KR20180102194A - 열적으로 강화된 광변색성 유리 및 관련 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

강화된 광변색성 유리 시트 또는 물품뿐만 아니라 상기 강화된 광변색성 유리 시트 또는 물품을 제조하기 위한 공정 및 시스템은 제공된다. 상기 공정은 광호변성 유리 시트에 대한 왜곡없이 단시간에 원하는 온도로 광변색성 유리 시트를 가열하는 단계를 포함한다. 상기 공정은 또한 시트의 표면 압축 및 중심 장력을 고정하기에 충분히 장기간 비-접촉 열전도에 의해 광변색성 유리 시트를 냉각시키는 단계를 포함한다. 상기 공정은 열적으로 강화된 광변색성 유리 시트를 결과한다.

Description

열적으로 강화된 광변색성 유리 및 관련 시스템 및 방법

본 출원은, 2016년 1월 29일자로 출원된 미국 가 특허출원 제62/288,549호의 우선권을 주장하며, 이의 전체적인 내용은 여기에 참조로서 혼입된다.

본 출원은, 하기 특허출원들과 관련되고, 및 이의 전체적인 내용은 여기에 참조로서 혼입된다: 2016년 1월 29일자로 출원된, 미국 가 특허출원 제62/288,851호; 2015년 7월 30일자로 출원된, 미국 특허출원 제14/814,232호; 2015년 7월 30일자로 출원된, 미국 특허출원 제14/814,181호; 2015년 7월 30일자로 출원된, 미국 특허출원 제14/814,274호; 2015년 7월 30일자로 출원된, 미국 특허출원 제14/814,293호; 2015년 7월 30일자로 출원된, 미국 특허출원 제14/814,303호; 2015년 7월 30일자로 출원된, 미국 특허출원 제14/814,363호; 2015년 7월 30일자로 출원된, 미국 특허출원 제14/814,319호; 2015년 7월 30일자로 출원된, 미국 특허출원 제14/814,335호; 2014년 7월 31일자로 출원된, 미국 가 특허출원 제62/031,856호; 2014년 11월 4일자로 출원된, 미국 가 특허출원 제62/074,838호; 2015년 4월 14일자로 출원된, 미국 가 특허출원 제62/031,856호; 2015년 7월 30일자로 출원된, 미국 특허출원 제14/814,232호; 2015년 7월 30일자로 출원된, 미국 특허출원 제14/814,181호; 2015년 7월 30일자로 출원된, 미국 특허출원 제14/814,274호; 2015년 7월 30일자로 출원된, 미국 특허출원 제14/814,293호; 2015년 7월 30일자로 출원된, 미국 특허출원 제14/814,303호; 2015년 7월 30일자로 출원된, 미국 특허출원 제14/814,363호; 2015년 7월 30일자로 출원된, 미국 특허출원 제14/814,319호; 2015년 7월 30일자로 출원된, 미국 특허출원 제14/814,335호; 2015년 10월 2일자로 출원된, 미국 가 특허출원 제62/236,296호; 2016년 1월 29일자로 출원된, 미국 가 특허출원 제62/288,549호; 2016년 1월 29일자로 출원된, 미국 가 특허출원 제62/288,566호; 2016년 1월 29일자로 출원된, 미국 가 특허출원 제62/288,615호; 2016년 1월 29일자로 출원된, 미국 가 특허출원 제62/288,695호; 2016년 1월 29일자로 출원된, 미국 가 특허출원 제62/288,755호.

본 개시는 일반적으로 광변색성 유리 (photochromic glass)에 관한 것으로, 구체적으로는, 열적으로 강화된 (thermally strengthened) 광변색성 유리에 관한 것이고 및 상기 광변색성 유리, 특히 얇은 광변색성 유리 시트의 열적 강화를 위한 관련 방법 및 시스템에 관한 것이다.

광변색성 유리의 제조에서, 미량의 할로겐화물, 은, 및 부가적인 증감제 (sensitizers), 예컨대, 비소, 안티몬, 주석, 또는 구리를 함유하는 알칼리 보로알루미노실리케이트 유리 조성물은, 용융되고, 부어지며 및 냉각되어 유리 물품을 형성한다. 유리 물품은 냉각시에 투명하고, 및 적절한 재가열 및 어닐링이 주어지면, 통상적으로 10 내지 500 옹스트롬 범위의 직경을 갖는 콜로이드성 할로겐화은 결정 (colloidal silver halide crystals)은 유리 내에 침전된다. 할로겐화은 결정은, 상당한 자외선 (UV) 방사 성분 없이 가시광선에 대해 투명하고, 따라서, 통상의 인공조명 (예를 들어, 실내조명)에 노출되는 경우, 유리는 "투명"하다. 그러나, 유리, 따라서 할로겐화은 결정이 자외선에 노출되는 경우, 할로겐화은 결정은, 자외선과 반응하여 원소 은 및 할로겐화물의 분자를 형성한다. 원소 은 및 할로겐화물의 분자는, 가시광선의 상당 부분을 흡수하고 및 유리는 색상이 어두워진다. 유리가 자외선의 노출로부터 벗어나면, 원소 은 및 할로겐화물의 분자는, 재결합되어 할로겐화은 결정을 형성하고 및 유리는 투명하게 회복된다. 이 가역성 할로겐화은에서 은 및 할로겐화물로의 반응은, UV 선을 갖는 가시광선, 예를 들어, 태양광에 노출되는 경우, 유리의 가역성 흐릿함 (reversible dimming) 또는 음영 (shading)을 제공한다.

할로겐화은 결정을 침전시키기 위한 광변색성 유리의 재가열 및 어닐링을 위한 열 가공 파라미터 (thermal processing parameters)는, 광변색성 유리의 열적 강화를 위한 열 가공 파라미터와 다를 수 있다. 예를 들어, 할로겐화은 결정의 침전을 가능하게 하는 열처리는, 16시간 동안 유리의 변형점 온도에서 유리를 유지시키는 단계 또는 15분 동안 유리의 연화 온도에서 유리를 유지시키는 단계를 포함할 수 있다. 따라서, 광변색성 유리, 특히 얇은 광변색성 유리 시트의 현재의 강화는, 이온-교환 (화학적) 강화 처리를 통해 제공된다.

유리 시트의 열적 (또는 "물리적") 강화에서, 유리 시트는, 유리의 유리 전이 온도 이상의 상승된 온도로 가열되고, 및 그 다음, 시트의 표면은 빠르게 냉각 ("퀀칭 (quenched)")되는 동안, 시트의 내부 영역은 더 느린 속도로 냉각된다. 상기 내부 영역은, 이들이 유리의 상당히 낮은 열 전도도 (conductivity) 및 두께에 의해 절연되기 때문에, 더 천천히 냉각된다. 온도차 냉각 (differential cooling)은, 유리 표면 영역에서 잔류 압축 응력 (residual compressive stress)을 생성하고, 유리의 중심 영역에서 잔류 인장 응력 (tensile stress)과 균형을 이룬다.

유리의 열적 강화는, 유리의 화학적 강화와 구분되며, 여기서, 표면 압축 응력은, 이온 확산과 같은 공정에 의해 표면 근처의 영역에서 유리의 화학적 조성을 변화시켜 생성된다. 몇몇 이온확산 기반 공정에서, 유리의 외부 부분은, 유리 표면 근처의 더 작은 이온을 더 큰 이온으로 교환시켜 표면상에 또는 근처에 압축 응력 (또한, 음의 인장 응력이라 한다)을 부여하여 강화될 수 있다. 압축 응력은, 균열 개시 및/또는 전파를 제한하는 것으로 믿어진다.

유리의 열적 강화는, 또한 공정에 의해 강화된 유리와 구별되며, 여기서, 유리의 외부 부분은, 두 타입의 유리를 조합하여 강화되거나 또는 배열된다. 이러한 공정에서, 다른 열팽창계수를 갖는 유리 조성물의 층은, 고온에서 함께 조합되거나 또는 적층된다. 예를 들어, 더 낮은 열팽창계수 (CTE)를 갖는 용융 유리의 층들 사이에 더 높은 CTE를 갖는 용융 유리를 샌드위치시켜, 내부 유리에서 양의 장력은, 유리가 냉각되는 경우, 외부 층을 압축하여, 표면상에 압축 응력을 다시 형성하여 양의 인장 응력과 균형을 이룬다. 이 표면 압축 응력은 강화를 제공한다.

열적으로 강화된 광변색성 유리는, 강화되지 않은 광변색성 유리에 비해 장점이 있다. 강화된 광변색성 유리의 표면 압축은, 강화되지 않은 광변색성 유리보다 더 큰 내파단성 (resistance to fracture)을 제공한다. 강도에서 증가는, 일반적으로 표면 압축 응력의 양에 비례한다. 시트가 이의 두께에 비해, 충분한 수준의 열적 강화를 보유하고, 그 다음 시트가 파괴된다면, 일반적으로 이것은, 날카로운 에지를 갖는 큰 또는 길쭉한 단편 (fragment)으로 보다는 작은 단편으로 나뉠 것이다. 다양한 확립된 표준에 의해 정의된 것으로, 충분히 작은 단편, 또는 "다이스 (dices)"로 파괴된 유리는, 안전한 유리, 또는 "완전히 템퍼링된 (fully tempered)" 유리, 또는 때때로 간단히 "템퍼링된" 유리로 알려질 수 있다.

강화의 정도는 퀀칭 동안 유리 시트의 표면과 중심 사이에 온도 차이에 의존하기 때문에, 더 얇은 유리는, 정해진 응력을 달성하기 위해 더 빠른 냉각 속도를 요구한다. 또한, 더 얇은 유리는, 일반적으로 파괴시 작은 입자로 다이싱 (dicing)을 달성하기 위해 더 높은 값의 표면 압축 응력 및 중심 인장 응력을 요구한다. 따라서, 약 3㎜ 이하의 두께를 갖는 유리에서 원하는 수준의 템퍼링을 달성하는 것은, 불가능하지는 않지만, 매우 어려운 일이다.

본 개시의 관점은 또한 일반적으로 광변색성 유리의 외부 부분을 강화시키기 위한 응력 프로파일 (stress profiles)을 갖는 광변색성 유리에 관한 것이다. 광변색성 유리의 시트와 같은, 광변색성 유리는, 광범위한 적용에 대해 사용될 수 있다. 이러한 적용들의 예로는, 자동-색조 선글라스 (self-tinting sunglasses), 센서와 같은 산업용 적용, 장난감과 같은 신규한 품목, 또는 기타 적용을 포함한다.

본 개시는, 부분적으로, 고도로 강화된 얇은 광변색성 유리 시트 및 물품, 및 과거에 달성되지 않은 두께에서 광변색성 유리 시트의 놀랍도록 높은 수준의 열 강화를 달성하는 방법, 공정, 및 시스템에 관한 것이다. 다양한 구체 예에서, 본 개시의 공정 및 방법은, 광변색성 유리와 액체 또는 고체 히트 싱크 (heat sinks)를 접촉시킬 필요없이, 전통적인 대류 가스 열적 강화 공정에 의해 제공된 광변색성 유리 두께 한도 및 열 전달률 (heat transfer rates)을 능가하는 것으로 믿어진다. 이러한 시스템 및 공정에서, 퀀칭 동안, 광변색성 유리는, 오직 공기와 접촉된다. 개시된 시스템 및 방법은, (적어도 몇몇 고려된 구체 예에서) 적어도 0.1㎜만큼 얇은 두께에 이르는 두께를 갖는 광변색성 유리 시트에서, "완전한 템퍼링" 또는 다이싱 거동을 포함하는, 열적 강화를 가능하게 하고; 및 몇몇 구체 예에서, 퀀칭 동안에 액체 또는 고체 접촉의 결핍으로부터 결과하는 높은 정도의 평탄도 (flatness) 및 낮은 거칠기 (roughness)를 또한 갖는 얇은 광변색성 유리 시트에서 이러한 강화를 제공한다. 다양한 구체 예에서, 이러한 장점의 광변색성 유리 시트 물질 특성은, 전통적인 대류 유리 템퍼링 시스템과 비교하여, 실질적으로 낮은 퀀칭 파워 요건 (quenching power requirements)을 갖는 시스템 및 방법에 의해 제공된다.

본 개시의 하나의 구체 예는, 광변색성 유리 물질을 열적으로 강화시키는 공정에 관한 것이다. 이 공정은 광변색성 유리 물질로부터 형성된 물품을 제공하는 단계를 포함한다. 상기 공정은, 광변색성 유리 물질의 유리 전이 온도 이상에서 상기 물품을 가열하는 단계 및 수십 옹스트롬 (Å) 내지 수백 Å, 예를 들어, 10-999 Å의 범위에서 직경을 갖는 할로겐화은의 결정을 침전시키는 단계를 포함한다. 상기 공정은 가열된 물품을 냉각 스테이션 (cooling station)으로 이동시키는 단계를 포함한다. 상기 냉각 스테이션은, 가열된 물품에 대면하는 히트 싱크 표면 및 상기 히트 싱크 표면이 가열된 물품에 접촉하지 않도록 가열된 물품으로부터 상기 히트 싱크 표면을 분리시키는 가스 갭 (gas gap)을 갖는 히트 싱크를 포함한다. 상기 공정은, 표면 압축 응력 및 중심 인장 응력이 물품 내에서 생성되도록 가열된 물품을 유리 전이 온도 아래의 온도로 냉각시키는 단계를 포함한다. 상기 물품은, 가열된 물품을 떠나는 20% 초과의 열 에너지가 갭을 가로지르고 및 히트 싱크에 의해 수신되도록 갭을 가로지르는 전도에 의해 가열된 물품으로부터 히트 싱크로 열 에너지를 전달하여 냉각된다.

본 개시의 다른 구체 예는, 광변색성 유리 시트를 열적으로 강화시키는 시스템에 관한 것이다. 이 시스템은, 열을 광변색성 유리 시트에 전달하고 및 할로겐화은의 결정을 침전시키는 가열 소자 (heating element)를 포함하는 가열 스테이션을 포함한다. 상기 광변색성 유리 시트는, 제1 주 표면, 제2 주 표면 및 상기 제1 및 제2 주 표면 사이에 두께를 포함한다. 상기 시스템은, 냉각 동안에 상기 광변색성 유리 시트가 상기 채널 내에 위치되도록, 히트 싱크 표면들 사이에 채널 (channel)을 한정하는 대립 제1 및 제2 히트 싱크 표면을 포함하는, 냉각 스테이션을 포함한다. 상기 시스템은, 광변색성 유리 시트가 제1 및 제2 히트 싱크 표면에 접촉하지 않고 채널 내에서 지지되도록, 가압된 가스를 채널에 전달하는 가스 베어링 (gas bearing)을 포함하고, 상기 가스 베어링은 갭 구역 (gap area)을 한정한다. 상기 가스 베어링은, 채널 내로의 가스의 총 질량 유량 (total mass flow rate)이 갭 구역의 제곱미터당 0을 초과하고 2k/gCp 미만이 되도록 채널 내로 가스를 전달하며, 여기서, k는 열 전도의 방향에서 평가된 채널 내에 가스의 열 전도도이고, g는 광변색성 유리 시트와 히트 싱크 표면 사이에 거리이며, 및 Cp는 채널 내에 가스의 비열용량 (specific heat capacity)이다.

본 개시의 또 다른 구체 예는, 강화된 광변색성 유리 물품에 관한 것이다. 상기 물품은 제1 주 표면, 상기 제1 주 표면에 대립하는 제2 주 표면, 및 상기 제1 및 제2 주 표면 사이에 위치된 내부 영역을 포함한다. 상기 물품은, 2㎜ 미만의 제1 주 표면과 제2 주 표면 사이에 평균 두께를 포함한다. 상기 제1 주 표면 및 제2 주 표면 모두의 적어도 일부의 이온 함량 및 화학적 구성분은, 내부 영역의 적어도 일부의 이온 함량 및 화학적 구성분과 동일하다. 상기 제1 주 표면 및 제2 주 표면은, 압축 응력하에 있고 및 상기 내부 영역은 인장 응력하에 있으며, 및 상기 압축 응력은 150MPa를 초과한다. 상기 제1 주 표면의 표면 거칠기는, 0.2 내지 1.5nm R_a 거칠기이다.

부가적인 특색 및 장점은 하기 상세한 설명에서 서술될 것이고, 부분적으로 하기 상세한 설명으로부터 기술분야의 당업자에게 명백하거나, 또는 하기 상세한 설명, 청구항뿐만 아니라 첨부된 도면을 포함하는, 여기에 기재된 구체 예를 실행시켜 용이하게 인지될 것이다.

전술한 배경기술 및 하기 상세한 설명 모두는 단순히 대표적인 것이고, 청구항의 본질 및 특징을 이해하기 위한 개요 또는 틀거리를 제공하도록 의도된 것으로 이해될 것이다.

수반되는 도면은, 또 다른 이해를 제공하기 위해 포함되고, 본 명세서에 혼입되며, 본 명세서의 일부를 구성한다. 도면은 하나 이상의 구체 예를 예시하고, 상세한 설명과 함께 다양한 구체 예의 원리 및 작동을 설명하는 역할을 한다.

도 1 (종래 기술)은, 유리 두께의 함수에 따른 "완전한 템퍼링"에 요구된 블로어 전력 (blower power)의 그래프이다.
도 2 (종래 기술)는, 구 공정 또는 기계 (O) 및 새로운 공정 또는 기계 (N)에 대한 유리 두께의 함수에 따른 "완전한 템퍼링"에 요구된 블로어 전력의 그래프이다.
도 3 (종래 기술)은, 도 1의 그래프에 일치되고 중첩되도록 크기가 조정된 도 2의 구 곡선 (O) 및 신 곡선 (N)의 그래프이다.
도 4는, 대표적인 구체 예에 따른 광변색성 유리 물품 또는 시트의 사시도이다.
도 5는, 대표적인 구체 예에 따라 도 4의 열적으로 강화된 유리 시트의 개략적인 부분 단면도이다.
도 6은, 대표적인 구체 예에 따른 유리 물품에 대하여 추정된 인장 응력 대 두께의 그래프이다.
도 7은, 대표적인 구체 예에 따라 파단된 유리 물품의 부분을 나타낸다.
도 8은, 실험으로부터의 양의 인장 응력의 함수에 따른 제곱 센티미터당 단편화 (fragmentation)의 플롯이다.
도 9는, 다이싱을 달성하기 위한 임계값을 나타내는, 실험으로부터 초기 고온 존 온도의 함수에 따른 표면에서 음의 인장 응력의 크기의 플롯이다.
도 10은, 본 발명의 방법 및 시스템의 하나 이상의 구체 예에 의해 얻어진 가상 온도 (fictive temperatures)에 대한 무-차원 (non-dimensional) 표면 가상 온도 파라미터 (θs)의 플롯이다.
도 11은, 나타낸 다양한 조성물에 대해 제안된 템퍼링 가능성 파라미터 (temperability parameter) (Ψ)에 대해 플롯된, 다른 유리 조성물에 대하여 모의실험 (simulation)에 의해 계산된 표면 압축 응력의 플롯이다.
도 12 및 도 13은, 열전달계수 (h)의 함수에 따른 2개의 파라미터 (P₁ 및 P₂)의 그래프이다.
도 14는, 본 개시의 시스템 및 방법의 하나 이상의 구체 예에 의해 새롭게 개발된 성능의 영역을 나타내는, 밀리미터 단위의 시트의 두께 (t)의 함수에 따른 유리 시트의 표면 압축의 MPa 단위의 그래프이다.
도 15는, 본 개시의 템퍼링된 유리 시트의 선택된 대표적인 구체 예에 대해 플롯된 두께의 함수에 따른 압축 응력을 나타내는 그래프이다.
도 16은, 본 개시에 따른 방법의 몇몇 관점을 예시하는 흐름도이다.
도 17은, 본 개시에 따른 또 다른 방법의 몇몇 관점을 예시하는 흐름도이다.
도 18은, 본 개시의 방법 및 시스템이, 종래의 기술과 대조적으로, 작동할 수 있는, 영역에 나타내기 위해 영역 (R) 및 그 위에 표시된 지점 (A, B, A' 및 B')을 갖는 도 3의 그래프이다.
도 19는, 도 2의 감소된 크기의 복사본에 인접하게 나타낸 (및 스케일에 비례하여 위치된), 도 18의 영역 (R) 및 지점 (A, B, A '및 B')의 또 다른 표현이다.
도 20 (종래 기술)은, 유리 두께의 함수에 따라 템퍼링을 위해 필요한 요구된 열전달계수 (heat transfer coefficient)의 그래프이다.
도 21은, 대표적인 구체 예에 따라, 대류에 의한 것보다 전도에 의해 냉각되는 유리 시트의 개략적인 단면도이다.
도 22는, 대표적인 구체 예에 따른 전도성 강화 시스템의 개략적인 단면도이다.
도 23은, 대표적인 구체 예에 따른, 도 22의 시스템과 유사한 시스템의 다른 구체 예의 절단 사시도이다.
도 24는, 대표적인 구체 예에 따른, 도 23의 삽도 피쳐 (inset feature)의 선택적인 구체 예의 절단 사시도이다.
도 25는, 대표적인 구체 예에 따른, 도 23의 삽도 피쳐의 또 다른 선택적인 구체 예의 절단 사시도이다.
도 26은, 대표적인 구체 예에 따른 또 다른 방법의 몇몇 관점을 예시하는 흐름도이다.
도 27은, 대표적인 구체 예에 따른 유리창을 갖는 건물의 사시도이다.
도 28은, 대표적인 구체 예에 따른 유리 물품 또는 시트의 사시도이다.

출원인은 광변색성 유리를 열적으로 강화하기 위한 방법 및 시스템 및 그 결과로 생긴 열적으로 강화된 광변색성 유리 시트 자체 모두에서, 광변색성 유리의 열적 가공에서 개선에 대한 필요성을 인식했다. 예를 들어, 더 얇지만, 강한 광학-품질의 광변색성 유리 시트 물질 및 이러한 광변색성 유리 시트를 포함하는 제품은, 안과용 렌즈, 센서와 같은 산업적 적용, 장난감과 같은 신규 품목, 등을 포함하는, 다수의 적용에 대해 유용하다. 유리는 표면에서 압축이 매우 강하지만, 장력은 상대적으로 약한 것으로 이해된다. 시트의 표면에서 압축을 제공하고, 노출된 표면이 없는 중심에서 장력에 의해 균형을 이루어, 광변색성 유리 시트의 유용한 강도는 극적으로 증가된다. 그러나, 유리의 전통적인 열적 강화가 일반적으로 선택 가능한 강화의 방법 (예를 들어, 화학적 강화, 적층-기반 강화)에 비해 저렴하고 빠르지만, 유리의 전통적인 열적 강화는, 얇은 광변색성 유리 (예를 들어, 2-3㎜ 이하의 광변색성 유리 시트)를 강화하는데 효과적인 것으로 알려져 있지 않다. 전통적인 열적 유리 강화 방법은, 통상적으로, 강화의 수준이 퀀칭 동안 유리의 표면과 중심 사이에 생성된 온도 차이에 의존하기 때문에 두꺼운 유리 시트로 제한되는 것으로 생각되고; 및 전통적인 강화 방법의 열적 전도율 한계 때문에, 얇은 유리 시트 전체에서 통상적으로 발생하는 상대적으로 균일한 냉각으로 인해 얇은 광변색성 유리 시트의 표면과 중심 사이에 상당한 온도 차이를 달성하는 것은 어렵다.

한편, 이온 교환을 통해 얇은 광변색성 유리를 강화하는 것은, 장시간 동안 광변색성 유리의 화학적 입욕 (bathing)을 요구하는 것과 같이, 시간-소비적이고, 번거로울 수 있다. 다른 타입의 유리에 직접 광변색성 유리를 적층하는 것은, 이중-아이소파이프 퓨전 인발 (dual-isopipe fusion draw)을 포함하는 단계와 같이, 복잡한 제조 공정을 요구할 수 있다.

따라서, 안과용 렌즈, 센서, 장난감, 등과 같은 다양한 용도를 위해 광변색성 유리의 강화를 결과하는 응력 프로파일을 갖는 광변색성 유리 물품에 대한 필요성이 존재한다. 구체적으로, 여기서 논의된 공정 및 시스템은, 광변색성 유리의 외부 부분을 강화시키는 응력 프로파일을 갖는 광변색성 유리 물품을 형성하고, 결국, 이는 균열 및 손상을 완화하는 작용을 하는 동시에 다양한 다른 바람직한 광변색성 유리 품질 (예를 들어, 기하학적 구조, 표면 품질, 낮은 복굴절, 낮은 굴절률 변화, 가역적인 흑변 형상 (darkening) 및 페이딩 (fading), 등)을 가능하게 하여 다양한 광변색성 유리 적용들에서 사용을 용이하게 한다.

본 상세한 설명은, 고도로 강화된 광변색성 유리 물질, 및 특히 고도로 강화된 얇은 광변색성 유리 시트를 생산하기 위해 열적 강화를 활용하기 위한 개선된 방법 및 시스템을 제공한다. 상기 방법 및 시스템은, 다양한 종래의 광변색성 유리 강화 공정의 한계를 해결하여, 약 8㎜ 미만, 7mm, 6㎜, 5㎜, 4㎜, 3㎜, 2㎜ 미만, 1.5㎜ 미만, 1.0㎜ 미만, 0.5㎜ 미만, 약 0.25㎜ 미만, 및 약 0.1㎜ 미만의 두께를 갖는 광변색성 유리 시트에서 높은 수준의 강화를 가능하게 한다. 특히, 출원인은, 비록 매우 얇은 광변색성 유리 시트라 할지라도 강화 또는 템퍼링을 제공하기 위해, 광변색성 유리 시트의 표면과 중심 사이에 충분히 큰 온도 차이를 형성하는 매우 높은 열 전도율을 제공하는 시스템 및 방법을 개발하였다.

광변색성 유리의 개요

광변색성 유리는, 지금 잘 알려져 있고 및 화학 방사선 (actinic radiation), 본질적으로 자외선에 노출되는 경우, 흑화되며, 및 이러한 자극성 공급원 (excitatory source)이 사라지면 밝아지는 이들의 능력을 특징으로 한다. Pierson 및 Stookey (미국 특허 제3,208,860호)에 의해 광변색성 유리의 발명 이후, 50년 동안, 이들은, 광변색성의 속성 중 하나 또는 다른 특성이 특정 적용에 대해 최적화되었는 지의 여부에 의존하여, 수많은 변형으로 변화하여 적용되어 왔다. 일반적으로, 안과용 적용을 위한 광변색성 유리의 임계적 속성은: (화학 방사선의 부재하에서) 투명한 상태에서 이들의 색상 및 투과 (transmission)의 수준, 화학 방사선에 노출로부터 결과하는 흑변 형상 후에 이들의 색상 (통상적으로 회색 및 갈색) 및 투과, 보통 0 내지 40℃의, 온도의 함수에 따라 흑화된 상태에서 투과의 수준에서 낮은 폭의 변화, 및 자극성 광원이 사라지는 경우 가역적으로 밝아지는 이들의 능력이다.

Pierson-Stookey 특허에 개시된 바와 같이, 다색 유리들 (polychromatic glasses)은, 광범위한 기본 조성물로 구성될 수 있다. 그러나, 각각은, 은, 알칼리 금속 산화물 (바람직하게는 Na₂O), 불소, 및 염화물, 브롬화물, 및 요오드화물의 군으로부터 선택된 적어도 하나의 할로겐화물을 함유해야 한다. 상기 유리는, 높은 에너지 또는 화학적 방사선으로 조사될 수 있다. 화학 방사선이 자외선으로 공급되는 경우, 산화 세슘 (CeO₂)은, 유리 조성물의 요구된 성분이다.

여기에 참조로서 혼입되는, 미국 특허 제4,204,027호; 제4,190,541호; 제4,168,339호; 제4,148,661호; 및 제4,018,965호에 개시된 유리 조성물과 같은, 안과용 용도에 필요한 이들의 광변색성 특성 및 이들의 기타 특성 모두에 대하여 초기의 광변색성 유리를 개선하기 위한 계속적인 노력은 이루어져 왔다. 예를 들어, 미국 특허 제4,190,451호 (Hares 등)는 광색성 (photochromism)을 위한 필수적 구성분으로, 15-0.3중량% Ag; 0.1-0.25중량% Cl; 0.1-0.2중량% Br 및 0.004-0.02중량% CuO를 함유하는 R₂O―Al₂O₃―B₂O₃―SiO₂계 유리를 개시한다. 상기 특허는 또한 CoO, NiO 및 Cr₂O₃와 같은, 1%까지의 전이 금속 산화물, 및 유리 착색제로서, Er₂O₃과 같은, 5%까지의 희토류 금속 산화물을 첨가하는 가능성을 개시한다. 상업적, 광변색성 선글라스에 대한 조성물은, Hares 등의 특허의 교시 (teachings)에 기초하여 개발되었다. 이 유리는, 56.46 SiO₂; 4.08 Na₂O; 6.19 A₂O₃; 5.72 K₂O; 18.15 B₂O₃; 4.99 ZrO₂; 1.81 Li₂O; 2.09 TiO₂의, 유리 배치 (glass batch)로부터 중량부로 계산된 바와 같은, 기본 유리 조성물을 갖는다. 유리는, 다음과 같은 광변색성 원소를 함유한다 (wt%): 0.252 Ag; 0.195 Cl; 0.155 Br; 및 0.006 CuO. 이 유리는 또한 고정된 색조를 부여하기 위해 첨가된 0.122 NiO 및 0.017 Co₃O₄을 갖는다.

