KR101370596B1

KR101370596B1 - 화학 강화유리 제조방법

Info

Publication number: KR101370596B1
Application number: KR1020120139639A
Authority: KR
Inventors: 안범모; 엄영흠
Original assignee: (주)포인트엔지니어링
Priority date: 2012-12-04
Filing date: 2012-12-04
Publication date: 2014-03-06

Abstract

본 발명은 강화유리 제조에 관한 것으로, 특히 건식 식각을 이용하여 화학 강화유리를 제조하는 방법에 관한 것으로, 유리 판재를 원하는 형상으로 가공하고, 가공된 유리 기재 표면에 존재하는 유기물을 제거하기 위한 전처리 단계와; 진공 챔버내에 상기 유기물 제거된 유리 기재를 설치하고, 그 유리 기재 표면을 식각하기 위한 가스 주입후 그 가스가 플라즈마 여기되도록 전압 인가하여 상기 유리 기재 표면을 건식 식각하는 건식 식각 단계와; 건식 식각한 상기 유리 기재를 이온 치환을 위한 용융액내에 넣어 화학 강화하는 단계와; 화학 강화된 상기 유리 기재를 세정하는 후처리 단계;를 포함함으로써, 종래의 습식 식각법에서 사용하는 강산성 용액이나 불산계 화합물과 같은 화학 약품을 사용하지 않기 때문에 인체 유해성이 적고 폐수 등과 같은 산업폐기물이 발생하지 않아 별도의 산업폐기물 처리 시설이 불필요하며 친환경적일 뿐만 아니라, 전력과 가스 만을 사용하므로 화학 약품을 사용하고 산업폐기물의 처리를 해야 하는 종래의 습식 식각법에 비해 제조비용을 낮추는 효과가 있다.

Description

화학 강화유리 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING A TEMPERED GLASS}

본 발명은 강화유리 제조에 관한 것으로, 특히 건식 식각을 이용하여 화학 강화유리를 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 소다라임 유리를 이용해 만든 화학 강화유리는 표면의 경도가 높아 긁힘이 적고 내충격성이 우수하여 LCD나 OLED 등 전자기기 표시장치의 보호를 위해 널리 사용되고 있다. 특히 최근 휴대폰, 스마트폰 등의 모바일 전자기기의 발전이 급속도로 이루어지면서 표면 경도와 내충격성 등의 기계적 특성이 우수하고 경량화, 슬림화를 만족하는 화학 강화유리가 이들 제품에 많이 사용되고 있다.

일반적인 유리 화학 강화 공정은 도 1에 도시된 바와 같이

와 같은 칼륨 용융액에 소다라임 등의 유리(10)를 침지시켜 유리 내의 Na+ 이온과 Na+ 이온보다 이온 반경이 큰 칼륨 용융액 내의 K+ 이온을 치환시킴으로써, 유리 표면의 압축응력을 발생시킴으로서 이루어진다. 그러나 유리를 화학 강화할 때 유리 표면에 Na+ 이온과 K+ 이온의 치환을 제한하는 여러 요소, 예컨대 유기 오염, 불순물, 유리의 부식층 등이 존재하면 도 2에 도시된 바와 같이 유리 표면의 Na+ 이온과 K+ 이온이 균일하게 치환되지 못하여 화학 강화된 유리 표면의 압축 응력이 불균일하게 된다. 이렇게 불균일한 유리 표면의 압축 응력은 작은 외부 충격에도 국부적으로 파손되거나 크랙(crack)을 유발할 수 있다. 또한 유리 표면의 부분적인 압축응력의 차이에 의한 스트레스(stress)로 인해 화학 강화된 유리의 경도, 강도 및 내충격성을 저해하게 된다. 따라서 K+ 용융액에 유리를 침지하여 화학 강화를 하기 전에 유리 표면을 세정 및 식각하여 Na+ 이온과 K+ 이온의 치환을 제한하는 여러 요소를 제거해야 한다.

일반적인 세정 방법으로는 KOH나 NaOH 등의 알칼리 수용액 또는 톨루엔, IPA 등의 유기 용제에 유리를 침지하거나 초음파, 브러시 등을 이용하는 방법이 사용되어 왔다. 또한 유리 표면 식각 방법으로는 플루오린화수소산을 주성분으로 하는 산성 용액 또는 플루오린화수소산과 함께 황산, 질산, 염산 및 플루오린화규산 중의 어느 하나를 포함하는 혼합 용액에 유리를 침지하는 습식 식각 방법이 대표적으로 사용되어 왔다.

