LOW-E GLASS ANNEALING DEVICE

이하 도면을 참조하면서 구체적 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1에는 로이 유리 제조를 위해 유리 기판을 수평으로 이송하면서 전단계에서 이미 유리 표면에 형성된 코팅막을 레이저로 가열하여 어닐링하는 로이 유리 어닐링 시스템의 구성이 개념적으로 간단히 나타나 있다.

본 실시예에 따른 로이 유리 어닐링 시스템은, 이송 장치(20), 레이저 모듈(30), 반사 미러 쌍(40)을 기본적으로 포함한다. 로이 유리 어닐링 시스템은 유리 기판(10) 상의 금속막을 레이저빔으로 조사하여 표면에서 레이저의 광에너지가 열에너지로 변환되면서 어닐링이 이루어지고 이를 통해 금속막을 효과적으로 결정화하고, 이를 통해 금속 코팅막을 포함하는 로이 유리의 저방사 특성을 가지도록 한다.

여기서 유리 기판(10)에는 전 단계에서 로이 코팅막 층이 형성되어 있고, 이송 장치(20)는 롤러(21, 23) 등을 통해 유리 기판(10)을 수평상태로 우측에서 좌측으로 즉, 제1 방향(D1)으로 이송한다. 레이저 모듈(30)은 이송 장치(20)의 경로 상의 한 위치에 설치되며 유리 기판(10)에 레이저빔을 유리 기판과 일정한 각도로 조사할 수 있도록 형성된다.

레이저빔 조사방향으로 유리 기판(10)이 레이저빔과 닿는 지점의 앞쪽(우측) 유리 기판(10) 상, 하 위치에 레이저빔 반사광이나 레이저빔 투과광이 대부분 반사될 수 있도록 반사 거울(41, 43)이 쌍을 이루도록 설치된다. 반사 거울 쌍(40)은 반사면이 서로 마주보도록 설치된다. 쌍을 이루는 각 반사 거울(41, 43)에는 레이저빔에 의한 과열을 방지하기 위한 냉각수단(45, 47)이 구비되고, 표면에 반사율을 높이는 코팅이 형성될 수 있다. 냉각수단은 넓은 면적을 통해 외부로 열을 발산하거나 냉매의 순환을 통해 외부로 열을 방출하여 일정한 온도로 유지될 수 있다.

반사 거울 쌍의 상, 하에는 레이저 보호 커버(51, 53)가 설치되며, 가공 상태나 레이저빔 상태를 실시간으로 검사하기 위한 카메라(미도시)가 유리 기판의 가공되는 부분을 감시하도록 설치될 수 있다.

여기서 레이저 모듈(30)은 금속막에서의 어닐링 온도가 필요에 따라 가령 500℃ 내지 650℃가 되도록 작동할 수 있다. 이때, 레이저 출력 변화, 레이저빔의 유리 기판에 대한 입사 각도, 반사 거울 쌍을 이루는 반사 거울과 유리 기판이 이루는 경사 각도, 유리 기판의 이송 속도의 변화 모두가 온도에 영향을 끼칠 수 있다.

여기서 레이저 모듈(30)은 유리 기판(10)의 이송 방향의 반대 방향으로 경사지게 레이저빔을 조사한다. 좀 더 정확히 설명하면, 유리 기판과 일정한 경사각도로 조사되는 레이저빔의 진행방향은 유리 기판(10) 이송방향과 반대방향의 성분과 유리 기판 표면에 수직한 법선과 반대방향 성분을 가진다.

한편, 레이저빔은 일종의 라인빔으로 유리 기판(10)에 닿을 때 유리 기판 표면에 나타나는 라인(선분)은 유리 기판 진행방향과 수직한 라인이 될 수 있다.

여기서 미도시된 카메라는 냉각영역을 통과하여 나오는 유리 기판(10) 상의 결정화된 금속막(코팅막)을 모니터링하기 위한 것이다. 카메라는 모니터링 시스템의 일부 구성으로서 모니터링 시스템의 모니터에 유선 또는 무선 네트워크를 통해 연결될 수 있다.