좀 더 최근의 광변색성 유리 개발은, 48 ≤ SiO₂ ≤ 58; 15 ≤ B₂O₃ ≤ 21; 5 ≤ Al₂O₃ ≤ 9; 2.5 ≤ ZrO₂ ≤ 6.5; 2 ≤ Li₂O ≤ 4; 0 ≤ Na₂O ≤ 3; 3 ≤ K₂O ≤ 10; 0 ≤ MgO ≤ 2;0 ≤ CaO ≤ 2; 0 ≤ SrO ≤ 2; 0 ≤ BaO ≤ 2; 0 ≤ TiO₂ ≤ 2.5; 2 ≤ Nb₂O₅ ≤ 4.5의 희토류가-없는 조성 범위 (wt%); 및 유리 매트릭스에 대해 중량 퍼센트 (wt%)로: 0.100 ≤ Ag ≤ 0.250; 0.200 ≤ Cl ≤ 0.500; 0.0100 ≤ Br ≤ 0.300; 및 0.0050 ≤ CuO ≤ 0.0110를 포함하는 복수의 광변색성제를 갖는 미국 특허 제9,145,330호 (Brocheton)로 이어져 있다. 이로써, 광범위한 광변색성 유리 조성물이 본 개시에 의해 포함되고, 및 여기에 개시된 하나 이상의 구체 예를 사용하여 광변색성적으로 가공되고 및 열적으로 강화될 수 있는 것으로 이해된다.

종래의 열 템퍼링 기술 및 한계의 개요

유리를 열적으로 강화시키기 위한 종래의 산업 공정은, 복사 에너지 가열로 (radiant energy furnace) 또는 대류 가열로 (또는 두 기술 모두를 사용하는 "조합된 모드" 가열로)에서 미리 결정된 온도로 유리 시트를 가열하는 단계, 그 다음 통상적으로 유리 표면에 대하여 또는 따라 다량의 주위 공기 (ambient air)를 불어 넣는 대류를 통한, 가스 냉각 단계 ("퀀칭")를 포함한다. 이 가스 냉각 공정은 주로 대류성이며, 이에 의해 열전달은, 가스가 고온의 유리 시트로부터 열을 운반함에 따라, 확산 및 이류 (advection)를 통한, 유체의 질량 운동 (집단적 이동)에 의한 것이다.

종래의 템퍼링 공정에서, 특정 요인 (certain factors)은, 유리 시트, 특히, 얇은 유리 시트에서 가능한 것으로 통상적으로 고려된 강화의 양을 제한할 수 있다. 제한은, 최종 시트 상에 압축 응력의 양이, 퀀칭 동안 달성된, 시트의 표면과 중심 사이에 온도 차이의 크기와 직접 연관되기 때문에, 부분적으로, 존재한다. 그러나, 퀀칭 동안 온도 차이가 클수록, 퀀칭 동안 유리가 더 파괴되기 쉽다. 파괴는, 정해진 냉각 속도의 경우, 더 높은 초기 유리 온도로부터 퀀칭을 시작하여, 감소될 수 있다. 또한, 더 높은 출발 온도는, 통상적으로 템퍼링된 유리 시트가 높은 냉각 속도에 의해 제공된 완전한 강화 잠재력을 달성하는 것을 가능하게 한다. 그러나, 퀀칭의 시작에서 시트의 온도를 증가시키는 것은, 그 자체의 잠재적 결함을 갖는다. 예를 들어, 높은 초기 유리 온도는, 시트가 연화되면서, 시트의 과도한 변화를 초래할 수 있어, 사실상 달성 가능한 온도 차이를 다시 제한한다.

종래의 템퍼링 공정에서, 시트 두께는 또한 퀀칭 동안 달성 가능한 온도 차이에 대하여 상당한 제한을 강제한다. 시트가 얇을수록, 퀀칭 동안 정해진 냉각 속도에 대해 표면과 중심 사이에 온도 차이는 낮춰진다. 이는, 유리 두께가 표면으로부터 중심을 열적으로 절연하는 것이 덜하기 때문이다. 따라서, 얇은 유리의 열적 강화는, 통상적으로 (더 두꺼운 유리의 열적 강화와 비교하여) 더 높은 냉각 속도를 요구하고, 및 따라서, 유리의 외부 표면으로부터 열의 더 빠른 제거는, 통상적으로 유리 시트의 내부와 외부 부분 사이에서 강화 수준의 차이 온도을 발생하기 위해 상당한 에너지 소비를 요구한다.

예로서, 도 1은, 35년 전에 개발된 산업 표준 열적 강화 공정에 기초하여, 밀리미터 단위의 유리 두께의 함수에 따라, "완전히 탬퍼링된" 소다-라임 유리 ("SLG")에 충분한 주변 공기를 불어넣기 위해 사용된 공기 블로어에 의해 요구되는 전력 (유리 시트 구역의 제곱미터당 킬로와트)을 나타낸다. 요구된 전력은, 사용된 유리가 얇아질수록 기하급수적으로 증가한다. 따라서, 약 3㎜ 두께의 유리 시트는, 수십 년 동안 이용 가능한 가장 얇은 완전하게 열적으로 템퍼링된 상업적 유리이다.

더욱이, 시트가 얇을수록, 유리의 정해진 연성 (즉, 정해진 점도)에서 변형의 가능성이 커진다. 그러므로, 두께를 감소시키는 것은, 직접적으로 달성 가능한 온도 차이를 감소시키며, 및 시트의 변형의 증가된 위험 때문에, 더 높은 냉각 속도의 최대한의 이점을 달성하고 및 더 높은 냉각 속도에 의해 유발된 유리 파괴를 방지하기 위해 더 높은 시트 온도를 사용할 기회를 감소시키는 경향이 있다. 따라서, 종래의 대류 가스 유리 강화 공정에서, 더 높은 냉각의 속도는, 공기 흐름의 속도를 증가시키는 단계, 유리 시트 표면에 공기 노즐 구멍의 거리를 감소시키는 단계, (냉각의 시작시) 유리의 온도를 증가시키는 단계, 및 선택적으로, 냉각 공기의 온도를 감소시키는 단계에 의해 달성된다.

좀 더 최근의 예로서, 도 2 (종래 기술)의 성능 곡선은, 최첨단의 유리의 열적 강화 장비를 사용하는 것으로 게재된다. 이 개선된 장비는, 전통적인 공기 분사 대류 공정 (air blown convective processes)을 계속 사용하여 유리를 냉각시키지만, 가열 동안 유리를 지지하는데 사용된 롤러를 적어도 가열의 마지막 단계 동안 유리를 지지하기 위해 공기를 활용하는 시스템으로 대체한다. 롤러와 접촉 없이, 유리는, 퀀칭 전에 더 높은 온도 (및 더 높은 연성/더 낮은 점도)로 가열될 수 있어, 보고된 것에 의하면 2㎜ 두께에서 완전히 템퍼링된 유리의 생산을 가능하게 한다. 도 2에서 나타낸 바와 같이, 2㎜ 두께의 시트를 강화시키는데 필요한 보고된 블로어 전력은, 롤러 (곡선 0)를 사용한 것과 비교하여, 유리를 지지하도록 공기 (곡선 N)를 사용하여 가능하게 된 더 높은 온도에서 1200kW/㎡로부터 400kW/㎡로 감소된다.

비록 이것이 완전히 템퍼링된 2㎜ 두께의 유리를 생산할 수 있는 향상을 나타내지만, 도 3 (종래의 기술)에 나타낸 바와 같이, 도 1의 스케일과 일치되도록 도 2의 구 및 신 곡선 (O 및 N)을 크기의 조정은, (도 2에 나타낸) 최첨단 대류 템퍼링 공정에 의해 달성된 성능에서 개선이, 유리 시트의 대류 강화에서 에너지 수요의 사전 이해에서 상대적으로 작고 및 간단한 점진적 변화 (incremental change)인 것을 나타낸다. 도 3에서, 도 2의 구 및 신 곡선 (O 및 N)은, 도 1의 그래프와 일치하도록 크기가 조정되고, 및 (신 곡선 (N)을 보기 쉽게 하기 위해 240kW/㎡의 상부에서 끝을 잘라버린 구 곡선 (O)으로) 그 위에 중첩된다. 도 3으로부터, 유리 두께가 3㎜로부터 2㎜로 감소됨에 따라, 곡선 (N)에 의해 나타낸 기술은 대류 가스 퀀칭 공정의 성능 곡선을 약간 변화시키는 것으로 나타낸다. 높은 작동 지점 (2㎜ 유리의 경우 400kW/㎡의 블로어 전력)은, 이 방법에 의해 얇은 유리를 가공하는데 여전히 요구된 전력에서 극단적인 증가를 나타낸다. 공기 흐름에서 급격한 증가 및, 따라서, 필요한 전력은, 공학적 실행 및 경제의 문제로서, 종래의 대류 가스 강화 방법을 사용하여 완전히 템퍼링된 유리를 생산하면서, 2mm 아래의 두께로 진행하는데, 어려움을 시사한다. 부가적으로, 필요한 매우 높은 공기 흐름은, 더 얇은 시트의 형상을 변형시킬 수 있다. 따라서, 열 템퍼링을 사용한 소다-라임 유리의 열팽창계수 ("CTE")보다 낮은 CTE를 갖는 유리에서 2㎜ 미만의 두께를 갖는 유리의 완전한 템퍼링에 도달하거나 또는 2㎜에서 완전한 템퍼링에 도달하기 위해, 본 출원인은 또 다른 템퍼링 방법/시스템이 필요하다는 것을 확인했다.

현재의 상업적인 대류 가스 강화에 대한 대안적인 열적 강화 방법들은 또한 시도되었지만, 각각의 방법은 대류 가스 강화에 비해 특정한 단점을 갖는다. 특히, 더 높은 냉각 속도를 달성하는 통상적인 대안적인 열적 강화 방법들은, 일반적으로, 가스 접촉만이 아닌, 유리 표면과 적어도 약간의 액체 또는 고체 접촉을 요구한다. 이러한 유리 시트와의 접촉은, 유리 표면 품질, 유리 평탄도, 및/또는 강화 공정의 균일성에 악영향을 미칠 수 있다. 이들 결함은, 때때로, 사람의 눈에 의해, 특히 반사광으로 보는 경우, 인지될 수 있고, 및 안과용 렌즈, 센서, 등에 사용된 광변색성 유리의 원하는 특성을 훼손할 수 있다. 아래에서 좀 더 상세히 기재된 바와 같이, 적어도 몇몇 구체 예에서, 본 개시의 전도성 열 템퍼링 시스템은, 이러한 접촉-연관 결함을 감소 또는 제거시킨다.

액체 욕조 또는 유동 액체에 침지의 형태뿐만 아니라, 분무 형태의, 액체 접촉 강화는, 대류 가스 강화보다 더 높은 냉각 속도를 달성하기 위해 사용되지만, 냉각 공정 동안 시트의 도처에 과도한 열적 변화를 일으키는 단점이 있다. 침지 또는 침수-형 분무 또는 액체의 흐름에서, 작은 구역에 걸쳐 큰 열적 변화는, 액체 욕조 또는 액체 흐름 내에 자연적으로 발생하는 대류로 인해 발생할 수 있다. 더 미세한 분무에서, 개별적인 분무 액적 (spray droplets) 및 노즐 분무 패턴의 영향은, 또한, 상당한 열적 변화를 생성한다. 과도한 열적 변화는, 액체 접촉에 의한 열적 강화 동안 유리 파괴를 유발하는 경향이 있고, 이는 냉각 속도를 제한시켜 완화될 수 있지만, 그러나, 냉각 속도를 제한하는 것은, 달성될 수 있는 그 결과로 생긴 강도를 낮춘다. 더욱이, (액체 욕조 또는 액체 흐름 또는 액체 분무 내에 시트를 위치 또는 유지하기 위한) 시트의 필요한 취급은, 또한 시트와의 물리적 접촉으로부터 물리적 응력 및 과도한 열적 변화를 유발하여, 강화 동안 파괴를 유발하는 경향이 있고, 및 냉각 속도 및 그 결과로 생긴 강도를 제한한다. 마지막으로, 오일 침지 및 다양한 분무 기술에 의한 높은 냉각 속도 퀀칭과 같은, 몇몇 액체 냉각 방법은, 이러한 냉각 동안에 유리 표면을 변경시킬 수 있어, 나중에 만족스러운 마감을 생성하기 위해 시트 표면으로부터 유리 물질의 제거를 요구한다.

고체 접촉 열적 강화는, 냉각기 고체 표면과 고온의 유리의 표면을 접촉시키는 단계를 포함한다. 액체 접촉 강화와 마찬가지로, 액체 접촉 강화에서 나타낸 것과 같은, 과도한 열적 변화는, 퀀칭 공정 동안 쉽게 발생할 수 있다. 유리 시트의 표면 마감, 퀀칭 표면, 또는 시트의 두께의 일관성에서 어떤 결점은, 시트의 몇몇 구역에 걸쳐 불완전한 접촉을 결과하고, 및 이 불완전한 접촉은, 가공 동안 유리를 파괴하는 경향이 있는 큰 열적 변화를 유발할 수 있으며, 및 또한 만약 시트가 견딘다면 원치않는 복굴절을 유발할 수 있다. 부가적으로, 고체 물체와 고온의 유리 시트를 접촉시키는 것은, 자국 (chip), 갈라진 금 (checks), 균열, 스크래치, 및 이와 유사한 것과 같은, 표면 결함의 형성을 초래할 수 있다. 유리 시트의 전체 표면에 걸쳐 우수한 물리적 접촉의 달성은, 또한 시트의 치수가 증가함에 따라 점점 곤란해질 수 있다. 고체 표면과 물리적 접촉은, 또한 퀀칭 동안 시트에 기계적으로 응력을 가할 수 있어, 공정 동안 시트의 파괴 가능성을 증가시킨다. 더욱이, 접촉의 시작에서 극도의 고속 온도 변화는, 시트 가공 동안 파괴를 유발할 수 있고, 및 이로써, 얇은 유리 기판, 특히, 얇은 광변색성 유리 기판의 접촉 냉각은, 상업적으로 실행 가능하지 않다.

본 출원인의 열적으로 강화된 광변색성 유리 및 관련 전도성 냉각 공정 및 방법의 개요

본 개시는, 상업적인 규모의 열적으로 강화된 얇은 광변색성 유리 시트에 대하여, 종래의 공정에서 흔한 다양한 흠들 (flaws)을 생성하지 않고, 예를 들어, 광변색성 유리의 표면을 손상시키지 않고, 복굴절을 유도하지 않으며, 불균일한 강화 없이, 및/또는 허용 가능하지 않은 파괴를 유발하지 않으면서, 효과적이고, 효율적이며, 및 균일하게 전술된 전통적인 공정을 능가한다. 이전에 얻을 수 없었던, 얇은, 열적으로 템퍼링된/강화된 광변색성 유리 시트는, 여기에 개시된 하나 이상의 구체 예에 의해 생산될 수 있다. 여기서 논의된 시스템 및 공정은, 광변색성 유리의 우수한 물리적 조절 및 차분한 취급과 함께, 정밀한 방식으로 매우 높은 열 전달률을 제공하여 이를 달성한다. 특정 구체 예에서, 여기서 논의된 공정 및 시스템은, 더 높은 열적 강화 수준을 결과하는, 냉각의 시작시 더 높은 상대 온도에서 얇은 광변색성 유리 시트를 가공을 가능하게 하는 것으로 출원인이 확인한, 냉각/퀀칭 섹션에서 작은-갭의, 가스 베어링을 활용한다. 이하 기재된 바와 같이, 이 작은-갭의, 가스 베어링 냉각/퀀칭 섹션은, 높은 공기 흐름 기반의 대류 냉각을 사용하는 대신, 갭을 가로지르는 히트 싱크(들)로 전도성 열 전달을 통해 매우 높은 열전달률을 달성한다. 이러한 높은 속도의 전도성 열 전달은, 갭 내에 가스 베어링 상에 광변색성 유리를 지지하여, 광변색성 유리를 액체 또는 고체 물질과 접촉시키지 않고 달성된다. 이하 기재된 바와 같이, 출원인은 또한, 적어도 몇몇 구체 예에서, 여기서 논의된 공정 및 시스템이, 열적으로 강화된 광변색성 유리, 구체적으로는, 하나 이상의 특유의 특성을 갖는, 열적으로 강화된 얇은 광변색성 유리를 형성하는 것으로 확인하였다.

본 개시에 따른 방법 및/또는 시스템에 의해 처리된 광변색성 유리 시트의 몇몇 구체 예는, 이전에 공지된 것보다 높은 수준의 영구적인 열적으로 유도된 응력을 갖는다. 이론에 의해 구속되는 것을 원하지는 않지만, 달성된 수준의 열적으로 유도된 응력은, 이유들의 조합 때문에 얻을 수 있는 것으로 믿어진다. 여기에서 상세히 열거된 공정에서 열 전달의 높은 균일성은, 광변색성 유리의 물리적 및 원치않는 열 응력을 감소시키거나 또는 제거하여, 광변색성 유리 시트가 파괴 없이 더 높은 열 전달률로 템퍼링되는 것을 가능하게 한다. 더욱이, 본 방법은, 낮은 광변색성 유리 시트 점도 (퀀칭의 시작시 더 높은 초기 온도)에서 수행될 수 있으면서, 여전히 냉각 공정에서 온도의 훨씬 큰 변화를 제공하는, 원하는 광변색성 유리 평탄도 및 형태를 보존하고, 따라서, 달성된 열 강화 수준을 증가시킨다.

열적으로 템퍼링된 광변색성 유리 시트

전술된 바와 같이, 출원인은 열적으로 강화된 광변색성 유리 시트, 특히 얇은 광변색성 유리 시트를 형성하기 위한 시스템 및 공정을 개발하였고, 및 이 섹션에서 논의된 바와 같이, 여기서 논의된 바와 같이 형성된 열적으로 강화된, 얇은 광변색성 유리 시트는, 종래의 열적 또는 기타 템퍼링 방법을 통해 이전에 달성할 수 없었던, 하나 이상의 특유의 특성 및/또는 특성들의 조합을 갖는다.

열적으로 템퍼링된 광변색성 유리 시트 구조 및 치수

도 4 및 도 5를 참조하면, 높은 표면 압축 응력 및/또는 높은 중심 장력을 갖는 열적으로 강화된 광변색성 유리 시트는, 대표적인 구체 예에 따라 나타낸다. 도 4는, 열적으로 강화된 광변색성 유리 물품 또는 시트 (500)의 사시도를 나타내고, 및 도 5는, 하나 이상의 구체 예에 따른 열적으로 강화된 광변색성 유리 시트 (500)의 개략적인 부분 단면도이다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 강화된 광변색성 유리 물품 (500) (예를 들어, 시트, 빔, 플레이트)은, 제1 주 표면 (510), 제2 주 표면 (520) (여기에 개시된 바와 같이 반투명일 수 있는, 시트 (500)의 후면으로 점선), 및 이들 사이에서 확장하는 몸체 (522)를 포함한다. 제2 주 표면 (520)은, 강화된 광변색성 유리 시트 (500)의 두께 (t)가 제1 및 제2 주 표면 (510, 520) 사이에 거리로 한정되도록, 제1 주 표면 (510)으로부터 몸체 (522)의 반대편상에 있으며, 여기서, 두께 (t)는 또한 깊이의 치수이다. 강화된 광변색성 유리 시트 (500)의 폭 (w)은, 두께 (t)에 직각인 제1 또는 제2 주 표면 (510, 520) 중 하나의 제1 치수로서 정의된다. 강화된 광변색성 유리 시트 (500)의 길이 (l)는, 두께 (t) 및 폭 (w) 모두에 직각인 제1 또는 제2 주 표면 (510, 520) 중 하나의 제2 치수로서 정의된다.

대표적인 구체 예에서, 광변색성 유리 시트 (500)의 두께 (t)는, 광변색성 유리 시트 (500)의 길이 (l) 미만이다. 다른 대표적인 구체 예에서, 광변색성 유리 시트 (500)의 두께 (t)는, 광변색성 유리 시트 (500)의 폭 (w) 미만이다. 다른 대표적인 구체 예에서, 광변색성 유리 시트 (500)의 두께 (t)는, 광변색성 유리 시트 (500)의 길이 (l) 및 폭 (w) 모두보다 작다. 길이 (l) 및/또는 폭 (w)은, 0.5미터 초과, 1.0미터 초과 또는 2.0미터를 초과할 수 있다. 따라서, 광변색성 유리 시트 (500)의 큰 부분은, 여기에 개시된 시스템 및 공정을 사용하여 열적으로 가공될 수 있다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 광변색성 유리 시트 (500)는, 시트의 중심부에서 영구적인 열적으로 유도된 중심 인장 응력 (550) (즉, 장력)의 영역에 의해 균형을 이루는, 제1 및 제2 주 표면 (510, 520)에 및/또는 근처에 영구적인 열적으로 유도된 압축 응력 (530 및 540)의 영역을 더욱 갖는다.

상기 방법 및 시스템은, 매우 다양한 두께 범위를 갖는 강화된 광변색성 유리 시트를 형성하는데 사용될 수 있다. 다양한 구체 예에서, 광변색성 유리 시트 (500)의 두께 (t)는, 0.2㎜, 0.28㎜, 0.4㎜, 0.5㎜, 0.55㎜, 0.7㎜, 1㎜, 1.1㎜, 1.5㎜, 1.8㎜, 2㎜, 및 3.2㎜를 포함하는, 말단점 값들에 부가하여, 0.1㎜ 내지 8.0㎜ 또는 0.10㎜ 내지 5.7 또는 6.0㎜의 범위이다. 고려된 구체 예는, 0.1 내지 20㎜, 0.1 내지 16㎜, 0.1 내지 12㎜, 0.1 내지 8㎜, 0.1 내지 6㎜, 0.1 내지 4㎜, 0.1 내지 3㎜, 0.1 내지 2㎜, 0.1 내지 2㎜ 미만, 0.1 내지 1.5㎜, 0.1 내지 1㎜, 0.1 내지 0.7㎜, 0.1 내지 0.5㎜ 및 0.1 내지 0.3㎜의 범위에서 두께 (t)를 갖는 열적으로 강화된 광변색성 유리 시트 (500)을 포함한다.

몇몇 구체 예에서, 두께가 3㎜ 이하의 광변색성 유리 시트는 사용된다. 몇몇 구체 예에서, 광변색성 유리의 두께는, 약 (예를 들어, ±1%) 8㎜ 이하, 약 6㎜ 이하, 약 3㎜ 이하, 약 2.5㎜ 이하, 약 2㎜ 이하, 약 1.8㎜ 이하, 약 1.6㎜ 이하, 약 1.4㎜ 이하, 약 1.2㎜ 이하, 약 1㎜ 이하, 약 0.8㎜ 이하, 약 0.7㎜ 이하, 약 0.6㎜ 이하, 약 0.5㎜ 이하, 약 0.4㎜ 이하, 약 0.3㎜ 이하 또는 약 0.28㎜ 이하이다.

몇몇 구체 예에서, 열적으로 강화된 광변색성 유리 시트는, 높은 종횡비를 갖는다 - 즉, 두께에 대한 길이 및 폭의 비가 크다. 여기서 논의된 열 템퍼링 공정이 고압 또는 다량의 공기에 의존하지 않기 때문에, 표면 거칠기 및 평탄도와 같은, 다양한 광변색성 유리 시트 특성은, 여기서 논의된 가스 베어링 및 높은 열 전달률 시스템의 사용에 의해 템퍼링 후에 유지될 수 있다. 유사하게, 여기서 논의된 열 템퍼링 공정은, 원하는 또는 필요한 형상을 유지하면서 열적으로 강화될 높은 종횡비의 광변색성 유리 시트 (즉, 고 비율의 길이 대 두께 또는 폭 대 두께, 또는 모두를 갖는 광변색성 유리 시트)를 가능하게 한다. 구체적으로, 대략 적어도 10:1, 적어도 20:1, 및 1000:1 이상의 길이 대 두께 및/또는 폭 대 두께의 비 ("종횡비")를 갖는 시트는 강화될 수 있다. 고려된 구체 예에서, 적어도 200:1, 적어도 500:1, 적어도 1000:1, 적어도 2000:1, 적어도 4000:1의 종횡비를 갖는 시트는, 강화될 수 있다.

대표적인 구체 예에 따르면, 강화된 광변색성 유리 시트 (500)의 길이 (l)는, 폭 (w)의 2배를 초과, 폭 (w)의 5배를 초과, 및/또는 폭 (w)의 50배를 초과하지 않는 것과 같은, 폭 (w) 이상이다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 강화된 광변색성 유리 시트 (500)의 폭 (w)은, 두께 (t)의 2배를 초과, 두께 (t)의 5배를 초과, 및/또는 두께 (t)의 50배를 초과하지 않는 것과 같은, 두께 (t) 이상이다.

아래에서 논의된 도 27-28에 관련하여 개시된 적용들의 경우와 같은, 몇몇 구체 예에서, 예를 들어, 광변색성 유리 시트 (500)의 길이 (l)는, 적어도 1㎝, 예컨대, 적어도 3㎝, 적어도 5㎝, 적어도 7.5㎝, 적어도 20㎝, 적어도 50㎝, 및/또는 50m 이하, 예컨대, 10m 이하, 7.5m 이하, 5m 이하이다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 광변색성 유리 시트 (500)의 폭 (w)은, 적어도 1㎝, 예컨대, 적어도 3㎝, 적어도 5㎝, 적어도 7.5㎝, 적어도 20㎝, 적어도 50㎝, 및/또는 50m 이하, 예컨대, 10m 이하, 7.5m 이하, 5m 이하이다. 도 4를 참조하면, 광변색성 유리는, 시트 (500)가 5㎝보다 얇은, 예컨대, 2.5cm 이하, 1cm 이하, 5㎜ 이하, 2.5㎜ 이하, 2㎜ 이하, 1.7㎜ 이하, 1.5㎜ 이하, 1.2㎜ 이하 또는 심지어 1㎜ 이하, 고려된 구체 예에서, 예컨대, 0.8㎜ 이하인 두께를 가지며; 및/또는 두께 (t)가 적어도 50㎛, 적어도 100㎛, 적어도 300㎛과 같은, 적어도 10㎛인 형태이다.

다른 고려된 구체 예에서, 광변색성 유리 물픔은, 여기에 개시된 것과 다른 크기일 수 있다. 고려된 구체 예에서, 광변색성 유리 물품의 길이 (l), 폭 (w), 및/또는 두께 (t)는, 더 복잡한 기하학적 구조 (일반적으로, 도 28 참조)과 같이, 다양할 수 있으며, 여기서, 여기에 개시된 치수는, 서로에 대하여 길이 (l), 폭 (w), 및 두께 (t)의 전술한 정의를 갖는 상응하는 광변색성 유리 물품의 관점에 적용된다.

몇몇 구체 예에서, 광변색성 유리 시트 (500)의 제1 또는 제2표면 (510, 520) 중 적어도 하나는, 상대적으로 큰 표면적을 갖는다. 다양한 구체 예에서, 제1 및/또는 제2표면 (510, 520)은, 적어도 900㎟, 적어도 2500㎟, 적어도 5000㎟, 적어도 100㎠, 적어도 900㎠, 적어도 2500㎠, 적어도 5000㎠과 같은, 적어도 100㎟, 및/또는 100㎡ 이하, 5000㎠ 이하, 2500㎠ 이하, 1000㎠ 이하, 500㎠ 이하, 100㎠ 이하와 같은, 2500㎡ 이하의 면적을 갖는다. 이로써, 광변색성 유리 시트 (500)는, 여기에 개시된 방법 및 시스템에 의한 것을 제외하고는, 여기에 논의된 광변색성 유리 시트의 두께, 표면 품질, 및/또는 변형 균질성 (strain homogeneities)을 가지면서 특히 열적으로 강화되는 것이 어렵거나 또는 불가능할 수 있는, 상대적으로 큰 표면적을 가질 수 있다. 더욱이, 여기에 개시된 방법 및 시스템을 제외하고는, 광변색성 유리의 타입에서 변화 또는 이온-교환에 의존하지 않고, 응력 프로파일, 특히 응력 프로파일의 음의 인장 응력 부분 (일반적으로, 도 6 참조)을 달성하는 것은, 어렵거나 또는 불가능할 수 있다.

열적으로 강화된 광변색성 유리 시트의 압축 및 인장 응력

전술한 바와 같이, 여기서 논의된 열적으로 강화된 광변색성 유리 시트는, 놀랍게도, 예를 들어, 도 5에 나타낸 영역 (530, 540)에서, 높은 표면 압축 응력, 놀랍게도, 예를 들어, 도 5에 나타낸 영역 (550)에서, 높은 중심 입장 응력, 및/또는 특유의 응력 프로파일 (도 6 참조)을 가질 수 있다. 이것은, 여기서 논의된 바와 같은 광변색성 유리 시트 (500)의 낮은 두께 및/또는 기타 특유의 물리적 특성 (예를 들어, 매우 낮은 거칠기, 높은 평탄도, 다양한 광학 특성, 가상의 온도 특성, 등)을 고려하여, 특히 사실이다.

