KR20220162969A - 내플라즈마성 석영유리 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 금속산화물(MexOy, 여기서 x 및 y는 자연수)이 도핑되어 있는 내플라즈마성 석영유리로서, 상기 금속산화물을 구성하는 금속(Me)은 Al, Ba, Bi, Cd, Cs, Pb, Mg, Sr, Sn, Y, Zr, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Br, Kr, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Y 및 Sc로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하고, 상기 금속산화물은 상기 내플라즈마성 석영유리 내에 1∼30몰% 도핑되어 있는 내플라즈마성 석영유리 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 플라즈마 화염법을 이용하면서 금속염화물(MeaClb(a는 Cl의 원자가, b는 Me의 원자가)), SiCl4 및 산소(O2)가 반응시켜 내플라즈마 특성이 우수한 석영유리를 적은 비용으로 단순 공정을 통해 제조할 수가 있다.
Description
본 발명은 석영유리 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내플라즈마 특성이 우수한 석영유리 및 그 제조방법에 관한 것이다.
석영유리는 고온 및 열 안정성이 우수하여 반도체, LCD(Liquid crystal display)용 공정부재, 전열 기구, 우주왕복선, 특수 렌즈(Lens) 등에 사용되고 있고, 화학적 안정성도 우수하여 반도체 등의 공정 부재로 사용되고 있다.
석영유리는 반도체, LCD 공정의 공기와 같은 존재이다. 석영유리는 반도체에서 포토마스크(photomask), 로심관 등으로 절대 필요한 부재이고, LCD에서 1m 이상의 초대형 포토마스크용 부재이다.
그러나, 이러한 석영유리는 SiO2가 주성분을 이루며 그 제조에 있어서 난이도가 높은 소재이다. 포토마스크에서 요구하는 조건은 자외선 투과도와 열안정성이나, 석영유리는 초단파장 자외선 투과가 가능한 소재이다. 석영유리에 불순물이 섞이면 자외선 투과 특성이 급격하게 저하되며, 따라서 고순도 제품화 기술이 필수이다.
석영유리 제조를 위한 방법으로 SiCl4 분체, 산소 및 수소를 사용하여 버너의 화염으로 직접 용융(2종, 3종 석영유리) 하거나 소결하여 유리화 하는 방법이 있다.
[반응식 1]
SiCl4 + 2H2 + O2 → SiO2(s) + 4HCl
고순도의 석영유리를 제조하는데 있어서, SiCl4를 산소수소(산소와 수소) 화염에 의해 산화 반응 후 별도의 소성 공정 처리하는 방법이 매우 유용한 방법으로 인식되고 있다. 그러나, 이 방법은 열원에 있어서 산소수소 화염을 사용하는 근원적인 문제점을 가지고 있기 때문에 합성된 석영유리는 수분에 의한 기계적, 광학적 관점에서 문제점을 포함하고 있으며, 따라서 이 방법은 수분을 제거하기 위한 별도의 공정이 필요하다.
2, 3종 석영유리의 경우, SiCl4와 산소수소 화염에 의해 형성된 SiO2 입자가 합성됨과 동시에 용융되어 유리가 되는 방식으로 제조되는데, 수분이 유리 내부로 혼입되어 열가공 시 유리가 결정화 되는 문제를 지닌다.
VAD 방식 석영유리의 경우, 2종 석영유리와 같은 방식을 사용하나, 수십 nm 크기의 SiO2 분체의 덩어리(프리폼)을 먼저 만들고 프리폼 중에 혼입된 수분, 염소 등의 성분을 제거하는 소둔 과정과 나노 입자를 소결하여 유리를 만드는 방식으로 제조되는데, 소성 수축이 50% 가까워 대구경의 제품을 제작하기가 쉽지 않다.
또한, 석영유리는 내플라즈마 특성이 낮다는 문제점이 있으며, 이를 해결하기 위한 연구가 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 내플라즈마 특성이 우수한 석영유리 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명은, 금속산화물(MexOy, 여기서 x 및 y는 자연수)이 도핑되어 있는 내플라즈마성 석영유리로서, 상기 금속산화물을 구성하는 금속(Me)은 Al, Ba, Bi, Cd, Cs, Pb, Mg, Sr, Sn, Y, Zr, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Br, Kr, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Y 및 Sc로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하고, 상기 금속산화물은 상기 내플라즈마성 석영유리 내에 1∼30몰% 도핑되어 있는 것을 특징으로 하는 내플라즈마성 석영유리를 제공한다.
금속산화물(MexOy, 여기서 x 및 y는 자연수)이 도핑되어 있는 상기 내플라즈마성 석영유리는 하기의 반응식 1에 따른 플라즈마 화염법에 의해 금속염화물(MeaClb(a는 Cl의 원자가, b는 Me의 원자가)), SiCl4 및 산소(O2)가 반응하여 합성되는 이산화규소 분말이 소성되어 형성된 것이다.
