KR101688672B1 - 강화 유리의 분리방법 - Google Patents

Abstract

강화 유리제품, 특히 강화 유리시트를 적어도 두 개의 조각 중 하나가 미리 결정된 형태 및/또는 치수를 갖도록 분리 또는 분할방법이 제공된다. 결함(flaw)은 상기 유리의 강화된 표면층의 깊이보다 큰 깊이에서 시작되고, 상기 결함으로부터 연장되는 벤트는 상기 유리를 적어도 부분적으로 분리하기 위해 상기 강화된 표면층의 깊이보다 큰 벤트 깊이에서 생성된다. 일 실시 예에 있어서, 상기 벤트는 상기 변형점의 약 50℃ 이하로부터 상기 유리의 변형점 및 어닐링점 사이의 온도까지의 범위에서의 온도로 유리를 가열하는 레이저로 상기 유리를 처리하여 발생된다. 적어도 하나의 강화 표면 및 적어도 200 MPa의 평균 에지 강도를 갖는 적어도 하나의 에지를 갖는 유리 제품이 또한 개시된다.

Description

강화 유리의 분리방법{Method of separating Strengthened glass}

본 출원은 2009년 2월 19일자에 출원된 미국 특허출원 제12/388,935호의 우선권을 주장한다.

본 발명은 강화 유리의 분리방법에 관한 것이다.

유리에 표면 압축 응력 프로파일의 유도는 강화 유리에 대해 잘 알려진 접근법이다. 특히, 이온-교환 공정을 이용하는 유리의 열적 템퍼링(thermal tempering) 또는 화학적 강화는 유리에 잔류 응력을 혼합시키기 위해 사용될 수 있다. 이온 교환에 의한 화학적 강화는 알카리 이온을 함유하는 유리를 상기 유리의 초기의 것보다 큰 알카리 이온을 함유하는 용융염욕(molten salt bath)에 노출하는 단계를 포함한다. 화학적 전위차 때문에, 상기 유리에서 몇몇 이온은 상기 유리의 표면에서 압축 응력(compressive stress)의 발생, 이에 따라 힘의 평형을 유지하기 위해 내부에서 보상 인장 응력(tensile stress)을 유도하는 큰 부피의 층을 생성하는 큰 이온에 의해 대체된다.

열적 템퍼링 또는 화학적 강화가 강하고 내손상성 유리를 만드는 반면, 상기 유리내의 잔류 응력은 화학적으로 강화된 유리의 절단 또는 분리를 어렵게 만든다. 특히, 강화된 유리를 절단하기 위한 기계적 스코링(scoring)에서, 강화된 층은 종종 조절할 수 없는 크랙 전파(crack propagation), 몇몇 경우에 있어서, 유리의 파괴를 초래하는 400 MPa보다 큰 압축 응력 및 약 20 ㎛를 초과하는 깊이를 갖는다. 만약 강화 유리의 기계적 스코링이 가능할지라도, 상기 최종 에지(edge)의 품질은 보다 큰 두께의 유리 조각의 경우에 있어서 특히 떨어진다.

강화 유리제품, 특히 강화 유리시트를 적어도 두 개의 조각 중 하나가 미리 결정된 형태 또는 치수를 갖도록 분리 또는 분할방법이 제공된다. 결함(flaw)은 상기 유리의 강화된 표면층(또는 "층의 깊이"라고도 함)의 깊이보다 깊은 깊이에서 시작되고, 상기 결함으로부터 시작하고, 분리 방향에서 유리 시트를 통해 연장되는 벤트는 상기 유리를 적어도 부분적으로 분리하기 위해 상기 강화된 표면층의 깊이보다 큰 벤트 깊이에 생성된다. 일 실시 예에 있어서, 상기 벤트는 상기 유리의 변형점 약 50℃ 이하로부터 상기 변형점 및 어닐링점 사이의 온도까지의 범위에서의 온도로 유리를 가열하는 레이저로 상기 유리를 처리하여 발생된다. 적어도 200 MPa의 평균 에지 강도를 가지며, 적어도 하나의 화학적으로 강화된 표면 및 분리방법에 의해 형성된 적어도 하나의 에지를 갖는 유리 제품이 또한 개시된다.

따라서, 본 발명의 하나의 관점은 강화 유리시트를 적어도 두 개의 조각으로 분리하는 방법을 제공하는 데 있다. 상기 방법은 변형점, 어닐링점, 두께, 및 서로 실질적으로 평행하고, 다수의 에지에 의해 결합된 제1 표면 및 제2 표면을 가지며, 여기서, 상기 제1 표면 및 제2 표면 중 적어도 하나는 압축 응력하에서 표면으로부터 층의 깊이까지 확장하는 강화된 표면층을 갖는 강화 유리시트를 제공하는 단계; 상기 강화 유리시트 내에 상기 층의 깊이보다 큰 결함깊이에서 결함을 시작하는 단계; 및 상기 강화 유리시트를 적어도 두 개의 조각으로 적어도 부분적으로 분리하기 위해 상기 결함에서 시작하여 상기 층의 깊이와 같거나 큰 벤트(vent) 깊이에서 상기 강화 유리시트를 따라 분리방향으로 상기 결함으로부터 확장되는 벤트을 형성시키는 단계를 포함한다.

본 발명의 두 번째 관점은 강화 유리시트에 벤트를 형성하는 방법을 제공하는 데 있다. 상기 강화 유리시트는 변형점 및 어닐링점, 인장 응력 하에서 중앙 영역(central region), 및 압축 응력 하에서 표면으로부터 상기 층의 깊이까지 확장하는 강화된 표면층을 갖는다. 상기 방법은: 상기 강화 유리시트 내에 상기 층의 깊이보다 큰 결함깊이에서 결함을 시작하는 단계; 및 상기 강화 유리시트를 레이저 빔으로 조사하는 단계 및 상기 벤트를 형성하기 위해 상기 변형점의 약 50℃ 이하로부터 상기 강화 유리시트의 변형점 및 어닐링점 사이의 온도까지의 범위에서의 온도로 벤트 깊이에서 벤트 방향을 따라 상기 강화 유리시트를 가열하는 단계를 포함하고, 여기서 상기 벤트 깊이는 상기 층의 깊이와 같거나 크며, 상기 벤트는 상기 결함으로부터 시작되고 연장된다.

