스프링의 과거와 현재 그리고 미래
스프링의 과거와 현재 그리고 미래
  • 윤진근 기자
  • 승인 2016.03.02 11:41
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오늘날 우리는 ‘모든 것의 맞춤화’를 기대하고 있다. TV 방영 일정부터 휴대전화에 이르기까지, 그야말로 모든 것에서 말이다. 개인화(Personalization)와 주문 제작(Customization)이라는 개념이 왕좌에 오른 것은 어찌 보면 당연한 일이다. 스프링 업계 역시 이들의 큰 힘을 피하지 못했다.
글 | Martyn Tyndallis, European Springs Ireland 세일즈 매니저

스프링이 산업 속에서 수행하는 기능은 매우 다양하다. 팔색조를 연상케하는 다양성은 한 가지 제품을 여러 산업에서 사용하며, 각기 다른 역할을 부여하는 방법에 대한 교과서적인 역할을 한다. 하지만 스프링이 언제나 만능인 존재는 아니었다.

오늘날 스프링을 다양한 프로젝트에 적용할 수 있게 된 경위를 이해하기 위해서는 스프링이 어떻게 개발되었으며, 어떤 과정을 거쳐 발전해왔는지 살펴보는 것이 중요하다. 스프링에 가지고 있는 잠재력과 미래의 가능성을 보는 것 역시 빼놓을 수 없다.

스프링의 과거
스프링의 과거는 매우 보잘것없는 것이었다. 청동기 시대부터 사용되던 눈썹용 집게 등의 비코일 스프링(Non-Coil Spring)이 현대 스프링의 시초라고 알려져 있다. 

스프링은 그야말로 산전수전을 겪으며 변화에 변화를 거듭해왔다. 하지만 현재 우리가 가지고 있는 스프링 관련 기술은 당시 발견된 것과 크게 다르지 않으며, 아주 조금 발전한 것에 불과하다. 

예를 들어 기원전 3세기에는 알렉산드리아의 발명가 크테시비우스가 스프링을 적용한 투석기를 개발했다. 물론 당시의 스프링은 돌을 던질 수 있을 정도로 강하지 않았다. 비록 이 발명 자체는 난항을 겪었지만, 오늘날 우리는 이 기술이 발전한 형태인 판스프링(Leaf Spring)을 사용하고 있다. 자동차 서스펜션에서 흔히 볼 수 있는 제품이다.

스프링에 대한 기술 이해도와 작동방법에 대한 이해도가 높아지면서 복잡성이 높아지고 작동 방식에 변주가 더해졌다. 이는 더 많은 산업에 스프링을 적용할 수 있게 되었음을 의미한다. 

이 중에서도 주목할 만한 발전은 15세기 초 경 일어난 코일 스프링의 개발이다. 코일 스프링은 당시 휴대용 시계를 개발하는 과정에서 등장한 제품이었다. 이전까지는 휴대용 시계 대신 무겁고 큰 추시계가 시간을 알렸다. 하지만 스프링 기술의 도약에도 불구하고 당시의 ‘휴대용’ 시계는 3in. 이상의 지름과 두께를 가지고 있었으며, 철 혹은 스테인리스강 소재로 제작되어 상당한 무게를 가지고 있었다. 이후 4세기 동안이나 손목시계가 등장하지 못했던 결정적 이유였다.

스프링의 현재
산업혁명은 스프링의 생태에도 변화를 미쳤다. 19세기에 접어들면서 스프링 역시 대량생산의 혜택을 입었고, 여기에 힘입어 빠르고 격한 변화가 시작되었다. 철의 생산성이 개선되었다는 것은 이전에 비해 저렴한 가격으로 제품을 만들 수 있음을 의미했다. 스프링의 사용이 빠르게 확산된 비결이다.

근래에는 CAD 기술을 생산에 도입함에 따라 원활한 주문제작을 실현함은 물론, 시장을 보다 넓히고, 제조에 사용되는 시간과 에너지 그리고 폐기물은 줄일 수 있게 되었다. 하나의 CAD 소프트웨어를 사용해서 지진에도 건물을 지탱할 수 있을 만큼 큰 스프링도, 30㎛ 크기의 의료용 스프링도 만들 수 있다. CAD 기술의 등장에 힘입어 스프링을 다양하게 사용할 수 있게 되었고, 그 결과 적용분야 확대와 생산성 향상이라는 두 마리 토끼를 동시에 잡을 수 있게 되었다.

