KR20170060060A - 합성 리드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 관악기용 합성 리드(55)와 그 제조방법에 관한 것이다. 이 리드는 하나의 중합체 재료로 구성된 매트릭스와 상기 매트릭스에 매립되는 다른 중합체 재료로 구성된 복수의 보강 섬유를 포함한다. 상기 다른 중합체 재료는 열가소성 중합체 재료이다.

Description

합성 리드{COMPOSITE REED}

본 발명은 관악기용 합성 리드에 관한 것이다.

예상되는 적용 분야 중의 하나는, 연주자의 퍼프로부터 발생된 공기 기둥에 의하여 리드가 진동되는 관악기이다. 상기 악기에는 예를 들어 단일 리드가 사용되는 클라리넷 또는 색소폰이나 더블 리드가 사용되는 오보에, 바순 또는 기타 백파이프가 있다.

통상적으로, 단일 리드는 적절한 모양 및 두께를 갖도록 가공된 리드 스트립(strip)으로 형성된다. 이러한 리드는 일반적으로 금속 끈에 의하여 악기의 마우스피스에 고정된다. 따라서, 리드는 천연 재료로 구성되는데, 그 기계적 특성은 리드마다 일정하지 않고 시간에 따라 일정하지 않다. 그러나, 그러한 리드를 가진 악기들의 음색은 리드에 달려있다. 따라서, 리드는 물리 화학적 특성에 매우 민감하고, 그로부터 리드의 기계적 특성이 발생된다.

결과적으로, 천연 재료로 구성된 리드의 기계적 특성을 재생할 뿐 아니라 매 리드마다 재생가능한 특성을 가지는 합성 리드를 산업적으로 생산하기 위하여 본 아이디어가 착안되었다.

이를 위하여, 상기 리드와 유사한 특성을 얻기 위하여 중합체 소재의 매트릭스에 짧은 섬유가 삽입되었다. 그러나, 천연 섬유 및 합성 섬유로부터 얻어진 혼합 재료는 음색의 관점에서 만족스럽지 못하다.

결과적으로, 완전한 합성 리드를 제조하기 위해서 본 아이디어가 착안되었다. 따라서, 에폭시(epoxy)나 그 밖의 페놀 열경화성 중합체(phenolic thermosetting polymer) 및 예를 들어 탄소로 이루어진 보강 섬유로 구성되는 매트릭스를 가지는 합성 리드가 제조되었다. 이러한 합성 리드의 제조는 US 5,542,331에 기술되어 있다.

이와 같이 제조된 리드는 시간에 따라 비교적 재생가능하고 일정한 기계적 특성을 가지는 반면, 음색은 리드로 얻을 수 있는 것과 동등하지 않다.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 기계적 특성이 일정하면서도 사용되는 악기의 양호한 음색을 얻을 수 있는 합성 리드를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 위하여, 첫 번째 과제에 따라, 본 발명은 하나의 중합체 재료로 구성된 매트릭스와 상기 매트릭스에 매립되는 다른 중합체 재료로 구성된 복수의 보강 섬유를 포함하며, 상기 다른 중합체 재료는 열가소성 중합체 재료인, 관악기용 합성 리드를 제공한다.

따라서, 본 발명의 특징은, 예를 들어 폴리올레핀 계열(polyolefin family)로부터 선택된 열가소성 중합체로 구성된 보강 섬유의 사용에 있다. 또한, 본 발명의 특히 바람직한 일 실시형태에 따르면, 상기 복수의 섬유에서의 섬유는 연속 섬유이고, 상기 매트릭스 내에서 길이 방향을 따라 연장된다. 다시 말하면, 보강 섬유는 리드의 길이 방향을 따라서, 그리고 전체 길이에 걸쳐 연장된다. 따라서, 보강 섬유는 매트릭스 내에서 길이 방향으로 연장되어 리드에 비등방성 기계적 특성을 부여한다. 상기 섬유로 인하여, 리드의 탄성 계수는 가로 방향으로 측정된 것보다 길이 방향으로 더 크다.

