KR970000397B1 - 세라믹 진동판과 그 제조방법 - Google Patents

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내용 없음.

Description

세라믹 진동판과 그 제조방법

제1도는 세라믹 진동판을 분리해 내는 방법을 설명하는 그림.

제2도는 세라믹 진동판을 사용한 스피커의 음압-주파수 특성곡선.

제3도는 플라즈마 용사시공의 원리도.

본 발명은 세라믹 진동판의 제조방법에 관한 것이다.

스피커는 녹음소스로부터의 전기신호를 음으로 변환시키는 기구로서 음질에 가장 큰 영향을 미친다.

스피커의 구성 중에서도 진동판은 최종적으로 공기를 진동시켜 음을 귀로 전달하는 역할을 한다.

따라서 진동판의 역할은 스피커 구성품들 중에서 가장 중요하다.

진동판의 성능은 진동판 소재에 가장 영향을 받는다.

진동판 소재는 음을 충실히 재생하기 위해서 경량화, 고강성화 및 적당한 내부손실을 가져야 한다.

파인세라믹은 종래의 진동파 소재인 Al 또는 Ti 금속에 비해 2배이상의 높은 강성을 갖는 것이 많기 때문에 이를 진동판 재료로 사용하는 경우 우수한 음향특성이 기대된다.

그러나 세라믹은 경질이며 취약한 특성 때문에 얇은 진동판 형태로서 제조하기가 어렵고, 제조단가가 비싸고, 생산성이 크게 떨어지는 결점이 있다.

따라서 순수 세라믹 진동판을 사용하기 보다는 금속 진동판 표면에 세라믹을 코팅하여 음질을 개선시키는 방법을 주로 사용하였다.

세라믹이나 다이아몬드 코팅된 진동판은 기존의 금속제 진동판의 음질 특성을 개선시키는데 상당한 효과를 가지고 있다.

그러나 근본적인 음향 특성은 금속제 진동판의 특성을 크게 벗어 나지 못한다.

따라서 근본적으로 음향 특성이 다른 순수 세라믹 진동판의 요구가 증대되어 왔다.

최근에 개발된 순수 세라믹 진동판으로서 보론카바이드(B₄C)나 다이아몬드 진동판이 있다.

이들 순수 세라믹 진동판의 제조방법은 일반적으로 용사나 다른 방법에 의해서 세라믹을 진동판과 같은 형상의 금형이나 기판에 원하는 두께만큼 코팅한 후 후처리에 의해 분리해 내는 방법을 사용하여 왔다.

보론카바이드 세라믹 진동판 역시 용사코팅 후 기판을 제거하고, 소결하는 과정을 거쳐 제조하였다.

그러나 우너료 분말인 용사용 보론카바이드 원료분말의 가격이 매우 비싸며, 보론 카바이드의 용사코팅층은 많은 기공을 가지고 있고 강도가 매우 약하기 때문에 코팅층의 분리 후 2000℃ 정도의 매우 높은 온도에서 추가의 고온동압소결(HIP)처리공정에 의해 기공들의 제거가 필수적으로 필요하다.

이러한 제약조건들 때문에 생산단가가 크게 높아지고, 생산성 또한 매우 나쁘다.

최근 들어 다이아몬드 진동판이 개발되어 흥미를 끌어 왔다.

다이아몬드 코팅된 진동판의 경우에는 생산가격에 비해 음질개선효과가 크게 뛰어나지 못하다는 평가를 받고 있다.

순수 다이아몬드 진동판의 경우에는 음질면에서 우수한 것으로 보고되고 있다.

순수한 다이아몬드 진동판은 진동판 형상의 Ti과 같은 모재에 다이아몬드를 CVD 혹은 고속 플리즈마에 의해 코팅한 다음 다이아몬드 진동판을 분리해 내는 수법을 쓰고 있다.

그러나 다이아몬드를 한번에 코팅할 수 있는 면적은 한개의 진동판에 제한되고 코팅속도가 매우 느리며, 진동판제작에 소요되는 가스등의 재료비가 높다.

