KR102556478B1 - 유리 굴곡 신뢰성 평가 방법 및 평가 장치 - Google Patents

유리 굴곡 신뢰성 평가 방법 및 평가 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 유리의 두께와 목표 곡률 반경에 기초하여, 상기 목표 곡률 반경에서 상기 유리에 인가되는 제1 응력을 계산하는 단계; 상기 제1 응력을 갖는 상기 유리가 피로 파괴되지 않는 최대 흠집 크기를 계산하는 단계; 상기 최대 흠집 크기를 갖는 상기 유리가 견뎌야 하는 최소 크기의 제2 응력을 계산하는 단계; 상기 제2 응력에 기초하여, 상기 유리가 가질 수 있는 신뢰 곡률 반경을 계산하는 단계; 및 상기 신뢰 곡률 반경까지 상기 유리를 구부렸을 때 상기 유리가 파괴되는지 확인하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 굴곡 신뢰성 평가 방법이 제공된다.

Description

유리 굴곡 신뢰성 평가 방법 및 평가 장치{GLASS FOLDING RELIABILITY TEST METHOD AND TEST DEVICE PERFORMING THE SAME}
본 발명은 유리 굴곡 신뢰성 평가 방법 및 유리 굴곡 신뢰성 평가를 수행하기 위한 평가 장치에 관한 것이다.
최근 평판 표시 장치를 이용한 가요성 표시 장치가 개발되고 있다. 상기 평판 표시 장치로는 일반적으로 액정표시소자(LCD: liquid crystal display), OLED(organic light-emitting diode), 전기 영동 표시 장치(EPD; electrophoretic display) 등이 있다.
상기 가요성 표시 장치들은 휘어지고 접히는 특성을 가지는 바, 접거나 마는 것이 가능하며, 이에 따라, 큰 화면을 구현할 수 있으면서도 휴대가 간편하다. 이러한 가요성 표시 장치는 모바일 폰, PMP(Portable Multimedia Player), 네비게이션, UMPC(Ultra Mobile PC), 전자 책, 전자 신문 등과 같은 모바일 장비뿐만 아니라 TV, 모니터 등의 다양한 분야에 응용될 수 있다.
본 발명은 유리의 굴곡 신뢰성 전수 평가에 필요한 파라미터들을 산출하고, 이를 바탕으로 유리의 굴곡 신뢰성을 평가할 수 있는 우수한 평가 방법 제공을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 유리의 두께와 목표 곡률 반경에 기초하여, 상기 목표 곡률 반경에서 상기 유리에 인가되는 제1 응력을 계산하는 단계; 상기 제1 응력을 갖는 상기 유리가 피로 파괴되지 않는 최대 흠집 크기를 계산하는 단계; 상기 최대 흠집 크기를 갖는 상기 유리가 견뎌야 하는 최소 크기의 제2 응력을 계산하는 단계; 상기 제2 응력에 기초하여, 상기 유리가 가질 수 있는 신뢰 곡률 반경을 계산하는 단계; 및 상기 신뢰 곡률 반경까지 상기 유리를 구부렸을 때 상기 유리가 파괴되는지 확인하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 굴곡 신뢰성 평가 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 응력은 하기 식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 유리 굴곡 신뢰성 평가 방법이 제공된다.
[식 1]
(σ1은 제1 응력, v는 상기 유리의 푸아송 비, E는 영률(Young's Modulus), t는 상기 유리의 두께, D는 상기 목표 곡률 반경을 갖는 상기 유리의 양 말단 사이 거리)
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 D는 상기 유리의 상기 목표 곡률 반경의 두 배인 것을 특징으로 하는 유리 굴곡 신뢰성 평가 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유리는 임계 응력 확대 계수(Threshold Stress Intensity Factor, Kth)를 갖고, 상기 최대 흠집 크기는 하기 식 2을 만족하는 것을 특징으로 하는 유리 굴곡 신뢰성 평가 방법이 제공된다.
[식 2]
(Kth는 임계 응력 확대 계수, Y는 기하학 인자(Geometry Factor), σ1은 제1 응력, amax는 최대 흠집 크기)
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유리는 화학 강화된 유리로서 화학 강화에 의한 보강 응력을 갖고, 상기 최대 흠집 크기는 식 3을 만족하는 것을 특징으로 하는 유리 굴곡 신뢰성 평가 방법이 제공된다.
[식 3]
(Kth는 임계 응력 확대 계수, Y는 기하학 인자(Geometry Factor), σ1은 제1 응력, σcs는 보강 응력, amax는 최대 흠집 크기)
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유리는 파괴 인성(Fracture Toughness, KIC)를 갖고, 상기 제2 응력의 계산은 하기 식 4를 만족하는 것을 특징으로 하는 유리 굴곡 신뢰성 평가 방법이 제공된다.
[식 4]
(KIC는 파괴 인성(Fracture Toughness), Y는 기하학 인자(Geometry Factor), σ2은 제2 응력, amax는 최대 흠집 크기)
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유리는 화학 강화된 유리로서 화학 강화에 의한 보강 응력을 갖고, 상기 최대 흠집 크기의 계산은 식 5를 만족하는 것을 특징으로 하는 유리 굴곡 신뢰성 평가 방법이 제공된다.
