비정질 무기 물질인 유리의 특성은 화학적 조성과 미세 구조에 의해 결정됩니다. 규산칼슘유리, 붕규산유리 등 주류 유리계에서는 주성분인 SiO2 외에 산화물 첨가제의 선택과 비율이 유리의 용융성형, 기계적 성질, 화학적 안정성, 기능적 특성에 직접적인 영향을 미친다.산화마그네슘(MgO)전형적인 알칼리 토금속 산화물인 는 작은 이온 반경(0.072nm)과 높은 전계 강도(Z/r²=6.25)로 인해 구조 조절, 성능 최적화 및 유리 조성 공정 개선에 핵심적인 역할을 합니다. 이 기사에서는 용융 공정, 기계적 특성, 화학적 안정성, 열적 특성, 광학 품질 및 응용 시나리오의 6가지 차원에서 유리 내 산화마그네슘의 메커니즘과 실제 가치를 간략하게 분석합니다.
1. 용융 및 성형 공정 조정: 에너지 소비 감소 및 결함 최소화
유리의 용융 공정은 고체 원료를 균일한 용융물로 변환하고 기포와 줄무늬를 제거하는 공정입니다. 산화마그네슘은 용융물의 점도와 표면 장력을 조절하여 용융 및 성형 품질을 크게 최적화합니다.
규산칼슘유리의 전통적인 성분은 주로 SiO2(70%-75%), Na2O(12%-16%), CaO(6%-10%), MgO(3.5%-4%)입니다. CaO와 MgO는 모두 알칼리 토금속입니다. 고온(>1400 ℃)에서 Mg²⁺는 Ca²⁺와 반응하고 비가교 산소와 결합하여 실리콘 산소 네트워크의 중합도를 약화시키고 용융물의 점도를 낮추며 원료의 용해와 기포 탈출을 가속화합니다. 저온(<1000℃) 성형 단계에서 Mg²⁺의 높은 전계 강도 특성은 분자간 힘을 강화하고 용융물의 점도를 높이며(예: 플로트 유리 성형의 주석욕에서 점도가 약 8% 증가) 중력으로 인한 유리 리본의 변형을 방지하고 고르지 못한 두께 결함을 줄입니다. "고온 점도 감소 및 저온 점도 증가"의 이중 제어 효과로 용해로의 에너지 소비를 줄이고 용해 시간을 10%~15% 단축하며 기포 발생률을 30% 이상 감소시켜 생산 효율성을 크게 향상시킵니다.
또한 산화마그네슘은 용융물의 결정화 경향을 억제할 수 있습니다. 유리 용융물이 냉각되면 Ca²⁺는 SiO2와 함께 칼슘 장석(CaAl²Si²O₈)과 같은 결정상을 쉽게 형성하여 유리 손실(줄무늬, 돌결함 등)을 유발합니다. Mg²⁺의 이온반경은 Ca²⁺(0.099nm)에 비해 작고, 실리콘 산소 네트워크와의 상용성이 더 강해 '채움 효과'를 통해 결정핵의 성장을 방해할 수 있다. 판유리 제조시 MgO 첨가량이 2%~4%일 경우 용융액의 결정화 상한온도가 15~25℃ 낮아져 성형온도 범위가 효과적으로 확대되고 국부적인 과냉각으로 인한 결정화 결함이 감소한다.
2, 기계적 성질 강화: 강도 및 인성 강화
유리의 취성은 본질적으로 미세 구조의 원자 배열의 장거리 무질서로 인해 발생하는 반면, 산화마그네슘은 네트워크 밀도와 이온 결합 강도를 최적화하여 기계적 특성을 크게 향상시킵니다.
경도 및 탄성률 향상: Mg²⁺의 높은 전계 강도는 산소 이온과 강한 이온 결합을 형성하여 연결되지 않은 산소 종(네트워크 구조의 약점)의 수를 줄입니다. 규산칼슘나트륨 유리에서 MgO가 10%-20% CaO를 대체하면 유리의 비커스 경도가 5.5GPa에서 6.2GPa로 증가하고 탄성 계수는 68GPa에서 75GPa로 증가합니다. 이는 Mg²⁺와 실리콘 산소 사면체 사이의 결합 에너지(약 640kJ/mol)가 Ca²⁺(약 560kJ/mol)의 결합 에너지보다 높아 네트워크 구조가 더 조밀해지기 때문입니다. 예를 들어, 광전지 유리에 MgO를 3~5% 첨가하면 표면 긁힘 저항성이 20% 증가하고 운송 및 설치 중 표면 손상이 줄어듭니다.
