KR102157750B1 - 레이저 손상 및 에칭에 의한 유리 제품의 제조방법 - Google Patents

레이저 손상 및 에칭에 의한 유리 제품의 제조방법 Download PDF

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제프리 에이. 데커
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다이앤 킴벌리 길포일
다니엘 랄프 하비
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Abstract

본 발명에 따른 유리제품의 형성 방법은 유리기판 시트를 제공하는 단계, 상기 유리기판 시트의 제1 표면에서부터 상기 유리기판 시트의 제2 표면까지 연장하는 레이저 손상 영역을 형성하도록 상기 유리기판 시트 상으로 펄스 레이저 빔을 이동시키는 단계, 상기 유리기판 시트에 약 1M 내지 약 3M의 불산 및 염산을 포함하는 에칭 용액을 인가하는 단계, 이온-교환 강화 공정에 의해 상기 유리기판 시트를 강화하는 단계, 및 내산 코팅으로 상기 유리기판 시트를 코팅하는 단계를 포함한다.

Description

레이저 손상 및 에칭에 의한 유리 제품의 제조방법{METHODS OF FABRICATING GLASS ARTICLES BY LASER DAMAGE AND ETCHING}
본 출원은 2012년 11월 29일자에 출원된 미국 가 특허출원 제61/731,013호의 우선권을 주장하고 있으며, 상기 특허문헌의 전체 내용은 참조를 위해 본원에 모두 포함된다.
본 명세서는 일반적으로 유리제품의 제조 방법, 및 특히 레이저 손상 영역을 생성하여 우선적으로 상기 레이저 손상 영역을 에칭함으로써 유리제품을 제조하는 방법에 관한 것이다.
유리제품들은 전자 산업을 포함하는 다양한 산업에서 사용되며, 여기에서 유리는 디스플레이 장치를 덮기 위하여 사용된다. 그와 같은 디스플레이 장치의 예로 액정 디스플레이(Liquid Crystal Displays) 및 발광다이오드 디스플레이(Light Emitting Diode displays), 예를 들어, 컴퓨터 모니터, 텔레비전, 및 휴대용 장치를 포함한다. 삼차원 유리제품들은 그들의 미적으로 좋은 외관 및 촉감으로 인해 사용이 증가되고 있다. 하지만, 유리는 리포밍, 어닐링 및 화학적 강화 동안 치수 변형을 갖기 때문에, 특히 성형 유리에서, 낮은 치수공차(dimensional tolerances)를 충족하는 것은 쉽지 않다. 추가적으로, 홀(holes)과 같은 관통-형상을 생성하기 위해 사용된 종래의 컴퓨터 수치 제어(computer numerical control : CNC) 기계가공 방법은, 만약 리포밍(reforming) 이전에 수행된다면, 상기 유리제품의 표면의 기복(waviness) 및 원치않는 변형을 유발할 수도 있는, 유리 리포밍 동안 불-균일한 가열을 일으키게 될 것이다.
다양한 구현 예에 따라, 유리제품의 형성 방법이 개시된다.
상기 방법은 유리기판 시트를 제공하는 단계, 상기 유리기판 시트의 제1 표면에서부터 상기 유리기판 시트의 제2 표면까지 연장하는 레이저 손상 영역을 형성하도록 상기 유리기판 시트 상으로 펄스 레이저 빔을 이동시키는 단계, 상기 유리기판 시트에 약 1M 내지 약 3M의 불산 및 염산을 포함하는 에칭 용액을 인가하는 단계, 이온-교환 강화 공정에 의해 상기 유리기판 시트를 강화하는 단계, 및 내산 코팅(acid-resistant coating)으로 상기 유리기판 시트를 코팅하는 단계를 포함한다. 상기 펄스 레이저 빔은 자외선 스펙트럼 내의 파장 및 약 0.1W 내지 약 2.0W의 파워를 갖는다. 상기 레이저 손상 영역은 다수의 결함 라인들을 포함할 수 있다. 상기 불산의 농도가 약 2M 보다 크면, 상기 염산의 농도는 약 1M 보다 작고, 상기 불산의 농도가 약 2M 보다 작으면, 상기 염산의 농도는 약 1M와 약 3M 사이이다.
일부 구현 예에서, 상기 유리기판 시트는, 예열 온도까지 상기 유리기판 시트를 예열하고, 그 다음 상기 예열 온도보다 높은 국부 온도까지 상기 유리기판 시트의 국부 영역을 가열함으로써, 상기 국부 영역에서 상기 유리기판 시트를 굽혀 리포밍된다. 상기 예열 온도 및 상기 국부 온도는 상기 유리기판 시트의 연화점보다 낮다.
상기 펄스 레이저 빔은 상기 유리기판 시트에 인가된 에너지가 상기 유리기판 시트의 손상 문턱값(damage threshold) 이상이 되도록 동작한다. 일부 구현 예에서, 상기 펄스 레이저 빔은 자외선 스펙트럼 내의 파장을 갖고, 상기 펄스 레이저 빔의 파워는 약 0.1W와 약 2.0W 사이이다. 일부 구현 예에서, 상기 레이저 손상 영역은 상기 유리기판 시트의 가장자리에 접촉하지 않는다.
일부 구현 예에서, 상기 펄스 레이저 빔은 다수의 경로에서 상기 유리기판 시트 상으로 이동되고, 상기 펄스 레이저 빔의 초점은, 상기 레이저 손상 영역이 상기 유리기판 시트의 체적 내에서 제1 표면에서 제2 표면까지 연장하는 다수의 레이저 손상 라인들에 의해 규정되도록, 각각의 경로에서 변경된다. 다수의 레이저 손상 라인들의 인접한 레이저 손상 라인들은 서로에 대하여 오프셋(offset) 될 수 있다. 일부 구현 예에서, 상기 유리기판 시트에 대한 상기 펄스 레이저 빔의 위치는, 다수의 레이저 손상 라인들이 상기 유리기판 시트의 제1 표면에서부터 상기 유리기판 시트의 제2 표면까지 상기 유리기판 시트의 체적 내에서 커브를 규정하도록, 각각의 경로에서 조절된다.
일부 구현 예에서, 상기 유리기판 시트에 에칭 용액을 인가하는 단계는 에칭 용액으로 상기 유리기판 시트에 분사하는 단계를 포함한다, 다른 구현 예에서, 상기 유리기판 시트에 에칭 용액을 인가하는 단계는 에칭 용액 안에 상기 유리기판 시트를 침적하는 단계를 포함한다. 초음파 교반은 일부 구현 예에서 에칭 용액에 인가될 수 있다. 에칭 용액을 분사하기 위한 분사 노즐은 분당 약 0 진동에서 분당 약 40 진동까지의 속도로 진동할 수 있다. 상기 분사 노즐로부터 압력은 약 1.0bar에서 약 1.25bar까지 일 수 있다.
일부 구현 예에서, 상기 에칭 용액은 약 1M 내지 약 3M의 불산 및 무기산을 포함할 수 있으며, 여기서 상기 불산의 농도가 약 2M 보다 크면, 상기 무기산의 농도는 약 1M 보다 작고, 상기 불산의 농도가 약 2M 보다 작으면, 상기 무기산의 농도는 약 1M과 약 3M 사이일 수 있다. 일부 구현 예에서, 상기 무기산은 염산, 황산, 질산, 또는 이들의 조합일 수 있다.
일부 구현 예에서, 상기 에칭 용액의 온도는 약 30℃ 아래이다.
다른 구현 예에 따르면, 유리제품의 형성 방법은 유리기판을 제공하는 단계, 및 상기 유리기판 시트의 제1 표면에서부터 상기 유리기판 시트의 제2 표면까지 연장하는 레이저 손상 영역을 형성하도록 상기 유리기판 시트 상으로 펄스 레이저 빔을 이동시키는 단계를 포함하고, 상기 레이저 손상 영역은 초기 형상을 갖는다. 상기 펄스 레이저 빔은 자외선 스펙트럼 내의 파장, 약 0.1W 내지 약 2.0W의 파워를 갖고, 상기 레이저 손상 영역은 다수의 결함 라인들에 의해 규정된다. 상기 방법은 예열 온도까지 상기 유리기판 시트를 예열하는 단계, 및 상기 유리기판 시트의 국부 영역을 상기 예열 온도보다 높은 국부 온도까지 가열함으로써, 상기 국부 영역에서 상기 유리기판 시트를 굽히는 단계를 더 포함한다. 상기 레이저 손상 영역의 적어도 일부는 국부 영역 내에 있으며, 상기 초기 형상이 상기 유리기판 시트의 굽힘을 보상하도록, 상기 레이저 손상 영역의 형상은 국부 온도까지 상기 국부 영역의 가열 후에 상기 초기 형상에서 원하는 형상으로 변한다. 상기 방법은 상기 레이저 손상 영역에 대한 상기 유리 기판의 일부를 제거하기 위해 에칭 용액의 욕조에 상기 유리기판 시트를 침적하는 단계를 더 포함한다. 상기 에칭 용액은 약 1M 내지 약 3M의 불산 및 무기산을 포함한다. 상기 불산의 농도가 약 2M 보다 크면 상기 무기산의 농도는 약 1M 보다 작고, 상기 불산의 농도가 약 2M 보다 작으면 상기 무기산의 농도는 약 1M와 약 3M 사이이다. 상기 방법은 상기 유리기판 시트의 일부가 거의 제거될 때까지 초음파 교반 주파수에서 상기 에칭 용액의 욕조를 교반함으로써, 상기 유리제품을 형성하는 단계를 더 포함한다. 일부 구현 예에서, 상기 초음파 교반 주파수는 약 40㎑ 이고, 상기 에칭 용액의 욕조의 온도는 약 20℃ 아래이다.
또 다른 구현 예에 따르면, 유리제품의 형성 방법은 유리기판 시트를 제공하는 단계, 및 상기 유리기판 시트의 제1 표면에서부터 상기 유리기판 시트의 제2 표면까지 연장하는 레이저 손상 영역을 형성하도록 상기 유리기판 시트 상으로 펄스 레이저 빔을 이동시키는 단계를 포함한다. 상기 펄스 레이저 빔은 자외선 스펙트럼 내의 파장 및 약 0.5W 내지 약 2.0W의 파워를 갖는다. 상기 레이저 손상 영역은 다수의 결함 라인들에 의해 규정되며, 초기 형상을 갖는다. 상기 방법은 약 1M 내지 약 3M의 불산 및 염산의 에칭 용액의 욕조 내에 상기 유리기판 시트를 침적하는 단계를 더 포함한다. 상기 염산의 농도가 약 2M 보다 크면 상기 염산의 농도는 약 1M 보다 작고, 상기 염산의 농도가 약 2M 보다 작으면 상기 염산의 농도는 약 1M와 약 3M 사이이다. 상기 에칭 용액의 욕조의 온도는 약 30℃ 보다 작다. 상기 방법은 상기 레이저 손상 영역에 대한 상기 유리기판 시트의 일부가 거의 제거될 때까지 약 40㎑의 초음파 교반 주파수에서 에칭 용액의 욕조를 교반함으로써, 성형 유리제품을 형성하는 단계를 더 포함한다.
일부 구현 예에서, 상기 유리제품은 삼차원 형상을 갖는 성형 유리제품일 수 있다. 그와 같은 구현 예에서, 상기 레이저 손상 및 에칭 공정은 상기 성형 유리제품의 삼차원 형상을 형성하는데 필수적일 수 있다. 하지만, 다른 구현 예에서, 상기 성형 유리제품은 몰딩(molding), 블로우 몰딩(blow molding) 등과 같은 어떤 적절한 방법에 의해 형성될 수 있으며, 상기 레이저 손상 및 에칭 공정은 상기 삼차원 형상이 유리제품에 형성된 후에 수행될 수 있다. 또 다른 구현 예에서, 상기 유리제품은 플랫(flat) 유리 시트일 수 있다.
