KR20160046226A

KR20160046226A - 고투과율을 나타내는 저융점 조명용 커버유리의 제작을 위한 광학유리 조성물

Info

Publication number: KR20160046226A
Application number: KR1020140142026A
Authority: KR
Inventors: 류봉기; 김종환; 김일구; 정재엽; 최수연; 박현준; 황문경
Original assignee: 부산대학교 산학협력단
Priority date: 2014-10-20
Filing date: 2014-10-20
Publication date: 2016-04-28

Abstract

본 발명은 고투과율을 나타내는 저융점 조명용 커버유리의 제작을 위한 광학유리 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 CaO-MgO-Li₂O-Al₂O₃-P₂O5계를 주성분으로 하여 90% 이상의 우수한 투과율과 500℃ 이하의 낮은 융점을 가지는 고투과율을 나타내는 저융점 조명용 커버유리의 제작을 위한 광학유리 조성물에 관한 것이다.
이러한 본 발명은, 광학유리 조성물에 있어서, CaO 5~10몰%, MgO 5~10몰%, Li₂O 15~20몰%, Al₂O₃ 0~15몰% 및 P₂O₅ 40~65몰%를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고투과율을 나타내는 저융점 조명용 커버유리의 제작을 위한 광학유리 조성물을 기술적 요지로 한다.

Description

고투과율을 나타내는 저융점 조명용 커버유리의 제작을 위한 광학유리 조성물{Composition of optical glass for making the lighting cuver glass have the low-melting and high transmittance}

본 발명은 고투과율을 나타내는 저융점 조명용 커버유리의 제작을 위한 광학유리 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 CaO-MgO-Li₂O-Al₂O₃-P₂O5계를 주성분으로 하여 90% 이상의 우수한 투과율과 500℃ 이하의 낮은 융점을 가지는 고투과율을 나타내는 저융점 조명용 커버유리의 제작을 위한 광학유리 조성물에 관한 것이다.

일반적으로, 조명용 커버유리로 쓰이는 광학유리의 종류는 매우 다양할 뿐만 아니라 유리의 종류마다 구성성분과 성형과정이 다르기 때문에 그 특성도 다르게 나타난다. 이러한 유리 재질의 특성으로는 분산성, 굴절률, 화학적인 투과성, 탄성률, 경도, 열전도도, 열팽창 계수 등이 있다.

이에 참고할 만한 종래 문헌인 '비구면 렌즈용 유리조성물(출원번호: 10-2011-0024185)에서는, SiO₂, B₂O₃, Li₂O, Na₂O, Al₂O₃ 및 K₂O로 이루어진 조성물 중 SiO₂, B₂O₃, BaO 및 Li₂O의 배합으로 굴절률을 높게 유지하면서도 높은 아베수를 가지는 유리를 제공하고자 하였다.

한편, 종래에 조명유리로 사용하기 위한 고투과율을 가지는 광학유리로는 저철분 플로트 판유리가 전형적으로 알려져 있다.

즉슨, 일반 유리와 비교하여 고투과율을 지닌 유리제품은 조명용 커버유리로 사용되고 있을 뿐만 아니라 상업용 건물매장, 전시장, 박물관 커튼윌 등에서 건축자재로 사용되며 태양에너지 산업에서 유리 소재로도 응용되고 있다.

저철분 플로트 판유리로 불리우며 여러 가지 산업에 응용되고 있는 이러한 유리는 유리조성 중의 산화철 함량을 200ppm 이하로 낮추어야 하는데, 이를 위해서는 철분 함유량이 적은 고순도 원료를 확보하는 것과 동시에 외부 불순물에 의해 원료가 오염되지 않도록 철저하게 관리하는 기술이 중요하다. 보다 바람직하게는, 저철분 플로트 유리를 위해서는 약 100ppm 이하의 철분 함량을 갖는 원료를 사용하는 것이 좋다.

이와 관련된 종래 문헌은 다수 출원되어 있으나, 특히 '저철분 플로트 유리 및 그 제조방법과 용도(출원번호: 10-2009-0057687)'에서는 SiO₂, Na₂O, K₂O, CaO, SO₃, MgO, Al₂O₃를 포함하고, Fe₂O₃의 철분 함량을 150 ppm 이하로 하여 고급소재의 유리제품으로 사용 가능한 유리를 제공하고자 하였으나, 철분 투입시 불순물의 침투로 물성이 악화될 수 있다는 문제점이 있어왔다.

