KR20070105068A - 이온 교환을 이용한 유리 강화 방법 - Google Patents

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KR20070105068A
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정경택
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삼성코닝 주식회사
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    • C03C23/007—Other surface treatment of glass not in the form of fibres or filaments by thermal treatment

Abstract

이온 교환을 이용한 유리 강화 방법에서, 유리 표면의 적어도 일부분에 대하여 알칼리 금속 이온의 염 및 유리보다 높은 연화점을 가지며 입자 크기가 5㎛ 이하인 무기 산화물을 포함하는 혼합물로 처리한다. 상기 유리를 이온 교환에 충분한 시간 동안 상승된 온도에서 유지시킨다. 그 다음, 상기 유리를 냉각 및 세척한다. 상기 이온 교환에 의해 유리 표면에는 변화된 이온 조성비를 갖는 표면 확산층이 형성되며, 이에 따라 유리의 전기 전도성 및 내구성 등을 향상시킬 수 있다.

Description

이온 교환을 이용한 유리 강화 방법{Method of strengthening a glass using an ion exchange treatment}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 유리의 전기적 특성을 보여주는 그래프이다.
본 발명은 이온 교환을 이용한 유리 강화 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 이온 교환을 이용한 유리 강화 방법에 관한 것이다.
소다 석회 규산염(soda lime silicate)으로 이루어진 유리 패널은 대부분의 표시장치나 전기 장치의 구성요소로서 널리 사용된다. 텔레비전이나 컴퓨터 모니터 등의 제조에 사용되는 음극관용 패널에서부터 최근의 박막 액정 표시장치(thin film transistor-liquid crystal display, TFT-LCD), 플라즈마 디스플레이 패널(plasma display panel), 유기 EL(organic electro luminescent) 등과 같은 평판 표시장치에 이르기까지 널리 사용되고 있다.
평판 표시장치에 사용되는 유리 패널의 대형화와 함께 두께와 무게를 감소시키기 위한 경량화 및 박형화가 진행됨에 따라 이에 따르는 구조적 취약성을 보완할 수 있는 강화 방법이 연구되고 있다. 유리 패널의 강화 방법으로는 크게 물리 강화 방법과 화학 강화 방법으로 나눌 수 있다. 이 중, 화학 강화 방법은 이온 교환 처리를 통하여 압축 응력층을 유리 패널의 표면에 형성하는 원리를 이용하는 방법이다.
널리 사용되는 이온 교환 처리 방법으로는, 습식 이온 교환 방법과 건식 이온 교환 방법이 있다. 습식 이온 교환 방법에서는 유리를 용융된 염을 포함하는 염 수조(salt bath)에 침지하여 유리에 이온을 공급한다. 유리 표면과 용융된 염 사이의 이온 교환 공정은, 상승된 온도 분위기에서 염 수조에 침지된 유리로 이온이 농도 차이에 의한 확산에 의해 침투함으로써 이루어진다. 건식 이온 교환 방법은 염을 함유하는 코팅액 또는 페이스트(paste)를 유리 표면에 증착함으로써 수행된다.
산업적 용도로써 대규모로 유리를 처리하기에는 상기 건식 이온 교환 방법이 습식 이온 교환 방법 보다 경제적인 이유로 더 유리하다. 또한, 유리 표면의 일부분만을 처리하기 위해서는 상기 건식 이온 교환 방법이 습식 이온 교환 방법보다 용이하게 사용될 수 있다.
유리 패널에 대하여 습식 또는 건식에 의한 이온 교환 처리를 하면, 상기 유리 패널 표면층의 화학적 조성이 이온 교환 처리 전과 달라진다. 표면층의 화학적 조성은 유리 패널의 표면층으로부터 내층까지 서서히 변화하게 된다. 이에 따라, 이온 유동성 및 전기 전도도 등과 같은 유리의 특성 또한 유리의 표면층으로부터 내층까지 변화하게 된다.
유리 표면층의 전기 전도도는 유리의 화학적 조성에 따라 달라지며, 이는 전 기적 파괴(electrical breakdown)에 대한 유리의 저항성에 강한 영향을 미친다. 이때 유리 표면층에 포함된 이온의 유동성이 낮아질수록 전기 전도도는 낮아지고 유리의 강도는 높아진다.
