KR20230072498A - 개선된 기계적 내구성을 갖는 투명 유리-세라믹 물품 - Google Patents

개선된 기계적 내구성을 갖는 투명 유리-세라믹 물품 Download PDF

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Abstract

유리-세라믹 물품은 40 중량% 내지 60 중량% SiO2; 18 중량% 내지 35 중량% Al2O3; 12 중량% 내지 16 중량% B2O3; 0 중량% 내지 4 중량% Li2O; 0 중량% 내지 5 중량% Na2O; 0 중량% 내지 5 중량% K2O; 0 중량% 내지 15 중량% ZnO; 및 0 중량% 내지 8 중량% MgO를 포함한다. 유리-세라믹 물품에서 Li2O 및 Na2O의 합은 1 중량% 내지 8 중량%일 수 있다. 유리-세라믹 물품에서 MgO 및 ZnO의 합은 3 중량% 내지 20 중량%일 수 있다. 유리-세라믹 물품의 우세한 결정상은 멀라이트형 구조를 포함할 수 있다.

Description

개선된 기계적 내구성을 갖는 투명 유리-세라믹 물품
본 출원은 35 U.S.C.§ 119하에 2020년 9월 25일에 출원된 미국 가출원 번호 제63/083238호의 우선권의 이익을 향유하며, 그 전체가 참고로서 본원에 내용이 인용되고 포함된다.
본 명세서는 유리-세라믹 조성물, 특히 이온 교환성 유리-세라믹 조성물에 관한 것이다.
커버 유리, 유리 백플레인 등과 같은 유리 물품은 LCD 및 LED 디스플레이, 컴퓨터 모니터, ATM(automated teller machine) 등과 같은 소비자 및 상업용 전자 장치 모두에 사용된다. 이러한 유리 물품 중 일부는 유리 물품이 사용자의 손가락 및/또는 스타일러스 장치를 포함하는 다양한 물체에 의해 접촉되어야 하는 "터치" 기능을 포함할 수 있으며, 따라서 유리는 스크래치와 같은 손상 없이 정기적인 접촉을 견딜 수 있도록 충분히 견고해야 한다. 실제로, 유리 물품의 표면에 도입된 스크래치는 유리 물품의 치명적인 파손을 초래하는 균열의 시작점 역할을 할 수 있으므로 유리 물품의 강도를 감소시킬 수 있다.
또한, 이러한 유리 물품은 휴대 전화, 개인용 미디어 플레이어, 랩탑 컴퓨터 및 태블릿 컴퓨터와 같은 휴대용 전자 장치에 통합될 수도 있다. 이와 같이 유리 물품의 투과율과 같은 유리 물품의 광학적 특성은 중요한 고려 사항이 될 수 있다.
따라서, 유리와 유사한 광학적 특성을 가지면서 유리에 비해 향상된 기계적 특성을 갖는 대체 재료에 대한 필요성이 존재한다.
제1 관점 A1에 따르면, 유리-세라믹 물품은 40 중량% 이상 60 중량% 이하의 SiO2; 18 중량% 이상 35 중량% 이하의 Al2O3; 12 중량% 이상 16 중량% 이하의 B2O3; 0 중량% 이상 4 중량% 이하의 Li2O; 0 중량% 이상 5 중량% 이하의 Na2O; 0 중량% 이상 5 중량% 이하의 K2O; 0 중량% 이상 15 중량% 이하의 ZnO; 및 0 중량% 이상 8 중량% 이하의 MgO를 포함할 수 있으며, 여기서: Li2O + Na2O는 1 중량% 이상 8 중량% 이하이고; MgO + ZnO는 3 중량% 이상 20 중량% 이하이며; 그리고 유리-세라믹 물품의 주요 결정상은 멀라이트형 구조를 포함한다.
제2 관점 A2은 제1 관점 A1에 따른 유리-세라믹 물품을 포함하며, 유리-세라믹 물품은 12.5 중량% 이상 16 중량% 이하의 B2O3를 포함한다.
제3 관점 A3은 제2 관점 A2에 따른 유리-세라믹 물품을 포함하며, 유리-세라믹 물품은 13 중량% 이상 15.5 중량% 이하의 B2O3를 포함한다.
제4 관점 A4는 제1 관점 내지 제3 관점 A1-A3 중 어느 하나에 따른 유리-세라믹 물품을 포함하며, Li2O + Na2O는 1.2 중량% 이상 6 중량% 이하이다.
제5 관점 A5는 제4 관점에 따른 유리-세라믹 물품을 포함하며, Li2O + Na2O는 1.4 중량% 이상 5 중량% 이하이다.
제6 관점 A6은 제1 관점 내지 제5 관점 A1-A5 중 어느 하나에 따른 유리-세라믹 물품을 포함하며, MgO + ZnO는 5 중량% 이상 18 중량% 이하이다.
제7 관점 A7은 제6 관점에 따른 유리-세라믹 물품을 포함하며, MgO + ZnO는 7 중량% 이상 15 중량% 이하이다.
제8 관점 A8은 제1 관점 내지 제7 관점 A1-A7 중 어느 하나에 따른 유리-세라믹 물품을 포함하며, 유리-세라믹 물품은 20 중량% 이상 30 중량% 이하의 Al2O3를 포함한다.
제9 관점 A9는 제1 관점 내지 제8 관점 A1-A8 중 어느 하나에 따른 유리-세라믹 물품을 포함하며, 유리-세라믹 물품은 8 중량% 이상 15 중량% 이하의 ZnO를 포함한다.
제10 관점 A10은 제1 관점 내지 제9 관점 A1-A9 중 어느 하나에 따른 유리-세라믹 물품을 포함하며, (R2O + RO)/Al2O3는 1 미만이다.
제11 관점 A11은 제1 관점 내지 제10 관점 A1-A10 중 어느 하나에 따른 유리-세라믹 물품을 포함하며, 유리-세라믹 물품은 ZrO2를 함유하지 않는다.
제12 관점 A12는 제1 관점 내지 제11 관점 A1-A11 중 어느 하나에 따른 유리-세라믹 물품을 포함하며, 유리-세라믹 물품은 As2O3를 함유하지 않는다.
제13 관점 A13은 제1 관점 내지 제12 관점 A1-A12 중 어느 하나에 따른 유리-세라믹 물품을 포함하며, 유리-세라믹 물품은 40 중량% 이상 55 중량% 이하의 SiO2를 포함한다.
제14 관점 A14는 제13 관점 A13에 따른 유리-세라믹 물품을 포함하며, 유리-세라믹 물품은 43 중량% 이상 50 중량% 이하의 SiO2를 포함한다.
제15 관점 A15는 제1 관점 내지 제14 관점 A1-A14 중 어느 하나에 따른 유리-세라믹 물품을 포함하며, 이중 비틀림 방법(double torsion method)으로 측정한 유리-세라믹 물품의 KIc 파괴 인성은 0.90 MPa·m1/2 이상이다.
제16 관점 A16은 제1 관점 내지 제15 관점 A1-A15 중 어느 하나에 따른 유리-세라믹 물품을 포함하며, 유리-세라믹 물품의 탄성 계수는 50 GPa 이상 100 GPa 이하이다.
제17 관점 A17은 제1 관점 내지 제16 관점 A1-A16 중 어느 하나에 따른 유리-세라믹 물품을 포함하며, 유리-세라믹 물품의 평균 투과율은 0.8 mm의 물품 두께에서 측정 시 400 nm 내지 800 nm의 파장 범위에 걸쳐 광의 70% 이상 95% 이하이다.
제18 관점 A18은 제1 관점 내지 제17 관점 A1-A17 중 어느 하나에 따른 유리-세라믹 물품을 포함하며, 유리-세라믹 물품의 열팽창계수(CTE)는 50 x 10-7/℃ 이하이다.
제19 관점 A19에 따르면, 유리-세라믹 물품의 형성 방법은 핵 형성 온도까지 1℃/분 이상 10℃/분 이하의 속도로 오븐에서 유리-세라믹 조성물을 가열하는 단계로서, 상기 유리-세라믹 조성물은: 40 중량% 이상 60 중량% 이하의 SiO2; 18중량% 이상 35중량% 이하의 Al2O3; 12 중량% 이상 16 중량% 이하의 B2O3; 0 중량% 이상 4 중량% 이하의 Li2O; 0 중량% 이상 5 중량% 이하의 Na2O; 0 중량% 이상 5 중량% 이하의 K2O; 0 중량% 이상 15 중량% 이하의 ZnO; 및 0 중량% 이상 8 중량% 이하의 MgO를 포함하며, 여기서: Li2O + Na2O는 1 중량% 이상 8 중량% 이하이고; 그리고 MgO + ZnO는 3 중량% 이상 20 중량% 이하인, 유리-세라믹 조성물 가열 단계; 0.25시간 이상 4시간 이하의 기간 동안 오븐에서 핵 형성 온도에서 유리-세라믹 조성물을 유지하여 핵 형성된 결정화 가능한(crystallizable) 유리를 생성하는 단계; 결정화 온도까지 1℃/분 이상 10℃/분 이하의 속도로 오븐에서 핵 형성된 결정화 가능한 유리를 가열하는 단계; 0.25시간 이상 4시간 이하의 기간 동안 오븐에서 결정화 온도에서 핵 형성된 결정화 가능한 유리를 유지하여 유리-세라믹 물품을 제조하는 단계로서, 유리-세라믹 물품의 주요 결정상은 멀라이트형 구조를 포함하는, 유리-세라믹 물품 제조 단계; 및 유리-세라믹 물품을 실온으로 냉각하는 단계를 포함할 수 있다.
제20 관점 A20은 제19 관점 A19에 따른 유리-세라믹 물품의 형성 방법을 포함하며, 핵 형성 온도는 600℃ 이상 900℃ 이하이다.
제21 관점 A21은 제19 관점 A19에 따른 유리-세라믹 물품의 형성 방법을 포함하며, 결정화 온도는 700℃ 이상 1000℃ 이하이다.
제22 관점 A22는 제19 관점 A19에 따른 유리-세라믹 물품의 형성 방법을 포함하며, 이온 교환 욕에서 유리-세라믹 물품을 강화하는 단계를 더 포함한다.
제23 관점 A23은 제19 관점 A19에 따른 유리-세라믹 물품의 형성 방법을 포함하며, 유리-세라믹 물품은 0.90 MPa·m1/2 이상의 이중 비틀림 방법에 의해 측정된 KIc 파괴 인성을 갖는다.
제24 관점 A24은 제19 관점 A19에 따른 유리-세라믹 물품의 형성 방법을 포함하며, 유리-세라믹 물품은 50 GPa 이상 100 GPa 이하의 탄성 계수를 갖는다.
제25 관점 A25는 제19 관점 A19에 따른 유리-세라믹 물품의 형성 방법을 포함하며, 유리-세라믹 물품은 0.8 mm의 물품 두께에서 측정 시 400 nm 내지 800 nm의 파장 범위에 걸쳐 광의 70% 이상 95% 이하의 평균 투과율을 갖는다.
제26 관점 A26은 다음을 포함하는 소비자 전자 장치를 포함한다: 전면, 후면 및 측면을 갖는 하우징; 하우징 내에 적어도 부분적으로 제공되는 전기 구성요소로서, 전기 구성요소는 적어도 제어기, 메모리 및 디스플레이를 포함하고, 디스플레이는 하우징의 전면에 또는 인접하게 제공되는, 전기 구성요소; 및 디스플레이 위에 배치된 제1 관점 A1의 유리-세라믹 물품.
본원에 기술된 유리-세라믹 조성물의 추가적인 특징 및 장점은 다음의 상세한 설명에서 설명될 것이며, 부분적으로는 해당 설명으로부터 당업자에게 명백하거나 다음의 상세한 설명에 이어지는 특허청구범위 및 첨부된 도면을 포함하는 본원에 기술된 구현 예를 실행함으로써 인식될 것이다.
