β-스포듀민 유리-세라믹 물질 및 그 제조방법 document_id A220623067024

유리-세라믹 물질은 다양한 응용분야에 널리 사용되어 왔다. 예를 들어, 볼, 정찬용 접시 기타 이와 유사한 유리-세라믹 쿡탑 기판 및 조리 도구 등이 현대의 주방에서 널리 사용된다. 투명 유리-세라믹 물질은 스토브 및/또는 내화창, 광학소자, 미러 기판 등의 제조에 사용되어왔다. 유리-세라믹 물질은 전형적으로 특정 시간동안 승온된 온도에서 그 전구체 유리 물질의 도재화(ceramming)에 의해 제조된다. SiO2-Al2O3-Li2O 유리 시스템에 기초한 유리-세라믹 물질의 2가지 카테고리는 주결정상으로서 β-석영 고용체를 포함하는 것 및 주결정상으로 β-스포듀민 고용체를 포함하는 것이다. 이러한 유리-세라믹 물질의 2가지 카테고리는 동일한 전구체 유리 물질로부터 제조될 수 있다. 상기 2가지 타입의 유리-세라믹 물질로 만들어진 쿡탑 기판은 상업적으로 이용가능하다. β-스포듀민 물질에 기초한 쿡탑 기판의 일 실시예는 유로케라의 Kerawhite® 기판은 상온에서 약 700℃에서 상대적으로 낮은 열팽창지수를 갖는 잇점이 있으며, 매력적인 깨끗한 유백색을 갖는다. 이는 다양한 시장에서, 많은 소비자들에게 인정받아왔다. Kerawhite® 상업적 성공 이후에, 낮은 온도에서 녹을 수 있는 더 경제적인 유리-세라믹 물질이 바람직하다는 것이 인식되어졌다. 상기 물질은 반투명할 수 있다. 인덕션 쿠킹에 사용되는 쿡탑에 대해서는 특히 눈에 보이지 않는 유도 열 요소(inductive heat element)를 만들 수 있는 불투명 유리-세라믹 물질에 대해 관심이 있다. 유리-세라믹 물질의 전구체 유리를 녹일 때, 유리에 있는 시드 카운트(seed count)를 낮추기 위해 대개 정련제(fining agent)가 사용된다. 사용되는 일반적인 정련제는 As2O3, Sb2O3 등을 포함한다. 이러한 산화물은 이들이 O2를 배출하여 분해될 때, 녹은 유리가 정련 온도로 가열되기 전에 As2O5, Sb2O5로 배치(batch)되거나, As2O5, Sb2O5 로 산화된다. 배출된 O2는 녹은 유리에 있는 버블 카운트를 낮추는 것을 돕는다. 환경적인 이유에서, 전구체 유리의 용융이 그러한 유독한 정련제의 사용을 필요로 하지 않는 것이 매우 바람직하다. 특정 유리를 녹일 때, As2O3 및/또는 Sb2O3 정련제의 대체물을 찾는 것이 항상 수월한 것은 아니다. 다른 정련제는 서로 다른 정련 능력을 가지며, 대개 다른 정련 온도범위를 필요로 한다. 다른 정련제를 사용하는 것은 용융된 유리의 상승된 정련 온도 및/또는 실투(devitrification)온도를 필요로 하게 되는 위험이 있을 수 있다. 유리의 상승된 실투 온도는 대개 유리가 그 실투를 막기위해 더 높은 온도에서 형성되고 제조되어야 한다는 것을 의미하며 이것은 매우 바람직하지 않다. 유리-세라믹 물질은 수십년간 리서치 및 제품 개발의 주제가 되어 왔다. 예를 들어, 이 물질과 관련된 상대적으로 최근의 제품개발은 고압, 고온, 고강도 방전(discharge) 램프가 적용되는 현대의 프로젝션 디스플레이 시스템에 사용되는 램프 리플렉터(lamp reflector)기판이다. 프로젝션 디스플레이에 바람직한 램프는 고 강도 라이트 빔을 만들기 위해 반사구조내에 고강도 아크(arc) 방전 램프를 포함한다. 