KR20140084588A - 화학강화 유리의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 화학강화 유리의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유리 기판을 칼륨과 나트륨이 97:3 내지 85:15의 중량비로 포함되는 이온교환용 용액에 침지하여 유리 기판의 나트륨 이온을 칼륨 이온으로 교환하는 단계를 포함함으로써, 강도가 우수한 화학강화 유리를 제조할 수 있는 화학강화 유리의 제조방법에 관한 것이다.

Description

화학강화 유리의 제조방법{METHOD OF PRODUCING CHEMICALLY STRENGTHENED GLASS}
본 발명은 화학강화 유리의 제조방법에 관한 것이다.
최근 휴대폰의 터치 스크린, 건축용 및 각종 산업용으로 스크래치 발생이 적고 투광성이 뛰어난 박판 형태의 강화유리가 사용되고 있다.
일반적으로 유리는 인장강도만 갖고 있어, 충격이나 굽힘 등의 힘에 절대적으로 취약하다. 이러한 유리의 표면에 압축응력을 부가함으로써 유리의 총 인장강도를 부가된 압축응력과 유리 자체의 인장강도의 합으로 증가시켜 표면 강도, 내충격성, 굽힘 응력, 신율, 내열성, 내한성을 증가시킨 것이 강화유리이며, 건축용, 산업용, 선박용, 장식용, 전자용, 가전용 등 산업 전 분야에서 사용할 수 있다.
강화유리는 에칭 강화, 열 강화, 화학 강화 등을 통해 제작되는데, 에칭 강화는 유리 표면에 소형의 굴곡을 주는 방법으로 투과율이 현저하게 떨어지는 단점이 있다. 열 강화는 가장 많이 사용되는 유리의 강화 방식인데 유리 표면을 내부보다 고화시켜 압축강도를 높이는 방법으로 유리의 표면 온도를 720~750℃로 급가열하여 표면 유동성을 증가시킨 후 찬 냉매를 분사하여 급냉한다. 다만, 열 경화는 유리 내부까지 열이 침투되는 것을 방지하기 위해 일반적으로 유리 두께가 3mm 이상, 선팽창계수가 4.5×10-5/℃ 정도의 유리에만 적용할 수 있는 한계가 있다.
화학 강화는 알카리 알루미노 실리케이트를 포함한 유리에 적용하며 유리 표면의 작은 이온을 큰 이온으로 치환하여 표면에 압축 응력을 발생시키는 방법이다. 미국 코닝사의 개발품인 고릴라 유리는 유리 조성면에서 다량의 지르코늄(Zr)을 포함하며, 칼륨은 약 18% 정도를 함유하는 고가의 화학강화 유리이다. 그러나, 고릴라 유리는 질산 칼륨 용액에 유리를 장시간 침지시키는 것으로, 치환이라기 보다는 어닐링 기법에 가까운 방법으로 제조된다.
또한 최근 모바일 기기, LCD용, 네비게이션 등에 사용되는 박판 유리에서 화학 강화를 실시하고 있으나, 강화비용이 고가이고 유리의 사이즈가 클수록 파손 위험이 크며, 휨 현상이 발생하여 양산이 어려운 문제가 있다. 이러한 이유로 지금까지는 박판 소형 유리에만 화학 강화를 적용할 수 있었으며, 특히 후판 및 건축용, 태양광용, 산업용 등 다양한 크기와 형태의 유리에는 화학 강화를 적용하기 어려웠고, 치환층의 깊이 및 위치 때문에 박판유리에서도 극히 한정적인 부분 밖에는 제작이 불가능하였다.
그러나, 점차 강화 유리의 수요가 증가하고 있으며, 이는 박판과 후판에 모두 해당하고, 건축용에 적용되는 열차단 또는 열반사유리 및 건물 외벽용 색상유리, 내장용 장식유리, 태양광용 에칭 유리 등 모든 분야에서 강화 유리가 사용됨에 따라 다양한 두께와 형태, 크기의 유리에 적용될 수 있는 저가의 화학강화 방법의 개발이 절실한 실정이다.
