KR102536396B1

KR102536396B1 - 친환경 그레이골드 합금소재

Info

Publication number: KR102536396B1
Application number: KR1020230048512A
Authority: KR
Inventors: 신상하
Original assignee: 신상하
Priority date: 2023-04-13
Filing date: 2023-04-13
Publication date: 2023-05-26

Abstract

본 발명은 친환경 그레이골드 합금소재에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 인체에 유해한 카드뮴(Cd), 금속 알레르기를 유발하는 물질인 니켈(Ni) 그리고 고가의 팔라듐(Pd)를 대체하여, 금(Au)과, 상기 금 100중량부에 대하여 은(Ag) 10 내지 42중량부; 황화제1구리(Cu₂S) 12 내지 49중량부; 구리(Cu) 0.6 내지 2.8중량부; 인듐(In) 0.3 내지 1.4중량부; 및 망간(Mn) 6.7 내지 28중량부;를 포함함으로써 인체에 유해한 금속을 배제하고 합금 가격을 획기적으로 낮추면서 금의 황색 색조 제거와 회백색 효과를 증대시키는 망간 조성을 통해 그레이 색상의 명도와 경도를 향상시킬 수 있고, 기존 금 합금과 유사한 융점을 확보할 수 있으며, 이에 귀금속 제작에 적합하도록 한, 친환경 그레이골드 합금소재에 관한 것이다.

Description

친환경 그레이골드 합금소재{ECO-FRIENDLY GRAY GOLD MASTER ALLOY}

본 발명은 친환경 그레이골드 합금소재에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 인체에 유해한 카드뮴(Cd), 금속 알레르기를 유발하는 물질인 니켈(Ni) 그리고 고가의 팔라듐(Pd)를 대체하여, 금(Au)과, 상기 금 100중량부에 대하여 은(Ag) 7.5내지 31중량부 ; 황화제1동(Cu2S) 10 내지 43중량부 ; 구리(Cu) 8 내지 33.6중량부 ; 인듐(In) 0.6 내지 2.9중량부 ; 아연(Zn) 0.1 내지 0.7중량부 ; 망간(Mn) 6.7 내지 28중량부를 포함함으로써 인체에 유해한 금속을 배제하고 합금 가격을 획기적으로 낮추면서 금의 황색 색조 제거와 회백색 효과를 증대시키는 망간 조성을 통해 그레이 색상의 명도와 경도를 향상시킬 수 있고, 기존 금 합금과 유사한 융점을 확보할 수 있으며, 이에 귀금속 제작에 적합하도록 한, 친환경 그레이골드 합금소재에 관한 것이다.

장신구의 재료로 많이 사용되는 금 합금은 소비자의 다양한 요구에 따라 본연의 색인 옐로우 외에 합금에 의해 화이트나 핑크 등으로도 제조되고 있다. 이 중에서 그레이골드(Gray gold) 합금은 옐로우 색상의 금(Au)과 다른 소재를 합금하여 세련된 그레이 색상의 합금을 구현한 것이다.

최근 사회가 발전함에 따라 성(性)인식이 변화하면서, 남녀 모두 착용할 수 있는 이와 같이 중성적인 색상을 구현하는 그레이골드(Gray gold) 합금을 이용한 주얼리의 수요가 증가하고 있다.

현재 해외에는 그레이골드(Gray gold) 합금 기술이 개발되어 그레이골드(Gray gold) 합금 주얼리가 판매되고 있지만, 한국에는 현재까지 그레이골드(Gray gold) 합금을 제조하는 기술이 개발되어 있지 않아, 이와 같은 그레이골드 합금은 전량 해외 수입품에 의존하고 있는 실정이다.

종래의 그레이골드(Gray gold) 합금은 그레이 색상을 구현하기 위해 카드뮴(Cd), 니켈(Ni), 플래티넘(Pt) 및 팔라듐(Pd)을 포함한다.

이 중에서 카드뮴(Cd)의 경우, 융점을 낮추는 역할을 하며, 등뼈, 손발, 관절에 통증이 느껴지고 뼈가 잘 부러지는 등의 증상을 보이는 이타이이타이병을 유발하는 원인이 될 수 있다.

