KR20090103281A - 원적외선 발생소자 - Google Patents

Abstract

금속재료에 알루미늄 또는 마그네슘합금을 기본성분으로 하고, 여기에 Si:0.2~2.0중량%(이하 중량%), Fe:0.3~1.0%, Cu:0.5~1.2%, Mn:0.2~1.2%, Ti:0.1~0.5%, 및 불가피불순물로 이루어지고, 나머지는 알루미늄(Al) 또는 마그네슘(Mg)으로 구성되는 원적외선 발생용 금속합금으로 이루어지고, 그 금속표면층에 금속산화물이 도포되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 또는 마그네슘합금으로 구성되는 원적외선 발생소자.

Description

원적외선 발생소자{Far-infrared generating unit material}

본 발명은 에너지 소모량이 적은 원적외선 발생소자에 관한 발명이다.

특히 본 발명은 그 중에서도 금속합금 표면층에 다양한 금속산화물을 함유하고 금속재료를 알루미늄 또는 마그네슘 합금으로 된 원적외선 발생소자에 관한 것이다.

현재에 이르기까지 합금성분을 제어함으로써 합금의 표면층에 전기적으로 원적외선 발생층을 형성시키는 방법은 현재까지 알려진 바 없다.

최근 사람들의 생활수준이 높아짐에 따라 건강에 대한 관심도 많아지고 특히 오래전부터 동양에서 널리 알려진 원적외선과 건강에 대한 연구가 최근에는 미국을 비롯한 서양에서도 활발히 진행되고 있다. 건강 보조기로서 원전외선 발생장치를 생산하는 회사도 매우 많이 늘었다. 원적외선 발생장치에 사용되는 원적외선 발생재료는 현재 대부분이 세라믹으로 구성되어 있다. 그러나 세라믹 재료는 다음의 단점을 갖고 있다.

소결온도가 높아 에너지비용이 많이 들기 때문에 단가가 비싸다.

소성가공이 불가능하고 재생이 불가능하며 냉ㆍ열이 반복되는 환경하에서 조직이 균열 파괴되기 쉽다. 또한 다양한 형상의 부품을 제조하기 곤란하고 환경상 문제가 된다.

열전달속도가 낮아 에너지 소모가 많다.

중량이 많이 나간다.

원적외선은 통상 5미크론(㎛) 이상의 파장 특히 50~100㎛의 파장을 가진 광선이 물질에 흡수되면 열 에너지로 변환되며, 특히 세라믹스는 그 재질에 따라 차이는 있으나 비교적 긴 파장의 적외선을 방사한다.

적외선 방사특성이 높고 원적외선 방사소자를 이용한 종래의 원적외선 방사체로서는 여러가지 알려지고 있다. 예컨데 지르코니아(ZrO₂), 티타니아(TiO₂), 알루미나(Al₂O₃), 기타 천이 금속원소산화물계 세라믹을 이용한 것이 주로 이용되어 왔다. 그러나, 이 들 세라믹스는 가열에 가장 필요로 하는 장파장부에서의 원적외선 방사효율이 낮아 실용에 문제가 많았다. 또한 파손시 재생이 불가능하고 전술한 세라믹소자가 갖는 문제점 외에도 고온에서 건조, 소결 등의 공정처리를 별도로 필요로 한다.

따라서, 본 발명의 재료는 종래의 세라믹 등의 재료와 달리 금속합금으로 구성되도록 하여 방사효율을 높이고 재생이 가능하도록 하였다. 본 발명에서 사용되는 주된 소재는 알루미늄 합금과 마그네슘 합금이다. 이 두 합금은 소성가공이 매우 용이하고 가볍기 때문에 부품을 제조하고 사용하는데 적합하다. 게다가 알루미늄과 마그네슘 합금은 전기적으로 표면에 세라믹층을 생성시킬 수 있는 특징적인 이점이 있다.

