KR101061650B1 - 화학 강화를 이용한 강화 유리의 제조 장치 - Google Patents

화학 강화를 이용한 강화 유리의 제조 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 알카리 알루미나 실리케이트가 포함된 유리가 장착되되, 상기 유리와 접하는 하부 지지점에 판 스프링이 배치되어 유리의 자중에 따른 파손을 감소시키는 치구; 상면과 측면에 노출된 히터를 구비하여, 치구에 장착된 유리가 삽입되면 상기 유리를 120℃ 부터 278~345℃까지 승온시키는 예열로; 내부에 통을 구비하여 용해된 질산칼륨을 수용하며, 상기 예열로를 통과한 유리를 380~450℃의 질산칼륨 용액에 1.5 ~ 4시간 침지시켜 유리의 나트륨 이온을 질산칼륨의 칼륨 이온과 치환하는 강화로; 상기 강화로에서 이동된 유리를 70℃까지 냉각시키는 서냉로; 상기 서냉로에서 이동된 유리를 자연풍이나 대기 상태에서 35℃까지 급냉하는 공냉구간; 70℃ 온수를 구비하여, 상기 공냉구간을 통과한 유리를 15~20분간 상기 온수에 담가 유리 전체의 온도를 균일하게 하는 온수조;를 포함하는 강화 유리의 제조 장치에 관한 것이다.

Description

화학 강화를 이용한 강화 유리의 제조 장치 {Manufacturing Device of Glass Plate using Chemical Reinforcement}
본 발명은 화학 강화를 이용한 유리의 제조 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 박판 또는 후판의 유리를 예열로, 강화로, 서냉로, 공냉구간, 온수조를 거쳐 단계별로 승온시켜 예열하고, 칼륨 치환한 후, 서냉과 공냉과정을 거쳐 세척, 건조함으로써 유리의 표면에 압축응력을 부가하여 강화 유리를 제조하는 장치에 관한 것이다.
최근 휴대폰의 터치 스크린용으로 박판 형태의 스크래치 발생이 적고 투광성이 뛰어난 강화유리가 사용되는 것이 일반적이다.
일반적으로 유리는 인장강도만 갖고 있어, 충격이나 굽힘 등의 힘에 절대적으로 취약하다. 이러한 유리의 표면에 압축응력을 부가함으로써 유리의 총 인장강도를 부가된 압축응력과 유리 자체의 인장강도의 합으로 증가시켜 표면 강도, 내충격성, 굽힘 응력, 신율, 내열성, 내한성을 증가시킨 것이 강화유리이며, 건축용, 산업용, 선박용, 장식용, 전자용, 가전용 등 산업 전 분야에서 사용할 수 있다.
강화유리는 에칭 강화, 열강화, 화학강화 등을 통해 제작되는데, 에칭 강화는 유리 표면에 소형의 굴곡을 주는 방법으로 투과율이 현저하게 떨어지는 단점이 있다. 열강화는 가장 많이 사용되는 강화방식인데 유리 표면을 내부보다 고화시켜 압축강도를 높이는 방법으로 유리의 표면 온도를 720~750℃로 급가열하여 표면 유동성을 증가시킨 후 찬 냉매를 분사하여 급냉한다. 다만, 열경화는 유리 내부까지 열 침투를 방지하기 위해 일반적으로 유리 두께가 3mm 이상, 선팽창계수가 4.5×10-6/℃ 정도의 유리에만 적용할 수 있는 한계가 있다. 일반적으로 박판유리는 두께가 3mm 미만의 유리이며, 두께가 3mm 이상인 유리는 후판유리라 한다.
화학강화는 알카리 알루미노 실리케이트를 포함한 유리에 적용하며 유리 표면의 작은 이온을 큰 이온으로 치환하여 표면에 압축 응력을 발생시키는 방법이다. 화학 강화는 이미 약 30년 전에 일본에서 개발된 기술로서, 두께 2.2mm, 직경 28mm인 시계용 유리의 개발을 목적으로 하였다. 화학강화의 개발 이전에는 고급 시계의 전면을 보호하기 위하여 고가의 석영 유리를 사용하였으며, 저가 시계에는 일반 유리를 사용하였다. 고급 시계에 사용되던 석영 유리를 대체하고자 강화 유리가 개발되는 과정에서 플라스틱을 시계의 보호창으로 사용하는 기술이 개발 되었으며, 저가인 플라스틱의 영향으로 강화 유리에 대한 기술이 정체된 상태로 카메라 렌즈 등 극히 소량의 고가 유리에 대해서만 수제작 되어왔다.