카메라와 모니터는 모니터링 시스템의 일례로 결정화된 금속막의 상태나 유리 기판(10)의 열처리 상태를 확인할 수 있는 수단이며, 상응하는 기능을 수행하는 다른 모니터링 수단으로 대체될 수 있다.

도 2는 반사 거울 쌍(40)의 위치에서 유리 기판(10) 진행방향과 수직한 평면으로 자른 뒤 우측에서 좌측으로 그 절단 단면과 레이저빔을 이루는 단위 라인빔(31, 32) 및 레이저 모듈을 이루는 개별 레이저 헤드(31, 32)를 함께 본 형태를 개략적으로 나타내는 도면이며, 도 3은 도 2의 레이저 모듈을 구성하는 개별 레이저 헤드(31, 32)에서 유리 기판(10)에 조사되는 단위 라인빔(61, 62)의 위치에 따른 광 세기 변화 그래프이다.

이들 도면을 참조하면, 레이저 모듈은 복수의 개별 레이저 헤드(31, 32))가 유리 기판 진행 방향과 수직하면서 수평하게 배열되어 이루어지며, 서로 인접한 개별 레이저 헤드(31, 32)는 이격 거리를 거의 가지지 않도록 배열되고, 개별 레이저 헤드(31)에 의하여 조사되는 단위 라인빔(61)은 레이저빔이 진행할수록 폭방향(개별 레이저 헤드 배열 방향)으로 약간씩 벌어져 인접한 개별 레이저 헤드(32)에서 조사되는 단위 라인빔(62)과 약간씩 겹치는 것을 확인할 수 있다. 개별 레이저 헤드(31, 32) 자체도 몇 개의 기초레이저가 결합되어 이들 기초레이저에서 나온 레이저빔을 결합 처리하여 단위 라인빔(61, 62)을 만들도록 이루어질 수 있다.

이런 단위 라인빔이 연속적으로 결합되면 유리 기판(10)의 상부면과 평행하고 유리 기판(10)의 이송 방향과 직교하는 방향으로 연장하는 전체 라인빔을 이루게 된다. 고출력 대형 라인빔(레이저빔)을 사용하면, 대면적 유리 플레이트를 효과적으로 균일하게 열처리할 수 있다.

도 3의 그래프를 참조하면, 단위 라인빔이 유리 기판에 닿는 위치에서의 레이저의 광 세기(integrated intensity)는 대부분의 폭구간에서 일정한 수준을 유지하고, 약간씩 벌어지는 형태를 가지는 폭방향 양측 단부에서는 레이저의 광 세기는 거의 선형적으로 감쇄한다. 이런 형태를 이루기 위해 단위 레이저 헤드 양측 외각에서 광세기 혹은 에너지 분포가 중앙부(광세기가 최고점인 위치)에서의 50%가 되도록 단위 레이저 헤드 및 라인빔 확산 형태를 설계한다. 여기서, 중간의 큰 점선 박스 영역(B1)은 개별 레이저 헤드의 크기 혹은 폭을 나타내고, 양쪽 단부의 작은 점선 박스 영역(B2)은 인접한 개별 레이저 헤드에서 나온 단위 라인빔과 적어도 일부가 겹치는 영역을 나타낸다.

결과적으로 이러한 단위 라인빔 사이의 양단부에서의 겹침에 의해 단위 라인빔 폭방향 양 단부나 인접한 개별 레이저 헤드 사이의 영역도 단위 라인빔 중앙과 마찬가지로 일정 수준의 광 세기를 유지할 수 있고, 유리 기판의 코팅막(금속막)은 같은 어닐링 온도로 처리되어 같은 로이 코팅막 상태를 가질 수 있다. 도 3의 (a)와 (b)의 그래프 두 개를 단일 가로선 상에 기재된 순서대로 놓고 폭 방향으로 서로 인접하게 배치하면, 상기 영역들(B2)의 적어도 일부에서는 레이저의 겹침의 효과를 쉽게 나타내게 된다.

한편, 반사 거울은 유리 기판과 평행하거나, 유리 기판과 일정 각도를 가지는 것 혹은 유리 기판과 일정 경사를 형성하는 것일 수 있다. 이때, 경사 방향은 반사 거울 쌍에서 반사되어 유리 기판과 만나는 위치가 반사 전에 유리 기판과 만나는 위치에 비해 유리 기판 진행 방향을 기준으로 후방측에 있도록 하는 것이 바람직하다.

