KR20080064042A - 브라운가스 화염을 이용한 비금속 재료 가공장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 브라운가스 화염을 이용한 비금속 재료 가공장치 및 방법은, 비금속 재료의 국부적 가열 또는 용융을 위한 연료로써 브라운가스를 공급하기 위한 브라운가스 발생장치와, 상기 브라운가스 발생장치로부터 공급된 브라운가스를 연소시켜 고온의 미세한 화염을 발생시켜 상기 비금속 재료의 가공 예정부를 국부적으로 가열하는 하나 이상의 화염 노즐과, 상기 브라운가스 화염 노즐에 의해 국부적으로 가열된 비금속 재료의 가공 예정부에 냉각 노즐을 통해 냉각유체를 공급하여 급속히 냉각하여 재료의 열응력 및 스트레스 증대로 브레이킹 작업이 일어나도록 하는 켄칭수단을 포함하여 구성됨으로써, 비금속 재료를 절단하거나, 에지 부분을 면취 가공하거나, 홀 등을 가공하는 등 다양한 형태로 고품질의 가공을 실현할 수 있는 효과를 제공한다.

브라운 가스, 수소, 유리판, 절단, 면취, 켄칭

Description

브라운가스 화염을 이용한 비금속 재료 가공장치 및 방법{Device using brown's gas fire for processing non-metallic materials and processing method thereof}

도 1은 본 발명에 따른 브라운가스 화염을 이용한 비금속 재료 가공장치가 도시된 개략적인 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 비금속 재료 가공장치의 주요부가 도시된 개략적인 사시도,

도 3은 본 발명에 따른 비금속 재료 가공장치의 다른 실시예의 구성이 도시된 개략적인 사시도,

도 4는 본 발명에 따른 비금속 재료 가공장치의 또 다른 실시예의 구성이 도시된 개략적인 사시도,

도 5는 본 발명에 따른 비금속 재료 가공장치를 이용한 비금속 재료 가공 상태를 나타낸 참고도,

도 6은 본 발명에 따른 브라운가스 중 하나인 수소와 산소를 분리생산 후 재혼합한 가스의 화염을 이용한 비금속 재료 가공장치가 도시된 개략적인 구성도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 브라운가스 발생장치 22 : 화염 노즐

23 : 화염칼날 30 : 켄칭 수단

33 : 냉각 노즐 34 : 냉각유체

40 : 노즐 지지대 50 : 정밀이송장치

60 : 가공 테이블 70 : 진공흡입장치

80 : 화염 스크린 90 : 노칭 크래커

본 발명은 유리판 등의 비금속 재료 가공장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 브라운 가스 화염을 이용하여 비금속 재료를 절단하거나, 에지 부분을 면취 가공하거나, 홀 등을 가공할 수 있도록 한 브라운가스 화염을 이용한 비금속 재료 가공장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 유리판 등을 절단 기술로는 다이아몬드, 초경재료 등으로 스크라이브 라인을 형성하여 기계적 응력을 가하여 절단하는 기술, 레이저를 이용하여 스크라이브 라인을 형성하여 절단하는 기술 등이 알려져 있다.

이중에서도 레이저 스크라이빙 기술은 LCD 등 디스플레이용 유리기판 및 반도체용 유리기판의 절단 가공시에 핵클마크 등이 없는 고품질의 절단면을 얻는 동시에 스크라이브 과정에서 발생되는 미세한 유리파편을 클리닝하는 공정을 줄이기 위한 다양한 기술 개발이 이루어지고 있다.

하지만, 이러한 레이저 스크라이빙 기술을 이용한 유리 절단 방법은 기술발전과 더불어 고가의 장비가격 및 기술운영의 어려움 및 재료의 두께 제한으로 범용적인 유리가공에 적용하는 데는 한계가 있다.

한편, 최근 브라운 가스를 활용하여 유리 등을 절단하는 기술로는 한국 등록실용 20-0408816호에 개시된 진공유리관을 절단하기 위한 기술을 들 수 있는데, 이 기술은 브라운가스 화염 노즐이 진공 유리관 절단 부위를 고속으로 선회하도록 하고, 진공유리관에 열충격을 최소화하여 절단 및 봉합하는 기술로 알려져 있다.

그러나 상기 등록 실용에 개시된 브라운가스 진공유리관 절단 기술은 관유리 형태의 유리대상물에 대해 특화된 고안으로서, 구조상 또는 방법상 문제로 인해 판유리 형태의 유리를 절단하거나 절단면을 마무리하는 면취 가공 등을 하는 데에는 적합하지 않은 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 브라운가스를 미세 노즐을 통해 연소시킴으로써 고에너지 집중성의 화염 칼날을 구성하여 비금속재료에 대해 고품질의 절단면을 얻는 동시에 브라운가스 화염을 이용하여 절단된 비금속재료의 날카로운 절단면을 부드럽게 처리하는 면취 가공을 가능하게 하는 브라운가스 화염을 이용한 비금속 재료 가공장치 및 방법을 제공하는 데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 유리 등의 비금속 재료의 용융을 통한 용접 작업 및 판유리를 직선, 원형, 곡선 등의 다양한 형태로 절단하는 것은 물론 홀 가공을 가능케 하는 브라운가스 화염을 이용한 비금속 재료 가공장치 및 방법을 제공하는 데 다른 목적이 있다.

상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 브라운가스 화염을 이용한 비금속 재료 가공장치는, 비금속 재료의 국부적 가열 또는 용융을 위한 연료로써 브라운가스를 공급하기 위한 브라운가스 발생장치와, 상기 브라운가스 발생장치로부터 공급된 브라운가스를 연소시켜 고온의 미세한 화염을 발생시켜 상기 비금속 재료의 가공 예정부를 국부적으로 가열하는 하나 이상의 화염 노즐과, 상기 브라운가스 화염 노즐에 의해 국부적으로 가열된 비금속 재료의 가공 예정부에 냉각 노즐을 통해 냉각유체를 공급하여 급속히 냉각하여 재료의 열응력 및 스트레스 증대로 브레이킹 작업이 일어나도록 하는 켄칭수단을 포함한 것을 특징으로 한다.

상기 화염 노즐은 필요시 냉각노즐 및 최소한 하나 이상의 화염 노즐을 복수개로 가지고 하나의 묶음으로 구성될 수 있다.

또한 상기 켄칭수단은 필요시 포함하지 않고 가공공정을 수행할 수도 있다.

상기 가공 장치는 상기 화염 노즐과 가공할 비금속 재료 사이에 상기 화염 노즐에서 분출되는 화염의 크기를 조절할 수 있도록 일정 크기의 홀을 갖는 스크린 수단을 더 포함하는 것이 바람직하다.

여기서 상기 스크린 수단은 냉각 유체에 의해 냉각이 가능하도록 구성되는 것이 바람직하다.

또한 스크린 수단의 홀은 원형, 타원형, 슬릿형 중 어느 하나로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 가공 장치는 상기 화염 노즐과 냉각 노즐을 지지하는 노즐 지지대를 더 포함하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 노즐 지지대와 상기 가공할 비금속 재료가 놓이는 가공 테이블 중 적어도 어느 한쪽은 노즐과 비금속 재료의 상대 위치를 정밀하게 조절할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.

상기 가공 장치는 상기 비금속 재료를 가공하면서 발생되는 잔유물을 흡입하여 처리하기 위한 진공흡입수단을 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한 상기 가공 장치는 비금속 재료에 접촉되어 크랙을 형성하는 노칭 크랙커가 포함되는 것도 바람직하다.

여기서 상기 노칭 크랙커는 가공할 비금속 재료에 대하여 높이 조절이 가능하도록 구성되는 것이 바람직하다.

상기 화염 노즐은 복수개로 이루어지거나, 복수개의 화염 분출구를 갖도록 구성되어, 비금속 재료의 가공 예정부를 따라 순차적으로 배치되고, 상기 냉각 노즐은 상기 화염 노즐들의 진행 방향에 대하여 상기 화염 노즐의 전방 또는 후방에 배치되는 것이 바람직하다.

또한 상기 가공 장치는 상기 화염 노즐 및 냉각 노즐을 복수의 세트로 구성 하되, 각 세트를 비금속 재료 면에 다수의 가공 예정선을 따라 병렬로 배치하여 복수의 가공작업을 동시에 수행할 수 있도록 구성할 수도 있다.

