이산화규소는 유리의 주요 구조 성분입니다. 유리가 높은 강도와 우수한 화학적 안정성을 유지하는 데 도움이 됩니다. 석영모래는 유리산업에서 가장 중요한 산업 원료입니다.평판 유리, 용기 유리, 초투명 유리, 태양광 유리, 석영 유리 등에 사용됩니다.
통계에 따르면 2023년 중국의 평판 유리 생산량은 9억 6,941만 8천 상자였고, 석영 모래 소비량은 약 3,247만 톤이었습니다.
2023년에도 중국은 2,478만 3천 톤의 태양광 압연 유리를 생산했습니다. 태양광 유리 1톤을 생산하는 데 약 0.71톤의 저철분 석영 모래가 사용되므로, 총 석영 모래 소비량은 약 1,760만 톤이었습니다.
이러한 수치를 바탕으로 볼 때, 중국은 2023년에 평판 유리와 태양광 유리에만 5,000만 톤 이상의 석영 모래가 필요할 것으로 예상됩니다.
유리 산업에서 석영 모래의 품질 요건은 주로 화학적 조성, 안정성, 그리고 입자 크기, 이 세 가지에 중점을 둡니다. 유리 종류에 따라 필요한 석영 모래의 종류도 다릅니다.
주요 유리 제품 유형에는 평판 유리, 용기 유리, 강화 유리, 태양광 유리, 전자 유리 등이 있습니다.
현재 중국은 평판 유리나 강화 유리와 같은 일반 유리 제품에 사용되는 석영에 대한 수요가 낮습니다. 이러한 유형의 석영은 석영 사암이나 규암처럼 채굴하기 쉬운 대규모 자원에서 얻을 수 있습니다.
태양광 유리와 같은 저철분 초투명 유리의 경우, 석영 모래는 약간 더 높은 품질이 필요합니다. 석영 모래는 고급 석영 사암, 맥석영, 규암 또는 천연 석영 모래로 제작할 수 있습니다.
석영 유리에는 고순도 석영 모래가 필요합니다.
1. 평판 유리
중국은 1988년부터 35년 연속 세계 최대 평판 유리 생산국 자리를 지켜왔습니다. 다른 나라들은 아직 중국을 따라잡지 못했습니다.
2024년 중국 주요 기업의 평판 유리 생산량은 10억 중량 상자로 예상되며, 이는 전년 대비 29% 증가한 수치입니다.
평판 유리는 유리 가공에 사용되는 기본 소재입니다. 일반적으로 일반 평판 유리를 말하며, 원판 유리 또는 투명 유리라고도 합니다. 가장 널리 사용되는 유리 종류입니다.
평판 유리 제품에는 철망 유리, 패턴 유리, 유리 벽돌, 단열 유리 등이 있습니다.
평판 유리 제품에 따라 석영 모래의 필요량이 다릅니다. 평판 유리에 사용되는 석영 모래는 화학 성분과 입자 크기에 따라 두 가지 등급으로 나뉩니다.
Class I: 산화 알루미늄(Al₂O₃) 함량 낮음
2등급: 산화 알루미늄 함량이 더 높음
산업 표준 JC/T 529-2000 "평판 유리용 실리카 원료"는 평면 유리에 사용되는 석영 모래의 화학적 구성, 입자 크기 및 기타 특성에 대한 요구 사항을 설정합니다.
