편집부(외신) 신뢰성과 유리 품질은 안정적인 500~1500lb/h 플라즈마 기반 고품질 유리공정을 통해 해결되어야 하고 아직 개척해야하는 두 분야로 남아있다. 지금까지 유리 산업은 유리를 녹일 때 지난 100년 동안 같은 기본 기술을 사용하였다. 유리를 용융시킬 때 사용되는 전형적인 시스템은 천연 가스 화염, 산소나 전기와 같은 몇가지 형태의 이차 가열 장치를 사용한 내열-선 용융로(熔融爐)였다. 지금까지 이러한 장비를 사용하는데 기술적인 진보가 있었지만, 유리를 녹이는 공정에 사용되는 기본적인 기술은 변하지 않고 있었다. 전형적인 가스 가열 상업 용융기의 ‘톤 당, 일 당 제곱 피트(SFTD, square foot per ton per day)’ 지수는 4에서 15 정도였다. 플라즈마 용융 시스템은 존-맨빌의 미발표 자료에서 1ft2이하의 용융 영역에서 1ton/d(SFTD 지수 1이하)를 넘는 생산율을 보여 왔다. 존-맨빌과 AGY의 지원으로 이뤄진 DOE 프로그램의 일부로, 플라즈멜트(plasmelt) 유리 기술 LCC (플라즈멜트)는 500~1500lb/h(230-680kg/h)의 생산 능력을 가진 풀 스케일의, 모듈, 고밀도 플라즈마 용융기를 개발 테스트 하였다. (그림 1) 비록 용융기 디자인은 일반적고 유리 산업 분야에 모두 적용할 수 있지만, 이 용융기는 현재 가장 빠르게 연구되고 있고, 설명되고 상업화가 가능한 초기 단계에 있는 섬유, 전문 제품 또는 프레스웨어 제품을 목표로 하고 있다. 플라즈멜트는 200에서 500lb/h (91~230kg/h)의 작업율에서 작업할 수 있는 전송-아크 플라즈마 용융기를 디자인하고 개발하였다. 2004년 7월, 초기 유리 품질 평가가 이뤄졌는데, 그 결과는 상당히 고무적이었다. 열 플라즈마 열 플라즈마는 일반적으로 세 개의 범주로 나눌 수 있다. 직류(dc), 교류(ac), rf(radio frequency). 대부분의 산업 유리 용융 공정에서 필요로 하는 에너지 양(500kW이상) 때문에, rf와 ac플라즈마는 사용되지 않고 있다. 비전송-아크와 전송-아크 작동 모드는 공통적으로 dc 발생 플라즈마와 함께 사용되고 있다.(그림 2) 비전송-아크는 전형적으로 가스 가열과 열 스프레이 제품에 사용되고 있다. 전송-아크는 거의 대부분 유리 용융과 같이 고 에너지 플럭스가 필요한 경우에 사용되고 있다. 기존의 유리 재료 전송-아크 플라스마 용융은 전기가 통할 수 있도록 재료를 용융 상태로 만들어야 하기 때문에 사전 용융이 필요했다. 이러한 초기 공정 단계는 시작 시간을 오래 걸리게 할 뿐만 아니라 용융 배스는 양극 도가니에 포함되어 있거나 양금이 배스 안으로 녹아들어가 되돌아 갈 수 있는 전도 경로를 만들게 된다. 시스템을 통해 흐르는 전류는 양극 표면에서 원하지 않는 전해 반응을 일으켜, 양극의 부식이나 용융되어 있는 물질을 오염시킬 수 있다. 이러한 기본적인 단점들을 없애기 위해, 플라즈멜트는 반대 극성의 두 개의 토치를 사용한 전송-아크 시스템을 개발하였다. 양극 토치는 수냉(水冷)식 토라이트-텅스텐 전극으로 구성되어 있고, 양극 토치는 고순도 수냉 구리 표면으로 구성되어 있다. 이 두 전극은 냉각수 노즐로 둘러 싸여져 있다. 노즐은 가스 둘레 전극에 집중되어 있어 아크를 안정화시킨다. 토치 간의 상대적인 위치는 임피던스와 용융 효율을 결정한다. 