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문제 정의
- 본 논문에서는 가압장치를 설계 및 제작하였고, 유리성분인 소다석회로 제조된 평면유리의 성형조건을 위한 특성실험을 실시하였다. 특성실험 결과, 성형 가능온도 620℃에서의 무부하 유지시간은 100s 이상, 평면유리를 누를 때까지의 시간은 60s 이상, 평면유리를 누르는 힘은 500N 이상, 누른 후 유지시간은 50s 이상으로 나타났다.
제안 방법
- 힘센서의 교정은 힘센서를 이용하여 가압장치에 가해지는 힘을 정확하게 측정하기 위해 실시되어야 한다. 교정은 힘센서는 다축 힘/모멘트센서 교정기[13]에 고정하고 제작한 제어장치에 연결한 후 제어장치의 LCD에 1500mV가 출력되도록 증폭기를 조절하였고, 교정기를 이용하여 힘센서의 정격힘을 힘센서에 작용시키고 제어장치의 출력을 정격힘 1000N일 때 2500mV가 되도록 조정하였다. 이것은 힘센서에 +힘을 가할 때와 -힘을 가할 때가 있고, DSP의 아날로그/디지털컨버터의 최대측정범위가 3000mV이기 때문이다.
- 이와 같은 렌즈 성형시스템은 직경 10mm 정도의 소형렌즈를 성형할 수 있고, 스마트폰의 앞면 평면유리를 곡면으로 성형하지는 못한다. 그래서 스마트폰의 앞면 평면유리를 곡면으로 성형하기 위한 새로운 형태의 성형시스템을 설계하였다[4-11]. 곡면 유리를 제조하는 성형시스템에서 매우 중요한 요소 중의 하나가 성형온도에서 금형에 힘 혹은 압력을 가하여 유리를 구부리는 가압장치이다.
- 5 mm로 결정하였으며, 상부에는 힘을 가하기 위한 직선운동기구가 장착되도록 힘전달블록에 나사홀을 가공하였고, 하부에는 상부 히터블록의 걸이를 걸 수 있도록 고정블록에 오목하게 가공하였다. 그리고 힘센서를 제작하기 위한 감지부는 고정블록을 중심으로 좌우에 두 개의 평행판판보1과 2(PPB1과 PPB2, Parallel Plate Beam1과 2)가 한 몸체를 이루도록 구성하였다. 힘전달블록에 힘이 가해지면 감지부인 평행판판보1과 2가 굽힘이 발생되고, 그 위에 부착되어 있는 스트레인게이지가 변형률을 감지하여 힘을 측정한다.
- 본 연구의 핵심부품인 가압력을 측정하는 힘센서를 설계 및 제작하였고, 힘을 측정하는 힘측정기를 설계 및 제작하였다. 그리고 힘측정장치가 포함되는 성형시스템의 가압시스템을 구성하였고, 평면유리를 곡면유리로 성형 가능온도 620℃에서 무부하 유지시간, 평면유리를 누르는 힘, 평면유리를 누를 때까지의 시간, 누른 후 유지시간 등의 조건을 찾는 특성실험을 실시하였다.
- 사용된 평면유리 소재는 소다석회유리(soda-lime glass)이고, 주성분은 산화나트륨 18%, 산화칼슘 10%, 규산 72%이며, 이 소재를 제작하는 회사에서 작성한 자료에 의하면 성형가능 온도가 600℃ 이상이다. 따라서 본 특성실험에서는 성형 가능온도는 기본실험에서 성형이 가능한 온도인 620℃로 설정하였고, 성형 가능온도에서의 무부하 유지시간, 평면유리를 누르는 힘, 평면그유리를 누를 때까지의 시간, 누른 후 유지시간을 찾는 특성실험을 실시하였다. 표 2는 620℃에서 특성실험 결과를 나타낸 것이다.
