KR101405886B1 - Preparation method of silicone compound prepared from chaff or rice straw - Google Patents

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Abstract

본 발명은 왕겨 또는 볏짚으로부터 제조되는 실리콘 화합물의 제조방법에 관한 것으로, 왕겨 또는 볏짚을 밀링 후 산처리하고, 이를 환원제와 혼합한 후, 불활성 분위기 하에서 환원 반응을 통해 실리콘 화합물을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a process for producing a silicon compound produced from rice hulls or rice straw, comprising the steps of milling a rice husk or a rice straw, acid-treating the mixture, mixing the resultant with a reducing agent and then reducing the silicon compound under an inert atmosphere will be.

상기 방법은 왕겨나 볏짚으로부터 간단한 공정을 통해 고순도의 실리콘 화합물을 얻을 수 있고, 다른 원료 가스의 추가 도입으로 인해 다양한 실리콘 화합물의 제조가 가능하다. 이렇게 제조된 실리콘 화합물은 태양전지에 적용된다.In this method, a high-purity silicon compound can be obtained from a rice husk or a rice straw by a simple process, and various silicon compounds can be produced by further introduction of other raw material gases. The silicon compound thus produced is applied to solar cells.

실리콘, 왕겨, 볏짚 Silicone, rice husk, rice straw

Description

왕겨 또는 볏짚으로부터 제조되는 실리콘 화합물의 제조방법{PREPARATION METHOD OF SILICONE COMPOUND PREPARED FROM CHAFF OR RICE STRAW}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a method for producing a silicon compound produced from rice hulls or rice straw,

본 발명은 왕겨나 볏짚으로부터 간단한 공정을 통해 고순도의 실리콘 화합물을 얻을 수 있고, 다른 원료 가스의 추가 도입으로 인해 다양한 실리콘 화합물의 제조가 가능한 왕겨 또는 볏짚으로부터 제조되는 실리콘 화합물의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a silicon compound from a rice husk or rice straw which can obtain a high purity silicon compound through a simple process from rice hulls or rice straw and which is capable of producing various silicon compounds due to the introduction of other raw material gases.

저탄소 녹색 성장의 취지에 맞게 탄화수소 연료를 사용하지 않고 이산화탄소나 여러 무해한 이물질을 발생시키지 않는 신재생 에너지에 대한 관심이 늘어나고 있다. 상기 신재생 에너지의 한 부분인 태양 에너지를 이용하여 생활에 필요한 에너지를 얻을 수 있는 부분에 많은 관심이 있다.There is growing interest in renewable energy that does not use hydrocarbon fuels to produce low-carbon green growth and does not generate carbon dioxide or other harmless foreign substances. There is much interest in using solar energy as a part of renewable energy to get the energy needed for living.

태양 에너지 관련 기술의 핵심은 태양빛을 직접 전기로 바꿔주는 기능을 하는 태양전지에 있다. At the heart of solar technology is solar cells that convert sunlight directly into electricity.

최근 사용되는 태양전지의 경우 광전 변환 효율이 최고 약 25%에 달해 매우 높은 편이나 제조비용이 비싸고, 전기 생산 단가가 화력이나 수력 등 기존 방식의 발전 단가에 비해 아직까지는 매우 높은 편이며, 실리콘의 공급 또한 원활하지 않 다. In recent solar cells, photoelectric conversion efficiency reaches up to 25%, which is very high, but the manufacturing cost is high, and the electricity production cost is still very high compared to the conventional power generation cost such as thermal power and water power. Supply is also not smooth.

이에 따라 새로이 급부상하는 태양광 산업의 시장 발전과 대체 에너지로서의 경쟁력 강화를 위해서는 태양광 발전시스템 구성에 필요한 재료나 장비의 원활한 공급이 필수적이라 할 수 있다. 또한, 태양 에너지에서 전기 에너지로의 변환 효율을 획기적으로 높이거나, 아니면 아주 저렴하게 태양전지를 만들 수 있는 새로운 소재와 공정, 설계 기술의 개발이 필요하며, 특히 태양전지용 실리콘의 값싸고 안정적인 공급이 반드시 전제되어야 한다.Accordingly, it is essential to supply the materials and equipment necessary for the construction of the photovoltaic power system in order to develop the market of the newly emerging solar industry and to enhance the competitiveness as alternative energy. In addition, it is necessary to develop new material, process and design technology that can make the conversion efficiency from solar energy to electric energy remarkably, or to make solar cell very cheaply. Especially, cheap and stable supply of silicon for solar battery It must be premise.

태양전지는 반도체와 같은 원리로 작동하며, 이의 제조에 쓰이는 대표적인 재료 역시 반도체에 쓰이는 실리콘이다. 그러나 반도체용 실리콘은 불순물 함유량이 많아 태양전지 제작시 효율 감소를 가져온다. 원료가 되는 태양전지급 실리콘(6N-7N)은 반도체용 초고순도 실리콘(11N-12N)의 규격 외 제품이 사용되거나 반도체용 실리콘과 같은 방법으로 제조되고 있기 때문에 저가에 대량으로 공급하는 것이 어려운 문제이다. Solar cells operate on the same principle as semiconductors, and the typical materials used in their manufacture are also silicon used in semiconductors. However, silicon for semiconductors has a large impurity content, which leads to a reduction in the efficiency of manufacturing solar cells. Since solar cell supply silicon (6N-7N) as a raw material is manufactured using a non-standard product of ultra high purity silicon (11N-12N) for semiconductor or manufactured by the same method as silicon for semiconductor, it is difficult to be.

