KR101451207B1 - 유리 성형용 몰드 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유리 성형용 몰드 및 그 제조방법에 관한 것으로, a) 흑연소재 몰드를 준비하는 단계와, b) 상기 흑연소재 몰드의 유리 접촉면에 SiC를 증착함과 아울러 상기 SiC의 그레인 사이에 열분해 카본을 증착하여 C/SiC 복합체층을 형성하는 단계를 포함한다. 본 발명은 흑연소재의 몰드와, 그 몰드의 유리와 접하는 면에 보호층으로서 C/SiC 복합체층을 형성하도록 구성되어, 연화점이 높은 유리를 성형함이 가능하며, 기공의 전사됨을 방지하고, 이형재의 역할을 하는 카본의 혼합률을 보다 증가시켜 유리가 식으면서 보호층에 부착되어 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Description

유리 성형용 몰드 및 그 제조방법{Forming mold for glass and menufacturing method thereof}

본 발명은 유리 성형용 몰드 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 높은 온도의 연화점을 가지는 유리를 성형할 수 있는 유리 성형용 몰드 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 안경렌즈나 카메라용 유리렌즈 등의 유리 제품을 제작하기 위해서 제품 형상을 갖는 몰드를 사용하고 있다.

일반적인 몰드는 텅스텐 카바이드 소재에 이형재인 DLC(Diamond Like Carbon)을 코팅한 구조를 사용하고 있다. 이러한 구조는 등록특허 10-0827002호에 상세히 기재되어 있다.

상기 등록특허 10-0827002호에는 상부와 하부 몰드를 탄화물 또는 질소화물로 구성하고, 그 상부와 하부 몰드에 보호층을 형성한 구조로, 그 보호층으로 DLC 등을 사용할 수 있다고 기재하고 있다.

그러나 유리의 연화점이 낮은 안경렌즈나 카메라용 렌즈의 성형에는 위의 DLC를 사용하는 몰드를 사용할 수 있으나, 최근 휴대전화용 커버 글라스(Cover Glass)를 몰드 성형방식으로 제작하기 위해서는 위의 DLC를 보호층으로 사용하는 몰드는 사용할 수 없다.

상기 휴대전화용 커버 글라스는 특성상 연화점이 높은 유리를 사용하고 있으며, 통상 700℃ 이상의 성형온도가 요구되고 있다. 그러나 상기 DLC 등 기존의 보호층들은 700℃의 온도에서는 손상이 발생하여 사용할 수 없게 된다. 이와 같은 현상은 휴대전화용 커버 글라스의 측면부가 단면에서 원호형 형상으로 굽은 것일 때는 더더욱 사용할 수 없다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 내열성이 우수한 흑연소재 몰드가 제안되었으나 소재 자체에 기공이 있기 때문에 기공형상이 그대로 유리성형품에 전사되는 새로운 문제점이 발생하게 되었다.

상기와 같은 기공형상의 전사 문제를 해결하기 위하여, 고온에서 고경도를 가지는 SiC 재질의 몰드를 사용하고 있다. 이러한 SiC를 보호층으로 가지는 몰드는 흑연소재에 SiC층을 화학기상증착법(CVD)으로 증착하고, 그 SiC층을 경면 가공하여 사용하고 있다.

그러나 유리를 성형하는 과정에서 SiC층에 유리가 부착되어 냉각 과정에서 크랙이 발생하는 문제점이 있었다. 이러한 문제점의 원인으로 SiC가 충분한 이형재 역할을 할 수 없기 때문이다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 과제는, 연화점이 높은 유리를 성형할 수 있으며, 공극의 전사가 발생하지 않으며, 충분한 이형재로서의 기능을 수행할 수 있는 유리 성형용 몰드 및 그 제조방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명 유리 성형용 몰드는, 흑연소재 몰드와, 상기 흑연소재 몰드의 유리 접촉면에 형성된 C/SiC 복합체층을 포함한다.

또한 본 발명 유리 성형용 몰드 제조방법은, a) 흑연소재 몰드를 준비하는 단계와, b) 상기 흑연소재 몰드의 유리 접촉면에 SiC를 증착함과 아울러 상기 SiC의 그레인 사이에 열분해 카본을 증착하여 C/SiC 복합체층을 형성하는 단계를 포함한다.

본 발명은, 흑연소재의 몰드와, 그 몰드의 유리와 접하는 면에 보호층으로서 C/SiC 복합체층을 형성하도록 구성되어, 연화점이 높은 유리를 성형함이 가능하며, 기공의 전사됨을 방지하고, 이형재의 역할을 하는 카본의 혼합률을 보다 증가시켜 유리가 식으면서 보호층에 부착되어 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유리 성형용 몰드의 제조공정 순서도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유리 성형용 몰드의 단면 구성도이다.
도 3은 SiC 소재의 몰드로 성형한 종래 유리 제품의 표면 사진이다.
도 4는 본 발명에 따라 C/SiC 복합체 소재의 몰드로 성형한 유리 제품의 표면 사진이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유리 성형용 몰드 및 그 제조방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유리 성형용 몰드의 제조공정 순서도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유리 성형용 몰드의 단면 구성도이다.

