KR100433174B1

KR100433174B1 - 레이저를 이용한 방사노즐 건식세정 장치 및 방법

Info

Publication number: KR100433174B1
Application number: KR1020030074313A
Authority: KR
Inventors: 이종명; 홍성도
Original assignee: 주식회사 아이엠티; 한국기계연구원; 홍성도
Priority date: 2003-10-23
Filing date: 2003-10-23
Publication date: 2004-05-28

Abstract

본 발명은 레이저를 이용하여 화학섬유 방사노즐 내부의 고분자 화합물질을 효과적으로 제거하기 위한 건식세정 장치 및 방법에 관한 것으로, 레이저빔과 화학섬유의 원재료인 고분자 화합물질과의 선택적 반응을 이용하여 방사노즐 금형의 손상없이 방사노즐 내부의 고분자 화합물질만을 선택적으로 제거하는 것을 특징으로 한다.

Description

레이저를 이용한 방사노즐 건식세정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DRY CLEANING OF INJECTION NOZZLE USING A LASER}

본 발명은 레이저를 이용하여 화학섬유 방사노즐 내부의 고분자 화합물질을 효과적으로 제거하기 위한 건식세정 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 방사 설비는 고품질의 화학섬유 원사를 제작하기 위한 핵심 설비로 방사노즐이 그 핵심 부품이다. 최근 방사 기술의 진보에 따라 방사노즐의 홀 직경(hole diameter)이 100㎛ 정도로 작아지고 있어 초미세 방사노즐 구멍의 클리닝이 중요한 문제로 부각되고 있다. 짧게는 3일, 길게는 40일 주기로 행하는 방사노즐의 세정은 현재 고온 열분해 또는 화학적 습식세정 방법을 이용하여 수행하고 있다.

도 1은 전형적인 방사노즐의 단면 형상을 보여주는데, 도시된 바와 같이 두께가 약 15~20㎜인 방사노즐 금형(2) 내부에 다수개의 방사노즐(1)이 존재하며, 보통 방사노즐(1)의 입구(3)는 직경이 약 1.5~2.5㎜, 출구(4)는 직경이 약 0.1~0.2㎜로 매우 좁다. 따라서, 이러한 방사노즐(1)의 형상적 특징상 내부에서 고형화된 화학섬유 물질(PE, PET, PP, N66 등)을 제거하는데 비드 브래스트(bead blast), 초음파, 드라이아이스 등을 이용하는 종래의 물리적 세정 방법으로는 세정이 거의 불가능하여, 현재 고온 열분해 또는 강력한 산, 염기 용액을 사용하는 화학적 습식세정 방법으로 물질을 녹여 제거하고 있다.

그러나, 최근의 방사노즐(1) 구경의 초미세화 경향에 따라 현재 사용되는 고온 열분해 또는 화학적 습식세정 방법으로도 완전한 클리닝을 제공하지 못해 많은 불량이 발생되고 있으며, 특히, 고온 열분해 방법을 사용시에는 막대한 양의 에너지 비용이 소요되는 한편, 화학적 습식세정 방법을 사용시에는 강산, 강알칼리의 유독성 화학용액을 사용함에 따라 작업환경이 매우 열악하고, 막대한 후처리 비용과 추가적인 폐수처리 설비가 필요되며, 복잡한 클리닝 공정으로 인해 공정시간이 과다하게 요구되고, 거대한 크기의 세정 시스템 및 장치의 관리상 어려움이 있으며, 방사노즐(1)의 긴급 클리닝 요구시 대응할 수 없다는 등의 문제점도 있다.

본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로써, 청정 에너지인 레이저를 이용하여 발진기로부터 발생된 레이저빔을 방사노즐에 조사하여 방사노즐 내부의 화학섬유의 원재료인 고분자 화합물질과 선택적으로 반응시켜 방사노즐 모재인 금형의 손상없이 방사노즐 내부의 고분자 화합물질만을 선택적으로 제거하는 레이저를 이용한 방사노즐 건식세정 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 방사노즐 금형에 다수개 형성된 방사노즐내의 고분자 화합물질을 제거하는 장치로, 레이저빔을 생성하는 레이저발진기와, 상기 레이저발진기로부터 방출되는 상기 레이저빔을 집속시키는 초점미러와, 상기 방사노즐 금형이 안착되는 작업대와, 상기 초점미러에서 집속된 상기 레이저빔을 상기 방사노즐 금형측으로 분사시키는 레이저노즐을 포함하는 레이저를 이용한 방사노즐 건식세정 장치를 제공한다.

