WO2015034200A1 - 화학 강화 유리 제조방법 - Google Patents

화학 강화 유리 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 화학 강화 유리 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유리의 강도를 향상시킬 수 있는 화학 강화 유리 제조방법에 관한 것이다. 이를 위해, 본 발명은 원판 유리를 화학 강화하는 제1차 화학 강화 단계; 상기 화학 강화된 원판 유리를 일정 크기로 절단하는 절단 단계; 상기 절단 단계에 의해 형성된 절단면에 페이스트(paste)를 도포하는 페이스트 도포 단계; 및 상기 페이스트를 가열하여 상기 절단면만을 화학 강화하는 제2차 화학 강화 단계를 포함하되, 상기 페이스트는 원판 유리에 포함된 알칼리 이온보다 이온 반경이 큰 알칼리 이온을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 강화 유리 제조방법을 제공한다.

Description

화학 강화 유리 제조방법
본 발명은 화학 강화 유리 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유리의 강도를 향상시킬 수 있는 화학 강화 유리 제조방법에 관한 것이다.
모니터, 카메라, VTR, 휴대폰 등 영상 및 광학장비, 자동차 등 운송장비, 각종 식기류, 건축시설 등 폭넓은 기술 및 산업분야에 있어서 유리제품은 필수 구성요소로 다루어지고 있으며, 이에 따라 각 산업분야의 특성에 맞추어 다양한 물성을 갖는 유리가 제조되어 사용되고 있다.
특히, 최근 들어 디스플레이 커버용 커버 유리는 정전용량 터치패널의 보급과 더불어 급성장하고 있다.
이와 같은 커버 유리는 사용자의 손가락 또는 스타일러스(stylus) 등에 의해 접촉하게 되므로 강도가 높고, 표면이 매끄러워 촉감이 좋아야 하며, 먼지, 땀, 지문에 대한 내오염 특성이 우수해야 한다.
한편, 터치 패널의 커버 유리로 많이 사용되고 있는 화학 강화 유리를 이용하여 커버 유리 일체형 터치 패널을 제조하는 제조방법은 크게 시트(sheet) 방식과 셀(cell) 방식으로 나눌 수 있다.
시트 방식은 대형 원판 유리를 강화한 후 원판 유리 상에 다수의 터치 패널을 구현하고 이를 절단 및 가공하여 터치 패널을 제조하는 방법이고, 셀 방식은 대형 유리 기판을 제품 크기에 맞게 절단 및 가공한 후 이를 강화하고 강화된 각각의 커버 유리를 이용하여 터치 패널을 제조하는 방법이다.
셀 방식은 셀 단위로 강화된 커버 유리 상에 터치 센서를 구현하므로, 커버 유리의 에지(edge) 부분도 강화되어 우수한 강도를 가지나, 생산성이 낮다는 단점을 갖는다.
반면, 시트 방식은 대형 원판 유리에 다수의 터치 패널을 구현하는 방법에 의해 터치 패널을 제조하므로 높을 생산성을 가지나 강화된 원판 유리를 절단 및 가공하기 어렵다는 단점을 갖는다.
또한, 시트 방식에 의하는 경우, 커버 유리의 절단에 의해 강화되지 않은 절단면(pristine surface)이 노출되게 되며, 더욱이 절단 과정에서 절단면에 미세 크랙이 형성되게 되므로 커버 유리의 기계적 특성이 저하되게 된다는 문제가 발생한다.
도 1은 화학 강화 유리의 절단면을 개념적으로 나타낸 개념도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 화학 강화 유리의 절단면은 높은 표면 거칠기(surface roughness; SR)와 표면 이하 손상층(subsurface damage; SSD)을 갖는다.
[선행기술문헌]
대한민국등록특허 10-1144264(2012.05.02)