도 1과 도 2를 각각 참조하면 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유리 성형용 몰드의 제조방법은, 흑연소재의 몰드(10)를 형성하는 단계(S1)와, 상기 흑연소재 몰드(10)의 유리 접촉면에 C/SiC 복합체층(20)을 형성하는 단계(S2)와, 상기 C/SiC 복합체층(20)의 표면을 경면 가공하는 단계(S3)를 포함하여 구성된다.

상기와 같은 본 발명의 유리 성형용 몰드의 제조방법을 따라 제조된 유리 성형용 몰드는 흑연소재 몰드(10)의 유리 접촉면에 보호층으로서 C/SiC 복합체층(20)이 형성된 것을 특징으로 한다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유리 성형용 몰드 및 그 제조방법을 보다 구체적으로 설명한다.

먼저, S1 단계에서와 같이 흑연소재의 몰드(10)를 제조한다. 상기 몰드(10)는 상형과 하형으로 구성되며, 하형의 상면과 상형의 저면이 각각 성형물에 접하는 유리 접촉면이 된다.

상기 흑연소재 몰드(10)는 최종 몰드의 형상에 가까운 형상(Near Net Shape)으로 제작되는 것이 바람직하다.

특히 흑연소재 몰드(10)는 열팽창 계수가 4X10^-6 ~ 4.6X10^-6/K인 SiC와 유사한 것이 바람직하다. 이는 상기 C/SiC 복합체층(20)의 증착 온도에서 C/SiC 복합체층(20)과의 열팽창계수의 차이에 의해 변형이 발생되는 것을 방지하기 위한 것이다.

그 다음, S2 단계에서는 상기 흑연소재 몰드(10)의 유리 접촉면에 화학기상증착법(CVD)으로 SiC를 증착하며, 그 증착 과정에서 하이드로 카본(hydrocarbon)을 증착로 내에 공급한다.

상기 하이드로 카본은 CxHy의 화학식을 가지는 것으로, x가 1이상, y가 2 이상의 정수인 것을 사용할 수 있다.

상기 실리콘 카바이드의 증착 온도는 1000 내지 1500℃로 하고, 성막 속도를 20 내지 400μm/hour로 하고, 원료가스의 체류시간을 7 내지 110초로 하는 조건으로 증착한다.

이때, 상기 원료가스와 하이드로 카본의 유량은 원료가스 30 내지 99.9%에 대하여 하이드로 카본의 유량이 70 내지 0.1%가 되도록 한다.

상기 원료가스와 하이드로 카본의 비는 유량의 비이며, 당업자 수준에서 이를 원자비로 변환실시하는 것은 용이한 것이다.

상기 하이드로 카본이 0.1% 유량 미만인 경우에는 그 하이드로 카본의 첨가에 의하여 이루어지는 이형성 증가의 효과가 적으며, 70%를 초과하는 경우에는 공극이 발생할 염려가 있으며, 내열성이 저하되고, 경도가 낮아지게 된다.

상기 SiC를 증착하기 위한 원료가스는 CH₃SiCl₃, (CH₃)₂SiCl₂, (CH₃)₃SiCl, (CH₃)₄Si, CH₃SiHCl₂, SiCl₄ 중 어느 하나 또는 둘 이상의 조합된 가스를 사용하거나, 또는 상기 원료가스에 C₂H₂, CH₄, C₃H₈, C₆H₁₄, C₇H₈ 중 어느 하나 또는 둘 이상이 선택적으로 조합된 가스를 사용할 수 있다.

이와 같은 공정을 통해 증착되는 C/SiC 복합체층(20)은 SiC의 그레인들 사이에, 하이드로 카본 원료의 열분해에 의한 열분해 카본이 충진되는 물리적인 결합이 이루어진다.

상기 카본은 열분해 카본(pyrocarbon)이며, 그 SiC의 그레인들 사이에 열분해 카본이 충진 된다.

따라서 C/SiC 복합체층(20)은 SiC층에 비하여 탄소의 함유량이 증가되며, 이형성이 우수한 탄소의 함유량 증가에 의해 이후 유리를 성형할 때 용융유리가 부착되는 것을 방지할 수 있게 된다.

그 다음, S3 단계와 같이 상기 C/SiC 복합체층(20)의 표면을 경면 가공한다.

상기 경면 가공은 C/SiC 복합체층(20)의 경면가공은 연마를 통해 이루어질 수 있으며, 이때의 연마는 물리적인 연마, 물리적 화학적 연마를 사용할 수 있다.