굴곡 강도 및 인성의 최적화: 유리의 굴곡 강도는 구조의 "미세 균열" 전파 저항에 따라 달라지며, 산화마그네슘은 네트워크 결함의 크기를 미세화하는 역할을 합니다. 연구에 따르면 MgO를 함유한 규산칼슘나트륨 유리에서는 미세균열의 평균 길이가 8μm에서 5μm로 단축되고 균열 전파 속도가 30% 감소하는 것으로 나타났습니다. 병유리의 25% CaO를 MgO로 대체한 후 굴곡강도가 45MPa에서 58MPa로 증가하고, 병본체의 내충격성이 25% 증가하여 충진 과정에서 폭발 문제가 크게 감소되었습니다. 또한 산화마그네슘은 유리의 취성지수(파괴에너지/탄성계수)를 감소시킬 수 있다. 붕규산 내열유리에 MgO를 4~6% 첨가하면 취성지수를 12% 감소시키고 열충격에 대한 인성을 향상시킬 수 있습니다.
유리의 화학적 안정성(내수성, 내산성, 내알칼리성)은 외부 이온 침식에 대한 네트워크 구조의 저항성에 따라 달라집니다. 산화마그네슘은 네트워크 밀도와 이온 결합력을 강화하여 환경 적응성을 크게 향상시킵니다.
내수성 향상: 규산칼슘유리에서는 Na⁺의 높은 이동속도로 인해 물에 쉽게 용해되는 반면(“탈알칼리층” 형성), Mg²⁺는 “이온교환”을 통해 Na⁺의 용해속도를 감소시킬 수 있습니다. ISO 719 내수성 테스트에서 MgO를 첨가하지 않은 나트륨칼슘유리의 중량감소율은 0.15mg/cm²였다. 3% MgO를 첨가한 후 체중 감소율은 0.08 mg/cm²로 감소했습니다. 이는 Mg²⁺와 실리콘 산소 네트워크 사이의 결합력이 강해 H2O 분자가 유리 내부로 침투하는 것을 방해하기 때문입니다. 이 기능은 건물 커튼월, 수족관 등 습한 환경에서 MgO 함유 유리의 수명을 30% 이상 연장합니다.
향상된 알칼리 저항성: 알칼리성 환경에서 OH⁻는 Si-O-Si 결합을 공격하여 네트워크 붕괴를 초래하는 반면 Mg²⁺의 도입은 "알칼리성 완충층"을 형성할 수 있습니다. 시멘트계 복합재료에 사용되는 유리섬유에 MgO를 5~7% 첨가한 후, pH=13의 알칼리성 용액에 28일 동안 침지한 유리섬유의 강도유지율이 65%에서 82%로 증가하였다. 이는 Mg²⁺와 OH⁻가 Mg(OH)2석출물을 형성하여 유리 표면의 기공을 막고 알칼리성 용액의 침투를 느리게 하기 때문이다.
내산성 규제: 붕소 함유 유리(예: 광학 유리)의 경우 산화마그네슘은 붕소 산소 네트워크의 가수분해를 억제할 수 있습니다. 붕규산염 유리에서 B 3 ⁺는 H ⁺와 쉽게 결합하여 [BO ∝] 3 ⁻를 형성하여 네트워크 붕괴를 일으키는 반면, Mg ² ⁺의 높은 전계 강도는 [BO ₄] ⁻ 사면체 구조를 안정화할 수 있습니다. 2~3% MgO를 첨가한 후 10% HCl 용액에서 유리의 중량 감소율이 40% 감소하여 산성 환경의 정밀 기기 창에 적합합니다.
4, 열 특성 최적화: 팽창 계수를 줄이고 내열성을 향상시킵니다.
열팽창계수(CTE)는 유리, 금속, 세라믹 및 기타 재료 복합재의 핵심 매개변수입니다. 산화마그네슘은 네트워크의 진동 특성을 조정하여 CTE를 정밀하게 제어합니다.