상기 전술한 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명 모두는 다양한 구현 예를 기술하고, 그러한 청구대상의 특성 및 특징을 이해하기 위한 개관 또는 기초를 제공하도록 의도된 것으로 이해되어야 한다. 첨부된 도면은 다양한 구현 예의 추가적인 이해를 제공하기 위해 포함된 것이며, 본 명세서에 통합되어 그 일부를 구성한다. 도면은 여기에 기재된 다양한 구현 예를 나타내며, 상세한 설명과 함께 상기 청구대상의 원리 및 작동을 설명하도록 돕는다.
도 1은 여기에 기재되고 나타난 하나 이상의 구현 예에 따른 플랫 유리기판 시트 내에 레이저 손상 영역을 생성하기 위한 레이저 시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 여기에 기재되고 나타난 하나 이상의 구현 예에 따른 초점된, 펄스 레이저 빔 및 플랫 유리기판 시트의 상부 사시도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 여기에 기재되고 나타난 하나 이상의 구현 예에 따른 플랫 유리기판 내의 레이저 손상 영역의 측면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4a는 여기에 기재되고 나타난 하나 이상의 구현 예에 따른 나선형의 레이저 손상 영역을 갖는 유리 기판 시트의 상부 사시도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4b는 여기에 기재되고 나타난 하나 이상의 구현 예에 따른 나선형의 레이저 손상 영역을 형성하는 초점된, 펄스 레이저를 개략적으로 도시한 것이다.
도 5는 여기에 기재되고 나타난 하나 이상의 구현 예에 따른 다수의 교차 레이저 손상 영역을 갖는 플랫 유리기판 시트의 상면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 6a는 여기에 기재되고 나타난 하나 이상의 구현 예에 따른 두 개의 근접한, 커브된 레이저 손상 라인들로 규정된 레이저 손상 영역을 갖는 플랫 유리기판 시트의 측면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 6b는 도 6a에 도시된 것처럼 두 개의 커브된 손상 라인들에서 분리된, 커브된 가장자리를 갖는 두 개의 유리제품을 개략적으로 도시한 것이다.
도 7은 여기에 기재되고 나타난 하나 이상의 구현 예에 따른 방법에 의해 형성된 유리제품의 강도를 단지 CNC에 의해 형성된 유리제품의 강도와 비교한 산포도이다.
도 8a는 여기에 기재되고 나타난 하나 이상의 구현 예에 따른 분리된 유리 웨이퍼 및 인터포저를 개략적으로 도시한 것이다.
도 8b는 여기에 기재되고 나타난 하나 이상의 구현 예에 따른 결합된 유리 웨이퍼 및 인터포저를 개략적으로 도시한 것이다.
도 9는 여기에 기재되고 나타난 하나 이상의 구현 예에 따른 성형 유리제품의 상면 사시도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 10은 여기에 기재되고 나타난 하나 이상의 구현 예에 따른 성형 유리제품의 제조방법을 기재한 흐름도이다.
도 11은 여기에 기재되고 나타난 하나 이상의 구현 예에 따른 원하는 성형 유리제품에 대응하는 초기 형상 내에 다수의 레이저 손상 영역을 갖는 플랫 유리기판 시트를 개략적으로 도시한 것이다.
도 12는 여기에 기재되고 나타난 하나 이상의 구현 예에 따른 리포밍 공정 후의 성형 유리기판 시트를 개략적으로 도시한 것이다.
도 13은 여기에 기재되고 나타난 하나 이상의 구현 예에 따른 에칭 용액의 욕조 내의 성형 유리기판 시트를 개략적으로 도시한 것이다.
도 14는 여기에 기재되고 나타난 하나 이상의 구현 예에 따른 두 개의 압축 표면층을 갖춘 강화된 성형 유리제품의 부분 측면도를 개략적으로 도시한 것이다.
이제 레이저 손상 및 화학적 에칭 공정을 이용한 플랫 유리기판 시트로부터 유리제품을 만드는 방법의 구현 예에 대한 상세한 참조가 이루어질 것이다. 일반적으로, 레이저 손상 영역은, 하나 이상의 원하는 유리제품의 관통-형상(예를 들어, 슬롯, 홀, 및 이와 유사한 것) 주위에 형성될 뿐만 아니라 플랫 유리기판 시트로부터 분리되도록 하나 이상의 원하는 유리제품의 가장자리 주위의 플랫 유리기판 시트 내에 형성된다. 상기 레이저 손상 영역은 유리기판 시트가 에칭 용액에 인가될 때, 우선적으로 에칭된다. 상기 유리기판 시트를 에칭하기 전 및 상기 레이저 손상 영역을 형성한 후에, 상기 플랫 유리기판 시트는, 구현 예에서, 하나 이상의 유리제품의 원하는 삼차원 모양을 이루기위해 리포밍될 수 있다. 상기 레이저 손상 영역은, 상기 레이저 손상 영역이 리포밍, 에칭, 및/또는 강화 공정 후에 원하는 형상을 갖도록, 상기 리포밍, 에칭, 및/또는 강화 공정 동안 상기 플랫 유리기판 시트의 변하는 모양에 대해 선보상(precompensate)하는 초기 형상으로 생성된다. 그 다음 상기 유리기판 시트는 하나 이상의 제품을 분리시킬 뿐 아니라, 하나 이상의 유리제품 내에 관통-형상을 생성하기 위해 에칭 용액에 인가된다. 일부 구현 예에서, 상기 분리된 유리제품은 그 다음 이온-교환 화학적 강화 공정과 같은, 강화 공정에 인가된다. 여기 기재된 상기 구현 예들은 굽힘(bending) 공정이 사용될 때 상기 유리제품의 맨 가장자리에 곡률을 얻는 능력을 제공할 수 있다. 플랫 유리기판 시트로부터의 성형 유리제품의 다양한 방법들이 특정의 수반된 도면을 참조하여 여기에 좀 더 상세히 기술될 것이다. 가능하면 어떤 경우에라도, 동일하거나 유사한 부분을 나타내기 위해 상기 도면 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호가 사용될 수 있다.
상기 유리는 처음에 어떤 유리 조성물로 형성된 플랫 유리기판 시트일 수 있다. 일부 구현 예에서, 상기 플랫 유리기판 시트는 알칼리 알루미노실리케이트(alkali aluminosilicate) 유리를 포함한다. 일 구현 예에서, 상기 알칼리 알루미노실리케이트 유리는 다음을 포함한다: 약 64 mol% 내지 약 68 mol% SiO2; 약 12 mol% 내지 약 16 mol% Na2O; 약 8 mol% 내지 약 12 mol% Al2O3; 0 mol% 내지 약 3 mol% B2O3; 약 2 mol% 내지 약 5 mol% K2O; 약 4 mol% 내지 약 6 mol% MgO; 및 0 mol% 내지 약 5 mol% CaO; 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%임.
다른 구현 예에서, 상기 알칼리 알루미노실리케이트 유리는 다음을 포함한다: 약 60 mol% 내지 약 70 mol% SiO2; 약 6 mol% 내지 약 14 mol% Al2O3; 0 mol% 내지 약 15 mol% B2O3; 0 mol% 내지 약 15 mol% Li2O; 0 mol% 내지 약 20 mol% Na2O; 0 mol% 내지 약 10 mol% K2O; 0 mol% 내지 약 8 mol% MgO; 0 mol% 내지 약 10 mol% CaO; 0 mol% 내지 약 5 mol% ZrO2; 0 mol% 내지 약 1 mol% SnO2; 0 mol% 내지 약 1 mol% CeO2; 약 50 ppm보다 작은 As2O3; 및 약 50 ppm보다 작은 Sb2O3; 여기서 12 mol% ≤ Li2O + Na2O + K2O ≤ 20 mol% 및 0 mol% ≤ MgO + CaO ≤ 10 mol%임.
다른 구현 예에서, 상기 알칼리 알루미노실리케이트 유리는 SiO2 및 Na2O를 포함하며, 여기서 상기 유리는 35 킬로포이즈(kpoise)의 점도를 갖는 온도 T35kp 를 갖고, ZrO2 및 SiO2 를 형성하기 위해 지르콘이 파괴되는 온도 Tbreakdown는 T35kp 보다 크다. 일부 구현 예에서, 상기 알칼리 알루미노실리케이트 유리는 다음을 포함한다: 약 61 mol % 내지 약 75 mol% SiO2; 약 7 mol % 내지 약 15 mol% Al2O3; 0 mol% 내지 약 12 mol% B2O3; 약 9 mol % 내지 약 21 mol% Na2O; 0 mol % 내지 약 4 mol% K2O; 0 mol% 내지 약 7 mol% MgO; 및 0 mol% 내지 약 3 mol% CaO임.
다른 구현 예에서, 상기 알칼리 알루미노실리케이트 유리는 알칼리 금속 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 개질제(modifier) 및 적어도 50 mol% SiO2를 포함하고, 여기서 [(Al2O3 (mol %)+B2O3 (mol%))/(∑ 알칼리 금속 개질제 (mol%))] > 1이다. 일부 구현 예에서, 상기 알칼리 알루미노실리케이트 유리는 다음을 포함한다: 50 mol% 내지 약 72 mol% SiO2; 약 9 mol% 내지 약 17 mol% Al2O3; 약 2 mol% 내지 약 12 mol% B2O3; 약 8 mol% 내지 약 16 mol% Na2O; 및 0 mol% 내지 약 4 mol% K2O임.
다른 구현 예에서, 상기 알칼리 알루미노실리케이트 유리는 알칼리 금속 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 개질제 및 SiO2 를 포함한다. 일부 구현 예에서, 상기 알칼리 금속 산화물 개질제는 MgO, CaO, SrO, BaO 및 그들의 혼합물로부터 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 어떤 특정 이론에 구속시키는 것은 아니지만, 상기 알칼리 토금속은 다른 개질제보다 상기 에칭액(예를 들어, HF)에 덜 용해되고, 따라서, 알칼리 토금속을 함유하는 유리는 최종 유리 제품의 기복의 감소를 이끄는 느린 표면 에칭 속도를 갖는다고 믿어진다. 일부 구현 예에서, 상기 알칼리 알루미노실리케이트 유리는 약 5 mol% 내지 약 14 mol% 알칼리 금속 산화물, 즉, 약 8 mol% 내지 약 12 mol% 알칼리 토금속 산화물을 포함한다. 일부 구현 예에서, 상기 알칼리 알루미노실리케이트 유리는 다음을 포함한다: 50 mol% 내지 약 72 mol% SiO2; 약 9 mol% 내지 약 17 mol% Al2O3; 약 2 mol% 내지 약 12 mol% B2O3; 약 8 mol% 내지 약 16 mol% Na2O; 0 mol% 내지 약 4 mol% K2O; 및 약 5 mol% 내지 약 14 mol% MgO + CaO + SrO임.
다른 구현 예에서, 상기 알칼리 알루미노실리케이트 유리는 SiO2, Al2O3, P2O5, 및 적어도 하나의 알칼리 금속 산화물 (R2O)을 포함하고, 여기서 0.75 ≤ [(P2O5(mol%) + R2O(mol%))/ M2O3 (mol%)] ≤ 1.2이며, M2O3 = Al2O3 + B2O3이다. 일부 구현 예에서, 상기 알칼리 알루미노실리케이트 유리는 다음을 포함한다: 약 40 mol% 내지 약 70 mol% SiO2; 0 mol% 내지 약 28 mol% B2O3; 0 mol% 내지 약 28 mol% Al2O3; 약 1 mol% 내지 약 14 mol% P2O5; 및 약 12 mol% 내지 약 16 mol% R2O; 및, 어떤 구현 예에서, 약 40 내지 약 64 mol% SiO2; 0 mol% 내지 약 8 mol% B2O3; 약 16 mol% 내지 약 28 mol% Al2O3; 약 2 mol% 내지 약 12% P2O5; 및 약 12 mol% 내지 약 16 mol% R2O임.