[식 5]
(KIC는 파괴 인성, Y는 기하학 인자(Geometry Factor), σ2은 제2 응력, σcs는 보강 응력, amax는 최대 흠집 크기)
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 보강 응력(σcs)은 상기 최대 흠집 크기(amax)와 비례하는 것을 특징으로 하는 유리 굴곡 신뢰성 평가 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 최대 크기의 신뢰 곡률 반경의 계산은 하기 식 6을 만족하는 것을 특징으로 하는 유리 굴곡 신뢰성 평가 방법이 제공된다.
[식 6]
(σ2는 제2 응력, v는 상기 유리의 푸아송 비, E는 영률(Young's Modulus), t는 상기 유리의 두께, Rt는 신뢰 곡률 반경)
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 신뢰 곡률 반경은 2.0㎜ 내지 2.5㎜인 것을 특징으로 하는 유리 굴곡 신뢰성 평가 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유리의 두께는 10㎛ 내지 150㎛인 것을 특징으로 하는 유리 굴곡 신뢰성 평가 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 최대 흠집 크기는 1270㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 유리 굴곡 신뢰성 평가 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유리는 2점 휨 시험(2 Point Bending Test)에 의해 구부러지는 것을 특징으로 하는 유리 굴곡 신뢰성 평가 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이점 휨 시험 시 상기 유리에 인가되는 상기 제1 응력은 상기 유리의 두 말단의 정 가운데에 인가되는 압축 응력인 것을 특징으로 하는 유리 굴곡 신뢰성 평가 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 유리의 두께와 목표 곡률 반경에 기초하여, 상기 목표 곡률 반경에서 상기 유리에 인가되는 제1 응력을 계산하는 단계; 상기 제1 응력을 갖는 상기 유리가 피로 파괴되지 않는 최대 흠집 크기를 계산하는 단계; 상기 최대 흠집 크기를 갖는 상기 유리가 파괴되지 않기 위해 필요한 최소 크기의 제2 응력을 계산하는 단계; 상기 제2 응력에서 상기 유리가 가질 수 있는 최대 크기의 신뢰 곡률 반경을 계산하는 단계; 및 상기 신뢰 곡률 반경까지 상기 유리를 구부렸을 때 상기 유리가 파괴되는지 확인하는 단계를 포함하는 유리 굴곡 신뢰성 평가를 수행하는 평가 장치에 있어서, 상기 평가 장치는 상기 유리의 양 말단에 제공되는 제1 플레이트 및 제2 플레이트를 포함하고, 상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트는 상기 유리가 상기 신뢰 곡률 반경을 갖도록 상하 운동할 수 있는 것을 특징으로 하는 평가 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트는 상기 유리가 상기 신뢰 굴곡 반경을 갖는 상태에서 좌우로 움직일 수 있는 것을 특징으로 하는 평가 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트 사이에는 복수 개의 상기 유리가 제공되는 것을 특징으로 하는 평가 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트의 쌍이 복수 개 제공되며, 상기 제1 플레이트와 상기 제2 플레이트 사이마다 상기 유리가 제공되는 것을 특징으로 하는 평가 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 굴곡 신뢰성 전수 평가에 필요한 파라미터들을 산출하고, 이를 바탕으로 유리의 굴곡 신뢰성을 평가할 수 있는 우수한 평가 방법이 제공될 수 있다.
다만, 본 발명의 효과가 전술한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유리 굴곡 신뢰성 평가 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2a 내지 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 유리와 유리 굴곡 신뢰성 평가를 수행하는 평가 장치를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 응력 확대 계수와 흠집 성장 속도의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 일 실시예에 따른 유리와 유리 굴곡 신뢰성 평가를 수행하는 평가 장치를 나타낸 단면도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 명세서에 있어서, 어느 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 상(on)에 형성되었다고 할 경우, 상기 형성된 방향은 상부 방향만 한정되지 않으며 측면이나 하부 방향으로 형성된 것을 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
본 명세서에서 '상면'과 '하면'는 본 발명의 기술적 사상을 이해하기 쉽도록 설명하기 위하여 상대적인 개념으로 사용된 것이다. 따라서, '상면'과 '하면'은 특정한 방향, 위치 또는 구성 요소를 지칭하는 것이 아니고 서로 호환될 수 있다. 예를 들어, '상면'이 '하면'이라고 해석될 수도 있고 '하면'이 '상면'으로 해석될 수도 있다. 따라서, '상면'을 '제1'이라고 표현하고 '하면'을 '제2'라고 표현할 수도 있고, '하면'을 '제1'로 표현하고 '상면’을 '제2'라고 표현할 수도 있다. 그러나, 하나의 실시예 내에서는 '상면'과 '하면'이 혼용되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유리 굴곡 신뢰성 평가 방법을 나타낸 순서도이다.
먼저, 시험 대상 유리의 두께와 목표 곡률 반경을 구한다(S110). 시험 대상 유리의 두께는 다양한 방법을 통하여 측정할 수 있다. 예컨대, 버니어 캘리퍼스, 전자기 두께계, 방사선 두께계, 초음파 두께계 등을 이용하여 시험 대상 유리의 두께를 측정 가능하다. 목표 곡률 반경은 시험 대상 유리의 용도에 따라 달라질 수 있다.
