※ 쿼츠(석영 유리)
※ 석영유리
1. 개요
석영유리(石英琉璃)는 유리의 일종으로, 불순물 없이[2] 순수한 이산화규소(SiO2)만으로 이루어진 유리를 말한다. 형태를 가공하기 쉬운 유리의 일종인데다 내구성도 뛰어나고[3], 불순물이 없는 순물질로 분류되어 화학약품을 다루는 도구에 주로 사용된다.
간단히 말해서 유리의 완벽한 상위호환품이다. 더 단단하고, 더 고온에도 견디며, 화학적으로도 안정적이기 때문이다.
하지만 저런 끝내주는 물건이 왜 이곳저곳 닥치는대로 쓰이지 않냐면, 만드는데 드는 비용이 매우 비싸기 때문이다. 창문이나 식기 등 일반적으로 활용하는 유리는 여러 종류의 불순물을 혼합해서 녹는점을 낮추는 반면, 석영유리는 녹는점을 낮추는 불순물이 들어가지 않기 때문에 불순물을 섞은 유리보다 더 높은 온도로 녹여야 해서 연료비가 많이 들어간다. 게다가 높은 온도의 석영유리를 가공하기 위해 도가니 등의 장비도 특수제작해야 하고, 석영유리의 모양을 잡는 것도 고온에서 해야하기 때문에 모양을 잡는 것 자체도 힘들뿐더러 안전장비도 더 많이 갖춰야 한다. 게다가 석영유리에서 더 단단하다는 장점은, 이미 모양이 굳은 석영유리를 추가적으로 깍는 등의 가공이 더 힘들어진다는 단점이 되기도 한다. 이렇듯 유리에 비해 석영유리에서는 이런저런 이유로 가격 상승 요인이 많다.
2. 제조방식
석영유리의 경우, 불순물이 거의 존재하지 않는 고순도의 규산을 2000도 이상의 고온에서 녹여 정제하여 만든다.
이렇게 적어보면 간단하지만 어느 정도의 산업화가 진행되지 않았다면 고순도의 규산을 구하기도 어렵고 2000도 이상에서 녹인 후 정제하는 설비를 갖추는 데에도 만만찮게 돈이 들어간다. 결국 석영유리의 단가가 다른 유리보다 비싼 것은 만드는 설비를 구축하기 어렵고, 재료를 구하기도 어려우며, 연료비도 많이 들기 때문이다.
3. 분류
석영유리 중에서도 순도가 높은 천연석영을 녹여서 만든 것을 Fused quartz라고 부르는데, 간단히 말해서 자연산 최고급 재료를 사용한 1등급 석영유리로 생각하면 된다.
정제과정에서 불순물을 추가적으로 제거하며 규사를 첨가해 인공적으로 순수도를 높여 만든 것을 Fused silica라고 부르며 사염화규소(SiCl4)로 대표되는 규소를 함유한 화합물을 고온에서 농축해 만든 것을 Synthesized fused silica(합성 석영유리)라고 분류한다.
고순도의 천연석영을 사용한 FQ를 제외한 나머지 석영유리는 제작비를 줄이고자 온갖 방법을 사용해 고순도의 규산을 만들어 내려고 시도한 끝에 개발된 것이다.
나무위키
※ 석영유리 생산 방식
ⓐ 용융법
원료 천연석영(quartz)
고온에서 용융 제조 - 금속 불순물 포함 - 순도 낮음 - 투광성 떨어짐 - 1,800도 이상 고온에서 제조하여 높은 제조비용 요구
ⓑ 합성법
원료 사염화규소(SiC14)
화학기상증착법, 알콕사이드법 등
금속 불순물 적음 - 투광성 높음 - 제조 공정 중 유해가스 등 공정시 장비의 내식성 및 안전을 고려한 높은 투자 비용
실제로 천연결정이나 실리카 분말(석영모래)을 고온에서 녹여 만든 천연쿼츠 경우 아무리 세척해도 원료에 일정량의 불순물이 남아있다. 석영유리가 단일 실리카지만 원료에 불순물이 포함돼 있으면 녹아내리는 성능이 변해 특성이 불안정하게 되기 때문에, 반도체 고집적화에 따른 공정에는 적합하지 않다.
