KR100507676B1 - 석영유리 제조를 위한 성형장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 석영유리의 제조를 위한 성형장치에 관한 것으로서 좀더 상세히는 고온 폴리실리콘(High Temperature Poly-Si) TFT-LCD(thin film transistor liquid crystal display) 기판, 포토마스크(Photo mask) 기판 또는 정밀광학용 렌즈 등에 사용되는 석영유리를 제조하기 위한 성형장치에 대한 것이다.

Description

석영유리 제조를 위한 성형장치{An aparatus for manufacturing quartz glass}
본 발명은 석영유리의 제조를 위한 성형장치에 관한 것으로 좀더 상세히는 고온 폴리실리콘(High Temperature Poly-Si) TFT-LCD(thin film transistor liquid crystal display) 기판, 포토마스크(Photo mask) 기판 또는 정밀광학용 렌즈 등에 사용되는 석영유리를 제조하기 위한 성형장치에 대한 것이다.
반도체의 고집적화에 따라 리소그라피(Lithography) 기술도 해마다 고도화되고 있어 사용되는 마스크의 재질도 자외선의 투과가 뛰어나고 기포나 인크루젼(함유물)을 포함하지 않는 재질이 요구되고 있다. 액정 디스플레이(LCD) 제조를 위한 대형 포토마스크 또는 반도체 포토마스크 재료는 패턴 전사 공정에 있어서 자외선 투과율, 매우 낮은 열팽창성 및 넓은 노광파장 영역에서의 높은 해상도 등의 광학적 특성이 매우 중요하므로 고균질의 석영유리를 사용해야 한다.
일반적으로 고균질 석영유리를 제조하기 위해서는 석영유리 벌크(bulk)를 고온 성형하여야 한다. 통상의 방법으로 제조된 석영유리 벌크(bulk)는 중심부와 바깥쪽의 밀도가 균일하지 않아 굴절율 및 여러 광학적 특성의 차이가 발생하게 되어 고정밀을 요하는 광학계에 사용할 수 없게 된다. 따라서, 이러한 광학적 차이를 없애주기 위해서는 고온성형 공정이 필수적이다.
고온성형 공정에서는 1700℃ 이상의 고온에서 석영유리를 성형할 경우에 SiO 가스와 CO 가스가 다량으로 발생하게 되고, 이 가스들이 성형몰드 외부로 용이하게 배출되지 않을 경우에는 석영유리 표면에 남게 되어 제품에 악영향을 미치게 된다. 또한, 냉각시 석영유리와 성형몰드의 열팽창계수차에 의해서 석영유리 표면에 압축응력이 인가되어 균열이 발생하기도 한다.
종래의 석영유리 고온성형 공정에는 내부 면에 탄소 플레이트를 부착한 성형몰드를 사용하기도 하였다. 일본특허 特開平5-58657호는 도 1에서 보는 바와 같이 성형몰드(12) 내부에 석영유리와 접하는 부분인 바닥면과 윗면(14)에 탄소 플레이트를 부착하고 석영유리(11) 위에 추(13)를 놓아 하중을 가하게 하는 방법을 기재하고 있다. 그러나 고온 성형시에 발생하는 가스의 배출이 원활하지 못하며, 냉각시 석영유리와 탄소 플레이트 사이의 열팽창계수차에 의해서 석영유리 표면에 압축응력이 인가되고 탄소 플레이트에는 인장응력이 인가되어, 탄소 플레이트에 균열이 발생할 수 있고 심한 경우에는 석영유리에도 균열이 발생하기도 한다. 석영유리와 탄소의 열팽창계수는 각각 5~6x10-6/℃, 2~6x10-4/℃ 이다.
도 2의 경우에는 도 1과 유사하지만 석영유리(21)의 바닥면과 윗면에 탄소 플레이트(14) 대신에 탄소펠트(24)를 사용하였다(일본 特開2000-219523). 탄소펠트는 쿠션 역할을 하여 냉각시 인가되는 응력의 발생을 억제하게 된다. 그러나 이 방법도 고온에서 발생되는 다량의 SiO 가스와 CO 가스의 배출이 용이하지 않아 제품의 품질을 떨어뜨리게 된다.
도 3의 경우에는 성형몰드(32) 안쪽 면에 골(34)을 만들어 고온에서 발생하는 SiO 가스와 CO 가스의 배출을 용이하게 만들었다(일본 特開2001-97731). 그러나 이 방법 또한 다량의 SiO 가스와 CO 가스가 성형몰드 내부에 잔류하게 되고 제품 표면 또는 내부에 문제를 발생시킬 수도 있다.
