KR20010080160A

KR20010080160A - 유리에 표면구조물을 형성시키기 위한, 구조형성된 면을갖는 성형 툴과 채널 플레이트 구조형성에서의 이 성형툴의 사용

Info

Publication number: KR20010080160A
Application number: KR1020017004721A
Authority: KR
Inventors: 징거루돌프; 디잠요아힘; 바움크리스티아네
Original assignee: 게르하르트 암라인, 루드비히 비르스; 카알-차이스-스티프퉁 트레이딩 에즈 쇼옷트 그라스
Priority date: 1998-10-15
Filing date: 1999-10-08
Publication date: 2001-08-22
Also published as: EP1133452A1; AU6335999A; CN1309622A; DE59902690D1; ES2183612T3; WO2000021894A1; EP1133452B1; CN1212986C; DE19847549C1; TW467871B; ATE223876T1; JP2002527331A; US6679085B1; CA2336697A1

Abstract

선택적 기능을 갖는 유리 분야에서, 예를 들어 새로운 평면 스크린 세대의 디스플레이 스크린에 또는 소위 채널 플레이트에 특정 정밀 표면구조물이 형성된 유리가 요구된다.

지금까지 사용된 스크린 프린팅 기술의 단점을 피하며, 본 발명은, 유리(2)에 구조물을 형성하기 위한, 구조형성 면을 갖는 성형 툴(1)을 제공하는데, 이는 구조형성이 될 유리 부분의 국부적인 가열에 의해 고-정밀도의 미세구조를 경제적으로 형성하는 것을 가능케 한다. 금속성 중공 실린더(7)와 이것에 면접촉으로 고정된 성형 시이트(8), 구동부재(4)를 통해 롤링 실린더(3)를 연속적으로 구동시키는 샤프트(5)를 갖는 롤링 실린더(3)가 제공된다. 샤프트(5)와 중공 실린더(7) 사이에, 전기 히터가 전기적으로 절연되며 배치된다.

Description

유리에 표면구조물을 형성시키기 위한, 구조형성된 면을 갖는 성형 툴과 채널 플레이트 구조형성에서의 이 성형 툴의 사용{SHAPING TOOL WITH A STRUCTURED SURFACE FOR PRODUCING STRUCTURES ON GLASS, AND THE APPLICATION THEREOF FOR STRUCTURING CHANNEL PLATES}

본 발명은 열간-성형 방법으로 유리에 표면구조를 형성시키는, 구조형성이 된 면(structured surface)을 갖는 성형 툴(shaping tool)에 관한 것으로, 특히 평면 스크린의 채널 플레이트(channel plate)에 정밀한 구조를 만드는데 사용되는 성형 툴에 관한 것이다.

정밀한 표면 구조가 형성된 평면 유리는 정밀 분야, 특히 광학 기능을 갖는 유리(즉, 유리 종류) 분야에서 요구된다. 그러한 유리는 예를 들면 새로운 평면 스크린 세대(PDP 또는 플라즈마 디스플레이 패널, 그리고 PALC 또는 플라즈마 어드레스드 액정)의 디스플레이 스크린이다. 이러한 평면 스크린 유리의 소위 채널 플레이트(channel plate)에서, 개개의 횡렬(row)과 종렬(column)을 트리거(triggering)하기 위한 미세 채널 구조가 만들어지는데, 이는 스크린의 실제적인 전체 폭과 높이에 걸쳐 뻗으며 여기서 전기 방전을 통해 플라즈마가 발화된다. 각 채널의 양측 경계는 사각 리브(rib) 형태로 이 리브의 폭은 가능한 작게 한다. 적절한 방전 체적(dischargr volume)을 얻기 위해, 리브의 높이는 실제적으로 폭보다 더 크다. 리브 간격은 가능한 작아야 한다.

채널 플레이트는 PALC 또는 PDP 디스플레이의 미세구조형성- 유리 뒷판을 나타낸다. 기본적인 형태가 도 7에 확대되어 자세히 도시되어 있다.

이 도면에서 보인 채널-형태의 미세구조는 비용-효율적으로 그리고 여러 디스플레이 사이즈(대각 스크린 사이즈는 55인치까지 이름)에 다수개로 형성되어야 한다. 42인치 하이비전 PDP 디스플레이에, 예를 들면 약 161 mμ의 피치 "X"와 150 mμ 의 리브 높이 Y 와 30 내지 50 mμ의 리브 폭 "Z"를 갖고 약 520㎜의 길이에 단지 수 마이크로미터의 공차로 대략 5760 개의 채널이 만들어져야 한다. 이러한 매우 엄격한 기준은 고-정밀도의 방법과 장치를 요구한다.

열간-성형 기술을 사용하며, 구조형성 면을 갖는 성형 툴로 유리에 표면구조를 형성하는 것이 알려져 있다.

용융유리가, 용융 유리를 압착하는 냉각된 성형 툴에 의해 용융물로부터 요구되는 형태로 만들어지도록, 소위 크리에이티브-포밍(creative-forming) 방법인, 종래의 열간-성형 방법이 고안되었다. 성형 툴은 "응고화 성형" 기능을 한다; 즉 툴과 접촉하기 전에 유리는 유리 전이 범위(Tg)보다 높은 온도를 갖고, 유리가 성형 툴과의 접촉에 의해 냉각되면서 성형 툴 구조형성 면의 요홈부가 유리에 치수안정적으로(dimensionally stably) 카피된다.

