KR101735514B1 - 알루미노실리케이트 유리 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가볍고 가공성이 좋으며 화학 강화 처리에 적합한 알칼리 알루미노실리케이트 유리 및 그 제조 방법을 개시한다. 본 발명의 일 측면에 따른 유리는, 알칼리 알루미노실리케이트 유리로서, 산화물 기준 몰% 표시로, SiO2 65~75%; Al2O3 0.1~5%; Na2O 12~18%; MgO 2~6%; ZnO 0.1~5%; 및 P2O5 0.1~5%를 함유한다.

Description

알루미노실리케이트 유리 및 그 제조 방법{Aluminosilicate glass and method for manufacturing the same}
본 발명은 유리 제조 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 알칼리 알루미노실리케이트 유리 조성물 및 그러한 유리의 제조 방법에 관한 것이다.
유리, 그 중에서도 평판 유리(flat glass)는 창유리, 차량의 윈도 스크린, 거울 등과 같이 다양한 분야에서 이용되고 있으며, 그 종류 또한 용도에 맞게 매우 다양하게 개발되어 이용되고 있다.
유리는 적용되는 장치나 기기, 장소 등에 따라 여러 가지 다양한 특성이 요구될 수 있다. 그 중, 최근 중요시되고 있는 특성으로서 유리의 기계적 강도를 들 수 있다. 유리는 그 특성상 깨지기 쉬운 특성을 갖고 있기 때문에, 유리의 기계적 강도 향상은 유리의 활용성을 높이는데 있어 매우 중요한 요소라 할 수 있다.
더욱이, 최근에는 스마트폰과 같은 휴대 전화나 휴대용 컴퓨터, 디지털 카메라, PDA 등의 디스플레이 장치가 널리 보급되어 있으며, 이러한 디스플레이 장치에도 유리가 이용될 수 있다. 특히, 이러한 디스플레이 장치에는 터치 패널이 많이 적용되어 있는데, 이러한 터치 패널이 적용된 디스플레이 장치에는 커버 유리가 통상적으로 이용된다.
커버 유리는, 보호 유리라고도 불리며 그 적용 특성상 높은 기계적 강도가 요구된다. 따라서, 이러한 디스플레이 장치에는 커버 유리로서 유리 기판의 기계적 강도를 향상시킨 강화 유리 기판이 주로 이용된다. 강화 유리 기판은, 여러 가지 방식으로 제조될 수 있으나, 주로 이용되는 방식은 유리 기판을 화학적으로 강화시켜 제조하는 방식이다. 이러한 화학 강화 방식은, 일반적으로 유리 기판을 화학적으로 처리, 이를테면 질산칼륨 등의 용액에 유리 기판을 침지시켜 유리 기판에서 이온 교환이 일어나도록 함으로써 수행된다.
이처럼, 화학 강화 유리를 제조하기 위해서는 유리 기판을 화학적으로 처리하고, 이 과정에서 이온 교환을 통해 유리 기판의 기계적 강도가 향상되도록 한다. 따라서, 화학 강화 유리를 제조하기 위해서는, 화학 강화 처리에 적합한, 이를테면 이온 교환 성능이 양호하게 확보될 수 있도록 하는 적절한 조성을 가진 유리가 필요하다.
뿐만 아니라, 유리는 화학 강화에 대한 적합성 이외에도, 다른 여러 물성을 적절하게 갖출 필요가 있다.
예를 들어, 스마트폰이나 PDA, TV 등의 디스플레이 장치에 이용되는 유리의 경우, 경량화가 확보되어야 한다. 특히, 최근에는, TV나 모니터 등과 같은 디스플레이 장치가 점차 대형화되어 가면서, 이에 사용되는 유리의 면적 또한 커져 가고 있다. 이 경우, 유리 자체의 하중에 의한 유리의 휨 현상은 더욱 커질 수 있기 때문에, 이를 방지하기 위해 유리는 보다 가볍게 제조될 필요가 있다. 뿐만 아니라, 이러한 유리가 휴대전화나 PDP, 노트북과 같은 소형 휴대용 디스플레이 장치에 이용되는 경우에는, 휴대성을 높이기 위해 유리의 경량화가 요구된다 할 것이다.
또한, 유리는 적절한 가공성 및 성형성이 확보되어야 한다. 그렇지 않으면, 유리의 가공이나 성형이 용이하지 않아 원하는 형태 및 품질에 맞는 유리 제품을 생산하기 어렵고, 가공이나 성형에 소요되는 에너지 및 시간이 증가하여 유리 제품의 생산성이 감소할 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 가볍고 가공성이 좋으며 화학 강화 처리에 적합한 알칼리 알루미노실리케이트 유리 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명자는 알루미노실리케이트 유리에 대한 거듭된 연구 끝에 바람직한 물성을 가지면서도 화학 강화에 적합한 유리 조성을 발명하였다.
