KR102122145B1 - 비대칭 화학 강화 - Google Patents

Abstract

비대칭으로 강화된 유리 물품들, 그것들을 생산하기 위한 방법들, 및 휴대용 전자 디바이스에서의 물품들의 사용이 개시된다. 예산이 정해진 양의 압축 응력 및 인장 응력을 이용하여, 비대칭 화학 강화는 유리 물품의 용도에 맞게 최적화된다. 일부 양태들에서, 강화된 유리 물품은 낙하 시 손상, 또는 손상 전파가 감소하도록 설계될 수 있다.

Description

비대칭 화학 강화{ASYMMETRIC CHEMICAL STRENGTHENING}

관련 출원에 대한 상호 참조

본 특허 협력 조약 특허 출원은 2016년 5월 19일자로 출원되고 발명의 명칭이 "Asymmetric Chemical Strengthening"인 미국 가특허 출원 제62/339,062호, 2016년 7월 14일자로 출원되고 발명의 명칭이 "Asymmetric Chemical Strengthening"인 미국 가특허 출원 제62/362,578호, 2016년 7월 29일자로 출원되고 발명의 명칭이 "Asymmetric Chemical Strengthening"인 미국 가특허 출원 제62/368,787호, 및 2016년 7월 29일자로 출원되고 발명의 명칭이 "Asymmetric Chemical Strengthening"인 미국 가특허 출원 제62/368,792호에 대한 우선권을 주장하고, 이들의 내용은 본 명세서에서 전체적으로 참조로서 포함된다.

기술분야

기재된 실시예들은 일반적으로 유리 물품의 비대칭 화학 강화에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 실시예들은 휴대용 전자 디바이스에 사용하기 위한 커버 유리의 강도 및 안전성을 교정하는 것에 관한 것이다.

소형 폼팩터 디바이스들의 커버 창 및 디스플레이는 통상적으로 유리로 만들어진다. 유리는 투명하고 내스크래치성이 있지만 잘 부서지고 충격에 망가지는 경향이 있다. 합리적인 수준의 강도를 이러한 유리 부품들에 제공하는 것은 유리 부품 파손, 및 그에 따른 디바이스 파손의 가능성을 줄이는 데 매우 중요하다.

유리 부품들의 강도를 증가시키는 데 화학 강화를 사용되어 왔다. 통상적인 화학 강화는 유리 부품의 전체 표면에 걸쳐 균일하고 대칭적인 압축 응력의 증가에 의존적이다. 이러한 강화 프로세스들은 유리 부품들에서 일정 수준의 파손을 감소시키는 데 효과적인 것으로 증명되었다. 그러나, 소형 폼팩터 디바이스들에 사용하기 위한 더 얇은 유리를 형성하는 것에 심한 압박이 계속 이어졌는데, 대칭 화학 강화는 신뢰할 만한 방식으로 충격 파손을 방지하기에 불충분하다.

이와 같이, 종래 화학 강화가 효과적이지만, 유리, 특히, 얇은 유리를 강화하기 위한 개선되고 대안적인 방법들을 제공하기 위한 지속적인 요구가 있다.

본 명세서에 기재된 다양한 실시예들은 비대칭으로 강화된 유리 물품들을 포함한다. 비대칭으로 강화된 유리 물품들은 대칭으로 강화된 유리 물품들과 비교하여 신뢰성 및 안전성이 향상되었다. 비대칭으로 강화된 유리 물품은 제1 응력 패턴을 갖는 제1 구역, 및 제2 응력 패턴을 갖는 제2 구역을 갖는다. 제1 응력 패턴과 제2 응력 패턴은 서로 상이하다. 제1 응력 패턴과 제2 응력 패턴의 차이가 비대칭으로 강화된 유리 물품에서 전체적인 응력 불균형을 초래한다. 전체적인 응력 불균형은 유리 물품이 휨(warpage)을 나타내게 할 수 있다.

추가적인 실시예들에서, 유리 물품의 응력 불균형 및 휨을 균형잡기 위한 재료가 유리 물품에 동작가능하게 부착되거나, 또는 대안적으로, 제1 구역 및 제2 구역 응력 불균형을 균형잡는 데 유용한 응력 패턴들을 갖는 추가적인 구역들이 유리에 형성될 수 있다. 제1 구역 및 제2 구역은 서로 균형을 잡고, 유리 물품에 응력 불균형을 제한하거나 또는 피하기 위해 패터닝될 수 있다는 것이 또한 고려된다.

일부 양태들에서, 제1 구역은 제1 응력 패턴 및 제1 밀도를 가지며, 제1 밀도는 제2 응력 패턴을 갖는 제2 구역에서 발견되는 제2 밀도보다 크다. 다른 양태들에서, 이온-확산 배리어 및 이온-포함 코팅이 제1 구역 및/또는 제2 구역 상에 코팅되어 응력 패턴들의 형성을 허용하도록 할 수 있다. 일 이온-확산 배리어는 규소 니트레이트로 구성된다. 다른 이온-확산 배리어는 이산화규소로 구성된다.

본 명세서에 기재된 다양한 실시예들은 또한 전자 디바이스와의 사용을 위한 비대칭으로 강화된 커버 유리를 포함하는데, 커버 유리는 충격, 예를 들어, 추락으로 인한 손상을 감소 또는 제한하도록 설계된다. 커버 유리는 비대칭 강화로부터 야기된 3개의 상이한 응력 패턴들을 포함하는데, 제1 응력 패턴은 커버 유리의 코너 구역들에 대응하고, 제2 응력 패턴은 커버 유리의 직선 에지(들) 또는 직선 주연부 구역들에 대응하고, 제3 응력 패턴은 커버 유리의 남은 부분 또는 중심 구역에 대응한다. 제1 구역이 가장 직선화되어 있고, 제2 구역은 제1 구역보다 덜 직선화되어 있고, 제3 구역은 제1 구역 및 제2 구역에 비교했을 때 가장 덜 직선화되어 있다. 전자 디바이스에 유용한 커버 유리에 대응하는 응력 예산을 유지하기 위하여, 모든 응력 예산이 통상적으로 제1 구역 및 제2 구역에 소비되어, 제3 구역의 직선화는 거의 또는 전혀 허용되지 않는다. 이러한 패턴의 비대칭 강화는 가장 큰 충격이 발생하는 코너들이 가장 많이 직선화되고 충격에 저항하도록 하고, 제2 구역은 충격 보호에 적절한 직선화를 갖게 하고, 제3 구역은 실질적으로 편평함을 유지하게 한다.

실시예들은 또한 개시내용에 따른 유리 물품들을 포함하는 휴대용 전자 디바이스들, 및 동일한 휴대용 전자 디바이스들을 제조하는 방법들을 포함한다. 일부 양태들에서, 유리 물품들은 전자 디바이스들에 사용하는 데 순응적인 비대칭으로 강화된 유리 물품들을 식별하기 위한 모니터링 및 테스트를 거칠 수 있다.

방법 실시예들에서, 유리 물품이 비대칭으로 강화되어 휴대용 전자 디바이스에 사용하기 위하여 유리를 교정한다. 유리 물품은 타겟 기하학적 형상을 갖거나 또는 하나 이상의 편평한 표면을 제공하도록 교정될 수 있다.

비대칭 강화의 일부 방법들은 나트륨-주입 유리 물품을 칼륨 이온 욕조에 침지시키지만, 칼륨 이온들을 유리 물품의 사전 결정된 표면에 우선적으로 이동시키는 단계를 포함한다. 일부 양태들에서 나트륨-주입 유리 물품을 칼륨 이온 욕조에 침지시키는 것은 마이크로파 복사선을 유리 물품의 동일한 사전 결정된 표면에 받아들임으로써 수행된다.

추가적인 방법 실시예들에서, 화학 강화를 이용하여 응력 관계가 식별되고 구현된다. 일부 양태들에서, 유리 형성은 비대칭 화학 강화와 조합되어 적절한 기하학적 형상을 갖는 유리 물품을 제공한다.

개시내용은 첨부된 도면들과 함께 다음의 상세한 설명에 의해 잘 이해될 것이며, 유사한 도면 부호들은 유사한 구조적 요소들을 가리킨다.
도 1은 본 명세서의 실시예들에 따른 유리 물품의 도면을 도시한다.
도 2는 본 명세서의 실시예들에 따른 유리 강화 프로세스의 흐름도이다.
도 3은 본 명세서의 실시예들에 따른 유리 강화 시스템을 도시한다.
도 4a는 본 명세서의 실시예들에 따른 대칭으로 화학 처리된 유리 커버의 단면도이다.
도 4b는 본 명세서의 실시예들에 따른 대칭으로 화학 처리된 유리 커버의 단면도이며, 칼륨 이온들이 주입된 화학 처리된 부분을 포함하는 것으로 도시된다.
도 5a는 유리의 격자 구조의 도면이다.
도 5b는 대응하는 밀집된 유리의 격자 구조의 도면이다.
도 6은 유리 커버의 부분 단면도이고, 밀집된 유리의 두 구역들을 도시한다.
도 7a는 본 명세서의 실시예들에 따른 유리 커버의 부분 단면도이고, 인장/압축 응력 프로파일을 도시한다.
도 7b는 본 명세서의 실시예들에 따른 유리 커버의 부분 단면도이고, 감소된 인장/압축 응력 프로파일을 도시한다.
도 7c는 본 명세서의 실시예들에 따른 유리 커버의 부분 단면도이고, 비대칭 인장/압축 응력 프로파일을 도시한다.
도 8은 본 명세서의 실시예들에 따른 비대칭 유리 강화의 흐름도이다.
도 9는 비대칭으로 화학 처리된 유리 커버의 단면도이다.
도 10은 SiN 코팅이 중심 부분에 도포되었지만, 에지 부분 및 코너 부분은 코팅되지 않은 커버 유리이다.
도 11a는 상부 표면 및 하부 표면에 도포된 코팅들의 조합을 갖는 유리 커버의 단면도이다.
도 11b는 도 11a에 기재된 코팅 실시예들을 도시하는 유리 커버의 단면도이다.
도 12a 및 도 12b는 커버 유리의 전방 표면 및 후방 표면 상의 높은 이온 농도 페이스트들의 사용을 도시한다.
도 13은 본 명세서의 실시예들에 따른 대안적인 유리 강화 시스템을 도시한다.
도 14a 내지 도 14e는 본 명세서의 실시예들에 따른, 미리 구부러진 유리를 화학적으로 강화하는 프로세싱을 도시한다.
도 15는 본 명세서의 실시예들에 따른 클래드 층 형태의 유리 물품들을 위한 유리 강화 시스템을 도시한다.
도 16은 비대칭 유리 처리를 이용한 유리 물품 생산의 흐름도이다.
도 17a 및 도 17b는 파괴 전파를 최소화하기 위하여 잠재적 파괴 지점들에서 화학적으로 강화하는 것을 도시한다.
도 18은 본 명세서의 실시예들에 따른 파괴 패턴 응력 그래프이다.
도 19는 유리 물품이 상이하게 화학 강화된 적어도 3개의 구역들을 갖는 유리 물품 생산 흐름도이다.
도 20은 유리 물품이 그것의 코너들에 가장 많은 양의 화학 강화을 갖고, 그것의 주연부 측면 에지들을 따라 더 적은 양의 화학 강화를 갖고 유리의 나머지 부분에서 가장 적은 양을 갖는 커버 유리 생산의 흐름도이다.
도 21은 본 명세서의 실시예들에 따른 커버 유리의 도면을 도시한다.
도 22는 비대칭 화학 강화를 도시하기 위하여 도 19의 코너의 단면도를 도시한다.
도 23은 본 명세서의 실시예들에 따른 유리 형성 기술들을 이용하여 비대칭 화학 강화를 보상하기 위한 흐름도이다.
도 25는 본 명세서의 실시예들에 따른 사전 결정된 기하학적 형태로 형성되는 유리 물품을 도시한다.
도 26은 본 명세서의 실시예들에 따른 형성 이후에, CNC 및 연마를 겪게 되는 유리 물품을 도시한다.
도 27은 본 명세서의 실시예들에 따른 형성 및 CNC 이후에, 국지적으로 확산 배리어(SiN)로 코팅되는 유리 물품을 도시한다.
도 28a 및 도 28b는 본 명세서의 실시예들에 따른 도 12의 유리 물품의 비대칭 화학 강화를 도시한다.
도 28c는 도 23a에 도시된 유리 물품에 따른 응력 프로파일이다.
도 29a 및 도 29b는 본 명세서의 실시예들에 따른 유리 물품 상의 SiN 층의 SiO₂로의 산화를 도시한다.
도 30a 및 도 30b는 본 명세서의 실시예들에 따른 형성된 유리 물품에 대한 비대칭 화학 강화를 도시한다.
도 30c는 도 25a에 도시된 유리 물품에 따른 응력 프로파일이다.
첨부 도면들에서 크로스-해칭(cross-hatching) 또는 음영의 사용은 일반적으로, 인접하는 요소들 사이의 경계들을 명확하게 하기 위해 그리고 또한 도면들의 가독성을 용이하게 하기 위해 제공된다. 따라서, 크로스-해칭 또는 음영의 존재이든 부재이든, 특정한 재료, 재료 특성, 요소 비율, 요소 치수, 유사하게 도시된 요소들의 공통점, 또는 첨부 도면들에 도시된 임의의 요소에 대한 임의의 다른 특성, 속성, 또는 성질에 대한 어떠한 선호도 또는 요건도 암시하거나 나타내지 않는다.
또한, 다양한 특징부들 및 요소들(및 이들의 집합들 및 그룹들) 및 그 사이에 제공된 경계들, 분리들, 및 위치 관계들의 비율들 및 치수들(상대적 또는 절대적인)은 첨부된 도면들에서 단지 본 명세서에 기술된 다양한 실시예들의 이해를 용이하게 하기 위해 제공되고, 따라서 반드시 축척에 맞게 나타내어지거나 도시되지 않을 수 있으며, 도시된 실시예에 대해, 그를 참조하여 기술된 실시예들의 제외에 대한 어떠한 선호도 또는 요건도 나타내도록 의도되지 않는다는 것이 이해되어야 한다.

이제, 첨부 도면들에 도시된 대표적인 실시예들이 상세하게 참조될 것이다. 하기의 설명이 실시예들을 하나의 바람직한 실시예로 제한하고자 하는 것이 아니라는 것이 이해되어야 한다. 반대로, 그것들은 첨부된 청구범위에 의해 정의된 바와 같은 설명된 실시예들의 기술적 사상 및 범주 내에 포함될 수 있는 대안예들, 변경예들 및 등가물들을 포함하고자 한다.

하기의 개시내용은 유리 물품들, 유리 물품들을 생산하는 방법들, 및 이러한 유리 물품들의 전자 디바이스에서의 활용에 관한 것이다. 실시예들은 또한 유리의 강도의 비대칭적 증가에 관한 것으로, 특히 전자 디바이스 내의 유리 물품의 신뢰성 및 안전성을 추가로 교정하기 위하여 유리 물품을 비대칭으로 강화하는 것에 관한 것이다. 일부 실시예들에서 전자 디바이스는 본 명세서의 실시예들에 따른 하우징, 하우징 내에 적어도 부분적으로 위치설정되는 디스플레이 및 유리 물품, 예를 들어, 커버 유리를 포함할 수 있다.

