KR102153318B1 - 찜기형 화학강화 처리 장치 및 이를 이용한 화학강화 유리의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 칼륨 소스 용액에서 발생하는 증기를 이용하여 유리에 대하여 화학강화 처리하기 위한 공간을 제공하는 챔버와, 상기 챔버 내부를 밀폐하기 위한 챔버 덮개와, 상기 챔버 내에 설치되고 유리의 화학강화 처리를 위한 칼륨 소스 용액이 담기는 용탕조와, 상기 챔버 내에 설치되어 상기 칼륨 소스 용액을 가열하여 KNO3 증기를 발생시키기 위한 가열수단 및 상기 용탕조와 서로 이격되게 설치되고 상기 용탕조에 담긴 상기 칼륨 소스 용액의 최상층 보다 높은 위치에 화학강화 처리할 유리가 적재될 수 있게 구비되는 트레이를 포함하며, 상기 칼륨 소스 용액이 증발하여 발생하는 증기 상태의 KNO3 가스가 상기 유리 표면에 흡착됨으로써 K+ 이온이 상기 유리 내부로 확산되어 화학강화가 이루어지는 것을 특징으로 하는 찜기형 화학강화 처리 장치 및 이를 이용한 화학강화 유리의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 100㎛ 이하의 얇은 유리에 대하여도 화학강화가 가능하고, 화학강화 처리할 유리 두 장을 겹쳐 화학강화 처리를 하게 되면 각 유리의 한 단면만 화학강화가 가능하며, 적지 않은 양의 유리를 화학강화 처리할 수 있고, 짧은 시간에 화학강화 처리가 가능하다.

Description

찜기형 화학강화 처리 장치 및 이를 이용한 화학강화 유리의 제조방법{Steamer-typed apparatus for chemical strengthening of glass and manufacturing method of chemical strengthened glass using the apparatus}
본 발명은 화학강화 처리 장치 및 이를 이용한 강화유리의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 칼륨 소스 용액 밖에 화학강화 처리할 유리를 놓고 칼륨 소스 용액에서 증발하는 증기 상태의 KNO3 가스를 자체 증기압으로 유리에 압력이 가해져서 K+ 이온이 유리 내부로 확산되게 하는 원리를 이용하며, 100㎛ 이하의 얇은 유리에 대하여도 화학강화가 가능하고, 화학강화 처리할 유리 두 장을 겹쳐 화학강화 처리를 하게 되면 각 유리의 한 단면만 화학강화가 가능하며, 적지 않은 양의 유리를 화학강화 처리할 수 있고, 짧은 시간에 화학강화 처리가 가능한 찜기형 화학강화 처리 장치 및 이를 이용한 화학강화 유리의 제조방법에 관한 것이다.
유리는 압축 응력에는 강하지만 인장 응력에는 약한 특성을 가진다. 따라서, 유리를 강화시키기 위하여 유리 표면에 압축응력층을 형성시킨다.
유리를 강화시키는 방법에는 크게 물리적으로 강화시키는 방법과 화학적으로 강화시키는 방법이 있다.
물리적으로 강화시키는 방법은 일반적으로 두께 1㎜ 이상의 유리를 550℃ 내지 700℃ 사이의 온도에서 가열하여 급냉함으로써 유리의 내부 강도를 강화하는 방식으로서, 이렇게 물리적으로 강화된 유리는 강화 유리문, 자동차용 유리 등에 주로 사용된다.
화학적으로 강화시키는 방법은 강화시키고자 하는 유리를 화학처리하되 전이온도 이하에서 유리 중에 함유되어 있는 이온반경이 작은 나트륨 이온을 이온반경이 큰 칼륨 이온과 접촉시켜 유리 표면층에 압축응력을 발생시켜 강화시키는 방법이다.
화학적으로 강화시키는 방법은 복잡한 형태나 얇은 유리를 뒤틀림 없이 강화하여 높은 강도를 얻을 수 있으며, 두께가 균일하지 않은 유리에도 적용할 수 있고, 크기자 작은 유리에 대하여도 저렴한 비용으로 강화시킬 수 있는 장점이 있다.
그러나, 소다석회 유리 또는 소다라임 실리카 유리 등은 내부 구조적으로 화학강화 성분(칼륨 이온)의 확산이 매우 어려워 이온침투 깊이가 작고, 강화 깊이가 낮아 흠집 발생시 강도 저하 문제가 발생한다. 따라서, 소다석회 유리의 압축응력층의 두께를 높일 필요가 있다.