본 발명의 일 측면에 따른 유리는, 알칼리 알루미노실리케이트 유리로서, 산화물 기준 몰% 표시로, SiO2 65~75%; Al2O3 0.1~5%; Na2O 12~18%; MgO 2~6%; ZnO 0.1~5%; 및 P2O5 0.1~5%를 함유한다.
바람직하게는, 상기 알칼리 알루미노실리케이트 유리는, 산화물 기준 몰% 비로, (Al2O3+MgO+ZnO)/P2O5의 값이 2 이상이다.
또한 바람직하게는, 상기 알칼리 알루미노실리케이트 유리는, 산화물 기준 몰% 비로, Na2O/(Al2O3+MgO+ZnO+P2O5)의 값이 0.7~1.3이다.
또한 바람직하게는, 상기 알칼리 알루미노실리케이트 유리는, 산화물 기준 몰% 표시로, SiO2 67~74%; Al2O3 2~5%; Na2O 13~17%; MgO 2.5~5.5%; ZnO 1~5%; 및 P2O5 1~5%를 함유한다.
또한 바람직하게는, 상기 알칼리 알루미노실리케이트 유리는 밀도가 2.46 g/cm3 이하이다.
또한 바람직하게는, 상기 알칼리 알루미노실리케이트 유리는 열팽창 계수가 6.0×10-6/℃ ~ 9.0×10-6/℃이다.
또한 바람직하게는, 상기 알칼리 알루미노실리케이트 유리는 점도 104dPas에서의 온도가 1200℃ 이하이다.
또한 바람직하게는, 상기 알칼리 알루미노실리케이트 유리는 왜곡점이 550℃ 이하이다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 강화 유리는, 상술한 알루미노실리케이트 유리를 화학적으로 강화시킨 유리이다.
바람직하게는, 상기 강화 유리는 표면 압축 응력이 200 MPa 초과이고, 압축 응력층의 두께가 10 um 초과이다.
더욱 바람직하게는, 상기 강화 유리는 표면 압축 응력이 400 MPa 초과이고, 압축 응력층의 두께가 20 um 초과이다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 디스플레이 장치는, 상술한 알루미노실리케이트 유리를 포함한다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 유리 제조 방법은, 알칼리 알루미노실리케이트 유리를 제조하는 방법으로서, 산화물 기준 몰% 표시로, SiO2 65~75%; Al2O3 0.1~5%; Na2O 12~18%; MgO 2~6%; ZnO 0.1~5%; 및 P2O5 0.1~5%를 함유하도록 유리 원료를 조합하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 유리 원료 조합 단계는, 산화물 기준 몰% 비로, (Al2O3+MgO+ZnO)/P2O5의 값이 2 이상이 되도록 상기 유리 원료를 조합한다.
또한 바람직하게는, 상기 유리 원료 조합 단계는, 산화물 기준 몰% 비로, Na2O/(Al2O3+MgO+ZnO+P2O5)의 값이 0.7~1.3이 되도록 상기 유리 원료를 조합한다.
또한 바람직하게는, 상기 유리 원료 조합 단계는, 산화물 기준 몰% 표시로, SiO2 67~74%; Al2O3 2~5%; Na2O 13~17%; MgO 2.5~5.5%; ZnO 1~5%; 및 P2O5 1~5%를 함유하도록 한다.
또한 바람직하게는, 제조된 유리의 밀도가 2.46 g/cm3 이하이다.
또한 바람직하게는, 제조된 유리의 열팽창 계수가 6.0×10-6/℃ ~ 9.0×10-6/℃이다.
또한 바람직하게는, 제조된 유리의 점도 104dPas에서의 온도가 1200℃ 이하이다.
또한 바람직하게는, 제조된 유리의 왜곡점이 550℃ 이하이다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 강화 유리 제조 방법은, 상술한 알루미노실리케이트 유리 제조 방법에 의해 제조된 유리를 화학 강화 처리하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제조된 강화 유리의 표면 압축 응력이 200 MPa 초과이고, 상기 제조된 강화 유리의 압축 응력층 두께가 10 um 초과이다.
더욱 바람직하게는, 상기 제조된 강화 유리의 표면 압축 응력이 400 MPa 초과이고, 상기 제조된 강화 유리의 압축 응력층 두께가 20 um 초과이다.
본 발명에 의하면, 화학적 강화 방식으로 강도를 향상시키기에 적합한 알칼리 알루미노실리케이트 유리가 제공될 수 있다.
특히, 본 발명의 일 측면에 의하면, 유리의 화학 강화 처리 공정에서 이온 교환 성능이 향상될 수 있도록, P2O5를 포함하여 적절한 조성의 유리가 제공됨으로써, 화학 강화를 통해 유리의 강도가 효과적으로 향상될 수 있다.
