KR100693299B1 - 가스가 봉입된 유리관을 레이저를 이용하여 밀봉/절단하는장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 외부보다 낮은 압력으로 가스가 채워져 있는 유리관을 가스의 누출 없이 절단과 밀봉을 동시에 수행할 수 있도록 하기 위한 가스가 봉입된 유리관을 레이저를 이용하여 밀봉/절단하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 가공 시 사용되는 레이저 광원을 공급하여 레이저빔을 조사하는 레이저; 레이저빔이 유리관 표면까지 조사될 수 있도록 하는 빔가이드 장치; 가스를 공급하고, 저장하는 가스 챔버; 가공할 유리관을 삽입시켜 고정할 수 있는 유리관척; 상기 유리관척을 잠그고 풀 수 있도록 하는 척홀더; 가스를 이송하기 위한 가스 이송관; 상기 유리관으로 가스를 주입할 수 있도록 하는 가스주입용 on-off 자동밸브; 상기 유리관척에 고정된 유리관이 휘지 않도록 하는 제 1 유리관 지지대; 상기 유리관척에 삽입되어 고정된 유리관의 타측에 연결되어 상기 유리관이 회전되도록 하는 회전척; 상기 유리관척과 상기 회전척에 연결되어 유리관이 회전디도록 하는 회전벨트; 유리관 이송시 휘어짐을 방지하는 제 2 유리관 지지대; 상기 회전벨트를 회전시키고, 상기 유리관을 일정 거리 이송시키기위한 회전모터 및 이송 스테이지; 및 상기 레이저가 단속적으로 레이저빔을 유리관으로 조사할 수 있도록 하는 제어부로 구성되는 것을 특징으로 한다.

레이저, 밀봉/절단 공정, on-off (단속적) 조사, 유리관

Description

가스가 봉입된 유리관을 레이저를 이용하여 밀봉/절단하는 장치 및 방법{A SEALING/CUTTING PROCESSING APPARATUS FOR GAS FILLED GLASS TUBES AND METHOD THEREOF}

도 1은 유리관 내/외부 압력차에 의해 절단면이 빨려 들어가는 것을 도시한 도면,

도 2의 (a)는 레이저를 연속 주사할 때의 유리관 모양을 도시한 도면,

(b)는 레이저 연속 주사를 위한 파형도,

도 3의 (a)는 레이저를 단속적으로 주사할 때의 유리관 모양을 도시한 도면,

(b)는 레이저 단속적 주사를 위한 파형도,

도 4는 본 발명인 가스가 봉입된 유리관을 레이저를 이용하여 밀봉/절단하는 장치의 구성을 설명하기 위한 도면이고,

도 5는 본 발명인 가스가 봉입된 유리관을 레이저를 이용하여 밀봉/절단하는 방법을 설명하기 위한 블록도이다.

*** 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 ***

1 : 레이저 2 : 레이저 빔

3 : 빔가이드 장치 4 : 가스 챔버

5 : 유리관 6 : 척홀더

7 : 유리관척 8 : 가스관

9 : 솔레노이드 밸브 10 : 제 1 유리관 지지대

12 : 회전척 13 : 회전 벨트

15 : 제 2 유리관 지지대 16 : 회전 모터 및 이송 스테이지

17 : 차폐 가스 주입구 18 : 레이저빔

19 : 유리관

본 발명은 가스가 봉입된 유리관을 레이저를 이용하여 밀봉/절단하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

보다 상세하게는 외부보다 낮은 압력으로 가스가 채워져 있는 유리관을 가스의 누출 없이 절단과 밀봉을 동시에 수행할 수 있도록 하기 위한 가스가 봉입된 유리관을 레이저를 이용하여 밀봉/절단하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

최근 유리소재는 디스플레이, 바이오 및 의약산업의 발달로 그 활용도가 매우 높아져 기존의 수작업 공정에서 점차적으로 정밀성, 대량 생산, 자동화 공정으로 대체되고 있다.

