KR101115308B1 - 리퀴드 메탈 와이어 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본원 발명은 리퀴드 메탈 (Liquid metal) 소재로 이루어진 와이어(wire)에 관한 것으로 더욱 자세하게는 리퀴드 메탈은 지르코늄에 티타늄, 니켈, 구리 등을 섞어서 만든 합금 신소재로, 표면이 액체처럼 매끄러운 금속으로 이를 와이어의 형태로 가공하거나 또는 상기 리퀴드 메탈을 완성된 와이어에 코팅하는 리퀴드 메탈로 이루어진 와이어에 관한 것이다.

와이어, 침, 바늘, 스프링, 경량, 코팅,리퀴드, 메탈

Description

리퀴드 메탈 와이어 및 이의 제조방법{Liquid metal wire and manufacture a way}

본원 발명은 상기하였듯이 리퀴드 메탈을 주최로 하는 와이어에 관한 것으로 더욱 자세하게는 침이나 바늘 스프링, 케이블, 의복, 의료용, 치과, 장신구 등에 광범위하게 사용되고 있는 와이어에 경도가 강하고 복원력과 탄성이 좋고 특히 의료용 사용시에 생체접합성이 매우 뛰어난 소재인 리퀴드 메탈 소재로 와이어를 제조 또는 코팅하는 리퀴드 메탈 와이어 및 이의 제조방법의 제조 방법에 관한 것이다.

현재 산업적으로 사용되는 와이어는 탄성이 중요하므로 대부분이 KS D 3703, STS 304 나 316 스테인리스 강선 와이어가 주로 사용되고 있으며 그밖에 금, 은, 동, 등의 금속재료를 합금이나 코팅하여 사용되기도 한다.

그러나 종래의 스테인리스 강선으로 이루어진 와이어는 장기보관이나 사용시

부식의 우려가 발생하였고 스프링으로 사용시에는 시간이 갈수록 탄성력과 복원력이 떨어지는 문제점이 있었다.

또한, 이러한 종래 와이어를 가지고 한방용 침이나 치아교정용 와이어, 브래지어 와이어나 인체 견인용 와이어, 악기용 와이어로 사용시에는 녹이 나거나 탄성이 저하되고 표면이 고르지않고 거칠어 사용자가 불편함을 느끼는 경우가 발생한다.

특히 의료용으로 사용되는 와이어는 의료기기나 의복에 사용시에 인체 자극이 적고 생체적합성이 우수하며 표면이 매끄러운 재료를 사용해야하는데 현재 의료법이나 공산품 법에는 이를 별도의 제한을 두지않고 사용하고 있는 현실이다.

본원의 와이어 소재로 사용하는 리퀴드 금속은 딱딱한 결정 구조인 데 반해 액체처럼 원자 배열이 매우 자유로워 액체금속이란 이름이 붙었다.

리퀴드 메탈은 철보다 5배 강하고 현재 제일 강하다는 티타늄보다 3배 강하며 금속과 달리 부식이 전혀 없는 것으로 알려져 있으며,

또 전자파를 차단하는 성능이 있고, 플라스틱처럼 금형 틀에 따라 자유자재로 모양을 만들 수가 있으며 방향성이 없기 때문에 뛰어난 인성과 높은 강도와 연성을 가지고 자기 비등발성 (非等方性, anisotropy)이 없고, 전기저항도 작기 때문에 여러 소재로 쓰인다.

또한, 기존의 합금은 냉각시 물질 본래의 결정모양으로 되돌아 가는데 반해

리퀴드 메탈은 고체 상태에서 비정질 원자구조를 유지하므로 취약부분이나

결절포인트가 없어 강도와 탄성이 매우 높다.

고온에서 플라스틱처럼 자유로운 모양 형성이 가능하며 강도 대비 두께가 얇아

다양한 분야에 적용될 수 있다.

산업용 코팅에서부터 의료용품, 스포츠용품, 자동차 부품까지 다양한 분야에 활용할 수 있으며, 특히 휴대폰이나 PDA, TV, 노트북과 같은 전자제품 케이스로 활용이 가능하다.

보통 와이어를 만드는 과정은 일반적으로 널리 알려진 것으로 와이어 재료의 금속 이나 합금을 와이어 형태로 신선 (wire drawing) 하게 되는데 상기 신선은 철선(鐵線)을 만들 때 다이의 구멍을 통해 뽑아내어 목적하는 모양과 치수의 선을 만드는 금속가공법의 하나로서 강선(鋼線)이나 철선(鐵線)을 만들 때 다이의 구멍을 통해 뽑아내어 목적하는 모양과 치수의 선을 만드는 가공법이다.

소재(素材)로는 적당한 굵기의 봉제(棒材)를 목적하는 선의 단면 모양에 맞추어 구멍을 뚫은 다이를 통해 이 봉재를 뽑아냄으로써 굵기를 줄이며, 이 조작을 되풀이해서 점점 가는 선으로 만들게 되며 종래의 스테인리스 스틸 와이어도 이러한

과정으로 만들어진다.

