KR102657611B1 - 국부적으로 우수한 절곡성을 가지는 튜브 부재 및 이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 작업 온도에서 튜브 부재의 특정 영역에서만 절곡이 자유롭게 이루어져 사용자가 튜브 부재의 절곡 각도를 다양하게 조절할 수 있는 국부적으로 우수한 절곡성을 가지는 튜브 부재 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 서로 다른 합금 조직을 가지는 제 1 영역 및 제 2 영역을 포함하는 합금 튜브 부재로서, 국부적으로 우수한 절곡성을 가지는 튜브 부재가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제 1 영역은 소정의 작업 온도에서 냉간 가공 상태이거나 혹은 오스테나이트 상을 가지고, 상기 제 2 영역은 상기 작업 온도에서 마르텐사이트 상을 가지며, 상기 제 2 영역의 항복 응력은 상기 제 1 영역의 항복 응력보다 더 낮은 값을 가질 수 있다.

Description

국부적으로 우수한 절곡성을 가지는 튜브 부재 및 이의 제조 방법{Tube member having locally excellent bending property and method for manufacturing the same}

본 발명은 국부적으로 우수한 절곡성을 가지는 튜브 부재 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 작업 온도에서 튜브 부재의 특정 영역에서만 절곡이 자유롭게 이루어져 사용자가 튜브 부재의 절곡 각도를 다양하게 조절할 수 있는 국부적으로 우수한 절곡성을 가지는 튜브 부재 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

인체의 비강은 얼굴의 가운데에 있는 코 안의 빈 곳을 말하는데, 이러한 비강의 전방은 외비공에 의해 외계로 통하고 후방은 후비공에 의해 인두와 통하고 있다. 부비동이란 이러한 비강과 연통되어 있는 얼굴 뼈 속의 공기로 채워진 빈 공간으로 머리뼈 안에 있는 뇌를 외부의 충격으로부터 보호해주는 역할 등을 하며, 종류에는 상악동, 전두동, 사골동 및 접형동이 있다.

부비동은, 종류마다 그 위치가 다르기 때문에 콧구멍을 통해서 튜브 부재로 이루어진 수술기구를 삽입하려면 부비동의 종류 및 환자의 체형에 따라 접근 각도가 다를 수 있다. 예컨대, 접형동은 0도 내지 30도, 전두동은 70도 내지 90도, 상악동은 110도 내지 120도 정도로 차이가 난다. 이에 따라, 부비동의 종류에 따른 다양한 접근 각도에 대응하기 위해, 부비동의 수술기구는 몇 가지 접근각으로 절곡된 스테인레스 튜브 부재(예컨대 절곡각이 0도, 12도, 40도, 60도, 90도, 120도)를 구비해서 사용하고 있다.

그러나, 이러한 종래의 부비동 수술기구로 사용되는 스테인레스 튜브 부재는, 환자의 체형이나 부비동의 종류에 따라 다양한 접근 각이 요구되는 상황을 충족하지 못하여, 튜브 부재의 위치가 목표에 정확히 맞지 않는 경우가 발생하는 문제점이 있었다. 또한, 종래의 튜브 부재는 스테인레스로 이루어져 튜브를 임의로 절곡시켜 접근 각을 맞출 경우에는, 스테인레스 특성상 변형이 전위의 슬립에 의해서 일어나므로 변형이 국부적으로 집중되기 쉽고 비가역적으로 일어나 튜브 부재의 단면이 원형을 유지하지 못하고 절곡 부위에서 튜브 부재가 막히는 문제가 발생하여, 실질적으로 스테인레스로 이루어진 튜브 부재의 절곡 각도를 임의로 조절하는 것이 불가능하다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 작업자가 작업을 수행하는 시점에 튜브 부재의 특정 영역에서만 절곡이 자유롭게 이루어져 사용자가 작업 환경에 따라 튜브 부재의 절곡 각도를 다양하게 조절할 수 있는 국부적으로 우수한 절곡성을 가지는 튜브 부재 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한 본 발명은 상술한 부비동 수술기구로 사용될 수 있으나, 이는 예시적인 것이며, 작업자에 의해 작업 목적에 따라 자유롭게 절곡하여 사용할 수 있는 용도에는 모두 적용이 가능하다.

