유리와 기판 과학
입고 유리 종류 식별: 밀도, 굴절률과 UV 확인
소다라임, 붕규산, 알칼리 알루미노실리케이트와 석영 유리는 겉보기에 거의 같습니다. 이 글은 아르키메데스 밀도, 굴절률과 UV 관찰을 이용한 빠른 식별법을 제시하고, 인접한 종류를 구별하는 데 필요한 측정 정확도를 계산하며, 소다라임과 알칼리 알루미노실리케이트는 왜 굴절률과 함께 판정해야 하는지 설명합니다.
입고품 라벨에 “붕규산”이라고 적혀 있는데, 잘라 보면 정말 그럴까요? 흔히 쓰는 네 가지 기판은 겉모습만으로는 거의 구별되지 않습니다. 두꺼운 조각은 투명하고 가장자리가 약간 녹색을 띠며, 눈금선에 크롬을 입히고 나면 차이가 더욱 보이지 않습니다. 그러나 밀도, 굴절률과 UV 흡수가 서로 다르므로 작업대에서 할 수 있는 몇 가지 측정으로 기본 종류를 확인할 수 있습니다. 어려운 점은 측정 오차가 종류 간 간격보다 작아야 하고, 인접한 종류의 로트 간 분포가 원래 겹칠 수 있다는 것입니다.
네 종류의 “지문”
표는 대표값입니다(예시이며 특정 상표에 대응하지 않고 제조사에 따라 다름).
| 종류 | 밀도 ρ(g/cm³) | 굴절률 n_d | UV 흡수단(자릿수) |
|---|---|---|---|
| 용융 석영 | 약 2.20 | 약 1.458 | 200–250 nm 미만, 254 nm 투과 |
| 3.3형 붕규산 | 약 2.23 | 약 1.473 | 약 280–310 nm, 254 nm를 거의 투과하지 않음 |
| 알칼리 알루미노실리케이트 | 2.4–2.5 | 약 1.50–1.51 | 약 280–340 nm, 254 nm 불투과 |
| 소다라임 | 약 2.50 | 약 1.52 | 약 310–340 nm(철 함유), 254 nm 불투과 |
석영과 붕규산은 밀도 차 0.027, 굴절률 차 0.0145로 간격이 넓습니다. 소다라임과 알칼리 알루미노실리케이트는 밀도가 겹치고 굴절률이 0.014 다르며, 가장 구별하기 어려운 쌍입니다.
아르키메데스법: 밀도는 몇 자리까지 측정되나
시료를 공기 중에서 달고(m_a) 물에 담가 달면(m_w)
ρ = ρ_w·m_a / (m_a − m_w)
여기서 ρ_w는 물의 밀도(20 ℃에서 약 0.9982 g/cm³, 25 ℃에서 약 0.9971)이며, 이어서 약 0.0012 g/cm³의 공기 부력 보정을 합니다. 오차는 저울 판독, 수온, 매달기 선의 표면 장력 세 가지에서 옵니다. ρ = 2.5 g/cm³ 시료의 경우:
- 저울 0.1 mg: 20 g 시료는 8 g의 물을 밀어내며 상대 오차는 약 10⁻⁵로 무시할 수 있다.
- 수온 ±0.5 K: 물의 밀도는 K당 2.1×10⁻⁴ g/cm³ 변하며 ρ에 대한 영향은 약 0.0003 g/cm³.
- 매달기 선: 수면을 통과하는 φ0.1 mm 선의 표면 장력 F = π·d·γ ≈ 2.3×10⁻⁵ N으로 약 2.3 mg에 해당하며, 작은 시료일수록 영향이 크다.
| 시료 질량 | 2 g | 5 g | 10 g | 20 g | 50 g |
|---|---|---|---|---|---|
| δρ(g/cm³) | 0.007 | 0.003 | 0.0015 | 0.0008 | 0.0004 |
따라서 시료는 10 g 이상으로 하거나 더 가는 선과 미량의 계면활성제를 쓰고, 항온수를 사용하며 기포를 제거해야 합니다.