결국 생산성이 너무 느리고 생산단가가 너무 높기 때문에 일부 매우 고가의 스피커나 대외 홍보용 목적외에는 사용되기 어렵다.

본 발명에서는 대량 생산성이 우수하고, 생산단가가 낮으며, 음질특성이 매우 우수한 세라믹 진동판을 제조할 수 있는 방법을 개발하였다.

세라믹 소재로서는 원료분말의 가격이 저렴하고 비탄성계수가 높은 세라믹인 알루미나(Al₂O₃)/티나니아(TiO₂)계 세라믹을 선택하였다.

알루미나(Al₂O₃)/티나니아(TiO₂)계 세라믹은 용사특성이 우수하여 보론카바이드처럼 특별히 후처리 공정없이 바로 사용할 수 있는 장점이 있다.

세라믹 진동판의 제조방법으로서는 생산성이 높은 용사방법을 사용하여 원하는 진동판의 두께까지 코팅한 후 세라믹 진동판 만을 효과적으로 신속하게 분리해 내는 방법을 고안하였다.

용사피복방법은0.1mm-5mm 두께의 세라믹을 단시간에 피복할 수 있는 가장 효과적인 방법이다.

용사피복방법은 원하는 조성의 세라믹 원료분말을 단시간에 그대로 녹여 피복하는 방법이기 때문에 원하는 조성의 세라믹 피복층을 얻는 데는 아무런 문제가 없으며, 매우 실용적인 방법이다.

용사피복방법이란 고온의 화연 내에 피복하고자 하는 세라믹 분말재료를 투입하여 용융시키고 고속의 속도로 가속시켜 소재표면에 강한 충돌력을 일으켜 피복하는 기술이다.

열원은 용사벙법에 따라 플라즈마열원, 아크열원이나 탄화수소 개스와 산소 사이의 산화 혹은 폭발열을 사용한다.

이러한 용사에 의한 세라믹 코팅방법은 일반적으로 내마모, 내부식 등의 목적으로 오래전부터 사용되어 온 기술이다.

그러나 용사에 의한 세라믹 코팅방법은 세라믹코팅층과 모재와의 결합력의 증가가 가장 중요한 연구 대상이었다.

그러나 순수 세라믹 진동판을 제조하기 위해서는 세라믹을 용사코팅한 후 순수진동판만을 효과적으로 제거할 수 있어야 한다.

대부분 세라믹 진동판은 두께가 20-100Mm 정도로 매우 얇기 때문에 진동판만을 분리해내는 것은 쉬운 문제가 아니다.

기존의 한가지 방식은 진동판 모양의 금형이나 기판을 만들고, 그 금형이나 기판위에 세라믹을 용사코팅한 다음 금형이나 기판을 부식시켜 제거해 내는 방법이다.

이 방법은 각각의 진동판을 제조하기 위하여 각각의 금형이나 기판이 소모되어 효율적인 방법이 되지 못하였다.

다른 방법으로서 세라믹 재료와 열팽창계수가 큰 금형 소재 위에 세라믹을 용사피복한 다음 가열 혹은 냉각에 의해서 피복층을 분리해 내어 왔다.

열팽창계수 차이에 의해서 분리해 내는 방법은 열팽창계수 차이가 크더라도 잘 분리가 되지 않거나 응력에 의해 파손되기 쉬운 경향이 있다.

이처럼 세라믹 진동판을 금형으로부터 분리시키는 과정이 문제가 되어 왔다.

본 발명에서는 용사에 의해 금형에 세라믹 피복을 한 다음 세라믹 진동판의 분리과정에서 금형에 전혀 손상이 없고, 또한 분리 과정에서 응력이 가하여 지지 않아서 진동판의 파손이 없으며, 제조 시간을 크게 단축할 수 있는 방법을 개발하였다.

먼저 플라즈마 용사시공의 원리를 제3도에 연결시켜 설명한다.

고온의 열원 내에 피복하고자 하는 재료를 투입하여 용융시키고 고속의 속도로 용융된 입자를 가속시켜 소재 표면에 강한 충돌력을 일으켜 피족하는 기술이다.

