KR101302664B1 - 강화유리 제조방법 및 이로부터 제조된 강화유리 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고압 분위기에서 이온 교환시킴으로써 유리 표면층의 나트륨 이온과 칼륨 이온의 이온 교환 반응속도를 촉진시켜 실용적인 표면 압축 응력을 얻는데 소요되는 시간을 획기적으로 줄이고 압축응력층의 깊이를 깊게 형성할 수 있는 강화유리 제조방법을 개시한다. 본 발명에 의한 강화유리 제조방법은, 전이 온도 이하로 예열된 박판유리를 200~400℃의 질산칼륨 용액에 침지시켜 박판유리의 표면에 압축응력층을 형성하는 화학 강화 처리 단계를 포함하며, 상기 화학 강화 처리 단계는 대기압 보다 높은 고압 분위기(약 2Kg/㎠ 내지 1000Kg/㎠)에서 수행되는 것을 특징으로 한다. 여기서, 박판유리의 예열 온도는 300~450℃ 이며, 상기 박판유리의 강화 시간은 수분 내지 수십분이다.

Description

강화유리 제조방법 및 이로부터 제조된 강화유리{MANUFACTURING METHOD OF STRENGTHED GLASS AND STRENGTHED GLASS THEREBY}

본 발명은 강화유리 제조방법에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 휴대전화기나 휴대정보단말기, 네비게이션 등과 같은 각종 디스플레이장치의 액정 표시창에 사용되는 강화유리를 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 유리의 강화는 크게 물리적 강화와 화학적 강화로 나뉜다.

물리적 강화는 두께 5mm 이상의 유리를 550℃ 내지 700℃ 사이의 온도로 가열한 후 급냉함에 따라 유리의 내부 강도를 강화하는 방식으로, 강화 유리문, 자동차용 유리 등의 제조에 주로 사용된다. 그러나 이러한 물리적 강화는 유리 표면층과 중심층 사이의 온도차를 충분히 낼 수 없는 박판유리(3mm 이하)에는 적용이 불가능하고, 열팽창 계수가 작은 유리의 경우에는 강화가 잘 안되며, 복잡한 형상을 갖는 유리의 경우에는 각 부분이 균일한 온도차를 가지지 않는 단점이 있고, 비교적 고온(연화온도 부근)에서 작업이 수행되기 때문에 변형의 발생 가능성이 있다.

한편, 화학적 강화는 박판유리를 450℃의 질산칼륨 용액에서 3시간 이상 침지함에 따라 유리에 있는 나트륨 이온과 질산칼륨용액의 칼륨 이온을 서로 치환시켜 유리를 강화하는 것으로, 주로 2mm 이하의 박판유리를 강화하는데 이용된다.

상기 화학적 강화는 이온 교환을 통해 유리를 강화하는 것으로, 박판유리 및 복잡한 형상의 유리 모두 강화 가능하며, 조작중 변형의 우려가 없고 정밀도가 높은 장점과 함께 강도면에서 물리적 강화보다 우수하며, 강화 후 절단 가공 등이 가능한 장점이 있다.

상기와 같은 화학적 유리 강화방법은, 먼저 강화시키고자 하는 유리를 300~450℃ 범위의 전이 온도 이하에서 가열시키고, 다른 한편으로는 질산칼륨염을 380℃ 이상의 온도에서 용융시켜 이 용융염에 미리 가열된 유리를 침지한 후 일정시간 이상 유지시킴으로써 유리의 표면에 소정의 압축응력층을 형성하여 강화시키는 방법이다.

그러나, 상기와 같은 종래의 화학적 유리 강화방법은 실용적인 표면 압축응력을 얻기 위해서 수시간 내지 수십시간의 장시간이 요구됨으로써 생산성이 저하되는 문제가 있고, 또한, 상기와 같이 장시간 처리에도 불구하고 압축응력층의 깊이가 깊지 않아 강화유리의 강도 및 경도 개선에 한계가 있는 등 개선이 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 고압 분위기에서 이온 교환시킴으로써 유리 표면층의 나트륨 이온과 칼륨 이온의 이온 교환 반응속도를 촉진시켜 실용적인 표면 압축 응력을 얻는데 소요되는 시간을 획기적으로 줄이고 압축응력층의 깊이를 깊게 형성할 수 있는 강화유리 제조방법 및 이 방법에 의해 제조되는 강화유리를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 강화유리 제조방법은, 전이 온도 이하로 예열된 박판유리를 200~400℃의 질산칼륨 용액에 침지시켜 박판유리의 표면에 압축응력층을 형성하는 화학 강화 처리 단계를 포함하고, 상기 화학 강화 처리 단계는 대기압 보다 높은 압력 고압 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 고압은 2Kg/㎠ 내지 1000Kg/㎠인 것이 바람직하다.

