KR20000074724A - Manufacturing method of silica glass for sol-gel process - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 졸-겔 공정용 실리카 글래스의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하기로는 수산기 제거 반응시 사용된 염소 가스 잔존량을 최소화시킬 수 있는 졸-겔 공정용 실리카 글래스의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing silica glass for sol-gel process, and more particularly, to a method for preparing silica glass for sol-gel process that can minimize the amount of residual chlorine gas used in the hydroxyl group removal reaction.
졸-겔 공정은 액상 공정으로서 생산성이 높고 제품의 조성을 자유롭게 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 공정이 전반적으로 저온에서 이루어지므로 경제성이 높아서 광섬유나 반도체용 고순도 실리카 글래스를 제조할 때 매우 유용한 방법이다.The sol-gel process is a liquid phase process, which has high productivity and can freely control the composition of the product, and because the process is generally performed at a low temperature, it is very economical and is very useful when manufacturing high purity silica glass for optical fibers or semiconductors.
이하, 졸-겔 공정을 이용하여 실리카 글래스된 오버클래딩 튜브를 제조하는 방법을 간략하게 살펴보면, 다음과 같다.Hereinafter, a brief description of a method of manufacturing a silica glass overcladding tube using a sol-gel process is as follows.
먼저, 실리카 입자를 물에 분산하여 졸을 형성한다. 형성된 졸을 소정시간동안 방치하여 숙성시킨다. 이어서, 숙성된 졸을 몰드에 부어 겔화시킨다. 겔화가 완결되면, 몰드로부터 겔을 분리해낸 다음, 건조시킨다.First, silica particles are dispersed in water to form a sol. The sol formed is left to mature for a predetermined time. The aged sol is then poured into a mold and gelated. Once gelling is complete, the gel is separated from the mold and then dried.
그 후, 건조된 겔을 1차 열처리하여 겔내의 유기물을 제거한다. 이어서, 유기물이 제거된 겔에 대해 수산기 제거 반응과 소결 반응을 실시하여 실리카 글래스된 오버클래딩 튜브를 완성한다.Thereafter, the dried gel is first heat treated to remove organic matter in the gel. Subsequently, the hydroxyl group removal reaction and the sintering reaction are performed on the gel from which the organic material has been removed to complete the silica glass overcladding tube.
상술한 바와 같은 졸-겔 공정의 반응성은 겔화 반응 온도, 조성, 압력, pH, 용매 등의 인자에 따라 달라지므로, 이러한 인자들을 적절하게 조절하여 반응성을 바람직한 범위내로 제어해야 한다.Since the reactivity of the sol-gel process as described above depends on factors such as gelation reaction temperature, composition, pressure, pH, solvent, etc., these factors should be appropriately controlled to control the reactivity to the desired range.
한편, 상기 수산기 제거 반응은 염소 가스 분위기하에서 진행되며, 소결 반응은 헬륨 가스 분위기에서 진행되는 것이 통상적이다. 이와 같이 수산기 제거 반응후, 소결 반응이 바로 후속으로 실시되기 때문에 수산기 제거 반응시 사용된 염소 가스 일부가 잔존함으로써 소결과정에서 이들이 포획되어 유리화후 기공에 남게 된다. 이러한 기공들은 광섬유 인출시 파단의 주요 원인이 된다.On the other hand, the hydroxyl group removal reaction is carried out in a chlorine gas atmosphere, the sintering reaction is usually carried out in a helium gas atmosphere. As described above, since the sintering reaction is performed immediately after the hydroxyl group removing reaction, some of the chlorine gas used in the hydroxyl group removing reaction remains so that they are trapped in the sintering process and remain in the pores after vitrification. These pores are a major cause of breakage when the fiber is pulled out.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 수산기 제거 반응후 헬륨 가스 분위기하에서 소정기간동안 유지함으로써 잔존하는 염소 가스를 제거하고자 하였다. 