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 화학 강화되지 않은 절단면도 화학 강화할 수 있는 화학 강화 유리 제조방법을 제공하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은 원판 유리를 화학 강화하는 제1차 화학 강화 단계; 상기 화학 강화된 원판 유리를 일정 크기로 절단하는 절단 단계; 상기 절단 단계에 의해 형성된 절단면에 페이스트(paste)를 도포하는 페이스트 도포 단계; 및 상기 페이스트를 가열하여 상기 절단면만을 화학 강화하는 제2차 화학 강화 단계를 포함하되, 상기 페이스트는 원판 유리에 포함된 알칼리 이온보다 이온 반경이 큰 알칼리 이온을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 강화 유리 제조방법을 제공한다.
여기서, 상기 제2차 화학 강화 단계는 상기 페이스트를 고주파 가열하면 이루어질 수 있고, 바람직하게는 고주파 및 저항 가열하며 이루어질 수 있다.
바람직하게, 상기 제2차 화학 강화 단계는 400℃ 이하의 분위기 온도에서 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 페이스트는 K 이온을 포함할 수 있으며, 바람직하게, 상기 K 이온은 질산염 형태로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 페이스트는 ZnO을 더 포함할 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 강화 유리 제조방법은 상기 제2차 화학 강화 단계 후 상기 페이스트를 세정하는 세정 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 강화 유리 제조방법은 상기 제1차 화학 강화 단계 후 절단 단계 전, 상기 화학 강화된 원판 유리 상에 증착막을 형성하는 증착막 형성 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 강화 유리 제조방법은 상기 절단 단계 후 페이스트 도포 단계 전, 상기 절단면을 연마하는 연마 단계를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 절단 단계는 레이저 또는 스크라이브(scribe) 장치를 이용하여 상기 원판 유리를 일정 크기로 절단할 수 있다.
본 발명에 따르면, 제1차 화학 강화 단계에 의해 화학 강화되지 않는 절단면을 선택적으로 제2차 화학 강화함으로써 화학 강화 유리의 기계적 특성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 화학 강화 유리의 절단면을 개념적으로 나타낸 개념도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 강화 유리 제조방법의 개략적인 흐름도.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 화학 강화 유리 제조방법에 대해 상세히 설명한다.
아울러, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 화학 강화 방법의 개략적인 흐름도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 강화 유리 제조방법은 제1차 화학 강화 단계(S100), 절단 단계(S200), 페이스트 도포 단계(S300), 제2차 화학 강화 단계(S400)를 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라 유리 기판을 화학 강화하기 위해 우선, 원판 유리를 화학 강화한다(S100).
원판 유리의 화학 강화는 일반적인 화학 강화 유리 제조방법에 의할 것이다. 즉, 질산칼륨 용액이 담긴 반응조(reaction bath)에 원판 유리를 침지시켜 원판 유리에 포함된 나트륨 이온을 질산칼륨 용액의 칼륨 이온으로 치환함으로써 화학 강화할 수 있다.
원판 유리의 화학 강화에 의해 원판 유리의 표면에는 압축 응력이 형성되게 되고, 이에 의해 원판 유리의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.

