KR20210081478A - 유리 제품 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
유리 제품이 제공된다. 유리 제품은 리튬 알루미노 실리케이트를 포함하는 유리 제품으로서, 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 표면에서의 응력에 대한 제1 전이점에서의 응력의 비율은 0.22 내지 0.47이다.
Description
본 발명은 유리 제품 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
유리 제품은 표시 장치를 포함하는 전자 기기나 건축 자재 등에 많이 사용된다. 예를 들어, 유기발광 표시 장치, 마이크로 LED 표시 장치, 나노 LED 표시 장치, 양자 점 발광 표시 장치, 액정 표시 장치, 플라즈마 표시 장치, 전계방출 표시 장치, 전기 영동 표시 장치, 전기 습윤 표시 장치 등의 평판 표시 장치의 기판이나 이를 보호하는 윈도우 등에 유리 제품이 적용된다.
스마트폰, 태블릿 PC 등과 같은 휴대용 전자 기기가 늘어나면서 그에 적용되는 유리 제품은 외부 충격에 빈번하게 노출된다. 이와 같은 전자기기들의 휴대성을 향상시키기 위해서는 얇으면서도 외부 충격에 견딜 수 있는 양호한 강도를 갖는 유리 제품이 적용되는 것이 바람직하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 양호한 강도를 갖는 유리 제품을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 1단 강화를 통하여 양호한 강도를 갖는 유리 제품의 제조 방법을 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 리튬 알루미노 실리케이트를 포함하는 유리 제품으로서, 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 표면에서의 응력에 대한 상기 제1 전이점에서의 응력의 비율은 0.22 내지 0.47이다.
상기 제1 표면에서의 압축 응력은 450 MPa 내지 650MPa 일 수 있다.
상기 제1 전이점의 깊이는 7um 내지 15um이고, 상기 제1 전이점의 응력은 100MPa 내지 220MPa일 수 있다.
상기 제1 압축 깊이는 90um 내지 120um일 수 있다.
상기 제1 압축 깊이에 대한 상기 제1 전이점의 깊이의 비율은 0.077 내지 0.125일 수 있다.
상기 제1 기울기의 절대값은 상기 제2 기울기의 절대값보다 클 수 있다.
상기 제2 기울기의 절대값은 1.5 내지 2.9의 범위의 값을 가질 수 있다.
상기 제2 압축 영역의 상기 응력 프로파일은 상기 제1 압축 영역의 상기 응력 프로파일과 대칭 관계를 가질 수 있다.
상기 제1 압축 깊이는 나트륨 이온의 최대 침투 깊이이고, 상기 제1 전이점의 상기 깊이는 칼륨 이온의 최대 침투 깊이일 수 있다.
상기 유리 제품을 가로 길이 80mm, 세로 길이 160mm, 높이 5mm의 지그 모형에 적용하여 화강암에 낙하시키는 방식으로 20회 이상 실시한 한계 낙하 높이 평가에서, 한계 낙하 높이의 평균값이 60cm 이상을 나타낼 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 다른 실시예에 따른 유리 제품은 1단 강화를 통해 제조되는 유리 제품으로서, 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 표면의 압축 응력은 450MPa 내지 650MPa이고, 상기 제1 압축 깊이는 90um 내지 120um이며, 상기 제1 압축 영역의 응력 프로파일은 7um 내지 15um의 깊이 및 100MPa 내지 220MPa의 응력 범위에서 제1 전이점을 갖고, 상기 제1 표면에서의 응력에 대한 상기 제1 전이점에서의 응력의 비율은 0.22 내지 0.47이며, 상기 제2 압축 영역의 상기 응력 프로파일은 상기 제1 압축 영역의 상기 응력 프로파일과 대칭 관계를 갖는다.
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 세그먼트의 평균 기울기는 제1 기울기를 갖고, 상기 제2 세그먼트의 평균 기울기는 제2 기울기를 갖되, 상기 제1 기울기의 절대값은 33.2 내지 54.6의 범위의 값을 가질 수 있다.
상기 제1 기울기의 절대값은 상기 제2 기울기의 절대값보다 클 수 있다.
상기 제2 기울기의 절대값은 1.5 내지 2.9의 범위의 값을 가질 수 있다.
상기 제1 압축 깊이는 나트륨 이온의 최대 침투 깊이이고, 상기 제1 전이점의 상기 깊이는 칼륨 이온의 최대 침투 깊이일 수 있다.
상기 제1 압축 깊이에 대한 상기 제1 전이점의 깊이의 비율은 0.077 내지 0.125일 수 있다.
상기 유리 제품을 가로 길이 80mm, 세로 길이 160mm, 높이 5mm의 지그 모형에 적용하여 화강암에 낙하시키는 방식으로 20회 이상 실시한 한계 낙하 높이 평가에서, 한계 낙하 높이의 평균값이 60cm 이상을 나타낼 수 있다.
상기 다른 과제를 해결하기 위한 일 실시예에 따른 유리 제품 제조 방법은 LAS계 유리를 제공하는 단계, 및 상기 LAS계 유리를 혼합 용융염에 침지하는 제1 강화 단계를 포함하되, 상기 혼합 용융염 내 양이온 중 나트륨 이온의 비율은 20mol% 내지 30mol%이고, 칼륨 이온의 비율은 70mol% 내지 80mol%이고, 상기 제1 강화 단계는 390℃ 내지 410℃의 온도에서 1시간 내지 2시간 동안 1회 진행된다.
상기 제1 강화 단계를 거친 상기 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 표면에서의 응력에 대한 상기 제1 전이점에서의 응력의 비율은 0.22 내지 0.47이고, 상기 제1 세그먼트의 평균 기울기는 제1 기울기를 갖고, 상기 제2 세그먼트의 평균 기울기는 제2 기울기를 갖되, 상기 제1 기울기의 절대값은 33.2 내지 54.6의 범위의 값을 가질 수 있다.
상기 제1 표면에서의 압축 응력은 450 MPa 내지 650MPa이고, 상기 제1 압축 깊이는 90um 내지 120um이며, 상기 제1 전이점의 깊이는 7um 내지 15um이고, 상기 제1 전이점의 응력은 100MPa 내지 220MPa일 수 있다.
기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
일 실시예에 따른 유리 제품은 외부 충격에 의해 쉽게 파손되지 않는 높은 강도를 가질 수 있고, 1단 강화를 통하여 제작되어 강화에 필요한 시간을 단축할 수 있고, 비용을 절감할 수 있다.
일 실시예에 따른 유리 제품의 제조 방법은 1단 강화를 통하여 강화에 필요한 시간을 단축할 수 있고, 비용을 절감할 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 제품의 응력 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 5는 도 4의 제1 압축 영역 부근을 확대한 그래프이다.
도 6은 도 5의 응력 프로파일이 근사하는 직선 그래프를 개략적으로 도시한 모식도이다.
도 7은 다양한 제1 전이점 응력-깊이 비에 따른 응력 프로파일을 나타낸 모식도이다.