특히 디스플레이 산업에서 유리관 가공은 중요한 비중을 차지한다.

FPD (Flat Panel Display)나 노트북에 쓰이는 BLU (Back Light Unit)의 발광원인 냉음극형광등(CCFL, Cold Cathode Fluorescent Lamp)은 borosilicate 성분의 미세 유리관으로 만든다.

상기 램프는 유리관내에 가스와 전극봉을 넣은 후에 토치를 사용하여 밀봉하는 방법으로 제조된다. 이와 유사하게 미세한 유리관에 방사성 가스를 넣고 레이저로 밀봉하여 자체발광 램프도 만들 수 있는데, 이는 LCD (Liquid Crystal Display)의 BLU나 시계, 그 밖의 디스플레이 소자에 응용할 수 있다.

이러한 자체발광 램프는 전원의 공급이 필요 없고 수명이 길다는 장점이 있어 앞으로 응용분야가 많아질 것으로 예상된다.

토치를 이용하여 유리관을 밀봉하는 데는 밀봉부위에 열을 가하여 용융된 유리가 내부를 채우도록 한다. 내부를 채운 후에 유리관 양쪽 끝을 잡아당기면서 절단한다. 상기와 같은 공정은 열에 영향을 받는 영역이 넓으며 공정시간이 레이저 가공에 비하여 많이 소요되고, 직경이 매우 미세한 유리관인 경우, 정밀한 밀봉을 수행하기에는 어렵다는 문제점이 있다.

또한, 상기와 같이 토치를 이용하는 기술은 공정은 짧은 길이로 절단하는 공정은 거의 불가능하다는 문제점이 있다.

그리고, 상기와 같이 토치를 이용하는 기술은 숙련된 작업자의 경험을 바탕으로 제작되는 수공업 성격이며, 미세한 유리관에 대한 밀봉/절단 적용은 매우 어려운 공정이다.

1980년대 초 레이저를 이용한 유리 밀봉기술이 소개되면서 다양한 응용분야 에 적용이 되어왔다. 종래의 레이저를 이용한 유리관 밀봉은 대부분 가스가 주입되지 않은 상태에서 단순히 한쪽 끝을 비스듬한 각도로 입사하여 밀봉하거나 두 개의 유리판의 맞닿은 면을 접합시키는 공정기술이었다.

미세 유리관 밀봉/절단은 회전없이 밀봉/절단을 하기 때문에 절단면의 대칭성이 떨어진다는 문제점이 있다.