본 발명의 세 번째 관점은 강화 유리제품을 제공하는 데 있다. 상기 강화 유리제품은 인장 응력 하에서 중앙 영역, 및 압축 응력 하에서 상기 표면으로부터 층의 깊이까지 확장하는 적어도 하나의 강화된 표면층, 및 적어도 하나의 에지를 가지며, 여기서 상기 적어도 하나의 에지는 적어도 200 MPa의 평균 에지 강도를 갖는다.

이러한 관점 및 다른 관점, 장점, 및 특징은 하기 상세한 설명, 첨부한 도면 및 청구항들로부터 좀 더 명백해질 수 있다.

본 발명은 강화 유리시트를 적어도 두 개의 조각으로 용이하게 분리할 수 있고, 본 발명에 따른 유리 제품은 내치핑성(chipping) 및 내스크래칭성을 갖는다.

도 1은 강화 유리시트의 개략적인 단면도; 및
도 2는 벤트를 생성하기 위해 레이저로 처리된 강화 유리시트의 개략적인 단면도이다.

하기 상세한 설명에 있어서, 같은 참조 문자는 도면에서 동일 또는 이에 대응하는 부분을 의미한다. 또한, 특별한 언급이 없으면, "상부", "하부", "외부", "내부" 등등의 특정 용어는 통상의 단어로써 한정하는 용어로는 해석되지 않는다. 부가적으로, 그룹이 요소의 그룹 및 이들의 조합의 적어도 하나를 포함하는 것으로 기술될 때, 상기 그룹은 이들 인용된 요소를 독립적으로 또는 서로의 조합의 어떤 부재를 포함, 필수적으로 이루어진, 또는 이루어진 것일 수 있다. 유사하게, 그룹이 요소의 그룹 및 이들의 조합의 적어도 하나로 이루어진 것으로 기술될 때, 상기 그룹은 이들 인용된 요소를 독립적으로 또는 서로의 조합의 어떤 부재로 이루어진 것일 수 있다. 특별한 언급이 없는 한, 인용된 값의 범위는 상기 범위의 상한 및 하한을 모두 포함한다.

일반적으로, 도면, 특히, 도 1을 참조하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명하지만, 본 발명이 도면에 첨부된 내용에 한정되는 것은 아니다. 도면은 스케일, 특정 특징, 및 특정 부분을 간결하고 명확한 관점에서 과장된 스케일 또는 개략적으로 도시될 수 있다.

본 발명에 사용된 바와 같이, 용어 "변형점(strain point)"은 유리의 점도 η가 10^14.5 Poise 일 때의 온도를 의미하고, 용어 "어닐링점(anneal point)"은 유리의 점도 η가 10¹³ Poise 일 때의 온도를 의미한다.

유리 시트는 열적 또는 화학적으로 강화될 수 있다. 열적 강화(또한 "열적 템퍼링"이라고도 함)에 있어서, 유리 시트는 유리의 표면에 강화 층을 생성시키기 위해 유리의 변형점보다 큰 온도, 그러나 유리의 연화점 이하의 온도까지 가열되고, 변형점 이하의 온도로 빠르게 냉각된다. 선택적으로, 유리 시트는 이온 교환과 같은 공지의 공정에 의해 화학적으로 강화될 수 있다. 상기 공정에 있어서, 상기 유리의 표면층에 이온은 같은 원자가 또는 산화 상태를 갖는 큰 이온(larger ions)으로 대체 또는 교환된다. 이온 교환 공정은 상기 큰 이온을 함유하는 용융염욕에 유리를 침지시켜 통상적으로 수행된다. 알카리 알루미노실리케이트 유리에 있어서, 예를 들어, 상기 유리에서 리튬과 같은 작은 알카리 금속 양이온(metal cations)은 소듐, 포타슘, 루비듐, 또는 세슘과 같은 큰 알카리 금속 양이온에 의해 대체될 수 있다. 비슷하게, 상기 유리에서 소듐 이온은 포타슘, 루비듐, 또는 세슘과 같은 큰 이온에 의해 대체될 수 있다. 작은 이온을 큰 이온으로 대체는 상기 유리의 표면층에 압축 응력의 발생을 유도하는 큰 부피의 표면층을 생성한다. 결론적으로, 보상 인장 응력이 유리의 내부 영역에서 발생하여 힘들 사이에 평형을 유지한다.

열적 및 화학적 강화가 강하고, 내손상성 유리를 만드는 반면, 상기 유리내의 잔류 응력은 강화 유리의 절단 또는 분리를 어렵게 만든다. 특히, 기계적 스코링에 의해 약 400 MPa보다 큰 압축 응력 및 약 20 ㎛를 초과하는 층의 깊이를 갖는 강화 유리를 절단하려는 시도는 종종 조절할 수 없는 크랙 전파, 몇몇 경우에 있어서, 유리의 파괴를 초래한다. 만약 강화 유리의 기계적 스코링이 가능할지라도, 상기 최종 에지의 품질은 특히 보다 큰 두께의 유리 조각의 경우에 있어서 떨어진다.

따라서, 강화 유리 - 특히 이온 교환에 의해 강화된 유리 -의 절단 또는 분리 문제의 해법은 여기에 기술된 상기 유리를 조절가능한 분할, 분리 또는 절단하는 방법에 의해 제공된다. 이하 사용된 "절단", "분할", "분리"와 같은 용어는 상호교환적으로 사용되며, 시트와 같은 유리 제품을 물리적 수단에 의해 둘 이상의 조각으로 분리 또는 분할하는 것을 의미한다. 상기 분리는 유리를 원하는 또는 미리 결정된 평면 또는 선을 따라 실질적으로 분할시켜 적어도 두 개의 조각을 얻도록 지각(sense)하에서 안내되고 조절되며, 여기서 상기 조각의 적어도 하나는 원하는 또는 미리 결정된 외형 및 치수를 가지며, 나머지는 랜덤한 크기 및/또는 형태의 조각으로 분할된다. 일 실시 예로 기술된 방법은 강화 유리시트를 제공하는 단계, 상기 강화 유리시트의 강화된 층의 깊이 또는 층의 깊이 이하 결함 깊이에서 결함을 시작하는 단계, 상기 층의 깊이보다 큰 깊이에서 상기 강화 유리시트 내의 상기 결함에서 시작하여 확장되는 벤트를 형성시키는 단계, 및 원하는 외형 및 치수를 갖는 적어도 두 개의 조각으로 상기 벤트를 따라 상기 강화 유리시트를 분리하기 위해 응력을 생성하는 단계를 포함한다.