여기서 논의된 공정 및 시스템에 의해 형성된 (예를 들어, 도 5에 나타낸 영역 (530, 540)에서) 광변색성 유리의 압축 응력은, 광변색성 유리의 두께 (t)의 함수에 따라 변할 수 있다. 다양한 구체 예에서, 광변색성 유리, 예를 들어, 3㎜ 이하의 두께를 갖는, 광변색성 유리 시트 (500)는, 적어도 80MPa, 적어도 100MPa, 적어도 150MPa, 적어도 200MPa, 적어도 250MPa, 적어도 300MPa, 적어도 350MPa, 적어도 400MPa, 및/또는 1 GPa 이하의 압축 응력 (예를 들어, 표면 압축 응력)을 갖는다. 고려된 구체 예에서, 2㎜ 이하의 두께를 갖는 광변색성 유리는, 적어도 80MPa, 적어도 100MPa, 적어도 150MPa, 적어도 175MPa, 적어도 200MPa, 적어도 250MPa, 적어도 300MPa, 적어도 350MPa, 적어도 400MPa, 및/또는 1GPa 이하의 압축 응력을 갖는다. 고려된 구체 예에서, 1.5㎜ 이하의 두께를 갖는 광변색성 유리는, 적어도 80MPa, 적어도 100MPa, 적어도 150MPa, 적어도 175MPa, 적어도 200MPa, 적어도 250MPa, 적어도 300MPa, 적어도 350MPa, 및/또는 1GPa 이하의 압축 응력을 갖는다. 고려된 구체 예에서, 1㎜ 이하의 두께를 갖는 광변색성 유리는, 적어도 80MPa, 적어도 100MPa, 적어도 150MPa, 적어도 175MPa, 적어도 200MPa, 적어도 250MPa, 적어도 300MPa, 및/또는 1GPa 이하의 압축 응력을 갖는다. 고려된 구체 예에서, 0.5㎜ 이하의 두께를 갖는 광변색성 유리는, 적어도 50MPa, 적어도 80MPa, 적어도 100MPa, 적어도 150MPa, 적어도 175MPa, 적어도 200MPa, 적어도 250MPa, 및/또는 1GPa 이하의 압축 응력을 갖는다.

몇몇 구체 예에서, 여기에 개시된 공정 및 시스템에 의해 형성된 (예를 들어, 도 5에 나타낸 영역 (550)에서) 광변색성 유리에서 열적으로 유도된 중심 장력은, 40MPa 초과, 50MPa 초과, 75MPa 초과, 100MPa 초과일 수 있다. 다른 구체 예에서, 열적으로 유도된 중심 장력은, 300MPa 미만, 또는 400MPa 미만일 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 열적으로 유도된 중심 장력은, 약 50MPa 내지 약 300MPa, 약 60MPa 내지 약 200MPa, 약 70MPa 내지 약 150MPa, 또는 약 80MPa 내지 약 140MPa일 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 열적으로 강화된 광변색성 유리 시트는, 매우 얇은, 즉, 특별히 얇다. 매우 높은-열 전달률이 여기서 논의된 시스템 및 방법을 통해 적용될 수 있기 때문에, 상당한 열적 효과, 예를 들어, 적어도 10 또는 심지어 적어도 20MPa의 중심 장력은, 0.3㎜ 미만 두께의 SLG의 시트로 생성될 수 있다. 사실상, 매우 얇은 시트, 적어도 0.1㎜ 만큼 얇은 시트는, 열적으로 강화될 수 있다. 두께 및 다른 변수의 함수에 따라 고려된, 달성되는 및 달성 가능한 구체적인 수준의 열적 응력은, 여기에서 더욱 상세히 기재된다.

도 6을 참조하면, 25℃의 실온 및 표준 대기압에서, 도 4의 강화된 광변색성 유리 시트의 개념적 응력 프로파일 (560)은, 양의 인장 응력 하에서 강화된 광변색성 유리 시트 (500)의 내부 영역 (550) 및 음의 인장 응력 하에서 내부 영역 (550)에 인접하고 및 외부의 강화된 광변색성 유리 시트 (500)의 부분 (530, 540) (예를 들어, 양의 압축 응력)을 나타낸다. 출원인은, 적어도 부분적으로 음의 인장 응력이 그를 통해 균열의 개시 및/또는 전파를 제한하여 강화된 광변색성 유리 시트 (500)를 강화시키는 것으로 믿는다.

본 발명의 기술에 특유한 것으로 믿어지는, 여기에 개시된 바와 같은 강화된 광변색성 유리 시트 (500)의 상대적으로 큰 표면적 및/또는 얇은 두께를 고려해 볼 때, 응력 프로파일 (560)에서 인장 응력은, 내부 부분 (550)의 양의 인장 응력과 내부 부분 (550)에 인접하고 및 외부의 부분 (530, 540)의 음의 인장 응력 사이에서 급격하게 전환된다 (transitions). 이 급격한 전환은, 변화가 발생하는 두께의 거리, 예컨대, (물품 두께의 일부일 수 있는, 변화율을 정량화하는데 사용되는 거리이며, 및 반드시 물품 기하학적 구조의 치수가 아닌) 500㎛, 250㎛, 100㎛의 거리와 같은, 1㎜의 거리에 의해 나뉜, 응력의 정도 (예를 들어, 100MPa, 200MPa, 250MPa, 300MPa, 400MPa인, 양 및 음의 인장 응력 +σ, -σ의 피크 값의 차)로 표현될 수 있는, 인장 응력의 변화율 (즉, 기울기)로 이해될 수 있다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 인장 응력의 변화율은, 1㎜로 나뉜 5000MPa 이하와 같이, 7000MPa 이하를 1㎜로 나뉜 것이다. 고려된 구체 예에서, 양 및 음의 인장 응력의 피크 값에서 차이는, 적어도 50MPa, 예컨대, 적어도 100MPa, 적어도 150MPa, 적어도 200MPa, 적어도 250MPa, 적어도 300MPa, 적어도 400MPa, 적어도 500MPa, 및/또는 50GPa 이하이다. 고려된 구체 예에서, 광변색성 유리 시트 (500)는, 적어도 100MPa, 적어도 150MPa, 적어도 200MPa, 적어도 250MPa, 적어도 300MPa, 적어도 400MPa, 적어도 500MPa과 같은, 적어도 50MPa의 강도의 피크 음의 인장 응력을 갖는다. 여기서 논의된 시스템 및 방법에 의해 발생된 가파른 인장 곡선 전환은, 정해진 두께에 대하여 광변색성 유리 시트의 표면에서 더 높은 크기의 음의 인장 응력을 달성하는 능력, 및/또는 여기에 개시된 바와 같은 다이싱에 대한 단편화 잠재력을 달성하기 위한 것과 같은, 더 높은 정도의 음의 인장 응력으로 더 얇은 광변색성 유리 물품을 제조하는 능력을 나타내는 것으로 믿어진다. 종래의 열 템퍼링 접근법은, 이러한 가파른 인장 응력 곡선을 달성하는 것이 불가능할 수 있다.

대표적인 구체 예에 따르면, 인장 응력의 높은 변화율은, 광변색성 유리 시트 (500)의 두께의 적어도 5%, 두께의 적어도 10%, 두께의 적어도 15%, 또는 두께의 적어도 25%와 같이, 두께의 적어도 2%인 응력 프로파일 (560)의 두께-방향 신장에 걸쳐 지속된 전술된 크기 이상 중 적어도 하나이다. 고려된 구체 예에서, 강화는, 인장 응력의 높은 변화율을 갖는 두께-방향 신장이, 예를 들어, 화학적 템퍼링을 더욱 구별할 수 있는, 제1표면으로부터 두께 내로 20%와 80% 사이의 깊이에서 중심을 두도록, 강화된 광변색성 유리 시트 (500) 내로 깊게 확장된다.

적어도 몇몇 고려된 구체 예에서, 강화된 광변색성 유리 물픔은, 도 6에서 점선 (562)으로 개념적으로 나타낸, 이온 함량의 면에서 이의 조성에서 변화를 포함한다. 좀 더 구체적으로, 이러한 구체 예에서 강화된 광변색성 유리 물품 (500)의 조성물은, 응력 프로파일 (560)에 영향을 미치는, 교환되거나 또는 주입된 이온을 포함한다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 교환되거나 주입된 이온은, 음의 인장 응력이 또한 여기에 개시된 바와 같은 열 템퍼링의 결과이기 때문에, 음의 인장 응력 하에서 강화된 광변색성 유리 물품 (500)의 부분 (530, 540)을 통해 완전히 확장되지 않는다.

따라서, 이온 교환 강도 증대를 갖는 인장 응력 프로파일 (560)의 곡선은, 방향에서 불연속 또는 갑작스러운 변화 (564)를 포함하며, 여기서, 곡선의 접선은 불연속 또는 갑작스러운 변화 (564)의 어느 측면에 대해 서로 다르다. 갑작스러운 변화 (564)는, 인장 응력이 불연속 또는 갑작스러운 변화 (564)에 바로 인접한 측면에 대해 음이 되도록 음의 인장 응력하에 부분 (530, 540) 내에 존재한다. 불연속 또는 갑작스러운 변화 (564)는, 다른 이온 함량의 깊이에 상응할 수 있지만, 몇몇 이러한 구체 예에서, 음의 인장 응력하에 부분 (530, 540)의 다른 부분은, 양의 인장 응력하에 부분 (550)과 이온 함량 면에서 동일한 조성을 여전히 갖는다.

바꿔 말하면, 이온 교환 또는 주입의 유무에 관계없이, 적어도 몇몇 강화된 광변색성 유리 물품 (500)의 경우, 음의 인장 응력하에 있고 및 내부 부분 (550)에 인접하고 및 외부에 있는, 강화된 광변색성 유리 시트 (500)의 부분 (530, 540)의 적어도 일부의 조성은, 양의 인장 응력하에 있는, 내부 부분 (550)의 적어도 일부분의 조성과 동일하다. 이러한 구체 예에서, 응력 프로파일의 적어도 약간의 음의 인장 응력은, 강화된 광변색성 유리 시트 (500)의 조성 (예를 들어, 이온 조성)에서의 변화에 독립적이다. 이러한 구조는, 덜한 화학적 템퍼링으로 및/또는 화학적 템퍼링 없이 충분한 강도를 제공하여 적어도 어느 정도로 강화된 광변색성 유리 시트 (500)의 조성을 단순화시킬 수 있다. 더욱이, 이러한 구조는, 조성에서 불연속성/변화에 기인하여 강화된 광변색성 유리 시트 (500) 내에 응력 집중을 감소시킬 수 있어, 아마도 조성 불연속성에서 박리 및/또는 균열의 가능성을 감소시킨다.

열적으로 템퍼링된 광변색성 유리 시트 파괴 성능

충분한 에너지가 인장 응력 (550)의 영역에 저장된다면, 광변색성 유리는, 충분히 손상된 경우, 안전 유리 또는 "다이싱" 처럼 파괴될 것이다. 여기서 사용된 바와 같이, 광변색성 유리 시트는, 25㎠의 광변색성 유리 시트의 면적이 40개 이상의 조각으로 파괴되는 경우 다이싱으로 고려된다. 몇몇 구체 예에서, 다이싱은, 광변색성 유리 시트가 "완전히 템퍼링된" 것을 나타내는 정량적 척도로 사용된다 (즉, 2㎜ 이상의 두께의 광변색성 유리의 경우, 광변색성 유리 시트는 적어도 65MPa의 압축 응력 또는 적어도 67MPa의 에지 압축을 갖는다). 다양한 구체 예에서, 광변색성 유리 시트 (500)는, 광변색성 유리 시트 (500)의 25㎠ 조각이 40개 이상의 조각으로 파괴되도록 인장 응력 (550)의 영역에서 충분한 인장 응력을 갖는다.

도 7을 참조하면, 시트 (500)와 같은, 광변색성 유리 시트에 대해 여기에 개시된 바와 같은 특성을 갖는, 광변색성 유리 물품 (610)은, 표시용 펀치 (prick punch) 또는 다른 기구를 사용하거나, 및/또는 일반적으로 미국 국립 표준 협회 (ANSI) Z97.1 (충격 시험) 및 ASTM 1048 표준에 따라 파단된다. 대표적인 구체 예에 따르면, 광변색성 유리 물품 (610)은, 다이싱이 파단시 발생되어, 복수의 작은 알갱이 덩어리 (616) (예를 들어, 단편, 조각들)를 형성하는 정도까지 강화된다. 몇몇 구체 예에서, 광변색성 유리 물품 (610)은, 단편화 시험에서 광변색성 유리 물품 (610)의 50x50㎜의 면적 내에서 40 이상인 다수의 알갱이 덩어리 (616)를 생성하기에 충분한 열적으로-유도된 응력을 가지며, 여기서 충격은 해머 (hammer) 또는 펀치 (punch)로 적용되어 광변색성 유리의 균열을 알갱이 조각으로 개시한다. 약 1cm의 금속 핀 길이 (614)를 갖는, 표준 사무용 압정 (612)은, 참조로 나타낸다.

다양한 고려된 구체 예에 따르면, 강화된 광변색성 유리 물품 (610)의 얇은 두께에도 불구하고, 응력 프로파일 (일반적으로, 도 6 참조)은, 파단시 강화된 광변색성 유리 물품 (610)이 특히 작은 알갱이 덩어리 (616)로 산산이 부서지도록 강화된 광변색성 유리 물품 (610)의 높은 단편화 잠재력을 부여하여, 이들이 50㎟ 미만과 같은, 20㎟ 미만과 같은, 10㎟ 미만과 같은, 5㎟ 미만과 같은, 90㎟ 미만, 및/또는 적어도 10㎛²의 제1 또는 제2표면상에 면적을 갖는다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 강화된 광변색성 유리 물품 (610)의 단편화 잠재력은, 알갱이 덩어리 (616)의 적어도 20% (예를 들어, 적어도 50%, 적어도 70%, 적어도 95%)가, 강화된 광변색성 유리 물품이 파단되는 경우, 전술된 양 중 하나의 제1 또는 제2표면 중 적어도 하나의 면적을 갖는다.

몇몇 구체 예에서, 본 발명의 기술을 사용하여 여기서 개시된 바와 같은 인장 응력으로 제조될 수 있는 광변색성 유리 제품 (610)의 특히 얇은 기하학적 구조에 적어도 부분적으로 기인하여, 강화된 광변색성 유리 물품 (610)의 단편화 잠재력은, 파단시, 강화된 광변색성 유리 물품 (610)이 특히 작은-부피의 알갱이 덩어리로 산산이 부서져, 이들이 40㎣ 미만과 같은, 30㎣ 미만과 같은, 25㎣ 미만과 같은, 50㎣ 미만의 부피, 및/또는 적어도 50㎛³의 부피를 갖는다.

몇몇 구체 예에서 본 발명의 기술을 사용하여 여기서 개시된 바와 같은 인장 응력으로 제조될 수 있는 광변색성 유리 물품 (610)의 특히 대면적에 적어도 부분적으로 기인하여, 강화된 광변색성 유리 물품 (610)의 단편화 잠재력은, 파단시, 강화된 광변색성 유리 물품 (610)이 적어도 50㎛³의 부피에서 적어도 100 알갱이 덩어리, 예컨대, 적어도 50㎛³의 부피에서 적어도 200, 적어도 400, 적어도 1000, 적어도 4000의 알갱이 덩어리 (616)로 산산이 부서진다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 실험은, 적어도 70중량%의 이산화규소, 및/또는 적어도 10중량%의 산화나트륨, 및/또는 적어도 7중량%의 산화칼슘을 포함하고 및 여기서 개시된 장비 및 공정을 사용하여 강화된, 1.1㎜ 두께의 비-광변색성 유리 시트로 수행된다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 유리의 제곱 센티미터당 알갱이 덩어리 (616)의 수는, 일반적으로 각각의 유리 물품 (610)의 중심에서 양의 인장 응력의 크기와 관련된 것으로 확인되었다. 유사하게, 도 9에 나타낸 바와 같이, 각각의 유리 물품 (610)의 단편화 잠재력은 또한, 고온 존에서 유리의 온도와 관련된 것으로 확인되었으며 (예를 들어, 도 21, 도 22 및 도 23 참조), 및 퀀칭 동안 유리 표면에 효과적으로 적용된 cal/㎠·s·℃ (SI 단위 와트/㎡·°K) 단위로 계산된 예상 열전달계수 (h)는, 퀀칭 동안 유리 시트 표면과 히트 싱크/가스 베어링 사이에 갭의 크기 및 상기 갭에 사용된 가스의 열 전도도에 기초한다. 도 8 및 도 9에 나타낸 결과는, 얇은 광변색성 유리 시트에 적용되는 얇은 유리 시트 파괴 성능 거동을 예시하는 것으로 인정된다.

열적으로 템퍼링된 광변색성 유리 시트 가상 온도

다양한 구체 예에서, 여기서 논의된 시스템 및 방법에 의해 형성된 열적으로 강화된 광변색성 유리 시트 (예를 들어, 광변색성 유리 시트 (500))는, 높은 가상 온도를 갖는다. 다양한 구체 예에서, 여기서 논의된 광변색성 유리 물질의 높은 가상 온도는, 광변색성 유리 시트 (500)의 높은 수준의 템퍼링, 높은 중심 인장 응력 및/또는 높은 압축 표면 응력과 관련되는 것으로 이해될 것이다. 표면 가상 온도는, 시차 주사 열량계, 브릴루인 분광법 (Brillouin spectroscopy), 또는 라만 분광법을 포함하는, 임의의 적절한 방법에 의해 결정될 수 있다.

대표적인 구체 예에 따르면, 광변색성 유리 시트 (500)는, 적어도 500℃와 같은, 적어도 600℃와 같은, 또는 심지어 적어도 700℃과 같은, 특별히 높은 가상 온도를 갖는, 제1 및/또는 제2표면 (510, 520)에서 또는 근처와 같이, 이의 일부를 갖는다. 대표적인 구체 예에 따르면, 광변색성 유리 시트 (500)는, 적어도 10℃ 초과, 적어도 30℃ 초과, 적어도 50℃ 초과, 적어도 70℃ 초과, 또는 심지어 적어도 100℃ 초과와 같은, 동일한 화학 조성의 어닐링된 광변색성 유리에 비해 특히 높은 가상 온도를 갖는, 제1 및/또는 제2표면 (510, 520)에서 또는 근처와 같이, 이의 일부를 갖는다. 높은 가상 온도는, 강화 시스템에서 고온 존으로부터 냉각 존으로 빠른 전환에 기인하여, 적어도 부분적으로 현재 개시된 본 발명의 기술에 의해 달성될 수 있다 (예를 들어, 도 21, 도 22, 및 도 23 참조). 출원인은, 높은 가상 온도가 광변색성 유리의 증가된 내손상성에 상응하거나 또는 연관될 수 있는 것으로 믿는다.

표면 가상 온도를 결정하는 몇 가지 방법에서, 가상의 온도를 합리적으로 정확하게 측정하기 위해 가열 강화 공정에 의해 유도된 "템퍼 응력 (temper stresses)"을 완화하기 위해 광변색성 유리를 파괴하는 것이 필요할 수 있다. 라만 분광법에 의해 측정된 특성 구조 밴드 (characteristic structure bands)는, 가상 온도에 관하여 및 보로실리케이트 광변색성 유리에서 인가된 응력에 관하여 모두 제어된 방식으로 시프트 (shift)하는 것으로 잘 알려져있다. 이 시프트는, 템퍼 응력이 알려진 경우, 열적으로 강화된 광변색성 유리 시트의 가상 온도를 비-파괴적으로 측정하는데 사용될 수 있다.

도 10을 일반적으로 참조하면, 몇 가지 비-광변색성 유리 물품에 대한 가상 온도의 결정을 나타낸다. 실리카 유리의 라만 스펙트럼에 대한 응력 효과는, D.R.Tallant, T.A. Michalske, 및 W.L. Smith, "The effects of tensile stress on the Raman spectrum of silica glass,", J. Non-Cryst. Solids, 106 380-383 (1988)]에 보고된다. 65wt.% 이상의 실리카의 상업적 유리는, 실질적으로 동일한 반응을 갖는다. 보고된 응력 반응이 단축 응력 (uniaxial stress)에 대한 것이지만, 템퍼링된 유리에서 관찰되는 것과 같은 이축 응력 (biaxial stress) 상태의 경우에, σ_xx = σ_yy일 때, 피크는, 단축 응력에 의해 예상되는 두 배만큼 시프트하는 것으로 예상될 수 있다. 소다-라임 유리에서 및 유리 2에서 1090㎝^-1 근처의 피크는, 실리카 유리에서 관찰된 1050㎝^-1 피크에 상응한다. 실리카에서 1050㎝^-1 피크, 및 SLG 및 다른 실리케이트 유리에서 상응하는 피크에 대한 응력의 효과는, 수학식 a) ω(cm^-1) = 1054.93 - 0.00232·σ에 의해, MPa 단위로 응력 σ의 함수에 따라, 표현될 수 있다.

보정 곡선 (calibration curve)은, SLG 및 또 다른 유리인, 유리 2에 대한 가상 온도의 함수에 따라 라만 밴드 위치에서 생성된다. 유리 샘플은, τ=10*η/G에 의해 계산된 구조적 이완 시간보다 2-3배 더 긴, 다양한 시간 동안 열-처리되고, 여기서 η은 점도이며, 및 G는 전단 모듈러스 (shear modulus)이다. 열-처리 후, 유리는, 열-처리 온도에서 가상 온도를 동결시키기 위해 물에서 퀀칭된다. 유리 표면은, 그 다음 200-1800㎝^-1의 범위에 걸쳐, 442nm 레이저, 10-30초 노출 시간, 및 100% 전력을 사용하는 1-2㎛ 스폿 크기 (spot size) 및 50x 배율로 마이크로 라만 (micro Raman)에 의해 측정된다. 1000-1200㎝^-1에서 피크의 위치는, 이 경우에, 컴퓨터 소프트웨어, Renishaw WiRE 버전 4.1을 사용하여 적합하게 된다. 가상 온도 Tf (℃)의 함수에 따라 공기 측면 상의 SLG에서 측정된 1090㎝^-1 라만 피크의 우수한 적합도 (fit)는, 수학식 b) ω(cm^-1) = 1110.66 - 0.0282·Tf에 의해 주어진다. 유리 2의 경우, 우수한 적합도는, 수학식 c) ω(cm^-1) = 1102.00 - 0.0231·Tf에 의해 주어진다.

수학식 a), b) 및 c)에서 확립된 관계를 사용하여, 표면 압축 응력으로 인한 보정 계수 (correction factor)를 이용하여 측정된 라만 피크 위치의 함수에 따라 광변색성 유리의 가상 온도를 표현하는 것은 가능하다. 100MPa의 압축 응력, σ_c는, 가상 온도에서 대략 15 내지 20℃ 감소에 상응하게 라만 밴드 위치를 시프트시킨다. 하기 수학식 (1)은, SLG에 적용할 수 있다:

유리 2에 적용할 수 있는 수학식은 다음과 같다:

이들 수학식에서, ω는 1090㎝^-1 근처 피크에 대해 측정된 피크 파수 (peak wavenumber)이고, σ_c는 임의의 적절한 기술에 의해 측정된 표면 압축 응력으로,℃의 단위로 가상 온도의 응력-수정 측정 (stress-corrected measurement)을 산출한다. 결정된 가상 온도와 관련하여 증가된 내손상성의 입증으로서, 네 개의 유리 시트 샘플은 준비되는데, 두 개의 6㎜ 소다-라임 유리 (SLG) 시트는 대략 70 및 110MPa 표면 압축 응력 (CS)으로 종래의 템퍼링 방법에 의해, 및 두 개의 1.1㎜ SLG 시트는, 약 동일한 수준의 CS로 여기에 개시된 방법 및 시스템에 의해 준비된다. 각 두께의 하나인, 두 개의 부가적인 시트는, 대조구로서 사용된다. 각 시험 시트의 표면은, 표준 비커스 압입 (Vickers indentation)에 적용된다. 다양한 수준의 힘은, 각 15초 동안, 및 24시간 대기 후에, 적용되고, 압입은 각각 조사된다. 표 1에 나타낸 바와 같이, (균열이 나타나는 평균 수가 균열이 시작되는 경향이 있는 압입자의 네 지점 중 두 지점에서 하중으로 정의된) 50% 균열 임계값은, 각 샘플에 대해 결정된다.

표 1은, (6㎜ 시트에 반영된 것으로) 종래의 대류 가스 템퍼링에 의해 가공된 SLG에 대한 비커스 균열 초기 임계값이, 본질적으로, 어닐링되거나 또는 전달된-대로의 SLG 시트에 대한 것과 동일하여, 0 내지 1뉴턴 (N) 사이로부터 약 1 내지 2뉴턴 (N) 미만까지 상승하는 것을 보여준다. 이는, 종래의 템퍼링에 의해 제공된 유리 전이 온도 (η=10^12-13.3 Poise로 정의된, SLG에 대한 T_g = 550℃)에 비해 ~25 내지 35℃의 표면 가상 온도 (T_fs 또는 Tf_surface)에서 상대적으로 완만한 상승과 관련 있다. 대조적으로, (1.1㎜ 시트에 반영된 것으로) 본 방법 및 시스템을 사용하는 템퍼링에 의해, 비커스 균열 초기 임계값은, 종래의 템퍼링에 의해 부여된 비커스 내손상성보다 10-배 증가된, 10 N을 초과하여 개선된다. 구체화된 유리에서, T_fs - T_g는, 적어도 50℃, 또는 적어도 75℃, 또는 적어도 90℃, 또는 대략 75℃ 내지 100℃의 범위이다. 더 낮은 수준의 가열 강화를 포함하는 구체 예에서조차도, 구체화된 유리는, 예를 들어, 5 N과 같은 수준에서, 증가된 저항성을 여전히 제공할 수 있다. 어떤 고려된 구체 예에서, 15초 비커스 균열 개시 시험 후에 50% 균열 임계값은, 5 N, 10 N, 20 N, 또는 30 N 이상일 수 있다.

샘플	두께 (㎜)	CS (MPa)	표면 Tf (℃)	균열 임계값 (N)
대조구	1.1	어닐링된	~Tg (550)	0 - 1
대조구	6	어닐링된	~Tg (550)	0 - 1
얇은 저 강도	1.1	-72	626	10 - 20
두꺼운 저 강도	6	-66	575	1 - 2
얇은 중간 강도	1.1	-106	642	10 - 20
두꺼운 중간 강도	6	-114	586	1 - 2

다음의 무-차원 가상 온도 파라미터 θ는, 생성된 가상 온도의 면에서 열적 강화 공정의 상대 성능를 비교하는데 사용될 수 있다. 이 경우에, 표면 가상 온도 θs로 면에서 고려해보면 하기 수학식 3과 같다:

[수학식 3]

θs = (T _fs - T _anneal )/(T _soft - T _anneal )

여기서, T _fs 는 표면 가상 온도이고, T _anneal (η=10^13.2 Poise의 점도에서 유리의 온도)는 어닐링점이며, T _soft (η=10^7.6 Poise의 점도에서 유리의 온도)는, 시트의 유리의 연화점이다. 도 10은, 두 개의 다른 유리에 대한 열적 강화 동안 적용된 열 전달률의 함수, h에 따라 측정된 표면 가상 온도에 대한 θs의 플롯이다. 도 10에서 나타낸 바와 같이, 두 개의 다른 유리에 대한 결과는, 서로 매우 가깝게 중첩된다. 이는, 파라미터 θ가 이들을 생성하는데 요구된 열 전달률 h와 관련하여, 직접 비교된 다른 유리의 가상 온도와 비교하기 위한 수단을 제공하는 것을 의미한다. 각 h에서 결과의 수직 범위 (vertical range)는, 퀀칭의 시작에서 초기 온도, T₀의 값에서 변화에 상응한다. 구체 예에서, 파라미터 θs는, 약 (예를 들어, ±10%) 0.2 내지 약 0.9, 또는 0.21 내지 0.09, 또는 0.22 내지 0.09, 또는 0.23 내지 0.09, 또는 0.24 내지 0.09, 또는 0.25 내지 0.09, 또는 0.30 내지 0.09, 또는 0.40 내지 0.09, 또는 0.5 내지 0.9, 또는 0.51 내지 0.9, 또는 0.52 내지 0.9, 또는 0.53 내지 0.9, 또는 0.54 내지 0.9, 또는 0.54 내지 0.9, 또는 0.55 내지 0.9, 또는 0.6 내지 0.9, 또는 심지어 0.65 내지 0.9를 포함한다.

열적으로 템퍼링된 광변색성 유리 시트의 템퍼링 가능성 파라미터

다양한 구체 예에서, 여기서 논의된 시스템 및 방법에 의해 형성된 열적으로 강화된 유리 시트 및 특히 열적으로 강화된 광변색성 유리 시트 (예를 들어, 광변색성 유리 시트 (500))는, 높은 템퍼링 가능성 및/또는 열전달 값을 갖는다. 유리의 "비열 응력 (specific thermal stress)"은 하기 수학식 (4)에 의해 주어진다:

여기서, α는 유리의 (저온 선형) CTE이고, E는 유리 물질의 탄성 계수이며, 및 μ는, 유리 물질의 푸아송의 비 (Poisson's ratio)이다. 이 값은, 온도 구배 (temperature gradient)에 적용된 경우, 정해진 유리 조성물, 예를 들어, 정해진 광변색성 유리 조성물 내에서 생산된 응력의 수준을 나타내는데 사용된다. 이는, 또한 열 "템퍼링 가능성"의 어림자 (estimator)로 사용될 수 있다. 그러나, (예를 들어, 약 800W/㎡K 이상과 같은) 더 높은 열 전달률에서, 유리의 높은 온도 또는 "액상선" CTE는, 템퍼링 성능에 영향을 미치기 시작한다. 따라서, 이러한 조건하에서, 점도 곡선을 가로질러 변화하는 CTE 값에 걸친 적분의 근사치에 기초한 템퍼링 가능성 파라미터 ψ는, 하기 수학식 (5)와 같이 유용하다는 것을 확인하였다:

여기서, α ^S _CTE 는, 1/℃ (℃^-1)로 표현된, (유리에 대하여 0-300℃에서 평균 선형 팽창계수에 대해 해당하는) 저온 선형 CTE이고, α ^L _CTE 는, 1/℃ (℃^-1)로 표현된, (유리 전이와 연화점 사이 어디서나 발생하는 것으로 관찰된 고-온 안정상태 값 (plateau value)에 해당하는) 고온 선형 CTE이며, E는 (일반적으로 0과 1 사이에 범위로 (무-차원) 파라미터 Ψ의 값을 가능하게 하는) (MPa 아닌) GPa로 표현된, 유리의 탄성 계수이고, T _strain 은,℃로 표현된, (η=10^14.7 Poise의 점도에서 유리의 온도인) 유리의 변형점 온도이며, 및 T _soft 는,℃로 표현된, (η=10^7.6 Poise의 점도에서 유리의 온도인) 유리의 연화점이다.