본 발명의 일 관점에 따르면, 서로 다른 합금 조직을 가지는 제 1 영역 및 제 2 영역을 포함하는 합금 튜브 부재로서, 국부적으로 우수한 절곡성을 가지는 튜브 부재가 제공된다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제 1 영역은 소정의 작업 온도에서 냉간 가공 상태이거나 혹은 오스테나이트 상을 가지고, 상기 제 2 영역은 상기 작업 온도에서 마르텐사이트 상을 가지며, 상기 제 2 영역의 항복 응력은 상기 제 1 영역의 항복 응력보다 더 낮은 값을 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제 1 영역이 오스테나이트 상을 가지는 경우, 상기 제 1 영역은 제 1 상천이온도를 가지고, 상기 제 2 영역은 상기 제 1 상천이온도보다 높은 제 2 상천이온도를 가진다. 이때 상기 제 1 및 제 2 상천이온도는 저온측 마르텐사이트 상에서 고온측 오스테나이트 상으로의 상천이가 일어나는 온도를 의미한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제 1 상천이온도는 상기 작업 온도 보다 더 낮은 온도이고, 상기 제 2 상천이온도는 상기 작업 온도 보다 더 높은 온도일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제 1 영역은 상기 튜브 부재의 일단부를 포함하고, 상기 제 2 영역은 상기 제 1 영역에 연결되게 형성되어 상기 튜브 부재의 타단부를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 소정의 작업 온도에서 냉간 가공 상태 이거나 혹은 오스테나이트 상을 가지는 제 3 영역을 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 제 1 영역은 상기 튜브 부재의 일단부를 포함하고, 상기 제 3 영역은 상기 튜브 부재의 타단부를 포함하며, 상기 제 2 영역은 일단이 상기 제 1 영역과 연결되고 타단이 상기 제 3 영역과 연결되게 형성되어, 상기 튜브 부재의 중간부를 이룰 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제 3 영역은 제 3 상천이온도를 갖고, 상기 제 3 상천이온도는, 상기 작업 온도 보다 더 낮은 온도를 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제 3 상천이온도는 제 1 상천이온도와 동일할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제 3 영역은, 상기 튜브 부재의 타단부를 이루는 일단에 커팅 부재가 결합될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 작업 온도는, 10℃ 내지 50℃의 범위를 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 튜브 부재는 부비동 수술기구를 구성하는 부재일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 튜브 부재는 전선(Electric wire) 삽입용 가이드 튜브 부재를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제 2 영역은 소정의 절곡 각도로 절곡된 형태를 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 합금 튜브 부재는, 니켈-티타늄(Ni-Ti) 합금, 동-아연(Cu-Zn) 합금, 금-카드뮴(Au-Cd) 합금 및 인듐-탈륨(In-TI) 합금 중 어느 하나를 포함하는 합금으로 이루어질 수 있다.

본 발명의 다른 관점에 의하면, 합금 튜브 부재를 포함하는 부비동 수술기구가 제공된다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 합금 튜브 부재는, 수술이 수행되는 작업 온도에서 오스테나이트 상을 가지는 제 1 영역 및 제 3 영역; 및 상기 작업 온도에서 마르텐사이트 상을 가지는 제 2 영역을 포함하고, 제 3 영역의 일단부에는 커팅 부재가 결합되며, 상기 제 1 영역 내지 제 3 영역은 저온측 마르텐사이트 상에서 고온측 오스테나이트 상으로의 상천이가 일어나는 상천이온도를 가진다. 이때 상기 제 2 영역의 상천이온도는 상기 제 1 영역 및 제 3 영역의 상천이온도 보다 높은 온도일 수 있다.

본 발명의 또 다른 관점에 의하면, 국부적으로 우수한 절곡성을 가지는 튜브 부재의 제조 방법이 제공된다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 방법은, 제 1 영역과 제 2 영역으로 구획되는 냉간 가공된 합금 튜브 부재를 준비하는 단계; 상기 튜브 부재의 상기 제 2 영역의 적어도 일부분을 소정의 절곡 각도로 절곡하는 단계; 및 상기 제 2 영역이 마르텐사이트 상을 가지도록 상기 튜브 부재의 상기 제 2 영역만 국부적으로 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 열처리하는 단계는, 상기 제 2 영역이 저온 측의 마르텐사이트 상에서 고온측의 오스테나이트 상으로의 상천이가 일어날 수 있도록 수행되되, 상천이가 일어나는 온도는 상기 제 2 영역의 절곡 작업이 수행되는 온도인 작업 온도보다 더 높은 온도일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 제 1 영역, 제 2 영역 및 제 3 영역으로 구획되는 냉간 가공된 합금 튜브 부재를 준비하는 단계; 상기 튜브 부재의 상기 제 2 영역의 적어도 일부분을 소정의 절곡 각도로 절곡하는 단계; 상기 튜브 부재가 오스테나이트 상을 가지도록 상기 튜브 부재의 전체 영역을 제 1 온도로 제 1 열처리하는 단계; 및 상기 제 2 영역이 마르텐사이트 상을 가지도록 상기 튜브 부재의 상기 제 2 영역만 국부적으로 제 2 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제 1 및 제 2 열처리하는 단계는, 열처리된 영역이 저온 측의 마르텐사이트 상에서 고온측의 오스테나이트 상으로의 상천이가 일어날 수 있도록 수행되되, 상기 제 2 영역의 상천이온도는 상기 제 1 영역 또는 제 3 영역의 상천이온도에 비해 더 높은 온도일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 합금을 튜브 형태로 냉간 가공하여, 제 1 영역, 제 2 영역 및 제 3 영역으로 구획되는 직선 형태의 튜브 부재를 준비하는 단계; 상기 튜브 부재의 상기 제 2 영역의 적어도 일부분을 소정의 절곡 각도로 절곡하는 단계; 상기 제 3 영역이 오스테나이트 상을 가지도록 상기 튜브 부재의 상기 제 2 영역만 국부적으로 제 1 열처리하는 단계; 및 상기 제 2 영역이 마르텐사이트 상을 가지도록 상기 튜브 부재의 상기 제 2 영역만 국부적으로 제 2 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제 1 및 제 2 열처리하는 단계는, 열처리된 영역이 저온 측의 마르텐사이트 상에서 고온측의 오스테나이트 상으로의 상천이가 일어날 수 있도록 수행되되, 상기 제 2 영역의 상천이가 일어나는 온도는 상기 제 2 영역의 절곡 작업이 수행되는 온도인 작업 온도보다 더 높은 온도일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 튜브 부재의 상기 제 3 영역만 국부적으로 상기 제 1 상천이온도 보다 낮은 저온으로 냉각하는 단계; 냉각된 상기 제 3 영역의 일단을 확관하여 커팅 부재를 결합하는 단계; 및 상기 제 3 영역을 상기 제 1 상천이온도 보다 높은 온도로 상승시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 합금 튜브 부재는, 니켈-티타늄(Ni-Ti) 합금, 동-아연(Cu-Zn) 합금, 금-카드뮴(Au-Cd) 합금, 인듐-탈륨(In-TI) 합금 중 어느 하나를 포함하는 형상기억 합금으로 이루어질 수 있다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 튜브 부재의 특정 영역에서만 절곡이 자유롭게 이루어져 작업자가 작업 환경에 따라 튜브 부재의 절곡 각도를 다양하게 조절할 수 있다. 따라서 본 발명은, 이러한 작업자에 의해 절곡이 필요한 경우 자유롭게 절곡하여 사용할 수 있는 용도에 모두 적용이 가능하다. 예를 들어, 튜브 부재를 부비동 수술기구로 이용 시, 하나의 튜브 부재로 환자의 체형이나 부비동의 종류에 따라 다양한 접근 각으로 절곡 각도를 용이하게 조절하여, 부비동으로 삽입되는 튜브 부재의 위치가 목표에 정확히 맞도록 함으로써, 환자의 치료를 더욱 용이하게 하는 효과를 가질 수 있다.

