shopkeeper/korean_wiki_content_only_120125 huggingface dataset:
넓은 띠 재료는 도너 원자로 도핑된다. 따라서 전도대에는 과도한 전자가 존재한다. 이 전자들은 에너지가 낮은 상태의 존재로 인해 인접한 좁은 띠 재료의 전도대로 확산된다. 전자의 움직임은 전위의 변화를 야기하고 따라서 재료들 사이에 전기장을 형성한다. 전기장은 전자들을 넓은 띠 재료의 전도대로 다시 밀어낸다. 확산 과정은 전자 확산과 전자 이동이 서로 균형을 이룰 때까지 계속되어 PN 접합과 유사한 평형 상태의 접합을 생성한다. 도핑되지 않은 좁은 띠틈 재료에는 이제 과도한 다수 전하 운반자가 존재한다. 전하 운반자가 다수 캐리어라는 사실은 빠른 스위칭 속도를 제공하며, 낮은 띠틈 반도체가 도핑되지 않았다는 사실은 산란을 유발할 도너 원자가 없으므로 높은 이동도를 제공한다.
GaAs HEMT의 경우, 이들은 고농도로 도핑된 넓은 띠틈 n형 도너 공급층(예시에서는 AlGaAs)과 도핑 불순물이 없는 도핑되지 않은 좁은 띠틈 채널층(이 경우 GaAs)의 이종접합을 사용하여 생성된 고이동성 전자를 활용한다. 얇은 n형 AlGaAs 층에서 생성된 전자들은 GaAs 층으로 완전히 떨어져 고갈된 AlGaAs 층을 형성하는데, 이는 다른 띠틈 재료에 의해 생성된 이종접합이 GaAs 측의 전도대에 양자 우물(가파른 협곡)을 형성하기 때문이다. 이 우물에서 전자들은 GaAs 층이 도핑되지 않았기 때문에 불순물과 충돌하지 않고 빠르게 움직일 수 있으며, 그곳에서 탈출할 수 없다. 이 효과는 매우 높은 농도를 가진 매우 얇은 고이동성 전도 전자층을 생성하여 채널에 매우 낮은 저항(또 다른 말로는 "높은 전자 이동도")을 제공한다.
정전기 메커니즘.
GaAs는 전자 친화도가 더 높기 때문에 AlGaAs 층의 자유 전자는 도핑되지 않은 GaAs 층으로 이동하여 계면에서 100 옹스트롬(10 nm) 이내에 2차원 고이동도 전자가스를 형성한다. HEMT의 n형 AlGaAs 층은 두 가지 고갈 메커니즘을 통해 완전히 고갈된다.
게이트 금속의 페르미 준위는 전도대 아래 1.2 eV에 있는 고정점과 일치한다. AlGaAs 층 두께가 감소함에 따라 AlGaAs 층의 도너가 공급하는 전자는 층을 고정하기에 불충분하다. 결과적으로 밴드 굽힘은 위로 이동하고 2차원 전자가스는 나타나지 않는다. 임계 전압보다 큰 양의 전압이 게이트에 인가되면 전자가 계면에 축적되어 2차원 전자가스를 형성한다.
HEMT의 변조 도핑.
HEMT의 중요한 특징은 전도대와 원자가대 사이의 띠 불연속성을 개별적으로 조절할 수 있다는 점이다. 이를 통해 소자 내부와 외부의 캐리어 종류를 제어할 수 있다. HEMT는 전자를 주된 캐리어로 필요로 하므로, 재료 중 하나에 등급 도핑을 적용하여 전도대 불연속성을 작게 유지하고 원자가대 불연속성을 동일하게 유지할 수 있다. 이러한 캐리어의 확산은 좁은 띠틈 재료 내부의 두 영역 경계를 따라 전자가 축적되는 현상을 초래한다. 전자의 축적은 이러한 소자에서 매우 높은 전류를 유발한다. "변조 도핑"이라는 용어는 도펀트가 전류를 운반하는 전자와 공간적으로 다른 영역에 있다는 사실을 의미한다. 이 기술은 벨 연구소의 호르스트 슈퇴르머에 의해 발명되었다.
MODFET은 변형된 SiGe 층의 에피택셜 성장을 통해 제조될 수 있다. 변형된 층에서는 저마늄 함량이 약 40-50%까지 선형적으로 증가한다. 이 저마늄 농도는 높은 전도띠 오프셋과 매우 이동성 높은 전하 운반자의 고밀도를 가진 양자 우물 구조의 형성을 가능하게 한다. 최종 결과는 초고속 스위칭 속도와 낮은 잡음을 가진 FET이다. InGaAs/AlGaAs, AlGaN/InGaN 및 기타 화합물도 SiGe 대신 사용된다. InP 및 GaN은 더 나은 잡음 및 전력 비율 때문에 MODFET의 기본 재료로 SiGe를 대체하기 시작하고 있다.
HEMT 버전.
성장 기술별: pHEMT 및 mHEMT.
이상적으로는 이종접합에 사용되는 두 가지 재료는 동일한 격자 상수(원자 사이의 간격)를 가져야 한다. 실제로는 격자 상수가 일반적으로 약간 다르며(예: GaAs 위의 AlGaAs), 이로 인해 결정 결함이 발생한다. 비유하자면, 약간 다른 간격을 가진 두 개의 플라스틱 빗을 함께 밀어 넣는 것을 상상해 보라. 일정한 간격으로 두 개의 이빨이 함께 뭉치는 것을 볼 수 있다. 반도체에서는 이러한 불연속성이 깊은 준위 트랩을 형성하고 소자 성능을 크게 저하시킨다.
이 규칙을 위반한 HEMT를 pHEMT 또는 의사형 HEMT라고 한다. 이것은 재료 중 하나를 매우 얇게 사용하여 달성된다. 너무 얇아서 결정 격자가 다른 재료에 맞게 단순히 늘어난다. 이 기술은 가능했던 것보다 더 큰 띠틈 차이를 가진 트랜지스터를 제작할 수 있게 하여 더 나은 성능을 제공한다.
다른 격자 상수를 가진 재료를 사용하는 또 다른 방법은 그 사이에 버퍼 층을 배치하는 것이다. 이것은 pHEMT의 발전된 형태인 mHEMT 또는 변성 HEMT에서 수행된다. 버퍼 층은 AlInAs로 만들어지며, 인듐 농도가 GaAs 기판과 GaInAs 채널의 격자 상수를 모두 일치시킬 수 있도록 등급이 매겨진다. 이것은 채널에 거의 모든 인듐 농도를 실현할 수 있다는 이점을 가져오므로 장치를 다양한 응용 분야(낮은 인듐 농도는 낮은 잡음을 제공; 높은 인듐 농도는 높은 이득을 제공)에 최적화할 수 있다.
전기적 동작별: eHEMT 및 dHEMT.
AlGaAs/GaAs와 같이 계면 순 분극 전하가 없는 반도체 이종계면으로 만들어진 HEMT는 2D 전자가스를 형성하고 전자 전류의 전도를 가능하게 하기 위해 양의 게이트 전압이나 AlGaAs 장벽에 적절한 도너 도핑이 필요하다. 이러한 동작은 일반적으로 사용되는 인핸스먼트 모드의 장효과 트랜지스터와 유사하며, 이러한 장치를 인핸스먼트 HEMT 또는 eHEMT라고 한다.
