KR101061659B1

KR101061659B1 - 화학 강화를 이용한 강화 유리의 제조방법

Info

Publication number: KR101061659B1
Application number: KR1020110014572A
Authority: KR
Inventors: 이정희; 김대성
Original assignee: 김대성; 이정희
Priority date: 2011-02-18
Filing date: 2011-02-18
Publication date: 2011-09-01

Abstract

본 발명은 알카리 알루미나 실리케이트가 포함된 유리를 칼륨 치환을 통해 화학 강화하는 방법에 관한 것으로 유리를 치구에 장착하는 단계(S1); 치구에 장착된 유리를 예열로에서 120℃ 부터 278~345℃까지 8회 이상에 거쳐 단계별로 승온시킴으로써 예열하는 단계(S2); 예열된 유리를 380~450℃의 질산칼륨 용액에 1.5 ~ 4시간 침지시켜 유리의 나트륨 이온을 질산칼륨의 칼륨 이온과 치환하는 단계(S3); 예열하는 단계와 역순으로 유리를 70℃까지 8회 이상에 거쳐 단계별로 냉각시키는 단계(S4); 유리를 자연풍이나 대기 상태에서 35℃까지 급냉하는 단계(S5); 유리를 70℃ 온수에 15~20분간 담가 유리 전체의 온도를 균일하게 함으로써 안정화하는 단계(S6);를 포함하는 강화 유리의 제조방법에 관한 것이다.

Description

화학 강화를 이용한 강화 유리의 제조방법 {Manufacturing Method of Glass Plate using Chemical Reinforcement}

본 발명은 화학 강화를 이용한 유리의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로는 박판 또는 후판의 유리를 단계별로 승온시켜 예열하고, 칼륨 치환하며, 서냉과 공냉을 거쳐 세척, 건조함으로써 유리 표면에 압축응력을 부가하는 강화 유리의 제조방법에 관한 것이다.

최근 휴대폰의 터치 스크린, 건축용 및 각종 산업용으로 스크래치 발생이 적고 투광성이 뛰어난 박판 형태의 강화유리가 사용되고 있다.

일반적으로 유리는 인장강도만 갖고 있어, 충격이나 굽힘 등의 힘에 절대적으로 취약하다. 이러한 유리의 표면에 압축응력을 부가함으로써 유리의 총 인장강도를 부가된 압축응력과 유리 자체의 인장강도의 합으로 증가시켜 표면 강도, 내충격성, 굽힘 응력, 신율, 내열성, 내한성을 증가시킨 것이 강화유리이며, 건축용, 산업용, 선박용, 장식용, 전자용, 가전용 등 산업 전 분야에서 사용할 수 있다.

강화유리는 에칭 강화, 열 강화, 화학 강화 등을 통해 제작되는데, 에칭 강화는 유리 표면에 소형의 굴곡을 주는 방법으로 투과율이 현저하게 떨어지는 단점이 있다. 열 강화는 가장 많이 사용되는 유리의 강화 방식인데 유리 표면을 내부보다 고화시켜 압축강도를 높이는 방법으로 유리의 표면 온도를 720~750℃로 급가열하여 표면 유동성을 증가시킨 후 찬 냉매를 분사하여 급냉한다. 다만, 열 경화는 유리 내부까지 열이 침투되는 것을 방지하기 위해 일반적으로 유리 두께가 3mm 이상, 선팽창계수가 4.5×10^-5/℃ 정도의 유리에만 적용할 수 있는 한계가 있다.

화학 강화는 알카리 알루미노 실리케이트를 포함한 유리에 적용하며 유리 표면의 작은 이온을 큰 이온으로 치환하여 표면에 압축 응력을 발생시키는 방법이다. 미국 코닝사의 개발품인 고릴라 유리는 유리 조성면에서 다량의 질리코니아(Zr)을 포함하며, 칼륨은 약 18% 정도를 함유하는 고가의 화학강화 유리이다. 그러나, 고릴라 유리는 질산 칼륨 용액에 유리를 장시간 침저시키는 것으로, 치환이라기 보다는 어닐링 기법에 가까운 방법으로 제조된다.