또한, 니켈(Ni)의 경우, 융점을 낮추는 역할을 하며, 금속 알레르기를 유발하는 원소로서, 2001년부터 유럽 국가에서는 니켈(Ni)의 분비량을 제한하고 있는 실정이다.

또한, 팔라듐(Pd)의 경우, 배터리 제작 및 배기 가스 촉매 변환 장치 등에 사용되는 물질로서, 4차 산업이 발전함에 따라 수요가 급증하여 금(Au) 가격의 150% 이상으로 거래가 되고 있는 실정이며, 이러한 팔라듐의 가격은 지속적으로 상승하고 있으며, 가격 변동성도 크다.

이와 같이 고가이면서 가격 변동성이 큰 팔라듐(Pd)을 합금 재료로 사용하는 종래의 그레이골드(Gray gold) 합금소재의 가격은 1kg 당 5천만 원에서 1억 원 이상의 고가에 판매되고 있으며, 이러한 그레이골드(Gray gold) 합금소재를 재료로 이용하는 합금 주얼리 또한 고가에 판매될 수 밖에 없다.

또한, 팔라듐(Pd)의 융점은 1,555℃이고 플래티넘(Pt)의 융점은 1769℃로서 금(Au)의 융점인 1,064℃ 보다 약 500℃ 이상 높다. 즉, 기존의 금 기반의 18K, 14K 주얼리는 750℃ 정도의 온도에서 녹여 제작이 가능하지만 플래티넘과 팔라듐은 최저 1700℃ 이상의 온도를 필요로 하기 때문에 기존에 금 합금을 재료로 활용하는 합금 주얼리 제작 장비 및 기술을 활용하기 어렵다.

또한, 종래의 그레이골드 합금소재는 합금 재료의 융점이 금과 은보다 월등히 높아 가공이 어렵고 가공 시 손실률 또한 높다.

또한, 종래의 합금 재료는 밀도가 높아 기포가 잘 형성되고, 특히 플래티넘 합금의 경우 금 합금에 비해 플래티넘의 함유비율이 90 내지 95%로 매우 높기 때문에 주얼리 가공 시 많은 시간과 숙련된 고도의 기술이 필요하며, 따라서 종래의 팔라듐과 플래티늄을 사용하는 합금 재료의 경우 제작이 가능한 업체도 한정적이고 기존 금 합금을 재료로 활용하는 주얼리보다 약 2~3배 가량 높은 세공 비용이 들어가게 된다.

미국공개공보 특개 2002-6576187호

본 발명은, 이러한 종래의 그레이골드 합금소재의 문제점을 해결하고자 한 것으로, 이타이이타이병을 유발하는 카드뮴(Cd), 금속 알레르기를 유발하는 니켈(Ni) 그리고 고가의 팔라듐(Pd)의 사용을 배제하면서도, 그레이골드(Gray gold) 합금소재의 물성과 경도를 충분히 구현할 수 있도록 하고, 가격을 획기적으로 낮추면서도 금의 황색 색조 제거와 회백색 효과를 증대시키는 망간 조성을 통해 그레이 색상의 명도를 향상시킬 수 있으며, 기존 금 합금과 동일한 융점을 확보할 수 있어서, 귀금속 제작의 재료로 용이하게 사용할 수 있는, 친환경 그레이골드 합금소재를 제공하는데 주된 목적이 있다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위한 수단으로, 금(Au)과, 상기 금 100중량부에 대하여 은(Ag) 7.5내지 31중량부 ; 황화제1동(Cu2S) 10 내지 43중량부 ; 구리(Cu) 8 내지 33.6중량부 ; 인듐(In) 0.6 내지 2.9중량부 ; 아연(Zn) 0.1 내지 0.7중량부 ; 망간(Mn) 6.7 내지 28중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 특징에 의하면, 상기 친환경 그레이골드 합금소재는, CIE Lab 색 좌표에 따른 L 값이 80 이하이고, a 값은 -2 내지 +2이고, b 값이 10 이하일 수 있다.

