KR102442460B1 - 형상기억합금 스프링의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 명세서는, 미세 직경의 형상기억합금 와이어를 이용하더라도 형상기억합금 스프링을 대량으로 생산할 수 있는 형상기억합금 스프링의 제조장치를 제공한다. 또한, 본 명세서는, 별도의 베이스 와이어 분리 단계를 필요로 하지 않는 형상기억합금 스프링의 제조방법을 제공한다.

Description

형상기억합금 스프링의 제조방법{METHOD OF MANUFACTURING SHAPE MEMORY ALLOY SPRING}

본 발명은 형상기억합금 스프링의 제조장치, 형상기억합금 스프링의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 형상기억합금 스프링을 연속적으로 형성하여 대량으로 생산할 수 있는 형상기억합금 스프링의 제조장치, 형상기억합금 스프링의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 열반응 구동소자는 열에너지를 기계적 에너지로 변환시킬 수 있는 소재로서, 인공근육에 많이 적용되고 있다. 인공근육은 외부의 전기적 입력에 의해 반응하도록 제작하여 생체근육의 대용기능을 수행할 수 있다. 인공근육은 대개 자유로운 신체활동이 어려운 장애인의 팔다리 역할을 하는 재활 로봇이나, 우주 탐사 또는 해저 탐사나 원자력발전소 같이 인간이 직접 작업하기 어려운 특수 환경에서 작업을 수행하는 작업용 로봇에 활용될 수 있다. 인공근육은 더 나아가 초소형이며 고도의 복잡한 동작을 위한 미세전자기계시스템(Micro Electro Mechanical System, MEMS) 같은 첨단 제품 등에 활용되기 위한 목적으로 제작되고도 있다.

열반응 구동소자 중의 하나인 형상기억합금(Shape Memory Alloy, SMA)은 소성 변형 시에 전위의 이동에 의하지 않고 마르텐사이트 상의 변태에 의해 변형하여 어느 온도 이상으로 가열하면 마르텐사이트 상에서 오스테나이트 상으로 변태하여 변형 이전의 형상으로 복원되는 재료이다. 인공근육에 요구되는 특성은 생체근육과 같이 유연하고 신속한 반응을 확보하는 것인데, 온도에 따라 모양이 바뀌는 형상기억합금은 이에 적합한 소재이다.

한편, 수축변위가 2~5%인 형상기억합금 와이어를 스프링으로 제작하면 수축변위를 40%이상으로 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 다만, 형상기억합금 스프링은 가열하여 수축하는 속도는 빠르나 냉각속도가 느려서 이완속도를 향상시키기에는 한계가 있다. 이로 인해 전체적인 구동속도가 느려지는 문제점이 있다.

따라서, 형상기억합금 스프링 제작시 냉각속도를 향상시키고자 하는 연구가 진행되어 왔으며, 형상기억합금 스프링을 제작하는 형상기억합금 와이어의 직경이 가늘수록 가열속도가 빨라지며 부피 대비 표면적 비율이 높아져서 냉각속도도 향상된다는 것이 밝혀졌다.

그런데, 형상기억합금 와이어의 직경을 가늘게 할 경우, 동일한 수준의 부하용량을 기대하기 위해서는 더 많은 수의 형상기억합금 스프링이 필요하게 된다. 예를 들어, 0.08mm 미세 직경의 형상기억합금 와이어는 0.5mm 굵은 직경의 형상기억합금 와이어 직경의 1/39로서 단위부피대 표먼적 비가 12.5배 증가한다. 직경의 비율만큼 부하용량이 감소하므로 0.08mm 직경의 형상기억합금 와이어로 제작한 형상기억합금 스프링이 0.5mm 직경의 형상기억합금 와이어로 제작한 형상기억합금 스프링 1개의 부하용량을 발휘하기 위해서는 39개가 필요하게 된다. 그러나, 0.5mm 직경의 형상기억합금 와이어로 스프링을 제작하는 경우 심선을 수작업으로 제거할 수 있으나 미세 직경 스프링의 경우 그 수량이 너무 많고 심선이 너무 가늘어 수작업으로 심선을 제거하는데 상당한 어려움이 따른다.

따라서, 형상기억합금 와이어를 이용하여 형상기억합금 스프링을 대량으로 제작하기위한 공정의 개발이 필요한 실정이다.

본 발명은 전술한 문제 및 이와 연관된 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 목적은, 미세 직경의 형상기억합금 와이어를 이용하더라도 형상기억합금 스프링을 대량으로 생산할 수 있는 형상기억합금 스프링의 제조장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 별도의 베이스 와이어 분리 단계를 필요로 하지 않는 형상기억합금 스프링의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 명세서에 개시된 기술의 기술적 사상에 따른 형상기억합금 스프링의 제조장치 및 형상기억합금 스프링의 제조방법이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 문제점을 해결하기 위한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제는 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 본 발명의 일 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 형상기억합금 스프링의 제조장치는, 감겨진 베이스 와이어가 풀리는 제1언와인딩부; 상기 제1언와인딩부에서 풀리는 상기 베이스 와이어가 관통 공급되는 제1관통공을 가지고, 상기 제1관통공의 중심축을 중심으로 회전하는 제1회전부; 상기 제1회전부에 구비되어 상기 제1회전부와 함께 회전하고, 감겨진 형상기억합금 와이어가 풀리면서 상기 제1회전부를 통과하여 공급되는 상기 베이스 와이어의 외주면에 감겨 복수의 단위 스프링 형상이 연속적으로 형성되도록 하는 제2언와인딩부를 포함하는 형상기억합금 스프링의 제조장치를 제공한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 형상기억합금 스프링의 제조장치는, 상기 형상기억합금 와이어가 감긴 상태의 상기 베이스 와이어가 권취되는 제1와인딩부를 포함하고, 감겨진 코어 와이어가 풀리는 제3언와인딩부와, 상기 제3언와인딩부에서 풀리는 상기 코어 와이어가 관통 공급되는 제2관통공을 가지고, 상기 제2관통공의 축 방향을 중심으로 회전하는 제2회전부와, 상기 제2회전부에 구비되어 상기 제2회전부와 함께 회전하고, 감겨진 둘레 와이어가 풀리면서 상기 제2회전부를 통과하여 공급되는 상기 코어 와이어의 외주면에 감겨 상기 형상기억합금 와이어가 형성되도록 하는 제4언와인딩부를 가지는 와이어 제조부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 베이스 와이어는, 녹는점이 500 ℃ 이상이고, 산 또는 과산화수소 수용액과 반응하여 용해되는 금속으로 이루어질 수 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 상기 베이스 와이어는 몰리브덴 또는 텅스텐으로 이루어질 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 제1와인딩부는 형상기억합금 스프링의 열처리 온도에서 견딜 수 있는 금속, 세라믹, 실리콘 및 유리 중 적어도 하나의 재질을 포함하도록 구성될 수 있다.

