KR20220027253A - 무기 조성물 물품 및 결정화 유리 - Google Patents

무기 조성물 물품 및 결정화 유리 Download PDF

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KR20220027253A
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Abstract

주결정상으로서 α-크리스토발라이트 및 α-크리스토발라이트 고용체로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는 무기 조성물 물품으로서, 산화물 환산 질량%로, SiO2 성분의 함량이 50.0% 내지 75.0%, Li2O 성분의 함량이 3.0% 내지 10.0%, Al2O3 성분의 함량이 5.0% 이상 15.0% 미만, Al2O3 성분과 ZrO2 성분의 합계 함량이 10.0% 이상이고, 표면의 압축 응력값이 600MPa 이상인, 무기 조성물 물품.

Description

무기 조성물 물품 및 결정화 유리{INORGANIC COMPOSITION ARTICLE AND CRYSTALLIZED GLASS}
본 발명은 표면이 단단한 무기 조성물 물품 및 결정화 유리에 관한 것이다.
각종 무기 재료가 스마트폰, 태블릿형 PC 등의 휴대 전자 기기의 디스플레이를 보호하기 위한 커버 유리나 하우징으로서, 또한 차량 탑재용 광학 기기 렌즈를 보호하기 위한 프로텍터나 내장용 베젤, 콘솔 패널, 터치 패널의 소재, 스마트 키 등으로서의 사용이 기대되고 있다. 그리고, 이들 기기는 하드 디스크용 기판에서 요구되는 이상의 가혹한 환경에서의 사용이 요구되어 있어, 더 높은 경도를 갖는 무기 재료에 대한 요구가 높아지고 있다.
유리의 강도를 높인 것으로서 결정화 유리가 있다. 결정화 유리는 유리 내부에 결정을 석출시킨 것으로, 비정질 유리보다도 기계적 강도가 우수한 것으로 알려져 있다.
한편, 유리의 강도를 높이는 방법으로서 화학 강화가 알려져 있다. 유리 표면층에 존재하는 알칼리 성분을 그보다도 이온 반경이 큰 알칼리 성분과 교환 반응시키고, 표면에 압축 응력층을 형성함으로써 크랙의 진전을 억제하여 기계적 강도를 높일 수 있다. 이를 위해서는 충분히 높은 압축 응력값을 얻을 필요가 있다.
특허문헌 1에는 화학 강화 가능한 정보 기록 매체용 무기 조성물 물품이 개시되어 있다. 특허문헌 1에 기재된 α-크리스토발라이트계 무기 조성물 물품은 화학 강화가 가능하고, 강도가 높은 재료 기판으로서 이용할 수 있다고 설명되어 있다. 그러나, 하드 디스크용 기판을 대표로 하는 정보 기록 매체용 결정화 유리에 대해서는 가혹한 환경에서의 사용을 상정한 것이 아니며, 화학 강화에 수반하는 표면 압축 응력값에 관한 논의는 행해져 있지 않다.
일본 특허공개 제2008-254984호
본 발명의 목적은 표면 경도가 높은 무기 조성물 물품 및 결정화 유리를 제공하는 데 있다.
본 발명은 이하를 제공한다.
(구성 1)
주결정상으로서 α-크리스토발라이트 및 α-크리스토발라이트 고용체로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는 무기 조성물 물품으로서,
산화물 환산 질량%로,
SiO2 성분의 함량이 50.0% 내지 75.0%,
Li2O 성분의 함량이 3.0% 내지 10.0%,
Al2O3 성분의 함량이 5.0% 이상 15.0% 미만,
Al2O3 성분과 ZrO2 성분의 합계 함량이 10.0% 이상이고,
표면의 압축 응력값이 600MPa 이상인,
무기 조성물 물품.
(구성 2)
산화물 환산 질량%로,
ZrO2 성분의 함량이 0% 초과 10.0% 이하,
K2O 성분의 함량이 0% 내지 10.0%,
P2O5 성분의 함량이 0% 내지 10.0%인,
구성 1에 기재된 무기 조성물 물품.
(구성 3)
산화물 환산 질량%로,
Na2O 성분의 함량이 0% 내지 10.0%,
MgO 성분의 함량이 0% 내지 10.0%,
CaO 성분의 함량이 0% 내지 10.0%,
SrO 성분의 함량이 0% 내지 10.0%,
BaO 성분의 함량이 0% 내지 10.0%,
ZnO 성분의 함량이 0% 내지 10.0%,
Sb2O3 성분의 함량이 0% 내지 3.0%인,
구성 1 또는 구성 2에 기재된 무기 조성물 물품.
(구성 4)
산화물 환산 질량%로,
Nb2O5 성분의 함량이 0% 내지 10.0%,
Ta2O5 성분의 함량이 0% 내지 10.0%,
TiO2 성분의 함량이 0% 이상 7.0% 미만인,
구성 1 내지 구성 3 중 어느 하나에 기재된 무기 조성물 물품.
(구성 5)
주결정상으로서 α-크리스토발라이트 및 α-크리스토발라이트 고용체로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는 결정화 유리로서,
산화물 환산 질량%로,
SiO2 성분의 함량이 50.0% 내지 75.0%,
Li2O 성분의 함량이 3.0% 내지 10.0%,
Al2O3 성분의 함량이 5.0% 이상 15.0% 미만,
ZrO2 성분의 함량이 0% 초과 10.0% 이하,
Al2O3 성분과 ZrO2 성분의 합계 함량이 10.0% 이상인,
결정화 유리.
(구성 6)
산화물 환산 질량%로,
K2O 성분의 함량이 0% 내지 5.0%,
P2O5 성분의 함량이 0% 내지 10.0%인,
구성 5에 기재된 결정화 유리.
(구성 7)
산화물 환산 질량%로,
Na2O 성분의 함량이 0% 내지 4.0%,
MgO 성분의 함량이 0% 내지 4.0%,
CaO 성분의 함량이 0% 내지 4.0%,
SrO 성분의 함량이 0% 내지 4.0%,
BaO 성분의 함량이 0% 내지 5.0%,
ZnO 성분의 함량이 0% 내지 10.0%,
Sb2O3 성분의 함량이 0% 내지 3.0%인,
구성 5 또는 구성 6에 기재된 결정화 유리.
