KR101254424B1

KR101254424B1 - 화학적 강화유리 제조방법

Info

Publication number: KR101254424B1
Application number: KR1020110009144A
Authority: KR
Inventors: 황용운; 강동호; 오승혁; 이병천
Original assignee: 노바테크 (주); 노바테크인더스트리 주식회사
Priority date: 2011-01-29
Filing date: 2011-01-29
Publication date: 2013-04-15
Also published as: KR20120088073A

Abstract

본 발명은 초박형 대면적 유리 기판에 대한 강화처리에 관한 것이다.
초박형으로 가공된 유리 기판의 표면에는 날카로운 형상의 미세 요철이 많아 취약성을 지니며, 강화처리의 지역적 편차가 발생하는 문제가 있다.
따라서 본 발명은, 강화처리에 앞서 에칭 용액으로 상기 미세 요철의 구조를 둥글게 연마하여, 반응 표면적은 크게 하여 화학적 강화처리를 활성화하고, 대면적 유리기판의 전체 표면에서 균일하게 강화되게 하며, 요철 구조 변화에 의해 취약성을 줄여 좀 더 보완된 강화 유리 제조 방법을 제공한다.

Description

화학적 강화유리 제조방법{Chemically Strengthened Glass Manufacturing Method}

본 발명은 강화유리 제조방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는, 디스플레이 패널, 터치 패널, 백라이트 패널 등에 사용되는 초박형 유리 기판의 화학적 강화 처리에 관한 것이다.

일반적으로 유리 강화는 화학적 강화와 물리적 강화가 있다. 화학적 강화는 소다 라임(soda lime) 유리에 함유된 나트륨 이온(Na+

)을 칼륨 이온(K+)으로 화학적으로 치환하여 유리 강도를 높이는 방법이고, 물리적 강화는 판유리를 열처리한 후 유리 표면에 공기를 불어넣고 급랭시켜 유리의 압축강도와 압축 응력을 강화시키는 방법이다. 이러한 유리의 강화처리 중 휴대단말기, T.V.등의 디스플레이 패널, 터치 패널, OLED 조명용 패널, 백라이트 패널 등에 사용되는 초박형 유리 기판의 강화처리는 주로 화학적 강화 방법을 이용하고 있다. 즉, 0.2 내지 1 mm 내외의 초박형 유리 기판을 대면적으로 하여 여러 가지 공정을 진행하여야 하므로 취약성으로 인한 파손 방지와 스크래치 및 핏(pit) 등의 방지를 위해 미리 화학적 강화처리를 하여야 하며, 화학적 강화 처리는 다음과 같이 한다.

화학적 강화 공정은 질산칼륨(KNO₃) 욕조(bath)에 초박형 유리

기판(100)을 넣어 360 내지 450 ℃로 열처리하여 수행한다. 질산칼륨 욕조는 고체

상태의 질산칼륨으로 욕조를 채워 그 녹는점인 334 ℃ 이상으로 승온 하여 질산칼

륨을 용융액 상태로 만들고 여기에 유리 기판을 액침하여 실행한다.

상기와 같은 강화처리를 통해 초박형 유리 기판의 강도가 향상되어 취약성을 극복하고 여러 가지 공정을 거칠 수 있게 된다. 그러나, 상기와 같은 강화공정은 다음과 같은 점에서 취약성을 완전하게 보완하지 못한다. 즉, 유리 기판의 표면은 육안으로 관찰할 수 없는 미세한 요철이 다수 무작위로 분포하고 있고, 이러한 요철은 그 형상이 매우 날카롭게 솟아오르거나 패인 것이 다수 있어, 날카로운 결에 의한 그 자체로서 파손 등의 위험성을 증가시키고, 대면적 유리 기판의 두께 편차도 있게 되므로 화학적 반응성에 있어서도 위치에 따른 차이를 만들어 궁극적으로 유리 기판 전면에 대한 균일한 강도 향상을 가져오지 못하고 위치마다 강도가 달라지는 문제를 나타낸다. 즉, 요철에 의해 날카로운 부분의 반응성은 상대적으로 더 좋아 요철 분포에 따라 유리 기판의 지역적 강도차이를 나타내게 되고 이는 이후 여러 가지 후속 공정에서 대면적 초박형 유리 기판의 파손 위험을 지속시키는 것이다.

