초소형 스프링의 제조방법{Method for Manafacturing of Nano or Micro-mini Spring}
본 발명은 초소형 스프링의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스프링의 내경과 외경의 변경없이 스프링정수를 변화시킬 수 있는 나노 또는 마이크로 크기의 초소형 스프링을 제조하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 스프링은 탄성을 가진 용수철을 의미하며, 이러한 스프링은 대형공사장비, 자동차, 항공기에서부터 저울, 가전제품 및 휴대폰 폴더의 개폐장치 등에까지 광범위하게 사용되고 있다. 스프링의 종류에는 코일스프링, 원추형 스프링, 판 스프링, 토션 스프링, 태엽스프링, 접시스프링, 클립스프링 등 그 용도와 형태에 따라 매우 다양한데, 특히 코일스프링은 봉상의 금속재료를 나사선 모양으로 감아 형성한 것이며, 인장이나 압축에도 사용할 수 있는바, 압축 코일스프링은 여려 겹으로 구성이 가능하다. 도1은 종래 코일스프링과 그 코일스프링을 감기 위한 선재를 나타낸 도면이다. 도1에 도시된 바와 같이, 종래에는 그 단면이 원형인 직선 형태의 소선(1)을 소정의 외경을 갖는 선재(2)의 외주면에 나선형태로 감아 도시된 바와 같은 코일스프링을 만든다. 이와 같이 제조된 코일스프링은 상기 선재(2)의 외경(d)과 동일한 내경을 가지게 되며, 감는 폭에 따라 피치(p)가 결정되고 상기 코일스프링의 내경에 소선(1)의 지름을 고려하면 코일스프링의 외경(D)이 산출된다. 통상 코일스프링은 탄성계수라고도 부르는 스프링정수가 존재하는데, 상기 스프링정수는 소선(1)의 지름, 권선수, 스프링 외경(D) 및 내경(d)에 의하여 결정된다고 알려져 있다. 따라서, 도1에 도시된 바와 같은 종래 코일스프링의 스프링정수를 변화시키기 위해서는 위의 인자들을 변경해야 하는데, 일반적으로 많이 변경되는 인자가 소선(1)의 지름이다. 그러나, 상술한 바와 같은 종래의 스프링은 선재(2)에 소선(1)을 나선형태로 감아서 스프링을 제조하는 것이기 때문에 1mm급 이하의 초소형 즉, 나노 또는 마이크로 크기의 스프링을 제조하기 위한 방법으로는 적절치 않다. 초소형의 스프링을 종래와 같이 감아서 제조하는 것은 현실적으로 불가능할 뿐만 아니라 선재(2)에 감는다고 하더라도 자체의 탄성력 때문에 소성변화되지 않고 다시 풀리거나 소정의 탄성력을 갖지 못하는 문제점이 있다. 또한, 종래의 스프링에서 스프링정수를 변화시키기 위해서 소선(1)의 지름 (직경)을 변경시키면 필연적으로 스프링의 외경이나 내경 중 어느 하나가 변하게 되는바, 스프링의 외경이나 내경을 변화시키지 않고 스프링정수를 변경할 수 있는 방법이 없는 문제점이 있다. 또한, 종래의 스프링은 도1에 도시된 바와 같이 나선형으로 감기기 때문에 양단이 평평하지 않은 구조를 이루는 바, 이로 인해 스프링과 접촉되는 어느 한 지점에 압력이 집중되는 현상이 발생되므로 이를 방지하기 위해서는 스프링의 양단에 시트를 별도로 설치하거나 스프링 양단을 별도 가공해야 하는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 나노 또는 마이크로 크기의 초소형 스프링을 용이하게 제작하는데 있다. 또한, 스프링의 내경과 외경을 동시에 변화시키기 않으면서 스프링정수의 변경이 가능한 스프링을 제조할 수 있도록 함에 있다. 또한, 스프링이 설치될 때 그 양단이 평평하게 접촉할 수 있도록 스프링에 시트부가 일체로 성형되도록 함에 있다.