일 예에서, 유리 물품은 전자 디바이스의 외측 표면일 수 있다. 유리 물품은 디스플레이 영역의 부품을 형성하는 것을 돕는 유리 물품에 대응할 수 있거나 또는, 일부 경우들에서, 하우징의 부품을 형성하는 것에 연관될 수 있다. 본 명세서의 실시예들은 특히 휴대용 전자 디바이스들 및 소형 폼팩터 전자 디바이스들, 예컨대, 랩톱, 모바일 전화기, 미디어 재생기, 원격 제어 유닛 등에 사용하는 것에 관련된다. 본 명세서의 통상적인 유리 물품들은 얇아서, 두께가 통상적으로 5 mm 미만, 대부분의 경우에 두께가 약 0.3 내지 3 mm 사이, 및 0.3 내지 2.5 mm 사이이다.

도 1은 일 실시예에 따른 유리 물품의 사시도이다. 유리 물품(100)은 응용예와 일치하는 길이 및 폭을 갖는 얇은 시트 형태의 유리이다. 도 1에 도시된 바와 같은 일 응용예에서, 유리 물품은 전자 디바이스(103)의 하우징을 위한 커버 유리이다. 유리 물품(100)은 전방 표면(102), 후방 표면(미도시), 상부 표면(104), 하부 표면(106), 및 측방 표면들(108)을 가질 수 있다. 다양한 표면들 및 측면들은 구역들 및/또는 부분들로 구성될 수 있다. 예를 들어, 유리 물품의 일 구역은 전체 전방 표면일 수 있는 반면, 후방 표면은 상이한 구역으로 간주될 수 있다. 유리 물품의 다른 구역이 유리의 하나 이상의 코너에 대응하는 영역일 수 있다. 구역은 연속적일 필요는 없는데, 예를 들어, 유리 물품의 4개의 모든 코너들은 단일 구역을 나타낼 수 있다. 표면들 및 구역들에 대한 강도 요구조건들은 사용에 따라 상이할 수 있는데, 예를 들어, 외부 환경에 노출되는 전방 표면(102)은 환경으로부터 멀리 봉입되는 후방 표면과는 상이한 강도를 요구할 수 있다. 아래 더 상세하게 논의되는 바와 같이, 유리 물품(100)의 에지들(110)은 사전 결정된 기하학적 형상들을 가질 수 있다.

이들 및 다른 실시예들은 도 2 내지 도 30을 참조하여 이하에서 논의된다. 그러나, 통상의 기술자들은 이러한 도면들에 대하여 본 명세서에서 제공되는 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용이 설명의 목적을 위한 것일 뿐이며, 제한적인 것으로 해석되지 않아야 한다는 것을 쉽게 인식할 것이다.

화학 강화

본 명세서의 실시예들은, 유리 물품이 제1 이온 용액(예를 들어, 나트륨) 내의 침지에 의해 먼저 향상되고, 이어서 제2 이온 용액(예를 들어, 칼륨) 내의 침지에 의해 강화되는 유리 강화 프로세스를 활용할 수 있다.

도 2는 일 실시예에 따른 유리 강화 프로세스(200)의 흐름도이다. 유리 강화 프로세스(200)는 유리 조각을 획득하는 획득하는 단계(202), 화학적 프로세싱을 통해 유리 물품을 향상시키는 단계(204), 및 추가적인 화학적 프로세싱을 통해 유리 물품을 강화하는 단계(206)를 포함한다.

도 3은 본 명세서의 실시예들에 따른 유리 물품을 강화하기 위한 일 실시예(300)를 도시한다. 유리 강화가 필요한 유리 물품(302)이 나트륨 용액(306)을 포함하는 제1 욕조(304) 내에 침지된다. 향상된 강도 유리 물품은 이어서 제1 욕조(304)로부터 꺼내져서 칼륨 용액(310)을 포함하는 제2 욕조(308) 내에 침지된다. 이 단계에서, 유리 물품(302)은 대칭으로 강화되는데, 이는 유리 물품의 모든 노출된 표면들이 나트륨 용액 내의 침지 및 이어서 칼륨 용액 내의 침지를 통해 동등하게 향상되고 강화되었음을 의미한다. 일부 실시예들에서, 강화된 유리 물품은 켄칭되어 처리된 유리 물품으로부터 이온들의 추가적인 교환을 원천봉쇄할 수 있다.

유리 물품 향상의 레벨이 일반적으로 유리의 유형(유리 물품들은, 예를 들어, 알루미나 실리케이트 유리 또는 소다 석회 유리 등일 수 있음); 욕조의 나트륨 농도(나트륨 또는 나트륨 니트레이트, 통상적으로 30% 내지 100% mol); 유리 물품이 욕조에서 소비하는 시간(통상적으로 4 내지 8 시간); 및 욕조의 온도(350 내지 450 ℃)에 의해 제어된다.

제2 욕조에서의 유리 물품의 강화는 유리의 유형, 칼륨 이온 농도, 유리가 용액 내에서 소비하는 시간, 및 용액의 온도에 의해 제어된다. 여기서, 칼륨 또는 칼륨 니트레이트는 30 내지 100% mol의 범위 내에 있지만, 유리 물품은 약 300 내지 500℃ 사이의 용액 온도에서 약 6 내지 20 시간 동안 욕조 내에 남아 있을 수 있다.

화학 강화 프로세스는 이온 교환을 필요로 한다. 각각의 용액 욕조에서 그 안의 이온들은 가열되어 유리 물품과의 이온 교환을 용이하게 한다. 통상적인 이온 교환 동안, 유리 물품과 이온 욕조 사이에 확산 교환이 일어난다. 예를 들어, 향상 프로세스에서의 나트륨 이온들은 노출된 유리의 표면 안으로 확산하여, 실리케이트 또는 소다 석회 유리에서 발견되는 다른 이온들을 대체함으로써 유리의 표면에 나트륨 이온들을 구축하게 된다. 향상된 유리 물품을 칼륨 욕조 안으로 침지하면, 나트륨 이온들은 표면 영역들에서 칼륨 이온들에 의해, 유리의 더 내부 또는 중간에서 발견되는 나트륨 이온들보다 더 많이 대체된다. 결과적으로, 나트륨 이온들을 대체하는 칼륨 이온들은 유리 물품의 표면 근처에 압축 층을 형성한다(본질적으로 더 큰 칼륨 이온들이 교환된 작은 나트륨 이온들보다 더 많은 공간을 차지함). 유리 물품의 표면으로부터 쫓겨난 나트륨 이온들은 칼륨 욕조 이온 용액의 일부가 된다. 위에서 이미 논의된 요인들에 따라, 압축 층이 유리 물품에 약 10 내지 100 마이크로미터, 더 통상적으로 10 내지 75 마이크로미터 깊이로 형성될 수 있다.

도 4a는 대칭적으로 화학적으로 강화된 층(402)이 본 명세서에 기재된 실시예들에 따라 생성되도록 화학 처리된 유리 물품(400)의 단면도이다. 유리 물품(400)은 화학적으로 강화된 층(402) 및 비-화학적으로 강화된 내부 부분(404)을 포함한다. 전체적으로 더 상세하게 논의되지만, 유리 물품을 화학적으로 강화하는 것의 효과는 내부 부분(404)은 인장된 반면, 화학적으로 강화된 층(402)은 압축되는 것이다. 화학적으로 강화된 층은 특정 사용의 요구조건들에 따라 달라질 수 있는 두께(Y)를 가진다.

도 4b는 화학적으로 강화된 프로세스의 도식적 표현이다. 주의할 점은 어느 정도의 나트륨(405)이 향상된 유리 물품에서 이온 욕조로 확산하는 반면, 칼륨(K) 이온들(406)은 유리 물품의 표면 안으로 확산하여, 화학적으로 강화된 층(402)을 형성한다는 것이다. 그러나, 칼륨과 같은 알칼리 금속 이온들은 일반적으로 유리의 중심 부분 안으로 확산되기에 너무 커서, 내부 부분(404)은 압축되지 않고 단지 인장되도록 한다. 처리의 지속시간, 처리 온도, 및 처리에 관련된 다양한 이온들의 농도를 제어함으로써, 압축 층 내의 이온들의 농도뿐만 아니라 강화 압축 층(402)의 두께(Y)가 제어될 수 있다. 주의할 점은, 화학적 강화 프로세스와 연관된 이온들의 농도는, 유리 물품 처리 동안, 두 욕조들의 각각에 실질적으로 일정한 양의 이온을 유지함으로써 제어될 수 있다는 것이다(예를 들어, 칼륨 이온들이 유리 안으로 확산함에 따라, 제어기는 더 많은 칼륨 이온들을 이온 욕조 안에 추가함으로써 칼륨이 계속해서 유리 안으로 확산하도록 할 것임). 화학적으로 강화된 압축 레벨(표면에서의 이온 농도 및 깊이 둘 모두)과 내부 인장 부분 사이의 관계는 화학 처리된 유리 물품에 대한 응력 패턴을 형성한다.

추가적인 이온 욕조 침지들이 기본 유리 화학 강화 프로세스에 추가될 수 있다. 예를 들어, 나트륨 또는 나트륨 니트레이트를 포함하는 제3 욕조를 사용하여 강화된 유리를 침지시켜 압축 층으로부터의 칼륨 이온들을 제3 욕조 내의 나트륨 이온들과 교환하도록 할 수 있다. 이는 역교환 또는 강인화 프로세스(toughening process)라고 지칭된다. 강인화 프로세스를 이용하여 압축 층의 깊이 및 강도를 추가로 제어하고, 특히, 상부 표면 지역들 근처로부터 일부 압축 응력들을 제거하는 반면, 아래에 놓인 칼륨 이온들은 압축 층의 더 낮은 지역들에 남아 있도록 한다. 또한, 강인화 프로세스는 유리 물품으로부터 중심 인장을 감소시킨다(아래 참조).

나트륨 향상 및 칼륨 강화가 본 명세서에 기재되지만, 다른 이온 조합들, 예를 들어, 나트륨 대신에 리튬, 또는 칼륨 대신에 세슘, 예컨대, 나트륨- 칼륨, 나트륨-세슘, 리튬- 칼륨, 리튬-세슘 처리 조합들의 사용도 본 개시내용의 범주 내에 있다. 유리 물품 표면 압축 및 압축 깊이의 증가를 제공하는 임의의 이온 조합이 본 명세서에서 사용될 수 있다.

화학 강화는 유리 표면들에 적용되는데, 유리 표면이 화학 강화 프로세스에 노출되는 것을 필요로 한다. 유리 물품이 침지되어 물품의 모든 양태들이 이온 욕조에 대하여 동등한 노출을 갖도록 하는 경우, 유리 물품 표면은 대칭으로 강화되어, 유리 물품이 균일한 두께 및 구성의 압축 층(Y)을 갖도록 할 것이다. 본 명세서의 실시예들이 도시하게 될 바와 같이, 유리 물품 표면이 화학 강화에 동등하게 노출되지 않는 경우, 표면은 비대칭으로 강화되어, 유리 물품이 불균일한 압축 층을 갖게 할 것이다. 위와 같이, 비대칭으로 강화된 유리 물품들은 응력 패턴을 갖지만, 응력 패턴은 화학 처리의 비대칭성에 기초하여 변경된다.

화학 강화 이전에 유리 밀도를 증가시키기 위한 사전 가열

화학 강화는 화학 강화 프로세스 이전에 수행되는 다양한 열 기술들에 의해 향상 또는 용이하게 될 수 있다. 화학 강화는 일정량 또는 일정 부피의 이온들에 대하여 유리의 포화 한계에 의해 제한된다. 유리 물품 내의 이온들의 크기, 깊이 및 농도는 그 유리에 대한 특징적인 강화와 직접 관련되는데, 이는 본 명세서에 기재된 바와 같이 특정 사용을 위해 유리를 최적화하기 위하여 유리 전체적으로 변경 및 교정될 수 있다.

포화 시, 더 이상의 추가적인 압축 층 또는 깊이 변경이 (확산을 통해) 수행되지 않을 수 있다. 그러나, 화학 강화 이전에 유리 물품에 대한 열 입력의 변경은, 유리 표면 밀도를 향상할 수 있으며, 이는 강화된 압축 층의 농도 및 깊이에 직접 기여할 것이다.

상당한 양의 열 에너지가 화학 강화 이전에 유리 물품에 추가되는 경우, 물품의 유리 밀도가 증가될 수 있다. 이러한 실시예들에서의 유리 밀도는 치밀화되는 지점까지 가열되는 유리 격자를 야기한다.

도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 더 치밀한 유리(5b)(500)가 더 제한된 격자 구조(더 제한적이고 덜 가요성임)를 제공하고, 처리되지 않은 유리(5a)(502)보다 더 깊은 레벨로 이온 확산을 하는 능력이 떨어진다.

도 5a 및 도 5b에서, 유리는 개시 유리 격자 구조(502)를 갖는데, 이는 치밀화 온도로 가열되면 밀집되어, 밀집되지 않은 유리(502)의 부피(508)보다 이온들이 이동하기에 더 작은 부피(506)를 제공한다. 유리 격자에 대한 제한으로 인해 더 적은 이온들이 안으로 확산되고, 화학 강화 욕조 내의 이온들의 농도는 높게 유지된다(밀집되지 않은 유리에 사용되는 이온 욕조에 비교 시). 또한, 유리 격자가 밀집되었지만, 본 명세서의 실시예들은 결정 격자 붕괴(미도시)의 지점까지 열 입력을 야기하지 않으며, 오히려 격자 제한의 지점에 열이 가해져서, 일부 이온들은 유리 안으로 확산할 수 있다. 유리 안으로 확산되지 않는 이온들은 밀집된 유리의 표면에 빽빽하게 쌓여, 낮은 깊이의 우수한 표면 압축 층을 제공한다.

이와 같이, 화학 강화 프로세스의 시작 시 유리 밀도의 증가는 유리 표면 안으로의 이온 확산을 제한하고, 유리가 많은 양의 이온들을 유리의 표면에서 교환하도록 하지만, 단지 낮은 깊이로의 교환만을 허용할 뿐이다. 화학 강화 이전에 개시 열 입력에 의해 처리된 유리 물품들은 통상적으로 표면에서 더 높은 화학적 응력을 나타내지만, 깊이가 더 얕다. 이러한 유리 물품들은 압축 응력이 높지만 깊이가 낮은, 예컨대, 화학적으로 강화된 유리에 연마 또는 기타 유사한 절차가 요구되거나, 또는 유리가 증가된 스크래칭의 위험에 노출되지만 마모되거나 파열(충격)되지 않을 물품에 가장 유용하다.

하나의 이러한 열 기술이 화학 강화 이전에 유리 물품을 어닐링하는 것이다. 어닐링은 유리 물품을 어닐링 환경에서 사전 결정된 길이의 시간 동안 상대적으로 높은 온도를 거치게 하고, 이어서 유리 물품을 제2 사전 결정된 길이의 시간 동안 제어된 냉각을 거치게 하는 것을 포함한다. 어닐링되고 화학적으로 강화되면, 유리 물품은 화학 강화 이전에 어닐링되지 않은 유사한 유리 물품들에 비교하면, 변경된 압축 응력을 가질 것이다. 위에서 언급된 바와 같이, 어닐링은 유리 물품이 높은 표면 압축 응력(그러나 낮은 깊이)을 필요로 하는 경우에 특히 중요하다.