따라서 본 발명의 목적은 대면적 유리 기판의 화학적 강화처리에 있어서, 날카로운 형상의 미세 요철로 인한 취약성 및 크랙 발생을 완화하면서도 나노사이즈의 완만한 요철을 형성하여 강화공정에 대한 반응성이 좋도록 전체적인 표면적은 증가시키고, 위치에 따라 강화 정도가 달라지는 문제를 해결하여, 유리 기판 전면에 걸쳐 균일하게 강도가 향상될 수 있는 화학적 강화유리 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은,

유리 기판 표면에 존재하는 뾰족한 모서리를 갖는 미세 요철을 에칭 용액에 의한 에칭으로 상기 모서리를 둥근 미세요철 형상으로 만드는 전처리 단계; 및

상기 전 처리 된 유리 기판을 질산칼륨(KNO₃) 용융액에 침적하여 360 내지 450 ℃에서 2 내지 6 시간 동안 열처리하는 단계;를 포함하고,

상기 전처리 단계는, 유리 기판을 F+이온을 포함한 산성 용액에 침적시켜 에칭하여 상기 둥근 미세요철의 평균 직경은 나노사이즈로 형성하며, 증류수에 침적하여, 유리 기판에 잔류하는 F+이온을 포함한 산성 용액을 제거하고, 초음파를 조사하여 미세요철의 에칭으로 인한 슬러지를 털어내고, 유리 기판을 증류수로부터 5 내지 15 mm/sec의 이송속도로 수직 상승시켜 물의 표면장력을 이용하여 물기를 제거하는 것을 특징으로 하는 화학적 강화 유리 제조방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 화학적 강화 유리 제조방법에 있어서, 상기 전처리 단계는, F⁺이온을 2 내지 5 중량% 포함하는 산성 용액에 30 초 내지 5 분 동안 침적하는 것을 특징으로 하는 화학적 강화 유리 제조방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 화학적 강화 유리 제조방법에 있어서, 상기 전처리 단계를 통해 제거되는 유리 기판 표면의 미세요철의 최고 높이를 포함한 유리 기판의 두께는 2 내지 10 μm 인 것을 특징으로 하는 화학적 강화 유리 제조방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 전처리 단계에서, 증류수에 유리 기판을 침적 한 후, 물의 표면장력을 이용하여 유리 기판을 수직 상승시키는 단계에 있어서, 물의 표면장력을 강화하기 위해, 상기 증류수에 산소 또는 발생기 산소를 발포투입하거나, 과산화수소수를 투입하여 과산화수소수와 증류수를 포함하는 세정액의 농도가 1 내지 3 중량%가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 화학적 강화 유리 제조방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 슬리밍 가공된 유리 기판을 F+이온을 포함한 산성 용액에 침적하여 에칭하고;

상기 유리 기판을 증류수에 침적하여, 유리 기판에 잔류하는 F+이온을 포함한 산성 용액을 제거하고;

초음파를 조사하여 미세요철의 에칭으로 인한 슬러지를 털어내고;

상기 유리 기판을 증류수로부터 5 내지 15 mm/sec의 이송속도로 수직 상승시켜 물의 표면장력을 이용하여 물기를 제거하는 것;을 포함하는 전처리 단계: 및

상기 전 처리 된 유리 기판을 질산칼륨(KNO₃) 용융액에 침적하여 360 내지 450 ℃로 열처리하는 단계;를 포함하고,

상기 전처리 단계의 에칭으로 유리 기판 표면에 둥근 형상의 미세 요철을 무작위로 다수 형성하여 반응 표면적을 크게 하며, 상기 둥근 형상의 미세요철의 평균 직경은 나노사이즈인 것을 특징으로 하는 화학적 강화 유리 제조방법을 제공할 수 있다.

본 발명에 따르면, 갈수록 대면적화 및 초 박판화 추세에 있는 디스플레이용 유리 기판의 강화처리를 좀 더 전 면적에 걸쳐 균일하게 실시할 수 있고, 강화반응 또한 활성화하여 대면적 초박형 유리 기판의 취약성을 더욱 철저히 보완할 수 있다.

도 1은 본 발명의 전처리 공정 전과 전처리 공정 후의 유리 기판 표면의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 전처리 공정에서 표면장력에 의한 물기 제거과정을 나타내는 단면 모식도 이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 일반적으로 유리 기판(100)의 표면에 형성되어 있는 전처리 전 미세 요철(110)을 모식적으로 나타낸 것이다. 편의상 윗면에만 전처리 전 미세 요철(110) 구조를 나타내었으나 이러한 전처리 전 미세 요철(110)은 유리 기판(100)의 양면에 형성되어 있다.

