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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.19 No.6 pp.36-42
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2020.19.06.036

A Study on the Cooling Block Design for a Large Touch Screen Panel (TSP) Cover Glass Molding System

Jun Kyoung Lee*#
*School of Mechanical Engineering, Kyungnam UNIV.
Corresponding Author : jklee99@kyungnam.ac.kr Tel: +82-55-249-2613, Fax: +82-505-999-2160
09/04/2020 29/04/2020 06/05/2020

Abstract


Nowadays, the touch screen panel (TSP) cover glass for mobile smart devices is being developed with a curved glass shape due to different design requirements. Because the sizes of mobile smart devices continue to increase, there has also been a great increase in the demand for large-area curved glass greater than 20 inches. In this study, heat and fluid flow analysis using CFD was performed to optimize the heating surface temperature distribution of the large curved glass formation system. Five cooling water flow paths in the cooling block were designed and analyzed for each case. A function that can quantitatively calculate the temperature uniformity of the heating surface was proposed and these values were obtained for the five models. The temperature distributions of the heating surface and the energy consumption of the heating system were also compared and comprehensively analyzed. Based on the analysis results of the five different cooling channel path models, the optimal path design could be presented.



대형 Touch Screen Panel(TSP) 덮개유리 성형기의 냉각 블록 설계에 관한 연구

이 준경*#
*경남대학교 기계공학부

초록


    Kyungnam University

    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    Mobile Smart 기기의 핵심 입력 장치인 Touch Screen Panel(TSP)용 glass는 차별화된 디자인의 요 구로 인해 Curved glass(이하 곡면유리)의 형상으로 발전되고 있다. 곡면 유리의 크기와 관련하여 Mobile Smart 기기의 대형화에 따라 20인치 이상의 대면적에 대한 수요가 크게 증가하고 있다. 현재 Smart 기기용 Curved glass의 제작 방법은 가공방법 과 성형방법이 있다. 가공방법은 현재 자동차 디스 플레이 분야에 사용되는 기술이며 연마가공 방식으 로 제작한다. 가공방법의 경우 만드는 방법이 간단 하지만 가공 중 유리의 파손과 흠집 등의 문제가 발생하여, 생산수율이 낮은 단점이 있다. 성형방법 은 현재 Mobile smart기기에 사용되고 있으며 금형 속에 평면 유리를 삽입하고 금형을 가열, 성형, 냉 각하여 제작한다. 성형방법의 경우 추가 가공을 따 로 하지 않아도 되며, 복잡한 형상의 곡면 형상 제 작이 가능하고, 생산수율도 높은 장점이 있다. 10인 치 미만의 곡면 유리는 가공과 성형 방법 중 어떤 것을 쓰더라도 제작이 되었으나, 대면적의 경우는 불량률 저감을 위해 성형 방법이 우위에 있다고 할 수 있다.

    성형방법에서 고품질의 곡면 유리를 생산하기 위 해서는 대형 유리의 성형부분을 균일하게 가열할 수 있도록 가열시스템의 가열면 온도를 최적화하는 것이 중요하다. 기존에 10인치 미만의 소형 곡면 유리 정밀 성형시스템의 열해석을 수행하였고, 정 상상태 및 과도 상태에서의 온도측정 결과 비교시 우수한 해석 결과를 얻을 수 있었다[2] 또한 유리의 면적이 작아 사용되는 히터의 개수가 적고, 그에 따라 냉각수 유로도 간단하게 구성하여 가열면 온 도의 최적화도 비교적 용이하게 이룰 수 있었다[2]. 그러나 20인치 이상의 대면적 유리 성형시스템의 가열시스템은 히터의 크기와 개수가 증가하고, 그 에 따라 냉각수 유로의 배치가 힘들어져 가열면 온도의 균일화를 달성하기가 소면적에 비해 상대적 으로 크게 힘들게 된다. 따라서 본 연구에서는 대 형 곡면덮개유리 정밀 성형시스템의 가열시스템을 최적화하기 위한 해석연구를 수행하고자 한다. 이 를 위해서 ANSYS FLUENT[3]를 이용하여 냉각블록 내 냉각수 유로 형상에 따른 가열시스템의 온도 분 포를 파악하고, 최적의 냉각수 유로 형상을 도출하 였다.

