KR20230020747A - 플렉시블 디스플레이용 커버 윈도우 - Google Patents

Abstract

본 발명은 글라스 기반의 플렉시블 디스플레이용 커버 윈도우로서, 상기 글라스는 중심 영역을 구성하는 본체부와 가장자리 영역을 구성하는 엣지부로 이루어지고, 상기 글라스의 면에 평행한 방향을 x로, 글라스의 면에 수직한 방향을 y로, 글라스의 평탄면 기울기(dy/dx)가 음(-)로 전환되는 지점을 상기 본체부와 엣지부의 경계로 각각 설정할 때, 상기 엣지부는 상기 본체부보다 더 두꺼운 두께를 가지며, 엣지부의 두께는 본체부 중심 두께 t 대비 하여 1 < t ≤ 1.4의 두께비를 갖는 것을 특징으로 하는 커버 윈도우에 대해 개시한다. 본 발명에 의하면, 글라스 고유의 강도, 질감(터치감) 및 디스플레이 품질을 유지하는 커버 윈도우로서, 특히 종래 글라스 단일 재질로 이루어진 커버 윈도우 대비 동일 두께에서 우수한 굽힘성을 갖는 커버 윈도우를 제공할 수 있다. 또한 이러한 커버 윈도우는 우수한 굽힘성으로 인해, 굼힘성이 충분히 유지된 상태에서 두께 증가가 가능하기 때문에 내충격성도 확보될 수 있다. 또한 본 발명에 의하면, 종래와는 달리 슬림화 이전에 먼저 원장 글라스를 셀 사이즈로 절단 이후에, 개별 설 글라스 단위로 슬림화 및 강화 등의 후속 공정을 진행함으로써, 후속 공정에서 개별 셀 글라스가 얇은 두께로 인해 파손될 가능성이 현저히 감소되어 취급이 용이해지고 제품 수율이 높아질 수 있다.

Description

플렉시블 디스플레이용 커버 윈도우{COVER WINDOW FOR FLEXIBLE DIPLAY}

본 발명은 디스플레이용 커버 윈도우에 관한 것으로, 특히 플렉시블 디스플레이에 적용되는 글라스 기반의 커버 윈도우에 관한 것이다.

최근 디스플레이 시장의 큰 변화로서 플렉시블 디스플레이를 이용한 분야가 각광받고 있고 있다. 플렉시블 디스플레이는 신장형(stretchable), 두루마리형(rollable) 또는 접힘형(foldable) 디바이스 등 다양한 형태로 제품화가 이루어지고 있으며, 이를 이용한 스마트폰, 태블릿 PC, 노트북 등의 제조가 가능해졌다. 플레시블 디스플레이의 구현에 의해 사용자가 각종 전자제품을 휴대 및 이용하는 데 있어 그 부피를 획기적으로 줄일 수 있게 되었다.

이러한 플렉시블 디스플레이는 디스플레이 패널뿐만 아니라 이를 보호하기 위한 커버 윈도우 또한 플렉시블하게 형성되어야 한다. 즉 플렉시블 디스플레이용 커버 윈도우는 기본적으로 우수한 유연성을 갖고, 반복적인 폴딩에도 폴딩 부위에 자국이 발생하지 않아야 한다. 초기 플렉시블 디스플레이용 커버 윈도우 재질로 PET 등의 유연성 고분자 시트 등을 적용하려고 시도하였으나 반복적인 굽힘동작으로 인하여 굴곡부에 백화현상이 발생함에 따라, PI(Polyimide)의 물성을 개선하여 백화현상을 제거하고 광학특성이 향상된 CPI(Clear Polyimide)를 적용하였다.

그러나 이러한 소재는 폴리머가 갖는 물성의 한계로 인하여 터치 스크린에 적용시 터치감 내지 질감이 글라스 대비 떨어지고, 경도가 낮아 스크래치 등 외부 충격에 취약할 뿐만 아니라 광투과율이 낮고 폴딩에 따른 주름 자국으로 인해 디스플레이 품질이 떨어지는 여러 문제가 있어, 최근에는 스마트폰 커버로 가장 널리 적용되어 왔던 강화글라스 기반의 커버 윈도우를 플렉시블 디스플레이용 커버 윈도우로 적용하는 것에 관하여 많은 연구개발이 이루어져 초기 폴더블폰에 적용되는데에 이르렀다.