다음, 상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 브라운가스 화염을 이용한 비금속 재료의 가공방법은, 브라운 가스를 연소시키면서 발생한 화염으로 비금속 재료의 절단 예정선을 따라 가열하는 가열 단계와; 상기 단계에서 브라운가스 화염에 의해 가열된 절단 예정선을 따라 냉각 유체를 분사하여 비금속 재료에 열 충격을 가하여 비금속 재료의 내부응력 및 스트레스를 증대시켜 절단하는 절단 단계를 포함한 것을 특징으로 한다.

여기서 상기 가열 단계 전에는 브라운가스의 연소시 형성되는 고온의 화염에 의해 비금속 재료의 절단이 시작되는 곳에 절단을 원하는 방향으로 초기 크랙을 형성하는 단계를 포함하는 것도 바람직하다.

상기 절단 단계는 고압의 공기압, 피스톤 등에 의한 기계적 응력을 추가로 가하여 비금속 재료를 절단하는 것도 바람직하다.

또한 상기 비금속 재료의 가공방법은 재료에 열충격을 가하여 수행되는 작업이므로, 재료의 절단 예정선을 따라 냉각유체를 통해 먼저 재료의 작업예정선 또는 전체면을 냉각한 후 브라운가스 화염을 통해 작업 예정선을 따라 국부적으로 가열함으로써 온도차를 크게 하여 열응력 증대를 통해 절단 및 면취 가공 등이 이루어지는 것도 가능하다.

다음, 상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 브라운가스 화염을 이용한 비금속 재료 가공방법은, 브라운가스 화염 노즐에 의해 형성된 브라운가스 화염 칼날을 활용하여 비금속 재료를 절단하는 절단 단계와; 상기 절단 단계에서 비금속 재료가 절단된 후에 절단된 단면에서 발생하는 날카롭고 불규칙한 에지를 상기 브라운 가스 화염 칼날을 사용하여 절단면에 대해 일정한 각도로 접촉하여 필링 또는 용융하여 제거하는 면취 단계를 포함한 것을 특징으로 한다.

다음, 상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 브라운가스 화염을 이용한 비금속 재료 가공방법은, 브라운가스 화염 노즐로부터 형성된 화염칼날을 통해 비금속 재료에 스크라이브 라인을 형성하거나 또는, 절단 예정선을 따라 브라운 가스 화염칼날에 의해 극소면에 대해 가열하여 비금속 재료에 미소 필링현상을 발생시키는 단계와; 상기 단계에서 브라운가스에 의해 형성된 스크라이브 라인 또는 필링 현상으로 발생된 절단 예정선을 따라 냉각 유체로 급속히 냉각시켜 재료의 열응력 증대로 절단되도록 하는 단계를 포함한 것을 특징으로 한다.

여기서 상기 비금속 재료는 강화 유리일 수 있다.

다음, 상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 브라운가스 화염을 이용한 비금속 재료 가공방법은, 브라운가스 화염 노즐로부터 형성된 화염칼날을 통해 비금속 재료에 스크라이브 라인을 형성하거나 또는, 절단 예정선을 따라 브라운 가스 화염칼날에 의해 극소면에 대해 가열하여 비금속 재료에 미소 필링현상을 발생시키는 단계와; 상기 단계 후에 다이아몬드 휠, 초경 재료 등의 노칭 크래커를 이용하여 비금속 재료에 스크라이브를 추가로 진행하는 단계와; 상기 단계 후에 압축 공압 등의 기계적 응력을 가하여 비금속 재료를 절단하는 단계를 포함한 것을 특징으로 한다.

상기 스크라이브를 추가로 진행하는 단계 후에 상기 절단 예정선을 따라 켄칭 수단으로 급속히 냉각시켜 재료의 열응력을 증대시키는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

다음, 상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 브라운가스 화염을 이용한 비금속 재료 가공방법은, 브라운가스를 연소시켜 고온의 미세한 화염을 발생시키는 제 1 단계와; 상기 단계에서 발생된 화염을 이용하여 비금속 재료의 국부 영역을 급속히 가열하여 비금속 재료를 용융하여 홀을 형성하는 제 2 단계를 포함한 것을 특징으로 한다.

여기서 상기 제 2 단계는 비금속 재료의 국부 영역을 급속히 가열하여 재료를 용융 하는 과정과, 상기 과정에서 비금속 재료를 용융한 후에 브라운가스 화염 자체의 압력 또는, 외부 공압 또는 불황성 가스로 용융물을 불어내어 상기 비금속 재료에 홀을 형성하는 과정을 포함하여 구성할 수 있다.

상기에서 가공할 비금속 재료는 세라믹, 타일, 유리 또는 이들의 혼합물 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

또한 상기 브라운 가스는, 물 전기분해시 수소와 산소가 물의 화학당량비로 혼합되어 발생되는 가스, 수소가스와 외부 산소의 혼합가스, 물 전기분해시 격막에 의해 수소와 산소를 분리 생산한 후 이를 즉시 다시 혼합한 가스 중 적어도 어느 하나의 가스를 이용할 수 있다.

상기 냉각 유체는 압축 공기, 헬륨, 질소 등 불활성 가스 및 물 또는 물의 혼합물로 이루어진 기체 및 액체상의 물질 중 적어도 어느 하나를 이용한다.

다음, 본 발명의 브라운가스 화염을 이용한 비금속 재료 가공장치의 구체적인 실시예를 설명하기에 앞서 브라운 가스와 본 발명의 기술적 구성에 대하여 살펴보면 다음과 같다.

본 발명에서 유리를 포함한 비금속재료의 절단 및 면취 가공을 위해 도입하는 에너지원으로서 브라운가스(BROWN GAS, 일명, 수산화가스)는, 물(H₂O) 전기분해시 생성되는 수소와 산소 가스를 인위적으로 분리시키지 않는 혼합 가스로서, 물의 화학 당량비와 동일한 2:1의 비율로 수소와 산소 가스가 혼합되어 발생되는 연료가스를 말한다.

상기 통칭한 브라운가스는 일반적인 수소가스와 외부 산소의 혼합가스, 물 전기분해시 분리 생산되는 수소와 산소 가스를 즉시 혼합한 가스를 포함하는 연료 가스이며, 더욱 바람직하게는 상기 물 전기분해시 수소와 산소가 화학당량비로 혼합되어 생산되는 공지의 브라운가스이다.

이러한 브라운 가스는 기존의 화석 연료와 달리 순수한 물을 분해하여 구성된 연료 가스로서, 일산화탄소나 이산화탄소 및 질화물 등의 대기 오염물을 발생시키지 않아 새로운 청정연료로써 주목받고 있다. 종래의 상식으로는 물을 전기분해시 수소의 강력한 반응성에 따른 폭발의 위험성 때문에 수소와 산소를 격막 등을 통해 반드시 분리 생산해야 했다. 따라서 수소와 산소를 분리하지 않고 동시에 생산하는 연료 가스 즉, 브라운 가스가 소개된 것이 오래되지 않아 브라운 가스의 독 특한 연소특성과 활용성에 대한 학술적 연구 및 기술적 성과물이 부족한 것이 사실이다.

현재, 새롭게 부각되고 있는 순산소 연소 기술에 대응되기도 하는 브라운 가스의 연소 특성은 연료로써의 수소가스와 연소 시 필요한 산소를 자체 함유하고 있으므로 별도의 산소 공급 없이도 대기중 또는 진공상태에서 화학양론비로 완전 연소되는 특성을 보이며, 기존 화석연료의 연소에서는 볼 수 없는 열핵반응에 의한 고에너지 집중성 등의 독특한 화염특성을 나타내며, 화염 접촉시 높은 에너지 밀도로 즉시 고열로 가열되어 대상 물질의 열전도성에 크게 관계없이 용융점 이상으로 도달할 수 있게 된다.

또한, 브라운 가스는 가열 대상 물질에 따라 각기 다른 열핵 반응을 하여 소재별로 상이한 온도특성을 나타내므로 이종물질을 동시에 용융 접합시킬 수 있는 것으로 알려져 있다.

또한, 브라운 가스는 연소 후 연소열을 발생하고 물로 환원되며, 이 때 가스 상태에서 액체 상태의 물에 해당하는 부피로 수축하여 진공을 형성하며 불꽃은 직진성이 있으며 연소물과의 반응특성을 나타내는 유효 불꽃 범위가 존재한다. 또한, 대규모 폭발(explosion)을 동반하는 일반적인 수소 및 화석연료의 연소에 비해 연소초기 매우 짧은 시간 동안 극소규모 폭발 후 매우 소규모의 내향폭발로서 임플로젼(implosion) 즉, 연소 결과 연료의 부피가 불꽃 내부 공간 영역으로 수축하고 주요 폭발력이 내부로 향하는 응폭 현상으로 인해 기본적인 안전성이 확보되는 것은 물론, 그 이용 목적에 따라 에너지 기능성이 매우 높은 것으로 알려져 있다.

