결정화된 유리란 무엇입니까? 속성, 용도 및 비교

결정화 유리는 단순히 장식되거나 젖빛 유리가 아닌 제어된 유리-세라믹 하이브리드입니다.

결정화된 유리 유리-세라믹 또는 실투유리라고도 불리는 이 유리는 정밀한 열처리 공정을 통해 기본 유리 내에서 제어된 결정화를 유도하여 생산되는 소재입니다. 그 결과 일부는 결정질이고 일부는 비정질인 복합 미세구조가 탄생했습니다. , 이는 일반 유리나 완전 결정질 세라믹이 자체적으로 따라올 수 없는 기계적, 열적, 광학적 특성을 제공합니다.

이는 장식용 "크리스탈 유리"(광택을 위해 납이나 산화바륨을 첨가한 단순한 투명 유리), 반투명 유리 또는 강화 유리와 근본적으로 다릅니다. 결정화된 유리는 분자 수준에서 구조적 변형을 겪습니다. 결정상은 유리 매트릭스 내에서 핵을 생성하고 성장하여 재료 부피의 30~90% 제형과 의도된 용도에 따라 다릅니다. 따라서 최종 제품의 특성은 결정화가 얼마나 많이 발생하고 어떤 결정상이 형성되는지를 정확하게 제어하여 설계됩니다.

결정화된 유리가 만들어지는 방법: 제조 공정

결정화 유리 제조는 다른 모든 유리 생산 방법과 구별되는 2단계 열 공정입니다. 각 단계에서 온도와 시간을 정밀하게 제어하면 최종 결정 함량, 결정 크기 및 재료 성능이 결정됩니다.

1단계 — 유리 용해 및 핵형성제 첨가

이 공정은 표준 유리 용융물(일반적으로 규산염 기반 구성)로 시작되며 여기에 핵형성제가 의도적으로 추가됩니다. 일반적인 핵형성제로는 이산화티타늄(TiO2), 이산화지르코늄(ZrO2), 오산화인(P2O₅), 불화물 등이 있습니다. 이 화합물은 나중에 결정이 형성될 씨앗 역할을 합니다. 그것들이 없으면 유리는 제어된 결정화 없이 균질한 비정질 고체로 냉각될 것입니다.

그런 다음 용융된 유리는 주조, 롤링, 프레싱 또는 플로트 공정을 통해 원하는 모양으로 성형되고 단단하지만 아직 결정화되지 않은 상태로 냉각됩니다. 이 시점에서는 모양과 동작이 일반 유리와 유사합니다.

2단계 - 제어된 세라믹화 열처리

성형된 유리는 정밀하게 프로그래밍된 2단계 사이클을 통해 세라믹화로에서 재가열됩니다.

1. 핵 생성 유지: 유리는 일반적으로 설정된 시간 동안 500~700°C의 온도로 유지됩니다. 이 온도에서 핵형성제 입자는 유리에서 상분리되어 재료 전체에 걸쳐 초미세 결정 핵(잠재적으로 입방 센티미터당 수십억 개)을 형성합니다.
2. 크리스탈 성장 유지: 온도가 800~1,100°C로 상승합니다. 핵은 더 크고 서로 맞물린 결정으로 성장합니다. 이러한 결정의 크기, 형태 및 부피 비율은 이 단계의 지속 시간과 최고 온도에 따라 제어됩니다.

그런 다음 재료를 천천히 실온으로 냉각합니다. 결정질 및 잔류 유리상은 열팽창 계수와 밀접하게 일치하도록 설계되었기 때문에 재료는 균열 없이 냉각됩니다. 이는 중요한 설계 요구 사항입니다. 상용 제품의 최종 결정 크기는 일반적으로 다음과 같습니다. 0.05~1μm , 육안으로 볼 때 물질이 균일하고 입상이 아닌 것처럼 보일 정도로 미세합니다.

결정 크기가 중요한 이유

더 작고 더 균일하게 분포된 결정은 더 나은 기계적 강도와 더 매끄러운 표면을 생성합니다. 가시광선의 파장(~0.4~0.7μm)보다 큰 결정은 광 산란을 유발하여 재료를 투명하지 않고 불투명하거나 반투명하게 만듭니다. 이것이 바로 이유이다 Schott의 ZERODUR® 또는 Corning의 Pyroceram®과 같은 투명한 결정화 유리 — 결정 성장을 광산란 임계값 이하로 유지하기 위해 매우 엄격한 공정 제어가 필요한 반면, 불투명한 건축 결정화 유리 제품은 특유의 유백색 외관을 위해 의도적으로 더 큰 결정 성장을 허용합니다.