평판 유리용 석영 모래의 화학 성분 및 수분 함량 요구 사항
| 석영 모래 등급 | w(SiO₂)/% | w(Al₂O₃)/% | w(Fe₂O₃)/% | w(H₂O)/% |
|---|---|---|---|---|
| 1학년 | ||||
| 프리미엄 등급 | ≥98.50 | ≤0.50 | ≤0.05 | |
| ≥98.00 | ≤1.20 | |||
| 1학년 | ≥98.50 | ≤0.70 | ≤0.10 | |
| ≥97.50 | ≤1.20 | ≤5.00 | ||
| 2학년 | ≥98.00 | ≤0.70 | ≤0.15 | |
| ≥96.50 | ≤1.50 | |||
| 3학년 | ≥98.00 | ≤0.70 | ≤0.20 | |
| ≥96.50 | ≤1.50 | |||
| 2학년 | ||||
| 1학년 | ≥92.00 | ≤4.00 | ≤0.20 | |
| 2학년 | ≥90.50 | ≤4.50 | ≤0.30 |
평판 유리용 석영 모래의 화학 조성 변동값 요구 사항
| 석영 모래 등급 | 화학 조성 %의 변동 값 | ||
| SiO₂ | Al₂O₃ | Fe₂O₃ | |
| 1학년 | |||
| 프리미엄 등급 | ±0.20 | ±0.10 | ±0.01 |
| 1학년 | ±0.30 | ±0.15 | – |
| 2학년 | ±0.30 | ±0.20 | – |
| 3학년 | ±0.30 | ±0.20 | – |
| 2학년 | |||
| 1학년 | ±0.30 | ±0.20 | – |
| 2학년 | ±0.30 | ±0.20 | – |
| 석영 모래 등급 | 입자 크기 구성 / % | |||
| +1mm | +710마이크로미터 | +500마이크로미터 | -100마이크로미터(-125마이크로미터) | |
| 1학년 | ||||
| 프리미엄 등급 | ≤0(0) | ≤0.5(0.5) | ≤5.0 (5.0) | ≤5.0 (5.0) |
| 1학년 | ≤0(0) | ≤0.5(0.5) | ≤5.0 (5.0) | ≤10.0 (5.0) |
| 2학년 | ≤0(0) | ≤0.5(0.5) | ≤5.0 (5.0) | ≤20.0 (8.0) |
| 3학년 | ≤0(0) | ≤0.5(0.5) | ≤5.0 (5.0) | ≤20.0 (8.0) |
| 2학년 | ||||
| 1학년 | ≤0(0) | ≤0.5(0.5) | ≤5.0 (5.0) | ≤5.0 (5.0) |
| 2학년 | ≤0(0) | ≤0.5(0.5) | ≤5.0 (5.0) | ≤5.0 (5.0) |
메모: 괄호 안의 값은 천연 실리카 모래 제품에 대한 요구 사항입니다.
2. 데일리 글래스
일상적으로 사용되는 유리에는 병, 용기, 실험실 유리기구, 제약용 유리 등이 포함됩니다. 이러한 유리는 포장재로 사용됩니다. 음식음료, 양조, 제약 산업(예: 맥주병, 잔, 유리 장식품, 약병)
제약용 붕규산 유리는 열과 화학적 부식에 강해야 합니다.
석영 모래는 약 1730℃의 고온에서 녹습니다. 석영의 입자 크기는 유리 형성 방식에 영향을 미칩니다.
실제 생산에서는 석영 입자가 각이 지고 표면적이 넓어야 혼합 중 재료 분리를 방지할 수 있습니다. 이상적인 입자 크기는 60~140메시입니다.
산업 표준 DZ/T 0207-2002 "유리 실리카 원료의 지질 탐사 사양"은 용기 유리에 사용되는 석영 모래의 품질 요구 사항을 설명합니다.
용기 유리용 석영 모래의 품질 요구 사항
| 지시자 | 1학년 | 2학년 | 3학년 |
|---|---|---|---|
| w(SiO₂)/% | >99 | >96 | >90 |
| w(Al₂O₃)/% | <1.0 | <2.0 | <4.0 |
| w(Fe₂O₃)/% | <0.05 | <0.10 | <0.35 |
| w(Cr₂O₃)/% | <0.001 | — | — |
| 메모: | 실험실 유리기구(크리스털 유리 제외) | 일반용기 유리 및 무색유리 | 일반 병과 항아리 유리 |
3. 태양광 유리
태양광 유리는 심층 가공을 통해 매우 흰색의 유리 시트로 만들어집니다.
초백색 유리는 저철분 유리 또는 고투명 유리라고도 하며, 매우 높은 빛 투과율(≥ 91.5%), 낮은 철분 함량(일반적으로 100~150ppm) 및 매우 투명한 외관을 갖춘 새로운 유형의 유리입니다.
태양광 유리는 가능한 한 많은 빛을 통과시켜야 하기 때문에 철분 함량이 매우 낮은 석영 모래가 필요합니다.모래 속의 철분은 유리에 얼룩을 남기고 빛 투과율을 감소시킬 수 있습니다.
산업 표준 JC/T 2314-2015 "태양광 유리용 실리콘 원료"는 이 유형의 유리에 사용되는 석영 모래에 대한 엄격한 품질 요구 사항을 설정합니다.
| 매개변수 | 1학년 | 2학년 |
|---|---|---|
| SiO₂/% | ≥99.5 | ≥99.0 |
| Al₂O₃/% | ≤0.20 | ≤0.50 |
| TiO₂/(mg/kg) | ≤10 | ≤20 |
| Fe₂O₃/(mg/kg) | ≤60 | ≤80 |
| Cr₂O₃/(mg/kg) | ≤2 | ≤5 |
| 1.0 mm 체 잔류물/% | – | 0 |
| 0.6mm 체 잔류물/% | ≤1.5 | ≤1.5 |
| 0.1mm 언더사이즈/% | ≤5.0 | ≤5.0 |
| 흡착수분/% | ≤5.0 | ≤5.0 |
석영모래의 순도는 주로 이산화규소(SiO₂) 함량으로 측정됩니다. 태양광 유리의 경우 필요한 SiO₂ 함량은 최소 99.99%(4N 수준이라고 함)이며, 일부 고급 제품은 99.998%(4N8 수준)를 요구하기도 합니다.