- 본 논문에서는 가압력을 힘으로 제어하여 스마트폰의 앞면 덮개유리를 곡면유리로 성형하는 곡면유리 성형시스템의 가압 장치를 설계하였고, 특성실험을 통해 성형조건을 찾았다. 본 연구의 핵심부품인 가압력을 측정하는 힘센서를 설계 및 제작하였고, 힘을 측정하는 힘측정기를 설계 및 제작하였다.
- 본 논문에서는 가압력을 힘으로 제어하여 스마트폰의 앞면 덮개유리를 곡면유리로 성형하는 곡면유리 성형시스템의 가압 장치를 설계하였고, 특성실험을 통해 성형조건을 찾았다. 본 연구의 핵심부품인 가압력을 측정하는 힘센서를 설계 및 제작하였고, 힘을 측정하는 힘측정기를 설계 및 제작하였다. 그리고 힘측정장치가 포함되는 성형시스템의 가압시스템을 구성하였고, 평면유리를 곡면유리로 성형 가능온도 620℃에서 무부하 유지시간, 평면유리를 누르는 힘, 평면유리를 누를 때까지의 시간, 누른 후 유지시간 등의 조건을 찾는 특성실험을 실시하였다.
- 그림 5(a)는 DSP를 이용한 가압장치의 제어장치의 블록도이고, (b)는 제작된 제어장치의 사진을 나타내고 있다. 제어장치는 힘센서의 출력을 받고, 모터를 상하이송제어할 수 있도록 설계 및 제작하였다. 제어장치는 DSP (Digital Signal Processor), 증폭기부(amplifier), 통신부, 전원부, 스위치부 등으로 구성되었다.
- 그림 10(a)는 표 2의 6번째 실험조건인 성형 가능온도 620℃에서의 무부하 유지시간이 100s, 평면유리를 누를 때까지의 시간이 50s, 평면유리를 누르는 힘이 500N, 누른 후유지시간이 50s일 때 성형한 곡면유리를 나타낸 사진이고, 이것은 유리가 깨져 불량이다. 평면유리를 누를 때까지의 시간이 50s 동안의 제어는 금형의 상하면이 접촉할 수 있도록 일정한 속도로 모터를 동작시켰고, 누른 후 유지시간이 50s 동안의 제어를 페루프계를 구성하여 기준힘 500N을 기준으로 오차가 최소로 될 수 있도록 매우 작은 힘을 더하거나 빼는 방식으로 모터를 동작시켰다.
- 힘센서는 성형시스템에 부착할 수 있도록 전체 크기를 73 mm ´ 30 mm ´ 45.5 mm로 결정하였으며, 상부에는 힘을 가하기 위한 직선운동기구가 장착되도록 힘전달블록에 나사홀을 가공하였고, 하부에는 상부 히터블록의 걸이를 걸 수 있도록 고정블록에 오목하게 가공하였다.
- 이를 위해 사용한 기기는 다축 힘/모멘트센서 교정기[13]이고, 측정은 고성능측정장치(DMP40) 이다. 힘센서는 정격하중인 1000N을 가하고 정격출력을 측정하였고, 총 세 번을 실시하여 평균값을 센서의 정격출력으로 결정하였으며, 그것은 0.51084mV/V이었다. 유한요소해석 결과를 식 (2)에 의해 계산한 정격출력은 0.
- 각 센서는 4개의 스트레인게이지로 휘스톤브리지를 구성한다. 힘센서를 설계하기 위한 설계변수의 정격출력은 약 0.5mV/V, 정격하중은 1000N, 스트레인게이지의 부착위치가 길이 방향으로는 1.5mm, 폭 방향으로는 1/2, 스트레인게이지의 부착위치에서의 변형률은 약 250um/m로 결정하였다. 힘센서의 감지부의 크기를 결정하기 위해 ANSYS 소프트웨어를 이용하여 유한 요소(FEM: Finite Element Method) 해석을 실시하였다.
- 5mm, 폭 방향으로는 1/2, 스트레인게이지의 부착위치에서의 변형률은 약 250um/m로 결정하였다. 힘센서의 감지부의 크기를 결정하기 위해 ANSYS 소프트웨어를 이용하여 유한 요소(FEM: Finite Element Method) 해석을 실시하였다. 유한요소해석을 위해 소프트웨어에 입력한 재료상수는 제작할 센서의 재질이 알루미늄이므로 종탄성계수가 70GPa, 프와송의비가 0.