또 다른 구현 예에서, 상기 알칼리 알루미노실리케이트 유리는 적어도 약 4 mol% P2O5를 포함하고, 여기서 (M2O3 (mol%)/RxO (mol%)) < 1이고, M2O3 = Al2O3 + B2O3이며, RxO 는 상기 알루미노실리케이트 유리 내에 존재하는 1가 및 2가 양이온 산화물의 합계이다. 일부 구현 예에서, 상기 1가 및 2가 양이온 산화물은 Li2O, Na2O, K2O, Rb2O, Cs2O, MgO, CaO, SrO, BaO, 및 ZnO로 이루어진 군으로부터 선택된다. 일부 구현 예에서, 상기 유리는 0 mol% B2O3를 포함한다.
또 다른 구현 예에서, 상기 알칼리 알루미노실리케이트 유리는 적어도 약 50 mol% SiO2 및 적어도 약 11 mol% Na2O를 포함하고, 압축 스트레스는 적어도 약 900 MPa이다. 일부 구현 예에서, 상기 유리는 B2O3, K2O, MgO 및 ZnO 중 적어도 하나 및 Al2O3를 더 포함하고, 여기서 -340 + 27.1·Al2O3 - 28.7·B2O3 + 15.6·Na2O - 61.4·K2O + 8.1·(MgO + ZnO) ≥ 0 mol%이다. 특정 구현 예에서, 상기 유리는 다음을 포함한다: 약 7 mol% 내지 약 26 mol% Al2O3; 0 mol% 내지 약 9 mol% B2O3; 약 11 mol% 내지 약 25 mol% Na2O; 0 mol% 내지 약 2.5 mol% K2O; 0 mol% 내지 약 8.5 mol% MgO; 및 0 mol% 내지 약 1.5 mol% CaO임.
일부 구현 예에서, 위에 기재된 상기 알칼리 알루미노실리케이트 유리는 리튬, 붕소, 바륨, 스트론튬, 비스무트, 안티몬, 및 비소 중 적어도 하나를 실질적으로 포함하지 않는다 (예를 들어, 0 mol%를 함유한다).
일부 구현 예에서, 위에 기재된 상기 알칼리 알루미노실리케이트 유리는, 슬롯-드로우잉(slow-drawing), 퓨전 드로우잉(fusinon-drawing), 리-드로우잉(re-drawing), 및 이와 유사한 것과 같은 본 기술분야에서 알려진 공정에 의해 다운드로우 가능하며(down-drawable), 적어도 130 킬로포이즈의 액상 점도를 갖는다.
처음으로 도 1을 참조하면, 플랫 유리기판 시트(130) 내에 레이저 손상 영역을 야기하는 시스템(120)이 개략적으로 도시된다. 결합 광학계(coupling optics)(126)에 의해 초점되고 상기 플랫 유리기판 시트(130)로 향하는, 펄스 레이저 빔(124)을 발생시키도록 작동 가능한 레이저 소스(122)가 제공된다. 상기 레이저 소스(122)는 상기 레이저 손상 영역을 야기할 수 있는 어떤 레이저 소스일 수 있다. 일 예로서 제한하지 않고, 상기 레이저 소스(122)는 피코초 또는 나노초 펄스에서 작동되는 펄스 자외선 ("UV") 펄스 레이저 빔(124)(예를 들어, 약 355nm 파장인)을 발생시킨다. 일부 구현 예에서, 레이저 손상은 플랫 유리기판의 영역 내로 유도될 수 있다.
결합 광학계(126)는, 상기 펄스 레이저 빔(124)을 상기 플랫 유리기판 시트(130)에 대하여 원하는 위치에 초점을 갖는 초점된 레이저 빔으로 초점을 맞추는, 하나 이상의 렌즈로 구성될 수 있다. 하기 더 상세히 기재하는 것처럼, 일부 구현 예에서, 상기 결합 광학계(126)의 초점은, 초점이 변하도록 트레파닝(trepanning) 공정에 의해 상기 플랫 유리기판 시트(130) 내로 레이저 손상 영역을 형성하도록 조절될 수 있으며, 레이저 손상 영역은 플랫 유리기판 시트(130)의 체적에 걸쳐 형성된다.
상기 펄스 레이저 빔(124)은 원하는 레이저 손상 영역을 형성하기 위해 상기 플랫 유리기판 시트(130) 상에 스캔되도록 구성될 수 있다. 일부 구현 예에서, 상기 플랫 유리기판 시트(130)는, 상기 플랫 유리기판 시트가 상기 펄스 레이저 빔(124)에 대하여 이동되도록, 컴퓨터-조절된(computer-controlled) XYZ 스테이지(미도시)에 결합될 수 있다. 추가적으로, 빔 스플리터(beam splitter)(미도시)는 또한, 상기 레이저 소스(122)에 의해 발생된 단일 레이저 빔(124)을 상기 플랫 유리기판 시트(130) 내에 다수의 레이저 손상 영역을 동시에 형성하기 위해 다수의 레이저 빔으로 분할하도록, 제공될 수 있다.
이제 도 2 및 도 3을 참조하면, 플랫 유리기판 시트 내의 직선 레이저 손상 영역(140)이 도시된다. 도 2는 플랫 유리기판 시트(130) 및 결합 광학계(126)에 의해 초점된 펄스 레이저 빔(124)의 사시도를 도시하는 반면, 도 3은 플랫 유리기판 시트(130)의 측면도를 도시한다. 상기 레이저 손상 영역(140)은 상기 유리기판 시트(130)의 체적 내의 각기 다른 깊이에서 제1 표면(131)과 제2 표면(133) 사이에 위치된 다수의 개별적인 레이저 손상 라인들(141)에 의해 규정된다. 도 2 및 도 3에 보여진 것처럼, 상기 개별적인 레이저 손상 라인들(141)은 x-축 상에 수직으로 배열된다. 각각의 개별적인 레이저 손상 라인(141)은 상기 펄스 레이저 빔(124)의 하나 이상의 경로에 의해 형성된다. 예를 들면, 제1 레이저 손상 라인(141)은, 제2 표면(133)(즉, 밑면) 또는 그 바로 위, 및 상기 플랫 유리기판 시트(130)의 제1 가장자리(135) 근처에 펄스 레이저 빔(124)의 초점을 설정하는 단계, 및 상기 플랫 유리기판 시트(130) 위에서 제2 가장자리(137) 쪽으로 거리 d에 상기 펄스 레이저 빔(124)(및/또는 상기 플랫 유리기판 시트(130))를 이동시키는 단계에 의해 형성될 수 있다. 그 다음, 상기 펄스 레이저 빔(124)의 초점 위치는, 결합 광학계(126)를 조절하거나 상기 플랫 유리기판 시트(130)를 이동하여, 점차적으로 상기 플랫 유리 기판시트(130)의 제1 표면(131) 쪽으로 이동된다. 그 다음, 상기 펄스 레이저 빔(124)은, 상기 유리기판 시트 위에서 다시 제2 가장자리(137)에서 제1 가장자리(135) 쪽으로, 또는 제1 가장자리(135)에서 제2 가장자리(137) 쪽으로 이동된다. 상기 공정은, 상기 펄스 레이저 빔(124)이 제1 표면(131)(즉, 윗면) 또는 그 바로 아래에 가로지름으로써, 상기 레이저 손상 영역(140)의 형성을 완료할 때까지 반복될 수 있다. 개별적인 레이저 손상 라인들(141)에 의해 형성된 미세 균열은 인접한 개별적인 레이저 손상 라인들(141)까지 연장함으로써, 미세 균열 네트워크를 형성할 수 있다.
상기 레이저 조사 공정 동안 상기 플랫 유리기판 시트(130)의 조절할 수 없는 분할을 방지하기 위해, 일 구현 예에서, 상기 개별적인 레이저 손상 라인들(141)은 상기 가장자리들(예를 들면, 제1 및 제 2 가장자리(135, 137))에 접촉되지 않는다. 예를 들면, 개별적인 손상 라인들(141)의 말단은 몇 밀리미터에 의해 상기 유리기판 시트(130)의 가장자리로부터 오프셋(offset)될 수 있다. 더욱이, 상기 펄스 레이저 빔(124)은, 상기 플랫 유리기판 시트(130)의 제1 및 제2 표면(131, 133) 내에 홈을 형성하지 않도록 작동되어야 한다. 상기 개별적인 레이저 손상 라인들(141) 사이의 피치(pitch)는, 상기 유리기판 시트(130)가 상기 레이저 손상 영역(140)을 따라 너무 이르게 균열되지 않도록 설정될 수 있다. 일부 구현 예에서, 상기 개별적인 레이저 손상 라인들(141) 사이의 피치는 약 5.0㎛ 이하일 수 있다.
일부 구현 예에서, 상기 레이저 손상 영역은 나선형 레이저 손상 영역의 사용에 의한 트레파닝을 통하여 형성될 수 있다. 이제 도 4a 및 4b를 참조하면, 상기 플랫 유리기판 시트 내에 원형 관통-형상을 생성하기 위한 나선형 레이저 손상 라인(142)이 개시된다. 도 4a는 플랫 유리기판 시트 내의 나선형 레이저 손상 라인(142)을 도시하고, 반면 도 4b는 플랫 유리기판 시트(130)가 없는 나선형 레이저 손상 라인(142)을 도시한다. 상기 펄스 레이저 빔(124)의 초점은 상기 플랫 유리기판 시트(130)의 제2 표면(133)(즉, 밑면) 또는 그 바로 위에 설정된다. 상기 펄스 레이저 빔(124) (또는 플랫 유리기판 시트(130))은 관통-형상의 원하는 모양 (또는 원하는 유리 제품의 가장자리)에 따라 y- 및 z-축 상으로 이동된다. 동시에, 상기 펄스 레이저 빔(124)의 초점은 상기 제1 표면(131) (즉, 윗면)쪽으로 연속적으로 또는 불연속적으로 조절됨으로써, 나선형 레이저 손상 라인(142)을 형성한다. 에칭 공정 동안 상기 플랫 유리기판 시트(130)이 에칭될 때, 상기 에칭 용액은, 상기 나선형 레이저 손상 라인(142)에 의해 규정된 상기 레이저 손상 영역을 우선적으로 에칭한다.
도 5는 다수의 유리제품을 분리하기 위한 다수의 교차 레이저 손상 라인들(140A - 140F)을 갖는 플랫 유리기판 시트(130)의 상면도를 도시한다. 도 5에 보여진 것처럼, 수직 레이저 손상 라인들(140A - 140C)는 수평 레이저 손상 라인들(140D - 140F)과 교차한다. 리포밍 공정 후에, 상기 레이저 손상 라인들(140A - 140F)은, 상기 플랫 유리기판 시트(130)를 유리 시트 또는 성형 유리제품과 같은 다수의 유리제품으로 분리시키도록, 에칭 공정 동안 에칭될 수 있다.
