KR20230041088A - 화학적으로 강화된 리튬 디실리케이트-페탈라이트 유리-세라믹 - Google Patents
화학적으로 강화된 리튬 디실리케이트-페탈라이트 유리-세라믹 Download PDFInfo
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Abstract
여기에 기재된 이온-교환된 유리 세라믹 물품은, 압축 응력으로부터 인장 응력으로 이온-교환된 유리 세라믹 물품의 외부 표면으로부터 약 0.07t의 깊이로부터 약 0.26t의 깊이까지 실질적인 선형 함수에 따라 증가하는 거리에 따라 감소하는 응력을 갖는다. 상기 응력은, 이온-교환된 유리 세라믹 물품의 외부 표면으로부터 약 0.18t 내지 약 0.25t의 깊이에서 압축 응력으로부터 인장 응력으로 전환된다. 이온-교환된 유리 물품의 외부 표면에서 최대 압축 응력의 절대 값은, 이온-교환된 유리 물품의 최대 중심 장력 (CT)의 절대 값에 1.8 내지 2.2배이며, 유리 세라믹 물품은, 이중 외팔보 방법에 따라 측정된 것으로 1 MPa√m 이상의 파괴 인성을 갖는다.
Description
본 출원은, 2018년 11월 13일자에 출원된, 명칭이 "Chemically Strengthened Lithium Disilicate-Petalite Glass-Ceramics"인, 미국 가 특허출원 제62/760,753호의 우선권을 주장하며, 이의 전체적인 내용은 참조로서 여기에 병합된다.
본 명세서는 일반적으로 유리 물품에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는, 개선된 화학적 내구성 및 내손상성을 갖는 유리 세라믹 물품 및 이를 형성하는 방법에 관한 것이다.
리튬 디실리케이트 결정상 (lithium disilicate crystal phases)을 갖는 유리 세라믹이 종래의 이온 교환 공정을 겪는 경우, 나트륨이 풍부한 저 굴절률 층 (low refractive index layer)은, 유리 세라믹 표면 상에 형성된다. 이러한 나트륨-풍부 표면층의 존재는, 유리 세라믹의 표면을 표면밑 수화 (subsurface hydration)에 민감하게 만들어, 유리 세라믹의 표면 상에 탄산나트륨 결정의 성장을 결과할 수 있고, 궁극적으로, 표면 헤이즈를 생성할 수 있다. 나트륨-풍부 표면층은 또한 낮은 화학적 내구성을 나타내어, 유리 세라믹을 선별적 에칭, 피팅 (pitting), 및 기타 표면 손상에 민감하게 만든다.
유리 세라믹의 특성을 변경시키는 것에 부가하여, 저 굴절률 층의 존재는, FSM 이미징 (FSM (surface stress meter) imaging) 동안 발생된 이미지를 흐릿하게 만들 수 있어, 이온 교환 공정의 품질 제어를 위한 이러한 이미지의 사용을 신뢰할 수 없게 만든다.
따라서, 개선된 화학적 내구성, 개선된 내손상성을 갖는 유리 세라믹 물품, 및 이온 교환 공정의 개선된 품질 제어를 위한 방법에 대한 요구가 존재한다.
여기에 개시된 제1 관점에 따르면, 이온-교환된 유리 세라믹 물품은 두께 (t)를 가지며, 여기서: 유리 물품은, 이온-교환된 유리 세라믹 물품의 외부 표면으로부터 중심선을 향해 약 0.07t의 깊이에서 약 0.26t의 깊이까지 실질적인 선형 함수에 따라 증가하는 거리에 따라 감소하는 응력을 포함하고; 상기 응력은 이온-교환된 유리 세라믹 물품의 외부 표면으로부터 약 0.18t 내지 약 0.25t의 깊이에서 압축 응력으로부터 인장 응력으로 전환되며; 및 상기 이온-교환된 유리 세라믹 물품의 외부 표면에서 최대 압축 응력의 절대 값은, 이온-교환된 유리 세라믹 물품의 최대 중심 장력 (CT)의 절대 값에 1.8 내지 2.2배이고; 및 상기 이온-교환된 유리 세라믹 물품은, 이중 외팔보 방법 (double cantilever beam method)에 따라 측정된 것으로 1 MPa√m 이상의 파괴 인성 (fracture toughness)을 갖는다.
여기에 개시된 제2 관점에 따르면, 상기 이온-교환된 유리 세라믹 물품은, 제1 관점에 따른 이온-교환된 유리 세라믹 물품을 포함하며, 여기서, 최대 중심 장력은 70 MPa 이상이다.
여기에 개시된 제3 관점에 따르면, 상기 이온-교환된 유리 세라믹 물품은, 임의의 선행 관점에 따른 이온-교환된 유리 세라믹 물품을 포함하며, 여기서, 최대 중심 장력은 80 MPa 내지 140 MPa이다.
여기에 개시된 제4 관점에 따르면, 상기 이온-교환된 유리 세라믹 물품은, 임의의 선행 관점에 따른 이온-교환된 유리 세라믹 물품을 포함하며, 여기서, 최대 압축 응력은 180 MPa 내지 350 MPa이다.
여기에 개시된 제5 관점에 따르면, 이온-교환된 유리 세라믹 물품은, 임의의 선행 관점에 따른 이온-교환된 유리 세라믹 물품을 포함하며, 여기서, 상기 파괴 인성은 이중 외팔보 방법에 따라 측정된 것으로 1 MPa√m 내지 1.5 MPa√m이다.
여기에 개시된 제6 관점에 따르면, 이온-교환된 유리 세라믹 물품은, 임의의 선행 관점에 따른 이온-교환된 유리 세라믹 물품을 포함하고, 여기서, 상기 이온-교환된 유리 세라믹 물품은, 외부 표면에서 10 mol% 미만의 Na2O 농도를 갖는다.
여기에 개시된 제7 관점에 따르면, 이온-교환된 유리 세라믹 물품은 두께 (t)를 갖고, 여기서: Li 이온의 농도는, 이온-교환된 유리 세라믹 물품의 외부 표면으로부터 증가하는 거리에 따라 표면 Li 이온 농도로부터 최대 Li 이온 농도까지 증가하며, 여기서, 상기 표면 Li 이온 농도와 최대 Li 이온 농도 사이에 차이는 5 mol% 미만이고; Na 이온의 농도는, 이온-교환된 유리 세라믹 물품의 외부 표면으로부터 증가하는 거리에 따라 표면 Na 이온 농도로부터 최소 Na 이온 농도까지 증가하다가 감소하며; 여기서, 상기 표면 Na 이온 농도와 최소 Na 이온 농도 사이에 차이는 5 mol% 미만이고, 표면 Na 이온 농도는 10 mol% 미만이며; 및 상기 이온-교환된 유리 세라믹 물품은, 이중 외팔보 방법에 따라 측정된 것으로 1 MPa√m를 초과하는 파괴 인성을 갖는다.
여기에 개시된 제8 관점에 따르면, 상기 이온-교환된 유리 세라믹 물품은, 제7 관점에 따른 이온-교환된 유리 세라믹 물품을 포함하며, 여기서, Na 이온의 농도는, 이온-교환된 유리 세라믹 물품의 두께 (t) 전체에 걸쳐 0 mol%를 초과한다.
여기에 개시된 제9 관점에 따르면, 상기 이온-교환된 유리 세라믹 물품은, 제7 또는 제8 관점에 따른 이온-교환된 유리 세라믹 물품을 포함하며, 여기서, Na 이온의 농도는 0 mol% 초과 내지 2.5 mol% 미만이다.
여기에 개시된 제10 관점에 따르면, 상기 이온-교환된 유리 세라믹 물품은, 제7 내지 제9 관점 중 어느 하나에 따른 이온-교환된 유리 세라믹 물품을 포함하며, 여기서, Li 이온의 최대 농도는 19 mol% 내지 32 mol%이다.
여기에 개시된 제11 관점에 따르면, 상기 이온-교환된 유리 세라믹 물품은, 제7 관점 내지 제10 관점 중 어느 하나에 따른 이온-교환된 유리 세라믹 물품을 포함하며, 여기서, 파괴 인성은 이중 외팔보 방법에 따라 측정된 것으로 1 MPa√m 내지 1.5 MPa√m이다.
여기에 개시된 제12 관점에 따르면, 상기 이온-교환된 유리 세라믹 물품은, 제7 관점 내지 제11 관점 중 어느 하나에 따른 이온-교환된 유리 세라믹 물품을 포함하며, 0 mol% 초과 내지 6 mol%의 Al2O3를 더욱 포함한다.
여기에 개시된 제13 관점에 따르면, 상기 이온-교환된 유리 세라믹 물품은, 제7 내지 제12 관점 중 어느 하나에 따른 이온-교환된 유리 세라믹 물품을 포함하며, 여기서, 0.7 mol% 내지 2.2 mol%의 P2O5를 더욱 포함한다.
여기에 개시된 제14 관점에 따르면, 상기 이온-교환된 유리 세라믹 물품은, 제7 관점 내지 제13 관점 중 어느 하나에 따른 이온-교환된 유리 세라믹 물품을 포함하며, 1.7 mol% 내지 4.5 mol%의 ZrO2를 더욱 포함한다.
여기에 개시된 제15 관점에 따르면, 상기 이온-교환된 유리 세라믹 물품은, 제7 내지 제14 관점 중 어느 하나에 따른 이온-교환된 유리 세라믹 물품을 포함하며, 60 mol% 내지 72 mol%의 SiO2를 더욱 포함한다.
여기에 개시된 제16 관점에 따르면, 이온-교환된 유리 세라믹 물품은, 리튬 디실리케이트, 페탈라이트 (petalite), β-석영, β-스포듀멘 고용체 (spodumene solid solution), 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 70% 내지 99%의 결정질 상 (crystalline phase) 및 1% 내지 30%의 잔류 유리 함량을 포함하며; 상기 이온-교환된 유리 세라믹 물품은, 두께 (t)를 갖고, 이온-교환된 유리 세라믹 물품의 외부 표면으로부터 중심선을 향해 증가하는 거리에 따라 감소하는 응력을 포함하며, 여기서: 상기 응력은, 이온-교환된 유리 세라믹 물품의 외부 표면으로부터 약 0.07t의 깊이로부터 약 0.26t의 깊이로 실질적인 선형 함수에 따라 감소하고; 상기 응력은, 이온-교환된 유리 세라믹 물품의 외부 표면으로부터 약 0.18t 내지 약 0.25t의 깊이에서 압축 응력으로부터 인장 응력으로 전환되며; 및 상기 이온-교환된 유리 물품의 외부 표면에서 최대 압축 응력은, 이온-교환된 유리 물품의 최대 중심 장력 (CT)의 값에 1.8 내지 2.2 배이다.
여기에 개시된 제17 관점에 따르면, 상기 이온-교환된 유리 세라믹 물품은, 제16 관점에 따른 이온-교환된 유리 세라믹 물품을 포함하며, 여기서, 상기 이온-교환된 유리 세라믹 물품은, 이중 외팔보 방법에 따라 측정된 것으로 1 MPa√m 내지 1.5 MPa√m의 파괴 인성을 갖는다.
여기에 개시된 제18 관점에 따르면, 상기 이온-교환된 유리 세라믹 물품은, 제16 또는 제17 관점에 따른 이온-교환된 유리 세라믹 물품을 포함하며, 여기서, 상기 이온-교환된 유리 세라믹은 불투명하다.
여기에 개시된 제19 관점에 따르면, 상기 이온-교환된 유리 세라믹 물품은, 제16 내지 제18 관점 중 어느 하나에 따른 이온-교환된 유리 세라믹 물품을 포함하며, 여기서, 상기 최대 압축 응력은 180 MPa 내지 350 MPa이다.
여기에 개시된 제20 관점에 따르면, 상기 이온-교환된 유리 세라믹 물품은, 제16 내지 제19 관점 중 어느 하나에 따른 이온-교환된 유리 세라믹 물품을 포함하며, 여기서, 상기 이온-교환된 유리 세라믹 물품은, 외부 표면에서 10 mol% 미만의 Na2O 농도를 갖는다.
여기에 개시된 제21 관점에 따르면, 페탈라이트, 리튬 디실리케이트, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 결정상을 갖는 유리 세라믹 물품을 강화하는 방법은: 상기 유리 세라믹 물품에 이온 교환 매체 (ion exchange medium)를 적용하는 단계를 포함하고, 여기서, 상기 이온 교환 매체는, 0 wt% 초과 내지 20 wt% 이하의 NaNO3, 80 wt% 내지 100 wt% 미만의 KNO3, 및 0.01 wt% 내지 0.5 wt%의 LiNO3를 포함한다.
여기에 개시된 제22 관점에 따르면, 상기 방법은 제21 관점에 따른 방법을 포함하며, 여기서, 상기 이온 교환 매체는 380 ℃ 내지 550 ℃의 온도를 갖는다.
여기에 개시된 제23 관점에 따르면, 상기 방법은 제21 또는 제22 관점에 따른 방법을 포함하며, 여기서, 상기 이온 교환 매체는 2시간 내지 16시간의 시간 동안 유리 세라믹 물품에 적용된다.
여기에 개시된 제24 관점에 따르면, 상기 방법은, 제21 내지 제23 관점 중 어느 하나에 따른 방법을 포함하며, 여기서, 상기 이온 교환 매체는 제2 이온 교환 매체이고, 상기 방법은: 상기 유리 세라믹 물품에 제1 이온 교환 매체를 적용하는 단계를 더욱 포함하며, 여기서, 상기 제1 이온 교환 매체는 NaNO3, KNO3, 및 0.01 wt% 내지 0.5 wt%의 LiNO3를 포함하고, 여기서, 상기 제2 이온 교환 매체를 적용하는 단계는, 제1 이온 교환 매체를 적용하는 단계 후에 수행된다.
여기에 개시된 제25 관점에 따르면, 상기 방법은 제24 관점에 따른 방법을 포함하며, 여기서, 상기 제1 이온 교환 매체는 20 wt%를 초과하는 NaNO3를 포함한다.
여기에 개시된 제26 관점에 따르면, 상기 방법은 제24 또는 제25 관점에 따른 방법을 포함하며, 여기서, 상기 제2 이온 교환 매체는 95 wt% 초과 내지 100 wt% 미만의 KNO3 및 0 wt% 초과 내지 5 wt% 미만의 NaNO3를 포함한다.
여기에 개시된 제27 관점에 따르면, 페탈라이트, 리튬 디실리케이트, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 결정상을 갖는 유리 세라믹 물품을 강화하는 방법은: 상기 유리 세라믹 물품에 이온 교환 매체를 적용하는 단계를 포함하며, 여기서, 상기 이온 교환 매체는 20 wt% 초과 내지 50 wt% 이하의 NaNO3, 50 wt% 내지 80 wt% 미만의 KNO3, 및 0.01 wt% 내지 0.5 wt%의 LiNO3를 포함한다.
여기에 개시된 제28 관점에 따르면, 상기 방법은 제27 관점에 따른 방법을 포함하며, 여기서, 상기 이온 교환 매체는 380 ℃ 내지 550 ℃의 온도를 갖는다.
여기에 개시된 제29 관점에 따르면, 상기 방법은, 제27 관점 또는 제28 관점에 따른 방법을 포함하며, 여기서, 상기 이온 교환 매체는 2시간 내지 16시간의 시간 동안 유리 세라믹 물품에 적용된다.
여기에 개시된 제30 관점에 따르면, 상기 방법은, 제27 내지 제29 관점 중 어느 하나에 따른 방법을 포함하며, 여기서, 상기 이온 교환 매체는 30 wt% 내지 50 wt%의 NaNO3 및 50 wt% 내지 70 wt%의 KNO3를 포함한다.
여기에 개시된 제31 관점에 따르면, 소비자 전자 제품은: 전면, 후면 및 측면을 포함하는 하우징 (housing); 상기 하우징 내에 적어도 부분적으로 제공되고, 컨트롤러 (controller), 메모리, 및 상기 하우징의 전면에 또는 인접한 디스플레이를 포함하는 전기적 구성요소 (electrical components); 및 상기 디스플레이 위에 배치된 커버 기판을 포함하며, 여기서, 상기 하우징 또는 커버 기판의 일부 중 적어도 하나는, 제1 내지 제20 관점 중 어느 하나의 이온 교환된 유리 세라믹 물품을 포함한다.
부가적인 특색 및 장점은, 하기 상세한 설명에서 서술될 것이며, 부분적으로는 그 설명으로부터 당업자에게 쉽게 명백해질 것이고, 또는 하기 상세한 설명, 청구 범위, 뿐만 아니라 첨부된 도면을 포함하는, 여기에 기재된 구현 예를 실행하여 쉽게 인지될 것이다.
전술한 일반적인 설명 및 하기 상세한 설명 모두는, 다양한 구현 예를 설명하고, 청구된 주제의 본질 및 특징을 이해하기 위한 개요 또는 틀거리를 제공하도록 의도된 것으로 이해되어야 한다. 수반되는 도면은, 다양한 구현 예의 추가 이해를 제공하기 위해 포함되며, 본 명세서 내로 병합되어 그 일부를 구성한다. 도면은, 여기에 기재된 다양한 구현 예를 예시하고, 상세한 설명과 함께 청구된 주제의 원리 및 동작을 설명하는 역할을 한다.
도 1은, 유리 세라믹 기판이 전통적인 이온 교환 처리를 거친 경우, 조성물 A로부터 형성된 유리 세라믹 기판 내에 나트륨, 리튬, 및 칼륨 원소 분포의 표면으로부터 샘플의 두께 내로 깊이의 함수 (X-축; micrometers, microns, 또는 ㎛ 단위)에 따른 농도 (Y-축; 산화물의 mol%)의 플롯 (plot)이다;
도 2a 및 2b는, 전통적인 이온 교환 처리를 거친 유리 세라믹 물품에 대한 365 ㎚에서의 FSM 스펙트럼이다;
도 3은, 85℃/85% 상대 습도에 48시간 노출 후, 도 1의 원소 분포를 갖는 유리 세라믹 물품의 광학 현미경 사진이다;
도 4a는, 실시 예 A와 일치하는 유리 샘플의 표면 거칠기의 원자력 현미경 (AFM) 이미지이다;
도 4b는, 전통적인 이온 교환 처리를 거친 조성물 A로부터 형성된 유리 세라믹 물품의 표면 거칠기의 AFM 이미지이다;
도 5는, 여기에 나타내고 기재된 하나 이상의 구현 예에 따라, 프린지가 없는 이온 교환 처리 (no fringe ion exchange treatment)를 거친 유리 세라믹 물품의 365 ㎚에서의 FSM 스펙트럼이다;
도 6은, 여기에 나타내고 기재된 하나 이상의 구현 예에 따라, 프린지가 없는 이온 교환 처리를 거친 유리 세라믹 물품에 대한 표면으로부터 샘플의 두께 내로 두께의 함수 (X-축; micrometers 또는 ㎛)에 따른 지연 (좌측 Y-축, 도) 및 응력 (우측 Y-축, Mega Pascals (MPa), 여기서, 압축 응력은 양수이고, 인장 응력은 음수)의 플롯이다;
도 7은, 여기에 나타내고 기재된 하나 이상의 구현 예에 따라, 프린지가 없는 이온 교환 처리를 거친 유리 세라믹 물품에 대한 중심 장력 (X-축; MPa)과 관련이 있는 이온-교환으로부터의 치수 성장 (dimensional growth) (Y-축; 길이의 %)의 플롯이다;
도 8a-8e는, 여기에 나타내고 기재된 하나 이상의 구현 예에 따라, 단일 프린지 (single fringe) 이온 교환 처리를 거친 유리 세라믹 물품의 365 ㎚에서의 FSM 스펙트럼이다;
도 9는, 유리 세라믹 기판이 여기에 나타내고 기재된 하나 이상의 구현 예에 따라, 단일 프린지 이온 교환 처리를 거친 경우, 조성물 A로부터 형성된 유리 세라믹 기판에서의 나트륨, 리튬, 및 칼륨 원소 분포의 표면으로부터 샘플의 두께 내로 깊이의 함수 (X-축; micrometers 또는 ㎛)에 따른 농도 (Y-축, 산화물의 mol%)의 플롯이다;
도 10a-10h는, 여기에 나타내고 기재된 하나 이상의 구현 예에 따른 단일 프린지 이온 교환 처리를 거친 유리 세라믹 물품의 365 ㎚에서의 FSM 스펙트럼이다;
도 11은, 여기에 나타내고 기재된 하나 이상의 구현 예에 따라, 단일 프린지 이온 교환 처리를 거친 유리 세라믹 물품의 굴절된 근거리-장 (RNF)를 사용하여 측정된 표면으로부터 샘플의 두께 내로 깊이의 함수 (X-축; micrometers 또는 ㎛)에 따른 응력 (Y-축, MPa; 압축 응력은 양수, 인장 응력은 음수)의 플롯이다;
도 12는, 여기에 나타내고 기재된 하나 이상의 구현 예에 따라, 프린지가 없는 이온 교환 처리를 거친 유리 세라믹 물품의 RNF를 사용하여 측정된 표면으로부터 샘플의 두께 내로 깊이의 함수 (X-축; micrometers 또는 ㎛)에 따른 응력 (Y-축, MPa; 압축 응력은 양수, 인장 응력은 음수)의 플롯이다;
도 13은, 여기에 나타내고 기재된 하나 이상의 구현 예에 따라, 다양한 이온 교환 처리를 거치고, 80 그릿 샌드페이퍼 (grit sandpaper)로 손상 도입 후 4점 굽힘 시험 (four point bend test)을 사용하여 시험된, 샘플 (X-축)에 대해 적용된 파괴 응력 (Y-축; MPa)의 플롯이다;
도 14a-14c는, 여기에 나타내고 기재된 하나 이상의 구현 예에 따라, 다양한 이온 교환 처리를 거친 샘플 (X-축)에 대해 파손 높이 (failure height)가 Y-축 (㎝)에 제시되는 점진적 면 낙하 시험 (progressive face drop test)의 결과의 플롯이다;
도 15a는, 85℃/85% 상대 습도 에이징 조건 (aging conditions)에 노출 전에, 전통적인 이온 교환 처리를 거친 유리 세라믹 물품의 광학 현미경 사진이다;
도 15b는, 85℃/85% 상대 습도 에이징 조건에 144시간 동안 노출 후, 도 15a의 유리 세라믹 물품의 광학 현미경 사진이다;
도 15c는, 85℃/85% 상대 습도 에이징 조건에 48시간 동안 노출 후, 여기에 나타내고 기재된 하나 이상의 구현 예에 따라, 프린지가 없는 이온 교환 처리를 거친 유리 세라믹 물품의 광학 현미경 사진이다;
도 15d는, 85℃/85% 상대 습도 에이징 조건에 144시간 동안 노출 후, 도 15c의 유리 세라믹 물품의 광학 현미경 사진이다;
도 16a는, 도 15b의 유리 세라믹 기판에서 탄소, 수소, Li2O, Na2O, Al2O3, 및 P2O5 원소 분포의 표면으로부터 샘플의 두께 내로 깊이의 함수 (X-축; micrometers 또는 ㎛)에 따른 농도 (Y-축, 산화물의 mol%)의 플롯이다;
도 16b는, 도 15d의 유리 세라믹 기판에서 탄소, 수소, Li2O, Na2O, Al2O3, 및 P2O5 원소 분포의 표면으로부터 샘플의 두께 내로 깊이의 함수 (X-축; micrometers 또는 ㎛)에 따른 농도 (Y-축, 산화물의 mol%)의 플롯이다;
도 17은, 파괴 인성을 측정하기 위한 이중 외팔보 방법에 사용되는 설정의 개략도이다;
도 18a는, 여기에 개시된 강화된 물품 중 어느 하나를 혼입하는 대표적인 전자 장치의 평면도이다; 및
도 18b는, 도 18a의 대표적인 전자 장치의 사시도이다.