[반응식 1]
MeaClb(a는 Cl의 원자가, b는 Me의 원자가) + SiCl4 + nO2(n은 자연수) → MexOy doped SiO2 + nCl2
또한, 본 발명은, 금속염화물(MeaClb(a는 Cl의 원자가, b는 Me의 원자가)), SiCl4 가스 및 산소(O2) 가스를 포함하는 출발원료를 준비하는 단계와, 불활성 가스를 공급하면서 플라즈마 토치를 통해 플라즈마 화염을 생성하는 단계와, 상기 금속염화물(MeaClb(a는 Cl의 원자가, b는 Me의 원자가)), 상기 SiCl4 가스 및 상기 산소(O2) 가스를 상기 플라즈마 화염쪽으로 공급하는 단계와, 상기 플라즈마 화염으로 공급된 금속염화물(MeaClb(a는 Cl의 원자가, b는 Me의 원자가)), SiCl4 및 산소(O2)가 반응하여 이산화규소 분말이 합성되는 단계 및 합성된 이산화규소 분말을 소성시키고 급냉하여 금속산화물(MexOy, 여기서 x 및 y는 자연수)이 도핑되어 있는 내플라즈마성 석영유리를 형성하는 단계를 포함하며, 상기 금속염화물 및 상기 금속산화물을 구성하는 금속(Me)은 Al, Ba, Bi, Cd, Cs, Pb, Mg, Sr, Sn, Y, Zr, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Br, Kr, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Y 및 Sc로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하고, 상기 금속산화물은 상기 내플라즈마성 석영유리 내에 1∼30몰% 도핑되어 있는 것을 특징으로 하는 내플라즈마성 석영유리의 제조방법을 제공한다.
금속산화물(MexOy, 여기서 x 및 y는 자연수)이 도핑되어 있는 상기 내플라즈마성 석영유리는 하기의 반응식 1에 따른 플라즈마 화염법에 의해 금속염화물(MeaClb(a는 Cl의 원자가, b는 Me의 원자가)), SiCl4 및 산소(O2)가 반응하여 합성되는 이산화규소 분말이 소성되어 형성된 것이다.
[반응식 1]
MeaClb(a는 Cl의 원자가, b는 Me의 원자가) + SiCl4 + nO2(n은 자연수) → MexOy doped SiO2 + nCl2
상기 내플라즈마성 석영유리를 형성하는 단계는, 합성된 이산화규소 분말을 포집하는 단계와, 포집된 이산화규소 분말을 성형하는 단계와, 성형체를 소성하는 단계 및 소성체를 급냉하여 내플라즈마성 석영유리를 수득하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 내플라즈마성 석영유리를 형성하는 단계는, 상기 플라즈마 화염으로 공급된 금속염화물(MeaClb(a는 Cl의 원자가, b는 Me의 원자가)), SiCl4 및 산소(O2)가 반응하여 합성되는 이산화규소 분말이 석영 유리봉을 향하여 경사지게 지향하면서 상기 석영 유리봉에 집적되게 하여 프리폼(Preform)을 형성하는 단계와, 퍼징(Purging)을 통해 프리폼(Preform) 내 수분과 염소(Cl2) 가스를 제거하는 단계와, 수분 및 염소 가스가 제거된 프리폼을 소성하는 단계 및 소성체를 급냉하여 내플라즈마성 석영유리를 수득하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 내플라즈마성 석영유리를 형성하는 단계는, 상기 플라즈마 화염으로 공급된 금속염화물(MeaClb(a는 Cl의 원자가, b는 Me의 원자가)), SiCl4 및 산소(O2)가 반응하여 합성되는 이산화규소 분말을 소성로에 담고 용융소성(Viscous sintering)시키는 단계 및 소성된 결과물을 급냉하여 내플라즈마성 석영유리를 수득하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 석영유리에 의하면, 내플라즈마 특성이 우수하다. 본 발명의 내플라즈마성 석영유리에 의하면, 석영유리 내에 금속산화물이 1∼30몰% 도핑되어 있으므로 내플라즈마 특성이 우수하다. 플라즈마 환경에서 우수한 내 식각 특성을 나타내며, 따라서 오염 입자가 발생되지 않을 뿐만 아니라 내플라즈마 부재로 사용되더라도 수명이 향상될 수가 있다.
본 발명에 의하면, 내플라즈마 특성이 우수한 석영유리를 제조할 수 있다. 플라즈마 화염법을 이용하면서 금속염화물(MeaClb(a는 Cl의 원자가, b는 Me의 원자가)), SiCl4 및 산소(O2)를 반응시켜 내플라즈마 특성이 우수한 석영유리를 적은 비용으로 단순 공정을 통해 제조할 수가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 토치의 일 예를 나타낸 모식도이다.
도 2는 도 1의 플라즈마 토치에 이용되는 반응가스 이송관을 나타낸 모식도이다.
도 3은 도 2의 반응가스 이송관의 단면도이다.
도 4는 반응 챔버의 일 예를 나타낸 모식도이다.
도 5는 도 4의 반응 챔버의 평면도이다.
도 2는 도 1의 플라즈마 토치에 이용되는 반응가스 이송관을 나타낸 모식도이다.
도 3은 도 2의 반응가스 이송관의 단면도이다.
도 4는 반응 챔버의 일 예를 나타낸 모식도이다.
