폴더블 디스플레이 커버 윈도우용 초박형 유리 개발 = Development of ultra-thin glass for foldable display cover window

국문 초록 (Abstract)

초박형 유리(Ultra thin glass, UTG)는 기존 스마트폰용 커버 윈도우 유리에 비해 1/10 수준의 두께까지 얇게 제조할 수 있어 높은 탄성계수를 유지한 채 굴곡 변형을 구현할 수 있는 소재이다. 그러나 두께가 얇아질수록 취성 파괴에 취약해지고, 레이저 컷팅 과정에서 엣지부에 미세 결함(Micro-crack)이나 칩핑(Chipping)이 발생하면 굴곡 시 응력 집중(Stress concentration) 현상으로 인하여 유리가 파손될 수 있다.
본 연구에서는 이를 해결하기 위해 습식 엣지 힐링(Edge healing)으로 C 챔퍼 구현, KNO3 용융염 이온교환 방식의 화학강화, 저농도 HF/HNO3 표면 에칭으로 이루어진 3단계 공정을 적용하였다. 즉, 레이저 컷팅에 기인한 엣지 미세 결함을 습식 에칭으로 C 챔퍼 형상으로 가공하여 응력 집중을 완화하였고, 표면압축응력(CS)과 강화 깊이(DOL) 확보를 위해 KNO3 이온교환을 수행하였으며, 최종적으로 표면 에칭으로 화학강화 후 잔존하는 표면 미세 흠을 제거하여 굴곡 강도 특성을 향상시켰다.
먼저 C 챔퍼 형상 가공의 경우 HF 5% 농도와 HNO3 10% 농도, 온도 23℃, 에칭 시간 4~6분 조건에서 W/D가 가장 균일하고 안정적인 챔퍼가 형성되어 HF-HNO3 기반의 습식 에칭을 적용하면 엣지부의 미세 결함을 제거하고 C 챔퍼 형상이 구현됨을 확인할 수 있었다.
다음으로 UTG 표면에 압축응력을 부여하고 굴곡 특성을 향상시키기 위한 실험을 진행하였고, 강화 온도 및 시간이 증가하면 CS는 감소되고 DOL은 증가 되는 경향을 확인할 수 있었다. 굴곡 강도 특성을 확인하기 위해 Bending(R값)을 측정하였고 강화 온도 390~400℃, 강화 시간 10~15분 조건에서 최소 곡률 반경 0.71~0.75R이 나타남을 확인할 수 있었다.
마지막으로 표면 에칭이 UTG 표면의 미세 결함 제거를 통해 굴곡 강도를 향상시키는 효과가 있는지 확인하기 위해 식각량 변화에 따른 표면 에칭을 진행하였으며, 식각량 증가에 따라 CS는 729.7Mpa에서 497.4Mpa, DOL은 8.0㎛에서 5.8㎛로 감소하였다. 또한, 강화층 일부가 제거되어 표면압축응력(CS) 및 강화 깊이(DOL)가 감소되는 경향을 보였고, 굴곡 강도 특성은 식각량 1.5~2.0㎛ 구간에서 가장 우수하였으며, 특히 식각량 1.5㎛ 조건에서 0.42R의 최적의 곡률 반경이 나타남을 확인할 수 있었다.
측정 및 분석은 광학현미경, 표면응력측정(FSM-6000LE), Bending(굴곡 특성), 내충격(Pen-drop), 투과율, 연필경도 등으로 평가를 진행하였다.
엣지 힐링-화학강화-표면 에칭의 최적 조건으로 제조된 30㎛ 두께의 UTG 10매에 대해 굴곡, 내충격, 광학, 표면 경도 특성을 평가하였다. 곡률 반경은 0.49R, 화학강화 특성은 CS 652.5Mpa, DOL 7.63㎛이고, 내충격 특성은 Pen-drop 50mm의 결과를 확인할 수 있었다. 가시광 영역에서 모든 UTG 시편이 90% 이상의 투과율을 확보하였고, 연필 경도 9H의 충분한 표면 경도를 확보하여 폴더블 디스플레이 커버윈도우에 적합함을 알 수 있었다.