도 2a 및 2b는, 전통적인 이온 교환 처리를 거친 유리 세라믹 물품에 대한 365 ㎚에서의 FSM 스펙트럼이다;
도 3은, 85℃/85% 상대 습도에 48시간 노출 후, 도 1의 원소 분포를 갖는 유리 세라믹 물품의 광학 현미경 사진이다;
도 4a는, 실시 예 A와 일치하는 유리 샘플의 표면 거칠기의 원자력 현미경 (AFM) 이미지이다;
도 4b는, 전통적인 이온 교환 처리를 거친 조성물 A로부터 형성된 유리 세라믹 물품의 표면 거칠기의 AFM 이미지이다;
도 5는, 여기에 나타내고 기재된 하나 이상의 구현 예에 따라, 프린지가 없는 이온 교환 처리 (no fringe ion exchange treatment)를 거친 유리 세라믹 물품의 365 ㎚에서의 FSM 스펙트럼이다;
도 6은, 여기에 나타내고 기재된 하나 이상의 구현 예에 따라, 프린지가 없는 이온 교환 처리를 거친 유리 세라믹 물품에 대한 표면으로부터 샘플의 두께 내로 두께의 함수 (X-축; micrometers 또는 ㎛)에 따른 지연 (좌측 Y-축, 도) 및 응력 (우측 Y-축, Mega Pascals (MPa), 여기서, 압축 응력은 양수이고, 인장 응력은 음수)의 플롯이다;
도 7은, 여기에 나타내고 기재된 하나 이상의 구현 예에 따라, 프린지가 없는 이온 교환 처리를 거친 유리 세라믹 물품에 대한 중심 장력 (X-축; MPa)과 관련이 있는 이온-교환으로부터의 치수 성장 (dimensional growth) (Y-축; 길이의 %)의 플롯이다;
도 8a-8e는, 여기에 나타내고 기재된 하나 이상의 구현 예에 따라, 단일 프린지 (single fringe) 이온 교환 처리를 거친 유리 세라믹 물품의 365 ㎚에서의 FSM 스펙트럼이다;
도 9는, 유리 세라믹 기판이 여기에 나타내고 기재된 하나 이상의 구현 예에 따라, 단일 프린지 이온 교환 처리를 거친 경우, 조성물 A로부터 형성된 유리 세라믹 기판에서의 나트륨, 리튬, 및 칼륨 원소 분포의 표면으로부터 샘플의 두께 내로 깊이의 함수 (X-축; micrometers 또는 ㎛)에 따른 농도 (Y-축, 산화물의 mol%)의 플롯이다;
도 10a-10h는, 여기에 나타내고 기재된 하나 이상의 구현 예에 따른 단일 프린지 이온 교환 처리를 거친 유리 세라믹 물품의 365 ㎚에서의 FSM 스펙트럼이다;
도 11은, 여기에 나타내고 기재된 하나 이상의 구현 예에 따라, 단일 프린지 이온 교환 처리를 거친 유리 세라믹 물품의 굴절된 근거리-장 (RNF)를 사용하여 측정된 표면으로부터 샘플의 두께 내로 깊이의 함수 (X-축; micrometers 또는 ㎛)에 따른 응력 (Y-축, MPa; 압축 응력은 양수, 인장 응력은 음수)의 플롯이다;
도 12는, 여기에 나타내고 기재된 하나 이상의 구현 예에 따라, 프린지가 없는 이온 교환 처리를 거친 유리 세라믹 물품의 RNF를 사용하여 측정된 표면으로부터 샘플의 두께 내로 깊이의 함수 (X-축; micrometers 또는 ㎛)에 따른 응력 (Y-축, MPa; 압축 응력은 양수, 인장 응력은 음수)의 플롯이다;
도 13은, 여기에 나타내고 기재된 하나 이상의 구현 예에 따라, 다양한 이온 교환 처리를 거치고, 80 그릿 샌드페이퍼 (grit sandpaper)로 손상 도입 후 4점 굽힘 시험 (four point bend test)을 사용하여 시험된, 샘플 (X-축)에 대해 적용된 파괴 응력 (Y-축; MPa)의 플롯이다;
도 14a-14c는, 여기에 나타내고 기재된 하나 이상의 구현 예에 따라, 다양한 이온 교환 처리를 거친 샘플 (X-축)에 대해 파손 높이 (failure height)가 Y-축 (㎝)에 제시되는 점진적 면 낙하 시험 (progressive face drop test)의 결과의 플롯이다;
도 15a는, 85℃/85% 상대 습도 에이징 조건 (aging conditions)에 노출 전에, 전통적인 이온 교환 처리를 거친 유리 세라믹 물품의 광학 현미경 사진이다;
도 15b는, 85℃/85% 상대 습도 에이징 조건에 144시간 동안 노출 후, 도 15a의 유리 세라믹 물품의 광학 현미경 사진이다;
도 15c는, 85℃/85% 상대 습도 에이징 조건에 48시간 동안 노출 후, 여기에 나타내고 기재된 하나 이상의 구현 예에 따라, 프린지가 없는 이온 교환 처리를 거친 유리 세라믹 물품의 광학 현미경 사진이다;
도 15d는, 85℃/85% 상대 습도 에이징 조건에 144시간 동안 노출 후, 도 15c의 유리 세라믹 물품의 광학 현미경 사진이다;
도 16a는, 도 15b의 유리 세라믹 기판에서 탄소, 수소, Li2O, Na2O, Al2O3, 및 P2O5 원소 분포의 표면으로부터 샘플의 두께 내로 깊이의 함수 (X-축; micrometers 또는 ㎛)에 따른 농도 (Y-축, 산화물의 mol%)의 플롯이다;
도 16b는, 도 15d의 유리 세라믹 기판에서 탄소, 수소, Li2O, Na2O, Al2O3, 및 P2O5 원소 분포의 표면으로부터 샘플의 두께 내로 깊이의 함수 (X-축; micrometers 또는 ㎛)에 따른 농도 (Y-축, 산화물의 mol%)의 플롯이다;
도 17은, 파괴 인성을 측정하기 위한 이중 외팔보 방법에 사용되는 설정의 개략도이다;
도 18a는, 여기에 개시된 강화된 물품 중 어느 하나를 혼입하는 대표적인 전자 장치의 평면도이다; 및
도 18b는, 도 18a의 대표적인 전자 장치의 사시도이다.
이하 언급은, 다양한 구현 예에 대한 상세하게 이루어질 것이며, 이의 실시 예는 수반되는 도면에 예시된다. 가능한 한, 도면 전체에 걸쳐 동일하거나 유사한 부분을 지칭하는데 동일한 참조 번호는 사용될 것이다.
정의 및 측정 기술
범위는 "약" 하나의 특정 값으로부터, 및/또는 "약" 또 다른 특정 값으로 여기에서 표현될 수 있다. 이러한 범위가 표현된 경우, 또 다른 구현 예들은 하나의 특정 값으로부터 및/또는 다른 특정 값까지를 포함한다. 유사하게, 선행사 "약"의 사용에 의해, 값이 근사치로 표현된 경우, 특정 값이 또 또 다른 관점을 형성하는 것으로 이해될 것이다. 상기 범위의 각각의 말단 점은 다른 말단 점과 관련하여, 그리고 다른 말단 점에 독립적으로, 모두 의미 있는 것으로 더욱 이해될 것이다. 이러한 범위가 표현된 경우, 구현 예들은 하나의 특정 값으로부터 및/또는 다른 특정 값까지를 포함한다. 유사하게, 선행사 "약"의 사용에 의해, 값이 근사치로 표현된 경우, 특정 값이 또 다른 관점을 형성하는 것으로 이해될 것이다. 본 명세서에서 범위의 수치 값 또는 말단 점이 "약"을 언급하는지의 여부에 관계없이, 범위의 수치 값 또는 말단 점은 2개의 구현 예들: "약"에 의해 변경되는 하나, 및 "약"에 의해 변경되지 않는 다른 하나를 포함하는 것으로 의도된다. 각각의 범위의 말단 점은 다른 말단 점과 관련하여, 그리고 다른 말단 점과 무관하게, 모두 의미있는 것으로 더욱 이해될 것이다.
여기에서 사용된 바와 같은, 용어 "실질적인", "실질적으로", 및 이들의 변형은, 기재된 특색이 값 또는 설명과 동일하거나 거의 동일하다는 것을 나타내기 위한 것으로 의도된다. 예를 들어, "실질적으로 평면인" 표면은, 평면 또는 거의 평면인 표면을 나타내는 것으로 의도된다. 게다가, "실질적으로 유사한"은, 위에서 정의된 바와 같이, 2개의 값이 동일하거나 거의 동일하다는 것을 나타내는 것으로 의도된다. 몇몇 구현 예에서, "실질적으로 유사한"은, 예를 들어, 서로의 약 5% 이내, 또는 서로 약 2% 이내와 같이, 서로의 약 10% 이내의 값을 나타낼 수 있다.
여기에 사용된 바와 같은 방향 용어 - 예를 들어, 위, 아래, 우측, 좌측, 앞, 뒤, 상부, 하부 -는 오직 도시된 대로의 도면들을 참조하여 만들어진 것이고, 절대 방향을 의미하는 것으로 의도되지 않는다.
모든 개시된 범위는, 각 범위에 포함된 임의의 및 모든 서브범위 또는 임의의 및 모든 개별 값을 인용하는 청구 범위를 포괄하고, 뒷받침을 제공하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 1 내지 10의 명시된 범위는, 1의 최소 값과 10의 최대 값 사이 및/또는 이를 포함하는 임의의 및 모든 서브범위 또는 개별 값; 즉, 1 이상의 최소 값으로 시작하고, 10 이하의 최대 값으로 끝나는 모든 서브범위 (예를 들어, 5.5 내지 10, 2.34 내지 3.56, 등) 또는 1 내지 10의 임의의 값 (예를 들어, 3, 5.8, 9.9994, 등)을 인용하는 청구 범위를 포함하고, 뒷받침을 제공하는 것으로 이해되어야 한다.
여기서 사용된 바와 같은, "압축의 깊이" 또는 "DOC"는, 압축 응력 (CS) 층의 깊이를 지칭하며, 유리 세라믹 물품 내에 응력이 압축 응력으로부터 인장 응력으로 변화되고, 0의 응력 값을 갖는 깊이이다. 여기서, 압축 응력은 양 (>0)의 응력으로 표현되고, 인장 응력은 음 (<0)의 응력으로 표현된다. 그러나, 본 상세한 설명 전반에 걸쳐, 그리고 별도로 언급되지 않는 한, 인장 응력 및 압축 응력에 대한 수치 값은 양수 또는 절대 값으로 표시된다. DOC는, 이온 교환 처리에 따라 FSM 또는 산란광 편광기 (SCALP)에 의해 측정될 수 있다. 칼륨 이온을 유리 물품 내로 교환시켜 유리 물품 내에 응력이 발생되는 경우, FSM은 DOC를 측정하는데 사용된다. 나트륨 이온을 유리 물품 내로 교환시켜 응력이 발생되는 경우, SCALP는 DOC를 측정하는데 사용된다. 칼륨 및 나트륨 이온 모두를 유리 내로 교환시켜 유리 물품 내에 응력이 발생되는 경우, DOC는 SCALP에 의해 측정되는데, 이는 나트륨의 교환 깊이가 DOC를 나타내고, 칼륨 이온의 교환 깊이가 압축 응력의 크기에서 변화 (그러나, 압축에서 인장으로의 응력에서 변화가 아님)를 나타내는 것으로 믿어지기 때문이며; 이러한 유리 물품에서 칼륨 이온의 교환 깊이는 FSM에 의해 측정된다.
여기에 기재된 다양한 측정, 특히, 압축 응력은, Orihara Industrial Co., Ltd. (일본)에 의해 제작된, 상업적으로 이용 가능한 기구, 예를 들어, FSM-6000을 사용하는 표면 응력계 (FSM)에 의해 측정된다. 여기에서 더욱 상세히 논의되는 바와 같은, 표면 응력 측정은, 유리-세라믹의 복굴절과 관련된, 응력 광학 계수 (SOC)의 정확한 측정에 의존한다. SOC는, 결과적으로, 명칭이 "Standard Test Method for Measurement of Glass Stress-Optical Coefficient"인, ASTM 표준 C770-16에 기재되며, 이의 전체적인 내용이 참조로서 여기에 병합된, 절차 C (Glass Disc Method)에 따라 측정된다. 저-굴절률 층이 형성된 경우, 그 다음, 표면 압축 응력 (및 저-굴절률 층의 압축 응력)은, 프리즘 커플링 측정 (prism coupling measurement)에서 저-굴절률 층의 제1 투과 (커플링) 공진 (transmission (coupling) resonance)의 복굴절에 의해 측정되고, 제1 및 제2 투과 공진 사이에 간격 또는 제1 투과 공진의 폭에 의해 저-굴절률 층의 층의 깊이를 측정한다.
니 (knee) 근처로부터 최대 CT까지의 응력 프로파일의 그래픽 표현 (graphical representation)은, 명칭이 "Systems and methods for measuring a profile characteristic of a glass sample"이고, 이의 전체적인 내용이 참조로서 여기에 병합된, 미국 특허 제8,854,623호에 기재된 굴절된 근거리-장 (RNF) 방법에 의해 유도될 수 있다. RNF 그래픽 표현은, 힘 균형을 이루고, SCALP 측정에 의해 제공된 최대 중심 장력 (또한 피크 중심 장력이라고도 함) 값으로 보정된다. 특히, RNF 방법은, 기준 블록 (reference block)에 인접하게 유리 물품을 배치하는 단계, 1 Hz 내지 50 Hz의 속도로 직교 편광들 (orthogonal polarizations) 사이에서 전환되는 편광-전환된 광 빔을 발생시키는 단계, 상기 편광-전환된 광 빔에서 파워 (power)의 양을 측정하는 단계 및 편광-전환된 기준 신호를 발생시키는 단계를 포함하고, 여기서, 각각의 직교 편광들에서 측정된 파워의 양은 서로 50% 이내이다. 상기 방법은, 유리 샘플 내로 다른 깊이에 대한 기준 블록 및 유리 샘플을 통해 편광-전환된 광 빔을 투과시키는 단계, 그 다음, 상기 투과된 편광-전환된 광 빔을 릴레이 광학 시스템 (relay optical system)을 사용하여 신호 광검출기로 릴레이시키는 단계, 상기 신호 광검출기로, 편광-전환된 검출기 신호를 발생시키는 단계를 더욱 포함한다. 상기 방법은 또한 상기 검출기 신호를 기준 신호로 분할하여 정규화된 검출기 신호를 형성하는 단계 및 상기 정규화된 검출기 신호로부터 유리 샘플의 프로파일 특징을 결정하는 단계를 포함한다.
응력 프로파일의 그래픽 표현은, RNF, SCALP, 및 FSM의 조합을 사용하여 유도될 수 있다. FSM은, 표면 근처의 응력 프로파일 부분의 그래픽 표현을 유도하는데 사용되는 반면, RNF는, 응력 프로파일의 인장 응력 부분을 통해 그리고 니 (knee)의 깊이를 넘어서는 응력 프로파일 부분의 형상의 그래픽 표현을 유도하는데 SCALP와 함께 사용된다. FSM, RNF 및 SCALP로부터 유도된 부분은, 다음과 같이 전체 응력 프로필의 표현을 제공하기 위해 함께 스티칭된다 (stitched). RNF는, 힘 균형을 이루고, SCALP 중심 장력에 일치하도록 보정된다. 힘 균형은, 표현의 중립 축 위에 압축-응력 구역과 표현의 중립 축 아래에 인장-응력 구역을 일치하도록 중립 축을 이동시켜 수행된다. 힘 균형을 이루고, RNF를 보정한 후, FSM으로부터 얻은 표면 스파이크 표현은, 프로파일의 RNF 표현 내로 겹쳐 이어서, RNF 표현의 해당 부분을 대체한다. 힘-균형을 이루고, SCALP 중심 장력에 대해 보정하며, 및 겹쳐 잇는 공정은, 집합점 (convergence)에 도달될 때까지 반복된다, 즉, 공정의 추가 반복으로 프로파일의 표현은 실질적으로 변경되지 않는다. 적절하고 필요한 경우, 표준 평활화 기술 (standard smoothing techniques)은, 측정 노이즈를 제거하기 위해 사용될 수 있다.
유리 내에 다양한 구성 성분, 예를 들어, 알칼리 구성 성분의 농도 프로파일은, 전자 프로브 미세분석 (electron probe microanalysis: EPMA)에 의해 측정된다. EPMA는, 예를 들어, 유리 내로 알칼리 이온의 이온 교환으로 인한 유리 내에 압축 응력을 판별하는데 활용될 수 있다. 몇몇 구현 예에서, 평균 표면 농도 수준 (예를 들어, 유리의 표면으로부터 처음 100 nm 이내)은, 글로우 방전 광학 방출 분광법 (GdOES)을 사용하여 측정된다.
파괴 인성 측정은, 이중 외팔보 (DCB) 방법을 사용하여 수행된다. DCB 시편 기하학적 구조는, 균열 길이 (a), 적용된 하중 (applied load) (P), 단-면 치수 (w 및 2h), 및 균열-안내 홈의 두께 (b)인 주요 파라미터와 함께 도 17에 나타낸다. 시험될 것과 동일한 조성물로 형성되었지만, 이온-교환을 거치지 않은, 샘플은, 샘플의 전체 길이를 5 ㎝ 내지 10 ㎝로 다양하게 하여, 유리를 2h = 1.25 centimeters (㎝)의 폭 및 w = 0.3 millimeters (㎜) 내지 1 ㎜의 두께 범위의 직사각형으로 절단시켜 준비된다. 각 유리 샘플은, 샘플 홀더 및 하중에 샘플을 부착하는 수단을 제공하기 위해 다이아몬드 드릴 (diamond drill)로 양쪽 말단에 천공된 구멍을 갖는다. 균열 "안내 홈" (b)은, 다이아몬드 블레이드를 갖는 웨이퍼 다이싱 쏘 (wafer dicing saw)를 사용하여 평평한 양쪽 겉면들 (flat faces) 상에 샘플의 길이를 잘라내어, 블레이드 두께 또는 커프 (kerf)인 180 ㎛의 높이로, 총 플레이트 두께의 대략 절반인 (도 17의 b), 물질의 "웨브 (web)"를 남긴다. 다이싱 쏘의 고정밀 치수 공차는, 샘플 간 변동을 최소화시킨다. 다이싱 쏘는 또한 a = 15 ㎜의 초기 균열을 절단하는데 사용되며, 이는 (블레이드 곡률로 인해) 균열 팁 근처에 물질의 매우 얇은 웨지 (wedge)를 생성하여, 샘플에서 더 쉬운 균열 개시 (crack initiation)를 가능하게 한다.
균열-안내 홈 (b)은, 평면 내에 균열을 유지하고, 균열 평면으로부터의 성장을 방지한다. 샘플은, 강철 와이어를 사용하여 샘플의 하부 구멍을 연결하여 금속 샘플 홀더에 장착된다. 샘플은 또한, 낮은 로딩 조건 (low loading conditions) 하에서 샘플 수준을 유지하기 위해 반대 말단 상에 지지된다. 로드 셀 (FUTEK, LSB200)과 직렬로 연결된 스프링은, 그 다음 연장된 상부 구멍에 연결되어, 로프 (rope) 및 고정밀 슬라이드를 사용하여, 하중을 점차적으로 적용한다. 균열은, 디지털 카메라 및 컴퓨터에 부착된 현미경 (5-10 ㎛ 해상도)을 사용하여 모니터링된다.