더욱이, 본 발명에 의하면, 화학 강화 처리에 의해 강화 유리를 제조하는 경우, 표면 압축 응력을 높이고 압축 응력층 두께를 두껍게 할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 유리의 경우, 높은 기계적 강도가 요구되는 디스플레이 장치의 커버 유리 등에 유용하게 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 의하면, 밀도가 낮은 유리가 제공될 수 있다. 따라서, 면적이 넓은 유리판이라 하더라도 자체 중량에 의한 휨 현상을 감소시킬 수 있어, TV나 모니터와 같은 디스플레이 장치의 대형화 추세에 부응할 수 있다. 뿐만 아니라, 유리판이 사용되는 휴대전화나 노트북 등과 같은 소형 휴대용 장치의 경우에도 그 중량을 감소시킬 수 있어, 휴대성이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 점도 104dPas에서의 온도인 T4가 낮아 유리의 가공 온도를 낮춤으로써 유리의 가공이 용이해질 수 있다. 따라서, 유리의 가공을 위해 소요되는 에너지나 시간 등을 절감하여, 유리 및 이를 이용한 제품의 생산성을 향상시킬 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 왜곡점이 낮은 유리가 제공될 수 있다. 따라서, 유리의 성형성이 좋아질 수 있으며, 특히 유리의 3D 성형이 용이해질 수 있다. 그러므로, 이러한 측면에 의하면, 입체적인 형태를 포함하여 원하는 형태로 유리를 제조하는 것이 용이해져 유리의 적용성이 향상될 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미노실리케이트 유리 제조 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예 및 비교예의 유리에 대한 화학 강화 처리 시 형성된 압축 응력 및 압축 응력층 두께 측정 결과를 비교하여 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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 실시예는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명에 따른 유리는, 알칼리 금속 산화물, 산화 알루미늄 및 이산화규소를 함유하는 알칼리 알루미노실리케이트 유리이다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따른 알루미노실리케이트 유리는, SiO2, Al2O3, Na2O, MgO, ZnO 및 P2O5를 조성 성분으로 포함한다.
특히, 본 발명에 따른 알루미노실리케이트 유리는, SiO2를 산화물 기준 몰% 표시로, 65~75% 함유할 수 있다. SiO2는 유리를 형성하는 네트워크 구조 생성체 산화물로서, 유리의 화학적 내성을 증가시키고, 유리의 주변 재료와 정합될 수 있는 적절한 열팽창률을 갖도록 하는데 기여할 수 있다. 하지만, SiO2가 지나치게 높게 함유되는 경우, 유리의 용융이나 성형이 어려워지고 열팽창 계수가 지나치게 낮아지며 유리의 실투 특성이 나빠질 수 있다. 반면, SiO2가 지나치게 낮게 함유되는 경우, 화학적 내성이 감소되고 밀도가 커지며, 열팽창 계수가 커지고 변형점이 저하될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 알루미노실리케이트 유리는, 65~75 몰%의 SiO2를 포함한다. 바람직하게는, 상기 SiO2는 67~74 몰% 함유되는 것이 좋다. 더욱 바람직하게는, 상기 SiO2는 68~73 몰% 함유되는 것이 좋다.
또한, 본 발명에 따른 알루미노실리케이트 유리는, Al2O3를 산화물 기준 몰% 표시로 0.1~5% 함유할 수 있다. Al2O3는 유리의 고온 점도, 화학 안정성, 내열충격성 등을 증가시키며 변형점 및 영률 등을 높이는데 기여할 수 있다. 하지만, Al2O3가 지나치게 높게 함유되는 경우, 실투 특성, 내염산성 및 내BHF성을 떨어뜨리고 점도를 증가시킬 수 있다. 반면, Al2O3가 지나치게 낮게 함유되는 경우, 그 첨가 효과가 제대로 달성되기 어렵고 탄성 계수가 낮아질 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 알루미노실리케이트 유리는, 0.1~5 몰%의 Al2O3를 포함한다. 바람직하게는, 상기 Al2O3는 2~5 몰% 함유되는 것이 좋다. 더욱 바람직하게는, 상기 Al2O3는 3~5 몰% 함유되는 것이 좋다.
또한, 본 발명에 따른 알루미노실리케이트 유리는, Na2O를 산화물 기준 몰% 표시로 12~18% 함유할 수 있다. Na2O는 질산 칼륨(KNO3) 용액 등에서 화학 강화 처리 공정시 이온 교환되는 성분이며, 유리의 용융성, 성형성 내지 내실투성을 향상시키고 유리의 고온 점도를 저하시키며 크랙 발생률을 저감시키는데 기여할 수 있다. 하지만, Na2O가 지나치게 높게 함유되는 경우, 유리의 열팽창 계수가 지나치게 커져 주변 재료와 정합되기 어렵고 내실투성 및 내열 충격성이 저하될 수 있다. 반면, Na2O가 지나치게 낮게 함유되는 경우, 그 첨가 효과가 달성되기 어렵고 화학 강화 처리 공정에서 이온 교환 성능이 떨어질 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 알루미노실리케이트 유리는, 12~18 몰%의 Na2O를 포함한다. 바람직하게는, 상기 Na2O는 13~17 몰% 함유되는 것이 좋다. 더욱 바람직하게는, 상기 Na2O는 14~16 몰% 함유되는 것이 좋다.