AlGaN/GaN으로 HEMT를 만들면 더 높은 전력 밀도와 항복 전압을 달성할 수 있다. 질화물은 또한 더 낮은 대칭성을 가진 다른 결정 구조, 즉 섬아연석 구조를 가지며, 이는 내장된 전기 분극을 가진다. 이 분극은 GaN 채널층과 AlGaN 장벽층 사이에 다르기 때문에 0.01-0.03 C/mformula_1 정도의 보상되지 않은 전하 시트가 형성된다. 에피택셜 성장에 일반적으로 사용되는 결정 방향("갈륨면")과 제작에 유리한 소자 기하학(상단 게이트) 때문에 이 전하 시트는 양수이며, 도핑이 없어도 2D 전자가스가 형성된다. 이러한 트랜지스터는 일반적으로 온 상태이며, 게이트가 음의 바이어스를 받을 때만 오프 상태가 된다. 따라서 이러한 종류의 HEMT는 디플리션 HEMT 또는 dHEMT로 알려져 있다. 장벽을 억셉터(예: Mg)로 충분히 도핑함으로써 내장된 전하를 보상하여 더 일반적인 eHEMT 작동을 복원할 수 있지만, 질화물의 고밀도 p 도핑은 도펀트의 채널 확산으로 인해 기술적으로 어렵다.
유도 HEMT.
변조 도핑 HEMT와 달리, 유도 하이 일렉트론 모빌리티 트랜지스터는 2DEG 평면에 전하 운반자가 도펀트에 의해 생성되는 것이 아니라 "유도"되기 때문에 상단 게이트로 다양한 전자 밀도를 조절할 수 있는 유연성을 제공한다. 도핑된 층이 없기 때문에 변조 도핑된 HEMT에 비해 전자 이동도가 크게 향상된다. 이러한 수준의 청결도는 양자 빌리아드 분야에서 양자 혼돈 연구나 초안정 및 초고감도 전자 장치 응용 분야에서 연구를 수행할 기회를 제공한다.
광기전력 효과(Photovoltaic effect)는 빛에 노출될 때 물질에서 전압과 전류가 발생하는 현상이다. 이는 물리적 현상이다.
광기전력 효과는 광전 효과와 밀접하게 관련되어 있다. 두 현상 모두에서 빛이 흡수되어 전자 또는 다른 전하 운반자를 더 높은 에너지 상태로 여기시킨다. 주요 차이점은 광전 효과라는 용어는 전자가 물질 밖으로 (보통 진공으로) 방출될 때 사용되고, 광기전력 효과는 여기된 전하 운반자가 여전히 물질 내에 포함되어 있을 때 사용된다는 점이다. 두 경우 모두 전하 분리에 의해 전위 (또는 전압)가 생성되며, 빛은 여기를 위한 전위 장벽을 극복하기에 충분한 에너지를 가져야 한다. 두 현상의 물리적 본질적 차이는 일반적으로 광전 방출은 탄도 전도에 의해 전하를 분리하고 광기전력 방출은 확산에 의해 전하를 분리하지만, 일부 "뜨거운 운반자" 광기전력 장치 개념은 이러한 구분을 모호하게 만든다.
1839년 에드몽 베크렐이 전기화학 전지를 사용하여 광기전력 효과를 처음 시연했다. 그는 프랑스 과학원 회보에서 자신의 발견을 "산성, 중성 또는 알칼리성 용액에 담긴 두 개의 백금 또는 금 판이 태양 복사에 고르지 않게 노출될 때 전류가 생성되는 현상"이라고 설명했다.
찰스 프리츠는 1884년에 얇은 금 필름으로 덮인 셀레늄 층으로 구성된 최초의 태양 전지를 실험했지만, 효율이 매우 낮았다. 그러나 가장 익숙한 형태의 광기전력 효과는 주로 광다이오드와 같은 고체 장치를 사용한다. 햇빛 또는 기타 충분히 에너지가 높은 빛이 광다이오드에 입사하면, 원자가띠에 있는 전자가 에너지를 흡수하여 여기되어 전도띠로 점프하여 자유 전자가 된다. 이 여기된 전자들은 확산되어 정류 접합(일반적으로 다이오드 PN 접합)에 도달하고, 그곳에서 내장된 전위(갈바니 전위)에 의해 n형 반도체 물질로 가속된다. 이는 기전력과 전류를 생성하여 빛 에너지의 일부가 전기 에너지로 변환된다. 광기전력 효과는 두 광자 광기전력 효과라고 불리는 과정에서 두 광자가 동시에 흡수될 때도 발생할 수 있다.
자유 전자의 직접적인 광기전력 여기 외에도 제베크 효과를 통해서도 전류가 발생할 수 있다. 전도성 또는 반도체 물질이 전자기 복사 흡수에 의해 가열되면, 이 가열은 반도체 물질 내에서 증가된 온도 기울기를 유발하거나 물질 간의 차이를 유발할 수 있다. 이러한 열적 차이는 차례로 전압을 생성할 수 있는데, 이는 전자 에너지 준위가 다른 영역에서 다르게 이동하여 해당 영역 사이에 전위차를 생성하고, 이것이 다시 전류를 생성하기 때문이다. 광기전력 효과와 제베크 효과의 상대적 기여도는 구성 물질의 여러 특성에 따라 달라진다.
위의 모든 효과는 직류를 생성하며, 교류 광기전력 효과(AC PV)의 첫 시연은 2017년 조지아 공과대학교의 저우하이야오 박사와 왕중린 교수에 의해 이루어졌다. AC PV 효과는 빛이 물질의 접합부 또는 계면에 주기적으로 비칠 때 비평형 상태에서 교류(AC)가 생성되는 현상이다. AC PV 효과는 전류가 초퍼의 주파수에 크게 의존하는 용량성 모델을 기반으로 한다. AC PV 효과는 비평형 조건에서 접합/계면에 인접한 반도체의 준 페르미 준위 간의 상대적 이동 및 재정렬의 결과로 제안된다. 전자들은 두 전극 사이의 전위차를 평형화하기 위해 외부 회로에서 앞뒤로 흐른다. 재료에 초기 전하 운반자 농도가 없는 유기 태양 전지는 AC PV 효과를 나타내지 않는다.
태양광 모듈의 성능은 환경 조건, 주로 모듈 평면에 입사하는 총 복사조도 G에 따라 달라진다. 그러나 p-n 접합의 온도 T 또한 주요 전기 매개변수, 즉 단락 전류 ISC, 개방 회로 전압 VOC 및 최대 전력 Pmax에 영향을 미친다. G와 T의 변화 조건에서 PV 전지의 거동에 대한 첫 번째 연구는 수십 년 전으로 거슬러 올라간다.1-4 일반적으로 VOC는 T와 상당한 반비례 관계를 보이며, ISC는 그 상관 관계가 직접적이지만 약하여, 이 증가가 VOC의 감소를 상쇄하지 못하는 것으로 알려져 있다. 결과적으로 T가 증가하면 Pmax는 감소한다. 태양 전지의 출력 전력과 접합 작동 온도 사이의 이러한 상관 관계는 반도체 물질에 따라 달라지며,2 이는 PV 전지 내부의 고유 운반자, 즉 전자와 양공의 농도, 수명 및 이동도에 대한 T의 영향 때문이다.
온도 민감도는 일반적으로 몇 가지 온도 계수로 설명되며, 각 계수는 해당 매개변수의 접합 온도에 대한 미분값을 나타낸다. 이러한 매개변수의 값은 모든 PV 모듈 데이터 시트에서 찾을 수 있으며, 다음과 같다.
– β: T에 대한 VOC의 변화 계수, ∂VOC/∂T로 주어진다.
– α: T에 대한 ISC의 변화 계수, ∂ISC/∂T로 주어진다.
– δ: T에 대한 Pmax의 변화 계수, ∂Pmax/∂T로 주어진다.
실험 데이터에서 이러한 계수를 추정하는 기술은 문헌에서 찾을 수 있다. 전지 또는 모듈 온도에 대한 직렬 저항의 변화를 분석하는 연구는 거의 없다. 이 의존성은 전류-전압 곡선을 적절히 처리하여 연구된다. 직렬 저항의 온도 계수는 단일 다이오드 모델 또는 이중 다이오드 모델을 사용하여 추정된다.
