KR101642188B1

KR101642188B1 - 구조물의 균일 증착을 위하여 비틀림각을 연출하는 지그시스템

Info

Publication number: KR101642188B1
Application number: KR1020140108029A
Authority: KR
Inventors: 강명창; 김광호
Original assignee: 재단법인 하이브리드 인터페이스기반 미래소재 연구단
Priority date: 2014-08-19
Filing date: 2014-08-19
Publication date: 2016-07-22
Also published as: WO2016028089A2; WO2016028089A3; CN106574367A; KR20160022196A; CN106574367B

Abstract

본 발명은, 코팅하고자 하는 모재의 형상이 복잡한 경우 코팅 사각지대가 생기는 문제를 해결하고자 한다.
그에 따라 본 발명은, 모재를 자전, 공전에 더하여 비틀림각을 부여하는 2차적인 비틀림 자전을 하도록 구동되어 코팅 사각지대를 최소화한 것을 특징으로 하는 지그 시스템을 제공하였다.
또한, 본 발명은 모재들을 상하운동도 병행하게 하여 코팅 사각지대를 없앤 지그시스템을 제공한다.
특히, 본 발명은, 밀링 공구와 드릴 공구와 같이 헬릭스 각을 이루는 형상을 한 모재에 대해서 모재의 비틀림각도에 동기화된 비틀림 자전 운동을 하도록 지그를 구동하게 한다.

Description

구조물의 균일 증착을 위하여 비틀림각을 연출하는 지그시스템{JIG SYSTEM WITH PLAYING TORSION ANGLE FOR UNIFORM DEPOSITION OF STRUCTURAL ARTICLE}

본 발명은 코팅 장치에서 피코팅 물체를 고정하여 주는 지그에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는, 다양한 형상을 갖는 물품에 균일한 코팅을 하기 위하여 코팅 공정 중 물품이 코팅되는 방향에 변화를 주도록 구동되는 지그 시스템에 관한 것이다.

모재에 코팅을 함으로써 원하는 물성을 강화할 수 있어, 모재 선택의 폭을 넓힐 수 있다는 것은 경제적인 면에서 및/또는 가공의 난이도를 낮춘다는 점에서 모두 유익하다. 밀링 장비, 드릴공구와 같은 절삭 공구의 커터 부분의 내마모성과 윤활성 강화를 위해서도 그러한 물성을 갖는 물질을 코팅 처리할 수 있다. 또한, 다양한 물품의 제조를 위한 다양한 형상의 금형 내면에도 윤활성과 내구성을 구비한 물질을 코팅하는 것이 바람직하다. 기능성 코팅은 모재를 좀 더 저렴하고 가공성이 좋은 것으로 선택할 수 있게 하여준다.

문제는, 이와 같이 가공을 마친 물품에 코팅을 하는 것이 쉽지 않다는 점이다. 평면이 아닌 복잡한 형상에 균일한 두께로 코팅 막이 입혀져야 공구나 금형이 제기능을 할 수 있는데, 입체적인 부분에 대해 균일한 코팅을 형성하기는 것은 용이하지 않기 때문이다.

이른바 3차원 코팅을 하기 위해, 팩 세멘테이션법 등이 있지만, 물품별로 팩을 만들어 그 안에 물품을 넣고 열처리 등으로 코팅하여야 하기 때문에 양산성이 떨어진다.

코팅하고자 하는 입체 물품의 균일한 코팅을 위해 물품을 자전 및/또는 공전시키는 경우도 있다(대한민국 공개특허 제10-2013-0016574호 참조). 그러나 이러한 시도 역시 다양한 형상에 균일한 코팅을 형성하는 데에는 한계가 있다.

따라서 본 발명의 목적은 입체 구조 물품에 대해 균일한 코팅을 입힐 수 있도록 구동되는 새로운 지그 시스템을 제공하는 것이다.

상기 목적에 따라 본 발명은, 코팅하고자 하는 모재를 자전, 공전에 더하여 비틀림각을 부여하는 2차적인 비틀림 자전을 하도록 구동되어 코팅 사각지대를 최소화한 것을 특징으로 하는 지그 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명은 모재들로 하여금 상하운동도 병행되게 하여 코팅 사각지대를 없앤 지그 시스템을 제공한다.

특히, 본 발명은, 밀링 공구와 드릴 공구와 같이 헬릭스 각을 이루는 형상을 한 모재에 대해서 모재의 비틀림각도에 동기화된 비틀림 자전 운동을 하도록 지그를 구동하게 한다.

본 발명에 따르면, 모재를 고정한 지그의 자전, 공전, 2차적인 자전에 따라 다양한 형상의 모재에 대해 코팅층의 사각(死角)지대를 없애고 모재 구석구석 균일한 코팅을 입힐 수 있다.