현재까지 알려진 화학강화 처리 장치는 화학강화 처리할 유리를 칼륨 소스 용액 내에 담근 후에 화학강화 처리를 수행하지만, 이러한 방식은 100㎛ 이하의 얇은 유리에는 적용하기가 어려운 단점이 있고, 유리의 한 단면만을 화학강화 처리하려고 하여도 그 적용이 쉽지 않다는 단점이 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1395559호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 칼륨 소스 용액 밖에 화학강화 처리할 유리를 놓고 칼륨 소스 용액에서 증발하는 증기 상태의 KNO3 가스를 자체 증기압으로 유리에 압력이 가해져서 K+ 이온이 유리 내부로 확산되게 하는 원리를 이용하며, 100㎛ 이하의 얇은 유리에 대하여도 화학강화가 가능하고, 화학강화 처리할 유리 두 장을 겹쳐 화학강화 처리를 하게 되면 각 유리의 한 단면만 화학강화가 가능하며, 적지 않은 양의 유리를 화학강화 처리할 수 있고, 짧은 시간에 화학강화 처리가 가능한 찜기형 화학강화 처리 장치 및 이를 이용한 화학강화 유리의 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명은, 칼륨 소스 용액에서 발생하는 증기를 이용하여 유리에 대하여 화학강화 처리하기 위한 공간을 제공하는 챔버와, 상기 챔버 내부를 밀폐하기 위한 챔버 덮개와, 상기 챔버 내에 설치되고 유리의 화학강화 처리를 위한 칼륨 소스 용액이 담기는 용탕조와, 상기 챔버 내에 설치되어 상기 칼륨 소스 용액을 가열하여 KNO3 증기를 발생시키기 위한 가열수단 및 상기 용탕조와 서로 이격되게 설치되고 상기 용탕조에 담긴 상기 칼륨 소스 용액의 최상층 보다 높은 위치에 화학강화 처리할 유리가 적재될 수 있게 구비되는 트레이를 포함하며, 상기 칼륨 소스 용액이 증발하여 발생하는 증기 상태의 KNO3 가스가 상기 유리 표면에 흡착됨으로써 K+ 이온이 상기 유리 내부로 확산되어 화학강화가 이루어지는 것을 특징으로 하는 찜기형 화학강화 처리 장치를 제공한다.
상기 트레이는 상기 칼륨 소스 용액이 저장된 상기 용탕조 상부에 위치될 수 있고, 상기 트레이에는 화학강화 처리를 위한 유리가 복수 개 담겨질 수 있다.
상기 트레이는 상기 용탕조에 담긴 상기 칼륨 소스 용액의 최상층 보다 높은 위치에 설치될 수 있다.
상기 유리는 두 장이 겹쳐 적재될 수 있고, 겹쳐진 각 유리의 한 단면만 화학강화 처리되게 할 수 있다.
상기 찜기형 화학강화 처리 장치는 상기 챔버 내의 압력을 확인하기 위한 압력계를 더 포함할 수 있다.
상기 찜기형 화학강화 처리 장치는 화학강화 처리 후 상기 챔버 내에 잔류하는 증기 상태의 KNO3 가스를 외부로 배출하거나 상기 챔버 내의 압력을 조절하기 위한 압력조절펌프를 더 포함할 수 있다.
상기 챔버의 둘레에는 냉각 실린더가 구비될 수 있고, 상기 냉각 실린더 내부를 흐르는 냉각수에 의해 상기 챔버를 수냉시켜 상기 용탕조가 과열되는 것을 억제하고 상기 챔버를 냉각시킬 수 있다.
또한, 본 발명은, (a) 화학강화 처리하는 공간을 제공하는 챔버 내에 칼륨 소스 용액이 담기는 용탕조를 설치하는 단계와, (b) 화학강화 처리할 유리를 트레이에 담고, 상기 용탕조에 담긴 상기 칼륨 소스 용액의 최상층 보다 높은 위치에 화학강화 처리할 유리가 위치되게 상기 트레이를 상기 챔버 내부에 위치시키는 단계와, (c) 상기 챔버 내부를 밀폐시키는 단계와, (d) 가열수단에 의해 상기 칼륨 소스 용액이 가열되어 화학강화 처리 온도로 상승되는 단계와, (e) 상기 칼륨 소스 용액이 가열되어 증기 상태의 KNO3 가스가 발생되고, 발생된 증기 상태의 KNO3 가스가 화학강화 처리할 유리 표면에 흡착되게 되고, 이에 따라 K+ 이온이 상기 유리 내부로 확산되어 Na+ 이온과 이온교환됨으로써 유리의 화학적 강화가 이루어지는 단계와, (f) 상기 가열수단의 작동을 멈추고 상기 챔버 내부를 냉각시키는 단계 및 (g) 화학강화 처리된 유리를 세정하는 단계를 포함하는 화학강화 유리의 제조방법을 제공한다.
상기 트레이는 상기 칼륨 소스 용액이 저장된 상기 용탕조 상부에 위치될 수 있고, 상기 트레이에는 화학강화 처리를 위한 유리가 복수 개 담겨질 수 있다.
상기 용탕조에 담긴 상기 칼륨 소스 용액의 최상층 보다 높은 위치에 상기 트레이가 설치될 수 있다.
