KR20190078795A - 유리 필라멘트 제조용 인장기 - Google Patents

유리 필라멘트 제조용 인장기 Download PDF

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KR20190078795A
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Abstract

본 발명은, 나사축을 따라 이송너트가 이동할 수 있는 볼스크류와, 상기 볼스크류의 나사축과 평행하게 상하 방향으로 배치되는 LM가이드(linear motion guide)와, 상기 볼스크류의 이송너트와 상기 LM가이드에 연결되어 있고 상기 이송너트의 이동에 연동되어 상하 방향으로 이동할 수 있는 이동블럭과, 상기 이동블럭에 연결되어 있고 상기 이동블럭의 이동에 연동되어 상하 방향으로 이동할 수 있으며 상기 상하 방향에 수직한 방향으로 뻗어나와 있는 돌출부재와, 상기 돌출부재에 연결되어 있고 상기 이동블럭의 이동에 연동되어 상하 방향으로 이동할 수 있으며 용융물이 담긴 도가니의 상부에 위치되는 인장막대를 포함하는 유리 필라멘트 제조용 인장기에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 유리 용융 증착형 3D 프린터에 사용되는 유리 필라멘트를 제조할 수 있고, 균일한 선폭의 유리 필라멘트를 제조할 수 있다.

Description

유리 필라멘트 제조용 인장기{Pull-out apparatus for manufacturing the glass filament}
본 발명은 유리 필라멘트의 제조를 위한 인장기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유리 용융 증착형 3D 프린터에 사용되는 유리 필라멘트의 제조에 사용되고 균일한 선폭의 유리 필라멘트를 제조할 수 있는 유리 필라멘트 제조용 인장기에 관한 것이다.
최근에는 3차원(3 dimension; 3D) 데이터를 이용하여 목표하는 물건을 출력할 수 있는 3D 프린터에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다. 복잡한 구조의 제품을 기획한 디자인대로 손쉽게 출력하여 제작할 수 있어 앞으로 3D 프린터의 시장은 매우 커질 것으로 기대된다.
세라믹 3D 프린팅은 디지털 디자인 데이터를 이용하여 세라믹 소재를 적층하여 3차원 세라믹 부품을 만드는 공정이다.
3D 프린터를 이용한 3D 프린팅은 소재의 특성 등을 고려하여 다음의 5가지 3D 프린팅 방식으로 구분될 수 있다.
광중합식(Photopolymerization, PP)은 빛의 조사로 고분자 소재의 중합반응을 일으켜 선택적 고형화 시키는 방식이다.
재료분사식(Material Jetting, MJ)은 용액 형태의 소재를 제팅(jetting)으로 토출시키고 자외선 등으로 경화시키는 방식이다.
재료압출식(Material Extrusion, ME)은 고온 가열한 재료를 노즐을 통해 압력으로 연속적으로 밀어내며 위치를 이동시켜 물체를 형성시키는 방식이다.
분말적층용융식(Powder Bed Fusion, PBF)은 분말 형태의 모재 위에 고에너지빔(레이저나 전자빔)을 주사하며 조사해 선택적으로 결합시키는 방식이다.
접착제분사식(Binder Jetting, BJ)은 분말 형태의 모재 위에 액체 형태의 접착제를 토출시켜 모재를 결함시키는 방식이다.
3D 프린팅 기술 중에서 재료압출식(ME)은 FDM(fused deposition modelling)이라고도 하며, 하나의 동일한 속성을 가진 원료를 고열로 녹여 지정된 지점에 소량 압출하여 한층씩 쌓아 형태를 완성해 나가는 방식이다.
상기 재료압출식(ME)을 적용한 유리 용융 증착형 3D 프린터는 공급되는 필라멘트가 플라스틱(ABS(acrylonitrile butadiene styrene), PLA(polylactic acid) 등)이 아닌 유리(glass) 이다. 그러므로, 유리 필라멘트를 제조하는 설비 개발이 필요하다.
유리 필라멘트의 경우도 플라스틱 필라멘트처럼 휘어짐이 가능한 섬유 형태로 제조하면, 스풀에 감을 수 있어 사용하기 편리하다. 하지만, 유리 소재가 가지는 취성 특성으로 인해 쉽게 부러지기 때문에, 직경이 수 mm가 되며 동시에 휘는 특성까지 가지는 유리 필라멘트를 제조하는데 어려움이 있다. 이러한 이유로 샤프심처럼 일정 길이의 원형 막대 형태로 제조하여 유리 용융 증착형 3D 프린터의 노즐로 연속 공급하는 것이 요구된다.