이러한 브라운 가스는 기존 화석연료의 완전연소를 돕는 청정보조연료로서 이용가능하며 연료의 생산 및 소비가 동시에 이루어짐으로써 저장, 수송 및 안전 등의 비용이 절감되는 이점이 있고, 자체로는 특수 목적의 산업용 연료로서 소각 후 잔존물 용융 소각처리 시스템, 보일러, 용접기, 철강커팅 등의 에너지원으로 활용되고 있다.

이러한 브라운가스 화염을 이용한 본 발명의 비금속 재료 가공장치는, 브라운가스를 공급하기 위한 브라운가스 발생장치와, 브라운가스를 연소하여 미세한 화염칼날을 형성하기 위한 최소한 하나 이상의 화염 분출구 즉, 화염 노즐을 갖는 노즐 지지대와, CNC를 포함한 X-Y-Z 좌표 로봇 및 다관절 로봇 등과 같이 노즐을 고속으로 정밀하게 작업 위치로 이동시키는 정밀이송장치와, 유리판 등의 비금속 재료를 자동으로 공급하기 위한 가공 테이블을 포함하여 구성된다.

이러한 본 발명의 장치를 이용하여 상기 비금속 재료의 가공 예정부, 보다 구체적으로는 절단 예정선을 따라 적어도 하나의 브라운 가스 화염 노즐을 통한 미소가열을 가하여 스크라이브 라인을 형성하고, 이어 켄칭 수단을 통해 공기 및 물과 같이 냉각된 냉각유체로 비금속 재료의 가공 예정부(절단 예정선)를 급냉각하는 켄칭(quenching) 작업을 하여, 유리판을 포함한 비금속재료의 절단(breaking), 면취가공, 홀가공을 실시할 수 있도록 구성된다.

본 발명의 주요 구성 부분에 대하여 설명하면 다음과 같다.

상기 화염 노즐은 최소한 1개 이상의 화염 분출구를 가지고 있으며, 중앙 분 출구를 중심으로 전·후방에 다중으로 화염 분출구를 구비하여 제 1차 및 제 2차 절단 작업을 용이하도록 하며 또한, 이들 다중 노즐의 전방 또는 후방에 브라운가스에 의해 가열된 유리판의 절단 예정선을 따라 냉각유체를 분사하도록 하는 켄칭 수단을 배치하여 구성할 수 있다.

이때 상기 켄칭 수단은 압축 공기, 헬륨, 질소 등 불활성 가스 및 물 또는 물의 혼합물로 된 기체 및 액체상의 물질을 유리의 가열된 국소면에 분출시켜 재료를 급속히 냉각시키는 수단이며, 이러한 켄칭 수단을 통해 비금속 재료의 절단면을 깨끗하게 처리하고 절단면이 용융되어 열변형 되는 것을 제한하여 치수오차를 줄이거나 절단작업을 효율적으로 수행하도록 하는 역할을 한다. 상기 켄칭 작업 후에는 켄칭 물질이 유리판 등의 비금속 재료의 표면에 남지 않도록 제거하는 진공 흡입장치가 구성될 수 있다.

또한 상기 화염 노즐은 연료 가스가 공기 중에서 연소시 공기와 접한 관계로 화염 불꽃의 번짐 현상이 발생하게 된다. 따라서 극소 면적만을 가열해야 하는 비금속 절단용 화염칼날의 특성상 화염의 퍼짐현상을 최소화하기 위한 화염 칼날 보조 수단으로써 본 발명의 장치는 스크린 수단을 포함하여 구성될 수 있다.

여기서 상기 스크린 수단은 상기 노즐 지지대 아래에 브라운 가스 화염의 진행방향과 절단작업을 하고자 하는 비금속 재료 사이에, 절단 예정선을 따라 미세한 선폭의 화염칼날을 구현하기 위해, 지름 약 0.2mm에서 수mm 내외의 원형 또는 타원형의 홀을 적어도 하나 이상 가지며 열전달이 우수한 동, 알루미늄 등의 금속 세라믹 재료로 구성되는 것이 바람직하며, 본체는 제 2의 냉각수단으로 제공되는 냉각 유체로 냉각되어 온도 상승에 의한 변형을 막도록 구성되는 것이 바람직하다.

상기한 본 발명의 비금속 재료 가공 장치를 이용한 비금속판 가공 방법에 대하여 설명한다.

먼저, 브라운 가스의 화염 온도의 변화는 노즐 구경 및 가스량을 조절하거나 또는, 내측과 외측으로 구분되어 형성되는 특성을 갖는 브라운 가스 화염과 가열 대상물의 거리를 조절함으로써 절단 및 마무리 작업에 필요한 최적의 화염온도를 구현한다.

다음, 본 발명의 비금속 재료 가공 방법은 상기 유리판 등의 비금속 재료의 절단 시작점에서 브라운 가스 화염 칼날을 통해 비금속 재료의 가공면을 가열함으로써 약 10mm 내·외의 미소한 초기 크랙을 부여하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 비금속 재료 가공 방법에서 초기 크랙킹 및 스크라이빙 작업은 화염 노즐에서 발생되는 브라운가스 화염을 통해 비금속 재료의 절단 예정선을 따라 브라운 가스의 고에너지 집중성을 활용하여 극소면을 급속히 가열하고 상기 브라운가스 화염에 의해 가열된 부분에 켄칭 수단으로 급냉하여 초기 크랙 및 스크라이브 라인을 발생시키는 단계를 포함할 수 있다.

이를 더 상술하면, 상기 초기 크랙킹은 고에너지의 브라운 가스 화염에 의한 가열로 재료 표면에 물리적인 흠을 내지 않고 급속한 냉각 수단에 의한 켄칭을 통해 절단 예정선을 따라 국부적인 열충격을 가하는 작업 즉, 재료에 대해 열팽창 후 급속한 냉각 과정을 거치게 함으로써 열응력에 의해 내부 스트레스 증대로 갈라지 는 현상을 이용한 것을 포함한다.

또한 상기 스크라이빙 방식은 고에너지를 가지는 브라운가스 화염칼날에 의해 비금속재료의 표면에 극히 미세한 열변형에 의한 물리적 스크라이브 라인으로써 흠, 표면 필링 등을 형성하는 작업을 포함할 수 있다.

이러한 방식으로 가공되는 물리적 스크라이브 라인으로써 비금속 재료의 표면 흠 및 표면 필링 등은 종래 방식으로는 절단 및 면취 처리 등의 후가공이 불가능했던 비금속 재료 특히, 강화유리를 절단하는 작업에서 더욱 효과적으로 이용될 수 있다.

다음, 본 발명의 비금속 재료 가공 방법에서 브레이킹(절단) 방법은 상기 화염 노즐의 화염에 의해 스크라이브 라인이 형성된 절단 예정선을 따라 다시 역행시킴으로써 비금속 재료를 재차 가열하고 가열된 부분에 켄칭을 가하는 작업을 더욱 포함할 수 있으며, 브라운 가스 화염 노즐에서 분사되는 화염의 자체 압력 또는 열충격에 의해 자연스럽게 브레이킹 되도록 하는 것도 가능하다. 즉, 초기 크랙 작업, 스크라이빙 작업 및 브레이킹 작업 모두를 브라운 가스 화염의 열에너지에 의해 수행하는 것이다.

또한, 본 발명의 브레이킹 방법은 상기 브라운가스 노즐 지지대의 전단 또는 후단에 부착되어 비금속 재료의 절단 초기 부분에 절단 방향과 일치하는 초기 크랙을 형성하는 크랙커로써 다이아몬드 및 초경재료 등의 노칭(notching) 크래커를 사용할 수도 있다.

이때 노칭 크래커는 물체 표면에 흠을 내어 이곳에 응력이 집중되는 효과를 이용하는 것으로 이 부분에 힘이 주어질 경우 다른 부분보다 더 큰 응력의 집중이 발생되며, 외부 힘을 가하면 피로도가 증가하고 노치 부분에서 피로파괴가 일어나게 되는 효과를 응용한 수단이다.