또 다른 예로서, 의료용 수술기구 이외에도, 작업자의 손이 닿지 않는 곳에 전선이나 각종 부재를 삽입하는 부재 삽입용 가이드 부재 등 각종 작업 현장에서 다양하게 사용될 수 있는 국부적으로 우수한 절곡성을 가지는 튜브 부재를 제공할 수 있다.

물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 국부적으로 우수한 절곡성을 가지는 튜브 부재를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 국부적으로 우수한 절곡성을 가지는 튜브 부재를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 1 및 도 2의 국부적으로 우수한 절곡성을 가지는 튜브 부재의 각 영역별 상천이온도를 나타내는 그래프이다.
도 4 내지 도 6은 국부적으로 우수한 절곡성을 가지는 튜브 부재를 제조하는 과정을 단계별로 나타내는 단면도들이다.
도 7 내지 도 10은 국부적으로 우수한 절곡성을 가지는 튜브 부재의 제조예를 나타내는 결과들이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.

이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 튜브 부재(100)를 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 튜브 부재(200)를 개략적으로 나타내는 단면도이며, 도 3의 (a) 및 (b)는 도 1 및 도 2에 도시된 튜브 부재(100, 200)의 각 영역별(110, 120, 130) 상천이온도(phase transformation temperature)를 개념적으로 나타내는 그래프이다. 여기서 튜브 부재(100, 200)에서의 영역은 동일한 튜브 내에서 서로 다른 상(phase)을 가지고 경계를 이루는 영역을 의미할 수 있다. 또한 상기 상천이온도는 온도가 증가함에 따라 저온측의 마르텐사이트 상(martensite phase)이 고온측의 오스테나이트 상(austenite phase)으로 상천이 되는 온도를 의미한다.

먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 튜브 부재(100)는, 합금으로 이루어진 튜브 형태이고, 제 1 영역(110) 및 제 2 영역(120)을 포함할 수 있다. 이때 제 1 영역(110) 및 제 2 영역(120)은 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 마르텐사이트 상(M상)에서 오스테나이트 상(A상)으로의 상천이온도(Af)가 서로 상이한 영역을 포함할 수 있다.

구체적으로, 튜브 부재(100)는 니켈-티타늄(Ni-Ti) 합금으로써, 45at% 내지 55at%의 니켈(Ni), 48at% 내지 55at%의 니켈, 45at% 내지 52at%의 니켈, 또는 50at% 내지 51at%의 니켈을 포함하고 나머지는 티타늄(Ti)인 형상기억 합금일 수 있다. 그러나, 튜브 부재(100)를 이루는 합금은 반드시 니켈-티타늄(Ni-Ti) 합금에 국한되지 않고, 형상기억 합금의 성질을 가질 수 있는 동-아연(Cu-Zn) 합금, 금-카드뮴(Au-Cd) 합금, 인듐-탈륨(In-TI) 합금 등 다양한 종류의 합금으로 이루어질 수 있다.

이러한, 형상기억 합금은, 고온측 오스테나이트 상을 가지는 모상(母相)과 저온측 마르텐사이트 상에서 결정(結晶)의 배열이 현저하게 다르기 때문에 저온측에서 형태에 변형을 가해도 일정한 온도보다 높은 온도로 가열하면 본래의 형태(모상)로 돌아오는 형상기억 효과를 가질 수 있다.

이러한 형상기억 효과는 냉간 가공으로 튜브 형태로 성형한 후 소정의 온도범위에서 열처리까지 수행한 경우에 나타내게 되며, 단지 냉간 가공된 튜브는 통상의 합금소재와 같은 응력-변형 효과를 나타내게 된다.

