KR20140139479A - 유리 제품 제조 방법 및 시스템 - Google Patents

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KR20140139479A
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Abstract

유리 시트가 몰드 상에 배치되어 제1온도로 가열된다. 다음에, 상기 유리 시트는 몰드를 이용하여 3차원 형태를 갖는 유리 제품으로 성형된다. 적어도 하나의 히트 파이프를 포함하는 등온 열 전달 장치가 상기 몰드와 열 접촉으로 제공된다. 상기 몰드 상의 유리 제품 및 상기 몰드와 열 접촉하는 상기 등온 열 전달 장치를 함께 포함한 상태로, 상기 유리 제품을 제2온도로 냉각하기 위해 열적-차등 채널을 따라 상기 몰드, 유리 제품, 및 등온 열 전달 장치를 전송한다. 상기 전송 동안, 상기 등온 열 전달 장치는 상기 몰드의 상대적으로 뜨거운 영역에서 상기 몰드의 상대적으로 차가운 영역으로 열을 전송한다.

Description

유리 제품 제조 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR MAKING GLASS ARTICLES}
본 출원은 35 U.S.C.§119 하에 2011년 11월 23일 출원된 미국 가출원 제61/563,197호를 우선권 주장하고 있으며, 상기 특허 문헌의 내용은 참조를 위해 본 발명에 모두 포함된다.
본 발명은 유리 제품의 제조 및 몰드 상의 유리 제품의 냉각 동안 몰드 온도의 콘트롤에 관한 것이다.
휴대용 전자 장치들을 위한 커버 유리와 같은 유리 제품들은 열적 리포밍(thermal reforming)에 의해 만들어진다. 그러한 프로세스는 유리가 손상없이 변형될 수 있는 온도로 유리 시트를 가열하는 것을 포함한다. 이후 그러한 가열된 유리는 3차원("3D") 형태를 갖는 유리 제품으로 형성된다.
설계 시방서를 충족시키기 위해, 휴대용 장치들을 위한 유리 제품들은 ±5 ㎛ 정도의 매우 엄격한 형태 정밀도를 충족시켜야 한다. 그와 같은 형태 정밀도를 달성하기 위해, 형성 후 그러한 유리 제품은 이 유리 제품이 몰드로부터 안전하게 제거될 수 있는 유리 전이 온도 이하의 온도로 유리가 도달할 때까지 몰드 상에서 냉각 및/또는 어닐링된다. 그러한 냉각 단계는 통상 연속의 냉각 스테이션을 따라 그 위에 유리 제품이 있는 몰드를 전송하는 것을 포함한다. 유리 제품의 워핑(warping)을 방지하고 필요한 형태 정밀도를 달성하기 위해, 상기 유리 제품의 표면에 걸친 온도차가 매우 작아야 하는데, 즉 5℃보다 크지 않으며, 상기 유리 제품의 두께에 걸친 온도차가 매우 작아야 하는데, 즉 냉각 단계 동안 2℃보다 크지 않아야 한다.
연속의 냉각 스테이션들을 따라 점차적으로 온도가 감소한다는 것은, 소정 하류의 냉각 스테이션이 인접한 상류의 냉각 스테이션보다 낮은 온도를 갖는다는 것을 의미한다. 만약 그러한 냉각 스테이션들간 물리적인 장벽이 없다면, 그러한 몰드의 선도 단부(leading end)는 낮은 온도 환경에 노출되는 반면 상기 몰드의 후미 단부(trailing end)는 보다 높은 온도 환경에 노출될 것이다. 이는 상기 몰드의 선도 단부와 후미 단부간 온도차를 야기한다. 그러한 야기된 온도차는 유리 제품의 표면 및 두께 온도차에 영향을 주어, 받아들일 수 없는 표면과 두께 온도차를 야기할 수 있다.
일 형태에 있어서, 본 발명은 유리 제품을 제조하는 방법을 기술한다. 상기 방법은 유리 시트를 몰드 상에 배치하는 단계, 상기 유리 시트를 제1온도로 가열하는 단계; 상기 유리 시트를 몰드를 이용하여 3차원 형태를 갖는 유리 제품으로 성형하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 몰드와 열 접촉하는 적어도 하나의 히트 파이프를 포함하는 등온 열 전달 장치를 제공하는 단계를 더 포함한다. 상기 몰드 상의 유리 제품 및 상기 몰드와 열 접촉하는 상기 등온 열 전달 장치를 함께 포함한 상태로, 상기 유리 제품을 제2온도로 냉각하기 위해 열적-차등 채널을 따라 상기 몰드, 유리 제품, 및 등온 열 전달 장치를 전송한다. 상기 전송 동안 상기 등온 열 전달 장치는 상기 몰드의 상대적으로 뜨거운 영역에서 상기 몰드의 상대적으로 차가운 영역으로 열을 전송함으로써, 상기 몰드의 선도 단부와 후미 단부간 온도차를 최소화하거나 없앨 수 있다.
일 실시예에 있어서, 열은 전송 동안 몰드의 후미 단부에서 몰드의 선도 단부로 전송된다.
일 실시예에 있어서, 열적-차등 채널은 유리 제품, 몰드, 및 등온 열 전달 장치가 전송되는 방향으로 음의 열구배를 갖는다.
일 실시예에 있어서, 상기 유리 제품의 표면에 걸친 최대 온도차가 5℃를 초과하지 않도록 상기 등온 열 전달 장치에 의해 열이 전송된다.
