KR101199529B1 - 용융유리 정량토출 장치 및 이를 이용한 용융유리 정량토출 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 투입된 유리소재가 용융되어 저장되는 용융로와, 상기 용융로 하부에 연결되어 용융된 유리소재를 일시적으로 저장하거나 정량토출부로 보내기 위한 토출로와, 상기 토출로 하부에 연결되어 정량의 용융 유리소재를 원하는 중량과 모양으로 제어하면서 외부로 배출하기 위한 정량토출부와, 상기 용융로에 투입된 유리소재를 가열하여 적절하고 균일한 온도로 용융시키기 위한 제1 가열수단과, 내부에 가스공급관이 구비됨으로써 상기 가스공급관을 통해 비활성 가스가 주입되어 상기 토출로에 머무르는 용융 유리소재의 토출을 조절하고 상기 용융로와 연결되는 상기 토출로 상측부가 용융 유리소재에 의해 막히는 현상을 억제하며 상하 스트로크를 통해 용융 유리소재의 토출을 조절하기 위한 플런저를 포함하는 용융유리 정량토출 장치 및 이를 이용한 용융유리 정량토출 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 유리소재를 용융하고 용융된 유리소재를 원하는 중량 및 형상으로 토출할 수 있으며, 용융 유리소재를 원하는 중량 및 형상으로 토출할 수 있으므로 금형에 유리소재를 정확하게 낙하방식으로 투입할 수 있으며, 정밀 광학소자의 제조에도 사용할 수 있고, 광학소자용으로 사용될 수 있는 유리소재는 그 형태의 제한이 없으므로 다양한 유리소재를 사용할 수 있다.

Description

용융유리 정량토출 장치 및 이를 이용한 용융유리 정량토출 방법{Apparatus for ejecting molten glass and method for ejecting molten glass}

본 발명은 용융유리 정량토출 장치 및 이를 이용한 용융유리 정량토출 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유리소재를 용융하고 용융된 유리소재를 원하는 중량 및 형상으로 토출할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.

유리소재를 이용한 렌즈, 프리즘, 윈도우 등의 유리광학소자들은 유리소재를 직접 가공하여 원하는 형태로 만든 후 연마과정을 거쳐 광학적 특성을 부여하여 제조하고 있다. 하지만 이는 숙련된 기술이 요구되는 작업이며, 특히 비구면 광학소자와 같은 정밀 광학소자인 경우에는 기술적, 시간적, 비용적으로 많은 어려움이 따르고 있다.

광학소자를 제조하는 종래의 방법으로는, 제조하고자 하는 광학소자에 맞추어 미리 광학용 유리소재를 프리폼 고브(pre-form GOB) 형태로 가공하여 금형에 투입한 후 가열 및 압착에 의해 광학소자를 성형하는 방법과, 유리봉 형태의 유리소재를 이용하여 용융 후 금형에 이송시켜 절단, 가열 및 압착에 의해 성형하는 방법 등이 있다.

최근에는 프리폼 고브를 소재 가공이 아닌 프리폼용 금형에 용융된 유리소재를 투입하여 프리폼 고브를 제조하고, 제조된 프리폼 고브를 또 다른 광학소자 제조 금형에 투입하여 가열 및 압착하는 성형방법이 알려져 있다.

이러한 언급된 방식들은 일반적인 광학소자를 비롯하여 정밀 광학소자에 이르기까지 유리소재를 원하는 다양한 형태로 직접 제작이 가능하게 하였으며, 과거 수작업 방법에 비하여 생산적, 기술적 측면에서 많은 발전들을 가져왔다.

그러나 이러한 종래의 방법들은 각기 많은 문제점들을 가지고 있다.

일본 특허공고 소61-32263호는 광학 소자를 얻기 위하여 프리폼 고브(preform gob)를 제조하는 방식을 제시하고 있으며, 이 방식은 숙련된 기술자에 의한 정삭, 연마 등의 가공에 의하여 프리폼 고브(gob)를 제작하는 방식으로서 인력에 의한 작업이며, 시간적인 손실(Loss)과 정삭, 연마 시 발생할 수 있는 소재의 손실(Loss)이 있으며, 인력에 의한 작업이므로 정밀 소형 고브(gob)의 제작에는 한계가 있다.

대한민국 특허출원 특1993-0004316에서 소개된 유리소재인 유리봉을 연화하여, 절단시켜 금형에 투입하는 방법은 정확한 유리소재 투입의 제어가 어려울 뿐만 아니라, 유리봉의 용융 및 가압 공정이 일체형으로 진행되지 못하므로 광학소자 제조를 위한 용융 유리봉의 이동 및 절단 공정 진행시 유리소재의 손실 및 결함이 발생된다. 또한, 이 방법은 고정밀도의 광학소자를 얻기에는 불완전한 방법으로 모든 광학소자를 제조하기에는 그 범위가 협소하여 정밀도가 낮은 유리컵, 유리구조물, 조명용 광학소자 등의 제조에만 주로 사용된다.

일본 특허출원 특원2005-181100는 용융된 소재를 소재 저장 및 개폐 장치에 투입하여 머무르게 한 뒤 개폐장치를 열어 다시 하측 기체 분출을 포함한 장치를 이용하여 프리폼(preform) 형상을 만드는 방법을 제시하고 있으나, 소재를 용융하는 용융 장치, 용융글라스 저장 장치/개폐장치, 프리폼 형상 제어 장치 등의 고브 제작에 필요한 장치에 대한 많은 공정이 필요하며, 제작된 고브의 금형에의 이동 후 공정 또한 필요하게 되므로 광학소자 생산시간 및 생산 원가 상승 등의 문제가 야기된다.

