KR100748870B1 - 에어로젤 후막의 제조방법 - Google Patents

에어로젤 후막의 제조방법 Download PDF

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KR100748870B1
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전병세
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한국과학기술연구원
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Abstract

본 발명은 유리기판의 표면개질을 통한 스마트글레이징용 실리카 에어로젤의 두께를 증진하는 방법에 관한 것으로서, UV 램프와 산소 기체를 이용하여 유리기판의 표면을 개질하고, 개질된 유리기판 표면 위에 100 ㎚ 이하의 제로젤(Xerogel) 박막을 1차로 형성한 다음, 그 위에 실리카 솔 코팅을 수차례 실시하여 다층막을 형성하고, 실리카 습윤젤의 용매치환/표면개질 공정을 동시에 실시한 후, 상압건조 방식을 채택함으로써 1mm 이상 두께를 갖는 대면적의 에어로젤 후막을 빠른 공정속도로 제조할 수 있다.
스마트글레이징, 실리카 에어로젤, 두께증진, 표면개질, Xerogel

Description

에어로젤 후막의 제조방법 {METHOD OF FABRICATING AN AEROGEL THICK FILM}
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리카 에어로젤(Silica aerogel) 후막의 제조방법을 나타낸 공정도,
도 2 는 본 발명에 의해 유리기판상에 형성된 제로젤(xerogel) 막의 사진,
도 3 은 본 발명에 따른 실리카 에어로젤 후막의 FT-IR 구조 분석 결과,
도 4 는 본 발명에 따른 실리카 에어로젤 후막의 투광도,
도 5 는 본 발명의 다른 실시예에 따라 물유리를 이용한 에어로젤 후막의 제조방법을 나타낸 공정도이다.
본 발명은 에어로젤 후막 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자외선 램프(UV lamp)를 이용하여 기판인 유리의 표면을 개질하여 실리카 에어로젤의 젖음성을 증진시킴으로써 후막(예컨대, 두께 1mm 이상)의 나노기공성 에어로젤 막을 제조하는 방법에 관한 것이다.
실리카 에어로젤(Silica aerogel)은 3차원의 망목구조를 가진 현존하는 물질 중에 가장 높은 기공률과(약 90%), 대비표면적(≥700 m2/g), 저유전율(약 1.1) 및 매우 뛰어난 물성을 가진 고체로서, 이러한 망목기공구조에 기인한 특이한 물리적 성질을 이용하여 에너지, 환경, 전기전자 분야에서 무한한 응용 가능성을 가진 소재이다. 또한, 나노기공성 에어로젤은 측정분자만의 선택적 분리/흡착반응을 통한 분자인식기능을 바탕으로 하여 화학/바이오 센서로 이용할 수 있어 화학공정제어, 환경오염측정, 생화학반응검출 등으로의 응용이 가능하다.
이러한 기능성 응용을 위해 소재의 형태가 분말이 아닌 나노기공구조의 박막 또는 후막 형태가 요구되고, 막 형성뿐만 아니라 소자로의 적용을 위하여 패턴화 기술도 필요하다.
특히, 스마트글레이징(smart glazing)과 같은 창호의 단열용 에어로젤은 에어로젤이 갖는 기본 특성 외에도 열전도도가 매우 낮아야 한다. 이러한 열전도도의 관점에서 에어로젤의 두께는 가급적 두꺼워야 되는데, 지금까지는 두께 100μm 이상의 에어로젤 박막 제조에 성공된 예가 없었다.
또한, 에어로젤이 스마트글레이징용으로 사용되기 위해서는 대면적화할 수 있어야 하는데, 현재까지는 오토클레이브(autoclave)를 이용한 초임계건조(supercritical drying) 방식이 주류를 이루어 크기에 제한을 받아 왔다. 이러한 제한을 극복하기 위해, 그동안 위험하고 고비용의 고온/고압의 초임계건조 방식 대신에 대면적화나 가격적 측면에서 유리한 상압건조공정 방식에 대한 연구가 많이 이루어져 왔으나, 이 역시 대면적화나 고두께화시 도포된 습식젤(wet gel)의 건조 에 따른 균열 발생 문제는 해결치 못하고 있으며, 현재까지도 스마트글레이징 공정에 사용될 수 있는 나노기공 크기의 에어로젤 후막이 형성된 유리판이 생산되지 않고 있다.
