KR101104130B1 - 저 유전 상수 유리 섬유 - Google Patents

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Abstract

저 유전 상수 및 저 유전 손실 탄젠트를 가지는 유리 섬유는 본질적으로 유리 조성으로서 52 내지 60 중량%의 SiO2, 11 내지 16 중량%의 Al2O3, 20 내지 30 중량%의 B2O3, 및 4 내지 8 중량%의 CaO로 이루어지고, MgO를 실질적으로 포함하지 않고, Li2O를 실질적으로 포함하지 않고, Na2O를 실질적으로 포함하지 않고, K2O를 실질적으로 포함하지 않고, TiO2를 실질적으로 포함하지 않는다. 상기 유리 섬유는 또한 약 2 중량%까지의 F2를 더 포함할 수 있다. 상기 유리 섬유는 인쇄 와이어링 기판들에 대한 보강재들로서 사용하는데 이상적이며, 약 18 GHz 이상의 주파수들에서 우수한 유전 특성들을 갖는다.
유전 상수, 유전 손실 탄젠트, 유리 섬유, 인쇄 와이어링 기판, 보강재.

Description

저 유전 상수 유리 섬유{LOW DIELECTRIC GLASS FIBER}
본 발명은, 저 유전 상수를 갖는 유리 섬유에 관한 것이며, 특히 저 유전 상수 및 저 유전 손실 탄젠트(low dielectric loss tangent)를 가지며 고밀도 인쇄 와이어링 기판(printed wiring board) 등에 대한 보강재(reinforcement)로 사용하는데 적합한 유리 섬유에 관한 것이다.
현대의 전자 장치들은 통상적으로 유리 섬유들로 보강된 인쇄 회로 기판들을 포함한다. 이동 또는 고정 무선 전화들, 컴퓨터들, 개인용 디지털 보조장치("PDA")들, 등과 같은 많은 현대의 전자 장치들은 고 또는 초고 주파수들에서 동작하는 전자 시스템들을 갖는다. 유리가 이와 같은 고 또는 초고 주파수 전자기장에 노출될 때, 상기 유리는 적어도 일부 에너지를 흡수하고 흡수된 에너지를 열로 변환한다. 열의 형태로 유리에 의해 흡수되는 에너지는 유전 손실 에너지라고 칭해진다. 이 유전 손실 에너지는 다음 식:
W = kfv2·ε(tanδ)에 의해 표시된 바와 같이, 유리 조성의 "유전 상수" 및 "유전 손실 탄젠트"에 비례하며,
여기서, "W"는 유리의 유전 손실 에너지이고, "k"는 상수이며, "f"는 주파수 이고, v2은 전위 기울기(pontential gradient)이고, ε는 유전 상수이며, tanδ는 유전 손실 탄젠트이다. 상기 식이 표시한 바와 같이, 유전 손실 에너지("W")는 유리의 유전 상수 및 유전 손실 탄젠트의 증가, 및/또는 주파수의 증가에 따라 증가한다.
인쇄 회로 기판들을 보강하는데 통상적으로 사용되는 2개의 유형들의 유리 섬유들은 E-유리 30 및 D-유리이다. 그러나 E-유리는 실온에서 약 1 MHz의 주파수에서 약 12×104으로부터 26×104까지의 범위의 상대적으로 높은 유전 손실 탄젠트 및 약 6.6으로부터 약 8.1까지의 범위의 상대적으로 높은 유전 상수를 갖는다. 따라서, E-유리가 상대적으로 높은 유전 손실들을 발생시킬 수 있기 때문에, E-유리는 더 높은 밀도들의 전자 컴포넌트(electronic component)들 및 더 높은 처리 속도들을 갖는 인쇄 회로 기판들에 대한 불량한 보강 재료이다. 한편, D-유리는 실온에서 약 1 MHz의 주파수에서 약 10×104의 상대적으로 낮은 유전 손실 탄젠트 및 약 4.3의 상대적으로 낮은 유전 상수를 갖는다. 그러나 D-유리는 상대적으로 높은 용해 온도들, 상대적으로 불량한 가공성(workability), 상대적으로 불량한 기계적 성능, 및 상대적으로 불량한 방수성을 갖는다. 게다가, D-유리는 에폭시 수지(epoxy resin)들에 부적절하게 들러붙고, 통상적으로 줄들 및 버블(bubble)들의 형태의 결함들을 포함한다. 따라서, E-유리도 D-유리도 고속 인쇄 회로 기판들에서 보강 섬유들로서 사용하는데 완벽하게 적합하지 않고, 약 1 MHz로부터 약 18 GHz까지의 고 또는 초고 주파수들에서 동작하는 회로 기판들에 적합하지도 않다.
다른 사람들은 고속 및 초고속 전자 장치용 인쇄 회로 기판들에서 사용하는데 더 양호하게 적합한 저 유전 특성들을 갖는 대안적인 유리 조성들을 개발하고자 하였다. 예를 들어, 일본의 Nitto Boseki Co., Ltd 코포레이션(Corporation)은 상표 NITTOBO NE-GLASS® 하에서 이와 같은 대안적인 유리 조성을 제조 및 판매한다. 이와 같은 대안적인 유전 유리 조성들은 전형적으로 주요 성분들로서 약 45-65 중량%의 SiO2, 약 13-30 중량%의 B2O3, 및 약 8-20 중량%의 Al2O3를 포함한다. 게다가, 이와 같은 유리 조성들은 전형적으로 점도를 증가시키고 용해를 용이하게 하기 위하여 플럭스(flux)로서 적어도 일부의 MgO 및/또는 적어도 일부의 CaO의 조합을 포함한다. 조합으로 사용될 때, MgO 및/또는 CaO의 총량은 전형적으로 적어도 4 중량%의 양들 내에 포함된다. 예를 들어, 적어도 약 4 중량%의 MgO 및/또는 CaO를 포함하는 하나의 이와 같은 조성은 Nitto Boseki Co., Ltd에 양도된 공개된 미국 특허 출원 번호 US2003/0054936A1에 설명되어 있다. 그러나 MgO의 존재는 배칭 비용(batching cost)을 증가시키고, 바람직하지 않은 상 분리(phase separation)를 초래하며, 방수성을 감소시키고, 유리 조성의 유전 상수 및 유전 손실 탄젠트를 수용 불가능한 레벨들까지 증가시키며, 원료 칼슘 마그네슘 카보네이트("돌로마이트(dolomite)")로서 도입되는 경우에, 디크리피테이션(decrepitation)을 초래할 수 있다. 따라서, 플럭싱제(fluxing agent)로서 적어도 4 중량%의 CaO를 포함하고 MgO를 실질적으로 포함하지 않는 유리 섬유가 바람직할 것이다.
