KR970006792B1 - 스피커용 진동판에 세라믹 용사시공방법 - Google Patents

Abstract

내용없음.

Description

스피커용 진동판에 세라믹 용사시공방법

제1도는 플라즈마 용사피복의 원리를 설명하는 그림.

제2도는 통상의 방법과 진공흡착 방법에 의해 진동판의 표면에 그리트 브라스팅(grit blasting)으로 표면요철을 주는 경우 진도판의 변형을 비교한 사진.

제3도는 통상의 방법과 진공흡착 방법에 의해 진동판의 표면에 플라즈마 용사 피복하는 경우 진동판의 과열 및 변형을 비교한 사진.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 플라즈마 화염 2 : 피복할 분말재료

3 : 텅스텐전극 4 : 아노드

5 : 피용사체 6 : 용사피복층

7 : 진동판 8 : 다공질 혹은 미세구멍을 가진 판재

본 발명은 스피커용 진동판에 세라믹 용사시공방법에 관한 것이다.

오디오 시스템에서 스피커는 녹음소스로 부터의 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 소재의 가장 영향을 받는다.

고음역에서 사용되는 스피커용 진동판 소재는 음을 충분히 재생하기 위해서 경량화, 고강성화 및 적당한 내부손실을 가져야 한다.

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

그 때문에 특히 고음역에서의 음질개선을 위해서 현재 알루미나 등의 산화물계 세라믹, B₄C등의 탄화물계 세라믹 및 결정질 다이아몬드 소재가 진동판 소재로서 추천되고 있다.

그러나 세라믹은 경질이며 취약한 특성 때문에 얇은 진동판 형태로서 제조하기가 어려워서, 제조단가가 비싸고, 생산성이 크게 떨어진다.

따라서 순수 세라믹 진동판을 사용하기보다는 금속 진동판 표면에 세라믹을 코팅하여 음질을 개선시키는 방법을 주로 사용하고 있다.

금속 진동판에 세라믹이 코팅된 진동판은 금속과 세라믹이 불합화된 음질 특성을 나타내어 양호한 음질 재생이 기대된다.

세라믹을 코팅하는 방법으로서 용사, 진공증착, 이온 플레이팅 등의 방법이 적용되고 있다.

이러한 코팅 방법들 중에서 용사 방법이 가장 경제적이며, 생산성이 높다.

그러나 용사방법의 특성상 진동판과 같은 얇은 소재에 세라믹을 코팅하기 위해서는 많은 어려움이 있다.

용사기술은 각종 소재 및 기계부품 등에 내마모, 내열, 단열, 내식, 전기절연 등의 성질을 부여하기 위한 표면피복 기술이다.

특히 용사피복기술은 특수기능을 가진 세라믹등과 같은 재료를 소재나 부품의 표면에 피복함으로서 표면에 특수기능을 부여하여 소재나 부품의 기능을 크게 향상시킬 수 있는 기술이다.

용사피복기술을 CVD 혹은 중착피복기술이나 크래딩(cladding)기술과는 달리, 거의 대부분 재료들을 간단한 용사시공에 의하여 두께 약 0.01-2mm정도의 피복층을 쉽게 얻을 수 있다.

용사시공의 원리는 제1도에서 도식적으로 설명하고 있다.

고온의 열원내에 피복하고자 하는 재료를 투입하여 용융시키고 고속의 속도로 가속시켜 소재표면에 강한 충돌력을 일으켜 피복하는 기술이다.

열원은 텅스텐 전극(3)과 수냉되는 아노드(4) 사이에 아크방전을 일으키고 여기에 플라즈마 가스(알곤, 수소, 질소, 헬륨)를 투입시키면 15000K 이상의 고온의 플라즈마 화염(1)이 발생한다.

이 화염내에 피복할 분말재료(2)를 일정량 투입하면 분말재료는 용융하고 고속화염과 함께 비행하여 피용사체(5)에 용사피복층(6)이 피복되는 방법이다.

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

용사과정에서 발생하는 열원이나 용융입자의 열에너지는 소재를 통해서 급속히 확산된다.

따라서 용사피복에 의해 형성된 피복층은 매우 급냉하게 되고 소재와 화학적 결합력을 얻을 수 있는 시간적 여유가 부족하여 피복층과 소재와의 결합력은 대부분 기계적인 결합에 의해서 일어난다.