최근 박판 강화 유리의 사용처가 늘어감에 따라, 모바일, LCD용, 네비게이션용 등에 사용되는 박판 유리에서 화학 강화를 실시하고 있으나, 강화비용이 고가이고 유리의 사이즈가 클수록 파손 위험이 크며 휨 현상이 발생하여 양산이 어려운 문제가 있다. 기존의 수제작이 아닌 박판 소형 유리의 강화는 원소재인 유리의 공급(370mm×470mm, 두께 0.5mm, 0.7mm, 1.1mm) - 절단 (스크라이빙 또는 워터젯트) - 세척 - 측면연마(특수 장비 필요) - 세척 - 건조 - 예열(약 400℃ 정도까지 상승 예열) - 강화(420℃에서 4~6시간 강화) - 서냉(상온으로 바로 냉각) - 세척 - 검사 - 육안 검사 - 출하의 복잡한 공정을 거쳐, 공정시간이 길고 수율이 낮으며, 유리 파손 등에 따른 불량률이 높았다.
이러한 이유로 지금까지는 박판 소형 유리에만 화학강화를 적용할 수 있었으며, 특히 후판 및 건축용, 태양광용, 산업용 등 다양한 크기와 형태의 유리에는 화학 강화를 적용하기 어려웠고, 치환층의 깊이 및 위치 때문에 박판유리에서도 극히 한정적인 부분 밖에는 제작이 불가능하였다.
그러나, 점차 강화 유리의 수요가 증가하고 있으며, 이는 박판과 후판에 모두 해당하고, 건축용에 적용되는 열차단 또는 열반사유리 및 건물 외벽용 색상유리, 내장용 장식유리, 태양광용 에칭 유리 등 모든 분야에서 강화 유리가 사용됨에 따라 다양한 두께와 형태, 크기의 유리에 적용될 수 있는 화학 강화유리 제조 장치의 개발이 요구되고 있다.
또한, 종래 기술에서는 가공 전에 강화할 경우, 유리 두께에 비해 상대적으로내부에서 열 강화와 같은 열영향부가 커져 고형화됨으로써 강화 후 유리를 절단할 때 유리가 으스러지는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 저급유리를 이용하여, 고강도, 고신율, 고투과율, 고평탄도의 화학강화 유리를 제조하는데 목적이 있다.
또한, 두께, 크기, 형태에 관계없이 모든 분야의 유리에 적용이 가능한 화학강화유리 제조 장치를 제공하는데 목적이 있다.
특히, 표면 코팅된 유리, 인쇄된 유리, 색상 유리, 열 차단 유리, 자외선 차단 유리 태양광 발전용 유리등의 특수 유리에도 적용할 수 있는 화학강화 장치를 제공하는데 목적이 있다.
또한, 강화되는 유리 내부에서 열영향부를 최대한 제거함으로써, 강화 후에도 연마나 절단이 가능하도록 하는데 목적이 있다.
위와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 알카리 알루미나 실리케이트가 포함된 유리가 장착되되, 상기 유리와 접하는 하부 지지점에 판 스프링이 배치되어 유리의 자중에 따른 파손을 감소시키는 치구; 상면과 측면에 노출된 히터를 구비하여, 치구에 장착된 유리가 삽입되면 상기 유리를 120℃ 부터 278~345℃까지 승온시키는 예열로; 내부에 통을 구비하여 용해된 질산칼륨을 수용하며, 상기 예열로를 통과한 유리를 380~450℃의 질산칼륨 용액에 1.5 ~ 4시간 침지시켜 유리의 나트륨 이온을 질산칼륨의 칼륨 이온과 치환하는 강화로; 상기 강화로에서 이동된 유리를 70℃까지 냉각시키는 서냉로; 상기 서냉로에서 이동된 유리를 자연풍이나 대기 상태에서 35℃까지 급냉하는 공냉구간; 70℃ 온수를 구비하여, 상기 공냉구간을 통과한 유리를 15~20분간 상기 온수에 담가 유리 전체의 온도를 균일하게 하는 온수조;를 포함하는 강화 유리의 제조 장치를 제공한다.
이때, 판 스프링과 유리 사이에는 충격을 흡수할 수 있는 섬유가 배치되고, 예열로의 바닥면에는 타공판이 형성되며, 상기 예열로의 히터는 8회 이상에 거쳐 단계별로 승온과 정온을 반복하면서 유리의 온도를 120℃부터 278~345℃까지 승온시키도록 한다.