일본 특허출원 특원2008-157656호는 노즐을 가열하여 용융소재를 얻은 후 소재의 자중에 의하여 성형 금형에 투입하는 방식을 제시하고 있으나, 노즐 구멍의 크기 및 모양에 따라 투입 소재의 양을 제어할 수 있으나 1g 이하 정밀 질량의 소자의 투입은 불가능하다. 따라서 500mg 이하, P-V 0.25(㎛)의 소자를 필요로 하는 광통신용 렌즈, 레이저 장비 등의 장비에는 적용이 불가능하고, 저 성능의 광학소자를 필요로 하는 장비 또는 부품에 적용해야 하는 한계가 있다.

한편, 대형 광학 소자의 제조를 위하여 노즐에서 하형 금형에 소재 투입 시 투척(낙하)형식이 아닌 노즐을 금형에 근접하여 최대한 소재를 많이 공급하고 분리하는 방식은 정밀 소형 제품의 제작에는 불합리한 방법이라 할 수 있다.

또한, 용융 유리소재를 프리폼용 금형에 투입하여 프로폼 고브를 만든 후 제조된 프리폼 고브를 다시 광학소자 제조를 위한 금형에 투입하고 가열 및 압착하여 광학소자를 제조하는 방법은 두 번 이상의 가열, 압착 공정이 필요하므로 생산시간이 길어지고, 2대 이상의 가열 및 압착 기구를 필요로 하며, 고가의 금형의 소모량이 많아져 생산원가가 상승하는 문제가 있다.

본 발명이 해결하려는 과제는 유리소재를 용융하고 용융된 유리소재를 원하는 중량 및 형상으로 토출할 수 있으며, 토출되는 용융유리는 제조하고자 하는 광학소자에 맞춰진 정량의 프리폼 고브(preform gob) 형태이므로, 종래와 같이 미리 광학용 유리소재를 프리폼 고브(pre-form GOB) 형태로 가공할 필요가 없으므로 공정이 간단하고, 프리폼 고브에 대한 연마 등의 가공 공정이 필요 없으며, 광학소자용으로 사용될 수 있는 유리소재는 그 형태의 제한이 없으므로 다양한 유리소재를 사용할 수 있고, 용융 유리소재를 원하는 중량 및 형상으로 토출할 수 있으므로 금형에 유리소재를 정확하게 낙하방식으로 투입할 수 있으며, 정밀 광학소자의 제조에도 사용할 수 있는 용융유리 정량토출 장치 및 이를 이용한 용융유리 정량토출 방법을 제공함에 있다.

본 발명은, 투입된 유리소재가 용융되어 저장되는 용융로와, 상기 용융로 하부에 연결되어 용융된 유리소재를 일시적으로 저장하거나 정량토출부로 보내기 위한 토출로와, 상기 토출로 하부에 연결되어 정량의 용융 유리소재를 원하는 중량과 모양으로 제어하면서 외부로 배출하기 위한 정량토출부와, 상기 용융로에 투입된 유리소재를 가열하여 적절하고 균일한 온도로 용융시키기 위한 제1 가열수단과, 내부에 가스공급관이 구비됨으로써 상기 가스공급관을 통해 비활성 가스가 주입되어 상기 토출로에 머무르는 용융 유리소재의 토출을 조절하고 상기 용융로와 연결되는 상기 토출로 상측부가 용융 유리소재에 의해 막히는 현상을 억제하며 상하 스트로크를 통해 용융 유리소재의 토출을 조절하기 위한 플런저를 포함하는 용융유리 정량토출 장치를 제공한다.

상기 용융유리 정량토출 장치는, 상기 토출로에 유입된 용융 유리소재가 급냉되는 것을 억제하고 상기 용융 유리소재의 점도를 일정하게 유지하도록 상기 토출로를 가열하기 위한 제2 가열수단을 더 포함하며, 상기 제1 및 제2 가열수단은 용융 유리소재의 종류에 따라 온도를 제어할 수 있게 구비되며, 상기 제1 가열수단과 상기 제2 가열수단은 서로 독립적으로 온도가 제어될 수 있다.

상기 용융로와 상기 토출로는 용융된 유리소재와의 반응성이 적은 백금 재질로 이루어진 내부 프레임으로 둘러싸여 있으며, 상기 내부 프레임의 외측에는 난연성인 내화물이 충진되어 있는 내화물 충진부가 구비되고, 상기 내화물 충진부의 외측에는 열을 단열하여 열손실을 억제하기 위한 세라믹 재질로 이루어진 내열재 프레임이 구비되어 있을 수 있다.

상기 정량토출부는, 상기 토출로 하부에 연결되어 상기 토출로를 통과한 용융 유리소재를 외부로 배출하는 노즐 및 상기 노즐을 통해 토출되는 용융 유리소재를 원하는 중량 및 형상으로 절단하는 절단부를 포함하며, 용융 유리소재와 접촉하는 상기 노즐의 내부는 유리소재와 반응성이 적은 백금(Pt), Si₃N₄, 그라파이트, Ir, Re 또는 BN 재질로 이루어질 수 있다.

상하 스트로크를 통해 용융 유리소재의 토출을 조절하는 상기 플런저의 외부 표면 재질은 글라스와 반응성이 적은 백금(Pt)으로 이루어지고, 상기 플런저는 상기 용융로에서 유리소재가 용융되는 동안에 용융된 유리소재가 자중에 의해 상기 토출로로 흘러들어 가지 않도록 상기 용융로의 하부로 이동하여 상기 토출로 상측부를 닫으며, 상기 플런저의 하부단 직경은 상기 토출로 상측부의 직경보다 크게 구비되고, 상기 플런저의 하강 시에는 상기 가스공급관에 일정 압력으로 비활성 가스가 주입되어 용융 유리소재가 안으로 침투되지 않도록 채워져 있으며, 용융 유리소재를 외부로 토출하는 경우에는 상기 가스공급관에 비활성 가스를 추가적으로 공급하여 상기 토출로에 머물러 있는 용융 유리소재를 가압하여 상기 정량토출부로 흘러들어가게 하는 것이 바람직하다.