본 발명은 다양한 두께와 형태, 크기의 유리에 적용될 수 있는 화학강화 유리의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 강도가 우수한 화학강화 유리의 제조방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
1. 유리 기판을 칼륨과 나트륨이 97:3 내지 85:15의 중량비로 포함되는 이온교환용 용액에 침지하여 유리 기판의 나트륨 이온을 칼륨 이온으로 교환하는 단계를 포함하는 화학강화 유리의 제조 방법.
2. 위 1에 있어서, 상기 이온교환용 용액은 칼륨 소스 용액과 나트륨 소스 용액의 혼합 용액인 화학강화 유리의 제조 방법.
3. 위 2에 있어서, 상기 칼륨 소스 용액은 질산칼륨(KNO3), 수산화인산칼륨(K2HPO4), 염화칼륨(KCl) 및 인산칼륨(K2PO4)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 용액인 화학강화 유리의 제조 방법.
4. 위 1에 있어서, 상기 나트륨 소스 용액은 질산나트륨(NaNO3), 수산화인산나트륨(Na2HPO4), 염화나트륨(NaCl) 및 인산나트륨(Na2PO4)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 용액인 화학강화 유리의 제조 방법.
5. 위 1에 있어서, 상기 이온 교환용 용액은 온도가 400 내지 500℃인 화학강화 유리의 제조 방법.
6. 위 1에 있어서, 상기 유리 기판은 이온 교환 전에 예열 단계를 더 거치는 화학강화 유리의 제조 방법.
7. 위 6에 있어서, 상기 예열 단계 전에 상기 유리 기판의 표면을 평탄화하는 단계를 더 거치는 화학강화 유리의 제조 방법.
8. 위 1에 있어서, 상기 유리 기판의 나트륨 이온을 칼륨 이온으로 교환하는 단계 후에 서냉, 세정 및 건조 단계를 더 수행하는 화학강화 유리의 제조 방법.
9. 위 8에 있어서, 상기 건조 단계 후에 유리 기판을 미리 정해진 크기로 절단하여 단위 유리 제품을 얻는 단계를 더 포함하는 화학강화 유리의 제조 방법.
본 발명의 화학강화 유리의 제조방법은 이온교환용 용액에 나트륨을 소량 포함함으로써 강도가 우수한 화학강화 유리를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 화학강화 유리의 제조방법은 다양한 두께와 형태, 크기의 유리에 적용될 수 있다.
본 발명은 유리 기판을 칼륨과 나트륨이 97:3 내지 85:15의 중량비로 포함되는 이온교환용 용액에 침지하여 유리 기판의 나트륨 이온을 칼륨 이온으로 교환하는 단계를 포함함으로써, 강도가 우수한 화학강화 유리를 제조할 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하도록 한다.
본 발명은 유리 기판의 나트륨 이온을 칼륨 이온으로 교환하기 위한 이온교환용 용액이 칼륨과 나트륨을 97:3 내지 85:15의 중량비로 포함한다. 본 발명에 따른 이온교환용 용액은 나트륨을 상기 범위로 포함함으로써 얻어지는 화학강화 유리의 강도를 보다 높게 상승시킬 수 있다.
이온교환용 용액 내의 칼륨과 나트륨은 이온교환용 용액이 포함하고 있는 칼륨 소스 용액과 나트륨 소스 용액에서 기인한다. 칼륨 소스 용액은 용액 상태에서 칼륨 이온을 생성할 수 있는 칼륨 소스를 포함하는 용액으로서 당분야에서 사용되는 것이라면 특별한 제한은 없다. 예를 들면 질산칼륨(KNO3), 수산화인산칼륨(K2HPO4), 염화칼륨(KCl), 인산칼륨(K2PO4) 등을 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 포함하고 있는 용액일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 나트륨 소스 용액은 용액 상태에서 나트륨 이온을 생성할 수 있는 나트륨 소스를 포함하는 용액이라면 특별한 제한은 없다. 예를 들면, 질산나트륨(NaNO3), 수산화인산나트륨(Na2HPO4), 염화나트륨(NaCl), 인산나트륨(Na2PO4) 등을 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 포함하고 있는 용액일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 이온교환용 용액에 유리 기판을 소정 시간 동안 침지시키면 유리 기판의 나트륨 이온이 칼륨 이온으로 교환되면서 화학강화가 이루어진다.