그러나, 이 방법에 따르면, 잔존하는 염소 가스를 제거하는 효율이 만족할만 한 수준에 미치지 못하였다.In order to solve this problem, the residual chlorine gas was removed by maintaining the helium gas for a predetermined period after the hydroxyl group removal reaction. However, according to this method, the efficiency of removing residual chlorine gas was not satisfactory.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기 문제점을 해결하여 수산기 제거 반응시 사용된 후 잔존하는 염소를 효율적으로 제거할 수 있는 졸-겔 공정용 실리카 글래스의 제조방법을 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is to solve the above problems to provide a method for producing a silica glass for sol-gel process that can efficiently remove the remaining chlorine used in the hydroxyl group removal reaction.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명에서는. (a) 실리카, 분산제, 결합제, 겔화제 및 탈이온수를 혼합하여 졸을 형성하는 단계;In the present invention to achieve the above technical problem. (a) mixing silica, dispersant, binder, gelling agent and deionized water to form a sol;
(b) 형성된 졸로부터 기포를 제거한 다음, 이를 몰딩하여 겔화시키는 단계;(b) removing the bubbles from the formed sol and then molding and gelling;
(c) 얻어진 겔을 디몰딩하여 건조시키는 단계;(c) demolding the obtained gel to dry it;
(d) 건조된 겔로부터 유기물을 제거한 다음, 수산기를 제거하는 단계; 및(d) removing organics from the dried gel and then removing hydroxyl groups; And
(e) 상기 결과물을 산소 가스 분위기하, 800 내지 1000℃에서 유지한 다음, 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 졸-겔 공정용 실리카 글래스의 제조방법을 제공한다.(e) maintaining the resultant at 800 to 1000 ℃ in an oxygen gas atmosphere, and then sintering provides a method for producing a silica glass for sol-gel process characterized in that it comprises.
상기 (e) 단계에서, 산소 가스 이외에 헬륨 가스를 함께 사용하는 것이 바람직하다. 그 이유는 헬륨 가스가 산소 가스의 캐리어(carrier) 역할을 하기 때문이다.In step (e), it is preferable to use helium gas together with oxygen gas. The reason is that helium gas serves as a carrier of oxygen gas.
바람직하게는, 상기 (d) 단계의 유기물 제거과정은 50 내지 500℃에서 열처리함으로써 이루어지고, 수산기 제거 과정은 염소 가스 분위기하, 500 내지 1000℃에서 열처리함으로써 이루어진다. 그리고 상기 (e) 단계에 있어서, 산소 분위기하에서 소정기간동안 유지한 이후의 소결 과정은, 헬륨 가스 분위기하, 1100 내지 1450℃에서 열처리함으로써 이루어지는 것이 바람직하다.Preferably, the organic material removal process of step (d) is made by heat treatment at 50 to 500 ℃, hydroxyl group removal process is carried out by heat treatment at 500 to 1000 ℃ under a chlorine gas atmosphere. In the step (e), the sintering process after maintaining for a predetermined period in an oxygen atmosphere is preferably performed by heat treatment at 1100 to 1450 ° C. in a helium gas atmosphere.
본 발명에 따른 제조방법은 수산기 제거 반응시 사용된 염소 가스가 잔존하여 후속 공정인 소결 공정에 영향을 미치는 것을 억제하기 위하여 수산기 제거 반응후 산소 가스 분위기하에서 소정기간동안 유지하는 것을 특징으로 한다. 이 때 산소 가스 분위기하에서 유지하는 온도는 800 내지 1000℃인 것이 바람직하며, 이 온도에서 유지하는 시간은 잔존하는 염소 가스 함량에 따라 변화가능하다.The production method according to the present invention is characterized in that the chlorine gas used during the hydroxyl group removal reaction is maintained for a predetermined period of time in the oxygen gas atmosphere after the hydroxyl group removal reaction in order to suppress the influence on the sintering process which is a subsequent process. At this time, it is preferable that the temperature maintained in the oxygen gas atmosphere is 800 to 1000 ° C, and the time maintained at this temperature can be changed depending on the remaining chlorine gas content.