또한 유리관 내외부의 압력차가 큰 경우 종래의 레이저 밀봉기술로는 용융된 유리가 안쪽으로 빨려 들어가는 현상이 나타나 가공품질을 감소시키거나 심하면 구멍이 나서 밀봉이 불가능하다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기에 기술한 바와 같이 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 기존의 공정과는 달리 유리관을 회전시키면서 레이저를 조사하여 유리가 고르게 용융되면서 유리관 내부를 채워 들어가서 밀봉이 되고 나중에는 절단까지 되어, 내부가스의 누출 없이 깨끗하고 대칭적인 우수한 절단면을 짧은 시간에 얻을 수 있도록 하기 위한 가스가 봉입된 유리관을 레이저를 이용하여 밀봉/절단하는 장치 및 방법을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 레이저를 on-off (단속적)로 조사하여 용융 후 냉각을 하고, 다시 용융하는 방식으로 단계적으로 관경을 축소하여 밀봉하기 위한 가스가 봉입된 유리관을 레이저를 이용하여 밀봉/절단하는 장치 및 방법을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 또다른 목적은 밀봉/절단 시간을 단축하여 열에 영향을 받는 면적을 최소화하여 수 mm 길이의 미세한 밀봉/절단을 할 수 있도록 하는 등 정밀제어가 가능하고 재현성이 우수하여 자동화 및 대량생산에 적용할 수 있는 가스가 봉입된 유리관을 레이저를 이용하여 밀봉/절단하는 장치 및 방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 제안된 본 발명의 일 실시예는, 가공 시 사용되는 레이저 광원을 공급하여 레이저빔을 조사하는 레이저; 레이저빔이 유리관 표면까지 조사될 수 있도록 하는 빔가이드 장치; 가스를 공급하고, 저장하는 가스 챔버; 가공할 유리관을 삽입시켜 고정할 수 있는 유리관척; 상기 유리관척을 잠그고 풀 수 있도록 하는 척홀더; 가스를 이송하기 위한 가스 이송관; 상기 유리관으로 가스를 주입할 수 있도록 하는 가스주입용 on-off 자동밸브; 상기 유리관척에 고정된 유리관이 휘지 않도록 하는 제 1 유리관 지지대; 상기 유리관척에 삽입되어 고정된 유리관의 타측에 연결되어 상기 유리관이 회전되도록 하는 회전척; 상기 유리관척과 상기 회전척에 연결되어 유리관이 회전디도록 하는 회전벨트; 유리관 이송시 휘어짐을 방지하는 제 2 유리관 지지대; 상기 회전벨트를 회전시키기 위한 회전 모터; 상기 유리관을 일정 거리 이송시키기위한 이송 스테이지; 및 상기 레이저가 단속적으로 레이저빔을 유리관으로 조사할 수 있도록 하는 제어부로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 실시예는, 가스가 주입된 유리관을 밀봉/절단하는 방 법에 있어서, 가공할 유리관을 유리관척에 고정시키는 제 1 단계; 상기 유리관척에 고정된 유리관을 회전시키는 제 2 단계; 및 상기 회전되는 유리관의 소정 부위로 레이저빔을 단속적으로 조사하는 제 3 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 제 3 단계에서 조사되는 레이저 빔의 조사범위는, 유리관의 직경 및 두께를 이용하여 용융해야할 유리의 양을 결정한 후 결정되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 제 3 단계에서 레이저 빔의 조사 중단 회수는 유리관의 직경 대 두께의 비가 클수록 그 회수가 증가되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 제 3 단계에서 레이저 빔의 조사시간은, 조사 중단회수로부터 1회 용융해야할 유리의 양을 계산하고, 상기 계산된 유리의 양을 토대로하여 조사시간이 결정되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 제 3 단계에서 레이저 빔의 조사 중단시간은, 레이저 빔 조사시간에 의해 결정되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 제 2 단계의 유리관 회전속도는, 상기 레이저 조사시간동안 최소한 1회 이상 회전할 수 있도록 레이저 조사시간에 따라 결정되는 것이 바람직하다.

이하의 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 갖는 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위한 것으로, 본 발명 의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 목적, 작용효과를 포함하여 기타 다른 목적들, 특징들은 바람직한 실시예의 설명에 의해 보다 명확해질 것이다.

첨부도면 도 4에 도시된 바와 같이, 가공 시 사용되는 레이저 광원을 공급하여 레이저빔을 조사하는 레이저(1)와, 레이저빔이 유리관 표면까지 조사될 수 있도록 하는 빔가이드 장치(3)와, 가스를 공급하고, 저장하는 가스 챔버(4)와, 가공할 유리관(5)을 삽입시켜 고정할 수 있는 유리관척(7)과, 상기 유리관척(7)을 잠그고 풀 수 있도록 하는 척홀더(6)와, 가스를 이송하기 위한 가스관(8)과, 상기 유리관(5)으로 가스를 주입할 수 있도록 하는 가스주입용 on-off 자동밸브(9)와, 상기 유리관척(7)에 고정된 유리관(5)이 휘지 않도록 하는 제 1 유리관 지지대(15)와, 상기 유리관척(7)에 삽입되어 고정된 유리관(5)의 타측에 연결되어 상기 유리관(5)이 회전되도록 하는 회전척(12)과, 상기 유리관척(7)과 상기 회전척(12)에 연결되어 유리관(5)이 회전되도록 하는 회전벨트(13)와, 유리관(5) 이송시 휘어짐을 방지하는 제 2 유리관 지지대(15)와, 상기 회전벨트(13)를 회전시키고, 상기 유리관(5)을 일정 거리 이송시키기위한 회전 모터 및 이송 스테이지(16)와, 상기 레이저(1)가 단속적으로 레이저빔을 유리관(5)으로 조사할 수 있도록 하는 제어부로 구성된다.