또한, 본 발명의 지그 시스템은 양산성이 있으며, 특히, 헬릭스 각을 이루는 절삭공구의 커터 부분에 대해 지그의 2차적인 자전시 비틀림 각을 동기화함으로써 균일한 입체 코팅을 효율적으로 실시할 수 있다.

도 1은 일반적인 코팅용 지그의 개요도이다.
도 2는 일반적인 절삭공구의 커터 부분을 보여주는 사진이다.
도 3는 본 발명에 따른 코팅용 지그시스템의 동작을 설명하기 위한 개요도이다.
도 4는 본 발명의 지그시스템의 비틀림 각 연출을 설명하는 개요도이다.
도 5는 본 발명의 지그시스템의 구성을 설명하기 위한 지그와 모터연결부의 결합을 보여주는 단면구성도이다.
도 6은 본 발명의 지그시스템의 구동을 설명하기 위한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 지그시스템의 상하운동을 설명하기 위한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 지그시스템의 전체적인 레이아웃을 보여주는 단면도 모음이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.

도 1을 보면 일반적인 코팅시스템이 나와 있다.

챔버에는 아르곤 가스와 같은 캐리어 가스를 주입하는 주입구(1)와 코팅막을 형성할 반응가스 주입구(2)가 있고, 모재(3)가 지그(100)에 고정되어 있다. 코팅 재료가 되는 고체 타깃(4)이 챔버 내에 설치될 수 있으며, 챔버 내부를 진공화하기 위해 진공펌프가 연결되는 배기구(5)가 있다. 도 1에 도시된 지그(100)는 두 개의 회전축을 구비하여 모재를 공전 및 자전시킬 수 있다.

도 2에는 엔드밀 공구와 드릴 공구가 도시되어 있고, 특히, 45°의 헬릭스 각도로 가공된 커터 부분이 도시되어 있다. 이러한 헬릭스 각도로 가공되었기 때문에 생긴 요철부분은 코팅 사각지대가 될 수 있다. 헬릭스 각도가 클수록 코팅사각지대도 확장된다. 모재의 자전과 공전이 어느 정도 사각지대를 줄여줄 수 있지만 헬릭스형의 커터 블레이드에는 타깃에서 날아오는 입자에 대해 수직을 이루지 않는부분이 있어 사각지대가 상기 운동으로 완전히 커버 되지 못한다.

즉, 챔버 내에 플라즈마를 생성하여 원자들과 이온들이 운동하는데, 직선운동을 하게 된다. 타깃이 챔버 벽면에 부착된 경우, 플라즈마에 의해 타깃으로부터 도출되는 원자와 이온들은 직진하여 코팅될 모재에 도달하게 되고, 모재가 정지되어 있으면 타깃과 평행을 이루어 마주보는 부문에만 코팅이 이루어진다. 따라서 모재를 자전/공전시켜줌으로써 코팅입자들에 노출이 되기 어려운 부분도 다른 부분과 함께 균일한 코팅이 이루어지게 한다.

본 실시예에서는 도 2의 공구들과 같이 헬릭스 각도를 갖는 등 복잡한 입체 형상을 한 모재에 대해 사각지대를 없앤 균일코팅을 이루기 위해 도 3과 같이 지그의 운동을 좀 더 다양화시킨 지그 시스템을 구성하였다.

도 3의 지그시스템은 자전, 공전 외에 비틀림 각도를 연출할 수 있게 하였다. 지그의 비틀림각도 연출은 모재에 형성된 형상에 맞추어 이루어질 수 있다. 특히, 헬릭스 각을 갖는 공구 모재의 경우, 헬릭스 각도만큼 기울여주는 비틀림각도 연출은 코팅 입자들에 노출된 부분에 대해 상대적으로 사각지대에 놓인 헬릭스 각을 이루는 부분을 코팅 입자에 정면으로 노출시켜 준다.

도 3에서 지그시스템은 공전축과 자전축을 구비하며, 이들은 연결되어 있고, 자전 축에는 모재를 고정할 수 있는 홀더가 구비된다. 홀더에는 금형(3-1)과 같은 모재가 고정될 수도 있고, 자전축에 일정 간격을 두고 엔드밀이나 인서트와 같은 모재(3-2)들이 고정될 수도 있다. 경우에 따라 이들 모재는 한 종류들로만 채워 질수 있고 혼합되어 채워질 수도 있다.

또한, 도 4와 같이 지그에 의한 자전축 상에서 비틀림 각도로 2차적인 자전을 하도록 구동함으로써 헬릭스 각을 갖는 공구 모재 전체에 대해 균일한 코팅이 이루어지게 한다.