반응 시스템안에 염소 가스 존재 여부는 물을 사용하여 확인 가능하다. 이에 대하여 보다 상세하게 설명하면, 물이 염소 가스와 반응하면 엷은 연녹색을 발하기 때문이다.The presence of chlorine gas in the reaction system can be confirmed using water. This is because, in more detail, water reacts with chlorine gas to emit light pale green.
상술한 특징을 갖는 본 발명에 따른 실리카 글래스의 제조방법에 대하여 보다 자세히 설명하기로 한다.The method for producing silica glass according to the present invention having the above-described characteristics will be described in more detail.
먼저, 실리카, 첨가제 및 탈이온수를 혼합한 다음, 졸을 형성한다. 이어서, 진공펌프를 이용하여 졸로부터 기포를 제거한다.First, silica, additives and deionized water are mixed and then a sol is formed. Subsequently, bubbles are removed from the sol using a vacuum pump.
상기 첨가제는 특별히 한정되지 않으나, 분산제, 결합제, 가소제, 겔화제 등을 사용한다. 여기에서 상기 분산제, 결합제, 가소제 및 겔화제로는 실리카 글래스 제조시 통상적으로 사용되는 물질이라면 특별히 제한되지는 않는다. 그리고 각 물질들의 함량도 통상적인 수준이다.Although the said additive is not specifically limited, A dispersing agent, a binder, a plasticizer, a gelling agent, etc. are used. Herein, the dispersant, binder, plasticizer, and gelling agent are not particularly limited as long as they are materials commonly used in the production of silica glass. And the content of each substance is also normal.
겔화제는 포름산(formic acid), 락트산(lactic acid) 및 글리콜산(glycolic acid)으로 이루어진 군으로부터 선택된 산의 수용성 지방족 에스테르로서, 구체적인 예로서 포름산 메틸, 락트산 메틸, 락트산 에틸 등이 있다. 그리고 분산제로는 4급 암모늄 하이드록사이드인 테트라메틸암모늄 하이드록사이드, 테트라에틸암모늄 하이드록사이드를 사용한다. 이러한 물질은 실리카가 조성물내에서 균일하게 분산되는 것을 도울 뿐만 아니라 실리카가 분산된 졸을 정전기적으로 안정화시키는 역할을 한다.The gelling agent is a water-soluble aliphatic ester of an acid selected from the group consisting of formic acid, lactic acid and glycolic acid, and specific examples thereof include methyl formate, methyl lactate, ethyl lactate, and the like. As the dispersant, tetramethylammonium hydroxide and tetraethylammonium hydroxide which are quaternary ammonium hydroxides are used. These materials not only help the silica to be uniformly dispersed in the composition, but also serve to electrostatically stabilize the sol in which the silica is dispersed.
또한, 가소제로는 다가알콜(polyhydric alcohol)을 사용한다. 구체적인 예로는 글리세린(glycerin), 에틸렌글리콜, 2-메틸프로판-1,2,3-트리올 등이 있다. 그리고 결합제로는 폴리에틸옥사졸린, 폴리비닐아세테이트 등을 사용한다.In addition, a polyhydric alcohol (polyhydric alcohol) is used as a plasticizer. Specific examples include glycerin, ethylene glycol, 2-methylpropane-1,2,3-triol, and the like. As the binder, polyethyloxazoline, polyvinylacetate, or the like is used.
상기 과정에 따라 형성된 졸을 몰딩시킨 다음, 겔화시킨다. 이어서, 소정기간이 경과하여 겔화가 완결되면, 겔화된 결과물을 디몰딩한다.The sol formed according to the above procedure is molded and then gelled. Subsequently, when the gelation is completed after a predetermined period of time, the gelled resultant is de-molded.
그리고 나서, 디몰딩된 겔을 온도 30∼80℃, 상대습도 65∼80%에서 건조한다.The demolded gel is then dried at a temperature of 30-80 ° C. and a relative humidity of 65-80%.