상술된 더 새로운 대안적인 유전 유리 조성들은 또한 통상적으로 플럭싱제로 서 총량이 약 0.5 중량%보다 더 적은 Li2O, Na2O, 및 K2O를 포함한다. 그러나 이러한 성분들 중 하나 이상의 존재는 유리 조성의 유전 손실 탄젠트가 증가되도록 할 수 있고, 유리 조성의 방수성을 감소시킬 수 있다.
TiO2가 또한 점도를 증가시키고 유전 손실 탄젠트를 감소시키기 위하여 대안적인 유전 유리 섬유들에 통상적으로 포함된다. 그러나 TiO2의 존재는 상 분리를 초래하고, 결과적인 유리 섬유의 화학적 내구성을 감소시키며, 유리에 바람직하지 않은 황색 색조(yellow tint)를 부여할 수 있다.
따라서, MgO를 실질적으로 포함하지 않고, Li2O, Na2O, 및 K2O를 실질적으로 포함하지 않고, TiO2를 실질적으로 포함하지 않는 유전 유리 섬유가 바람직할 것이다.
본 발명은, 저 유전 상수 및 저 유전 손실 탄젠트를 가지며, 유리 조성으로서 약 52 내지 약 60 중량%의 SiO2, 약 11 내지 약 16 중량%의 Al2O3, 약 20 내지 약 30 중량%의 B2O3, 및 약 4 내지 약 8 중량%의 CaO를 포함하고, MgO를 실질적으로 포함하지 않고, Li2O를 실질적으로 포함하지 않고, Na2O를 실질적으로 포함하지 않고, K2O를 실질적으로 포함하지 않고, TiO2를 실질적으로 포함하지 않는 유리 섬유를 포함한다. 상기 유리 조성은 또한 약 2 중량%까지의 F2를 포함할 수 있다. 본 발명은 또한 저 유전 상수 및 저 유전 손실 탄젠트를 가지며, 유리 조성으로서 약 53 내지 약 58 중량%의 SiO2, 약 11 내지 약 15 중량%의 Al2O3, 약 22 내지 약 27 중량%의 B2O3, 및 약 5 내지 약 8 중량%의 CaO를 포함하고, MgO를 실질적으로 포함하지 않고, Li2O를 실질적으로 포함하지 않고, Na2O를 실질적으로 포함하지 않고, K2O를 실질적으로 포함하지 않고, TiO2를 실질적으로 포함하지 않는 유리 섬유를 포함한다. 이 유리 조성은 약 2 중량%까지의 F2를 더 포함할 수 있다. 더욱이, 본 발명은 저 유전 상수 및 저 유전 손실 탄젠트를 가지며, 유리 조성으로서 약 54 내지 약 58 중량%의 SiO2, 약 11 내지 약 14 중량%의 Al2O3, 약 24 내지 약 27 중량%의 B2O3, 및 약 5 내지 약 6 중량%의 CaO를 포함하고, MgO를 실질적으로 포함하지 않고, Li2O를 실질적으로 포함하지 않고, Na2O를 실질적으로 포함하지 않고, K2O를 실질적으로 포함하지 않고, TiO2를 실질적으로 포함하지 않는 유리 섬유를 포함한다. 이 유리 조성은 또한 약 2 중량%까지의 F2를 포함할 수 있다.
본 발명은 예들을 참조하여 상세히 설명될 것이다. 표 1에 제시된 예시적인 유리 조성들은 청구항 2의 바람직한 실시예들을 포함한 첨부된 청구항들에 대응한다. 표 1은 또한 E-유리 및 D-유리에 대한 전형적인 성분 퍼센티지(constituent percentage)들 및 특성들을 포함한다.
[표 1]
Figure 112009025612111-pct00001
Figure 112009025612111-pct00002
[표 1] (계속됨)
Figure 112009025612111-pct00003
Figure 112009025612111-pct00004
Figure 112009025612111-pct00005
Figure 112009025612111-pct00006
표 1에 제시된 동일한 유리 조성들을 갖는 배치(batch)들이 후술되는 바와 같이 준비되었다. 유리 합성(glass synthesis)은 배치 전처리(기계적 및 열적), 제 1 용해, 물에서의 피팅(fitting) 또는 크러싱(crushing), 제 2 용해, 및 최종적으로 상기 유리의 스테인리스강 주형들 내로의 푸어링(puring)을 포함하였다.