- 힘센서의 재현도오차와 비직선성오차를 산출하기 위해서 힘센서를 다축 힘/모멘트센서 교정기[13]에 고정하고, 센서의 정격하중인 1000N을 10등분하여 100N부터 1000N까지 증가순 및 감소순으로 힘을 가하고 센서의 출력을 고성능측정장치(DMP40)를 이용하여 측정하였다. 특성실험은 이 과정을 3번 반복하였다.
대상 데이터
- 가압장치는 몸체(body), 모터(motor), 직선운동기구(rectilinear movement structure), 위치변위센서(LVDT: Linear Variable Differential Transformer), 상하이동블록 등으로 구성되었다. 모터 및 감속기는 직선운동기구의 상부와 연결 되어 평면유리가 내장되어 있는 금형에 힘을 가하는 역할을 하고, 사용된 모터의 모델은 맥슨(Maxon)에서 제작한 DC148867, 용량은 150W, 펄스수는 모터축 1회전당 2000펄스(2000pulse/turn), 감속기의 모델은 (GP 3-15Nm), 감속비는 53대 1로 모터와 감속기가 발생할 수 있는 최대토크는 15Nm이다. 직선운동기구는 몸체에 부착되어 모터의 회전운동을 직선운동으로 바꾸어 힘센서에 힘을 가하는 역할을 하고, 이것은 패스토(Festi) 회사에서 제작한 모델(ESBF-BS-63-100-5P)로 최대 누루는 힘은 7000N, 반복정확도는 0.
- 사용된 평면유리 소재는 소다석회유리(soda-lime glass)이고, 주성분은 산화나트륨 18%, 산화칼슘 10%, 규산 72%이며, 이 소재를 제작하는 회사에서 작성한 자료에 의하면 성형가능 온도가 600℃ 이상이다. 따라서 본 특성실험에서는 성형 가능온도는 기본실험에서 성형이 가능한 온도인 620℃로 설정하였고, 성형 가능온도에서의 무부하 유지시간, 평면유리를 누르는 힘, 평면그유리를 누를 때까지의 시간, 누른 후 유지시간을 찾는 특성실험을 실시하였다.
- 유한요소해석 결과 스트레인게이지 S1의 부착위치에서의 변형률은 220um/m, S2의 변형률은 -275um/m, S3의 변형률은 - 275um/m, S4의 변형률은 220um/m이었다. 유한요소해석으로 설계한 감지부(보)의 크기는 길이가 10mm, 폭이 20mm, 두께가 2.6mm이었다.
- 힘센서의 감지부의 크기를 결정하기 위해 ANSYS 소프트웨어를 이용하여 유한 요소(FEM: Finite Element Method) 해석을 실시하였다. 유한요소해석을 위해 소프트웨어에 입력한 재료상수는 제작할 센서의 재질이 알루미늄이므로 종탄성계수가 70GPa, 프와송의비가 0.3이며, 8절점 6면체 블록을 선택하였다.
- 제작한 힘센서는 특성을 파악하기 위한 재현도평가와 비직선성평가를 위한 특성실험을 실시해야 하고, 정확한 힘을 측정하기 위해서는 제어장치와 힘센서를 연결한 상태에서 교정을 실시해야 한다. 이를 위해 사용한 기기는 다축 힘/모멘트센서 교정기[13]이고, 측정은 고성능측정장치(DMP40) 이다. 힘센서는 정격하중인 1000N을 가하고 정격출력을 측정하였고, 총 세 번을 실시하여 평균값을 센서의 정격출력으로 결정하였으며, 그것은 0.