또한, 특히 바람직한 특징에 따르면, 상기 매트릭스를 구성하는 상기 중합체 재료는 열가소성 중합체 재료이다. 상기 중합체 재료는 또한 예를 들어 폴리올레핀 계열에 속한다.

또한, 상기 매트릭스의 상기 중합체 재료는 0.80 - 0.92의 상대밀도를 가진다. 이러한 방식으로, 기계적 특성이 천연 리드 스트립의 특성과 매우 유사한 합성 리드가 얻어진다. 이와 같이, 상기 리드를 구비한 악기의 음색은 일반 리드를 구비한 같은 악기와 동등한 음색을 얻게 된다. 또한, 그 기계적 특성은 리드 마다 재생될 수 있다.

또한, 매트릭스를 형성하기 위해 종래기술에 따라 사용되는 열경화성 중합체 재료는 일반적으로 1보다 큰 상대 밀도를 가지는 반면, 열가소성 중합체 재료, 특히 폴리올레핀은 1보다 작은, 더 구체적으로 0.80 - 0.92, 예를 들어 0.80 - 0.90의 상대 밀도를 가진 재료를 제공할 수 있다.

상대 밀도는 기준이 되는 다른 재료, 여기서는 4℃의 물의 부피에 대한 무게 대비 상기 재료의 부피에 대한 무게의 비로 정의된다.

매트릭스를 형성하는데 사용되는 열가소성 중합체 재료와 더 상세하게는 폴리올레핀은 단순한 밀도를 갖는 것이 관찰될 것이다. 실제로, 예를 들어 기포나 그 밖의 중공 비드(bead) 형태의 공기를 혼입시킴으로써 재료의 밀도를 줄이는 것은 항상 가능하다. 그러나, 이에 의하여 기계적 특성은 상당히 영향을 받으며, 재료는 더 이상 리드를 생산하는데 적합하지 않다.

바람직하게는, 상기 다른 중합체 재료는 상기 하나의 중합체 재료보다 높은 녹는점을 가진다. 이러한 방식으로, 그리고 이하에서 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이, 상기 보강 섬유는 매트릭스를 형성하는 중합체 재료보다 높은 녹는점을 가지게 되어, 결과적으로 섬유 고유의 특성을 변형시키지 않으면서 매트릭스에 용이하게 매립될 수 있다. 바람직하게는, 상기 복수의 보강 섬유는 연속 섬유이다.

다른 과제에 따라, 본 발명은, a) 용융된 상태의 하나의 중합체 재료와 다른 중합체 재료로 구성된 복수의 섬유를 제공하는 단계; b) 상기 섬유를 용융된 상태의 상기 중합체 재료에 매립하는 단계; c) 상기 섬유를 트랩하기 위하여, 용융된 상태의 하나의 중합체 재료를 경화하는 단계; d) 상기 경화된 중합체 재료로 합성 리드를 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 다른 중합체 재료는 열가소성 중합체 재료인, 합성 리드를 제조하는 방법을 제공한다. 바람직하게는, 매트릭스를 형성하는 상기 하나의 중합체 재료는 열가소성 중합체 재료이다.

따라서, 본 발명의 특징은, 리드를 제조하기 위해 열가소성 중합체 재료로 구성된 섬유를 사용하는데 있다.

바람직한 일 실시형태에 따르면, 단계 b)에서, 상기 섬유를 상기 중합체 재료에 매립하기 위하여, 복수의 섬유는 실질적으로 서로 평행하게 유지된다. 이러한 방식으로, 횡 방향에 대해 평행한 섬유의 방향으로 보강된 기계적 특성을 가진 리드가 얻어진다. 이에 따라 리드를 제조하는데 있어 천연 리드 스트립의 특성이 얻어진다.