다음, 본 발명의 비금속 재료 가공 방법은, 상기 브라운가스 화염 칼날에 의해 비금속 재료 절단을 수행 후 발생될 수 있는 절단면의 날카로운 에지(edge)나 종래 절단장치들에 의해 절단된 비금속 재료의 날카롭고 불규칙한 절단면에 대해 상기 브라운가스 화염 칼날을 통해 절단면 에지 부분에 대해 일정한 각도로 접촉하여 열을 가하면서 신속히 진행함으로써 날카로운 에지 부분을 극소 용융시켜 부드럽게 처리하거나 또는, 상기 브라운가스 화염 칼날에 의한 절단 방식과 같이 에지 부분에 초기 필링형태의 크랙을 형성하여 에지를 따라 계속 진행시킴으로써 날카로운 부분을 부드럽게 처리할 수 있도록 하여 유리를 포함한 비금속 재료의 절단 및 면취 작업 또는, 절단 후 면취가공을 일체로 가능하게 할 수도 있다.

상기에서 비금속 재료의 절단에 있어서, 비금속재료를 절단할 수 있을 만큼 충분한 양의 고에너지의 브라운가스 화염을 극소 영역의 절단 예정선을 따라 급속한 가열 및 냉각작용에 의한 재료의 응력증대에 따른 열충격을 가함으로써 절단하는 것이 바람직하며, 브라운가스 화염이 접촉하는 면적을 최소화 하여 재료의 열변형을 극소화 하며 화염칼날의 형태는 소정의 면적을 가지고 원형 또는 절단 예정선을 장축으로 하는 타원형으로 분산시켜 절단예정 선상에 고온으로 열을 가하도록 하는 것이 바람직하다.

다음, 본 발명의 상기 스크라이브 공정 및 브레이킹 공정에 있어서, 통상의 CNC 및 다관절 로봇 등과 같이 정밀가공 및 재현성이 우수한 구동 시스템을 통해 브라운가스 화염 노즐의 이동 속도를 초기 미소크랙 형성단계, 스크라이브 라인 형성단계, 브레이킹 단계로 구분하여 이송속도를 제어함으로써 절단 및 면취 작업 품질을 향상시킬 수 있다.

이때, 상기 초기의 미소크랙 형성단계의 브라운가스 화염 노즐의 이송방식은 비금속재료에 미소 크랙을 형성할 수 있을 만큼 충분한 열을 가하도록 이송속도를 상대적으로 느리게 하고, 점진적으로 속도를 증가시키는 방법이 바람직하다. 다만, 비금속 재료의 절단에 필요한 열량 이상의 에너지를 가하게 되면 비금속재료의 절단면이 고르지 않게 되거나 부서지는 현상이 발생되지 않도록 속도를 제어하는 것이 중요하다.

상기 유리판을 포함하는 비금속재료를 절단하기 위해 비금속재료를 가공 테이블에 고정시키고 브라운가스 화염 노즐을 정밀하게 이동시키거나, 반대로 브라운 가스 화염 노즐은 고정한 상태에서 X-Y-Z 방향으로 이송이 가능한 가공 테이블을 이동시키면서 가공한다.

또한 본 발명은, 10mm이상의 두꺼운 유리판 또는, 액정 표시패널이나 플라즈마 디스플레이 등, 큰 2매의 유리판을 일정한 갭으로 접착한 후, 각 셀을 절단 할 경우 비금속판의 전면과 후면에 동시에 상기 브라운가스 화염 노즐을 한 쌍으로 배치하여 양면에서 동시에 열을 가하고 켄칭 하도록 함으로써 절단 작업을 수행할 수도 있다. 또한, 한 면을 절단 후 대면을 뒤집어 동일한 방식으로 절단하는 방식도 가능하다.

또한, 본 발명은, 비금속 재료 중 하나인 강화 유리의 경우, 브라운가스 화염 노즐로부터 생성되는 화염 칼날 또는 상기 켄칭수단을 포함한 화염칼날을 통한 스크라이브 라인 작업과 동시에 후단에 스크라이브 라인을 따라 다이아몬드 휠 등에 의해 미소 크랙을 생성하고 기계적 응력을 가하는 것을 추가로 도입하여 강화 유리판을 절단할 수도 있다.

즉, 이러한 강화유리의 절단 방법은 스크라이브 라인의 생성을 브라운 가스 화염을 이용하고, 브레이킹 작업은 공압 등을 이용한 기계적 응력을 가하여 일반유리와 같이 절단할 수 있는 방법이다.

또한, 상기 강화 유리의 스크라이브 라인은 강화유리의 강화 처리된 표면을 고에너지의 브라운가스 화염칼날에 의해 표면을 필링(Peeling)한 후에, 크래킹 수단으로써 다이아몬드나 초경재료로 스크라이브 라인을 형성하고 기계적응력을 가하는 작업을 포함할 수도 있다.

또한, 상기 비금속 재료로써 강화 유리에 대한 절단 작업에 대해 보충하여 설명하면, 강화 유리는 고온의 강화로에서 열처리를 통해 유리의 표면강도를 강화시켜 건축 및 특수 목적의 소재로 널리 활용되고 있고 그 수요가 폭발적으로 증대되고 있으나 강화처리 후 절단 등의 후가공이 어렵다는 단점이 있다. 즉, 다이아몬드 스크라이빙, 레이저 스크라이빙 등의 종래 유리의 절단 방식으로는 후가공이 불가능하나, 본 발명에서 브라운 가스의 고에너지 집중성을 활용하여 강화 유리의 표면의 절단 예정선을 따라 극소부위 열처리 풀림효과 즉, 고에너지 집중에 의한 물리적 스크라이브 라인으로써 표면 흠 및 표면 필링 등의 스크라이브 라인을 형성하 는 것이 가능하게 되어, 강화유리에 대한 절단 및 면취 처리 등의 후가공 작업을 보다 효과적으로 달성할 수 있게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 브라운가스 화염을 이용한 비금속 재료 가공장치가 도시된 개략적인 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 비금속 재료 가공장치의 주요부가 도시된 개략적인 사시도이다.

본 발명에 따른 브라운가스 화염을 이용한 비금속 재료 가공장치는 위에서 설명한 바와 같이 비금속 재료인 유리판 등의 비금속판을 절단 가공, 면취 가공, 홀 가공 등을 위해 사용된다.

이러한 본 발명의 가공 장치는, 도 1에 도시된 바와 같이 브라운가스(13)를 공급하기 위한 브라운가스 발생장치(10)와, 이 브라운가스 발생장치(10)로부터 공급된 브라운가스(13)를 연소하여 비금속 재료(1)의 가공 예정부(3)를 국부적으로 가열할 수 있는 미세한 화염칼날(23)을 형성하기 위한 최소한 하나 이상의 화염 분출구를 갖는 화염 노즐(22)과, 이 화염 노즐(22)에 의해 국부적으로 가열된 비금속 재료(1)의 가공 예정부(3)에 냉각 노즐(33)을 통해 냉각유체(34)를 공급하여 급속히 켄칭하여 재료의 열응력 및 스트레스 증대로 브레이킹 작업이 일어나도록 하는 켄칭 수단(30)과, 상기 화염 노즐(22)과 냉각 노즐(33)을 지지하는 노즐 지지대(40)로 구성된다.

여기서 상기 비금속 재료 가공장치는, 브라운가스 화염 노즐(22), 냉각 노즐(33)의 배치 순서는 가공 예정부(3)에 냉각을 우선으로 할지 가열을 우선으로 할지에 따른 작업 공정의 필요에 따라 그 순서를 바꾸어 가며 배치하는 것도 가능하다.

그리고 본 발명의 가공 장치는, 도 2를 참고하면, CNC를 포함한 X-Y-Z 좌표 로봇 및 다관절 로봇 등과 같이 노즐을 고속으로 정밀하게 작업 위치로 이동시키는 정밀이송장치(50)와, 유리판 등 가공할 비금속 재료(1)를 자동으로 공급하기 위한 가공 테이블(60)을 포함하여 구성된다.

이러한 본 발명의 주요 구성 부분에 대하여 상세히 설명한다.

먼저, 상기 브라운가스 발생장치(10)는, 도 1을 참조하면, 물(12)을 전기 분해하여 브라운가스(13)를 발생시킬 수 있도록 물이 담긴 수조(11)에 전극(15)들이 배치된 구성으로 이루어진다. 도 1에서 참조 번호 14는 수조(11) 내의 전극(15)에 전원을 제공하는 전원을 나타낸다.

이러한 브라운가스 발생장치(10)와 상기 화염 노즐(22) 사이에는 브라운 가스(13)를 전달하는 가스 라인(18)이 연결되는데, 이 가스 라인(18) 상에는 순서대로 제 1습식 필터(16), 제 2건식 필터(17), 역화 방지기(19), 가스 혼합기(20), 가스 밸브(21) 등이 주요하게 구성된다. 물론, 실시 조건에 따라 가스 라인(18)에 구성되는 요소를 일부 삭제하여 구성되거나, 또 다른 구성 요소를 추가하여 구성할 수 있다.