표준 상업상 공정상 실리콘은 탄소원과 실리카의 혼합물을 열탄화환원 공정을 수행하여 제조된다. 제조된 실리콘의 순도는 98%∼99%로 금속으로서 사용되나 반도체 및 태양광 산업과 같은 분야에 사용되는 6N(99.9999%)순도에는 부족하다. 이러한 열탄화환원 공정을 통해 태양전지용 실리콘을 제조하기 위해선, 고순도의 원료를 사용해야 하며 복잡한 공정을 필요로 하여 오히려 제조단가를 높이는 악영향을 나타낸다. Silicon in standard commercial processes is produced by performing a thermal carbonization process on a mixture of a carbon source and silica. The purity of the silicon produced is 98% to 99%, which is used as a metal, but is insufficient for 6N (99.9999%) purity used in fields such as semiconductor and photovoltaic industries. In order to produce silicon for solar cell through such a thermal carbonization process, it is necessary to use a raw material of high purity and complicated process is required, which shows an adverse effect of increasing manufacturing cost.

한편, 모든 식물체는 탄소를 포함한 실리카를 함유하고 있다. 특히 왕겨의 경우는 벼의 종류, 기후, 지리적 환경 등에 따라서 차이가 있으나 회분 중량비 약 90% 이상, 볏짚은 약 30% 이상의 실리카를 함유하고 있다. 이에 왕겨와 볏짚은 높은 실리카 함량과 낮은 비용으로 인해 각광받고 있는 태양전지용 실리콘 제작에 적합한 원료라 할 수 있다.On the other hand, all plants contain silica containing carbon. In particular, the rice husks have a weight ratio of about 90% or more, and rice straw contains about 30% or more of silica, although there is a difference depending on the type of rice, climate, and geographical environment. Therefore, rice husks and rice straws are suitable raw materials for the production of silicon for solar cells, which is attracting attention due to high silica content and low cost.

Hunt 등은 문헌[참조: L.P. Hunt, J.P. Dismukes, J.A. Amick, "Rice Hulls as a Raw Material for Producing Silicon", J.Electrochem. Soc., 131(7), 1984]을 통해 태양전지로 제조하기에 충분히 순수하고 비용이 충분히 낮은 규소를 제조하기 위한 왕겨의 잠재적 용도를 제시하였다. Hunt et al., LP Hunt, JP Dismukes, JA Amick, "Rice Hulls as a Raw Material for Producing Silicon ", J. Electrochem . Soc., 131 (7), 1984], to provide a sufficiently pure and cost-effective silicon to be produced with solar cells.

또한, 왕겨나 볏짚을 실리콘 카바이드의 원료로 제시하고 있다[R. V. Krishnarao, et.r, J. Am. Chem. Soc. 74, 2869, 1991]. Also, rice hulls and rice straw are proposed as raw materials for silicon carbide [RV Krishnarao, et.r., J. Am. Chem. Soc . 74, 2869, 1991).

PCT 국제특허공개 WO 2005/099893호는 실리카, 비실리카 미네랄 및 금속 약 3 중량% 이상을 포함하는 식물체를 산 농도가 약 0.01 중량% 내지 약 30 중량%인 황산 수용액과 접촉시켜 식물체와 산 용액과의 혼합물을 제조한 후, 약 10℃ 내지 약 250℃에서 약 6초 내지 약 48시간의 반응 기간 동안 반응시켜, 미네랄을 식물체로부터 삼출시켜 실리카에 대한 고정된 탄소의 몰 비가 약 1.0:1 이상으로 되도록 조정된 탄소-실리카 생성물, 즉, 실리콘 카바이드를 제조하는 방법을 언급하고 있다.PCT International Patent Publication No. WO 2005/099893 discloses a process for producing a plant and an acid solution by contacting a plant comprising silica, non-silica minerals and about 3% by weight or more of metal with an aqueous sulfuric acid solution having an acid concentration of from about 0.01% to about 30% And then reacting at a temperature of from about 10 캜 to about 250 캜 for a reaction time of about 6 seconds to about 48 hours to excrete the minerals from the plant so that the molar ratio of fixed carbon to silica is about 1.0: Refers to a process for producing a carbon-silica product, i.e., silicon carbide, that has been adjusted to a desired level.

대한민국 특허공개 제2006-102605호는 왕겨와 볏짚을 원료로 하여 실리콘 카바이드를 제조하는 방법을 개시하고 있다. 구체적으로, 수세, 건조한 왕겨와 볏짚을 각각 300∼600℃에서 탄화시켜 얻은 재를 분쇄하여 분말크기 1㎜ 이하의 분말을 얻고 왕겨재 50∼80 중량%와 볏짚재 20∼50 중량%를 혼합한 혼합물을 750∼1200℃에서 3∼13시간 소결시키고 이를 300∼600℃에서 1∼3시간 방치한 후 분쇄, 선별하여 실리콘 카바이드를 제조하고 있다. 그러나 이러한 방법은 탄화 및 소결, 소결 후 열처리 등 여러 단계를 거치고 있어 그 공정이 매우 복잡하다.Korean Patent Laid-Open Publication No. 2006-102605 discloses a method of producing silicon carbide from rice husks and rice straw as raw materials. Specifically, washed and dried rice hulls and rice straw were carbonized at 300 to 600 ° C, respectively, and pulverized to obtain powders having a powder size of 1 mm or less. A mixture of 50 to 80% by weight of rice husks and 20 to 50% The mixture is sintered at 750 to 1,200 ° C for 3 to 13 hours, left at 300 to 600 ° C for 1 to 3 hours, pulverized and selected to produce silicon carbide. However, this process is complicated by several steps including carbonization, sintering, and heat treatment after sintering.

이외에 왕겨나 볏짚을 이용하여 시멘트 첨가물 등의 용도로 연구되고 있다[Jose James, et.al, J. Sci. Ind. Res. 51, 383, 1992]. In addition, it has been studied for the use of cement additives using rice hulls and rice straw [Jose James, et . Al . , J. Sci. Ind. Res . 51, 383, 1992).