상기 신선에 의하여 만들어진 와이어는 그 표면이 매우 거칠어지므로 다시 복잡한 포리싱 작업이나 후처리 공정을 거쳐야 하는데 반해, 본원의 리퀴드 메탈은 별도의 공정 없이 매끄러운 표면을 얻을 수 있고 상기하였듯이 탄성이 좋고 플라스틱처럼 복잡한 모양도 쉽게 만들 수 있는 등 많은 장점이 있으므로 와이어의 소재로 사용하기에는 최상의 조건을 갖춘 재료이다.

본원의 리퀴드 메탈은 기본적으로 지르코늄 구리 등의 반죽덩어리(Ingot) 형태 원재료가 투입되며 합금의 분자구조가 약해지는 것을 막기 위해 모든 공정이 진공상태에서 이루어지게 된다.

또한, 원료가 고주파 장비를 통해 어떤 온도에서 녹아 압연과정을 거치느냐가 리퀴드 메탈의 품질을 결정하게 된다.

리퀴드 소재의 가공 및 성형방법으로는 금형에 의한 성형 등이 있으며 이는 리퀴드소재를 연화하여 액체상태에서 금형에 주입하고 벌크응고 (bulk-solidifying) 시키 는 방법을 가장 많이 사용한다.

성형공정을 마치고 이동된 제품들은 가공하기 위해서는 상기 리퀴드 메탈의 강도가 너무 강하기 때문에 다이아몬드를 절단할 때 워터젯이나 레이저로 절단하는 것인데 통상적으로 워터젯 절단기를 통해서 절단하거나 표면을 가공하게 된다.

리퀴드 메탈은 겉은 철, 티타늄, 마그네슘보다 강도가 수십 배나 강할 뿐 아니라 부식이 없고 플라스틱처럼 정교한 성형이 가능해 상기의 철, 티타늄, 마그네슘 등을 대체할 수 있는 첨단 신소재로 평가받고 있다.

리퀴드 메탈은 통상적으로 지르코늄(40~45%)에 티타늄-니켈-구리 등을 일정량 섞어 만들며 통상적으로 600°C 정도의 열에서도 플라스틱처럼 성형을 자유자재로 할 수 있다.

무엇보다 주조(다이캐스팅) 공법으로 제품을 만들 경우 여타 금속소재는 부품 표면이 거칠지만 리퀴드 메탈은 물처럼 매끈한 외피가 저절로 형성돼 후처리 가공이 전혀 필요 없어 와이어의 소재로는 안성 맞춤이다.

리퀴드 메탈의 장점은 의료기기나 여성용 브라등에 사용시에 자극적이지 않고 매우 강한 복원력과 탄성 강한 강도를 가지며 염분 및 기타 화학반응에 강하며 다양한 형태로 제작가능하다.

또한 비결정체 구조의 영향으로 미세한 진동까지 전달되고, 고강도와 에너지 전달의 고효율과 진동이나 충격을 흡수하는 효과가 있는 장점이 있어 정밀기계의 부품으로 사용시 많은 장점이 있다.

이처럼 상기 와이어는 리퀴드 메탈(Liquid metal)을 주체로 하여 조성된 리퀴드 메 탈 합금 또는 상기 리퀴드 메탈을 통상 와이어 표면에 코팅하는 것을 특징으로 하며 바람직하게는 와이어의 표면이 리퀴드 메탈 층으로 코팅된 것을 특징으로 하는 리퀴드 메탈 와이어 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

본원발명에서 사용되는 리퀴드 메탈은 Zr(zirconium)을 주체로 ,Ti(titanium),Nb(niobium)Ni(nickel),Cu(copper),Al(aluminium),Fe(ferrum),Be(beryllium),Si(silicon),그래파이트(graphite), 카바이드(calcium, carbide), 질화물(nitride),텅스텐(tungsten) 및 몰리브덴(molybdenum) 등의 금속중 택일 된 하나 이상의 금속을 혼합하여 합금화로 이루어지며 윤활성이 뛰어난 경금속으로 고강도 및 뛰어난 탄성과 내식성을 지니고 있기 때문에 의료, 항공산업, 자동차산업 등에 구조물로써 이용된다.

또한 내화학성이 뛰어나기 때문에 화학산업 등에서 반응기, 열교환기 등에 이용되기도 용이하므로 본원 발명의 와이어의 소재로서 매우 우수한 재료이다.

본원 발명의 와이어의 소재로 사용되는 리퀴드 메탈 와이어 및 이의 제조방법은 열팽창이나 열전도계수가 낮아 와이어의 제작시 변형이 작으며 리퀴드 메탈은 타소재의 추정을 불허할 정도로 내식성이 우수하며 이는 리퀴드 메탈 표면에 형성되는 산화 리퀴드 메탈 피막이 매우 견고하고 부드러워 부식 억제효과가 클 뿐 아니라 높은 탄성과 피막이 파괴되더라도 즉시 재생이 되는 좋은 특성이 있다.