도 5는 도 4의 반응 챔버의 평면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
발명의 상세한 설명 또는 청구범위에서 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 당해 구성요소만으로 이루어지는 것으로 한정되어 해석되지 아니하며, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 정의하는 무수는 1ppm 이하의 수분 함량을 의미하며, 초 고순도라 함은 금속 불순물과 OH 함량이 100 ppm 이하인 것을 칭한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내플라즈마성 석영유리는, 금속산화물(MexOy, 여기서 x 및 y는 자연수)이 도핑되어 있는 내플라즈마성 석영유리로서, 상기 금속산화물을 구성하는 금속(Me)은 Al, Ba, Bi, Cd, Cs, Pb, Mg, Sr, Sn, Y, Zr, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Br, Kr, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Y 및 Sc로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하고, 상기 금속산화물은 상기 내플라즈마성 석영유리 내에 1∼30몰% 도핑되어 있다.
금속산화물(MexOy, 여기서 x 및 y는 자연수)이 도핑되어 있는 상기 내플라즈마성 석영유리는 하기의 반응식 1에 따른 플라즈마 화염법에 의해 금속염화물(MeaClb(a는 Cl의 원자가, b는 Me의 원자가)), SiCl4 및 산소(O2)가 반응하여 합성되는 이산화규소 분말이 소성되어 형성된 것이다.
[반응식 1]
MeaClb(a는 Cl의 원자가, b는 Me의 원자가) + SiCl4 + nO2(n은 자연수) → MexOy doped SiO2 + nCl2
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내플라즈마성 석영유리의 제조방법은, 금속염화물(MeaClb(a는 Cl의 원자가, b는 Me의 원자가)), SiCl4 가스 및 산소(O2) 가스를 포함하는 출발원료를 준비하는 단계와, 불활성 가스를 공급하면서 플라즈마 토치를 통해 플라즈마 화염을 생성하는 단계와, 상기 금속염화물(MeaClb(a는 Cl의 원자가, b는 Me의 원자가)), 상기 SiCl4 가스 및 상기 산소(O2) 가스를 상기 플라즈마 화염쪽으로 공급하는 단계와, 상기 플라즈마 화염으로 공급된 금속염화물(MeaClb(a는 Cl의 원자가, b는 Me의 원자가)), SiCl4 및 산소(O2)가 반응하여 이산화규소 분말이 합성되는 단계 및 합성된 이산화규소 분말을 소성시키고 급냉하여 금속산화물(MexOy, 여기서 x 및 y는 자연수)이 도핑되어 있는 내플라즈마성 석영유리를 형성하는 단계를 포함하며, 상기 금속염화물 및 상기 금속산화물을 구성하는 금속(Me)은 Al, Ba, Bi, Cd, Cs, Pb, Mg, Sr, Sn, Y, Zr, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Br, Kr, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Y 및 Sc로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하고, 상기 금속산화물은 상기 내플라즈마성 석영유리 내에 1∼30몰% 도핑되어 있다.
금속산화물(MexOy, 여기서 x 및 y는 자연수)이 도핑되어 있는 상기 내플라즈마성 석영유리는 하기의 반응식 1에 따른 플라즈마 화염법에 의해 금속염화물(MeaClb(a는 Cl의 원자가, b는 Me의 원자가)), SiCl4 및 산소(O2)가 반응하여 합성되는 이산화규소 분말이 소성되어 형성된 것이다.
[반응식 1]
MeaClb(a는 Cl의 원자가, b는 Me의 원자가) + SiCl4 + nO2(n은 자연수) → MexOy doped SiO2 + nCl2
상기 내플라즈마성 석영유리를 형성하는 단계는, 합성된 이산화규소 분말을 포집하는 단계와, 포집된 이산화규소 분말을 성형하는 단계와, 성형체를 소성하는 단계 및 소성체를 급냉하여 내플라즈마성 석영유리를 수득하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 내플라즈마성 석영유리를 형성하는 단계는, 상기 플라즈마 화염으로 공급된 금속염화물(MeaClb(a는 Cl의 원자가, b는 Me의 원자가)), SiCl4 및 산소(O2)가 반응하여 합성되는 이산화규소 분말이 석영 유리봉을 향하여 경사지게 지향하면서 상기 석영 유리봉에 집적되게 하여 프리폼(Preform)을 형성하는 단계와, 퍼징(Purging)을 통해 프리폼(Preform) 내 수분과 염소(Cl2) 가스를 제거하는 단계와, 수분 및 염소 가스가 제거된 프리폼을 소성하는 단계 및 소성체를 급냉하여 내플라즈마성 석영유리를 수득하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 내플라즈마성 석영유리를 형성하는 단계는, 상기 플라즈마 화염으로 공급된 금속염화물(MeaClb(a는 Cl의 원자가, b는 Me의 원자가)), SiCl4 및 산소(O2)가 반응하여 합성되는 이산화규소 분말을 소성로에 담고 용융소성(Viscous singtering)시키는 단계 및 소성된 결과물을 급냉하여 내플라즈마성 석영유리를 수득하는 단계를 포함할 수 있다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내플라즈마성 석영유리 및 그 제조방법을 더욱 구체적으로 설명한다.
본 발명에 따른 내플라즈마성 석영유리는 후술하는 플라즈마 화염법을 이용하여 제조될 수 있다. 상기 플라즈마 화염법은 플라즈마 화염 또는 플라즈마 열원을 분사하여 분말을 합성하는 방법으로서, 화염을 분사하는 플라즈마 토치를 이용한다.