따라서 용사 피복층과 소재와의 기계적 결합력을 증가시키기 위하여 용사피복하기 전에 전처리 과정으로서 피용사체의 표면에 반드시 표면요철을 만들어 주어야 한다.

이 표면요철 상태가 피복층과 소재 사이의 결합력에 가장 큰 영향을 미친다.

따라서 전처리 과정으로서 표면요철을 주는 방법이 매우 중요하다.

표면요철을 주는 방법으로서는 그리트 브라스팅 방법이 있다.

그리트 브라스팅 방법은 우수한 표면요철 상태를 얻을 수 있기 때문에 전처리 과정으로서 일반적으로서 일반적으로 이 방법을 사용하고 있다.

그리트 브라스팅 이라는 것은 입자의 형상이 매우 날카로운 알루미나 혹은 주철제 분말을 압축공기와 함께 불어내어 소재표면에 강하게 충돌시켜 소재표면을 제거함으로서 표면요철을 만들어 내는 방법이다.

이때 소재표면에는 큰 압축응력이 발생된다.

그러나 대부분의 용사응용 분야에서 그리트 브라스팅 방법은 두꺼운 소재표면에 대하여 적용하기 때문에 이러한 압축응력은 거의 문제를 발생시키지 않는다.

피용사체에 그리트 브라스팅하여 표면요철 상태를 얻은 다음 용사피복시공을 하게 된다.

용사피복과정에서는 플라즈마 화염이나 용융분말이 피용사체 표면에 충돌하여 피복될때 많은 열에너지가 피용사체로 전달된다.

그러나 피용사체가 두꺼운 경우에는 이 열에너지는 소재의 내부로 쉽게 확산되어 나가고, 또한 추가의 압축 공기에 의해 소재를 냉각시키면 소재의 온도상승은 크게 일어나지 않기 때문에 열변형이나 산화 등의 문제를 일으키지 않는다.

그러나 피용사체(소재)의 두께가 얇아지면 그리트 브라스팅과 용사피복시공 모두에서 매우 큰 문제가 발생한다.

그리고 일본특허공개 초록 소 59-17795호가 알려진바 있으나 이는 두꺼운 진동판 형상의 금형(금속기재)에 보론 카바이드 세라믹을 용사시공하고 금형 전체를 녹여내는 방법을 사용하고 있다.

그러나 본 발명에서는 진동판 위에 직접 세라믹을 플라즈마 용사시공하여 바로 진동판으로 사용하는 방법을 채택하고 있다.

즉 필요없이 금형을 제작하고 녹여내는 낭비가 필요가 없는 방법이다.

여태까지 진동판 위에 세라믹을 직접 플라즈마 용사시공을 하지 못한 이유는 실제 티타늄 진동판의 경우 두께가 약 25㎛(0.025mm)으로 극히 얇기 때문에 통상의 방법에 의해 진동판 위에 표면요철을 주기 위한 그리트블라스팅을 하거나, 그 위에 고온(15000K(만오천도)이상)의 플라즈마 열원을 사용한 용사피복은 불가능하였다.

통상의 방법에 의해 그리트 브라스팅하거나 플라즈마 용사하는 바와 같이 심하게 변형되거나 산화되어 진동판으로 사용이 불가능하다.

따라서 일본 선행기술의 경우 두꺼운 진동판 형상의 금속기재 위에 보론 카바이드 세라믹을 용사시공하고 이 금속기재를 모두 부식시켜 제거하는 방법을 채택하였다.

여기서의 단점은 진동판 1개 제조시 마다 금형(금속기재)를 제조하고 모두 녹여내는 방법을 채택하였다.

본 발명에서는 이러한 문제점들을 분석하여 해결하였다.

본 발명 방법은 25㎛(0.025mm) 두께의 극히 얇은 진동판 위에 그대로 그리트 브라스팅과 플라즈마 용사시공할 수 있는 방법으로서, 진공흡착시에 금형과 얇은 진동판과의 밀착, 변형, 열의 전달방식등에 대한 면밀한 연구결과 나온 기술로서, 여태까지 전혀 시도되지 못한 방법이다.