초고순도 석영 원료는 거의 독점 시장인데, 석영 원재료가 거의 미국에서만 생산되고 있다.
미국에서 80~90% 생산되고, 특히 노스캐롤라이나 주의 특정 광산에서 집중적으로 나온다.
이 광산 주인은 Covia와 The Quartz Corp로 시장의 80% 이상을 차지하고 있다.
제조 비용이 비싸고, 제조하는 방법도 쉬운게 아니며 원재료 수급도 어려워 초고순도 석영유리는 일본의 Tosoh, 독일의 Heraus, 미국의 Momentive 가 시장의 80% 이상을 차지하고 있다.
원익QnC (Momentive) 와 일본의 Tosoh 정도만이 석영유리를 내재화 했고 그래서 이 둘이 Quartzware 의 1,2위 사업자 이기도 하다.
[출처] 원익QNC_쿼츠시장은 성장한다.|작성자 인생등대
ⓑ 반도체 석영 유리 사용
석영유리는 반도체 웨이퍼 제작에 필요한 반도체 잉곳을 만들기 위한 내화물로 사용되며, 이를 위해 고순도 폴리실리콘을 석영유리 도가니에 넣어 용융하여 작은 실리콘 단결정 Seed를 기초로 하여 실리콘 단결정 잉곳으로 성장시킵니다.
또한, 석영유리는 반도체 공정 중 가장 중요한 것 중 하나인 노광공정에서도 사용됩니다. 10nm 이하 공정으로 바뀌면서 요구되는 노광방식은 반사형으로 바뀌었고, 요구하는 물성은 열팽창계수와 표면 연마 상태가 더 중요하게 되었습니다.
※ 석영유리 분류
합성석영유리 잉곳 제조 시에는 ppm단위 이하의 금속 불순물을, 가공 시에는 sub-nano급 거칠기를
,블랭크마스크에서는 높은 균질도의 성막이 요구된다
석영유리 도가니는 내표면층과 외표면층의 미세구조에 차이가 있으며, 내층의 경우 기포 발생을 최대한 억제하는데 노력 한다. 기포 크기와 수가 실리콘 단결정 성장 시 결함 발생 의 원인이 되기 때문이다. 반도체용 도가니 경우 이 기포 와 불순물에 대한 스펙이 더욱 까다롭기 때문에 내층은 외층과는 달리 합성 분말을 사용한다. Fig. 9는 석영유리 Tube 제조를 제조하기 위한 전기로 개략도이다. 그림에서 볼 수 있듯이 전기 저항 방식의 열 원을 사용한다. 원료는 천연석영 분말을 대부분 사용한다.
※ 석경에이티 석영유리 제조방법 특허 등록
비정질 실리카 나노분말을 이용한 투명한 실리카 소결체의 제조방법 특허가 3월 8일 등록되었다.
= 석영유리 제조 방법
본 발명은 기공 크기가 최소화되고 균질화되므로 기공 제거가 원활한 실리카 성형체의 제조방법 및 소결시 실리 카 성형체내 점성유동에 의한 치밀화 과정이 극대화되어 투명도가 우수한 실리카 소결체를 제조할 수 있는 열처 리 방법을 제공한다. 따라서 본 발명의 제조방법을 이용하면 비정질 실리카 나노분말을 이용하여 투광성이 향상 된 투명한 석영유리를 제조할 수 있는 장점이 있다
비정질 실리카 나노 분말을 이용한 투명한 실리카 소결체의 제조방법, 특허청
석영유리는 제조방법에 따라 용융석영유리, 합성석영유리로 나뉜다. 상기 두 제조방법의 가장 큰 차이점은 출발 원료에 있다. 용융석영유리는 천연 석영(quartz)을 고온에서 용융하여 제조한다. 따라서 금속 불순물이 포함되 어 있어 순도가 낮으므로 투광성(transparency)이 다소 떨어지는 단점이 있으며 1,800℃ 이상의 고온에서 용융 하여 가공하므로 높은 제조비용이 요구된다는 단점을 지니고 있다
종래의 제조 방법과는 달리 비정질 상을 보이는 나노 크기의 원형 실리카 분말을 사용하여 성형과 소결공정을 거쳐 비정질의 투명한 석영(silica)을 제조 할 수 있다. 비정질상을 보이는 물질의 소결거동은 결정질 상의 소결 과는 달리 점성유동(viscous flow)을 통한 치밀화(densification) 거동이 주를 이룬다. 이러한 소결거동은 온도 상승에 따른 유동성 증가로 입자가 이동하여 입계(grain boundary) 및 기공(pore)이 제거됨으로 치밀화가 진행 된다. 소결과정에서 비정질상 재료가 일정 온도 이상에 도달하게 되면 결정화(crystallization)가 일어나게 되 고 확산(diffusion)등의 입자 이동 메커니즘이 발현된다. 그러나 소결체의 치밀화를 진행시키는 에너지는 비정질 상에서 결정질 상으로 전환되는데 소모되므로 점성유동에 의한 치밀화가 더 이상 일어나지 않게 되며 이때 소결체 내부에 제거되지 못한 기공 및 입계 그리고 결정상이 존재하게 되면 빛을 산란시키게 되므로 소결체의 투광성이 급격히 감소되는 문제점이 있었다.