(구성 8)
산화물 환산 질량%로,
Nb2O5 성분의 함량이 0% 내지 5.0%,
Ta2O5 성분의 함량이 0% 내지 6.0%,
TiO2 성분의 함량이 0% 이상 1.0% 미만인,
구성 5 내지 구성 7 중 어느 하나에 기재된 결정화 유리.
본 발명에 따르면, 표면 경도가 높은 무기 조성물 물품 및 결정화 유리를 제공할 수 있다.
본 발명의 무기 조성물 물품 및 결정화 유리는 높은 강도를 갖는 무기 재료인 것을 살려서 기기의 보호 부재 등에 사용할 수 있다. 스마트폰의 커버 유리나 하우징, 태블릿형 PC나 웨어러블 단말 등의 휴대 전자 기기의 부재로서 이용하거나, 차나 비행기 등의 수송 기체로 사용되는 보호 프로텍터나 헤드업 디스플레이용 기판 등의 부재로서 이용 가능하다. 또한, 기타 전자 기기나 기계 기구류, 건축 부재, 태양광 패널용 부재, 프로젝터용 부재, 안경이나 시계용 커버 유리(방풍) 등에 사용 가능하다.
이하, 본 발명의 무기 조성물 물품의 실시 형태 및 실시예에 대하여 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이하의 실시 형태 및 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 목적 범위 내에서 적절히 변경하여 실시할 수 있다.
본 발명의 무기 조성물 물품은, 주결정상으로서 α-크리스토발라이트 및 α-크리스토발라이트 고용체로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는 무기 조성물 물품으로서,
산화물 환산 질량%로,
SiO2 성분의 함량이 50.0% 내지 75.0%,
Li2O 성분의 함량이 3.0% 내지 10.0%,
Al2O3 성분의 함량이 5.0% 이상 15.0% 미만,
Al2O3 성분과 ZrO2 성분의 합계 함량이 10.0% 이상이고,
표면의 압축 응력값이 600MPa 이상이다.
이러한 주결정상, 조성 및 압축 응력값을 가짐으로써 단단한 무기 조성물 물품을 얻을 수 있다.
본 발명에 있어서의 "무기 조성물 물품"이란 유리, 결정화 유리, 세라믹스, 또는 이들의 복합 재료 등의 무기 조성물 재료로 구성된다. 본 발명의 물품에는 예를 들어 이들 무기 재료를 가공이나 화학 반응에 의한 합성 등에 의해 원하는 형상으로 성형한 물품이 해당한다. 또한, 무기 재료를 분쇄 후 가압함으로써 얻어지는 압분체나, 압분체를 소결함으로써 얻어지는 소결체 등도 해당한다. 여기에서 얻어지는 물품의 형상은 평활함, 곡률, 크기 등으로 한정되지는 않는다. 예를 들어, 판상의 기판이거나, 곡률을 갖는 성형체이거나, 복잡한 형상을 갖는 입체 구조체 등이다.
본 발명의 결정화 유리는, 주결정상으로서 α-크리스토발라이트 및 α-크리스토발라이트 고용체로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는 결정화 유리로서,
산화물 환산 질량%로,
SiO2 성분의 함량이 50.0% 내지 75.0%,
Li2O 성분의 함량이 3.0% 내지 10.0%,
Al2O3 성분의 함량이 5.0% 이상 15.0% 미만,
ZrO2 성분의 함량이 0% 초과 10.0% 이하,
Al2O3 성분과 ZrO2 성분의 합계 함량이 10.0% 이상이다.
이 주결정상 및 조성을 가짐으로써, 단단하고 표면에 높은 압축 응력값을 얻는 것이 가능한 결정화 유리를 얻을 수 있다.
결정화 유리란 유리 세라믹스라고도 불리며, 유리를 열처리함으로써 유리 내부에 결정을 석출시킨 재료이다. 결정화 유리는 결정상과 유리상을 갖는 재료이며, 비정질 고체와는 구별된다. 일반적으로, 결정화 유리의 결정상은 X선 회절 분석의 X선 회절 도형에서 나타나는 피크의 각도를 사용하여 판별된다.
이하, 본 발명의 무기 조성물 물품 및 결정화 유리(이하, 단순히 무기 조성물 물품이라고도 함)에 대하여 설명한다. 무기 조성물 물품은 바람직하게는 강화된 결정화 유리이다.
무기 조성물 물품은 주결정상으로서 α-크리스토발라이트 및 α-크리스토발라이트 고용체로부터 선택되는 1종 이상을 함유한다. 이 결정상을 석출하는 무기 조성물 물품은 높은 기계적 강도를 갖는다.
여기서, 본 명세서에 있어서의 "주결정상"이란 X선 회절 도형의 피크로부터 판정되는 무기 조성물 물품 중에 가장 많이 함유하는 결정상에 상응한다.
본 명세서에 있어서, 각 성분의 함유량은 특별히 언급하지 않는 경우 모두 산화물 환산 질량%로 표시한다. 여기서, "산화물 환산"이란, 무기 조성물 물품의 구성 성분이 모두 분해되어 산화물로 변화한다고 가정한 경우에, 당해 산화물의 총 질량을 100질량%로 했을 때의 무기 조성물 물품 중에 함유되는 각 성분의 산화물의 양을 질량%로 표기한 것이다. 본 명세서에 있어서, A% ~ B%는 A% 이상 B% 이하를 나타낸다.
SiO2 성분은 α-크리스토발라이트 및 α-크리스토발라이트 고용체로부터 선택되는 1종 이상을 구성하기 위하여 필요한 필수 성분이다. 바람직하게는 상한을 75.0% 이하, 74.0% 미만, 73.7% 미만, 72.5% 미만, 또는 72.0% 미만으로 한다. 더욱 바람직하게는 하한을 50.0% 이상, 55.0% 이상, 58.0% 이상, 60.0% 이상, 62.0% 이상, 또는 64.0% 이상으로 한다.
