소형·전문 제품을 위한 전기 주조 기술의 기초
전기 주조(Electroforming. 전주라고도 한다)는 전기 도금(Electroplating) 기술을 활용해 얇은 금속 층을 맨드릴(심봉)에 증착시키는 것을 의미한다. 맨드릴을 화학적으로 용해시켜 전기 주조 제품을 추출한다. 전기 주조가 이루어지는 과정을 살펴보자.
가공 | Machining
맨드릴은 가공 공정의 가장 기본이 되는 부품이다. 알루미늄 6061T 혹은 스테인리스강으로 만드는 것이 일반적이다. 전기 주조의 내부 구조를 형성하는 역할을 한다. 부품 제조 분야에서는 내부 구조를 구성하는 것이 외부 구조를 구성하는 것보다 어렵다. 내부 구조의 공차(허용오차)가 더 낮기 때문이다.
컴퓨터 수치 제어(CNC)를 활용한 기계 가공 기술이 발전하면서, 전기 주조를 활용해 소형 제품 및 전문 제품을 가공·도금·변환할 수 있게 되었다. 오늘날 전기 주조 기술은 직경 0.5㎜ 이하, 두께 0.008㎜ 이하의 매우 얇고 작은 제품도 만들 수 있다.
사용자가 원하는 구성을 위해 특수 공구 세공(Tooling)을 활용하여 최초 설계사양을 충족할 수 있다. 또한 다양한 가공품을 한 번에 조립할 수도 있는데, 이는 보다 복잡한 형상을 만드는 데에 도움이 된다. 표면이 매우 매끄러운 전기 주조 조립을 실현하는 비결이다.
도금 | Plating
도금 공정에서 맨드릴은 음극(Cathode)으로, 전기 주조의 대상이 되는 재료가 양극(Anode)으로 작용한다. 도금 탱크 내에서 시간과 전류 그리고 전류 밀도를 조절함으로써 결과물의 두께를 제어할 수 있다. 탱크 안에서 일어나는 화학반응을 지속적으로 관찰함으로써 보다 정밀하고 정확한 구성요소를 만들 수 있다.
도금을 위한 금속은 사용자가 지정한 매개변수를 바탕으로 선택된다. 전기 주조용으로 가장 인기 있는 금속으로는 니켈·구리·금·은 등이 있다.
니켈 및 니켈 코발트 합금의 각기 다른 형태를 잘 활용하면 장비 및 강도에 대한 요구사항을 충족할 수 있다. 니켈은 비용효율적인 금속이고, 극저온에서도 작업할 수 있으며, 누설율(Leak Rates)이 낮다.
구리·금·은은 각기 다른 설계 관련 사양을 충족한다. 매질 호환성, 반사율, 전도율, 인장 강도 등이 그것이다. 예를 들어 금도금 표면은 전기 접촉 응용사례에서 전도성을 높인다. 니켈 기반 금속은 전기 주조의 강도를 높이며, 금 마감 처리는 신호 손실을 줄인다.
또한 전기 주조 제품 내부 혹은 외부에 특수한 표면처리를 할 수도 있다. 광학 관련 제품의 경우 거울 처리(4 R.M.S)가 필요할 수 있다. 반사율을 높이기 위해서다. 적외선 필터링 관련 제품은 내부 표면처리에 흑화(Blackening) 공정을 첨가하기도 한다. 조립품 내부를 통과하는 빛의 범위를 제한하기 위해서다.
맨드릴 제거 | Removal of the Mandrel
도금 처리를 마쳤다면 조립품으로부터 맨드릴을 제거해야 한다. 알루미늄 맨드릴의 경우 맨드릴의 일부를 노출시킴으로써 제거할 수 있다. 예를 들어 맨드릴이 필요한 것보다 조금 더 길게 만들어졌다고 가정하자. 원하는 길이만큼 도금한 후 끝부분을 잘라내 맨드릴을 노출시킨다. 이후 조립품을 수산화나트륨 안으로 집어넣어 맨드릴을 화학적으로 제거하면 전기 주조 벨로즈만 남게 된다.
조립 단계 | Sub-Assembly Level
응용사례에 따라 전기 주조는 독립적인(일체형) 제품도, 다양한 요소를 조립하는 제품도 만들 수 있다. 전기 주조는 에폭시 수지·납땜·용접 등을 통해 제품을 제조할 수 있다. 이는 구성요소의 재질과 화학적 성분 구성 그리고 제한사항 등에 따라 달라진다.