치수 파라미터에 대한 엄격한 공차를 유지시켜, 적용된 응력 강도 (KP)는, 도 17에 나타낸 입력 파라미터와 함께 하기 수학식 1을 사용하여 계산된다:
[수학식 1]
각 샘플에 대해, 웨브의 팁에서 균열이 시작된 다음, 시동기 균열 (starter crack)은, 응력 강도를 정확하게 계산하기 위해 수학식 1에 사용된, 치수 a/h의 비가 1.5를 초과할 때까지, 신중하게 준-임계적으로 (sub-critically) 성장된다. 이 지점에서, 균열 길이 (a)는, 5 ㎛ 해상도를 갖는 이동 현미경을 사용하여 측정되고, 기록된다. 한 방울의 톨루엔은 그 다음 균열 홈 내로 떨어뜨리고, 모세관력 (capillary forces)에 의해 홈의 전체 길이를 따라 이동되어, 파괴 인성에 부하가 걸리지 않는다면, 움직임으로부터 균열을 핀으로 고정시킨다. 톨루엔, 중질 광유, 실리콘 오일, 및 기타 유기물은, 대기 중 물 (atmospheric water)과 유리 표면 사이에 배리어 (barrier)로 역할을 하며, 준-임계 균열 성장을 방지한다. 하중은 그 다음 샘플 파괴가 발생할 때까지 증가되고, 임계 응력 강도는, 파손 하중 및 샘플 치수로부터 계산된다. 모든 샘플은, 정확한 샘플 치수가 K 계산에 사용되었는지를 보장하기 위해 광학 현미경을 사용하여 시험-후 측정된다. 이온-교환된 샘플의 파괴 인성이 시험되는 경우, 전술된 바와 같은 측정은, 시험될 샘플와 동일한 조성물을 가지고 있지만, 시험될 샘플이 이온-교환을 거치기 전의 샘플에 대해 수행된다.
용어 "로부터 형성된"은, 하나 이상을 포함하거나, 필수적으로 이루어지거나, 또는 이루어진 것을 의미할 수 있다. 예를 들어, 특정 물질로부터 형성된 구성요소는, 특정 물질을 포함하거나, 특정 물질로 필수적으로 이루어지거나, 또는 특정 물질로 이루어질 수 있다.
유리 세라믹 물품의 일반 개요
다양한 구현 예의 유리 세라믹 물품은, 1차 결정질 상으로서 페탈라이트 및 리튬 디실리케이트를 포함하고, 선택적으로 리튬 알루미노실리케이트 (LAS) 결정상을 더욱 포함할 수 있다. 유리 세라믹 물품은, 10 mol% 이하의 나트륨 함량을 갖는 표면층을 포함한다. 이온 교환 처리 후, 여기에 기재된 유리 세라믹 물품은, 증가된 저장 에너지 (중심 장력), 증가된 파괴 인성을 나타내며, 쉽게-깨지지 않는다.
페탈라이트 (LiAlSi4O10)는, Li 및 Al 사면체로 연결된 접힌 Si2O5 층을 갖는 층상 구조를 갖는 3-차원 골격 구조를 보유하는 단사정 결정 (monoclinic crystal)이다. Li는 산소와 사면체 배위 (tetrahedral coordination)를 이룬다. 페탈라이트는, 리튬 공급원이며, 유리 세라믹 또는 세라믹 부품의 열 다운쇼크 저항성 (thermal downshock resistance)을 개선하기 위해 낮은 열팽창 상 (low thermal expansion phase)으로 사용된다. 리튬 디실리케이트 (Li2Si2O5)는, {Si2O5} 사면체 배열의 파형판 (corrugated sheets)에 기초한 사방정계 결정이다. 결정은 통상적으로 뚜렷한 벽개면 (cleavage planes)을 갖는, 판-형 또는 욋가지-형 (lath-like) 형상이다. 리튬 디실리케이트에 기초한 유리 세라믹은, 무작위로-배향된 인터로킹된 결정 (interlocked crystals)의 이들의 미세구조로 인하여, 높은 몸체 강도 및 파괴 인성을 포함하는, 매우 바람직한 기계적 특성을 갖는다. 이러한 결정 구조는, 인터로킹된 결정 주변의 구불구불한 경로를 통해 균열이 물질을 통하여 전파되도록 하여 강도와 파괴 인성을 개선시킨다.
리튬 디실리케이트 유리 세라믹은, 2개의 광범위한 계열이 있다. 제1 그룹은 세리아 및 귀금속, 예를 들어, 은으로 도핑된 것들을 포함한다. 이들은 UV 광을 통해 감광성적으로 핵형성될 (photosensitively nucleated) 수 있고, 이후 열-처리되어 강한 유리 세라믹, 예를 들어, Fotoceram®을 생성할 수 있다. 리튬 디실리케이트 유리 세라믹의 제2 계열은, P2O5의 첨가에 의해 핵형성되고, 여기서, 핵형성 상은 Li3PO4이다. P2O5-핵형성된 리튬 디실리케이트 유리 세라믹은, 고-온 밀봉 물질, 컴퓨터 하드 드라이브용 디스크, 투명한 방호구 (transparent armor), 및 치과용 적용들과 같은 다양한 적용을 위해 개발되었다.
여기에 기재된 유리 및 유리 세라믹은, 일반적으로 리튬-함유 알루미노실리케이트 유리 또는 유리 세라믹으로 설명될 수 있고, SiO2, Al2O3, 및 Li2O를 포함한다. SiO2, Al2O3, 및 Li2O에 부가하여, 여기에서 구현된 유리 및 유리 세라믹은, 알칼리 산화물, 예를 들어, Na2O, K2O, Rb2O, 또는 Cs2O, 뿐만 아니라 P2O5 및 ZrO2, 및 이하 기재된 바와 같은 다수의 기타 성분을 더욱 함유할 수 있다. 하나 이상의 구현 예에서, 결정질 상은 페탈라이트 및 리튬 디실리케이트를 포함하지만, β-스포듀멘 고용체, β-석영, 메타실리케이트, 인산 리튬, 및 지르코늄도 또한 전구체 유리의 조성물에 따라 존재할 수 있다. 몇몇 구현 예에서, 유리 세라믹 조성물은, XRD 스펙트럼의 리트벨트 분석 (Rietveld analysis)에 따라 결정된 것으로, 1 내지 30 wt%, 1 내지 25 wt%, 1 내지 20 wt%, 1 내지 15 wt%, 1 내지 10 wt%, 1 내지 5 wt%, 5 내지 30 wt%, 5 내지 25 wt%, 5 내지 20 wt%, 5 내지 15 wt%, 5 내지 10 wt%, 10 내지 30 wt%, 10 내지 25 wt%, 10 내지 20 wt%, 10 내지 15 wt%, 15 내지 30 wt%, 15 내지 25 wt%, 15 내지 20 wt%, 20 내지 30 wt%, 20 내지 25 wt%, 또는 25 내지 30 wt%의 잔류 유리 (residual glass) 함량을 갖는다. 잔류 유리 함량은 전술한 말단 값들 중 어느 하나 및 모두로부터 형성된 서브-범위 내에 있을 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 몇몇 구현 예에서, 유리 세라믹 물품은, 70 내지 99 wt%, 70 내지 95 wt%, 70 내지 90 wt%, 70 내지 85 wt%, 70 내지 80 wt%, 70 내지 75 wt%, 75 내지 99 wt%, 75 내지 95 wt%, 75 내지 90 wt%, 75 내지 85 wt%, 75 내지 80 wt%, 80 내지 99 wt%, 80 내지 95 wt%, 80 내지 90 wt%, 80 내지 85 wt%, 85 내지 99 wt%, 85 내지 95 wt%, 85 내지 90 wt%, 90 내지 99 wt%, 90 내지 95 wt%, 또는 95 내지 99 wt%의 결정질 상을 갖는다.
SiO2는, 주된 유리 형성제 (glass former)이며, 유리 및 유리 세라믹의 네트워킹 구조 (networking structure)를 안정화시키는 기능을 할 수 있다. 몇몇 구현 예에서, 유리 또는 유리 세라믹 조성물은, 55 내지 80 mol%의 SiO2를 포함한다. 몇몇 구현 예에서, 유리 또는 유리 세라믹 조성물은, 60 내지 72 mol% SiO2를 포함한다. 몇몇 구현 예에서, 유리 또는 유리 세라믹 조성물은, 55 내지 80 mol%, 55 내지 77 mol%, 55 내지 75 mol%, 55 내지 73 mol%, 60 내지 80 mol%, 60 내지 77 mol%, 60 내지 75 mol%, 60 내지 73 mol%, 60 내지 72 mol%의 SiO2, 또는 이들 말단 값 중 어느 하나로부터 형성된 임의의 및 모든 서브-범위를 포함할 수 있다.
SiO2의 농도는, 전구체 유리가 유리 세라믹으로 전환되기 위해 열처리되는 경우, 페탈라이트 결정상을 형성하기 위해 충분히 높아야 한다 (55 mol% 초과). 다시 말하면, SiO2 농도는, 리튬 실리케이트와 페탈라이트 상들을 모두 산출하도록 만큼 충분히 높아야 한다. 순수한 SiO2 또는 고-SiO2 유리의 용융 온도가 바람직하지 않게 높기 때문에, SiO2의 양은, 용융 온도 (200 poise 온도)를 제어하기 위해 제한될 수 있다.
SiO2와 마찬가지로, Al2O3는 또한 네트워크에 안정화를 제공할 수 있으며, 또한 개선된 기계적 특성 및 화학적 내구성을 제공한다. 그러나, Al2O3의 양이 너무 많으면, 리튬 실리케이트 결정의 분율 (fraction)은, 아마도 인터로킹 구조가 형성되지 않을 수 있을 정도로, 감소될 수 있다. Al2O3의 양은, 점도를 제어하기 위해 조정될 수 있다. 더욱이, Al2O3의 양이 너무 많으면, 용융물의 점도는 또한 일반적으로 증가된다. 몇몇 구현 예에서, 유리 또는 유리 세라믹 조성물은, 0 내지 6 mol%의 Al2O3를 포함할 수 있다. 몇몇 구현 예에서, 유리 또는 유리 세라믹 조성물은, 0 내지 6 mol%, 0 내지 5 mol%, 0 내지 4 mol%, 0 내지 3 mol%, 0 내지 2 mol%, 0 내지 1 mol%, 0 초과 내지 6 mol%, 0 초과 내지 5 mol%, 0 초과 내지 4 mol%, 0 초과 내지 3 mol%, 0 초과 내지 2 mol%, 0 초과 내지 1 mol%, 0.5 내지 6 mol%, 0.5 내지 5 mol%, 0.5 내지 4 mol%, 0.5 내지 3 mol%, 0.5 내지 2 mol%, 0.5 내지 1 mol%, 1 내지 6 mol%, 1 내지 5 mol%, 1 내지 4 mol%, 1 내지 3 mol%, 1 내지 2 mol%, 2 내지 6 mol%, 2 내지 5 mol%, 2 내지 4 mol%, 2 내지 3 mol%, 3 내지 6 mol%, 3 내지 5 mol%, 3 내지 4 mol%, 4 내지 6 mol%, 4 내지 5 mol%, 또는 5 내지 6 mol%의 Al2O3, 또는 이들 말단 값 중 어느 하나로부터 형성된 임의의 및 모든 서브-범위를 포함할 수 있다.
여기에 기재된 유리 및 유리 세라믹에서, Li2O는, 페탈라이트 및 리튬 실리케이트 결정상들 모두를 형성하는데 도움을 준다. 지배적인 결정상으로 페탈라이트 및 리튬 실리케이트를 얻기 위해, 조성물은, 14 mol% 이상의 Li2O를 갖는 것이 바람직하다. 그러나, Li2O의 농도가 너무 높으면 - 36 mol% 초과 -, 조성물은, 매우 유동적이 되고, 전달 점도 (delivery viscosity)는 충분히 낮아 시트가 형성될 수 없다. 몇몇 구현된 조성물에서, 유리 또는 유리 세라믹은, 20 mol% 내지 32 mol%의 Li2O를 포함할 수 있다. 몇몇 구현 예에서, 유리 또는 유리 세라믹 조성물은, 20 내지 32 mol%, 20 내지 30 mol%, 20 내지 28 mol%, 20 내지 26 mol%, 20 내지 24 mol%, 22 내지 32 mol%, 22 내지 30 mol%, 22 내지 28 mol%, 22 내지 26 mol%, 22 내지 24 mol%, 24 내지 32 mol%, 24 내지 30 mol%, 24 내지 28 mol%, 24 내지 26 mol%, 26 내지 32 mol%, 26 내지 30 mol%, 26 내지 28 mol%, 28 내지 32 mol%, 28 내지 30 mol%, 또는 30 내지 32 mol%의 Li2O, 또는 이들 말단 값 중 어느 하나로부터 형성된 임의의 및 모든 서브-범위를 포함할 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, Li2O는 일반적으로 구현된 유리 세라믹을 형성하는데 유용하지만, 다른 알칼리 산화물 (예를 들어, K2O 및 Na2O)은, 유리 세라믹 형성을 감소시키고, 세라믹 상이 아닌 유리 세라믹 내에 알루미노실리케이트 잔류 유리를 형성하는 경향이 있다. 10 mol%를 초과하는 Na2O 또는 K2O, 또는 이들의 조합은, 바람직하지 않은 양의 잔류 유리로 이어져, 결정화 동안 변형 및 기계적 특성 관점에서 바람직하지 않은 미세구조로 이어질 수 있는 것으로 확인되었다. 부가적으로, 10 mol%를 초과하는 Na2O 수준은, 표면을 표면밑 수화에 민감하게 만들 수 있어, 이로 인해 표면 상에 탄산나트륨 결정의 성장을 결과할 수 있다. 이러한 탄산나트륨 결정은, 궁극적으로, 유리 세라믹에 표면 헤이즈 (surface haze)를 생성할 수 있다. 그러나, 5 mol% 아래의 수준은, 이온 교환에 유리할 수 있어, 더 높은 표면 압축 및/또는 계측 (metrology)을 가능하게 한다. 일반적으로, 여기에 기재된 조성물은, 적은 양의 비-리튬 알칼리 산화물을 갖는다. 몇몇 구현 예에서, 유리 또는 유리 세라믹 조성물은, 0 내지 5 mol%의 R2O를 포함할 수 있고, 여기서, R은 알칼리 양이온 Na 및 K 중 하나 이상이다. 몇몇 구현 예에서, 유리 또는 유리 세라믹 조성물은, 1 내지 4 mol%의 R2O를 포함할 수 있고, 여기서, R은 알칼리 양이온 Na 및 K 중 하나 이상이다. 몇몇 구현 예에서, 유리 또는 유리 세라믹 조성물은, 0 내지 5 mol%, 0 내지 4 mol%, 0 내지 3 mol%, 0 내지 2 mol%, 0 내지 1 mol%, >0 내지 5 mol%, >0 내지 4 mol%, >0 내지 3 mol%, >0 내지 2 mol%, >0 내지 1 mol%, 1 내지 5 mol%, 1 내지 4 mol%, 1 내지 3 mol%, 1 내지 2 mol%, 2 내지 5 mol%, 2 내지 4 mol%, 2 내지 3 mol%, 3 내지 5 mol%, 3 내지 4 mol%, 또는 4 내지 5 mol% Na2O, K2O, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. R2O 농도는, 전술한 말단 값들 중 어느 하나 및 모두로부터 형성된 서브-범위 내에 있을 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
유리 및 유리 세라믹 조성물은, P2O5를 포함할 수 있다. P2O5는, 유리 및 유리 세라믹 조성물로부터 결정질 상(들)의 벌크 핵형성 (bulk nucleation)을 생성하는 핵형성제 (nucleating agent)로 기능을 할 수 있다. P2O5의 농도가 너무 낮으면, 전구체 유리는, (더 낮은 점도로 인해) 더 높은 온도에서만, 결정화된다; 그러나, P2O5의 농도가 너무 높으면, 전구체 유리 형성 동안에 냉각시 실투 (devitrification)는, 제어하기 어려울 수 있다. 구현 예는 >0 내지 3 mol%의 P2O5를 포함할 수 있다. 다른 구현 예는, 0.7 내지 2.2 mol%의 P2O5를 포함할 수 있다. 구현된 조성물은, >0 내지 3 mol%, >0 내지 2.5 mol%, >0 내지 2.2 mol%, >0 내지 2 mol%, >0 내지 1.5 mol%, >0 내지 1.2 mol%, >0 내지 1 mol%, 0.7 내지 3 mol%, 0.7 내지 2.5 mol%, 0.7 내지 2.2 mol%, 0.7 내지 2 mol%, 0.7 내지 1.5 mol%, 0.7 내지 1.2 mol%, 0.7 내지 1 mol%, 1 내지 3 mol%, 1 내지 2.5 mol%, 1 내지 2.2 mol%, 1 내지 2 mol%, 1 내지 1.5 mol%, 1 내지 1.2 mol%, 1.2 내지 3 mol%, 1.2 내지 2.5 mol%, 1.2 내지 2.2 mol%, 1.2 내지 2 mol%, 1.5 내지 3 mol%, 1.5 내지 2.5 mol%, 1.5 내지 2 mol%, 2 내지 3 mol%, 2 내지 2.5 mol%, 2.2 내지 3 mol%, 2.5 내지 3 mol%의 P2O5, 또는 이들 말단 값 중 어느 하나로부터 형성된 임의의 및 모든 서브-범위를 포함할 수 있다.
여기에 기재된 유리 및 유리 세라믹에서, ZrO2의 첨가는, 형성 동안 유리 실투를 현저히 감소시키고, 액상선 온도를 낮추어 Li2O-Al2O3-SiO2-P2O5 유리의 안정성을 개선시킬 수 있다. 4 mol%를 초과하는 농도에서, ZrO2는 고온에서 주된 액상선 상 (liquidus phase)을 형성할 수 있어, 이는 액상선 점도를 현저히 낮춘다. 투명한 유리는 유리가 1 mol%를 초과하여 ZrO2를 함유할 때 형성될 수 있다. ZrO2의 첨가는 또한, 투명한 유리-세라믹의 형성을 돕는, 페탈라이트 결정립 크기를 줄일 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 유리 또는 유리 세라믹 조성물은, 1.7 내지 4.5 mol%의 ZrO2를 포함할 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 유리 또는 유리 세라믹 조성물은, 2 내지 4 mol%의 ZrO2를 포함할 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 유리 또는 유리 세라믹 조성물은, 1.7 내지 4.5 mol%, 1.7 내지 4 mol%, 1.7 내지 3.5 mol%, 1.7 내지 3 mol%, 1.7 내지 2.5 mol%, 1.7 내지 2 mol%, 2 내지 4.5 mol%, 2 내지 4 mol%, 2 내지 3.5 mol%, 2 내지 3 mol%, 2 내지 2.5 mol%, 2.5 내지 4.5 mol%, 2.5 내지 4 mol%, 2.5 내지 3.5 mol%, 2.5 내지 3 mol%, 3 내지 4.5 mol%, 3 내지 4 mol%, 3 내지 3.5 mol%, 3.5 내지 4.5 mol%, 3.5 내지 4 mol%, 4 내지 4.5 mol%의 ZrO2, 또는 이들 말단 값 중 어느 하나로부터 형성된 임의의 및 모든 서브-범위를 포함할 수 있다.
B2O3는 전구체 유리의 용융 온도를 낮춘다. 다군다나, 전구체 유리, 따라서, 유리-세라믹에 B2O3의 첨가는, 인터로킹 결정 미세구조를 달성하는 것을 돕고, 또한 유리 세라믹의 내손상성을 개선할 수 있다. 잔류 유리에서 붕소가 알칼리 산화물 또는 2가 양이온 산화물 (예를 들어, MgO, CaO, SrO, BaO, 및 ZnO)에 의해 전하가 균형을 이루지 않을 때, 이것은, 유리의 구조를 개방하는, 삼각-배위 상태 (trigonal-coordination state) (또는 3-배위 붕소)가 될 것이다. 이러한 3-배위 붕소 주위의 네트워크는, 사면체 배위된 (또는 4-배위) 붕소만큼 단단하지 않다. 이론에 구애됨이 없이, 3-배위 붕소를 포함하는 전구체 유리 및 유리 세라믹은, 4-배위 붕소에 비해 균열 형성 전에 어느 정도의 변형을 허용할 수 있는 것으로 믿어진다. 약간의 변형을 허용하여, 비커스 압입 균열 개시 임계값 (Vickers indentation crack initiation threshold values)은 증가된다. 3-배위 붕소를 포함하는 전구체 유리 및 유리 세라믹의 파괴 인성은 또한 증가될 수 있다. 이론에 구애됨이 없이, 유리 세라믹 (및 전구체 유리)의 잔류 유리에 붕소의 존재는, 잔류 유리 (또는 전구체 유리)의 점도를 낮추고, 이는 리튬 실리케이트 결정, 특히 높은 종횡비 (aspect ratio)를 갖는 큰 결정의 성장을 촉진하는 것으로 믿어진다. (4-배위 붕소에 비해) 더 많은 양의 3-배위 붕소는, 더 큰 비커스 압입 균열 개시 하중을 나타내는 유리 세라믹을 결과하는 것으로 믿어진다. (총 B2O3의 퍼센트로서) 3-배위 붕소의 양은, 약 40% 이상, 50% 이상, 75% 이상, 약 85% 이상 또는 심지어 약 95% 이상일 수 있다. 일반적으로 붕소의 양은, 세라믹화된 벌크 유리 세라믹의 화학적 내구성 및 기계적 강도를 유지하기 위해 제어되어야 한다. 다시 말하면, 붕소의 양은, 화학적 내구성 및 기계적 강도를 유지하기 위해서 5 mol% 미만으로 제한되어야 한다.
