KR101969468B1 - 형상 기억 합금을 이용한 밴드 구조체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원호형으로 요곡지는 한 쌍의 초탄성 몸체부 및 한 쌍의 몸체부 사이에 배치되는 원호형의 소성 변형부를 포함하는 밴드 구조체에 관한 것이다.

Description

형상 기억 합금을 이용한 밴드 구조체{BAND STRUCTURE USING SHAPE MEMORY ALLOY}

본 발명은 형상 기억 합금을 이용한 밴드 구조체로서, 구체적으로, 탄성이 우수한 Ni-Ti 형상 기억 합금 밴드에 국부적으로 소성 변형이 일어날 수 있는 소성 변형부를 포함시킨 밴드 구조체에 관한 것이다.

형상 기억 합금은 저온에서 마르텐사이트 구조를 유지하고, 그 상태에서 고온으로 온도를 올리면 오스테나이트 구조로 상변태를 일으킨다. 상변태가 일어나는 온도는 대략 50℃ 에서 100℃ 정도로 합금조성이나 열처리 등으로 조절할 수 있다. 이러한 상변태 온도는 Ni과 Ti의 함량에 크게 의존하는데, 예를 들어, 50.0Ni-Ti (기지내 함량비)는 변태온도가 70℃, 50.8Ni-Ti는 영하 -10℃ 정도로, Ni의 함량이 조금만 높아도 변태온도는 크게 낮아진다.

상변태 온도 이하에서 형상 기억 합금을 변형시키면, 도 6(a)과 같은 거동을 보이는데, 일반 금속과 유사하게 어느 정도 탄성으로 변형한 후, 소성으로 변형하게 된다. 그러나, 소성적으로 변형된 상태에서 상변태 온도 이상으로 가열하면 오스테나이트 구조로 변이되면서, 변형 전의 형상으로 되돌아오는 소위 형상 기억 효과를 나타낸다. 이러한 형상 기억 효과가 가능한 변형량은 인장으로 8% 정도로 매우 크다. 마르텐사이트 상태에서의 변형은 반복적으로 실시할 수 있는데, 이 경우에는 경화가 일어나지 않아 많은 회수를 변형시키더라도 피로파괴가 거의 발생하지 않는다.

상변태 온도 이상의 고온상에서 변형을 시키면, 도 6(b)와 같이 변형 후 응력을 제거하면 원래의 상태로 돌아오는데, 회복가능한 변형량이 8% 정도로, 스테인리스의 변형량 0.5% 정도임을 고려한다면, 변형량이 일반 금속에 비하여 15배 가량 크고, 이를 초탄성 효과라고 부른다.

Ni-Ti 합금의 고온상에서의 초탄성을 이용한 제품으로는 안경테, 브레지어 밴드 등이 있다. Ni-Ti합금의 장점은 탄성이 우수하여 외부에서 큰 변형이 가해지더라도 항상 원래의 형상으로 돌아온다는 점이다. 한편, 이러한 제품들에 일반금속을 적용하면 사용시 영구변형이 발생하여 형상이 영구적으로 변형하여 기능상 문제가 발생할 수 있다.

최근에는 초탄성 Ni-Ti합금을 헤드폰 밴드로 많이 적용되고 있다. 헤드폰밴드에서는 사용상 부주의 등으로 영구변형이 발생하지 않는 장점이 있다. 그러나, 종래의 헤드폰 밴드와 같이 완전한 탄성을 유지하는 경우 미흡한 점도 있다.

예를 들어, 도 7에 도시된 종래의 헤드폰 밴드(1000)의 경우 원형으로 부피가 커서 수납시 구부려 부피를 줄이고 싶지만, 탄성이 우수하여 변형시켜 수납하기가 용이하지 않다.

도 7에는 현재 종래의 방법으로 제조하는 헤드폰 밴드 구조체의 변형 거동을 나타내며, 이러한 변형 거동은 종래의 브래지어 밴드, 안경테 코다리 밴드 등에서도 마찬가지로 적용된다.