타깃으로부터 도출되는 코팅 입자들에 대해 모재가 좀 더 균일하게 노출되도록 지그 공전축은 상하운동도 주기적으로 겸하도록 할 수 있다.

이와 같은, 지그 시스템은 모터에 의해 구동될 수 있고, 동력의 전달은 각종 기어를 적용하여 이루어질 수 있다. 챔버 저면에 배치되는 지그시스템은 도 5에서와 같이 모터와 연결된다. 모터(200)는 챔버 외부에 배치되고, 모터(200)의 구동력을 전달하는 수단(벨트, 기어 등)을 경유하여 모터 연결부에 연결되어 모터 연결부는 챔부 바닥면에 진공을 유지할 수 있게 조립된다. 지그는 챔버 바닥면에서 챔버 외부에 놓여있는 모터연결부와 결합 되며, 지그는 회전될 수 있는 원반(400)을 구비하고 원반의 중심축 하단에서 고정부재로 모터연결부와 조립되고, 상기 중심축 상단에 모재를 고정할 수 있는 홀(hole)을 구비한다. 상기 중심축 상단에서도 고정부재로 모재를 고정할 수 있다. 또한, 중심축 상단에서 벗어나 원반의 다른 지점에 추가적인 모재 홀더 부분을 다수 구비할 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 지그시스템에 의해 다수의 모재가 장착되어 자전, 비틀림자전 및 공전될 수 있는 구동수단들을 도시한다. 또한, 지그 원반(400)에 다수의 자전축(270)이 구비되어 있고, 상기 자전축(270) 상에 다수의 모재(500)가 비틀림 자전을 할 수 있도록 장착되어 있는 것을 도시한다. 공전 축(250)과 자전 축(270)은 원반(400)의 중심과 반지름 방향으로 직진 된 곳에 각각 설치된다.

모터(200)는 챔버 외부에 배치되고, 회전시 구동력이 역시 챔버 외부에 있는 제1 스퍼기어(300)에 전달된다. 제1 스퍼기어(300)의 동력이 챔버 내부의 지그에 전달되도록 샤프트(305)에 의해 지그 원반 회전축과 서로 연결되며 원반 단부에 장착된 제2 스퍼기어(310)가 있다. 제2 스퍼기어(310)의 중심축에는 자전축(270)이 설치된다. 제2 스퍼 기어(310) 외에도 지그 원반의 단부에는 별개의 제3 스퍼기어(320)가 설치되며, 중심축에 자전축(270)이 구비된다. 이러한 자전축(270)을 보유한 스퍼기어는 지그 원반 단부에 대칭적으로 다수 구비될 수 있다. 본 실시예의 경우, 6개를 설치하였다.

각각의 스퍼기어의 자전축(270) 상에는 일정 간격을 두고 베벨 기어(330)들이 배치된다. 베벨 기어(330)의 중심부를 지지하기 위해 가로방향으로 배치된 바(260)는 직립 스탠드(290)에 고정되어 지지한다. 상기 지지용 바(260)는 베벨 기어(330)가 설치된 자전축(270)에 대해 자전축(270)이 회전 가능하게 되는 기어로 구성된다.

먼저, 모재의 공전은 지그 원반을 모터(200)에 의해 회전시키는 것에 의한다. 모터(200)가 회전하면, 여기에 연결되어 있는 제1 스퍼기어(spur gear)(300)가 회전하고, 샤프트(305)에 의해 그 회전력이 챔버 내부에 있는 제2 스퍼 기어(310)에 전달되어 제2 스퍼 기어(310)의 회전에 의해 지그 전체가 회전된다. 그에 따라 챔버 내에 모든 모재들은 타깃에 대해 공전하게 된다.

지그 전체가 회전함에 따라 제3 스퍼기어(320)는 별도의 구동 수단 없이 함께 구동하게 된다. 따라서 제2 스퍼기어(310)와 제3 스퍼기어(320)에 의해 모재(500)들은 모두 자전하게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 이러한 자전과 공전 외에 헬릭스 각을 갖고 형성된 모재(500)에 대해 균일한 코팅을 제공하기 위해 비틀림 자전이 되게 하였다. 비틀림 자전은 나선형 베벨기어(330)에 의한다. 모재(500)를 나선형 베벨기어(330) 중 이동하는 쪽의 기어부품(331)에 고정하여 이루어질 수 있다. 비틀림각도는 베벨기어의 고정된 쪽 부품(332)의 경사각에 의해 결정되며, 모재 헬릭스 각도와 일치시키는 것이 바람직하다. 베벨 기어에 의한 비틀림자전은 일종의 세차운동과도 같다. 이러한 운동은 헬릭스 형상에 의한 코팅 사각지대를 없애준다.

