1. 서 론

가장 보편적인 복합소재로 사용되는 E-glass (electrical glass) fiber는 우수한 기계적 강도, 전기적 특성, 화학적 특성의 장점이 있다.¹⁾ 그러나 D-glass (dielectric glass) fiber와 비교했을 때 E-glass fiber는 1 MHz주파수에서 유전율이 6.7~7.8로 D-glalss fiber의 유전율인 3.8~4.2에 비해서 높다.²⁾ 기판소재에서 유전율이 높다는 것은 전력 손실이 크다는 것을 의미한다.³⁾ 따라서 E-glass가 가지 는 단점인 높은 유전율을 보완하기 위한 D-glass가 필 요하다.

D-glass는 낮은 유전율을 가지는 유리를 말하는 것으 로 일반적으로 섬유의 형태로 가공되어 전자재료에서 기 판소재의 보강재로 사용되고 있다. 따라서 기판의 보강 재로 유전율이 낮은 유리섬유가 필요하기 때문에 저유 전율을 갖는 유리의 제조가 선행되어야 한다. 유리의 유 전율을 낮추기 위해서는 대표적으로 B₂O₃의 함량을 높 이는 방법이 있다.^4,5) 일반적으로 유리의 밀도가 낮아질 수록 유전율이 낮아지는 경향이 있다.⁶⁾ B₂O₃은 적은 밀 도를 가지고 있고, D-glass조성에서 가장 많은 비율을 차 지하는 SiO₂보다도 밀도가 낮다. 따라서 B₂O₃의 함량을 높이면 유전율이 낮아지게 된다. 그러나 B₂O₃의 함량이 높아질수록 물에 약해지는 특성과 낮은 기계적 성능 및 가공성의 저하 그리고 유리의 기포가 많이 생성되는 단 점이 있어 적정한 함량 조절이 필요하다.⁷⁾ 따라서 유리 섬유를 제조하기에 앞서 벌크 유리의 전기적인 특성을 연구하였다. 본 연구에서는 6~31 wt%의 보론 함량에 변 화를 주어 유리를 제조하였고, 그에 따른 전기적 특성 을 평가하여 보론함량이 유리의 유전율에 미치는 영향 을 확인하였다.

2. 실험 방법

본 연구에서 채택한 유리조성배합비는 Table 1에 나타 내었다. E-glass 조성은 EG_B6, D-glass 조성은 보론 함 량에 따라 DG_B9~B31로 호칭하였다. 일반적으로 Dglass의 조성은 SiO₂, B₂O₃등이 주를 이루며 소량의 Na₂O 와 Al₂O₃가 들어간다. 각각의 배합비는 배합조성 내에서 보론의 투입량을 변화시키면서, 변화되는 양을 나머지 원 료 성분들에 배분하는 방법으로 조정하여 시편을 제조 하였다.⁸⁾ 유리 원료에 B₂O₃가 아닌 H₃BO₃를 사용하는 이유는 D-glass의 주성분인 SiO₂의 융점을 낮추기 위함 과 용융 했을 때 가스 배출과 탈수현상으로 인해 원활 한 용융이 가능하기 때문이다.

Table 1

Batch composition of D-glass samples.

최적의 용융 온도를 찾기 위하여 DG_B22은 각각 1550 °C, 1650 °C의 온도에서 용융된 벌크 유리의 유전율을 측 정하였다. 측정값은 Table 2에 나타내었다. 그 결과 1650 °C에서 용융된 유리의 유전율이 낮았다. 기포가 많은 유 리는 공기 중의 수분을 흡수해 유전율이 높아지게 된 다.^9,10) D-glass는 1550 °C보다 1650 °C에서 용융 시 기 포가 적은 유리가 만들어졌기 때문이다. 이를 통해 최 적의 조건을 1650 °C라고 판단하였다. 그리고 Fig. 1에 도식된 실험방법에 의해 원료 혼합 후 백금도가니에 넣 고 박스형 전기로에서 1650 °C에서 2시간동안 각 조성 을 용융하였다. 용융된 유리는 로에서 꺼내어 흑연 몰 드 위에 부어 시편을 제작하였다. 성형된 시편은 응력 제거를 위해 기존의 문헌을 통해 알려진 서냉온도 521 ± 10 °C로 유지된 서냉로에 넣고 2시간 동안 유지하였다. 그리고 그 상태에서 자연로냉시켜 유리 샘플을 제조하 였다.¹¹⁾ 유리의 비정질상을 확인하기 위해서 X-선회절장 치(D/max-2500/PC, Rigaku coporation)를 사용하였고 Xray 회절분석에는 40 KV, 30 mA에서 Cu-Ka tube를 사 용하여 2θ = 20°~70° 구간에서 측정하였다. 용융된 시편 의 광학적인 특성 평가를 위해 Fig. 2의 형태로 두께 2 mm, 30 mm인 정사각형으로 경면연마 하였다. D-glass의 광학적 특성은 UV/VIS/NIR Spectrometer (V570, JASCO, Japan)를 사용해서 평균 가시광 투과율(380 nm ~ 780 nm) 측정하였고, 전기적인 특성평가는 임피던스 분석기 (4294A, Agilent, USA)을 이용하여 1 MHz에서의 유전율을 측정 하였다.

Table 2

Dielectric constant of DG_B22 according to melting temperature.

