KR100355176B1 - 콜로이드 실리카의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 콜로이드 실리카의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 a) 알칼리금속 규산 용액을 초순수로 희석하여 희석 알칼리금속 규산 용액을 제조하는 단계, b) 상기 희석된 알칼리금속 규산 용액을 무기산과 반응시켜 콜로이드 실리카 용액을 제조하는 단계, c) 상기 콜로이드 실리카 용액을 강산성 양이온 교환수지에 통과시켜 용액 내의 알칼리염을 제거하고 산성 콜로이드 실리카 용액을 제조하는 단계, d) 상기 산성 콜로이드 실리카 용액을 열처리하는 단계, e) 상기 열처리된 콜로이드 실리카에 알칼리금속 규산 용액을 첨가하고 온도를 상승시킨 후 일정시간을 유지시켜 콜로이드 실리카의 농도를 상승시키고 입자를 1차 성장시키는 단계, f) 콜로이드 실리카 용액을 냉각시킨 다음 양이온 교환수지를 통과시키고 온도를 상승시킨 후 일정 시간 유지시켜 콜로이드 실리카의 입자를 2차 성장시키는 단계, 및 g) 상기 입자 성장된 콜로이드 실리카 용액을 농축시키는 단계를 포함하는 콜로이드 실리카의 제조방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명의 제조방법은 h) 상기 농축된 콜로이드 실리카를 양이온 교환수지 및 음이온 교환수지의 2 단계 혼상 수지탑을 통과시켜 정제하는 단계, 및 i) 상기 정제된 콜로이드 실리카에 아민류 및 콜로이드 실리카의 반대 전하를 가지는 이온을 첨가시켜 안정화시키는 단계를 더욱 포함할 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 콜로이드 실리카는 고순도 및 고농도이며 균일한 입자 분포를 나타내므로 실리콘 웨이퍼 연마용 슬러리의 제조시 적합하다.

Description

콜로이드 실리카의 제조방법{A PROCESS FOR PREPARING COLLOIDAL SILICA}
본 발명은 콜로이드 실리카의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실리콘 웨이퍼 연마용 슬러리를 포함하는 콜로이드 실리카를 사용하는 모든 산업 분야에 필요한 요구 조건을 충족시킬 수 있는 고순도, 고농도의 균일한 입자 분포를 나타내는 콜로이드 실리카를 제조하는 방법에 관한 것이다.
콜로이드 실리카의 제조방법은 하기 특허에 제시되어 있다.
미국 특허 제 3,462,374 호, 제 3,440,176 호, 제 3,673,104 호 및 제 3,947,376 호는 실리카 졸의 농축 방법을 제시하고 있다. 이들 특허는 고온 고압 또는 고온 저압의 조건에서 물을 증발시키는 증류장치를 이용한 농축방법을 제시하고 있다.
미국 특허 제 5,458,812 호는 크기 1 nm, 실리카 농도 4 내지 8%의 실리카 졸을 미세공막을 이용하여 농축하는 방법을 제시하고 있다. 그러나, 상기 특허에서는 매우 작은 실리카 졸을 사용하였으며, 입자의 일정한 분포를 구하는 것에 대하여 제시하고 있지 않다.
미국 특허 제 480,665 호는 평균 입자 크기 2 내지 110 nm의 200 ppm 이하의 나트륨을 가진 실리카 졸을 생산하는 방법을 제시한다. 상기 특허는 알카놀아민을 실릴산에 힐(heel)로서 사용하는데, 그 일부분을 첨가하고 콜로이드 실리카 농도를 유지하며, 졸을 한외여과법을 이용하여 농축한다. 또한 초기 힐을 94 ±4 ℃로 가열하는 정온 실리카 생산기술을 사용한다. 그러나 상기 특허에서는 나트륨이온 농도가 비교적 높고 초기 힐을 가열시 온도 변화에 따른 입자크기제어에 대한 제시가 없다. 또한, 실리콘 웨이퍼 연마용으로는 콜로이드 실리카의 크기가 140 nm 정도인 것이 우수한 것으로 나타났으나, 상기 특허에서는 110 nm가 가장 큰 것으로 제시되고 있다.