본 발명은 상기하였듯이 와이어 관한 것으로서 리퀴드 메탈 금속을 이용하여 와이 어를 제조하거나 코팅하는 기술에 관한 것이다.

현재 와이어 재료로 사용되는것은 철은 녹이나 부식이 심하여 사용하지않고 주로 KS D 3703 스테인리스 강선에 규정된 STS 304 나 316을 주로 사용하며 그밖에 금, 은, 동, 등의 금속재료를 합금이나 코팅하여 사용되고 있다.

이러한 와이어는 주사기나,침,의복이나 장신구 의료기기 사용시에 자극이 적고 생체적합성이 우수한 재료를 사용해야하는데 현행법에는 와이어의 재질에는 별도의 제한을 두지않는다.

상기 리퀴드 메탈소재의 와이어는 이렇듯 여러가지 좋은 특성이 있으므로 장기 보관하여도 와이어의 산화나 녹 등으로 인한 오염이나 인체 사용시에 감염을 예방할 수 있다.

본원 발명은 상기하였듯이 여러산업 분야에서 폭넓게 사용하는 와이어를 인체에 무해한 무독성이고 생체접합성 소재인 리퀴드 메탈로 제조하거나 통상의 와이어를

상기 리퀴드 메탈로 합금하거나 코팅함으로 와이어 사용시 발생하는 부작용을 방지하고 특히 와이어는 전기 전도율을 높여 치료효과를 높일 수 있는 기능성 와이어의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적 내식성 리퀴드 메탈은 질산, 크롬산 및 왕수 등의 산화 산에 대해서는 고온, 고농도의 조건하에서도 아주 강한 내식성을 나타낸다.

고온에서는 염산이나 황산 등의 비산화산에 대해서는 부식이 발생하지만, 이 경우에도 약간의 산화제와 함께 사용될 경우 이러한 비산화산에 대한 내식성도 매우 향 상 된다. 하지만, 불소의 경우에는 통상의 실내온도에서도 부식에 매우 약하기 때문에 각별한 주의가 필요하다.

또한, 리퀴드 메탈은 비등상태의 알칼리 용액 등에도 뛰어난 내식성을 나타내며, 종래 사용되는 스테인리스 스틸 소재의 와이어에서 발생하는 부식이나 녹 등이 전혀 나타나지 않는 좋은 기능과 강한 탄성이 있으며 리퀴드 메탈은 생산원가가 티타늄 합금의 3분의 1수준에 불과하여 본원의 와이어의 소재로는 최상의 조건을 갖추게 된다.

본원 발명은 상기하였듯이 본원 발명은 상기하였듯이 리퀴드 메탈을 주최로 하는 와이어(10)에 대한 것으로 더욱 자세하게는 와이어(10)는 의료용이나 바늘, 침, 스프링, 케이블, 의복, 장신구, 악기, 견인줄 등에 광범위하게 사용되고 있는 와이어에 경도가 강하고 생체접합성이 매우 뛰어난 소재인 리퀴드 메탈 소재로 와이어를 제조 또는 코팅하는 리퀴드 메탈 와이어(10) 및 이의 제조방법의 제조 방법에 관한 것이다.

상기하였듯이 리퀴드 메탈 (Liquid metal) 소재로 이루어진 와이어(10)는 지르코늄을 주체로 하여 티타늄, 니켈, 구리 등을 섞어서 만든 합금 신소재로, 표면이 액체처럼 매끄러워 리퀴드 메탈(액체금속)을 와이어(10)의 형태로 가공 또는 코팅하여 사용하는 리퀴드 메탈로 이루어진 와이어 및 이의제조방법에 관한 것이다.

본원의 리퀴드 메탈(20)은 통상적으로 지르코늄을 주체로 구리, 티탄 등의 반죽덩어리(Ingot) 형태 원재료가 투입되며 합금의 분자구조가 약해지는 것을 막기 위해 모든 공정이 진공상태에서 이루어져야 한다.

또한, 원료가 고주파 장비를 통해 어떤 온도에서 녹아 압연과정을 거치느냐가 리퀴드 메탈의 품질을 결정하게 된다.

리퀴드 소재의 가공 및 성형방법으로는 다이캐스팅에 의한 성형 등이 있으며 이는 리퀴드소재를 액체상태에서 금형에 주입하고 응고시키는 방법을 가장 많이 사용한다.

금형공정을 마치고 이동된 리퀴드 메탈을 가공하기 위해서는 상기 리퀴드 메탈의 강도가 너무 강하기 때문에 워터젯이나 레이저 절단기를 통해서 절단이나 표면을 가공하게 된다.

리퀴드 메탈은 철, 티타늄, 마그네슘보다 강도가 수십 배나 강할 뿐 아니라 부식이 없고 플라스틱처럼 정교한 성형이 가능해 상기의 스테인리스 스틸, 철, 알루미늄, 티타늄, 마그네슘 등을 대체할 수 있는 첨단 신소재로 평가받고 있다.