하나 이상의 구현 예에서, 여기에서의 유리 및 유리 세라믹은, 0 내지 2 mol%의 B2O3를 포함할 수 있다. 몇몇 구현 예에서, 유리 또는 유리 세라믹 조성물은, 0 내지 2 mol%, 0 내지 1.5 mol%, 0 내지 1 mol%, 0 내지 0.5 mol%, >0 내지 2 mol%, >0 내지 1.5 mol%, >0 내지 1 mol%, >0 내지 0.5 mol%, 0.5 내지 2 mol%, 0.5 내지 1.5 mol%, 0.5 내지 1 mol%, 1 내지 2 mol%, 1 내지 1.5 mol%, 1.5 내지 2 mol%의 B2O3, 또는 이들 말단 값 중 어느 하나로부터 형성된 임의의 및 모든 서브-범위를 포함할 수 있다.
MgO는 부분 고용체에서 페탈라이트 결정에 들어갈 수 있다. 하나 이상의 구현 예에서, 여기에 기재된 유리 및 유리 세라믹은, 0 내지 1 mol%, 0 내지 0.75 mol%, 0 내지 0.5 mol%, 0 내지 0.25 mol%, >0 내지 1 mol%, >0 내지 0.75 mol%, >0 내지 0.5 mol%, >0 내지 0.25 mol%, 0.25 내지 1 mol%, 0.25 내지 0.75 mol%, 0.25 내지 0.5 mol%, 0.5 내지 1 mol%, 0.5 내지 0.75 mol%, 0.75 내지 1 mol%의 MgO, 또는 이들 말단 값 중 어느 하나로부터 형성된 임의의 및 모든 서브-범위를 포함할 수 있다.
ZnO는, 부분 고용체에서 페탈라이트 결정에 들어갈 수 있다. 하나 이상의 구현 예에서, 여기에서의 유리 및 유리 세라믹은, 0 내지 1 mol%의 ZnO를 포함할 수 있다. 하나 이상의 구현 예에서, 여기에 기재된 유리 및 유리 세라믹은, 0 내지 1 mol%, 0 내지 0.75 mol%, 0 내지 0.5 mol%, 0 내지 0.25 mol%, >0 내지 1 mol%, >0 내지 0.75 mol%, >0 내지 0.5 mol%, >0 내지 0.25 mol%, 0.25 내지 1 mol%, 0.25 내지 0.75 mol%, 0.25 내지 0.5 mol%, 0.5 내지 1 mol%, 0.5 내지 0.75 mol%, 0.75 내지 1 mol%의 ZnO, 또는 이들 말단 값 중 어느 하나로부터 형성된 임의의 및 모든 서브-범위를 포함할 수 있다.
하나 이상의 구현 예에서, 유리 및 유리 세라믹은 0 내지 0.5 mol%의 SnO2, 또는 또 다른 청징제 (fining agent)를 포함할 수 있다. 몇몇 구현 예에서, 유리 또는 유리 세라믹 조성물은, 0 내지 0.5 mol%, 0 내지 0.4 mol%, 0 내지 0.3 mol%, 0 내지 0.2 mol%, 0 내지 0.1 mol%, 0.05 내지 0.5 mol%, 0.05 내지 0.4 mol%, 0.05 내지 0.3 mol%, 0.05 내지 0.2 mol%, 0.05 내지 0.1 mol%, 0.1 내지 0.5 mol%, 0.1 내지 0.4 mol%, 0.1 내지 0.3 mol%, 0.1 내지 0.2 mol%, 0.2 내지 0.5 mol%, 0.2 내지 0.4 mol%, 0.2 내지 0.3 mol%, 0.3 내지 0.5 mol%, 0.3 내지 0.4 mol%, 또는 0.4 내지 0.5 mol%의 SnO2, 또는 이들 말단 값 중 어느 하나로부터 형성된 임의의 및 모든 서브-범위를 포함할 수 있다.
다양한 구현 예의 유리 또는 유리 세라믹 조성물을 제조하는데 사용되는 원료 및/또는 장비의 결과로서, 의도적으로 첨가되지 않은 특정 불순물 또는 성분들은, 최종 유리 또는 유리 세라믹 조성물에 존재할 수 있다. 이러한 물질은 유리 또는 유리 세라믹 조성물에 소량으로 존재하며, 여기에서 "트램프 물질 (tramp materials)"로 지칭된다. 여기에서 사용된 바와 같은, "트램프 물질"은, 1000 ppm 미만의 양으로 존재할 수 있다. 몇몇 구현 예에서, 유리 또는 유리 세라믹 조성물은, 트램프 물질, 예를 들어, TiO2, MnO, ZnO, Nb2O5, MoO3, Ta2O5, WO3, Y2O3, La2O3, HfO2, CdO, As2O3, Sb2O3, 황-기반 화합물, 예를 들어, 황산염, 할로겐, 또는 이들의 조합을 더욱 포함할 수 있다. 몇몇 구현 예에서, 항균 성분, 화학적 청징제, 또는 기타 부가적인 성분들은, 유리 또는 유리 세라믹 조성물에 포함될 수 있다.
몇몇 구현 예에서, 여기에 기재된 유리 및/또는 유리 세라믹은, 퓨전 형성, 슬롯 인발, 플로우트, 롤링, 및 기술분야의 당업자에게 알려진 기타 시트-형성 공정을 포함하는, 그러나, 이에 제한되지 않는, 공정을 통해 시트로 제작될 수 있다.
여기에 기재된 유리 세라믹으로부터 형성된 물품은, 유리 세라믹의 사용에 대한 특정 적용에 따라 달라질 수 있는, 임의의 적합한 두께일 수 있다. 유리 시트 및/또는 유리 세라믹 구현 예는, 0.4 ㎜ 내지 10 ㎜의 두께를 가질 수 있다. 몇몇 구현 예는, 6 ㎜ 이하, 5 ㎜ 이하, 3 ㎜ 이하, 2 ㎜ 이하, 1.0 ㎜ 이하, 750 ㎛ 이하, 500 ㎛ 이하, 또는 250 ㎛ 이하의 두께를 가질 수 있다. 몇몇 유리 또는 유리 세라믹 시트 구현 예는, 200 ㎛ 내지 5 ㎜, 500 ㎛ 내지 5 ㎜, 200 ㎛ 내지 4 ㎜, 200 ㎛ 내지 2 ㎜, 400 ㎛ 내지 5 ㎜, 또는 400 ㎛ 내지 2 ㎜의 두께를 가질 수 있다. 몇몇 유리 또는 유리 세라믹 시트 구현 예는, 250 ㎛ 내지 5 ㎜, 400 ㎛ 내지 4 ㎜, 350 ㎛ 내지 3 ㎜, 450 ㎛ 내지 2 ㎜, 500 ㎛ 내지 1 ㎜, 또는 550 ㎛ 내지 750 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 몇몇 구현 예에서, 두께는, 3 ㎜ 내지 6 ㎜ 또는 0.8 ㎜ 내지 3 ㎜일 수 있다. 물품의 두께는, 전술한 말단 값들 중 어느 하나 및 모두로부터 형성된 서브-범위 내에 있을 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
여기에 기재된 다양한 구현 예에서, 유리 세라믹은, 예를 들어, 이온 교환 처리에 의해 화학적으로 강화되어, 유리 세라믹의 화학적 내구성 및 내손상성을 개선시키면서, 계측을 가능하게 하고, 고습 조건 하에서 헤이즈 층의 형성을 방지한다.
여기에 기재된 유리 세라믹이 전통적인 이온 교환 처리 (예를 들어, 용융된 질산 나트륨, 질산 칼륨, 또는 혼합된 질산 나트륨/칼륨 염으로 이온 교환 처리)에 적용되는 경우, 그 결과로 생긴 유리 세라믹은, 약 70 MPa 내지 약 140 MPa의 최대 중심 장력으로, 높은 저장 에너지를 가질 수 있다. 이러한 유리 물품은 또한 높은 파괴 인성 (이중 외팔보 (DCB) 방법에 따라 측정된 1.32 MPa*m1/2 또는 표준 쉐브론 노치 시험 (Chevron notch test)에 따라 측정된 1.1 MPa√m의 K1C)을 나타낼 수 있으며, 유리가 부서지기 쉬운, 0.8 ㎜ 두께에서 깨지지 않을 수 있다. 이러한 유리 세라믹은 또한 바람직한 기계적 성능 특징을 나타낼 수 있다.
그러나, 이러한 유리 세라믹의 결정질 상은 또한 이온 교환 처리 동안에 이온 교환을 겪을 수 있는데, 예를 들어, 리튬 디실리케이트 결정상의 리튬이 이온 교환 염에서 나트륨과 교환되는 경우, 도 1에 나타낸 바와 같은, 나트륨이 고농축된, 저-굴절률 표면층 (즉, 유리 세라믹 물품보다 더 낮은 굴절률을 갖는 층)을 형성할 수 있다. 특히, 리튬 디실리케이트와 나트륨 이온 사이에 이온 교환은, 유리 세라믹의 유리 상 (glass phase)에 첨가된 저-굴절률 실리케이트 뿐만 아니라 표면층 내에 나트륨 실리케이트 및 나트륨 디실리케이트의 형성을 결과할 수 있다. 도 1은, 유리 세라믹 물품이 0.04 wt% 미만의 LiNO3를 함유하는 혼합 KNO3/NaNO3 염에서 이온 교환된 후, 표 1에서 조성물 A를 갖는 유리 세라믹 물품에서 나트륨, 리튬, 및 칼륨 분포의 그래프이다. (조성물 A를 갖는 아래 언급된 샘플에 대해 사용된 바와 같은) 조성물 A의 유리-세라믹 물품을 제조하기 위해, 물품은, 570℃에서 4시간 동안 가열된 다음, 740℃에서 1시간 동안 가열되고, 그 다음 유리-세라믹 물품에 대한 통상적인 냉각에 적용된다. 전-술된 세라믹화 사이클 후, 물품은, 9 내지 15 wt%의 잔류 유리 상, 40-48 wt%의 리튬 디실리케이트 결정상, 39-45 wt%의 페탈라이트 결정상, 및 약 3 wt% 미만의 리튬 메타 실리케이트 결정상을 가지며, 여기서, 결정상들은, 약 1.2 wt%의 주요 상들에 대한 표준 편차로 x-선 회절에 의해 측정된다.
| 조성물 A | |
| SiO2 | 70.65 |
| Al2O3 | 4.20 |
| Li2O | 22.10 |
| Na2O | 0 |
| K2O | 0 |
| P2O5 | 0.80 |
| ZrO2 | 2.00 |
| SnO2 | 0.15 |
| B2O3 | 0.00 |
| Li2O/R2O | 1.00 |
| R2O/Al2O3 | 5.26 |
도 1에 나타낸 바와 같이, 표면층은 나트륨이 풍부하고, 여기서, 나트륨은 유리 및 결정질 상들 모두에서 리튬 이온과 이온 교환된다. 도 2a 및 2b는, 모두 365 ㎚ 파장에서 촬영된 FSM 이미지이다. 도 2a에 나타낸 바와 같이, 표면층이 유리 세라믹 물품보다 더 낮은 굴절률을 갖기 때문에, 물품의 FSM 이미지는 흐릿해지고, 이는, 특히 이온-교환된 층의 두께가 약 3 ㎛ 이하인 경우, 이온 교환 공정을 모니터링하는데 품질 관리 수단으로서 FSM의 사용을 신뢰할 수 없게 만든다.
부가적으로, 리튬 디실리케이트에서 나트륨 이온과 리튬의 이온 교환에 의해 발생된 고 응력층의 형성은, 염 욕조 (salt bath)에서 매우 적은 양의 리튬 중독에 의해 차단된다. 다시 말하면, 이온 교환 욕조 내에 0.04 wt%의 LiNO3는, 도 2b에 나타낸 바와 같이, 프린지의 형성을 차단하기에 충분하다. 리튬 중독을 방지하기 위해, 염 1kg 당 약 0.01㎡의 유리 세라믹을 이온 교환한 후, 탱크 내에 염은 교체되어야 한다.
게다가, 나트륨이-풍부한 표면층은, 유리 세라믹 표면을 표면밑 수화에 민감하게 만들어, 표면 상에 탄산나트륨 결정의 성장을 결과할 수 있으며, 궁극적으로, 도 3에 나타낸 바와 같은, 표면 헤이즈를 생성할 수 있다. 도 3은, 85℃에서 48시간 동안 85% 상대 습도에 도 1의 원소 분포를 갖는 유리 물품의 노출로부터 결과하는 광학 현미경 사진이다. 도 3에 나타낸 수지상 성장 (dendritic growth)은, 탄산나트륨 결정이다. 좀 더 구체적으로, 탄산나트륨 결정 성장은, 물 유래의 하이드로늄 이온 (hydronium ions)이 나트륨 이온과 교환되어 유리 표면밑 층으로 이동하고, 나트륨 이온이 유리 표면에서 나오며, 나트륨 이온과 대기의 CO2와의 반응을 통해 시간이 지남에 따라 유리에 Na2CO3가 형성되는 곳에서 발생한다. 이러한 탄산나트륨 성장은, 장기간에 걸쳐 유리 상에 대기 수분의 존재하에서, 예를 들어, 부품이 높은 습도 환경에서 포장되고, 대기 수분이 유리 표면과 포장 필름 사이에 포획된 경우, 발생할 수 있다.
나트륨이-풍부한 표면층의 발생은 또한, 도 4a 및 4b에 나타낸 바와 같이, 연마 및 세척 동안에 표면을 선별적 에칭 및 피팅에 민감하게 만든다. 특히, 도 4a 및 4b는, 이온 교환되고, 연마되며, 세척된 500 ㎚ x 500 ㎚ 샘플의 원자력 현미경 (AFM) 이미지이다. 도 4a는, mol%로 공칭 조성: 71 SiO2; 1.9 B2O3; 12.8 Al2O3; 2.4 Na2O; 8.2 Li2O; 2.9 MgO; 0.8 ZnO; 0.02 Fe2O3; 0.01 ZrO2; 0.06 SnO2를 갖는 유리 조성물로부터 형성되고, 실시 예 A에서와 같이 전통적인 이온 교환 처리에 따라 이온 교환된, 유리 물품의 표면 거칠기를 나타낸다. 도 4b는, 0.04 wt% 미만의 LiNO3를 함유하는 혼합 KNO3/NaNO3 염에서 이온 교환된 조성물 A로부터 형성된 유리 세라믹의 표면 거칠기를 나타낸다. 나트륨이-풍부한 표면층의 낮은 화학적 내구성의 결과로서, 연마 및 세척은 높은 표면 거칠기를 결과할 수 있어, 커버 유리 적용들에 사용될 수 있는 코팅의 내구성을 감소시킨다. 이러한 코팅은, 제한이 아닌 예로서, 내스크래치성, 반사방지, 소유성, 또는 소수성 특성을 커버 유리에 제공할 수 있다.
여기에 기재된 다양한 구현 예에서, 유리 세라믹은, 이온 교환 처리를 통해 화학적으로 강화되어, 유리 세라믹의 화학적 내구성 및 내손상성을 개선시키면서 계측을 가능하게 하고, 높은 습도 조건하에서 헤이즈 층의 형성을 방지한다. 이하, 이온 교환 처리의 구현 예는 더 상세히 설명될 것이다.
단일 프린지 이온 교환 처리
다양한 구현 예에서, 유리 세라믹 물품의 이온 교환 처리는, FSM 측정에서 편광 상태 (polarization state) 당 하나의 프린지를 생성하는 도파층 (waveguiding layer)을 결과하고, 여기에서 "단일 프린지 IOX"로 지칭된다. 이러한 구현 예에서, 리튬에 대한 나트륨의 이온 교환 속도는, 표면층에서 나트륨에 대한 칼륨의 이온 교환으로 인해 증가하는 굴절률보다 낮게 표면층의 굴절률을 낮추어 도파층이 형성되는 것을 가능하게 하는 속도이다.
다양한 구현 예에서, 단일 프린지 IOX 처리는, 유리 세라믹 물품의 하나 이상의 표면에 이온 교환 매체를 적용하는 단계를 포함한다. 이온 교환 매체는, KNO3, NaNO3, 및 LiNO3를 포함하는, 용융염 욕조, 용액, 페이스트, 겔, 또는 또 다른 적합한 매체일 수 있다.
다양한 구현 예에서, 이온 교환 매체는, 이온 교환 매체 내에 NaNO3 및 KNO3의 총량에 기초하여, 0 wt%를 초과하는 NaNO3 및 약 20 wt% 이하의 NaNO3를 포함한다. 예를 들어, 다양한 구현 예의 이온 교환 매체는, 이온 교환 매체 내에 NaNO3 및 KNO3의 총량에 기초하여, >0 wt% 내지 20 wt%, >0 wt% 내지 15 wt%, >0 wt% 내지 12 wt%, >0 wt% 내지 10 wt%, >0 wt% 내지 7.5 wt%, >0 wt% 내지 5 wt%, 2.5 wt% 내지 20 wt%, 2.5 wt% 내지 15 wt%, 2.5 wt% 내지 12 wt%, 2.5 wt% 내지 10 wt%, 2.5 wt% 내지 7.5 wt%, 2.5 wt% 내지 5 wt%, 5 wt% 내지 20 wt%, 5 wt% 내지 15 wt%, 5 wt% 내지 12 wt%, 5 wt% 내지 10 wt%, 5 wt% 내지 7.5 wt%, 7.5 wt% 내지 20 wt%, 7.5 wt% 내지 15 wt%, 7.5 wt% 내지 12 wt%, 7.5 wt% 내지 10 wt%, 10 wt% 내지 20 wt%, 10 wt% 내지 15 wt%, 10 wt% 내지 12 wt%의 NaNO3, 또는 이들 말단 값 중 어느 하나로부터 형성된 임의의 및 모든 서브-범위를 포함할 수 있다.
다양한 구현 예에서, 이온 교환 매체는, 이온 교환 매체 내에 NaNO3 및 KNO3의 총량에 기초하여, 약 80 wt% 내지 100 wt% 미만의 KNO3를 포함한다. 예를 들어, 다양한 구현 예의 이온 교환 매체는, 이온 교환 매체 내에 NaNO3 및 KNO3의 총량에 기초하여, 80 wt% 내지 99.9 wt%, 80 wt% 내지 97.5 wt%, 80 wt% 내지 95 wt%, 80 wt% 내지 92.5 wt%, 80 wt% 내지 90 wt%, 90 wt% 내지 99.9 wt%, 90 wt% 내지 97.5 wt%, 90 wt% 내지 95 wt%, 90 wt% 내지 92.5 wt%, 92.5 wt% 내지 99.9 wt%, 92.5 wt% 내지 97.5 wt%, 92.5 wt% 내지 95 wt%, 95 wt% 내지 99.9 wt%, 95 wt% 내지 97.5 wt%, 97.5 wt% 내지 99.9 wt%의 KNO3, 또는 이들 말단 값 중 어느 하나로부터 형성된 임의의 및 모든 서브-범위를 포함할 수 있다.
다양한 구현 예에 따르면, 이온 교환 매체는, 이온 교환 매체 내에 염들의 총량에 기초하여, 0.01 wt% 내지 0.5 wt%의 LiNO3를 더욱 포함한다. 예를 들어, 다양한 구현 예의 이온 교환 매체는, 0.01 wt% 내지 0.5 wt%, 0.01 wt% 내지 0.3 wt%, 0.01 wt% 내지 0.1 wt%, 0.1 wt% 내지 0.5 wt%, 0.1 wt% 내지 0.3 wt%, 0.3 내지 0.5 wt%의 LiNO3, 또는 이들 말단 값 중 어느 하나로부터 형성된 임의의 및 모든 서브-범위를 포함할 수 있다. 몇몇 특정 구현 예에서, 이온 교환 매체는, 이온 교환 매체 내에 염들의 총량에 기초하여, 0.1 wt%, 0.09 wt%, 0.08 wt%, 0.07 wt% 또는 0.06 wt%의 LiNO3를 포함한다.
이온 교환 처리는, 단일 단계 처리 또는 다단계 처리, 예를 들어, 2-단계 또는 3-단계 처리일 수 있다. 이온 교환 처리가 다단계를 포함하는 구현 예에서, 각 단계는 이온 교환 매체를 유리 세라믹 물품에 적용하는 단계를 포함하고, 각 단계의 이온 교환 매체는 하나 이상의 다른 단계들의 이온 교환 매체와 다를 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 그러나, 각 이온 교환 매체는, 이온 교환 매체 내에 NaNO3 및 KNO3의 총량에 기초하여 0 wt%를 초과하는 NaNO3 및 약 20 wt% 이하의 NaNO3, 이온 교환 매체 내에 NaNO3 및 KNO3의 총량에 기초하여 약 80 wt% 내지 100 wt% 미만의 KNO3, 및 이온 교환 매체 내에 염의 총 중량에 기초하여 0.01 wt% 내지 0.5 wt%의 LiNO3를 포함한다.
다양한 구현 예에서, 용융염 욕조의 온도는, 약 380℃ 내지 약 550℃일 수 있고, 침지 시간은 약 2시간 내지 약 16시간이다.