튜브 부재(100)는 작업자가 용이하게 절곡하여 사용할 수 있도록 직선 형태로 형성되어 지지체의 역할을 할 수 있을 정도의 강성을 가지는 제 1 영역(110) 및 작업 온도에서 자유로운 절곡이 가능한 제 2 영역(120)으로 구성될 수 있다. 이 경우, 제 1 영역(110)은, 튜브 부재(100)의 일단부를 포함하고, 제 2 영역(120)은, 제 1 영역(110)에 연결되게 형성되어 튜브 부재(100)의 절곡된 타단부를 포함하도록 형성될 수 있다.

여기서, 작업 온도는, 작업자에 의해 제 2 영역(120)의 절곡이 수행되거나 혹은 절곡된 튜브 부재(200)로 작업하는 환경의 온도일 수 있다.

도 3의 (a)에는 도 1에 도시된 튜브 부재(100)의 각 영역별 상(phase) 및 상천이온도가 개념적으로 도시되어 있다. 도 3의 (a)를 참조하면, 제 1 영역(110)의 상천이온도(Af1)은 작업 온도(T)보다 낮은 값을 가지며, 따라서 작업 온도(T)에서 오스테나이트 상(A상)을 가진다. 반면, 제 2 영역(120)의 상천이온도(Af2)는 작업 온도(T)보다 더 높은 온도를 가지고 있으며, 따라서 작업 온도(T)에서 마르텐사이트 상(M상)을 가진다.

변형예로서, 튜브 부재(100)의 제 2 영역(120)은 마르텐사이트 상을 가지고, 제 1 영역(110)은 온도 변화에 따른 상천이특성을 가지고 있지 않은 냉간 가공만 된 상태를 가질 수 있다.

작업 온도(T)에서 오스테나이트 상 혹은 통상의 냉간 가공 상태를 가지는 제 1 영역(110)은 작업자가 파지하여 작업하거나 별도와 파지부와 결합하여 사용할 수 있을 정도의 강성을 가진다. 이에 비해 마르텐사이트 상을 가지는 제 2 영역(120)은 작은 힘으로도 용이하게 변형될 수 있는 유연성을 가지고 있으며, 이에 대해서는 후술하는 다른 실시예에서 더욱 자세하게 기술하도록 한다.

본 발명의 다른 실시예로서 튜브 부재(200)가 부비동 수술기구와 같이 의료용 튜브 부재로 이용될 경우에는, 인체에 진입하여 염증 등 수술 부위를 제거할 수 있도록, 튜브 부재(200)에 커팅 부재(S)의 장착이 필요할 수 있다. 이 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 튜브 부재(200)는, 지지체의 역할을 할 수 있는 제 1 영역(110)과 자유로운 절곡이 가능한 제 2 영역(120) 및 커팅 부재(S)가 삽입되어 장착될 수 있는 제 3 영역(130)을 포함할 수 있다. 이때, 커팅 부재(S)는, 별도로 제작되어 제 3 영역(130)의 일단에 결합되거나 톱날 형상을 제 3 영역(130)에 일단에 형성하여 일체형으로 형성될 수도 있다.

예컨대, 제 1 영역(110)은, 튜브 부재(200)의 일단부를 포함하고, 제 3 영역(130)은, 튜브 부재(200)의 타단부를 포함하며, 제 2 영역(120)은, 일단이 제 1 영역(110)과 연결되고 타단이 제 3 영역(130)과 연결되게 형성되어, 튜브 부재(200)의 중간부를 이룰 수 있다. 이때, 제 2 영역(120)은 소정의 작업 온도(T) 상에서 소정의 절곡 각도로 절곡된 형태를 가짐으로써, 튜브 부재(200)는 전체적으로 절곡된 튜브 형태로 형성될 수 있다.

이러한, 튜브 부재(200)는, 소정의 작업 온도(T)에서 특정 영역에서만 절곡이 용이하게 이루어질 수 있도록, 상천이온도가 서로 다른 영역이 포함되도록 형성될 수 있다.

더욱 구체적으로, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 제 1 영역(110)은, 소정의 작업 온도(T)에서 오스테나이트 상(A상)을 갖고 제 1 상천이온도(Af1)를 가질 수 있으며, 제 3 영역은(130)은, 오스테나이트 상(A상)을 갖고 제 3 상천이온도(Af3)를 가질 수 있다. 제 1 영역(110)의 제 1 상천이온도(Af1)와 제 3 영역(130)의 제 3 상천이온도(Af3)는, 작업 온도(T) 보다 낮은 범위 내에서 같거나 서로 다르게 형성될 수 있다.

또한, 작업 온도(T)에서 소정의 절곡 각도로 용이하게 절곡될 수 있는 제 2 영역(120)은, 작업 온도(T)에서 마르텐사이트 상(M상)을 가지며, 제 1 상천이온도(Af1) 및 제 3 상천이온도(Af3) 보다 높은 제 2 상천이온도(Af2)를 가질 수 있다. 또한 제 2 영역(120)의 항복 응력(혹은 항복점)은 제 1 영역(110) 및 제 3 영역(130)의 항복 응력보다 더 낮은 값을 가질 수 있다. 이에 따라, 제 2 영역(120)은, 제 1 영역(110) 및 제 3 영역(130) 보다 소성 변형이 더욱 용이하게 일어나는 구간으로 형성될 수 있다.