다음, 상기 화염 노즐(22)은 상기 노즐 지지대(40)에 수직으로 배치되고, 그 끝단부는 브라운 가스가 연소되면서 미세한 화염칼날(23)을 형성토록 뾰족한 구조로 형성된다.

다음, 상기 켄칭(quenching) 수단(30)은 냉각유체(34)를 공급하도록 가스통(31) 등으로 이루어진 공급수단과, 이 공급수단과 연결되어 냉각유체(34)를 분사하는 냉각 노즐(33)로 이루어진다.

상기 냉각 노즐(33)은 상기 화염 노즐(22)과 나란히 상기 노즐 지지대(40)에 고정되는 것이 바람직하다. 물론, 화염 노즐(22)과 별도로 분리되어 설치하는 것도 가능하다.

이러한 냉각 노즐(33)을 통해 재료(1)의 냉각면(7)에 분사되는 냉각유체(34)는 압축 공기, 헬륨, 질소 등 불활성 가스 및 물 또는 물의 혼합물로 된 기체 및 액체상의 물질 등으로 구성될 수 있으며, 비금속 재료(1)의 가공 예정부(3) 즉, 절단 예정선을 따라 가열된 냉각면(7)에 분출시켜 재료를 급속히 냉각시킴으로써 재료의 열응력을 급속히 증대시켜 크랙 또는 브레이킹이 발생하도록 하는 역할을 하게 된다.

상기 냉각 노즐(33)의 후방에는 도 2를 참조하면, 비금속 재료(1)의 가공 부분에 냉각유체(34) 등을 포함한 이물질이 남지 않도록 흡입하는 진공흡입장치(70)가 구성되는 것이 바람직하다. 이러한 진공흡입장치(70)도 후드 지지대(71)를 통해 상기 노즐 지지대(40)에 함께 지지되도록 구성되는 것이 바람직하고, 아래쪽에는 가공 재료를 향하여 확장된 흡입 후드(73)가 위치된다.

다음, 상기 노즐 지지대(40)는 상기 화염 노즐(22), 냉각 노즐(33), 진공흡 입장치(70) 등을 함께 지지할 수 있도록 하나의 세트 단위로 구성되는 것이 바람직하나, 반드시 하나의 세트로 구성되는 것에 한정되지 않고 각기 분리하여 구성되는 것도 가능하다.

또한 상기 노즐 지지대(40)에는 상기 화염 노즐(22), 냉각 노즐(33), 진공흡입장치(70) 등의 위치를 각각 조절할 수 있도록 구성되는 것이 바람직한데, 이러한 구성은 재료(1) 가공시에 재료의 가공 부분(3)으로부터 화염 노즐(22), 냉각 노즐(33), 진공흡입장치(70)의 높이를 각각 적절하게 설정하여 위치시킨 상태에서 가공할 수 있도록 하기 위해서이다.

이러한 높이 조절에 대한 구성은 수동 구조인 경우, 클램프 등을 이용하여 각 구성 요소의 고정 위치를 변화시킬 수 있도록 구성하거나, 자동 구조인 경우, 소형 전동 모터 등을 이용하여 각 구동 요소를 자동으로 직선 이동시키도록 구성할 수 있다.

아울러, 상기 노즐 지지대(40)에 하나의 세트로 구성되는 전체 구성의 위치 조절은 상기 정밀이송장치(50)가 노즐 지지대(40)의 위치를 정밀 조절함으로써 이루어진다.

또한 본 실시예의 도면에서는 상기 노즐 지지대(40)에 화염 노즐(22), 냉각 노즐(33), 진공흡입장치(70)가 각각 하나씩 설치되는 구성을 예시하였으나, 실시 조건에 따라서는 각 구성 요소의 개수를 복수개로 구성하는 것도 가능하다.

또한 하나의 화염 노즐(22)에 복수개의 분출구를 갖도록 구성하는 것도 가능하다.

즉, 상기 노즐 지지대(40)에 최소한 1개 이상의 화염 노즐(22)을 설치할 수 있으며, 화염 노즐(22)에 복수개의 분출구가 형성된 경우에, 중앙 분출구를 중심으로 전방 또는 후방에 다중으로 분출구를 구비할 수 있다. 이때 비금속 재료(1)의 가공 부분에 순방향으로 제 1차 가열 작업을 하고, 필요시에 역방향으로 제 2차 절단 작업을 용이하게 진행할 수 있다. 또한 상기 다중 화염 노즐(22)의 진행 방향에 대해 전방 또는 후방에 상기 냉각 노즐(33)을 배치하여 화염 노즐(22)에 의해 가열된 재료의 절단 예정선(3)을 따라 냉각유체(34)를 분사하여 절단 작업을 진행하도록 구성할 수 있다.

다음, 상기 정밀이송장치(50)는 상기 노즐 지지대(40)에 연결되어 소정의 속도로 이송시키는 동시에 이송 제어부(미도시)가 구비되어 이송 속도를 정밀하게 자동 조절할 수 있도록 구성된다. 즉, 정밀이송장치(50)는 통상의 CNC 및 다관절 로봇 등과 같이 정밀가공 및 재현성이 우수한 구동 시스템으로 이루어진다.

이러한 정밀이송장치(50)는 기계 가공 장치 등에 일반적으로 구성되므로, 도면에서는 상기 노즐 지지대(40)에 연결된 부분만을 예시하였고, 이외의 구성에 대한 자세한 도면 표시와 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

또한 상기 가공 테이블(60)도 가공할 비금속 재료(1)를 고정한 상태에서 가공할 수 있도록 구성되는데, 이러한 가공 테이블(60)은 완전 고정식 또는 상기 노즐 지지대(40)에 대하여 X,Y,Z,θ 방향 등으로 상대 이동이 가능하도록 구성할 수 있다.

도면에서 상기 가공 테이블(60)에 가공할 비금속 재료(1)를 고정하는 수단 즉, 클램프 또는 고정 지그 등은 도시하지 않았으나, 이러한 구성도 당해 기술분야에서 널리 알려진 일반적인 구조로 구성할 수 있다.

다음, 상기한 바와 같은 본 발명의 비금속 재료의 가공 장치를 이용하여 비금속 재료를 가공하는 다양한 방법에 대하여 설명한다.

본 발명에 따른 비금속 재료의 가공 방법은, 미세 화염 노즐(22)에서 발생되는 화염칼날(23)의 고에너지 집중성을 활용하여 유리판 등의 비금속 재료(1)의 절단 시작점에서 극소면(5)을 급속히 가열하여 초기 크랙킹(cracking) 및 스크라이브(scribe) 라인을 발생시키는 작업을 하고, 상기 화염칼날(23)에 의해 비금속 재료(1)의 절단 예정선(3)을 따라 급속히 가열한 다음, 상기 가열된 부분에 냉각 노즐(33)을 통해 냉각유체(34)를 분사하면서 비금속 재료(1)의 내부응력 및 스트레스를 급속히 증대시켜 브레이킹 즉, 절단이 이루어지도록 한다.

여기서 상기 초기 크랙킹 및 스크라이빙 방식은, 고에너지의 브라운가스(13) 화염에 의한 가열로 재료(1) 표면에 물리적인 흠을 내지 않고 급속한 냉각에 의한 켄칭 작업을 통해 절단 예정선(3)을 따라 국부적인 열충격을 가하는 작업 즉, 재료에 대해 열팽창 후 급속한 냉각 과정을 거치게 함으로써 열응력에 의해 내부 스트레스 증대로 갈라지는 현상을 이용하는 것이다.

또한 상기 브라운가스 화염칼날(23)만을 사용하여 유리면의 절단 예정선을 따라 급속히 가열함으로써 약 10mm 이하의 미소한 초기 크랙(23)을 부여할 수도 있다.

그리고 상기 브레이킹 방식은, 비금속 재료(1)를 절단할 수 있을 만큼 충분한 양의 고에너지의 화염칼날(23)을 극소 영역의 절단 예정선(3)을 따라 급속한 가열 및 냉각작용에 의한 재료의 응력증대에 따른 열충격을 가함으로써 절단하는 것이 바람직하며, 화염칼날(23)이 접촉하는 면적을 최소화 하여 재료의 열변형을 극소화하는 게 바람직한데, 이때 화염칼날(23)의 형태는 소정의 면적을 가지고 원형 또는 절단 예정선(3)을 장축으로 하는 타원형으로 분산시켜 절단 예정선(3) 상에 고온으로 열을 가하도록 하는 것이 더욱 바람직하다.