이하에서, 플라즈마 화염법을 이용하여 내플라즈마성 석영유리를 제조하는 방법의 일 예를 설명한다.
금속염화물(MeaClb(a는 Cl의 원자가, b는 Me의 원자가)), SiCl4 가스 및 산소(O2) 가스를 포함하는 출발원료를 준비한다. 상기 금속염화물(MeaClb(a는 Cl의 원자가, b는 Me의 원자가))을 구성하는 금속(Me)은 Al, Ba, Bi, Cd, Cs, Pb, Mg, Sr, Sn, Y, Zr, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Br, Kr, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Y 및 Sc로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다. 이러한 금속염화물의 일 예로는 AlCl3, BaCl2, KCl, CaCl2, MgCl2, LaCl3 등을 들 수 있다.
불활성 가스를 공급하면서 플라즈마 토치를 통해 플라즈마 화염을 생성하고, 상기 금속염화물(MeaClb(a는 Cl의 원자가, b는 Me의 원자가)), 상기 SiCl4 가스 및 상기 산소(O2) 가스를 상기 플라즈마 화염쪽으로 공급한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내플라즈마성 석영유리는 도 1에 도시된 바와 같은 플라즈마 토치를 이용하여 제조될 수 있으며, 플라즈마 토치는 도 2 및 도 3에 의하여 후술되는 반응가스 이송관(10)과, 고주파 전력을 인가하여 플라즈마를 발생 및 유지하는 플라즈마 형성부를 포함할 수 있다.
플라즈마 형성부는 반응가스 이송관(10)을 지지하면서 토치 중앙 가스를 주입하는 주입구(52)가 측면에 형성된 베이스 프레임(50), 베이스 프레임(50)이 장치되며 반응가스 이송관(10)이 삽입되어 연장되는 방향으로 플라즈마 화염(76)이 형성되는 공간을 이루는 토치 실린더(60)가 삽입되고 그의 내측으로 토치 쉬즈(Sheath) 가스를 가이드하도록 토치 실린더(60)와 이격되면서 반응가스 이송관(10)이 연장된 방향으로 소정 길이 연장된 내부 실린더(62)가 삽입되며 토치 실린더(60)와 내부 실린더(62)의 이격된 공간으로 토치 쉬즈 가스를 주입하는 주입구(56)와 토치 냉매를 배출하는 배출구(58)가 형성된 메인 프레임(54), 토치 실린더(60)의 외벽을 따라 토치 냉매를 순환시키고 배출구(58)로 토치 냉매를 배출하는 구조를 가짐으로써 토치 실린더(60)를 냉각시키는 냉각부(64), 냉각부(64)의 외부에 배치되고 고주파 전력이 인가되는 코일(66)이 설치되어서 토치 실린더(60) 내부의 플라즈마 발생을 유도하는 고주파 인가부(68), 고주파 인가부(68)의 외부에 형성되며 메인 프레임(54)과 결합됨으로써 외벽을 이루는 단열벽(70) 및 토치 실린더(60)와 단열벽(70)의 단부에 결합되며 냉각부(64)로 냉매를 공급하는 냉매 주입구(74)가 형성된 분사 프레임(72)을 포함할 수 있다.
상술한 바에서 토치 중앙 가스로서 플라즈마 발생을 위한 가스(아르곤이나 헬륨과 같은 불활성 가스)를 공급하고, 토치 쉬즈 가스로서 아르곤이 토치 실린더(60) 내부의 플라즈마 화염(76)이 형성된 변부의 쉬즈 영역에 공급될 수 있으며, 냉매로서 냉각수가 공급될 수 있다.
그리고, 플라즈마 형성부에서 냉각부(64), 고주파 인가부(68) 및 단열벽(70)은 토치 실린더(60)와 같이 메인 프레임(54)과 분사 프레임(72) 사이에 이들과 결합되는 구조를 가질 수 있다.
반응가스 이송관(10)은 제1 유입구(12)를 통하여 공급되는 SiCl4 가스를 이송하는 제1 튜브(20), 제2 유입구(14)를 통하여 공급되는 불활성 가스를 이송하며 상기 제1 튜브(20)를 둘러싸도록 구성된 제2 튜브(22), 및 제3 유입구(16)를 통하여 공급되는 산소(O2) 가스를 이송하며 제2 튜브(22)를 둘러싸도록 구성된 제3 튜브(24)를 포함하는 이송관을 포함할 수 있으며, 제1 유입구 내지 제3 유입구(12,14,16)는 독립적으로 구성될 수 있다. 또한, 금속염화물(MeaClb(a는 Cl의 원자가, b는 Me의 원자가))을 이송하기 위한 튜브(미도시)가 마련되어 독립적으로 구성될 수도 있다.
반응가스 이송관(10)을 이루는 제1 내지 제3 튜브(20,22,24)는 석영유리(SiO2) 재질로 형성된 것을 이용함이 바람직하다. 구체적으로 플라즈마 중앙부 온도가 10000°K가 넘기 때문에 플라즈마 주변의 온도도 2000℃를 넘는 온도를 나타내므로, 이에 대한 열충격 및 고온 내열성을 충족시키기 위한 재질의 이용이 필요하며, 이를 충족하기 위하여 본 발명에 따른 실시예는 SiO2 재질로 이송관을 구성하는 것이 바람직하다.