상기 레이저(1)는 CO₂ 레이저이다.

그리고, 상기 빔 가이드 장치(3)는 3축 이송대, 거울 및 렌즈로 이루어진다.

그리고, 상기 가스주입용 on-off 자동밸브(9)는 솔레노이드 밸브이다.

상기와 같이 구성된 가스가 봉입된 유리관을 레이저를 이용하여 밀봉/절단하는 장치의 작용에 대해 설명하면 다음과 같다.

먼저 가스가 봉입된 유리관을 레이저를 이용하여 밀봉/절단하는 장치는 가공할 유리관을 유리관척에 고정시키는 제 1 단계, 상기 유리관척에 고정된 유리관을 회전시키는 제 2 단계와, 상기 회전되는 유리관의 소정 부위로 레이저빔을 단속적으로 조사하는 제 3 단계로 이루어진다.

먼저 유리관척(7)에 가공할 유리관(5)을 고정시킨 후 밀봉/절단 명령을 입력하면 제어부는 회전모터 및 이송스테이지(16)를 제어하여 유리관(5)이 회전되도록 하고 레이저(1)를 제어하여 회전되는 유리관(5)에 레이저 빔이 조사되도록 한다.

이때, 첨부 도면 도 2b에 도시된 바와 같이 레이저 빔을 연속적으로 유리관(5)에 조사하면 유리관(5)을 절단하였을 때 첨부 도면 도 1 및 도 2a에 도시된 바와 같이 절단면이 유리관(5) 내/외부 압력차에 의해 내측으로 빨려 들어간다.

그러나, 본 발명을 적용시켜 첨부 도면 도 3b에 도시된 바와 같이 레이저 빔을 단속적으로 유리관(5)에 조사하면, 레이저 빔의 조사가 중단된 시간동안 쉴드 가스(shield gas)에 의해 밀봉/절단부의 용융되었던 유리관(5)을 냉각되어 첨부 도면 도 3a에 도시된 바와 같이 절단면이 내측으로 빨려 들어가는 현상이 현저하게 줄어들게 된다.

즉, 유리관(5) 내, 외부의 압력차가 클 때는 용융된 유리가 유리관(5) 내측으로 빨려 들어가는 현상이 나타나는데 이것은 절단면의 가공품질을 감소시키고 심 지어는 밀봉이 되지 않고 구멍이 생기는 요인이 된다.

본 발명의 공정에서는 내부가스의 누출 없이 밀봉과 절단이 동시에 이루어지며, 절단면이 유리관(5)에 직각이고, 깨끗하며, 두께가 균일하고 용융된 유리가 안쪽으로 빨려 들어가는 현상이 없다. 또한 유리관(5)이 가열되는 범위와 가열시간이 짧아 열에 의해 영향을 받는 범위가 작다.

한편, 레이저(1)의 조사범위는 레이저 빔의 직경에 의해 결정되며 레이저빔의 직경은 렌즈를 사용하여 레이저 빔의 defocusing되는 정도를 조절하여 결정된다. 레이저 조사범위에 의해 용융되는 유리의 양이 결정되기 때문에 유리관의 직경 및 두께에 따라 필요한 용융량을 계산하여 조사범위를 결정한다. 즉, 제어부는 유리관(5)의 직경과 두께를 고려하여 용융해야할 유리의 양을 결정하고 이로부터 레이저빔 조사범위를 결정한다. 그리고, 렌즈를 조절하여 레이저빔의 직경을 조절한다.

