KR20150144560A - 금속 초박편 연속 형성장치 - Google Patents

금속 초박편 연속 형성장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금속 초박편 연속 형성장치에 있어서, 챔버 내부에 압전부, 도가니부, 냉각부, 콜렉터 및 제어부로 형성되되, 상기 압전부은 압전액추에이터에서 발생되는 유동운동을 전달받아 연동되는 로드으로 형성되고, 도가니부는 내부에 상기 로드가 도가니부 내부에서 금속용융물을 외부로 용출시킬 수 있도록 유동운동하며, 외부에 인덕션 코일과 하부에 용융물이 방출될 수 있는 노즐부가 형성되고, 상기 냉각부는 냉각휠로 이루어져 냉각횔의 회전방향으로 용융물을 유동시켜 두께를 일정하게 형성하도록 하고 이와 동시에 냉각휠을 통하여 106℃/sec 초과의 냉각속도로 퀀칭이 이루어짐으로서 미세화 및 균일한 결정구조 물질을 수득하는 금속 초박편 연속 형성장치를 제공한다.

Description

금속 초박편 연속 형성장치{CONTINUOUS FORMING APPARATUS FOR METAL THIN LEAF}
본 발명은 금속 초박편 연속 형성장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 균일상이 확보된 금속 초박편 연속 형성장치에 관한 것이다.
금속리본은 다양한 분야의 기초 소재로 사용된다. 이러한 금속리본을 제조하는 장치나 방법은 도가니에 해당 금속을 용해한 후 가압, 출탕하는 방식으로 이루어지고 있다. 이러한 방식은 출탕되는 금속용융물의 유량이 일정하지 않아 공정관리가 어려우며 약 20㎛ 두께의 판상형 리본이 형성된다.
한편 유량제어분야에서 압전소자를 이용한 장치가 제안된 바 있는데, 그 구조는 크게 4개의 그룹 즉, 액추에이터 모듈, 유압 커플링 또는 유압변환기, 제어밸브 및 서보밸브, 그리고 노즐 모듈로 구성되어 있다. 액추에이터, 유압 커플링 및 제어밸브로 구성된 액추에이터 그룹은 전체적으로 높은 강성을 유지하도록 설계되어 있고, 기존의 솔레노이드-밸브 인젝터에서 압력롯드를 거쳐 노즐니들에 작용할 수 있는 기계적인 힘이 이 장치에서는 노즐니들에 작용하지 않는 특징이 있다. 따라서 운동질량과 마찰을 효과적으로 감소시킬 수 있으며, 기존의 장치 비해 장치안정성과 드리프트(drift)를 개선시킬 수 있는 장점이 있었다.
이를 이용하여 대한민국 특허발명 제624443호에서는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드가 개시된다. 개시된 잉크젯 프린트헤드는, 토출될 잉크가 채워지는 다수의 압력 챔버와, 다수의 압력 챔버 각각에 잉크의 토출을 위한 구동력을 제공하는 압전 액츄에이터와, 다수의 압력 챔버 각각에 공급될 잉크를 담고 있는 매니폴드와, 매니폴드로부터 다수의 압력 챔버에 잉크를 공급하기 위한 다수의 리스트릭터와, 다수의 압력 챔버로부터 잉크를 토출하기 위한 다수의 노즐과, 다수의 리스트릭터 각각의 출구에 설치되는 다수의 일방향 셔터를 구비함으로써, 상기 일방향 셔터는 리스트릭터로부터 압력 챔버로 잉크가 공급될 때에는 리스트릭터를 개방시키고, 압력 챔버로부터 노즐을 통해 잉크가 토출될 때에는 리스트릭터를 막아 잉크의 역류를 차단하는 구성이 개시되었다.
도 11은 이를 나타내는 것으로 잉크의 토출을 위해 압전 액츄에이터(130)가 구동되면, 그 아래의 진동판(107)이 변형되면서 압력 챔버(103)의 부피가 감소하게 되며, 이에 따른 압력 챔버(103) 내의 압력 증가에 의해 압력 챔버(103) 내의 잉크는 댐퍼(104)와 노즐(105)을 통해 외부로 토출된다. 이 때, 압력 챔버(103) 내의 압력 증가로 인해 일방향 셔터(122)는 아래쪽으로 휨 변형되면서 리스트릭터(102)의 출구를 막게 되므로, 압력 챔버(103)로부터 리스트릭터(102)로 향하는 잉크의 역류는 완전히 차단될 수 있다. 잉크의 토출이 이루어진 후, 진동판(107)이 원 상태로 복원되면, 압력 챔버(103)의 부피가 증가하게 되며 이에 따른 압력 챔버(103) 내의 압력 변화에 의해 일방향 셔터(122)는 위쪽으로 휨 변형되면서 리스트릭터(102)의 출구를 개방하게 된다. 따라서, 매니폴드(101)에 저장된 잉크가 리스트릭터(102)를 통해 압력 챔버(103) 내로 유입된다.