그 다음, 평가 대상 유리의 두께와 목표 곡률 반경에 기초하여, 목표 곡률 반경에서 유리에 인가되는 제1 응력을 계산한다(S120). 제1 응력은 목표 곡률 반경에서 유리에 인가되는 최대 응력을 의미한다.
목표 곡률 반경은 유리가 휘는 형태에 따라 달라질 수 있다. 유리가 휠 때, 유리는 정곡률 또는 2점 휨 시험(2 Point Bending Test)에 따른 이방성 곡률을 가질 수 있다. 정곡률은 유리가 휘었을 때, 유리의 모든 지점에서 동일한 곡률을 갖는 경우를 말한다. 유리가 정곡률을 가질 때, 유리에 인가되는 제1 응력은 하기 식 1-1을 만족할 수 있다.
[식 1-1]
이 때, 식 1'에서 σ1은 제1 응력, v는 상기 유리의 푸아송 비, E는 영률(Young's Modulus), t는 상기 유리의 두께, R은 목표 곡률 반경을 의미한다.
유리가 2점 휨 시험에 따른 이방성 곡률을 가질 때, 유리 상의 위치에 따라 곡률이 다를 수 있다. 또한, 유리 상의 위치에 따라 곡률이 다르므로, 그 위치에 인가되는 응력도 다를 수 있다. 예컨대, 유리의 중앙부, 즉 유리의 두 말단의 정 가운데에서 곡률이 가장 클 수 있다. 이에 따라, 곡률이 가장 큰 유리의 두 말단의 정 가운데에서의 응력이 가장 클 수 있다. 따라서, 유리가 이방성 곡률을 가질 때, 제1 응력은 유리의 두 말단의 정 가운데에 인가되는 압축 응력을 의미할 수 있다. 이 경우 제1 응력은 하기 식 1을 만족할 수 있다.
[식 1]
이때, 식 1에서 σ1은 제1 응력, v는 상기 유리의 푸아송 비, E는 영률(Young's Modulus), t는 상기 유리의 두께, D는 상기 목표 곡률 반경을 갖는 상기 유리의 양 말단 사이 거리를 의미한다. 목표 곡률 반경을 갖는 상기 유리의 양 말단 사이 거리(D)는 목표 곡률 반경(R)의 두 배일 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 식 1 또는 식 1-1로부터 계산된 제1 응력은 유리가 목표 곡률 반경만큼 휘었을 때, 유리에 작용하는 최대 응력을 의미한다. 유리는 휘었을 때 압축 응력과 인장 응력을 동시에 받는데, 제1 응력이 의미하는 것은 압축 응력 또는 인장 응력일 수 있다. 유리가 휘었을 때, 유리가 감당할 수 있는 정도 이상의 응력이 인가된다면 유리는 파손된다. 따라서, 제1 응력은 유리가 목표 곡률 반경만큼 휘었을 때 파손되는지 여부를 결정하는데 중요한 요소이다. 구체적으로, 유리가 휘었을 때 유리가 파손되는지 여부는 하기 식 2-1에 의해 결정될 수 있다.
[식 2-1]
이때, K는 응력 확대 계수(Stress Intensity Factor), Y는 기하학 인자(Geometry Factor), σ은 유리에 인가되는 응력, a는 유리에 존재하는 흠집의 크기이다. 상기 식 2'에 따르면, 유리가 휘었을 때 유리가 파손되는지 여부를 결정하는 요소는 흠집의 형태(크기를 포함)와 유리에 인가되는 응력의 크기이다. 본 발명에 따른 유리 굴곡 신뢰성 평가 방법에 따르면, σ에는 유리가 목표 곡률 반경만큼 휘었을 때 유리에 작용하는 최대 응력인 σ1이 대입될 수 있다. Y는 기하학 인자(Geometry Factor)로 유리 표면에 존재하는 미세 흠집의 형상에 따라 달라질 수 있다. 일반적으로 Y는 약 0.72 내지 약 1.12 사이 값을 가질 수 있다.
상기 식 2-1에 따르면, 유리에 존재하는 흠집의 크기에 따라 유리는 휘었을 때 바로 파손될 수 있다. 이렇게 유리가 휘어졌을 때 유리가 바로 파괴되는 경우, 응력 확대 계수(K)는 파괴 인성(Fractrue Toughness, KIC) 이상의 값을 갖는다. 파괴 인성은 재료가 파괴에 대해 저항하는 정도를 나타내는 척도이다. 유리의 경우, 파괴 인성은 약 0.6 MPa·m0.5 내지 약 0.9 MPa·m0.5일 수 있다.
