KR102363999B1 - 사파이어 소재 표면의 반사색 개질을 위한 처리 방법 - Google Patents

사파이어 소재 표면의 반사색 개질을 위한 처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 처리된 사파이어 소재 표면의 반사색을 개질하기 위하여, 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 제논(Xe), 붕소(B), 탄소(C), 질소(N), 산소(O), 불소(F), 규소(Si), 인(P) 및 황(S)으로 이루어진 군의 원소들의 이온들에서 선택되는 단일 및/또는 다중 하전 가스 이온 빔(single- and/or multi-charged gas ion beam)에 의한 피폭(bombardment)을 포함하는 사파이어 소재 표면의 반사색을 개질하는 처리 방법을 제공한다.

Description

사파이어 소재 표면의 반사색 개질을 위한 처리 방법 {TREATMENT METHOD FOR MODIFYING THE REFLECTED COLOUR OF A SAPPHIRE MATERIAL SURFACE}
본 발명은 단일 및/또는 다중 하전 가스 이온 빔(single- and/or multi-charged gas ion beam)에 의한 피폭(bombardment)을 포함하는 사파이어 소재 표면의 반사색 개질을 위한 처리 방법에 관한 것이다.
본 발명은 또한, 상기 처리 방법에 따라 처리된 적어도 하나의 표면을 포함하는 인조 사파이어 소재의 부품에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 사파이어 소재는 실질적으로 강옥(corundum), 즉, 알루미늄 산화물(α-Al2O3)로 이루어진다. 사파이어 소재는 강옥에 청색(blue), 황색(yellow), 자주색(purple), 주황색(orange) 또는 초록색(green)을 각각 제공하는 철, 티타늄, 크롬, 구리, 또는 마그네슘과 같은 소량의 원소를 포함할 수 있다. 강옥 내에서 강옥 불순물들은 분홍, 또는 일반적으로 루비라 불리는 엷은 빨강을 낸다. 본 발명의 단어에 의하면 루비들은 사파이어 소재들의 부품이다.
상기 색은, 강옥의 밴드 갭 내에서 에너지 레벨의 발현과 불순물들의 존재에 기인한다. 이 레벨들은 소재의 스펙트럼들의 배출 및 흡수와 이에 따른 그것의 색을 개질한다. 다른 소량의 원소들 또한, 사파이어 소재의 일부일 수 있다.
사파이어 소재는 적어도 알루미늄 산화물 98중량%, 상세하게는 적어도 알루미늄 산화물 99중량%, 더 상세하게는 적어도 알루미늄 산화물 99.9중량%를 포함한다.
사파이어 소재는 하나 또는 다결정질이 될 수 있는 복수의 강옥 단결정으로 만들어질 수 있다. 본 발명의 하나의 실시예에서, 사파이어 소재는 하나의 강옥 단결정이다.
사파이어 소재는, 자연 또는 인조일 수 있으며, 본 발명의 하나의 실시예에서, 사파이어 소재는 인조 사파이어 소재일 수 있다.
19세기 초 이후, 실험실에서 인조 사파이어 (그리고 인조 루비)를 제조하는 법이 알려졌으며, 이것에 대한 화학적 조성과 물리적 물성은 자연산 보석들의 그것과 동일하다. 이러한 인조 보석들은, 적어도 가장 오래된 생성물들에 대해, 일반적으로 휘어진 결정 선분들(curved crystallisation lines)에 의해 발견하는 것이 가능하다.
인조 사파이어 소재 생성물은 최근 산업화 단계에 있다. 인조 사파이어 소재는, 예를 들어 초콜라스키 공법(Czochralski process) 또는 예시적으로, 키로프스 공법(Kyropolis method), 바그다사로프 공법(Bagdasarov method), 스테파노프 공법(Stepanov method), EFG (Edge defined Film fed Growth) 공법과 같이 상기 초콜라스키 공법으로부터 유래된 방법들에 의해 제조될 수 있다. 인조 사파이어 소재는 또한, 응집된 알루미늄 산화물로부터, 불활성 분위기 하에서, 열간 정수압 소결법(hot isostatic pressing)에 의한 것과 같이 소성 및 용융되어, 투명하지만 약간 다공성인 다결정질 생성물로부터 제조될 수 있다.
사파이어 소재는 또한, 유리가 아닌, 결정질 소재이지만, "블루 글라스(Blue Glass)" 또는 "사파이어 글라스(Blue Glass)"로 알려져 있다.
물리적 측면에서, 인조 사파이어 소재는, 1.76과 동일한 매우 높은 굴절률(refractive index)을 갖는 강옥계에 속하며, 경도가 모스 경도계(Mohs scale) 상에서 9와 동일한 매우 단단한 결정질 소재이다.
사파이어는 열처리 될 수 있으며, 너무 가볍거나, 너무 어둡거나, 높은 내포물 함량을 갖는 보석들은 가열될 수 있다. 이러한 공법은 상기 보석 내에 흔적 형태(trace form)로 존재하는 원소들을 용해시키면서, 색 및 선명도(clarity)를 향상시킬 수 있다.
그것들의 높은 스크래치 저항 특성(scratch resistance property)에 대해, 인조 사파이어 소재는 예시적으로 터치 스크린과 같은 스크린, 창문, 시계 유리, 발광 장치(light emitting device; LED) 부품, 점등 장치(lighting device) 부품, 예시적으로 장치 렌즈 또는 카메라 렌즈와 같은 광학 부품(optical component)과 같이, 넓은 적용 범위에서 사용된다. 스마트 폰 분야에서 인조 사파이어 소재의 용도가 특히 적합할 수 있다.
일반적으로 존재하는 사파이어 소재는 실질적으로 무색이고, 실질적으로 색도(chromaticity) 면에서 중간색이다.
그럼에도 불구하고, 수많은 용도들에 유용할 수 있는 유색의 사파이어 소재들에 대한 필요성이 있다.
하나의 예에서, 보석류는, 사파이어 소재의 기계적 물성들 및 디자인이나 심미적 욕구에 따라 선택되거나 조절될 수 있는 상기 소재에 대한 컬러를 폭넓게 얻기 위한 소망에 편승할 수 있다.
또 다른 예에서, 조명 업계 역시, 유색 필터들의 제조를 위해 유색의 사파이어 소재들을 필요로 할 수 있다.
또 다른 예에서, 화면 업계 또한, 유색의 스크린 제조를 위하여, 유색의 사파이어 소재들을 필요로 할 수 있다.
본 발명의 목적은, 새로운 방법을 여는 사파이어 소재의 반사색 개질을 위한 처리 방법을 제공하는 것이며, 상세하게는 상기 방법은 비용이 많이 들지 않거나, 저렴함에도 불구하고, 수많은 적용 분야의 요구에 충족하는 표면 처리를 위해 적합하다.