따라서, 각 산업의 요구에 따라 입자 크기를 제어할 수 있는 고순도 및 고농도의 콜로이드 실리카를 제조하는 방법이 요구되고 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명자들은 강산성 양이온 수지 및 혼상 수지를 이용하여 콜로이드 실리카를 제조함으로써 콜로이드 입자 크기를 제어할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명의 목적은 콜로이드 실리카의 입자 크기를 제어할 수 있는 고순도 및 고농도의 콜로이드 실리카를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 방법에 따라 제조된 평균 입경 134.3 nm를 가지는 콜로이드 실리카의 입자 크기 분포를 도시하는 곡선이다.
도 2는 본 발명의 방법에 따라 제조된 평균 입경 119.3 nm를 가지는 콜로이드 실리카의 입자 크기 분포를 도시하는 곡선이다.
도 3은 본 발명의 방법에 따라 제조된 평균 입경 90.1 nm를 가지는 콜로이드 실리카의 입자 크기 분포를 도시하는 곡선이다.
도 4는 본 발명의 방법에 따라 제조된 평균 입경 24.3 nm를 가지는 콜로이드 실리카의 입자 크기 분포를 도시하는 곡선이다.
도 5는 본 발명의 방법에 따라 제조된 평균 입경 47.0 nm를 가지는 콜로이드 실리카의 입자 크기 분포를 도시하는 곡선이다.
도 6은 본 발명의 방법에 따라 제조된 평균 입경 68.1 nm를 가지는 콜로이드 실리카의 입자 크기 분포를 도시하는 곡선이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 a) 알칼리금속 규산 용액을 초순수로 희석하여 희석 알칼리금속 규산용액을 제조하는 단계, b) 상기 희석된 알칼리금속 규산 용액을 무기산과 반응시켜 콜로이드 실리카 용액을 제조하는 단계, c) 상기 콜로이드 실리카 용액을 강산성 양이온 교환수지에 통과시켜 용액 내의 알칼리염을 제거하고 산성 콜로이드 실리카 용액을 제조하는 단계, d) 상기 산성 콜로이드 실리카 용액을 열처리하는 단계, e) 상기 열처리된 실리카 용액에 알칼리금속 규산 용액을 첨가하고 온도를 상승시킨 후 일정시간을 유지시켜 콜로이드 실리카의 농도를 상승시키고 입자를 1차 성장시키는 단계, f) 콜로이드 실리카 용액을 냉각시킨 다음 양이온 교환수지를 통과시키고 온도를 상승시킨 후 일정 시간 유지시켜 콜로이드 실리카의 입자를 2차 성장시키는 단계, 및 g) 상기 입자 성장된 콜로이드실리카 용액을 농축시키는 단계를 포함하는 콜로이드 실리카의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 제조방법은, g) 상기 농축된 콜로이드 실리카를 양이온 교환수지 및 음이온 교환수지의 2 단계 혼상 수지탑을 통과시켜 정제하는 단계, 및 h) 상기 정제된 콜로이드 실리카에 아민류 및 콜로이드 실리카의 반대 전하를 가지는 이온을 첨가시켜 콜로이드 실리카를 안정화시키는 단계를 더욱 포함할 수 있다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
단계 a)는 출발물질인 알칼리금속 규산 용액을 제조하는 단계이다.
이는 일정한 실리카 농도 및 SiO2/M2O 몰비를 가지는 알칼리금속 규산 용액을 초순수로 희석시킴에 의하여 수행된다. 상기 알칼리 금속 규산 용액으로서 실리카 농도 23 내지 30% 및 SiO2/Na2O 몰비 3.1 내지 3.5의 규산나트륨, 실리카 농도 23 내지 32% 및 SiO2/K2O 몰비 3.0 내지 3.5의 규산 칼륨을 이용할 수 있으며, 알칼리 금속의 양이 적은 것이 바람직하다. 초순수는 전기전도도가 0.1 μS/cm 이하인 것이 바람직하다. 희석 용액을 충분히 혼합하여 농도가 균일한 상태를 유지하도록 하며, 용액의 온도는 10 ℃ 이상으로 유지하는 것이 바람직하다. 결과의 알칼리 규산 용액은 실리카 농도가 1 내지 5%이고 pH 11 내지 12 인 것이 바람직하다.
