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문제 정의
- 본 연구에서는 진공유리 개발을 위한 유리 모서리 접합 공정에 대해 새로운 방안을 제시하였으며, 실험을 통해 그 타당성을 검증하였다.
제안 방법
- (1) 기존의 진공유리에서 사용한 유리 모서리 접합은 유리 접착제를 사용하는 방식과는 달리, 고밀도 열원인 수소혼합가스를 이용하여 토치에 열원을 형성하여 로 내에서 두 장의 유리의 모서리 부를 용융시켜 접합하는 방법을 제시하였다.
- (2) 실험계획법을 이용하여 유리 모서리 부 접합의 공정변수 별 최적 공정조건을 도출하였다.
- 기존의 문제점을 해결하고자 로 안에서 고밀도 열원인 수소혼합가스를 이용하여 두 장의 유리 모서리 부를 직접 용융시켜 접합하는 방안을 제시하였고 기초실험을 통해 공정변수의 공정조건 범위를 선정하였다. 공정 변수 결정을 위해 다구찌(Taguchi Method) 법을 이용하여 공정변수에 따른 영향도 및 최적의 공정조건을 도출하였다.
- 기초실험을 통하여 전기로의 내부 온도는 600°C로 설정하였으며 각각의 공정변수는 토치 이송속도 300∼400mm/min, 토치와 유리사이의 거리는 3∼5mm, 가스 량은 5∼7L/min으로 설정하였다.
- 유리 받침대는 유리 예열 시 열평형을 유지하여야 안정적인 접합이 가능하므로, 이를 확인하기 위하여 유리 받침대의 온도 분포 측정을 하였다. 로 내부의 유리 받침대 온도 분포 측정은 NI 9211온도 계측장치와 K type 열전쌍을 이용하여 측정하였다. Fig.
- 본 연구에서 제안한 방법은 전기로 내에서 유리를 예열하고 유리 모서리 부를 수소혼합가스토치를 이용하여 두 장의 유리 모서리 부를 용융 접합하는 방식으로서 Fig. 8에 나타낸바와 같이 공정변수를 설정하였다. 토치로부터 분사되는 수소혼합가스량(Q), 토치의 이송속도(V), 토치와 유리사이의 거리(D)를 주요 공정변수로 설정하였다.
- 수소혼합가스를 이용하여 유리 모서리 접합 시 열충격에 의한 유리 파손을 방지하기 위하여 전기로를 이용하여 분위기 온도를 조성한 후 접합시험을 실시하였다. 전기로 내부에 유리 받침대(Setter)를 설치하여 유리시편을 지지하고, 전기로 상하부의 열흐름을 원활하게 하기 위하여 유리 받침대에 구멍을 만들었다.
- 유리 모서리 부 접합 시 수소혼합가스 토치를 사용하였으며 두 장의 유리사이에 간극을 유지하기 위하여 필러게이지를 사용하였다. Fig.
- 전기로 내부에 유리 받침대(Setter)를 설치하여 유리시편을 지지하고, 전기로 상하부의 열흐름을 원활하게 하기 위하여 유리 받침대에 구멍을 만들었다. 유리 받침대는 유리 예열 시 열평형을 유지하여야 안정적인 접합이 가능하므로, 이를 확인하기 위하여 유리 받침대의 온도 분포 측정을 하였다. 로 내부의 유리 받침대 온도 분포 측정은 NI 9211온도 계측장치와 K type 열전쌍을 이용하여 측정하였다.
- 12은 시편의 절단면을 나타낸 것이다. 총 9번의 모서리 접합 시험을 통하여 각 공정변수에 따른 용융부 단면의 두께를 측정하였다.
- 8에 나타낸바와 같이 공정변수를 설정하였다. 토치로부터 분사되는 수소혼합가스량(Q), 토치의 이송속도(V), 토치와 유리사이의 거리(D)를 주요 공정변수로 설정하였다.
- 그리고 전기로 온도패널을 이용하여 접합 분위기 온도를 설정하며, 유리 접합 분위기가 설정되면 전기로의 상부를 올려서 유리 모서리 부 접합이 가능한 공간을 확보한다. 토치에 수소혼합가스를 열원으로 생성하고 토치의 이송속도와 가스유량을 설정 후 유리 모서리 부 접합을 실시하였다. 접합이 끝나고 유리의 변형 및 파손방지를 위하여 전기로 상부를 닫은 후 서냉하였다.