열적 강화 공정 및 그 결과로 생긴 표면 압축 응력은, 템퍼링 파라미터, Ψ를 결정하기 위해 변화하는 특성을 갖는 유리에 대해 모델링된다. 유리는, 10^8.2 Poise의 동일한 출발점도 및 변화하는 열전달계수에서 모델링된다. 다양한 유리의 특성은, 10^8.2 Poise에서의 각 유리의 온도 및 각각에 대한 템퍼링 가능성 파라미터 Ψ의 계산된 값과 함께, 표 2에 나타낸다.

유리	모듈러스	저 CTE	고 CTE	108.2 Poise℃	연화점℃	변형점℃	Ψ
SLG	72	8.8	27.61	705	728	507	0.76
2	73.3	8.53	20.49	813	837	553	0.77
3	65.5	8.26	26	821	862	549	0.83
4	65	8.69	20.2	864	912	608	0.74
5	63.9	10.61	22	849	884	557	0.84
6	58.26	3.5	20.2	842	876	557	0.49
7	73.6	3.6	13.3	929	963	708	0.44
8	81.1	3.86	12.13	968	995	749	0.48

표 2에서 결과는, Ψ가 유리의 열적 강화 성능에 비례하는 것을 나타낸다. 이 연관성은, 높은 열 전달률 (2093W/㎡K의 열전달계수 (0.05 cal/s·㎠·℃)) 및 단지 1㎜의 유리 시트 두께에 대해 구체화된 예를 제공하는, 도 11에 더욱 나타낸다. 도에서 볼 수 있는 바와 같이, 7개의 다른 유리의 최종 압축 응력에서 변화는, 제안된 템퍼링 가능성 파라미터 Ψ에서 변화와 밀접한 연관성이 있다. 도 11에서 나타낸 연관성은, 광변색성 유리에 적용되는 것으로 인정된다.

열적으로 템퍼링된 광변색성 유리 시트 열전달계수 및 표면 압축 응력 및 중심 인장 응력에 대한 관계

또 다른 관점에서, 임의의 유리에 대하여, 임의의 주어진 열전달계수의 값, h (cal/㎠-s-℃로 표현됨)에서, 표면 압축 응력 곡선 (σ_CS, MPa) 대 두께 (t, ㎜)의 곡선은, 쌍곡선에 의해 (0 내지 6㎜의 t의 범위에 걸쳐) 적합하게 될 수 있고, 여기서 P₁ 및 P₂는 하기 수학식 (6)을 만족하는 h의 함수이다:

또는 Ψ에 대한 표현으로 대체하면, 압축 응력 σ_CS (Glass,h,t)의 곡선은, 하기 수학식 (7)에 의해 주어진다:

여기서, 수학식 (6) 또는 (7)에서 상수 P₁, P₂는, 각각, 하기 수학식 (8) 또는 (9)에 의해 주어진, 열전달 값, h의 연속 함수이다:

및

상수 P₁, P₂는, 도 12 및 도 13에서 h의 함수에 따라 각각 그래프화된다. 따라서, 정해진 h에 대한, P ₁ 의 값 및 상기 수학식 (6) 또는 (7)에서 동일한 h에 대한, 상응하는 P2을 사용하여, 곡선은, 두께 t의 함수에 따라, 그 h에서 얻어질 수 있는 표면 압축 응력 (CS)에 상응하게 구체적으로 명시된다.

몇몇 구체 예에서, 유사한 식은, 열적으로 강화된 광변색성 유리 시트의, 특히 6㎜ 이하의 두께에서, 중심 장력 (CT), 및 동일 전도도하에서 예측된 압축 응력을 2로 단순히 나눠서, 800W/㎡K 이상과 같은, 열전달계수를 예측하데 사용될 수 있다. 따라서, 예상된 중심 장력은, 하기 수학식 (10)에 의해 주어질 수 있다:

여기서, P_1CT 및 P_2CT는 하기 수학식 (11) 및 (12)와 같이 주어진다:

및

몇몇 구체 예에서, h 및 h _CT 는, 열적 강화의 정해진 물리적 사례에 대해 동일한 값을 가질 수 있다. 그러나, 몇몇 구체 예에서, 이들은 변할 수 있고, 및 개별적인 변수를 제공하고 및 그들 사이의 변화를 가능하게 하는 것은, 도형 묘사의 성능 곡선 내에서, 2:1 CS/CT의 통상적인 비가 유지되지 않는 사례를 획득하는 (capturing) 것을 가능하게 한다.

현재 개시된 공정 및 시스템의 하나 이상의 구체 예는, 표 3에 나타낸 모든 열전달률 값 (h 및 h _CT )에서 열적으로 강화된 SLG 시트를 생산한다.

대표적인 구체 예들에 따른 h 및 h CT 값들
cal/s·㎠·℃	W/㎡K	cal/s·㎠·℃	W/㎡K	cal/s·㎠·℃	W/㎡K
0.010	418.68	0.042	1758.456	0.070	2930.76
0.013	544.284	0.045	1884.06	0.071	2972.628
0.018	753.624	0.047	1967.796	0.078	3265.704
0.019	795.492	0.048	2009.664	0.080	3349.44
0.020	837.36	0.049	2051.532	0.081	3391.308
0.021	879.228	0.050	2093.4	0.082	3433.176
0.022	921.096	0.051	2135.268	0.095	3977.46
0.023	962.964	0.052	2177.136	0.096	4019.328
0.027	1130.436	0.053	2219.004	0.102	4270.536
0.028	1172.304	0.054	2260.872	0.104	4354.272
0.029	1214.172	0.055	2302.74	0.105	4396.14
0.030	1256.04	0.060	2512.08	0.127	5317.236
0.031	1297.908	0.061	2553.948	0.144	6028.992
0.033	1381.644	0.062	2595.816	0.148	6196.464
0.034	1423.512	0.063	2637.684	0.149	6238.332
0.038	1590.984	0.065	2721.42	0.184	7703.712
0.040	1674.72	0.067	2805.156
0.041	1716.588	0.069	2888.892

몇몇 구체 예에서, 열전달률 값 (h 및 h _CT )는, 약 0.024 내지 약 0.15, 약 0.026 내지 약 0.10, 또는 약 0.026 내지 약 0.075 cal/sㆍ㎠ㆍ℃일 수 있다.

도 14는, 표 2에서 SLG에 대한 Ψ의 값에 상응하는 Ψ( SLG )와 함께, 상기 수학식 6-9에 따른 h의 선택된 값에 대한 C( h,t )·Ψ( SLG )의 그래프에 의해, 두께 (t) (㎜)의 함수에 따라 MPa 단위의 유리 시트의 표면 압축의 새롭게 개발된 성능 공간을 나타낸다. GC로 표지된 트레이스 (trace labeled)는, 0.02 cal/s·㎠·℃ (또는 840W/㎡K)로부터 0.03 cal/s·㎠·℃ 또는 1250W/㎡K까지, 이들 수준의 열전달계수가 10^8.2 Poises의 가열된 유리 점도 또는 약 704℃인, 대류 가스 공정의 역량 이상의 온도에서, 그 공정에 사용될 수 있는 것으로 가정하여, 가스 대류 템퍼링에 의해 달성 가능한 SLG 시트의 최대 응력 대 얇기의 예상 범위를 나타낸다.

가스 대류 템퍼링 공정에 기초한 가장 많이 보고된 시트 CS 값의 예로는, 범례에서 삼각형 마커로 표지된 가스 대류를 나타낸다. 값 (601)은, 상업용 장비의 광고된 제품 성능 역량을 나타내며, 반면에 값 (602)은, 유리 가공 학회 (glass processing conference)에서의 구두 보고에 기초한다. LC로 표지된 트레이스는, 10^8.2 Poises의 초기 가열된 유리 점도 또는 약 704℃에서 가공하는 것으로 또한 가정하여, 0.0625 cal/s·㎠·℃ (또는 약 2600W/㎡K)의 열 전달률 h에 의해 주어진, 액체 접촉 템퍼링으로 달성 가능한 것으로 예상된 SLG 시트의 최대 응력 대 얇음의 곡선을 나타낸다. 액체 접촉 템퍼링 공정에 기초한 가장 많이 보고된 시트 CS 값의 예로는, 범례에서 원형 마커로 표지된 액체 접촉에 의해 나타낸다. 2㎜ 두께에서 더 높은 두 개의 값들은, 보로실리케이트 광변색성 유리 시트의 템퍼링의 보고에 기초하고, 및 달성된 응력은, 크기가 조정된 직접 비교를 위해 (Ψ _SLG )/(Ψ_borosilicate)에 의해 도면에 대해 크기가 조정된다.

표지된 트레이스 (704)는, 0.20 cal/s·㎠·℃ (또는 약 8370 W/㎡K)의 열 전달률 및 704℃의, 퀀칭 직전, 초기 온도에서 본 개시된 방법 및 시스템의 하나 이상의 구체 예에 의해 달성 가능한 응력을 나타낸다. 이렇게 달성 가능한 광변색성 유리 시트에 대한 응력의 수준은, 액체 템퍼링이 최첨단의 가스 대류 템퍼링 이상으로 나타남에 따라, 액체 템퍼링 강도 수준 이상으로 거의 동일한 범주의 개선을 나타낸다. 그러나, 표지된 트레이스 (704)는, 상한이 아니다 - 구체 예는 심지어 더 높은 온도에서 (광변색성 유리의 더 낮은 점도에서) 작은-갭 가스 베어링 열적 강화에서 달성 가능한 형태 및 평탄도의 우수한 조절에 기인하여 상기 값 이상으로 실현 가능한 것으로 나타내었다. 표지된 트레이스 (730)는, 광변색성 유리의 연화점 가깝게 또는 이상인, 730℃의 SLG 시트에 대한 출발 온도에서 0.20 cal/s·㎠·℃ (또는 약 8370W/㎡K)의 열 전달률에 의해 달성된 부가적인 강화 성능 중 몇몇을 나타낸다. 따라서, 압축 응력에서, 즉, 광변색성 유리 시트 강도에서 상당한 개선은, 기밀 가스 베어링에 시트 평탄도 및 형태의 우수한 취급 및 조절에 의해 가능하게 된 높은 초기 온도의 사용 및 높은 열 전달률의 조합에 의해 특히 달성되고 - 및 개선은, 2㎜ 이하의 두께에서 특히 두드러진다. 도 14에서 트레이스 (704) 및 트레이스 (730)에 의해 예시된 바와 같은 유사한 표면 압축 값들은, 광변색성 유리 시트에 대해 이용 가능한 것으로 인정된다.

도 15는, 본 개시에 의해 가능하게 된 열적 강화 수준 및 가늚 (thinness)의 극도의 조합을 나타내는, 본 개시의 하나 이상의 구체 예에 의해 생산된 템퍼링된 유리 시트의 선택된 실시 예에 대해 플롯된 두께의 함수에 따른 압축 응력으로, 그러나 2㎜ 이하에서, 위에서 설명된 도 14의 트레이스를 나타낸다. 도 15에서 트레이스 (704) 및 트레이스 (730)에 의해 예시된 바와 같은 비슷한 표면 압축 값들이 광변색성 유리 시트에 대해 이용 가능한 것으로 인정된다.

낮은 표면 거칠기 및 높은 평탄도를 갖는 열적으로 템퍼링된 광변색성 유리 시트

다양한 구체 예에서, 시트 (500)와 같은, 여기에 개시된 열적으로 강화된 광변색성 유리 시트는, 낮은, 형성된-대로의 표면 거칠기 및 높은 열적 응력 모두를 갖는다. 여기에 개시된 공정 및 방법은, 형성된-대로의 표면의 표면 거칠기를 증가시키지 않고, 광변색성 유리의 시트를 열적으로 강화시킬 수 있다. 예를 들어, 유입 플로우트 (incoming float) 광변색성 유리 공기-측 표면 및 유입 퓨전 형성된 광변색성 유리 표면은, 공정 전 및 후에 원자력 현미경 (AFM)에 의해 특징화된다. R_a 표면 거칠기는, 유입 1.1㎜ 플로우트 광변색성 유리에 대해 1nm 미만 (0.6-0.7nm)이고, 및 R_a 표면 거칠기는, 본 공정에 따른 열적 강화에 의해 증가되지 않는다. 유사하게, 퓨전-형성된 광변색성 유리의 1.1㎜ 시트에 대해 0.3nm 이하 (0.2-0.3)의 R_a 표면 거칠기는, 본 개시에 따른 열적 강화에 의해 유지된다. 따라서, 열적으로 강화된 광변색성 유리 시트는, 적어도 10 x 10㎛의 면적에 걸쳐, 적어도 제1표면에 대해 0.2 내지 1.5 nm R_a 거칠기, 0.2 내지 0.7 nm, 0.2 내지 0.4 nm, 또는 심지어 0.2 내지 0.3 nm 범위의 표면 거칠기를 갖는다. 표면 거칠기는, 대표적인 구체 예에서, 10 × 10㎛, 또는 몇몇 구체 예에서 15 × 15㎛의 면적에 걸쳐 측정될 수 있다. 플로우트 유리의 경우, 구체 예에서, 1.1㎜ 기판에 대해, 피크-대-피크로, 20㎜ 길이당 0.15 마이크로미터 미만, 및 0.7㎜ 기판에 대해, 피크-대-피크로, 20㎜ 길이당 0.20 마이크로미터 미만의 표면 거칠기는, 여기서 개시된 열적으로 강화된 광변색성 유리 시트에 대해 제공된다. 다른 구체 예에서, 1.1㎜ 기판에 대해, 피크-대-피크로, 20㎜ 길이당 0.05마이크로미터 미만, 및 0.7㎜ 기판에 대해, 피크-대-피크로, 20㎜ 길이당 0.075 마이크로미터 미만의 표면 거칠기는, 여기서 개시된 열적으로 강화된 광변색성 유리 시트에 대해 통상적이다.

몇몇 고려된 구체 예에서, 여기에 개시된 열적으로 강화된 광변색성 유리 시트는, 높은 열 응력 및 낮은, 형성된-대로의 표면 거칠기 및/또는 코팅된 표면 모두를 갖는다. 여기에 개시된 공정 및 방법은, 광변색성 유리 시트의 매끄러운 형성된-대로의 또는 전달된-대로의 표면의 표면 거칠기를 증가시키지 않고, 및 비슷하게 민감한 저-E 또는 반사-방지 또는 기타 코팅을 손상시키지 않으면서, 광변색성 유리의 시트를 열적으로 강화시킬 수 있다. 유입 플로우트 광변색성 유리 공기-측 표면, 및 유입 퓨전-형성된 광변색성 유리 표면은, 가공 전 및 후에 원자력 현미경 (AFM)에 의해 특징화된다. R_a 표면 거칠기는, 1.1㎜ 소다-라임 플로우트 광변색성 유리의 공기 측에 대한 유입의 경우 1nm 미만 (예컨대, 0.6 내지 0.7 nm)이고, 및 본 개시에 따른 열적 강화에 의해 증가되지 않는다. R_a 표면 거칠기는, 퓨전-형성된 광변색성 유리의 1.1 mm 시트에 대한 유입의 경우 0.3nm 미만 (예컨대, 0.2 내지 0.3nm)이고, 및 본 개시에 따른 열적 강화에 의해 증가되지 않는다. 따라서, 고려된 구체 예에서, 본 개시에 따라, 열적으로 강화된 광변색성 유리 시트는, 적어도 0.2 nm 및/또는 0.7 nm 이하와 같은, 0.4 nm 이하와 같은, 또는 심지어 0.3 nm 이하와 같은, 1.5 nm 이하의 R_a 거칠기의 범위에서 적어도 제1표면상에 표면 거칠기를 갖거나, 또는 강화 전에 적용될 수 있는 타입의 코팅을 갖는 열적으로 강화된 시트를 갖거나, 또는 이들 낮은 거칠기 값 및 코팅의 조합을 가지며, 출발 물질로서 상응하는 광변색성 유리 시트로 사용된 본 공정으로부터 얻어진다. 표면 품질 및/또는 표면 코팅(들)의 이러한 유지는, 본 공정 및 방법으로 이용 가능한 총 범위에 비해 제한된 열적 강화 효과를 생성하는, 대류 가스 템퍼링 또는 아마도 낮은 열전달 액체 템퍼링 공정의 사용을 사전에 요구하는 것으로 출원인은 이해한다.

또 다른 구체 예에서, 여기서 기재된 열적으로 강화된 광변색성 유리 시트는, 높은 평탄도를 갖는다. 다양한 구체 예에서, 여기서 논의된 강화 시스템은, 이송 및 가열 동안 광변색성 유리 물질을 지지하기 위해 조절된 가스 베어링을 활용하고, 및 몇몇 구체 예에서, 광변색성 유리 시트의 평탄도의 개선을 및/또는 조절을 돕는데 사용될 수 있어, 이전에 얻어질 수 있는 것보다 더 높은 정도의 평탄도, 특히 얇고 및/또는 고도로 강화된 광변색성 유리 시트를 결과한다. 예를 들어, 적어도 0.6㎜의 시트는, 개선된 강화-후 평탄도로 강화될 수 있다. 여기서 구체화된 열적으로 강화된 광변색성 유리 시트의 평탄도는, 이의 제1 또는 제2표면 중 하나에 대해 임의의 50㎜ 길이를 따라 100㎛ 이하의 총 인디케이터 런-아웃 (total indicator run-out (TIR)), 제1 또는 제2표면 중 하나에 대해 50㎜ 길이 내에서 300㎛ TIR 이하, 제1 또는 제2표면 중 하나에 대해 50㎜ 길이 내에서 200㎛ TIR 이하, 100㎛ TIR 이하, 또는 70㎛ TIR 이하를 포함할 수 있다. 대표적인 구체 예에서, 평탄도는, 광변색성 유리 시트의 임의의 50㎜ 이하 프로파일에 따라 측정된다. 고려된 구체 예에서, 여기서 개시된 두께를 갖는 시트는, 제1 또는 제2표면 중 하나에 대해 20㎜ 길이 내에서 200㎛ TIR 이하의 평탄도, 100㎛ TIR 이하의 평탄도, 70㎛ TIR 이하의 평탄도, 50㎛ TIR 이하의 평탄도를 갖는다.

고려된 구체 예에 따르면, 여기서 논의되는 강화된 광변색성 유리 물품 (예를 들어, 도 4에 나타낸 광변색성 유리 시트 (500))은, 몸체 (522)의 1cm 길이방향 신장을 따라 이의 두께 (t)가, 10㎛ 이하, 5㎛ 이하, 2㎛ 이하와 같이, 50㎛ 이상으로 변화하지 않도록 고-도의 치수 일관성을 갖는다. 이러한 치수 일관성은, 치수를 왜곡시킬 수 있는 냉각 판 배열 및/또는 표면 불균일과 같은, 실제 고려 사항에 기인한 고체 퀀칭에 의해, 여기서 개시된 바와 같은, 정해진 두께, 면적, 및/또는 음의 인장 응력의 크기에 대해 달성 가능하지 않을 수 있다.

고려된 구체 예에 따르면, 여기서 논의된 강화된 광변색성 유리 물품은, 1㎝ 길이방향에 따른 프로파일이 20㎛, 10㎛, 5㎛, 2㎛ 이내와 같이, 50㎛의 직선 내에서 유지되는; 및/또는 1㎝ 폭 방향에 따른 프로파일이 20㎛, 10㎛, 5㎛, 2㎛ 이내와 같이, 50㎛의 직선 내에 유지되는, 평탄한 적어도 하나의 주 표면 (예를 들어, 도 4에서 강화된 광변색성 유리 시트 (500)의 제1 및 제2표면 (510, 520))을 갖는다. 이러한 높은 평탄도는, 액체의 이류 (convective currents) 및 연관된 힘에 기인한 이들 공정에서 강화된 광변색성 유리의 휨 또는 굽힘과 같은, 실제적 고려사항에 기인한 액체 퀀칭에 의해, 여기서 개시된 바와 같은, 정해진 두께, 면적 및/또는 음의 인장 응력의 크기에 대해 달성 가능하지 않을 수 있다.

본 개시에 따라 형성된 광변색성 유리 시트는, 예를 들어, 안경, 센서와 같은 산업적 적용 및 장난감과 같은 새로운 품목에서, 다수의 적용들을 갖는다. 더 강하고 및 더 얇은 적층은, 생산될 수 있어, 중량 및 비용 절감 및 연료 효율을 증가를 결과한다. 바람직하게는, 열적으로 강화된 얇은 시트는, 형성된 더 두꺼운 광변색성 유리에 저온 굽힘 (cold bent) 및 적층될 수 있어, 얇은 시트의 어떤 고온 형성을 요구하지 않는 쉽고 신뢰할 수 있는 제조 공정을 제공한다.

열적으로 템퍼링된 광변색성 유리 시트의 알파 (Alpha)

하기 표 4는, (표에서 "방법의 소스"로 표시된) 본 개시의 방법에 의해 얻어진 SLG에 대한 결과 및 템퍼링 공정 내에서 얻어진 열교환계수의 대략적인 척도인, 성능 지수, 알파 (Alpha)를 나타낸다. 알파는 하기 수학식 13과 같이 주어진다:

[수학식 13]

여기서, CS는 물리적 압축 응력 (MPa)이고, t는 밀리미터 단위의 두께이며, CTE는℃^-1의 열팽창계수이고, 및 E는 유리의 탄성 (MPa)이며, 및℃/mm 단위로 산출된다.

샘플 번호	방법의 소스	유리	두께 (㎜)	CS (MPa)	CTE (1/℃)	E (MPa)**	알파 (℃/㎜)
1	I	SLG	1.84	150	9.20E-06	68900	129
2	I	SLG	1.84	172	9.20E-06	68900	147
3	I	SLG	1.07	190	9.20E-06	68900	280

샘플 1 및 3은, 개시된 공정으로부터 얻어진 반복 가능한 값이며, 공정에서 샘플 1은 공기를 사용하고 및 샘플 3은 가스로 헬륨을 사용한다. 샘플 2는, 본 공정 내에서 공기를 사용하는, 즉, 현재까지 확실히 반복 가능하지 않는, "최우수품" 값을 나타낸다. 본 개시의 공정에 의해 가공된 유리 샘플 (샘플 1 내지 3)은 모두 117℃/mm에서 알파를 초과한다. 출원인은, 두께를 갖는 알파의 기울기가 더 낮은 유리 두께로 더 낮은 고유 경향 (inherent trend)을 가질 수 있는 것으로 믿는다. 여기서 개시된 유리는, 20t+77을 초과하는 알파를 가지며, 여기서, 몇몇 구체 예에서, t는 ㎜로, 유리의 두께이다. 표 4에 나타낸 결과는, 광변색성 유리에 대해 얻어질 수 있는 것으로 인정된다.

열적 강화 시스템 및 공정

다양한 구체 예에서, 광변색성 유리 시트를 강화시키는 공정은, 냉각 또는 퀀칭 존으로, 광변색성 유리 시트 (500)와 같은, 광변색성 유리 시트의 적어도 일부를 지지하는 단계 또는 안내하는 단계를 포함하고, 여기서, 시트는 빠르게 냉각되어 여기서 논의된 특성 중 하나 이상을 갖는 강화된 광변색성 유리 시트를 생성한다. 다양한 구체 예에서, 광변색성 유리 시트는, 하나 이상의 히트 싱크와 광변색성 유리 시트의 표면 사이에 갭으로 운반된 가스의 흐름 또는 압력에 의해 적어도 부분적으로 지지된다. 일반적으로, 광변색성 유리 시트의 온도는, 시트가 냉각 존으로 이동하는 경우, 광변색성 유리의 전이 온도 이상이고, 및 다양한 구체 예에서, 광변색성 유리 시트는, 대류보다 열 전도에 의해 냉각 존 내에서 냉각된다. 할로겐화은의 결정은, 광변색성 유리 시트의 온도가 광변색성 유리의 전이 온도 이상인 경우, 광변색성 유리 내에서 침전된다. 전도는 열 전달의 공정이고, 여기서 에너지는, 인접한 분자들 사이에 상호작용을 통해 전해지고, 및 대류는 열 전달의 공정이며, 여기서, 에너지는, 가열된 유체가 열 공급원으로부터 멀리 이동하고 및 더 냉각된 유체에 의해 대체되는 경우와 같이, 유체 (예를 들어, 공기, 헬륨, 등)의 이동을 통해 전달된다. 따라서, 본 시스템은, 유리 시트의 냉각 동안 열 전달의 주된 모드가 대류인 종래의 대류-기반 유리 강화/템퍼링 시스템과 현저하게 다르다.

몇몇 구체 예에서, 광변색성 유리 시트를 강화하기 위한 전체 공정은, 고온 존에서 광변색성 유리 시트를 가열하는 단계 및 그 다음 냉각 존에서 광변색성 유리 시트를 냉각시키는 단계를 포함한다. 광변색성 유리 시트는, 광변색성 유리의 점도가 η = 10¹² - 10^13.3 Poise의 값을 갖는 온도인, 전이 온도를 갖는다. 광변색성 유리는, 광변색성 유리 시트가 전이 온도 이상으로 되도록 충분히 가열되고, 및 그 다음 냉각 존으로 이동된다. 선택적으로, 광변색성 유리는, 고온 존에서 전환 존을 통해 냉각 존으로 전환될 수 있다. 광변색성 유리 시트는, 할로겐화은의 결정이 광변색성 유리 시트 내에 침전되는 충분한 시간 동안 전이 온도 이상으로 유지된다. 구체 예에서, 고온 존은, 원하는 온도의 2℃ 이내에서 광변색성 유리 시트의 온도를 조절하고, 및 이에 의해 미리 결정된 범위의 직경 및 밀도 내에서 할로겐화은 결정의 침전을 보장한다. 냉각 존에서, 광변색성 유리 시트의 표면들은, 각각 광변색성 유리 표면의 하나와 히트 싱크의 대립 표면 사이에서 갭으로, 광변색성 유리 시트의 양면 상에, 히트 싱크에 인접하게 위치된다. 가스는, 히트 싱크에서 다수의 개구를 통해 갭으로 운반되고, 및 몇몇 구체 예에서, 이렇게 운반된 가스는, 광변색성 유리 표면이 히트 싱크와 접촉되지 않도록 히트 싱크 사이에 광변색성 유리를 지지하는 공기 베어링 (air bearing)을 형성한다. 냉각 존 내에서, 광변색성 유리 시트는, 대류보다 전도에 의해 냉각되며, 및 여기서 논의된 바와 같은 증가된 강도를 제공하는 시트의 열적으로 유도된 중심 장력 및 열적으로 유도된 표면 압축을 생성하거나 또는 고정하는데 충분하게 냉각된다. 다양한 구체 예에서, 전도를 통한 1차적인 냉각은, 광변색성 유리 시트가 히트 싱크의 대립 표면에 가깝지만, 접촉되지 않도록, 냉각 존 내에서 매우 작은 갭 크기를 가져서 달성된다.

기재된 공정을 가능하게 하는 장치는, 전이 온도 이상의 온도로 광변색성 유리 시트를 가열하기 위한 가열 존 및 가열된 광변색성 유리 시트를 냉각하기 위한 냉각 존을 포함할 수 있어, 강화된 광변색성 유리 시트를 제공한다. 상기 장치는, 가열 존과 냉각 존 사이에 선택적인 전환 존을 포함할 수 있다. 냉각 존은, 가열된 광변색성 유리 시트가 수신되는, 갭을 한정하는 한 쌍의 대립 표면을 갖는 히트 싱크를 포함할 수 있다. 냉각 존은, 갭 내에 광변색성 유리 시트를 지지하도록 작용하는 그 갭의 대립 측면 상에 배치된 한 쌍의 가스 베어링을 포함할 수 있다. 갭은, 대류에 의해서 보다 전도에 의해 가열된 광변색성 유리 시트를 냉각하도록 구성될 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 가스 베어링은, 가스를 갭으로 운반하기 위한 복수의 개구를 포함할 수 있고, 및 가스 베어링 표면은, 대류에 의해서 보다 전도에 의해 가열된 광변색성 유리 시트로부터 멀리 열을 전도할 수 있는, 히트 싱크로서 작용한다.