그러나 습식 식각법은 유리 표면의 세정 상태에 따라 도 3에서와 같이 부분적으로 미식각(under-etching) 또는 과식각(over-etching)되어 유리 표면 전체에 대해 균일한 식각 상태를 보장하지 못하므로 균일한 강화 품질을 얻지 못할 뿐 아니라 표면의 식각 정도의 차이에 의해 헤이즈 불량을 야기한다. 보다 구체적으로 일반화된 습식 식각법은 화학 반응에 의한 선택적 식각법으로서, 이를 이용할 경우 도 3에 도시된 바와 같이 세정 과정에서 제거되지 못한 미세한 유기 또는 무기 오염물이 식각을 방해하므로 유리 표면이 부분적으로 식각이 되지 않거나, 식각율의 차이에 의해 유리 표면이 전체적으로 불균일하게 된다. 따라서 이러한 유리 표면을 화학 강화하게 되면 도 4에 도시된 바와 같이 불균일한 이온 치환이 되어 화학 강화된 유리 표면의 압축 응력이 불균일하게 된다. 이러한 유리 표면의 불균일한 압축 응력은 강화 유리 표면의 스트레스를 유발하여 화학 강화된 유리의 경도, 강도 및 내충격성 등을 저하시킬 뿐만 아니라 불균일한 표면 조도 유발에 따른 난반사와 헤이즈 불량을 야기한다

또한 세정 과정에서 상기 오염물을 완벽하게 제거하더라도 일반적인 습식 식각법에 있어서는 습식 식각 후 헹굼 과정에 이르는 동안의 추가적인 식각이 발생하는 점과, 식각 용액의 지속적인 사용 과정에서 식각 용액의 농도, 비중, pH 등이 변화하므로 일정한 품질관리가 어렵다는 점, 그리고 불산계 화합물과 강산성 용액이 인체에 매우 유해할 뿐 아니라, 이를 사용할 경우 발생하는 폐수 등의 산업 폐기물에 의한 환경 오염과 산업 폐기물 처리 비용이 증가하는 문제가 발생한다.

이에 본 발명은 상술한 문제점들을 해결하기 의해 창안된 것으로서, 유리 표면에 균일한 압축 응력을 발생시켜 균일한 화학 강화 유리를 제조할 수 있는 건식 식각법을 이용한 화학 강화 유리 제조방법을 제공함에 있으며,

더 나아가 유리 화학 강화 공정에 있어서 일반적인 습식 식각 방법에서 대두되는 헤이즈 불량과 같은 심각한 품질 문제를 현저히 개선함은 물론, 환경 오염 및 인체 유해성을 현저히 감소시킬 수 있는 건식 식각법을 이용한 화학 강화 유리 제조방법을 제공함에 있다.

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 화학 강화 유리 제조방법은,

유리 판재를 원하는 형상으로 가공하고, 가공된 유리 기재 표면에 존재하는 유기물을 제거하기 위한 전처리 단계와,

진공 챔버내에 상기 유기물 제거된 유리 기재를 설치하고, 그 유리 기재 표면을 식각하기 위한 가스 주입후 그 가스가 플라즈마 여기되도록 전압 인가하여 상기 유리 기재 표면을 건식 식각하는 건식 식각 단계와;

건식 식각한 상기 유리 기재를 이온 치환을 위한 용융액내에 넣어 화학 강화하는 단계와;

화학 강화된 상기 유리 기재를 세정하는 후처리 단계;를 포함함을 특징으로 한다.

더 나아가 상기 건식 식각 단계에서 주입되는 가스가 아르곤 가스임을 특징으로 하되, 이러한 경우 상기 전처리 단계는 적어도 상기 유리 판재를 원하는 형상으로 가공하기 위한 유리 성형 단계와, 유리 성형된 유리 기재의 마스킹을 제거하는 단계 및 상기 마스킹 제거된 유리 기재 표면을 세정하기 위한 단계를 포함함을 특징으로 하며,

상기 건식 식각 단계에서 주입되는 가스가 아르곤 및 산소 혼합 가스임을 특징으로 하되, 이러한 경우 상기 전처리 단계는 적어도 상기 유리 판재를 원하는 형상으로 가공하기 위한 유리 성형 단계와, 유리 성형된 유리 기재의 마스킹을 제거하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.

더 나아가 상기 건식 식각 단계에서 주입되는 가스가 아르곤, 산소 및 불소계 혼합 가스임을 특징으로 하되, 이러한 경우 상기 전처리 단계는 적어도 상기 유리 판재를 원하는 형상으로 가공하기 위한 유리 성형 단계와, 유리 성형된 유리 기재의 마스킹을 제거하는 단계를 포함함을 특징으로 하며,

상기 건식 식각 단계에서 주입되는 가스가 아르곤, 산소, 질소, 수소, 헬륨 및 불소계 단일 가스 또는 이들 가스의 혼합가스임을 특징으로 한다.

상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따르면, 본 발명은 유리의 화학 강화 공정 중의 일부 공정으로서, K+ 용융액에 유리를 침지하여 화학 강화를 하기 이전에 유리 표면을 건식 식각함으로서, 유리 기판이 균일하고 원활하게 화학 강화가 되도록 하는 효과를 가지는 발명이다. 보다 구체적으로는 습식 식각 공정에서 유리 표면에 발생하는 미식각, 과식각과 같은 불균일성의 바람직하지 못한 영향을 최소화하여 유리 표면의 압축 응력을 균일하게 발생시킴으로서 균일한 화학 강화 품질을 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 종래 습식 식각법에서 발생하는 헤이즈 등의 심각한 품질 불량을 최소화하는 효과를 가진다.

또한 본 발명은 종래의 습식 식각법에서 사용하는 강산성 용액이나 불산계 화합물과 같은 화학 약품을 사용하지 않기 때문에 인체 유해성이 적고 폐수 등과 같은 산업폐기물이 발생하지 않아 별도의 산업폐기물 처리 시설이 불필요하며 친환경적일 뿐만 아니라, 전력과 가스 만을 사용하므로 화학 약품을 사용하고 산업폐기물의 처리를 해야 하는 종래의 습식 식각법에 비해 제조비용을 낮추는 효과를 가진다.