또한, 대한민국 특허공개 제2001-0096628호는 왕겨 또는 볏짚을 산처리 및 무산소 분위기에서의 탄화를 실시한 후, 유산소 분위기에서 산화시켜 10㎚ 이하의 골 또는 세공을 가지는 다공성 실리카를 제시하고 있다.Korean Patent Laid-Open Publication No. 2001-0096628 discloses porous silica having a bone or pore of 10 nm or less by oxidizing rice hulls or rice straw with an acid treatment and carbonization in an oxygen-free atmosphere, followed by oxidation in an aerobic atmosphere.

이와 같이, 왕겨 및 볏짚에 함유된 실리카를 다양한 분야에 이용하는 방법이 연구 및 개발되고 있으며, 본 발명에서는 상기 왕겨 및 볏짚으로부터 태양전지에 사용가능한 실리콘계 화합물을 고순도로 얻을 수 있으며, 간단한 공정을 통해 상기 실리콘계 화합물을 제조하는 방법을 제안한다. As described above, a method of using silica contained in rice husk and rice straw in various fields has been researched and developed. In the present invention, a silicon compound usable for a solar cell can be obtained from the rice hull and rice straw in high purity, A method for producing a silicon-based compound is proposed.

본 발명은 왕겨나 볏짚을 분말로 바꾸지 않고 직접적으로 고순도의 실리콘 화합물을 얻을 수 있고, 다른 원료 가스의 추가 도입으로 인해 다양한 실리콘 화합물의 제조가 가능한 실리콘 화합물의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.It is an object of the present invention to provide a method for producing a silicon compound capable of directly producing a high purity silicon compound without changing the rice hull or rice straw into a powder and capable of producing various silicon compounds by further introduction of other raw material gases .

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 In order to achieve the above object,

왕겨 또는 볏짚을 밀링 후 산처리하는 단계;Milling rice husk or rice straw and acid-treating the same;

처리된 왕겨 또는 볏짚과 환원제를 혼합하는 단계; 및Mixing the treated rice hull or rice straw with a reducing agent; And

얻어진 혼합물을 불활성 분위기 하에서 1000℃ 내지 2000℃에서 환원 반응을 수행하는 단계를 포함하는 실리콘의 제조방법을 제공한다.And performing a reduction reaction at 1000 占 폚 to 2000 占 폚 in an inert atmosphere in the obtained mixture.

이때, 본 발명은 추가로 환원 반응시 탄화수소 기체를 주입하여 실리콘 화합물로서 다결정 실리콘 카바이드를 제조한다.At this time, hydrocarbon gas is injected in the reduction reaction in the present invention to produce polycrystalline silicon carbide as a silicon compound.

또한, 본 발명은 추가로 환원 반응시 알칼리금속 수화물 기체를 주입하여 실리콘 화합물로서 실리콘 하이드라이드를 제조한다.Further, the present invention further provides an alkali metal hydride gas during the reduction reaction to produce silicon hydride as a silicon compound.

본 발명에서는 왕겨나 볏짚을 분말로 바꾸지 않고 직접적으로 실리콘 화합물을 얻을 수 있어 간단한 공정을 통해 고순도의 실리콘 화합물을 제조한다. In the present invention, a silicon compound can be directly obtained without converting rice hulls or rice straw into powder, and a high-purity silicon compound is produced through a simple process.

또한, 제조 공정시 다른 원료 가스의 추가 도입으로 인해 다양한 실리콘 화합물의 제조가 가능하다. In addition, it is possible to manufacture various silicon compounds due to the introduction of other raw material gases during the manufacturing process.

이렇게 제조된 실리콘 화합물은 태양전지용 실리콘으로 사용 가능하며, 상기 방법을 통해 값싸고 안정적인 실리콘 공급이 가능해진다.The silicon compound thus prepared can be used as a silicon for a solar cell, and it is possible to supply cheap and stable silicon through the above method.

이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명에서는 왕겨 또는 볏짚을 불활성 분위기 하에서 환원제로 환원시켜 다양한 실리콘 화합물을 제조한다. 상기 실리콘 화합물은 실리콘(SiO2), 실리콘 카 바이드(SiC) 및 실리콘 하이드라이드(SiH4, 모노실란)로, 이하 도면을 참조하여 상세히 설명한다.In the present invention, various kinds of silicon compounds are prepared by reducing rice hulls or rice straw with a reducing agent under an inert atmosphere. The silicon compound is silicon (SiO 2 ), silicon carbide (SiC), and silicon hydride (SiH 4 , monosilane), which will be described in detail below with reference to the drawings.

도 1은 왕겨 또는 볏짚으로부터 다결정 실리콘을 제조하는 방법을 보여주는 블록도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a block diagram illustrating a method for producing polycrystalline silicon from rice hulls or rice straw. FIG.

도 1을 참조하면, 최종 제조되는 실리콘의 순도를 높이기 위해 원료로 사용하는 왕겨 또는 볏짚을 밀링 후 산처리 하는 전처리 공정을 수행한다. Referring to FIG. 1, a pretreatment process is performed in which rice husk or rice straw used as a raw material is milled and subjected to acid treatment to increase the purity of the finally produced silicon.

먼저, 왕겨 또는 볏짚은 일정 크기로 밀링하여 산처리를 수행한다.First, rice husk or rice straw is milled to a certain size and acid treatment is performed.

상기 밀링은 니형 밀링머신, 베드형 밀링머신, 만능 밀링머신, 직립형 밀링머신 등 통상적으로 사용하는 밀링머신을 이용하여 수행한다. 밀링을 통해 왕겨 또는 볏짚은 50∼500㎛의 크기를 갖는다.The milling is performed using a milling machine that is commonly used, such as a nylon milling machine, a bed milling machine, a universal milling machine, an upright milling machine, and the like. Through milling, rice husk or rice straw has a size of 50 to 500 mu m.

상기 밀링된 원료는 산용액 내 일정 시간 침지시키거나 산용액을 분무시켜 최종 얻어지는 다결정 실리콘 내 불순물의 함량을 최소화한다.The milled raw material is immersed in an acid solution for a predetermined time or sprayed with an acid solution to minimize the content of impurities in the polycrystalline silicon finally obtained.