대부분의 태양광 발전 애플리케이션에서 방사선원은 햇빛이며, 이러한 장치를 태양 전지라고 부른다. 반도체 PN 접합 태양 전지의 경우, 물질을 조명하면 여기된 전자와 남아있는 양공이 공핍 영역의 내장 전기장에 의해 다른 방향으로 쓸려나가기 때문에 전류가 생성된다.
AC PV는 비평형 조건에서 작동한다. 첫 번째 연구는 p-Si/TiO2 나노필름을 기반으로 했다. p-n 접합을 기반으로 하는 기존 PV 효과에 의해 생성된 DC 출력 외에도, 깜박이는 빛이 계면에 비칠 때 AC 전류도 생성된다는 것이 밝혀졌다. AC PV 효과는 옴의 법칙을 따르지 않으며, 전류가 초퍼의 주파수에 강하게 의존하지만 전압은 주파수와 독립적인 용량성 모델을 기반으로 한다. 높은 스위칭 주파수에서 AC의 피크 전류는 DC보다 훨씬 높을 수 있다. 출력의 크기는 또한 물질의 광 흡수와 관련이 있다.
물리학 및 전기공학에서 차단 주파수, 컷오프 주파수(cutoff frequency), 코너 주파수(corner frequency) 또는 브레이크 주파수(break frequency)는 시스템의 주파수 응답에서 시스템을 통해 흐르는 에너지가 통과하지 않고 줄어들기 (감쇠되거나 반사) 시작하는 경계이다.
일반적으로 필터 및 통신 채널과 같은 전자 시스템에서 차단 주파수는 저역통과, 고역통과, 대역통과 또는 대역저지 특성의 가장자리에 적용된다. 즉, 통과대역과 저지대역 사이의 경계를 특징짓는 주파수이다. 때때로 하프 파워 포인트 (회로의 출력이 공칭 통과대역 값의 약 -3.01 dB인 주파수)에 의해 정의된 바와 같이, 천이 대역과 통과대역이 만나는 지점으로 간주되기도 한다. 또는 저지대역 코너 주파수는 천이 대역과 저지대역이 만나는 지점으로 지정될 수 있다. 예를 들어 감쇠가 필요한 저지대역 감쇠보다 큰 주파수 (예: 30dB 또는 100dB)이다.
도파관 또는 안테나의 경우 차단 주파수는 하위 및 상위 차단 파장에 해당한다.
일렉트로닉스.
일렉트로닉스에서 차단 주파수 또는 코너 주파수는 전화선, 증폭기 또는 전자 필터와 같은 전자 회로의 전력 출력이 통과대역의 전력에 대해 주어진 비율로 떨어지는 주파수이다. 이 비율은 통과대역 전력의 절반인 경우가 가장 많으며, 3dB 하락은 대략 절반 전력에 해당하므로 3dB 지점이라고도 한다. 전압 비율로는 통과대역 전압의 formula_1로 감소하는 것이다. 3dB 지점 외의 다른 비율도 관련이 있을 수 있다. 예를 들어 아래의 를 참조하라. 천이 대역의 차단 주파수에서 멀리 떨어진 곳에서 주파수 로그에 대한 감쇠 증가율 (롤오프)은 상수에 점근적이다. 1차 네트워크의 경우 롤오프는 데카드당 -20dB (약 옥타브당 -6dB)이다.
단일 폴 전달 함수 예.
가장 간단한 로우패스 필터의 전달 함수는
극점이 하나이다. 평면에서 이 함수의 크기는
차단 지점에서
따라서 차단 주파수는 다음과 같다.
여기서 는 s-평면 변수이고, 는 각진동수이며, 는 허수 단위이다.
체비쇼프 필터.
때때로 3dB 지점보다 다른 비율이 더 편리하다. 예를 들어 체비쇼프 필터의 경우, 차단 주파수를 주파수 응답에서 마지막 피크 이후 레벨이 통과대역 리플의 설계 값으로 떨어진 지점으로 정의하는 것이 일반적이다. 이 종류의 필터에서 리플의 양은 설계자가 원하는 값으로 설정할 수 있으므로 사용되는 비율은 어떤 값이든 될 수 있다.
무선 통신에서 공중파 통신은 전파를 하늘로 특정 각도로 전송하고 전리층의 하전 입자 층에 의해 지구로 반사시키는 기술이다. 이 맥락에서 차단 주파수라는 용어는 최대 사용 가능 주파수를 나타낸다. 이 주파수보다 높은 주파수에서는 전파가 두 지정된 지점 간의 송신에 필요한 입사각으로 전리층에서 반사되지 않는다.
전자기 도파관의 차단 주파수는 모드가 전파되는 가장 낮은 주파수이다. 광섬유에서는 광섬유 또는 도파관에서 전파될 최대 파장인 차단 파장을 고려하는 것이 더 일반적이다. 차단 주파수는 전자기파에 대한 헬름홀츠 방정식의 특성 방정식으로 구해지며, 이는 종방향 파수를 0으로 설정하고 주파수에 대해 풀어서 전자기파 방정식에서 파생된다. 따라서 차단 주파수보다 낮은 여기 주파수는 전파되지 않고 감쇠된다. 다음 유도는 손실 없는 벽을 가정한다. c 값 ( 빛의 속력 )은 도파관을 채우는 재료 내에서 빛의 군속도로 간주되어야 한다.
직사각형 도파관의 경우 차단 주파수는 다음과 같다.
여기서 formula_7은 각각 길이 formula_8와 formula_9의 직사각형 변에 대한 모드 번호이다. TE 모드의 경우 formula_10 (단, formula_11은 허용되지 않음), TM 모드의 경우 formula_12이다.
원형 단면 도파관에서 TM01 모드 (지배 모드 TE11 다음으로 높은 모드)의 차단 주파수 (각도 의존성이 없고 가장 낮은 반경 의존성을 갖는 횡자기 모드)는 다음과 같다.
여기서 formula_14은 도파관의 반경이고, formula_15은 1차 베셀 함수 formula_16의 첫 번째 근이다.
지배 모드 TE11 차단 주파수는 다음과 같다.
그러나 지배 모드 차단 주파수는 원형 단면 도파관 내부에 배플을 도입하여 줄일 수 있다. 단일 모드 광섬유의 경우 차단 파장은 정규화된 주파수가 약 2.405와 같아지는 파장이다.
시작점은 ( 맥스웰 방정식에서 파생된) 파동 방정식이다.
이것은 다음과 같은 형식의 함수만 고려함으로써 헬름홀츠 방정식이 된다.
시간 미분을 대입하고 평가하면 다음과 같다.
여기서 함수 formula_21는 종방향에 벡터 성분이 없는 필드 (전기장 또는 자기장)를 나타낸다. 즉, "횡방향" 필드이다. 전자기 도파관의 모든 고유 모드의 특성은 두 필드 중 하나 이상이 횡방향이라는 것이다. z축은 도파관의 축을 따라 정의된다.
라플라시안에서 "종방향" 미분은 다음과 같은 형식의 함수만 고려함으로써 더욱 줄어들 수 있다.
여기서 formula_23는 종방향 파수이며, 결과는 다음과 같다.
여기서 아래첨자 T는 2차원 횡방향 라플라시안을 나타낸다. 마지막 단계는 도파관의 기하학에 따라 달라진다. 가장 쉬운 기하학적 해결 방법은 직사각형 도파관이다. 이 경우 라플라시안의 나머지 부분은 다음과 같은 형식의 해를 고려하여 특성 방정식으로 평가될 수 있다.
