[논문]유리성형시스템의 힘측정기반 가압장치를 이용한 곡면유리 성형조건

홍태경; 김갑순

doi:10.7736/kspe.2014.31.4.335

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes the forming conditions of smart-phone curved glass using the glass molding system with force applying system. The force applying system is composed of a body, a motor and gear, a rectilinear movement structure, a force sensor, a LVDT sensor (Linear Variable Differential Transfor...

This paper describes the forming conditions of smart-phone curved glass using the glass molding system with force applying system. The force applying system is composed of a body, a motor and gear, a rectilinear movement structure, a force sensor, a LVDT sensor (Linear Variable Differential Transformer), a up and down moving block, and so on. The glass molding system for characteristic test to find the forming conditions consists of the force applying system and a chamber, a metallic mold, a upper heater, a lower heater and so on. The characteristic test for forming conditions of smart-phone curved glass was carried out at forming temperature $620^{\circ}C$ and $650^{\circ}C$ using the glass molding system. As a result of the characteristic test, the forming conditions of curved glass could be found, and it is thought that the conditions can be used to apply to the system for producing in large quantities.

주제어

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문제 정의

본 논문에서는 힘센서를 포함한 가압장치를 구성하여 유리성형시스템에 부착하여 실험장치를 구성하였으며, 이 장치를 이용하여 소다석회유리 소재로 곡면유리를 성형하는 성형조건을 찾기 위한 특성실험을 실시하였다. 특성실험 결과, 성형 가능온도 650℃와 620℃에서의 성형조건을 찾을 수 있었으며, 성형 가능온도가 650℃인 경우가 620℃보다 성형시간(초기 유지시간, 가하는 힘, 힘을 가하는 동안의 시간, 힘을 가한 후 유지시간)을 반으로 줄일 수 있었다.
성형조건 특성실험은 곡면유리를 제조할 때 유리성형시스템에 설정하기 위한 중요 변수인 성형 가능온도, 성형 가능온도에서의 초기 유지시간, 가하는 힘, 힘을 가하는 동안의 시간, 힘을 가한 후 유지시간을 알기 위해 실시된다.

제안 방법

힘센서는 가압장치에 가해지는 힘을 정확하게 측정하기 위해서 교정되어야 한다. 교정은 힘센서를 다축 힘/모멘트센서 교정기¹¹에 고정하고 힘센서를 제작한 제어장치에 연결한 후 제어장치의 LCD에 1500mV가 출력되도록 증폭기를 조절하였고, 교정기를 이용하여 힘센서의 정격힘을 힘센서에 가하고 제어장치의 출력을 정격힘 1000N일 때 2500mV가 되도록 조정하였다. 이것은 힘센서에 (+)힘을 가할 때와 (-)힘을 가할 때가 있고, DSP의 아날로그/디지털컨버터의 최대측정범위가 3000mV이기 때문이다.
곡면유리 특성실험에 사용된 평면유리 소재는 소다석회유리(soda-lime glass)이고, 이 소재는 온도표에 따르면 성형가능 온도가 600℃이상, 700℃이하이다. 따라서 본 특성실험에서는 먼저 사용된 유리성형시스템의 성능 및 간단한 기초실험의 결과를 고려하여 성형가능온도를 650℃와 620℃로 각각 설정하였고, 성형 가능온도에서의 초기 유지시간, 가하는 힘, 힘을 가하는 동안의 시간, 힘을 가한 후 유지시간을 찾는 특성실험을 실시하였다.
본 논문에서는 선형적으로 힘을 가하여 곡면유리를 성형할 수 있는 가압장치를 구성하였고, 이것이 포함된 유리성형시스템을 이용하여 스마트폰의 곡면유리 성형조건, 즉 성형 가능온도 650℃와 620℃에서 초기 유지시간, 가하는 힘, 힘을 가하는 동안의 시간, 힘을 가한 후 유지시간 등의 조건을 찾는 특성실험을 실시하였다.
3은 곡면유리 제조 특성실험을 위해 구성한 가압장치를 가진 유리성형시스템의 사진을 나타내고 있다. 이 실험장치는 본 논문에서 구성한 가압장치와 상부금형, 하부금형, 챔버, 상부히터블록, 하부히터블록, 컴퓨터 및 모니터 등으로 구성된 렌즈성형시스템이 조합되었다. 유리성형시스템의 챔버는 곡면유리 성형시 주입된 질소가스가 누설되지 않도록 밀폐되어 있고, 상부히터블록, 하부히터블록, 금형를 내장할 수 있으며, 외부로 온도가 전달되지 않도록 제작되었다.

대상 데이터

모터 및 감속기는 몸체의 상부에 고정되었고, 직선운동기구의 상부와 연결되어 상부금형에 힘을 가할 때 사용된다. 사용된 모터는 맥슨(Maxon)사에서 제작한 모델 DC148867이고, 용량은 150W, 펄스수는 모터축 1회전당 2000펄스(2000pulse/turn)이다. 감속기는 GP 3-15Nm 모델, 감속비는 53대 1로 모터와 감속기가 발생할 수 있는 최대토크는 15Nm이다.
제어장치는 DSP(digital signal processor), 증폭기부(amplifier), 통신부, 전원부, 스위치부 등으로 구성되었다. DSP는 힘센서의 출력을 받고 모터를 제어해야 하고 직선변위센서(LVDT)로부터 위치를 측정해야 하므로 빠른 속도의 제어를 위해 사용되었다.