Li2O 성분은 원(原) 무기 조성물의 용융성을 향상시키는 중요한 성분이지만, 그 양이 3.0% 미만에서는 상기 효과가 얻어지지 않아 원유리의 용융이 곤란해지고, 또한 10.0%을 초과하면 2규산리튬 결정의 생성이 증가한다.
바람직하게는 하한을 3.0% 이상, 3.5% 이상, 4.0% 이상, 4.5% 이상, 5.0% 이상, 또는 5.5% 이상으로 한다. 더욱 바람직하게는 상한을 10.0% 이하, 9.0% 이하, 8.5% 이하, 또는 8.0% 이하로 한다.
Al2O3 성분은 무기 조성물 물품의 기계적 강도를 향상시키는 데에 적합한 성분이다. 바람직하게는 상한을 15.0% 미만, 14.5% 이하, 14.0% 이하, 13.5% 이하, 또는 13.0% 이하로 한다. 더욱 바람직하게는 하한을 5.0% 이상, 5.5% 이상, 5.8% 이상, 6.0% 이상, 또는 6.5% 이상으로 한다.
ZrO2 성분은 기계적 강도를 향상시키기 위하여 첨가할 수 있는 임의 성분이다. 바람직하게는 상한을 10.0% 이하, 9.5% 이하, 9.0% 이하, 8.8% 이하, 또는 8.5% 이하로 한다. 더욱 바람직하게는 하한을 0% 초과, 0.1% 이상, 1.0% 이상, 1.5% 이상, 1.8% 이상, 또는 2.0% 이상으로 한다.
Al2O3 성분과 ZrO2 성분의 함유량의 합인 [Al2O3+ZrO2]이 많으면 화학 강화, 열처리 강화, 이온 주입 강화를 했을 때에 표면의 압축 응력이 커진다. 바람직하게는 [Al2O3+ZrO2]의 하한은 10.0% 이상, 10.5% 이상, 11.0% 이상, 12.0% 이상, 13.0% 이상, 또는 13.5% 초과로 한다.
한편, [Al2O3+ZrO2]의 상한은 바람직하게는 22.0% 이하, 21.0% 이하, 20.0% 이하, 또는 19.0% 이하로 한다.
SiO2 성분, Li2O 성분, Al2O3 성분 및 ZrO2 성분의 합계 함유량의 하한을 75.0% 이상, 80.0% 이상, 83.0% 이상, 또는 85.0% 이상으로 할 수 있다.
P2O5 성분은 무기 조성물의 결정핵 형성제로서 작용시키기 위하여 첨가할 수 있는 임의 성분이다. 바람직하게는 상한을 10.0% 이하, 9.0.% 이하, 8.0% 이하, 또는 7.5% 이하로 한다. 더욱 바람직하게는 하한을 0% 이상, 0.5% 이상, 1.0% 이상, 또는 1.5% 이상으로 할 수 있다.
K2O 성분은 표면 압축 응력을 향상시키기 위하여 첨가할 수 있는 임의 성분이다. 바람직하게는 하한을 0% 이상, 0.1% 이상, 0.3% 이상, 0.5% 이상, 또는 0.8% 이상으로 할 수 있다.
또한, 과잉으로 함유하면 결정이 석출되기 어려워지는 경우가 있다. 따라서, 바람직하게는 상한을 10.0% 이하, 6.0% 이하, 5.0% 이하, 4.0% 이하, 3.5%, 또는 3.0% 이하로 할 수 있다.
Na2O 성분은 표면 압축 응력을 향상시키기 위하여 첨가할 수 있는 임의 성분이다. 과잉으로 함유하면 원하는 결정상이 얻기 어려워지는 경우가 있다. 바람직하게는 상한을 10.0% 이하, 5.0% 이하, 4.0% 이하, 3.0% 이하, 또는 2.5% 이하로 할 수 있다.
MgO, CaO, SrO, BaO 및 ZnO 성분은 임의 성분이며, 무기 조성물의 용융성을 향상시키지만 과잉으로 포함되면 얻어지는 결정이 조대화 되기 쉽다. 이 때문에, MgO 성분은 바람직하게는 상한을 10.0% 이하, 7.0% 이하, 5.0% 이하, 4.0% 이하, 3.0% 이하, 또는 2.5% 이하로 한다. CaO 성분은 바람직하게는 상한을 10.0% 이하, 7.0% 이하, 5.0% 이하, 4.0% 이하, 3.0% 이하, 또는 2.0% 이하로 할 수 있다. SrO 성분은 바람직하게는 상한을 10.0% 이하, 7.0% 이하, 4.0% 이하, 3.0% 이하, 2.5% 이하, 또는 2.3% 이하로 할 수 있다. BaO 성분은 바람직하게는 상한을 10.0% 이하, 8.0% 이하, 7.0% 이하, 6.0% 이하, 5.0% 이하, 또는 4.0% 이하로 한다. ZnO 성분은 바람직하게는 상한을 10.0% 이하, 9.0% 이하, 8.8% 이하, 8.5% 이하, 8.0% 이하, 또는 7.5% 이하로 할 수 있다.
SrO 및 BaO 성분의 합계량은 12.0% 미만인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 상한을 10.0% 미만, 8.0% 미만, 6.0% 미만, 또는 4.5% 이하로 할 수 있다.
무기 조성물 물품은 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 범위에서 Nb2O5 성분, Ta2O5 성분 및 TiO2 성분을 각각 포함할 수도 있고, 포함하지 않을 수도 있다. Nb2O5 성분은 바람직하게는 상한을 10.0% 이하, 6.0% 이하, 5.0%, 또는 3.0%로 할 수 있다. Ta2O5 성분은 바람직하게는 상한을 10.0% 이하, 8.0%, 6.0%, 또는 4.0% 이하로 할 수 있다. TiO2 성분은 바람직하게는 상한을 7.0% 미만, 5.0% 이하, 3.0% 이하, 2.0% 이하, 1.0% 미만, 0.5% 이하, 또는 0.1% 이하로 할 수 있다.