리퀴드 메탈은 통상적으로 지르코늄(30~50중량%)에 티타늄-니켈-구리 등을 섞어 만들며 600~800°C 정도 열에서도 플라스틱처럼 성형 및 연신을 자유자재로 할 수 있다.

무엇보다 주조(다이캐스팅) 공법으로 부품을 만들 경우 여타 금속소재는 제조시 부품 표면이 거칠어지므로 포리싱작업을 해야하는데 본원의 리퀴드 메탈은 물처럼 매끈한 외피가 저절로 형성돼 후처리 가공이 전혀 필요 없다.

또한, 리퀴드 메탈의 장점은 인체에 사용시에 자극적이지 않고 강한 강도와 탄성을 가지며 염분 및 기타 화학반응에 강하며 다양한 형태로 제작가능하다.

상기 리퀴드 메탈은 비결정체 구조의 영향으로 의료기기나 인체 사용시 미세한 진동까지 전달되고, 고강도와 에너지전달의 고효율이 더해진다.

리퀴드 메탈은 스테인리스 스틸과 비교할 때 강도는 4배, 경도는 6배 정도

이며 이러한 리퀴드 메탈 합금의 뛰어난 특성으로 충격을 흡수하는 장치 등에도 고루 사용되고 있다.

또한, 상기 와이어(10)는 Zr(zirconium)을 주체로 하여 조성된 리퀴드 메탈 합금인 것을 특징으로 하며 와이어(10)의 표면이 리퀴드 메탈 층으로 코팅된 것을 특징으로 하는 리퀴드 메탈 와이어(10) 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

본원의 리퀴드 메탈의 와이어(10)의 제조를 개략적으로 살펴보면 주조 작업은 신선이나 압출,봉재 작업등으로 이루어지며 바람직하게는 폐쇄형 다이 캐비티(closed-cavity) 내에서 수행되어 개별 제품을 형성할 수 있으며

상기 주조작업은 개방형 다이 캐비티 내에서 수행되어 플레이트(plate), 로드(rod) 등의 형상을 가진 반연속(semi-continuous) 방법으로도 상기 와이어를 제조할 수 있다.

바람직하게는 교반 중에, 가스 라인을 용융 체내로 삽입하여 추가의 버블을 생성할 수도 있다.

먼저, 본원의 리퀴드 메탈 와이어(10)를 만들기 위해서는 발포 벌크(bulk) 고화 리퀴드 메탈 합금 구조의 공급재료가 소정용기에 진공상태에서 공급된다.

상기 공급재료를 냉각할 때, 그 물질 고유의 온도영역에서 급격히 굳는 현상으로 유리전이점 아래의 온도에서는 분자운동이 매우 느려 결정화가 불가능하며, 유리전 이온도 점보다 낮거나 높은 온도의 영역에서는 물질의 물리적 성질이 급격하게 변화하는 유리전이 온도(琉璃轉移, glass transition) 이상으로 가열되고 상기 온도에서 발포 구조를 가진 벌크 리퀴드 메탈 합금은, 그의 내재하는 발포 구조를 실질적으로 유지하면서, 적절한 성형 및 서모 플라스틱 공정을 통해 넷형상(net-shape)으로 형상화된다.

상기 와이어 소재인 리퀴드 메탈(20)은 블로우(blower)성형 또는 다이-형성 (die-forming) 등이 바람직한데 이 경우는 공급재료의 일부를 클램프(clamp)하고 클램프 되지 않은 부분의 대향 하는 면들에 압력차를 적용할 수 있으며 다이-형성 (die-forming) 시 공급재료는 다이 캐비티로 강제(force)되어 표면 특질의 다양한 성형 공정을 이용할 수 있다.

본 발명의 리퀴드 메탈(20) 합금 와이어는후처리(finish)를 위해 후속하는 공정단계를 이용할 수 있으나, 상기 벌크 리퀴드 메탈 합금의 기계적 특성은 열처리 또는 가공처리와 같은 후속하는 공정을 필요로 하지 않고도 주조 또는 성형 된 형태로서 형성되며 와이어 형태로 신선 되게 된다.

상기 용융상태의 벌크 고화 리퀴드 메탈 합금(20)은 이어서 가압 된다(pressurized). 상기 단계에서, 가압 압력은 바람직하게는 10 psi 내지 10,000psi까지도 될 수도 있다.

상기 가압 된 용융 합금을 이어서 재빨리 교반하여 버블을 형성하고 이를 잡아두며(trap), 교반및 합금 소재로는 바람직하게는 Zr(zirconium)을 30내지 50중량%를 투입 주체로 하여 여기에 Ti(titanium),Nb(niobium),Ni(nickel),Cu(copper),

Al(aluminium),Fe(ferrum),Be(beryllium),Si(silicon),그래파이트(graphite), 카바이드(calcium, carbide), 질화물(nitride),텅스텐(tungsten )몰리브덴(molybdenum) 등과 같은 내화성 금속으로 만들어진 소재를 합금으로 사용함이 바람직하며 보다 우수한 리퀴드 메탈 합금 와이어를 위해서는 상기에 명시되지않은 또 다른 어떠한 금속이라도 합금화 함이 바람직하다.