상술한 바와 같은 목적을 해결하기 위하여 본 발명은, 소정형상의 단면을 갖는 선재 외주면에 감광액이 응고되어 소정두께를 이루는 감광부가 형성되도록 하는 감광부형성단계; 상기 감광부에 나선형으로 빔을 조사한 후 현상액에 침지시켜 조사된 부위가 제거됨에 따라 상기 감광부에 나선형의 홈이 형성된 몰드를 만드는 몰드성형단계; 상기 몰드를 소정의 용융금속조에 넣어 상기 홈에 용융금속이 충전된 후 응고되도록 함으로써 금속부가 생성되는 스프링형성단계; 상기 금속부가 생성된 몰드 전체를 감광부용해액에 침지시켜 상기 몰드를 제거하는 몰드제거단계; 를 포함하는 초소형 스프링 제조방법을 제공한다. 여기서, 상기 선재의 단면은, 원형, 다각형, 별 형태로 이루어질 수 있는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 감광부형성단계는, 선재를 감광액에 침지시킨 후 그 선재에 열을 가함으로써 선재 외주면에 감광액이 응고되도록 하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 몰드성형단계는, 상기 감광부가 형성된 선재가 회전이송수단에 연결되어 회전되면서 전진하고, 그 감광부 외주면 상에 설치된 사진공정수단에서 소정의 빔을 조사하여 상기 감광부에 나선형의 노광부가 생성되도록 한 후, 그것을 현상액에 침지시켜 상기 노광부가 식각됨에 의해 나선형의 홈이 생성되도록 하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 스프링형성단계는, 상기 몰드를 상기 용융금속조에 넣고 도금공정에 의해 상기 홈에 용융금속이 응고되도록 하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 감광부용해액으로는 아세톤이 사용될 수 있는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 금속부는 그 단면이 각형을 이루는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 금속부 단면의 폭 변화에 의해 스프링정수가 변경되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 금속부 양단에 시트부가 일체로 형성되도록, 상기 감광부에 빔을 조사할 때 상기 선재가 제자리에서 회전만 하도록 함으로써 나선형의 노광부 양단으로 원형의 노광부가 형성되도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 반도체 공정을 응용하여 나선형의 홈을 갖는 몰드에 금속이 적층됨에 따라 스프링이 만들어지므로 나노 또는 마이크로 크기의 초소형 스프링을 용이하게 제조할 수 있는 특유의 효과가 있다. 또한, 스프링의 단면이 각형을 이루므로 스프링의 내경과 외경을 변화시키지 않고 단면 폭만을 변화시켜 스프링정수를 변경할 수 있는 탁월한 효과가 있다. 한편, 스프링 제조시에 양단에 시트부나 설치핀을 일체로 형성할 수 있기 때문에 별도의 스프링시트가 필요없어 원가가 절감되고 스프링의 설치 안정성이 향상되며, 초소형 스프링의 설치가 편리한 장점이 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 보다 상세하게 설명한다. 도2는 본 발명에 따른 초소형 스프링 제조방법 중 감광부형성단계를 보인 참고도이고, 도3은 본 발명에 사용되는 선재의 단면을 보인 단면도이며, 도4는 도2 단계 후 선재의 외주면에 감광부가 형성된 상태를 나타낸 사시도이고, 도5는 본 발 명에 따른 초소형 스프링 제조방법 중 몰드성형단계를 나타낸 참고도이며, 도6은 도5의 단계후 만들어진 몰드의 사시도이고, 도7은 도6의 몰드에 용융금속를 부착시키는 단계를 나타낸 참고도이며, 도8a 내지 도8c는 본 발명에 따른 스프링 제조방법에 의하여 제조된 스프링을 실시예를 나타낸 설명도이다. 