상술한 본 발명의 일 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 형상기억합금 스프링의 제조방법에 따르면, a) 녹는점이 500 ℃ 이상이고, 산 또는 과산화수소 수용액과 반응하여 용해되는 금속으로 이루어지는 베이스 와이어를 공급하는 단계; b) 형상기억합금 와이어가 상기 공급되는 베이스 와이어에 감기는 단계; c) 상기 형상기억합금 와이어가 상기 베이스 와이어에 감긴 복수의 단위 스프링 형상이 연속적으로 형성되는 단계; 및 d) 형상기억합금 와이어가 감긴 상태의 베이스 와이어가 권취된 보빈을 고온로에서 열처리하는 열처리 단계를 포함하고, 상기 보빈은 상기 열처리 단계의 열처리 온도에서 견딜 수 있는 금속, 세라믹, 실리콘 및 유리 중 적어도 하나의 재질을 포함하도록 구성될 수 있다.

상술한 본 발명의 일 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 형상기억합금 스프링의 제조방법에 따르면, a) 축 방향으로 관통 형성되는 제1관통공을 가지는 제1회전부가 회전되고, 제1언와인딩부에서 풀리는 베이스 와이어가 상기 제1관통공을 통해 공급되는 단계; b) 상기 제1회전부에 구비되어 상기 제1회전부와 함께 회전하는 제2언와인딩부에 감겨진 형상기억합금 와이어가 풀리고, 상기 형상기억합금 와이어의 전단부가 상기 제1관통공을 통과해 공급되는 상기 베이스 와이어에 감기는 단계; c) 상기 제2언와인딩부에서 풀리는 형상기억합금 와이어가 상기 제1회전부를 통과하여 공급되는 상기 베이스 와이어의 외주면에 감겨 복수의 단위 스프링 형상이 연속적으로 형성되는 단계; 및 d) 형상기억합금 와이어가 감긴 상태의 베이스 와이어가 권취된 제1와인딩부를 고온로에서 열처리하는 열처리 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 제2언와인딩부에서 풀리는 형상기억합금 와이어는, 축 방향으로 관통 형성되는 제2관통공을 가지는 제2회전부가 회전되고, 제3언와인딩부에서 풀리는 코어 와이어가 상기 제2관통공을 통해 공급되는 단계와, 상기 제2회전부에 구비되어 상기 제2회전부와 함께 회전하는 제4언와인딩부에 감겨진 둘레 와이어가 풀리고, 상기 둘레 와이어의 전단부가 상기 제2관통공을 통과해 공급되는 상기 코어 와이어에 감기는 단계와, 상기 제4언와인딩부에서 풀리는 상기 둘레 와이어가 상기 제2회전부를 통과하여 공급되는 상기 코어 와이어의 외주면에 감기는 단계를 통해 제조될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 형상기억합금 스프링의 제조방법에 따르면, 베이스 와이어를 수작업으로 제거하는 별도의 공정이 필요하지 않아 형상기억합금 스프링의 생산의 효율성과 양산성을 높일 수 있다.

또한, 미세 직경의 형상기억합금 와이어를 이용하여 형상기억합금 스프링을 대량으로 생산할 수 있어, 전체적인 구동속도를 향상시킬 수 있다.

다만, 본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 형상기억합금 스프링의 제조장치를 나타낸 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 형상기억합금 스프링의 제조장치의 제1회전부를 중심으로 나타낸 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 형상기억합금 스프링의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 형상기억합금 스프링을 나타낸 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 형상기억합금 스프링의 제조장치의 와이어 제조부를 나타낸 예시도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 형상기억합금 스프링의 형상기억합금 와이어를 나타낸 단면예시도이다.

본 명세서에 개시된 기술은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 명세서에 개시된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 명세서에 개시된 기술은 본 명세서에 개시된 기술의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에 개시된 기술을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 기술의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제 1, 제 2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.

또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "결합된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결 또는 결합될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결 또는 결합될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

또한, 본 명세서에서 '~부'로 표현되는 구성요소는 2개 이상의 구성요소가 하나의 구성요소로 합쳐지거나 또는 하나의 구성요소가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화될 수도 있다. 또한, 이하에서 설명할 구성요소 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성요소가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성요소 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성요소에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.

다양한 실시예에서 사용된 "제 1", "제 2", "첫째", 또는 "둘째" 등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 예를 들면, 본 명세서에 개시된 기술의 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 바꾸어 명명될 수 있다.