결정화된 유리의 주요 물리적 및 기계적 특성

결정화 유리의 공학적 미세 구조는 주방 쿡탑부터 망원경 거울에 이르기까지 다양한 응용 분야에 걸쳐 유용하게 사용할 수 있는 일련의 특성을 생성합니다. 이러한 특성을 이해하면 결정화된 유리가 대안보다 더 중요한 이유가 명확해집니다.

제로에 가까운 열팽창: 탁월한 특성

특정 결정화 유리 제제의 가장 놀라운 특성은 넓은 온도 범위에서 0에 가까워지거나 심지어 약간 음수일 수도 있는 열팽창계수(CTE)입니다. 이는 복합 미세 구조 내에서 양의 팽창 특성과 음의 팽창 특성이 서로 상쇄되는 결정상을 선택함으로써 달성됩니다. 정밀 망원경 거울 및 레이저 자이로스코프 부품에 사용되는 Schott의 ZERODUR®의 CTE는 다음과 같습니다. 0 ± 0.02 × 10⁻⁶/°C 0~50°C 사이 — 표준 유리보다 약 450배 더 낮습니다. 이는 1미터 길이의 ZERODUR® 거울이 50°C 온도 변동에 걸쳐 20나노미터 미만으로 치수를 변경한다는 것을 의미합니다.

열충격 저항

결정화된 유리는 가열 시 거의 팽창하지 않기 때문에 두께에 따른 열 구배로 인해 내부 응력이 최소화됩니다. 표준 소다석회 유리는 표면 전체에 걸쳐 단지 40~80°C의 온도 차이에 노출되면 부서집니다. 잘 배합된 결정화 유리는 견딜 수 있습니다. 700°C를 초과하는 급격한 온도 변화 부서지지 않고. 이는 유리-세라믹 쿡탑 패널이 뜨겁게 달궈진 버너 링 위에 놓인 냉각 팬을 균열 없이 다룰 수 있게 만드는 특성입니다.

표면 경도 및 긁힘 방지

결정화된 유리 내의 결정상은 비정질 유리 매트릭스보다 단단합니다. 모스 경도 6-7의 표면 경도는 결정화된 유리가 강철 도구(모스 5.5) 및 공기 중 먼지의 석영 입자(모스 7)를 포함한 가장 일반적인 재료로부터 긁힘을 방지한다는 것을 의미합니다. 이는 5.5-6 Mohs로 유지되는 표준 유리나 심지어 강화 유리보다 표면 재료로서 내구성이 훨씬 더 뛰어납니다.

결정화 유리의 주요 유형 및 상용 등급

결정화 유리는 단일 제품이 아니라 구성, 결정상 및 용도에 따라 차별화된 재료군입니다. 다음은 상업적으로 가장 중요한 범주입니다.

리튬 알루미노실리케이트(LAS) 유리-세라믹

Li2O–Al2O₃–SiO2 시스템을 기반으로 하는 LAS 공식은 전 세계적으로 가장 널리 생산되는 결정화 유리입니다. 기본 결정상은 베타-스포듀민 또는 베타-유크립타이트이며, 둘 다 거의 0에 가깝거나 약간 음의 열팽창을 갖습니다. LAS 글라스세라믹은 모든 주요 글라스세라믹 쿡탑에 사용되는 소재입니다. (Schott CERAN®, Eurokera), 실험실 연소창 및 벽난로 전망 패널.

• CTE: 0 ~ −1 × 10⁻⁶/°C(기본적으로 0)
• 최대 연속 사용 온도: 최대 700°C
• 외관: 일반적으로 검은색(착색제가 첨가됨) 또는 흰색/반투명

MAS(마그네슘 알루미노실리케이트) 유리-세라믹

MAS 글라스세라믹은 코디어라이트(Mg₂Al₄Si₅O₁₈)를 1차 결정상으로 사용합니다. 이 제품은 우수한 열충격 저항성을 제공하며 특히 낮은 유전 상수로 인해 가치가 높아 다음과 같은 용도에 유용합니다. 레이돔 애플리케이션 (레이더 안테나 보호 커버) 및 고주파 전자 기판. 코닝의 Pyroceram®은 잘 알려진 MAS 제제입니다.