본 발명은 크게 감광부형성단계와 몰드성형단계와 스프링형성단계와 몰드제거단계를 포함하여 이루어지는 스프링 제조방법에 관한 것으로서, 나선형 홈이 형성된 몰드에 용융금속을 충전하고 응고(적층)시켜 초소형 스프링을 제조하는 것이다. 먼저 상기 감광부형성단계는, 소정 형상의 단면을 갖는 선재(110) 외주면에 감광액(120)이 응고되어 소정두께를 이루는 감광부(130)가 형성되도록 하는 것이다. 상기 선재(110)의 길이나 단면 크기는 실시자의 필요에 따라 적절하게 설정할 수 있는데, 상기 선재(110)의 단면 크기는 스프링의 내경(d)이 되므로 제조하고자 하는 스프링 내경(d)을 고려하여 설정되어야 하고, 상기 선재(110)의 단면은 도3에 나타낸 바와 같이 원형, 사각형이나 삼각형과 같은 다각형, 별 형태 등 다양하게 이루어질 수 있고 여기에 도시되지 않은 다른 형태도 가능하다. 또한, 상기 선재(110)는 식각이 용이한 금속재료로 이루어지는 것이 바람직한데, 식각이란 식각액에 침지시켰을 때 용해되어 완전히 제거되는 것을 말한다. 상기 선재(110)는 제조하려고 하는 스프링과 다른 재질로 이루어져야 하는 바, 상기 선재로 사용될 수 있는 것에는 알루미늄, 티타늄, 구리 등이 있다. 이와 같이 다양한 단면 형상을 갖는 선재(110)의 외주면에 감광부(130)가 형성되면 도4와 같은 형태를 이루게 되는데, 상기 감광부(130)는 감광액(120)이 응고되어 이루어진 것으로, 도시된 바와 같이 원기둥 형태가 될 수도 있지만 이와 다른 형태로 만드는 것도 가능하다. 여기서, 상기 선재(110)에 감광부(130)를 형성시키는 방법에는 다음과 같은 여러 가지가 있을 수 있다. 즉, 상기 선재(110)에 감광액(120)을 도포하고 말리는 과정을 여러번 반복하여 상기 선재(110)에 응고된 감광부(130)가 형성되도록 할 수도 있고, 감광액(120)을 소정형상의 틀에 붓고 응고시킨 다음 응고된 감광부(130)에 상기 선재(110)를 삽입하여 도4와 같은 형태가 되도록 할 수도 있다. 그러나, 본 발명에서는 도2에 나타낸 바와 같이 선재(110)를 감광액(120)이 담긴 수조에 침지시킨 후 그 선재(110)에 열을 가함으로써 선재(110) 외주면에서 감광액(120)이 응고되도록 하였는바, 먼저 소정의 가열수단(10)에 1개 이상의 선재(110)를 부착시키고 상기 수조에 담긴 감광액(120)에 상기 선재(110)를 침지시킨 후, 상기 가열수단(10)을 통해 상기 선재(110)에 열을 가하면 상기 선재(110) 근처의 감광액(120)이 마르면서 선재(110)에 달라붙어 도4에 도시된 바와 같이 선재(110) 외주면에 감광부(130)가 형성된다. 여기서, 상기 감광부(130)의 두께는 나중에 제조될 스프링 단면의 두께와 상관이 있으므로 이를 고려하여 설정한다. 참고로, 도4에 나타낸 선재(110)와 감광부(130)는 발명의 이해를 돕기 위하여 실제와는 다르게 극단적으로 표현한 것인바, 본 발명을 통해 제조되는 스프링은 나노 또는 마이크로 크기의 초소형이므로 상기 선재(110)도 매우 가늘고, 상기 감광부(130)의 두께도 감광액(120)의 도포에 의해 형성될 정도로 매우 얇다. 한편, 도4에 나타낸 바와 같이 외주면에 감광부(130)가 형성된 선재(110)는 몰드성형단계에 의해서 도6과 같이 몰드(140)로 변경되는데, 상기 몰드성형단계는 상기 감광부(130)에 나선형으로 스프링 단면 폭과 동일한 지름을 갖는 소정의 빔을 조사한 후 현상액에 침지시켜 빔에 조사된 부위가 제거됨에 따라 상기 감광부(130)에 나선형의 홈(132)이 형성된 몰드(140)를 만드는 것이다. 