이 목적 달성을 위한, 본 발명에 따른 방법은, 사파이어 소재 표면의 반사색 개질용 처리 방법으로서,
사파이어 소재 내에 이온 주입층(ion implanted layer)을 형성하도록, 단일 및/또는 다중 하전 가스 이온 빔(single- and/or multi-charged gas ion beam)에 의한 피폭(bombardment)을 포함하며;
가속 전압(acceleration voltage)은 5kV 내지 1000 kV의 범위에서 선택되며;
각 이온 빔의 단위 표면적 당 주입된 단일 및/또는 다중 하전 가스 이온의 양(dose)은 1012 ions/cm2 내지 1018 ions/cm2의 범위에서 선택되며;
상기 주입된 단일 및/또는 다중 하전 가스 이온의 양과 가속 전압은 또한, 미처리된 사파이어 소재 표면에 비해, 처리된 사파이어 소재 표면의 개질된 반사색(modified reflected colour)을 얻도록 선택되고;
상기 단일 및/또는 다중 하전 가스 이온의 이온들은 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 제논(Xe), 붕소(B), 탄소(C), 질소(N), 산소(O), 불소(F), 규소(Si), 인(P) 및 황(S)으로 이루어진 군의 원소들의 이온들에서 선택될 수 있다.
상기 처리 방법으로 인해, 사파이어 소재의 반사색 개질을 달성할 수 있다.
상기 처리 방법을 인해, 수많은 적용 분야의 요구에 충족하는 사파이어 소재의 표면을 처리할 수 있다. 이러한 적용 분야들 중에서, 터치 스크린, 창, 시계 유리, 발광 장치 부품, 점등 장치 부품, 예시적으로 장치 렌즈와 같은 광학 부품이 거론될 수 있다.
사파이어 소재의 새로운 적용 분야는 또한, 본 발명의 처리 방법으로 인해 개발될 수도 있다.
또한, 본 발명의 처리 방법은 비용 효율 장치로 인해 수행될 수 있다. 또한, 그것은 높은 생산성(productivity) 수준을 얻도록 수행될 수 있다.
따라서, 본 발명은 사파이어 소재의 처리 및 용도에 대해 새로운 루트를 공개한다.
본 발명에 따른 하나의 실시예에서, 본 발명의 처리 방법으로 수득된 유색 사파이어 소재는 또한 방현성을 가진다.
인조 사파이어 표면 입사광의 대략 15.5%를 반사한다. 누군가가 사파이어 소재의 창 뒤에 정보를 읽기 원할 때, 이러한 높은 광 반사는 결점일 수 있으며, 예를 들어, 모바일 폰 이나 컴퓨터를 위한 평판형 스크린, 또는 시계의 판독성(reading ability)가 저하될 수 있다.
인조 사파이어 소재 상의 이러한 광 반사는 90°의 입사각에서, 계면을 통과하는 광선에 대해, 하기 반사 계수(R) 및 투과 계수(T)를 갖는 프레넬 방정식(Fresnel equation)에 의해 보다 일반적으로 설명된다:
R = ((nS-nM)/(nS+nM))2;
T = 4.nM.nS/(nS+nM)2.
반사 계수(R)는 또한, 일반적으로 "파워 반사 계수(power reflexion coefficient)" 또는 "반사율(reflectance)"로 명명되고;
투과 계수(T)는 또한, 일반적으로 "파워 투과 계수(power transmission coefficient)" 또는 "투과율(transmittance)"로 명명된다.
본 명세서 전체에 걸친 공식에서, 상기 "."의 표시는 2개의 매개 변수들(parameters) 사이에 포함되는 경우, 곱셈(multiplication) 표시를 의미하고, "x" 표시 역시, 곱셈 표시를 나타내기 위해 사용될 수 있다.
nS and nM은 파장 값이 400 내지 800 nm를 포함하는 가시 광선 영역에서 각 사파이어 소재, 및 상기 사파이어 소재에 결합하고 계면에 의해 분리된 매개체의 굴절률이다.
R+T = 1 (에너지 보존)인 것이 공지되어 있다.
예시적으로, 공기/사파이어 소재 배열에 대해, R 및 T를 계산할 수 있으며, 여기서 공기 굴절률 nM = nA인 바, 공기에 대해, nM = 1이고, 예시적으로 인조 사파이어 소재에 대해, nS = 1.76이다. 여기서 상기 식은 하기 결과를 제공한다:
R = 0.0758이고, T = 1-R = 0.9242;
따라서, 빛의 7.6 %는 반사되지만, 상기 사파이어 소재와 공기 사이의 굴절률 차이로 인해 92.4 %의 빛이 투과된다. 이러한 광 반사 수준은 매우 높고, 다수의 용도에 대한 문제점으로 고려될 수 있다.
이러한 문제점은 2개의 공기층에 의해 둘러싸여, 2개의 공기/사파이어 소재 계면들을 갖는 사파이어 소재를 고려할 때, 더욱 중요하다. 두 개의 면으로 구성된 인조 사파이어 소재 스트립의 경우, 반사 손실(reflection loss)은 2배, 즉 2x7.6 % = 15.2 %만큼 크다. 이러한 높은 반사는 사파이어 소재 스크린 또는 시계 유리 하에 위치한 데이터를 읽기 어려운 결과를 초래한다.
본 발명의 상기 처리 방법으로 인해, 사파이어 소재의 방현성 처리를 달성할 수 있는 바, 이러한 방현성 처리는, 즉 가시 영역에서 우수한 투과 결과를 초래할 수 있다. 실시예에 따라, 이전에 도달하지 못했던 투과 결과를 달성할 수 있다. 실시예에 따라, 예시적으로 560 nm의 입사파(incident wave) 파장과 같은 가시 영역 내의 입사파의 반사에 비해, 가시 영역 내의 입사파의 반사가 적어도 1/3까지, 예시적으로 1/2까지 감소할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예들에 따르면, 이는 모든 기술적 가치가 있는 예들에 따라 결합될 수 있는 바,
상기 단일 및/또는 다중 하전 가스 이온은 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 제논(Xe), 질소(N) 및 산소(O)로 이루어진 군, 예시적으로 질소(N) 및 산소(O)로 이루어진 군의 원소들의 이온들에서 선택되고, 예시적으로, 상기 단일 및/또는 다중 하전 가스 이온은 산소(O) 이온이며;
상기 단일 및/또는 다중 하전 가스 이온 빔에 의한 피폭용 이온들은 전자 사이클로트론 공명(electron cyclotron resonance; ECR) 소스에 의해 형성되고;
상기 가스 빔의 이온들은 단일 및 다중 하전되고, 10%의 다중 하전 이온 또는 10% 초과의 다중 하전 이온을 포함하고;.
