4. 알칼리 프리 글래스(Alkali-free Glass) 이야기

비싸지만 제 값하는 알칼리 프리 글래스.

사실 알칼리 프리 글래스(Alkali-free glass) 혹은 무알칼리(Non-Alkali glass)는 특정 글래스의 이름이라기 보다 넓은 범위의 카테고리에 가깝습니다. 물론 이 점은 소다라임 글래스도 마찬가지입니다. 글래스의 구성성분중에 알칼리금속 원소인 1족 금속산화물이 첨가되지 않은 글래스 종류를 알칼리 프리 글래스라고 합니다. 기판이 가져야할 특성들이 고루 우수하기 때문에 기판재료로 아주 훌륭하지만 가격이 소다라임 글래스에 비하여 5~10배나 비싼 최대 단점이 있습니다. 

충격과 열, 그리고 열팽창특성까지 우수한 기판재료.

알칼리 프리 글래스의 가장 큰 특징은 비싸다는게 가장 큰 특징입니다. 같은 기판 소재로 사용되는 소다라임 글래스에 비해 2배도 3배도 아닌 5~10배가 비싸다는 것은 어지간히 좋은 특성을 지니지 않고서는 대안으로써의 가치조차 없다고 생각되는 가격차이 입니다. 

만약 같은 역할의 후보 소재 두가지 중에 새로개발된 좋은 재료가 기존 재료에 비해 10%이상 가격이 비싸다고 합시다. 모든 특성을 완전히 압도할 수 있을 정도가 아니면 이 새로 개발된 재료가 적용될 확률은 높지 않습니다. 게다가 LCD나 OLED 같이 어느 정도 기술이 안정화단계에 이른 분야의 재료들은 특히나 재료단가가 매우 중요합니다.

그런데도 불구하고 알칼리 프리 글래스는 고가의 스마트폰이나 TV에 기판재료로 사용되고 있습니다. 눈으로 보거나 만질때는 구분도 되지 않는 이 두 글래스들은 어떠한 특징들이 다르길래 큰 가격차이와 함께 다른 특성을 갖는 것인지 알아봅시다.

일반적으로 사용되는 알칼리 프리 글래스는 붕규산염 글래스(Borosilicate Glass)로 산화붕소(B2O3)의 함량이 높은 글래스입니다. 그러나 일반적으로 부르는 붕규산염 글래스에는 알칼리금속 산화물이(Na2O, 1~4%) 포함되는 경우가 많으므로 붕규산염 글래스를 알칼리 프리 글래스라고 직접적으로 표현하지는 않습니다. 여러 특성들을 보았을때 제작사가 원하는 스펙을 만족하는 글래스를 사용하는 것이기 때문에 가장 큰 범위의 카테고리인 알칼리 프리 글래스라고 표현하곤 합니다.

<사진1. Corning Lotus NXT glass> *출처 : www.corning.com

알칼리 프리 글래스 구성성분

1. 산화규소(SiO2)

   : 70%

2. 산화붕소(B2O3)

   : 4%

3. 산화알루미늄(Al2O3)

   : 11%

4. 산화마그네슘(MgO)
   : 10%

5. 산화칼슘(CaO)

   : 2%

6. 산화스트론튬(SrO)

   : 3%

알칼리 프리 글래스는 위와 같은 구성성분으로 이루어져 있습니다. 물론 위 구성성분은 예시일 뿐이고 글래스 사용목적에 따라 그 함량이 다양하며 특성 또한 다양하므로 대략적인 수치로 생각하시면 될 듯 합니다. 일단 알칼리 프리 글래스가 비싼 이유는 붕소 산화물(B2O3) 때문입니다. 붕소는 함량이 적더라도 붕소산화물 자체의 원료 값이 매우 비싸므로 최근에는 붕소 무함유 유리의 사용도 제시되는 상황입니다. 게다가 알칼리 프리 글래스 특성상 소다라임 글래스에 비하여 제작 단계에서 훨씬 높은 열이 필요하고 가공이 어려우므로 제조 단가가 급격히 상승하게 됩니다.

그러나 소다라임 글래스의 가장 큰 단점인 열적 안정성 때문에 알칼리 프리 글래스가 비싼 가격에도 필수적으로 사용될 수 밖에 없습니다. 바로 기판 위에 회로를 성형하는 단계에서 높은 열이 필요하기 때문입니다. Oxide TFT나 LTPS 공정에는 열처리 공정을 거쳐야 하는데 최소 450도 이상의 열에서 변형이 전혀 없는 기판 재료여야 하는데 소다라임 글래스로는 이 열에서 버티지 못하고 변형되어 버립니다.

따라서 가격이 비싸도 어쩔 수 없이 알칼리 프리 글래스를 사용해야 하는 상황인 것입니다.

장점 : 

좋은 거칠기 특성 (Rrms < 0.5nm)

좋은 내화학성 (산성 저항도 : excellent, 염기 저항도 : good)

충격에 강함.(파손)

높은 열안정성 (500도 이상)

낮은 열팽창계수

좋은 가시광영역 투과율 (T > 90%)

높은 경도(기스)

단점 : 

비싼가격