KR20060036377A - 램프 반사경 기판, 유리, 유리-세라믹 물질 및 이의제조방법 - Google Patents

램프 반사경 기판, 유리, 유리-세라믹 물질 및 이의제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유리, 유리-세라믹 물질, 램프 반사경 및 이들의 제조공정에 관한 것이다. 상기 유리 물질은 56-67중량%의 SiO2; 19-22중량%의 Al2O3; 3.4-3.8중량%의 Li2O; 1.8-2.6중량%의 ZnO; 1.5-2.5중량%의 MgO; 3.3-5중량%의 TiO2; 0-2.5중량%의 ZrO2; 1.5-3중량%의 B2O3; 0-6중량%의 P2O5; 0-0.6중량%의 F; 500ppm 미만의 Fe2O3; 및 적어도 하나의 유효량의 정련제(refining agent)로부터 초래된 성분을 포함하는 조성을 갖는다. 본 발명의 유리-세라믹 물질은 주 결정상으로서 β-석영 고용체를 함유하며, 상기 유리-세라믹 물질의 적절한 열처리에 의해 얻어질 수 있다. 상기 유리-세라믹 물질은 75㎚ 미만의 높은 표면 거칠기 Ra, 25℃ 내지 300℃ 사이의 온도범위에서 ≤10×10-7K-1의 낮은 CTE, 및 3㎜의 두께에서 80%를 초과하는 1050㎚에서의 IR 투과율이 요구되는 내열 램프 반사경으로서 특히 적합하다.
램프, 반사경, 기판, 유리, 유리-세라믹, 석영 고용체

Description

램프 반사경 기판, 유리, 유리-세라믹 물질 및 이의 제조방법{Lamp reflector substrate, glass, glass-ceramic materials and process for making the same}
본 발명은 램프 반사경, 유리 및 유리-세라믹 물질 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 주 결정상으로 β-석영 고용체를 함유하는 고압 호상 방출 램프용 내열(heat-resistant) 유리-세라믹 램프에 관한 것으로, 상기 주 결정상으로 β-석영 고용체를 함유하는 유리-세라믹 물질, 전구 유리 물질 및 유리 램프 반사경 기판, 및 상기 램프 반사경 기판의 제조방법에 관한 것이다.
프로젝션 디스플레이 시스템(projection display system)은 영상 발생기(generator) 및 회로(optics)를 통과하고, 다음으로 프로젝션 회로를 통해서 스크린상에 방사하기위해(illuminating) 고강도 램프 소스를 사용한다. 프로젝션 디스플레이용으로 바람직한 램프는 고강도의 광빔이 생성되도록 반사 구조물 내부에 고강도 호광(arc) 방출 램프를 포함한다. 구체적으로 디지탈 데이타 프로젝터 및 디지탈 프로젝션의 큰 스크린 텔레비젼용으로 사용하기 위해서, 이들 램프는 작은 크기의 호광 및 스크린 상에 보다 균형잡힌 색감과 높은 광도(brightness)(평방미터 당 루멘)로 광 스펙트럼이 전개되도록 고온 안정한 반사경이 요구된다. 휴대용 데 이타 프로젝터용으로 보다 높은 광도를 생성시키는 보다 짧은 호광 램프가 상업적인 추세이다.
상술한 램프 특성을 얻기 위해서 반사경 기판 물질로 다양한 요구조건이 존재한다. 보다 작은 램프 크기로 인해 상기 물질은 최대 약 550℃의 온도, 즉 낮은 열팽창 보로실리케이트 유리의 제공온도보다 높은 온도에서 작동된다. 또한 램프를 켜고 끄는 것은 높은 순간 열 구배를 반사경 기판에 야기하게 되여 높은 열 스트레서가 생성되고 따라서 균열이 야기될 수 있다. 매우 낮은 열팽창계수(≤10×10-7K-1) 물질은 순간 열 구배에 의한 열 스트레스를 감소시켜서 열 균열 발생을 보다 감소시킬 수 있다.
반사경 기판 물질로 사용하기 위한 또 다른 요건은 상기 물질을 통해 적외선 열 복사(radiation)를 제거하거나 또는 이동시켜 광경로로 보내지는 적외선 열 복사량을 감소시킬 수 있어야 한다. 고강도 램프 반사경의 반사 표면은 가시 광선은 반사시키면서 적외선은 투과할 수 있도록 디자인된 다층 코팅을 코팅시킨다. 이는 콜드 미러 코팅으로 알려져 있다. 그러나, 상기 반사경 기판 물질은 열 제거가 가능하도록 근적외선(열) 복사 파장은 투과되어야 한다. 이는 전이 금속 산화물, 및 특히 철 산화물과 같은 근 적외선 흡수제들의 양이 적어야만 가능하다.
고효율의 반사표면을 갖기 위해서는 기판 물질이 매우 평활한 평면 질감을 가져야 한다. 이러한 유리-세라믹 물질들은 매우 미세한 그레인(작은 결정 크기) 물질이다. 반사경용으로 형성된 평활 표면은 코팅되기 전 표면 연마를 하지 않거나 연마의 필요성을 최소화할 수 있다.
램프로부터 방출되는 광빔이 요구조건을 만족할 수 있는 유리 세라믹이 정밀한 외형으로 유지되도록 정밀 외관 플런저(plunger)로 몰드에 압력을 가하는 유리 형성방법을 통해 최상으로 기판 물질을 형성시킨다. 또한 우수한 균질성 및 낮은 시드 수(counts)를 계속 유지시키면서 모든 전구체 유리의 용융 온도를 낮추는 것이 바람직하다. 근 IR 투과율을 위해서, 소량의 철 뱃치 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
이러한 램프 반사경을 제조하기 위해 다양한 유리-세라믹 물질들이 제안되어 왔다. 일본공개특허 제1992-367538호 및 제1992-348302호는 주 결정 상으로 β-리티아휘석(spodumene)(Li2O·Al2O3·4SiO2) 및/또는 β-유크립타이트(Li2O·Al2O3·2SiO2) 고용체를 갖는 유리-세라믹 물질 램프 반사경을 개시하고 있다. β-리티아휘석 및 β-유클립타이트를 함유하는 유리-세라믹 물질은 낮은 열팽창율을 갖는 내열 (heat-resistant) 물질로 알려져 있다. 그러나, 상기 일본공개특허 제1992-348302호에 개시된 결정화 제품은, 평활한 표면을 갖도록 마감된 유리 전구체로 부터 개시될 때에도, β-리티아휘석 및 β-유클립타이트 고용체를 형성하기 위한 결정화 공정동안 거칠게 된다. 결정화(ceramming) 단계 후 반사경의 거칠기는 100㎚에 이르게되고, 종종 500㎚를 초과할 수도 있다. 이렇게 높은 거칠기를 갖게되면 표면의 후속 연마공정없이는 반사 코팅을 직접 증착시킬 수 없다.
종래 유리-세라믹 램프 반사경의 다른 문제점은 반사표면상에 미소균열 (microcracking)이 발생한다는 점이다. 이러한 균열은 결정화 열처리단계, 또는 램프 반사경의 사용 중(life cycle) 발생할 수 있다. 이러한 균열은 보통 반사 코팅상에 발생하고, 불충분한 루멘 출력 일관성으로 광반사 효율이 떨어지게된다.