현재 글라스 기반의 플렉시블 디스플레이용 커버 윈도우의 경우, 폴딩부의 곡률반경이 1.5mm이하로 굽힘 가능하며, 반복 굽힘 횟수 20만회에서 파손되지 않는 내구성을 가져야 상용화에 적합하고, 곡률반경 1.5 ㎜를 구현하기 위해서는 글라스 두께가 약 30 ㎛ 정도로 매우 얇아져야 가능한 것으로 알려져 있다. 그러나 플렉시블리티(flexibility)를 부여하기 위해서 글라스 두께를 30 ㎛ 정도로 얇게 하여 커버글라스에 적용하게 되면 필기인식을 위한 펜 사용시 인가되는 압축 또는 충격 응력을 충분히 감당하지 못하게 되어 커버글라스가 파괴될 가능성이 높아지게 되기 때문에, 보호필름을 커버글라스 상측면에 추가로 부착한다. 글라스 단일 소재로 플렉시블리티(flexibility)와 강성(rigidity)이라는 두 개의 상반된 물성을 동시에 향상시키는 접근법은 실제 구현하는 것에 매우 큰 어려움이 있다.

종래 이러한 글라스 기반의 플렉시블 디스플레이 제품 개발 및 상용화의 한계를 극복하기 위한 방안의 일예가 글라스와 함께 레진(resin)의 이종 재질을 복합적으로 적용한 대한민국 특허 제10-2068685호 및 제10-2069040호로 개시되어 있다. 해당 특허들에 따르면, 50 ~ 180 ㎛의 글라스(200)를 대상으로 폴딩부만을 20 ~ 45 ㎛의 얇은 두께를 갖도록 홈형상으로 가공하고 해당 폴딩부의 홈영역에 탄성력을 갖는 OCR 과 같은 투명 레진으로 충진하여 평탄화 함으로써 글라스 고유의 강도 및 질감을 어느 정도 유지하며 플렉시블 디스플레이 내지 그 커버 윈도우에 적용시키는 데 있어 문제가 되고 있는 폴딩부에서의 플렉시빌리티 및 복원성을 동시에 만족시킬 수 있는 것으로 개시되어 있다.

그러나 상기 대한민국 특허 제10-2068685호 및 제10-2069040호에 따른 플렉시블 커버 윈도우의 경우, 폴딩부만을 선택적으로 가공해야 하는 공정이 추가되어야 하고, 폴딩부에 충진되는 레진과 강화글라스의 이종 재질 간 굴절률의 차이로 인해 그 경계면이 시인되거나 영상을 왜곡시킴으로써 해당 폴딩부에서의 디스플레이 품질이 급격히 저하될 수 있고, 또한 반복되는 폴딩 동작시 폴딩부의 단차 경계면에서 레진과 강화글라스 간 계면 분리가 일어남으로써 강화글라스가 파손될 수 있는 등의 또 다른 문제를 복합적으로 수반할 수 있기 때문에 글라스 기반의 플레시블 디스플레이의 상용화를 위한 현실적인 방안이 되기는 어렵다.

한편 최근에는 글라스 단일 재질로 이루어진 플렉시블 디스플레이용 커버 윈도우에서의 플렉시빌리티 및 내충격성을 동시에 향상시키는 것은 일시적으로 유보되고 플렉시블리티를 우선 확보후 보호필름을 커버글라스 상측면에 부착하여 내충격성을 확보하는 추세이다. 현장에서 이러한 형태의 단일 재질 글라스 기반의 커버 윈도우 제조 공정은 먼저 글라스 원판을 대략 100㎛ 로부터 30 ~ 40 ㎛의 두께로 슬림(slim)화 한 후, 예컨대 7" 크기의 스마트폰 커버 윈도우의 셀 크기 사이즈로 절단 및 가공하고, 강화 공정을 거치는 방식으로 수행되고 있다. 그러나 이러한 방식의 경우, 미리 슬림화된 두께 30 ~ 40 ㎛의 박판 글라스를 대상으로 절단, 화학 강화 및 세정 등의 후속 공정을 수행하기 때문에 글라스 파손 위험이 커져 수율이 낮아지고 공정 간 불량이 현저히 증가되는 문제가 있다.

기존 공정에서의 절단면 가공은 케미칼 힐링(Chemical healing)으로 알려진, 불산 및 불화 화합물 글라스 식각액을 사용하여 글라스 절단부의 칩핑을 제거하는 방법이 시행되고 있다. 도 1은 종래 방식에 따라 제조된 커버 글라스의 단면 구조도를 나타낸다. 도 1 (a) 경우 글라스 본체부는 일정한 두께를 유지하지만 엣지부의 두께가 얇고 엣지부로 갈수록 두께가 얇아져 샤프(Sharp)한 형태를 가지며, 도 1 (b)는 글라스 절단면 형상이 전반적으로 두께 편차가 없는 형태를 나타내고 있다. 도 1 (a) 및 (b)와 같은 글라스 형상의 차이는 제품 형상 가공후 케미컬 힐링 및 폴리싱 과정중 글라스 상하면 보호층 유무에 따른 차이로 나타나며, 이러한 형태의 경우 굽힘 부위에 인가되는 응력 분산이 불충분하여 굽힘성 개선에 한계가 있다. 또한 이러한 굽힘성 개선의 한계로 인해 소정의 굽힘성을 위해서는 글라스의 두께가 얇게 유지되어야 하기 때문에 글라스 두께에 비례하는 내충격성 개선도 제한적이다. 따라서 곡률반경 1.5mm를 구현하면서 글라스 두께를 가능한한 두껍게 구현하는 것이 필요한 실정이다

대한민국 등록특허 제10-2069040호 대한민국 등록특허 제10-2068685호

본 발명은 글라스 고유의 강도, 질감(터치감) 및 디스플레이 품질을 유지하고 플렉시블 디스플레이에 적용될 수 있는 충분한 굽힘성 내지 플렉시빌리티를 갖는 것과 동시에, 기존 커버 윈도우 글라스 대비 더 두꺼우면서 동일한 굽힘반경을 갖는 내충격성이 강화된 글라스 기반의 커버 윈도우를 제공하는 것이다.