단계 b)는 단계 a)에서 제조된 알칼리 금속 규산 용액을 무기산과 산화 반응시켜 실리카 이온을 콜로이드 상태로 만드는 단계이다.
무기산의 예로는 과산화수소, 염산, 황산 등을 들 수 있다. 무기산과의 반응 방법은 무기산과 실리카 용액을 펌프와 혼합기를 이용하여 동시에 혼합시키는 방법과 실리카 용액을 격렬하게 교반하면서 상부의 Vortex에 주입하는 방법이 있다. 반응 용액이 다량일 때에는 전자가 바람직하나, 이는 혼합시 pH가 순간적으로 변한다는 단점이 있으며, 후자는 안정적이고 pH의 변화를 쉽게 관찰하면서 조절할 수 있으나 다량에는 곤란하다. 이 단계에서는 갑자기 다량의 무기산을 주입하면 용액의 일부가 겔화되므로, 일정량의 무기산을 일정하게 주입하는 것이 바람직하다. 결과의 콜로이드 실리카는 pH 8 내지 9.5를 유지하는 것이 바람직하다. pH 8 미만에서는 용액이 겔 상태로 변화하고 pH 9.5를 초과할 경우에는 일정한 크기의 콜로이드 실리카를 얻을 수 없기 때문이다.
단계 c)는 단계 b)에서 제조된 미세한 입자의 콜로이드 실리카 용액을 강산성 양이온 교환수지에 통과시켜 용액 내의 알칼리염을 제거하고 산성 콜로이드 실리카 용액을 제조하는 단계이다.
양이온 교환수지로서 DIAION SKIB, AMBERLITE IR-120, LEWAITT S-100, DOWEX HGR-W 등과 같은 동일한 물성을 가진 수지를 이용할 수 있다. 이온 교환 수지는 탑 방식을 이용하는 것이 바람직하다. 유속은, 공간 속도 5 내지 30 Hr-1에서 최적의 이온교환능이 유지되며 이 범위를 벗어날 경우 이온 교환능이 떨어지므로, 공간속도 5 내지 30 Hr-1이 바람직하다. 온도의 영향은 극히 미약하나 10 ℃ 이상으로 유지하는 것이 바람직하다. 결과의 산성 콜로이드 실리카는 pH 2 내지 3을 가지는 것이 바람직하다.
단계 d)는 단계 c)에서 제조된 산성 콜로이드 실리카 용액을 열처리하는 단계이다. 열처리를 위하여 60 내지 100 ℃로 온도를 상승시키는 것이 바람직하며, 여기서 온도상승률은 입자 크기의 상승과 무관하다. 온도가 상승될 때 실리카의 평균 입자경의 변화는 없으며, 일정 온도로 상승한 후 30 분 내지 40 분 까지는 입자의 크기가 상승하나 40 분 이후로는 입자의 크기가 작아지고 약 2 시간 이후에는 초기 입자보다 작아진다. 이 단계에서 2 내지 4 nm의 입자경을 가진 콜로이드 실리카를 제조할 수 있다.
단계 e)는 단계 d)에서 얻어진 콜로이드 실리카에 알칼리금속 규산 용액을 첨가하고 온도를 상승시킨 후 일정 시간 유지시킴에 의하여 실리카의 농도를 상승시키고 콜로이드 실리카 입자를 1차 성장시키는 단계이다.