바람직하게, 본 발명의 레이저를 이용한 방사노즐 건식세정 장치는, 상기 방사노즐 금형상의 상기 방사노즐의 위치를 인식하는 비젼센서와, 상기 방사노즐을 관통하여 방출되는 상기 레이저빔을 측정하여 클리닝된 정도를 모니터링하기 위해 구비되는 광센서와, 상기 비젼센서 및 상기 광센서로부터 신호를 입력받아 전반적인 제어를 실행하는 통합제어기를 더 포함할 수 있다.

그리고, 상기 레이저빔에 의해 상기 방사노즐에서 증발 방출되는 고분자 화합물질의 분진을 제거하기 위한 가스를 취입하는 가스분사노즐이나 분진을 흡입하여 제거하는 집진기를 더 포함할 수 있다.

한편, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 방사노즐 금형에 다수개 일체 형성된 방사노즐내의 화학섬유의 원재료인 고분자 화합물질을 제거하는 방법으로, (a) 상기 방사노즐 금형에서 클리닝 대상의 상기 방사노즐의 위치를 인식하는 단계와, (b) 충분한 에너지를 가진 레이저빔을 생성하여 상기 방사노즐에 조사하는 단계와, (c) 상기 방사노즐의 전부를 클리닝하도록 상기 방사노즐 금형과 레이저빔이 각각에 대해 상대 이동함으로써 스캔닝하는 단계와, (d) 상기 레이저빔의 조사에 의해 상기 방사노즐에서 증발 방출되는 상기 고분자 화합물질의 분진을 제거하는 단계를 포함하는 레이저를 이용한 방사노즐 건식세정 방법을 제공한다.

바람직하게, 상기 (b) 단계는, 상기 방사노즐의 입구측으로부터 관통 방향으로 조사하는 단계와, 상기 방사노즐의 입구측으로부터 관통 방향을 축으로 5~30°범위로 경사지게 조사하는 단계와, 상기 방사노즐의 출구측으로부터 관통 방향으로 조사하는 단계로 이루어질 수 있다.

본 발명의 상기 목적과 여러가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 아래에 기술되는 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.

도 1은 전형적인 화학섬유 방사노즐의 형상 단면도,

도 2는 본 발명에 따른 레이저를 이용한 방사노즐 건식세정 장치에 대한 개략도,

도 3은 본 발명에 따른 레이저를 이용한 방사노즐 건식세정 장치의 일부분에 대한 개략도,

도 4는 본 발명에 따른 3스텝에 걸친 레이저빔 조사공정을 설명하는 도면,

도 5는 본 발명에 따른 레이저빔 조사방법을 설명하는 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 방사노즐 2 : 방사노즐 금형

3 : 방사노즐 입구 4 : 방사노즐 출구

5 : 방사노즐 깊이 6 : 작업대

7 : 비젼센서 8 : 통합제어기

9 : 광센서 10 : 신호증폭기

11 : 레이저발진기 12 : 레이저빔

13 : 빔전송장치 14 : 반사미러

15 : 초점미러 16 : 보호유리

17 : 레이저빔초점 18 : 초점과 방사노즐 금형 표면간 거리

19 : 레이저노즐 21, 22 : 가스공급기

23a, 23b : 가스유량제어기 24 : 가스분사노즐

25 : 집진기 26 : 흡입펌프

이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 레이저를 이용한 방사노즐 건식세정 장치에 대한 개략도를 나타낸 도 2를 참조로, 화학섬유 방사노즐(1) 내부의 고분자 화합물질에 대한 세정 공정을 이하 단계적으로 설명한다.

제 1 단계로, 클리닝하고자 하는 방사노즐 금형(2)상의 방사노즐(1)의 위치를 인식한다. 이를 위해서는 크게 두가지 방법이 있는데, 하나는 규격화된 방사노즐 금형(2)의 CAD 데이터와 같은 설계 데이터를 이용하여 클리닝 대상의 방사노즐(1)의 위치를 인식하는 것이며, 다른 하나는 CCD 카메라와 같은 비젼센서(7)를 이용하여 클리닝전 방사노즐 금형(2)의 표면 형상을 자동으로 인식하는 것이다. 바람직하게, 방사노즐 금형(2)이 다양한 형상을 가지므로비젼센서(7)를 이용하는 방법이 CAD 데이터를 이용하는 방법보다 유용할 것이다. 이러한 방법을 통해 인식된 방사노즐 금형(2)상의 방사노즐(1)의 위치 데이터는 통합제어기(8)로 입력되어 통합제어기(8)에 의한 레이저발진기(11) 및 클리닝이 수행되는 작업대(6)의 자동 동작제어에 이용된다.

