KR101910270B1

KR101910270B1 - D-글라스 섬유 제조 방법 및 d-글라스 섬유

Info

Publication number: KR101910270B1
Application number: KR1020170024834A
Authority: KR
Inventors: 임태영; 김진호; 이미재; 전대우; 이영진; 이지선; 정보라
Original assignee: 한국세라믹기술원
Priority date: 2017-02-24
Filing date: 2017-02-24
Publication date: 2018-10-19
Also published as: KR20180097972A

Abstract

본 발명은 D-글라스 섬유화 제조 방법 및 이를 통해 얻어진 D-글라스 섬유에 관한 것으로 그 구성은 1) D-글라스 섬유화의 원료가 되는 이산화규소, 산화알루미늄, 탄산칼륨, 탄산칼슘, 붕산 및 탄산나트륨을 일정한 비율로 12시간 동안 혼합하여 믹싱하고 1650℃에서 2시간 동안 용융시킨 후 성형하는 단계; 및 2) 성형 단계를 거친 성형물을 521℃에서 2시간 동안 어닐링하는 단계;를 포함하며, 상기 성형단계에서는 방사 온도와 와인딩 속도를 조절하여 D-글라스 섬유화 균일성을 높일 수 있다.

Description

D-글라스 섬유 제조 방법 및 D-글라스 섬유{D-glass fiber manufacturing method and D-glass fiber}

본 발명은 D-글라스 섬유제조 방법 및 D-글라스 섬유에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 얇은 두께의 기판을 제조할 수 있을 정도의 글라스 방사 두께를 유지하면서 낮은 유전율과 더불어 기계적, 전지적 특성이 우수한 D-글라스 섬유제조 방법 및 D-글라스 섬유에 관한 것이다.

일반적으로 유리섬유는 단열재, 방음재 등에 석면 대체물질로 사용되고 있으며, 이 밖에도 공기 여과를 비롯해 전기 절연재료 등의 용도로 이용된다. 유리섬유는 그 제조 방법과 용도에 따라 단섬유와 장섬유로 나뉘며, 이 외에 화상전송용 광학섬유, 광통신용 유리섬유 등이 있다.

또한 유리섬유는 유기섬유에 비해 고온에 잘 견뎌 불에 타지 않으며, 화학적 내구성이 있기 때문에 풍화, 산, 기름 등의 작용에 의해 부식되지 않는다. 다만 부서지기 쉽고, 비중이 나일론의 2.2배, 무명의 1.7배에 이르는 등 일반 섬유에 비해 무거운 편이다.

이러한 이유로 E-glass fiber를 보편적인 복합소재로서 많이 이용하고 있다.

그러나 E-glass fiber는 1MHz 주파수에서 유전율(dielectric constant)이 6.7~7.8로 높개 형성되어 유전율을 낮추기 위해 수지와 함께 사용하고 있다.

그러나 최근 들어 모바일 기기의 두께가 얇아지는 추세에서 기판이 이에 상응하도록 얇은 두께를 필요로 하지만, E-glass와 수지를 조합하여 형성되는 기판의 경우 그 두께가 제한적이어서 얇아지는 기판에 대응하여 제조할 수 없는 문제점이 있었다.

이에 유전율은 낮게 형성되면서 기판 두께를 원하는 두께로 실현할 수 있게 하는 glass fiber 개발이 시급한 실정이었다.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래의 특성을 개선하기 위하여 제안된 것으로서, 얇은 두께의 기판을 제조할 수 있을 정도의 글라스 방사 두께를 유지하면서 낮은 유전율과 더불어 기계적, 전지적 특성이 우수한 D-글라스 섬유제조 방법 및 D-글라스 섬유를 제공함에 있다.

본 발명은 앞서 본 목적을 달성하기 위하여 다음과 같은 구성을 가진다.

본 발명의 D-글라스 섬유화 제조 방법은, 1) D-글라스 섬유화의 원료가 되는 이산화규소, 산화알루미늄, 탄산칼륨, 탄산칼슘, 붕산 및 탄산나트륨을 일정한 비율로 12시간 동안 혼합하여 믹싱하고 1650℃에서 2시간 동안 용융시킨 후 성형하는 단계; 및 2) 성형 단계를 거친 성형물을 521℃에서 2시간 동안 어닐링하는 단계;를 포함하며, 상기 성형단계에서는 방사 온도와 와인딩 속도를 조절하여 D-글라스 섬유화 균일성을 높일 수 있다.

그리고 상기 성형 단계에서는 섬유인상법을 이용한다.

또한 상기 방사 온도는 1410℃ 내지 1450℃ 사이이고, 상기 와인딩 속도는 100RPM 내지 900RPM 사이인 것이 바람직하다.