이어서, 건조된 겔을 50∼500℃에서(승온속도:5∼50℃/hr) 열처리하여 겔내에 남아있는 유기물을 제거한다. 그 후, 500 내지 1000℃ 승온하여(승온속도:50∼100℃/hr) 소정시간동안 열처리한다. 이러한 열처리 과정은 염소 가스 분위기하에서 실시하며 이 과정에서 잔류 수산화기가 제거된다.Subsequently, the dried gel is heat-treated at 50 to 500 ° C. (raising rate: 5 to 50 ° C./hr) to remove organic matter remaining in the gel. Thereafter, the temperature is increased to 500 to 1000 ° C (heating rate: 50 to 100 ° C / hr) and heat-treated for a predetermined time. This heat treatment is carried out in a chlorine gas atmosphere in which residual hydroxyl groups are removed.
그 후, 산소 가스 분위기하, 800 내지 1000℃에서 1 내지 10시간동안 유지시켜 잔존하는 염소 가스를 제거한다. 이러한 과정에 있어서, 산소 가스 이외에 산소 가스와 헬륨 가스를 함께 사용하여도 무방하다. 그리고 산소 가스의 유량은 특별히 제한되지는 않으나 500 내지 2000sccm, 바람직하게는 1000 내지 1500sccm이다.Thereafter, the remaining chlorine gas is removed by maintaining at 800 to 1000 ° C. for 1 to 10 hours in an oxygen gas atmosphere. In this process, oxygen gas and helium gas may be used in addition to oxygen gas. The flow rate of the oxygen gas is not particularly limited, but is 500 to 2000 sccm, preferably 1000 to 1500 sccm.
이어서, 상기 결과물을 헬륨 가스 분위기하에서 1100 내지 1400℃로 승온하고(승온속도:100℃/hr) 약 8시간동안 열처리함으로써 실리카 글래스 튜브를 완성한다.Subsequently, the resultant is heated to 1100 to 1400 ° C. (heating rate: 100 ° C./hr) under a helium gas atmosphere and heat treated for about 8 hours to complete the silica glass tube.
상술한 실리카 글래스 제조방법은 실리카 글래스 오버클래딩 튜브의 규격에 상관없이 모두 유용하게 적용할 수 있는 방법이다. 특히 내경 22 내지 27mm, 외경 67 내지 81mm, 길이 약 1000mm의 크기를 갖는 장대형 실리카 글래스 튜브 제조시 매우 유용한 방법이다.The silica glass manufacturing method described above is a method that can be usefully applied regardless of the specifications of the silica glass overcladding tube. In particular, it is a very useful method for producing a large silica glass tube having an inner diameter of 22 to 27 mm, an outer diameter of 67 to 81 mm, and a length of about 1000 mm.
실시예 1Example 1
퓸 실리카(Aerosil OX-50, Degussa사) 500g, 25중량%의 테트라메틸암모늄 하이드록사이드(tetraammonium hydroxide: TMAH) 수용액 52㎖, 탈이온수 500g, 에틸 락테이트 60g 및 폴리에틸옥사졸린 2.1g를 혼합하여 졸을 형성하였다.500 g of fume silica (Aerosil OX-50, Degussa), 52 ml of 25 wt% tetraammonium hydroxide (TMAH) aqueous solution, 500 g deionized water, 60 g ethyl lactate and 2.1 g polyethyloxazoline are mixed To form a sol.
이어서, 상기 졸을 15시간동안 숙성하고 나서 진공펌프를 이용하여 상기 졸로부터 기포를 제거하였다. 이렇게 기포가 제거된 졸을 몰드에 부어 겔화시켰다.The sol was then aged for 15 hours and then bubbled from the sol using a vacuum pump. This bubble-free sol was poured into a mold and gelated.