어닐링 프로세스는 유리 물품이 유리의 변형점 온도와 연화 온도 사이의 온도로 가열되도록 요구하는데, 이는 또한 유리의 어닐링 온도(알루미노실리케이트 유리의 경우, 어닐링 온도는 약 540 내지 550℃ 사이임)로 알려져 있다. 유리 물품을 어닐링하는 데 요구되는 시간은 다양하지만, 통상적으로 1 내지 4 시간 사이이고, 냉각 시간은 통상적으로 ½°/min의 수준으로 약 5 시간 동안 이루어진다.

통상적으로, 어닐링된 유리 물품들은 제어된 냉각으로부터 바로 꺼내어, 향상 이온 욕조(나트륨)에 침지될 수 있거나, 또는, 대안적으로, 물품은 추가로 공기 냉각되고, 이어서 제1 이온 욕조에 침지될 수 있다. 어닐링되면, 유리는 더 깊은 이온 확산은 저지하지만 표면에서의 일부 확산은 허용할 것이다. 표면 안으로의 확산은 높은 압축 응력(낮은 깊이)을 허용한다.

화학 강화 이전에 유리 물품의 밀도를 높이는 데 사용되는 제2 열 기술은 고온 등압 가압(hot isostatic pressing) 또는 HIP이다. HIP는 유리 물품을 불활성 가스에서 사전 결정된 길이의 시간 동안 가열 및 압력을 동시에 거치게 하는 것을 포함한다. 유리 물품이 더 밀집될 때까지, 유리 물품은 HIP 압력 용기 내에 남아 있도록 허용되며, 이때 유리 내의 내부 공극들이 제한된다. 어닐링의 경우와 같이, 화학 강화 이전에 HIP에 의한 유리 밀도의 증가는 (HIP를 거치지 않은 유리 물품에 대하여 예상될 수 있는 것보다) 유리 물품 표면에서 더 높은 압축 응력을, 더 낮은 깊이에서 생산하도록 허용한다.

HIP 파라미터들은 다양하지만, 예시적인 프로세스는 화학적으로 강화될 유리 물품을 HIP 압력 용기 내에 배치하는 단계, 용기를 진공으로 만드는 단계, 및 용기 내의 유리 물품에 열을 가하는 단계를 포함할 수 있다. 압력 하에서, 용기는 유리의 유형 및 두께에 따라 600 내지 1,450℃로 가열될 수 있다. 열 및 압력은 통상적으로 약 10 내지 20 분 동안 유지되고, 그 이후에 프로세싱된 유리를 냉각하게 된다. 일부 실시예들에서, 적합한 불활성 가스가 용기 안으로 도입되어 유리 물품의 가열을 용이하게 할 수 있다. HIP는 화학 강화 프로세스를 변경 또는 향상하기 위한 또 하나의 도구이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 유리 물품(600)의 사전 가열은 국지적이어서(유리 물품의 전체 표면(들)에 걸쳐 이어지지 않음), 유리 물품의 타겟 또는 사전 결정된 구역들(602)이 밀집되도록 할 수 있다. 이 실시예에서, 국지화된 가열(화살표들(604)로서 도시됨)은 화학 강화 이전에 유리의 변형점 온도와 연화 온도 사이의 온도점까지 수행된다. 레이저 또는 유도 코일 가열을 이용하여 그 위치를 사전 가열함으로써 밀집된 유리 표면들(608)과 밀집되지 않은 유리 표면들(610) 둘 모두를 포함하는 유리 물품을 제공할 수 있다. 도 6은 유리 커버(600)의 단순 단면을 도시하며, 여기서 양 쪽이 국지적으로 사전 가열되어 밀집된 유리(608)를 형성하는 반면, 유리 물품의 중심은 밀집되지 않은 유리(610)를 나타낸다.

본 명세서의 실시예들은 유리 물품들이 가열 기술들에 의해 사전 처리되어, 전체 표면에 걸쳐, 또는 사전 결정된 구역들 또는 장소들에 밀집된 유리를 형성하여, 상이한 유리 밀도의 구역들을 남기는 것을 포함한다. 그렇게 처리된 유리 물품이 화학적으로 강화될 때(612), 물품은 비대칭으로 강화되어 비대칭 응력 패턴을 갖게 될 것이며, 밀집된 유리는 대응하는 밀집되지 않은 유리보다 더 얕은 깊이에서 더 높은 표면 압축 응력을 나타낸다. 사전 가열의 타이밍 및 배치를 이용하여 유리 표면 압축 응력 및 압축 응력의 깊이를 최적화할 수 있음이 고려된다.

본 명세서의 모든 실시예들에서 명확하게 언급되지 않았지만, 본 명세서의 모든 유리 물품 실시예들은 화학 강화 이전에 유리를 치밀하게 하도록 사전 가열된 유리 물품들의 사용을 포함할 수 있다.

바람직한 에지 기하학적 형상들의 화학 강화

소정의 유리 물품 에지 기하학적 형태들이 또한 화학 강화와 조합하여 특정 용도를 위한 유리 물품을 강화하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서의 실시예들은 유리 커버들의 강화에 유용한 사전 결정된 기하학적 형상들을 제공한다. 에지 조작이, 예를 들어, 기계가공, 그라인딩, 절삭, 식각, 성형 또는 연마에 의해 수행될 수 있다.

전자 디바이스에 유용한 유리 커버를 위한 예시적인 둥근 에지 기하학적 형태들은 커버 유리의 두께의 10%인 에지 반경, 예컨대, 두께가 1.0 mm인 유리 커버에 대하여 0.1 mm 에지 반경으로의 에지의 조작을 포함한다. 다른 실시예들에서, 에지에 대한 조작은 커버 유리의 두께의 20% 내지 50%인 에지 반경, 예를 들어, 두께가 1.0 mm인 유리 커버에 대하여 0.2 mm 에지 반경, 두께가 1.0 mm인 유리 커버에 대하여 0.3 mm 에지 반경 등을 포함할 수 있다.

일반적으로, 본 명세서의 일부 실시예들은 유리 커버의 에지들을 둥글게 하는 것은 유리 커버의 강도를 증가시키는 것을 보여준다. 예를 들어, 유리 커버 상의 다른 방식의 날카로운 에지를 둥글게 함으로써 에지들의 강도를 개선하고, 이로써 유리 커버를 자체적으로 강화하게 된다. 일반적으로, 에지 반경이 클수록, 유리 커버의 표면에 걸친 강화가 더 균일할 수 있다.

이와 같이, 본 명세서의 일부 실시예들에서, 유용한 에지 기하학적 형태는 화학 강화와 조합되어 더 신뢰성있고 내구성있는 유리 커버를 생산하게 될 수 있다. 예를 들어, 화학적 강화는 유리 커버의 주연부를 따라 압축 응력 층 깊이를 증가시키기 위하여, 30%의 에지 반경을 갖는 유리 커버의 4개의 에지들과 조합된다.

본 명세서의 모든 실시예들에 명확하게 언급되지 않았지만, 본 명세서의 모든 화학적으로 강화된 유리 물품 실시예들은 유용한 기하학적 형태로 기계가공된 그것의 에지들 중 1개, 2개, 3개 또는 4개를 포함할 수 있다. 커버 유리 설계에 있어서, 둥글게 하는 것은 커버 유리의 두께의 10 내지 50% 일 수 있다.

응력 프로파일들

본 명세서의 실시예들에 따른 유리 물품을 화학적으로 처리하는 것은 유리의 노출된 또는 처리된 표면들을 효과적으로 강화한다. 이러한 강화를 통해, 유리 물품들은 더 얇은 유리가 휴대용 전자 디바이스들에 사용될 수 있도록, 더 강하고 강인하게 만들어질 수 있다.

도 7a는 유리 물품, 예를 들어, 유리 커버의 부분 단면도이다. 도면은 일 실시예에 따른 초기 인장/압축 응력 프로파일을 도시한다. 초기 인장/압축 응력 프로파일은 유리의 표면 지역을 대칭으로 강화하는 초기 교환 프로세스에 의한 것일 수 있다. 음수의 시그마 범례는 인장의 프로파일 지역을 나타내고, 양수의 시그마 범례는 압축의 프로파일 지역을 나타낸다. 수직선(시그마는 0)은 압축과 인장 사이의 교차를 표시한다.

도 7a에서, 유리 커버의 두께(T)가 도시된다. 초기 인장/압축 응력 프로파일의 압축 표면 응력(CS)이 커버 유리의 표면에 나타난다. 커버 유리에 대한 압축 응력은 유리 커버의 표면들로부터 중심 지역을 향해 연장되는 압축 응력 층 깊이(DoL)를 갖는다. 초기 인장/압축 응력 프로파일의 초기 중심 인장(CT)이 유리 커버의 중심 지역에 있다.

도 7a에 도시된 바와 같이, 초기 압축 응력의 프로파일은 유리 커버(702)의 표면들(700)에서 피크를 갖는다. 즉, 초기 압축 응력(704)은 유리 커버의 표면에서 그것의 피크이다. 초기 압축 응력 프로파일은, 압축 응력 층 깊이가 유리 커버의 표면들로부터 유리 커버의 중심 지역을 향해 연장됨에 따라, 압축 응력이 감소되는 것을 보여준다. 초기 압축 응력은, 압축과 인장 사이의 교차(706)가 일어날 때까지 안으로 들어가면서 계속해서 감소한다. 도 7a에서, 초기 압축 응력의 감소하는 프로파일의 지역들이 우측에서 좌측으로 그은 대각선 선영을 이용하여 하이라이트되어 있다.

유리 커버의 표면에서의 피크들은 유리 물품이 파괴되기 전에 흡수할 수 있는 구부러지는 응력에 대한 표시를 제공하는 반면, 압축 층의 깊이는 충격에 대한 보호를 제공한다.

압축과 인장 사이의 교차 후, 초기 중심 인장의 프로파일(708)은 유리 커버의 단면도에 도시된 중심 지역 안으로 연장된다. 도 7a의 도면에서, 중심 지역 안으로 연장되는 초기 중심 인장(CT)의 감소하는 프로파일의 지역들이 선영을 이용하여 하이라이트된다.

통상적으로 유리 물품 상의 응력들의 조합은 파괴를 피하고 안전성을 유지하도록 예산이 세워져 있는데, 즉, 사용자가 유리 물품에 과도한 응력을 주는 경우, 에너지는 결국 물품이 부서지거나 또는 파괴되도록 할 것이다. 따라서, 각각의 유리 물품은 응력 예산, 안전하고 신뢰성있는 유리 물품을 제공하는 압축 대 인장 강도의 양을 갖는다.

도 7b는 유리 커버의 부분 단면도이며, 일 실시예에 따른 감소된 인장/압축 응력 프로파일을 나타낸다. 감소된 인장/압축 응력 프로파일은 이중 교환 프로세스에 의한 것이다. 감소된 인장/압축 응력 프로파일의 감소된 압축 표면 응력(CS')이 도 7b에 도시된다. 압축 응력 층 깊이(D)는 이제 감소된 압축 응력에 대응한다. 또한, 감소된 중심 인장(CS')이 중심 지역에 도시된다.

도 7b의 관점에서, 압축 표면 층 깊이가 유리 커버의 표면들로부터 연장되어 감춰져있는 프로파일 피크들을 향함에 따라 감소된 압축 표면 응력(CS')이 증가하는 프로파일들을 나타냄을 이해해야 한다. 이러한 압축 응력의 증가하는 프로파일들은 균열들을 묶어두는 데 유리할 수 있다. 감춰져 있는 피크들의 깊이(DoL) 내에서는, 균열이 표면으로부터 커버 유리 안으로 더 깊이 전파되도록 시도함에 따라, 증가하는 압축 응력(최대 DP)과 만나게 되는데, 이는 균열 구속 작용을 제공한다. 추가적으로, 감춰져 있는 프로파일 피크들로부터 추가로 안으로 중심 지역을 향해 연장됨에 따라, 감소된 압축 응력은 압축과 인장 사이의 교차가 일어날 때까지 감소하는 프로파일을 제공하게 된다.

도 7a 및 도 7b는 대칭 응력 프로파일을 보여주고, 커버 유리의 양면은 동등한 압축 응력, 압축 응력 층 깊이, 및 중심 인장을 갖는다.

도 7c는 유리 물품(714)에 대한 비대칭 응력 프로파일을 도시하며, 상부 표면(716)은 하부 표면(718)보다 더 현저한 압축 응력(CS) 및 압축 응력 층 깊이(DoL)를 보여준다. 주의할 점은 상부 표면(716)은, 이 경우에, 하부 표면보다 더 내구성있고 충격 저항성이 있을 수 있다. 또한 주의할 점은 응력 예산이 있다는 것, 표면 상의 추가적인 압축 응력의 포함이 하부 표면 상의 훨씬 얕은 깊이의 압축에 의해 보상될 수 있다는 것이다. 보상이 없는 경우에, 인장력(720)은 좌측으로 연장되어, 궁극적으로 유리 커버를 매우 불안전하게 할 수 있다(인장 강도는 압축 강도를 극복할 것임).

아래에 더 상세하게 기재될 바와 같이, 교정된 용도를 위해 도 7c와 같은 변경된 응력 프로파일들을 갖는 유리 커버 물품들의 설계 및 생산이 본 명세서에 기재된 비대칭 화학 강화 프로세스들을 이용함으로써 달성된다. 유리 물품을 비대칭으로 강화함으로써, 교정되고 훨씬 유용한 유리 물품들이 생산될 수 있다. 이러한 경우들에서, 임의의 유리 조각에 대한 응력 예산은 응력 프로파일을 제공하는 데 사용될 수 있고, 따라서 유리 물품은 그것의 용도에 대하여 최적화된 표면을 갖는다.

비대칭 화학 강화

본 명세서의 실시예들은 비대칭으로 강화된 유리 물품들의 생산을 하게 된다. 비대칭으로 강화된 유리 물품들, 예를 들어 커버 유리는 대응하는 대칭으로 강화된 유리 물품들보다 더 신뢰성있고, 손상에 강하고, 더 안전할 수 있다.

도 8은 유리 물품을 비대칭으로 강화하기 위한 예시적인 흐름도(800)를 도시한다. 유리 물품이 그것의 치수, 그것의 두께, 및 그것의 고유 조성에 기초하여 바람직한 용도에 대하여 식별된다(802). 식별된 유리가 응력을 얼마나 견딜 수 있는지에 대한 예산이 유리의 용도에 기초하여 결정되고(804), 유리에 대한 최적의 신뢰성 및 안전성에 대하여 결정된 예산, 즉, 유리 내의 응력이 강도 및 안전성 둘 모두를 제공하도록 균형잡힌다(806). 유리 물품은 이어서 비대칭 화학 강화의 사용을 통해 응력 예산 및 활용을 최대화하도록 유용한 응력 패턴을 나타내도록 교정된다(808).