그리고, 제어부는 레이저 조사시간과 레이저 조사 중단 회수를 결정해야 하는데, 레이저 조사시간은 1회에 용융되는 유리의 양을 결정하고 레이저 조사 중단회수는 몇 회에 걸쳐 레이저를 조사하는 가를 결정하는 것이기 때문에 상호간에 밀접한 관계가 있다. 즉 레이저 조사를 n회 중단하는 것은 레이저를 n+1회 조사하는 것이 되므로 용융되는 유리의 총량을 n+1회로 나누어 용융해야 한다. 따라서 중단회수가 증가하면 조사시간은 줄어들게 된다. 레이저 조사를 여러 차례에 실시하는 것은 앞에 설명한 바와 같이 관경을 단계적으로 축소하여 밀봉/절단면이 빨려 들어가는 것을 방지하기 위한 것으로서 조사회수가 너무 적으면 밀봉/절단면이 빨려 들 어가게 되고 너무 많으면 밀봉/절단에 시간이 오래 걸리고 에너지 소모가 커져서 비효율적이 된다.

즉, 제어부는 레이저를 중단하는 시간동안에는 차폐 가스에 의하여 용융부가 냉각이 되는데 용융된 유리의 양이 많으면 냉각에 시간이 더 필요하게 되므로 조사시간이 길어지면 중단시간도 길어지게 된다.

그리고, 제어부는 유리관의 직경과 두께를 고려하여 레이저빔 조사 중단회수를 결정한다. 유리관의 직경 대 두께의 비가 클수록 용융된 유리가 빨려 들어가기 쉬우므로 중단회수를 증가시켜야 한다.

또한, 제어부는 조사 중단회수로부터 1회에 용융해야할 유리의 양을 계산하고 이로부터 레이저빔 조사시간을 결정한다.

또한, 제어부는 레이저빔 조사시간으로부터 레이저빔 조사 중단시간을 결정한다. 조사를 중단하는 시간동안 차폐 가스에 의해 유리관이 냉각되므로 조사시간이 길어 용융된 유리의 양이 많아지면 냉각시간도 증가시켜야 한다.

마지막으로 제어부는 유리관을 회전시키는 이유는 용융부위가 고르게 가열되도록 하기 위한 것이다. 즉, 레이저빔이 조사되는 동안 최소한 1회 이상 유리관이 회전되어야 한다. 따라서 조사시간이 짧아질수록 유리관의 회전속도도 빨라져야 한다. 단, 회전이 너무 빠르게 되면 유리관이 잘 가열되지 않으므로 최적 회전속도가 존재한다.

따라서, 본 발명은 외부보다 낮은 압력의 가스가 봉입된 유리관을 레이저로 용융하여 밀봉을 하면서 점차로 절단하여 가스의 누출 없이 밀봉과 절단을 동시에 할 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한 본 발명이 적용될 경우 가공 유리관의 밀봉/절단면이 유리관 축방향에 직각이고 두께가 균일하다는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 용융면적이 최소화되어 직경 수 mm의 미세한 유리관을 수 mm 길이로 절단하는 정밀 밀봉/절단이 가능하다는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 밀봉/절단 부위의 열에 영향을 받은 부분이 최소화된다는 효과가 있다.

여기에서 개시한 실시예는 여러 가지 실시가능한 예중에서 당업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 예를 선정하여 제시한 것일 뿐, 본 발명의 기술적 사상이 반드시 이 실시예만 의해서 한정되거나 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 물론, 균등한 타의 실시예가 가능함을 밝혀 둔다.