응용사례 | Application
전기 주조는 엄격한 공차와 작은 크기 그리고 폭넓은 작동 온도 범위를 필요로 하는 응용사례에 적합한 제조방식이다. 몇 가지 예를 소개한다.
1. 벨로즈는 유연한 관(Tube)이다. 압력·용적·온도 보정이 필요한 다양한 응용사례에 두루 사용할 수 있는데, 액추에이터와 커플링이 대표적이다. 전착된(Electrodeposited) 벨로즈는 유사 기술과 비교했을 때 보다 작은 크기와 엄격한 허용오차를 자랑한다.
2. 전기 도금 공정에 의해 생성되는 전기 접점은 소형 부품 간의 전기접속을 구현한다. 벨로즈가 전기 접점에 의해 통합될 경우 미 정렬 보정 및 오프셋 보정을 할 수 있게 된다. 도금된 표면은 전도성을 높이고 신호 손실을 낮춘다.
3. 전자 차폐는 오늘날 디지털 응용분야에서 흔히 요구하는 기능이다. 전자 주조 조립품은 전자기 및 무선주파수 간섭 측면에서 보다 자유롭다. 스테인리스강보다 가볍고, 동판보다 험한 환경에서의 생존 가능성이 높다.
4. 거울 마감(Mirror Finishes)을 더한 반사판은 전기 주조 기술을 활용해 제조한다. 견고하고 가벼운 구조 그리고 특유의 표면 마감을 통해 필요한 크기와 방향으로 빛을 통과시킬 수 있다.
5. 콜드 실드는 마이크로파 장치에 쓰이는 복잡한 장비다. 원치 않는 전자기 방사선으로부터 대상을 보호한다. 방해판(배플)과 금 외부 마감, 내부 흑화 처리, 초저온 처리 등을 바탕으로 전기 주조 기술은 콜드 실드 제품 제작에 적합한 기술로 부상했다.
6. 도파관은 전자파 관리에 사용된다. 전기 주조 기술은 비정상(Non-Stationary) 응용사례에서 도파관에 유연성을 제공한다. 또한 도파관 내부 구조에 엄격한 공차를 제공한다.
7. 오늘날 다이 및 몰드 주형 작업에는 플라스틱을 사용하는 것이 일반적이다. 하지만 플라스틱이 제공할 수 있는 것보다 엄격한 공차를 필요로 하는 응용사례에서 전기 주조 기술을 활용한다.
가공 | Machining
맨드릴은 가공 공정의 가장 기본이 되는 부품이다. 알루미늄 6061T 혹은 스테인리스강으로 만드는 것이 일반적이다. 전기 주조의 내부 구조를 형성하는 역할을 한다. 부품 제조 분야에서는 내부 구조를 구성하는 것이 외부 구조를 구성하는 것보다 어렵다. 내부 구조의 공차(허용오차)가 더 낮기 때문이다.
컴퓨터 수치 제어(CNC)를 활용한 기계 가공 기술이 발전하면서, 전기 주조를 활용해 소형 제품 및 전문 제품을 가공·도금·변환할 수 있게 되었다. 오늘날 전기 주조 기술은 직경 0.5㎜ 이하, 두께 0.008㎜ 이하의 매우 얇고 작은 제품도 만들 수 있다.
사용자가 원하는 구성을 위해 특수 공구 세공(Tooling)을 활용하여 최초 설계사양을 충족할 수 있다. 또한 다양한 가공품을 한 번에 조립할 수도 있는데, 이는 보다 복잡한 형상을 만드는 데에 도움이 된다. 표면이 매우 매끄러운 전기 주조 조립을 실현하는 비결이다.
도금 | Plating
도금 공정에서 맨드릴은 음극(Cathode)으로, 전기 주조의 대상이 되는 재료가 양극(Anode)으로 작용한다. 도금 탱크 내에서 시간과 전류 그리고 전류 밀도를 조절함으로써 결과물의 두께를 제어할 수 있다. 탱크 안에서 일어나는 화학반응을 지속적으로 관찰함으로써 보다 정밀하고 정확한 구성요소를 만들 수 있다.
도금을 위한 금속은 사용자가 지정한 매개변수를 바탕으로 선택된다. 전기 주조용으로 가장 인기 있는 금속으로는 니켈·구리·금·은 등이 있다.
니켈 및 니켈 코발트 합금의 각기 다른 형태를 잘 활용하면 장비 및 강도에 대한 요구사항을 충족할 수 있다. 니켈은 비용효율적인 금속이고, 극저온에서도 작업할 수 있으며, 누설율(Leak Rates)이 낮다.