또한, 강화로는 측면과 바닥면에 2개 이상의 히터가 배치되되, 각 히터별로 온도를 개별 셋팅할 수 있으며, 내부의 통은 스테인리스 스틸(SUS) 재질이고, 상부에는 스테인리스 프레임에 방화천이 장착된 상부 문이 형성되어 있다. 이때, 상기 강화로의 상부 문에는 상기 상부 문을 상하로 이동시키는 에어 실린더와, 상기 상부 문을 좌우로 이동시키는 에어 실린더가 구비되어 있다.
또한, 서냉로는 상부에 형성된 문을 개폐함으로써, 8회 이상에 거쳐 단계별로 감온과 정온을 반복하면서 상기 유리의 온도를 70℃까지 감온시킨다.
이밖에도, 치구는 무진동 컨베이어를 따라서 예열로, 강화로, 서냉로, 공냉구간, 온수조를 차례로 이동한다.
본 발명의 온수조는 상부에 노즐이 설치되어 있어, 상기 노즐에서 물이 분사되어 치구에 장착된 상태로 유리를 세척함으로써, 유리 표면에 잔류하는 질산칼륨을 제거한다.
본 발명의 강화 유리 제조 장치에서는 저급유리를 이용하여, 고강도, 고신율, 고투과율, 고평탄도의 화학강화 유리를 제조함으로써, 일반 유리의 강도를 약 9배, 신율을 약 4배 증가시킬 수 있다.
또한, 두께, 크기, 형태에 관계없이 모든 분야의 유리에 적용이 가능하며, 측면이 가공 되지 않은 원판에도 적용할 수 있어, 대량생산이 가능하고 원가를 절감할 수 있다.
특히, 표면 코팅된 유리, 인쇄된 유리, 색상 유리, 열 차단 유리, 자외선 차단 유리 등의 특수 유리에도 적용할 수 있다.
또한, 물리적 강화(열강화)시 발생하는 불균일한 조직 상태를 해소하여 균일한 품질의 강화유리를 제작할 수 있고, 투영도의 증가 및 유리 외관의 왜곡 현상을 최소화 할 수 있으며, 공정이 간단하고, 내폭발성을 없애 안전성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 강화 후, 유리를 절단, 천공, 연마 가공을 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 화학 강화 유리 제조 장치를 보여주는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 유리를 화학 강화하는 순서도이다.
도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명의 일실시예에 따른 장착 치구 및 하부 지지점의 구조를 보여주는 개략적인 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 예열로, 강화로, 서냉로, 공냉구간, 온수조에서 유리가 예열, 강화 및 안정화되는 과정을 보여주는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 예열로를 보여주는 개략적인 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 강화로를 보여주는 개략적인 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명은 알카리 알루미노 실리케이트를 포함한 유리를 칼륨 치환을 통해 강화 유리로 제조하는 장치(1)에 관한 것으로, 구체적으로 치구(10), 예열로(20), 강화로(30), 서냉로(40), 공냉구간(50), 온수조(60), 세척 및 건조 구간(70, 80)을 구비하여 유리를 이동시킴으로써 0.1~19t(mm) 두께의 유리(세라믹 인쇄유리, Low-E 유리, 나노 코팅 유리 등 각종 코팅 유리, 저철분 유리, 에칭유리 등을 포함 하는 유리)를 크기 및 두께, 형상에 관계없이 강화할 수 있는 장치에 관한 것이다.
일반적인 유리의 원재료는 산화규소(SiO2)인데, 산화규소만으로 이루어진 유리를 석영 유리라 한다. 석영 유리는 용해점이 약 1780℃로서, 제조 비용이 높은데, 산화 알카리 (Na2O, Li2O)를 첨가하면 용해점이 약 1280℃로 낮아져 저가의 유리를 생산할 수 있다. 그러나, Na2O는 백화 현상의 원인이 되므로 유리의 강도를 증가시키고 수명을 연장하기 위하여 첨가양을 규격상으로 제한하고 있다. 이와 같이 Na2O가 첨가된 유리의 Na2O성분을 산화칼륨(K2O)으로 치환하는 것을 칼륨 치환법이라고 한다. 알카리 알루미노 실리케이트가 포함된 유리는 칼륨 치환으로 화학 강화한 후의 강도가 우수하며, 표면에 손상이 있을 때에도 다른 성분의 유리에 비해 강도가 우수하다. 또한, 일반적으로 사용되는 유리이고 저가이므로 강화에 따른 효용이 크다.