또한, 상기 박판유리의 예열 온도는 300~450℃ 이며, 박판유리의 침지 시간은 수분 내지 수십분이다. 즉, 대기압 분위기에서 화학 강화 처리를 수행할 때는 적어도 수십 시간을 침지시켜야 하나, 본 발명에 의하면, 수분 내지 수십분만 침지시켜도 대기압 분위기에서 수십 시간 침지시켜야 얻을 수 있는 깊이와 동일한 깊이의 압축응력층을 얻을 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 강화유리 제조방법은, 일정 두께를 갖는 박판유리를 준비하는 단계; 상기 박판유리를 예열로에서 300~450℃로 예열하는 단계; 고온 염욕로에 질산칼륨을 충진한 후 200~400℃로 가열하는 단계; 상기 질산칼륨 용액에 상기 예열된 박판유리를 침지시키고 고온 염욕로의 내부 압력을 2Kg/㎠ 내지 1000Kg/㎠로 유지시킨 상태에서 일정시간 동안 고압 화학 강화 처리하는 단계; 및 상기 고압 화학 강화 처리된 박판유리를 냉각함과 아울러 박판유리의 표면에 잔류하는 질산칼륨을 제거하는 냉각 및 세척단계;를 포함한다.

본 발명에 의하면, 박판유리를 질산칼륨 용액에 침지시켜 박판유리의 표면에 압축응력층을 형성하는 화학 강화 처리를 대기압 보다 높은, 바람직하게는 2Kg/㎠ 내지 1000Kg/㎠의 고압 분위기에서 수행하기 때문에, 유리 표면층의 나트륨 이온과 칼륨 이온의 이온 교환 반응속도가 촉진되어 실용적인 표면 압축 응력을 얻는데 소요되는 시간을 획기적으로 줄일 수 있다.

부연하면, 일반적인 방법과 같이 대기압 분위기에서 박판유리를 질산칼륨 용액에 침지시켜 압축응력층을 형성하는 방법과 동일한 깊이의 압축응력층을 형성한다고 가정했을 때, 본 발명에 의하면, 강화시간을 수분 내지 수십분 정도로 줄일 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 기존 방법 대비 강화시간을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 압축응력층의 깊이를 보다 깊게 형성할 수 있으므로, 강화유리의 강도 및 경도를 개선할 수 있다.

따라서, 본 발명에 의하면, 기존 약품강화방법에 비하여 더 짧은 시간에 강도와 경도가 개선된 강화유리를 제조할 수 있으므로, 품질 개선 및 생산성 향상을 도모할 수 있으며, 생산성 향상에 따른 제조 비용 절감도 도모할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 강화유리 제조방법의 공정도, 그리고,
도 2는 고온 염욕로에 다수의 박판유리를 수용하여 고압 화학 강화 처리하는 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 실시예들을 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.

또한, 다르게 정의되지 않는 한 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 강화유리 제조방법은, 일정 두께를 갖는 박판유리를 준비하는 단계(S110), 상기 박판유리를 예열로에서 300~450℃로 예열하는 단계(S120), 고온 염욕로에 질산칼륨을 충진한 후 200~400℃로 가열하는 단계(S130), 상기 질산칼륨 용액에 상기 예열된 박판유리를 침지시키고 고온 염욕로의 내부 압력을 대기압 보다 높은, 바람직하게는 2Kg/㎠ 내지 1000Kg/㎠로 유지시킨 상태에서 일정시간 동안 고압 화학 강화 처리하는 단계(S140) 및 상기 고압 화학 강화 처리된 박판유리를 냉각함과 아울러 박판유리의 표면에 잔류하는 질산칼륨을 제거하는 냉각 및 세척단계(S150)를 포함한다.

상기 단계 S110은 강화유리가 적용될 제품에 따라 결정된 일정 두께를 갖는 박판유리를 준비하는 단계이다. 이 때, 박판유리는 모바일(휴대폰, 스마트폰, PDA), LCD TV, LCD 모니터, 네비게이션, MP3, PMP, 노트북 등과 같은 제품마다 조금씩 다르나 약 0.5 내지 3.0mm 정도의 두께를 가질 수 있다.