모든 배치들이 태블릿(tablet)들의 형태로 준비되었다. 배치 성분들은 유리의 대략 1/2 파운드를 제조하는데 충분한 양들에서 정확도 ±0.005g을 갖는 캘리브레이팅된 스케일(calibrated scale)을 사용하여 중량측정(weighting)되었다. 상기 성분들은 정확하지 않게 혼합되었고, 1/2 갤런 용량을 갖는 볼 밀 드럼(ball mill drum) 내로 배치되었다. 상기 성분들은 3시간 동안 상기 밀 드럼에서 미세하게 혼합 및 그라운드(ground)되었다. 결과적인 분말화된 배치가 0.7 인치×0.5 인치 태블릿들을 제조하기 위하여 주형 내로 수동으로 가압되었고, 상기 태블릿들은 건조 오븐(drying oven)에서 3시간 동안 120℃에서 건조되었다. 건조된 태블릿들이 머플로(muffle furnace) 내로 배치되었고, 5℃/min의 레이트(rate)로 800-850℃로 가열되었다. 상기 태블릿들은 그 온도에서 30분 동안 유지되었다. 태블릿들을 실온으로 냉각한 후, 상기 태블릿들은 저장되거나 또는 즉시 유리 용해에 사용되었다.
상기 표는 실험실의 전기로 내의 백금-로듐 도가니(platinum-rhodium crucible)들에서 용해되었고, 8개의 0.65 인치×10-인치 실리콘 카바이드 가열 요소(silicon carbide heating element)들에 의해 공급되었다. 상기 노(furnace)는 재료들을 6시간 동안 대략 1550℃에서, 또는 2.5시간 동안 대략 1630℃에서 지속적으로 가열하였다. 상기 도가니들이 상기 노로부터 제거되었다. 각각의 용해물(melt)의 표면 층으로부터 10 충분한 량의 줄모양 유리(striated glass)를 제거하기 위하여, 용해된 혼합물의 대략 25g이 가열된 금속 주형 내로 푸어링되었고, 나중에 폐기되었다. 각각의 배치의 나머지 부분은 적어도 15분 동안 자신의 도가니에서 재가열되었고, 일부는 점도 형성 범위 온도(forming range viscosity temperature)들을 결정하기 위하여 작은 백금 도가니 내로 푸어링되었다. 푸어링 및 재가열은 5회까지 반복됨으로써, 각각의 용해 도가니로부터 나머지 부분의 약 95%를 사용하였다. 주물(casting)들은 대략 800℃로 냉각되었고, 어닐링(anneling)을 위해 약 750℃로 사전가열된 머플로 내로 배치되었다. 상기 노는 주물들을 약 3℃/min의 레이트로 대략 350℃로 냉각하도록 제어되었다. 350℃에 도달한 후, 머플로는 스위치 오프(switch off)되었고, 상기 주물들은 실온으로 냉각되었다.
유리 표본(glass specimen)들이 결정화 가능성(crystallization potential)에 대해 테스트되었다. 상기 표본들은 아비흐 모르타르(Abich mortar)에서 크러싱되고 나서, 체질(seiving)되었다. 약 100㎛ 내지 약 300㎛의 그레인 크기(grain size)를 갖는 유리의 프랙션(fraction)들이 수집되었다. 중량이 약 3g인 유리 그 릿(glass grit)의 일부가 링-형상 백금 접시(ring-shaped platinum dish) 내로 배치되었고, 칸달 와이어 가열 코일(Kanthal wire heating coil)들을 갖는 파이프 전기로에서 가열되었다. 상기 백금 접시는 백금 와이어로 이루어진 루프(loop)에 의하여 Pt-Pt/Rh 열전쌍의 핫 엔드(hot end)에서 고정되어, 상기 표본들이 가열 동안 상기 열전쌍의 핫 조인트(hot joint)에 바로 인접하게 되었다. 상기 표본들은 상기 노에 배치되었고, 초기에 (T3-100℃) 또는 (T3-50℃) 중 하나와 동일한 온도로 안정화되었다(여기서 T3는 3과 동일한 점도 log[η, 포이즈(poise)]에 대응하는 온도임). 표본이 필요한 온도에 도달하는데 필요한 시간은 약 5-10분이었다. 표본은 약 16시간 동안 목표 온도에서 유지되었다. 그 후, 각각의 표본은 로로부터 제거되었고, 대략 1-2분 동안 공랭되었다. 실온으로 냉각된 후, 각각의 유리 표본은 자신의 접시로부터 제거되었고, 30x - 60x 배율의 현미경 하에서 검사되었다. 그 후, 상기 표본은 100x 및 200x 배율에서의 부가적인 광학적 검사를 위해 더 작은 조각(piece)들로 분해되었다. 유리 표본의 임의의 벌크 위치(bulk location)에서의 작은 단결정의 존재는 결정화를 구성하는 것으로 간주되었다. 약간의 유백광(opalescence)은 상 분리의 증거로서 간주되었다. 따라서, 예를 들어, T3 -100℃에서 결정들이 명백하지 않은 경우에, 액상 온도(liquidus temperature)는 T3 -100℃보다 더 낮은 것으로 결정되었다. 유사하게, T3 -100℃에서 유백광이 명백하지 않은 경우에, 불혼화(immiscibility)가 존재하지 않거나 또는 불혼화가 액상 온도 이 하의 온도들에서 발생한다고 결정되었다.