또한 상기 레이저 손상 라인들은, 상기 분리된 유리제품의 성형 가장자리를 제공하도록, 상기 유리기판 시트의 체적에 걸쳐 성형될 수 있다. 이제 도 6a를 참조하면, 두 개의 인접한 오프셋 레이저 손상 영역(143A, 143B)을 갖는 플랫 유리기판 시트(130)가 개략적으로 도시된다. 상기 인접한 레이저 손상 영역(143A, 143B)은 상기 플랫 유리기판 시트(130)의 제1 표면(131)에서부터 제2 표면(133)까지 대향의 커브를 갖는다. 상기 펄스 레이저 빔(124)의 초점은, 상기 인접한 오프셋 레이저 손상 영역들(143A, 143B)의 커브를 규정하도록, 상기 플랫 유리기판 시트(130)를 관통하여 각각의 경로에서 조절된다. 도 6b는 에칭 공정 후에 두 개의 유리제품(100A, 100B)으로 분리된 상기 플랫 유리기판 시트(130)를 개략적으로 도시한다. 상기 커브된 레이저 손상 영역(143A)은, 두 개의 유리제품(100A, 100B)에 대해 각각 둥근 가장자리(102A, 102B)를 생성했다. 상기 커브된 레이저 손상 영역(143A, 143B)은, 모따기형(chamfered) 가장자리, 불노우즈형(bullnosed) 가장자리, 및 이와 유사한 것을 생성하기 위해, 도 6a에 도시된 것들과는 다른 형상을 가질 수 있다.
구현 예에서, 상기 레이저 소스는 약 60kHz 내지 약 200kHz 범위의 반복률에서 작동된다. 상기 레이저 소스의 출력(output power) 및 상기 결합 광학계의 초점 조정 조건은, 상기 빔 초점의 에너지 플루언스(energy fluence) 및 세기(intensity)가 상기 플랫 유리기판 시트의 손상 문턱값(damage threshold) 또는 약간 위에 있어야 한다. 구현 예에서, 상기 레이저 소스의 출력은 약 0.1W 내지 약 2.0W, 즉 약 0.5W 내지 약 2.0W 일 수 있다. 일부 구현 예에서, 상기 레이저 소스의 출력은 약 0.75W 내지 약 1.5W 일 수 있다.
레이저 손상 영역의 선택적 에칭은 어떤 유리 두께를 갖는 유리기판으로 실시될 수 있다. 그것은 컴퓨터 수치 제어("CNC") 및 다른 기계적 공정이 매우 낮은 수율을 갖는 더 얇은 유리기판(예를 들어, 0.3mm 미만)에 대해 특히 이로울 수 있다.
본 개시의 구현 예는 유리제품을 분리, 및/또는 상기 레이저-제작된(laser-wriitten) 성형 유리기판 시트를 에칭 공정에 노출시켜 관통-형상을 생성한다. 에칭 용액은, 에칭 용액이 상기 성형 유리기판 시트 위로 분사되는 분사 방법 또는 상기 성형 유리기판 시트를 에칭 용액의 욕조 내에 침적하는 단계에 의해, 제공될 수 있다.
에칭 용액을 유리제품에 인가하기 위해 분사를 이용하는 일부 구현 예에서, 상기 유리제품은 상기 유리제품의 두 개의 표면에 분사하기 위한 노즐들을 갖도록 구성된 챔버(cahamber) 내로 삽입될 수 있다. 예를 들어, 상기 유리제품이 유리시트인 경우, 상기 챔버는 상기 유리시트의 제1 표면 상에 에칭 용액을 분사하기 위해 위치된 제1 세트의 노즐을 포함할 수 있고, 상기 챔버는, 예를 들어 두께 방향에서 상기 유리시트의 제1 표면의 반대편인 상기 유리시트의 제2 표면상에 에칭 용액을 분사하기 위해 위치된 제2 세트의 노즐을 포함할 수 있다. 상기 유리제품 내에 관통홀을 생성하기 위해 유리의 일부가 상기 유리제품으로부터 제거될 때, 상기 유리제품의 일부가 제2 세트의 노즐 쪽으로 배출되도록, 상기 제1 세트의 노즐로부터 배출된 분사의 진동은 상기 제2 세트의 노즐로부터 나온 분사의 진동보다 더 높을 수 있다. 관통홀을 생성하기 위해 상기 유리제품의 일부의 배출을 상기 유리제품으로부터 떨어진 방향으로 향하게 함으로써, 유리제품에 대한 손상이 최소화될 수 있다. 예를 들어, 만약 상기 유리제품의 일부가 상기 유리제품의 위쪽 방향으로 배출된다면, 상기 유리제품의 일부가 상기 유리제품의 표면으로 떨어지게 되어 손상이 일어날 수 있다. 따라서, 상기 유리제품의 손상을 피하기 위해, 구현 예에서, 상기 유리제품의 일부는 상기 유리제품으로부터 떨어져 배출될 수 있다.
구현 예에서, 에칭액이 분사에 의해 인가되는 경우, 분사 노즐은 분당 약 0 진동 내지 분당 약 40 진동의 속도, 즉 분당 약 10 진동 내지 분당 약 30 진동의 속도로 진동할 수 있다. 다른 구현 예에서, 상기 노즐은 분당 약 15 진동 내지 분당 약 25 진동의 속도로 진동할 수 있다. 상기 노즐로부터 분사의 압력은 약 0.5bar 내지 약 1.7bar, 즉 약 0.75bar 내지 약 1.5 bar 일 수 있다. 일부 구현 예에서, 상기 노즐로부터 분사의 압력은 약 1.0bar 내지 약 1.25bar 일 수 있다. 상기 스프레이로 노즐로부터 분사의 진동 및 압력은 유리제품 내에 형성된 관통홀을 깨끗이 하는 것을 보장할 수 있다. 예를 들어, 만약 상기 진동이 너무 느리고/또는 상기 노즐로부터 분사의 압력이 너무 낮으면, 상기 에칭액이 고일 수 있어 부정확한 관통홀을 초래하거나, 또는 상기 에칭액이 상기 유리기판으로부터 관통홀을 완전히 분리시키지 못할 수 있다. 하지만, 만약 상기 진동이 너무 빠르고/ 또는 상기 노즐로부터 분사의 압력이 너무 높으면, 상기 유리기판이 너무 빨리 에칭될 수 있어 상기 유리 표면 상에 덩어리들(lumps) 또는 결함들(imperfections)이 형성되는 것을 초래할 수 있다.
구현 예에서, 상기 에칭 용액은 이런 레이저 손상 영역 내의 미세 균열의 존재로 인해 레이저 손상 영역을 에칭하게 된다. 상기 레이저 손상 영역 및 비-손상 영역 모두는 동시에, 하지만 다른 에칭율로 에칭된다. 상기 레이저 손상 영역의 미세균열은 화학적 결합을 깨뜨리고, 상기 유리기판 시트 안으로 더 깊게 관통할 수 있도록 에칭액의 통로를 제공한다. 그러므로, 상기 레이저 손상 영역에서 에칭율은 그때의 비-손상 영역보다 훨씬 빠르다. 따라서, 상기 에칭 용액이 완전히 상기 레이저 손상 영역을 에칭한 때, 상기 유리제품은 잘려지거나, 그렇지 않으면 상기 유리기판 시트의 남은 일부로부터 제거될 수 있다. 더욱이, 홀 및 슬롯과 같은 관통-형상은 또한 이런 방식으로 제조될 수 있다.
상기 에칭 용액은 주된 액칭액으로서 불산을 포함할 수 있다. 염산, 황산, 및 질산과 같은 무기산들은, 상기 에칭 공정을 보조하여 에칭율을 가속화할 뿐만 아니라 상기 유리제품의 표면 품질을 향상시켜 슬러지(sludge)의 형성을 감소시킬 수 있다. 불산의 농도가 높을 때(예를 들어, 3M 이상), 상기 에칭 시간 및 유리의 품질은 무기산의 타입에 영향을 받지 않는다는 것이 실험 동안 발견되었다. 하지만, 상기 불산 농도가 낮은 때(예를 들어, 1M 이하), 염산은 가장 적은 에칭 시간을 요구하고, 상기 세 개의 무기산 중 가장 원하는 에칭율을 달성한다. 그러므로, 염산은 대부분의 응용에 있어 선호될 수 있다. 일반적으로, 고농도의 불산 (예를 들어, 3M 이상)에서, 무기산의 농도는 낮아야 한다. 염산을 사용할 때, 상기 농도는 0.5M 아래여야 한다. 저농도의 불산 (예를 들어, 1M 이하)에서, 상기 무기산의 농도는 1M과 3M 사이여야 한다. 일 구현 예에서, 상기 불산의 농도는 약 2M이고, 상기 염산의 농도는 약 0.5M이다.
더욱이, 계면활성제는 레이저 손상 영역에 에칭 용액의 이동을 향상시킬 수 있어 상기 에칭 공정에 이롭고, 상기 에칭 공정에 의해 생산된 부산물을 차단하는 것으로 믿어진다. 비-제한적인 예로서, 상기 계면활성제는 DuPont FS-10 일 수 있다. 다른 계면활성제가 사용될 수 있는 것이 이해되어야 한다. 구현 예에서, 상기 계면활성제는 약 0.1wt% 보다 작은 양, 즉 0.01wt%로 존재될 수 있다.
상기 에칭 용액 욕조의 교반은, 에칭액 및 부산물 모두가 상기 레이저 손상 영역 안의 미세 균열의 좁은 채널들(channels)을 통하여 지속적으로 교환되어야 하기 때문에, 상기 레이저 손상 영역의 에칭율을 향상시킨다. 교반은 상기 덩어리가 미세 균열 안으로 이동하는 것을 가속화하고, 지속적인 에칭을 위하여 레이저 손상 영역 표면을 리프레시(refresh)할 수 있다. 초음파 교반은 에칭 시간, 표면 손실, 및 에칭율에 영향을 준다. 효과적인 교반은 상기 레이저 손상 영역과 상기 비-손상 영역 사이의 에칭율을 증가시킬 수 있고, 결국, 상기 유리기판 시트의 표면 손실 및 원료 물질의 비용을 줄일 수 있다. 일부 구현 예에서, 상기 교반은 약 132㎑ 아래의 주파수에서 된다. 초음파 주파수의 감소는 각각 개별적인 자극 및 세정 효과의 파워를 증가시키기 때문에, 더 낮은 주파수 및 더 높은 진폭은 에칭액 및 부산물의 빠른 교환에 유리하고, 상기 레이저 손상 영역에서 에칭율을 향상시킨다. 일 구현 예에서, 상기 초음파 교반 주파수는 약 40㎑ 이다.
분사 에칭은, 일 구현 예에서, 레이저 손상 영역의 에칭율을 향상시키기 위해 사용될 수 있는 교반의 다른 형태이다. 상기 에칭율은 분사 압력, 에칭 용액의 온도, 및 에칭 용액의 농도에 의해 움직인다. 분사 에칭은 상기 유리제품의 더 좋은 표면 균일도 및 품질을 보이지만, 초음파 에칭은 상기 벌크(bulk) 유리 표면과 상기 레이저 손상 영역 간보다 높은 격차의 에칭을 보인다.
초음파 교반과 연계한 상기 욕조의 수직 이동은, 일반적으로 상기 레이저 손상 영역의 원통형 균열 네트워크가 상기 욕조의 수직 이동에 대해 수직이기 때문에, 레이저 손상 영역의 에칭율을 향상시키지 않는다는 것을 알게 되었다. 상기 균열과 평행한 방향으로, 상기 수직 이동의 속도는 거의 0이다. 결과적으로, 상기 유리기판 시트의 에칭율 및 최종 두께는, 수직 교반이 초음파 교반과 함께 인가될 때, 훨씬 낮아질 수 있다.