또한, 상기 매트릭스를 위하여 열가소성 중합체 재료를 사용함으로써 제조 공정이 매우 용이해진다. 이는 열가소성 재료가 단단한 주위 온도(ambient temperature)로부터 연화되는 녹는점까지 쉽게 변할 수 있기 때문이다. 따라서, 열가소성 재료는 상기 섬유가 매립될 수 있도록 하기 위하여 녹는점까지 쉽게 변한다. 다음으로, 상기 섬유가 내부에 트랩된 상태에서 상기 재료가 원래의 강도로 돌아가도록 하기 위해서 매트릭스의 열가소성 재료의 온도가 감소된다. 이하에서 더 상세히 기술되는 바와 같이, 다양한 제조 방법이 가능하다.

특히 바람직하게는, 상기 섬유의 다른 중합체 재료는 상기 매트릭스의 하나의 중합체 재료보다 높은 녹는점을 가진다. 따라서, 섬유가 연화된 매트릭스의 중합체 재료 내에 매립될 때, 섬유의 열가소성 중합체 재료는 매트릭스의 재료의 온도에 영향을 받지 않는다. 매트릭스의 재료 온도가 낮아지면 섬유는 기계적 특성에 영향을 받지 않고 매트릭스 내에 고정된다.

본 발명의 다른 특징과 이점은 이하의 첨부된 도면을 참조한 본 발명의 특정 실시예를 통하여 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
- 도 1은 본 발명에 따른 합성 리드의 개략적인 평면도;
- 도 2는 도 1에 도시된 합성 리드의 개략적인 단면도;
- 도 3은 도 1에 도시된 합성 리드의 개략적인 배면도;
- 도 4는 제1 실시예에 따른 본 발명의 합성 리드의 제조 과정을 구현하는 장치의 개략도; 및,
- 도 5는 제2 실시예에 따른 본 발명의 합성 리드의 제조 과정을 구현하는 장치의 개략도이다.

우선 본 발명에 따른 합성 리드의 다양한 제조 방법을 설명하기 위하여 도 4와 도 5를 참조할 것이다. 본 발명에 따른 제조 방법의 두 실시예에서, 리드를 형성하기 위해서 스트립으로 트리밍(trimming)될 수 있도록 섹션들로 절단 가능한 합성 로드가 제조된다. 또한, 두 실시예에서, 다양한 로브(rove) 또는 그 밖의 스트랜드(strand)와 조합된 하나의 중합체 재료로 구성된 보강 섬유가 사용된다.

이러한 중합체 재료의 섬유는 열가소성 중합체 재료, 더 구체적으로는 포화 지방족 중합체인 폴리올레핀(polyolefins) 또는 폴리알켄(polyalkenes)의 카테고리에 속하는 재료로 구성된다. 보다 상세하게는, 상기 중합체 재료는 올레핀 코폴리머(olefin copolymer)이다. 제시된 예에서, 상기 보강 섬유는 폴리프로필렌(polypropylene)으로 구성되고 녹는점은 160℃에 가깝다. 이상적으로, 상기 중합체는 0.5에 가까운 푸아송(Poisson) 계수를 갖는다. 또한 중합체의 유리 전이 온도는 -150℃ ~ 0℃이다.

또한, 녹는점이 160℃에 가까운 폴리에틸렌 섬유(polyethylene fibers)를 사용하는 것도 고려될 수있다.

또한, 도 4와 도 5에 도시된 두 제조 방법에 따르면, 매트릭스를 형성하기 위하여 열가소성 중합체 재료가 사용된다. 제시된 실시예에 따르면, 중합체 재료는 상기 섬유의 열가소성 중합체보다 낮은 녹는점을 갖는 폴리올레핀이다. 이 경우, 상기 중합체 재료는 프로필렌/에틸렌/폴리프로필렌 터폴리머(polypropylene terpolymer)이다. 우선, 중합체 재료는 상기 섬유보다 녹는점이 낮고, 약 130℃, 유리하게는 140℃이며, 다음으로는 0.80 - 0.92, 예를 들어 0.80 - 0.90의 밀도를 가지도록 선택된다. 또한, 매트릭스의 중합체 재료는 -100℃ ~ 0℃, 바람직하게는 -60℃ ~ -10℃의 유리 전이 온도를 갖는 것이 관찰될 것이다.