따라서 작은 크기의 이온을 보다 낮은 유동성을 갖는 다른 큰 이온으로 대체하는 것은 유리 표면층의 이온 유동성을 감소시킬 수 있는 방법 중 하나이다. 이온 유동성의 감소 정도는 이온 교환 과정에 참여하는 이온의 종류 및 농도에 달려있다. 그러나 기존의 이온 교환 방법으로는 유리 표면의 이온들을 충분히 대체하기 어려워 기존의 이온 교환 후에 유리 표면의 조성은 대개 한 가지 종류의 이온만을 포함하였다. 따라서 이온 교환의 효과를 충분히 달성하기가 어려웠다.
따라서 본 발명의 목적은 이온 교환에 의해 유리 표면층의 화학적 조성을 변화시킴으로써 상기 유리 표면을 강화하는 방법을 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 유리 표면의 적어도 일부분에 대하여 알칼리 금속 이온의 염 및 유리보다 높은 연화점(softening point)을 가지며 입자 크기가 5㎛ 이하인 무기 산화물(inorganic oxide material)을 포함하는 혼합물로 처리하는 단계, 상기 유리를 이온 교환에 충분한 시간 동안 상승된 온도에서 유지시키는 단계, 상기 유리를 냉각시키는 단계 및 상기 유리를 세척하는 단계를 포함하는 유리 강화 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 알칼리 금속 이온은 나트륨 이온(Na+), 칼륨 이온(K+), 루비듐 이온(Rb+) 또는 세슘 이온(Cs+)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 알칼리 금속 이온의 염은 질화물(nitrate), 염화물(chloride) 또는 황화물(sulfate)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 무기 산화물은 알루미나(Al2O3)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 상승된 온도는 450℃ 내지 740℃의 범위일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유리를 세척하는 단계 이후에 추가적인 열처리를 더 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유리는 유리 표면으로부터 5㎛ 이하의 두께에서 최대의 전기 저항값을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유리는 전기 방전 장치(electric discharge device)에 사용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 이온 교환에 의해 유리 표면층의 화학적 조성을 변화시킴으로써 상기 유리 표면을 강화할 수 있다. 상기 이온 교환에 의해 유리 표면에는 변화된 이온 조성비를 갖는 표면 확산층이 형성되며, 이에 따라 유리의 전기 전도성 및 내구성 등을 향상시킬 수 있다.
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.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 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.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하지만, 본 발명은 하기의 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구현될 수도 있다. 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 보다 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상과 특징이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공된다.
이온 교환을 이용한 유리 강화 방법
본 발명에 따른 유리에 대한 이온 교환을 이용한 강화 방법은, 유리 표면의 적어도 일부분에 대하여 알칼리 금속 이온의 염 및 유리보다 높은 연화점(softening point)을 가지며 입자 크기가 5㎛ 이하인 무기 산화물(inorganic oxide material)을 포함하는 혼합물로 처리하는 단계, 상기 유리를 이온 교환(ion exchange)에 충분한 시간 동안 상승된 온도에서 유지시키는 단계, 상기 유리를 냉각시키는 단계 및 상기 유리를 세척하는 단계를 포함한다.
먼저, 유리 표면의 적어도 일부분에 대하여, 알칼리 금속 이온의 염(salt) 및 유리보다 높은 연화점을 가지며 입자 크기가 5㎛ 이하인 무기 산화물을 포함하는 혼합물로 처리한다.
상기 유리는 음극선관, 표시장치, 전기 방전 램프(electric discharge device), 형광 램프 등을 제조하는 데에 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유리는 소다 석회 규산염(soda lime silicate)으로 이루어진다.