각이 클수록, 수평 거리가 길수록 임피던스가 증가하게 된다. 유리의 플라즈마 용융 기존 플라즈마 용융기는 음극이 용융 표면과 수직으로 되어 있는 상태로 전송-아크 모드를 사용하였다. 용융기는 양극의 포텐셜을 전극을 배스에 담그거나 도가니를 그라운드 포텐셜로 잡는다. 이러한 형태의 용융은 재용융, 용해 그리고 금속 더스트와 쓰레기의 처리에 활용할 수 있다. 그러나 유리나, 세라믹과 같은 비금속 용융의 경우, 양극 재료와 용융 배치 사이의 dc 전해 반응이 심각한 오염과 전극 마모를 야기할 수 있다. 원거리 커플 플라즈마는 이러한 문제를 용융체를 전도 경로에서 벗어나게 함으로써 해결할 수 있다. 대부분의 응용 제품에서는 용융체가 그라운드 포텐셜을 갖고 전원 토치 전극 포텐셜이 불분명한 그라운드가 된다. 높은 처리량과 고품질 유리를 얻기 위해서, 유리 온도와 빠져나가는 유리의 유량의 정확한 통제가 우선 되어야 한다. 아르곤 가스가 두 토치에 사용되고 이 가스가 아크가 이동할 때 매개체 역할을 하게 된다.(그림 4) 이 작동 개념은 표준 E-유리 배치를 녹일 때 사용되어왔다.(그림 5) 유리 품질 평가 유리의 품질은 최종 사용 제품에 의해 결정된다. 유리 품질은 일반적으로 구체적인 응용제품에 성공적으로 사용되기 위해 필요한 일련의 유리나 제품 특성을 말한다. 진정한 유리 평가를 위한 최상의 평가는 실제 제품 제조 공정이나 실제 상업화된 상품 그자체이다. 제품 생산 규모의 유리 제조와 최종 제품 특성테스트에 필요한 생산 비용과 시간 때문에, 대부분의 유리회사들은 제품 제조 공정과(또는) 유리 자체의 최종 사용 제품 형태와 관련된 유리 품질 평가 테스트 자체 실험실을 발달시켜 왔다. 더군다나 유리회사는 전형적으로 주요(임계) 공정 변수들과 주요 제품 파라메터 간의 실험적인 관계를 찾아왔다. 이러한 관계는 플라즈마-아크 용융기를 사용하여 이 프로젝트의 산업 파트너에 의해 이루어진다. 플라즈마-아크 용융 프로그램은 E-유리 섬유 제조 산업을 플라즈마-아크 용융프로그램의 24개월 프로그램의 비교 표준으로 선택해왔다. 혼합 E-유리 배치가 플라즈마 용융기 속에서 용융되어 패티/마블로 성형이 되게 된다. 이들 패티와 마블은 상용화된 유리-섬유-성형 장비에서 재용융되고 섬유화 된다. 이러한 과정에서 유리 품질은 섬유 제조 공정에서 제조된 유리 섬유에 대해 행해진 실험실 테스트를 의미하게 된다. 정확하게 유리 섬유의 품질을 평가하기 위해서, 일련의 유리섬유 특성 테스트가 다음과 같이 정의 된다. 쪾단일 시간에서 섬유마다 변화를 주면서 도는 시간을 함수로 변화를 주면서 굴절율 측정(유리섬유를 형성한 직후와 열처리 후에) 쪾Shelyubskii 균일성 측정 쪾유리 섬유의 인장 강도 측정 쪾유리 섬유 내부에 빈 필라멘트 카운트 또한 일련의 유리 섬유 형성 기준이 다음과 같이 정의된다. 쪾섬유 파괴/부싱시간(B/BH) 쪾결함 통계(팁 플레이트를 가로질러가면서 온도를 다르게) 쪾섬유 지름 분포 유리-섬유 테스트와 제조 기준으로부터 얻은 데이터가 각각의 상업화된 유리 섬유 기준 선과 비교되게 된다. 플라즈마-용융 연구 프로그램의 궁극적인 목표인 플라즈마-용융 프로그램을 유리용융/섬유형성 공정의 선행 단계로 발전시키려면, 엄격한 테스트가 필수적이다. 게다가, 플라즈마-용융 유리 기준의 성공적인 비교는 유리 품질인 플라즈마 용융이 전문유리, 실험실에 사용되는 제품, 조명 등의 다른 유리 산업분야에 충분히 응용될 수 있다는 근거를 제공해준다. 