이하 설명되는 바와 같이, 녹는점이 실질적으로는 상이하지만 동일한 성질의 열가소성 중합체를 선택함으로써 섬유와 매트릭스의 더 나은 접착력을 얻을 수 있다. 일 실시예에 따르면, 매트릭스로서 저밀도의 폴리에틸렌을 사용하고 고밀도의 폴리에틸렌으로 구성된 보강 섬유를 사용하는 것이 고려된 수 있다.

상기와 같은 올레핀계 열가소성 중합체는 식품과 접촉시 무해한 것으로 인정된다.

도 5에는 제1 실시 예에 따라 합성 로드를 직접적으로 제조할 수 있는 장치(10)가 도시되어 있다. 이 장치는 풀트루전(pultrusion) 원칙에 따라 작동하며, 즉 제1 섬유 번들(12)이 제1 압출기(14)를 통해 당겨지도록 작동한다. 이러한 섬유 번들은 연속적이고, 실질적으로 평행하며, 꼬임없는 필라멘트 번들과 유사할 수 있다. 제1 섬유 번들(12)은 드라이브 롤(20)에 의해 제1 상류지점(16)으로부터 제1 하류지점(18)으로 당겨진다. 상기 압출기(14)는 개략적으로 매트릭스를 형성하기 위한 상기 언급된 터폴리머가 채워진 제1 호퍼(22)와, 중합체를 연화시키고 구동시키는 제1 압출 스크류(24)를 가진다. 상기 터폴리머는 분말 형태 또는 그 밖의 과립 형태로 제1 호퍼(22)에 채워진다.

상기 상류지점(16)에서, 제1 섬유 번들(12)은 각각 연속 섬유의 로브를 수용하는 복수의 첫 번째 빔(beam)들을 포함하는 제1 와인더(26)에 채워진다. 상기 섬유 또는 섬유 번들(12)의 로브들은 상기 압출기(14)의 제1 유입구(28)를 통하여 가이드되고 압출기(14) 내에서 서로 평행하게 당겨진다. 섬유의 로브는 횡방향을 따라 그리고 수개의 중첩된 층 상에서 수직 방향을 따라 연장된다. 따라서, 상기 섬유의 로브는 전술한 용융된 터폴리머에 삽입되도록 압출 스크류(24)의 다이를 가로지른다. 상기 섬유가 매트릭스보다 높은 녹는점을 가지기 때문에 용융된 터폴리머와 접촉할 때 섬유는 전혀 손상되지 않는다. 이러한 방식으로, 냉각 후 매트릭스 내에서 섬유의 기계적 특성이 유지된다.

상기 다이는 두께가 3.5 - 5.5mm이고 폭이 15 - 25mm인 직사각형 단면을 갖는다. 따라서, 제조된 로드(30)가 압출 스크류(24)로부터 빠져나오고 냉각장치(32)로 들어간다. 이러한 방식으로, 상기 언급된 다이의 단면과 실질적으로 동일한 단면을 갖는 경화된 로드(34)를 배출구에서 얻는다. 상기 섬유 로브는 경화된 로드(34) 내에서 길이방향으로 서로 평행하게 트랩된다. 또한, 단면에서는 다양한 섬유 로브가 서로 균일하게 이격되어 있다. 유리하게는, 로드 내 섬유의 비율은 35 - 50%, 예를 들어 45%이다.

상기 경화된 로드(34)는 대략 90mm 길이의 섹션들로 절단된다. 이러한 섹션들은 계속해서 가공되고 리드로 변환될 수 있다. 상기 로드 섹션을 가공한 후에 얻어지는 리드의 형상은 이하에서 도 1 내지 도 3을 참고하여 더 상세하게 설명될 것이다.

스트랜드-스트랜드 유형의 장치(36)가 도 4에 도시되어 있으며, 이제 이에 대하여 설명한다. 이는 제2 실시예에 따라 로드를 형성하기 위하여 중첩될 합성 층의 제조를 가능하게 한다.