여기서 개시된 강화 공정 및 장비 (일반적으로, 도 21-25 참조)는, 본 발명의 형태의 열 템퍼링에 의해 광변색성 유리 제품 (일반적으로, 도 4-7 및 27-28 참조)의 강화를 가능하게 한다. 상기 공정은, 가파른, 인장 응력 대 두께/깊이 곡선 (일반적으로, 도 6 참조), 특히, 다른 유리에 광변색성 유리를 적층하거나 또는 이온-교환에 의한 강화를 요구하지 않고, 각각의 물품의 표면 근처에 정해진 두께에 대하여 특히 높은 수준의 음의 인장 응력으로 광변색성 유리 제품의 강화를 가능하게 하는, 광변색성 유리 물품의 표면 근처에서 가파른 기울기를 가능하게 한다. 그러나, 몇몇 구체 예에서, 여기서 개시된 열 템퍼링 공정은, 유리-대-유리 적층에 적용되거나 또는 이온-교환으로 증강될 수 있다. 여기서 개시된 열 템퍼링 공정은, 접촉 퀀칭 장비의 배열 제한, 종래의 대류 시스템의 냉각 속도 제한, 및/또는 액체 퀀칭 템퍼링과 연관된 휨 손상에 기인한 것과 같은, 종래의 열 템퍼링 방법을 통한 강화에 대해 충분히 클 수 있는 대-면적 물품 (예를 들어, 시트)에서 높은 수준의 강화를 특별히 가능하게 한다. 여기서 개시된 공정은, 강화 공정 동안 얇은 광변색성 유리 물품의 파괴 또는 파단에 대한 민감도 및 고체 또는 액체 퀀칭과 연관된 접촉력에 기인하는 및/또는 종래의 대류 템퍼링의 냉각 속도 제한에 기인하는 것과 같은, 종래의 템퍼링 방법을 통해 강화하기에 너무 얇을 수 있는 특별히 얇은 시트에서 높은 수준의 강화를 가능하게 한다. 그러나, 다른 고려된 구체 예에서, 여기서 개시된 바와 같은 광변색성 유리 물품은, 예컨대, 여기서 개시된 특유의 강화 공정과 조합하여, 적어도 몇몇 고체 또는 액체 퀀칭으로 제조될 수 있다.

본 개시에 따른 방법의 하나의 구체 예는, 도 16의 흐름도에서 예시된다. 상기 방법 또는 공정 (100)은 광변색성 유리 시트의 전이 온도 이상의 온도에 있는 광변색성 유리 시트를 제공하는 단계 (140)을 포함한다. 상기 방법 또는 공정 (100)은, 또한 (가스 흐름 및 압력을 통한) 가스에 의해 적어도 부분적으로 광변색성 유리 시트를 지지하는 단계 (160)을 포함한다. 단계 (160)는, 광변색성 유리 시트가 가스에 의해 지지되는 동안, 1) 히트 싱크로 가스를 통해 대류에 의한 것보다 전도에 의해; 및 2) 주위 온도에서 광변색성 유리 시트에서의 열적으로-유도된 표면 압축 응력 및 열적으로-유도된 중심 인장 응력을 생성 또는 고정하기에 충분하게, 시트를 냉각시키는 단계를 포함한다.

도 17의 흐름도에서 방법 (100')으로 도시된, 도 16의 구체 예의 변형에 따르면, 상기 방법은 광변색성 유리 시트가 광변색성 유리의 전이 온도 이상에 있도록 광변색성 유리 시트를 충분하게 가열하는 단계 (110)를 포함할 수 있다. 냉각 단계 (160)의 일부로서, 또는 준비로서, 상기 방법 (100')은, 제1 및 제2 히트 싱크 표면 (일반적으로, 도 21-25 참조)을 가지며, 각각 표면 내에 개구 (apertures)를 구비한, (단일 부품 (single piece)이든 또는 개별 부품이든지 간에) 히트 싱크를 제공하는 단계 (120)를 더욱 포함한다. 단계 (130A)에서, 상기 방법은, 제1 갭을 가로질러 제1 히트 싱크 표면에 대면하게 제1 시트 표면을 위치하는 단계, 및 단계 (130B)에서, 제2 갭을 가로질러 제2 히트 싱크 표면에 대면하게 제2 시트 표면을 위치하는 단계를 포함한다. 상기 히트 싱크 표면은, 개구를 포함할 수 있고 및/또는 다공성일 수 있다. 상기 방법 (100')은, 단계 (160)에서, 각각의 히트 싱크 표면에 가스를 통해 대류에 의한 것보다 전도에 의해, 광변색성 유리 시트를 강화하기에 충분하게 (예를 들어, 열적으로-유도된 표면 압축 응력 및 열적으로-유도된 중심 인장 응력을 시트에 생성 또는 고정하기에 충분하게), 광변색성 유리 시트를 냉각하는 단계를 더욱 포함할 수 있다. 단계 (160)는 또한 개구 또는 다공성 히트 싱크를 통해 제1 및 제2 갭에 가스를 전달하는 단계를 포함할 수 있고, 및 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 가스는 히트 싱크에 인접한 광변색성 유리 시트를 지지하는 공기 베어링을 형성하도록 전달된다. 몇몇 구체 예에서, 가스는 히트 싱크의 개구를 통해서만, 또는 다공성 히트 싱크의 기공을 통해서만, 또는 다공성 히트 싱크의 기공 및 개구를 통해서만 전달된다.

본 개시의 이들 및 다른 관련 방법은, 대류 대신에, 냉각의 지배적 모드로서 전도를 사용하여 가스-대류-냉각의 현재 지배적 기술에 반대된다. 고체-대-가스 (유리 대 공기) 열 교환 대신에, 여기서 기재된 방법은, 열적 강화를 생성하는 냉각을 시작 및 완성하기 위해, 소량의 가스에 의해 작은 갭을 가로질러 매개된 (예를 들어, 유리 표면과 히트 싱크 사이에 물리적 접촉 없이), 고체-대-고체 (유리 대 히트 싱크) 열 교환을 사용한다. 비록 몇몇 대류가 작은 갭으로 가스 (예를 들어, 공기 베어링 가스) 흐름으로 존재할지라도, 가스를 통해 및 히트 싱크로 갭을 직접 가로지르는 전도는, 냉각의 주된 모드이다. 출원인은, 전도성 열 전달의 우세가, 대류 우세한 냉각 공정에 비해 열 전달률을 증가시키는 것으로 결론내렸다.

(심지어 갭을 가로지르는) 고체-대-고체 전도가 대류보다 더 빠른 열 흐름을 가능하게 하기 때문에, 더 얇은 광변색성 유리 시트에 요구된 냉각 속도 증가는, 가스 속도 및 부피와 관련이 없다. 다양한 구체 예에 따르면, 제한이 대류 시스템에서 가스 흐름 및 갭 크기에 의해 통상적으로 부과됨이 없이, 가스 흐름 및 갭 크기는, 갭에서 가스 쿠션의 견고성을 조절하기 위해, 시트를 지지하기 위해, 시트를 평평하게 하거나 또는 그렇지 않으면 형상화를 위해, 열 전도를 최적화하기 위해, 열적 강화 동안 시트 평탄도 및/또는 형상을 유지하기 위해, 및/또는 높은 냉각 속도로 시트 취급의 용이성을 균형 잡기 위해서와 같이, 다른 목적을 위해 선택되고, 조절되고 또는 최적화될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 구체 예에서, 냉각이 대류를 통해서가 아니기 때문에, 헬륨은, 가스 베어링을 지지하는 매우 낮은 가스 유량에 기인하여, 본 개시의 시스템에서 공기에 대안으로 경제적으로 실행 가능하며, 및 이러한 구체 예에서, 헬륨은 공기의 약 5배의 열 전도도를 제공한다. 현재 이용 가능한 것들의 배수에서 추정된 가격을 갖는 헬륨조차도, 본 개시의 시스템의 낮은 유량에서 경제적으로 실행 가능한 대안이 된다.

더욱이, 본 개시의 시스템이 (대류 시스템에 비해) 냉각 동안에 광변색성 유리 시트에 걸쳐 흐르는 가스의 부피를 감소시키기 때문에, 여기서 논의된 시스템 및 방법은, 종래의 대류 기반 템퍼링 시스템에 필요한 고속의, 대용량 공기 흐름에 의해 통상적으로 유발된 광변색성 유리의 고온 얇은 시트의 변형의 잠재적 위험을 감소시킨다. 이것은, 또한 더 연질이고, 고온의 광변색성 유리 시트를 왜곡이 없거나 또는 최소한으로 취급하는 것을 가능하게 하여, 달성 가능한 강화의 정도를 더욱 개선시킨다. 높은 가스 유량을 제거하는 것은 또한 (높은 가스 흐름에 대해 이동하는) 시트를 퀀칭 챔버로 수송하는데, 및 시트를 가열하는데 사용되는 가열로의 인접한 부분으로 유입되고 및 냉각되는 높은-흐름의, 더 차가운 가스를 유지하는데, 종종 보이는 문제점을 완화시킨다.

더욱이, 가스를 통한, 전도의 사용은, 종래의 액체 접촉 또는 고체 접촉 퀀칭 템퍼링과 연관된, 접촉 손상, 휨, 형상화 (shaping), 등을 완화할 수 있다. 중간 전도체로 가스의 사용은, 고체-대-고체 접촉을 피하여 가공된 물품의 표면 품질을 보존한다. 가스를 통한 높은 전도 속도의 매개 (Mediating)는 또한 액체 접촉을 피한다. 몇몇 타입의 액체 퀀칭은, 광변색성 유리 표면의 원하지 않는 왜곡, 템퍼링에서 공간적 변화 및 오염을 도입할 수 있다. 이들 구체 예는, 필수적으로 (가스를 제외하고) 비-접촉이지만, 매우 높은-속도 냉각을 제공한다. 전술된 바와 같이, 다른 구체 예에서, 고체- 또는 액체-접촉은, 포함될 수 있다.

열 템퍼링 시스템/공정의 전력 소비

높은 공기 유량을 피하는 또 다른 장점은, 1차 광변색성 유리 냉각 메커니즘으로 고체-가스-고체 전도를 사용하여 달성된 전력 및 에너지 절감에 있다. 도 18 및 도 19의 지점 A 및 B는, 상대적으로 높은 흐름에서 압축된 공기 공급에 의해, 광변색성 유리 시트의 제곱 미터당, 공기 베어링의 피크 전력 사용의 하이-엔드 추정치 (high-end estimate)를 나타낸다. 압축 공기의 실용적인 로-엔드 (low-end) 피크 전력 사용은, 나타낸 값의 1/16 정도일 수 있다. 그러나, 지점 A 및 B는, 특히 기계가 연속, 준-연속 또는 고주파수 동작에 있는, 몇몇 구체 예에 포함될 수 있는, 히트 싱크의 능동 냉각 (active cooling)을 포함하지 않는다.

도 18 및 도 19를 다시 참조하면, 지점 A' 및 B'는, 광변색성 유리 시트 온도에서 300℃ 강하 (drop)의 열적 등가 하중 (thermal load equivalent)이, 지점 A'에 대해 2.1초의 및 지점 B'에 대해 1초 이내의 시간 한도 내에, 7.5 대 1의 열적-대-기계적 (또는 전기적) 효율 비 (efficiency ratio)를 갖는 능동 냉각 시스템에 의해 달성된다면, 히트 싱크 표면의 능동 냉각이 고려된 경우, 지점 A 및 B에서 가스 베어링 작동에 대한 보수적으로 추정된 피크 전력 수준을 나타낸다. 이 지점들은, 여기서 기재된 장치에서 실제로 템퍼링된 광변색성 유리 시트에 거의 정확히 대응한다.

도 18 및 도 19의 영역 (R) 내에 네 지점이 본 개시의 방법 및 시스템에 의해 얻어질 수 있는 (적어도 어느 정도) 개선의 중요성을 예시할지라도, 전력 수요가 대표된 수량이기 때문에, 전체 이익은 수치상으로 상당히 과소 평가될 가능성이 있음을 주목해야 한다. 예를 들어, 곡선 (N)에 의해 나타낸 바와 같은, 공기 블로어의 최대 전력은, 효율적으로 켜지거나 꺼지지 않아, 통상적으로, 공기가 필요하지 않을 때, 여전히 (감소된 부하에서) 회전하는, 대형 팬을 차단하기 위해 게이트로 제어된 통풍로 (gated airways)를 필요로 한다. 본 개시에 따라 쉽게 달성할 수 있는 실시 예로서 지점 A' 및 B'에 의해 나타낸, 냉각수 설비와 같은 유체 냉각 시스템의 최대 전력 수요는, 일반적으로 훨씬 더 효율적으로 수용될 수 있으며, 및 효과적인 최대 전력은, 훨씬 더 낮아질 수 있어, 충분히 연속적인 작동에 가까워짐에 따라 오직 A' 및 B'에 접근한다. 따라서, 전체 에너지 수요에서 차이는, 도면에서 나타낸, 최대 전력 수요의 차이보다 큰 경향이 있다. 몇몇 구체 예에서, 여기서 기재된 공정은, 2㎜ 두께 이하의 광변색성 유리 시트를 열적으로 강화시키기 위해 120 KW/㎡ 미만, 100 KW/㎡ 미만, 또는 80 KW/㎡ 미만의 최대 전력을 갖는다.

열 템퍼링 동안 얇은 광변색성 유리 시트에서 열 전달

일반적으로, 본 개시의 시스템 및 공정에서 얇은 광변색성 유리 시트로부터 열 전달은, 전도 구성요소 (component), 대류 구성요소 및 방사 구성요소를 포함한다. 여기서 상세히 전술하고 설명된 바와 같이, 본 개시의 열 템퍼링 시스템은, 얇은 광변색성 유리 시트를 퀀칭하기 위한 1차 메커니즘으로 전도성 열 전달을 활용하여 얇은 광변색성 유리 템퍼링에 대해 제공된다.

하기는 기본 이론에 대한 출원인의 이해이다. 전도 효과가 보통 대류 및 복사의 분석만으로는 일반적으로 무시될 만큼 작아서, (2 millimeters 이하와 같은) 얇은 광변색성 유리 시트에 대해 충분히 높은 냉각 속도가 공기와 같은 가스를 통한 전도에 의해 실제로 달성 가능한지, - 및 그렇다면, 이러한 속도가 실용적인 갭 크기에서 달성 가능한지를 묻는 것은, 유리 템퍼링의 기술 분야의 당업자에게 자주 발생할 수 있다.

여기서 기재된 시스템을 사용하는 공정에서 구체화된 조건에서의 열 전도의 양은, 하기를 통해 결정될 수 있다. 먼저, 본 개시에서와 같은 전도에 의한 열적 강화의 맥락에서, 갭 내의 가스의 열 전도도는, 열 기울기를 따르는, 전도의 방향에서 평가되어야 한다. 냉각되는 시트의 표면에 또는 그 부근에서, 고온의 공기는, 히트 싱크의 표면에 또는 그 근처에서 실온 또는 그 근처의 공기와 같은, 더 낮은 온도에서의 공기보다 상당히 높은 열 전도도를 갖는다 ((건조한) 실온 공기 (25℃)의 공칭 열 전도도는 대략 0.026W/m·K이다). 냉각의 시작시 두 개의 대면하는 표면의 평균 온도에서 존재할 전체 갭에 걸쳐 공기를 추정하는 근사치는, 사용된다. 냉각의 시작시, 광변색성 유리 시트는, 예를 들어, 670℃의 온도에 있을 수 있고, 반면에 히트 싱크 표면은, 예를 들어, 30℃에서 시작할 수 있다. 따라서, 갭 내의 공기의 평균 온도는, 350℃일 것이고, 여기서, 건조 공기는 약 0.047 W/m·K의 열 전도도를 가지며; 시트가 합리적인 고도의 표면 및 두께 일관성으로 마감된 것으로 가정하여, 하기에 논의된 바와 같이, 본 개시의 시스템 내에 크기의 갭을 통해 다량의 열 에너지를 전도하기에 충분히 높고 및 실온에서 이의 열 전도도보다 75% 더 높다.

예시를 위해, Q_cond는, (갭 거리 g의 방향에 수직인 모든 방향에서) 면적 A_g를 갖는 갭의 거리 g를 통한 열 전달률의 전도성 구성요소은 하기 수학식 (14)에 의해 주어질 수 있다:

여기서, k는 열 전도의 방향 (또는 반대 방향)에서 평가된 갭에서 물질 (가스)의 열 전도도이고, T_S는 광변색성 유리 표면의 온도이며, 및 T_HS는 히트 싱크 표면 (또는 다른 구체 예에서, 열 공급원 표면)의 온도이다. 전술된 바와 같이, 가스의 열 전도도가 온도에 따라 변하지만 - 양호한 근사치로서, k를 엄격하게 평가하기 위해서, 전도성 열 흐름의 방향에 따라 (또는 이에 대항하는) 가스의 열 전도도를 통합해야 하며, k는 T_S 및 T_HS의 두 표면의 평균 온도에서 갭 내의 가스에 대한 k의 값으로 취할 수 있다.

수학식 (14)을 열전달 계수의 단위 (켈빈도 (degree Kelvin)에 대한 미터 제곱당 열 흐름 파워 (heat flow power)의 단위)로 재구성하면 하기 수학식 (15)가 주어진다:

그래서, 갭을 가로지르는 전도에 대한 유효 열전달 계수는, 갭에서의 매체 (이 경우 공기)의 (W/m·K의 단위로) 열 전도도를 갭의 길이 (미터)로 나누어, 온도차이의 정도에 대하여 미터 제곱당 와트의 값을 제공한다. 표 5는, 10㎛으로부터 200㎛까지의, 매 10㎛의 간격으로, 갭 크기의 공기 및 헬륨 충진된 갭들에 대해, 오직 전도에 기인한, 열전달계수 (k/g)를 나타낸다.

도 20 (종래의 기술)은, (추가된 2mm에서 점선의 기준선을 갖는) 약 35년 전의 산업-표준 곡선을 나타내며, 어떤 가정된 조건하에서, ㎜의 단위로 두께의 함수에 따라, 유리의 시트를 완전히 템퍼링하는데 요구된 열전달계수를 나타낸다. 도 20과 표 5의 비교로부터 알 수 있는 바와 같이, 대략 40㎛의 공기-충진 갭은, 전도에 의해 2㎜ 두께의 광변색성 유리의 완전히 템퍼링을 가능하게 할 수 있다. 40 micrometers보다 약간 작은 다소 작은 갭이지만, 컨베이어 적용 (conveyor applications)에서 평면 다공성 공기 베어링은, 일반적으로 20 micrometers보다 작은 갭으로 안정적으로 실행할 수 있다. 따라서, 37 micrometers는, 히트 싱크 표면에서 기공에 의해 공급된 공기 갭에 대해 달성 가능하다. 가스로서 헬륨 (또는 유사한 열 전도도를 갖는, 수소)를 사용하여, 약 200㎛의 갭은, 2㎜ 두께의 광변색성 유리를 완전히 템퍼링하는데 사용될 수 있다. 가스로서 헬륨 또는 수소를 사용하는 것은, 동일한 열전달계수에 대해 약 5배 더 큰 갭 크기를 가능하게 한다. 다시 말해서, 갭에서 가스로서 헬륨 또는 수소를 사용하는 것은, 동일한 갭 크기에서 약 5배 만큼 퀀칭에 이용 가능한 열전달계수를 증가시킨다. 그래서, 공기를 사용하더라도, 간격은 비실용적이지 않고, 및 전도성이 높은 가스의 경우, 갭 간격은, 2mm보다 더 작은 시트 두께에서도, 비교적 쉽게 달성할 수 있다.

대류에 의한 것보다 전도에 의해 가스를 냉각시키는 것에 부가하여, 또 다른 구체 예는, 대류에 의한 것보다 전도에 의한 가스를 통한 가열 (또는 가열 및/또는 냉각)을 포함한다. 가열 또는 냉각 여부에 관계없이, 전도 및 대류의 상대 기여도에 대하여, 갭 (또는 갭들)을 가로지르는 열 전달률의 대류 Q_conv 구성요소는, 하기 수학식 (16)에 의해 제공될 수 있다:

여기서,

은 가스의 질량 유량이고, C_p는 가스의 비열용량이며, T_i는 가스가 갭으로 흐를 때 가스의 주입 온도이고, 및 e는 갭, 시트 표면 및 히트 싱크/공급원 (갭의 "벽")의 표면에서 가스 흐름 사이에 열 교환의 효율이다. e의 값은, (표면-대-가스 열 교환을 나타내는) 0으로부터 (표면의 온도에 완전히 도달하는 가스를 나타내는) 1로 변화한다. e의 값은, 예를 들어, e-NTU 방법을 사용하는 열 전달의 기술 분야의 당업자에 의해 계산될 수 있다.

통상적으로, 그러나, 시트의 표면과 히트 싱크/공급원의 표면 사이에 갭이 작 다면, e의 값은 거의 1에 가까울 것이고, 이는 가스가 거의 완전하게 가열됨을 의미하고, - 평균적으로, 가스가 갭을 떠나기 전에 양면의 두 표면의 평균 온도와 같다. e = 1 (대류 열 전달률의 약간 과대 평가), 및 가스가 히트 싱크/공급원의 표면을 통해 갭으로 공급되는 것을 가정하는 경우, 갭에서 가스의 초기 온도는, 히트 싱크/공급원 (T _i = T _HS )의 표면의 온도와 동일한 것으로 가정할 수 있다. 대류로 인한 열 전달률은, 그 다음 하기 수학식 (17)과 같이 단순화될 수 있다:

광변색성 유리 및 유사한 물질의 열 강화 또는 열처리에 통상적으로 유용한 온도에서, 처리하에 시트로부터의 복사 열전달은 상대적으로 작다. 따라서, 갭 (예를 들어, 도 21에 나타낸 갭 (204a, 204b))의 면적에서, 주로 전도에 의해 시트 (예를 들어, 도 21에 나타낸 시트 (200))를 냉각 (또는 가열, 가열이 너무 높지 않을 때 열원으로부터의 방사량을 가정함)시키기 위해서는, 단지 하기 수학식 (18)을 요구한다:

수학식 (14) 및 (17)과 수학식 (18)을 조합하면, 하기 수학식 (19)의 조건이 주어진다:

이는, 유지되는 경우, 시트가, 문제의 갭의 면적에서, 주로 전도에 의해 냉각 (또는 가열)되는 것을 필수적으로 보장할 것이다. 따라서, 가스의 질량 유량은, 갭 면적의 제곱 미터당 2kA _g / gC _p , 또는 2k/ gC _p 미만이어야 한다. 구체 예에서,

< B·(2kA _g /gC _p )이고, 여기서, B는 대류 냉각 대 전도 냉각의 비이다. 여기서 사용된 바와 같이, B는 1 미만 및 0 초과의 양의 정수이고, 구체적으로는 2/3 이하, 또는 심지어 4/5 이하 또는 9/10 이하의 값을 갖는다. 일반적으로,

은, 광변색성 유리 시트 (예를 들어, 히트 싱크 표면(들) (예를 들어, 도 21에 나타낸, 히트 싱크 표면 (201b, 202b))에 대해 도 21에 나타낸 시트 (200))의 위치 또는 이들 자신의 열 교환 표면의 위치를 조절하기 위해 가스 흐름을 사용할 필요성과 일치하여, 가능한 한 낮게 유지되어야 한다. 대류 냉각 대 전도 냉각의 비는, 1 미만 내지 1x10^-8의 임의의 값일 수 있다. 몇몇 구체 예에서, B는, 0.9, 0.8, 0.7, 0.6, 0.5, 0.4, 0.1, 5x10^-2, 1x10^-2, 5x10^-3, 1x10^-3, 5x10^-4, 1x10^-4, 5x10^-5, 1x10^-5, 5x10^-6, 1x10^-6, 5x10^-7, 1x10^-7, 5x10^-8, 또는 1x10^-8 미만이다. 몇몇 구체 예에서,

은, 히트 싱크 표면(들)에 대해 시트 위치를 지지하고 및 조절하기 위해 가스 흐름을 사용할 필요성과 일치하여, 최소화된다. 다른 구체 예에서,

은, 시트에 대해, 열교환 표면 자체의 위치를 조절하도록 선택되어야 한다.

다양한 구체 예에서, 본 개시의 전도성-기반 냉각 시스템 내에 가스의 질량 유량

은, 종래의 대류-기반 템퍼링 시스템과 비교하여 실질적으로 낮다. 이 실질적으로 더 낮은 가스 유량은, 여기서 논의된 바와 같이, 전도성 시스템이 실질적으로 감소된 전력 사용에서 작동되는 것을 가능하게 한다. 더욱이, 적어도 몇몇 구체 예에서, 감소된 가스 유량은 또한 종래의 대류 냉각 시스템과 비교하여 실질적으로 더 조용한 냉각 시스템을 결과한다. 이러한 구체 예에서, 소음의 감소는, 청각 손상의 가능성을 감소시키고 및 심지어 작업자의 청각 보호를 사용할 필요성을 감소시키거나 또는 제거하여 작업자 안전을 증가시킬 수 있다.

이해되는 바와 같이, 광변색성 유리 물질의 시트가 대립하는 히트 싱크 표면들 사이에 공기 베어링 상에 지지되는, 구체 예에서, 전도성 열 전달은, 광변색성 유리 시트의 양면에서 히트 싱크 표면 모두로 발생할 것이다. 따라서, 이러한 구체 예에서, 광변색성 유리 시트는, 제1 및 제2 시트 표면을 가지며, 및 광변색성 유리 시트의 냉각은, 제1 갭이 제1 시트 표면과 제1 히트 싱크 표면 사이에 위치되도록, 제1 히트 싱크 표면 (예를 들어, 더 낮은 히트 싱크의 표면)에 인접한 제1 시트 표면 (예를 들어, 광변색성 유리 시트의 더 낮은 표면)을 위치시키고, 및 제2 갭이 제2 시트 표면과 제2 히트 싱크 표면 사이에 위치되도록, 제2 히트 싱크 표면 (예를 들어, 상부 히트 싱크의 표면)에 인접한 제2 시트 표면 (예를 들어, 광변색성 유리 시트의 상부 표면)에 위치시켜 실행된다. 이러한 구체 예에서, 제1 시트 표면에서 제1 히트 싱크 표면으로 및 제2 시트 표면에서 제2 히트 싱크 표면으로 열 전도는 발생하는 것이 가능하게 된다. 이러한 구체 예에서, 제1 갭은, g ₁의 제1 갭을 가로지르는 길이 및 A _{g 1}의 제1 갭의 면적을 갖고, 및 제2 갭은 g ₂의 제2 갭을 가로지르는 길이 및 A _{g 2}의 제2 갭의 면적을 갖는다. 이러한 구체 예에서, 제1 갭으로 제1 가스의 제1 흐름은 제공되고, 제2 갭으로 제2 가스의 제2 흐름은 제공된다. 이해되는 바와 같이, 상기 논의와 유사하게, 제1 가스는, 열용량 (C_p1) 및 열 전도도 (k₁)를 갖고, 및 제1 흐름은 질량 유량

₁에서 제공된다. 이러한 구체 예에서,

₁은, 0 초과 및 (2k₁A_g1)/(g₁C_p1) 미만이다. 더욱이, 제2 가스는, 열용량 C_p2 및 열 전도도 k₂를 갖고, 및 제2 흐름은 질량 유량

₂에서 제공된다. 이러한 구체 예에서,

₂는, 0 초과 및 (2k₂A_g2)/(g₂C_p2) 미만이다. 이러한 구체 예에서, 제1 및 제2 흐름은, 광변색성 유리 시트가 히트 싱크 표면에 접촉하지 않고 지지되도록 광변색성 유리 시트를 접촉한다. 이러한 방식에서, 시트는, 대류에 의한 것보다 전도에 의해 시트의 표면 압축 응력 및 중심 장력을 생성하는 방식으로 냉각된다.

높은 전도 냉각 존을 포함하는 광변색성 유리 강화 시스템

도 21을 참조하면, 높은 전도성 유리 냉각/퀀칭 스테이션 및 대류에 의한 것보다 전도에 의해 냉각되는 유리 시트의 개략적인 단면을 나타낸다. 고온 유리 시트 (200)는, 각각의 갭 (204a, 204b)을 가로질러 각각의 제1 및 제2 히트 싱크 (201a, 202a)의 각각의 제1 및 제2표면 (201b, 202b)을 각각 대면하는 제1 및 제2 (주) 표면 (200a, 200b)을 갖는다. 가스 (230)는, 화살표로 나타낸 바와 같이, 제1 및 제2표면 (201b, 202b)을 통해 주입되어, 갭 (204a, 204b)으로 공급되고, 및 히트 싱크들 (201a, 202a) 사이에 중심을 맞추거나 또는 그렇지 않으면 위치된 광변색성 유리 시트를 유지시키도록 돕는다. 공기 또는 다른 가스는, 화살표 (240)로 나타낸 바와 같이, 히트 싱크 (201a, 202a)의 에지를 통과하여 떠날 수 있다. 여기서 논의에 따라 갭 (204a, 204b)의 크기, 및 가스, 및 가스 (230)의 유량을 선택하여, 광변색성 유리 시트 (200)는, 대류보다 전도에 의해 더 냉각될 것이다. 특정한 구체 예에서, 광변색성 유리 시트 (200)는, 광변색성 유리 시트 (200)와 같은, 가열된 물품을 떠나는 열 에너지의 20% 이상, 구체적으로 50% 이상, 보다 구체적으로는 80% 이상이, 갭 (204a, 204b)과 같은, 갭을 가로지르고, 및 히트 싱크 (201a, 202a)에 의해 수용되어, 히트 싱크 (201a, 202a)에 의해 냉각된다.

몇몇 구체 예에서, 갭 (204a, 204b)은, 가열된 광변색성 유리 시트가 대류보다 전도에 의해 냉각되도록 충분하게 갭을 가로지르는 두께 또는 거리를 갖게 구성된다. 이해되는 바와 같이, 갭 (204a, 204b)의 크기는, 일반적으로, 주 광변색성 유리 표면과 대립하는 히트 싱크 표면 사이에 거리이다.