프린지가 없는 이온 교환 처리
다양한 구현 예에서, 이온 교환 처리는, FSM 측정을 위한 표면 도파관을 생성하는데 효과적인 것보다 더 낮은 칼륨 농도를 사용하며, 여기에서 "프린지가 없는 IOX"로 지칭된다. 이러한 구현 예에서, 이온 교환 매체 내에 칼륨, 나트륨, 및 리튬 농도는, 글로우 방전 광학 방출 분광법 (GDOES)을 사용하여 측정된 것으로, 표면 100 ㎚로부터 유리 세라믹 물품의 깊이 내로 10 mol% 미만의 나트륨 산화물까지 평균 나트륨 산화물 혼입을 제한하는데 적합하다. 비록 표면 도파관이 없을지라도, 다양한 구현 예에서, 표면층은 커버 유리 적용들에 특히 적합하게 만드는 화학적 내구성을 갖는다.
다양한 구현 예에서, 프린지가 없는 IOX 처리는, 유리 세라믹 물품의 하나 이상의 표면에 이온 교환 매체를 적용하는 단계를 포함한다. 이온 교환 매체는, KNO3, NaNO3, 및 LiNO3를 포함하는 용액, 페이스트, 겔, 또는 또 다른 적합한 매체일 수 있다.
다양한 구현 예에서, 이온 교환 매체는, 이온 교환 매체 내에 NaNO3 및 KNO3의 총량에 기초하여, 20 wt%를 초과하는 NaNO3 및 약 50 wt% 이하의 NaNO3를 포함한다. 예를 들어, 다양한 구현 예의 이온 교환 매체는, 이온 교환 매체 내에 NaNO3 및 KNO3의 총량에 기초하여, 20 wt% 내지 50 wt%, 20 wt% 내지 45 wt%, 20 wt% 내지 40 wt%, 20 wt% 내지 35 wt%, 20 wt% 내지 30 wt%, 30 wt% 내지 50 wt%, 30 wt% 내지 45 wt%, 30 wt% 내지 40 wt%, 30 wt% 내지 35 wt%, 35 wt% 내지 50 wt%, 35 wt% 내지 45 wt%, 35 wt% 내지 40 wt%, 40 wt% 내지 50 wt%, 40 wt% 내지 45 wt%, 45 wt% 내지 50 wt%의 NaNO3, 또는 이들 말단 값 중 어느 하나로부터 형성된 임의의 및 모든 서브-범위를 포함할 수 있다. 그러나, 몇몇 구현 예에서, NaNO3는, 50 wt%를 초과하는 양으로 혼입될 수 있는데, 이 경우, 약 0.15 wt%를 초과하는 LiNO3의 양이 NaNO3의 특정 양 및 이온 교환 처리의 온도에 따라 이로울 수 있는 것으로 인식되어야 한다.
다양한 구현 예에서, 이온 교환 매체는, 이온 교환 매체 내에 NaNO3 및 KNO3의 총량에 기초하여, 약 50 wt% 내지 약 80 wt%의 KNO3를 포함한다. 예를 들어, 다양한 구현 예의 이온 교환 매체는, 이온 교환 매체 내에 NaNO3 및 KNO3의 총량에 기초하여, 50 wt% 내지 80 wt%, 50 wt% 내지 70 wt%, 50 wt% 내지 65 wt%, 50 wt% 내지 60 wt%, 50 wt% 내지 55 wt%, 55 wt% 내지 80 wt%, 55 wt% 내지 70 wt%, 55 wt% 내지 65 wt%, 55 wt% 내지 60 wt%, 60 wt% 내지 80 wt%, 60 wt% 내지 70 wt%, 60 wt% 내지 65 wt%, 65 wt% 내지 80 wt%, 65 wt% 내지 70 wt%, 70 wt% 내지 80 wt%의 KNO3, 또는 이들 말단 값 중 어느 하나로부터 형성된 임의의 및 모든 서브-범위를 포함할 수 있다.
다양한 구현 예에 따르면, 이온 교환 매체는, 이온 교환 매체 내에 염들의 총 중량에 기초하여, 0.04 wt% 내지 0.5 wt%의 LiNO3를 더욱 포함한다. 예를 들어, 다양한 구현 예의 이온 교환 매체는, 이온 교환 매체 내에 염들의 총 중량에 기초하여, 0.04 wt% 내지 0.5 wt%, 0.04 wt% 내지 0.3 wt%, 0.04 wt% 내지 0.1 wt%, 0.1 wt% 내지 0.5 wt%, 0.1 wt% 내지 0.3 wt%, 0.3 내지 0.5 wt%의 LiNO3, 또는 이들 말단 값 중 어느 하나로부터 형성된 임의의 및 모든 서브-범위를 포함할 수 있다. 몇몇 특정 구현 예에서, 이온 교환 매체는, 이온 교환 매체 내에 염들의 총 중량에 기초하여, 0.1 wt%, 0.09 wt%, 0.08 wt%, 0.07 wt% 또는 0.06 wt%의 LiNO3를 포함한다.
이온 교환 처리는, 단일 단계 처리 또는 다단계 처리, 예를 들어, 2-단계 또는 3-단계 처리일 수 있다. 이온 교환 처리가 다단계를 포함하는 구현 예에서, 각 단계는 이온 교환 매체를 유리 세라믹 물품에 적용하는 단계를 포함하고, 각 단계의 이온 교환 매체는, 하나 이상의 다른 단계들의 이온 교환 매체와 다를 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 그러나, 각 이온 교환 매체는, 이온 교환 매체 내에 NaNO3 및 KNO3의 총량에 기초하여, 20 wt%를 초과하는 NaNO3 및 약 50 wt% 이하의 NaNO3, 이온 교환 매체 내에 NaNO3 및 KNO3의 총량에 기초하여, 약 50 wt% 내지 약 80 wt%의 KNO3, 및 이온 교환 매체 내에 염들의 총 중량에 기초하여, 0.04 wt% 내지 0.5 wt%의 LiNO3를 포함한다.
다양한 구현 예에서, 용융염 욕조의 온도는, 약 380℃ 내지 약 550℃일 수 있고, 침지 시간은 약 2시간 내지 약 16시간이다.
이론에 구애됨이 없이, 리튬 디실리케이트 및/또는 페탈라이트 계열 유래의 유리 세라믹에서, 이온 교환 처리에서 NaNO3의 농도가 약 20 wt%를 초과하는 경우, 칼륨 이온 교환에 기인한 굴절률의 증가는, 리튬 이온에 대한 나트륨의 교환에 기인한 굴절률의 감소에 의해 압도되는 것으로 믿어진다. 따라서, FSM 계측에 대해 전통적으로 적합한 칼륨 프린지는, 프린지가 없는 이온 교환 처리 동안 발생되지 않는다. 예를 들어, 도 5에 나타낸 바와 같이, 0.1 wt%의 LiNO3를 갖는, 60 wt%의 KNO3 및 40 wt%의 NaNO3에서 이온 교환된 조성물 A의 유리의 365 ㎚ FSM 스펙트럼은 제공된다. 도 5와 도 2a를 비교하면, 결정상에서 리튬과의 나트륨 이온 교환을 나타내는 도 2a에 나타난 흐릿한 낮은 굴절률 프린지들은, 도 5에 나타나지 않음을 알 수 있다. 따라서, FSM 계측은, 프린지가 없는 IOX 처리의 나트륨 이온 교환을 모니터링하가 위한 공정들에 사용하는데 적합하지 않을 수 있다.
그러나, FSM 스펙트럼은, 복굴절로부터 표면 압축 응력을 얻는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 405 ㎚에서 작동하는 Orihara SLP 2000 산란광 광탄성 응력계 (scattered light photoelastic stress meter)는, 압축의 깊이 및 중심 장력을 얻는데 사용되며, 그 결과는 도 6에 나타낸다. 405 ㎚ 파장은, 405 ㎚ 파장이 스펙클 (speckle)을 최소화하는 것으로 믿기 때문에, 투명한 유리 세라믹에 특히 유리할 수 있다. 그러나, 더 높은 파장 (예를 들어, 633 ㎚)은, 스펙클을 크게 증가시킬 수 있지만, 사용될 수 있다. 이러한 몇몇 구현 예에서, 스펙클은, 측정 동안에 시편을 이동시켜 평균화될 수 있다.
Orihara SLP 2000은, 내장된 2x 배율 텔레센트릭 렌즈 (telecentric lens)를 포함하여, 깊이 방향으로 최대 600 ㎛의 카메라 시야를 가능하게 한다. 그러나, 유리 세라믹의 높은 굴절률 성질로 인해, 깊이 감각 (depth perception)은 대략 800 ㎛까지 연장될 수 있어, SLP 2000을 사용하여 여기에 기재된 다양한 유리 세라믹 물품의 전체 응력 프로파일 측정을 얻을 수 있다.
작동시, 405 ㎚에서 레이저 다이오드 (laser diode)는, 유리 세라믹에 진입 전에 액정 가변 지연기 (liquid crystal variable retarder)를 통해 주기적으로 위상 변조된다. 유리 세라믹 내에 응력 분포로 인해, 산란광은, 유리 세라믹의 두께를 통해 이동함에 따라, 세기 및 위상에서 변화를 경험한다. 빛이 모든 방향으로 산란되는 동안, 유리 세라믹의 표면에 대해 45°로 설정된 카메라는, 레이저 경로를 따라 세기 요동 (intensity fluctuations)의 수직 성분을 포착한다. 레이저 경로를 따라 각 지점에서 경험하는 위상 천이 (phase shift)는, 이미지 분석을 통해 포착되며, 내부 응력 (σ)은 하기 수학식 2에 따라 추론될 수 있다:
[수학식 2]
여기서, λ는 레이저의 파장, β는 응력 광학 계수 (SOC), φ는 위상 천이, 및 x는 광 경로 길이이다.
SLP 2000 소프트웨어는, 샘플 내부에 레이저 빔의 라이브 디스플레이 (live display)를 제공한다. 다양한 구현 예에서, 다양한 유리 세라믹 샘플에 걸쳐 일관된 결과를 제공하기 위해 6차 다항식 핏 (polynomial fit)은 사용될 수 있다. 그러나, 공정 구역, 레이저 파장, 및 적절한 피팅 기능 (fitting function)은, 특정 구현 예에 따라 변할 수 있다.
선택적으로, 품질 제어 계측은, 압축 응력의 통합으로부터 유도될 수 있다. 특히, 이온 교환으로 인한 압축 응력의 통합은 이온-교환된 다수의 이온과 관련이 있다. 더 큰 이온이 더 작은 이온을 대체함에 따라, 이온 교환 공정이 피크 중심 장력 아래에서 수행되는 한, 유리 물품은 치수 성장을 겪으며, 이는 중심 장력과 관련이 있다. 피크 중심 장력에 도달하면, 이온 교환에서 여전한 성장이 있지만, 치수 성장과 중심 장력 사이에 상관 관계는 더 이상 유효하지 않다. 3가지 다른 염 농도 유래의 중심 장력과 % 치수 성장 상관 관계의 예는, 도 7에 나타낸다.
도 7에서, MPa 단위의 중심 장력은, X-축을 따라 나타내고, 길이의 %로 치수 성장은 Y-축을 따라 나타낸다. 각각의 유리 세라믹 샘플은 조성물 A로부터 제조된다. 플롯 (702)은, 470℃에서 0.1 wt%의 LiNO3를 갖는, 50 wt%의 KNO3 및 50 wt%의 NaNO3의 욕조에서 이온 교환된 유리 세라믹 샘플에 대한 상관 관계를 나타낸다. 플롯 (704)은, 470℃에서 0.1 wt%의 LiNO3를 갖는, 70 wt%의 KNO3 및 30 wt%의 NaNO3의 욕조에서 이온 교환된 유리 세라믹 샘플에 대한 상관 관계를 나타낸다. 플롯 (706)은, 500℃에서 0.1 wt%의 LiNO3를 갖는, 60 wt%의 KNO3 및 40 wt%의 NaNO3의 욕조에서 이온 교환된 유리 세라믹 샘플에 대한 상관 관계를 나타낸다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 이온 교환으로 인한 % 치수 성장은, 피크 압축 응력 값 아래의 압축 응력을 측정하는 방법으로 사용될 수 있다. 특히, 플롯 (706)은, 8시간 후에, 중심 장력이 대략 95 MPa에 도달하고, 증가된 이온 교환이 압축 응력과 관련이 없는 치수 성장에서 증가를 나타내는 것을 보여준다. 특히, 투명한 유리 및 유리 세라믹 물질의 경우, 치수 성장은 하기 수학식 3에 따라 중심 장력과 서로 관련될 수 있다:
[수학식 3]
여기서, CT는 MPa 단위의 중심 장력이고, DG는 중심 장력이 피크 중심 장력 아래인 경우 치수 성장의 % 길이이다.
불투명한 물질의 경우, % 치수 성장은, 마이크로프로브 (microprobe)에 의해 얻어진 원소 프로파일로 보정될 수 있으며, 하기 수학식 4에 따라 격자 팽창 상수 (lattice dilation constant)를 사용하여 응력으로 전환될 수 있다:
[수학식 4]
여기서, C(z)는 z에서 큰 양이온의 농도이고, h는 유리 두께이며, B는 네트워크 팽창 계수이고, E는 영률이며, v는 푸아송의 비이고, z는 표면에서 0 및 h 값을 갖는 유리 두께를 가로지르는 유리 표면으로부터의 거리이다.
이온-교환된 유리 세라믹 물품
다양한 구현 예에서, 투명하거나 불투명할 수 있는, 그 결과로 생성된 이온-교환된 유리 세라믹 물품은, 이온-교환된 유리 세라믹 물품의 외부 표면으로부터 약 0.18t 내지 약 0.25t인 압축의 깊이 (DOC)를 가지며, 여기서, t는 이온-교환된 유리 세라믹 물품의 두께이다. 다시 말하면, 이온-교환된 유리 세라믹 물품에서 응력은, 이온-교환된 유리 세라믹 물품의 외부 표면으로부터 약 0.18t 내지 약 0.25t의 깊이에서 압축 응력으로부터 인장 응력으로 전환된다. 다양한 구현 예에서, DOC는 80 ㎛를 초과할 수 있다. 예를 들어, 압축의 깊이는, 80 ㎛ 내지 300 ㎛, 100 ㎛ 내지 250 ㎛, 150 ㎛ 내지 200 ㎛, 또는 이들 말단 값 중 어느 하나로부터 형성된 임의의 및 모든 서브-범위일 수 있다. 깊은 DOC는, 내손상성을 제공할 수 있으며, 예를 들어, 아스팔트와 같은 거친 표면에 유리 세라믹 물품을 낙하시켜 결과할 수 있는 날카로운 흠에 대한 저항성을 제공할 수 있다.
여기에 기재된 다양한 구현 예에서, 그 결과로 생긴 이온-교환된 유리 세라믹 물품은, 외부 표면에서 이온-교환된 유리 세라믹 물품의 최대 중심 장력 (절대 값) (CT)의 1.8 내지 2.2배의 최대 압축 응력 (절대 값)을 갖는다. 예를 들어, 최대 압축 응력의 절대 값은, 예를 들어, 2|CT|일 수 있다. 구현 예들에서, 최대 중심 장력의 절대 값은, 적어도 60 MPa 이상 또는 70 MPa 이상이다. 예를 들어, 최대 중심 장력의 절대 값은, 60 MPa 내지 160 MPa, 60 MPa 내지 150 MPa, 60 MPa 내지 140 MPa, 60 MPa 내지 130 MPa, 60 MPa 내지 120 MPa, 60 MPa 내지 110 MPa, 60 MPa 내지 100 MPa, 70 MPa 내지 160 MPa, 70 MPa 내지 150 MPa, 70 MPa 내지 140 MPa, 70 MPa 내지 130 MPa, 70 MPa 내지 120 MPa, 70 MPa 내지 110 MPa, 70 MPa 내지 100 MPa, 80 MPa 내지 160 MPa, 80 MPa 내지 150 MPa, 80 MPa 내지 140 MPa, 80 MPa 내지 130 MPa, 80 MPa 내지 120 MPa, 80 MPa 내지 110 MPa, 80 MPa 내지 100 MPa, 90 MPa 내지 160 MPa, 90 MPa 내지 150 MPa, 90 MPa 내지 140 MPa, 90 MPa 내지 130 MPa, 90 MPa 내지 120 MPa, 90 MPa 내지 110 MPa, 90 MPa 내지 100 MPa, 100 MPa 내지 160 MPa, 100 MPa 내지 150 MPa, 100 MPa 내지 140 MPa, 100 MPa 내지 130 MPa, 100 MPa 내지 120 MPa, 100 MPa 내지 110 MPa, 또는 이들 말단 값 중 어느 하나로부터 형성된 임의의 및 모든 서브-범위일 수 있다.
이온-교환된 유리 세라믹 물품은, 다양한 구현 예에서 108 MPa 내지 350 MPa의 최대 압축 응력을 더욱 갖는다. 예를 들어, 최대 압축 응력의 절대 값은, 108 MPa 내지 350 MPa, 108 MPa 내지 325 MPa, 108 MPa 내지 300 MPa, 108 MPa 내지 275 MPa, 108 MPa 내지 250 MPa, 108 MPa 내지 225 MPa, 108 MPa 내지 200 MPa, 180 MPa 내지 350 MPa, 180 MPa 내지 325 MPa, 180 MPa 내지 300 MPa, 180 MPa 내지 275 MPa, 180 MPa 내지 250 MPa, 180 MPa 내지 225 MPa, 180 MPa 내지 200 MPa, 200 MPa 내지 350 MPa, 200 MPa 내지 325 MPa, 200 MPa 내지 300 MPa, 200 MPa 내지 275 MPa, 200 MPa 내지 250 MPa, 200 MPa 내지 225 MPa, 225 MPa 내지 350 MPa, 225 MPa 내지 325 MPa, 225 MPa 내지 300 MPa, 225 MPa 내지 275 MPa, 225 MPa 내지 250 MPa, 250 MPa 내지 350 MPa, 250 MPa 내지 325 MPa, 250 MPa 내지 300 MPa, 250 MPa 내지 275 MPa, 275 MPa 내지 350 MPa, 275 MPa 내지 325 MPa, 275 MPa 내지 300 MPa, 300 MPa 내지 350 MPa, 300 MPa 내지 325 MPa, 325 MPa 내지 350 MPa, 또는 이들 말단 값 중 어느 하나로부터 형성된 임의의 및 모든 서브-범위일 수 있다.
파괴 인성은 또한 이온-교환된 유리 세라믹 물품을 특징화는데 사용될 수 있다. 다양한 구현 예에서, 이온-교환된 유리 세라믹 물품은, 동일한 조성물, 그러나 이온-교환 전의 샘플에 대해 이중 외팔보 방법에 따라 측정된 것으로 1 MPa√m 이상의 파괴 인성을 갖는다. 예를 들어, 다양한 구현 예에서, 이온-교환된 유리 세라믹 물품은, 이중 외팔보 방법에 따라 측정된 것으로 1 MPa√m 내지 1.5 MPa√m의 파괴 인성을 갖는다.
여기에 기재된 다양한 구현 예는 또한 유리 세라믹 물품의 취약성 (frangibility)을 감소시키는데 사용될 수 있다. 따라서, 다양한 구현 예에서, 유리 세라믹 물품은, 이온-교환시 깨지기 쉽지 않다. 취약 거동 (Frangible behavior)은, 유리 세라믹 물품이 충격 또는 상해를 받을 때 특정한 파괴 거동을 지칭한다. 여기에서 활용된 바와 같은, 유리는, 취약성 시험의 결과로서 시험 구역에서 다음 중 하나 이상을 나타내는 경우 비-취약인 것으로 간주된다: (1) 1 ㎜ 이상의 최대 치수를 갖는 4개 이하의 파편, 및/또는 (2) 균열 분지 (crack branches)의 수 이하인 분기 (bifurcations)의 수. 파편, 분기, 및 균열 분지는, 충격 지점을 중심으로 2 인치 x 2 인치 정사각형에 기초하여 계산된다. 따라서, 이하 기재된 절차에 따라 파손이 생성되는, 충격 지점을 중심으로 임의의 2 인치 x 2 인치 정사각형에 대해 유리가 시험 (1) 및 (2) 중 하나 또는 둘 모두를 충족하면, 유리는 비-취약인 것으로 간주된다. 취약성 시험에서, 충격 프로브 (impact probe)는 유리와 접촉을 일으켜, 충격 프로브가 연속적인 접촉 반복으로 증가하는 유리 내로 연장되는 깊이를 갖는다. 충격 프로브의 깊이에서 단계적인 증가는, 충격 프로브에 의해 생성된 흠이 장력 영역에 도달하는 것을 가능하게 하면서, 유리의 취약 거동의 정확한 결정을 방해하는 과도한 외력의 적용을 방지할 수 있다. 몇몇 구현 예에서, 유리에서 충격 프로브의 깊이는, 충격 프로브가 각 반복 사이에 유리와의 접촉으로부터 제거되면서, 각 반복에서 약 5 ㎛만큼 증가할 수 있다. 시험 구역은, 충격 지점을 중심으로 하여 2 인치 x 2 인치의 정사각형이다. 여기에서 활용된 바와 같은, 균열 분지는 충격 지점에서 기원하며, 파편은, 파편의 임의의 일부가 시험 구역에 걸쳐 있으면, 시험 구역 내에 있는 것으로 간주된다. 코팅, 접착층, 및 이와 유사한 것이 여기에서 기재된 강화 유리 물품과 함께 사용될 수 있지만, 이러한 외부 구속 (external restraints)은, 유리 세라믹 물품의 취약성 또는 취약 거동을 결정하는데 사용되지 않는다. 몇몇 구현 예에서, 유리 세라믹 물품의 파괴 거동에 영향을 미치지 않는 필름은, 유리 물품으로부터 파편의 방출을 방지하기 위해 취약성 시험 전에 유리 세라믹 물품에 적용되어, 시험을 수행하는 사람의 안전성을 증가시킬 수 있다.