도 8은 동일 제1 전이점 응력-깊이 비에서 다양한 압축 에너지를 갖는 응력 프로파일들을 나타낸 모식도이다.
도 9는 1단 강화 유리 및 2단 강화 유리의 응력 프로파일이 근사하는 직선 그래프를 개략적으로 도시한 모식도이다.
도 10는 일 실시예에 따른 유리 제품 제조 방법의 공정 단계별 순서도이다.
도 11은 일 실시예에 따른 이온 교환 공정을 나타낸 개략도이다.
도 12 내지 도 15는 390℃ 내지 410℃에서 나트륨 이온의 양이온 몰분율이 20mol% 내지 30mol%인 용융염으로 1시간 또는 2시간 동안 이온 교환 공정을 거친 유리 제품의 응력 프로파일을 나타낸 그래프들이다.
도 16은 샘플군 #A, #B, #C의 모형 낙하 실험 평가 결과를 나타낸 그래프이다.
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 제품의 응력 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 5는 도 4의 제1 압축 영역 부근을 확대한 그래프이다.
도 6은 도 5의 응력 프로파일이 근사하는 직선 그래프를 개략적으로 도시한 모식도이다.
도 7은 다양한 제1 전이점 응력-깊이 비에 따른 응력 프로파일을 나타낸 모식도이다.
도 8은 동일 제1 전이점 응력-깊이 비에서 다양한 압축 에너지를 갖는 응력 프로파일들을 나타낸 모식도이다.
도 9는 1단 강화 유리 및 2단 강화 유리의 응력 프로파일이 근사하는 직선 그래프를 개략적으로 도시한 모식도이다.
도 10는 일 실시예에 따른 유리 제품 제조 방법의 공정 단계별 순서도이다.
도 11은 일 실시예에 따른 이온 교환 공정을 나타낸 개략도이다.
도 12 내지 도 15는 390℃ 내지 410℃에서 나트륨 이온의 양이온 몰분율이 20mol% 내지 30mol%인 용융염으로 1시간 또는 2시간 동안 이온 교환 공정을 거친 유리 제품의 응력 프로파일을 나타낸 그래프들이다.
도 16은 샘플군 #A, #B, #C의 모형 낙하 실험 평가 결과를 나타낸 그래프이다.
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(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "상(on)"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(100)(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)(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)(100-104)으로 평면 형상이 직사각형인 평판 플레이트를 예로 하여 설명하지만, 이에 제한되지 않음은 명백하다.
도 2는 일 실시예에 따른 유리 제품(100)이 디스플레이 장치의 커버 윈도우로 적용된 예를 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 디스플레이 장치(500)는 디스플레이 패널(200), 디스플레이 패널(200) 상에 배치된 커버 윈도우(100), 디스플레이 패널(200)과 커버 윈도우(100) 사이에 배치되어 디스플레이 패널(200)과 커버 윈도우(100)를 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 커버 윈도우(100)가 배치된다. 커버 윈도우(100)는 디스플레이 패널(200)을 보호하는 역할을 한다. 커버 윈도우(100)의 본체로는 강화된 유리 제품(100)이 적용될 수 있다. 커버 윈도우(100)는 디스플레이 패널(200)보다 크기가 커서 그 측면이 디스플레이 패널(200)의 측면보다 외측으로 돌출될 수 있지만, 그에 제한되는 것은 아니다. 커버 윈도우(100)는 유리 제품(100)의 테두리 부위에서 유리 제품(100)의 적어도 일 표면 상에 배치된 인쇄층을 더 포함할 수 있다. 커버 윈도우(100)의 인쇄층은 디스플레이 장치(500)의 베젤 영역이 외부로 시인되지 않도록 하며, 경우에 따라 데코레이션 기능을 수행할 수 있다.
디스플레이 패널(200)과 커버 윈도우(100) 사이에는 광학 투명 결합층(300)이 배치된다. 광학 투명 결합층(300)은 커버 윈도우(100)를 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 제품(100)의 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 윈도우(100)와 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 0.65mm이거나 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 0.5mm이거나 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 0.45mm 내지 0.8mm의 범위 또는 0.5mm 내지 0.75mm의 범위에 있을 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 유리 제품(100)은 균일한 두께(t)를 가질 수 있지만, 이에 제한되지 않고 영역별로 서로 다른 두께(t)를 가질 수 있다.
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 방지할 수 있다. 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 끼칠 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.
이하, 강화된 유리 제품(100)의 응력 프로파일에 대해 상세히 설명한다.
도 4는 일 실시예에 따른 유리 제품(100)의 응력 프로파일을 나타낸 그래프이다. 도 4의 그래프에서 x축은 유리 제품(100)의 두께 방향을 나타낸다. 도 4에서는 압축 응력이 양의 값으로, 인장 응력이 음의 값으로 표시되었다. 본 명세서에서 압축/인장 응력의 크기는 그 값의 부호와 상관없는 절대값의 크기를 의미한다.
도 4를 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 4에 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 70 MPa 이하이거나, 40 MPa 이상일 수 있다. 한편, 최대 인장 응력(CT1)은 50MPa 이상인 것이 강도와 같은 기계적인 특성을 개선하는 데에 바람직할 수 있다. 일 실시예에서, 최대 인장 응력(CT1)은 40 MPa 이상 70 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 이온 교환 공정의 공정 조건을 조절함으로써 정밀하게 조절될 수 있다.
이하, 압축 영역의 응력 프로파일에 대한 상세한 설명을 위해 도 4가 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 5는 도 4의 제1 압축 영역 부근을 확대한 그래프이다. 도 6은 도 5의 응력 프로파일이 근사하는 직선 그래프를 개략적으로 도시한 모식도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 제1 압축 영역(CSR1)에서 응력 프로파일은 음의 기울기를 가지며 제1 표면(US)으로부터 제1 압축 깊이(DOC1)로 갈수록 응력이 전반적으로 감소한다. 제1 압축 영역(CSR1) 내에서 응력 프로파일은 기울기가 급격하게 변화하는 적어도 하나의 제1 전이점(TP1)(또는 변곡점)을 포함할 수 있다.
제1 전이점(TP1)은 제1 표면(US)과 제1 압축 깊이(DOC1)의 사이에 위치할 수 있다. 제1 압축 영역(CSR1)의 응력 프로파일은 제1 전이점(TP1)을 기준으로 제1 세그먼트(SG1)와 제2 세그먼트(SG2)로 구분될 수 있다. 즉, 제1 압축 영역(CSR1)의 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(K) 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(K) 이온보다 작은 이온 크기를 갖는 나트륨(Na) 이온은 제1 세그먼트(SG1)의 깊이 구간뿐만 아니라 제2 세그먼트(SG2)의 깊이 구간까지도 침투할 수 있다.