몇몇 구체 예에서, 갭 (204a, 204b)은, 약 (예를 들어, ±1%) 100㎛ 이상 (예를 들어, 약 100㎛ 내지 약 200㎛, 약 100㎛ 내지 약 190㎛, 약 100㎛ 내지 약 180㎛, 약 100㎛ 내지 약 170㎛, 약 100㎛ 내지 약 160㎛, 약 100㎛ 내지 약 150㎛, 약 110㎛ 내지 약 200㎛, 약 120㎛ 내지 약 200㎛, 약 130㎛ 내지 약 200㎛, 또는 약 140㎛ 내지 약 200㎛ 범위)의 두께를 가질 수 있다. 다른 구체 예에서, 갭 (204a, 204b)은, 약 (예를 들어, ±1%) 100㎛ 이하 (예를 들어, 약 10㎛ 내지 약 100㎛, 약 20㎛ 내지 약 100㎛, 약 30㎛ 내지 약 100㎛, 약 40㎛ 내지 약 100㎛, 약 10㎛ 내지 약 90㎛, 약 10㎛ 내지 약 80㎛, 약 10㎛ 내지 약 70㎛, 약 10㎛ 내지 약 60㎛, 또는 약 10㎛ 내지 약 50㎛ 범위)의 두께를 가질 수 있다.

히트 싱크 (201a, 202a)는 고체 또는 다공성 구조일 수 있다. 적절한 물질은, 알루미늄, 청동, 탄소 또는 그래파이트, 스테인레스 스틸, 등을 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 히트 싱크 치수는, 광변색성 유리 시트의 크기를 다루고 및 크게 히트 싱크 온도를 변화시키지 않고, 효율적으로 및 효과적으로 열 전달하기에 충분하게 설계될 수 있다. 히트 싱크 (201a 및/또는 202a)가 다공성인 경우에서, 이들은 여전히 흐름 가스에 대한 부가적인 개구 또는 홀을 포함할 수 있거나 또는 흐름을 제공하기 위해 다공성 구조를 사용할 수 있으며, 또는 이 모두일 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 히트 싱크는, 히트 싱크의 온도를 조절하기 위한 유체 흐름을 가능하게 하기 위한 통로를 더욱 포함하며, 이는, 도 23-25 및 하기에서 더욱 상세하게 기재된다.

종래 기술의 높은 가스 유량의 제거는, 도 21에 나타낸 바와 같이, 매우 작은 개구 또는 기공 (206)의 사용을 가능하게 하여, 히트 싱크 면에서 가스를 갭(들)에 제공한다. 몇몇 구체 예에서, 개구는, 가장 작은 방향 (예를 들어, 원형 개구의 경우에 직경)에서 측정된 경우, 2㎜ 미만, 1.5㎜ 미만, 1㎜ 미만, 0.5㎜ 미만, 0.25㎜ 미만, 또는 200, 150, 100, 50, 30, 20, 또는 10㎛ 이하일 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 개구는, 약 (예를 들어, ±1%) 10㎛ 내지 약 1㎜, 약 20㎛ 내지 약 1㎜, 또는 약 50㎛ 내지 약 1㎜이다.

인접한 개구 (206) 사이에 공간은, 개구의 에지-대-에지를 측정하여, 약 (예를 들어, ±1%) 10㎛ 내지 약 3㎜, 약 20㎛ 내지 약 2㎜, 또는 약 50㎛ 내지 약 1㎜일 수 있다. 작은 개구 또는 기공은, 개별적인 흐름 제한장치 (flow restrictors)로서 기능할 수 있어, 시트의 위치 결정 및 갭 크기 제어를 위한 시트의 지지체의 높은 수준의 견고성 및 일관성과 같은, 고성능의, 가스-베어링-타입 동역학을 제공하여, 응력 복굴절을 피하거나 또는 감소시키기 위한 열적 강화 효과의 높은 균질성을 가능하게 한다. 더욱이, 매우 작은 기공 또는 개구가 사용될 수 있기 때문에, 갭(들)을 가로지르는 시트 표면을 대면하는 히트 싱크의 표면에서 고체 물질의 상대적인 양은 최대화될 수 있고, 그에 따라 전도성 가열 흐름을 증가시킨다.

다양한 구체 예에 따르면, 갭 (204a, 204b)에 가스를 제공하고 및 바람직하게는 히트 싱크 표면 (201b, 202b)의 법선에 가까운 방향으로 놓이는 개구 (206)를 사용하는, 유일한 경로로서 이러한 개구 (206)의 사용은, 공기-베어링 타입 동력학이 최적화되고, 및 더 큰 개구로부터 가스 흐름에 의해, 또는 시트 (200b)에 인접한 히트 싱크 표면(들) (201b, 202b)을 통하는 것이 아닌 다른 소스로부터, 또는 다른 과도한 측 방향 흐름에 의해 손상되지 않도록 보장한다. 다른 구체 예에서, 가스는, 예컨대, 개구 (206) 또는 기공에 부가하여, 다른 공급원을 통해 갭 (204a, 204b)에 제공될 수 있다. 따라서, 본 개시의 관점은, 예컨대, 종래의 대류 템퍼링 공정에 비해, 낮은 가스 흐름 및 고체-가스-고체 전도의 사용에 의한 전력 및 에너지 절감을 가능하게 한다.

도 22-25는, 본 개시에 따른 광변색성 유리 강화 시스템 (300)의 대표적인 구체 예를 나타낸다. 도 22는, 시스템 (300)의 개략적인 단면도를 나타내며, 여기서, 광변색성 유리 시트는, 광변색성 유리 시트로 가스를 통해, 가스 베어링으로부터 열의 전도로 가열될 수 있고, 및/또는 전도성 히트 싱크로 가스를 통해, 광변색성 유리 시트로부터 열의 전도를 통해 냉각될 수 있다. 장치는, 고온 존 (310), 냉각 존 (330), 및 전환 가스 베어링 (320)을 포함한다. 전환 가스 베어링 (320)은, 접촉이 없거나 실질적으로 접촉이 없이 광변색성 유리와 베어링 사이에서 발생하도록 고온 존 (310)에서 냉각 존 (330)으로 광변색성 유리 물품 (예를 들어, 광변색성 유리 시트 (400a))을 이동 또는 향하게 한다. 고온 존 (310)은, 고온 존 플리넘 (plenum: 318)으로부터 각각 주입되는 가스 베어링 (312)을 가지며, 및 상기 베어링 (312)은, 고온 존 가스 베어링 (312)을 원하는 출발 공정 온도로 가열하는 역할을 하는, 베어링 (312)을 통해 홀로 삽입된 카트리지 히터 (314)를 갖는다. 광변색성 유리 시트 (고온 존) (400a)는, 원하는 사전-냉각 온도 (예를 들어, 전이 온도 이상)으로 이를 가져오기에 충분히 긴 기간 동안 고온 존 가스 베어링 (312) 사이에서 유지된다.

몇몇 구체 예에서, 고온 존에서 시트를 가열하는 것은, 히트 싱크로부터의 얇은 가스 배리어 (gas barrier)를 통한 열의 전도를 통해 주로 수행될 수 있다. 고온 존에 사용되는 전도성 가열 공정은, 여기에 기재된 냉각 공정과 유사할 수 있지만, 역 (예를 들어, 열을 광변색성 유리 시트로 밀어넣는 것)일 수 있다. 대형의 광변색성 유리 시트는, 시스템 (300)에서 열적으로 가공될 수 있다. 예를 들어, 그러나, 제한되지 않고, 폭 또는 길이가 0.5 미터 초과, 1.0 미터 초과, 또는 2.0 미터를 초과하는 광변색성 유리 시트의 조각은, 여기에 개시된 바와 같은 시스템 (300)으로 가열 및/또는 냉각될 수 있다.

몇몇 구체 예에서, 광변색성 유리 시트 (400a)가 비교적 천천히 가열될 수 있고, 및 고온 가스 베어링 (312)으로부터 광변색성 유리 시트 (400a)로의 열적 복사가 이러한 목적에 적합하기 때문에, 고온 존 가스 베어링 (312)의 외부 표면과 광변색성 유리 시트 (400a) 표면 사이에 갭 (316)은, 대략 0.05" (1.27㎜) 내지 0.125" (3.175㎜) 이상으로, 상대적으로 클 수 있다. 다른 구체 예에서, 고온 존 갭 크기는, 측면에 대해 150 microns, 측면에 대해 200 microns, 측면에 대해 300 microns, 측면에 대해 400 microns 또는 측면에 대해 500 microns 만큼 작을 수 있다. 작은 갭은, 몇몇 구체 예에서, 베어링을 더 우수한 "견고성" - 즉, 광변색성 유리를 집중시키는 능력을 갖는 것을 가능하게 하고, 및 따라서 이의 연화된 상태에 있는 동안 이를 평평하게 하기 때문에, 장점일 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 공정은, 예를 들어, 가스 베어링 (312)에 의해 공급된 압력을 통해 초기 가열 단계에서 광변색성 유리 시트를 재-형성 -이들을 평탄화- 할 수 있다. 더 작은 갭은, 또한 0.7㎜, 1.1㎜ 또는 2.0㎜를 초과하는 두께를 갖는 광변색 성 유리 시트 (400a)를, 광변색성 유리 시트 (400a)의 왜곡 없이, 500℃, 550℃ 또는 600℃ 이상의 온도로 3분 이하, 2분 이하 또는 1분 이하에서 가열하는데 장점일 수 있다. 이러한 짧은 가열 시간 (플래시 가열)은, 여전히 바람직한 광변색 특성을 제공하고, 및 광변색성 유리 시트의 제조 동안, 감소된 에너지 소비, 감소된 생산시간, 등과 관련하여 유리하다. 몇몇 구체 예에서, 상부 및 하부 고온 존 베어링은, 엑츄에이터 (actuators) 상에 있을 수 있어, 연속적인 방식으로 갭 폭을 변화시키는 것을 가능하게 하거나, 또는 선택적으로, 갭이 큰 경우, 광변색성 유리를 고온 존으로 가져가는 것을 가능하게 하며 및 그 다음 갭을 압축 또는 축소하여 여전히 연질 상태에서 광변색성 유리를 평탄하게 만든다.

공정 온도는, 광변색성 유리 조성물, 광변색성 유리 두께, 광변색성 유리 특성 (CTE, 등) 및 원하는 수준의 강화를 포함하는, 다수의 인자에 의존한다. 일반적으로, 출발 공정 온도는, 광변색성 유리 전이 온도와 리틀톤 (Littleton) 연화점 사이에 임의의 값일 수 있거나, 또는 몇몇 구체 예에서, 훨씬 더 높을 수도 있다. 예를 들어, 시스템 (300)은, 광변색성 유리 시트 (400a)를 약 (예를 들어, ±1%) 640℃ 내지 약 730℃ 또는 약 690 내지 약 730℃의 온도로 가열한다. 몇몇 구체 예에서, 시스템 (300)은, 광변색성 유리 시트 (400a)를 약 (예를 들어, ±1%) 620 내지 약 800℃, 약 640 내지 약 770℃, 약 660 내지 약 750℃, 약 680 내지 약 750℃, 약 690 내지 약 740℃, 또는 약 690 내지 약 730℃로 가열한다. 다른 구체 예에서, 시스템 (300)은, 광변색성 유리 시트 (400a)를 약 450 내지 약 850℃의 온도로 가열한다.

광변색성 유리 시트 (400a)는, 이의 원하는 출발 공정 온도 (예를 들어, 450℃, 500℃, 550℃, 600℃, 650℃, 700℃, 750℃, 800℃ 또는 850℃ 이상 및 광변색성 유리 연화 온도 아래)로 가열되고 및 이것은 그 다음 임의의 적절한 수단을 사용하여 고온 존 (310)으로부터 냉각 존 (330)으로 이동된다. 광변색성 유리는, 짧은 시간의 기간, 예를 들어, 3분 이하, 2분 이하, 또는 1분 이하 내에 원하는 출발 공정 온도로 가열될 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 고온 존 (310)에서 냉각 존 (330)으로 광변색성 유리 시트 (400a)을 이동하는 것은, 예를 들어, (1) 광변색성 유리 시트에 작용하는 중력이 냉각 존으로 이동하도록 전체 어셈블리를 기울이는 단계, (2) 고온 존 (310)의 최좌측 출구 (측면은 이 구체 예에서 폐쇄됨)로부터 가스 흐름을 차단하는 단계로서, 이에 의해 모든 가스 베어링으로부터 나오는 모든 가스가 저온 구역의 최우측 출구로부터 배출되도록 하여, 유체력 (fluid forces)을 광변색성 유리 시트 (400a) 상에 가하여 이것이 냉각 존 (330)으로 이동하게 하는 차단 단계, 또는 (3) (1) 및 (2)의 조합에 의해 달성될 수 있다.

전환 가스 베어링 (320)은, 전환 베어링 플리넘 (328)에 의해 가스로 공급될 수 있다. 전환 가스 베어링 (320)의 표면 이면에 고체 물질 두께는, 낮은 열 질량 및/또는 낮은 열 전도도의 얇을 수 있어, 고온 존 (310)에서 냉각 존 (330)으로 감소된 열 전도를 가능하게 한다. 전환 가스 베어링 (320)은, 두 개의 존들 (310 및 330) 사이에서 열적 파괴 또는 전환으로서 역할을 할 수 있고, 및 고온 존의 더 큰 갭 (316)으로부터 냉각 존 (330)의 작은 갭 (336)으로 전환시키는 역할을 할 수 있다. 더욱이, 전환 가스 베어링 (320)의 낮은 열 질량 및/또는 낮은 열 전도도는, 열 전달의 양을 제한하고, 및 따라서, 냉각은 광변색성 유리 시트 (400a)가 후 전환 가스 베어링 (320)을 통과하면서 경험한다.

광변색성 유리 시트 (냉각 존) (400b)가 냉각 존 (330)으로 및 채널 (330a)로 이동되자마자, 이것은, 정지 게이트 (341)로 나타낸, 기계적 정지 또는 임의의 다른 적절한 차단 메커니즘에 의해 우측 출구를 빠져나가는 것이 정지된다. 광변색성 유리 시트 (400b)의 중심이 광변색성 유리 전환 (예를 들어, 이 실시 예에서, 약 150℃의 표면과 중심 사이에 온도 차이를 갖는 표면에서 약 340℃에 상응하는, 약 490℃ 아래에서, 1㎜ 두께의 광변색성 유리의 경우)을 통과하여 충분히 냉각되자마자, 정지 게이트 (341)는 이동될 수 있어, 냉각 존 채널 (330a)을 차단하지 않고, 및 그 다음 광변색성 유리 시트 (400b)는, 시스템 (300)으로부터 제거될 수 있다. 원하는 경우, 광변색성 유리 시트 (400b)는, 제거 전에 약 실온 근처까지 냉각 존 (330)에 남겨둘 수 있다.

전술된 바와 같이, 고온 존 (310) 내에서, 광변색성 유리 시트 (400)는, 광변색성 유리 시트의 광변색성 유리 전이 온도 이상의 온도로 가열된다. 도 22에 나타낸 구체 예에서, 냉각 존 (330)은, 구멍 (330b)을 통해 가열된 광변색성 유리 시트 (400b)를 수신하고, 광변색성 유리 시트 (400b)를 운반하며, 및 냉각 존에서 광변색성 유리 시트 (400b)를 냉각시키기 위한 채널 (330a)을 포함한다. 하나 이상의 구체 예에서, 채널 (330a)은, 가스 베어링, 롤러 휠, 컨베이어 벨트, 또는 냉각 존을 통해 광변색성 유리 시트를 물리적으로 수송하기 위한 다른 수단을 포함할 수 있는, 운반 시스템을 포함한다. 도 22에 나타낸 바와 같이, 냉각 존 (330)은, 고온 존 플리넘 (318) 및 전환 플리넘 (328)과는 별도로 플리넘 (338)에 주입된 가스 베어링 (332)를 포함한다.

도 22에 나타낸 바와 같이, 냉각 존 (330)은, 채널 (330a)에 인접하게 배치된 하나 이상의 히트 싱크 (331)를 포함한다. 2개의 히트 싱크가 활용되는 경우, 이러한 히트 싱크는, 채널 갭 (330a)을 가로질러 서로 대면하는, 채널 (330a)의 대립 측면 상에 배치될 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 히트 싱크는, 가스 베어링 (332)의 일부를 형성하는, 복수의 개구 (331a)을 포함하고, 냉각 존 (330)의 저온 가스 베어링 (332)의 표면은, 2개의 히트 싱크 표면으로 역할을 한다. 채널 (330a) 내의 낮은 공기 유량 및 채널 갭 (330a)의 작은 크기로 인해, 광변색성 유리 시트 (400b)는, 히트 싱크 표면과 접촉하는 광변색성 유리 시트 (400b) 없이, 광변색성 유리 시트로부터 갭을 가로질러 고체 히트 싱크 (331)로 열의 전도에 의해 주로 냉각 존 (330) 내에서 냉각된다.

몇몇 구체 예에서, 히트 싱크 및/또는 이의 표면은, 분할될 (segmented) 수 있다. 전술한 바와 같이, 몇몇 구체 예에서, 히트 싱크는 다공성일 수 있으며, 및 이러한 구체 예에서, 가스 베어링 (332)용 가스가 운반되는 개구는 다공성 히트 싱크의 기공이다. 복수의 개구 (332b), 가스 공급원 및 채널 갭 (330a)은, 유체 연통될 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 가스는, 개구 (331a)를 통해 흘러, 채널 갭 (330a) 내에 가스 쿠션, 층 또는 베어링을 형성한다. 몇몇 구체 예의 가스 쿠션은, 광변색성 유리 시트 (400b)가 히트 싱크 (331) 표면과 접촉하는 것을 방지한다. 가스는 또한 광변색성 유리 시트 (400b)가 대류에 의한 것보다 전도에 의해 냉각되게 하는 가스로서 역할을 한다.

냉각이 갭을 가로지르는 고체-대-고체 열 전도에 의해 본질적으로 발생하기 때문에, 대류-우세 냉각에 존재하지 않은 문제가, 다루어질 필요가 있다. 예를 들어, 크고 얇은 시트의 템퍼링의 경우, 시트는, (1) 냉각 존으로 신속하게, 선택적으로 대류-기반 퀀칭에 통상적으로 사용되는 것보다 더 높은 속도로 도입될 수 있고, 및/또는 (2) 공정은, 준-연속 모두로 작동되며, 여기서, 복수의 시트는 이들 사이의 공간이 거의 없는 연속적인 스트림에서 교대로 가열 및 냉각되고, 및 여기서, 히트 싱크는, 대형 시트의 전방 및 후단 에지가 유사한 열 이력을 가질 수 있도록, 이것이 열적 평형에 도달하도록 능동적으로 냉각된다.

몇몇 구체 예에서, 개구 (331a)를 통과하는 가스 흐름은 히트 싱크를 냉각시킨다. 몇몇 구체 예에서, 개구를 통과하는 가스 흐름은, 광변색성 유리로부터, 갭을 가로질러, 히트 싱크로 열 전도를 용이하게 하고, 및 또한 히트 싱크 (331)를 냉각시킨다. 몇몇 사례에서, 개별 가스 또는 유체는, 히트 싱크 (331)를 냉각시키는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 히트 싱크 (331)는, 도 23에 대하여 더욱 완전히 기재된 바와 같이, 히트 싱크 (331)를 냉각시키기 위해 통로를 통해서 냉각 유체를 유동시키기 위한, 통로 (334)를 포함할 수 있다. 상기 통로 (334)는 폐쇄될 수 있다.

두 개의 히트 싱크 (즉, 제1 히트 싱크 및 제2 히트 싱크)가 사용되는 경우, 하나 이상의 가스 공급원은, 가스를 채널 갭 (330a)을 제공하는데 사용될 수 있다. 가스 공급원은 서로 동일한 가스 또는 다른 가스를 포함할 수 있다. 채널 갭 (330a)은, 따라서, 하나의 가스, 다른 가스 공급원 유래의 가스의 혼합물, 또는 동일한 가스 공급원을 포함할 수 있다. 대표적인 가스는, 공기, 질소, 이산화탄소, 헬륨 또는 다른 희가스, 수소 및 이들의 다양한 조합을 포함한다. 가스는, 광변색성 유리 시트 (400b)를 전도적으로 냉각하기 시작하기 직전에, 이것이 채널 (330a)을 진입하는 경우, 이의 열 전도도에 의해 설명될 수 있다. 몇몇 사례에서, 가스는, 약 (예를 들어, ±1%) 0.02 W/(m·K) 이상, 약 0.025 W/(m·K) 이상, 약 0.03 W/(m·K) 이상, 약 0.035 W/(m·K) 이상, 약 0.04 W/(m·K) 이상, 약 0.045 W/(m·K) 이상, 약 0.05 W/(m·K) 이상, 약 0.06 W/(m·K) 이상, 약 0.07 W/(m·K) 이상, 약 0.08 W/(m·K) 이상, 약 0.09 W/(m·K) 이상, 약 0.1 W/(m·K) 이상, 약 0.15 W/(m·K) 이상, 또는 약 0.2 W/(m·K) 이상의 열 전도도를 가질 수 있다.

여기서 기재된 공정 및 시스템은, 전술한 바와 같이, 매우 얇은 광변색성 유리 시트를 평평하게 형성하기 위한 온도 차이의 강화 정도를 허용하는, 높은 열 전달률을 가능하게 한다. 가스로서 공기를 사용하여, 광변색성 유리 시트와 히트 싱크 사이에 갭으로, 350, 450, 550, 650, 750, 1000 및 1200kW/㎡ 이상만큼 높은 열 전달률은, 전도만을 통해 가능하다. 헬륨 또는 수소를 사용하여, 5000 kW/㎡ 이상의 열 전달률은, 달성될 수 있다.

하나 이상의 구체 예의 히트 싱크 (331)는, 고정될 수 있거나 또는 이동할 수 있어, 채널 갭 (330a)의 두께를 변경한다. 광변색성 유리 시트 (400b)의 두께는, 히트 싱크 (331)의 대립 표면들 (예를 들어, 도 22의 배열에서 히트 싱크 (331)의 상부 및 하부 표면) 사이에 거리로서 정의된, 채널 갭 (300a)의 약 0.4배 두께 내지 약 0.6배 두께의 범위일 수 있다. 몇몇 사례에서, 채널 갭은, 가열된 광변색성 유리 시트가 대류에 의한 것보다 전도에 의해 냉각되도록 충분한 두께를 갖게 구성된다.

몇몇 구체 예에서, 채널 갭은, 광변색성 유리 시트 (400b)가 채널 (330a)을 통해 운반되거나 또는 채널 (330a) 내에 위치되는 경우, 광변색성 시트 (400b)의 주 표면과 히트 싱크 표면 사이의 거리 (예를 들어, 상기 논의된 갭 크기)가, 약 (예를 들어, ±1%) 100㎛ 이상 (예를 들어, 약 100㎛ 내지 약 200㎛, 약 100㎛ 내지 약 190㎛, 약 100㎛ 내지 약 180㎛, 약 100㎛ 내지 약 170㎛, 약 100㎛ 내지 약 160㎛, 약 100㎛ 내지 약 150㎛, 약 110㎛ 내지 약 200㎛, 약 120㎛ 내지 약 200㎛, 약 130㎛ 내지 약 200㎛, 또는 약 140㎛ 내지 약 200㎛ 범위)이도록, 두께를 가질 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 채널 갭은, 광변색성 유리 시트 (400b)가 채널을 통해 운반되는 경우, 광변색성 유리 시트와 히트 싱크 표면 사이에 거리 (갭 또는 갭들 (336))가, 약 (예를 들어, ±1%) 100㎛ 이하 (예를 들어, 약 10㎛ 내지 약 100㎛, 약 20㎛ 내지 약 100㎛, 약 30㎛ 내지 약 100㎛, 약 40㎛ 내지 약 100㎛, 약 10㎛ 내지 약 90㎛, 약 10㎛ 내지 약 80㎛, 약 10㎛ 내지 약 70㎛, 약 10㎛ 내지 약 60㎛, 또는 약 10㎛ 내지 약 50㎛ 범위)이도록, 두께를 가질 수 있다. 채널 갭 (330a)의 총 두께는, 광변색성 유리 시트 (400b)의 두께에 의존하지만, 일반적으로 히트 싱크 표면과 광변색성 유리 시트 사이에 거리 2배에, 광변색성 유리 시트의 두께를 더한 것을 특징으로 할 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 광변색성 유리 시트와 히트 싱크 사이에 거리 또는 갭 (336)은, 동일하지 않을 수 있다. 이러한 구체 예에서, 채널 갭 (330a)의 총 두께는, 광변색성 유리 시트와 각각의 히트 싱크 표면 사이에 거리와, 광변색성 유리 시트의 두께의 합을 특징으로 할 수 있다.

몇몇 사례에서, 채널 갭의 총 두께는, 약 (예를 들어, ±1%) 2500㎛ 미만 (예를 들어, 약 120㎛ 내지 약 2500㎛, 약 150㎛ 내지 약 2500㎛, 약 200㎛ 내지 약 2500㎛, 약 300㎛ 내지 약 2500㎛, 약 400㎛ 내지 약 2500㎛, 약 500㎛ 내지 약 2500㎛, 약 600㎛ 내지 약 2500㎛, 약 700㎛ 내지 약 2500㎛, 약 800㎛ 내지 약 2500㎛, 약 900㎛ 내지 약 2500㎛, 약 1000㎛ 내지 약 2500㎛, 약 120㎛ 내지 약 2250㎛, 약 120㎛ 내지 약 2000㎛, 약 120㎛ 내지 약 1800㎛, 약 120㎛ 내지 약 1600㎛, 약 120㎛ 내지 약 1500㎛, 약 120㎛ 내지 약 1400㎛, 약 120㎛ 내지 약 1300㎛, 약 120㎛ 내지 약 1200㎛, 또는 약 120㎛ 내지 약 1000㎛ 범위)일 수 있다. 몇몇 사례에서, 채널 갭의 총 두께는, 약 2500㎛ 이상 (예를 들어, 약 2500㎛ 내지 약 10,000㎛, 약 2500㎛ 내지 약 9,000㎛, 약 2500㎛ 내지 약 8,000㎛, 약 2500㎛ 내지 약 7,000㎛, 약 2500㎛ 내지 약 6,000㎛, 약 2500㎛ 내지 약 5,000㎛, 약 2500㎛ 내지 약 4,000㎛, 약 2750㎛ 내지 약 10,000㎛, 약 3000㎛ 내지 약 10,000㎛, 약 3500㎛ 내지 약 10,000㎛, 약 4000㎛ 내지 약 10,000㎛, 약 4500㎛ 내지 약 10,000㎛, 또는 약 5000㎛ 내지 약 10,000㎛ 범위)일 수 있다.

히트 싱크 (331)에서 개구 (331a)는, 히트 싱크 표면에 대해 수직으로 위치될 수 있거나, 또는 히트 싱크 표면에 수직으로부터 약 (예를 들어, ±1%) 15도 이하, 10도 이하 또는 약 5도 이하와 같은, 20도 이하의 각도에 위치될 수 있다.

몇몇 구체 예에서, 히트 싱크 (저온 베어링 (332)) 표면 이면에 물질은, 금속 (예를 들어, 스테인리스 스틸, 구리, 알루미늄), 세라믹, 탄소, 등을 포함하는, 높은 열 전달률을 갖는 임의의 적절한 물질일 수 있다. 이 물질은, 히트 싱크가 상대적으로 많은 양의 열 에너지를 쉽게 받아들일 수 있도록, 도 22에 나타낸 바와 같이, 전환 베어링 (320)의 표면 이면에 물질에 비해 상대적으로 두꺼울 수 있다. 대표적인 구체 예에서, 히트 싱크 (331)의 물질은 스테인레스 스틸이다.

도 23은, 비록 오른쪽에서 왼쪽으로 역전되었을지라도, 도 22의 것과 유사한 장치의 절개된 투시 단면도이고, 및 시스템 (300)의 냉각 존 (330) 옆에, 로드/언로드 존 (340)을 부가적으로 포함하며, 광변색성 유리 시트 (400c)가 로드/언로드 가스 베어링 (342) 위에 위치된다. 또한, 도 23의 개구는, 고온 존 (310), 전환 베어링 (320) 및 냉각 존 (330)에서 촘촘한 채널 갭 (도시되지 않음)을 사용한다.

도 23에서 삽도는, 냉각 존 가스 베어링 (332a)의 선택적인 구체 예를 나타내며, 여기서, 가스 베어링 (332a)은, 가스 베어링 주입 홀들 (333) 사이에, 냉각수로 (334)에 의해 능동적으로 냉각되며, 여기서 주입 홀은, 가스 베어링 (322a)의 표면에서 개구를 주입한다. 냉각 채널 (334)은, 히트 싱크 (331) 및 광변색성 유리 시트 (400b)에 대면하는 이의 표면을 형성하도록 함께 조립되는, 히트 싱크 세그먼트들 (333b) 사이에 한정된다.

냉각 채널 (334)은, 가스 베어링 (332)의 고체 물질에서, 히트 싱크/가스 베어링 표면과 냉각수로 (334)의 가장 가까운-표면 에지 사이에 고체 베어링 물질의 영역과 함께, 히트 싱크 (331)의 표면에 매우 가까운 표면에 위치될 수 있고, 냉각수로 (334)의 가장 가까운-표면 에지와 동일한 폭을 갖는다. 따라서, 몇몇 구체 예에서, 냉각수로 (334)와 광변색성 유리 (400b)에 대면하게 표면 사이에 히트 싱크 (331)/가스 베어링 (332a)의 고체 물질에서 감소된 단면 영역이 없다. 이는, 높은 가스 유량이 가스 흐름이 빠져나가기 위해 가스 노즐의 어레이의 중간에 상당한 공간이 제공되는 것을 요구하기 때문에 통상의 대류 가스 냉각 장비와는 다르다. 능동 냉각이 사용되는 경우, 히트 싱크 (331)/가스 베어링 (332a)은, 광변색성 유리 표면에 가장 가까운 고체 물질에 비해, 가스 노즐 디자인의 고체 물질에서 감소된 단면의 영역을 갖는다. 감소된 단면 영역은, 일반적으로 시트로부터 되돌아오는 다량의 가열된 가스에 대한 대용량 경로를 제공하기 위해, 처리 중인 능동 냉각 유체와 광변색성 유리 시트 사이에 위치된다.

