KR20200079283A - 고 액상선 점도를 갖는 과알루미늄질 리튬 알루미노실리케이트 - Google Patents

고 액상선 점도를 갖는 과알루미늄질 리튬 알루미노실리케이트 Download PDF

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Abstract

여기에 기재된 구현예는 높은 액상선 점도를 갖는 기계적으로 내구성인 유리 조성물을 포함하는 유리 제품에 관한 것이다. 50 mol.% 내지 80 mol.% SiO2; 7 mol.% 내지 25 mol.% Al2O3; 2 mol.% 내지 약 14 mol.% Li2O; 0.4 mol.% P2O5; 및 0.5 mol.% 이하의 ZrO2를 갖는 유리 조성물을 포함할 수 있다. (Al2O3 (mol.%)-R2O (mol.%)-RO (mol.%))의 양은 0 보다 크고, 여기서 R2O (mol.%)는 유리 조성물 중 Li2O, Na2O, K2O, Rb2O, 및 Cs2O의 몰량의 합이고, RO (mol.%)는 유리 조성물 중 BeO, MgO, CaO, SrO, BaO, 및 ZnO의 몰량의 합이다. (Li2O (mol.%))/(R2O (mol.%))의 몰비는 0.5 이상일 수 있다. 구현예에서, 유리 조성물은 B2O3를 포함할 수 있다. 유리 조성물은 융합 형성가능하고, 높은 손상 저항성을 갖는다.

Description

고 액상선 점도를 갖는 과알루미늄질 리튬 알루미노실리케이트
본 출원은 2017년 10월 31일에 출원된 미국 가 특허출원 제62/579,374호의 우선권을 주장하며, 이의 전체적인 내용은 여기에 참조로서 병합된다.
본 명세서는 일반적으로는 유리 조성물에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 높은 액상선 점도 및 높은 파단 저항성을 갖는 과알루미늄질 (peraluminous) 리튬 알루미노실리케이트 유리 조성물에 관한 것이다.
역사적으로 유리는, 광학 성질 및 다른 재료에 비해 우수한 화학적 내구성 때문에, 전자 장치용 커버 유리로 사용되었다. 특히, 강화된 유리는 다른 적용에서 뿐만 아니라 전자 장치에서 사용하기 위해 인정되었다. 강화된 유리가 점점 더 많이 사용됨에 따라, 특히 "현실 세계" 사용 및 적용에서 경험되는, 아스팔트 또는 콘크리트와 같은, 단단한/날카로운 표면과의 접촉에 의해 야기되는 인장 응력에 적용되었을 때, 개선된 생존성을 갖는 강화된 유리 재료를 개발하는 것이 더욱 중요해졌다. 그러나, 높은 파단 (fracture) 저항성을 갖는 소정의 유형의 강화된 유리는 또한 높은 액상선 온도 및 낮은 액상선 점도를 나타낸다. 낮은 액상선 점도를 갖는 몇몇 유리 조성물은 융합 다운인발 공정과 같은 다운인발 형성 공정에 의한 제조에 적합하지 않다.
따라서, 높은 파단 저항성 및 기계적 내구성을 나타내고, 유리 조성물이 융합 형성 공정에 의해 형성될 수 있도록 비교적 높은 액상선 점도 (예를 들어, 20 kP 초과)를 갖는 유리 조성물에 대한 요구가 존재한다.
제1 구현예에 따르면, 유리 제품은 조성물을 포함하고, 상기 조성물은 50 mol.% 이상 80 mol.% 이하의 SiO2, 7 mol.% 이상 25 mol.% 이하의 Al2O3, 2 mol.% 이상 14 mol.% 이하의 Li2O, 0.4 mol.% 이상 10 mol.% 이하의 P2O5, 및 0.5 mol.% 이하의 ZrO2를 포함한다. 상기 조성물은 0보다 큰 (Al2O3 (mol.%)-R2O (mol.%)-RO (mol.%))를 갖고, 여기서 R2O (mol.%)는 조성물 중 Li2O, Na2O, K2O, Rb2O, 및 Cs2O의 몰량의 합이며, RO (mol.%)는 조성물 중 BeO, MgO, CaO, SrO, BaO, 및 ZnO의 몰량의 합이다.
제1 구현예에 따른 제2 구현예에서, 상기 조성물에서 (Li2O (mol.%))/(R2O (mol.%))의 몰비는 0.5 이상이다. 임의의 전술한 구현예에 따른 제3 구현예에서, 상기 조성물은 -2 mol.% 이상인 (Al2O3 (mol.%)-R2O (mol.%)-RO (mol.%)-P2O5 (mol.%))를 갖는다. 임의의 전술한 구현예에 따른 제4 구현예에서, 상기 조성물은 2 mol.% 이하인 (Al2O3 (mol.%)-R2O (mol.%)-RO (mol.%)-P2O5 (mol.%))를 갖는다. 임의의 전술한 구현예에 따른 제5 구현예에서, 상기 조성물은 -2 mol.% 이상 2 mol.% 이하인 (Al2O3 (mol.%)-R2O (mol.%)-RO (mol.%)-P2O5 (mol.%))를 갖는다.
임의의 전술한 구현예에 따른 제6 구현예에서, 상기 조성물은 1300 ℃ 이하의 액상선 온도를 갖는다. 임의의 전술한 구현예에 따른 제7 구현예에서, 상기 조성물은 20 kP 초과의 액상선 점도를 또한 가질 수 있다. 임의의 전술한 구현예에 따른 제8 구현예에서, 상기 조성물은 50 kP 초과의 액상선 점도를 가질 수 있다.
임의의 전술한 구현예에 따른 제9 구현예에서, 상기 조성물은 14 mol.% 이하의 R2O를 포함할 수 있다. 임의의 전술한 구현예에 따른 제10 구현예에서, 상기 조성물은 7 mol.% 이상 14 mol.% 이하의 R2O를 더욱 포함할 수 있다. 임의의 전술한 구현예에 따른 제11 구현예에서, 상기 조성물은 2.5 mol.% 이하의 K2O를 더욱 포함할 수 있다. 임의의 전술한 구현예에 따른 제12 구현예에서, 상기 조성물은 3 mol.% 이상 15 mol.% 이하의 B2O3를 더욱 포함할 수 있다. 임의의 전술한 구현예에 따른 제13 구현예에서, 상기 조성물은 B2O3 (mol.%)의 2 배 이상인 (Li2O (mol.%)+Al2O3 (mol.%))를 가질 수 있다.
임의의 전술한 구현예에 따른 제14 구현예에서, 상기 조성물은 0.1 mol.% 이상 6 mol.% 이하의 Na2O를 더욱 포함할 수 있다. 임의의 전술한 구현예에 따른 제15 구현예에서, 상기 조성물은 0 mol.% 이상 5 mol.% 이하의 MgO를 더욱 포함할 수 있다. 임의의 전술한 구현예에 따른 제16 구현예에서, 상기 조성물은 0 mol.% 초과 5 mol.% 이하의 ZnO를 더욱 포함할 수 있다. 임의의 전술한 구현예에 따른 제17 구현예에서, 상기 조성물은 0 mol.% 초과 4 mol.% 이하의 CaO를 더욱 포함할 수 있다. 임의의 전술한 구현예에 따른 제18 구현예에서, 상기 조성물은 0 mol.% 초과 4 mol.% 이하의 SrO를 더욱 포함할 수 있다. 임의의 전술한 구현예에 따른 제19 구현예에서, 상기 조성물은 0.35 mol.% 이하의 SnO2를 더욱 포함할 수 있다. 임의의 전술한 구현예에 따른 제20 구현예에서, 상기 조성물은 BaO가 실질적으로 없을 수 있다.
제21 구현예에서, 유리 제품은 조성물을 포함하고, 상기 조성물은 50 mol.% 이상 80 mol.% 이하의 SiO2, 7 mol.% 이상 25 mol.% 이하의 Al2O3, 2 mol.% 이상 14 mol.% 이하의 Li2O, 3 mol.% 이상 15 mol.% 이하의 B2O3, 0.1 mol.% 이상의 Na2O, 0 mol.% 이상 4 mol.% 이하의 TiO2를 포함한다. 상기 조성물은 0 이상인 (Al2O3 (mol.%)-R2O (mol.%)-RO(mol.%))를 갖고, 여기서 R2O (mol.%)는 상기 조성물 중 Li2O, Na2O, K2O, Rb2O, 및 Cs2O의 몰량의 합이며, RO (mol.%)는 상기 조성물 중 BeO, MgO, CaO, SrO, BaO, 및 ZnO의 몰량의 합이다. 상기 조성물은 2 이하인 (Al2O3 (mol.%)-R2O (mol.%)-RO(mol.%)-P2O5 (mol.%))를 또한 갖고, R2O (mol.%)는 14 mol.% 이하이다.
제21 구현예에 따른 제22 구현예에서, 상기 조성물은 0.5 이상인 (Li2O (mol.%))/(R2O (mol.%))의 몰비를 가질 수 있다. 제21 또는 제22 구현예에 따른 제23 구현예에서, 상기 조성물은 0.4 mol.% 이상 10 mol.% 이하의 P2O5를 더욱 포함할 수 있다. 제21 내지 제23 구현예 중 어느 하나에 따른 제24 구현예에서, 상기 조성물은 -2 이상인 (Al2O3 (mol.%)-R2O (mol.%)-RO(mol.%)-P2O5 (mol.%))를 가질 수 있다.
제21 내지 제24 구현예 중 어느 하나에 따른 제25 구현예에서, (Li2O (mol.%)+Al2O3 (mol.%))는 B2O3 (mol.%)의 2배 이상이다. 제21 내지 제25 구현예 중 어느 하나에 따른 제26 구현예에서, 상기 조성물은 1.5 mol.% 이상 6 mol.% 이하의 Na2O를 더욱 포함한다. 제21 내지 제26 구현예 중 어느 하나에 따른 제27 구현예에서, 상기 조성물은 0.35 mol.% 이하의 SnO2를 더욱 포함한다. 제21 내지 제27 구현예 중 어느 하나에 따른 제28 구현예에서, 상기 조성물은 1300 ℃ 이하의 액상선 온도를 갖는다. 제21 내지 제28 구현예 중 어느 하나에 따른 제29 구현예에서, 상기 조성물은 20 kP 초과의 액상선 점도를 갖는다.
제30 구현예에서, 유리 제품은 조성물을 포함하고, 상기 조성물은 50 mol.% 이상 80 mol.% 이하의 SiO2, 7 mol.% 이상 25 mol.% 이하의 Al2O3, 2 mol.% 이상 14 mol.% 이하의 Li2O, 0.1 mol.% 이상 20 mol.% 이하의 B2O3, 0.1 mol.% 이상 20 mol.% 이하의 P2O5, 및 1 mol.% 이하의 ZrO2를 포함한다. 상기 조성물은 0 초과인 (Al2O3 (mol.%)-R2O (mol.%)-RO (mol.%))를 갖고, 여기서 R2O (mol.%)는 상기 조성물 중 Li2O, Na2O, K2O, Rb2O, 및 Cs2O의 몰량의 합이고, RO (mol.%)는 상기 조성물 중 BeO, MgO, CaO, SrO, BaO, 및 ZnO의 몰량의 합이다.
제30 구현예에 따른 제31 구현예에서, (Li2O (mol.%))/(R2O (mol.%))의 몰비는 0.5 이상이다. 제30 또는 제31 구현예에 따른 제32 구현예에서, (Al2O3 (mol.%)-R2O (mol.%)-RO (mol.%)-P2O5 (mol.%))는 -2 mol.% 이상이다. 제30 내지 제32 구현예 중 어느 하나에 따른 제33 구현예에서, (Al2O3 (mol.%)-R2O (mol.%)-RO (mol.%)-P2O5 (mol.%))는 -2 mol.% 이상 2 mol.% 이하이다. 제30 내지 제33 구현예 중 어느 하나에 따른 제34 구현예에서, (Al2O3 (mol.%)-R2O (mol.%)-RO (mol.%)-P2O5 (mol.%))는 -2 mol.% 이상 2 mol.% 이하이다. 제30 내지 제34 구현예 중 어느 하나에 따른 제35 구현예에서, 상기 조성물은 14 mol.% 이하의 R2O를 포함한다. 제30 내지 제35 구현예 중 어느 하나에 따른 제36 구현예에서, 상기 조성물은 7 mol.% 이상 14 mol.% 이하의 R2O를 포함한다. 제30 내지 제36 구현예 중 어느 하나에 따른 제37 구현예에서, (Li2O (mol.%)+Al2O3 (mol.%))는 B2O3 (mol.%)의 2 배 이상이다. 제30 내지 제37 구현예 중 어느 하나에 따른 제38 구현예에서, 상기 조성물은 1 mol.% 이상 6 mol.% 이하의 Na2O를 더욱 포함한다. 제30 내지 제38 구현예 중 어느 하나에 따른 제39 구현예에서, 상기 조성물은 0 mol.% 초과 0.35 mol.% 이하의 SnO2를 더욱 포함한다. 제30 내지 제39 구현예 중 어느 하나에 따른 제40 구현예에서, 상기 조성물은 1300 ℃ 이하의 액상선 온도를 갖는다. 제30 내지 제40 구현예 중 어느 하나에 따른 제41 구현예에서, 상기 조성물은 20 kP 초과의 액상선 점도를 갖는다.
제42 구현예에서, 유리 제품은 조성물을 포함하고, 상기 조성물은: 50 mol.% 이상 80 mol.% 이하의 SiO2; 2 mol.% 이상 25 mol.% 이하의 Al2O3; 2 mol.% 이상 15 mol.% 이하의 Li2O;를 포함하고, 여기서 SiO2 (mol%) ≥ [4*Li2O + 6*(Na2O+K2O) + 2.5*MgO + 2*(CaO + SrO + BaO)] (mol%)이며, 여기서 (Al2O3 (mol.%)-R2O (mol.%)-RO (mol.%))는 0 초과이고, 여기서 R2O (mol.%)는 상기 조성물 중 Li2O, Na2O, K2O, Rb2O, 및 Cs2O의 몰량의 합이며, RO (mol.%)는 상기 조성물 중 BeO, MgO, CaO, SrO, BaO, 및 ZnO의 몰량의 합이고, 여기서 (Li2O (mol.%))/(R2O (mol.%))의 몰비는 0.35 이상이며, 여기서 P2O5 (mol%)/[(Al2O3- R2O - RO)](mol%)는 0.25 이상이고, 여기서 TiO2 (mol%) + ZrO2 (mol%)는 0 mol.% 이상 1 mol.% 이하이며, 여기서 희토류 금속 산화물의 총 함량은 0 mol.% 이상 0.5 mol% 이하이고,
여기서 A는 17 이상이며, 여기서:
A = 13.2 + P * [(1/673 - 1(A.P. +273))],
P = 0.6/[(1/(A.P. +273)) - (1/(T12+273))],
A.P.는 ℃로 어닐링점이고,
T12는 유리가 1012 포이즈의 점도를 가질 때에 해당하는 ℃로 온도이다.