결론적으로, 폴더블 디스플에 커버윈도우에 사용하기 위한 신뢰성 있는 초박형 유리(UTG)을 얻을려면 습식 에칭을 이용한 엣지 힐링과 화학강화 온도 및 시간과 표면 에칭 식각량을 모두 만족해야 함을 알 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Ultra-thin glass (UTG) is a material that can be manufactured to a thickness of 1/10th that of conventional smartphone cover window glass, and can implement bending deformation while maintaining a high elastic modulus. However, as the thickness decreases, it becomes more susceptible to brittle fracture, and if micro-cracks or chipping occur at the edge during the laser cutting process, the glass may break due to stress concentration during bending.
To solve this problem, this study applied a three-step process consisting of wet edge healing to form a C-chamfer, chemical strengthening using KNO3 molten salt ion exchange, and low concentration HF/HNO3 surface etching. That is, the edge micro-defects caused by laser cutting were processed into a C-chamfer shape by wet etching to alleviate stress concentration, KNO3 ion exchange was performed to secure surface compressive stress (CS) and depth of layer (DOL), and finally, surface micro-flaws remaining after chemical strengthening were removed by surface etching to improve bending strength characteristics.
First, in the case of C-chamfer shape processing, the most uniform and stable chamfer in W/D was formed under the conditions of 5% HF and 10% HNO3 concentration, temperature 23℃, and etching time of 4~6 minutes, and it was confirmed that applying HF-HNO3-based wet etching removes micro-defects in the edge and implements the C-chamfer shape.
Next, experiments were conducted to apply compressive stress to the UTG surface and improve bending properties. The results showed that increasing the temperature and time of chemical strengthening resulted in a decrease in CS and an increase in DOL. To show the bending strength characteristics, Bending (R value) was measured and it was showed that the minimum radius of curvature was 0.71~0.75R under the conditions of a strengthening temperature of 390~400℃ and a strengthening time of 10~15 minutes.
Finally, surface etching was performed according to the change in etch amount to confirm whether surface etching has the effect of improving the bending strength by removing micro-defects on the UTG surface. As the etch amount increased, CS decreased from 729.7 MPa to 497.4 MPa and DOL decreased from 8.0 μm to 5.8 μm. Furthermore, as part of the strengthening layer was removed the surface compressive stress (CS) and depth of layer (DOL) tended to decrease. Bending strength characteristics were highest at etch amounts of 1.5~2.0 μm, with an optimal radius of curvature of 0.42R observed at an etch amount of 1.5 μm.
Measurements and analyses were conducted using an optical microscope, surface stress measurement (FSM-6000LE), bending characteristics, impact resistance (Pen-drop), transmittance, and pencil hardness.
30㎛-thick UTG Cell (10pcs) manufactured under optimal conditions of edge healing, chemical strengthening, and surface etching were evaluated for bending, impact resistance, optical properties, and surface hardness. The radius of curvature was 0.49R, the chemical strengthening characteristics were CS 652.5MPa, the DOL 7.63㎛, and the impact resistance was pen-drop 50mm. All UTG specimens achieved a transmittance of over 90% in the visible light range and a sufficient surface hardness of 9H, demonstrating their suitability as foldable display cover windows.