도 1에는 본 발명의 일실시에에 따라 화학 강화 유리 제조 장치(1)를 보여주는 개략도가 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명의 일실시예에 따라 유리를 화학 강화하는 순서도가 도시되어 있다. 화학 강화는 예열, 강화, 서냉의 순서로 이루어지는 것이 일반적인데, 본 발명에서는 이를 더 세분화하여, 장착, 예열, 치환, 서냉, 공냉, 온수 승온 및 안정화, 1차 세척, 건조, 2차 세척, 건조의 단계로 유리를 강화함으로써 유리의 강도를 높인다. 이에 따라, 본 발명에서 강화 전의 원 소재인 유리는 도 1에서 보듯이 장착 치구(10), 예열로(20), 강화로(30), 서냉로(40), 공냉구간(50), 온수조(60)를 포함하는 제조 장치(1)를 거쳐 강화된다.
먼저 알카리 알루미나 실리케이트가 포함된 유리는 치구(10)에 장착된다.(S1 : 장착 단계) 종래 소형 실험로 타입의 치구는 300×200×300mm 크기가 일반적이고, 박판 유리 연속로의 치구는 800×1000×450mm 정도였으나, 본 발명에 사용되는 치구(10)는 2400×2600×1700mm로 대형이다. 이와 같이 치구(10)의 크기가 큰 것은 본 발명을 대형 유리에 적용할 수 있기 때문이다.
도 3a 및 도 3b에는 본 발명의 일실시예에 따른 장착 치구(10)의 구조와 하부 접점(12)의 구조를 보여주는 개략적인 도면이 도시되어 있다. 상기 치구(10)는 상부 가롯대(13), 상부 가롯대 받침(11), 하부 가롯대 등을 포함한다. 이때, 강화하는 유리가 대형인 경우에는 자중으로 인하여 지지점(접점)에 하중이 집중되어 유리가 파손될 수 있으므로, 하중을 분산할 수 있도록 지지점을 분배하고, 지압을 감소시키기 위하여 접점 부위를 연질화하거나 특수 분압 장치를 사용하는 것(판스프링 효과, 특수섬유)이 바람직하다.
또한, 유리 전체면을 고르게 강화하기 위해서 치구(10)와 접촉하는 지지점을 최소화하여야 하며, 이를 위해서 소형 유리(150mm×150mm 이하)에서는 3점 지지법을 사용하고, 대형 유리(150mm×150mm 이상부터 3,000mm×3,000mm 까지 혹은 그 이상)에서는 8점 내지 10점, 12점 지지법 등을 사용하는 것이 바람직하며, 상부 지지점은 접촉 부위를 최대한 줄여 차후 용액의 응집 부피를 줄이는 구조가 되어야 한다.
본 기술에서는 하부 접점(12)에 판스프링 효과와 특수 섬유를 이용하여 충격을 완화하는 구조를 이용한다. 5mm두께의 3,000mm×3,000mm 유리의 무게는 약 112.5kg으로, 이를 하부 봉에 바로 장착하면 유리가 자중에 의해 파손된다. 이때 도 3b에서 보듯이 하부 지지점에 판스프링을 설치하고, 완충 기능이 있는 특수 섬유를 배치하여 자중에 의한 스트레스를 감소시킨다.
강화 전의 유리는 하나의 치구(10)에 여러 장이 장착되며, 유리를 치구(10)에 장착할 때는 유리 사이에 일정한 간격을 유지하여야 한다. 이때, 유리의 사이의 간격은 장착된 유리의 크기와 두께에 따른 휨 변형과 선 팽창을 고려하여 설정하는데, 일례로 5mm×1,800mm×2,000mm의 유리는 이웃하는 유리 사이에 45mm 이상의 간격을 유지하여야 한다. 이와 같이 일정 간격을 유지하면서 유리를 안정적으로 장작하기 위하여 로봇(200)을 이용하여 유리를 치구(10)에 장착하는 것이 바람직하다.
도 4에는 본 발명의 일실시예에 따라 예열로(20), 강화로(30), 서냉로(40), 공냉구간(50), 온수조(60)에서 유리가 예열, 강화 및 안정화되는 과정을 보여주는 순서도가 도시되어 있다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 장치(1)에서는 유리를 치구(10)에 장착한 후에 순서대로 예열로(20), 강화로(30), 서냉로(40), 공냉구간(50), 온수조(60)를 통과하면서 강화되며, 이하에서는 각 구간의 장치 및 강화 과정에 대해 설명한다.
