유리와 기판 과학
무알칼리 유리를 코드디스크 기재로: 저팽창·무나트륨·원생 표면의 이점
디스플레이용 무알칼리 알루미노보로실리케이트 유리의 팽창계수는 약 3–4×10⁻⁶/K이며 나트륨이 거의 없고 변형점이 높다. 본고는 소다라임·붕규산 등과 비교하고 알루미늄 합금·스테인리스 허브와의 팽창 차와 구멍 가장자리 응력을 계산하며, 어떤 코드디스크에 맞고 접착·조립에서 무엇을 주의할지 설명한다.
디스플레이용 무알칼리 알루미노보로실리케이트 유리에는 세 가지 특징이 있다: 팽창계수 약 3–4×10⁻⁶/K, 나트륨이 거의 없음, 높은 변형점. 이 세 가지는 코드디스크의 고통점——크롬 막과 기판의 열응력, 알칼리 석출에 따른 백화·부식, 베이크 시 치수 수축——에 그대로 대응한다. 대가는 일반 금속 허브와의 팽창 차가 더 커진다는 것이다. 본고는 예시 데이터로 양면을 계산한다.
다른 유리와의 비교
아래 표는 전형값 범위(예시, 특정 상표와 무관):
| 종류 | α(10⁻⁶/K) | 변형점(℃) | Na₂O(wt%, 자릿수) |
|---|---|---|---|
| 소다라임 | 8.6–9.4 | 약 500–520 | 약 14 |
| 알칼리 알루미노실리케이트 | 7.5–9.5 | 약 530–585 | 약 12–14 |
| 3.3 붕규산 | 약 3.3 | 약 510 | 약 4 |
| 무알칼리 알루미노보로실리케이트 | 3.2–3.9 | 650–750 | 약 0(보통 < 0.1) |
| 용융 석영 | 약 0.5 | 약 900–1100 | 0 |
무알칼리 유리의 α는 붕규산에 가깝지만 변형점은 약 140–240 K 높아 첫 번째 이점이다.
열응력. 크롬 막 α는 약 4.9×10⁻⁶/K, 탄성률은 벌크값 279 GPa, 푸아송비 0.21. 기판이 100 K 승온하면 소다라임 위 크롬 막은 약 145 MPa 인장이 늘고, 무알칼리 위에서는 약 42 MPa 자릿수의 압축이 된다. 스퍼터 막 자체의 잔류 응력은 종종 수백 MPa이므로 열응력이 주로 작용하는 것은 온도 사이클과 고온 공정이지만, 불일치가 한 자릿수 작으면 밀착에 유리하다.
치수 안정성. 이 문고의 열수축 글 예시 매개변수로 400 ℃에서 1 h 베이크하면 소다라임은 약 92 ppm, 무알칼리는 약 0.006 ppm 수축한다. 고온 공정(열경화·어닐·고온 성막)에서는 무알칼리를 우선한다.
무나트륨. 소다라임은 습열에서 표면 나트륨 이온이 밖으로 이동해 알칼리 수막을 만들고 크롬 막 핀홀 가장자리에서 부식·백화를 일으킬 수 있다——흔한 기구다; 무알칼리에는 이 경로가 거의 없다. «무알칼리»는 «모든 것에 견딘다»가 아니며 내산·내열알칼리성은 다르고 세정액은 자사 공정으로 검증한다.
원생 표면. 오버플로 다운드로우 판은 성형 부품에 닿지 않으며 거칠기는 서브나노미터급에 이를 수 있다(이 문고의 기판 비교 글 참조). 연마가 필요 없고 입고는 박판이 많다.
금속 허브와의 팽창 차
균일 열팽창은 치수만 바꾸고 각선 각도는 바꾸지 않으므로 유리–허브 팽창 차는 직접 각도 오차를 만들지 않는다; 생기는 것은 접착·조립 응력, 중심 어긋남, 온도 사이클 하 피로의 세 종류다. 유리 α = 3.7, 접착 반경 r = 10 mm, 온변 ΔT = 40 K로 두면 반경 위치 자유 팽창 차 Δr = r·Δα·ΔT:
| 허브(α) | 무알칼리 Δr | 소다라임 Δr |
|---|---|---|
| 알루미늄 합금(23) | 7.7 μm | 5.6 μm |
| 304 스테인리스(17.3) | 5.4 μm | 3.3 μm |
| 430계 스테인리스(10.4) | 2.7 μm | 0.6 μm |
| 티타늄 합금(8.6) | 2.0 μm | 0.2 μm |
| 코바르계(5) | 0.5 μm | 1.6 μm |
| 인바계(1.5) | 0.9 μm | 3.0 μm |
유리를 무알칼리로 바꾸면 맞는 허브도 바뀐다: 소다라임은 430계·티타늄 합금, 무알칼리는 코바르계·티타늄 합금·인바계; 알루미늄 합금과 304는 어느 쪽에도 맞지 않고 무알칼리에서는 더 나쁘다(그림 2).