산처리를 통해 왕겨 또는 볏짚 내 함유된 유기 성분, 금속 성분 또는 불순물 등을 녹여내며, 0.1∼10M의 강산을 사용한다. 상기 강산은 대표적으로, 황산, 염산, 질산, 인산, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하다.It dissolves organic components, metal components or impurities contained in rice hulls or rice straw through acid treatment, and it uses 0.1 to 10M strong acid. The strong acid is typically selected from the group consisting of sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, phosphoric acid, and mixtures thereof.

상기 침지 시간은 산 용액의 농도나 처리량 등에 따라 적절히 조절하며, 일예로 10분∼6시간 동안 수행한다. 상기 산처리는 필요한 경우 열을 가하여 수행이 가능하며, 바람직하기로 40∼150℃, 더욱 바람직하기로 60∼100℃에서 수행한다. 이러한 산처리는 1회 이상, 바람직하기로 1 내지 10회 수행하며, 이때 산용액의 종 류, 농도, 온도 등을 달리하여 다단계 공정으로 수행이 가능하다.The immersing time is appropriately adjusted according to the concentration of acid solution, throughput, etc. For example, it is performed for 10 minutes to 6 hours. The acid treatment may be performed by applying heat when necessary, preferably at 40 to 150 캜, more preferably at 60 to 100 캜. The acid treatment is carried out one or more times, preferably 1 to 10 times. In this case, it is possible to carry out the multistage process by varying the type, concentration and temperature of the acid solution.

다음으로, 이전 단계에서 전처리된 왕겨 또는 볏짚을 환원을 수행하는 반응기에 도입시키고, 여기에 환원제인 알칼리 금속을 첨가한다. Next, the rice husk or rice straw pretreated in the previous step is introduced into a reactor performing reduction, and alkali metal, which is a reducing agent, is added thereto.

왕겨 또는 볏짚은 환원시키기 위한 환원제로는 다양한 물질이 가능하며, 바람직하기로는 알칼리 금속을 사용한다. 대표적으로, 나트륨, 칼륨, 마그네슘, 칼슘, 망간, 철, 붕소, 알루미늄 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 알칼리 금속이 가능하다.Various materials can be used as a reducing agent for reducing rice hulls or rice straw, and alkali metals are preferably used. Typically, one alkali metal selected from the group consisting of sodium, potassium, magnesium, calcium, manganese, iron, boron, aluminum, and combinations thereof is possible.

이러한 알칼리 금속은 왕겨 또는 볏짚 1 kg에 대해 100g 내지 120g을 사용한다. 만약 알칼리 금속의 함량이 상기 범위 미만이면 충분한 환원이 이뤄지지 않거나 환원에 따른 시간이 길어지고, 상기 범위를 초과하면 환원제의 양이 증가한 만큼 불순물이 증가되는 문제와 더불어 비경제적이므로, 상기 범위 내에서 적절히 수행한다.These alkali metals are used in an amount of 100 g to 120 g per 1 kg of rice hull or rice straw. If the content of the alkali metal is less than the above range, sufficient reduction is not achieved, or the time for reduction is prolonged. If the amount exceeds the above range, the amount of the reducing agent is increased and the amount of impurities increases. .

다음으로, 반응기 내 불활성 가스를 주입하여 환원 반응을 수행한다.Next, an inert gas is injected into the reactor to perform the reduction reaction.

불활성 분위기는 아르곤(Ar), 질소(N2), 헬륨(He) 또는 이들의 혼합 기체를 주입하여 이루어진다. The inert atmosphere is formed by injecting argon (Ar), nitrogen (N 2 ), helium (He) or a mixed gas thereof.

상기 환원제를 이용한 왕겨 또는 볏짚의 환원 반응은 1000℃ 내지 2000℃, 바람직하기로 1000℃ 내지 1500℃에서 수행한다. 만약, 처리 온도가 상기 온도 미만이면 환원반응이 덜 이루어져 SiO2가 미반응분으로 남아있고, 반대로 상기 온도 이상에서 수행하면 환원된 Si가 다시 산화반응을 일으켜, 산화된 폼인 SiO2로 돌아 가게 되어 원치 않는 방향으로 반응이 일어나는 문제가 발생한다.The reduction reaction of rice hull or rice straw using the reducing agent is performed at 1000 ° C to 2000 ° C, preferably at 1000 ° C to 1500 ° C. If the treatment temperature is lower than the above temperature, the reduction reaction is less likely to occur and SiO 2 remains unreacted. On the contrary, if the temperature is higher than the above temperature, the reduced Si is oxidized again to return to the oxidized form SiO 2 A problem occurs in which the reaction occurs in an undesired direction.

환원 반응에 사용하는 반응기는 통상의 반응기에서 수행이 가능하며, 일예로 고온전기로, 아크전기로, 유동층 반응기 또는 플라즈마 반응기 내에서 수행한다.The reactor used in the reduction reaction can be carried out in a conventional reactor, for example, in a hot electric furnace, an arc furnace, a fluidized bed reactor or a plasma reactor.

왕겨 또는 볏짚이 탄화과정을 거쳐 실리카와 탄소성분이 생성되고 생성된 실리카는 알카리 금속과 탄소에 의해 환원되어 다결정 실리콘이 제조된다. 바람직한 실시예 1에 따르면, 왕겨로부터 실리콘을 생성하는 공정이 매우 간단하여, 경제적으로 많은 이익을 예상할 수 있고 또한 반응 메카니즘이 간단하여 반응을 쉽게 할 수 있음을 알 수 있다. 도 4에 따르면, 제조된 실리콘은 다결정을 갖고, 순도가 99.95% 이상임을 알 수 있다.The rice and rice straw are carbonized to produce silica and carbon components, and the resulting silica is reduced by alkali metals and carbon to produce polycrystalline silicon. According to the preferred embodiment 1, it is understood that the process of producing silicon from rice hulls is very simple, and it is possible to expect a great economical advantage, and the reaction mechanism is simple and the reaction is easy. According to Fig. 4, it can be seen that the produced silicon has a polycrystal and the purity is 99.95% or more.