제1 압축 영역(CSR1)에서 상대적으로 표면 측에 위치하는 제1 세그먼트(SG1)는 주로 칼륨(K) 이온의 밀도에 의해 응력이 결정될 수 있다. 상술한 바와 같이 제1 세그먼트(SG1)의 구간은 나트륨(Na) 이온도 포함할 수 있지만, 해당 구간의 응력은 주로 이온의 크기가 더 큰 칼륨(K) 이온의 밀도에 의해 좌우될 수 있다. 제1 세그먼트(SG1)의 깊이 구간에서, 칼륨(K) 이온의 밀도가 클수록 높은 응력을 나타내며, 응력 프로파일은 대체로 칼륨(K) 이온의 밀도 프로파일에 근사할 수 있다. 제1 세그먼트(SG1)와 제2 세그먼트(SG2)의 경계에 해당하는 제1 전이점(TP1)은 칼륨(K) 이온의 최대 침투 깊이에 해당할 수 있다.
제1 압축 영역(CSR1)에서 상대적으로 내부에 위치하는 제2 세그먼트(SG2)의 응력은 주로 나트륨(Na) 이온의 밀도에 의해 결정될 수 있다. 즉, 제2 세그먼트(SG2)의 깊이 구간에서 나트륨(Na) 이온의 밀도가 클수록 높은 응력을 나타내며, 응력 프로파일은 대체로 나트륨(Na) 이온의 밀도 프로파일에 근사할 수 있다. 제1 압축 깊이(DOC1)는 대체로 나트륨(Na) 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. 여기서, 제1 기울기(m1)는 제1 세그먼트(SG1)의 평균 기울기를 의미할 수 있다. 제1 세그먼트(SG1)는 대체로 제1 기울기(m1)를 가질 수 있다.
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. 여기서, 제2 기울기(m2)는 제2 세그먼트(SG2)의 평균 기울기를 의미할 수 있다. 제2 세그먼트(SG2)는 대체로 제2 기울기(m2)를 가질 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 클 수 있다.
응력 프로파일의 기울기(또는, 경사)는 제1 전이점(TP1)을 기준으로 급격하게 변할 수 있다. 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 가질 수 있다.
서로 다른 기울기를 갖는 제1 세그먼트(SG1)와 제2 세그먼트(SG2)는 1단 이온 교환 공정에 의해 생성될 수 있다. 이온 교환 공정에서, 나트륨(Na) 이온의 도입을 통해 제2 세그먼트(SG2)가 생성되고, 칼륨(K) 이온의 도입을 통해 제1 세그먼트(SG1)가 생성될 수 있다. 다만, 1회의 이온 교환 공정에 의해 생성되는 유리의 응력 프로파일에서 제1 세그먼트(SG1)의 기울기와 제2 세그먼트(SG2)의 기울기 차이가 크지 않을 수 있으나, 이온 교환 공정 조건을 적절히 조절할 경우 일정 값 이상의 기울기 차를 갖는 응력 프로파일을 형성할 수 있다. 이하, 상기 이온 교환 공정 조건에 대해 설명한다.
이온 교환 공정은 유리를 칼륨(K) 이온과 나트륨(Na) 이온을 포함하는 혼합 용융염에 노출시키는 방식으로 진행된다. 예를 들어, 이온 교환 공정을 위해 유리를 질산 칼륨과 질산 나트륨이 혼합된 혼합 용융염을 포함하는 욕조에 침지한다. 예시적인 실시예에서, 혼합 용융염에서 질산 나트륨과 질산 칼륨의 염비는 20:80 내지 30:70의 범위에서 조절될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 이온 교환 공정은 약 390℃ 이상 410℃ 이하의 온도에서 약 1시간 내지 2시간 동안 진행될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
유리 내부의 리튬(Li)/나트륨(Na) 이온들이 이온 교환 공정을 통해 혼합 용융염 내 존재하는 그보다 큰 이온인 나트륨(Na)/칼륨(K) 이온으로 교환되면서 유리 내부에서는 나트륨(Na) 이온 및/또는 칼륨(K) 이온의 농도가 높아질 수 있다. 또한, 혼합 용융염은 유리로부터 리튬(Li) 이온을 제공받기 때문에, 이온 교환 공정을 거치면 나트륨(Na) 이온과 칼륨(K) 이온 외에 리튬(Li) 이온을 추가로 더 포함하게 될 수 있다.
이온의 확산 정도는 이온의 크기에 반비례할 수 있다. 즉, 이온의 크기가 더 작을수록 더 많이 확산할 수 있다. 따라서, 이온 교환 공정을 통해 유리 내부에 나트륨(Na) 이온과 칼륨(K) 이온이 모두 침투하는 경우, 상대적으로 더 작은 크기를 갖는 나트륨(Na) 이온이 칼륨(K) 이온보다 더 많이 확산하여 더 깊은 곳까지 침투할 수 있다. 나트륨(Na) 이온은 제1 압축 깊이(DOC1)까지 확산할 수 있지만, 칼륨(K) 이온은 제1 전이점(TP1) 이하의 깊이까지 확산할 수 있다.
일 실시예에 따른 이온 교환 공정은 단일 공정으로서, 유리에 압축 깊이(DOC1, DOC2)를 부여하는 과정과 최대 압축 응력(CS1, CS2)을 부여하는 과정이 동시에 일어날 수 있다. 유리에 압축 깊이(DOC1, DOC2)를 부여하는 과정은 리튬(Li)-나트륨(Na) 이온 교환을 통해 이뤄질 수 있다. 구체적으로, 유리 내부의 리튬(Li) 이온이 혼합 용융염으로 배출되고, 혼합 용융염 내 나트륨(Na) 이온이 유리 내부로 침투할 수 있다.
리튬(Li)-나트륨(Na) 이온 교환 결과, 제2 직선(ℓ2)에 상응하는 응력 프로파일이 생성될 수 있다. 즉, 혼합 용융염의 나트륨(Na) 이온이 유리 내부로 교환되어 침투한 후, 깊이 방향으로 확산할 수 있다. 나트륨(Na) 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. 리튬(Li)-나트륨(Na) 이온 교환에 의해 제1 압축 깊이(DOC1)가 결정될 수 있다.
한편, 확산에 의한 이온의 밀도는 대체로 확산된 거리에 반비례한다. 나트륨(Na) 이온은 유리의 표면으로부터 이온 교환을 통해 유리 내부에 진입하여 깊이 방향으로 확산하므로, 나트륨(Na) 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.
이처럼, 제1 압축 깊이(DOC1)는 이온 교환되는 나트륨(Na) 이온의 최대 확산 깊이와 밀접한 상관 관계를 갖는다. 제1 압축 깊이(DOC1)는 나트륨(Na) 이온 최대 확산 깊이와 동일하거나, 다소간의 차이가 있더라도 그 주변에 위치하며 대체로 나트륨(Na) 이온의 최대 확산 깊이에 비례하는 관계를 가질 수 있다. 이와 같이 리튬(Li)-나트륨(Na) 이온 교환은 충분한 확산을 통해 소정의 제1 압축 깊이(DOC1)를 형성할 수 있다.