이하, 바람직한 실시예에 따른 형상기억합금 스프링의 제조장치 및 제조방법을 상세히 설명하도록 한다.

형상기억합금 스프링의 제조장치

도 1 내지 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 형상기억합금 스프링의 제조장치를 나타낸 예시도이고, 도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 형상기억합금 스프링의 제조장치의 제1회전부를 중심으로 나타낸 예시도이다.

도 1 내지 3에서 보는 바와 같이, 형상기억합금 스프링의 제조장치는 제1언와인딩(unwinding)부(110), 제1회전부(120), 제2언와인딩(unwinding)부(130) 그리고 제1와인딩(winding)부(160)를 포함할 수 있다.

제1언와인딩부(110)에서는 감겨진 베이스 와이어(210)가 풀릴 수 있다. 베이스 와이어(210)는 제조하고자 하는 형상기억합금 스프링의 내측지름에 대응되는 외측지름을 가질 수 있다.

베이스 와이어(210)는 형상기억합금 스프링의 열처리 온도보다 녹는점이 높으면서 산 또는 과산화수소 수용액과 반응하여 용해되는 재질이 사용될 수 있다. 구체적으로, 베이스 와이어(210)는 녹는점이 약 500 ℃ 이상이면서, 산 또는 과산화수소 수용액과 반응하여 용해되는 금속으로 이루어질 수 있으며, 베이스 와이어를 녹이는 산으로는 불산, 염산, 붕산, 황산, 질산, 인산, 과산화수소산, 아세트산, 프로피온산, 디아세트산, 포름산 등 제한없이 사용될 수 있다. 예시적으로, 베이스 와이어(210)는 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 철(Fe), 크롬(Cr), 지르코늄 (Zr), 코발트(Co), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속으로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 몰리브덴 또는 텅스텐으로 이루어질 수 있다.

제1언와인딩부(110)에서 풀리는 베이스 와이어(210)는 제1와인딩부 (160)에 권취될 수 있다. 그리고 베이스 와이어(210)는 등속으로 공급될 수 있다.

제1와인딩부(160)는 형상기억합금 스프링의 열처리 온도에서 견딜 수 있는 재질의 보빈(bobbin)으로 구성될 수 있다. 상기 보빈은 스풀(spool) 또는 릴(reel) 형태로 제공될 수 있으며, 약 500℃ 이상의 온도에서 견딜 수 있는 금속, 세라믹, 실리콘 및 유리 중 적어도 하나의 재질이 포함되도록 형성될 수 있다. 약 1,000℃ 이상의 온도에서 견딜 수 있는 고내식성, 고융점 금속 재질이 포함될 수도 있다.

제1회전부(120)는 제1언와인딩부(110)에서 풀리는 베이스 와이어(210)의 공급 방향으로 구비될 수 있다. 제1회전부(120)에는 중심 방향으로 제1관통공(121)이 관통 형성될 수 있다. 제1관통공(121)으로는 베이스 와이어(210)가 관통되어 공급될 수 있으며, 제1관통공(121)은 베이스 와이어(210)의 외측 지름보다 큰 내측 지름을 가질 수 있다.

제1회전부(120)는 제1지지부(170)에 회전 가능하도록 결합될 수 있다. 제1지지부(170)는 제1언와인딩부(110)에서 풀리는 베이스 와이어(210)의 공급 방향에 구비될 수 있다. 제1지지부(170)에는 베이스 와이어(210)의 공급 방향으로 제1연결공(171)이 관통 형성될 수 있다. 제1회전부(120)는 제1지지부(170)에 회전 가능하도록 결합될 수 있으며, 제1관통공(121)이 제1연결공(171)과 동일한 중심축을 가지도록 마련될 수 있다. 제1회전부(120)는 제1지지부(170)에 결합되어 제1관통공(121)의 중심축을 중심으로 회전할 수 있다.

제2언와인딩부(130)는 제1회전부(120)의 외주면에 구비될 수 있다. 제2언와인딩부(130)는 제1회전부(120)의 반경 방향으로 구비되는 회전축(131)을 중심으로 회전 가능하게 구비될 수 있다. 따라서, 제2언와인딩부(130)는 제1회전부(120)의 회전 시에 제1회전부(120)와 함께 회전될 수 있으며, 제2언와인딩부(130) 자체가 회전될 수도 있다. 즉, 제2언와인딩부(130)는 제1회전부(120)의 중심축을 중심으로 하는 제1회전 및 제1회전부(120)의 반경 방향으로 구비되는 회전축(131)을 중심으로 하는 제2회전을 동시에 할 수 있다.

제2언와인딩부(130)에서는 형상기억합금 와이어(220)가 풀릴 수 있다. 제2언와인딩부(130)에서 풀리는 형상기억합금 와이어(220)는 제1언와인딩부(110)에서 풀린 후 제1회전부(120)의 제1관통공(121)을 통과하여 공급되는 베이스 와이어(210)의 외주면에 감길 수 있다. 형상기억합금 와이어(220)는 단일의 선재일 수 있다. 형상기억합금 와이어(220)는 형상기억합금 스프링의 선재를 형성할 수 있으며, 형상기억합금 스프링의 선재의 지름은 형상기억합금 와이어(220)의 지름일 수 있다.