상기 발명은 잉크의 역류를 차단할 수 있는 특징이 있기는 하나, 프린터에 관한 것으로, 극고온의 금속용융물을 대상으로 하기 어렵고, 용출되는 입자는 액적상태여서 구형을 유지하며 이 경우 두께가 상당하게 되어 박막형 금속물질을 제조하기 어려운 문제점이 있다.
이에 균일한 용융물의 유동과 균질한 결정상을 유지하면서 박막형 금속리본을 제조할 수 있는 장치가 간절히 요청되었다.
상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로 본 발명의 목적은 정밀한 유동제어를 통해 균일한 일정량의 금속용융물을 용출할 수 있는 금속 초박편 연속 형성장치를 제공하는데 있다.
또한 본 발명은 급냉조건을 제어할 수 있는 금속 초박편 연속 형성장치를 제공하는데 있다.
또한 본 발명은 상기 용출된 금속용융물이 박막형이면서 결정구조가 균일한 금속 초박편 연속 형성장치를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 금속 초박편 연속 형성장치에 있어서, 챔버 내부에 압전부, 도가니부, 냉각부, 콜렉터 및 제어부로 형성되되, 상기 압전부은 압전액추에이터에서 발생되는 유동운동을 전달받아 연동되는 로드으로 형성되고, 도가니부는 내부에 상기 로드가 도가니부 내부에서 금속용융물을 외부로 용출시킬 수 있도록 유동운동하며, 외부에 인덕션 코일과 하부에 용융물이 방출될 수 있는 노즐부가 형성되고, 상기 냉각부는 냉각휠로 이루어져 냉각횔의 회전방향으로 용융물을 유동시켜 두께를 일정하게 형성하도록 하고 이와 동시에 냉각휠을 통하여 106℃/sec 초과의 냉각속도로 퀀칭이 이루어짐으로서 미세화 및 균일한 결정구조 물질을 수득하는 금속 초박편 연속 형성장치를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 로드가 압전액추에이터에서 발생되는 유동운동을 전달받아 연동되도록 형성될 수 있도록 로드샤프트와 말단부에 T형의 로드바으로 형성될 수 있고, 상기 로드샤프트는 도가니부 내부에서 왕복운동을 하며, 로드바는 용융액을 용출시키며 한편으로 역류방지면과 관계하여 역류를 방지하는 금속 초박편 연속 형성장치를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 노즐부가 로드바와 대향하여 유도경사면 및 역류방지면, 오리피스가 형성되어 있고, 상기 유도경사면는 용융물이 도가니부 외부로 적정량 유출될 수 있도록 하며, 역류방지면는 용출될 용융물이 다시 도가니부 내부로 인입되지 않게 하고 또 용출되지 않는 용융물은 다시 로드바의 측면을 따라 도가니부 내부로 인입될 수 있도록 하는 금속 초박편 연속 형성장치를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 오리피스의 직경이 45 내지 500㎛인 금속 초박편 연속 형성장치를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 압전부 압전액추에이터의 작용에 의하여 로드가 상하운동을 시작되면 로드가 하강운동에 의해 로드바의 하부 용융물이 노즐부로 이동하고, 상기 용융물은 유도경사면을 따라 오리피스를 통하여 용출되고, 로드바의 측면부에 위치한 용융물은 역류방지면을 따라 이동하고, 로드의 압력에 의해 로드바의 측면을 따라 상승하게 되며, 이 후 로드가 상승운동을 하면 로드바의 하부에 밀도가 낮아지고 이미 오리피스를 통해 노즐부의 외부로 용출된 용융물과 단절되어 일정량의 용융물이 도가니부 내부에 있는 용융물과 분리되어 냉각부로 자유낙하하게 되고, 상기 상승운동을 통해 밀도가 낮아진 로드바의 하부에는 균형을 맞추기 위해 로드바의 측면을 따라 다시 용융물이 하강하게 되고, 로드가 다시 하강운동을 하게 되면 상기 작용이 반복되는 금속 초박편 연속 형성장치를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 의한 금속 초박편 연속 형성장치는 도가니에 형성된 용융물이 역류되지 않고 일정량이 용융물이 용출될 수 있는 특징이 있다.