예를 들어, 휴대용 전자 디바이스 상에 사용되는 얇은 커버 유리 조각은 그것의 표면에 걸쳐 상이한 속성들을 최적으로 요구한다. 유리 물품의 전면과 후면, 유리 물품의 주연부와 중심, 유리 물품의 특징부들의 둘레, 또는 유리 물품의 연마하기 어려운 영역들에서 비대칭적인 화학 강화가 요구될 수 있다. 그러나, 위에서 논의된 바와 같이, 각각의 유리 물품은 파괴를 피하기 위한 응력 패턴을 가지며, 압축 응력 및 인장 응력은 거의 균형이 잡혀야 한다. 이와 같이, 비대칭 화학 강화는 특정 사용에 대하여, 유리 물품의 응력 예산 내에서, 특정 유리 물품의 속성들을 최적화하는 데 사용된다.

일반적으로, 비대칭 화학 강화는, 유리 물품 내에서 인장 응력을 과도하게 가하지 않고 유리의 안전성을 유지하면서, 특정 지역에 대하여 더 높은(또는 더 낮은) 표면 압축 층 또는 더 깊은(또는 더 얕은) 응력 층을 제공하도록 사용될 수 있다. 유리의 표면이 추가적인 강도를 요구하는 경우, 층의 압축은 증가될 수 있고, 유리가 마모 및 파열로부터 보호를 요구하는 경우, 압축 층의 깊이가 변경 등이 될 수 있다. 유리 물품의 소정 구역 또는 부분에 대하여 유리 물품 내에서 응력을 최대화하는 능력은 신뢰성있고 안전한 유리 부품들의 설계를 가능하게 한다. 일반적으로, 생성되는 인장 응력과 연관된 유리 물품의 상부 및 하부 표면 상의 압축 응력(양 및 깊이)의 관계는 유리 물품에 대한 응력 패턴을 제공한다. 응력 패턴은 유리 물품의 X, Y 또는 Z 축을 따를 수 있다.

본 명세서의 실시예들에서, 유리 물품의 비대칭 화학 강화는: 특정 사용에 대하여 유리 물품의 신뢰성을 증가시키도록; 특정 사용에 대하여 유리 물품의 안전성을 증가시키도록; 특정 사용에 대하여 유리 물품의 타겟 형상들 또는 형태들(편평하거나 또는 실질적으로 편평함)을 가능하게 하도록; 유리 물품의 타겟 형상 또는 형태를 가능하게 하도록 다른 기술들과 조합하여 사용되도록; 그리고 기타 유사한 용도들에 제공된다.

도 9는 비대칭 화학 강화는 유리 물품의 표면 안으로 이온들을 차등적으로 포함시키는 것에 의존함을 보여준다. 위에서 언급된 바와 같이, 유리 물품(900)이, 임의의 표면 영역(902)을 따라, 이온들을 교환하고 유리 물품들의 밀도 및 전체 이온 포화점에 기초하여 특정 깊이 및 농도로 이온들을 포함시킬 수 있는데, 즉, 물품 압축(901과 903 비교)을 증가하도록, 유리 내에는 더 큰 크기의 이온들로 교환하는 것과 연관될 수 있는 매우 큰 부피만이 존재한다. 표면을 따라, 그리고 특정 깊이까지 이온 농도를 다르게 하는 것은 유리 내부 응력 관계를 변경하는데, 이 관계는 유리의 두께(904) 뿐만 아니라, 유리 내부 부분에 전체적으로(906)(내부 인장/압축 응력이 유리 물품의 중간을 걸쳐 어떻게 변경되는지) 이어진다. 이와 같이, 그리고 이전에 논의된 바와 같이, 응력 패턴은 유리 물품의 두께(수직 ― 상부에서 하부 표면까지)(904)에 걸칠 뿐만 아니라 유리 물품에 걸쳐 또는 전체적으로(수평 ― 측면에서 측면까지)(906) 이어질 수 있다.

본 명세서의 실시예들은 교정되는 용도에 대하여 이러한 응력 관계들을 활용하여 휴대용 전자 디바이스들 및 소형 폼팩터 디바이스들에 사용하기 위한 변경된 유리 물품들을 제공한다.

비대칭 강화 대 마스킹 또는 코팅

본 명세서의 실시예들은 이온 포함 욕조에 침지하기 전에 유리 물품의 부분들에 마스킹 또는 이온-확산 배리어들을 적용하는 것을 포함한다. 예를 들어, 유리 표면의 일부분이 화학 강화 프로세스에서 확산을 원하지 않는 지역 위에 밀봉되는 금속 또는 세라믹과 같은 확산 불투과성 재료를 통해 이온들로부터 물리적으로 마스킹될 수 있다. 이러한 유형의 물리적 마스킹은 그 표면 안으로의 이온-확산을 완전히 제한하고 비대칭 강화를 제공하는, 즉, 마스킹된 표면은 유리 물품의 다른 노출된 표면들에 비교했을 때 어떠한 이온 교환도 수용하지 않을 것이다. 화학 처리되면, 물리적 배리어는 통상적으로 유리 물품로부터 제거될 수 있다. 여기 표면들을 처리하거나 처리하지 않을 수 있다.

다른 실시예에서, 도 10에 도시된 바와 같이, 규소 니트레이트(SiN), 또는 기타 유사한 재료 상에 구성되는 코팅 또는 필름이 물리적 마스크 대신에 사용된다. 도 10에서, 유리 커버(1002)의 중심 부분에 코팅(1000)이 적용되고, 에지들 및 코너들(1004)은 코팅하지 않고 둔다. 이러한 코팅은 커버 유리의 중심 구역 또는 부분에서 이온 확산을 제한하거나 또는 원천봉쇄할 수 있는 반면, 코팅되지 않은 구역들(에지들 및 코너들)에서 화학 강화를 허용한다.

유리 물품의 코팅된 부분을 통한 실질적으로 모든 이온 확산을 차단하기 위하여, 향상 처리 이전에 유리 물품에 코팅이 먼저 적용된다. 코팅들의 두께는 약 5 내지 500 nm일 수 있지만, 다른 두께들이 적절한 곳에 사용될 수 있다. 이 예시에서, 유리 물품의 코팅된 표면은, 화학 강화 프로세스가 완료되면, 압축 층을 포함하지 않을 수 있는 반면, 유리 물품의 나머지 부분은 압축 층을 나타낼 수 있다. 화학 강화 프로세스를 완료하면, 코팅은 유리 물품으로부터 연마를 통해 제거되어, 비대칭 강화를 갖는 표면을 제공할 수 있거나, 또는 마감된 유리 물품의 일부로서 유리의 표면 상에 남을 수 있다. 이 양태에서, 코팅은 유리 물품의 일부를 유지하기 위하여 적절한 두께 및 조성으로 맞춰질 수 있다.

다른 실시예들에서, SiN 코팅은 화학 강화 프로세스가 완료된 후에 산화되어 더 이온-투과성인 배리어를 제공할 수 있다. 동일한 유리 물품은 이제 재침지되고 화학 강화를 통해 프로세싱되어, 이산화규소 배리어를 통한 일부 이온 확산이 일어나고, 그럼으로써 일부 압축 층이 그 장소에 형성되도록 할 수 있다(유리 물품의 남은 부분은 두 번 처리됨).

방금 언급된 바와 같이, 대안적인 재료들, 예를 들어, 이산화규소로 구성된 코팅은 또한 유리 물품의 표면에 대한 이온 확산을 원천봉쇄하는 대신에 제한하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 이산화규소로 구성된 코팅은 유리 물품 표면에 대한 이온 확산을 단지 제한할 수 있고, 코팅된 지역에 일정 수준의 압축 층 형성을 허용하지만, 이온 교환 욕조에 의해 계획되는 완전한 강화는 아니다. 위와 같이, 코팅은 화학 강화 프로세스가 완료되면 제거되거나, 또는 마감된 물품의 일부로서 제 위치에 남을 수 있다. 두 경우에, 유리 물품은 비대칭 강화된 표면을 가질 수 있다.

도 11은 코팅 유형들(1100, 1102, 1104 …)의 조합들을 도시하고, 비대칭으로 강화된 유리 표면을 설계하는 두께들이 사용될 수 있다. 도 11a에서, 일련의 코팅들(1100, 1102, 1104)이 유리 커버(1110)의 상부 및 하부 표면(각각 1106, 1108) 둘 모두에 적용된다. 코팅 재료의 각각의 조합은 타겟 유리 표면으로의 이온 확산을 제어함으로써, 그 표면의 화학 강화(1112)를 변경하도록 의도된다.

유리 물품은 이온들을 교환하고 코팅들(1100, 1102, 1104)을 통한 이온 확산에 기초하여 특정 깊이 및 농도로 이온들을 포함할 수 있다. 이전에 기재된 바와 같이, 표면을 따라, 그리고 특정 깊이까지 이온 농도의 변화는 유리 내부 응력 관계를 변경한다. 도 11b에 도시된 응력 패턴은 코팅이 없는 상부 표면(1106)의 에지들(1114)이 표면을 따라, 그리고 최대 깊이까지 가장 견고한 이온 농도를 수용함을 도시한다. 상부 표면(1106)의 남은 부분은 일부 감소된 이온 포함을 도시하지만, 에지들(1116)에서보다 더 낮은 정도로 감소되어 있다. 내부인 하부 표면(1108)은, 예를 들어, 층상의 코팅들에 기초하여 이온 포함의 3개의 영역들(1116, 1118, 1120)을 정의하는 다수의 구역들을 갖는다. 하부 표면의 중심 구역(1120)은 코팅들(1100, 1102, 1104)로 인해 이온 포함이 거의 또는 전혀 없다. 조합된 코팅들은 중심 구역 안으로의 거의 모든 이온 확산을 원천봉쇄한다. 다른 구역들은 단일 코팅 또는 조합 코팅에 의해 야기된 일부 이온 확산을 나타낸다. 따라서, 다수의 코팅들(이온 배리어들)이 비대칭으로 강화된 유리 물품을 제조하도록 적용된 응력 관계가 달성된다.

다중 층들의 코팅이 또한 타겟 유리 표면 안으로의 이온 확산 프로세스를 제어하는 데 사용될 수 있음이 추가로 고려된다. 예를 들어, 화학 강화 프로세스로부터의 나트륨 및 칼륨 이온 확산을 25%만큼 제한하는 얇은 코팅이, 나트륨 및 칼륨 이온 확산을 50% 만큼 제한하는 제1 더 두꺼운 코팅에 걸쳐 층이 형성될 수 있다. 유리 표면 지역은 잠재적으로 0%(코팅되지 않음), 25%(제1 코팅), 50%(제2 코팅), 및 75%(층상형 코팅)만큼 이온 확산이 제한된 지역을 가지며; 다른 실시예들은 각각의 코팅에 대하여 상이한 백분율을 가질 수 있다. 위와 같이, 마감된 유리 물품 표면은 코팅 층들의 각각을 포함할 수 있거나, 또는 코팅들을 제거하도록 처리되어, 아래의 비대칭으로 강화한 표면들만 남게할 수도 있다. 이온-확산 배리어 코팅들이 이온-배리어 마스크들과 조합되어 교정된 유리 물품 표면 강도를 추가로 허용하는 ― 예를 들어, 유리 커버의 하부 표면을 물리적으로 마스킹하고, 커버의 상부 표면 상에서 패턴들 또는 장소들을 25% 이온 확산 배리어를 이용하여 코팅할 수 있는 것이 또한 고려된다.

열 보조 비대칭 화학 강화

본 명세서의 실시예들은 목표한 열의 적용을 통한 화학 강화 프로세스 동안의 비대칭 유리 강화를 포함한다. 유리 표면 장소의 우선적인 가열을 이용하여 그 장소에서의 응력 완화를 용이하게 함으로써, 화학 강화 프로세스 동안 그 장소에서 이온 확산이 증가하게 한다. 주의할 점은 가열은 위에서 논의된 바와 같이 유리를 치밀하게 하는 데 요구되는 양보다 적다는 것이다. 이온 확산의 증가는 유리 안으로 추가적인 이온들의 교환을 허용함으로써, 가열되지 않은 표면과 비교하여 가열된 표면에 대한 응력 프로파일을 변하게 한다. 예를 들어, 유리 물품의 국지적인 지역은 가열 코일, 레이저, 마이크로파 복사 등의 사용을 통해 가열될 수 있는 반면, 유리 물품은 화학 강화 이온 욕조 내에 침지된다.

위에서 언급된 바와 같이, 타겟 장소에서 가열의 증가는 가열된 장소에서 유리 표면에서의 이온 확산이 증가하게 한다. 유리 표면 상의 타겟 장소들의 향상된 가열은 가열되지 않은 표면들에 비교했을 때 가열된 장소들에서 비대칭 화학 강화를 제공한다. 파손 지점들로 알려진 부분들에 대하여 화학 강화를 변경하도록 레이저 또는 마이크로파 빔이 지향될 수 있는 경우, 변경된 열 프로파일들을 사용하는 비대칭 화학 강화는 특정 값의 것이 된다. 예를 들어, 커버 유리는 충격의 결과인 파괴를 제한하기 위하여 코너들에서 추가적인 화학 강화를 요구한다.

가열 온도는 적절한데, 유리 격자를 완화시키지만, 유리의 치밀화를 야기하지 않거나, 또는 이온 욕조 내의 이온들이 끓게 만들 정도로 가열이 충분하다.

일 실시예에서, 유리 물품은 제1 및 제2 이온 욕조에서의 침지에 의해 화학적으로 향상된다. 제1 이온 욕조 및/또는 제2 이온 욕조 내에 침지되는 동안, 유리 물품의 일부 사전 결정된 부분의 열 프로파일은 지향된 가열(코일, 레이저, 마이크로파 등)의 사용을 통해 증가된다. 유리의 완화되고 확대된 격자를 고려하면, 유리 물품 상의 타겟 장소는 추가적인 이온 교환을 거치게 된다. 열 입력이 충분하다고 간주되면, 이제 표면 안으로 추가적인 이온들이 쌓인, 비대칭으로 강화된 장소는 그 장소로부터 다시 이온들이 교환되는 것을 방지하도록 켄칭될 수 있다. 화학 강화 동안 열 프로파일을 증가시키는 것은 유리 표면의 압축 응력 및 유리 표면의 압축 응력 층 깊이 둘 모두를 증가시키는 데 사용될 수 있다.

페이스트 및 가열을 통한 국지적 비대칭 강화

아래 더 상세하게 논의되는 바와 같이, 특정 형상을 제공하도록, 예를 들어, 편평한 표면을 제공하도록 유리 물품 내의 응력이 매칭되는 유리 물품을 형성하는 것이 종종 중요하다.

일 실시예에서, 국지적인 화학 강화 기술들을 이용하여 유리 물품의 구체적인 지역들 또는 구역들 안으로의 이온 확산을 촉진할 수 있다. 이러한 고농도 화학 강화 구역들이 유리 물품 상의 타겟 패턴들 또는 지점들과 함께 더 높은 표면 이온 농도 및/또는 더 깊은 압축 층들로 스며들도록 사용될 수 있다. 향상된 화학 강화의 포함은 필요한 경우 유리 표면에 약간의 곡률을 제공하는 데 사용될 수 있거나, 또는 유리 표면의 반대 면들에서 서로 대응하도록 사용될 수 있다(예를 들어, 전방 및 후방 표면).