도 24는, 도 23의 삽도와 마찬가지로, 냉각 존 가스 베어링 (332b)의 또 다른 선택적인 구체 예를 나타낸다. 이 구체 예에서, 냉각수로 (334)은, 가스 베어링 주입 홀 (333)을 함유하는, 가스 베어링 주입 부재 (335)와 가스 베어링 (332)의 표면에 대면하게 광변색성 유리 시트 (400b)를 제공하는, 가스 베어링 대면 부재 (337a) 사이에 형성된다. 도 25는, 도 24의 구체 예와 유사한 구조를 갖는 또 다른 선택적인 냉각 존 가스 베어링 (332c)을 나타내지만, 다공성 부재 (339)가 광변색성 유리 시트 (400b)에 대면하게 표면을 형성하도록, 베어링 플레이트 부재 (337b)와 광변색성 유리 시트 (400b) 사이에 다공성 부재 (339)를 갖는다.

다양한 구체 예에서, 도 16-26과 관련하여, 여기서 기재된 광변색성 유리 강화 공정 및 시스템은, 여기서 논의된 광변색성 유리 물품 구체 예 중 어느 하나의 특색, 특징, 치수, 물리적 특성, 등의 임의의 조합을 갖는 (광변색성 유리 시트 (500)와 같은) 광변색성 유리 물품을 형성하도록 사용되거나 또는 작동될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

여기서 기재된 열적 강화 공정을 겪은 광변색성 유리 시트는, 이들의 강도를 더욱 향상시키기 위해 이온 교환을 수행하여 더욱 가공될 수 있다. 여기서 기재된 대로 가열 강화된 광변색성 유리의 표면의 이온-교환은, 몇몇 이러한 고려된 구체 예에서, 적어도 50MPa, 적어도 70MPa, 적어도 80MPa, 적어도 100MPa, 적어도 150MPa, 적어도 200MPa, 적어도 300MPa, 적어도 400MPa, 적어도 500MPa, 적어도 600MPa와 같이, 적어도 20MPa, 및/또는 1GPa 이하로 전술된 압축 응력을 증가시킬 수 있다.

열 컨디셔닝 및/또는 가열 광변색성 유리 시트용 시스템 및 공정

얇은 광변색성 유리 시트를 열적으로 강화시키는 것에 부가하여, 여기서 기재된 공정 및 시스템은, 부가적인 열적 컨디셔닝 공정 (thermal conditioning)에 대해 사용될 수 있다. 냉각이 여기에서 구체적으로 논의되는 동안, 시스템 및 공정은, 전도성 방법을 통해 열을 광변색성 유리 시트로 전달하는데 사용될 수 있다. 따라서, 본 개시의 공정의 부가적인 구체 예는, 대류보다 전도에 의해 가스를 통해 가열하는 단계를 포함한다. 이러한 공정 또는 방법 (700)은 도 26의 흐름도에 예시된다.

상기 방법 (700)은, 두 개의 주요 단계를 포함한다. 제1단계인, 단계 (710)는, 적어도 하나의 표면을 갖는, 광변색성 유리 시트와 같은, 물품을 제공하는 단계를 포함한다. 제2단계인, 단계 (720)는, 물품의 전체 표면을 포함하는, 물품의 표면의 일부를 가열하는 단계 또는 냉각하는 단계를 포함한다. 단계 (720)는, 서브-파트 (720a)에 나타낸 바와 같이, 열 공급원 또는 히트 싱크 공급원으로 또는 공급원으로부터 가스를 통한 대류에 의한 것보다 전도에 의해 수행되고, 및 서브-파트 (720b)에서 물품의 표면의 일부 또는 물품의 열적 컨디셔닝 및/또는 광변색성 공정 (예를 들어, 광변색성 유리 내에 할로겐화은 결정의 침전)을 완성하기에 충분하게 수행되며, 및 단계 (720)의 냉각/가열 단계의 전도는, 서브-파트 (720b)에서 일부의 구역의 적어도 450kW/㎡인, 높은 열 전달률로 수행된다.

예를 들어, 물품의 표면 전체 (면적을 갖는 부분)까지 및 포함하여, 물품의 표면의 일부를 냉각 또는 가열하여, 물품 또는 물품의 표면의 일부의 열 컨디셔닝 및/또는 광변색성 가공을 완성하기에 충분하게, 대류에 의한 것보다, 가스를 통해 히트 싱크 또는 열원으로 또는 그로부터 고체-대-고체 접촉을 통하지 않고 매개된, 전도에 의해, 물품은 열 조절 및/또는 광변색 가공 - 즉, 가열 또는 냉각 -될 수 있고, 및 상기 전도는, 제곱 미터당 적어도 450, 550, 650, 750, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1500, 2000, 3000, 4000 또는 심지어 5000 이상의 kW의 속도로, 적어도 몇 시간 동안 가열 또는 냉각이 수행된다.

템퍼링에 부가하여, 여기서 논의된 시스템 및 방법에 의해 제공되는 높은 열 동력 전달률은, 템퍼링 동안의 가열 및 냉각, 광변색성 유리의 에지 강화를 포함하는, 모든 종류의 열적 가공 또는 컨디셔닝을 가능하게 한다. 부가적으로, 가열이 주로 전도에 의해 추출되거나 전달되기 때문에, 표면 평활도 및 품질을 보존하면서 처리된 물품의 열 이력 및 가열 분포에 대해 엄격한 제어는 제공된다. 따라서, 본 개시의 또 다른 관점에서, 가열이 주로 전도에 의해 추출되거나 전달되지만, 여전히 표면 평활도 및 품질이 보존되기 때문에, 처리된 물품에서 열 이력 및 열 분포에 대해 엄격한 제어는 제공된다. 따라서, 갭을 변화시켜, 히트 싱크/공급원 물질을 변화시켜, 히트 싱크/공급원 온도를 변화시켜, 가스 혼합물의 변화시켜, 두께 방향 및 시트의 평면이 놓여 있는 방향 모두에서, 강화 공정 및/또는 광변색성 공정으로부터 응력 프로파일 및/또는 할로겐화은 결정 밀도를 의도적으로 변화시켜, 본 개시의 시스템 및 방법을 이용하는 것이 가능할 것이고, 및 - 이들 모두는 시트가 이동하는 시트의 경로를 따르는, 또는 시트의 경로를 가로질러는 위치에 의해, 및 잠재적으로는, (대부분의 변수에 대해) 단지 위치가 아닌, 또한 시간에 의해 변할 수 있다.

강화된 광변색성 유리 시트를 혼입하는 장치, 제품 및 구조물

여기서 논의된 강화된 광변색성 유리 물품 및 시트는, 광범위한 물품, 장치, 제품, 구조물, 등에 광범위한 사용을 갖는다.

도 27을 참조하면, 건물, 집, 차량, 등과 같은, 구조물 (1010)은, 창, 벽의 일부 (예를 들어, 표면), 칸막이, 등의 형태의 광변색성 유리 제품 (1012)을 포함한다. 고려된 구체 예에서, 광변색성 유리 제품 (1012)은, 여기에 개시된 바와 같은, 광변색성 유리 제품 (1012)이 그 표면상에 또는 그 근처에 음의 인장 응력을 가지며, 그 내부에 양의 인장 응력에 의해 균형을 이루도록 강화될 수 있다. 더욱이, 광변색성 유리 물품 (1012)은, 비교적 높은 이산화규소 함량, 예컨대, 적어도 70중량% 이산화규소, 예컨대, 적어도 75중량%를 갖는, 옥외 환경에 존재할 수 있는 내화학성 및/또는 내부식성인 조성물을 가질 수 있다. 대표적인 구체 예에 따르면, 광변색성 유리 물품 (1012)은, 이의 두께에 수직인 주 표면 (일반적으로, 도 4에 나타낸 바와 같이 시트 (500) 참조)을 갖고, 여기서, 주 표면은 다른 적용 (예를 들어, 렌즈, 전지 구성요소, 등)에 사용되는 광변색성 유리 물품에 비해 큰 면적 (예를 들어, 적어도 5㎠, 적어도 9㎠, 적어도 15㎠, 적어도 50㎠, 적어도 250㎠)을 갖는다. 고려된 구체 예에서, 광변색성 유리 물품 (1012)을 통한 총 광 투과는, 5㎝ 미만, 3㎝ 미만, 2㎝ 미만, 1.75㎝ 미만, 1.5㎝ 미만, 1㎝ 미만, 5㎜ 미만, 3㎜ 미만, 2㎜ 미만, 1.75㎜ 미만, 1.5㎜ 미만, 1㎜ 미만, 0.8㎜ 미만, 0.6㎜ 미만, 0.5㎜ 미만, 0.4㎜ 미만, 0.2㎜ 미만, 및/또는 적어도 50 micrometer와 같은, 적어도 10 micrometer의 두께와 같은, 광변색성 유리 (1012)가 여기서 개시된 바와 같은 두께를 갖는 경우, 약 300nm 내지 약 800nm의 파장에서 적어도 약 50% (예를 들어, 적어도 65%, 적어도 75%)이다.

광변색성 유리 물품 (1012)의 얇은 두께는, 광변색성 유리 물품 (1012)의 높은 수준의 강도가 여기에 개시된 본 발명의 공정에 의해 제공되기 때문에, 종래의 물품에 비해 건축용, 자동차용, 또는 기타 적용에서 광변색성 유리 제품 (1012)의 기능에 해롭지 않다. 얇은 광변색성 유리 제품 (1012)은, 광변색성 유리 제품 (1012)이 종래의 이러한 물품보다 가볍기 때문에, 상응하는 전체 구조물의 중량을 감소시켜, 이러한 건축용, 자동차용 또는 기타 용도에 특히 유용할 수 있다. 자동차의 경우, 결과는 연료 효율성이 향상될 수 있다. 건물의 경우, 결과는, 견고하거나 또는 덜 자원-집약적인 구조물일 수 있다. 다른 고려된 구체 예에서, 여기서 개시된 광변색성 유리 물품은, 덜한 크기의 면적, 더 큰 두께를 가질 수 있고, 더 적은 광을 투과시킬 수 있으며, 및/또는 예를 들어, 도 27 및 28과 관련하여 개시된 바와 같은, 다른 적용에 사용될 수 있다.

이하, 도 28을 참조하면, 여기서 개시된 공정에 따라, 및/또는 여기서 개시된 바와 같은 응력 프로파일, 구조 및/또는 물리적 특성의 임의의 조합으로, 제작된 광변색성 유리 물품 (1310)은, 곡면 및/또는 가변성 단면 치수 (D)를 갖는다. 이러한 물품은, 치수 (D)의 평균 또는 치수 (D)의 최대 값으로서 여기서 개시된 두께를 가질 수 있다. 유리 제품 (1310)이 만곡된 시트로서 도시되어 있지만, 더 복잡한 형상과 같은 기타 형상은, 여기서 개시된 공정에 의해 강화될 수 있다. 고려된 구체 예에서, 광변색성 유리 물품 (1310)은, 자동차용 창 (예를 들면, 선루프), 렌즈, 용기, 또는 기타 용도로 사용될 수 있다.

다양한 구체 예에서, 여기서 개시된 공정에 따라, 및/또는 여기서 개시된 바와 같은 응력 프로파일, 구조 및/또는 물리적 특성의 임의의 조합으로 제조된 광변색성 유리 물질은, 많은 자동차 유리 사이드라이트에 사용된 바와 같이, 광변색성 유리-중합체-중간층-유리 적층의 적어도 하나의 시트를 형성하는데 유용하다. 더 강하고 얇은 적층물은, 생산될 수 있으므로, 중량 및 비용을 절감하고 및 연료 효율성을 높일 수 있다. 바람직하게는, 열적 강화된 얇은 시트는, 저온 굽힘 (일반적으로, 도 28 참조)될 수 있고, 및 형성된 더 두꺼운 광변색성 유리에 적층될 수 있어, 얇은 시트의 임의의 고온 형성/형상화를 요구하지 않는 쉽고 신뢰성 있는 제조 공정을 제공한다.

열적으로 강화된 광변색성 유리 시트용 광변색성 유리

논의된 시스템 및 방법은, 다양한 광변색성 유리 물질을 열적으로 조절하고, 강화시키며, 템퍼링 및/또는 광변색성 가공하는데 사용될 수 있다.

여기에 기재된 공정 및 시스템은, 일반적으로 거의 모든 광변색성 유리 조성물과 함께 사용될 수 있으며, 및 몇몇 구체 예는, 광변색성 유리 적층물과 함께 사용될 수 있다. 다양한 구체 예에서, 상기 공정은, 높은 CTE를 갖는 광변색성 유리 조성물과 함께 사용될 수 있다. 구체 예에서, 여기서 논의된 공정 및 시스템을 통해 강화된 광변색성 유리는, 알칼리 알루미노실리케이트, 예컨대, 보로알루미노실리케이트, 예컨대, Corning's® Photogray®, Photobrown®, Photogray® Extra 및 Photobrown® Extra 유리 및 이와 유사한 것을 포함한다. 몇몇 구체 예에서, 여기서 논의된 공정 및 시스템을 통해 강화된 광변색성 유리는, 40x10^-7/℃ 초과, 50x10^-7/℃ 초과, 60x10^-7/℃ 초과, 70x10^-7/℃ 초과, 80x10^-7/℃ 초과, 또는 90x10^-7/℃ 초과의 CTE를 갖는다.

몇몇 적용 및 구체 예에서, 여기서 논의된 공정 및 시스템을 통해 강화된 (광변색성 유리 시트 (500)와 같은) 광변색성 유리는, 화학적 내구성을 위해 구성된 조성물을 가질 수 있다. 몇몇 이러한 구체 예에서, 조성물은, 적어도 20중량% 이산화규소, 및/또는 적어도 5중량% 산화나트륨, 및/또는 적어도 7중량% 산화알루미늄, 및/또는 적어도 10중량% 산화붕소를 포함한다. 이러한 조성물의 종래의 물품은, 깊은 깊이까지 화학적으로 템퍼링되기 어려울 수 있고, 및/또는 불가능하지는 않지만, 예컨대, 종래의 공정의 취성 (fragility) 및 힘에 기인하여, 얇은 두께에 대하여 충분한 크기의 음의 표면 인장 응력으로 종래의 공정에 의해 열적으로 템퍼링되는 것이 어려울 수 있다. 그러나, 고려된 구체 예에서, 여기서 개시된 본 발명의 공정은, 이러한 조성물로, 광변색성 유리 시트 (500)와 같은, 강화된 광변색성 유리 물품 또는 시트를 가능하게 하고, 여기서, 음의 인장 응력은, 제1 및 제2표면 (예를 들어, 광변색성 유리 시트 (500)의 표면 (510, 520)) 중 적어도 하나로부터 강화된 광변색성 유리 시트의 두께의 적어도 10%, 예컨대, 두께의 적어도 12%, 두께의 15%, 두께의 18%, 두께의 20%의 거리로 각각의 강화된 광변색성 유리 시트 내로 연장된다.

몇몇 구체 예에서, 여기서 논의된 바와 같이 강화된 광변색성 유리 시트 및 물품은, 광변색성 유리 시트의 열적 강화 및/또는 광변색성 공정 전에 광변색성 유리 상에 놓이는 하나 이상의 코팅을 갖는다. 여기서 논의된 공정은, 하나 이상의 코팅을 갖는 강화된 광변색성 유리 시트를 생산하는데 사용될 수 있고, 및 몇몇 이러한 구체 예에서, 상기 코팅은, 열적 강화 및/또는 광변색성 공정 전에 광변색성 유리 상에 놓이고, 및 열적 강화 및/또는 광변색성 공정에 의해 영향받지 않는다. 본 개시의 광변색성 유리 시트 상에 유리하게 보존된 특별한 코팅은, 낮은 E 코팅, 반사 코팅, 반사 방지 코팅, 항-지문 코팅, 컷-오프 필터, 열분해 코팅, 등을 포함한다.

대표적인 구체 예에 따르면, 여기서 논의된 광변색성 유리 시트 또는 물품은, 보로알루미노실리케이트 광변색성 유리이다. 몇몇 구체 예에서, 여기서 논의된 광변색성 유리 시트 또는 물품, 예를 들어, 도 27 및 28에 나타낸 물품 (1012 및 1310)은, 여기서 개시된 바와 같은 응력 프로파일 및 구조를 여전히 갖지만, 일반적으로 보로알루미노실리케이트 유리이다. 이러한 조성물은, 광변색성 유리의 이완의 정도를 감소시킬 수 있어, 이것에 트랜지스터 (transistors)의 연결을 용이하게 한다. 몇몇 구체 예에서, 여기서 논의된 광변색성 유리 시트/물품은, 가요성 광변색 성 유리 시트이다. 다른 구체 예에서, 여기서 논의된 광변색성 유리 시트/물품은, 둘 이상의 광변색성 유리 시트의 적층물을 포함한다.

몇몇 고려된 구체 예에서, (광변색성 유리 시트 (500)과 같은) 여기서 논의된 공정 및 시스템을 통해 강화된 광변색성 유리는, 무정형 기판을 포함할 수 있다. (광변색성 유리 시트 (500)과 같은) 여기서 논의된 공정 및 시스템을 통해 강화된 광변색성 유리는, 알칼리 함유 보로실리케이트 광변색성 유리를 포함할 수 있다. 하나 이상의 구체 예에서, (광변색성 유리 시트 (500)과 같은) 여기서 논의된 공정 및 시스템을 통해 강화된 광변색성 유리는, 이온-교환되지 않는 이의 일부에서, 몰 퍼센트 (mol%)로, 약 (예를 들어, ±1%) 20 내지 약 65 mol% 범위의 SiO₂, 약 5 내지 약 25 mol% 범위의 Al₂O₃, 약 010 내지 약 25 mol% 범위의 B₂O₃, 약 0 내지 약 20 mol% 범위의 R₂O, 약 0 내지 약 15 mol% 범위의 RO, 약 0.1 내지 약 0.5 mol% 범위의 Ag, 약 0.1 내지 약 0.5 mol% 범위의 할라이드 및/또는 약 0.001-0.05 mol% 범위의 CuO를 포함하는 조성물을 갖는 광변색성 유리를 포함할 수 있다. 몇몇 고려된 구체 예에서, 조성물은 약 0 내지 약 10mol% 범위의 ZrO₂ 및 약 0 내지 약 5mol% 범위의 TiO₂ 중 하나 또는 둘 모두를 포함할 수 있다. 몇몇 고려된 구체 예에서, 조성물은 약 0 내지 약 0.5 mol%의 범위에서 NiO 및/또는 약 0 내지 약 0.1 mol%의 범위에서 Co₃O₄를 포함할 수 있다.

몇몇 고려된 구체 예에서, 여기서 논의된 강화된 광변색성 유리 시트 또는 물품용으로 사용된 조성물은, Na₂SO₄, NaCl, NaF, NaBr, K₂SO₄, KCl, KF, KBr, 및 SnO₂를 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 0-2mol%의 청징제와 함께 배칭될 수 있다. 하나 이상의 구체 예에 따른 광변색성 유리 조성물은, 약 0 내지 약 2 mol%, 약 0 내지 약 1 mol%, 약 0.1 내지 약 2 mol%, 약 0.1 내지 약 1 mol%, 또는 약 1 내지 약 2 mol%의 범위에서 SnO₂를 더욱 포함할 수 있다. 강화된 광변색성 유리 시트 (500)에 대한 여기서 개시된 광변색성 유리 조성물은, 몇몇 구체 예에서, Pb, As₂O₃ 및/또는 Sb₂O₃가 실질적으로 없을 수 있다.

고려된 구체 예에서, 여기서 논의된 강화된 광변색성 유리 시트 또는 물품은, 이온 교환 공정을 통해 더욱 강화된 알칼리 보로알루미노실리케이트 광변색성 유리 조성물을 포함할 수 있다. 하나의 대표 광변색성 유리 조성물은, SiO₂, Al₂O₃ 및 B₂O₃을 포함하고, 여기서 (SiO₂ + Al₂O₃) ≥ 25 mol.%, 및/또는 B₂O₃ ≥ 10 mol.%이다. 구체 예에서, 광변색성 유리 조성물은 ,적어도 5 mol.% R₂O를 포함한다. 또 다른 구체 예에서, 여기서 논의된 강화된 광변색성 유리 시트 또는 물품은, 하나 이상의 알칼리토 산화물을 갖는 광변색성 유리 조성물을 포함할 수 있다. 적절한 광변색성 유리 조성물은, 몇몇 구체 예에서, K₂O, MgO 및 CaO 중 적어도 하나를 더욱 포함한다. 특정 구체 예에서, 여기서 논의된 강화된 광변색성 유리 시트 또는 물품에 사용되는 광변색성 유리 조성물은, 광변색성 구성분으로서 은 및 염화물 및 브롬화물 을 함유하는 R₂O-Al₂O₃-B₂O₃-SiO₂계 조성물 및 적어도 6:1의 NiO:Co₃O₄ 중량비로 0.27-0.38중량% NiO, 0.035 내지 0.060중량%의 Co₃O₄를 포함할 수 있다.

여기서 논의된 강화된 광변색성 유리 시트 또는 물품에 적절한 또 다른 대표 광변색성 유리 조성물은, 광변색성 구성분을 제외하고: 20-65 wt.% SiO₂; 5-25 wt.% Al₂O₃; 14-23 wt.% B₂O₃; 0-2.5 wt.% Li₂O; 0-9 wt.% Na₂O; 0-17 wt.% K₂O; 8-20 wt.% R₂O; 0-6 wt.% ZrO₂; 및 0-3 wt.% TiO₂을 포함한다. 광변색성 구성분은, 0.15-0.3 wt.%; 0.1-0.25 wt.% Cl; 0.1-0.2 wt.% Br 및 0.004-0.02 wt.% CuO를 포함한다. 특히 고려된 구체 예에서, 희토류 원소가 없는 강화된 광변색성 유리 시트 또는 물품에 적절한 보로알루미노실리케이트 광변색성 유리 조성물은: 산화물에 기초한 중량 퍼센트로, 48 ≤ SiO₂ ≤ 58; 15 ≤ B₂O₃ ≤ 21; 5 ≤ Al₂O₃ ≤ 9; 2.5 ≤ ZrO₂ ≤ 6.5; 2 ≤ Li₂O ≤ 4; 0 ≤ Na₂O ≤ 3; 3 ≤ K₂O ≤ 10; 0 ≤ MgO ≤ 2;0 ≤ CaO ≤ 2; 0 ≤ SrO ≤ 2; 0 ≤ BaO ≤ 2; 0 ≤ TiO₂ ≤ 2.5; 2 ≤ Nb₂O₅ ≤ 4.5;를 포함하고; 및 복수의 광변색성제 (photochromic agents)는, 유리 매트릭스에 관하여 중량 퍼센트로: 0.100 ≤ Ag ≤ 0.250; 0.200 ≤ Cl ≤ 0.500; 0.0100 ≤ Br ≤ 0.300; 및 0.0050 ≤ CuO ≤ 0.0110를 포함한다.

플로우트-형성 가능한 강화된 광변색성 유리 시트 또는 물품은, 매끄러운 표면 및 일정한 두께를 특징으로 할 수 있으며, 및 용융 금속, 통상적으로 주석의 층 상에 용융 광변색성 유리를 띄어서 만들어진다. 대표 공정에서, 용융 주석 층의 표면상으로 주입된 용융 광변색성 유리는, 플로우팅 광변색성 유리 리본을 형성한다. 광변색성 유리 리본은, 주석 욕조를 따라 흐름에 따라, 온도는, 광변색성 유리 리본이 롤러 상에 주석으로부터 들려질 수 있는 고체 광변색성 유리 물품으로 고체화될 때까지 점진적으로 감소된다. 욕조에서 들려지자마자, 광변색성 유리 물품은, 내부 응력을 감소시키기 위해 냉각되고 및 어닐링될 수 있다.

다운-인발 공정은, 상대적으로 손상되지 않은 표면을 보유하는 일정한 두께를 갖는 광변색성 유리 물품을 생산한다. 광변색성 유리 물품의 평균 휨 강도가 표면 흠의 양 및 크기에 의해 조절되기 때문에, 최소 접촉을 갖는 손상되지 않는 표면은, 더 높은 초기 강도를 갖는다. 이 고 강도 광변색성 유리 물품이 그 다음 (예를 들어, 화학적으로) 더욱 강화된 경우, 그 결과로 생긴 강도는, 랩핑 및 연마된 표면을 갖는 광변색성 유리 물품의 강도보다 더 높을 수 있다. 다운-인발된 광변색성 유리 물품은, 약 2㎜ 미만의 두께로 인발될 수 있다. 부가하여, 다운-인발된 광변색성 유리 물품은, 비용이 드는 그라인딩 및 연마 없이 이의 최종 적용에 사용될 수 있는 매우 평평하고, 매끄러운 표면을 갖는다.

퓨전 인발 공정은, 예를 들어, 용융 광변색성 유리 원료를 수용하기 위한 채널을 갖는 인발 탱크를 사용한다. 상기 채널은, 채널의 양측 상에 채널의 길이를 따라 상부가 개방된 웨어 (weirs)를 갖는다. 채널이 용융 물질로 채워지면, 용융된 광변색성 유리는 웨어를 넘치게 된다. 중력으로 인해, 용융된 광변색성 유리는, 2개의 흐르는 광변색성 유리 필름으로서 인발 탱크의 외부 표면 아래로 흐른다. 인발 탱크의 이들 외부 표면은, 인발 탱크 아래의 에지에서 결합하도록 하부 및 내측으로 연장된다. 두 개의 흐르는 광변색성 유리 필름은, 이 에지에서 융합을 위해 합류하고 및 단일 흐름의 광변색성 유리 물품을 형성한다. 퓨전 인발 방법은, 채널을 넘쳐 흐르는 두 개의 광변색성 유리 필름이 서로 융합되기 때문에, 그 결과로 생긴 광변색성 유리 물품의 외부 표면 중 어느 것도, 장치의 어떤 부분과 접촉하지 않는다는 장점을 제공한다. 따라서, 퓨전 인발 광변색성 유리 물품의 표면 특성은, 이러한 접촉에 의해 영향받지 않는다.

슬롯 인발 공정은, 퓨전 인발 방법과 구별된다. 슬롯 인발 공정에서, 용융 원료 광변색성 유리는, 인발 탱크에 제공된다. 인발 탱크의 버텀은, 슬롯의 길이를 확장한 노즐을 갖는 개방 슬롯을 갖는다. 용융 광변색성 유리는, 슬롯/노즐을 통해 흐르고, 및 연속적 광변색성 유리 물품으로서 및 어닐링 영역으로 하향으로 인발된다.

몇몇 구체 예에서, 광변색성 유리 물품은, 미국 특허 제8,713,972호, 미국 특허 제9,003,835호, 미국 특허 공개 제2015/0027169호, 및 미국 특허 공개 제2005/0099618호에 기재된 바와 같이, 얇은 압연 공정 (thin rolling process)을 사용하여 형성될 수 있고, 이들의 전체적인 내용은 참조로 여기에 혼입된다. 좀 더 구체적으로, 광변색성 유리 물품은, 용융된 광변색성 유리의 수직 스트림을 공급하는 단계, 약 500℃ 이상 또는 약 600℃ 이상의 표면 온도로 유지된, 한 쌍의 형성 롤로 용융된 광변색성 유리의 공급된 스트림을 형성하여, 형성된 두께를 갖는 형성된 광 변색성 유리 리본을 형성하는 단계, 약 400℃ 이하의 표면 온도로 유지된, 한 쌍의 크기 롤로 광변색성 유리의 형성된 리본을 사이징 (sizing)하여 형성된 두께보다 작은 원하는 두께 및 원하는 두께의 일관성을 갖는 사이징된 광변색성 유리 리본을 생산하도록 사이징하는 단계에 의해 형성될 수 있다. 광변색성 유리 리본을 형성하는데 사용되는 장치는, 용융된 광변색성 유리의 공급된 스트림을 공급하기 위한 광변색성 유리 공급 장치; 약 500℃ 이상의 표면 온도로 유지되고, 서로 매우 인접하게 이격된 한 쌍의 형성 롤로서, 용융된 광변색성 유리의 공급된 스트림을 수신하기 위해 광변색성 유리 공급 장치 아래에 수직으로 위치한 유리 형성 갭을 갖는 형성 롤 사이에 광변색성 유리 형성 갭을 한정하고, 및 형성 롤 사이에 용융된 광변색성 유리의 공급된 스트림을 얇게하여 형성된 두께를 갖는 형성된 광변색성 유리 리본을 형성하는, 한 쌍의 형성 롤; 및 약 400℃ 이하의 표면 온도로 유지되고, 서로 매우 인접하여 이격된 한 쌍의 사이징 롤로서, 형성된 광변색성 유리 리본을 수신하기 위한 형성 롤 아래에 수직으로 위치된 유리 사이징 갭으로 사이징 롤 사이에 유리 사이징 갭을 한정하고, 및 원하는 두께 및 원하는 두께 일관성을 갖는 사이징된 광변색성 유리 리본을 제조하기 위해 형성된 광변색성 유리 리본을 얇게 하는, 사이징 롤를 포함할 수 있다.