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 작아질 수 있다. 나트륨(Na) 이온은 상대적으로 작은 크기 및 유리 내부로의 확산으로 인하여 제1 표면(US)의 최대 압축 응력(CS1)을 크게 만드는 데에 한계가 있을 수 있다. 더 큰 표면 압축 응력(CS1)의 형성은 칼륨(K) 이온에 의해 이루어질 수 있다.
유리 제품(100)의 제1 표면(US)에 최대 압축 응력(CS1)을 부여하는 과정은 리튬(Li)-칼륨(K) 및/또는 나트륨(Na)-칼륨(K) 이온 교환을 통해 이뤄질 수 있다. 구체적으로, 유리 내부의 리튬(Li) 및/또는 나트륨(Na) 이온이 혼합 용융염으로 배출되고, 그 자리에 혼합 용융염 내 칼륨(K) 이온이 침투할 수 있다.
이온 교환 공정 중에서 리튬(Li)-칼륨(K) 및/또는 나트륨(Na)-칼륨(K) 이온 교환의 결과로, 제1 직선(ℓ1)에 상응하는 응력 프로파일이 형성될 수 있다. 즉, 혼합 용융염의 칼륨(K) 이온이 유리 내부로 교환되어 침투한 후, 깊이 방향으로 확산할 수 있다. 칼륨(K) 이온은 대체로 제1 전이점(TP1)까지 확산하여 유리 표면(US) 근처의 제1 세그먼트(SG1)구간의 압축 응력을 큰 폭으로 증가시킬 수 있다. 유리 내부에 칼륨(K) 이온이 침투하면 크기가 큰 칼륨(K) 이온에 의해 해당 부위의 압축 응력이 증가할 수 있다. 유리 내부에 침투한 칼륨(K) 이온은 깊이 방향으로 확산하는데, 나트륨(Na) 이온 침투와 비교할 때 칼륨(K) 이온이 나트륨(Na) 이온보다 확산 속도가 느리므로, 이온 교환 공정을 통해 확산되는 칼륨(K) 이온의 확산 깊이는 제1 압축 깊이(DOC1)보다 훨씬 짧다. 칼륨(K) 이온의 최대 확산 깊이는 상술한 바와 같이, 제1 전이점(TP1) 이하가 될 수 있다.
이온 교환 공정을 통해 침투한 칼륨(K) 이온에 의해 형성되는 응력 프로파일은 대체로 제1 직선(ℓ1)과 같은 형태를 나타낼 수 있다. 칼륨(K) 이온에 의해 형성되는 제1 표면(US)의 압축 응력(CS1)은 커지는 반면, 칼륨(K) 이온의 침투 깊이(또는 제1 전이점(TP1))는 제1 압축 깊이(DOC1)보다 작으므로, 제1 직선(ℓ1)의 제1 기울기(m1)의 절대값은 제2 직선(ℓ2)의 제2 기울기(m2)의 절대값보다 클 수 있다. 즉, 압축 응력 프로파일은 유리 제품(100)의 표면 부근에서 급격한 경사를 갖고, 유리 제품(100)의 내부로 갈수록 경사가 완만해질 수 있다.
일 실시예에서, 제1 기울기(m1)의 절대값은, 일 실시예에서 약 20 내지 65의 범위의 값을 가질 수 있고, 다른 실시예에서 약 25 내지 60의 범위의 값을 가질 수 있고, 또 다른 실시예에서 약 33.2 내지 54.6의 범위의 값을 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 제2 기울기(m2)의 절대값은, 일 실시예에서 약 0.5 내지 4의 범위의 값을 가질 수 있고, 다른 실시예에서 약 1 내지 3.5의 범위의 값을 가질 수 있고, 또 다른 실시예에서 약 1.5 내지 2.9의 범위의 값을 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
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 강도와 관계될 수 있다. 최대 압축 응력(CS1)이 클수록 외부 충격에 의한 크랙 발생을 방지할 수 있다. 최대 압축 응력(CS1)은 이온 교환 공정에서 얼마나 많은 칼륨(K) 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 이상일 수 있다. 또한, 최대 압축 응력(CS1)은 1000MPa 이하일 수 있다. 다양한 실시예들에서, 최대 압축 응력(CS1)은 850MPa 이하이거나, 750MPa 이하이거나, 650MPa 이하일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 최대 압축 응력(CS1)은 450 MPa 내지 650MPa의 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 유리할 수 있다. 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 90um 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 120um 이하일 수 있다. 바람직한 일 실시예에서, 제1 압축 깊이(DOC1)는 90um 이상 120um 이하의 범위를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 제1 압축 깊이(DOC1)는 이온 교환 공정에서 나트륨(Na) 이온의 확산 정도에 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 나트륨(Na) 이온의 교환 및/또는 확산에 의해 결정되고, 제2 기울기(m2)는 칼륨(K) 이온의 교환 및/또는 확산에 의해 결정될 수 있다.
제1 전이점(TP1)의 x 좌표값(깊이)은 0보다 크고 제1 압축 깊이(DOC1)보다 작은 값을 갖고, y 좌표값(응력)은 0보다 크고 최대 압축 응력(CS1)보다 작은 값을 가질 수 있다. 상술한 제1 압축 깊이(DOC1)와 최대 압축 응력(CS1)의 예시에 따르면, 제1 전이점(TP1)의 깊이는 0 초과 90um 미만의 범위 내에 존재하고, 응력은 0 초과 450 MPa 미만의 범위 내에 존재할 수 있다. 이와 같은, 제1 전이점(TP1)의 위치는 제1 압축 영역(CSR1) 내에서의 응력 프로파일의 대체적인 형상을 결정할 수 있다. 뿐만 아니라, 제1 전이점(TP1)의 위치는 제1 압축 영역(CSR1)의 면적, 다시 말하면 압축 에너지의 크기를 좌우할 수 있다.
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 일 실시예에서 약 12um 내지 20um의 범위의 값을 가질 수 있고, 다른 실시예에서 약 10um 내지 18um의 범위의 값을 가질 수 있고, 또 다른 실시예에서 약 7um 내지 15um의 범위의 값을 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
제1 압축 깊이(DOC1)에 대한 제1 전이점(TP1)의 깊이(DOL_TP1)의 비율은 일 실시예에서 0.058 내지 0.17의 범위의 값을 가질 수 있고, 다른 실시예에서 약 0.077 내지 0.125의 범위의 값을 가질 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)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 100 MPa 내지 220 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 200MPa 내지 210MPa의 범위에 있을 수 있다. 최대 압축 응력(CS1)에 대한 제1 전이점(TP1)의 응력(CS_TP1)의 비율은 의 0.22배 내지 0.47의 범위에 있거나, 0.3배 내지 0.4배의 범위에 있을 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
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 될 수 있다.