또한, 무기 조성물 물품은 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 범위에서 B2O3 성분, La2O3 성분, Y2O3 성분, WO3 성분, TeO2 성분 및 Bi2O3 성분을 각각 포함할 수도 있고, 포함하지 않을 수도 있다. 배합량은 각각 0% 내지 2.0%, 0% 이상 2.0% 미만, 또는 0% 내지 1.0%로 할 수 있다.
또한, 무기 조성물 물품에는 상술되어 있지 않은 다른 성분을 본 발명의 무기 조성물 물품의 특성을 손상시키지 않는 범위에서 포함할 수도 있고, 포함하지 않을 수도 있다. 예를 들어, Gd, Yb, Lu, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ag 및 Mo 등의 금속 성분(이들의 금속 산화물을 포함함) 등이다.
유리 청징제로서 Sb2O3 성분을 함유시킬 수도 있다. 바람직하게는 상한을 3.0% 이하, 보다 바람직하게는 1.0% 이하, 더욱 바람직하게는 0.6% 이하로 할 수 있다.
또한, 유리 청징제로서 Sb2O3 성분 외에 SnO2 성분, CeO2 성분, As2O3 성분 및 F, NOx, SOx의 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 포함할 수도 있고, 포함하지 않을 수도 있다. 단, 청징제의 함유량은 바람직하게는 상한을 3.0% 이하, 보다 바람직하게는 1.0% 이하, 가장 바람직하게는 0.6% 이하로 할 수 있다.
한편, Pb, Th, Tl, Os, Be, Cl 및 Se의 각 성분은 최근 유해한 화학 물질로서 사용을 삼가는 경향이 있으므로, 이들을 실질적으로 함유하지 않는 것이 바람직하다.
본 발명의 무기 조성물 물품은 표면에 압축 응력값(CS(MPa))이 600MPa 이상의 압축 응력층이 형성되어 있다. 또한, 본 발명의 결정화 유리는 표면에 압축 응력층을 형성할 수 있다. 압축 응력층의 압축 응력값은 바람직하게는 600MPa 이상, 보다 바람직하게는 650MPa 이상, 더욱 바람직하게는 680MPa 이상, 특히 바람직하게는 700MPa 이상이다. 상한은 예를 들어 1400MPa 이하, 1300MPa 이하, 1200MPa 이하, 또는 1100MPa 이하이다. 이러한 압축 응력값을 가짐으로써 크랙의 진전을 억제하고 기계적 강도를 높일 수 있다.
압축 응력층의 두께(DOLzero(㎛))는 무기 조성물 물품의 두께에도 의존하므로 한정하지 않으나, 예를 들어 두께가 10mm인 결정화 유리 기판의 경우 압축 응력층의 두께는 하한을 1㎛ 이상, 30㎛ 이상, 50㎛ 이상, 70㎛ 이상, 100㎛ 이상, 130㎛ 이상, 150㎛ 이상, 180㎛ 이상, 또는 200㎛ 이상으로 할 수 있다.
예를 들어 무기 조성물 물품이 결정화 유리 기판일 때, 이 물품은 이하의 방법으로 제작할 수 있다. 즉, 상기 각 성분이 소정의 함유량 범위 내가 되도록 원료를 균일하게 혼합하고, 용해 성형하여 원유리를 제조한다. 다음으로, 이 원유리를 결정화하여 결정화 유리를 제작한다.
결정 석출을 위한 열처리는 1단계이어도 좋고, 2단계의 온도로 열처리해도 좋다.
2단계 열처리에서는, 먼저 제1 온도로 열처리함으로써 핵 형성 공정을 행하고, 이 핵 형성 공정 후에 핵 형성 공정보다 높은 제2 온도로 열처리 함으로써 결정 성장 공정을 행한다.
2단계 열처리의 제1 온도는 450℃ 내지 750℃가 바람직하고, 보다 바람직하게는 500℃ 내지 720℃, 더욱 바람직하게는 550℃ 내지 680℃로 할 수 있다. 제1 온도에서의 유지 시간은 30분 내지 2000분이 바람직하고, 180분 내지 1440분이 보다 바람직하다.
2단계 열처리의 제2 온도는 600℃ 내지 800℃가 바람직하고, 보다 바람직하게는 650℃ 내지 750℃로 할 수 있다. 제2 온도에서의 유지 시간은 30분 내지 600분이 바람직하고, 60분 내지 400분이 보다 바람직하다.
1단계 열처리에서는, 1단계의 온도로 핵 형성 공정과 결정 성장 공정을 연속적으로 행한다. 통상적으로, 소정의 열처리 온도까지 승온하고, 당해 열처리 온도에 도달한 후에 일정시간 그 온도를 유지하며, 그 후 강온한다.
1단계의 온도로 열처리할 경우 열처리 온도는 600℃ 내지 800℃가 바람직하고, 630℃ 내지 770℃가 보다 바람직하다. 또한, 열처리 온도에서의 유지 시간은 30분 내지 500분이 바람직하고, 60분 내지 400분이 보다 바람직하다.
결정화 유리로부터 예를 들어 연삭 및 연마 가공 수단 등을 사용하여 유리 성형체를 제작할 수 있다. 유리 성형체를 박판 형상으로 가공함으로써 결정화 유리 기판을 제작할 수 있다.
무기 조성물 물품의 압축 응력층의 형성 방법 및 압축 응력층이 없는 결정화 유리에 있어서의 압축 응력층의 형성 방법으로서는, 예를 들어 결정화 유리 기판의 표면층에 존재하는 알칼리 성분을 그보다 이온 반경이 큰 알칼리 성분과 교환 반응시키고, 표면층에 압축 응력층을 형성하는 화학 강화법이 있다. 또한, 결정화 유리 기판을 가열하고 그 후 급냉하는 열 강화법, 결정화 유리 기판의 표면층에 이온을 주입하는 이온 주입법이 있다.