대한민국 등록특허공보 제10-1991-0006891호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 유리 용융 증착형 3D 프린터에 사용되는 유리 필라멘트의 제조에 사용되고 균일한 선폭의 유리 필라멘트를 제조할 수 있는 유리 필라멘트 제조용 인장기를 제공함에 있다.
본 발명은, 나사축을 따라 이송너트가 이동할 수 있는 볼스크류와, 상기 볼스크류의 나사축과 평행하게 상하 방향으로 배치되는 LM가이드(linear motion guide)와, 상기 볼스크류의 이송너트와 상기 LM가이드에 연결되어 있고 상기 이송너트의 이동에 연동되어 상하 방향으로 이동할 수 있는 이동블럭과, 상기 이동블럭에 연결되어 있고 상기 이동블럭의 이동에 연동되어 상하 방향으로 이동할 수 있으며 상기 상하 방향에 수직한 방향으로 뻗어나와 있는 돌출부재와, 상기 돌출부재에 연결되어 있고 상기 이동블럭의 이동에 연동되어 상하 방향으로 이동할 수 있으며 용융물이 담긴 도가니의 상부에 위치되는 인장막대를 포함하는 유리 필라멘트 제조용 인장기를 제공한다.
상기 볼스크류는, 내주면에 암나사홈이 형성되고 상기 암나사홈에 다수 개의 볼이 나사선 방향을 따라 배열되어 설치된 이송너트와, 상기 암나사홈에 대응하는 숫나사홈이 구비되어 상기 이송너트와 나사 결합되는 나사축을 포함할 수 있다.
상기 볼스크류의 나사축을 회전시켜 상기 이송너트를 이동시키기 위한 구동부를 더 포함할 수 있다.
상기 이송너트와 상기 이동블럭은 일체형으로 이루어질 수 있다.
상기 이동블럭과 상기 돌출부재는 일체형으로 이루어질 수 있다.
상기 인장막대는 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 실리콘카바이드(SiC), 실리콘나이트라이드(Si3N4), 알루미늄나이트라이드(AlN), 흑연(graphite) 및 뮬라이트(mullite)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질 재질로 이루어질 수 있다.
상기 인장막대는 상기 돌출부재로부터 착탈 가능하게 구비되는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 유리 용융 증착형 3D 프린터에 사용되는 유리 필라멘트를 제조할 수 있고, 균일한 선폭의 유리 필라멘트를 제조할 수 있다.
도 1은 유리 용융 증착형 3D 프린터(3D printer based on glass fused deposition)의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 일 예에 따른 유리 용융 증착형 3D 프린터를 도시한 도면이다.
도 3 내지 도 9는 수작업에 의해 유리 필라멘트를 제조하는 모습을 보여주는 사진이다.
도 10은 수작업에 의한 방법을 통해 제조한 3개의 유리 필라멘트를 보여주는 사진이다.
도 11 내지 도 13은 수작업에 의한 방법을 통해 제조한 3개의 유리 필라멘트의 선폭을 측정하는 모습을 보여주는 사진이다.
도 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유리 필라멘트 제조용 인장기를 도시한 사시도이다.
도 15는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유리 필라멘트 제조용 인장기를 도시한 정면도이다.
도 16은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유리 필라멘트 제조용 인장기를 도시한 측면도이다.
도 17은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유리 필라멘트 제조용 인장기를 도시한 평면도이다.
도 18은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유리 필라멘트 제조용 인장기를 나타낸 사진이다.
도 19는 일 예에 따른 볼스크류를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 20은 도 18에 나타낸 유리 필라멘트 제조용 인장기를 이용하여 제조된 유리 필라멘트를 보여주는 사진이다.
도 21은 도 18에 나타낸 유리 필라멘트 제조용 인장기를 이용하여 제조된 유리 필라멘트의 유리 용융물 온도 및 인장 속도에 따른 두께 변화를 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 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.