저팽창 유리의 핵심 첨가제: 저팽창 붕규산 유리(Pyrex 유리 등)에서 MgO는 B 2 O3 및 Al 2 O3와 시너지 효과를 발휘하여 "네트워크 충진"을 통해 열 진동 진폭을 줄입니다. Mg ² ⁺의 이온 반경은 작으며 실리콘 산소/붕소 산소 네트워크의 틈새에 내장되어 고온에서 네트워크의 이완을 제한할 수 있습니다. MgO 첨가량이 4% -6%일 때 유리의 CTE는 3.2 × 10 ⁻⁶/℃에서 2.8 × 10 ⁻⁶/℃로 감소하여 텅스텐 및 몰리브덴과 같은 금속 밀봉에 대한 일치 요구 사항을 충족합니다(금속 CTE는 약 4 × 10 ⁻⁶/℃). 예를 들어, 전자 포장에 사용되는 저팽창 유리에 MgO를 첨가하면 밀봉 경계면의 열 응력이 25% 감소하여 온도 순환으로 인한 균열이 방지됩니다.
열충격 저항성 향상: 유리의 열충격 저항성은 CTE와 열전도율의 결합 효과에 따라 달라지며 산화마그네슘은 두 가지를 동시에 최적화할 수 있습니다. 규산칼슘유리에 MgO를 3% 첨가하면 CTE가 9.0×10⁻⁶/℃에서 8.2×10⁻⁶/℃로 감소하고, 열전도율은 1.05W/에서 1.18W/로 증가하며, 내열충격온도차(ΔT)는 120℃에서 150℃로 증가한다. 이러한 특성으로 인해 MgO 함유 유리는 주방 용품(예: 베이킹 팬), 자동차 헤드라이트(-40℃ ~ 120℃의 온도 변동에 견딜 수 있음) 및 기타 시나리오에 적합합니다.
5、 광학 품질 보장: 투명성 유지, 굴절률 조절
광학유리는 투명성, 굴절률(nD), 분산계수(ΔD)에 대한 엄격한 요구사항을 갖고 있으며, 산화마그네슘은 무색이고 약한 착색 특성으로 인해 기능성 광학유리에 이상적인 첨가제가 되었습니다.
높은 투명성 유지: MgO 자체는 무색 산화물이며 유리 착색을 방지할 수 있는 전이 금속 이온(예: Fe 3 ⁺, Cr 3 ⁺)을 도입하지 않습니다. 초백색 광기전 유리에 MgO 첨가량을 2%~3%로 조절하면 가시광선 투과율(400~700 nm)이 94.5% 이상에 도달할 수 있는데, 이는 순수 실리콘 유리보다 0.3% 낮고 Fe 2 O ∝(투과율<91%)을 함유한 유리보다 훨씬 우수합니다. 또한, 산화마그네슘은 유리의 기포와 결정화 결함을 줄이고, 광 산란 손실을 더욱 감소시키며, 레이저 거리 측정기용 유리창의 광 투과 균일성을 15% 향상시킬 수 있습니다.
굴절률 및 분산 제어: MgO의 몰 굴절률(R=3.2)은 CaO(R=4.0)와 ZnO(R=3.0) 사이에 있으며 첨가량을 조절하여 유리의 광학 상수를 미세 조정할 수 있습니다. 크라운 브랜드 광학 유리에서 10% CaO를 MgO로 대체한 후 굴절률 nD는 1.523에서 1.518로 감소하고 분산 계수 ΔD는 58에서 62로 증가하여 저분산 렌즈의 설계 요구 사항을 충족했습니다. 적외선 투과 유리(예: GeO 2 - MgO 시스템)의 경우 MgO는 유리의 적외선 흡수 계수를 감소시키고 3-5 μm 대역에서 투과율을 8% 증가시킬 수 있으며 이는 열화상 창에 적합합니다.
미래에는 친환경 제조가 업그레이드되고 기능성 유리에 대한 수요가 높아지면서 산화마그네슘의 응용이 개선되는 방향으로 발전할 것입니다. 한편으로는 나노 MgO(입자 크기 <50 nm)를 도핑하여 유리의 기계적 및 광학적 특성을 더욱 향상시킬 수 있습니다. 한편, AI 기반 부품 설계를 결합함으로써 새로운 MgO 기반 유리 시스템(예: MgO Li 2 O-ZrO 2 저융점 유리)을 개발하여 유연한 전자 장치 및 수소 에너지 저장 및 운송 응용 분야에 적용할 수 있습니다. 유리 구성에서 산화마그네슘의 가치는 "성능 조정자"에서 "기능적 조력자"로 바뀌고 있으며, 유리 소재의 진화를 더 높은 성능과 더 넓은 시나리오로 이끌고 있습니다.
SAT NANO는 중국 내 MgO 산화마그네슘 분말의 최고의 공급업체입니다. 나노 입자 크기를 제공할 수 있습니다. 문의사항이 있으면 언제든지 sales03@satnano.com으로 문의해 주세요.