유리의 응력 확대 계수(K)가 파괴 인성(KIC) 미만인 경우에도, 유리는 휘어짐에 의해 파괴될 수 있다. 즉, 유리가 휘어졌을 때, 바로 유리가 바로 파괴되지는 않으나 시간이 지남에 따라 유리가 파괴되는 경우가 있을 수 있다. 이런 형태의 파괴를 피로 파괴(Fatigue Failure)라고 한다. 피로 파괴는 유리가 휘어진 상태를 유지할 때, 유리에 존재하는 흠집이 성장함으로써 발생할 수 있다. 이러한 형태의 파괴는 곡면 디스플레이(Curved Display)에 적용된 유리에서 발생할 수 있다. 특히, 곡면 TV와 같은 가전 제품의 경우, 교체 주기가 길기 때문에 장기간 사용에 따라 TV 유리에 피로 파괴가 발생할 여지가 있다. 따라서, 장기간 사용에도 피로 파괴가 발생하지 않도록 유리를 시험하는 것이 필요하다. 이러한 시험을 위해 필요한 인자가 바로 임계 응력 확대 계수(Threshold Stress Intensity Factor, Kth)이다. 응력 확대 계수(K)의 크기에 따라 유리에 존재하는 흠집의 성장 속도가 다르다. 응력 확대 계수(K)가 임계 응력 확대 계수(Kth) 미만인 경우, 유리에 존재하는 흠집은 성장하지 않는다. 유리의 경우, 임계 응력 확대 계수(Kth)는 약 0.1 MPa·m0.5 내지 약 0.3 MPa·m0.5일 수 있다.
유리에 존재하는 흠집 크기와 유리에 인가되는 응력으로부터 산출되는 응력 확대 계수(K)는 임계 응력 확대 계수(Kth) 미만이어야 한다. 앞서 단계에서 목표 곡률 반경에서 유리에 인가되는 최대 응력인 제1 응력(σ1)을 산출하였으므로, 제1 응력과 임계 응력 확대 계수를 이용하면, 유리가 가질 수 있는 최대 흠집 크기(amax)를 계산할 수 있다(S130). 구체적으로 최대 흠집 크기는 하기 식 2를 만족할 수 있다.
[식 2]
이 때, Kth는 임계 응력 확대 계수, Y는 기하학 인자(Geometry Factor), σ1은 제1 응력, amax는 최대 흠집 크기이다. 상기 최대 흠집 크기의 계산에서, 경우에 따라 σ1에는 가중된 수치를 대입할 수도 있다. 예컨대, 앞서 단계에서 계산된 제1 응력에 1.3을 곱한 수치를 상기 식 2의 σ1에 대입할 수 있다. 제1 응력에 가중치를 곱한 수를 식 2에 대입함으로써, 유리가 표시 장치에 최 외각에 위치하여 예상보다 더 많은 응력을 받는 경우도 대비할 수 있다.
시험에 사용되는 유리가 화학 강화된 유리인 경우, 최대 흠집 크기(amax)는 하기 식 3을 만족할 수 있다.
[식 3]
이 때, Kth는 임계 응력 확대 계수, Y는 기하학 인자(Geometry Factor), σ1은 제1 응력, σcs는 보강 응력, amax는 최대 흠집 크기이다.
응력 확대 계수(K)를 임계 응력 확대 계수(Kth) 미만으로 유지하기 위해서는 유리가 휘어졌을 때 유리에 인가되는 응력을 감소시키거나, 유리 표면 관리를 통해 흠집의 크기를 감소시키는 방법을 사용할 수 있다. 화학 강화는 유리가 휘어졌을 때, 유리에 인가되는 응력을 감소시키기 위해 사용할 수 있는 방법이다.
화학 강화된 유리는 이온 교환된 화학 강화층을 포함할 수 있다. 이러한 화학 강화층은 유리의 외면에 화학 강화 처리를 수행함으로써 형성될 수 있다. 상기 화학 강화 처리는 이온 교환 공정을 포함할 수 있다. 이온 교환 공정이란, 유리의 변형점 이하의 온도에서 유리 표면 또는 그 근처에 위치한 양이온을 동일 원자가의 다른 양이온으로 교환하는 것을 의미한다. 예컨대, 유리 내부의 Na-+, Li+과 같은 알칼리 금속 양이온은 이온 교환 공정에 의해 K+과 같은 양이온으로 교환될 수 있다. 이온 교환 공정은 유리를 이온 교환염에 담지하는 단계 및 담지된 유리를 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 이온 교환염은 유리 내의 이온과 교환될 이온을 포함한다. 상기 이온 교환염에 포함되는 이온은 K+일 수 있고, 교환 대상인 유리 내의 이온은 Na+ 또는 Li+일 수 있다. 이온 교환염은 질산염형태일 수 있다. 이온 교환염에 담지된 유리가 가열되면 이온 교환염 내의 이온은 유리의 표면을 통해 그 내부로 확산된다. 유리의 가열은 약 370℃ 내지 약 450℃에서 약 1시간 내지 약 6시간 동안 이루어질 수 있다.
화학 강화된 유리의 표면에는 보강 응력이 가해진다. 구체적으로, 유리 표면에 존재하는 흠집에 화학 강화에 의한 압축 응력이 가해진다. 이에 따라, 일정 수준의 스트레스가 흠집에 인가되더라도, 흠집에 가해지는 압축 응력에 의해 흠집은 성장하지 않는다. 화학 강화에 의한 보강 응력의 크기는 화학 강화 정도와 종류에 따라 달라질 수 있다. 예컨대, Na+ 이온을 K+ 이온으로 교환하는 화학 강화의 경우 보강 응력은 약 700MPa 내지 약 800MPa일 수 있다. 다만, 보강 응력의 크기는 최대 흠집 크기에 비례하여 달라질 수 있다.
