KR100346198B1 - Fabrication method of doped silica glass by sol-gel process - Google Patents

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Abstract

본 발명은 솔-젤 공법을 이용한 도핑된 실리카 글래스 제조 방법에 있어서, 발연 실리카와 탈이온수를 혼합하여 솔을 형성하는 솔 형성 단계와; 2개의 알콕사이드기를 가진 메탈 알콕사이드에 산성 촉매를 부가한 후 가수분해하는 가수 분해물 형성 단계와; 상기 솔 형성 단계에서 생성된 솔에 상기 가수 분해물을 혼합하는 혼합 단계와; 상기 혼합 단계에 의해 생성된 혼합물을 몰드에 넣고 젤화시키는 몰딩 단계를 포함함을 특징으로 하는 솔-젤 공법을 이용한 도핑된 실리카 글래스 제조 방법을 제공한다.The present invention provides a method for producing doped silica glass using a sol-gel method, comprising: a sol forming step of forming a sol by mixing fumed silica and deionized water; A hydrolyzate forming step of adding an acidic catalyst to a metal alkoxide having two alkoxide groups and then hydrolyzing it; A mixing step of mixing the hydrolyzate with the sol produced in the sol forming step; It provides a method for producing doped silica glass using a sol-gel method, characterized in that it comprises a molding step of putting the mixture produced by the mixing step into a mold and gelling.

Description

솔-젤 공법을 이용한 도핑된 실리카 글래스 제조 방법{FABRICATION METHOD OF DOPED SILICA GLASS BY SOL-GEL PROCESS}Method for producing doped silica glass using sol-gel method {FABRICATION METHOD OF DOPED SILICA GLASS BY SOL-GEL PROCESS}

본 발명은 실리카 글래스 제조에 관한 것으로서, 특히 솔-젤 공법을 이용한 도핑된 실리카 글래스 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to silica glass production, and more particularly, to a method for producing doped silica glass using the sol-gel process.

반도체 제조용 포토마스크나 광섬유와 같이 고순도의 유리 제품을 만드는 원재료가 되는 실리카 글래스(Silica glass)는 천연 석영 공법이나 합성 석영 공법 혹은 솔-젤 공법에 의해 제조된다.Silica glass, which is a raw material for making high-purity glass products such as photomasks and optical fibers for semiconductor manufacturing, is manufactured by a natural quartz method, a synthetic quartz method, or a sol-gel method.

특히, 상기 솔-젤 공법은 출발 물질(Start material)에서부터 원심 분리 등을 통한 불순물 제거로 순도가 보정되므로 분자 단위의 순도와 균일성을 가질 수 있으며, 다른 제조 방법들과는 달리 액상법이므로 생산성이 높고, 제품의 조성 및 구조 등을 비교적 자유롭게 조절할 수 있다. 또한, 상기 솔-젤 공법은 소결 과정을 제외한 대부분의 공정이 저온에서 이루어지므로, 경제성도 높은 제조 공법이다. 이러한 솔-젤 공법에 의한 실리카 글래스 제조 공정은 미국 특허번호 제5,240,488호 'Manufacture of vitreous silica product via a sol-gel process using a polymer additive' 등에 상세히 개시되어 있다.In particular, the sol-gel method has a purity and uniformity of the molecular unit because the purity is corrected by removing impurities from the starting material (Start material) through centrifugation, etc., unlike other manufacturing methods, the productivity is high because it is a liquid phase method, The composition and structure of the product can be controlled relatively freely. In addition, the sol-gel method is a manufacturing method with high economical efficiency because most of the processes except for the sintering process is made at a low temperature. The silica glass manufacturing process by the sol-gel method is described in detail in US Patent No. 5,240,488, 'Manufacture of vitreous silica product via a sol-gel process using a polymer additive'.