고농도의 칼륨을 포함하는 페이스트들은, 예를 들어, 페이스트로부터 유리 물품의 국지적인 표면 안으로 직접적인 이온 확산을 향상 또는 촉진하기 위하여 가열과 조합하여 사용될 수 있다. 이러한 고농도 및 직접 이온 확산은 이온 욕조 내의 침지에 의해 성취되는 이온 확산보다 우수하다. 일 실시예에서, 사전 결정된 패턴에서 증가된 양의 이온 확산을 요구하는 유리 물품은 사전 결정된 패턴으로 높은 이온 농도 페이스트로 코팅된다. 페이스트는, 예를 들어, 30 내지 100% 몰의 나트륨 또는 칼륨 니트레이트, 더 통상적으로 75 내지 100% 몰의 나트륨 또는 칼륨 니트레이트일 수 있다. 페이스트 층 두께는 얼마나 많은 이온이 유리 물품 표면 안으로의 확산에 요구되는지에 의해 결정된다. 코팅된 유리 물품은 이어서 오븐 안에 배치되고, 사전 결정된 길이의 시간 동안 가열되어 사전 결정된 패턴으로 유리 표면 안으로 이온의 확산을 증가시킨다. 오븐은 전기 또는 가스(또는 기타 유사) 오븐일 수 있고, 약 250 내지 500℃의 온도에 도달한다. 일부 실시예들에서, 오븐은 압력 하에서, 가열 단계 동안 더 높은 온도의 사용을 허용할 수 있다(그럼으로써 페이스트가 기화되는 또는 끓는 것을 방지함).

도 12a 및 도 12b는 커버 유리(1206)의 전방(12A) 및 후방(12B) 표면(각각 1202, 1204) 상의 고농도 이온 페이스트들(1200)의 사용을 도시한다. 페이스트 도포 패턴들을 이용하여 비대칭 강화의 할당을 용이하게 하고, 전방 커버 상에 추가된 응력을 후방 커버에 추가된 응력과 균형을 맞출 수 있다. 도 12a 및 도 12b에서, 예시적인 전방 및 후방 표면 패턴들이 보여진다.

다른 실시예들에서, 이미 향상 코팅된 유리 물품이 높은 이온 농도 페이스트, 예를 들어, 칼륨으로 코팅되고, 이어서 칼륨 이온 욕조 안으로 배치된다. 코팅된 유리 물품 및 이온 욕조는 이어서 가열을 위한 오븐 안에 배치되어, 페이스트는 칼륨을 유리 표면에 직접 퇴적시키고, 그 동안 칼륨 이온 욕조는 유리 물품의 코팅되지 않거나 또는 노출된 표면들로 이온이 확산되도록 한다.

페이스트의 이온 농도, 유리 표면 상에 페이스트를 도포하는 패턴, 페이스트의 가열 파라미터들, 페이스트의 코팅 두께를 변경하는 것은, 비대칭으로 강화된 유리 물품을 생성하기 위한 다양한 설계 옵션들을 제공한다.

상상될 수 있는 바와 같이, 높은 이온 농도의 페이스트는 또한 마스킹, 이온-배리어 코팅들 및 유리 밀도와 조합되어 타겟 유리 물품에 필요한 화학 강화를 추가로 최적화할 수 있다. 또한, 상상될 수 있는 바와 같이, 다중 이온들의 페이스트를 이용하여 또한 각각 상이한 이온 또는 이온들 농도를 갖는, 하나 이상의, 둘 이상의, 셋 이상 등의 상이한 페이스트들로 유리 물품 표면을 코팅할 수 있다.

전기장 보조 비대칭 화학 강화

위에서 도시된 바와 같이, 본 명세서의 실시예들은 화학 강화 프로세스 동안의 비대칭 유리 강화를 포함한다. 이 실시예에서, 이온 욕조 내의 이온 수송은 우선적으로 유리 물품의 타겟 표면을 향해 증가됨으로써, 타겟 표면에서의 이온들의 확산을 증가시킨다. 표면에서 증가된 이온의 농도는, 증가된 이온 농도와 상관 없는 물품의 표면의 남은 부분과 비교했을 때, 유리 표면 안으로 포함되는 이온의 양이 최대 유리 물품의 이온 포화점까지 증가되게 한다.

이 실시예의 양태들은, 이온 욕조 내에서, 화학 강화를 제공하지만, 유리 물품들의 이온 포화점 미만인, 이온 농도를 활용함으로써 극대화된다. 이 양태에서, 전기장은 전기장에 걸친 이온들의 우선적인 수송과 관계있는 표면들에서 이온 농도를 현저하게 증가시킬 수 있다.

예시적인 실시예에서, 적절한 이온 욕조 내에 전기장이 걸려 침지된 유리 물품의 타겟 표면에 걸쳐 이온을 우선적으로 확산시킨다. 도 13에 도시된 바와 같이, 비대칭 화학 강화가 필요한 유리 물품(1304)이 이온 욕조(1300) 내에서 양극(1306)과 음극(1308) 사이에 위치설정된다. 외부 회로(1310)를 통한 전자 흐름은 욕조 이온들, 예를 들어, 칼륨이 음극을 향해 흐르도록 함으로써 위치설정된 유리 물품의 전방 표면(1302) 안으로 흐르도록 한다(화살표(1312)). 유리 물품의 전방 표면에서의 이온 농도의 증가는 전방 표면의 비대칭 강화를 제공하는데, 그 이유는 전방 표면(1302)이 유리의 후방 표면(1314)과 비교하여 이온 확산의 증가를 갖기 때문이다.

전기장 구배에 대한 대안적인 실시예들은 코일, 레이저, 마이크로파 또는 기타 열 가열과 조합한 우선적인 이온 확산을 수행하는 것을 포함한다(화살표(1316)로 도시됨). 이 실시예에서, 증가된 화학 강화가 요구되는 경우, 유리 물품(1304)이, 예를 들어, 국지적인 마이크로파 복사선(1316)에 노출된다. 마이크로파 복사선은 타겟 표면(1302)에서 응력 완화를 용이하게 한다. 구축된 전기장으로 인해 이온 욕조 내에서 우선적인 이온 확산을 받은 유리 물품 표면은, 마이크로파 복사선이 응력 완화를 용이하게 하는(이온들이 유리 표면으로 진입할 더 많은 공간을 제공) 경우, 표면 안으로 추가적인 이온 확산을 가질수 있다. 상상될 수 있는 바와 같이, 그렇게 처리된 유리 물품(1304)은 여러 상이한 비대칭으로 강화된 구역들을 가질 수 있는데, 가열되고 전기장 내의 이온들과 연관된 구역(1318), 가열되지 않았지만 전기장 내의 이온들과 연관된 구역들(1320), 가열되었지만 전기장 내의 이온들과 관련되지 않은 구역들(미도시), 및 가열되지도 않고 전기장 내의 이온들과 관련도 되지 않은 구역들(1322)이다.

도입된 사전 만곡을 통한 비대칭 강화

향상 및 강화 프로세스 이전, 및 도중에 유리에 사전 응력을 가함으로써 유리 물품의 표면 안으로 비대칭 강화가 도입될 수 있다. 일 실시예에서, 유리 물품은 사전에 바람직한 곡률을 갖도록 형성된다(성형, 견인 등). 형성된 유리 물품은 형태를 유지하기 위한 교정력 하에 배치되고, 이어서 위에서 기재된 바와 같이 실시예들을 이용하여 화학적으로 강화된다. 예를 들어, 형성된 유리 물품은 사전-응력이 가해진 또는 형성된 형상으로 이온 교환 욕조 내에 배치된다. 유리가 화학적으로 강화되는 동안 유리가 구부러지기 때문에, 그것은 향상되는 방식으로 강화된다. 따라서, 만곡되거나 또는 구부러진 유리 물품의 경우에, 화학 강화는 일차적으로 외부, 만곡된, 표면으로 진행하지만(이온들이 더 쉽게 신장된 유리 격자 안으로 확산됨), 압축된 내측 표면은 제한된 화학 강화를 거치게 된다. 유리 물품의 외측 표면의 상이한 부분들은 선택적으로 화학적으로 강화되거나, 또는 상이하게 화학적으로 강화되고/되거나 유리 물품은 상이한 부분들의 비대칭 화학 강화를 벌충하기 위하여 선택적으로 또는 상이하게 구부러질 수 있다. 사전-응력이 가해진 유리 물품이 그것의 미리 구부러진 것으로부터 해제된 뒤에, 외측 표면은 내부와 비교했을 때 더 많은 양의 강화를 갖게 됨으로써, 비대칭 강화 프로파일을 보이게 것이다.

도 14a 내지 도 14e는 일 실시예에 따라 유리 물품을 화학적으로 강화하는 것을 도시한다. 도 14a에서, 유리 물품(1400)은 두께(T)를 갖는 것으로 도시된다. 두께(T)는 본 개시내용에 전체적으로 기재되는 바와 같이 일반적일 수 있다(0.3 내지 5 mm). 유리 물품(1400)은 외측 표면(1402) 및 내측 표면(1404)을 갖는다.

도 14b에서, 유리 물품(1400)의 내측 표면(1404) 상에 이온-교환 코팅(위에서 논의된 바와 같음)(1406)이 코팅된다. 이러한 방법으로, 이온-배리어는 유리 물품의 내측 표면 안으로의 이온 확산을 제한한다.

도 14c에서, 유리 물품은 구부러져서, 구부러진 유리 물품(1400')이 내측 표면(1404)을 향해 안쪽으로 휘게 된다. 유리 물품을 구부림으로써 유리 물품이 곡률(C)을 갖게 된다. 유리 물품(1400')의 곡률은 다양한 정도일 수 있고, 힘(고정구)에 의해 또는 가열되는 환경을 포함함으로써(쳐짐) 부여될 수 있다.

도 14d에서, 도 14c의 구부러진 유리 물품은 화학 강화를 거치면서 유리 물품(1400'')이 강화된 지역(1406)을 갖게 된다. 화학적으로 강화된 지역(1406)은 외측 표면(1402)에 인접하고 내측 표면(1404)에 인접하지 않게 제공된다. 화학적으로 강화된 지역은 외측 표면으로부터 층의 깊이(DoL)까지 안을 향해 연장되는데, 이는 내측 표면에 있는 DoL(최소 또는 존재하지 않음)보다 유리 안으로 더 깊다. 외측 표면이 내측 표면보다 실질적으로 더 많이 화학적으로 강화되기 때문에, 화학적으로 강화된 유리 물품(1400'')은 비대칭으로 화학적으로 강화된 것으로 지칭될 수 있다.

도 14e는 화학 강화 프로세스의 완료 후의 화학적으로 강화된 유리 물품(1400''')을 도시한다. 유리 물품(1400''')은 프로세스의 완료 후에 평면, 또는 적어도 실질적으로 평면인 것으로 도시된다. 완성된 유리 물품(1400''')은 압축이 증가된 외측 표면(1402) 및 안쪽으로 구부러지고 화학 강화를 제한 또는 원천봉쇄하기 위한 이온-교환 코팅에 의해 코팅된 내측 표면(1404)을 갖는다. 이 프로파일 설계에서, 화학적으로 강화된 유리 물품(1400''')은 외측 표면으로부터 안쪽으로 둘러싸는 경향이 있는데 ― 외측 표면이 압축되고 팽창됨을 의미한다. 이러한 케이스들에서, 외측 표면은 화학 강화되었지만 내측 표면은 화학 강화되지 않은 이유로 인한 휨은 곡률(C)로 하여금 대응하게 한다. 그 결과, 화학적으로 강화된 유리 물품(1400''')은 화학 강화의 시작 이전에 그것이 갖던 곡률을 더 이상 갖지 않는다.

상이한 클래드 층들을 비대칭 강화

도 15는 본 명세서의 다른 실시예를 도시하며, 이는 화학 강화 욕조(1504) 내의 유리 물품 클래드 층들(1502)의 침지를 통해 비대칭으로 강화된 유리 물품들(1500)을 형성하는 것을 포함하고, 클래드 층의 각각의 유리 물품은 상이한 출발 이온 농도 및 조성물을 갖는다. 제1 및 제2 유리 물품을 갖는 클래드 층은 이어서 본 명세서에 기재된 화학 강화 프로세스들을 이용하여 강화되어 2개의 비대칭 강화된 유리 물품들을 제공한다.

일 양태에서, 두 유리 물품들의 출발 조성물이 상이하기 때문에, 각각의 유리 물품의 노출된 표면 및 에지들은 이용가능한 이온들을 상이하게 포함할 것이다. 화학적 프로세싱 단계의 최종 결과물은 보호되는 표면(클래드 층의 내부에 있음) 및 화학적으로 개질된 노출된 표면 및 에지들을 구비한 2개의 유리 물품들일 것이다. 노출된 표면들의 개질은 마스킹 또는 코팅, 또는 본 명세서의 기타 실시예들에 의해, 이전에 기재된 바와 같이 이루어질 수 있다. 임의의 수의 물품들이 이러한 방법으로 강화될 수 있는데, 예를 들어, 도 15에서, 3개의 유리 물품들이 동시에 강화되고 있다.

화학적 강화된 유리 물품 번들

다른 양태들에서, 실질적으로 동일한 응력 프로파일들을 갖는 비대칭으로 강화된 유리 물품들은 공동 처리를 위해 한꺼번에 번들로 묶여 번들 상태의 유리에서 응력을 완화 또는 변경할 수 있다. 여기서, 유리 물품들은 다중 플레이트들처럼 서로 번들로 묶이고 같이 처리되어 효율성을 극대화할 수 있다. 유리 물품들은 비평면형 부품들처럼 번들로 묶여서 처리되고, 이어서 본딩되어 본딩 응력을 나타내거나 또는 미리 구부러진 뒤 본딩되어 본딩 응력을 나타낼 수도 있다.

농도 구배를 갖는 비대칭 강화 유리 물품들

다른 실시예에서, 상이한 조성물을 갖는 두 유리 물품들이 화학 강화 프로세스 이전에 서로 융합될 수 있다. 여기서, 융합된 유리 물품은 그것의 출발 유리 이온 농도 및 조성물에 기초하여 화학적으로 강화된 상부 표면(상부 유리), 및 그것의 출발 유리 이온 농도 및 조성물에 기초하여 화학적으로 강화된 하부 표면(하부 유리)을 갖게 될 것이다.

또한, 동일한 전제를 이용하여, 농도 구배(조성물 또는 이온)를 갖는 하나의 유리 조각은 또한 화학적으로 강화되어 비대칭으로 강화된 유리를 제공할 수 있다. 위와 같이, 유리 물품은, 유리 물품의 상이한 위치들에서, 상이한 이온들이 이온 욕조에서 교환되도록 하여, 생성되는 표면이 비대칭으로 강화되도록 할 것이다.

그것의 출발 이온 농도 및 위치들을 포함하는 출발 유리의 설계는 따라서 이온-확산되고 비대칭으로 강화된 유리를 교정하는 데 사용될 수 있다.