본 발명자들은 상기 해결과제와 관련된 글라스 기반의 커버 윈도우를 연구 및 개발하는 과정에서, 플렉시블 디스플레이용 커버 글라스의 파손현상을 개선하기 위해서는 커버 글라스 굽힘과정중 인가되는 응력(stress)을 보다 효과적으로 분산시켜 우수한 굽힘곡률을 갖도록 할 필요성이 있음을 인지하는 한편, 이 경우 굽힘시 인가되는 응력 분포는 글라스의 단면 형상에 의존하는 것에 착안하여, 특히 기본적으로는 글라스 엣지부의 두께와 형상을 조절하거나 또는 이에 더하여 선택적으로 전체 글라스의 단면 형상을 제어하는 것에 의해 굽힘성을 개선하는 한편, 개선된 굽힘성으로 인해 두께 증가가 가능하여 내충격성도 동시에 개선될 수 있음을 확인하여 본 발명에 도달하게 되었다. 또한 본 발명자들은 우수한 굽힘성 및 내충격성를 갖는 글라스 기반의 커버 윈도우를 제조하는 과정 중, 수율은 글라스 두께가 얇아질수록 제조과정에서의 외부 충격 및 취급시 부주의에 의한 파손 가능성이 높아지는 것을 경험상으로 인지한 상태에서, 제조 수율의 개선하기 위한 현실적인 방안으로서, 종래 원장에 대한 슬림 공정을 선행한 후 해당 원장을 셀 사이즈로의 절단하는 공정을 수행하는 것 대신에, 먼저 원장을 셀 사이즈로 절단한 후 해당 셀 글라스를 대상으로 슬림 및 강화 공정을 수행하는 것에 기초하는 한편, 특히 슬림 공정시 셀의 형상을 훼손하지 않고 글라스 단면 형상을 제어할 수 있는 방식의 에칭에 의해 최종 셀 글라스의 형상 구조가 굽힘시 응력 분산에 적합한 구조로 구현됨을 확인하여 본 발명에 도달하게 되었다. 이러한 해결과제에 대한 인식 및 착안에 기초한 본 발명의 요지는 청구범위에 기재된 것과 동일한 아래의 내용이다.

(1) 글라스 기반의 플렉시블 디스플레이용 커버 윈도우로서, 상기 글라스는 중심 영역을 구성하는 본체부와 가장자리 영역을 구성하는 엣지부로 이루어지고, 상기 글라스의 면에 평행한 방향을 x로, 글라스의 면에 수직한 방향을 y로, 글라스의 평탄면 기울기(dy/dx)가 음(-)로 전환되는 지점을 상기 본체부와 엣지부의 경계로 각각 정의할 때, 상기 엣지부는 상기 본체부와 두께 편차를 가지며, 본체부 최소 두께를 "t"로 할 때 엣지부의 두께가 1<t

1.4가 되는 것을 특징으로 하는 커버 윈도우.

(2) 상기 본체부는 그 중심으로부터 엣지부 방향으로의 평탄면 기울기(dy/dx)가 0인 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 커버 윈도우.

(3) 상기 본체부는 그 중심으로부터 엣지부 방향으로의 평탄면 기울기(dy/dx)가 양(+)으로 증가하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 커버 윈도우.

(4) 상기 엣지부의 단부는 'C' 형상으로 라운드진 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (3)의 커버 윈도우.

(5) 상기 본체부에 도포되는 코팅층을 더 포함하고, 상기 코팅층은 상기 엣지부의 높이와 일치하도록 도포된 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 커버 윈도우.

본 발명에 의하면, 글라스 고유의 강도, 질감(터치감) 및 디스플레이 품질을 유지하면서, 특히 종래 글라스 단일 재질로 이루어진 커버 윈도우 대비 동일 두께에서 우수한 굽힘성을 갖는 커버 윈도우를 제공할 수 있다. 또한 이러한 커버 윈도우는 우수한 굽힘성으로 인해, 굼힘성이 충분히 유지된 상태에서 두께 증가가 가능하기 때문에 내충격성을 향상할 수 있다. 또한 본 발명에 의하면, 종래와는 달리 슬림화 이전에 먼저 원장 글라스를 셀 사이즈로 절단 이후에, 개별 셀 글라스 단위로 슬림화 및 강화 등의 후속 공정을 진행함으로써, 후속 공정에서 개별 셀 글라스가 얇은 두께로 인해 파손될 가능성이 현저히 감소되어 취급이 용이해지고 제품 수율이 높아질 수 있다.