본 발명의 바람직한 실시에에 따른 유리 필라멘트 제조용 인장기는, 나사축을 따라 이송너트가 이동할 수 있는 볼스크류와, 상기 볼스크류의 나사축과 평행하게 상하 방향으로 배치되는 LM가이드(linear motion guide)와, 상기 볼스크류의 이송너트와 상기 LM가이드에 연결되어 있고 상기 이송너트의 이동에 연동되어 상하 방향으로 이동할 수 있는 이동블럭과, 상기 이동블럭에 연결되어 있고 상기 이동블럭의 이동에 연동되어 상하 방향으로 이동할 수 있으며 상기 상하 방향에 수직한 방향으로 뻗어나와 있는 돌출부재와, 상기 돌출부재에 연결되어 있고 상기 이동블럭의 이동에 연동되어 상하 방향으로 이동할 수 있으며 용융물이 담긴 도가니의 상부에 위치되는 인장막대를 포함한다.
상기 볼스크류는, 내주면에 암나사홈이 형성되고 상기 암나사홈에 다수 개의 볼이 나사선 방향을 따라 배열되어 설치된 이송너트와, 상기 암나사홈에 대응하는 숫나사홈이 구비되어 상기 이송너트와 나사 결합되는 나사축을 포함할 수 있다.
상기 볼스크류의 나사축을 회전시켜 상기 이송너트를 이동시키기 위한 구동부를 더 포함할 수 있다.
상기 이송너트와 상기 이동블럭은 일체형으로 이루어질 수 있다.
상기 이동블럭과 상기 돌출부재는 일체형으로 이루어질 수 있다.
상기 인장막대는 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 실리콘카바이드(SiC), 실리콘나이트라이드(Si3N4), 알루미늄나이트라이드(AlN), 흑연(graphite) 및 뮬라이트(mullite)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질 재질로 이루어질 수 있다.
상기 인장막대는 상기 돌출부재로부터 착탈 가능하게 구비되는 것이 바람직하다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유리 용융 증착형 3D 프린터에 사용되는 유리 필라멘트의 제조를 위한 인장기를 더욱 구체적으로 설명한다.
3D 프린팅 기술 중에서 재료압출식(ME)은 FDM(fused deposition modelling)이라고도 하며, 하나의 동일한 속성을 가진 원료를 고열로 녹여 지정된 지점에 소량 압출하여 한층씩 쌓아 형태를 완성해나가는 방식이다.
도 1은 유리 용융 증착형 3D 프린터(3D printer based on glass fused deposition)의 구성을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 일 예에 따른 유리 용융 증착형 3D 프린터를 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 재료압출식(ME)을 적용한 유리 용융 증착형 3D 프린터는 유리로 이루어진 필라멘트(유리 필라멘트)를 공급하기 위한 필라멘트 스풀(10)과, 필라멘트 스풀(10)로부터 공급되는 필라멘트를 끌어당겨 노즐(100)로 공급하기 위한 필라멘트 이송장치(20)와, 필라멘트 이송장치(20)에 의해 이송된 필라멘트를 용융하여 노즐팁을 통해 배출하기 위한 노즐(100)과, 노즐(100)의 노즐팁을 통해 배출되는 용융된 필라멘트가 순차 적층되어 목표하는 형태로 성형되는 공간을 제공하는 작업대(30)와, 필라멘트 이송장치(20)와 노즐(100)의 동작을 독립적으로 제어하기 위한 제어장치(40)를 포함한다.
상기 필라멘트(50)는 유리로 이루어진 필라멘트(유리 필라멘트)를 포함한다. 유리의 종류는 그 제한이 없으며, 소다라임계 유리, 붕규산계 유리, 알루미노실리케이트계 유리, 인산염계 유리 등을 사용할 수 있다. 유리의 예를 구체적으로 들어보면, 산화아연(ZnO)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)계, 산화아연(ZnO)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)-산화알루미늄(Al2O3)계, 산화아연(ZnO)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)-산화알루미늄(Al2O3)계, 산화아연(ZnO)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)-산화알루미늄(Al2O3)-인산(P2O5)계, 산화납(PbO)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)계, 산화납(PbO)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)-산화알루미늄(Al2O3)계, 산화납(PbO)-산화아연(ZnO)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)계, 산화납(PbO)-산화아연(ZnO)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)-산화알루미늄(Al2O3)계, 산화비스무트(Bi2O3)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)계, 산화비스무트(Bi2O3)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)-산화알루미늄(Al2O3)계, 산화비스무트(Bi2O3)-산화아연(ZnO)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)-산화알루미늄(Al2O3)계 유리 등을 그 예로 들 수 있다. 상기 필라멘트(50)는 무채색의 투명한 유리 재질로 이루어질 수 있으며, 또한 유채색의 색상을 갖는 유리 재질로 이루어질 수도 있다. 유리 재질을 필라멘트(50)로 사용할 수 있으므로 열가소성 수지를 사용하는 경우에 비하여 출력물(제품)의 열적 내구성, 화학적 내구성, 내산화성 등이 증진될 수 있다. 유리로 이루어진 필라멘트(50)를 원료로 사용하는 경우에는 열가소성 수지를 원료로 사용하는 경우에 비하여 출력물의 질감이 뛰어나다는 장점이 있다.