이는 일반적으로 SiO₂ ≥ 99.5%가 필요한 일반 유리보다 훨씬 높은 수치입니다. 아주 작은 불순물이라도 유리의 빛 투과율을 낮추고 태양광 패널의 효율성을 떨어뜨릴 수 있기 때문입니다.
몇 가지 주요 요구 사항:
• 철(Fe): Fe₂O₃는 철이 색상과 투명도에 영향을 미치므로 중요한 지표입니다.
JC/T 2314-2015 표준에서는 Fe₂O₃ ≤ 100 ppm을 요구하지만, 많은 제조업체에서는 이를 50 ppm 미만으로 관리합니다.
초백색 유리의 경우 Fe₂O₃는 ≤ 0.015%(150ppm)이어야 하며, 고급 제품의 경우 ≤ 80ppm이 요구되는 경우가 많습니다.
• 티타늄(Ti): TiO₂ ≤ 300 ppm. 티타늄 함량이 너무 높으면 유리가 노랗게 변하고 빛이 차단될 수 있습니다.
• 알루미늄(Al)과 칼슘(Ca): Al₂O₃ ≤ 100 ppm, CaO ≤ 0.1%. 함량이 높으면 고온에서 결정 형성을 유발하거나 유리 용융에 영향을 미칠 수 있습니다.
• 알칼리 금속(K, Na): 표면 알칼리 축적과 전도도 문제를 방지하기 위해 K₂O + Na₂O의 총량은 ≤ 2.5 μg/g이어야 합니다.
• 미량 원소: B ≤ 5 μg/g, Mn ≤ 1 μg/g. Cr 및 Ni와 같은 중금속은 결함을 방지하고 전기적 성능에 영향을 미치지 않도록 ≤ 5 ppm이어야 합니다.
석영 모래의 입자 크기 또한 중요합니다. 유리가 얼마나 고르게 녹는지, 그리고 얼마나 많은 빛을 통과시키는지에 영향을 미칩니다.
태양광 유리용 석영 모래는 입자 크기가 70~350μm 사이여야 하며, 모래의 최소 90%가 이 범위에 속해야 합니다. 입자가 너무 작으면(<100 μm) 너무 일찍 녹아 열 전달이 감소합니다.
입자가 너무 크면(300μm 이상) 완전히 녹지 않아 유리에 거품이나 돌이 생길 수 있습니다.
태양광 유리용 석영 모래의 일반적인 분류 요구 사항:
• 0.1–0.25mm(100–250μm): 5%–20%
• 0.25–0.5mm(250–500μm): 20%–35%
4. 전자 유리
전자 유리에는 디스플레이 기판 유리, 고강도 커버 유리, 그리고 초박형 터치스크린 유리가 포함됩니다. 휴대폰 커버, 터치스크린, 태블릿 디스플레이 등이 그 예입니다. 오늘날 대부분의 터치스크린 커버 유리는 고알루미나 규산염 유리로 제작됩니다.
예를 들어, TFT-LCD(박막 트랜지스터 액정 디스플레이) 기판에 사용되는 유리는 알칼리 금속 산화물을 함유해서는 안 됩니다. 화학적 안정성을 확보하고 유해 불순물을 방지하기 위해 석영 원료는 철, 칼륨, 나트륨 함량을 조절하기 위해 선광 및 정제 과정을 거쳐야 합니다.
Kaisheng Quartz Materials(Huangshan Co., Ltd.)의 회사 표준 Q/245400 KS02-2020은 TFT-LCD 유리 기판에 사용되는 고순도 석영 분말의 입자 크기와 화학적 조성에 대한 구체적인 요구 사항을 제공합니다.
표 1: 입자 크기 분포 요구 사항(체 분석)
| 매개변수 | +150μm (+100메시) | -150μm~+106μm (-100~+140메시) | -75μm~+45μm (-200~+325메시) | -45μm~+20μm (-325~+635메시) | -20μm (-635메시) |
| 기준 | 0 | ≤2.5% | ≥70% | 22-30% | 0 |
표 2: 레이저 입자 크기 분석 요구 사항
| 매개변수 | D₁₀ (μm) | D₅₀ (μm) | D₉₀ (μm) |
| 기준 | 30-35 | 56-62 | 88-98 |
표 3: 화학 성분 사양
| 매개변수 | SiO₂ | Al₂O₃ | Fe₂O₃ | Na₂O+K₂O | SO₃ | 이산화티타늄 | 크롬+니켈+코발트+망간 |
| 제한/% | ≥99.8 | ≤0.05 | ≤0.01 | ≤0.02 | ≤0.03 | ≤0.002 | ≤0.001 |
| 매개변수 | 산화칼슘 | 클 | 산화마그네슘 | 구리 | 에프 | 지르 | 의향서 |
| 제한/% | ≤0.02 | ≤0.001 | ≤0.003 | ≤0.001 | ≤0.001 | ≤0.001 | <0.1 |
5. 석영 유리
석영 유리는 유리 소재의 "왕관 보석"으로 여겨진다.