본 발명은 재성형 온간-성형(reshaping warm-shaping) 공정을 특징으로 하는 다른 열간 성형 방법에서 출발한다. 이 재성형 성형 공정에서, 구조형성 면을 갖는 성형 툴과 접촉하기 전 유리의 온도는 선택적으로 유리 전이 범위 아래이고, 성형 툴과의 접촉을 통해서만이 요구되는 성형온도범위(T > Tg)로 올라간다. 여기서 구조형성이 될 부분만 국부적으로 가열하게 된다. 이 재성형 공정에서도 또한, 성형 툴을 지나는 유리는 구조형성이 된 형태이고 치수적으로도 안정적인 상태이다.

공정 면에서 종래의 열간-성형 방법과 재성형 온간-성형방법 모두에 해당하는 물리적 변수는:

유리와 성형 툴의 온도;

유리와 성형 툴에의 압력 부하;

유리와 성형 툴의 접촉시간 (드웰 타임:dwell time) 이다.

드웰 타임(dwell time)에 대한 다음의 설명이 이를 더욱 명확히 해줄 것이다.

유리가 성형 툴과 단지 간단하게 접촉하면, 또는 다른 말로 응고화(solidification)가 발생하기 전에 성형 툴이 유리에서 제거되면, 유리 구조물의 흐름 때문에, 접촉 후 구조물에서 주요 라운딩이 발생한다.

접촉이 오래 지속된다면, 주요 온도 차이 및 성형 툴과 유리의 다른 열팽창으로 인해 과도한 측면 스트레인이 발생하여, 구조물의 정밀도에 악영향을 끼치거나, 채널 플레이트에서의 채널의 위치 및 재생성 정밀도에 악영향을 끼친다.

정밀한 공정 제어에 적합하도록 의도된 성형 툴은 상기 변수의 독립적인 세팅/조절을 보증해야 한다. 공지의 열간-성형 툴은 이러한 요구조건을 충족시키지 못한다.

전체 성형 툴을 완전히 가열해야 하는, 크롬 니켈 강으로된 종래의 속이 비지 않은 구조 때문에, 부적절한 열적 치수 안정성(thermal dimensional stability)을 갖는데, 성형 툴에서의 상대적으로 미세한 온도 변동에, 성형 구조물 길이의 상대적으로 큰 변화가 발생하고, 이 변화는 채널 또는 리브를 형성하는데 허용가능한 공차를 넘기 때문이다.

이는 독일 특허 DE 197 13 309 C1호 및 독일 특허출원 DE 197 13 312 A1호에 공개된, 재성형 온간-성형의 원리로 유리에 표면구조물을 형성하기 위한, 구조형성 면을 갖는 성형 툴에서도 마찬가지인데, 이 성형 툴은 될 수 있으면 비금속 물질로 된 속이 비지 않은 실린더로 구성된 롤링 실린더를 구비하고, 이 실린더에 구조-형성 면을 갖는 몰딩 툴이 클램핑되며 상대적으로 느슨하게 놓여 있다. 실린더의 양 끝면에, 롤링 실린더의 회전 고정을 위한 베어링 저널이 제공되어 있다. 요구되는 성형 툴의 국부적인 가열을 위해 외부 가열원이 제공되어 있다.

이러한 성형 툴이 요구되는 복사될 수 있는 정밀도로 정밀한 구조물을 형성하는 것은 실제로 가능하지 않은데, 필요한 열적 치수 안정성(thermal dimensional stability)이 개개의 구성요소 설계 및 롤링 실린더의 베어링에 적절히 고려되지 않았기 때문이다. 따라서 처음에 기술된 매우 엄격한 요건이 충족되지 못한다.

유럽특허공개 EP 866 487 A1호에 공개된 성형 툴에서도, 처음에 언급된 매우 엄격한 기준은 충족되지 못한다.

이 공지의 성형 툴은 금속 합금으로 된 속이 비지 않은 롤링 실린더를 갖고, 성형 구조물(shaping structures)은 외주면에 바로 형성되어 있다. 유럽특허에는 롤링 실린더의 회전 지지에 대한 언급이 없다. 직접 가열되지 않은 롤링 실린더가 대응 롤러와 함께 요구되는 구조물을 유리기판에 찍기 이전에, 유리 기판은 외부 열원에 의해 가소화(plasticize)된다.

유럽 특허는 또한 필수적인 열적 치수 안정성을 달성하기 위해 롤링 실린더의 베어링과 열팽창계수를 미세조정하는 것에 대한 필요성에 대해 언급하지 않고 있다. 특히, 속이 비지 않은 롤링 실린더 때문에, 미세한 온도 변동에서도, 성형 구조물의 상대적으로 큰 길이 변화가 발생하는데, 이는 채널 또는 리브 형성에 대해 허용가능한 공차를 넘는다.

그리하여 구조형성 면을 갖는 성형 툴에 의해 채널 플레이트를 만드는 것은 그 기반을 얻지 못하고 있다.

따라서, 채널 플레이트의 제조는 일반적으로 스크린 프린팅에 의해 수행되고 있는데, 10 내지 20 층의 유리 솔더(glass solder)가 한번에 한 층씩 유리 기판에 부착된다.