각각의 샘플의 점도 형성 온도(T3)가 평형화된 점도계로 측정되었다. 상기 점도계는 수직 이동의 레이트들 및 부하들을 측정할 수 있는 측정 장치로부터 백금-로듐 와이어 상에 서스펜딩(suspending)된 고도로 연마된 백금-로듐 구(sphere)를 포함하였다. 상기 구는 용해된 유리 표본들을 1450℃로 가열할 수 있는 수직의 튜브형 전기로 내부에 위치된 원통형 백금 도가니 내의 용해된 유리 내에 침지된다. Pt-Pt/Rh 열전쌍의 핫 엔드가 상기 백금 도가니의 내부면에 부착되었다. 온도 제어기가 ±1℃의 범위 내에서 유리 샘플의 필요한 온도를 유지하였다. 상기 노는 유리 표본의 점도가 103.5 및 102.5 포이즈 사이인 것으로 추정되는 온도로 가열되었다. 상기 백금-로듐 구는 용해된 유리 내로 천천히 침지되었다. 15 내지 20분 후에, 온도가 안정화되었고, 상기 측정 시스템이 평형화되었다. 로딩(loading)은 측정 장치에 의하여 순차적으로 증가 및 감소하였고, 구 이동의 레이트가 측정되었다. 용해된 유리의 온도가 (20-25℃만큼) 변화되었고, 로딩/측정 동작들이 반복되었다. 구의 이동의 레이트("U")는 다음 식:
U = KF/η에 의해 기술되고,
여기서 "F"는 구에 가해진 힘이고, "η"은 점도이며, "K"는 용해된 표본을 수용하는 도가니 및 구의 직경에 따른 계수이다. 상기 식으로부터, 다음과 같이 된다:
logη = logK + logF - logU
레이트("U")를 구에 가해진 힘의 개체(unity)와 관련시키면, 상기 식은 더 간소화된다:
logη = K*- logU
계수 K*의 값은 NIST 표준 레퍼런스 재료 유리 710A로 점도를 캘리브레이팅함으로써 실험적으로 결정된다. 점도 측정들의 랜덤 에러(random error)는 logη의 ±0.01과 거의 동일하였지만, (점도계 캘리브레이션의 에러들과 관련된 계통적 에러를 포함한) 총 에러는 logη의 ±0.03 이내였다. T3는 T3 부근의 점도 데이터의 회귀(regression)를 사용하여 ±3C의 정확도로 결정되었다.
1 MHz의 주파수에서의 유전 상수 및 유전 손실들의 측정들이 고-정밀 AC-브리지(bridge)를 사용하여 행해졌다. 상기 브리지는 먼지가 없는 챔버(chamber) 내부의 커패시터의 2개의 플레이트(plate)들 사이에 배치된 유전 재료의 평활 층의 특성들을 결정하도록 한다. 각각의 측정 이전에, 상기 브리지는 고 순도 석영 유리의 6개의 에탈론 샘플(etalon sample)들을 사용하여 캘리브레이팅되었다.
10 및 18 GHz에서의 유전 특성들의 측정들이 단락된 도파관 내에 배치된 원통-형상의 표본들을 사용하여 수행되었다. 상기 도파관은 순구리로 구성되었고, 순은으로 코팅되는 연마된 내부면을 포함하였다. 산화로 인하여, 은 코팅은 테스팅 동안 주기적으로 복구되었다. 도파관 내부에, 필요한 길이를 갖는 정상파(standing wave)가 정밀한 고-안정성, 초고 주파수 발생기를 사용하여 설정되었다. 도파관 내 에 샘플이 없는 경우에, 최소 정상파(l 0)의 위치가 결정되었다. 도파관 내에 샘플이 있는 경우에, 최소 정상파(l 1)의 위치가 결정되었다. 파(λ 1)의 길이 및 진행파(S)의 계수가 다음 식을 사용하여 결정되었다:
Figure 112009025612111-pct00007
,
여기서 d는 샘플 두께이고, Δl=l 0 -l 1 이다.
Figure 112009025612111-pct00008
여기서 k는 도파관의 2배의 직경이다.
각각의 유리 표본의 방수성은 시간 기간에 걸쳐 끓는점 부근의 물에 용해된 재료의 량(즉, 표본 중량 손실)을 측정함으로써 결정되었다. 사전-중량측정된 50mm × 3mm 유리 디스크들이 150ml의 증류된 물로 채워진 목부분이 넓은 석영 플라스크(wide-neck quartz flask)들 내에 배치되었다. 끓는점 부근의 온도에서 물 증발을 방지하기 위하여, 상기 플라스크들은 역류 콘덴서들을 포함하였다. 상기 플라스크들은 수조(water bath) 내에 배치되었고, 상기 수조의 수위 약간 아래의 레벨의 물을 포함하였다. 상기 수조의 온도는 5시간 동안 98℃로 유지되었다. 상기 플라스크들이 수조로부터 제거되었고, 실온으로 냉각되었다. 상기 유리 디스크들이 상기 플라스크들로부터 제거되었고, 에틸 알코올로 클리닝(cleaning)되었고, 중량 손실을 결정하기 위하여 중량측정되었다. 상기 절차는 각각의 샘플 유리 조성들에 대하여 적어도 3회 수행되었고, 3개의 연속적인 테스트들의 결과들이 평균화되었다. 샘플의 표면적의 1cm2 당 중량 손실이 ±0.03mg/cm2의 정확도 내에서 결정되었다.
각각의 표본의 체적 탄성률(bulk modulus of elasticity)("K")이 조사된 재료 내의 확산하는 종 및 횡 파들의 레이트들의 측정들에 기초한 임펄스 어쿠스틱 방법(impulse acoustical method)을 사용하여 결정되었다. 초음파 발생기는 공지된 길이의 샘플을 따라 초음파 임펄스의 송신의 시간을 등록하도록 하였다. 그 후, 종 및 횡파들의 레이트들이 ±5%의 에러로 결정되었다. 체적 탄성률(K)의 결정은 1.5-2% 내에서 영률(E)을 계산하도록 하였고, ±2% 내에서 포아송(Poisson)의 계수(v)를 계산하도록 하였다. 체적 탄성률(K)은 ±4% 내에서 결정되었다. 각각의 측정 이전에, 장치가 표준 금속 샘플을 사용하여 캘리브레이팅되었다. 계산들을 위한 다음 식들이 사용되었다:
y=(V l 2-2V s 2)/(2·(V l 2-V s 2));
E=ρV l 2·(1+v)(1-2v)/(1-v);
K=E/(3·(1-2v))
여기서, V l ,V s 는 종 및 횡 파들의 레이트들이고,
ρ는 밀도이다.
밀도는 대략 ±0.01의 에러로 실온에서 유체정역학 방법(hydrostatic method)을 사용하여 측정되었다.