식 2 또는 식 3을 이용하여 최대 흠집 크기(amax)를 산출한 후, 최대 흠집 크기를 갖는 유리가 견뎌야 하는 최소 크기의 제2 응력을 계산한다(S140). 제2 응력은 하기 식 4를 만족할 수 있다.
[식 4]
이때, KIC는 파괴 인성(Fracture Toughness), Y는 기하학 인자(Geometry Factor), σ2은 제2 응력, amax는 최대 흠집 크기이다. 식 4에 따라 산출된 제2 응력은 최대 흠집 크기를 갖는 유리가 견뎌야 하는 최소 크기의 응력이자, 유리를 파괴하기 위해 필요한 최소 크기의 응력이다.
제2 응력을 이용하여 시험 대상 유리에 포함되어 있는 흠집 크기를 확인할 수 있다. 예컨대, 제2 응력을 유리에 가했을 때 유리가 파괴된다면, 유리에 최대 흠집 크기보다 큰 흠집이 존재하는 것으로 판단할 수 있다. 그러나, 제2 응력을 유리에 가했을 때 유리가 파괴되지 않는다면, 유리에는 최대 흠집 크기 이하 크기의 흠집만이 존재하는 것으로 판단할 수 있다. 최대 흠집 크기는 상술한 바와 같이, 유리가 목표 곡률 반경까지 휘었을 때 파괴되지 않을 수 있는 흠집의 최대 크기를 의미한다. 이때의 파괴는 순간적인 파괴는 물론 피로 파괴도 포함한다. 따라서, 최대 크기 흠집 이하 크기의 흠집을 갖는 유리는 목표 곡률 반경까지 휘어도 파괴되지 않는다. 최대 크기 흠집 이하의 크기의 흠집만이 유리에 존재하는지 확인하기 위해 필요한 파라미터가 바로 제2 응력이다. 결론적으로, 제2 응력을 유리에 가했을 때 유리가 파괴되는지 여부를 확인함으로써 최대 크기 흠집보다 큰 흠집이 유리에 존재하는지 여부를 확인할 수 있다.
상기 제2 응력은 유리가 화학 강화된 유리인 경우 하기 식 5를 만족할 수 있다.
[식 5]
이때, KIC는 파괴 인성, Y는 기하학 인자(Geometry Factor), σ2은 제2 응력, σcs는 보강 응력, amax는 최대 흠집 크기이다. 상술한 바와 같이 보강 응력은 약 700MPa 내지 약 800MPa일 수 있다. 또한, 보강 응력의 크기는 최대 흠집 크기에 비례하여 달라질 수 있다.
상기 식 4 또는 식 5를 통하여 산출한 제2 응력을 이용하여, 신뢰 곡률 반경을 계산할 수 있다(S150). 신뢰 곡률 반경에서 유리에 인가되는 응력이 제2 응력이며, 신뢰 곡률 반경에서 유리가 파손되지 않는다면 유리는 목표 곡률 반경에서 파괴되지 않는다.
신뢰 곡률 반경(Rt)은 하기 식 6을 만족할 수 있다.
[식 6]
이 때, σ2는 제2 응력, v는 상기 유리의 푸아송 비, E는 영률(Young's Modulus), t는 상기 유리의 두께, Rt는 신뢰 곡률 반경이다. 상기 식 6은 상술한 바와 같이 유리가 2점 휨 시험에 따른 이방성 곡률을 가질 때 적용될 수 있다. 따라서, 유리가 정곡률을 갖는 경우 신뢰 곡률 반경(Rt)은 하기 식 6-1을 만족할 수 있다.
[식 6-1]
이 때, σ2는 제2 응력, v는 상기 유리의 푸아송 비, E는 영률(Young's Modulus), t는 상기 유리의 두께, Rt는 신뢰 곡률 반경이다.
경우에 따라, 신뢰 곡률 반경에 가중치를 둘 수 있다. 따라서, 신뢰 곡률 반경 보다 작은 곡률 반경까지 유리를 구부릴 수도 있다. 이렇게 가중치를 두면, 유리가 표시 장치의 최 외각에 위치하여 더 큰 응력을 받거나 외부 충격을 받는 경우의 유리 안전성도 확보할 수 있다.
유리를 신뢰 곡률 반경까지 구부린 후, 유리가 파괴되는지 여부를 확인할 수 있다(S160). 유리의 파괴 여부는 육안으로 확인 가능하다. 아울러, 본 발명의 일 실시예에 따른 시험 방법에 따르면, 유리를 구부린 후 유리가 피로 파괴되는지 여부를 기다릴 필요 없다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 유리 굴곡 신뢰성 평가 방법은 많은 평가 시간을 요구하지 않고, 높은 효율을 가질 수 있다.
신뢰 곡률 반경은 목표 곡률 반경 및 유리의 특성에 따라 달라질 수 있다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 신뢰 곡률 반경은 약 2.0㎜ 내지 약 2.5㎜일 수 있다. 상기 실시예에 따르면 신뢰 곡률 반경은 상대적으로 좁은 범위이다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 좁은 범위 내에서 유리의 굴곡 신뢰성을 평가할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 유리의 두께는 약 10㎛ 내지 약 150㎛일 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 유리 굴곡 신뢰성 평가 방법은 핸드폰, 모니터, TV와 같은 표시 장치에 사용되는 유리에 적용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 최대 흠집 크기는 1270㎚ 이하일 수 있다. 본 발명은 1270㎚ 이하의, 육안으로 확인되지 않는 미세 흠집을 갖는 유리의 굴곡 신뢰성 평가를 수행하는데 유리할 수 있다.