열원은 텅스텐 전극(13)과 수냉되는 아노드(14) 사이에 아크방전을 일으키고 여기에 플라즈마 가스(알곤, 수소, 질소, 헬륨)를 투입시키면 15000K 이상의 고온으 플라즈마 화염(11)이 발생한다.

이 화염내에 피복할 분말재료(12)를 일정속도로 투입하면 분말재료는 용융하고 고속화염과 함께 비행하여 피용사체(15)에 피복되는 방법이다.

용사방법에 따라 열원으로서는 arc 열원이나 탄화수소 개스와 산소 사이의 산화 혹은 폭발열을 사용하기도 한다.

용사과정에서 발생하는 열원이나 용융입자의 열에너지는 소재를 통하여 급속히 확산된다.

따라서 용사피복에 의해 형성된 피복층은 매우 급냉하여 피복층과 소재와의 결합력은 대부분 기계적인 결합에 의해서 일어난다.

따라서 용사피복층가 소재와의 기계적 결합력을 증가시키기 위하여 용사피복 하기 전에 전처리 과정으로서 피용사체의 표면에 반드시 표면요철을 만들어 주어야 한다.

이 처리 과정으로서 표면요철을 주는 방법으로서는 주로 그릿 블라스팅(grit blasting)방법을 사용한다.

다음, 세라믹 진동판만 분리시키는 원리는 제1도에서 설명한다.

도면중 문자부호 a는 금형에 중간금속피복층과 세라믹피복층이 용사피복된 상태이고, b는 화학용액내에서 중간금속피복층만 용해시키는 그림이며, c는 전기화학적인 방법에 의해 중간금속층만의 제거하는 그림이고, d는 완전히 분리된 세라믹피복층(세라믹 진동판)과 금형이다.

또한 숫자부호 1은 중간금속피복층, 2는 세라믹피복층, 3은 모재(금형), 4는 중간금속층만 용해되는 화학용액, 5는 중간금속층의 용해현상, 6은 중간금속의 도금용 화학용액, 7은 직류전원, 8은 전극판, 9는 분리된 세라믹피복층(세라믹 진동판), 10은 분리된 모재(금형)이다.

먼저 진동판과 같은 형상의 금형을 제작한다(형상이 콘형이나 돔형 혹은 오목하거나 볼록한 것들과는 무관함). 우선 전처리과정으로 금형의 표면에 통상의 방법으로 그릿 블라스팅(grit blasting)을 한다.

우선 금형표면에 금형과 성분이 다른 금속분말을 용사피복하여 중간금속층을 위로 드러나지 않을 정도로 한다.

중간 피복층으로는 예를 들면 스텐레스스틸 진동판 금형(제1도 3)을 사용하는 경우 구리(Cu)금속을 용사나 도금(전기도금 혹은 무전해도금)방법에 의해 두께 1-50Mm로 피복하여구리 중간 피복층(제1도 1)을 형성한다(이때 중간 금속피복층은 진동판 금형과 다른 금속재질을 사용하여야 하며 구리외에 알루미늄(Al)과 같은 금속재질을 사용할 수도 있다.)

그리고 나서 얻고자 하는 세라믹을 원하는 두께에까지 용사피복한다.

중간금속 피복층과 세라믹피복층이 용사피복된 상태는 제1도 a에서 보여준다.

이 상태에서 세라믹 피복층(세라믹 진동판)만 떼어내기 위해서는 중감금속피복층만 제거하면 세라믹 피복층과 쉽게 분리될 수 있다.

중간피복층만 제거하는 방법은 2가지로 나뉘어 진다.

첫번재 방법(제1도b)에서 세라믹피복층만 떼어내기 위해서는 세라믹이나 금형은 전혀 녹지 않고 중간금속피복층은 급속히 녹일 수 있는 화학용액 내(제1도 4)에 담그어 둔다.

이때 화학용액은 세라믹 용사피복층의 기공이나 중간금속층을 통하여 중간금속층만 녹여 내며(제1도 5) 원하는 형상의 세라믹 진동판(제1도 9)을 쉽게 얻을 수 있다.