먼저, 산성 콜로이드 실리카 용액에 단계 a)에서 사용된 알칼리금속 규산 용액을 첨가하여 pH를 상승시킨다. pH 9.5 내지 11.0로 상승시키는 것이 바람직하다. 이 때 pH의 변화에 따라 콜로이드 실리카의 크기가 변화하므로 강하게 혼합하여 용액의 균일한 pH를 유지하는 것이 바람직하다. 또한, 갑자기 다량의 규산염을 주입하면 콜로이드 실리카가 활성 실리카로 변화하는 경향이 있으므로 일정량의 규산염을 일정하게 주입하도록 주의하여야 한다. 다음, 규산염을 첨가한 용액을 일정 온도로 상승시킨다. 여기서, 분 당 1 내지 6 ℃의 일정 온도상승률을 유지시켜 60 내지 110 ℃ 온도로 상승시키는 것이 바람직하다. 온도 상승률이 증가함에 따라 콜로이드 실리카의 입자크기가 상승하므로 온도상승률을 조절함에 의해 원하는 크기를 얻을 수 있다. 용액이 일정 온도까지 상승한 후, 일정 시간 유지시킨다.유지 시간은 약 30 내지 90 분이 바람직하며, 60 분을 초과하면 실리카의 입자경이 줄어든다. 따라서, 가열시간을 조절함에 따라 원하는 입자경을 얻을 수 있다. 이 단계에서 5 내지 45 nm의 입자크기 및 실리카 농도 10% 까지의 콜로이드 실리카를 얻을 수 있다.
단계 f)는 1차 농도 상승 및 입자 성장된 콜로이드 실리카를 양이온교환수지를 통과시키고 일정 온도로 상승시킨 후 일정 시간 유지함에 의하여 콜로이드 실리카의 입자를 2차 성장시키는 단계이다.
먼저, 단계 e)에서 얻어진 콜로이드 실리카를 냉각시킨다. 냉각 온도는 30 내지 40 ℃가 바람직하며, 냉각 후 일정 온도로 유지한다. 다음, 냉각된 콜로이드 실리카를 양이온 교환 수지에 통과시킨다. 양이온 교환 수지로서 DIAION SKIB, AMBERLITE IR-120, LEWAITT S-100, DOWEX HGR-W 등과 같은 동일한 물성을 가진 수지를 이용할 수 있다. 이온교환수지는 탑 방식을 이용하고, 유속은 최적의 이온교환능을 유지하도록 공간 속도 5 내지 30 Hr-1이 바람직하다. 양이온 교환 수지를 통과한 용액의 pH는 2 내지 4 범위로 유지하는 것이 바람직하다. 이 때, 혼합을 강하게 하면 콜로이드 실리카가 응고될 수 있으므로, 혼합을 약하게 유지하여 pH 변화에 따라 콜로이드 실리카의 크기를 균일하게 하도록 한다. 양이온 교환수지를 통과한 용액을 일정 온도로 상승시킨다. 온도는 60 내지 110 ℃로 상승시키는 것이 바람직하며, 온도 상승률이 증가함에 따라 콜로이드 실리카의 입자 크기가 상승하므로 온도상승률을 조절하여 원하는 크기를 얻을 수 있다. 용액을 일정 온도로상승시킨 후, 일정시간을 유지한다. 유지시간은 약 30 내지 90 분이 바람직하며, 60분을 초과하면 실리카의 입자경이 줄어든다. 따라서, 가열시간을 조절하여 원하는 입자경을 얻을 수 있다. 이 단계에서 45 내지 150 nm의 입자크기를 가진 콜로이드 실리카를 얻을 수 있다.
단계 g)는 상기 1차 또는 2차 입자 성장된 콜로이드 실리카를 농축시키는 단계이다.
이는 한외여과막 및 역 삼투압막을 이용하여 수행할 수 있다. 콜로이드 실리카의 입자크기 분포 범위를 설정하여, 200 nm 이상의 입자를 제거할 경우 기공 크기가 다른 한외여과 막을 이용하여 큰 입자를 제거한 후, 역 삼투압을 이용하여 콜로이드 실리카를 농축할 수 있다. 이 때, 콜로이드 실리카 용액이 알칼리성일 경우 기공이 자주 막히는 문제가 발생하므로, 이러한 문제를 제거하기 위해 용액을 고온상태로 유지하거나 용액을 산성 상태에서 막을 통과시키도록 하는 것이 일반적이다. 본 발명에서는 콜로이드 실리카 용액이 고온 및 산성 상태로 유지되므로 매우 효과적으로 농축을 실시할 수 있다. 이 단계에서 실리카 농도 약 40% 까지의 콜로이드 실리카를 얻을 수 있다.