본원 발명의 일 실시예에 따르면 유리는 2점 휨 시험(2 Point Bending Test)에 의해 신뢰 곡률 반경까지 구부러질 수 있다. 2점 휨 시험에 따르면 유리는 이방성 곡률을 가질 수 있다. 이러한 경우, 상술한 바와 같이 유리의 두 말단의 정 가운데에 인가되는 압축 응력이 제1 응력이 될 수 있다. 상기 경우의 제1 응력은 유리가 정곡률을 가질 때의 제1 응력보다 일반적으로 크다. 따라서, 2점 휨 시험에 의하면, 더 엄격한 기준으로 유리의 강도를 판단할 수 있다.
도 2a 내지 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 유리와 유리 굴곡 신뢰성 평가를 수행하는 평가 장치를 나타낸 단면도이다. 도 2a 내지 도 2b를 참고하면, 유리 굴곡 신뢰성 평가 장치(210, 220) 사이에는 유리(100)가 놓여있다. 상기 유리(100)는 모두 휘어있는 형태로 도시되어 있다.
도 2a의 경우, 유리(100)는 정곡률을 갖는다. 따라서, 유리(100) 상 어떤 지점에서도 유리(100)의 곡률은 R이다. 유리(100)의 곡률이 일정하므로, 유리(100)가 휨에 따라 유리에 인가되는 응력도 일정하다. 따라서, 제1 응력은 정곡률을 갖는 유리(100) 상 임의의 지점에 인가되는 응력이 될 수 있다. 또한, 제1 응력은 하기 식 1-1를 만족할 수 있다.
[식 1-1]
이때, 식 1-1에서 σ1은 제1 응력, v는 상기 유리의 푸아송 비, E는 영률(Young's Modulus), t는 상기 유리의 두께, R은 목표 곡률 반경을 의미한다.
도 2b의 경우, 유리(100)는 2점 휨 시험에 따른 이방성 곡률을 갖는다. 따라서, 유리(100) 상의 위치에 따라 유리(100)의 곡률이 달라질 수 있다. 도 2b에 도시되어 있는 유리(100)의 경우, 유리(100)의 곡률은 D/2 지점을 중심으로 하여 좌우 대칭 형태의 프로파일을 갖는다. 또한, 유리(100)의 곡률은 유리의 두 말단의 정 가운데, 즉 D/2 지점에서 가장 크다. 따라서, 도 2b에 도시되어 있는 유리(100)의 경우 제1 응력은 상기 D/2 지점에서의 응력이 될 수 있다. 이 경우 제1 응력은 하기 식 1을 만족할 수 있다.
[식 1]
이때, σ1은 제1 응력, v는 상기 유리의 푸아송 비, E는 영률(Young's Modulus), t는 상기 유리의 두께, D는 상기 목표 곡률 반경을 갖는 상기 유리의 양 말단 사이 거리이다.
그러나, 유리(100)가 이방성 곡률을 갖는 경우, 제1 응력이 항상 유리의 두 말단의 정 가운데에 인가되는 응력인 것은 아니다. 유리(100)가 휘는 형상에 따라, 제1 응력이 인가되는 지점은 달라질 수 있다. 도 2b의 경우, 곡률 반경은 D/2가 될 수 있다. 따라서, 도 2b와 같이 2점 휨 시험을 수행하여 유리(100)의 굴곡 신뢰성을 평가할 경우, 유리(100)의 굴곡 신뢰성을 더 보수적으로 판단할 수 있다. 신뢰 곡률 반경을 D/2로 두고 2점 휨 시험을 수행할 경우, 제1 응력이 인가되는 지점의 유리(100) 곡률 반경은 D/2보다 작을 수 있기 때문이다. 이에 따라, 실제 인가되는 제1 응력은 굴곡 신뢰성 평가에서 산출된 이론적 수치보다 클 수 있다. 따라서, 2점 휨 시험을 포함하는 굴곡 신뢰성 평가를 통과한 유리(100)는 신뢰성 평가 방법에 따라 산출된 제1 응력 보다 더 큰 응력을 견딜 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 응력 확대 계수와 흠집 성장 속도의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 3에 따르면, 응력 확대 계수(K)와 흠집 성장 속도(v)는 로그 스케일(log scale)에서 양의 상관 관계를 갖는다. 따라서, 응력 확대 계수(K)가 클수록 유리에 존재하는 흠집의 성장 속도(v)도 크다. 흠집의 크기가 일정 이상이 되어, 응력 확대 계수(K)가 파괴 인성(KIC) 이상이 되면, 유리가 파괴되는 바, 응력 확대 계수(K)가 클수록 유리는 빠르게 파괴될 수 있다. 그러나, 상술한 바와 같이, 응력 확대 계수(K)가 임계 응력 확대 계수(Kth) 미만인 경우, 흠집 성장 속도(v)는 0이다. 즉, 응력 확대 계수(K)가 임계 응력 확대 계수(Kth) 미만인 경우 유리 상의 흠집은 성장하지 않는다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 일 실시예에 따른 유리와 유리 굴곡 신뢰성 평가를 수행하는 평가 장치를 나타낸 단면도이다.