불활성 가스로는 아르곤(Ar)과 헬륨(He)과 같은 가스가 사용될 수 있다. 헬륨(He)은 초기 플라즈마 발진용으로 이용될 수 있으며 아르곤(Ar) 가스는 플라즈마 유지를 위하여 이용될 수 있다. 또한 헬륨(He)은 원자 단위 크기가 작기 때문에 유리 구조 속에서 빠져나올 수 있어서 유리화 과정에서 잔류 기포의 제거에 이용될 수 있다.
반응가스 이송관(10)은 반응용 금속염화물(MeaClb(a는 Cl의 원자가, b는 Me의 원자가)), SiCl4 가스, 산소(O2) 가스를 공급하기 위한 것이며, 제1 내지 제3 튜브(20,22,24) 중 제3 튜브(24)가 가장 긴 위치까지 연장되고 제1 튜브(20)가 가장 짧은 위치까지 연장되는 구조를 가짐이 바람직하다.
SiCl4 가스와 산소(O2) 가스가 직접적으로 접촉되는 경우 급격한 반응이 발생되며 이로 인해 SiO2 반응 생성물이 튜브들의 끝에 매달려서 형성되는 현상이 발생될 수 있다. 상술한 반응을 완충하여 억제하기 위하여 반응가스 이송관(10)은 상술한 바와 같이 각 튜브 별로 연장된 위치가 다르게 구성될 수 있으며, 도 3과 같이 불활성 가스를 SiCl4 가스와 산소(O2) 가스가 공급되는 튜브(20, 24) 사이의 튜브(22)로 공급하는 구성을 가질 수 있다. 금속염화물(MeaClb(a는 Cl의 원자가, b는 Me의 원자가))은 튜브(20)을 통해 SiCl4 가스와 함께 공급될 수도 있고, 튜브(22)를 통해 불활성 가스와 함께 공급될 수도 있으며, 튜브(24)를 통해 산소(O2) 가스와 함께 공급될 수도 있고, 도시되지는 않았지만 별도의 튜브를 마련하고 이 튜브를 통해 공급될 수도 있다.
그리고, 튜브들 중 중앙의 SiCl4 가스를 공급하는 튜브(20)는 공급 위치를 가변하기 위하여 전후로 슬라이딩하여 이동될 수 있도록 구성됨이 바람직하다. 상기 구성은 원료 물질들이 적절한 온도 구간에서 반응을 일으킬 수 있도록 원료 물질이 공급되는 위치를 조절하기 위한 것이다.
상술한 도 2 및 도 3의 반응가스 이송관(10)을 설치한 본 발명에 따른 플라즈마 토치에 의하여 플라즈마 화염(76)이 형성되어서 분사될 수 있으며, 고주파 전력을 인가함에 따른 플라즈마 발생 메카니즘은 공지의 기술이므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
플라즈마 화염 내에서 금속염화물(MeaClb(a는 Cl의 원자가, b는 Me의 원자가)), SiCl4 및 산소(O2)가 반응하여 생성물(이산화규소)이 합성될 수 있다. 하기 반응식 1과 같은 반응에 의하여 생성물(이산화규소)이 합성될 수 있다.
[반응식 1]
MeaClb(a는 Cl의 원자가, b는 Me의 원자가) + SiCl4 + nO2(n은 자연수) → MexOy doped SiO2(s) + nCl2(g)
상기 반응식 1에서 (s)는 고체 상태를 의미하며 (g)는 기체 상태를 의미한다. 또한, 'MexOy doped SiO2 '는 금속산화물(MexOy, 여기서 x 및 y는 자연수)이 도핑되어 있는 이산화규소를 의미한다. 반응식 1에서 금속염화물(MeaClb)은 이산화규소 내에 도핑되는 금속산화물(MexOy)의 소스물질로 작용한다. SiCl4는 합성되는 이산화규소의 소스물질로 작용한다.
상기 반응식 1에 따라 합성되는 이산화규소는 금속산화물(MexOy, 여기서 x 및 y는 자연수)이 도핑되어 있는 내플라즈마성 이산화규소이다. 상기 금속산화물을 구성하는 금속(Me)은 Al, Ba, Bi, Cd, Cs, Pb, Mg, Sr, Sn, Y, Zr, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Br, Kr, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Y 및 Sc로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다. 상기 금속산화물은 상기 내플라즈마성 이산화규소 내에 1∼30몰% 도핑되어 있는 것이 바람직하다. 이러한 금속산화물의 예로는 Al2O3, BaO, K2O, CaO, MgO, La2O3 등을 들 수 있다.
