KR20210080654A

KR20210080654A - 유리 제품 및 이를 포함하는 디스플레이 장치

Info

Publication number: KR20210080654A
Application number: KR1020190171428A
Authority: KR
Inventors: 심규인; 강병훈; 김승; 박영옥; 성수진
Original assignee: 삼성디스플레이 주식회사
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2019-12-20
Publication date: 2021-07-01
Also published as: US20210188695A1; EP3838860B1; CN113003945A; US11161771B2; EP3838860A1

Abstract

유리 제품이 제공된다. 유리 제품은 제1 표면, 제1 표면과 대향하는 제2 표면, 제1 표면으로부터 제1 압축 깊이까지 연장하는 제1 압축 영역, 제2 표면으로부터 제2 압축 깊이까지 연장하는 제2 압축 영역, 및 제1 압축 깊이와 제2 압축 깊이 사이에 배치되는 인장 영역을 포함하되, 제1 압축 영역의 응력 프로파일은 제1 표면과 제1 전이점 사이에 위치하는 제1 세그먼트 및 제1 전이점과 제1 압축 깊이 사이에 위치하는 제2 세그먼트를 포함하고, 제1 표면으로부터 제1 전이점까지의 깊이는 8.1um 내지 9.5um이고, 제1 전이점에서의 응력은 197 MPa이상이며, 제1 표면으로부터 깊이방향으로 50um 지점의 응력은 75MPa이상이다.

Description

유리 제품 및 이를 포함하는 디스플레이 장치 {GLASS ARTICLE AND DISPLAY DEVICE INCLUDING THE SAME}

본 발명은 유리 제품 및 이를 포함하는 디스플레이 장치에 관한 것이다.

유리 제품은 디스플레이 장치를 포함하는 전자 기기나 건축 자재 등에 많이 사용된다. 예를 들어, 액정표시장치, OLED, 전기 영동 표시 장치 등의 평판 디스플레이 장치의 기판이나 이를 보호하는 커버 윈도우 등에 유리 제품이 적용된다.

스마트폰, 태블릿 PC 등과 같은 휴대용 전자 기기가 늘어나면서 그에 적용되는 유리 제품도 외부 충격에 빈번하게 노출된다. 휴대성을 위해 얇으면서도 외부 충격에 견딜 수 있는 유리 제품의 개발이 요구되고 있다. 열적 또는 화학적 강화를 통해 유리 제품의 강도 개선을 하려는 시도가 있지만, 고객의 니즈에 부응하기 위해서는 보다 정밀한 응력 프로파일의 관리가 필요하다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 정밀한 응력 프로파일을 통해 양호한 강도를 갖는 유리 제품을 포함하는 디스플레이 장치를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 일 실시예에 따른 유리 제품은 제1 표면, 상기 제1 표면과 대향하는 제2 표면, 상기 제1 표면으로부터 제1 압축 깊이까지 연장하는 제1 압축 영역, 상기 제2 표면으로부터 제2 압축 깊이까지 연장하는 제2 압축 영역, 및 상기 제1 압축 깊이와 상기 제2 압축 깊이 사이에 배치되는 인장 영역을 포함하되, 상기 제1 압축 영역의 응력 프로파일은 상기 제1 표면과 제1 전이점 사이에 위치하는 제1 세그먼트 및 상기 제1 전이점과 상기 제1 압축 깊이 사이에 위치하는 제2 세그먼트를 포함하고, 상기 제1 표면으로부터 상기 제1 전이점까지의 깊이는 8.1um 내지 9.5um이고, 상기 제1 전이점에서의 응력은 197 MPa이상이며, 상기 제1 표면으로부터 깊이방향으로 50um 지점의 응력은 75MPa이상이다.

상기 유리 제품이 10^14.5 포와즈(poise)의 점도를 갖는 온도는 530℃ 내지 540℃의 범위에 있을 수 있다.

상기 제1 압축 영역의 압축 에너지는 10,500J/m2 이상 11,500J/m2 이하의 값을 가질 수 있다.

상기 제1 세그먼트의 제1 압축 에너지는 상기 제2 세그먼트의 제2 압축 에너지보다 작을 수 있다.

상기 제2 압축 에너지는 상기 제1 압축 에너지의 1.9배 내지 2.2배의 크기를 가질 수 있다.

상기 제1 세그먼트의 제1 압축 에너지는 3500J/m2 이상 3700J/m2 이하의 값을 갖고, 상기 제2 세그먼트의 제2 압축 에너지는 7350J/m2 이상 7550J/m2 이하의 값을 가질 수 있다.

상기 제1 표면에서의 압축 응력은 780 MPa 내지 820MPa일 수 있다.

상기 제1 전이점에서의 상기 응력은 상기 제1 표면의 상기 압축 응력의 0.23배 내지 0.255배일 수 있다.

상기 제1 압축 깊이는 110um 내지 120um일 수 있다.

상기 제1 전이점에서의 상기 깊이는 상기 제1 압축 깊이의 0.07배 내지 0.08배일 수 있다.

상기 제1 세그먼트는 제1 기울기를 갖고, 상기 제2 세그먼트는 제2 기울기를 갖고, 상기 제1 전이점에서의 접선은 제3 기울기를 갖되, 상기 제3 기울기의 절대값은 상기 제1 기울기의 절대값보다 작고 상기 제2 기울기의 절대값보다 클 수 있다.

상기 제3 기울기의 절대값은 10 (MPa/um) 내지 11 (MPa/um)의 범위에 있을 수 있다.

상기 유리 제품은 리튬 알루미노 실리케이트를 포함하며, 상기 유리 제품의 두께는 0.69mm 내지 0.71mm일 수 있다.

상기 제1 압축 깊이는 나트륨 이온의 최대 침투 깊이이고, 상기 제1 전이점의 상기 깊이는 칼륨 이온의 최대 침투 깊이일 수 있다.

상기 제2 압축 영역의 응력 프로파일은 상기 제2 표면과 제2 전이점 사이에 위치하는 제1 세그먼트 및 상기 제2 전이점과 상기 제2 압축 깊이 사이에 위치하는 제2 세그먼트를 포함하고, 상기 제2 표면으로부터 상기 제2 전이점까지의 깊이는 8.1um 내지 9.5um이고, 상기 제2 전이점에서의 응력은 197 MPa이상이며, 상기 제2 표면으로부터 깊이방향으로 50um 지점의 응력은 75MPa이상일 수 있다.

상기 제2 압축 영역의 상기 응력 프로파일은 상기 제1 압축 영역의 상기 응력 프로파일과 대칭 관계를 가질 수 있다.

상기 인장 영역의 최대 인장 응력은 60MPa 내지 75MPa의 범위에 있을 수 있다.

상기 유리 제품은 100개 이상의 샘플에 대해 60g의 볼을 이용한 GIT(Glass Impact Test) 평가에서 한계 낙하 높이의 평균값이 49cm 이상을 나타낼 수 있다.

상기 유리 제품을 가로 길이 80mm, 세로 길이 160mm, 높이 5mm의 지그 모형에 적용하여 실시한 한계 낙하 높이 평가에서, 한계 낙하 높이의 평균값이 60cm 이상을 나타낼 수 있다.

상기 유리 제품의 임계 스크래치 하중 평가에서, 임계 스크래치 하중의 평균값이 9N 이상을 나타낼 수 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 일 실시예에 따른 디스플레이 장치는 복수의 화소를 포함하는 디스플레이 패널, 상기 디스플레이 패널 상부에 배치된 커버 윈도우, 및 상기 디스플레이 패널과 상기 커버 윈도우 사이에 배치된 광학 투명 결합층을 포함하되, 상기 커버 윈도우는, 제1 표면, 상기 제1 표면과 대향하는 제2 표면, 상기 제1 표면으로부터 제1 압축 깊이까지 연장하는 제1 압축 영역, 상기 제2 표면으로부터 제2 압축 깊이까지 연장하는 제2 압축 영역, 및 상기 제1 압축 깊이와 상기 제2 압축 깊이 사이에 배치되는 인장 영역을 포함하되, 상기 제1 압축 영역의 응력 프로파일은 상기 제1 표면과 제1 전이점 사이에 위치하는 제1 세그먼트 및 상기 제1 전이점과 상기 제1 압축 깊이 사이에 위치하는 제2 세그먼트를 포함하고,상기 제1 표면으로부터 상기 제1 전이점까지의 깊이는 8.1um 내지 9.5um이고, 상기 제1 전이점에서의 응력은 197 MPa이상이며,상기 제1 표면으로부터 깊이방향으로 50um 지점의 응력은 75MPa 이상인범위에 있다.

상기 커버 윈도우는 두께가 0.69mm 내지 0.71mm이며 리튬 알루미노 실리케이트를 포함하는 유리 제품을 포함하고, 상기 제1 압축 영역의 압축 에너지는 10,500J/m2 이상11,500J/m2 이하의 값을 갖고, 상기 제1 세그먼트의 제1 압축 에너지는 3500J/m2 이상 3700J/m2 이하의 값을 갖고, 상기 제2 세그먼트의 제2 압축 에너지는 7350J/m2 이상 7550J/m2 이하의 값을 가지며, 상기 제1 표면의 압축 응력은 780MPa 내지 820MPa이고, 상기 제1 압축 깊이는 110um 내지 120um일 수 있다.

기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

일 실시예에 따른 유리 제품 및 디스플레이 장치에 의하면 응력 프로파일을 정밀하게 제어함으로써, 외부 충격에 의해 쉽게 파손되지 않는 높은 강도를 구현할 수 있다.

실시예들에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.

도 1은 다양한 실시예들에 따른 유리 제품의 사시도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 유리 제품이 디스플레이 장치의 커버 윈도우로 적용된 예를 도시한 단면도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 평판 플레이트 형상의 유리 제품의 단면도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 유리 제품 제조 방법의 공정 단계별 순서도이다.
도 5는 도 4의 커팅 단계부터 강화 후 표면 연마 단계를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 이온 교환 공정을 나타낸 개략도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 유리 제품의 응력 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 8은 도 7의 제1 압축 영역 부근을 확대한 그래프이다.
도 9는 도 8의 응력 프로파일이 근사하는 직선 그래프를 개략적으로 도시한 모식도이다.
도 10은 다양한 제1 전이점 응력-깊이 비에 따른 응력 프로파일을 나타낸 모식도이다.
도 11은 동일 제1 전이점 응력-깊이 비에서 다양한 압축 에너지를 갖는 응력 프로파일들을 나타낸 모식도이다.
도 12는 영역별 응력 에너지를 설명하기 위한 응력 프로파일 그래프이다.
도 13은 샘플군 #A, #B, #C의 두께 방향의 위치별 응력을 나타낸 그래프이다.
도 14는 샘플군 #B의 임계 스크래치 하중 측정 실험 결과를 나타낸 사진이다.
도 15은 샘플군 #C의 임계 스크래치 하중 측정 실험 결과를 나타낸 사진이다.
도 16은 모형 낙하 실험에 사용되는 모형을 나타낸 사시도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

소자 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "상"으로 지칭되는 것은 다른 소자 바로 위에 또는 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.

본 명세서에서, "유리 제품"은 전체가 유리로 이루어지거나 부분적으로 유리를 포함하여 이루어진 물건을 지칭한다.

이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 실시예들에 대해 설명한다.

도 1은 다양한 실시예들에 따른 유리 제품의 사시도이다.

유리는 태블릿 PC, 노트북 PC, 스마트 폰, 전자 서적, 텔레비전, PC 모니터 뿐만 아니라 표시 화면을 포함하는 냉장고, 세탁기 등 디스플레이를 포함하는 전자 기기에서 디스플레이를 보호하기 위한 커버 윈도우, 디스플레이 패널용 기판, 터치 패널용 기판, 도광판과 같은 광학 부재 등으로 사용된다. 유리는 자동차 계기판 등의 커버 유리, 태양 전지용 커버 유리, 건축재의 내장재, 빌딩이나 주택의 창 등에도 사용될 수 있다.

몇몇 유리는 강한 강도를 갖는 것이 요구된다. 예를 들어, 윈도우용 유리의 경우 높은 투과율과 가벼운 무게의 요건을 충족시키기 위해 얇은 두께를 가지면서도, 외부 충격에 의해 쉽게 파손되지 않는 강도를 갖는 것이 바람직하다. 강도가 강화된 유리는 화학적 강화 또는 열적 강화 등의 방법으로 제조될 수 있다. 다양한 형상의 강화 유리의 예들이 도 1에 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 일 실시예에서, 유리 제품(100)은 평판 시트 또는 평판 플레이트 형상일 수 있다. 다른 실시예에서 유리 제품(101, 102, 103)은 휘어진 부분을 포함하는 3차원 형상일 수 있다. 예를 들어, 평탄부의 에지가 굴곡되거나('101' 참조), 전반적으로 커브드되거나('102' 참조), 폴딩('103' 참조)될 수 있다.

유리 제품(100-103)의 평면 형상은 직사각형일 수 있지만, 이에 제한되지 않고, 모서리가 둥근 직사각형, 정사각형, 원, 타원 등 다양한 형상을 가질 수 있다. 이하의 실시예에서는 유리 제품(100-104)으로 평면 형상이 직사각형인 평판 플레이트를 예로 하여 설명하지만, 이에 제한되지 않음은 명백하다.

