1. 서 론
유리는 점도가 높은 특성을 이용하여 아주 가는 실과 같은 형태를 가지는 섬유상으로 제조할 수 있는 특징이 있으며 이를 유리섬유(glass fiber)라고 칭한다.1,2) 또한 유 리섬유는 단섬유(glass wool)와 장섬유(continuous glass fiber)로 나뉜다.3) 단섬유는 일반적인 형태의 단열재로 사 용되는 유리 솜(glass wool)을 의미하며, 장섬유는 본 실 험에서 다루는 것으로 부싱(bushing)에서 흘러나온 용융 유리를 고속으로 인장 후 급냉하여 제조하는 것이다.4) 장 섬유는 유리의 조성에 따라 전기절연성이 좋은 E-glass (Electrical glass) fiber, 유전 특성이 좋은 D-glass(dielectric glass) fiber, 내알칼리성을 가진 AR-glass(alkali resistant glass) fiber로 나뉜다.5) E-glass fiber는 현재 장섬유 생 산량 중 90 %를 차지하고 있다. 유리섬유는 전기적 특 성과 기계적 강도 등 여러 면에서 현대 인쇄회로기판 (printed circuit board)의 보강재로 매우 적합하다.6) 그러 나 가장 보편적인 E-glass fiber는 1 MHz에서의 유전율 (dielectric constant)이 6.7~7.8로 높아 전자 기판소재로의 사용에 적합하지 않다.7) 기판소재에서 유전율이 높다는 것은 전력 손실이 크다는 것을 의미한다.8) 전자 기판소 재에 적합한 유리섬유는 E-glass fiber와 같은 조건에서 3.8~4.5의 유전율을 가지는 D-glass fiber이다.9) 그러나 E-glass fiber와 비교했을 때 약 절반의 유전율을 가지는 D-glass fiber의 물리적 특성에 대해서는 적은 수의 특 허를 제외하면 알려진 바가 매우 적다.10) 특히 특허에서 사용한 D-glass조성은 대부분이 SiO2, CaO, Al2O3로 이 루어져 있고 그에 따른 유전율은 1 MHz에서 4.1이다.11) 그러나 본 논문에서 사용된 D-glass 조성은 대부분이 SiO2와 B2O3로 이루어져 있고 유전율은 4.1보다 낮은 3.93으로 나타났다. 그러므로, 본 실험에서는 낮은 유전 율을 가지는 D-glass fiber를 제조하기 위하여 D-glass 조성의 벌크 모유리를 제조해 1400 °C, 100 rpm의 속도 로 D-glass fiber를 방사하여 섬유의 특성을 평가했다. 그 리고 방사 속도에 따른 섬유의 직경 변화 및 인장강도 변화를 알아보기 위해 추가적으로 같은 온도조건에서 200 rpm과 300 rpm의 속도로 방사를 진행하였으며 섬 유의 특성을 비교하였다.
2. 실험 방법
본 연구에 사용된 D-glass의 유리조성배합비는 Table 1 에 나타내었다. 일반적인 D-glass의 조성은 대부분의 SiO2 와 B2O3가 주를 이루고 있으며, 소량의 K2CO3, CaCO3, Na2CO3 및 Al2O3가 들어간다. 유리 원료에 B2O3가 아 닌 H3BO3가 사용된 이유는 D-glass의 주성분 중 하나 인 SiO2의 융점을 낮추기 위함과 용융 했을 때 활발한 가스 배출과 탈수현상으로 인해 원활한 용융이 일어나 도록 하기 위함이다.12) D-glass fiber를 방사하기 위해 필 요한 벌크 모유리의 제조공정은 Fig. 1에 도식된 순서 에 따라 원료 혼합 후 기포 발생을 억제하기 위해 혼 합한 원료를 펠릿(pellet) 형태로 성형해 백금도가니에 넣 고 1650 °C에서 2시간동안 박스형 전기로를 이용해 용 융했다. 용융된 유리는 로에서 꺼내어 흑연 몰드에 부 어 성형 후 응력 제거를 위해 문헌에 알려진 서냉 온 도 521 ± 10 °C의 온도로 유지된 서냉로에 넣고 2시간 동 안 유지 하였다. 그리고 그 상태에서 자연 로냉 하여 벌 크 모유리를 제조 하였다.13) 그 후 유리의 용융 상태를 확인하기 위해 X-선회절장치(D/max-2500/PC, Rigaku corporation) 를 사용해 40 KV, 30 mA에서 Cu-Ka tube를 사 용하여 2Θ = 20°~70° 구간에서 측정하였다. 용융된 시편 의 광학적인 특성 평가를 위해 두께 2 mm, 30 mm인 정 사각형으로 양면을 경면 연마 후 UV/VIS/NIR spectro- meter(V570, JASCO, JAPAN)를 통해 평균 가시광 투과 율(380 nm~780 nm)을 측정하였다. 