상기 용융유리 정량토출 장치는 상기 용융로를 유리소재가 투입되는 제1 공간과 상기 토출로와 연결되는 제2 공간으로 구획하는 격벽을 더 포함할 수 있으며, 상기 제1 공간과 상기 제2 공간은 용융된 유리소재가 유동될 수 있게 연통되어 있을 수 있다.

또한, 본 발명은, 용융된 유리소재가 자중에 의해 토출로로 흘러들어 가지 않도록 플런저를 하강시켜 용융로 하부에 연결된 토출로의 상측부를 닫는 단계와, 용융로에 유리소재를 투입하는 단계와, 상기 용융로에 투입된 유리소재를 용융하는 단계와, 용융된 유리소재가 상기 토출로로 유입되게 하는 단계와, 용융 유리소재의 외부 토출을 위하여 상기 플런저 내에 구비된 가스공급관을 통해 비활성 가스를 상기 토출로에 공급하여 상기 토출로에 일시적으로 머물러 있는 용융 유리소재를 가압하여 정량토출부로 흘러들어가게 하는 단계 및 상기 토출로를 통과한 용융된 유리소재를 상기 정량토출부를 이용하여 원하는 중량과 모양으로 제어하면서 외부로 토출하는 단계를 포함하는 용융유리 정량토출 방법을 제공한다.

용융된 유리소재가 상기 토출로로 유입되게 하는 단계에서, 상기 플런저는 상하로 스크로크 하면서 용융 유리소재의 토출을 조절하고, 상기 플런저의 하강 시 상기 가스공급관 내로 용융된 유리소재가 침투되지 않도록 상기 가스공급관은 비활성 가스로 채워지는 것이 바람직하다.

상기 용융유리 정량토출 방법은, 상기 토출로에 유입된 용융 유리소재가 급냉되는 것을 억제하고 상기 용융 유리소재의 점도를 일정하게 유지하도록 제2 가열수단을 이용하여 상기 토출로를 가열하는 단계를 더 포함하며, 상기 제2 가열수단과 상기 용융로를 가열하기 위한 제1 가열수단은 용융 유리소재의 종류에 따라 온도를 제어할 수 있게 구비되며, 상기 제1 가열수단과 상기 제2 가열수단은 서로 독립적으로 온도가 제어되는 것이 바람직하다.

상기 정량토출부를 이용하여 용융된 유리소재를 외부로 토출하는 단계는, 상기 토출로 하부에 연결된 노즐을 통해 상기 토출로를 통과한 용융 유리소재를 외부로 배출하고, 상기 노즐을 통해 토출되는 용융 유리소재를 절단부를 이용하여 원하는 중량 및 형상으로 절단하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 용융로는 격벽에 의해 유리소재가 투입되는 제1 공간과 상기 토출로와 연결되는 제2 공간으로 구분되고, 상기 제1 공간과 상기 제2 공간은 용융된 유리소재가 유동될 수 있게 연통되어 있으며, 상기 용융로에 유리소재를 투입하는 단계는 용융로의 상기 제1 공간에 호퍼를 통해 유리소재를 투입하는 단계로 이루어질 수 있다.

본 발명에 의하면, 유리소재를 용융하고 용융된 유리소재를 원하는 중량 및 형상으로 토출할 수 있으며, 용융유리 정량토출 장치에 의해 토출되는 용융유리는 제조하고자 하는 광학소자에 맞춰진 정량의 프리폼 고브(preform gob) 형태이므로, 종래와 같이 미리 광학용 유리소재를 프리폼 고브(pre-form GOB) 형태로 가공할 필요가 없으므로 공정이 간단하다는 장점이 있다.

종래에는 미리 프리폼 고브를 제조하여야 하고 제조된 프리폼 고브는 숙련된 기술자에 의하여 정삭, 연마 등의 가공 공정이 이루어져야 하므로 시간적인 손실(Loss)이 있고 연마 시 소재의 손실도 있을 뿐만 아니라 인력에 의한 작업이므로 정밀 소형 고브(gob)의 제작에는 한계가 있었으나, 본 발명에 의할 경우 프리폼 고브를 미리 제작할 필요가 없고 연마 등의 가공 공정이 필요 없으며 정밀 광학소자의 제조에도 사용할 수 있으므로 상술한 종래의 문제점들이 개선될 수 있다.

용융유리 정량토출 장치에 투입되어 광학소자용으로 사용될 수 있는 유리소재는 그 형태의 제한이 없으므로 다양한 유리소재를 사용할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 용융 유리소재를 원하는 중량 및 형상으로 토출할 수 있으므로 금형에 유리소재를 정확하게 낙하방식으로 투입할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 용융유리 정량토출 장치에 의하면, 용융로를 가열하는 1단 가열과 토출로를 가열하는 2단 가열 방식이 적용됨으로써, 소형화가 가능하다는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 용용로가 격벽에 의해 제1 공간과 제2 공간으로 구획됨으로써, 정량토출부를 통해 용융 유리소재를 토출하면서도 유리소재를 제1 공간으로 지속적으로 투입하여 작업할 수 있으므로 생산단가를 낮출 수 있고 대량 생산이 가능하다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 용융유리 정량토출 장치를 도시한 도면이다.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 용융유리 정량토출 장치 및 용융유리 정량토출 방법을 설명하기 위하여 도시한 도면들이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 용융유리 정량토출 방법을 설명하기 위하여 도시한 공정 순서도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 용융유리 정량토출 장치를 도시한 도면이다. 도 2 내지 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 용융유리 정량토출 방법을 설명하기 위하여 도시한 도면들이다.