구리·금·은은 각기 다른 설계 관련 사양을 충족한다. 매질 호환성, 반사율, 전도율, 인장 강도 등이 그것이다. 예를 들어 금도금 표면은 전기 접촉 응용사례에서 전도성을 높인다. 니켈 기반 금속은 전기 주조의 강도를 높이며, 금 마감 처리는 신호 손실을 줄인다.
또한 전기 주조 제품 내부 혹은 외부에 특수한 표면처리를 할 수도 있다. 광학 관련 제품의 경우 거울 처리(4 R.M.S)가 필요할 수 있다. 반사율을 높이기 위해서다. 적외선 필터링 관련 제품은 내부 표면처리에 흑화(Blackening) 공정을 첨가하기도 한다. 조립품 내부를 통과하는 빛의 범위를 제한하기 위해서다.
맨드릴 제거 | Removal of the Mandrel
도금 처리를 마쳤다면 조립품으로부터 맨드릴을 제거해야 한다. 알루미늄 맨드릴의 경우 맨드릴의 일부를 노출시킴으로써 제거할 수 있다. 예를 들어 맨드릴이 필요한 것보다 조금 더 길게 만들어졌다고 가정하자. 원하는 길이만큼 도금한 후 끝부분을 잘라내 맨드릴을 노출시킨다. 이후 조립품을 수산화나트륨 안으로 집어넣어 맨드릴을 화학적으로 제거하면 전기 주조 벨로즈만 남게 된다.
조립 단계 | Sub-Assembly Level
응용사례에 따라 전기 주조는 독립적인(일체형) 제품도, 다양한 요소를 조립하는 제품도 만들 수 있다. 전기 주조는 에폭시 수지·납땜·용접 등을 통해 제품을 제조할 수 있다. 이는 구성요소의 재질과 화학적 성분 구성 그리고 제한사항 등에 따라 달라진다.
응용사례 | Application
전기 주조는 엄격한 공차와 작은 크기 그리고 폭넓은 작동 온도 범위를 필요로 하는 응용사례에 적합한 제조방식이다. 몇 가지 예를 소개한다.
1. 벨로즈는 유연한 관(Tube)이다. 압력·용적·온도 보정이 필요한 다양한 응용사례에 두루 사용할 수 있는데, 액추에이터와 커플링이 대표적이다. 전착된(Electrodeposited) 벨로즈는 유사 기술과 비교했을 때 보다 작은 크기와 엄격한 허용오차를 자랑한다.
2. 전기 도금 공정에 의해 생성되는 전기 접점은 소형 부품 간의 전기접속을 구현한다. 벨로즈가 전기 접점에 의해 통합될 경우 미 정렬 보정 및 오프셋 보정을 할 수 있게 된다. 도금된 표면은 전도성을 높이고 신호 손실을 낮춘다.
3. 전자 차폐는 오늘날 디지털 응용분야에서 흔히 요구하는 기능이다. 전자 주조 조립품은 전자기 및 무선주파수 간섭 측면에서 보다 자유롭다. 스테인리스강보다 가볍고, 동판보다 험한 환경에서의 생존 가능성이 높다.
4. 거울 마감(Mirror Finishes)을 더한 반사판은 전기 주조 기술을 활용해 제조한다. 견고하고 가벼운 구조 그리고 특유의 표면 마감을 통해 필요한 크기와 방향으로 빛을 통과시킬 수 있다.
5. 콜드 실드는 마이크로파 장치에 쓰이는 복잡한 장비다. 원치 않는 전자기 방사선으로부터 대상을 보호한다. 방해판(배플)과 금 외부 마감, 내부 흑화 처리, 초저온 처리 등을 바탕으로 전기 주조 기술은 콜드 실드 제품 제작에 적합한 기술로 부상했다.
6. 도파관은 전자파 관리에 사용된다. 전기 주조 기술은 비정상(Non-Stationary) 응용사례에서 도파관에 유연성을 제공한다. 또한 도파관 내부 구조에 엄격한 공차를 제공한다.
7. 오늘날 다이 및 몰드 주형 작업에는 플라스틱을 사용하는 것이 일반적이다. 하지만 플라스틱이 제공할 수 있는 것보다 엄격한 공차를 필요로 하는 응용사례에서 전기 주조 기술을 활용한다.
예를 들어 많은 의료용 장비들이 전기 주조 주형에 의존한다. 카테터 팁의 형태를 제어하기 위해서다. 자동차 제조공장에서 역시 전기 주조 제품을 활용하는데, 지속적이고 일관적으로 내부 제품을 성형하기 위함이다.
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