석영 유리 막대의 주요 화학 성분은 무엇입니까?

주요 화학성분은 석영 유리 막대 이산화규소(SiO2)는 일반적으로 순도가 99.9% 이상이며, 고순도 석영유리는 심지어 99.9999%(6N 등급)에 도달할 수도 있습니다.

1. 이산화규소(SiO2)의 분자구조
석영유리봉이 우수한 물리적, 화학적 특성을 갖는 근본적인 이유는 이산화규소의 특별한 분자 구조에 있습니다. 일반 유리와 달리 석영 유리의 미세 구조는 재료의 열적, 광학적 및 기계적 특성을 직접 결정하는 매우 안정적인 네트워크와 같은 특징을 나타냅니다.

원자 수준에서 이산화규소의 기본 구조 단위는 규소-산소 사면체입니다. 이 구조에서는 실리콘 원자가 중앙에 위치하고, 4개의 산소 원자가 사면체의 꼭지점에 고르게 분포되어 있습니다. 각 산소 원자는 중앙 실리콘 원자와 강한 공유 결합을 형성합니다. 이 결합 방법은 결합 에너지가 매우 높아 전체 구조가 매우 안정적입니다.

각 산소 원자는 일반적으로 두 개의 실리콘 원자와 다리를 형성하여 인접한 실리콘-산소 사면체를 연결하여 연속적인 3차원 네트워크 구조를 형성한다는 점은 특히 주목할 만합니다. 이 독특한 연결 모드는 석영 유리에 탁월한 기계적 강도와 화학적 안정성을 제공합니다.

석영 유리의 가장 주목할만한 구조적 특징은 비정질 특성입니다. 국부적인 범위에서 규소-산소 사면체의 배열은 질서정연하게 유지되지만, 이러한 사면체의 공간적 배열은 거시적 규모에서 볼 때 완전히 무질서합니다. 이러한 구조적 특징으로 인해 석영 유리는 물리적 특성이 등방성입니다. 즉 측정 방향에 따라 특성이 변하지 않습니다.

결정질 석영과 비교하여, 비정질 구조는 석영 유리의 융점이 명확하지 않지만 가열 중에 점차 부드러워지며 이는 실제 응용에서 큰 의미가 있습니다.

석영 유리와 결정질 석영을 비교하면 구조적 특성을 더 명확하게 이해할 수 있습니다. 결정질 석영의 규소-산소 사면체는 엄격한 육각형 결정 시스템 규칙에 따라 배열되어 장거리 정렬 결정 구조를 형성합니다. 이러한 규칙적인 배열로 인해 결정질 석영은 유명한 복굴절 현상과 같은 이방성을 나타냅니다. 그러나 석영 유리는 이러한 장거리 질서가 부족하고 복굴절을 생성하지 않으므로 광학 응용 분야에서 고유한 이점을 제공합니다.

실리카의 특수 구조는 석영 유리의 주요 특성을 직접적으로 결정합니다. 첫째, 연속적인 3차원 망상구조로 인해 소재의 투명도가 매우 높아 자외선부터 적외선까지 우수한 투과율을 유지할 수 있다. 둘째, 강한 공유 결합으로 구성된 네트워크는 온도 변화로 인한 치수 변화에 효과적으로 저항할 수 있어 재료의 열팽창 계수가 매우 낮습니다. 더욱이, 안정적인 실리콘-산소 결합은 석영 유리를 대부분의 화학 물질에 대해 불활성으로 만들고 불화수소산과 강알칼리에 의해서만 부식됩니다.

실제 응용에서는 미량의 불순물 원소라도 실리카의 네트워크 구조에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어, 알루미늄 이온이 실리콘 이온을 대체하여 네트워크에 들어가면 구조적 결함이 발생하여 재료의 자외선 투과율이 감소합니다. 마찬가지로, 알칼리 금속 이온의 도입은 실리콘-산소 결합 네트워크를 방해하고 재료의 고온 저항을 크게 감소시킵니다. 따라서 고성능 응용 분야에서는 실리카 네트워크 구조의 무결성을 보장하기 위해 원료의 순도를 엄격하게 제어해야 합니다.

2. 석영 유리 막대와 다른 유리 재료의 차이점
소재의 기본 구성부터, 석영 유리 막대 거의 전적으로 순수한 이산화규소로 구성되어 있습니다. 이러한 극도로 높은 순도는 미세 구조에서 연속적이고 균일한 3차원 네트워크를 형성합니다. 이에 비해 소다석회 유리 등 일반 유리는 조성이 훨씬 복잡하고 이산화규소 외에 변성 산화물도 다량 함유하고 있다.

