KR101566361B1 - 형상기억합금을 이용한 방한 의류 - Google Patents

Abstract

본 발명은 본 발명은 온도에 따라 형상이 변화하는 형상기억합금의 원리를 이용하여 온도 변화에 따라 의복의 부피 또는 두께가 변화하는 의류에 관한 것으로, 형상기억합금을 이용한 와이어를 형성하고 이러한 형상기억합금 와이어를 의복의 외피와 내피에 장착하여 상대적으로 포근한 날씨에는 그에 맞춰 형상기억합금 와이어로 형성되는 공기층의 두께가 얇아지고 반대로 추운 날씨에는 공기층의 두께가 두꺼워지는 구조를 제공한다. 이와 같이 본 발명의 방한 의류는 온도에 따라 적절한 부피 또는 두께로 변형되어 적절한 방한 성능을 갖게 된다.

Description

형상기억합금을 이용한 방한 의류{KEEP-WARM CLOTHES USING SHAPE MEMORY ALLOY}

본 발명은 형상기억합금의 이용에 관한 것으로, 보다 상세하게는 온도에 따라 변화하는 형상기억합금을 이용하여 내부 공기층을 형성하게 되는 방한 의류에 관한 것이다.

일반적으로 알려진 방한 의류에는 다운 점퍼나 오리털 파카, 패딩 점퍼 등의 다양한 아웃도어 제품들이 판매되고 있다. 이와 같은 방한 의류는 체온을 유지하기 위해 내부에 오리털이나 거위털, 솜과 같은 다양한 충전재들을 넣어 제작되고 있는데, 이러한 방한 의류의 한 예가 대한민국 공개특허공보 제10-2010-0081172호에 소개되어 있으며, 이는 내부 원단을 중심을 겉감(10)과 안감(20)이 구비되고, 다시 겉감(10)과 안감(20) 사이에 다운 충전부(30)가 형성되어 이 공간에 다운이 충전되는 구성을 갖추고 있다. 그러나, 이러한 충전재들은 대체로 가벼운 편이나 부피가 커서 착용시 다소 활동성이 떨어지고 움직임이 둔해지는 단점이 있으며, 또한 겨울철이 지나고 이를 보관하고자 할 때도 큰 부피로 인해 많은 공간을 차지하게 되는 문제점이 있다. 또한, 이러한 방한 의류는 착용하면 매우 따뜻하나 큰 부피로 인해 속에 옷을 두껍게 입지 않게 되는데, 이 경우 일교차가 큰 날에는 옷을 입고 활동하면 덥고 벗으면 추워 사용상에 불편함이 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 개발된 것으로, 형상기억합금 소재의 와이어를 이용하여 내부에 공기층을 형성하고 이를 통해 방한 및 보온 효과를 갖게 되는 방한 의류를 제안함에 그 목적이 있다.

이러한 목적에 따라 본 발명은 본 발명은 온도에 따라 형상이 변화하는 형상기억합금의 원리를 이용하여 온도 변화에 따라 의류의 부피 또는 두께가 변화하는 의류에 관한 것으로, 형상기억합금을 이용한 와이어를 형성하고 이러한 형상기억합금 와이어를 의류의 외피와 내피에 장착하여 상대적으로 포근한 날씨에는 그에 맞춰 형상기억합금 와이어로 형성되는 공기층의 두께가 얇아지고 반대로 추운 날씨에는 공기층의 두께가 두꺼워지는 구조를 제공한다.

구체적으로, 본 발명의 방한 의류는 외피와 내피 사이의 각 구획부에 온도에 따라 모양이나 크기가 변하는 형상기억합금 소재의 와이어 구조체를 내장하고, 상기 구조체는 형상기억합금으로 만든 와이어를 이용하여 정원, 타원형 또는 다각형 형태의 일정한 형상체를 구성하되, 상기 형상체들은 의복의 두께 방향으로 뉘어진 다수의 가로 형상체들과 의복의 종방향으로 세워진 다수의 세로 형상체들이 서로 교차된 상태로 의복의 횡방향을 따라 연결되어 외피와 내피 사이에 내장된다.