건축 및 장식용 결정화 유리 패널

건물 내부 및 외부에 광범위하게 사용되는 이 제품은 규산칼슘 또는 기타 성분으로 결정화되어 균일하고 조밀하며 다공성이 없는 흰색 또는 유색 표면을 생성합니다. Neoparies(Nippon Electric Glass) 및 Crystallite와 같은 이름으로 판매되며 대형 슬래브로 제조됩니다. 최대 1,800 × 3,600mm - 클래딩, 바닥재, 조리대 및 벽 패널로 사용됩니다. 비다공성 특성으로 인해 수분 흡수가 거의 0에 가까워 얼룩 방지 기능이 뛰어나고 습한 지역 및 식품 서비스 환경에 적합합니다.

광학 및 정밀 등급 결정화 유리

정밀 응용 분야에는 최고 수준의 치수 안정성이 필요합니다. Schott ZERODUR® 및 Ohara의 CLEARCERAM®은 CTE 값이 섭씨 1도당 몇 십억분의 1 범위의 CTE 값을 갖도록 특별히 설계되었습니다. 이는 다음 용도로 사용됩니다.

• 지상 망원경과 우주 망원경의 주 거울(직경 최대 8.2m의 ZERODUR® 세그먼트를 사용하는 ESO의 초대형 망원경 포함)
• 항공기 및 잠수함용 관성 항법 시스템의 링 레이저 자이로스코프
• 나노미터 수준의 치수 안정성이 요구되는 포토리소그래피 장비 참조 표준

결정화된 유리가 사용되는 곳: 산업 전반에 걸친 응용

결정화 유리 응용 분야의 범위는 일상적인 가정용품부터 지금까지 만들어진 가장 까다로운 과학 장비까지 다양합니다. 각각의 경우, 비교 가능한 비용이나 가공성으로 단일 대체 재료가 복제할 수 없는 열 안정성, 경도, 치수 정밀도 또는 표면 품질 등의 특성 조합을 제공하기 때문에 이 소재가 선택되었습니다.

쿡탑 및 주방 가전제품

가장 널리 사용되는 소비자 애플리케이션입니다. 글라스-세라믹 쿡탑 패널은 전기 또는 유도 가열 요소의 적외선 복사를 동시에 전달하고, 차가운 조리기구의 갑작스러운 열 충격을 견뎌야 하며, 냄비와 프라이팬의 긁힘을 방지하고, 청소가 쉬워야 합니다. 전 세계 글라스-세라믹 쿡탑 시장의 가치는 대략 2023년에는 32억 달러 인덕션 조리 채택률이 높아지면서 꾸준히 성장할 것으로 예상됩니다. Schott CERAN®은 전세계적으로 매년 생산되는 약 6천만 개의 쿡탑에 사용됩니다.

건축과 인테리어 디자인

건축용 결정화 유리 패널은 내구성, 위생 및 외관이 모두 수십 년 동안 유지되어야 하는 교통량이 많은 환경에 맞게 지정되었습니다. 아키텍처 사용을 촉진하는 주요 속성은 다음과 같습니다.

• 다공성 제로: 자연석의 0.5~3%와 비교하여 0.01% 미만의 수분 흡수율은 얼룩, 곰팡이 성장 및 동결-융해 손상이 사실상 제거되었음을 의미합니다.
• 일관된 색상과 패턴: 자연석과 달리 결정화 유리 패널은 일괄적으로 균일하고 반복 가능한 외관을 가지므로 대규모 사양을 단순화합니다.
• 광택성: 광학 품질의 거울 마감(Ra < 0.01 µm)으로 연마 및 광택 처리할 수 있어 세라믹 타일로는 얻을 수 없는 독특한 광택을 제공합니다.
• 내화성: ISO 1182에 따라 불연성이며 내화 등급 벽 조립에 적합합니다.

주목할만한 건축 설치물에는 아시아와 유럽의 수많은 공항 터미널, 호텔 아트리움, 지하철역 벽의 로비 클래딩이 포함됩니다. 이 재료는 위생적이고 유지 관리가 적기 때문에 대리석과 화강암에 대한 강력한 대안이 됩니다.

천문학 및 과학 기기

망원경 주경은 관측소 환경의 온도 변화에 관계없이 빛의 파장의 일부 내에서 연마된 모양을 유지해야 합니다. 표준 붕규산 유리(CTE ~3.3 × 10⁻⁶/°C)로 만든 1미터 거울은 30°C 온도 변동에 따라 약 100μm 변형됩니다. 이는 천문 관측을 사용할 수 없을 만큼 충분합니다. ZERODUR®의 동일한 거울( CTE ~0.02 × 10⁻⁶/°C )는 동일한 조건에서 0.6μm 미만으로 변형됩니다.