따라서, 결정화시 후속 표면 연마공정없이도 생산할 수 있는 내열성, 낮은 열팽창성, 높은 표면 평활성의 램프 반사경 기판이 요구되고 있다.
본 발명의 발명자들은 전구 유리의 조성 및 결정화 공정을 제어하여 주 결정상으로 β-석영 고용체를 함유하는 유리-세라믹 램프 반사경 기판을 제조할 수 있음을 발견하였다. 본 발명에 따른 램프 반사경 기판은 극고압 호광 방출 램프용으로 요구되는 표면 평활성, 내열성, 열팽창율 및 근적외선 투과율을 갖는다.
본 발명은 이러한 발견을 기초로 완성되었다.
본 발명의 요약
본 발명의 일 측면에 따르면, 연마 없이 Ra<75㎚의 표면 거칠기를 가지며, 주 결정 상(predominant crystalline phase)으로서 β-석영 고용체를 함유하며, 25℃ 내지 300℃ 사이의 온도범위에서 ≤10×10-7K-1의 선형 열팽창계수 및 3㎜의 두께에서 >80%의 1050㎚에서의 광 투과율을 가지며, 56-67중량%의 SiO2; 19-22중량%의 Al2O3; 3.4-3.8중량%의 Li2O; 1.8-2.6중량%의 ZnO; 1.5-2.5중량%의 MgO; 3.3-5중량%의 TiO2; 0-2.5중량%의 ZrO2; 1.5-3중량%의 B2O3; 0-6중량%의 P2O5; 0-0.6중량%의 F; 500ppm 미만의 Fe2O3; 및 적어도 하나의 정련제(refining agent)로부터 초래된 성분 을 포함하는 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 유리-세라믹 제품 형성이 가능한 유리-세라믹 물질이 제공된다.
바람직하게는, 상기 유리-세라믹 물질은 2-4중량%의 P2O5를 포함한다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 유리-세라믹 물질은 0.3-0.5중량%의 F를 포함한다.
바람직하게는, 상기 주 결정 상으로서 β-석영 고용체는 본 발명의 유리-세라믹 물질 중 적어도 95부피%를 구성한다. 본 발명의 유리-세라믹 물질의 잔여 결정 상은, 만약 존재한다면, 루타일 및 흑연을 포함할 수 있다.
상기 정련제는 유리 용융에서 As2O3, Sb2O3, SnO2, CeO2, 염소, 질화물 및 황 화합물과 같은, 정련-유효량으로 사용되는 당업계에 공지된 모든 정련제일 수 있다. 일 구체예에서, As2O3가 정련제로서 사용된다. 바람직하게는, 질화물이 상기 정련제의 적어도 하나로서 사용된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 본 발명에 따른 유리-세라믹 물질의 화학적 조성을 갖는 유리 물질이 제공된다. 본 발명의 유리-세라믹 물질은 상기 유리 물질의 적합한 열 처리에 의해 얻어질 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 본 발명의 유리-세라믹 또는 유리 물질을 함유하는 램프 반사경이 제공된다.
본 발명의 램프 반사경은 예를 들어, 금속 할라이드 램프를 포함하는, 여러 가지 램프와 연결되어 사용될 수 있다. 본 발명의 유리-세라믹 물질을 함유하는 램프 반사경은 특히, 고온에서 통상적으로 작동하는, 고압 램프, 특히 극고압(UHP) 수소 방전 램프에 대해 장점을 갖는다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 하기 단계를 포함하는 내열 유리-세라믹 램프 반사경 기판의 제조공정이 제공된다:
(ⅰ) 56-67중량%의 SiO2; 19-22중량%의 Al2O3; 3.4-3.8중량%의 Li2O; 1.8-2.6중량%의 ZnO; 1.5-2.5중량%의 MgO; 3.3-5중량%의 TiO2; 0-2.5중량%의 ZrO2; 1.5-3중량%의 B2O3; 0-6중량%의 P2O5; 0-0.6중량%의 F; 500ppm 미만의 Fe2O3; 및 정련-유효량의 정련제를 포함하는 조성의 유리가 용융시 생성되도록 소정의 양의 원료 물질을 혼합하는 단계, 여기서 산화철 오염물은 최소화됨;
(ⅱ) 상기 (ⅰ) 단계의 원료 물질 혼합물을 최대 1550℃의 온도에서 용융 유리로 용융시킨 후 정련 및 균질화시키는 단계;
(ⅲ) 상기 (ⅱ) 단계의 용융 유리를 75㎚ 미만의 평균 표면 거칠기 Ra를 갖는 반사 표면을 갖는 램프 반사경 기판의 유리 몰딩으로 형성시키는 단계;
(ⅳ) 상기 유리 반사 몰딩을 어닐링 및 냉각시키는 단계;
(ⅴ) 상기 유리 반사경 기판 몰딩의 온도를 600 내지 750℃ 사이의 핵형성 온도(nucleation temperature)로 승온시키고 상기 몰딩을 상기 온도 범위에서 적어도 15분 동안 유지시키는 단계;
(ⅵ) 상기 유리 반사경 기판 몰딩의 온도를 700 내지 850℃ 사이의 결정화 온도(ceramming temperature)로 승온시키는 단계;
(ⅶ) 상기 반사경 기판의 온도를 상기 결정화 온도에서 30분 이상의 시간 동 안 유지시켜 β-석영 고용체로의 결정화를 완결시키는 단계; 및
(ⅷ) 상기 반사경 기판을 실온으로 냉각시키는 단계;
를 포함하며,
이로부터 주 결정 상으로서 β-석영 고용체 및 75㎚ 미만의 평균 거칠기를 갖는 반사 표면을 갖는 내열 유리-세라믹 램프 반사경 기판이 생성된다.
바람직하게는, 상기 (ⅰ) 단계의 원료 물질은 용융 유리가 2-4중량%의 P2O5를 함유하도록 할당된다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 (ⅰ) 단계의 원료 물질은 용융 유리가 0.3-0.5중량%의 F를 함유하도록 할당된다.
바람직한 구체예에서, 상기 (ⅴ) 단계에서, Tn이 약 650℃이고, 상기 유리 몰딩이 상기 온도에서 시간당 약 300℃의 승온온도로 약 2시간 동안 유지되며; 상기 (ⅵ) 단계에서, Tc가 약 750℃이고, 상기 몰딩이 Tn에서 Tc까지 시간당 약 50℃의 승온온도로 약 2시간 동안 유지되며; 상기 (ⅶ) 단계에서, 상기 몰딩이 Tc(750℃)에서 1시간 내지 2시간 동안 유지되어 결정화가 완결된다.
본 발명의 부가적인 특징 및 장점은 후술되는 상세한 설명에서 설명될 것이며, 부분적으로는 설명으로부터, 그리고 첨부되는 도면과 함께 상세한 설명 및 청구항에서 기술되는 바에 따라 본 발명을 실시함으로써 당업자의 당업자에게 용이하게 인식될 수 있을 것이다.
상술한 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명은 단지 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로서, 청구된 바에 따른 본 발명에 내재된 특성 및 특징의 이해 를 돕기 위한 개관으로서 제공하기 위한 것임이 주지되어야 한다.
첨부되는 도면은 본 명세서에 포함되어 그 일부분을 이루며, 본 발명의 보다 나은 이해를 돕기 위해 포함된다.