상기 솔-젤 공법은 출발 물질로 실리콘 알콕사이드(Silicon alkoxide)를 사용하여 폴리머릭 솔(polymeric sol)을 형성하는 방법과, 발연 실리카(Fumed silica)를 사용하여 콜로이달 솔(colloidal sol)을 형성하는 방법이 있다. 상기 실리콘 알콕사이드를 이용하는 방법은 영국특허번호 제2,041,913호 등에, 상기 발연 실리카를 이용하는 방법은 미국특허번호 제4,419,115호 등에 각각 상세히 개시되어 있다.The sol-gel process is a method of forming a polymeric sol using silicon alkoxide as a starting material, and a colloidal sol using fumed silica. There is a way. The method of using the silicon alkoxide is disclosed in British Patent No. 2,041,913 and the like, and the method of using the fumed silica is disclosed in detail in US Patent No. 4,419,115 and the like, respectively.

한편, 상기 실리카 글래스를 이용하여 광섬유 제조를 위한 코어 로드를 제조하기 위해서는 굴절율을 높이기 위해 저머늄(germanium)과 같은 첨가물이 도핑(doping)된다. 이때, 알콕사이드를 이용한 도핑 방법은 첨가물이 실리카 글래스 내에 균일하게 도핑된다는 장점은 있지만, 알콕사이드를 이용하여 제조된 실리카 글래스가 가지고 있는 본래의 단점인 건조시 큰 수축율과 기공에 의한 균열이라는 문제점은 여전히 가지게 된다.Meanwhile, in order to manufacture a core rod for manufacturing an optical fiber using the silica glass, an additive such as germanium is doped to increase the refractive index. In this case, the doping method using an alkoxide has the advantage that the additive is uniformly doped in the silica glass, but the problem of the large shrinkage during drying, which is an inherent disadvantage of the silica glass made using the alkoxide, and the crack due to the pores do.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 목적은 실리카 글래스에 첨가물이 균일하게 도핑되면서도 실리카 글래스의 건조시 수축율은 떨어뜨리고, 균열은 방지할 수 있는 솔-젤 공법을 이용한 도핑된 실리카 글래스 제조 방법을 제공하는데 있다.In order to solve the above problems, an object of the present invention is a method of manufacturing doped silica glass using a sol-gel method that can reduce the shrinkage rate and prevent cracking during drying of the silica glass even while the additive is doped to the silica glass uniformly. To provide.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 솔-젤 공법을 이용한 도핑된 실리카 글래스 제조 방법에 있어서, 발연 실리카와 탈이온수를 혼합하여 솔을 형성하는 솔 형성 단계와; 2개의 알콕사이드기를 가진 메탈 알콕사이드에 산성 촉매를 부가한 후 가수분해하는 가수 분해물 형성 단계와; 상기 솔 형성 단계에서 생성된 솔에 상기 가수 분해물을 혼합하는 혼합 단계와; 상기 혼합 단계에 의해 생성된 혼합물을 몰드에 넣고 젤화시키는 몰딩 단계를 포함함을 특징으로 하는 솔-젤 공법을 이용한 도핑된 실리카 글래스 제조 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method for producing a doped silica glass using a sol-gel method, comprising: forming a sol by mixing fumed silica and deionized water; A hydrolyzate forming step of adding an acidic catalyst to a metal alkoxide having two alkoxide groups and then hydrolyzing it; A mixing step of mixing the hydrolyzate with the sol produced in the sol forming step; It provides a method for producing doped silica glass using a sol-gel method, characterized in that it comprises a molding step of putting the mixture produced by the mixing step into a mold and gelling.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 솔-젤 공법을 이용한 도핑된 실리카 글래스 제조 방법을 나타낸 흐름도.1 is a flow chart showing a doped silica glass manufacturing method using a sol-gel method according to a preferred embodiment of the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