제1 단계에서, 상기 방법은 실질적으로 서로 평행 - 또는 형상이 일치하는 - 제1 표면 및 제2 표면을 갖는 화학적으로 강화 유리시트를 제공하는 단계를 포함한다. 상기 강화 유리시트는 평면이 아닌 것이 요구된다. 상기 강화 유리시트는 예를 들어, 적어도 하나의 곡면, 또는 이와 같은 것을 갖는 3차원 시트일 수 있다. 상기 제1 표면 및 제 2표면은 적어도 하나의 에지에 의해 서로 연결되고 결합된다. 상기 제1 표면 및 제2 표면의 적어도 하나는 유리의 표면으로부터 층의 깊이까지 확장되는 압축 응력하에서의 강화된 표면층을 갖는다. 일 실시 예에 있어서, 상기 제1 및 제2 층 모두는 강화된 표면층을 갖는다.

도 1에 강화 유리시트의 단면도를 개략적으로 도시하였다. 강화 유리시트(100)는 두께 t 및 길이 l , 서로 실질적으로 평행한 제1 표면(110) 및 제2 표면(120), 및 제1 표면(110)과 제2 표면(120)을 결합하는 에지(130)를 갖는다. 유리 시트(100)는 열적 또는 화학적으로 강화되고, 제1 표면(110) 및 제2 표면(120)으로부터 각각 각 표면 아래의 깊이 d ₁ , d ₂ 까지 확장하는 강화된 표면층(112, 122)을 갖는다. 강화된 표면층(112, 122)은 압축 응력하에 있다. 부가적으로, 강화 유리시트(100)는 신장(tension) 또는 인장 응력하에서의 중앙 영역(115)을 갖는다. 확장된 강화 표면층(112, 122)인 상기 깊이 d ₁ , d ₂ 는 일반적으로 독립적인 "층의 깊이"를 의미한다. 일 실시 예에 있어서, 제1 표면(110) 및 제2 표면(120)의 오직 하나만 강화된다; 예를 들어, 제1 표면(110)은 화학적 또는 열적으로 강화되어 강화된 표면층(112)을 갖지만, 반면에 제2 표면(120)은 강화되지 않는다. 에지(130) 부분(132)은 강화 공정의 결과로서 또한 강화될 수 있다. 두께 t 는 적어도 약 100 ㎛ (0.1 ㎜)이고, 일반적으로 약 100 ㎛으로부터 약 3 ㎜까지의 범위이다. 일 실시 예에 있어서, 약 500 ㎛ (0.5 ㎜)으로부터 약 3 ㎜까지이다.

이하 기술된 방법은 당 업계에 알려진 수단에 의해 열적 또는 화학적으로 강화된 어떤 유리를 분리하는데 사용된다. 일 실시 예에 있어서, 상기 강화된 유리는 알카리 알루미노실리케이트 유리이다. 일 실시 예에 있어서, 상기 유리는 60∼70 mol% SiO₂; 6∼14 mol% Al₂O₃; 0∼15 mol% B₂O₃; 0∼15 mol% Li₂O; 0∼20 mol% Na₂O; 0∼10 mol% K₂O; 0∼8 mol% MgO; 0∼10 mol% CaO; 0∼5 mol% ZrO₂; 0∼1 mol% SnO₂; 0∼1 mol% CeO₂; 50 ppm 미만의 As₂O₃; 및 50 ppm 미만의 Sb₂O₃을 포함하고; 여기서 12 mol% ≤ Li₂O + Na₂O + K₂O ≤ 20 mol% 및 0 mol% ≤ MgO + CaO ≤ 10 mol%이다. 다른 실시 예에 있어서, 상기 유리는 64 mol% ≤ SiO₂ ≤ 68 mol%; 12 mol% ≤ Na₂O ≤ 16 mol%; 8 mol% ≤ Al₂O₃ ≤ 12 mol%; 0 mol% ≤ B₂O₃ ≤ 3 mol%; 2 mol% ≤ K₂O ≤ 5 mol%; 4 mol% ≤ MgO ≤ 6 mol%; 및 0 mol% ≤ CaO ≤ 5 mol%을 포함하고, 여기서: 66 mol% ≤ SiO₂ + B₂O₃ + CaO ≤ 69 mol%; Na₂O + K₂O + B₂O₃ + MgO + CaO + SrO > 10 mol%; 5 mol% ≤ MgO + CaO + SrO ≤ 8 mol%; (Na₂O + B₂O₃) - Al₂O₃ ≤ 2 mol%; 2 mol% ≤ Na₂O - Al₂O₃ ≤ 6 mol%; 및 4 mol% ≤ (Na₂O + K₂O) - Al₂O₃ ≤ 10 mol%이다. 또 다른 실시 예에 있어서, 상기 유리는: 66.7 mol% SiO₂; 10.5 mol% Al₂O₃; 0.64 mol% B₂O₃; 13.8 mol% Na₂O; 2.06 mol% K₂O; 5.50 mol% MgO; 0.46 mol% CaO; 0.01 mol% ZrO₂; 0.34 mol% As₂O₃; 및 0.007 mol% Fe₂O₃의 조성을 갖는다. 다른 실시 예에 있어서, 상기 유리는: 66.4 mol% SiO₂; 10.3 mol% Al₂O₃; 0.60 mol% B₂O₃; 4.0 mol% Na₂O; 2.10 mol% K₂O; 5.76 mol% MgO; 0.58 mol% CaO; 0.01 mol% ZrO₂; 0.21 mol% SnO₂; 및 0.007 mol% Fe₂O₃의 조성을 갖는다. 상기 유리는, 몇몇 실시 예에 있어서, 실질적으로 리튬이 없는 반면, 다른 실시 예에 있어서, 상기 유리는 비소, 안티몬, 및 바륨 중 적어도 하나가 실질적으로 없을 수 있다. 상기 유리는 또한 공지의 슬롯 인발 또는 용융 인발 공정과 같은 방법에 의해 인발될 수 있다. 이 경우에 있어서, 상기 유리는 적어도 130 kpoise의 액상 점도를 갖는다. 이러한 알카리 알루미노실리케이트 유리의 비-제한 예들이 2007년 5월 22자에 "Down-Drawable, Chemically Strengthened Glass for Cover Plate"란 명칭으로 출원된 미국 예비특허출원 제60/930,808호를 우선권 주장하여 2007년 7월 31자에 동일한 명칭으로 출원된 Adam J. Ellison et al.의 미국 특허출원 제11/888,213호; 2007년 11월 29자에 "Glasses Having Improved Toughness and Scratch Resistance"란 명칭으로 미국 예비특허출원 제61/004,677호를 우선권 주장하여 2008년 11월 25자에 동일한 명칭으로 출원된 Matthew J. Dejneka et al.의 미국 특허출원 제12/277,573호; 2008년 2월 26자에 "Fining Agents for Silicate Glasses"란 명칭으로 Matthew J. Dejneka et al.에 의해 출원된 미국 예비특허출원 제61/067,130호; 2008년 2월 29자에 "Ion-Exchanged, Fast Cooled Glasses"란 명칭으로 Matthew J. Dejneka et al.에 의해 출원된 미국 예비특허출원 제61/067,732호; 및 2008년 8월 8자에 "Chemically Tempered Cover Glass"란 명칭으로 Kristen L. Barefoot et al.에 의해 출원된 미국 예비특허출원 제61/087,324호에 개시되어 있으며, 이들의 전체적인 내용은 여기에 참고 문헌으로 포함된다.