즉, 가시광선 투과율이 91% 이상이고 300~2500 nm 파장 범위의 태양열선 투과율이 90.2% 이상인 저철분 플로트 판유리는, 조명용 커버유리에 요구되는 고투과율의 조건은 만족시키나, Sillicate base glass로써 매우 높은 융점을 지님에 따라 조명용 커버유리 제작을 위한 몰드재료의 매우 높은 내열성이 요구된다. 그러나, 이는 조명용 커버유리의 제작비용을 매우 높이는 요인이 되어 왔다.

이에 따라, 생산비용의 절감을 위해 보다 낮은 온도에서 용융이 가능한 저융점과 더욱 높은 투과율을 갖는 조명용 커버유리의 제조가 가능한 광학유리 조성물에 대한 연구가 요구되는 시점이다.

KR

10-1290125

B1

KR

10-0983476

B1

본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로, 철 성분을 사용하지 않고도 높은 투과율과 낮은 융점을 특성을 가지는 고투과율을 나타내는 저융점 조명용 커버유리의 제작을 위한 광학유리 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고투과율을 나타내는 저융점 조명용 커버유리의 제작을 위한 광학유리 조성물은, CaO 5~10몰%, MgO 5~10몰%, Li₂O 15~20몰%, Al₂O₃ 0~15몰% 및 P₂O₅ 40~65몰%를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 광학유리 조성물은, 유리전이온도가 300~500℃인 것을 특징으로 한다.

상기 광학유리 조성물은, 투과율이 90% 이상인 것을 특징으로 한다.

이에 따른 고투과율을 나타내는 저융점 조명용 커버유리의 제작을 위한 광학유리 조성물의 제조방법은, CaO 5~10몰%, MgO 5~10몰%, Li₂O 15~20몰%, Al₂O₃ 0~15몰% 및 P₂O₅ 40~65몰%를 혼합하여 원료분말을 얻는 제1단계; 상기 원료분말을 1000~1200℃에서 가열한 후 균질화하는 제2단계; 및 상기 균질화된 원료분말을 금형 내에 투입 후 성형 및 냉각하여 광학유리 조성물을 완성하는 제3단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 과제의 해결 수단에 의한 본 발명에 따른 고투과율을 나타내는 저융점 조명용 커버유리의 제작을 위한 광학유리 조성물은, CaO, MgO, Li₂O, Al₂O₃ 및 P₂O₅를 최적의 비율로 혼합함으로써 90% 이상의 높은 투과율을 지속적으로 유지하면서도 낮은 융점을 가질 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 고투과율을 도시한 그래프.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학유리 조성비 변화의 플로우 포인트 예시도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 광학유리 조성비 변화가 작업온도에 미치는 영향을 도시한 그래프.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고투과율을 나타내는 저융점 조명용 커버유리의 제작을 위한 광학유리 조성물은, CaO 5~10몰%, MgO 5~10몰%, Li₂O 15~20몰%, Al₂O₃ 0~15몰% 및 P₂O₅ 40~65몰%를 포함하여 이루어진다.

이러한 고투과율을 나타내는 저융점 조명용 커버유리의 제작을 위한 광학유리 조성물을 아래의 표 1에 나타내었다.

성분	함량(단위: 몰%)
CaO	5~10
MgO	5~10
Li₂O	15~20
Al₂O₃	0~15
P₂O₅	40~65

표 1을 참조하여, 고투과율을 나타내는 저융점 조명용 커버유리의 제작을 위한 광학유리 조성물에 대하여 더욱 상세히 기술해보도록 하겠다.

상기한 CaO(산화칼슘)와 상기한 MgO(산화마그네슘)는 유리의 투과율을 조절하기 위해서 첨가된 성분이다. 투과율율은 저철분일수록 고투과율을 나타낸다. 거기에서도 Fe2+/Fe3+이온의 비가 중요한 역할을 한다. 첨가된 CaO와 MgO는 이러한 비를 조정하는데 중요한 역할을 하는 산화물로서 첨가되었다.

상기한 Li₂O(산화리튬)은 유리전이온도를 낮추는 것으로, 유리형성시 구조를 약하게 만들기 때문에 작업온도를 낮추는 역할을 한다. 이때, 플로우 포인트를 낮추기 위해서는 유리전이온도가 낮은 것도 필요하지만 점성 유동이 좋아야 하기 때문에 알칼리의 함량이 중요하다 할 수 있다.