상기 단계 S120은 상기와 같이 준비된 박판유리를 예열로에서 300 ~ 450℃로 예열하는 단계이다. 상기 예열 온도 및 시간은 박판유리의 두께에 따라 다르나, 약 30분 내지 1시간 30분 정도 예열 처리를 수행한다. 여기서, 예열 온도가 300℃ 이하이면, 박판유리가 충분히 예열되지 않아 다음 공정인 고온 염욕로에서 박판유리 표면의 나트륨 이온이 전이되기 어려우므로 질산칼륨 용액과의 이온치환반응이 이루어지기 곤란하거나 반응시간이 더 걸리게 되는 문제가 생기고, 450℃ 이상으로 하면 예열시 열충격에 의해 파손의 위험이 있고 고온 염욕로에서 나트륨 이온과 칼륨 이온의 급격한 이온치환반응이 발생되어 박판유리의 탄성이 저하되는 등의 품질에 나쁜 영향을 미치게 된다.

한편, 상기 예열로를 구비하는 것은 상기 박판유리가 후술되는 고온 염욕로 내에서 급격히 고온으로 가열되면 박판유리의 조직에 손상 및 파손을 초래할 수 있으므로 이를 방지하기 위함이다. 이러한 예열로는 구체적으로 도시하지 않았으나, 파이프 히터와 원적외선 히터를 교대로 구비하고 송풍기를 이용하여 온도를 조절하도록 구성될 수 있다. 또한 정밀한 온도 제어를 위해 예열로의 내부에 온도센서를 설치하여 온도가 설정치를 초과하면 송풍기의 송풍량을 증가시키고 반대로 미달하면 송풍량을 감소시키도록 구성될 수 있다.

상기 단계 S130은 유리 강화에 사용될 화학약품, 즉 질산칼륨을 고온 염욕로에 넣고 약 200~400℃로 가열하여 액화시키는 단계이다. 상기 화학약품으로는 질산칼륨 이외에 질산나트륨 등이 사용될 수 있다.

상기 고온 염욕로는 본 발명의 특징에 따라 도 2에 나타낸 바와 같이, 질산칼륨(30) 및 다수의 박판유리(40)가 수용되는 본체(10)와 상기 본체(10)를 밀폐하기 위한 커버(11)를 포함한다. 또한, 상기 본체(10)에는 고온 염욕로의 내부를 소정의 압력 상태로 유지시키기 위한 압력발생유닛(20)이 연결된다. 상기 커버(11)는 본체(10)에 대하여 개폐 가능하다.

상기 단계 S140은 고온 염욕로에 수용된 질산칼륨 용액(30)에 박판유리(40)를 침지시켜 일정시간 동안 간접 열처리를 수행하는 단계이다. 이 단계 S140은 본 발명의 특징에 따라 대기압 보다 높은 압력, 바람직하게는 약 2Kg/㎠ 내지 1000Kg/㎠정도의 고압 분위기에서 수행된다. 여기서, 상기 고온 염욕로 내의 압력은 상기 압력발생유닛(20)에 의해 적절한 압력으로 생성될 수 있다.

구체적으로 살펴보면, 상기 고온 염욕로에 박판유리를 강화유리로 제조하기 위한 질산칼륨 분말을 넣고, 약 200~400℃의 온도로 가열하여 질산칼륨을 액화시킨 후 액화된 질산칼륨 용액에 박판유리를 침지시키면, 상기 박판유리의 표면에 분포하는 이온 반경이 작은 나트륨 이온과 질산칼륨 용액의 이온 반경이 큰 칼륨 이온이 서로 치환하여 박판유리의 표면에 이온교환반응에 의한 압축응력층이 형성되어 표면 밀도가 큰 강화유리가 형성되는 것이다.

이 때, 본 발명에서는 상기 고온 염욕로가 2Kg/㎠ 내지 1000Kg/㎠정도의 고압을 유지한 상태로 박판유리에 대한 강화 처리가 이루어진다. 이와 같이 대기압보다 높은 압력 분위기에서 약품 강화 처리를 수행하면 이온치환반응 속도가 촉진됨으로써 강화시간을 획기적으로 줄일 수 있다.

예컨대, 통상 강화유리의 압축응력층의 깊이는, 제조사마다 그리고 적용되는 제품에 따라 약간의 차이는 있으나, 3~4㎛ 정도 형성하고 있는데, 기존에 방법(대기압 분위기에서 강화처리하는 방법)에 의하면 상기와 같은 깊이의 압축응력층을 형성하기 위하여 3~5시간을 질산칼륨 용액에 박판유리를 침지시켜야 한다. 그러나, 본 발명과 같이 대기압보다 높은 압력 분위기에서 약품 강화 처리를 수행하면 동일한 깊이의 압축응력층을 형성한다고 가정했을 때, 강화시간이 1시간 이내로 짧아진다. 즉, 본 발명에 의하면 약 4~5배 정도의 생산성 향상을 도모할 수 있다.