대조적으로, 취약한 유리 물품은, 4개 이하의 단편 또는 균열 분지의 수 이하인 분기의 수를 나타내지 않는다. 여기에 기재된 취약성 시험에서, 충격은, 강화된 유리 물품 내에 존재하는 내부적으로 저장된 에너지를 방출하기에 충분한 힘으로 유리 물품의 표면에 전달된다. 즉, 지점 충격력 (point impact force)은, 강화된 유리 시트의 표면에서 하나 이상의 새로운 균열을 생성하기에 충분하고, 균열을 인장 영역 (즉, 중심 장력 하에 있는 영역) 내로 압축 영역을 통해 (즉, 압축의 깊이까지) 연장시킨다.
따라서, 여기에 기재된 화학적으로 강화된 유리 세라믹 물품은, "비-취약"이다 - 즉, 이들은 날카로운 물체에 의해 충격을 받을 때 전술한 바와 같은 취약 거동을 나타내지 않는다.
실시 예
다양한 구현 예를 보다 쉽게 이해하기 위해, 다양한 구현 예를 예시하도록 의도된, 하기 실시 예들을 참조한다. 별도로 언급하지 않는 한, 각각의 실시 예에서 각각의 샘플은, 0.8 ㎜의 두께를 갖는다.
*실시 예 1
조성물 A로부터 형성된 유리 세라믹 샘플은, 다른 이온 교환 처리를 거치고, 각 샘플의 FSM 스펙트럼은, 365 ㎚ Orihara FSM을 사용하여 얻어진다. 그 결과는 도 8a-8e에 나타낸다.
도 8a에서, 유리 세라믹 샘플은, 500℃의 100 wt%의 KNO3 및 0.1 wt%의 LiNO3 욕조에서 10시간 동안 이온 교환 처리된다. 도 8b에서, 유리 세라믹 샘플은, 500℃의 95 wt%의 KNO3, 5 wt%의 NaNO3, 및 0.1 wt%의 LiNO3 욕조에서 12시간 동안 이온 교환 처리된다. 도 8c에서, 유리 세라믹 샘플은, 500℃의 90 wt%의 KNO3, 10 wt%의 NaNO3, 및 0.1 wt%의 LiNO3 욕조에서 12시간 동안 이온 교환 처리된다. 도 8a-8c에 나타낸 바와 같이, 이온 교환 품질 관리 계측에 사용하는데 적합한 TE 및 TM 프린지는 생성된다.
도 8d에서, 유리 세라믹 샘플은, 500℃의 80 wt%의 KNO3, 20 wt%의 NaNO3, 및 0.1 wt%의 LiNO3 욕조에서 16시간 동안 이온 교환 처리된다. 도 8e에서, 유리 세라믹 샘플은, 480℃의 80 wt%의 KNO3, 20 wt%의 NaNO3, 및 0.1 wt%의 LiNO3 욕조에서 16시간 동안 이온 교환 처리된다. 비록 도 8d 및 8e에서 프린지가 고급 이미지 처리 방법 (advanced image processing methods)을 이용하는 계측에 적합할 수 있을 지라도, 임계각 전환 (critical angle transition) 또는 프린지의 콘트라스트 (contrast)는, 굴절률을 낮추는, 증가된 나트륨 이온 교환으로 인해 감소된다. 이론에 구애됨이 없이, 도 8d 및 8e에서 볼 수 있는 바와 같이, 나트륨 농도가 약 10wt% 초과의 NaNO3일 때, 칼륨 프린지는 블리치 아웃 (bleach out)되기 시작하는데, 이는 나트륨 대 리튬 이온 교환이 빠른 속도로 진행되고, 굴절률을 증가시킬 수 있는 나트륨에 대한 칼륨 이온 교환보다 빠르게 표면층의 굴절률을 낮추기 때문이다. 도 8d에서 샘플은 또한 12시간의 공정 시간에 대한 도 8c에서 나타낸 것과 비슷한 스펙트럼을 얻기 위해 더 긴 처리 시간 (16시간)을 겪는다.
압축 응력 및 최대 중심 장력은 또한 도 8a-8c에서 사용된 각각의 샘플에 대해 측정되었고, 최대 중심 장력 값은 도 8a-8c 중 대응하는 것에 표시된다. 도 8a에 나타낸 바와 같이, 순수 KNO3/LiNO3 염 욕조로 처리된 유리 세라믹 물품에 대한 최대 중심 장력 (27 MPa)은, KNO3/NaNO3/LiNO3로 처리된 유리 세라믹 물품 (도 8b 및 8c의 경우, 각각 71 MPa 및 84MPa)에 비해 낮다. 그러나, 20wt% NaNO3를 포함하는 샘플 (도 8d 및 8e)의 연장된 처리 시간은, 피크 중심 장력을 지나 연장되는 깊은 나트륨 프로파일을 결과하고, 더 낮은 압축 응력 값을 초래한다.
실시 예 2
이온 교환 강화 이전에, 유리 세라믹 물품의 유리 네트워크의 다양한 구성 성분 (예를 들어, SiO2 및 B2O3과 같은 유리 형성제, Al2O3와 같은 중간체, 및 예를 들어 CaO, Na2O, 등의 개질제)의 농도는, 일반적으로 유리 세라믹 물품의 외부 표면으로부터 유리 세라믹 물품의 두께를 통해 균일하게 분포된다. 예를 들어, 유리 세라믹 물품은, 하나 이상의 유리 형성제를 포함하고, 유리 형성제의 농도는, 유리 세라믹 물품의 전체 두께에 걸쳐 실질적으로 일정하다. 부가적으로, 유리 세라믹 물품은 하나 이상의 개질제, 예를 들어, Na2O 및/또는 또 다른 알칼리 산화물을 포함하고, 상기 개질제의 농도는, 유리 세라믹 물품의 전체 두께에 걸쳐 실질적으로 일정하다.
그러나, 이온 교환 후, 알칼리 산화물, 예를 들어, K2O의 농도는, 유리 세라믹 물품의 외부 표면으로부터 깊이의 함수에 따라 유리 세라믹 물품에서 변한다. 유리 세라믹 물품에 대한 단일 프린지 이온 교환 처리의 효과를 결정하기 위해, 조성물 A로부터 형성되고, 0.8 ㎜의 두께를 갖는 유리 세라믹 물품은, 500℃에서 16시간 동안 80 wt% KNO3, 20 wt% NaNO3, 및 0.1 wt% LiNO3를 포함하는 욕조에서 단일 프린지 이온 교환 처리로 처리된다 (단일 프린지 예). 조성물 A로부터 형성되고, 0.8 ㎜의 두께를 갖는 또 다른 유리 세라믹 물품은, 470℃에서 12시간 동안 30 wt% KNO3, 70 wt% NaNO3, 및 0.05 wt% LiNO3를 포함하는 욕조에서 전통적인 이온 교환 처리로 처리되고, 이어서 470℃에서 1시간 동안 30 wt% KNO3 및 70 wt% NaNO3를 포함하는 욕조에서 처리된다 (기존 IOX 예). 유리에서 다양한 구성 성분, 예를 들어, 알칼리 구성 성분의 농도 프로파일은, 전자 프로브 미세분석 (EPMA)에 의해 측정되었고, 프로파일은 도 9에 나타낸다.
구체적으로, K2O의 농도는, 유리 세라믹 물품의 표면으로부터 유리 세라믹 물품의 중심선 (CL)의 방향으로 단일 프린지 (902) 및 전통적인 IOX 처리 (904) 모두에 대해 0 mol%의 농도로 감소한다.
Na2O의 농도 (906)는, 단일 프린지 IOX에 적용된 유리 세라믹 물품의 중심선 (CL)의 방향으로 유리 세라믹 물품의 표면으로부터 증가하다가 그 다음 감소한다. 즉, 표면으로부터의 거리의 함수에 따라 유리 세라믹 물품에서 Na2O의 농도 (904)는, 처음에는 양의 기울기를 갖지만, 그 다음에는 음의 기울기를 갖는다. 다양한 구현 예에서, 표면 Na2O 농도와 최소 Na2O 농도 사이에 차이는, 5 mol% 미만이고, 표면 Na2O 농도는 10 mol% 미만이다. 다양한 구현 예에서, Na2O의 농도는, 이온-교환된 유리 세라믹 물품의 두께 전체에 걸쳐 0 mol%를 초과한다. 예를 들어, 다양한 구현 예에서 Na2O의 농도는, 0 mol% 초과 내지 2.5 mol% 미만이다.
대조적으로, 전통적인 IOX 처리에 적용된 유리 세라믹 물품에 대한 Na2O의 농도 (908)는, 유리 세라믹 물품의 표면으로부터 유리 세라믹 물품의 중심선 (CL) 방향으로 하락하고 감소하는, 표면 스파이크 (surface spike)를 갖는다. 따라서, (906)과 (908)을 비교하여 알 수 있는 바와 같이, 단일 프린지 IOX 처리는, 표면 근처의 나트륨의 양을 상당히 감소시키는 반면 (약 2.5 mol% 대 약 20 mol%), (내손상성에 도움이 되는) 깊은 나트륨 프로파일은, 약 80 ㎛를 넘는 전통적인 IOX 처리의 것과 비슷하여, 깊은 압축의 깊이를 나타낸다.
게다가, 도 9에서, 단일 프린지 IOX에 적용된 유리 세라믹 물품의 Li2O 농도 (910)는, 유리 세라믹 물품의 표면으로부터 유리 세라믹 물품의 중심선 (CL)으로 증가하는 거리에 따라 표면 Li2O 농도에서 중심선 (CL)에서 최대 Li2O 농도로 증가한다. 다양한 구현 예에서, 표면 Li2O 농도와 최대 Li2O 농도 사이에 차이는, 5 mol% 미만이다. 다양한 구현 예에서, Li2O의 최대 농도는, 19 mol% 내지 32 mol%이다. 대조적으로, 전통적인 IOX에 적용된 유리 세라믹 물품의 Li2O 농도 (912)는, 표면 근처에서 급격히 증가한 다음, 유리 세라믹 물품의 표면으로부터 유리 세라믹 물품의 중심선 (CL)으로 증가하는 거리에 따라 표면 Li2O 농도에서 중심선 (CL)에서 최대 Li2O 농도로 계속 증가한다. 그러나, 표면 Li2O 농도와 최대 Li2O 농도 사이에 차이는, 10 mol% 초과, 15 mol% 초과, 또는 심지어 18 mol%를 초과한다.
유리 세라믹 물품에서 알칼리 산화물의 농도가 이온 교환 강화의 결과로서 변하지만, 유리 네트워크의 다른 구성분 (예를 들어, 유리 형성제, 중간체, 및 비-모바일 개질제 (non-mobile modifiers), 예를 들어, 알칼리토 산화물 (CaO, MgO, 등))의 농도는, 실질적으로 동일하게 유지되는 것으로 (예를 들어, 유리 세라믹 물품의 두께를 통해 실질적으로 균일한 것으로) 이해되어야 한다.
실시 예 3
단일 프린지 IOX로 처리된 유리 세라믹 물품의 중심 장력을 더욱 증가시키기 위해, 2-단계 이온 교환 공정은 검토된다. 실시 예 3에서 물품은 모두 조성물 A로부터 형성된다. 단일 프린지 IOX 처리에 적용된 유리 세라믹 물품의 FSM 스펙트럼은, 도 10a-10h에 나타낸다. 특히, 각각의 도 10a-10h는, 조성물 A로부터 형성되고 이온 교환 처리에 적용된 유리 세라믹 물품에 대한 365 ㎚에서의 FSM 스펙트럼을 나타낸다.
도 10a에서, 유리 세라믹 물품은 500℃에서 12시간 동안 90 wt% KNO3, 10 wt% NaNO3 및 0.1 wt% LiNO3를 포함하는 처리에 적용되었다. 그 결과로 생긴 유리 세라믹 물품은, 84 MPa의 최대 중심 장력을 갖는다. 그 다음, 유리 세라믹 물품은 500℃에서 4시간 동안 60 wt% KNO3, 40 wt% NaNO3 및 0.1 wt% LiNO3를 포함하는 처리에 적용되었다. 그 결과로 생긴 유리 세라믹 물품은, 103 MPa의 최대 중심 장력을 갖는다. 도 10a와 10b를 비교하여 나타낸 바와 같이, 제1 단계는 잘-발달된 프린지 (도 10a)를 나타내는 반면, 제2 단계는, 나트륨 이온의 이온 교환을 증가시키고, 최대 중심 장력을 포함하여 중심 장력을 증가시켰다 (도 10b). 그러나, 제2 단계 후에, 표면층의 굴절률을 낮추는, 증가된 나트륨 이온 교환으로 인해, 프린지들은 콘트라스트를 잃기 시작했다 (또는 "블리치 아웃").
도 10c에서, 유리 세라믹 물품은 500℃에서 12시간 동안 95 wt% KNO3, 5 wt% NaNO3 및 0.1 wt% LiNO3를 포함하는 처리에 적용되었다. 그 결과로 생긴 유리 세라믹 물품은, 71 MPa의 최대 중심 장력을 갖는다. 그 다음, 유리 세라믹 물품은, 500℃에서 4시간 동안 60 wt% KNO3, 40 wt% NaNO3 및 0.1 wt% LiNO3를 포함하는 처리에 적용되었다. 그 결과로 생긴 유리 세라믹 물품은, 98 MPa의 최대 중심 장력을 갖는다. 도 10a 및 10b에서와 같이, 제1 단계는 잘-발달된 프린지 (도 10c)를 나타내는 반면, 제2 단계는 나트륨 이온의 이온 교환을 증가시키고, 최대 중심 장력을 포함하여 중심 장력을 증가시켰다 (도 10d). 다시 말하지만, 제2 단계 후에, 표면층의 굴절률을 낮추는, 증가된 나트륨 이온 교환으로 인해, 프린지들은 콘트라스트를 잃기 시작했다 (또는 "블리치 아웃").
도 10e에서, 유리 세라믹 물품은 500℃에서 7시간 동안 60 wt% KNO3, 40 wt% NaNO3 및 0.1 wt% LiNO3를 포함하는 처리에 적용되었다. 그 결과로 생긴 유리 세라믹 물품은, 100 MPa의 최대 중심 장력을 갖는다. 그 다음, 유리 세라믹 물품은, 500℃에서 4시간 동안 93 wt% KNO3, 7 wt% NaNO3 및 0.1 wt% LiNO3를 포함하는 처리에 적용되었다 (도 10f). 그 결과로 생긴 유리 세라믹 물품은, 95 MPa의 최대 중심 장력을 갖는다. 제1 단계에서 고농도의 나트륨염은, 깊은 DOC로 압축 응력 (도 10e)을 생성한 반면, 칼륨 프린지는 고농도의 칼륨염을 포함하는 제2 단계 (도 10f) 동안에 발생되었다.
도 10g에서, 유리 세라믹 물품은, 500℃에서 6시간 동안 60 wt% KNO3, 40 wt% NaNO3 및 0.1 wt% LiNO3를 포함하는 처리에 적용되었다. 그 결과로 생긴 유리 세라믹 물품은, 103 MPa의 최대 중심 장력을 갖는다. 그 다음, 유리 세라믹 물품은, 500℃에서 5시간 동안 90 wt% KNO3, 10 wt% NaNO3 및 0.1 wt% LiNO3를 포함하는 처리에 적용되었다. 그 결과로 생긴 유리 세라믹 물품은, 101 MPa의 최대 중심 장력을 갖는다. 도 10e 및 10f에서와 같이, 제1 단계에서 나트륨염의 농도는, 깊은 DOC로 압축 응력 (도 10g)을 생성한 반면, 칼륨 프린지는 고농도의 칼륨염을 포함하는 제2 단계 (도 10h) 동안에 발생되었다.
실시 예 4
유리 및 유리 세라믹 물품들은, 다양한 이온 교환 처리 중 하나에 적용되고 내손상성은 측정된다. 이온 교환 조건, 응력 프로파일 특징, 및 강도 (파괴) 시험 값은, 하기 표 2에 제공된다. 모든 샘플은 0.8 ㎜의 두께를 갖는다.
샘플 A는, mol%로 공칭 조성물: 71 SiO2; 1.9 B2O3; 12.8 Al2O3; 2.4 Na2O; 8.2 Li2O; 2.9 MgO; 0.8 ZnO; 0.02 Fe2O3; 0.01 ZrO2; 0.06 SnO2를 갖는 유리 물품이고, 전통적인 IOX 처리에 적용되었다. 샘플 A는, 이중 외팔보 방법에 의해 0.84 MPa√m의 파괴 인성을 갖는다. 샘플 B는, mol%로 공칭 조성물: 58.4 SiO2; 6.1 B2O3; 17.8 Al2O3; 1.7 Na2O; 0.2 K2O; 10.7 Li2O; 4.4 MgO; 0.6 CaO; 0.02 Fe2O3; 0.01 ZrO2; 0.08 SnO2를 갖는 유리 물품이고, 전통적인 IOX 처리에 적용되었다. 샘플 B는, 이중 외팔보 방법에 의해 0.95 MPa√m의 파괴 인성을 갖는다. 샘플 C는, 조성물 A로부터 형성된 유리 세라믹 물품이고, 전통적인 2-단계 IOX 처리에 적용되었다. 샘플 D는, 조성물 A로부터 형성된 유리 세라믹 물품이고, 다양한 구현 예에 따라 단일 프린지 IOX 처리에 적용되었다. 샘플 E는, 조성물 A로부터 형성된 유리 세라믹 물품이고, 다양한 구현 예에 따라 2-단계 단일 프린지 IOX 처리에 적용되었다. 샘플 F는, 조성물 A로부터 형성된 유리 세라믹 물품이고, 다양한 구현 예에 따라 다른 2-단계 단일 프린지 IOX 처리에 적용되었다. 샘플 G는, 조성물 A로부터 형성된 유리 세라믹 물품이고, 다양한 구현 예에 따라 다른 2-단계 단일 프린지 IOX 처리에 적용되었다.
| 샘플 | KNO3 (wt%) | NaNO3 (wt%) | LiNO3 (wt%) | 온도 (℃) |
시간 (h) |
CT (MPa) |
파괴 (MPa) |
| A | 93.5 | 6.5 | 0 | 430 | 4.5 | 86 | 195 |
| B | 88.2 | 11.8 | 2 | 450 | 8.4 | 105 | 235 |
| C | 30 | 70 | 0.05 | 470 | 12 | 114 | - |
| 30 | 70 | 0 | 470 | 1.5 | 124 | 334 | |
| D | 90 | 10 | 0.1 | 500 | 13 | 85 | 239 |
| E | 60 | 40 | 0.1 | 500 | 6 | 103 | - |
| 90 | 10 | 0.1 | 500 | 4 | 101 | ||
| F | 60 | 40 | 0.1 | 500 | 7 | - | - |
| 93 | 7 | 0.1 | 500 | 5 | 92 | 271 | |
| G | 60 | 40 | 0.1 | 500 | 10 | - | - |
| 93 | 7 | 0.1 | 500 | 5 | 90 | 258 |
표 2에서 파괴로 보고된, 강도는, 슬래퍼 (slapper)를 통해 80 그릿 샌드페이퍼로 충격을 받은 1.3J의 에너지를 적용하여 유리에 손상을 도입한 후 4점 굽힘 시험으로 파손까지 적용된 파괴 응력에 의해 측정된다. 상기 방법은 US20190072479A1에 기재되어 있다. 시험은, 평면에서 곡면에 이르는 표면을 갖는 간단한 진자-기반 동적 충격 시험을 포함하는 장치를 사용하여 시험을 수행되며, 여기서, 유리 세라믹 물품 시험 표본은, 시험 표본을 거친 충격 표면에 접촉시키는데 사용되는, 진자의 봅 (bob)에 장착된다. 장치는, 국제 출원 공개 제WO2017100646호에 상세하게 기재되어 있으며, 이는 그 전체가 참조로 여기에 병합된다. 시험을 수행하기 위해, 샘플은 홀더에 로딩된 다음, 진자 평형 위치로부터 (시험될 표본에 1.3J의 에너지가 적용되는 위치로) 뒤로 당겨져, 충격 표면 상에 동적 충격을 가한다. 충격 표면은, 실시 예들에서 명시된 그릿을 갖는 샌드페이퍼의 형태로, 충격 표면에 부착된 연마 시트를 포함한다. 샌드페이퍼는, 25 ㎜ 정사각형 조각으로 자르고, 상기 조각이 절단 과정 동안에 구부러지면, 샌드페이퍼는 평평하게 만든다. 기부 (base) 상에 만곡된 표면의 곡률 반경은, 인장력이 기판 굽힘의 응력으로부터 결과하는 외부적으로 적용된 인장력이 되도록, 기판이 만곡된 표면 주위로 굽혀진 경우, 100 MPa의 굽힘 인장력을 제공하도록 선택된다.