이러한 추가된 구성 요소는 일반 유리의 가공 성능을 향상시키지만 재료의 본질적인 특성을 근본적으로 변경하기도 합니다. 또 다른 일반적인 유형인 붕규산 유리는 둘 사이의 조성을 가지며, 산화붕소를 첨가함으로써 상대적으로 균형 잡힌 성능을 얻습니다.

열적 특성 측면에서 석영 유리 막대는 우수한 안정성을 나타냅니다. 순수한 이산화규소 구조와 강한 규소-산소 결합력으로 인해 석영 유리는 연화나 변형 없이 극한의 고온을 견딜 수 있습니다. 이 특성은 고온 실험 및 산업 응용 분야에 이상적인 선택입니다.

일반 유리는 상대적으로 낮은 온도에서 부드러워지기 시작하므로 고온 환경에서의 사용이 심각하게 제한됩니다. 붕규산 유리는 내열성을 어느 정도 향상시켰지만 여전히 석영 유리 수준에는 미치지 못합니다.

석영 유리 막대 고순도의 조성과 균일한 구조로 인해 광투과 특성이 매우 우수합니다. 가시광선을 투과할 수 있을 뿐만 아니라 자외선과 적외선도 원활하게 통과시킵니다. 이러한 광대역 광 투과 능력은 다른 유리 재료로는 달성하기 어렵습니다.

일반 유리에는 다양한 금속 이온과 불순물이 포함되어 있어 자외선 차단 효과가 매우 뚜렷하여 자외선 투과가 필요한 용도에서 석영 유리를 완전히 대체할 수 없습니다. 붕규산 유리의 광학 특성은 일반 유리보다 우수하지만 자외선 영역의 광 투과율은 석영 유리보다 여전히 낮습니다.

화학적 안정성 측면에서도 석영 유리 막대는 뛰어난 성능을 발휘합니다. 이는 대부분의 산성 물질에 대해 강한 저항성을 가지며 불화수소산과 같은 부식성이 높은 일부 물질에 의해서만 부식됩니다. 이 우수한 내식성은 화학 산업에서 널리 사용됩니다. 일반 유리의 화학적 안정성은 특히 알칼리성 환경에서 상대적으로 열악합니다. 붕규산 유리의 내화학성은 향상되었지만 여전히 석영 유리와 비교할 수는 없습니다.

미세한 관점에서 볼 때 석영 유리의 또 다른 중요한 특징은 열팽창 계수가 매우 낮다는 것입니다. 이는 석영 유리의 크기가 온도 변화에 따라 크게 변하지 않는다는 것을 의미합니다. 이러한 특성으로 인해 정밀 광학 기기 및 급격한 온도 변화가 있는 환경에서는 대체할 수 없습니다. 일반 유리는 열팽창이 훨씬 더 크기 때문에 온도가 변동할 때 응력이 발생하고 균열이 발생할 수도 있습니다. 붕규산 유리는 특별한 조성 공식을 통해 열팽창을 줄이지만 여전히 석영 유리만큼 성능이 좋지는 않습니다.

실제 적용 시나리오에서 이러한 성능 차이는 다양한 유리 재료의 적용 분야를 직접적으로 결정합니다. 석영 유리봉은 우수한 종합 성능으로 인해 반도체 제조, 정밀 광학, 고온 실험 등 고급 분야에서 널리 사용됩니다.

일반유리는 주로 생활용품 및 건축분야에 사용됩니다. 장점은 비용이 저렴하고 가공이 쉽다는 것입니다. 붕규산 유리는 자체 시장 위치를 ​​찾았으며 실험실 도구 및 일부 특수 램프에 사용됩니다.

3. 석영 유리 막대 생산 공정
생산 석영 유리 막대 재료 과학, 고온 기술 및 정밀 가공을 통합하는 복잡한 프로세스입니다. 핵심은 실리카 원료를 특정 성능과 크기 요구 사항을 갖춘 막대 모양의 제품으로 변환하는 방법에 있습니다. 전체 생산 공정은 원료 가공, 용융 성형, 드로잉 성형, 후가공의 네 가지 주요 단계로 나눌 수 있습니다. 각 단계에서는 최종 제품의 품질을 보장하기 위해 엄격한 제어가 필요합니다.