따라서 직사각형 도파관의 라플라시안이 평가되고, 다음을 얻는다.
횡방향 파수는 치수가 와 인 직사각형 단면에 대한 정상파 경계 조건에서 지정될 수 있다.
여기서 과 은 특정 고유 모드를 나타내는 두 정수이다. 마지막 대입을 수행하면 다음을 얻는다.
이는 직사각형 도파관의 분산 관계이다. 차단 주파수 formula_30는 전파와 감쇠 사이의 임계 주파수이며, 종방향 파수 formula_31가 0이 되는 주파수에 해당한다. 이는 다음과 같이 주어진다.
파동 방정식은 차단 주파수 아래에서도 유효하며, 이때 종방향 파수는 허수이다. 이 경우 필드는 도파관 축을 따라 지수적으로 감쇠하며, 파동은 소산파이다.
장비(裝備, equipment)는 특정 목표를 달성하기 위해 일반적으로 사용되는 도구 또는 기타 물건의 집합을 가장 일반적으로 지칭한다. 다른 직업에는 다른 종류의 장비가 필요하다.
장비의 종류.
장비의 종류는 다음과 같다.
로스트 왁스 주조(Lost-wax casting, 인베스트먼트 주조, 정밀 주조, 또는 시르 페르뒤 (, 프랑스어에서 차용)라고도 불림)는 원본 조각에서 복제 조각 (종종 은, 금, 황동, 청동과 같은 금속)을 주조하는 과정이다. 이 방법으로 복잡한 작품을 만들 수 있다.
이 기술의 가장 오래된 알려진 예는 약 6,500년 전(기원전 4550-4450년)으로 추정되며, 불가리아의 바르나 네크로폴리스에서 발견된 금 유물로 거슬러 올라간다. 현재 파키스탄의 인더스 계곡 문명, 메르가르에서 발견된 구리 주구는 기원전 4,000년경으로 추정된다. 이스라엘 남부 나할 미슈마르 보물에서 발견된 동기 시대 (기원전 4500-3500년)에 속하는 구리 주조 물체들은 탄소-14 연대 측정법으로 기원전 3500년경으로 추정된다. 그보다 후대의 다른 예로는 기원전 3천년기 메소포타미아의 유물들이 있다. 로스트 왁스 주조는 18세기까지 유럽에서 널리 사용되었으나, 그 후에는 조각 틀 공정이 지배적이 되었다.
작은 청동 조각을 주조하는 데 사용되는 단계는 상당히 표준화되어 있지만, 오늘날 이 과정은 주조 공장마다 (현대 산업에서는 이 과정을 인베스트먼트 주조라고 부른다) 다르다. 이 과정의 변형으로는 왁스 이외의 재료 (예: 탤로, 나뭇진, 타르, 직물)를 사용할 수 있음을 인정하는 "로스트 몰드"가 있으며, 주조된 물체를 제거하기 위해 몰드를 파괴하기 때문에 "폐기 왁스 공정" (또는 "폐기 몰드 주조")이 있다.
주조는 왁스 모델 자체로 직접 만들거나, 왁스가 아니어도 되는 모델의 왁스 복제본으로 간접적으로 만들 수 있다. 다음은 간접 공정의 단계이다 (직접 공정은 7단계에서 시작한다):
실리카 기반 주조 몰드 이전에는 이러한 몰드가 다양한 다른 내화 재료로 만들어졌으며, 가장 흔한 것은 플라스터 기반에 그라우트를 추가한 것과 점토 기반이었다. 고무 몰드 이전에는 젤라틴이 사용되었다.
주얼리 및 작은 부품.
작은 부품과 주얼리에 사용되는 방법은 조각에 사용되는 방법과 다소 다르다. 왁스 모델은 고무 몰드에 주입하거나 조각하여 맞춤 제작한다. 왁스 또는 왁스들은 스프루 처리되고 "스프루 베이스"라고 불리는 고무 베이스에 융합된다. 그런 다음 대략 3.5에서 15센티미터 높이와 너비의 짧은 강철 파이프 모양의 금속 플라스크를 스프루 베이스와 왁스 위에 놓는다. 대부분의 스프루 베이스는 표준 크기의 플라스크를 잡고 제자리에 고정하는 원형 림을 가지고 있다. 인베스트먼트(내화 플라스터)를 혼합하여 플라스크에 붓고 채운다. 그것은 굳은 다음 위에서 설명한 대로 소각된다. 주조는 일반적으로 가마에서 직접 원심 주조 또는 진공 주조 방식으로 이루어진다.
로스트 왁스 공정은 타거나, 녹거나, 증발하여 주형 공동을 남길 수 있는 모든 재료와 함께 사용할 수 있다. 일부 자동차 제조업체는 실린더 블록을 만들기 위해 로스트 폼 기술을 사용한다. 모델은 폴리스타이렌 폼으로 만들어지며, 상하형으로 구성된 주조 플라스크에 놓인 다음 주조용 모래로 채워진다. 폼은 모래를 지지하여, 이 공정이 오직 모래에만 의존해야 했다면 불가능했을 형태를 만들 수 있게 한다. 금속을 부어 넣으면, 그 열로 폼이 기화된다.
치과에서는 금 크라운, 인레이 및 온레이를 로스트 왁스 기법으로 제작한다. 로스트 왁스 기법을 사용하여 주조 인레이를 제작한 것은 태가트(Taggart)가 처음 보고했다. 일반적인 금 합금은 약 60%의 금과 28%의 은이며 나머지는 구리와 다른 금속으로 구성된다. 이러한 유형의 수복물을 성공적으로 만들려면 치아 준비, 인상 채득 및 실험실 기술에 세심한 주의가 필요하다. 치과 기공소도 이러한 방식으로 다른 품목을 만든다.
이 공정에서는 왁스와 직물 모두 주조 과정에서 금속으로 대체되는데, 직물 보강재를 사용하면 모델을 더 얇게 만들 수 있으므로 몰드에 사용되는 금속의 양이 줄어든다. 이 공정의 증거는 물체 뒷면의 직물 부조에서 볼 수 있으며 때로는 "로스트 왁스, 로스트 직물"이라고 불린다. 이러한 직물 부조는 시베리아 남부의 분구묘에서 발견된 고대 기마 민족의 금 장식품, 예를 들어 에르미타시 박물관, 상트페테르부르크에 소장된 독특한 투조 금 기념 명판 그룹에서 볼 수 있다. 이 기술은 몇 안 되는 한족의 예와 시구(Xigou)의 묘지에서 발견된 청동 버클과 금 명판에서 알 수 있듯이 극동 지역에서 기원했을 수 있다. 이러한 기술은 캐슬타운 (스코틀랜드)의 많은 직물 각인 예에서 알 수 있듯이 일부 바이킹 시대 알모양곡선 브로치를 만드는 데도 사용되었을 수 있다.
유리 조각.
로스트 왁스 주조 공정은 주조 유리 조각 제작에도 사용될 수 있다. 원본 조각은 왁스로 만들어진다. 그런 다음 조각은 몰드 바닥을 제외하고는 몰드 재료(예: 플라스터)로 덮여야 하며, 몰드 바닥은 열려 있어야 한다. 몰드가 굳으면, 몰드 바닥에 열을 가하여 싸여 있는 조각을 제거한다. 이것은 왁스를 녹여서('잃어버려') 원본 조각을 파괴한다. 그런 다음 몰드는 작은 유리 조각을 담는 깔때기 모양의 컵과 함께 거꾸로 가마에 넣어진다. 가마가 온도로 올라가면(1450-1530°F), 유리 조각들이 녹아 몰드 안으로 흘러 들어간다. 어닐링 시간은 보통 3-5일이며, 총 가마 시간은 5일 이상이다. 몰드를 가마에서 꺼낸 후, 몰드 재료를 제거하여 내부 조각을 드러낸다.
