[논문자료] 무심축 오토클레이브 성형 공법과 장력을 사용한 LCD 유리 원판 이송용 로봇 핸드의 처짐 개선

출처: 픽사베이

무심축 오토클레이브 성형 공법과 장력을 사용한 LCD 유리 원판 이송용 로봇 핸드의 처짐 개선

 

LCD/OLED 생산업체들은 유리 원판의 크기를 가능한 크게 하여 생산 수율을 높이기 위해 노력하고 있다. 유리 원판의 크기가 증가할수록 이를 운반하는 LCD 유리 원판 이송 로봇에 장착되는 CFRP 로봇 핸드 길이도 증가하는데, 유리 원판 크기와 로봇 핸드 길이의 증대는 로봇 핸드 처짐의 원인되었다. 로봇 핸드의 처짐이 과도하게 증가할 경우, 유리 원판 이송 속도의 저하 및 유리 원판을 보관하는 카세트에 적층할 수 있는 유리 원판 개수가 감소하여, 유리 원판의 크기 증대를 통한 수율 향상을 기대하기 어렵다. 이를 해결하기 위하여, 성형 공법 개선과 장력을 사용하여 CFRP 로봇 핸드의 처짐을 개선하는 것이 본 연구의 목적이다. 본 연구에서는 로봇 핸드 제작을 위하여 사용되어 오던 공법인 심축 오븐 성형 공법 (Oven curing process with mandrel)과 새로운 공법인 무심축 오토클레이브 성형 공법 (Autoclave curing process without mandrel)의 비교를 진행하였다. 이를 위하여, 각각의 공법을 사용하여 로봇 핸드를 제작하였다. 실제 10세대 LCD 이송을 위한 로봇 핸드의 길이는 3,792mm이나, 과도한 금형 비용을 절감하기 위하여 성형 공법의 비교를 위하여 제작된 로봇 핸드의 길이는 110mm로 제작하였다. 제작된 로봇 핸드로부터 시험에 필요한 시편을 절취하여 섬유와 기공의 체적분율, 섬유에서 발생한 주름의 굴곡 및 탄성계수와 굽힘 강도를 측정하였다. 두 공법으로 제작한 시편에서, 섬유와 기공의 체적분율을 측정하여 비교하였다. 무심축 오토클레이브 성형 공법으로 제작한 시편이 심축 오븐 성형 공법으로 제작한 시편보다 섬유의 체적분율은 약 2.51% 증가하였고, 기공의 체적분율은 약 27.12% 감소하였음을 확인하였다. 두 공법으로 제작한 시편에서 섬유의 주름 굴곡을 비교평가하기 위해서, 광학현미경을 이용하여 섬유의 형상을 관찰하였다. 섬유의 형상을 사인파 (Sine wave)로 단순화한 다음에, 그 진폭과 반 파장의 비율을 구하였다. 그 결과 무심축 오토클레이브 성형 공법으로 제작한 시편이 심축 오븐 성형 공법으로 제작한 시편보다 이 비율의 값이 약 73.58% 감소하였음을 확인하였다. 즉 무심축 오토클레이브 성형 공법으로 제작한 시편이 심축 오븐 성형 공법으로 제작한 시편보다 섬유의 직진성이 더 높음을 확인하였다. 무심축 오토클레이브 성형 공법을 이용할 경우에 섬유의 체적분율이 더 높고, 기공의 체적분율이 더 낮으며 또한 섬유의 주름 굴곡이 더 작기 때문에, 기존의 심축 오븐 성형 공법을 이용할 경우보다 로봇 핸드의 처짐이 더 작아질 것으로 예상되었다. 두 공법으로 제작한 시편에서 탄성계수와 굽힘 강도를 비교평가하기 위해서, 3점 굽힘 시험을 진행하였다. 무심축 오토클레이브 성형 공법으로 제작한 시편이 심축 오븐 성형 공법으로 시편보다 탄성계수가 약 26.08% 증가하여, 무심축 오토클레이브 성형 공법으로 로봇 핸드를 제작할 경우에 더 작은 처짐을 갖는 것이 예상되었다. 무심축 오토클레이브 성형 공법으로 제작한 시편이 심축 오븐 성형 공법으로 제작한 시편보다 굽힘 강도는 약 13.15% 증가함을 확인하였다. 장력을 사용하여 로봇 핸드의 처짐 개선을 확인하기 위하여, 무심축 오토클레이브 성형 공법으로 10세대 LCD 유리 원판 이송 로봇 핸드를 제작하였다. 강선을 로봇 핸드의 측면에 부착하고, 강선에 걸리는 장력을 조절할 수 있는 지그를 설치하였다. 강선에 걸리는 장력을 0N부터 최대 700N까지 100N씩 일정하게 증가시키기 위하여, 로드 셀을 사용하여 강선에 걸리는 장력을 측정하였고, 강선에 걸리는 장력이 증가함에 따라 변하는 로봇 핸드의 처짐을 측정하기 위해 레이저 변위계를 사용하였다. LCD 유리 원판 이송 로봇 핸드의 한 쪽 끝단을 고정단으로 하고 다른 쪽 끝단을 자유단으로 하여, LCD 유리 원판 이송 로봇 핸드의 자중에 의한 처짐의 크기를 자유단에서 측정하였다. 강선에 장력을 증가하면서 자유단에서 처짐이 복원됨을 확인하였다. 강선에 장력이 작용하지 않았을 때 자유단에서의 평균 처짐이 17.94mm이었으나, 강선에 최대 700N의 장력을 작용시켰을 때 자유단에서의 평균 처짐은 15.94mm로 평균 11.15%의 처짐 개선 효과가 있음을 확인하였다. LCD 유리 원판 이송을 위한 로봇 핸드를 제작하는 성형 공법을 심축 오븐 성형 공법에서 무심축 오토클레이브 성형 공법으로 변경하고 또한 장력 조절 장치를 사용하여, LCD 유리 원판 이송을 위한 로봇 핸드의 처짐을 개선할 수 있으며, 그 결과 생산 수율 증가에 기여할 수 있음을 확인할 수 있었다.