즉, 상기 단계 a) 내지 g)에 따라 콜로이드 실리카의 평균 입경을 5 내지 150 nm로 자유로이 조절하면서 실리카 농도 40% 까지의 콜로이드 실리카를 제조할 수 있다.
단계 h)는 단계 g)에서 얻어진 농축된 콜로이드 실리카를 정제하는 단계이다. 이 단계에서는, 기초물질, 이온교환수지 및 막에서 용출되어 용존되어 있는이온을 완벽하게 제거하여 실리콘 웨이퍼 연마 공정에 이용할 수 있는 콜로이드 실리카를 제조하기 위하여, 혼상 수지를 이용하여 정제를 수행한다. 혼상수지는 양이온 교환수지와 음이온 교환수지의 2단계를 거치도록 하며, 상기 양이온 교환수지와 음이온 교환수지가 1:1 또는 1:2로 혼합된 것이 바람직하다. 혼상수지를 통과시킬 때 용액의 공간 속도는 3 내지 40 Hr-1로 유지하는 것이 바람직하며, 용액의 온도는 상온을 유지하되 다만 10 ℃ 이하로 내려가지 않도록 하는 것이 좋다.
단계 i)는 콜로이드 실리카를 안정화시키는 단계로서, 아민류 및 콜로이드 실리카의 반대전하를 가진 이온을 첨가하여 수행한다. 아민류로서 NH4OH 및 2-아미노-2-메틸-프로판올을 이용할 수 있다. 아민류의 첨가에 의해 pH를 9 내지 11.0으로 조정한 후, 콜로이드 실리카의 반대전하를 가진 이온을 첨가하여 안정화시켜, 입자의 성장 및 엉김 현상을 방지할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 방법에 따라 콜로이드 실리카의 입자경을 2 내지 150 nm 범위로 조절하면서 Na 농도 10 ppm 미만, K 농도 0.5 ppm 미만이며 실리카 농도 40% 까지의 고순도 및 고농도의 콜로이드 실리카를 제조할 수 있다.
이하, 본 발명을 하기 실시예를 참조로 하여 보다 상세히 설명하나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
[실시예 1]
한국 공업규격 규산소다 3종을 순수로 희석하여 실리카 2 내지 3%의 용액을 제조하였다. 여기에 황산용액 150 g을 주입하고 용액의 pH를 9.0으로 유지시킨후, 양이온 교환수지를 통과시켜 pH 2인 용액을 얻었다. 상기 용액의 콜로이드 실리카의 평균입경은 Sears법으로 측정한 바 2.8 nm이었으며, 상기 콜로이드 실리카는 단구형이 아닌 서로 구형상태로 서로 연결 상을 가진 비정형상태를 보였다.
상기 용액에 규산소다를 주입하여 pH를 9.0 내지 10.5로 유지시키고, 용액의 온도를 온도상승률 1℃/분 속도로 70 ±5℃로 상승시킨 후, 70 ℃로 유지한 상태에서 1 시간을 가열하면서 입자를 성장시켰다. 1 차 열처리 공정에서 얻어진 콜로이드 실리카의 평균 입자경은 Dynamic scattering particle analyzer로 측정한 바 22 nm였으며, 실리카의 농도는 5 내지 7%였다.