본 발명의 다른 예로 외피와 내피 중 적어도 하나를 2겹으로 구성하고, 외피와 내피 사이에 각각 거위털이나 오리털, 솜과 같은 충전재를 채워넣음으로써 형상기억합금에 의해 확장된 공기층과 더불어 방한 및 보온 효과를 높일 수 있다.

본 발명은 상기 각 구획부의 상,하부에 열선을 배치하고 상기 열선과 각 구획부들의 내부를 연통시켜 상기 열선으로부터 발생된 열이 구획부 내부로 전달되도록 한 방한 의류를 제공할 수 있다.

이와 같은 본 발명의 방한 의류는 온도에 따라 적절한 부피 또는 두께로 변형되어 최적의 방한 및 보온 효과를 제공하게 된다.

도 1은 종래의 방한 의류를 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 방한 의류의 내부구성에 관한 개략도,
도 3은 도 2에 따른 방한 의류의 단면 구조와 외부 기온에 따른 상변태 과정을 도시한 종·횡 단면도,
도 4는 도 2에 따른 방한 의류 구조의 변형례를 도시한 단면도,
도 5는 본 발명에 따른 방한 의류의 다른 실시예를 도시한 단면 구성도,
도 6은 도 5에 따른 방한 의류의 작용 단계를 도시한 블럭도.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.

아래의 실시예들에서는 본 발명을 설명함에 있어서 필연적인 부분들을 제외하고는 그 도시와 설명을 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 유사한 구성요소에 대하여는 동일한 참조부호를 부여하고 그에 대한 상세한 설명을 반복하지 않고 생략하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 방한 의류를 도시한 개략도이고, 도 3은 본 발명에 따른 방한 의류의 단면 구조와 외부 기온에 따른 상변태의 과정을 도시한 것이다.

일반적으로 방한 의류는 내부에 오리털이나 거위털, 솜 등의 충전재를 채워넣고 박음질을 통해 고정하게 되는데, 이때 방한 의류의 표면에는 다수의 주름이 형성된다. 본 발명의 경우, 이러한 충전재 대신 의복의 외피와 내피 사이에 공기층을 확장하여 공기의 낮은 열전도율을 이용한 방한 및 보온 효과가 달성되도록 한 것으로, 이를 위해 외피와 내피 사이의 각 구획부에 온도에 따라 모양이나 크기가 변하는 형상기억합금 소재의 와이어 구조체를 내장한 구성을 제공한다.

이 구조체는 형상기억합금으로 만든 와이어를 이용하여 정원, 타원형 또는 다각형 형태의 일정한 형상체(21)(22)를 구성한 것으로, 이들은 의복 표면의 각 주름(13)(14)(15) 사이에 형성된 개별 구획부들의 외피와 내피 사이에 내장될 수 있다. 형상기억합금은 일단 어떤 형상을 기억하면 여러가지 형상으로 변형시켜도 적당한 온도로 가열하면 변형 전의 형상으로 되돌아오는 성질이 있다. 이러한 형상기억합금에는 Ti-Ni계, Cu계, Fe계 등이 있으며, 이들 중 Ti-Ni계 형상기억합금은 여타의 합금에 비하여 형상기억효과 및 그 안정성이 우수하여 실용화의 측면에서 가장 주목을 받고 있다. 따라서, 본 발명에서 와이어 형상체(21)(22)는 Ti-Ni계 형상기억합금(21)을 이용하여 제작함이 바람직하다.

일반적으로 Ti-Ni계 형상기억합금들 중 Ti-Ni 2원합금은 Ti와 Ni을 원자의 수로 동량씩, 즉 원자비 1:1로 함유한 합금으로서, 원자비 1:1의 Ti-Ni합금은 단지 Ti과 Ni이 혼합된 합금이 아니고 양쪽의 원자가 교대로 정렬한 규칙구조로 되어 있는 금속간 화합물이다. Ti-Ni합금에서 Ti와 Ni의 중량비는 Ti과 Ni이 비중이 다르므로 중량비를 Ti45%, Ni55%로 구성되지만, 본 발명에서는 Ti와 Ni의 중량비를 Ti 48 at.% 이하, Ni58 at.% 이하로 구성하고, 그 변태온도(마르텐사이트 변태개시온도;Ms)를 330~220K으로 일정하게 유지한 Ti-Ni계 형상기억합금을 이용한다.