예컨대, 튜브 부재(200)를 이루고 있는 합금이 니티놀(Nitinol)이라고 알려진 니켈-티타늄 합금일 경우, 냉간에서 단조나, 압연이나, 압출이나, 인발 또는 신선 가공 등에 의해 튜브 형태로 가공되면, 가공 경화에 의해서 강도가 커져서 외력에 의해 쉽게 변형되지 않고 탄성이 커지는 상태가 될 수 있다. 냉간 가공된 튜브는 가공 방법에 대응하여 결정립이 특정 방향으로 연신되거나 조직 미세화 등과 같은 미세조직의 특성을 나타내게 된다. 이러한 냉간 가공된 합금은 후속에서 열처리가 수행될 경우, 이에 따라 미세조직의 변화 및 합금 특성의 변화가 수반되게 된다.

예를 들어, 냉간 가공 후, 소정의 온도에서 열처리를 수행하면, 가열 혹은 냉각에 따라 상천이가 일어나게 되는 합금 특성을 나타내게 된다. 즉, 상천이온도 보다 높은 온도에서는 오스테나이트 상을 가지고, 상천이온도 보다 낮은 온도에서는 마르텐사이트 상이 나타나는 상천이 특성을 나타내게 된다. 상천이가 일어나는 온도는 니켈-티타늄 합금 성분이나 열처리 방법에 따라 영하 100℃ 내지 영상 100℃ 범위 내에서 변할 수 있다. 또한 이러한, 열처리에 의해 튜브 부재의 형상을 기억시키고, 미세조직을 변화시켜서 초탄성 또는 형상기억효과의 특성을 부여할 수 있다.

이러한, 제 2 상천이온도(Af2) 보다 낮은 온도에서 마르텐사이트 상을 가지는 제 2 영역(120)은, 마르텐사이트 상의 쌍정계면의 가역적인 움직임에 의한 변형이 일어날 수 있다. 따라서, 제 2 영역(120)은, 변형에 필요한 힘은 매우 작아 부드럽게 변형이 되는 것으로 느껴질 수 있으며, 응력을 제거하면 일반금속처럼 변형된 상태로 남게 되어 원하는 형태를 쉽게 만들 수 있다. 이때, 쌍정계면의 움직임으로 변형이 가능한 변형율은 인장 변형 기준으로 7~8% 정도에 이를 수 있으며, 변형 후 제 2 영역(120)을 제 2 상천이온도(Af2) 보다 높은 온도로 가열하면 오스테나이트 상으로 상전이가 일어나면서 변형 이전의 형상으로 돌아가는 형상기억효과가 일어날 수 있다.

이러한 형상기억 효과를 가지는 합금의 경우, 오스테나이트 상은 초탄성 특성을 가지면서 상당한 강성을 가지나, 반면 마르텐사이트 상은 낮은 응력에도 용이하게 변형될 수 있는 기계적 특성을 가진다.

이에 따라, 도 3에 도시된 바와 같이, 열처리 조건 등을 조절하여 튜브 부재(200)의 제 2 영역(120)의 제 2 상천이온도(Af2)를 작업 온도(T) 보다 높게 설정하면, 작업 온도(T)에서 제 2 영역(120)은 마르텐사이트 상을 가질 수 있다.

튜브 부재가 부비동 수술기구에 적용될 경우, 작업 온도(T)는 의사가 수술을 수행하기 위하여 튜브 부재를 국부적으로 절곡하는 온도인 실온 이거나 혹은 튜브 부재가 직접 접촉되는 인체의 체온을 포함하는 온도로써, 10℃ 내지 50℃, 바람직하게는, 20℃ 내지 40℃의 범위를 가질 수 있다.

따라서, 부비동 수술기구에 적용될 경우, 튜브 부재(200)는, 제 2 영역(120)을 작업 온도(T) 상에서 마르텐사이트 상을 가지게 함으로써, 환자의 부비동의 각도에 따라 제 2 영역(120)을 자유롭게 절곡하여 필요한 절곡 형상을 용이하게 만들 수 있다. 즉, 환자의 체온인 작업 온도(T)가 제 2 영역(120)의 제 2 상천이온도(Af2) 보다 낮아서 마르텐사이트 상을 가지는 제 2 영역(120)을 자유롭게 절곡할 수 있다.

또 다른 예로, 작업자의 손이 닿지 않는 곳에 전선(Electric wire)이나 각종 부재를 삽입하는 부재 삽입용 가이드 부재 등 각종 작업 현장에서 이용될 경우에는, 작업자의 작업 환경인 실온과 유사한 범위 내에서 설정될 수 있다.

이때, 튜브 부재(200)의 전 영역(110, 120, 130)이 작업 온도(T) 상에서 마르텐사이트 상으로 구성이 되어 있어도 최소한의 원하는 절곡 동작이 가능할 수 있다. 그러나 튜브 부재(200)의 전 영역(110, 120, 130)에서 변형이 자유롭게 일어나면, 제 1 영역(110) 또는 제 3 영역(130)에서도 변형이 일어나 제 2 영역(120)을 원하는 각도로 변형시키기 어려우며, 튜브 부재(200)를 인체에 삽입할 때 제 1 영역(110) 또는 제 3 영역(130)에서 불필요한 변형이 쉽게 일어나, 오히려 환자 치료 등의 작업 효율이 저해될 수 있다.