또한 최근 모바일 기기, LCD용, 네비게이션 등에 사용되는 박판 유리에서 화학 강화를 실시하고 있으나, 강화비용이 고가이고 유리의 사이즈가 클수록 파손 위험이 크며, 휨 현상이 발생하여 양산이 어려운 문제가 있다. 이러한 이유로 지금까지는 박판 소형 유리에만 화학 강화를 적용할 수 있었으며, 특히 후판 및 건축용, 태양광용, 산업용 등 다양한 크기와 형태의 유리에는 화학 강화를 적용하기 어려웠고, 치환층의 깊이 및 위치 때문에 박판 유리에서도 극히 한정적인 부분 밖에는 제작이 불가능하였다.

그러나, 점차 강화 유리의 수요가 증가하고 있으며, 이는 박판과 후판에 모두 해당하고, 건축용에 적용되는 열차단 또는 열반사유리 및 건물 외벽용 색상유리, 내장용 장식유리, 태양광용 에칭 유리 등 모든 분야에서 강화 유리가 사용됨에 따라 다양한 두께와 형태, 크기의 유리에 적용될 수 있는 저가의 화학강화 방법의 개발이 절실한 실정이다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 저급유리를 이용하여, 고강도, 고신율, 고투과율, 고평탄도의 화학강화 유리를 제조하는데 목적이 있다.

또한, 두께, 크기, 형태에 관계없이 모든 분야의 유리에 적용이 가능한 화학강화 방법을 제공하는데 목적이 있다.

특히, 표면 코팅된 유리, 인쇄된 유리, 색상 유리, 열 차단 유리, 자외선 차단 유리 등의 특수 유리에도 적용할 수 있는 화학강화 방법을 제공하는데 목적이 있다.

위와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 알카리 알루미나 실리케이트가 포함된 유리를 치구에 장착하는 단계(S1); 치구에 장착된 유리를 예열로에서 120℃ 부터 278~345℃까지 8회 이상에 거쳐 단계별로 승온시킴으로써 예열하는 단계(S2); 예열된 유리를 380~450℃의 질산칼륨 용액에 1.5 ~ 4시간 침지시켜 유리의 나트륨 이온을 질산칼륨의 칼륨 이온과 치환하는 단계(S3); 예열하는 단계와 역순으로 유리를 70℃ 까지 8회 이상에 거쳐 단계별로 냉각시키는 단계(S4); 유리를 자연풍이나 대기 상태에서 35℃까지 급냉하는 단계(S5); 유리를 70℃ 온수에 15~20분간 담가 유리 전체의 온도를 균일하게 함으로써 안정화하는 단계(S6);를 포함하는 강화 유리의 제조방법을 제공한다.

이때, 상기 예열하는 단계(S2)에서, 온도의 1회 상승폭은 50℃미만이며, 승온과 정온을 반복하면서 온도를 상승시키고, 상기 치환하는 단계(S3)에서, 유리의 상하, 좌우 온도의 편차가 1℃ 미만이 되도록 하는 것이 바람직하며, 상기 냉각시키는 단계(S4)에서, 온도의 1회 하강폭은 50℃미만으로 강온과 정온을 반복하면서 냉각하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 냉각시키는 단계(S4)에서는, 상부 공간을 통해 열을 자연 배출함으로써 감온하도록 구성한다.

본 발명의 강화 유리 제조방법에서는 저급유리를 이용하여, 고강도, 고신율, 고투과율, 고평탄도의 화학강화 유리를 제조함으로써, 유리의 강도를 약 9배, 신율을 약 4배 증가시킬 수 있다.

또한, 두께, 크기, 형태에 관계없이 모든 분야의 유리에 적용이 가능하며, 측면이 가공되지 않은 원판에도 적용할 수 있어, 대량 생산이 가능하고 원가를 절감할 수 있다.

특히, 표면 코팅된 유리, 인쇄된 유리, 색상 유리, 열 차단 유리, 자외선 차단 유리 등의 특수 유리에도 적용할 수 있다.