상기 유리는 두 장이 겹쳐 적재될 수 있고, 겹쳐진 각 유리의 한 단면만 화학강화 처리되게 할 수 있다.
상기 (e) 단계에서 압력조절펌프를 이용하여 상기 챔버 내의 압력을 1.2∼10 기압으로 제어할 수도 있다.
상기 챔버의 둘레에는 냉각 실린더가 구비될 수 있고, 상기 냉각 실린더 내부를 흐르는 냉각수에 의해 상기 챔버를 수냉시켜 상기 용탕조가 과열되는 것을 억제하고 상기 챔버를 냉각시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 칼륨 소스 용액 밖에 화학강화 처리할 유리를 놓고 칼륨 소스 용액에서 증발하는 증기 상태의 KNO3 가스를 자체 증기압으로 유리에 압력이 가해져서 K+ 이온이 유리 내부로 확산되게 하는 원리를 이용하며, 100㎛ 이하의 얇은 유리에 대하여도 화학강화가 가능하고, 화학강화 처리할 유리 두 장을 겹쳐 화학강화 처리를 하게 되면 각 유리의 한 단면만 화학강화가 가능하며, 적지 않은 양의 유리를 화학강화 처리할 수 있고, 짧은 시간에 화학강화 처리가 가능하다.
도 1은 화학강화 유리를 제조하기 위한 찜기형 화학강화 처리 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
발명의 상세한 설명 또는 청구범위에서 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 당해 구성요소만으로 이루어지는 것으로 한정되어 해석되지 아니하며, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 찜기형 화학강화 처리 장치는, 칼륨 소스 용액에서 발생하는 증기를 이용하여 유리에 대하여 화학강화 처리하기 위한 공간을 제공하는 챔버와, 상기 챔버 내부를 밀폐하기 위한 챔버 덮개와, 상기 챔버 내에 설치되고 유리의 화학강화 처리를 위한 칼륨 소스 용액이 담기는 용탕조와, 상기 챔버 내에 설치되어 상기 칼륨 소스 용액을 가열하여 KNO3 증기를 발생시키기 위한 가열수단 및 상기 용탕조와 서로 이격되게 설치되고 상기 용탕조에 담긴 상기 칼륨 소스 용액의 최상층 보다 높은 위치에 화학강화 처리할 유리가 적재될 수 있게 구비되는 트레이를 포함하며, 상기 칼륨 소스 용액이 증발하여 발생하는 증기 상태의 KNO3 가스가 상기 유리 표면에 흡착됨으로써 K+ 이온이 상기 유리 내부로 확산되어 화학강화가 이루어진다.
상기 트레이는 상기 칼륨 소스 용액이 저장된 상기 용탕조 상부에 위치될 수 있고, 상기 트레이에는 화학강화 처리를 위한 유리가 복수 개 담겨질 수 있다.
상기 트레이는 상기 용탕조에 담긴 상기 칼륨 소스 용액의 최상층 보다 높은 위치에 설치될 수 있다.
상기 유리는 두 장이 겹쳐 적재될 수 있고, 겹쳐진 각 유리의 한 단면만 화학강화 처리되게 할 수 있다.
상기 찜기형 화학강화 처리 장치는 상기 챔버 내의 압력을 확인하기 위한 압력계를 더 포함할 수 있다.
상기 찜기형 화학강화 처리 장치는 화학강화 처리 후 상기 챔버 내에 잔류하는 증기 상태의 KNO3 가스를 외부로 배출하거나 상기 챔버 내의 압력을 조절하기 위한 압력조절펌프를 더 포함할 수 있다.
상기 챔버의 둘레에는 냉각 실린더가 구비될 수 있고, 상기 냉각 실린더 내부를 흐르는 냉각수에 의해 상기 챔버를 수냉시켜 상기 용탕조가 과열되는 것을 억제하고 상기 챔버를 냉각시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화학강화 유리의 제조방법은, (a) 화학강화 처리하는 공간을 제공하는 챔버 내에 칼륨 소스 용액이 담기는 용탕조를 설치하는 단계와, (b) 화학강화 처리할 유리를 트레이에 담고, 상기 용탕조에 담긴 상기 칼륨 소스 용액의 최상층 보다 높은 위치에 화학강화 처리할 유리가 위치되게 상기 트레이를 상기 챔버 내부에 위치시키는 단계와, (c) 상기 챔버 내부를 밀폐시키는 단계와, (d) 가열수단에 의해 상기 칼륨 소스 용액이 가열되어 화학강화 처리 온도로 상승되는 단계와, (e) 상기 칼륨 소스 용액이 가열되어 증기 상태의 KNO3 가스가 발생되고, 발생된 증기 상태의 KNO3 가스가 화학강화 처리할 유리 표면에 흡착되게 되고, 이에 따라 K+ 이온이 상기 유리 내부로 확산되어 Na+ 이온과 이온교환됨으로써 유리의 화학적 강화가 이루어지는 단계와, (f) 상기 가열수단의 작동을 멈추고 상기 챔버 내부를 냉각시키는 단계 및 (g) 화학강화 처리된 유리를 세정하는 단계를 포함한다.