따라서, 본 발명은 알루미늄 또는 마그네슘 합금으로 된 원적외선 발생소자의 제조에 의하여 상술한 종래의 세라믹재료 등이 갖고있는 문제점을 해결하여 에너지 소모량이 적은 원적외선 발생소자를 재공하는 데에 목적이 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 종래 세라믹재료에 의한 원적외선 방사소자가 아닌 금속, 특히 내식성, 내열성이 우수한 알루미늄(Al) 또는 마그네슘(Mg)을 주원료하고, 그 이외에 Si, Mn, Cu, Fe, Ti등을 첨가한 원적외선 방사소자를 개발하는데 착안하였다. 특히 내식성과 열 전도도가 양호한 원적외선 방사소자를 얻기위해 연구를 거듭하였다.

그 결과 본 발명상의 원적외선 발생소자의 성분조성 및 그 범위를 나누어 마그네슘(Mg)계열소자 또는 알루미늄(Al)계열소자를 주로 하여 구성하는 것이 가장 효율적인 것을 알게 되었다.

즉, 본 발명에서는 기본적으로 금속재료에 알루미늄 또는 마그네슘합금을 기본성분으로 하고, 여기에 Si:0.2~2.0중량%(이하 중량%), Fe:0.3~1.0%, Cu:0.5~1.2%, Mn:0.2~1.2%, Ti:0.1~0.5%, 및 불가피불순물로 이루어지고, 나머지 잔부는 알루미늄(Al) 또는 마그네슘(Mg)으로 구성되는 원적외선 발생용 금속합금으로 이루어지고, 그 금속표면층에 금속산화물이 도포되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 또는 마그네슘합금으로 구성되는 원적외선 발생소자에 관한 것이다. 즉, 본 발명은 Si:0.2~2.0중량%(이하 중량%), Fe:0.3~1.0%, Cu:0.5~1.2%, Mn:0.2~1.2%, Ti:0.1~0.5%를 함유하고 나머지가 Mg:0.2~1.2%, Al:잔부 및 불가피함유불순물로 이루어지거나,

상기 성분 중 Si, Fe, Cu, Mn, Ti 함량범위는 동일하고, 여기에 Al:1.5~6.5%, Mg:잔부 및 불가피함유불순물로 이루어지는 원적외선 발생소자로 구성된다.

여기에서 Si는 0.2%미만인 경우 용해시 산화되어 합금성분을 이룰수 없으며 1.2%초과 첨가하면 재료의 가공성이 나빠진다.

여기에서, Fe는 0.3%미만 첨가하면 용해시 Fe 산화물이 적어져 편석의 우려가있고 1.0%이상 첨가하면 재료의 내식성이 나빠진다.

여기에서, Cu의 경우 상기 범위를 1.2%초과하면 경화에 의한 취성이 증가되고 또는 0.5% 미만으로 벗어나면 재료의 강도가 약해진다. 또한 Mn은 0.2%미만 첨가한 경우 용해시 쉽게 산화되고 1.2%초과 첨가되면 주조성을 크게 악화시킨다. 주조편은 알칼리 탈지후 80℃전후 온도로 건조한다.

여기에서 Mg 또한 강도를 향상시키고 성형성 향샹에 유효한 원소이다. 또한 Mg는 내열성을 부여한다. 그러나 Mg가 0.2%미만일 경우 강도, 성형성을 향상시키는 효과가 충분하지 않고, Mg함유량이 많아질수록 조직이 취화되고 가공성, 열전도성이 열화되며 레이저용접성이 떨어지므로 Mg함유량은 1.2%미만으로 억제하는 것이 좋다.

여기에서, 상기 Al은 대기중의 산소와 반응하거나 또는 높은 온도에서 다른 금속산화물과 반응하여 산화 알루미늄을 생성한다. 알루미늄(Al) 자체는 가볍고 부식저항성과 큰 전기 및 열전도도를 갖고 있어 알루미늄을 첨가하면 전도도 향상과 더불어 산화 알루미늄이 내열성을 부여한다. 즉, 알루미늄은 합금재료 표면에 알루미늄 산화물을 생성시켜 주지만 본 발명에서는 Al 1.5% 미만 첨가시 Al 산화물 생성이 어려워 소정의 효과가 이루어지기 어렵다. 또한 6.5% 초과 첨가시 석출물 생성으로 가공성이 나빠진다.