또한 상기 에칭 용액의 온도는 에칭 공정 동안 상기 유리기판 시트의 에칭율 및 품질에 영향을 줄 수 있다. 일반적으로, 낮은 온도(예를 들어, 약 3℃와 약 10℃ 사이)의 에칭 용액은 감소된 표면 손실 및 플랫 유리 표면을 제공한다. 하지만, 상기 에칭율은 낮은 온도에서 희생된다. 일 예에서, 0.7mm Corning 2317 유리 샘플은 상기 기재된 공정을 사용하여 레이저 손상되었고, 2M 불산, 0.5M 염산, 및 0.1% 계면활성제의 에칭 용액의 욕조 안에 놓여졌다. 상기 욕조는 40㎑ 초음파에서 교반되었다. 3℃ 내지 10℃의 낮은 온도에서, 상기 에칭 시간은, 24㎛ - 30㎛ 범위 내의 표면 손실을 갖는, 12-15분의 범위 안이었다. 40℃의 온도에서, 상기 에칭 시간은 약 6.5분이었고, 상기 표면 손실은 50㎛ - 60㎛ 사이였다. 그러므로, 상기 에칭 용액의 온도는 표면 손실이 중요한 파라미터(parameter)인 응용에서는 낮게 유지되어야 한다.
더 높은 에칭 용액 온도는 일반적으로 에칭율을 증가시키기 때문에, 그러한 더 높은 에칭 용액 온도는 상기 에칭 공정의 지속 시간을 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 하지만, 분사 에칭 공정 동안 에칭 용액의 온도가 너무 높은 경우, 상기 산(acid)은 분사 동안 에칭 용액으로부터 증발될 수 있다. 따라서, 구현 예에서, 상기 에칭 용액의 온도는 약 30℃ 이하, 즉 약 25℃ 이하일 수 있다. 하지만, 더 높거나 더 낮은 온도가 사용될 수 있다는 것으로 이해되어야 한다.
에칭액에 의해 상기 유리기판의 표면 손실을 감소시키기 위한 다른 방법은, 상기 유리기판의 하나 이상의 표면에, 순수 HF 또는 HF와 무기산의 혼합물과 같은, 상기 에칭 용액에 대해 저항하는 코팅을 인가하는 것이다. 일부 구현 예에서, 상기 내산 코팅은, 상기 레이저가 상기 내산 코팅을 통과하여, 기초 유리기판 내에 레이저 손상을 생성하도록 선택된다.
일부 구현 예에 따르면, 상기 내산 코팅은 에틸렌 아크릴산(ethylene acrylic acid) 및 물에 분산된 왁스 폴리머 에멀젼(wax polymer emulsions)을 포함할 수 있다. 일부 구현 예에서, 상기 내산 코팅 조성물은 약 5wt% 내지 약 60wt% 고체/폴리머, 즉 약 15wt% 내지 약 46wt% 고체/폴리머를 갖는다. 왁스 폴리머 및 에틸렌 아크릴산의 타입 및 양은 원하는 응용에 따라 변경될 수 있다. 상기 내산 코팅은 어떤 적당한 방법에 의해 상기 유리기판에 인가될 수 있다. 일부 구현 예에서, 상기 내산 코팅은 딥 코팅(dip coating), 스프레이 코팅(spray coating), 스핀 코팅(spin coating), 또는 슬롯 코팅(slot coating)에 의해 상기 유리기판에 인가될 수 있다. 일단 상기 내산 코팅이 상기 유리기판에 인가되면, 상기 내산 코팅은 가열에 의해 건조될 수 있다. 일부 구현 예에서, 상기 유리기판 상의 내산 코팅은, 약 150℃ 내지 약 190℃, 즉 약 170℃의 온도로 상기 내산 코팅을 가열하여 건조될 수 있다. 일부 구현 예에서, 상기 건조 단계의 지속 시간은 약 10분 내지 약 40분, 즉 약 15분 내지 약 30분일 수 있다. 다른 구현 예에서, 상기 건조 단계의 지속 시간은 약 20분일 수 있다. 어떤 특정 이론에 구속시키는 것은 아니지만, 상기 건조 단계에서의 가열은, 내산 코팅 안의 왁스 폴리머를 블룸(bloom)하도록 함으로써, 소수성 표면을 제공하는 것으로 믿어진다.
상기 내산 코팅의 두께는 약 1㎛ 내지 약 15㎛, 즉 약 3㎛ 내지 약 8㎛일 수 있다. 상기 내산 코팅은 초음파로 3wt% Semi-Klean 용액에 의해 제거될 수 있다. 상기 내산 코팅의 얇은, 즉 약 10㎛ 보다 작은 층은 끓는 물에서 제거될 수 있다.
상기 논의한 것처럼, 구현 예에서, 상기 내산 코팅은, 상기 레이저가 상기 내산 코팅을 통과하는 것을 허용하여, 기초 유리기판에 손상을 유도할 수 있도록, 선택될 수 있다. 따라서, 구현 예에서, 상기 내산 코팅은 레이저 손상이 유도되기 전 또는 후에 인가될 수 있다. 일 구현 예에서, 상기 코팅은, 즉 (아래에 상세히 논의되는)이온 교환에 의해 강화되며 인듐 주석 산화물과 같은 투명 전도성 산화물 코팅을 갖는 유리기판에 인가될 수 있다. 상기 내산 코팅이 인가된 후에, 레이저 손상이, 상기 상세히 논의된, 초기 유리기판에 유도된다. 그 다음 상기 유리기판은 에칭되고 분리될 수 있고, 상기 내산 코팅이 그 뒤에 제거될 수 있다. 상기 내산 코팅은 여기에 개시된 공정 내의 거의 어떤 단계에서도 인가될 수 있다는 것으로 이해되어야 한다.
다른 구현 예에서, 공급자는 홀 및/또는 슬롯을 가진 유리기판을 제조할 수 있고, 추가 공정은 부품 제조자에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어, 일 구현 예에서, 상기 공급자는 압축 표면층 및 중앙에 인장을 갖는 유리기판 시트를 제공할 수 있다; 내산 코팅이 상기 유리기판 시트에 인가될 수 있다. 내산 코팅을 가진 유리기판 시트를 코팅한 뒤에, 상기 유리제품은, 상기 유리기판 시트에 선을 긋거나, 상기 유리기판 시트 내에 홀을 형성하거나, 또는 상기 유리기판 내에 슬롯을 형성하기 위해, 레이저로 조사될 수 있다. 그 다음 상기 유리기판 시트는 상기 홀 및/또는 슬롯을 열기 위해 에칭될 수 있다. 그 다음 상기 유리기판 시트는 부품 제조자에게 운반될 수 있다. 그 다음 상기 부품 제조자는 상기 내산 코팅을 제거하고 세척할 수 있다. 그 다음 터치 전도성 산화물 코팅이 상기 유리기판 시트에 증착될 수 있다. 상기 유리기판 시트는 레이저 선 긋기를 하고 유리제품으로 파단(break)될 수 있다 (하지만, 일부 구현 예에서, 상기 유리 공급자가 선을 긋거나 상기 유리기판 시트를 파단할 수 있다). 상기 유리기판 시트를 유리제품으로 파단한 뒤에, 상기 유리제품은 내산 코팅될 수 있고, 그 가장자리는 강화를 위해 에칭될 수 있다. 상기 가장자리 강화 뒤에, 상기 유리제품은 CNC 마감을 수행할 수 있다. 그 다음 상기 내산 코팅이 제거될 수 있고, 상기 유리 제품이 세척되어 깨끗해질 수 있다.
일부 구현 예에서, 상기 유리제품은 강화 공정에 의해 강화된다. 일부 구현 예에서, 강화 공정은 상기 유리제품이 상기 유리기판으로부터 분리되기 전에 일어날 수 있다. 다른 구현 예에서, 상기 강화 공정은 상기 유리제품이 상기 유리기판으로부터 분리된 후에 일어날 수 있다. 상기 유리제품은, 상기 유리의 표면층 내의 이온이 동일 원자가 또는 산화 상태를 갖는 더 큰 이온으로 대체되는, 이온 교환 공정에 의해서 화학적으로 강화될 수 있다. 하나의 특정 구현 예에서, 상기 표면층 내의 이온 및 상기 더 큰 이온은, Li+ (상기 유리에 존재할 때), Na+, K+, Rb+, 및 Cs+와 같은, 1가의 알칼리 금속 양이온이다. 그 대신에, 상기 표면층 내의 1가의 양이온은, 알칼리 금속 양이온과 다른 Ag+, Tl+, Cu+, 또는 이와 유사한 것과 같은, 1가의 양이온으로 대체될 수 있다.
상기 이온-교환 공정은 상기 성형 유리제품의 표면에 압축 응력을 생성한다. 이런 압축 응력은, 층의 깊이로 언급된, 소정 깊이까지 상기 성형 유리제품의 표면 아래로 확장한다. 상기 압축 응력은, 상기 성형 유리기판 내의 순응력(net stress)이 0이 되도록, 인장 응력(중심 인장으로 언급된)의 층에 의해 균형을 유지한다. 상기 성형 유리제품의 표면에서 상기 압축 응력의 형성은, 유리를 강하게 하고 기계적 손상에 저항을 갖게 만들어, 즉 층의 깊이에 걸쳐 확장되지 않은 결함(flaws)에 의한 상기 성형 유리제품의 격변성 파열(catastrophic failure)를 경감시킨다.
일 구현 예에서, 상기 성형 유리 제품은, 상기 유리제품이 이온-교환 욕조에 놓일 때 상기 유리의 표면 근처의 더 작은 나트륨 이온이 더 큰 칼륨 이온으로 교환되는, 이온-교환에 의해 화학적으로 강화된다. 상기 더 큰 칼륨 이온으로 상기 더 작은 나트륨 이온의 대체는, 압축 응력의 층을 상기 유리제품의 표면에서 성장시킬 수 있는 원인이 된다. 상기 압축 응력은, 층(압축 표면층)의 특정 깊이까지 상기 유리제품의 표면 아래로 확장한다. 압축 표면층은 윗면과 밑면에서부터 상기 층의 깊이까지 연장한다. 상기 압축 표면층은 상기 유리제품의 중심에서 내부 인장층(internal tension layer)의 성장에 의해 균형이 유지된다.
여기 기재된 구현 예에서, 강화에 의해 상기 성형 유리제품 내에 성장한 층의 압축 응력 및 깊이는, 상기 성형 유리제품 내에 결함을 도입하는 위험없이 추가 공정 또한 용이하게 하면서, 상기 성형 유리제품의 손상 허용치(damage tolerance)를 향상시키기에 충분하다. 일 구현 예에서, 상기 압축 응력은 약 200MPa 내지 약 1000MPa일 수 있다. 다른 구현 예에서, 상기 압축 응력은 약 500MPa 내지 약 800MPa일 수 있다. 또 다른 구현 예에서, 상기 압축 응력은 약 650MPa 내지 약 900MPa일 수 있다. 일 구현 예에서, 상기 층의 깊이는 약 10 미크론 내지 약 80 미크론일 수 있다. 다른 구현 예에서, 상기 층의 깊이는 약 30 미크론 내지 약 60 미크론일 수 있다. 또 다른 구현 예세서, 상기 층의 깊이는 약 40 미크론 내지 약 60 미크론일 수 있다.
구현 예에서, 상기 에칭 공정은, 이온교환과 같은 화학적 강화의 다른 형태가 상기 유리 조성물과 호환되지 않을 때, 강화 공정으로 사용될 수 있다. 상기 성형유리 부분이 완전히 관통하여 에칭될 때까지 별도로 에칭되고, 상기 기판 시트로부터 제거된 부분들은, CNC 기계 가공된 부분과 비교하여 꽤 상당한 강도 증가를 보일 수 있다.