도 4a 내지 4e의 평가 장치는 상술한 유리 굴곡 신뢰성 평가를 수행하기 위한 것이다. 도 4a를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 평가 장치는 제1 플레이트(210) 및 제2 플레이트(220)을 포함하고, 제1 플레이트(210) 및 제2 플레이트(220)는 유리(100)가 신뢰 곡률 반경을 갖도록 상하 운동할 수 있다. 제1 플레이트(210) 및 제2 플레이트(220)가 상하 운동하여, 유리(100)가 신뢰 곡률 반경을 가질 때, 유리(100)의 파손 여부를 확인함으로써 굴곡 신뢰성 평가가 가능하다. 유리(100)의 파손 여부는 육안으로 확인 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 플레이트(210) 및 제2 플레이트(220) 각각은 상하로 운동할 수 있다. 또는 제2 플레이트(220)는 고정되어 있고, 제1 플레이트(210) 만 상하로 운동하거나, 제1 플레이트(210)는 고정되어 있고, 제2 플레이트(220)만 상하 운동할 수도 있다. 제1 플레이트(210) 및/또는 제2 플레이트(220)에는 평가 대상 유리를 플레이트에 고정하기 위한 고정 부재가 더 제공될 수 있다.
도 4b를 참고하면, 제1 플레이트(210) 및 제2 플레이트(220)는 유리(100)가 신뢰 굴곡 반경을 갖는 상태에서 좌우로 움직일 수 있다. 도 4b와 같은 형태의 평가 장치는 유리(100)가 이방성 곡률을 가질 때 이점을 갖는다. 유리(100)가 이방성 곡률을 가지는 경우, 유리(100) 상 위치에 따라 곡률 및 인가되는 응력이 다르다. 도 4b와 같이 유리(100)가 신뢰 곡률 반경을 갖는 상태에서 제1 플레이트(210) 및/또는 제2 플레이트(220)가 좌우로 움직인다면, 유리(100) 상의 모든 지점에 최소 곡률 또는 최대 응력 인가할 수 있다. 이로써, 신뢰성 높은 굴곡 신뢰성 평가가 이루어질 수 있다.
도 4c에 따르면, 제1 플레이트(210) 및 제2 플레이트(220)의 쌍은 복수 개 제공될 수 있다. 복수 개의 제1 플레이트(210) 및 제2 플레이트(220) 쌍은 수직으로 순차적으로 적층될 수 있다. 예컨대, 도 4c에 도시되어 있는 것과 같이, 제1 플레이트(210) - 제2 플레이트(220) - 제1 플레이트(210) - 제2 플레이트(220) 형태로 적층될 수 있다. 그러나, 제1 플레이트(210) 및 제2 플레이트(220)의 개수는 상기 예시에 국한되지 않는다. 따라서, 통상의 기술자는 필요에 따라 제1 플레이트(210) 및 제2 플레이트(220)의 수를 늘리거나 줄일 수 있다. 제1 플레이트(210)와 제2 플레이트(220)의 사이에는 유리가 제공될 수 있다. 따라서, 도 4c와 같이 제1 플레이트(210) 및 제2 플레이트(220)의 쌍은 복수 개 제공되는 경우, 동시에 여러 장의 유리(100)의 굴곡 신뢰성을 평가할 수 있다.
도 4d 내지 도 4e에 따르면, 제1 플레이트(210) 및 제2 플레이트(220) 사이에는 복수 개의 유리(100)가 제공될 수 있다. 이 경우, 복수 개의 유리(100)는 서로 나란히 제공될 수 있다. 나란히 제공된 복수 개의 유리(100)는 모두 동일한 신뢰 곡률 반경을 가질 수 있다. 이에 따라, 동시에 여러 장의 유리(100)의 굴곡 신뢰성을 평가할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면, 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
100: 유리 210: 제1 플레이트
220: 제2 플레이트

Claims (18)

  1. 유리의 두께와 목표 곡률 반경에 기초하여, 상기 목표 곡률 반경에서 상기 유리에 인가되는 제1 응력을 계산하는 단계;
    상기 제1 응력을 갖는 상기 유리가 피로 파괴되지 않는 최대 흠집 크기를 계산하는 단계;
    상기 최대 흠집 크기를 갖는 상기 유리가 견뎌야 하는 최소 크기의 제2 응력을 계산하는 단계;
    상기 제2 응력에 기초하여, 상기 유리가 가질 수 있는 신뢰 곡률 반경을 계산하는 단계; 및
    상기 신뢰 곡률 반경까지 상기 유리를 구부렸을 때 상기 유리가 파괴되는지 확인하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 굴곡 신뢰성 평가 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 응력은 하기 식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 유리 굴곡 신뢰성 평가 방법.
