박형 소다석회 유리의 화학강화 연구

Abstract

스마트폰, 스마트패드 등의 디스플레이 기기용 박판 소다석회 유리의 화학강화에 있어서, 다양한 공정 변수들에 대한 통계학적 고찰을 통하여 실제적 기술 개발이 가능한 기술적 제안이 되도록 노력하였다.

우선, 화학강화 공정 변수에 따른 각 물성을 평가하고 물성들 간의 상관 관계 분석을 통해 화학강화를 위한 최적 공정조건을 도출하여 보았다. 강화 온도와 시간이 증가할수록 열에너지에 의한 확산량의 증가로 이온교환 깊이는 증가하였고, 표면 압축응력은 어닐링 효과에 의해 감소하는 경향을 보였다. 강도는 표면 압축응력이 높을수록 높은 값을 나타내었다. 반면, 경도는 강화 온도보다는 시간에 의존적인 결과를 나타내었다. 강화 깊이가 증가할수록 경도가 증가하였고, 이는 교차 결합 구조가 증가함에 따라 탄성계수가 증가 했기 때문인 것으로 판단된다. 공정 변수별 강화 깊이, 표면 압축응력 각각에 대한 강도 값 분포의 적합성 검정을 통하여 높은 수준의 회귀식을 얻었으며, 이를 비파괴 검사를 위한 대용특성으로 제안하였다.

두 번째로, 강화 온도와 시간을 공정 변수로, 강화 깊이, 표면 압축 응력, 강도, 경도를 각각 반응 요소로 설계하여 2인자 4수준의 실험 결과 공정 조건을 최적화하였다. 도출된 최적 조건에 따라 소다석회 유리에서 발현할 수 있는 최대 강도 값을 얻었다.

세 번째로, 이온 교환 과정에서 유리로부터 KNO3 용융염으로 용출되어 나오는 Na+ 이온의 농도가 K+ 이온의 확산과 화학강화 후 유리의 물성에 미치는 영향을 연구하였다. KNO3 용융염 내의 Na+ 이온 농도가 증가함에 따라 강화 깊이와 표면 압축 응력이 감소하였다. 이것은 용출된 Na+ 이온이 K+ 이온의 확산을 방해하는 “블록킹 효과”에 의한 결과인 것으로 판단된다. 반면, 강도에 있어서는 농도가 5000 ppm 이상에서만 통계학적 유의차가 있는 유리의 강도가 저하가 시작되었다. 네 번째로, 유리의 면취 시 발생하는 강도 저하 문제를 화학적 접근 방법을 통하여 해결하고자 하였다. 면취 후 강도 저하의 원인은 면취부의 기계적 충격에 의한 미세균열로 추정할 수 있었다. 이를 개선하기 위해 화학적 연마기법을 적용하였다. 강도 증진이라는 순기능과 경면부 에칭에 의한 부작용 방지를 동시에 만족시킬 수 있는 화학적 용액에 대한 평가를 수행하였다. 불산계 혼합 에칭 용액의 경우 면취부의 조도는 감소하였으나 반응 석출물이 유리 표면에 부착되어 광학적 특성을 크게 저하시키는 문제점을 나타내었다. 반면, 불화암모늄계 혼합 에칭 용액의 경우 면취부의 조도를 크게 감소 시켰고, 유리의 광학적 특성에는 영향을 주지 않았으며, 강도는 20% 수준 증진되었다. 불화암모늄계 용액은 임계 수준 미만의 조도를 갖는 유리 표면의 분해 속도가 매우 느리기 때문에 경면부에는 큰 영향을 주지 않은 반면 결함이 많고 조도가 큰 면취부가 빠르게 에칭된 것으로 해석되고, 혼합된 유기산의 반응석출물의 세정 작용이 원활하게 이루어진 것으로 판단 된다.

마지막으로, 유리 표면에 생성된 마이크로 크랙이 화학강화 후 강도에 미치는 영향을 연구하였다. 비커스 인덴테이션을 이용하여 크랙을 크기별로 생성 시킨 후 화학 강화하여 강도를 측정하였다. 초기 크랙의 크기가 일정 수준 (~㎛) 까지는 화학 강화 후 유리의 강도에 큰 영향을 주지 않았다. 크랙의 계면에서의 이온 교환에 의해 압축 응력이 발생되고 크랙 팁 부위에서 강한 닫힘 응력이 작용하면서 크랙 힐링 효과를 발생시킨 것으로 판단된다. 본 연구의 가장 큰 목표인 소다석회 유리의 화학강화 공정 최적화를 통한 최대 강도 도출은 달성하였으나, 구조적으로 이온 교환 깊이가 얕을 수밖에 없다는 근본적인 문제점은 해결하지 못하였다. 이 문제점을 해결하기 위해서는 소다석회 유리의 조성에 대한 고찰과 새로운 연구를 통해 이온 확산이 용이한 경로를 갖는 구조를 구현해야할 것으로 판단된다.