제42 구현예에 따른 제43 구현예에서, P2O5 (mol%)/[(Al2O3- R2O - RO)](mol%)는 0.8 이상 1.25 이하이다. 제42 구현예에 따른 제44 구현예에서, P2O5 (mol%)/[(Al2O3- R2O - RO)](mol%)는 0.9 이상 1.1 이하이다. 제42 내지 제44 구현예 중 어느 하나에 따른 제45 구현예에서, 영률은 70 GPa 이상이다. 제42 내지 제44 구현예 중 어느 하나에 따른 제46 구현예에서, 영률은 80 GPa 이상이다. 제42 내지 제46 구현예 중 어느 하나에 따른 제47 구현예에서, 파단 인성 (fracture toughness)은 0.7 MPa*m1/2 이상이다. 제42 내지 제46 구현예 중 어느 하나에 따른 제48 구현예에서, 파단 인성은 0.8 MPa*m1/2 이상이다. 제42 내지 제48 구현예 중 어느 하나에 따른 제49 구현예에서, A는 19 이상이다.
제50 구현예에서, 소비자 전자 제품은 전면, 후면 및 측면을 갖는 하우징; 상기 하우징 내에 적어도 부분적으로 제공된 전기 부품을 포함하고, 상기 전기 부품은 적어도 콘트롤러, 메모리, 및 디스플레이를 포함하며, 상기 디스플레이는 하우징의 전면에 또는 이에 인접하여 제공된다. 소비자 전자 제품은 디스플레이 위에 배치된 커버 기판을 더욱 포함한다. 상기 커버 기판 또는 상기 하우징의 일부의 적어도 하나는 여기에 개시된 구현예 중 어느 하나의 유리 제품을 포함한다.
추가적인 특징 및 장점은 이하의 상세한 설명에서 설명될 것이며, 부분적으로는 그 설명으로부터 통상의 기술자에게 쉽게 명백하거나, 또는 이하의 상세한 설명, 청구 범위, 및 첨부된 도면을 포함하는 여기에 기재된 구현예를 실행함으로써 인식될 것이다.
전술한 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명 모두는 다양한 구현예들을 기재하고, 청구된 주제의 본질 및 특징의 이해를 위한 개요 또는 틀을 제공하도록 의도된 것으로 이해되어야 한다. 첨부된 도면은 다양한 구현예의 추가적인 이해를 제공하기 위해 포함되고, 본 명세서의 일부로 병합되며 그 일부를 구성한다. 도면은 여기에 기재된 다양한 구현예를 예시하고, 발명의 설명과 함께 청구된 주제의 원리 및 작동을 설명하는 역할을 한다.
도 1은 이온 교환 강화 후 본 발명의 유리 조성물의 두께 (y-축)에 걸쳐 응력 (x-축) 프로파일을 그래프로 도시한다.
도 2a는 여기에 개시된 유리 제품 중 어느 것을 포함하는 예시적인 전자 장치의 평면도이다.
도 2b는 도 2a의 예시적인 전자 장치의 사시도이다.
개선된 낙하 성능 및 더 큰 액상선 점도를 나타내는 유리 조성물의 다양한 구체예를 이제 상세히 참조할 것이며, 이는 융합 다운인발 형성 공정에 의해 제조 될 수 있는 보다 기계적으로 내구성 있는 유리를 제공한다. 이러한 유리 조성물은 전자장치 (electronics)용 커버 유리로서 사용되는 것을 포함하는, 제한 없이, 다양한 적용에서 사용하기에 적합하다. 유리 조성물은 또한 화학적으로 강화될 수 있어서, 유리에 증가된 기계적 내구성을 부여할 수 있다. 여기에 기재된 유리 조성물은 과알루미늄질 (peraluminous) 리튬 알루미노실리케이트로서 일반적으로 기재될 수 있다. 따라서, 여기에 기재된 유리 조성물은 실리카 (SiO2), 알루미나 (Al2O3) 및 리튬 산화물 (Li2O)를 포함한다. 몇몇 구현예에서, 유리 조성물은 융합 다운인발 형성 공정을 사용하여 유리 조성물이 생산되는 것을 허용하는 것이 충분한 액상선 점도 및 유리 조성물에 화학적 및 기계적 내구성을 부여하는 양으로, 리튬 산화물에 더하여 알칼리 산화물 (예를 들어, Na2O, 및/또는 K2O), 및 알칼리 토 산화물 (예를 들어, MgO 및/또는 CaO)을 또한 포함할 수 있다. 또한, 유리 조성물에 존재하는 알칼리 산화물은 이온 교환에 의해 유리 조성물을 화학적으로 강화시키는 것을 용이하게 한다. 몇몇 구현예에서, 유리 조성물은 P2O5, B2O3, 또는 둘 다를 포함할 수 있으며, 이는 유리 조성물에 혼입되어 액상선 점도, 손상 저항성, 또는 둘 다를 개선시킬 수 있다. 유리 조성물의 다양한 구현예가 여기에 기재될 것이고, 특정 예를 참조하여 더욱 예시될 것이다.
여기에 사용된 바와 같이, 용어 "연화점"은 유리 조성물의 점도가 107.6 포이즈인 온도를 지칭한다.
여기에 사용된 바와 같이, 용어 "어닐링점"은 주어진 유리 조성물의 유리의 점도가 대략 1013.2 포이즈 곳인, ASTM C598-93에 따라 결정된 온도를 지칭한다.
여기에 사용된 바와 같이, 용어 "T12"는 주어진 유리 조성물의 유리의 점도가 대략 1012 포이즈 곳인, ASTM C598-93에 따라 결정된 온도를 지칭한다.
여기에 사용된 바와 같이, 용어 "변형점 (strain point)" 및 "Tstrain"은 주어진 유리 조성물에서 유리의 점도가 대략 1014.7 포이즈인 곳인, ASTM C598-93에 따라 결정된 온도를 지칭한다.
용어 "액상선 온도 (liquidus temperature)"는 이 온도보다 위에서는 유리의 구성 성분의 결정화 없이 유리 조성물이 완전히 액체인 온도를 지칭한다. 유리의 액상선 온도는 "Standard Practice for Measurement of Liquidus Temperature of Glass by the Gradient Furnace Method"이라는 명칭의 ASTM C829-81 (2015)에 따라 측정된다.
용어 "액상선 점도"는 유리 조성물의 액상선 온도에서의 유리 조성물의 점도를 지칭한다. 액상선 온도에서의 유리의 액상선 점도는 "Standard Practice for Measuring Viscosity of Glass Above the Softening Point"이라는 명칭의 ASTM C965-96(2012)에 따라 측정된다.
여기에 사용된 바와 같이, 용어 "CTE"는 실온 (RT) 내지 300 ℃의 온도 범위에 걸친 유리 조성물의 선형 열팽창 계수를 지칭하고, ASTM E228-11에 따라 푸시-로드 팽창계 (push-rod dilatometer)를 사용하여 결정된다.
여기에 기재된 유리 조성물의 구현예에서, 달리 명시되지 않는 한, 구성 성분 (예를 들어, SiO2, Al2O3 등)의 농도는 산화물 기준으로 몰% (mol.%)로 명시된다. 유리 조성물에서 구성성분의 몰%는 유리 조성물의 단위 몰 당 구성성분의 몰 수 곱하기 100을 지칭한다.
여기에 사용된 바와 같이, 용어 "과알루미늄질 (peraluminous)"은 Al2O3 (mol%)가 R2O mol.% (알칼리 산화물) 및 RO mol.% (알칼리초 산화물 및 ZnO)의 합 보다 큰 유리를 지칭한다.
유리 조성물에서 특정 구성 성분의 농도 및/또는 부존재를 설명하기 위해 사용될 때, "없는" 및 "실질적으로 없는"이라는 용어는, 구성 성분이 유리 조성물에 의도적으로 첨가되지 않음을, 의미한다. 그러나, 유리 조성물은 0.05 몰% 미만의 양으로 오염물 또는 트램프 (tramp)로서 미량의 구성 성분을 함유할 수 있다.
유리 조성물에서 특정 구성 성분을 설명하기 위해 사용될 때, 용어 "트램프 (tramp)"는 유리 조성물에 의도적으로 첨가되지 않고, 0.05 mol.% 미만의 양으로 존재하는 구성 성분을 지칭한다. 트램프 성분은, 다른 구성 성분의 불순물로서 또는 유리 조성물의 가공 동안 조성물 안으로 트램프 성분의 이동을 통하여, 의도하지 않게 유리 조성물에 첨가될 수 있다.
여기에 기재된 유리 조성물은, SiO2, Al2O3, 및 Li2O의 조합을 일반적으로 포함할 수 있고, 몇몇 구현예에서, 추가의 알칼리 산화물 Na2O, 및/또는 K2O를 포함할 수 있는 리튬 과알루미늄질 알루미노실리케이트 유리 조성물이다. 상기 유리 조성물은 이온 교환에 의한 화학적 강화에 적합하고, 충분히 높은 액상선 점도를 가져서, 상기 유리 조성물은 융합 다운인발 형성 공정에 의해 형성될 수 있다. 이온 교환 후, 결과적인 유리는 휴대용 전자제품용 종래의 커버 유리에 비해 더 큰 낙하 성능을 나타낸다. 몇몇 구현예에서, 유리 조성물은 또한 P2O5, B2O3, 적어도 하나의 알칼리 토금속 산화물, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 이들 성분은 액상선 점도를 더욱 증가시키고 및/또는 유리의 기계적 내구성 및 낙하 성능을 개선시키기 위해 첨가될 수 있다. 몇몇 구현예에서, 유리 조성물은 여기에 기재된 바와 같이, 더 적은 양의, 예를 들어 SnO2, ZrO2, ZnO, TiO2, As2O3 등과 같은 하나 이상의 추가 산화물을 더욱 포함할 수 있다. 이들 성분은 청징제로서 첨가될 수 있거나 및/또는 결과적인 유리의 화학적 내구성을 더욱 향상시키기 위해 첨가될 수 있다.
여기에 기재된 유리 조성물의 구현예에서, SiO2는 조성물의 최대 구성 성분이고, 따라서 결과적인 유리 네트워크의 주된 구성 성분이다. SiO2는 유리의 화학적 내구성 및 산에서 분해에 대한 유리 조성물의 저항성 및 물에서 분해에 대한 유리 조성물의 저항성을 향상시킨다. SiO2의 함량이 너무 낮으면, 유리의 화학적 내구성 및 화학적 저항성이 감소될 수 있고, 유리가 부식되기 쉽다. 따라서, 높은 SiO2 농도가 일반적으로 바람직하다. 그러나, SiO2의 함량이 너무 높으면, 더 높은 농도의 SiO2는 유리 용융의 어려움을 증가시켜, 유리의 성형성 (formability)에 악영향을 미치므로, 유리의 성형 성이 감소될 수 있다. 여기에 기재된 구현예에서, 유리 조성물은 50 mol.% 이상 및 약 80 mol.% 이하, 75 mol.% 이하, 74 mol.% 이하, 72 mol.% 이하, 또는 심지어 70 mol.% 이하 및 이들 사이의 모든 범위 및 하위범위의 양으로 SiO2를 일반적으로 포함한다. 몇몇 구현예에서, 유리 조성물 중 SiO2의 양은 약 58 mol.% 초과, 약 65 mol.% 초과, 또는 심지어 약 67 mol.% 초과일 수 있다. 몇몇 다른 구현예에서, 유리 조성물 중 SiO2의 양은 70 mol.% 초과, 72 mol.% 초과, 또는 심지어 74 mol.% 초과일 수 있다. 예를 들어, 몇몇 구현예에서, 유리 조성물은 약 58 mol.% 내지 약 80 mol.%, 약 58 mol.% 내지 약 75 mol.%, 약 58 mol.% 내지 약 74 mol.%, 약 58 mol.% 내지 약 72 mol.%, 또는 심지어 약 58 mol.% 내지 약 70 mol.%의 SiO2를 포함할 수 있다. 몇몇 다른 구현예에서, 유리 조성물은 약 65 mol.% 내지 약 80 mol.%, 65 mol.% 내지 약 75 mol.%, 약 65 mol.% 내지 약 74 mol.%, 약 65 mol.% 내지 약 72 mol.%, 또는 심지어 약 65 mol.% 내지 약 70 mol.% SiO2를 포함할 수 있다. 몇몇 다른 구현예에서, 유리 조성물은 약 67 mol.% 내지 약 80 mol.%, 약 67 mol.% 내지 약 75 mol.%, 약 67 mol.% 내지 약 74 mol.%, 약 67 mol.% 내지 약 72 mol.%, 또는 심지어 약 67 mol.% 내지 약 70 mol.% SiO2를 포함할 수 있다. 또다른 구현예에서, 유리 조성물은 58 mol.% 이상 74 mol.% 이하 SiO2를 포함할 수 있다. 몇몇 구현예에서, 유리 조성물은 65 mol.% 이상 72 mol.% 이하 SiO2를 포함한다. 또다른 구현예에서, 유리 조성물은 67 mol.% 이상 70 mol.% 이하 SiO2를 포함할 수 있다. 몇몇 구현예에서, SiO2의 mol%는 다음 관계를 충족시킨다 : SiO2 (mol%) ≥ [4*Li2O + 6*(Na2O +K2O) + 2.5*MgO + 2*(CaO + SrO + BaO)] (mol%). 이론에 구속되지 않고, 실리카 함량은 알루미나-풍부한 내화 광물의 결정화를 방지하기 위해 상기 관계를 충족시켜야 한다고 믿어진다.
여기에 기재된 유리 조성물은 Al2O3를 더욱 포함할 수 있다. Al2O3는 Li2O 등과 같은 유리 조성물에 존재하는 알칼리 산화물과 함께 이온 교환 강화에 대한 유리의 민감성을 개선시킨다. 보다 구체적으로, 유리 조성물에서 Al2O3의 양을 증가 시키는 것은 유리에서 이온 교환 속도를 증가시키고, 이온 교환의 결과로서 유리의 압축 층에서 생성된 압축 응력을 증가시킨다. Al2O3로 보상된 알칼리 산화물은 Al2O3에 의해 보상되지 않은 알칼리 산화물과 비교하여 이온 교환 동안 더 큰 이동성을 나타낸다. Al2O3는 또한 유리의 경도 및 손상 저항성을 증가시킬 수 있다. 그러나, 유리의 액상선 점도는 유리 조성물에서 Al2O3의 농도가 증가함에 따라 감소한다. 유리 조성물 중 Al2O3의 농도가 너무 크면, 유리 조성물의 액상선 점도가 감소하여, 이는 유리 조성물이 융합 다운인발 공정에서 생산 동안 결정화될 수 있게 한다. 여기에 기재된 구현예에서, Al2O3는 유리 조성물에서 Al2O3 (mol.%)로 존재하고, 한편 알칼리 산화물은 유리 조성물에서 R2O (mol.%)로 존재하며, 여기서 R2O (mol.%)는 Li2O, Na2O, K2O, Rb2O, 및 Cs2O의 몰 분율의 합과 같다.