[실시예 2]
한국공업규격 규산소다 3 종을 순수로 희석하여 실리카 농도 5%의 용액을 제조하였다. 상기 용액에 황산용액 300 g을 주입하고, 용액의 pH를 9.5로 유지시킨 다음, 양이온 교환수지를 통과시켜 pH 2.5인 용액을 제조하였다. 상기 용액에서 콜로이드 실리카의 평균 입경은 Sears 법으로 측정한 바 2.0 nm였으며, 콜로이드 실리카는 단구형이 아닌 서로 구형상태로 서로 연결 상을 가진 비정형 상태를 보였다.
상기 용액에 규산소다를 주입하여 pH를 11.0으로 유지시키고, 용액의 온도를 온도상승률 3℃/분으로 80 ±5℃로 상승시킨 다음, 80℃로 유지시킨 상태에서 1 시간 가열하면서 입자를 성장시켰다. 1차 열처리 공정에서 얻어진 콜로이드 실리카의 평균 입자경은 Dynamic scattering particle analyzer로 측정한 바 43 nm였으며, 실리카의 농도는 8 내지 9%였다.
[실시예 3]
한국공업규격 규산소다 3 종을 순수로 희석하여 실리카 농도 2-3%의 용액을 제조하였다. 상기 용액에 황산용액 150 g을 주입하고, 용액의 pH를 9.0으로 유지시킨 다음, 양이온 교환수지를 통과시켜 pH 2인 용액을 제조하였다. 상기 용액에서 콜로이드 실리카의 평균 입경은 Sears 법으로 측정한 바 2.8 nm였으며, 콜로이드 실리카는 단구형이 아닌 서로 구형상태로 서로 연결 상을 가진 비정형 상태를 보였다.
상기 용액에 규산소다를 주입하여 pH를 10.5로 유지시키고, 용액의 온도를 온도상승률 1.5℃/분으로 75 ±5℃로 상승시킨 다음, 70℃로 유지시킨 상태에서 1 시간 가열하였다. 1차 열처리 공정에서 얻어진 콜로이드 실리카의 평균 입자경은 Dynamic scattering particle analyzer로 측정한 바 23 nm였으며, 실리카의 농도는 5 내지 6%였다.
상기 용액을 30 내지 40 ℃로 냉각시키고, 양이온 교환수지를 통과시켜 용액의 pH를 2.0 내지 3.0으로 조절하였다. 콜로이드 실리카의 2차 입자성장 및 농도상승을 위해, 상기 용액에 규산 소다를 주입하여 pH 10.5로 유지시키고, 온도상승률 2℃/분으로 온도를 75 ±5℃로 상승시킨 다음, 상기 온도에서 1 시간 가열하면서 입자를 성장시켰다. 이 용액의 pH는 10.5였으며, Dynamic scattering method로 측정한 바 평균 입자경 100 nm, 실리카 농도 9 내지 10%인 콜로이드 실리카를 얻었다.
[실시예 4]
한국공업규격 규산소다 4 종을 순수로 희석하여 실리카 농도 3%의 용액을 제조하였다. 상기 용액에 황산용액 200 g을 주입하고, 용액의 pH를 9.0으로 유지시킨 다음, 양이온 교환수지를 통과시켜 pH 2.4인 용액을 제조하였다. 상기 용액에서 콜로이드 실리카의 평균 입경은 Sears 법으로 측정한 바 2.5 nm였다.
상기 용액에 규산소다를 주입하여 pH를 10.5로 유지시키고, 용액의 온도를 온도상승률 3℃/분으로 75 ±5℃로 상승시킨 다음, 70℃로 유지시킨 상태에서 1 시간 가열하면서 입자를 성장시켰다. 1차 열처리 공정에서 얻어진 콜로이드 실리카의 평균 입자경은 Dynamic scattering particle analyzer로 측정한 바 47 nm였으며, 실리카의 농도는 5 내지 6%였다.
상기 용액을 30 내지 40 ℃로 냉각시키고, 양이온 교환수지를 통과시켜 용액의 pH를 2.5로 조절하였다. 콜로이드 실리카의 2차 입자성장 및 농도상승을 위해, 상기 용액에 규산 소다를 주입하여 pH 10.5로 유지시키고, 온도상승률 3℃/분으로 온도를 80 ±5℃로 상승시킨 다음, 상기 온도에서 80분 가열하였다. 이 용액의 pH는 10.5였으며, Dynamic scattering method로 측정한 바 평균 입자경 150 nm, 실리카 농도 9 내지 10%인 콜로이드 실리카를 얻었다.