여기서, 상기 화염칼날(23)의 온도 변화는 화염 노즐(22)의 구경 및 가스량을 조절하거나, 내측과 외측으로 구분되어 형성되는 특성을 갖는 화염칼날(23)과 가열대상물(1)의 거리를 조절하여 절단 및 마무리 작업에 필요한 최적의 화염온도를 제어하는 것이 바람직하다.

다음, 상기 정밀이송장치(50) 또는 가공 테이블(60)을 이용하여, 비금속 재료(1)의 가공 속도 또는 이송 속도를 적절하게 조절할 필요가 있다.

이러한 속도 제어 방법은, 상기 노즐 지지대(40)의 이동 속도를 초기 미소크랙 형성단계, 스크라이브 라인 형성단계, 브레이킹 단계로 구분하여 이송속도를 제어함으로써 절단 및 면취 작업 품질을 더욱 향상시킬 수 있으며, 이때 브라운가스 화염 노즐(22) 세트의 이송 속도는 250 mm/초 내외로 하여 단계별로 가감하여 조정하는 것이 바람직하다.

상기 브라운가스 화염 노즐(22)의 이송방식은 초기의 미소크랙 형성단계의 비금속재료에 미소 크랙을 형성할 수 있을 만큼 충분한 열을 가하도록 이송속도를 상대적으로 느리게 하고 점진적으로 속도를 증가시키는 방법이 가장 효과적이다.

다만, 비금속 재료(1)의 절단에 필요한 열량 이상의 에너지를 가하게 되면 비금속 재료(1)의 절단면이 고르지 않게 되거나 부서지는 현상이 발생되지 않도록 속도를 제어하는 것이 중요하다.

상기와 같은 이송 가공 공정은, 비금속 재료(1)를 가공하기 위해 비금속판 즉, 가공 테이블(60) 쪽은 고정시키고 화염 노즐(22)을 정밀하게 이동시키면서 가공하거나, 반대로 화염 노즐(22) 세트는 그 위치를 고정한 상태에서 가공할 비금속 재료(1)가 높인 가공 테이블(60)을 X-Y-Z 방향으로 이송 제어하면서 비금속 재료(1)를 가공하는 것도 가능하다.

물론, 상기 화염 노즐(22)의 위치 이동은 노즐 지지대(40)에 하나의 세트로 이루어진 냉각 노즐(33), 진공흡입장치(70)도 함께 포함되는 것이 바람직하며, 화염 노즐(22) 세트 또는 가공 테이블(60) 중 어느 하나만 이송 제어하는 것에 한정되지 않고 양쪽 상대 구성 요소를 함께 이송 제어하면서 가공하는 것도 가능하다.

한편, 비금속 재료(1)의 또 다른 브레이킹 방법으로, 상기 화염 노즐(22)의 화염칼날(23)에 의해 스크라이브 라인이 형성된 절단 예정선(3)을 따라 다시 역행시킴으로써 비금속 재료(1)를 재차 가열하고 가열된 부분에 냉각유체(34)를 분사하여 브레이킹 작업을 할 수 있다.

이와는 달리, 절단할 비금속 재료(1)에, 브라운가스 화염 노즐(22)에서 분사되는 화염의 자체 압력 또는 절단면 양측에 공압 등의 기계적응력을 가하여 자연스러운 브레이킹이 되도록 하는 것도 가능하다. 즉, 초기 크랙 작업, 스크라이빙 작 업 및 브레이킹 작업을 브라운가스 화염의 열에너지에 의해 모두 수행하는 것이다.

그리고 본 발명은, 10mm이상의 두꺼운 유리판 또는, 액정 표시패널이나 플라즈마 디스플레이 패널 등, 큰 2매의 유리판을 일정한 갭으로 접착한 후, 각 셀을 절단할 경우에, 비금속판의 전·후면에 동시에 상기 브라운가스 화염 노즐(22)을 한 쌍으로 배치하여 양면에서 동시에 열을 가하고 급속 냉각시킴으로써 절단 작업을 수행할 수도 있다. 또한, 한 면을 절단 후 반대 면을 뒤집어 동일한 방식으로 절단하는 방식도 가능하다.

도 3은 본 발명에 따른 비금속 재료 가공장치의 다른 실시예의 구성이 도시된 개략적인 사시도이다. 도 3에서 전술한 일 실시예와 동일, 유사한 구성 부분에 대해서는 동일한 참조 번호를 부여하고 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.

본 발명의 다른 실시예에서는, 화염 노즐(22)의 하부 위치에 스크린 수단 즉, 화염 스크린(80)이 구비된다.

이에 대하여 설명하면, 화염 노즐(22)은 연료가스인 브라운가스가 공기 중에서 연소시 공기와 접한 관계로 화염 불꽃의 번짐 현상이 발생하게 된다. 따라서 화염 스크린(80)은 극소 면적만을 가열해야 하는 비금속판 절단용 화염칼날(23)의 특성상 화염의 퍼짐현상을 최소화하고 브라운가스 화염칼날(23)을 수 mm이하의 화염 초점(Flame spot)을 형성하는 화염칼날(23)의 보조 수단인 것이다.

이러한 화염 스크린(80)은 노즐 지지대(40)의 하측에 화염칼날(23)의 진행방향과 절단작업을 하고자 하는 비금속 재료(1)의 사이에 지름 약 0.2mm에서 수mm 내 외의 원형 또는 타원형의 홀(82)을 적어도 하나 이상 가지며 열전달이 우수한 동, 알루미늄 등의 금속 또는 세라믹 재료로써 그 본체는 냉각수 등에 의한 제 2의 냉각유체에 의해 냉각되어 온도 상승에 의한 변형을 막도록 구성된다.

그리고 상기 화염 스크린(80)은 상기 노즐 지지대(40)에 지지봉(42)을 통해 지지되도록 구성되는 것이 바람직하며, 이때 화염 스크린(80)에는 켄칭을 위한 냉각 노즐(33)이 지지되게 구비될 수 있고, 또한 가공후 이물질을 흡입하는 진공흡입장치(70)도 지지되게 구비될 수 있다.

도 3에서 참조 번호 84는 상기 화염 스크린(80)을 냉각시킬 수 있도록 제 2의 냉각유체를 공급하기 위한 관을 나타낸 것이고, 전술한 일 실시예에서 설명하였던 정밀이송장치(50) 및 가공 테이블(60)의 구성은 생략하였다.

한편, 전술한 일실시예에서는 주로 본 발명의 가공 장치를 이용하여 비금속 재료(1)를 절단하는 공정에 대하여 설명하였으나, 이에 한정되지 않고 본 발명의 일 실시예 또는 다른 실시예의 가공장치는 비금속 재료(1)의 절단면을 부드럽게 면취 가공하는데도 이용할 수 있다.

즉, 상기 화염칼날(23)에 의해 비금속 재료(1)의 절단을 수행 후 발생될 수 있는 절단면의 날카로운 에지(edge)나, 본 발명의 가공 장치가 아닌 공지의 절단 장치들에 의해 절단된 비금속 재료(1)의 날카롭고 불규칙한 절단면에 대해 상기 화염 노즐(22)을 통해 형성되는 화염칼날(23)을 통해 절단면의 에지 부분에 대해 일정한 각도로 접촉하여 열을 가하면서 신속히 진행하여 면취 작업을 실시한다.

이러한 면취 가공은 비금속 재료(1)의 날카로운 에지 부분을 극소용융 시켜 부드럽게 처리하거나, 상기 화염칼날(23)에 의한 절단 방식과 같이 에지 부분에 초기 필링형태의 크랙을 형성하여 에지를 따라 계속 진행시킴으로써 날카로운 부분을 부드럽게 처리할 수 있도록 하여 유리를 포함한 비금속 재료(1)의 절단 및 면취 작업 또는, 절단 후 면취 가공을 일체로 가능하게 된다.

특히, 본 발명의 다른 실시예에서, 상기 화염칼날(23)은 적어도 1개 이상, 지름 수 mm 이하의 홀(82)이나 또는, 수 mm 이하의 간격을 가지는 슬릿형태의 열전달이 우수한 금속재질의 가이드 또는 화염 스크린(80)을 포함하여 구성되므로, 재료(1)의 절단면을 따라 미세한 선폭의 화염칼날(23)을 구현할 수 있고, 이에 따라 상기에서 설명한 면취 가공 작업을 보다 원활하게 진행할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 비금속 재료 가공장치의 또 다른 실시예의 구성이 도시된 개략적인 사시도이다.