상기 교반 소재는 일반적으로 프로펠러 형상으로 교반하며 바람직하게는 50rpm 내지 1500rpm의 속도로 회전하며 스핀속도를 5,000rpm 이상까지 하여, 대략 30% 이상의 높은 세공부피 분율을 얻을 수도 있으며 바람직하게는 탈주(fugitive) 또는 휘발성 용재를 이용하여 와이어 형상이나 와이어의 형태로 세공을 형성할 수도 있다.

이러한 용재의 한 바람직한 형태는, ZrH (수소화지르코늄) 및 TiH(수소화 티타늄)과 같은 하이드라이트(hydrite)로 이루어짐이 바람직하다…

상기 방법에서, 리퀴드 메탈(20) 와이어(10)의 합금은 다시 용융 온도 이상의 온도로 가열되며 이어서, 상기 탈주용재를 상기 금속의 용융 체내로 도입한다.

또한, 상기 탈주용재의 휘발성이 적합하며 용융온도를 증가시키거나 혹은 기계적 교반 또는 보조와 같은 기타 수단에 의해 활성화된다.

따라서, 탈주용재는 용융물내의 세공형성을 보조하며 상기 용융물은 리퀴드 메탈 합금와이어의 바람직한 유리 전이온도 약 50~250℃로 냉각된다.

본원의 리퀴드 메탈 소재의 와이어는벌크 고화 리퀴드 메탈 합금을 진공상태에서 제공하는 단계;

상기 벌크 고화 리퀴드 메탈 합금을 그의 대응 결정상(corresponding crystalline phase)의 용융 온도보다 높은 온도로 가열하여 용융상태의 벌크 고화 리퀴드 메탈 합금을 형성하는 단계;

상기 용융상태의 벌크 고화 리퀴드 메탈 합금을 가압하는 단계;

상기 용융상태의 벌크 고화 리퀴드 메탈 합금을 압력하에 교반하여 상기 용융상태의 벌크 고화 리퀴드 메탈 합금의 혼합물을 형성하는 단계; 및 상기 혼합물을 상기 벌크 고화 리퀴드 메탈 합금의 유리 전이온도 약 50~250℃ 온도로 빠르게 냉각하여 고화된 발포 벌크 리퀴드 메탈 합금 구조물을 와이어 형태로 신선하는 단계와 이를 세척 및 건조하는 단계와 신선된 와이어를 일정형상의 롤(40)에 권취하는 단계로 본원의 리퀴드 메탈 소재의 와이어가 완성 되게 된다.

상기 리퀴드 메탈 와이어는 바람직하게는 와이어 전체중량%에 대하여 Zr(zirconium)30~50중량%에 대하여 여기에 Ti(titanium),Nb(niobium),Ni(nickel),Cu(copper),

Al(aluminium),Fe(ferrum),Be(beryllium),Si(silicon),그래파이트(graphite), 카바이드(calcium, carbide), 질화물(nitride),텅스텐(tungsten ),몰리브덴(molybdenum) 금속중 택일된 바람직한 어느 하나 이상의 금속을 혼합하는 단계로 이루어지는데 상기 리퀴드 금속의 균일화와 강도 강화 및 내부식성 강화를 위해서는 상기 금속 중에 Zr(zirconium)30~50중량%를 반드시 투입함이 바람직하고 표면의 매끄러움과 광택과 탄성 및 복원력 향상 유지를 위하여 유리 전이온도 약 50~250℃로 냉각하게 됨이 바람직하다.

더욱 바람직하게는 상기 리퀴드 메탈 소재 합금 와이어를 이루는 소재 금속 전체중량 100중량%에 대하여 Zr(zirconium)30~50중량%와 Ti-Nb-Ni-Cu-Be로 이루어진 합금이고, 상기 Ti 함량과 Zr 함량의 합이 상기 리퀴드 메탈의 합금 전체 중량%에 대하여 약 1~60중량% 이내가 투입된 것이 바람직하며;

더욱 바람직하게는 상기 와이어 전체중량 100중량%에 대하여 Zr(zirconium)30~50중량%와 그밖에 Ti-Nb-Ni-Cu-Al로 이루어진 합금이고, 상기 Ti 함량과 Zr 함량의 합이 상기 리퀴드 메탈의 합금 전체 100중량%에 대하여 약 1~ 60중량%이내가 투입된 합금으로 이루어진 것도 바람직하다.

또한, 상기 리퀴드 메탈 합금 와이어가 Fe계 합금이고, 상기 Fe 함량이 상기 리퀴드 메탈의 합금 전체 중량%에 대하여 약 1~60중량% 이내인 것이 바람직하며;

또한, 상기 리퀴드 메탈 합금이 일반적 표현으로서 식 1은 (Zr, Ti) 2(Ni, Cu, Fe) 3(Be, Al, Si)으로 나타낼 수 있고, 상기 식에서 1은 리퀴드 합금 전체 중량%에 대하여 약 20중량% 내지 80중량%가 바람직하고, 식2는 합금 전체 중량%에 대하여

약 10중량% 내지 70중량 %가 바람직하고, 식 3은 상기 합금 전체 중량%에 대하여

약 5중량% 내지 50중량% 범위로 이루어진 것이 바람직하다.