그리고 상기 D-글라스 섬유화의 원료는 이산화규소 52~74중량부, 산화알루미늄 0.2~0.3중량부, 탄산칼륨 1.3~1.6중량부, 탄산칼슘 0.7중량부, 붕산 22~45중량부 및 탄산나트륨 1.2~1.4중량부이다.

한편 D-글라스 섬유화 제조 방법을 이용하여 제조된 D-글라스 섬유이고, 상기 D-글라스 섬유는 평균직경이 15~51.87㎛인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른, 얇은 두께의 기판을 제조할 수 있을 정도의 글라스 방사 두께를 유지하면서 낮은 유전율과 더불어 기계적, 전지적 특성이 우수한 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 D-그라스 섬유 제조를 위한 장치를 나타내는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 E-글라스 및 D-글라스의 샘플을 나타내는 사진.
도 3은 본 발명에 따른 유리샘플의 보론 함유량에 따른 X-선 회절 패턴을 나타내는 그래프.
도 4는 본 발명에 따른 유리샘플의 투과율을 나타내는 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 유리샘플의 유전율을 나타내는 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 유리섬유 제조를 위한 멀티홀 섬유방사장치를 나타내는 개략도.
도 7은 본 발명에 따른 섬유화 유리의 와인딩 속도에 따른 직경 변화를 나타내는 그래프.
도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 섬유화 유리의 온도 변화에 따른 직경 변화를 나타내는 그래프.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예들을 첨부된 도면을 참고하여 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 실시 예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예들은 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에 나타난 각 요소의 형상은 보다 분명한 설명을 강조하기 위하여 과장될 수 있다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

그리고 상기 성형 단계에서는 섬유인상법을 이용한다.

한편 D-글라스 섬유화 제조 방법을 이용하여 제조된 D-글라스 섬유이고, 상기 D-글라스 섬유는 평균직경이 15~51.87㎛ 인 것이 바람직하다.

본 발명에 따라 아래의 실험예를 통해 구체적으로 설명한다.

<실험예 1>

유리제품을 만드는데 있어서 가장 중요한 것은 유리화를 하기 위한 목표화학조성의 결정과 이 조성을 맞추기 위한 원료들의 배합비 선정이다. 원료의 합성비율을 어떻게 하느냐에 따라서 목표하는 물리적, 화학적 특성을 갖는 유리를 제조할 수 있으며, 해당 용융온도조건에서 양호한 특성을 갖는 투명한 유리를 제조할 수 있다.

따라서 본 실험에서는 D-글라스 특성에 영향을 주는 보론 함량을 변화시켜 목표조성으로 하여 배합비를 작성하였으며, 표 1의 E-글라스는 EG(E-Glass Fiber)로 표기하였고, 보론 함량에 따라 EG_B9, DG_B9, DG_B22 및 DG_B31로 표기하였다.

raw materials	Glass Batch Composition(중량부)
raw materials	EG_B6	DG_B9	DG_B22	DG_B31
SiO₂	41.5	74	61	52
Al₂O₃	10.6	0.3	0.3	0.2
K₂CO₃	0.3	1.6	1.6	1.3
CaCO₃	30.1	0.7	0.7	0.7
MgCO₃	0.9
H₃BO₃	15	22	35	45
Na₂CO₃	1.0	1.4	1.4	1.2
Fe₂O₃	0.2
TiO₂	0.4
total	100	100	100	100.4

상기 표 1의 조성물을 이용하여 2시간 동안 혼합하여 믹싱하고, 1650℃에서 2시간 동안 용융된 유리를 로에서 꺼내어 흑연 몰드 위에 부어 시편을 제작하고, 성형된 시편은 응력제거를 위해 521℃에서 2시간 동안 어닐링시킨 후 자연냉각하여 유리샘플을 형성하였다.

도 2에 도시된 바와 같이 실험에 의해 제조된 유리시편들은 맑고 투명한 유리 상태를 나타내었다. 부분적으로 미세한 기포가 포함되어 있는 것이 관찰되었으나 미용융물이나 실투와 같은 입자들은 발견되지 않아서 완전하게 유리화가 잘 이루어졌음을 판단할 수 있었다.

이에 대한 결과로 도 3에 나타난 XRD 그래프에서 볼 수 있듯이 조성의 모든 유리에서 결정질 피크가 나타나지 않은 것으로 보아 모두 비정질상인 것을 확인할 수 있었다.

따라서 냉각과정에서의 재결정화는 일어나지 않았다고 판단할 수 있었다.

