KR19990009158A - 실리카 에어로겔의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에어로겔의 제조 방법에 관한 것으로, 실리카 에어로겔의 상압합성 제조 방법에 관한 것이다.

에어로겔은 습윤겔을 합성하여 건조시키므로써 제조되는데, 일반적인 건조 공정시에 모세관력에 의한 습윤겔의 골격 구조 수축이 발생하여 그 구조를 유지하지 못하고 구조의 변화, 균열 내지는 파괴가 발생된다. 따라서 고온 고압의 초임계 건조 조건에 의해서만 에어로겔의 합성이 가능하여 실용화에 어려운 실정이다.

본 발명에서는 상압하에서 저밀도 및 고기공율을 갖는 에어로겔을 제조하기 위해 실리카 습윤겔의 표면을 트리-메틸-클로로-사일렌((CH₃)₃SiCl)으로 개질시킨 후 상압하에서 건조 및 열처리를 실시함으로써 모세관력의 영향하에서도 건조 이후에 습윤겔의 구조 유지가 양호해지는 실리카 에어로겔 제조 방법을 제시한다.

Description

실리카 에어로겔의 제조 방법

본 발명은 에어로겔(aerogel)의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 건조 공정시 발생되는 골격구조의 변화를 방지할 수 있도록 한 실리카 에어로겔(silica aerogel)의 제조 방법에 관한 것이다.

에어로겔은 기공율이 90 % 이상이고 기공의 크기가 1 ∼ 100 ㎚ 정도인 투명 또는 반투명한 극저밀도의 첨단소재로써, 높은 비표면적을 가진다. 그러므로 다공 구조 특성을 갖는 에어로겔은 촉매 및 촉매 담체, 압전세라믹스 변환기(transducer)의 효율을 증진시키기 위한 매체, 음파지연재 등의 분야에 응용이 가능하다. 특히 실리카 에어로겔은 높은 투광성과 극저의 열전도도 특성을 가지고 있기 때문에 투명단열재(transparent insulating materials)로 각광받고 있을 뿐만 아니라, 냉장고, 냉동기 및 열축적장치 등에 사용될 수 있는 매우 효율적인 초단열 재료이다. 또한 실리카 에어로겔은 오존층의 파괴로 논란의 대상이 되고 있는 씨에프씨-블룬 폴리우레탄 폼(CFC-blown polyurethane foam) 및 섬유상 초단열재보다도 성능이 우수하고 환경적인 측면에서도 안전하기 때문에 이들을 대체할 수 있는 최적 물질로 평가되고 있다. 한편 실리카 에어로겔을 박막(thin film)화 하여 반도체의 금속층간 절연물질(intermetallic dielectrics)에 적용할 경우 현재 고속회로를 위한 금속층간 절연물질의 대체 재료로써 논의되고 있는 폴리이미드보다도 낮은 유전상수를 나타낼 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 반도체 공정을 크게 변화시키지 않아도 되기 때문에 향후 G(giga) DRAM급의 반도체 소자 제조에 응용할 수 있는 것으로 높이 평가된다.

에어로겔의 제조 공정은 크게 습윤겔을 만드는 공정 및 제조된 습윤겔을 건조하는 공정으로 나누어지는데, 일반적으로 이용되는 습윤겔의 건조 방법은 모세관력에 의한 습윤겔의 골격구조 수축이 발생하여 그 상태의 유지가 어려워지고 결국 구조의 변화, 균열 내지는 파괴가 일어나게 된다. 따라서 에어로겔은 고온 고압의 초임계 건조에 의해서만 합성이 가능하므로 실용화에 많은 어려움이 따른다.

그러므로 상압하에서 저밀도 및 고기공율을 갖는 겔체를 합성하기 위해서는 모세관력의 영향하에서도 건조 이후 습윤겔의 구조 유지가 가능한 겔 합성 공정을 도입해야 한다.