다음으로, 화학 강화된 원판 유리를 일정 크기 내지 모양으로 절단한다(S200).
화학 강화된 원판 유리를 절단하면, 원판 유리는 적어도 한 면 이상(보다 정확하게는 적어도 2 면 이상)의 강화되지 않은 절단면(pristine surface)을 갖는 다수의 화학 강화 유리로 분리된다.
절단은 레이저 또는 스크라이브(scribe) 장치를 이용하여 이루어질 수 있으나, 이에 국한됨 없이 워터 젯(water jet) 등 다양한 방법이 사용될 수 있다.

한편, 1차 화학 강화 단계(S100) 후 절단 단계(S200) 전 화학 강화된 원판 유리 상에 증착막을 형성할 수 있다.
증착막 형성 단계에서는 원판 유리 상에 터치 센서를 구현하기 위한 공정이 진행될 수 있다. 즉, 원판 유리 상에 ITO(Indium Tin Oxide) 박막을 증착한 후 패터닝하는 공정이나 커버 유리의 베젤부를 형성하는 공정 등이 진행될 수 있을 것이다.
이와 같이, 강화된 원판 유리 상에 다수의 터치 패널을 제조하기 위한 증착막을 한번의 공정으로 형성함으로써, 터치 패널 제조의 생산 효율을 향상시킬 수 있을 것이다.

다음으로, 절단 단계(S200)에 의해 형성된 절단면에 페이스트를 도포한다(S300).
페이스트는 절단 단계(S200)에 의해 형성된 절단면을 화학 강화하기 위해 절단면에 도포되며, 화학 강화 전 원판 유리에 포함된 알칼리 이온보다 이온 반경이 큰 알칼리 이온을 포함하여 이루어질 수 있다.
일반적으로, 화학 강화는 유리의 Na 이온을 이보다 이온 반경이 K 이온으로 교환함으로써 이루어지므로, 페이스트는 K 이온을 포함하는 것이 바람직하다. 알칼리 금속 이외의 다가 이온은 유리 중에서 이동이 어려워 Mg2+ 나 Ca2+는 이온 교환에 의한 화학강화가 잘 이뤄지지 않고, 또한, 이온 반경이 너무 커도 유리 중에 확산이 방해되어, 동일한 1가 이온이더라도 Rb+나 Cs+는 이온 교환에 의한 화학강화가 잘 이뤄지지 않기 때문이다.
더욱 바람직하게, K 이온은 질산염 형태로 페이스트에 포함될 것이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 페이스트는 ZnO을 더 포함할 수 있다.
페이스트에 열을 가하는 경우 페이스트가 액화되어 절단부 이외의 부분으로 흐를 수 있으므로, 페이스트에 ZnO를 포함시킴으로써 페이스트가 열을 받더라고 슬러리(slurry) 상태를 유지하도록 할 수 있다.

한편, 절단 단계(S200) 후 페이스트 도포 단계(S300) 전 절단면을 연마하는 연마 단계를 더 거칠 수 있다.
절단면의 연마를 통해 절단된 화학 강화 유리의 모서리부를 원하는 형상으로 가공할 수 있을 것이다. 또한, 절단면의 거칠기를 감소시킬 수 있으며, 절단 과정에서 절단면에 발생한 미세 크랙을 제거할 수 있다.