구체적으로, 변형전의 형상이 도 7(a)이고, 상온에서 구부리면, 도 7(b)와 같이 구부렸다가, 변형을 풀어주면 도 7(c)와 같이 다시 원래의 형상으로 탄성적으로 회복이 일어난다. 이를 형상 기억 합금으로 제조하기 위해서는 50.8Ni-Ti (함량비)의 와이어를 500℃ 정도에서 3분 정도 열처리하면 변태온도가 영하 10도 정도이다. 따라서, 상온에서는 변태 온도 이상이 되므로 초탄성 거동이 나오게 된다. 일반적으로 50.4Ni-Ti 내지 51.5Ni-Ti의 조성의 형상 기억 합금을 이용해서 만들 수 있다.

또한, 이러한 Ni-Ti 합금의 탄성 회복이 가능한 변형량은 와이어 선경/곡율직경의 비율이 0.08로서, 와이어의 직경이 1mm정도라면 곡율직경이 12.5mm까지 변형시키더라도, 원래의 형상으로 완전히 회복될 정도로 큰 탄성을 나타내므로 수납이나 착용력의 조절을 위한 형상 변화가 거의 불가능하다.

또한, 규격화된 제품의 원형 크기와 비교하여, 소비자의 머리 크기는 각각 다르기 때문에 소비자마다의 착용력이 달라질 수 있고, 따라서, 소비자의 기호 등에 따라 착용력을 조절할 수 있는 기능을 갖출 필요가 있다.

따라서, 본 발명은 탄성이 우수한 헤드폰 밴드에서 국부적으로 소성 변형이 일어날 수 있는 밴드 구조체를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 각 소비자들마다 착용력을 조절할 수 있는 밴드 구조체를 제공하고자 한다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 원호형으로 요곡지는 한 쌍의 초탄성 몸체부; 및 한 쌍의 몸체부 사이에 배치되는 원호형의 소성 변형부를 포함하는 밴드 구조체를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 한 쌍의 초탄성 몸체부는 Ni-Ti 형상 기억 합금이고, 소성 변형부는 금속재일 수 있거나, 한 쌍의 초탄성 몸체부와 소성 변형부는 서로 조성이 다른 Ni-Ti 형상 기억 합금일 수 있다.

또한, 본 발명의 초탄성 몸체부와 소성 변형부는 서로 접합되어 결합되거나, 튜브를 이용하여 크림핑 결합될 수 있다.

또한, 본 발명의 초탄성 몸체부와 소성 변형부는 단일체의 Ni-Ti 형상 기억 합금으로 형성되고, 소성 변형부는 단일체의 Ni-Ti 형상 기억 합금을 국부적으로 열처리하여 형성될 수 있다.

또한, 이러한 열처리는 450℃에서 30분 가열하여 이루어져, 초탄성 몸체부는 상온에서 오스테나이트 상으로 이루어지고, 소성 변형부는 상온에서 마르텐사이트 상으로 이루어질 수 있다.

또한, 초탄성 몸체부 재료의 기지 내부의 Ni의 함량은 50.5 내지 52.0%이고, 소성 변형부 재료의 기지 내부의 Ni함량은 50.0 내지 50.4%일 수 있다.

본 발명은 탄성이 우수한 Ni-Ti 형상 기억 합금 밴드 구조체에 국부적으로 소성 변형이 일어나는 금속이나 Ni-Ti 합금 와이어를 포함시킨 구조를 통해, 수납이 용이하고 착용력을 조절할 수 있는 밴드 구조체를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 밴드 구조체를 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 밴드 구조체에 있어서, 초탄성 몸체부와 소성 변형부의 결합을 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 밴드 구조체에 있어서, 초탄성 몸체부를 열처리하여 소성 변형부를 형성하는 것을 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 밴드 구조체의 변형 거동을 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 밴드 구조체의 변형 정도에 따른 착용력을 나타내는 개념도이다.
도 6은 형상 기억 합금의 (a)저온상의 변형 거동과 (b)고온상의 변형 거동을 나타내는 그래프이다.
도 7은 종래의 헤드폰 밴드 구조체의 변형 거동을 개략적으로 나타낸 개념도이다.

이하, 첨부된 도면을 기준으로 본 발명의 바람직한 실시 형태를 통하여, 본 발명에 따른 밴드 구조체(1)에 대하여 설명하기로 한다.

설명에 앞서, 여러 실시 형태에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성 요소에 대해서는 동일 부호를 사용하여 대표적으로 일 실시 형태에서 설명하고, 그 외의 실시 형태에서는 다른 구성 요소에 대해서만 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 밴드 구조체(1)를 개략적으로 나타낸 개념도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 밴드 구조체(1)는 원호형으로 요곡지는 한 쌍의 초탄성 몸체부(10)와, 이러한 한 쌍의 몸체부(10) 사이에 배치되고, 바람직하게 상기 초탄성 몸체부(10)의 곡률반경과 동일한 곡률반경을 갖는 원호형의 소성 변형부(20)를 포함한다.