본 발명의 또 다른 실시예에서는 가공할 비금속 재료(1)에 초기 크랙을 형성하는 노칭(notching) 크래커(90)가 구비된다.

이에 대하여 설명하면, 노즐 지지대(40) 전단 또는 후단에 부착되어 유리판 등의 절단 초기 부분에 절단 방향과 일치하는 초기 크랙(9)을 형성하도록 다이아몬드 휠(95) 또는 초경재료 등으로 이루어진 노칭 크래커(90)를 구성할 수 있다.

이때 사용되는 노칭 크래커(90)는 물체 표면에 흠을 내어 이곳에 응력이 집중되는 효과를 이용하는 것으로 이 부분에 힘이 주어질 경우 다른 부분보다 더 큰 응력의 집중(24)이 발생되며, 외부 힘을 가하면 피로도가 증가하고 노치 부분에서 피로파괴가 일어나게 되는 효과를 응용한 크랙 기구이다.

이러한 노칭 크래커(90)는 도 4에서와 같이 노즐 지지대(40)에 화염 노즐(22), 냉각 노즐(33), 진공흡입장치(70)와 함께 하나의 세트로 고정되어 설치되는 것이 바람직하며, 또한 이들의 배치순서는 필요시 자유롭게 바뀔 수 있으며, 노칭 크래커(90)도 높이를 조절할 수 있도록 구성된다.

이러한 높이 조절 구조는 실시 조건에 따라 다양하게 형성할 수 있는데, 본 실시예에서는 유압 또는 공압 실린더(92)의 피스톤(93) 끝단부에 설치하여, 노칭 크래커(90)를 이용할 때는 하강시키고, 이용하지 않을 때는 상승시키도록 구성된다.

이와 같은 본 발명의 또 다른 실시예는, 상기 화염칼날(23)에 의한 스크라이빙 작업에 추가하여 비금속 재료(1)의 표면에 노칭 크래커(90) 등을 이용하여 흠 및 표면 필링 등의 물리적 스크라이브 라인을 형성함으로써, 종래 방식으로는 절단 및 면취 처리 등의 후가공이 불가능했던 재료 특히, 강화유리의 절단 가공이 가능하게 하는 효과를 제공하게 된다.

여기서 상기 스크라이빙 공정은 고에너지를 가지는 브라운가스 화염칼날(23)에 의해 비금속 재료(1)의 표면에 극히 미세한 열변형에 의해 흠, 표면 필링 등의 물리적 스크라이브 라인을 형성하고, 여기에 상기 노칭 크래커(90)로 추가적인 스크라이빙 작업을 수행할 수 있다.

즉 강화 유리판의 경우, 브라운가스 화염 노즐(22)로부터 생성되는 화염칼 날(23)을 통한 스크라이브 라인 작업과 동시에 후단에 스크라이브 라인을 따라 다이아몬드 휠(95) 등의 노칭 크래커(90)에 의해 미소 크랙을 생성하고, 공압 등 기계적 응력을 가하는 것을 추가로 도입하여 강화 유리판(1)을 절단할 수 있게 되는 것이다.

따라서 상기 강화유리의 절단방법은, 강화 유리의 강화 처리된 표면을 고에너지의 브라운가스 화염칼날(23)에 의해 표면을 필링(Peeling)한 후에, 상기 노칭 크래커(90)를 통해 스크라이브 라인을 형성하고 기계적 응력을 가함으로써 강화 유리를 일반 유리와 같이 절단할 수 있게 된다.

한편, 상기 노칭 크래커(90)를 이용하지 않고, 스크라이브 라인의 생성을 브라운가스 화염칼날(23)로만 형성하고, 브레이킹 작업은 브라운가스 화염 자체의 압력 또는 공지의 기계적응력을 가하는 방식을 이용하는 것도 가능하다.

도 5는 본 발명에 따른 비금속 재료 가공장치를 이용한 비금속 재료 가공 상태를 나타낸 참고도이다.

도 5에 도시된 바와 같이 전술한 바와 같은, 본 발명의 가공 장치를 이용하여 비금속 재료(1)를 다양한 형상과 모양으로 절단 등의 가공을 실시할 수 있다. 즉, 브라운가스 화염 스팟(5)과 켄칭 수단(30)에 의해 형성되는 쿨링 스팟(7)의 조합으로 비금속 재료(1) 상의 절단 예정선(3')을 따라 비정형으로 거울(미러), 디스플레이용 유리 및 보호용 유리판 등을 포함한 공지의 유리, 세라믹 등의 다양한 비금속 재료를 재단 또는 성형 가공할 수 있다. 이때 화염 스팟(5)의 뒤쪽에 냉각 쿨 링 스팟(7)이 따라가면서 비금속 재료(1)를 절단 가공하는 것이 바람직하다.

아울러, 본 발명의 가공 장치를 이용하여 비금속 재료(1)에 미세한 크기부터 대구경에 이르는 원형 또는 비정형의 다양한 홀(H)을 가공할 수 있다. 즉, 도 5에서와 같이 브라운가스 화염칼날(23)의 고에너지를 가하여 비금속 재료(1)의 국부 영역을 용융시켜 홀(H)을 가공할 수 있다.

그리고 상기 홀(H) 공정시 비금속재료를 용융시킨 후에, 브라운가스 화염압력 또는 외부 압축공기 또는 불활성 가스로 용융물을 불어내는 과정을 포함하여 홀 가공공정 효율을 높일 수 있으며 미세한 홀로 구성된 상기 도 3의 화염 스크린(80)을 도입하면 소정의 미세한 구경의 홀을 가공하는 것이 더욱 용이하게 된다.

또한 본 발명의 가공 장치를 이용하여 비금속 재료(1)의 국부 영역에 대해 급속히 용융시킴으로써 디스플레이용 진공 유리소재의 마무리 작업을 위해 요구되는 융접과 같은 작업을 실시할 수도 있다.

도 6은 본 발명에 따른 브라운가스 중 하나인 수소 가스 화염을 이용한 비금속 재료 가공장치가 도시된 개략적인 구성도이다.

도 6은 위에서 설명한 도 1의 구성과 유사하나, 다만 브라운가스 발생장치(10)의 구성을 달리한다.

도 1에 도시된 본 발명의 가공 장치는, 가공할 비금속 재료(1)의 절단 예정선(3) 가열, 국부적 가열 또는 용융을 위한 연료로써 물(12)이 담긴 수조(11)에 전극(15)을 배치하고 통상의 전원(14)을 인가함으로써 수소와 산소가스가 혼합된 상 태로 발생되는 브라운가스(13)를 이용한 장치 구성을 예시하였다.

아울러, 도 6에 도시된 본 발명의 가공 장치는, 전해수의 전기분해시 격막(11a)에 의해 수소와 산소를 분리 생산한 후에, 두 분리 라인(18a, 18b)으로 연결되고 가스혼합기(20) 등을 더욱 포함하는 통합 가스 라인(18)을 통해 즉시 다시 혼합하여 브라운가스(13) 대용의 연료로 사용하는 구성을 예시한 것이다.

또한, 본 발명의 가공 장치는, 상기와 같은 종류의 브라운 가스외에도 공지에 널리 사용되는 고압의 수소가스와 외부 산소를 혼합시켜 사용하는 것도 가능하다.

상기와 같이 구성되고 작용되는 본 발명에 따른 브라운가스 화염을 이용한 비금속 재료 가공장치 및 방법은, 브라운가스를 미세 노즐을 통해 연소시킴으로써 고에너지 집중성의 화염 칼날을 구성하여 비금속재료 고품질의 절단면을 얻는 동시에 브라운가스 화염을 이용하여 절단된 유리의 날카로운 절단면을 부드럽게 처리하는 면취 가공을 가능하게 하는 이점이 있다.

또한 본 발명은, 유리 등의 비금속 재료의 용융을 통한 용접 작업이 가능하고, 아울러 판유리 등을 직선, 원형, 곡선 등의 다양한 형태로 절단하는 것은 물론 국부 용융 가열을 통해 홀 가공을 가능하여 비금속 재료를 다양하게 가공할 수 있는 이점이 있다.