형상기억합금 스프링의 선재의 지름은 제한은 없으나, 1.0mm 이하일 수 있으며, 바람직하게는 0.5mm 이하일 수 있고, 더욱 바람직하게는 머리카락 굵기인 0.1mm 이하일 수 있다. 형상기억합금 와이어(220)의 지름이 이와 같은 경우 형상기억합금 와이어(220)를 베이스 와이어(210)에 묶어서 고정할 수 있으므로 별도의 고정 장치를 사용하지 않아도 되는 장점이 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 제2언와인딩부에서 풀리는 형상기억합금 와이어의 전단부 및 후단부를 상기 제1회전부를 통과하여 공급되는 상기 베이스 와이어에 각각 결속시키고, 상기 베이스 와이어와 함께 이송되는 제1고정부 및 제2고정부를 더 포함할 수도 있다.

제1고정부는 제2언와인딩부(130)에서 풀리는 형상기억합금 와이어(220)의 전단부를 제1회전부(120)를 통과하여 공급되는 베이스 와이어(210)에 결속시킬 수 있다. 제1고정부는 형상기억합금 와이어(220)를 베이스 와이어(210)에 결속시킨 상태로 고정될 수 있으며, 베이스 와이어(210)가 공급됨에 따라 이동될 수 있다. 제1고정부는 클립 형태를 가지거나 집게 형태를 가질 수 있다. 제1고정부는 형상기억합금 와이어(220)의 전단부가 형상기억합금 스프링(400, 도 5 참조)의 연결부(420, 도 5 참조)를 형성할 수 있는 길이(221)만큼 확보되도록 결합될 수 있다.

제2고정부는 제2언와인딩부(130)에서 풀리는 형상기억합금 와이어(220)의 후단부를 제1회전부(120)를 통과하여 공급되는 베이스 와이어(210)에 결속시킬 수 있다. 제2고정부는 제1고정부와 동일한 것일 수 있으며, 베이스 와이어(210)와 함께 이송될 수 있다. 제2고정부는 형상기억합금 와이어(220)의 후단부가 형상기억합금 스프링(400)의 연결부(420)를 형성할 수 있는 길이(223)만큼 확보되도록 결합될 수 있다.

제1고정부 및 제2고정부는 베이스 와이어(210)에 감긴 형상기억합금 와이어(220)의 전단부 및 후단부에 각각 결속될 수 있으며, 베이스 와이어(210)에 감긴 형상기억합금 와이어(220)의 풀림이 방지될 수 있다.

본 명세서에서 형상기억합금 와이어(220)의 전단부 및 후단부는 형상기억합금 와이어(220)의 공급 방향을 기준으로 한다.

제2언와인딩부(130)에서 풀리는 형상기억합금 와이어(220)의 전단부가 베이스 와이어(210)에 감기면서 베이스 와이어(210)가 계속 공급되고 제1회전부(120)가 회전됨에 따라, 형상기억합금 와이어(220)는 베이스 와이어(210)의 외주면에 베이스 와이어(210)의 길이방향을 따라 감길 수 있다. 그리고, 형상기억합금 와이어(220)가 베이스 와이어(210)에 감기는 상태에서 베이스 와이어(210)의 공급이 계속됨에 따라 제2언와인딩부(130)가 회전되면서 형상기억합금 와이어(220)는 지속적으로 풀릴 수 있게 된다.

형상기억합금 스프링의 제조장치는 제어부(180)를 포함할 수 있다. 제어부(180)는 제1회전부(120)의 회전속도를 제어할 수 있다. 제어부(180)는 제1회전부(120)를 제1회전속도로 회전시킬 수 있으며, 제1회전부(120)가 제1회전속도로 회전되면 형상기억합금 와이어(220)는 베이스 와이어(210)에 제1피치(P1)로 감길 수 있다. 제1피치(P1)로 감기는 형상기억합금 와이어(220)는 형상기억합금 스프링(400)의 몸체부(410, 도 5 참조)를 형성할 수 있다. 그리고, 제어부(180)는 제1회전부(120)를 제1회전속도보다 느린 제2회전속도로 회전시킬 수 있다. 제1회전부(120)가 제2회전속도로 회전되면 형상기억합금 와이어(220)는 베이스 와이어(210)에 제1피치(P1)보다 큰 제2피치(P2)로 감길 수 있다. 제2피치(P2)로 감기는 형상기억합금 와이어(220)는 형상기억합금 스프링(400)의 연결부(420)를 형성할 수 있다. 제어부(180)는 제1회전부(120)가 제1회전속도 및 제2회전속도로 반복하여 회전되도록 제어할 수 있다. 이를 통해, 베이스 와이어(210)에는 복수의 단위 스프링 형상, 즉 복수의 형상기억합금 스프링이 연속적으로 형성될 수 있다.

형상기억합금 와이어(220)가 감긴 상태의 베이스 와이어(210)는 제1와인딩부(160)에 권취될 수 있다.

제어부(180)는 제1회전속도를 조절하여 제1피치(P1)를 조절할 수 있으며, 이를 통해, 형상기억합금 스프링(400)의 몸체부(410)의 권수, 즉, 형상기억합금 스프링(400)의 유효 권수를 조절할 수 있다. 또한, 제어부(180)는 제1회전부(120)가 제1회전속도로 회전되는 회전 지속 시간을 조절할 수 있으며, 이를 통해, 형상기억합금 스프링(400)의 몸체부(410)의 길이가 조절될 수 있다.