예를 들어, 약 0.4mm 두께보다 적거나 약 0.3mm 보다 훨씬 적은 두께와 같이 유리가 너무 얇거나, 또는 유리 조성물이 이온 교환에 적합한 성분을 함유하지 않기 때문에 이온 교환의 의해 강화될 수 없는 유리제품에서, 상기 에칭 공정은 유리제품을 강화하는 것으로 사용될 수 있다. 어떤 특정 이론에 구속시키는 것은 아니지만, 상기 에칭 공정은 표면 결함의 끝을 약화시키고, 일부 경우에서는 상기 유리제품을 약화시킬 수 있는 표면 결함의 깊이를 제거하거나 감소시키는 것으로 믿어진다. 구현 예에서, 상기 개시된 레이저 손상 및 에칭 방법에 의해 형성된 유리는, 약 5kg의 힘에서 약 50%의 파열율(failure rate) 및 약 4kg의 힘에서 약 20%보다 낮은 파열율을 가질 수 있다.
도 7은 CNC만으로 생산된 유리(정사각형으로 표현된)와 레이저 손상 및 에칭으로 생산된 유리(원으로 표현된)에 대한 링-온-링 테스트의 결과를 보여준다. 상기 링-온-링 테스트는 상기 유리제품의 제1 표면 상에 제1 지름을 갖는 제1 링을 놓아 수행된다. 제2 지름을 갖는 제2 링은 제1 표면의 반대편인 유리제품의 표면 상에 놓는다. 상기 제1 링은 제2 링의 외부 지름보다 큰 내부 지름을 갖는다. 균열(cracking) 또는 분쇄(shattering)와 같은 것에 의해 유리제품이 약화될 때까지, 힘이 비교적 낮은 비율로 상기 제2 링에 인가된다. 도 7에 보여진 것처럼, CNC에 의해 형성된 유리제품은 2kg 근처의 힘에서 90%의 파열율을 갖는다. 하지만, 상기 기재된 레이저 손상 및 에칭 방법을 사용하여 형성된 유리제품은, 예를 들어, 약 5kg의 힘에서 약 50%의 파열율을 갖는다. 도 7에 보여진 그러한 그래프는, 레이저 손상 및 에칭 방법을 사용하여 형성된 상기 유리제품이 CNC 방법만으로 형성된 유리제품보다 더 강화된 것을 가리킨다.
일부 구현 예에서, 상기 유리제품은 상기 레이저 손상 및 에칭 단계 이후에 강화된다. 하지만, 다른 구현 예에서 상기 유리기판은 상기 레이저 손상 및 에칭 단계 전에 강화될 수 있다.
상기 유리기판이 레이저 손상 및 에칭 단계 전에 강화된 구현 예에서, 도 1과 관련하여, 상기 레이저 소스(122)는 약 60㎑ 내지 약 200㎑ 범위의 반복률로 작동될 수 있다. 상기 레이저 소스(122)의 출력 및 상기 결합 광학계(126)의 초점 조정 조건은, 상기 빔 초점 내의 에너지 플루언스 및 세기가 상기 플랫 유리기판 시트의 손상 문턱값 또는 약간 위에 있어야 한다. 구현 예에서, 상기 레이저 소스(122)의 출력은 약 0.6W이하, 즉 약 0.4W 내지 약 0.6W일 수 있다. 일부 구현 예에서, 상기 레이저 소스(122)의 출력은 약 0.5W일 수 있다. 어떤 특정 이론에 구속시키는 것은 아니지만, 상기 가장자리 조도는 0.6W 이하의 출력을 갖는 레이저 소스를 사용하여 1.5㎛ 내지 2.0㎛까지 줄어들 수 있는 것으로 믿어진다. 특히, 가장자리 조도는, 약 0.4W 내지 약 0.6W의 레이저 소스 출력에서, 알칼리 알루미노실리케이트 유리 내에 비교적 일정하게 나타난다.
상기 유리기판이 레이저 손상 및 에칭 단계 이후에 강화된 구현 예에서, 도 1과 관련하여, 상기 레이저 소스(122)는 약 5㎑ 내지 약 40㎑ 범위, 즉 약 10㎑, 의 반복률로 작동될 수 있다. 구현 예에서, 상기 레이저 소스(122)의 출력은 0.6W 미만, 즉 상기 유리기판의 압축 응력 및 두께에 따라 약 0.1W 내지 약 0.4W, 약 0.15W 내지 약 0.3W 일 수 있다. 일부 구현 예에서, 상기 레이저 소스(122)의 출력은 약 0.2W 내지 약 0.25W일 수 있다. 어떤 특정 이론에 구속시키는 것은 아니지만, 상기 레이저는, 상기 유리 부피가 상기 레이저 손상 영역에서 증가하도록, 상기 유리 내에 다수의 미세 균열을 생성하는 것으로 믿어진다. 이런 팽창은, 존재하는 응력 패턴 내에 중첩되는 추가적인 압축 및 인장 응력을 형성하는, 레이저-유도 열적 효과(laser-induced thermal effects)를 생성한다. 이런 추가적인 응력은 레이저 파워에 비례하고, 취약성 한계(frangibility limit)에 더 가까운 유리를 가져올 수 있다. 만약 상기 레이저 파워가 너무 낮다면, 상기 레이저 손상은 너무 얇아서 주변 유리 내의 높은 응력에 대한 쿠션(cushion)으로 작용하지 않는다. 만약 상기 레이저 파워가 너무 높다면, 레이저 손상에 의해 감소될 수 없는 강한 응력을 생성한다. 이 두 경우 모두에서, 상기 유리는 깨질 수 있다.
상기 구현 예들(즉, 상기 유리기판이 상기 레이저 손상 및 에칭 전에 강화된 것인지 아니면 후에 강화된 것인지)중 어느 하나에서, 상기 펄스 레이저 빔의 이동 속도는, 일부 구현 예에서 약 50mm/s와 약 2m/s 사이일 수 있다. 다른 구현 예에서, 상기 펄스 레이저의 이동 속도는 약 50mm/s 내지 약 300mm/s, 즉 약 250mm/s일 수 있다.
상기 기재된 것들과 다른 레이저 파라미터(parameter)가 레이저 결함 영역을 형성하기 위해 사용될 수 있다는 것으로 이해되어야 한다. 레이저 펄스 에너지는, 유리 특성, 이동 속도, 레이저 반복율, 및 0.15와 0.3 이상 사이의 개구수(numerical aperture : NA)를 갖는 결합 광학계(126)와 같은 파라미터에 따라, 5μJ과 수백 마이크로줄 사이에서 변할 수 있다.
홀들 및/또는 형상들은, 예를 들어 플랫 유리 시트의 경사지거나 커브된 가장자리, 상기 유리가 사용되는 완제품의 디자인(예를 들어, 휴대폰, 테블릿 컴퓨터, 등)에서 요구된 플랫 유리 시트 내의 홀을 형성하기 위해, 플랫 유리 시트에서 잘라질 수 있다.
구현 예에서, 상기 유리제품은, 즉 디지털 광처리(digital light processing : DLP) 장치 또는 다른 마이크로 전기기계 시스템(microelectromechanical system : MEMS)에서 사용을 위한, 인터포저로서 형성될 수 있다. 그와 같은 구현 예에서, 도 8a와 관련하여, 유리 웨이퍼(810)는 어떤 적절한 방법에 의해 형성되고, 반사방지 코팅으로 코팅될 수 있다. 도 8a에 도시된 상기 유리 웨이퍼(810)는 원형이고, 상기 유리 웨이퍼는 소정의 형상을 가질 수 있다. 반사방지 코팅은 특별히 제한하지 않고, 구현 예에서, 질화티타늄 또는 질화니오븀일 수 있으며, 분사코팅, 딥코팅, 또는 수동 응용과 같은 어떤 적절한 방법에 의해 인가될 수 있다. 또한 상기 유리 웨이퍼(810)는, 예를 들어 도 8a에 보여진 것처럼, 격자(grid) 패턴(815)으로 패터닝될 수 있다. 상기 격자 패턴(815)은 에폭시, 우레탄, 및 폴리아미드와 같은 접착제로 형성될 수 있다. DLP 또는 MEMS를 형성하기 위해, 인터포저(820)가 형성될 수 있다. 도 8a에 보여진 것처럼, 상기 인터포저(820)는 상기 기재된 레이저 손상 및 에칭 방법에 의해 형성된 관통홀(825)을 패턴할 수 있다. 도 8a에 보여진 상기 관통홀(825)은 직사각형이며, 도 8b에 보여진 DLP 또는 MEMS 홀더(holder)(830)를 형성하기 위해 접착제를 포함할 수 있는 상기 인터포저(820)를, 상기 유리 웨이퍼(810)와 접촉시켜 상기 인터포저(820)가 상기 유리 웨이퍼(810)에 접착될 수 있도록, 상기 유리 웨이퍼(810) 상에 형성된 상기 격자 패턴(815)에 대응한다. DLP 칩 또는 다른 MEMS는, 완성품에서 사용에 적절한 장치를 형성하기 위해, 상기 인터포저(820) 내의 상기 관통홀(825) 안으로 삽입될 수 있다. 구현 예에서, 상기 인터포저(820)는, 즉 상기 기재한 것처럼, 이온 교환 처리 및 인터포저를 강화하는데 사용된 에칭 공정에 의해, 강화되지 않은 유리로 형성된다. 구현 예에서, 상기 개시된 레이저 손상 및 에칭 방법에 의해 형성된 유리는 약 5kg의 힘에서 약 50%의 파열율을 갖거나, 약 4kg의 힘에서 약 20%보다 낮은 파열율을 갖는다 (도 7 참조).
일부 구현 예에서, 상기 기재된 레이저 손상 에칭 공정에 의해 형성된 홀들 및/또는 모양들을 포함하는 상기 플랫 유리 시트는 추가 재성형(reshapeing)없이 완성품에 사용된다. 하지만, 다른 구현 예에서, 아래에 상세히 논의되는, 상기 플랫 유리기판을 성형 유리제품으로 후성형(subsequent shaping)하는 것에 대해 선보상(precompensate)하도록, 상기 레이저 및 에칭 공정이 플랫 유리기판 상에 수행된다.
이제 도 9를 참조하면, 성형 유리제품(100)의 하나의 비-제한적인(non-limiting) 예가 개략적으로 도시된다. 상기 성형 유리제품(100)은, 예를 들어, 휴대용 전자 장치용 덮개 유리로서 구성될 수 있다. 구현 예는 그러한 형태로 도시된 성형 유리제품으로 제한하지 않고, 상기 성형 유리제품은 텔레비젼, 주방기기, 자동차, 및 신호와 같은 어떤 응용에 사용될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 도 9에 도시된 상기 성형 유리제품(100)은, 평평한 부분(103)에서부터 z-축 방향의 아래쪽으로 커브하여 가장자리(102)에서 끝나는, 커브된 둘레 영역(104)을 갖는다. 추가적으로, 상기 성형 유리제품(100)은 홀로 구성된 관통-형상(106) 및 슬롯으로 구성된 관통-형상(107)을 갖는다. 도 9에 도시된 성형 유리제품(100)과 같은 성형 유리제품의 제조방법이 이제 기재될 것이다.
이제 도 10을 참조하면, 도 10은 레이저 손상 및 화학적 에칭 공정에 의해 플랫 유리기판 시트로부터 성형 유리제품을 제조하기 위한 공정 흐름도이다. 도 10의 흐름도는 먼저 일반적으로 기재될 것이고, 그 다음 각각의 공정이 더 상세히 기재될 것이다. 단계 110에서, 레이저가 플랫 유리기판 시트 내에 레이저 손상 영역을 유도하기 위해 이용된다. 레이저 손상 영역은 제1 표면에서부터 제2 표면까지 연장하고, 레이저-유도된 미세균열, 분광 결함(spectroscopic defects), 및 이와 유사한 것들에 의해 규정된다. 상기 레이저 손상 영역은 단계 113의 에칭 공정 동안 비-손상 영역과 비교하여 우선적으로 에칭된다.