프로젝션 시스템(projection system)은 빠르게 발전하고 있으며, 일반적으로 프로젝션 시스템을 보다 컴팩트하게 만드는 추세이다. 높은 광수집 효율성을 유지하기 위해 영상 시스템이 작아질 수록 보다 작은 램프 호광(arcs)이 요구된다. 또 다른 추세는 보다 큰 스크린 루멘(lumens)(광도(brightness))이다. 높은 스크린 루멘을 얻기위해서, 보다 높은 휘도(luminance)의 프로젝션 램프가 요구된다. 높은 휘도는 고온의 방출 플라스마가 필요하다. 최대 200bar의 압력 및 최대 1100℃의 램프 밀봉(envelop) 온도에서 작동되는 고 휘도 프로젝터용 극고압(UHP) 단호광 수은 방출 램프가 개발되었다. 고휘도와 더불어, UHP 수은 방출 램프의 다른 장점은 보다 조화로운 색상의 방출광을 얻을 수 있다는 점이다. 595㎚의 적색광 방출은 램프 압력에 의해 크게 좌우된다. 예를 들어, 200bar 램프는 160bar에서 작동하는 램프보다 20%의 적광을 더욱 방출한다.
컴팩트-크기의 프로젝터에서 UHP 램프를 사용하기 위해서는 램프 반사경이 특정 요건을 만족해야한다. 우선, 사용되는 반사경은 보다 작은 크기여야 한다. 둘째, 방출 호광 및 램프 밀봉이 고온이므로, 반사경은 최대 550℃의 높은 온도에서 작동되어야 한다. 게다가, 램프를 켜고 끄는 것은 반사경 기판에 열충격을 줄수 있다. 파이렉스(pyrex)-타입의 보로실리케이트 유리, 심지어 알칼리-토 알루미노실리케이트 유리도 이러한 요구조건을 만족할 정도로 충분히 높은 운전 온도 또는 낮은 열팽창율을 갖지 못한다. 이렇게 혹독한 환경에서 상기와 같은 유리를 사용하면 열균열이 발생할 수 있다. 10×10-7K-1 미만의 운전 온도 범위(상온 내지 약 550℃)에서 매우 낮은 열팽창율을 갖는 물질이 반사경으로 특히 바람직하다. 상기 램프 반사경의 세 번째 요건은 효과적인 광수집 및 반사를 위해 포물선 또는 타원형과 같은 정밀한 표면 외형이다. 넷째, 효과적인 광반사를 위해서, 높은 표면 평활도(smoothness)의 반사면이 요구된다. 일반적으로 반사경 기판상에 코팅된 반사층은매우 얇기때문에, 반사면에 반사경 기판의 표면 결함 또는 불규칙성이 내재하게 된다. 육안으로 관찰되지 않더라도, 반사면상에 미시적인 조악한 결정 그레인, 미소-틈 및 오염물들이 조명 시스템의 효율성을 감소시키고 심지어는 고장을 일으킬 수 있다. 다섯째 램프 반사경의 조건은 적외선 및 근-적외선 파장의 투과이다. UHP 호광 방출 램프에 의해 소비되는 전력의 실질적인 부분은 적외선 및 근 적외선으로 방출된다. 따라서 이러한 “핫(hot)" 광선이 램프 반사경에 의해서 가시광선과 함께 광경로에 반사되지 않고, 반사층 및 반사경의 벽을 통해서 투과되고 방산되는 것이 바람직하다.
이러한 유리-세라믹 램프 반사경을 제조하는 일반적인 공정은 다음과 같은 단계를 포함한다: 유리를 용융시키는 단계; 용융된 유리를 반사경 기판 몰딩으로 형성시키는 단계; 냉각된 유리 몰딩을 결정핵이 성장할 수 있는 핵형성 온도까지 가열시키는 단계; 낮은 열팽창율을 갖는 유리-세라믹 램프 반사경 기판으로 상기 유리 몰딩이 전환되도록 상기 몰딩을 결정화 (ceramming) 온도까지 더욱 가열시키는 단계; 전극 납출용 홀을 뚫는 단계; UHP 수은 호광 방출 램프가 고정되는 최종 램프 반사경을 제조하기 위해 상기 반사표면상에 반사층을 코팅시키는 단계.
이러한 유리-세라믹 반사경 및 이의 제조방법은 일본공개특허 제1992-367538호 및 제1992-348302호에 개시되어 있다. 상기 두 문헌에 개시된 주된 결정상은 β-리티아휘석(spodumen) 및/또는 β-유클립타이트 고용체이다. 일본, 오카모토사의 제품을 XRD 분석한 결과에 따르면 반사경 기판의 주된 결정상은 소량의 β-유클립타이트 고용체가 포함된 β-리티아휘석 고용체이다. 도 2는 상기 제품의 XRD 분석 그래프이다. 상기 제품은 우유빛의 흰색이다. 이러한 유리-세라믹 램프 반사경 기판이 UHP 램프용으로 제조되어 사용되나, 반사경에 형성된 결정이 상당히 조악하여 후속 연마공정없이 반사층을 곧바로 코팅할 수 없을 정도로 반사 표면이 거칠다. 그러나, 형성된 유리-세라믹 반사경 기판의 후속 연마공정은 비싸고 어렵기 때문에 최종 제품 가격이 올라가게 된다.
본 발명의 발명자들은 주 결정상으로 β-석영 고용체를 갖는 매우 우수한 성질의 유리-세라믹 램프 반사경 기판을 제조할 수 있음을 발견하였다. 본 발명에 따라 형성된 램프 반사경은 상술한 바람직한 특성, 특히 후속 표면 연마공정없이도 75㎚ 미만의 우수한 표면 평활도를 갖는다. 상기 램프 반사경은 특히 고온에서 작동되는 UHP의 요구조건을 만족한다. 상기 반사경은 프로젝터의 조명 시스템을 소형화하는 경향에 맞추어 컴팩트한 크기로 제조할 수 있다.