상술한 바와 같이, 스마트글레이징용 에어로젤 후막은 기판인 유리판에 잘 부착되어 있으면서 건조시 균열을 방지할 수 있어야 하는데, 에어로젤 후막 제조공정상 취약점은 막 제조 시 발생되는 유기응력에 의한 균열 발생이므로 이러한 균열발생을 억제 또는 제거하는 것이 최대 과제라 할 수 있다.
우리가 흔히 말하는 창유리에는 비교적 표면결함이 많아 공기 중 수분을 포함한 CO2, SO2, O2, N2 등의 가스가 쉽게 흡착되어 물리화학적으로 C-H-O 결합을 형성하고 있다고 볼 수 있다. 따라서, 이를 스마트글레이징용 기판으로 사용키 위해서는 이러한 이물질들을 완전 제거키 위한 표면 세정공정은 필수이다. 현재는 미네랄을 제거한 순수한 물이나 묽은 산 또는 묽은 염기 그리고 알코올과 케톤 등 다양한 세정제를 이용하여 표면을 세척하고 있다.
그러나, 이러한 노력에도 불구하고 유리기판과 에어로젤 막과의 젖음은 잘되나 부착력이 떨어지는 문제점이 있고, 또한 건조과정에서 막 표면에 균열이 발생하는 문제점 역시 숙제로 남아 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 유리기판 표면의 젖음성을 증진시키면서 에어로젤 막과의 부착력을 증진시키는 데 그 목적이 있다. 또한, 에어로젤의 나노기공 내에 존재하는 유체의 증발에 의해 생기는 유기응력을 최소화하여 건조과정에서 막 표면에 균열이 생기는 것을 방지하는 데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 에어로젤 후막의 제조방법은,
유리기판 표면에 자외선(UV)를 조사함과 동시에 산소 기체를 흘려줌으로써 유리기판 표면을 개질하는 단계; 상기 유리기판 표면에 실리카 솔(silica sol)을 코팅하여 1차 막을 형성하는 단계; 및 상기 1차 막 상에 상기 실리카 솔을 코팅하여 2차 막을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 유리기판 표면의 개질 단계 후 유리기판 표면의 젖음성(wettablilty)은 5°미만인 것이 바람직하다.
또한, 상기 2차 막은 수차례에 걸쳐 코팅과 건조를 반복하여 형성할 수도 있고, 또는 점도를 조절하여 1회 코팅하여 형성할 수도 있다.
또한, 본 발명의 에어로젤 후막의 제조방법은, 습윤젤 내 용매를 치환함과 동시에 표면을 개질하는 단계를 더 포함할 수도 있고, 나아가 이러한 용매치환 및 표면개질 단계를 거친 막을 용매에 넣고 상압에서 끓인 후 건조하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 에어로젤 후막은, 상기 방법에 의하여 제조된 에어로젤 후막인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 1차 막의 두께는 100㎚ 이하인 것이 바람직하고, 또한 이러한 에어로젤 후막의 두께는 100㎛ 이상일 수도 있다.
본 발명의 과제를 달성하기 위해, 일단 유리기판 위에 100nm 미만의 제로젤(xerogel) 박막을 1차로 형성하고, 2차로 그 위에 실리카 솔 코팅을 수차례 반복 실시하여 다층막을 형성하는 공정을 제시할 수 있다.
그러나, 막의 두께를 크게 할 경우, 막 내의 유기응력은 균열을 발생시키는 직접적인 원인이 된다. 이러한 문제점 해결을 위해, 유리기판의 표면에너지와, 유리기판과 그 위에 코팅하려고 하는 실리카 솔(sol)과의 계면에너지를 고려하여 막의 부착력 증진 문제를 우선적으로 해결해야 하며, 이때 막이 형성되면서 발생될 수 있는 스트레스를 수학적 모델링을 통하여 그 양을 예측하고 이를 완화시켜 주는 접근방법이 필요하다.