(1). 원료 준비 및 전처리
석영 유리 생산의 첫 번째 고리는 원료의 선택과 정제입니다. 제품 등급 요구 사항에 따라 천연 석영 모래 또는 합성 실리카를 원료로 선택할 수 있습니다. 순도가 높은 석영 막대의 경우 일반적으로 화학 기상 증착으로 제조된 합성 실리카가 사용되며 순도는 99.9999% 이상에 도달할 수 있습니다.

원료는 용융 공정에 들어가기 전에 여러 정제 공정을 거쳐야 합니다. 먼저 산 세척을 사용하여 금속 불순물을 제거한 다음 추가 정제를 위해 고온 염소 처리를 수행하고 마지막으로 균일한 입자 크기를 보장하기 위해 정밀 스크리닝을 사용합니다. 이 단계의 가공 품질은 최종 제품의 광학적 특성과 열 안정성에 직접적인 영향을 미칩니다.

(2). 고온 용융 공정
용융은 석영 유리 생산의 핵심 링크입니다. 현재 업계에서는 세 가지 용융 기술이 주로 사용됩니다.

전기 용해는 가장 전통적인 생산 공정입니다. 진공 또는 불활성 가스 보호 환경에서 석영 모래는 흑연 전극에 의해 생성된 고온 아크에 의해 녹습니다. 이 방법은 상대적으로 설비 투자가 적고 대형 석영봉 생산에 적합하지만, 제품에 소량의 탄소 불순물이 잔류할 수 있다.

가스 정제 방법은 수소-산소 화염을 열원으로 사용하며 온도는 2000°C 이상에 도달할 수 있습니다. 고순도 석영사는 수소-산소 불꽃 속에서 녹으며, 화염 온도와 용융 시간을 정밀하게 제어하면 초고순도 석영유리를 얻을 수 있습니다. 이 방법은 특히 광학 등급 석영 막대 생산에 적합하지만 에너지 소비가 높고 생산 효율성이 상대적으로 낮습니다.

플라즈마 용해는 최근 몇 년 동안 개발된 첨단 기술입니다. 플라즈마 토치를 이용해 초고온(최대 3000°C)을 발생시켜 원료를 순간적으로 녹이는 방식입니다. 이 방법의 장점은 수산기 및 기타 불순물이 거의 없는 초고순도 석영유리를 생산할 수 있고 특히 반도체 및 광섬유 응용 분야에 적합하다는 점이지만 장비가 복잡하고 비용이 많이 듭니다.

(3). 성형 및 드로잉 공정
요구 사항을 충족하는 막대를 얻으려면 용융된 석영 유리를 정밀하게 성형해야 합니다. 두 가지 주요 성형 방법이 있습니다.

금형 성형 방식은 용융된 석영을 특수 금형에 주입하고 냉각 속도를 정밀하게 제어하여 원하는 형상을 얻는 방식입니다. 이 방법은 대구경의 석영봉을 생산하는데 적합하지만, 제품 내부에 응력집중이 있을 수 있다.

연속 드로잉 방법은 가장 일반적으로 사용되는 생산 공정입니다. 용융된 석영은 특수 누출판에서 흘러나오고 정밀하게 제어되는 견인 시스템을 통해 일정한 속도로 끌어당겨집니다. 연신 속도와 온도를 조절함으로써 직경이 수 밀리미터에서 수백 밀리미터에 이르는 다양한 제품 사양을 얻을 수 있습니다. 로드의 치수 정확도와 내부 품질을 보장하려면 인발 공정 중에 온도 구배와 냉각 속도를 정밀하게 제어해야 합니다.

(4). 정밀 어닐링 처리
새로 형성된 석영 막대는 내부 응력을 제거하기 위해 엄격한 어닐링 공정을 거쳐야 합니다. 어닐링 공정은 일반적으로 특수 어닐링로에서 수행되며 온도는 1100-1200℃ 사이로 제어되며 절연 시간은 막대의 크기에 따라 다릅니다. 핵심은 냉각 속도를 엄격하게 제어하는 ​​것입니다. 일반적으로 냉각 방식은 세분화됩니다. 고온부에서 저온부까지 며칠이 걸릴 수 있습니다. 완벽한 어닐링은 석영 막대의 열 안정성과 기계적 강도를 크게 향상시킬 수 있습니다.