본 발명의 램프 반사경의 유리-세라믹 물질은 56-67중량% SiO2, 19-22% Al2O3; 3.4-3.8중량% Li2O; 1.8-2.6중량% ZnO; 1.5-2.5중량% MgO; 3.3-5중량% TiO2; 0-2.5중량% ZrO2; 1.5-3중량% B2O3; 0-6중량% P2O5; 0-0.6중량% F; 500ppm 미만의 Fe2O3를 포함하며, 또한 As2O3, Sb2O3, SnO2, CeO2, 염화물, 질화물(nitrate), 및 설페이트 화합물과 같은 적어도 하나의 정련제(refinging agent)를 정련에 유효한 양으로 포함한다. 바람직하게, 본 발명의 램프 반사경의 유리-세라믹 물질은 2-4중량% P2O5이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 유리-세라믹 물질은 0.3-0.5중량% F를 함유한다. 본 발명의 램프 반사경 기판용 유리는 통상적으로 1550℃ 미만의 온도에서 용융되어 비교적 작은 상업용 유리 탱크에서 용융가능하다. B2O3 및 P2O5의 첨가하면 낮은 용융 온도에 도움이 된다. P2O5를 첨가하면 여러 장점이 있다. 첫째로, 유리 용융 온도를 낮출수 있다. 둘째, 유리에 보다 우수한 액상 성질을 부여하여 램프 반사경 기판 형성시 보다 유리하다. 또한, 결정화 사이클동안 핵 형성에 기여한다. 따라서, 조성물에 대하여 2-4중량%의 함량으로 P2O5를 첨가하면 매우 평활한 표면을 갖는 유리-세라믹 기판을 제조하는 데 도움이 된다. 또한 유리의 조성물과 결정화 공정 모두 최종 유리-세라믹 램프 반사경 기판의 표면 평활도에 영향을 줌을 발견하였다. 비록 적절한 평활도의 반사면을 형성할 수 있어도, 상기 조성물의 범위를 벗어나면 종종 표면 위 또는 근처에서 결정 그레인이 과도하게 커지거나 또는 미소 균열(또는 마이크로크랙)이 생성되므로 결정화 공정동안 반사 표면이 너무 거칠게 된다. 본 발명의 발명자는 뱃치 물질에 최종 유리 조성물에 대해 0.3 내지 0.5중량%의 함량으로 F를 첨가하면, 결정화 공정시 미세-균열을 현저히 줄일 수 있음을 발견하였다. 유리 뱃치내의 Li2O 함량을 3.4 내지 3.8중량%로 조절하면 β-석영 고용체 결정상의 형성에 도움이 된다. 본 발명의 유리-세라믹 램프 반사경 기판의 IR 및 근IR 투과율을 조절하기 위해서는 뱃치 물질에 실질적으로 FeO, CuO등의 IR 흡수 성분이 없어야 한다. 따라서, SiO2 소스로 뱃치 물질에 철 모래가 적은 것이 바람직하다. 또한 유리 용융 공정동안 철 오염을 가능한 피하는 것이 바람직하다. 통상적으로, 본 발명의 유리-세라믹 물질에 철 함량은 Fe2O3 중량을 기준으로 500ppm 미만으로 조절하는 것이 바람직하다. 실제로, 유리-세라믹 물질에 존재하는 철은 +2 또는 +3원자가(valency)이다. 가능한 많은 철이 +3 상태인 것이 바람직하다. 유리의 핵형성제인 TiO2 및 ZrO2의 함량은 결정화 속도 및 결정 그레인 크기에 상당한 영향을 준다. 따라서 상술한 바와 같은 범위로 조절하는 것이 중요하다.
적절한 결정화 단계 동안, 상술한 조성물을 갖는 램프 반사경 기판의 유리 몰딩은 유리-세라믹 반사경 기판을 형성하도록 결정화된다. 본 발명의 결정화된(cerammed) 램프 기판은 투명한 회색 또는 투명한 황갈색(tan)을 갖는다. 통상적으로, 주 결정상으로 β-리티아휘석을 함유하는 유리-세라믹 물질은 우유빛의 흰색이다. 본 발명의 유리-세라믹 램프 반사경 기판의 결정상이 β-석영 고용체임을 XRD분석을 통해 확인하였다. β-석영 고용체는 매우 낮은 열팽창계수의 준안정(metastable) 육각형 결정상이다. 일반적인 조성물은 (Li2, R)O·Al2O3·nSiO2이며, 여기서 n은 2 내지 10으로 다양하고 R은 보통 Mg2+ 또는 Zn2+등의 이가 양이온이다.
본 발명의 유리-세라믹 램프 반사경 기판은 (i) 적절한 비율로 뱃치 물질을 혼합하는 단계; (ii) 상기 뱃치 혼합물을 유리 탱크에서 용융시키고 균질화시키고 용융된 유리를 정련하는 단계; (iii) 상기 용융된 유리로 75㎚ 미만의 반사 표면 거칠기(Ra)를 갖는 유리 몰딩을 형성시키는 단계; (iv) 상기 유리 몰딩을 어닐링시키는 단계; (v) 냉각된 유리 몰딩을 결정핵이 형성되는 핵형성 온도로 가열시키는 단계; (vi) 상기 유리 몰딩이 결정화되는(cerammed) 결정화 온도로 더욱 가열시키는 단계; (vii) 상기 형성된 유리-세라믹 램프 반사경 기판을 냉각 및 어닐링시키는 단계를 통해 제조된다. (v) 및 (vi) 단계, 즉, 핵형성 및 결정화 단계의 유리 조성물뿐만 아니라 온도-시간 프로파일은 결정상, 어셈블리지(assemblage) 및 그레인 크기를 결정하고, 따라서 최종 유리-세라믹 램프 반사경 기판의 품질이 결정된다.
상술한 바와 같이, 최종 램프 반사경 기판이 우수한 IR 및, 특히 근 IR 투과율을 갖기 위해서는, 뱃치 물질에 실질적으로 IR 및 근IR 흡수 성분이 없어야한다. 따라서, 소량의 철 함량 모래가 SiO2 소스로 바람직하다. 모래 및 다른 뱃치 물질의 철 함량을 줄이기 위해 산 전처리가 필요할 수 있다. 뱃치 물질 자체의 처리가 철 산화물을 유입시키지 않는다는 것을 확인하는 것이 중요하다. 무수 붕산을 B2O3 소스로 사용할 수 있다. 리티아휘석(spodumene) 미세 알루미나, 및 Al-메타포스페이트를 개시 물질로 사용할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유리는 As2O3로 정련된다. 상기 유리는 산화시키는 것이 바람직하다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, NH4NO3와 같은 질화물을 적어도 하나의 정련제로 사용한다. 질화물은 또한 유리에서 소량의 Fe2+를 Fe3+로 산화시킨다. 철산화물의 IR 흡수는 Fe3+가 아닌 Fe2+에 의해 야기되므로, 질화물의 사용은 본 발명의 유리 및 유리-세라믹 물질의 IR 투과성을 향상시킨다. 당분야의 당업자라면 사용된 뱃치 물질의 함량을 계획된 최종 유리-세라믹 물질의 조성물에 따라서 산출할 수 있다. 다음으로 혼합된 뱃치 물질을 유리 탱크에 채우고 통상적인 유리 용융법에 따라 용융시킨다. 유리 용융 분야의 당업자라면 유리 용융 탱크의 운전 성능 및 온도에 따라서 상술한 조성 범위의 뱃치 물질 조성물을 제어하여 유리가 용이하게 용융되도록 할 수 있다. 상기 용융된 유리를 통상적인 방법으로 균질화시키고 정련시킨다. 1600℃가 넘는 용융 온도를 갖는 유리들은 β-석영 고용체 유리-세라믹 물질이 형성되도록 결정화시키는 동안, 이러한 고온 용융은 통상 크고 비싼 용융 탱크에서 수행되어야한다. 또한, 이러한 고온 용융 유리의 액체 성상은 보통 보다 높은 온도의 프레싱 및 몰딩이 요구된다. 따라서 상기 유리 물질 자체는 본 발명의 일측면을 구성한다.