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LCD/OLED manufacturers try to increase the productivity and the profit by increasing the size of LCD/OLED glass substrates. As the size of glass substrates increases, the length of robot hands to transfer them also has to increase. However as the length of robot hands increases, their deflection also increases. Large deflection of robot hands may significantly decrease the maximum number of glass substrates in storage cassettes. Robot hands are made of CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic). They have been manufactured using oven curing process with mandrel. In this thesis, autoclave curing process without mandrel was used to improve the stiffness and thus also the deflection of robot hands. Also tension wires were used to reduce their deflection. Robot hands whose length was 110mm each were manufactured using oven curing process with mandrel as well as autoclave curing process without mandrel. Specimens were taken out of robot hands to measure volume fractions of fiber and void, the straightness of fibers, and elastic modulus, flexural strength. Volume fractions of fiber and void were measured with specimens manufactured by the two processes. The specimens manufactured by autoclave curing process showed an increase in about 2.51% in volume fraction of fiber and a decrease in about 27.12% in volume fraction of void. The shape of fibers was measured by optical microscope with specimens manufactured by the two processes. The shape of fibers was simplified as a sine wave. The ratio of amplitude to half wave length of sine wave was calculated. The specimens manufactured by autoclave curing process without mandrel showed a decrease in the ratio by about 73.58% compared with the specimens manufactured by oven curing process with mandrel. In other words, the straightness of fibers was higher with specimens manufactured by autoclave curing process without mandrel. Because of higher volume fraction of fiber, lower volume fraction of void, and higher straightness of fibers, it was expected that a smaller deflection would be obtained when robot hands were manufactured by autoclave curing process without mandrel. Three-point bending tests were performed to measure elastic modulus and flexural strength with specimens which were manufactured by two different processes. The specimens manufactured by autoclave curing process without mandrel showed an increase in elastic modulus by about 26.08% compared with the specimens manufactured by oven curing process with mandrel. In other words, it was expected that a smaller deflection would be obtained when robot hands were manufactured by autoclave curing process without mandrel. The specimens manufactured by autoclave curing process without mandrel showed an increase in flexural strength by about 13.15% compared with the specimens manufactured by oven curing process with mandrel. In order to confirm how much deflection could be recovered by using tension wires, robot hands to transfer the 10th generation LCD glass substrates were manufactured. Steel wires were attached at both sides of robot hands. Load cell was installed at each steel wire to measure the magnitude of tension. A laser displacement meter was used to measure a deflection at the free end of robot hand under its own weight. The average deflection at the free end was 17.94mm when there was no tension in the wires. It was 15.94mm when the maximum magnitude of tension 700N was applied in each wire, which showed an average recovery of 11.15% in the deflection at the free end of robot hand.

 

출처: https://www.ndsl.kr/ndsl/search/detail/article/articleSearchResultDetail.do?cn=DIKO0015047282

 

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