상기 트레이는 상기 칼륨 소스 용액이 저장된 상기 용탕조 상부에 위치될 수 있고, 상기 트레이에는 화학강화 처리를 위한 유리가 복수 개 담겨질 수 있다.
상기 용탕조에 담긴 상기 칼륨 소스 용액의 최상층 보다 높은 위치에 상기 트레이가 설치될 수 있다.
상기 유리는 두 장이 겹쳐 적재될 수 있고, 겹쳐진 각 유리의 한 단면만 화학강화 처리되게 할 수 있다.
상기 (e) 단계에서 압력조절펌프를 이용하여 상기 챔버 내의 압력을 1.2∼10 기압으로 제어할 수도 있다.
상기 챔버의 둘레에는 냉각 실린더가 구비될 수 있고, 상기 냉각 실린더 내부를 흐르는 냉각수에 의해 상기 챔버를 수냉시켜 상기 용탕조가 과열되는 것을 억제하고 상기 챔버를 냉각시킬 수 있다.
도 1은 화학강화 유리를 제조하기 위한 찜기형 화학강화 처리 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 현재까지 알려진 화학강화 처리 장치는 화학강화 처리할 유리를 칼륨 소스 용액(135) 내에 담근 후에 화학강화 처리를 수행하지만, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 찜기형 화학강화 처리 장치(100)는 칼륨 소스 용액(135) 밖에 화학강화 처리할 유리를 놓고 칼륨 소스 용액(135)에서 증발하는 증기 상태의 KNO3 가스를 자체 증기압으로 유리에 압력이 가해져서 K+ 이온이 유리 내부로 확산되게 하는 원리를 이용한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 찜기형 화학강화 처리 장치(100)는 칼륨 소스 용액(135)에서 발생하는 증기를 이용하여 유리에 대하여 화학강화를 처리하기 위한 공간을 제공하는 챔버(110)와, 상기 챔버(110) 내부를 밀폐하기 위한 챔버 덮개(112)와, 상기 챔버(110) 내에 설치되고 유리의 화학강화 처리를 위한 칼륨 소스 용액(135)이 담기는 용탕조(115)와, 상기 챔버(110) 내에 설치되어 상기 칼륨 소스 용액(135)을 가열하여 KNO3 증기를 발생시키기 위한 가열수단(120)과, 상기 용탕조(114)와 서로 이격되게 설치되고 상기 용탕조(115)에 담긴 상기 칼륨 소스 용액(135)의 최상층 보다 높은 위치에 화학강화 처리할 유리가 적재될 수 있게 구비되는 트레이(tray)(140)를 포함하며, 상기 칼륨 소스 용액(135)이 증발하여 발생하는 증기 상태의 KNO3 가스가 상기 유리 표면에 흡착됨으로써 K+ 이온이 상기 유리 내부로 확산되어 화학강화가 이루어지는 장치이다.
용탕조(115)는 챔버(110) 내에 설치되고 유리의 화학강화 처리를 위한 칼륨 소스 용액(135)이 담기는 공간을 제공한다. 용탕조(115)는 하부에 위치된 용탕조지지대(160)에 의해 지지될 수 있다.
트레이(tray)(140)는 용탕조(114)와 서로 이격되게 설치된다. 트레이(140)는 칼륨 소스 용액(140)이 저장된 용탕조(115) 상부에 위치되는 것이 바람직하다. 또한, 트레이(140)는 용탕조(115)에 담긴 상기 칼륨 소스 용액의 최상층 보다 높은 위치에 설치되는 것이 바람직하다. 트레이(140)에 담겨지는 유리는 용탕조(115)에 담긴 칼륨 소스 용액(135)의 최상층 보다 높은 위치에 적재된다. 트레이(140)는 트레이지지대(165)에 의해 지지될 수 있으며, 상기 트레이(140)에는 화학강화 처리를 위한 유리가 복수 개 적재될 수 있다.
화학강화 처리할 유리는 트레이(tray)(140)에 담겨진다. 용탕조(115)에 담긴 칼륨 소스 용액(135)은 가열되어 증기 상태의 KNO3 가스를 발생시키며, 이렇게 발생된 증기 상태의 KNO3 가스는 화학강화 처리할 유리 표면에 흡착됨으로써 K+ 이온이 상기 유리 내부로 확산되게 되어 화학강화가 이루어지게 된다. 화학강화 처리할 유리는 소다석회 유리, 소다라임 실리카 유리 뿐만 아니라 화학강화를 행하고자 하는 모든 유리일 수 있다. 화학강화 처리를 위한 유리는 트레이(140)에 1개 또는 복수 개가 적재될 수 있다. 트레이(140)에 복수 개의 유리를 적재하는 경우에, 화학강화 처리할 유리가 서로 이격되게 적재할 수도 있지만, 두 장의 유리를 겹쳐 적재할 수도 있으며, 이와 같이 두 장을 겹쳐 화학강화 처리를 하게 되면 각 유리의 한 단면만 화학강화가 가능한 장점이 있다. 두 장을 겹쳐 화학강화 처리를 하게 되면 겹쳐져서 서로 맞대어 있는 유리 표면에는 KNO3 가스가 침투하게 어렵기 때문에 각 유리의 한 단면에서만 화학강화가 이루어지게 된다.