디스플레이 등의 용도로 사용되는 유리 기판의 경우, 갈수록 대면적화하고 있으며, 그 두께도 박형화 내지는 초박형화 하고 있다. 그에 따라 대면적 (초)박형 유리 기판을 가공하는 다양한 공정을 수행에서 취급상 파손 위험이 증가하며, 이러한 대면적 (초)박형 유리 기판의 취약성 극복을 위해 강화처리를 요하는 것이다. 상기 취약성은 유리 기판 표면이 평탄하지 않고 유리 기판의 표면(양면)에 도 1에 나타낸 것과 같이 뾰족한 모서리를 갖는 전처리 전 미세 요철(110)이 무작위로 다수 분포하고 있고 이러한 날카로운 전처리 전 미세 요철(110)은 크랙 발생 등의 문제를 일으킬 수 있다.

또한, 이러한 전처리 전 미세 요철이 일으킬 수 있는 강화처리 공정에서의 문제점은 상술한 바와 같아, 전처리 전 미세 요철(110)을 도 1 하단에서와 같이 그 모서리를 둥글고 완만하게 연마하는 것이 바람직하다. 그에 따라 대면적 (초)박형 유리 기판(100)을 강화공정 실시에 앞서 다음과 같이 전처리할 수 있다.

즉, 2 내지 5 중량% 농도의 F+이온을 포함한 산성 용액(예를 들면 HF 용액)을 제조하고, 상온에서 상기 F+이온을 포함한 산성 용액에 상기 초박형화 된 유리 기판(100)을 30 초 내지 5 분 동안 침적한다. 그러나 F+ 이온의 농도와 침적 시간은 이외에도 상호 조절하여 여러 가지 상태로 최적화할 수 있다. 뿐만 아니라 침적이 아니라 스프레이 또는 다운플로어 방식을 사용하여 에칭 용액(F+이온을 포함한 산성 용액)을 소정의 압력 및 소정의 시간을 조건으로 하여 유리 기판(100)의 양면에 분사하여 미세 요철(110)의 날카로운 모서리를 둥글게 에칭할 수 있다. 이와 같은 에칭 공정을 이용한 전처리 공정을 거쳐 궁극적으로 미세 요철의 구조를 도 1 하단과 같이 둥글고 완만하게 연마하여, 바람직하게는 요철을 포함한 유리 기판의 에칭 제거되는 두께가 대략 2 내지 10 μm 가 되게 한다.

이와 같은 전처리 공정에 의한 전처리 후 미세 요철(115) 구조 변화는 이후 실시하는 화학적 강화 공정에서 유리 기판의 반응 표면적을 여전히 크게 유지하므로 반응성을 좋게 유지하고, 대면적 유리 기판(100)의 전면적에 걸쳐 균일한 강화가 이루어지게 하며, 표면의 미세 요철 구조의 완만함으로 파손의 위험을 훨씬 더 감소시킬 수 있다.

이후, 강산을 씻어내는 세정공정을 거쳐 질산칼륨(KNO₃) 용융액에 침적하여 360 내지 450 ℃로 열처리하여 강화한다.

세정 공정은, 유리 기판을 1차로 증류수에 침적 후 초음파로 약 30초 내지 2 분간 유리 기판의 미세 식각에 의한 잔여물(슬러지)을 털어내고 희석 및 세척하며, 2차로 30 내지 80 ℃의 증류수에 침적 후 초음파로 약 30초 내지 2 분간 재세척하여 1차에 털어내지 못한 잔여물을 모두 제거하고, 3 차로 30 내지 80 ℃내외의 증류수에 침적 후 유리 기판을 증류수 내에 수직으로 한 상태로 천천히 들어 올려 물의 표면장력에 의해 유리 기판의 표면 물기를 제거한다. 즉, 유리 기판에 잔류하는 물기는 강화처리 전에 제거되어야 하는 바, 별도의 에어나이프 등으로 제거할 수도 있으나, 본 발명에서는 좀 더 단순한 장비와 공정으로 설계하였다. 즉, 도 3에서와 같이, 물의 표면장력을 이용하여 자연스럽게 유리 기판에서 물기를 제거하는 것으로, 유리 기판을 증류수로부터 수직상승으로 꺼내는 작업을 5 내지 15 mm/sec의 이송속도로 하여 유리 기판에 물기가 제거되도록 한다.