Fig. 1

Experiment procedure for preparing glass samples.

Fig. 2

Photographs of D-glass bulk samples. (a) EG_B6, (b) DG_B9, (c) DG_B22, and (d) DG_B31.

3. 결과 및 고찰

Fig. 3은 EG_B6, DG_B9, DG_B22 그리고 DG_B31 의 네 가지 조성의 유리를 용융하여 가공한 샘플사진이 다. 유리시편들은 모든 조성에서 Fig. 2(a~d)의 사진에서 나타난 바와 같이 맑고 투명한 유리 상태를 나타내었 다. 부분적으로 미세한 기포가 포함되어 있는 것이 관 찰되었으나 미용융물이나 실투와 같은 입자들은 발견되 지 않아서 완전하게 유리화가 잘 이루어졌음을 판단할 수 있었다. 용융한 유리의 유리화 정도 및 재결정 여부를 확 인해보기 위해 XRD 분석을 수행하였으며 그 결과를 Fig. 3에 나타내었다. XRD 그래프에서 볼 수 있듯이 네 가지 조성의 모든 유리에서 결정질 피크가 나타나지 않 는 것으로 보아 모두 비정질상인 것을 확인 할 수 있 었다. 따라서 냉각과정에서의 재결정화는 일어나지 않았 다고 판단할 수 있었다. 또한 유리의 광학적 특성을 알 아보기 위해 투과율을 측정한 후 분석해 보았다. Fig. 4 에 유리의 투과율을 나타내었다. 평균 가시광투과율은 EG_B6:86.5%, DG_B9:82.5%, DG_B22:83.9%, DG_B31: 88.6% 측정되었다. 그래프를 통해 분석을 해보았을 때 일반적인 E-glass 조성의 (a)를 제외한 나머지 유리에서 는 B₂O₃의 함량이 높아짐에 따라 투과율이 증가하는 경 향성을 볼 수 있었다. B₂O₃의 함량이 높아질수록 가스 배출과 탈수현상이 원활하게 일어나고 기포가 적게 발 생되어 투과율이 높아지게 된다. B₂O₃의 함량이 높은 DG_B9, DG_B22, DG_B31 시편의 경우 모두 자외선 투과도가 향상되고, 그 중 DG_B31은 700 nm 이상에서 90 % 이상의 매우 높은 광투과도를 나타내었다. Fig. 5 에 유리의 유전율을 나타내었다. 유전율(permittivity)이라 는 것은 실제로는 비유전율(Dielectric constant)을 말하는 것으로 일반적으로 비유전율을 유전율 이라고 한다.¹²⁾ 따 라서 본 연구 또한 비유전율을 유전율이라 칭한다. 식 (1)에서 볼 수 있듯이, 비유전율은 물체의 유전율에 진 공의 유전율을 나누어준 값이며 단위가 없다. 비유전율 의 공식은 아래와 같다.

Fig. 3

X-ray diffraction pattern of glass samples according to boron contents. (a) EG_B6, (b) DG_B9, (c) DG_B22, and (d) DG_B31.

Fig. 4

Transmittance of D-glass samples according to boron contents: (a) EG_B6, (b) DG_B9, (c) DG_B22, and (d) DG_B31.

Fig. 5

Dielectric constant at 1 MHz of D-glass samples by change of boron contents.

여기서, ε₀= 진공의 유전율, ε(ω) = 유전율(permittivity)

유리의 유전율은 EG_B6:6.85, DG_B9:4.18, DG_B22: 4.08, DG_B31:3.93측정되었다. Fig. 5의 유전율 그래프 에서 볼 수 있듯이 E-glass인 (a)를 제외한 (b), (c), (d) 는 B₂O₃의 함량이 많아질수록 유전율이 낮아지는 경향 성을 보였다. B₂O₃ 함량이 높아질수록 유리의 밀도가 낮 아져 유전율 또한 낮아진다. 따라서 유리의 조성에서 적 정한 수준에서 B₂O₃을 배치할 때, B₂O₃의 함량이 많을 수록 유전율이 낮아지는 것과 함께 유리의 광학적 특성 또한 가장 좋은 것을 확인 할 수 있었다.

4. 결 론

본 연구에서는 DG_B22조성에서 온도가 높을수록 유 전율 값이 낮아지는 것을 확인하였다. XRD 결과로 유 리의 유리화 정도 및 결정화가 일어났는지를 확인해 보 았을 때 모든 조성의 유리에서 유리화가 잘 이루어진 것 을 확인 할 수 있었고 재결정화 또한 일어나지 않았음 을 알 수 있었다. 전기적특성에 큰 영향을 미칠 수 있는 보론의 투입량을 9 % ~ 31 %까지 변화시키면서, 각 조성 의 배치를 1650 °C에서 2시간 용융한 결과 투명한 유리 를 얻을 수 있었다. 평균 가시광투과율은 82.5 % ~ 88.6 %로 측정되었다. 보론함량이 증가함에 따라 투과율이 높 아지는 경향성을 관찰 할 수 있었다.

동일 샘플로 유전율을 측정했을 때, 보론의 함량이 9 wt%, 22 wt%, 31 wt% 일 때의 유전율은 4.18, 4.08, 3.93으로 관찰되었다. 따라서 보론의 함량이 높아질수록 유리의 유전율은 낮아지는 특성을 확인 할 수 있었다.