또한, 상기 리퀴드 합금은 Zr 47, Ti 8, Ni 10, Cu 7.5, Be 27.5인 것으로 이를 열가소성 주조 또는 다이캐스팅에 의한 성형하는 것 또한 바람직하다.

이하, 본 발명에 따른 리퀴드 메탈 와이어 및 이의 제조방법의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같고 아래에서는 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 복잡하 게 하거나 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

그리고 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 간략하게 정의된 용어들로서 이는 당업자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으며 본원의 리퀴드 메탈의 제조방식은 통상의 바람직한 제조방법에 모두 포함될 수 있는 것이며 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본원 발명의 리퀴드 메탈 와이어 및 이의 제조방법의 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본원발명의 리퀴드 메탈 와이어 및 이의 제조방법에 있어 리퀴드 메탈의 결정사진으로 성형전의 리퀴드 메탈의 사진을 나타낸 것이다.

도 2는 본원발명의 리퀴드 메탈 와이어 및 이의 제조방법에 있어 리퀴드 메탈의 결정구조사진과 비정질 사진을 나타낸 것이다.

도 3은 본원발명의 리퀴드 메탈 와이어 및 이의 제조방법에 있어 리퀴드 메탈의 탄성도 그래프를 나타낸 것으로 알루미늄, 티탄, 스테인리스 스틸, 구리 등의 탄성 도를 그래프로 나타낸 것으로 상기 리퀴드 메탈의 탄성도가 확연하게 뛰어난 것을 알 수 있었다.

도 4는 종래기술에 따른 스테인리스스틸 와이어를 나타내는 단면도,

도 5는 본 발명에 따른 리퀴드 메탈 와이어를 나타내는 단면도로서 와이어가

롤(40)로 감겨 져있는 그림과 와이어만 권취되어 있는 그림을 사시도로 나타낸 것이다.

한편, 바람직하게는 본원에서 사용하는 금속 또는 합성수지 소재로 된 와이어(10)에 대하여 그 표면을 리퀴드 메탈로 코팅하는 방법을 기술한 것으로서 본원의 코팅방법은 습식과 건식코팅이 있으며 본원의 와이어(10)에 모두 바람직하게 선택되어 사용할 수 있으며 먼저, 습식코팅과정은 상기 와이어(10)를 세척공정과 헹굼 공정을 거치고 이를 통상의 코팅 탱크에 투입하는데 이때 리퀴드 메탈(20)을 상기 코팅하고자 하는 용매물질 전체증량%에 대하여 바람직하게는 0.001 내지 10중량%를 투입하여 상기 와이어의 표면에 리퀴드 메탈 막이 고착되게 되는 것이며 통상의 금속 와이어를 코팅 탱크에 투입하고 여기에 리퀴드 메탈 바인더를 투입하여 전류를 흐르게 하여 코팅함도 바람직하다.

한편, 본원의 건식코팅은 상기 와이어를 세척과 헹굼 공정을 거치고 이를 건조한 후 건식 코팅하고자 하는 플라스마 탱크에 상기 와이어(10)를 투입하고 전원을 작동하여 탱크 내부의 진공을 실시하며 불활성 가스를 주입하고 이때 리퀴드 메탈 타깃을 부착한 후 플라스마 방전을 한 후에 상기 와이어(10)에 리퀴드 메탈을 코팅하게 되는 것이다.

상기 와이어의 표면에 리퀴드 메탈 파티클이 코팅된 두께는 바람직하게는 0.1(nm) 내지 200㎛ (마이크로)로 코팅하는 것을 특징으로 한다.