본 발명의 바람직한 특징에 의하면, 상기 친환경 그레이골드 합금소재는, 융점이 800 내지 1100℃이고, 비커스 경도(Vicker's hardness)가 40 이상일 수 있다.

본 발명의 바람직한 특징에 의하면, 상기 친환경 그레이골드 합금소재는, 평균 광택도가 200Gu 이상의 값을 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 이타이이타이병을 유발하는 카드뮴(Cd)과 금속 알레르기를 유발하는 니켈(Ni)과 같이 인체에 유해한 금속의 사용을 배제하여 친환경적이면서도, 고가의 팔라듐(Pd)과 플래티넘(Pt)의 사용을 배제하여 제조 가격을 획기적으로 낮추면서 종래의 그레이골드 합금소재와 유사한 물성과 경도 및 향상된 그레이 색상의 명도를 가지는 친환경 그레이골드 합금소재를 제조할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 일 실시에 따르면, 종래의 그레이골드 합금소재 대비 융점을 크게 낮춰 종래의 금 합금과 유사한 융점을 확보하도록 함으로써 기존의 합금 주얼리 제작 장비 및 기술을 활용한 귀금속 제작의 재료로 용이하게 활용할 수 있는 효과가 있다.

또한, 철과 유사한 회백색 금속인 망간을 조성해 금의 황색 색조를 제거하고 회백색의 효과를 구현하기 위해 금(Au)보다 비싼 고가의 다른 회백색 원소인 팔라듐(Pd), 플래티넘(Pt)을 대체해 사용되어, 저렴한 방법으로 합금소재의 진한 회백색을 구현할 수 있는 유리한 효과를 제공한다.

도 1은 삼원합금 상태도이다.
도 2는 CIELab 색 좌표를 나타낸 그림이다.
도 3은 그레이골드 합금 원소와 색상의 관계를 나타낸 그림이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 예로 한정되는 것은 아니다.

덧붙여, 명세서 전체에서 어떤 구성 요소를 '포함'한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

본 발명은 그레이골드 합금소재에서 인체에 해로운 카드듐과 니켈 및 고가의 팔라듐 성분을 제외하더라도 그레이골드 합금소재의 물성과 경도가 저하되지 않도록 하기 위한 분석에서 출발한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 친환경 그레이골드 합금소재는, 금(Au)과, 금(Au) 100중량부에 대하여 은(Ag) 7.5내지 31중량부 ; 황화제1동(Cu2S) 10 내지 43중량부 ; 구리(Cu) 8 내지 33.6중량부 ; 인듐(In) 0.6 내지 2.9중량부 ; 아연(Zn) 0.1 내지 0.7중량부 ; 망간(Mn) 6.7 내지 28중량부를 포함하여 그레이(Gray) 색상을 구현할 수 있다.

금(Au)은 그레이골드 합금소재의 기본 재료로서, 10K~18K의 제품의 경우 국제적으로 규정된 함량의 금(Au)을 포함하여야 한다. 18K 금 합금의 경우 75%중량의 금이 포함되고, 14K 금 합금의 경우 58.5중량%의 금이 포함되고, 10K 금 합금의 경우 14.7중량%의 금이 포함된다.

그리고, 금을 제외한 모든 재료는 기본적으로 그레이 색상을 구현하는 역할을 한다. 도 1에서와 같이, 일 실시 예의 그레이골드 합금소재는 금, 은, 구리의 조성 비율에 따라 색상을 다양하게 구현할 수 있다.

은(Ag)은 금과의 합금을 만드는 데 많이 사용되는 재료로서, 연성과 전성이 금 다음으로 우수하고 금보다 약간 더 단단한 금속이다. 또한, 은(Ag)은 최대 가시광선의 반사율이 80% 이상으로 매우 높고, 화학 반응성이 아주 적은 비활성 금속(noble metal)이다.