통상, 기판인 소다라임계 창유리의 표면에너지는 상온에서 800erg/㎠ 정도로 높고, 마이크로적으로 관찰하면 비교적 표면 결함이 많은 편이어서 공기 중 수분을 포함한 산소, 질소, 수소 및 이산화탄소 등의 가스가 흡착되어 물리화학적으로 C-H-O 결합을 쉽게 형성하고 있다. 이러한 이물질을 제거하기 위해 표면을 세척하고 있으나, 표면 세척만을 할 경우 막과 기판과의 젖음(wetting)은 잘되나 부착력은 떨어진다. 그 이유는, 유리 표면에 형성된 C-H-O의 복잡한 화합물이 잘 제거되지 않기 때문이며, 이들 화합물의 결합력은 대략 100 kcal/mol 정도이다.
따라서, 이러한 화합물의 결합력을 깰 수 있는 에너지를 가진 UV를 유리 표 면에 조사시킬 경우 C-H-O 분자는 순식간에 증발하고 순수한 표면만이 나타나게 되어 젖음성과 결합력을 증진시킬 수 있다.
도 1 을 참조하면, 스마트글레이징용의 안정된 실리카 에어로젤 후막을 제조하는 방법은 다음과 같은 단계에 의해 이루어진다.
먼저, 실리카 솔(Silica sol)을 제조한다. 유리기판과 코팅막의 결합, 코팅막의 투명성, 솔(sol) 합성조건 등을 고려하여, 주원료로 알콕사이드 전구체인 tetraethyl orthosilicate(TEOS) 또는 Na 이온이 제거된 물유리를 사용하고, 용매로 기체-액체의 계면이 사라지는 이소프로판올(2-propanol)을 사용하며, 산성촉매로는 HCl, 염기성 촉매로는 NH4OH를 사용하여 가수분해/중합반응을 실시하였다. 필요시 점도조절제로 Acetylacetone(acac)를 사용할 수도 있다.
그 다음, 유리기판 표면을 개질한다. 창유리인 soda-lime glass의 표면을 개질하기 위하여, 우선 유리기판 표면을 세정해야 하는데, 본 실험에서는 환경친화적인 물리 세정법인 초음파 세정법에 의해 유리 표면에 붙어 있는 강한 결합의 이물질을 제거하였다. 초음파 세정법에 사용된 주파수는 20∼40kHZ 범위였다. 그 다음, 유리판을 초순수 물로 세정한 후, 100℃ 정도로 가열하여 표면의 수분을 제거한다. 그 다음, 유리 표면에 잔류한 탄화수소(hydrocarbon)을 제거하기 위해 UV를 조사하면서 산소 기체를 흘려보냄으로써 유리 표면의 탄화수소를 순간적으로 분해 증발시켜 깨끗한 유리 표면을 형성하고 유리판을 진공건조기(100℃)에서 열처리시킨다.
그 다음, 개질된 유리기판 표면 위에 실리카 솔을 코팅하여 1차 막을 형성한 다. 100℃의 열 조건하에서 실리카 솔의 코팅시 1차 막으로 100nm 이하의 xerogel 막을 형성시킨다.
그 다음, 1차 막 위에 2차 막을 형성한다. 제로젤 박막 위에 변형이나 균열을 막기 위해 실리카 솔 코팅을 수차례 실시하거나, 또는 1회만 두껍게 코팅하여 두꺼운 에어로젤 막을 형성시킨다.
그 다음, 용매치환 후 표면개질의 순서에 따르는 기존의 공정과는 달리, 실리카 습윤젤(wet gel)의 용매치환/표면개질 공정을 동시에 실시함으로써 공정 시간을 단축화 할 수 있다.
마지막으로, 초임계건조 방식이 아니라, n-Heptane 용매 속에 막을 넣고 끊임으로써 상압건조(ambient drying) 후 230℃에서 열처리하여 안정화시킨 스마트글레이지용 실리카 에어로젤 후막을 제조하였다.