상기 몰드성형단계는 상기 감광부(130)에 나선형의 홈(132)이 형성되도록 하여 스프링이 제조되도록 하는 몰드(140), 즉 틀을 만들기 위한 것으로서, 상기 감광부(130)에 소정의 빔을 조사하는 것은 감광액(120)으로 이루어진 감광부(130)는 소정의 빔(beam)을 받으면 물렁물렁하게 연약해지는 등, 그 특성이 변하고 이것이 현상액과 접촉함에 따라 화학적 반응에 의해 빔을 받은 부위가 제거되어 결국 감광부(130)에서 빔이 조사된 부위는 홈(132)이 되기 때문이다. 여기서, 상기 감광부(130)에 나선형으로 빔이 조사되도록 하는 방법에는 여러 가지가 있을 수 있으나, 본 발명의 실시예에서는 도5에 도시된 바와 같이 상기 감광부(130)가 형성된 선재(110)를 회전이송수단(20)에 연결하여, 상기 회전이송수단(20)에 의해 상기 선재(110)가 회전되면서 앞으로 전진하게 되면, 상기 감광 부(130) 외주면 일측에 설치된 사진공정수단(30)(Lithograph)에서 소정의 빔, 예를 들면 자외선과 같은 빛을 상기 감광부(130)에 조사하여 상기 감광부(130)에 나선형의 노광부(131)가 생성되도록 한다. 이렇게 노광부(131)가 생성된 감광부(130)를 현상액에 침지시키면 상기 노광부(131)가 현상액과의 화학반응에 의해 식각되면서 그 노광부(131)가 제거되어 도6에 나타낸 바와 같이 나선형의 홈(132)이 생성된 몰드(140)가 만들어진다. 이렇게 만들어진 도6의 몰드(140)는 본 발명의 스프링형성단계를 거치게 되는데, 상기 스프링형성단계는 도7에 나타낸 바와 같이 상기 몰드(140)를 소정의 용융금속(150)이 들어있는 용융금속조(160)에 넣어 상기 몰드(140)의 홈(132)에 용융금속(150)이 충전(充塡)된 후 굳어서 응고되도록 함으로써 금속부(200)가 생성되도록 하는 것인데, 용융금속(150)이 상기 홈(132)에 채워져 응고된 상기 금속부(200)는 스프링의 형태를 이루게 되는 것이다. 여기서, 상기 몰드(140)에 상기 금속부(200)가 생성되도록 하는 방법에는 여러 가지가 있을 수 있으나, 본 발명의 실시예에서는 상기 몰드(140)를 용융금속조(160)에 넣고 도금공정에 의해 상기 몰드(140)의 홈(132)에 금속(150)이 도금됨에 따라 상기 금속부(200)가 생성되도록 한다. 이때, 상기 용융금속(150)은 제조될 스프링의 재질이나 원하는 성능을 고려하여 다양한 성분이 사용될 수 있는데, 본 발명의 실시예에서는 NiCo나 BeCu와 같은 용융금속(150)이 사용된다. 한편, 상기 몰드(140)에 금속부(200)가 생성되면 본 발명의 몰드제거단계를 통해서 몰드(140)를 제거시킨다. 상기 몰드제거단계는 상기 금속부(200)가 생성된 몰드(140) 전체를 감광부용해액에 침지시킴으로써, 감광액(120)이 응고되어 만들어진 상기 몰드(140)가 녹아서 제거되도록 하고 상기 금속부(200)는 남도록 한다. 여기서, 상기 감광부용해액으로는 아세톤이 사용될 수 있다. 이와 같이 상기 몰드(140)가 제거되고 나면 스프링 형상을 이루는 상기 금속부(200)가 남게 되어 도8a 내지 도8c에 도시된 다양한 형태의 스프링이 된다. 상기 금속부(200)는 도시된 바와 같이 그 단면이 각형을 이루게 되는바, 이에 따라 스프링의 외경(D)과 내경(d)을 변화시키기 않고 상기 단면의 폭(w)만을 가변시켜 스프링정수를 변경할 수 있게 된다. 