또한 종래의 습식 식각 공정 이전에 수행하는 세정 공정 대신 상기의 산소 플라즈마를 이용한 건식 애싱(ashing) 공정을 이용하면 습식 세정과 습식 식각의 두 단계를 거쳐야 하는 습식 에칭에 비해 공정을 단순화하고 제조비용을 낮추는 효과를 가지는 유용한 발명이다.

도 1은 일반적인 유리 화학 강화에 대한 모식도.
도 2는 일반적인 유리 화학 강화 공정에서 유리 표면에 잔존하는 유기 내지 무기 오염과 부식층에 의해 불균일한 이온치환 반응에 관한 모식도.
도 3은 유리 화학 강화 공정에서 일반적인 습식 식각법에 의해 발생하는 불균일한 유리 표면의 식각 상태에 대한 모식도.
도 4는 일반적인 방법으로 유리 표면을 습식 식각한 후 화학 강화한 유리 기재 표면에 대한 모식도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 건식 식각법을 이용한 화학 강화 유리 제조방법을 설명하기 위한 공정 흐름도.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 화학 강화 유리 제조시 이용 가능한 외부 이온 발생기를 포함한 건식 식각 장치의 개략 구성 예시도.
도 7은 도 5중 건식 식각 공정을 설명하기 위해 필요한 아르곤 가스의 플라즈마 여기(excitation)와 아르곤 이온의 가속에 대한 모식도.
도 8a 내지 도 8c 및 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 건식 식각 공정 수행시의 유리 표면 식각상태를 예시한 도면.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 화학 강화유리의 강화정도를 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 혹은 구성이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

우선 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 건식 식각법을 이용한 화학 강화 유리 제조방법을 설명하기 위한 공정 흐름도를 예시한 것이다. 도 5에 도시한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 건식 식각법을 이용한 화학 강화 유리 제조 방법은 준비된 유리 판재를 1차 세정하는 단계(S10), 1차 세정한 유리 판재의 양면을 보호 테이프 또는 스크린 프린팅을 이용해 보호 잉크를 코팅하는 필름 마스킹 단계(S20), 상기 보호 테이프나 보호 잉크가 코팅된 유리 판재를 원하는 형상으로 가공하는 유리 성형 단계(S30), 성형된 유리 기재 양면에 코팅된 보호 테이프나 보호 잉크를 제거하는 마스킹 제거 단계(S40), 가공된 유리 기재를 2차 세정하는 단계(S50), 2차 세정한 유리 기재를 건식 식각하는 단계(S60), 건식 식각된 유리 기재를 화학 강화하는 단계(S70)와 냉각 및 3차 세정 단계(S80, S90)를 거쳐 완성되는 것으로서, 보다 구체적인 제조 방법은 하기에서 상세히 설명하기로 한다.

우선 본 발명의 실시예에 따른 건식 식각법을 이용한 화학 강화유리를 제조하기 위해 유리 판재를 준비한다. 유리 판재는 소다라임 유리, 알루미노실리케이트 유리, 보로실리케이트 유리 등과 같이 이온 치환법에 의해 화학 강화가 가능한 것이어야 한다. 또한 유리 판재는 산화칼륨을 실질적으로 함유하고 있지 않은 원료 성분으로부터 제조되는 것이 바람직하다.

유리 판재가 준비되면 본 발명의 실시예에 따른 건식 식각법을 이용한 화학 강화유리를 제조하기 위한 첫 단계로서 준비된 유리 판재의 표면에 남아 있는 유기 오염 또는 무기 오염을 제거하기 위한 1차 세정 단계(S10)를 수행한다. 유기 오염을 제거하기 위해서는 NaOH 또는 KaOH 수용액과 같은 알칼리 수용액에 유리 판재를 침지시키거나 아세톤, 톨루엔, 자일렌 등의 유기 용제에 유리 판재를 침지시킨다. 무기 오염을 제거하기 위해서는 황산, 질산과 같은 산성 용액이나 과산화수소수 등에 침지하는 방법을 이용한다. 유기 오염과 무기 오염을 동시에 제거하기 위해 Deconex 사의 FPD-100, OP-151 등을 1 중량% 내지 15 중량%의 비율로 물에 희석한 용액에 유리 판재를 침지하는 방법을 이용한다. 상기 세정 단계에서 유리 표면의 유기 또는 무기 오염을 보다 효과적으로 제거하기 위해 세정조에 초음파를 인가하거나 세정 용액의 온도를 40 도 내지 80 도 정도로 높이는 것이 바람직하다. 또한 상기 세정 용액 내에서 나일론 브러시나 PVA 스폰지 등의 롤 보디(roll body)로 유리 표면을 문지르는 스크러빙법을 사용하면 보다 효과적으로 유기 또는 무기 오염을 제거할 수 있다.