가열수단(120)은 챔버(110) 내의 온도를 일정 값(예컨대, 250∼700℃) 이상으로 상승시켜 용탕조(115) 내의 칼륨 소스 용액(135)이 증발될 수 있게 하는 역할을 한다. 가열수단(120)에 의해 용탕조(115) 내 칼륨 소스 용액(135)의 온도는 목표하는 화학강화 처리 온도(예컨대, 250∼700℃)로 상승되고 일정하게 유지된다. 이에 따라 상기 칼륨 소스 용액의 온도가 목표하는 화학강화 처리 온도로 상승되어 증발됨으로써 증기 상태의 KNO3 가스가 발생되게 되며, 이렇게 발생된 증기 상태의 KNO3 가스는 화학강화 처리할 유리 표면에 흡착되게 되고 이에 따라 K+ 이온이 상기 유리 내부로 확산되게 되어 화학강화가 이루어지게 된다.
챔버(110)의 상단에는 챔버 덮개(112)가 구비된다. 일반적으로 챔버 덮개(112)가 덮혀있을 때에 챔버(110)는 밀폐되게 된다.
상기 찜기형 화학강화 처리 장치(100)에는 압력계(130)가 구비될 수 있고, 상기 압력계(130)를 이용하여 챔버(110) 내의 압력을 수시로 확인할 수 있다.
상기 찜기형 화학강화 처리 장치(100)에는 온도계(미도시)가 구비될 수 있고, 상기 온도계를 이용하여 챔버(110) 내의 온도를 수시로 확인할 수 있다.
챔버(110) 둘레에 열의 방출을 억제하기 위한 단열재(155)가 구비될 수 있으며, 단열재(155)는 챔버(110) 둘레를 감싸는 형태로 구비될 수 있다.
상기 찜기형 화학강화 처리 장치(100)는 화학강화 처리 후 챔버(110) 내에 잔류하는 증기 상태의 KNO3 가스를 외부로 배출하거나 챔버(110) 내의 압력을 조절하기 위한 압력조절펌프(130)를 더 포함할 수 있다. 화학강화 처리 후에는 압력조절펌프(130)에 의하여 챔버(110) 내에 잔류하는 증기 상태의 KNO3 가스가 외부로 배출될 수 있고, 화학강화 처리 시에 상기 챔버(110) 내의 압력도 조절될 수 있으며 이에 따라 목표하는 압력 상태로 만들 수도 있다. 화학강화 처리 후의 배기 시에는 챔버(110) 내에 잔류하는 증기 상태의 KNO3 가스와 반응 부산물을 배기시키고, 챔버(110) 내의 상태를 안전하게 유지할 수가 있다.
유리의 화학강화 처리 시에 챔버(110) 내의 압력은 대기압보다 높은 1.2∼10 기압 정도인 것이 바람직하다. 압력조절펌프(130)를 이용하여 챔버(110) 내의 압력을 1.2∼10 기압으로 제어할 수도 있다.
또한, 챔버(110)의 둘레에는 냉각수가 흐를 수 있도록 구비되어 챔버(110) 내의 온도를 조절하거나 냉각할 수 있다. 이를 위해 챔버(110)의 둘레에는 냉각 실린더(170)가 구비될 수 있고, 냉각 실린더(170) 내부를 흐르는 냉각수(cooling water; CW)에 의해 챔버(110)를 수냉시켜 용탕조(115)가 과열되는 것을 억제하고 챔버(110)를 빠르게 냉각시킬 수 있게 한다. 냉각 실린더(170)에는 냉각수 유입관(cooling water inlet; CWI)을 연결하여 냉각수를 공급하고, 공급된 냉각수는 냉각수 배출관(cooling water outlet; CWO)을 통해 배출되도록 하며, 냉각수가 냉각 실린더(170)를 순환되게 하여 챔버(110)가 전체적으로 골고루 냉각될 수 있도록 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화학강화 처리 장치(100)에 의하면, 100㎛ 이하의 얇은 유리에 대하여도 화학강화가 가능한 장점이 있다.
또한, 화학강화 처리할 유리 두 장을 겹쳐 화학강화 처리를 하게 되면 각 유리의 한 단면만 화학강화가 가능한 장점이 있다.