도 1은 종래 플렉시블 디스플레이용 커버 윈도우의 단면 구조.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플렉시블 디스플레이용 커버 윈도우의 단면 구조.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 커버 윈도우의 제조 공정도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 굽힘성 테스트 시뮬레이션에 관한 개념도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 굽힘성 테스트 시뮬레이션에 적용된 글라스의 물성치를 나타낸 표.
도 6내지 도 9는 은 본 발명의 실시예에 따라 굽힘성 테스트 시뮬레이션에 적용된 글라스 시편의 치수 및 형상 조건에 관한 도면.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 굽힘성 테스트 시뮬레이션 결과를 정리한 표.
도 11은 종래 기술 및 본 발명에 따른 커버 윈도우의 굽힘시 곡률 반경을 비교한 표.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예의 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명의 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 한편, 도면에서 동일 또는 균등물에 대해서는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하였으며, 또한 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

커버 윈도우의 구조

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플렉시블 디스플레이용 커버 윈도우의 단면 구조 및 사진을 나타낸다. 본 발명은 기본적으로 글라스 기반의 플렉시블 디스플레이용 커버 윈도우(이하, '커버 윈도우'라 함)에 관한 것이며, 커버 윈도우는 플렉시블 디스플레이를 전면 보호하는 것을 예정한다. 본 명세서에서 '글라스'라는 용어는 기본적으로 '커버 윈도우'의 재질을 의미하는 것으로 사용되고 있으나, 경우에 따라 '커버 윈도우'와 동등한 의미로 혼용되어 사용하기로 한다.

본 발명에 따른 커버 윈도우는 기본적으로 종래 도 1의 커버 윈도우와는 달리 커버 윈도우의 엣지부가 본체부에 비해서 두꺼운 것을 특징으로 하며, 이러한 특성으로 인해 커버 윈도우의 단면 형상은 전체적으로 'concave'한 형상을 갖는다. 이 경우, 본체부와 엣지부의 경계는 커버 윈도우를 구성하는 글라스의 평탄면 기울기에 의해 정의될 수 있다. 구체적으로, 상기 글라스 면에 평행한 방향을 x로, 글라스의 면에 수직한 방향을 y로 하면, 글라스의 평탄면 기울기는 dy/dx로 정의될 수 있고, 이에 따라 평탄면 기울기(dy/dx)가 음(-)으로 전환되는 지점을 상기 본체부와 엣지부의 경계로 정의할 수 있다.

도 2를 참조할 때, 도 2의 (a)는 글라스 본체부가 대체로 플랫(flat)하여 두께가 일정한 즉, 그 중심으로부터 엣지부 방향으로의 평탄면 기울기(dy/dx)가 0인 경우를 나타내고, 도 2의 (b)는 글라스 본체가 외곽 방향으로 점진적으로 두꺼워지는 즉, 그 중심으로부터 엣지부 방향으로의 평탄면 기울기(dy/dx)가 양(+)으로 증가하는 것을 각각 나타낸다. 도 2의 (a), (b) 모두 엣지부가 본체부에 비해서 두꺼운 형상이며 양자 모두 본 발명의 범위에 포함된다.

글라스 본체부가 플랫한 concave 형상의 커버글라스는 기존 형상의 커버글라스와 동일한 곡률반경을 구현하면서글라스 두께를 더 두껍게 할 수 있다, 예컨데 1.5mm 곡률반경을 구현하기 위해서는 기존 형상의 커버 글라스는 두께 30μm, 본 발명의 커버글라스 두께는 40μm 이상. 본체부로부터 엣지부까지 전체적으로 concave한 형상의 커버글라스는 굽힘시 글라스 전체 응력을 최소화할 수 잇점을 갖고 있고 내충격성을 향상시키기 위한 코팅 작업이 필요한 경우, 특히 저점도 코팅액을 사용할 때 커버글라스 외각으로 코팅액이 흘러넘치지 않는 공정상의 편의성을 갖는다.

상술한 바와 같이 엣지부가 본체부에 비해서 두꺼운 'concave'한 단면 형상을 갖는 커버 윈도우는, 굽힘 시 발생하는 응력을 효과적으로 분산시킴으로써 동일 두께의 종래 글라스 기반의 커버 윈도우 대비 우수한 굽힘성을 가지며, 더 작은 곡률반경으로 굽힘 변형될 수 있다. 이를 위해 상기 본체부와 엣지부 간 두께 차이의 정도는, 엣지부의 두께가 본체부 최소 두께의 1<t

1.4가 되는 것이 바람직하다. 두께 차이가 1 또는 미만이면, 즉 엣지부의 두께가 본체부 최소 두께 와 동일하거나 작으면 굽힘 영역에서의 응력 집중으로 파손 위험이 커지고, 반대로 엣지부 두께가 본체부 최소 두께 1.4를 초과하면 과도한 두께 편차로 인해 빛의 굴절에 의한 영상 왜곡이 커져 바람직하지 않다.