일 실시예에 있어서, 상기 유리 제품의 두께에 걸친 최대 온도차가 3℃ 이하가 되도록 상기 등온 열 전달 장치에 의해 열이 전송된다.
일 실시예에 있어서, 상기 유리 제품이 상기 몰드로부터 분리된 후 상기 등온 열 전달 장치에 의해 열이 전송되고, 이상적인 형태로부터의 상기 유리 제품 형태의 절대 최대 편차는 0.050 mm보다 크지 않다.
일 실시예에 있어서, 상기 방법은 히트 싱크를 이용하여 등온 열 전달 장치로부터의 초과 열을 흡수하는 단계를 더 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 방법은 상기 전송 동안 등온 열 전달 장치의 온도로 상기 열적-차등 채널 내의 공기 온도를 콘트롤하는 단계를 더 포함한다.
일 실시예에 있어서, 유리 시트가 가열되는 제1온도는 109.1 푸아즈의 유리 점도에 대응하는 온도와 107 푸아즈의 유리 점도에 대응하는 온도 사이이다.
일 실시예에 있어서, 유리 제품이 냉각되는 제2온도는 1012 푸아즈의 유리 점도에 대응하는 온도 이하이다.
일 실시예에 있어서, 상기 방법은 제1온도로 유리 시트를 가열하기 전에 초기 온도로 유리 시트를 예열하는 단계를 더 포함한다.
다른 형태에 있어서, 본 발명은 유리 제품을 제조하는 시스템을 기술한다. 상기 시스템은 3차원 형태의 몰딩 표면을 갖는 몰드 및 적어도 하나의 히트 파이프를 포함하는 등온 열 전달 장치를 포함한다. 상기 등온 열 전달 장치는 상기 몰드와 열 접촉으로 배열되며, 상기 몰드의 상대적으로 뜨거운 영역에서 상기 몰드의 상대적으로 차가운 영역으로 열을 전달하도록 구성된다.
일 실시예에 있어서, 상기 시스템은 열적-차등 채널을 형성하는 일련의 온도-콘트롤 챔버들을 더 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 시스템은 열적-차등 채널을 따라 몰드 및 등온 열 전달 장치를 전송하기 위한 컨베이어 장치를 더 포함한다.
일 실시예에 있어서, 등온 열 전달 장치의 적어도 하나의 파이프는 응축가능 작업유체로서 나트륨 또는 칼륨을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 등온 열 전달 장치의 적어도 하나의 히트 파이프는 550℃ 내지 900℃의 온도 범위에서 동작가능하다.
일 실시예에 있어서, 등온 열 전달 장치는 몰드의 하부에 솔더링 또는 클램핑된다.
일 실시예에 있어서, 등온 열 전달 장치는 몰드의 하부에 내장된다.
일 실시예에 있어서, 상기 시스템은 등온 열 전달 장치로부터의 초과 열을 흡수하기 위한 히트 싱크를 더 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 히트 싱크는 냉각판이다.
상기한 통상의 설명 및 이하의 상세한 설명 모두는 단지 발명의 예시일 뿐이며, 청구된 바와 같은 발명의 특성 및 특징들을 이해하기 위한 개관 또는 뼈대를 제공하기 위한 것이라는 것을 이해해야 한다. 발명의 이해를 좀더 제공하기 위해 수반되는 도면들이 포함되며, 그 도면들은 본원 명세서에 포함되어 명세서의 일부를 구성한다. 그 도면들은 다양한 발명의 실시예를 기술하며, 발명의 원리 및 동작을 설명하기 위해 설명과 함께 제공된다.
다음은 수반되는 도면들에 대한 설명이다. 그러한 도면들은 반드시 일정한 척도일 필요는 없으며, 도면의 소정 형태 및 소정의 보기들은 척도를 과장되게 나타내거나 또는 명확성 및 간결성을 위해 개략적으로 나타낼 것이다.
도 1은 일련의 온도-콘트롤된 챔버들을 나타낸다.
도 2는 유리 몰딩 어셈블리 상의 유리 시트를 나타낸다.
도 3은 유리 몰딩 어셈블리 상의 유리 제품을 나타낸다.
도 4는 냉각 챔버에서의 유리 몰딩 어셈블리 상의 유리 제품을 나타낸다.
도 5a는 히트 파이프(heat pipe)를 나타낸다.
도 5b는 내장형 등온 열 전달 장치를 갖춘 몰드를 나타낸다.
도 6은 몰드 온도 대 위치의 플롯을 나타낸다.
도 7은 점탄성 워프 모델(viscoelastic warp model)에 대한 열적 프로파일 정보를 나타낸다.
도 8a는 점탄성 워프 모델링에 사용된 썰매 형태를 나타낸다.
도 8b는 점탄성 워프모델링에 사용된 미끄럼틀 형태를 나타낸다.
이하의 상세한 설명에 있어서, 다수의 특정 상세한 설명들이 발명의 다양한 실시예들의 전체적인 이해를 제공하기 위해 설명될 것이다. 그러나, 그러한 발명의 실시예들이 일부 또는 모든 이들 특정 상세한 설명 없이 실시될 수 있다는 것은 통상의 기술자에게는 자명하다. 다른 예들에 있어서, 발명을 불필요하게 불명료하게 하지 않기 위해 공지의 특징 또는 프로세스들이 상세히 기술되지 않을 것이다. 또한, 유사하거나 동일한 참조부호가 공통 또는 유사한 요소들을 나타내기 위해 사용될 것이다.