또한, 적지 않은 양의 유리를 화학강화 처리할 수 있고, 짧은 시간에 화학강화 처리가 가능하다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 찜기형 화학강화 처리 장치(100)를 이용하여 유리를 화학강화 처리하는 방법을 설명한다.
화학강화를 위한 준비 단계로 화학강화를 위한 유리의 표면을 연마하는 평탄화 공정을 수행할 수 있다. 상기 평탄화 공정은 유리의 평활도를 확보할 뿐만 아니라 후술하는 화학강화 처리 공정을 수행할 때에 칼륨 소스 용액(135)에 함유된 칼륨 이온(K+)과 유리 내의 나트륨 이온(N+)이 용이하게 상호 교환되도록 하기 위한 공정으로, 유리의 표면을 평탄하게 연마하는 공정이다. 상기 평탄화 공정은 산화세륨 연마제 등을 이용할 수 있으며, 일반적으로 잘 알려진 공정이므로 여기에서는 그 상세한 설명은 생략한다.
화학강화 처리하는 공간을 제공하는 챔버(110) 내에 용탕조(115)를 설치한다.
화학강화 처리할 유리를 트레이(140)에 담고, 유리가 담긴 트레이(140)를 챔버(110) 내에 위치시키고, 챔버 덮개(112)를 덮어 챔버(110) 내부를 밀폐한 후, 유리에 대하여 화학적으로 처리하는 화학강화 처리 공정을 수행한다. 상기 화학강화 처리 공정은 소정 온도로 가열된 질산칼륨(KNO3)과 같은 칼륨 소스 용액을 가열하여 증발시켜 증기 상태의 KNO3 가스를 발생시키고, 이렇게 발생된 증기 상태의 KNO3 가스는 화학강화 처리할 유리 표면에 흡착되게 되고 이에 따라 K+ 이온이 상기 유리 내부로 확산되어 Na+ 이온과 이온교환됨으로써 유리 표면에 강화가 이루어지도록 하는 구성을 갖는다.
상기 화학강화 처리 공정은 다음과 같은 공정으로 이루어질 수 있다.
화학강화 처리를 위해 유리를 트레이(140)에 담는다. 화학강화 처리를 위한 유리는 트레이(140)에 1개 또는 복수 개가 적재될 수 있다. 트레이(140)에 복수 개의 유리를 적재하는 경우에, 화학강화 처리할 유리가 서로 이격되게 적재할 수도 있지만, 두 장의 유리를 겹쳐 적재할 수도 있으며, 이와 같이 두 장을 겹쳐 화학강화 처리를 하게 되면 각 유리의 한 단면만 화학강화가 가능한 장점이 있다.
화학강화 처리를 위한 유리가 적재된 트레이(140)를 질산칼륨(KNO3) 용액과 같은 칼륨 소스 용액이 담긴 용탕조(115)의 상부로 이송한다.
유리가 담긴 트레이(140)를 상기 챔버(110) 내에 위치시킨다. 상기 트레이(140)는 칼륨 소스 용액(140)이 저장된 용탕조(115) 상부에 위치시키는 것이 바람직하다. 이때, 트레이(140)에 담겨진 유리는 용탕조(115)에 담긴 칼륨 소스 용액(135)의 최상층 보다 높은 위치에 위치되게 한다.
챔버 덮개(112)를 덮어 챔버(110) 내부를 밀폐한다.
상기 챔버(110) 내부는 가열수단(120)에 의해 가열되어 목표하는 화학강화 처리 온도로 상승된다. 가열수단(120)에 의해 용탕조(115)의 온도는 목표하는 화학강화 처리 온도(예컨대, 250∼700℃)로 상승되고 일정하게 유지된다. 유리의 화학강화 처리를 위한 챔버(110) 내의 압력이 대기압보다 높은 1.2∼10 기압 정도가 될 때까지 대기한다.
상기 용탕조(115)의 내부에는 칼륨 이온(K+)을 포함하는 질산칼륨(KNO3), 수산화인산칼륨(K2HPO4), 염화칼륨(KCl), 인산칼륨(K2PO4) 등의 칼륨 소스 용액(135)이 담겨 있다. 상기 칼륨 소스 용액(135)에는 질산나트륨(NaNO3)과 같은 나트륨 소스 용액이 더 혼합되어 있을 수 있다. 칼륨 소스 용액(135)에 나트륨 소스 용액이 혼합되는 경우, 칼륨 소스 용액과 나트륨 소스 용액은 중량비로 40∼80:60∼20(칼륨 소스 용액:나트륨 소스 용액)의 비율로 혼합되는 것이 바람직하다.