이러한 은(Ag)은 일 실시 예에서 금의 옐로우 색상을 백색화하고 경도 및 광택도를 향상시키는 역할을 한다. 은의 함량이 7.5 내지 31중량부를 벗어나면, 경도를 확보하지 못해 그레이골드 합금소재의 형태 변형이 발생할 수 있고, 그레이골드 합금소재의 색상이 연해지거나 너무 진해져 상품성이 저하될 수 있다.

황화제1구리(Cu₂S)는 금속광택이 있는 흑색 금속으로 그레이골드 합금소재의 그레이 색상을 구현하는 주요 원소이고, 합금소재의 경도를 향상시키는 역할을 한다. 황화제1구리(Cu₂S)의 함량이 10 내지 43중량부를 벗어나면, 그레이 색상이 제대로 구현되지 못하고, 경도가 낮아 합금소재를 제작하기 어려워지며 심한 경우 합금소재에 균열이 발생하는 문제가 생길 수 있다.

특히, 일 실시 예에서는, 다른 성분의 함량을 적절히 조절하여 그레이 색상을 구현하는 주요 원소인 황화제1구리(Cu₂S)의 최대 함량을 43중량부로 제한하더라도 우수한 그레이 색상을 구현할 수 있어 그레이골드 합금소재 제조 시 비용을 절감할 수 있다.

구리(Cu)는 다른 성분의 미백제의 역할을 하고, 합금소재의 경도를 향상시키는 역할을 한다. 구리의 함량이 8 내지 33.6중량부를 벗어나면, 합금소재에 경화 및 균열이 발생하고 산화되는 문제가 발생할 수 있으며, 그레이 색상이 제대로 구현되지 못하게 된다.

인듐(In)은 종래의 카드뮴과 니켈이 하는 융점을 낮추고 금의 옐로우 색상을 백색화하는 역할을 한다. 인듐의 함량이 0.6 내지 2.9중량부를 벗어나면, 경도가 낮아져 합금소재의 형태가 변형되는 문제가 발생할 수 있다.

망간(Mn)은 철과 유사한 회백색 금속으로, 금의 황색 색조를 제거해 회백색의 효과를 구현하기 위해 금(Au)보다 비싼 고가의 다른 회백색 원소인 팔라듐(Pd), 플래티넘(Pt)을 대체해 사용되어, 합금소재의 진한 회백색을 구현한다.

망간은 야금(metallurgy) 분야에서 매우 중요한 원소 중 하나로 연성 및 인장강도를 향상시켜 귀금속 제작에 용이한 물성을 제공할 수 있다.

망간의 함량에 따라 저망가니즈강(1~2% Mn을 함유한 강철)과 고망가니즈강(10~14% Mn을 함유한 강철)으로 나누는데, 저망가니즈강은 기계적 성질과 전성이 탄소강보다 뛰어나 구조체를 만드는 데 많이 사용되고, 고망가니즈강은 담금질을 하면 내마모성이 크게 향상되어 광산 및 토목 기계, 철도레일, 장갑판, 무한궤도(caterpillar), 헬멧 등을 만드는 데 사용될 수 있다.

구리합금에도 탈산, 기계적 성질의 개선, 내식성 등을 위하여 망간이 첨가되기도 한다.

망간은 다른 철 합금 재료인 니켈(Ni)이나 크로뮴(Cr)에 비해 인체에 무해하고 값이 싼 장점이 있다.

본 발명에서의 망간은 6.7 내지 28 중량부를 포함한다. 망간의 함량이 너무 낮으면 망간을 넣는 효과가 없고, 망간의 함량이 너무 많으면 경도가 높아져 깨짐이 발생하고 그로 인하여 제작이 불가능하고 상품성이 떨어지는 문제가 있다.

이때, 일 실시 예의 친환경 그레이골드 합금소재는, 미려한 그레이 색상을 구현하기 위해, 아연(Zn) 0.1 내지 0.7중량부를 더 포함할 수 있다.

아연의 함량이 0.1 내지 0.7중량부를 벗어나면, 경도가 낮아져 합금소재를 이용하여 제작한 제품의 형태의 변형이 발생할 수 있고, 그레이 색상의 미려함을 향상시키는 효과가 제대로 구현되지 못하게 된다.