불가리아의 바르나 네크로폴리스에서 발굴된 무덤에서 발견된 주조된 금 발가락뼈, 구슬, 팔찌는 약 6500년 BP로 거슬러 올라간다. 이들은 가장 오래된 금으로 만들어진 유물 중 일부이자, 로스트 왁스 주조법을 사용하여 만들어진 가장 오래된 유물로 여겨진다.
로스트 왁스 기법의 가장 오래된 알려진 예 중 일부는 에레츠 이스라엘 남부의 나할 미슈마르 보물에서 발견된 유물들로, 동기 시대 (기원전 4500-3500년)에 속한다. 보수적인 탄소-14 추정치는 이 유물들이 약 기원전 3700년경으로 거슬러 올라가, 5700년 이상 오래된 것으로 만든다.
메소포타미아에서는 기원전 –2750년부터 로스트 왁스 기법이 소규모로 사용되었고, 나중에는 대규모 구리 및 청동 조각상에 사용되었다. 현존하는 가장 초기 로스트 왁스 주조물 중 하나는 우루크 IV에서 발견된 작은 사자 펜던트이다. 수메르 금속공들은 약 기원전 –3200년부터 로스트 왁스 주조를 실천했다. 메소포타미아/아나톨리아 북동부의 후대 예로는 고르디온의 대분구묘 (기원전 8세기 후반)와 다른 유형의 우라르투 솥 부착물 등이 있다.
로스트 왁스 기법을 구리 주조에 적용한 가장 오래된 알려진 예는 파키스탄 메르가르에서 발견된 6,000년 된(기원전 ) 구리, 바퀴 모양의 주구에서 나온다.
인더스 계곡 문명의 금속 주조는 구리 합금 주조에 적용된 로스트 왁스 주조의 가장 초기 알려진 사례 중 일부를 생산했다. 모헨조다로에서 발견된 청동 입상으로 "춤추는 소녀상"이라는 이름이 붙여진 것은 기원전 2300-1750년으로 추정된다. 다른 예로는 모헨조다로와 하라파에서 발견된 버팔로, 황소, 개, 구자라트의 아마다바드 지역 로탈의 하라판 유적지에서 발견된 두 개의 구리 조각, 그리고 바퀴가 없는 덮개 있는 수레와 차후다로에서 발견된 운전자가 있는 완전한 수레가 있다.
하라파 문명 이후 시대에는 로스트 왁스 공정으로 만든 구리 및 청동 도구 더미가 타밀나두주, 우타르프라데시주, 비하르주, 마디아프라데시주, 오디샤주, 안드라프라데시주 및 서벵골주에서 알려져 있다. 시르카프 유적지에서 발견된 금과 구리 장신구는 분명히 헬레니즘 문명 양식으로, 시레 페르뒤(cire perdue) 기법으로 만들어졌다. 이 인도-그리스 예술의 한 예는 기원전 로 거슬러 올라가며, 탁실라에서 발굴된 하포크라테스의 소년상이다. 청동 이콘은 3세기와 4세기에 제작되었는데, 아마라바티의 붓다상과 안드라프라데시주 군투르 지역의 라마와 카르티케야상이 그 예이다. 사리바홀, 간다라에서 발견된 두 점의 파르슈바나트라 청동상과 작은 속이 빈 황소상, 그리고 비하르주의 차우사에서 발견된 서 있는 티르탕카라()도 여기에 언급되어야 한다. 다른 주목할 만한 청동 인물상과 조각상은 루파르, 마투라 (우타르프라데시주)와 브라마푸라, 마하라슈트라주에서 발견되었다.
굽타 및 굽타 후기 청동 인물상은 다음 유적지에서 회수되었다: 사르나트, 미르푸르-카스 (파키스탄), 시르푸르 유적군 (라이푸르 지구), 발라이가트 (현재 방글라데시의 마하스탄 근처), 아코타 (구자라트주 바도다라 근처), 바산타가드, 차타르히, 바르메르 및 참비 (라자스탄주). 청동 주조 기술과 전통 이콘의 청동상 제작은 중세 시대에 남아시아에서 높은 발전 단계에 도달했다. 8세기와 9세기 팔라바 시대에 청동상이 모델링되고 주조되었지만, 가장 아름답고 정교한 조각상 중 일부는 10세기부터 12세기까지 타밀나두의 촐라 시대에 제작되었다. 청동상 제작 기술과 예술은 특히 쿰바코남에서 여전히 능숙하게 실행되고 있다. 10세기의 저명한 후원자는 미망인 촐라 여왕 셈비얀 마하 데비였다. 촐라 청동상은 전 세계의 예술 애호가들이 가장 탐내는 수집품이다. 이 기술은 인도 전역뿐만 아니라 이웃 국가인 네팔, 티베트, 스리랑카, 미얀마 및 시암에서도 사용되었다.
반 나 디 주민들은 기원전 년부터 서기 200년까지 로스트 왁스 기법을 사용하여 팔찌를 주조했다. 로스트 왁스 공법으로 제작된 팔찌는 태국 북동부의 특징이다. 반 나 디에서 발견된 일부 팔찌는 중앙 점토 핵과 금속 사이에 어두운 회색 물질을 보여주었는데, 분석 결과 정제되지 않은 형태의 곤충 왁스로 확인되었다. 논 녹 타와 반 치앙에서는 팔찌와 반지와 같은 장식품이 시레 페르뒤(cire perdue) 방식으로 만들어졌을 가능성이 높다. 태국 북동부와 베트남 사이에는 로스트 왁스 기법과 관련하여 기술 및 재료적 유사성이 있다. 베트남에서 로스트 몰드 공법으로 제작된 유물을 전시하는 유적지, 예를 들어 동선 드럼은 동선 문화 및 풍 응우옌 문화에서 온다. 예를 들어 고문(풍 응우옌 근처, 박보 지역)에서 발견된 낫과 앉아있는 인물상은 고문기(일반 B 시대 말기, 기원전 7세기까지)로 거슬러 올라간다.
주조 청동은 아프리카에서 서기 9세기 이그보족 (이그보 우크우 고고학)에서, 서기 12세기 요루바랜드 (이페)에서, 서기 15세기 베냉 왕국에서 제작된 것으로 알려져 있다. 일부 초상 머리가 남아 있다.
베냉은 16세기에 청동을 숙달했으며, 로스트 왁스 공정을 사용하여 금속으로 초상화와 부조를 제작했다.
이집트인들은 기원전 3천년 중반부터 시레 페르뒤(cire perdue)를 행했는데, 이는 이집트 초기 왕조 시대의 팔찌와 금 주얼리에서 볼 수 있다. 이집트 제4왕조(이집트 고왕국)의 주전자(구리 물통)에 삽입된 주둥이는 로스트 왁스 방식으로 제작되었다. 이집트 중왕국 시대에는 파이윰 유적지에서 발견된 루브르 박물관 소장 소상과 같은 속이 빈 주조물이 나타났고, 이어서 제2중간기/초기 이집트 신왕국 시대에는 (브루클린 소장 모유 수유하는 어머니상과 같은) 고형 주조 소상이 나타났다. 신왕국 시대의 속이 빈 조각상 주조는 투트모세 4세의 무릎 꿇은 조각상 (대영박물관, 런던)과 람세스 5세의 머리 조각 (피츠윌리엄 박물관, 캠브리지)으로 대표된다. 속이 빈 주조물은 더욱 상세해지고 이집트 제18왕조까지 이어지는데, 이는 투탕카멘의 검은 청동 무릎 꿇은 조각상 (펜실베이니아 대학교 고고학 및 인류학 박물관)에서 볼 수 있다. 시레 페르뒤(cire perdue)는 이집트 말기왕조부터 그리스-로마 시대까지 대량생산에 사용되었는데, 이때 신의 형상은 개인적인 숭배와 봉헌물을 위해 주조되었다. 청동 거울의 벌거벗은 여성 형태 손잡이도 로스트 왁스 공정으로 주조되었다.