전술한 바와 같이, 상기 유리는, 일 실시 예에 있어서, 상기 유리의 표면층의 이온이 동일한 원자가 또는 산하 상태를 갖는 큰 이온으로 대체되는 이온 교환 공정에 의해 화학적으로 강화된다. 특정 실시 예에 있어서, 상기 표면층의 이온 및 큰 이온은 Li⁺ (유리에 존재하는 경우), Na⁺, K⁺, Rb⁺, 및 Cs⁺와 같은 1가의 알카리 금속 양이온이다. 선택적으로, 상기 표면층의 1가의 양이온은 Ag⁺ 등등과 같이 알카리 금속 양이온을 제외한 1가 양이온으로 대체될 수 있다.

비-제한 실시 예에 있어서, 알카리 알루미노실리케이트 유리 샘플은 아래에 기술된 방법을 사용하여 절단된다. 상기 샘플은 상술한 범위 내의 조성을 갖는다. 각각의 샘플은 410℃에서 KNO₃로 이루어진 용융염욕에 침지시켜 이온 교환에 의해 강화된다. 침지 시간은 약 0.5 시간으로부터 약 7 시간까지이다. 이온 교환 처리는 약 200 MPa으로부터 약 800 MPa까지의 압축 응력을 갖는 약 10으로부터 적어도 50 ㎛까지의 층 깊이를 갖는 강화된 유리를 결과한다.

일 실시 예에 있어서, 상기 강화된 유리의 층의 깊이는 적어도 20 ㎛이다. 상기 층의 압축 깊이는 적어도 200 MPa의 압축 응력 및 약 100 MPa 미만의 중앙인장을 갖는다. 압축 응력 및 층의 깊이는 통상적으로 기본 유리와 비교하여 교환된 층의 굴절률의 변화에 의해 유도된 광도파로 효과를 이용하여 측정된다.

이온 교환 공정은 통상적으로 상기 유리에서 작은 이온과 교환될 큰 이온을 함유하는 용융염욕에 유리를 침지시켜 수행된다. 욕 조성물 및 온도, 침지 시간, 염욕에서 유리의 침지의 수, 복수의 염욕의 사용, 어닐링, 세척 등과 같은 부가적인 단계를 포함하나, 이에 제한받지 않는 이온교환 공정에 대한 매개변수는 유리 조성물 및 상기 강화 공정의 결과로서 층의 원하는 깊이 및 유리의 압축 응력에 의해 일반적으로 결정되며, 이는 당업자에게는 자명한 것이다. 이밖에 실시 예에 있어서, 알카리 금속-함유 유리의 이온 교환은 큰 알카리 금속 이온의 질산염, 황산염, 및 염산염과 같은, 그러나 이에 제한받지 않는, 염을 함유하는 적어도 한의 용융욕에 침지시켜 달성될 수 있다. 통상적인 용융염욕의 온도는 약 380℃에서 약 450℃가지의 범위이며, 침지 시간은 약 15분에서 약 16 시간까지의 범위이다.

이온 교환 공정의 비-제한 실시 예는 전술한 미국 특허출원 및 예비 특허출원에 제공된다. 부가적으로, 유리가 침지 사이에 세척 및/또는 어닐링 단계를 갖는 다수의 이온 교환 욕조에서 침지되는 이온 교환 공정의 비-제한 실시 예는 2008년 7월 11자에 출원된 "Glass with Compressive Surface for Consumer Applications"이란 명칭으로 Douglas C. Allan et al.의 미국 예비 특허출원 제61/079,995호에 개시되며, 여기서 유리는 다른 농도의 염욕에서 복수의 연속적인 이온 교환처리에서 침지에 의해 강화되고; 2008년 7월 29자에 출원된 "Dual Stage Ion Exchange for Chemical Strengthening of Glass"이란 명칭으로 Christopher M. Lee et al.의 미국 예비 특허출원 제61/084,398호에 개시되며, 여기서 유리는 제1 욕조에서 이온 교환에 의해 강화되고, 유출 이온으로 희석되면, 제1 욕조보다 작은 농도의 유출 이온을 갖는 제2 욕조에 침지시킨다. 미국 예비 특허출원 제61/079,995호 및 제61/084,398호의 전체적인 내용은 본 명세서에 참고문헌으로 포함된다.

다른 실시 예에 있어서, 강화 유리시트(100)는 열적 템퍼링에 의해 강화될 수 있다. 이 기술에 있어서, 강화 유리시트(100)는 강화층(112, 122)을 생성하기 위해 유리의 변형점보다 큰 온도까지 가열되고, 변형점 이하의 온도로 빠르게 냉각된다.