도 2는 일 실시예에 따른 유리 제품이 디스플레이 장치의 커버 윈도우로 적용된 예를 도시한 단면도이다.

도 2를 참조하면, 디스플레이 장치(500)는 디스플레이 패널(200), 디스플레이 패널(200) 상에 배치되고 커버 윈도우의 역할을 하는 유리 제품(100), 디스플레이 패널(200)과 유리 제품(100) 사이에 배치되어 디스플레이 패널(200)과 유리 제품(100)을 결합하는 광학 투명 결합층(300)을 포함할 수 있다.

디스플레이 패널(200)은 예를 들어, 유기 발광 표시 패널(OLED), 무기 발광 표시 패널(inorganic EL), 퀀텀닷 발광 표시 패널(QED), 마이크로 LED 표시 패널(micro-LED), 나노 LED 표시 패널(nano-LED), 플라즈마 표시 패널(PDP), 전계 방출 표시 패널(FED), 음극선 표시 패널(CRT)등의 자발광 표시 패널 뿐만 아니라, 액정 표시 패널(LCD), 전기 영동 표시 패널(EPD) 등의 수광 표시 패널을 포함할 수 있다.

디스플레이 패널(200)은 복수의 화소(PX)를 포함하며, 각 화소(PX)에서 방출하는 빛을 이용하여 화상을 표시할 수 있다. 디스플레이 장치(500)는 터치 부재(미도시)를 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 터치 부재는 디스플레이 패널(200)에 내재화되어 있을 수 있다. 예를 들어, 디스플레이 패널(200)의 표시 부재 상에 터치 부재가 직접 형성됨으로써 디스플레이 패널(200) 자체가 터치 기능을 수행할 수 있다. 다른 실시예에서, 터치 부재는 디스플레이 패널(200)과 별도로 제조된 후, 광학 투명 결합층에 의해 디스플레이 패널(200)의 상면 상에 부착될 수 있다.

디스플레이 패널(200)의 상부에는 디스플레이 패널(200)을 보호하는 유리 제품(100)이 배치된다. 유리 제품(100)은 디스플레이 패널(200)보다 크기가 커서 그 측면이 디스플레이 패널(200)의 측면보다 외측으로 돌출될 수 있지만, 그에 제한되는 것은 아니다. 디스플레이 장치(500)는 유리 제품(100)의 테두리 부위에서 유리 제품(100)의 적어도 일 표면 상에 배치된 인쇄층(미도시)을 더 포함할 수 있다. 상기 인쇄층은 디스플레이 장치(500)의 베젤 영역이 외부로 시인되지 않도록 하며, 경우에 따라 데코레이션 기능을 수행할 수 있다.

디스플레이 패널(200)과 유리 제품(100) 사이에는 광학 투명 결합층(300)이 배치된다. 광학 투명 결합층(300)은 유리 제품(100)을 디스플레이 패널(200) 상에 고정시키는 역할을 한다. 광학 투명 결합층(300)은 광학 투명 접착제(Optical Clear Adhesive; OCA) 또는 광학 투명 수지(Optical Clear Resin; OCR) 등을 포함할 수 있다.

이하, 상술한 강화된 유리 제품(100)에 대해 더욱 상세히 설명한다.

도 3은 일 실시예에 따른 평판 플레이트 형상의 유리 제품의 단면도이다.

도 3을 참조하면, 유리 제품(100)은 제1 표면(US), 제2 표면(RS) 및 측면을 포함할 수 있다. 평판 플레이트 형상의 유리 제품(100)에서 제1 표면(US)과 제2 표면(RS)은 넓은 면적을 가진 주된 표면이고, 측면은 제1 표면(US)과 제2 표면(RS)을 연결하는 외측 표면이 된다.

제1 표면(US)과 제2 표면(RS)은 두께 방향으로 서로 대향한다. 유리 제품(100)이 디스플레이의 커버 윈도우와 같이 빛을 투과시키는 역할을 하는 경우, 빛은 주로 제1 표면(US)과 제2 표면(RS) 중 어느 하나로 진입해서 다른 하나로 투과할 수 있다.

유리 제품(100)의 두께(t)는 제1 표면(US)과 제2 표면(RS) 사이의 거리로 정의된다. 유리 제품(100)의 두께(t)는 이에 제한되는 것은 아니지만, 0.1mm 내지 2mm의 범위일 수 있다. 일 실시예에서, 유리 제품(100)의 두께(t)는 약 0.8mm이거나 그보다 작을 수 있다. 다른 실시예에서, 유리 제품(100)의 두께(t)는 약 0.75mm이거나 그보다 작을 수 있다. 또 다른 실시예에서, 유리 제품(100)의 두께(t)는 약 0.7mm이거나 그보다 작을 수 있다. 또 다른 실시예에서, 유리 제품(100)의 두께(t)는 약 0.6mm이거나 그보다 작을 수 있다. 또 다른 실시예에서, 유리 제품(100)의 두께(t)는 약 0.65mm이거나 그보다 작을 수 있다. 또 다른 실시예에서, 유리 제품(100)의 두께(t)는 약 0.5mm이거나 그보다 작을 수 있다. 또 다른 실시예에서, 유리 제품(100)의 두께(t)는 약 0.3mm이거나 그보다 작을 수 있다. 특정한 몇몇 실시예에서, 유리 제품(100)의 두께(t)는 0.6mm 내지 0.8mm의 범위 또는 0.69mm 내지 0.71mm의 범위에 있을 수 있다. 유리 제품(100)은 균일한 두께(t)를 가질 수 있지만, 이에 제한되지 않고 영역별로 서로 다른 두께(t)를 가질 수 있다. 이하, 실시예들에서는 0.70mm의 두께를 갖는 유리를 예로 하여 설명하지만, 이에 제한되지 않음은 명백하다.

유리 제품(100)은 강화되어 내부에 소정의 응력 프로파일을 가질 수 있다. 강화된 유리 제품(100)은 강화 전 유리 제품(100)보다 외부 충격에 의한 크랙 발생, 크랙의 전파, 파손 등을 더 잘 방지한다. 강화 공정을 통해 강화된 유리 제품(100)은 영역별로 다양한 응력을 가질 수 있다. 예를 들어, 유리 제품(100)의 표면 인근, 즉 제1 표면(US)과 제2 표면(RS) 인근에는 압축 응력이 작용하는 압축 영역(CSR1, CSR2)이, 유리 제품(100)의 내부에는 인장 응력이 작용하는 인장 영역(CTR)이 배치될 수 있다. 압축 영역(CSR1, CSR2)과 인장 영역(CTR)의 경계는 응력값이 0일 수 있다. 하나의 압축 영역(CSR1, CSR2) 내의 압축 응력은 위치(즉, 표면으로부터의 깊이)에 따라 그 응력값이 달라질 수 있다. 또한, 인장 영역(CTR)의 경우에도 표면(US, RS)으로부터의 깊이에 따라 다른 응력값을 가질 수 있다.

유리 제품(100) 내에서 압축 영역(CSR1, CSR2)의 위치, 압축 영역(CSR1, CSR2) 내의 응력 프로파일, 압축 영역(CSR1, CSR2)의 압축 에너지 또는 인장 영역(CTR)의 인장 에너지 등은 표면 강도와 같은 유리 제품(100)의 기계적 물성에 큰 영향을 끼친다. 이에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.

도 4는 일 실시예에 따른 유리 제품 제조 방법의 공정 단계별 순서도이다. 도 5는 도 4의 커팅 단계부터 강화 후 표면 연마 단계를 개략적으로 나타낸 모식도이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 강화된 유리 제품(100)의 제조 방법은, 성형 단계(S11), 커팅 단계(S12), 측면 연마 단계(S13), 강화 전 표면 연마 단계(S14), 강화 단계(S15), 및 강화 후 표면 연마 단계(S16)를 포함할 수 있다.

성형 단계(S11)는 유리 조성물을 준비하는 단계와 유리 조성물을 성형하는 단계를 포함할 수 있다.

유리 조성물은 본 기술분야에 알려진 다양한 조성을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 유리 조성물은 리튬 알루미노 실리케이트를 함유하는 LAS 유리 세라믹을 포함할 수 있다. 예를 들어, 유리 조성물은 SiO₂를 50 내지 80mol％, Al₂O₃을 1 내지 30mol％, B₂O₃을 0 내지 5mol%, P₂O₅를 0 내지 4mol%, Li₂O를 3 내지 20mol%, Na₂O를 0 내지 20mol%, K₂O를 0 내지 10mol%, MgO를 3 내지 20mol%, CaO를 0 내지 20mol%, SrO를 0 내지 20mol%, BaO를 0 내지 15mol%, ZnO를 0 내지 10mol%, TiO₂를 0 내지 1mol%, ZrO₂를 0 내지 8mol%의 함량으로 함유할 수 있다.

여기서, "함량이 0mol%인 것"은 해당 성분을 실질적으로 함유하지 않는 것을 의미한다. 조성물이 특정 성분을 "실질적으로 함유하지 않는다"는 것은 원재료 등에 의도적으로 함유시키지 않은 것을 의미하며, 예를 들어, 0.1mol% 이하와 같은 미량의 불순물이 불가피하게 함유되어 있는 경우를 포함한다.

유리 조성물의 각 성분에 대해 더욱 상세히 설명하면, SiO₂는 유리의 골격을 구성하며, 화학적 내구성을 높이고, 유리 표면에 흠집(압흔)이 생겼을 때의 크랙 발생을 저감시키는 역할을 할 수 있다. 위와 같은 역할을 충분히 수행하기 위해 SiO₂는 50mol％ 이상의 함량으로 포함될 수 있다. 충분한 용융성을 나타내기 위해 유리 조성물 내에서 SiO₂는 80mol% 이하의 함량을 가질 수 있다.

Al₂O₃는 유리의 파쇄성을 향상시키는 역할을 한다. 즉, Al₂O₃는 유리가 깨졌을 때 더 작은 수의 파편이 발생하도록 하는 역할을 할 수 있다. 또한, Al₂O₃는 화학 강화 시의 이온 교환 성능을 향상시키고, 강화 후의 표면 압축 응력을 크게 하는 유효 성분으로 작용할 수 있다. Al₂O₃의 함량이 1mol% 이상인 경우 상기와 같은 기능을 효과적으로 수행할 수 있다. 한편, 유리의 내산성, 용융성을 유지하기 위해서는 Al₂O₃의 함량이 30mol% 이하인 것이 바람직하다.

B₂O₃는 유리의 칩핑 내성을 향상시키고, 용융성을 개선한다. B₂O₃는 생략될 수도 있지만(0mol%), 0.5mol% 이상 함유되었을 때 유리의 용융성을 더욱 향상시킬 수 있다. B₂O₃의 함량이 5mol％ 이하인 것이 용융 시 맥리 발생을 억제하는 데에 유리할 수 있다.

P₂O₅는 이온 교환 성능과 칩핑 내성을 향상시킨다. P₂O₅는 생략될 수도 있지만(0mol%), 0.5mol% 이상 함유되었을 때 상기 기능을 유의미하게 수행할 수 있다. P₂O₅는 4mol％ 이하의 함량을 갖는 것이 파쇄성 및 내산성이 현저하게 저하하는 것을 방지하는 데에 도움이 된다.

Li₂O는 이온 교환에 의해 표면 압축 응력을 형성시키는 역할을 한다. 유리 표면 근처에 배치된 Li 이온은 이온 교환 공정을 통해 Na 이온 등으로 교환될 수 있다. Li₂O는 또한 유리의 파쇄성을 개선하는 역할을 더 할 수 있다. 효과적인 이온 교환을 위한 Li₂O의 함량은 3mol% 이상이며, 내산성 관점에서는 20mol％ 이하의 함량을 갖는 것이 바람직하다.

Na₂O는 이온 교환에 의해 표면 압축 응력을 형성시키고, 유리의 용융성을 향상시키는 역할을 한다. 유리 표면 근처에 배치된 Na 이온은 이온 교환 공정을 통해 K 이온 등으로 교환될 수 있다. Na₂O는 생략될 수도 있지만, 함유되는 경우, 1mol% 이상의 함량을 갖는 것이 위와 같은 역할을 유효하게 수행하는 데에 바람직하다. Li 이온과 Na 이온 교환 과정만 있고, K 이온 교환 과정이 없는 경우에는 Na₂O의 함유량이 8mol％ 이하인 것이 원활한 Li 이온과 Na 이온 교환을 위해 바람직할 수 있다. K 이온 교환 과정을 수반하는 경우에는 더 많은 양의 Na₂O가 사용될 수 있으나, 이 경우에도 내산성 관점에서는 20mol% 이하의 함량을 갖는 것이 바람직할 수 있다.

K₂O는 이온 교환 성능을 향상시키며, 파쇄성에 관계된다. K₂O는 생략될 수도 있지만, 이온 교환 성능을 향상시키기 위해 0.5mol% 이상 함유될 수 있다. 과도한 파쇄성 저하 방지하기 위한 K₂O의 함량은 10mol% 이하일 수 있다.

MgO는 화학 강화 유리의 표면 압축 응력을 증대시키고 파쇄성을 개선시키는 역할을 한다. 위와 같은 역할은 3mol% 이상의 함량을 가질 때 유효하게 수행될 수 있다. MgO의 함량은 20mol% 이하의 값을 갖는 것이 유리 용융 시 실투(devitrification) 발생 가능성을 줄이는 데에 유리하다.