부가적으로, Li₂O이 15몰% 미만일 경우 융점이 높아질 수 있고 20몰%를 초과할 경우 유리의 결정화가 촉진되어 불투명하게 되므로 투과율이 낮아질 수 있는 단점을 미연에 방지하기 위하여, Li₂O은 15~20몰%로 포함되는 것이 바람직하다.

상기한 Al₂O₃(산화알루미늄)은 P₂O₅와 알칼리로 이루어진 유리구조에서 중간산화물로 작용하여 유리의 형성에 도움을 주는 것으로, 본 발명에서 중간산화물로 Al₂O₃를 정한 이유는 P₂O₅, Li₂O와 용융 시 유리형성이 가장 용이하였기 때문이다.

이러한 Al₂O₃을 첨가하여 유리의 내구성을 더욱 강화할 수 있는데, Al₂O₃이 무첨가되면 내구성을 충분히 발현해낼 수 없으며 15몰%를 초과하면 광학유리 조성물의 용융온도를 상승시킬 수 있으므로, Al₂O₃을 0~15몰%로 첨가함으로써 내구성 효과를 발휘할 수 있다.

상기한 P₂O₅(오산화인)은 유리제조에 있어서 낮은 융점을 가지게 하는 것으로, 알칼리 옥사이드의 함유량이 타 유리성분보다 높기 때문에 현재 광학유리 분야에서 관심이 대두되고 있는 성분이다. 또한, 황화물과 몰리브덴의 함유량도 높다.

이때, P₂O₅이 40몰% 미만이면 P₂O₅의 결정화가 초래되어 우수한 물성의 조명용 커버유리를 얻지 못할 뿐만 아니라 투과율 달성에 문제가 발생할 수 있으며, 65몰%를 초과하면 P₂O₅이 수분과 반응하여 결합적 안정성이 저화될 수 있다는 문제점이 제기될 수 있으므로, P₂O₅은 40~65몰%의 범위로 첨가되는 것이 바람직하다.

즉, P₂O₅은 내수성을 약한 문제점을 지니고 있어 왔으므로, 본 발명에서는 P₂O₅을 65몰% 이하로 유지함으로써 이러한 문제점을 해결할 수 있었다.

한편, 이러한 고투과율을 나타내는 저융점 조명용 커버유리의 제작을 위한 광학유리 조성물의 제조방법은, 제1, 2 및 3단계로 이루어질 수 있다.

먼저, 제1단계는 CaO 5~10몰%, MgO 5~10몰%, Li₂O몰%, Al₂O₃ 0~15몰% 및 P₂O₅ 40~65몰%를 혼합하여 원료분말을 얻는 단계이다.

즉, 광학유리 조성물 성분들을 분쇄하여 혼합하는 단계인데, 이러한 제1단계는 당업자가 용이하게 유추하여 실시할 수 있으므로 더 이상의 설명은 여기서 생략하기로 한다.

다음으로, 제2단계는 원료분말을 1000~1200℃에서 가열한 후 균질화하는 단계이다. 특히, 가열시 용융 온도 조건은 중요한 인자로써 용융 온도가 1000℃ 미만이면 광학유리 조성물이 충분히 녹지 않는 문제점이 발생할 수 있으며, 1200℃를 초과하면 조성물을 용융하는 내화물의 수명이 단축될 뿐만 아니라 내화물의 침식이 일어나 광학유리 조성물 중에 필요로 하지 않는 결정형의 이물질이 침투할 수 있으므로, 제2단계에서의 가열 온도는 1000~1200℃의 범위로 맞춰주는 것이 바람직하다.

이후, 가열된 원료분말의 균질화를 실시한다. 이는, 원료분말이 가열되어 녹아 액체 상태로 변하게 되는데, 이를 동일한 시간 간격으로 기체를 투입하면서 교반하여 균질화를 달성하게 되는 것을 의미한다. 부가적으로, 기체는 백금 튜브를 이용해 주입할 수 있다. 단, 본 발명에서의 기체로는 질소 또는 산소 중 어느 하나를 선택하여 사용할 수 있다.

마지막으로, 제3단계는 균질화된 원료분말을 금형 내에 투입 후 성형 및 냉각하여 광학유리 조성물을 완성하는 단계이다. 즉, 제2단계에서 형성된 균질화된 원료분말을 몰드 등의 금형에 부어 800~1200℃에서 1~2시간 동안 성형하는 단계를 일컫는다. 단, 제3단계의 균질화된 원료분말은 제2단계를 거쳐 제조된 용융액을 의미한다.