이와 같은 베벨 기어는 금형과 같은 모재를 코팅할 경우에도 자전 축 상에 설치될 수 있다.

지그의 전체적인 회전 속도와 모재 각각의 회전속도는 스퍼 기어나 베벨 기어의 기어비를 조정하여 이루어진다.

다음은, 모재(500)들을 상하운동시키기 위한 구성과 동작에 대해 설명한다.

도 7을 보면, 상하운동(병진운동)을 시키기 위한 서보 모터(600)와 여기에 연결된 볼 스크류(610)가 도시되어 있다. 볼 스크류(610)는 지그 원반의 회전축에 연결되어 있다.

서버모터(600)가 동작하면 그 구동력으로 인해 볼 스크류(610)가 회전운동을 상하운동으로 전환하여 준다. 그에 따라 지그 원반 전체가 상하로 움직이게 된다. 이때, 원반 직경이 상당한 크기로 되어있어, 상하운동에 의해 좌우 평형이 달라지는 현상이 있을 수 있다. 즉, 어느 한쪽이 처지는 것을 막기 위해 가이드 바(630)를 두어 원반 배면을 지지하게 한다. 여기서 공전축(250)과 자전축(270)이 장착되어 있는 지그 원반(400) 자체를 지지하게 할 수도 있지만, 공전축에 접속된 별도의 원반으로서, 자전축이 장착된 원반(400) 아래 별도의 보조원반(450)을 더 추가하여 상기 가이드 바(630)는 보조원반(450) 배면을 지지하게 하는 것이 바람직하다. 여기서 가이드 바(630)가 보조 원반(450) 배면을 지지하되, 보조원반(450)의 공전이 가능하도록 기어 구조나 볼 조인트 구조를 이용하여 접합부를 구성한다.

가이드 바(630)는 방사 대칭이 되게 다수 설치할 수 있다.

본 실시예에 따른 지그시스템의 전체적인 레이아웃을 도 8의 정단면도(좌), 평단면도(상) 및 측단면도(우)로 나타내었다.

이와 같이 하여 복잡한 형상을 갖는 모재에 대해 코팅 사각지대를 없앨 수 있는 지그시스템을 구현할 수 있다.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

1, 2: (가스) 주입구
3, 500: 모재
4: 타깃
5: 배기구
100: 지그
200: 모터
250: 공전축
270: 자전축
290: 스탠드
300: 제1 스퍼기어
305: 샤프트
310: 제2 스퍼기어
320: 제3 스퍼기어
330: 베벨기어
331: 베벨기어 중 이동하는 쪽의 기어부품
332: 베벨기어의 고정된 쪽 부품
400: 원반
450: 보조원반
500: 모재
600: 서보 모터

Claims

챔버 내에서 모재를 코팅하기 위해 모재를 고정하는 지그시스템으로서,
공전 축;
상기 공전축에 접속되어 공전되며 별도의 자전을 할 수 있는 하나 이상의 자전 축;
상기 자전 축 상에 장착되는, 비틀림 자전을 위한 하나 이상의 베벨 기어;및
공전, 자전 및 비틀림자전을 위한 구동수단;을 포함하고,
모재는 베벨 기어의 이동하는 쪽의 기어부품에 고정하여,
상기 모재를 코팅 공정 중 공전, 자전 및 비틀림 자전 되게 하는 것을 특징으로 하는 지그시스템.
제1항에 있어서, 상기 지그시스템은, 상기 공전축을 상하운동시키기 위한 구동수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지그시스템.
제1항에 있어서, 공전과 자전을 위한 구동수단으로서,
모터;
상기 모터와 공전축 사이를 매개하는 제1 스퍼기어;및
상기 공전 축과 자전 축을 매개하는 샤프트에 접속되어 자전 축을 자전시키는 제2 스퍼기어;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지그시스템.
제1항에 있어서, 상기 지그시스템은 원반을 포함하여, 상기 공전 축과 자전 축은 원반의 중심과 반지름 방향으로 직진 된 곳에 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 지그시스템.
제4항에 있어서, 상기 지그시스템은 상기 원반으로부터 아래쪽으로 공전축에 접속된 보조원반을 더 포함하고,
공전 축으로부터 반지름 방향으로 직진하여 서로 방사 대칭을 이루는 지점들에, 공전축의 상하운동에 의해 처짐 현상이 발생 될 수 있는 자전축의 처짐 방지를 위해 보조원반의 배면을 지지하되, 보조원반이 공전가능하게 지지하는 가이드 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지그시스템.
제3항에 있어서, 모재가 헬릭스 각을 구비한 경우, 상기 베벨 기어는 모재에 형성된 헬릭스 각도에 맞추어 모재가 동일한 각도로 기울어져 회전되도록 설계되는 것을 특징으로 하는 지그시스템.