유리 소재는 화학적 안정성, 투명성 등의 다양한 장점을 가지고 있기 때문에 모바일기기, 건축, 자동차 등의 다양한 산업분야에 적용되고 있다.하지만 소재 자체의 기계적 특성이 매우 약해 약간의 외력만 작용해도 쉽게 파손되는 단점을 갖고 있어 이를 개선하기 위해 강화처리공정이 필수적으로 적용되어야 한다. 유리를 강화하는 공정의 경우 다양한 방법이 존 재하지만 일반적으로 열강화공정과 화학강화공정(이온교환공정)이 주로 사용된다. 열 강화공정은 유리를 녹는 점 이상(약 700 ℃)의 온도까지 가열한 후, 유리를 급랭시켜 표면과 내부의 온도구배를 형성하여 유리 표면에 ...
유리 소재는 화학적 안정성, 투명성 등의 다양한 장점을 가지고 있기 때문에 모바일기기, 건축, 자동차 등의 다양한 산업분야에 적용되고 있다.하지만 소재 자체의 기계적 특성이 매우 약해 약간의 외력만 작용해도 쉽게 파손되는 단점을 갖고 있어 이를 개선하기 위해 강화처리공정이 필수적으로 적용되어야 한다. 유리를 강화하는 공정의 경우 다양한 방법이 존 재하지만 일반적으로 열강화공정과 화학강화공정(이온교환공정)이 주로 사용된다. 열 강화공정은 유리를 녹는 점 이상(약 700 ℃)의 온도까지 가열한 후, 유리를 급랭시켜 표면과 내부의 온도구배를 형성하여 유리 표면에 압축 응력을 형성하는 반면, 화학강화공정의 경우에는 약 400~500 ℃로 유지되는 칼륨 이온이 포함된 용융조 내부에 유리를 침투시킨 후, 일반 유리 내부의 나트륨 이온과 용융조 내의 칼륨 이온을 교환시켜 이온의크기 차이로 유리 표면에 압축 응력을 형성한다. 하지만 이와 같은 강화공정의 경우 열원이 필요하며 강화처리 된 이후에는 성형성이 좋지 않다는 단점이 존재한다. 따라서 기존 강화공정을 대체할 방법 중 하나로 물성이 좋은 소재를 유리 표면에 코팅하는 방법을 생각해볼 수 있는데 그 중에서도 열원 없이 상온에서 세라믹 코팅층 형성이 가능한 진공 상온 스프레이 공정이 유리 모재를 사용하는데 적합할 것으로 생각된다. 진공 상온 스프레이 공정은 서브마이크론 수준의 분말들이 적층 챔버와 에어로졸 챔버 사이의 압력 차이와 이송 가스의 유량에 의해 가속되어 모재와 충돌하면서 발생하는 입자의 분쇄, 소성 변형 및 표면 에너지 등의 영향으로 수십~수백 마이크로 수준의 필름을 형성하는 공정이다. 본 공정은 일반적으로 좋은 물성을 가지는 세라믹 소재를 코팅하는 것이 가능하며 기존 세라믹 코팅 공정과는 달리 열원이 필요하지 않으므로 유리 모재를 사용하는데 적합하다. 또한, 기존 공정과 비교하여 코팅층 형성 속도가 빠르며 공정 과정이 간단하고 공정에 필요한 요소가 낮은 수준의 진공도 및 이송가스(비활성 기체) 뿐이므로 공정 단가가 저렴하다는 장점을 갖고 있다. 따라서, 본 연구에서는 진공 상온 스프레이 공정의 유리 강화공정으로의 적용을 위하여 유리 모재 상에 Al2O3 소재를 코팅한 후, 형성된 필름의 광학적/기계적 특성 변화 파악 및 후열처리 시의 필름의 광학적/기계적 특성 변화를 파악하였으며 특성이 변화하는 원인에 대한 미세구조 분석을 진행하였다. 입자의 분사 속도에 가장 큰 영향을 미치는 가스 유량을 공정 변수로 설정하여 2 L/min에서 18 L/min까지 증가시켜가며 코팅층을 형성하였으며, 후열처리는 모든 시편의 가스 유량 조건을 10 L/min으로 유지한 채 400 ℃에서 대기 분위기로 유지한 채 10 분, 30 분 진행하였고, Ar 분위기로 유지한 채 1시간 진행하였다. 그 결과 Al2O3 필름의 광 투과도는 가스 유량이 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였으며, 후열처리 시간이 증가함에 따라 다시 향상되는 결과를 나타내었다. 또한 Ar 분위기에서 열처리 했을 시에는 대기 분위기에서 열 처리한 경우보다 투과도의 향상 정도가 더 낮게 나타났다. 기계적 특성의 경우 Al2O3 필름의 표면 경도는 10 L/min 까지는 가스 유량이 증가함에 따라 증가하는 경향을 보이나 그 이상으로 가스 유량이 증가할수록 표면 경도가 오히려 감소하는 결과가 나타났다. 필름의 접합 강도의 경우에는 가스 유량이 증가함에 따라 계속 증가하였다. 코팅층의 미세구조적 특징들이 광 투과도에 미치는 영향을 분석하기 위하여 XRD, HR-TEM, EDS 등을 사용하여 분석을 진행하였으며 그 결과 crystallite size, micro defects, amorphization, stoichiometry의 네 가지 요소에 의해 투과도가 변화한다는 사실을 파악하였다.