필라멘트 스풀(10)은 필라멘트(50)를 공급하는 역할을 하며, 복수 개 구비될 수도 있다. 필라멘트 스풀(10)은 필라멘트가 감겨질 수 있는 릴 형태로 구비될 수 있다.
필라멘트 이송장치(20)는 필라멘트 스풀(10)로부터 공급되는 필라멘트(50)를 노즐(100)로 이송시키는 역할을 한다. 필라멘트 이송장치(20)에는 적어도 한쌍의 이송롤이 구비될 수 있으며, 이송롤에 의해 필라멘트는 노즐(100)로 공급될 수 있다. 필라멘트는 한쌍의 이송롤의 사이에 맞물려서 전진 이송되게 된다. 한쌍의 이송롤이 복수 개 구비되는 경우에 각각의 한쌍의 이송롤은 서로 독립적으로 구동될 수 있다.
작업대(30)는 노즐(100)의 노즐팁을 통해 배출되는 용융 원료(용융 유리)가 순차 적층되어 목표하는 형태로 성형되는 공간을 제공한다. 작업대(30)는 이동수단에 의해 Z 방향으로 승강(상승 또는 하강)될 수 있게 구비되거나, X 방향과 Y 방향으로 평면상에서 왕복 수평이동되게 구비될 수 있다.
노즐(100)은 필라멘트 이송장치(20)에 의해 이송된 필라멘트(50)를 용융하여 노즐팁을 통해 배출하여 목표하는 형태의 출력물(제품)이 제작될 수 있게 하는 역할을 한다. 노즐(100)은 그 위치가 조절될 수 있다. 노즐(100)은 X 방향과 Y 방향으로 평면상에서 왕복 수평이동되게 구비되거나, Z 방향으로 승강(상승 또는 하강)될 수 있게 구비될 수 있다. 예컨대, 작업대(30)가 Z 방향으로 승강될 수 있게 구비되는 경우에 노즐(100)은 X 방향과 Y 방향으로 평면상에서 왕복 수평이동되게 구비되며, 작업대(30)가 X 방향과 Y 방향으로 평면상에서 왕복 수평이동되게 구비되는 경우에 노즐(100)은 Z 방향으로 승강될 수 있게 구비될 수 있다. 작업대(30)가 고정되는 경우에는 노즐(100)은 X 방향, Y 방향 및 Z 방향으로 왕복 이동될 수 있게 구비될 수도 있다. 노즐(100)은 작업대(30)의 상부에 위치되고, 노즐(100)의 위치가 조절되면서 목표하는 형태의 출력물(제품)이 3차원으로 제작되게 된다.
작업대(30) 또는 노즐(100)의 위치를 조절하는 이동수단의 형태와 방식은 다양할 수 있다. 예컨대, X 방향의 안내가이드를 따라 왕복 이동되고, Y 방향의 안내가이드를 따라 왕복 이동되며, Z 방향의 안내가이드를 따라 왕복 이동되는 방식을 그 예로 들 수 있다.
제어장치(40)는 필라멘트 이송장치(20)와 노즐(100)의 동작을 독립적으로 제어하는 역할을 한다. 제어장치(40)는 필라멘트 이송장치(20)의 동작을 제어하여 필라멘트(50)의 이송 속도 등을 조절할 수 있다. 또한, 제어장치(40)는 노즐(100)의 위치 등을 조절할 수 있다. 또한, 제어장치(40)는 작업대(30)가 Z 방향으로 승강되게 구비되거나, X 방향과 Y 방향으로 평면상에서 수평이동되게 구비되는 경우에 작업대(30)의 위치를 제어하는 역할을 할 수도 있다. 제어장치(40)는 성형할 물체의 3D 데이터에 따라 노즐(100)이나 작업대(30)의 위치를 조절한다.