도 5에는 본 발명의 일실시예에 따른 예열로(20)를 보여주는 개략적인 도면이 도시되어 있다. 치구(10)에 장착된 유리는 예열로(20)로 이동하는데, 무진동 컨베이어(101)를 이용함으로써 유리의 스트레스를 최소화시키는 것이 바람직하다. (S2 : 예열 단계) 치구(10)에 3,000mm×2,100mm 이상의 원판유리가 30~50매 장착된 경우, 총 무게는 약 8,000kg이 되는데, 이를 예열로(20)까지 이동시킬 때는 무진동 컨베이어(101)를 사용하는 것이 바람직하다. 강화 전의 유리는 표면 강도가 약하고, 충격성 진동에 취약하므로, 이동 시 진동이 가해질 경우, 치구(10)와 유리의 접촉점에서 유리가 스트레스를 받게 되어 파손되거나 눈에 보이지 않는 크랙이 발생하여 차후 파손의 원인이 될 수 있고, 강도가 약해진다.
치구(10)에 장착되어 예열로(20)로 이동한 유리는 예열로(20)의 히터(22, 23)를 이용하여 예열된다. 도시된 바와 같이 예열로(20)에는 내부히터(22)와 측면히터(23)가 구비되어 있다. 내부히터(22)는 노출형을 사용하는데 이를 통해 온도를 급상승시킴으로써 간접열과 교반을 통한 열교환 방식을 이용하는 경우보다 가열 시간을 단축시킬 수 있고, 교반이나 송풍에 따른 유리의 스트레스의 증가를 방지할 수 있다. 특히, 교체를 용이하게 하기 위하여 봉형의 노출히터를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 측면히터(23)는 2단 이상으로 배치하여 예열 온도를 조정하는 것이 바람직하며, 예열로(20) 하부에는 타공판(21)을 삽입하여 공기의 진동을 막는다.
예열로(20)에서는 유리를 120℃부터 약 350℃까지 다단계로 승온시켜 예열한다. 예열단계에서는 유리 및 치구(10) 각 부위 온도의 평형성이 중요한데, 특히 후판유리 및 대형 유리에서 부분 가열 시, 부위별 팽창력 차이와 유리 내부 상들의 상호 관계에서 발생하는 쌍절을 방지하기 위하여 일정 온도 까지는 급속 가열하고, 일정 온도에서는 온도를 유지한다. 예열 온도는 120℃에서 시작하여, 유리의 두께, 형상 및 크기에 따라 278~345℃까지 단계별로 8회 이상에 걸쳐 다단 승온을 시킨다. 이때, 온도의 상승폭은 50℃를 초과해서는 안 되며, 온도의 평형에는 충분한 시간이 필요하다. 이와 같이, 승온과 정온을 반복하면서 예열 온도를 높임으로써 유리의 전 부분의 온도를 균일하게 유지함으로써, 유리의 파손을 방지할 수 있으며, 대형 유리의 경우에도 유리 전 부분의 온도에 편차를 발생시키지 않으면서 승온이 가능하여 대형 유리에도 적용할 수 있다.
예열을 마친 유리는 이후 강화로(30), 서냉로(40), 공냉구간(50), 온수조(60)까지 연속 장치 내에서 상부 이송장치에 의해 공중 이동된다. 강화된 유리는 진동에 견딜 수 있으므로, 고가의 무진동 컨베이어를 사용하지 않아도 되며, 상부 이송 장치의 구동 방식은 크레인 방식과 레일 방식 등이 사용될 수 있다.
도 6에는 본 발명의 일실시예에 따른 강화로(30)를 보여주는 개략적인 도면이 도시되어 있다. 예열로(20)를 통과한 유리는 상기 강화로(30) 내부에서 칼륨 치환된다. (S3 : 치환 단계) 이때, 상기 강화로(30) 내부에는 통(31)이 배치되어 솥의 역할을 한다. 즉, 상기 통(31) 내부에서 질산칼륨이 용해되므로 상기 통(31)은 내화학성, 내열성을 갖는 스테인리스 스틸(SUS) 재질인 것이 바람직하다.
강화로(30)에서는 예열로(20)에서 이동되어 온 유리를 상기 질산칼륨 용액에 약 1.5 ~ 4시간 정도 침지시키는데, 이때, 유리 표면의 작은 입자(나트륨)는 침지액의 큰 입자(칼륨)로 이온 교환된다. 침지 시간은 유리의 두께와 형상에 따라 차이가 있으며, 접촉면적과 포아송비, 열 흡수율, 강화의 깊이, 내충격성 등을 고려하여, 0.7mm×370mm×470mm 사각유리의 경우 425℃에서 1.5시간 침지시키고, 12mm×2200mm×2000mm 사각유리는 403℃에서 4시간 침지시킨다.