가속 전압은 10 kV 내지 100 kV의 범위에서 선택되며;
상기 단위 표면적 당 주입된 단일 및/또는 다중 하전 가스 이온의 양은, 1016 ions/cm2 내지 1018 ions/cm2의 범위에서, 예시적으로 2.1016 ions/cm2 내지 2.1017 ions/cm2의 범위에서 선택되고;
상기 단위 표면적 당 주입된 단일 및/또는 다중 하전 가스 이온의 양은 5% 이상 내지 20% 이하인 주입 이온들의 원자 농도를 얻기 위해 선택되며;
상기 사파이어 소재는 단일 및/또는 다중 하전 가스 이온 빔에 대해, 0.1 mm/s 내지 1000 mm/s의 속도(VD)로, 이동 가능하고; 하나의 예에서, 상기 사파이어 소재의 동일 영역은 단일 및/또는 다중 하전 가스 이온 빔 하에서, 복수의 경로(NP)를 따라, 속도(VD)로 이동하고;
상기 처리는 사파이어 소재 내에 이온 주입층을 형성하도록, 복수의 단일 및/또는 다중 하전 가스 이온 빔에 의한 사파이어 소재 표면의 피폭을 포함하며, 가속 전압 및/또는 이온 빔들의 원소는 가스 이온 빔들에 따라 상이하며;
상기 방법은, 사파이어 소재 내에서, 제 1 사파이어 소재 표면 상의 이온 주입층 및 제 2 사파이어 소재 표면 상의 이온 주입층을 형성하도록, 하나 또는 복수의 단일 및/또는 다중 하전 가스 이온 빔에 의한 제 1 및 제 2 사파이어 소재 표면 각각의 피폭을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 사파이어 소재 표면은 투명한 기재(transparent medium)에 의해 분리되어 있는 실질적으로 평행한 표면들이고, 제 2 사파이어 소재의 표면 처리용 가속 전압 및/또는 이온 빔의 원소는 제 1 사파이어 소재의 표면 처리용 가속 전압 및/또는 이온 빔의 원소와 각각 상이하고;
상이한 가스 이온 빔들이 사용되고, 상이한 가스 이온 빔들의 이온들은 동일한 원소의 이온들이며, 상기 이온 빔들의 가속 전압은 가스 이온 빔들에 따라 상이하고, 예시적으로, 상기 이온 빔들의 가속 전압은 5 내지 50 kV로 구성된 값, 예시적으로 10 내지 20 kV로 구성된 값과 상이하며;
가속 전압 및 주입된 단일 및/또는 다중 하전 가스 이온의 양은 추가적인 선택 규칙들에 따라 더 선택되고; 예시적으로,
상기 추가적인 선택 규칙들은, 처리될 사파이어 소재에 대한 단일 및/또는 다중 하전 가스 이온 빔에 의한 피폭 이전의 단계에서 수집된 데이터의 사용을 포함하며;
상기 단계는, 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 제논(Xe), 붕소(B), 탄소(C), 질소(N), 산소(O), 불소(F), 규소(Si), 인(P) 및 황(S)으로 이루어진 군의 원소들의 단일 및/또는 다중 하전 가스 이온들 중에서 하나의 종류를 선택하는 단계, 피폭하는 상기 이온들을 사용함으로써 처리될 사파이어 소재와 유사한 사파이어 소재들에 대한 복수의 실험들을 수행하는 단계, 및 사파이어 소재 표면의 개질된 반사색을 얻기에 적합한 이온 주입층을 형성하도록, 소망하는 단위 표면적 당 주입된 단일 및/또는 다중 하전 가스 이온의 양 범위 및 가속 전압 범위를 결정할 때까지, 상기 단위 표면적 당 주입된 단일 및/또는 다중 하전 가스 이온의 양 및 가속 전압을 변경하는 단계로 구성되어 있고;
선행 단계의 범위 내에서, 단위 표면적 당 단일 및/또는 다중 하전 가스 이온의 양 및 가속 전압 값을 선택하고, 처리될 사파이어 소재를 상기 값들을 갖는 이온들로 처리하며;
단일 및/또는 다중 하전 이온 빔, 가속 전압 및 단위 표면적 당 이온 양에 따른 사파이어 표면의 색 변화(colour variation)에 대한 가이드라인(guideline)을 제공하도록, 복수의 실험들로부터 얻어진 데이터가 수집 및 취급되며;
단일 및/또는 다중 하전 이온 빔의 원소, 단위 표면적 당 단일 및/또는 다중 하전 가스 이온의 양, 및 가속 전압 값의 선택은, 사파이어 소재 표면의 반사색에 대한 색 표적(colour target)의 요건을 달성하도록, 행해지는 것;이다.
본 발명은 또한, 상기 방법 중 적어도 하나에 따라 처리된 적어도 하나의 표면을 포함하는 인조 사파이어 소재의 부품에 관한 것으로, 상기 처리된 표면의 반사색의 주 파장(dominant wavelength; λDT)은 미처리된 사파이어 소재 표면의 반사색의 주파장(λDU)으로부터 적어도 +50 nm 또는 적어도 -50 nm로부터 시프트 되어 있고, 예시적으로 적어도 +100 nm 또는 적어도 -100 nm로부터 시프트 되어 있다.
본 발명은 또한, 상기 방법의 실시예에 따른 처리 방법의 용도에 관한 것으로, 터치 스크린과 같은 스크린, 창문, 시계 유리, 발광 장치(light emitting device; LED) 부품과 같은 점등 장치(lighting device) 부품, 예시적으로 장치 렌즈와 같은 광학 부품(optical component)으로 이루어진 군에서 선택되는 인조 사파이어 소재로 이루어진 고체 부품(solid part)을 처리하기 위한 것이다.
본 발명은 또한, 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 제논(Xe), 붕소(B), 탄소(C), 질소(N), 산소(O), 불소(F), 규소(Si), 인(P) 및 황(S)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소의 주입 이온을 갖는 적어도 하나의 표면을 포함하고, 상기 표면 상에서 가시 영역 내의 입사파의 반사는, 560 nm의 파장에서 측정하였을 때, 2% 이하, 예시적으로 1% 이하인 것을 특징으로 하는 유색의 인조 사파이어 소재에 관한 것이다.
가시 영역 내에서 방현성 특성이 또한, 소망되는 경우, 다음과 같은 실시예들이 수행될 수 있다.