또한, 물리적 강화(열 강화)시 발생하는 불균일한 조직 상태를 해소하여 균일한 품질의 강화유리를 제작할 수 있고, 투영도의 증가 및 유리 외관의 왜곡 현상을 최소화할 수 있으며, 공정이 간단하고, 내폭발성을 없애 안전성을 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 유리를 화학 강화하는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 유리가 장착되는 치구의 개략적인 도면이다.
도 3은 도 2의 치구 하부 지지점에 판스프링, 섬유가 구비된 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 예열로, 강화로, 서냉로, 공냉 구간, 온수조에서 유리가 예열, 강화, 냉각 및 안정화되는 과정을 보여주는 순서도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명은 알카리 알루미노 실리케이트를 포함한 모든 0.1~19t(mm) 두께의 유리(세라믹 인쇄유리, Low-E 유리, 나노 코팅 유리등 각종 코팅 유리, 저철분 유리, 에칭유리 등을 포함 하는 유리)를 크기 및 두께, 형상에 관계없이 칼륨 치환 공정을 거쳐 강화유리로 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적인 유리의 원재료는 산화규소(SiO2)인데, 산화규소만으로 이루어진 유리를 석영 유리라 한다. 석영 유리는 용해점이 약 1780℃로서, 제조 비용이 높은데, 산화 알카리 (Na₂O, Li₂O)를 첨가하면 용해점이 약 1280℃로 낮아져 저가의 유리를 생산할 수 있다. 그러나, Na₂O는 백화 현상의 원인이 되므로 유리의 강도를 증가시키고 수명을 연장하기 위하여 첨가량을 규격상으로 제한하고 있다. 이와 같이 Na₂O가 첨가된 유리의 Na₂O 성분을 산화 칼륨(K₂O)으로 치환하는 것을 칼륨 치환법이라고 한다. 알카리 알루미노 실리케이트가 포함된 유리는 칼륨 치환으로 화학 강화한 후의 강도가 우수하며, 표면에 손상이 있을 때에도 다른 성분의 유리에 비해 강도가 우수하다. 또한, 일반적으로 사용되는 유리이고 저가이므로 강화에 따른 효용이 크다.

도 1에는 본 발명의 일실시예에 따라 유리를 화학 강화하는 순서도가 도시되어 있다. 화학 강화는 예열, 강화, 냉각의 순서로 이루어지는 것이 일반적인데, 본 발명에서는 이를 더 세분화하여, 장착, 예열, 치환, 서냉, 공냉, 온수 승온 및 안정화, 1차 세척, 건조, 2차 세척, 건조의 단계로 유리를 강화함으로써 유리의 강도를 높이고, 불량률을 줄인다.

먼저 알카리 알루미나 실리케이트가 포함된 유리를 도 2에 도시된 치구(10)에 장착한다. (S1 : 장착 단계) 이때, 강화하는 유리가 대형인 경우에는 자중으로 인하여 지지점에 하중이 집중되어 유리가 파손될 수 있으므로, 하중을 분산할 수 있도록 지지점을 분배하고, 지압을 감소시키기 위하여 접점 부위를 연질화하거나 특수 분압 장치를 사용하는 것(판스프링 효과, 특수섬유)이 바람직하다. 상기 치구(10)는 상부 가롯대 받침(11), 상부 가롯대(13), 하부 지지점(12)을 포함한다.

또한, 유리 전체면을 고르게 강화하기 위해서 치구와 접촉하는 지지점을 최소화하여야 하며, 이를 위해서 소형 유리(150mm×50mm이하)에서는 3점 지지법을 사용하고 대형 유리(150mm×50mm 이상부터 3,000mm×3,000mm 까지 혹은 그 이상)에서는 8점 내지 10점 지지법을 사용하는 것이 바람직하며, 상부 지지점은 접촉 부위를 최대한 줄여 차후 용액의 응집부피를 줄이는 구조가 되어야 한다.

본 기술에서는 하부 지지점 부위(12)를 판스프링 효과와 특수 섬유를 이용 하여 충격을 완화하는 구조를 이용한다. 5mm두께의 3,000mm×3000mm 유리의 무게는 약 112.5kg으로, 이를 하부 봉에 바로 장착하면 유리가 자중에 의해 파손된다. 이때 도 3에서 보듯이 하부 지지점(12)에 판스프링을 설치하고, 완충 기능이 있는 특수 섬유를 배치하여 자중에 의한 스트레스를 감소시킨다.