(5). 후처리 및 마무리
어닐링된 석영 막대는 또한 여러 정밀 가공 공정을 거쳐야 합니다.

가공에는 원통 연삭, 단면 연삭 등이 포함되어 치수 정확도와 표면 조도를 보장합니다. 특별한 요구 사항이 있는 석영 막대의 경우 드릴링 및 홈 가공과 같은 복잡한 가공이 필요할 수 있습니다.

표면 처리는 화재 연마, 화학적 에칭 등의 공정을 포함하여 성능을 향상시키는 핵심 단계입니다. 화재 연마는 고온 화염을 사용하여 표면을 미세하게 녹여 광학적으로 매끄러운 표면을 얻습니다. 화학적 에칭을 사용하여 가공 손상층을 제거하고 강도를 향상시킵니다.

특수 처리에는 광학 특성을 개선하기 위한 UV 조사, 수산기 함량을 줄이기 위한 고온 열처리 또는 적용 요구 사항에 따라 특정 기능을 향상시키기 위한 표면 코팅이 포함될 수 있습니다.

6. 품질검사 및 관리
완성된 석영 막대는 공장을 떠나기 전에 일련의 엄격한 품질 검사 과정을 거쳐야 합니다. 이러한 검사 항목은 광학, 물리학, 열 및 화학과 같은 재료의 여러 핵심 성능 지표를 다룹니다. 광학 성능 테스트에서 기술자는 정밀 분광 광도계를 사용하여 다양한 파장에서 석영 막대의 투과 특성을 측정하고 자외선 및 적외선 대역의 투과 성능에 특히 주의를 기울입니다.

동시에 레이저 간섭계 및 기타 장비를 사용하여 굴절률의 균일성을 감지하여 전체 석영 막대의 광학 성능이 설계 요구 사항을 충족하는지 확인합니다. 이러한 광학 테스트 데이터는 다음과 같은 여부를 결정하는 데 중요합니다. 석영 막대 정밀 광학 시스템에 적합합니다.

기하학적 치수 정확도 감지는 품질 관리의 기본 링크입니다. 검사관은 고정밀 캘리퍼, 마이크로미터 및 기타 측정 도구를 사용하여 직경, 길이 및 진원도와 같은 석영 막대의 기본 치수를 측정합니다. 수요가 높은 응용 분야의 경우 석영 막대의 기하학적 공차가 허용 범위 내에서 제어되도록 보다 정확한 치수 감지를 위해 3좌표 측정 기계를 사용할 수도 있습니다. 이 테스트는 후속 조립 및 사용 공정에서 석영 막대의 일치 정확도와 직접적인 관련이 있습니다.

내부 결함 검사는 주로 전문 테스트 장비를 통해 완료됩니다. 일반적인 방법에는 광학 현미경 관찰, X선 결함 탐지 및 초음파 테스트가 포함됩니다. 이러한 검출 방식은 석영 로드 내부에 존재할 수 있는 기포, 불순물, 크랙 등의 결함을 정확하게 식별할 수 있으며, 결함의 크기, 수량, 분포에 따라 제품 등급을 판단할 수 있습니다. 특히 광학 및 반도체 등급 석영 막대의 경우 내부 결함에 대한 제어 표준이 더욱 엄격하며 일반적으로 눈에 보이는 결함이 전혀 필요하지 않습니다.

열 성능 테스트에는 주로 열팽창 계수 테스트와 열충격 저항 테스트의 두 가지 중요한 항목이 포함됩니다. 열팽창 계수 테스트는 열기계 분석기를 사용하여 다양한 온도에서 석영 막대의 치수 변화를 측정합니다. 열충격 저항 테스트는 석영 막대를 고온 환경과 저온 환경 사이에서 신속하게 전환하여 균열 저항을 관찰하는 것입니다. 이러한 열 성능 데이터는 온도 변화 환경에서 석영 막대의 신뢰성을 평가하는 데 큰 참고 가치가 있습니다.

화학적 안정성 테스트는 주로 다양한 화학적 환경에서 석영 막대의 내성을 평가합니다. 일반적인 테스트 방법에는 석영 막대 샘플을 다양한 농도의 산 및 알칼리 용액에 담그고, 표면 변화를 관찰하고, 침지 전후의 중량 변화 및 표면 거칠기 변화를 측정하는 것이 포함됩니다.