몇몇 구현예에서, 유리 조성물에서 몰비 (Al2O3 (mol.%))/(R2O (mol.%))는 Al2O3로 알칼리 산화물을 완전히 보상하고 위에서 언급된 이온 교환 강화에 대한 민감성을 용이하게 하기 위해 1 이상이다. 다른 방식으로 언급하면, 유리 조성물은 0 이상인 (Al2O3 (mol.%) - R2O (mol.%))를 가질 수 있으며, 여기서 R2O는 유리 조성물 중 Li2O, Na2O, K2O, Rb2O, 및 Cs2O의 몰량의 합이다. 구체적으로, 유리 조성물의 확산 계수 또는 확산도 D는 이온 교환 동안 알칼리 이온이 유리 표면으로 침투하는 속도와 관련이 있다. 1과 동일한 (Al2O3 (mol.%))/(R2O (mol.%)) 비를 갖는 유리 조성물은, 동일한 총 알칼리 함량 (R2O (mol.%)) 갖지만 1 미만 또는 1 초과의 (Al2O3 (mol.%))/(R2O (mol.%)) 비를 갖는 유리와 비교하여, 유리 조성물을 통하여 알칼리 산화물 이온의 더 큰 확산성 (즉, 이동성)을 갖는다. 알칼리 이온이 더 큰 확산성을 갖는 유리는, 주어진 이온 교환 침지 시간 및 이온 교환 온도에 대해, 알칼리 이온이 더 낮은 확산성을 갖는 유리보다는, 더 큰 층의 깊이를 얻을 수 있다.
여기에 기재된 구현예에서, 알칼리 토금속 산화물 (예를 들어, BeO, MgO, CaO, SrO, 및 BaO) 및/또는 산화 아연 (ZnO)은 유리 조성물에 존재할 수 있다. 유리 조성물에서 알칼리 토금속 산화물 및 ZnO의 총량은 RO (mol.%)일 수 있다. BeO 및 ZnO가 없는 알칼리 토금속 산화물의 총량 (즉, RO (mol.%) - BeO(mol.%) - ZnO(mol.%))은 A mol.%일 수 있다. 유리 조성물에서 Al2O3의 양을 증가시키는 것은 유리 조성물에서 이온 교환을 개선시킨다. 그러나, Al2O3 (mol.%)가 (R2O (mol.%)+RO (mol.%))를 1 또는 2 mol.% 초과만큼 초과할 때, 액상선 온도는 급격히 증가한다. BeO 및 ZnO는 다른 알칼리 토 산화물만큼 활성이 아닐 수 있으며, 다른 알칼리 토 산화물만큼 이온 교환 특성 또는 액상선 온도에 큰 영향을 미치지 않을 수 있다. 따라서, Al2O3 (mol.%)가 (R2O (mol.%)+A (mol.%))를 또한 초과할 때, 액상선 온도는 급격히 증가할 수 있다. 유리의 액상선 온도가 증가함에 따라, 유리의 액상선 점도는 감소한다. 유리 조성물 중 Al2O3의 양이 너무 높으면, 액상선 온도는, 유리에서 실투 (devitrification)로 인해, 융합 다운인발 공정에서 유리가 더 이상 융합 형성될 수 없는 수준으로 증가한다. 실투는 형성 (예를 들어, 크리스토발라이트, 스포듀민, 뮬라이트, 루틸, 커런덤, 다른 결정질 성분, 또는 이들의 조합의 형성) 동안 유리 조성물의 하나 이상의 성분의 결정화를 지칭한다. 따라서, 몇몇 다른 구현예에서, 유리 조성물 중 Al2O3 (mol.%)는 합계 (R2O (mol.%)+RO (mol.%)) 또는 (R2O (mol.%)+A (mol.%))를 10 mol.%보다 크게 초과하지 않을 수 있다. 몇몇 다른 구현예에서, Al2O3 (mol.%)는 합계 (R2O (mol.%)+RO (mol.%)) 또는 (R2O (mol.%)+A (mol.%))를 5 mol.%보다 크게, 2 mol.%보다 크게, 또는 심지어 1 mol.%보다 크게는 초과하지 않는다. 예를 들어, 유리 조성물은 10 mol.% 이하, 5 mol.% 이하, 2 mol.% 이하, 또는 심지어 1 mol.% 이하인 (Al2O3 (mol.%) - R2O (mol.%) - RO (mol.%))를 가질 수 있고, 여기서 RO (mol.%)는 BeO, MgO, CaO, SrO, BaO, 및 ZnO의 몰량의 합이다. 몇몇 구현예에서, (Al2O3 (mol.%) - R2O (mol.%) - RO (mol.%))는 0 mol.% 초과 10 mol.% 이하, 0 mol.% 초과 5 mol.% 이하, 0 mol.% 초과 2 mol.% 이하, 또는 심지어 0 mol.% 초과 1 mol.% 이하일 수 있다. 몇몇 구현예에서, 유리 조성물은 인 산화물 (P2O5)이 실질적으로 없을 수 있다. 과량의 Al2O3를 보상하기 위해 P2O5가 유리 조성물에 존재하지 않는 이들 구현예에서, (Al2O3 (mol.%) - R2O (mol.%) - RO (mol.%))의 양은 유리 조성물에서 4 mol.% 이하, 2 mol.% 이하, 또는 심지어 1 mol.% 이하일 수 있다.
여기에 기재된 유리 조성물은 일반적으로 약 2 mol.% 이상 약 25 mol.% 이하, 또는 약 7 mol.% 이상 약 25 mol.% 이하, 및 이들 사이의 임의의 범위 또는 하위범위의 양으로 Al2O3를 포함한다. 몇몇 구현예에서, 유리 조성물에서 Al2O3의 양은 약 10 mol.% 이상 약 18 mol.% 이하일 수 있다. 몇몇 다른 구현예에서, 유리 조성물에서 Al2O3의 양은 약 12 mol.% 이상 약 16 mol.% 이하일 수 있다. 몇몇 다른 구현예에서, 유리 조성물에서 Al2O3의 양은 약 10 mol.% 이상 약 16 mol.% 이하일 수 있다. 또 다른 구현예에서, 유리 조성물에서 Al2O3의 양은 약 12 mol.% 이상 약 18 mol.% 이하일 수 있다.
유리 조성물은 또한 하나 이상의 알칼리 산화물을 포함한다. 알칼리 산화물은 유리 조성물의 이온 교환성을 용이하게 하고, 따라서 유리를 화학적으로 강화시키는 것을 용이하게 한다. 알칼리 산화물은 Li2O, Na2O, K2O, Rb2O, 및 Cs2O 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 알칼리 산화물은 일반적으로 유리 조성물에서 R2O mol.%의 총 농도로 존재한다. 알칼리 산화물의 양을 증가시키는 것은 결과적인 유리에서 이온 교환을 개선시킨다. 그러나, 알칼리 산화물의 양이 14 mol.% 초과와 같이 너무 높으면, 유리 조성물의 액상선 점도는 감소한다. 액상선 점도가 감소할 때, 용융된 유리 조성물의 온도를 낮추어 융합 형성을위한 점도를 증가시키는 것은 형성 동안 유리 조성물의 실투를 결과한다. 따라서, 몇몇 구현예에서, 유리 조성물은 14 mol.% 이하의 R2O (mol.%)를 가질 수 있다. 몇몇 구현예에서, 유리 조성물은 7 (mol.%) 이상 및 14 (mol.%) 이하의 R2O를 포함할 수 있다.
여기에 기재된 유리 조성물로부터 형성된 유리의 이온 교환성은 이온 교환 전에 유리 조성물에 초기에 존재하는 알칼리 산화물 Li2O의 양에 의해 유리에 주로 부여된다. 따라서, 여기에 기재된 유리 조성물의 구현예에서, 유리 조성물에 존재하는 알칼리 산화물은 적어도 Li2O를 포함한다. 리튬 이온은 예를 들어 나트륨 이온 (Na+), 칼륨 이온 (K+), 루비듐 이온 (Rb+), 및 세슘 이온 (Cs+)과 같은 다른 알칼리 이온보다 작다. Li2O를 포함하는 유리 조성물로부터 형성된 유리가 나트륨 또는 칼륨 이온과 이온 교환될 때, 더 작은 리튬 이온에 대한 더 큰 나트륨 및/또는 칼륨 이온의 이온 교환은, 다른 나트륨 또는 칼륨 이온과 나트륨 및/또는 칼륨 이온의 이온 교환과 비교하여, 빠르게 일어난다. 따라서, 다른 알칼리 산화물에 비하여 유리 조성물에서 더 많은 양의 Li2O는 결과적인 유리의 더 좋은 이온 교환 성능을 결과한다. 예를 들어, 나트륨 및/또는 칼륨 이온과 유리 내의 리튬 이온의 이온 교환은 나트륨 및/또는 칼륨 이온과 유리 내의 다른 알칼리 이온의 이온 교환에 비해 유리의 더 큰 압축 응력 및 더 큰 압축 층의 깊이를 결과한다. 유리를 나트륨 이온으로 이온 교환시킬 때, 다른 알칼리 산화물에 비해 유리에서 Li2O의 양이 많을수록 표면 상에서 압축 응력이 더 커진다. 또한, 알칼리 산화물은 유리 네트워크에서 비가교 (non-bridging) 산소를 생성하여, 화학적 내구성을 감소시키고, 점도를 감소시키며, 이온 교환의 공정을 늦출 수 있다. 따라서, 이온 교환 강화시 유리에서 원하는 압축 강도 및 층의 깊이를 달성하기 위해, 구현예에서, 유리 조성물에서 Li2O 대 총 R2O의 몰비는 0.35 이상이며, 여기서 R2O는 유리 조성물 중 알칼리 산화물 Li2O, Na2O, K2O, Rb2O, 및 Cs2O의 총 몰량이다 (즉, (Li2O (mol.%))/(R2O (mol.%))는 0.35 이상이다). 유리 조성물에서 Li2O 대 R2O의 몰비가 0.35 미만인 경우, 이온 교환으로부터 결과하는 압축 응력이 감소되어, 더 약한 유리 및 유리의 저하된 낙하 성능을 결과한다. 몇몇 구현예에서, 유리 조성물에서 Li2O 대 R2O의 몰비는 0.4 이상, 0.5 이상, 0.6 이상, 0.7 이상, 또는 심지어 0.8 이상일 수 있다.
구체적으로, 이온 교환 강화시 유리에서 원하는 압축 응력 및 압축 깊이를 달성하기 위해, 구현예에서, 유리 조성물은 약 2 mol.% 내지 약 15 mol.%, 또는 약 2 mol.% 내지 약 14 mol.% 및 이들 사이의 모든 범위 및 하위범위의 양으로 Li2O를 포함한다. 유리 조성에서 Li2O의 양이 예를 들어 2 mol.% 미만과 같이 너무 낮으면, 유리에서 이온 교환의 속도는 감소하고, 이온 교환에 의해 생성된 유리에서의 압축 응력도 또한 감소한다. 유리 조성물에서 Li2O의 양이 예를 들어 14 mol.% 또는 15 mol.% 초과와 같이 너무 높으면, 유리 조성물의 액상선 점도는 감소하고, 유리는 융합 형성 동안 유리가 결정화될 수 있다. 몇몇 구현예에서, 유리 조성물은 적어도 약 4 mol.%의 Li2O를 포함한다. 예를 들어, 유리 조성물에서 Li2O의 농도는 5 mol.% 초과, 또는 6 mol.% 초과일 수 있다. 몇몇 구현예에서, 유리 조성물은 4 mol.% 이상의 Li2O, 5 mol.% 이상의 Li2O, 또는 심지어 6 mol.% 이상의 Li2O를 가질 수 있다. 몇몇 구현예에서, 유리 조성물은 약 12 mol.% 미만의 Li2O, 약 10 mol.% 미만의 Li2O, 또는 심지어 약 9 mol.% 미만의 Li2O를 포함한다. 몇몇 구현예에서, 유리 조성물은 14 mol.% 이하의 Li2O, 12 mol.% 이하의 Li2O, 10 mol.% 이하의 Li2O, 또는 심지어 9 mol.% 이하의 Li2O를 가질 수 있다. 예를 들어, 몇몇 구현예에서, 유리 조성물은 2 mol.% 이상 14 mol.% 이하 Li2O, 4 mol.% 이상 12 mol.% 이하 Li2O, 5 mol.% 이상 10 mol.% 이하 Li2O, 또는 심지어 6 mol.% 이상 9 mol.% 이하 Li2O를 포함할 수 있다.
위에서 언급된 바와 같이, 유리 조성물에서 알칼리 산화물은 Na2O를 더욱 포함할 수 있다. 유리 조성물에 존재하는 Na2O의 양은 또한 유리 조성물로부터 제조된 유리의 이온 교환성에 관련된다. 구체적으로, 유리 조성물에서 Na2O의 존재는 유리 매트릭스를 통한 이온의 확산성을 증가시킴으로써 유리의 이온 교환 강화 동안 이온 교환 속도를 증가시킬 수 있다. 그러나, 유리 조성물에 존재하는 Na2O의 양이 증가함에 따라, 이온 교환을 통해 유리에서 얻을 수 있는 압축 응력은, 나트륨 이온과 다른 나트륨 이온의 교환의 결과로서, 감소한다. 예를 들어, 동일한 크기의 다른 나트륨 이온과 나트륨 이온의 이온 교환은 압축 층에서의 압축 응력의 순 증가를 결과하지 않는다. 따라서, 유리 조성물에서 Na2O 양을 증가 시키는 것은 이온 교환에 의해 유리에서 생성된 압축 응력을 감소시킨다. 따라서, 유리 조성물에 존재하는 Na2O의 양을 제한하는 것이 바람직하다. 몇몇 구현예에서, Na2O의 양은 0 mol.% 이상 6 mol.% 이하 및 이들 사이의 모든 범위 및 하위범위이다. 몇몇 구현예에서, 유리 조성물은 적어도 약 0.1 mol.%의 Na2O를 포함한다. 예를 들어, 유리 조성물은 0.1 mol.% 이상의 Na2O, 0.2 mol.% 이상의 Na2O, 0.3 mol.% 이상의 Na2O, 0.5 mol.% 이상의 Na2O, 1 mol.% 이상의 Na2O, 또는 심지어 1.5 mol.% 이상의 Na2O를 가질 수 있다. 몇몇 구현예에서, 유리 조성물은 6 mol.% 이하의 Na2O, 5 mol.% 이하의 Na2O, 또는 심지어 약 4 mol.% 이하의 Na2O를 포함할 수 있다. 예를 들어, 몇몇 구현예에서, 유리 조성물은 0 mol.% 이상 6 mol.% 이하 Na2O, 0.1 mol.% 이상 6 mol.% 이하 Na2O, 0.2 mol.% 이상 5 mol.% 이하 Na2O, 0.3 mol.% 이상 4 mol.% 이하 Na2O, 0.5 mol.% 이상 6 mol.% 이하 Na2O, 1 mol.% 이상 6 mol.% Na2O 이하, 또는 1.5 mol.% 이상 6 mol.% 이하 Na2O를 포함할 수 있다. 따라서, Na2O가 유리 조성물에 존재할 필요는 없음을 이해해야 한다. 그러나, Na2O가 유리 조성물에 포함될 때, 유리 조성물에서 Na2O의 양은 일반적으로 약 6 mol.% 미만이다.