도 7은 다양한 제1 전이점 응력-깊이 비에 따른 응력 프로파일을 나타낸 모식도이다. 도 5, 도 6 및 도 7을 참조하면, 제1 전이점(TP1)의 응력-깊이 비(CDR)가 커질수록 제1 전이점(TP1)의 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 7um 내지 15um의 범위에 있고, 제1 전이점(TP1)의 응력(CS_TP1)이 100 MPa 내지 220 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 8 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 30 MPa/um보다는 작거나 같은 범위에서 조절되는 것이 바람직할 수 있다.
도 8은 동일 제1 전이점 응력-깊이 비에서 다양한 압축 에너지를 갖는 응력 프로파일들을 나타낸 모식도이다.
도 5 내지 도 8을 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 될 수 있다. 반면, 과도한 인장 에너지의 증가는 유리 제품(100)의 취약성 기준을 충족시키지 못하게 하는 원인이 될 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(K) 이온의 밀도를 측정할 수 있다. 따라서, 유리 제품(100)의 제1 표면(US)으로부터 칼륨(K) 이온의 최대 침투 깊이인 제1 전이점(TP1)까지의 칼륨(K) 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.
도 9는 1단 강화 유리 및 2단 강화 유리의 응력 프로파일이 근사하는 직선 그래프를 개략적으로 도시한 모식도이다.
1단 강화 유리는 LAS계 유리를 약 390℃ 내지 410℃에서 나트륨 이온의 양이온 몰분율이 20mol% 내지 30mol%인 질산 나트륨 및 질산 칼륨 혼합 용융염으로 1시간 또는 2시간 동안 이온 교환 공정을 수행한 것이고, 2단 강화 유리는 1단 강화를 수행한 유리를 약 370℃ 내지 390℃에서 칼륨 이온 90mol% 내지 99mol%, 나트륨 이온 몰분율 1mol% 내지 10mol%인 질산 나트륨 및 질산 칼륨 혼합 용융염에서 약 30분 내지 120분 동안 추가적으로 이온 교환 공정을 수행한 것이다.
도 9를 참조하면, 1단 강화 유리 및 2단 강화 유리의 응력 프로파일은 각각 제1 압축 깊이(DOC1) 지점, 최대 압축 응력(CS1)을 나타내는 점 및 제1 전이점(TP1) 등 상술한 3개의 주요 특징점을 가질 수 있다.
1단 강화한 유리 제품(100)과 2단 강화한 유리 제품(100)을 비교했을 때, 1단 강화한 유리 제품(100)의 제1 전이점(TP1)에서의 압축 깊이 및 압축 응력은 2단 강화한 유리 제품(100)의 제1 전이점(TP1)에서의 압축 깊이 및 압축 응력과 대체로 동일한 값을 가질 수 있다. 1단 강화한 유리 제품(100)의 제1 압축 깊이(DOC1)는 2단 강화한 유리 제품(100)의 제1 압축 깊이(DOC1)와 대체로 동일한 값을 가질 수 있다. 반면, 최대 압축 응력(CS1)에서는 2단 강화한 유리 제품(100)의 최대 압축 응력(CS1)은 1단 강화한 유리 제품(100)의 최대 압축 응력(CS1)보다 큰 값을 가질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 즉, 상술한 바와 같이 추가적인 이온 교환 공정을 수행할 경우, 제1 압축 깊이(DOC1)와 제1 전이점(TP1)은 대체로 변하지 않을 수 있으나, 최대 압축 응력(CS1)은 증가할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
구체적으로, 1단 및 2단 강화한 유리 제품(100)의 제1 압축 깊이(DOC1)는 약 90um 내지 120um의 범위의 값을 가질 수 있고, 제1 전이점(TP1)에서 압축 깊이는 약 7um 내지 15um, 압축 응력은 약 100 MPa 내지 220 MPa의 범위의 값을 가질 수 있다. 반면, 1단 강화한 유리 제품(100)의 최대 압축 응력(CS1)은 약 450 MPa 내지 650 MPa의 값을 가질 수 있고, 2단 강화한 유리 제품(100)의 최대 압축 응력(CS1)은 약 750 MPa 내지 900 MPa의 값을 가질 수 있다.
도 9의 S1 영역은 1단 강화 유리의 최대 압축 응력의 상한값(CS1a_1st), 압축 깊이와 압축 응력의 상한값을 갖는 제1 전이점(TP1a_1st) 및 제1 압축 깊이의 상한값(DOC1a_1st)을 연결한 응력 프로파일 그래프, 최대 압축 응력의 하한값(CS1b_1st), 압축 깊이와 압축 응력의 하한값을 갖는 제1 전이점(TP1b_1st) 및 제1 압축 깊이의 하한값(DOC1b_1st)을 연결한 응력 프로파일 그래프, x 축 및 y 축에 의해 정의될 수 있다.
약 390℃ 내지 410℃에서 나트륨 이온의 양이온 몰분율이 20mol% 내지 30mol%인 질산 나트륨 및 질산 칼륨 혼합 용융염으로 1시간 또는 2시간 동안 1단 강화한 유리 제품(100)의 응력 프로파일은 제1 특징점의 상한점(CS1a_1st), 제2 특징점의 상한점(DOC1a_1st) 및 제3 특징점의 상한점(TP1a_1st)을 지날 수 있으며, 응력 프로파일은 각 특징점으로부터 각각 제1 특징점의 하한점(CS1b_1st), 제2 특징점의 하한점(DOC1b_1st) 및 제3 특징점의 하한점(TP1b_1st)을 향하여 연속적으로 변화할 수 있다. 상기 조건에서 1단 강화한 유리 제품(100)의 응력 프로파일은 S1 영역 내에 위치할 수 있다.
도 9의 S2 영역은 2단 강화 유리의 최대 압축 응력의 상한값(CS1a_2nd), 압축 깊이와 압축 응력의 상한값을 갖는 제1 전이점(TP1a_2nd) 및 제1 압축 깊이의 상한값(DOC1a_2nd)을 연결한 응력 프로파일 그래프, 최대 압축 응력의 하한값(CS1b_2nd), 압축 깊이와 압축 응력의 하한값을 갖는 제1 전이점(TP1b_2nd) 및 제1 압축 깊이의 하한값(DOC1b_2nd)을 연결한 응력 프로파일 그래프, x 축 및 y 축 의해 정의될 수 있다.
상기와 같은 조건으로 1단 강화한 유리 제품(100)을 약 370℃ 내지 390℃에서 칼륨 이온 90mol% 내지 95mol%, 나트륨 이온 몰분율 5mol% 내지 10mol%인 질산 나트륨 및 질산 칼륨 혼합 용융염에서 약 30분 내지 120분 동안 추가적으로 강화를 진행하여 2단 강화한 유리 제품(100)의 응력 프로파일은 제1 특징점의 상한점(CS1a_2nd), 제2 특징점의 상한점(DOC1a_2nd) 및 제3 특징점의 상한점(TP1a_2nd)을 지날 수 있으며, 응력 프로파일은 각 특징점으로부터 각각 제1 특징점의 하한점(CS1b_2nd), 제2 특징점의 하한점(DOC1b_2nd) 및 제3 특징점의 하한점(TP1b_2nd)을 향하여 연속적으로 변화할 수 있다. 즉, 제1 특징점은 제1 특징점의 상한점(CS1a_2nd)과 제1 특징점의 하한점(CS1b_2nd)의 사이값을 가질 수 있고, 제2 특징점은 제2 특징점의 상한점(DOC1a_2nd)과 제2 특징점의 하한점(DOC1b_2nd)의 사이값을 가질 수 있고, 제3 특징점은 제3 특징점의 상한점(TP1a_2nd)과 제3 특징점의 하한점(TP1b_2nd)의 사이값을 가질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 조건에서 2단 강화한 유리 제품(100)의 응력 프로파일은 S2 영역 내에 위치할 수 있다.
