KR19980072944A - 솔-젤법을 이용한 실리카 유리 단일체의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발연 실리카 100 중량부와 탈이온수 80 - 140 중량부에 결합제 5 - 15 중량부를 첨가하여 혼합하고, 이를 결합제와 함께 과립화하여 출발원료의 입자를 성장시킨 다음, 상기 입자들을 탈이온수와 혼합하여 재분산하고, 금형에 부어 젤화시킨 후, 건조하고, 수득된 건조 젤을 1100℃ 이하의 온도에서 열처리하여 탈히드록실화하고, 1400℃ 이하의 온도에서 소결하는 것을 특징으로 하는 고순도 실리카 유리 단일체의 제조방법이 제공된다. 그리고, 용융법이나 다른 합성법에 의하여 제조되는 유리보다 저렴한 생산 원가로 순도가 향상된 유리를 수득할 수 있다. 솔-젤 공법에 의한 다른 제조 방법들과 비교시 대형의 유리 단일체의 제조가 가능하고, 젤의 건조단계에서의 균열 발생도 효과적으로 억제할 수 있다.

Description

솔-젤법을 이용한 실리카 유리 단일체의 제조방법.

본 발명은 솔-젤(sol-gel) 용법에 관한 것으로서, 특히 다공성 고순도 석영 성형체를 유리 용융 온도 이하에서 소결하여 고순도 석영 유리 단일체를 제조하는 방법에 관한 것이다.

통상적으로, 솔-젤 공법을 이용하여 유리 단일체를 제조하는 다양한 방법들이 시도되었다. 알칼리가 함유된 재료를 알맞은 젤을 얻기 위하여 사용하고, 균열이 발생하지 않도록 여과공정(leaching)을 행하기도 하였고, 균열을 억제하기 위하여 솔을 분산시켜 겔화한 후 입자들을 형성시켜 재분산하여 다시 젤화시킨 후 건조, 소결을 행하여 유리를 제조하기도 하였다. 즉, 균열이 없는 고순도 석영 유리 단일체를 제조하기 위하여 발연 실리카 미세 입자를 물에 분산시켜 1차 솔을 형성하고, 이를 1차 젤화, 건조 후, 분쇄/분급하여 분말을 제조한 후, 이를 열처리하여 물에 재분산시킴으로써 2차 솔을 형성하고, 이를 2차 젤화한 후 건조시킨 다음 소결시키는 공정을 포함하는 제조방법 등이 시도되었다.

그러나, 종래 기술에서 시도된 방법들은 건조 단계에서 균열을 억제시키는데 큰 성과를 얻지 못하였고, 대형의 석영 유리 단일체의 제조시 건조 단계에서 균열을 억제하는데 한계가 있고 공정이 복잡해지는 문제가 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 실리카 입자들을 물에 분산시킨 후 과립화를 행하고 열처리를 하여 출발 실리카 입자들의 크기를 증가시킨 다음, 이 분말들을 재분산, 젤화, 건조시켜 건조 젤을 제조하므로 제조된 실리카 유리의 균열 현상을 방지할 수 있는 솔-젤법을 이용한 실리카 유리 단일체의 제조방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 생성되는 유리의 균열 발생이 극소화되면서도 공정 단계와 시간을 단축시킬 수 있는 솔-젤법을 이용한 실리카 유리 단일체의 제조방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 발연 실리카 100 중량부와 탈이온수 80 - 140 중량부에 결합제 5 - 15 중량부를 첨가하여 혼합하고, 이를 결합제와 함께 과립화하여 출발원료의 입자를 성장시킨 다음, 상기 입자들을 탈이온수와 혼합하여 분산하고, 메틸 포르메이트를 분산된 발연 실리카 중량을 기준으로 1 - 2 중량% 첨가, 혼합시켜 금형에 부어 젤화시킨 후, 건조하고, 수득된 건조 젤을 1100℃ 이하의 온도에서 열처리하여 탈히드록실화하고, 1400℃ 이하의 온도에서 소결하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 솔-젤법(sol-gel method)을 이용한 실리카 유리 단일체를 제조하는 공정의 흐름도.

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 솔-젤법(sol-gel method)을 이용한 실리카 유리 단일체를 제조하는 공정의 흐름도이다. 우선, 본 발명의 과립화 단계에 사용되는 결합제로서는 폴리비닐알코올이 바람직하게 사용된다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 실리카 유리 단일체 제조방법에 따르면, 발연 실리카를, 바람직하게는 소량의 분산제(예, tetramethylammonium hydroxide: TMAH)와 함께, 증류수와 1:0.8 내지 1:1.2의 부피비로 혼합, 분산시킨 다음, 분산된 슬러리를 과립화한다. 이때 과립화는 상기 분산 단계에서 폴리비닐알코올 등과 같은 결합제를 첨가시킨 후 분무건조 처리를 행함으로써 수행된다(결합제의 첨가는 원료 실리카의 중량을 기준으로 15 중량%를 넘지 않도록 하는 것이 바람직하다). 이후 수득된 과립에 열처리를 행하여 결합제를 제거하고, 출발 원료인 발연 실리카의 입자크기를 증가시켜 2차 입자들을 형성시킨다. 그후 이 입자들을 탈이온수와 혼합하여 재분산시키고, 젤화 촉진제로서 메틸 포르메이트를 분산된 발연 실리카의 중량을 기준으로 1 - 2 중량% 첨가, 혼합 후, 원하는 모양의 금형에 부어 젤화시킨다. 그후 젤화가 끝나면 이 습윤 젤을 금형에서 분리시켜 건조를 행한다. 이어서 균열이 없이 건조된 건조 젤을 1100℃ 이하의 온도에서 염소 기체를 이용하여 열처리 분위기를 조절하면서 열처리하여 건조 젤 내의 히드록실기를 제거하고, 산소 기체를 이용하여 잔존 염소 기체를 제거한다. 그후 1400℃ 이하의 온도에서 소결을 행하여 고순도 실리카 유리 단일체를 제조한다.