상기 레이저 손상 영역은, 단계 111에서 리포밍 공정 동안 발생하는 상기 유리기판 시트의 변형에 대해 선보상하는, 초기 형상을 갖는다. 그러므로, 특정 레이저 손상 영역의 초기 형상은 상기 성형 유리제품의 관통-형상 또는 가장자리의 원하는 형상과 다를 수 있다. 상기 플랫 유리기판 시트로부터 분리되기 위해 유리제품의 가장자리를 제공하도록 의도된 특정 레이저 손상 영역은, 커브를 포함하는 초기 형상을 가질 수 있다.
단계 111에서, 상기 플랫 유리기판 시트는 리포밍 공정에 의해 리포밍된다. 상기 리포밍 공정은, 하나 이상의 성형 유리제품을 규정하도록, 상기 플랫 유리기판 시트를 삼차원으로 리포밍할 수 있는 어떤 공정일 수 있다. 이런 리포밍 공정은, 이에 제한되는 것은 아니지만, 프레스 몰딩(press molding), 중력 새깅(gravity sagging), 압축 성형(pressure forming), 및 국부 가열 및 굽힘 단계를 포함한다. 많은 응용에서, 상기 리포밍 공정은 상기 성형 유리제품의 커브된 둘레 영역을 생성한다. 덮개 유리의 커브된 둘레 영역은, 예를 들어 최종 사용자에게 미적으로 좋게할 수 있다. 상기 언급된 것처럼, 상기 레이저 손상 영역의 초기 형상은, 상기 유리가 원하는 모양으로 리포밍될 때, 원하는 형상으로 변한다. 그 다음으로, 상기 유리 시트 제조 공정 및/또는 리포밍 공정 동안 성장한 내부 응력을 제거하기 위해, 상기 성형 유리기판 시트는 단계 112에서 어닐링 공정에 의해 어닐링된다. 상기 어닐링 공정은 어떤 알려진 또는 아직 개발되지 않은 어닐링 공정일 수 있다.
단계 113에서, 상기 리포밍된 유리기판 시트는, 비-손상 영역을 최소한으로 에칭하면서 상기 레이저 손상 영역을 우선적으로 에칭하기 위해, 에칭 용액에 인가된다. 상기 에칭 공정은, 상기 에칭 용액은 리포밍된 유리기판 시트의 나머지 비-손상 영역보다 레이저 손상 영역을 훨씬 더 효율적으로 에칭하기 때문에, 나머지 리포밍된 유리기판 시트로부터 하나 이상의 성형 유리제품을 분리한다. 추가적으로, 하나 이상의 레이저 손상 영역에 의해 규정된 상기 관통-형상의 중간 부분은, 상기 레이저 손상 영역이 완전히 관통하여 에칭될 때, 상기 리포밍된 유리기판 시트로부터 떨어져 나간다. 일부 구현 예에서, 불산은, 또한 염산, 황산, 및/또는 질산과 같은 무기산을 포함하는, 에칭 용액의 주된 에칭액이다. 아래에 더 상세히 기재된 것처럼, 상기 에칭 용액 및 에칭 공정은 에칭 시간, 표면 기복, 표면 거칠기를 줄이고, 슬러지 및 두께 감소를 최소화하도록 조절될 수 있다.
다음으로, 단계 114에서, 상기 분리된 성형 유리제품은 강화 공정에 의해 선택적으로 강화될 수 있다. 일부 구현 예에서, 상기 성형 유리제품은 이온-교환 화학적 강화 공정에 의해 강화된다. 아래 더 상세히 기재한 것처럼, 상기 성형 유리제품의 표면층 내의 이온은 동일 원자가 또는 산화 상태를 갖는 더 큰 이온으로 대체됨으로써, 상기 성형 유리제품의 각각의 표면에 압축 표면층을 형성한다. 상기 압축 표면층은 스크레치를 견디고, 상기 성형 유리제품에 추가적인 강화를 제공할 수 있다.
단계 115에서, 가장자리 마감, 터치-감지층(예를 들어, 인듐 주석 산화물층), 반사방지층, 및 이와 유사한 것과 같은, 추가적인 공정이 상기 강화된 성형 유리제품에 인가될 수 있다.
상기 언급된 것처럼, 상기 플랫 유리기판 시트 내의 레이저 손상 영역은, 단계 111에서 리포밍 공정 동안 상기 플랫 유리기판 시트의 모양의 변화에 대하여 선보상하는, 최종 원하는 형상과는 다른 초기 형상을 가질 수 있다. 도 11은 성형 유리제품의 둘레(144)를 규정하는 다수의 레이저 손상 영역(145A-145D), 원형 관통-형상(106)을 규정하는 레이저 손상 영역(148), 및 슬롯 관통-형상(107)을 규정하는 레이저 손상 영역(147)을 갖는 플랫 유리기판 시트(130)을 개략적으로 도시한다. 제한이 아닌 예로서, 전술한 관통-형상에 의해 규정된 상기 성형 유리제품은 휴대전화용 덮개 유리로 의도될 수 있고, 여기서 상기 원형 관통-형상(106)은 버튼을 수용하기 위해 설계되며, 상기 슬롯 관통-형상(107)은 스피커를 수용하기 위해 설계된다.
도 11에 보여진 것처럼, 상기 레이저 손상 영역(145A - 145D, 147, 148)은 상기 성형 유리제품(100)의 원하는 모양과는 다른 초기 형상을 가진다 (도 9 참조). 더 구체적으로, 상기 레이저 손상 영역(145A - 145D)은, 상기 리포밍 공정 동안 상기 플랫 유리기판 시트(130)의 뒤틀림에 대해 보상하기 위해, 커브되거나 굽혀진다. 아래 더 자세히 기재된 것처럼, 상기 레이저 손상 영역(145A - 145D, 147, 148)은, 그들이 리포밍 공정 후에 그들의 최종, 원하는 모양으로 되도록, 상기 플랫 유리기판 시트(130)에 따라 모양이 변한다. 따라서, 상기 레이저 손상 영역(145A - 145D, 147, 148)의 초기 모양은, 상기 최종, 원하는 모양이 달성되도록 선택되어야 한다. 도 11에 도시된 상기 레이저 손상 라인(145A - 145D, 147, 148)의 초기 모양은 단지 설명의 목적을 위한 것이며, 또한 다른 초기 모양이 가능하다는 것으로 이해되어야 한다. 도 11에 도시된 레이저 손상 영역의 커브는 설명의 목적을 위해 과장된 것임을 알아야 한다. 상기 다수의 레이저 손상 영역의 초기 모양은 형성 동안 변형의 예측 및/또는 실험적 변형 데이터에 기초할 수 있다.
상기 레이저 손상 라인을 형성한 후에, 상기 플랫 유리기판 시트(130)는 리포밍 공정에 의해 삼차원으로 성형된다 (도 10의 단계 111). 상기 리포밍 공정은, 하나 이상의 유리제품이 원하는 모양을 갖도록, 상기 플랫 유리기판 시트를 삼차원으로 성형할 수 있는 어떤 공정일 수 있다. 이런 리포밍 공정은, 이에 제한되는 것은 아니지만, 프레스 몰딩, 중력 새깅, 압축 성형, 및 국부 가열 및 굽힘 단계를 포함한다.
예로서, 상기 국부 가열 및 굽힘 공정은 서냉점(annealing point) 근처의 예열된 온도로 상기 플랫 유리기판 시트를 맞추는 단계를 포함한다. 하나의 비-제한적인 예에서, 상기 플랫 유리기판 시트(130)는 서냉점이 약 610℃ ± 30℃인 Corning Gorilla 2318 유리이다. 그 다음, 매우 국부적인 가열은, 상기 플랫 유리기판 시트(130)의 나머지 영역의 대부분은 높은 점도를 유지하면서, 굴곡되는 상기 플랫 유리기판 시트(130)의 국부 영역(예를 들어, 도 11의 국부 영역 150A - 150B)에 인가된다. 상기 점도는, 국부 가열 동안 부과된 온도 구배가 기계적 불안정성 또는 유리 파손을 일으키지 않도록, 충분히 높게 유지된다. 게다가, 상기 성형 유리제품의 화장품을 가능한 많이 보존하기 위해서, 몰드(mold)는 낮은 점도에서 상기 유리와 접촉하지 않는다. 예로서 Corning Gorilla 2318를 사용할 때, 상기 국부 영역(150A - 150D)은 약 700℃와 약 780℃ 사이의 국부 온도로 맞춰졌다. 상기 국부 가열 속도는 약 +30℃/분과 +200℃/분 사이일 수 있다. 그 다음 상기 국부 영역(150A - 150B)은 새깅 또는 굽힘 모멘트(bending moment)의 응용에 의해 굽혀진다. 국부 가열 및 굽힘 리포밍 공정의 측면은, 그 전체가 참조로서 포함되는 2011년 11월 22에 출원된 "성형제품으로 재료 시트를 굽히기 위한 장치 및 방법" 이라는 명칭의 미국 특허공개번호 제2012/031961호에 더욱 기재된다.
사용되는 리포밍 공정에서, 상기 플랫 유리기판 시트에 인가된 온도는, 상기 레이저-제작된 손상이 지워지지 않도록 유리 물질의 연화점 아래이어야 한다 (특히 굽힘의 경우에). 따라서, 상기 레이저 손상 영역은, 그들이 상기 에칭 공정 동안 선택적으로 에칭될 수 있도록, 에칭된 상기 리포밍 공정을 견뎌낸다.
도 12를 참조하면, 성형 유리기판 시트(130')가 개략적으로 도시되며, 여기서 국부 영역(150A - 150B)은 유리제품(100')을 성형하도록 리포밍된다. 상기 성형 유리제품의 둘레(144')를 나타내는 상기 레이저 손상 영역뿐만 아니라 레이저 손상 영역(147', 148')은 초기 형상에서 그들의 원하는 형상으로 모양을 변경한다. 더욱이, 상기 성형 유리기판 시트(130')는, 상기 성형 유리제품(100')과, 후공정 동안 및 그 사이에 상기 성형 유리기판 시트(130')의 조작을 쉽게 할 수 있는 상기 성형 유리기판 시트(130')의 가장자리 사이의 둘레 테두리 부분(160)을 포함한다. 비록 단지 하나의 성형 유리제품이 성형 유리기판 시트(130') 내에 보여지지만, 하나의 성형 유리기판 시트는 성형 유리제품의 배열과 같은 다수의 성형 유리제품들을 제공할 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 완전히 압출 성형된 모양을 생성하기 위한 유리 시트의 리포밍은, 상기 가장자리의 특이성(기계적/열적)으로 인해 종종 복잡해지는 것을 알아야한다. 이들 가장자리 특이성(singularities)은 정밀한 곡률 프로파일(curvature profile)에서 이질성(heterogeneities)을 가진 특정 결함을 종종 일으킨다. 가장자리 결함이 발생할 수 있는 그 가장자리(예를 들어, 둘레 테두리 부분(160) 내의 가장자리)를 제거하여, 실질적으로 소정의 가장자리 특이성이 없는 성형 유리제품이 얻어질 수 있다.
상기 플랫 유리기판 시트가 상기 리포밍 공정에 의해 제거된 후에, 일부 구현 예에서, 상기 성형 유리기판 시트는 그 다음에 상기 플랫 유리기판 시트의 제조 및 리포밍 공정 동안 발생된 내부 응력을 제거하도록 어닐링될 수 있다 (도 10의 단계 112). 상기 성형 유리기판 시트를 리어(Lehr)에 통과시키는 것과 같은, 어떤 적절한 어닐링 공정이 이용될 수 있다.
상기 본 개시의 구현 예는 상기 레이저-제작된 성형 유리기판 시트를 에칭 공정에 인가하여 성형 유리제품을 분리 및/또는 관통-형상을 생성한다. 도 13은 에칭 욕조(170)의 에칭 용액(180) 내에 침적된, 도 12의 성형 유리기판 시트(130')를 개략적으로 도시한다.