[실시예 5]
실시예 1에서 제조한 평균 입자경 22 nm, 실리카 농도 6%의 콜로이드 실리카 용액을 상온으로 냉각시키고 양이온 교환수지를 통과시켜 용액의 pH를 2.0 내지 3.0으로 조절하였다.
상기 용액을 나권형 역삼투막을 이용하여 농축시켰다. 역 삼투막을 이용하여 SiO2기준으로 15% 용액을 얻었다. 다음, 미세 필터를 이용하여 농축된 콜로이드 실리카 용액 내 큰 입자를 제거하였다. 그 후, 콜로이드 실리카 용액의 완벽한 정제를 위하여, 2 단계의 혼상 수지탑을 통과시켰다. 용액의 금속 이온을 원자 흡수 분광광도계를 이용하여 확인한 결과, Na < 5 ppm, K < 0.5 ppm 미만이었다.
pH 조절제로서 NH4OH 및 2-아미노-2-메틸-1-프로판올을 사용하여 pH를 9.5 내지 10.5로 조절하였다. 결과, 실리카 농도 12%, 입자 평균 크기 20 내지 25 nm의 콜로이드 실리카가 얻어졌다.
[실시예 6]
실시예 3의 1차 열처리공정에서 제조된 평균 입자경 47 nm, 실리카 농도 8%인 콜로이드 실리카 용액을 상온으로 냉각시키고, 양이온 교환수지를 통과시켜 용액의 pH를 2.5로 조절하였다. 상기 용액을 나권형 역삼투막을 이용하여 농축하였다. 역삼투막을 이용하여 SiO2기준으로 30% 용액을 얻었다.
미세 필터를 이용하여 농축된 콜로이드 실리카 용액 내 큰 입자를 제거하였다. 콜로이드 실리카 용액의 완벽한 정제를 위해, 2 단계 혼상 수지탑을 통과시켰다. 원자 흡수 분광광도계를 이용하여 용액의 금속이온을 확인한 결과, Na < 10 ppm, K < 0.5 ppm 으로 나타났다.
pH 조절제로 NH4OH 및 2-아미노-2-메틸-1-프로판올을 첨가하여 pH를 9.5 내지 10.5로 유지시켰다.
[실시예 7]
실시예 1에서 제조된 콜로이드 실리카의 2차 입자성장 및 농도상승을 위해, 상기 콜로이드 실리카 용액에 규산 소다를 주입하여 pH를 10.5로 유지시키고, 온도상승률 3℃/분으로 온도 80 ±5℃로 상승시킨 후, 상기 온도로 유지한 상태에서 80 분간 가열하였다. 상기 용액의 pH는 10.5였고, 평균 입자경은 150 nm, 실리카 농도 9 내지 10%의 콜로이드 실리카를 얻었다.
상기 용액을 40℃로 냉각시키고, 양이온 교환수지를 통과시켜 용액의 pH를 2.0 내지 3.0으로 조정하였다. 상기 용액을 나권형 역삼투막을 이용하여 농축시켰다. 역삼투막을 이용하여 SiO2기준 30 내지 40% 용액을 얻었다. 미세 필터를 이용하여 농축된 콜로이드 실리카 용액 내 큰 입자를 제거하였다. 콜로이드 실리카 용액의 완벽한 정제를 위하여, 2 단계 혼상 수지탑을 통과시켰다. 원자 흡수 분광광도계를 이용하여 용액의 금속이온을 확인한 결과, Na < 20 ppm, K < 0.5 ppm 으로 나타났다.
pH 조절제로서 NH4OH 및 2-아미노-2-메틸-1-프로판올을 첨가하여 pH를 9.5 내지 10.5로 유지하였다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 방법은 콜로이드 실리카의 입자 크기를 제어할 수 있으며, 본 발명의 방법에 따라 균일한 입자 크기 분포를 가지는 고농도 및 고순도의 콜로이드 실리카가 제조된다. 본 발명에 따라 제조된 콜로이드 실리카는 무기 불순 이온이 적고 균일한 입자 크기 분포를 나타내므로 실리콘 웨이퍼 연마용 슬러리의 제조에 가장 적합하며, 기타 고순도의 촉매, 규산염 점착제, 화장품, 무기염 바인더 화합물의 제조에도 적합하다.