이후, 페이스트를 가열하여 절단면만을 화학 강화한다(S400).
페이스트를 가열하면 페이스트에 포함된 알칼리 이온과 유리의 알칼리 이온이 이온 교환되어 절단면이 화학 강화된다.
바람직하게 제2차 화학 강화 단계(S400)는 페이스트를 고주파 가열할 것이다. 페이스트는 고주파 에너지의 흡수도가 높으므로, 고주파 가열에 의해 높은 온도로 가열된다. 반면, 페이스트에 의해 도포되지 않은 화학 강화 유리의 다른 부분은 고주파에 의한 영향을 거의 받지 않으므로, 고주파 가열에 의해 가열되지 않고 이에 따라 절단부 이외의 부분에 형성된 압축 응력이 완화되는 등의 문제는 발생하지 않는다. 고주파 가열은 50㎓ 미만의 가변 또는 고정 고주파를 이용하여 이루어질 수 있다.
더욱 바람직하게, 제2차 화학 강화 단계는 페이스트를 고주파 가열과 더불어 저항 가열함으로써, 절단면을 화학 강화할 수 있다.
페이스트를 고주파 및 저항 가열함으로써, 이온 교환에 의한 절단면 강화 속도를 향상시킬 수 있을 것이다. 여기서, 저항 가열은 적외선 가열일 수 있다.
한편, 제2차 화학 강화 단계(S400)는 400℃ 이하의 분위기 온도에서 이루어질 수 있다. 분위기 온도가 400℃를 초과하는 경우 절단면 이외 부분에 형성된 압축 응력이 완화되어 강화가 풀릴 수 있기 때문이다.
[표 1]은 소다라임 실리케이트(soda-lime silicate) 비강화 유리에 질산칼륨(KNO3) 페이스트를 도포한 후, 페이스트의 가열 조건에 따른 비강화 유리의 압축 응력 및 압축 응력층의 깊이(DOL)을 측정한 표이다. 여기서, 페이스트의 가열 조건은 페이스트를 350℃의 일정 온도로 적외선 가열하되 고주파 조사 시간 및 고주파 가열 장치(Mgt)의 출력을 변화시켰다. 여기서, 고주파 가열 장치는 최대 6㎓의 주파수를 발생시킬 수 있는 고주파 가열 장치를 사용하였다.
Mgt 출력 조사 시간 압축 응력 DOL
50% 10분 385 ~ 424MPa 9.6 ~ 10.8㎛
80% 3분 332MPa -
5분 220 ~ 272MPa 10 ~ 11㎛
100% 3분 309MPa 12 ~ 13.8㎛
[표 1]에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 페이스트를 이용하여 소다라임 실리케이트 유리를 강화하면 소다라임 실리케이트 유리에 약 220 ~ 424MPa의 압축 응력 및 약 9.6 ~ 13.8㎛ 깊이의 압축 응력층을 형성시킬 수 있다. 이는 제1차 화학 강화 단계에 의해 원판 유리 표면에 형성되는 약 500MPa의 압축 응력 및 약 15㎛ 깊이의 압축 응력층에 다소 못 미치기는 하나 유리의 에지면을 보호하기 위한 강도로서는 충분할 것이다.

또한, 본 발명은 제2차 화학 강화 단계(S400) 후 페이스트를 세정하는 세정 단계를 더 포함할 수 있다.
즉, 세정 단계에서는 제2차 화학 강화 단계 후 절단면에 남아 있는 페이스트를 세정액을 이용하여 씻어낸다. 세정액으로는 물 등이 사용될 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 원판 유리를 화학 강화하여 절단한 후, 절단에 의해 형성되는 절단면만을 다시 선택적으로 화학 강화함으로써, 화학 강화 유리의 전체적인 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (11)

  1. 원판 유리를 화학 강화하는 제1차 화학 강화 단계;
    상기 화학 강화된 원판 유리를 일정 크기로 절단하는 절단 단계;
    상기 절단 단계에 의해 형성된 절단면에 페이스트(paste)를 도포하는 페이스트 도포 단계; 및
    상기 페이스트를 가열하여 상기 절단면만을 화학 강화하는 제2차 화학 강화 단계를 포함하되,
    상기 페이스트는 원판 유리에 포함된 알칼리 이온보다 이온 반경이 큰 알칼리 이온을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 강화 유리 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2차 화학 강화 단계는 상기 페이스트를 고주파 가열하는 것을 특징으로 하는 화학 강화 유리 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2차 화학 강화 단계는 상기 페이스트를 고주파 및 저항 가열하는 것을 특징으로 화학 강화 유리 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2차 화학 강화 단계는 400℃ 이하의 분위기 온도에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 화학 강화 유리 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 페이스트는 K 이온을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 강화 유리 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 K 이온은 질산염 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 화학 강화 유리 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 페이스트는 ZnO을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 강화 유리 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2차 화학 강화 단계 후
    상기 페이스트를 세정하는 세정 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 강화 유리 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1차 화학 강화 단계 후 절단 단계 전,
    상기 화학 강화된 원판 유리 상에 증착막을 형성하는 증착막 형성 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 강화 유리 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 절단 단계 후 페이스트 도포 단계 전,
    상기 절단면을 연마하는 연마 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 강화 유리 제조방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 절단 단계는 레이저 또는 스크라이브(scribe) 장치를 이용하여 상기 원판 유리를 일정 크기로 절단하는 것을 특징으로 하는 화학 강화 유리 제조방법.
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