도 1 내지 도 7을 참조하면, 용융유리 정량토출 장치는 투입된 유리소재가 용융되어 저장되는 용융로(10)와, 용융로(10) 하부에 연결되어 용융된 유리소재(72)를 일시적으로 저장하거나 정량토출부(40)로 보내기 위한 토출로(20)와, 용융로(10)에 투입된 유리소재(70)를 가열하여 적절하고 균일한 온도로 용융시키기 위한 가열수단(30)과, 토출로(20) 하부에 연결되어 정량의 용융 유리소재(72)를 원하는 중량과 모양으로 제어하면서 금형과 같은 장치에 배출하기 위한 정량토출부(40)와, 내부에 가스공급관(52)이 구비됨으로써 가스공급관(52)을 통해 비활성 가스가 주입되어 용융 유리소재의 토출을 조절하고 용융로(10)와 연결되는 토출로(20) 상측부가 용융 유리소재에 의해 막히는 현상을 억제하면서 스트로크(stroke) 제어를 통해 용융 유리소재의 토출을 조절하기 위한 플런저(plunger)(50)를 포함한다. 또한, 용융유리 정량토출 장치는 용융로(10)에 유리소재(70)를 투입하기 위한 호퍼(80)를 더 포함할 수 있다. 또한, 용융유리 정량토출 장치는 용융로(10)를 유리소재(70)가 투입되는 제1 공간(12)과 제1 공간(12)의 하부와 연통되어 있는 제2 공간(14)으로 구분하는 격벽(16)을 더 포함할 수 있다.

호퍼(80)를 통해 유리소재(70)가 용융로(10)에 투입되고, 용융로(10)는 제1 가열수단(32)에 의한 가열에 의해 유리소재(70)를 용융시키는 공간을 제공하는 역할을 하며, 도가니 모양의 형상으로 이루어질 수 있다. 용융로(10)는 격벽(16)에 의해 유리소재(70)가 투입되는 제1 공간(12)과 제1 공간(12)의 하부와 연통되어 있는 제2 공간(14)으로 구분될 수 있다. 제1 공간(12)과 제2 공간(14)은 용융된 유리소재(72)가 제1 공간(12)에서 제2 공간(14)으로 이동될 수 있게 서로 연통되어 있으며, 유리소재(70)는 호퍼(80)를 통해 제1 공간(12)으로 투입된다. 제2 공간(14)에는 토출로(20)와 연결되는 부분이 마련되어 있다. 격벽(16)을 이용하여 용융로(10)를 제1 공간(12)과 제2 공간(14)으로 구획하는 이유는, 호퍼(80)를 통해 유리소재(70)가 용융로(10)에 투입될 때 미처 용융되지 않은 유리소재(70)가 용융로(10)와 연결된 토출로(20)로 흘러들어가는 것을 억제하기 위함이다. 또한, 용용로(10)가 격벽(16)에 의해 제1 공간(12)과 제2 공간(14)으로 구획됨으로써, 정량토출부(40)를 통해 용융 유리소재(72)를 토출하면서도 유리소재(70)를 제1 공간(12)으로 지속적으로 투입할 수 있는 장점이 있으며, 따라서 생산단가를 낮출 수 있고 대량 생산이 가능하다.

토출로(20)는 용융로(10) 하부에 연결되어 용융된 유리소재(72)를 일시적으로 저장하거나 정량토출부(40)로 보내는 역할을 하며, 깔때기 모양의 형상으로 이루어질 수 있다.

용융로(10)와 토출로(20)는 용융된 유리소재(72)와의 반응성이 적은 백금(Pt) 재질로 이루어진 내부 프레임(60)으로 둘러싸여 있으며, 내부 프레임(60)의 외측에는 고온에서 난연성인 내화물이 충진되어 있는 내화물 충진부(62) 및 열을 단열하여 열손실을 억제하기 위한 세라믹 재질로 이루어진 내열재 프레임(64)이 구비되어 있다.

내부프레임(60)은 도가니 모양의 용융로(10)와, 용융로(10)의 하부에 연결되고 깔때기 모양으로 이루어진 토출로(20)를 둘러싸는 벽을 이룬다. 내부프레임(60)은 용융된 유리소재(72)와의 반응성이 적은 백금(Pt) 재질로 이루어지는 것이 바람직하며, 두께는 0.5~2mm 정도일 수 있다.

내화물 충진부(62)는 내부프레임(60)의 외측을 둘러싸는 구조로 이루어지며, 내화물 충진부(62)를 구성하는 내화물은 고온에서 난용성인 비금속 무기재료이다. 상기 내화물은 1,580℃ 이상의 온도에서 사용할 수 있는 재료를 가리키며, 대표적으로 Al₂O₃, ZrO₂ 등이 있으며, 그 외에도 TiO₂, CaO, MgO, Na₂O 등이 용도에 맞게 사용될 수 있다.

내열재 프레임(64)은 가열수단(30)에서 가열된 열을 단열하여 최대한 열 손실을 억제하는 작용을 하는 것으로, 내화 연와, 세라믹 섬유 보드(Ceramic Fiber Board), 세라믹 블랭킷(Ceramic Blanket) 등의 세라믹 재질의 열 차단 효과가 있는 재질로 이루어진다.