강화 유리시트(100)를 제공하는 단계 이후에, 결함은 상기 유리 시트에서 시작된다. 상기 초기 결함(도 2에서 140)은 층의 깊이 d ₁ 보다 같거나 큰 결함 깊이 d ₃ (도 2)에서 강화된 표면층(112) 밖에서 시작된다. 일 실시 예에 있어서, 도 2에 도시한 바와 같이, 결함(140)은 에지(130) 및 제1 표면(110)에서 시작되어 강화된 표면층(112)의 깊이를 통해 중앙 영역(115)으로 확장될 수 있다. 선택적으로, 결함(140)은 에지(130) 및 제2 표면(120)에서 시작되어 강화된 표면층(112)의 깊이를 통해 중앙 영역(115)으로 확장될 수 있다. 결함(140)은, 일 실시 예에 있어서, 스크라이빙(scribing) 등등과 같은 기계적 수단에 의해 생성될 수 있다. 선택적으로, 결함(140)은 나노초 이하(예를 들어, 피코초 및 펨토초(femtosecond))를 갖는 짧은 레이저 펄스에 의해 시작될 수 있다.

벤트(도 2에서 150)은 그 다음 상기 강화 유리시트(100)에 형성된다. 도 2에서, 벤트(150)는 결함(140)에서 시작하여 강화 유리시트(100)의 길이 l 과 평행한 도 2의 벤트 방향을 따라 확장된다. 벤트(150)는 유리 내에서 분자 수준으로 결합을 깨트리고, 강화 층(112)의 깊이 d ₁ 보다 큰 벤트 깊이 d ₄ 에 형성된다. 일 실시 예에 있어서, 벤트(150)는 전부 또는 전체이고, 강화 유리시트(100)의 전체 두께 t 를 관통한다. 다른 실시 예에 있어서, 벤트(150)는 부분적이고, 강화 유리시트(100)의 전체 두께 t 를 관통하지 않는다. 부분 벤트는 또한 "중간 크랙(median crack)"이라고도 한다.

상기 벤트(150)는, 일 실시 예에 있어서, 레이저 빔(160)으로 강화 유리시트(100)를 가열하여 형성되고, 그 다음, 초기 결함(140)에서 퀀칭된다. 결함(140)이 시작되는 강화 유리시트(100)의 표면은 레이저 빔(160)으로 가열된다. 도 2에 있어서, 예를 들어, 결함(140)은 제1 표면(110)에서 시작되고, 그 다음 레이저(160)로 가열된다. 강화 유리시트(100)는 강화 유리시트(100)의 변형점 약 50℃ 이하로부터 강화 유리시트(100)의 변형점 및 어닐링점 사이의 온도 범위까지의 온도로 전체 길이 l 을 따라 강화 유리시트(100)를 국소적으로 가열하는 긴 타원형 레이저 빔(160)에 의해 가열된다. 강화된 유리 몸체(100)가 이온 교환에 의해 화학적으로 강화된 몇몇 실시 예에 있어서, 강화 유리시트(100)는 변형점 및 어닐링점 사이의 온도로 레이저 빔(160)에 의해 가열된다. 초기 결함(140)에서 적용된 후속 퀀칭과 조합하여, 레이저 빔(160)은 온도 구배를 형성함에 따라 인장 응력을 생성한다. 상기 레이저 빔(160)에 의한 국소적 가열은 벤트(150)에 인장 응력을 생성하고, 압축 응력은 강화 유리시트(100) 내의 힘의 균형을 위하여 유리 주변 벤트(150)에 생성된다. 벤트(150)를 따라 강화 유리시트(100)를 퀀칭하는 것은 온도 구배의 증가 및 강화 유리시트(100)의 두께 t 를 통하여 벤트 방향 또는 분리 방향을 따라 벤트(150)의 빠른 확장을 시작하게 하고, 이에 따라 강화 유리시트(100)가 벤트(150)를 따라 분리되는 것을 유발시킨다. 몇몇 예에 있어서, 단독으로 강화 유리시트(100)의 가열은 퀀칭없이 강화 유리시트(100)를 분리하는데 충분하다. 그러나, 다른 실시 예에 있어서, 낮은 온도로 가열하여 강화 유리시트(100)를 분리, 및 분리공정에 대한 조절가능한 기준(즉, 조절된 또는 안내된 방법에서 미리 결정된 선 또는 평면을 따라 분리될 수 있는 강화 유리시트를 허락)을 제공할 수 있기 때문에 퀀칭은 바람직하다.

레이저 빔(160)은 미리 결정된 속도로 방향(162)으로 강화 유리시트(100)를 가로질러 이동된다. 이러한 이동은 레이저 빔(160), 강화 유리시트(100), 또는 이들 모두의 움직임에 의해 달성될 수 있다. 상기 벤트 깊이 d ₄ 는 이동 속도, 레이저 빔(160)의 길이, 및, 어느 정도까지는, 레이저 빔(160)의 에너지 프로파일에 의존한다. 일 실시 예에 있어서, 상기 벤트 깊이 d ₄ 는 상기 강화 유리시트(100)의 두께 t 와 동일하고, 이에 따라 제1 표면(110) 및 제2 표면(120)에 수직이고, 벤트(150)를 포함하는 미리 결정된 평면을 따라 적어도 두 개의 조각으로 상기 강화 유리시트의 완전한 분리를 허용한다; 예를 들어, 강화 유리시트(100)는 미리 결정된 라인 l 을 따라 분할된다.

상기 층의 깊이 d ₁ 이 20 ㎛ 미만 또는 표면층(110, 120)의 오직 하나만 강화된 실시 예에 있어서, 벤트 깊이 d ₄ 는 상기 강화 유리시트(100)의 두께 t 미만이다. 이러한 조건 하에서, 강화 유리시트(100)의 부분적 분리는 몇몇 경우에 있어서 달성될 수 있다. 강화 유리시트(100)는 벤트(150)를 따라 스코어 또는 약해진다. 이 경우에 있어서, 강화 유리시트(100)는 상기 벤트(150)를 따라 적어도 두 개의 조각으로 상기 강화 유리시트(100)를 분리시키는 응력을 생성하여 분리된다. 일 실시 예에 있어서, 상기 응력은 열적 구배 및 상응 응력장(stress field)을 생성하는 레이저 빔(160)으로 가열 후 즉시 강화 유리시트(100)를 퀀칭시켜 생성된다. 벤트(150)를 따르는 강화 유리시트(100)의 영역 및 부분의 퀀칭은 통상적으로 강화 유리시트(100)의 표면을 따라 움직임에 따라서 레이저 빔(160)이 따르는 워터젯, 냉각 가스, 에탄올, 물/공기 미스트, 등등과 같은 냉각수류(coolant stream) 또는 젯(jet) (도 2에서 170)을 사용하여 달성된다. 퀀칭 스팀 또는 젯(170)은 약 1㎜으로부터 약 100 ㎜까지 범위의 간격으로 트레일링(trailing) 레이저 빔(160), 또는 트레일(trail) 레이저 빔(160)의 영역 내에서 위치될 수 있다. 상기 퀀칭된 스팀 또는 젯(170)은 통상적으로 약 0.2∼10 ㎜의 크기로 제한되며, 레이저 빔(160)과 함께 배열된다.