상기 혼합물에 포함된 무기 산화물은 상기 혼합물 내에서 알칼리 금속 이온을 담지하여 유리 표면에 균일한 막을 입힘으로써 이온 교환이 유리 표면에 걸쳐 균일하게 이루어지도록 하는 역할을 한다. 따라서 상기 무기 산화물은 유리 표면과 혼합물 사이에서 이온 교환 과정이 일어나는 온도 조건에서 화학적으로 분해되거나 유리 패널의 표면과 반응하지 않아야 한다. 따라서 유리보다 높은 연화점을 가지는 것이 바람직하다. 또한 이온 교환이 유리 표면에 대하여 균일하게 이루어지고 혼합물의 유동성을 좋게 하기 위하여 상기 무기 산화물은 5㎛ 이하인 입자 크기를 갖는 것이 바람직하다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 무기 산화물은 산화 알루미늄, 즉 알루미나(alumina, Al2O3)를 사용할 수 있다.
상기 알칼리 금속 이온은 예를 들면, 나트륨 이온(Na+), 칼륨 이온(K+), 루비듐 이온(Rb+) 또는 세슘 이온(Cs+) 등을 포함한다. 또한, 상기 알칼리 금속 이온의 염은 예를 들면, 상기 알칼리 금속 이온들의 질화물(nitrate), 염화물(chloride) 또는 황화물(sulfate) 등을 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 알칼리 금속 이온의 염으로써 세슘 질화물(CsNO3), 칼륨 질화물(KNO3), 나트륨 질화물(NaNO3) 등을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 혼합물은 적어도 두 종류 이상의 알칼리 금속 이온을 포함한다. 이와 같은 조성을 갖는 혼합물을 사용하여 유리에 대한 이온 교환 처리를 할 때, 상기 유리에 대한 강화 효과가 더욱 증가하여 더 낮은 전기 전도도 및 더 높은 화학적 내성(chemical durability)을 가질 수 있다.
상기 혼합물은 상기 유리의 표면에 분무(spraying), 페인팅(painting) 또는 침지(immersing) 등의 방법에 의해 처리할 수 있다. 유리 표면 중 일부분에 대해서만 이온 교환 처리를 수행하고자 할 때, 분무에 의해 혼합물을 처리하는 것이 바람 직하다.
다음에, 상기 혼합물을 처리한 유리를 이온 교환에 충분한 시간 동안 상승된 온도에서 유지시킨다. 고온에서 충분한 시간 동안 유리 표면과 혼합물이 접촉하면, 상기 혼합물에 포함된 칼륨 이온(K+), 루비듐 이온(Rb+) 또는 세슘 이온(Cs+) 등이 유리 표면층의 나트륨 이온(Na+)을 치환하고, 나트륨 이온은 반대로 유리 밖으로 빠져나가는 이온 교환이 이루어진다.
전기 방전 램프 등에 사용되는 유리에 요구되는 특성 중, 열에 대한 안정성은 유리 표면층에 포함되는 이온의 이온 유동성(ion mobility)과 밀접하게 관련된다. 또한 상기 이온 유동성은 이온이 갖는 활성화 에너지가 증가할수록 감소한다. 상기 활성화 에너지는 이온의 종류에 따라 다르며 이온 반지름이 증가함에 따라 현저히 증가하게 된다. 리튬 이온(Li+), 나트륨 이온(Na+), 칼륨 이온(K+), 루비듐 이온(Rb+) 및 세슘 이온(Cs+)의 순서대로 이온 반지름이 증가하므로, 활성화 에너지는 증가한다. 따라서 유리 표면층의 나트륨 이온이 나트륨 이온보다 이온 반지름이 큰 칼륨 이온, 루비듐 이온 또는 세슘 이온 등으로 교환됨에 따라, 유리 표면의 이온 유동성은 감소하고 이에 따라 열에 대한 유리의 안정성은 증가하게 된다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 유리의 표면층을 나트륨 이온보다 반지름이 큰 적어도 두 가지 종류 이상의 이온으로 치환함으로써 더 낮은 이온 유동성을 갖게 할 수 있다.