따라서 본 발명은 건조 공정시 골격구조의 변화가 방지될 수 있는 저밀도 및 고기공율의 겔체를 제조하므로써 상기한 단점을 해소할 수 있는 실리카 에어로겔 제조 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 실리카 에어로겔 제조 방법은, 실리카 에어로겔 제조 방법에 있어서, 실리카 습윤겔을 세척 및 숙성시키는 제 1 단계와, 상기 실리카 습윤겔에 포함된 용매를 비극성 유기 용매로 치환시키는 제 2 단계와, 상기 실리카 습윤겔의 표면에 트리-메틸-클로로-사일렌을 사용한 사일렌 커플링이 형성되도록 하여 상기 실리카 습윤겔의 표면을 개질시키는 제 3 단계와, 상기 실리카 습윤겔을 세척한 후 실리카겔로 변화시키기 위하여 제 1 및 제 2 건조 공정을 실시하는 제 4 단계와, 상기 실리카겔을 실리카 에어로겔로 변화시키기 위하여 제 1 및 제 2 열처리를 실시하는 제 5 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 의한 실리카 에어로겔의 제조 방법을 설명하기 위해 도시한 공정도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 실리카 에어로겔의 제조 방법을 설명하기 위해 도시한 공정도로서,

본 발명에 따른 실리카 에어로겔 제조 방법은 습윤겔을 제조하는 공정과 제조된 습윤겔을 건조시키는 공정으로 대별할 수 있다. 습윤겔을 제조하는 공정은 졸-겔(sol-gel)법을 이용한다. 본 발명에서 사용한 실리카졸은 2단계의 공정법(two-step acid/base)에 의해 제조되는데, 1단계는 산성 용액내에서 수화반응이 촉진되도록 하는 공정이고, 2단계는 염기성 분위기하에서 가수분해와 축합반응이 가속화되도록 하는 공정이다. 즉, 상기 1 단계에서는 에탄올(Ethyl Alcohol ; C₂H₅OH)에 의해 용해된 테트라-에틸-오소-실리케이트(Tetra Ethyl Ortho Silicates ; Si(OC₂H₅)₄, 이하 TEOS라 함) 용액에 촉매제로써 염산(HCl)을 첨가하고 일정량의 증류수(H₂O)를 서서히 적하하여 부분 가수분해시킨다. 상기 2 단계에서는 상기 1단계를 거쳐 생성된 용액에 일정량의 증류수(H₂O)와 에탄올을 첨가하고 촉매제로써 암모니아수(NH₄OH)를 사용하여 가수분해 및 축합반응이 완결되도록 한다(11). 이때 실리카졸의 합성 온도가 높을수록 후속 겔화 과정에 소요되는 시간이 단축되는 경향이 있지만, 반응물들을 균일하게 반응시키기 위한 혼합 시간과 작업상 소요되는 시간을 고려하여 실리카졸의 제조 온도를 상온으로 유지시킨다. 실리카졸 제조의 상기 두 단계를 거치는 동안 출발 물질인 TEOS와 용매로 사용되는 에탄올의 최종 조성비는 1 : 13.5가 되도록 한다. 하기의 표는 실리카졸의 제조 공정시 반응물 및 촉매의 전체적인 조성 비율을 나타낸다.

비율	TEOS	에탄올	증류수	염산	암모니아수
1단계	1	3	1	0.0007	-
2단계	-	10.5	2.6	-	0.002
최 종	1	13.5	3.6	0.0007	0.002

이렇게 제조된 실리카졸을 원통형 폴리프로필렌 용기에 담아서 밀봉한 후 상온에서 약 24시간동안 방치시킨다. 이때 실리카졸은 겔화 및 시너리시스(syneresis) 과정을 거쳐 습윤겔로 변화된다(12). 상기와 같이 겔화와 시너리시스를 거쳐 겔 상태로 변화된 후에는 습윤겔의 내부에 존재하는 미반응물 및 수분을 제거하기 위한 세척 및 숙성 공정을 실시하는데(13), 상기 세척 및 숙성 공정은 상기 습윤겔을 상기 실리카졸 제조시 용매로 사용한 에탄올에 담가놓는 공정으로 예를들어 24 시간동안 실시된다.