이 소재는 전적으로 SiO₂로 만들어졌으며 기계적, 열적, 광학적, 전기적 특성이 뛰어납니다.
석영 유리는 반도체, 광학 장치, 광섬유, 태양 에너지 등에 널리 사용됩니다.
자외선, 가시광선, 적외선 파장(160~4500nm)에 걸쳐 뛰어난 빛 투과율을 가지고 있어 산업용 조명에 중요합니다.
광학 기기에서는 석영 유리가 분광기, 적외선 카메라, 프리즘, 렌즈 등에 사용됩니다.
일반적으로 800~1000°C 사이의 매우 높은 온도를 견딜 수 있습니다.
광학용 석영 유리는 관측창, 거리계, 대형 망원경 등 고온 사진 장비에도 사용됩니다.
석영 유리는 고순도 석영 모래를 사용하여 전기 용해 또는 가스 정제 방법을 통해 가공하여 만들어집니다.
석영 소재 생산 공정 비교
| 재료 | 천연 수정/석영모래 | 천연 수정/석영모래 | 사염화규소 | 사염화규소 |
| 프로세스 | 전기 융합: 아크 또는 진공 압력 저항 가열 | 가스 화염 융합: 산소-수소 화염 용융 | MCVD: 산소-수소 화염에서의 가수분해 | PCVD: 수소 없는 플라즈마 화염에서의 고온 산화 |
| 속성 | – OH 함량: 150ppm – Al 함량: 30-100ppm – 알칼리 금속: 5-10ppm | – OH 함량: 180-250ppm – Al 함량: <20ppm – 알칼리 금속: <5ppm | – OH 함량: >1000ppm – H 함량: >100ppm – 금속 불순물 : <1ppm | – OH 함량: <5ppm – 불순물 : <1ppm – N 함량: <200ppm – 전송 범위: 0.18-3.5μm |
| 장점 | 화염융합보다 OH 함량이 낮음 다른 방법보다 연화점이 50~100°C 더 높습니다. | – 높은 열효율 – 낮은 재료 손실 – 거품이 거의 없음 – 더 나은 UV 투과율 – 우수한 결정화 저항성 – 더 긴 수명 – 생산 비용 절감 | – 매우 낮은 불순물 – 우수한 광학적 균질성 – 자외선 투과율 – 방사선 저항성 | – 순도: >99.9999% – 매우 낮은 OH 함량 - 뛰어난 광학적 균질성 |
| 단점 | 더 높은 금속 함량 | 더 높은 OH 함량 전기융착제품보다 연화점이 낮음 | 과도한 OH 함량 높은 원자재 비용 | 높은 원자재 및 생산 비용 |
예를 들어, Sibelco(구 Unimin)의 고순도 석영 모래 제품(IOTA6, IOTASTD, IOTACG 시리즈 등)은 자동차용 제논 램프, 할로겐 램프, 고강도 방전 램프, 초고성능 램프와 같은 조명 장비를 만드는 데 핵심적인 소재입니다.
석영 유리 제조 시 석영 모래에 대한 불순물 원소 요구 사항
| 산업용 응용 분야 | 기원 | 주요 불순물 원소 및 함량(ppm) | |||||||
| 알 | 철 | 티 | 칼슘 | 비 | 케이 | 나 | 리 | ||
| 전기 광원 | 중국 | 총량: 50-100ppm | |||||||
| 화학 산업 | 체코 사람 | 42 | 3 | 3 | 8 | – | 18 | 5 | – |
| 반도체 | 중국 | 20 | 0.18 | 0.5 | 0.1 | 0.1 | 0.2 | 4 | 1.8 |
| 반도체(고급) | 미국 | 15 | 0.3 | – | 0.4 | 0.1 | 0.7 | 0.9 | 0.7 |
| 러시아 제국 | 14 | 0.9 | 0.4 | 0.1 | – | 0.3 | 0.6 | – | |
| 광섬유 튜브 | 브라질 | 11 | 1.8 | 0.4 | 0.1 | – | 0.3 | 0.4 | – |
| 광학 렌즈 | 미국 | 8 | 0.05 | – | 0.7 | 0.04 | 0.05 | 0.05 | 0.2 |