병용 판정: 정확도는 얼마나 필요한가
두 종류의 로트 간 분포의 표준편차를 σ₁, σ₂라 합니다(예시값: 석영 0.003 / 0.0003, 붕규산 0.004 / 0.001, 알칼리 알루미노실리케이트 0.025 / 0.004, 소다라임 0.010 / 0.002, 앞이 ρ, 뒤가 n). 간격 Δ가 합성 표준편차의 3배에 이르도록 하려면 허용되는 최대 측정 표준편차는
σ_m = √[(Δ/3)² − σ₁² − σ₂²]
| 종류 쌍 | 밀도 σ_m 상한 | 굴절률 σ_m 상한 |
|---|---|---|
| 석영 / 붕규산 | 0.0075 g/cm³ | 0.0047 |
| 소다라임 / 알칼리 알루미노실리케이트 | 해 없음(로트끼리 이미 겹침) | 0.0013 |
석영과 붕규산은 ±0.003의 아르키메데스 밀도로 구별할 수 있고, 굴절률은 브루스터각법도 거의 충분합니다. tanθ_B = n, δn = (1+n²)·δθ이며 각도 판독 ±0.1°에서 δn ≈ 0.0057로 0.0047 한계를 약간 넘습니다. 소다라임과 알칼리 알루미노실리케이트는 밀도만으로는 안 됩니다. 로트 간 표준편차 때문에 두 밀도 분포의 z 값이 1.9에 불과합니다. 굴절률은 ±0.0013 이내여야 하며, 액침법(예시 ±0.002)으로는 부족하고 아베 굴절계(예시 ±0.0005)라야 믿을 수 있습니다(그림 3). 두 가지를 합친 z 값은 약 3.6이며, 그림 1의 시료는 굴절률 정확도가 ±0.0005 이내에 들어와야 알칼리 알루미노실리케이트로 분류됩니다.
UV 관찰은 정량 판정이 아니라 보조입니다. 254 nm 램프 아래(UV 보호 안경 착용)에서는 석영만 빛을 투과하고 나머지 세 종류는 투과하지 않습니다. 석영의 형광 색과 세기는 용융 방법과 불순물에 따라 다르므로 기지 시료와 비교해야 하며 절대 판정 기준으로 쓰지 않습니다. 주석을 함유한 플로트 유리의 주석면은 형광을 내며, 이 라이브러리의 주석면 관련 글을 참조하십시오.
입고 검사 흐름
- 외관과 254 nm UV: 먼저 석영을 나머지 세 종류와 구별한다.
- 아르키메데스 밀도(시료 ≥ 10 g, 수온 ±0.5 K): 2.20과 2.23을 2.4 이상의 그룹과 구별한다.
- 굴절계 또는 액침법: 소다라임과 알칼리 알루미노실리케이트를 구별하며 정확도는 ±0.0013보다 좋아야 한다.
- 여전히 의심스러우면 조성 분석이나 팽창 계수를 사용한다(이 라이브러리의 별도 글 참조).
실무 포인트
- 먼저 어떤 쌍을 구별해야 하는지 묻는다. 석영/붕규산은 밀도와 굴절률, 소다라임/알칼리 알루미노실리케이트는 ±0.0013 이내의 굴절률이 필수다.
- 아르키메데스법 시료는 10 g 이상으로 하고, 항온수, 가는 선과 계면활성제를 쓰며 공기 부력 보정도 한다.
- 각도 판독 ±0.1°의 브루스터각법은 δn이 ±0.0057에 불과해 대략적 구별에는 적합하지만, 인접한 소다라임과 알칼리 알루미노실리케이트 구별에는 적합하지 않다.
- 측정값은 불확도와 함께 보고하고 공급자의 로트 간 분포와 비교한다. 공칭값에 들어가는지만 보지 않는다.
- UV 램프는 보조로만 쓴다. 254 nm 램프는 눈을 상하게 할 수 있으므로 보호 안경은 필수다.
- 로트마다 시료를 보관하여 자체 밀도–굴절률 분포를 쌓는다. 이것이 핸드북 값을 찾는 것보다 믿을 만하다.
요약
유리 종류는 밀도, 굴절률과 UV 흡수를 함께 판정하여 확인할 수 있습니다. 석영과 붕규산은 간격이 커서 ±0.003 g/cm³의 아르키메데스 밀도로 구별할 수 있고, 소다라임과 알칼리 알루미노실리케이트는 밀도 분포가 겹치므로 굴절률 정확도가 ±0.0013보다 좋아야 합니다. 이 예산에 따라 방법을 고르는 것이 “손 감각과 상표”에 의존하는 것보다 믿을 만합니다.
중국어 원문 기사 번역 (0566). ENC7 코드 디스크 제조사 (문의) · 기술 자료 · https://enc7.com
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