상기와 같은 이온 교환은 유리의 온도를 상승시킴으로써 더욱 촉진될 수 있다. 이는 온도가 상승됨에 따라 유리로의 이온 확산 속도가 빨라지기 때문이다. 그러나 온도를 지나치게 상승시킬 경우, 유리 자체의 특성이 열화될 수 있다. 따라서 이온 교환 공정에 있어서 온도의 상승 범위 및 상승된 온도를 유지시키는 시간을 적절히 조절함으로써 유리 표면층의 화학적 구성이 원하는 조성비를 갖도록 변화시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 이온 교환 공정시 온도는 약 780℃를 초과하지 않는다. 이온 교환 공정시 온도가 약 780℃를 초과하게 되면 유리 표면에 원치 않는 변형(deformation)이 일어날 수 있다.
또한, 상기 상승된 온도는 수십 분 내지 수십 시간 동안 유지시킬 수 있으며, 상승된 온도를 유지시키는 시간에 따라 형성되는 표면층의 두께를 조절할 수 있다. 오랜 시간 동안 고온을 유지할수록 이온 교환에 의해 형성되는 표면층의 두께가 두꺼워진다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유리를 약 400℃ 내지 약 780℃ 정도의 온도가 되도록 가열한 후 소정의 시간 동안 상기 온도를 유지할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 유리를 소정의 시간 동안 약 450℃ 내지 약 740℃ 정도의 온도로 가열한 후 유지시킬 수 있다.
이온 교환이 충분히 이루어진 유리를 냉각시킨다. 상기 유리를 냉각시킨 후, 상기 유리 표면에 잔류하는 혼합물을 제거하기 위한 세척 공정을 더 실시한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유리를 세척한 후 추가적인 열처리 공 정을 더 수행할 수 있다.
상기 이온 교환 공정을 수행하면 유리 표면층의 나트륨 이온이 나트륨 이온보다 이온 반지름이 큰 칼륨 이온, 루비듐 이온 또는 세슘 이온으로 교환됨에 따라 유리 표면층의 이온 조성비가 달라져서 새로운 이온 조성비를 갖는 표면 확산층(surface diffusion layer)이 유리 표면에 형성된다. 이에 따라 이온 조성비에 의존하는 특성인 전기 저항성, 화학적 내구성, 물리적 내구성, 열적 안정성 등이 향상되어 향상된 특성을 갖는 유리를 제조할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 표면 확산층은 약 5㎛ 이하의 두께를 갖는다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 유리 표면에 가까워질수록 전기 저항값이 높아지며 특히, 전기 저항의 최대값은 유리 표면으로부터 약 5㎛ 이하의 두께에서 나타난다. 유리 표면 부분의 전기 저항값이 높아질수록 전자빔(electron ray)에 의한 착색(coloring)으로부터 유리를 더 효과적으로 보호할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이온 교환 공정이 수행함으로써 형성된 전기 저항값의 분포를 보여주는 그래프이다. 도 1에서, x축은 유리 표면으로부터 측정한 두께를 나타내며, y축은 상대적인 전기 저항값을 나타낸다.
도 1을 참고하면, 유리 표면에 가까워질수록 표면 확산층의 전기 저항값이 증가한다. 또한 전기 저항의 최대값은 유리 표면으로부터 약 5㎛ 이내의 두께에서 나타난다.
이하, 본 발명의 유리에 대한 이온 교환 처리 방법을 다양한 실시예들 및 비교예들을 통해 보다 상세히 설명한다.
실시예 1
소다 석회(soda lime)로 이루어진 유리 패널을 준비하여 질화 세슘(cesium nitrate, CsNO3)을 30 mol%로 포함하고 알루미나(alumina, Al2O3)를 70 mol%로 포함하는 혼합물을 상기 유리 패널의 표면에 코팅하였다. 이때, 알루미나는 입자의 평균 크기가 약 0.1㎛인 분말을 사용하였다.
상기 유리 패널의 표면으로부터 수분을 증발시키는 건조 공정을 수행하여 상기 유리 표면에 고체상의 염 함유층(salt-containing layer)을 형성한다.
상기 건조 공정 후 상기 유리 패널을 전기로(electric furnace)에 도입하여 설정된 온도-시간 스케쥴에 따라 열처리를 수행하였다. 상기 온도-시간 스케쥴에서는 먼저, 60분 동안 20℃에서 450℃까지 가열하였다. 다음에, 120분 동안 450℃를 유지한 후 60분 동안 450℃에서 20℃로 냉각하였다.