도 4에는 본 발명의 일실시예에 따라 예열로, 강화로, 서냉로, 공냉 구간, 온수조에서 유리가 예열, 강화, 냉각 및 안정화되는 과정을 보여주는 순서도가 도시되어 있다.

강화 전의 유리를 치구에 장착한 후에는 히터를 이용하여 유리 및 치구를 예열한다. (S2 : 예열 단계) 치구에 장착된 유리는 진동 없이 예열로로 이동시켜야 하며, 예열로에서 120℃ 부터 약 300℃까지 다단계로 승온시켜 예열한다. 예열단계에서는 유리 및 치구 각 부위 온도의 평형성이 중요한데, 특히 후판 유리 및 대형 유리에서 부분적으로만 가열될 경우에는 부위별 팽창력 차이와 유리 내부 상들의 상호 관계에서 쌍절이 발생하므로, 이를 방지하기 위하여 일정 온도까지는 급속 가열하고, 일정 온도에서는 온도를 유지하여 승온과 정온을 반복하면서 단계별로 온도를 높인다.

구체적으로 예열 온도는 120℃에서 시작하여, 유리의 두께, 형상 및 크기에 따라 278~345℃까지 단계별로 8회 이상에 걸쳐 다단 승온을 시킨다. 이때, 온도의 상승폭은 50℃를 초과해서는 안 되며, 온도의 평형에는 충분한 시간이 필요하므로 정온 구간을 일정 시간 이상으로 하여야 한다. 이와 같이, 승온과 정온을 반복하면서 예열 온도를 높임으로써 유리의 전 부분의 온도를 균일하게 유지함으로써, 유리의 파손을 방지할 수 있다.

예열된 유리는 로 내에서 질산칼륨 용액에 약 1.5 ~ 4시간 정도 침지시킨다. (S3 : 치환 단계) 이때, 유리 표면의 작은 입자(나트륨)는 침지액의 큰 입자(칼륨)로 이온 교환되는데, 침지 시간은 유리의 두께와 형상에 따라 차이가 있으며, 용액은 질산칼륨에 첨가제를 넣어 사용 온도에 따라 약 380~450℃ 사이로 유지한다.

치환 과정에서 유리의 상하, 좌우 온도의 편차가 1℃ 이상이면 유리 내부의 열응력에 의한 편차로 인해 내부 쌍절이 일어날 수 있어, 이온 교환에 문제가 발생하므로 온도 편차 없이 일정 온도를 유지하여야 하며, 질산칼륨 용액은 유리 삽입 시 2℃ 이상 온도가 떨어지면 안 된다. 질산칼륨의 온도가 2℃ 이상 떨어지게 되면 온도가 다시 상승할 때 질산칼륨 용액에 대류가 발생하여 이온 교환량이 감소하기 때문에 자연 상태에서 치환이 이루어지도록 하는 것이 바람직하다. 특히, 질산칼륨의 용해 시, 산화가 일어나지 않도록 하여야 하며, 주석, 형석, 아연 등의 첨가제를 투입하여 치환에서 효소 작용을 하도록 유도하는 것이 바람직하다.

치환단계 후에는 예열단계와 역순으로 350℃ 이상까지 상승한 유리를 약 70℃까지 다단계로 냉각시킨다. (S4 : 서냉 단계) 서냉 과정은 치환된 유리의 강도를 결정짓는 과정으로 유리가 불안정한 상태이며, 질산칼륨과 결합된 부위가 응고되면서 유리에 충격을 가할 수 있다. 또한, 급격한 온도 변화는 물리적 강화인 열강화 효과를 가져오며, 유리의 부분적 냉각 속도의 차이로 내부 진유리(내부의 강화 되지 않은 원 소재의 유리)에 충격을 주게 되어 내부 크랙이 발생할 수 있다. 따라서, 예열단계의 승온 시와 마찬가지로 냉각의 폭을 50℃ 이내로 하여 다단계로 8회 이상에 걸쳐 냉각을 하여야 하며, 이때 유리에 스트레스를 유발할 수 있는 강제 송풍이나 교반을 피하고, 상부 공간을 통해 열을 자연 배출하는 방식을 이용하는 것이 바람직하다.