참고로, 반응가스 이송관(10)의 유입구(12,14,16) 및 플라즈마 토치를 통하여 유입되는 가스는 99.9％ 이상의 고순도 가스가 이용됨이 바람직하며, 추가적인 필터를 통하여 가스들이 이송관 내부로 유입됨으로써 불순물 등에 대응하여 고 순도를 유지함이 바람직하다. 그리고, 불활성 가스, 산소(O2), 금속염화물(MeaClb(a는 Cl의 원자가, b는 Me의 원자가)) 및 SiCl4 가스는 유입되는 양이 개별적으로 조절될 수 있으며, 산소(O2) 및 SiCl4 가스를 포함하는 반응 가스의 양이 많아지면 플라즈마의 온도 저하가 발생되므로 적절한 양으로 조절됨이 바람직하다.
도 4에 도시된 플라즈마 토치(100)에서 반응가스 이송관(10)은 서로 직경이 다른 튜브가 중첩된 삼중 튜브 구조를 가질 수 있으며, SiCl4 가스와 산소(O2) 가스를 중간에 위치한 튜브를 통하여 공급되는 불활성 가스에 의하여 분리하여 배송하며, 플라즈마 토치(100)는 고주파 전력에 의하여 내부에 형성된 플라즈마를 단부에서 상기 플라즈마 화염으로 방출하는 구조를 가질 수 있다.
상술한 플라즈마 토치(100)에 의하여 반응되어 생성되는 이산화규소는 무수의 초 고순도 생성물이다.
상술한 플라즈마 화염법에 의해 금속염화물(MeaClb(a는 Cl의 원자가, b는 Me의 원자가)), SiCl4 및 산소(O2)가 반응하여 합성되는 이산화규소 분말은 금속산화물(MexOy, 여기서 x 및 y는 자연수)이 도핑되어 있는 내플라즈마성 이산화규소이다. 합성된 이산화규소 분말은 백필터(Bag filter) 또는 사이클론(cyclone) 등을 이용하여 다양한 방법으로 포집이 가능하다.
이렇게 포집된 이산화규소 분말을 이용하여 성형과 소성 과정을 거쳐 유리 덩어리(유리 기판)로 만들 수가 있다.
포집된 이산화규소 분말을 금형 등의 성형기에 장입하고 성형한다. 상기 성형은 알반적으로 알려져 있는 프레스 성형, 정수가압성형(Cold Isostatic Press) 등의 다양한 방법을 이용할 수 있다.
성형된 결과물을 소성한다. 이하에서, 소성 공정을 구체적으로 설명한다.
성형된 결과물을 전기로와 같은 퍼니스(furnace)에 장입하고 소성 공정을 수행한다. 상기 소성 공정은 이산화규소 분말의 용융온도보다 낮은 1000∼1600℃ 정도의 온도에서 10분∼48시간 정도 수행하는 것이 바람직하다. 상기 소성은 상압 소성, 가압 소성, 열간 가압(Hot press) 소성(Hot Press), 열간 정수압(Hot Isostatic Press) 소성 등의 다양한 방법을 이용할 수 있다.
상기 소성온도까지는 1∼50℃/min의 승온속도로 상승시키는 것이 바람직한데, 승온 속도가 너무 느린 경우에는 시간이 오래 걸려 생산성이 떨어지고 승온 속도가 너무 빠른 경우에는 급격한 온도 상승에 의해 열적 스트레스가 가해질 수 있으므로 상기 범위의 승온 속도로 온도를 올리는 것이 바람직하다.
상기 소성은 소성온도에서 10분∼48시간 동안 유지하는 것이 바람직하다. 소성 시간이 너무 긴 경우에는 에너지의 소모가 많으므로 비경제적일 뿐만 아니라 더 이상의 소성 효과를 기대하기 어려우며, 소성 시간이 작은 경우에는 불완전한 소성으로 인해 석영유리의 물성이 좋지 않을 수 있다.
소성 공정을 수행한 후, 퍼니스 온도를 하강시켜 급냉시키고 언로딩(unloading) 하여 석영유리 덩어리(또는 석영유리 기판)을 수득한다.
상술한 플라즈마 화염법을 이용하여 다음과 같은 방법으로 석영유리 덩어리(또는 석영유리 기판)를 제조할 수도 있다.
상술한 본 발명에 따른 플라즈마 토치를 도 4와 같이 반응 챔버에 구성한다.
반응 챔버는 챔버(30)와 플라즈마 토치(100)를 포함하며, 챔버(30)는 상부에 상부 커버(32)와 하부 커버(34)가 구성되고, 하부 커버(34)는 챔버(30)의 상단에 상부쪽으로 오픈된 구조를 갖도록 결합된 것이며, 상부 커버(32)는 챔버(30)와 하부 커버(34)의 사이에 조립되도록 구성되면서 중앙에 후술되는 석영 유리봉(36)이 설치될 수 있는 기구물(도 5의 39)이 구성될 수 있다. 여기에서 상부 커버(32)와 하부 커버(34)를 갖는 구조로 본 발명이 실시된 것은 커버가 쉽게 분리될 수 있어서 조립 및 청소가 용이하도록 하기 위한 것이다.