화학 강화법은 예를 들어 다음과 같은 공정으로 실시할 수 있다. 결정화 유리 모재를 칼륨 또는 나트륨을 함유하는 염, 예를 들어 질산칼륨(KNO3), 질산나트륨(NaNO3) 또는 그 혼합염이나 복합염의 용융염에 접촉 또는 침지시킨다. 이 용융염에 접촉 또는 침지시키는 처리(화학 강화 처리)는 1단계이어도 좋고, 2단계로 처리해도 좋다.
예를 들어 2단계 화학 강화 처리의 경우, 1) 350℃ 내지 550℃로 가열한 나트륨염 또는 칼륨과 나트륨의 혼합염에 1 내지 1440분, 바람직하게는 90 내지 500분 접촉 또는 침지시킨다. 계속하여, 2) 350℃ 내지 550℃로 가열한 칼륨염 또는 칼륨과 나트륨의 혼합염에 1 내지 1440분, 바람직하게는 60 내지 600분 접촉 또는 침지시킨다.
1단계 화학 강화 처리의 경우, 350℃ 내지 550℃로 가열한 칼륨 또는 나트륨을 함유하는 염, 또는 그 혼합염에 1 내지 1440분 접촉 또는 침지시킨다.
무기 조성물 물품의 화학 강화는 1단계로 처리할 수도 있고 다단계로 처리할 수도 있으나, 효율적으로 표면 압축 응력을 높이고 압축 응력층의 두께를 크게 하기 위해서는, 1) 나트륨의 용융염에 의한 강화를 한 후, 2) 칼륨의 용융염에 의한 강화를 하는 2단계 강화 처리가 바람직하다.
열 강화법에 대해서는 특별히 한정되지 않으나, 예를 들어 무기 조성물 물품 모재를 300℃ 내지 600℃로 가열한 후에 수냉 및/또는 공냉 등의 급속 냉각을 실시함으로써, 유리 기판의 표면과 내부의 온도 차에 의해 압축 응력층을 형성할 수 있다. 또한, 상기 화학 처리법과 조합함으로써 압축 응력층을 더 효과적으로 형성할 수도 있다.
이온 주입법에 대해서는 특별히 한정되지 않으나, 예를 들어 무기 조성물 물품의 모재 표면에 임의의 이온을 모재 표면이 파괴되지 않을 정도의 가속 에너지, 가속 전압으로 충돌시킴으로써 모재 표면에 이온을 주입한다. 그 후 필요에 따라 열처리를 행함으로써 다른 방법과 마찬가지로 표면에 압축 응력층을 형성할 수 있다.
[실시예]
실시예 1 내지 28 및 비교예 1 내지 2
결정화 유리의 각 성분의 원료로서 각각 상당하는 산화물, 수산화물, 탄산염, 질산염, 불화물, 염화물, 메타 인산 화합물 등의 원료를 선정하고, 이들 원료를 표 1 내지 표 3에 기재된 조성이 되도록 칭량하여 균일하게 혼합하였다.
이어서, 혼합한 원료를 백금 도가니에 투입하고, 유리 조성의 용융 난이도에 따라서 전기로에서 1300℃ 내지 1600℃로, 2 내지 24시간 용융하였다. 그 후, 용융된 유리를 교반하여 균질화 한 후에, 1000℃ 내지 1450℃로 온도를 낮추고 난 후에 금형에 주입하고, 서냉하여 원유리를 제작하였다. 실시예 1 내지 24 및 비교예 1 내지 2에서는 얻어진 원유리를 2단계 열처리로 결정화시켜서 결정화 유리를 제작하였다. 1단계째에서 표 1 내지 표 3의 "핵 형성 조건"에 나타낸 온도와 시간으로 핵 형성하고, 2단계째에서 표 1 내지 표 3의 "결정화 조건"에 나타낸 온도와 시간으로 결정화하였다. 실시예 25 내지 28에서는 원유리를 1단계 열처리로 결정화시켜서 결정화 유리를 제작하였다. 표 3의 "결정화 조건"에 나타낸 온도와 시간으로 핵 형성함과 함께 결정화하였다.
실시예 1 내지 28 및 비교예 1 내지 2의 결정화 유리의 결정상은 X선 회절 분석 장치(Bruker사 제조, D8Dsicover)를 사용한 X선 회절 도형으로 나타나는 피크의 각도로부터 판별하였다. 실시예 1 내지 28 및 비교예 1 내지 2의 결정화 유리의 X선 회절 도형을 확인하면, 모두 α-크리스토발라이트 및/또는 α-크리스토발라이트 고용체의 피크 패턴에 상응하는 위치에 메인 피크(가장 강도가 높고 피크 면적이 큰 피크)가 인정되었다는 점에서, 모두 α-크리스토발라이트 및 α-크리스토발라이트 고용체가 주결정상으로서 석출되었다고 판별하였다.
제작한 결정화 유리를 절단 및 연삭하고, 또한 10mm의 두께가 되도록 대면 평행 연마하여 결정화 유리 기판을 얻었다. 이어서, 실시예 1 내지 23, 25 및 26에서는 결정화 유리 기판을 모재로서 사용하여 2단계 강화하여 화학 강화 결정화 유리 기판을 얻었다. 구체적으로는, 표 1 내지 표 3에 나타낸 온도와 시간으로 NaNO3 용융염에 침지한(1단계째) 후에, 표 1 내지 표 3에 나타낸 온도와 시간으로 KNO3 용융염에 침지시켰다(2단계째). 실시예 24 및 비교예 1 내지 2에서 얻은 기판은 표 3에 나타낸 온도와 시간으로 KNO3 용융염에 침지하여 1단계 강화하였다. 비교예 1 내지 2의 강화 기판은 특허문헌 1에 기재된 실시예 25 및 실시예 27에 상응하는 화학 강화 결정화 유리 기판이다. 실시예 27 및 28에서 얻은 기판은 표 3에 나타낸 온도와 시간으로 NaNO3 용융염에 침지하여 1단계 강화하였다.
