KR20010062256A - 실리카 수트의 제조공정 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실리카 수트의 제조공정에 관한 것으로, 보다 상세하게 특별히 고안된 환경하에서 단일한 불꽃 가수분해 또는 불꽃 연소공정에 의해 실리카 수트를 생성시키는 공정에 관한 것이다. 고순도 실리콘 화합물은 1600℃ 이상의 온도로 유지되는 절연 봉합체 내에 실리카 중간물질을 생성시키기 위해 산소-탄화수소 또는 산소-수소 불꽃으로 도입된다. 상기 실리카 중간물질은 고체 실리콘 이산화물의 "씨드"를 포함하며, 상기 봉합체 내에서 연장된 지체시간동안 1600℃ 이상의 고온으로 유지된다. 상기 고체 실리콘 이산화물 "씨드"는 봉합체에서 배출되기 전에 상기 연장된 지체시간동안 동시에 성장하고 소결되어 고순도의 조밀한 구형의 입자를 생성한다.

Description

실리카 수트의 제조공정 {Process for producing silica soot}

본 발명은 고순도의 조밀한 실리카 수트의 제조공정에 관한 것으로, 보다 상세하게 단일한 불꽃 단계를 이용하는 공정이다.

연마 선행물질은 유리 및 마이크로전자공학 산업에 이용되는 최종 부품의 형성분야에서 대단히 중요한 위치를 점유하고 있다. 실리카 및 알루미나 콜로이드는 다양한 기술을 통해 형성되며, 고순도의 제품을 생산하기 위하여 통상적으로 고가의 전구체가 요구된다. 최적의 표면 마무리를 초래하는 pH 및 고체 적체값으로 완충 시스템(buffer system)을 이용하여 용액이 안정화된다. 공정 후 작업물 표면에 잔재하는 연마제 입자를 세정하는 능력 뿐만 아니라, 입자 크기분포를 조정하여 최종 표면의 마무리를 조절할 수 있다.

Cab-O-Sil(Cabot Corporation제), 에어로실(Degussa사제) 및 루독스(Du Pont사제)와 같은 다양한 미세한 크기(1 마이크론 이하)의 실리카 제품이 상업적으로 시판되고 있다. 종래의 실리카는 통상적으로 50 나노미터(nm) 이하의 평균 입자크기를 갖는다. 이러한 미세한 크기의 실리카 제품이 나름대로의 잇점을 갖고 있지만, 본 발명의 보다 큰 입자크기의 실리카 수트는 그들의 독특한 특성 및 이용법을 갖는다.

다른 제조공정과 달리, 본 발명의 공정은 특별히 고안된 환경에서 단일 불꽃 가수분해 또는 불꽃 연소공정에 의해 실리카 수트를 제조한다. 1600℃ 이상의 온도에서 유지되는 절연 봉합체 내에 실리카 중간물질을 생성하기 위해, 고순도 실리콘 화합물이 산소-탄화수소, 또는 산소-수소 불꽃으로 도입된다. 상기 실리카 중간물질은 고체 실리콘 이산화물, 기체 실리콘 일산화물 및, 불꽃 가수분해 또는 불꽃 연소반응의 화합물을 함유하는 다른 중간의 실리콘 함유 화합물의 "씨드(seed)"를 포함한다. 상기 실리카 중간물질이 봉합체 내에서 연장된 지체시간동안 1600℃ 이상의 고온하에 놓이도록 절연 봉합체가 고안된다. 상기 연장된 지체시간동안, 고체 실리콘 이산화물의 "씨드"는 봉합체로부터 배출되기 전에 동시에 성장하고 소결된다. 이러한 단일한 공정의 시도 및 고순도 개시약품의 선택으로 인해, 상기 실리카 수트는 0.02-0.4 마이크론(평균 크기 0.2 마이크론)을 갖는 고순도의 조밀한 구형의 입자로 이루어진다.

도 1은 본 발명의 실리카 수트의 SEM 현미경사진이고;

도 2는 본 발명의 실리카 수트의 TEM 현미경사진이며;

도 3은 본 발명의 수트제조에 사용되는 퍼네이스(furnace)의 개략도이다.