따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, 자유로운 절곡이 필요한 제 2 영역(120)을 제외한 제 1 영역(110) 및 제 3 영역(120)의 제 1 상천이온도(Af1) 및 제 3 상천이온도(Af3)를 작업 온도(T) 보다 낮게 설정하여, 작업 온도(T) 상에서 제 1 영역(110) 및 제 3 영역(130)이 변형이 쉽게 일어나지 않는 오스테나이트 상을 가지도록 할 수 있다.

이에 따라, 튜브 부재(200)의 각 영역(110, 120, 130)이 역할에 따른 다른 특성이 부여됨으로써, 작업 온도(T) 상에서 오스테나이트 상을 가지는 제 1 영역(110)은 손잡이 또는 핸드 피스에 연결되는 부위로 활용하고, 마르텐사이트 상을 가지는 제 2 영역(120)은 변형이 쉽게 되어 절곡 각도를 조절하는 부위로 활용하며, 오스테나이트 상을 가지는 제 3 영역(130)은 톱날을 가지는 커팅 부재(S)를 결합 또는 접합하는 부위로 활용할 수 있다.

변형예로서, 튜브 부재(200)의 제 2 영역(120)은 마르텐사이트 상을 가지고, 제 1 영역(110) 및 제 3 영역(130) 중 어느 하나 이상은 작업 온도에서 냉간 가공된 상태를 가질 수 있다. 이 경우 역시 냉간 가공된 영역이 가공경화에 의해 최소한의 강성을 가질 수 있다.

이하에서는 상술한 국부적으로 우수한 절곡성을 가지는 튜브 부재(200)의 제조 방법에 대해서 상세하게 설명하도록 한다.

도 4 내지 도 6은 국부적으로 우수한 절곡성을 가지는 튜브 부재(200)를 제조하는 과정을 단계별로 나타내는 단면도들이고, 도 7은 국부적으로 우수한 절곡성을 가지는 튜브 부재의 실제 제품을 나타내는 이미지이다.

먼저, 도 4에 도시된 바와 같이, 니켈-티타늄(Ni-Ti) 등 형상기억 효과를 가지는 합금을 튜브 형태로 냉간 가공하여, 제 1 영역(110)과 제 2 영역(120) 및 제 3 영역(130)으로 구획되는 직선 형태의 튜브 부재(200)를 준비할 수 있다. 이러한, 튜브 부재(200)는, 단조나, 압연이나, 압출이나, 인발 및 신선 가공 등에 냉간에서 가공될 수 있으며, 전체적으로 직선 형태의 튜브 형상으로 형성될 수 있다. 이때, 튜브 부재(200)는, 냉간 가공까지만 한 상태이므로 통상의 합금과 같은 상당한 강성을 가진 상태일 수 있다.

이어서, 도 5에 도시된 바와 같이, 튜브 부재(200)의 열처리 전에 튜브 부재(200)의 제 2 영역(120)의 적어도 일부분을 소정의 절곡 각도로 절곡시킬 수 있다. 이때, 제 2 영역(120)의 절곡 각도는 사용자가 필요로 하는 절곡 각도의 범위를 감안하여 설정할 수 있다. 예컨대, 직선 상태의 튜브 부재(200)를 절곡시키면 약 100도의 범위 내에서 튜브 부재(200)의 단면적의 손상 없이 절곡할 수 있다. 즉, 튜브 부재(200)의 원하는 절곡 각도의 범위가 0도 내지 120도일 경우, 튜브 부재(200)의 열처리 전에 제 2 영역(120)을 약 40도 정도의 절곡 각도로 절곡함으로써, 필요한 절곡 각도의 범위를 모두 수용하도록 할 수 있다.

또한, 자유로운 절곡이 필요한 튜브 부재(200)의 제 2 영역(120) 외에 지지 역할이나 커팅 부재(S)가 결합되어 변형이 쉽게 일어나지 않는 강도가 필요로 하는 제 1 영역(110) 및 제 3 영역(130)은, 열처리를 하지 않고 냉간 가공 상태로 유지하거나, 열처리를 통해 상천이온도를 작업 온도(T) 보다 낮게 설정함으로써, 작업 온도(T) 상에서 초탄성 상태를 유지하도록 할 수 있다.

예컨대, 제 1 영역(110) 및 제 3 영역(130)은, 냉간 가공 상태를 유지하고, 제 2 영역(120)은, 작업 온도(T) 보다 높은 제 2 상천이온도(Af2)를 가질 수 있도록, 튜브 부재(120)의 제 2 영역(120)만 국부적으로 소정의 열처리를 할 수 있다. 예를 들어, 니켈-티타늄 합금의 경우 상기 열처리 온도는 400 내지 450℃의 범위를 가질 수 있다. 제 2 영역(120)의 열처리는, 레이저를 이용한 국부적 가열이나 제 2 영역(120) 부분만 열처리 챔버에 수용하여 국부적으로 가열할 수 있다. 그러나, 열처리 방법은 이에 국한되지 않고, 제 2 영역(120)만 국부적으로 가열하여 열처리를 할 수 있는 다양한 열처리 방법이 적용될 수 있다.