제 2 단계로, 인식된 방사노즐(1)의 위치를 기반으로 레이저빔(12)을 방사 노즐(1)에 조사한다. 통합제어기(8)에 의해 동작제어되는 레이저발진기(11)에서 생성된 레이저빔(12)은 빔전송장치(13)내의 반사미러(14)에서 반사되어 유도되며, 초점렌즈(15)를 통해 집속된 후, 보호유리(16)를 투과하여 조사된다. 사용되는 레이저로는 고분자 화합물질에 흡수가 잘 되고 방사노즐 금형(2) 모재인 스테인레스강(STS) 표면에서 반사가 잘 되는 적외선 파장의 레이저 즉, 파장이 760㎚ 이상의 다이오드 레이저, 파장이 1.06㎛인 Nd:YAG 레이저, 파장이 5~6.4㎛인 CO 레이저 또는 파장이 10.6㎛인 CO₂레이저가 이용되는 것이 바람직하다. 특히, 파장이 10.6㎛로 가장 긴 CO₂레이저의 경우, 고분자 화합물질에 대한 흡수도가 매우 커서 고분자 화합물질의 효과적인 온도 상승에 의한 증발 현상을 일으킴으로써 고분자 화학물질만의 선택적 제거를 용이하게 한다. 그리고, 충분한 클리닝 속도를 얻기 위해서 레이저 출력이 100W 이상의 레이저를 이용하는 것이 좋으며, 레이저빔(12)의 출력 형태도 연속파 레이저빔보다 펄스파 레이저빔을 이용하는 것이 좋은데, 펄스파 레이저빔중에서도 펄스 폭(pulse width)이 짧을수록 유리하여 나노초(nanoseconds) 대의 짧은 펄스 폭을 가진 TEA(Transversely ExcitedAtmospheric pressure ; 횡여기 대기압) CO₂레이저를 이용하는 것이 좋다.

더불어, 본 발명에 따르면, 클리닝의 효율성을 높이기 위해 레이저빔(12)을 조사함과 동시에 가스를 취입하게 된다. 즉, 입구(3)가 넓고 출구(4)가 매우 좁은 방사노즐(1) 형상의 특징상 좁은 출구(4)의 효과적인 클리닝을 위하여 가스공급기(21)를 이용해 고압의 가스를 레이저빔(12)의 진행 방향과 동일한 방향으로 취입시켜 준다. 이를 위해 빔전송장치(13)의 출구측에 하향되게 구비되는 레이저노즐(19)의 일측으로 가스공급기(21)로부터 가스가 유입되어 레이저빔(12)과 동시에 분사되게 된다. 덧붙여, 공급되는 가스는 가스유량제어기(23a)에서 그 공급 유량이 제어된다.

제 3 단계로, 방사노즐 금형(2)내에 다수개 존재하는 모든 방사노즐(1)을 클리닝하기 위해 스캔닝(scanning)한다. 이를 위해서는 두가지 방법이 있는데, 하나는 방사노즐 금형(2)의 위치는 고정되고 레이저빔(12)이 움직이는 것이고, 다른 하나는 레이저빔(12)의 위치는 고정되고 방사노즐 금형(2)이 안착된 작업대(6)가 움직이는 것으로, 방사노즐 금형(2)의 형상에 따라 어느 한 방법을 채택하거나 두가지 방법을 동시에 이용할 수 있다. 그러나, 장치구조나 안전성 등을 고려하면 작업대(6)가 움직이는 방법이 보다 바람직할 것이다.

마지막 제 4 단계로, 조사된 레이저빔(12)이 방사노즐(1)내의 고분자 화합물질에 흡수됨으로써 증발되어 방출되는 고분자 화합물질의 분진을 제거하기 위해 가스를 취입한다. 이를 위해 가스공급기(22)에 가스유량제어기(23b)를 통해 연결된가스분사노즐(24)을 방사노즐 금형(2) 측부에 구비시켜 방사노즐 금형(2)에 가스를 고압으로 분사하여 분진을 제거시킴으로써 발생 분진에 의해 방사노즐(1)이 2차 오염되는 것을 방지한다. 이와 다르게, 방사노즐 금형(2) 측부에 흡입펌프(26)에 연결된 집진기(25)를 구비시켜 발생 분진을 흡입 제거시킬 수도 있다.