1차 세정이 끝나면 준비된 유리 판재를 원하는 형상으로 가공하기 위한 전단계로서 필름 마스킹 단계(S20)를 수행한다. 일반적인 NC 가공 과정에서 발생하는 유리 이물에 의한 유리 표면의 오염과 스크래치를 방지하고 가공면 모서리의 치핑(chipping) 발생을 최소화하기 위해 보호 테이프 또는 보호 잉크를 유리 판재 양면에 코팅한다. 일반적으로 보호 테이프은 라미네이팅법으로, 보호 잉크는 실크 인쇄법으로 코팅한다. 보호 잉크를 사용할 경우 보호 잉크는 유기 용제나 물에 쉽게 용해되거나 물리적으로 쉽게 떼어낼 수 있는 것이어야 한다. 이후 필름 마스킹 단계에서 준비된 양면이 보호 필름 또는 보호 잉크로 보호된 유리 판재를 NC 가공기를 이용하여 원하는 형상으로 가공하는 유리 성형 단계(S30)를 수행한다.

유리 성형이 이루어지면 성형된 유리 기재의 양면에 코팅된 보호 테이프 또는 보호 잉크를 제거하는 마스킹 제거 단계(S40)를 수행한다. 참고적으로 보호 잉크는 보호 잉크를 용해할 수 있는 유기 용제 또는 60 ~ 100 ℃의 물에 침지하여 제거한다.

이후 마스킹 제거된 유리 기재의 표면을 2차 세정하는 단계(S50)를 수행한다. 2차 세정 단계(S50)에서는 유리 표면에 남아 있는 보호 테이프의 점착 물질(residue)이나 유기 잔막을 유기 세정액에 침지하여 제거한다. 유기 세정액으로는 1차 세정단계에서 유기 오염 제거에 사용한 알칼리 수용액 또는 유기 용제를 사용하며 초음파를 이용하거나 세정액을 가열하면 보다 효과적이다.

2차 세정이 끝나면 2차 세정된 유리 기재의 표면을 건식 식각하는 단계(S60단계)를 수행한다. 유리 기재의 표면을 건식 식각하는 단계는 유리 표면의 부식층과 같이 유리 표면의 Na+ 이온과 질산칼륨 용융액 내의 K+ 이온의 치환을 제한하는 부정적 요인을 제거하여 유리 기재의 보다 균일한 화학 강화를 제공하기 위한 것이다.

참고적으로 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 유리 기재의 표면을 건식 식각하는 장치를 개략적으로 도시한 것이다. 도 6에 도시된 바와 같이 유리 기재(100)를 공정 챔버(110) 내에 장착된 이온 소스(120:애노드 전극)에 마주보도록 위치한 서셉터 위에 올려놓은 뒤 배기 펌프(130)를 가동하여 배기를 한다. 진공 배기를 시작하여 베이스 진공도(

torr)에 도달하면 MFC를 통해 아르곤 가스(140)를 주입한다. 이때 베이스 진공도는 2 X 10^-5 torr 내지 5 X 10^-4 torr가 적당하며 아르곤 가스의 주입양은 50 sccm 내지 2,000 sccm 정도가 적당하다. 아르곤 가스를 주입한 상태의 공정 진공도는 2 X 10^-4 Torr 내지 5 X 10^-3 torr 정도가 적당하다. 아르곤 가스를 주입한 후 이온 소스(120)에 전압을 인가하면 아르곤 가스가 여기(excited)되어 아르곤 플라즈마가 형성된다. 이를 아르곤 가스의 플라즈마 여기(excitation)와 아르곤 이온의 가속에 대한 모식도를 나타낸 도 7을 참조하여 부연 설명하면,

우선 진공 챔버 내에 양극판인 이온소스(120)를 접지판(150)과 반대편에 설치한 후 두 판 사이에 아르곤 가스를 주입한 뒤 전압을 인가하면, 일정 전압 이상에서 상기의 두 판 사이에 아르곤 플라즈마가 형성된다. 이렇게 형성된 플라즈마 내의 아르곤 이온(Ar+)은 이온소스(120)와 접지판(150) 사이의 전위차에 의해 접지판(150) 쪽으로 가속된다. 따라서 접지판(150) 위에 유리 기재(100)를 위치시킨 뒤 이온소스(120)에 전압을 인가하여 아르곤 이온을 가속하게 되면, 가속된 아르곤 이온이 유리의 표면을 때려 유리 표면이 도 8a에 도시한 바와 같이 미세하게 물리적으로 식각 된다. 도 8a는 상술한 아르곤 이온 건식 식각법으로 유리 기재(100)의 표면을 식각한 상태를 예시한 것으로, 식각된 유리 기재(100)의 표면에 일부 유무기 오염이 잔존하지만 기존 습식 식각법에 비해 유리 표면이 현저히 균일해 졌다는 것을 확인할 수 있다.

참고적으로 이온 소스(120)에 인가하는 전압은 600 V 내지 5,000 V가 적당하며, 이온 소스(120)에 영구 자석을 적당히 배치하면 아르곤 이온을 나선 운동으로 가속하므로 플라즈마의 밀도를 높이는데 효과적이다. 유리 기재(100)의 이온 식각 시간은 대략 10 초 내지 300 초가 적당하며 균일한 이온 식각을 위해 유리 기재를 회전하는 것이 효과적이다. 유리 기재(100)의 한쪽 표면을 식각하고 나면 다른 한쪽 표면을 식각해야 한다. 이는 공정 챔버(110) 내에 적당히 고안된 기구물을 이용해 진공을 파기하지 않고 유리 기재(100)를 뒤집어 실시할 수도 있고, 유리 기재(100)의 양쪽에 이온 소스(120)를 설치하여 동시에 유리 기재 양면을 식각할 수도 있다. 참고적으로 플라즈마 여기된 가스 이온의 방향은 유리 기재(100)면에 수직인 방향으로부터 0∼60도 범위 내에서 입사되는 것이 바람직하다.