유리 용융 증착형 3D 프린터의 작동 순서는 다음과 같다.
필라멘트 이송장치(20)가 필라멘트(50)를 필라멘트 스풀(filament spool)(10)로부터 끌어당긴다.
동시에 필라멘트 이송장치(20)가 일정한 압력으로 필라멘트(50)를 노즐(100)로 공급한다.
노즐(100)에서 용융된 필라멘트는 액상 형태로 압출되며, 압출된 소재는 작업대(30)에 설정된 값만큼 적층된다.
상기 유리 용융 증착형 3D 프린터의 노즐(100)에 공급되는 필라멘트(50)가 플라스틱(ABS(acrylonitrile butadiene styrene), PLA(polylactic acid) 등)이 아닌 유리(glass) 재질이다. 그러므로, 유리 필라멘트를 제조하기 위한 필라멘트 제조용 인장기의 개발이 필요하다.
도 3 내지 도 9는 수작업에 의해 유리 필라멘트를 제조하는 모습을 보여주는 사진이다.
도 3 내지 도 9를 참조하면, 수작업에 의해 유리 필라멘트를 제조하는 공정을 살펴보면, 유리 필라멘트의 원료가 되는 분말들을 유리 필라멘트의 조성에 맞게 준비하고, 유리 필라멘트를 제조하기 위해 준비된 조성의 분말들을 용융 온도(예컨대, 1500℃ 정도)로 셋팅된 용융로(예컨대, 수직로)에서 용융시킨 후, 유리 용융물을 집어서 들어올리고 자체 중량에 의해 낙하시켜 유리 필라멘트를 제조하고 있다.
도 10은 수작업에 의한 방법을 통해 제조한 3개의 유리 필라멘트를 보여주는 사진이고, 도 11 내지 도 13은 수작업에 의한 방법을 통해 제조한 3개의 유리 필라멘트의 선폭을 측정하는 모습을 보여주는 사진이다.
도 10 내지 도 13을 참조하면, 수작업에 의한 방법을 통해 제조한 유리 필라멘트의 선폭은 3.57, 1.72, 0.78 mm로 측정되었다. 필라멘트 선폭은 도가니에서 낙하시킨 유리 용융물의 온도를 제어하였으며, 고온의 유리 용융물을 자체 중량에 의해 낙하시켜 필라멘트를 생성하였다. 하지만, 수작업에 의한 방법으로 제조하는 유리 필라멘트는 균일한 영역이 짧고, 선폭 불균일 존재하므로 개선이 필요하다.
선폭이 균일한 영역이 확보된 유리 필라멘트를 용융로로부터 뽑아내기 위해서는 균일한 속도로 움직이는 장비가 필요하다.
본 발명은 유리 용융 증착형 3D 프린터에 공급되는 유리 필라멘트 제조를 위한 인장기를 제시한다.
도 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유리 필라멘트 제조용 인장기를 도시한 사시도이고, 도 15는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유리 필라멘트 제조용 인장기를 도시한 정면도이며, 도 16은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유리 필라멘트 제조용 인장기를 도시한 측면도이고, 도 17은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유리 필라멘트 제조용 인장기를 도시한 평면도이고, 도 18은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유리 필라멘트 제조용 인장기를 나타낸 사진이다. 도 19는 일 예에 따른 볼스크류를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 14 내지 도 19를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시에에 따른 유리 필라멘트 제조용 인장기는, 나사축(114)을 따라 이송너트(116)가 이동할 수 있는 볼스크류(110)와, 볼스크류(110)의 나사축(114)과 평행하게 상하 방향으로 배치되는 LM가이드(linear motion guide)(120)와, 볼스크류(110)의 이송너트(116)와 LM가이드(120)에 연결되어 있고 이송너트(116)의 이동에 연동되어 상하 방향으로 이동할 수 있는 이동블럭(130)과, 이동블럭(130)에 연결되어 있고 이동블럭(130)의 이동에 연동되어 상하 방향으로 이동할 수 있으며 상기 상하 방향에 수직한 방향으로 뻗어나와 있는 돌출부재(140)와, 돌출부재(140)에 연결되어 있고 이동블럭(130)의 이동에 연동되어 상하 방향으로 이동할 수 있으며 용융물이 담긴 도가니(200)의 상부에 위치되는 인장막대(150)를 포함한다. 상기 유리 필라멘트 제조용 인장기는 볼스크류(110)의 나사축(114)을 회전시켜 이송너트(116)를 이동시키기 위한 구동부(160)를 더 포함할 수 있다.