위에서 언급된 바와 같이, 유리 조성물에서 알칼리 산화물은 K2O를 더욱 포함할 수 있다. 유리 조성물에 존재하는 K2O의 양은 또한 유리 조성물의 이온 교환성에 관련된다. 구체적으로, 유리 조성물에 존재하는 K2O의 양이 증가함에 따라, 이온 교환을 통해 얻을 수 있는 유리에서의 압축 응력은, 칼륨 및 나트륨 이온의 교환의 결과로서, 감소한다. 따라서, 유리 조성물에 존재하는 K2O의 양을 제한하는 것이 바람직하다. 몇몇 구현예에서, 유리 조성물에서 K2O의 양은 0 mol.% 이상 2.5 mol.% 이하 및 이들 사이의 모든 범위 및 하위범위이다. 몇몇 구현예에서, 유리 조성물에서 K2O의 양은 1 mol.% 이하 또는 심지어 0.25 mol.% 이하이다. 구현예에서, 유리 조성물은 약 0.01 mol.% 이상 약 2.5 mol.% 이하 K2O, 약 0.01 mol.% 이상 약 1 mol.% 이하 K2O, 또는 심지어 약 0.01 mol.% 이상 0.25 mol.% 이하 K2O를 포함할 수 있다. 따라서, K2O가 유리 조성물에 존재할 필요는 없음을 이해해야 한다. 그러나, K2O가 유리 조성물에 포함될 때, K2O의 양은 일반적으로 약 2.5 mol.% 미만이다.
유리 조성물은 또한 인 산화물 (P2O5)을 포함할 수 있다. P2O5의 존재는 유리 조성물에서 뮬라이트의 결정화를 억제함으로써 유리 조성물의 액상선 점도를 증가시킨다. 유리 조성물의 액상선 온도는, Al2O3의 양이 유리 조성물 중에서 알칼리 산화물 (R2O mol.%) 및 알칼리 토금속 산화물 (RO mol.%)의 합을 2 mol.% 초과, 또는 심지어 1 mol.% 초과로 초과할 때, 급격히 증가한다. Al2O3 (mol.%)가 (R2O (mol.%)+RO (mol.%))보다 1 mol.% 초과 만큼 클 때, 유리 조성물에서 P2O5의 존재는 유리 조성물의 액상선 온도를 감소시키고, 따라서 액상선 점도를 증가시킴으로써, 과량의 Al2O3를 보상한다. 몇몇 구현예에서, 유리 조성물은 과량의 Al2O3를 보상하기에 충분한 P2O5의 양을 가질 수 있다. 예를 들어, 몇몇 구현예에서, 유리 조성물은 충분한 양의 P2O5를 가질 수 있어서, (Al2O3 (mol.%) - R2O (mol.%) - RO (mol.%) - P2O5 (mol.%))은 2 이하 또는 심지어 1 이하이다. 몇몇 구현예에서, 유리 조성물은, (Al2O3 (mol.%) - R2O (mol.%) - RO (mol.%) - P2O5 (mol.%))가 -2 이상 또는 심지어 -1 이상이 되도록, P2O5의 양을 가질 수 있다. 몇몇 구현예에서, 유리 조성물은, 충분한 양의 P2O5를 가질 수 있어서, (Al2O3 (mol.%) - R2O (mol.%) - RO (mol.%) - P2O5 (mol.%))는 -2 이상 2 이하, 또는 심지어 -1 이상 1 이하이다. 몇몇 구현예에서, P2O5 (mol%)/[(Al2O3- R2O - RO)](mol%)의 비가 0.25 내지 1.5, 0.25 내지 1.4, 0.25 내지 1.3, 0.25 내지 1.25, 0.25 내지 1.2, 0.25 내지 1.1, 0.25 내지 1, 0.25 내지 0.9, 0.25 내지 0.8, 0.25 내지 0.7, 0.25 내지 0.6, 0.5 내지 1.5, 0.5 내지 1.4, 0.5 내지 1.3, 0.5 내지 1.25, 0.5 내지 1.2, 0.5 내지 1.1, 0.5 내지 1, 0.5 내지 0.9, 0.5 내지 0.8, 0.5 내지 0.7, 0.5 내지 0.6, 0.6 내지 1.5, 0.6 내지 1.4, 0.6 내지 1.3, 0.6 내지 1.25, 0.6 내지 1.2, 0.6 내지 1.1, 0.6 내지 1, 0.6 내지 0.9, 0.6 내지 0.8, 0.6 내지 0.7, 0.7 내지 1.5, 0.7 내지 1.4, 0.7 내지 1.3, 0.7 내지 1.25, 0.7 내지 1.2, 0.7 내지 1.1, 0.7 내지 1, 0.7 내지 0.9, 0.7 내지 0.8, 0.8 내지 1.5, 0.8 내지 1.4, 0.8 내지 1.3, 0.8 내지 1.25, 0.8 내지 1.2, 0.8 내지 1.1, 0.8 내지 1, 0.8 내지 0.9, 0.9 내지 1.5, 0.9 내지 1.4, 0.9 내지 1.3, 0.9 내지 1.25, 0.9 내지 1.2, 0.9 내지 1.1, 또는 0.9 내지 1의 범위, 및 이들 사이의 모든 범위 및 하위범위에 있을 때, P2O5의 존재는 위에서 언급된 효과를 또한 달성할 수 있다. 몇몇 구현예에서, P2O5를 포함하지 않으며, 전술한 바와 같이, P2O5의 부재 하에서, 유리 조성물은 0 이상 2 이하, 또는 심지어 0 이상 1 이하인 (Al2O3 (mol.%) - R2O (mol.%) - RO (mol.%))를 갖는다.
P2O5의 양은 또한 유리 조성물로부터 제조된 유리의 이온 교환성에 관련된다. 유리 조성물에서 P2O5의 양을 증가시키는 것은, 유리 네트워크 내에 공간을 생성함으로써, 유리에서 이온 교환 속도를 증가시킬 수 있다. P2O5는 또한 유리 조성물로부터 제조된 유리의 손상 저항성을 향상시키는데 기여할 수 있다. 그러나, 유리 조성물에서 P2O5의 양을 증가시키는 것은 유리의 이온 교환 강화를 통해 달성될 수 있는 압축 응력의 양을 감소시킨다. 또한, P2O5의 양을 너무 높게 증가시키는 것은 고온에서 인산알루미늄 (AlPO4)의 결정화를 일어날 수 있게 하고, 이는 유리 조성물의 액상선 온도를 증가시킬 수 있다. 유리 조성물에서 P2O5의 양이 너무 많으면, 유리의 내구성이 또한 감소될 수 있다. 따라서, 유리 조성물에서 P2O5의 총량은 예를 들어 20 20 mol.% 이하와 같이 제한될 수 있다. 몇몇 구현예에서, 유리 조성물은 약 0.1 mol.% 내지 약 20 mol.% 및 그사이의 모든 범위 및 하위범위의 양으로 P2O5를 포함한다. 예를 들어, 유리 조성물에서 P2O5의 양은 약 0.4 mol.% 초과, 약 1 mol.% 초과, 약 3 mol.% 초과, 또는 심지어 약 3.5 mol.% 초과일 수 있다. 몇몇 구현예에서, 유리 조성물은 0.1 mol.% 이상의 P2O5, 0.4 mol.% 이상의 P2O5, 1 mol.% 이상의 P2O5, 3 mol.% 이상의 P2O5, 또는 심지어 3.5 mol.% 이상의 P2O5를 가질 수 있다. 몇몇 구현예에서, 유리 조성물은 약 20 mol.% 미만의 P2O5, 약 10 mol.% 미만의 P2O5, 약 8 mol.% 미만의 P2O5, 약 6 mol.% 미만의 P2O5, 또는 심지어 약 5.5 mol.% 미만의 P2O5를 포함할 수 있다. 몇몇 구현예에서, 유리 조성물은 20 mol.% 이하의 P2O5, 10 mol.% 이하의 P2O5, 8 mol.% 이하의 P2O5, 6 mol.% 이하의 P2O5, 또는 심지어 5.5 mol.% 이하의 P2O5를 가질 수 있다. 예를 들어, 몇몇 구현예에서, 유리 조성물은 0.1 mol.% 이상 20 mol.% 이하의 P2O5, 0.4 mol.% 이상 10 mol.% 이하의 P2O5, 1 mol.% 이상 8 mol.% 이하의 P2O5, 3 mol.% 이상 6 mol.% 이하의 P2O5, 또는 심지어 3.5 mol.% 이상 5.5 mol.% 이하의 P2O5를 포함할 수 있다. 따라서, P2O5가 유리 조성물에 존재할 필요는 없음을 이해해야 한다. 그러나, P2O5가 유리 조성물에 포함될 때, 유리 조성물에서 P2O5의 양은 일반적으로 약 20 mol.% 미만이다.
산화 붕소 (B2O3)는 주어진 온도 (예를 들어, 200 poise의 점도에 해당하는 온도이며, 유리가 용융되는 온도이고, 일반적으로 유리 용융 로에서 가장 높은 온도)에서 유리의 점도를 감소시키기 위해 유리 조성물에 첨가되어, 유리의 품질 및 성형성을 개선시킬 수 있는 플럭스이다. B2O3의 존재는 또한 유리 조성물로부터 제조된 유리의 손상 저항성을 향상시킬 수 있다. 그러나, B2O3의 첨가는 유리 조성물에서 나트륨 및 칼륨 이온의 확산성을 현저하게 감소시키고, 결국, 결과적인 유리의 이온 교환 성능에 악영향을 미치는 것으로 밝혀졌다. 특히, B2O3의 첨가는, 붕소가 없는 유리 조성물에 비해, 유리에서 주어진 층의 깊이를 달성하는데 필요한 시간을 증가시킬 수 있음이 밝혀졌다. B2O3의 첨가는 주어진 시간 동안 유리에서 목표 층의 깊이에 도달하는데 필요한 이온 교환 속도를 달성하기 위해 이온 교환이 수행되는 온도를 또한 증가시킬 수 있다.
유리의 이온 교환 성능에 대한 B2O3의 효과는 유리 조성물에 더 많은 양의 Li2O 및 Al2O3를 첨가함으로써 보상될 수 있으며, 이는 유리 조성물에서 B2O3의 존재를 보상할 수 있다. 예를 들어, 유리의 이온 교환 성능에 대한 B2O3의 영향은 유리 조성물에서 Li2O 및 Al2O3의 양의 합에 대한 B2O3의 양의 비를 제어함으로써 완화될 수 있는 것으로 밝혀졌다. 특히, (Li2O (mol.%)+Al2O3 (mol.%))의 합이 유리 조성물에서 B2O3 (mol.%)의 양의 2 배보다 클 때, 결과적인 유리에서 알칼리 산화물의 확산성은 감소되지 않으며, 따라서, 유리의 이온 교환 성능은 유지된다는 것이 밝혀졌다. 따라서, 몇몇 구현예에서, 유리 조성물에서 (Li2O (mol.%)+Al2O3 (mol.%))/( B2O3 (mol.%))의 비는 2 이상이다. 유리 조성물에서 (Li2O (mol.%)+Al2O3 (mol.%))/( B2O3 (mol.%))의 비가 2 미만이면, 유리 조성물에서 알칼리 산화물의 확산성은 감소하고, 이온 교환 성능도 또한 저하된다.
여기에 기재된 구현예에서, 유리 조성물에서 B2O3의 양은 약 0.1 mol.% 내지 약 20 mol.% 및 이들 사이의 모든 범위 및 하위범위일 수 있다. 예를 들어, 유리 조성물에서 B2O3의 양은 약 0.1 mol.% 초과, 약 3 mol.% 초과, 또는 심지어 약 4 mol.% 초과일 수 있다. 몇몇 구현예에서, 유리 조성물은 0.1 mol.% 이상의 B2O3, 3 mol.% 이상의 B2O3, 또는 심지어 4 mol.% 이상의 B2O3를 가질 수 있다. 몇몇 구현예에서, 유리 조성물은 약 20 mol.% 미만의 B2O3, 약 15 mol.% 미만의 B2O3, 약 10 mol.% 미만의 B2O3, 또는 심지어 약 7 mol.% 미만의 B2O3를 포함한다. 몇몇 구현예에서, 유리 조성물은 20 mol.% 이하의 B2O3, 15 mol.% 이하의 B2O3, 10 mol.% 이하의 B2O3, 또는 심지어 7 mol.% 이하의 B2O3를 포함할 수 있다. 예를 들어, 몇몇 구현예에서, 유리 조성물은 0.1 mol.% 이상 20 mol.% 이하의 B2O3, 3 mol.% 이상 15 mol.% 이하의 B2O3, 4 mol.% 이상 10 mol.% 이하의 B2O3, 또는 심지어 4 mol.% 이상 7 mol.% 이하의 B2O3를 포함할 수 있다. 따라서, B2O3가 유리 조성물에 존재할 필요는 없음을 이해해야 한다. 그러나, B2O3가 유리 조성물에 포함될 때, 유리 조성물에서 B2O3의 양은 일반적으로 약 20 mol.% 미만이다.
알칼리 토금속 산화물은 유리 뱃치 (batch) 물질의 용융성 (meltability)을 개선하고, 결과적인 유리의 화학적 내구성을 증가시키기 위해 유리 조성물에 존재할 수 있다. 특히, 소량의 알칼리 토금속 산화물의 존재는 유리 조성물의 액상선 점도를 증가시키는 작용을 할 수 있다. 그러나, 유리 조성물 중 너무 많은 알칼리 토금속 산화물은 알루미노실리케이트의 결정화를 발생시켜, 유리 조성물의 액상선 점도를 감소시킨다. 알칼리 토금속 산화물의 존재는 또한 결과적인 유리의 이온 교환 성능에 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 여기에 기재된 유리 조성물에서, 유리 조성물에 존재하는 알칼리 토금속 산화물의 총량 (mol.%) (즉, RO (mol.%))은 유리의 이온 교환성을 향상시키기 위해 유리 조성물에 존재하는 알칼리 산화물의 총량 (mol.%) (즉, R2O (mol.%)) 보다 일반적으로 적다. 여기에 기재된 구현예에서, 유리 조성물은 일반적으로 약 0 mol.% 내지 약 5 mol.%의 알칼리 토금속 산화물 및 이들 사이의 모든 범위 및 하위범위를 포함한다. 이들 구현예 중 일부에서, 유리 조성물 중 알칼리 토금속 산화물의 양은 약 0 mol.% 내지 약 3 mol.% 또는 심지어 약 0 mol.% 내지 약 2 mol.%일 수 있다.