전자 사이클로트론 공명(ECR) 소스에 의해 형성되는 단일 및/또는 다중 하전 가스 이온 빔에 의한 피폭에서:
단위 표면적 당 주입된 단일 및/또는 다중 하전 가스 이온의 양은, 주입층의 굴절률(n)이 대략 (nA.nS)1/2(여기서, nA는 공기의 굴절률이고, nS는 사파이어 소재의 굴절률임)과 동일해지는, 주입층 내의 이온들의 원자 농도를 얻기 위해, 1012 ions/cm2 내지 1018 ions/cm2의 범위에서 선택되며;
가속 전압(acceleration voltage)은, p.λ/(4.nL)과 동일해지는 주입층 두께(e)를 얻기 위해 5kV 내지 1000 kV의 범위에서 선택되는 바, 여기서, e는 주입된 단일 및/또는 다중 하전 가스 이온의 이온 농도가 1% 이상인 주입 영역에 대응하는 주입층 두께이고, p는 정수이며, λ는 입사 파장이고, nL은 주입층의 인덱스이고;
상기 방법에서, 상기 이온 빔의 단일 및/또는 다중 하전 가스 이온은 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 및 제논(Xe)으로 이루어진 군의 원소들의 이온들에서 선택될 수 있으며;
상기 방법에서, 상기 이온 빔의 단일 및/또는 다중 하전 가스 이온은 질소(N2) 및 산소(O2)로 이루어진 군의 가스들의 이온들에서 선택될 수 있고;
상기 방법에서, 상기 가속 전압은 p.100 nm(여기서, p는 정수)와 동일한 주입층 두께를 얻기 위해 선택되고;
상기 방법에서, 단위 표면적 당 주입된 단일 및/또는 다중 하전 가스 이온의 양은, (+/-) 5%의 오차를 갖는 10%와 동일한 주입된 이온들의 원자 농도를 얻기 위해 선택될 수 있으며;
상기 방법에서, 단위 표면적 당 주입된 단일 및/또는 다중 하전 가스 이온의 양의 선택 및 가속 전압의 선택은, 주입 깊이에 따라 선택된 이온 주입 프로파일에 기초해, (+/-) 5%의 오차를 갖는 10%와 동일한 주입된 이온들의 원자 농도를 얻도록, 상기 단위 표면적 당 주입된 단일 및/또는 다중 하전 가스 이온의 양을 평가하기 위해, 이전에 수행된 계산 수단에 의해 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 방법은, 터치 스크린과 같은 스크린, 창문, 시계 유리, 발광 장치(light emitting device; LED) 부품과 같은 점등 장치(lighting device) 부품, 예를 들어, 장치 렌즈와 같은 광학 부품(optical component)으로 이루어진 군에서 선택되는 사파이어 소재로 이루어진 고체 부품(solid part)을 처리하는데 이용될 수 있다.
실시예들은 첨부된 도면과 함께 설명될 것이다.
도 1은 사파이어 소재 결정을 나타낸 모식도이다;
도 2 내지 도 6은 본 발명의 방법에 의해 처리된 사파이어 소재 샘플들의 투과 다이어그램이다;
도 7 내지 10은 본 발명의 방법에 의해 처리된 사파이어 소재 샘플들의 결과를 논의하기 위해 사용된 다이어그램이다;
도 11 내지 도 14는 본 발명의 방법으로 사파이어 소재 표면의 반사 색을 개질한 예들의 도면이다;
도 15 내지 도 19은 본 발명의 방법에 의해 처리된 사파이어 소재 샘플들의 투과 다이어그램이다.
도면의 요소들은 간결하고 명확하게 도시되어 있으며, 반드시 축적대로 도시된 것은 아니다.
그럼에도 불구하고, 투과 다이어그램들은 축적대로 도시되었다. 투과 다이어그램들은 광 파장의 기능으로서, 대게 "파워 투과 계수" 또는 "투과율"로 명명된 투과 계수(T)의 변화 또는 다수를 나타낸다.
투과 다이어그램들은 입사 광선이 샘플의 2개의 주요 면을 통과하고 상기 시료를 통과하는 광 투과가 다수의 파장에서 측정되는 분광 광도계(spectrophotometer)로 측정한 결과이다. 상기 2개의 주요 면들은 대게 평행 한 면들이다.
본 발명의 방법에 의해 처리된 사파이어 소재 샘플의 투과 다이어그램은 METASH 사에 의해 시판되는 UV-5200 UV / VIS 분광 광도계로 측정되었다. 이러한 측정에서, 사파이어 소재 샘플의 각각의 주요 면에 대면 및 접촉하는 매개체는 공기이다.
도 1은 이러한 결정의 결정학적 주요 특징을 구별 할 수 있는 사파이어 소재 단결정의 모식도로서, 사파이어(강옥) 단결정 구조는, O2- 이온이 8면체(octahedron)의 꼭대기(피크)에 있고, Al3 + 이온이 8면체의 내부에 있는 8면체를 배열함으로써 나타낼 수 있다. 도 1은 사파이어의 구조 시스템에 대응하는 사파이어 결정의 기본 평면 구조를 보여준다. 이러한 도면에서 보여지는 것은 하기 평면들로서, C-면은 (0001); A-면은 (1120)이고, R-면은 (1012)이다. 평면 명명법(nomenclature)은 일반적인 결정학적 명명법에 대응한다.
상기 언급한 바와 같이, 일반적으로 존재하는 사파이어 소재는 실질적으로 무색이고, 실질적으로 색도(chromaticity) 면에서 중간색이다. 상기 언급한 바와 같이, 미처리된 인조 사파이어 각각의 표면 입사광의 대략 7.75%를 반사하는 바, 미처리된 인조 사파이어 샘플의 투과는 가시 영역에서 대략 84.5%이다.
본 발명자들은 본 발명에 따라 처리된 사파이어 소재 샘플들로 테스트들을 수행하였다.
사용된 사파이어 재료 샘플은 각각 1 인치의 직경 및 10mm의 변을 갖는 원형 또는 사각형 플레이트이고, 그 두께는 1 mm 이하이다.
다음 실시예들에서는, 이들 단일 및 다중 하전된 가스 이온이 ECR 소스(전자 사이클로트론 공명 소스)에 의해 발산되었다.
도 2 내지 도 5는 다음과 같은 실험적 조건에 따라 사파이어 소재 샘플을 처리한 후 측정된 본 발명의 방법에 의해 처리된 사파이어 소재 샘플의 투과 다이어그램을 보여준다.
도 2 내지 5에 관해서는, 단일 및/또는 다중 하전된 가스 이온 빔은 단일 및 다중 하전된 산소 이온, O+, O2+, O3+ 빔이고, O 이온의 추정 분포는 60 %의 O+, 30 %의 O2+, 10 % O3+이다.
도 2 및 3에 관해서는, 사파이어 소재 샘플의 표면만이 처리되었다;
도 4 내지 5에 관해서는, 사파이어 소재 샘플의 양면을 처리하였다;
도 2 및 5에 관해서는, 사파이어 소재 샘플의 평면(들) A가 처리되었다.
도 3 내지 5에 관해서는, 사파이어 소재 샘플의 평면(들) C가 처리되었다.
하기 데이터에서, "양"이라고 명명된 이온량은 1016 ions/cm2로 표시되고, "전압"이라고 명명된 가속 전압은 kV로 표시된다.
도 2에서, 곡선(20)은 미처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이고; 곡선(21)은 양=11 및 전압=17.5로 처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이며; 곡선(22)는 양=12.5 및 전압=25로 처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이고; 곡선(23)은 양=15 및 전압=32.5로 처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이다.