<실험예1>
1. 실리카 솔의 제조
금속 알콕사이드를 출발 물질로 하여, 균일 코팅막 제조를 위해 1몰의 TEOS(tetraethylorthosilicate, Fluka, Switzer-land)와 3몰의 이소프로판올(2-propanol, Samchun pure chem. Co. Ltd., Korea)에, 실리카 솔(sol)을 균일하게 분산시키기 위한 혼합 시간과 작업상 시간을 고려하여 실리카 솔(sol)의 제조온도를 25℃로 고정시켰다. 용해시킨 후 용액 중의 TEOS : H2O : HCl의 몰비가 1 : 1 : 1.80×10-3이 될 때까지 0.1M의 HCl 용액을 25℃에서 1시간 30분에서 2시간 동안 천천히 적하하여 가수분해 반응을 유도하였다. 이때, 반응의 전 과정에서 용액을 빠른 속도로 교반하고, 가수분해 후 TEOS : H2O : NH4OH의 몰비가 1 : 3 : 8.12×10-3이 될 때까지 다시 0.15M의 NH4OH 용액을 0.1M의 HCl과 마찬가지로 1시간 30분에서 2시간 동안 서서히 첨가함과 동시에 중합반응이 완결되도록 하는 공정에 의하여 실리카 솔(TEOS : 2-propanol : H2 O : HCl : NH4OH = 1 : 3 : 4 : 1.80×10-4 : 2×10-3)을 제조하였다. 제조되어진 실리카 솔은 R/S Rheometer(Brookfieldield)를 이용하여 점도를 측정하였으며, 실리카 솔의 점도를 조절하기 위해 솔을 -20℃와 -1℃에서 숙성시켜 솔의 점도를 유지시켰으며, 궁극적으로 투명 실리카 에어로젤(밀도 0.12∼0.15g/cm3)을 제조하였다.
2. 표면 개질 - 실리카 솔과 유리기판과의 젖음성
솔의 점도가 각각 10cP, 12cP, 20cP인 경우에서의 젖음성 증진을 알아보기 위해 여러 조건을 변화시키면서 실험을 진행하였다. 먼저, 무연마, 연마 유리의 젖음각(wetting angle)을 각각 측정하였다. 높은 젖음성(wettability)으로 인해 UV 조사와 산소기체(4L/min)를 동시에 흘려 보냄으로써 최적조건인 5°미만에 도달하였다.
일반적으로, 소다라임 유리의 표면에너지는 상온에서 800erg/㎠ 정도로 높고, 마이크로적으로 관찰하면 비교적 표면결함이 많아 공기 중 수분을 포함한 질소, 수소, 산소와 이산화탄소 등의 가스가 흡착되어 물리화학적으로 C-H-O 결합을 형성하고 있다. 이러한 이물질을 제거하기 위해 표면을 세척하지만, 이러한 일반적인 세척방법은 유리 표면에 약 100 kcal/mol 정도의 결합력을 가진 C-H-O의 복잡한 화합물이 제거하기엔 역부족이다. 본 실험에서는 UV를 이용하여 이러한 결합력을 깨기 위한 에너지를 표면에 조사하였는데, 그 결과 C-H-O 분자는 순식간에 증발하고 순수한 표면이 나타나며 젖음성과 결합력이 증진되는 것을 알 수 있었다. 또한, 100℃의 진공건조기에 보관함으로써 불순물의 추가 흡착을 방지할 수 있었다.
3. 완충 xerogel막 제조
UV와 산소기체로 표면개질된 창유리(soda-lime glass)를 100℃로 열처리해 줌으로서, 제조된 코팅용 실리카 솔을 이용하여 1차 막으로 100nm 이하의 xerogel막을 형성시켰다. 이렇게 형성된 xerogel막은 안정하기 때문에 이후 최종적으로 형성된 실리카 에어로젤 후막은 변형이나 크랙 없이 안정된 막이 될 수 있다.