본 발명에 따른 방법은 환원제와 더불어 다양한 원료가스를 첨가하여 실리콘 외에도, 실리콘 카바이드 및 실리콘 하이드라이드 등의 제조가 가능하다.In the method according to the present invention, it is possible to produce silicon carbide, silicon hydride, etc. in addition to silicon by adding various raw material gases together with a reducing agent.

도 2는 왕겨 또는 볏짚으로부터 실리콘 카바이드를 제조하는 방법을 보여주는 블록도이다.2 is a block diagram showing a method for producing silicon carbide from rice hulls or rice straw.

도 2를 참조하면, 실리콘 카바이드는 왕겨 또는 볏짚을 전처리하는 단계, 환원제인 알칼리 금속을 첨가하는 단계, 불활성 가스 및 탄화수소 기체를 주입하면서 환원 반응을 수행하여 제조된다. Referring to FIG. 2, silicon carbide is prepared by pretreating rice hulls or rice straw, adding an alkali metal as a reducing agent, and performing a reduction reaction while injecting an inert gas and a hydrocarbon gas.

상기 탄화수소 기체는 실리콘 카바이드의 탄소(C)의 원료로서 사용되며, 바람직하기로 메탄(CH4), 에탄 (CH3CH3), 프로판(CH3CH2CH3), 및 이들의 조합으로 이루 어진 군에서 선택된 1종이 가능하다.The hydrocarbon gas is used as a raw material for the carbon (C) of silicon carbide and is preferably selected from the group consisting of methane (CH 4 ), ethane (CH 3 CH 3 ), propane (CH 3 CH 2 CH 3 ) One species selected from the group is available.

상기 탄화수소 기체는 원료로 사용하는 왕겨 또는 볏짚 1 kg에 대해 분당 5 내지 40cc를 사용한다. 만약 탄화수소 기체의 함량이 상기 범위 미만이면 실리콘 카바이드의 생성이 적게 되고 미 반응된 실리카가 불순물로 존재한다. 상기 범위를 초과하면 실리콘 카바이드 외 기타 불순물이 발생하는 문제와 더불어 비경제적이므로, 상기 범위 내에서 적절히 수행한다. 이러한 탄화수소 기체는 반응기 내 분당 5 내지 40cc로 주입한다.The hydrocarbon gas is used in an amount of 5 to 40 cc / min for 1 kg of rice hull or rice straw used as a raw material. If the content of the hydrocarbon gas is less than the above range, generation of silicon carbide is reduced and unreacted silica is present as an impurity. If it exceeds the above range, silicon carbide and other impurities are generated, which is not economical. Therefore, it is properly performed within the above range. These hydrocarbon gases are injected at 5 to 40 cc per minute in the reactor.

이러한 단계를 거쳐 실리콘 카바이드가 제조된다. 바람직한 실시예 2에 따르면, 본 실리콘 카바이드의 공정 역시 실리콘 제조 공정과 비슷하여 간단하며, 경제적으로 많은 이익을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 도 5에 따르면, 제조된 실리콘 카바이드는 다결정을 갖고, 순도가 99.5% 이상임을 알 수 있다.Silicon carbide is produced through these steps. According to the second preferred embodiment, the present silicon carbide process is also similar to the silicon manufacturing process, and it can be seen that it is economically advantageous. According to Fig. 5, it can be seen that the produced silicon carbide has a polycrystal and the purity is 99.5% or more.

도 3은 왕겨 또는 볏짚으로부터 실리콘 하이드라이드(SiH4)를 제조하는 방법을 보여주는 블록도이다.3 is a block diagram showing a method for producing silicon hydride (SiH 4 ) from rice hulls or rice straw.

도 3을 참조하면, 실리콘 하이드라이드는 왕겨 또는 볏짚을 전처리하는 단계, 환원제인 알칼리 금속을 첨가하는 단계, 불활성 가스 및 알칼리금속 수화물 기체를 주입하면서 환원 반응을 수행하여 제조된다. Referring to FIG. 3, the silicon hydride is prepared by pretreating rice hulls or rice straw, adding an alkali metal as a reducing agent, and performing a reduction reaction while injecting an inert gas and an alkali metal hydride gas.

상기 알칼리금속 수화물 기체는 실리콘 하이드라이드의 수소(H)의 원료로서 사용되며, 바람직하기로 수소화칼슘(CaH2), 수소화나트륨(NaH) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하다.The alkali metal hydride gas is used as a raw material for hydrogen (H) of silicon hydride, and preferably one species selected from the group consisting of calcium hydride (CaH 2 ), sodium hydride (NaH), and combinations thereof.

상기 알칼리금속 수화물 기체는 원료로 사용하는 왕겨 또는 볏짚 1 kg에 대해 20 내지 60cc를 사용한다. 만약 알칼리금속 수화물 기체의 함량이 상기 범위 미만이면 실리콘 카바이드 외에 실리콘이 형성되며, 상기 범위를 초과하면 과량의 실리콘 하이드라이드와 나머지 과량의 불순물이 발생하는 문제와 더불어 비경제적이므로, 상기 범위 내에서 적절히 수행한다. 이러한 알칼리금속 수화물 기체는 반응기 내 20 내지 60cc의 속도로 주입한다.The alkali metal hydrate gas is used in an amount of 20 to 60 cc per 1 kg of rice hull or rice straw used as a raw material. If the content of the alkali metal hydride gas is less than the above range, silicon is formed in addition to silicon carbide. If the content of the alkali metal hydride gas is above the range, excess silicon hydride and excess excessive impurities are generated, . This alkali metal hydride gas is injected at a rate of 20 to 60 cc in the reactor.