초탄성 몸체부(10)는 Ni-Ti 형상 기억 합금으로 이루어지는 와이어로 구성할 수 있고, 초탄성 몸체부(10) 사이에, 예를 들어, 스테인리스와 같은 일반 금속재의 소성 변형부(20)를 배치함으로써, 전체 밴드 구조체(1) 중에서 소성 변형이 일어나기 원하는 부분에서만 소성 변형을 발생할 수 있다.

일반 금속재로 이루어진 소성 변형부(20)는 변형 후에도 변형된 상태가 유지되고, Ni-Ti 형상 기억 합금으로 이루어진 부분에서만 초탄성 성질을 갖고 있기 때문에, 소성 변형부(20)만을 국부적으로 구부려 전체 밴드 구조체(10)의 부피를 줄일 수 있고, 사용자가 착용시에는 소성 변형부(20)를 다시 원형으로 복귀하여 착용할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 밴드 구조체(1)에 있어서, 초탄성 몸체부(10)와 소성 변형부(20)의 결합을 개략적으로 나타낸 개념도이다. 도 1에 기재된 실시예에서는 초탄성 몸체부(10)와 소성 변형부(20)를 용접으로 접합(31)하여 결합하였다. 그러나, 소성 변형부(20)를 일반 금속재를 사용하는 경우, 일반 금속재의 용접성이 좋지 못하므로, 도 2에 기재된 바와 같이, 초탄성 몸체부(10)와 소성 변형부(20)를 작은 튜브(32)를 이용하여, 튜브(32)의 양쪽에서 초탄성 몸체부(10)와 소성 변형부(20)를 끼워 밀어넣는 크림핑 형태로 결합할 수 있다.

한편, 도 2에 있어서, 소성 변형부(20)를 Ni-Ti 형상 기억 합금을 이용할 수도 있다. 소성 변형부(20)를 Ni-Ti 형상 기억 합금을 이용하는 경우, 상변태 온도가 대략 40℃ 이상으로 상온에서 마르텐사이트 상으로 되어 있어, 도 6(a) 와 같은 거동을 보인다. 전술한 바와 같이, Ni-Ti 형상 기억 합금은 Ni함량이 많아질수록 상변태 온도가 크게 낮아진다. 따라서, 초탄성을 원하는 부분, 즉, 초탄성 몸체부는 50.8Ni-Ti를 이용하고, 변형이 일어나기를 원하는 부분, 즉, 소성 변형부(20)는 50.0~50.3Ni-Ti 을 사용할 수 있다.

또한, 50.0~50.3Ni-Ti을 사용하는 경우, 일반 금속재와 마찬가지로 용접성이 좋지 못하므로, 마찬가지로 튜브(32)를 이용하여 크림핑 결합하는 것이 바람직하다.

한편, 도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 밴드 구조체(1)에 있어서, 초탄성 몸체부(10)를 열처리하여 소성 변형부(20)를 형성하는 것을 개략적으로 나타낸 개념도이다.

구체적으로, 준비 단계로서 전체적으로 초탄성을 나타내는 Ni-Ti 형상 기억 합금 와이어(10)를 준비한다. 이를 국부적으로 열처리(H)를 하여 원하는 부분(20)을 상변태 온도가 40℃ 이상으로 처리한다. 예를 들어, 50.8Ni-Ti (함량비)의 와이어를 500℃ 정도에서 3분 정도 열처리하면 상변태 온도가 영하 -10℃ 정도가 된다. 또한, 원하는 부위(20)를 450℃에서 30분 가열하면, 이 부위는 상변태 온도가 45℃ 정도로 상승하게 된다. 따라서, 원하는 부위(20)는 도 6(a)와 같은 변형 거동을 보이게 된다.

또한, 450℃ 정도에서 가열하면, Ni-Ti 형상 기억 합금에서 Ni₄Ti₃ 성분의 석출물이 생성된다. 즉, Ni의 함량이 높은 석출물이 생성되므로, 형상 기억 합금의 기지 내부의 Ni의 함량이 낮아져(본 실시예에서 초기에는 50.8Ni-Ti 였으나 50.4Ni-Ti 으로 Ni의 함량이 낮아짐), 상변태 온도가 상승하게 된다.