영간극 강체 끼워맞춤의 상한. 유리 구멍과 중실 허브를 간극·접착층 없이 맞추면 온변으로 구멍 가장자리에 원주 인장 응력이 생긴다. 유리 링(외내경비 3)과 중실 허브를 탄성 계산하면 무알칼리+알루미늄 합금은 약 0.82 MPa/K, +304는 약 0.72 MPa/K, +430계는 약 0.35 MPa/K, +코바르계는 약 0.07 MPa/K. 장기 허용 인장을 약 7 MPa(자릿수, 안전계수 포함, 가장자리 품질 의존)로 두면 알루미늄 합금은 조립 온도에서 약 8.6 K만 벗어나도 한도에 이른다(그림 3). 이는 상한이며 실제 간극·접착층·허브 유연도가 있으면 응력이 작아져 비교·순위용이다.
접착의 전단. 접착층 두께 50 μm, Δr = 7.7 μm(알루미늄+무알칼리)이면 전단 변형률 약 0.15. 연질 접착(전단 탄성률 약 0.5 MPa)의 전단 응력은 약 0.08 MPa로 견딜 수 있다; 경질 에폭시(자릿수 약 1 GPa)를 전주 접착하면 강도를 크게 넘으므로 경질 접착은 전주에 쓰지 말고 연질 접착·점 접착 또는 탄성 유연 구조로 한다.
적용 가능한 코드디스크
맞는 경우: 유리 지름이 수십 밀리미터 이내이고 연질 접착 또는 소면적 접착으로 조립하는 투과형 코드디스크; 고온 공정·습열 환경의 디스크; 허브가 코바르계·티타늄 합금·430계인 경우. 신중히: 알루미늄 합금과 대면적 경결합이 필요한 구조; 이온 교환 강화가 필요한 디스크(무알칼리에는 교환 가능한 알칼리 이온이 없어 보통 이 경로를 쓸 수 없음); 두께 약 1 mm 초과의 디스크(입고는 박판이 많아 후판 공급을 확인).
엔지니어링 요점
- 무알칼리를 고르는 이유는 저팽창·고변형점·무나트륨이지 «더 좋아서»가 아니다. 온도 범위·허브·조립 방식으로 구체적으로 계산한다.
- 먼저 허브 α와 조립 온도 범위를 보고 Δr = r·Δα·ΔT로 추정한다. Δr이 수 μm를 넘는 구조는 연질 접착·점 접착 또는 유연 구조로 한다.
- 유리와 알루미늄 합금을 영간극 경끼워맞춤하지 않는다. 약 9 K 온변으로 구멍 가장자리 인장이 약 7 MPa 자릿수에 이를 수 있다.
- 허브를 코바르계·티타늄 합금·430계로 바꾸면 Δr은 보통 2–3 μm 아래로 떨어진다.
- 무알칼리는 이온 교환 강화가 불가능하며 강도는 가장자리·표면 품질에 의존한다. 면취와 절단 후 가장자리 품질을 사양에 쓴다.
- 고온 공정(베이크·경화·성막)에서는 수축을 줄이려 무알칼리를 고르되 공급자의 변형점과 실측은 반드시 확인한다.
요약
무알칼리 알루미노보로실리케이트 유리의 α는 약 3–4×10⁻⁶/K, 변형점 650–750 ℃, 나트륨이 거의 없어 크롬 열응력·고온 수축·습열 백화에 유리하다. 대가는 알루미늄 합금·스테인리스 허브와의 팽창 차 확대로, r = 10 mm·40 K에서 Δr이 5–8 μm에 달할 수 있고 영간극 끼워맞춤 구멍 가장자리 인장은 약 0.7–0.8 MPa/K이다. 무알칼리를 골랐다면 허브와 접착 방식도 함께 다시 고른다.
중국어 원문 기사 번역 (0569). ENC7 코드 디스크 제조사 (문의) · 기술 자료 · https://enc7.com
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