이러한 단계를 거쳐 실리콘 하이드라이드가 제조된다. 바람직한 실시예 3에 따르면, 실리콘 하이브리드 역시 공정이 간단하여 실 공정에 많은 경제적 이익을 가져다줌을 알 수 있다. Silicon hydride is produced through this step. According to the preferred embodiment 3, it can be seen that the silicon hybrid also has a simple process and brings a great economic benefit to the actual process.

현재 실리콘 하이드라이드는 주로 트리클로로실란의 불균화 반응(dismutation)에 의해 제조된다[참조: 예를 들어, 독일 공개특허공보제100 17 168 A1호, 미국 특허 제3 968 199호]. 이렇게 제조된 실리콘 하이드라이드는 디클로로실란, 모노클로로실란 등 불순물이 존재하여 별도의 정제 공정을 거쳐야 한다. 그러나 본 발명에 따르면 환원 공정 후 경제적인 조건하에서 응축시켜 고순도의 실리콘 하이드라이드를 회수할 수 있다. 응축은 불균화에 바람직한 압력, 즉, 예를 들어, 5∼25bar의 절대압에서 +50∼-80℃, 특히 바람직하게는 -50∼10℃의 온도에서 수행한다.Silicon hydrides are currently produced by dismutation of trichlorosilanes (see, for example, German Patent Publication No. 100 17 168 A1, U.S. Patent No. 3 968 199). The silicon hydride thus produced must be subjected to a separate purification step due to the presence of impurities such as dichlorosilane and monochlorosilane. However, according to the present invention, high-purity silicon hydride can be recovered by condensing under economical conditions after the reduction process. Condensation is carried out at a desired pressure for disproportionation, i.e. at a temperature of +50 to -80 DEG C, particularly preferably -50 to 10 DEG C at an absolute pressure of, for example, 5 to 25 bar.

전술한 바의 방법은 간단히 환원제와 함께 고온에서 환원처리를 수행하여 다양한 실리콘, 실리콘 카바이드, 실리콘 하이드라이드와 같은 실리콘들을 제조할 수 있다. 이러한 방법은 기존 방법에 비해 처리 공정이 간단하고 경제적일 뿐만 아니라 최종 제조된 실리콘 화합물들 또한 순도가 높아 다양한 분야에 적용이 가능하다.The above-described method can be carried out by simply carrying out a reduction treatment at a high temperature together with a reducing agent to produce various silicones such as silicon, silicon carbide, and silicon hydride. This method is not only simple and economical in the treatment process as compared with the conventional method, but also can be applied to various fields because the final prepared silicon compounds are also highly pure.

본 발명에 의해 제조된 실리콘 화합물들은 태양전지용 실리콘으로 바람직하게 사용가능하며, 순도가 높아 높은 광전효율을 달성할 수 있다. 이러한 방법을 통해 값싸고 안정적인 실리콘 공급이 가능해진다.The silicon compounds produced by the present invention can be preferably used as silicon for solar cells and have high purity to achieve high photoelectric efficiency. In this way, cheap and stable silicon supply is possible.

이하 본 발명의 바람직한 실시예와 실험예를 제시한다. 그러나 하기한 예는 본 발명의 바람직한 일 예일 뿐 이러한 예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred embodiments and experimental examples of the present invention will be described. However, the following examples are only preferred examples of the present invention, and the present invention is not limited by these examples.

실시예 1: 다결정 실리콘 제조Example 1: Production of polycrystalline silicon

다결정 실리콘 제조Manufacture of polycrystalline silicon

왕겨와 볏짚을 1:1의 중량비로 혼합한 다음, 평균 입자크기 약 138㎛이 되도록 밀링하였다. 밀링된 혼합물은 1% 황산 수용액에 침지시킨 후, 110℃에서 5시간 동안 가열한 후 증류수로 세척하고 건조시켰다. 상기 절차를 2회 반복하였다. The rice husk and rice straw were mixed at a weight ratio of 1: 1 and then milled to an average particle size of about 138 μm. The milled mixture was immersed in an aqueous 1% sulfuric acid solution, heated at 110 DEG C for 5 hours, washed with distilled water and dried. This procedure was repeated twice.

건조된 혼합물과 Mg를 10:1의 중량비로 혼합한 다음, 이를 알루미나 튜브를 사용하는 관형로에 주입하였다. 상기 로를 Ar 가스로 퍼징한 다음, 2000℃에서 3시간 내지 5시간 동안 환원 공정을 수행하였다.The dried mixture and Mg were mixed at a weight ratio of 10: 1 and then injected into a tubular furnace using an alumina tube. The furnace was purged with Ar gas and then subjected to a reduction process at 2000 占 폚 for 3 hours to 5 hours.

얻어진 다결정 실리콘을 황산 수용액 및 증류수로 각각 세척한 후 건조하였다.The obtained polycrystalline silicon was washed with an aqueous sulfuric acid solution and distilled water, respectively, and then dried.

X-선 회절 분석X-ray diffraction analysis

상기 제조된 다결정 실리콘을 X-선 회절 분석기로 측정하고, 얻어진 결과를 도 4에 나타내었다.The prepared polycrystalline silicon was measured by an X-ray diffractometer, and the obtained results are shown in FIG.

도 4는 실시예 1에서 제조된 다결정 실리콘의 X-선 회절 패턴이다. 도 4를 참조하면, 결정성 실리콘 고유의 피크만 보이며, 나머지 기타 불순물의 피크가 보이지 않아, 고순도의 결정성 실리콘이 생성됨을 알 수 있다. 4 is an X-ray diffraction pattern of the polycrystalline silicon produced in Example 1. Fig. Referring to FIG. 4, only the intrinsic peak of the crystalline silicon is seen, and no peaks of the other impurities are observed, and it can be seen that high purity crystalline silicon is produced.

ICP 분석ICP analysis

상기 제조된 다결정 실리콘 내 불순물을 확인하기 위해 ICP 분석을 수행하고 얻어진 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 표1을 참조하면, 불순물의 함유량이 0.1%미만으로, 실리콘의 순도가 99.9% 이상임을 알 수 있다. ICP analysis was performed to confirm the impurities in the prepared polycrystalline silicon, and the obtained results are shown in Table 1 below. Referring to Table 1, it can be seen that the content of impurities is less than 0.1% and the purity of silicon is 99.9% or more.