본 발명에서, 클리닝의 효율성을 높이거나 발생 분진을 제거하기 위해 취입되는 가스로는 일반적인 압축공기를 이용할 수 있으나 질소가스를 이용함으로써 방사노즐 금형(2) 표면에서 발생될 수 있는 열산화를 방지시킬 수도 있다.

도 4는 본 발명에 따른 3단계에 걸친 레이저빔 조사공정을 설명하는 도면이다.

전술한 바와 같이, 입구(3)는 넓으나 출구(4)가 좁은 방사노즐(1)의 형상적 특징상, 방사노즐(1) 내부에 존재하는 고분자 화합물질을 효과적으로 제거하기 위하여 3스텝에 걸친 레이저빔(12)의 조사가 필요된다.

제 1 조사 스텝은 방사노즐(1)의 관통 방향으로 입구(3)측으로부터 레이저빔(12)을 조사하여 매우 좁은 직경의 방사노즐(1) 출구(4)를 관통시키는 것으로, 이는 레이저빔(12)이 가진 직진성을 이용하여 좁은 출구(4)에 레이저 에너지를 집중시켜 미세한 방사노즐(1) 내부의 고분자 화합물질을 증발 제거시킨다.

제 2 조사 스텝은 방사노즐(1)의 방향과 약간 경사진 각도(θ)로 레이저빔(12)을 조사하여 방사노즐(1)의 내부 벽면에 부착되어 있는 고분자 화합물질을 제거시키는 것으로, 이때 레이저빔(12)의 입사각도(θ)는 5~30°범위가 적정하다.

제 3 조사 스텝은 방사노즐(1)의 관통 방향으로 출구(4)측으로부터 레이저빔(12)을 조사하여 가장 중요한 클리닝 대상위치인 좁은 출구(4)를 다시 한번 관통시켜 클리닝을 수행함과 더불어 출구(4) 주위에 부착된 오염물질을 제거시킨다.

한편, 전술한 바와 같이 충분한 클리닝 에너지를 얻기 위해 레이저빔(12)을 초점미러(15)를 통해 집속시켜 사용하는데, 초점미러(15)에서 집속된 후 맺히게 되는 레이저빔(12)의 초점(17)은 매우 중요한 가공인자로, 도 5에 나타낸 바와 같이, 초점(17)을 방사노즐 금형(2) 표면의 상부에 맺히게 함으로써 방사노즐(1) 내부로 인입되는 레이저빔(12)이 방사노즐(1) 내부 벽면에서 다중 반사되어 효과적인 클리닝이 이루어지도록 한다. 이러한 비초점 레이저빔(12)은 출력밀도가 작아 방사노즐 금형(2) 모재의 손상을 또한 방지한다. 여기서, 바람직하게 초점(17)과 방사노즐 금형(2) 표면간의 거리(18)는 2~200㎜ 범위가 적당하다.

한편, 본 발명에 따르면, 도 3에 나타낸 바와 같이, 방사노즐(1) 출구(4) 후방측에 광센서(9)를 구비시켜 방사노즐(1)을 관통하여 방출되는 레이저빔(12)을 측정함으로써 방사노즐(1)에 대한 클리닝이 잘 이루어졌는지를 실시간으로 모니터링하며, 측정결과에 대한 신호는 광센서(9)로부터 신호증폭기(10)를 거쳐 통합제어기(8)로 입력되어 통합제어기(8)가 클리닝된 정도를 판단하여 다음 클리닝 공정을 수행하거나 레이저발진기(11)를 제어하여 레이저빔 관련 파라미터 등을 조정하게 된다.

결과적으로, 본 발명에 따르면, 청정 에너지인 레이저를 이용하여 매우 미세한 방사노즐(1) 내부를 신속하고, 효과적이며, 저비용으로, 오폐수의 발생없이 클리닝할 수 있으며, 다음과 같은 분야에 구체적으로 적용할 수 있다.

1. 화학섬유 제조공정

2. 매우 미세한 홀을 가지는 정밀 금형 제조 및 사용공정.

이상, 상기 내용은 본 발명의 바람직한 일 실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명의 당업자는 본 발명의 요지를 변경시킴이 없이 본 발명에 대한 수정과 변경을 가할 수 있음을 인지해야 한다.

본 발명에 따르면, 기존 고온 열분해 또는 화학적 습식세정 방법에 의한 클리닝과 비교하여, 어떠한 오폐수도 발생되지 않아 작업환경이 쾌적하고, 부가적인 후처리공정이 필요되지 않으며, 세정 소모품도 필요없어 제조원가 절감을 이루고, 레이저빔과 고분자 화합물질간의 선택적 반응을 이용하므로 금형 모재의 손상도 없으며, 미세한 직경의 방사노즐 출구를 완전하게 클리닝할 수 있고, 클리닝 공정의 자동화가 용이하며, 방사노즐의 긴급 세정 요구시 빠른 클리닝 속도에 의한 효과적 대처가 가능하다는 등의 다대한 효과가 달성될 수 있다.