이와 같이 하여 얻어진 강화 결정화 유리에 대해서 표면의 압축 응력값(CS)을 측정하였다. 실시예 1 내지 26 및 비교예 1 내지 2는 오리하라 세이사꾸쇼 제작의 유리 표면 응력계 FSM-6000LE 시리즈를 사용하고, 실시예 27 및 28은 산란광 광탄성 응력계 SLP-1000을 사용하여 측정하였다. 표 1 내지 표 3에 나타낸 바와 같이, FSM-6000LE 시리즈에서는 측정기의 광원은 강화 깊이에 따라서 596nm 또는 365nm의 파장의 광원을 선택하여 측정을 행하였다. SLP-1000에서는 640nm의 파장의 광원을 사용하여 측정을 행하였다.
CS 측정 조건이 되는 굴절률의 값은 표 1 내지 표 3에 나타낸 값을 사용하였다. CS 측정에 사용하는 굴절률은 측정에 사용한 광원의 파장(640nm, 596nm 또는 365nm)의 굴절률의 값을 사용하였다. 또한, 소정 파장에 있어서의 굴절률의 값은 JIS B 7071-2:2018에 규정되는 V블록법에 준하여 C선, d선, F선, g선의 파장에 있어서의 굴절률의 측정값으로부터 2차 근사식을 사용하여 산출하였다.
CS 측정 조건이 되는 광탄성 상수값은 표 1 내지 표 3에 나타낸 값을 사용하였다. CS 측정에 사용하는 광탄성 상수는 측정에 사용한 광원의 파장(640nm, 596nm, 또는 365nm)의 광탄성 상수값을 사용하였다. 또한, 파장 640nm, 596nm, 또는 365nm에 있어서의 광탄성 상수는 파장 435.8nm, 파장 546.1nm, 파장 643.9nm에 있어서의 광탄성 상수의 측정값으로부터 2차 근사식을 사용하여 산출하였다.
광탄성 상수(β)의 측정 방법은, 시료 형상을 대면 연마하여 직경 25mm, 두께 8mm의 원판 형상으로 하고, 소정 방향으로 압축 하중을 가하여 유리 중심에 발생하는 광로차를 측정하고, δ=β·d·F의 관계식에 의해 구하였다. 상기 식에서는 광로차를 δ(nm), 유리의 두께를 d(cm), 응력을 F(MPa)로서 표기하고 있다.
압축 응력층의 압축 응력이 0MPa일 때의 깊이(DOLzero(㎛))(응력 깊이라고도 함) 측정에 있어서, DOLzero(㎛)의 깊이에 따라 장치의 감도가 다르기 때문에, 깊이에 따라서 측정 장치를 선택하였다.
실시예 1 내지 23 및 25 내지 28의 깊이 측정에는 산란광 광탄성 응력계 SLP-1000을 사용하고, 실시예 24 및 비교예 1 내지 2에는 오리하라 세이사꾸쇼 제작의 유리 표면 응력계 FSM-6000LE 시리즈를 사용하여 측정하였다. 측정 광원의 파장, 시료의 굴절률 및 광탄성 상수는 표에 나타낸 값을 사용하여 산출하였다. 단, DOLzero(㎛)가 500㎛을 초과하는 경우에는 상기 측정기로 측정이 불가하므로, > 500으로 기재하였다.
결과를 표 1 내지 표 3에 나타낸다. 표 1 내지 3으로부터, 본 발명의 무기 조성물 물품(결정화 유리)은 표면에 CS가 높은 압축 응력층을 갖고 단단한 것을 알 수 있다.
조성(질량%) 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5 실시예 6 실시예 7 실시예 8 실시예 9 실시예 10
SiO2 68.50 66.80 65.70 65.57 66.80 71.02 69.52 67.42 67.42 68.02
Li20 7.00 7.00 7.00 6.80 6.00 7.00 7.00 7.00 7.00 7.40
Na20 2.00
K2O 2.00 2.00 2.00 1.40 1.00 1.50 1.50 1.50 1.50 1.50
Al2O3 7.50 7.50 7.50 7.20 7.50 9.00 10.50 12.20 12.20 10.00
P2O5 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.40 2.40 2.00 2.00 2.00
MgO 0.70 0.40 0.50 0.25 0.40 2.00 2.00 0.30 0.30 0.50
CaO
SrO 0.50 0.50
BaO 0.72 0.72 0.72 3.40 0.72 0.50 0.50
ZnO 6.50 6.50 6.50 6.40 6.50 2.00 2.00 4.00 4.00 2.50
ZrO2 5.00 5.00 5.00 4.90 5.00 4.00 4.00 5.50 5.50 8.00
Nb2O5 2.00 2.00 2.00
TiO2
Ta2O5 3.00
Sb2O3 0.08 0.08 0.08 0.08 0.08 0.08 0.08 0.08 0.08 0.08
합계 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0
Al2O3+ZrO2 12.5 12.5 12.5 12.1 12.5 13.0 14.5 17.7 17.7 18.0
결정화 조건
형성
조건
온도
(℃)
600 600 600 600 600 600 600 600 600 600
유지
시간
(h)
5 5 5 5 5 5 5 5 5 5
결정화 조건 온도
(℃)
700 690 700 690 690 690 690 690 705 690
유지
시간
(h)
5 5 5 5 5 5 5 5 5 5
강화 조건 1단계째
(NaNO3)
강화 조건
온도
(℃)
420 420 420 420 420 420 420 420 420 420
유지
시간
(h)
4 4 4 4 4 4 4 4 4 4
2단계째
(KNO3)
강화 조건
온도(℃) 420 420 420 420 420 420 420 420 420 420
유지
시간
(h)
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
CS
측정
조건
측정 장치 FSM-6000LE FSM-6000LE FSM-6000LE FSM-6000LE FSM-6000LE FSM-6000LE FSM-6000LE FSM-6000LE FSM-6000LE FSM-6000LE
측정 광원
파장(nm)
596 596 596 596 596 596 596 365 365 365
굴절률 n 1.528 1.538 1.539 1.541 1.535 1.523 1.523 1.549 1.549 1.553
광탄성 상수
(nm/cm/MPa)
30.3 31.2 31.2 31.2 31.2 29.2 29.2 34.0 34.0 34.0
DOLzero
측정
조건