용액의 온도는 칼륨의 용해점인 335℃에서 연소점인 520℃ 사이에서, 유리의 두께, 형상, 크기, 유리의 특성(강도, 휨)에 따라 달라지는데, 질산칼륨에 첨가제를 넣어 사용 온도에 따라 약 380~450℃를 유지한다. 유리의 온도 편차가 1℃ 이상이면 유리 내부의 열응력 편차로 인해 내부 쌍절이 일어날 수 있어, 이온 교환에 문제가 발생하므로 온도 편차 없이 일정 온도를 유지하여야 하며, 질산칼륨 용액은 유리 삽입 시, 2℃도 이상 떨어지면 안 된다. 질산칼륨의 온도가 2℃도 이상 떨어지게 되면 온도가 다시 상승할 때 질산칼륨 용액에 대류가 발생하여 이온 교환량이 감소하기 때문에 자연 상태에서 치환이 이루어져야 한다. 특히, 질산칼륨의 용해 시, 산화가 일어나지 않도록 하여야 하며, 주석, 형석, 아연 등의 첨가제를 투입하여 치환에서 효소 작용을 하도록 유도하는 것이 바람직하다.
상기 강화로(30)는 하면과 측면에 복 수개의 히터(32, 33, 34, 35)가 구비되어 강화로(30)의 온도를 강화 조건별로 승온시킨다. 특히 측면에는 상부(33), 중부(34), 하부(35)에 각각 하나씩의 히터가 배치되도록 하며, 각 히터의 온도는 개별적으로 조정 가능한 것이 바람직하다.
상기 강화로(30) 상부에 형성된 문(36)은 에어 실린더로 리프팅 후, 좌우로 움직이도록 하여 개폐하는 구조이다. 강화로(30)의 상부 문(36)은 로의 상부를 밀폐시킴으로써 질산칼륨 용액의 온도를 일정하게 유지시키고, 열 손실을 막는 역할을 한다. 본 발명은 대형 유리에도 적용할 수 있는 장치로, 치구(10)뿐만 아니라 예열로(20), 강화로(30) 역시 치구(10)의 크기에 대응되도록 기존의 소형로에 비해 넓다. 따라서, 강화로(30) 상부에 로 내부의 열이 직접 접촉 하는 부위가 약 3.5m*3.5m정도로 대형이다. 종래와 같이 강화로(30) 상부의 문에 스테인리스를 사용할 경우, 약 450℃의 열이 접촉하게 되면, 스테인리스가 열팽창 하기 때문에, 자중에 의해서 확장 처짐이 발생하여 로 내부의 밀폐가 불가능하다. 본 발명의 강화로(30)는 상부 문(36)의 외곽을 스테인리스 프레임으로 하고, 이에 특수 방화천을 상부 문(36)에 장착하여 방화천이 직접 열을 받도록 함으로써, 상부 문의 무게를 감소시키는 것이 바람직하다. 상기 상부 문(36)에는 상기 상부 문(36)을 강화로(30) 상부로 들어 올리는 1차 에어 실린더와 상기 상부 문(36)을 수평 이동 시키는 2차 에어 실린더가 연결된다.
치환이 완료된 후에는 상기 유리는 치구(10)에 장착된 상태로 상기 서냉로(40)로 이동하여 냉각된다. (S4 : 서냉 단계) 상기 서냉로(40)에서는 예열로(20)에서와 역순으로 350℃이상까지 상승한 유리를 약 70℃정도까지 다단계로 냉각시킨다. 서냉 과정은 치환된 유리의 강도를 결정짓는 과정으로 유리가 불안정한 상태이며, 질산칼륨과 결합된 부위가 응고되면서 유리에 충격을 가할 수 있다. 또한, 급격한 온도 변화는 물리적 강화인 열강화 효과를 가져오며, 유리의 부분적 냉각 속도의 차이로 내부 진유리(내부의 강화 되지 않은 원 소재의 유리)에 충격을 주게 되어 내부 크랙이 발생할 수 있다. 따라서, 예열단계의 승온 시와 마찬가지로 냉각의 폭을 50℃ 이내로 하여 다단계로 8회 이상에 걸쳐 냉각을 하여야 하며, 이때 유리에 스트레스를 유발할 수 있는 강제 송풍이나 교반을 피하고, 상부 공간을 통해 열을 자연 배출하는 방식이 바람직하다.