상기 레이저 빔(160)의 크기 및 강도 분포는 강화 유리시트의 전체 두께 t 를 통해 강화 유리시트(100)의 유효하고 점진적으로 가열하는데 충분하여, 이에 따라 상기 압축 층(112)의 깊이 d ₁ 보다 더 깊은 벤트(150)를 생성한다. 상기 레이저 빔(160)이 강화 유리시트(100)를 가로질러 이동되는 속도, 빔 길이, 및 상응 빔 잔류시간은 압축 층(112)의 깊이 및 전체 두께 t 를 고려하여 선택된다. 상기 레이저 빔(160)의 파워는 또한 유리의 변형점, 및, 몇몇 예에 있어서, 어닐링점보다 큰 온도로 강화 유리시트(100)의 가열을 피하기 위해 최적화된다. 상기 레이저 빔(160)의 파워는 또한 여기에 기술된 방법을 사용하여 분리시켜 형성된 양질(대표적으로, 예를 들어, 치핑(chipping)의 부재, 낮은 커프(kerf), 및 낮은 수준의 발생된 이물질)의 에지를 얻기 위해 최적화된다.

일 실시 예에 있어서, 긴 타원형 레이저 빔(160)은 실린더형 렌즈(300)를 사용하여 생성되며, 적어도 약 300 ㎜의 길이를 가질 수 있다. 다른 실시 예에 있어서, 레이저 빔은 공지의 스캐닝(scanning) 기술을 사용하여 더욱 길어진다. 이러한 스캐닝 기술은 적어도 500 ㎜의 길이까지 레이저 빔(160)을 길게 할 수 있다.

일 실시 예에 있어서, 벤트(150)는 10.6 ㎛의 파장을 갖는 CO₂ 레이저에 의해 제공된 레이저 빔(160)으로 강화 유리시트(100)를 처리하여 생기게 된다. 표면 흡수 때문에, CO₂ 레이저 방사는 상기 강화 유리시트(100)를 깊게 통과하지 못한다. 상기 10.6 ㎛ 레이저 방사의 효과적인 통과 깊이는 통상적으로 약 1∼10 ㎛의 범위이고, 상기 유리의 흡수, 빔의 길이, 및 빔 이동 속도에 의존한다. 그러나, 상기 레이저 빔(160)에 의해 유도된 열은 상기 강화 유리시트(100)의 두께를 통과하여 상기 강화 유리시트(100)의 응력 또는, 몇몇 예에 있어서, 완전한 분리를 유도하기 위해 상기 강화 유리시트(100)를 통하여 상기 깊은 벤트(150)의 생성을 유발한다.

레이저 빔(160)은 타원형 형상을 이루기 위해 길어질 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 레이저 빔(160)의 길이 또는 주축은 유리가 분리되는 방향 (또는 평면)에서 강화 유리시트(100)의 길이 l 보다 같거나 클 수 있다. 예를 들어, 길이 300 ㎜까지의 강화된 유리 시트는 300 ㎜의 길이를 갖는 레이저 빔을 이용하여 분리될 수 있다.

상기 레이저 빔(160)의 에너지 또는 강도 프로파일은 분리 공정에서의 역할을 수행한다. 다양한 빔 프로파일 및 형상 기술은 당 업계에 잘 알려져 있으며, 여기에 기술된 방법이 사용될 수 있다. 예를 들어, 전통적인 가우시안(Gaussian) 에너지 분포(또한 "TEM00" 또는 "S 모드"라고도 함)를 갖는 레이저 빔은 강화 유리시트를 스코어 및 분리하는데 사용될 수 있다. 선택적으로, "D-모드" (이중) 분포 모드, 이의 "플랫-탑(flat-top)" 변형, 및 D 및 플랫-탑 모드의 조합은 많은 장점을 제공한다. 당 업계에 잘 알려진 TEM01* (두 개의 편광(polarizations) TEM01 및 TEM10을 포함하는 모드) 및 TEM00 (가우시안 "S") 모드의 서로 다른 블렌드(blend)를 대표하는 D 및 "플랫-탑" 레이저 모드는 변형점을 초과하지 않고 상기 강화 유리시트를 가열하는데 S-모드보다 좀더 효과적이다. 레이저 빔(160)은 S 모드 프로파일, D 모드 프로파일 및 플랫 탑 프로파일의 하나를 갖는다. D 및 플랫-탑 모드는 상기 유리에서 초과 잔류 응력을 발생하지 않고 높은 스코링 속도를 허용한다. D 및 "플랫-탑" 모드가 S 모드보다 좀 더 균일하고 폭넓은 에너지 프로파일을 갖기 때문에, 강화 유리시트(100)는 레이저 빔(160)에서 낮은 평균 파워 밀도를 사용하여 스코어될 수 있고, 따라서, 상기 S 모드보다 폭넓은 공정 윈도우를 제공한다.