    2. 열ㆍ유동 해석 조건 설정

    2.1 가열 및 냉각유로의 형상

    기존 소형 모바일 곡면유리 가열시스템의 구조는 Fig. 1과 같으며, 유사한 구조로 대면적 곡면유리 가열시스템을 Fig. 2와 같이 설계하려한다. 가열시 스템에서 열은 히터(⑤)에서 발생하여 가열블록의 상부와 하부로 전달된다. 상부로 전달되는 열은 가열블록 윗면의 금형(⑥)으로 열을 전달하며, 하 부로 전달되는 열은 가열블록에서 방열블록(③)과 고정블록(②)을 거쳐 가열시스템의 상부와 하부의 끝 부분에 배치된 냉각블록(①) 내부에 흐르는 냉 각수에 의해 외부로 배출된다. 냉각블록 내부의 냉 각수 유로 형상을 Fig. 3에 나타내었다. 냉각수 유 로 형상에 따른 가열면 온도분포의 영향을 살펴보 기 위해 유로 형상의 기준을 다음과 같이 설정하였 다. 즉, 냉각블록의 폭과 길이를 기준으로 1/8의 비 율로 나누었으며, 비율로 나눈 부분에 냉각수 유로 를 만들어 폭과 길이에 각각 7개씩 유로를 만들었 다. 냉각수 유로의 입ㆍ출구는 균일한 유량이 흐를 수 있게 냉각수 유로의 모서리에 위치하였다. 그리 고 각각의 가로 및 세로 냉각수 유로의 조합 형상 에 따라 총 5가지로 나누어 각각에 대한 열 유동 해석을 수행하였다. 냉각블록과 가열블록 크기는 동일하게 폭은 0.38 m 이며, 길이는 0.45 m 이고, 냉각 유로의 지름은 0.0107 m 이다.

    2.2 가열면 온도 분포의 필요 조건

    곡면유리의 곡면은 성형하고자 하는 직사각형 형상 유리의 4개 가장자리(edge)에 적용된다. 즉, 가열면의 온도를 모두 균일하게 하지 않는데, 그 이유는 성형이 이루어지는 부분만 가열하여 그렇 지 않은 부분의 열팽창으로 인한 성형 오차를 방 지하고, 성형이 불필요한 부분에 대한 가열로 에 너지의 큰 낭비를 막기 위함이다. 가장자리 부분에 대한 국부 가열 방식에서는 각 가장자리에서의 온 도 분포 균일성이 매우 중요한데, 그것은 유리 단 면에 대한 동일한 성형 조건을 형성하기 때문이다.

    그리고 가열면 중앙과 가장자리 부분에서 온도 차가 크게 발생하면 유리가 깨질 수 있어 온도의 변화가 급격하게 변하지 않게 만들어야 한다.

    2.3 열ㆍ유동 해석 경계조건

    계산을 위한 경계조건은 Fig.4에 나타내었다. 냉 각수는 22℃의 온도로 가열시스템 내의 냉각블록 내부로 유입된다. 냉각블록 내부 냉각수의 유동은 난류 유동이며, k-epsilon 모델을 적용하였다. 냉각 수 유량은 모든 냉각수 유로 형상에 동일하게 적용 하였다. 유로의 형상에 따라 냉각수에 전달되는 면 적이 달라지기 때문에 가열시스템의 외부로 배출되 는 냉각수의 온도도 달라진다. 따라서 각각의 유로 형상에 따른 히터의 열유속(Heat Flux)이 다르므로 곡면유리의 성형이 이뤄질 때의 가열블록 표면의 최고 온도 800 ℃를 기준으로 기준온도에 도달할 수 있는 열유속 값을 적용하였다. 즉, 각각의 조건 에 대해 열유속을 변수로 두고, 가열블록의 최고 온도가 800 ℃가 되는 열유속 값을 반복 해석을 통 해 찾아내었고, 그 조건을 기준으로 온도 분포와 가열량을 구할 수 있었다.

    가열시스템 내부에는 고온에 의해서 발생하는 산 화를 방지하기 위해 질소가 유입되며, 가열시스템 의 내부 대류 열전달 계수는 복사열전달을 고려하 여 10 W/m2K을 적용하였다. 가열시스템 구성요소 의 재질은 내열성과 열전도성 등을 고려하여 S45C 를 사용하였고, 소재의 물성 값은 Matweb[4]을 참고 하여, 정상상태 열ㆍ유동해석을 수행하였다. Fig. 5 와 같이 약 393만개의 element를 나누었고, 그 이상의 개수에 대해 element 크기에 상관없는 해석 결과를 얻을 수 있었다.