Claims

방사노즐 금형에 다수개 형성된 방사노즐내의 고분자 화합물질을 제거하는 장치로,

레이저빔을 생성하는 레이저발진기와,

상기 레이저발진기로부터 방출되는 상기 레이저빔을 집속시키는 초점미러와,

상기 방사노즐 금형이 안착되는 작업대와,

상기 초점미러에서 집속된 상기 레이저빔을 상기 방사노즐 금형측으로 분사시키는 레이저노즐을 포함하는 레이저를 이용한 방사노즐 건식세정 장치.
제 1항에 있어서,

상기 방사노즐 금형상의 상기 방사노즐의 위치를 인식하는 비젼센서와,

상기 방사노즐을 관통하여 방출되는 상기 레이저빔을 측정하여 클리닝된 정도를 모니터링하기 위해 구비되는 광센서와,

상기 비젼센서 및 상기 광센서로부터 신호를 입력받아 전반적인 제어를 실행하는 통합제어기를 더 포함하는 레이저를 이용한 방사노즐 건식세정 장치.
제 2항에 있어서,

상기 레이저빔의 조사에 의해 상기 방사노즐에서 증발 방출되는 고분자 화합물질의 분진을 제거하기 위한 가스를 취입하도록 상기 작업대 상부측에 구비되는가스분사노즐을 더 포함하는 레이저를 이용한 방사노즐 건식세정 장치.
제 2항에 있어서,

상기 레이저빔의 조사에 의해 상기 방사노즐에서 증발 방출되는 고분자 화합물질의 분진을 흡입하여 제거하는 집진기를 더 포함하는 레이저를 이용한 방사노즐 건식세정 장치.
제 2항에 있어서,

상기 레이저노즐의 일측으로 가스가 유입되어 상기 레이저빔과 동시에 분사되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 방사노즐 건식세정 장치.
제 1항 내지 제 5항에 있어서,

상기 레이저발진기로부터 방출되는 상기 레이저빔을 상기 초점미러로 유도하여 전송시키는 반사미러를 더 포함하는 레이저를 이용한 방사노즐 건식세정 장치.
제 1항 내지 제 5항에 있어서,

상기 레이저빔으로 파장이 750㎚ 이상인 적외선 파장의 레이저를 이용하되,

다이오드 레이저, Nd:YAG 레이저, CO 레이저, CO₂레이저중의 선택된 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 방사노즐 건식세정 장치.
제 1항 내지 제 5항에 있어서,

상기 방사노즐의 관통 방향을 축으로 5~30°범위로 경사지게 상기 레이저빔을 조사하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 방사노즐 건식세정 장치.
제 1항 내지 제 5항에 있어서,

상기 방사노즐 금형의 표면에서 2~200㎜ 높이에 상기 레이저빔의 초점을 맺히게 하여 조사하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 방사노즐 건식세정 장치.
제 3항 또는 제 5항에 있어서,

상기 가스로 압축공기 또는 질소가스중 선택된 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 방사노즐 건식세정 장치.
방사노즐 금형에 다수개 일체 형성된 방사노즐내의 화학섬유의 원재료인 고분자 화합물질을 제거하는 방법으로,

(a) 상기 방사노즐 금형에서 클리닝 대상의 상기 방사노즐의 위치를 인식하는 단계와,

(b) 충분한 에너지를 가진 레이저빔을 생성하여 상기 방사노즐에 조사하는 단계와,

(c) 상기 방사노즐의 전부를 클리닝하도록 상기 방사노즐 금형과 레이저빔이각각에 대해 상대 이동함으로써 스캔닝하는 단계와,

(d) 상기 레이저빔의 조사에 의해 상기 방사노즐에서 증발 방출되는 상기 고분자 화합물질의 분진을 제거하는 단계를 포함하는 레이저를 이용한 방사노즐 건식세정 방법.
제 11항에 있어서,

상기 (b) 단계는,

상기 방사노즐의 입구측으로부터 관통 방향으로 조사하는 단계와,

상기 방사노즐의 입구측으로부터 관통 방향을 축으로 5~30°범위로 경사지게 조사하는 단계와,

상기 방사노즐의 출구측으로부터 관통 방향으로 조사하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 방사노즐 건식세정 방법.