열 팽창 계수들(CTE) 및 유리 전이 온도들(T g )이 고-정밀 경사-축 실리카 유리 팽창계(high-precision inclined-axis silica glass dilatometer)를 사용하여 결정되었다. 자신의 열 팽창에 기인한 샘플의 길이의 미세한 변화들이 팽창계에 의하여 측정되었다. 샘플들 모두는 동일한 열 이력(thermal history)을 보장하기 위하여 테스팅 이전에 정확히 동일한 방식으로 열적으로 조절되었다. T g 의 초기 값들이 계산 방법들 또는 명확한 팽창 테스트 중 하나를 사용하여 결정되었다. 샘플들은 대략 90℃만큼 T g 를 초과하는 온도로 가열되었고, 대략 15분 동안 상기 온도로 유지되었다. 그 후, 상기 샘플들은 3℃/min으로 약 300℃로 냉각되었고, 노는 "조절된" 또는 "안정화된" 샘플들이 실온으로 냉각되도록 하기 위하여 스위치 오프되었다.
열 팽창 계수(CTE)가 실온 및 300℃ 사이의 간격에서 측정되었다. 각각의 샘플에 대하여, 후속 가열 및 냉각의 3개의 사이클들이 수행되었다. 각각의 사이클은 30분 동안 실온으로 유지되고 나서, 300℃로 가열되는 등온선(isothermal), 300℃로 30분 동안 유지되고 실온으로 냉각되어 유지되는 등온선을 포함하였다. 유지된 각각의 등온선의 끝에서, 각각의 샘플의 길이가 측정되었다. 따라서, 모든 가열/냉 각 사이클에 대하여, 2개의 결과들이 획득되었다. 각각의 표본에 대한 총 6개의 결과들로부터 평균값이 결정되었다. 팽창계는 단결정 강옥(mono-crystalline corundum)으로 이루어진 표준 샘플을 사용하여 규칙적으로 캘리브레이팅되었다. CTE 측정들에 대한 표준 에러는 +1 10-7C-1이었고, T g 측정들에 대한 표준 에러는 +1℃였다.
TiO2, 포스페이트(phosphate)들, 등과 같은 상대적으로 고가의 성분들의 존재를 강조하는 다른 현대의 저-유전율 유리들과 달리, 본 발명에 따른 유리 조성은 석회암, 실리카 플라우어(silica flour), 하소 알루미나 또는 점토(calcined alumina or clay), 및 형석(fluorspar)을 포함하는 다수의 상대적으로 저렴하고 용이하게 입수 가능한 재료들로부터 제조될 수 있다. 본 유리 조성은 배칭 비용들을 증가시키고, 바람직하지 않은 상 분리를 초래하며, 방수성을 감소시키고, 유리 조성의 유전 상수 및 유전 손실 탄젠트를 수용 불가능한 레벨들까지 증가시키며, 원료 돌로마이트로서 공급되는 경우에, 디크리피테이션을 초래할 수 있는 MgO를 포함하지 않는다. Al2O3는 내구성을 증가시키기 위하여 적어도 11 중량%의 양들로 존재하지만, 액상 온도를 과도하게 증가시키거나, 좁은 작동 온도 범위를 초래하거나, 또는 섬유 형성 동안 실투(devitrification)를 초래하지 않도록 하기 위하여 많아야 16 중량%로 제한된다. CaO는 용융도(fusibility)를 개선시키고 점도를 낮추기 위하여 적어도 4 중량%의 량으로 상기 조성에 포함되지만, 액상 온도 및 유전 상수를 부정적으로 증가시키지 않게 하기 위하여 양에서 제한된다. 상기 조성에서의 SiO2의 함유량을 60% 이하로 제한하는 것은 양호한 용융도를 보장하며, 상기 조성이 회로 기판들에서 사용될 때, 이와 같은 기판들의 양호한 천공성(drillability)을 보장한다. 상기 조성에서 F2가 존재하면 유리 섬유 형성 온도에서 점도가 낮아지고, 유리의 밀도 및 굴절률이 낮아지며, 유리의 유전 특성들이 개선되고, 용융도가 개선되며, 유리 표면 장력이 낮아지고, 종래의 유리 용해기(melter)들에서 형성되는 거품(foam) 및 스컴(scum)의 양이 낮아진다. F2의 포함은 또한 섬유 형성 동안 붕소 축합을 최소화하는 것을 돕는다.
표 1에 제시된 바와 같이, 1 MHz에서, 상기 예들의 유리 조성들은 5보다 더 작은 유전 상수, 및 5×10-4 이하의 유전 손실 탄젠트를 나타낸다. 구체적으로는, 1 MHz에서, 유전 상수는 4.38 내지 4.98이고, 유전 손실 탄젠트는 3×10-4 내지 5×10-4이다. 또한, 표 1에 제시된 바와 같이, 10 GHz에서, 상기 예들의 유리 조성들은 5보다 더 작은 유전 상수, 및 32×10-4보다 더 작거나 32×10-4와 동일한 유전 손실 탄젠트를 갖는다. 구체적으로는, 10 GHz에서, 유전 상수는 4.32 내지 4.73이고, 유전 손실 탄젠트는 21×10-4 내지 32×10-4이다. 따라서, 상기 예들의 유리 조성들은 D-유리의 유전 특성들과 거의 동등한 저 유전 상수 및 저 유전 손실 탄젠트를 나타냈다. 게다가, 표 1에 제시된 바와 같이, 18 GHz에서 테스팅된 그러한 예들에 대하여, 상기 예들의 유리 조성들은 5보다 더 작은 유전 상수, 및 30×10-4보다 더 작거 나 30×10-4와 동일한 유전 손실 탄젠트를 갖는다. 구체적으로는, 18 GHz에서, 유전 상수는 4.49 내지 4.67이고, 유전 손실 탄젠트는 27×10-4 내지 30×10-4이다.