상기 균질화시키고, 정련된 열적으로 균일한 용융 유리를 고온의 몰드로 이동시키고 유리 램프 반사경 기판 몰딩으로 성형시킨다. 75㎚ 미만의 표면 거칠기(Ra) 및 정밀한 표면 외형을 얻기 위해서, 몰드에 채워진 다량의 유리 덩어리를 프레스하기 위해서 정밀 플런저(plunger)가 필요하다. 상기 플런저로 인해 역시 반사경 기판 표면상에 IR 흡수 산화물이나 다른 결함이 유입되지 않도록 하는것이 필요하다. 상기 몰딩을 이후 몰드에서 제거하고 유리 어닐러(annealer)로 이동시켜서 후속공정을 위해 몰딩의 충분한 압력을 제거한다. 이후, 냉각된 유리 몰딩의 품질제어 목적으로 화학적 및 물리적 성질을 조사 분석하였다. 표면 거칠기 및 외관을 조사하였다. 일반적으로, 기판의 반사면은 평활하고 정교한 포물선 또는 타원형이어야한다. 이러한 유리 몰딩을 후속 결정화 단계없이 반사 코팅의 코팅과정과 같은 후속 마감 단계를 거쳐서 파이렉스-타입 보로실리케이트 유리 물질이 필요한 특정 분야에서 램프 반사경 기판으로 사용할 수 있다. 높은 표면 거칠기 및 정교한 외관덕분에, 이러한 유리 램프 반사경은 높은 일관성있는 루멘 출력을 제공한다. 이러한 유리 램프 반사경 기판은 본 발명의 또 다른 일 측면을 구성한다.
본 발명의 유리-세라믹 램프 반사경을 제조하기 위해서, 상기 준비된 유리 몰딩을 결정화(ceramming) 화로(kiln)에 위치시켜서 결정화 공정을 수행한다. 화로의 온도-시간 프로파일은 유리 몰딩이 주 결정상으로 β-석영 고용체를 갖고, 약 75㎚ 미만의 반사 표면 거칠기를 갖도록 프로그램으로 조절 및 최적화시킨다. 상술한 바와 같이, 결정화 공정동안의 유리 조성물 및 열 변천사(history)는 최종 제품의 최종 결정상, 이들의 어셈블리지 및 결정크기를 결정한다. 통상, 유리 몰딩은 먼저 핵형성 온도(Tn)로 가열되어 결정 핵이 형성되기 시작한다. 이후, 이들은 보다 높은 최고 결정화 온도(Tc)로 가열되어 핵으로 부터 결정이 성장한다. 결정 핵은 Tn 에서 Tc로 가열되는 공정동안 계속 형성된다. 때때로 결정이 표면 미소균열을 피할 정도의 적절한 크기에 도달할 수 있는 시간 동안 Tc에서 몰딩을 유지시키는 것이 바람직하다. 본 발명의 유리-세라믹 램프 반사경 기판을 얻기 위한 핵형성 온도(Tn)는 600-750℃이고 최대 결정화 온도(Tc)는 700-850℃이다. Tc가 보다 높을 수록 유리-세라믹 물질의 β-석영 고용체가 β-리티아휘석으로 비가역적으로 변형되는 것으로 알려져 있다. 이러한 변형은 통상 결정 크기의 증가를 수반한다(보통 5 내지 10배). 결정크기가 크면 반사 표면이 조악해질 수 있다. 따라서, 주 결정상이 β-석영 고용체가 되도록 Tc는 보통 850℃ 미만으로 조절해야한다. β-석영 고용체와 더불어, 루타일(rutile) 및 가나이트(gahnite)와 같은 소량의 다른 결정상이 본 발명의 유리-세라믹에 만들어질 수 있다. 결정화 단계 후에, 상기 몰딩을 결정화 화로에서 방출시키고 상온으로 냉각시킨다. 당업자라면 상술한 범위내에서 다른 유리 조성물을 공급하도록 결정화 사이클의 Tn, Tc 및 온도-시간 프로파일을 조절할 수 있다. 본 발명의 유리-세라믹 물질의 평균 결정 크기는 35㎚ 미만이다. 냉각된 유리-세라믹 반사경 기판은 투명한 회색 또는 투명한 황갈색이다. 방출 램프의 전극용 홀을 이후 램프 반사경 기판에 뚫는다.
호광 방출 램프를 고정시키기 위한 램프 반사경을 제조하기 위해 반사층을 상기 반사 표면상에 마지막으로 코팅시킨다. 이러한 코팅은 바람직하게 다중 PICVD(Plasma Impulse Chemical Vapor Deposition) 반사 코팅이다 .상기 코팅 공정은 특히 램프 반사경 기판과 같은 삼차원 기판에 적합하다. PICVD 코팅은 예를 들어 모두 열에 강한, 100층 이상의 SiO2 및 TiO2를 포함한다. 최종 반사 코팅은 가시광선을 반사하고, IR 및 근IR 파장은 투과하도록 제조된다. 이러한 코팅을 콜드 미러(cold mirror) 코팅이라 한다. IR 광은 이후 유리-세라믹 램프 반사경의 벽을 통해 투과하고, 이후 열로 방산된다.
본 발명의 유리 및 유리-세라믹 물질을 램프 반사경과 연결시켜 설명하였다. 본 발명의 유리 물질로 제조된 램프 반사경은 운전 온도가 비교적 낮은, 예를 들어 파이렉스-타입 보로실리케이트 유리의 정상 운전 온도 범위에서 사용할 수 있다. 본 발명의 유리-세라믹 물질로 제조된 램프 반사경은 통상적인 프로젝션 디스플레이분야뿐만 아니라, UHP 램프를 사용하는 분야에서도 사용가능하다. 그러나, 본 발명의 유리 및 유리-세라믹 물질은 다른 분야의 디바이스에도 사용가능하다. 예를 들어, 상기 유리-세라믹 물질은 상술한 성질이 요구되는 캐비넷형 레인지(cooktop), 주방용 조리대(countertop) 및 빌딩 재료등에 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 유리-세라믹 램프 반사경 기판의 X-선 회절곡선(defractogram)이다. 피크들로 부터 램프 반사경 기판의 주 결정상이 β-석영 고용체임을 알 수 있다.
도 2는 종래 유리-세라믹 램프 반사경 기판의 X-선 회절곡선(defractogram)이다. 피크로부터 램프 반사경 기판의 주 결정상이 β-리티아휘석(spodumene) 고용체임을 알 수 있다.
도 3은 약 3㎜의 벽두께를 갖고 콜드 미러 코팅으로 코팅되지 않은 본 발명의 유리-세라믹 램프 반사경의 광 투과율을 나타내는 그래프이다.
도 4, 5 및 6은 본 발명의 유리-세라믹 램프 반사경 기판 샘플의 TEM 현미경 사진의 단면도이다.
도 7 및 8은 시판중인 유리-세라믹 램프 반사경 기판 샘플의 TEM 현미경 사진의 단면도이다.
도 9, 10, 11 및 12는 시판중인 다른 유리-세라믹 반사경 기판 샘플의 TEM 현미경 사진의 단면도이다.
실시예 1
하기 표 1에 나타낸 바와 같은 조성을 갖는 유리를 통상의 유리-용융법을 이용하여 제조하였다. 유리 C1은 B2O3 또는 P2O5를 함유하지 않으며 본 발명의 유리-세라믹 램프 반사경용 유리보다 높은 SiO2 함량을 갖는다는 점에서 비교예이다. 실시예 1-7 및 9-10의 유리는 본 발명에 따른 유리 및 유리-세라믹 램프 반사경 기판용이다. 유리 C2는 요구되는 양의 ZnO를 함유하지 않으며, 이 또한 비교예이다.