도 4에 도시한 바와 같이, 경사의 정도 혹은 각도의 크기는 일단 처음 유리 기판과 소정 각도(θ1)로 만나는 레이저빔에서 기원하여 반사 거울쌍에서 반사된 레이저빔이 다시 소정 각도(θ2)로 유리 기판과 만나는 횟수가 충분히 많고, 반사 거울쌍에서 벗어나는 레이저빔의 에너지 밀도(laser power density)가 충분히 낮아진 상태가 되고, 유리 기판 이송방향(도 1 의 D1 참조)으로 레이저빔이 유리 기판과 만나는 영역 혹은 구간이 지나치게 좁거나 넓지 않도록 조절되고 결정되어야 한다. 이때 상하 반사거울은 유리 기판을 기준으로 대칭을 이루어 유리 기판과 이루는 경사가 같은 것일 수 있으나 서로 다른 경사 각도를 이룰 수도 있다.

레이저빔의 에너지 밀도는 초기 레이저빔의 에너지 밀도에 유리 기판의 법선과 초기 레이저빔이 입사하는 각도 즉 코사인 각도(cosθ)에 대응될 수 있다. 입사 각도(angle)에 따른 레이저빔의 에너지 밀도(power density)를 나타내면 다음의 표 1과 같다.

도 5 내지 도 7은 이러한 반사 거울 쌍에 의한 레이저 반사 형태를 나타내는 도면이다.

여기서 반사 거울 쌍의 각 반사 거울은 유리 기판과의 경사 혹은 각도를 조절할 수 있도록 이루어진다. 또한, 레이저 모듈에서 조사되는 레이저빔의 유리 기판에 대한 입사각도도 조절 가능하도록 이루어진다.

도 5를 참조하면, 반사 거울 쌍은 유리 기판과 평행하게 이루어지고, 레이저 모듈에서 유리 기판으로의 최초 레이저빔의 입사각은 10도가 된다. 유리 기판의 상면에 저방사를 위한 금속막이 형성된다고 할 때 상, 하 반사 거울의 내측면이 유리 기판의 상면과 같은 거리 이격되도록 상, 하 반사 거울을 설치한다.

반사 거울은 가령 99%와 같은 매우 높은 반사율을 가져 여기에 닿는 거의 모든 레이저빔이 반사된다고 간단히 생각할 수 있다.

도면상 레이저빔은 유리 기판의 위쪽 약간 좌측에서 아래쪽 약간 우측을 향하여 조사되고, 유리 기판에 닿아 일부는 열로 변환되어 코팅막을 가열(어닐링)하여 안정된 로이 유리 코팅막을 만들고, 일부는 반사, 일부는 투과되고, 투과된 레이저빔은 하부 반사 유리(43)에서 반사되어 다시 유리 기판에 닿아 일부는 열로 되고, 일부는 반사, 일부는 투과된다. 또한, 이런 과정에서 위로 향하는 모든 레이저빔은 상부 반사 유리(41)에서 반사되어 다시 아래를 향하고 그 과정에서 유리 기판을 만나 일부는 열로 변화되고, 일부는 반사, 일부는 투과된다.

모든 반사, 투과가 가능한 면에서 이런 현상이 이루어지며, 두 반사 유리 사이에서 반사, 투과, 열적 변환을 하면서 레이저빔은 결과적으로 위 아래로 지그재그 형태로 반사(반사 거울 표면과 유리 기판 표면에서의 반사), 투과(유리 기판 투과)를 거듭하면서 우측으로 조금씩 이동하여 반사 유리 쌍 사이의 공간에서 모든 에너지를 소모하게 된다.

유리 기판의 이동과 레이저빔 조사가 계속되는 연속공정을 가정하면, 유리 기판의 특정 부위는 먼저 반사 거울 쌍 내부 공간에 진입하여 여러 번 반사, 투과된 약한 레이저빔을 맞게 되어 가열되고, 점차 우측으로 진행되면서 더 강한 레이저빔을 맞게 되며, 레이저빔이 처음 유리 기판과 만나는 위치에서는 가장 강한 레이저빔을 맞아 가장 높은 온도로 어닐링이 이루어지게 된다.

