$Li_2O-Al2_O_3-SiO_2$ 계 결정화 유리에서 조핵제 $TiO_2$의 역할에 관한 고찰

Abstract

$Li_2O - Al_2O_3 -SiO_2$계 유리에서 조핵제 $TiO_2$ 첨가량에 따라 결정화에 미치는 영향과 결정 성장 양상의 변화를 살펴 보았다. $Li_2O$ 13 wt.%, $Al_2O_3$ 15 wt%, $SiO_2$ 72 wt % 유리의 조성에 $TiO_2$ 를 0%, 4%, 8%, 12% 첨가하여 모유리를 만들었다. 모유리속에 환원된 $Ti^{3+}$이온이 많을수록 갈색을 띠는 것을 관찰하였다. 시차열분석을 통해 결정화 온도를 알아내고, 그 결과 $TiO_2$ 첨가 량이 많은 유리일수록 결정화 속도가 증가하고 결정화 온도가 낮아졌음을 알 수 있었다. 모유리의 열처리는 상분리나 핵생성 처리는 550℃에서 하였고, 결정 성장은 650℃에서 50℃ 간격으로 850℃ 까지 2분에서 30분동안 시켰다. X - 선회절 분석에 의해 주 결정상이 Silica O* (β - Eucyptite + β - Quartz)와 Lithium metasilicate이었고 $750\,^\circ\!C$ 이상에서 시간에 따라 silica O* 가 β - Spodument solid solution으로 전이하는 것을 알 수 있었다. 광학현미경과 전자현미경으로 조핵제 $TiO_2$를 4% 함유한 결정화 유리의 결정화 양상을 관찰할때 surface crystallization이 지배이고, 표면에서 내부로 결정이 columnar구조를 가지며 성장하다가 내부에서 일시에 equiaxed구조로 결정화 됨을 관찰 하였다. 조핵제 $TiO_2$를 8% 함유한 결정화 유리의 결정화 양상은 volume crystallization이었고 결정은 3차원적 sphere로 자라는 것을 관찰할 수 있었다. 결정화 비율은 온도에 따라 증가하나 그 증가폭은 점차 감소하고 완전히 결정화한 후에도 grain 사이에 잔류유리상이 존재함을 알수 있었다. EPMA분석 결과 표면에 Titanium이 기지보다 다소 많이 분포하고 결정과 유리상 경계에 Al과 Ti농도가 다소 높고 Si는 결정보다 유리상에 농도가 높은 것을 알 수 있었다. 유리의 결정화는 온도 구배와 높은 유리의 점도속의 원소의 확산이 주요 인자임을 알 수 있었다.