도 1은 3D 형태를 갖는 유리 제품을 제조하는 프로세스들이 실행될 수 있는 순차의 온도-콘트롤 챔버(100, 102, 104, 106, 108)들을 나타낸다. 그러한 챔버들은 또한 존(zone) 또는 스테이션으로서 기술될 것이다. 그러한 다수의 챔버들은 도 1에 나타낸 것보다 많거나 작을 수 있다. 제1온도-콘트롤 챔버(100)는 유리 시트가 3D 형태를 갖는 유리 제품으로 성형되는 성형 챔버이다. 그러한 성형 챔버(100)는 유리 시트가 손상 없이 그러한 유리 제품으로 성형되는 상태에 도달할 수 있게 하기 위해 유리 시트에 열을 전달할 수 있는 가열 챔버이다. 상기 성형 챔버(100)는 원하는 온도로 유리 시트를 가열하기 위한 중간-적외선 히터, 인덕션 히터, 또는 저항 히터들과 같은 적절한 가열 요소들을 통합한다.
나머지의 온도-콘트롤 챔버(102, 104, 106, 108)들은 유리 제품이 상기 몰드로부터 안정하게 분리될 수 있는 온도로 유리 제품이 냉각되는 냉각 챔버들이다. 상기 냉각 챔버(102, 104, 106, 108)들은 각각 다른 온도에 있으며, 이에 따라 열적-차등 채널(110)을 형성한다. 상기 냉각 챔버(102, 104, 106, 108)들은 원하는 냉각 챔버 온도를 제공 및 유지하기 위해 가열 요소 및 절연부를 통합한다. 상기 냉각 챔버(102, 104, 106, 108)들간 파티션(partition)들이 있거나 없을 수 있다. 만약 파티션들이 있다면, 그러한 파티션들은 제거가능하게 되어 있거나 또는 그 챔버들을 통해 유리/몰드 어셈블리가 전송될 수 있도록 도어들을 포함할 수 있다.
도 2는 유리 시트(202)를 3D 형태를 갖는 유리 제품으로 리포밍(reforming)하기 위한 유리 몰딩 어셈블리(200)를 나타낸다. 그러한 유리 몰딩 어셈블리(200)는 몰드(204), 이 몰드(204)와 열 접촉하는 등온 열 전달 장치(206), 및 이 등온 열 전달 장치(206)에 인접한 히트 싱크(208; heat sink)를 포함한다. 상기 히트 싱크(208)는 상기 등온 열 전달 장치(206)와 접촉된다. 상기 유리 시트(202)는 몰딩 공동(210)이 상기 유리 시트(202)와 상기 몰드(204)의 몰딩 표면(212)간 형성되도록 상기 몰드(204)의 상부에 위치된다. 상기 몰딩 표면(212)은 3D 형태를 갖는다. 상기 몰딩 표면(212)의 3D 형태는 만들어질 유리 제품의 원하는 3D 형태에 의해 좌우될 것이다. 상기 몰드(204)는 상기 유리 시트(202)를 3D 형태를 갖는 유리 제품으로 성형하는 동안 그러한 몰딩 공동(210) 내에 진공을 생성하기 위한 구멍 또는 슬롯(214)들을 포함할 것이다.
도 1에 있어서, 상기 유리 몰딩 어셈블리(200)는 상기 성형 챔버(100) 내에 배치된다. 결국, 상기 유리 몰딩 어셈블리(200)는 상기 냉각 챔버(102, 104, 106, 108)들을 통해 순차적으로 이동할 것이다. 컨베이어 장치(112)가 상기 챔버 100에서 108에 걸쳐 상기 유리 몰딩 어셈블리(200)를 전송하도록 제공된다. 상기 컨베이어 장치(112)는 상기 챔버 100에서 108에 걸쳐 이동하는 표면(114)을 갖는다. 상기 컨베이어 장치(112)는, 예컨대 컨베이어 벨트 시스템 또는 인덱싱 테이블 시스템이 될 것이다. 상기 컨베이어 장치(112)는 선형 또는 회전 메카니즘이 되는데, 이는 챔버 100 내지 108이 도 1에 나타낸 선형 배열로 제한되지 않는다는 것을 의미한다.
상기 등온 열 전달 장치(206) 및 히트 싱크(208)가 절대적으로 성형 챔버(100) 내에 필요로 하지 않으나, 이하 좀더 상세히 기술되는 이유로 인해, 냉각 챔버(102, 104, 106, 108) 내가 바람직하다. 그러한 유리 제품 제조 프로세스들의 냉각 단계 동안, 각각의 냉각 챔버(102, 104, 106, 108)들에서의 공기 온도는 상기 등온 열 전달 장치(206)의 온도로 콘트롤될 것이다.