이 방법이 개발됨으로서 진동판 위에 직접 우수한 품질의 플라즈마 용사 시공이 가능하였다.

스피커의 진동판과 같이 소재의 두께가 0.01-0.1mm 정도로 얇아지는 문제는 크게 달라진다.

우선 전처리 과정인 그리트 브라스팅을 하기가 어렵다.

소재가 두꺼운 경우에는 그리트의 소재 표면에 충돌할 때 소재표면이 뜯겨 나가고, 또한 충돌에 의해 발생하는 압축응력은 소재 자체에 의해 구속되어 표면 부근에만 압축잔류응력을 남긴 상태이다.

따라서 소재 형상의 변형은 일어나지 않는다.

즉 기존의 방법에 의해 그리트 브라스팅을 하더라도 전혀 문제를 야기시키지 않는다.

그러나 소재가 얇은 진동판의 경우에는 그미트가 소재 표면에 충돌할 때 일어나는 현상은 완전히 달라진다.

진동판 표면이 뜯겨 나가는 것에 추가하여 그미트에 의한 압축응력은 소재의 두께가 얇기 때문에 소재 자체에 의해 구속될 수 없어 측면변형으로 나타난다.

측면변형은 전반적으로 일어나고 변형량은 부분적으로 달라진다.

이러한 불균일한 측면변형은 결국 진동판이 부분적으로 위로 부풀어 오르게 하여 소재의 형상을 변형시킨다(제2도b).

따라서 통상의 방법으로 그리트 브라스팅 하는 경우에는 형상 변형이 없는 표면요철상태를 얻기 어렵다.

따라서 이러한 진동판에 대해서는 그리트 브라스팅을 할 수가 없어서 에칭이나 연마 등의 방법을 사용하기도 한다.

그러나 이러한 방법들에 의해서는 우수한 표면요철상태를 얻기가 어렵다.

에칭이나 연마 방법에 의해 표면요철을 얻은 표면에 용사한 피복층은 쉽게 떨어져 나간다.

따라서 우수한 표면요철을 얻을 수 있는 그리트 브라스팅 방법을 진동판에 적용할 수 있는 시공방법이 매우 중요한 과제로 남아 왔다.

여기에 대한 연구한 결과 측면변형에 의해 위로 부풀어 오르는 것을 방지하기 위해서는, 진동판 전체면을 아래로 당기는 힘을 발생시켜야 한다는 것을 알았다.

접착제와 같은 것으로 진동판을 치구에 붙이는 방법도 고려될 수 있으나 접착제는 열에 약하고, 전체면에 고르게 접착시키기 어렵고, 용사 후 떼어내는 공정이 추가로 필요하며, 또한 떼어내는데 많은 시간이 소요되어 생산적인 방법이 되기 어렵다.

또한 측면변형을 수용하기가 곤란하다.

여기서 본 발명의 진공흡착 방법은 생산적이며 효율적인 방법으로 제4도에서 설명하고 있다.

진동판과 같은 형상을 가진 다공질 혹은 미세구멍을 가진 판재(8)의 앞쪽에 용사피복될 진동판(7)을 위치하고 뒤에서 진공으로 강하게 흡착시킨다.

이때 진동판은 얇기 때문에 다공질 혹은 미세구멍을 가진 판재에 쉽게 흡착이 된다.

이 상태에서 압축공기와 함께 그리트 브라스팅하는 경우에는 불균일 측면변형에 의해 부분적으로 위쪽으로 부풀어 오르려는 힘은 진공흡착에 의해 방지된다.

또한 진동판의 측면변형은 표면을 따라 고르게 일어나고, 진동판과 다공질판(혹은 미세구멍을 가진 판) 사이에서 미끄러져서 가장자리 까지 전달이 된다.

이와 같은 진공흡착 방법에 의해서 제2도 c에서 보는 바와 같이 형상의 변형이 없고 표면요철이 우수한 상태를 얻을 수 있다.

용사피복시공 단계에서도 용사화염이나 용융분말이 진동판과 같은 박판에 충돌할 때 많은 열 에너지가 진동판으로 전달된다.