제2 와인더(38)는 상기 언급된 섬유 로브 번들과 같은 유형의 제2 섬유 로브 번들(40)을 저장할 수 있게 한다. 상기 섬유 로브 번들(40)은 제2 호퍼(46)와 제2 압출 스크류(48)를 구비한 제2 압출기(44)의 유입구(42)로 가이드된다. 제2 호퍼(46)는 전술한 터폴리머와 동일한 터폴리머로 채워진다. 따라서, 상기 섬유 로브는 제2 압출 스크류(48)와 평행한 제2 압출기(44)를 통하여 동일한 방향으로 나란히 압출된다. 제2 압출 스크류(48)는, 15 - 25mm 폭의 접합된 섬유 시트(50)를 제조하기 위하여 용융된 터폴리머를 나란히 당겨진 섬유 로브에 전달한다. 접합된 섬유 시트(50)는 제2 냉각장치(52)를 통과해서 스풀(54)에 권취될 수 있다.

다음으로, 균일한 로드를 형성하기 위하여, 접합된 섬유 시트(50)의 길이들이 중첩되고, 예를 들어 145℃로 가열된 캘린더에 삽입된다. 사실상 열과 압력의 영향하에서, 접합된 섬유 시트(50)들은, 보강 섬유의 층들이 내부에서 연장되고 중첩되는 하나의 연속된 매트릭스를 형성하도록, 서로 접착한다. 이렇게 얻은 로드는 상기한 로드와 마찬가지로 약 90mm 길이의 섹션들로 절단될 수 있다.

따라서, 상기한 두 방법에 따라 비등방성 합성 로드가 얻어진다. 실제로 길이방향으로 연장된 섬유 로브로 인하여 로드의 길이 방향에 따른 인장 탄성률은 폭 방향에 따른 인장 탄성률에 비하여 훨씬 크다. 바람직하게는, 합성 로드의 길이 방향에 따른 인장 탄성률은 5000 - 15000 MPa인 반면, 폭 방향에 따른 인장 탄성률은 길이 방향에 따른 인장 탄성률의 5 - 15배 작은 값 미만이다.

또한, 열가소성 중합체 재료의 상대밀도가 실질적으로 0.9 이상이라고 하더라도, 매트릭스를 구성하는 터폴리머의 중량이 우세하므로, 로드의 전체 상대밀도는 0.80 - 0.92, 유리하게는 0.80 - 0.90으로 유지된다.

상기된 장치들 중 어느 하나에 의해 얻어지는 로드 섹션은 리드를 형성하기 위하여 가공될 것이다. 우선, B 플랫 클라리넷에 적합한 리드(55)를 제조하기 위하여, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 두께가 실질적으로 3.3mm 이상이고 폭은 실질적으로 16.4mm 이상이며 길이는 실질적으로 69mm 이상인 프리폼(preform)이 제조된다. 실제로 섬유 로브는 프리폼으로부터 형성되는 로드의 길이 방향으로 연장되기 때문에, 보강 섬유는 프리폼의 길이 방향을 따라서 서로 평행하게 연장된다. 다음으로, 일반적으로 리드 테이블이라 불리는 편평한 하부면(59)이 가공되고, 이어서 리드의 측면부와 특히 리드 베벨이라 불리는 경사진 상부(56)가 가공된다. 이를 위하여, 프리폼은 중간 높이로에서 절단되고 평편한 하부면(59)을 가진 엣지(58)를 형성하는 자유단까지 점차적으로 얇아진다. 리드 단부로도 불리는 상기 엣지(58)는 볼록하게 형성하기 위하여 둥근 형상(60)으로 가공된다.

리드의 치수는 리드가 설치되는 악기의 유형에 따라 달라진다 것을 알 수 있을 것이다. 결과적으로, 로드 섹션의 가공은 전술한 치수에 제한되지 않는다.

또한, 보강 섬유는 프리폼의 길이 방향을 따라 서로 평행하게 연장되기 때문에, 결국 리드의 길이 방향을 따라 서로 평행하게 연장된다.