- 제어장치는 힘센서의 출력을 받고, 모터를 상하이송제어할 수 있도록 설계 및 제작하였다. 제어장치는 DSP (Digital Signal Processor), 증폭기부(amplifier), 통신부, 전원부, 스위치부 등으로 구성되었다. DSP는 힘센서의 출력을 받아 모터를 제어해야 하며 직선변위센서(LVDT)로부터 위치를 측정해야 하므로 빠른 속도의 제어를 위해 사용되었다.
성능/효과
- 평면 유리 성형시스템의 온도제어장치는 성형 가능온도 620℃까지 올리고 무부하 유지시간, 평면유리를 누를 때까지의 시간, 평면유리를 누른 후 유지시간 동안 안전하게 성형 가능온도 620℃를 유지한 후 냉각시킬 수 있었다. 따라서 성형시스템의 온도제어장치는 평면유리를 스마트폰의 곡면유리 제조에 있어 안정한 온도 제어할 수 있었다.
- 즉, 가장 빠르고 양호한 곡면유리를 제조하기 위해서는 위의 조건을 따라야 하는 것으로 판단된다. 무부하 유지시간이 100s 이하에서는 곡면의 반경이 금형의 곡률반경보다 커지는 불량이 발생하였고, 평면유리를 누를때까지의 시간은 60s 이하일 경우에는 유리가 파괴되었으며, 평면유리를 누르는 힘이 500N 이하이거나 누른 후 유지시간이 50s 이하인 경우에는 곡면의 반경이 금형의 곡률반경보다 커지는 불량이 발생하였다. 620℃에서의 유지시간부터 누른 후 유지시간까지 210s 소요됨을 알 수 있었다.
- 표 2는 620℃에서 특성실험 결과를 나타낸 것이다. 성형 가능온도 620℃에서의 무부하 유지시간은 100s 이상, 평면유리를 누를 때까지의 시간은 60s 이상, 평면유리를 누르는 힘은 500N 이상, 누른 후 유지시간은 50s 이상으로 나타났다. 즉, 가장 빠르고 양호한 곡면유리를 제조하기 위해서는 위의 조건을 따라야 하는 것으로 판단된다.
- 그림 9는 성형 가능온도 620℃에서 곡면유리 성형을 위한 특성시험을 실시하는 동안의 온도곡선을 그래프로 나타낸 것이다. 성형 가능온도인 620℃까지 온도를 올리는데 약 22분이 소요되었고, 성형 가능온도에서의 무부하 유지시간, 평면유리를 누를 때까지의 시간, 누른 후 유지시간 등이 약 4분정도 소요되었으며, 그 후 상온까지 냉각되는 시간이 104분정도 소요되어 총 소요된 시간은 130분정도이었다. 성형가능 온도인 620℃까지 상부히터블록의 온도가 하부히터블록의 온도보다 미소한 차이로 빠르게 도달함을 보이고 있으나 전체적으로는 거의 유사하게 온도가 상승하고 하강하였다.
- 50242mV/V이었다. 유한 요소해석 결과를 이용한 정격출력을 기준으로 실험에 의한 정격출력의 오차를 계산한 결과 1.68%이었다.
- 특성실험 결과, 성형 가능온도 620℃에서의 무부하 유지시간은 100s 이상, 평면유리를 누를 때까지의 시간은 60s 이상, 평면유리를 누르는 힘은 500N 이상, 누른 후 유지시간은 50s 이상으로 나타났다. 제작된 가압장치는 휴대폰 곡면유리 성형시스템의 성형 가능온도에서 평면유리에 힘을 유연하게 가할 수 있었고, 상하이동블록의 제어를 일정한 속도로 원활하게 수행할 수 있었으며, 유리처짐과 힘 그래프를 통해 곡면유리의 성형상태를 예측할 수 있을 것으로 판단된다. 그러므로 제작된 가압장치는 휴대폰 곡면유리 성형 시스템에서 평면유리를 성형하는데 활용할 수 있을 것으로 생각된다.
- 성형 가능온도에서 무부하로 적당한 시간을 유지한 후 가압장치를 이용하여 서서히 힘을 평면 유리에 가한 후 적당한 시간을 유지하며, 그 후 온도를 상온으로 내린다. 즉, 특성실험에서 중요한 변수는 성형 가능온도, 성형 가능온도에서의 무부하 유지시간, 평면유리를 누르는힘, 평면유리를 누를 때까지의 시간, 누른 후 유지시간이다.