상기 몰드(204)는 유리 시트(202)를 성형하는 동안 마주치게 되는 고온에 견딜 수 있는 재료로 이루어진다. 그러한 몰드 재료는 성형 조건 하에서 유리와 작용하지 않는(또는 유리에 고착하지 않는) 재료가 되거나, 또는 상기 몰딩 표면(212)이 그러한 성형 조건 하에서 유리와 작용하지 않는(또는 유리에 고착하지 않는) 코팅 재료로 코팅될 것이다. 일 예에 있어서, 상기 몰드(204)는 그레파이트(graphite)와 같은 비-작용 탄소 재료로 이루어지며, 그러한 몰딩 표면(212)은 이 몰딩 표면(212)이 그 유리와 접촉될 때 그 유리 내에 결함의 도입을 피하도록 상당히 연마된다. 다른 예에 있어서, 상기 몰드(204)는 실리콘 카바이드, 텅스텐 카바이드, 및 실리콘 질화물과 같은 고밀도 세라믹 재료로 이루어지며, 상기 몰딩 표면(212)은 그레파이트와 같은 비-작용 카본 재료로 코팅된다. 다른 예에 있어서, 상기 몰드(204)는 INCONEL 718과 같은 초합금, 니켈-크롬 합금으로 이루어지며, 상기 몰딩 표면(212)은 티타늄 알루미늄 질화물과 같은 경질 세라믹 재료로 코팅된다. 상기 성형 챔버(100) 내의 분위기(도 1에서)는 만약 상기 몰드(204)가 카본 재료로 이루어지거나 또는 상기 몰딩 표면(212)이 카본 재료로 코팅되면 불활성 상태가 된다.
상기 유리 시트(202)의 조성은 최종 유리 제품의 원하는 특성에 기초하여 선택된다. 고강도 및 내스크래치성(scratch resistance)을 필요로 하는 애플리케이션들의 경우, 상기 유리 시트(202)는 이온-교환가능 유리, 즉 비교적 큰 알칼리 또는 알칼라인-토류 금속 이온과 교환될 수 있는 비교적 작은 알칼리 금속 또는 알칼라인-토류 금속 이온을 포함하는 유리로 이루어질 것이다. 그러한 이온-교환가능 유리의 예들은 특허 문헌, 예컨대 미국특허 제7,666,511호(Ellison et al; 2008.11.20), 미국특허 제4,483,700호(Forker, Jr. et al.; 1984.11.20), 및 미국특허 제5,674,790호(Araujo; 1997.10.07)에서 찾을 수 있으며, 또 상표명 GORILLA® glass로 코닝 인코포레이티드로부터 이용가능하다. 통상, 이들 이온-교환가능 유리들은 알칼리-알루미노실리케이트 유리 또는 알칼리-알루미노보로실리케이트 유리이다. 상기 이온-교환가능 유리는 이온-교환에 의해 유리 제품의 화학적 강도를 높여, 그 유리 제품이 내스크래치성을 갖게 한다.
상기 유리 시트(202)를 3D 형태를 갖는 유리 제품으로 리폼하기 위해, 상기 유리 몰딩 어셈블리(200)는 도 1에 나타낸 바와 같이 성형 챔버(100) 내에 배치된다. 다음에, 통상 평탄("2D") 시트인 유리 시트(202)는 유리가 손상 없이 변형될 수 있는 "성형 온도"로 가열된다. 일 실시예에 있어서, 상기 성형 온도는 1013 푸아즈(poise)의 유리 점도에 대응하는 온도와 107 푸아즈의 유리 점도에 대응하는 온도 사이이다. 바람직한 실시예에 있어서, 상기 성형 온도는 1011 푸아즈의 유리 점도에 대응하는 온도와 107 푸아즈의 유리 점도에 대응하는 온도 사이이다. 좀더 바람직한 실시예에 있어서, 상기 성형 온도는 109.1 푸아즈의 유리 점도에 대응하는 온도와 107 푸아즈의 유리 점도에 대응하는 온도 사이이다. 또 다른 실시예에 있어서, 상기 성형 온도는 108.9 푸아즈의 유리 점도에 대응하는 온도와 108 푸아즈의 유리 점도에 대응하는 온도 사이이다. 상기 성형 온도로 상기 유리 시트(202)의 가열은, 예컨대 상기 성형 챔버(100) 내에 상기 유리 몰딩 어셈블리(200) 및 유리의 상주 시간을 최소화하기 위해, 상기 성형 챔버(100) 외측의 예열 단계가 선행될 것이다. 그러한 예열로 인해 유리의 초기 온도는 성형 온도보다 낮아질 것이다.
도 3은 상기 유리 시트(202)로부터 성형된 유리 제품(300)을 나타낸다. 그러한 유리 제품(300)은 몰딩 표면(212)에 접촉되어 같은 형태기 된다. 상기 유리 제품(300)은 유리 시트(202)가 중력에 의해 몰딩 공동(210; 도 2) 내로 늘어져 처지거나 푹 떨어지게 하여 상기 유리 시트(202; 도 2)로부터 형성될 것이다. 몇몇 실시예들에 있어서, 상기 유리 시트(202)를 상기 몰딩 표면(212)으로 끌어당기는데 진공이 이용된다. 이는 예컨대 진공 펌프를 이용하여 구멍 또는 슬롯(214)들을 통해 몰딩 공동(210)의 공기를 배출함으로써 그 몰딩 공동(210) 내에 진공을 생성하는 단계를 포함한다. 몰딩 공동(210) 내에 진공을 생성하는 작용은 유리 시트(202)를 몰딩 표면(212)으로 끌어당긴다. 진공은 중력에 의해 늘어져 처지거나 푹 떨어지기 시작하기 전 또는 후에 상기 몰딩 공동(210) 내에 생성될 것이다.
유리 제품(300)은 냉각 챔버(102, 104, 106, 108)들에서 냉각되거나 냉각되도록 허용된다. 마지막 냉각 스테이션(108)의 끝에서, 유리 제품(300)은 이 유리 제품(300)이 몰드(204)로부터 분리될 수 있는 온도인 냉동 온도가 될 것이다. 일 실시예에 있어서, 그러한 냉동 온도는 1012 푸아즈의 유리 점도에 대응하는 온도 이하이다. 다른 실시예에 있어서, 상기 냉동 온도는 1013 푸아즈의 유리 점도에 대응하는 온도 이하이다.