플라즈마 용융 프로그램에서 후에 제조되었기 때문에, 공정을 피드백하거나 플라즈마 용융과 유리 품질의 관계를 이해하기 위한 단으로 프로그램 초반에 생성된 지스러기 유리의 품질을 평가하는 것이 필요하다. 다음 리스트에서 선택된 테스트들이 현재 지스러기 유리의 초기 품질을 평가하는데 사용되고 있다: 쪾코드의 정도(즉, 샘플 전체의 굴절율 변화, 밀도 변화, 마이크로-프로브 화학 분석과 열처리된 샘플의 편광 관찰) 쪾시간을 함수로하여 샘플 마다 굴절율 변화 쪾그램당 유리의 시드(seed)수와 시드의 크기 분포 쪾그램당 유리의 스톤(stone)수 플라즈마 용융 프로그램의 중요한 목표는 이 용융 공정을 유리 산업의 넓은 범위에 응용하는 것이다. 유리산업 분야 전반에서 널리 통용될 수 있는 특성은 유리 품질을 평가하는데 사용되는 최고 표준과 산업분야의 어느 산업에만 특정적이지 않는 표준으로 측정되어야 한다. 이러한 보다 포괄적인 항목은 현재 유리 품질의 특정과 정량화에 앞서나가고 있는 많은 회사들에 의해 받아들이고 있는 특성들로 구성되어있다. 성형된 유리 패티나 막대에 행해지는 이들 테스트는 다음과 같은 사항을 포함하고 있다. ㆍ굴절률 분포도를 만들기 위한 간섭 측정 ㆍShelybuskii 균일도 테스트 ㆍ부서진 유리와 유리섬유 입자의 밀도 범위 이러한 테스트의 결과는 플라즈마-용융 유리의 품질을 다른 산업의 유리-섬유 분야의 표준이 될 수 있는 유리 품질과 비교하는데 사용할 수 있다. 이들 다른 분야와의 비교는 플라즈마 용융의 안정성이 이미 사용되고 있는 다른 기존 용융 공정과 비교했을 때 어느 정도인지 가늠할 수 있는 기준이 될 수 있다. 현재 프로젝트 현황 유리 용융은 2004년 3월 중순에 콜로라도주의 플라즈멜트 실험실에서 처음 개발되었다. 그 이후 여러 가지 예비 실행을 수행하여 공정의 결함을 찾고 토치 디자인의 다양한 반복을 테스트해왔다. 이 디버깅 작업은 공정이 잘 진행되도록 하는데 큰 역할을 하였다. 이 프로젝트의 조반에, 용융 실행 중단은 대부분 전기 시스템이나 토치, 기계 하드웨어의 설계 잘못이나 작동의 잘못 또는 적절한 환기의 부족, 강한 통제 시스템의 부족이 주원인이었다. 체계적으로 공정상, 장비상의 문제를 찾아 제거하고 토치 디자인의 기본 라인을 분명히 하려는 이 초기 용융 작업의 목표는 대부분 완성되었다. 최근 주요 목표는 연속 작업을 할 수 있게 하는 것인데 활발한 공정 개발 작업을 수행하는 것이 필수적이기 때문이다. 초기 유리 품질 평가는 오하이오 주의 인테그렉스(Integrex) 연구실에서 시작됐었다. 유리 화학 분석과 물리적 특성 측정은 지금도 계속 되고 있다. 표면 암석 기재학(記載學) 분석에 의하면 유리는 예상했던 바와 같이 핵을 통해 성장하였고 배치(batch)에서 용융되지 않은 쿼츠의 단일 결정립계가 산재해 있었다. 현재 궁극적인 목표인 플라즈마 기반의 용융 기술의 상업적 사용을 위해서는 이러한 유리 품질의 문제가 반드시 개선되어야만 한다. 요약하면, 가장 개선해야할 기술적인 문제가 남아 있는데 하나는 토치 디자인 신뢰성과 유리 품질이다. 이러한 두 기술 문제는 안정적인 500~1500lb/h의 플라즈마 기반 고품질 유리용융 공정을 시연하기 위해 플라즈멜트가 풀어야할 최우선 2가지 문제라고 불리고 있다. (Ceramic Bulletin)