    3. 냉각수 유로에 따른 표면온도 변화

    전술한 바와 같이 가열면 전체 온도 분포를 대 략적으로 살펴보는 것과 동시에 실제 유리의 성형 이 이루어지는 모서리(edge)를 보다 중점적으로 온도를 파악해야 한다. 따라서 공간에 대한 온도 분포를 정량적으로 파악할 대상(Target)을 Fig. 6에 나타내었다. 대상영역의 중심을 지나는 4개의 선 (가열면 길이 방향의 2개 선분을 H1, H2로 각각 설정하였고, 그 선분에 수직한 2개 선분을 각각 V1, V2로 설정하였다. 4개 선분을 각각 50분할하 여 위치에 대한 온도결과를 파악하고자 하였다.

    열ㆍ유동해석을 수행하여 냉각수 유로의 형상 에 따른 가열면의 온도분포 결과를 Fig. 7에 정리 하여 나타내었다.

    7×7 모델(a.1)의 경우, 냉각수 입구 부분과 입구 와 출구를 잇는 대각선 방향의 온도가 상대적으로 낮음을 알 수 있다(a.2). 모서리 대상(target) 영역 의 4개 선분에 대해 각각의 온도 분포는 Fig. 7.(a.3)에서 볼 수 있고, 세로방향의 히터 형상 때 문에 가로 방향(H1, H2)의 온도분포가 작은 파동 형태로 됨을 확인 할 수 있다. 그에 반해 세로방 향(V1, V2)은 부드러운 온도분포를 보이고 있으 며, 최고 및 최저 온도차이가 약 100℃ 이다.

    5×7 모델(b.1)의 경우, 7×7 모델과 그 결과가 유 사함을 알 수 있다. 가로방향(H1, H2)의 온도분포 가 보다 균일해짐을 확인할 수 있지만, 세로 방 향(V1, V2)은 온도차이가 약 150℃정도로 불균일 이 증가됨을 확인할 수 있다.

    5×5 모델(c.1)의 경우, 양쪽 1개의 냉각유로가 없어짐으로 인해 중심은 온도가 낮고, 4개 모서리 (corner) 부분의 온도가 가장 높게 나타났다(c.2). 따라서 모든 방향(H1과 H2, V1과 V2)에 대해 그 러한 경향의 온도분포를 볼 수 있다(c.3). 온도 차 이는 가로방향이 120℃ 정도로 세로방향의 60℃ 보다 크게 나타났다.

    3×5 모델(d.1)은 5×5 모델과 유사한 경향을 가 지지만 온도 분포는 최고 온도차가 70℃ 이하로 보다 개선된 온도분포 결과를 얻을 수 있었다.

    3×3 모델(e.1)은 5개 모델 중 가장 좋은 결과를 얻을 수 있었는데, 특히 가로방향(H1, H2) 온도 분포는 최고온도차가 30℃정도로 가장 작았다. 그 러나 세로방향(V1, V2)은 100℃정도로 상대적으로 커서 개선이 필요함을 알 수 있다 (e.3).

    각기 다른 냉각수 유로 형상에 따른 대상온도 영역의 온도분포 균일성을 정성적인 온도분포를 통해 판단할 수도 있지만, 보다 객관적인 판단기 준이 필요하고, 따라서 온도분포 균일도를 정량적 으로 파악하기 위하여 다음의 식을 사용하였다.

    T u n i f o r m i t y = i = 1 N | T t a r g e t T i T t a r g e t |
    (1)

    즉, 수평(H1, H2)과 수직(V1, V2) 방향으로 50 분할한 각 지점의 온도(Ti)와 해석 시 기준온도인 가열블록의 표면온도 800℃(Ttarget)와의 온도차를 계산하고, 그것을 합한 값을 식으로 제안하였다. Tuniformity 값이 클수록 대상온도영역의 온도차가 커서 균일도는 나빠지는 것을 의미하고, 값이 작 을수록 균일도가 좋아지는 것을 의미한다.

    각 냉각수 유로의 형상에 대한 Tuniformity 값을 구해 Table.1 에 나타내었다.

    앞에서 살펴보았듯이 3×3 모델이 전반적으로 균일도가 높아져, 성형성이 크게 증가될 것으로 사료된다. 온도 분포 균일도와 더불어 중요한 것은 동일 유량에 대해 냉각 유로의 면적이 작아질수록 냉각수로 빠져나가는 열전달량이 줄어들게 되므로 히터의 열유속이 줄어들게 되고, 그것을 정량적으 로 나타내었다. 7×7 모델에 비해 3×3 모델의 가열 열유속이 약 32.2%로 온도 균일도 뿐만 아니라 에 너지 소모량도 감소하는 이점을 얻을 수 있다.