특정 실시 예에 있어서, 여기에 기술된 방법은 S 모드 뿐만 아니라 얻어질 다른 강도 프로파일을 갖는 레이저 빔을 허용하는 모드를 둘 가진 방식에서 작동할 수 있는 적어도 하나의 고속 축류(fast axial flow) CO₂ 레이저를 사용한다. 하나의 비-제한 실시 예에 있어서, 전술한 바와 같은 강화된 유리 시트를 분리하는데 사용된 CO₂ 레이저는 약 60%의 TEM01* 모드 및 40%의 TEM00 모드로 이루어진 블렌드인 이중 분포(dual distribution) 또는 "D 모드"에서 작동한다. 부가적으로, 상기 내부 레이저 광학장치의 적당한 변형은 40% 이상의 TEM00 모드 비율로 증가 및 최종 모드 프로파일에서 중앙 강도 딥(intensity dip)을 제거 (또는 최소화)하는 TEM00/TEM01* 비(ratio)에서 변화를 허용할 수 있다. 상기 레이저 빔은 두개의 모드를 가지지만 거의 "플랫-탑" 모드 프로파일을 갖는다. D 및 플랫-탑 모두는 여기에 기술된 방법에 대하여 사용될 수 있다. 몇몇 예에 있어서, 상기 D-모드는 그것의 점진적인 2-단계 가열 프로파일 때문에 바람직할 수 있다. 부가적으로, D-모드의 사용은 유리의 변형점 이하의 온도로 강화 유리시트(100)의 가열을 용이하게 한다.

상기 레이저 빔(160)의 길이 및 폭은 변화될 수 있고, 강화 유리시트(100)의 특성 및 요구된 공정 속도에 의존하여 조정될 수 있다. 일반적으로, 긴 레이저 빔은 상기 강화 유리시트(100)의 주어진 부피가 상기 레이저 빔에 노출되는 시간을 증가시킨다. 화학적으로 템퍼드된 알루미노실리케이트 유리를 스코어 또는 분리하기 위하여, 예를 들어, 상기 빔의 길이는 약 200 ㎜보다 길 수 있고, 어떤 구체 예에 있어서, 약 250 ㎜까지 확장될 수 있으며, 다른 구체 예에 있어서, 약 300 ㎜ 이상일 수 있어, 이에 의해 열적 퀀칭 전에 강화 유리시트(100)를 예열을 허용할 수 있다. 선택적으로, 강화 유리시트는 긴 유리 시트의 분리하기 위한 레이저 빔(160)으로 조사되기 전에 제2 긴 타원 레이저 빔(도시되지 않음)에 의해 예열될 수 있다. 제2 레이저 빔은, 예를 들어, 통상의 방법으로 레이저 빔(160)을 분리시켜 생성될 수 있다.

유리 분리 공정에 있어서, 레이저 빔(160) 및 강화 유리시트(100)의 적어도 하나는 강화 유리시트(100)가 스코어 또는 분할될 수 있는 평면 또는 분할선을 따라 형성될 수 있는 중간 크랙 또는 레이저 벤트를 허용하는 방향(162)으로 서로에 대하여 이동된다. 이동 속도 또는 "스코링 속도"는 유리의 특성(예를 들어, 조성물, 층의 깊이, 압축 압력, 중앙 인장, 두께) 및 레이저 빔(160)의 강도, 크기 및 형상에 의존한다. 비-제한 실시 예에 있어서, 이온 교환이 수행되지 않은 1.3 ㎜ 두께의 알루미노실리케이트 유리 시트는 약 200 ㎛의 벤트 깊이(중간 크랙)로 750 ㎜/sec의 스코링 속도를 이용하여 스코링(즉, 완전히 분리되지 않음)된다. 다른 실시 예에 있어서, 7 시간 동안 410℃에서 순수한 KNO₃ 욕조에서 침지시켜 이온교환이 수행되어 약 51∼53 ㎛의 층의 깊이 및 약 725 MPa의 압축 응력을 초래하고, 1.3 ㎜의 두께 및 150∼200 ㎜의 길이를 갖는 알루미노실리케이트 유리 시트는 200 ㎜의 길이 및 150 ㎜/sec의 이동속도를 갖는 레이저 빔을 사용하여 완전히 분리된다.

상술한 방법에 의해 분할, 절단 또는 분리된 강화 유리 플레이트 등과 같은 강화 유리 제품은 또한 제공된다. 상기 강화 유리 제품은 제1 표면, 상기 제1 표면과 실질적으로 평행한 제2 표면, 및 상기 제1 표면과 제2 표면을 연결하는 적어도 하나의 에지를 갖는다. 상기 유리 제품은 전술한 화학적 또는 열적 템퍼링에 의해 강화되어, 제1 표면으로부터 제1 층의 깊이까지 확장하는 제1 강화 층 및 제2 표면으로부터 제2 층의 깊이까지 확장하는 제2 강화 층 중 적어도 하나를 갖는다. 적어도 하나의 에지는 전술한 방법을 이용하는 강화 유리시트(100)를 분리시켜 형성된다. 일 실시 예에 있어서, 상기 적어도 하나의 에지는 강화된 유리 시트의 표면을 조사하여 절단된 에지이다. 적어도 하나의 에지는 강화 유리시트(100)가 적어도 두 개의 조각으로 분리되고, 수평 4-점 벤드 방법(horizontal four-point bend method)에 의해 측정된 적어도 200 MPa의 평균 에지 강도를 갖는 평면을 따라 형성된다.

상기 강화 유리 제품은 화학적 또는 열적으로 강화될 수 있는 유리일 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 상기 강화 유리 제품은 전술한 바와 같은 알카리 알루미노실리케이트 유리이다.

상기 강화 유리 제품은 내치핑(chipping) 및 내스크래칭이어서, 전화기, 음악 플레이어, 비디오 플레이어 등과 같은 이동통신 및 오락장치용 커버 플레이트; 휴대 컴퓨터용 스크린; 또는 우수한 내스크래치성을 갖는 강하고 튼튼한 유리가 요구되는 다른 응용 제품으로의 사용에 적합하다.

통상적인 실시 예들이 본 발명을 설명할 목적으로 기술되었지만, 이러한 기술에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 사상 및 범주 내에서 당업자들에 의해 다양한 변형, 적용 및 선택이 일어날 수 있다.