전술한 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명 모두가 다양한 구현 예를 설명하고 청구된 주제의 본질 및 특성을 이해하기 위한 개요 또는 틀을 제공하기 위한 것임을 이해해야 한다. 첨부된 도면은 다양한 구현 예의 추가 이해를 제공하기 위해 포함되며, 본 명세서에 통합되어 그 일부를 구성한다. 도면은 본 명세서에 기술된 다양한 구현 예를 예시하고, 설명과 함께 청구된 주제의 원리 및 동작을 설명하는 역할을 한다.
도 1은 본원에 기술된 하나 이상의 구현 예에 따른 임의의 유리-세라믹 물품을 포함하는 예시적인 전자 장치의 평면도이다.
도 2는 도 1의 예시적인 전자 디바이스의 사시도이다.
도 3은 본원에 기술된 하나 이상의 구현 예에 따른 유리-세라믹 조성물로부터 제조되고 열처리된 실시 예 유리-세라믹 물품의 X-선 회절(XRD) 스펙트럼(x-축: 2세타 각도; y-축: 강도)의 플롯이다.
도 4는 유리-세라믹 조성물로 제조되고 본원에 기재된 하나 이상의 구현 예에 따라 열처리된 실시 예 유리-세라믹 물품의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지이다.
도 5는 유리-세라믹 조성물로 제조되고 본원에 기재된 하나 이상의 구현 예에 따라 열처리된 실시 예 유리-세라믹 물품의 총 투과율(x-축: 파장; y-축: %총 투과율)의 플롯이다.
도 6은 유리-세라믹 조성물로 제조되고 본원에 기재된 하나 이상의 구현 예에 따라 열처리된 실시 예 유리-세라믹 물품의 확산 투과율(x-축: 파장; y-축: %확산 투과율)의 플롯이다.
도 7은 유리-세라믹 조성물로 제조되고 본원에 기재된 하나 이상의 구현 예에 따라 열처리된 실시 예 유리-세라믹 물품의 산란비(x-축: 파장; y-축: 산란비)의 플롯이다.
도 8은 유리-세라믹 조성물로 제조되고 본원에 기재된 하나 이상의 구현 예에 따라 열처리된 실시 예 유리-세라믹 물품의 나트륨 농도(x-축: 깊이; y-축: Na2O 농도)의 플롯이다.
도 9는 유리-세라믹 조성물로 제조되고 본원에 기재된 하나 이상의 구현 예에 따라 열처리된 실시 예 유리-세라믹 물품의 응력(x-축: 깊이; y-축: 응력)의 플롯이다.
도 10은 유리-세라믹 조성물로 제조되고 본원에 기재된 하나 이상의 구현 예에 따라 열처리된 실시 예 유리-세라믹 물품의 중심 장력(x-축: 깊이; y-축: 중심 장력)의 플롯이다.
개선된 기계적 내구성을 갖는 투명 유리-세라믹 물품의 다양한 구현 예를 이제 상세히 참조할 것이다. 구현 예에 따르면, 유리-세라믹 물품은 40 중량% 이상 60 중량% 이하의 SiO2; 18중량% 이상 35중량% 이하의 Al2O3; 12 중량% 이상 16 중량% 이하의 B2O3; 0 중량% 이상 4 중량% 이하의 Li2O; 0 중량% 이상 5 중량% 이하의 Na2O; 0 중량% 이상 5 중량% 이하의 K2O; 0 중량% 이상 15 중량% 이하의 ZnO; 및 0 중량% 이상 8 중량% 이하의 MgO를 포함한다. 유리-세라믹 물품에서 Li2O 및 Na2O의 합은 1 중량% 이상 8 중량% 이하일 수 있습니다. 유리-세라믹 물품에서 MgO와 ZnO의 합은 3중량% 이상 20중량% 이하일 수 있다. 유리-세라믹 물품의 주요 결정상은 멀라이트형 구조를 포함할 수 있다. 이온 교환 가능한 유리-세라믹 조성물 및 그로부터 유리-세라믹 물품을 형성하는 방법의 다양한 구현 예는 첨부된 도면을 구체적으로 참조하여 여기에서 언급될 것이다.
범위는 본원에서 "약" 하나의 특정 값 및/또는 "약" 또 다른 특정 값으로 표현될 수 있다. 이러한 범위가 표현되는 경우, 다른 구현 예는 하나의 특정 값에서 및/또는 다른 특정 값까지를 포함한다. 유사하게, 선행사 "약"을 사용하여 값이 근사치로 표현될 때, 특정 값이 다른 구현 예를 형성한다는 것이 이해될 것이다. 각각의 범위의 끝점은 다른 끝점과 관련하여 그리고 다른 끝점과는 독립적으로 중요하다는 것을 추가로 이해할 것이다.
본원에서 사용되는 방향 용어(예를 들어 위, 아래, 오른쪽, 왼쪽, 앞, 뒤, 상부, 하부)는 도면을 참조하여 만들어진 것이며 절대적인 방향을 의미하는 것은 아니다.
달리 명시되지 않는 한, 본원에 제시된 임의의 방법은 그 단계가 특정 순서로 수행되어야 하거나 임의의 장치 특정 배향이 요구되는 것으로 해석되지 않는다. 따라서 방법 청구항이 그 단계가 따라야 할 순서를 실제로 인용하지 않거나 장치 청구항이 개별 구성 요소에 대한 순서나 방향을 실제로 인용하지 않거나 청구항이나 설명에 달리 단계가 특정 순서로 제한되거나 장치의 구성 요소에 대한 특정 순서 또는 방향이 언급되지 않은 경우 순서 또는 방향이 어떤 식으로든 추론되도록 의도된 것이 아니다. 이것은 다음을 포함하여 해석을 위한 모든 가능한 비명시적 근거에 적용된다: 단계의 배열, 작업 흐름, 구성 요소의 순서 또는 구성 요소의 방향과 관련된 논리 문제; 문법적 구성 또는 구두점에서 파생된 일반 의미, 및 명세서에 기술된 구현 예의 수 또는 유형.
본원에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 명백하게 달리 지시하지 않는 한 복수 지시 대상을 포함한다. 따라서, 예를 들어, 하나의 구성요소에 대한 언급은 문맥상 명백하게 달리 나타내지 않는 둘 이상의 이러한 구성요소를 갖는 관점을 포함한다.
유리-세라믹 조성물에서 특정 구성 성분의 농도 및/또는 부재를 설명하기 위해 사용될 때 용어 "0 중량%" 및 "무함유"는 구성 성분이 의도적으로 유리-세라믹 조성물에 첨가되지 않음을 의미한다. 그러나, 유리-세라믹 조성물은 0.1중량% 미만의 양으로 오염물 또는 부랑자로서 미량의 구성 성분을 함유할 수 있다.
본원에 기술된 유리-세라믹 조성물 또는 유리-세라믹 물품의 구현 예에서, 구성 성분(예를 들어, SiO2, Al2O3 등)의 농도는 달리 명시되지 않는 한 산화물 기준으로 중량%(중량%)로 지정된다.
파괴 인성은 ASTM STP 559("Double Torsion Technique as a Universal Fracture Toughness Test Method")에 기술된 이중 비틀림 기술을 사용하여 측정되며, 그 내용은 전체적으로 참조로 본원에 포함된다.
본원에 기재된 바와 같은 X-선 회절(XRD) 스펙트럼은 Bruker Corporation(Billerica, MA)에서 제조된 LYNXEYE XE-T 검출기를 갖는 D8 ENDEAVOR X-선 회절 시스템으로 측정된다.
투과율 데이터(총 투과율 및 확산 투과율)는 PerkinElmer Inc.(Waltham, Massachusetts USA)에서 제조한 Lambda 950 UV/Vis Spectrophotometer로 측정된다. Lambda 950 장치에는 150mm 적분구가 장착되었다. 개방형 빔 베이스라인과 Spectralon® 기준 반사 디스크를 사용하여 데이터를 수집했다. 총 투과율(Total Tx)의 경우 샘플이 적분구 진입점에 고정된다. 확산 투과율(Diffuse Tx)의 경우 구형 출구 포트 위의 Spectralon® 기준 반사 디스크가 제거되어 축상의 빛이 구형을 빠져나가 라이트 트랩에 들어갈 수 있다. 라이트 트랩의 효율성을 결정하기 위해 확산 부분의 제로 오프셋 측정이 샘플 없이 이루어진다. 확산 투과율 측정을 수정하기 위해 확산 Tx = 확산 측정 - (제로 오프셋 *(총 Tx/100)) 방정식을 사용하여 샘플 측정에서 제로 오프셋 기여도를 뺀다. 산란 비율은 모든 파장에 대해 다음과 같이 측정된다: (%Diffuse Tx / %Total Tx).
본원에서 사용되는 "평균 투과율"이라는 용어는 주어진 파장 범위 내에서 각각의 전체 번호가 매겨진 파장에 동일하게 가중된 투과율 측정치의 평균을 의미한다. 본원에 기술된 구현 예에서, "평균 투과율"은 400nm 내지 800nm(끝점 포함)의 파장 범위에 걸쳐 보고된다.
본원에 기술된 유리-세라믹 조성물로 형성된 유리-세라믹 물품을 설명하기 위해 사용될 때 용어 "투명"은 유리-세라믹 물품이 0.8 mm의 물품 두께에서 400 nm 내지 800 nm(끝점 포함) 파장 범위의 광에 대한 수직 입사에서 측정될 때 85% 이상의 평균 투과율을 가짐을 의미한다.
본원에 기술된 유리-세라믹 조성물로 형성된 유리-세라믹 물품을 설명하기 위해 사용되는 용어 "투명 헤이즈"는 유리-세라믹 물품이 0.8mm의 물품 두께에서 400 nm 내지 800 nm 파장 범위(끝점 포함)의 광에 대한 수직 입사에서 측정할 때 평균 투과율이 70% 이상 85% 미만인 것을 의미한다.
본원에 기술된 유리-세라믹 조성물로 형성된 유리-세라믹 물품을 설명하기 위해 사용되는 용어 "반투명"은 유리-세라믹 물품이 0.8mm의 물품 두께에서 400nm 내지 800nm(끝점 포함) 파장 범위의 광에 대해 수직 입사에서 측정했을 때 20% 이상 70% 미만의 평균 투과율을 가짐을 의미한다.
본원에서 유리-세라믹 조성물로 형성된 유리-세라믹 물품을 설명하기 위해 사용되는 용어 "불투명"은 유리-세라믹 조성물이 0.8 mm의 물품 두께에서 400 nm 내지 800 nm(끝점 포함)의 파장 범위의 광에 대한 수직 입사에서 측정될 때 평균 투과율이 20% 미만임을 의미한다.
주사 전자 현미경(SEM)을 사용하는 전자 회절 이미지는 본원에 도시되고 설명된 바와 같이 ZEISS GeminiSEM 500 주사 전자 현미경으로 4.7mm의 작동 거리(WD), 3.00의 전자 고압(EHT) 및 고진공 모드에서 촬영된다.
본원에서 사용되는 "융점(melting point)"이라는 용어는 유리-세라믹 조성물의 점도가 200 포이즈인 온도를 의미한다.
본원에서 사용되는 "연화점"이라는 용어는 유리-세라믹 조성물의 점도가 1×107.6 포이즈인 온도를 의미한다. 연화점은 ASTM C1351M과 유사하게 온도의 함수로서 무기 유리의 점도를 107에서 109 포이즈까지 측정하는 평행 평판 점도 방법에 따라 측정된다.
본원에 사용된 "액상 점도"라는 용어는 실투 개시 시(즉, ASTM C829-81에 따른 구배로 방법으로 결정된 액상선 온도에서) 유리-세라믹 조성물의 점도를 지칭한다.