측정 장치 SLP-1000 SLP-1000 SLP-1000 SLP-1000 SLP-1000 SLP-1000 SLP-1000 SLP-1000 SLP-1000 SLP-1000
측정 광원
파장(nm)
640 640 640 640 640 640 640 640 640 640
굴절률 n 1.526 1.536 1.536 1.538 1.532 1.520 1.520 1.526 1.526 1.532
광탄성 상수
(nm/cm/MPa)
30.0 31.1 31.1 31.1 31.1 28.7 28.7 30.0 30.0 30.0
CS(MPa) 734 719 745 700 823 760 803 910 904 920
DOLzero(㎛) 280 284 313 247 405 334 322 286 260 258
조성(질량%) 실시예 11 실시예 12 실시예 13 실시예 14 실시예 15 실시예 16 실시예 17 실시예 18 실시예 19 실시예 20
SiO2 67.82 68.92 66.42 66.42 66.11 66.70 66.10 66.75 65.66 65.92
Li20 7.20 7.50 6.90 6.80 6.76 6.20 7.20 6.93 7.14 7.00
Na20
K2O 1.50 2.00 1.50 1.53 1.52 1.90 1.50 1.48 1.53 1.50
Al2O3 10.50 10.50 11.80 11.01 11.43 8.10 12.50 12.08 12.44 12.20
P2O5 2.00 2.00 5.00 6.70 6.67 2.00 2.10 1.98 2.04 2.00
MgO 0.40 1.00 0.30 0.29 0.29 2.00 0.82 0.30 1.02 0.80
CaO 0.99 0.41 1.00
SrO 2.00 1.70
BaO 2.50
ZnO 2.50 3.00 2.39 2.38 6.00 4.10 3.96 4.08 4.00
ZrO2 8.00 6.00 5.00 4.79 4.76 2.40 5.60 5.45 5.60 5.50
Nb2O5
TiO2
Ta2O5
Sb2O3 0.08 0.08 0.08 0.08 0.08 0.50 0.08 0.08 0.08 0.08
합계 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0
Al2O3+ZrO2 18.5 16.5 16.8 15.8 16.2 10.5 18.1 17.5 18.0 17.7
결정화 조건
형성
조건
온도
(℃)
600 600 600 600 600 600 600 600 600 600
유지
시간
(h)
5 5 5 5 5 5 5 5 5 5
결정화 조건 온도
(℃)
690 675 720 720 720 690 700 690 700 700
유지
시간
(h)
5 5 5 5 5 5 5 5 5 5
강화 조건 1단계째
(NaNO3)
강화 조건
온도
(℃)
420 420 420 420 420 420 420 420 400 400
유지
시간
(h)
4 4 4 4 4 4 6 6 2.5 2.5
2단계째
(KNO3)
강화 조건
온도
(℃)
420 420 420 420 420 420 400 400 390 390
유지
시간
(h)
2 5 4 4 4 4 2 2 3 3
CS
측정
조건
측정장치 FSM-6000LE FSM-6000LE FSM-6000LE FSM-6000LE FSM-6000LE FSM-6000LE FSM-6000LE FSM-6000LE FSM-6000LE FSM-6000LE
측정광원 파장(nm) 365 365 596 596 596 596 596 596 596 596
굴절률 n 1.553 1.547 1.521 1.516 1.514 1.528 1.531 1.532 1.533 1.533
광탄성 상수
(nm/cm/MPa)
34.0 34.0 30.3 30.3 30.3 30.3 30.3 30.3 29.6 29.6
DOLzero
측정
조건
측정 장치 SLP-1000 SLP-1000 SLP-1000 SLP-1000 SLP-1000 SLP-1000 SLP-1000 SLP-1000 SLP-1000 SLP-1000
측정 광원
파장(nm)
640 640 640 640 640 640 640 640 640 640
굴절률 n 1.532 1.525 1.519 1.513 1.511 1.525 1.529 1.529 1.530 1.530
광탄성 상수
(nm/cm/MPa)
30.0 30.0 30.0 30.0 30.0 30.0 30.0 30.0 29.2 29.2
CS(MPa) 939 710 833 728 686 700 853 881 860 926
DOLzero(㎛) 262 267 > 500 > 500 > 500 221 323 306 283 275
조성(질량%) 실시예 21 실시예 22 실시예 23 실시예 24 실시예 25 실시예 26 실시예 27 실시예 28 비교예 1 비교예 2
SiO2 64.20 65.47 65.58 65.72 61.62 67.42 68.00 67.42 67.30 69.50
Li20 6.97 7.42 7.24 7.28 6.30 7.00 7.00 7.00 6.20 7.00
Na20
K2O 1.50 1.52 1.55 1.50 1.50 1.00 0.50 1.00 2.00 2.00
Al2O3 12.10 12.40 12.62 12.16 6.70 12.20 13.80 12.20 7.40 7.00
P2O5 2.60 2.03 2.07 1.99 2.70 2.00 2.50 2.00 2.00 2.20
MgO 1.10 1.02 1.03 0.80 0.30 0.50 0.30 2.00 1.70
CaO 1.25 0.40 1.00
SrO 1.70 1.00
BaO 2.60 2.50 1.60
ZnO 4.60 4.07 4.14 3.99 4.50 3.00 2.52 3.00 6.00 2.80
ZrO2 5.60 5.59 5.69 5.48 5.50 7.00 5.10 7.00 2.40 2.00
Nb2O5 2.50
TiO2 3.00
Ta2O5 6.00
Sb2O3 0.08 0.08 0.08 0.08 0.08 0.08 0.08 0.08 0.50 0.20
합계 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0
Al2O3+ZrO2 17.7 18.0 18.3 17.6 12.2 19.2 18.9 19.2 9.8 9.0
결정화 조건
형성
조건
온도
(℃)
600 600 600 600 - - - - 600 600
유지
시간