이와 같이, 일 실시 예에 따르면, 설정된 범위 내에서 재료들을 배합하는 경우, 낮은 융점을 가져 제작이 용이해지고, 우수한 경도 및 광택도를 가지며, 우수한 그레이 색상을 구현하는 친환경 그레이골드 합금소재를 제조할 수 있게 된다.

CIELab은 인간 감성에 접근하기 위해 연구된 결과로 인간이 색채를 감지하는 노랑-파랑, 초록-빨강의 반대색설에 기초하여 CIE에서 정의한 색 공간이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 일 실시 예의 친환경 그레이골드 합금소재는, 우수한 광학적 특성을 가지며, 낮은 명도와 함께 향상된 그레이 색상을 구현하기 위해, CIE Lab 색 좌표에 따른 L 값이 80 이하이고, a 값은 -2 내지 +2이고, b 값이 10 이하일 수 있다.

여기서, L은 시료의 밝기를 나타내고 0으로 갈수록 어두워지고 100으로 갈수록 밝아지며, a는 그린-레드의 정도를 나타내며, b는 블루-옐로우의 정도를 나타낸다. a의 경우 (-)로 작아질수록 그린 색상이 진해지고 (+)로 커질수록 레드 색상이 진해지며, b의 경우 (-)로 작아질수록 블루 색상이 진해지고 (+)로 커질수록 옐로우 색상이 진해짐을 나타낸다.

또한, 일 실시 예의 친환경 그레이골드 합금소재는, 융점이 기존의 금 합금과 유사한 800 내지 1100℃이고, 이에 기존의 합금 주얼리 제작 장비 및 기술 활용이 용이해진다. 팔라듐이 포함된 종래의 그레이골드 합금소재의 경우 이 보다 높은 1300℃ 이하의 융점을 가지고, 14K 제품의 경우 1240℃, 18K 제품의 경우 1250℃의 융점을 가진다.

또한, 일 실시 예의 친환경 그레이골드 합금소재는 비커스 경도(Vicker's hardness)가 40 이상이다. 비커스 경도는 합금의 단단한 정도를 나타내는 것으로서, 40 미만일 경우 일상 생활에서 발생하는 마찰에도 쉽게 스크래치가 발생할 수 있다. 일 실시 예의 친환경 그레이골드 합금소재는 40 내지 250의 비커스 경도를 가지며, 주얼리에서 요구되는 우수한 내구성을 가질 수 있다.

또한, 일 실시 예의 친환경 그레이골드 합금소재는, 평균 광택도가 200Gu 이상의 값을 가질 수 있다. 일반적인 유리의 광택도는 100이며, 평균 광택도가 200Gu 미만인 경우 주얼리로서의 광택이 없는 것으로 볼 수 있다.

이러한 친환경 그레이골드 합금소재는 제조하고자 하는 제품에 따라 18K(캐럿), 14K, 10K 등으로 제조할 수 있다.

본 발명의 제1 실시 예에 따르면, 금(Au) 75.0 중량%, 은(Ag) 5.6 중량%, 황화제1구리(Cu₂S) 7.75 중량%, 구리(Cu) 6 중량%, 인듐(In) 0.52 중량% 및 아연(Zn) 0.13 중량%, 망간(Mn) 5 중량%를 포함할 수 있다. 이에 제1 실시 예는 18K 그레이골드 합금소재가 될 수 있다.

본 발명의 제2 실시 예에 따르면, 금(Au) 58.5 중량%, 은(Ag) 9.4 중량%, 황화제1구리(Cu₂S) 12.9 중량%, 구리(Cu) 10 중량%, 인듐(In) 0.9 중량% 및 아연(Zn) 0.2 중량%, 망간(Mn) 8.1 중량%를 포함할 수 있다. 이에 제2 실시 예는 14K 그레이골드 합금소재가 될 수 있다.