4. 막 제조 및 숙성
제조된 코팅용 솔을 딥 코우터(Dip coater)를 이용하여 담금(dipping)법으로 막을 제조하였다. 기판에 코팅하기 전에 UV 세정/개질 공정으로 젖음성을 증진시킨 후 행하였다. 딥코터의 침강 및 인상은 모터를 이용하였고, 그 속도는 6∼10 cm/min으로 행하였다. 이 경우, 기판을 용액에 침적시킨 후 일정속도로 끌어올려 용액의 막을 만들고, 이것을 기판상에서 젤(gel)막으로 변화시켜 막과 기판과의 사이에 화학결합을 유도하였다. 이때, 막의 두께를 증진시키기 위하여 코팅과 건조를 반복하여 반복 코팅을 행하거나, 점도를 조절하여 1회로써 두꺼운 막을 제조하였다. 코팅 종료 후 코팅된 젤(gel)막을 water bath를 이용하여 60℃의 IPA(이소프로필알콜)에 담궈서 24h 동안 숙성시켰다. 특히, 막의 두께에 따라 숙성시간을 24h∼48h까지 변화시켜, 젤 막의 망목구조를 강화시켰다.
5. 용매치환/표면개질 동시 공정
기존의 공정에서는 용매치환과 표면개질을 따로 해주지만, 본 발명에서는 IPA/TMCS/n-Hexane을 동시에 넣어 용매치환/표면개질 공정을 동시에 행함으로써 시간을 단축할 수 있었으며. 그 공정은 다음과 같다.
먼저, n-Hexane(CH3(CH2)4CH3, SAMCHUN, Korea)용액이 채워진 용기 안에 TMCS(trimethylchlorosilane; (CH3)3SiCl, ACROS ORGANICS, USA)와 IPA를 차례로 첨가하고 dipping법으로 준비된 막을 용기에 넣은 후, 용기를 밀폐시킨 상태에서 표면개질/용매치환 공정을 실시하였다. TMCS와 IPA는 각각 표면개질제와 용매치환용 용매로 작용하는 반면, n-Hexane은 기공수와 용매들 간의 격렬한 반응을 억제하여 젤의 균열/파괴를 방지하는 완충용매(surrounding solvent)로 주로 작용하게 된다. 완충용매로서 n-Hexane을 사용한 이유는, n-Hexane이 TMCS와 반응하지 않고 용해도 가 뛰어난 용매로 알려져 있기 때문이며, 적정량의 n-Hexane 용액은 혼합용매 내 TMCS 등의 농도를 낮추어 반응속도를 감소시켜 균열발생을 억제할 수 있으리라 기대된다. 첨가되는 용매들의 최적 첨가량을 선정하기 위해 TMCS/기공수, IPA/TMCS의 몰비 및 n-Hexane/TMCS의 부피비를 변화시키며 예비실험을 수행하여, IPA와 TMCS의 몰비는 1:1로 조절하였으며, 실리카 에어로젤 막의 균열 발생을 최소화하기 위해 n-Hexane : TMCS의 부피비를 10 : 1 이상이 되게 해 주었다.　IPA/TMCS/n-Hexane 용액 내에서 표면개질/용매치환이 완료된 개질 젤의 건조시 상대적으로 많은 수축을 동반하는 건조 거동을 보였으나, 균열이 발생하지 않음을 확인할 수 있었다.
건조시 발생하는 수축의 정도는 습윤젤 내부 용매로 인한 모세관 응력과 망목구조의 강도와 같은 고상의 modulus에 의해 좌우되며, 모세관 응력은 기공 내 용매의 기체-액체 표면장력 등에 의해 결정된다. 즉, 내부용매의 표면장력이 클수록 큰 모세관 응력으로 인해 건조시 많은 수축이 발생하는 것이다. 그러므로, IPA/TMCS/n-Hexane 용액법에서 최종적으로 젤 내부에 존재하게 되는 용매는 큰 표면장력을 갖는 용매라고 할 수 있지만, 본 발명에 의한 공정선택으로 균열을 억제할 수 있는 방법임을 알 수 있다. 결과적으로, 본 발명의 절차로 에어로젤을 제조할 경우, 즉 IPA/TMCS/n-Hexane 용액법으로 개질시킨 습윤젤의 경우, 용매의 큰 표면장력에도 불구하고 건조 열처리시 균열 발생 문제도 효율적으로 억제할 수 있었다.