    4. 냉각수 유로 최적화

    기계적으로 설정한 여러 가지 유로 형상에 대 해 3×3 모델이 가장 좋은 온도 분포 특성을 보여 주고 있음을 기초로 하여 3×3 유로의 하위 형상 에 대해 시행착오법을 통해 최적화 모델을 설계하 였고, 그 형상을 Fig. 8에 나타내었다. 냉각수 유로 는 냉각블록의 중심부를 기준으로 유로의 폭을 냉 각블록의 1/8, 길이를 1/4의 비율로 나누어 유로를 구성하였다. 냉각수 유로의 입ㆍ출구는 냉각수 유 로의 모서리에 위치하였다. 기존 유로 형상에 비해 4개 모든 지점에 대해 온도 균일도가 향상됨을 확 인할 수 있었다(Fig.8(a.3)). 이를 보다 더 정확하게 살펴보기 위해 온도 균일도에 대한 정량적인 값을 Table 2에 기재하였고, 앞에서 정리하였던 다른 유 로들에 비해 모든 위치에 대해 균일도가 향상됨을 확인할 수 있었다. 또한 냉각유로가 줄어듦에 따른 냉각량 감소로 인해 가열량도 같이 줄어들어, 온도 분포 뿐만 아니라 에너지 소모에 있어서도 다른 냉 각유로 형태와 비교하여 최대 73%를 감소시킬 수 있었다.

    5. 결 론

    본 연구에서는 대형 곡면유리 가열시스템의 가열 면 온도를 최적화하고 히터의 에너지 소모량을 최 소화하기 위해 열유동 해석을 수행하였고, 그 결과 는 다음과 같다.

    1. 냉각블록 내 냉각수 유로의 형상을 기계적으로 총 5개를 생성하여 각 경우에 대해 해석을 수행 하였고, 그 결과 3×3 모델에 대해 가장 좋은 결 과를 얻을 수 있었다. 가열면 대상온도영역에 대해 온도 균일도를 정량적으로 확인할 수 있 는 함수를 제안하였고, 3×3 모델의 온도 균일 도가 가장 좋음을 확인할 수 있었다. 또한 히터 에너지 소모량도 가장 작았다.

    2. 5가지 냉각수 유로 형상에 대한 결과를 기반으 로 최적 냉각수 유로 형상을 제안하였고, 3×3 모 델보다 좋은 결과를 얻을 수 있었다.

    본 연구는 냉각수 유량과 온도가 정해진 상태 에서 냉각블록 내 냉각수 유로를 최적화하는 연구 를 수행하였다. 향후에는 제품 운용상 냉각수 유 량과 온도의 변화가 발생하는 경우에 대해, 본 연 구에서 제안한 최적화 형상의 적용성을 살펴보는 것이 필요하다. 그리고 본 연구를 통해 획득한 최 적화 냉각블록 형상 이용 가열시스템에 대해, 보 다 적은 에너지 소모량을 활용하여 효과적으로 가 열할 수 있는 가열블록 내 히터형상의 최적화를 수행할 것이다.

    후 기

    “이 논문은 2019년도 경남대학교 연구년 연구비 지 원에 의한 것이며, 이에 감사드립니다.”

    Figure

    KSMPE-19-6-36_F1.gif
    Picture of prototype curved glass molding system[1,2]
    KSMPE-19-6-36_F2.gif
    Large curved glass molding system
    KSMPE-19-6-36_F3.gif
    Design of cooling water passage in the cooling block
    KSMPE-19-6-36_F4.gif
    Boundary conditions of heating system
    KSMPE-19-6-36_F5.gif
    Mesh generation
    KSMPE-19-6-36_F6.gif
    Target temperature region in heating system
    KSMPE-19-6-36_F7.gif
    Surface temperature distribution for each cooling passage
    KSMPE-19-6-36_F8.gif
    Surface temperature distribution for optimal cooling passage

    Table

    Temperature uniformity of heating system surface for each cooling passage
    Temperature uniformity of heating system surface for optimal cooling passage

    Reference

    1. Shin, H. J. and Lee, J. K., “Study on Thermal Analysis for Heating System of Mobile Smart Device Cover Glass Molding Machine,” Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 13, No. 4, pp.50~55, 2014.
    2. Lee, J. K., “Study on Optimization for Heating System of Sequential Feed Type Mobile Smart Device Cover Glass Molding Machine,” Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 14, No. 5, pp.75~80, 2015.
    3. ANSYS, ANSYS FLUENT User's Guide Version 18.0, ANSYS Inc., 2018.
    4. MatWeb., www.Matweb.com