볼스크류(110)는 외주면에 숫나사홈(112)이 형성된 나사축(114)과 내주면에 암사사홈이 형성된 이송너트(116)를 포함한다. 상기 이송너트(116)에는 나사축(114)과 결합하는 암나사홈이 형성되어 있고, 상기 암나사홈에는 다수 개의 볼이 나사선 방향을 따라 배열되어 설치된다. 나사축은 상기 암나사홈에 대응하는 숫나사홈(1120)이 구비되어 이송너트(116)와 나사 결합된다. 상기 나사 결합에 의해 상기 볼은 나사축(114)의 숫나사홈(112)에 맞물리게 된다. 상기 볼은 상기 암나사홈을 따라 나사선 방향으로 이동하면서 원래의 위치로 복귀하는 순환이동을 하게 되고, 상기와 같은 순환이동은 전달되는 동력에 의해 나사축(114)이 연속하여 회전하면 일어나게 되며, 이로 인해 이송너트(116)는 나사축(114)의 길이 방향을 따라 이동하게 된다. 나사축(114)이 회전하게 되면, 상기 볼이 연속하여 순환이동을 하면, 이송너트(116)는 나사축(114)의 길이 방향으로 이동하게 된다. 나사축(114)은 구동부(160)에 연결되어 있고, 구동부(160)의 구동에 의해 회전될 수 있다.
LM가이드(linear motion guide)(120)는 볼스크류(110)와 평행하게 상하 방향으로 배치된다. 볼스크류(110)의 나사축(114)과 LM가이드(120)는 상하 방향으로 길게 배치된다. 볼스크류(110)와 LM가이드(120)는 받침대(170)와 지지대(180)에 의해 안정하게 고정될 수 있다.
이동블럭(130)은 볼스크류(110)와 LM가이드(linear motion guide)(120)에 연결되며, 이송너트(116)의 이동에 연동되어 상하 방향으로 이동할 수 있게 구비된다. 이동블럭(130)은 볼스크류(110)와 LM가이드(120)의 길이 방향(상하 방향)에 수직한 방향으로 결합되어 있을 수 있다. 이동블럭(130)은 볼스크류(110)의 이송너트(116)에 결합되어 있다. 이송너트(116)가 나사축(114)의 길이 방향(상하 방향)을 따라 이동하게 되면, 이와 연동되어 이동블럭(130)도 볼스크류(110)와 LM가이드(linear motion guide)(120)의 길이 방향(상하방향)을 따라 상하로 이동하게 된다. 구동부(160)의 구동에 의해 볼스크류(110)의 나사축(114)이 회전하고, 이에 의해 이송너트(116)가 나사축(114)의 길이 방향을 따라 이동하게 되며, 이와 연동하여 이동블럭(130)도 이동하게 된다. 이송너트(116)와 이동블럭(130)은 일체형(하나의 몸체)으로 이루어질 수도 있다.
이동블럭(130)에는 돌출부재(140)가 연결되어 있다. 돌출부재(140)는 볼스크류(110)와 LM가이드(120)의 길이 방향(상하 방향)에 수직한 방향으로 뻗어나와 있는 판 또는 막대 등의 형태를 갖는다. 돌출부재(140)는 도가니(200)가 위치한 방향으로 뻗어나와 있다. 돌출부재(140)는 이동블럭(130)의 이동에 연동되어 상하 방향으로 이동할 수 있게 구비된다. 이동블럭(130)과 돌출부재(140)는 일체형(하나의 몸체)으로 이루어질 수도 있다.
구동부(160)는 필요에 따라 볼스크류(110)를 구동하여 이동블럭(130)을 승강시키거나 하강시킬 수 있으며, 구동부(160)의 구동에 의해 이동블럭(130)은 상하로 이동될 수 있게 되고, 이동블럭(130)에 결합된 돌출부재(140)와 인장막대(150)는 이동블럭(130)의 이동에 연동되어 상하로 이동될 수 있게 된다. 구동부(160)의 예로는 모터 등을 예로 들 수 있다. 구동부(160)의 구동에 의해 이동블럭(130)은 볼스크류(110)와 LM가이드(120)를 따라 상하로 이동될 수 있게 되고, 이와 연동하여 돌출부재(140)와 인장막대(150)가 상하로 이동하게 된다.