유리 기재(100)를 건식 식각하는 또 다른 방법으로서 아르곤 및 산소 혼합가스를 이용한 건식 식각법이 사용될 수도 있다. 즉, 공정 챔버(110) 내에 아르곤 가스와 함께 산소를 주입하게 되면 여기된(excited) 산소 플라즈마의 강한 산화 작용에 의해 유기물을 태워 없앨 수 있다. 산소 플라즈마에 의해 산화된 유기물은 기화되어 배기 펌프(130)에 의해 진공 챔버(110) 밖으로 배출된다. 따라서 유기 기재(100)의 건식 식각 단계(S60)에서 아르곤 가스와 함께 산소를 주입하면 2차 세정 단계(S50)에서 유리 표면에 남아 있는 유기 잔유물, 예컨대 유기 잔막이나 보호 테이프의 점착 물질 등을 효과적으로 제거할 수 있으므로, 도 8b에 도시된 바와 같이 보다 균일한 유리 기재(100) 표면을 얻을 수 있다. 뿐만 아니라 아르곤 플라즈마에 의한 물리적 식각을 하기 전에 5 분 내지 120 분에 걸쳐 유리 기재(100)의 표면을 산소 플라즈마로 우선 처리하게 되면 유기 오염의 세정을 대신할 수 있으므로 상술한 2차 세정 단계(S50)를 생략해도 무방하다. 즉, 아르곤 이온을 이용해 유리표면을 식각하기 전에 산소 또는 산소-아르곤 혼합가스를 이용하여 유리 표면의 유기 오염을 제거하면 보다 균일한 유리 식각 표면을 얻을 수 있다. 이러한 유리 표면을 화학 강화하게 되면, 도 9에 도시된 바와 같이 균일한 이온 치환에 의해 화학 강화된 유리 표면의 압축 응력 또한 균일하게 되어, 결과적으로 유리의 경도, 강도, 내충격성을 개선할 뿐만 아니라 난반사와 헤이즈 불량의 발생을 최소화할 수 있다.

또 다른 건식 식각 방법으로서, 아르곤 가스와 불소계 반응성 가스를 이용한 건식 식각법이 사용될 수도 있다. 즉 공정 챔버(110) 내에 아르곤 가스와 함께 CF4와 같은 불소계 반응성 가스(reactive gas)를 주입하면, 불소계 반응성 가스가 유리 기재(100)의 표면과 반응하여 반응성 이온 식각(reactive ion etching)이 이루어진다. 반응성 이온 식각은 물리적 식각에 비해 식각률(etching rate)이 현저하게 높아 식각 시간을 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라 도 8c에 도시된 바와 같이 유리 기재(100) 표면의 미세한 스크래치, 유리 기재의 가공 과정에서 모서리 부근에 발생하는 미세한 크랙(micro crack) 등을 제거 내지 완화시키므로서, 화학 강화 유리의 강도, 내충격성 및 광학적 특성을 향상시킨다.

아르곤과 산소의 혼합 가스를 주입하거나 아르곤과 불소계 반응성 가스를 주입하는 단계는 아르곤 가스만을 주입하는 단계의 전후 단계에서 실시하여 그 효과를 최대화할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 건식 식각 단계(S60)는 아르곤 가스에 의한 건식 식각 단계와 아르곤-산소 혼합 가스에 의한 건식 식각 단계, 아르곤-불소계 반응성 가스에 의한 건식 식각 단계 중 어느 하나에 의해 처리될 수 있다. 이들 세 가지의 건식 식각 단계를 평가하기 위해 다음과 같은 조건에서 실험한 데이터를 하기에서 언급하면, 우선 아르곤 가스의 경우 아르곤 350 sccm을 공정 챔버에 주입하였으며 이때의 공정 진공도는 2.7 X 10^-4 torr였다. 또한 3,000 V의 전압과 156 mA의 전류를 인가하였다. 그리고 아르곤-산소 혼합 가스의 경우에는, 아르곤 320 sccm, 산소 50 sccm의 유량으로 공정 챔버에 주입하였으며 이때의 공정 진공도는 2.8 X 10^-4 torr였다. 또한 3,000 V의 전압과 150 mA의 전류를 인가하였다. 마지막으로 아르곤-산소-불소계 반응성 가스의 경우 아르곤 270 sccm, 산소 50 sccm, CF4 50 sccm을 공정 챔버에 주입하였으며 이때의 공정 진공도는 2.9 X 10^-4 torr였다. 또한 3,000 V의 전압과 159 mA의 전류를 인가하였다.

상기 세 가지 조건으로 유리 기재(100)의 표면을 건식 식각하여 50 W 할로겐 램프를 이용하여 암실에서 목시 검사를 하였다. 목시 검사 결과 종래 습식 식각법을 이용하여 유리 기재(100) 표면을 식각한 경우 50 W 할로겐 램프로 유리 표면을 비추었을 때 유리 기재의 표면에 헤이즈(haze) 현상이 나타난 반면, 아르곤 가스 만으로 건식 식각한 경우 유리 표면의 헤이즈 현상이 급격하게 감소하였고, 아르곤-산소 혼합 가스와 아르곤-산소-불소계 반응성 가스로 건식 식각한 경우에는 목시 검사로 헤이즈 현상을 검출할 수 없었다.