상기 열처리를 수행한 후, 유리 패널을 세척함으로써 유리 표면에 표면 확산층(surface diffusion layer)을 형성하였다.
실시예 2
질화 세슘을 50 mol%로 포함하고 입자의 평균 크기가 약 0.1㎛인 알루미나를 50 mol%로 포함하는 혼합물을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 실질적으로 동일한 공정에 의해 유리 표면에 표면 확산층을 형성하였다.
실시예 3
질화 세슘을 70 mol%로 포함하고 입자의 평균 크기가 약 0.1㎛인 알루미나를 30 mol%로 포함하는 혼합물을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 실질적으로 동일한 공정에 의해 유리 표면에 표면 확산층을 형성하였다.
실시예 4
질화 세슘을 30 mol%로 포함하고 입자의 평균 크기가 약 1.1㎛인 알루미나를 70 mol%로 포함하는 혼합물을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 실질적으로 동일한 공정에 의해 유리 표면에 표면 확산층을 형성하였다.
실시예 5
질화 세슘을 50 mol%로 포함하고 입자의 평균 크기가 약 1.1㎛인 알루미나를 50 mol%로 포함하는 혼합물을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 실질적으로 동일한 공정에 의해 유리 표면에 표면 확산층을 형성하였다.
실시예 6
질화 세슘을 70 mol%로 포함하고 입자의 평균 크기가 약 1.1㎛인 알루미나를 30 mol%로 포함하는 혼합물을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 실질적으로 동일한 공정에 의해 유리 표면에 표면 확산층을 형성하였다.
실시예 7
질화 나트륨(sodium nitrate, NaNO3)을 25 mol%로, 질화 칼륨(potassium nitrate, KNO3)을 25 mol%로 포함하고 입자의 평균 크기가 약 1.1㎛인 알루미나를 50 mol%로 포함하는 혼합물을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 실질적으로 동일한 공정에 의해 유리 표면에 표면 확산층을 형성하였다.
실시예 8
질화 칼륨을 25 mol%로, 질화 세슘을 25 mol%로 포함하고 입자의 평균 크기가 약 1.1㎛인 알루미나를 50 mol%로 포함하는 혼합물을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 실질적으로 동일한 공정에 의해 유리 표면에 표면 확산층을 형성하였다.
실시예 9
질화 나트륨을 10 mol%로, 질화 칼륨을 40 mol%로 포함하고 입자의 평균 크기가 약 1.1㎛인 알루미나를 50 mol%로 포함하는 혼합물을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 실질적으로 동일한 공정에 의해 유리 표면에 표면 확산층을 형성하였다.
실시예 10
질화 나트륨을 20 mol%로, 질화 칼륨을 30 mol%로 포함하고 입자의 평균 크기가 약 1.1㎛인 알루미나를 50 mol%로 포함하는 혼합물을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 실질적으로 동일한 공정에 의해 유리 표면에 표면 확산층을 형성하였다.
비교예 1
본 발명의 실시예에 따른 이온 교환 처리를 하지 않은, 소다 석회로 이루어진 유리 패널을 준비하였다.
상기 실시예 1 내지 10에 따른 혼합물에 포함된 알칼리 금속 이온 염의 조성을 하기 표 1에 나타내었다.
혼합물 조성 (㏖%) 알루미나입자의 크기(㎛)
Al2O3 CSNO3 NaNO3 KNO3
실시예 1 70 30 - - 0.1
실시예 2 50 50 - - 0.1
실시예 3 30 70 - - 0.1
실시예 4 70 30 - - 1.1
실시예 5 50 50 - - 1.1
실시예 6 30 70 - - 1.1
실시예 7 50 - 25 25 1.1
실시예 8 50 25 - 25 1.1
실시예 9 50 - 10 40 1.1
실시예 10 50 - 20 30 1.1
유리 표면의 표면 확산층의 평가
상기 실시예 1 내지 10에 따라 이온 교환 처리를 수행한 유리 패널들의 표면에서 크랙(crack)이나 다른 결함은 발견되지 않았다. 또한, 유리 패널들에 형성된 표면 확산층의 두께는 상기 실시예 1 내지 10에서 약 2㎛이었다.