또한, 본 발명에 따른 알루미노실리케이트 유리는, MgO를 산화물 기준 몰% 표시로 2~6% 함유할 수 있다. MgO는 알칼리 토금속 산화물로서, 열팽창 계수를 지나치게 높이지 않고, 변형점을 크게 저하시키지 않으며 용융성을 향상시키는데 기여할 수 있다. 특히, MgO는 유리의 밀도를 감소시킬 수 있어, 유리의 경량화에 크게 기여할 수 있다. 하지만, MgO가 지나치게 높게 함유되는 경우, 유리의 실투 특성이 저하되고, 내산성 및 내BHF성이 떨어질 수 있다. 반면, MgO가 지나치게 낮게 함유되는 경우 상술한 MgO 첨가 특성을 달성하기 어렵다. 따라서, 본 발명에 따른 알루미노실리케이트 유리는 2~6 몰%의 MgO를 포함한다. 바람직하게는, 상기 MgO는 2.5~5.5 몰% 함유되는 것이 좋다. 더욱 바람직하게는, 상기 MgO는 3~5 몰% 함유되는 것이 좋다.
또한, 본 발명에 따른 알루미노실리케이트 유리는, ZnO를 산화물 기준 몰% 표시로 0.1~5% 함유할 수 있다. ZnO는 유리의 이온 교환 성능, 변형점, 영률을 향상시키는데 기여할 수 있다. 하지만, ZnO가 지나치게 높게 함유되는 경우, 유리의 실투 특성이 저하될 수 있고 비용 측면에서 바람직하지 않다. 반면, ZnO가 지나치게 낮게 함유되는 경우 상술한 ZnO 첨가 특성을 달성하기 어렵다. 따라서, 본 발명에 따른 알루미노실리케이트 유리는 0.1~5 몰%의 ZnO를 포함한다. 바람직하게는, 상기 ZnO는 1~5 몰% 함유되는 것이 좋다. 더욱 바람직하게는, 상기 ZnO는 1.5~4.5 몰% 함유되는 것이 좋다.
또한, 본 발명에 따른 알루미노실리케이트 유리는, P2O5를 산화물 기준 몰% 표시로 0.1~5% 함유할 수 있다. P2O5는 유리의 이온 교환 능력을 향상시켜 압축 응력층 두께(Depth Of Layer; DOL)를 증가시킬 수 있다. 하지만, P2O5가 지나치게 높게 함유되는 경우, 균일한 용융이 어렵고, 분상 또는 실투 가능성이 높아지며 내수성이 나빠질 수 있다. 또한, 압축 응력층 두께는 두꺼워지지만, 표면 압축 응력이 감소할 수 있다. 반면, P2O5가 지나치게 낮게 함유되는 경우, 이온 교환 능력이 감소할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 알루미노실리케이트 유리는, 0.1~5 몰%의 P2O5를 포함한다. 바람직하게는, 상기 P 2 O 5 는 1~5 몰% 함유되는 것이 좋다. 더욱 바람직하게는, 상기 P 2 O 5 는 1.5~4.5 몰% 함유되는 것이 좋다.
여기서, 본 발명에 따른 알루미노실리케이트 유리는, Al2O3, MgO, ZnO 및 P2O5를 다음과 같은 몰%비가 되도록 함유하는 것이 좋다.
2 ≤ (Al2O3+MgO+ZnO)/P2O5
즉, 본 발명에 따른 알루미노실리케이트 유리에서, Al2O3, MgO 및 ZnO에 대한 몰% 함량(산화물 기준)의 총합을 P2O5의 몰% 함량(산화물 기준)으로 나눈 값은 2 이상인 것이 좋다. 만일, 이러한 비율이 이보다 감소하면 분상 또는 실투 가능성이 높아질 수 있다. 특히, P2O5를 다량 포함할 경우 실투 가능성이 높아질 수 있는데, Al2O3 및 RO(=MgO, ZnO)를 통해 분상 또는 실투를 억제할 수 있다. 그러므로, P2O5에 대한 Al2O3, MgO 및 ZnO의 함량비는 일정 수준 이상으로 확보되는 것이 좋다. 바람직하게는, 상기 P2O5에 대한 Al2O3, MgO 및 ZnO의 총 몰%비는, 2.2 이상인 것이 좋다.
또한, 본 발명에 따른 알루미노실리케이트 유리는, Al2O3, Na2O, MgO, ZnO 및 P2O5를 다음과 같은 몰%비가 되도록 함유하는 것이 좋다.