도시되지 않은 제3 실시예에 따르면, 열가소성 재료로 구성된 매트릭스는 스트립 형태로 사전 형성되고, 제2 실시예에 따라 얻은 것과 동일한 스트립 복합 층을 제조할 수 있기 위하여 보강 섬유가 캘린더링(calendering)에 의해 결합된다. 일 실시예에 따르면, 상기 사용된 캘린더는 가열 캘린더이고; 예컨대 폴리우레탄(polyurethane)으로 구성된 변형가능한 표면으로 코팅된 롤에 접할 수 있는 단단한 가열 롤을 가진다. 캘린더링 온도는 예를 들어 약 150℃이다. 따라서, 사전 형성된 스트립과 보강 섬유 번들은 두 개의 롤 사이에서 캘린더를 향하여 수렴한다. 캘린더의 가열에 의하여, 사전 형성된 스트립은 연화되는 반면, 섬유 로브의 섬유는 두 개의 롤 사이의 스트립으로 압축되고 밀려 들어간다.

또 다른 실시예에 따르면, 합성 스트립을 형성하기 위하여 섬유 번들이 두 개의 사전 형성된 스트립 사이에서 캘린더링된다.

상기 합성 스트립은 절단되고 두 개의 상반된 자국을 가지는 열성형 금형 내에서 열성형되도록 중첩된다. 주어진 길이의 복수의 스트립이 사용된다. 예를 들어, 20 - 40개의 합성 스트립이 중첩되고 금형에 삽입되어 함께 고온 압축된다. 이러한 방식으로, 제2 실시예에 따라 얻은 것과 유사한, 예를 들어 2.5 - 4.5mm의 두께를 가진 로드가 얻어진다.

Claims (10)

1. 하나의 중합체 재료로 형성되는 매트릭스와, 상기 매트릭스에 매립되는 다른 중합체 재료로 형성되는 복수의 보강 섬유를 포함하며, 상기 다른 중합체 재료는 열가소성 중합체 재료인, 관악기용 합성 리드(55)에 있어서,
   상기 복수의 보강 섬유는 연속 섬유이고,
   상기 보강 섬유가 상기 매트릭스 내에서 길이 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 합성 리드.
2. 제1항에 있어서,
   상기 하나의 중합체 재료는 열가소성 중합체 재료인 것을 특징으로 하는 합성 리드.
3. 제2항에 있어서,
   상기 하나의 중합체 재료는 프로필렌/에틸렌/폴리프로필렌 터폴리머인 것을 특징으로 하는 합성 리드.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상기 하나의 중합체 재료는 0.80 - 0.92의 상대밀도를 가지는 것을 특징으로 하는 합성 리드.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 다른 중합체 재료는 폴리프로필렌인 것을 특징으로 하는 합성 리드.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 다른 중합체 재료는 상기 하나의 중합체 재료보다 높은 녹는점을 갖는 것을 특징으로 하는 합성 리드.
7. 합성 리드의 제조 방법으로서,
   a) 용융된 상태의 하나의 중합체 재료와 다른 중합체 재료로 구성된 복수의 섬유를 제공하는 단계로서, 상기 다른 중합체 재료는 열가소성 중합체 재료인, 단계;
   b) 상기 섬유를 용융된 상태의 상기 중합체 재료에 매립하는 단계;
   c) 상기 섬유를 트랩하기 위하여, 용융된 상태의 상기 하나의 중합체 재료를 경화하는 단계; 및,
   d) 상기 경화된 중합체 재료로 합성 리드를 형성하는 단계;를 포함하며,
   상기 단계 b)에서, 상기 섬유를 상기 중합체 재료에 매립하기 위하여, 복수의 섬유는 실질적으로 서로 평행하게 유지되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 중합체 재료는 열가소성 중합체 재료인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
   상기 복수의 섬유의 보강 섬유는 연속 섬유인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다른 중합체 재료는 상기 하나의 중합체 재료보다 높은 녹는점을 갖는 것을 특징으로 하는 제조 방법.

Images