또한, 본 발명에 따른 와이어 형상체(21)(22) 제작에 이용된 Ti-Ni계 형상기억합금은 제3 원소를 조성물로 첨가할 수 있다. 예를 들면, Ni를 Cu로 치환할 수 있는데, 이 경우 슬립임계응력이 증가하여 변태이력이 감소하므로 형상기억특성과의 탄성거동에 많은 영향을 미치는 것으로 보고된 바 있다. 또한, Ti-Ni합금에 Nb를 첨가하여 Ti-Ni-Nb합금으로 제공할 수 있으며, 이 경우에는 Ti-Ni 내부에 Nb가 순Nb로 존재하여 변태이력을 아주 크게 할 수 있다. 또한, V, Cr, Mn, Co등의 제3 원소나 Hf, Zr, Pd, Pt등의 제3 원소를 선택적으로 첨가할 수 있으며, 보고된 바에 따르면 V, Cr, Mn, Co등의 첨가는 변태온도를 저하시키고 Hf, Zr, Pd, Pt등의 첨가는 변태온도를 상승시킨다.

본 발명에 따른 와이어 형상체(21)(22)의 제작에 이용되는 위와 같은 조성을 갖는 Ti-Ni계 형상기억합금은 다음과 같은 방법으로 제작될 수 있다.

먼저, Ti-Ni 또는 Ti-Ni-제3원소를 고주파 유도 용해법, 전자빔 용해법, 아르곤 아크 용해법, 또는 플라즈마 아크 용해법을 통해 진공 중이나 아르곤 분위기에서 용해한다.

이후, 용해된 Ti-Ni 또는 Ti-Ni-제3원소를 이용하여 400℃이하에서 열간 또는 냉간가공한다. 이때, 열간가공에 의한 Ti-Ni합금에서의 인장특성을 살펴보면 300℃ 이하에서는 온도의 상승에 따라서 인장강도는 증가하지만 400℃를 초과하면 인장강도는 급격히 떨어지고 연신율은 증가한다. 따라서, Ti-Ni합금의 열간가공은 온도가 높을수록 산화 스케일도 증가하므로 400℃ 이하에서 진행함이 바람직하다. 또한, 냉간가공은 가공경화의 영향이 커서 작업이 용이하지 않으나 가공경화를 줄이기 위해 가공률과 중간 소둔공정을 적절히 할 필요가 있다.

열간 또는 냉간가공이 끝난 후에는 Ti-Ni계 형상기억합금에 대해 형상기억처리를 수행한다. 형상기억처리에는 크게 중온처리, 저온처리, 시효처리가 있으며, 가장 폭넓게 사용되는 처리는 중온처리이다. 중온처리는 만들어진 합금을 지그에 묶어 400∼500℃로 가열하는 것으로 제품크기에 따라 약 10∼100min 범위로 진행한다. 저온처리는 처음에 합금을 500℃이상의 고온에서 가열하여 합금내의 조직은 균일화하고 이것을 성형한 후 200∼300℃에서 기억처리하는 방법으로, 합금을 완전히 소둔한 후에 성형함으로 성형가공이 용이하고 복잡한 형상을 기억시킬 때에 편리한데 형상회복특성은 중온처리한 합금보다 떨어진다.

따라서, 본 발명에서 Ti-Ni계 형상기억합금의 형상기억처리는 중온처리로 진행됨이 바람직하다. 이때, Ti-Ni계 형상기억합금을 지그에 고정하고 와이어 형상체(21)(22)에 해당되는 부분을 돌출하여 입체화된 형상으로 400∼500℃에서 약 10∼100min 동안 가열하여 형상기억시킨다.