균질한 유리는 산화물, 탄화물, 및/또는 불소 원료 물질을 덮힌(covered) Pt 도가니에서 1550℃의 온도에서 6시간 동안 용융시켰다. 상기 유리를 물에 부어 조대한 분말로 만들었다. 상기 유리 분말을 Pt 교반기로 교반하기 전에 Pt 도가니에서 1600℃의 온도에서 5시간 동안 재-용융시켰다. 상기 유리를 스틸 석판 테이블(steel slab table) 위에 붓기 전에, 교반에 의해 생성되는 모든 기포를 없애기 위해 로 내에 1시간 동안 다시 위치시켰다. 상기 유리를 650℃의 온도에서 어닐링하 여 응력을 제거하였다. 마감처리된(finished) 유리 패티(patties)로부터 작은 샘플을 잘라내고(sawn), 이를 프로그램된 오븐에서 다양한 결정화 열 사이클에 놓았다. 상기 결정화 조건과 이로부터 얻어지는 유리-세라믹 물질의 성질을 하기 표 2에 나타내었다. 상기 유리-세라믹 물질의 결정 상 정보를 XRD로부터 얻었다.
이러한 실시예들의 테스트가 실험실 규모로 수행되었으나, 이들은 또한 당업자에 의해 대규모의 상업적 유리 탱크 규모에서도 수행되어, 결정화될 수 있음은 명백하다.
유리 번호 C1 1 2 3 4 5 6 7 C2 9 10
SiO2 68.1 64.79 64.4 63.49 62.19 62.79 62.29 60.79 55.43 62 60
Al2O3 19.3 20 19.9 21 22 20 20 20 24.2 20 20
Li2O 3.45 3.6 3.6 3.9 4.2 3.6 3.6 3.6 3.3 3.6 3.6
MgO 1.2 1.8 1.8 1.8 1.8 1.8 1.8 1.8 1.4 1.8 1.8
ZnO 1.62 2.2 2.2 2.2 2.2 2.2 2.2 2.2 1 2.2 2.2
BaO 0.8 - - - - - - - - - -
TiO2 2.6 4.3 4.3 4.3 4.3 4.3 4.3 4.3 2.5 4.3 4.3
ZrO2 1.7 - 0.5 - - - 0.5 - 2.5 - -
B2O3 - 2 2 2 2 2 2 2 - 2 2
P2O5 - - - - - 2 2 4 7.9 2 4
As2O3 0.85 1 1 1 1 1 1 1 - 1 1
Sb2O3 - - - - - - - - 1.5 - -
Na2O 0.14 0.22 0.22 0.22 0.22 0.22 0.22 0.22 0.26 0.22 0.22
K2O 0.17 0.06 0.06 0.06 0.06 0.06 0.06 0.06 0.06 0.06 0.06
F - - - - - - - - - 0.5 0.5
점도(P) @1550℃ 610 280 270 210 170 250 240 230 280 230 210
액상 온도 (℃) 1350 1240 1240 1255 1265 1235 1215 1205 1385 1235 1200
점도(kP) @액상온도 7 11 10 7.5 4 10 13 11 1.7 8.5 13
유리번호 C1 1 2 5 5 6 6 7 7 7 10 10
Tc(℃) 900 750 800 750 800 750 800 750 750 750 750 750
시간 @Tc (분) 30 120 120120 120 120 120 120 30 60 120 60 120
Tn(℃) 800 - - - - - - 600 600 650 600 650
CTE25 -475℃ (×10-7K-1) 1 - - 1.7 6.1 - - - 3.7 2.7 8.7 9.3
결정 상* P2 P1 P2 (sl) P3 P2 P4 (sl) P5 (sl) P2 P2 P3 P4 (sl) P5 (sl) P2 P2 P3 P4 (sl) P5(tr) P2 P1 P2 P2 P4(tr) P5(tr) P2 P4(tr) P5(tr) P2 P4(tr) P5(tr)
* 존재하는 양(피크 세기)의 순서로 나타냄. sl: 약간의 양 ; tr: 미량 P1: 유리, P2: β-석영; P3: β-리티아휘석; P4: 흑연; P5: 루타일.
표 1에 나타낸 데이타로부터, 유리 1-7과 9-10이 비교예 유리 C1에 비해서 1550℃에서 보다 낮은 점도를 나타냄을 알 수 있다. C1이 주 결정 상으로서 β-석영 고용체를 갖는 유리-세라믹 물질로 결정화될 수 있지만, 이들의 고 융점 및 액상 온도는 본 발명의 유리-세라믹 램프 반사경 기판에 비해 전구체 유리로서 덜 바람직함을 나타낸다. 실제, 유리 1-7과 9-10에 대한 점도 대비 전반적인 고온의 관계는 1000-1550℃의 범위에 걸쳐 유리 C1 보다 낮은 점도를 나타냄을 보여준다. 이러한 조성 정보는 이러한 온도범위에 걸쳐 보다 낮은 점도가 비교예 유리 C1에 B2O3 및 P2O5를 첨가함으로써 주로 달성됨을 나타낸다. 이는 또한, 상기 조성에 불소를 더욱 첨가함으로써 보다 많은 점도 감소가 일어날 수 있음을 나타낸다. 또한, 표 1로부터, 액상 온도 비교에서 유리 1-7과 9-10이 비교예 유리 C1과 C2에 비해 실질적으로 보다 낮은 액상 온도를 가짐을 알 수 있으며, 이들 중 일부는 액상 온도에서 약간 보다 높은 점도를 가짐을 알 수 있다. 이러한 두가지 결과는 유리 1-7과 9-10을 가압하여 반사경 형상으로 형성하는데 몇 가지 이점을 가짐을 제시한다.
표 2로부터, 최종 결정 상과 어셈블리지(assemblage)가 단지 유리 조성 뿐 아니라 결정화 사이클의 온도-시간 프로파일에 의존함을 알 수 있다. 120분에서 최대 결정화 온도를 갖는 사이클을 가지며, 단지 B2O3가 첨가된 유리 1은 주로 유리상으로 남아있음이 발견되었다. 동일한 열 사이클을 갖는 유리 5 및 6은 우수한 투명성과 고 반사율의 부드러운 에어 표면(air surface)을 유지하는 피스(pieces)를 갖는, β-석영 고용체만을 생성하였다. 이들 유리는 유리 1의 B2O3에 덧붙여 P2O5를 갖는다. P2O5는 이러한 유리들에서 β-석영 고용체 상의 성장과 핵형성을 돕는 것이 분명하다. 유리 7 및 10은 또한 750℃ 최대 온도 유지 사이클에서 β-석영 고용체가 주요 상임을 나타낸다. 열 사이클이 800℃의 최대 온도를 가질 경우, X-선 회절그래프에서 부가적인 상이 나타난다. 일반적으로 β-리티아휘석은 상기 최대 결정화 온도가 높을 경우 β-석영 고형체를 갖는 또 다른 Li2O-Al2O3-SiO2 상으로서 나타난다. 소량의 흑연(ZnAl2O4-스피넬)과 루타일(TiO2)이 β-석영 고형체가 주 결정 상일때 나타난다. 또한, 주 결정 상으로서 β-석영 고형체를 갖는 유리-세라믹 물질은 주 결정 상으로서 β-리티아휘석 고용체를 갖는 것에 비해 보다 낮은 열팽창성을 갖는 경향이 있음을 알 수 있다. 이러한 점은 주 결정 상으로서 β-석영 고형체를 함유하는 유리-세라믹 물질의 이점으로 작용한다.