또한, 물의 표면장력을 강화하기 위해, 증류수 안으로 산소 또는 발생기 산소(오존)를 발포하거나, 미량의 과산화수소수를 투입할 수 있다. 즉, 예를 들면, 전체농도가 1 내지 3 중량% 정도가 되도록 증류수에 과산화수소수를 투입할 수 있다. 물의 표면장력이 작으면, 물기가 서로 뭉쳐 유리 기판으로부터 말끔하게 이탈되지 않을 수 있으므로 상기와 같은 방법으로 물의 표면장력을 크게 하는 것이 유리하다.

상기와 같은 세정 방법은 하기와 같은 세정방법에 비해 세정기를 별도로 사용하지 않고 여러 장의 유리 기판을 한꺼번에 처리할 수 있어서 공정의 단순화, 생산성 증가 및 저비용의 장점을 갖는다.

상기와 다른 또 하나의 세정 공정은 증류수 침적, 약산 세정 및 증류수 침적의 순으로 할 수 있다.

즉, 유리 기판(100)을 증류수에 10 분 이내로 1 차 침적하고, 다시 새로운 증류수에 10분 이내로 2 차 침적하여 강산용액의 성분을 희석한다.

다음, 유리 기판을 수산화나트륨(NaOH)과 같은 알칼리 수용액으로 세정하여 중화반응을 통해 유리 기판에 잔류하여 유리 기판을 부식시킬 수 있는 에칭 용액의 산성 성분을 제거한다.

상기 단계에서 사용되는 알칼리 용액의 PH는 12±2이며, 처리온도는 45±5 ℃ 이고, 처리시간은 10분 정도로 함이 바람직하나 이에 한정되지 않고 각 변수를 상호 조절하여 변형할 수 있다.

처리방법은 세정하고자 하는 유리 기판을 컨베이어에 실어 수평 이송하면서 노즐에 의해 수산화나트륨 용액을 스프레이식으로 유리 기판의 위 아래로 분사시켜 유리 기판을 전체적으로 세정한다. 노즐의 분사 압력은 1.5 ± 0.5 kgf/cm²으로 하고, 유리 기판의 이송속도는 세정에 적절하도록 1.0 내지 2.5 m/min., 바람직하게는 1.5 m/min. 로 한다.

다음, 수산화나트륨 수용액의 강알칼리 성분이 유리 기판에 잔류하지 않도록 유리 기판을 약산으로 세정한다. 사용되는 약산으로는 구연산, 아세트산, 탄산 등이며, 그 PH는 약 3 내지 4로 하여 사용할 수 있다. 약산에 의한 세정 처리 온도는 상온 내지 60 ℃ 정도로 할 수 있으며, 바람직하게는 45±5 ℃ 이고, 세정 방식은 세정하고자 하는 유리 기판을 컨베이어에 실어 수평 이송하면서 노즐에 의해 약산 용액을 스프레이식으로 유리 기판의 위 아래로 분사시켜 유리 기판을 전체적으로 세정하는 방식을 채택한다. 노즐의 분사 압력은 1.5 ± 0.5 kgf/cm²으로 하고, 유리 기판의 이송속도는 세정에 적절하도록 1.0 내지 2.5 m/min., 바람직하게는 1.5 m/min.로 한다. 이러한 세정 조건은 예시적인 것으로 변수들을 상호 조절하여 다른 선택으로도 최적화할 수 있다.

상기 약산 세정 단계 이후, 유리 기판을 증류수(순수)로 세정하여 세정 단계를 마감한다.

화학적 강화 공정은 질산칼륨(KNO₃) 욕조(bath)에 초박형 유리 기판(100)을 넣어 360 내지 450 ℃로 열처리하여 수행한다. 질산칼륨 욕조는 고체상태의 질산칼륨으로 욕조를 채워 그 녹는점인 344 ℃ 이상으로 승온 하여 질산칼륨을 용융액 상태로 하여 만든다. 강화 처리 공정으로서 열처리 공정은 초박형 유리 기판(100)의 취약성을 고려하여 질산칼륨 욕조에 넣기 전에 실온에서부터 서서히 고온의 분위기를 형성하여 300 ℃ 정도의 온도에 머무르게 한다. 질산칼륨 욕조에서의 열처리는 360 내지 450 ℃에서 2 내지 8 시간 동안 액침시킨다. 상기 액침 공정을 통해 소다라임 유리의 구성 성분인 나트륨 이온(Na+)이 칼륨 이온(K+)으로 치환되어 유리 강도를 높이게 된다.