상기 concave형상의 커버글라스가 기존의 플랫한 커버 글라스에 비해서 동일 두께로 더 작은 곡률반경을 구현할 수 있는 것은 굽힘시 응력을 상대적으로 더 완화시킬 수 있기 때문이며 이러한 현상은 글라스 업계에 널리 적용되고 있는 것과 같이 글라스 절단면을 챔퍼링하거나 "round" 하게 함으로써 응력을 낮추어 글라스 파손을 방지하는 것과 동일한 원리이다. 따라서 본 발명에 의한 커버글라스는 글라스 표면을 concave형상으로 유지함과 동시에 엣지부 단면도 영문자 'C' 형상으로 만드는 것이 글라스 고유의 강도, 질감(터치감) 및 디스플레이 품질을 유지하면서도, 특히 종래 글라스 단일 재질로 이루어진 커버 윈도우 대비 동일 두께에서 우수한 굽힘성을 갖는다. 또한 이러한 커버 윈도우는 우수한 굽힘성으로 인해, 굼힘성이 충분히 유지된 상태에서 두께 증가가 가능하기 때문에, 즉 요구되는 동일 굽힘반경에서 글라스 두께를 증가시키는 것이 가능하기 때문에 내충격성도 확보될 수 있다.

한편 본 발명에 따른 커버 윈도우는 글라스 단일 재질이 갖는 내충격성을 보완하기 위해 상기 본체부에 도포되는 코팅층을 선택적으로 더 포함할 수 있다. 이러한 코팅층의 높이는 특별히 제한되지 않으며, 단일 또는 복수의 층으로 형성되거나, 글라스의 어느 일면 또는 양쪽 면 모두에 형성되는 것일 수 있다.

다만 본 발명에서 코팅층의 형성은 내충격성을 보완하는 측면에서 선택적으로 채택될 수 있는 구성이지만, 코팅층의 두께가 과도하여 예컨데 기존 플렉시블 글라스 보호필름 두께인 40~70μm정도가 과도하게 될 경우 플렉시블 디스플레이 적용시 광투과율 측면 또는 굽힘부위에서의 주름 형성 측면에서는 바람직하지 않다. 그러나 상술한 바와 같이 본 발명은 충분한 굽힘성을 확보한 상태에서 충격내구성 확보를 위해 글라스 자체의 두께를 크게 할 수 있기 때문에, 충격내구성을 보완하기 위해 코팅층을 형성하는 경우에도 그 두께는 현저히 감소시킬 수 있다.

따라서 본 발명에 따라 코팅층이 부가된 커버 글라스의 경우, 종래 수지 및 글라스의 이종 재질로 구성되는 커버 윈도우와 대비하여 동일한 굽힘성 및 충격내구성을 갖는 것을 가정하더라도, 광투과율이나 굽힘부위에서의 주름 형성 측면이나 코팅층에 대한 재료비 측면 등과 관련해서는 비교 우위를 가질 수 있다.

커버 윈도우의 제조

본 발명은 상술와 바와 같이 굽힘성이 개선된 커버 윈도우 단면 형상을 구현할 수 있고, 이와 동시에 공정 수율이 개선된 글라스 단일 재질의 커버 윈도우 제조 방법에 대해 개시한다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 커버 윈도우의 제조 공정을 나타낸다.

먼저 이러한 제조 방법을 개발 배경에 대해 부연 설명한다. 본 발명의 발명자들은 다년간의 경험을 통해 글라스 제조 공정에 있어 취급에 의한 파손율이 높다는 것을 인지하였고, 그 원인으로 글라스 원장을 슬리밍한 후, 절단, 절단 후 후가공(절단면 가공), 강화에 이르는 공정을 수행하는 과정중 특히 대형 사이즈(370*470mm) 초박형(30~40μm) 글라스를 취급할 때 미세한 크랙발생 확률이 높아지게 되어 각각의 후공정 진행과정중 글라스가 파손되는 경우가 많다는 것을 인지하였다. 특히 공정 이동 간 파손 위험이 제일 높은 구간으로 박형 글라스를 절단하고, 이를 후가공하는데 있어, 기계적인 가공 방법이 주로 사용되기 때문에 설비의 진동, 치공구의 표면 조도(날카로움) 등에 의해 글라스가 파손되며, 작업준비시에도 작업자의 숙련도에 따라 그 파손율도 달라짐을 확인하였다. 이를 해결하기 위한 방안으로서 본 발명에서는 기존 초박판 글라스 원판(30~40μm)에 비해서 2.5배 이상 두꺼운 ~100 μm 원판 글라스를 슬리밍하지 않고 제품 크기의 셀가공을 먼저 수행하고 난후 개별 셀 슬리밍공정을 적용하여 최종 제품 두께로 조절후 화학강화 공정을 적용함으로써 잠재적인 크랙 발생을 최소화하여 불량율을 줄이고자 하였다.