몇몇 사례에서, 얇은 압연 공정은, 활용될 수 있고, 여기서, 광변색성 유리의 점도는, 퓨전 또는 슬롯 인발 방법의 사용을 허용하지 않는다. 예를 들어, 얇은 압연은, 광변색성 유리가 100 kP 미만의 액상선 점도를 나타내는 경우, 광변색성 유리 물품을 형성하기 위해 활용될 수 있다. 광변색성 유리 물품은, 산 연마될 수 있거나 또는 그렇지 않으면 표면 흠의 영향을 제거하거나 또는 감소시키기 위해 처리될 수 있다.

실시 예

장치 설정 - 전술한 바와 같이, 장치는 3 개의 존 - 고온 존, 전환 존, 및 냉각 또는 퀀칭 존을 포함한다. 고온 존 및 퀀칭 존에서 상부 및 하부 열 베어링 (히트 싱크) 사이에 갭은, 원하는 간격으로 설정된다. 고온 존, 전환 존, 및 퀀칭 존에서 가스 유량은, 공기-베어링 상에 광변색성 유리 물질, 시트 또는 부분의 중심 맞추기를 보장하도록 설정된다. 고온 존은, 원하는 T₀, 온도로 예-열되고, 이로부터 광변색성 유리 물품은 나중에 퀀칭될 것이다. 균일한 가열을 보장하기 위해, 광변색성 유리 물품은, 배치 (batch) 또는 연속적 가열로와 같은, 개별적인 예-열 장치에서 예-열된다. 일반적으로, 광변색성 유리 시트는, 고온 존에 로딩 전에 5분을 초과하여 예-열된다. 예-열 상태 (pre-heat phase) 후에, 광변색성 유리 물품은, 고온 존으로 로딩되고, 및 평형을 유지하며, 여기서 평형은 광변색성 유리가 T₀에서 균일하게 있는 경우이다. T₀는, 원하는 강화/템퍼링의 수준에 의해 결정될 수 있지만, 일반적으로, 연화점과 유리 전이 온도 사이에 범위에서 유지된다. 평형까지의 시간은, 광변색성 유리의 두께에 적어도 의존한다. 예를 들어, 대략 1.1mm 이하의 광변색성 유리 시트의 경우, 대략 10초 내에 평형은 발생한다. 3㎜의 광변색성 유리 시트의 경우, 평형은, 대략 10초 내지 30초에서 발생한다. 약 6mm까지의, 두꺼운 시트인 경우, 평형 시간은, 대략 60초 정도일 수 있다. 광변색성 유리가 T₀로 평형을 유지하자마자, 이것은, 가스 베어링 상에 전환 존을 통하여, 냉각 또는 퀀칭 존으로 신속하게 이송된다. 광변색성 유리 물품은, 퀀칭 존에서 유리 전이 온도, Tg 아래의 온도로 빠르게 퀀칭된다. 광변색성 유리 시트는, 원하는 퀀칭의 정도 및/또는 제거시 광변색성 유리의 원하는 온도에 의존하여, 1초, 10초, 또는 수분 이상의 임의의 기간 동안 퀀칭 존에서 유지될 수 있다. 제거 후에, 광변색성 유리는, 선택적으로, 취급하기 전에 냉각시킨다.

소다-라임 실리케이트 유리, Corning® Gorilla® 유리, Borofloat-33 유리, 등에 대한 하기 실시 예는 표 6에 요약된다. 유사한 결과는 광변색성 유리에 대해 달성되는 것으로 인정된다.

실시 예 1 - 5.7㎜ 두께의 소다-라임 유리 플레이트 (예를 들어, 적어도 70중량% 이산화규소, 및/또는 적어도 10중량% 산화나트륨, 및/또는 적어도 7중량% 산화칼슘을 포함하는 유리)는, 60초 동안 690℃의 T₀에서 유지되는, 고온 존으로 이송되기 전에 450℃에서 10분 동안 예-열된다. T₀로 평형을 유지한 후, 이것은, 91㎛의 갭 (여기서, 갭은 유리 시트의 표면과 가장 가까운 히트 싱크 사이에 거리임)을 갖는, 헬륨으로 채워진 퀀칭 존으로 빠르게 이송되며, 여기서, 이것은 10초 동안 유지된다. 그 결과로 생긴 물품은, -312MPa의 표면 압축, 127MPa의 중심 장력, 및 83㎛의 평탄도를 갖는다.

실시 예 2 - 5.7㎜ 두께의 소다-라임 실리케이트 유리 플레이트는, 60초 동안 690℃의 T₀에서 유지되는, 고온 존으로 이송되기 전에 450℃에서 10분 동안 예-열된다. 평형을 유지한 후, 이것은, 91㎛의 갭을 갖는, 퀀칭 존으로 빠르게 이송되고, 여기서, 이것은 10초 동안 유지된다. 그 결과로 생긴 물품은, -317MPa의 표면 압축, 133MPa의 중심 장력, 및 약 89.7 micrometers의 평탄도를 갖는다.

실시 예 3 - 1.1㎜ 두께의 소다-라임 실리케이트 유리 플레이트는, 10초 동안 700℃의 T₀에서 유지되는, 고온 존으로 이송되기 전에 450℃에서 10분 동안 예-열된다. 평형을 유지한 후에, 이것은, 56㎛의 갭을 갖는, 헬륨으로 채워진 퀀칭 존으로 빠르게 이송되며, 여기서, 이것은 10초 동안 유지된다. 그 결과로 생긴 물품은, 661℃인 것으로 측정된 표면 가상 온도, -176MPa의 표면 압축, 89MPa의 중심 장력, 190㎛의 평탄도, 및 10-20 N의 비커스 균열 임계값을 갖는다.

실시 예 4 - 0.55㎜ 두께의 소다-라임 실리케이트 유리 플레이트는, 고온 존으로 이송되기 전에 450℃에서 10분 동안 예-열되고, 고온 존에서, 이것은 10초 동안 720℃의 T₀에서 유지된다. 평형을 유지한 후에, 이것은, 25㎛의 갭을 갖는, 퀀칭 존으로 빠르게 이송되고, 여기서, 이것은 10초간 유지되며, 0.184cal/(㎠-s-℃)의 유효 열 전달률을 결과한다. 그 결과로 생긴 물품은, -176MPa의 표면 압축 및 63MPa의 중심 장력을 갖는다. 또한, 그 결과로 생긴 강화된 물품은, (초기 710℃ 온도 샘플의 경우) 약 168 micrometers 및 (초기 720℃ 온도 샘플의 경우) 125 micrometers의 평탄도를 갖는다.

실시 예 5 - 1.5㎜ 두께의 Corning® Gorilla® 유리 플레이트는, 고온 존으로 이송되기 전에 550℃에서 10분 동안 예-열되고, 고온 존에서, 이것은, 30초 동안 790℃의 T₀에서 유지된다. 평형을 유지한 후에, 이것은, 226㎛의 갭을 갖는, 퀀칭 존으로 빠르게 이송되고, 여기서, 이것은 10초 동안 유지된다. 유리 물품은, 113㎛ 전-가공 및 58㎛ 후-가공인 것으로 측정된 평탄도에서 개선을 갖는다.

실시 예 6 - 0.7㎜ 두께의 소다-라임 실리케이트 유리 플레이트는, 고온 존에 이송되기 전에 450℃에서 10분 동안 예-열되고, 고온 존에서, 이것은, 10초 동안 730℃의 T₀에서 유지된다. 평형을 유지한 후, 이것은, 31㎛의 갭을 갖는, 헬륨으로 채워진 퀀칭 존으로 빠르게 이송되며, 여기서 10초간 유지되어, 0.149cal/(㎠-s-℃)의 유효 열 전달률을 결과한다. 그 결과로 생긴 물품은, -206MPa의 표면 압축, 100MPa의 중심 장력, 및 82㎛ 평탄도를 갖는다. 파단시, 유리 시트는, 시트가 완전히 템퍼링된 것을 시사하는, "다이스" (2㎜ 두께 이상의 시트 다이싱에 대한 표준 용어를 사용, - 즉, 5×5㎝ 제곱의 유리 시트가 40개 이상의 조각으로 파괴됨)로 관찰된다.

실시 예 7 - 3.3㎜ 두께의 Borofloat-33 유리 플레이트는, 고온 존으로 이송되기 전에 550℃에서 10분 동안 예-열되고, 고온 존에서, 이것은 30초 동안 800℃의 T₀에서 유지된다. 평형을 유지한 후, 이것은, 119㎛의 갭을 갖는, 퀀칭 존으로 빠르게 이송되며, 여기서, 10초 동안 유지된다. 그 결과로 생긴 물품은, 120㎛의 평탄도를 갖는다. 일부의 파단시, 이것은, 시트가 완전히 템퍼링된 것을 나타내는 "다이스" (2㎜ 이상 두께의 시트 다이싱에 대한 표준 용어를 사용 - 즉, 유리 시트의 5x5㎝ 제곱은 40개 이상의 조각으로 파괴됨)로 관찰된다.

실시 예 8 - 3.2㎜ 두께의 소다-라임 실리케이트 유리 플레이트는, 고온 존으로 이송되기 전에 450℃에서 10분 동안 예-열되고, 고온 존에서, 이것은 30초 동안 690℃의 T₀에서 유지된다. 평형을 유지한 후, 이것은, 84㎛의 갭을 갖는, 퀀팅 존에 빠르게 이송되고, 여기서 이것은 10초 동안 유지된다. 그 결과로 생긴 물품은, -218MPa의 표면 압축, 105MPa의 중심 장력, 및 84㎛의 평탄도를 갖는다.

실시 예 9 - 0.3㎜ 두께의 소다-라임 실리케이트 유리 플레이트는, 고온 존으로 이송되기 전 450℃에서 10분 동안 예-열되고, 고온 존에서, 이것은 10초 동안 630℃의 T₀에서 유지된다. 평형을 유지한 후, 이것은, 159㎛의 갭을 갖는, 퀀칭 존에 빠르게 이송되고, 여기서, 이것은 10초 동안 유지된다. 그 결과로 생긴 물품은, 회색 장 편광계측법 (grayscopic polarimetry)으로 관찰 가능한 막 응력 (membrane stresses)을 가지며, 이는 유리가 열 응력을 혼입하였음을 시사한다.

실시 예 10 - 0.1㎜ 두께의 Corning® Gorilla® 유리 플레이트는, 고온 존으로 이송되기 전 550℃에서 10분 동안 예-열되고, 고온 존에서, 이것은 10초 동안 820℃의 T₀에서 유지된다. 평형을 유지한 후, 이것은, 141㎛의 갭을 갖는, 퀀칭 존에 빠르게 이송되고, 여기서 이것은 10초 동안 유지되어, 0.033 cal/(㎠-s-℃)의 유효 열 전달률을 결과한다. 파단 시, 그 결과로 생긴 물품은, 잔류 응력이 있는 유리와 일치하는 거동을 나타낸다.

실시 예 11 - 1.1㎜ 두께의 소다-라임 실리케이트 유리 플레이트는, 고온 존으로 이송되기 전 450℃에서 10분 동안 예-열되고, 고온 존에서, 이것은 10초 동안 700℃의 T₀에서 유지된다. 평형을 유지한 후, 이것은 65㎛의 갭을 갖는, 퀀칭 존으로 빠르게 이송되고, 여기서, 이것은 10초 동안 유지되어, 0.07 cal/(㎠-s-℃)의 유효 열 전달률을 결과한다. 그 결과로 생긴 물품은, 657℃인 것으로 측정된 표면 가상 온도, -201MPa의 표면 압축, 98MPa의 중심 장력, 158㎛의 평탄도, 및 10-20 N의 비커스 균열 임계값을 갖는다.

실시 예 12 - 1.1㎜ 두께의 Corning® Gorilla® 유리 플레이트는, 고온 존으로 이송되기 전 550℃에서 10분 동안 예-열되고, 고온 존에서, 이것은 10초 동안 810℃의 T₀에서 유지된다. 평형을 유지한 후, 이것은, 86㎛의 갭을 갖는, 퀀칭 존에 빠르게 이송되고, 여기서, 이것은 10초 동안 유지되어, 0.058 cal/(㎠-s-℃)의 유효 열 전달률을 결과한다. 그 결과로 생긴 물품은, 711℃인 것으로 측정된 표면 가상 온도, -201MPa의 표면 압축, 67MPa의 중심 장력, 및 20-30 N의 비커스 균열 임계값을 갖는다.

실시 예 13 - 1.1㎜ 두께의 Corning® Gorilla® 유리 플레이트는, 고온 존으로 이송되기 전 550℃에서 10분 동안 예-열되고, 고온 존에서, 이것은 10초 동안 800℃의 T₀에서 유지된다. 평형을 유지한 후, 이것은 91㎛의 갭을 갖는, 퀀칭 존으로 빠르게 이송되고, 여기서, 이것은 10초 동안 유지된다. 그 결과로 생긴 물품은, 747℃인 것으로 측정된 표면 가상 온도, -138MPa의 표면 압축, 53MPa의 중심 장력, 66㎛의 평탄도, 및 20-30 N의 비커스 균열 임계값을 갖는다.

실시 예	두께 (㎜)	조성물	갭 (㎛)	T0	가스	CS (MPa)	CT (MPa)	Flatmaster (㎛)	가상 (℃)	비커스 (N)
1	5.7	SLG	91	690	헬륨	-312	127	83	--	--
2	5.7	SLG	91	690	헬륨	-317	133	90	--	--
3	1.1	SLG	56	700	헬륨	-176	89	190	661.3	10-20
4	0.55	SLG	25	720	헬륨	-176	63	125	--	--
5	1.5	GG	226	790	헬륨	--	--	전 113/ 후 58	--	--
6	0.7	SLG	31	730	헬륨	-206	100	82	--	--
7	3.3	Borofloat 33	119	800	헬륨	--	--	121	--	--
8	3.2	SLG	84	690	헬륨	-218	105	81	--	--
9	0.3	SLG	159	630	헬륨	--	--	--	--	--
10	0.1	GG	141	820	헬륨	--	--	--	--	--
11	1.1	SLG	65	700	헬륨	-201	98	158	657	10-20
12	1.1	GG	86	810	헬륨	-201	67	--	711	20-30
13	1.1	GG	91	800	헬륨	-138	53	66	747	20-30

부가적인 실시 예 1 - 적어도 70중량%의 이산화규소, 및/또는 적어도 10중량%의 산화나트륨, 및/또는 적어도 7중량%의 산화칼슘을 포함하는 5.7㎜ 두께의 유리 시트는, 헬륨 가스 및 약 90 micrometers의 갭들 (204a, 204b) (도 21)로 실행된다. 광변색성 유리는, 약 690℃의 초기 온도로 가열되고 및 빠르게 냉각된다. 그 결과로 생긴 강화된 물품은, 이의 표면상에 약 300MPa의 음의 인장 응력 및 중심에서 약 121MPa의 양의 인장 응력을 갖는다. 또한, 그 결과로 생긴 강화된 물품은, 약 106.9 micrometers의 평탄도를 갖는다.

부가적인 실시 예 2 - 여기에 개시된 본 발명의 기술을 사용하는 하나의 실험에서, 적어도 70중량%의 이산화규소, 및/또는 적어도 10중량%의 산화나트륨, 및/또는 적어도 7중량%의 산화칼슘을 포함하는 1.1㎜ 두께의 유리 시트는, 헬륨 가스 및 약 160 micrometers의 갭들 (204a, 204b) (도 21)로 실행된다. 광변색성 유리는, 약 680℃의 초기 온도에서 가열되고, 및 빠르게 냉각된다. 그 결과로 생긴 강화된 물품은, 이의 표면상에 약 112MPa의 음의 인장 응력 및 중심에서 약 54MPa의 양의 인장 응력을 갖는다. 강화 전에, 광변색성 유리의 시트는, 약 96 micrometers의 평탄도를 갖지만, 그 결과로 생긴 강화된 물품은, 약 60 micrometers의 평탄도를 갖는다. 따라서, 강화 공정은, 또한 강화된 광변색성 유리 물품을 평탄하게 한다.

부가적인 실시 예 3 - 적어도 70중량%의 이산화규소, 및/또는 적어도 10중량%의 산화나트륨, 및/또는 적어도 7중량%의 산화칼슘을 포함하는 2㎜ 두께의 유리 시트는, 약 300 micrometers의 (퀀칭) 갭들 (204a, 204b) (도 21) 및 퀀칭을 위한 헬륨 가스 및 가열을 위한 공기로 실행된다. 광변색성 유리는, 약 650℃의 초기 온도로 가열되고, 약 2분 동안 약 650℃에서 유지된 다음, 빠르게 냉각된다. 그 결과로 생긴 강화된 물품은, 그 표면상에서 약 93MPa의 음의 인장 응력 및 중심에서 약 58MPa의 양의 인장 응력을 갖는 대략 포물선 응력 프로파일을 갖는다. 그 결과로 생긴 광변색성 시트는, 모의 실험된 태양 스펙트럼에 5분 미만 동안 노출된 경우, 약 40%의 투과율로 어두워졌다.

부가적인 실시 예 4 - 적어도 70중량%의 이산화규소, 및/또는 적어도 10중량%의 산화나트륨, 및/또는 적어도 7중량%의 산화칼슘을 포함하는 2㎜ 두께의 유리 시트는, 약 300 micrometers의 (퀀칭) 갭들 (204a, 204b) (도 21) 및 퀀칭을 위한 헬륨 가스 및 가열을 위한 공기로 실행된다. 광변색성 유리는, 약 670℃의 초기 온도에서 가열되어, 약 670℃에서 약 2분 동안 유지된 후, 빠르게 냉각된다. 그 결과로 생긴 강화된 물품은, 이의 표면상에서 약 75MPa의 음의 인장 응력 및 중심에서 약 45MPa의 양의 인장 응력을 갖는 대략 포물선 응력 프로파일을 갖는다. 그 결과로 생긴 광변색성 시트는, 모의 실험된 태양 스펙트럼에 5분 미만 동안 노출된 경우 약 40%의 투과율로 어두워졌다.

다른 관점 및 장점은, 본 명세서 전체 및 첨부된 청구 범위를 검토하여 명백해질 것이다.

다양한 대표적인 구체 예에 나타낸 바와 같이, 광변색성 유리의 구성 및 배치는, 오로지 예시적인 것이다. 단지 약간의 구체 예가 본 개시에서 상세하게 기재되었지만, 많은 변형들 (예를 들어, 다양한 요소들의 크기, 치수, 구조, 형상, 및 비율에서 변화, 파라미터의 값, 장착 배치, 물질의 사용, 색상, 방위 (orientation)들)은, 여기에서 기재된 주제의 새로운 교시들 및 장점들을 실질적으로 벗어나지 않고, 가능하다. 통합적으로 형성된 것으로 나타낸 일부 요소는, 다수의 부품 또는 요소들로 구성될 수 있으며, 요소들의 위치는, 반대이거나 또는 그렇치 않으면 변화될 수 있으며, 및 개별적인 요소 또는 위치의 성질 또는 수는, 변경되거나 또는 변할 수 있다. 임의의 공정, 논리 알고리즘, 또는 방법 단계의 순서 또는 배열은, 대안적인 구체 예에 따라 변화되거나 또는 재-배열될 수 있다. 다른 대체, 변경, 변화 및 생략은, 또한 본 발명 기술의 범주를 벗어나지 않으면서, 다양한 대표적인 구체 예의 설계, 작동 조건 및 배치에서 이루어질 수 있다.

Claims (23)

1. 광변색성 물질을 함유하는 유리 물질로 형성된 물품을 상기 유리 물질의 유리 전이 온도 이상으로 가열하는 단계 및 상기 유리 물질에 광변색성 결정을 형성시키는 단계로, 상기 물품은 상기 가열 단계 동안에 이동 가스로 지지되며; 및
   상기 물품 내에 표면 압축 응력 및 중심 인장 응력이 생성되도록, 가열된 물품을 유리 전이 온도 아래의 온도로 냉각시키는 단계를 포함하며, 상기 냉각된 물품은 가역적 광변색성 유리 물질이고,
   여기서, 상기 물품은, 가열된 물품과 히트 싱크 사이의 갭을 가로지르는 전도에 의해 상기 가열된 물품으로부터 상기 히트 싱크로 열 에너지를 전달시켜 냉각되며, 상기 가열된 물품을 떠나는 열 에너지의 20% 초과가 상기 갭을 가로지르고 및 히드 싱크에 의해 수신되는, 광변색성 유리를 제조하는 공정.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 공정은, 냉각 동안에 이동 가스로 물품을 지지하는 단계를 더욱 포함하고, 여기서, 상기 가열된 물품을 떠나는 열 에너지의 절반 이상이 갭을 가로지르고 및 히트 싱크에 의해 수신되는, 광변색성 유리를 제조하는 공정.
3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
   상기 갭은, 200㎛ 미만의 가열된 물품의 외부 표면과 히트 싱크 표면 사이에 평균 길이를 갖는, 광변색성 유리를 제조하는 공정.
4. 청구항 1-3 중 어느 한 항에 있어서,
   냉각 동안에 물품으로부터의 열 전달률은, 물품의 외부 표면의 면적에 대해 450kW/㎡ 초과인, 광변색성 유리를 제조하는 공정.
5. 청구항 1-4 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 가열 단계 동안에, 상기 물품은, 3분 이하의시간 내에 유리 물질의 연화점 이하 및 600℃ 이상의 온도로 가열되는, 광변색성 유리를 제조하는 공정.
6. 청구항 1-5 중 어느 한 항에 있어서,
   길이, 폭 및 두께를 갖는 유리 시트이고, 여기서, 상기 두께는 0.1㎜ 초과 및 6㎜ 미만이며, 및 상기 폭 및 길이 중 적어도 하나는, 1미터를 초과하는, 광변색성 유리를 제조하는 공정.
7. 청구항 1-6 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 가스 갭은 갭 구역을 가지며, 여기서, 상기 가스 갭 내로 가스의 총 질량 유량은, 갭 구역의 제곱미터당 0 초과 및 2k/gCp 미만이고, 여기서, k는 열 전도의 방향에서 평가된 가스 갭 내에 가스의 열 전도도이며, g는 가열된 물품과 히트 싱크 표면 사이에 거리이고, 및 Cp는 가스 갭 내에 가스의 비열용량인, 광변색성 유리를 제조하는 공정.
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 광변색성 결정은 은, 할로겐화물 및 구리를 함유하는, 광변색성 유리를 제조하는 공정.
9. 광변색성 물질을 함유하는, 유리 물질로 형성된 물품을 제공하는 단계;
   상기 유리 물질의 유리 전이 온도 이상으로 상기 물품을 가열하는 단계 및 상기 유리 물질에 광변색성 결정을 형성하는 단계로, 상기 물품은 가열 동안에 이동 가스로 지지되며; 및
   물품 내에 표면 압축 응력 및 중심 인장 응력이 생성되도록, 가열된 물품을 유리 전이 온도 아래의 온도로 냉각시키는 단계를 포함하며, 상기 냉각된 물품은 가역적 광변색성 유리 물질이고,
   여기서, 상기 물품은, 가스 베어링과 물품 사이에 갭을 가로지르는 전도에 의해 상기 가스 베어링으로부터 상기 물품으로 열 에너지를 전달시켜 가열되며, 상기 가스 베어링을 떠나는 열 에너지의 20% 초과가 상기 갭을 가로지르고 및 물품에 의해 수신되는, 광변색성 유리를 제조하는 공정.
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 공정은, 가열 동안에 이동 가스로 물품을 지지하는 단계를 더욱 포함하고, 여기서, 상기 가스 베어링을 떠나는 열 에너지의 절반 이상이 갭을 가로지르고 및 물품에 의해 수신되는, 광변색성 유리를 제조하는 공정.
11. 청구항 9 또는 10에 있어서,
    상기 갭은, 200㎛ 미만인 가스 베어링의 외부 표면과 물품 사이에 평균 길이를 갖는, 광변색성 유리를 제조하는 공정.
12. 청구항 9-11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 베어링으로부터 열 전달률은, 물품의 외부 표면의 면적에 대해 450kW/㎡를 초과하는, 광변색성 유리를 제조하는 공정.
13. 청구항 9-12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가열 단계 동안에, 상기 물품은 2분 미만의시간 내에 유리 물질의 연화점 이하 및 600℃ 이상의 온도로 가열되는, 광변색성 유리를 제조하는 공정.
14. 청구항 9-13 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물품은 길이, 폭 및 두께를 갖는 유리 시트이고, 여기서, 상기 두께는 0.1㎜ 초과 및 2㎜ 미만이며, 및 상기 길이 및 폭 중 적어도 하나는, 1미터를 초과하는, 광변색성 유리를 제조하는 공정.
15. 청구항 9-14 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 갭은 갭 구역을 가지며, 여기서, 상기 갭 내로 가스의 총 질량 유량은, 갭 구역의 제곱미터당 0 초과 및 2k/gCp 미만이고, 여기서, k는 열 전도의 방향에서 평가된 가스 갭 내에 가스의 열 전도도이며, g는 가스 베어링의 외부 표면과 물품 표면 사이에 거리이고, 및 Cp는 가스 갭 내에 가스의 비열용량인, 광변색성 유리를 제조하는 공정.
16. 제1 주 표면, 제2 주 표면 및 상기 제1 및 제2 주 표면 사이의 두께를 포함하는 광변색성 유리 시트에 열을 전달하는 가열 소자를 포함하는 가열 스테이션;
    대립하는 제1 및 제2 히트 싱크 표면을 포함하며, 그 사이에 채널을 한정하여, 상기 광변색성 유리 시트가 냉각 동안에 상기 채널 내에 위치되는, 냉각 스테이션; 및
    상기 광변색성 유리 시트가 상기 제1 및 제2 히트 싱크 표면에 접촉하지 않고 상기 채널 내에 지지되도록, 가압 가스를 상기 채널에 전달하며, 갭 구역을 한정하는, 가스 베어링을 포함하며;
    여기서, 상기 가스 베어링에 의해 전달된 가스는, 갭 구역의 제곱미터당 0 초과 및 2k/ gC _p 미만인, 채널로의 총 질량 유량을 가지며, 여기서, k는 열 전도의 방향에서 평가된 채널 내에 가스의 열 전도도이고, g는 유리 시트와 히트 싱크 표면 사이에 거리이며, 및 C_p는 채널 내에 가스의 비열용량인, 광변색성 유리 시트를 제조하기 위한 시스템.
17. 청구항 16에 있어서,
    상기 공정은, 상기 냉각 스테이션 내에 가열된 광변색성 유리 시트를 더욱 포함하고, 여기서, 상기 유리 시트는 2㎜ 미만의 두께를 가지며, 여기서, 상기 제1 주 표면은 상기 제1 히트 싱크 표면을 향하고 및 상기 제2 주 표면은 상기 제2 히트 싱크 표면을 향하며, 여기서, 상기 제1 주 표면과 상기 제1 히트 싱크 표면 사이에 평균 거리는 200㎛ 미만이고, 및 상기 제2 주 표면과 상기 제2 히트 싱크 표면 사이에 평균 거리는, 200㎛ 미만인, 광변색성 유리 시트를 제조하기 위한 시스템.
18. 청구항 16 또는 17에 있어서,
    상기 냉각 스테이션 내에서, 상기 유리 시트 유래의 열 에너지는, 상기 유리 시트로부터 히트 싱크로 전도에 의해 상기 히트 싱크로 전달되고, 및 상기 채널은 상기 유리 시트를 떠나는 열 에너지의 절반 초과가 히트 싱크에 의해 수신되는 크기로 만들어진, 광변색성 유리 시트를 제조하기 위한 시스템.
19. 청구항 16-18 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 베어링은, 상기 제1 및 제2 히트 싱크 표면에 개구를 포함하고, 여기서, 상기 가스 베어링의 가압 가스는 상기 개구를 통해 전달되는, 광변색성 유리 시트를 제조하기 위한 시스템.
20. 청구항 16-19 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 히트 싱크 표면의 대립 섹션들 사이에 수직 거리는, 상기 유리 시트의 두께의 1.01 내지 5배인, 광변색성 유리 시트를 제조하기 위한 시스템.
21. 청구항 16-20 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각 스테이션 내에서, 상기 유리 시트 유래의 열 에너지는, 상기 유리 시트로부터 히트 싱크로 전도에 의해 상기 히트 싱크로 전달되고, 및 상기 채널은, 유리 시트를 떠나는 열 에너지의 20% 초과가 히트 싱크에 의해 수신되는 크기로 만들어진, 광변색성 유리 시트를 제조하기 위한 시스템.
22. 청구항 16-21 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각 동안에 상기 유리 시트로부터의 열 전달률은, 상기 유리 시트의 표면적에 대해 450 kW/㎡ 초과인, 광변색성 유리 시트를 제조하기 위한 시스템.
23. 제1 주 표면;
    상기 제1 주 표면에 대립하는 제2 주 표면;
    상기 제1 및 제2 주 표면 사이에 위치된 내부 영역;
    2㎜ 미만의 제1 주 표면과 제2 주 표면 사이의 평균 두께;
    적어도 50중량%의 이산화규소, 0.05중량%의 은, 0.05중량%의 할라이드 및 0.005중량%의 산화구리를 포함하며;
    여기서, 10 내지 999 옹스트롬의 평균 직경을 갖는 할로겐화은 결정은 내부 영역에 존재하고;
    여기서, 상기 제1 주 표면 및 제2 주 표면은, 압축 응력하에 있고 및 상기 내부 영역은 인장 응력하에 있으며;
    여기서, 상기 압축 응력은 80MPa를 초과하고;
    여기서, 상기 제1 주 표면의 표면 거칠기는, 측정 길이의 20㎜당, 0.20 micrometer 미만인, 피크-대-피크인, 광변색성 유리 또는 유리 세라믹 물품.

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