따라서, 반사 거울 쌍 내부 공간에서 유리 기판은 이송에 따라 점진적으로 가열되므로 낮은 온도에서 갑자기 강한 레이저빔을 맞아 급속히 가열됨으로 인한 열충격을 줄일 수 있고, 레이저빔은 그 내부 공간에서 다수회 유리 기판과 만나면서 모두 열로 변환되어 코팅막 어닐링에 사용된다.

도 6에서는 레이저빔의 입사각이 도 5와 같이 10도를 유지하지만, 반사 거울이 유리 기판과 만드는 각도, 경사도는 0이 아니고 5도 정도가 되도록 위치가 조절되어 있다.

이런 경우, 반사 거울들의 경사도가 크기 않아 레이저빔은 도 5에서와 같이 투과 반사를 거듭하면서 그때마다 조금씩 우측으로 이동하지만 이동하는 거리는 짧아져 짧은 거리에서 가열이 이루어지게 된다.

도 7을 참조하면, 도 5의 경우와 비교할 때 유리 기판과 반사 거울 사이의 각도, 경사도는 동일하게 0이 되고, 레이저빔 입사각만 20도로 더 크게 된다.

이런 경우, 상, 하 반사 거울 사이를 레이저빔이 지그재그 형태로 오가면서 유리 기판과 만나는 횟수는 줄어들고 반사 거울 쌍 사이의 내부 공간을 벗어나는 레이저빔의 잔여 에너지도 커져 열효율 혹은 레이저빔의 열전환율은 감소하게 된다.

이상의 예들에서 볼 때 레이저빔의 반사 투과 횟수는 매우 많지만 반사 투과를 반복하는 구간(이송 경로 상의 거리)이 너무 작으면 반사 거울 쌍을 두어 레이저빔이 유리 기판을 점진적으로 가열하는 효과는 떨어지고, 열충격 완화의 효과도 떨어지게 된다.

반대로 반사 투과 횟수 자체가 적으면 레이저빔의 광에너지가 유리 기판 표면 코팅막에서 열로 전환될 기회도 줄어들어 에너지 효율이 떨어지게 된다.

따라서, 이러한 점들과 로이 유리 코팅막 어닐링에 필요한 온도와 유지시간을 고려하여, 유리 기판의 이송 속도, 반사 거울과 유리 기판과의 각도, 반사 거울이 커버하는 구간 거리(길이), 레이저빔의 입사각을 설계할 필요가 있다.

가령, 레이저 모듈은 유리 기판에서 일정 거리 이격 배치되고, 이격 거리는 약 100㎜ 내지 약 300㎜일 수 있다. 레이저빔은 레이저 모듈에서 유리 플레이트로 가면서 라인빔의 길이 방향에서 전체적으로 빔 폭이 증가되는 형태를 가지며, 라인빔의 빔폭은 1㎜일 수 있다. 대형 유리 기판의 이송 장치 상에서 이송 속도는 50㎜/s 내지 200㎜/s일 수 있다. 금속막에서의 어닐링 온도는 약 500℃ 내지 약 650℃가 되도록 할 수 있고, 통상의 로이 유리 금속 코팅막 혹은 금속 산화막 코팅막의 두께 제질을 고려할 때 유리 기판 상에 직접 가해지는 레이저빔의 파워밀도는 코팅막 부위에서 50W/mm2 이상이 되도록 하는 것이 바람직하다.

기하학적으로 당연한 것이지만 기판 상에서의 레이저빔의 파워밀도는 초기 레이저빔의 수직단면 파워밀도에 입사각의 코사인값을 곱한 수치가 되며, 입사각이 클수로 기판 상에서의 레이저빔 파워밀도는 줄어들어 입사각 10도, 20도, 30도에서의 파워밀도는 초기 레이저빔의 수직단면 파워밀도의 98.5%, 93.97%, 86.6%가 된다.