로스트 왁스 기법은 청동기 시대에 지중해에 알려지게 되었다. 이는 고대 지중해 세계, 특히 그리스 고전기의 대규모 청동 조각상 및 로마 제국에서 활용된 주요 금속 가공 기술이었다.
사르데냐 후기 청동기 시대에는 오리엔트, 시리아-팔레스타인 및 키프로스 입상의 직접 모방 및 현지 파생물이 발견되었으며, 기원전 11세기부터 10세기까지 입상 현지 생산이 이루어졌다. 파울라로 (이탈리아 동부 알프스) 네크로폴리스의 화장 묘지 (주로 기원전 8-7세기, 그러나 4세기 초까지 계속됨)에는 로스트 왁스 공정으로 제작된 피불라, 펜던트 및 기타 구리 기반 물품이 포함되어 있었다. 에트루리아인의 예로는 기원전 6-5세기로 거슬러 올라가는 아드리아 (로비고, 이탈리아) 국립 고고학 박물관의 카를로 보키 소장품의 청동 인간형 손잡이가 시레 페르뒤(cire perdue)로 제작되었다. 보키 소장품의 대부분 손잡이와 아드리아에서 발견된 일부 청동 용기는 로스트 왁스 기법으로 제작되었다. 고전 세계에서 로스트 왁스로 제작된 더 잘 알려진 품목으로는 기원전 년경의 기도하는 소년 (베를린 박물관), 불치 (에트루리아)의 헤라 조각상이 있는데, 대부분의 조각상처럼 여러 부분으로 주조되어 나중에 연결되었다. 산 마르코의 네 마리 구리 말 (베네치아, 아마도 2세기)과 같은 기하학적 청동상은 여러 부분으로 주조된 조각상의 또 다른 주요 예이다.
고대 그리스에서 로스트 왁스 주조 공법을 사용하여 제작된 작품의 예는 후기 시대에 재료 재사용을 위해 작품을 녹이는 관행이 흔했기 때문에 대부분 남아 있지 않다. 이 제품들에 대한 많은 증거는 난파선에서 나온다. 수중고고학이 가능해지면서 바다에 잃어버린 유물에 더 쉽게 접근할 수 있게 되었다. 아르테미시온 청동상 제우스 또는 포세이돈 (아르테미시온 곶 근처에서 발견), 그리고 파노 근처에서 발견된 승리하는 청년과 같은 조각상들은 수중에서 발견된 그리스 로스트 왁스 청동 조각상의 두 가지 예이다.
키프로스의 일부 후기 청동기 시대 유적지에서는 사람과 동물의 청동 주조 인형이 출토되었다. 그 한 예가 엔코미 (고고학 유적지)에서 발견된 남성 인형이다. 뉴욕 메트로폴리탄 미술관에 소장된 키프로스 유물 세 점은 기원전 13세기와 12세기에 로스트 왁스 기법으로 주조되었는데, 이는 암포라 테두리, 막대 삼각대, 주조 삼각대이다.
로스트 왁스 주조 조각들의 조립을 보여주는 다른 초기 예로는 대영박물관 소장 채츠워스 아폴로상의 청동 머리와 사탈라 (튀르키예)의 아프로디테 청동 머리가 있다.
동아시아에서는 로스트 왁스 방식의 사용에 큰 가변성이 있다. 동주 초기(기원전 770-256년)까지 청동을 만드는 주조 방식은 거의 예외 없이 부분 몰드 공정이었다. 기원전 600년경부터 중국 중원에서는 로스트 왁스 주조가 뚜렷하게 증가했으며, 이는 초 (춘추 전국) 문화권에서 처음 목격되었다.
추가 조사를 통해 이것이 사실이 아님이 밝혀졌는데, 중국에서 청동 그릇을 제조하는 데 주로 사용된 기술은 조각 주조 방식임이 분명하다. 로스트 왁스 기술은 기원전 6세기까지 북중국에 나타나지 않았다. 로스트 왁스 주조는 일본어로 로가타(rōgata)로 알려져 있으며, 기원전 년 야요이 시대로 거슬러 올라간다. 시레 페르뒤(cire perdue)로 만들어진 가장 유명한 작품은 나라의 도다이지 수도원 사원의 청동 붓다상이다. 이 상은 743년에서 749년 사이에 여러 부분으로 만들어졌으며, 약 7톤의 왁스가 사용되었다고 한다.
두나버니 플레시 훅 (기원전 1050–910년)과 리틀 텟포드 플레시 훅 (기원전 1000–701년)은 로스트 왁스 공정으로 만들어진 것으로 밝혀졌다. 특히 리틀 텟포드 플레시 훅은 뚜렷하게 독창적인 제작 방법을 사용했다. 정교한 글로스터 촛대 (서기 1104-1113년)는 하나의 왁스 모델로 만들어진 다음, 복잡한 게이트 및 환기 시스템을 갖추고 몰드에 투자되었다.
로스트 왁스 주조 전통은 니카라과, 코스타리카, 파나마, 콜롬비아, 베네수엘라 북서부, 안데스 아메리카, 남아메리카 서부 지역 주민들에 의해 개발되었다. 로스트 왁스 주조는 이 지역의 전형적인 금 철사와 섬세한 철사 장식, 예를 들어 미세한 귀 장식품을 생산했다. 이 공정은 콜롬비아의 무이스카 및 시누 문화 지역에서 콜럼버스 이전 시대에 사용되었다. 완성된 것 하나와 부분적으로 파손된 것 하나, 두 개의 로스트 왁스 주형이 몬테네그로 (킨디오주)의 푸에블로 타파도 베레다에 있는 수직갱식 무덤에서 발견되었는데, 대략 콜럼버스 이전 시대로 추정된다. 로스트 왁스 방식은 10세기까지 멕시코에 나타나지 않았으며, 그 후 서부 멕시코에서 다양한 형태의 종을 만드는 데 사용되었다.
문헌적 역사.
간접 증거.
일부 초기 문학 작품은 로스트 왁스 주조를 언급한다. 기원후 1세기 고대 로마 작가 콜루멜라는 De Re Rustica에서 벌통의 왁스 가공을 언급하는데, 아마도 주조를 위한 것일 것이다. 가이우스 플리니우스 세쿤두스도 마찬가지인데, 그는 카르타고 왁스를 만드는 정교한 절차를 자세히 설명한다. 한 그리스인 비문은 아테네의 에레크테이온 (기원전 408/7–407/6년) 작업에 대한 장인의 보수를 언급한다. 점토 모형 제작자는 주조용 테라코타 음각을 만들거나 왁스 양각을 만들기 위해 점토 주형을 사용할 수 있다. 플리니우스는 를 청동 조각상을 만드는 평판 좋은 고대 예술가로 묘사하며, 시키온의 리시스트라토스가 살아있는 얼굴에서 플라스터 주형을 떠서 간접적인 방식으로 왁스 주형을 만드는 것을 설명한다.
고대에는 많은 청동상 또는 조각상의 일부가 로스트 왁스 공정으로 주조되었다. 사모스의 테오도로스는 흔히 청동 주조와 관련이 있다. 플리니우스는 또한 납의 사용을 언급하는데, 납은 녹은 청동이 복잡한 주형의 모든 영역과 부분으로 흘러 들어가는 데 도움을 주는 것으로 알려져 있다. 퀸틸리아누스는 주형이 로스트 왁스 공정으로 제작되었을 수 있는 조각상 주조를 문서화했다. 기원전 5세기 초의 베를린 파운드리 컵의 장면들은 아마도 로스트 왁스 주조의 간접적인 방법으로 청동 조각상 작업을 묘사한다.