Claims (10)

  1. a) 알칼리금속 규산 용액을 초순수로 희석하여 희석 알칼리금속 규산 용액을 제조하는 단계;
    b) 상기 희석된 알칼리금속 규산 용액을 무기산과 반응시켜 콜로이드 실리카 용액을 제조하는 단계;
    c) 상기 콜로이드 실리카 용액을 강산성 양이온 교환수지에 통과시켜 용액 내의 알칼리염을 제거하고 산성 콜로이드 실리카 용액을 제조하는 단계;
    d) 상기 산성 콜로이드 실리카 용액을 열처리하는 단계;
    e) 상기 열처리된 콜로이드 실리카 용액에 알칼리금속 규산 용액을 첨가하고 온도를 상승시킨 후 일정시간을 유지시켜 콜로이드 실리카의 농도를 상승시키고 입자를 1차 성장시키는 공정;
    f) 상기 1차 입자 성장된 콜로이드 실리카 용액을 냉각시킨 다음 양이온 교환수지를 통과시키고 온도를 상승시킨 후 일정 시간 유지시켜 콜로이드 실리카의 입자를 2차 성장시키는 단계; 및
    g) 상기 입자 성장된 콜로이드 실리카 용액을 농축시키는 단계를 포함하는 콜로이드 실리카의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 g) 단계 후,
    h) 상기 농축된 콜로이드 실리카를 양이온 교환수지 및 음이온 교환수지의 2단계 혼상 수지탑을 통과시켜 정제하는 단계; 및
    i) 상기 정제된 콜로이드 실리카에 아민류 및 콜로이드 실리카의 반대 전하를 가지는 이온을 첨가시켜 콜로이드 실리카를 안정화시키는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 콜로이드 실리카의 제조방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 단계 a)에 사용되는 알칼리금속 규산용액이 실리카 농도 23 내지 30% 및 SiO2/Na2O 몰비 3.1 내지 3.5의 규산나트륨 또는 실리카 농도 23 내지 32% 및 SiO2/K2O 몰비 3.0 내지 3.5의 규산칼륨으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 콜로이드 실리카의 제조방법.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 단계 a)에서 제조되는 희석된 알칼리 규산용액의 실리카 농도가 1 내지 5%인 것을 특징으로 하는 콜로이드 실리카의 제조방법.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 단계 b)에서 사용되는 무기산이 과산화수소, 염산 또는 황산으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 콜로이드 실리카의 제조방법.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 단계 c)에서 사용되는 양이온 교환수지가 DIAION SKIB, AMBERLITE IR-120, LEWAITTS-100 또는 DOWEX HGR-W로부터 선택되는것을 특징으로 하는 콜로이드 실리카의 제조방법.
  7. 제 1항 또는 제2항에 있어서, 단계 d)에서 제조되는 콜로이드 실리카의 입경이 2 내지 4 nm인 것을 특징으로 하는 콜로이드 실리카의 제조방법.
  8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 단계 e)에서 제조되는 콜로이드 실리카의 입경이 5 내지 45 nm인 것을 특징으로 하는 콜로이드 실리카의 제조방법.
  9. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 단계 f)에서 제조되는 콜로이드 실리카의 입경이 45 내지 150 nm인 것을 특징으로 하는 콜로이드 실리카의 제조방법.
  10. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 단계 g)에서 제조되는 콜로이드 실리카의 실리카 농도가 약 40 % 이하인 것을 특징으로 하는 콜로이드 실리카의 제조방법.
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