    [식 1]

    (σ1은 제1 응력, v는 상기 유리의 푸아송 비, E는 영률(Young's Modulus), t는 상기 유리의 두께, D는 상기 목표 곡률 반경을 갖는 상기 유리의 양 말단 사이 거리)
  3. 제2항에 있어서,
    상기 D는 상기 유리의 상기 목표 곡률 반경의 두 배인 것을 특징으로 하는 유리 굴곡 신뢰성 평가 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유리는 임계 응력 확대 계수(Threshold Stress Intensity Factor, Kth)를 갖고, 상기 최대 흠집 크기는 하기 식 2을 만족하는 것을 특징으로 하는 유리 굴곡 신뢰성 평가 방법.
    [식 2]

    (Kth는 임계 응력 확대 계수, Y는 기하학 인자(Geometry Factor), σ1은 제1 응력, amax는 최대 흠집 크기)
  5. 제4항에 있어서,
    상기 유리는 화학 강화된 유리로서 화학 강화에 의한 보강 응력을 갖고, 상기 최대 흠집 크기는 식 3을 만족하는 것을 특징으로 하는 유리 굴곡 신뢰성 평가 방법.
    [식 3]

    (Kth는 임계 응력 확대 계수, Y는 기하학 인자(Geometry Factor), σ1은 제1 응력, σcs는 보강 응력, amax는 최대 흠집 크기)
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유리는 파괴 인성(Fracture Toughness, KIC)를 갖고, 상기 제2 응력의 계산은 하기 식 4를 만족하는 것을 특징으로 하는 유리 굴곡 신뢰성 평가 방법.
    [식 4]

    (KIC는 파괴 인성(Fracture Toughness), Y는 기하학 인자(Geometry Factor), σ2은 제2 응력, amax는 최대 흠집 크기)
  7. 제6항에 있어서,
    상기 유리는 화학 강화된 유리로서 화학 강화에 의한 보강 응력을 갖고, 상기 최대 흠집 크기의 계산은 식 5를 만족하는 것을 특징으로 하는 유리 굴곡 신뢰성 평가 방법.
    [식 5]

    (KIC는 파괴 인성, Y는 기하학 인자(Geometry Factor), σ2은 제2 응력, σcs는 보강 응력, amax는 최대 흠집 크기)
  8. 제5항 또는 제7항에 있어서,
    상기 보강 응력(σcs)은 상기 최대 흠집 크기(amax)와 비례하는 것을 특징으로 하는 유리 굴곡 신뢰성 평가 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2 응력에 기초하여, 상기 유리가 가질 수 있는 신뢰 곡률 반경을 계산하는 단계는, 상기 유리가 가질 수 있는 최대 크기의 신뢰 곡률 반경을 계산하는 단계를 포함하고,
    상기 최대 크기의 신뢰 곡률 반경의 계산은 하기 식 6을 만족하는 것을 특징으로 하는 유리 굴곡 신뢰성 평가 방법.
    [식 6]

    (σ2는 제2 응력, v는 상기 유리의 푸아송 비, E는 영률(Young's Modulus), t는 상기 유리의 두께, Rt는 신뢰 곡률 반경)
  10. 제1항에 있어서,
    상기 신뢰 곡률 반경은 2.0㎜ 내지 2.5㎜인 것을 특징으로 하는 유리 굴곡 신뢰성 평가 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 유리의 두께는 10㎛ 내지 150㎛인 것을 특징으로 하는 유리 굴곡 신뢰성 평가 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 최대 흠집 크기는 1270㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 유리 굴곡 신뢰성 평가 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 유리는 2점 휨 시험(2 Point Bending Test)에 의해 구부러지는 것을 특징으로 하는 유리 굴곡 신뢰성 평가 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 2점 휨 시험 시 상기 유리에 인가되는 상기 제1 응력은 상기 유리의 두 말단의 정 가운데에 인가되는 압축 응력인 것을 특징으로 하는 유리 굴곡 신뢰성 평가 방법.
  15. 유리의 두께와 목표 곡률 반경에 기초하여, 상기 목표 곡률 반경에서 상기 유리에 인가되는 제1 응력을 계산하는 단계;
    상기 제1 응력을 갖는 상기 유리가 피로 파괴되지 않는 최대 흠집 크기를 계산하는 단계;
    상기 최대 흠집 크기를 갖는 상기 유리가 파괴되지 않기 위해 필요한 최소 크기의 제2 응력을 계산하는 단계;
    상기 제2 응력에서 상기 유리가 가질 수 있는 최대 크기의 신뢰 곡률 반경을 계산하는 단계; 및
    상기 신뢰 곡률 반경까지 상기 유리를 구부렸을 때 상기 유리가 파괴되는지 확인하는 단계를 포함하는 유리 굴곡 신뢰성 평가를 수행하는 평가 장치에 있어서,
    상기 평가 장치는 상기 유리의 양 말단에 제공되는 제1 플레이트 및 제2 플레이트를 포함하고,
    상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트는 상기 유리가 상기 신뢰 곡률 반경을 갖도록 상하 운동할 수 있는 것을 특징으로 하는 평가 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트는 상기 유리가 상기 신뢰 곡률 반경을 갖는 상태에서 좌우로 움직일 수 있는 것을 특징으로 하는 평가 장치.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트 사이에는 복수 개의 상기 유리가 제공되는 것을 특징으로 하는 평가 장치.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트의 쌍이 복수 개 제공되며, 상기 제1 플레이트와 상기 제2 플레이트 사이마다 상기 유리가 제공되는 것을 특징으로 하는 평가 장치.
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