또한 상기 경면 가공은 생략될 수 있다. 경면 가공을 하지 않고도 C/SiC 복합체층(20)은 SiC의 그레인 사이에 C가 충진되어 평탄성이 단일한 SiC층에 대하여 보다 향상되기 때문이다.

도 3은 종래 SiC 소재의 몰드로 성형한 유리 제품의 표면 사진이고, 도 4는 본 발명의 유리 성형용 몰드로 성형한 유리 제품의 표면 사진이다.

도 3과 도 4를 비교하면 상술한 바와 같이 C 함유량의 증가에 따라 이형성이 증가하여 성형된 유리 제품의 표면에 균열이 발생하지 않게 된다.

이처럼 탄소 함유량의 증가에 의하여 이형성이 개선될 수 있는 점을 고려하여, SiC 소재 몰드의 표면에 Si와 C를 포함하는 무기 고분자 소재인 SiC 전구체를 코팅하는 방법도 고려할 수 있다.

상기 Si와 C를 포함하는 SiC 전구체는 PCS(Polycarbosilane) 또는 Polysilazane 등이 될 수 있다. 상기 SiC 전구체에는 메틸, 알킬, 알릴, 사일릴, 페닐, 비닐 등 어느 하나 이상의 치환기를 포함할 수 있다.

상기 코팅 방법은 SiC 전구체를 종래 SiC 소재 몰드의 표면에 도포하고, 열을 가하여 경화함으로써 형성될 수 있는 것으로, 화학기상증착법(CVD)으로 성형된 종래 SiC에 비하여 탄소의 함유량이 5~40%많은 특징이 있다.

구체적으로 SiC 소재 몰드에 SiC 전구체를 이용한 SiC 층을 형성하는 방법은 다음과 같다.

SiC 전구체를 용매에 용해시켜 SiC소재 몰드의 표면에 코팅한다. 이때 용매는 헥산, 크실란, 톨루엔 또는 테트라 하이드로 퓨론을 사용할 수 있다.

그다음 열처리를 통해 상기 SiC전구체를 SiC로 전환시켜 SiC층을 획득할 수 있다. 이때의 열처리는 시간당 5 내지 30℃의 승온속도로 승온하여 최종온도가 700 내지 1500℃가 되도록 한다.

상기 승온속도와 최종온도를 조절함으로써 SiC층의 결정구조에 차이를 만들 수 있다. 이러한 SiC층은 탄소의 함유량이 종래 유리 성형용 몰드의 재료인 SiC에 비하여 5 내지 40% 증가하며 따라서 앞서 설명한 C/SiC 복합체층(20)과 같이 이형성이 향상되어 성형 되는 유리 제품이 보다 성형 몰드로부터 용이하게 분리하는 것이 가능하게 된다.

전술한 바와 같이 본 발명에 대하여 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하였지만, 본 발명은 전술한 실시예들에 한정되는 것이 아니고, 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.

10:흑연소재 몰드 20:C/SiC 복합체층

Claims (10)

1. 흑연소재 몰드; 및
   상기 흑연소재 몰드의 유리 접촉면에 형성된 C/SiC 복합체층을 포함하되,
   상기 C/SiC 복합체층은, SiC의 그레인들 사이에 열분해 카본이 충진되며, 상기 SiC와 상기 열분해 카본의 원자비가 99.9:0.1 내지 30:70이 되도록 상기 SiC와 상기 열분해 카본을 화학적 기상증착법으로 동시에 증착한 것을 특징으로 하는 유리 성형용 몰드.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 열분해 카본의 원료는,
   C와 H를 포함하는 하이드로 카본 가스인 것을 특징으로 하는 유리 성형용 몰드.
   
5. a) 흑연소재 몰드를 준비하는 단계; 및
   b) 상기 흑연소재 몰드의 유리 접촉면에 SiC와 열분해 카본을 화학기상 증착법으로 동시에 증착하여, 상기 SiC의 그레인 사이에 열분해 카본이 증착된 C/SiC 복합체층을 형성하는 단계를 포함하되,
   상기 b) 단계는,
   증착온도를 1000 내지 1500℃로 하고, 성막 속도를 20 내지 400μm/hour로 하고,
   상기 SiC의 증착을 위한 원료가스와 상기 열분해 카본의 증착을 위한 하이드로 카본의 체류시간은 7 내지 110초로 하며,
   상기 원료가스와 상기 하이드로 카본의 유량은 원료가스 30 내지 99.9%에 대하여 하이드로 카본의 유량이 70 내지 0.1%로 공급하는 것을 특징으로 하는 유리 성형용 몰드 제조방법.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 C/SiC 복합체층의 표면을 물리적 연마 또는 물리 화학적 연마를 통해 경면 처리하는 단계를 더 포함하는 유리 성형용 몰드 제조방법.
   
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8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제

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