이와 같은 서냉로(40)의 감온과 정온은 서냉로(40)의 상부 문을 여닫으면서 조절할 수 있다. 구체적으로 서냉로(40)의 상부 문을 폐쇄할 때는 유리가 가지고 있는 내부열을 방출하고 방출된 고온의 열이 상부 공간으로 몰리게 된다. 이때, 유리 표면은 정온 상태가 되며, 이후, 상부 문을 개방하게 되면 서냉로(40) 상부의 상부 문 입구에 모여 있던 열이 외부로 급격히 방출되면서 유리 표면의 온도가 떨어진다. 이와 같이 정온과 감온을 반복하면서 유리 표면의 온도를 단계적으로 내릴 경우, 유리의 강도 저하 없이 냉각이 가능하다. 구체적으로, 유리가 특히 취약한 공열 온도에서 기존 방법과 같이 급냉을 위해 교반 장치나 강제 송풍을 사용할 경우에는 유리 표면에 일정한 유체의 흐름이 발생하여 공기의 골을 형성하게 되는데, 이는 유리 표면의 국부적인 냉각을 가져옴으로써 유리 표면에 응력의 차이를 가져와 유리의 강도를 저하시키므로, 승온과 정온을 반복하는 자연 방출이 효과적이다.
상기 서냉로(40)를 통과한 유리는 치구(10)에 장착된 상태로 공기 중으로 배출되어 70℃에서 35℃로 급냉된다. (S5 : 공냉 단계) 이때, 유리를 안정시켜 최종 강도가 결정되며, 송풍이나 강제적인 공기 흐름은 유리를 파손시킬 수 있으므로, 자연풍이나 대기 상태에서 냉각을 실시하여야 하므로, 서냉로(40)와 온수조(60) 사이에 공냉구간(50)이 배치되어야 한다.
공냉을 통해 안정화된 유리를 치구(10)에 장착된 상태로 평형화된 70℃ 온수에 넣어 유리 전체의 온도를 균일하게 함으로써 다시 안정시킨다. (S6 : 온수 가열 단계) 온수에서 재가열함으로써, 유리 표면이 미려해지고 굴곡도가 감소한다. 온수에 담그는 시간은 유리의 두께에 따라 차이가 있으나 15~20분 정도가 적당하다. 15분 미만일 경우, 유리의 치환층까지 열이 흡수되지 않아 강화층 내부에서도 쌍절이 일으날 수 있으며, 20분을 초과할 경우에는 표면층의 연화를 가져올 수 있다.
이후 상기 온수조(60) 내부의 온수는 외부의 보조 물탱크로 이동하며, 상기 온수조(60) 상부에 설치된 노즐에서 물이 분사되어 치구(10)에 장착된 상태로 유리를 1차 세척하여 유리 표면에 잔류하는 질산칼륨을 제거한다. (S7 : 1차 세척 단계) 이때, 1차 세적은 약 20분간 진행하며, 유리가 장착된 치구(10)를 반복적으로 상하운동시킴으로써, 유리 표면의 질산칼륨을 제거하는 것이 바람직하다.
1차 세척 후에는 강화된 유리는 치구(10)에서 취출되어 평판 구동 컨베이어(100)로 이동하면서 1차 건조, 2차 세척, 2차 건조 과정을 거친다. 이때, 상기 강화된 유리는 로봇(200)을 이용하여 치구(10)에서 취출하는 것이 바람직하다. 1차 세척을 마친 유리는 공기 중에서 1차 건조되며, 강화된 상태이므로 진동에 충분히 견딜 수 있어, 무진동이 아닌 일반 컨베이어(100)로 이동할 수 있다.
1차 건조대(70)에서 건조된 유리는 자동 세척 장치로 1매씩 공급되어 2차 세척(정밀 세척) 후 공기 중에서 2차 건조하여 강화유리를 완성하다. (S8 : 2차 세척 및 건조 단계) 이때, 자동 세척 장치(80)에서는 유리가 1매씩 장착되어 물 세척, 브러쉬 세척, 물 세척의 2차 세척과 에어 스프레이 건조가 이루어진다. 에어 스프레이 건조 후에는 자연 건조로 완전 건조 시키며, 이때 마지막 자연 건조는 에어 스프레이로 물기를 없앤 상태에서 미세한 습기를 없애는 것이므로 공기 중에 노출되면 바로 이루어진다.