CaO는 유리의 용융성을 향상시키고, 파쇄성을 개선하는 역할을 한다. CaO는 생략가능하며, 위와 같은 역할을 유효하게 수행하기 위해서는 0.5mol％ 이상의 함량을 갖는 것이 바람직하다. CaO의 함량이 너무 크면 이온 교환 성능이 저하될 수 있으므로, CaO의 함량은 20mol％ 이하의 값을 갖는 것이 바람직하다.

SrO는 CaO와 마찬가지로 유리의 용융성을 향상시키고, 파쇄성을 개선하는 역할을 한다. SrO는 생략가능하며, 위와 같은 역할을 유효하게 수행하기 위해서는 0.5mol％ 이상의 함량을 갖는 것이 바람직하다. SrO의 함량이 너무 크면 이온 교환 성능이 저하될 수 있으므로, SrO의 함량은 20mol％ 이하의 값을 갖는 것이 바람직하다.

BaO는 유리의 용융성을 향상시키고, 파쇄성을 개선하는 역할을 한다. BaO는 생략가능하며, 위와 같은 역할을 유효하게 수행하기 위해서는 0.5mol％ 이상의 함량을 갖는 것이 바람직하다. BaO의 함량은 15mol% 이하의 값을 갖는 것이 과도한 이온 교환 성능 저하를 막는 데에 유리할 수 있다.

ZnO는 유리의 용융성을 향상시키는 역할을 한다. ZnO는 생략가능하며, 0.25mol％ 이상의 함량을 가질 때, 그 함유에 따른 유의미한 용융성 향상 효과를 나타낼 수 있다. 내후성 저하를 방지하기 위해서는 ZnO의 함량을 10mol％ 이하로 유지하는 것이 바람직하다.

TiO₂는 화학 강화 유리의 파쇄성을 개선시킨다. TiO₂는 생략가능하며, 0.1mol％ 이상의 함량을 가질 때, 그 함유에 따른 유의미한 파쇄성 향상 효과를 나타낼 수 있다. 용융시 실투 현상을 방지하는 차원에서, TiO₂는 1mol% 이하의 함량을 갖는 것이 바람직하다.

ZrO₂는 이온 교환에 의한 표면 압축 응력을 증대시키고, 유리의 파쇄성을 개선할 수 있다. ZrO₂는 생략가능하며, 0.5mol% 이상 함유될 경우 위와 같은 역할을 유효하게 수행할 수 있다. ZrO2의 함량은 8mol% 이하인 것이 용융시 실투 현상을 억제하는 데에 유리할 수 있다.

유리 조성물은 이상에서 열거한 성분들 이외에도 필요에 따라 Y₂O₃, La₂O₃, Nb₂O₅, Ta₂O₅, Gd₂O₃ 등의 성분을 더 포함할 수도 있다. 유리 제품(100)의 조성은 후술하는 성형 공정이나 이온 교환 공정 등을 통해 변경될 수 있다.

상기 유리 조성물의 조성 및 조성비는 완성된 강화 유리의 스트레인 포인트를 고려하여 결정될 수 있다. 일반적으로 유리의 점도는 온도에 따라 달라지는데, 유리가 10^14.5 포와즈(poise)의 점도를 가질 때의 온도가 스트레인 포인트로 정의된다. 유리는 스트레인 포인트가 커질수록 내스크래치성이 개선되지만 스트레인 포인트가 너무 커지면 유리 제품(100)의 탄성이 낮아져 제품 적합성이 훼손될 수 있다. 실험적으로 확인된 바에 따르면, 유리 제품(100)의 스트레인 포인트가 530℃ 내지 540℃의 범위에 있을 때, 충분한 내스크래치성을 가지면서 적절한 탄성을 보유하여 제품 적합성을 갖출 수 있다. 이와 같은 스트레인 포인트는 유리 제품(100)의 성분과 조성비에 의해 조절될 수 있으며, 상기 범위의 스트레인 포인트를 만족하기 위해 본 단계에서 유리 조성물의 성분 및 조성비를 조절할 수 있다.

상기한 유리 조성물은 본 기술분야에 공지된 다양한 방법으로 판 유리 형상으로 성형될 수 있다. 예를 들어, 플로트법(float process), 퓨전 인발법(fusion draw process), 슬롯 인발법(slot draw process) 등의 방법으로 성형될 수 있다.

평판 플레이트 형상으로 성형된 유리는 커팅 단계(S12)를 통해 커팅될 수 있다. 평판 플레이트 형상으로 성형된 유리는 최종 유리 제품(100)에 적용되는 것과 다른 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 유리 성형은 복수의 유리 제품(100)을 포함하는 모 기판 유리(10a)으로서 큰 면적의 기판 상태로 진행하고, 이를 복수의 셀 유리(10)로 커팅하여 복수의 유리 제품(100)을 제조할 수 있다. 예를 들어, 최종 유리 제품(100)은 6인치 내외의 크기를 갖는다고 하더라도, 수배 내지 수백배의 크기, 예컨대 120인치로 유리를 성형한 후 이를 커팅하면, 한꺼번에 20개의 평판 플레이트 형상으로 성형된 유리를 얻을 수 있다. 이와 같이 함으로써, 개별 유리 제품(100)을 별도로 성형하는 것보다 공정 효율을 개선할 수 있다. 또한, 하나의 유리 제품(100) 크기에 해당하는 유리를 성형하는 경우에도 최종 유리 제품(100)이 다양한 평면 형상을 갖는 경우 커팅 공정을 통해 원하는 형상을 만들 수도 있다.

유리(10a)의 커팅은 커팅 나이프(20), 커팅 휠, 레이저 등을 이용하여 수행될 수 있다.

유리의 커팅 단계(S12)는 유리의 강화 단계(S15) 이전에 진행될 수 있다. 모 기판 단위의 유리(10a)를 한꺼번에 강화한 후 최종 유리 제품(100) 크기로 절단할 수도 있지만, 이 경우에는 커팅된 면(예컨대, 유리의 측면)이 강화되지 않은 상태에 놓일 수 있으므로, 먼저 커팅을 완료한 후 강화 단계(S15)를 진행하는 것이 바람직할 수 있다.

유리의 커팅 단계(S12)와 강화 단계(S15) 사이에는 강화 전 연마 단계가 진행될 수 있다. 연마 단계는 측면 연마 단계(S13) 및 강화 전 표면 연마 단계(S14)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 측면 연마 단계(S13)를 먼저 수행한 후 강화 전 표면 연마 단계(S14)를 수행하지만, 이 순서는 바뀔 수도 있다.

측면 연마 단계(S13)는 커팅된 유리(10)의 측면을 연마하는 단계이다. 측면 연마 단계(S13)는 유리(10)의 측면을 연마하여 매끄러운 면을 갖도록 한다. 또한, 측면 연마 단계(S13)를 통해 유리(10)의 각 측면이 균일한 면을 갖게 될 수 있다. 더욱 구체적으로 설명하면, 커팅된 유리(10)는 하나 이상의 커팅된 면을 포함할 수 있다. 커팅된 몇몇 유리(10)는 4개의 측면 중 2개의 측면이 커팅된 면일 수 있다. 커팅된 다른 몇몇 유리(10)는 4개의 측면 중 3개의 측면이 커팅된 면일 수 있다. 커팅된 몇몇 다른 유리(10)는 4개의 측면이 모두 커팅된 면일 수 있다. 측면이 커팅된 면인 경우와 커팅되지 않은 면인 경우는 표면 거칠기 등이 상이할 수 있다. 또한, 커팅된 면 사이에서도 서로 다른 표면 거칠기를 가질 수 있다. 따라서, 측면 연마 단계(S13)를 통해 각 측면을 연마함으로써, 각 측면이 균일한 표면 거칠기 등을 가질 수 있다. 나아가, 측면에 작은 크랙이 있는 경우, 측면 연마 단계(S13)를 통해 제거될 수 있다.

측면 연마 단계(S13)는 복수의 커팅된 유리(10)에 대해 동시에 이루어질 수 있다. 즉, 복수의 커팅된 유리(10)를 적층한 상태에서 적층된 유리(10)들을 동시에 연마할 수 있다.

측면 연마 단계(S13)는 연마 장치(30)를 이용한 기계적 연마 방식 또는 화학 기계적 연마 방식으로 진행될 수 있다. 일 실시예에서, 커팅된 유리(10)들의 2개의 마주보는 측면들을 동시에 연마하고, 이후 다른 2개의 마주보는 측면들을 동시에 연마할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

강화 전 표면 연마 단계(S14)는 각 유리(10)가 균일한 표면을 갖도록 하기 위해 수행될 수 있다. 강화 전 표면 연마 단계(S14)는 커팅된 각 유리(10)별로 하나씩 진행될 수도 있지만, 화학 기계적 연마 장치(40)가 유리(10)에 비해 충분히 큰 경우 복수의 유리(10)를 수평으로 배열한 후 복수의 유리(10)를 동시에 표면 연마할 수도 있다.

강화 전 표면 연마 단계(S14)는 화학 기계적 연마 방식으로 진행될 수 있다. 구체적으로, 화학 기계적 연마 장치(40) 및 연마 슬러리를 이용하여 커팅된 유리(10)의 제1 표면과 제2 표면을 연마한다. 제1 표면과 제2 표면은 동시에 연마될 수도 있고, 어느 하나의 표면을 먼저 연마한 후 나머지 표면을 연마할 수도 있다.

강화 전 연마 단계(S14) 이후에는 강화 단계(S15)가 진행된다. 강화 단계(S15)는 화학적 강화 및/또는 열적 강화로 진행될 수 있다. 2mm 이하, 나아가 약 0.75mm 또는 그 이하의 얇은 두께를 갖는 유리(10)의 경우, 정교한 응력 프로파일 제어를 위해 화학적 강화 방식이 적합하게 적용될 수 있다. 이하의 실시예에서는 유리(10)의 강화 단계(S15)로서 화학적 강화 방식이 적용된 경우를 예시하도록 한다.

화학적 강화는 이온 교환 공정을 통해 진행될 수 있다. 이온 교환 공정은 유리(10) 내부의 이온을 다른 이온으로 교환하는 공정이다. 이온 교환 공정을 통해 유리(10)의 표면이나 그 근처의 이온이 동일한 원자가 또는 산화 상태를 갖는 더 큰 이온에 의해 대체되거나 교환될 수 있다. 예를 들어, 유리(10)가 Li+, Na+, K+, Rb+ 등의 일가 알칼리 금속을 포함하는 경우, 표면의 일가 양이온은 그보다 이온 반지름이 큰 Na+, K+, Rb+, Cs+ 이온으로 교환될 수 있다. 이온 교환 공정에 대한 상세한 설명을 위해 도 6이 참조된다.

도 6은 일 실시예에 따른 이온 교환 공정을 나타낸 개략도이다. 도 6에서는 유리 내부의 나트륨 이온이 칼륨 이온으로 교환되는 경우를 예시한다.

도 6을 참조하면, 나트륨 이온을 포함하는 유리를 질산 칼륨을 포함하는 용융염 욕조(bath)에 담지시키는 등의 방법으로 칼륨 이온에 노출시키면, 유리 내부의 나트륨 이온이 외부로 배출되고 그 자리에 칼륨 이온이 대체될 수 있다. 교환된 칼륨 이온은 나트륨 이온보다 이온 반지름이 크기 때문에 압축 응력을 생성한다. 교환된 칼륨 이온의 양이 많을수록 압축 응력이 커지게 된다. 이온 교환은 유리의 표면을 통해 이루어지므로, 유리 표면의 칼륨 이온의 양이 가장 많을 수 있다. 교환된 칼륨 이온의 일부는 유리 내부로 확산되면서 압축 영역의 깊이, 다시 말하면 압축 깊이를 증가시킬 수 있지만, 그 양은 표면으로부터 멀어질수록 대체로 감소할 수 있다. 따라서, 유리는 표면의 압축 스트레스가 가장 크고 내부로 갈수록 감소하는 응력 프로파일을 가질 수 있다. 그러나, 실시예들이 상기 예시한 바에 제한되는 것은 아니고, 이온 교환 공정의 온도, 시간, 횟수, 열처리 유무 등에 따라 응력 프로파일은 변형될 수 있다.

다시 도 4 및 도 5을 참조하면, 이온 교환 공정은 2회 이상 진행될 수 있다. 예를 들어, 이온 교환 공정은 1차 이온 교환 공정(S51)과 2차 이온 교환 공정(S52)을 포함할 수 있다. 1차 이온 교환 공정(S51)과 2차 이온 교환 공정(S52)은 상이한 욕조(51, 52)에서 이루어질 수 있다. 각 이온 교환 공정(S51, S52)은 복수의 유리(10)에 대해 동시에 진행될 수 있다. 즉, 하나의 욕조(51, 52)에 복수의 유리(10)를 담지하여 복수의 유리(10)에서 이온 교환이 동시에 이루어지도록 할 수 있다. 이온 교환 공정에 대한 상세한 설명은 후술된다.