그 결과, 열처리(H)가 이루어지지 않은 부분은 고온상의 초탄성을 갖는 오스테나이트 상을 갖게 되고, 열처리(H)가 이루어진 원하는 부위(20)는 저온상의 소성을 갖는 마르텐사이트 상을 주로 갖게되어, 상온에서 변형시키면 원하는 부분(20)이 쉽게 변형되어 소성 변형이 가능해지는 목적을 달성할 수 있다. 이 경우에는, 도 1 또는 도 2에서와 같은 용접 접합이나 튜브를 이용한 크림핑 결합이 필요 없다는 장점이 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 밴드 구조체(1)의 변형 거동을 개략적으로 나타낸 개념도이다. 전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 밴드 구조체(1)는 소성 변형부에서만 소성 변형이 이루어지기 때문에, 전체 밴드 구조체(1)를 구부리더라도 그 형상을 유지한다.

도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 밴드 구조체(1)의 변형 정도에 따른 착용력을 나타내는 개념도이다.

전술한 바와 같이, 종래의 완전 초탄성 Ni-Ti 형상 기억 합금 밴드 구조체는 착용전의 형상이 항상 일정하므로, 일정한 크기의 머리에 착용하면 변형량이 일정하기 때문에 착용시 힘이 일정하다. 이러한 힘이 사용자의 기호에 비하여 클 수도 있고 작을 수도 있으나 조절이 불가하다. 즉, 헤드폰 밴드 구조체로 사용하는 경우, 머리가 큰 사람은 너무 조이는 느낌을, 머리가 작은 사람은 착용감을 느낄 수 없을 정도로 밴드 구조체가 크게 형성되어 있다.

그러나, 도 5에 도시된 바와 같이, 국부적으로 소성 변형이 가능하면, 소성 변형의 정도에 따라 밴드 구조체(1)의 착용력을 조절할 수 있다. 예를 들어, 도 5(a)에 도시된 바와 같이, 착용 전에 변형량을 크게 적용한 경우, 머리에 착용시 변형이 작게 되므로, 착용력(F)을 작게 조절할 수 있다. 또한, 착용 전에 변형량을 작게 적용한 경우, 착용시 변형이 커지므로 그만큼 착용력(F)이 커진다. 이러한 방법으로 사용자는 자신의 기호에 맞게 착용력을 조절할 수 있다.

전술한 설명들을 참고하여, 본 발명이 속하는 기술 분야의 종사자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로, 지금까지 전술한 실시 형태는 모든 면에서 예시적인 것으로서, 본 발명을 상기 실시 형태들에 한정하기 위한 것이 아님을 이해하여야만 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 균등한 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

본 발명은 소비자의 기호 등에 따라 착용력을 조절할 수 있는 헤드폰 밴드 구조체에 적용할 수 있으며, 일정한 소성 변형이 유지될 필요가 있는 안경테 밴드 구조체, 브래지어 밴드 구조체, 치열 교정용 와이어 또는 혈관 수술용 스텐트 등에 사용될 수 있다.

1 밴드 구조체
10 초탄성 몸체부
20 소성 변형부
31 접합
32 튜브
H 열처리
d 초기 변형량
F 착용력

Claims (9)

1. 원호형으로 요곡지는 한 쌍의 초탄성 몸체부; 및
   상기 한 쌍의 몸체부 사이에 배치되는 원호형의 소성 변형부를 포함하고,
   상기 초탄성 몸체부와 상기 소성 변형부는 단일체의 Ni-Ti 형상 기억 합금으로 형성되고,
   상기 소성 변형부는 상기 단일체의 Ni-Ti 형상 기억 합금을 국부적으로 450℃에서 30분 가열하는 열처리를 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 밴드 구조체.
   
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8. 제 1 항에 있어서,
   상기 초탄성 몸체부는 상온에서 오스테나이트 상으로 이루어지고, 상기 소성 변형부는 상온에서 마르텐사이트 상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 밴드 구조체.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 초탄성 몸체부 재료의 기지 내부의 Ni의 함량은 50.5 내지 52.0%이고,
   상기 소성 변형부 재료의 기지 내부의 Ni함량은 50.0 내지 50.4%인 것을 특징으로 하는 밴드 구조체.

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