유리 조성물에서 알칼리 토금속 산화물은 BeO, MgO, CaO, SrO, BaO, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 몇몇 구현예에서, 유리 조성물은 BaO가 없거나 실질적으로 없을 수 있다. 몇몇 구현예에서, 알칼리 토금속 산화물은 BeO, MgO, CaO, SrO, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 여기에 기재된 구현예에서, 알칼리 토금속 산화물은 MgO를 포함할 수 있다. 구현예에서, 유리 조성물은 약 0 mol.% 이상 약 5 mol.% 이하의 MgO 및 이들 사이의 모든 범위 및 하위범위를 포함할 수 있다. 몇몇 구현예에서, 유리 조성물은 0 mol.% 초과의 MgO를 포함할 수 있다. 몇몇 구현예에서, 유리 조성물은 0 mol.% 초과 약 5 mol.% 이하의 MgO, 0 mol.% 초과 3 mol.% 이하의 MgO, 또는 심지어 0 mol.% 초과 0.2 mol.% 이하의 MgO를 포함할 수 있다. 따라서, MgO가 유리 조성물에 존재할 필요는 없음을 이해해야 한다. 그러나, MgO가 유리 조성물에 포함될 때, 유리 조성물에서 MgO의 양은 일반적으로 약 5 mol.% 미만이다.
몇몇 구현예에서, 알칼리 토금속 산화물은 선택적으로 CaO를 더욱 포함할 수 있다. CaO의 존재는 유리 조성물에서 액상선 점도를 증가시킬 수 있다. 그러나, 유리 조성물에서 너무 많은 CaO는 결과적인 유리에서 이온 교환 속도를 감소시킬 수 있다. 구현예에서, CaO는 약 0 mol.% 내지 약 4 mol.% 및 이들 사이의 모든 범위 및 하위범위의 양으로 유리 조성물에 존재할 수 있다. 몇몇 구현예에서, 유리 조성물은 0 mol.% 초과의 CaO를 포함할 수 있다. 몇몇 구현예에서, 유리 조성물은 0 mol.% 초과 약 4 mol.% 이하의 CaO를 포함 수 있다. 예를 들어, 유리 조성물은 0 mol.% 초과 약 2 mol.% 이하의 CaO 또는 심지어 0 mol.% 초과 약 1 mol.% 이하의 CaO를 포함 수 있다. 따라서, CaO가 유리 조성물에 존재할 필요는 없음을 이해해야 한다. 그러나, CaO가 유리 조성물에 포함될 때, 유리 조성물에서 CaO의 양은 일반적으로 약 4 mol.% 미만이다.
몇몇 구현예에서, 알칼리 토금속 산화물은 선택적으로 SrO를 더욱 포함할 수 있다. SrO의 존재는 유리 조성물의 액상선 점도를 증가시키도록 작용할 수 있다. 그러나, 유리 조성물에서 너무 많은 SrO는 결과적인 유리에서 이온 교환 속도를 감소시킬 수 있다. 구현예에서, SrO는 약 0 mol. % 내지 4 mol.% 이하 및 이들 사이의 모든 범위 및 하위범위의 양으로 유리 조성물에 존재할 수 있다. 예를 들어, 유리 조성물에 존재하는 SrO의 양은 4 mol.% 이하, 2 mol.% 이하, 또는 심지어 1 mol.% 이하일 수 있다. 몇몇 구현예에서, 유리 조성물은 0 mol.% 초과의 SrO를 포함할 수 있다. 이들 구현예 중 일부에서, 유리 조성물은 0 mol.% 초과 약 4 mol.% 이하의 SrO를 포함할 수 있다. 예를 들어, 유리 조성물은 0 mol.% 초과 약 2 mol.% 이하의 SrO 또는 심지어 0 mol.% 초과 약 1 mol.% 이하의 SrO를 포함할 수 있다. 따라서, SrO가 유리 조성물에 존재할 필요는 없음을 이해해야 한다. 그러나, SrO가 유리 조성물에 포함될 때, 유리 조성물에서 SrO의 양은 일반적으로 약 4 mol.% 미만이다.
SiO2, Al2O3, P2O5, B2O3, 알칼리 산화물, 및 알칼리 토금속 산화물 이외에, 여기에 기재된 유리 조성물은 예를 들어 SnO2, As2O3 및/또는 (NaCl 등으로부터) Cl-과 같은 하나 이상의 청징제를 선택적으로 더욱 포함할 수 있다. 청징제는 형성 동안 유리 조성물에서 기포를 최소화 하거나 제거하기 위해 유리 조성물에 포함될 수 있다. 그러나, 청징제는 일반적으로 유리 조성물에서 낮은 용해도를 갖는다. 따라서, 유리 조성물에서 청징제의 양이 너무 많으면, 청징제의 실투가 융합 형성 동안 일어날 수 있다. 청징제가 유리 조성물에 존재할 때, 청징제는 0.35 mol.% 이하, 0.2 mol.% 이하, 또는 심지어 0.1 mol.% 이하의 양으로 존재할 수 있다. 예를 들어, 몇몇 구현예에서, 유리 조성물은 청징제로서 SnO2를 포함할 수 있다. 이들 구현예에서, 유리 조성물은 0 mol.% 이상 0.35 mol.% 이하 SnO2, 0 mol.% 초과 약 0.2 mol.% 이하 SnO2, 0 mol.% 초과 0.1 mol.% 이하 SnO2의 양, 또는 심지어 약 0.01 mol.% 이상 약 0.05 mol.% 이하 SnO2의 양을 포함할 수 있다. 따라서, SnO2 또는 다른 청징제가 유리 조성물에 존재할 필요는 없음을 이해해야 한다. 그러나, SnO2 또는 다른 청징제가 유리 조성물에 포함될 때, 유리 조성물 중 SnO2 및 다른 청징제의 총량은 일반적으로 약 0.35 mol.% 미만이다.
또한, 여기에 기재된 유리 조성물은 결과적인 유리의 화학적 내구성을 더욱 개선시키기 위해 하나 이상의 추가의 금속 산화물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 유리 조성물은 ZnO, TiO2, ZrO2 또는 이들의 조합과 같은 전이 금속 산화물을 선택적으로 포함할 수 있다. 이들 금속 산화물 각각은 화학적 공격에 대한 유리의 저항성을 추가로 개선할 수 있다. 그러나, 이들 추가의 금속 산화물은 유리 조성물에 잘 용해되지 않으며, 결정화되는 경향이있어, 융합 형성 동안 실투를 결과한다. 이들 구현예에서, 추가의 금속 산화물은 약 0 mol.% 이상 약 5 mol.% 이하의 양 및 이들 사이의 모든 범위 및 하위범위의 양으로 존재할 수 있다. 예를 들어, 추가의 금속 산화물이 ZnO일 때, ZnO는 0 mol.% 이상 약 5 mol.% 이하, 0 mol.% 이상 3 mol.% 이하, 또는 심지어 0 mol.% 이상 2 mol.% 이하의 양으로 존재할 수 있다. 몇몇 구현예에서, 추가의 금속 산화물이 ZrO2 또는 TiO2일 때, ZrO2 또는 TiO2는 약 1 mol.% 이하의 양으로 존재할 수 있다. 따라서, 이들 추가의 금속 산화물이 유리 조성물에 존재할 필요는 없음을 이해해야 한다. 그러나, ZnO, ZrO2, 또는 TiO2가 유리 조성물에 포함될 때, 유리 조성물에서 ZnO, ZrO2, 및 TiO2의 총량은 일반적으로 약 5 mol.% 미만이다.
몇몇 구현예에서, 유리 조성물은 하나 이상의 희토류 금속 산화물을 포함할 수 있다. 희토류 금속은 IUPAC 주기율표의 란탄족 계열에 열거된 금속 더하기 이트륨과 스칸듐을 지칭한다. 유리 조성물에 희토류 금속 산화물의 존재는 결과적인 유리의 모듈러스, 강성, 또는 모듈러스와 강성을 증가시킬 수 있다. 희토류 금속 산화물은 또한 유리 조성물의 액상선 점도를 증가시키는 것을 도울 수 있다. 또한, 특정 희토류 금속 산화물은 유리에 색을 더할 수 있다. 색이 요구되지 않거나 바람직하지 않다면, 유리 조성물은 란탄 산화물 (La2O3), 이트륨 산화물 (Y2O3), 가돌리늄 산화물 (Gd2O3), 이테르븀 산화물 (Yb2O3), 루테륨 산화물 (Lu2O3), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 무색 유리의 경우, 희토류 금속 산화물은 Ce2O3, Pr2O3, Nd2O3, Sm2O3, Eu2O3, Tb2O3, Dy2O3, Ho2O3, Er2O3, Tm2O3, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 구현예에서, 유리 조성물은 0 mol.% 내지 4 mol.% 및 이들 사이의 모든 범위 및 하위범위의 희토류 금속 산화물의 총량을 포함할 수 있다. 예를 들어, 유리 조성물은 0 mol.% 초과 4 mol.% 이하의 희토류 금속 산화물, 0 mol.% 초과 2 mol.% 이하의 희토류 금속 산화물, 0 mol.% 초과 1.5 mol.% 이하의 희토류 금속 산화물, 0 mol.% 초과 1 mol.% 이하의 희토류 금속 산화물, 0 mol% 초과 0.5 mol% 이하의 희토류 금속 산화물, 4 mol.% 미만의 희토류 금속 산화물, 3 mol.% 미만의 희토류 금속 산화물, 2 mol.% 미만의 희토류 금속 산화물, 1 mol.% 미만의 희토류 금속 산화물, 또는 0.5 mol% 미만의 희토류 금속 산화물을 포함할 수 있다. 몇몇 구현예에서, 희토류 금속 산화물은 La2O3를 포함할 수 있다. 예를 들어, 몇몇 구현예에서, 유리 조성물은 0 mol.% 초과 4 mol.% 이하의 La2O3를 포함할 수 있다. 따라서, 희토류 금속 산화물이 유리 조성물에 존재할 필요는 없음을 이해해야 한다. 그러나, 희토류 금속 산화물이 유리 조성물에 포함될 때, 유리 조성물에서 희토류 금속 산화물의 총량은 일반적으로 약 4 mol.% 미만이다.
유리 조성물은, SiO2, Al2O3, Li2O, P2O5, B2O3, 알칼리 금속 산화물, 알칼리 토금속 산화물, 다른 금속 산화물, 또는 다른 의도적으로 포함된 유리 조성물의 성분에서, 불순물로서 유리 조성물로 만들 수 있는, 망간 화합물, 세륨 화합물, 하프늄 화합물 또는 다른 화합물과 같은 0.05 몰% 미만의 트램프 화합물을 포함할 수 있다. 트램프 화합물은 융합 다운인발 형성 공정 등의 내화 성분과 같은, 처리 장비와의 접촉을 통해 유리 조성물로 또한 들어갈 수 있다.
후술하는 바와 같이, 여기에 기재된 유리 조성물은 유리 제품의 표면에 압축 응력을 부여하기 위해 이온 교환을 통해 화학적으로 강화될 수 있다. 그러나, 이온 교환 공정 동안, 유리 표면 근처에 형성된 압축 응력은 응력 완화로 알려진 공정의 결과로 감소될 수 있고, 이는 유리의 점도에 의해 지배되며, 여기서 유리의 점도가 낮을수록 응력 완화는 더 빨라지고, 화학 강화의 공정은 덜 효율적이다. 몇몇 구현예에서, 유리의 조성은 응력 완화의 효과를 최소화하도록 제어될 수 있다. 유리는, 이온 교환을 위한 가장 전형적인 온도에 가까운, 400 ℃와 동일한 온도에서, 점도 (포이즈)의 로그값의 추정치인 A 양을 특징으로 할 수 있으며, 여기서:
A = 13.2 + P*[(1/673 - 1(A.P. +273))]
여기서 P = 0.6/[(1/(A.P. +273)) - (1/(T12+273))],
여기서 A.P.는 어니링점 (℃)이고,
여기서 T12는 유리가 1012 Poises의 점도를 가질 때에 대응하는 온도이다.
몇몇 구현예에서, A가 17 이상, 18 이상, 19 이상, 또는 20 이상일 때, 응력 완화는 최소화된다.
여기에 기재된 유리 조성물은 유리 원료 물질 (예를 들어, 스포듀민의 분말, 모래, 산화 알루미늄, 알루미늄 메타포스페이트, 붕산, 알칼리 카보네이트, 알칼리 나이트레이트, 알칼리 토금속 카보네이트, 알칼리 토금속 옥사이드 등)의 뱃치 (batch)를 혼합함으로써 형성되어, 유리 원료 물질의 뱃치가 원하는 조성물을 갖도록 한다. 그 후, 유리 원료 물질의 뱃치는 가열되어 용융 유리 조성물을 형성하고, 이것은 후속적으로 냉각 및 고화 (solidification)되어 유리 조성물을 형성한다. 고화 동안 (즉, 유리 조성물이 소성 변형 가능한 때), 유리 조성물은 표준 형성 기술을 사용하여 형상화되어 유리 조성물을 원하는 최종 형태로 형상화시킬 수 있다. 대안적으로, 유리 제품은 시트, 리본, 튜브 등과 같은 스톡 형태로 형상화될 수 있으며, 후속적으로 재가열되고, 원하는 최종 형태로 형성될 수 있다.
여기에 기재된 유리 조성물은 예를 들어 시트, 리본, 튜브 등을과 같은 다양한 형태를 갖는 유리 제품으로 형상화될 수 있다. 그러나, 기계적 내구성이 주어지면, 여기에 기재된 유리 조성물은 휴대용 전자 장치와 같은 전자 장치용 커버 유리의 형성에 사용하기에 특히 잘 적합하다. 또한, 이온 교환을 통해 유리 조성물을 화학적으로 강화시키는 능력은 여기에 개시된 유리 조성물로부터 제조된 유리 시트 및 제품의 기계적 내구성을 더욱 개선시키기 위해 이용될 수 있다. 따라서, 적어도 하나의 구현예에서, 유리 조성물은 전자 장치에 혼입되어 전자 장치의 기계적 내구성을 개선시킨다는 것을 이해해야 한다.