이 방법은 다음의 단점을 갖는다:

긴 공정 시간

높은 솔더 비용

채널 플레이트의 균일하지 않은 소결

환경 오염(솔더의 리드(lead), 에칭 용액)

그리하여 상업적인 관점에서, 프로토타입의 제조만이 허용된다: 즉, 상업적 대량 생산에는 적합하지 않다.

본 발명의 목적은, 재성형 온간-성형(warm-shaping)의 원칙에 따라, 구조형성이 될 유리 부분의 국부적인 가열에 의해 유리에 높은 정밀도의 미세구조를 경제적으로 형성하는 것을 가능하게 하는, 유리에 구조물을 형성하기 위한 구조형성 면을 갖는 성형 툴을 만드는 것이다.

이 목적은 본 발명의 다음을 갖는 성형 툴에 의해 성공적으로 달성된다:

- 외면에, 만들어질 유리 구조물에 대응하는 요홈이 제공된 금속성 성형 시이트(metal shaping sheet)가 큰-면적으로 직접 접촉되는, 중공의 금속 실린더로 구성된 롤링 실린더;

- 중공의 금속 실린더를 관통해 뻗어 있는, 롤링 실린더를 연속적으로 구동하기 위한 샤프트;

- 중공의 금속 실린더의 끝면 위치에서 샤프트에 고정 설치되고, 중공 실린더와 연동하도록 연결된 두 개의 구동부재;와

- 샤프트와 중공의 금속 실린더 사이에 전기 절연이 되게 하며 배치되고, 샤프트와 단열이 되도록 부가적인 단열재를 갖는 전기 히터.

본 발명의 열간-성형 툴이 구성된 방식 때문에, 단지 유리 기판을 따라 굴림으로써, 구조형성이 될 유리를 국부적으로 가열하며, 유리와 접촉하여 고-정밀도의 미세구조를 유리에 경제적으로 형성하는 것이 가능하다.

일정한 재성형 온도를 얻기 위해, 중공의 금속성 실린더가 중요한 역할을 한다; 그 열용량에 의해, 유리와 접촉시 과도하게 빨리 냉각되는 것이 방지된다. 본 발명의 한 특성에 따라, 중공의 금속 실린더를 구성하는 물질이 니켈 단조 합금(nickel wrought alloy)이면, 그 효과가 더 좋다.

본 발명의 다른 특성에서, 구동부재에 대칭적으로 배치된 최소 3개의 사다리꼴 발(claw)이 구비되고, 작은 접촉면을 통해 상기 발(claw)과 상호연동되는 대응 사다리꼴 홈이 중공의 금속 실린더의 끝면에 구비되는 것에 의해, 샤프트와 롤링 실린더 사이의 토크의 전달이 이루어진다. 이러한 구성은 롤링 실린더로부터 샤프트로의 과도한 열의 유출을 막는다. 이러한 구성은 구성요소 내의 온도 변동에서 그리고 롤링 실린더와 구동부재의 온도 차이에 있어 틈을 발생시키지 않는다. 결과적으로 동심 정밀도(accuracy of concentricity)가 보증되거나, 항상 같다.

생산 기술적인 이유에서, 편의상 90도 간격으로 네 개의 발(claw)이 제공되는데, 원칙적으로 세 개 이상 어떤 임의의 수의 발(claw)을 제공하는 것도 가능하다. 발이 더 많을수록, 연결은 기어연결에 유사하게 된다.

본 발명의 특징들, 특히 히터의 배치는 종속항에 의해 규정된다.

본 발명의 다른 특징 및 장점들이 도면에 보인 본 발명의 실시예의 설명에서 더욱 명확히 나타날 것이다.

도1은 구조형성부가 결합된 롤링 실린더, 구동부재, 샤프트와 히터를 갖는 본 발명에 따른 열간-성형 롤러의 구성을 보이는 종단면도.

도1A는 도1의 롤러의 라인 A-A를 따른 단면도

도2는 도1의 구동부재를 통해 샤프트를 롤링 실린더에 연결함을 보이는 롤러의 부분 확대도.

도3은 도1의 성형 툴의 롤링 실린더와 샤프트 사이에 배치되고, 롤링 실린더를 가열하는 역할을 하는 히터.

도4는 도3의 히터에 에너지를 공급하기 위한 슬립 링 콘택부를 보이는, 도1의 성형 툴의 끝단 정면도.

도5는 롤러를 둘러 싸는, PDP 구조용 구조형성 PtAu5 플레이트의 부분 확대도.

도6은 도 5에 상응하는 PALC 구조용 플레이트의 부분 확대도.

도7은 공지의 채널 구조를 갖는, 구조형성된 채널 플레이트의 부분도.

도1에, 본 발명에 따른 열간-성형 툴의 실시예의 기본 구성이 종방향 단면도로 도시되었다. 성형 툴은 도면부호 1로 나타낸 롤러 형상을 갖는데, 유리기판(2)이 성형 롤러(1) 아래의 화살표 방향으로 당겨져, 성형 툴이 구조형성이 될 유리기판(2)(도1A) 상에서 높은 접촉 압력으로 연속적으로 구른다.

유리 기판은 특별한 조건을 만족해야 한다.