또한, 본 발명의 강화처리 공정은, 슬리밍 가공을 하여 초박형화 된 유리 기판의 취약성 방지에 대해서도 응용될 수 있다. 이 경우, 슬리밍 가공된 유리 기판의 표면은 비교적 평탄면을 이루고 있어 전처리 후 미세 요철(115)이 형성되어 있는 것 보다 표면적이 작다. 따라서, 상술한 바와 같은 전처리 공정을 적용하여 완만한 형상의 전처리 후 미세 요철(115)을 무작위적으로 다수 분포하게 하여 표면적을 크게할 수 있다. 이 경우, 완만한 형상의 미세 요철(115)의 수평면상에서의 평균 직경은 수 nm 내지 수백 nm, 바람직하게는 수십 nm 수준이 되게 한다. 상기와 같은 전처리로 유리 기판의 실질적인 표면적 증가로 강화공정에 따른 강화효율을 더욱 높일 수 있게 된다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

100: 유리 기판
110: 전처리 전 미세 요철
115: 전처리 후 미세 요철

Claims

유리 기판 표면에 존재하는 뾰족한 모서리를 갖는 미세 요철을 에칭 용액에 의한 에칭으로 상기 모서리를 둥근 미세요철 형상으로 만드는 전처리 단계; 및
상기 전 처리 된 유리 기판을 질산칼륨(KNO₃) 용융액에 침적하여 360 내지 450 ℃에서 2 내지 6시간 동안 열처리하는 단계;를 포함하고,
상기 전처리 단계는, 유리 기판을 F+이온을 포함한 산성 용액에 침적시켜 에칭하여 상기 둥근 미세요철의 평균 직경은 나노사이즈로 형성하며, 증류수에 침적하여, 유리 기판에 잔류하는 F+이온을 포함한 산성 용액을 제거하고, 초음파를 조사하여 미세요철의 에칭으로 인한 슬러지를 털어내고, 유리 기판을 증류수로부터 5 내지 15 mm/sec의 이송속도로 수직 상승시켜 물의 표면장력을 이용하여 물기를 제거하는 것을 특징으로 하는 화학적 강화 유리 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 전처리 단계는, F⁺이온을 2 내지 5 중량% 포함하는 산성 용액에 30 초 내지 5 분 동안 침적하는 것을 특징으로 하는 화학적 강화 유리 제조방법.
제2항에 있어서, 상기 전처리 단계를 통해 제거하는 유리 기판 표면의 미세요철의 최고 높이를 포함한 유리 기판의 두께는 2 내지 10 μm 인 것을 특징으로 하는 화학적 강화 유리 제조방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 물의 표면장력을 강화하기 위해, 상기 증류수에 산소 또는 발생기 산소를 발포투입하거나, 과산화수소수를 투입하여 과산화수소수와 증류수를 포함하는 세정액의 농도가 1 내지 3 중량%가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 화학적 강화 유리 제조방법.
슬리밍 가공된 유리 기판을 F+이온을 포함한 산성 용액에 침적하여 에칭하고;
상기 유리 기판을 증류수에 침적하여, 유리 기판에 잔류하는 F+이온을 포함한 산성 용액을 제거하고;
초음파를 조사하여 미세요철의 에칭으로 인한 슬러지를 털어내고;
상기 유리 기판을 증류수로부터 5 내지 15 mm/sec의 이송속도로 수직 상승시켜 물의 표면장력을 이용하여 물기를 제거하는 것;을 포함하는 전처리 단계: 및
상기 전 처리 된 유리 기판을 질산칼륨(KNO₃) 용융액에 침적하여 360 내지 450 ℃로 열처리하는 단계;를 포함하고,
상기 전처리 단계의 에칭으로 유리 기판 표면에 둥근 형상의 미세 요철을 무작위로 다수 형성하여 반응 표면적을 크게 하며, 상기 둥근 형상의 미세요철의 평균 직경은 나노사이즈인 것을 특징으로 하는 화학적 강화 유리 제조방법.