도 4는 몰드(204) 상에 유리 제품을 구비한 제1냉각 챔버(102) 내의 유리 몰딩 어셈블리(200)를 나타낸다. 선택된 시간, 예컨대 60초 후에, 상기 유리 몰딩 어셈블리(200) 및 유리 제품(300)은 다음 냉각 챔버, 즉 제2냉각 챔버(104)로 이동될 것이다. 그러한 유리 몰딩 어셈블리(200) 및 유리 제품(300)을 다음 챔버로 이동시키는 이러한 프로세스들은 상기 유리 몰딩 어셈블리(200) 및 유리 제품(300)이 마지막 냉각 챔버(108)의 끝에서 최종적으로 빠져나올 때까지 계속될 것이다. 이러한 점에서, 추가의 끝 마무리 및 강화 프로세스를 위해 상기 유리 제품(300)을 상기 몰드(204)로부터 분리시킬 수 있다. 추가의 끝 마무리 프로세스는 원하는 최종 크기의 유리 제품을 달성하기 위해 상기 유리 제품(300)의 에지를 다듬는(trimming) 단계 및 상기 유리 제품의 표면 상에 얼룩 방지 코팅 등과 같은 다양한 코팅을 제공하는 단계를 포함할 것이다. 상기 강화는 화학적 템퍼링(tempering), 예컨대 이온 교환, 또는 열적 템퍼링에 의해 이루어질 것이다. 상기 유리 제품(300)은 또한 응력 완화를 위해 어닐링될 것이다. 그러나, 상기 등온 열 전달 장치(206)의 사용에 의해 달성된 몰드 온도 균일성은 유리 제품의 포스트-어닐링(post-annealing)을 회피할 수 있게 한다.
열적-차등 채널(110)은, 상기 유리 제품(300) 및 유리 몰드 어셈블리(200)가 도 4에 화살표 101로 나타낸 바와 같이 냉각 챔버들을 통해 이동되는 방향으로 음의 열구배(negative thermal gradient)를 갖는다. 즉, 온도는 제1냉각 챔버(102)에서 마지막 냉각 챔버(108)로 상기 채널(110)의 길이를 따라 감소한다. 기술된 시스템의 경우, T1＞T2＞T3＞T4이며, 여기서, T1, T2, T3, T4는 각각 냉각 챔버(102, 104, 106, 108)들의 온도 또는 온도 범위이다. 상기 용어 "온도 범위"는 각각의 냉각 챔버 내의 온도가 일정한 값이 아니거나 또는 그 온도가 상술한 시간에 따른 범위 내에서 변할 가능성이 매우 크기 때문에 사용한다. 상기 열적-차등 채널(110)의 음의 열구배로 인해, 주어진 시간에 상기 몰드(204)의 후미 단부(204a)가 그 몰드(204)의 선도 단부(204b)보다 높은 온도에 노출될 가능성이 있다. 소정 불균일성의 몰드 온도가 상기 유리 제품(300)의 표면 및 두께 온도차에 영향을 줄 수 있기 때문에, 상기 몰드(204)의 후미 단부와 선도 단부간 온도의 차를 콘트롤하는 것이 바람직하다.
상기 유리 몰딩 어셈블리(200) 및 유리 제품(300)이 상기 열적-차등 채널(110)을 통해 전송되는 한편, 상기 등온 열 전달 장치(206)가 몰드(204)와 열 접촉한다. 상기 등온 열 전달 장치(206)는 상기 몰드(204)가 상기 열적-차등 채널(110) 내에 있는 동안 그 몰드(204)의 온도를 "고르게"(즉, 균일하게)하기 위해 상기 몰드(204)의 상대적으로 뜨거운 영역을 상기 몰드의 상대적으로 차가운 영역으로 열을 이동시킨다. 통상, 상기 몰드(204)의 상대적으로 뜨거운 영역은 상기 몰드(204)의 후미 단부이고, 상기 몰드(204)의 상대적으로 차가운 영역은 상기 몰드(204)의 선도 단부이다. 상기 히트 싱크(208)는 상기 등온 열 전달 장치(206)로부터 초과의 열을 흡수한다. 하나 또는 그 이상의 실시예들에 있어서, 상기 몰드(204)와 열 접촉하는 상기 등온 열 전달 장치(206)의 사용의 경우, 상기 유리 제품(300) 및 몰드(204)가 상기 열적-차등 채널(110)을 통해 전송되는 동안 상기 유리 제품(300)의 표면에 걸친 소정 2개 지점들간 최대 온도차는 5℃보다 크지 않다. 이러한 표면은 상기 유리 제품(300)의 노출된 상부 표면 또는 상기 몰드(204)와 접촉하는 유리 제품(300)의 하부 표면이 될 것이다. 하나 또는 그 이상의 실시예들에 있어서, 상기 유리 제품의 두께에 따른 최대 온도차는 3℃ 이하이다. 또한, 하나 또는 그 이상의 실시예들에 있어서, 상기 유리 제품(300)이 상기 몰드(204)로부터 분리된 후, 이상적인 형태로부터의 상기 유리 제품(300) 형태의 최대 절대 편차는 0.050 mm보다 작다.