이하에서는, 본 발명에 따라 고투과율을 나타내는 저융점 조명용 커버유리의 제작을 위한 광학유리 조성물에 대한 실시예를 기술해 보고자 한다.

P₂O₅를 65몰%로 고정하였고, Li₂O를 15몰%에서 20몰%까지 증가시켜 나가고 MgO는 10몰%에서 5몰%까지 감소시키고, Al₂O₃는 10몰%로 고정시켰다. 이렇게 청정한 각각의 성분을 혼합하였다.

본 발명의 제작공정은 P₂O₅를 포함하는 저융점, 고투과율 유리이다. 해당조성은 1000~1200℃ 이하에서 2시간 동안 용융을 한다. 용융할 때는 각 단계에 맞는 실험과정을 고친다.

1단계. 수정 도가니에 배치를 혼합하여 넣은 후 100~120℃에서 균질화 및 증발건조를 실시한다.

2단계. 1단계에서 반응이 끝나지 않은 건조작업을 위해서 180~200℃에서 다시 건조작업을 거친다.

3단계. 예비 가열단계로 200~800℃까지 온도를 상승시킨다.

4단계. 1200℃에서 유리를 용융한다.

5단계. 캐스팅 작업과 어닐링작업으로 마무리한다.

P₂O₅를 60몰%에서 65몰%로 증가시키고, Li₂O를 20몰%로 고정하였고, MgO는 10몰%에서 5%몰로 감소시켰고, Al₂O₃는 10몰%로 고정시켰다. 이렇게 청정한 각각의 성분을 혼합하였다. 이하의 공정은 실시예1에서 기재되어진 내용과 동일한 과정으로 진행하였다.

P₂O₅를 65몰%로 고정하였고, Li₂O를 20몰%로 고정하였고, MgO는 10몰%에서 5몰%까지 감소시키고, Al₂O₃는 5몰%에서 10몰%까지로 증가시켰다. 이렇게 청정한 각각의 성분을 혼합하였다. 이하의 공정은 실시예1에서 기재되어진 내용과 동일한 과정으로 진행하였다.

P₂O₅를 65몰%로 고정하였고, Li₂O를 15몰%에서 20몰%까지 증가시켜 나가며 CaO는 10몰%에서 5몰%까지 감소시키고, Al₂O₃는 10몰%로 고정시켰다. 이렇게 청정한 각각의 성분을 혼합하였다. 이하의 공정은 실시예1에서 기재되어진 내용과 동일한 과정으로 진행하였다.

P₂O₅를 60몰%에서 65몰%로 증가시키고, Li₂O를 20몰%로 고정하였고, CaO는 10몰%에서 5%몰로 감소시켰고, Al₂O₃는 10몰%로 고정시켰다. 이렇게 청정한 각각의 성분을 혼합하였다. 이하의 공정은 실시예1에서 기재되어진 내용과 동일한 과정으로 진행하였다.

P₂O₅를 65몰%로 고정하였고, Li₂O를 20몰%로 고정하였고, CaO는 10몰%에서 5몰%까지 감소시키고, Al₂O₃는 5몰%에서 10몰%까지로 증가시켰다. 이렇게 청정한 각각의 성분을 혼합하였다. 이하의 공정은 실시예1에서 기재되어진 내용과 동일한 과정으로 진행하였다.

본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 조성비에 의해 제조된 유리물질에 대하여 광학적 특성과 물리적 특성을 관찰하기 위해서 광투과율과 플로우 측정을 위한 준비를 한다.

UV-Vis 장치를 사용하여 광투과율을 측정하기 위해서 두께 0.5~1cm 사이의 샘플을 준비한다. 투과율 측정을 위한 시편은 다이아몬드 페이스트를 사용하여 마무리를 한다. 플로우 측정을 위한 장비는 고온현미경으로 0.1g의 파우더를 직경 0.5cm 몰드 프레스에 압축하여 샘플을 준비한다. 유리전이온도 측정에 사용되는 시편은 높이 약 1cm, 두께 약 0.5cm의 샘플을 가공하여 TMA 장비로 측정한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 고투과율을 도시한 그래프이다. 도 1을 참조하면, 실시예 1에 의해 준비된 샘플을 이용하여 얻어진 투과율을 나타내었으며, 이러한 투과율은 실시예들에 나와있는 조성비에 대한 유리 샘플들의 평균이다. 즉, MgO와 CaO의 차이가 없는 유리는 90% 이상의 높은 투과율을 보인다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학유리 조성비 변화의 플로우 포인트 예시도이고, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 광학유리 조성비 변화가 작업온도에 미치는 영향을 도시한 그래프이다.