융합 다운인발 공정은 유리 조성물의 고화 동안 여기에 기재된 용융 유리 조성물을 유리 시트 및 유리 리본으로 형상화시키기 위한 하나의 기술이다. 융합 다운인발 공정은 플로트 및 슬롯-인발 공정과 같은 다른 유리 리본 형성 공정을 사용하여 제조된 리본과 비교하여, 상대적으로 적은 양의 결함을 구비하고, 우수한 평탄성 (flatness)을 갖는 표면을 구비한 유리 시트 및 리본을 생산한다. 결과적으로, 융합 다운인발 공정은 LED 및 LCD 디스플레이의 제조에 사용된 유리 기판 및 우수한 평탄성을 요구하는 다른 기판의 생산에 널리 사용된다. 전형적인 융합 다운인발 공정에서, 유리 조성물은 제조 및 용융되고, 용융 된 유리 조성물은, 루트에서 수렴하는 형성 표면을 포함하는, 형성 몸체 (또한 아이소파이프라고도 함)로 공급된다. 용융된 유리는 형성 몸체의 형성 표면 위를 고르게 흐르고, 깨끗한 표면을 갖는 평탄한 유리의 리본을 형성한다. 평탄한 유리의 리본은 중력 하에서 유리가 형성 몸체의 형성 표면을 따라 아래로 흐르는 속도보다 큰 속도로 형성 몸체의 루트로부터 멀리 인발된다. 유리 조성물의 점도는 온도가 증가함에 따라 일반적으로 지수적으로 감소한다. 따라서, 유리 조성물은 액상선 온도에서 유리 조성물의 점도 (즉, 액상선 점도)를 증가시키기 위해 가능한 낮은 액상선 온도를 가질 수 있다. 이것은 유리 리본이 루트로부터 멀리 인발되는 속도가 유리 조성물이 형성 몸체의 형성 표면 아래로 흐르는 속도보다 큰 것을 보장한다. 유리 조성물의 액상선 온도가 너무 높으면, 액상선 점도는 너무 낮게 되어 유리 조성물을 효과적으로 다운인발시킬 수 없다. 유리 조성물의 점도를 감소시키기 위해 액상선 온도 미만으로 온도를 감소시키는 것은 융합 형성 공정 동안 유리 조성물의 실투를 발생시킨다. 융합 형성 동안 유리 조성물의 성분의 실투는 유리 리본에서, 특히 유리 리본의 표면에서 흠 (flaw) 및/또는 결함 (imperfection)을 초래한다. 또한, 성분의 결정화는 또한 유리의 형성 가능성 (formability)을 감소시킨다.
전술한 바와 같이, 여기에 개시된 유리 조성물은 충분히 낮은 액상선 온도를 가져서, 유리 조성물의 액상선 점도는 융합 다운인발 형성 공정에 의해 유리 조성물이 형성되게 할 수 있도록 충분히 높다. 예를 들어, 몇몇 구현예에서, 유리 조성물은 1300 ℃ 이하의 액상선 온도를 가질 수 있다. 다른 구현예에서, 유리 조성물은 1250 ℃ 이하, 1200 ℃ 이하, 또는 심지어 1150 ℃ 이하의 액상선 온도를 가질 수 있다. 몇몇 구현예에서, 유리 조성물은 1100 ℃ 이상 1300 ℃ 이하, 1100 ℃ 이상 1250 ℃ 이하, 1150 ℃ 이상 1300 ℃ 이하, 또는 1150 ℃ 이상 1250 ℃ 이하의 액상선 온도를 가질 수 있다. 구현예에서, 유리 조성물은 융합 다운인발 형성 공정을 사용하여 유리 조성물이 형성될 수 있기에 충분한 액상선 점도를 갖는다. 예를 들어, 몇몇 구현예에서, 유리 조성물은 적어도 20 킬로포이즈 (kP) (20,000 포이즈 (P) 또는 2000 파스칼 초 (Pa-s))의 높은 액상선 점도를 가질 수 있으며, 여기서 1 kP는 100 파스칼 초 (Pa-s)와 같다. 다른 구현예에서, 유리 조성물은 적어도 50 kP, 적어도 100 kP, 적어도 200 kP, 적어도 300 kP, 또는 심지어 적어도 500 kP의 액상선 점도를 가질 수 있다. 몇몇 구현예에서, 유리 조성물은 20 kP 이상, 50 kP 이상, 100 kP 이상, 200 kP 이상, 300 kP 이상, 500 kP 이상, 또는 심지어 1000 kP 이상의 액상선 점도를 가질 수 있다. 다른 구현예에서, 유리 조성물은 1200 kP 미만, 또는 심지어 1000 kP 미만의 액상선 점도를 가질 수 있다. 또다른 구현예에서, 유리 조성물은 20 kP 이상 1000 kP 이하의 액상선 점도를 가질 수 있다. 예를 들어, 유리 조성물은 50 kP 이상 1000 kP 이하, 100 kP 이상 1000 kP 이하, 또는 심지어 500 kP 이상 1000 kP 이하의 액상선 점도를 가질 수 있다.
논의된 바와 같이, 여기에 개시된 유리 조성물은 융합 다운인발 형성 공정을 사용하여 유리 리본 및/또는 시트로의 형성과 같은 형성을 가능하게 하기에 충분히 높은 액상선 점도를 갖는다. 그러나, 유리 조성물은 또한 예를 들어 플로트 방법 또는 슬롯 인발 공정과 같은 다른 공지된 유리 형성 방법을 사용하여 제조될 수 있다. 플로트 방법에서, 용융 유리 조성물은 용융 주석 욕과 같은 용융 금속 욕의 욕의 상부에 부유 (float)된다. 유리 조성물로부터 형성된 유리 리본으로서 유리가 욕의 표면으로부터 제거될 때까지, 용융된 유리 조성물은 용융된 금속의 표면을 따라 통과함에 따라 냉각된다. 다른 유리 형성 공정이 또한 고려된다.
여기에 기재된 유리 조성물로부터 제조된 유리 제품 및 유리 시트는 이온 교환에 의해 화학적으로 강화될 수 있다. 이온 교환 강화 공정에서, 유리 조성물로부터 제조된 유리의 표면층의 이온은 동일한 원자가 또는 산화 상태를 갖는 더 큰 이온에 의해 대체되거나 더 큰 이온으로 교환된다. 구현예에서, 유리 조성물의 표면층의 이온 및 더 큰 이온은 Li+, Na+, K+, Rb+, 및 Cs+와 같은 1가 알칼리 금속 양이온이다. 대안적으로, 표면층의 1가 양이온은 Ag+ 등과 같은 알칼리 금속 양이온 이외의 1가 양이온으로 대체될 수 있다.
상업적 규모의 이온 교환 공정은 유리 조성물로부터 제조된 유리 제품 또는 유리 시트를 유리 조성물 내의 더 작은 이온과 교환될 더 큰 이온을 함유하는 용융 염 욕에 침지시킴으로써 전형적으로 수행된다. 욕 조성 및 온도, 침지 시간, 염 욕 (또는 욕들)에 유리의 침지 횟수, 다중의 염욕의 사용, 어닐링, 세척 등과 같은 추가 단계를 포함하지만 이에 제한되지 않는 이온 교환 공정에 대한 파라미터는 이온 교환 강화 공정으로부터 결과하는 유리 조성물의 압축 응력 및 원하는 층의 깊이 및 유리 조성물에 의해 일반적으로 결정된다는 것이 당업자에게 이해될 것이다. 예를 들어, 알칼리 금속-함유 유리의 이온 교환은 더 큰 알칼리 금속 이온의 질산염, 황산염 및 염화물과 같은 염을 함유하는 적어도 하나의 용융 욕에 침지함으로써 달성될 수 있다. 용융 염 욕의 온도는 전형적으로 약 350 ℃ 내지 약 450 ℃의 범위에 있고, 한편 침지 시간은 약 0.1 시간 내지 약 36 시간까지이다. 그러나, 전술한 것과 다른 온도 및 침지 시간이 또한 사용될 수 있다.
이온 교환 강화는, 유리의 외부 영역에서 복수의 제1 알칼리 금속 이온을 용융 염 욕으로부터의 복수의 제2 금속 이온으로 대체함으로써, 유리 조성물로부터 제조된 유리의 외부 영역에서 압축 응력을 생성하여, 상기 외부 영역은 복수의 제2 금속 이온을 포함한다. 각각의 제1 알칼리 금속 이온은 제1 이온 반경을 갖고, 각각의 제2 금속 이온은 제2 이온 반경을 갖는다. 제2 이온 반경은 제1 이온 반경보다 크고, 외부 영역에서 더 큰 제2 금속 이온의 존재는 외부 영역에서 압축 응력을 생성한다. 제1 알칼리 금속 이온은 리튬, 나트륨, 칼륨, 또는 루비듐의 이온일 수 있다. 제2 금속 이온은 나트륨, 칼륨, 루비듐, 및 세슘 중 적어도 하나의 이온일 수 있다. 일반적으로, 제2 금속 이온은 제1 알칼리 금속 이온과 다르고, 제1 알칼리 금속 이온의 이온 반경보다 큰 이온 반경을 갖는다.
이온 교환으로부터 결과하는 특정 이온의 압축 응력 (CS), 압축의 깊이 (DOC), 및 층의 깊이 (DOL)는 공지된 기술을 사용하여 측정될 수 있다. 압축 응력 (표면 CS 포함)은 Orihara Industrial Co., Ltd. (일본)에 의해 제조된 FSM-6000과 같은 상업적으로 이용가능한 기구를 사용하는 표면 응력 측정기 (FSM)에 의해 측정된다. 표면 응력 측정은 유리의 복굴절과 관련된 응력 광학 계수 (SOC)의 정확한 측정에 의존한다. SOC는, 결국, "Standard Test Method for Measurement of Glass Stress-Optical Coefficient"라는 명칭의 ASTM 표준 C770-16에 기재된 절차 C (유리 디스크 방법)에 따라 측정된다.
여기에 사용된 바와 같이, DOC는 본원에 기재된 화학적으로 강화된 알칼리 알루미노실리케이트 유리 제품의 응력이 압축으로부터 인장으로 변하는 깊이를 의미한다. DOC는 이온 교환 처리에 의존하여 FSM 또는 산란광 편광기 (SCALP)에 의해 측정될 수 있다. 유리 제품 내로 칼륨 이온을 교환함으로써 유리 제품 내 응력이 발생하는 경우, FSM을 사용하여 DOC를 측정한다. 유리 제품 내로 나트륨 이온을 교환하여 응력이 발생하는 경우, SCALP를 사용하여 DOC를 측정한다. 유리 내로 칼륨 및 나트륨 이온 모두를 교환하여 유리 제품에서의 응력이 발생하는 경우, DOC는 SCALP에 의해 측정되는데, 왜냐하면, 나트륨의 교환 깊이는 DOC를 나타내고, 칼륨 이온의 교환 층의 깊이 (칼륨 DOL 또는 K DOL)은 압축 응력의 크기의 변화 (그러나 압축에서 인장으로의 응력의 변화는 아님)를 나타낸다고 믿어지기 때문이며; 이러한 유리 제품에서 칼륨 이온의 교환 깊이는 FSM에 의해 측정된다.
여기에 개시된 DOC 값, 구체적으로 유리 두께의 적어도 10%의 DOC 값, 좀더 바람직하게는 유리 두께의 20% 이상의 DOC 값은 SCALP 기술을 사용하여 계산된 DOC 값을 반영한다. 명확성을 위해, DOC 값은 적어도 하나의 압축 응력 층의 두께를 나타내며, 이는 강화된 유리 제품 또는 시트가 유리 두께의 적어도 20%의 DOC를 갖는 하나의 압축 층 또는 유리 두께의 적어도 20%의 DOC를 각각 갖는 두개의 압축 층들을 가질 수 있다는 것을 의미한다. 개시된 DOC 값은 2 개의 압축 응력 층들의 조합, 예를 들어, 합 또는 평균이 아니다.
전술한 바와 같이, 유리 조성물에 알칼리 산화물의 존재는 이온 교환에 의하여 결과적인 유리를 화학적으로 강화시키는 것을 용이하게 한다. 구체적으로, 리튬 이온, 나트륨 이온, 칼륨 이온 등과 같은 알칼리 이온은 이온 교환을 용이하게 하기 위해 유리 조성물에서 충분히 이동가능하다. 몇몇 구현예에서, 유리는 예를 들어 유리 조성물로부터 제조된 유리 제품 또는 유리 시트와 같은 유리를, 질산 나트륨 (NaNO3), 질산 칼륨 (KNO3) 또는 둘 다를 포함하는 이온 교환 욕에 도입시킴으로써 (예를 들어, 유리를 이온 교환 욕에 침지) 이온 교환될 수 있다. 구현예에서, 이온 교환 욕은 이온 교환 욕의 총 중량을 기준으로 1 중량% (wt.%) 내지 100 wt.% NaNO3를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이온 교환 욕은, 이온 교환 욕의 총 중량을 기준으로, 1 wt.% 내지 99 wt.%, 1 wt.% 내지 80 wt.%, 1 wt.% 내지 20 wt.%, 20 wt.% 내지 100 wt.%, 20 wt.% 내지 99 wt.%, 20 wt.% 내지 80 wt.%, 80 wt.% 내지 100 wt.%, 또는 80 wt.% 내지 99 wt.% NaNO3를 포함할 수 있다. 이온 교환 욕은 또한 유리의 표면에서 압축 응력을 증가시키기에 충분한 KNO3의 양을 포함할 수 있다. 예를 들어, 구현예에서, 이온 교환 욕은, 이온 교환 욕의 총 중량을 기준으로, 0 wt.% 내지 99 wt.% KNO3를 포함할 수 있다. 몇몇 구현예에서, 이온 교환 욕은, 이온 교환 욕의 총 중량을 기준으로, 0 wt.% 내지 98 wt.%, 0 wt.% 내지 80 wt.%, 0 wt.% 내지 20 wt.%, 20 wt.% 내지 99 wt.%, 20 wt.% 내지 98 wt.%, 20 wt.% 내지 80 wt.%, 80 wt.% 내지 99 wt.%, 또는 80 wt.% 내지 98 wt.% KNO를 포함할 수 있다. 이온 교환 욕은 선택적으로 0.1 wt.% 내지 2 wt.%의 실리식산 (H4SiO4)을 포함할 수 있다.
유리 조성물로부터 제조된 유리의 이온 교환 강화는 유리 내에 목표 응력 프로파일을 제공하기에 충분한 침지 시간 동안 및 이온 교환 온도에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 구현예에서, 이온 교환 욕은 350 ℃ 내지 450 ℃의 온도로 유지될 수 있다. 다른 구현예에서, 이온 교환 욕은 365 ℃ 내지 440 ℃의 온도에서 유지될 수 있다. 몇몇 구현예에서, 이온 교환은 0.1 시간 내지 36 시간의 침지 시간 동안 수행될 수 있다. 다른 구현예에서, 이온 교환은 0.1 시간 내지 30 시간, 0.1 시간 내지 20 시간, 0.1 시간 내지 10 시간, 1 시간 내지 36 시간 내지, 1 시간 내지 30 시간, 1 시간 내지 20 시간, 1 시간 내지 10 시간, 또는 10 시간 내지 20 시간의 침지 시간 동안 수행될 수 있다. 이온 교환의 침지 시간은 이온 교환되는 유리의 두께에 의존할 수 있다. 이온 교환의 침지 시간은 또한 본 개시에서 전술한 바와 같은 유리 조성물에 의존할 수 있다. 몇몇 구현예에서, 유리 조성물로부터 제조되고 0.5 밀리미터 (mm) 내지 1 mm의 두께를 갖는 평면 유리 시트의 경우, 이온 교환은 1 시간 이상 10 시간 이하의 침지 시간 동안 수행될 수 있다.