Claims (24)

1. 비금속 재료의 국부적 가열 또는 용융을 위한 연료로써 브라운가스를 공급하기 위한 브라운가스 발생장치와, 상기 브라운가스 발생장치로부터 공급된 브라운가스를 연소시켜 고온의 미세한 화염을 발생시켜 상기 비금속 재료의 가공 예정부를 국부적으로 가열하는 하나 이상의 화염 노즐과, 상기 브라운가스 화염 노즐에 의해 국부적으로 가열된 비금속 재료의 가공 예정부에 냉각 노즐을 통해 냉각유체를 공급하여 급속히 냉각하여 재료의 열응력 및 스트레스 증대로 브레이킹 작업이 일어나도록 하는 켄칭수단을 포함한 것을 특징으로 하는 브라운가스 화염을 이용한 비금속 재료 가공장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 가공 장치는 상기 화염 노즐과 가공할 비금속 재료 사이에 상기 화염 노즐에서 분출되는 화염의 크기를 조절할 수 있도록 일정 크기의 홀을 갖는 스크린 수단을 더 포함한 것을 특징으로 하는 브라운가스 화염을 이용한 비금속 재료 가공장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 스크린 수단은 냉각 유체에 의해 냉각이 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 브라운가스 화염을 이용한 비금속 재료 가공장치.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

   상기 스크린 수단의 홀은 원형, 타원형, 슬릿형 중 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 브라운가스 화염을 이용한 비금속 재료 가공장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 가공 장치는 상기 화염 노즐과 냉각 노즐을 지지하는 노즐 지지대를 더 포함한 것을 특징으로 하는 브라운가스 화염을 이용한 비금속 재료 가공장치.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 노즐 지지대와 상기 가공할 비금속 재료가 놓이는 가공 테이블 중 적어도 어느 한쪽은 노즐과 비금속 재료의 상대 위치를 정밀하게 조절할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 브라운가스 화염을 이용한 비금속 재료 가공장치.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 가공 장치는 상기 비금속 재료를 가공하면서 발생되는 잔유물을 흡입하여 처리하기 위한 진공흡입수단을 더 포함한 것을 특징으로 하는 브라운가스 화염을 이용한 비금속 재료 가공장치.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 가공 장치는 비금속 재료에 접촉되어 크랙을 형성하는 노칭 크랙커가 포함된 것을 특징으로 하는 브라운가스 화염을 이용한 비금속 재료 가공장치.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 노칭 크랙커는 가공할 비금속 재료에 대하여 높이 조절이 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 브라운가스 화염을 이용한 비금속 재료 가공장치.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 화염 노즐은 복수개로 이루어지거나, 복수개의 화염 분출구를 갖도록 구성되어 비금속 재료의 가공 예정부를 따라 순차적으로 배치되고,

    상기 냉각 노즐은 상기 화염 노즐들의 진행 방향에 대하여 상기 화염 노즐의 전방 또는 후방에 배치된 것을 특징으로 하는 브라운가스 화염을 이용한 비금속 재료 가공장치.
11. 제 1 항에 있어서,

    상기 가공 장치는 상기 화염 노즐 및 냉각 노즐을 복수의 세트로 구성하되, 각 세트를 비금속 재료 면에 다수의 가공 예정선을 따라 병렬로 배치하여 복수의 가공작업을 동시에 수행할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 브라운가스 화염을 이용한 비금속 재료 가공장치.
12. 브라운 가스를 연소시키면서 발생한 화염으로 비금속 재료의 절단 예정선을 따라 가열하는 가열 단계와;

    상기 단계에서 브라운가스 화염에 의해 가열된 절단 예정선을 따라 냉각 유체를 분사하여 비금속 재료에 열 충격을 가하여 비금속 재료의 내부응력 및 스트레스를 증대시켜 절단하는 절단 단계를 포함한 것을 특징으로 하는 브라운가스 화염을 이용한 비금속 재료 가공방법.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 가열 단계 전에는 브라운가스의 연소시 형성되는 고온의 화염에 의해 비금속 재료의 절단이 시작되는 곳에 절단을 원하는 방향으로 초기 크랙을 형성하는 단계를 포함한 것을 특징으로 하는 브라운가스 화염을 이용한 비금속 재료 가공방법.
14. 제 12 항에 있어서,

    상기 절단 단계는 고압의 공기압, 피스톤 등에 의한 기계적 응력을 추가로 가하여 비금속 재료를 절단하는 것을 특징으로 하는 브라운가스 화염을 이용한 비금속 재료 가공방법.
15. 브라운가스 화염 노즐에 의해 형성된 브라운가스 화염 칼날을 활용하여 비금속 재료를 절단하는 절단 단계와;

    상기 절단 단계에서 비금속 재료가 절단된 후에 절단된 단면에서 발생하는 날카롭고 불규칙한 에지를 상기 브라운 가스 화염 칼날을 사용하여 절단면에 대해 일정한 각도로 접촉하여 필링 또는 용융하여 제거하는 면취 단계를 포함한 것을 특징으로 하는 브라운가스 화염을 이용한 비금속 재료 가공방법.
16. 브라운가스 화염 노즐로부터 형성된 화염칼날을 통해 비금속 재료에 스크라이브 라인을 형성하거나 또는, 절단 예정선을 따라 브라운 가스 화염칼날에 의해 극소면에 대해 가열하여 비금속 재료에 미소 필링현상을 발생시키는 단계와;

    상기 단계에서 브라운가스에 의해 형성된 스크라이브 라인 또는 필링 현상으로 발생된 절단 예정선을 따라 냉각 유체로 급속히 냉각시켜 재료의 열응력 증대로 절단되도록 하는 단계를 포함한 것을 특징으로 하는 브라운가스 화염을 이용한 비금속 재료 가공방법.
17. 제 16 항에 있어서,

    상기 비금속 재료는 강화 유리를 포함하는 것을 특징으로 하는 브라운가스 화염을 이용한 비금속 재료 가공방법.
18. 브라운가스 화염 노즐로부터 형성된 화염칼날을 통해 비금속 재료에 스크라이브 라인을 형성하거나 또는, 절단 예정선을 따라 브라운 가스 화염칼날에 의해 극소면에 대해 가열하여 비금속 재료에 미소 필링현상을 발생시키는 단계와;

    상기 단계 후에 다이아몬드 휠, 초경 재료 등의 노칭 크래커를 이용하여 비금속 재료에 스크라이브를 추가로 진행하는 단계와;

    상기 단계 후에 압축 공압 등의 기계적 응력을 가하여 비금속 재료를 절단하 는 단계를 포함한 것을 특징으로 하는 브라운가스 화염을 이용한 비금속 재료 가공방법.
19. 제 18 항에 있어서,

    상기 스크라이브를 추가로 진행하는 단계 전 또는 후에 상기 절단 예정선을 따라 켄칭 수단으로 급속히 냉각시켜 재료의 열응력 증대시키는 단계를 포함한 것을 특징으로 하는 브라운가스 화염을 이용한 비금속 재료 가공방법.
20. 브라운가스를 연소시켜 고온의 미세한 화염을 발생시키는 제 1 단계와;

    상기 단계에서 발생된 화염을 이용하여 비금속 재료의 국부 영역을 급속히 가열하여 비금속 재료를 용융하여 홀을 형성하는 제 2 단계를 포함한 것을 특징으로 하는 브라운가스 화염을 이용한 비금속 재료 가공방법.
21. 제 20 항에 있어서,

    상기 제 2 단계는 비금속 재료의 국부 영역을 급속히 가열하여 재료를 용융 하는 과정과, 상기 과정에서 비금속 재료를 용융한 후에 브라운가스 화염 자체의 압력 또는, 외부 공압 또는 불황성 가스로 용융물을 불어내어 상기 비금속 재료에 홀을 형성하는 과정을 포함한 것을 특징으로 하는 브라운가스 화염을 이용한 비금속 재료 가공방법
22. 제 12 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 비금속 재료는 세라믹, 타일, 유리 또는 이들의 혼합물 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 브라운가스 화염을 이용한 비금속 재료 가공방법.
23. 제 12 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 브라운 가스는, 물 전기분해시 수소와 산소가 물의 화학당량비로 혼합되어 발생되는 가스, 수소가스와 외부 산소의 혼합가스, 물 전기분해시 격막에 의해 수소와 산소를 분리 생산한 후 이를 즉시 다시 혼합한 가스 중 적어도 어느 하나의 가스를 이용하는 것을 특징으로 하는 브라운가스 화염을 이용한 비금속 재료 가공방법.
24. 제 12 항 내지 제 14 항, 제 16 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 냉각 유체는 압축 공기, 헬륨, 질소 등 불활성 가스 및 물 또는 물의 혼합물로 이루어진 기체 및 액체상의 물질 중 적어도 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 브라운가스 화염을 이용한 비금속 재료 가공방법.

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