게다가, 표 1에서 제시된 바와 같이, 상기 예들의 유리 조성들은 약 0.10mg/cm2 내지 약 0.27mg/cm2의 유리 용리량(glass elution amount)을 나타냈으므로, 방수성이 우수하다. 상기 예들의 유리 조성들의 유리 용리량들은 약 0.06mg/cm2인 것으로 측정되는 유리 용리 량을 갖는 E-유리보다 약간 더 높다. 그러나 D-유리는 E-유리보다 훨씬 더 높은 방수성을 갖는다는 것이 공지되어 있다. 전형적인 공개된 값들은 D-유리에 대한 유리 용리가 E-유리에 대한 것보다 약 10-15배 더 높다는 것을 나타낸다. 따라서, 상기 예들의 유리 조성들은 D-유리에 매우 유리하게 비교된다.
더욱이, 상기 예들의 유리 조성들이 전형적으로 약 1400℃보다 더 높은 온도에서 이와 같은 점도를 가지는 D-유리에 비하여 상대적으로 낮은 온도들에서 103 포이즈와 동일한 점도들을 나타냈다. 이와 같은 낮은 온도들은 본 발명에 따른 유리 조성을 유리 섬유들로 섬유화하는데 유리하다.
액상 온도는 용해된 유리에서 결정이 형성되는 온도이다. 그러므로 섬유 형성 공정에서 파손(break)들을 피하기 위하여, 용해 및 형성 공정들에서의 유리 온도가 액상 온도 위에서 유지되는 것이 결정적이다. 유리가 얼마나 양호하게 섬유화될 것인지를 예측하기 위하여 여러 유리들의 델타 T(T3 - Tliquidus)를 비교하는 것이 유리 섬유 업계에서 통상적이다. 더 높은 델타 T 값들을 갖는 유리들이 바람직하다. 예를 들어, 100℃보다 더 큰 델타 T 값들을 갖는 유리들은 50℃보다 더 작은 델타 30 T 값들을 갖는 유리들보다 바람직할 것이다. 따라서, 예들(D53, D55, D57, D58, D59, 및 D47-2)의 유리 조성들은 용해 및 형성 특성들에 대하여 예들(E3, E9, 및 E10)의 유리 조성들에 비하여 바람직할 수 있다.
본 발명에서, SiO2의 함유량을 약 54-58 중량%로 조절하고, Al2O3의 함유량을 약 11-14 중량%로 조절하고, B2O3의 함유량을 약 24-27 중량%로 조절하고, CaO의 함유량을 약 5-6 중량%로 조절함으로써 5보다 더 작거나 5와 동일한 유전 상수 및 1 MHz에서 4×10-4 이하, 10 GHz에서 32×10-4 이하, 그리고 18 GHz에서 30×10-4 이하의 유전 손실 탄젠트를 갖는 유리 섬유가 획득될 수 있다는 것이 인식될 수 있다. 이와 같은 조성은 또한 약 2중량%까지의 F2를 포함할 수 있다. 게다가, 상기 예들은 SiO2의 함유량을 약 53-58 중량%로 조절하고, Al2O3의 함유량을 약 11-15 중량%로 조절하고, B2O3의 함유량을 약 22-28 중량%로 조절하고, CaO의 함유량을 약 5-6 중량%로 조절하는 것이 또한 수용 가능하게 낮은 유전 손실 탄젠트를 발생시킨다는 것을 나타낸다. 상기 조성은 또한 약 2 중량%까지의 F2를 포함할 수 있다. 게다가, SiO2의 함유량을 약 52-60 중량%로 조절하고, Al2O3의 함유량을 약 11-16 중량%로 조절하고, B2O3의 함유량을 약 20-30 중량%로 조절하고, CaO의 함유량을 약 4-8 중 량%로 조절하는 것이 수용 가능하게 낮은 유전 손실 탄젠트 및 다른 바람직한 특성들을 발생시킨다고 여겨진다. 상술된 바와 같이, 적어도 약 4 중량%의 CaO를 포함하는 것이 유리 조성의 용해를 용이하게 하고 점도를 감소시키는데 효율적일 수 있다는 것이 이전에 발견되었다. 이와 같은 조성은 또한 약 2 중량%까지의 F2를 포함할 수 있다.
본 발명의 유리 섬유는 저 유전 상수 및 저 유전 손실 탄젠트를 가지며, 인쇄 와이어링 기판들을 위한 유리 섬유로서 우수하다. 유리 섬유는 특히 고밀도 회로들에 대한 인쇄 와이어링 기판들을 보강하는데 매우 적합하다. 더욱이, 섬유들을 제조하는데 사용되는 유리는 상대적으로 낮은 용해 온도들, 우수한 가공성, 우수한 방수성, 우수한 열 팽창 특성들을 갖는다. 그러므로 안전한 저-유전 유리 섬유가 용이하게 제조될 수 있다.
직물(woven fabric)들, 부직포(non-woven fabric)들, 단방향성 패브릭(unidirectional fabric)들, 편성 제품(knitted product)들, 촙드 스트랜드(chopped strand), 조방사(roving), 필라멘트 와인딩 제품(filiment wound product)들, 유리 분말(glass powder), 매트(mat)를 포함하지만, 이에 제한되지 않는 본 발명의 유리 섬유를 포함한 다양한 기재(base material)들이 제조될 수 있다. 이러한 기재들 및 (시트 몰딩 화합물, 벌크 몰딩 화합물, 또는 프리페그(prepeg)와 같은) 플라스틱 중 적어도 하나로부터 형성된 합성 재료들이 또한 주변 통신 장치들, 등에 대한 보강재들로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 유리 섬유들을 포함하는 합성 재료는 약 300 MHz로부터 약 30 GHz까지의 범위의 주파수들에서 레이더 투명성 애플리케이션(radar transparency application)들에서 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은, 저 유전 상수를 갖는 유리 섬유, 보다 구체적으로는 저 유전 상수 및 저 유전 손실 탄젠트를 갖고 고밀도 인쇄 와이어링 기판 등에 대한 보강재로 사용하는데 적합한 유리 섬유를 제공하는데 사용된다.