약 390℃ 내지 410℃에서 나트륨 이온의 양이온 몰분율이 20mol% 내지 30mol%인 질산 나트륨 및 질산 칼륨 혼합 용융염으로 1시간 또는 2시간 동안 1단 강화를 진행한 유리 제품(100)은 약 370℃ 내지 390℃에서 칼륨 이온 90mol% 내지 95mol%, 나트륨 이온 몰분율 5mol% 내지 10mol%인 질산 나트륨 및 질산 칼륨 혼합 용융염에서 약 30분 내지 120분 동안 추가적으로 강화를 진행하여 2단 강화한 유리 제품(100)과 비교하였을 때, 제1 압축 깊이(DOC1)나 제1 전이점(TP1)에서는 차이가 없을 수 있으나, 최대 압축 응력(CS1)에서 유의미한 차이를 보일 수 있다.
일 실시예에 따른 유리 제품(100)은 외부 충격에 의해 쉽게 파손되지 않는 높은 강도를 가질 수 있고, 뿐만 아니라 1단 강화를 통하여 제작되어 강화에 필요한 시간을 단축할 수 있고, 비용을 절감할 수 있다.
도 10은 일 실시예에 따른 유리 제품(100) 제조 방법의 공정 단계별 순서도이다. 도 11은 일 실시예에 따른 이온 교환 공정을 나타낸 개략도이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 일 실시예에 따른 유리 제품(100) 제조 방법은 LAS계 유리를 제공하는 단계(S11) 및 LAS계 유리를 390℃ 내지 410℃의 (NaNO3 + KNO3/Na:20~30mol%, K:70~80mol%) 용융염에 1시간 내지 2시간 동안 침지시키는 강화 단계(S12)를 포함할 수 있다.
LAS계 유리를 제공하는 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 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.
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.
LAS계 유리를 390℃ 내지 410℃의 (NaNO3 + KNO3/Na:20~30mol%, K:70~80mol%) 용융염에 1시간 내지 2시간 동안 침지시키는 강화 단계(S12)에서는 이온 교환 공정이 이뤄질 있다. 구체적으로, 본 강화 단계(S12)에 사용되는 용융염은 나트륨 이온의 양이온 몰분율이 20mol% 내지 30mol%이고, 칼륨 이온의 양이온 몰분율이 70mol% 내지 80mol%인 질산 나트륨 및 질산 칼륨 혼합 용융염을 의미할 수 있다.
이온 교환 공정은 유리 내부의 이온을 다른 이온으로 교환하는 공정이다. 이온 교환 공정을 통해 유리의 표면이나 그 근처의 이온이 동일한 원자가 또는 산화 상태를 갖는 더 큰 이온에 의해 대체되거나 교환될 수 있다. 예를 들어, 유리 제품(100)이 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 11이 참조된다.
도 11은 일 실시예에 따른 이온 교환 공정을 나타낸 개략도이다. 도 11에서는 유리 내부의 나트륨(Na) 이온이 칼륨(K) 이온으로 교환되는 경우를 예시한다.
도 11을 참조하면, 리튬 및 나트륨(Na) 이온을 포함하는 유리를 질산 나트륨(Na) 및 질산 칼륨(K)을 포함하는 혼합 용융염에 침지시키는 등의 방법으로 나트륨(Na) 및/또는 칼륨(K) 이온에 노출시키면, 유리 내부의 리튬 및/또는 나트륨(Na) 이온이 외부로 배출되고 그 자리에 나트륨(Na) 및/또는 칼륨(K) 이온이 대체될 수 있다. 교환된 나트륨(Na) 및/또는 칼륨(K) 이온은 리튬 및/또는 나트륨(Na) 이온보다 이온 반지름이 크기 때문에 압축 응력을 생성한다. 교환된 나트륨(Na) 및/또는 칼륨(K) 이온의 양이 많을수록 압축 응력이 커지게 된다. 이온 교환은 유리의 표면을 통해 이루어지므로, 교환된 나트륨(Na) 및/또는 칼륨(K) 이온의 양은 유리 제품(100)의 표면에서 가장 많을 수 있다. 교환된 나트륨(Na) 및/또는 칼륨(K) 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.
일 실시예에 따른 유리 제품(100)의 제조 방법은 1단 강화를 통하여 강화에 필요한 시간을 단축할 수 있고, 비용을 절감할 수 있다.
도 12 내지 도 15는 390℃ 또는 410℃에서 나트륨 이온의 양이온 몰분율이 20mol% 또는 30mol%인 질산 나트륨 및 질산 칼륨 혼합 용융염으로 1시간 또는 2시간 동안 이온 교환 공정을 거친 유리 제품(100)의 응력 프로파일을 나타낸 그래프들이다.
상술한 바와 같이, 각각 다른 조건 하에서 이온 교환 공정을 수행한 유리 제품(100)들의 최대 압축 응력(CS1), 제1 전이점(TP1)에서의 응력(CS_TP1)과 압축 깊이(DOL_TP1) 및 제1 압축 깊이(DOC1)를 하기 표 1에 기재하였다.
| 온도 | 390℃ | 410℃ | ||||||
| Na+ 몰분율 | 20 mol% | 30 mol% | 20 mol% | 30 mol% | ||||
| 시간 | 1 hr | 2 hr | 1 hr | 2 hr | 1 hr | 2 hr | 1 hr | 2 hr |
| CS1(MPa) | 635 | 655 | 588 | 591 | 623 | 622 | 565 | 572 |
| CS_TP1(MPa) | 140.3 | 145.7 | 151.4 | 219.7 | 148 | 291.8 | 216 | 152.7 |
| DOL_TP1(um) | 9.7 | 13.3 | 9.7 | 8.6 | 8.7 | 7.2 | 8.3 | 12.6 |
| DOC1(um) | 102.4 | 107.3 | 103.2 | 110.6 | 95.7 | 108.1 | 95.2 | 114.2 |
구체적으로, 도 12는 390℃에서 나트륨 이온의 양이온 몰분율이 20mol%인 질산 나트륨 및 질산 칼륨 혼합 용융염으로 1시간 또는 2시간 동안 이온 교환 공정을 거친 유리 제품(100)의 응력 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 12를 참조하면, 최대 압축 응력(CS1)은 2시간 동안 이온 교환 공정을 거친 유리 제품(100)이 1시간 동안 이온 교환 공정을 거친 유리 제품(100)보다 큰 값을 가졌다('CS1a, CS1b' 참조). 제1 압축 깊이(DOC1)는 2시간 동안 이온 교환 공정을 거친 유리 제품(100)이 1시간 동안 이온 교환 공정을 거친 유리 제품(100)보다 큰 값을 가졌다('DOC1a, DOC1b' 참조). 제1 전이점(TP1)에서의 압축 깊이(DOL_TP1)는 2시간 동안 이온 교환 공정을 거친 유리 제품(100)이 1시간 동안 이온 교환 공정을 거친 유리 제품(100)보다 큰 값을 가졌다('DOL_TP1a, DOL_TP1b' 참조). 제1 전이점(TP1)에서의 압축 응력(CS_TP1)은 2시간 동안 이온 교환 공정을 거친 유리 제품(100)이 1시간 동안 이온 교환 공정을 거친 유리 제품(100)보다 큰 값을 가졌다('CS_TP1a, CS_TP1b' 참조).