통상의 방법으로 진동판을 치구에 기계적으로 부착시키고 용사하는 경우 열에너지의 확산이 쉽지 않기 때문에 열은 진동판에 누적되어 제3도 a,b에서 보는 바와 같이 심한 산화, 변형, 용융이 일어난다.

따라서 기존의 용사피복 시공방법에서는 진동판의 두께가 다소 두꺼운 것을 사용하거나, 용사거리를 멀리 하거나, 용사분말의 송급량을 매우 적게 하거나, 입열량을 적게하는 등의 방법을 사용하여 왔다.

이러한 방법은 생산성이 떨어질뿐 아니라, 세라믹 용사피복층과 진동판 사이의 결합력을 약화시키거나, 스피커용 진동판의 경우에는 진동판 성능에서 가장 중요한 무게가 증가하는 등의 여러가지 단점들을 가지고 있다.

통상의 방법으로 진동판을 치구에 기계적으로 부착시키고 용살하는 경우 일어나는 현상을 관찰하여 보면, 항상 부분적으로 진동판과 치구가 밀착되지 않은 부분이 존재한다.

용사시공 후 결과를 관찰하여 보면 진동판과 치구 사이에 밀착이 일어난 부분에서는 용사열에 의한 용융이나 산화현상이 관찰되지 않았으나, 밀착되지 않은 부분에서는 심한 산화나 용융이 관찰되었다.

용사피복 과정에서 진동판에서의 열확산경로와 변형상태를 살펴보면, 진동판이치구와 밀착되지 않은 부분에서는 용융분말이 진동판에 피복될 때 용사화염이나 용융분말의 열에너지는 치구를 통하여 확산되기 어렵다.

따라서 밀착되지 않은 부분에서는 얇은 진동판 내부에 열이 누적되어 온도가 상승한다.

온도의 상승은 부분적으로 열팽창을 일으켜서 진동판과 치구 사이를 더욱 벌어지게 한다.

이것은 이 부분에서 열의 확산을 더욱 어렵게 하여 온도상승을 가속화시켜 이 부분의 진동판을 변형, 산화시키거나 용융시킨다.

그러나 밀착이 일어난 부분에서는 용융분말이 진동판에 피복될 때 용사화염이나 용융분말이 열에너지는 치구로 급속히 확산되어 진동판 내부에 열이 집적되지 않기 때문에 온도상승은 거의 일어나지 않는다.

따라서 진동판의 부분적인 변형 및 온도상승에 의한 산화나 용융이 전혀 일어나지 않는다.

이들 연구결과들을 고려할 때 진동판과 치구 사이의 밀착이 열확산에 가장 중요하다는 사실을 발견하였다.

따라서 진동판과 치구를 밀착시키는 방법으로서 역시 진공흡착 방법을 고안하였다.

진공흡착 방법은 제4도에서 그리트 브라스팅시의 진공흡착에서 설명한 것과 동일하다.

진동판과 같은 형상을 가진 다공질 혹은 미세구멍을 가진 판재의 앞쪽에 용사피복될 진동판을 위치하고 뒤에서 진공으로 흡착시킨다.

여기서 고안한 진공흡착 방법은 매우 간단하고 실용적인 방법으로 진공흡착에 의해 그리트 브라스팅시킨 상태 그대로 용사피복 시공하면 된다.

진동판 소재는 매우 얇고, 치구가 동일한 곡면을 가지고 있기 때문에 쉽게 치구와 밀착이 일어나서 용사피복 과정에서의 열을 쉽게 치구로 확산시킬 수 있어 제3도 c에서 보는 바와 같이 전혀 열변형이나 산화나 용융을 발생시키지 않았다.

그러므로 본 발명은 스피커용 진동판에 세라믹의 실용적인 용사시공법으로 해당 산업분야에 널리 보급할 수 있는 것이다.

Claims (1)

1. 스피커용 진동판에 세라믹을 용사시공함에 있어서, 진동판과 같은 형상을 가진 다공질 혹은 미세구멍을 가진 판재의 앞쪽에 용사피복될 진동판을 위치시키고 뒤에서 진공으로 강하게 흡착시킨후 그리트 브라스팅하고 세라믹 분말을 진동판 위에 직접 플라즈마 용사시공하여 바로 진동판으로 사용할 수 있게 함을 특징으로하는 스피커용 진동판에 세라믹 용사시공방법.