이하에서는 본 발명에 따른 화학강화 유리의 제조방법의 일 실시예를 보다 상세하게 설명하도록 한다.
유리 기판은 이온교환 단계를 거치기 전에 그 표면을 연마하는 평탄화 공정을 거칠 수 있다. 평탄화 공정은 유리 기판의 평활도를 확보할 뿐만 아니라 이온 교환 공정을 수행할 때에 칼륨 소스 용액 내의 칼륨 이온(K+)과 유리 기판 내의 나트륨 이온(Na+)이 용이하게 상호 교환되도록 하기 위한 공정으로, 유리 기판의 표면을 평탄하게 연마하는 공정이다. 상기 평탄화 공정은 당분야에서 알려진 공정을 특별한 제한 없이 채택할 수 있으며, 예를 들면 산화세륨 연마제 등을 이용할 수 있다.
평탄화된 유리 기판은 이온 교환 단계를 거치기 전에 예열 단계를 더 거칠 수 있다. 유리 기판을 예열로의 내부로 투입하고, 온도를 120℃ 내지 500℃로 단계적으로 상승시켜 예열한다. 예열 단계에서는 유리 각 부위 온도의 평형성이 중요한데, 부분적으로만 가열될 경우에는 부위별 팽창력 차이와 유리 내부 상들의 상호 관계에서 쌍절이 발생하므로, 이를 방지하기 위하여 일정 온도까지는 급속 가열하고, 일정 온도에서는 온도를 유지하여 승온과 정온을 반복하면서 단계별로 온도를 높이는 것이 바람직하다. 단계적 승온을 통해 유리 기판의 전 부분의 온도를 균일하게 유지함으로써 유리의 파손을 방지할 수 있다.
예열된 유리 기판은 전술한 본 발명에 따른 이온교환용 용액에 침지하여 이온교환 단계를 수행한다. 유리 기판 표면에 분포하는 작은 이온(나트륨 이온)은 빠져나오고, 그 자리에 칼륨 소스 용액 내의 큰 이온(칼륨 이온)이 들어가게 된다. 나트륨 이온(Na+)의 원자 크기는 0.98Å이고, 칼륨 이온(K+)의 원자 크기는 1.33Å 이므로 나트륨 이온 자리에 칼륨 이온이 들어가게 되면, 유리 기판 표면에 압축 응력층을 형성하게 되어 큰 표면 밀도를 갖는 강화유리가 형성되게 된다.
이온 교환 과정에서 유리의 상하, 좌우 온도의 편차가 1℃ 이상이면 유리 내부의 열응력에 의한 편차로 인해 내부 쌍절이 일어날 수 있어, 이온 교환에 문제가 발생하므로 온도 편차 없이 일정 온도를 유지하는 것이 바람직하다.
이온 교환용 용액은 온도가 400 내지 500℃인 것이 바람직하며, 침지 시간은 유리의 두께와 형상에 따라 차이가 적절하게 채택한다.
이온 교환 단계 후에는 서냉 단계, 세정 단계, 건조 단계를 거쳐 화학강화 유리를 제조할 수 있다.
서냉 단계는 예열단계와 역순으로 고온 상태의 유리를 약 70℃까지 단계적으로 냉각시킨다. 서냉 단계는 이온 교환된 유리의 강도를 결정짓는 과정이다. 서냉 단계를 통해 유리 기판에 변형이 발생하지 않고, 또한 유리에 잔류하는 응력을 제거할 수 있다. 서냉 단계에서 급격한 온도 변화는 물리적 강화인 열강화 효과를 가져오며, 유리의 부분적 냉각 속도의 차이로 내부 진유리(내부의 강화 되지 않은 원 소재의 유리)에 충격을 주게 되어 내부 크랙이 발생할 수 있다. 따라서, 예열 단계의 승온 시와 마찬가지로 냉각되는 온도를 다단계에 걸쳐 냉각을 하여야 하며, 이때 유리에 스트레스를 유발할 수 있는 강제 송풍이나 교반을 피하고, 열을 자연 배출하는 방식을 이용하는 것이 바람직하다. 약 70℃까지 낮춘 유리는 이후 35℃까지 공기 중에서 급냉하여 표면을 강화할 수 있다(공냉 단계).