본원에 기술된 유리-세라믹 물품의 탄성 계수(영률이라고도 함)는 기가파스칼(GPa) 단위로 제공되며 ASTM C623에 따라 측정된다.
본원에서 사용되는 용어 "CTE"는 0℃ 내지 300℃(끝점 포함)에서 유리-세라믹 물품의 평균 열팽창계수를 의미하며, 각 정수 파장은 동일하게 가중된다.
본원에서 사용되는 "유리-세라믹 물품"이라는 용어는 유리의 제어된 결정화를 통해 생성된 재료를 의미한다. 구현 예에서, 유리-세라믹은 약 1%에서 약 99%의 결정화도를 갖는다.
표면 압축 응력은 Orihara Industrial Co., Ltd.(일본)에서 제조된 FSM-6000과 같은 시판되는 기기와 같은 표면 응력 측정기(FSM)로 측정된다. 표면 응력 측정은 유리-세라믹 물품의 복굴절과 관련된 응력 광학 계수(SOC)의 측정에 의존한다. 이어서 SOC는 "Standard Test Method for Measurement of Glass Stress-Optical Coefficient"라는 제목의 ASTM 표준 C770-16에 기술된 절차 C(유리 디스크 방법)에 따라 측정되며, 그 내용은 전체가 참고로서 본원에 포함된다. 압축 깊이(DOC)는 당업계에 공지된 산란광 편광기(SCALP) 기술과 함께 FSM으로 측정된다. FSM은 칼륨 이온 교환에 대한 압축 깊이를 측정하고 SCALP는 나트륨 이온 교환에 대한 압축 깊이를 측정한다. 최대 중심 장력(CT) 값은 당업계에 알려진 SCALP 기술을 사용하여 측정된다.
"압축 깊이" 및 "DOC"라는 어구는 압축 응력이 인장 응력으로 전이되는 유리-세라믹 물품의 위치를 나타낸다.
본원에 기술된 바와 같은 조성 프로파일은 JEOL 8900 전자 마이크로포브를 사용하여 측정된다.
본원에서 유리-세라믹 조성물로 형성된 유리-세라믹 물품의 결정상을 설명하기 위해 사용되는 용어 "멀라이트-유형"은 멀라이트, 붕소 멀라이트, 및 준안정 아연 및 마그네슘 함유 멀라이트 고용체를 지칭한다.
유리-세라믹 물품은 일반적으로 균열 성장을 방해하는 결정질 입자의 존재 및 비교적 높은 탄성 계수로 인해 유리로 형성된 물품에 비해 향상된 파괴 인성을 갖는다. 그러나 유리-세라믹 물품 고유의 미세 구조로 인해 원하는 투명도를 달성하기 어려울 수 있다. 또한, 유리-세라믹 조성물에 존재하는 알칼리 산화물은 열처리 후 결정상에 포함될 수 있으며 이온 교환에 이용 가능하지 않을 수 있다.
전술한 문제를 완화시키는 유리-세라믹 조성물 및 그로부터 형성된 유리-세라믹 물품이 본원에 개시된다. 구체적으로, 본원에 기재된 유리-세라믹 조성물은 상대적으로 많은 양의 Al2O3 및 Li2O 및 Na2O와 같은 알칼리 산화물을 포함하여, 잔류 유리상 내에 상대적으로 많은 양의 Li2O 및/또는 Na2O가 존재하는 투명한 멀라이트형 유리-세라믹 물품을 생성한다. 따라서, 상대적으로 Al2O3가 많은 잔류 유리상은 쉽게 이온 교환될 수 있다. 또한, 침상 사방정계 멀라이트 유형 나노결정의 이방성 특성은 유리-세라믹 물품의 파괴 인성을 개선하는 데 도움이 될 수 있다. 상대적으로 높은 Al2O3 함량 및 고 모듈러스 멀라이트 유형 결정상의 존재는 유리 단독으로 형성된 물품에 비해 상대적으로 높은 탄성 모듈러스를 초래할 수 있다.
본원에 기술된 유리-세라믹 조성물은 알루미노보로실리케이트 유리-세라믹 조성물로 기술될 수 있고 SiO2, Al2O3, 및 B2O3를 포함한다. SiO2, Al2O3 및 B2O3에 더하여, 본원의 유리-세라믹 조성물은 또한 유리-세라믹 조성물로부터 형성된 유리-세라믹 물품의 이온 교환성을 가능하게 하기 위해 Li2O 및 Na2O와 같은 알칼리 산화물을 포함한다. 본원에 기술된 유리-세라믹 조성물은 ZnO 및 MgO와 같은 2가 양이온 산화물을 추가로 포함하여 조성물에서 Al2O3의 전하 균형을 돕고 이로써 생성된 유리-세라믹 물품에서 원하는 결정상(및 원하는 결정상의 양)을 달성한다.
SiO2는 본원에 기술된 유리-세라믹 조성물의 주요 유리 형성제이며 유리-세라믹 물품의 네트워크 구조를 안정화시키는 기능을 할 수 있다. 유리-세라믹 조성물에서 SiO2의 양은 유리-세라믹 조성물이 유리-세라믹 물품으로 전환되도록 열처리될 때 결정상을 형성하도록 충분히 높아야(예를 들어, 40중량% 이상). SiO2의 양은 유리-세라믹 조성물의 융점을 제어하기 위해 제한(예를 들어, 60중량% 이하)할 수 있는데, 이는 순수한 SiO2 또는 고 SiO2 유리의 용융 온도가 바람직하지 않게 높기 때문이다. 따라서, SiO2의 양을 제한하는 것은 생성된 유리-세라믹 물품의 용융성 및 성형성을 개선하는 데 도움이 될 수 있다.
따라서, 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물은 40 중량% 이상 60 중량% 이하의 SiO2를 포함할 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물은 40 중량% 이상 55 중량% 이하의 SiO2를 포함할 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물은 43 중량% 이상 50 중량% 이하의 SiO2를 포함할 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물 내 SiO2의 양은 40 중량% 이상, 43 중량% 이상, 또는 심지어 45 중량% 이상일 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물 내 SiO2의 양은 60 중량% 이하, 55 중량% 이하, 또는 심지어 50 중량% 이하일 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물 내 SiO2의 양은 40 중량% 이상 60 중량% 이하, 40 중량% 이상 55 중량% 이하, 40 중량% 이상 50 중량% 이하, 43 중량% 이상 60 중량% 이하, 43 중량% 이상 55 중량% 이하, 43 중량% 이상 50 중량% 이하, 45 중량% 이상 60 중량% 이하, 45 중량% 이상 % 및 55중량% 이하, 또는 심지어 45 중량% 이상 50 중량% 이하, 또는 이들 끝점 중 임의의 것으로부터 형성된 임의의 및 모든 하위 범위일 수 있다.
SiO2와 마찬가지로, Al2O3도 유리 네트워크를 안정화시킬 수 있고 추가적으로 생성된 유리-세라믹 물품에 향상된 기계적 특성 및 화학적 내구성을 제공할 수 있다. Al2O3의 양은 또한 유리-세라믹 조성물의 점도를 조절하기 위해 조정될 수 있다. 그러나 Al2O3의 양이 너무 많으면 용융물(melt)의 점도가 높아질 수 있다. Al2O3의 양은 생성된 유리-세라믹 물품이 원하는 파괴 인성(예: 0.90 MPa·m1/2 이상)을 갖도록 충분히 높아야 한다(예: 18 중량% 이상). 그러나, Al2O3의 양이 너무 많으면(예를 들어, 35중량% 초과), 용융물의 점도가 증가하여 생성된 유리-세라믹 물품의 성형성을 감소시킬 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물은 18 중량% 이상 35 중량% 이하의 Al2O3를 포함할 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물은 20 중량% 이상 30 중량% 이하의 Al2O3를 포함할 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물 내 Al2O3의 양은 18 중량% 이상, 20 중량% 이상, 또는 심지어 22 중량% 이상일 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물에서 Al2O3의 양은 35 중량% 이하, 30 중량% 이하, 또는 심지어 28 중량% 이하일 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물 내 Al2O3의 양은 18 중량% 이상 35 중량% 이하, 18 중량% 이상 30 중량% 이하, 18 중량% 이상 28 중량% 이하, 20 중량% 이상 35 중량% 이하, 20 중량% 이상 20 중량% 이하 30 중량% 이하, 20 중량% 이상 28 중량% 이하, 22 중량% 이상 35 중량% 이하, 22 중량% 이상 및 30 중량% 이하, 또는 심지어 22 중량% 이상 28 중량% 이하, 또는 이들 끝점 중 임의의 것으로부터 형성된 임의의 및 모든 하위 범위일 수 있다.
B2O3는 유리-세라믹 조성물의 용융 온도를 감소시킨다. 또한, 유리-세라믹 조성물에 B2O3를 첨가하면 유리-세라믹 조성물이 열처리되어 유리-세라믹 물품을 형성할 때 맞물리는 결정 미세구조를 달성하는 데 도움이 된다. 또한, B2O3는 생성된 유리-세라믹 물품의 내손상성을 향상시킬 수도 있다. 열처리 후 잔류 유리상에 존재하는 붕소가 알칼리 산화물 또는 2가 양이온 산화물(예: MgO, CaO, SrO, BaO 및 ZnO)에 의해 전하 균형을 이루지 않으면 붕소는 삼각 배위 상태(또는 3 -배위된 붕소), 유리의 구조를 열어준다. 이러한 3배위 붕소 원자 주변의 네트워크는 4면체 배위(또는 4배위) 붕소만큼 단단하지 않다. 이론에 얽매이지 않고, 3배위 붕소를 포함하는 유리-세라믹 물품은 4배위 붕소와 비교하여 균열 형성 전에 어느 정도의 변형을 견딜 수 있다고 믿어진다. 일부 변형을 허용함으로써 Vickers 압입 균열 시작 임계값이 증가한다. 3배위 붕소를 포함하는 유리-세라믹 물품의 파괴 인성 또한 증가할 수 있다. B2O3의 양은 생성된 유리-세라믹 물품의 성형성을 개선하고 파괴 인성을 증가시키기에 충분히 높아야 한다(예를 들어, 12중량% 이상). 그러나 B2O3가 너무 높으면 화학적 내구성 및 액상 점도가 감소하고 용융시 B2O3의 휘발 및 증발을 제어하기 어려워진다. 따라서, B2O3의 양은 유리-세라믹 조성물의 화학적 내구성 및 제조성을 유지하기 위해 제한될 수 있다(예를 들어, 16 중량% 이하).
구현 예에서, 유리-세라믹 조성물은 12 중량% 이상의 B2O3 및 16 중량% 이하의 B2O3를 포함할 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물은 12.5 중량% 이상 16 중량% 이하의 B2O3를 포함할 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물은 13 중량% 이상 15.5 중량% 이하의 B2O3를 포함할 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물 내 B2O3의 양은 12 중량% 이상, 12.5 중량% 이상, 13 중량% 이상 또는 심지어 13.5 중량% 이상일 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물에서 B2O3의 양은 16 중량% 이하 또는 심지어 15.5 중량% 이하일 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물 내 B2O3의 양은 12 중량% 이상 16 중량% 이하, 12 중량% 이상 15.5 중량% 이하, 12.5중량% 이상 16중량% 이하, 12.5중량% 이상 15.5중량% 이하, 13중량% 이상 16 중량% 이하, 13 중량% 이상 15.5 중량% 이하, 13.5 중량% 이상 16 중량% 이하, 또는 13.5 중량% 이상 % 및 15.5중량% 이하, 또는 이들 끝점 중 임의의 것으로부터 형성된 임의의 및 모든 하위 범위일 수 있다.