70℃까지 낮춘 유리는 이후 35℃까지 공기 중에서 급냉하여 표면을 강화할 수 있다. (S5 : 공냉 단계) 공냉 과정에서는 유리를 안정시켜 최종 강도를 결정하며, 송풍이나 강제적인 공기 흐름은 유리를 파손시킬 수 있으므로, 자연풍이나 대기 상태에서 냉각을 실시하여야 한다.

공냉을 통해 안정화된 유리를 평형화된 70℃ 온수에 넣어 유리 전체의 온도를 균일하게 함으로써 다시 안정시킨다. (S6 : 온수 가열 단계) 유리의 안정 이외에도, 온수에서 재가열함으로써, 유리 표면이 미려해지고 굴곡도가 감소하는 효과가 있다. 온수에 담그는 시간은 유리의 두께에 따라 차이가 있으나 15~20분 정도가 적당하다. 15분 미만일 경우, 유리의 치환층까지 열이 흡수되지 않아 강화층 내부에서도 쌍절이 일어날 수 있으며, 20분을 초과할 경우에는 표면층의 연화를 가져올 수 있다.

이후 치구에 장착된 상태로 1차 세척을 하여 표면에 잔류하는 질산 칼륨을 제거한다. (S7 : 1차 세척 단계)

1차 세척 후에는 강화된 유리를 치구에서 취출하여 건조하고 2차로 정밀 세척을 진행한 후, 건조하여 강화유리를 완성한다. (S8 : 2차 세척 및 건조 단계)

이상에서 설명한 각 단계에서 시간은 중요한 변수가 될 수 없으며, 각 온도별 상태가 중요 변수이다. 특히, 치환 단계에서 온도와 치환 사이에서는 확산율속단계를 따른다. 특히 단위 면적당 필요한 열량은

의 법칙을 따르며 이에 맞도록 히터를 설계하여야 한다. 이온 교환량은 Ohta의 실험식인 M=39/16×△W/S에 의하여 산출되며, 확산에 따른 활성화 에너지는 lnD=D0-Q/RT 로부터 구할 수 있다.

10 치구 11 상부 가롯대 받침
12 하부 지지점 13 하부 가롯대

Claims

알카리 알루미나 실리케이트가 포함된 유리를 치구에 장착하는 단계(S1);
치구에 장착된 유리를 예열로에서 120℃ 부터 278~345℃까지 8회 이상에 거쳐 단계별로 승온시킴으로써 예열하는 단계(S2);
예열된 유리를 380~450℃의 질산칼륨 용액에 1.5 ~ 4시간 침지시켜 유리의 나트륨 이온을 질산칼륨 용액의 칼륨 이온과 치환하는 단계(S3);
예열하는 단계와 역순으로 유리를 70℃까지 8회 이상에 거쳐 단계별로 냉각시키는 단계(S4);
유리를 자연풍이나 대기 상태에서 35℃까지 급냉하는 단계(S5);
유리를 70℃ 온수에 15~20분간 담가 유리 전체의 온도를 균일하게 함으로써 안정화하는 단계(S6);
를 포함하는 강화 유리의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 예열하는 단계(S2)에서, 온도의 1회 상승폭은 50℃미만이며, 승온과 정온을 반복하는 것을 특징으로 하는 강화 유리의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 치환하는 단계(S3)에서, 유리의 상하, 좌우 온도의 편차가 1℃ 미만이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 강화 유리의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 냉각시키는 단계(S4)에서, 온도의 1회 하강폭은 50℃ 미만이며, 강온과 정온을 반복하는 것을 특징으로 하는 강화 유리의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 냉각시키는 단계(S4)에서, 상부 공간을 통해 열을 자연 배출함으로써 감온하는 것을 특징으로 하는 강화 유리의 제조방법.