본 발명이 적용되는 디스플레이 시스템용 채널 플레이트의 제조는, 일반적으로 고품질의, 특별히 개발된 유리 기판(2)을 필요로 하는데, 모든 관련 제조 단계에서 좋은 처리 성질을 갖는 것이다. 콘트라스트 성능과 이미지 해상력에 대한 최종 분석에 영향을 미치는, 유리 기판의 극도의 유연성과 함께, 온도 저항, 화학적 내성, 낮은 무게, 적합한 열팽창 거동이 요구된다.

현대의 디스플레이에 이상적인 유리 기판의 조건은 일반적으로 그리고 추세로 보아, "더 평평하고, 얇고, 유연하고, 동시에 가능한 불활성이며, 디스플레이 타입에 따라 상당히 다른 복잡한 제조 단계에서 강인한 거동을 가지며, 비싸지 않은(대형 치수) 것" 으로 표현될 수 있다.

붕소 규산염 유리는 많은 유리 기술 분야에서 탁월한 위치를 차지한다. 막대한 수의 화학 조성 변형이 가능하기 때문에, 이 유리 종류에는 비정상적인 특성이 얻어질 수 있다. 이 유리는 특히 고온 내성, 저 열팽창, 유해 매체에 대한 화학적 내성을 갖는다. 더우기, 그러한 유리는 알칼리 성분을 첨가하지 않고 제조될 수 있다. 이러한 특성은 새롭고 유망한 현대의 평면-유리 분야에 알맞다.

상기의 평면 스크린에 대한 작동원칙으로부터, 채널 플레이트용 유리기판에 대한 다음의 가이드 라인이 유도된다:

고온 내성 (Tg 600 C)

저밀도 (2.8 g/㎤ )

좋은 표면 품질(평탄도, 휨, 기복 등)

낮은 수축성 (20 ppm)

"써멀 색(thermal sag)"이 없음

열팽창의 최적 적합성

높은 전기 저항

낮은 가스 투과성

높은 투과성

적절한 기계적 강도

대형 치수

비용 효율성

코닝 오버플로 퓨전(corning overflow fusion) 방법 및 다운-드로(down-draw) 기술과 함께, 플로트 기술(float technology)에 의해 무엇보다도 좋은 표면 품질과 해당 디스플레이의 제조공정에 맞는 특성을 갖는 대형 유리기판의 비용-효율적인 제조가 가능하다.

성형 툴(1)의 구성은 처음에 기술된 조건에 의해 결정된다.

이는 다음을 필수적으로 구비하는 것을 포함한다:

유리 구조물을 만들기 위한, 구조가 형성된 성형 툴;

구름 힘(rolling force)을 흡수하기 위한, 벤딩에 대해 견디는 성형 툴;

연속적인 제조(롤러 구조에 의해 달성됨)를 위한 성형 툴; 그리고

조절가능한 핫 툴(hot tool).

이러한 조건은 네 개의 주요 요소로 구성된 성형 롤러(1)에 의해 만족된다. 이 네 개의 주요 요소는 : 롤링 실린더(2), 두 개의 구동부재(4), 샤프트(5), 히터(6)이고 히터는 도 3에 별도로 도시되었다.

롤링 실린더(3)는 툴의 성형 부분을 구성하는데, 만들어질 구조물에 대응하는 홈 부분이 형성되어 있다. 롤링 실린더는 먼저 예를 들면, 길이 300㎜, 외경 120㎜, 벽 두께 12㎜를 갖는, 하중을 견디는 금속성 중공 실린더(7)를 구비한다.

롤링 실린더를 구성하는 물질은 될 수 있으면 No. 2.4816 의 니켈 단조 합금이다. 세라믹 물질에 대한 금속 합금의 장점은 금속의 높은 열팽창 계수로, 세라믹에 비해 유리 계수와는 단지 약간 다를 뿐이다. 다음의 표는 사용될 수 있는 여러 물질의 팽창 미분계수의 예를 보인다.

물질분류 물질 800 C에서의 팽창 유리 계수로부터의

미분계수 팽창미분 계수의 차이

유리 AF45 800 C 37 10^-6K

세라믹 Quarzal 800 C 0.5 10^-6K 800 C 36.5 10^-6K

금속 Inconel 800 C 20 10^-6K 800 C 17 10^-6K

롤링 중에 온도 변동이 일어난다면, 제품의 치수 편차는 세라믹 롤러를 사용할때보다 더 작은데, 금속 롤러와 유리가 팽창 계수에 있어서 차이가 작기 때문이다.

아래의 계산은 요지를 더욱 명확히 보이기 위한 것이다.

기판 길이 100㎜ 에 대한, 유리의 구조물 공차는 예를 들면 ±10㎛ 를 넘지 않아야 한다. 허용가능한 온도 변동량 내에서, 세라믹 롤러에 대한 금속 롤러의 장점은 매우 명확하다. 금속 툴의 경우, ±4.8 캘빈(K) 의 온도 차이가 허용되지만, 세라믹 툴은 단지 ±2.8K 의 온도 변동만을 허용한다. 툴에서의 균일하지 않은 온도분포에서 오는 치수 편차는 보완적인 툴 외곽 모양(볼록하거나 오목한 형태의 외면)을 통해 제거될 수 있다.