가열수단(30)은 용융로(10)를 가열하기 위한 제1 가열수단(32)과, 토출로(20)를 가열하기 위한 제2 가열수단(34)를 포함한다. 가열수단(30)의 가열방식은 전기, 가스, 중유 등을 이용한 가열방식이 될 수 있으며, 고주파 유도가열 및 할로겐 램프를 이용한 가열방식 또한 사용될 수 있다. 제1 가열수단(32)에 의해 가열되는 용융로(10)의 온도는 통상적으로 1000~2000℃까지의 범위를 가진다. 이때 제1 가열수단(32)의 가열에 의한 용융 유리소재(72)의 점도는 10^2.5 ~ 10⁵ 포이즈(poise) 정도를 가지며, 제1 가열수단(32)은 용융 유리소재의 종류에 따라 온도를 제어할 수 있게 구비된다. 제1 및 제2 가열수단(32,34)은 유리소재의 특성에 따라 온도를 제어할 수 있는 특징을 가진다. 제2 가열수단(34)은 토출로(20)에 유입된 용융 유리소재(72)가 급냉되는 것을 억제하고 용융 유리소재의 점도를 일정하게 유지하는 역할을 한다. 제1 가열수단(32)과 제2 가열수단(34)은 서로 독립적으로 온도가 제어될 수 있게 구비된다.

용융로(10), 용융로(10)를 둘러싸는 내화물 충진부(62), 내화물 충진부(62)를 둘러싸는 내열재 프레임(64), 제1 가열수단(32) 등은 고정받침대(90)에 의해 지지되며, 고정받침대(90)는 용융유리 정량토출 장치를 고정하는 수단으로서의 기능을 한다. 토출로(20), 토출로(20)를 둘러싸는 내화물 충진부(62), 내화물 충진부(62)를 둘러싸는 내열재 프레임(64), 제2 가열수단(32) 등은 보조받침대(92)에 의해 지지되며, 보조받침대(92)는 고정받침대(90)와 연결되어 용융유리 정량토출 장치를 고정하는 수단으로서의 기능을 한다.

정량토출부(40)는 토출로(20)의 하부에 연결되어 금형(110)과 같은 장치에 용융 유리소재(72)를 투입하는 장치이다. 정량토출부(40)는 토출로(20) 하부에 연결되어 토출로(20)를 통과한 용융 유리소재(72)를 외부로 배출하는 노즐(42)과, 노즐(42)을 통해 토출되는 용융 유리소재(72)를 원하는 중량 및 형상으로 절단하는 절단부(44)를 포함한다. 용융 유리소재(72)의 토출 시 노즐의 토출 내경을 제어하여 용융 유리소재(72)의 중량 및 형상을 제어하고, 절단부(44)는 토출되는 용융 유리소재(72)를 절단부(44)를 이용하여 절단의 타이밍(timing)을 이용하여 원하는 중량 및 형상으로 절단한다. 절단부(44)는 모터와 같은 구동수단(미도시)에 의해 구동되며, 좌우에 한쌍으로 구비되어 마치 가위와 같은 기능을 하는 것으로, 좌우에 있는 절단부(44)가 구동수단에 의해 구동되어 마치 가위와 같이 서로 부딪치며 용융 유리소재(72)를 절단하는 역할을 한다. 정량토출부(40)는 용융된 유리소재(72)의 배출을 균일한 양과 모양으로 제어하여 생산하고자 하는 제품의 크기, 모양, 품질 등에 중요한 역할을 하는 장치이다. 노즐(42) 및 절단부(44)는 주철이나 초경 등으로 제작될 수 있으며, 용융 유리소재(72)와 접촉하는 노즐(42)은 용융된 유리소재(72)와의 반응성이 적은 백금(Pt), Si₃N₄, 그라파이트, Ir, Re, 또는 BN 재질로 이루어지거나 코팅될 수 있다. 절단부(44)는 받침커버(92)에 의해 지지된다.

플런저(50)의 내부에 가스공급관(52)이 구비되며, 가스공급관(52)을 통해 비활성 가스가 주입되어 용융 유리소재(72)의 토출을 조절하고 용융로(10)와 연결되는 토출로(20) 상측부가 용융 유리소재(72)에 의해 막히는 현상을 억제하면서 스트로크(stroke) 제어를 통해 용융 유리소재(72)의 토출을 조절한다. 플런저(50)의 측면에는 날개 모양의 조절부(미도시)가 더 구비될 수 있고, 상기 조절부는 기포 유입을 방지하는 역할을 한다. 플런저(50)의 재질은 유리소재와 반응성이 적은 백금(Pt)으로 이루어지거나 주철이나 초경 등으로 제작하고 외부는 백금(Pt) 재질로 코팅된 것이 바람직하다.

플런저(50)는 모터와 같은 구동수단(미도시)에 의해 상하로 스트로크 가능하게 구비되며, 용용로(10) 내를 상하로 이동하면서 용융로(10)에서 토출로(20)로 토출되는 용융 유리소재(72)의 양을 조절한다. 또한, 플런저(50)는 유리소재가 용융로(10)에서 용융되는 동안에 용융된 유리소재(72)가 자중에 의해 토출로(20)로 흘러들어 가지 않도록 용융로(10)의 하부로 이동하여 토출로(20)의 상측부(22)를 닫는 역할을 한다. 이에 의해 유리소재가 용융로(10)의 가열 작용에 의해서 용융되는 동안 용융 유리소재(72)의 자중에 의하여 토출로(20)로 흘러들어 가는 것이 방지된다. 따라서, 플런저(50)의 하부는 토출로 상측부(22) 형태 및 직경의 크기에 따라 그 크기 및 형태가 결정된다. 플런저(50)의 하부단은 토출로 상측부(22)의 형태에 따라 사각 형태, 라운드 형태 등으로 이루어질 수 있다. 플런저(50)의 하부단 직경은 토출로(20) 상측부의 직경보다 크게 형성하여 토출로(20) 상측부를 완전히 개폐할 수 있게 한다. 이렇게 구비된 플런저(50)는 그 하부단이 토출로(20)의 상측부의 상부로 하강하여 용융된 유리소재(72)가 토출로(20)로 흘러들어가는 것을 방지할 수 있게 한다. 플런저(50)의 하강 시에는 중심부에 구비된 가스공급관(52)에는 일정 압력으로 가압되어 있는 가스가 용융 유리소재(72)가 침투되지 않도록 채워져 있으며, 이 가스는 공기, 질소(N₂), 아르곤(Ar)와 같은 비활성 가스를 사용한다. 용융 유리소재(72)를 외부로 토출하는 경우에는 가스공급관(52)에 비활성 가스를 추가적으로 공급하여 토출로(20)에 머물러 있는 용융 유리소재(72)를 가압하여 정량토출부(40)로 흘러들어가게 한다.