세슘 이온의 표면 농도 측정
실시예 1 내지 6에 따른 이온 교환 처리를 수행한 유리 패널과 비교예 1의 유리 패널에 존재하는 세슘 이온(Cs+)의 표면 농도를 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
구분 세슘 이온(Cs+)의 표면 농도
실시예 1 24
실시예 2 24
실시예 3 38
실시예 4 18
실시예 5 37
실시예 6 41
비교예 1 15
상기 표 2를 참조하면, 실시예 1 내지 6에 따른 이온 교환 처리를 수행한 유리 패널은 이온 교환 처리를 수행하지 않은 비교예 1의 유리 패널에 비하여 모두 세슘 이온의 표면 농도가 증가하였다.
유리 표면에 처리하는 혼합물에 포함된 질화 세슘의 농도가 커질수록 세슘 이온의 표면 농도가 증가하였다. 또한 실시예 1 및 실시예 4를 비교하면, 동일한 농도의 질화 세슘을 사용한 경우 혼합물에 포함되는 알루미나의 입자의 크기가 0.1㎛일 때가 알루미나의 입자의 크기가 1.1㎛인 경우보다 세슘 이온의 표면 농도가 더 증가하였다. 그러나 실시예 2 및 실시예 5와 실시예 3 및 실시예 6을 각각 비교하면, 혼합물에 포함되는 알루미나의 입자의 크기가 1.1㎛일 때가 알루미나의 입자의 크기가 0.1㎛인 경우보다 세슘 이온의 표면 농도가 더 증가하였다. 따라서 이온을 담지하는 알루미나 입자가 미세한 크기를 가질 때 이온 교환이 효율적으로 이루어짐을 확인할 수 있다. 또한 알루미나 입자가 5㎛ 이하의 크기인 경우, 상기 범위 내에서는 알루미나 입자의 크기와 이온 교환의 효율성과의 밀접한 상관관계는 존재하지 않는 것으로 볼 수 있다.
칼륨 이온의 확산 깊이
실시예 3 내지 8에 따른 이온 교환 처리를 수행한 유리 패널 표면의 칼륨 이온(K+)의 표면 확산 깊이를 측정하여 하기 표 3에 나타내었다.
구분 칼륨 이온(K+)의 확산 깊이(㎛)
실시예 3 0.1
실시예 4 1.1
실시예 5 1.1
실시예 6 1.1
실시예 7 12
실시예 8 12
상기 표 3을 참조하면, 질화 칼륨을 포함하지 않은 혼합물을 사용하여 이온 교환을 처리한 실시예 3 내지 6의 유리 패널에 비하여, 질화 칼륨을 25 mol%로 포함한 혼합물을 사용하여 이온 교환 처리를 수행한 실시예 7 및 실시예 8의 유리 패널의 경우, 칼륨 이온이 유리 패널 내로 충분히 확산되어 칼륨 이온을 포함하는 표면 확산층을 형성하였음을 알 수 있다.
전기적 저항성 테스트 및 밝기 테스트
본 발명의 이온 교환 처리를 수행한 유리 패널을 이용한 제조된 형광 램프의 특성을 평가하였다.
먼저, 실시예 5 및 실시예 8 내지 10에 따른 이온 교환 처리를 수행한 유리 패널 및 이온 교환 처리를 수행하지 않은 비교예 1의 유리 패널을 준비하였다. 상기 유리 패널들에 대하여 각각 액정(LCD) 모니터에 사용되는 형광 램프(luminescent lamps)를 제조하기 위한 온도-시간 스케쥴에 따른 열처리 공정을 수행하였다. 상기 온도-시간 스케쥴에 있어서 먼저, 60분 동안 20℃에서 700℃까지 가열하였다. 700℃에서 5분 동안 유지한 후, 60분 동안 700℃에서 다시 20℃로 냉각하였다.
상기 열처리 공정 후 이온 교환 처리가 수행된 유리 패널의 표면에 형광체층(phosphor layer)을 증착하였다. 다음에, 전극 및 프릿층(frit layer)을 증착한 후 두 개의 유리 패널을 접착하고 약 500℃의 온도에서 소결함으로써 백 형광 램프를 형성하였다.