만들어질 유리 구조물에 대응하는 오목부가 가공되어 있는, 예를 들어 두께 1 ㎜의 금속 시이트(8)가 금속성 중공 실린더(7)의 전체 외주면에 결합된다. 크기 문제로 인해, 이 음(negative)의 형상은 도1에 도시되지 않았다. 이는 확대도인도5 및 도6에서 볼 수 있는데, 도5는 PDP 채널 구조용이고, 도6은 PALC 구조용이다. 그리하여 시이트(8)의 홈은 도 7의 채널 플레이트의 리브(rib)에 대응된다.

공정에서의 적합성 및 경제성 면에서 한가지 중요한 점은 시이트(8)에 사용되는 물질이다.

유리의 열간성형 분야에 사용되는 툴은 실제로 사용될 툴 재질의 매우 엄격한 조건을 요구한다. 재질을 선정하는데 있어, 다음의 기준이 고려되어야 한다:

유리에 붙으려는 성질이 없음

부식 또는 산화가 안됨

높은 열적 강도(thermal strength)(내구성)

적은 마모

비용-효율성.

유리에 미세구조를 형성하는데 사용되는 도1의 롤링 툴에서, 다음의 부가적인 조건이 충족되어야 한다:

미세구조형성가능성(microstructurability)

가열성(heatability)(양호한 열적 전도성)

과학적인 재질 테스트와, 중공의 유리 성형을 위한 성형 공구 제조에 있어서의 오랜 경험에 의하면, 순수한 PtAu5 또는 산소-분산 PtAu5(ODS)를 갖는 PtAu5 합금과 같은 백금 합금 또는 백금이 유리에 들러붙지 않는 성질과 부식 및 산화되지 않는 성질이라는 조건을 가장 잘 만족한다.

그러나, 이러한 물질은 낮은 열 저항성(내열성)을 갖고, 내마모성도 떨어지고, 게다가 매우 비싸다. 롤링 툴에서의 구조물 정밀도를 떨어뜨리는 낮은 내열성은 유리 구조물도 잘 찍히지 않게 한다.

PtAu5 물질의 낮은 경도에 기인하는 마모는 다른 한편으로는 구조물형성의 기계적, 금속-커팅 가공을 허용하는 중요한 장점을 제공한다. 높은 내마멸성에 대한 요구는 미세구조형성의 어려움을 야기하지만, 롤러 사용에는 필수불가결한 것이다. 특정 용도에 맞는 최적의 타협안을 찾는 것은 당업자에게 달려있다.

PtAu5 합금 대신, 들러붙는 성질을 감소시키고 내마모성을 증대시키기 위해 유리 산업에서 코팅되는 물질을 툴 재질로 사용하는 것도 생각해볼 수 있다.

다음의 물질 조합을 생각해볼 수 있다.

벌크(bulk) 물질: Inconel 코팅물질: SiC

Nicrofer BC/N

Nimonic TiC/N

Udimet TiAlN

Incoloy MoS₂

PM 2000 Pt, Au

합금

Ni-P

Hard gold

각 경우에 있어서 목표는, 유리에 잘 들러붙지 않는(또는 전혀 들러붙지 않는) 성질을 갖는, 내마모성이 있고, 미세구조형성이 가능하며, 열-전도성이 있는 물질이 되는 물질의 조합을 만드는 것이다.

툴과 유리의 불반응성(compatibility)을 개선하기 위해 그리고 표면의 내마모성을 향상시키기 위해 금속 시이트는 금속성 중공 실린더(7)에 매우 밀착되며 부착되어야 한다.

특정 실시례에서, 시이트(8)는 열간 등압 프레스된다(hipped). 이것은 안전한 물질 용해를 포함하는 대-면적 확산 용접 공정이다.

열간 등압 프레스 대신, 원칙적으로 표면 정련을 위한 어떠한 방법도 사용될 수 있고, 오목 구조부를 사용하여 구조형성을 하기 전 또는 그 후에, 대응 금속,세라믹 또는 정련된 코팅이 가해질 수 있다.

시이트(8)에 있는 구조물의 구성은 만들어질 유리 구조물의 질에 결정적인 영향을 끼치는데, 유리에 미세구조를 만들기 위해, 유리가 롤링 홈(8a)(도5와 도6)으로 흘러 들어가도록 되어야 하기 때문이다. 미세구조(툴 둘레에 걸쳐 뻗어있는 홈)의 본질은 성형 동안 유리 조성물을 기계적으로 고정시킬 가능성에 주요 영향을 미친다. 이 이유 때문에, 열간-성형 공정이 성공적이 되려면, 언더컷이 없는 매우 부드러운 채널 측면이 중요시된다. 다른 요건은 툴 표면의 최소 거칠기인데, 롤링 작업에서 툴 구조물과 그 돌출부, 오목부 또는 결함부가 유리에 그대로 카피되기 때문이다.

요약하면, 구조형성이 된 롤링 툴에는 다음의 요건이 있다:

만들어질 유리 구조물에 대응하는 오목부가 기하학적으로 정확히 카피됨

채널 측면과 표면의 높은 유연성과 낮은 거칠기

요구되는 몰드이탈 각으로 부착

롤러 몸체(1)의 미세구조형성은 금속 시이트(8)를 구성하는 물질의 가공성에 필수적으로 의존한다.일반적으로, 다음의 방법을 생각해볼 수 있다:

레이저 가공

와이어 가공(wire erosion)

그라인딩

선반작업

엠보싱

밀링

에칭

호빙 가공(hobbing erosion)

각 방법은 다른 구조형성될 물질을 요구한다.