상기 언급한 것처럼, 상기 에칭 용액은 이들 레이저 손상 영역 내의 미세 균열의 존재로 인해, 상기 레이저 손상 영역(도 13의 140)을 우선적으로 에칭한다. 상기 레이저 손상 영역 및 상기 비-손상 영역 모두는 동시에 에칭되지만, 에칭율은 다르다. 상기 레이저 손상 영역의 미세 균열은 화학적 결합을 깨뜨리고, 에칭액이 상기 유리기판 시트 내로 더 깊이 관통하는 통로를 제공한다. 그러므로, 상기 레이저 손상 영역에서 에칭율은 그때의 비-손상 영역보다 훨씬 더 빠르다. 따라서, 상기 에칭 용액이 완전히 상기 레이저 손상 영역을 에칭한 때, 상기 성형 유리제품은 잘려지거나, 그렇지 않으면 상기 성형 유리기판 시트(130')의 남은 일부로부터 제거될 수 있다. 더욱이, 홀 및 슬롯과 같은, 관통-형상은 또한 이런 방식으로 제조될 수 있다.
따라서, 일 구현 예에서, 알칼리-알루미노실리케이트 성형 유리기판 시트(130')는, 20℃보다 낮은 온도에서 유지되고 약 40㎑의 주파수로 교반되는 에칭 용액(180)의 에칭액 욕조(170) 내에 놓여진다. 상기 에칭 용액은 약 1M과 약 3M 사이의 불산 농도를 포함한다. 상기 불산의 농도가 약 2M보다 클 때, 염산의 농도는 약 1M보다 작다. 상기 불산의 농도가 약 1M 일 때, 상기 염산의 농도는 약 1M과 약 3M 사이이다. 상기 염산은 황산 또는 질산으로 대체될 수 있다.
상기 성형 유리제품(100)이 상기 유리기판 시트로부터 분리되고 상기 관통 형상이 형성된 후에, 상기 성형 유리제품(100)(도 9 참조)은 더 가공될 수 있다. 일부 구현 예에서, 상기 성형 유리제품은 강화공정에 의해 강화될 수 있다 (도 10의 단계). 상기 성형 유리제품(100)은, 상기 유리의 표면층 내의 이온이 동일 원자가 또는 산화 상태를 갖는 더 큰 이온으로 대체되는, 이온 교환 공정에 의해서 화학적으로 강화될 수 있다. 하나의 특정 구현 예에서, 상기 표면층 내의 이온 및 상기 더 큰 이온은, Li+ (상기 유리에 존재할 때), Na+, K+, Rb+, 및 Cs+와 같은, 1가의 알칼리 금속 양이온이다. 그 대신에, 상기 표면층 내의 1가의 양이온은, Ag+, Tl+, Cu+, 또는 이와 유사한 것과 같은, 알칼리 금속 양이온과 다른 1가의 양이온으로 대체될 수 있다.
도 14는 강회된 성형 유리제품(100)의 일부를 개략적으로 도시한다. 일 구현 예에서, 상기 성형 유리제품은, 상기 성형 유리제품이 이온 교환 욕조에 놓일 때 상기 유리의 표면 근처의 더 작은 나트륨 이온이 더 큰 칼륨 이온으로 교환되는, 이온-교환에 의해 화학적으로 강화된다. 상기 더 큰 칼륨 이온으로 상기 더 작은 나트륨 이온의 대체는, 압축 응력의 층을 상기 성형 유리제품의 표면에서 성장시킬 수 있는 원인이 된다. 상기 압축 응력은, 층(압축 표면층)의 특정 깊이까지 상기 유리제품의 표면 아래로 확장한다. 압축 표면층은 윗면(131)(예를 들어, 제1 압축 표면층(190))과 밑면(133)(예를 들어, 제2 압축 표면층(194))에서부터 상기 층의 깊이까지 확장한다. 상기 압축 표면층은 상기 성형 유리제품의 중심에서 상기 내부 인장층(192)의 성장에 의해 균형이 유지된다.
마지막으로, 상기 강화된 성형 유리제품은 상기 의도된 응용에 따라 추가 공정에 인가될 수 있다. 일부 구현 예에서, 비록 상기 에칭 공정이 존재하는 결함의 대부분을 제거할지라도, 기계적 가장자리 마감이 수행될 수 있다. 추가적으로, 터치-감지층, 반사방지층, 방현층(antiglare layers), 및 이와 유사한 것과 같은, 추가적인 층이 상기 성형 유리제품에 적용될 수 있다.
여기에 기재된 구현 예는 레이저 손상 및 화학적 에칭 공정을 사용하여 플랫 유리기판 시트로부터 삼차원 유리제품을 제조하는 방법을 안내하는 것으로 이해되어야 한다. 레이저 손상 영역은, 하나 이상의 원하는 유리제품의 관통-형상(예를 들어, 슬롯, 홀, 및 이와 유사한 것) 주위에 형성될 뿐만 아니라 플랫 유리기판 시트로부터 분리되도록 하나 이상의 원하는 유리제품의 가장자리 주위의 플랫 유리기판 시트 내에 형성된다. 상기 플랫 유리기판 시트는 하나 이상의 유리제품의 원하는 삼차원 모양을 이루기 위해 리포밍된다. 상기 레이저 손상 영역은, 상기 레이저 손상 영역이 리포밍 공정 후에 원하는 형상을 갖도록, 상기 리포밍 공정 동안 상기 플랫 유리기판 시트의 변하는 모양에 대해 선보상하는 초기 형상으로 생성된다. 에칭 동안, 상기 레이저 손상 영역은 상기 유리기판 시트가 에칭 용액에 인가될 때 우선적으로 에칭된다. 여기에 기재된 상기 구현 예는 삼차원 유리 제품의 제조를 단순화시킬 수 있다. 상기 리포밍 공정 전에 플랫 유리기판 시트 내에 상기 레이저 손상 영역을 형성하는 것은, 성형 유리기판 시트를 레이저 기계가공(예를 들어, 리포밍 공정 후에 레이저 손상 영역의 형성)할 때 요구되는 (상기 레이저가 고정된다면)유리 부분의 추가적인 리프팅(lifting) 및 회전이동을 없앤다. 따라서, 플랫 유리기판 시트를 기계가공하는 것은 더 간단한 장치 및 더 높은 실행 속도(run rate)를 허용해야 할 것이다. CNC 기계가공과 비교하여, 에칭이 결함의 깊이를 줄일 뿐 아니라 그를 약화시키기 때문에, 레이저 손상 영역의 선택적 에칭은 상기 성형 유리제품의 더 높은 가장자리 강도를 야기한다.
용어 "실질적으로" 및 "약"은 어떤 정량적 비교, 값, 측정, 또는 다른 표현의 결과로 볼 수 있는 고유의 불확실성의 정도를 나타내기 위해 여기에 활용될 수 있다. 이들 용어는 또한 정량적인 표현이 문제의 주제의 기본 기능에서 변화를 결과하지 않고 명시된 기준으로부터 변할 수 있는 정도를 나타내기 위해 여기에 활용된다.
구체적인 구현 예들이 여기에 나타나고 기재되어 있지만, 청구대상의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않고, 다양한 변형 및 변경이 이루어지는 것으로 이해되어야 한다. 더욱이, 청구대상의 다양한 형태가 여기에 기재되어 있지만, 그와 같은 형태가 반드시 조합하여 사용될 필요는 없다. 그러므로 부가된 청구항은 청구대상의 범주 내에 있는 그와 같은 모든 변형 및 변경을 포함하는 것으로 의도된 것이다.
100, 100': 성형 유리제품 100A, 100B: 유리제품
102, 102A, 102B: 가장자리 104: 커브된 둘레 영역
106: 원형 관통-형상 107: 슬롯 관통-형상
120: 시스템 122: 레이저 소스
124: 펄스 레이저 빔 126: 결합 광학계
130, 130': 플랫(성형) 유리기판 시트 131: 제1 표면
133: 제2 표면 135: 제1 가장자리
137: 제2 가장자리 140: 레이저 손상 영역
140A, 140B, 140C: 수직 레이저 손상 영역
140D, 140E, 140F: 수평 레이저 손상 영역
141: 개별적 레이저 손상 영역
142: 나선형 레이저 손상 영역
143A, 143B: 오프셋 레이저 손상 영역
144, 144': 성형 유리제품의 둘레
145A, 145B, 145C, 145D, 147, 147', 148, 148': 레이저 손상 영역
150A, 150B: 국부 영역 160: 둘레 테두리 부분
170: 에칭 욕조 180: 에칭 용액
190: 제1 압축 표면층 194: 제2 압축 표면층
192: 내부 인장층 810: 유리 웨이퍼
815: 격자 패턴 820: 인터포저
825: 관통홀 830: DLP 또는 MEMS 홀더

Claims (20)

  1. 유리기판 시트를 제공하는 단계;
    상기 유리기판 시트의 제1 표면에서부터 상기 유리기판 시트의 제2 표면까지 연장하는 레이저 손상 영역을 형성하도록 상기 유리기판 시트 상으로 펄스 레이저 빔을 이동시키는 단계, 여기서, 상기 레이저 손상 영역은 다수의 결함 라인들을 포함하고, 각각의 결함 라인은 유리기판 시트의 다른 깊이에서 형성됨; 및
    상기 유리기판 시트에 에칭 용액을 인가하는 단계;를 포함하는, 유리제품의 형성 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 유리기판 시트는 상기 펄스 레이저 빔이 상기 유리기판 시트 상으로 이동되기 전에 강화되고, 상기 펄스 레이저는 0.1W 내지 0.4W의 파워를 갖거나, 또는
    상기 유리기판 시트는 상기 펄스 레이저 빔이 상기 유리기판 시트 상으로 이동된 후에 강화되고, 상기 펄스 레이저는 0.4W 내지 0.6W의 파워를 갖는, 유리제품의 형성 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 유리기판 시트는 5 mol% 내지 14 mol%의 알칼리 토금속 산화물을 포함하는, 유리제품의 형성 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 유리기판 시트에 상기 에칭 용액을 인가하는 단계는 상기 에칭 용액으로 상기 유리기판 시트에 분사하는 단계를 포함하는, 유리제품의 형성 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 유리기판 시트에 상기 에칭 용액을 인가하는 단계는 에칭 용액의 욕조(bath)에 상기 유리기판 시트를 침적(submerging)하는 단계를 포함하며,
    상기 에칭 용액의 욕조의 온도는 30℃ 보다 작고,
    상기 레이저 손상 영역에 대한 상기 유리기판 시트의 일부가 제거될 때까지, 상기 에칭 용액의 욕조가 40㎑의 초음파 교반 주파수에서 교반됨으로써, 성형 유리 제품을 형성하는, 유리제품의 형성 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 펄스 레이저 빔은 자외선 스펙트럼 내의 파장 및 0.1W 내지 0.2W의 파워를 갖는, 유리제품의 형성 방법.
  7. 청구항 1 또는 6에 있어서,
    상기 에칭 용액은 1M 내지 3M의 불산 및 염산을 포함하고,
    여기서, 상기 불산의 농도가 2M 보다 크면, 상기 염산의 농도는 1M보다 작고, 상기 불산의 농도가 2M보다 작으면, 상기 염산의 농도는 1M와 3M 사이인, 유리제품의 형성 방법.
  8. 청구항 1 또는 6에 있어서,
    이온-교환 강화 공정에 의해 상기 유리기판 시트를 강화하는 단계를 더욱 포함하는, 유리제품의 형성 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    내산 코팅(acid-resistant coating)으로 상기 유리기판 시트를 코팅하는 단계를 더욱 포함하는, 유리제품의 형성 방법.
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