Claims (10)

1. 가공 시 사용되는 레이저 광원을 공급하여 레이저빔을 조사하는 레이저;

   레이저빔이 유리관 표면까지 조사될 수 있도록 하는 빔가이드 장치;

   가스를 공급하고, 저장하는 가스 챔버;

   가공할 유리관을 삽입시켜 고정할 수 있는 유리관척;

   상기 유리관척을 잠그고 풀 수 있도록 하는 척홀더;

   가스를 이송하기 위한 가스 이송관;

   상기 유리관으로 가스를 주입할 수 있도록 하는 가스주입용 on-off 자동밸브;

   상기 유리관척에 고정된 유리관이 휘지 않도록 하는 제 1 유리관 지지대;

   상기 유리관척에 삽입되어 고정된 유리관의 타측에 연결되어 상기 유리관이 회전되도록 하는 회전척;

   상기 유리관척과 상기 회전척에 연결되어 유리관이 회전되도록 하는 회전벨트;

   유리관 이송시 휘어짐을 방지하는 제 2 유리관 지지대;

   상기 회전벨트를 회전시키고, 상기 유리관을 일정 거리 이송시키기위한 회전 모터 및 이송 스테이지; 및

   상기 레이저가 단속적으로 레이저빔을 유리관으로 조사할 수 있도록 하는 제어부;

   로 구성되는 것을 특징으로 하는 가스가 봉입된 유리관을 레이저를 이용하여 밀봉/절단하는 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 레이저는,

   CO₂ 레이저인 것을 특징으로 하는 가스가 봉입된 유리관을 레이저를 이용하여 밀봉/절단하는 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 빔 가이드 장치는,

   3축 이송대, 거울 및 렌즈로 이루어진 것을 특징으로 하는 가스가 봉입된 유리관을 레이저를 이용하여 밀봉/절단하는 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 가스주입용 on-off 자동밸브는,

   솔레노이드 밸브인 것을 특징으로 하는 가스가 봉입된 유리관을 레이저를 이용하여 밀봉/절단하는 장치.
5. 가스가 주입된 유리관을 밀봉/절단하는 방법에 있어서,

   가공할 유리관을 유리관척에 고정시키는 제 1 단계;

   상기 유리관척에 고정된 유리관을 회전시키는 제 2 단계; 및

   상기 회전되는 유리관의 소정 부위로 레이저빔을 단속적으로 조사하는 제 3 단계;

   를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 가스가 봉입된 유리관을 레이저를 이용하여 밀봉/절단하는 방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 제 3 단계에서 조사되는 레이저 빔의 조사범위는,

   유리관의 직경 및 두께를 이용하여 용융해야할 유리의 양을 결정한 후 결정되는 것을 특징으로 하는 가스가 봉입된 유리관을 레이저를 이용하여 밀봉/절단하는 방법.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 3 단계에서 레이저 빔의 조사 중단 회수는 유리관의 직경 대 두께의 비가 클수록 그 회수가 증가되는 것을 특징으로 하는 가스가 봉입된 유리관을 레이저를 이용하여 밀봉/절단하는 방법.
8. 제 5 항에 있어서, 상기 제 3 단계에서 레이저 빔의 조사시간은,

   조사 중단회수로부터 1회 용융해야할 유리의 양을 계산하고, 상기 계산된 유리의 양을 토대로하여 조사시간이 결정되는 것을 특징으로 하는 가스가 봉입된 유리관을 레이저를 이용하여 밀봉/절단하는 방법.
9. 제 5 항에 있어서, 상기 제 3 단계에서 레이저 빔의 조사 중단시간은,

   레이저 빔 조사시간에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 가스가 봉입된 유리관을 레이저를 이용하여 밀봉/절단하는 방법.
10. 제 5 항에 있어서, 상기 제 2 단계의 유리관 회전속도는,

    상기 레이저 조사시간동안 최소한 1회 이상 회전할 수 있도록 레이저 조사시간에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 가스가 봉입된 유리관을 레이저를 이용하여 밀봉/절단하는 방법.

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