이에 따라, 튜브 부재(200)의 제 2 영역(120)은, 작업 온도(T) 보다 높은 제 2 상천이온도(Af2)를 가짐으로써, 작업 온도(T) 상에서 마르텐사이트 상을 가질 수 있다. 이때, 제 1 영역(110) 및 제 3 영역(130)은 냉간 가공까지만 한 상태이므로 통상의 합금과 같은 상당한 강성을 가진 상태일 수 있다.

따라서, 튜브 부재(200)의 제 2 영역(120)은, 힘을 조금만 가해도 변형이 쉽게 일어나고 그 힘을 제거해도 변형을 그대로 유지하는 거동을 보이는 반면에, 제 1 영역(110) 및 제 3 영역은(130)은, 힘을 가해도 변형이 잘 일어나지 않고 그 힘을 제거하면 원래 상태로 빠르게 돌아오는 스티프(stiff)한 거동을 보임으로써, 작업자가 상당한 강성을 가지는 제 1 영역(110) 또는 제 3 영역(130)을 파지하거나 다른 파지체에 결합한 상태에서, 마르텐사이트 상을 가져 변형이 쉽게 되는 제 2 영역(120)을 자유롭게 절곡시킬 수 있다. 이러한, 제조 방법은, 제 3 영역(130)에 커팅 부재(S)를 삽입하지 않고 제 3 영역(103)을 직접 가공하여 컷팅 부재(S)를 제조하는 경우에 사용될 수 있다.

제 3 영역(130)에 커팅 부재(S)를 삽입하여 결합할 경우에는 커팅 부재(S)의 용이한 삽입을 위해서 제 3 영역(130)의 열처리가 필요할 수 있다.

예컨대, 냉간 가공 후 제 2 영역(120)이 소정의 절곡 각도로 절곡된 튜브 부재(200) 전체가 작업 온도(T) 보다 낮은 제 1 상천이온도(Af1)를 가지도록, 튜브 부재(200)의 전체 영역(110, 120, 130)을 제 1 온도로 1차 열처리할 수 있다. 이어서, 제 2 영역(120)이 작업 온도(T) 보다 높은 제 2 상천이온도(Af2)를 가지도록, 튜브 부재(200)의 제 2 영역(120)만 국부적으로 제 2 온도로 2차 열처리함으로써, 제 2 영역(120)의 상천이온도를 재설정할 수 있다. 이때 튜브 부재(200)가 니켈-티타늄 합금일 경우, 조성에 따라 1차 열처리 온도는 500 내지 550℃ 범위를 가질 수 있고, 2차 열처리 온도는 350 내지 450℃ 범위를 가질 수 있다.

이어서, 도 6에 도시된 바와 같이, 튜브 부재(200)의 제 3 영역(130)만 국부적으로 제 1 상천이온도(Af1) 보다 낮은 저온으로 냉각시킴으로써, 제 3 영역(130)이 마르텐사이트 상을 가지도록 할 수 있다. 이어서, 냉각되어 마르텐사이트 상을 가짐으로써 변형이 쉽게 일어날 수 있는 제 3 영역(130)의 일단을 확관하여 커팅 부재(S)를 결합할 수 있다. 이때, 제 3 영역(130)에 삽입되는 커팅 부재(S)의 삽입 부위는, 확관 전의 제 3 영역(130)의 내경 보다 약간 더 큰 외경을 가지도록 형성될 수 있다.

이어서, 제 3 영역(130)을 제 1 상천이온도(Af1) 보다 높은 온도로 상승시키면, 확관된 제 3 영역(130)의 일단이 다시 줄어들면서 커팅 부재(S)를 억지끼움의 형태로 강하게 고정시킬 수 있다. 이때, 냉각된 제 3 영역(130)의 온도 상승은, 별도로 가열할 수 있지만, 상천이온도가 실온 보다 낮게 설정할 경우에는 실온 상태에 방치하는 것으로도 충분할 수 있다.

변형예로서, 제 1 영역(110)과 제 2 영역(120)을 포함하는 튜브 부재(100)를 제조하는 경우도 상술한 제 3 영역(130)에서 수행되는 작업을 제외하고 실질적으로 동일하게 수행될 수 있으며, 이에 자세한 제조 방법의 기술은 생략한다.

이하 본 발명의 이해를 돕기 위한 제조예에 대해서 기술한다. 하기의 제조예는 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시적으로 제시되는 것으로서, 본 발명이 하기 제조예로 한정되는 것이 아님은 물론이다.

[제조예 1]

냉간 가공된 50.2at% Ni-Ti 합금의 직선의 튜브 부재를 준비한다. 튜브 부재의 일부분을 30도 정도 절곡하여 변형시킨 상태로 절곡된 부분(제 2 영역)만 350℃ 이상에서 열처리한다. 열처리 후 열처리가 된 절곡된 부분은 변형이 된 상태로 만들어 지고, 상천이 온도가 45℃ 정도가 되므로 작업 온도(실온 혹은 체온) 상에서 마르텐사이트 상태로 구성된다.