Claims (36)

  1. 저-유전-상수 유리 섬유로서,
    유리 조성으로 52 내지 60 중량%의 SiO2, 11 내지 16 중량%의 Al2O3, 20 내지 30 중량%의 B2O3, 및 4 내지 8 중량%의 CaO로 필수 구성된 저-유전-상수 유리 섬유.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 유리 섬유는 유리 조성으로 53 내지 58 중량%의 SiO2, 11 내지 15 중량%의 Al2O3, 22 내지 27 중량%의 B2O3, 및 5 내지 8 중량%의 CaO로 필수 구성된, 저-유전-상수 유리 섬유.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 유리 섬유는 유리 조성으로 54 내지 58 중량%의 SiO2, 11 내지 14 중량%의 Al2O3, 24 내지 27 중량%의 B2O3, 및 5 내지 6 중량%의 CaO로 필수 구성된, 저-유전-상수 유리 섬유.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 유리 섬유는 2 중량%까지의 F2를 더 포함하는, 저-유전-상수 유리 섬유.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 유리 섬유는 2 중량%까지의 F2를 더 포함하는, 저-유전-상수 유리 섬유.
  6. 제 3항에 있어서, 상기 유리 섬유는 2 중량%까지의 F2를 더 포함하는, 저-유전-상수 유리 섬유.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 유리 섬유는 실온에서 1 MHz의 주파수에서 5 × 10-4보다 더 작거나 5 × 10-4와 동일한 유전 손실 탄젠트, 및 5보다 더 작거나 5와 동일한 유전 상수를 가지는, 저-유전-상수 유리 섬유.
  8. 제 2항에 있어서, 상기 유리 섬유는 실온에서 1 MHz의 주파수에서 5 × 10-4보다 더 작거나 5 × 10-4와 동일한 유전 손실 탄젠트, 및 5보다 더 작거나 5와 동일한 유전 상수를 가지는, 저-유전-상수 유리 섬유.
  9. 제 3항에 있어서, 상기 유리 섬유는 실온에서 1 MHz의 주파수에서 5 × 10-4보다 더 작거나 5 × 10-4와 동일한 유전 손실 탄젠트, 및 5보다 더 작거나 5와 동일한 유전 상수를 가지는, 저-유전-상수 유리 섬유.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 유리 섬유는 실온에서 10 GHz의 주파수에서 32 × 10-4보다 더 작거나 32 × 10-4와 동일한 유전 손실 탄젠트, 및 5보다 더 작거나 5와 동일한 유전 상수를 가지는, 저-유전-상수 유리 섬유.
  11. 제 2항에 있어서, 상기 유리 섬유는 실온에서 10 GHz의 주파수에서 32 × 10-4보다 더 작거나 32 × 10-4와 동일한 유전 손실 탄젠트, 및 5보다 더 작거나 5와 동일한 유전 상수를 가지는, 저-유전-상수 유리 섬유.
  12. 제 3항에 있어서, 상기 유리 섬유는 실온에서 10 GHz의 주파수에서 32 × 10-4보다 더 작거나 32 × 10-4와 동일한 유전 손실 탄젠트, 및 5보다 더 작거나 5와 동일한 유전 상수를 가지는, 저-유전-상수 유리 섬유.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 유리 섬유는 실온에서 18 GHz의 주파수에서 30 × 10-4보다 더 작거나 30 × 10-4와 동일한 유전 손실 탄젠트, 및 5보다 더 작거나 5와 동일한 유전 상수를 가지는, 저-유전-상수 유리 섬유.
  14. 제 2항에 있어서, 상기 유리 섬유는 실온에서 18 GHz의 주파수에서 30 × 10-4보다 더 작거나 30 × 10-4와 동일한 유전 손실 탄젠트, 및 5보다 더 작거나 5와 동일한 유전 상수를 가지는, 저-유전-상수 유리 섬유.
  15. 제 3항에 있어서, 상기 유리 섬유는 실온에서 18 GHz의 주파수에서 30 × 10-4보다 더 작거나 30 × 10-4와 동일한 유전 손실 탄젠트, 및 5보다 더 작거나 5와 동일한 유전 상수를 가지는, 저-유전-상수 유리 섬유.
  16. 제 1항에 따른 유리 섬유를 포함하는 제품에 있어서,
    인쇄 회로 기판, 직물, 부직포, 단방향성 패브릭, 촙드 스트랜드, 촙드 스트랜드 매트, 합성 재료, 및 통신 신호 전송 매체로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 제품.
  17. 제 2항에 따른 유리 섬유를 포함하는 제품에 있어서,
    인쇄 회로 기판, 직물, 부직포, 단방향성 패브릭, 촙드 스트랜드, 촙드 스트랜드 매트, 합성 재료, 및 통신 신호 전송 매체로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 제품.
  18. 제 3항에 따른 유리 섬유를 포함하는 제품에 있어서,
    인쇄 회로 기판, 직물, 부직포, 단방향성 패브릭, 촙드 스트랜드, 촙드 스트랜드 매트, 합성 재료, 및 통신 신호 전송 매체로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 제품.
  19. 유리 조성으로 52 내지 60 중량%의 SiO2, 11 내지 16 중량%의 Al2O3, 20 내지 30 중량%의 B2O3, 및 4 내지 8 중량%의 CaO를 포함하고, MgO를 실질적으로 포함하지 않고, Li2O를 실질적으로 포함하지 않고, Na2O를 실질적으로 포함하지 않고, K2O를 실질적으로 포함하지 않고, TiO2를 실질적으로 포함하지 않는 저-유전-상수 유리 섬유.