몇몇 구현예에서, 유리 조성물은, 나트륨 이온이 유리 두께의 중심에 도달할 때까지, 유리가 이온 교환될 수 있게 할 수 있다. 나트륨 이온이 유리 두께의 중심에서 만날 때까지 유리 조성물을 이온 교환함으로써, 유리 두께를 통하여 나트륨 이온 농도 구배가 생성되어, 유리의 두께를 통하여 포물선 응력 프로파일을 결과할 수 있다. 도 1을 참조하면, 유리 조성물로터 제조된 2 개의 예시적인 유리의 응력 프로파일이 유리를 통한 두께의 함수로서 예시되어 있다. 도 1에서, 음의 응력은 압축 응력을 나타내고, 양의 응력은 인장 응력 (즉, 중심 인장 (CT))을 나타낸다. DOC는 유리에서의 응력이 압축 응력 (즉, 도 1의 음의 응력)으로부터 중심 인장 (즉, 도 1의 양의 응력)으로 전이하는 지점이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 중심 인장 영역 (즉, 도 1에서 약 1.5 mm 내지 약 6 mm의 영역)으로 침투하는 나트륨 이온의 구배는 중심 인장 영역에서 응력 프로파일을 만곡시킨다. 응력 프로파일이 중심 인장 영역에서 만곡되기 때문에, 유리의 중심 인장 영역에 저장된 총 인장은 더 적다. 유리에서 중앙 인장이 너무 커지면, 유리는 취성 (frangible)이 될 수 있다. 따라서, 유리에서 중심 인장을 감소시키는 포물선 응력 프로파일을 생성하기 위해 유리를 이온 교환함으로써, 유리가 취성이 되지 않게 하면서 더 큰 DOC가 달성될 수 있다. 여기에 사용된 바와 같이, 용어 "취성 거동 (frangible behavior)" 및 "취성 (frangibility)"은 코팅, 접착제층 등과 같은 외부 구속이 없는 강화된 유리의 격렬하거나 활력있는 단편화 (fragmentation)의 모드를 지칭한다. 코팅, 접착제층 등이 여기에 기재된 유리 조성물로부터 제조된 강화된 유리와 함께 사용될 수 있지만, 이러한 외부 구속은 유리의 취약성 또는 취약성 거동을 결정하는데 사용되지 않는다.
몇몇 구현예에서, 포물선 응력 프로파일은 유리 조성물에서 중심 인장이 120 메가파스칼 (MPa) 미만, 또는 심지어 100 MPa 미만이 되도록 할 수 있다. 몇몇 구현예에서, 유리 조성물의 중심 인장은 50 MPa 이상 120 MPa 미만, 또는 심지어 70 MPa 이상 100 MPa 이하일 수 있다. 몇몇 구현예에서, 여기에 개시된 유리 조성물로부터 제조된 0.8 mm 두께의 유리 샘플은 430 ℃에서 8 시간 미만에서 포물선 프로파일로 이온 교환될 수 있다.
구현예에서, 유리 조성물로부터 제조된 유리 제품 또는 유리 시트를 이온 교환하여 포물선 응력 프로파일을 생성한 후, 유리에서 DOC는 유리 두께의 15%까지일 수 있다. 예를 들어, 몇몇 구현예에서, 포물선 응력 프로파일을 생성하기 위해 유리의 이온 교환 후, DOC는 유리 두께의 18% 까지, 유리 두께의20% 까지, 유리 두께의 22% 까지, 또는 심지어 유리 두께의 25% 까지일 수 있다. 몇몇 구현예에서, 이온 교환 후, 유리 조성물은 유리 조성물의 두께의 5% 내지 25%의 DOC를 가질 수 있다. 예를 들어, 유리 조성물로부터 제조된 유리의 이온 교환 후, 유리는 유리 두께의 5% 내지 18%, 5% 내지 20%, 5% 내지 20%, 5% 내지 22%, 10% 내지 15%, 10% 내지 18%, 10% 내지 20%, 10% 내지 22%, 10% 내지 25%, 15% 내지 18%, 15% 내지 20%, 15% 내지 22%, 15% 내지 25%, 18% 내지 20%, 또는 18% 내지 22%의 DOC를 가질 수 있다. 하나의 예에서, 유리 조성물로부터 제조되고 0.8 mm의 두께를 갖는 유리의 시트는 약 120 μm 까지, 또는 약 145 μm 까지, 또는 심지어 약 160 μm 까지의 DOC를 가질 수 있다. 다른 예에서, 유리 조성물로부터 제조되고 1 mm의 두께를 갖는 유리의 시트는 약 150 μm 까지, 또는 약 180 μm 까지, 또는 심지어 약 200 μm 까지의 DOC를 가질 수 있다. 포물선 응력 프로파일을 얻기 위해 유리를 교환하는 것은, 0.5 mm 내지 1 mm의 두께를 갖는 유리에 대해, 유리가 100 μm 내지 200 μm 범위의 DOC를 갖도록 할 수 있다. 전형적인 종래의 알칼리 알루미노실리케이트 유리는, 이온 교환 후, 40 μm 내지 50 μm의 DOC를 갖는다. 따라서, 여기에 개시된 유리 조성물은 유리 조성물로부터 제조된 유리의 이온 교환이 유리에서 포물선 응력 프로파일을 생성할 수 있게 하며, 이는 유리에서 실질적으로 더 큰 DOC를 결과할 수 있다.
여기에 기재된 유리 조성물은 이온 교환 동안 나트륨 이온이 유리의 중심으로 이동할 수 있게 한다. 그러나, 칼륨 이온은, 이온 교환 욕에 존재하는 경우, 나트륨 이온에 비해 칼륨 이온의 크기가 더 크기 때문에, 나트륨 이온에 비해 유리 조성물로부터 제조 된 유리 안으로 멀리 이동하지 않을 수 있다. 칼륨 이온이 이온 교환 욕에 포함되는 구현예에서, 칼륨 이온은 5 μm 내지 25 μm, 5 μm 내지 15 μm, 또는 심지어 8 μm 내지 12 μm의 깊이까지 유리 (K DOL) 내로 침투한다.
몇몇 구현예에서, 이온 교환 후, 유리 조성물로부터 제조된 유리는 유리에 손상 저항성을 제공하기에 충분한 압축 응력을 가질 수 있다. 예를 들어, 몇몇 구현예에서, 이온 교환 후, 유리는 400 MPa 이상, 500 MPa 이상, 또는 심지어 600 MPa 이상의 압축 응력을 가질 수 있다.
몇몇 구현예에서, 제2 이온 교환 단계가, 유리 조성물로부터 형성된 유리의 외부 영역에서 압축 응력을 추가로 증가시키기 위해, 수행될 수 있다. 이론에 구속되지 않고, 제2 이온 교환 단계는, 유리 표면 근처에서 압축 응력의 "스파이크 (spike)"를 생성하는 빠른 이온 교환 단계인 것으로 간주된다. 하나 이상의 구현예에서, 제2 이온 교환 단계는 30 분 이하의 시간, 또는 15 분 이하의 시간 동안 수행될 수 있거나, 선택적으로 약 10 내지 약 15 분의 범위에서 수행될 수 있다. 제2 이온 교환 욕의 조성은, 제2 이온 교환 단계가 제1 이온 교환 단계와는 상이한 이온을 유리에 전달하도록 지시된 때와 같이, 제1 이온 교환 욕과 상이할 수 있다. 몇몇 구현예에서, 제2 이온 교환 욕은 질산 칼륨, 황산 칼륨, 염화 칼륨, 다른 칼륨 염, 또는 이들의 조합과 같은 칼륨 염을 포함할 수 있다. 하나 이상의 구현예에서, 제2 이온 교환 욕은 적어도 약 80 중량%의 칼륨 염을 포함할 수 있다. 특정 구현예에서, 제2 이온 교환 욕은 약 95 중량% 내지 약 99.5 중량%의 칼륨 염을 포함할 수 있다. 제2 이온 교환 욕은 오직 칼륨 염만을 포함하는 것이 가능할 수 있으며, 한편 몇몇 구현예에서, 제2 이온 교환 욕은 0 내지 2 중량%, 또는 약 0.5 내지 1.5 중량%의 나트륨 염, 예를 들어 NaNO3를 포함할 수 있다. 예시적인 구현예에서, 칼륨 염은 KNO3이다. 추가적인 구현예에서, 제2 이온 교환 단계의 온도는 390 ℃ 이상일 수 있다. 제1 이온 교환 후 이온 교환된 유리에서 압축 응력이 충분하지 않다면, 제2 이온 교환 단계는 칼륨 이온으로 유리의 외부 표면을 "스파이크"하여 유리의 표면에서 압축 응력을 증가시키기 위해 수행될 수 있다.
여기에 기재된 유리 조성물로부터 제조된 유리는 일반적으로 약 500 ℃ 이상 및 약 650 ℃ 이하의 변형점을 가질 수 있다. 여기에 개시된 유리 조성물로부터 제조된 유리는 또한 약 550 ℃ 이상 약 725 ℃ 이하의 어닐링점 및 약 775 ℃ 이상 약 960 ℃ 이하의 연화점을 가질 수 있다.
여기에 기재된 구현예에서, 유리 조성물로부터 제조된 유리는 약 75x10-7 K-1 미만 또는 심지어 약 60x10-7 K-1 미만의 CTE를 가질 수 있다. 이들 더 낮은 CTE 값은 더 높은 CTE를 갖는 유리 조성물에 비해 열 사이클링 또는 열 응력 조건에 대한 유리의 생존성을 개선시킨다.
여기에 개시된 유리 제품은 디스플레이 (또는 디스플레이 제품)를 갖는 제품 (예를 들어, 휴대 전화, 태블릿, 컴퓨터, 내비게이션 시스템 등을 포함하는 소비자 전자 제품), 건축 제품, 운송 제품 (예를 들어, 자동차, 기차, 항공기, 선박 등), 가전 제품, 또는 약간의 투명성, 내-스크래치성, 내-마모성 또는 이들의 조합을 필요로하는 임의의 제품과 같은 다른 제품에 포함될 수 있다. 여기에 개시된 임의의 유리 제품을 포함하는 예시적인 제품이 도 2a 및 2b에 나타내어 있다. 구체적으로, 도 2a 및 2b는 전면 (304), 후면 (306) 및 측면 (308)을 갖는 하우징 (302); 하우징 내부에 적어도 부분적으로 또는 전체적으로 존재하고, 하우징의 전면에서 또는 인접하는 컨트롤러, 메모리 및 디스플레이 (310)를 적어도 포함하는 전기 부품 (미도시); 및 디스플레이의 위에 있도록 하우징의 전면에 또는 위에서 커버 기판 (312)을 포함하는 소비자 전자 장치 (300)를 나타낸다. 몇몇 구현예에서, 커버 기판 (312) 또는 하우징 (302)의 일부 중 적어도 하나는 여기에 개시된 임의의 유리 제품을 포함할 수 있다.
실시예
여기에 기재된 유리 조성물의 구현예는 하기 실시예에 의해 더욱 명백해질 것이다.
실시예 1
103 개의 예시적인 유리 조성물 (조성물 1-103)이 제조되었다. 각각의 예시적인 유리 조성물의 구체적인 조성은 하기 표 1에서 보고된다. 유리 조성물의 성분은 1500 ℃ 내지 1600 ℃의 백금 도가니에서 5 내지 6 시간 동안 용융된 후, 1600 ℃ 내지 1650 ℃의 더 높은 온도에서 5 내지 6 시간 동안 재-용융되어 균질성 및 용융 품질을 개선시켰다. 실시예 1의 유리 조성물의 액상선 온도 및 액상선 점도가 측정되었다. 유리는, 그 다음에, 강판 (steel plate) 상에 캐스트되었고, 표 1에서 주어진 어닐 온도 근처에서 1 시간 동안 어닐되었다. 각각의 유리 조성물의 다수의 샘플이 성질 측정 및 추가의 이온 교환 실험을 위해 절단 및 연마되었다. 모든 샘플은 두께가 0.8 mm이었다. 각각의 샘플은 열팽창 계수 (CTE), 밀도, 인성 (toughness) 및 영률에 대해 시험되었다. 본 명세서에 기재된 밀도 값은 ASTM C693-93 (2013)의 부력 방법에 의해 측정된 값을 지칭한다. 본 개시에서 기재된 영률 값은 "Standard Guide for Resonant Ultrasound Spectroscopy for Defect Detection in Both Metallic and Non-metallic Parts"라는 명칭의, ASTM E2001-13에 개시된 일반적인 유형의 공진 초음파 분광법에 의해 측정된 값을 지칭한다. 몇몇 구현예에서, 영률은 70 GPa 이상 또는 80 GPa 이상이다. 모든 유리 조성물에 대한 결과는 하기 표 1에 보고되어 있다. 본 개시에 기재된 파단 인성 값 (K1C)은 Reddy, K.P.R. 등 "Fracture Toughness Measurement of Glass and Ceramic Materials Using Chevron-Notched Specimens," J. Am. Ceram. Soc., 71 [6], C-310-C-313 (1988)에 개시된 쉐브론 노치트 숏 바 (CNSB)에 의해 측정된 값을 지칭하며, 다만, Y*m는 Bubsey, R.T 등, "Closed-Form Expressions for Crack-Mouth Displacement and Stress Intensity Factors for Chevron-Notched Short Bar and Short Rod Specimens Based on Experimental Compliance Measurements," NASA Technical Memorandum 83796, pp. 1-30 (October 1992)에 개시된 방정식 5를 사용하여 계산되었다. 몇몇 구현예에서, 파단 인성은 약 0.7 MPa·m1/2 이상 또는 약 0.7 MPa·m1/2 이상이다.
[표 1]
실시예 1의 유리 조성물 및 성질
Figure pct00001
Figure pct00002
Figure pct00003
Figure pct00004
Figure pct00005
Figure pct00006
Figure pct00007
Figure pct00008
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Figure pct00010
Figure pct00011
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Figure pct00013
Figure pct00014
Figure pct00015
실시예 2
3 개의 예시적인 유리 조성물 (조성물 26, 65 및 77) 각각에 대한 2 세트의 샘플은 추가로 처리되었고, 이온 교환 강화되었다. 3 개의 예시적인 유리 조성물의 각각에 대한 이온 교환 전의 조성물은 하기 표 2에서 제공된다. 실시예 2의 각각의 예시적인 유리 조성물에 대한 하나의 세트의 샘플이, 샘플을 유리 조성물의 점도가 1011 포이즈인 온도에서 4 분 동안 열처리하고, 그 다음에 상기 샘플을 주위 온도에서 유동하는 공기에서 급냉 (quenching)함으로써, 가상 (fictivated)되었다. 이들 가상된 샘플은 아래 표 2에서 접미사 "-F"로 지정되었다. 이 열처리는 급냉된 융합 인발 유리의 열 이력을 모방한다. 실시예 2의 각각의 예시적인 유리 조성물에 대한 제2 세트의 샘플이 간단히 어닐링되었다. 이들 샘플은 접미사 "-A"로 표 2에서 지정되었다.