실시 예 5
다음으로, 조성물 A로부터 형성된 유리 세라믹 물품은, 이온 교환 처리에 적용되고, 이들의 응력 프로파일은 RNF를 사용하여 측정되었다. 결과는 도 11에 나타낸다. 500℃에서 10시간 동안 60 wt% KNO3, 40 wt% NaNO3 및 0.1 wt% LiNO3로, 이어서 500℃에서 5시간 동안 93 wt% KNO3, 7 wt% NaNO3 및 0.1 wt% LiNO3로 단일 프린지 이온 교환으로 처리된 조성물 A로부터 형성된 유리 세라믹 물품 (표 2의 샘플 G와 동일)은, 응력 프로파일 (1102)을 나타냈다. 500℃에서 7시간 동안 60 wt% KNO3, 40 wt% NaNO3 및 0.1 wt% LiNO3로, 이어서 500℃에서 5시간 동안 93 wt% KNO3, 7 wt% NaNO3 및 0.1 wt% LiNO3로 단일 프린지 이온 교환으로 처리된 조성물 A로부터 형성된 유리 세라믹 물품 (표 2의 샘플 F와 동일)은, 응력 프로파일 (1104)을 나타냈다. 470℃에서 12시간 동안 30 wt% KNO3, 70 wt% NaNO3 및 0.05 wt% LiNO3로, 이어서 470℃에서 1.5시간 동안 30 wt% KNO3, 70 wt% NaNO3를 포함하는 욕조로 전통적인 이온 교환 처리로 처리된 조성물 A로부터 형성된 유리 세라믹 물품 (표 2의 샘플 C와 동일)은, 응력 프로파일 (1106)을 나타냈다. 도 11에 나타낸 바와 같이, 두 프로파일들 (1102 및 1104)에서 응력은, 압축 응력에서 인장 응력까지 유리 세라믹 물품의 외부 표면으로부터 증가하는 거리에 따라 감소한다.
저-굴절률 층을 갖는 유리 세라믹 물품의 응력 프로파일 (1106)은, 표면으로부터 0.1t 이상의 깊이까지 높은 압축 응력 (예를 들어, 80 MPa 초과)을 가지며, 여기서, t는 유리 세라믹의 두께이다. 그러나, 응력 프로파일 (1102 및 1104)은, 120 ㎛ 또는 0.15t를 초과하는 깊이에서 증가된 압축 응력을 갖는다. 구체적으로, 증가된 압축 응력은, 0.15t의 깊이에서 40 MPa 이상, 0.19t의 깊이에서 30 MPa 이상, 0.19t의 깊이에서 20 MPa 이상의 압축 응력이다. 부가적으로, 응력 프로파일 (1102 및 1104)은, 0.20t, 0.21t, 또는 0.22t를 초과하는, 실질적으로 더 깊은 압축의 깊이를 나타낸다.
응력 프로파일 (1102 및 1104)은 또한 스파이크 다음의 깊이 범위에서 발생하는 명확한 니 응력 (well-defined knee stress) (CSk)을 포함한다. 이론에 구애됨이 없이, 니 응력은 샘플의 내부에서와 동일한 수준으로 칼륨 농도의 안정화로부터 결과하는 것으로 믿어진다. CSk의 값은 100 내지 150 MPa이다. CSk는, 100 MPa 내지 150 MPa, 100 MPa 내지 140 MPa, 100 MPa 내지 130 MPa, 100 MPa 내지 120 MPa, 100 MPa 내지 110 MPa, 110 MPa 내지 150 MPa, 110 MPa 내지 140 MPa, 110 MPa 내지 130 MPa, 110 MPa 내지 120 MPa, 120 MPa 내지 150 MPa, 120 MPa 내지 140 MPa, 120 MPa 내지 130 MPa, 130 MPa 내지 150 MPa, 130 MPa 내지 140 MPa, 140 MPa 내지 150 MPa, 또는 이들 말단 값 중 어느 하나로부터 형성된 임의의 및 모든 서브-범위일 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 마지막 이온 교환 단계에서 약간 더 낮은 LiNO3 함량 (예를 들어, 0.09 wt%, 0.08 wt%, 또는 0.07 wt%)을 갖는 구현 예에서, CSk에 대한 더 높은 값은, 표면 상에 저-굴절률 층을 형성하지 않고도 얻어질 수 있다.
다양한 구현 예에서, 70 MPa, 80 MPa, 또는 심지어 90 MPa를 초과하는 CSk 값은, 중간 정도의 거친 표면 상에 낙하 행위 (events) 동안 향상된 내파괴성을 제공할 수 있다. 이론에 구애됨이 없이, 예를 들어, 70 MPa 및 80 MPa와 같은 인장 응력은, 1 m 이상의 높이로부터 거친 표면 상에 낙하 동안 표면 근처에서 및 30-40 ㎛ 만큼의 깊이에서 발생하는 것으로 믿어진다. 따라서, 다양한 구현 예에서, 이온-교환된 유리 세라믹 물품은, 70 MPa를 초과하는 CSk 값을 갖는다. 다양한 구현 예에서, CSk는 프리즘-커플링 (FSM) 스펙트럼에서 임계-각 전환의 복굴절의 측정을 통해 측정되며, 여기서, 복굴절은 CSk와 직접 상관 관계가 있다.
도 11에 나타낸 바와 같이, 응력 프로파일 (1102 및 1104)은, 압축 응력의 표면 스파이크를 더욱 나타낸다. 이론에 구애됨이 없이, 표면 스파이크는, 나트륨 이온이 아닌 칼륨 이온의 증가된 농도에 기인하는 것으로 믿어진다. 특히, 이들 샘플에서 칼륨 침투는, 약 5 ㎛ 내지 약 12 ㎛로 떨어지며, 이는 낮은 칼륨 농도 및 각 편광에 대한 단일 프린지 FSM 스펙트럼과 관련이 있다.
도 11에 나타낸 플롯에서 볼 수 있는 표면에서의 응력은, 응력이 매우 작은 거리에 걸쳐 크게 변하는, 스파이크를 나타내는 것의 정확도를 제한하는 굴절된 근거리-장 (RNF) 방법의 제한된 해상도로 인해 정확한 것으로 간주되지 않는다. 따라서, 다양한 구현 예에서, 표면 응력은 가능할 때마다 프리즘-커플링 측정을 사용하여 측정되거나 또는 추정된다. 저-굴절률 표면층은 피하지만, 표면에 칼륨 이온이 풍부한 경우, 응력 프로파일 (1102 및 1104)에 해당하는 샘플에 대한 스파이크 영역에서 평균 압축 응력은, 150 MPa 내지 약 300 MPa인 반면, 표면 응력은 약 200 MPa 내지 약 490 MPa이다. 상한은, 2-프린지 스펙트럼을 얻기 위하여 실질적으로 더 긴 시간 동안 샘플을 이온-교환시키는 단계, 2-프린지 스펙트럼으로 표면 압축 응력을 측정하기 위한 전통적인 수단을 사용하여 표면 압축 응력을 측정하는 단계, 및 그 다음 매우-긴 이온-교환 시간의 결과로써 발생하는 압축 응력에서 감소를 보정하는 단계에 의해 결정된다. 이론에 구애됨이 없이, 표면 압축 응력, 및 최대 중심 장력을 포함한 중심 장력은, 욕조 내에 LiNO3의 양에 민감한데, 압축 응력은, 0.05 wt% 내지 0.07 wt%의 범위의 LiNO3 농도에 대해 400-490 MPa의 범위로부터 0.07 wt% 내지 0.12 wt%의 범위의 LiNO3 농도에 대해 350-450 MPa까지, 심지어 더 높은 LiNO3 농도에 대해 250-400 MPa까지 점진적으로 감소한다. 특정 압축 응력 값은, 욕조 내에 Na/K 비에 의존하는 범위 내에서 변하며, 여기서, 가장 높은 값은, 마지막 이온-교환 단계에서 낮은 농도의 NaNO3 (예를 들어, <5 wt%) 및 높은 농도의 KNO3 (예를 들어, >95 wt%)를 갖는 욕조에 대해 얻어진다.
게다가, 응력 프로파일 (1102 및 1104)은, 칼륨이-풍부한 표면 스파이크의 기부 (bottom)와 압축의 깊이를 실질적으로 초과하는 깊이 사이에 영역에서 매우 작은 2차 도함수 (derivative)를 갖는다. 이러한 실질적인 선형 영역은, 0.25t 초과 내지 0.4t의 깊이로 연장된다. 예를 들어, 도 11에 나타낸 바와 같이, 프로파일의 실질적인 선형 영역은, 200 ㎛를 초과하고, 심지어 240 ㎛, 280 ㎛, 또는 심지어 320 ㎛를 초과한다. 실질적인 선형 영역의 시작은, 50 ㎛ 미만이며, 특정 구현 예에 따라, 35 ㎛, 20 ㎛, 15 ㎛, 또는 심지어 10 ㎛ 만큼 낮게 보일 수 있다. 대조적으로, 응력 프로파일 (1106)은, 처음 0.1t, 또는 80 ㎛에서 매우 높은 2차 도함수를 갖는다. 문구 "실질적인 선형"은, 관심의 영역에서 응력 프로파일의 2차 도함수의 절대 값이 영역의 평균 기울기에 비례하는 한도를 초과하지 않음을 의미하며, 여기서, 한도는 10 ㎜-1이다. 몇몇 구현 예에서, 한도는, 선형 프로파일 세그먼트의 더 나은 근사치를 얻기 위해 9, 8, 7, 6, 또는 5 ㎜-1로 설정될 수 있다.
응력 프로파일 (1102)은, 약 580 MPa/㎜의 평균 기울기를 갖는 반면, 2차 도함수는 20 내지 240 ㎛ (0.025 내지 0.3t)의 깊이 범위에서 제곱 ㎜ 당 -3000 내지 3000 MPa에서 유지된다. 그러므로, 2차 도함수의 절대 값 대 1차 도함수의 절대 값의 비는, 명시된 깊이 범위에 걸쳐 6 미만이다. 40 내지 200 ㎛ (0.05 내지 0.25t)의 깊이 범위에서, 상기 비는 5 미만이다.
다양한 구현 예에서, 관심의 영역 내에 2차 도함수는, 관심의 영역 내에 프로파일에 대한 근접 다항식 핏을 얻는 단계, 및 그 다음 상기 다항식 핏의 도함수를 취하는 단계에 의해 추정된다. 이러한 방법은, 유한 차분 (finite differences)에 의한 실험 프로파일의 직접적인 2차 도함수를 계산할 때 보통 발생하는 노이즈를 줄이거나 또는 심지어 제거하는 것을 가능하게 한다. 그러나, 몇몇 구현 예에서, 근접 다항식 핏 (예를 들어, 0.999 이상의 R2를 갖는 다항식 핏)을 얻는 것이 어려울 수 있다. 이러한 구현 예에서, 실질적인 선형 세그먼트의 또 다른 관점은, 예를 들어, 국부 기울기가 세그먼트의 범위에 걸쳐 크게 변하지 않는다는 점이, 고려될 수 있다. 예를 들어, 응력 프로파일 (1102)은, 관심의 영역에서 470 MPa/㎜ 아래로 떨어지지 않고, 640 MPa/㎜를 초과하지 않는, 기울기를 가지므로, 170 MPa/㎜ 미만의 기울기에서 총 변화는 영역 내에 평균 기울기의 30%를 초과하지 않는다. 따라서, 몇몇 구현 예에서, "실질적인 선형"은, 기울기에서 총 변화가 평균 기울기의 30%, 25%, 20%, 또는 15%를 초과하지 않음을 의미한다.
응력 프로파일 (1104)은, 응력 프로파일 (1102)의 평균 기울기보다 약간 더 높은 관심 깊은 영역 (스파이크 영역 제외)에서 평균 기울기를 갖는다. 특히, 평균 기울기는 600 내지 670 MPa/㎜이다. 응력 프로파일 (1102)에서와 같이, 응력 프로파일 (1104)의 실질적인 선형 영역은, 관찰되는 실질적인 선형 프로파일의 특정 조건에 따라, 30, 25, 20 또는, 15 ㎛의 하한으로부터 320, 300, 280, 240, 또는 200 ㎛의 상한까지 연장된다. 상한은, 대부분의 두께 (예를 들어, 0.25t, 0.3t, 0.35t, 0.37t 또는 심지어 0.4t)을 나타낸다. 따라서, 다양한 구현 예에서, 이온 교환된 유리 세라믹 물품의 응력 프로파일은, 더 엄격한 조건의 실질적인 선형 프로파일이 관찰되는 경우 조차도, 0.25t 또는 0.3t를 초과하는 폭으로 0.02t 내지 0.4t의 범위에 걸쳐 실질적인 선형 영역을 갖는다.
응력 프로파일 (1102 및 1104)은 또한 (나타낸 실시 예에서 최대 중심 장력인) 피크 중심 장력이 60 MPa 내지 120 MPa인 것을 나타낸다. 몇몇 구현 예에서, 피크 중심 장력은 108 MPa 또는 102 MPa 미만이다. 이론에 구애됨이 없이, 120 MPa 미만 또는 심지어 108 MPa 미만의 피크 중심 장력 값은 저-굴절률 표면층의 형성 및/또는 화학적 내구성 문제를 줄이거나 또는 제거할 수 있는 것으로 믿어진다. LiNO3 함량을 0.1 wt%로부터 0.09 wt%, 0.08 wt%, 또는 심지어 0.07 wt%로 감소시키면, 피크 중심 장력을 증가시킬 수 있는 것으로 더욱 믿어진다. 부가적으로, 더 높은 최대 중심 장력을 포함하는, 더 높은 중심 장력 수준은, 이온 교환 욕조의 조성물, 특히, LiNO3 함량의 보다 세심한 제어에 의해 달성될 수 있는 것으로 믿어진다.
도 11에 나타낸 바와 같이, 응력 프로파일 (1102 및 1004)은 또한 52 MPa 내지 66 MPa의 압축 영역에서의 평균 응력, 및 9.9 내지 12.5 MPa*㎜의 각 압축 영역에서의 압축 응력의 깊이 적분 (depth integral)을 갖는다. 두 압축 영역에 대한 총 압축 응력 적분 (stress integrals)은, 0.8 ㎜의 두께로 나눌 때, 두 응력 프로파일 (1102 및 1004)에 대해 23.5 MPa 내지 31.3 MPa이다. 그러나, 16 MPa*㎜까지의 약간 더 높은 응력 적분은, 이온 교환 욕조의 LiNO3 함량이 0.06-0.09 wt%로 감소된 경우 가능하고, 8 MPa*㎜의 약간 더 낮은 응력 적분은, 다수의 부품들 (multiple parts)을 이온 교환한 결과로써 욕조의 LiNO3 함량이 증가함에 따라 얻어진다. 따라서, 욕조의 LiNO3 함량을 변화시켜, 압축 영역에서 평균 압축 응력은, (0.06-0.08wt%의 LiNO3 수준에서) 85 MPa에서 (0.2 내지 0.3 wt%의 LiNO3 수준에서) 45 MPa까지 변화될 수 있다. 다양한 구현 예에서, 유리 세라믹 물품의 두께로 나눌 때, 2개의 압축 영역 (예를 들어, 유리 세라믹 물품의 각 대향하는 표면 근처)의 총 압축 응력 적분은, 20 MPa 내지 40 MPa의 범위에 있다. 두께-정규화된 응력 (thickness-normalized stress )에 대한 동일한 값들 및 범위들은, 압축 영역과 인장 영역 사이에 힘의 균형으로 인해, 인장 영역에 걸친 두께-정규화된 응력 적분에 적용되는 것으로 이해되어야 한다.
실시 예 6
유리 세라믹 물품은, 다양한 프린지가 없는 이온 교환 처리를 받았으며, 이들의 응력 프로파일은 RNF를 사용하여 측정된다. 특히, 응력 프로파일 (1202)은, 조성물 A로부터 형성되고, 500℃에서 8시간 동안 60 wt% KNO3, 40 wt% NaNO3, 및 0.1 wt% LiNO3로 처리된 유리 세라믹 물품에 해당한다. 응력 프로파일 (1204)은, 조성물 A로부터 형성되고, 470℃에서 8시간 동안 70 wt% KNO3, 30 wt% NaNO3, 및 0.1 wt% LiNO3로 처리된 유리 세라믹 물품에 해당한다 (이하, 샘플 O). 응력 프로파일 (1206)은, 조성물 A로부터 형성되고 470℃에서 13시간 동안 70 wt% KNO3, 30 wt% NaNO3, 및 0.1 wt% LiNO3로 처리된 유리 세라믹 물품에 해당한다 (이하, 샘플 P). 마지막으로, 응력 프로파일 (1208)은, 조성물 A로부터 형성되고, 470℃에서 12시간 동안 30 wt% KNO3, 70 wt% NaNO3, 및 0.05 wt% LiNO3에서 제1 단계 및 470℃에서 1.5시간 동안 30 wt% KNO3 및 70 wt% NaNO3에서 제2 단계를 포함하는 전통적인 이온 교환 처리로 처리된 유리 세라믹 물품에 해당한다 (표 2에서 샘플 C와 동일).
도 12에 나타낸 바와 같이, 각각의 응력 프로파일은, 유리 세라믹 물품의 두께의 약 20% (각 샘플에 대해 0.8 ㎜)의 압축의 깊이를 포함한다. 응력 프로파일 (1202)은, 일반적으로 CS(z)에 대해 양의 2차 도함수를 갖지만, 이것은 또한 50 ㎛의 깊이로부터 240 ㎛까지 (0.05t 내지 0.3t), 또는 보다 엄격하게는, 56 ㎛로부터 208 ㎛까지 (0.07t 내지 0.26t) 연장되는 실질적으로 선형 영역을 포함한다. 실질적인 선형 영역에서 평균 응력 기울기는, 약 1000 MPa/㎜이고, 압축의 깊이는 약 0.17 ㎜ (0.21t)이다. 최대 중심 장력은 107 MPa이다. 응력 프로파일 (1202)은, 또한 210 내지 220 MPa의 범위에서 높은 CSk, 및 16 MPa*㎜와 동일한 압축 영역에서 압축 응력의 깊이 적분을 갖는다. 인장 영역에 걸친 인장 응력의 적분은 32 MPa*㎜이어서, 인장 영역의 양 측면들 상에 압축 영역의 깊이 적분의 합의 균형을 이룬다. 두께에 대한 총 압축 응력 적분의 비는 40 MPa이다. 부가적으로, 압축 영역에서 평균 압축 응력은, 0 내지 DOC의 깊이 범위로 표면에서 z=0으로부터 DOC (응력 프로파일 (1202)의 경우 0.17 ㎜)까지 압축 응력의 깊이 적분을 나누어 얻어진, 94 MPa이다. 이러한 평균 압축 응력은, 프로파일이 두께에 따라 정해질 때 (예를 들어, 두께의 제곱에 비례하여 이온-교환 시간을 감소시켜), 실질적으로 동일하다.
도 12에 나타낸 바와 같이, 응력 프로파일 (1204)은 또한 유리 세라믹 물품의 내부 상에 대부분의 인장 영역을 통해 및 압축 영역 전체에 걸쳐, 연속적인 양의 2차 도함수를 특징으로 한다. 각 압축 존에 걸친 압축 응력 적분은 15.6 MPa*㎜이다. 전체 응력 적분 (응력 균형으로 인한 압축 응력 또는 인장 응력)을 두께 (0.8 ㎜)로 나눈 값은 39MPa이다. 압축 존에서 평균 압축 응력은 99.4 MPa이며, 위와 같이, 프로파일이 두께에 따라 정해질 때, 실질적으로 동일하다.
응력 프로파일 (1204)은 일반적으로 더 높은 2차 도함수의 절대 값을 가지며, 이의 작은 부분 (약 80 ㎛ 내지 약 200 ㎛, 또는 0.1t 내지 0.25t)은 실질적으로 선형이다. 응력 프로파일 (1204)은 또한 응력 프로파일 (1202)과 비교하여 60 ㎛를 초과하는 깊이에서 다소 낮은 압축 응력 및 50 ㎛ 미만의 깊이에서 더 높은 압축 응력을 갖는다.
그러나, 두 응력 프로파일 (1202 및 1204)은, 처음 50 ㎛ (또는 0.06t)에서 발생하는 처음 200 ㎛ (또는 0.25t)에 대한 함수 CS(z)의 가장 높은 2차 도함수를 갖는다. 좀 더 구체적으로, 처음 10㎛의 칼륨이-풍부한 영역을 제외하면, 가장 높은 2차 도함수는 12 ㎛ 내지 40 ㎛의 깊이들 사이에서 발생한다. 각각의 응력 프로파일 (1202 및 1204)의 가장 높은 2차 도함수는, 응력 프로파일 (1204)의 것보다 2배 이상인 처음 50 ㎛에서 가장 높은 2차 도함수를 갖는, 응력 프로파일 (1208)의 것보다 훨씬 더 작다 (응력 프로파일 (1202)의 경우 25,000 내지 40,000 MPa/㎜2 및 응력 프로파일 (1204)의 경우 40,000 내지 70,000 MPa/㎜2). 마지막 이온 교환 단계에서 LiNO3 농도가 0.1 wt% 미만일 때, 더 높은 2차 도함수, 예를 들어, 최대 100,000 MPa/㎜2는 얻어질 수 있으며, LiNO3 농도가 0.06 또는 0.07 wt%를 초과하고 0.1 wt% 미만일 때, 저-굴절률 표면층을 형성하지 않고도 얻어질 수 있다.
응력 프로파일 (1202 및 1204)은, 압축 존에서 관찰되는 기울기의 범위를 더욱 특징으로 할 수 있다. 다양한 구현 예에서, 약 10 ㎛의 깊이를 갖는 칼륨이-풍부한 영역에서 표면의 기울기는 포함되지 않는다. 특히, 응력 프로파일 (1202)은, 210 내지 220 MPa의 CSk, 및 10 내지 20 ㎛의 깊이 범위에서 -2650 MPa/㎜로부터 50㎛의 깊이에서 약 -1430 MPa/㎜로 단조롭게 변화하는 CS(z)의 음의 기울기를 갖는다. CS(z)의 음의 기울기는, 그 다음 170 ㎛의 DOC에서 -880 MPa/㎜로 더 서서히 변화한다. 응력 프로파일 (1204)은, 10 내지 20 ㎛의 깊이 범위에서 약 -3830 MPa/㎜의 더 높은 기울기로 시작하여, 50 ㎛의 깊이에서 약 -1610 MPa/㎜로 빠르게 변화한 다음, 157 ㎛의 DOC에서 약 -950 MPa/㎜에 도달하도록 더 서서히 변화된다. 응력 프로파일 (1202)은, 107 MPa의 최대 중심 장력을 갖는 반면, 응력 프로파일 (1204)은 77 MPa의 실질적으로 더 낮은 최대 중심 장력을 갖는다.