본 분야에서, 다음의 방법은 특히 고려할만 하다:

레이저 가공

침식(erosion)

그라인딩

정밀 선반 가공

그리고 테스트에 의하면 천연 단결정 다이아몬드에 의한 정밀 가공은 미세구조형성에 특히 중요하다.

중공의 롤링 실린더(3)를 회전시키기 위해, 샤프트(5)에 고정 배치된 상기 구동부재(4)가 제공된다.

구동부재(4)는 샤프트(5)와 롤링 실린더(3) 사이에 토크를 전달하는 역할을 한다. 구동부재와 롤링 실린더의 연결은 네 개의 사다리꼴 발(claw)(4a)(도2)에 의해 이루어지는데, 각각은 롤링 실린더(3)의 양끝에 방사상으로 뻗으며 형성된 네 개의 사다리꼴 홈(3a)과 틈을 두고 끼워맞춰있다. 이 개수는 단순히 예일 뿐이다. 발은 3, 6, 8쌍 또는 3개 이상 어떤 수로도 대칭적으로 배치될 수 있다.

틈새를 갖는 이 발(claw)은 한편으로는, 그 기하학적 형상으로 인해, 축방향과 반지름방향 열팽창 또는 다른 말로 실린더와 구동부재 간의 다른 열팽창이 가능하게 하고, 다른 한편으로는, 단지 작은 표면적이 접촉하기 때문에, 롤링 실린더로부터 구동부재로의 아주 작은 열손실만을 허용한다.

이 구동부재 구성은, 미세구조 정밀도에 매우 유리하게, 상당한 열팽창에도 불구하고 롤링 실린더의 위치 제한을 가능하게 해준다.

부수의 파워 손실을(유도 전력의 입력) 최소화하기 위해, 구동부재(4)에는 축방향 슬릿(4b)(도2)이 롤링 실린더 쪽에 제공된다.

구동부재(4)에 사용되는 금속 물질은 될 수 있으면 롤링 실린더 물질(No. 2.4816)과 같은 것이 좋은데, 높은 작동 온도에서도 충분한 강도를 갖는 것이다.

샤프트(5)는 구동기구부(9)(끝면부에 상징적으로 나타냄)를 구동부재(4)와 연결시키고 히터(6)와 그 접속부(6a)(6b)를 수반한다. 샤프트는 예압된 정밀 스핀들 베어링을 갖는 베어링(locating-nonlocationg bearings)(12)(13)으로 지지되는데, 이는 축방향 및 반지름 방향의 유동을 허용한다. 샤프트(5)와 구동부재(4) 사이의 토크는 마찰결합(구성요소를 죔)을 통해 전달된다. 부식과 마모를 막기 위해, Al₂O₃코팅이 이 요소들의 접촉지역에 적용된다.

구동부재와 샤프트(5)는 샤프트 너트(10)와 컵 스프링(11)을 통해 서로 축방향으로 조여지고, 이 배치로 인해, 구동부재/롤링 실린더와 샤프트 간의 다른 열팽창이 허용된다. 이 배치에서 샤프트(5)는 타이 로드(tie rod) 기능을 하는데, 이는 롤링 실린더(3)의 강성을 증대시킨다.

이후 기술될 히터를 위한 전류 공급 단자, 공냉을 위한 도관과 열전대(thermocouple)(온도측정)용 접속부가 배치될 수 있도록, 샤프트(5)는 중공 샤프트로 구성되었다. 전기 가열 동안 샤프트에서의 파워 손실을 작게 유지하기 위해, 샤프트에는 외주에 균등배열된 6개의 길이방향 슬릿(5a)(도 1A)이 만들어져 있다; 이는 샤프트에서의 유도 전류 손실을 막는다.

샤프트(5)는 될 수 있으면 열에 매우 잘 견디는 물질 No. 2.4879로 구성되는 것이 좋다.

히터(6)은 롤링 실린더(3)와 샤프트(5) 사이에 배치된다. PtRh10 스트립 6c(20×1.5㎜)이 열전도체로 기능하는데, 세라믹 실린더(14)의 홈(14a)에 감겨 도3에 보인 것과 같은 코일 형태가 된다.

이 세라믹 실린더(14)는 샤프트(5)를 열전도체(6c)로부터 전기적으로 그리고 열적으로 단열시킨다. 콰잘(quarzal)이 특히 세라믹 실린더의 재질로 사용될 수 있다.

롤링 실린더(3)는 대략 2㎜ 두께의 석영 유리관(15)을 통해 열 전도체(6c)로부터 전기적으로 절연된다. 약간 거리를 두는 것은 빠르고, 손실이 적은 열전달을 보증하고, 석영 유리의 전달 특성은 좋은 방사 교환을 보증한다.

상기의 기하학적 구조 때문에, 롤링 실린더의 간접적 가열(저항 가열)과 직접적 가열(유도 가열)이 모두 가능하다. 제조 공정에 필요한 열은, 통상의 방식으로 전압 포텐셜이나 전류 밀도를 조절함에 의해 변화될 수 있다.

