Ni-Ti계 (Ni35Ti30Zr20Cu15)비결정질합금의 과냉각액체영역에서 정밀표면성형 = Micro surface patterning of Ni-Ti amorphous alloy in supercooled liquid region

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Interest in metallic materials is increasing as external materials for
IT devices such as Smart phones and laptops. In particular, due to the
problems of flexibility and weight as an external material for mobile
devices, the manufacture of plastic materials was initially the main
trend, but the main production models of each brand (Apple, Samsung,
LG, etc.) were replaced with light metal materials to differentiate
products and improve emotional design. Currently, the most widely
utilized metal material has the applicable advantages of excellent
price competitiveness, lightness and emotional color using anodizing
with aluminum alloy. However, the disadvantages are very easily
deformed to leave a scratch on the drop of them and impact with other
objects due to the low strength and elastic deformation of the
aluminium alloy. To overcome these shortcomings, users are using
separate cases to protect their products, suggesting a fundamental
limitation of aluminium alloy.
As a result, studies have recently reported that amorphous alloys with
structures of non-periodic atomic arrangement, unlike conventional
crystalline materials, can be a solution. In particular, recent studies
have been conducted on exterior materials where the curvature can be
implemented, enabling self-conversion of scratches and local
deformation by utilizing Ni-Ti system's innovative amorphous alloy with
Ni and Ti as the main elements.
In the study of this paper, the surface of the innovative amorphous
alloy of Ni-Ti system was considered as a process for emotional
colorimetric characteristics through micro surface patterning using
viscosity reduction characteristics in Supercooled Liquid Region (SCLR)
of amorphous alloys.
Using surface-patterning equipment manufactured for this study, the
plasticity of the Ni-Ti system amorphous alloy was compared and
analyzed for fine patterns in the supercooled liquid area with varying
temperature and pressure. This is expected to follow the
Hagen-Poiseuille theorem of the viscous flow of laminar flow as
presented in the study by Jan Schroers et al, and it was confirmed that
the process variables could take into account the effect on precision
plastic processing. In addition, compared to the Zr and Pt alloys
studied in the past, Ni-Ti systems were found to be capable of
precision surface formation, although they do not have good viscosity
reduction in the supercooled liquid area section.
In addition, to observe the relationship between micro surface
patterning of amorphous alloys and thermal stability in the supercooled
liquid section, plastic deformation degree was compared through micro
surface patterning experiments of Zr alloys with different S-parameter
meaning thermal stability was observed. The S-parameter obtained by
utilizing characteristic temperature with amorphous alloys reported to
have superior non-crystalline formation capability and hence superior
thermal stability showed high figures compared to Ni-Ti system. These
characteristics confirmed that crystallization of alloys identified
after micro surface patterning had a significant effect on plastic
deformation. It is deemed that the degree of plastic deformation
relative to the thermal characteristics of each alloy can be predicted,
even if the reduction of viscosity values is similar in the supercooled
liquid section of amorphous alloys.
This study is judged to be meaningful as a basic study of
thermoplastic precision in the supercooled liquid area section of
amorphous alloys later, and it is considered to be an applicable study
for optimizing the production process for later.

국문 초록 (Abstract)

최근 스마트폰 및 노트북을 중심으로 IT기기용 외장재로 금속재료에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히 모바일 기기의 외장재로는 유연성 및 중량에 관한 문제로 초기에는 플라스틱 재료의 제작이 주된 흐름이었지만 제품의 차별화 및 감성적 디자인 향상을 위하여 각 브랜드(애플, 삼성, LG 등)의 주력 생산 모델의 경우 경량 금속재료로 대체되고 있는 실정이다. 현재 가장 널리 활용되는 금속재료는 알루미늄 합금으로 뛰어난 가격경쟁력, 경량성, 애노다이징을 활용한 감성적 색감의 적용 가능한 장점을 가지고 있다. 하지만 단점으로 알루미늄 합금의 낮은 강도와 탄성 변형능에 기인하여 제품의 낙하 및 다른 물체와의 충격에 대하여 매우 쉽게 변형되어 흔적을 남기는 단점이 존재한다. 이러한 단점을 극복하고자 사용자들은 제품의 보호를 위하여 별도의 케이스를 사용하고 있으며 이는 알루미늄 합금의 근본적인 한계점을 시사하는 바이다.
이에 따라 최근 기존의 결정질 재료와 달리 비주기적 원자배열의 구조를 가지는 비결정질 합금이 하나의 해결책이 될 수 있다는 연구가 보고되고 있다. 특히 최근에는 초탄성 특성을 가지는 Ni, Ti를 주 원소로 하는 Ni-Ti계의 혁신적인 비결정질 금속소재를 활용하여 스크래치 및 국부변형에 대한 자가 변환이 가능하며, 곡면형상이 구현 가능한 외장재에 관련한 연구가 진행되고 있다.
본 논문 연구에서는 위에 언급한 Ni-Ti계의 혁신적인 비결정질 금속소재의 표면을 비결정질 합금의 과냉각액체 영역(Super Cooled Liquid Region, SCLR)에서 점도의 감소특징을 활용한 마이크로 단위의 표면성형을 통해 감성적 색감부여를 위한 공정에 관한 고찰을 시도하였다.
Ni-Ti계 비결정질 합금을 본 연구를 위해 제작한 표면 패터닝 장비를 이용하여 온도 및 압력 변화에 따른 과냉각 액체영역에서의 미세 패턴에 대한 성형성을 비교 분석하였다. 이는 Jan Schroers et al의 연구에서 제시한 점성유동 중 층류유동(Laminar flow)의 Hagen-Poiseuille 정리를 따를 것으로 예상되며 공정상의 변수를 통해 정밀 소성가공에 미치는 영향을 고려할 수 있음을 확인하였다. 또한 과거 연구된 Zr계, Pt계 합금에 비교하여 Ni-Ti계는 과냉각 액체영역 구간에서 점도 감소가 뛰어나지 않으나 정밀표면성형이 가능함을 확인하였다.
또한 비결정질 합금의 정밀표면성형과 과냉각 액체구간에서 열적 안정성의 상관관계를 관찰하기 위해 열적안정성을 의미하는 S지표가 다른 Zr계 합금의 정밀표면성형 실험을 통한 소성변형정도를 관찰 비교하였다. Zr계 합금은 비결정질 형성능이 우수하며 이에 따른 열적안정성이 뛰어난 특성을 지닌 것으로 보고된 비결정질 합금으로 특성온도를 활용하여 얻어진 S지표는 Ni-Ti계와 비교하여 높은 수치를 보였다. 이러한 특성은 정밀표면성형 이후 확인 된 합금의 결정화가 소성변형에 미치는 영향성이 상당함을 확인하였다. 이는 비결정질 합금의 과냉각 액체구간에서 점도 값의 감소가 유사하더라도 각 합금의 열적특성에 따라 상대적인 소성변형의 정도를 예측할 수 있을 것이라 판단된다.
본 연구는 추후 비결정질 합금의 과냉각액체영역 구간에서 열가소성 정밀성형에 대한 기초연구로서 의의를 지니며, 차후 성형을 위한 공정과정에 대해 최적화 시키는데 적용 가능한 연구라 판단된다.