상기 리퀴드 메탈 파티클을 상기 와이어에 코팅하기 위한 바람직한 또 다른 방법으로 는함침 탱크에 투입하여 상온에서 상기 나노화된 리퀴드 메탈(20)이 함유된 바인더 전체용액 100중량 부에 대하여 알코올을 포함한 통상의 휘발성 유, 무기용재 85 내지 95중량 부와 실록산, 아크릴류를 포함한 유, 무기 바인더 1 내지 5중 량 부 리퀴드 메탈 용액 또는 분말 0.001 내지 10중량 부를 투입하여 교반 과정과 함침 후 건조하여 와이어(10) 표면에 리퀴드 메탈 파티클이 적층 및 코팅되게 되는 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명은 상기의 많은 장점을 지닌 리퀴드 메탈(20) 금속을 본원 발명의 와이어(10)의 제조 공정 중에서 와이어(10)의 소재 전체 중량%에 대하여 0.001 내지 10중량%로 리퀴드 메탈 파티클을 교반하고 상기 와이어(10)의 투입된 리퀴드 메탈의 입자의 크기는 0.1 내지 500㎚의 사이즈를 갖고 코팅시 와이어의 코팅 두께는 0.1nm 내지 200㎛ (마이크로미터)의 두께로 와이어에 코팅 막이 형성된 것을 특징으로 하고 바람직하게는 와이어 몸체 전체중량 %에 대하여 나노 사이즈의 리퀴드 메탈 파티클이 상기 와이어의 코팅 부의 코팅 물질 전체중량%에 대하여 0.001 내지 10중량%가 코팅된 것을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본원 발명은 통상의 코팅 방법을 따르며 코팅의 종류와 방법이 많아 이를 모두 나열할 수 없기에 본원의 바람직한 한실시 예로 먼저 리퀴드 메탈(20)을 코팅하는 방법으로는 전해 코팅과 무 전해 코팅으로 나누어지고 전해 코팅은 전류를 사용하고 무전 해 코팅은 말 그대로 전기를 사용하지 않고 화학반응을 통해 코팅되는 방식으로 다시 말해서 코팅이란 금속이온이 전자를 받아서 환원이 되어 특정표면에 달라붙는 것을 말하는데 일반적으로 알고 있는 코팅은 정류기를 통해 나온 전기를 이용하여 코팅하는 방식이 가장 많이 쓰인다.

그러나 기판(substrate)에 전기를 줄 수 없는 본원 발명에 있어 합성수지나 세라믹, 고무 소재로 이루어진 와이어는 전기가 통하지 않아 이 위에 금속이 석출 되어 코팅이 될 수가 없는데 이러한 경우 가장 많이 무 전해 코팅 또는 바인더에 함침하여 피상체에 코팅을 하게 된다.

무 전해 코팅은 보통 2가지 방법이 있는데 하나는 ①환원 코팅 ②치환 코팅 방식이 있는데 환원 코팅방식은 말 그대로 환원반응을 통해서 금속이 석출이 되는 코팅 방식으로 합성수지 표면의 기름때라든지 지저분한 물질을 세척 화하고 기판 표면을 "+"상태로 활성화해주며. 조절시킬 때 계면활성제 성분을 사용하게 되며 이를 살펴보면,

1) 촉매: 콜로이드 (Colloidal) 성분의 팔라듐(Palladium)을 "+" 활성화된 합성수지 표면에 부착을 시킨다.

2) 엑셀네이트 (Accelerator) :(팔라듐) Palladium 콜로이드에 포함되어 Pd를 보호하고 있는 Sn(Tin)을 제거하고 합성수지 표면에 Pd Metal이 석출이 되게 한다.

3) 무 전해 화학코팅: 구리 이온, 에틸렌티아민 4초산(EDTA), 수산화 나트륨(NaOH), 포름알데히드 성분들이 들어 있는데 Pd이 촉매 역할을 수행하게 되는데 이때 Na OH가 pH를 11 이상 올려주게 되면 포름 알데히드가 강력한 환원작용이 일어나며 이때 전자가 발생이 되며 이 전자가 구리 이온으로 흘러가 구리 이온이 Pd 촉매 위에 석출이 되어 도포가 되게 된다.

둘째 치환 코팅에 대해서 알아보면 다음과 같다.

치환 코팅 방식은 산화/환원력의 차이에 의해서 발생이 되며 치환 코팅의 대표적인 물질은 Ni/Au, Ag 코팅이 있으며 Ni을 무전 해 화학 동 코팅 방식과 같은 방식을 써서 금속 표면에 전착을 시킨다.

그리고 나서 리퀴드 메탈 이온이 들어있는 용액에 담가두게 되면 리퀴드 메탈 이온이 원래 그 자체로 존재하려고 하는 환원력이 니켈보다 강하기 때문에 니켈 금속을 가만히 두지 않고 니켈 내부에 있는 전자를 리퀴드 메탈 이온이 강제적으로 빼앗아 니켈은 산화가 되어 이온이 되고 리퀴드 메탈은 니켈로부터의 전자를 받아서 환원이 되어 전착이 되는 것이며 상기에서는 와이어에 전반적인 혼입 및 코팅 과정과 구성에 대하여 상세하게 살펴보았으며 본원 발명의 와이어의 윤활력과 표면 강화와, 내열성과 내구성과 음이온과 원적외선 방출을 위해서는 리퀴드 메탈이 지극히 바람직하며 혼입량은 와이어 전체중량%에 대하여 각각 0.001 내지 10중량%가 바람직하다.

리퀴드 메탈의 밀도는 종래의 스테인리스 스틸 강(Steel)의 5배의 정도이고, 탄성계수 (Modulus)는 종래의 상기 와이어(10)의 금속인 강 스틸(Steel)의 적어도 3배 이상이며 특히 -200~600의 온도 범위에서는 어떤 공업용 합금보다 비강 도(강도/비중)가 우수하며 리퀴드 메탈(20)은 스테인리스 스틸의 약 5배로 대단히 가볍기 때문에 와이어(3)의 중량을 초 경량화할 수 있으며 열전도 또한 스테인리스 스틸보다 월등하고 열팽창은 스테인리스 스틸의 1/2 정도로 우수하다.