열 전도체 스트립(6c) 대신, 다른 기하학적 형상(특히, 와이어, 로드 또는 튜브의 프로파일)이 적용될 수 있다. 다른 열 전도체 물질(특히, kanthal 또는 nicrothal 합금 또는 귀금속 합금)이 열 응력에 따라 재질로 사용될 수 있다.

히터에 에너지를 공급하는 것은 샤프트 일측 끝단의 슬립 링 컨택어셈블리(slip ring contact assembly)(16)와 (중공의) 샤프트(5) 내의 로드 요소(6a)(6b)를 통해 수행된다.

도 4는 슬립 링 컨택 어셈블리(16)를 더 자세히 보여준다. 이것은 기본적으로 실버 흑연 카본(16b)을 갖는, 다리 두 개의 카본 유지구(16a) 네 개로 구성되는데, 각 슬립 쌍은 각 실린더 부분(16c)상에 위치하고, 여기에 전류 단자(6a)(6b)(도3)의 각 끝단이 연장된다. 클램프(16d)는 공급 라인을 고정시키는 역할을 한다.

샤프트(5)의 과열을 막기 위해, 두 개의 세라믹 튜브(17)가 샤프트의 내부에 설치되고, 이 튜브를 통해 냉각 공기가 샤프트의 중심부로 불어넣어진다; 이 공기는 다시 양쪽 끝으로 빠져나갈 수 있다. 단부(18a)(도1)가 외부로 뻗어 있는, 코일 중앙의 열전대(18)(도1A)에 의해 온도를 모니터링하고 히터를 조절하는 것이 가능하다.

이 히터는 오옴 저항 히터(50㎐)로서 공냉식으로 작동될 수 있다. 가열 유형으로, 중간-주파수 유도 가열이 선택적으로 사용될 수 있는데, 이는 구리(수냉식) 또는 귀금속(냉각 없이)을 전기 전도체로 사용한다.

히터는 본 발명에 따른 성형 롤러의 필수적인 구성 요소인데, 본 발명의 출발점인, 재성형에 의한 성형 공정이 유리기판의 선택적인 재가열을 필요로 하기 때문이다. 이 재가열은 Tg, 즉 구조형성이 될 유리의 유리 전이 온도 이상의 온도로롤링 실린더(3)을 가열함으로써 수행된다. 성형 툴에 가까운 미세 구조물을 기판의 표면에만 형성하기 위하여, 정확한 온도 조절이 필요한데, 여기서 유리의 최소 인성(toughness)이 성형 툴과 유리 사이의 경계층에서 발생한다. 이는 전형적으로 미리가열된 유리 기판의 유리 온도에 비해 더 높은 툴 온도를 요구한다.

다른 한편으로, 뜨거운 툴에 의해, 기판에서 온도 구배가 만들어지는데, 이는 열 응력을 발생시킨다. 파손되지 않도록, 이 응력을 최소화시킬 필요성에 의해 성형 전 유리의 처음 온도의 하한이 결정된다. 감압 범위에서, 이것은 Tg 점(약 10E +12 dPa 의 인성에서) 이상이다. 개시 물질의 기본 구조에 최대한 적은 영향을 미치기 위해, 유리의 처음 온도는 가능한 낮게 유지되어야 한다.

성형을 위해, 재성형 공정에서, 물질 이송에 의한, 관련 유리의 얇은 표면층의 온도는 결정적인 것이다. 이 성형 온도는 접촉 전 툴과 유리 온도를 혼합한 것에 상응한다. 열 전도성, 열 용량과 같은 구성요소의 물성에 의해 다른 본질적인 영향도 받는다. 전체 성형 시간 동안 열이 뜨거운 툴에서 더 차가운 작업물로 흐르기 때문에, 물질이 홈으로 계속 흘러 들어가도록, 접촉점에서의 툴에 열을 일정하게 공급하는 것이 보장되어야 한다. 여기서의 경우, 단단한 금속성 중공 실린더(7) 때문에 높은 열용량을 갖는 롤러의 내부를 가열함으로써 이것이 수행된다. 높은 툴 온도와 이에 의한 높은 경계면 온도는 성형 공정을 빠르게 하지만, 표본의 가열도 급속하게 한다. 이 표본은 제한된 두께를 갖고 이에 의해 많은 안정성을 잃어서,표본을 파괴하지 않고는 밀착되게 형성된 툴을 표본으로부터 분리하는 것이 불가능하게 된다. 온도가 상승되거나 그리고/또는 성형 시간이 단축된다면 불안정화는 심하게 꺾어진 인성/온도 커브에 따를 수 있다.

요구되는 구조물, 특히 폭보다 높이가 더 큰 리브의 형성을 위한 필요 성형 시간은 틈으로의 흐름 결과에 의해 결정된다. 제한 요소는 다음과 같다:

압력: 선형

인성: 선형

높이: 2차

폭: 2차

직경 120㎜ 의 롤러( 성형 맞물림 폭 약 3㎜)의 경우, 롤링 공정에서 적절한 변형 시간은 1.5초 대이다 (롤링 속도 2㎜/sec).