질산칼륨과 같은 칼륨 소스 용액(135)은 유리의 유리전이온도(glass transition temperature)보다 낮은 온도(에컨대, 250℃∼700℃)로 가열되며, 가열된 칼륨 소스 용액(135)은 증발하여 증기 상태의 KNO3 가스를 발생시키고, 증기 상태의 KNO3 가스에 의해 유리 표면에 흡착되게 되며, 이에 따라 K+ 이온이 상기 유리 내부로 확산되게 되면 이온 치환에 의해 화학적 강화가 이루어지게 된다. 이때, 압력조절펌프(150)를 이용하여 챔버(10) 내의 압력을 1.2∼10 기압으로 제어하거나 유지하는 것이 바람직하다. 증기 상태의 KNO3 가스로부터 유래된 칼륨(K+) 이온과 유리 표면의 나트륨(Na+) 이온이 서로 이온치환이 이루어지며, 유리 표면에 분포하는 작은 이온(나트륨 이온)은 빠져나오고, 그 자리에 나트륨 이온보다 큰 이온(칼륨 이온)이 들어가게 된다. 나트륨 이온(Na+)의 원자 크기는 0.98Å이고, 칼륨 이온(K+)의 원자 크기는 1.33Å 이므로 나트륨 이온(Na+) 자리에 칼륨 이온(K+)이 들어가게 되면, 유리 표면에 압축응력층을 형성하게 되어 큰 표면 밀도를 갖는 강화유리가 형성되게 된다.
이와 같은 화학강화의 처리 시간, 처리 온도 등이 증가함에 따라 이온교환 깊이와 이온교환량이 증가하게 되며, 이에 따라 유리의 강도가 증가하게 된다. 챔버(110) 내의 기압 변화에 따라 챔버(110) 내의 온도를 조절하여 적절한 화학강화가 이루어지게 할 수 있다. 압력계(130)를 이용하여 챔버(110) 내의 압력을 확인할 수 있고, 온도계(미도시)를 이용하여 챔버(110) 내의 온도를 확인할 수가 있다.
또한, 상기 찜기형 화학강화의 처리 시간 및 처리 온도가 증가함에 따라 이온교환 깊이와 이온교환량이 증가하게 되어 취성(brittleness)이 감소하게 된다. 이는 이온반경이 작은 Na 사이트(site)에 이온반경이 큰 칼륨이 치환되어 들어가서 칼륨 사이트 주위에 압축응력을 형성하게 되고, 외부 하중에 의한 변형과 파괴에 소비되는 에너지를 흡수하게 되어 그 만큼 취성이 감소하기 때문인 것으로 판단된다.
화학강화 처리가 완료되면, 가열수단(120)의 작동을 멈추고, 챔버(110) 내부를 냉각하기 위하여 챔버(110) 내의 온도를 하강시킨다. 또한, 화학강화 처리가 완료된 후에는 챔버(110)의 내의 압력도 대기압 상태가 되게 하는 것이 바람직하다. 이때, 압력조절펌프(130)를 작동시켜 화학강화 처리 후 챔버(110) 내에 잔류하는 KNO3 가스와 반응 부산물을 퍼지(purge)하여 강제 배기시킬 수도 있다.
화학강화 처리된 유리가 담긴 트레이(140)를 챔버(110)로부터 인출하고, 화학강화 처리된 유리를 소정 온도(예컨대, 약 80℃)로 세팅된 온수가 담긴 세정조(미도시)로 이송시켜 유리에 묻은 이물질 등을 세정한다.
세정조에서 화학강화 처리된 유리를 인출하고, 세정된 유리를 건조로(미도시)로 이송하여 건조한다. 상기 건조로에서 소정 온도(예컨대, 약 80℃)의 열풍 건조를 통해 건조될 수 있다.
건조된 유리는 모서리의 상하부를 면취하는 공정, 세정 및 건조 공정이 수행될 수도 있고, 화학강화 유리로 제품화될 수 있다.