강화 단계(S15) 이후에는 선택적으로 강화 후 표면 연마 단계(S16)를 더 수행할 수 있다. 강화 후 표면 연마 단계(S16)는 강화된 유리(10) 표면의 미세 크랙을 제거하고, 강화된 유리(10)의 제1 표면과 제2 표면의 압축 응력을 제어하는 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 판 유리 제조방법 중 하나인 플로팅법은 주석 욕조에 유리 조성물을 흘리는 방식으로 진행하는데, 이 경우 주석 욕조와 접촉하는 면과 접촉하지 않는 면은 다른 조성을 가질 수 있다. 그에 따라 유리(10)의 강화 단계(S15) 이후 주석 접촉면과 비접촉면간 압축 응력의 편차가 발생할 수 있는데, 연마에 의해 유리(10)의 표면을 적절한 두께로 제거함으로써 접촉면과 비접촉면 간 압축 응력 편차를 감소시킬 수 있다

강화 후 표면 연마 단계(S16)는 화학 기계적 연마 방식으로 진행될 수 있다. 구체적으로, 화학 기계적 연마 장치(60) 및 연마 슬러리를 이용하여 피처리 유리(10)인 강화 유리(10)의 제1 표면과 제2 표면을 연마한다. 연마 두께는 예를 들어, 100nm 내지 1000nm의 범위에서 조절될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 제1 표면과 제2 표면의 연마 두께는 동일할 수도 있지만, 상이할 수도 있다.

도면으로 도시하지는 않았지만, 강화 후 표면 연마 단계(S16) 후에 필요에 따라 형상 가공 공정을 더 수행할 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 3차원 형상의 유리 제품(101-103)을 제조하는 경우, 강화 후 표면 연마 단계(S16)가 완료된 후에 3차원 가공 공정을 수행할 수 있다.

이와 같이 완성된 유리 제품(100)은 상술한 바와 같이, 530℃ 내지 540℃의 온도 범위에서 스트레인 포인트를 가지며, 그에 따라 높은 내스크래치성을 가질 수 있다.

이하, 강화된 유리 제품(100)의 응력 프로파일에 대해 상세히 설명한다.

도 7은 일 실시예에 따른 유리 제품의 응력 프로파일을 나타낸 그래프이다. 도 7의 그래프에서 x축은 유리 제품(100)의 두께 방향을 나타낸다. 도 7에서는 압축 응력이 양의 값으로, 인장 응력이 음의 값으로 표시되었다. 본 명세서에서 압축/인장 응력의 크기는 그 값의 부호와 상관없는 절대값의 크기를 의미한다.

도 7을 참조하면, 유리 제품(100)은 제1 표면(US)으로부터 제1 압축 깊이(DOC1)까지 연장(또는 확장)하는 제1 압축 영역(CSR1) 및 제2 표면(RS)으로부터 제2 압축 깊이(DOC2)까지 연장(또는 확장)하는 제2 압축 영역(CSR2)을 포함한다. 제1 압축 깊이(DOC1)와 제2 압축 깊이(DOC2) 사이에는 인장 영역(CTR)이 배치된다. 유리 제품(100) 내의 전반적인 응력 프로파일은 두께(t) 방향 중심을 기준으로 양 표면(US, RS) 측 영역이 상호 대칭인 관계를 가질 수 있다. 도 7에 도시되지는 않았지만, 유리 제품(100)의 마주하는 측면들 사이에도 유사한 방식으로 압축 영역과 인장 영역이 배치될 수 있을 것이다.

제1 압축 영역(CSR1)과 제2 압축 영역(CSR2)은 외부 충격에 저항하여 유리 제품(100)에 크랙이 발생하거나 유리 제품(100)이 파손되는 것을 방지하는 역할을 한다. 제1 압축 영역(CSR1)과 제2 압축 영역(CSR2)의 최대 압축 응력(CS1, CS2)이 클수록 대체로 유리 제품(100)의 강도가 증가한다. 외부 충격은 통상 유리 제품(100)의 표면을 통해 전달되므로, 유리 제품(100)의 표면에서 최대 압축 응력(CS1, CS2)을 갖는 것이 내구성 측면에서 유리하다. 이와 같은 관점에서 제1 압축 영역(CSR1) 및 제2 압축 영역(CSR2)의 압축 응력은 표면에서 가장 크고 내부로 갈수록 대체로 감소하는 경향을 보인다.

제1 압축 깊이(DOC1)와 제2 압축 깊이(DOC2)는 제1 표면(US) 및 제2 표면(RS)에 형성된 크랙이나 홈이 유리 제품(100) 내부의 인장 영역(CTR)으로 전파하는 것을 저지한다. 제1 압축 깊이(DOC1)와 제2 압축 깊이(DOC2)가 클수록 크랙 등의 전파를 잘 저지할 수 있다. 제1 압축 깊이(DOC1)와 제2 압축 깊이(DOC2)에 해당하는 지점은 압축 영역(CSR1, CSR2)과 인장 영역(CTR)의 경계에 해당하며, 그 응력값은 0이 된다.

유리 제품(100) 전체에 걸쳐, 인장 영역(CTR)의 인장 응력은 압축 영역(CSR1, CSR2)의 압축 응력과 균형을 이룰 수 있다. 즉, 유리 제품(100) 내의 압축 응력의 총합(즉, 압축 에너지)과 인장 응력의 총합(즉, 인장 에너지)은 동일할 수 있다. 유리 제품(100) 내에서 두께(t) 방향으로 일정한 폭을 갖는 일 영역에 누적된 응력 에너지는 응력 프로파일을 적분한 값으로 계산될 수 있다. 두께가 t인 유리 제품(100) 내의 응력 프로파일이 함수 f(x)로 표시될 때 아래의 관계식이 성립할 수 있다.

[식 1]

유리 제품(100)은 내부의 인장 응력의 크기가 클수록 유리 제품(100)이 깨졌을 때 파편이 격렬히 방출되고 유리 제품(100) 내부로부터 파쇄가 일어날 우려가 있다. 이와 같은 유리 제품(100)의 취약성 기준을 충족하는 최대 인장 응력은, 이에 제한되는 것은 아니지만, 아래의 관계식을 만족할 수 있다.

[식 2]

몇몇 실시예에서, 최대 인장 응력(CT1)은 80 MPa 이하이거나, 45 MPa 이하일 수 있다. 한편, 최대 인장 응력(CT1)은 60MPa 이상인 것이 강도와 같은 기계적인 특성을 개선하는 데에 바람직할 수 있다. 일 실시예에서, 최대 인장 응력(CT1)은 65 MPa 이상 75 MPa 이하일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

유리 제품(100)의 최대 인장 응력(CT1)은 대체로 유리 제품(100)의 두께(t) 방향 중앙부에 위치할 수 있다. 예를 들어, 유리 제품(100)의 최대 인장 응력(CT1)은 0.4t 내지 0.6t의 범위, 또는 0.45t 내지 0.55t의 범위의 깊이에 위치하거나, 약 0.5t의 깊이에 위치할 수 있다.

한편, 유리 제품(100)의 강도를 높이기 위해서는 압축 응력 및 압축 깊이(DOC1, DOC2)가 큰 것이 바람직하지만, 압축 에너지가 커지면 인장 에너지도 함께 커지면서 최대 인장 응력(CT1)도 증가할 수 있다. 높은 강도를 가지면서도 취약성 기준을 충족시키기 위해서는 최대 압축 응력(CS1, CS2) 및 압축 깊이(DOC1, DOC2)는 크면서 압축 에너지가 작아지도록 응력 프로파일을 조절하는 것이 바람직하다. 이를 위해 제1 압축 영역(CSR1)과 제2 압축 영역(CSR2)은 각각 응력 프로파일의 기울기가 급격하게 변하는 제1 전이점(TP1)과 제2 전이점(TP2)을 포함할 수 있다. 이와 같은 응력 프로파일의 형상(특히, 압축 영역의 응력 프로파일의 형상)은 1차 이온 교환 공정과 2차 이온 교환 공정의 공정 조건을 조절함으로써 정밀하게 조절될 수 있다.

이하, 압축 영역의 응력 프로파일에 대한 상세한 설명을 위해 도 6 및 도 7이 참조된다. 이하에서는 제1 압축 영역(CSR1)의 응력 프로파일을 중심으로 설명하며, 제1 압축 영역(CSR1)과 제2 압축 영역(CSR2)은 응력 프로파일 상 대칭 관계를 가지므로, 제2 압축 영역(CSR2)에 대한 중복적인 응력 프로파일의 설명은 생략하거나 간략화하기로 한다.

도 8은 도 7의 제1 압축 영역 부근을 확대한 그래프이다. 도 9는 도 8의 응력 프로파일이 근사하는 직선 그래프를 개략적으로 도시한 모식도이다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 제1 압축 영역(CSR1)에서 응력 프로파일은 음의 기울기를 가지며 제1 표면(US)으로부터 제1 압축 깊이(DOC1)로 갈수록 전반적으로 감소한다. 제1 압축 영역(CSR1) 내에서 응력 프로파일은 기울기가 급격하게 변화하는 적어도 하나의 제1 전이점(TP1)(또는 변곡점)을 포함한다.

제1 전이점(TP1)은 제1 표면(US)과 제1 압축 깊이(DOC1)의 사이에 위치한다. 제1 전이점(TP1)을 기준으로 응력 프로파일은 제1 세그먼트(SG1)와 제2 세그먼트(SG2)로 구분될 수 있다. 즉, 응력 프로파일은 제1 표면(US)으로부터 제1 전이점(TP1)까지 연장하는 제1 세그먼트(SG1) 및 제1 전이점(TP1)으로부터 제1 압축 깊이(DOC1)까지 연장하는 제2 세그먼트(SG2)를 포함할 수 있다.

제1 세그먼트(SG1)와 제2 세그먼트(SG2)는 침투한 이온의 종류에 의해 구분될 수 있다. 예를 들어, 칼륨 이온은 제1 압축 영역(CSR1)에서 상대적으로 제1 표면(US) 측에 위치하는 제1 세그먼트(SG1)의 깊이 구간까지만 침투하고, 그 내부에 위치하는 제2 세그먼트(SG2)의 깊이 구간에는 실질적으로 침투하지 않을 수 있다. 반면, 칼륨 이온보다 작은 이온 크기를 갖는 나트륨 이온은 제1 세그먼트(SG1)의 깊이 구간뿐만 아니라 제2 세그먼트(SG2)의 깊이 구간에까지도 침투할 수 있다.

제1 압축 영역(CSR1)에서 상대적으로 제1 표면(US) 측에 위치하는 제1 세그먼트(SG1)의 응력은 주로 칼륨 이온의 밀도에 의해 결정될 수 있다. 상술한 바와 같이 제1 세그먼트(SG1)의 구간은 나트륨 이온도 더 포함할 수 있지만, 해당 구간의 응력은 주로 이온의 크기가 더 큰 칼륨 이온의 밀도에 의해 좌우될 수 있다. 제1 세그먼트(SG1)의 깊이 구간에서, 칼륨 이온의 밀도가 클수록 높은 응력을 나타내며, 응력 프로파일은 대체로 칼륨 이온의 밀도 프로파일에 근사할 수 있다. 제1 전이점(TP1)은 칼륨 이온의 최대 침투 깊이에 해당할 수 있다.

제1 압축 영역(CSR1)에서 상대적으로 내부에 위치하는 제2 세그먼트(SG2)의 응력은 주로 나트륨 이온의 밀도에 의해 결정될 수 있다. 즉, 제2 세그먼트(SG2)의 깊이 구간에서 나트륨 이온의 밀도가 클수록 높은 응력을 나타내며, 응력 프로파일은 대체로 나트륨 이온의 밀도 프로파일에 근사할 수 있다. 제1 압축 깊이(DOC1)는 대체로 나트륨 이온의 최대 침투 깊이에 해당할 수 있다.

제1 세그먼트(SG1)는 해당 구간 내에서 제1 전이점(TP1) 좌표와 제1 표면(US)의 좌표를 연결하는 제1 직선(ℓ1)에 대체로 근사할 수 있다. 제1 직선(ℓ1)은 깊이를 x축으로 하고, 응력을 y축으로 하는 좌표 평면 내에서 아래의 식 3과 같은 제1 함수로 표현될 수 있다.

[식 3]

상기 제1 함수에서 m₁은 제1 직선(ℓ1)의 제1 기울기가 되고, a는 y 절편으로서 제1 표면(US)에서의 압축 응력을 나타낸다.

제2 세그먼트(SG2)는 해당 구간 내에서 제1 전이점(TP1) 좌표와 응력값이 0인 제1 압축 깊이(DOC1)의 좌표를 연결하는 제2 직선(ℓ2)에 대체로 근사할 수 있다. 제2 직선(ℓ2)은 깊이를 x축으로 하고, 스트레스를 y축으로 하는 좌표 평면 내에서 아래의 식 4와 같은 제2 함수로 표현될 수 있다.

[식 4]

상기 제2 함수에서 m₂는 제2 직선(ℓ2)의 제2 기울기가 되고, b는 y 절편이며, x 절편인 -b/m₂는 제1 압축 깊이(DOC1)를 나타낸다. 제1 압축 영역(CTR1)에 인접한 인장 영역(CTR)의 일부 구간은 그 응력 프로파일이 제2 직선(ℓ2)을 따를 수 있다.

상기 함수들에서 제1 기울기(m₁)와 제2 기울기(m₂)는 각각 음의 값을 갖고, 제1 직선(ℓ1)의 제1 기울기(m₁)의 절대값은 제2 직선(ℓ2)의 제2 기울기(m₂)의 절대값보다 크다. 제1 세그먼트(SG1)는 대체로 제1 기울기(m₁)를 갖고, 제2 세그먼트(SG2)는 대체로 제2 기울기(m₂)를 가질 수 있다.