직접 증거.
로스트 왁스 방식은 고대 인도 문헌에 잘 기록되어 있다. 굽타 제국 시대(서기 –550년)의 문헌인 실파 샤스트라는 금속으로 상을 주조하는 방법에 대한 상세한 정보를 담고 있다. 5세기 비슈누 푸라나의 부록인 비슈누 삼히타는 제14장에서 금속 물건을 만들기 위한 왁스 모델링을 직접적으로 언급한다: "만약 금속으로 상을 만들어야 한다면, 먼저 왁스로 만들어야 한다." 고대 산스크리트어 문헌인 마나사라 실파의 68장은 왁스로 우상을 주조하는 것을 상세히 설명하며, 제목은 마두치치스타 비다남(Maduchchhista Vidhānam) 또는 "로스트 왁스 방식"이다. 서찰루키아 왕조의 소메슈바라 3세 왕이 저술했다고 알려진 12세기 문헌 마나솔라사도 로스트 왁스 및 기타 주조 공정에 대한 세부 사항을 제공한다.
16세기 논문인 스리쿠마르(Srïkumāra)가 쓴 실파라트나(Śilparatna)의 우타라바가(Uttarabhaga)에는 2장("링가 락샤남") 32절부터 52절까지 속이 빈 주물을 만드는 방법에 대한 상세한 지침이 나와 있다.
테오필루스.
초기 중세 작가 테오필루스 프레스비터는 베네딕토회 수도사이자 금속공예가인 로저 오브 헬마르샤우젠으로 여겨지는데, 그는 12세기 초에서 중반에 논문을 썼다. 이 논문에는 독창적인 작업과 마파이 클라비쿨라 및 에라클리우스의 De dolorous et artibus Romanorum과 같은 다른 자료에서 복사한 정보가 포함되어 있다. 여기에는 로스트 왁스 주조를 포함한 다양한 물품 제작을 위한 단계별 절차가 나와 있다: "구리 풍관과 그 도체" (84장); "주석 십자가" (88장), 그리고 "종 주조" (85장)는 왁스 대신 "탤로"를 사용하도록 요구하며, "주조 향로"가 있다. 86장과 87장에서 테오필루스는 정확하게 조율된 작은 악기용 종을 만들기 위해 몰딩 및 주조 전에 왁스를 다른 비율로 나누는 방법을 자세히 설명한다. 16세기 피렌체의 조각가 벤베누토 첼리니는 자신의 청동 메두사의 머리를 든 페르세우스를 주조할 때 테오필루스의 글을 사용했을 수 있다.
스페인 작가 릴레이(Releigh, 1596)는 짧은 기록에서 아스텍 주조를 언급한다.
랙 앤드 피니언(Rack and pinion)은 원형 톱니바퀴(피니언)가 선형 톱니바퀴(랙)와 맞물리는 리니어 액추에이터의 일종이다. 이들은 회전 운동과 선형 운동을 상호 변환한다. 피니언을 회전시키면 랙이 선형으로 움직이게 된다. 반대로, 랙을 선형으로 움직이면 피니언이 회전한다.
랙 앤드 피니언 메커니즘은 랙식 철도에 사용된다. 이 철도에서는 기관차나 궤도차에 장착된 피니언이 일반적으로 레일 사이에 놓인 랙과 맞물려 열차가 가파른 경사를 오르는 것을 돕는다. 또한 아버 프레스와 드릴 프레스에도 사용되는데, 여기서는 피니언이 지레와 연결되어 수직 랙(램)을 움직인다. 파이프라인 및 기타 산업용 배관 시스템에서는 리니어 액추에이터에 의해 변위된 랙이 피니언을 회전시켜 밸브를 열거나 닫는다. 계단 리프트, 운하 문, 전동 게이트 및 자동차의 기계식 스티어링 메커니즘은 다른 주목할 만한 응용 분야이다.
"랙 앤드 피니언"이라는 용어는 랙이 직선이 아니라 호형(구부러진 형태), 즉 큰 톱니바퀴의 일부일 때도 사용될 수 있다.
하나의 피니언이 평행하지만 반대 방향으로 두 개의 랙을 동시에 구동할 수 있다. 이 두 랙은 항상 동일한 거리만큼, 단지 반대 방향으로만 변위된다. 반대로, 두 랙에 반대 방향의 힘을 가함으로써 어떠한 힘 성분 없이 피니언에 순수한 토크를 얻을 수 있다. 이 이중 랙 앤드 피니언 메커니즘은 예를 들어 한 쌍의 공압 액추에이터와 함께 사용하여 최소한의 응력으로 밸브를 작동시킬 수 있다.
랙 앤드 피니언 메커니즘의 발명 시기와 장소는 알려져 있지 않지만, 톱니바퀴의 발명 직후였을 것으로 추정된다. 중국의 지남차와 안티키티라 기계는 기원전 몇 세기 전부터 이러한 장치들이 잘 알려져 있었다는 증거이다.
1598년에 화기 설계자 자오시전(趙士禎)은 오스만 튀르크 화승총 디자인에서 파생된 랙 앤드 피니언 화승총 메커니즘을 특징으로 하는 현원총(軒轅銃)을 개발했다. 『무비지』(1621)는 나중에 랙 앤드 피니언 메커니즘을 사용한 오스만 튀르크 머스켓을 묘사했다.
가변 랙(여전히 일반 피니언 사용)의 사용은 아서 어니스트 비숍이 1970년대에 발명하여 특히 고속에서 차량 반응과 스티어링 "감각"을 개선했다. 그는 또한 톱니바퀴를 가공할 필요가 없도록 저비용 프레스 단조 공정을 만들어 랙을 제조했다.
웜 기어와의 비교.
랙 앤드 피니언은 랙이 기어를 대체한다는 점에서 웜 드라이브와 거의 동일한 목적을 가지며, 둘 다 토크를 선형 힘으로 변환한다. 그러나 랙 앤드 피니언은 일반적으로 더 높은 선형 속도를 제공한다. 피니언이 한 바퀴 완전히 돌면 랙이 피니언의 피치원 둘레만큼 변위되는 반면, 웜 스크류가 한 바퀴 완전히 회전하면 랙이 한 톱니 너비만큼만 변위되기 때문이다. 같은 이유로, 랙 앤드 피니언 메커니즘은 동일한 입력 토크에 대해 웜 기어보다 작은 선형 힘을 발생시킨다. 또한 랙 앤드 피니언 쌍은 선형 힘을 토크로 변환하는 반대 방식으로도 사용될 수 있지만, 웜 드라이브는 한 방향으로만 사용될 수 있다.
랙 앤드 피니언 쌍의 톱니는 직선(회전축에 평행, 스퍼 기어와 같이)이거나 헬리컬일 수 있다. 피니언에서는 작동 톱니면의 프로파일이 대부분의 톱니바퀴와 마찬가지로 일반적으로 신개선의 호이다. 반면 랙에서는 일치하는 작동면이 평평하다. 이를 무한 반경의 톱니바퀴에 대한 신개선 톱니면으로 해석할 수 있다. 두 부분 모두에서 톱니는 일반적으로 톱니바퀴 절삭기(호브)로 형성된다.
유성 기어 트레인(epicyclic gear train) 또는 유성 기어 세트(planetary gearset)는 하나의 기어(유성 기어)의 중심이 다른 기어(선 기어)의 중심을 중심으로 회전하도록 장착된 두 개의 기어로 구성된 감속 장치 어셈블리이다. 캐리어는 두 기어의 중심을 연결하고 회전하여 유성 기어를 선 기어 주위로 운반한다. 유성 기어와 선 기어는 맞물려 피치 원이 미끄러짐 없이 굴러간다. 선 기어가 고정되어 있으면 유성 기어의 피치 원 상의 한 점이 에피사이클로이드 곡선을 그린다.