6. 후처리 공정
IPA/TMCS/n-Hexane 용액법으로 개질/치환한 습윤젤의 경우 건조과정에서 균열 발생을 최소화할 수 있는 조건으로서, 기존의 에어로젤 건조시 초임계건조가 아닌 n-Heptane 용매 속에 넣고 상압에서 끊인 후 230℃에서 열처리하여 안정화된 Smart galzing용 Silica 에어로젤 막을 제조하였다. 나아가, 상압건조된 막을 다시 상온의 n-Heptane 용매에 넣어 스트레스를 완화시킴으로서 건조한 후 최종 원하는 Silica 에어로젤 막을 제조하였다.
<실험결과>
이하, 상술한 방법으로 제조된 실리카 에어로젤 막의 물성을 측정하였다.
도 2 에서 보듯이 100nm 두께 이하의 xerogel 막이 형성되었으며, 이 막은 63%의 기공률와 389m2/g의 BET값을 가졌다.
도 3 에서, (a)는 IPA/TMCS/n-Hexance을 사용하여 용매치환 및 표면개질을 실시한 젤의 그래프이며, (b)는 표면개질을 실시하지 않은 젤의 그래프이다. (a)그래프를 보면, TMCS로 개질한 경우에는 (b)그래프의 960cm-1 부근에 존재하던 Si-OH 결합피크가 거의 소멸됨과 동시에, TMCS로 처리하지 않은 경우에서 볼 수 없었던 C-H피크(2965cm-1)가 발견됨을 알 수 있었다. 이상의 분석결과들은 OH group을 함유한 공중합체와 가수분해로 생성된 Si-OH 결합을 함유한 알콕사이드 용액이 성공적으로 반응되어 표면에 코팅되어졌음을 나타낸다.
IPA/TMCS/n-Hexane 용액법을 이용해 제조된 Silica 에어로젤의 밀도는 기하 학적 방법으로 측정하기 용이하였으며, 1mm 두께에 따른 밀도와 기공율 및 BET를 아래 표 1 에 나타내었다.
[표 1] 스마트글레이징용 실리카 에어로젤 후막의 밀도, 기공률 및 비표면적
에어로젤의 두께 밀도 (g/㎤) 기공률 (%) BET 비표면적 (㎡/g)
1 mm 0.143 92.4 1089
또한, hot disk 방식인 TPA-501 모델을 이용하여 제조된 Silica 에어로젤의 열전도도를 측정한 결과를 아래 표 2 에 나타내었다.
[표 2] 스마트글레이징용 실리카 에어로젤 후막의 열전도도
두께 Km Kg tg (mm) ta (㎛) Ka
1 mm 0.019 W/m·K 2.2 0.66 1000 0.02
여기서, 열전도도 측정은 아래의 공식을 이용하여 계산할 수 있다.
1/Km = ta/Ka + tg/Kg
Km: 스마트글레이징의 평균 열전도도(mean thermal conductivity of smart glazing)
Kg: 유리의 열전도도(thermal conductivity of the glass)
Ka: 에어로젤 막의 열전도도(thermal conductivity of aerogel film)
tg: 유리의 두께(thickness of the glass)
ta: 에어로젤 막의 두께(thickness of aerogel film)
또한, 코팅 유리의 투과율을 60mm Integrating Sphere가 장착된 UV/VIS 분광기(Perkin Elmer, Lambda)로 측정한 결과, 도 4 에서 알 수 있듯이, 80% 이상의 투과율을 보였다.
<실험예2>
다음과 같은 도 5 의 공정순서를 따른다.
[물유리 희석용액 제조]
물유리 81.17g(SiO2 30.035g)을 SiO2의 함량이 8w%가 되도록 D.I water(285g)에 희석시켜 1시간 동안 잘 섞어 준다.
[이온 교환을 통한 수계 실리카 졸 제조]
물유리 희석용액을 이온교환수지가 담겨있는 플라스틱 컬럼에 통과시켜 준다. 이때의 투과속도는 30ml/min으로 통과시킨다. 물유리 내의 Na+ 와 수지 내의 H+가 교환되므로 2.5 정도의 pH를 갖는 수계 실리카 솔(Silicic acid)을 제조할 수 있다. 제조된 실리카 솔에 NH4OH(1M)을 적정량 첨가하여 pH를 3.5로 맞춘다.