이상에서 설명한 건식 식간 단계(S60)가 수행 완료되면, 이후 건식 식각한 유리 기재(100)를 화학 강화하는 단계(S70)를 수행한다. 화학 강화는 질산칼륨과 같은 용융염을 사용하여 300℃ 내지 450℃ 의 용융염 온도에서 1 내지 30 시간 동안 실시된다. 특히 화학 강화는 질산칼륨 또는 질산나트륨의 용융염을 사용하여 유리 기재의 유리 전이점(glass transition temperature) 이하의 온도에서 실시되는 것이 바람직하다. 이와 같은 저온 화학 강화는 표면층의 알칼리 이온을 큰 이온 반경의 이온과 교환 가능하게 해준다. 이 경우 처리 시간은 16 시간 이하인 것이 바람직하다.

화학 강화를 수행한 후에는 냉각 단계(S80)를 수행한다. 화학 강화시에는 강화 처리된 유리 기재(100)를 서서히 냉각시키는 것이 필요하다. 이는 서냉 단계를 통해 유리의 파손을 막고 표면의 압축 강도를 얻으면서 동시에 조직의 조밀성 및 미려한 표면을 얻기 위함이다. 냉각 단계(S80) 이후 서냉된 유리 기재(100)를 3차 세정하는 단계(S90)를 수행한다. 화학 강화 후 유리 기재(100)는 표면에 용융염과 같은 이물질이 남아 있을 수 있으며, 이를 위해 물 또는 세정제를 희석한 물에 유리 기재(100)를 침지하여 세정할 수 있다. 침지법을 이용한 세정의 경우 초음파를 인가하여 보다 효과적인 세정이 가능하며, 나일론 브러시 또는 PVA 스폰지와 같은 롤 보디(roll body)에 유리 기재를 접촉시키는 스크러빙법이 사용될 수 있다.

이하 상술한 바와 같은 건식 식각법을 이용하여 화학 강화 유리를 제조한 실시예들을 예시하고, 그 예시 사례에 따라 제조된 화학 강화 유리의 강도와 유리 기재 표면의 헤이즈 불량 검사 결과를 부연 설명하기로 한다.

[실시예 1]

우선 370mm(짧은 변) X 470mm(긴 변) X 1.7mm(두께)의 소다라임 글라스 판재를 준비한다. 이 유리 판재를 Deconex 사의 FPD-100을 초순수에 3 중량%로 희석한 세정액에 50 ℃ 의 온도에서 5 분간 침지하여 1차 세정을 한다. 1차 세정이 끝난 유리 판재의 양면을 저점착 보호 필름을 라미네이팅하여 합지한다. 이렇게 보호 필름이 부착된 유리 판재를 NC 라우터를 이용하여 50mm X 110mm의 크기로 초당 1.8 mm의 선속도로 가공한다. 가공이 끝난 유리 기재의 양면에 부착된 보호 필름을 제거한 후 1차 세정과 동일한 조건으로 2차 세정을 한 후, 도 6에 도시된 건식 식각 장치에서 건식 식각을 한다. 이때 베이스 진공도는 3.0 X 10^-5torr, 아르곤 가스의 주입량은 350sccm, 공정 진공도는 2.7 X 10^-4torr 이며 이온 소스에 인가된 전압은 3,000 V, 전류는 156 mA 이다. 상기의 조건으로 건식 식각된 유리 기재는 360 ℃의 60 중량% KNO₃ 및 40 중량% NaNO₃의 혼합염 처리욕에 6 시간 동안 침지되어 화학 강화된다. 그런 다음, 유리 기재는 표면에 부착된 용융염과 같은 이물질을 제거하기 위해 물세정된다. 이와 같이 하여 실시예 1의 유리 기재가 제작된다. 이와 같이 얻어진 유리 기재에 대해서 도 10에 도시한 장치를 사용하여 강도 측정이 이루어진다. 구체적으로는 도 10에 도시한 바와 같이 중앙부에 유리 기재보다 작은 개구부를 가지는 지지대 상에 유리 기재가 놓여 진다. 그런 다음 유리 기재의 중앙부가 일정 높이에서 자유 낙하로 강하되는 가압구(300)에 의해 가압된다. 가압구(300)의 재질은 SUS303이며 무게는 130g이다. 이에 의해 유리 기재가 파괴될 때의 가압구(300)의 높이로서 유리 기재의 파괴 하중이 측정된다. 동일한 강도 측정을 10 장의 유리 기재에 대해서 행하여, 강도의 평균값, 최대값 및 표준편차를 정한다. 또한 암실에서 50 W 할로겐 램프를 45 도의 각도로 유리 기재의 표면에 비추어 유리 기재 표면을 목시 검사하여 헤이즈 불량의 유무를 판단한다. 상기 유리 기재의 강도와 유리 기재 표면의 헤이즈 불량 검사 결과를 하기 표 1에 나타낸다.