102 : 발연 실리카 104 : 탈이온수102 silica fume 104 deionized water

202 : 메탈 알콕사이드 204 : 산성 촉매202 metal alkoxide 204 acid catalyst

302 : 젤화제302: Gelling Agent

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, if it is determined that detailed descriptions of related known functions or configurations may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 솔-젤 공법을 이용한 도핑된 실리카 글래스 제조 방법을 나타낸 흐름도이다. 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 솔-젤 공법을 이용한 도핑된 실리카 글래스 제조 방법은 솔 형성 단계(100), 가수 분해물 형성 단계(200), 혼합 단계(300), 몰딩 단계(400), 디몰딩 단계(500), 건조 단계(600), 저온 열처리 단계(700) 및 소결 단계(800)로 이루어진다. 특히, 본 발명은 2개의 알콕사이드기를 가진 메탈 알콕사이드(202)를 산성 촉매(204)하에서 가수 분해하고, 이로부터 생성된 가수 분해물을 발연 실리카(102)와 탈이온수(104)의 혼합물에 첨가하여 솔을 형성하는데 그 특징이 있음을 밝혀둔다.1 is a flow chart showing a doped silica glass manufacturing method using a sol-gel method according to a preferred embodiment of the present invention. As illustrated in FIG. 1, the doped silica glass manufacturing method using the sol-gel process according to the preferred embodiment of the present invention may include a sol forming step 100, a hydrolyzate forming step 200, a mixing step 300, and a molding. It consists of a step 400, a demolding step 500, a drying step 600, a low temperature heat treatment step 700 and a sintering step 800. In particular, the present invention hydrolyzes the metal alkoxide 202 having two alkoxide groups under acidic catalyst 204, and the hydrolyzate produced therefrom is added to the mixture of fumed silica 102 and deionized water 104 to Note that there is a characteristic in forming the

1. 솔 형성 단계1. Brush forming step

상기 솔 형성 단계(100)는 발연 실리카(102)와 탈이온수(Deionized water, 104)를 혼합하여 솔을 형성하는 단계이다. 상기 발연 실리카와 탈이온수의 혼합 중량비는 6:4 내지 4:6 혹은 5:5가 바람직하나, 상기 혼합 중량비는 실시예에 따라 변동될 수 있다.The sol forming step 100 is a step of forming a sol by mixing the silica fume 102 and deionized water (104). The mixing weight ratio of the fumed silica and deionized water is preferably 6: 4 to 4: 6 or 5: 5, but the mixing weight ratio may vary according to embodiments.

2. 가수 분해물 형성 단계2. Hydrolyzate Formation Step

상기 가수 분해물 형성 단계(200)는 2개의 알콕사이드기를 가진 메탈 알콕사이드(202)에 산성 촉매(204)를 부가하여 가수 분해하는 단계이다.The hydrolyzate forming step 200 is a step of hydrolyzing by adding an acid catalyst 204 to the metal alkoxide 202 having two alkoxide groups.

상기 메탈 알콕사이드(202)는 대칭되는 위치에 2개의 알콕사이드기를 가진 도핑(doping) 물질로서, 가수 분해에 필요한 물의 양이 적고, 그에 따라 가수 분해시 발생하는 알코올의 양도 줄어들어, 젤의 강도 향상은 물론 건조시 알코올의 급속 휘발에 의한 크랙 현상도 방지한다. 상기 메탈 알콕사이드(202)로는 디에틸디에톡시저먼(diethyldieethoxygermane)을 사용한다.The metal alkoxide 202 is a doping material having two alkoxide groups in a symmetrical position, and the amount of water required for hydrolysis is small, thereby reducing the amount of alcohol generated during hydrolysis, thereby improving strength of the gel. It also prevents cracking caused by the rapid volatilization of alcohol during drying. Diethyldieethoxygermane is used as the metal alkoxide 202.

상기 가수 분해물의 함량은 상기 솔 형성 단계(100)에서 생성된 솔을 기준으로 1 wt% 이상 10wt% 이하로 한다. 상기 가수 분해물의 함량이 10wt%를 초과하는 경우에는 젤의 강도가 오히려 약해질 뿐만 아니라 건조시 균열이 발생할 위험이 높고, 상기 가수 분해물의 함량이 1wt% 미만인 경우에는 젤의 강도 향상 효과가 약할 뿐만 아니라 젤화되는 속도도 느려진다.The hydrolyzate content may be 1 wt% or more and 10 wt% or less based on the sol generated in the sol forming step 100. When the content of the hydrolyzate exceeds 10wt%, not only the strength of the gel is rather weak but also a high risk of cracking during drying, and when the content of the hydrolyzate is less than 1wt%, the strength improvement effect of the gel is weak. It also slows down gelation.