도 3을 참조할 때, 도 3 (a)의 1~7로 구분된 이미지중 2~6번 과정이 세정공정 및 DFR박리 공정(4번공정 이후 실시)을 제외한 본 발명의 제조공정이다. 2~6번 공정의 명칭을 설명의 편의성을 위해 순서대로 1. 사진 식각공정, 2. 절단 공정, 3. 단면가공 공정 4. 슬리밍공정, 5. 화학강화 공정으로 정하였다. 사진 식각공정은 절단공정을 위한 전 공정으로서 두께 100 μm의 원판 글라스(370*470mm)에 액체 PR 또는 DFR을 합지후 노광, 현상공정을 수행함으로써 제품 형상을 제외한 부분의 글라스가 노출되게 함으로써 절단 공정을 준비한다. 절단 및 단면가공은 샌드블라스팅 공정을 적용하였다. 슬리밍공정은 본 발명의 핵심으로써 제품 형상을 유지하면서 글라스 두께를 일정하게 유지하거나 단면형상을 제어하기 위해서는 통상적으로 알려진 스프레이, 디핑 등에 의한 슬리밍법으로는 매우 어려우며 글라스 표면전체의 식각속도를 제어할 수 특별한 방법이 필요하다. 화학강화 공정은 기존 알루미노 실리케이트 글라스 강화에 일반적으로 적용되는 것과 동일한 KNO3 100% 염을 380~400℃로 유지후 슬리밍된 글라스를 10~30분 정도 침지후 꺼내서 공기중에서 서냉하는 방법으로 제작하였다. 본 발명에 의한 슬리밍 공정을 좀 더 상세히 설명하면, 사이즈는 166mm*60mm이며 두께 100μm의 글라스를 지그에 삽입후 불화암모늄과 황산 혼합액에 수직으로 삽입후 용액외부로 다시 인출하는 동작을 반복하여 글라스 표면형상을 조절하였다. 이러한 공정을 통해서 글라스 표면 형상을 제어가능하다는 것을 입증하기 위해서 1. 글라스를 식각액 외부로 인출하지 않고 식각 용액내부에서만 상하 왕복운동 하는 것과 2. 글라스를 식각액에 삽입, 공기중으로 인출하는 동작을 반복한 샘플의 형상을 비교하였다. 도 3 (b)는 본 제조 방법에서 언급한 슬리밍 공정에 의한 글라스의 두께 data와 종래 적용되는 디핑 방식의 글라스 슬리밍 공정에 의해 제조된 글라스의 두께를 나타낸 data 및 글라스 엣지부 파단면 형상이다. 총 25포인트의 두께를 측정한 결과 본 발명에 의한 글라스(b-type glass로 표기)는 본체부 두께 대비 엣지부로 갈수록 점진적으로 두께가 두꺼워지며 Concave 한 형상을 띄며 특히 파단면 형상에서 관찰 되 듯이 글라스 표면의 끝단부 두께(45 μm)가 평탄부(42 μm) 보다 더 두꺼워진 것을 알 수 있다. 종래 기술에 의한 글라스(a-type glass)는 엣지부로 갈수록 점차 두께가 얇아지면서Concave의 반대 형상인 Convex 한 형상을 나타냄을 알 수 있음을 25포인트 두께 측정값과 엣지부 파단면 형상(34 μm -> 30 μm)에서 볼 수 있듯이 글라스 끝단부가 얇아지는것을 명확하게 알 수 있었다.

상술한 바와 같은 방법으로 100μm 두께의 370*470m크기의 원판 원장 글라스를 취약 공정인 글라스 형상 및 측면가공을 투입함으로써 이를 통해 기계적 가공 중에 발생하는 충격 등에 의한 파손율을 줄일 수 있다. 또한 이의 이점으로서 글라스 가공(절단 및 절단 후 후가공 및 절단면 가공)에서 발생하는 Chip등은 글라스의 파손에 치명적인데, 가공 후 슬리밍 공정을 진행하기 때문에 글라스 표면의 Chip등은 슬리밍 작업간 etching 되어 표면 조도 확보 및 화학 강화 진행시 이온 침투율을 균일성까지도 확보할 수 있다는 잇점이 있다