응력 프로파일을 튜닝하기 위한 기계적 및/또는 화학적 개질

본 명세서의 실시예들은 유리 물품의 응력을 미세 튜닝하기 위한 사후-화학 강화, 기계적 및/또는 화학적 프로세스들의 사용을 포함한다. 유리 물품이 본 명세서에 기재된 임의의 실시예들에 따라 제조된 경우, 예를 들어, 압축 응력 층의 미세 튜닝, 또는 유리 내의 인장력과 압축력 간의 관계의 튜닝이 요구될 수 있다. 기계적으로(그라인딩, 연마, 절삭 등) 또는 화학적으로(HF 또는 기타 유사 산성액의 적용) 재료를 제거하는 것이 유리 물품에 대한 응력 프로파일을 국지적으로 변경하는 데 사용될 수 있다.

예를 들어, 압축 표면 응력 층의 크기가 너무 크다거나, 또는 깊다고 결정되는 경우, 층을 약간 제거함으로써 응력을 완화하고 유리 물품에 대한 응력 프로파일을 재교정할 것이다. 이러한 사후-화학 강화 실시예들은 응력 변경 요구가 사소한 경우, 예를 들어, 커버 유리의 제한된 지역에서 10 μm를 제거하는 경우에 특히 유용하다.

유리 물품 생산 도중 비대칭 화학 강화

본 명세서의 실시예들은 본 명세서에 기재된 화학 강화 실시예들 중 하나 이상의 사용에 기초한 유리 물품 응력 프로파일의 단계별 변경을 포함한다. 예를 들어, 유리 물품의 생산이 불량 또는 불만족스런 결과를 초래한 경우, 본 명세서에 기재된 비대칭 화학 강화 실시예들을 이용하여 유리 물품이 만족되도록 응력을 개조할 수 있다. 이는, 유리 물품 내의 임의의 결함들을 고치는 데 필요한 경우 응력을 추가 또는 제거할 목적으로 국지적인 비대칭 화학 강화, 또는 반대로, 재료의 제거를 수반할 수 있다.

도 16은 유리 물품 생산 동안 비대칭적 화학 강화를 위한 프로세스를 포함하는 일 흐름도(600)를 도시한다. 특정하게 교정된(1602) 응력 패턴이 이미 배정된 유리 물품이 본 명세서에 기재된 실시예들 중 임의의 것을 이용하여 적절하게 처리된다(1604). 유리 커버가 정확한 강화 파라미터들을 나타내는지 결정함으로써 유리의 신뢰성 및 안전성이 테스트된다(1606). 유리 물품이 비대칭 화학 강화를 따르는 경우, 유리 물품은 그것의 용도에 사용된다(1608). 유리 물품이 그것의 적절한 화학 강화를 나타내지 못한 경우, 본 명세서에 기재된 프로세스들 및 실시예들을 지나치고, 적절한 화학 강화를 다시 적용하고 테스트한다(1610). 이 프로세스는 그것의 용도의 표준을 따르는 유리 물품을 획득하는 데 필요한 횟수만큼 반복될 수 있다.

이와 같이, 본 명세서의 실시예들은 유리 물품 사전 결정된 응력 프로파일의 모니터링 및 수정을 포함한다. 수정은 바람직한 유리 물품 응력 프로파일이 획득될 때까지 다수의 응력 변경 반복을 포함할 수 있다.

파괴 패턴을 관리하기 위한 비대칭 화학 강화

본 명세서의 실시예들은 사전 결정된 파괴 패턴을 나타내거나 또는 관리하기 위하여 유리 물품을 비대칭으로 강화하는 것을 포함한다. 도 17a 및 도 17b는 파괴 전파를 최소화하거나(17a) 또는 코너 손상(1710)을 최소화하기(17b) 위해 커버 시트(1704)에 적용되는 예시적인 화학 강화(1706/1708)를 도시한다.

도 18은 인장의 지점들(1800)이 파괴가 높은 표면 응력의 지점들(1802)보다 발생할 확률이 높은 유리 물품의 표면을 따라 개발될 수 있음을 도시하는 표면 응력(CS) 대 거리 그래프를 보여준다.

본 명세서에 기재된 실시예들 중 임의의 것을 이용하여, 특정 유리 물품 사용에 대한 최적의 파괴 패턴이 개발될 수 있다. 실시예들은 표면 압축 응력의 양, 압축 응력의 깊이, 상부 표면에서 하부 표면으로의 인장 대 압축 응력, 평면상의 인장 대 압축 응력을, 최적화된 패턴으로 위치설정하는 것을 포함한다. 유리 물품은 파괴가 일어난다면, 다른 지역들에 비교하여 일부 지역들에서 파괴가 용이하도록, 필요한 압축 표면 응력, 응력의 깊이 및 인장 응력을 식별하고 이어서 포함시킴으로써 손상 또는 과도한 마모 및 파열 시 파괴 패턴을 제어하도록 교정될 수 있다. 이러한 방법으로, 예를 들어, 커버 유리의 중심과 비교하여 주연부를 따라 균열이 일어나도록 장려될 수도 있다. 일 예에서, 덜 선호하는 위치들과 비교하여, 더 현저한 인장 응력이 바람직한 파괴 위치(1706 또는 1710)에 위치설정된다. 균열 개발 및 전파는, 예를 들어, 불규칙한 사용 및 응력의 위치설정(1706)에 의해 관리될 수 있다.

충격에 의해 야기되는 손상, 또는 손상의 전파를 줄이기 위한 커버 유리의 설계

본 명세서의 실시예들은 휴대용 전자 디바이스를 위한 비대칭으로 강화된 커버 유리의 생산을 하게 된다. 이전에 개시된 바와 같이, 커버 유리 상의 응력들의 조합은 파손을 방지하고 안전성을 유지하기 위한 예산이 정해져 있는데, 즉, 유리의 부피가 제한적이기 때문에, 유리가 균열 또는 파손되기 전까지만 많은 이온 재료가 부피에 추가될 수 있는데, 이는 단순히 지나치게 거대해져 유리를 균열시키기에 충분한 압력을 가하는 인장 응력 때문이다.

본 명세서의 실시예들에서, 비대칭으로 강화된 커버 유리는 디바이스의 낙하, 더듬기, 가격 등으로 인한 충격에 의해 야기되는, 예컨대, 모바일 전화기가 사용자 손에서 떨어지거나 바닥에 떨어지는 손상을 견디기에 최적화된 응력 예산을 갖는다. 이런 관점에서, 대부분의 휴대용 디바이스들은, 충격을 받을 때, 초기에 디바이스의 코너에 충격을 받거나, 또는 그보다는 적게, 디바이스의 주연부 직선 에지에 충격을 받는 경향이 있다. 따라서 충격은 커버 유리의 코너들 및, 그보다는 적게, 커버 유리의 주연부 또는 에지에 정렬된다. 낙하한 디바이스가 초기에 디바이스의 전면 또는 후면에 충격을 받는, 즉, 그것의 전면으로 편평하게 또는 그것의 후면으로 편평하게 착지할 가능성은 적고, 덜 빈번하다. 이와 같이, 본 명세서의 실시예들은 충격이 커버 유리의 코너에 발생될 것이라는 예상으로, 또는 아무리 적어도, 커버 유리의 주연부 직선 에지에 발생될 것이라는 예상으로 커버 유리를 설계함으로써 커버 유리의 손상(또는 손상의 전파)을 제한 또는 감소시키도록 최적화된다.

이전에 논의된 바와 같이, 비대칭 화학 강화는 커버 유리 내에 변경된 표면 압축을 제공하도록 사용될 수 있다. 비대칭 강화는 유리의 특정 파라미터들을 위한 응력 예산을 따라야 한다. 본 명세서의 실시예들은 커버 유리 설계를 포함하는데, 응력 예산은 커버 유리 코너들에서 가장 큰 충격 저항성을 제공하고, 직선 주연부 에지들을 따라 그 다음 충격 저항성을 제공하고, 그보다는 적게 유리의 실질적으로 편평한 전방 표면 및 후방 표면에 충격 저항성을 제공하도록 활용된다. 예산이 정해진 응력은 따라서 실질적으로 코너들에서 활용되고, 일정 정도는, 커버 유리의 주연부를 따라 활용된다. 커버 유리의 중심 또는 나머지 구역에는 응력 예산이 거의 또는 전혀 할당되지 않는다. 주어진 강화는 적절하게 손상으로부터의 충격 저항성을 향상시킨다. 또한, 커버 유리의 중심 또는 나머지 구역에 사용되는 응력 예산이 거의 없기 때문에, 그 구역은 불균형이 거의 내지 전혀 없어서 실질적으로 편평하게 유지될 수 있다.

도 19는 각각의 구역은 상이한 응력 프로파일을 갖는, 다수의 구역들을 갖는 유리 물품을 비대칭으로 강화하기 위한 예시적인 흐름도(1900)를 도시한다. 동작(1902)에서, 그것의 치수, 그것의 두께, 및 그것의 고유의 조성물에 기초하여 바람직한 용도의 유리 물품이 획득된다. 동작(1904)에서, 식별된 유리가 얼마나 많은 응력을 견딜수 있는지에 대한 예산이 유리의 용도, 및 예를 들어, 낙하에 의해 야기되는 충격 손상에 대한 향상된 저항성에 대하여 결정된 예산에 기초하여 결정된다. 명세서 전체에 걸쳐 기재된 바와 같이, 예산은 유리의 제한 부피를 따라야 하는데, 그 이유는 유리 내에 과도한 응력을 포함시키는 것은 인장 응력으로 하여금 정상적인 사용 제약 하에서 균열들 또는 손상을 야기하도록 할 수 있기 때문이다.

동작(1906)에서, 유리 물품은 이어서 다수의 구역들로 분할된다. 예를 들어, 유리의 제1 구역은 가장 많은 양의 화학 강화를 가질 수 있고, 그 다음은 제2 구역, 그 다음은 제3 구역이 가장 적은 양의 화학 강화를 갖게 된다. 동작(1908)에서, 유리 물품은 3개의 상이한 구역들에 기초한 응력 패턴, 예를 들어, 충격에 관련된 가장 큰 강도를 갖는 제1 응력 패턴, 제1 구역보다 작은 양의 강도를 갖는 제2 응력 패턴, 및 가장 낮은 수준의 강도를 갖는 제3 응력 패턴을 갖는다. 일부 실시예들에서 제3 구역은 화학 강화가 거의 또는 전혀 없다.

도 20은 각각의 구역은 상이한 응력 프로파일을 갖는, 셋 이상의 구역들을 갖는 휴대용 전자 디바이스를 위한 커버 유리를 비대칭으로 강화하기 위한 예시적인 흐름도(2000)를 도시한다. 동작(2002)에서, 관심있는 휴대용 전자 디바이스의 사용에 통상적으로 요구되는 치수, 두께 및 조성물을 갖는 커버 유리가 획득된다. 동작(2004)에서, 커버 유리가 얼마나 많은 응력을 견딜 수 있는지에 대한 예산이 결정되는데, 예산이 정해진 응력은, 예를 들어, 낙하의 충격의 경우에 향상된 손상 저항성으로 실질적으로 편평한 커버 유리를 유지한다. 커버 유리는 3개의 구역들로 분할될 수 있는데, 제1 구역은 커버 유리의 코너 부분들 또는 영역들에 대응하고, 제2 구역은 커버 유리의 직선 주연부 부분들(또한 주변 에지 영역들로 지칭됨)에 대응하고, 제3 구역은 커버 유리의 남은 영역 또는 중심 영역에 대응한다. 일부 실시예들에서, 3개의 구역들은 커버 유리의 상부 표면, 또는 상부 표면으로부터 하부 표면으로 연장되는 응력 프로파일을 나타낸다. 제1 구역 및 제2 구역은 커버 유리 영역의 최대 50%(커버 유리 영역의 50%를 제3 구역을 위해 남겨놓음), 커버 유리 영역의 최대 40%(커버 유리 영역의 60%를 제3 구역을 위해 남겨놓음), 커버 유리 영역의 최대 30%(커버 유리 영역의 70%를 제3 구역을 위해 남겨놓음), 커버 유리 영역의 최대 20% (커버 유리 영역의 80%를 제3 구역을 위해 남겨놓음), 커버 유리 영역의 최대 15%(커버 유리 영역의 85%를 제3 구역을 위해 남겨놓음), 커버 유리 영역의 최대 10%(커버 유리 영역의 90%를 제3 구역을 위해 남겨놓음), 커버 유리 영역의 최대 5%(커버 유리 영역의 95%를 제3 구역을 위해 남겨놓음), 커버 유리 영역의 최대 2.5%(커버 유리 영역의 97.5%를 제3 구역을 위해 남겨놓음), 및 커버 유리 영역의 최대 1%(커버 유리 영역의 99%를 제3 구역을 위해 남겨놓음)를 포함할 수 있다.

본 명세서의 통상적인 실시예들에서, 동작(2006)에서, 유리 물품은 커버 유리의 코너 부분들에 유용한 제1 응력 패턴을 포함하는 제1 구역, 커버 유리의 직선 주연부 부분들 또는 에지 부분들에 유용한 제2 응력 패턴을 포함하는 제2 구역, 및 커버 유리의 남은 구역에 유용한 응력 패턴을 갖는 제3 구역으로 분할될 수 있다. 동작(2008)에서, 예산이 정해진 응력이 3개의 구역들로 할당되는데, 제1 구역은 제2 구역보다 더 강화되고, 제2 구역은 제3 구역보다 더 강화된다. 일부 실시예들에서, 제3 구역은 화학 강화를 거의 또는 전혀 거치지 않고, 전체의 응력 예산이 제1 구역 및 제2 구역에 사용된다. 전체 응력 예산을 제1 구역 및 제2 구역에 사용함으로써 유리 물품은 정상 사용에 대하여 인장 응력 하에 있게 되지만, 물품에 가해지는 충격에 의한 손상을 방지 또는 감소시키는 역량을 개선한다. 또한 주의할 점은 제1 구역 및 제2 구역은 제3 구역 둘레에 연속적인 주연부를 형성할 수 있다는 것이다.