[실시예 2]

실시예 1과 마찬가지로 동일한 형상으로 성형되어 2차 세정이 끝난 유리 기재를 본 발명에서 고안된 건식 식각 장비에서 건식 식각을 한다. 이때 베이스 진공도는 3.0 X 10^-5torr, 아르곤 가스와 산소 가스의 주입량은 각각 320sccm, 50sccm이며 공정 진공도는 2.8 X 10^-4 torr, 이온 소스에 인가된 전압은 3,000 V, 전류는 150 mA 이다. 상기의 조건으로 건식 식각된 유리 기재는 실시예 1과 마찬가지로 동일한 조건에서 화학 강화된 다음 유리 기재 표면에 부착된 용융염과 같은 이물질을 제거하기 위해 물세정된다. 이와 같이 하여 실시예 2의 유리 기재가 제작된다. 이와 같이 얻어진 유리 기재에 대해서 실시예 1과 마찬가지로 도 10에 도시한 장치를 사용하여 강도 측정과 헤이즈 불량의 유무 판단이 이루어지며 상기 실시예 2의 유리 기재의 강도와 유리 기재 표면의 헤이즈 불량 검사 결과를 하기 표 1에 나타낸다.

[실시예 3]

실시예 1과 마찬가지로 동일한 형상으로 성형되어 2차 세정이 끝난 유리 기재를 도 6에 도시한 건식 식각 장치에서 건식 식각을 한다. 이때 베이스 진공도는 3.0 X 10^-5torr, 아르곤 가스와 산소 가스, 그리고 CF4의 주입량은 각각 270sccm, 50sccm, 50sccm이며 공정 진공도는 2.9 X 10^-4 torr, 이온 소스에 인가된 전압은 3,000 V, 전류는 159mA 이다. 상기의 조건으로 건식 식각된 유리 기재는 실시예 1과 마찬가지로 동일한 조건에서 화학 강화된 다음 유리 기재 표면에 부착된 용융염과 같은 이물질을 제거하기 위해 물세정된다. 이와 같이 하여 실시예 3의 유리 기재가 제작된다. 이와 같이 얻어진 유리 기재에 대해서 실시예 1과 마찬가지로 도 10에 도시한 장치를 사용하여 강도 측정과 헤이즈 불량의 유무 판단이 이루어지며 상기 실시예 3의 유리 기재의 강도와 유리 기재 표면의 헤이즈 불량 검사 결과를 하기 표 1에 나타낸다.

[비교예 1]

실시예 1과 마찬가지로 동일한 형상으로 성형되어 2차 세정이 끝난 유리 기재를 실시예 1과 마찬가지로 동일한 조건에서 화학 강화된 다음 유리 기재 표면에 부착된 용융염과 같은 이물질을 제거하기 위해 물세정된다. 이와 같이 하여 비교예 1의 유리 기재가 제작된다. 이와 같이 얻어진 유리 기재에 대해서 실시예 1과 마찬가지로 도 10에 도시한 장치를 사용하여 강도 측정과 헤이즈 불량의 유무 판단이 이루어지며 상기 비교예 1의 유리 기재의 강도와 유리 기재 표면의 헤이즈 불량 검사 결과를 하기 표 1에 나타낸다.

[비교예 2]

실시예 1과 마찬가지로 동일한 형상으로 성형되어 2차 세정이 끝난 유리 기재의 표면을 종래의 습식 식각법에 의해 습식 식각한다. 이때 습식 식각을 위한 식각액으로 플루오린화수소산과 플루오린화규산 혼합액을 사용하며, 식각액의 온도는 60 ℃, 식각 시간은 10분이다. 상기의 조건으로 습식 식각된 유리 기재는 실시예 1과 마찬가지로 동일한 조건에서 화학 강화된 다음 유리 기재 표면에 부착된 용융염과 같은 이물질을 제거하기 위해 물세정된다. 이와 같이 하여 비교예 2의 유리 기재가 제작된다. 이와 같이 얻어진 유리 기재에 대해서 실시예 1과 마찬가지로 도 10에 도시한 장치를 사용하여 강도 측정과 헤이즈 불량의 유무 판단이 이루어지며 상기 비교예 2의 유리 기재의 강도와 유리 기재 표면의 헤이즈 불량 검사 결과를 하기 표 1에 나타낸다.

구 분	파괴하중(높이, mm)			헤이즈 불량
구 분	평균	최대	표준편차	헤이즈 불량
실시예1	537	570	15.7	미세
실시예2	561	580	12.0	없음
실시예3	729	770	20.2	없음
비교예1	205	320	65.2	매우 많음
비교예2	914	1,080	224.6	많음

표 1로부터 알 수 있듯이 실시예 1 내지 실시예 3의 유리 기재는 식각 공정이 생략된 비교예 1에 비해 매우 높은 파괴 강도를 갖으며 파괴 강도에 있어 작은 표준편차를 나타낸다. 또한 실시예 1 내지 실시예 3의 유리 기재는 비교예 1에 비해 헤이즈 불량이 크게 개선되었다. 이러한 결과는 유리 기재의 표면이 건식 식각에 의해 매우 균일화되었기 때문이다.

마찬가지로 실시예 1 내지 실시예 3의 유리 기재는 종래의 습식 식각을 적용한 비교예 2에 비해 평균 파괴하중은 낮아졌으나 작은 표준편차를 나타내며, 헤이즈 불량은 매우 크게 개선됨을 알 수 있다. 이는 종래 습식 식각법으로 해결할 수 없는 유리 기재 표면의 결함들을 본 발명에서 제안한 건식 식각법으로 상당부분 제거 가능했기 때문이다.