겔화가 완결되면, 몰드로부터 습윤 겔을 꺼내어 항온항습기에서 30℃, 80 RH%에서 4일동안 건조하였다.Once gelling was complete, the wet gel was removed from the mold and dried for 4 days at 30 ° C. and 80 RH% in a thermo-hygrostat.
이어서, 건조된 겔을 약 500℃까지 승온하여(승온속도:50℃/hr) 이 온도에서 5시간동안 열처리하여 겔내에 함유된 유기물을 제거하였다.Subsequently, the dried gel was heated to about 500 ° C. (raising rate: 50 ° C./hr) and heat-treated at this temperature for 5 hours to remove organic matter contained in the gel.
그 후, 상기 결과물을 염소(Cl2) 가스 분위기하에서 약 1000℃(승온 속도: 100℃/hr)에서 5시간동안 열처리하여 겔내의 잔류 수산기를 제거하였다. 이어서 산소(O2) 가스 및 헬륨 가스를 이용하여 약 900℃에서 잔존하는 염소 가스를 제거하였다.Thereafter, the resultant was heat treated at about 1000 ° C. (raising rate: 100 ° C./hr) for 5 hours in a chlorine (Cl 2 ) gas atmosphere to remove residual hydroxyl groups in the gel. Subsequently, residual chlorine gas was removed at about 900 ° C. using oxygen (O 2 ) gas and helium gas.
상기 결과물을 헬륨 분위기하, 약 1400℃(승온 속도: 100℃/hr)에서 8시간동안 소결함으로써 실리카 글래스 튜브를 완성하였다. 이 때 실리카 글래스 튜브의 내경은 22mm, 외경은 67mm, 길이 1000mm이었다.The resultant product was sintered at about 1400 ° C. (heating rate: 100 ° C./hr) for 8 hours under a helium atmosphere to complete a silica glass tube. At this time, the inner diameter of the silica glass tube was 22 mm, the outer diameter was 67 mm, and the length was 1000 mm.
실시예 2Example 2
산소 및 헬륨 가스를 이용한 잔존하는 염소 가스 제거 과정에 있어서, 산소 및 헬륨 가스 대신 산소 가스만을 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 실리카 글래스 튜브를 제조하였다.In the remaining chlorine gas removal process using oxygen and helium gas, a silica glass tube was prepared in the same manner as in Example 1 except that only oxygen gas was used instead of oxygen and helium gas.
비교예Comparative example
산소 및 헬륨 가스를 이용한 잔존하는 염소 가스 제거 과정을 생략하는 것을 제외하고는, 실시예와 동일한 방법에 따라 실시하여 실리카 글래스 튜브를 제조하였다.A silica glass tube was prepared in the same manner as in Example, except that the remaining chlorine gas removal process using oxygen and helium gas was omitted.
상기 실시예 1-2 및 비교예에 따라 제조된 실리카 글래스 튜브를 이용하여 광섬유를 인출하는 경우, 파단 횟수를 조사하였다.When extracting the optical fiber using the silica glass tube prepared according to Example 1-2 and Comparative Example, the number of breaks were investigated.
그 결과, 실시예 1-2의 경우는 비교예의 경우에 비하여 파단 횟수가 매우 감소되었다. 이는 실시예 1-2의 경우에 있어서, 소결과정에서 잔존염소에 의하여 포획될 수 있는 기공 갯수를 줄일 수 있게 되었기 때문이다.As a result, in Example 1-2, the number of breaks was significantly reduced compared with the case of Comparative Example. This is because in the case of Example 1-2, the number of pores that can be captured by the remaining chlorine in the sintering process can be reduced.
본 발명에 따르면, 수산기 제거 반응시 사용된 염소 가스의 잔존량을 최소화시킬 수 있다. 이와 같이 염소 가스 잔존량이 최소화되면 최종적으로 얻어진 실리카 글래스의 순도가 향상된다.According to the present invention, it is possible to minimize the amount of residual chlorine gas used in the hydroxyl group removal reaction. As such, when the residual amount of chlorine gas is minimized, the purity of the finally obtained silica glass is improved.
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A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
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