그리고, 챔버(30)의 내부에는 생성물인 석영 유리가 집적되는 시드 역할을 하는 석영 유리봉(36)이 상부 커버(32)에 구성되는 기구물(39)에 설치될 수 있으며, 석영 유리봉(36)은 수직 방향으로 하측을 지향하도록 설치될 수 있다. 그리고, 챔버(30)의 저부에는 내부의 폐가스를 배출하기 위한 배출 장치가 설치되며, 상부에는 쿨링 가스의 유입을 위한 쿨링 가스 유입구(42, 44)가 구성될 수 있다. 그리고, 챔버(30)의 하측 또는 임의의 위치에는 추가적인 반응 가스의 유입이 가능하도록 반응 가스 유입구(46)가 더 구성될 수 있다.
상술한 바와 같이 구성되는 챔버(30)에 플라즈마 토치(100)가 하측에 설치될 수 있으며, 플라즈마 토치(100)는 석영 유리봉(36)을 향하여 45° 각도로 경사지게 지향하도록 설치됨이 바람직하다. 또한 플라즈마 토치(100)는 이격 거리 조절 장치를 더 포함할 수 있으며, 그에 따라서 플라즈마 토치(100)가 석영 유리봉(36)과 이격된 거리가 조절될 수 있다. 여기에서 이격 거리 조절 장치는 도면에 도시하지 않았으나, 플라즈마 토치(100)와 챔버(30) 간의 기밀을 유지하면서 챔버(30) 내에 플라즈마 토치가 삽입되는 정도를 조절할 수 있는 공지의 장치로 구성될 수 있으므로 이에 대한 구체적인 도시는 생략한다.
상술한 바와 같이 챔버(30) 내에 석영 유리봉(36)을 향하여 45° 각도로 경사지게 지향하도록 플라즈마 토치(100)가 구성됨에 따라서 플라즈마 토치(100)에서 분사되는 플라즈마 화염에 의하여 석영 유리봉(36)에 생성물이 집적되어 프리폼(Preform)이 형성될 수 있다.
그리고, 퍼징(Purging) 등을 통하여 프리폼(Preform) 내 수분과 염소(Cl2) 가스를 제거할 수 있다. 챔버(30) 내부의 플라즈마 토치(100)의 플라즈마 화염에 의하여 발생되는 폐가스는 배출 장치(40)에 의하여 배출될 수 있고, 배출 장치(40)는 외부의 스크러버와 같은 장치와 연결될 수 있으며, 그에 따라서 배기 가스가 친환경적으로 처리될 수 있다.
수분, 염소 가스 등이 제거된 프리폼을 소성하고 급냉하여 석영유리 덩어리를 수득한다. 상기 소성은 진공 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 소성은 1400~1600℃ 정도의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.
상술한 플라즈마 화염법을 이용하여 다음과 같은 방법으로 석영유리 덩어리를 제조할 수도 있다.
플라즈마 화염법에 의해 합성되는 이산화규소 분말을 소성로에 담고 고온(예컨대, 2000℃ 이상)에서 용융소성(Viscous sintering) 시키고 급냉하여 석영유리 덩어리를 형성한다. 이 방법은 플라즈마 화염법에 의해 합성되는 이산화규소 분말이 직접적으로 소성로에 포집되게 함으로써 백필터나 사이클론 등의 포집기가 필요없는 장점이 있고, 제조공정이 단순하여 대량생산에 유리하다는 장점이 있다.
이렇게 제조된 내플라즈마성 석영유리는 금속산화물(MexOy, 여기서 x 및 y는 자연수)이 도핑되어 있는 내플라즈마성 석영유리로서, 상기 금속산화물을 구성하는 금속(Me)은 Al, Ba, Bi, Cd, Cs, Pb, Mg, Sr, Sn, Y, Zr, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Br, Kr, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Y 및 Sc로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하고, 상기 금속산화물은 상기 내플라즈마성 석영유리 내에 1∼30몰% 도핑되어 있다.
금속산화물(MexOy, 여기서 x 및 y는 자연수)이 도핑되어 있는 상기 내플라즈마성 석영유리는 하기의 반응식 1에 따른 플라즈마 화염법에 의해 금속염화물(MeaClb(a는 Cl의 원자가, b는 Me의 원자가)), SiCl4 및 산소(O2)가 반응하여 합성되는 이산화규소 분말이 소성되어 형성된 것이다.
[반응식 1]
MeaClb(a는 Cl의 원자가, b는 Me의 원자가) + SiCl4 + nO2(n은 자연수) → MexOy doped SiO2 + nCl2
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
10 : 반응가스 이송관
12 , 14 , 16 : 유입구
18 : 플라즈마 발생부
20 , 22 , 24 : 튜브
30 : 챔버
32 : 상부 커버
34 : 하부 커버
36 : 석영 유리봉
40 : 배기장치
42 , 44 : 쿨링 가스 유입구
46 : 반응 가스 유입구
100 : 플라즈마 토치
12 , 14 , 16 : 유입구
18 : 플라즈마 발생부
20 , 22 , 24 : 튜브
30 : 챔버
32 : 상부 커버
34 : 하부 커버
36 : 석영 유리봉
40 : 배기장치
42 , 44 : 쿨링 가스 유입구
46 : 반응 가스 유입구
100 : 플라즈마 토치
Claims (7)
- 금속산화물(MexOy, 여기서 x 및 y는 자연수)이 도핑되어 있는 내플라즈마성 석영유리로서,
상기 금속산화물을 구성하는 금속(Me)은 Al, Ba, Bi, Cd, Cs, Pb, Mg, Sr, Sn, Y, Zr, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Br, Kr, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Y 및 Sc로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하고,
상기 금속산화물은 상기 내플라즈마성 석영유리 내에 1∼30몰% 도핑되어 있는 것을 특징으로 하는 내플라즈마성 석영유리.