성형 힘은 성형 롤러(1)를 연화(점성) 유리에 압착함에 의해 발생한다. 성형 속도가 충분히 느린 한, 이는 응력이 아닌, 액체에서의 내부 압력 형태로 발생한다. 그리하여 툴의 틈(8a)으로 유리가 흘러들어가게 하는 압력은 힘/유리(2)에서의 롤러의 접촉면적으로 결정된다. 이 면적은 롤러 직경과 롤러가 낮춰지는 깊이에 자우되고, 성형 온도에도 좌우된다.

본 발명에 따른 성형 롤러는, 그 구조에 의해, 적절한 공정 제어를 가능하게하는데, 이것은 이전에는 불가능했던 방식으로, 상기 재성형 파라미터에 정확히 따라, 정밀한 미세구조형성을 가능케 한다.

Claims

- 외면에, 만들어질 유리 구조물에 대응하는 요홈(8a)이 제공된 금속성 성형 시이트(metal shaping sheet)(8)가 큰-면적으로 직접 접촉되는, 중공의 금속 실린더(7)로 구성된 롤링 실린더(3)와;

- 중공의 금속 실린더(7)를 관통해 뻗어 있는, 롤링 실린더(3)를 연속적으로 구동시키기 위한 샤프트(5)와;

- 중공의 금속 실린더(7)의 끝면 위치에서 샤프트(5)에 고정 설치되고, 중공 실린더(7)와 연동하도록 연결된 두 개의 구동부재(4)와;

- 샤프트(5)와 중공의 금속 실린더(7) 사이에 전기 절연이 되게 하며 배치되고, 샤프트와 단열이 되도록 부가적인 단열재를 갖는 전기 히터(6);을 구비한,

유리(2)에 표면구조물을 형성시키기 위한, 구조형성된 면을 갖는 성형 툴(1).
제1항에 있어서, 중공의 금속 실린더(7)를 구성하는 물질이 니켈 단조 합금(nickel wrought alloy), 될 수 있으면 No. 2.4816 로 지칭되는 합금인 것을 특징으로 하는 성형 툴.
제1항 또는 제2항에 있어서, 성형 시이트(shaping sheet)(8)는 내마모성이 있고, 미세구조형성이 가능하며, 열-전도성이 있고, 유리에 부착되려는 성질이 가능한 최소인 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 성형 툴.
제3항에 있어서, 시이트(8)는, 순수한 PtAu5 물질 또는 산소-분산 PtAu5(ODS) 물질을 갖는 PtAu5 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 성형 툴.
제3항 또는 제4항에 있어서, 시이트(8)는 코팅된 기초 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 성형 툴.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 성형 시이트(8)는 금속성 중공 실린더(7)에 열간-등압 프레스된 것을 특징으로 하는 성형 툴.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 구조형성 요홈(8a)은 다이아몬드 공구를 사용하는 정밀 선반가공을 통해 성형 시이트(8)에 형성되는 것을 특징으로 하는 성형 툴.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 대칭적으로 배치된 최소 3개의 사다리꼴 발(claw)(4a)이 구동부재(4)에 구비되고, 작은 접촉면을 통해 상기 발(claw)(4a)과 상호연동되는 대응 사다리꼴 홈(3a)이 중공의 금속 실린더(7)의 끝면에 형성된 것을 특징으로 하는 성형 툴.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 구동부재(4)가 중공 실린더를 향하는 축방향 슬릿(4b)을 갖는 것을 특징으로 하는 성형 툴.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,

중공 샤프트 형태로 구성된 샤프트(5)가, 예압된 스핀들 베어링을 갖는 베어링(locating-nonlocationg bearings)(12)(13)으로 지지되는 것을 특징으로 하는 성형 툴.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,

구동부재와 샤프트(5)는 샤프트 너트(10)와 컵 스프링(11)을 통해 타이 로드(tie-rod) 방식으로 서로 축방향으로 조여진 것을 특징으로 하는 성형 툴.
제10항 또는 제12항에 있어서, 샤프트(5)는 외주에 균등 배열된 복수개의 길이방향 슬릿(5a)을 갖는 것을 특징으로 하는 성형 툴.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 세라믹 실린더(14)가 샤프트(5)에 상대회전 운동이 발생하지 않도록 끼워지고, 상기 세라믹 실린더가 외면에 전기 히터(6)의 열 전도체(6c)를 수용하며, 인접한 중공 실린더(7)와의 전기적 절연을 위한 석영 유리 튜브(15)가 열 전도체(6c)를 갖는 세라믹 실린더(14)에 끼워지는 것을 특징으로 하는 성형 툴.
제13항에 있어서, 열 전도체로 PtRh10 스트립(6c)이 제공되고, 세라믹 실린더(14)의 홈(14a)에 코일 형태로 감기는 것을 특징으로 하는 성형 툴.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 히터(6)에 에너지를 공급하기 위해, 슬립 링 어셈블리(16)가 샤프트(5)에 제공되는 것을 특징으로 하는 성형 툴.
제10항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 냉각 공기를 공급하기 위한 최소 하나의 세라믹 튜브(17)가 중공 샤프트(5)의 내부에 제공되는 것을 특징으로 하는 성형 툴.
제10항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 열전대(thermocouple)(18)가 중공 샤프트(5)의 내부에 설치되는 것을 특징으로 하는 성형 툴.
평면 스크린의 채널 플레이트에 정밀 구조물을 만들기 위한 제1항 내지 제17항 중 어느 하나의 성형 툴의 사용.