그리고, 제어부(180)는 제2회전속도를 조절하여 제2피치(P2)를 조절할 수 있으며, 이를 통해, 형상기억합금 스프링(400)의 연결부(420)의 권수를 조절 수 있다. 본 실시예에서, 제어부(180)는 연결부(420)가 직선 형태에 가깝게 형성될 수 있도록, 제2피치(P2)가 크게 형성되도록 제2회전속도를 조절함이 바람직하다. 다만, 연결부(420) 구간에서 형상기억합금 와이어(220)가 베이스 와이어(210)에 감기지 않는 경우 제2언와인딩부(130)에서 형상기억합금 와이어(220)의 풀림이 이루이지지 않을 수 있기 때문에, 제2언와인딩부(130)에서 형상기억합금 와이어(220)의 풀림이 이루어질 수 있도록 하는 최소한의 감김은 유지되도록 함이 바람직하다. 제어부(180)는 제1회전부(120)가 제2회전속도로 회전되는 회전 지속 시간을 조절할 수 있으며, 이를 통해, 형상기억합금 스프링(400)의 연결부(420)의 길이가 조절될 수 있다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 형상기억합금 스프링의 제조장치의 와이어 제조부를 나타낸 예시도이고, 도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 형상기억합금 스프링의 형상기억합금 와이어를 나타낸 단면예시도이다. 본 실시예에서는 형상기억합금 와이어를 제조하기 위한 와이어 제조부가 더 포함될 수 있으며, 다른 구성은 전술한 실시예와 동일하므로 설명을 생략한다.

먼저, 도 6 및 도7에서 바와 같이, 형상기억합금 스프링의 제조장치는 와이어 제조부(500)를 더 포함할 수 있다.

그리고, 와이어 제조부(500)는 제3언와인딩부(510), 제2회전부(520), 제4언와인딩부(530) 및 제2와인딩부(560)를 가질 수 있다.

제3언와인딩부(510)에서는 감겨진 코어 와이어(230)가 풀릴 수 있다. 코어 와이어(230)는 형상기억합금일 수 있다. 그리고, 제3언와인딩부(510)에서 풀리는 코어 와이어(230)는 제2와인딩부(560)에 권취될 수 있다. 코어 와이어(230)는 단일의 선재일 수 있다.

제2회전부(520)는 제3언와인딩부(510)에서 풀리는 코어 와이어(230)의 공급 방향으로 구비될 수 있다. 제2회전부(520)에는 중심 방향으로 제2관통공(521)이 관통 형성될 수 있으며, 제2관통공(521)으로는 코어 와이어(230)가 관통 공급될 수 있다. 제2관통공(521)은 코어 와이어(230)의 외측 지름보다 큰 내측 지름을 가질 수 있다.

제2회전부(520)는 제2지지부(570)에 회전 가능하도록 결합될 수 있다. 제2지지부(570)는 제3언와인딩부(510)에서 풀리는 코어 와이어(230)의 공급 방향에 구비될 수 있다. 제2지지부(570)에는 코어 와이어(230)의 공급 방향으로 제2연결공(571)이 관통 형성될 수 있다. 제2회전부(520)는 제2지지부(570)에 회전 가능하도록 결합될 수 있으며, 제2관통공(521)이 제2연결공(571)과 동일한 중심축을 가지도록 마련될 수 있다. 제2회전부(520)는 제2지지부(570)에 결합되어 제2관통공(521)의 중심축을 중심으로 회전할 수 있다.

제4언와인딩부(530)는 제2회전부(520)의 외주면에 구비될 수 있다. 제4언와인딩부(530)는 제2회전부(520)의 반경 방향으로 구비되는 회전축을 중심으로 회전 가능하게 구비될 수 있다. 제4언와인딩부(530)는 제2회전부(520)의 중심축을 중심으로 하는 제3회전 및 제2회전부(520)의 반경 방향으로 구비되는 회전축을 중심으로 하는 제4회전을 동시에 할 수 있다.

제4언와인딩부(530)에서는 둘레 와이어(240)가 풀릴 수 있다. 제4언와인딩부(530)에서 풀리는 둘레 와이어(240)는 제3언와인딩부(510)에서 풀린 후 제2회전부(520)의 제2관통공(521)을 통과하여 공급되는 코어 와이어(230)의 외주면에 감길 수 있다. 본 실시예에서 형상기억합금 와이어(1220)는 코어 와이어(230)와 코어 와이어(230)의 외주면에 감기는 둘레 와이어(240)를 가질 수 있으며, 이를 통해, 형상기억합금 스프링은 더욱 강한 신장력 및 수축력을 발생시킬 수 있다.

제4언와인딩부(530)에서 풀리는 둘레 와이어(240)의 전단부가 코어 와이어(230)에 감긴 상태에서 코어 와이어(230)가 계속 공급되고 제2회전부(520)가 회전됨에 따라, 둘레 와이어(240)는 코어 와이어(230)의 외주면에 코어 와이어(230)의 길이방향을 따라 감길 수 있다. 둘레 와이어(240)는 코어 와이어(230)에 묶어서 고정할 수 있다.

그리고, 둘레 와이어(240)가 코어 와이어(230)에 감기는 상태에서 코어 와이어(230)의 공급이 계속됨에 따라 제4언와인딩부(530)가 회전되면서 둘레 와이어(240)는 지속적으로 풀릴 수 있게 된다. 둘레 와이어(240)가 감긴 상태의 코어 와이어(230)는 제2와인딩부(560)에 권취될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 와이어 제조부(500)는 제3고정부 및 제4고정부를 더 포함할 수 있다. 제3고정부는 제4언와인딩부(530)에서 풀리는 둘레 와이어(240)의 전단부를 제2회전부(520)를 통과하여 공급되는 코어 와이어(230)에 결속시킬 수 있다. 제3고정부는 둘레 와이어(240)를 코어 와이어(230)에 결속시킨 상태로 고정될 수 있으며, 코어 와이어(230)가 공급됨에 따라 이동될 수 있다. 제3고정부는 클립 형태를 가지거나 집게 형태를 가질 수 있다. 제4고정부는 제4언와인딩부(530)에서 풀리는 둘레 와이어(240)의 후단부를 제2회전부(520)를 통과하여 공급되는 코어 와이어(230)에 결속시킬 수 있다. 제4고정부는 제3고정부와 동일한 것일 수 있으며, 코어 와이어(230)와 함께 이송될 수 있다. 제3고정부 및 제4고정부는 코어 와이어(230)에 감긴 둘레 와이어(240)의 전단부 및 후단부에 각각 결속될 수 있으며, 코어 와이어(230)에 감긴 둘레 와이어(240)의 풀림이 방지될 수 있다.