0.7 ≤ Na2O/(Al2O3+MgO+ZnO+P2O5) ≤ 1.3
즉, 본 발명에 따른 알루미노실리케이트 유리에서, Na2O의 몰% 함량(산화물 기준)을 Al2O3, MgO, ZnO 및 P2O5에 대한 몰% 함량(산화물 기준)의 총합으로 나눈 값은 0.7~1.3인 것이 좋다. Al2O3 MgO ZnO 및 P2O5는 유리의 이온 교환 능력을 향상시키는 이온이 될 수 있다. 따라서, Al2O3 MgO ZnO 및 P2O5에 대한 Na2O의 함량(몰%)비가 상기 범위보다 높아지면, 유리의 이온 교환 능력이 감소하고 왜곡점이 낮아질 수 있다. 반면, 이러한 함량비가 상기 범위보다 낮아지면 용융성이 저하되고, 이온 교환 성분이 감소하기 때문에 이온 교환 능력이 감소할 수 있다. 바람직하게는, 상기 Al2O3, MgO, ZnO 및 P2O5에 대한 Na2O의 몰%비는 0.8~1.2인 것이 좋다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 알루미노실리케이트 유리는 밀도가 2.46 g/cm3 이하일 수 있다. 이러한 실시예에 의하면, 유리의 밀도가 낮아 유리 제품의 경량화를 달성하는데 용이할 수 있다. 특히, 디스플레이 장치와 같이 유리가 적용되는 장치가 대형화되어 유리의 면적이 점차 증가하고 있는 상황에서, 유리의 밀도가 낮아지면 유리의 자체 하중에 의한 휨 현상을 줄이고, 유리가 적용된 장치의 무게를 줄일 수 있다. 또한, 휴대용 기기나 장치에 대해서도 유리 자체의 무게를 낮출 수 있어, 휴대성을 향상시킬 수 있다.
또한 바람직하게는, 본 발명에 따른 알루미노실리케이트 유리는, 열팽창 계수(CTE; Coefficient of Thermal Expansion)가 6.0×10-6/℃ ~ 9.0×10-6/℃ 일 수 있다. 이러한 측면에 의하면, 이와 유사한 범위의 열팽창 계수를 갖는 재료, 이를테면 이와 유사한 범위의 금속, 유기계 접착제 등의 재료와 함께 사용할 때, 열팽창 차로 인해 박리 등이 생기는 문제를 방지할 수 있다.
또한 바람직하게는, 본 발명에 따른 알루미노실리케이트 유리는, 점도 104dPas에서의 온도인 T4가 1200℃ 이하일 수 있다. 이러한 실시예에 의하면, 유리의 가공 온도와 관련된 T4가 낮기 때문에 유리의 가공이 용이해질 수 있으며, 유리를 가공하는데 들어가는 에너지 및 시간을 절감할 수 있다.
또한 바람직하게는, 본 발명에 따른 알루미노실리케이트 유리는, 왜곡점(strain point)이 550℃ 이하일 수 있다. 따라서, 본 발명의 이러한 측면에 의할 경우, 유리의 성형성이 향상될 수 있다. 특히, 유리의 3D 성형이 용이하여, 유리를 원하는 형태로 제조하기 쉬워지므로, 유리의 활용성이 더욱 좋아질 수 있다.
본 발명에 따른 강화 유리는, 상술한 알루미노실리케이트 유리를 이용하여 제조될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 강화 유리는, 산화물 기준 몰% 표시로, SiO2 65~75%, Al2O3 0.1~5%, Na2O 12~18%, MgO 2~6%, ZnO 0.1~5% 및 P2O5 0.1~5%를 함유하는 알루미노실리케이트 유리를 화학적으로 강화시켜 강도가 향상된 강화 유리이다.
본 발명에 따른 강화 유리는, 화학적 강화 처리에 의해 표면에 압축 응력층을 구비할 수 있다. 이때, 상기 압축 응력층의 압축 응력(Compressive Stress; CS)은 200 MPa을 초과할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 알루미노실리케이트 유리는, 화학적 강화 처리 시, 표면 압축 응력이 200 MPa을 초과할 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 표면 압축 응력층의 압축 응력은 400 MPa을 초과할 수 있다. 이러한 실시예에 의하면, 압축 응력층의 압축 응력이 크므로, 강화 유리의 기계적 강도가 향상될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 강화 유리는, 압축 응력층의 두께(DOL)가 10 um를 초과할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 알루미노실리케이트 유리는, 화학적 강화 처리 시, 형성된 압축 응력층 두께가 10 um를 초과할 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 압축 응력층의 두께는 20 um를 초과할 수 있다. 더욱 바람직하게는, 상기 압축 응력층의 두께는 30 um를 초과할 수 있다. 이러한 실시예에 의하면, 압축 응력층의 두께가 두꺼우므로, 강화 유리의 기계적 강도가 향상될 수 있다. 특히, 압축 응력층 두께가 두꺼우면, 어느 정도 깊이의 손상에도 유리가 파손되지 않을 수 있다.