- 본 논문에서는 가압장치를 설계 및 제작하였고, 유리성분인 소다석회로 제조된 평면유리의 성형조건을 위한 특성실험을 실시하였다. 특성실험 결과, 성형 가능온도 620℃에서의 무부하 유지시간은 100s 이상, 평면유리를 누를 때까지의 시간은 60s 이상, 평면유리를 누르는 힘은 500N 이상, 누른 후 유지시간은 50s 이상으로 나타났다. 제작된 가압장치는 휴대폰 곡면유리 성형시스템의 성형 가능온도에서 평면유리에 힘을 유연하게 가할 수 있었고, 상하이동블록의 제어를 일정한 속도로 원활하게 수행할 수 있었으며, 유리처짐과 힘 그래프를 통해 곡면유리의 성형상태를 예측할 수 있을 것으로 판단된다.
- 성형가능 온도인 620℃까지 상부히터블록의 온도가 하부히터블록의 온도보다 미소한 차이로 빠르게 도달함을 보이고 있으나 전체적으로는 거의 유사하게 온도가 상승하고 하강하였다. 평면 유리 성형시스템의 온도제어장치는 성형 가능온도 620℃까지 올리고 무부하 유지시간, 평면유리를 누를 때까지의 시간, 평면유리를 누른 후 유지시간 동안 안전하게 성형 가능온도 620℃를 유지한 후 냉각시킬 수 있었다. 따라서 성형시스템의 온도제어장치는 평면유리를 스마트폰의 곡면유리 제조에 있어 안정한 온도 제어할 수 있었다.
후속연구
- 제작된 가압장치는 휴대폰 곡면유리 성형시스템의 성형 가능온도에서 평면유리에 힘을 유연하게 가할 수 있었고, 상하이동블록의 제어를 일정한 속도로 원활하게 수행할 수 있었으며, 유리처짐과 힘 그래프를 통해 곡면유리의 성형상태를 예측할 수 있을 것으로 판단된다. 그러므로 제작된 가압장치는 휴대폰 곡면유리 성형 시스템에서 평면유리를 성형하는데 활용할 수 있을 것으로 생각된다. 추후 연구로는 설계 및 제작된 가압시스템을 이용 하여 다양한 종류와 크기의 성형조건을 위한 특성실험을 실시할 예정이다.
- 620℃에서의 유지시간부터 누른 후 유지시간까지 210s 소요됨을 알 수 있었다. 따라서 본 연구에서 제작한 가압장치는 평면유리를 곡면유리로 제조하는데 사용될 수 있을 것으로 생각된다.
- 그러나 현재 평면유리 제조공정은 두꺼운 평면유리를 곡면으로 기계가공하여 제작하는 방식으로 가공 중에 파괴되기 쉬워 가공성공률이 매우 낮다. 따라서 종방향 혹은 횡방향으로 곡면을 가지는 스마트폰을 대량생산하기 위해서는 앞면 평면유리를 쉽게 대량으로 제조하는 기술개발이 필요하다.
- 유리의 처짐 그래프인 그림 11~13의 (a)중 최대로 처지는 구간에서 직선이 아닌 것으로 유리가 깨졌다는 것을 판단할수 있다. 이와 같은 결과로부터 본 논문에서 설계 및 제작한 가압시스템은 곡면유리를 제조할 때, 유리의 깨짐 등을 유리의 처짐과 힘의 그래프를 통해 판단할 수 있을 것으로 판단 된다.
- 그러므로 제작된 가압장치는 휴대폰 곡면유리 성형 시스템에서 평면유리를 성형하는데 활용할 수 있을 것으로 생각된다. 추후 연구로는 설계 및 제작된 가압시스템을 이용 하여 다양한 종류와 크기의 성형조건을 위한 특성실험을 실시할 예정이다.
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