따라서 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3, 특히 실시예 2 내지 실시예 3의 방법으로 화학 강화되어 제조된 유리 기재의 강도는 크게 높아졌으며, 헤이즈 불량과 같은 유리 기재의 부정적 결함 역시 최소화되었다는 것을 실험을 통해 알 수 있었다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 유리의 화학 강화 공정 중의 일부 공정으로서, K+ 용융액에 유리를 침지하여 화학 강화를 하기 이전에 유리 표면을 건식 식각함으로서, 유리 기판이 균일하고 원활하게 화학 강화가 되도록 하는 효과를 가지는 발명이다. 보다 구체적으로는 습식 식각 공정에서 유리 표면에 발생하는 미식각, 과식각과 같은 불균일성의 바람직하지 못한 영향을 최소화하여 유리 표면의 압축 응력을 균일하게 발생시킴으로서 균일한 화학 강화 품질을 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 종래 습식 식각법에서 발생하는 헤이즈 등의 심각한 품질 불량을 최소화하는 효과를 가진다.

한편 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 예를 들면, 본 발명의 실시예에서는 건식 식각 단계에서 주입되는 가스가 아르곤, 산소 및 불소계 가스를 예로 들어 설명하였으나, 이 이외에 질소, 수소, 헬륨과 같은 단일 가스 또는 이들 가스의 혼합가스를 사용할 수도 있다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims

유리 판재를 원하는 형상으로 가공하고, 가공된 유리 기재 표면에 존재하는 유기물을 제거하기 위한 전처리 단계와,
진공 챔버내에 상기 유기물 제거된 유리 기재를 설치하고, 그 유리 기재 표면을 식각하기 위한 가스 주입후 그 가스가 플라즈마 여기되도록 전압 인가하여 상기 유리 기재 표면을 건식 식각하는 건식 식각 단계와;
건식 식각한 상기 유리 기재를 이온 치환을 위한 용융액내에 넣어 화학 강화하는 단계와;
화학 강화된 상기 유리 기재를 세정하는 후처리 단계;를 포함함을 특징으로 하는 화학 강화유리 제조방법.
청구항 1에 있어서, 상기 건식 식각 단계에서 주입되는 가스는 아르곤 가스임을 특징으로 하되, 이러한 경우 상기 전처리 단계는 적어도 상기 유리 판재를 원하는 형상으로 가공하기 위한 유리 성형 단계와, 유리 성형된 유리 기재의 마스킹을 제거하는 단계 및 상기 마스킹 제거된 유리 기재 표면을 세정하기 위한 단계를 포함함을 특징으로 하는 화학 강화유리 제조방법.
청구항 1에 있어서, 상기 건식 식각 단계에서 주입되는 가스는 아르곤 및 산소 혼합 가스임을 특징으로 하되, 이러한 경우 상기 전처리 단계는 적어도 상기 유리 판재를 원하는 형상으로 가공하기 위한 유리 성형 단계와, 유리 성형된 유리 기재의 마스킹을 제거하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 화학 강화유리 제조방법.
청구항 1에 있어서, 상기 건식 식각 단계에서 주입되는 가스는 아르곤, 산소 및 불소계 혼합 가스임을 특징으로 하되, 이러한 경우 상기 전처리 단계는 적어도 상기 유리 판재를 원하는 형상으로 가공하기 위한 유리 성형 단계와, 유리 성형된 유리 기재의 마스킹을 제거하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 화학 강화유리 제조방법.
청구항 1에 있어서, 상기 건식 식각 단계에서 주입되는 가스는 아르곤, 산소, 질소, 수소, 헬륨 및 불소계 단일 가스 또는 이들 가스의 혼합가스임을 특징으로 하는 화학 강화유리 제조방법.
청구항 1 내지 청구항 5중 어느 한 항에 있어서, 상기 건식 식각 단계의 진공 챔버내의 공정 압력은
torr 범위 값을 가짐을 특징으로 하는 화학 강화유리 제조방법.
청구항 1 내지 청구항 5중 어느 한 항에 있어서, 상기 건식 식각 단계는,
이온 에셔(asher) 전처리 공정을 포함하며, 이를 위한 공정용 가스로 산소, 오존을 사용함을 특징으로 하는 화학 강화유리 제조방법.
청구항 1 내지 청구항 5중 어느 한 항에 있어서, 상기 건식 식각 단계에서 플라즈마 여기된 가스 이온의 방향은 유리 기재면에 수직인 방향으로부터 0∼60도 범위 내에서 입사됨을 특징으로 하는 화학 강화유리 제조방법.
청구항 1 내지 청구항 5중 어느 한 항에 있어서, 상기 화학 강화단계의 상기 용융액은 질산칼륨 또는 질산나트륨의 용융액임을 특징으로 하는 화학 강화유리 제조방법.
청구항 1 내지 청구항 5중 어느 한 항에 있어서, 상기 화학 강화단계의 상기 용융액은 질산칼륨 또는 질산나트륨의 용융액으로서, 그 용융액 온도는 300℃ 내지450℃ 범위의 값을 가짐을 특징으로 하는 화학 강화유리 제조방법.