대상 데이터
- 수소혼합가스를 이용하여 유리 모서리 부를 접합을 하고자 전기로, 고밀도열원용 토치 및 이송장치, 온도제어패널, 토치냉각장치 등으로 Fig. 1과 같이 시스템을 구성하였다. 각 장치의 기능은 Table 1과 같다.
- Table 2는 공정변수들의 수준을 나타낸 것이다. 유리 종류는 소다라임(soda lime) 유리를 사용하였으며, 두 장의 유리사이의 간격은 진공유리 지지대의 두께와 같은 0.2mm로 설정하였다. 유리 모서리 접합 실험은 Table 3과 같이 3수준계 L9(33)의 직교배열표(Orthogonal array)를 사용하여 총 9번을 실시하였다(7,8).
이론/모형
- 기존의 문제점을 해결하고자 로 안에서 고밀도 열원인 수소혼합가스를 이용하여 두 장의 유리 모서리 부를 직접 용융시켜 접합하는 방안을 제시하였고 기초실험을 통해 공정변수의 공정조건 범위를 선정하였다. 공정 변수 결정을 위해 다구찌(Taguchi Method) 법을 이용하여 공정변수에 따른 영향도 및 최적의 공정조건을 도출하였다.
- 2mm로 설정하였다. 유리 모서리 접합 실험은 Table 3과 같이 3수준계 L9(33)의 직교배열표(Orthogonal array)를 사용하여 총 9번을 실시하였다(7,8).
- Table 4는 공정변수별 직교배열법에 따른 유리 모서리 단면 두께 측정 결과를 나타낸 것이다. 이 결과를 미니탭 프로그램을 이용하여 다구찌기법을 적용하였다(9).
성능/효과
- (3) 다구찌 기법을 이용하여 도출된 토치의 속도, 토치와 유리 사이의 거리, 가스유량의 최적의 공정변수를 적용하여 모서리 접합을 할 경우 S/N비는 31.05에서 40.89로 증가하였으며 평균값은 2.89에서 2.95로 3에 가까운 값으로 나타났다.
- 13에 신호 대 잡음비에 대한 주효과도를 나타내었다. 그래프의 기울기는 특성치에 미치는 영향을 나타내며 가장 영향을 미치는 공정변수는 가스 량, 토치 이송속도, 토치와 유리사이의 거리 순으로 영향을 미치는 것을 확인하였다.
- 둘째, 유리접착제의 경우 400°C이상에서 녹아버리므로 700°C 이상 가열해야 하는 열강화 강화유리(tempered glass)의 제작이 불가능하다.
- Table 6에 현재 조건과 최적 조건에서의 S/N비와 기울기 추정 값을 나타내었다. 이 최적 공정조건이 직교 배열표에 포함되어 있지 않으므로 이의 검증을 위하여 최적 공정조건을 적용하여 실험을 실시한 결과 유리 용융부의 단면 두께가 목표치 3mm에 가까운 2.9mm로 측정되었다.
- 유리접착제를 이용한 방법은 다음과 같은 문제점들이 발생한다. 첫째, 유리접착제가 겔(gel)상에서 액상으로 액상에서 고상(solid state)으로 변화를 거쳐 접합되므로 공정속도가 느리다. 둘째, 유리접착제의 경우 400°C이상에서 녹아버리므로 700°C 이상 가열해야 하는 열강화 강화유리(tempered glass)의 제작이 불가능하다.
- 총 10곳에서의 온도분포를 측정한 결과 모서리부를 제외한 온도 분포 범위가 Fig. 4에 나타낸바와 같이 ±10°C 내외로 전기로 예열 시 유리 받침대에 의한 유리의 열평형에 문제가 되지 않는다는 것을 확인하였다.
- 토치와 유리사이의 거리가 가까우면 토치에 불순물이 많이 묻어 토치 및 유리에 악영향을 미치며, 일정간격 이상 멀어질 경우 모서리 접합이 이루어지지 않는 것을 확인하였다.
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