따라서, 본 발명의 초소형 스프링이 설치될 곳에 외경(D)과 내경(d)에 대한 제한이 있더라도 단면 폭(w)을 변경시켜 다양한 스프링정수를 갖는 스프링을 제조할 수 있게 되는 것이다. 참고로, 상기 스프링의 단면 폭은 스프링의 직경 변화와는 무관하므로 단면 폭을 변화시키더라도 스프링의 외경과 내경 변화에 전혀 영향을 주지 않는다. 한편, 상기 금속부(200)는 나선형으로만 이루어질 수도 있으나, 나선형으로만 이루어지면 종래와 같이 별도의 스프링시트가 필요하게 되므로, 상기 금속 부(200) 양단에 시트부(210)가 일체로 형성되도록 하는 것이 바람직하다. 상기 시트부(210)는 스프링이 제조될 때 일체로 형성될 수 있는바, 그 방법은 도5에서와 같이 상기 감광부(130)에 빔을 조사할 때 상기 선재(110)가 앞으로 전진하지 않고 제자리에서 회전만 하도록 함으로서 상기 감광부(130)에 원형의 노광부(131)가 형성되도록 하면 된다. 이렇게 시트부(210)가 형성되면 스프링 양단의 접촉면적이 증가되어 스프링이 보다 안정적으로 설치될 수 있으며 설치후 스프링의 변형을 방지할 수 있어 바람직하다. 또한, 본 발명의 스프링은 초소형이기 때문에 스프링의 설치가 쉽지 않은 문제가 있을 수 있는바, 스프링의 설치가 용이하도록 상기 시트부(210)의 양단 중 적어도 어느 한 곳에는 설치핀(220)이 마련되는 것이 바람직하다. 따라서, 스프링이 설치될 곳에 설치공을 형성하고 그 설치공에 스프링의 설치핀(220)을 끼우기만 하면 되므로, 스프링의 설치가 매우 용이해진다. 여기서, 상기 설치핀(220)은 상기 선재(110)의 일부분이 될 수 있는데, 설치핀(220)이 형성되지 않은 도8a의 경우에는 상기 몰드제거단계에서 몰드(140)가 제거되고 난 후 상기 선재(110)도 제거될 수 있도록 상기 선재(110) 전체를 식각액에 침지시켜 제거한다. 그리고, 도8b 및 도8c에 도시된 바와 같이 상기 시트부(210)의 양단 중 적어도 어느 한쪽에 설치핀(220)이 형성되도록 하기 위해서는, 상기 설치핀(220)이 형 성될 선재 부분에 감광액을 다시 도포한 후 선재 제거용 식각액에 넣으면 감광액이 도포된 부위(이것이 결국은 나중에 설치핀(220)이 된다)는 도포된 감광액에 의하여 식각되지 않고 금속부 내부에 있는 선재만 식각액에 의해 식각된다. 이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 설명된 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범위 내에서 얼마든지 구성요소의 치환과 변형이 가능한바, 이 또한 본 발명의 권리에 속하게 된다.
도1은 종래 코일스프링과 그 코일스프링을 감기 위한 선재를 나타낸 도면, 도2는 본 발명에 따른 초소형 스프링 제조방법 중 감광부형성단계를 보인 참고도, 도3은 본 발명에 사용되는 선재의 단면을 보인 단면도, 도4는 도2 단계 후 선재의 외주면에 감광부가 형성된 상태를 나타낸 사시도, 도5는 본 발명에 따른 초소형 스프링 제조방법 중 몰드성형단계를 나타낸 참고도, 도6은 도5의 단계후 만들어진 몰드의 사시도, 도7은 도6의 몰드에 용융금속를 부착시키는 단계를 나타낸 참고도, 도8a 내지 도8c는 본 발명에 따른 스프링 제조방법에 의하여 제조된 스프링을 실시예를 나타낸 설명도. <도면의 주요부분에 대한 부호의 설명> 110 : 선재 120 : 감광액 130 : 감광부 131 : 노광부 132 : 홈 140 : 몰드 150 : 용융금속 160 : 용융금속조 200 : 금속부 210 : 시트부 220 : 설치핀 |