이상과 같이 본 발명은 대형 유리에 발생하는 휨응력, 후판 및 대형 유리를 화학 강화하는 과정에서 불균등 가열로 인한 유리의 파손이나 강화 후 강도의 저하를 방지하도록 단계별 예열, 단계별 냉각, 공기 중의 급냉, 안정화 과정을 거침으로써 종래에 소형 박판에만 한정되었던 질산칼륨 치환 강화방법을 소형 박판뿐 아니라 후판, 대형 유리에도 적용할 수 있도록 하였다.
1 화학 강화 유리 제조 장치
10 치구 11 상부 가롯대 받침 12 하부 접점 13 상부 가롯대
20 예열로 21 타공판 22 내부 히터 23 측면 히터
30 강화로 31 통 32, 33, 34, 35 히터 36 상부 문
40 서냉롱 50 공냉구간 60 온수조
70 1차 건조대 80 자동 세척 장치
100 컨베이어 101 무진동 컨베이어 200 로봇

Claims (12)

  1. 알카리 알루미나 실리케이트가 포함된 유리가 장착되되, 상기 유리와 접하는 하부 접점(12)에 판 스프링이 배치되어 유리의 자중에 따른 파손을 감소시키는 치구(10);
    상면과 측면에 노출된 히터(22, 23)를 구비하여, 치구(10)에 장착된 유리가 삽입되면 상기 유리를 120℃ 부터 278~345℃까지 승온시키는 예열로(20);
    내부에 통(31)을 구비하여 용해된 질산칼륨을 수용하며, 상기 예열로(20)를 통과한 유리를 380~450℃의 질산칼륨 용액에 1.5 ~ 4시간 침지시켜 유리의 나트륨 이온을 질산칼륨의 칼륨 이온으로 치환하는 강화로(30);
    상기 강화로(30)에서 이동된 유리를 70℃까지 냉각시키는 서냉로(40);
    상기 서냉로(40)에서 이동된 유리를 자연풍이나 대기 상태에서 35℃까지 급냉하는 공냉구간(50);
    70℃ 온수를 구비하여, 상기 공냉구간(50)을 통과한 유리를 15~20분간 상기 온수에 담가 유리 전체의 온도를 균일하게 하는 온수조(60);
    를 포함하는 강화 유리의 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 판 스프링과 유리 사이에는 충격을 흡수할 수 있는 섬유가 배치되는 것을 특징으로 하는 강화 유리의 제조 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 예열로(20)의 바닥면에는 타공판(21)이 형성되어 공기의 진동을 방지하는 것을 특징으로 하는 강화 유리의 제조 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 예열로(20)의 히터(22, 23)는 8회 이상에 거쳐 단계별로 승온과 정온을 반복하면서 유리의 온도를 120℃부터 278~345℃까지 승온시키는 것을 특징으로 하는 강화 유리의 제조 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 강화로(30)는 측면과 바닥면에 2개 이상의 히터(32, 33, 34, 35)가 배치되되, 각 히터별로 온도를 개별 셋팅할 수 있는 것을 특징으로 하는 강화 유리의 제조 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 강화로(30) 내부의 상기 통(31)은 스테인리스 스틸(SUS) 재질인 것을 특징으로 하는 강화 유리의 제조 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 강화로(30)의 상부에는 외곽이 스테인리스 스틸 프레임이고, 상기 프레임에 방화천이 장착된 상부 문(36)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 강화 유리의 제조 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 강화로(30)의 상부 문(36)에는 상기 상부 문(36)을 상하로 이동시키는 에어 실린더와, 상기 상부 문(36)을 좌우로 이동시키는 에어 실린더가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 강화 유리의 제조 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 서냉로(40)는 상부에 형성된 문을 개폐함으로써, 8회 이상에 거쳐 단계별로 감온과 정온을 반복하면서 상기 유리의 온도를 70℃까지 감온시키는 것을 특징으로 하는 강화 유리의 제조 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 치구(10)는 무진동 컨베이어(101)를 따라서 예열로(20)로 이동하는 것을 특징으로 하는 강화 유리의 제조 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 치구(10)는 상부 이송 장치에 의해 상기 예열로(20)에서 차례대로 상기 강화로(30), 서냉로(40), 공냉구간(50), 온수조(60)로 이동하는 것을 특징으로 하는 강화 유리의 제조 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 온수조(60)의 상부에는 노즐이 설치되어 있어, 상기 노즐에서 물이 분사되어 치구(10)에 장착된 유리를 세척함으로써, 유리 표면에 잔류하는 질산칼륨을 제거하는 것을 특징으로 하는 강화 유리의 제조 장치.
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