유리와 기판 과학
석영 유리의 여러 유형: 전융·화염 용융·합성 석영의 불순물과 수산기
용융 석영은 용제법에 따라 전융·화염 용융·합성 등으로 나뉘며 수산기는 수 ppm에서 천 ppm 이상, 불순물·기포 등급도 다르다. 본고는 2.73·1.38·0.94 μm에서의 수산기 흡수 강도를 보이고 유형별 투과 차이를 계산하며 판독 파장에 따른 선택법을 제시한다.
«용융 석영»은 한 가지 재료가 아니다. 같은 이산화규소 유리라도 천연 수정 분말의 전융, 산수소염 용융, 사염화규소 기상 합성에서는 불순물·기포·수산기가 자릿수만큼 달라질 수 있다. 엔코더 LED는 대부분 850–940 nm에 있는데 수산기가 영향을 주는가? 그 때문에 합성 석영에 더 써야 하는가? 답은 수산기 흡수대를 계산해야 나온다.
여러 유형은 어디서 오는가
흔한 분류는 I–IV형이지만 업체 호칭은 통일되지 않는다. 아래는 용제법으로 나눈다(그림 2): 전융 석영은 천연 수정 분말을 전기 가열로 녹이며 수산기는 매우 낮지만 천연 원료의 금속 불순물이 남고 기포·줄무늬가 보통 더 많다; 화염 용융도 천연 분말을 산수소염에서 녹이며 수산기는 수백 ppm까지 오른다; 합성 석영은 사염화규소를 산수소염에서 가수분해 퇴적해 금속 불순물 약 1 ppm 미만, 기포·줄무늬가 적지만 수산기는 천 ppm 이상에 이를 수 있다; 플라스마나 무수 화염을 쓰는 저수산기 합성 석영은 고순도와 저수산기를 겸한다.
수산기 흡수대: 위치와 강도
Si–OH 신축은 2.73 μm에 기본 흡수, 1.38 μm·0.94 μm 근처에 일차·이차 배음이 있고 2.21 μm와 1.24 μm에 결합대도 있다. 흡수 계수는 수산기량에 대략 비례한다:
α(λ) = k(λ) · c_OH
여기서 c_OH는 수산기 질량 함량(ppm), k는 단위 함량당 흡수 계수다. 예시 k(cm⁻¹/ppm, 자연로그): 2.73 μm는 2.3×10⁻², 1.38 μm는 3×10⁻⁴, 0.94 μm는 5×10⁻⁶. 2.73 μm 값은 흔히 쓰는 몰 흡광계수 약 77.5 L/(mol·cm)에서 환산되며 수산기 측정에도 쓰인다: c_OH ≈ 100 × A / d, A는 베이스라인 차감 후 상용로그 흡광도, d는 두께(cm). 1.38·0.94 μm 계수는 문헌의 ppm 기준(질량 또는 몰)이 달라 예시에 2–3배 불확도가 있어 자릿수 판단용이다.
10 mm 두께·양면 반사 포함(굴절률 약 1.45, 프레넬 투과 약 93.4%)에서 세 가지 전형 수산기량의 띠 중심 투과율은:
| 유형(수산기) | 2.73 μm | 1.38 μm | 0.94 μm |
|---|---|---|---|
| 전융(5 ppm) | 83% | 93% | 93% |
| 화염 용융(250 ppm) | 0.3% | 87% | 93% |
| 합성(1000 ppm) | < 0.1% | 69% | 93% |
흡수 10%에 필요한 수산기량(10 mm 두께): 2.73 μm에서 약 4.6 ppm, 1.38 μm에서 약 350 ppm, 0.94 μm에서 약 2×10⁴ ppm으로 실제 석영을 크게 웃돈다(그림 3). 따라서 850 nm·940 nm LED는 수산기 영향을 받지 않으며 유형 차는 반사 손실뿐; 2.73 μm 띠는 수 ppm으로도 보이고 3.5 μm 이내 적외선에는 저수산기가 필요하다.
자외선·기포와 다른 차이
자외선. 합성 석영의 심자외선 흡수단은 약 160–170 nm, 천연 분말 용제는 약 180–200 nm이며 245 nm 근처에 불순물 흡수대가 나오는 경우가 많고 로트 차가 크다. 365 nm·405 nm 노광과 자외선 경화는 어느 유형이든 충분하다; 254 nm 미만 세정·노광에서는 합성 석영이 유리하다.
기포와 줄무늬. 전융 석영은 미세 기포가 많아 크롬 각선 시 핀홀·국소 산란을 일으켜 코드디스크 선 품질에 영향을 줄 수 있다; 합성 석영은 기포·줄무늬가 가장 적고 광학 균질성도 좋으며 가격도 높다.
고온 거동. 수산기가 많은 유형은 점도가 다소 낮고 고온 안정성이 다소 떨어진다——제조사 데이터를 따른다; 이들 유형의 팽창계수는 모두 약 0.5×10⁻⁶/K 근처로 뚜렷한 차가 없다.
파장에 따른 선택
| 사용 조건 | 경향 |
|---|---|
| 850·880·940 nm LED, 가시 판독 | 수산기 무관. 기포·균질성·비용으로 선택 |
| 365·405 nm 노광과 자외선 경화 | 어느 유형이든 가능 |
| 254 nm 미만 세정·노광 | 합성 석영 |
| 1.31–1.55 μm 광원, 광로가 긴 경우 | 저수산기. 1.38 μm 띠를 피함 |
| 2–3.5 μm 적외선 | 저수산기(적외선급) |
엔지니어링 요점
- 먼저 판독 파장을 묻는다: 850–940 nm LED는 수산기 영향을 받지 않으니 수산기만으로 더 쓰지 않는다.
- 광로에 1.38 μm 또는 2.73 μm 근처 파장이 있으면 저수산기 유형을 쓰고 공급자에게 수산기량을 명시하게 한다.
- 사양에 수산기 범위·기포 등급·줄무늬 등급을 쓴다. 이 세 가지가 «석영»이라는 말보다 성능을 결정한다.
- 심자외선 세정·노광용은 합성을 고르고 254 nm 미만 투과를 검증한다.
- 전융 석영은 기포·불순물을 검사하고 양산 크롬 전에 소재의 핀홀률을 뽑아 본다.
- 수산기는 적외선 분광으로 잰다: 두께 10 mm 이상으로 두어 저수산기 시료도 측정되게 한다.
요약
석영 유리의 수산기는 수 ppm에서 천 ppm 이상이며 2.73 μm 기본 흡수는 수 ppm으로도 보이고 1.38 μm에서는 수백 ppm, 0.94 μm에서는 거의 보이지 않는다. 따라서 LED 판독 코드디스크는 수산기 때문에 합성 석영을 고를 필요가 없고 기포·불순물·자외선 필요로 유형을 고른다; 적외선과 심자외선 용도야말로 수산기를 구매 사양에 써야 한다.
중국어 원문 기사 번역 (0570). ENC7 코드 디스크 제조사 (문의) · 기술 자료 · https://enc7.com
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