전술한 바와 같이, 유리-세라믹 조성물은 유리-세라믹 조성물의 이온 교환성을 가능하게 하기 위해 Li2O 및 Na2O와 같은 알칼리 산화물을 함유할 수 있다. Li2O는 유리-세라믹 조성물의 이온 교환성을 돕고 또한 유리-세라믹 조성물의 연화점을 감소시켜 최종 유리-세라믹 물품의 성형성을 증가시킨다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물은 0 중량% 이상 4 중량% 이하의 Li2O를 포함할 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물 내 Li2O의 양은 0 중량% 이상, 0.5 중량% 이상, 1 중량% 이상, 1.2 중량% 이상, 또는 심지어 1.4중량% 이상일 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물 내 Li2O의 양은 4중량% 이하, 3중량% 이하, 2.5중량% 이하, 또는 심지어 2중량% 이하일 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물 내 Li2O의 양은 0 중량% 이상 4 중량% 이하, 0 중량% 이상 3 중량% 이하, 0중량% 이상 2.5중량% 이하, 0중량% 이상 2중량% 이하, 0.5중량% 이상 4 중량% 이하, 0.5 중량% 이상 3 중량% 이하, 0.5 중량% 이상 2.5 중량% 이하, 0.5 중량% 이상 및 2 중량% 이하, 1 중량% 이상 4 중량% 이하, 1 중량% 이상 3 중량% 이하, 이상 1 중량% 이상 2.5 중량% 이하, 1 중량% 이상 2 중량% 이하, 1.2 중량% 이상 4 중량% 이하, 1.2중량% 이상 3중량% 이하, 1.2중량% 이상 2.5중량% 이하, 1.2중량% 이상 2중량% 이하 1.2중량% 이상 4중량% 이하, 1.4 중량% 이상 3 중량% 이하, 1.4 중량% 이상 2.5중량% 이하, 또는 심지어 1.4중량% 이상 2중량% 이하, 또는 이들 끝점 중 임의의 것으로부터 형성된 임의의 및 모든 하위 범위일 수 있다.
유리-세라믹 조성물의 이온 교환성을 돕는 것 외에도, Na2O는 융점을 감소시키고 생성된 유리-세라믹 물품의 성형성을 향상시킨다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물은 0 중량% 이상 5 중량% 이하의 Na2O를 포함할 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물 내 Na2O의 양은 0중량% 이상, 1중량% 이상, 1.5중량% 이상 또는 심지어 2중량% 이상일 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물 내 Na2O의 양은 5 중량% 이하, 4.5 중량% 이하, 또는 심지어 4 중량% 이하일 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물 내 Na2O의 양은 0 중량% 이상 5 중량% 이하, 0 중량% 이상 4.5 중량% 이하, 0 중량% 이상 4 중량% 이하, 1 중량% 이상 5 중량% 이하, 1 중량% 이상 4.5 중량% 이하, 1 중량% 이상 4 중량% 이하, 1.5 중량% 이상 5 중량% 이하, 1.5 중량% 이상 4.5 중량% 이하, 1.5 중량% 이상 4 중량% 이하, 2 중량% 이상 5 중량% 이하, 2 중량% 이상 4.5 중량% 이하, 또는 심지어 2 중량% 이상 및 4 중량% 이하, 또는 이들 끝점 중 임의의 것으로부터 형성된 임의의 및 모든 하위 범위일 수 있다.
유리-세라믹 조성물에서 Li2O 및 Na2O의 총량은 이온 교환 공정을 조절하기 위해 제어될 수 있다. Li2O 및 Na2O의 총량은 유리-세라믹 조성물의 이온 교환성을 가능하게 하기 위해 충분히 높아야 한다(예를 들어, 1중량% 이상). 그러나, 유리-세라믹 조성물에서 Li2O 및 Na2O의 총량이 너무 높으면(예를 들어, 8중량% 초과), 투명한 유리-세라믹 물품이 얻어지지 않을 수 있다. 따라서, 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물 내 Li2O 및 Na2O의 총량(즉, Li2O(중량%) + Na2O(중량%))은 1중량% 이상 8 중량% 이하일 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물에서 Li2O 및 Na2O의 총량은 1.2 중량% 이상 6 중량% 이하일 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물에서 Li2O 및 Na2O의 총량은 1.4 중량% 이상 5 중량% 이하일 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물에서 Li2O 및 Na2O의 총량은 1중량% 이상, 1.2중량% 이상 또는 심지어 1.4중량% 이상일 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물 내 Li2O 및 Na2O의 총량은 8 중량% 이하, 6 중량% 이하, 5 중량% 이하, 또는 심지어 4중량% 이하일 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물 내 Li2O 및 Na2O의 총량은 1 중량% 이상 8 중량% 이하, 1 중량% 이상 6중량% 이하, 1중량% 이상 5중량% 이하, 1중량% 이상 4중량% 이하, 1.2중량% 이상 8 중량% 이상, 1.2 중량% 이상 6 중량% 이하, 1.2 중량% 이상 5 중량% 이하, 1.2 중량% 이상 4 중량% 이하, 1.4 중량% 이상 8중량% 이하, 1.4 중량% 이상 6 중량% 이하, 1.4 중량% 이상 6 중량% 이하 또는 1.4 중량% 이상 5 중량% 이하, 또는 심지어 1.4 중량% 이상 4 중량% 이하, 또는 이들 끝점 중 임의의 것으로부터 형성된 임의의 및 모든 하위 범위일 수 있다.
본원에 기재된 유리-세라믹 조성물은 K2O와 같은 Li2O 및 Na2O 이외의 알칼리 금속 산화물을 추가로 포함할 수 있다. K2O는 이온 교환을 촉진하고, 압축 깊이를 증가시키며 융점을 감소시켜 최종 유리-세라믹 물품의 성형성을 개선한다. 그러나 K2O를 첨가하면 표면 압축 응력과 융점이 너무 낮아질 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물 내 K2O의 양은 0 중량% 이상 또는 심지어 0.1 중량% 이상일 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물 내 K2O의 양은 5 중량% 이하, 3 중량% 이하, 1 중량% 이하 또는 심지어 0.5 중량% 이하일 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물 내 K2O의 양은 0 중량% 이상 5 중량% 이하, 0.1 중량% 이상 5 중량% 이하, 0중량% 이상 3중량% 이하, 0.1중량% 이상 3중량% 이하, 0중량% 이상 1 중량% 이하, 0.1 중량% 이상 1 중량% 이하, 0 중량% 이상 0.5 중량% 이하, 또는 0.1 중량% 이상 % 및 0.5중량% 이하, 또는 이들 끝점 중 임의의 것으로부터 형성된 임의의 및 모든 하위 범위일 수 있다.
모든 알칼리 산화물의 합은 본원에서 R2O로 표현된다. 구체적으로, R2O는 유리-세라믹 조성물에 존재하는 Li2O, Na2O 및 K2O의 합(단위: 중량%)(즉, R2O = Li2O(중량%) + Na2O(중량%) + K2O(중량%))이다. B2O3와 마찬가지로, 알칼리 산화물은 유리-세라믹 조성물의 연화점 및 성형 온도를 낮추는 데 도움을 주어 유리-세라믹 조성물 내 더 많은 양의 SiO2로 인한 유리-세라믹 조성물의 연화점 및 성형 온도 증가를 상쇄한다. 연화점 및 성형 온도의 감소는 유리-세라믹 조성물에 알칼리 산화물(예: 2개 이상의 알칼리 산화물)의 조합을 포함함으로써 더 감소될 수 있으며, 현상은 "혼합 알칼리 효과"라고 한다. 그러나 알칼리 산화물의 양이 너무 많으면 유리-세라믹 조성물의 평균 열팽창계수가 100 x 10-7/℃보다 크게 증가하여 바람직하지 않을 수 있음이 밝혀졌다.
구현 예에서, 유리-세라믹 조성물 내 R2O의 양은 1 중량% 이상, 1.2 중량% 이상, 또는 심지어 1.4 중량% 이상일 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물 내 R2O의 총량은 10 중량% 이하, 8 중량% 이하, 또는 심지어 5 중량% 이하일 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물 내 Li2O 및 Na2O의 총량은 1 중량% 이상 10 중량% 이하, 1 중량% 이상 8중량% 이하, 1중량% 이상 5중량% 이하, 1.2중량% 이상 10중량% 이하, 1.2중량% 이상 8 중량% 이상, 1.2 중량% 이상 5 중량% 이하, 1.4 중량% 이상 10 중량% 이하, 1.4 이상 중량% 8 중량% 이하, 또는 심지어 1 중량% 이상 및 5 중량% 이하, 또는 이들 끝점 중 임의의 것으로부터 형성된 임의의 및 모든 하위 범위일 수 있다.
유리-세라믹 조성물에서 MgO는 유리-세라믹 조성물에서 Al2O3의 전하 균형을 맞추는 것을 도울 수 있다. Al2O3의 전하 균형은 유리-세라믹 물품에서 원하는 결정상(및 결정상의 양)을 달성하는 데 도움이 된다. MgO는 유리-세라믹 조성물의 점도를 낮추어 성형성, 변형점 및 탄성 계수를 향상시키고 생성된 유리-세라믹 물품의 이온 교환성을 개선할 수 있다. MgO는 Al2O3의 전하 균형을 맞추고 유리-세라믹 조성물의 점도를 낮추는 것을 돕기 위해 유리-세라믹 조성물에 (예를 들어, 0 중량% 이상의 양으로) 포함될 수 있다. 그러나 너무 많은 MgO가 유리-세라믹 조성물에 첨가되면(예: 8중량% 초과) 유리-세라믹 조성물에서 나트륨 및 칼륨 이온의 확산성이 감소하여 생성된 유리-세라믹 물품의 이온 교환 성능(즉, 이온 교환 능력)에 악영향을 미친다.
구현 예에서, 유리-세라믹 조성물은 0 중량% 이상 8 중량% 이하의 MgO를 포함할 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물 내 MgO의 양은 0 중량% 이상, 2 중량% 이상, 또는 심지어 4 중량% 이상일 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물에서 MgO의 양은 8 중량% 이하 또는 심지어 6 중량% 이하일 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물 내 MgO의 양은 0 중량% 이상 8 중량% 이하, 0 중량% 이상 6 중량% 이하, 2 중량% 이상 8 중량% 이하, 2 중량% 이상 6 중량% 이하, 4 중량% 이상 8중량% 이하, 또는 심지어 4 중량% 이상 6 중량% 이하, 또는 이들 끝점 중 임의의 것으로부터 형성된 임의의 및 모든 하위 범위일 수 있다.
MgO와 마찬가지로, ZnO는 조성물에서 Al2O3의 전하 균형을 맞추는 MgO를 도울 수 있고, 이로써 생성된 유리-세라믹 물품에서 원하는 결정상(및 결정상의 양)을 달성할 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물은 0 중량% 이상 15 중량% 이하의 ZnO를 포함할 수 있다. 구현예에서, 유리-세라믹 조성물은 8 중량% 이상 15 중량% 이하의 ZnO를 포함할 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물 중 ZnO의 양은 0 중량% 이상, 2 중량% 이상, 4 중량% 이상, 6 중량% 이상, 또는 심지어 8 중량% 이상일 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물에서 ZnO의 양은 15 중량% 이하, 13 중량% 이하, 또는 심지어 11 중량% 이하일 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물 중 ZnO의 양은 0 중량% 이상 15 중량% 이하, 0 중량% 이상 13 중량% 이하, 0 중량% 이상 11 중량% 이하, 2 중량% 이상 15 중량% 이하, 2 중량% 이상 13 중량% 이상, 2 중량% 이상 11 중량% 이하, 4 중량% 이상 15 중량% 이하, 4 중량% 이상 및 13 중량% 이하, 4 중량% 이상 11 중량% 이하, 6 중량% 이상 15 중량% 이하, 6 중량% 이상 13 중량% 이하, 6 중량% 이상 11 중량% 이하, 8 중량% 이상 15 중량% 이하, 8 중량% 이상 13 중량% 이하, 또는 심지어 8 중량% 이상 11 중량% 이하, 또는 이들 끝점 중 임의의 것으로부터 형성된 임의의 및 모든 하위 범위일 수 있다.