성능/효과

Table 2는 성형 가능온도 620℃에서 특성실험한 결과를 나타낸 것이다. 성형 가능온도 620℃에서 소다석회유리 소재의 성형조건은 초기 유지시간이 100s, 힘을 가하는 동안의 시간이 60s, 가하는 힘이 500N, 힘을 가한 후 유지시간이 50s로 나타났다. 이 결과로 볼 때, 620℃에서의 곡면유리를 성형하는데 소요되는 시간, 즉 초기 유지시간부터 힘을 가한 후 유지시간까지 210s 소요됨을 알 수 있었다.
Table 1은 성형 가능온도를 650℃에서 특성실험 결과를 나타낸 것이다. 성형 가능온도 650℃에서 소다석회유리 소재의 성형조건은 초기 유지시간이 60s, 힘을 가하는 동안의 시간이 25s, 가하는 힘이 500N, 힘을 가한 후 유지시간이 20s로 나타났다. 이 결과로 볼 때, 650℃에서의 곡면유리를 성형하는데 소요되는 시간, 즉 초기 유지시간부터 힘을 가한 후 유지시간까지 105s 소요됨을 알 수 있었다.
성형 가능온도 620℃에서 소다석회유리 소재의 성형조건은 초기 유지시간이 100s, 힘을 가하는 동안의 시간이 60s, 가하는 힘이 500N, 힘을 가한 후 유지시간이 50s로 나타났다. 이 결과로 볼 때, 620℃에서의 곡면유리를 성형하는데 소요되는 시간, 즉 초기 유지시간부터 힘을 가한 후 유지시간까지 210s 소요됨을 알 수 있었다. 따라서 성형 가능온도 620℃에서 가장 빠르고 양호한 곡면유리를 제조하기 위해서는 위의 조건을 따라야 하는 것으로 판단된다.
성형 가능온도 650℃에서 소다석회유리 소재의 성형조건은 초기 유지시간이 60s, 힘을 가하는 동안의 시간이 25s, 가하는 힘이 500N, 힘을 가한 후 유지시간이 20s로 나타났다. 이 결과로 볼 때, 650℃에서의 곡면유리를 성형하는데 소요되는 시간, 즉 초기 유지시간부터 힘을 가한 후 유지시간까지 105s 소요됨을 알 수 있었다. 따라서 성형 가능온도 650℃에서 가장 빠르고 양호한 곡면유리를 제조하기 위해서는 위의 조건을 따라야 하는 것으로 판단된다.
5mm이고, 힘센서의 상부는 직선운동기구가 장착되도록 설계되었으며, 하부는 상부 히터블록의 걸이를 걸 수 있도록 오목하게 설계되었다. 제작된 힘센서의 정격용량은 1000N, 최대 재현도오차와 최대 비직선성오차는 각각 0.02%와 0.03 % 이내로 매우 우수하다.
따라서 성형 가능온도 620℃에서 가장 빠르고 양호한 곡면유리를 제조하기 위해서는 위의 조건을 따라야 하는 것으로 판단된다. 초기 유지시간이 100s 이하에서는 곡면의 반경이 금형의 곡률반경보다 커지는 불량이 발생하였고, 힘을 가하는 동안의 시간은 60s 이하일 경우에는 유리가 파손되었으며, 가하는 힘이 500N 이하이거나 힘을 가한 후 유지시간이 50s 이하인 경우에는 곡면의 반경이 금형의 곡률반경보다 커지는 불량이 발생하였다.
본 논문에서는 힘센서를 포함한 가압장치를 구성하여 유리성형시스템에 부착하여 실험장치를 구성하였으며, 이 장치를 이용하여 소다석회유리 소재로 곡면유리를 성형하는 성형조건을 찾기 위한 특성실험을 실시하였다. 특성실험 결과, 성형 가능온도 650℃와 620℃에서의 성형조건을 찾을 수 있었으며, 성형 가능온도가 650℃인 경우가 620℃보다 성형시간(초기 유지시간, 가하는 힘, 힘을 가하는 동안의 시간, 힘을 가한 후 유지시간)을 반으로 줄일 수 있었다. 그리고 각 성형 가능온도에서의 힘 그래프로 곡면유리 성형의 성공여부를 판단할 수 있을 것으로 생각되며, 본 논문에서 얻은 성형 조건은 양산시 유리성형시스템에 적용시킬 수 있을 것으로 판단된다.