일 실시예에 있어서, 상기 등온 열 전달 장치(206)는 하나 또는 그 이상의 히트 파이프를 포함하는 2-단계 열 전달 장치이다. 상기 히트 파이프는 열을 전달하기 위해 증발 및 응축을 이용하는 장치이다. 도 5a는 히트 파이프 시스템(500)의 기본도이다. 히트 파이프(502)는 기밀-밀봉 배출 튜브(504)를 포함한다. 그러한 기밀-밀봉 배출 튜브(504)는 일반적으로 원형 단면(관형 히트 파이프의 경우)을 갖거나 또는 일반적으로 직사각형 단면(플랫형(flat) 히트 파이프의 경우)을 가질 수 있다. 상기 기밀-밀봉 배출 튜브(504)는 심지(506; wick)를 따라 라인되고, 응축가능 작업유체(510)로 채워진 코어(508)를 갖춘다. 일단부, 예컨대 상기 기밀-밀봉 배출 튜브(504)의 단부(512)는 상기 작업유체(510)의 포화 온도 이상의 온도에 노출되고, 상기 단부에서의 작업유체(510)는 증발의 잠열(latent heat)을 흡수하는 증기로 변환된다. 뜨거운 증기는 좀더 차가운 단부, 예컨대 상기 기밀-밀봉 배출 튜브(504)의 단부 514로 유동되며, 여기서 그 증기가 응축되어 잠열을 소진시킨다. 이후, 그러한 응축된 액체는 심지(506)의 모세관 작용을 통해 다시 상기 기밀-밀봉 배출 튜브(504)의 뜨거운 단부(512)로 되돌아 유동한다. 잠열의 증발이 매우 크기 때문에, 상당한 양의 열이 상기 기밀-밀봉 배출 튜브(504)의 일단부에서 그 타단부까지 매우 작은 온도차로 전송될 수 있다. 증발기(단부 512에)와 응축기(단부 514에)간 증기압 저하가 매우 작으며, 이에 따라 그 증발-응축 사이클은 본질적으로 등온 프로세스가 된다.
상기 작업유체(510)는 상기 열적-차등 채널(110; 도 1)에서의 동작 온도에 기초하여 선택된다. 예시의 히트 파이프 작업유체들은 액체 질소(-200℃ 내지 -80℃), 액체 암모니아(-70℃ 내지 +60℃), 메타놀(-45℃ 내지 +120℃), 물(+5℃ 내지 +230℃), 수은(+190℃ 내지 +550℃), 칼륨(+400℃ 내지 +800℃), 나트륨(+500℃ 내지 +900℃), 리튬(+900℃ 내지 +1,500℃), 및 은(+1,500℃ 내지 +2,000℃)이고, 괄호 안에 나타낸 수는 상기 히트 파이프 작업유체들의 동작 온도 범위이다. 일 실시예에 있어서, 상기 열적-차등 채널(110)에서의 동작 온도들은 550℃ 내지 900℃의 범위가 될 것이다. 이러한 경우, 칼륨 또는 나트륨은 적절한 작업유체가 될 것이다.
상기 심지(506)는 모세관 작용에 의해 그 응축된 액체를 파이프의 뜨거운 단부로 다시 되돌릴 수 있는 다공성 구조이다. 상기 심지(506)는 소결된 금속 파우더, 홈형 튜브, 또는 금속 메쉬의 형태가 될 것이다. 일 예에 있어서, 그러한 심지 재료는 강철, 알루미늄, 니켈, 동, 또는 티타늄과 같은 금속이다. 다른 예에 있어서, 상기 심지 재료는 세라믹 또는 탄소 섬유와 같은 섬유를 포함한다.
상기 기밀-밀봉 배출 튜브(504)는 니켈, 동, 알루미늄, 또는 스테인레스 스틸과 같은 높은 열전도성의 재료로 이루어진다. 상기 재료는 보통 상기 온도-콘트롤 챔버(100 내지 108; 도 1)들에서 겪게 되는 온도에 기초하여 선택될 것이다. 즉, 상기 재료는 상기 온도-콘트롤 챔버(100-108)들 내의 온도를 견딜 수 있어야 한다. 상기 재료는 또한 상기 온도-콘트롤 챔버(100 내지 108) 내의 환경 및 작업유체(510)와 융화될 수 있어야 한다. 상기 기밀-밀봉 배출 튜브(504)는 증기의 확산을 방지하도록 비다공성이어야 한다.
상기 등온 열 전달 장치(206; 도 2 및 3)는 단일의 히트 파이프 또는 어레이의 히트 파이프를 포함할 수 있다. 상기 등온 열 전달 장치(206)의 히트 파이프(들)는 상기 몰드(204)의 상대적으로 뜨거운 영역(예컨대, 몰드의 후미 단부)에서 상기 몰드의 상대적으로 차가운 영역(예컨대, 몰드의 선도 단부)의 방향으로 열을 이동시키도록 상기 몰드(204; 도 2 및 3)에 대해 배열될 것이다. 상기 용어 "후미" 및 "선도"는 상기 열적-차등 채널(110; 도 1)을 통한 몰드의 이동 방향과 관련된다. 도 4에 있어서, 그러한 이동 방향은 101로 나타내고, 몰드의 후미 단부는 204a로 그리고 몰드의 선도 단부는 204b로 나타냈다.