본 발명은 비정질 실리카 나노 분말을 소결하여 투명한 실리카 소결체를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 실리카를 소결하여 투명한 실리카 소결체를 제조하는 종래의 문제점을 극복하기 위하여 비정질 실리카 성형 체 내 기공 크기가 최소화되고 균질화되므로 기공 제거가 원활한 최적의 성형조건 및 상기 성형체 내 점성유동 에 의한 치밀화 과정이 극대화된 최적의 열처리 조건을 실험적으로 확인하고 상기 조건을 이용하면 투광성이 우수한 실리카 소결체를 제조할 수 있다는 것을 실험적으로 확인하였다. 따라서 본 발명의 목적은 소결을 이용한 투명한 실리카 소결체의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 실리카 분말은 비정질 상태의 구형입자 형상을 가지는 것을 특징으로 하며 상기 성형체는 상기 실리카 분 말에 대하여 일축가압성형(uniaxial press)으로 1차 성형한 후 냉간정수압성형(cold isostatic press)으로 2차 성형하여 제조하는 것을 특징으로 한다.
수산기 및 불순물은 비정질 실리카 입자의 핵생성을 촉진시키며 동시에 비정질 실리카의 결정화 온도를 낮추어 결정상 형성을 촉진시키므로 치밀한 투광성 샘플 제조를 위해서는 존재하지 않는 것이 바람직하다. 따라서 본 발명에 사용된 실리카 분말은 매우 적합한 분말인 것으로 판단된다.
본 발명에서는 불순물이 없는 균일한 크기를 갖는 비정질의 구형 나노 실리카 분말을 이용하여 투광성 실리카 소결체를 제조하였다. 성형제 제조조건, 소결온도, 유지시간 등의 변수를 조절하여 치밀화에 따른 투광성을 유 도하였으며, 분말 성형체는 점성유동에 의한 소결기구 거동을 보였다. 치밀화가 진행됨에 따라 기공과 입계가 사라지고 투광성이 발현되었으며, 온도와 유지시간에 예민하게 의존하는 cristobalite의 결정화는 투광성을 저하시켰다
보다 안정된 비정질 소결체 제조를 위해, 결정화가 발생하지 않은 비교적 낮은 온도인 1215℃에서 유지시간을 조절한 결과, 투광성이 발현되는 비정질의 실리카 소결체를 얻을 수 있었다. 이러한 소결체는 자외선 영역 (200~380 nm의 파장)의 빛은 19% 내지 58%, 적외선 영역(2000~2400nm)의 빛은 84% 내지 85%의 투과율을 보였으며, 이러한 결과는 기존의 석영유리로 제조되는 자외선 투과렌즈의 제조에 활용이 가능할 것으로 판단된다.