상기와 같은 본 발명의 실리카 유리 단일체 제조방법을 최상의 실시예(best mode)를 들어 설명하면 하기와 같다.

[실시예 1]

발연 실리카 분말(Aerosil OX-50, Degussa 제품) 500 g을 탈이온수 600 cc에 분산시킨다. 이때 분산제로 25% TMAH (Tetramethylammonium hydroxide) 수용액 35cc를 첨가한다. 그후 고전단 믹서로 잘 분산시킨 솔(sol)에 PVA (poly vinyl alcohol) 10중량% 용액을 발연 실리카 기준으로 10중량% 첨가하여 혼합한다. 이후 상기 결합제가 혼합된 솔(슬러리)을 분무 건조기로 과립화한 후 1000℃에서 2시간 열처리하여 출발원료의 입경을 성장시킨다. 이어서 열처리된 발연실리카를 분쇄, 체분급(20메쉬)한다. 이후 분급된 발연 실리카 500 g을 25% TMAH 수용액 35 cc 및 탈이온수 500 cc에 재분산하여 솔을 제조한다. 그후 상기 솔을 진공 데시케이터에 넣어 충분히 버블을 제거한 후, 메틸 포르메이트 8 cc를 첨가하여 혼합한다. 이후 상기 혼합된 솔을 내경 35 mm, 외경 70 mm의 금형에 서서히 부어서 튜브 형태를 만든다. 이어서 30분 내에 젤화가 일어나서 굳은 젤 성형체를 금형에서 빼내어 상대습도가 90%인 30℃의 항온항습기에서 건조시켜, 균열이 없는 튜브 형태의 건조 젤을 만든다. 그후 건조된 젤을 승온 속도 50℃/hr의 속도로 200℃까지 승온시켜 2시간 유지한 후, 100℃/hr의 승온속도로 1000℃까지 승온하여 5시간 유지시킨다. 이때, 분위기는 염소 기체로 조절하여 OH기를 제거한다. 그후 상기 건조된 젤을 산소 분위기에서 승온 속도 100℃/hr로 1400℃까지 승온하여 5시간 유지하여 버블이 없는 실리카 유리 튜브를 수득한다.

이와 같이 수득된 실리카 유리는 광섬유 2차 모재로 쓰이는 유리 단일체 튜브의 제조를 가능케하고, 반도체용 실리카 유리, 광학용 렌즈 등의 제조에 이용될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 솔-젤법을 이용한 고순도 실리카 유리 단일체의 제조방법은 용융법이나 다른 합성법에 의하여 제조되는 유리보다 저렴한 생산 원가로 순도가 향상된 유리를 수득할 수 있다. 그리고 솔-젤 공법에 의한 다른 제조 방법들과 비교시 대형의 유리 단일체의 제조가 가능하고, 젤의 건조단계에서의 균열 발생도 효과적으로 억제할 수 있다.

Claims (4)

1. 발연 실리카 100 중량부와 탈이온수 80 - 140 중량부에 결합제 5 - 15 중량부를 첨가하여 혼합하고, 이를 결합제와 함께 과립화하여 출발원료의 입자를 성장시킨 다음, 상기 입자들을 탈이온수와 혼합하여 분산하고, 메틸 포르메이트를 분산된 발연 실리카 중량을 기준으로 1 - 2 중량% 첨가, 혼합시켜 금형에 부어 젤화시킨 후, 건조하고, 수득된 건조 젤을 1100℃ 이하의 온도에서 열처리하여 탈히드록실화하고, 1400℃ 이하의 온도에서 소결하는 것을 특징으로 하는 솔-젤법을 이용한 고순도 실리카 유리 단일체의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 결합제는 폴리비닐알코올 임을 특징으로 하는 솔-젤법을 이용한 고순도 실리카 유리 단일체의 제조방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 수득된 유리 단일체는 튜브 형태 임을 특징으로 하는 솔-젤법을 이용한 고순도 실리카 유리 단일체의 제조방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 결합제를 첨가하여 분무건조함으로써 과립화를 수행하는 것을 특징으로 하는 솔-젤법을 이용한 고순도 실리카 유리 단일체의 제조방법.