상기와 같은 공정으로 제조된 형광 램프에 대하여 고전압에서의 전기적 파괴(electric breakdown)에 대한 저항성 테스트 및 램프 밝기 테스트를 각각 실시하였다. 상기 전기적 파괴에 대한 저항성은 형광 램프에 대하여 약 200mA의 전류를 계속적으로 공급함으로써 핀홀(pinhole) 형성에 의한 형광 램프의 전기적 특성의 파괴가 일어나기까지 걸리는 시간을 측정함으로써 테스트하였다. 또한 상기 램프 밝기 테스트에서는 표준 측광기를 이용하여 형광 램프의 전면으로부터 1m 떨어진 거리에서 방출광의 빛의 세기를 측정하였다.
상기 테스트 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
저항성 테스트 (분) 밝기 테스트 (임의의 단위)
비교예 1 1326 4700
실시예 5 1883 4762
실시예 8 - 4740
실시예 9 - 4645
실시예 10 - 4746
표 4를 참조하면, 실시예 5에 따른 유리 패널을 이용하여 제조된 형광 램프는 핀홀 형성에 의해 파괴 현상이 일어나기까지 1883분이 걸렸다. 이는 본 발명에 따른 이온 교환 공정을 수행하지 않은 비교예 1의 1326분에 비하여 약 42%가 개선된 것으로 본 발명의 이온 교환 공정에 의해 유리 패널의 전기적 특성이 크게 강화되었음을 알 수 있다.
또한 실시예 5 내지 8에 따른 유리 패널을 이용하여 제조된 형광 램프는 모두 비교예 1과 비교하여, 비슷하거나 약간 더 향상된 밝기를 나타내어 본 발명에 따른 이온 교환 공정은 형광 램프의 밝기 특성에는 영향을 미치지 않고 유리 패널을 강화할 수 있음을 알 수 있다.
본 발명에 따르면, 이온 교환에 의해 유리 표면층의 화학적 조성을 변화시킴 으로써 상기 유리 표면을 강화할 수 있다. 이온 교환 과정에 이용되는 혼합물은 알칼리 금속 이온의 염 및 유리보다 높은 연화점을 가지며 입자 크기가 5㎛ 이하인 무기 산화물을 포함한다. 상기 이온 교환에 의해 유리 표면에는 변화된 이온 조성비를 갖는 표면 확산층이 형성되며, 이에 따라 유리의 전기 전도성, 내구성 및 열적 안정성 등을 향상시킬 수 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 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.

Claims (8)

  1. 유리 표면의 적어도 일부분에 대하여 알칼리 금속 이온의 염(salt) 및 상기 유리보다 높은 연화점(softening point)을 가지며 입자 크기가 5㎛ 이하인 무기 산화물(inorganic oxide material)을 포함하는 혼합물로 처리하는 단계;
    상기 유리를 이온 교환에 충분한 시간 동안 상승된 온도에서 유지시키는 단계;
    상기 유리를 냉각시키는 단계; 및
    상기 유리를 세척하는 단계를 포함하는 유리 강화 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 알칼리 금속 이온은 나트륨 이온(Na+), 칼륨 이온(K+), 루비듐 이온(Rb+) 및 세슘 이온(Cs+)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 강화 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 알칼리 금속 이온의 염은 질화물(nitrate), 염화물(chloride) 및 황화물(sulfate)로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 강화 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 무기 산화물은 알루미나(Al2O3)를 포함하는 것을 특징 으로 하는 유리 강화 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 상승된 온도는 450℃ 내지 740℃의 범위인 것을 특징으로 하는 유리 강화 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 유리를 세척하는 단계 이후에 추가적인 열처리를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 강화 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 유리는 유리 표면으로부터 5㎛ 이하의 두께에서 최대의 전기 저항값을 갖는 것을 특징으로 하는 유리 강화 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 유리는 전기 방전 장치(electric discharge device)에 사용되는 것을 특징으로 하는 유리 강화 방법.
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