본 발명에 따른 디스플레이 장치는, 상술한 알칼리 알루미노실리케이트 유리를 포함할 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 디스플레이 장치는, 상술한 알칼리 알루미노실리케이트 유리를 화학적으로 강화시킨 강화 유리를 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 디스플레이 장치는 LCD나 PDP, LED, OLED 등의 디스플레이 장치일 수 있으며, 상술한 강화 유리를 커버 유리(보호 유리)로서 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상술한 알칼리 알루미노실리케이트 유리를 제조하는 방법을 설명한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 알칼리 알루미노실리케이트 유리의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 먼저 유리에 함유되는 각 성분의 원료를 목표 조성이 되도록 조합한다(S110). 이때, 상기 S110 단계에서는, 산화물 기준 몰% 표시로, SiO2가 65~75%, Al2O3가 0.1~5%, Na2O가 12~18%, MgO가 2~6%, ZnO가 0.1~5%, 그리고 P2O5가 0.1~5% 포함되도록 원료 성분을 조합한다.
이때, 상기 S110 단계는, 산화물 기준 몰% 비로, (Al2O3+MgO+ZnO)/P2O5의 값이 2 이상이 되도록 상기 유리 원료를 조합하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 S110 단계는, 산화물 기준 몰% 비로, Na2O/(Al2O3+MgO+ZnO+P2O5)의 값이 0.7~1.3이 되도록 상기 유리 원료를 조합하는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 상기 S110 단계는, 산화물 기준 몰% 표시로, SiO2 67~74%; Al2O3 2~5%; Na2O 13~17%; MgO 2.5~5.5%; ZnO 1~5%; 및 P2O5 1~5%를 함유하도록 한다.
다음으로, 이와 같이 조합된 유리 원료를 소정 온도로, 이를테면 1500~1600℃로 가열하여 유리 원료를 용융하고(S120), 용융된 유리를 성형한다(S130). 이때, 상기 S130 단계는 플로트 배스(float bath)를 이용하는 플로트(float) 법에 의해 수행될 수 있으나, 본 발명이 반드시 이러한 성형 방식에 의해 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 S130 단계, 즉 유리의 성형 단계는 다운드로우(down draw) 방식이나 퓨전 방식에 의해 수행될 수도 있다.
이와 같이 S130 단계에서 유리가 성형되면, 성형된 유리는 서냉로로 이송되어 서냉되는 과정을 거치게 된다(S140). 그리고 나서, 서냉된 유리는 원하는 크기로 절단되어, 연마 등의 가공이 더 수행되고, 이러한 일련의 과정을 통해 유리 제품으로 제조될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 유리 제조 방법에 의해 제조된 알루미노실리케이트 유리는, 그 밀도가 2.46 g/cm3 이하일 수 있다. 그리고, 제조된 알루미노실리케이트 유리의 열팽창 계수는 6.0 ~ 9.0 [×10-6/℃] 일 수 있다. 또한, 이와 같이 제조된 알루미노실리케이트 유리는 T4가 1200℃ 이하일 수 있다. 또한, 이와 같이 제조된 알루미노실리케이트 유리는, 왜곡점이 550℃ 이하일 수 있다.
본 발명에 따른 강화 유리 제조 방법은, 상술한 알루미노실리케이트 유리 제조 방법에 의해 제조된 유리를 화학 강화 처리하는 단계를 포함한다.
즉, 본 발명에 따른 강화 유리 제조 방법은, 상기 S110 단계 내지 S140 단계를 거쳐 제조된 알루미노실리케이트 유리를 화학 강화 처리하는 단계를, 상기 S140 단계 이후에 수행함으로써, 강화 유리를 제조할 수 있다. 이때, 화학 강화 처리 단계는 알루미노실리케이트 유리를 질산칼륨(KNO3) 등의 용융염에 소정 시간 동안 침지시키는 방식으로 수행될 수 있으나, 본 발명이 반드시 이러한 화학 강화 처리 방식으로 한정되는 것은 아니다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 강화 유리 제조 방법에 의해 제조된 강화 유리는, 표면 압축 응력이 200 MPa을 초과하고, 압축 응력층 두께가 10 um를 초과할 수 있다. 바람직하게는, 본 발명에 따라 제조된 강화 유리는, 표면 압축 응력이 400 MPa을 초과하고, 압축 응력층 두께가 20 um를 초과할 수 있다. 더욱 바람직하게는, 본 발명에 따라 제조된 강화 유리는, 압축 응력층 두께가 30 um를 초과할 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 실시예 및 비교예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다.
표 1은 본 발명에 따른 실시예의 유리 조성 및 물성을 나타낸다.
Figure 112013090093234-pat00001
각 성분의 원료를 표 1에 나타낸 바와 같은 조성(몰% 기준)이 되도록 조합하고, 백금 도가니를 사용하여 1600℃의 온도에서 3시간 가열하여 융융시켰다. 용융시에는 백금 스터러(stirrer)를 삽입하고 1시간 교반하여 유리를 균질화하였다. 이어서 용융 유리를 730℃에서 서냉하여 각 실시예의 유리를 얻었다. 한편, 얻어진 유리에 대해서는 형광 X선 분석을 통해 그 조성을 확인하였다.
또한, 각 실시예 유리에 대한 물성으로서, 밀도, 열팽창 계수, T4, 왜곡점 및 서냉점을 다음과 같은 방법으로 측정하여, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
(밀도)
각 실시예 유리에 대하여, 아르키메데스법을 사용하여 밀도를 측정하였다. 이때, 밀도 단위는 g/cm3이다.