도 13은 390℃에서 나트륨 이온의 양이온 몰분율이 30mol%인 질산 나트륨 및 질산 칼륨 혼합 용융염으로 1시간 또는 2시간 동안 이온 교환 공정을 거친 유리 제품(100)의 응력 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 13을 참조하면, 최대 압축 응력(CS1)은 2시간 동안 이온 교환 공정을 거친 유리 제품(100)과 1시간 동안 이온 교환 공정을 거친 유리 제품(100)이 유사한 값을 가졌다(CS1c, CS1d 참조). 제1 압축 깊이(DOC1)는 2시간 동안 이온 교환 공정을 거친 유리 제품(100)이 1시간 동안 이온 교환 공정을 거친 유리 제품(100)보다 큰 값을 가졌다('DOC1c, DOC1d' 참조). 제1 전이점(TP1)에서의 압축 깊이(DOL_TP1)는 2시간 동안 이온 교환 공정을 거친 유리 제품(100)이 1시간 동안 이온 교환 공정을 거친 유리 제품(100)보다 작은 값을 가졌다('DOL_TP1c, DOL_TP1d' 참조). 제1 전이점(TP1)에서의 압축 응력(CS_TP1)은 2시간 동안 이온 교환 공정을 거친 유리 제품(100)이 1시간 동안 이온 교환 공정을 거친 유리 제품(100)보다 큰 값을 가졌다('CS_TP1c, CS_TP1d' 참조).
도 14는 410℃에서 나트륨 이온의 양이온 몰분율이 20mol%인 질산 나트륨 및 질산 칼륨 혼합 용융염으로 1시간 또는 2시간 동안 이온 교환 공정을 거친 유리 제품(100)의 응력 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 14를 참조하면, 최대 압축 응력(CS1)은 2시간 동안 이온 교환 공정을 거친 유리 제품(100)과 1시간 동안 이온 교환 공정을 거친 유리 제품(100)이 유사한 값을 가졌다('CS1e, CS1f' 참조). 제1 압축 깊이(DOC1)는 2시간 동안 이온 교환 공정을 거친 유리 제품(100)이 1시간 동안 이온 교환 공정을 거친 유리 제품(100)보다 큰 값을 가졌다('DOC1e, DOC1f' 참조). 제1 전이점(TP1)에서의 압축 깊이(DOL_TP1)는 2시간 동안 이온 교환 공정을 거친 유리 제품(100)이 1시간 동안 이온 교환 공정을 거친 유리 제품(100)보다 작은 값을 가졌다('DOL_TP1e, DOL_TP1f' 참조). 제1 전이점(TP1)에서의 압축 응력(CS_TP1)은 2시간 동안 이온 교환 공정을 거친 유리 제품(100)이 1시간 동안 이온 교환 공정을 거친 유리 제품(100)보다 작은 값을 가졌다('CS_TP1e, CS_TP1f' 참조).
도 15는 410℃에서 나트륨 이온의 양이온 몰분율이 30mol%인 질산 나트륨 및 질산 칼륨 혼합 용융염으로 1시간 또는 2시간 동안 이온 교환 공정을 거친 유리 제품(100)의 응력 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 15를 참조하면, 최대 압축 응력(CS1)은 2시간 동안 이온 교환 공정을 거친 유리 제품(100)이 1시간 동안 이온 교환 공정을 거친 유리 제품(100)보다 큰 값을 가졌다('CS1g, CS1h' 참조). 제1 압축 깊이(DOC1)는 2시간 동안 이온 교환 공정을 거친 유리 제품(100)이 1시간 동안 이온 교환 공정을 거친 유리 제품(100)보다 큰 값을 가졌다('DOC1g, DOC1h' 참조). 제1 전이점(TP1)에서의 압축 깊이(DOL_TP1)는 2시간 동안 이온 교환 공정을 거친 유리 제품(100)이 1시간 동안 이온 교환 공정을 거친 유리 제품(100)보다 큰 값을 가졌다('DOL_TP1g, DOL_TP1h' 참조). 제1 전이점(TP1)에서의 압축 응력(CS_TP1)은 2시간 동안 이온 교환 공정을 거친 유리 제품(100)이 1시간 동안 이온 교환 공정을 거친 유리 제품(100)보다 작은 값을 가졌다('CS_TP1g, CS_TP1h' 참조).
도 16은 샘플군 #A, #B, #C의 모형 낙하 실험 평가 결과를 나타낸 그래프이다.
도 16을 참조하면, 샘플군 #A는 강화 전 유리 제품(100)이고, 샘플군 #B는 약 390℃ 내지 410℃에서 나트륨 이온 몰분율 20mol% 내지 30mol%인 질산 나트륨 및 질산 칼륨 혼합 용융염에서 1시간 내지 2시간 동안 이온 교환 공정을 거친 유리 제품(100)이고, 샘플군 #C는 샘플군 #B를 약 370℃ 내지 390℃에서 칼륨 이온 90mol% 내지 95mol%, 나트륨 이온 몰분율 5mol% 내지 10mol%인 질산 나트륨 및 질산 칼륨 혼합 용융염에서 약 30분 내지 120분 동안 추가적인 이온 교환 공정을 수행한 유리 제품(100)이다.
지그 모형은 각 샘플군이 적용되는 스마트폰을 모형화 한 것이다. 본 실험은 각 샘플군을 완제품에 적용한 상황을 모사한 실험이다. 적용한 지그 모형의 가로 길이는 약 80mm, 세로 길이는 약 160mm, 높이는 약 5mm이고, 무게 175g일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 모형 낙하 실험 평가는 20회 실시되었으며, 유리 샘플을 적용한 지그 모형을 화강암 상으로 낙하하여 각 샘플군이 깨지는 높이를 확인하는 방식으로 진행하였다.