응력 프로파일의 기울기(또는 경사)는 제1 전이점(TP1)을 기준으로 급격하게 변하게 된다. 제1 전이점(TP1)은 제1 직선(ℓ1)과 제2 직선(ℓ2)이 만나는 지점에 위치하지만, 실제의 응력 프로파일 상 제2 세그먼트(SG2)와 제1 세그먼트(SG1)는 제1 전이점(TP1) 주위에서 곡선을 이루는 변곡점 형상을 하게 된다. 응력 프로파일은 제1 전이점(TP1)에서 제3 기울기(m₃)를 가지며, 제3 기울기(m₃)는 제1 전이점(TP1)에서 응력 프로파일의 접선(ℓ3)의 기울기로 계산될 수 있다. 제3 기울기(m₃)는 제1 전이점(TP1)에 인접한 제1 세그먼트(SG1)의 일 지점과 제2 세그먼트(SG2)의 일 지점을 연결한 직선의 기울기에 근사할 수 있다. 제1 전이점(TP1)에서의 접선(ℓ3)은 아래의 식 5와 같은 제3 함수로 표현될 수 있다.

[식 5]

제3 기울기(m₃)는 음의 값을 갖고, 제3 기울기(m₃)의 절대값은 제1 기울기(m₁)의 절대값보다 작고, 제2 기울기(m₂)의 절대값보다 클 수 있다.

일 실시예에서, 제3 함수의 제3 기울기(m₃)의 절대값은 9(MPa/um) 내지 12(MPa/um)의 범위에 있을 수 있다. 다른 실시예에서, 제3 함수의 제3 기울기(m₃)의 절대값은 10(MPa/um) 내지 11(MPa/um)의 범위에 있을 수 있다. 또한, 제3 함수의 y 절편은 270 MPa 내지 300 MPa의 범위에 있을 수 있다. 예를 들어, m₃는 약 -10.249(MPa/um)이고, c는 292.5(MPa)일 수 있다. 제3 함수의 제3 기울기(m₃) 및 y 절편이 상기 범위를 만족하는 경우, 제1 전이점(TP1)의 응력-깊이 비(CDR) 및 압축 에너지의 크기를 후술하는 바람직한 범위에 위치시키기 용이하다.

서로 다른 기울기를 갖는 제1 세그먼트(SG1)와 제2 세그먼트(SG2)는 복수회의 이온 교환 공정에 의해 생성될 수 있다. 1차 이온 교환 공정을 통해 제2 세그먼트(SG2)가 생성되고, 2차 이온 교환 공정을 통해 제1 세그먼트(SG1)가 생성될 수 있다.

더욱 구체적으로 설명하면, 1차 이온 교환 공정은 유리에 압축 깊이(DOC1, DOC2)를 부여하는 공정으로, 통상 유리를 나트륨 이온을 포함하는 단일 용융염 또는 칼륨 이온과 나트륨 이온을 포함하는 혼합 용융염에 노출시키는 방식으로 진행된다. 예를 들어, 1차 이온 교환 공정을 위해 유리를 질산 나트륨을 포함하는 단일 용융염 또는 질산 칼륨과 질산 나트륨이 혼합된 혼합 용융염을 포함하는 제1 욕조(도 5의 '51' 참조)에 담지한다. 혼합 용융염을 사용하는 경우, 제1 욕조 내의 질산 칼륨과 질산 나트륨의 함량은 유사할 수 있다. 예를 들어, 질산 칼륨과 질산 나트륨의 염비는 40:60 내지 60:40의 범위에서 조절될 수 있다. 일 실시예에서, 1차 이온 교환 공정의 혼합 용융염에서 질산 칼륨과 질산 나트륨의 염비는 50:50일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

1차 이온 교환 공정은 유리 전이 온도보다 50℃ 낮은 온도에 대해 ±20℃인 온도 범위에서 진행될 수 있다. 예를 들어, 유리 전이 온도가 약 580℃인 경우 1차 이온 교환 공정은 약 500℃ 이상의 온도에서 진행될 수 있다. 1차 이온 교환 공정 시간은 3시간 내지 8시간일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

1차 이온 교환 공정을 통해 유리 내부의 작은 이온인 리튬 이온/나트륨 이온이 용융염 내의 그보다 큰 이온인 나트륨 이온/칼륨 이온으로 교환되면서 유리 내부에 나트륨 이온 및/또는 칼륨 이온의 농도가 높아진다. 한편, 용융염은 유리로부터 리튬 이온을 제공받기 때문에, 1차 이온 교환 공정을 거친 제1 욕조의 용융염은 나트륨 이온과 칼륨 이온 외에 리튬 이온을 추가로 더 포함하게 될 수 있다.

1차 이온 교환 공정 이후 2차 이온 교환 공정 전에, 스트레스 완화 공정(또는 어닐링 공정)이 더 진행될 수 있다. 스트레스 완화 공정은 약 500℃ 이상의 온도에서 1 내지 3시간 동안 진행될 수 있다. 스트레스 완화 공정을 통해 최대 압축 스트레스가 감소하고, 나트륨 이온(및/또는 칼륨 이온)이 유리 내부로 확산하여 압축 깊이가 커질 수 있다. 스트레스 완화 공정은 공기 중 또는 액체 내에서 진행될 수 있다. 스트레스 완화 공정은 생략될 수도 있다.

1차 이온 교환 공정이 완료되면(스트레스 완화 공정이 추가되는 경우 스트레스 완화 공정이 완료되면), 제2 직선(ℓ2)에 상응하는 응력 프로파일이 생성된다. 즉, 혼합 용융염의 나트륨 이온 및/또는 칼륨 이온이 유리 내부로 교환되어 침투한 후, 깊이 방향으로 확산한다. 나트륨 이온은 대체로 제1 압축 깊이(DOC1)까지 확산하여 제1 표면(US)으로부터 제1 압축 깊이(DOC1)까지 압축 응력을 갖는 제1 압축 영역(CSR1)을 형성한다. 즉, 1차 이온 교환 공정 및/또는 스트레스 완화 공정에 의해 제1 압축 깊이(DOC1)가 결정된다.

한편, 확산에 의한 이온의 밀도는 대체로 확산된 거리에 반비례한다. 나트륨 이온과 칼륨 이온은 유리의 표면으로부터 이온 교환을 통해 유리 내부에 진입하여 깊이 방향으로 확산하므로, 나트륨 이온과 칼륨의 이온의 농도는 유리 제1 표면(US)으로부터 멀어질수록 대체로 선형적으로 감소하는 경향을 나타낸다. 그에 따라, 응력 프로파일은 유리 제1 표면(US1)이 가장 크고 깊이 방향으로 갈수록 감소하는 제2 직선(ℓ2)과 같은 형태를 띠게 된다.

또한, 이온의 확산 정도는 이온의 크기에 반비례한다. 즉, 이온의 크기가 더 작을수록 더 많이 확산할 수 있다. 따라서, 1차 이온 교환 공정을 통해 유리 내부에 나트륨 이온과 칼륨 이온이 모두 침투하는 경우, 상대적으로 더 작은 크기를 갖는 나트륨 이온이 더 많이 확산하여 더 깊이까지 침투할 수 있다. 나트륨 이온은 제1 압축 깊이(DOC1)까지 확산하지만, 칼륨 이온은 최대 제1 전이점(TP1) 이하의 깊이까지 확산할 수 있다.

이처럼, 제1 압축 깊이(DOC1)는 이온 교환되는 더 작은 이온인 나트륨 이온의 최대 확산 깊이와 밀접한 상관 관계를 갖는다. 제1 압축 깊이(DOC1)는 나트륨 이온 최대 확산 깊이와 동일하거나, 다소간의 차이가 있더라도 그 주변에 위치하며 대체로 나트륨 이온의 최대 확산 깊이에 비례하는 관계를 가질 수 있다. 이와 같이 1차 이온 교환 공정 및/또는 스트레스 완화 공정은 충분한 확산을 통해 소정의 제1 압축 깊이(DOC1)를 형성하는 공정으로서, 이온들이 충분히 확산될 수 있도록 충분히 긴 시간 동안 진행된다.

한편, 이온 확산이 많이 이루어질수록 최대 압축 응력(CS1)은 작아질 수 있다. 최대 압축 응력(CS1)은 이온의 밀도가 클수록 커지므로, 유리 내부에 진입한 이온량이 동일하다면 확산이 많이 될수록 밀도가 작아져 압축 응력이 작아진다. 1차 이온 교환 공정은 이처럼 제1 표면(US)의 최대 압축 응력(CS1)을 크게 만드는 데에 한계가 있기 때문에, 더 큰 표면 압축 응력(CS1)을 형성하기 위해, 1차 이온 교환 공정 후 2차 이온 교환 공정을 추가로 수행한다.

2차 이온 교환 공정은 최대 압축 응력(CS1)을 크게 하는 공정으로, 통상 칼륨 이온을 포함하는 용융된 단일염 또는 칼륨 이온과 나트륨 이온을 포함하는 혼합 용융염에 노출시키는 방식으로 진행된다. 예를 들어, 2차 이온 교환 공정을 위해 1차 이온 교환 공정을 거친 유리를 질산 칼륨을 포함하는 단일 용융염 또는 질산 칼륨과 질산 나트륨이 혼합된 혼합 용융염을 포함하는 제2 욕조(도 5의 '52' 참조)에 담지한다. 혼합 용융염을 사용하는 경우에도 유리 내부로 침투하는 주된 이온은 칼륨 이온이 되도록 염비를 조절한다. 즉, 제2 욕조 내의 질산 칼륨의 함량은 1차 이온 교환 공정보다 더 크며, 나아가, 질산 칼륨의 농도가 질산 나트륨보다 더 클 수 있다. 예를 들어, 제2 욕조 내의 질산 칼륨과 질산 나트륨의 염비는 80:20 내지 98:2의 범위에서 조절될 수 있다. 일 실시예에서, 2차 이온 교환 공정의 혼합 용융염에서 질산 칼륨과 질산 나트륨의 염비는 92:8일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

2차 이온 교환 공정은 1차 이온 교환 공정보다 낮은 온도 및 짧은 시간 동안 진행될 수 있다. 예를 들어, 2차 이온 교환 공정은 380℃ 내지 460℃의 온도 범위에서 1시간 내지 3시간, 또는 1.3시간 내지 2시간 동안 진행될 수 있다.

2차 이온 교환을 통해 유리 표면(US)의 얕은 깊이 구간에서의 압축 응력이 큰 폭으로 증가할 수 있다. 구체적으로, 유리 내부에 칼륨 이온이 침투하면 크기가 큰 칼륨 이온에 의해 해당 부위의 압축 응력이 더 커진다. 유리 내부에 침투한 칼륨 이온은 깊이 방향으로 확산하는데, 1차 이온 교환 공정과 비교할 때 칼륨 이온이 나트륨 이온보다 확산 속도가 느릴 뿐만 아니라, 2차 이온 교환 공정의 진행 시간도 1차 이온 교환 공정에 비해 짧으므로, 2차 이온 교환 공정을 통해 확산되는 칼륨 이온의 확산 깊이는 제1 압축 깊이(DOC1)보다 훨씬 짧다. 칼륨 이온의 최대 확산 깊이는 상술한 바와 같이, 제1 전이점(TP1) 이하가 될 수 있다.

2차 이온 교환 공정을 통해 추가로 침투된 칼륨 이온에 의해 형성되는 응력 프로파일은 대체로 제1 직선(ℓ1)과 같은 형태를 띠게 된다. 2차 이온 교환 공정을 통해 제1 표면(US)의 압축 응력(CS1)은 커지는 반면, 칼륨 이온의 침투 깊이(또는 제1 전이점(TP1)은 제1 압축 깊이(DOC1)보다 작으므로, 제1 직선(ℓ1)의 제1 기울기(m1)의 절대값은 제2 직선(ℓ2)의 제2 기울기(m2)의 절대값보다 크게 된다. 즉, 압축 응력 프로파일은 유리 제품(100)의 표면 부근에서 급격한 경사를 갖고, 유리 제품(100)의 내부로 갈수록 경사가 완만해질 수 있다.

상술한 바와 같은 제1 압축 영역(CSR1)에서의 응력 프로파일은 적어도 3개의 주요 특징점을 가질 수 있다.

제1 특징점은 제2 직선(ℓ2)의 y 절편에 해당하는 점으로, 제1 표면(US)에 위치한다. 제2 특징점은 제1 직선(ℓ1)의 x 절편에 해당하는 점으로, 제1 압축 깊이(DOC1)에 해당한다. 제3 특징점은 제1 전이점(TP1)에 위치한다. 상기한 특징점의 위치는 응력 프로파일을 실질적으로 결정하는 인자가 된다. 제1 특징점과 제3 특징점 사이는 제1 직선(ℓ1)에 근사하고, 제2 특징점과 제3 특징점 사이는 제2 직선(ℓ2)에 근사하므로, 제1 특징점, 제2 특징점 및 제3 특징점이 결정되면 응력 프로파일의 형태도 함께 결정될 수 있다.