특히, 디지털 데이터 프로젝터 및 디지털 프로젝션의 큰 스크린 텔레비전에 대해서는 이러한 램프는 고온 안정한 리플렉터를 필요로 한다. WO 2004/094327는 유리-세라믹 물질 램프 리플렉터 기판을 공개한다. 그러나, 이 인용문헌에서 공개된 이러한 제품에서의 사용을 위한 상기 유리-세라믹 물질은 높은 치수안정성 및 낮은 열팽창 계수를 얻기 위해 β-석영이 되는 물질의 주결정상을 필요로 한다. 더욱이, 이 인용문헌에는 유리-세라믹 물질의 전구체가 As2O3 및/또는 Sb2O를 사용하지 않고 정련되는 구체적인 실시예가 없다. 전구체 유리가 주결정상으로서 β-석영 또는 β-스포듀민 고용체를 포함하는 유리-세라믹 물질로 도재화될 수 있다면, 일반적으로 후자의 생산이 대개 높은 도재 온도를 수반한다고 알려져 있다. 이것은 특히 그러한 온도에서 연장된 도재 사이클이 요구되는 높은 에너지 소비를 의미한다. β-스포듀민 기초의 유리-세라믹 물질의 특정 상업적 제조는 약 100분 동안 1050℃이상의 온도에서 도재화 됨으로써 제조된다. 그러한 연장된 고온 도재화는 그 제조에 내고온, 고압 도재화 화로(kilns)의 사용을 필요로 한다. 따라서, 주결정상으로 β-스포듀민 고용체를 포함하는 유리-세라믹 물질은 상대적으로 짧은 및/또는 상대적으로 낮은 온도의 도재화 사이클에서 제조될 수 있다. 미국특허 제4,212,678호는 약 100℃ 이하의 도재화 온도를 갖는 백색 β-스포듀민 유리-세라믹을 공개한다. 그러나, 상기 공개된 조성물은 낮은 Al2O3 함량을 갖는다. 더욱이, 그 실시예에 공개된 유리의 도재화는 적어도 3시간 걸린다. 일본 공개특허 제1992-367538호 및 제1992-348302호는 주결정상으로 β-스포듀민(Li2O·Al2O3·4SiO2) 및/또는 β-유크립타이트(Li2O·Al2O3·2SiO2) 고용체를 갖는 유리-세라믹 물질 램프 리플렉터를 공개한다. β-스포듀민 및/또는 β-유크립타이트를 포함하는 유리-세라믹 물질은 낮은 열팽창을 갖는 내열 물질로 알려져 있다. 미국 특허 제5,070,045는 넓은 범위의 유리-세라믹 물질 및 그 제조방법을 공개한다. 그러나, 유독한 As2O3 및/또는 Sb2O3 정련제를 사용하지 않고 약 1600℃이하에서 녹을 수 있는지에 대해 상기 인용문헌들에 나타나 있지 않다. 더욱이, 일본 특허공개 제11 100229호 및 제11 100230호, WO 제2002/016279호는 SnO2-정련된 유리-세라믹물질을 공개한다. 그러나, 이러한 모든 인용문헌들이 대개 주결정상으로 β-석영을 포함하는 것과 관련되어 있다는 것을 유의하여야 한다. WO 제2002/016279호, JP 제11 100229호 및 제11 100230호에서 상기 유리의 실시예는 1600℃이상의 온도에서 용융되었다. WO 제2002/016279호는 상기 유리가 바람직한 버블 카운트(bubble count)를 얻기 위해 약 1700℃이상의 온도에서 용융되는 것이 유리하다는 것이 공개되어있다. 주 결정상으로서 β- 스포듀민 고용체를 포함하는, 특히 바람직하게는 불투명한 유리-세라믹 물질이 진정 필요하며, 이는 1600℃이하의 상대적으로 낮은 온도에서 녹을 수 있으며, 1050℃처럼 상대적으로 낮은 온도에서, 짧은 도재화 열처리에 의해 유리-세라믹으로 전환될 수 있다.