In conclusion, it was found that to obtain reliable ultra-thin glass (UTG) for use as a cover window in foldable displays, both edge healing using wet etching, chemical strengthening temperature and time, as well as surface etch amount, must be satisfied.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론
• 제 2 장 이론적 배경
• 2.1 플렉시블 디스플레이(Flexible display)
• 2.1.1 폴더블 디스플레이(Foldable display)
• 2.1.2 롤러블 디스플레이(Rollable display)
• 2.2 폴더블 디스플레이 구성
• 2.2.1 커버 윈도우(Cover window; CPI, UTG)
• 2.2.2 메탈 플레이트(Metal plate)
• 2.3 폴더블 디스플레이 커버윈도우용 초박형 유리 Edge 가공 방법
• 2.3.1 기계적 가공(Edge chamfering)
• 2.3.2 습식 화학적 에칭(Chemical edge healing)
• 2.4 폴더블 디스플레이 커버윈도우용 초박형 유리 화학강화 방법
• 2.4.1 열 강화
• 2.4.2 화학강화(침지법)
• 2.5 Griffith 파괴 이론(Griffith fracture theory)
• 2.6 응력집중계수(Stress concentration factor)
• 2.7 미세 흠 완화 이론
• 제 3 장 실험 및 분석
• 3.1 엣지 힐링 가공, 화학강화, 표면 에칭을 통한 초박형 유리 제작
• 3.1.1 초박형 유리 원장 준비(370mm x 470mm, 두께 ≤100㎛)
• 3.1.2 습식 에칭을 이용한 초박형 유리 엣지 힐링 가공 제작
• 3.1.3 화학강화를 이용한 초박형 유리 제작
• 3.1.4 표면 에칭을 이용한 굴곡 특성이 향상된 초박형 유리 제작
• 3.1.5 엣지 힐링 가공, 화학강화, 표면 에칭 공정 최적화 조건으로 초박형 유리 제작
• 3.2 분석
• 3.2.1 광학현미경 측정(Optical microscope)
• 3.2.2 굴곡(Bending) 측정(SurTa 2a system) 평가
• 3.2.3 표면응력측정(FSM-6000LE) 분석
• 3.2.4 내충격 측정(Pen-drop) 분석
• 3.2.5 FIB(Focused ion beam system) 분석
• 3.2.6 투과율 측정(Hazemeter) 분석
• 3.2.7 연필경도(Pencil hardness) 측정
• 제 4 장 결과 및 고찰
• 4.1 초박형 유리 엣지 힐링 가공 에칭액 선정 및 최적화
• 4.1.1 광학현미경 분석을 통한 질산(HNO3) 농도 및 에칭 시간에 따른 엣지 형상 변화 분석
• 4.1.2 Bending 측정 분석을 통한 질산(HNO3) 농도 및 에칭 시간에 따른 초박형 유리 굴곡 특성 분석
• 4.2 화학강화가 폴더블 디스플레이 커버윈도우용 초박형 유리에 미치는 영향
• 4.2.1 표면응력 측정을 통한 화학강화 온도 및 시간에 따른 표면 압축응력(CS)과 강화 깊이(DOL) 변화 분석
• 4.2.2 표면응력 측정을 통한 표면 압축응력(CS) 및 강화 깊이(DOL)에 따른 굴곡 특성 변화 분석
• 4.2.3 Pen-drop 측정을 통한 초박형 유리 내충격 특성 변화 분석
• 4.2.4 화학 강화 조건별 FIB Milling 및 EDS 성분분석
• 4.3 습식 표면에칭을 통한 초박형 유리의 굴곡 강도 향상 특성 분석
• 4.3.1 습식 표면에칭을 통한 초박형 유리 CS/DOL 변화 분석
• 4.3.2 습식 표면에칭을 통한 초박형 유리 식각량 차이에 따른 곡률 반경 및 굴곡 강도 특성 분석
• 4.4 엣지 힐링, 화학강화, 표면에칭 최적화로 제작된 초박형 유리
• 4.4.1 30㎛ 두께의 초박형 유리(UTG)
• 4.4.2 Edge Chamfer W & D Size 평가
• 4.4.3 표면 에칭 전후 CS/DOL 평가
• 4.4.4 곡률 반경 평가(굴곡 특성)
• 4.4.5 내충격 평가(Pen-drop)
• 4.4.6 투과율 평가
• 4.4.7 연필경도 평가
• 제 5 장 결 론
• [참고 문헌]