또한 본 발명은 냉각휠의 회전방향으로 용융물을 유동시켜 두께를 일정하게 형성하도록 하고 이와 동시에 냉각휠을 통하여 퀀칭을 함으로서 용융물에 대한 냉각속도를 일정하게 하여 균일한 결정구조로 이루어진 물질을 수득할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명은 급냉조건을 제어함으로서 균일한 결정구조의 박막형 초박편을 형성할 수 있는 특징이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 의한 금속 초박편 연속 형성장치의 개념도.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 의한 도가니부 하부의 내부 개념도.
도 3는 본 발명의 바람직한 일실시예에 의한 용융뮬의 유동상태도.
도 4 내지 7은 본 발명의 바람직한 일실시예에 의한 도가니부 하부의 변형도.
도 8은 실시예 1 및 비교예 1에 의한 박편의 단면 SEM 사진.
도 9는 실시예 2 및 비교예 2에 의한 박편의 단면 SEM 사진.
도 10은 실시예 2와 비교예 2의 합금분말의 XRD 측정 결과 그래프.
도 11은 종래기술에 의한 장치의 단면도.
이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 우선, 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 약, 실질적으로 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 의한 금속 초박편 연속 형성장치의 개념도로서 챔버(100) 내부에는 압전부(200), 도가니부(300), 냉각부(400), 콜렉터(500) 및 제어부(600)로 형성될 수 있다. 상기 압전부(200)는 압전액추에이터(210)와 로드(230)가 형성되어 있고 로드(230)은 압전액추에이터(210)에서 발생되는 유동운동을 전달받아 연동되도록 형성될 수 있다. 상기 로드(230)는 로드샤프트(231)와 말단부에 T형의 로드바(233)으로 형성될 수 있는데, 상기 로드샤프트(231)는 도가니부(300) 내부에서 왕복운동을 하며, 로드바(233)는 용융액을 용출시키며 한편으로 역류방지면(333)과 관계하여 역류를 방지하는 역할을 수행한다.
한편 도가니부(300)는 금속물을 용융시키며, 내부에 상기 로드(230)가 도가니부(300) 내부에서 금속용융물을 외부로 용출시킬 수 있도록 유동운동을 한다. 상기 도가니부(300)는 외부에 인덕션 코일(310)과 하부에 용융물이 방출될 수 있는 노즐부(330)가 형성되어 있다.
상기 노즐부(230)는 로드바(233)와 대향하여 유도경사면(331) 및 역류방지면(333), 오리피스(335)가 형성되어 있다. 상기 유도경사면(331)는 용융물이 도가니부 외부로 적정량 유출될 수 있도록 하며, 역류방지면(333)는 용출될 용융물이 다시 도가니부 내부로 인입되지 않게 하고 또 용출되지 않는 용융물은 다시 로드바(233)의 측면을 따라 도가니부 내부로 인입될 수 있도록 한다.
여기서 로드바(233)의 측면과 도가니부(300)의 내측면 간의 거리를 d, 로드바의 바닥부와 역류방지면(333) 간의 거리를 T, 오리피스(335)의 직경을 D, 유도경사면(331)과 역류방지면(333)이 만나는 지점과 유도경사면(331)과 오리피스(335)가 만나는 지점간의 수직거리를 L이라 정의할 때, 상기 D는 45 내지 500㎛이 바람직한데, 본 발명자들의 다수의 시험결과 D가 45㎛인 경우 직경이 약 70 내지 110㎛의 액적이 형성되고, D가 100㎛인 경우 직경이 약 140 내지 220㎛의 액적이 형성되는 것으로 분석되었다. 한편 압전부에서 발생되는 상하운동은 약 5 내지 30KHz가 바람직하다.
도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 일실시예에 의한 장치는 압전부 압전액추에이터(210)의 작용에 의하여 로드(230)이 상하운동을 시작한다. 우선 로드(230)이 하강운동을 하면 로드바(233)는 하부의 용융물을 노즐부(330)로 밀어낸다. 이 때 미리 설계된 일정량의 용융물은 유도경사면(331)을 따라 오리피스(335)를 통하여 용출되고, 로드바(233)의 측면부에 위치한 용유물은 역류방지면(333)을 따라 이동하고 로드(230)의 압력에 의해 로드바(233)의 측면을 따라 상승하게 된다.
