다음 구속시킨 상태에서 60 ℃로의 가열과 -10 ℃로의 냉각을 50회 반복하였다 (시편 B).

3. 실시예

직경 1.0 mm이고 조성이 50.7Ni-Ti 인 선재를 직경 19 mm의 봉에 10회 감는데 선이 밀착되도록 감았다. 800 ℃에서 30분 용체화 처리한 다음 수냉하였다. 수냉은 상온 이하의 온도까지 행하여졌다. 이를 선과 선 사이가 12.5 mm가 되도록 팽창시킨 후 구속한 다음 450 ℃에서 2시간 시효 처리하였다 (시편 C).

상기의 시편들을 60 ℃와 -10 ℃에서의 스프링의 길이를 측정한 결과를 표 1에 나타내었다.

[표 1]각 공정별 온도에 따른 스프링의 길이 비교

시편	저온 (㎜)	고온 (㎜)
A	125	132
B	119	134
C	10	115

시편 A는 온도 변화에 따라 7 mm 정도의 작은 길이 변화를 보이는데, 이는 압축할 수 있는 변형량이 작기 때문 때문이다. 시편 B는 15 mm 정도의 길이 변화를 보이고 있다. 시편 C는 105 mm의 큰 변형량을 나타낼 뿐만 아니라 저온에서는 밀착상태가 되어 있어 (선경이 1 mm인데 10회 감겨 있으므로 밀착상태에서 10 mm임), 사용에 아주 적합한 성질을 갖게 된다. 또한, 시편 A 및 B는 반복적인 처리를 통하여 얻어지는데 반하여, 시편 C는 한 번의 열처리로 얻어지므로 생산성이 매우 우수하다는 장점이 있다.

복사열 테스트

기존 방열복 (소방복)과 본 발명에 따라 제조된 SMA 방열복의 열 차단 효과 를 비교하였다. 기존 방열복은 안쪽 및 바깥쪽 옷감 사이에 단열재인 펠트 (felt)재로 충진되어 있다. SMA 방열복은 안쪽 및 바깥쪽 옷감 사이에 SMA 코일이 설치되어 있는데, 수축시 코일 길이가 저온에서 7 mm, 45 ℃ 이상의 고온이 되면 팽창하여 36 mm가 되도록 제조되어 있다. 복사열 테스트는 의류시험 연구소에 의해 제작된 장치에 의해 실험을 행하였다. 1200 ℃의 복사열에서 각각 12 ℃, 24 ℃ 상승하는데 걸리는 시간을 측정하였다.

[표 2]복사열 테스트 결과

샘플	12℃ 상승 소요시간	24℃ 상승 소요시간
기존 방열복	29 초	46 초
SMA 방열복	38.7 초	50.8 초

이 실험을 통해 SMA 방열복이 기존 방열복에 비해 복사열에 대한 열적 보호성능이 우수함을 알 수 있었다.

이상, 본 발명을 도시된 예를 중심으로 하여 설명하였으나 이는 예시에 지나지 아니하며, 본 발명은 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 다양한 변형 및 균등한 기타의 실시예를 수행할 수 있다는 사실을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 개념도로서 이 방향 형상기억효과를 갖는 코일 스프링을 이용하여 두 부재 간 거리를 조절하는 것을 나타낸다.

도 2는 이 방향 형상기억효과를 발현하는 기존 방법을 나타낸다.

도 3은 이 방향 형상기억효과를 발현하는 기존 방법을 나타낸다.

도 4는 본 발명에 따라 이 방향 형상기억효과를 갖는 코일 스프링의 작동 원리를 나타낸다.

Claims (6)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 형상기억합금으로 이루어진 선재를 밀착되도록 감아 코일 스프링을 형성하는 단계;

   상기 코일 스프링을 600∼1200 ℃에서 용체화 처리 후 급냉하는 단계;

   외부 응력을 가하여 상기 코일 스프링을 팽창시킨 상태에서 350∼600 ℃에서 시효 처리를 하여 특정 방위로 배향된 석출물을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이 방향 형상기억효과를 갖는 코일 스프링의 제조 방법.
5. 삭제
6. 삭제

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