도 21은 3개의 구역들을 갖는 커버 유리(2100)를 도시하며, 각각의 구역은 커버 유리에서 손상, 또는 손상의 전파를 감소시키는 데 유용한 응력 패턴을 갖는다. 위에서 언급된 바와 같이, 커버 유리(2100)에 대하여 유한한 응력 예산이 존재한다. 응력 예산은 3개의 구역들의 각각에 할당되는데, 제1 구역(2102)(커버 유리의 코너 부분들 또는 영역들에 대응함)은 가장 많은 양의 화학 강화를 받고, 제2 구역(2104)(직선 주연부 측면 또는 주변 에지 영역들에 대응함)은 두번째로 많은 양의 화학 강화를 받고, 커버 유리(2100)의 중심 또는 남은 영역에 대응하는 제3 구역(2106)은 가장 적은 양의 화학 강화를 받는다. 일부 실시예들에서, 제3 구역(1906)은 화학 강화를 거의 또는 전혀 거치지 않을 수 있다. 제3 구역(2106)은 외부 표면을 포함할 수 있는데, 전체 제3 구역이 아니라 그것의 일부분이 통상적으로 실질적으로 편평하다. 제3 구역(2106)은 또한 더 많이 강화된 제1(2102) 및 제2(2104) 구역들에 의해 둘러싸이는데, 이들은 제3 구역 둘레에 인접한 주연부를 형성한다. 커버 유리의 주연부에 더 높은 강도 유리를 형성하는 인접한 제1 구역 및 제2 구역은 제3 구역에서 발견되는 덜 강화된 유리에 대한 충격에 대하여 보호 배리어를 형성한다. 일부 실시예들에서, 제1 구역 및 제2 구역은 각각 에지를 형성하고, 에지들은 서로 접촉하여 경사각(oblique angle)을 형성할 수 있다. 응력 예산은 잠재적 충격 이벤트들이 제1 구역(2102)에 대하여 손상, 또는 손상의 전파를 야기하는 것을 감소시키고, 그보다는 적게, 제2 구역(2104)에 대하여 감소시키는 데 사용되지만, 제3 구역은 실질적으로 편평하게 또는 휨에 의해 영향을 받지 않게 남겨 둔다. 적어도, 충격은 커버 유리(2100)의 제1 구역 및 제2 구역으로 분포되는 경향이 있는데, 제1 구역 및 제2 구역은 중심에 위치한 제3 구역(2106) 둘레에 주연부를 형성하고 둘러싼다. 또한, 제1 구역은, 열 가열이 없는 동일한 구역과 비교할 때 화학 강화가 증가되는 온도로 열적으로 가열될 수 있다. 제2 구역은 또한 구역에 유도되는 응력을 또한 향상하거나 응력의 양을 증가시키기 위하여 비대칭 강화 동안 열적으로 가열될 수 있다. 본 명세서에 전체적으로 열 가열이 기재되지만, 마이크로파 또는 레이저 가열에 의해 수행될 수 있다. 일부 실시예들에서, 열 가열의 온도는 유리의 치밀화 온도 미만이고, 다른 실시예들에서 열 가열의 온도는 유리의 치밀화 온도를 초과한다.

도 22는 도 21의 선(21 ― 21')을 따른 단면도를 도시한다. 제1 구역(2102)은 제3 구역(2106)과 비교할 때 특정 깊이 및 농도로 증가된 양의 이온들(2200)을 도시한다. 제1 구역 표면을 따라, 그리고 특정 깊이까지 이온 농도의 변화는 유리 내부 응력 관계를 변경한다. 제1 구역에 대한 증가된 화학 강화는 충격을 받을 가능성이 높은 커버 유리의 구역 또는 부분을 따라 추가적인 압축 응력을 제공한다. 도 22에서 제1 구역은 곡선 에지를 정의하는데, 이 실시예에서, 이는 커버 유리의 상부 표면으로부터 하부 표면으로 연장된다. 주의할 점은 이것은 또한 커버 유리의 충격으로부터 가장 위험한 구역이라는 것인데, 그 이유는 그것이 충격에 의해 야기되는 힘 또는 에너지를 분포하기에 제한된 영역을 갖기 때문이다. 코너에 있는 이온들의 부피의 증가는 그럼으로써 충격에 의해 부여되는 힘 또는 에너지에 저항하고 커버 유리에 대한 손상을 감소 또는 방지할 수 있다. 대안적으로, 제3 구역(2106)은 충격과 연관된 힘을 분포하기에 매우 큰 영역을 가질 뿐만 아니라, 충격 그 자체와 연관될 가능성이 별로 없다. 이와 같이, 제3 구역에 요구되지 않는 화학 강화의 일부는 제1 구역에 대하여 예산이 정해질 수 있으며, 그것의 예산이 정해진 양의 응력 내에서 커버 유리를 계속해서 유지한다. 도 22에서 언급된 바와 같이, 제3 구역은 실질적으로 편평한 외부 표면을 정의한다.

비대칭 응력 프로파일들을 평탄화하기

본 명세서의 실시예들은 유용한 유리 물품들, 예를 들어, 편평한 표면들을 갖는 물품들을 제공하기 위하여 기타 보상력들과 조합하여 비대칭 화학 강화를 이용하는 프로세스를 포함한다.

일 실시예에서, 비대칭으로 화학적으로 강화된 유리 물품은, 예를 들어, 하부 표면에 비교했을 때, 상부 표면 상의 전체적으로 과도한 압축 응력으로 인한 응력 불균형을 나타낸다. 유리 물품의 응력 불균형은 매우 강성의 재료, 또는 비대칭으로 강화된 유리 물품에 의해 부여되는 응력에 대응하는 기하학적 형태를 갖는 강성 재료의 부착에 의해 대응될 수 있다. 최적의 재료들은 편평하게 유지되도록(또는 유리 재료에 요구되는 기하학적 형태로 유지하도록) 유리 물품의 부여된 비대칭 응력에 대응할 수 있다. 통상적인 실시예들에서, 강성 재료는 유리 물품의 표면, 통상적으로 하부 표면을 따라 부착될 수 있다. 일부 경우들에서, 강성 재료는 투명할 수 있다. 강성 재료는 응력에 대응하는 것을 성취하기 위한 충분한 양 및 커버리지의 것이기만 하면 될 수 있다.

다른 실시예에서, 비대칭 화학 강화된 유리 물품은 재료의 기계적 또는 화학적 제거를 조정함으로써 균형잡히는 그것의 응력 불균형을 갖는다. 이 실시예에서, 연마 또는 기타 기계적 기술을 이용하여 유리 물품으로부터 응력을 최적으로 제거할 수 있다. 대안적으로, 유리 물품의 응력 불균형의 양태들은 화학적 제거 욕조, 예컨대, HF 욕조 내에 일부를 침지함으로써 제거될 수 있다. 화학적 제거 욕조에서 드러나지 않는 유리 표면은 HF로부터 밀봉되거나 또는 유리 표면의 단지 선택된 지역들만 HF에 노출될 수 있다. 재료의 제거는 정확한 기하학적 형태 또는 평탄성을 구비한 유리 물품을 제공하도록 성취될 수 있다(강화된 유리 물품 내의 전체적인 응력을 균형잡는 것에 다시 기초함).

또 다른 실시예에서, (손상 제어 및 신뢰성에 대하여) 요구되는 비대칭 압축 응력은 추가적인, 국지적인, 화학 강화의 도입에 의해 대응된다. 예를 들어, 코팅들 또는 페이스트들(이전에 기재됨)의 사용이 비대칭으로 강화된 유리 물품에 포함되어 요구되는 비대칭 화학 강화에 의해 도입되는 휨에 대응할 수 있다. 일부 양태들에서, 코팅들 또는 페이스트들은 패터닝될 수 있다.

본 명세서의 실시예들은 또한 단지 대응하는 화학 강화의 배치를 포함할 뿐만 아니라, 압축 표면 응력의 양 및 유리 상의 화학 강화의 압축의 깊이를 포함한다. 여기서, 특정 압축 표면 응력을 포함하는 것은 다른 비대칭 화학 강화에 의해 도입되는 휨을 방지하거나 대응하는 강성 배리어의 역할을 할 수 있다. 유리 물품의 표면 안에, 예를 들어, 칼륨 이온들을 짧고, 매우 강렬하게 사용하는 것은 매우 얕지만 단단한 스포트(sport)를 제공하는 역할을 할 수 있다. 이러한 단단함(높은 압축 표면 응력 층들)은 60 내지 80의 영률을 가지며, 휨을 방지하는 ― 어떤 의미에서, 위에서 논의된 강성 재료의 역할을 하도록 사용될 수 있다.

포밍으로 비대칭 화학 강화를 보상하기

본 명세서의 실시예들은 유리 물품 상의 표면들의 비대칭 강화의 이점들을 유리 포밍과 조합하는 유리 물품들의 설계 및 생산을 포함한다.

본 개시내용에 전체적으로 기재되어 있는 바와 같이, 비대칭 화학 강화는 유리 물품의 압축 표면 응력 및/또는 유리 표면의 압축의 깊이의 증가를 목표로 한다. 대부분의 경우에, 유리 물품은 그것의 의도된 용도 및 유리 물품에 대하여 최대한 손상 또는 스크래치 보호를 갖도록 교정된다. 이는 통상적으로 본 명세서에 기재된 프로세스들 및 실시예들의 일부 조합, 예를 들어, 커버 유리의 주연부를 따라 압축의 깊이의 증가 및 커버 유리의 중심에서 정상적인 대칭 화학 강화를 요구한다.

그러나, 비대칭 화학 강화의 포함은 유리 물품 내에 응력 불균형을 유발할 수 있다(위에서 논의된 응력 프로파일들을 주목). 충분한 응력 불균형이 유리 물품에 유발되면, 유리 물품은 휠 것이다. 유리 물품의 휨은 통상적으로 물품의 활용에 유해하며, 비대칭 응력이 유리 물품에 얼마나 유발될 수 있는지에 대한 한계를 나타낸다.

이전에 논의된 바와 같이, 유발된 휨은 경쟁적인 응력 불균형의 도입에 의해, 예를 들어, 유리 물품에 비대칭 화학 강화를 도입하여 활용성을 제공하고 대응하는 응력을 제공하도록 함으로써 보상될 수 있다. 그러나, 본 실시예는 비대칭 화학 강화에 의해 유발된 응력 불균형들을 최소화하기 위하여 유리 포밍 프로세스를 활용한다. 추가로, 유리 포밍은, 비대칭 화학 강화를 통해 발생된 힘들과 조합하여 바람직한 형상을 갖는 유리 물품이 되도록 형성될 수 있는 더 단단한 유리 물품을 제공한다.

일 실시예에서, 유리 물품은 비대칭 화학 강화에 의해 유발된 응력 불균형들을 유리 포밍의 사용으로 대응하도록 설계된다. 일 양태에서, 비대칭 화학 강화는 유리 물품을 적절한 기하학적 형상으로 포밍함으로써 대응된다. 특정 응력 프로파일에 대한 적절한 유리 물품 기하학적 형상들은 비대칭 화학 강화 절차들에 의해 유발된 응력에 대응하는 강성도를 제공한다. 대안적인 실시예에서, 비대칭 화학 강화는 바람직한 기하학적 형태를 제공하기 위하여 유리 포밍과 조합되는데, 예를 들어, 강화의 휨은 바람직한 형상을 만들어내기 위하여 유리 포밍 곡률과 조합된다.

바람직한 유리 물품 형상이 불균일한 단면 형상, 또는 두께를 수반하는 경우, 대칭 화학 강화는 더 넓게 퍼지는 잠재적 휨에 실제적으로 기여할 수 있다. 비대칭 화학 강화는 바람직한 압축 응력 층들 및 깊이의 둘 모두의 포함을 허용하고 심각한 휨을 방지한다. 유리 포밍은 강화와 조합하여 최적화된 유리 물품을 제공한다.

도 23은 유리 물품이 식별되고 적절한 국지적 강성도로 형성되어 제안된 비대칭 화학 강화에 대응하는 것을 도시하는 흐름도(2300)이다. 포밍된 유리는(2302) CNS 및 연마를 받을 수 있다(2304). 유리 물품은 이어서 비대칭 화학 강화를 도입하는 데 요구되는 다양한 단계들, 예를 들어, 배리어 층들, 페이스트들, 가열 등(2306, 2308, 2310, 2312, 2314 및 2316)의 사용을 거치게 된다. 강성도가 향상된 형성된 유리 물품은 고도로 교정된 표면 또는 표면을 획득하기 위하여 여러번 처리될 수 있다.

응력 분포에 기초한 최적화된 유리 물품 설계

본 명세서의 실시예들은 다음 단계들 중 임의의 하나 이상을 이용하여 특정 사용을 위한 유리 물품의 강도를 교정하는 프로세스들을 포함한다: 유리 물품을 더 높은 유리 밀도로 사전 가열하는 단계, 유리 물품의 에지 기하학적 형상들을 변경하여 기하학적 강화를 극대화하는 단계, 마스킹, 이온 배리어 또는 제한 코팅들을 이용하여 변경된 화학 강화하는 단계, 이온 향상 페이스트들 및 열을 이용하여 화학 강화하는 단계, 화학 강화를 열 보조하는 단계, 전기장 및 열을 이용하여 지향 또는 선호하는 이온 확산, 사전-응력을 타겟 물품들에 도입하는 단계, 및 비대칭으로 제조된 유리 물품들에서 발견되는 응력을 튜닝하는 단계.

교정은 또한 유리 제조 프로세스 동안, 예를 들어, 클래드 층들의 유리의 상이한 강화를 통해, 출발 유리의 유용한 이온 구배 및 농도의 식별을 통해, 그리고 유리 물품들을 서로 융합 등을 통해 일어날 수 있다.

본 명세서의 양태들은 위 실시예들의 각각을 활용하여 예산이 정해진 양의 응력을 갖는 유리 물품을 수직 및 수평 축에서 교정한다. 유리 물품의 신뢰성을 최적화하고 유리 물품을 그것의 의도된 사용에 대하여 안전하게 하도록, 예산이 정해지고 불규칙한 응력은 유리 물품의 전방, 후방, 상부, 측방 및 에지들 상의 사전 결정된 경도 및 깊이의 압축 응력 층들의 배치를 허용한다. 유리 물품 내의 예산이 정해진 불규칙한 응력은 또한 다른 재료들에 의해, 또는 유리 자체의 기하학적 형태에 의해 응력 입력을 대응함으로써 벌충될수 있다. 이는, 마감된 유리 물품이 편평하거나 또는 다른 목표 기하학적 형태가 되도록 설계될 때 특히 유용하다. 이 방식으로, 유리 커버는, 예를 들어, 그것의 의도된 사용에 대하여, 즉, 물품은 상부 표면, 하부 표면, 에지들 등에 얼마나 많은 표면 압축 응력을 요구하는지, 압축 응력은 이 구역들의 각각에서 얼마나 깊이 연장되어야 하는지, 얼마나 강한 인장 강도가 이 압축 응력 요구들로부터 초래될지, 얼마나 강한 인장 강도가 야기될지, 요구되는 응력들이 화학 강화만을 이용하여 균형을 이룰 수 있는지, 유리 포밍이 사용될 수 있는지 등이 평가될 수 있다. 이어서 본 명세서의 실시예들을 이용하여 높은 활용도의 유리 커버에 극대화된 또는 최적화된 값을 제공하는 교정을 수행한다.

하기 실시예는 예시적인 목적으로만 제공되며 개시내용의 범주를 제한하도록 의도되지 않는다.

실시예

비대칭 화학 강화를 보상하기 위한 유리 포밍

이온-교환 화학 강화에서의 압축의 깊이는 손상 유도에 의한 파손을 견디는 유리 물품의 능력과 연관된다. 이 관점에서, 압축의 깊이를 극대화하는 것은 휴대용 전자 디바이스들에 사용하기 위한 더 내구성있고 신뢰성있는 유리를 생산하게 하는 중요한 구동자이다.

이온들이 유리의 두께에 걸쳐 확산되면 유리 물품에서의 압축의 깊이가 포화된다. 이는, 비대칭 강화를 이용하여 더 깊은 압축의 깊이를 달성함으로써, 파손을 견디는 유리 물품의 능력을 가능하게 한다는 것을 보여준다. 추가로, 비대칭 강화가 유리 물품 내의 응력 불균형을 통해 휨을 유발하지만, 휨은 유리 포밍을 이용함으로써 보상될 수 있다.