여기에서 Mn은 강도를 향상시키고 가공시 표면형상을 양호한 상태로 해준다. 그러나 0.2%미만에서는 충분한 강도효과가 나타나지 않고 1.2%를 초과하면 주조시 금속간 화합물이 조대하게 형성되기 쉬워 성형가공시 크랙이 발생되기 쉽다.

또한, Ti은 결정립을 미세화하고, 성향가공시 크랙, 표면결함발생 등을 방지해준다. 다만, 여기에서는 주로 결정립 미세화 촉진을 위해 소량 첨가하나 각각 하한치 미만에서는 효과발생이 거의 없고 상한치를 초과하면 조대화합물의 생성으로 성형성이 저하된다.

또한, 여기에서 주성분으로 Al을 선택할 것이냐 또는 Mg을 선택할 것이냐는 최종제품의 중량이 어떠냐에 따라(천정에 사용할 경우 중량면에서 Mg이 보다 가벼워 유리), 또는 표면처리시 Mg 합금쪽이 Al 합금보다 처리시간이 단축되고, Mg 합금은 Al 합금보다 비강도는 높으나 가공성이 떨어지므로 복잡한 형상을 제조할 경우에 Al 합금이 유리하므로 그 용도에 따라 선택한다.

원적외선 발생소자를 제작하기 위하여 금속판에 금속산화물 층을 생성시키는 것이 바람직하다. 이 경우 금속판의 한면에만 금속산화물을 생성시키고 다른 한면에는 산화물을 생성시키지 않는다. 그 이유는 금속판이 발열체에서 발생하는 열을 매우 효과적으로 전달받도록 하기 위함이다.

도 1은 본 발명소자의 개요도를 나타낸다. 도 1에서와 같이 산화물이 생성되지 않은 면에는 발열체로서 세라믹 히타를 부착하여 원적외선 발생소자를 만들 수 있다. 발열체로서는 세라믹히타 외에도 니켈 크롬선과 같은 일반 발열체를 사용할 수도 있다. 금속판에 발열체를 부착하면 발열체 온도 40℃ 이상에서 원적외선이 방출된다.

적정량의 금속산화물 시편을 아크(arc)발생 전해장치에 약 2~5분간 침지시켜 전해장치에서 처리하게 되면 재료 표면에 세라믹을 함유한 금속산화물층으로 되는 원적외선 발생 물질이 통상 사용되고 적용되는 10~50 미크론(㎛) 두께로 생성되게 된다. 여기에서 주의할 것은 이 침지시간 범위를 벗어나면 이 두께가 제대로 생성되지 않는다. 이 세라믹 성분은 금속산화물과 치밀한 조직으로 복합되어 이루어지는 것으로 매우 양호한 원적외선 방사효울을 가져다준다.

여기에서, 아크(arc)발생 전해장치를 사용하는 이유는 합금 재료 표면에 금속 산화물을 급속히 생성시키기 위함이다.

아크발생 전해장치로는 양극 소재로 무산소 동(Cu)을 사용하고 음극소재로는 스텐레스강을 사용한다. 사용전압은 DC 220 볼트이다. 전해질 내부에는 K, Na, Si 등이 함유되어 있다. 이와 같은 조건하에서 처리하게 되면 표면에 산화 실리콘, 산화 마그네슘, 산화 알미늄 등의 금속산화물층이 생성된다. 이러한 아크발생 전해장치에서 생성된 금속산화물은 모재와 단단히 결합되어 가열과 냉각을 반복해도 산화물이 모재와 분리되지 않는다. 이 점에서 본 발명재료는 가열ㆍ냉각이 반복됨으로써 박리되거나 균열되기 쉬운 종래의 세라믹재에 비해 그 내구성도 매우 현저하다.