제품화를 위해 화학강화 유리는 외형 검사와 비접촉식 응력 검사가 이루어질 수도 있다. 상기 비접촉식 응력 검사는 압축응력층의 두께를 측정하고 그에 따른 응력 분포를 예측함으로써 화학강화 유리의 강도를 측정하는 것이다. 화학강화 유리에서 바람직한 압축응력층의 두께는 유리 두께에 따라 10∼300㎛ 정도인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 방법은 소다석회 유리, 소다라임 실리카 유리 뿐만 아니라 화학강화를 행하고자 하는 모든 유리에 적용할 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
100: 찜기형 화학강화 처리 장치
110: 챔버
115: 용탕조
120: 가열수단
130: 압력계
135: 트레이
140: 칼륨 소스 용액
150: 압력조절펌프
155: 단열재
160: 용탕조지지대
165: 트레이지지대
170: 냉각 실린더

Claims (13)

  1. 칼륨 소스 용액에서 발생하는 KNO3 증기를 이용하여 유리에 대하여 화학강화 처리하기 위한 공간을 제공하는 챔버;
    상기 챔버 내부를 밀폐하기 위한 챔버 덮개;
    상기 챔버 내에 설치되고 유리의 화학강화 처리를 위한 칼륨 소스 용액이 담기는 용탕조;
    상기 챔버 내에 설치되어 상기 칼륨 소스 용액을 가열하여 KNO3 증기를 발생시키기 위한 가열수단; 및
    상기 용탕조와 서로 이격되게 상기 챔버 내에 설치되고 상기 용탕조에 담긴 상기 칼륨 소스 용액의 최상층 보다 높은 위치에 화학강화 처리할 유리가 적재될 수 있게 구비되는 트레이를 포함하며,
    상기 트레이는 상기 칼륨 소스 용액이 저장된 상기 용탕조 상부에 상기 용탕조와 서로 이격되게 위치되고,
    상기 트레이는 상기 용탕조에 담긴 상기 칼륨 소스 용액의 최상층 보다 높은 위치에 설치되며,
    상기 칼륨 소스 용액이 증발하여 발생하는 증기 상태의 KNO3 가스가 상기 용탕조 상부의 트레이에 적재된 유리 표면에 흡착됨으로써 K+ 이온이 상기 유리 내부로 확산되어 화학강화가 이루어지는 것을 특징으로 하는 찜기형 화학강화 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 트레이에는 화학강화 처리를 위한 유리가 복수 개 담겨지는 것을 특징으로 하는 찜기형 화학강화 처리 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 유리는 두 장이 겹쳐 적재되고, 겹쳐진 각 유리의 한 단면만 화학강화 처리되는 것을 특징으로 하는 찜기형 화학강화 처리 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 챔버 내의 압력을 확인하기 위한 압력계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 찜기형 화학강화 처리 장치.
  6. 제1항에 있어서, 화학강화 처리 후 상기 챔버 내에 잔류하는 증기 상태의 KNO3 가스를 외부로 배출하거나 상기 챔버 내의 압력을 조절하기 위한 압력조절펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 찜기형 화학강화 처리 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 챔버의 둘레에는 냉각 실린더가 구비되고, 상기 냉각 실린더 내부를 흐르는 냉각수에 의해 상기 챔버를 수냉시켜 상기 용탕조가 과열되는 것을 억제하고 상기 챔버를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 찜기형 화학강화 처리 장치.
  8. (a) 칼륨 소스 용액에서 발생하는 KNO3 증기를 이용하여 유리에 대하여 화학강화 처리하는 공간을 제공하는 챔버 내에 칼륨 소스 용액이 담기는 용탕조를 설치하는 단계;
    (b) 화학강화 처리할 유리를 트레이에 담고, 상기 용탕조와 서로 이격되게 상기 챔버 내에 트레이를 설치하면서 상기 용탕조에 담긴 상기 칼륨 소스 용액의 최상층 보다 높은 위치에 화학강화 처리할 유리가 위치되게 상기 트레이를 상기 챔버 내부에 위치시키는 단계;
    (c) 상기 챔버 내부를 밀폐시키는 단계;
    (d) 가열수단에 의해 상기 칼륨 소스 용액이 가열되어 화학강화 처리 온도로 상승되는 단계;
    (e) 상기 칼륨 소스 용액이 가열되어 증기 상태의 KNO3 가스가 발생되고, 발생된 증기 상태의 KNO3 가스가 상기 용탕조 상부의 트레이에 적재된 화학강화 처리할 유리 표면에 흡착되게 되고, 이에 따라 K+ 이온이 상기 유리 내부로 확산되어 Na+ 이온과 이온교환됨으로써 유리의 화학적 강화가 이루어지는 단계;
    (f) 상기 가열수단의 작동을 멈추고 상기 챔버 내부를 냉각시키는 단계; 및
    (g) 화학강화 처리된 유리를 세정하는 단계를 포함하며,
    상기 트레이는 상기 칼륨 소스 용액이 저장된 상기 용탕조 상부에 상기 용탕조와 서로 이격되게 위치되고,
    상기 용탕조에 담긴 상기 칼륨 소스 용액의 최상층 보다 높은 위치에 상기 트레이가 설치되는 것을 특징으로 하는 화학강화 유리의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 트레이에는 화학강화 처리를 위한 유리가 복수 개 담겨지는 것을 특징으로 하는 화학강화 유리의 제조방법.
  10. 삭제
  11. 제8항에 있어서, 상기 유리는 두 장이 겹쳐 적재되고, 겹쳐진 각 유리의 한 단면만 화학강화 처리되게 하는 것을 특징으로 하는 화학강화 유리의 제조방법.
  12. 제8항에 있어서, 상기 (e) 단계에서 압력조절펌프를 이용하여 상기 챔버 내의 압력을 1.2∼10 기압으로 제어하는 것을 특징으로 하는 화학강화 유리의 제조방법.
  13. 제8항에 있어서, 상기 챔버의 둘레에는 냉각 실린더가 구비되고, 상기 냉각 실린더 내부를 흐르는 냉각수에 의해 상기 챔버를 수냉시켜 상기 용탕조가 과열되는 것을 억제하고 상기 챔버를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 화학강화 유리의 제조방법.
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