- 제1항에 있어서, 금속산화물(MexOy, 여기서 x 및 y는 자연수)이 도핑되어 있는 상기 내플라즈마성 석영유리는 하기의 반응식 1에 따른 플라즈마 화염법에 의해 금속염화물(MeaClb(a는 Cl의 원자가, b는 Me의 원자가)), SiCl4 및 산소(O2)가 반응하여 합성되는 이산화규소 분말이 소성되어 형성된 것을 특징으로 하는 내플라즈마성 석영유리.
[반응식 1]
MeaClb(a는 Cl의 원자가, b는 Me의 원자가) + SiCl4 + nO2(n은 자연수) → MexOy doped SiO2 + nCl2
- 금속염화물(MeaClb(a는 Cl의 원자가, b는 Me의 원자가)), SiCl4 가스 및 산소(O2) 가스를 포함하는 출발원료를 준비하는 단계;
불활성 가스를 공급하면서 플라즈마 토치를 통해 플라즈마 화염을 생성하는 단계;
상기 금속염화물(MeaClb(a는 Cl의 원자가, b는 Me의 원자가)), 상기 SiCl4 가스 및 상기 산소(O2) 가스를 상기 플라즈마 화염쪽으로 공급하는 단계;
상기 플라즈마 화염으로 공급된 금속염화물(MeaClb(a는 Cl의 원자가, b는 Me의 원자가)), SiCl4 및 산소(O2)가 반응하여 이산화규소 분말이 합성되는 단계; 및
합성된 이산화규소 분말을 소성시키고 급냉하여 금속산화물(MexOy, 여기서 x 및 y는 자연수)이 도핑되어 있는 내플라즈마성 석영유리를 형성하는 단계를 포함하며,
상기 금속염화물 및 상기 금속산화물을 구성하는 금속(Me)은 Al, Ba, Bi, Cd, Cs, Pb, Mg, Sr, Sn, Y, Zr, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Br, Kr, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Y 및 Sc로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하고,
상기 금속산화물은 상기 내플라즈마성 석영유리 내에 1∼30몰% 도핑되어 있는 것을 특징으로 하는 내플라즈마성 석영유리의 제조방법.
- 제3항에 있어서, 금속산화물(MexOy, 여기서 x 및 y는 자연수)이 도핑되어 있는 상기 내플라즈마성 석영유리는 하기의 반응식 1에 따른 플라즈마 화염법에 의해 금속염화물(MeaClb(a는 Cl의 원자가, b는 Me의 원자가)), SiCl4 및 산소(O2)가 반응하여 합성되는 이산화규소 분말이 소성되어 형성된 것을 특징으로 하는 내플라즈마성 석영유리의 제조방법.
[반응식 1]
MeaClb(a는 Cl의 원자가, b는 Me의 원자가) + SiCl4 + nO2(n은 자연수) → MexOy doped SiO2 + nCl2
- 제3항에 있어서, 상기 내플라즈마성 석영유리를 형성하는 단계는,
합성된 이산화규소 분말을 포집하는 단계;
포집된 이산화규소 분말을 성형하는 단계;
성형체를 소성하는 단계; 및
소성체를 급냉하여 내플라즈마성 석영유리를 수득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내플라즈마성 석영유리의 제조방법.
- 제3항에 있어서, 상기 내플라즈마성 석영유리를 형성하는 단계는,
상기 플라즈마 화염으로 공급된 금속염화물(MeaClb(a는 Cl의 원자가, b는 Me의 원자가)), SiCl4 및 산소(O2)가 반응하여 합성되는 이산화규소 분말이 석영 유리봉을 향하여 경사지게 지향하면서 상기 석영 유리봉에 집적되게 하여 프리폼(Preform)을 형성하는 단계;
퍼징(Purging)을 통해 프리폼(Preform) 내 수분과 염소(Cl2) 가스를 제거하는 단계;
수분 및 염소 가스가 제거된 프리폼을 소성하는 단계; 및
소성체를 급냉하여 내플라즈마성 석영유리를 수득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내플라즈마성 석영유리의 제조방법.
- 제3항에 있어서, 상기 내플라즈마성 석영유리를 형성하는 단계는,
상기 플라즈마 화염으로 공급된 금속염화물(MeaClb(a는 Cl의 원자가, b는 Me의 원자가)), SiCl4 및 산소(O2)가 반응하여 합성되는 이산화규소 분말을 소성로에 담고 용융소성(Viscous sintering) 시키는 단계; 및
소성된 결과물을 급냉하여 내플라즈마성 석영유리를 수득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내플라즈마성 석영유리의 제조방법.
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-
2021
- 2021-06-02 KR KR1020210071248A patent/KR102539311B1/ko active IP Right Grant
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|---|
| Journal of Materials Science, Vol. 12, No. 5, 1977.05., pp. 999-1009. * |
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| KR102539311B1 (ko) | 2023-06-01 |
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