제1 특징점은 제1 표면(US)에 위치하는 점으로서, x 좌표값은 0이고, y 좌표값은 최대 압축 응력(CS1)에 해당된다. 제1 특징점이 표현하는 최대 압축 응력(CS1)은 유리 제품(100)의 강도에 관계된다. 최대 압축 응력(CS1)이 클수록 외부 충격에 의한 크랙 발생을 방지할 수 있다. 최대 압축 응력(CS1)은 주로 2차 이온 교환 공정에서 얼마나 많은 칼륨 이온이 교환되는지 여부에 의해 결정되며, 이온 교환 후 확산이 이루어지는 정도에 대해서도 소정의 관련성을 가질 수 있다.

최대 압축 응력(CS1)은 300MPa 이상일 수 있다. 다양한 실시예들에서, 최대 압축 응력(CS1)은 350MPa 이상이거나, 400MPa 이상이거나, 450MPa 이상이거나, 500MPa 이상일 수 있다. 또한, 최대 압축 응력(CS1)은 2000MPa 이하일 수 있다. 다양한 실시예들에서, 최대 압축 응력(CS1)은 1800MPa 이하이거나, 1500MPa 이하이거나, 1050MPa 이하일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 최대 압축 응력(CS1)은 780 MPa 내지 820MPa의 범위에 있을 수 있다.

제2 특징점은 응력값이 0인 지점으로, y 좌표값은 0이고, x 좌표값은 제1 압축 깊이(DOC1)에 해당된다. 제2 특징점이 표현하는 제1 압축 깊이(DOC1)는 유리 제품(100)의 제1 압축 영역(CSR1)의 크기(또는 폭)에 해당하며, 제1 압축 깊이(DOC1)가 증가할수록 크랙이 인장 영역(CTR)까지 전파하는 것을 방지하는 데에 유리하다. 이와 같은 관점에서, 제1 압축 깊이(DOC1)(다시 말하면, 제1 표면(US)으로부터 제1 압축 깊이(DOC1)까지의 거리)는 50um 이상, 또는 65um 이상, 또는 80um 이상, 또는 95um 이상일 수 있다. 한편, 제1 압축 깊이(DOC1)가 너무 크면 압축 에너지 및 인장 에너지의 크기가 너무 커져 취약성 기준을 만족시키지 못할 수 있다. 이와 같은 관점에서 제1 압축 깊이(DOC1)는 250um 이하, 또는 200um 이하, 또는 180um 이하, 또는 150um 이하, 또는 135um 이하일 수 있다. 바람직한 일 실시예에서, 제1 압축 깊이(DOC1)는 110um 이상 120um 이하의 범위를 가질 수 있다.

제1 압축 깊이(DOC1)는 주로 1차 이온 교환 공정 및/또는 스트레스 완화 공정의 온도 및 시간에 의해 조절될 수 있다.

제1 압축 깊이(DOC1)는 유리의 두께(t)에 대해 0.1t 이상, 또는 0.15t 이상, 또는 0.18t 이상일 수 있다. 또한 제1 압축 깊이(DOC1)는 유리의 두께(t)에 대해 0.25t 이하, 또는 0.23t 이하, 또는 0.2t 이하일 수 있다.

제3 특징점은 소정의 깊이에 위치하고, 소정의 응력값을 갖는다. 제3 특징점이 표현하는 제1 전이점(TP1)은 제1 세그먼트(SG1)의 제1 기울기(m₁)와 제2 세그먼트(SG2)의 제2 기울기(m₂)와 깊은 관련성이 있다. 제1 기울기(m₁)는 1차 이온 교환 공정과 스트레스 완화 공정의 공정 조건에 의해 결정되고, 제2 기울기(m₂)는 2차 이온 교환 공정의 공정 조건에 의해 결정될 수 있다.

제1 전이점(TP1)의 x 좌표값(깊이)은 0과 제1 압축 깊이(DOC1)의 사이값을 갖고, y 좌표값(응력)은 0과 최대 압축 응력의 사이값을 갖는다. 상술한 제1 압축 깊이(DOC1)와 최대 압축 응력(CS1)의 예시에 따르면, 제1 전이점(TP1)의 깊이는 0 초과 9.0um 미만의 범위 내에 존재하고, 응력은 0 초과 220 MPa 미만의 범위 내에 존재할 수 있다. 이와 같은, 제1 전이점(TP1)의 위치는 제1 압축 영역(CSR1) 내에서의 응력 프로파일의 대체적인 형상을 결정한다. 뿐만 아니라, 제1 전이점(TP1)의 위치는 제1 압축 영역(CSR1)의 면적, 다시 말하면 압축 에너지의 크기를 좌우한다.

제1 전이점(TP1)의 깊이(DOL_TP1)가 너무 크면, 제조 비용이 증가하고 압축 에너지의 크기가 과도하게 커지거나 강도 등의 기계적 물성이 약화될 수 있다. 제1 전이점(TP1)의 깊이(DOL_TP1)가 너무 작으면 강한 충격에 의해 전달되는 크랙의 전파를 강력하게 저지할 수 있는 구간이 줄어들 수 있다. 상기와 같은 관점에서, 제1 전이점(TP1)의 깊이(DOL_TP1)는 8.1um 내지 9.5um의 범위에 있을 수 있다.

제1 전이점(TP1)의 깊이(DOL_TP1)와 제1 압축 깊이(DOC1)의 비율은 0.065 내지 0.095의 범위에 있거나, 0.07 내지 0.08의 범위 내에 있을 수 있다. 제1 전이점(TP1)의 깊이(DOL_TP1)는 유리의 두께(t)에 대해 0.010t 내지 0.015t의 범위에 있거나, 0.011t 내지 0.014t의 범위에 있을 수 있다.

제1 전이점(TP1)의 응력(CS_TP1)은 약 150MPa 이상이거나, 약 180MPa 이상이거나, 약 197MPa 이상일 수 있다. 또한, 제1 전이점(TP1)의 응력(CS_TP1)은 약 250MPa 이하이거나, 약 230MPa 이하이거나, 약 207MPa 이하일 수 있다. 제1 전이점(TP1)의 응력(CS_TP1)이 너무 크게 되면 압축 에너지가 증가하거나 제1 전이점(TP1) 깊이가 작아져 크랙 전파를 저지하기 어렵다. 제1 전이점(TP1)의 응력(CS_TP1)이 너무 작으면, 강도가 너무 작아질 수 있다. 이와 같은 관점에서, 일 실시예에서 제1 전이점(TP1)의 응력(CS_TP1)은 150 MPa 내지 250 MPa의 범위에 있을 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 전이점(TP1)의 응력(CS_TP1)은 180MPa 내지 230MPa의 범위에 있을 수 있다. 또 다른 실시예에서, 제1 전이점(TP1)의 응력(CS_TP1)은 197MPa 내지 207MPa의 범위에 있을 수 있다. 제1 전이점(TP1)의 응력(CS_TP1)은 최대 압축 응력(CS1)의 0.220배 내지 0.260배의 범위에 있거나, 0.230배 내지 0.255배의 범위에 있을 수 있다.

한편, 제1 전이점(TP1)의 깊이(DOL_TP1) 및 응력(CS_TP1) 외에도 제1 전이점(TP1)의 깊이(DOL_TP1)에 대한 응력(CS_TP1)의 비율(이하, 응력-깊이 비(CDR)는 응력 프로파일 중 각 세그먼트(SG1, SG2)의 압축 에너지(즉, 각 세그먼트를 적분한 값)의 비율을 결정하는 주요 인자가 된다.

한편, 응력 프로파일은 크랙 저지점(P50)에서 크랙 저지 응력(CS_50)을 갖는다. 크랙 저지점(P50)은 유리 표면(US)으로부터 50um 깊이에 위치하는 지점으로서, 크랙 저지 응력(CS_50)은 이하 실험예 3의 모형 낙하 실험에서 후술할 유리의 임계 낙하 높이에 유의미한 영향을 미친다. 실험적인 결과로서, 실험예 3의 모형 낙하 실험의 각 샘플에서 발생한 크랙 깊이는 50um의 중간값(median)을 가졌다. 보다 자세한 사항은 실험예 3의 모형 낙하 실험을 참조하여 후술하기로 한다.

크랙 저지점(P50)의 크랙 저지 응력(CS_50)은 0보다 크고 제1 전이점(TP1)의 응력(CS_TP1)보다 작은 값을 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 크랙 저지 응력(CS_50)은 약 55MPa 이상이거나, 약 65MPa 이상이거나, 또는 약 75MPa 이상의 값을 가질 수 있다. 또한, 크랙 저지 응력(CS_50)은 약 100MPa 이하이거나, 약 90MPa 이하이거나, 또는 약 80MPa 이하일 수 있다. 일 실시예에서, 크랙 저지 응력(CS_50)은 55MPa 내지 100MPa 범위의 값을 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 크랙 저지 응력(CS_50)은 65MPa 내지 90MPa 범위의 값을 가질 수 있다. 또 다른 실시예에서, 크랙 저지 응력(CS_50)은 75MPa 내지 80MPa 범위의 값을 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

도 9에 도시된 응력 프로파일은 제2 세그먼트(SG2) 구간의 제1 전이점(TP1) 좌표와 제1 압축 깊이(DOC1)의 좌표를 연결하는 제2 직선(ℓ2)상에서 유리 표면(US)으로부터 50um 깊이에 위치하는 근사된 크랙 저지점(P'50)을 가질 수 있다. 근사된 크랙 저지점(P'50)에서의 응력은 근사된 크랙 저지 응력(CS'_50)일 수 있다. 근사된 크랙 저지 응력(CS'_50)은 크랙 저지 응력(CS_50)보다 크고, 제1 전이점(TP1)의 응력(CS_TP1)보다 작은 값을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 근사된 크랙 저지 응력(CS'_50)은 80MPa 내지 170MPa 범위의 값을 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 근사된 크랙 저지 응력(CS'_50)은 100MPa 내지 150MPa 범위의 값을 가질 수 있다. 또 다른 실시예에서, 근사된 크랙 저지 응력(CS'_50)은 120MPa 내지 130MPa 범위의 값을 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

또한, 도 9에서 도시된 응력 프로파일은 근사된 크랙 저지 응력(CS'_50)과 크랙 저지 응력(CS_50)의 차이로 정의되는 크랙 저지 응력 갭(ΔCS_50)을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 크랙 저지 응력 갭(ΔCS_50)은 30MPa 내지 70MPa의 범위의 값을 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 크랙 저지 응력 갭(ΔCS_50)은 40MPa 내지 60MPa의 범위의 값을 가질 수 있다. 또 다른 실시예에서, 크랙 저지 응력 갭(ΔCS_50)은 45MPa 내지 55MPa의 범위의 값을 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

도 10은 다양한 제1 전이점 응력-깊이 비에 따른 응력 프로파일을 나타낸 모식도이다. 도 8, 도 9 및 도 10을 참조하면, 제1 전이점(TP1)의 응력-깊이 비(CDR)가 커질수록 제1 전이점(TP1) 깊이(DOL_TP1)는 상대적으로 감소하고 제1 전이점(TP1) 응력(CS_TP1)은 상대적으로 증가하는 경향을 보이며, 제1 세그먼트(SG1)에 의한 제1 압축 에너지(또는 표면 압축 에너지)는 상대적으로 작아지지만, 제2 세그먼트(SG2)에 의한 제2 압축 에너지(또는 내부 압축 에너지)는 상대적으로 증가하게 된다. 반면, 제1 전이점(TP1)의 응력-깊이 비(CDR)가 작아지면 그 반대의 경향성을 나타내게 된다.

실험적으로 확인된 바에 따르면, 제1 전이점(TP1)의 깊이(DOL_TP1)가 8.0um 내지 9.0um의 범위에 있고, 제1 전이점(TP1)의 응력(CS_TP1)이 180 MPa 내지 210 MPa의 범위에 있는 경우에, 제1 전이점(TP1)의 응력-깊이 비(CDR)가 커질수록 강도 등과 같은 기계적 물성이 향상된다. 제1 전이점(TP1)의 응력-깊이 비(CDR)가 20 MPa/um 이상이면, 유리 충격 테스트(Glass Impact Test; GIT)에서 유의적인 강도 개선 효과를 보일 수 있다. 한편, 제1 전이점(TP1)의 응력-깊이 비(CDR)가 너무 클 경우, 제1 전이점(TP1) 깊이(DOL_TP1)가 작아지면서 제1 세그먼트(SG1)에 해당하는 구간이 지나치게 좁아진다. 이와 같은 응력 프로파일은 정밀하게 형성하는 것이 어려워 제품간 편차가 많이 발생할 수 있다. 뿐만 아니라, 제1 전이점(TP1)의 응력-깊이 비(CDR)가 너무 크면 강한 충격에 의해 전달되는 크랙의 전파를 강력하게 저지할 수 있는 구간이 줄어들게 되고, 제2 압축 에너지를 더 많이 증가시켜 전체 압축 에너지 및 인장 에너지를 과하게 증가시킬 수 있다. 이와 같은 관점에서 제1 전이점(TP1)의 응력-깊이 비(CDR)는 25 MPa/um보다는 작거나 같은 범위에서 조절되는 것이 바람직할 수 있다. 제1 전이점(TP1)의 응력-깊이 비(CDR)가 상기한 바와 같이 20 MPa/um 내지 25 MPa/um 범위에 있을 때, 제2 압축 에너지는 제1 압축 에너지보다 크며, 2배 내지 5배 또는 3배 내지 4배의 수준일 수 있다.