유성 기어 트레인은 유성 기어가 외부 기어 링 또는 링 기어(때때로 애뉼러스(annulus) 기어라고 불림)의 피치 원 내부에 굴러가도록 조립될 수 있다. 유성 기어가 선 기어와 링 기어 모두에 맞물리는 이러한 조립을 유성 기어 트레인이라고 한다. 유성 캐리어, 링 기어 또는 선 기어 중 한 구성 요소를 고정하도록 선택함으로써 세 가지 다른 기어비를 실현할 수 있다.
유성 기어링 또는 유성 기어는 중앙 선 기어 또는 선 휠 주위를 회전하는 하나 이상의 외부 기어 또는 피니언으로 구성된 기어 시스템이다. 일반적으로 유성 기어는 이동 가능한 암 또는 캐리어에 장착되며, 캐리어 자체는 선 기어에 대해 회전할 수 있다. 유성 기어링 시스템에는 유성 기어와 맞물리는 외부 링 기어도 포함된다. 유성 기어(또는 에피사이클 기어)는 일반적으로 단순 유성 기어 또는 복합 유성 기어로 분류된다. 단순 유성 기어는 하나의 선 기어, 하나의 링 기어, 하나의 캐리어 및 하나의 유성 기어 세트를 갖는다. 복합 유성 기어는 다음 세 가지 구조 유형 중 하나 이상을 포함한다. 메시형 유성 기어(각 유성 트레인에 서로 맞물리는 최소 두 개 이상의 유성 기어가 있음), 계단형 유성 기어(각 유성 트레인에 두 유성 기어 사이에 샤프트 연결이 있음) 및 다단계 구조(시스템에 두 개 이상의 유성 기어 세트가 있음). 단순 유성 기어에 비해 복합 유성 기어는 더 큰 감속비, 더 높은 토크-중량비 및 더 유연한 구성이라는 장점을 갖는다.
모든 기어의 축은 일반적으로 평행하지만, 연필깎이 및 차동장치와 같은 특수한 경우에는 경사지게 배치될 수 있으며, 이로 인해 베벨 기어 요소가 도입될 수 있다(아래 참조). 또한 선 기어, 유성 캐리어 및 링 기어 축은 일반적으로 동축이다.
또한 선 기어, 캐리어 및 서로 맞물리는 두 개의 유성 기어로 구성된 유성 기어링도 있다. 이 경우, 한 유성 기어는 선 기어와 맞물리고 다른 유성 기어는 링 기어와 맞물린다. 이때 캐리어가 고정되면 링 기어는 선 기어와 같은 방향으로 회전하므로 표준 유성 기어링에 비해 방향이 반전된다.
기원전 약 500년경, 그리스인들은 원형 궤도를 따라 움직이는 원인 에피사이클의 개념을 발명했다. 이 이론으로 클라우디오스 프톨레마이오스는 기원후 148년 《알마게스트》에서 하늘을 가로지르는 행성 경로를 관찰하여 근사치를 구할 수 있었다. 기원전 약 80년경의 안티키티라 기계는 달의 타원형 경로와 그 경로의 9년 세차 운동까지도 정확하게 일치시킬 수 있는 기어링을 가지고 있었다. (그리스인들은 그들이 본 움직임을 타원형이 아닌 에피사이클 운동으로 해석했다.)
서기 2세기 논문 《알마게스트》에서 클라우디오스 프톨레마이오스는 유성 기어 트레인을 형성하는 회전하는 이심원과 주전원을 사용하여 행성의 움직임을 예측했다. 태양, 달, 그리고 수성, 금성, 화성, 목성, 토성 다섯 행성의 하늘을 가로지르는 움직임에 대한 정확한 예측은 각 행성이 유성 기어 트레인의 유성 기어 상의 한 점이 그리는 궤적을 따른다고 가정했다. 이 곡선을 에피트로코이드라고 한다.
유성 기어링은 기원전 약 80년경 안티키티라 기계에서 달의 궤도 타원율과 심지어 궤도 근점 세차 운동까지 표시된 달의 위치를 조정하는 데 사용되었다. 두 개의 마주보는 기어는 약간 다른 중심 주위로 회전했다. 하나는 다른 하나를 맞물린 톱니가 아니라 두 번째 기어의 슬롯에 삽입된 핀으로 구동했다. 슬롯이 두 번째 기어를 구동함에 따라 구동 반경이 변경되어 각 회전에서 구동 기어의 속도가 가속되고 감속되었다.
잉글랜드 세인트 올번스 수도원장인 리처드 오브 월링퍼드는 14세기에 천문시계용 유성 기어링을 나중에 기술했다. 1588년, 이탈리아 군사 공학자 아고스티노 라멜리는 수직으로 회전하는 책꽂이인 북휠을 발명했는데, 이 책꽂이에는 책의 적절한 방향을 유지하기 위해 두 단계의 유성 기어를 가진 유성 기어링이 포함되어 있었다.
프랑스 수학자이자 공학자인 지라르 데자르그는 년에 에피사이클로이드 톱니가 있는 최초의 밀을 설계하고 제작했다.
간섭 방지 요건.
유성 기어 톱니가 선 기어와 링 기어 모두와 제대로 맞물리려면, formula_1 개의 동일한 간격의 유성 기어를 가정할 때 다음 방정식이 충족되어야 한다.
formula_3은 각각 선 기어와 링 기어의 톱니 수이며,
formula_4는 어셈블리에 있는 유성 기어의 수이고,
formula_5는 정수이다.
만약 비대칭 캐리어 프레임을 만들고 비등각 유성 기어를 사용하여 시스템에 어떤 종류의 기계적 진동을 발생시키려고 한다면, 위 방정식이 "가상의 기어"와 일치하도록 톱니를 만들어야 한다. 예를 들어, 캐리어 프레임이 0°, 50°, 120°, 230° 간격으로 유성 기어를 포함하도록 의도된 경우, 실제 네 개의 기어가 아닌 36개의 유성 기어(10° 등각)가 있는 것처럼 계산해야 한다.
기존 유성 기어링의 기어 속도비.
유성 기어링 시스템의 기어비는 다소 직관적이지 않은데, 이는 입력 회전을 출력 회전으로 변환하는 여러 가지 방법이 있기 때문이다. 유성 기어의 네 가지 기본 구성 요소는 다음과 같다.
단순 유성 기어 세트의 전체 기어비는 다음 두 방정식을 사용하여 계산할 수 있다. 각각 선-유성 및 유성-링 상호 작용을 나타낸다.
여기서 다음을 유도할 수 있다.
formula_14 인 경우에만
많은 유성 기어링 시스템에서 이 세 가지 기본 구성 요소 중 하나는 고정되어 있고(따라서 고정된 기어에 대해 formula_15으로 설정됨), 나머지 두 구성 요소 중 하나는 시스템에 동력을 공급하는 입력이며, 마지막 구성 요소는 시스템으로부터 동력을 받는 출력이다. 입력 회전 대 출력 회전의 비율은 각 기어의 톱니 수와 어떤 구성 요소가 고정되어 있는지에 따라 달라진다.
또는 각 기어의 톱니 수가 formula_16 관계를 충족하는 특수한 경우에, 방정식은 다음과 같이 다시 작성될 수 있다.
이러한 관계는 하이브리드 차량 변속기와 같이 두 구성 요소가 입력으로 사용되고 세 번째 구성 요소가 두 입력에 대한 출력을 제공하는 것을 포함하여 모든 유성 시스템을 분석하는 데 사용될 수 있다.