유리-세라믹 조성물에서 MgO 및 ZnO의 총량은 조성물에서 Al2O3의 전하 균형을 돕도록 제어될 수 있으며, 이로써 생성된 유리-세라믹 물품에서 원하는 결정상(및 결정상의 양)을 달성할 수 있다. 유리-세라믹 조성물에서 MgO 및 ZnO의 총량은 원하는 멀라이트형 결정상을 형성할 수 있도록 충분히 높아야 한다(예: 3중량% 이상). 그러나, MgO와 ZnO의 총량이 너무 많으면(예를 들어, 20중량% 초과), 원하는 멀라이트형 결정상의 형성이 감소되어 스피넬 및 β-석영과 같은 다른 결정상에 유리할 수 있다. 따라서, 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물 내 MgO 및 ZnO의 총량(즉, MgO(중량%) + ZnO(중량%))은 3중량% 이상 20 중량% 이하일 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물에서 MgO 및 ZnO의 총량은 5 중량% 이상 18 중량% 이하일 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물에서 MgO 및 ZnO의 총량은 7 중량% 이상 15 중량% 이하일 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물에서 MgO 및 ZnO의 총량은 3 중량% 이상, 5 중량% 이상 또는 심지어 7 중량% 이상일 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물에서 MgO 및 ZnO의 총량은 20 중량% 이하, 18 중량% 이하, 15 중량% 이하, 또는 심지어 13중량% 이하일 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물 내 MgO 및 ZnO의 총량은 3 중량% 이상 20 중량% 이하, 3 중량% 이상 18중량% 이하, 3중량% 이상 15중량% 이하, 3중량% 이상 13중량% 이하, 5중량% 이상 20 중량% 이상, 5 중량% 이상 18 중량% 이하, 5 중량% 이상 15 중량% 이하, 5 중량% 이상 13중량% 이하, 7중량% 이상 20중량% 이하, 7중량% 이상 18중량% 이하, 7중량% 이상 18중량% 이하, 또는 7 중량% 이상 15 중량% 이하, 7 중량% 이상 13 중량% 이하, 또는 이들 끝점 중 임의의 것으로부터 형성된 임의의 및 모든 하위 범위일 수 있다.
구현 예에서, 유리-세라믹 조성물은 0 중량% 이상 5 중량% 이하의 CaO를 포함할 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물 내 CaO의 양은 0 중량% 이상, 0.1 중량% 이상, 0.5 중량% 이상 또는 심지어 1 중량% 이상일 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물 내 CaO의 양은 5 중량% 이하 또는 심지어 3 중량% 이하일 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물 중 CaO의 양은 0 중량% 이상 5 중량% 이하, 0 중량% 이상 3 중량% 이하, 0.1중량% 이상 5중량% 이하, 0.1중량% 이상 3중량% 이하, 0.5중량% 이상 5 중량% 이하, 0.5 중량% 이상 3 중량% 이하, 1 중량% 이상 5 중량% 이하, 또는 1 중량% 이상 % 및 3중량% 이하, 또는 이들 끝점 중 임의의 것으로부터 형성된 임의의 및 모든 하위 범위일 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물은 CaO가 없을 수 있다.
구현 예에서, 유리-세라믹 조성물은 0 중량% 이상 5 중량% 이하의 SrO를 포함할 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물 내 SrO의 양은 0 중량% 이상, 0.1 중량% 이상, 0.5 중량% 이상 또는 심지어 1 중량% 이상일 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물 내 SrO의 양은 5 중량% 이하 또는 심지어 3 중량% 이하일 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물 내 SrO의 양은 0 중량% 이상 5 중량% 이하, 0 중량% 이상 3 중량% 이하, 0.1중량% 이상 5중량% 이하, 0.1중량% 이상 3중량% 이하, 0.5중량% 이상 5 중량% 이하, 0.5 중량% 이상 3 중량% 이하, 1 중량% 이상 5 중량% 이하, 또는 1 중량% 이상 % 및 3중량% 이하, 또는 이들 끝점 중 임의의 것으로부터 형성된 임의의 및 모든 하위 범위일 수 있다. 구현 예에서, 유리 조성물은 SrO가 없을 수 있다.
구현 예에서, 유리-세라믹 조성물은 0 중량% 이상 5 중량% 이하의 BaO를 포함할 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물 내 BaO의 양은 0 중량% 이상, 0.1 중량% 이상, 0.5 중량% 이상 또는 심지어 1 중량% 이상일 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물 내 BaO의 양은 5 중량% 이하 또는 심지어 3 중량% 이하일 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물 중 BaO의 양은 0 중량% 이상 5 중량% 이하, 0 중량% 이상 3 중량% 이하, 0.1중량% 이상 5중량% 이하, 0.1중량% 이상 3중량% 이하, 0.5중량% 이상 5 중량% 이하, 0.5 중량% 이상 3 중량% 이하, 1 중량% 이상 5 중량% 이하, 또는 1 중량% 이상 % 및 3중량% 이하, 또는 이들 끝점 중 임의의 것으로부터 형성된 임의의 및 모든 하위 범위일 수 있다. 구현 예에서, 유리 조성물은 BaO가 없을 수 있다.
모든 2가 양이온 산화물의 합은 본원에서 RO로 표현된다. 구체적으로, RO는 MgO, ZnO, CaO, SrO 및 BaO의 합계(중량%)이다(즉, RO = MgO(중량%) + ZnO(중량%) + CaO(중량%) + SrO(중량%) + 유리-세라믹 조성물에 존재하는 BaO(중량%)). 구현예 에서 유리-세라믹 조성물 내 RO의 양은 3 중량% 이상, 5 중량% 이상, 7 중량% 이상 또는 심지어 10 중량% 이상일 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물 내 RO의 양은 20 중량% 이하, 18 중량% 이하, 또는 심지어 15 중량% 이하일 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물 내 RO의 양은 3 중량% 이상 20 중량% 이하, 3 중량% 이상 18 중량% 이하, 3 중량% 이상 15 중량% 이하, 5 중량% 이상 20 중량% 이하, 5 중량% 이상 18 중량% 이상, 5 중량% 이상 15 중량% 이하, 7 중량% 이상 20 중량% 이하, 7 중량% 이상 및 18중량% 이하, 7중량% 이상 15중량% 이하, 10중량% 이상 20중량% 이하, 10중량% 이상 18중량% 이하, 또는 심지어 10중량% 이상 15중량% 이하, 또는 이들 끝점 중 임의의 것으로부터 형성된 임의의 및 모든 하위 범위일 수 있다.
구현 예에서, 유리-세라믹 조성물 내 R2O 및 RO의 총량(즉, R2O(중량%) + RO(중량%))은 4 중량% 이상, 7중량%, 또는 10중량% 이상일 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물 내 R2O 및 RO의 총량은 30 중량% 이하, 25 중량% 이하, 20 중량% 이하, 또는 심지어 15중량% 이하일 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물 내 R2O 및 RO의 총량은 4 중량% 이상 30 중량% 이하, 4 중량% 이상 25중량% 이하, 4중량% 이상 20중량% 이하, 4중량% 이상 15중량% 이하, 7중량% 이상 30 중량% 이상, 7 중량% 이상 25 중량% 이하, 7 중량% 이상 20 중량% 이하, 7 이상 15중량% 이하, 10중량% 이상 30중량% 이하, 10중량% 이상 25중량% 이하, 10중량% 이상 25중량% 이하 또는 10중량% 이상 20중량% 이하, 또는 심지어 10중량% 이상 15중량% 이하, 또는 이들 끝점 중 임의의 것으로부터 형성된 임의의 및 모든 하위 범위일 수 있다.
구현 예에서, 본원에 기술된 유리-세라믹 조성물은 peraluminous(즉, Al2O3에 대한 R2O 및 RO의 합의 중량비가 1 미만임)일 수 있으며, 이는 스피넬 또는 β-석영과 같은 다른 결정상과는 반대로 원하는 멀라이트 유형 결정상을 형성하는 데 도움이 될 수 있다. 구현 예에서, Al2O3에 대한 R2O 및 RO의 합의 중량비(즉, (R2O + RO)/Al2O3))는 1 미만이다.
구현 예에서, 본원에 기술된 유리-세라믹 조성물은 결정상 및 잔류 유리상의 굴절률을 균등화하는 것을 돕는 개질제를 추가로 포함할 수 있다. 구현 예에서, 개질제는 Y2O3, SrO, B2O3, TiO2, ZrO2, La2O3, GeO2, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물 내 개질제의 양은 0중량% 이상, 0.1중량% 이상, 0.5중량% 이상 또는 심지어 1중량% 이상일 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물 내 개질제의 양은 5 중량% 이하 또는 심지어 3 중량% 이하일 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물 중 개질제의 양은 0 중량% 이상 5 중량% 이하, 0 중량% 이상 3 중량% 이하, 0.1 중량% 이상 5 중량% 이하, 0.1 중량% 이상 3 중량% 이하, 0.5 중량% 이상 5 중량% 이하, 0.5 중량% 이상 3 중량% 이하, 1 중량% 이상 5 중량% 이하, 또는 1 이상 중량% 및 3 중량% 이하, 또는 이들 끝점 중 임의의 것으로부터 형성된 임의의 및 모든 하위 범위일 수 있다.
구현 예에서, 본원에 기술된 유리-세라믹 조성물은 TiO2, MnO, MoO3, WO3, La2O3, CdO, As2O3, Sb2O3, 황산염, 할로겐 또는 이들의 조합과 같은 황계 화합물과 같은 트램프 물질을 추가로 포함할 수 있다. 구현 예에서, 항균 성분, 화학적 청징제 또는 기타 추가 성분이 유리-세라믹 조성물에 포함될 수 있다.
구현 예에서, 유리-세라믹 조성물에는 ZrO2가 없을 수 있다. 예를 들어, 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물은 0중량% ZrO2를 포함할 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물에 As2O3가 없는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 구현 예에서, 유리-세라믹 조성물은 0중량% As2O3를 포함할 수 있다. 이론에 얽매이는 것은 아니지만, As2O3는 독소로 간주될 수 있으며 유리-세라믹 조성물에서 As2O3를 제거하면 환경 친화적(즉, "친환경") 유리-세라믹 물품이 생성될 수 있다.
본원에 기술된 유리-세라믹 조성물로부터 형성된 유리-세라믹 물품은 유리-세라믹 물품의 사용을 위한 특정 적용에 따라 변할 수 있는 임의의 적합한 두께일 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 시트 구현예는 250 ㎛ 이상 6 mm 이하, 250 ㎛ 이상 4 mm 이하, 250㎛ 이상 2mm 이하, 250㎛ 이상 1mm 이하, 250㎛ 이상 750㎛ 이하, 250㎛ 이상 500 ㎛ 이하, 500 ㎛ 이상 6 mm 이하, 500 ㎛ 이상 4 mm 이하, 500 ㎛ 이상 2mm 이하, 500㎛ 이상 1mm 이하, 500㎛ 이상 750㎛ 이하, 750㎛ 이상 6 mm 이하, 750 ㎛ 이상 4 mm 이하, 750 ㎛ 이상 2 mm 이하, 750 ㎛ 이상 1mm 이하, 1mm 이상 6mm 이하, 1mm 이상 4mm 이하, 1mm 이상 2mm 이하, 2mm 이상 6mm 이하, 2mm 이상 4mm 이하, 또는 4mm 이상 6mm 이하 또는 이러한 끝점에서 형성된 임의의 그리고 모든 하위 범위의 두께를 가질 수 있다.