도 11은 동일 제1 전이점 응력-깊이 비에서 다양한 압축 에너지를 갖는 응력 프로파일들을 나타낸 모식도이다.

도 8 내지 도 11을 참조하면, 제1 특징점인 최대 압축 응력(CS1)과 제2 특징점인 제1 압축 깊이(DOC1)가 고정되어 있고, 제3 특징점에 해당하는 제1 전이점(TP1)의 응력-깊이 비(CDR)가 특정값을 갖는 경우에도 압축 에너지 및 인장 에너지는 제1 전이점(TP1)의 실제 좌표에 의해 달라질 수 있다. 응력-깊이 비(CDR)를 유지한 상태에서 제1 전이점(TP1)의 응력(CS_TP1)과 깊이(DOL_TP1)가 모두 증가하면, 응력 프로파일이 상대적으로 위에 배치되어 그 하부의 면적이 증가하면서 압축 에너지와 인장 에너지가 증가한다. 어느 정도의 압축 에너지의 증가는 기계적 물성을 향상시키는 데에 도움이 된다. 예를 들어, 제1 압축 영역(CSR1)의 제1 압축 에너지와 제2 압축 에너지를 합한 전체 압축 에너지가 8,000 J/m² 이상이면 유리 충격 테스트에서 기계적 물성 향상 효과가 있다. 반면, 과도한 인장 에너지의 증가는 유리 제품(100)의 취약성 기준을 충족시키지 못하게 하는 원인이 될 수 있다. 이와 같은 관점에서 제1 압축 영역(CSR1)의 제1 압축 에너지와 제2 압축 에너지를 합한 전체 압축 에너지는 12,000 J/m² 이하의 값을 갖는 것이 바람직하다.

제2 압축 에너지를 기준으로 할 때, 기계적 물성 향상 및 취약성 기준을 충족할 수 있는 제2 압축 에너지의 범위는 5,500 J/m² 내지8,500 J/m²일 수 있다. 일 실시예에서, 제2 압축 에너지의 범위는 7,000 J/m² 내지 8,000 J/m² 일 수 있다. 다른 실시예에서, 제2 압축 에너지의 범위는 7,250 J/m² 내지 7,750 J/m² 일 수 있다.

또한, 제1 압축 에너지를 기준으로 할 때, 기계적 물성 향상 및 취약성 기준을 충족할 수 있는 제1 압축 에너지의 범위는 3,200 J/m² 내지4,000 J/m²일 수 있다. 일 실시예에서, 제1 압축 에너지의 범위는 3,400 J/m² 내지 3,800 J/m² 일 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 압축 에너지의 범위는 3,500 J/m² 내지 3,700 J/m² 일 수 있다.

일 실시예에서, 제1 압축 영역(CSR1)의 압축 에너지, 즉 제1 압축 에너지와 제2 압축 에너지의 합의 범위는 8,700 J/m² 내지 12,500J/m²일 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 압축 영역(CSR1)의 압축 에너지는 10,500 J/m² 내지 11,500J/m²일 수 있다.

인장 에너지는 제1 압축 영역(CSR1)의 압축 에너지와 제2 압축 영역(CSR2)의 압축 에너지의 합으로서, 각 압축 영역의 압축 에너지의 2배와 동일하므로, 기계적 물성 및 취약성 기준을 고려한 인장 에너지의 범위는 16,000 J/m² 이상 24,000 J/m² 이하일 수 있다.

상술한 압축 응력, 제1 압축 깊이(DOC1), 인장 응력, 제1 전이점(TP1) 등은 표면 응력 계측기(FSM) 및/또는 산란광 광탄성 응력계에 의해 측정될 수 있다.

구체적으로, 표면 압축 응력(CS1)과 제1 전이점(TP1)에 관계되는 제1 세그먼트(SG1)는 오리하라 산업 주식회사(Orihara industrial Co. Ltd, 일본)에서 제작된 FSM-6000과 같은 표면 응력 계측기(FSM)에 의해 측정될 수 있다. 표면 응력 계측기는 유리 제품(100) 내부의 칼륨 이온의 밀도를 측정할 수 있다. 따라서, 유리 제품(100)의 제1 표면(US)으로부터 칼륨 이온의 최대 침투 깊이인 제1 전이점(TP1)까지의 칼륨 이온의 밀도를 측정함으로써, 응력 프로파일의 제1 세그먼트(SG1)를 추정할 수 있다.

인장 응력은 동사에서 제작된 SLP-1000과 같은 산란광 광탄성 응력계에 의해 측정될 수 있다. 산란광 광탄성 응력계는 유리 내부의 응력층 깊이를 레이저와 산란광 광탄성 해석 기술을 이용하여 유리 제품(100) 내부의 응력을 측정할 수 있는데, 주로 인장 영역(CTR)의 인장 응력을 측정하는 데에 사용된다. 인장 응력은 유리 제품(100)의 중심부에서 가장 크고, 제1 압축 깊이(DOC1)에 이르러 응력값이 0이 된다. 따라서, 산란광 광탄성 응력계를 통해 측정된 응력값이 0인 지점을 제1 압축 깊이(DOC1)로 추정하며, 제1 압축 깊이(DOC1)로부터 제1 전이점(TP1)을 연결하는 방식으로 제2 세그먼트(SG2)를 추정할 수 있다.

응력 프로파일을 측정하는 방식이 위에 예시된 바에 제한되는 것은 아니며, 본 기술분야에 공지된 다른 다양한 장비 및 다른 다양한 방법으로 측정될 수도 있음은 자명하다.

이하, 도 12 내지 도 16을 참조하여 제조예 및 실험예들을 통해 실시예의 더욱 구체적인 내용을 설명한다.

도 12는 영역별 응력 에너지를 설명하기 위한 응력 프로파일 그래프이다.

도 12를 참조하면, 응력 프로파일 그래프 아래의 면적은 해당 영역의 응력 에너지의 크기를 의미할 수 있다. 예시적인 실시예에서 약 700um 두께(t)를 갖는 유리의 제1 압축 영역(CSR1)의 응력 에너지는 제1 표면(US)으로부터 제1 전이점(TP1)까지의 구간의 압축 에너지(S1), 제1 전이점(TP1)으로부터 제1 압축 깊이(DOC1)까지의 구간의 압축 에너지(S2) 및 제1 압축 깊이(DOC1)로부터 0.5t(350um)까지의 인장 에너지(S3)를 포함한다. 0.5t 지점(350um 지점)을 기준으로 대칭인 응력 프로파일에서, 식 1에 따라 제1 표면(US)으로부터 제1 전이점(TP1)까지의 구간의 압축 에너지(S1)와 제1 전이점(TP1)으로부터 제1 압축 깊이(DOC1)까지의 구간의 압축 에너지(S2)의 합의 절대값은 제1 압축 깊이(DOC1)로부터 0.5t(350um)까지의 인장 에너지(S3)의 절대값과 동일할 수 있다.

도 13은 샘플군 #A, #B, #C의 두께 방향의 위치별 응력을 나타낸 그래프이다. 도 14는 모형 낙하 실험에 사용되는 모형을 나타낸 사시도이다. 도 14는 샘플군 #B의 임계 스크래치 하중 측정 실험 결과를 나타낸 사진이다. 도 15은 샘플군 #C의 임계 스크래치 하중 측정 실험 결과를 나타낸 사진이다.

제조예: 강화 유리의 제조

리튬 알루미노 실리케이트 조성을 갖는 약 0.70mm두께의 판상형의 유리 기재를 복수개 준비하고, 화학적 강화 공정을 진행하여 유사한 응력 프로파일을 가지나 스트레인 포인트에 차이가 있는 샘플군 #A, 샘플군 #B, 샘플군 #C을 제조하였다.

화학적 강화 공정의 예로써, 유리 기재들에 대해 질산 칼륨과 질산 나트륨이 50:50의 염비로 혼합된 제1 용융염 욕조에 담지하여 1차 이온 교환 공정을 수행하고, 질산 칼륨과 질산 나트륨이 98:2의 염비로 혼합된 제2 용융염 욕조에 담지하여 2차 이온 교환 공정을 수행하였다. 응력 프로파일에 따른 강도를 비교하기 위해 샘플군 별로 서로 다른 응력 프로파일을 갖도록 서로 다른 욕조에서 이온 교환 공정을 진행하였고, 각 이온 교환 공정의 온도와 시간에 차이를 두었다. 각 샘플군들은 최대 압축 응력이 모두 810MPa±40MPa에 해당하도록 공정 조건을 조절하였다.

강화 공정이 완료된 유리들의 두께 방향의 위치별 응력, 압축 깊이 및 에너지를 FSM-6000 및 SLP-1000을 통해 측정하였고, 그 결과를 하기 표 1에 기재하고 도 13에 나타내었다.

샘플군	#A	#B	#C
최대압축응력(MPa)	772.1	807.1	840.5
전이점 압축응력(MPa)	189.5	202.3	196.5
50 um지점 압축응력(MPa)	57.3	78.3	75.2
최대인장응력(MPa)	-46.7	-68.1	-58.5
전이점 깊이(um)	8.3	8.8	8.5
제1 압축 깊이(um)	97.9	118.3	109.9
전이점 깊이-응력비(MPa/um)	22.83	22.99	23.12
제1 표면-전이점 구간 압축 에너지(J/m²)	3262	3606	3460
전이점-제1 압축 깊이 구간 압축 에너지(J/m²)	5598	7453	7067
제1 압축 깊이-0.5t 구간 인장에너지(J/m²)	-9562	-11405	-10530
스트레인 포인트(℃)	530	535	501
경도(GPa)	7.904	8.082	8.159

아울러, 각 샘플군의 전이점에서의 접선의 방정식은 아래와 같이 계산되었다.

샘플군	전이점에서의 접선의 방정식
#A	y = -10.983x + 280.66
#B	y = -10.249x + 292.5
#C	y = -9.800x + 279.8

유리의 스트레인 포인트는 샘플의 온도를 변화시키면서 하중을 가해 그 샘플의 크기 변화를 온도의 함수로서 측정하는 열기계분석기(TMA, Thermomechanical analysis) 및 샘플과 기준 물질의 온도를 변화시키면서 그 샘플과 기준 물질 간의 온도차를 온도의 함수로 측정하는 시차열분석법(DTA, Differential thermal analysis)을 이용하여 측정하였다.샘플군 #A는 100개의 샘플로 측정한 스트레인 포인트에서 525℃ 내지 535℃(예컨대, 약 530℃)의 값을 나타내었다. 샘플군 #B는 100개의 샘플로 측정한 스트레인 포인트에서 530℃ 내지 540℃(예컨대, 약 535℃)의 값을 나타내었다. 샘플군 #C는 100개의 샘플로 측정한 스트레인 포인트에서 496℃ 내지 506℃(예컨대, 약 501℃)의 값을 나타내었다.

유리의 경도(H)는 나노인덴터(Nano Indenter)를 이용하여 삼각뿔 형상의 Berkovich 팁으로 샘플에 하중(P)을 인가한 후 나타난 삼각형 형태의 압흔 면적(A)을 측정하여 다음과 같은 관계식에 의해 구할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 하중(P)은 1N이며, Berkovich 팁의 중심으로부터 꼭지점까지의 거리는 20nm일 수 있다.

[식 6]

경도 측정 평가에서 샘플군 #A의 경도의 평균값은 7.904GPa로 측정되었고, 샘플군 #B의 경도의 평균값은 8.082GPa로 측정되었고, 샘플군 #C의 경도의 평균값은 8.159GPa로 측정되었다. 경도의 경향성은 최대 압축 응력의 경향성과 대체로 일치하였다. 가장 높은 최대 압축 응력을 갖는 샘플군 #C가 가장 높은 경도를 나타내었고, 가장 낮은 최대 압축 응력을 갖는 샘플군 #A가 가장 낮은 경도를 나타내었다.

실험예 1: 임계 스크래치 하중 평가

임계 스크래치 하중 평가를 수행하였다. 임계 스크래치 하중은 스크래치 저항성을 평가하는 척도이다. 임계 스크래치 하중은 비커스 경도계를 이용하여 샘플에 대각선의 길이가 19um인 피라미드형 다이아몬드 팁으로 샘플의 2mm 길이의 영역을 0N 부터 15N까지 하중을 증가시켰을 때, 스크래치가 발생하기 시작하는 하중을 의미한다. 각 샘플군별 임계 스크래치 하중의 평균값을 표 3에 나타내었다.

샘플군	임계 스크래치 하중(N)
#A	9.3
#B	9.9
#C	6.1

표 3을 참조하면, 임계 스크래치 하중 평가에서 샘플군 #A의 임계 스크래치 하중의 평균값은 9.3N으로 측정되었고, 샘플군 #B의 임계 스크래치 하중의 평균값은 9.9N으로 측정되었고, 샘플군 #C의 임계 스크래치 하중의 평균값은 6.1N으로 측정되었다. 임계 스크래치 하중의 경향성은 최대 압축 응력의 경향성과 대체로 일치하지 않았다. 반면, 임계 스크래치 하중의 경향성은 스트레인 포인트의 경향성과 대체로 일치하는 경향을 보였다. 유사한 스트레인 포인트를 갖는 샘플군 #A와 #B는 유사한 임계 스크래치 하중값이 나타났고, 샘플군 #A 및 #B에 비해 상대적으로 낮은 스트레인 포인트를 갖는 샘플군 #C는 낮은 임계 스크래치 하중값이 나타났다.도 14 및 도 15를 참조하면, 특히, 유사한 응력 프로파일을 가지나, 스트레인 포인트에서 차이를 보이는 경우에 나타나는 스크래치 저항성을 비교하기 위하여 샘플군 #B 및 #C를 비교하였다. 즉, 샘플군 #B는 샘플군 #C와 유사한 최대 압축 응력에도 불구하고, 높은 스트레인 포인트로 인하여 9N 이상의 높은 임계 스크래치 하중값을 나타내, 우수한 스크래치 저항성을 가짐을 알 수 있다.