원소element 함량(ppb)Content (ppb) 원소element 함량 (ppb)Content (ppb) AlAl 492,744492,744 PP 18,608 18,608 BB 8,5448,544 TiTi 151,973 151,973 CrCr 30,24930,249 VV 1,228 1,228 CuCu 11,7011.70 ZrZr 92,676 92,676 FeFe 999,773 999,773 CaCa 491,383 491,383 MnMn 361,678 361,678 MoMo 3,646 3,646 NiNi 0.0080.008 NaNa 46,803 46,803 CoCo 553 553 KK 135,261 135,261 MgMg 1,310,204 1,310,204 NbNb 1,536 1,536

실시예 2: 실리콘 카바이드 제조Example 2: Preparation of silicon carbide

실리콘 카바이드의 제조Manufacture of silicon carbide

왕겨와 볏짚을 1:1의 중량비로 혼합한 다음, 평균 입자크기 약 138㎛이 되도록 밀링하였다. 밀링된 혼합물은 1% 황산 수용액에 침지시킨 후, 110℃에서 5시간 동안 가열한 후 증류수로 세척하고 건조시켰다. 상기 절차를 2회 반복하였다. The rice husk and rice straw were mixed at a weight ratio of 1: 1 and then milled to an average particle size of about 138 μm. The milled mixture was immersed in an aqueous 1% sulfuric acid solution, heated at 110 DEG C for 5 hours, washed with distilled water and dried. This procedure was repeated twice.

건조된 혼합물과 Mg를 10:1의 중량비로 혼합한 다음, 이를 알루미나 튜브를 사용하는 관형로에 주입하였다. 상기 로를 Ar 가스로 퍼징한 다음, 메탄 가스를 30cc로 주입한 후, 2000℃에서 5시간 동안 환원 공정을 수행하였다.The dried mixture and Mg were mixed at a weight ratio of 10: 1 and then injected into a tubular furnace using an alumina tube. The furnace was purged with Ar gas, methane gas was injected at 30 cc, and a reduction process was performed at 2000 ° C for 5 hours.

얻어진 실리콘 카바이드를 황산 수용액 및 증류수로 각각 세척한 후 건조하였다.The obtained silicon carbide was washed with an aqueous sulfuric acid solution and distilled water, respectively, and then dried.

X-선 회절 분석X-ray diffraction analysis

상기 제조된 실리콘 카바이드를 X-선 회절 분석기로 측정하고, 얻어진 결과를 도 5에 나타내었다.The silicon carbide thus prepared was measured with an X-ray diffractometer, and the obtained results are shown in FIG.

도 5는 실시예 2에서 제조된 실리콘 카바이드의 X-선 회절 패턴이다. 도 5를 참조하면, 실리콘 카바이드(SiC) 피크가 주를 이루며, 나머지 기타의 피크 또한 실리콘 카바이드 피크에 비해 아주 소량으로 확인되며, 이 불순물 또한 산세정에 의해 제거됨을 알 수 있다. 5 is an X-ray diffraction pattern of the silicon carbide produced in Example 2. Fig. Referring to FIG. 5, it can be seen that silicon carbide (SiC) peaks are predominant and the other peaks are also found to be very small compared to the silicon carbide peaks, and this impurity is also removed by acid cleaning.

ICP 분석ICP analysis

상기 제조된 실리콘 카바이드 내 불순물을 확인하기 위해 ICP 분석을 수행하고 얻어진 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 표 2를 참조하면, 불순물의 함유량이 0.5% 미만으로, 실리콘 카바이드의 순도가 99.5% 이상임을 알 수 있다. ICP analysis was performed to confirm impurities in the silicon carbide thus produced, and the results obtained are shown in Table 2 below. Referring to Table 2, it can be seen that the content of impurities is less than 0.5% and the purity of silicon carbide is not less than 99.5%.

원소element 함량(ppb)Content (ppb) 원소element 함량 (ppb)Content (ppb) AlAl 1,085,062 1,085,062 PP 45,311 45,311 BB 14,477 14,477 TiTi 281,120 281,120 CrCr 35,394 35,394 VV 1,879 1,879 CuCu 25,954 25,954 ZrZr 122,552 122,552 FeFe 418,257 418,257 CaCa 180,705 180,705 MnMn 404,149 404,149 MoMo 5,365 5,365 NiNi 57,656 57,656 NaNa 65,477 65,477 CoCo 8,006 8,006 KK 898,340 898,340 MgMg 1,053,942 1,053,942 NbNb 1,744 1,744

실시예Example 3: 실리콘  3: Silicon 하이드라이드의Hydride 제조 Produce

실리콘 하이드라이드의 제조Preparation of silicon hydride

왕겨와 볏짚을 1:1의 중량비로 혼합한 다음, 평균 입자크기 약 138㎛이 되도록 밀링하였다. 밀링된 혼합물은 1% 황산 수용액에 침지시킨 후, 110℃에서 5시간 동안 가열한 후 증류수로 세척하고 건조시켰다. 상기 절차를 2회 반복하였다. The rice husk and rice straw were mixed at a weight ratio of 1: 1 and then milled to an average particle size of about 138 μm. The milled mixture was immersed in an aqueous 1% sulfuric acid solution, heated at 110 DEG C for 5 hours, washed with distilled water and dried. This procedure was repeated twice.

건조된 혼합물과 Mg를 10:1의 중량비로 혼합한 다음, 이를 알루미나 튜브를 사용하는 관형로에 주입하였다. 상기 로를 Ar 가스로 퍼징한 다음, NaH를 50cc로 주입한 후, 2000℃에서 5시간 동안 환원 공정을 수행하였다.The dried mixture and Mg were mixed at a weight ratio of 10: 1 and then injected into a tubular furnace using an alumina tube. The furnace was purged with Ar gas, and 50 cc of NaH was introduced thereinto, followed by reduction at 2000 ° C for 5 hours.