위에서 논의된 바와 같이, 본원에 기재된 유리-세라믹 조성물로부터 형성된 유리-세라믹 물품은 유리-세라믹 물품이 손상에 대해 더 저항하도록 증가된 파괴 인성을 가질 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 물품은 이중 비틀림 방법으로 측정된 KIc 파괴 인성이 0.90 MPa·m1/2 이상일 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 물품은 이중 비틀림 방법으로 측정했을 때 0.90 MPa·m1/2 이상, 1 MPa·m1/2 이상, 또는 심지어 1.1MPa·m1/2 이상인 KIc 파괴 인성을 가질 수 있다.
구현 예에서, 유리-세라믹 물품은 50 MPa 이상 100 MPa 이하의 탄성 계수를 가질 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 물품은 50 MPa 이상, 60 MPa 이상, 70 MPa 이상, 또는 심지어 80 MPa 이상의 탄성 계수를 가질 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 물품은 100 MPa 이하 또는 심지어 95 MPa 이하의 탄성 계수를 가질 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 물품은 50MPa 이상 100MPa 이하, 50MPa 이상 95MPa 이하, 60MPa 이상 100MPa 이하, 60MPa 이상 95MPa 이하, 70MPa 이상 100MPa 이하, 70MPa 이상 95 MPa 이하, 80 MPa 이상 100 MPa 이하, 또는 심지어 80 MPa 이상 95 MPa 이하, 또는 이러한 끝점 중 임의로부터 형성된 임의의 그리고 모든 하위 범위의 탄성 계수를 가질 수 있다.
구현 예에서, 유리-세라믹 물품은 0.8 mm의 물품 두께에서 측정 시 400 nm 내지 800 nm의 파장 범위에 걸쳐 광의 70% 이상 95% 이하의 평균 투과율을 가질 수 있다. 구현예에서, 유리-세라믹 물품은 0.8mm의 물품 두께에서 측정된 400nm 내지 800nm의 파장 범위에 걸쳐 광의 70% 이상, 75% 이상, 80% 이상, 또는 85% 이상의 평균 투과율을 가질 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 물품은 0.8 mm의 물품 두께에서 측정 시 400 nm 내지 800 nm의 파장 범위에 걸쳐 광의 95% 이하 또는 90% 이하의 평균 투과율을 가질 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 물품은 0.8 mm의 물품 두께에서 측정된 바와 같이 400 nm 내지 800 nm의 파장 범위에 걸친 광의 평균 투과율이 70% 이상 95% 이하, 70% 이상 90% 이하, 75% 이상 95% 이하, 75% 이상 90% 이하, 80% 이상 95% 이하, 80% 이상 90% 이하, 85% 이상 95% 이하, 또는 심지어 85% 이상 90% 이하, 또는 임의의 끝점으로부터 형성된 임의의 그리고 모든 하위 범위일 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 물품은 투명하거나 투명 헤이즈일 수 있다.
구현 예에서, 유리-세라믹 물품은 0.8 mm의 물품 두께에서 측정 시 400 nm 내지 800 nm의 파장 범위에 걸쳐 광의 0.5% 이상 또는 심지어 1% 이상의 평균 확산 투과율을 가질 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 물품은 0.8mm의 물품 두께에서 측정 시 400 nm 내지 800 nm의 파장 범위에 걸쳐 광의 10% 이하 또는 5% 이하의 평균 확산 투과율을 가질 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 물품은 0.8mm의 물품 두께에서 측정된 400nm 내지 800nm의 파장 범위에 걸쳐 광의 평균 확산 투과율이 0.5% 이상 10% 이하, 0.5% 이상 5% 이하, 1% 이상 10% 이하, 또는 심지어 1% 이상 5% 이하, 또는 이러한 끝점 중 임의의 것으로부터 형성된 임의의 및 모든 하위 범위일 수 있다.
구현 예에서, 유리-세라믹 물품은 50 x 10-7/℃ 이하의 열팽창계수(CTE)를 가질 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 물품은 50 x 10-7/℃ 이하, 47 x 10-7/℃ 이하, 45 x 10-7/℃ 또는 43 x 10-7/℃ 이하의 열팽창계수(CTE)를 가질 수 있다.
구현 예에서, 유리-세라믹 물품은 100P 이상, 250P 이상, 500P 이상, 1kP 이상, 10kP 이상, 또는 25kP 이상의 액상 점도를 가질 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 물품은 100 P 이상 25 kP 이하, 100 P 이상 10 kP 이하, 100P 이상 1kP 이하, 100P 이상 500P 이하, 100P 이상 250P 이하, 250P 이상 25 kP 이하, 250 P 이상 10 kP 이하, 250 P 이상 1 kP 이하, 250 P 이상 500P 이하, 500P 이상 25kP 이하, 500P 이상 10kP 이하, 500P 이상 25kP 이하, 1kP 이상 25kP 이하, 1kP 이상 10kP 이하, 또는 10kP 이상 25kP 이하, 또는 이러한 끝점 중 임의로부터 형성된 임의의 그리고 모든 하위 범위의 액상 점도를 가질 수 있다. 이러한 범위의 점도는 유리-세라믹 물품이 퓨전 성형, 슬롯 드로우, 플로팅, 롤링 및 당업자에게 공지된 다른 시트 성형 공정을 포함하나 이에 한정되지 않는 다양한 상이한 기술에 의해 시트로 성형될 수 있게 한다. 그러나, 다른 물품(즉, 시트 이외의 것)을 형성하기 위해 다른 공정이 사용될 수 있음을 이해해야 한다.
구현 예에서, 본원에 기술된 유리-세라믹 조성물은 유리-세라믹 물품의 강화를 용이하게 하기 위해 이온 교환가능하다. 일반적인 이온 교환 공정에서, 유리-세라믹 물품의 더 작은 금속 이온은 유리-세라믹 물품의 외부 표면에 가까운 층 내에서 동일한 원자가의 더 큰 금속 이온으로 대체되거나 "교환"된다. 더 작은 이온을 더 큰 이온으로 교체하면 유리-세라믹 물품 층 내에 압축 응력이 생성된다. 구현 예에서, 금속 이온은 1가 금속 이온(예: Li+, Na+, K+ 등)이고, 이온 교환은 유리-세라믹 물품을 더 큰 금속 이온의 적어도 하나의 용융 염을 포함하는 욕에 침지함으로써 달성된다. 즉, 유리-세라믹 물품에서 더 작은 금속 이온을 대체한다. 대안적으로, Ag+, Tl+, Cu+ 등과 같은 다른 1가 이온은 1가 이온으로 교환될 수 있다. 유리-세라믹 물품을 강화하기 위해 사용되는 이온 교환 공정 또는 공정들은 침지 사이에 세척 및/또는 어닐링 단계를 갖는 동일하거나 상이한 조성의 단일 조 또는 다중 욕에의 침지를 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다.
유리-세라믹 물품에 대한 노출 시, 이온 교환 용액(예를 들어, KNO3 및/또는 NaNO3 용융 염욕)은 구현 예에 따라 350℃ 이상 500℃ 이하, 360℃ 이상 450℃ 이하, 370℃ 이상 440℃ 이하, 360℃ 이상 420 ℃ 이하, 370 ℃ 이상 400 ℃ 이하, 375 ℃ 이상 475 ℃ 이하, 400℃ 이상 500℃ 이하, 410℃ 이상 490℃ 이하, 420℃ 이상 480℃ 이하, 430℃ 이상 470℃ 이하, 또는 심지어 440℃ 이상 460℃ 이하, 또는 전술한 값 사이의 임의의 및 모든 하위 범위의 온도에 있을 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 물품은 2시간 이상 48시간 이하, 2시간 이상 24시간 이하, 2시간 이상 12시간 이하, 2시간 이상 6시간 이하, 8시간 이상 44시간 이하, 12시간 이상 40시간 이하, 16시간 이상 36시간 이하, 20시간 이상 32시간 이하, 24시간 이상 28시간 이하, 또는 전술한 값 사이의 모든 하위 범위의 기간 동안 이온 교환 용액에 노출될 수 있다.
생성된 압축 응력 층은 2시간의 이온 교환 시간에서 유리-세라믹 물품의 표면에서 100㎛ 이상의 깊이("압축 깊이" 또는 "DOC"라고도 함)를 가질 수 있다. 구현예에서, 유리-세라믹 제품은 10 ㎛ 이상, 20 ㎛ 이상, 30 ㎛ 이상, 40 ㎛ 이상, 50㎛ 이상, 60㎛ 이상, 70㎛ 이상, 80㎛ 이상, 90㎛ 이상, 또는 100㎛ 이상의 압축 깊이를 달성하기 위해 이온 교환될 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 물품은 두께 "t"를 가지며 0.1t 이상, 0.13t 이상 또는 심지어 0.15t 이상의 압축 깊이를 달성하기 위해 이온 교환될 수 있다.
이 표면 압축층의 개발은 이온 교환되지 않은 재료에 비해 더 나은 내균열성 및 더 높은 굽힘 강도를 달성하는 데 유리하다. 표면 압축층은 유리-세라믹 물품의 바디(즉, 표면 압축을 포함하지 않는 영역)에 대해 유리-세라믹 물품으로 교환된 이온의 농도와 비교하여 유리-세라믹 물품으로 교환된 이온의 농도가 더 높다.
구현 예에서, 본원에 기술된 유리-세라믹 조성물로 제조된 유리-세라믹 물품은 이온 교환 강화 후 표면 압축 응력이 20 MPa 이상, 50 MPa 이상, 75 MPa 이상, 100 MPa 이상, 250 MPa 이상, 500 MPa 이상, 750 MPa 이상 또는 1 GPa 이상일 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 물품은 20 MPa 이상 1 GPa 이하, 20 MPa 이상 750 MPa 이하, 20MPa 이상 500MPa 이하, 20MPa 이상 250MPa 이하, 50MPa 이상 1GPa 이하, 50MPa 이상 750MPa 이하, 50MPa 이상 500MPa 이하, 50MPa 이상 250MPa 이하, 75 MPa 이상 1 GPa 이하, 75 MPa 이상 750 MPa 이하, 75 MPa 이상 500 MPa 이하, 75 이상 MPa 250MPa 이하, 100MPa 이상 1GPa 이하, 100MPa 이상 750MPa 이하, 100MPa 이상 및 500MPa 이하, 100MPa 이상 250MPa 이하, 250MPa 이상 1GPa 이하, 250MPa 이상 750MPa 이하, 250MPa 이상 500MPa 이하, 500MPa 이상 1GPa 이하, 500MPa 이상 750MPa 이하, 또는 심지어 750MPa 이상 1GPa 이하, 또는 이들 끝점 중 임의의 것으로부터 형성된 임의 및 모든 하위 범위의 이온 교환 강화 후 표면 압축 응력을 가질 수 있다.
구현 예에서, 본원에 기술된 유리-세라믹 조성물로 제조된 유리-세라믹 물품은 이온 교환 강화 후 중심 장력이 10 MPa 이상, 25 MPa 이상, 또는 50MPa 이상일 수 있다. 구현 예에서, 본원에 기술된 유리-세라믹 조성물로 제조된 유리-세라믹 물품은 250 MPa 이하, 200 MPa 이하, 또는 심지어 150 MPa 이하의 이온 교환 강화 후 중심 장력을 가질 수 있다. 구현 예에서, 본원에 기술된 유리-세라믹 조성물로 제조된 유리-세라믹 물품은 이온 교환 강화 후 중심 장력이 10 MPa 이상 250 MPa 이하, 25 MPa 이상 250MPa 이하, 50MPa 이상 250MPa 이하, 10MPa 이상 200MPa 이하, 25MPa 이상 200MPa 이하, 50MPa 이상 200MPa 이하, 10MPa 이상 150MPa 이하, 25MPa 이상 150 MPa 이하, 또는 심지어 50 MPa 이상 150 MPa 이하, 또는 이들 끝점 중 임의의 것으로부터 형성된 임의의 및 모든 하위 범위일 수 있다.