반도체 공정용 석영유리 현황, 김형준 ,Received September 19, 2019; Revised October 29, 2019; Accepted October 30, 2019
⇒ 석영유리는 투광성이 가장 중요함
이에 기존 문제점은
원료의 금속 불순물
제조 이후 기공, 입계, 결정상 등
나노 4대 기술인 형상 제어, 합성, 표면처리, 정제 기술에서 레퍼런스가 있는 회사이기에
불순물이 없는 순도 높은 나노 실리카 분말을 내재화 가능하고
기존 문제점이던 기공, 입계, 결정상에서 성과를 보인 것
석경에이티 사업보고서
석경에이티 사업보고서
광학렌즈 및 광학요소 제조업
Anti-Reflection 기능을 갖는 나노소재인 MgF2 분산체에 대해서는 이미 시장에 참여하여 판매단계에 있습니다. 또 치과용 X-ray 반사 기능을 갖고 있는 YbF3 제품은 당사 매출액의 약 42% 정도를 차지하고 있습니다. 이러한 MgF2 소재 및 YbF3 소재를 새로운 '광학 렌즈 및 광학'요소 시장으로 영역을 확대 전개 하는 것이기 때문에 기존사업과의 연관성은 매우 높습니다.
시장의 특성
광학소재 및 광학소재용 원료 시장은 주로 사용되는 무기재료중 가장 순도가 높은 원료를 사용하여 제조를 해야만 광학소재인 렌즈로서 사용가능하기 때문에 원료부터 렌즈까지를 일원화한 국내기업은 극소수에 불과한 실정이며 주로 Schott 등 광학 관련 Global 기업들이 대부분의 Market Share를 장악하고 있어 국내기업이 경쟁력을 지니기에는 어려움이 많은 특수한 시장입니다. 이러한 특수한 시장에서 플레이어로서 포지셔닝하기위해 당사에서는 지금까지 사업화에 성공한 초고순도 SiO2 원료를 사용하여 Quartz Lens(Quartz Lid)를 새로운 공법으로 제조할 수 있는 기술을 확보했으며 MgF2, YbF3 등의 저굴절율 렌즈소재용 고순도 MgF2, YbF3 등 Fluoride계 원료를 개발, 차별화된 시장에 진출할 계획을 가지고 있습니다.
제품 및 서비스 내용
- UV LED용 Quartz Lens 소재 및 UV LED 용 Quartz Lens 용 Silica 분말
- 광학용 Fluoride계 Lens 소재 및 광학용 고순도 MgF2/YbF3 등의 Fluoride계 원료 분말
진출목적
광학용 소재 및 이를 제조할 수 있는 고순도 분말의 경우, 전량 수입에 의존하고 있으며 향후 광학용 소재 시장의 성장가능성이 매우 높으며 저굴절율을 갖는 광학용 MgF2, YbF3 소재의 경우는 아직도 시장 성장기에 있는 유망한 소재입니다. 따라서 당사에서는 그동안 축적된 고순도화 기술을 바탕으로 광학용 Quartz 소재, MgF2 및 YbF3 등의 Fluoride계 Lens 소재 및 Fluoride계 원료 시장에서 선도적인 기업으로 포지셔닝하고자 '광학용 소재시장'에 진출하고 필요고객에게 서비스하고자 합니다.
위에서 언급한 초고순도 SiO2 원료와 관련된 특허를 가져오는 도중에
정제 기술에 관련된 고순도 소재 특허도 다양하게 등록되어 있길래
'순도'라고 검색해서 나오는 특허를 다 가져왔다.
나노 소재 업체의 기술력은 형상 제어, 합성, 표면처리, 정제 기술이다.
각각의 기술이 시너지를 내서 점점 가능한 사업 영역이 늘어나고 있다.
물론 반도체용이 아닌 광학렌즈용으로 사업을 시작하는 듯하지만
고도화 및 코팅으로 추후 불순물에 민감한 반도체용으로도 진입이 가능하지 않을까 생각한다.
이번엔 특허 출원이 아니라 등록이다.
※9할9푼9리의 생각
세상에 필요한, 세상에 없던 개발을 하겠다는 소신과 일치하는 행보다.
점점 나노소재의 니즈가 커지는 세상이다.
하겠다는 사업은 많은데 당장 오피셜한 게 없어서 의심의 눈초리가 당연하지만
실제로 준비 중인 사업들을 이뤄낸다면 위대한 기업이 되지 않을까.
주식투자는 시간에 투자하는 것이라는데 회사도 늘 저희한텐 시간이 가장 필요하다고 한다.
마침 나에겐 많은 시간이 있으니 한번 투자해보려 한다.
주식 관련해서 연락은 환영입니다. 편하게 연락 주시면 감사하겠습니다!
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