이와 같은 실시예에 의하면, 하나 이상의 단위 레이저 헤드를 조합하여 금속막의 열처리 온도를 제어하면서 금속막을 표면 선택적으로 고온 열처리할 수 있어 금속막의 효과적인 결정화가 가능하다.

도면에 도시하지는 않았지만, 본 실시예에 따른 로이 유리 어닐링 장치는 제어장치를 포함할 수 있다. 제어장치는 마이컴이나 컴퓨팅 장치를 포함할 수 있고, 컴퓨팅 장치는 프로세서와 메모리를 포함할 수 있다. 이 경우, 제어장치는 레이저 모듈과 이송장치에 연결되어 레이저 모듈의 동작을 제어할 수 있다. 또한, 구현에 따라서 제어장치는 반사 거울 쌍의 구동장치나 엑츄에이터에 연결되어 반사 거울 쌍의 반사 각도를 제어하도록 이루어질 수 있다.

전술한 제어장치는 금속막 표면에서 반사되거나 투과된 광 에너지가 금속막 표면에 포커싱이 되지 않고 확산된 형태가 되어 양면에 배치된 미러를 통해 로이 유리의 금속막을 사전 가열하도록 동작한다. 이와 함께, 제어장치는 이송장치와 레이저 모듈의 동작 제어를 통해 금속막에만 레이저 에너지가 영향을 주도록, 레이저빔이 사전 가열된 금속막 표면에 포커싱되도록 이루어진다.

비정질 금속막에 레이저 열처리를 해서 결정질로 만드는 것이 본 실시예의 주된 목적이고, 그 과정에서 금속막에만 레이저 에너지가 영향을 주도록 금속막 표면에 포커싱을 하도록 이루어진다. 전술한 실시예에서와 같이, 금속막 표면에서 반사되거나 투과된 광 에너지는 포커싱이 되지 않고 확산된 형태가 되어 양면에 배치한 미러를 통해 로이 유리의 금속막을 사전 가열하게 된다. 즉, 레이저의 반사 방향과 유리의 진입 방향을 보면, 로이 금속막 층에 포커싱되어 직접 조사되는 직접 광이 조사되기 이전에, 광 밀도가 상대적으로 낮은, 미러에 의한 반사광을 사용하여 로이 금속막을 프리 히팅하는 과정을 거치고 그 이후에 포커싱된 직접 광에 의한 가열이 이루어진다. 이러한 본 실시예의 구성에 의하면, 싱글 로이 유리의 표면을 결정질화하여 그 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있다.

또한, 본 실시예의 구성에 의하면, 레이저에 의한 로이 금속막 가열 방식은 유리를 투과하는 파장으로 유리 전체를 가열하지 않고 유리 표면의 금속 층만 가열하기 때문에 유리 가열에 의한 강화 유리로의 변성을 발생시키지 않는 장점이 있다.

한편, 로이 금속막이 가열되면서 금속막 주변의 유리만 급격하게 온도 상승하면 유리가 파손될 수 있기 때문에, 본 실시예에서와 같이 사전 가열(프리 히팅) 과정을 거친 상태에서 직접 광에 의한 급격한 온도 상승 단계를 거칠 수 있도록 구성된다. 이와 같이, 본 실시예에 의하면, 유리 업체에서 로이 유리를 생산하는 과정에서 안정적으로 비강화 로이 유리의 성능을 향상시킬 수 있다.

또 한편으로, 본 발명은 기본적으로 소프트 로이 유리의 성능을 향상시키기 위한 것이다. 하지만, 이에 한정되지 않고, 하드 로이 생산에도 적용할 수 있다. 그 경우, 하드 로이 유리는 별도의 강화 과정을 거치면서 로이 층의 열처리가 되는 생산 구조이므로 하드로이를 비강화 로이 유리로 사용하는 경우에, 본 실시예의 로이 유리 어닐링 장치를 적용할 수 있다.

이상에서는 한정된 실시예를 통해 본 발명을 설명하고 있으나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시적으로 설명된 것일 뿐 본원 발명은 이들 특정의 실시예에 한정되지 아니한다. 즉, 당해 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명을 토대로 다양한 변경이나 응용예를 실시할 수 있을 것이며 이러한 변형례나 응용예는 첨부된 청구범위에 속함은 당연한 것이다.