구현 예에서, 유리-세라믹 물품을 제조하는 공정은 하나 이상의 결정상(예를 들어, 하나 이상의 조성, 양, 형태, 크기 또는 크기 분포 등을 가짐)의 유리 균질화 및 결정화(즉, 핵형성 및 성장)를 유도하기 위해 하나 이상의 미리 선택된 기간 동안 하나 이상의 미리 선택된 온도에서 오븐에서 유리-세라믹 조성물을 열처리하는 것을 포함한다. 구현 예에서, 열처리는 (i) 유리-세라믹 조성물을 오븐에서 1℃/분 이상 10℃/분 이하의 속도로 핵 형성 온도까지 가열하는 단계; (ii) 0.25시간 이상 4시간 이하의 기간 동안 오븐에서 핵 형성 온도에서 유리-세라믹 조성물을 유지하여 핵 형성된 결정화 가능한 유리를 생성하는 단계; (iii) 결정화 온도까지 1℃/분 이상 10℃/분 이하의 속도로 오븐에서 핵 형성된 결정화 가능한 유리를 가열하는 단계; (iv) 0.25시간 이상 4시간 이하의 기간 동안 오븐의 결정화 온도에서 핵 형성된 결정화 가능한 유리를 유지하여 유리-세라믹 물품을 생산하는 단계; 및 (v) 유리-세라믹 물품을 실온으로 냉각시키는 단계를 포함한다.
구현 예에서, 핵 형성 온도는 600℃ 이상 900℃ 이하일 수 있다. 구현 예에서, 핵 형성 온도는 600℃ 이상 또는 심지어 650℃ 이상일 수 있다. 구현 예에서, 핵형성 온도는 900℃ 이하 또는 심지어 800℃ 이하일 수 있다. 구현 예에서, 핵 형성 온도는 600℃ 이상 900℃ 이하, 600℃ 이상 800℃ 이하, 650℃ 이상 900℃ 이하, 또는 심지어 650℃ 이상 800℃ 이하, 또는 이들 끝점 중 임의의 것으로부터 형성된 임의의 및 모든 하위 범위일 수 있다.
구현 예에서, 결정화 온도는 700℃ 이상 1000℃ 이하일 수 있다. 구현 예에서, 결정화 온도는 700℃ 이상 또는 심지어 750℃ 이상일 수 있다. 구현 예에서, 결정화 온도는 1000℃ 이하 또는 심지어 900℃ 이하일 수 있다. 구현 예에서, 결정화 온도는 700℃ 이상 1000℃ 이하, 700℃ 이상 900℃ 이하, 750℃ 이상 1000℃ 이하, 또는 심지어 750℃ 이상 및 900℃ 이하, 또는 이들 끝점으로부터 형성된 임의의 및 모든 하위 범위일 수 있다.
당업자는 본원에 기술된 가열 속도, 핵 형성 온도 및 결정화 온도가 유리-세라믹 조성물이 열처리되는 오븐의 가열 속도 및 온도를 지칭함을 이해할 것이다.
유리-세라믹 조성물에 더하여, 결정화 온도로 가열하고 온도를 결정화 온도로 유지하는 열처리 단계의 온도-시간 프로파일은 다음의 원하는 속성 중 하나 이상을 생성하도록 적절하게 규정된다: 유리-세라믹 물품의 결정상(들), 하나 이상의 주요 결정상 및/또는 하나 이상의 부결정상 및 잔류 유리상의 비율, 하나 이상의 주요 결정상 및/또는 하나 이상의 부결정상 및 잔류 유리상의 결정상 집합체, 및 하나 이상의 주요 결정상 및/또는 하나 이상의 부결정상 간의 결정립 크기 또는 결정립 크기 분포로서, 이들은 생성된 유리-세라믹 물품의 최종 무결성, 품질, 색상 및/또는 불투명도에 영향을 줄 수 있다.
본원에 기재된 유리-세라믹 물품은 결정상 및 잔류 유리상을 포함할 수 있다. 구현 예에서, 유리-세라믹 물품의 주요 결정상(즉, 결정상의 50% 이상)은 멀라이트 유형 구조를 포함한다. 구현 예들에서, 결정상은 멀라이트, 브라나나이트, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
구현 예에서, 유리-세라믹 물품은 XRD 스펙트럼의 Rietveld 분석에 따라 결정된, 유리-세라믹 물품의 중량 기준으로 50중량% 이상의 결정상(즉, 중량%) 및 50중량% 이하의 잔류 유리상, 60 중량% 이상의 결정상 및 40 중량% 이하의 잔류 유리상, 70 중량% 이상의 결정상 및 30 중량% 이하의 잔류 유리상, 80 중량% 이상의 결정상 및 20 중량% 이하의 잔류 유리상, 또는 심지어 90 중량% 이상의 결정상 및 10중량% 이하의 잔류 유리상, 또는 이들 끝점 중 임의의 것으로부터 형성된 임의의 및 모든 하위 범위를 포함할 수 있다.
생성된 유리-세라믹 물품은 시트로 제공될 수 있으며, 이는 이후 균일한 두께의 곡선형 또는 굽힘 조각으로 압축, 취입, 굽힘, 처짐, 진공 성형 또는 기타 수단에 의해 개질될 수 있다. 개질은 열처리 전에 행해질 수 있거나 또는 성형 단계는 또한 성형 및 열처리 양자 모두가 실질적으로 동시에 수행되는 열처리 단계로서 기능할 수 있다.
본원에 기술된 유리-세라믹 물품은 예를 들어 예를 들어 LCD 및 LED 디스플레이, 컴퓨터 모니터 및 현금 자동 입출금기(ATM)를 포함하는 소비자 또는 상업용 전자 장치의 커버 유리 또는 유리 백플레인 적용을 위해; 터치 스크린 또는 터치 센서 응용 분야, 예를 들어 휴대 전화, 개인용 미디어 플레이어, 시계 및 태블릿 컴퓨터를 포함한 휴대용 전자 장치용; 예를 들어, 반도체 웨이퍼를 포함하는 집적 회로 적용을 위해; 태양광 애플리케이션용; 건축 유리용; 자동차 또는 차량용 유리용; 또는 상업용 또는 가전 제품용을 포함하는 다양한 응용 분야에 사용될 수 있다. 구현 예에서, 소비자 전자 장치(예: 스마트폰, 태블릿 컴퓨터, 시계, 개인용 컴퓨터, 울트라북, 텔레비전 및 카메라), 건축용 유리 및/또는 자동차 유리는 본원에 기술된 유리 물품을 포함할 수 있다.
본원에 개시된 임의의 유리-세라믹 물품을 포함하는 예시적인 물품이 도 1 및 도 2에 도시되어 있다. 구체적으로, 도 1 및 도 2는 전면(104), 후면(106) 및 측면(108)을 갖는 하우징(102); 적어도 부분적으로 하우징 내부에 있거나 전체적으로 하우징 내부에 있고 적어도 제어기, 메모리 및 하우징의 전면에 또는 그에 인접한 디스플레이(110)를 포함하는 전기 부품(미도시); 및 디스플레이 위에 있도록 하우징의 전면에 또는 그 위에 있는 커버 기판(112)을 포함하는 소비자 전자 장치(100)를 도시한다. 구현 예에서, 커버 기판(112) 및 하우징(102)의 일부 중 적어도 하나는 본원에 개시된 유리-세라믹 제품 중 임의의 것을 포함할 수 있다.
실시 예
다양한 구현 예를 더 쉽게 이해하기 위해, 여기에 기재된 유리-세라믹 물품의 다양한 구현 예를 설명하기 위한 다음의 예를 참조한다.
표 1은 실시 예 유리-세라믹 조성물(중량% 기준)을 나타낸다. 표 2는 실시 예 유리-세라믹 물품을 달성하기 위한 열처리 일정 및 유리-세라믹 물품의 각각의 특성을 보여준다. 표 1에 나열된 실시 예 유리-세라믹 조성물 1-6을 갖는 유리-세라믹 물품이 형성되었다.
Figure pct00001
Figure pct00002
[표 2] 이어서
Figure pct00003
이제 도 3을 참조하면, 675℃ 오븐에서 4시간 동안 핵 형성 유지 및 775℃ 오븐에서 2시간 동안 결정화 유지된 실시 예 유리-세라믹 조성물 5로부터 형성된 실시 예 유리-세라믹 물품에 대한 XRD 스펙트럼은 붕소 멀라이트 결정상 및 브라나나이트 결정상의 존재를 입증하는 피크를 포함한다. 붕소 멀라이트 결정상 및 브라나나이트 결정상은 비알칼리 함유이다. 이제 도 4를 참조하면, 675℃ 오븐에서 4시간 동안 핵형성 유지 및 775℃ 오븐에서 2시간 동안 결정화 유지된 유리-세라믹 조성물 5로부터 형성된 실시 예 유리-세라믹 물품에 대한 SEM 이미지는 잔류 유리 매트릭스의 붕소 멀라이트 결정 및 브라나나이트 결정을 나타낸다. 결정은 침상형이며 이는 유리-세라믹 물품의 기계적 내구성 증가에 기여할 수 있다. 도 3 및 4에 나타낸 바와 같이, 본원에 기술된 유리-세라믹 조성물은 유리-세라믹 조성물에 존재하는 알칼리가 결정화 후 이온 교환될 잔류 유리 상에 남을 수 있도록 하나 이상의 비-알칼리 함유 결정상을 갖는 유리-세라믹 물품을 형성하기 위해 열처리될 수 있다.
이제 도 5-7을 참조하면, 0.8 mm 두께를 갖고 675℃ 오븐에서 4시간 동안 핵형성 유지 및 775℃에서 2시간 동안 오븐에서 결정화 유지 및 750℃에서 4시간 동안 오븐에서 핵형성 유지 및 850℃에서 2시간 동안 오븐에서 결정화 유지되는 실시 예 유리-세라믹 조성물 5로부터 형성된 유리-세라믹 물품의 총 투과율, 확산 투과율 및 산란율이 400nm에서 800nm의 파장을 갖는 광에 대해 측정된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 675℃ 오븐에서 4시간 동안 핵형성 유지 및 775℃ 오븐에서 2시간 동안 결정화 유지를 거친 실시 예 유리-세라믹 조성물 5로부터 제조된 실시 예 유리-세라믹 물품은 400 nm 내지 800 nm의 파장 범위에 걸쳐 87.9%의 평균 총 투과율을 가지며, 이는 실시 예 유리-세라믹 조성물 5의 특정 열처리가 투명한 유리-세라믹 물품을 생성하였음을 나타낸다. 4시간 동안 750℃의 오븐에서 핵형성 유지 및 2시간 동안 850℃의 오븐에서 결정화 유지를 거친 실시 예 유리-세라믹 조성물 5로부터 제조된 실시 예 유리-세라믹 물품은 400 nm 내지 800 nm의 파장 범위에 걸쳐 86.70%의 평균 총 투과율을 가지며, 이는 실시 예 유리-세라믹 조성물 5의 특정 열처리가 투명한 유리-세라믹 물품을 생성했음을 나타낸다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 본원에 기술된 유리-세라믹 조성물로부터 형성된 유리-세라믹 물품은 원하는 투과율(즉, 외관)을 달성하기 위해 특정 이온 교환 조건을 거칠 수 있다. 즉, 보다 구체적으로, 이온 교환의 온도는 결과적인 투과율을 변화시키기 위해 사용될 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 675℃ 오븐에서 4시간 동안 핵형성 유지 및 775℃ 오븐에서 2시간 동안 결정화 유지를 거친 실시 예 유리-세라믹 조성물 5로부터 제조된 실시 예시 유리-세라믹 물품은 400nm 내지 800nm의 파장 범위에서 1.56 평균 확산 투과율을 갖는다. 4시간 동안 750℃의 오븐에서 핵형성 유지 및 2시간 동안 850℃의 오븐에서 결정화 유지를 거친 실시 예 유리-세라믹 조성물 5로부터 제조된 실시 예 유리-세라믹 물품은 400nm 내지 800nm의 파장 범위에서 1.68의 평균 확산 투과율을 갖는다.