100: 강화 유리시트 110: 제1 표면
112 및 122: 강화된 표면층 115: 중앙 영역
120: 제2 표면 130: 에지
140: 결함벤트 150: 벤트
160: 레이저 빔

Claims (33)

1. a. 변형점, 어닐링점, 두께, 제1 표면 및 제2 표면을 가진 강화 유리시트로서, 상기 제1 표면 및 제2 표면은 서로 실질적으로 평행하고, 다수의 에지에 의해 결합되며, 상기 제1 표면 및 제2 표면 중 적어도 하나는 적어도 200 MPa의 압축 응력하에서 상기 표면으로부터 적어도 20 ㎛의 층의 깊이까지 확장하는 강화된 표면층을 가지며, 중앙 인장이 100 MPa 미만인 강화 유리시트를 제공하는 단계;
   b. 상기 강화 유리시트 내에 상기 층의 깊이보다 크며 상기 층의 깊이 바깥의 결함 깊이에서 결함을 시작하는 단계; 및
   c. 상기 강화 유리시트를 적어도 두 개의 조각으로 적어도 부분적으로 분리하기 위해 전체 두께를 통해 레이저 빔으로 상기 강화 유리시트를 조사하여 상기 강화 유리시트에 벤트를 형성하는 단계를 포함하며,
   여기서, 상기 벤트는 상기 결함에서 시작하여 상기 층의 깊이와 같거나 큰 벤트(vent) 깊이에서 상기 강화 유리시트를 따라 분리방향으로 상기 결함으로부터 확장되는, 적어도 두 개의 조각으로 강화 유리시트를 분리하는 방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 벤트를 상기 강화 유리시트에 형성시키는 단계는 상기 벤트를 따라 상기 강화 유리시트를 적어도 두 개의 조각으로 분리하기 위해 상기 변형점의 50℃ 이하로부터 상기 강화 유리시트의 변형점 및 어닐링점 사이의 온도까지 범위의 온도로 레이저 빔으로 상기 강화 유리를 분리하기 위해 전체 두께를 통해 상기 강화 유리시트를 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 적어도 두 개의 조각으로 강화 유리시트를 분리하는 방법.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 레이저 빔은 10.6 ㎛의 파장을 가지며, CO₂ 레이저에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 적어도 두 개의 조각으로 강화 유리시트를 분리하는 방법.
4. 청구항 2 또는 3에 있어서,
   상기 레이저 빔은 긴 타원 빔이고, 여기서, 상기 긴 타원 빔은 상기 강화 유리시트의 길이 이상의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 적어도 두 개의 조각으로 강화 유리시트를 분리하는 방법.
5. 청구항 2 또는 3에 있어서,
   상기 방법은 상기 강화 유리시트를 예열하기 위해 상기 강화 유리시트를 제2 긴 타원 레이저 빔으로 조사하는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 적어도 두 개의 조각으로 강화 유리시트를 분리하는 방법.
6. 청구항 2 또는 3에 있어서,
   상기 방법은 상기 벤트를 따라 상기 강화 유리시트를 복수의 조각으로 분리하기 위해 상기 레이저 빔으로 상기 강화 유리시트를 조사한 후에 유체로 상기 강화 유리시트의 일부를 퀀칭(quenching)하여 응력을 생성시키는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 적어도 두 개의 조각으로 강화 유리시트를 분리하는 방법.
7. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 유리는 이온 교환에 의해 강화된 알카리 알루미노실리케이트 유리이고, 60∼70 mol% SiO₂; 6∼14 mol% Al₂O₃; 0∼15 mol% B₂O₃; 0∼15 mol% Li₂O; 0∼20 mol% Na₂O; 0∼10 mol% K₂O; 0∼8 mol% MgO; 0∼10 mol% CaO; 0∼5 mol% ZrO₂; 0∼1 mol% SnO₂; 0∼1 mol% CeO₂; 몰 기준으로 50 ppm 미만의 As₂O₃; 및 몰 기준으로 50 ppm 미만의 Sb₂O₃을 포함하며, 여기서 12 mol% ≤ Li₂O + Na₂O + K₂O ≤ 20 mol% 및 0 mol% ≤ MgO + CaO ≤ 10 mol%인 것을 특징으로 하는 적어도 두 개의 조각으로 강화 유리시트를 분리하는 방법.
8. 청구항 1의 방법에 의해 제조되며, 인장 응력 하에서 중앙 영역, 압축 응력 하에서 표면으로부터 층의 깊이까지 확장하는 적어도 하나의 강화된 표면층, 및 적어도 200 MPa의 평균 에지 강도를 갖는 적어도 하나의 에지를 포함하는 강화 유리제품.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 적어도 하나의 에지는 하기 단계에 의해 형성된 레이저 절단 에지이고:
   a. 변형점 및 어닐링점을 갖는 강화 유리시트를 제공하는 단계;
   b. 상기 강화 유리시트 내에 상기 층의 깊이보다 크고 중앙 영역 내에 있는 결함 깊이에서 결함을 시작하는 단계; 및
   c. 상기 강화 유리제품을 레이저 빔으로 조사하는 단계 및 상기 강화 유리제품을 벤트 깊이에서 상기 변형점의 50℃ 이하로부터 상기 변형점 및 어닐링점 사이의 온도까지의 범위의 온도로 가열하는 단계로서, 상기 가열은 상기 결함으로부터 확장하는 벤트를 형성하고 상기 강화 유리시트를 분리시켜, 강화된 유리제품을 형성시키는 가열 단계, 여기서, 상기 적어도 하나의 에지는 상기 강화 유리시트를 분리시켜 형성된 것을 특징으로 하는 강화 유리제품.
10. 청구항 8 또는 9에 있어서,
    상기 강화 유리제품은 이온 교환에 의해 강화된 알카리 알루미노실리케이트 유리이고, 60∼70 mol% SiO₂; 6∼14 mol% Al₂O₃; 0∼15 mol% B₂O₃; 0∼15 mol% Li₂O; 0∼20 mol% Na₂O; 0∼10 mol% K₂O; 0∼8 mol% MgO; 0∼10 mol% CaO; 0∼5 mol% ZrO₂; 0∼1 mol% SnO₂; 0∼1 mol% CeO₂; 몰 기준으로 50 ppm 미만의 As₂O₃; 및 몰 기준으로 50 ppm 미만의 Sb₂O₃을 포함하며, 여기서 12 mol% ≤ Li₂O + Na₂O + K₂O ≤ 20 mol% 및 0 mol% ≤ MgO + CaO ≤ 10 mol%, 및 여기서 상기 유리는 적어도 130 kpoise의 액상 점도를 갖는 것을 특징으로 하는 강화 유리제품.
11. 청구항 1의 방법에 의해 제조된 강화 유리제품으로서, 상기 강화 유리제품은 인장 응력 하에서 중앙 영역, 및 압축 응력 하에서 적어도 하나의 강화된 표면층을 갖는 강화 유리제품.
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