본 실시예에서, 둘레 와이어(240)는 형상기억합금으로 이루어질 수 있다. 즉, 코어 와이어(230) 및 둘레 와이어(240)는 모두 형상기억합금으로 이루어질 수 있다. 이렇게 형성되는 형상기억합금 스프링은 외력에 의한 신장 후 열에 의한 수축 시에 더욱 신속하게 수축이 이루어질 수 있으며, 강한 수축력을 가질 수 있다.

또한, 둘레 와이어(240)는 저항 소재로 형성될 수 있다. 둘레 와이어(240)가 저항 소재로 형성되는 경우, 둘레 와이어(240)는 외부에서 공급되는 전류에 의하여 코어 와이어(230)보다 빠르게 가열될 수 있다. 그리고, 둘레 와이어(240)에 의하여 발생한 열은 코어 와이어(230)로 전달되어 코어 와이어(230)가 빠르게 가열될 수 있으며, 이를 통해, 코어 와이어(230)의 응답속도가 빨라질 수 있다. 둘레 와이어(240)는 코어 와이어(230)보다 저항이 높은 니켈크롬, 철크롬, 동니켈 및 콘스탄탄 중 선택되는 어느 하나 이상의 금속 재질로 이루어질 수 있다. 그리고 저술한 효과뿐만 아니라, 둘레 와이어(240)가 코어 와이어(230)에 감겨지게 되기 때문에, 형상기억합금 스프링의 강성은 증가될 수 있다.

그리고, 도 8에서 보는 바와 같이, 둘레 와이어(240)가 저항 소재로 형성되는 경우, 형상기억합금 와이어(2220)는 코어 와이어(230) 및 둘레 와이어(240)의 사이에는 절연층(250)을 더 가질 수 있다. 절연층(250)은 둘레 와이어(240) 및 코어 와이어(230)를 전기적으로 절연시킬 수 있다. 절연층(250)은 둘레 와이어(240)에 공급되는 전류가 코어 와이어(230)로 흐르지 않도록 하여 둘레 와이어(240)의 열 발생 효율이 감소되지 않도록 할 수 있다.

절연층(250)은 둘레 와이어(240)에서 발생하는 고온에 견딜 수 있고, 둘레 와이어(240)에서 발생하는 열이 코어 와이어(230)로 효율적으로 전달될 수 있도록 하는 재질로 제작될 수 있다. 예를 들면, 절연층(250)은 600℃ 이상에서도 견딜 수 있는 유리 섬유, 테프론 등으로 제작될 수 있다. 코어 와이어(230)는 외주면에 절연층(250)이 코팅된 상태로 공급될 수 있다.

형상기억합금 스프링의 제조방법

본 발명의 일 실시예에 따른 형상기억합금 스프링의 제조방법은, a) 녹는점이 500 ℃ 이상이고, 산 또는 과산화수소 수용액과 반응하여 용해되는 금속으로 이루어지는 베이스 와이어를 공급하는 단계; b) 형상기억합금 와이어가 상기 공급되는 베이스 와이어에 감기는 단계; c) 상기 형상기억합금 와이어가 상기 베이스 와이어에 감긴 복수의 단위 스프링 형상이 연속적으로 형성되는 단계; 및 d) 형상기억합금 와이어가 감긴 상태의 베이스 와이어가 권취된 보빈을 고온로에서 열처리하는 열처리 단계를 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 보빈은 상기 열처리 단계의 열처리 온도에서 견딜 수 있는 금속, 세라믹, 실리콘 및 유리 중 적어도 하나의 재질을 포함하도록 구성될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 d) 단계 이후에, 상기 열처리된 형상기억합금 와이어가 감긴 상태의 베이스 와이어를 커팅하는 단계를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 커팅된 형상기억합금 와이어가 감긴 상태의 베이스 와이어를 산 또는 과산화수소수에 녹여 형상기억합금 스프링을 얻는 스프링 획득 단계를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 d) 단계 이후에, 상기 열처리된 형상기억합금 와이어가 감긴 상태의 베이스 와이어를 산 또는 과산화수소수에 녹여 형상기억합금 스프링을 얻는 스프링 획득 단계를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 획득한 형상기억합금 스프링을 커팅하는 단계를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 형상기억합금 와이어는, 축 방향으로 관통 형성되는 제2관통공을 가지는 제2회전부가 회전되고, 제3언와인딩부에서 풀리는 코어 와이어가 상기 제2관통공을 통해 공급되는 단계와, 상기 제2회전부에 구비되어 상기 제2회전부와 함께 회전하는 제4언와인딩부에 감겨진 둘레 와이어가 풀리고, 상기 둘레 와이어의 전단부가 상기 제2관통공을 통과해 공급되는 상기 코어 와이어에 감기는 단계와, 상기 제4언와인딩부에서 풀리는 상기 둘레 와이어가 상기 제2회전부를 통과하여 공급되는 상기 코어 와이어의 외주면에 감기는 단계를 통해 제조되는 단계를 더 포함할 수 있다.