샘플군 #A, #B, #C를 적용한 지그 모형을 낙하하여 깨짐이 발생하지 않으면 5cm씩 그 높이를 증가시켜 지그 모형 낙하를 반복하고, 최종적으로 깨짐이 발생하였을 때 그 바로 전의 높이(즉, 깨짐이 이루어지지않은 최대 높이)를 한계 낙하 높이(h)로 결정하였다.
| 샘플군 | 모형 한계 낙하 높이(cm) |
| #A | 48.2 |
| #B | 66.7 |
| #C | 85.0 |
표 2를 참조하면, 모형 낙하 실험 평가에서 샘플군 #A의 한계 낙하 높이의 평균값은 48.2cm로 측정되었고, 샘플군 #B의 한계 낙하 높이의 평균값은 66.7cm로 측정되었고, 샘플군 #C의 한계 낙하 높이의 평균값은 85.0cm를 나타내었다. 샘플군 #B는 샘플군 #C 보다 표면 강도가 낮은 것으로 평가되었으나, 샘플군 #B는 한계 낙하 높이의 평균값이 60cm 이상을 나타내, 커버 윈도우 등으로 적용 가능할 정도로 일정 수준 이상의 표면 강도를 가짐을 알 수 있었다. 본 실험예에서는 모형 낙하 실험 평가를 20회 수행하였으나, 상기와 같은 실험 결과는 20회 이상 수행한 경우에도 대체로 동일하게 나타날 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: 유리 제품
US: 제1 표면
RS: 제2 표면
CS1: 제1 최대 압축 응력
CS2: 제2 최대 압축 응력
CT1: 최대 인장 응력
DOC1, DOC2: 제1 및 제2 압축 깊이
US: 제1 표면
RS: 제2 표면
CS1: 제1 최대 압축 응력
CS2: 제2 최대 압축 응력
CT1: 최대 인장 응력
DOC1, DOC2: 제1 및 제2 압축 깊이
Claims (20)
- 리튬 알루미노 실리케이트를 포함하는 유리 제품으로서,
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 표면에서의 응력에 대한 상기 제1 전이점에서의 응력의 비율은 0.22 내지 0.47인 유리 제품. - 제1 항에 있어서,
상기 제1 표면에서의 압축 응력은 450 MPa 내지 650MPa 인 유리 제품. - 제1 항에 있어서,
상기 제1 전이점의 깊이는 7um 내지 15um이고,
상기 제1 전이점의 응력은 100MPa 내지 220MPa인 유리 제품. - 제1 항에 있어서,
상기 제1 압축 깊이는 90um 내지 120um인 유리 제품. - 제4 항에 있어서,
상기 제1 압축 깊이에 대한 상기 제1 전이점의 깊이의 비율은 0.077 내지 0.125인 유리 제품. - 제1 항에 있어서,
상기 제1 기울기의 절대값은 상기 제2 기울기의 절대값보다 큰 유리 제품. - 제6 항에 있어서,
상기 제2 기울기의 절대값은 1.5 내지 2.9의 범위의 값을 갖는 유리 제품. - 제1 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 제1 압축 깊이는 나트륨 이온의 최대 침투 깊이이고,
상기 제1 전이점의 상기 깊이는 칼륨 이온의 최대 침투 깊이인 유리 제품. - 제1 항에 있어서,
상기 유리 제품을 가로 길이 80mm, 세로 길이 160mm, 높이 5mm의 지그 모형에 적용하여 화강암에 낙하시키는 방식으로 20회 이상 실시한 한계 낙하 높이 평가에서, 한계 낙하 높이의 평균값이 60cm 이상을 나타내는 유리 제품. - 1단 강화를 통해 제조되는 유리 제품으로서,
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 표면의 압축 응력은 450MPa 내지 650MPa이고,
상기 제1 압축 깊이는 90um 내지 120um이며,
상기 제1 압축 영역의 응력 프로파일은 7um 내지 15um의 깊이 및 100MPa 내지 220MPa의 응력 범위에서 제1 전이점을 갖고,
상기 제1 표면에서의 응력에 대한 상기 제1 전이점에서의 응력의 비율은 0.22 내지 0.47이며,
상기 제2 압축 영역의 상기 응력 프로파일은 상기 제1 압축 영역의 상기 응력 프로파일과 대칭 관계를 갖는 유리 제품. - 제11 항에 있어서,
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 세그먼트의 평균 기울기는 제1 기울기를 갖고,
상기 제2 세그먼트의 평균 기울기는 제2 기울기를 갖되,
상기 제1 기울기의 절대값은 33.2 내지 54.6의 범위의 값을 갖는 유리 제품. - 제12 항에 있어서,
상기 제1 기울기의 절대값은 상기 제2 기울기의 절대값보다 큰 유리 제품. - 제13 항에 있어서,
상기 제2 기울기의 절대값은 1.5 내지 2.9의 범위의 값을 갖는 유리 제품. - 제11 항에 있어서,
상기 제1 압축 깊이는 나트륨 이온의 최대 침투 깊이이고,
상기 제1 전이점의 상기 깊이는 칼륨 이온의 최대 침투 깊이인 유리 제품. - 제11 항에 있어서,
상기 제1 압축 깊이에 대한 상기 제1 전이점의 깊이의 비율은 0.077 내지 0.125인 유리 제품. - 제11 항에 있어서,
상기 유리 제품을 가로 길이 80mm, 세로 길이 160mm, 높이 5mm의 지그 모형에 적용하여 화강암에 낙하시키는 방식으로 20회 이상 실시한 한계 낙하 높이 평가에서, 한계 낙하 높이의 평균값이 60cm 이상을 나타내는 유리 제품. - LAS계 유리를 제공하는 단계; 및
상기 LAS계 유리를 혼합 용융염에 침지하는 제1 강화 단계를 포함하되,
상기 혼합 용융염 내 양이온 중 나트륨 이온의 비율은 20mol% 내지 30mol%이고, 칼륨 이온의 비율은 70mol% 내지 80mol%이고,
상기 제1 강화 단계는 390℃ 내지 410℃의 온도에서 1시간 내지 2시간 동안 1회 진행되는 유리 제품 제조 방법. - 제18 항에 있어서,
상기 제1 강화 단계를 거친 상기 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 표면에서의 응력에 대한 상기 제1 전이점에서의 응력의 비율은 0.22 내지 0.47이고,
상기 제1 세그먼트의 평균 기울기는 제1 기울기를 갖고,
상기 제2 세그먼트의 평균 기울기는 제2 기울기를 갖되,
상기 제1 기울기의 절대값은 33.2 내지 54.6의 범위의 값을 갖는 유리 제품 제조 방법. - 제19 항에 있어서,
상기 제1 표면에서의 압축 응력은 450 MPa 내지 650MPa이고,
상기 제1 압축 깊이는 90um 내지 120um이며,
상기 제1 전이점의 깊이는 7um 내지 15um이고,
상기 제1 전이점의 응력은 100MPa 내지 220MPa인 유리 제품 제조 방법.
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