커버 윈도우에 대한 물성 테스트

도 4는 네가지 형상의 글라스를 대상으로 진행한 시뮬레이션 방법을 나타낸 것이다. 시뮬레이션의 목적은 동일한 벤딩조건에서 글라스 형상별 나타나는 응력 분포를 예측하여 굽힘 내구성이 가장 우수한 형상을 검토하기 위한 단계로서 실제 제품 제작시 발생하는 시행착오를 최소화 하기 위한 목적이다. 또한 시뮬레이션은 조건 선정등의 오차에 의해 실제 조건과 차이가 발생할 수 있으므로 이는 참고자료로서만 활용되어야 할 것이다. 시뮬레이션에 사용된 프로그램은 "ANSYS"라는 프로그램으로 각종 유체, 구조, 열 해석등에 널리 사용되는 보편적인 프로그램이다. 본 시뮬레이션에서는 글라스 벤딩 상황을 모사하기 위해 3POINT 기법을 적용하였으며, 이를 위해 시뮬레이션을 진행하는 글라스의 양쪽 끝단을 고정시킨 상태에서 중앙벤딩부위의 위치를 변위시켜 글라스가 벤딩 되도록 모사하였다. 해당 시뮬레이션 진행에서 글라스 총 길이는 18mm로서 글라스 길이 방향에 수직으로 8mm의 변위를 발생시키면 벤딩부위의 곡률반경이 R1.0이 형성되는 수치이다.

도 5는 본 시뮬레이션에 적용된 글라스의 물성치를 나타낸 표이다. 글라스의 물성치는 글라스 제조사마다 고유의 특성값이 존재하며, 동일한 제조사 제품일지다도 특수한 목적에 의한 글라스등은 그 물성값이 일반적인 값과는 다르게 나타난다. 본 시뮬레이션에 적용된 글라스의 물성치는 "ANSYS" 프로그램에 내포된 일반적인 engineering data를 적용하였다.

도 6 내지 도 9는 금번 시뮬레이션에서 적용된 시료의 치수 및 형상 조건을 나타낸다. 형상은 총 4가지 case를 가지고 진행하였으며, 도 6은 Sharp, 도 7은 Flat+Rectangular, 도 8은 Flat+Concave, 도 9는 Full Concave로 나타내었다. 시뮬레이션을 진행하기 위한 시료의 사이즈 선정을 위해 형상은 동일하되 치수는 일부 수정되었다. 그 이유로는 시뮬레이션을 하기 위한 최소 치수값이 필요한데, 본 발명에 적용되는 글라스는 길이 및 폭에 비해 그 두께가 현저히 얇기 때문에 시뮬레이션을 위한 조건성립이 어렵기 때문이다. 그 이유로 인해 두께는 0.4로 조정하였으며, 일부 치수를 변동하되 글라스 형상 특성은 유지하였다. 전체 모델들의 길이는 총 18mm이며, 폭은 5mm로 글라스 부분 해석을 진행하였으며, 4가지 형상별로 엣지부 두께 및 벤딩부 두께는 일부 차이를 보인다.

도 10은 도 4내지 도 9까지의 조건을 통해 시뮬레이션을 진행한 결과값을 표로 나타낸것이다. 결과는 벤딩시 각 형상에 따른 글라스 내측면 및 외측면에 가해지는 스트레스를 나타낸 것이며, 내측 스트레스의 경우 Sharp한 형태가 9475.6 Mpa의 가장 높은 스트레스를 받는 것으로 나타났으며, Full Concave type 글라스가 5188.1 Mpa로 가장 낮은 스트레스를 보였다. 이를 통해 내측 응력이 높은 순위는 Sharp > Flat+Rectangular > Flat+Concave>Full Concave인 것으로 나타났다. 또한 글라스 벤딩시 외측면에 가해지는 응력값을 비교해 보면 Retangular 한 형태가 9508.7 Mpa로 가장 높았으며, Sharp 한 형태가 188.82 Mpa로 가장 낮은 값을 나타내었다. 이를 통해 외측 응력이 높은 순위는 Rectangular > Flat+Concave > Full Concave > Sharp type 인 것으로 나타났다. 상기 시뮬레이션 내용을 위의 표처럼 정리하였을 때 Sharp type 및 Retangular type은 Concave대비 특정 조건에서 응력이 집중되는 현상을 보였으며, 이는 응력 집중에 의한 파손 가능성이 있음을 나타낸다. 글라스의 굽힘시 파손 원인으로는 글라스에 발생하는 응력이 주된 요인으로 지목되고 있으며, 글라스 표면상 chip등에 의한 저강도 부위에 응력이 집중될 경우, 굽힘시 발생하는 응력이 글라스 내부 혹은 외부 응력(CT : 인장응력, CS : 압축응력)를 초과할 경우 파손되게 된다. 화학강화에 의해 결정되는 글라스 내외부 응력(CT : 인장응력, CS : 압축응력)는 칼륨 이온의 고른 침투 깊이에 의해 결정되며 일반적으로 전방위적으로 고른 침투 깊이(DOL)를 유지하는 것으로 알려져 있다. 그렇기 때문에 글라스 형상에 따라 달라지는 굽힘 응력이 집중되게 된다면 그 부위에서 파손이 발생될 확률이 높게 되는 것이다. 본 발명에서 진행한 시뮬레이션 결과를 토대로 본다면, 엣지부가 Sharp type과 Flat + Rectangular type의 경우 각각 내측과 외측에서 가장 높은 스트레스 값을 보였기에 이는 해당 부위로부터의 파손이 진행될 가능성이 있음을 시사한다. 반면, Concave type은 벤딩 과정에서 Sharp type이나 Flat+Rectangular type에 비해 낮은 스트레스 값을 보이기 때문에 동일한 두께에서 더 낮은 곡률반경을 가질 수 있게 된다. 또한 Flat + Concave type(이하 Flat C.)과 Full Concave type(이하 Full C.)을 비교해 보자면 Full C. type의 글라스가 Flat C. 대비 더 낮은 스트레스값을 보이고 있다. 이는 엣지부 두께는 동일하나 벤딩부 두께에서 차이가 발생하기 때문인 것으로 예상된다. 실제로 벤딩부 두께가 12.5%(t0.05) 얇아짐에 따라 내측 스트레스는 13.3%(801.1 Mpa)가 감소하였으며, 외측 스트레스는 10.5%(29.72 Mpa)가 감소하였다. 그렇기 때문에 굽힘 곡률에 있어 Full C.가 Flat C.대비 더 낮은 곡률 반경을 가질 수 있을 것으로 예상된다.