이 방법에서는 세라믹은 대부분은 화학약품에 잘 녹아 나오지 않기 때문에 금형의 성분과 중간금속층의 성분을 잘 선택하는 것이 가장 중요하다.

두번째의 방법은 전기화학적 방법(제1도 c)으로서 전기도금의 반대의 원리이다.

코팅된 시편은 금형성분은 녹지 않는 중간금속층 성분의 전기도금용 화학용액(제1도 6)내에 담근다.

그리고 전기도금의 반대로 직류전원(제1도 7)을 이용하여 전극판(제1도 8)에 음의 전압을 걸고 금형측에 양의 전압을 걸면 중간금속층의 금속이온은 화학용액에 녹아나와 전극판에 전착된다.

따라서 세라믹 진동판(제1도 9)은 금형과 쉽게 분리될 수 있다.

이러한 방법들은 매우 얇은 중간금속피복층만 녹여 내기 때문에 적은 양의 화학약품만 소모되고 또한 녹여 내는 시간이 매우 짧기 때문에 매우 생산적인 방법이다.

또한 금형성분을 전혀 녹지 않고 표면요철 상태를 그대로 유지하고 있기 때문에 다시 그릿 블라스팅하지 않고 재사용할 수 있어 매우 경제적이며 생산적인 방법이다.

또한 분리 과정에서 전혀 세라믹피복층에 응력이 걸리지 않기 때문에 균열이나 파손에 의한 불량율이 거의 없다.

분리된 순수 세라믹 진동판은 강도가 약하여 취급상의 어려움이 있을 경우나 음색의 변화를 주기 위하여 폴리머(polymer)함침이나 소결처리를 할 수 있다.

폴리머 함침된 진동판의 경우 진동판의 기공들 사이로 함침된 폴리머는 진동판의 강도나 음향특성의 변화에 상당히 많은 영향을 미칠 수 있다. 소결처리에 의해서는 기공율과 미세조직의 변화를 일으켜 강도나 음색의 변화를 줄일 수 있다.

제2도에서는 본 방법을 사용하여 제조한 진동판을 사용하여 제작한 스피커의 음압-주파수 특성을 보여준다.

알루미나(Al₂O₃)/티나니아(TiO₂)계 세라믹은 높은 비탄성계수를 가지고 있는 반명 용사코팅의 특성상 세라믹 진동판 내부에는 적절한 기공들을 가지고 있어서 적당한 내부손실을 가진 이상적인 진동판을 형성하였다.

따라서 매우 우수한 음색을 가졌다.

음압- 주파수특성은 큰 피크(peak)나 디프(deep) 없이 완만하고 평활하게 재생할 수 있다.

음의 재생영역 500Hz부터 40KH₂까지 광범위한 범위에서 가능하였다.

Claims (2)

1. 제조코져하는 스피커진동판과 동일형상의 금형 표면에 그릿 블라스팅처리하는 단계와 그 표면에 금형과 성분이 다른 금속분말을 용사나 도금 방법에 의해 피복하여 중간금속피복층을 형성하는 단계와 그위에 알루미나/티타니아계 세라믹을 용사 피복하는 단계와 이 상태에서 이들을 화학용액에 담궈 중간금속피복 층만을 녹여냄으로서 세라믹진동판만을 분리해내는 것을 특징으로 하는 세라믹 진동판의 제조방법.
2. 제조코져하는 스피커진동판과 동일형상의 금형 표면에 그릿 블라스팅처리하는 단계와 그 표면에 금형과 성분이 다른 금속분말을 용사나 도금 방법에 의해 피복하여 중간금속피복층을 형성하는 단계와 그위에 알루미나/티타니아계 세라믹을 용사 피복하는 단계와 이 상태에서 이들을 전기화학적 방법 즉 전기도금의 반대적 방법으로서 중간금속피복층만을 녹여냄으로서 세라믹진동판만을 분리해내는 것을 특징으로 하는 세라믹 진동판의 제조방법.