도 3에서, 곡선(30)은 미처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이고; 곡선(31)은 양=11 및 전압=17.5로 처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이며; 곡선(32)는 양=12.5 및 전압=25로 처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이고; 곡선(33)은 양=15 및 전압=32.5로 처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이다.
도 4에서, 곡선(40)은 미처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이고; 곡선(41)은 양=11 및 전압=17.5로 처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이며; 곡선(42)는 양=12.5 및 전압=25로 처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이고; 곡선(43)은 양=15 및 전압=32.5로 처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이다.
도 5에서, 곡선(50)은 미처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이고; 곡선(51)은 양=11 및 전압=17.5로 처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이며; 곡선(52)는 양=12.5 및 전압=25로 처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이고; 곡선(53)은 양=15 및 전압=32.5로 처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이다.
이러한 도면으로 인해, 다수의 공정 매개 변수들의 영향을 고려할 수 있다.
도 2 및 3는 양면 처리에 대한 단면 처리의 영향을 설명하기 위해, 각각 도 4 및 4과 비교될 수 있다.
도 2 내지 5에서 기록된 측정 결과는, 본 발명에 따른 사파이어 소재 표면의 피폭이, 사파이어 소재 표면의 반사색을 개질 시키는 것을 입증하고 있다.
전압이 17.5 kV에서의 곡선들(21, 31, 41, 51)에 대응하는 샘플들의 사파이어 소재 표면의 반사색은 실질적으로 오랜지 색이다;
전압이 25 kV에서의 곡선들(22, 32, 42, 52)에 대응하는 샘플들의 사파이어 소재 표면의 반사색은 실질적으로 자주색(purple)이다;
전압이 32.5 kV에서의 곡선들(23, 33, 43, 53)에 대응하는 샘플들의 사파이어 소재 표면의 반사색은 실질적으로 다크 블루(dark blue)이다;
이로서, 소망하는 색을 얻는 것을 가능하게 하는 적절한 처리 방법 파라미터들의 선택과 사파이어 소재 표면에 대한 반사색을 고를 수 있다.
이 실험 종류들에 기초하여, 단일 및/또는 다중 하전 가스 이온 빔의 원소(여기선 산소)에 따른 사파이어 표면의 색 변화의 가이드 라인들을 더 제공하도록 데이터를 취합하고, 이를 다룰 수 있다.
도 2 내지 5에서 기록된 측정 결과는, 사파이어 소재와 상이한 매개체와 대면하는 사파이어 소재의 표면의, 단일 및/또는 다중 하전된 가스 이온 빔에 의한 피폭이, 가시 영역 내에서 방현성 처리를 제공하는 사파이어 소재 내의 이온 주입 층을 형성하기 위해서도 적절하다는 점을 설명한다.
놀랍게도, 매우 높은 투과가 가시 영역에서 달성되었다.
주입된 이온을 갖는 적어도 하나의 표면을 포함하는 인조 사파이어 소재가 얻어졌으며, 상기 표면 상의 가시 영역에서 입사파의 반사는, 560 nm 파장에서 측정하였을 때, 2% 이하이고, 예시적으로 1% 이하이다.
도 2 내지 5에서 기록된 결과로 인해, 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 바람직한 범위를 결정할 수 있다.
상기 바람직한 범위를 결정하는 것은 필요에 따른 원소의 이온들, 가속 전압, 및 주입된 단일 및/또는 다중 하전 가스 이온의 양을 선택하기 위한 추가적인 선택 규칙들을 제공하는 방법이다.
도 6 내지 10은 단일 및/또는 다중 하전된 이온으로서 산소를 사용하였을 때, 선택 매개 변수들에 대해 유용할 수 있는 데이터를 도시하고 있다.
본 발명의 방법에 의해 처리된 사파이어 소재 샘플의 투과 다이어그램은 도 6에 기초하여 분석 될 수 있는 바, 전송 다이어그램 (60)을 기준으로 세 개의 매개 변수를 결정할 수 있으며, 여기서 P는 전송 피크 위치(nm), D는 변동성 매개 변수(전송 단위), L은 D 가변성에 대응하는 투과 다이어그램의 폭 (nm)이다.
도 7 및 도 8은 사파이어 소재의 평면들 A와 C, 각각에 대한 가속 전압에 따른 전송 피크 위치(각각, 곡선 70, 80)의 변화를 도시하고 있다.
이 다이어 그램으로 인하여, 소망하는 색을 얻기 위하여 가속 전압을 선택할 수 있다.
도 9은 A 평면에 따라 처리된 사파이어 소재에 대한 가변성 변수(D)의 함수로서 투과 다이어그램(L)의 폭의 변화를 보여준다.
도 10은 C 평면에 따라 처리된 사파이어 소재에 대한 가변성 변수(D)의 함수로서 투과 다이어그램(L)의 폭의 변화를 보여준다.
많은 데이터의 제시는 소망하는 색을 얻기 위한 추가적인 선택 규칙들의 제공하는 것에 이용될 수 있다.
상기 결과들에서 보여지듯이, 본 발명의 처리 방법은, 사파이어 소재의 단 표면 상의 이온 주입층을 형성하기 위해 사용될 수 있으며, 또는 투명한 기재(transparent medium)에 의해 분리되어 있는 실질적으로 평행한 표면들인, 사파이어 소재의 제 1 및 제 2 사파이어 소재 표면들 상의 복수의 이온 주입층들을 형성하기 위해 사용될 수 있다.
도 11 내지 도 14는 사파이어 소재 내의 이온 주입층을 형성하기 위하여 단일 및/또는 다중 하전된 이온 빔들을 사용하는 본 발명의 방법에 의해 사파이어 표면들의 반사색을 개질 한 예들을 도시하고 있는 바, 투명한 기재(transparent medium)에 의해 분리되어 있는 실질적으로 평행한 표면들인, 사파이어 소재의 제 1 및 제 2 사파이어 소재 표면들 상의 복수의 이온 주입층들을 이용하는 경우에도 유사한 결과가 얻어질 것이다.
도 11은, 가속 전압이 관련 가스 이온 빔들에 따라 달라지는 가시 영역 내에서, 투과에 대한 제 1 및 제 2 산소 다중 하전 가스 이온 빔(110, 111)의 입사가 나타내는 모식도를 보여주고 있다. 피크 차이 ΔP는 두 곡선들(110, 111) 사이에서 볼 수 있다. 가속 전압들은, 예를 들어, 10 내지 50 kV의 범위, 상세하게는 15 내지 35kV의 범위이며, 인접하는 가속 전압 사이의 차이는 5 내지 50 kV사이, 10 내지 20 kV 사이로 이루어져 있다. 본 발명자들은 상기 곡선들의 조합에 기인하는 표색성(colorimetric properties) 알아냈으며, 대응하는 데이터들은 도 12에 도시되어있다.