서냉 단계를 마친 유리 기판은 소정 온도(예컨대, 약 80℃)의 온수가 담긴 세정조로 이송시켜 원판유리 에 묻은 이물질 등을 세정한다.
세정조에서 유리 기판을 인출하고, 세정된 유리 기판을 건조로로 이송하여 건조한다. 건조로에서 소정 온도 (예컨대, 약 80℃)의 열풍 건조를 통해 건조될 수 있다.
이와 같이 제조된 화학강화 유리는 휴대폰, TV, 모니터, 터치 스크린 패널, 태양 전지 등 다양한 분야에서 유용하게 사용될 수 있다. 화학강화 유리는 구체적인 용도에 따라 적절한 크기로 절단되어 사용될 수 있는데, 절단 공정은 화학강화 처리 전에 미리 수행되어 단위 제품 크기로 제조된 유리 기판을 화학강화 처리할 수도 있으며, 또는 화학강화 처리한 후에 절단 공정을 수행할 수도 있다.
화학강화 처리 전에 수행되는 절단 공정은 일반적인 유리의 절단 공정을 적용할 수 있으므로 구체적인 설명은 생략한다.
화학강화 처리 후에 수행되는 절단 공정도 당분야에 알려진 방법을 특별한 제한 없이 채택할 수 있다. 예를 들면, 기계적 방법 또는 광학적 방법을 사용할 수 있다.
기계적 방법은 화학강화 유리보다 강도가 높은, 예를 들면 다이아몬드 블레이드(diamond blade)를 유리 기판에 절단경로를 따라 접촉시켜 유리 기판의 표면에 스크라이빙 라인을 형성시킨 후 절단하는 방법이며, 광학적 방법은 유리 기판에 레이저를 조사하여 스크라이빙 라인을 형성시킨 후 절단하는 방법이다.
레이저를 조사하는 경우에는, 레이저 빔의 조사 후에 냉각제를 분사하는 것이 바람직하다. 레이저 빔의 조사로 가열된 화학강화 유리가 분사되는 냉각제에 의해 순간적으로 냉각되면서 스크라이빙 라인 형성에 더욱 바람직한 효과를 나타낼 수 있다.
냉각제로는 당분야에서 상용되는 것이 특별한 제한 없이 사용될 수 있다. 예를 들면, 물, 공기, 탄소수 1 내지 5의 알코올, 액체 질소 등을 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 다른 측면에서, 필요에 따라 레이저 빔의 조사 전에 강화처리된 유리 표면의 불순물을 제거하는 수단을 더 구비할 수 있다. 표면에 불순물이 존재하게 되면 레이저 빔의 에너지를 흡수하게 되어, 화학강화 유리에 충분한 에너지가 전달되지 않으므로 스크라이빙 라인 형성이 균일하지 않을 수 있다. 이러한 불순물 제거 수단으로는, 예를 들면 공기를 분사하는 공기 분사기를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
화학강화 유리의 절단 방법으로 다른 예로는 식각액을 사용하여 습식에칭하는 방법을 들 수 있다. 습식 에칭법에 대해 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 화학강화 유리 기판에서 절단하고자 하는 절단선 부분을 제외한 나머지 부분을 레지스트막으로 마스킹한다. 레지스트막은 추후 식각액의 식각 공정에서 절단되는 부분을 제외한 다른 부분을 식각액으로부터 보호하는 기능을 한다.