상술한 바와 같이 전해장치에 의해서 합금표면층에 금속산화물층이 생성되는데 이렇게 생성되는 금속산화물층은 대략 10~80㎛ 두께이므로 하부의 금속이 가열되면 매우 빠른 속도로 가열된다. 이 경우 금속산화물층의 적정두께로 제어할 수 있다.

본 발명에 의해 생성된 상기 금속산화물층은 온도의 변화가 있어도 모재 금속으로부터 박리되지 않는다. 또한, 가공성이 좋고 재생 가능하며 방열성(열전도성)이 일층 향상되고 양호한 원적외선 방사소자를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명소자의 개요도

이하에 일 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세히 구체적으로 설명한다.

(실시예)

시편제조

다음과 같은 (A)(B)성분을 갖는 마그네슘합금과 알루미늄합금을 두께 1.0mm의 판으로 각각 3시편씩 6시편을 제조하였다.

(A) Si:0.8%(중량%, 이하 동일), Fe:0.7%, Cu:1.0%, Mn:0.9%, Mg:0.8%, Ti:0.15%, Al:잔량으로 제조된 시편

(B) Si:0.8%, Fe:0.7%, Cu:1.0%, Mn:0.9%, Ti:0.15%, Al:6.0%, Mg:잔량으로 제조된 시편

이 각 시편을 한면을 고분자물질로 처리하고 아크발생 전해장치에 3분 15초간 침지시킨 바, 다른 금속 재료 표면에서 원적외선 발생물질이 22 미크론 두께로 생성되었다. 위에서 제조한 시편 후면에 발열소자를 부착한 후 시편을 50~250℃ 온도 구간 내에 유지시키면서 방출파장 영역을 측정하였다. 측정결과 약 40℃ 이상에서 원적외선이 방출되는 것이 확인되었고, 재료표면에서 방출되는 원적외선은 7 미크론~140미크론 범위의 파장 영역을 나타내고 매우 양호한 원적외선이 방사되는 것으로 확인되었다.

또한 종래의 세라믹제 원적외선 방사체로서

ⅰ)ZrO₂ 시판품(비교예 1) ⅱ)TiO₂ 시판품(비교예 2)

ⅲ)Al₂O₃ 시판품을 사용하여 방사에너지를 7㎛, 10㎛, 12㎛, 15㎛ 및 20㎛으로 나누어 각 파장별로 방사율을 측정하였다.

한편, 본 발명소자에서 아크 발생장치를 이용하여 생성된 금속산화물층은 15~250℃ 범위에서의 100회에 걸친 반복된 급냉ㆍ급열 변화에 의해서도 모재 금속으로부터 박리되지 않았다.

Claims (2)

1. 금속재료에 알루미늄합금 또는 마그네슘합금을 기본성분으로 하고, 여기에 Si:0.2~2.0중량%(이하 중량%), Fe:0.3~1.0%, Cu:0.5~1.2%, Mn:0.2~1.2%, Ti:0.1~0.5%, 및 불가피불순물로 이루어지고, 나머지는 Mg:0.2~1.2%와 잔부 알루미늄(Al) 또는 Al:1.5~6.5%와 잔부 마그네슘(Mg)으로 구성되는 원적외선 발생용 금속합금으로 이루어지고, 이 금속표면층에 금속산화물이 도포되는 것을 특징으로 하는 알루미늄합금 또는 마그네슘합금으로 구성되는 원적외선 발생소자.
2. 제 1항에 있어서, 상기 금속산화물은 상기 원적외선 발생소자를 양극에 무산소 동, 음극에 스텐레스강을 사용하여 DC 220볼트로 작업되는 아크발생 전해장치에서 2~5분간 침지시켜 금속표면층에 10~50 미크론(㎛) 두께로 세라믹이 함유된 금속산화물층이 생성되도록 한 원적외선 발생소자.