인장막대(150)는 돌출부재(140)에 연결되어 있고, 이동블럭(130)의 이동에 연동되어 상하 방향으로 이동할 수 있으며, 용융물이 담긴 도가니(200)의 상부에 위치될 수 있다. 인장막대(150)는 돌출부재(140)에 연결되어 있고 승강 또는 하강할 수 있게 구비된다. 인장막대(150)는 상하 방향(볼스크류(110)와 LM가이드(120)의 길이 방향에 평행한 방향)으로 구비된 막대 형태로 구비될 수 있다. 이동블럭(130)의 승강 또는 하강에 연동되어 인장막대(150)가 상하로 이동될 수 있어 인장막대(150)와 도가니(200) 사이의 거리를 조절할 수 있게 된다. 이동블럭(130)는 필요에 따라 상하로 이동시킬 수 있으며, 인장막대(150)는 이동블럭(130)의 이동에 연동되어 상하로 이동될 수 있다.
이동블럭(130)과 돌출부재(140)가 상하로 왕복 이동함에 따라 돌출부재(140)에 연결된 인장막대(150)도 흔들림 없는 왕복이동을 하게 되어 인장막대(150)의 흔들림을 최소화할 수 있다. 이동블럭(130)이 볼스크류(110)와 LM가이드(120)의 길이 방향을 따라 상하로 이동되고, 이와 연동되어 인장막대(150)가 이동되므로 떨림 현상이 발생하거나 진동이 발생하는 현상이 최소화될 수 있다.
인장막대(150)의 하부에는 유리 용융물이 담긴 도가니(또는 용융로)(200)가 위치된다. 상기 도가니(200)는 일반적으로 원통형 구조를 가지며, 이에 한정되는 것은 아니며 원하는 다양한 형태로 제작될 수도 있다. 도가니(200)에 담긴 유리 용융물은 유리 필라멘트 제조를 위한 융용물로서, 유리 필라멘트 제조를 위한 것이면 그 제한이 없으며, 예를 들면, 소다라임계 유리, 붕규산계 유리, 알루미노실리케이트계 유리, 인산염계 유리 등의 필라멘트 제조를 위한 것일 수 있다. 상기 유리 필라멘트의 예를 구체적으로 들어보면, 산화아연(ZnO)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)계, 산화아연(ZnO)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)-산화알루미늄(Al2O3)계, 산화아연(ZnO)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)-산화알루미늄(Al2O3)계, 산화아연(ZnO)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)-산화알루미늄(Al2O3)-인산(P2O5)계, 산화납(PbO)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)계, 산화납(PbO)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)-산화알루미늄(Al2O3)계, 산화납(PbO)-산화아연(ZnO)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)계, 산화납(PbO)-산화아연(ZnO)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)-산화알루미늄(Al2O3)계, 산화비스무트(Bi2O3)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)계, 산화비스무트(Bi2O3)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)-산화알루미늄(Al2O3)계, 산화비스무트(Bi2O3)-산화아연(ZnO)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)-산화알루미늄(Al2O3)계 유리 등을 그 예로 들 수 있다.
인장막대(150)의 승강 또는 하강을 통해 인장막대(150)와 도가니(200) 사이의 거리를 제어할 수 있다. 유리 용융물의 온도를 조절하여 유리 필라멘트의 선폭을 조절할 수 있고, 동시에 인장막대(150)가 도가니(200)로부터 멀어지는 속도를 조절하여도 제조되는 유리 필라멘트의 선폭을 조절할 수 있다. 예컨대, 인장막대(150)와 도가니(200) 사이의 거리를 빠른 속도로 멀어지게 함으로써 제조되는 유리 필라멘트의 선폭을 작게 만들 수 있고, 이와 반대로 인장막대(150)와 도가니(200) 사이의 거리를 느린 속도로 멀어지게 함으로써 제조되는 유리 필라멘트의 선폭을 크게 만들 수 있다.