의료 및 생물의학 응용

인회석-규회석(A-W) 유리-세라믹을 포함한 바이오유리-세라믹인 결정화된 유리의 특수한 하위 집합은 생체 활성을 갖고 있어 살아있는 뼈 조직과 화학적 결합을 형성합니다. 일본에서 개발된 A-W 글라스-세라믹은 1990년대부터 척추 보철물 및 장골 능선 복구를 위한 뼈 대체재로 임상적으로 사용되었습니다. 그것의 압축 강도는 약 1,000MPa 밀도가 높은 피질골(170-190MPa)과 비슷하며 수산화인회석 세라믹(~120MPa)을 훨씬 능가하므로 내하중 임플란트 응용 분야에 사용할 수 있는 가장 강력한 생체 활성 재료 중 하나입니다.

치과 복원

백류석 강화 및 리튬 디실리케이트 글라스-세라믹(Ivoclar의 IPS Empress® 및 IPS e.max®)은 올-세라믹 치과용 크라운, 인레이 및 베니어를 위한 주요 재료입니다. 리튬 디실리케이트 글라스-세라믹은 360~400MPa — 장석 도자기보다 약 4배 더 강하며 자연 치아 법랑질과 심미적으로 일치하는 데 필요한 반투명도를 유지합니다. 이러한 재료의 CAD/CAM 밀링 블록은 이제 전 세계적으로 당일 치과 시스템에 사용됩니다.

결정화 유리와 기타 재료: 비교 방법

경쟁 재료와 비교하여 결정화된 유리가 어디에 적합한지 이해하면 그것이 올바른 선택인지, 대안이 더 적절한지 명확하게 알 수 있습니다.

결정화된 유리는 독특한 성능 공간을 차지합니다. 표준 유리보다 단단하고 열적으로 안정적이며, 자연석보다 다공성이 적고 치수 일관성이 높으며, 고급 기술 세라믹보다 쉽게 모양을 만들고 광택을 낼 수 있습니다. . 이 조합은 프리미엄 및 기술 응용 분야에서 세라믹 타일이나 유리에 비해 더 높은 비용을 정당화합니다.

결정화 유리 지정 시 제한 사항 및 고려 사항

인상적인 특성에도 불구하고 결정화 유리는 지정 방법과 위치에 영향을 미치는 실질적인 한계가 있습니다.

• 취성파괴 모드: 모든 유리 및 세라믹 재료와 마찬가지로 결정화된 유리는 깨지기 쉬운 방식으로 파손됩니다. 파손되기 전에 소성 변형되지 않습니다. 날카로운 모서리나 표면의 흠집에 집중된 충격은 갑작스럽고 완전한 파손을 일으킬 수 있습니다. 설치 중 가장자리 보호와 주의 깊은 취급이 필수적입니다.
• 세라믹화 후에는 다시 자르거나 모양을 바꿀 수 없습니다. 표준 유리와 달리 결정화된 유리는 깔끔하게 점수를 매기고 짤 수 없습니다. 다이아몬드 팁 도구를 사용하여 절단해야 하므로 제작 시간과 비용이 추가됩니다. 치수는 공장 생산의 세라믹화 단계 전에 마무리되어야 합니다.
• 표준 유리 및 세라믹 타일보다 비용이 높음: 세라믹화 열처리는 표준 유리 생산에 필요하지 않은 공정 시간, 에너지 및 품질 관리 요구 사항을 추가합니다. 건축용 결정화 유리 패널은 일반적으로 비용이 많이 듭니다. 동급 도자기 타일보다 2~5배 더 많음 물질적 수준에서.
• 일부 등급의 제한된 색상 범위: 건축용 결정화 유리는 주로 흰색과 밝은 중성 톤으로 제공됩니다. 맞춤형 색상이 가능하지만 세라믹 타일이나 엔지니어드 스톤의 다양한 색상에 비해 상당한 비용과 리드 타임이 추가됩니다.
• 무게: 약 2.5~2.7g/cm3의 결정화된 유리 패널은 자연석과 밀도가 비슷합니다. 20mm 두께 패널의 무게는 약 50kg/m²이며, 이는 벽 및 바닥 적용을 위한 기판 및 고정 장치 설계에서 고려해야 합니다.