상기 산성 촉매(204)는 가수 분해 및 솔 내부 입자의 응축(condensation) 시간을 단축한다. 상기 산성 촉매(204)는 염기성 촉매에 비해 시간 단축 효과가 크다. 상기 산성 촉매(204)로는 묽은 염산 혹은 황산 등을 사용한다.The acidic catalyst 204 shortens the hydrolysis and condensation time of the particles inside the sole. The acidic catalyst 204 has a greater time reduction effect than the basic catalyst. As the acid catalyst 204, dilute hydrochloric acid or sulfuric acid is used.

3. 혼합 단계3. Mixing step

상기 혼합 단계(300)는 상기 솔 형성 단계에서 생성된 솔에 상기 가수 분해물 형성 단계(200)에서 형성된 가수 분해물을 혼합하는 단계이다.The mixing step 300 is a step of mixing the hydrolyzate formed in the hydrolyzate forming step 200 with the brush generated in the brush forming step.

상기 솔은 2개의 알콕사이드기를 가진 메탈 알콕사이드의 가수 분해물이 혼합되어 있음으로 인하여, 망상 구조의 생성 혹은 불규칙한 가지화(randomly branched polymer)가 방지되고 올리고머(oligomer)나 폴리머가 입자 사이의넥(neck)에서 브리지(bridge) 결합을 생성하므로 젤의 강도가 높아짐은 물론 첨가물(dopant)의 도핑도 균일하게 이루어진다.The sol is a mixture of the metal alkoxide hydrolyzate having two alkoxide groups, thereby preventing the formation or randomly branched polymer of the network structure and oligomer or polymer is the neck between the particles Because of the bridging, the strength of the gel is increased and the doping of the additive is uniform.

상기 혼합 단계(300)의 혼합물에는 젤화제(302)를 첨가할 수 있다. 상기 젤화제(302)는 솔이 젤화되는데 소요되는 시간을 단축한다. 상기 젤화제(302))로서는 암모늄 플루오라이드(ammonium fluoride), 테트라메틸암모늄 하이드록사이드 (tetramethylammonium hydroxide) 및 포름아미드(formamide) 중 하나를 사용할 수 있다. 상기 혼합 단계(300) 후에는 진공 펌프 등을 이용하여 솔 내부에 함유된 기포를 제거할 수 있다.The gelling agent 302 may be added to the mixture of the mixing step 300. The gelling agent 302 shortens the time it takes for the brush to gel. As the gelling agent 302), one of ammonium fluoride, tetramethylammonium hydroxide, and formamide may be used. After the mixing step 300, it is possible to remove bubbles contained in the brush using a vacuum pump or the like.

4. 혼합 단계 이후의 단계4. Steps After Mixing

상기 몰딩 단계(400)는 상기 혼합 단계(300)에 의해 생성된 혼합물을 일정한 형태를 가진 몰드에 넣고 젤화시키는 단계이다. 상기 몰딩 단계(400) 후에는 솔 내부의 실리카 입자를 안정시키기 위해 숙성(aging) 과정을 행한다.The molding step 400 is a step of gelling the mixture produced by the mixing step 300 in a mold having a predetermined shape. After the molding step 400, an aging process is performed to stabilize the silica particles in the sole.

상기 디몰딩 단계(500)는 상기 몰딩 단계(400)에 의해 생성된 1차 건조젤을 몰드로부터 분리하는 과정이다. 상기 디몰딩 단계(500)는 1차 건조젤의 손상을 방지하기 위해 수조 내에서 수압을 이용하여 행하기도 한다.The demolding step 500 is a process of separating the primary dry gel produced by the molding step 400 from the mold. The demolding step 500 may be performed using water pressure in a water tank to prevent damage to the primary dry gel.