이 후 로드(230)이 상승운동을 하면 로드바(233)의 하부에 밀도가 낮아지고 이미 오리피스(335)를 통해 노즐부(330)의 외부로 용출된 용융물과 단절되어 일정량의 용융물이 도가니부(300) 내부에 있는 용융물과 분리되어 냉각부(400)로 자유낙하하게 된다. 한편 상기 상승운동을 통해 밀도가 낮아진 로드바(233)의 하부에는 균형을 맞추기 위해 로드바(233)의 측면을 따라 다시 하강하게 되고 로드(230)가 다시 하강운동을 하게 되면 상기 작용이 반복되는 것이다.
상기 도가니부의 외부로 용출된 액적은 냉각부(400)의 계면에 접촉하게 되고 응고된다. 이 때 냉각부는 일정속도로 회전하는 냉각휠의 형태가 바람직한데, 본 발명에 의한 상기 냉각부(400)는 용출된 용융물을 퀀칭(quenching)하기 위함이다. 통상의 냉각방식은 자유낙하된 액적을 고화시키는 것인데, 이 경우 냉각지점에 따라 결정상이 다르게 형성되어 균질한 물질을 얻기 어려운 점이 있다. 특히 액적의 경우 외부와 내부의 냉각속도 차이로 인해 균질한 결정구조를 갖는 물질을 수득하기 어려운데, 이에 본 발명은 냉각휠의 회전방향으로 용융물을 유동시켜 두께를 일정하게 형성하도록 하고 이와 동시에 냉각휠을 통하여 퀀칭이 이루어짐으로서 용융물에 대한 냉각속도를 일정하게 하여 균일한 결정구조로 이루어진 물질을 수득할 수 있는 장점이 형성되는 것이다.
즉 도가니부에서 용출된 용융물이 고화되기 직전 냉각휠의 회전방향으로 용융물을 다시 한번 유동시켜 두께를 일정하게 하고 금속이나 합금의 내부의 특정 구간에서 개별적으로 일어나는 변화를 저지하여 균일한 구조의 물질을 얻을 수 있는 것이다.
여기서, 통상의 급냉장치에서는 103 ~ 106℃/sec의 영역에서 냉각속도가 발생되나 본 발명자들의 다수의 시험결과 본 발명에 의한 금속 초박편은 극소량의 액적이 냉각휠을 통해 초박막 두께로 냉각되기 때문에 106℃/sec 초과의 냉각속도로 고화되고 이러한 메커니즘에 의해 조직의 미세화와 균일성이 얻어질 수 있음을 알게 되었다.
이렇게 퀀칭된 금속 등은 리본상일 수 있으며, 콜렉터(500)를 통해 수득될 수 있으며, 압전부, 냉각휠의 속도 등은 제어부에 의해 조절될 수 있다.
이하 본 발명의 일실시예를 통해 설명한다.
실시예 1
Si, Ni 및 Al 모합금을 Si 60at.%, Ni 7.65at.%, Al 32.35at.%의 조성을 갖도록 아르곤 가스 분위기 하에서 아크용해법으로 제조하고, 제조된 합금을 본 발명에 의한 금속 초박편 연속 형성장치를 이용하여 금속편을 제조하였다. 이때, 급냉 속도는(냉각휠의 회전 속도) 40m/sec로 하였다.
실시예 2
합금의 조성을 Si, Ni 및 Al 모합금을 Si 60at.%, Ni 13.13at.%, Al 21.87at.%, Ti 5at.%의 조성을 갖도록 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
비교예 1
Si, Ni 및 Al 모합금을 Si 60at.%, Ni 7.65at.%, Al 32.35at.%의 조성을 갖도록 아르곤 가스 분위기 하에서 아크용해법으로 제조하고, 제조된 합금을 멜트스피닝법을 이용하여 금속편을 제조하였다. 이때, 급냉 속도는(냉각휠의 회전 속도) 30m/sec로 하였다.
비교예 2
합금의 조성을 Si, Ni 및 Al 모합금을 Si 60at.%, Ni 13.13at.%, Al 21.87at.%, Ti 5at.%의 조성을 갖도록 변경한 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일하게 실시하였다.
