군산대학교 신소재공학과 김기동 교수가 기판유리의 기포를 제거하는 공정에 쓰이는 화합물의 기포제거력 차이의 원인을 밝혀냈다.

기판유리는 TFT-LCD(초박막 액정표시장치)와 OLED(유기발광다이오드) 모듈의 핵심소재로 한국, 일본, 대만에서만 생산되는데, 모듈원가의 30%를 차지할 정도로 부가가치가 높아 국내시장 규모만 연간 약 10조원 이상에 이르는 대표적 세라믹 재료이다.

기판유리를 만들기 위해서는 여러가지 고순도 세라믹 원료 혼합물을 녹이는 용융과정에서 발생하는 기포를 제거하는 청징(Fining) 과정을 반드시 거쳐야 한다. 디스플레이용 기판유리의 최종품질은 유리에 잔류하는 기포에 의존하므로, 청징은 기판유리의 품질을 좌우하는 매우 중요한 과정이다.

청징제로 사용되는 비소산화물(As2O5)은 탁월한 기포제거 능력이 있음에도 환경오염의 우려가 있어 기포제거 능력이 상대적으로 낮은 주석산화물(SnO2)이 최근까지 사용되어 왔지만, 두 성분 간의 기포제거 능력 차이를 유발하는 원인은 밝혀지지 않았었다.

김기동 교수는 가스 크로마토그래프 등 복합적인 방법을 이용하여 주석산화물이 1차 청징에 매우 유리한 반면, 비소산화물은 2차 청징에 큰 영향력을 발휘한다는 사실을 발견하였다.

청징은 청징제의 환원을 통해 기포의 크기를 키워 표면으로 떠오르도록 해서 제거하는 고온의 1차 청징과 산화를 통해 기포 내 산소를 제거함으로써 기포의 크기를 줄여 제거하는 저온에서의 2차 청징 두 단계를 거쳐 이루어진다.

기존의 분석방법인 볼타메트리만으로는 산화물의 산화환원 반응과 온도의존성을 정성적으로 밖에 알 수 없어, 각 성분의 기포제거에 대한 기여도를 정량적으로 평가하는 것은 불가능했다.

김 교수는 유리원료 혼합물을 녹이는 용융로에 가스 크로마토그래프를 연결하여 가열과정에서 발생하는 산소방출을 정량적으로 추적하고 전기화학적인 볼타메트리, 고온점도에 근거해 산화물의 청징능력 테스트를 수행한 결과, 주석산화물은 1차 청징에 큰 영향력을 발휘하지만, 산화에 의한 2차 청징은 매우 낮은 온도에서 시작하여 최종적으로 잔류하는 기포가 큰 편이고, 반면 비소산화물은 비교적 높은 온도에서 2차 청징이 시작되어 수축에 의한 기포소멸 효과가 상당히 큰 것을 밝혀냈다.

미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 일반연구자지원사업(지역대학우수과학자사업)의 지원을 받아 수행된 금번 연구 결과 태양전지의 효율을 높일 수 있는 고투과율 기판 유리 개발 등에 박차를 가할 것으로 기대되고 있다.

김기동 교수의 연구결과는 세라믹 분야의 세계적 권위지인 미국세라믹학회지(Journal of the American Ceramic Society) 온라인판에 게재되었다.

김기동 교수는 “이번 연구를 통해 용융유리에서 주석산화물이 비소산화물보다 기포제거 능력이 낮은 이유를 확실히 밝혀냈다”면서 “그동안은 볼타메트리법이 용융유리분야 순수 기초연구에만 적용됐었는데, 금번 연구 결과를 계기로 상업적 유리를 대상으로 한 응용연구에까지 확대시킬 수 있는 계기가 되었다”고 연구의의를 밝혔다.