실험예 2: GIT(Glass Impact Test) 평가

GIT(Glass Impact Test) 평가를 수행하였다. 실험예 2에 따른 평가를 위해 샘플군 #A, #B, #C는 각각 100개의 샘플이 준비되었다. GIT 평가는 링 위에 강화 유리 샘플을 배치하고 고정한 다음, 무게 60g의 볼(Ball)을 샘플 표면에 낙하하여 샘플이 깨지는 높이를 확인하는 방식으로 진행하였다. 볼 낙하시 깨짐이 발생하지 않으면 5cm씩 그 높이를 증가시켜 볼 낙하를 반복하고, 최종적으로 깨짐이 발생하였을 때 그 바로 전의 높이(즉, 깨짐이 이루어지지 않은 최대 높이)를 한계 낙하 높이(Limited Drop Height)로 결정하였다. 각 샘플군별 한계 낙하 높이의 평균값을 표 4에 나타내었다.

샘플군	GIT(Glass Impact Test) 한계 낙하 높이(cm)
#A	33.7
#B	49.2
#C	29.2

#C를 참조하면, GIT 평가에서 샘플군 #A의 한계 낙하 높이의 평균값은 33.7cm로 측정되었고, 샘플군 #C의 한계 낙하 높이의 평균값은 29.2cm로 측정되었다. 반면, 샘플군 #C보다 최대 압축 응력이 더 작은 샘플군 #B는 한계 낙하 높이의 평균값이 49.2cm를 나타내, 샘플군 #C보다 표면 강도가 월등히 높은 것으로 평가되었다. 즉, 샘플군 #B는 100개의 샘플에 대해 60g 볼을 이용한 GIT 평가에서 한계 낙하 높이의 평균값이 49cm 이상을 나타내, 우수한 표면 강도를 가짐을 알 수 있다.

실험예 3: 한계 낙하 높이 평가

한계 낙하 높이 평가를 수행하였다. 도 16을 참조하면, 샘플군 #A, #B 또는 #C를 적용한 가로 길이(L1) 80mm, 세로 길이(L2) 160mm, 높이(L3) 5mm이고, 무게 175g인 지그 모형(600)을 Sic#320 샌드페이퍼 상으로 낙하하여 각 샘플군이 깨지는 높이를 확인하는 방식으로 진행하였다. 지그 모형(600)은 각 샘플군이 적용되는 스마트폰을 모형화 한 것이다. 본 실험은 각 샘플군을 완제품에 적용한 상황을 모사한 실험이다.

샘플군 #A, #B, #C를 적용한 지그 모형(600)을 낙하하여 깨짐이 발생하지 않으면 5cm씩 그 높이를 증가시켜 지그 모형(600) 낙하를 반복하고, 최종적으로 깨짐이 발생하였을 때 그 바로 전의 높이(즉, 깨짐이 이루어지지않은 최대 높이)를 한계 낙하 높이(h)로 결정하였다.

[식 7]

식 7에 나타난 바와 같이, 한계 낙하 높이(h)에 영향을 주는 인자로는 지그 모형(600)의 가로 길이(L1), 세로 길이(L2), 높이(L3), 유리를 포함한 지그 모형(600)의 영률(E_comp), 지그 모형(600)의 무게(m), 유리 샘플의 표면으로부터 50um깊이의 압축 응력(CS_50), 유리 샘플의 파괴 인성(K_IC), 크랙 모양에 따른 상수(Y), 크랙 길이(c), 총 운동 에너지에 대한 벤딩 에너지의 비율로 정의되는 소멸 계수(α) 및 유리 샘플의 영률(E_glass) 등이 있다.

한계 낙하 높이(h)에 영향을 주는 압축 응력은 표면으로부터 50um깊이 지점에서의 압축 응력(CS_50)이다. 실험적인 결과로서, 상술한 바와 같이 각 샘플에 발생한 크랙의 깊이의 중간값(median)이 약 50um이므로, 크랙의 깊이 지점에 작용하는 응력, 즉 유리 표면으로부터 50um 깊이 지점의 압축 응력(CS_50)이 한계 낙하 높이(h)에 유의미한 영향을 미친다.

한계 낙하 높이 평가의 결과로써 각 샘플군별 한계 낙하 높이의 평균값을 표 5에 나타내었다.

샘플군	모형 한계 낙하 높이(cm)
#A	44.7
#B	63.2
#C	39.7

표 5를 참조하면, 모형 한계 낙하 높이 평가에서 샘플군 #A의 한계 낙하 높이의 평균값은 44.7cm로 측정되었고, 샘플군 #C의 한계 낙하 높이의 평균값은 39.7cm로 측정되었다. 반면, 샘플군 #C보다 최대 압축 응력은 작지만, 높은 스트레인 포인트를 가져 실험예 1의 결과 따라 우수한 스크래치 저항성을 보이는 샘플군 #B는 한계 낙하 높이의 평균값이 63.2cm를 나타내, 샘플군 #C보다 표면 강도가 월등히 높은 것으로 평가되었다. 즉, 샘플군 #B는 100개의 샘플에 대해 모형 한계 낙하 높이 평가에서 한계 낙하 높이의 평균값이 60cm 이상을 나타내, 우수한 표면 강도를 가짐을 알 수 있다.이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

100, 101, 102, 103: 유리 제품
CSR1, CSR2: 압축 영역
CTR: 인장 영역
CS1, CS2: 최대 압축 응력
CS_50: 크랙 저지 응력
CS_TP1: 제1 전이점의 응력
TP1, TP2: 전이점
DOC1, DOC2: 압축 깊이

Claims

제1 표면;
상기 제1 표면과 대향하는 제2 표면;
상기 제1 표면으로부터 제1 압축 깊이까지 연장하는 제1 압축 영역;
상기 제2 표면으로부터 제2 압축 깊이까지 연장하는 제2 압축 영역; 및
상기 제1 압축 깊이와 상기 제2 압축 깊이 사이에 배치되는 인장 영역을 포함하되,
상기 제1 압축 영역의 응력 프로파일은 상기 제1 표면과 제1 전이점 사이에 위치하는 제1 세그먼트 및 상기 제1 전이점과 상기 제1 압축 깊이 사이에 위치하는 제2 세그먼트를 포함하고,
상기 제1 표면으로부터 상기 제1 전이점까지의 깊이는 8.1um 내지 9.5um이고,
상기 제1 전이점에서의 응력은 197 MPa이상이며,
상기 제1 표면으로부터 깊이방향으로 50um 지점의 응력은 75MPa이상인 유리 제품.
제1 항에 있어서,
상기 유리 제품이 10^14.5 포와즈(poise)의 점도를 갖는 온도는 530℃ 내지 540℃의 범위에 있는 유리 제품.
제1 항에 있어서,
상기 제1 압축 영역의 압축 에너지는 10,500J/m2 이상 11,500J/m2 이하의 값을 갖는 유리 제품.
제3 항에 있어서,
상기 제1 세그먼트의 제1 압축 에너지는 상기 제2 세그먼트의 제2 압축 에너지보다 작은 유리 제품.
제4 항에 있어서,
상기 제2 압축 에너지는 상기 제1 압축 에너지의 1.9배 내지 2.2배의 크기를 갖는 유리 제품.
제5 항에 있어서,
상기 제1 세그먼트의 제1 압축 에너지는 3500J/m2 이상 3700J/m2 이하의 값을 갖고,
상기 제2 세그먼트의 제2 압축 에너지는 7350J/m2 이상 7550J/m2 이하의 값을 갖는 유리 제품.
제1 항에 있어서,
상기 제1 표면에서의 압축 응력은 780 MPa 내지 820MPa 인 유리 제품.
제7 항에 있어서,
상기 제1 전이점에서의 상기 응력은 상기 제1 표면의 상기 압축 응력의 0.23배 내지 0.255배인 유리 제품.
제1 항에 있어서,
상기 제1 압축 깊이는 110um 내지 120um인 유리 제품.
제9 항에 있어서,
상기 제1 전이점에서의 상기 깊이는 상기 제1 압축 깊이의 0.07배 내지 0.08배인 유리 제품.
제1 항에 있어서,
상기 제1 세그먼트는 제1 기울기를 갖고,
상기 제2 세그먼트는 제2 기울기를 갖고,
상기 제1 전이점에서의 접선은 제3 기울기를 갖되,
상기 제3 기울기의 절대값은 상기 제1 기울기의 절대값보다 작고 상기 제2 기울기의 절대값보다 큰 유리 제품.
제11 항에 있어서,
상기 제3 기울기의 절대값은 10 (MPa/um) 내지 11 (MPa/um)의 범위에 있는 유리 제품.
제1 항에 있어서,
상기 유리 제품은 리튬 알루미노 실리케이트를 포함하며,
상기 유리 제품의 두께는 0.69mm 내지 0.71mm인 유리 제품.
제1 항에 있어서,
상기 제1 압축 깊이는 나트륨 이온의 최대 침투 깊이이고,
상기 제1 전이점의 상기 깊이는 칼륨 이온의 최대 침투 깊이인 유리 제품.
제1 항에 있어서,
상기 제2 압축 영역의 응력 프로파일은 상기 제2 표면과 제2 전이점 사이에 위치하는 제1 세그먼트 및 상기 제2 전이점과 상기 제2 압축 깊이 사이에 위치하는 제2 세그먼트를 포함하고,
상기 제2 표면으로부터 상기 제2 전이점까지의 깊이는 8.1um 내지 9.5um이고,
상기 제2 전이점에서의 응력은 197이상이며,
상기 제2 표면으로부터 깊이방향으로 50um 지점의 응력은 75MPa이상인 유리 제품.
제15 항에 있어서,
상기 제2 압축 영역의 상기 응력 프로파일은 상기 제1 압축 영역의 상기 응력 프로파일과 대칭 관계를 갖는 유리 제품.
제1 항에 있어서,
상기 인장 영역의 최대 인장 응력은 60MPa 내지 75MPa의 범위에 있는 유리 제품.
제1 항에 있어서,
상기 유리 제품은 100개 이상의 샘플에 대해 60g의 볼을 이용한 GIT(Glass Impact Test) 평가에서 한계 낙하 높이의 평균값이 49cm 이상을 나타내는 유리 제품.
제1 항에 있어서,
상기 유리 제품을 가로 길이 80mm, 세로 길이 160mm, 높이 5mm의 지그 모형에 적용하여 실시한 한계 낙하 높이 평가에서, 한계 낙하 높이의 평균값이 60cm 이상을 나타내는 유리 제품.
제1 항에 있어서,
상기 유리 제품의 임계 스크래치 하중 평가에서, 임계 스크래치 하중의 평균값이 9N 이상을 나타내는 유리 제품.
복수의 화소를 포함하는 디스플레이 패널;
상기 디스플레이 패널 상부에 배치된 커버 윈도우; 및
상기 디스플레이 패널과 상기 커버 윈도우 사이에 배치된 광학 투명 결합층을 포함하되,
상기 커버 윈도우는,
제1 표면;
상기 제1 표면과 대향하는 제2 표면;
상기 제1 표면으로부터 제1 압축 깊이까지 연장하는 제1 압축 영역;
상기 제2 표면으로부터 제2 압축 깊이까지 연장하는 제2 압축 영역; 및
상기 제1 압축 깊이와 상기 제2 압축 깊이 사이에 배치되는 인장 영역을 포함하되,
상기 제1 압축 영역의 응력 프로파일은 상기 제1 표면과 제1 전이점 사이에 위치하는 제1 세그먼트 및 상기 제1 전이점과 상기 제1 압축 깊이 사이에 위치하는 제2 세그먼트를 포함하고,
상기 제1 표면으로부터 상기 제1 전이점까지의 깊이는 8.1um 내지 9.5um이고,
상기 제1 전이점에서의 응력은 197 MPa이상이며,
상기 제1 표면으로부터 깊이방향으로 50um 지점의 응력은 75MPa이상인범위에 있는 디스플레이 장치.
제21 항에 있어서,
상기 커버 윈도우는 두께가 0.69mm 내지 0.71mm이며 리튬 알루미노 실리케이트를 포함하는 유리 제품을 포함하고,
상기 제1 압축 영역의 압축 에너지는 10,500J/m2 이상11,500J/m2 이하의 값을 갖고,
상기 제1 세그먼트의 제1 압축 에너지는 3500J/m2 이상 3700J/m2 이하의 값을 갖고,
상기 제2 세그먼트의 제2 압축 에너지는 7350J/m2 이상 7550J/m2 이하의 값을 가지며,
상기 제1 표면의 압축 응력은 780MPa 내지 820MPa이고,
상기 제1 압축 깊이는 110um 내지 120um인 디스플레이 장치.