열 접촉을 달성하기 위해,상기 등온 열 전달 장치(206; 히트 파이프(들))가 솔더링(soldering)과 같은 방식에 의해 상기 몰드(204)에 부착될 수 있다. 도 3은 솔더(216; solder)에 의해 상기 몰드(204)에 부착된 등온 열 전달 장치(206)를 나타낸다. 다른 실시예에 있어서, 상기 등온 열 전달 장치(206)는 이 등온 열 전달 장치(206)와 몰드(204)의 메이팅 면(mating surface)들이 상기 등온 열 전달 장치(206)와 몰드(204)간 수용가능한 열 접촉을 달성하기 위해 평탄하게 연마된 후 상기 몰드(204)의 하부에 클램핑(clamping)될 것이다. 또 다른 실시예에 있어서, 상기 등온 열 전달 장치(206; 히트 파이프(들))는 상기 몰드(204)의 하부에 내장될 것이다. 도 5b는 상기 몰드(204)의 하부에 내장된 등온 열 전달 장치(206)를 나타낸다. 상기 내장은 상기 몰드(204)의 하부에 하나 또는 그 이상의 밀봉된 공동(520)들을 형성하는 것을 포함할 수 있으며, 그러한 각각의 밀봉된 공동은 심지(도 5a에 506으로 나타낸 바와 같이)로 라인되고, 공기를 배출하며, 히트 파이프 작업유체(도 5a에 506으로 나타낸 바와 같이)로 채워진다. 상기 몰드(204)의 바디는 상기 히트 파이프들의 튜브로서 기능한다. 도 5b에 나타낸 도면은 몰딩 어셈블리(200)의 단면도이다. 이러한 단면도는 상기 몰딩 어셈블리(200)의 후미 단부 또는 선도 단부를 나타낼 것이다.
상기 몰드(204)의 온도가 고르게 되거나 균일하게 되도록 상기 몰드(204)에 걸쳐 열을 이동시키는 것 외에, 상기 등온 열 전달 장치(206)는 또한 상기 몰드(204)를 냉각하기 위해 상기 몰드(204)에서 히트 싱크(208)로 열을 이동시킬 수 있다. 상기 히트 싱크(208)는 소정의 적절한 구조를 가질 것이다. 일 실시예에 있어서, 상기 히트 싱크(208)는 냉각제(218; 도 3)가 순환되는 냉각판이 될 것이다. 상기 히트 싱크(208)는 그러한 냉각 단계 동안 상기 등온 열 전달 장치(206)로부터 초과 열을 흡수할 것이다.
예 1 - 온도-콘트롤 챔버 100 내지 108(도 1)의 열적 모델은 Ansys, Inc.에 의한 FLUENT®software를 이용하여 개발되었다. 그러한 열적 모델의 경우, 상기 온도-콘트롤 챔버(100 내지 108)들의 온도는 각각 800℃, 700℃, 660℃, 620℃, 및 550℃로 설정된다. 상기 열적 모델은 그 몰드의 온도 분포에 따라 등온 열 전달 장치를 이용하여 몰드의 냉각 효과를 조사하는데 이용된다. 그러한 모델링에 있어서, 몰드 및 이 몰드 상의 유리는 챔버당 60초의 인덱스 시간(index time)으로 4개의 냉각 챔버에 걸쳐 인덱스된다. 도 6은 그러한 몰드의 길이를 따라 측정된 몰드 온도를 나타낸다. 그러한 나타낸 위치들은 몰드의 후미 단부로부터의 거리이다. 상기 몰드 상의 유리의 후미 단부는 1-인치 위치에 있고, 상기 몰드 상의 유리의 선도 단부는 6-인치 위치에 있다. 도 6은 660℃로 콘트롤된 제2냉각 챔버의 결과를 나타낸다. 커브 600은 상기 몰드가 등온 열 전달 장치 없이 냉각될 때의 몰드 온도를 나타낸다. 커브 602는 상기 몰드가 상기 등온 열 전달 장치에 의해 냉각될 때의 몰드 온도를 나타낸다. 도 6은 등온 열 전달 장치가 없는 것 보다는 상기 몰드가 등온 열 전달 장치에 의해 냉각될 때 그 몰드의 온도가 훨씬 더 균일해지는 것을 나타내는 플롯이다.
예 2 - 몰드가 등온 열 전달 장치를 이용하여 냉각될 때 유리 워프(glass warp)가 조사되었다. 도 7은 점탄성 워프 모델에 대한 정보로서 사용된 열적 프로파일을 나타낸다. 그러한 열적 프로파일은 유리의 두께에 따른 열구배 및 냉각 스케줄을 포함한다. 상기 열구배는 등온 열 전달 장치에 의해 냉각된 유리 제품을 구비한 몰드의 모델링으로부터의 열구배이다. 도 8a 및 8b는 상기 점탄성 워프 모델에 사용된 2개의 형태를 나타낸다. 도 8a에 있어서, 썰매 형태(800)는 큰 평탄 영역(802) 및 각 에지에 2개의 밴드(bend; 804, 806)들을 갖춘다. 도 8b에 있어서, 미끄럼틀 형태(808)는 에지에 하나의 밴드를 구비한 큰 평탄 영역(810)을 갖춘다. 이들 형태는 통상 가전제품 커버 유리 애플리케이션용이며, 여기서 그러한 평탄 유리는 디스플레이/터치 스크린 영역을 커버하고 그러한 굴곡진 에지들은 그러한 장치 주위를 감싼다. 그러한 결과들은 상기 썰매 형태에 대한 이상적인 형태로부터의 최대 편차가 +0/-0.034 mm이고, 상기 미끄럼틀 형태에 대한 이상적인 형태로부터의 최대 편차가 -0.026/+0.031 mm라는 것을 보여준다. 그러한 양 편차들은 ±0.050 mm 편차의 목표 조건 내에 있다. 더욱이, 그러한 응력 데이터는 유리의 두께에 따른 열구배 및 냉각 프로파일이 ＜ 1 MPa의 매우 낮은 응력을 야기한다는 것을 나타내고 있다. 따라서, 그러한 제품들은 각 분리된 개별 프로세스 단계에서 더 어닐링될 필요는 없을 것이다.