인장막대(150)는 도가니(200) 내의 용융물을 집어서 상부로 들러올려 인장시키는 역할을 한다. 이를 고려하여 인장막대(150)는 1000℃ 이상의 고온에서 견딜 수 있는 세라믹 소재로 이루어지며, 바람직하게는 1000℃ 이상의 고온에서 변형되지 않는 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 실리콘카바이드(SiC), 실리콘나이트라이드(Si3N4), 알루미늄나이트라이드(AlN), 흑연(graphite) 및 뮬라이트(mullite)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 인장막대(150)는 자주 교체가 요구되는 소모품이다. 따라서, 이러한 점을 고려하여 인장막대(150)는 돌출부재(140)로부터 착탈 가능하게 구비되고, 교환이 용이하게 돌출부재(140)에 결합되는 것이 바람직하다.
도 20은 도 18에 나타낸 유리 필라멘트 제조용 인장기를 이용하여 제조된 유리 필라멘트를 보여주는 사진이다.
도 18에 나타낸 유리 필라멘트 제조용 인장기를 이용하여 유리 필라멘트를 제조하였는데, 제조된 유리 필라멘트는 1~3 mm의 직경을 가지며, 30~100 cm 길이의 갖는 원형 막대 형태를 가졌다.
도 21은 도 18에 나타낸 유리 필라멘트 제조용 인장기를 이용하여 제조된 유리 필라멘트의 인장(Pull-out) 속도에 따른 두께 변화를 보여주는 도면이다.
도 20 및 도 21을 참조하면, 도 18에 나타낸 유리 필라멘트 제조용 인장기를 이용해 제작한 유리 필라멘트는 균일한 두께로 80 cm 이상의 길이로 제조가 되었음을 확인하였다. 유리 용융물의 온도를 430, 440, 450 ℃로 변화시키고, 인장 속도를 0.375, 0.54, 1.00 cm/sec로 변화시켜 추출한 필라멘트의 두께를 측정한 결과, 유리 용융물 온도가 낮고, 인장속도가 빠를수록 얇은 두께의 유리 필라멘트가 제작됨을 확인할 수 있었다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
10: 필라멘트 스풀
20: 필라멘트 이송장치
30: 작업대
40: 제어장치
50: 필라멘트
100: 노즐
110: 볼스크류
120: LM가이드
130: 이동블럭
140: 지지플레이트
150: 인장막대
160: 구동부
170: 받침판
180: 지지대
200: 도가니

Claims (7)

  1. 나사축을 따라 이송너트가 이동할 수 있는 볼스크류;
    상기 볼스크류의 나사축과 평행하게 상하 방향으로 배치되는 LM가이드(linear motion guide);
    상기 볼스크류의 이송너트와 상기 LM가이드에 연결되어 있고 상기 이송너트의 이동에 연동되어 상하 방향으로 이동할 수 있는 이동블럭;
    상기 이동블럭에 연결되어 있고 상기 이동블럭의 이동에 연동되어 상하 방향으로 이동할 수 있으며 상기 상하 방향에 수직한 방향으로 뻗어나와 있는 돌출부재; 및
    상기 돌출부재에 연결되어 있고 상기 이동블럭의 이동에 연동되어 상하 방향으로 이동할 수 있으며 용융물이 담긴 도가니의 상부에 위치되는 인장막대를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 필라멘트 제조용 인장기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 볼스크류는,
    내주면에 암나사홈이 형성되고 상기 암나사홈에 다수 개의 볼이 나사선 방향을 따라 배열되어 설치된 이송너트; 및
    상기 암나사홈에 대응하는 숫나사홈이 구비되어 상기 이송너트와 나사 결합되는 나사축을 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 필라멘트 제조용 인장기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 볼스크류의 나사축을 회전시켜 상기 이송너트를 이동시키기 위한 구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 필라멘트 제조용 인장기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 이송너트와 상기 이동블럭은 일체형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 유리 필라멘트 제조용 인장기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 이동블럭과 상기 돌출부재는 일체형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 유리 필라멘트 제조용 인장기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 인장막대는 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 실리콘카바이드(SiC), 실리콘나이트라이드(Si3N4), 알루미늄나이트라이드(AlN), 흑연(graphite) 및 뮬라이트(mullite)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 유리 필라멘트 제조용 인장기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 인장막대는 상기 돌출부재로부터 착탈 가능하게 구비되는 것을 특징으로 하는 유리 필라멘트 제조용 인장기.
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