CAD 시스템은 스프링의 대량생산에 지대한 공헌을 했다. 정해진 크기와 모양을 매우 정확하게 구현하며, 인간의 오류를 미연에 방지할 수 있다. 

이러한 수학적 모델은 훅의 법칙(힘이 작용하여 물체가 변형될 때 변형의 정도는 힘의 크기에 비례한다는 법칙. 자료 과학용어사전)에 대한 이해를 기반으로 한다. 훅의 법칙이 없다면 엔지니어링 스프링의 제작도, 성능 향상도 불가능할 것이다.

CAD는 서로 다른 구성요소의 슬롯을 동시에 측정함으로써 설계 과정을 단순화한다. 기나긴 검증 과정 및 인쇄 후의 오류에 대한 걱정도 없다. 기존의 설계를 쉽게 변형할 수 있는 것은 물론이다. 

CAD는 또한 기본적인 요인에 변화를 줄 수도 있다. 스프링의 와이어 구성이나 코일 지름 그리고 외부 힘의 크기 등이 변화하면 이에 따른 다양한 요소의 변화를 자동으로 계산한다. 이러한 이해를 바탕으로 설계자들은 설계 결과물이 나오기까지의 비용과 기간이 타당한지를 판단할 수 있다.

열처리를 통해 특정 금속을 강화하는 방법이나 코일 작업 후 합금하는 방법 등, 스프링과 관련한 새로운 발견이 이어졌다. 이는 지금까지는 스프링 사용이 불가능했던 수많은 산업에서도 스프링을 사용할 수 있도록 만들었다. 

최근에는 보다 연성이 높고 물이나 기름 그리고 진동 등 각종 열악한 환경에 대한 저항이 높은 철을 사용하기도 한다. 이와 관련해 주철의 발전은 왜곡이 낮고 응답성이 높아 스프링의 활용도를 크게 높였다.

이러한 발견은 우리가 매일 만들고 사용하는 스프링 전체에 혜택을 안겨다주었다. 하지만 우리는 계속해서 새로운 기술과 재료에 대한 이해를 넓혀야 한다. 미래의 스프링은 현재의 스프링과 전혀 다른 형태로 만들어질 수 있으며 지금과는 전혀 다른 작업을 수행할 수도 있음을 의미한다.

스프링의 미래
스프링이 세상에 등장한 지 수천 년이 지났다. 수천 년 전과 현재의 모습이 다르듯, 오늘날의 스프링과 앞으로의 스프링 역시 전혀 다른 모습을 하고 있을 것이다. 

지난 수십 년 동안 극소 코일(Minuscule Coils)에 대한 요구가 증가하고 있다. 극소 코일 제품군이 휴대전화·터치패드·여타 전자기기 등에 탑재되기 때문이다. 이를 미루어 보았을 때 미래에 등장할 기술 역시 원활한 작동을 위해 새로운 종류의 스프링을 필요로 할 수 있다. 형태든, 기능이든.

스프링 제조 및 설계의 다음 단계는 4D 프린팅과 2D 재료를 포함할 것으로 보인다. 전자의 경우 현재 매사추세츠 공과대학교에서 연구 중에 있다. 객체 생성은 물론, 시간 경과에 따른 변형이나 자기 조립도 수행할 수 있는 제품에 대한 연구가 이어지고 있다. 후자는 원자 한두 개만큼의 두께를 가진 재료에 대한 것이다. ‘2D 재료’라는 용어가 이 재료의 흥미로운 특성을 함축하고 있다. 현재는 비용을 줄이고 생산량을 늘릴 수 있는 2D 재료 생산 방법을 연구하고 있다. 이러한 재료를 바탕으로 만들어진 스프링은 그 활용범위가 상상을 초월한다.

예를 들어 그래핀과 같은 탄소 경절 동소체(Carbon Crystalline Allotrope)는 무게 측면에서 대부분의 철보다 수백 배 강하며, 탄성 계수의 안정성 측면에서 최대 480%의 큰 증가를 보였다. 또한 정전기 효과에 따라 신축(늘어나고 줄어듦)에 대한 작용력이 커 손쉽게 복원이 가능하다.

그래핀 섬유 스프링에 대한 연구는 여전히 진행 중이다. 하지만 향후의 스프링 기술 측면에서 큰 잠재력을 가지고 있음은 분명하다.

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