(열팽창 계수)(CTE)
각 실시예 유리에 대하여, 딜라토미터를 사용하여 평균 열팽창 계수를 측정하였다. 이때, 열팽창 계수 단위는 10-6/℃이다.
(T4)
각 실시예 유리에 대하여, 고온 점도계를 사용하여 점도를 측정하고, 점도가 104 dPa·s가 될 때의 온도 T4를 측정하였다. 이때, T4의 단위는 ℃이다.
(왜곡점)
각 실시예 유리에 대하여, ASTM C336을 이용하여 Fiber elongation 방법으로 왜곡점을 측정하였다. 이때, 왜곡점의 단위는 ℃이다.
(서냉점)
각 실시예 유리에 대하여, ASTM C336을 이용하여 Fiber elongation 방법으로 서냉점을 측정하였다. 이때, 서냉점의 단위는 ℃이다.
표 1을 참조하면, 실시예(실시예 1~10)의 유리에 대해서는, 밀도가 2.46 g/cm3 이하이고, 평균 열팽창 계수(CTE)가 6.0~9.0(×10-6/℃)인 것이 확인되었다. 또한, 실시예의 유리의 경우, T4가 1200 ℃ 이하이고, 왜곡점이 550 ℃ 이하인 것이 확인되었다.
이러한 실시예의 여러 물성 측정 결과를 살펴보면, 본 발명에 따른 알루미노실리케이트 유리의 경우, 밀도가 낮아 경량화 달성이 용이하다는 것을 알 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 알루미노실리케이트 유리의 경우, T4가 낮아 유리의 가공성이 좋고, 왜곡점이 낮아 3D 성형과 같은 유리 성형이 용이해질 수 있다는 것을 알 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명에 따른 알루미노실리케이트 유리는, 화학적 강화 처리 시 표면 압축 응력이 높고 압축 응력층 두께가 두껍게 형성될 수 있다.
이러한 효과를 살펴보기 위해, 먼저 상기 실시예 1의 유리에 대하여 화학적 강화 처리를 수행한 후에 표면 압축 응력(CS)과 압축 응력층 두께(DOL)를 측정하였으며, 그 결과를 표 2에 나타내었다.
이때, 압축 응력과 압축 응력층 두께는, 표면 응력 측정장비(FSM-6000LE)를 이용하여 측정하였다.
Figure 112013090093234-pat00002
여기서, 화학적 강화 처리는, 질산 칼륨(KNO3) 용액이 담겨진 배스(bath)에 실시예 1의 유리를 소정 시간 침지시키는 방식으로 이루어졌다. 이때, 실시예 1의 유리에 대한 화학적 강화 처리 온도와 시간은 표 2에 기재된 바와 같다.
또한, 이와 같은 실시예 1의 화학적 강화 처리 효과와 비교를 위해 소정 비교예의 유리를 제조하였다.
이때, 비교예의 유리는, 산화물 기준 몰% 표시로, SiO2 69.8%, Al2O3 1.1%, Na2O 12.8%, K2O 0.2%, MgO 6.8% 및 CaO 9.3%가 되도록 각 원료를 조합한 후, 상기 실시예에서와 마찬가지로 백금 도가니를 사용하여 1600℃의 온도에서 3시간 가열하여 융융시킨 다음, 730℃에서 서냉함으로써 얻었다.
그리고, 이와 같이 얻어진 비교예의 유리에 대하여 화학적 강화 처리를 수행한 후에 표면 압축 응력(CS)과 압축 응력층 두께(DOL)를 측정하였으며, 그 결과를 표 3에 나타내었다.
Figure 112013090093234-pat00003
또한, 이러한 비교예에 있어서도, 화학적 강화 처리는, 질산 칼륨(KNO3) 용액이 담겨진 배스에 비교예의 유리를 소정 시간 침지시키는 방식으로 이루어졌다. 이때, 비교예 유리에 대한 화학적 강화 처리 온도와 시간은 표 3에 기재된 바와 같다.
표 2 및 표 3을 참조하면, 본 발명에 따른 실시예 1의 유리의 경우, 표면 압축 응력이 높으면서도, 압축 응력층 두께가 30 um 이상, 많게는 70 um에 가깝게 형성된다는 것을 알 수 있다. 반면, 비교예의 유리의 경우, 압축 응력층 두께가 8 um 내지 15 um 정도에 불과하여 상대적으로 매우 얇다는 것을 알 수 있다.