이때 환원 공정을 통해 형성되는 기체 상태의 실리콘 하이드라이드를 5bar, -40℃에서 응축시켜 포집하였다. 상기 얻어진 실리콘 하이드라이드를 가스크로마토그래피를 통해 확인하였고, 순도 측정 결과 99% 이상의 높은 순도를 가짐을 확인하였다.At this time, gaseous silicon hydride formed through the reduction process was condensed and collected at 5 bar and -40 ° C. The obtained silicone hydride was confirmed by gas chromatography, and as a result of the purity measurement, it was confirmed that it had a high purity of 99% or more.

본 발명에 따른 제조방법은 다양한 실리콘 화합물의 제조에 적용된다.The process according to the invention is applied to the preparation of various silicone compounds.

도 1은 왕겨 또는 볏짚으로부터 다결정 실리콘을 제조하는 방법을 보여주는 블록도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a block diagram illustrating a method for producing polycrystalline silicon from rice hulls or rice straw. FIG.

도 2는 왕겨 또는 볏짚으로부터 다결정 실리콘 카바이드를 제조하는 방법을 보여주는 블록도이다.2 is a block diagram showing a method for producing polycrystalline silicon carbide from rice hulls or rice straw.

도 3은 왕겨 또는 볏짚으로부터 실리콘 하이드라이드를 제조하는 방법을 보여주는 블록도이다.3 is a block diagram showing a method for producing silicon hydride from rice hulls or rice straw.

도 4는 실시예 1에서 제조된 다결정 실리콘의 X-선 회절 패턴이다.4 is an X-ray diffraction pattern of the polycrystalline silicon produced in Example 1. Fig.

도 5는 실시예 2에서 제조된 다결정 실리콘 카바이드의 X-선 회절 패턴이다.5 is an X-ray diffraction pattern of the polycrystalline silicon carbide produced in Example 2. Fig.

Claims (11)

왕겨 또는 볏짚을 밀링 후 산처리하는 단계;Milling rice husk or rice straw and acid-treating the same; 처리된 왕겨 또는 볏짚과 환원제를 혼합하는 단계; 및Mixing the treated rice hull or rice straw with a reducing agent; And 얻어진 혼합물을 불활성 분위기 하에서 1000℃ 내지 2000℃에서 환원 반응을 수행하는 단계를 포함하는 실리콘 화합물의 제조방법.And performing a reduction reaction at 1000 占 폚 to 2000 占 폚 in an inert atmosphere in the resulting mixture. 제1항에 있어서, 상기 산처리는 황산, 염산, 질산, 인산, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 1종의 강산으로 10분∼6시간 동안 40∼150℃에서 수행하는 것인 실리콘 화합물의 제조방법.The method according to claim 1, wherein the acid treatment is carried out at 40-150 캜 for 10 minutes to 6 hours with one strong acid selected from the group consisting of sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, phosphoric acid, and mixtures thereof. Gt; 제1항에 있어서, 상기 환원제는 나트륨, 칼륨, 마그네슘, 칼슘, 망간, 철, 붕소, 알루미늄 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 알칼리 금속을 포함하는 것인 실리콘 화합물의 제조방법.The method according to claim 1, wherein the reducing agent comprises one alkali metal selected from the group consisting of sodium, potassium, magnesium, calcium, manganese, iron, boron, aluminum and combinations thereof. 제1항에 있어서, 상기 불활성 분위기는 아르곤(Ar), 질소(N2), 헬륨(He) 또는 이들의 혼합 기체를 주입하여 이루어지는 것인 실리콘 화합물의 제조방법.The method of producing a silicon compound according to claim 1, wherein the inert atmosphere is formed by implanting argon (Ar), nitrogen (N 2 ), helium (He), or a mixed gas thereof. 제1항에 있어서, 상기 환원은 1000℃ 내지 1500℃에서 수행하는 것인 실리콘화합물의 제조방법.The method for producing a silicon compound according to claim 1, wherein the reduction is carried out at 1000 ° C to 1500 ° C. 제1항에 있어서, 추가로 환원 반응시 탄화수소 기체 또는 알칼리금속 수화물 기체를 주입하여 수행하는 실리콘 화합물의 제조방법.The method of producing a silicon compound according to claim 1, further comprising injecting a hydrocarbon gas or an alkali metal hydride gas during the reduction reaction. 제6항에 있어서, 상기 탄화수소 기체는 메탄(CH4), 에탄 (CH3CH3), 프로판(CH3CH2CH3), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 탄화수소 기체를 포함하는 것인 실리콘 화합물의 제조방법.The method of claim 6, wherein the hydrocarbon gas comprises one hydrocarbon gas selected from the group consisting of methane (CH 4 ), ethane (CH 3 CH 3 ), propane (CH 3 CH 2 CH 3 ) ≪ / RTI > 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 실리콘은 다결정 실리콘 카바이드인 것인 실리콘 화합물의 제조방법.8. The method of claim 6 or 7, wherein the silicon is polycrystalline silicon carbide. 제6항에 있어서, 상기 알칼리금속 수화물 기체는 수소화칼슘(CaH2), 수소화나트륨(NaH) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종을 포함하는 것인 실리콘 화합물의 제조방법.The method of producing a silicon compound according to claim 6, wherein the alkali metal hydride gas comprises one selected from the group consisting of calcium hydride (CaH 2 ), sodium hydride (NaH), and combinations thereof. 제9항에 있어서, 상기 실리콘은 실리콘 하이드라이드인 것인 실리콘 화합물의 제조방법.10. The method of claim 9, wherein the silicon is silicon hydride. 제1항에 있어서, 상기 실리콘 화합물은 다결정 실리콘인 것인 실리콘 화합물의 제조방법.The method of claim 1, wherein the silicon compound is polycrystalline silicon.
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