용융로(10)에 저장되어 있는 점도 10^2.5 ~ 10⁵ 포이즈(poise)의 용융된 유리소재(72)는 급격하게 이동 통로가 작아지는 토출로 상측부(22)에서 플런저(50)가 상측으로 올라가 있는 상태에서도 잘 흘러내려 가지 않고 머무르게 된다. 따라서, 플런저(50)의 정밀 상하 이동으로 용융로(10)의 하측에 위치한 토출로(20)에 토출하고자 하는 정량의 용융 유리소재(72)를 이동시키기 위하여 플런저(50)의 상하 이동 길이, 상하 이동 속도, 상하 이동 횟수를 조절하여 용융된 유리소재(72)를 토출로(20)로 정량 이동시킬 수 있다. 이때 용융 유리소재(72)의 토출 모양 및 중량을 감안한 토출로(20)의 형태 및 크기의 결정에 따라 플런저(50)의 모양 및 크기가 결정된다.

이하에서, 글라스 정량 토출장치를 이용하여 용융 유리를 정량으로 토출하는 방법을 설명한다.

용융된 유리소재(72)가 자중에 의해 토출로(20)로 흘러들어 가지 않도록 플런저(50)를 하강시켜 토출로(20)의 입구(상측부)(22)를 닫는다(S10). 플런저(50)를 이용하여 토출로 상측부(22)를 닫는 단계(S10)는 용융로(10)가 가열되어 유리소재가 용융되는 동안 용융 유리소재(72)의 자중에 의하여 토출로(20)로 흘러들어 가는 것을 방지하기 위한 단계이다. 플런저(50)의 하부단 직경은 토출로 상측부(22)의 직경보다 크게 형성되므로 토출로 상측부(22)를 완전히 폐쇄할 수 있다. 플런저(50)의 하강 시 플런저(50)의 중심부에 구비된 가스공급관(52)에는 일정 압력으로 가압되어 있는 가스가 용융된 유리소재(72)가 침투되지 않도록 채워져 있으며, 이 가스는 질소(N₂), 아르곤(Ar)와 같은 비활성 가스를 사용한다.

용융로(10)의 제1 공간(12)에 유리소재(70)를 투입한다(S10). 상기 유리소재의 형태는 특별한 제한이 없으며, 다양한 형태의 유리소재(70)를 사용하여도 무방하다. 유리소재 투입 단계(S10)는 제작하고자 하는 광학소자의 재료를 용융유리 정량토출 장치에 투입하는 단계로 투입하기 위한 유리소재(70)는 크라운 글라스(crown glass), 프린트 글라스(flint glass) 계열 등의 2000℃ 이하에서 융점을 갖고 광학 소자로 사용하기 위한 모든 종류의 유리가 포함된다. 또한, 투입하기 위한 유리소재(70)의 형태는 글라스 고브(glass gob)의 가공 전 단계로 일반적으로 사용되고 있는 타블렛 형태, 로드(Lod) 형태, 사각 형태 등 형태의 제한이 없다.

용융로(10)의 제1 공간(12)에 투입된 유리소재(70)를 용융한다(S30). 유리소재 용융 단계(S30)는 제1 가열수단(32)을 이용하여 용융로(10)에 투입되는 유리소재(70)의 용융 특성에 맞게 적절한 온도를 유지 및 조절하면서 이루어진다. 제1 가열수단(32)에 의해 가열되는 용융로(10)의 온도는 유리소재(70)의 특성에 따라 용융 유리소재(72)의 점도가 10^2.5 ~ 10⁵ 포이즈(poise)를 유지하기 위하여 1000~2000℃ 범위에서 온도 제어가 이루어진다. 용융 유리소재(72)의 일정한 점도의 유지 및 점도 제어로 인한 정량 토출을 위하여 1차 가열수단(32)과 2차 가열수단(34)에 의한 2단계 온도 제어가 이루어질 수도 있다. 격벽(16)의 하부에 제1 공간(12)과 제2 공간(14)이 연통되어 있으므로, 용융로(10)의 제1 공간(12)에 투입된 유리소재(70)는 용융되게 되면 제2 공간(14)으로 유동되어 흘러가게 된다.