그 중에서도 석영 유리는 특히 불산 환경에서 부식되기 쉽기 때문에 불산에 대한 내성 테스트가 특히 중요합니다. 이러한 포괄적인 품질 테스트를 통해 공장에서 배송되는 각 석영 막대가 엄격한 품질 표준을 충족하고 다양한 응용 시나리오의 특별한 요구 사항을 충족하는지 확인할 수 있습니다.

7. 응용분야 석영 유리 막대
광학 공학 분야에서 석영 유리 막대는 중요한 역할을 합니다. UV-가시-적외선 전대역 광 투과율이 우수하여 고정밀 광학 부품 제조에 이상적인 소재입니다. 레이저 기술 응용 분야에서 석영 막대는 레이저의 공진 공동 매체 및 광학 창으로 자주 사용되며, 특히 석영 막대가 손상 없이 매우 강한 레이저 에너지를 견딜 수 있는 고출력 CO2 레이저에서 사용됩니다.

광섬유 통신 시스템에서는 초고순도 석영 유리막대를 정밀하게 인발해 통신 광섬유 제조의 핵심 원자재인 광섬유 프리폼을 형성한다. 광학 기기 제조에서 석영 막대는 다양한 렌즈, 프리즘 및 광학 창으로 가공되며 분광계 및 현미경과 같은 고정밀 광학 장비에 널리 사용됩니다.

반도체 산업은 특히 석영 유리 막대에 의존합니다. 웨이퍼 제조 과정에서 석영 막대는 다양한 모양의 웨이퍼 캐리어, 확산 튜브 및 반응 챔버 구성 요소로 만들어집니다. 이러한 부품은 반도체 제조 공정의 고온 환경을 견뎌야 하며, 오염 불순물이 유입되지 않도록 해야 합니다.

첨단 극자외선(EUV) 리소그래피 기술에서 석영 유리로 만든 광학 부품은 열팽창 계수가 매우 낮고 광학 균일성이 뛰어나 나노 수준의 리소그래피 정확도를 달성하는 데 핵심이 되었습니다. 또한, 석영 유리 막대는 화학적 불활성으로 인해 관찰 창, 가스 전달 파이프라인 및 기타 반도체 장비 부품에도 널리 사용됩니다.

화학 산업은 내식성을 최대한 활용합니다. 석영 유리 막대 . 강산성 환경의 화학 반응기에서 석영 관찰창은 불산을 제외한 다양한 강산성 침식을 오랫동안 견딜 수 있습니다. 부식성 매체 전달 파이프라인, 교반 막대 및 화학 생산의 기타 구성 요소도 석영 유리로 제작되는 경우가 많습니다.

특히 고온 및 고압 화학 반응 실험에서 석영 반응 용기는 가혹한 온도와 화학적 환경을 동시에 견딜 수 있어 연구자에게 신뢰할 수 있는 실험 조건을 제공한다는 점을 언급할 가치가 있습니다. 석영 유리는 이러한 응용 분야에서 일반 유리 및 대부분의 금속 재료보다 훨씬 뛰어난 성능을 발휘합니다.

최근 몇 년 동안 석영 유리 재료는 의료 및 건강 분야에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 의료 장비 측면에서 석영 막대는 내시경의 광전송 부품, 레이저 수술 기구의 도광 요소 등을 제조하는 데 사용됩니다. 뛰어난 생체 적합성으로 인해 이러한 기구가 인체 치료에 안전하게 사용될 수 있습니다.

자외선 소독장비에서는 살균효율을 극대화하기 위해 고투과율의 석영 유리막대를 램프 소재로 사용합니다. 또한 일부 정밀 의료 테스트 장비에서는 석영 광학 요소가 테스트 결과의 정확성을 보장합니다.

에 대한 수요 석영 유리 막대 과학 연구와 실험 분야에서도 강세를 보이고 있습니다. 고에너지 물리학 실험에서 석영 막대는 체렌코프 방사선 검출기의 중요한 구성 요소로 사용됩니다. 재료 과학 연구에서 석영 도가니와 반응 용기는 고온 재료 합성을 위한 이상적인 환경을 제공합니다.

우주 과학 분야에서는 석영 유리의 방사선 저항성이 우주선 광학 시스템에 선호되는 재료입니다. 이러한 고급 과학 연구 응용 분야에는 종종 재료 특성에 대한 극단적인 요구 사항이 있으며 석영 유리 막대는 항상 작업을 훌륭하게 수행할 수 있습니다.