후속연구

특성실험 결과, 성형 가능온도 650℃와 620℃에서의 성형조건을 찾을 수 있었으며, 성형 가능온도가 650℃인 경우가 620℃보다 성형시간(초기 유지시간, 가하는 힘, 힘을 가하는 동안의 시간, 힘을 가한 후 유지시간)을 반으로 줄일 수 있었다. 그리고 각 성형 가능온도에서의 힘 그래프로 곡면유리 성형의 성공여부를 판단할 수 있을 것으로 생각되며, 본 논문에서 얻은 성형 조건은 양산시 유리성형시스템에 적용시킬 수 있을 것으로 판단된다.
그리고 이와 같은 가압장치가 포함된 유리성형 시스템을 이용하여 평면유리를 성형하기 위해서는 성형조건인 유리의 성형 가능온도, 이 온도에서의 유리를 구부리기 위해 가하는 힘, 힘을 가한 후 유지시간 등을 찾기 위한 특성실험이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스마트폰의 외형면이 인체공학적으로 설계되지 못해서 어떠한 단점이 있는가?	스마트폰은 전세계적으로 기능면에서 급속히 발전하고 있고, 외형면에서는 인체공학적으로 설계되지 못해 통화시 얼굴피부에 접촉하는 등 불편함이 존재한다. 최근에 이를 해결하기 위해서 국내의 S사에서는 평면모양을 새로 방향의 골곡을 갖는 곡면모양으로 설계하여 제작하였고, L사에서는 가로 방향의 굴곡을 갖는 곡면 모양으로 설계하여 제작하였다.
	선형적으로 유리에 힘을 가할 수 있는 가압장치가 필요한 이유는 무엇인가?	4-10 이 시스템에서 가장 중요한 것 중의 하나가 성형 가능온도에서 금형에 힘을 가하여 유리를 구부리는 가압장치이다. 현재 설계된 유리성형시스템의 가압장치는 공기압으로 제어되는 램과 실린더로 구성되었으므로 선형적으로 압력을 가할 수 없어 유리의 파손을 방지하기 위해 압력을 여러 단계로 나누어 계단형식으로 가하는 방식이다. 이 방식은 단위계단형식으로 압력이 갑작이 증가하므로 유리가 깨지기 쉬운 단점을 가지고 있다. 그러므로 선형적으로 유리에 힘을 가할 수 있는 가압장치가 필요하다.
	유리를 어떻게 새로운 모양으로 변형시킬 수 있는가?	유리는 성형 가능온도까지 가열한 후 힘을 가하여 변형시키는 방법으로 성형에 의해 새로운 모양으로 변형이 가능하다. 이와 같이 유리를 성형해서 만드는 제품이 휴대폰, 스마트폰 등의 카메라 렌즈이다.

참고문헌 (11)

Kuk, K. H., Kim, K. S., and Jung, D. Y, "Temperature Analysis of the Production System for Aspherical Lens and Optimization of Production Conditions," Proc. of KSPE Spring Conference, pp. 51-52, 2008.
Kuk, G. H., Jung, D. Y., and Kim, G. S., "Development of Molding System for Manufacturing a Small Lens and Its Force Control," J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 25, No. 2, pp. 57-64, 2008.
Kuk, K. H., Kim, G. S., and Jung, D. Y., "Development of a Convective Sequential Production System for Aspheric Lens," J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 28, No. 2, pp. 2002-2010, 2011.
Jung, D. Y. and Lee, Y. H./Daeho Technology Korea Co. LTD, "Moulding Device of Curved Glass," KOR Patent, No. 10-2013-0126308, 2013.
Jung, D. Y., Lee, Y. H., and Daeho Technology Korea Co. LTD, "Pre-heating Device of Curved Glass Moulding Device," KOR Patent, No. 10-2013- 0126312, 2013.
Kim, G. S., Kim, H. M., Song, Y. W., Jung, D. Y., Jung, Y. H., and et al., "Development of Force and Position Measuring System of the Pressure System for Manufacturing a Smart Phone's Curved," Proc. of KSPE Spring Conference, pp. 773-774, 2013.
Shin, H. J., Lee, J. K., Bang, Y. J., Lee, K. G., Jung, D. Y., and et al., "Heat Flux Conditions for Uniform Temperature Distribution of Mobile Device Cover Glass Mold," Proc. of KSPE Spring Conference, pp. 763-764, 2013.
Kim, G. S., Kim, H. M., Song, Y. W., Jung, D. Y., Jung, Y. H., and et al., "Design of Pressurized System for Curved Glass Forming," Proc. of KSPE Autumn Conference, pp. 651-652, 2012.
Kim, S. B., Chung, W. J., Lee, D. S., Kim, M. S., Jung, D. Y., and Park, J. H., "Optimal Design of 2.5D Glass Manufacturing Automation Equipment's Molding Transfer Unit Using TRIZ," Proc. of KSPE Spring Conference, pp. 777-778, 2013.
Shin, H. J., Lee, J. K., Bang, Y. J., Lee, K. G., Jung, D. Y., and et al., "Thermal Analysis of Molding System for Mobile Device Cover Glass," Proc. of KSPE Spring Conference, pp. 765-766, 2013.
Kim, G. S. and Yoon, J. W., "Development of Calibration System for Multi-Axis Force/Moment Sensor and its Uncertainty Evaluation," J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 24, No. 10, pp. 91-98, 2007.

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