이상의 방법으로 얻어진 수계 실리카 솔을 창유리기판에 코팅하여 전술한 바와 같은 방법으로 용매치환/표면개질 및 후열처리 공정을 거쳐 최종적으로 실리카 에어로젤 후막을 제조한다. 단, 이때 개질이 끝난 막을 230℃에서 두 시간 열처리를 한 후 균열이 없는 실리카 에어로젤 후막을 제조하였다.
본 발명에 의하면, 스마트를레이징용 실리카 에어로젤 막의 변형이나 균열을 방지하면서 막의 두께를 증진할 수 있고, 기존의 초임계건조 방식이 아닌 상압건조 방식을 택함으로써 에어로젤의 대면적화를 도모할 수 있다. 또한, 계면에너지 상태를 고려하여 유기응력을 물리화학적으로 완화시킴으로서 궁극적으로 광학적, 열적 특성이 우수한 투명 단열재를 제조할 수 있게 된다. 또한, 실리카 습윤젤의 용매치환/표면개질 공정을 동시에 실시함으로써 공정 시간을 단축하고 저비용으로 생산할 수 있다.
본 기술이 적용된 창유리가 주택이나 빌딩의 단열유리창으로 사용되면 30% 이상의 에너지 절약 효과가 기대된다. 나아가, 본 발명은 에너지절약, 환경보호, 전기전자 및 기계분야 등 다양한 분야에 활용될 수 있다.
본 발명은 도시된 실시예를 중심으로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 할 수 있는 다양한 변형 및 균등한 타 실시예를 포괄할 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (14)

  1. 유리기판 표면에 자외선(UV)를 조사함과 동시에 산소 기체를 흘려줌으로써 유리기판 표면을 개질하는 단계;
    상기 유리기판 표면에 실리카 솔(silica sol)을 코팅하여 1차 막을 형성하는 단계;
    상기 1차 막 상에 상기 실리카 솔을 코팅하되, 상기 실리카 솔의 용매를 포함하는 습윤젤(wet gel) 상태의 2차 막을 형성하는 단계; 및
    상기 습윤젤 내 용매를 치환함과 동시에 표면을 개질하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 에어로젤 후막의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유리기판 표면의 개질 단계 후 유리기판 표면의 젖음성(wettablilty)은 5°미만인 것을 특징으로 하는 에어로젤 후막의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차 막은 수차례에 걸쳐 코팅과 건조를 반복하여 형성하는 것을 특징으로 하는 에어로젤 후막의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차 막은 점도를 조절하여 1회 코팅하여 형성하는 것을 특징으로 하는 에어로젤 후막의 제조방법.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 용매치환 및 표면개질 단계는,
    IPA(이소프로필알콜)/TMCS(trimethylchlorosilane)/n-Hexane 용액에 상기 습윤젤 상태의 막을 딥핑(dipping)하는 것을 특징으로 하는 에어로젤 후막의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 IPA와 TMCS의 몰비는 1:1이고, n-Hexane과 TMCS의 부피비는 10:1 이상인 것을 특징으로 하는 에어로젤 후막의 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 용매치환 및 표면개질 단계를 거친 막을 용매에 넣고 상압에서 끓인 후 건조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에어로젤 후막의 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 용매는 n-Heptane 용매인 것을 특징으로 하는 에어로젤 후막의 제조방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 상압 건조 단계를 거친 막을 다시 상온의 n-Heptane 용매에 넣어 스트레스를 완화시키고 자연 건조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에어로젤 후막의 제조방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 실리카 솔의 출발 물질은 금속 알콕사이드 또는 물유리인 것을 특징으로 하는 에어로젤 후막의 제조방법.
  12. 삭제
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 1차 막의 두께를 100㎚ 이하로 하는 것을 특징으로 하는 에어로젤 후막의 제조방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 에어로젤 후막의 두께를 100㎛ 이상으로 하는 것을 특징으로 하는 에어로젤 후막의 제조방법.
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