또한 유리의 광학적 특성을 알보기 위해 투과율을 측정한 후 분석해 본 결과, 도 4에 도시된 바와 같이 유리의 평균 가시광투과율은 EG_B6:86.5%, DG_B9:82.5%, DG_B22:83.9%, DG_B31:88.6% 측정되었다. 그래프를 통해 분석을 해보았을 때 일반적인 E-글라스 조성을 제외한 나머지 유리에서는 보론(붕산)의 함량이 높아짐에 따라 투과율이 증가하는 경향을 볼 수 있었다. 보론의 함량이 높아질수록 가스 배출과 탈수현상이 원활하게 일어나고 기포가 적게 발생되어 투과율이 높아지게 됨을 알 수 있고, 시편에서 알 수 있듯 자외선 투과도가 향상되고, 특히 DG_B31은 700nm 이상에서 90% 이상의 매우 높은 광투과도를 나타내고 있음을 확인할 수 있었다.

또한 도 5에 도시된 바와 같이 실험에서의 EG_B9 내지 DG_B31의 유전율 측정값을 보면, 보론 함량이 높아질수록 유리의 밀도가 낮아져 유전율이 낮게 형성됨을 확인할 수 있었다.

특히 DG_B9 내지 HG_B31의 경우 보론에 따른 유전율 저하가 급격하게 떨어지는 것을 확인할 수 있는 점에서 이산화규소(SiO₂)와 보론(H₃BO₃)의 함량 변화를 통해 유전율과 섬유화 특성을 극대화시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.

따라서 유리의 조성에서 적정한 수준에서 보론을 배치할 때 유리의 광학적 특성과 유전율이 우수해지는 것을 확인할 수 있었으며, 특히 1400℃ 이상에서 섬유화를 진행할 때에 D-글라스 섬유의 평균 직경이 균일한 15~51.87㎛을 유지함을 확인할 수 있었다.

본 발명에 따른 D-글라스 섬유화 제조 방법을 위한 실험 조건

본 실험예에서는 앞선 보론 함량에 따른 우수한 섬유화 특성 및 유전율 특성을 나타냄을 확인하였는 바, 보론 함량에 따른 섬유의 균일한 제조를 위한 실험이다.

실험예 조건은 앞선 표 1에서 조성된 DG_B22를 이용하여 2시간 동안 혼합하여 믹싱하고, 1650℃에서 2시간 동안 용융된 유리를 도 6에 도시된 바와 같이 방사장치를 이용해 제조하였으며, 섬유화시 방사(와이딩)되는 속도는 100 ~ 900RPM 내에서 실시하고, 방사 온도는 앞선 실험예 1에서의 고온 점도를 고려하여 1410 ~ 1450℃ 사이에서 10분간 방사한 것을 기준으로 하였다.

<실험예 2>

상기 조건을 기준으로 우선 섬유화 온도 조건을 1430℃로 고정시킨 후 와인딩 속도를 변화시켜 유리섬유의 평균직경과 표준편차를 산출하였다.

산출된 측정값은 표 2 및 도 7에 표시된 바와 같다.

와인딩 속도(RPM)	100	300	500	700	900
평균직경(㎛)	50.65	30.71	25.05	20.88	15.65
표준편차	2.46	1.07	0.96	1.35	1.28

상기 표 2 및 도 7에 표시된 바와 같이 와인딩 속도가 증가함에 따라 섬유의 평균직경과 표준편차가 작아짐을 알 수 있다.

특히 500RPM에서의 표준편차가 가장 낮게 형성된 것을 알 수 있는데, 이는 1430℃에서의 용융유리가 가장 적합한 상태로 이루어졌음을 확인할 수 있고, 300RPM에서의 평균직경과 표준편차가 좋게 나타남을 알 수 있다.

따라서 300과 500RPM에서의 와인딩 속도가 유리섬유의 균일성을 효율적으로 추구할 수 있음을 확인하였다.

다만, D-글라스의 경우 주성분이 규사와 붕소로 이루어진 상태여서 용융시 기포 발생율이 높아 만일 300RPM 이상의 속도로 방사할 경우 섬유 끊김 현상이 빈번히 발생할 수 있어 섬유화 조건에 부합하기 어려우므로 이를 감안하여 유전율 특성이 우수하면서도 섬유화 조건을 충족시킬 수 있는 조건인 100 내지 300RPM으로 방사 조건을 설하는 것이 바람직하여 이를 근거로 방사 온도 조건에 따른 평균직경과 표준편차를 다시 실험하였다.

<실험예 3>

상기 실험예 2를 근거로 표 6에서와 같이 와인딩 속도를 100RPM으로 고정하고, 섬유화 온도를 1410 ~ 1450℃ 사이로 조정하며 방사하였다.