도 12는 CIE 'xy' 색도도의 근거에 대한 CIE 1931 색 공간의 결과를 제시하고 있다. 외곽의 휘어진 경계(120)은 나노미터에서 보여지는 파장들을 따르는 스펙트럼 궤적(spectral locus)이다. 상기 도면은 보통 사람이 알아볼 수 있는 모든 색도를 제시하고 있다. 이 도면들은 통상의 기술자에게 잘 알려진 도면의 해독과 색 정보의 기술 분야에 일반적으로 사용된다. 지점(121)은 15 kV 내지 25 kV 산소 다중 하전 가스 이온 빔으로 처리된 사파이어 소재 표면의 색도에 대응하며, 대응하는 색은 분홍색(pink)이다. 지점(123)은 25 kV 내지 35 kV 산소 다중 하전 가스 이온 빔으로 처리된 사파이어 소재 표면의 색도에 대응하며, 대응하는 색은 바이올렛/블루이다.
도 11은 가속 전압이 가스 이온빔과 관련하여 다른 가스 이온빔과 상이한 가시 영역 내에서 투과에 대한 제 1, 제 2, 제 3 산소 다중 하전 가스 이온 빔들(131, 132, 133)의 입사가 나타내는 모식도를 보여주고 있다. 피크 차이 ΔP는 두 개의 극단적인 곡선들(131, 133) 사이에서 볼 수 있다. 가속 전압들은, 도 11의 그것들에 대해 동일한 범위로 설정되어 있다.
도 14는 CIE 'xy' 색도도의 근거에 대한 CIE 1931 색 공간의 결과를 보여주고 있다. 외곽의 휘어진 경계(140)는 나노미터에서 보여지는 파장들을 따르는 스펙트럼 궤적(spectral locus)이다. 상기 도면은 보통 사람이 알아볼 수 있는 모든 색도를 제시하고 있다. 지점(141)은 10 kV, 20 kV 및 30 kV 산소 다중 하전 가스 이온 빔으로 처리된 사파이어 소재 표면의 색도에 대응하며, 대응하는 색은 밝은 엘로위시 핑크(lightly yellowish pink)이다. 지점(142)은 12.5 kV, 22.5 kV 및 32.5 kV 산소 다중 하전 가스 이온 빔들로 처리된 사파이어 소재 표면의 색도에 대응하며, 대응하는 색은 중간색(neutral)이다. 지점(143)은 15 kV, 25 kV 및 35 kV 산소 다중 하전 가스 이온 빔들로 처리된 사파이어 소재 표면의 색도에 대응하며, 대응하는 색은 밝은 청색(light blue)이다.
도 14의 CIE 'xy' 색도도에서는, 중간색 지점(145)에 인접한 직사각형(146)에 의해 설정된 "중간색 박스(neutral colour box)"를 나타낸다.
본 발명에 따른 다수의 산소 다중 하전 가스 이온빔들의 조합은 사파이어 재료의 표면의 반사 된 색을 미세하게 조정할 수 있게 한다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 방법은 또한 이온 주입층을 갖는 사파이어 재료 표면의 중성 반사 컬러를 제공을 가능하게 한다. 따라서 방현성 표면을 얻을 수 있다.
이온 주입층과 함께 사파이어 소재 표면의 중간색의 반사색을 얻는 것은, 고르고 일정한 투과 프로파일을 얻기 위하여, 상이한 가속 전압들에 대응하는 복수의 투과 프로파일들의 조합으로 달성될 수 있다.
하나의 실시예에 따라, 블루(400nm)와 레드(800nm)에 사이에 위치하는 96% 및 97% 사이의 고르고 일정한 투과 프로파일을 얻기 위하여, 본 발명자들은 또한 다음과 같은 두 단계로 수행된 이온 피폭 처리 예를 제공한다:
기준 추출 전압 (45도 각도에서 노란 섬광을 얻기 적합함) 보다 대략 10% 더 낮은 추출 전압 및 기준 량의 절반에 해당하는 기준 양(45도 각도에서 동일한 황색 섬광을 얻는데 사용됨), 다시 말해, 전압 대략 20KV의 전압과 0.75x1017 ions/cm2의 양으로 제 1 이온 피폭 처리하는 단계;
기준 추출 전압 (45도 각도에서 노란 섬광을 얻기 적합함) 보다 대략 10% 더 높은 추출 전압 및 피폭 처리 및 기준 량의 절반에 해당하는 기준 양(45도 각도에서 동일한 황색 섬광을 얻는데 사용됨), 다시 말해, 전압 대략 25KV의 전압과 0.75x1017 ions/cm2의 양으로 제 2 이온 피폭 처리하는 단계;
이들 두 개의 단계 처리는, 황색 (560nm)에 대한 실질적으로 높은 투과도를 유지하는 동안, 블루(400nm)와 레드(800nm)에 사이에 위치하는 고르고 일정한 투과 프로파일을 유리하게 형성하는 것을 가능하게 한다.
도 15 내지 도 19는 하기 실험적 조건에 따라 사파이어 소재 샘플들을 처리한 후, 측정된 본 발명의 방법에 의해 처리된 사파이어 소재 샘플들의 투과 다이아그램들을 보여준다
도 15 내지 18에 관해서는, 단일 및/또는 다중 하전 가스 이온빔들은 단일 및 다중 하전 된 질소 이온인 N+, N2+, N3+, 빔이며, N 이온의 추정 된 분포는 다음과 같다: 57%의 N+, 32%의 N2+, 11%의 N3+; 사파이어 재료 샘플의 한 면만이 처리되었다.
도 15 내지 18에 관해서는, 사파이어 소재 샘플들의 평면 A가 처리되었다.
도 17 내지 18에 관해서는, 사파이어 소재 샘플들의 평면 C가 처리되었다.
하기 데이터에서, "양"이라고 명명된 이온량은 1016 ions/cm2로 표시되고, "전압"이라고 명명된 가속 전압은 kV로 표시된다.
도 15 내지 도 17에서는, 전압=20;
도 16 내지 도 18에서는, 전압=25;
도 15에서, 곡선(150)은 미처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이고; 곡선(151)은 양=2.5에서 처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이며; 곡선(152)은 양=5 에서 처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이고; 곡선(153)은 양=7.5 에서 처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이며; 곡선(154)은 양=10 에서 처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이고; 곡선(155)은 양=12.5 에서 처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이고; 곡선(156)은 양=15 에서 처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이다.
도 16에서, 곡선(160)은 미처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이고; 곡선(161)은 양=2.5에서 처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이며; 곡선(162)은 양=5 에서 처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이고; 곡선(163)은 양=7.5 에서 처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이며; 곡선(164)은 양=10 에서 처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이고; 곡선(165)은 양=12.5 에서 처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이고; 곡선(166)은 양=15 에서 처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이며; 곡선(167)은 양=17.5 에서 처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이다.