본 발명이 개시의 이점을 갖는 다수의 한정된 실시예들과 연관시켜 기술되었을 지라도, 통상의 기술자라면, 본원에 개시된 발명의 범주로부터 벗어나지 않는 다른 실시예들이 안출될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 발명의 범주는 부가된 청구항들만으로 한정될 것이다.

Claims (20)

  1. (i) 유리 시트를 몰드 상에 배치하는 단계;
    (ii) 상기 유리 시트를 제1온도로 가열하는 단계;
    (iii) 상기 유리 시트를 몰드를 이용하여 3차원 형태를 갖는 유리 제품으로 성형하는 단계;
    (iv) 상기 몰드와 열 접촉하는 적어도 하나의 히트 파이프를 포함하는 등온 열 전달 장치를 제공하는 단계;
    (v) 상기 몰드 상의 유리 제품 및 상기 몰드와 열 접촉하는 상기 등온 열 전달 장치를 함께 포함한 상태로, 상기 유리 제품을 제2온도로 냉각하기 위해 열적-차등 채널을 따라 상기 몰드, 유리 제품, 및 등온 열 전달 장치를 전송하는 단계를 포함하며,
    상기 등온 열 전달 장치는 상기 전송 동안 상기 몰드의 상대적으로 뜨거운 영역에서 상기 몰드의 상대적으로 차가운 영역으로 열을 전송하는, 유리 제품 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전송 단계 (v)에서, 열은 상기 몰드의 후미 단부에서 상기 몰드의 선도 단부로 전송되는, 유리 제품 제조 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 전송 단계 (v)에서, 상기 열적-차등 채널은 상기 유리 제품, 몰드, 및 등온 열 전달 장치가 전송되는 방향으로 음의 열구배를 갖는, 유리 제품 제조 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전송 단계 (v)에서, 상기 유리 제품의 표면에 걸친 최대 온도차가 5℃ 이하가 되도록 상기 등온 열 전달 장치에 의해 열이 전송되는, 유리 제품 제조 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 전송 단계 (v)에서, 상기 유리 제품의 두께에 걸친 최대 온도차가 3℃ 이하가 되도록 상기 등온 열 전달 장치에 의해 열이 전송되는, 유리 제품 제조 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 전송 단계 (v)에서, 상기 유리 제품이 상기 몰드로부터 분리된 후 상기 등온 열 전달 장치에 의해 열이 전송되고, 이상적인 형태로부터의 상기 유리 제품 형태의 절대 최대 편차는 0.050 mm보다 작은, 유리 제품 제조 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    히트 싱트를 이용하여 상기 등온 열 전달 장치로부터의 초과 열을 흡수하는 단계를 더 포함하는, 유리 제품 제조 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 전송 단계 (v) 동안 상기 등온 열 전달 장치의 온도로 상기 열적-차등 채널 내의 공기 온도를 콘트롤하는 단계를 더 포함하는, 유리 제품 제조 방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 가열 단계 (ii)에서, 제1온도는 109.1 푸아즈의 유리 점도에 대응하는 온도와 107 푸아즈의 유리 점도에 대응하는 온도 사이인, 유리 제품 제조 방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 전송 단계 (v)에서, 제2온도는 1012 푸아즈의 유리 점도에 대응하는 온도 이하인, 유리 제품 제조 방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 가열 단계 (ii) 전에 초기 온도로 상기 유리 시트를 예열하는 단계를 더 포함하는, 유리 제품 제조 방법.
  12. 3차원 형태의 몰딩 표면을 갖는 몰드; 및
    적어도 하나의 히트 파이프를 포함하고, 상기 몰드와 열 접촉으로 배열되며, 상기 몰드의 상대적으로 뜨거운 영역에서 상기 몰드의 상대적으로 차가운 영역으로 열을 전달하도록 구성된 등온 열 전달 장치를 포함하는, 유리 제품 제조 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    열적-차등 채널을 형성하는 일련의 온도-콘트롤 챔버들을 더 포함하는, 유리 제품 제조 시스템.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 열적-차등 채널을 따라 상기 몰드 및 등온 열 전달 장치를 전송하기 위한 컨베이어 장치를 더 포함하는, 유리 제품 제조 시스템.
  15. 청구항 12에 있어서,
    적어도 하나의 히트 파이프는 응축가능 작업유체로서 나트륨 또는 칼륨을 포함하는, 유리 제품 제조 시스템.
  16. 청구항 12에 있어서,
    적어도 하나의 히트 파이프는 550℃ 내지 900℃의 온도 범위에서 동작하는, 유리 제품 제조 시스템.
  17. 청구항 12에 있어서,
    등온 열 전달 장치는 몰드의 하부에 솔더링 또는 클램핑되는, 유리 제품 제조 시스템.
  18. 청구항 12에 있어서,
    등온 열 전달 장치는 몰드의 하부에 내장되는, 유리 제품 제조 시스템.
  19. 청구항 12에 있어서,
    등온 열 전달 장치로부터의 초과 열을 흡수하기 위한 히트 싱크를 더 포함하는, 유리 제품 제조 시스템.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 히트 싱크는 냉각판인, 유리 제품 제조 시스템.
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