각각의 응력 프로파일 (1202 및 1204)은, 약 40 ㎛ (0.05t)의 제1 깊이 및 120 ㎛ (0.15t)의 제2 깊이 모두에서 동시에 높은 압축 응력을 나타내며, 여기서 압축 응력은 제1 깊이에서 100 MPa를 초과하고, 제2 깊이에서 30 MPa를 초과한다. 이론에 구애됨이 없이, 이것은 얕은 깊이 내지 중간 깊이 흠들에 대해 작용하는 더 높은-응력 헹위 및 깊은 흠들에 작용하는 낮거나 중간 정도의 응력 행위 모두에 대해 실질적인 보호를 제공할 수 있는 것으로 믿어진다.
응력 프로파일 (1206)은, 0.17 ㎜의 DOC를 가지며, 각 압축 영역에 걸친 압축 응력 깊이 적분은 14.4 MPa*㎜와 같다. 압축 영역에서 평균 압축 응력은 84.7 MPa이고, 총 응력 적분을 두께 (0.8 ㎜)로 나눈 값은 36 MPa이다. 칼륨이-풍부한 표면층 이후에, 응력 프로파일 (1206)은, 약간 더 작은 DOC를 제외하고, 도 11에서의 응력 프로파일 (1102 및 1104)과 유사한 특성을 갖는다. 특히, 응력 프로파일 (1102 및 1104)과 같이, 응력 프로파일 (1206)은, 연장된 실질적인 선형 영역을 가져서, 여기에 기재된 프린지가 없는 이온 교환 처리가, 품질 관리에 사용하기 위한 1-프린지 스파이크를 발생시킬 필요 없이, 유사한 응력 프로파일을 제공할 수 있고, 따라서, 유사한 내파괴성을 제공할 수 있음을 나타낸다. 부가적으로, 응력 프로파일 (1102 및 1104)과 비교하여, 응력 프로파일 (1206)은, 약 170 MPa에서 실질적으로 더 높은 CSk를 갖는다. 결과적으로, 응력 프로파일 (1206)에 대한 압축 영역에서 평균 압축 응력은, 더 높은 DOC를 갖는, 응력 프로파일 (1102 및 1104)에서보다 다소 높다.
실시 예 7
유리 및 유리 세라믹 물품들은, 다양한 이온 교환 처리 중 하나에 적용되고, 내손상성은 측정된다. 이온 교환 조건, 응력 프로파일 특징, 및 강도 (파괴) 시험 값은 하기 표 3에 제공된다.
샘플 H는, 상기 샘플 A와 동일한 특성을 갖고, 동일한 이온 교환 조건에 적용된 유리 물품이다. 샘플 I는, 상기 샘플 B와 동일한 특성을 갖고, 동일한 이온 교환 조건에 적용된 유리 물품이다. 샘플 J는, 조성물 A로부터 형성되고, 전통적인 2-단계 IOX 처리에 적용된 유리 세라믹 물품 (상기 샘플 C와 동일)이다. 샘플 K, L, 및 M은, 조성물 A로부터 형성되고, 각각 4, 8, 또는 12시간 동안 다양한 구현 예에 따라 프린지가 없는 IOX 처리에 적용된 유리 세라믹 물품이다. 샘플 N, O, P, 및 Q는, 조성물 A로부터 형성되고, 각각 4, 8, 13, 또는 16시간 동안 다양한 구현 예에 따라 다른 프린지가 없는 IOX 처리에 적용된 유리 세라믹 물품이다. 샘플 R, S, 및 T는 조성물 A로부터 형성되고, 각각 4, 8, 또는 16시간 동안 다양한 구현 예에 따라 다른 프린지가 없는 IOX 처리에 적용된 유리 세라믹 물품이다.
| 샘플 | KNO3 (wt%) | NaNO3 (wt%) | LiNO3 (wt%) | 온도 (℃) |
시간 (h) |
CT (MPa) |
CS (MPa) |
파괴 (MPa) |
| H | 93.5 | 6.5 | 0 | 430 | 4.5 | 86 | 660 ±20 | 195 |
| I | 88.2 | 11.8 | 2 | 450 | 8.4 | 105 | 600 | 235 |
| J | 30 | 70 | 0.05 | 470 | 12 | 114 | 350 | - |
| 30 | 70 | 0 | 470 | 1.5 | 124 | 426 | 334 | |
| K | 60 | 40 | 0.1 | 500 | 4 | 78 | 305 | 300 |
| L | 60 | 40 | 0.1 | 500 | 8 | 107 | 295 | 325 |
| M | 60 | 40 | 0.1 | 500 | 12 | 108 | 262 | 304 |
| N | 70 | 30 | 0.1 | 470 | 4 | 53 | 308 | 286 |
| O | 70 | 30 | 0.1 | 470 | 8 | 77 | 290 | 309 |
| P | 70 | 30 | 0.1 | 470 | 13 | 94 | 266 | 288 |
| Q | 70 | 30 | 0.1 | 470 | 16 | 97 | 236 | 307 |
| R | 50 | 50 | 0.1 | 470 | 4 | 59 | 330 | - |
| S | 50 | 50 | 0.1 | 470 | 8 | 105 | 285 | - |
| T | 50 | 50 | 0.1 | 470 | 16 | 84 | 299 | - |
표 3에서 파괴로 보고된, 강도는, 슬래퍼를 통해 80 그릿 샌드페이퍼로 1.3J 충격을 통해 유리에 손상을 도입한 후 4 점 굽힘 시험으로 파손까지 적용된 파괴 응력에 의해 측정된다. 이 방법은 US20190072479A1에 기재되어 있다. 샘플 J, K, L, 및 M에 대한 파괴 강도는 도 13에 플롯된다. 열화되기-쉬운 저-굴절률 층 (degradation-prone low-index layer)을 형성하지 않는 (조성물 A로 제조된) 샘플 J 내지 T 모두는, 저-굴절률 층을 형성하지 않았음에도 불구하고, 비교 예 H 및 I보다 여전히 상당히 우수한 성능을 보인다. 표면 열화에 대한 저항성을 갖는 이들 샘플 (J 내지 T)은, 일반적으로 샘플 H 및 I의 유리 예보다 유리-세라믹 이중 이온 교환 샘플 (샘플 J)의 강도에 더 가까운 기계적 성능을 나타낸다.
실시 예 8
유리 및 유리 세라믹 물품은, 다양한 이온 교환 처리 중 하나에 적용되고, 내손상성은 낙하 시험을 사용하여 측정되며, 그 결과는 도 14a-14c에 제시된다. 실시 예 U-BB에 따른 유리-계 물품은, 동일한 퍽 장치 (puck devices)에 장착되며, 여기서 퍽은 휴대용 전화 장치를 시뮬레이션하기 위해 크기, 모양 및 무게가 정해진다. 여기에서 사용된 바와 같은, 용어 "유리-계"는, 유리, 및 유리-세라믹을 포함하는, 적어도 부분적으로 유리로 제조된 임의의 물질을 포함하는 것을 의미한다. 퍽은, 180 그릿 샌드페이퍼 상으로 20 ㎝에서 시작하는 증분 높이로부터, 유리-계 물질을 아래로 향하여 - 평면 낙하로, 수평 방향으로 낙하된다. 유리-계 물품이 하나의 높이 (예를 들어, 20cm)로부터의 낙하에서 생존한다면, 퍽은 10 ㎝ 증분적으로 더 큰 높이 (예를 들어, 30 ㎝, 40 ㎝, 50 ㎝, 등)로부터 225 ㎝의 높이까지 다시 낙하된다. 생존한 유리-계 물품은 그 다음 (동일한 전화 장치에서) 80 그릿 샌드페이퍼 상으로 낙하된다. 180 그릿 샌드페이퍼 및 80 그릿 샌드페이퍼 모두에서 유리-계 물품이 파손된 높이는, 도 14a-c에 플롯된다.
도 14a는, 샘플 U, V, W, 및 X에 대한 80 그릿 샌드페이퍼 상에 증분적 평면 낙하의 결과를 나타낸다. 샘플 U는, mol%의 공칭 조성물: 63.6 SiO2; 2.3 B2O3; 15 Al2O3; 9.3 Na2O; 5.9 Li2O; 1.2 ZnO; .05 SnO2, 2.53 P2O5로 형성된 유리 물품이다. 샘플 U는, 이중 외팔보 방법으로 0.76 MPa√m의 파괴 인성을 가졌다. 샘플 V는, mol%의 공칭 조성물: 71 SiO2; 1.9 B2O3; 12.8 Al2O3; 2.4 Na2O; 8.2 Li2O; 2.9 MgO; 0.8 ZnO; 0.02 Fe2O3; 0.01 ZrO2; 0.06 SnO2로부터 형성된 유리 물품이다. 샘플 V는, 이중 외팔보 방법으로 0.84 MPa√m의 파괴 인성을 가졌다. 샘플 W는, mol%의 공칭 조성물: 58.4 SiO2; 6.1 B2O3; 17.8 Al2O3; 1.7 Na2O; 0.2 K2O; 10.7 Li2O; 4.4 MgO; 0.6 CaO; 0.02 Fe2O3; 0.01 ZrO2; 0.08 SnO2로 형성된 유리 물품이다. 샘플 W는, 이중 외팔보 방법에 으로 0.95 MPa√m의 파괴 인성을 가졌다. 샘플 X는 조성물 A로 형성된 유리 물품이다. 각각의 샘플 U, V, W, 및 X는, 380℃에서 4시간 동안 70 wt% NaNO3 및 30 wt% KNO3를 함유하는 욕조로 제1 단계의 처리 및 380℃에서 4분 동안 7 wt% NaNO3 및 93 wt% KNO3를 함유하는 욕조로 제2 단계의 처리를 포함하는 전통적인 이온 교환 처리에 적용된다.
도 14b 및 14c는, 샘플 Y, Z, AA, 및 BB에 대해, 각각 180 그릿 샌드페이퍼 및 80 그릿 샌드페이퍼에 대한 증분적인 평면 낙하의 결과를 나타낸다. 각각의 샘플 Y, Z, AA, 및 BB는, 조성물 A로부터 형성된다. 샘플 Y는, 470℃에서 12시간 동안 70 wt% NaNO3, 30 wt% KNO3 및 0.05 wt% LiNO3에서의 제1 단계에 이어서 470℃에서 1.5시간 동안 70 wt% NaNO3 및 30 wt% KNO3에 의한 처리를 포함하는 전통적인 2-단계 이온 교환 처리에 적용된다 (라인 (1106) 및 실시 예 4C와 동일하고, 종래의 실시 예 2와 유사함). 샘플 Z는, 500℃에서 6시간 동안 40 wt% NaNO3, 60 wt% KNO3 및 0.1 wt% LiNO3에서의 제1 단계에 이어서 500℃에서 5시간 동안 10 wt% NaNO3 및 90 wt% KNO3, 및 0.1 wt% LiNO3에 의한 처리를 포함하는 2-단계 프린지가 없는 이온 교환 처리에 적용된다 (라인 (1104), 실시 예 4F와 유사). 샘플 AA는, 500℃에서 8시간 동안 40 wt% NaNO3, 60 wt% KNO3 및 0.1 wt% LiNO3를 포함하는 1-단계 프린지가 없는 이온 교환 처리에 적용된다 (실시 예 7L과 동일). 샘플 BB는, 470℃에서 8시간 동안 30 wt% NaNO3, 70 wt% KNO3 및 0.1 wt% LiNO3를 포함하는 1-단계 프린지가 없는 이온 교환 처리에 적용된다 (실시 예 7O 및 라인 (1204)와 동일).
도 14a-c에 나타낸 바와 같이, 실시 예 U 및 V의 2개의 유리-계 물품을 제외한 모든 물품은, 약 250 ㎝의 높이까지 80 그릿 샌드페이퍼 상으로 낙하시 생존하며, (160 ㎝ 내지 178 ㎝의 평균 생존 낙하 높이를 제공한다). 따라서, 도 14a-14c는, 여기에서의 다양한 구현 예에 따른 이온-교환된 유리 세라믹 물품이 종래 기술의 이온 교환 공정에 따라 화학적으로 강화된 유리 물품과 통계적으로 동일한 낙하 성능을 나타낸다는 것을 보여준다.
실시 예 9
에이징 및 부식에 대한 다양한 구현 예에 따른 프린지가 없는 이온 교환 처리의 효과를 결정하기 위해, 유리 세라믹 물품은 제조되고, 다양한 이온 교환 처리 중 하나에 적용된다. 각각의 유리 세라믹 물품은 조성물 A로부터 형성된다. 이온 교환 처리 조건 및 가속화된 에이징 시험 결과는, 하기 표 4에 제시된다. 가속화된 에이징 결과를 결정하기 위해, 샘플들은, (표 4에 보고된) 일정 기간 동안 85℃ 및 85% 상대 습도의 챔버 내에 배치되고, 부식에 대해 검토된다.
| 샘플 | KNO3 (wt%) |
NaNO3 (wt%) |
LiNO3 (wt%) |
온도 (℃) |
시간 (h) |
가속화된 에이징 결과 |
| CC | 30 | 70 | 0.1 | 470 | 12 | 심각한 부식 |
| 30 | 70 | 0 | 470 | 1 | ||
| DD | 70 | 30 | 0.1 | 470 | 13 | 부식 없음 (144 h) |
| EE | 60 | 40 | 0.1 | 500 | 12 | 부식 없음 (144 h) |
| FF | 60 | 40 | 0.1 | 500 | 7 | 부식 없음 (144 h) |
| 93 | 7 | 0.1 | 500 | 5 | ||
| GG | 60 | 40 | 0.1 | 500 | 10 | 부식 없음 (144 h) |
| 93 | 7 | 0.1 | 500 | 5 | ||
| HH | 50 | 50 | 0.1 | 470 | 4 | 부식 없음 (48 h) |
| II | 50 | 50 | 0.1 | 470 | 6 | 부식 없음 (48 h) |
표 4에 나타낸 바와 같이, 다양한 구현 예에 기재된 프린지가 없는 IOX 처리는, 현저하게 개선된 가속화된 에이징 결과를 결과한다.
에이징 효과를 더욱 조사하기 위해, 샘플 CC의 광학 현미경 사진은, 샘플이 85℃ 및 85% 상대 습도에서 144시간 동안 가속화된 에이징 시험에 적용된 전 (도 15a) 및 후 (도 15b)에 얻어졌다. 광학 현미경 사진은 또한 조성물 A로부터 형성되고, 470℃에서 48시간 (도 15c) 및 144시간 (도 15d) 동안 90 wt% KNO3, 10 wt% NaNO3, 및 0.1 wt% LiNO3를 포함하는 프린지가-없는 이온 교환 처리에 적용된, 유리 세라믹 물품인, 샘플 JJ에 대해 얻어졌다. 광학 현미경 사진에서 볼 수 있는 바와 같이, 샘플 CC는, 144시간에 심한 부식을 나타내는 반면, 도 15c 및 15d에 나타낸 샘플 JJ에 대해서는 가시적인 부식이 없다.
샘플 CC 및 JJ에 대한 원소 깊이 프로파일은, SIMS 깊이 프로파일링을 사용하여 처음 300 ㎚의 깊이에 대해 얻어졌다. 프로파일은, 도 16a 및 16b 각각에 나타낸다. 도 16a에 나타낸 바와 같이, 샘플 CC는, 나트륨이 고갈되고 대기의 CO2와 반응된, 수화된 표면층을 발생시킨다. 그러나, 도 16b에 나타낸 바와 같이, 샘플 JJ는, 수화층을 발생시키지 않았다.
여기에 기재된 다양한 구현 예는, 화학적 강화를 통해, 개선된 유리 세라믹 성능, 예를 들어, 개선된 내손상성, 개선된 화학적 내구성, 및 고습 조건에 노출시 감소된 부식을 가능하게 한다. 게다가, 여기에 기재된 이온 교환 처리는, FSM 계측 품질 제어 기술과 함께 사용하기 위한 하나의 프린지를 포함하거나 또는 프린지가 없는 유리 세라믹 물품을 형성하는 것을 가능하게 한다. 여기에 기재된 다양한 구현 예는, 예를 들어, 이온 교환 처리로부터 결과하는 프린지가 없는 경우 또는 유리 세라믹 물품이 불투명한 경우에 사용하기 위한 부가적인 또는 선택적인 품질 제어 공정을 더욱 제공한다.
여기에 개시된 강화된 물품, 예를 들어, 이온-교환된 유리 세라믹 물품은, 또 다른 물품, 예를 들어, 디스플레이를 갖는 물품 (또는 디스플레이 물품) (예를 들어, 휴대폰, 태블릿, 컴퓨터, 내비게이션 시스템, 웨어러블 장치 (예를 들어, 시계) 및 이와 유사한 것을 포함하는, 소비자 전자제품), 건축용 물품, 수송용 물품 (예를 들어, 자동차, 기차, 항공기, 선박, 등), 가전 제품, 또는 약간의 투명성, 내-스크래치성, 내마모성 또는 이들의 조합을 필요로 하는 임의의 물품 내로 혼입될 수 있다. 여기에 개시된 강화된 물품 중 어느 하나를 혼입하는 대표적인 물품은, 도 18a 및 18b에 나타낸다. 구체적으로, 도 18a 및 18b는, 전면 (1804), 후면 (1806), 및 측면 (1808)을 갖는 하우징 (1802); 상기 하우징 내부에 적어도 부분적으로 있거나 또는 전체적으로 내에 있고, 적어도 컨트롤러, 메모리, 및 상기 하우징의 전면에 또는 인접한 디스플레이 (1810)를 포함하는, 전기 구성요소 (도시되지 않음); 및 상기 디스플레이 위에 있도록 하우징의 전면에 또는 그 위에 커버 기판 (1812)을 포함하는 소비자 전자 장치 (1800)를 나타낸다. 몇몇 구현 예에서, 커버 기판 (1812) 또는 하우징 (1802)의 일부 중 적어도 하나는, 여기에 개시된 강화된 물품 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
청구된 주제의 사상 및 범주를 벗어나지 않고, 여기에 기재된 구현 예들에 대해 다양한 변경 및 변화가 이루어질 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 명세서는 여기에 기재된 다양한 구현 예들의 변경 및 변화를 포함하고, 이러한 변경 및 변화가 첨부된 청구 범위 및 이의 균등물의 범주 내에 속하는 것으로 의도된다.
Claims (10)
- 페탈라이트, 리튬 디실리케이트, 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 결정상을 갖는 유리 세라믹 물품을 강화하는 방법으로서:
상기 유리 세라믹 물품에 이온 교환 매체(ion exchange medium)를 적용하는 단계를 포함하고, 여기서 상기 이온 교환 매체는, 0 wt% 초과 내지 20 wt% 이하의 NaNO3, 80 wt% 내지 100 wt% 미만의 KNO3, 및 0.01 wt% 내지 0.5 wt%의 LiNO3를 포함하는, 유리 세라믹 물품을 강화하는 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 이온 교환 매체는 380 ℃ 내지 550 ℃의 온도를 갖는, 유리 세라믹 물품을 강화하는 방법. - 청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 이온 교환 매체는 2시간 내지 16시간 동안 상기 유리 세라믹 물품에 적용되는, 유리 세라믹 물품을 강화하는 방법. - 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 이온 교환 매체는 제2 이온 교환 매체이며, 상기 방법은: 상기 유리 세라믹 물품에 제1 이온 교환 매체를 적용하는 단계를 더욱 포함하고, 여기서 상기 제1 이온 교환 매체는 NaNO3, KNO3, 및 0.01 wt% 내지 0.5 wt% LiNO3를 포함하며, 상기 제2 이온 교환 매체의 적용은 제1 이온 교환 매체의 적용 후에 수행되는, 유리 세라믹 물품을 강화하는 방법. - 청구항 4에 있어서,
상기 제1 이온 교환 매체는 20 wt% 초과의 NaNO3를 포함하는, 유리 세라믹 물품을 강화하는 방법. - 청구항 4 또는 5에 있어서,
상기 제2 이온 교환 매체는 95 wt% 초과 100 wt% 미만의 KNO3 및 0 wt% 초과 5 wt% 미만의 NaNO3를 포함하는, 유리 세라믹 물품을 강화하는 방법. - 페탈라이트, 리튬 디실리케이트, 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 결정상을 갖는 유리 세라믹 물품을 강화하는 방법으로서:
상기 유리 세라믹 물품에 이온 교환 매체를 적용하는 단계를 포함하고, 여기서 상기 이온 교환 매체는, 20 wt% 초과 내지 50 wt% 이하의 NaNO3, 50 wt% 내지 80 wt% 미만의 KNO3, 및 0.01 wt% 내지 0.5 wt%의 LiNO3를 포함하는, 유리 세라믹 물품을 강화하는 방법. - 청구항 7에 있어서,
상기 이온 교환 매체는 380 ℃ 내지 550 ℃의 온도를 갖는, 유리 세라믹 물품을 강화하는 방법. - 청구항 7 또는 8에 있어서,
상기 이온 교환 매체는 2시간 내지 16시간 동안 상기 유리 세라믹 물품에 적용되는, 유리 세라믹 물품을 강화하는 방법. - 청구항 7 내지 9 중 어느 한 항에 있어서,
상기 이온 교환 매체는 30 wt% 내지 50 wt%의 NaNO3 및 50 wt% 내지 70 wt%의 KNO3를 포함하는, 유리 세라믹 물품을 강화하는 방법.
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