이 결과, 도 8에 도시된 바와 같이 섬유화 온도가 1430℃까지는 평균직경이 증가하지만 1440℃에서는 감소하다 1450℃에서 다시 증가함을 알 수 있고, 1410℃에서 방사된 온도가 표준편차가 낮게 나타난 것을 확인할 수 있으며, 1440℃에서 평균직경이 감소하다 이 후 다시 증가하는 것을 볼 때, 온도와 방사 속도에 따른 섬유화에 많은 영향을 주는 것을 다시 한번 확인할 수 있다.

온도(℃)	1410	1420	1430	1440	1450
평균직경(㎛)	50.35	51.87	52.70	51.98	52.46
표준편차	1.12	2.06	1.85	2.22	1.89

이를 다시 확인하기 위하여 와인딩 속도를 300RPM으로 고정하고, 섬유화 온도를 1410 내지 1450℃로 변화시켜 방사하도록 하였다.

그 결과, 표 4 및 도 9에 도시된 바와 같이 상기 100RPM에서의 현상과 유사하게 형성됨을 확인할 수 있다.

온도(℃)	1410	1420	1430	1440	1450
평균직경(㎛)	30.32	31.85	31.71	30.02	31.42
표준편차	1.23	0.82	1.07	1.11	1.40

상기 실험예 3에서 확인할 수 있듯이 와인딩 속도와 방사 온도에 따라 평균직경과 표준편차의 변화가 발생하는 것을 볼 때, 와인딩 속도는 300RPM으로 방사 온도는 1420℃로 고정할 경우 가장 이상적인 유리섬유를 형성하는 것을 확인할 수 있었다.

따라서 와인딩 속도를 100~300RPM으로 하고 방사 온도를 1420℃ 설정할 경우 유전율이 우수하면서도 기판 제작에 용이한 편균 직경을 추가할 수 있는 D-글라스 섬유를 제작할 수 있게 되는 것이 가능하다.

본 발명에서와 같이 유리섬유 조성물을 조성한 후 와인딩 속도와 방사 온도를 일정하게 유지할 경우 항시 균일하고 안정된 D-글라스 섬유를 제조할 수 있어 D-글라스 섬유의 제조 원가 및 생산성을 향상시킬 수 있게 된다.

또한 보론을 포함시킴으로써 유전율을 낮게 형성함과 아울러 균일한 평균직경을 유지하는 것이 가능하다.

한편 본 발명에서는 도 1 및 도 6에 도시된 섬유방사장치, 멀티홀방사장치를 이용해 유리섬유를 제조하는 것을 기재하고 있지만, 전기방사 방식을 이용하는 것이면, 어떠한 것도 포함할 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 통해 설명하였으나, 이는 본 발명의 기술적 내용에 대한 이해를 돕고자 하는 것일 뿐 발명의 기술적 범위를 이에 한정하고자 함이 아니다.

즉, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 않고도 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다양한 변형이나 개조가 가능함은 물론이고, 그와 같은 변경이나 개조는 청구범위의 해석상 본 발명의 기술적 범위 내에 있음은 말할 나위가 없다.

Claims

1) D-글라스 섬유화의 원료가 되는 이산화규소, 산화알루미늄, 탄산칼륨, 탄산칼슘, 붕산 및 탄산나트륨을 일정한 비율로 12시간 동안 혼합하여 믹싱하고 1650℃에서 2시간 동안 용융시킨 후 성형하는 단계; 및
2) 성형 단계를 거친 성형물을 521℃에서 2시간 동안 어닐링하는 단계;를 포함하며,
상기 성형단계에서는 방사 온도와 와인딩 속도를 조절하여 D-글라스 섬유화 균일성을 높이며,
상기 방사 온도는 1410℃ 내지 1450℃ 사이이고, 상기 D-글라스 섬유화의 원료는 이산화규소 52~61중량부, 산화알루미늄 0.2~0.3중량부, 탄산칼륨 1.3~1.6중량부, 탄산칼슘 0.7중량부, 붕산 35~45중량부 및 탄산나트륨 1.2~1.4중량부이며,
제조된 D-글라스 섬유의 파장이 700~800㎚인 빛에 대한 투과도가 80% 이상인 것을 특징으로 하는 D-글라스 섬유화 제조 방법.

제1항에 있어서,
상기 성형 단계에서는 방사법을 이용한 것을 특징으로 하는 D-글라스 섬유화 제조 방법.

삭제

제1항에 있어서,
상기 와인딩 속도는 100RPM 내지 900RPM 사이인 것을 특징으로 하는 D-글라스 섬유화 제조 방법.

삭제

제1항 내지 제2항, 제4항 중 어느 한항의 D-글라스 섬유화 제조 방법을 이용하여 제조된 D-글라스 섬유를 특징으로 하는 D-글라스 섬유.

제6항에 있어서,
상기 D-글라스 섬유는 평균직경이 15~51.87㎛ 인 것을 특징으로 하는 D-글라스 섬유.