실시예 2
실시예 1의 유리 7로부터 타원형의 반사 표면과 약 3㎜의 벽 두께를 갖는 유리 램프 반사경 기판을 형성하였다. 상기 유리를 상업용 유리 탱크에서 용융하였다. 이를 650℃의 Tn, 750℃의 Tc와 Tc에서 60분 동안의 유지에 의해 결정화하였다. 이로부터 얻어진 유리-세라믹 램프 반사경 기판의 광 투과 성질을 측정하여, 투과율 곡선을 도 3에 나타내었다. 이는 상기 유리-세라믹 램프 반사경 기판이 약 3㎜의 두께에서 80% 이상의 1050㎚에서의 IR 투과율을 가짐을 보여준다. XRD 분석은 주 결정 상으로서 β-석영 고형체를 가짐을 보여준다. 측정된 평균 표면 거칠기는 70㎚ 이하였다. 어떠한 표면 미소-균열도 관찰되지 않았다. 윤곽(contour)을 정밀하게 측정하였다. 다음으로, 상기 램프 반사경 기판을 다중 콜드 거울 코팅제로 코팅하였다. 테스트 결과는 600℃에서 장시간의 사용에 적합함을 보여주며, 높은 루멘(lumen) 출력 일관성(consistency)을 가지며 테스트 시 반사 표면 상에 어떠한 미소 균열도 나타나지 않았다.
실시예 3
본 실시예에서는, 시험 가압 운전 동안 상기 유리 용융 탱크로부터 4개의 유리 패티들을 덩어리(gobs)로 수집하였다. 이들은 발생 로(developmental furnace), 가압 및 결정화 운전 동안 생성된 가압 유리 반사경 중량의 약 2배였다. 이러한 패티들을 가압동안 어닐링하였다. 다음 이들을 반으로 커팅하였다. 각각의 패티의 절반 중 하나는 상기 반사경 피스에 대해서 선택된 열 처리 스케줄에서 가압된 피스들과 함께 화로(kiln)에서 결정화하였다. 상기 패티 유리의 샘플들과 대응하는 유리-세라믹(본 발명에서 물질로서 나타냄)을 상기 기판 반사경에 대해 사용된 유리의 결정화 시 표면 거칠기가 변화된다면 결정되는 AFM(Atomic Force Microscopy)을 이용하여 특성화하였다. 상기 샘플로부터의 모든 유리와 결정화된 유리에서, 표면 거칠기를 각각의 패티의 원래 공기 면(air side)이 무엇인지에 따라 결정하였다.
상기 반사경 기판 물질의 샘플로 만들어진 패티들을 각각 2×2㎛ 면적과 20×20㎛ 면적 위에서의 AFM을 이용하여 평균 표면 거칠기(Ra)를 측정하였다. 다음, 상기 유리-세라믹 기판의 표면 거칠기를 각각 2×2㎛ 면적과 20×20㎛ 면적 위에서의 AFM을 이용하여 측정하였다. 표면 거칠기 데이타로부터 상기 램프 반사경 물질의 표면 거칠기가 결정화 후에도 그다지 변화되지 않았음을 알 수 있었다.
실시예 4
본 실시예에서는, 본 발명에 따른 2가지 유리-세라믹 램프 반사경 기판을 TEM(Transmission Electronic Microscopy)을 이용하여 특성화하였다. 반사경 기판의 단면적을 노출시키기 위하여 본 발명에 따른 2개의 램프 반사경들(약간 서로 상이한 결정화 스케줄에 따라 제조됨)을 커팅하여 샘플을 제조하였다. 다음, 상기 단면들을 마이크로톰과 연속적인 아르곤 이온 밀링을 통해서 얇은 섹션으로 만들었다. 이로부터 상기 샘플들의 TEM 이미지를 얻었다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 샘플 유리-세라믹 램프 반사경 단면의 TEM 이미지 현미경사진이다. 도 4의 화살표는 샘플의 표면 자리를 지시한다. 도 4에서 많은 세라믹 결정 입상(grains)들을 관찰할 수 있다. 상기 표면과 가장 근사한 입상 사이의 거리는 100㎚ 미만이다. 상기 표면과 입상 사이의 층이 필수적으로 유리 상을 포함하는 유리층인 것으로 생각된다. 도 5는 표본 내의 세라믹 결정 입상의 이미지이다. 상기 이미지로부터 결정 입상의 크기가 20㎚ 내지 60㎚의 범위임을 알 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 또 다른 유리-세라믹 램프 반사경 기판의 단면 TEM 이미지이다. 도 4와 유사하게, 상기 표본의 표면 근처에서 세라믹 결정 입상이 관찰되었다. 그러나, 상기 샘플의 표면은 이미지에서 나타나지는 않는다.
실시예 5( 비교예 )
본 실시예에서는, 시판되는 유리-세라믹 램프 반사경 기판을 TEM을 이용하여 특성화하였다. 실시예 4에서 기술한 것과 실질적으로 동일한 방법에 따라 샘플을 제작하였다.
도 7 및 8은 상기 시판되는 샘플의 이미지이다. 도 7은 다중층의 콜드 거울 반사 코팅과 상기 코팅층 아래의 표본의 영역을 나타낸다. 상기 코팅층 아래 약 500㎚ 깊이까지 어떠한 세라믹 결정 입상도 관찰되지 않았다. 그러나, 상기 이미지에서 500㎚ 보다 더 깊은 코팅층 아래의 면적은 세라믹 결정 입상을 확인하기에는 너무 두터웠다. 따라서, 상기 표본의 표면 아래의 무정형 층의 두께는 적어도 500㎚이었다. 따라서, 상기 시판되는 샘플의 유리-세라믹 기판에서 적어도 500㎚ 두께의 표면 유리층이 존재한다. 도 8은 상기 표본내의 입상을 보여주는 이미지이다.
실시예 6( 비교예 )
본 실시예에서는, 또 다른 시판되는 유리-세라믹 램프 반사경 기판을 TEM을 이용하여 특성화하였다. 실시예 4에서 기술한 것과 실질적으로 동일한 방법에 따라 샘플을 제작하였다.
도 9, 10, 11 및 12는 시판 샘플의 TEM 이미지이다. 도 9 및 10은 상기 표면 아래의 무정형층의 두께가 약 1㎛임을 나타낸다. 도 11은 총 약 30층인 다중층의 코팅을 나타낸다. 도 12는 상기 샘플 내의 결정 입상을 나타낸다. 따라서, 상기 유리-세라믹 기판에서(상기 표면 다중-층 반사 코팅제 없이) 약 1㎛의 표면 유리층이 존재한다.
실시예 4 내지 실시예 5 및 6의 비교는 본 발명의 유리-세라믹 램프 반사경 기판이 시판되는 샘플들에 비하여 더욱 얇은 유리 표면층을 가짐을 보여준다. 유리 표면층은 상기 기판의 유리-세라믹 바디와 다른 CTE를 갖는 것으로 생각된다. CTE가 상이함에 따른 결과로서, 미소균열이 결정화 공정 동안 발생될 수 있으며, 이는 곧 수득률을 낮추거나 또는 램프가 승온된 온도에서 작동하는 경우 램프의 수명동안 램프 성능의 감소를 초래하는 요인으로 작용할 수 있다. 따라서, 시판되는 제품과 비교할 때, 본 발명의 유리-세라믹 램프 반사경 기판은 표면 상에서 미소-균열 형성이 거의 나타나지 않는 편이다.