용융된 유리소재(72)가 토출로(20)로 유입되게 한다(S40). 이때, 토출로(20)는 제2 가열수단(34)에 의해 유리소재의 유리연화점보다 높은 온도(예컨대, 900～1200℃)로 일정하게 유지되고 있다. 플런저(50)는 상하로 스트로크하면서 토출로(20)에 주입되는 용융 유리소재(72)의 토출량을 조절한다. 플런저(50)의 상하 스크로크를 이용한 피딩(Feeding)은 용융된 유리소재(72)의 정량 토출을 위한 것으로, 용융로(10)에 저장되어 있는 점도 10^2.5 ~ 10⁵ 포이즈(poise)의 용융된 유리소재(72)는 급격하게 이동 통로가 작아지는 토출로 상측부(22)에서 플런저(50)가 상측으로 올라가 있는 상태에서도 잘 흘러내려 가지 않고 머무르게 된다. 따라서, 플런저(50)의 정밀 상하 이동으로 용융로(10)의 하측에 위치한 토출로(20)에 토출하고자 하는 정량의 용융 유리소재(72)를 이동시키기 위하여 플런저(50)의 상하 이동 길이, 상하 이동 속도, 상하 이동 횟수를 조절하여 용융된 유리소재(72)를 토출로(20)로 정량 이동시킨다. 이때 용융 유리소재(72)의 토출 모양 및 질량을 감안한 토출로(20)의 형태 및 크기의 결정에 따라 플런저(50)의 모양 및 크기가 결정된다. 또한, 플런저(50)의 상하 이동 시 플런저(50)의 중심부에 구비된 가스 이동 통로인 가스공급관(52)으로 용융된 유리소재(72)가 유입되는 것을 방지하기 위하여 가스의 압력은 일정하게 유지되어야 한다.

용융 유리소재의 외부 토출을 위하여 플런저(50) 내에 구비된 가스공급관(52)을 통해 가스를 추가적으로 공급한다(S50). 토출로(20)에 유입된 용융 유리소재(72)는 10^2.5 ~ 10⁵ 포이즈(poise)의 점도 및 유리소재의 외부 토출 시 모양을 결정하는 정량토출부(40)에 의하여 토출로(20)에 일시적으로 머무르게 된다. 이때, 토출로(20)에 머무르는 시간, 토출로(20)에 머무르는 용융 유리소재(72)의 양 등은 토출로(20)를 둘러싸고 있는 제2 가열수단(34)의 온도 조절에 의한 점도의 조절, 정량토출부(40)의 노즐(42) 모양 및 크기 등에 의해 결정된다. 따라서 플런저(50)의 중앙부에 구비된 가스공급관(52)에 가스를 추가적으로 공급하여, 가스공급관(52) 내로 용융 유리소재(72)가 유입되는 것을 막을 정도의 일정한 가스의 압력이 가해진 상태에서 더욱 가압하여 토출로(20)에 머물러 있는 용융 유리소재(72)를 정량토출부(40)의 노즐(42)을 거쳐 외부로 토출되게 할 수 있다. 즉, 플런저(50)의 중심부에 구비된 가스공급관(52)에 일정 압력으로 가스(gas)가 저장되어 있는 상태에서 비활성 가스를 추가적으로 가스공급관(52)에 공급하여 가압함으로써 토출로(20)에 일시적으로 머무르는 용융 유리소재(72)가 정량토출부(40) 밖으로 토출될 수 있다.

토출로(20)를 통과한 용융된 유리소재(72)는 정량토출부(40)를 이용하여 원하는 중량과 모양으로 제어되면서 하부금형(미도시)에 투입된다(S60). 플런저(50)를 통해 기포 유입을 방지하면서 스트로크(stroke) 제어를 통해 용융 유리소재(72)의 토출을 조절하고, 노즐(42)을 통과하는 용융 유리소재(72)를 적절한 타이밍(timing)으로 절단하여 원하는 중량 및 형상으로 절단하여 용융 유리소재가 하부금형(110)에 투입되도록 한다. 절단부(44)를 통과한 용융 유리소재(72)의 점도는 10³ ~ 10⁵ 포이즈(poise)의 범위를 갖는다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

10: 용융로 12: 격벽
20: 토출로 30: 가열수단
32: 제1 가열수단 34: 제2 가열수단
40: 정량토출부 42: 노즐
44: 절단부 50: 플런저
52: 가스공급관 60: 내부프레임
62: 내화물 충진부 64: 내열재 프레임
70: 유리소재 72: 용융 유리소재
80: 격벽

Claims (11)

1. 투입된 유리소재가 용융되어 저장되는 용융로;
   상기 용융로 하부에 연결되어 용융된 유리소재를 일시적으로 저장하거나 정량토출부로 보내기 위한 토출로;
   상기 토출로 하부에 연결되어 정량의 용융 유리소재를 원하는 중량과 모양으로 제어하면서 외부로 배출하기 위한 정량토출부;
   상기 용융로에 투입된 유리소재를 가열하여 균일한 온도로 용융시키기 위한 제1 가열수단;
   내부에 가스공급관이 구비됨으로써 상기 가스공급관을 통해 비활성 가스가 주입되어 상기 토출로에 머무르는 용융 유리소재의 토출을 조절하고 상기 용융로와 연결되는 상기 토출로 상측부가 용융 유리소재에 의해 막히는 현상을 억제하며 상하 스트로크를 통해 용융 유리소재의 토출을 조절하기 위한 플런저; 및
   유리소재가 투입되는 제1 공간과 상기 토출로와 연결되는 제2 공간으로 상기 용융로를 구획하는 격벽을 포함하며,
   상기 제1 공간과 상기 제2 공간은 용융된 유리소재가 유동될 수 있게 연통되어 있고,
   상기 정량토출부는,
   상기 토출로 하부에 연결되어 상기 토출로를 통과한 용융 유리소재를 외부로 배출하는 노즐; 및
   상기 노즐을 통해 토출되는 용융 유리소재를 원하는 중량 및 형상으로 절단하는 절단부를 포함하며,
   상기 절단부는 좌우 한쌍으로 구비되고, 좌우에 있는 상기 절단부가 구동수단에 의해 구동되어 서로 부딪치면서 상기 융융 유리소재를 절단하며,
   기포의 유입을 방지하기 위하여 상기 플런저의 측면에는 날개 모양의 조절부가 구비되어 있고,
   상기 플런저의 하부단 직경은 상기 토출로 상측부의 직경보다 크게 구비되고,
   상기 플런저는 상기 용융로에서 유리소재가 용융되는 동안에 용융된 유리소재가 자중에 의해 상기 토출로로 흘러들어 가지 않도록 상기 용융로의 하부로 이동하여 상기 토출로 상측부를 닫으며,
   상기 플런저의 하강 시에는 상기 가스공급관에 일정 압력으로 비활성 가스가 주입되어 용융 유리소재가 안으로 침투되지 않도록 채워져 있으며,
   용융 유리소재를 외부로 토출하는 경우에는 상기 가스공급관에 비활성 가스를 추가적으로 공급하여 상기 토출로에 머물러 있는 용융 유리소재를 가압하여 상기 정량토출부로 흘러들어가게 하는 것을 특징으로 하는 용융유리 정량토출 장치.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 토출로에 유입된 용융 유리소재가 급냉되는 것을 억제하고 상기 용융 유리소재의 점도를 일정하게 유지하도록 상기 토출로를 가열하기 위한 제2 가열수단을 더 포함하며, 상기 제1 및 제2 가열수단은 용융 유리소재의 종류에 따라 온도를 제어할 수 있게 구비되며, 상기 제1 가열수단과 상기 제2 가열수단은 서로 독립적으로 온도가 제어될 수 있는 것을 특징으로 하는 용융유리 정량토출 장치.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 용융로와 상기 토출로는 용융된 유리소재와의 반응성이 적은 백금 재질로 이루어진 내부 프레임으로 둘러싸여 있으며, 상기 내부 프레임의 외측에는 난연성인 내화물이 충진되어 있는 내화물 충진부가 구비되고, 상기 내화물 충진부의 외측에는 열을 단열하여 열손실을 억제하기 위한 세라믹 재질로 이루어진 내열재 프레임이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 용융유리 정량토출 장치.
   