그런데 상기와 같은 세척 및 숙성을 거친 습윤겔은 내부에 용매로써 에탄올을 포함하고 있기 때문에 후속 공정에서 표면 개질을 목적으로 사용하는 트리-메틸-클로로-사일렌(Tri-Methyl-Cloro-Silane ; (CH₃)₃SiCl, 이하 TMCS라 함)이 습윤겔체의 표면에 도달하기도 전에 에탄올과 반응하여 소모되므로 습윤겔체의 표면개질을 이루지 못하게 된다. 따라서 표면 개질을 통하여 건조 과정에서 겔의 구조 파괴가 발생되지 않도록 한다면 습윤겔의 용매를 표면 개질용 화합물인 TMCS와 반응하지 않는 비극성 용매로 치환해야 한다. 그러므로 본 발명에서는 용매의 치환이 용이하고 건조시 최종 용매로써 낮은 표면장력을 가지는 유기 용매인 n-Hexane(CH₃(CH₂)₄CH₃)을 사용하여 습윤겔의 용매 치환을 실시한다. 즉, 세척 및 숙성을 거친 습윤겔을 상온의 n-Hexane 용액속에 24시간 정도 담가두므로써 습윤겔내에 새로운 n-Hexane이 함유되어 용매의 치환이 이루어진다(14).

용매가 치환된 습윤겔은 표면 개질후 건조되는데, 상기 습윤겔의 표면을 개질을 시키는 이유는 상압하에서 습윤겔을 건조시킬 때 모세관력에 의해 발생되는 습윤겔의 골격구조 수축이 방지되도록 하여 구조의 변화, 균열 내지는 파괴가 초래되지 않도록 하기 위한 것이다. 즉, 재료의 표면 특성을 변화시켜 습윤겔의 구조가 건조 후에도 계속 유지될 수 있도록 하기 위함이다. 본 발명에서는 유기 사일렌(silane) 화합물을 결합재로 사용하는 사일렌 커플링(silane coupling)법을 이용하여 습윤겔 표면에 사일렌과 OH 이온의 결합이 형성되도록 함으로써 습윤겔의 표면 특성이 변화되도록 한다. 즉, 습윤겔 상태의 겔체내에는 불완전한 축합으로 인하여 표면에 상당량의 OH기가 존재하고, 이러한 OH기는 건조시 다른 OH기와 반응하여 모세관력에 의한 수축 현상을 나타낸다. 따라서 OH기를 다른 물질과 반응하도록 하여 습윤겔 상태에서 OH기들 사이에 서로의 반응성이 감소하도록 함으로써 습윤겔 골격의 구조를 유지할 수 있게 된다. 본 발명에서는 n-Hexane으로 용매가 치환된 습윤겔의 표면 개질에 있어서, 유기 사일렌 화합물의 한 종류인 TMCS와 n-Hexane을 혼합한 상온의 용액에 습윤겔을 담그고 용기를 밀봉하여 24시간 정도 방치한다(15). TMCS가 습윤겔 내부로 확산되어 가면서 TMCS의 사일렌 성분이 표면의 OH기와 결합을 형성하여 표면 개질이 이루어진다.

표면 개질이 완료된 습윤겔은 겔 내부의 미반응물의 제거를 위해서 일정 시간 동안 다시 n-Hexane로 세척한 후 건조 공정을 실시한다. 일반적으로 건조 온도가 높게 되면 급속한 용매의 증발로 인하여 겔체의 파괴가 일어나지만, 표면장력은 낮아지게 된다. 따라서 건조시 습윤겔 내부의 급속한 용매 증발을 억제하여야만 겔체의 수축 및 파괴 경향은 감소시킬 수 있다. 그러므로 본 발명에 의한 건조 공정은 습윤겔 내부 용매의 급격한 증발을 억제하기 위해 습윤겔을 핀 홀(pin hole)이 뚫린 밀봉된 용기에 넣고 상온에서 48 시간 정도 자연 건조시킨다. 그리고 50 ℃ ∼ 70 ℃ 바람직하게는 60 ℃의 온도영역에서 24시간 정도 건조시킨다(17).