도 11은 종래 기술 및 본 발명에 따른 커버 윈도우의 굽힘시 곡률 반경을 비교한 표이다. 도 11 (a)에서 '종래 형상'은 종래 기술에 따라 원장 글라스를 슬리밍 후 절단, 후가공, 강화를 통해 획득한 커버 윈도우를 나타내고, '개발 형상'은 본 발명에 따라 원장 글라스를 셀 글라스로 먼저 가공한 후 슬리밍을 진행한 Concave 타입의 커버 윈도우를 나타낸다. 도 11 (a)에 나타난 Min. Max., Avg. 는 해당 실험군에서 글라스 두께 25포인트 측정값중 가장 낮은값, 가장 높은값, 평균값을 의미한다. 도 11 (a)에서 나타낸 바와 같이, '개발 형상'이 '종래 형상' 대비하여 평균 두께가 1.3㎛이 두꺼우나, 곡률반경은 2배 이상 차이가 나는 것을 볼 수 있다. 이를 통해 본 발명에 따른 커버 윈도우가 종래 커버 윈도우에서 형상을 개선함으로써 더 우수한 굽힘성을 가짐을 확인할 수 있다. 그리고 생산 수율적인 측면에서 본다면, '종래 형상'은 총 20ea의 시료를 투입하여 공정 이동 및 공정 과정에서 17ea가 파손되었다. 글라스가 어느 공정에서 주로 파손되었는지는 도 11 (b)에 나타냈다. 본 실시예에서는 총 20ea의 글라스를 공정에 투입하여 1차 힐링과정에서 9ea, 강화 단계에서 8ea가 파손되어 매우 낮은 공정 수율을 보였다. 반면, 개발 형상에 따라 공정을 진행한 글라스는 총 10ea를 투입하여 모두 완제품 단계에까지 도달하여 매우 높은 공정 수율을 가짐을 알 수 있었다.

이상의 설명은, 본 발명의 구체적인 실시예에 관한 것이다. 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 상기 실시예는 설명의 목적으로 개시된 사항으로서 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 이해되지는 않으며, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질을 벗어나지 아니하고 다양한 변경 및 수정이 가능한 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 이러한 모든 수정과 변경은 특허청구범위에 개시된 발명의 범위 또는 이들의 균등물에 해당하는 것으로 이해될 수 있다.

Claims (5)

1. 글라스 기반의 플렉시블 디스플레이용 커버 윈도우로서,
   상기 글라스는 중심 영역을 구성하는 본체부와 가장자리 영역을 구성하는 엣지부로 이루어지고,
   상기 글라스의 면에 평행한 방향을 x로, 글라스의 면에 수직한 방향을 y로, 글라스의 평탄면 기울기(dy/dx)가 음(-)로 전환되는 지점을 상기 본체부와 엣지부의 경계로 각각 설정할 때,
   상기 엣지부는 상기 본체부와 두께보다 두꺼우며, 엣지부의 두께는 본체부 중심 두께 t대비하여 1 < t ≤ 1.4 의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 커버 윈도우.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 본체부는 그 중심으로부터 엣지부 방향으로의 평탄면 기울기(dy/dx)가 0인 것을 특징으로 하는 커버 윈도우.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 본체부는 그 중심으로부터 엣지부 방향으로의 평탄면 기울기(dy/dx)가 양(+)으로 증가하는 것을 특징으로 하는 커버 윈도우.
   
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한항에 있어서, 상기 엣지부의 단부는 'C' 형상으로 라운드진 것을 특징으로 하는 커버 윈도우.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 글라스 표면에 도포되는 코팅층을 더 포함하는 커버 윈도우.
   

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