한편, 각각의 형상체(21)(22)들은 2면체 또는 다면체 형태로 제공될 수 있다. 다면체인 경우 스스로 입체적인 형태를 갖추고 의복(1)의 횡방향으로 서로 연결된 상태로 외피(11)와 내피(12) 사이에 내장된다. 또한, 2면체 형태의 경우에는 의복(1)의 두께 방향으로 뉘어진 다수의 가로 형상체(21)들과 의복의 종방향으로 세워진 다수의 세로 형상체(22)들이 서로 교차된 상태로 의복의 횡방향을 따라 연결되어 외피(11)와 내피(12) 사이에 내장된다. 물론 도 3a의 횡단면과 도 3b의 종단면을 통해 보는 바와 같이 다수의 가로 형상체(21)들과 다수의 세로 형상체(22)들이 서로 직교된 상태로 연결될 수도 있지만, 그에 추가하여 대각선 방향과 그 사잇각으로 교차하며 실질적으로 다면체의 입체적 형상을 갖도록 구성할 수도 있다.

도 3a에 따르면, 의복의 횡단면 방향, 즉 두께 방향으로 1겹의 가로 형상체(21)들이 의복의 횡방향으로 서로 연결된 상태로 연장되어 있고, 가로 형상체(21)들의 중앙에는 세로 형상체(22)들이 교차하며 의복의 횡방향으로 서로 연결된 상태로 연장되어 있다. 또한, 도 3b에 따르면, 의복의 종단면 방향, 즉 종방향으로 1겹의 세로 형상체(22)들이 의복의 횡방향으로 서로 연결된 상태로 연장되어 있고, 세로 형상체(22)들의 중앙에는 가로 형상체(21)들이 교차하며 의복의 횡방향으로 서로 연결된 상태로 연장되어 있다.

물론, 각 주름(13)과 주름(14) 사이의 외피(11)와 내피(12) 사이에는 의복의 횡단면 방향 및 종단면 방향으로 2겹이나 3겹 이상의 가로 또는 세로 형상체(21)(22)들이 서로 연결되어 연장될 수도 있으나, 본 실시예에서는 의복의 두께와 비용, 제작공수 등을 고려하여 1겹의 가로 또는 세로 형상체들이 내장된 형태를 중심으로 예시한다.

가로 형상체(21)와 세로 형상체(22)의 교차 방식은 상술한 바와 같이 여러 각도로 교차하도록 구성될 수 있으며, 이 경우에도 가로 형상체(21)와 세로 형상체(22)는 각각 1대1 교차하는 것은 물론 2대1 교차, 즉 1개의 가로 형상체(21)와 2개의 세로 형상체(22) 또는 2개의 가로 형상체(21)와 1개의 세로 형상체(22)가 서로 교차하도록 연결할 수도 있다.

이상과 같은 구성으로부터 본 발명의 형상기억합금으로 구성된 와이어 형상체(21)(22)는 실내에서는 축소된 상태로 상태적으로 얇은 공기층을 형성하고 있다가 기온이 강하하여 일정 온도에 아래로 내려갈 경우, 예를 들어 영하의 날씨에 외부에 나갈 경우 도 3a와 같이 가로 형상체(21)들이 점점 팽창(21-21'-21")되면서 외피(11)와 내피(12) 사이에 넓은 공기층을 형성하고, 또한 도 3b와 같이 세로 형상체(22)들이 점점 팽창(22-22'-22")되면서 상부 주름(13)과 하부 주름(14) 사이를 채워 각 구획부의 외형을 갖추어 넓은 공기층을 형성하게 된다. 반대로, 실외에서 실내로 들어오거나 봄철과 같이 일정 온도 이상으로 기온이 상승하면 가로 및 세로 형상체(21)(22)들은 다시 축소(21"-21'-21)(22"-22'-22)되어 얇은 공기층을 형성하게 되고 그에 따라 의복의 두께는 얇아져 보관이 용이해지는 것이다.

도 4는 도 2에 따른 방한 의류 구조의 변형례를 도시한 것으로, 외피와 내피 중 적어도 하나를 2겹으로 구성하고 이들 외피와 내피 사이에 각각 거위털이나 오리털, 솜과 같은 충전재를 채워넣은 경우이다. 이는 확장된 공기층과 더불어 방한 및 보온 효과를 높일 수 있어 보다 효과적이다.