유리 소재는 화학적 안정성, 투명성 등의 다양한 장점을 가지고 있기 때문에 모바일기기, 건축, 자동차 등의 다양한 산업분야에 적용되고 있다.하지만 소재 자체의 기계적 특성이 매우 약해 약간의 외력만 작용해도 쉽게 파손되는 단점을 갖고 있어 이를 개선하기 위해 강화처리공정이 필수적으로 적용되어야 한다. 유리를 강화하는 공정의 경우 다양한 방법이 존 재하지만 일반적으로 열강화공정과 화학강화공정(이온교환공정)이 주로 사용된다. 열 강화공정은 유리를 녹는 점 이상(약 700 ℃)의 온도까지 가열한 후, 유리를 급랭시켜 표면과 내부의 온도구배를 형성하여 유리 표면에 압축 응력을 형성하는 반면, 화학강화공정의 경우에는 약 400~500 ℃로 유지되는 칼륨 이온이 포함된 용융조 내부에 유리를 침투시킨 후, 일반 유리 내부의 나트륨 이온과 용융조 내의 칼륨 이온을 교환시켜 이온의크기 차이로 유리 표면에 압축 응력을 형성한다. 하지만 이와 같은 강화공정의 경우 열원이 필요하며 강화처리 된 이후에는 성형성이 좋지 않다는 단점이 존재한다. 따라서 기존 강화공정을 대체할 방법 중 하나로 물성이 좋은 소재를 유리 표면에 코팅하는 방법을 생각해볼 수 있는데 그 중에서도 열원 없이 상온에서 세라믹 코팅층 형성이 가능한 진공 상온 스프레이 공정이 유리 모재를 사용하는데 적합할 것으로 생각된다. 진공 상온 스프레이 공정은 서브마이크론 수준의 분말들이 적층 챔버와 에어로졸 챔버 사이의 압력 차이와 이송 가스의 유량에 의해 가속되어 모재와 충돌하면서 발생하는 입자의 분쇄, 소성 변형 및 표면 에너지 등의 영향으로 수십~수백 마이크로 수준의 필름을 형성하는 공정이다. 본 공정은 일반적으로 좋은 물성을 가지는 세라믹 소재를 코팅하는 것이 가능하며 기존 세라믹 코팅 공정과는 달리 열원이 필요하지 않으므로 유리 모재를 사용하는데 적합하다. 또한, 기존 공정과 비교하여 코팅층 형성 속도가 빠르며 공정 과정이 간단하고 공정에 필요한 요소가 낮은 수준의 진공도 및 이송가스(비활성 기체) 뿐이므로 공정 단가가 저렴하다는 장점을 갖고 있다. 따라서, 본 연구에서는 진공 상온 스프레이 공정의 유리 강화공정으로의 적용을 위하여 유리 모재 상에 Al2O3 소재를 코팅한 후, 형성된 필름의 광학적/기계적 특성 변화 파악 및 후열처리 시의 필름의 광학적/기계적 특성 변화를 파악하였으며 특성이 변화하는 원인에 대한 미세구조 분석을 진행하였다. 입자의 분사 속도에 가장 큰 영향을 미치는 가스 유량을 공정 변수로 설정하여 2 L/min에서 18 L/min까지 증가시켜가며 코팅층을 형성하였으며, 후열처리는 모든 시편의 가스 유량 조건을 10 L/min으로 유지한 채 400 ℃에서 대기 분위기로 유지한 채 10 분, 30 분 진행하였고, Ar 분위기로 유지한 채 1시간 진행하였다. 그 결과 Al2O3 필름의 광 투과도는 가스 유량이 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였으며, 후열처리 시간이 증가함에 따라 다시 향상되는 결과를 나타내었다. 또한 Ar 분위기에서 열처리 했을 시에는 대기 분위기에서 열 처리한 경우보다 투과도의 향상 정도가 더 낮게 나타났다. 기계적 특성의 경우 Al2O3 필름의 표면 경도는 10 L/min 까지는 가스 유량이 증가함에 따라 증가하는 경향을 보이나 그 이상으로 가스 유량이 증가할수록 표면 경도가 오히려 감소하는 결과가 나타났다. 필름의 접합 강도의 경우에는 가스 유량이 증가함에 따라 계속 증가하였다. 코팅층의 미세구조적 특징들이 광 투과도에 미치는 영향을 분석하기 위하여 XRD, HR-TEM, EDS 등을 사용하여 분석을 진행하였으며 그 결과 crystallite size, micro defects, amorphization, stoichiometry의 네 가지 요소에 의해 투과도가 변화한다는 사실을 파악하였다.
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