도 17에서, 곡선(170)은 미처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이고; 곡선(171)은 양=2.5에서 처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이며; 곡선(172)은 양=5 에서 처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이고; 곡선(173)은 양=7.5 에서 처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이며; 곡선(174)은 양=10 에서 처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이고; 곡선(175)은 양=12.5 에서 처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이고; 곡선(176)은 양=15 에서 처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이며; 곡선(177)은 양=17.5 에서 처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이다.
도 18에서, 곡선(180)은 미처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이고; 곡선(171)은 양=2.5에서 처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이며; 곡선(182)은 양=5 에서 처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이고; 곡선(183)은 양=7.5 에서 처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이며; 곡선(184)은 양=10 에서 처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이고; 곡선(185)은 양=12.5 에서 처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이고; 곡선(186)은 양=15 에서 처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이며; 곡선(187)은 양=17.5 에서 처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이다.
20 kV 가속 전압으로 처리된 샘플들은 로얄 블루(royal blue)이며; 15 kV 가속 전압으로 처리된 샘플들은 연보라색(mauve)이다.
따라서, 질소 이온들을 이용하는 경우, 사파이어 소재 표면의 반사색 개질은 본 발명의 방법에 의해 달성될 수 있다. 질소 이온들을 이용하는 경우, 본 발명의 방법으로 방현성 또한 달성될 수 있다.
도 19는 하기 실험적 조건에 따라 사파이어 소재 샘플들을 처리한 후, 측정된 본 발명의 방법에 의해 처리된 사파이어 소재 샘플들의 투과 다이아그램들을 보여준다:
단일 및/또는 다중 하전 가스 이온빔은 단일 및 다중 하전된 아르곤 이온인 Ar+, Ar2+, Ar3+, 빔이며, Ar 이온의 추정 된 분포는 다음과 같다: 71%의 Ar+, 23%의 Ar2+, 6%의 Ar3+; 사파이어 재료 샘플의 양면이 처리되었다. 상기 처리는 사파이어 소재의 평면 A이다. 가속 전압은 35KV이다. 하기 데이터에서, "양"이라고 명명된 이온량은 1016 ions/cm2로 표시된다.
곡선(190)은 미처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이고; 곡선(191)은 양=2.5에서 처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이며; 곡선(192)은 양=7.5 에서 처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이고; 곡선(193)은 양=100에서 처리된 사파이어 소재 샘플에 관한 것이다.
따라서, 아르곤 이온들을 이용하는 경우, 사파이어 소재 표면의 반사색 개질은 본 발명의 방법에 의해 달성될 수 있다. 아르곤 이온들을 이용하는 경우, 본 발명의 방법으로 방현성 또한 달성될 수 있다.
수집된 데이터들에 근거하여, 다른 이온들이 본 발명의 방법을 수행하기에 적합해야 하고 사파이어 소재 표면의 반사 색을 개질 하는 것과 관련한 점을 높은 수준의 신뢰도로 평가할 수 있다.
헬륨(He) 및 아르곤(Ar) 이온이 본 발명의 방법을 수행하기에 적합하다는 것이 상기에서 앞서 설명되었다. 따라서, 네온(Ne), 크립톤(Kr) 및 제논(Xe)과 같은 다른 "신규" 가스 이온은 또한, 본 발명의 방법을 수행하는 데 적합하다.
질소(He) 및 산소(Ar) 이온이 본 발명의 방법을 수행하기에 적합하다는 것이 상기에서 앞서 설명되었다. 따라서, 붕소(B), 탄소(C), 불소(F), 규소(Si), 인(P) 및 황(S)과 같은 다른 주기율표를 둘러싸고 있는 이온은 또한, 본 발명의 방법을 수행하는 데 적합하다.
상기 결과 및 설명에 기초하여, 이 기술 분야에 숙련된 기술자가 본 발명의 교시를 이용할 수 있고, 이온 빔들의 원소가 가스 이온 빔들에 따라 상이한 복수의 빔들을 이용하여 처리방법을 수행할 수 있다. 상기 빔들은, 사파이어 소재의 단 표면 상의 이온 주입층을 형성하기 위하여 이용될 수 있으며, 또는 투명한 기재(transparent medium)에 의해 분리되어 있고 실질적으로 평행한 표면들인, 사파이어 소재의 제 1 및 제 2 사파이어 소재 표면들 상의 복수의 이온 주입층들을 형성하기 위해 이용될 수 있다.
실시예에 따르면, 본 발명에서 이용되는 사파이어 소재의 이온 피폭 반사 방지 처리(anti-reflective treatment)는 긴 처리 시간을 요구하지 않는다(cm2 당 및 마이크로 가속 당 몇 초).
본 발명에서 사용되는 사파이어 소재의 반사 색 개질은 사파이어 기재의 비용과 관련하여 비용이 억제되지 않아야 하는 산업적 측면에서의 사용을 가능하게 할 수 있는 바, 예시적으로, 터치 패널용 사파이어의 1 cm2는 대략 4 유로의 비용이 들고, 본 발명의 범위 내에서 처리되는 1 cm2는 몇 센트이다.
본 발명에 의해, 상기 방법 중 적어도 하나에 따라 처리된 적어도 하나의 표면을 포함하는 인조 사파이어 소재의 부품을 수득할 수 있으며, 상기 처리된 표면의 반사색의 주 파장(dominant wavelength; λDT)은 미처리된 사파이어 소재 표면의 반사색의 주파장(λDU)으로부터 적어도 +50 nm 또는 적어도 -50 nm로부터 시프트 되어 있고, 예시적으로 적어도 +100 nm 또는 적어도 -100 nm로부터 시프트 되어 있다.
본 발명의 처리 방법은 터치 스크린과 같은 스크린, 창문, 시계 유리, 발광 장치(light emitting device; LED) 부품과 같은 점등 장치(lighting device) 부품, 예를 들어, 장치 렌즈와 같은 광학 부품(optical component)으로 이루어진 군에서 선택되는 사파이어 소재로 이루어진 고체 부품(solid part)을 처리하는데 이용될 수 있으나, 이것들로 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 총괄적 발명 개념의 제한 없이 실시예들의 지원으로 상기에 설명되었다. 특히 파라미터들은 설명된 예들만으로 한정되지 않는다.