도 5는 본 발명에 따른 방한 의류의 다른 실시예를 도시한 단면 구성도, 도 6은 도 5에 따른 방한 의류의 작용 단계를 블록도로 도시한 것이다. 도 5에 따르면, 본 발명의 방한 의류는 적어도 하나의 주름(13')(14')(15') 내부에 열선을 내장한 것이 제공된다. 바람직하게는 상부 주름(15')과 가운데 주름(13') 그리고 하부 주름(14')이 각각 열선을 내장할 수 있으며, 한 예로 가운데 주름(13')의 경우 상부라인(13a)과 하부라인(13b)이 상호 이격되어 그 사이에 열선(13c)이 내장되는 형태를 갖는다. 이 경우, 상부라인(13a)과 하부라인(13b)은 각각 복수의 통공(13a₁)(13b₁)들을 갖추어 열선(13c)으로부터 발생된 열이 각각의 통공(13a₁)(13b₁)들을 통해 상,하부의 구획부들로 전달될 수 있으며, 이 열은 각각의 구획부에서 내부의 공기층을 데워 착용자의 몸을 보다 따뜻하게 하여 준다.

한편, 열선의 작동은 도 6에 도시된 바와 같이 온도센서(41)와 제어부(42)에 의해 이루어질 수 있다. 먼저 기온이 강하하여 일정 온도에 아래로 내려갈 경우, 예를 들어 영하의 날씨에 외부에 나갈 경우 온도센서(41)가 이를 감지하고 신호를 전달한다. 제어부(42)는 전달된 온도 신호에 따라 열선(13c)의 발열을 조정하고 열선(13c)으로부터 열은 도 5에 도시된 통공(13a₁)(13b₁)들을 통해 각 구획부의 공기층을 가열한다. 이에 따라 형상기억합금으로 구성된 와이어 형상체(21)(22)들은 일정 온도 이상에서 점차 수축되고 각 구획부에서의 공기층은 점점 얇아진다. 따라서, 사용자는 열선(13c)의 발열로 몸을 따뜻하게 유지함과 동시에 의복의 두께는 얇아져 활동이 둔하지 않게 된다.

이상 본 발명의 다양한 실시예들을 설명하였으나, 지금까지 설명한 내용들은 본 발명의 바람직한 실시예들 중 그 일부를 예시한 정도에 불과하다. 따라서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 범위내에서 발명의 요지를 변경시키지 않고 본 발명에 대하여 다양한 변형을 가할 수 있음은 물론이다.

1 : 의복
11 : 외피
12 : 내피
13,14,15,13',14',15' : 주름
13a : 상부라인
13b : 하부라인
13c : 열선
13a₁,13b₁ : 통공
21 : 가로 형상체
22 : 세로 형상체

Claims (4)

1. 의복 내부에 충전재 대신 외피와 내피 사이에 공기층을 확장하여 공기의 낮은 열전도율을 이용하여 방한 및 보온 효과를 달성하기 위한 것으로,
   외피와 내피 사이의 각 구획부에 온도에 따라 모양이나 크기가 변하는 형상기억합금 소재의 와이어 구조체를 내장하고, 상기 구조체는 형상기억합금으로 만든 와이어를 이용하여 정원, 타원형 또는 다각형 형태의 일정한 형상체를 구성하며,
   상기 형상체들은 의복의 두께 방향으로 뉘어진 다수의 가로 형상체들과 의복의 종방향으로 세워진 다수의 세로 형상체들이 서로 교차된 상태로 의복의 횡방향을 따라 연결되어 외피와 내피 사이에 내장되는 것을 특징으로 하는 방한 의류.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   외피와 내피 중 적어도 하나를 2겹으로 구성하고, 외피와 내피 사이에 각각 거위털, 오리털 또는 솜을 채워넣어 형상기억합금에 의해 확장된 공기층과 더불어 방한 및 보온 효과를 높이는 것을 특징으로 하는 방한 의류.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 각 구획부의 상,하부에 열선을 배치하고 상기 열선과 각 구획부들의 내부를 연통시켜 상기 열선으로부터 발생된 열이 구획부 내부로 전달되도록 한 것을 특징으로 하는 방한 의류.

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