(h)
5 5 5 5 - 0 - - 5 5
결정화 조건 온도
(℃)
700 700 720 700 720 720 720 720 690 670
유지
시간
(h)
5 5 5 5 5 5 5 5 5 5
강화 조건 1단계째
(NaNO3)
강화 조건
온도
(℃)
400 400 400 - 420 420 420 420 - -
유지
시간
(h)
2.5 4 4 - 4 4 1 1 - -
2단계째
(KNO3)
강화 조건
온도
(℃)
390 400 400 380 380 380 - - 450 450
유지
시간
(h)
3 2 2 5 3 3 - - 12 12
CS
측정
조건
측정장치 FSM-6000LE FSM-6000LE FSM-6000LE FSM-6000LE FSM-6000LE FSM-6000LE SLP-1000 SLP-1000 FSM-6000LE FSM-6000LE
측정광원 파장(nm) 596 596 596 596 365 596 640 640 596 596
굴절률 n 1.536 1.535 1.533 1.533 1.576 1.533 1.524 1.531 1.530 1.534
광탄성 상수
(nm/cm/MPa)
29.6 30.3 30.3 30.3 34.0 29.6 29.2 29.2 30.3 30.3
DOLzero
측정
조건
측정 장치 SLP-1000 SLP-1000 SLP-1000 FSM-6000LE SLP-1000 SLP-1000 SLP-1000 SLP-1000 FSM-6000LE FSM-6000LE
측정 광원
파장(nm)
640 640 640 596 640 640 640 640 596 596
굴절률 n 1.533 1.532 1.530 1.533 1.552 1.531 1.524 1.531 1.530 1.534
광탄성 상수
(nm/cm/MPa)
29.2 30.0 30.0 30.3 31.1 29.2 29.2 29.2 30.3 30.3
CS(MPa) 958 895 893 1008 869 1002 628 646 573 529
DOLzero(㎛) 257 235 176 4 184 261 112 114 24 26
이상에서 한정된 본 발명의 실시 형태 및/또는 실시예를 상세하게 설명하였으나, 당업자라면 본 발명의 신규한 교시 및 효과로부터 실질적으로 벗어나지 않고, 이들 예시된 실시 형태 및/또는 실시예에 다양한 변경을 가하는 것이 용이하다. 따라서, 이들 다양한 변경도 본 발명의 범위에 포함된다.본 명세서에 기재된 문헌의 내용을 모두 여기에 원용한다.

Claims (8)

  1. 주결정상으로서 α-크리스토발라이트 및 α-크리스토발라이트 고용체로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는 무기 조성물 물품으로서,
    산화물 환산 질량%로,
    SiO2 성분의 함량이 50.0% 내지 75.0%,
    Li2O 성분의 함량이 3.0% 내지 10.0%,
    Al2O3 성분의 함량이 5.0% 이상 15.0% 미만,
    Al2O3 성분과 ZrO2 성분의 합계 함량이 10.0% 이상이고,
    표면의 압축 응력값이 600MPa 이상인,
    무기 조성물 물품.
  2. 제1항에 있어서,
    산화물 환산 질량%로,
    ZrO2 성분의 함량이 0% 초과 10.0% 이하,
    K2O 성분의 함량이 0% 내지 10.0%,
    P2O5 성분의 함량이 0% 내지 10.0%인,
    무기 조성물 물품.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    산화물 환산 질량%로,
    Na2O 성분의 함량이 0% 내지 10.0%,
    MgO 성분의 함량이 0% 내지 10.0%,
    CaO 성분의 함량이 0% 내지 10.0%,
    SrO 성분의 함량이 0% 내지 10.0%,
    BaO 성분의 함량이 0% 내지 10.0%,
    ZnO 성분의 함량이 0% 내지 10.0%,
    Sb2O3 성분의 함량이 0% 내지 3.0%인,
    무기 조성물 물품.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    산화물 환산 질량%로,
    Nb2O5 성분의 함량이 0% 내지 10.0%,
    Ta2O5 성분의 함량이 0% 내지 10.0%,
    TiO2 성분의 함량이 0% 이상 7.0% 미만인,
    무기 조성물 물품.
  5. 주결정상으로서 α-크리스토발라이트 및 α-크리스토발라이트 고용체로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는 결정화 유리로서,
    산화물 환산 질량%로,
    SiO2 성분의 함량이 50.0% 내지 75.0%,
    Li2O 성분의 함량이 3.0% 내지 10.0%,
    Al2O3 성분의 함량이 5.0% 이상 15.0% 미만,
    ZrO2 성분의 함량이 0% 초과 10.0% 이하,
    Al2O3 성분과 ZrO2 성분의 합계 함량이 10.0% 이상인,
    결정화 유리.
  6. 제5항에 있어서,
    산화물 환산 질량%로,
    K2O 성분의 함량이 0% 내지 5.0%,
    P2O5 성분의 함량이 0% 내지 10.0%인,
    결정화 유리.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    산화물 환산 질량%로,
    Na2O 성분의 함량이 0% 내지 4.0%,
    MgO 성분의 함량이 0% 내지 4.0%,
    CaO 성분의 함량이 0% 내지 4.0%,
    SrO 성분의 함량이 0% 내지 4.0%,
    BaO 성분의 함량이 0% 내지 5.0%,
    ZnO 성분의 함량이 0% 내지 10.0%,
    Sb2O3 성분의 함량이 0% 내지 3.0%인,
    결정화 유리.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    산화물 환산 질량%로,
    Nb2O5 성분의 함량이 0% 내지 5.0%,
    Ta2O5 성분의 함량이 0% 내지 6.0%,
    TiO2 성분의 함량이 0% 이상 1.0% 미만인,
    결정화 유리.
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