도 4의 경우에는 성형몰드(42) 안쪽 면에 탄소펠트(44)를 사용하였고, 성형몰드 옆면에 작은 구멍(45)을 여러개 뚫어 고온에서 발생하는 가스들의 배출을 쉽게 하였다(일본 特開平5-17174). 그러나 성형몰드에 뚜껑이 없어 챔버 내부에서의 오염에 노출되어 있고 제품 표면 등의 물성에 영향을 줄 수도 있다.
또한, 일본특허 공보 2002-53330호는 투과율의 균일성, 결정화 억제, 밀도불균일 억제를 위한 석영유리 성형방법으로서 그라파이트 성형용기 내부의 윗면, 옆면 및 밑면에 탄소 펠트를 설치하고 석영유리의 상부에 압입부재를 위치하여 성형하는 방법이 기재되어 있다. 그러나 이 방법 또한 고온 성형시 발생하는 가스의 용이한 배출이 이루어지지 못하는 문제점을 가지고 있다.
따라서, 위와 같은 문제점들을 해결할 수 있는 석영유리 성형장치의 개발이 요구되고 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 석영유리 제조시 고온성형 과정에서 발생하는 다량의 SiO 가스와 CO 가스의 배출을 용이하게 하는 성형장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 냉각과정에서 성형몰드와 석영유리에 손상을 주지 않는 성형장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명자는 도 5와 같은 석영유리 성형장치를 제작하였다. 본 발명에 의한 석영유리 성형장치는 고온에서 발생되는 SiO 가스와 CO 가스가 몰드 내부에 고여 있지 않고 용이하게 몰드 외부로 배출될 수 있도록, 몰드 안쪽에 통로를 만들어 이송가스를 흘려보내는 방법을 이용하였다. 또한 석영유리의 성형이 완료된 후에도 발생되는 가스를 다공성 탄소펠트를 통해서 이동할 수 있도록 만든 것을 특징으로 한다.
본 발명의 구성과 작용을 도면(도 5, 도6)을 토대로 좀더 상세히 설명한다.
본 발명은 이송가스를 주입하는 가스주입구(58)가 뚫려 있는 챔버 바닥면(57)과; 바닥면(57) 위에 위치하는 받침대(56)와; 받침대(56)에 의해 지지되는 성형몰드로 구성된 성형장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 성형몰드가 윗면(52-1), 옆면(52-2), 아랫면(52-3)으로 되어 있고, 옆면과 아랫면에는 탄소펠트(54-1, 54-2)를 부착되어 있고, 성형몰드 윗면과 옆면, 아랫면에 각각 가스가 배출될 수 있는 가스배출 통로(55-1, 55-2, 55-3)가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 석영유리 제조를 위한 성형장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 탄소펠트가 다공성인 것을 특징으로 하는 석영유리 제조를 위한 성형장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 석영유리의 성형이 완료된 후 석영유리의 옆면 및 아랫면에서 발생되는 가스가 다공성 탄소 펠트를 통해서 가스배출 통로로 배출되는 것을 특징으로 하는 석영유리 제조를 위한 성형장치에 관한 것이다.
탄소펠트(54-1, 54-2)는 성형이 끝난 후 냉각할 때 성형몰드와 석영유리와의 열팽창계수 차이에 의한 응력 발생을 억제해 주는 쿠션 역할을 하고, 또한 성형 후 발생하는 가스의 배출을 용이하게 해 줄 수 있도록 다공성으로 되어 있다. 도 6은 석영유리의 성형이 완료된 후의 도면으로서 석영유리 (61)의 성형이 완료된 후에는 석영유리와 탄소펠트(64-1, 64-2)와의 틈이 없어지게 되고 석영유리의 옆면과 바닥면에서 발생되는 가스는 다공성 탄소펠트를 통해서 배출되게 된다. 이 때 성형몰드 내부에 뚫려있는 통로(65-1, 65-2, 65-3)를 통해서 흘러가고 있는 이송가스에 실려 성형몰드 외부로 빠져갈 수 있도록 하였다.
또한, 본 발명은 상기 가스배출 통로(55-1, 55-2, 55-3)를 통해 성형몰드 내에서 발생하는 가스를 가스주입구(58)에서 공급된 이송가스와 함께 이송되어 밖으로 배출하는 것을 특징으로 하는 석영유리 제조를 위한 성형장치에 관한 것이다.
챔버 바닥면에 뚫려 있는 가스흡입구(58)를 통해서 들어오는 이송가스는 성형몰드에 만들어져 있는 가스배출 통로(55-1, 55-2, 55-3)를 통해 성형몰드 위쪽으로 빠져나가도록 되어 있다. 고온 성형시 발생되는 SiO 가스와 CO 가스는 성형몰드 아래쪽에서 위쪽으로 흘러가고 있는 이송가스에 실려 함께 몰드 밖으로 빠져나갈 수 있도록 설계하였다.