Claims (19)

  1. 사파이어 소재 내에 이온 주입층(ion implanted layer)을 형성하도록, 단일 및 다중 하전 가스 이온 빔(single- and multi-charged gas ion beam)에 의한 피폭(bombardment)을 포함하는 사파이어 소재 표면의 반사색 개질용 처리 방법으로서,
    가속 전압(acceleration voltage)은 5 kV 내지 1000 kV의 범위에서 선택되고;
    각 이온 빔의 단위 표면적 당 주입된 단일 및 다중 하전 가스 이온의 양(dose)은 1012 ions/cm2 내지 1018 ions/cm2의 범위에서 선택되며;
    상기 주입된 단일 및 다중 하전 가스 이온의 양과 가속 전압은 또한, 미처리된 사파이어 소재 표면에 비해, 처리된 사파이어 소재 표면의 개질된 반사색(modified reflected colour)을 얻도록 선택되고;
    상기 단일 및 다중 하전 가스 이온의 이온들은 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 제논(Xe), 붕소(B), 탄소(C), 질소(N), 산소(O), 불소(F), 규소(Si), 인(P) 및 황(S)으로 이루어진 군의 원소들의 이온들에서 선택되며;
    상기 주입된 단일 및 다중 하전 가스 이온의 양과 가속 전압이 미처리된 사파이어 소재 표면에 비해 처리된 사파이어 소재 표면의 개질된 반사색을 얻도록 선택됨에 따라, 상기 처리된 표면의 반사색의 주 파장(dominant wavelength; λDT)이 미처리된 사파이어 소재 표면의 반사색의 주파장(λDU)으로부터 적어도 +50 nm 또는 적어도 -50 nm로부터 시프트 되는 것을 특징으로 하는 처리 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 단일 및 다중 하전 가스 이온의 이온들은 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 제논(Xe), 질소(N) 및 산소(O)로 이루어진 군의 원소들의 이온들에서 선택되는 것을 특징으로 하는 처리 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 단일 및 다중 하전 가스 이온 빔에 의한 피폭용 이온들은 전자 사이클로트론 공명(electron cyclotron resonance; ECR) 소스에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 처리 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 가스 이온 빔의 이온들은 단일 및 다중 하전되고, 10%의 다중 하전 이온 또는 10% 초과의 다중 하전 이온을 포함하는 것을 특징으로 하는 처리 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 가속 전압은 10 kV 내지 100 kV의 범위에서 선택되는 것을 특징으로 하는 처리 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 단위 표면적 당 주입된 단일 및 다중 하전 가스 이온의 양은 1016 ions/cm2 내지 1018 ions/cm2의 범위에서 선택되는 것을 특징으로 하는 처리 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 단위 표면적 당 주입된 단일 및 다중 하전 가스 이온의 양은 5% 이상 내지 20% 이하인 주입 이온들의 원자 농도를 얻기 위해 선택되는 것을 특징으로 하는 처리 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 사파이어 소재는 단일 및 다중 하전 가스 이온 빔에 대해, 0.1 mm/s 내지 1000 mm/s의 속도(VD)로, 이동 가능한 것을 특징으로 하는 처리 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 사파이어 소재의 동일 영역은 단일 및 다중 하전 가스 이온 빔 하에서, 복수의 경로(NP)를 따라, 속도(VD)로 이동하는 것을 특징으로 하는 처리 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 처리는 사파이어 소재 내에 이온 주입층을 형성하도록, 복수의 단일 및 다중 하전 가스 이온 빔에 의한 사파이어 소재 표면의 피폭을 포함하며, 가속 전압 또는 이온 빔들의 원소는 가스 이온 빔들에 따라 상이한 것을 특징으로 하는 처리 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 방법은, 사파이어 소재 내에서, 제 1 사파이어 소재 표면 상의 이온 주입층 및 제 2 사파이어 소재 표면 상의 이온 주입층을 형성하도록, 하나 또는 복수의 단일 및 다중 하전 가스 이온 빔에 의한 제 1 및 제 2 사파이어 소재 표면 각각의 피폭을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 사파이어 소재 표면은 투명한 기재(transparent medium)에 의해 분리되어 있는 평행한 표면들이고, 제 2 사파이어 소재의 표면 처리용 가속 전압 및 이온 빔의 원소는 제 1 사파이어 소재의 표면 처리용 가속 전압 및 이온 빔의 원소와 각각 상이한 것을 특징으로 하는 처리 방법.
  12. 제 10 항에 있어서, 상이한 가스 이온 빔들의 이온들은 동일한 원소의 이온들이고, 상기 이온 빔들의 가속 전압은 가스 이온 빔들에 따라 상이한 것을 특징으로 하는 처리 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 이온 빔들의 가속 전압은 5 내지 50 kV로 구성된 값과 상이한 것을 특징으로 하는 처리 방법.
  14. 제 1 항에 있어서, 가속 전압 및 주입된 단일 및 다중 하전 가스 이온의 양은 추가적인 선택 규칙들에 따라 더 선택되는 것을 특징으로 하는 처리 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 추가적인 선택 규칙들은 처리될 사파이어 소재에 대한 단일 및 다중 하전 가스 이온 빔에 의한 피폭 이전의 단계에서 수집된 데이터의 사용을 포함하며;
    상기 단계는, 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 제논(Xe), 붕소(B), 탄소(C), 질소(N), 산소(O), 불소(F), 규소(Si), 인(P) 및 황(S)으로 이루어진 군의 원소들의 단일 및 다중 하전 가스 이온들 중에서 하나의 종류를 선택하는 단계, 피폭하는 상기 이온들을 사용함으로써 처리될 사파이어 소재와 유사한 사파이어 소재들에 대한 복수의 실험들을 수행하는 단계, 및 사파이어 소재 표면의 개질된 반사색을 얻기에 적합한 이온 주입층을 형성하도록, 소망하는 단위 표면적 당 주입된 단일 및 다중 하전 가스 이온의 양 범위 및 가속 전압 범위를 결정할 때까지, 상기 단위 표면적 당 주입된 단일 및 다중 하전 가스 이온의 양 및 가속 전압을 변경하는 단계; 및
    선행 단계의 범위 내에서, 단위 표면적 당 단일 및 다중 하전 가스 이온의 양 및 가속 전압 값을 선택하고, 처리될 사파이어 소재를 상기 값들을 갖는 이온들로 처리하는 단계;
    로 구성된 것을 특징으로 하는 처리 방법
  16. 제 15 항에 있어서, 단일 및 다중 하전 이온 빔, 가속 전압 및 단위 표면적 당 이온 양에 따른 사파이어 표면의 색 변화(colour variation)에 대한 가이드라인(guideline)을 제공하도록, 복수의 실험들로부터 얻어진 데이터가 수집 및 취급되는 것을 특징으로 하는 처리 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 단일 및 다중 하전 이온 빔의 원소, 단위 표면적 당 단일 및 다중 하전 가스 이온의 양, 및 가속 전압 값의 선택은, 사파이어 소재 표면의 반사색에 대한 색 표적(colour target)의 요건을 달성하도록, 행해지는 것을 특징으로 하는 처리 방법.
  18. 삭제
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 사파이어 소재는 스크린, 창문, 시계 유리, 점등 장치(lighting device) 부품, 및 광학 부품(optical component)으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 형성하는 고체 부품(solid part)인 것을 특징으로 하는 처리 방법.
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