상기 실시예 1에 준비된 샘플 성분비의 플로우 포인트는 도 2-(a)에 나타내었고 유리전이온도는 도 3-(a)에 나타내었다. 이처럼, Li₂O 함량이 15몰%에서 20몰%로 증가함에 따라, 그리고 MgO 함량이 10몰%에서 5몰%로 감소함에 따라 플로우 포인트와 유리전이온도가 감소함을 알 수 있다.

상기 실시예 2에 준비된 샘플 성분비의 플로우 포인트는 도 2-(b)에 나타내었고 유리전이온도는 도 3-(b)에 나타내었다. 이처럼, P₂O₅ 함량이 60몰%에서 65몰%까지 증가함에 따라, 그리고 MgO 함량이 10몰%에서 5몰%까지 감소함에 따라 플로우 포인트와 유리전이온도는 감소함을 알 수 있다.

상기 실시예 3에 준비된 샘플 성분비의 플로우 포인트는 도 2-(c)에 나타내었고 유리전이온도는 도 3-(c)에 나타내었다. 이처럼, MgO 함량이 10몰%에서 5몰%까지 감소함에 따라, 그리고 Al₂O₃ 함량이 5몰%에서 10몰%까지 증가함에 따라 플로우 포인트와 유리전이온도는 미미하게 증가하고 있음을 알 수 있다.

상기 실시예 4에 준비된 샘플 성분비의 플로우 포인트는 도 2-(d)에 나타내었고 유리전이온도는 도 3-(d)에 나타내었다. 이처럼, Li₂O 함량이 15몰%에서 20몰%까지 증가함에 따라, 그리고 CaO 함량이 10몰%에서 5몰%까지 감소함에 따라 플로우 포인트와 유리전이온도는 감소하고 있음을 알 수 있다.

상기 실시예 5에 준비된 샘플 성분비의 플로우 포인트는 도 2-(e)에 나타내었고 유리전이온도는 도 3-(e)에 나타내었다. 이처럼, P₂O₅ 함량이 60몰%에서 65몰%까지 증가함에 따라, 그리고 CaO 함량이 10몰%에서 5몰%까지 감소함에 따라 플로우 포인트와 유리전이온도는 감소하고 있음을 알 수 있다.

상기 실시예 6에 준비된 샘플 성분비의 플로우 포인트는 도 2-(f)에 나타내었고 유리전이온도는 도 3-(f)에 나타내었다. 이처럼, CaO 함량이 10몰%에서 5몰%까지 감소함에 따라, 그리고 Al₂O₃ 함량이 5몰%에서 10몰%까지 증가함에 따라 플로우 포인트와 유리전이온도는 미미하게 증가하고 있음을 알 수 있다.

따라서, 본 발명에서 목표로 하는 90% 이상의 고투과율 유리는 MgO나 CaO에 의해서 고투과율 특성을 가지며 P₂O₅ 함량이 60~65몰%(예상)일 때 목표로 하는 투과율, 플로우 포인트, 유리전이온도를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

그리고, Li₂O 함량이 20몰%(예상)로 고정되었을 때 목표로 하는 투과율, 플로우 포인트, 유리전이온도가 얻을 수 있음을 알 수 있다.

또한, Al₂O₃ 함량이 9몰% 이하일 때(예상) 목표로 하는 투과율, 플로우 포인트, 유리전이온도가 얻을 수 있음을 알 수 있다. 단, MgO와 CaO가 플로우 포인트와 유리전이온도에 미치는 영향의 차이는 미미하다.

이상과 같이 본 발명에 따른 고투과율을 나타내는 저융점 조명용 커버유리의 제작을 위한 광학유리 조성물은, 90% 이상의 투과율, 500℃ 이하의 유리전이온도, 600℃ 이하의 작업온도를 달성하는 물성을 가지는 광학유리 조성물을 제공할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것도 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

광학유리 조성물에 있어서,
CaO 5~10몰%, MgO 5~10몰%, Li₂O 15~20몰%, Al₂O₃ 0~15몰% 및 P₂O₅ 40~65몰%를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고투과율을 나타내는 저융점 조명용 커버유리의 제작을 위한 광학유리 조성물.