그러므로, 이와 같은 비교 결과를 살펴보더라도, 본 발명에 따른 알루미노실리케이트 유리를 이용하여 화학적 강화 유리를 제조하는 경우, 일정 수준 이상의 표면 압축 응력을 확보하면서도 압축 응력층 두께를 두껍게 할 수 있는 효과가 있음을 확인할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (21)

  1. 산화물 기준 몰% 표시로,
    SiO2 65~75%;
    Al2O3 0.1~5%;
    Na2O 12~18%;
    MgO 2~6%;
    ZnO 1~5%; 및
    P2O5 0.1~5%
    를 함유하고,
    SiO2, Al2O3, Na2O, MgO, ZnO 및 P2O5의 합계 함유량이 100%인 것을 특징으로 하는 알루미노실리케이트 유리.
  2. 제1항에 있어서,
    산화물 기준 몰% 비로,
    (Al2O3+MgO+ZnO)/P2O5의 값이 2 이상인 것을 특징으로 하는 알루미노실리케이트 유리.
  3. 제1항에 있어서,
    산화물 기준 몰% 비로,
    Na2O/(Al2O3+MgO+ZnO+P2O5)의 값이 0.7~1.3인 것을 특징으로 하는 알루미노실리케이트 유리.
  4. 제1항에 있어서,
    산화물 기준 몰% 표시로,
    SiO2 67~74%;
    Al2O3 2~5%;
    Na2O 13~17%;
    MgO 2.5~5.5%;
    ZnO 1~5%; 및
    P2O5 1~5%
    를 함유하는 것을 특징으로 하는 알루미노실리케이트 유리.
  5. 제1항에 있어서,
    밀도가 2.46 g/cm3 이하이고, 열팽창 계수가 6.0×10-6/℃ ~ 9.0×10-6/℃인 것을 특징으로 하는 알루미노실리케이트 유리.
  6. 제1항에 있어서,
    점도 104dPas에서의 온도가 1200℃ 이하인 것을 특징으로 하는 알루미노실리케이트 유리.
  7. 제1항에 있어서,
    왜곡점이 550℃ 이하인 것을 특징으로 하는 알루미노실리케이트 유리.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 알루미노실리케이트 유리를 화학적으로 강화시킨 강화 유리.
  9. 제8항에 있어서,
    표면 압축 응력이 200 MPa을 초과하고, 압축 응력층 두께가 10 um를 초과하는 것을 특징으로 하는 강화 유리.
  10. 제8항에 있어서,
    표면 압축 응력이 400 MPa을 초과하고, 압축 응력층 두께가 20 um를 초과하는 것을 특징으로 하는 강화 유리.
  11. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 알루미노실리케이트 유리를 포함하는 디스플레이 장치.
  12. 산화물 기준 몰% 표시로,
    SiO2 65~75%;
    Al2O3 0.1~5%;
    Na2O 12~18%;
    MgO 2~6%;
    ZnO 1~5%; 및
    P2O5 0.1~5%
    를 함유하고,
    SiO2, Al2O3, Na2O, MgO, ZnO 및 P2O5의 합계 함유량이 100%가 되도록 유리 원료를 조합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미노실리케이트 유리 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 유리 원료 조합 단계는,
    산화물 기준 몰% 비로,
    (Al2O3+MgO+ZnO)/P2O5의 값이 2 이상이 되도록 상기 유리 원료를 조합하는 것을 특징으로 하는 알루미노실리케이트 유리 제조 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 유리 원료 조합 단계는,
    산화물 기준 몰% 비로,
    Na2O/(Al2O3+MgO+ZnO+P2O5)의 값이 0.7~1.3이 되도록 상기 유리 원료를 조합하는 것을 특징으로 하는 알루미노실리케이트 유리 제조 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 유리 원료 조합 단계는,
    산화물 기준 몰% 표시로,
    SiO2 67~74%;
    Al2O3 2~5%;
    Na2O 13~17%;
    MgO 2.5~5.5%;
    ZnO 1~5%; 및
    P2O5 1~5%
    를 함유하도록 하는 것을 특징으로 하는 알루미노실리케이트 유리 제조 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    제조된 유리의 밀도가 2.46 g/cm3 이하이고, 제조된 유리의 열팽창 계수가 6.0×10-6/℃ ~ 9.0×10-6/℃인 것을 특징으로 하는 알루미노실리케이트 유리 제조 방법.
  17. 제12항에 있어서,
    제조된 유리의 점도 104dPas에서의 온도가 1200℃ 이하인 것을 특징으로 하는 알루미노실리케이트 유리 제조 방법.
  18. 제12항에 있어서,
    제조된 유리의 왜곡점이 550℃ 이하인 것을 특징으로 하는 알루미노실리케이트 유리 제조 방법.
  19. 제12항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따른 알루미노실리케이트 유리 제조 방법에 의해 제조된 유리를 화학 강화 처리하는 단계를 포함하는 강화 유리 제조 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    제조된 강화 유리는, 표면 압축 응력이 200 MPa을 초과하고, 압축 응력층 두께가 10 um를 초과하는 것을 특징으로 하는 강화 유리 제조 방법.
  21. 제19항에 있어서,
    제조된 강화 유리는, 표면 압축 응력이 400 MPa을 초과하고, 압축 응력층 두께가 20 um를 초과하는 것을 특징으로 하는 강화 유리 제조 방법.
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