도 7에는 제조예 1에 의해 제조된 튜브 부재가 나타나 있다. 절곡된 부분을 변형해 보면 부드러운 변형의 거동을 보이게 되고, 열처리가 안된 나머지 부분은 냉간 가공 상태로 남아 있어 매우 강한 거동을 보이게 된다. 도 7에 있어서 제 1 영역 및 제 3 영역에 해당되는 부분에는 냉간 가공된 합금의 기계적 특성으로서 탄성을 나타내는 응력-변형률 그래프가 같이 병기되어 있다. 또한 제 2 영역에 해당되는 영역에는 낮은 응력에도 소성 변형이 일어나는 응력-변형률 그래프가 같이 병기되어 있다.

[제조예 2]

냉간 가공된 50.6at% Ni-Ti 합금의 직선으로 된 튜브를 준비한다. 튜브 부재의 일부분을 40도 정도 절곡하여 변형시킨 다음 튜브 부재 전체를 500℃ 에서 5분 이상 열처리한다. 열처리 후 상천이 온도는 대략 15℃ 정도로 실온이나 체온의 범위를 가지는 작업 온도보다 낮으므로 변형시켜보면 튜브 부재의 전체는 초탄성 거동을 보인다.

이때, 절곡된 부분만 450℃ 정도에서 열처리하면 상천이 온도가 상승하여 추가 열처리된 부분인 절곡된 부분은 부드러운 변형의 거동을 보이고, 나머지 부분은 초탄성 거동을 보인다. 이는 450℃ 온도에서 가열하게 되면 Ni₄Ti₃ 석출물이 생기게 되어 기지의 Ni농도가 낮아져 상천이 온도가 상승한 결과이다. 결과적으로 튜브 부재는 도 8에 도시된 바와 같은 거동을 가지는 특성을 보이게 된다. 도 8의 제 1 영역 및 제 3 영역에 해당되는 부분에는 초탄성 특성을 나타내는 응력-변형률 그래프가 병기되어 있다. 이러한, 튜브 부재를 변형시켜보면 도 9에 도시된 바와 같이 절곡된 부분이 다양한 각도로 용이하게 조절되는 것으로 나타났다.

이후 제 3 영역에 해당되는 부분에 커팅 부재를 삽입하는 단계를 수행하였다. 튜브 부재의 내경이 3.6mm 이었으며, 따라서 이 보다 약간 더 큰 직경 3.7mm의 스테인리스 톱날을 준비하였다. 제 3 영역에 해당되는 부분만 국부적으로 냉각하여 온도를 실온 이하로 떨어뜨린 후 튜브 단부의 입구를 확관하였다. 다음, 준비한 커팅 부재를 삽입한 후 다시 실온으로 상승시켰다. 실온에서 튜브의 내경이 줄어들면서 커팅 부재를 조임에 따라 매우 강한 결합력으로 결합되었다. 도 10에는 커팅 부재가 결합된 후의 결과를 나타나 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

110: 제 1 영역
120: 제 2 영역
130: 제 3 영역
100, 200: 튜브 부재
S: 커팅 부재
T: 작업 온도
Af1: 제 1 상천이온도
Af2: 제 2 상천이온도
Af3: 제 3 상천이온도

Claims (19)

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13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
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17. 합금을 튜브 형태로 냉간 가공하여, 제 1 영역, 제 2 영역 및 제 3 영역으로 구획되는 직선 형태의 튜브 부재를 준비하는 단계;
    상기 튜브 부재의 상기 제 2 영역의 적어도 일부분을 소정의 절곡 각도로 절곡하는 단계;
    상기 제 3 영역이 오스테나이트 상을 가지도록 상기 튜브 부재의 상기 제 2 영역만 국부적으로 제 1 열처리하는 단계;
    상기 제 2 영역이 마르텐사이트 상을 가지도록 상기 튜브 부재의 상기 제 2 영역만 국부적으로 제 2 열처리하는 단계;
    상기 튜브 부재의 상기 제 3 영역만 국부적으로 상기 제 1 상천이온도보다 낮은 저온으로 냉각하는 단계;
    냉각된 상기 제 3 영역의 일단을 확관하여 커팅 부재를 결합하는 단계;및
    상기 제 3 영역을 상기 제 1 상천이온도보다 높은 온도로 상승시키는 단계;를 포함하며,
    상기 제 1 영역 내지 제 3 영역은 저온측 마르텐사이트 상에서 고온측 오스테나이트 상으로의 상천이가 일어나는 상천이온도를 가지고,
    상기 제 1 및 제 2 열처리하는 단계는, 열처리된 영역이 저온 측의 마르텐사이트 상에서 고온측의 오스테나이트 상으로의 상천이가 일어날 수 있도록 수행되되,
    상기 제 2 영역의 상천이가 일어나는 온도는 상기 제 2 영역의 절곡 작업이 수행되는 온도인 작업 온도보다 더 높은 온도인,
    국부적으로 절곡성을 가지는 튜브 부재의 제조 방법.
    
18. 삭제
19. 제 17항에 있어서,
    상기 합금 튜브 부재는, 니켈-티타늄(Ni-Ti) 합금, 동-아연(Cu-Zn) 합금, 금-카드뮴(Au-Cd) 합금, 또는 인듐-탈륨(In-TI) 합금 중 어느 하나를 포함하는 합금으로 이루어진,
    국부적으로 절곡성을 가지는 튜브 부재의 제조 방법.
    

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