상기 건조 단계(600)는 디몰딩 단계(500)에 의해 몰드로부터 분리된 1차 건조젤을 항온항습 챔버 등을 이용하여 건조시킴으로써 2차 건조젤을 형성하는 공정이다.The drying step 600 is a process of forming the secondary dry gel by drying the primary dry gel separated from the mold by the demolding step 500 using a constant temperature and humidity chamber or the like.

상기 저온 열처리 단계(700)는 형성된 2차 건조젤을 염소, 수소, 산소 등의가스를 공급하면서 열처리하여, 상기 2차 건조젤 내의 잔류 수분 및 바인더 등의 유기물을 분해하고, 금속성 불순물과 수산화(OH)기 등을 제거하는 공정이다. 상기 저온 열처리 단계(700)은 상술한 바와 같이 2차 건조젤 내의 불순물을 제거하는 공정이므로, 정제(purification) 공정이라 부르기도 한다.The low temperature heat treatment step 700 is heat-treating the formed secondary dry gel while supplying gas such as chlorine, hydrogen, oxygen, decomposes organic matters such as residual moisture and binder in the secondary dry gel, and metallic impurities and hydroxide ( OH) group and the like. Since the low temperature heat treatment step 700 is a process of removing impurities in the secondary dry gel as described above, it is also called a purification process.

상기 소결 단계(800)은 저온 열처리 단계(700)을 거친 2차 건조젤을 고온에서 소결시켜 유리화함으로써, 최종적으로 얻고자 하는 고순도 실리카 글래스를 생산하는 공정이다. 상기 소결 단계(800)은 유기물 처리된 2차 건조젤을 헬륨(He)가스 분위기하의 소결로 내에서 상하로 이동하는 퍼니스(furnace)를 이용하여 1300 ℃ 이상 가열함으로써 이루어진다. 상기 소결 단계(800)을 마치게 되면, 비로소 고순도 실리카 글래스인 서브스트레이트 튜브(substrate tube)나 오버자켓팅 튜브(overjacketing tube)를 얻게 된다.The sintering step 800 is a process of producing high-purity silica glass to be finally obtained by sintering and drying the secondary dry gel passed through the low temperature heat treatment step 700 at a high temperature. The sintering step 800 is performed by heating the organic-treated secondary dry gel by using a furnace (furnace) to move up and down in the sintering furnace in a helium (He) gas atmosphere at least 1300 ℃. When the sintering step 800 is completed, a substrate tube or overjacketing tube, which is high purity silica glass, is obtained.

< 실시예 ><Example>

탈이온수와 발연 실리카(degussa사, Aerosil-OX50)를 혼합 중량비 5:5로 섞어 솔을 형성한다. 상기 솔의 형성과는 별도로 디에틸디에톡시저먼에 산성 촉매를 섞고 이를 가수 분해시켜 가수 분해물을 형성한다.Deionized water and fumed silica (Degussa, Aerosil-OX50) are mixed in a mixing weight ratio of 5: 5 to form a sol. Apart from the formation of the sol, an acidic catalyst is mixed with diethyl diethoxy germany and hydrolyzed to form a hydrolyzate.

이어, 상기 가수 분해물을 젤화되기 전의 솔에 부가한다. 이때, 상기 가수 분해물의 함량은 솔을 기준으로 1 중량% 이상 10 중량% 미만이 되도록 조절한다. 왜냐하면, 상기 가수 분해물의 함량이 1 중량% 미만인 경우에는 젤화 속도가 느릴 뿐만 아니라 젤의 강도 향상 효과 또한 미미하고, 10 중량%를 초과한 경우에는 젤의 강도가 오히려 약해지기 때문이다.The hydrolyzate is then added to the brush before gelation. At this time, the amount of the hydrolyzate is adjusted to be less than 10% by weight based on the sole. This is because, when the hydrolyzate content is less than 1% by weight, not only the gelation rate is slow but also the strength improvement effect of the gel is insignificant, and when it exceeds 10% by weight, the strength of the gel is rather weak.