또한, 상기와 같이 고압 분위기에서 약품 강화 처리를 수행하면 강화시간을 획기적으로 짧게 할 수 있음과 아울러 박판유리 표면의 압축응력층이 더 깊게 형성됨으로써 강도 및 경도가 개선된 강화유리를 얻을 수 있다.

여기서, 상기 고온 염욕로의 압력은 박판유리의 두께 및/또는 강화 정도에 따라 적절하게 조절할 수 있다. 즉, 큰 강도 및 경도가 요구되는 경우에는 압력을 높여 압축응력층의 깊이가 더 깊게 형성되도록 할 수 있을 것이다.

상기와 같이, 박판유리에 대한 약품 강화 처리를 수행한 다음에는 강화 처리된 박판유리를 냉각함과 아울러 박판유리에 남아 있는 질산칼륨을 제거하는 냉각 및 세척 단계(S150)를 수행한다.

이러한 냉각 및 세척 단계(S150)는, 구체적으로 도시하지 않았으나, 예를 들어 서냉로에서 질산칼륨 이온과의 이온 치환 과정에서 가열된 박판유리의 온도를 약 100℃ 정도까지 되도록 냉각시킨다. 이렇게 서냉시킴으로써 이온치환된 박판유리의 변형을 방지하는 동시에 잔류하는 응력을 제거할 수 있다.

다음, 상기 서냉로에서 냉각되어 옮겨진 박판유리의 온도를 정온으로 수분 동안 유지시킨다. 이와 같이 냉각시키면 박판유리의 표면이 화학적으로 안정한 구조 강화됨으로써, 강화유리의 강도 등의 물성과 화학적 성질이 장기간 동안 변하지 않게 된다.

마지막으로, 냉수로에서 내부 온도를 정온으로 유지시키면서 박판유리의 표면에 잔류하는 질산칼륨을 세척한다.

상기와 같은 본 발명에 의한 강화유리 제조방법에 따르면, 동일한 두께의 강화유리를 제조하는 경우와 비교하여 보면, 약품 강화에 소요되는 시간을 기존 대비 1/3~1/5 수준으로 줄일 수 있다. 또한, 본 발명에 의해 제조된 강화유리는 동일한 두께의 기존 강화유리에 비해 굽힘강도는 약 3~5배, 내충격성은 약 6~8배 강하고, 경도, 내열성, 투명성 등의 물리적, 화학적 성질에서 탁월한 효과를 나타내었다.

이상에서 본 발명은 특정 실시예에 대하여 설명되었으나, 본 발명의 본질적 특성들을 벗어남이 없이 본 발명이 다른 특정 형태들로 실시될 수 있음이 당업자에게 자명하다. 따라서 나타내어진 실시예들은 모든 관점에서 예시적이며 비제한적인 것으로 고려되어야 하며, 따라서 당업자들에게 자명한 모든 변경들은 그 안에 포함되는 것이다.

10:고온 염욕로 본체 11;커버
20;압력발생유닛 30;질산칼륨용액
40;박판유리

Claims (5)

1. 전이 온도 이하로 예열된 박판유리를 200~400℃의 질산칼륨용액에 침지시켜 박판유리의 표면에 압축응력층을 형성하는 화학 강화 처리 단계를 포함하는 강화유리 제조방법에 있어서,
   상기 화학 강화 처리 단계는 대기압보다 높은 고압 분위기에서 수행하고, 상기 대기압보다 높은 고압 분위기는 2Kg/㎠ 내지 1000Kg/㎠인 것을 특징으로 하는 강화유리 제조방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 박판유리의 예열 온도는 300~450℃ 이며, 상기 박판유리의 강화 시간은 1시간 이내인 것을 특징으로 하는 강화유리 제조방법.
4. 일정 두께를 갖는 박판유리를 준비하는 단계;
   상기 박판유리를 예열로에서 300~450℃로 예열하는 단계;
   고온 염욕로에 질산칼륨을 충진한 후 200~400℃로 가열하는 단계;
   상기 질산칼륨 용액에 상기 예열된 박판유리를 침지시키고 고온 염욕로의 내부 압력을 2Kg/㎠ 내지 1000Kg/㎠로 유지시킨 상태에서 일정시간 동안 고압 화학 강화 처리하는 단계; 및
   상기 고압 화학 강화 처리된 박판유리를 냉각함과 아울러 박판유리의 표면에 잔류하는 질산칼륨을 제거하는 냉각 및 세척단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 강화유리 제조방법.
5. 제1항, 제3항 및 제4항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 따라 제조된 것을 특징으로 하는 터치패널용 강화유리.

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