결정상들이 표면 상에서 또는 그 부근에서 형성한다면 유리 제품의 결정화는 표면 거칠기의 악화를 초래할 수 있는 것으로 생각된다. 따라서, 결정화시 상대적으로 두꺼운 잔여 유리상 표면이 상기 램프 반사경 기판의 표면 성질에 영향을 미치는 것으로 생각된다. 이러한 점이 실시예 5 및 6의 시판 샘플이 상대적으로 두꺼운 표면 유리층(각각 약 500㎚ 및 1㎛)을 갖는 이유인 것으로 생각된다. 그러나, 실시예 3에서는 본 발명의, 훨씬 얇은 유리상 층을 갖는 유리-세라믹 램프 반사경 기판이 상기 유리 몰딩시 여전히 낮은 표면 거칠기를 가짐을 보여준다. 이는 본 발명의 물질에 대해서 예기치 않은 결과였다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다. 따라서, 본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위 및 그 동등범위에 의하여 명확해질 것이다.

Claims (14)

  1. 연마 없이 Ra<75㎚의 표면 거칠기를 가지며, 주 결정 상(predominant crystalline phase)으로서 β-석영 고용체를 함유하며, 25℃ 내지 300℃ 사이의 온도범위에서 ≤10×10-7K-1의 선형 열팽창계수 및 3㎜의 두께에서 >80%의 1050㎚에서의 광 투과율을 가지며, 56-67중량%의 SiO2; 19-22중량%의 Al2O3; 3.4-3.8중량%의 Li2O; 1.8-2.6중량%의 ZnO; 1.5-2.5중량%의 MgO; 3.3-5중량%의 TiO2; 0-2.5중량%의 ZrO2; 1.5-3중량%의 B2O3; 0-6중량%의 P2O5; 0-0.6중량%의 F; 500ppm 미만의 Fe2O3; 및 적어도 하나의 정련제(refining agent)로부터 초래된 성분을 포함하는 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 유리-세라믹 제품 형성이 가능한 유리-세라믹 물질.
  2. 제1항에 있어서, 상기 물질은 2-4중량%의 P2O5를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리-세라믹 물질.
  3. 제1항에 있어서, 상기 물질은 0.3-0.5중량%의 F를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리-세라믹 물질.
  4. 제1항에 있어서, 상기 β-석영 고용체는 상기 유리-세라믹 물질 중 적어도 95부피%를 구성하는 것을 특징으로 하는 유리-세라믹 물질.
  5. 56-67중량%의 SiO2; 19-22중량%의 Al2O3; 3.4-3.8중량%의 Li2O; 1.8-2.6중량%의 ZnO; 1.5-2.5중량%의 MgO; 3.3-5중량%의 TiO2; 0-2.5중량%의 ZrO2; 1.5-3중량%의 B2O3; 0-6중량%의 P2O5; 0-0.6중량%의 F; 500ppm 미만의 Fe2O3; 및 적어도 하나의 유효량의 정련제로부터 초래된 성분을 포함하는 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 유리 물질.
  6. 제5항에 있어서, 상기 물질은 2-4중량%의 P2O5를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 물질.
  7. 제5항에 있어서, 상기 물질은 0.3-0.5중량%의 F를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 물질.
  8. 제1항에 따른 유리-세라믹 물질을 함유하는 유리-세라믹 램프 반사경 기판.
  9. 제8항에 있어서, 상기 기판은 표면의 미소-균열이 없는 것을 특징으로 하는 유리-세라믹 램프 반사경 기판.
  10. 제8항에 있어서, 상기 기판은 100㎚ 미만의 두께를 갖는 표면 유리층을 갖는 것을 특징으로 하는 유리-세라믹 램프 반사경 기판.
  11. 제5항의 유리 물질을 함유하는 것을 특징으로 하는 유리 램프 반사경 기판.
  12. (ⅰ) 56-67중량%의 SiO2; 19-22중량%의 Al2O3; 3.4-3.8중량%의 Li2O; 1.8-2.6중량%의 ZnO; 1.5-2.5중량%의 MgO; 3.3-5중량%의 TiO2; 0-2.5중량%의 ZrO2; 1.5-3중량%의 B2O3; 0-6중량%의 P2O5; 0-0.6중량%의 F; 500ppm 미만의 Fe2O3; 및 정련-유효량의 정련제를 포함하는 조성의 유리가 용융시 생성되도록 소정의 양의 원료 물질을 혼합하는 단계, 여기서 산화철 오염물은 최소화됨;
    (ⅱ) 상기 (ⅰ) 단계의 원료 물질 혼합물을 최대 1550℃의 온도에서 용융 유리로 용융시킨 후 정련 및 균질화시키는 단계;
    (ⅲ) 상기 (ⅱ) 단계의 용융 유리를 75㎚ 미만의 평균 표면 거칠기 Ra를 갖는 반사 표면을 갖는 램프 반사경 기판의 유리 몰딩으로 형성시키는 단계;
    (ⅳ) 상기 유리 반사 몰딩을 어닐링 및 냉각시키는 단계;
    (ⅴ) 상기 유리 반사경 기판 몰딩의 온도를 600 내지 750℃ 사이의 핵형성 온도(nucleation temperature)로 승온시키고 상기 몰딩을 상기 온도 범위에서 적어도 15분 동안 유지시키는 단계;
    (ⅵ) 상기 유리 반사경 기판 몰딩의 온도를 700 내지 850℃ 사이의 결정화 온도(ceramming temperature)로 승온시키는 단계;
    (ⅶ) 상기 반사경 기판의 온도를 상기 결정화 온도에서 30분 이상의 시간 동안 유지시켜 β-석영 고용체로의 결정화를 완결시키는 단계; 및
    (ⅷ) 상기 반사경 기판을 실온으로 냉각시키는 단계;
    를 포함하며,
    이로부터 주 결정 상으로서 β-석영 고용체 및 75㎚ 미만의 평균 거칠기를 갖는 반사 표면을 갖는 내열 유리-세라믹 램프 반사경 기판이 생성되는 것을 특징으로 하는 내열 유리-세라믹 램프 반사경 기판의 제조공정.
  13. 제14항에 있어서,
    상기 (ⅴ) 단계에서, Tn이 약 650℃이고, 상기 유리 몰딩이 상기 온도에서 시간당 약 300℃의 승온온도로 약 2시간 동안 유지되며;
    상기 (ⅵ) 단계에서, Tc가 약 750℃이고, 상기 몰딩이 Tn에서 Tc까지 시간당 약 50℃의 승온온도로 약 2시간 동안 유지되며;
    상기 (ⅶ) 단계에서, 상기 몰딩이 Tc(750℃)에서 1시간 내지 2시간 동안 유지되어 결정화가 완결되며; 그리고
    상기 (ⅷ) 단계에서, 상기 기판은 약 1시간 실온으로 냉각되는 것을 특징으로 하는 공정.
  14. 제14항에 있어서, 상기 유리의 용융시 정련제로서 질화물(nitrate)이 사용되는 것을 특징으로 하는 공정.
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