또한, 상기 솔에 가수 분해물을 부가한 뒤, 젤화제인 포름아미드를 투입한다. 이후, 몰딩, 디몰딩, 건조, 저온 열처리 및 소결 단계를 거쳐 도핑된 실리카 글래스를 생산한다.Furthermore, after adding a hydrolyzate to the sol, formamide which is a gelling agent is added thereto. Thereafter, the doped silica glass is produced through molding, demolding, drying, low temperature heat treatment, and sintering.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 솔-젤 공법을 이용한 도핑된 실리카 글래스 제조 방법은 첨가물의 균일한 도핑은 물론 산성 솔의 분산능을 충분히 확보할 수 있고, 습윤젤의 강도를 향상시키며, 건조후 젤의 수축이 적은 도핑된 실리카 글래스를 생산할 수 있는 효과가 있다.As described above, the doped silica glass manufacturing method using the sol-gel method according to the embodiment of the present invention can ensure sufficient dispersion of the acidic sol as well as uniform doping of additives, and improve the strength of the wet gel. After drying, the shrinkage of the gel is less effective to produce doped silica glass.

Claims (6)

솔-젤 공법을 이용한 도핑된 실리카 글래스 제조 방법에 있어서,In the method for producing doped silica glass using the sol-gel method, 발연 실리카와 탈이온수를 혼합하여 솔을 형성하는 솔 형성 단계와;A sol forming step of forming a sol by mixing fumed silica and deionized water; 2개의 알콕사이드기를 가진 메탈 알콕사이드에 산성 촉매를 부가한 후 가수분해하는 가수 분해물 형성 단계와;A hydrolyzate forming step of adding an acidic catalyst to a metal alkoxide having two alkoxide groups and then hydrolyzing it; 상기 솔 형성 단계에서 생성된 솔에 상기 가수 분해물을 혼합하는 혼합 단계와;A mixing step of mixing the hydrolyzate with the sol produced in the sol forming step; 상기 혼합 단계에 의해 생성된 혼합물을 몰드에 넣고 젤화시키는 몰딩 단계를 포함함을 특징으로 하는 솔-젤 공법을 이용한 도핑된 실리카 글래스 제조 방법.And a molding step of putting the mixture produced by the mixing step into a mold and gelling the gel. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 메탈 알콕사이드로는 디에틸디에톡시저먼을 사용함을 특징으로 하는 솔-젤 공법을 이용한 도핑된 실리카 글래스 제조 방법.The metal alkoxide is a diethyl diethoxy germane characterized in that the doped silica glass manufacturing method using a sol-gel method. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 산성 촉매로는 묽은 염산 혹은 황산을 사용함을 특징으로 하는 솔-젤 공법을 이용한 도핑된 실리카 글래스 제조 방법.The acid catalyst as a dilute hydrochloric acid or sulfuric acid, characterized in that the doped silica glass manufacturing method using the sol-gel method. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 혼합 단계에는 젤화제를 첨가함을 특징으로 하는 솔-젤 공법을 이용한 도핑된 실리카 글래스 제조 방법.The mixing step is a doped silica glass manufacturing method using a sol-gel method characterized in that the addition of a gelling agent. 제 4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 젤화제로는 암모늄 플루오라이드, 테트라메틸암모늄 하이드록사이드 또는 포름아미드를 사용함을 특징으로 하는 솔-젤 공법을 이용한 도핑된 실리카 글래스 제조 방법.The gelling agent is a method for producing doped silica glass using the sol-gel method, characterized in that using ammonium fluoride, tetramethylammonium hydroxide or formamide. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 가수 분해물의 함량은 상기 솔 형성 단계에서 형성된 솔을 기준으로 1wt% 이상 10wt% 이하임을 특징으로 하는 솔-젤 공법을 이용한 도핑된 실리카 글래스 제조 방법.The content of the hydrolyzate is a method of producing doped silica glass using a sol-gel method, characterized in that 1wt% or more based on the sol formed in the sol forming step.
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