또한 유리의 열 적 특 성은 연화점(softening point)측정과 섬유화 온도(fiberizing temperature)를 알기 위한 유리의 점도 측정을 진행하였 다. 점도의 측정은 Brookfield DV-II+Pro(USA)를 사용해 1400 °C에서 1300 °C까지 30 °C간격으로 하강 시키는 방 식으로 측정했다. 그 후 결과는 VFT식을 이용하여 Log η = 2.7~3(η in poise)에 해당하는 섬유화 온도(Log 3 forming temperature(TF))를 계산 했다.14,15) 유리섬유를 제조하기 위해 부싱의 온도를 1400 °C로 설정하고 Fig. 2의 부싱 노즐을 통해 방출된 유리 물을 사이징(sizing) 하여 섬유화 하였고, 지름이 300 mm인 와인더의 드럼에 섬유 끝을 감아 100 rpm의 속도로 방사하였다. 이렇게 얻 은 섬유를 광학 현미경(DM2700 M, Leica, Germany)을 이용해 각 노즐에서 나온 섬유 10개의 직경을 측정하 고 평균값과 표준편차를 계산했다. 또한 field emission scanning electron microscope(FE-SEM, JSM 6700, JEOL) 을 이용해 방사한 섬유의 표면을 관찰하였다. 방사된 섬 유의 기계적 특성인 인장강도를 측정 하기 위해 Fig. 3 의 ASTM D 3379-75의 규격을 참고했다. 인장강도 샘 플은 위의 규격에 부합하는 용지를 만들어 가운데 약 20 mm정도의 유리섬유를 놓고 접착제로 양 끝 단을 부 착 한 후 접착제가 마를 때 까지 약 한시간 건조하였 다. 그 후 만능 시험기(Instron 5544, 2712-013, USA) 를 사용해 10 N의 load cell과 0.5 mm/min의 인상 속 도로 측정을 진행 했다.16) 인장강도는 각 노즐에서 나온 10개의 샘플로 측정하였다.
3. 결과 및 고찰
연속 섬유를 방사할 때에는 원료인 파유리의 기포의 존 재가 매우 중요하다. 파유리 내에 기포가 존재할 시 연 속 섬유 방사 시에 기포로 인해 섬유가 끊어지는 현상 이 발생하기 때문이다. 따라서 파유리가 될 모유리의 광 학적 특성은 반드시 확인 해야하는 중요한 인자이다. Fig. 4를 보면 파유리로 만들기 전의 D-glass 모유리의 사진 을 확인할 수 있다. 사진을 보면 미세한 기포들이 몇몇 보이는 것을 확인할 수 있으나 섬유를 방사하는 것에는 큰 문제가 없었다. 유리의 광학적 특성을 확인하기 위 해 가시광선 영역에서의 투과율을 측정한 결과 Fig. 5 에서 보는 바와 같이 D-glass의 투과율은 88.6 %로 측 정되었고, 특히 700 nm이상에서는 90 %가 넘는 투과율 을 관찰할 수 있었다.
또한 유리의 열 적 특성을 확인하기 위해 점도를 측 정하였다. 유리의 점도를 측정 함으로써 유리의 섬유화 온도를 알 수 있으므로 섬유 방사 시 유리의 점도를 측 정하는 것은 매우 중요하다. D-glass의 점도는 Fig. 6에 나타내었다. 특히 섬유화 온도로 알려진 Log η = 2.7~3(η in Poise)에서 1368 °C ~ 1460 °C로 관찰되었다. 그 후 Dglass 연속 섬유를 방사하기 위해 벌크 모유리를 분쇄해 파유리를 제조하였다. 파유리를 제조 하기 전 위의 Fig. 2와 같이 10 nozzle 섬유 방사 장비는 방사 및 용융을 동시에 진행하기 때문에 용융물이 균질 하지 않으면 연 속 섬유 제조에 문제를 일으킬 수 있다.17) 따라서 본 실 험에서는 D-glass fiber를 방사하기 위해 D-glass 조성을 1650 °C의 전기로에서 2시간 동안 용융하고 521 ± 10 °C 의 온도에서 2시간동안 서냉 하여 벌크 모유리를 제조 하였다. 고온 점도 측정결과 알게 된 섬유화 온도 1368 °C ~ 1460 °C 범위 내의 온도인 1400 °C에서 100 rpm의 회전 속도로 지름 300 mm인 드럼으로 인발해 섬유를 제 조하였다. 또한 방사 속도에 따른 직경의 변화를 관찰 하기 위해 추가로 회전 속도 200 rpm, 300 rpm에서의 섬 유도 제조하였으며, 이를 이용해 방사 속도에 따른 인 장강도 변화 또한 확인하였다.