[실시예 1]

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 형상기억합금 스프링의 제조방법을 나타낸 흐름도이고, 도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 형상기억합금 스프링을 나타낸 예시도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 형상기억합금 스프링의 제조방법은 축 방향으로 관통 형성되는 제1관통공(121)을 가지는 제1회전부(120)가 회전되고, 제1언와인딩부(110)에서 풀리는 베이스 와이어(210)가 제1관통공(121)을 통해 공급되는 단계(S310)를 포함할 수 있다. 베이스 와이어(210)는 등속으로 공급될 수 있다.

S310 단계에서 제1언와인딩부(110)에서 풀리는 베이스 와이어(210)는 제1회전부(120)를 통과하여 공급되어 제1와인딩부(160)의 보빈에 감길 수 있다.

그리고, 형상기억합금 스프링의 제조방법은 제1회전부(120)에 구비되어 제1회전부(120)와 함께 회전하는 제2언와인딩부(130)에 감겨진 형상기억합금 와이어(220)가 풀리고, 형상기억합금 와이어(220)의 전단부가 제1관통공(121)을 통과해 공급되는 베이스 와이어(210)에 감기는 단계(S320)를 포함할 수 있다.

S320 단계에서, 형상기억합금 와이어(220)는 변형온도를 넓은 범위에서 제어할 수 있고 변형량이 크며, 수축시에 많은 반복 동작이 작용한 이후에도 형상기억효과 능력이 거의 변화하지 않는 장점을 가지는 니켈-티탄 합금, 구리-티탄 합금을 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며, 동-아연 합금, 금-카드뮴 합금, 인듐-탈륨 합금을 포함할 수 있다.

또한, 형상기억합금 스프링의 제조방법은 제2언와인딩부(130)에서 풀리는 형상기억합금 와이어(220)가 제1회전부(120)를 통과하여 공급되는 베이스 와이어(210)의 외주면에 감겨 복수의 단위 스프링 형상이 연속적으로 형성되는 단계(S330)를 포함할 수 있다.

S330 단계에서, 단위 스프링은 형상기억합금 스프링(400)일 수 있다. 형상기억합금 스프링(400)은 몸체부(410) 및 연결부(420)를 가질 수 있다. 몸체부(410)는 형상기억합금 스프링(400)에서 변형이 발생되는 부분일 수 있다. 그리고, 연결부(420)는 몸체부(410)의 양단부에 형성되어 인공근육 장치의 해당 구성과 결합되는 기능을 수행할 수 있다. S330 단계에서 제1회전부(120)는 제어부(180)에 의해 회전속도 및 회전 시간이 조절될 수 있으며, 이를 통해, 몸체부(410) 및 연결부(420)의 피치 및 길이가 조절될 수 있다.

S320 단계 및 S330 단계는 반복될 수 있으며, 복수의 형상기억합금 스프링(400) 및 스프링 연결부(420)가 베이스 와이어(210)에 형성될 수 있다. 제1와인딩부(160)의 보빈에 권취된 베이스 와이어(210)에는 형상기억합금 와이어(220)가 감긴 상태일 수 있다.

그리고, 형상기억합금 스프링의 제조방법은 형상기억합금 와이어(220)가 감긴 상태의 베이스 와이어(210)가 권취된 제1와인딩부(160)의 보빈을 고온로에서 열처리하는 열처리 단계(S340)를 포함할 수 있다.

S340 단계에서, 제1와인딩부(160)의 보빈에 권취된 형상기억합금 와이어(220)가 감긴 상태의 베이스 와이어(210)는 고온로에서 가열되어 스프링 형상으로 기억되도록 열처리된다. 형상기억합금 와이어(220)가 감긴 상태의 베이스 와이어(210)는 고온로에서 300~400℃의 온도에서 30~60분 동안 열처리될 수 있다. 제1와인딩부(160)는 열처리 공정을 위해 필요한 열처리 온도에서 견딜 수 있는 재질로 이루어지며, 약 500℃ 이상의 온도에서 견딜 수 있는 금속, 세라믹, 실리콘 및 유리 중 적어도 하나의 재질이 포함되도록 형성될 수 있다. 이를 통해, 형상기억합금 스프링(400)이 신장된 상태에서 형상기억합금 스프링(400)에 300~400℃의 온도가 적용되면, 형상기억합금 스프링(400)은 수축되어 초기형태로 돌아올 수 있다.

열처리 공정이 완료되면, 형상기억합금 와이어(220)가 감긴 상태의 베이스 와이어(210)를 제1와인딩부(160)의 보빈에서 분리하여, 열처리된 형상기억합금 와이어 및 베이스 와이어를 커팅하는 단계(S350)를 더 포함할 수 있다. S350 단계에서, 커팅은 형상기억합금 와이어(220)가 감긴 상태의 베이스 와이어(210)에 대해 이루어질 수 있다. 즉, 형상기억합금 와이어(220)가 감긴 상태에서 베이스 와이어(210) 및 형상기억합금 와이어(220)는 커팅될 수 있다. 그리고, 커팅은 각각의 연결부(420)의 중앙 지점에서 이루어질 수 있다.

또한, 형상기억합금 스프링의 제조방법은 커팅된 형상기억합금 와이어(220)가 감긴 상태의 베이스 와이어(210)를 산 또는 과산화수소수에 녹여 형상기억합금 스프링을 얻는 스프링 획득 단계(S360)를 더 포함할 수 있다. 베이스 와이어(210)는 산 또는 과산화수소 수용액과 반응하여 용해되는 재질로 이루어지며, 산 또는 과산화수소수에 용해되어 완전히 제거될 수 있다. 이를 통해, 베이스 와이어를 수작업으로 제거하는 공정이 필요 없게 되고, 형상기억합금 스프링의 대량 생산이 가능하게 된다.