유리 포밍의 사용은 더 단단한 커버 유리 설계를 사용하는 것, 및 유발된 비대칭 휨을 보상하도록 커버 유리 기하학적 형태를 형성하는 것을 포함한다. 예를 들어, 유리 포밍을 이용하여 조합된 절차들이 바람직한 최종 부품 형상을 만들도록 보장할 수 있도록 비대칭 화학 강화 응력들을 보상 또는 악화시킬 수 있다.

압축의 깊이는 본 명세서에 기재된 비대칭 화학 강화 프로세스들 중 하나 이상을 사용함으로써 커버 유리 내에 구현될 수 있다.

비대칭 화학 강화는 커버 유리 설계에 유리하기 때문에, 유리 포밍은 비대칭 강화를 갖는 재료를 설계함으로써 야기되는 응력 불균형을 수정하고 유지하는 데 사용되었다.

도 25 내지 도 30은 이러한 비대칭 화학 강화 및 유리 포밍 절차를 도시한다.

도 25에서, 유리 커버가 획득되고 그것의 기본 설계 요구에 맞추기 위하여 CNC를 거치게 된다. 단면도는 초기 커버 유리 기하학적 형태를 도시한다. 도 25는 유리 포밍을 이용하여 커버 유리(2500)의 단부에서 (구부리는 응력을 통해) 만곡부(2502)를 도입할 수 있는 것을 도시한다. 주의할 점은 이 포밍된 유리의 대칭 화학 강화가 매우 휜 유리 물품을 야기하여, 가치 없게 만들 수 있다는 것이다.

도 26에서, 커버 유리(2600)는 커버 유리를 추가로 제조하기 위하여 CNC 및 연마를 추가로 거칠 수 있다. 그 다음, 도 27에서, 커버 유리(2700)의 하부의 편평한 표면(2702)은, 최대 포밍된 만곡부까지, 이온-교환 확산 배리어의 층, SiN(2704)으로 코팅된다. SiN은 커버 유리의 편평한 하부 표면을 통한 이온 확산을 상당히 제한할 것이다. 이는 커버된 표면이 실질적으로 편평하게 남도록 추가로 보장할 것이다.

포밍되고 부분적으로 마스킹된 커버 유리는 도 28a 및 도 28b에서 본 명세서에 기재된 화학 강화 프로세스 하에서 처리된다. 도 28a에서 볼 수 있는 바와 같이, 유리(2800)의 단면은 커버 유리의 상부 표면(2802)이 칼륨(2803)의 확산에 의해 형성된 깊이(DoL)의 압축 층을 갖고 있음을 나타낸다. SiN에 의해 코팅된 하부 표면(2804)은 예상대로 전혀 없거나 또는 매우 적은 화학 강화를 갖는다. 도 28b는 포밍된 커버 유리(2800)의 상태의 단면도를 도시한다.

도 28c는 대응하는 응력 프로파일이고, 여기서 유리 커버(2800)의 상부 표면(2802)은 높은 압축 응력 및 현저한 DoL을 나타내고, 강화가 없었던 하부 커버(2804)는 압축은 없고 인장 응력만 보여준다(상부 표면에서 응력을 균형잡는 것으로 인해 야기됨).

도 29a 및 도 29b는 유리 커버(2900)의 하부 표면(2902) 상의 SiN 층이 더 이상 화학 강화에 대하여 완벽한 배리어가 아닌 SiO₂(2903)로 산화될 수 있는 것을 도시한다. 제2 라운드의 화학 강화가 포밍된 유리 커버 상에서 수행되어 도 29a에 도시된 단면도를 제공한다. 주의할 점은 하부 표면(2502)은 이제 얕은 압축 층(2904)을 포함하는 반면, 상부 표면(2906)은 더 높은 표면 압축으로 추가로 향상되었다는 것이다(도 29b).

마지막으로, 도 30a 및 도 30b는 일련의 화학 강화 절차들로부터의 비대칭 응력 프로파일을 보완하기 위한 커버 유리 기하학적 형태를 포함하는 최종 커버 유리(3000)를 도시한다. 커버 유리는 탁월한 상부 커버 표면 압축(3002) 및 기하학적 형태 및 높은 압축 응력에 의해 하부 표면(3004)의 제한된 DoL과 매칭되는 DoL을 갖는다(도 30b 참조).

도 30c는 대응하는 응력 프로파일이고, 여기서 유리 커버(3000)의 상부 표면(3006)은 높은 표면 압축(3008)을 나타낸다. 하부 표면(3010)은 약간의 표면 압축(3012)을 나타내는데, 이는 낮은 허용의 화학 강화에 대응한다. 커버 유리(3000)는 대응하지만, 상부 및 하부의 비대칭 표면 압축을 벌충하기 위한 예산이 정해진 양의 인장 응력(3014)을 갖는다.

전술한 설명은, 설명의 목적을 위해, 설명된 실시예들의 충분한 이해를 제공하기 위해 특정 명명법을 사용하였다. 그러나, 특정 상세사항들은 설명된 실시예들을 실시하는 데 필수적인 것은 아니라는 것이 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 명세서에 설명된 특정 실시예들의 전술한 설명들은 예시 및 설명의 목적을 위해 제시된다. 이들은 망라하거나 기술된 실시예들을 개시된 정확한 형태로 한정하도록 의도되지 않는다. 많은 수정들 및 변형들이 상기 교시 내용들에 비추어 가능하다는 것이 통상의 기술자에게 명백할 것이다.

Claims (20)

1. 전자 디바이스를 위한 커버 유리로서,
   상기 커버 유리의 제1 주변부를 따르는 제1 구역 - 상기 제1 구역은 제1 양의 화학적 강화 및 상기 커버 유리의 만곡된 제1 전면으로부터 제1 후면으로 연장되는 제1 비대칭 응력 패턴을 가지며, 상기 제1 주변부는 상기 커버 유리의 코너를 정의함 -;
   상기 커버 유리의 제2 주변부를 따르는 제2 구역 - 상기 제2 구역은 제2 양의 화학적 강화 및 상기 커버 유리의 만곡된 제2 전면으로부터 제2 후면으로 연장되는 제2 비대칭 응력 패턴을 가짐 -; 및
   상기 커버 유리의 중심부를 따르는 제3 구역 - 상기 제3 구역은 제3 양의 화학적 강화 및 상기 커버 유리의 제3 전면으로부터 제3 후면으로 연장되는 제3 비대칭 응력 패턴을 가짐 -
   을 포함하고,
   상기 제1 양의 화학적 강화는 상기 제2 양의 화학적 강화보다 크고, 상기 제2 양의 화학적 강화는 상기 제3 양의 화학적 강화보다 크며;
   상기 제1 비대칭 응력 패턴, 상기 제2 비대칭 응력 패턴 및 상기 제3 비대칭 응력 패턴 각각은 서로 상이하고;
   상기 제1 주변부 및 상기 제2 주변부는 서로 인접하고, 상기 중심부를 둘러싸는, 커버 유리.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 비대칭 응력 패턴은 제1 전방 압축 응력 층 및 제1 후방 압축 응력 층을 포함하고, 상기 제1 전방 압축 응력 층의 깊이는 상기 제1 후방 압축 응력 층의 깊이보다 크며;
   상기 제2 비대칭 응력 패턴은 제2 전방 압축 응력 층 및 제2 후방 압축 응력 층을 포함하고, 상기 제2 전방 압축 응력 층의 깊이는 상기 제2 후방 압축 응력 층의 깊이보다 크며;
   상기 제3 비대칭 응력 패턴은 제3 전방 압축 응력 층 및 제3 후방 압축 응력 층을 포함하고, 상기 제3 전방 압축 응력 층의 깊이는 상기 제3 후방 압축 응력 층의 깊이보다 큰, 커버 유리.
3. 제2항에 있어서,
   상기 만곡된 제1 전면은 상기 제1 후면을 향해 만곡되고;
   상기 만곡된 제1 전면은 상기 중심부의 두께의 중간 지점을 지나 연장되는, 커버 유리.
4. 제2항에 있어서,
   상기 제1 구역의 상기 제1 비대칭 응력 패턴은 상기 만곡된 제1 전면에서 제1 압축 표면 응력을 갖고;
   상기 제2 구역의 상기 제2 비대칭 응력 패턴은 상기 만곡된 제2 전면에서 제2 압축 표면 응력을 갖고;
   상기 제1 압축 표면 응력은 상기 제2 압축 표면 응력을 초과하는, 커버 유리.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제3 구역의 상기 제3 비대칭 응력 패턴은 상기 제3 전면에서 제3 압축 표면 응력을 갖고;
   상기 제2 압축 표면 응력은 상기 제3 압축 표면 응력을 초과하는, 커버 유리.
6. 제5항에 있어서,
   상기 제3 구역 내의 외부 표면의 일부분은 편평한, 커버 유리.
7. 제1항에 있어서,
   상기 제1 구역은 제1 에지를 정의하고;
   상기 제2 구역은 제2 에지를 정의하고;
   상기 제1 에지와 상기 제2 에지는 경사각(oblique angle)을 형성하는, 커버 유리.
8. 전자 디바이스로서,
   하우징;
   상기 하우징 내에 적어도 부분적으로 위치설정되는 디스플레이; 및
   상기 디스플레이 위에 위치설정되고 적어도 3개의 구역들을 정의하는 커버 유리 - 상기 적어도 3개의 구역들의 각각은 상이한 비대칭 응력 패턴을 가짐 -
   를 포함하고,
   상기 커버 유리의 제1 주변부 내의 제1 구역은 제1 양의 화학적 강화 및 상기 커버 유리의 만곡된 제1 전면과 제1 후면 사이의 제1 두께를 통해 연장되는 제1 비대칭 응력 패턴을 갖고, 상기 제1 주변부는 상기 커버 유리의 코너를 정의하며;
   상기 커버 유리의 제2 주변부 내의 제2 구역은 제2 양의 화학적 강화 및 상기 커버 유리의 만곡된 제2 전면과 제2 후면 사이의 제2 두께를 통해 연장되는 제2 비대칭 응력 패턴을 갖고;
   상기 커버 유리의 중심부 내의 제3 구역은 제3 양의 화학적 강화 및 상기 커버 유리의 제3 전면과 제3 후면 사이의 제3 두께를 통해 연장되는 제3 비대칭 응력 패턴을 갖고;
   상기 제1 양의 화학적 강화는 상기 제2 양의 화학적 강화보다 크고, 상기 제2 양의 화학적 강화는 상기 제3 양의 화학적 강화보다 크며;
   상기 상이한 비대칭 응력 패턴들은 상기 커버 유리에 걸친 균열 전파를 방지하도록 협동하는, 전자 디바이스.
9. 제8항에 있어서,
   상기 제1 두께는 상기 제3 두께보다 작은, 전자 디바이스.
10. 제8항에 있어서,
    상기 제1 비대칭 응력 패턴은 제1 전방 압축 응력 층 및 제1 후방 압축 응력 층을 포함하고, 상기 제1 전방 압축 응력 층의 깊이는 상기 제1 후방 압축 응력 층의 깊이보다 크며;
    상기 제3 비대칭 응력 패턴은 제3 전방 압축 응력 층 및 제3 후방 압축 응력 층을 포함하고, 상기 제3 전방 압축 응력 층의 깊이는 상기 제3 후방 압축 응력 층의 깊이보다 크고, 상기 제1 전방 압축 응력 층의 깊이보다 작은, 전자 디바이스.
11. 제8항에 있어서,
    상기 제1 주변부 및 상기 제2 주변부는 상기 커버 유리의 주연부 둘레에 인접한 영역을 형성하고;
    상기 제3 구역은 상기 제1 주변부 및 상기 제2 주변부에 의해 형성되는 상기 인접한 영역에 의해 둘러싸이고, 공동 평면을 공유하고;
    상기 제3 구역은 편평한 외부 표면을 갖는, 전자 디바이스.
12. 방법으로서,
    커버 유리의 제1 주변부를 따르는 제1 구역에서 제1 양의 화학적 강화를 생성하기 위해 상기 커버 유리를 비대칭으로 강화하는 단계 - 상기 제1 주변부는 상기 커버 유리의 코너를 정의함 -;
    상기 커버 유리의 제2 주변부를 따르는 제2 구역에서 제2 양의 화학적 강화를 생성하기 위해 상기 커버 유리를 비대칭으로 강화하는 단계; 및
    상기 커버 유리의 중심부를 따르는 제3 구역에서 제3 양의 화학적 강화를 생성하기 위해 상기 커버 유리를 비대칭으로 강화하는 단계
    를 포함하고,
    상기 제1 구역은 상기 커버 유리의 만곡된 제1 전면으로부터 제1 후면으로 연장되고 상기 만곡된 제1 전면에서 제1 압축 표면 응력을 유발하는 제1 비대칭 응력 패턴을 갖고;
    상기 제2 구역은 상기 커버 유리의 만곡된 제2 전면으로부터 제2 후면으로 연장되고 상기 만곡된 제2 전면에서 제2 압축 표면 응력을 유발하는 제2 비대칭 응력 패턴을 갖고;
    상기 제3 구역은 상기 커버 유리의 제3 전면으로부터 제3 후면으로 연장되고 상기 제3 전면에서 제3 압축 표면 응력을 유발하는 제3 비대칭 응력 패턴을 갖고;
    상기 제1 압축 표면 응력은 상기 제2 압축 표면 응력을 초과하고;
    상기 제2 압축 표면 응력은 상기 제3 압축 표면 응력을 초과하는, 방법.
13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 구역에서 상기 커버 유리를 비대칭으로 강화하는 단계는 상기 제2 구역에 칼륨 염을 적용하는 비율보다 더 큰 비율로 상기 제1 구역에 상기 칼륨 염을 적용하는 단계를 포함하는, 방법.
14. 제12항에 있어서,
    상기 제2 구역에서 상기 커버 유리를 비대칭으로 강화하는 단계는 상기 제3 구역에 칼륨 염을 적용하는 비율보다 더 큰 비율로 상기 제2 구역에 상기 칼륨 염을 적용하는 단계를 포함하는, 방법.
15. 제14항에 있어서,
    상기 제3 구역에서 상기 커버 유리를 비대칭으로 강화하는 단계는 상기 칼륨 염을 적용하여 상기 제3 구역의 외부 표면이 편평하게 유지되도록 하는 단계를 포함하는, 방법.
16. 제15항에 있어서,
    상기 제3 구역의 상기 외부 표면은 상기 커버 유리의 전면인, 방법.
17. 제12항에 있어서,
    상기 커버 유리의 상기 제1 구역을 소정 온도로 열적으로 가열하여,
    상기 커버 유리를 상기 제1 구역에서 상기 열 가열 없이 비대칭으로 강화함으로써 유도된 압축 표면 응력에 비교했을 때, 상기 열 가열로 인해 상기 제1 압축 표면 응력이 증가되도록 하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
18. 제17항에 있어서,
    상기 온도는 상기 커버 유리의 치밀화 온도 미만인, 방법.
19. 제17항에 있어서,
    상기 온도는 상기 커버 유리의 치밀화 온도를 초과하는, 방법.
20. 제19항에 있어서,
    상기 열 가열은 마이크로파 가열 또는 레이저 가열에 의해 수행되는, 방법.

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