샘플은 그 다음에 이온 교환되어 각각의 샘플에서 포물선 응력 프로파일을 생성하였다. 실시예 2에서 유리 조성물의 각각의 샘플은 0.8 mm의 두께를 가졌다. 샘플 26-F2, 65-A, 65-F, 77-A, 및 77-F는 80 중량% (wt.%) KNO3 및 20 중량% NaNO3를 포함하는 용융 염 욕에서 이온 교환되었다. 샘플 26-F1은 100 중량% NaNO3를 포함하는 용융 염 욕에서 이온 교환되었다. 샘플은 포물선 응력 프로파일을 얻기에 충분한 침지 시간 동안 430 ℃의 온도에서 이온 교환되었다. 각각의 샘플에 대한 침지 시간은 아래 표 2에서 제공된다.
실시예 2의 유리 조성물의 조성 및 성질
샘플 번호 26-F1 26-F2 65-A 65-F 77-A 77-F
도 2에서 참조 부호 120 122 130 132 140 142
SiO2 67.097 67.097 67.72 67.72 67.088 67.088
Al2O3 13.971 13.971 13.91 13.91 14.051 14.051
Li2O 7.919 7.919 7.84 7.84 7.905 7.905
Na2O 1.931 1.931 1.92 1.92 1.978 1.978
K2O 0.040 0.040 .03 .03 -- --
B2O3 4.890 4.890 5.44 5.44 5.007 5.007
P2O5 3.966 3.966 2.94 2.94 3.876 3.876
MgO 0.025 0.025 .02 .02 0.028 0.028
CaO 0.046 0.046 .04 .04 0.014 0.014
R2O-Al2O3 -4.81 -4.81 -4.12 -4.12 -4.17 -4.17
(R2O+RO-Al2O3) -4.00 -4.00 -4.06 -4.06 -4.12 -4.12
R2O+RO+ P2O5-Al2O3 -0.04 -0.04 -1.12 -1.12 -0.25 -0.25
Li2O/R2O 0.80 0.80 .80 .80 0.80 0.80
유리 조성물의 성질
처리 가상된 (fictivated) 가상된 (fictivated) 어닐링된 (annealed) 가상된 (fictivated) 어닐링된 (annealed) 가상된 (fictivated)
변형점 T (℃) 566 566 562 562 561 561
어닐링점 T (℃) 623 623 618 618 618 618
연화점 T (℃) -- -- -- -- -- --
CTE (10-7/℃) 47 47 -- -- -- --
밀도 (g/cc) 2.31 2.31 2.31 2.31 2.30 2.30
액상선 T (℃) 1100 1100 1160 1160 1100 1100
액상선 점도(kP) 384.4 384.4 99.3 99.3 371.4 371.4
영률 (GPa) 70.88 70.88 72.12 72.12 71.15 561
이온 교환 욕에서 Na:K 100:0 20:80 20:80 20:80 20:80 20:80
욕 온도 (℃) 430 430 430 430 430 430
이온 교환 시간 (hr) 3 3 5 3.5 4 3
CS (MPa) - 401 434 403 425 413
DOL (㎛) - 12.8 10.9 11.4 11.6 12.3
DOC (㎛) 163 163 143 158 159 158
CT (MPa) 67 67 90 67 82 65
도 1을 참조하면, 유리 샘플의 두께를 통한 위치의 함수로서 샘플 77-A 및 77-F에 대한 응력 프로파일이 예시되어 있다. 샘플 77-A의 어닐링된 유리 (도 1에서 참조 부호 140)는 도 1에서 나타낸 바와 같이 81.7 MPa의 더 높은 중심 인장 (CT)을 얻었고, 그러나 피크 CT를 달성하기 위하여 더 긴 이온 교환 침지 시간이 걸렸다. 샘플 77-F의 가상된 유리 조성물 (도 1에서 참조 부호 142)은 샘플 77-A의 4 시간에 비해 단지 3 시간의 더 짧은 침지 시간으로 피크 CT에 도달한다. 그러나, 가상된 샘플 77-F는 61.6 MPa의 더 낮은 피크 CT를 나타냈다. 도 1에서 결과는 80 wt.% KNO3 및 20 wt.% NaNO3를 포함하는 이온 교환 욕에서 이온 교환된 샘플에 대한 것이다. 동일한 유리 조성물은 100% NaNO3에서 이온 교환되었을 때, 표면에서 더 낮은 압축 응력을 갖지만, 90 MPa보다 큰 피크 CT를 달성한다.
여기에 기재된 유리 조성물은 이온 교환 후에 기계적 내구성뿐만 아니라 화학적 내구성을 나타내는 것으로 이해되어야 한다. 이들 성질은 유리 조성물이 제약 포장 재료를 포함하는, 그러나 제한되지 않는, 다양한 적용에 사용하기에 매우 적합하게 한다.
다양한 변경 및 변형은 청구된 주제의 사상 및 범주를 벗어나지 않고 여기에 기재된 구현예에 대하여 만들어질 수 있다는 것이 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 따라서, 그런 변경 및 변형은 첨부된 청구범위 및 이의 균등물의 범주에 들어 온다면, 본 명세서는 여기에 기재된 다양한 구현예의 변경 및 변형을 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (31)

  1. 조성물을 포함하는 유리 제품으로서, 상기 조성물은:
    50 mol.% 이상 80 mol.% 이하의 SiO2;
    7 mol.% 이상 25 mol.% 이하의 Al2O3;
    2 mol.% 이상 14 mol.% 이하의 Li2O;
    0.4 mol.% 이상 10 mol.% 이하의 P2O5;
    1 mol.% 이상 6 mol.% 이하의 Na2O; 및
    0.5 mol.% 이하의 ZrO2를 포함하고,
    여기서 (Al2O3 (mol.%)-R2O (mol.%)-RO (mol.%))는 0보다 크고, 여기서 R2O (mol.%)는 상기 조성물 중 Li2O, Na2O, K2O, Rb2O, 및 Cs2O의 몰량의 합이며, 여기서 RO (mol.%)는 상기 조성물 중 BeO, MgO, CaO, SrO, BaO, 및 ZnO의 몰량의 합이고,
    여기서 (Al2O3 (mol.%)-R2O (mol.%)-RO (mol.%)-P2O5 (mol.%))는 -2 mol.% 이상 2 mol.% 이하인, 유리 제품.
  2. 조성물을 포함하는 유리 제품으로서, 상기 조성물은:
    50 mol.% 이상 80 mol.% 이하의 SiO2;
    7 mol.% 이상 25 mol.% 이하의 Al2O3;
    2 mol.% 이상 14 mol.% 이하의 Li2O;
    3 mol.% 이상 15 mol.% 이하의 B2O3;
    0.1 mol.% 이상의 Na2O; 및
    0 mol.% 초과 4 mol.% 이하의 TiO2를 포함하고,
    여기서 (Al2O3 (mol.%)-R2O (mol.%)-RO(mol.%))는 0 이상이고, 여기서 R2O (mol.%)는 상기 조성물 중 Li2O, Na2O, K2O, Rb2O, 및 Cs2O의 몰량의 합이며, RO (mol.%)는 상기 조성물 중 BeO, MgO, CaO, SrO, BaO, 및 ZnO의 몰량의 합이고,
    여기서 (Al2O3 (mol.%)-R2O (mol.%)-RO(mol.%)-P2O5 (mol.%))는 2 이하이며,
    여기서 R2O (mol.%)는 14 mol.% 이하인, 유리 제품.
  3. 조성물을 포함하는 유리 제품으로서, 상기 조성물은:
    50 mol.% 이상 80 mol.% 이하의 SiO2;
    7 mol.% 이상 25 mol.% 이하의 Al2O3;
    2 mol.% 이상 14 mol.% 이하의 Li2O;
    0.1 mol.% 이상 20 mol.% 이하의 B2O3;
    0.1 mol.% 이상 20 mol.% 이하의 P2O5;
    1 mol.% 이상 6 mol.% 이하의 Na2O; 및
    1 mol.% 이하의 ZrO2를 포함하고,
    여기서 (Al2O3 (mol.%)-R2O (mol.%)-RO (mol.%))는 0 초과이고, 여기서 R2O (mol.%)는 상기 조성물 중 Li2O, Na2O, K2O, Rb2O, 및 Cs2O의 몰량의 합이며, RO (mol.%)는 상기 조성물 중 BeO, MgO, CaO, SrO, BaO, 및 ZnO의 몰량의 합이고,
    여기서 (Li2O (mol.%))/(R2O (mol.%))의 몰비는 0.5 이상인, 유리 제품.
  4. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    (Li2O (mol.%))/(R2O (mol.%))의 몰비는 0.5 이상인, 유리 제품.
  5. 청구항 1, 3, 및 4 중 어느 한 항에 있어서,
    0 mol.% 초과 4 mol.% 이하의 TiO2를 더욱 포함하는, 유리 제품.
  6. 청구항 3에 있어서,
    (Al2O3 (mol.%)-R2O (mol.%)-RO (mol.%)-P2O5 (mol.%))는 2 mol.% 이하인, 유리 제품.
  7. 청구항 2 또는 3에 있어서,
    (Al2O3 (mol.%)-R2O (mol.%)-RO (mol.%)-P2O5 (mol.%))는 -2 mol.% 이상 2 mol.% 이하인, 유리 제품.
  8. 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조성물은 1300 ℃ 이하의 액상선 온도를 갖는, 유리 제품.
  9. 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조성물은 20 kP 초과의 액상선 점도를 갖는, 유리 제품.
  10. 청구항 1 내지 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조성물은 50 kP 초과의 액상선 점도를 갖는, 유리 제품.
  11. 청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조성물은 14 mol.% 이하의 R2O를 포함하는, 유리 제품.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 조성물은 7 mol.% 이상 14 mol.% 이하의 R2O를 포함하는, 유리 제품.
  13. 청구항 1 내지 12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조성물은 2.5 mol.% 이하의 K2O를 더욱 포함하는, 유리 제품.
  14. 청구항 1 내지 13 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조성물은 3 mol.% 이상 15 mol.% 이하의 B2O3를 더욱 포함하는, 유리 제품.
  15. 청구항 1 내지 14 중 어느 한 항에 있어서,
    (Li2O (mol.%)+Al2O3 (mol.%))는 B2O3 (mol.%)의 2 배 이상인, 유리 제품.
  16. 청구항 1 내지 15 중 어느 한 항에 있어서,
    0 mol.% 초과 5 mol.% 이하의 MgO를 더욱 포함하는, 유리 제품.
  17. 청구항 1 내지 16 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조성물은 0 mol.% 초과 5 mol.% 이하의 ZnO를 더욱 포함하는, 유리 제품.
  18. 청구항 1 내지 17 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조성물은 0 mol.% 초과 4 mol.% 이하의 CaO를 더욱 포함하는, 유리 제품.
  19. 청구항 1 내지 18 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조성물은 0 mol.% 초과 4 mol.% 이하의 SrO를 더욱 포함하는, 유리 제품.
  20. 청구항 1 내지 19 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조성물은 0.35 mol.% 이하의 SnO2를 더욱 포함하는, 유리 제품.
  21. 청구항 1 내지 20 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조성물은 BaO가 실질적으로 없는, 유리 제품.
  22. 청구항 1 내지 21 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조성물은 0.4 mol.% 이상 10 mol.% 이하의 P2O5를 더욱 포함하는, 유리 제품.
  23. 조성물을 포함하는 유리 제품으로서, 상기 조성물은:
    50 mol.% 이상 80 mol.% 이하의 SiO2;
    2 mol.% 이상 25 mol.% 이하의 Al2O3;
    2 mol.% 이상 15 mol.% 이하의 Li2O;를 포함하고,
    여기서 SiO2 (mol%) ≥ [4*Li2O + 6*(Na2O+K2O) + 2.5*MgO + 2*(CaO + SrO + BaO)] (mol%)이며,
    여기서 (Al2O3 (mol.%)-R2O (mol.%)-RO (mol.%))는 0 초과이고,
    여기서 R2O (mol.%)는 상기 조성물 중 Li2O, Na2O, K2O, Rb2O, 및 Cs2O의 몰량의 합이며, RO (mol.%)는 상기 조성물 중 BeO, MgO, CaO, SrO, BaO, 및 ZnO의 몰량의 합이고,
    여기서 (Li2O (mol.%))/(R2O (mol.%))의 몰비는 0.35 이상이며,
    여기서 P2O5 (mol%)/[(Al2O3- R2O - RO)](mol%)는 0.25 이상이고,
    여기서 TiO2 (mol%) + ZrO2 (mol%)는 0 mol.% 이상 1 mol.% 이하이며,
    여기서 희토류 금속 산화물의 총 함량은 0 mol.% 이상 0.5 mol% 이하이고,
    여기서 A는 17 이상이며, 여기서:
    A = 13.2 + P * [(1/673 - 1(A.P. +273))],
    P = 0.6/[(1/(A.P. +273)) - (1/(T12+273))],
    A.P.는 ℃로 어닐링점이고,
    T12는 유리가 1012 포이즈의 점도를 가질 때에 해당하는 ℃로 온도인, 유리 제품.
  24. 청구항 23에 있어서,
    P2O5 (mol%)/[(Al2O3- R2O - RO)](mol%)는 0.8 이상 1.25 이하인, 유리 제품.
  25. 청구항 23에 있어서,
    P2O5 (mol%)/[(Al2O3- R2O - RO)](mol%)는 0.9 이상 1.1 이하인, 유리 제품.
  26. 청구항 23 내지 25 중 어느 한 항에 있어서,
    영률은 70 GPa 이상인, 유리 제품.
  27. 청구항 23 내지 26 중 어느 한 항에 있어서,
    영률은 80 GPa 이상인, 유리 제품.
  28. 청구항 23 내지 27 중 어느 한 항에 있어서,
    파단 인성 (fracture toughness)은 0.7 MPa*m1/2 이상인, 유리 제품.
  29. 청구항 23 내지 28 중 어느 한 항에 있어서,
    파단 인성은 0.8 MPa*m1/2 이상인, 유리 제품.
  30. 청구항 23 내지 29 중 어느 한 항에 있어서,
    A는 19 이상인, 유리 제품.
  31. 소비자 전자 제품으로서:
    전면, 후면 및 측면을 갖는 하우징;
    상기 하우징 내에 적어도 부분적으로 제공된 전기 부품, 상기 전기 부품은 적어도 콘트롤러, 메모리, 및 디스플레이를 포함하고, 상기 디스플레이는 하우징의 전면에 또는 이에 인접하여 제공됨; 및
    상기 디스플레이 위에 배치된 커버 기판을 포함하고,
    여기서 상기 커버 기판 또는 상기 하우징의 일부의 적어도 하나는 청구항 1 내지 30 중 어느 하나의 유리 제품을 포함하는, 소비자 전자 제품.
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