Fig. 7을 보면 방사 속도가 빠를수록 D-glass fiber의 직경은 가늘어지는 것을 확인할 수 있었다. 방사 속도 가 100 rpm일 때 평균 51.36 um의 직경을 보였고, 200 rpm일 때 평균 34.06 um, 300 rpm일 때 평균 22.94 um 의 직경을 나타내었다. 섬유의 직경이 방사 속도의 영 향을 받는 이유는 같은 온도와 같은 시간에서 부싱 노 즐에서 방출되는 유리 용융물의 양은 동일하지만, 유리 용융물이 더 빠른 속도로 섬유화 되기 때문에 방사 속 도가 빠를수록 섬유의 직경은 가늘어지는 것으로 확인 되었다. Fig. 8에서 FE-SEM을 이용해 분석한 100 rpm 과 200 rpm에서의 방사 속도에 따른 섬유의 직경을 확 인 할 수 있다.
섬유의 인장강도는 100 rpm의 방사속도에서는 평균 467.03 MPa, 200 rpm에서는 평균 522.60 MPa의 값을, 그리고 300 rpm에서는 평균 605.17 MPa의 값을 나타냈 다. Fig. 9에서 D-glass fiber의 인장강도를 확인 할 수 있다. 데이터에 따르면 섬유의 직경이 가늘수록 인장강 도 값은 커지는 것이 확인되었다. 일반적으로는 직경이 굵을수록 인장강도 값은 커지지만 D-glass fiber의 경우 에 그 반대인 것은 섬유의 직경이 굵을수록 섬유가 가 질 수 있는 기포와 같은 결함들이 많아지기 때문인 것 으로 확인 되었다.18) 이를 증명하기 위해 각 방사 속도 당 비슷한 직경을 보이는 D-glass fiber를 결함이 거의 없는 것과 결함이 많은 것 두 개의 샘플의 인장강도를 측정 한 것을 Fig. 10에 나타냈다. Fig. 10에서 보는 바 와 같이 기포와 같은 결함의 유무가 인장 강도에 큰 영 향을 미침을 알 수 있다. 이를 통해 섬유의 방사 속도 가 빨라질수록 직경과 기계적 물성 모두 좋은 특성을 보 이는 것으로 확인되었다. 또한 현재와 같은 조건에서 최 대 방사 가능한 시간은 실험을 통해 확인해 보았을 때 2 min인 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 한 번에 최 대로 인발 할 수 있는 섬유의 길이를 계산 해보면 각 각 100 rpm: 182.8 m, 200 rpm: 365.6 m, 300 rpm: 548.4 m인 것이 확인되었다.
4. 결 론
본 연구에서는 D-glass 조성의 유리를 이용해 유리섬 유를 제조해 그 특성에 대하여 확인하였다. 섬유를 방 사하기 전 D-glass 조성의 배치를 1650 °C의 온도에서 2 시간 동안 용융하였고, 응력 제거를 위하여 521 ± 10 °C 의 온도에서 2시간동안 서냉 하여 D-glass를 제조하였다. 그 후 유리의 광학적 특성을 확인하기 위해 가시광선 투 과율을 측정한 결과 88.6 %의 투과율을 나타내었다. 유 리섬유 방사를 위해 필요한 Log η = 2.7~3(η in poise) 에 해당하는 섬유화 온도를 확인하기 위해 D-glass의 점 도를 측정했을 때 1460 °C ~ 1368 °C로 확인되었다. 섬유 화 온도 범위 중 가장 방사가 잘 이루어진 1400 °C의 온도에서 D-glass fiber를 방사하였다. 또한 방사 속도에 따른 섬유의 직경과 인장 강도의 변화를 알아보기 위하 여 각각 100 rpm과 200 rpm, 300 rpm에서 D-glass fiber 의 방사를 진행하였다. D-glass fiber는 방사 속도가 100 rpm일 때 평균 51.36 um, 200 rpm일 때 평균 34.06 um, 300 rpm일 때 평균 22.94 um의 직경을 나타내었다. 섬 유의 인장강도는 100 rpm의 방사속도에서 평균 467.03 MPa, 200 rpm에서는 평균 522.60 MPa, 300 rpm에서 는 평균 605.17 MPa의 값을 나타내었다. 일반적으로 직 경이 굵으면 인장강도가 커지는 것과 반대되는 이유는 섬유의 직경이 굵을수록 섬유가 가질 수 있는 기포 등 의 결함들이 많아지기 때문인 것으로 확인되었다.