도 8의 a 및 b는 비교예 1을, 도 8의 c 및 d는 실시예 1의 미세조직 관찰결과를 나타낸 것이며, 도 10의 a 및 b는 비교예 2를, 도 10의 c 및 d는 실시예 2의 미세조직을 관찰한 것으로 상기 SEM 사진에서와 같이 비교예들은 제조된 판재의 두께에 따른 미세조직의 불균일이 관찰되며, 실리콘 입자의 크기는 1um 크기로 조대한 것을 알 수 있으며, 실시예들은 실리콘 입자의 크기가 비교예들에 비해 크게 감소한 것을 알 수 있다. 또한 비교예 2는 Ti를 더 포함한 것으로 제조된 판재의 두께에 따른 미세조직의 불균일의 정도는 비교예 1에 비해 크게 개선되지 않았으나, 실리콘 입자의 크기는 500nm이하로 미세해진 것을 알 수 있다.
도 10은 실시예 2와 비교예 2의 합금분말의 XRD측정 결과를 나타낸 것으로 동일한 합금조성에서도 본 발명에 의한 초박편 연속 형성장치의 매우 높은 냉각속도로 인하여 결정질 피크의 감소 및 반가폭의 증가를 확인할 수 있다.
이로서 급냉조직의 조직을 미세화하기 위해서는 첨가원소(예에서는 Ti)를 투입하는 것보다 통상의 RSP의 냉각속도인 103~106℃/sec보다 높은 냉각속도를 갖는 초박편 연속 형성장치를 이용하는 것이 더욱 효과적인 것을 알 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.
100 챔버 200 압전부
210 압전액추에이터 230 로드
231 로드샤프트 233 로드바
300 도가니부 310 유도코일
330 노즐부 331 유도경사면
333 역류방지면 335 오리피스
400 냉각부 500 콜렉터
600 제어부

Claims (5)

  1. 금속 초박편 연속 형성장치에 있어서,
    챔버 내부에 압전부, 도가니부, 냉각부, 콜렉터 및 제어부로 형성되되,
    상기 압전부은 압전액추에이터에서 발생되는 유동운동을 전달받아 연동되는 로드으로 형성되고,
    도가니부는 내부에 상기 로드가 도가니부 내부에서 금속용융물을 외부로 용출시킬 수 있도록 유동운동하며, 외부에 인덕션 코일과 하부에 용융물이 방출될 수 있는 노즐부가 형성되고,
    상기 냉각부는 냉각휠로 이루어져 냉각횔의 회전방향으로 용융물을 유동시켜 두께를 일정하게 형성하도록 하고 이와 동시에 냉각휠을 통하여 106℃/sec 초과의 냉각속도로 퀀칭이 이루어짐으로서 미세화 및 균일한 결정구조 물질을 수득하는 금속 초박편 연속 형성장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 로드는 압전액추에이터에서 발생되는 유동운동을 전달받아 연동되도록 형성될 수 있도록 로드샤프트와 말단부에 T형의 로드바으로 형성될 수 있고, 상기 로드샤프트는 도가니부 내부에서 왕복운동을 하며, 로드바는 용융액을 용출시키며 한편으로 역류방지면과 관계하여 역류를 방지하는 금속 초박편 연속 형성장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 노즐부는 로드바와 대향하여 유도경사면 및 역류방지면, 오리피스가 형성되어 있고,
    상기 유도경사면는 용융물이 도가니부 외부로 적정량 유출될 수 있도록 하며, 역류방지면는 용출될 용융물이 다시 도가니부 내부로 인입되지 않게 하고 또 용출되지 않는 용융물은 다시 로드바의 측면을 따라 도가니부 내부로 인입될 수 있도록 하는 금속 초박편 연속 형성장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 오리피스의 직경은 45 내지 500㎛인 금속 초박편 연속 형성장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 압전부 압전액추에이터의 작용에 의하여 로드이 상하운동을 시작되면 로드이 하강운동에 의해 로드바의 하부 용융물이 노즐부로 이동하고, 상기 용융물은 유도경사면을 따라 오리피스를 통하여 용출되고, 로드바의 측면부에 위치한 용융물은 역류방지면을 따라 이동하고, 로드의 압력에 의해 로드바의 측면을 따라 상승하게 되며,
    이 후 로드가 상승운동을 하면 로드바의 하부에 밀도가 낮아지고 이미 오리피스를 통해 노즐부의 외부로 용출된 용융물과 단절되어 일정량의 용융물이 도가니부 내부에 있는 용융물과 분리되어 냉각부로 자유낙하하게 되고, 상기 상승운동을 통해 밀도가 낮아진 로드바의 하부에는 균형을 맞추기 위해 로드바의 측면을 따라 다시 용융물이 하강하게 되고, 로드가 다시 하강운동을 하게 되면 상기 작용이 반복되는 금속 초박편 연속 형성장치.
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