본 발명의 제3 실시 예에 따르면, 금(Au) 41.6 중량%, 은(Ag) 13.1 중량%, 황화제1구리(Cu₂S) 18.1 중량%, 구리(Cu) 14 중량%, 인듐(In) 1.2 중량% 및 아연(Zn) 0.3 중량%, 망간(Mn) 11.7 중량%를 포함할 수 있다. 이에 제3 실시 예는 10K 그레이골드 합금소재가 될 수 있다.

이와 같이 구성되는 본 발명의 친환경 그레이골드 합금소재는, 지르코니아(ZrO₂) 도가니 내에 정해진 비율로 정량의 합금 재료를 투입하고 LPG-산소 토치를 이용하여 용해시켜 제조할 수 있다. 지르코니아 도가니는 알루미나 또는 마그네시아 도가니 대비 내화성(refractory)이 좋고, 녹는점이 최대 2,200℃이며 쉽게 가공이 가능한 특성을 가진다.

다른 방법으로서, 본 발명의 친환경 그레이골드 합금소재는, 진공용해로에 정해진 비율로 정량의 합금 재료를 투입하고 용해시켜 제조할 수 있다. 이와 같이 진공용해로를 사용하는 경우, 공기의 산소와 원소의 반응성으로 인해 보호 분위기 하에서 용융이 수행되어 합금 재료의 산화를 방지하여 투입된 합금 재료의 손실을 방지할 수 있어, 당초 정해진 함량대로 정량화된 순도가 보장되며 원소가 산화되지 않아 매우 우수한 품질을 가지는 친환경 그레이골드 합금소재를 제조할 수 있는 이점이 있다. 이에 일 예로서 일회용 왁스 주조 기술을 이용한 주얼리 제작 등에 활용하는데 유리하다.

본 발명의 친환경 그레이골드 합금소재는, 종래의 그레이골드 합금소재에 사용되는 카드뮴(Cd), 니켈(Ni) 그리고 팔라듐(Pd) 대신 황화제1구리(Cu₂S)와 인듐(In), 망간(Mn)을 투입하고 각각의 재료의 함량을 조절함으로써, 친환경적이면서도 종래의 그레이골드 합금소재의 물성을 유사하게 구현할 수 있다. 한편, 종래의 그레이골드 주얼리 제작 장비와 기존의 금 합금 주얼리 제작 장비에는 대량 생산이 가능한 캐스팅 방식의 주조 과정에 큰 차이가 있다. 금 합금 주얼리 제작 장비는 금형 주물 방식이며 고융점의 플래티넘 또는 팔라듐은 고주파, 원심 주물 방식의 매우 고가의 장비가 사용된다.

또한, 종래의 그레이골드 합금소재에 사용되는 플래티넘의 밀도는 21.48 g/cm³이고, 금은 19.30 g/cm³로 큰 차이가 있다. 주얼리 표면을 폴리싱(광)하는 작업의 경우 고밀도의 플래티넘은 금보다 무른 성질로 기존 금 합금용의 장비보다 더 빠르게 회전이 강한 장비가 필요하다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 종래의 그레이골드 합금소재에 사용되는 플래티넘과 팔라듐을 사용하지 않고 상대적으로 저렴하고 융점이 낮은 황화제1구리, 인듐 및 망간을 사용하기 때문에 기존의 금 합금에 사용되는 주얼리 제작 장비 및 기술을 활용할 수 있어서 제조 비용을 저감할 수 있는 효과가 있다. 따라서, 국내 보석 및 귀금속 산업의 경쟁력을 높이기 위해 매우 긍정적인 기여를 할 수 있다.

본 발명은 상술한 실시 예에 의해 한정되는 것이 아니다. 따라서, 청구 범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

Claims

금(Au)과, 상기 금 100중량부에 대하여 은(Ag) 7.5내지 31중량부 ; 황화제1동(Cu2S) 10 내지 43중량부 ; 구리(Cu) 8 내지 33.6중량부 ; 인듐(In) 0.6 내지 2.9중량부 ; 아연(Zn) 0.1 내지 0.7중량부 ; 망간(Mn) 6.7 내지 28중량부;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 친환경 그레이골드 합금소재.