  20. 제 19항에 있어서, 상기 유리 섬유는 유리 조성으로 53 내지 58 중량%의 SiO2, 11 내지 15 중량%의 Al2O3, 22 내지 27 중량%의 B2O3, 및 5 내지 8 중량%의 CaO를 포함하고, MgO를 실질적으로 포함하지 않고, Li2O를 실질적으로 포함하지 않고, Na2O를 실질적으로 포함하지 않고, K2O를 실질적으로 포함하지 않고, TiO2를 실질적으로 포함하지 않는, 저-유전-상수 유리 섬유.
  21. 제 19항에 있어서, 상기 유리 섬유는 유리 조성으로 54 내지 58 중량%의 SiO2, 11 내지 14 중량%의 Al2O3, 24 내지 27 중량%의 B2O3, 및 5 내지 6 중량%의 CaO를 포함하고, MgO를 실질적으로 포함하지 않고, Li2O를 실질적으로 포함하지 않고, Na2O를 실질적으로 포함하지 않고, K2O를 실질적으로 포함하지 않고, TiO2를 실 질적으로 포함하지 않는, 저-유전-상수 유리 섬유.
  22. 제 19항에 있어서, 상기 유리 섬유는 2 중량%까지의 F2를 더 포함하는, 저-유전-상수 유리 섬유.
  23. 제 20항에 있어서, 상기 유리 섬유는 2 중량%까지의 F2를 더 포함하는, 저-유전-상수 유리 섬유.
  24. 제 21항에 있어서, 상기 유리 섬유는 2 중량%까지의 F2를 더 포함하는, 저-유전-상수 유리 섬유.
  25. 제 19항에 있어서, 상기 유리 섬유는 실온에서 1 MHz의 주파수에서 5 × 10-4보다 더 작거나 5 × 10-4와 동일한 유전 손실 탄젠트, 및 5보다 더 작거나 5와 동일한 유전 상수를 가지는, 저-유전-상수 유리 섬유.
  26. 제 20항에 있어서, 상기 유리 섬유는 실온에서 1 MHz의 주파수에서 5 × 10-4보다 더 작거나 5 × 10-4와 동일한 유전 손실 탄젠트, 및 5보다 더 작거나 5와 동일한 유전 상수를 가지는, 저-유전-상수 유리 섬유.
  27. 제 21항에 있어서, 상기 유리 섬유는 실온에서 1 MHz의 주파수에서 5 × 10-4보다 더 작거나 5 × 10-4와 동일한 유전 손실 탄젠트, 및 5보다 더 작거나 5와 동일한 유전 상수를 가지는, 저-유전-상수 유리 섬유.
  28. 제 19항에 있어서, 상기 유리 섬유는 실온에서 10 GHz의 주파수에서 32 × 10-4보다 더 작거나 32 × 10-4와 동일한 유전 손실 탄젠트, 및 5보다 더 작거나 5와 동일한 유전 상수를 가지는, 저-유전-상수 유리 섬유.
  29. 제 20항에 있어서, 상기 유리 섬유는 실온에서 10 GHz의 주파수에서 32 × 10-4보다 더 작거나 32 × 10-4와 동일한 유전 손실 탄젠트, 및 5보다 더 작거나 5와 동일한 유전 상수를 가지는, 저-유전-상수 유리 섬유.
  30. 제 21항에 있어서, 상기 유리 섬유는 실온에서 10 GHz의 주파수에서 32 × 10-4보다 더 작거나 32 × 10-4와 동일한 유전 손실 탄젠트, 및 5보다 더 작거나 5와 동일한 유전 상수를 가지는, 저-유전-상수 유리 섬유.
  31. 제 19항에 있어서, 상기 유리 섬유는 실온에서 18 GHz의 주파수에서 30 × 10-4보다 더 작거나 30 × 10-4와 동일한 유전 손실 탄젠트, 및 5보다 더 작거나 5와 동일한 유전 상수를 가지는, 저-유전-상수 유리 섬유.
  32. 제 20항에 있어서, 상기 유리 섬유는 실온에서 18 GHz의 주파수에서 30 × 10-4보다 더 작거나 30 × 10-4와 동일한 유전 손실 탄젠트, 및 5보다 더 작거나 5와 동일한 유전 상수를 가지는, 저-유전-상수 유리 섬유.
  33. 제 21항에 있어서, 상기 유리 섬유는 실온에서 18 GHz의 주파수에서 30 × 10-4보다 더 작거나 30 × 10-4와 동일한 유전 손실 탄젠트, 및 5보다 더 작거나 5와 동일한 유전 상수를 가지는, 저-유전-상수 유리 섬유.
  34. 제 19항에 따른 유리 섬유를 포함하는 제품에 있어서,
    인쇄 회로 기판, 직물, 부직포, 단방향성 패브릭, 촙드 스트랜드, 촙드 스트랜드 매트, 합성 재료, 및 통신 신호 전송 매체로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 제품.
  35. 제 20항에 따른 유리 섬유를 포함하는 제품에 있어서,
    인쇄 회로 기판, 직물, 부직포, 단방향성 패브릭, 촙드 스트랜드, 촙드 스트랜드 매트, 합성 재료, 및 통신 신호 전송 매체로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 제품.
  36. 제 21항에 따른 유리 섬유를 포함하는 제품에 있어서,
    인쇄 회로 기판, 직물, 부직포, 단방향성 패브릭, 촙드 스트랜드, 촙드 스트랜드 매트, 합성 재료, 및 통신 신호 전송 매체로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 제품.
KR1020097008658A 2006-10-26 2007-10-26 저 유전 상수 유리 섬유 KR101104130B1 (ko)

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