또한, 본 발명은 이송가스로 불활성 가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 석영유리 제조를 위한 성형장치에 관한 것이다. 성형몰드 내부를 통해 주입되는 이송가스는 불활성가스인 고순도의 헬륨, 아르곤이나 질소를 사용할 수 있다. 특히, 성형몰드가 탄화물계나 질화물계일 경우에는 불활성 가스에서 성형하는 것이 바람직하다.
뿐만 아니라, 본 발명은 상기 성형몰드가 그라파이트, 탄화규소, 질화규소, 지르코니아 또는 알루미나 중 1종을 사용하여 제작하는 것을 특징으로 하는 석영유리를 제조하기 위한 성형장치에 관한 것이다.
상기 성형장치는 원하는 형태로 제작할 수 있으며 도 5, 6에서 도시하였듯이 원통형으로 만들 수도 있고, 정사각기둥이나 직사각기둥, 다각기둥 형태로 제작이 가능하다.
본 발명의 성형장치를 이용하여, 석영유리의 고온성형 과정에서 발생하는 다량의 SiO 가스와 CO 가스를 용이하게 배출할 수 있어 고균질의 석영유리를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 고온성형 후 냉각과정에서 성형몰드와 석영유리의 열팽창 계수의 차에 의한 응력의 영향을 받지 않아 석영유리나 성형몰드에 균열이나 손상없이 석영유리를 제조할 수 있다
또한, 본 발명의 성형장치는 석영유리 벌크(bulk)를 원하는 모양으로 성형하여 고온 폴리실리콘(High Temperature Poly-Si) TFT-LCD(thin film transistor liquid crystal display) 기판이나 포토마스크 기판과 정밀광학계 렌즈 등에 사용되는 고균질, 고품질 석영유리를 제조할 수 있게 한다.
도 1은 종래의 석영유리 제조를 위한 성형몰드의 모식도이다.
도 2는 종래의 석영유리 제조를 위한 성형몰드의 모식도이다.
도 3은 종래의 석영유리 제조를 위한 성형몰드의 모식도이다.
도 4는 종래의 석영유리 제조를 위한 성형몰드의 모식도이다.
도 5는 본 발명에 의해 제작된 석영유리를 제조하기 위한 성형장치의 모식도이다.
도 6은 도 5의 성형장치에 의해 석영유리의 성형이 완료된 후의 모식도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
11,21,31,41,51,61 : 석영유리 벌크 12,22,32,42 : 성형몰드
13,23,33 : 추 14 : 탄소 플레이트(plate)
24,44 : 탄소펠트 34 : 골
45 : 구멍 52-1,62-1 : 성형몰드 윗면
52-2,62-2 : 성형몰드 옆면 52-3,62-3 : 성형몰드 아랫면
54-1,64-1 : 펠트 옆면 54-2,64-2 : 펠트 아랫면
55-1,65-1 : 성형몰드 윗면의 구멍 55-2,65-2 : 성형몰드 옆면의 구멍
55-3,65-3 : 성형몰드 아랫면의 구멍 56,66 : 받침대
57,67 : 챔버 바닥면 58,68 : 가스 주입구

Claims (7)

  1. 석영유리 성형장치에 있어서,
    이송가스를 주입하는 가스주입구(58)가 뚫려 있는 챔버 바닥면(57)과;
    바닥면(57) 위에 위치하는 받침대(56)와;
    받침대(56)에 의해 지지되는 성형몰드로 구성되며,
    상기 성형몰드는 윗면(52-1), 옆면(52-2), 아랫면(52-3)으로 되어 있고, 옆면과 아랫면에는 다공성 탄소펠트(54-1, 54-2)가 부착되고, 성형몰드 윗면(52-1)과 옆면(52-2), 아랫면(52-3)에 몰드 내에서 발생하는 가스를 가스주입구(58)에서 공급된 이송가스와 함께 이송하여 배출될 수 있도록 하는 가스배출 통로(55-1, 55-2, 55-3)가 설치되는 것을 특징으로 하는 석영유리 제조를 위한 성형장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 이송가스는 불활성 가스인 것을 특징으로 하는 석영유리 제조를 위한 성형장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 성형몰드는 그라파이트, 탄화규소, 질화규소, 지르코니아 또는 알루미나 중 1종을 사용하여 제작하는 것을 특징으로 하는 석영유리 제조를 위한 성형장치.
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