레지스트막은 디스플레이용 유리 기판의 적어도 한 면, 즉 어느 한 면 또는 양면에 형성될 수 있으며, 바람직하게는 양면에 형성될 수 있다.
레지스트막은 필름 또는 코팅층 형태로 형성될 수 있다. 구체적인 예를 들면, 폴리비닐 클로라이드, 폴리 에틸렌, 폴리 프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 등의 고분자 소재로 형성될 수 있다. 이외에 시판되는 내화학성 코팅용 조성물로는 GER-1000PHR30을 예로 들 수 있다.
레지스트막의 형성은 필름을 라미네이트하거나, 코팅용 조성물을 스크린 인쇄, 스핀 코팅, 옵셋 인쇄 등의 방법으로 수행될 수 있다.
다음으로, 상기 마스킹된 유리 기판 중 절단선 부분을 식각액으로 식각한다. 마스킹된 유리 기판을 식각액이 담긴 수조에 침지하거나, 마스킹된 유리 기판에 식각액을 도포하여 식각 공정을 수행할 수 있다.
식각액은 디스플레이 유리 기판을 식각할 수 있는 당분야의 통상적인 식각액이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 pH 1.0 내지 2.5인 산성 용액을 사용할 수 있다. 이러한 식각액은 예를 들면 불산(HF) 수용액이 사용되는데, 필요에 따라 불화 암모늄과 같은 불산염 및 과산화수소, 염산, 황산, 질산 등의 무기산을 더 포함하여 제조될 수 있고, 용매로서 알코올 등을 더 포함할 수도 있다.
식각액에 의한 식각 공정은 20 내지 30 ℃의 온도로 5 내지 30 분간 수행되는 것이 바람직하다.
식각액에 의한 식각이 완료되면 화학강화 유리 기판은 원하는 크기의 절단된다.
원하는 크기로 절단(식각)된 후에는 유리 기판 상에 잔류하는 레지스트막을 제거한다. 레지스트막의 제거는 당분야에 알려진 방법을 특별한 제한 없이 채택할 수 있다. 레지스트막 제거 공정이 완료되면, 모서리의 상하부를 면취하는 공정, 세정 및 건조 공정 등을 수행한 후, 화학강화 유리의 단위 유리 제품을 얻을 수 있다.
이러한 식각액에 의한 습식 식각 공정은 유리 기판의 식각 단면을 균일한 형상과 치수를 확보할 수 있도록 하는 장점이 있다.

Claims (9)

  1. 유리 기판을 칼륨과 나트륨이 97:3 내지 85:15의 중량비로 포함되는 이온교환용 용액에 침지하여 유리 기판의 나트륨 이온을 칼륨 이온으로 교환하는 단계를 포함하는 화학강화 유리의 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 이온교환용 용액은 칼륨 소스 용액과 나트륨 소스 용액의 혼합 용액인 화학강화 유리의 제조 방법.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 칼륨 소스 용액은 질산칼륨(KNO3), 수산화인산칼륨(K2HPO4), 염화칼륨(KCl) 및 인산칼륨(K2PO4)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 용액인 화학강화 유리의 제조 방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 나트륨 소스 용액은 질산나트륨(NaNO3), 수산화인산나트륨(Na2HPO4), 염화나트륨(NaCl) 및 인산나트륨(Na2PO4)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 용액인 화학강화 유리의 제조 방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 이온 교환용 용액은 온도가 400 내지 500℃인 화학강화 유리의 제조 방법.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 유리 기판은 이온 교환 전에 예열 단계를 더 거치는 화학강화 유리의 제조 방법.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 예열 단계 전에 상기 유리 기판의 표면을 평탄화하는 단계를 더 거치는 화학강화 유리의 제조 방법.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 유리 기판의 나트륨 이온을 칼륨 이온으로 교환하는 단계 후에 서냉, 세정 및 건조 단계를 더 수행하는 화학강화 유리의 제조 방법.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 건조 단계 후에 유리 기판을 미리 정해진 크기로 절단하여 단위 유리 제품을 얻는 단계를 더 포함하는 화학강화 유리의 제조 방법.
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