특히 종래 스테인리스 스틸 와이어는 철이나 니켈이 합금화 되어있기에 대기중이나 습기가 많은 곳이나 지하나 해안가 등에서 사용시 녹이나 산화되는 문제점이 있었으며 와이어의 유통과정이나 보관중에 발생할 수 있는 녹이나 부식 산화 문제점을 예방 및 방지할 수 있다.

이처럼 리퀴드 메탈(20)의 물성 특징에 따라 널리 사용되기 시작하는데 리퀴드 메 탈은 고강도 및 낮은 탄성계수는 물론 체액의 생리적 거부현상에 대한 저항성 등이 낮아 생체 친화적인 특성이 있으며 스포츠 분야에서도 합금소재로 가공되고 있고 본원에서는 탁월한 윤활력과 중량대비 고강도, 우수한 내부식성, 낮은 탄성계수 등을 들 수 있는 와이어(10)가 제조하는데 본원발명의 목적이 있는 것이다.

이렇듯이 여러 분야에서 사용되는 와이어를 리퀴드 메탈을 주체로 하여 조성된 리퀴드 메탈(20) 합금으로 이루어지는바, 리퀴드 메탈(20)에 전체 조성물을 기준으로 하여 표면 성질을 개선하기 위하여 바람직하게는 지르코늄(6)(Zr/zirconium)을 주체로 하여 가공성을 향상시키기 위한 니오브(7)(Nb/niobium), 내식성을 높이기 위한 탄탈(8)(Ta/tantalum) 및 인듐(9)(In/indium) 등이 일정량 리퀴드 메탈 와이어 및 이의 제조방법에 첨가될 수도 있다.

본 발명에 대한 다른 변형 및 변경은 특히 청구의 범위에 설명된 본 발명의 취지 및 범위로부터 벗어나지 않으면서 당업자에 의해 예의실시될 수 있으며;

또한, 다양한 실시 예의 측면들은 전체적 또는 부분적으로 변형될 수 있음을 이해해야하며 당업자는 상기 설명이 단지 예시적인 것이고, 청구의 범위에 기재된 본 발명의 기술적 요지를 제한하려는 의도가 없음을 이해할 것이다.

또한, 본원 발명은 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본원 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본원발명의 리퀴드 메탈 와이어 및 이의 제조방법에 있어 리퀴드 메탈의 결정사진.

도 2는 본원발명의 리퀴드 메탈 와이어 및 이의 제조방법에 있어 리퀴드 메탈의 결정구조 및 비정질 사진.

도 3은 본원발명의 리퀴드 메탈 와이어 및 이의 제조방법에 있어 리퀴드 메탈의 탄성도 그래프.

도 4는 종래기술에 따른 스테인리스스틸 와이어를 나타내는 단면도,

도 5는 본 발명에 따른 리퀴드 메탈와이어를 나타내는 단면도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10: 와이어 20: 리퀴드 메탈

40:롤

Claims (5)

1. 와이어에 있어서

   상기 와이어(10)는 와이어(10) 전체중량 %에 대하여 Zr(zirconium)30~50중량%와 여기에Ti(titanium),Nb(niobium),Ni(nickel),Cu(copper),Al(aluminium),Fe(ferrum),Be(beryllium),Si(silicon),그래파이트(graphite), 카바이드(calcium, carbide), 질화물(nitride),텅스텐(tungsten ),몰리브덴(molybdenum) 금속 중 택일 된 어느 하나 이상의 금속을 투입 교반하여 용융상태의 리퀴드 메탈 합금의 혼합물을 혼합하는 단계;

   상기 리퀴드 메탈(20) 합금을 그의 대응 결정상의 용융 온도보다 높은 온도로 가열하여 용융상태의 벌크 고화 리퀴드 메탈(20) 합금 혼합물을 형성하는 단계;

   상기 벌크 고화 리퀴드 메탈(20) 합금 혼합물을 유리 전이 온도 미만으로

   냉각하여 상기 고화된 발포 벌크 리퀴드 메탈 합금 구조물을 와이어(10) 형태로 신선하는 단계와 이를 세척 및 건조하고 이를 롤(40) 형태로 권취하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 리퀴드 메탈 와이어의 제조방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 청구항 제1항에 있어서,

   상기 리퀴드 메탈(20) 혼합물을 다이 캐비티(closed die-cavity) 또는

   다이캐스팅으로 성형하는 단계;

   이를 와이어(10) 형태로 만들기 위하여 신선 (wire drawing) 하는 단계;

   상기 신선된 와이어(10)를 세척 후 건조하고 이를 소정의 롤(40)에 권취 하는 단계

   상기 롤(40)에 권취된 리퀴드 메탈 와이어(10)를 일정길이로 절단 후 포장하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 리퀴드 메탈 와이어의 제조방법.

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