4. 제1항에 있어서, 용융 유리소재와 접촉하는 상기 노즐의 내부는 유리소재와 반응성이 적은 백금(Pt), Si₃N₄, 그라파이트, Ir, Re 또는 BN 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 용융유리 정량토출 장치.
   
5. 제1항에 있어서, 상하 스트로크를 통해 용융 유리소재의 토출을 조절하는 상기 플런저의 외부 표면 재질은 글라스와 반응성이 적은 백금(Pt)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 용융유리 정량토출 장치.
   
6. 삭제
7. 플런저의 하부단 직경이 토출로 상측부의 직경보다 크게 구비되게 하고 용융된 유리소재가 자중에 의해 토출로로 흘러들어 가지 않도록 플런저를 하강시켜 용융로 하부에 연결된 토출로의 상측부를 닫는 단계;
   상기 용융로에 유리소재를 투입하는 단계;
   상기 용융로에 투입된 유리소재를 용융하는 단계;
   용융된 유리소재가 상기 토출로로 유입되게 하는 단계;
   용융 유리소재의 외부 토출을 위하여 상기 플런저 내에 구비된 가스공급관을 통해 비활성 가스를 상기 토출로에 공급하여 상기 토출로에 일시적으로 머물러 있는 용융 유리소재를 가압하여 정량토출부로 흘러들어가게 하는 단계; 및
   상기 토출로를 통과한 용융된 유리소재를 상기 정량토출부를 이용하여 원하는 중량과 모양으로 제어하면서 외부로 토출하는 단계를 포함하며,
   상기 용융로는 격벽에 의해 유리소재가 투입되는 제1 공간과 상기 토출로와 연결되는 제2 공간으로 구분되고, 상기 제1 공간과 상기 제2 공간은 용융된 유리소재가 유동될 수 있게 연통되어 있으며, 상기 용융로에 유리소재를 투입하는 단계는 용융로의 상기 제1 공간에 호퍼를 통해 유리소재를 투입하는 단계로 이루어지고,
   기포의 유입을 방지하기 위하여 상기 플런저의 측면에 날개 모양의 조절부가 구비되게 하고,
   용융된 유리소재가 상기 토출로로 유입되게 하는 단계에서, 상기 플런저는 상하로 스크로크 하면서 용융 유리소재의 토출을 조절하고, 상기 플런저의 하강 시 상기 가스공급관 내로 용융된 유리소재가 침투되지 않도록 상기 가스공급관은 비활성 가스로 채워지며,
   상기 정량토출부를 이용하여 용융된 유리소재를 외부로 토출하는 단계는, 상기 토출로 하부에 연결된 노즐을 통해 상기 토출로를 통과한 용융 유리소재를 외부로 배출하고, 상기 노즐을 통해 토출되는 용융 유리소재를 절단부를 이용하여 원하는 중량 및 형상으로 절단하는 단계를 포함하며,
   상기 절단부는 좌우 한쌍으로 구비되게 하고, 좌우에 있는 상기 절단부가 구동수단에 의해 구동되어 서로 부딪치면서 상기 융융 유리소재를 절단하는 것을 특징으로 하는 용융유리 정량토출 방법.
   
8. 삭제
9. 제7항에 있어서, 용융된 유리소재가 상기 토출로로 유입되게 하는 단계 전에,
   상기 토출로에 유입된 용융 유리소재가 급냉되는 것을 억제하고 상기 용융 유리소재의 점도를 일정하게 유지하도록 제2 가열수단을 이용하여 상기 토출로를 가열하는 단계를 더 포함하며, 상기 제2 가열수단과 상기 용융로를 가열하기 위한 제1 가열수단은 용융 유리소재의 종류에 따라 온도를 제어할 수 있게 구비되며, 상기 제1 가열수단과 상기 제2 가열수단은 서로 독립적으로 온도가 제어되는 것을 특징으로 하는 용융유리 정량토출 방법.
10. 삭제
11. 삭제

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