S360 단계에서, 몸체부(410) 및 연결부(420)를 포함하는 복수의 개별 단위의 형상기억합금 스프링을 획득할 수 있다.

[실시예 2]

전술한 실시예 1의 S310 단계 내지 S340 단계는 실시예 2에 동일하게 적용될 수 있으므로 설명을 생략한다.

열처리 공정이 완료되면, 열처리된 형상기억합금 와이어(220)가 감긴 상태의 베이스 와이어(210)를 산 또는 과산화수소수에 녹여 형상기억합금 스프링을 얻는 스프링 획득 단계(S450)를 더 포함할 수 있다. 베이스 와이어(210)는 산 또는 과산화수소 수용액과 반응하여 용해되는 재질로 이루어지며, 산 또는 과산화수소수에 용해되어 완전히 제거될 수 있다. 이를 통해, 베이스 와이어를 수작업으로 제거하는 공정이 필요 없게 되고, 형상기억합금 스프링의 대량 생산이 가능하게 된다.

더하여, 획득한 형상기억합금 스프링을 커팅하는 단계(S460)를 더 포함할 수 있다. 커팅은 연결부(420)의 중앙 지점에서 이루어질 수 있다. S460 단계에서, 몸체부(410) 및 연결부(420)를 포함하는 복수의 개별 단위의 형상기억합금 스프링을 획득할 수 있다.

[실시예 3]

와이어 제조부(500)를 통해 제2언와인딩부(130)에서 풀리는 형상기억합금 와이어(220)의 제조 공정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 축 방향으로 관통 형성되는 제2관통공(521)을 가지는 제2회전부(520)가 회전되고, 제3언와인딩부(510)에서 풀리는 코어 와이어(230)가 제2관통공(521)을 통해 공급되는 단계가 진행될 수 있다. 그리고, 제2회전부(520)에 구비되어 제2회전부(520)와 함께 회전하는 제4언와인딩부(530)에 감겨진 둘레 와이어(240)가 풀리고, 둘레 와이어(240)의 전단부가 제2관통공(521)을 통과해 공급되는 코어 와이어(230)에 감기는 단계가 진행될 수 있다. 이후, 제4언와인딩부(530)에서 풀리는 둘레 와이어(240)가 제2회전부(520)를 통과하여 공급되는 코어 와이어(230)의 외주면에 감기는 단계가 진행될 수 있다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

110: 제1언와인딩부
120: 제1회전부
130: 제2언와인딩부
160: 제1와인딩부
170: 제1지지부
180: 제어부
210: 베이스 와이어
220,1220,2220: 형상기억합금 와이어
230: 코어 와이어
240: 둘레 와이어
250: 절연층
400: 형상기억합금 스프링
410: 몸체부
420: 연결부
500: 와이어 제조부

Claims (13)

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2. 삭제
3. 삭제
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6. 형상기억합금 스프링의 제조방법에 있어서,
   a) 녹는점이 500 ℃ 이상이고, 산 또는 과산화수소 수용액과 반응하여 용해되는 금속으로 이루어지는 베이스 와이어를 공급하는 단계;
   b) 형상기억합금 와이어가 상기 공급되는 베이스 와이어에 감기는 단계;
   c) 상기 형상기억합금 와이어가 상기 베이스 와이어에 감긴 복수의 단위 스프링 형상이 연속적으로 형성되는 단계; 및
   d) 형상기억합금 와이어가 감긴 상태의 베이스 와이어가 권취된 보빈을 고온로에서 열처리하는 열처리 단계를 포함하고,
   상기 보빈은 상기 열처리 단계의 열처리 온도에서 견딜 수 있는 금속, 세라믹, 실리콘 및 유리 중 적어도 하나의 재질을 포함하도록 구성되는 형상기억합금 스프링의 제조방법.
7. 제6항에 있어서,
   상기 형상기억합금 와이어는,
   축 방향으로 관통 형성되는 제2관통공을 가지는 제2회전부가 회전되고, 제3언와인딩부에서 풀리는 코어 와이어가 상기 제2관통공을 통해 공급되는 단계와,
   상기 제2회전부에 구비되어 상기 제2회전부와 함께 회전하는 제4언와인딩부에 감겨진 둘레 와이어가 풀리고, 상기 둘레 와이어의 전단부가 상기 제2관통공을 통과해 공급되는 상기 코어 와이어에 감기는 단계와,
   상기 제4언와인딩부에서 풀리는 상기 둘레 와이어가 상기 제2회전부를 통과하여 공급되는 상기 코어 와이어의 외주면에 감기는 단계를 통해 제조되는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 스프링의 제조방법.
8. 제6항에 있어서,
   상기 d) 단계 이후에, 상기 열처리된 형상기억합금 와이어가 감긴 상태의 베이스 와이어를 커팅하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 스프링의 제조방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 커팅된 형상기억합금 와이어가 감긴 상태의 베이스 와이어를 산 또는 과산화수소수에 녹여 형상기억합금 스프링을 얻는 스프링 획득 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 스프링의 제조방법.
10. 제6항에 있어서,
    상기 d) 단계 이후에, 상기 열처리된 형상기억합금 와이어가 감긴 상태의 베이스 와이어를 산 또는 과산화수소수에 녹여 형상기억합금 스프링을 얻는 스프링 획득 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 스프링의 제조방법.
11. 제10항에 있어서,
    상기 획득한 형상기억합금 스프링을 커팅하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 스프링의 제조방법.
12. 삭제
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