도 7에 도시된 바와 같이, 675℃ 오븐에서 4시간 동안 핵형성 유지 및 775℃ 오븐에서 2시간 동안 결정화 유지를 거친 실시 예 유리-세라믹 조성물 5로부터 제조된 실시 예 유리-세라믹 물품은 400nm 내지 800nm의 파장 범위에서 0.0085의 평균 산란율을 갖는다. 4시간 동안 750℃의 오븐에서 핵형성 유지 및 2시간 동안 850℃의 오븐에서 결정화 유지를 거친 실시 예 유리-세라믹 조성물 5로부터 제조된 실시 예 유리-세라믹 물품은 400nm 내지 800nm의 파장 범위에서 0.0199의 평균 산란율을 갖는다.
도 6 및 7에 의해 표시된 바와 같이, 본원에 기재된 유리-세라믹 조성물로부터 형성된 유리-세라믹 물품은 상대적으로 낮은 확산 투과율 및 산란율을 달성하기 위해 특정 이온 교환 조건을 거칠 수 있으며, 이는 적은 광 산란을 의미한다. 이론에 얽매이는 것은 아니지만, 상대적으로 낮은 확산 투과율 및 산란율은 결정상의 굴절률의 유사성 및/또는 더 작은 결정 크기로 인한 것일 수 있다.
이제 도 8을 참조하면, 두께가 0.8mm이고 750℃ 오븐에서 4시간 동안 핵형성 유지 및 850℃ 오븐에서 2시간 동안 결정화 유지되는 실시 예 유리-세라믹 조성물 5로부터 형성된 실시 예 유리-세라믹 물품이 이온 교환되었다. 실시 예 유리-세라믹 물품은 각각 4시간 및 17.5시간 동안 100% NaNO3 용융 염욕에서 이온 교환되었다. 도 8에 도시된 바와 같이, 17.5시간 동안 이온 교환된 실시 예 유리-세라믹 물품은 물품으로 교환된 나트륨 이온의 포물선에 가까운 프로파일을 나타낸다.
이제 도 9 및 10, 및 표 3을 참조하면, 두께가 0.8mm이고 675℃에서 4시간 동안 오븐에서 핵형성 유지 및 775℃에서 2시간 동안 결정화 유지된 실시 예 유리-세라믹 조성물 5로부터 형성된 실시 예 유리-세라믹 물품이 이온 교환되었다. 도 9에 도시된 바와 같이, 물품은 각각 2시간, 7시간, 15시간 및 22.5시간 동안 100% NaNO3 용융 염욕에서 이온 교환되었고, SCALP를 사용하여 측정된 바와 같이 다양한 두께 응력 프로파일을 달성하였다. 도 10에 도시된 바와 같이, 유리-세라믹 물품의 중심 장력은 이온 교환 시간에 따라 증가한다. 표 3에 나타낸 바와 같이, 압축 깊이(이온 교환된 유리 제품의 두께의 백분율("%t") 측면에서)는 이온 교환 시간에 따라 증가한다.
Figure pct00004
도 8 내지 10 및 표 3에 의해 나타낸 바와 같이, 본원에 기술된 유리-세라믹 조성물로부터 형성된 유리-세라믹 물품은 원하는 조성/응력 프로파일 및 중심 장력을 달성하기 위해 특정 이온 교환 조건을 거칠 수 있다.
청구된 주제의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 본원에 기술된 구현 예에 대해 다양한 수정 및 변경이 이루어질 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 그러한 수정 및 변형이 첨부된 청구범위 및 그 균등물의 범위 내에 있는 한, 본 명세서는 본 명세서에 기술된 다양한 구현 예의 수정 및 변형을 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (26)

  1. 유리-세라믹 물품으로서,
    40 중량% 이상 60 중량% 이하의 SiO2;
    18 중량% 이상 35 중량% 이하의 Al2O3;
    12 중량% 이상 16 중량% 이하의 B2O3;
    0 중량% 이상 4 중량% 이하의 Li2O;
    0 중량% 이상 5 중량% 이하의 Na2O;
    0 중량% 이상 5 중량% 이하의 K2O;
    0 중량% 이상 15 중량% 이하의 ZnO; 및
    0 중량% 이상 8 중량% 이하의 MgO를 포함하며, 여기서:
    Li2O + Na2O는 1 중량% 이상 8 중량% 이하이고;
    MgO + ZnO는 3 중량% 이상 20 중량% 이하이며; 그리고
    유리-세라믹 물품의 주요 결정상은 멀라이트형 구조를 포함하는, 유리-세라믹 물품.
  2. 청구항 1에 있어서,
    유리-세라믹 물품은 12.5 중량% 이상 16 중량% 이하의 B2O3를 포함하는, 유리-세라믹 물품.
  3. 청구항 2에 있어서,
    유리-세라믹 물품은 13 중량% 이상 15.5 중량% 이하의 B2O3를 포함하는, 유리-세라믹 물품.
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    Li2O + Na2O는 1.2 중량% 이상 6 중량% 이하인, 유리-세라믹 물품.
  5. 청구항 4에 있어서,
    Li2O + Na2O는 1.4 중량% 이상 5 중량% 이하인, 유리-세라믹 물품.
  6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
    MgO + ZnO는 5 중량% 이상 18 중량% 이하인, 유리-세라믹 물품.
  7. 청구항 6에 있어서,
    MgO + ZnO는 7 중량% 이상 15 중량% 이하인, 유리-세라믹 물품.
  8. 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
    유리-세라믹 물품은 20 중량% 이상 30 중량% 이하의 Al2O3를 포함하는, 유리-세라믹 물품.
  9. 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 있어서,
    유리-세라믹 물품은 8 중량% 이상 15 중량% 이하의 ZnO를 포함하는, 유리-세라믹 물품.
  10. 청구항 1 내지 9 중 어느 한 항에 있어서,
    (R2O + RO)/Al2O3는 1 미만인, 유리-세라믹 물품.
  11. 청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 있어서,
    유리-세라믹 물품은 ZrO2를 함유하지 않는, 유리-세라믹 물품.
  12. 청구항 1 내지 11 중 어느 한 항에 있어서,
    유리-세라믹 물품은 As2O3를 함유하지 않는, 유리-세라믹 물품.
  13. 청구항 1 내지 12 중 어느 한 항에 있어서,
    유리-세라믹 물품은 40 중량% 이상 55 중량% 이하의 SiO2를 포함하는, 유리-세라믹 물품.
  14. 청구항 13에 있어서,
    유리-세라믹 물품은 43 중량% 이상 50 중량% 이하의 SiO2를 포함하는, 유리-세라믹 물품.
  15. 청구항 1 내지 14 중 어느 한 항에 있어서,
    이중 비틀림 방법(double torsion method)으로 측정한 유리-세라믹 물품의 KIc 파괴 인성은 0.90 MPa·m1/2 이상인, 유리-세라믹 물품.
  16. 청구항 1 내지 15 중 어느 한 항에 있어서,
    유리-세라믹 물품의 탄성 계수는 50 GPa 이상 100 GPa 이하인, 유리-세라믹 물품.
  17. 청구항 1 내지 16 중 어느 한 항에 있어서,
    유리-세라믹 물품의 평균 투과율은 0.8 mm의 물품 두께에서 측정 시 400 nm 내지 800 nm의 파장 범위에 걸쳐 광의 70% 이상 95% 이하인, 유리-세라믹 물품.
  18. 청구항 1 내지 17 중 어느 한 항에 있어서,
    유리-세라믹 물품의 열팽창계수(CTE)는 50 x 10-7/℃ 이하인, 유리-세라믹 물품.
  19. 유리-세라믹 물품의 형성 방법으로서, 상기 방법은:
    핵 형성 온도까지 1℃/분 이상 10℃/분 이하의 속도로 오븐에서 유리-세라믹 조성물을 가열하는 단계로서, 상기 유리-세라믹 조성물은:
    40 중량% 이상 60 중량% 이하의 SiO2;
    18중량% 이상 35중량% 이하의 Al2O3;
    12 중량% 이상 16 중량% 이하의 B2O3;
    0 중량% 이상 4 중량% 이하의 Li2O;
    0 중량% 이상 5 중량% 이하의 Na2O;
    0 중량% 이상 5 중량% 이하의 K2O;
    0 중량% 이상 15 중량% 이하의 ZnO; 및
    0 중량% 이상 8 중량% 이하의 MgO를 포함하며, 여기서:
    Li2O + Na2O는 1 중량% 이상 8 중량% 이하이고; 그리고
    MgO + ZnO는 3 중량% 이상 20 중량% 이하인, 유리-세라믹 조성물 가열 단계;
    0.25시간 이상 4시간 이하의 기간 동안 오븐에서 핵 형성 온도에서 유리-세라믹 조성물을 유지하여 핵 형성된 결정화 가능한 유리를 생성하는 단계;
    결정화 온도까지 1℃/분 이상 10℃/분 이하의 속도로 오븐에서 핵 형성된 결정화 가능한 유리를 가열하는 단계;
    0.25시간 이상 4시간 이하의 기간 동안 오븐에서 결정화 온도에서 핵 형성된 결정화 가능한 유리를 유지하여 유리-세라믹 물품을 제조하는 단계로서, 유리-세라믹 물품의 주요 결정상은 멀라이트형 구조를 포함하는, 유리-세라믹 물품 제조 단계; 및
    유리-세라믹 물품을 실온으로 냉각하는 단계를 포함하는, 유리-세라믹 물품의 형성 방법.
  20. 청구항 19에 있어서,
    핵 형성 온도는 600℃ 이상 900℃ 이하인, 유리-세라믹 물품의 형성 방법.
  21. 청구항 19 또는 20에 있어서,
    결정화 온도는 700℃ 이상 1000℃ 이하인, 유리-세라믹 물품의 형성 방법.
  22. 청구항 19 내지 21 중 어느 한 항에 있어서,
    이온 교환 욕에서 유리-세라믹 물품을 강화하는 단계를 더 포함하는, 유리-세라믹 물품의 형성 방법.
  23. 청구항 19 내지 22 중 어느 한 항에 있어서,
    유리-세라믹 물품은 0.90 MPa·m1/2 이상의 이중 비틀림 방법에 의해 측정된 KIc 파괴 인성을 갖는, 유리-세라믹 물품의 형성 방법.
  24. 청구항 19 내지 23 중 어느 한 항에 있어서,
    유리-세라믹 물품은 50 GPa 이상 100 GPa 이하의 탄성 계수를 갖는, 유리-세라믹 물품의 형성 방법.
  25. 청구항 19 내지 24 중 어느 한 항에 있어서,
    유리-세라믹 물품은 0.8 mm의 물품 두께에서 측정 시 400 nm 내지 800 nm의 파장 범위에 걸쳐 광의 70% 이상 95% 이하의 평균 투과율을 갖는, 유리-세라믹 물품의 형성 방법.
  26. 소비자 전자 장치로서,
    전면, 후면 및 측면을 갖는 하우징;
    하우징 내에 적어도 부분적으로 제공되는 전기 구성요소로서, 전기 구성요소는 적어도 제어기, 메모리 및 디스플레이를 포함하고, 디스플레이는 하우징의 전면에 또는 인접하게 제공되는, 전기 구성요소; 및
    디스플레이 위에 배치된 청구항 1의 유리-세라믹 물품을 포함하는, 소비자 전자 장치.
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