위와 같이 상압하에서 건조된 실리카겔의 기공율을 높이기 위하여 제조 단계의 마지막 공정으로 열처리를 실시함으로써 실리카 에어로겔이 제조된다. 열처리는 상온에서 250 ℃까지 2 ℃/min의 비율로 온도를 상승시킨 후 250 ℃에서 2시간 정도 실시한다. 그리고 다시 250 ℃에서부터 350 ℃까지 1 ℃/min의 비율로 온도를 상승시킨 후 350 ℃의 온도에서 2시간 동안 열처리하여 최종 실리카 에어로겔을 제조한다(18).

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 실리카 습윤겔의 표면 개질을 통하여 상온 및 상압의 건조 과정에서 발생하는 모세관력의 영향하에서도 건조 이후 습윤겔의 구조가 파괴되지 않는 실리카 에어로겔을 제조할 수 있다. 본 발명에 의해 제조된 실리카 에어로겔은 90 %이상의 기공율과 약 0.2 g/㎤의 밀도를 가짐으로써 종래의 고온 고압의 초임계건조에 의해서만 제조할 수 있었던 에어로겔을 실용화 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (12)

1. 실리카 에어로겔 제조 방법에 있어서,

   실리카 습윤겔을 세척 및 숙성시키는 제 1 단계와,

   상기 실리카 습윤겔에 포함된 용매를 비극성 유기 용매로 치환시키는 제 2 단계와,

   상기 실리카 습윤겔의 표면에 트리-메틸-클로로-사일렌을 사용한 사일렌 커플링이 형성되도록 상기 실리카 습윤겔의 표면을 개질시키는 제 3 단계와,

   상기 실리카 습윤겔을 실리카겔로 변화시키기 위하여 제 1 및 제 2 건조 공정을 실시하는 제 4 단계와,

   상기 실리카겔을 실리카 에어로겔로 변화시키기 위하여 제 1 및 제 2 열처리를 실시하는 제 5 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 실리카 에어로겔의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 실리카 습윤겔은 실리카졸이 상온의 밀봉된 용기에서 겔화 및 시너리시스된 것을 특징으로 하는 실리카 에어로겔의 제조 방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 실리카졸은 에탄올에 용해시킨 테트라-에틸-오소-실리케이트의 가수분해 및 축합반응에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 실리카 에어로겔의 제조 방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 테트라-에틸-오소-실리케이트와 에탄올의 조성 비율은 1 대 13.5 인 것을 특징으로 하는 실리카 에어로겔의 제조 방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 단계의 세척 및 숙성 공정은 상온의 에탄올에서 실시되는 것을 특징으로 하는 실리카 에어로겔의 제조 방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 2 단계의 실리카 습윤겔의 용매 치환은 상온의 비극성 유기 용매에서 실시되는 것을 특징으로 하는 실리카 에어로겔의 제조 방법.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 2 단계의 비극성 유기 용매는 n-Hexane인 것을 특징으로 하는 실리카 에어로겔의 제조 방법.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 3 단계 공정은 상기 트리-메틸-클로로-사일렌과 상기 비극성 유기 용매를 혼합한 상온의 용액에서 실시되는 것을 특징으로 하는 실리카 에어로겔의 제조 방법.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 건조 공정은 상온에서 실시되는 것을 특징으로 하는 실리카 에어로 겔의 제조 방법.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 제 2 건조 공정은 50 ℃ 내지 60 ℃의 온도 범위에서 실시되는 것을 특징으로 하는 실리카 에어로 겔의 제조 방법.
11. 제 1 항에 있어서,

    상기 제 1 열처리 공정은 상온으로부터 2 ℃/min의 비율로 250 ℃까지 온도를 상승시키는 단계와,

    상기 단계로부터 상기 250 ℃의 온도에서 2시간동안 열처리하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 실리카 에어로 겔의 제조 방법.
12. 제 1 항에 있어서,

    상기 제 2 열처리 공정은 250 ℃의 온도로부터 1 ℃/min의 비율로 350 ℃까지 온도를 상승시키는 단계와,

    상기 단계로부터 상기 350 ℃의 온도에서 2시간동안 열처리하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 실리카 에어로 겔의 제조 방법.