본 발명의 공정은 고순도의 조밀한 실리카(HPFS^R) 수트를 제공하며, 상기 공정은 퍼네이스를 제공하는 단계 및 상기 퍼네이스를 1600℃ 이상의 온도으로 유지시키는 단계를 포함한다. 산소-탄화수소 또는 산소-수소 불꽃을 퍼네이스에 도입하고, 이어서 고순도의 실리콘 화합물을 불꽃에 도입한다. 상기 단계에서 고순도의 실리카 중간물질이 생성된다. 그 후, 상기 실리카 중간물질을 연장된 지체시간동안 1600℃ 이상의 온도로 유지시킨다. 이 단계에서 상기 실리카 중간물질이 퍼네이스로부터 배출되기 전에 동시에 성장하고 소결되어 고순도의 조밀한 실리카 수트가 형성된다. 상기 불꽃은 불꽃 가수분해 또는 불꽃 연소반응에 의해 실리카 중간물질을 제공한다. 상기 실리카 중간물질은 고체 실리콘 이산화물, 기체 실리콘 일산화물 및 다른 중간물질의 실리콘 함유 화합물의 씨드를 포함한다. 상기 고체 실리콘 이산화물의 씨드는 동시에 성장하고 소결되어 고순도의 조밀한 실리카 수트가 형성된다.

도 3은 본 발명의 실리카 수트를 제공하기 위한 퍼네이스의 개략도이다. 도 3은 내화물 봉합체(refractory enclosure)(12), 수트생성 버너(14), 보조열원 버너(16) 및 수트 스트림(soot stream)(18)을 포함하는 퍼네이스(10)를 나타내며, 상기 퍼네이스(10)는 1600℃ 이상의 온도로 유지된다.

상기 수트 스트림(18)의 실리카 수트 미립자는 넓게는 20 nm 내지 500 nm, 더욱 상세하게는 100 nm 내지 400 nm, 바람직하게는 250 nm 내지 350 nm, 더욱 바람직하게는 약 300 nm의 평균 입자크기를 갖는다. 또한, 바람직하게 상기 실리카수트는 구형의 모폴로지(morphology)를 갖고 있다.

일반적으로, 상기 수트는 20m²/g 이하의 비표면적을 가지며, 바람직하게는 10 내지 20m²/g, 더욱 바람직하게는 15 내지 20m²/g의 비표면적을 갖는다. 입자 크기 및 표면적의 디멘젼은 0보다 큰 값이다.

통상적인 기체 소성 또는 전기 가열의 수단으로서, 내화물 봉합체(12)와 같은 절연 봉합체를 가열하기 위해 보조열원 버너(16)가 이용된다. 수트생성 버너(14)로 사용되는 상기 산소-연료 버너는 본 당업계에 공지되어 있다. 통상적인 산소-연료 버너는 2백만 BTU/hr. 버너이다. 상기 2백만 BTU 버너는 ft/lbs/sec 단위의 운동 에너지로 전개된다:

400 ft/sec 356 ft-lbs/sec

800 ft/sec 1424 ft-lbs/sec

1173 ft/sec 2530 ft-lbs/sec

이러한 버너는 요구되는 1600℃ 이상의 온도를 충분히 제공한다.

일반적으로, 본 발명의 상기 실리카 수트는 적어도 1 g/cc의 밀도를 가지며, 바람직하게는 적어도 2 g/cc의 밀도를 갖는다.

하기 표 1은 상기 실리카가 고순도의 실리카라임을 나타내는 실리카 수트의 미량원소분석이다.

Ba, Na, Zr	Al, Ca, Co, Ni	Fe, Mg, Ti
<0.01 wt%	<0.003 wt%	<0.001 wt%

도 1은 상기 실리카(HPFS^R) 수트의 입자를 나타내는 SEM 현미경사진으로, 상기 SEM은 입자가 50 nm 내지 300 nm의 크기를 갖는 구형이라는 것을 나타낸다.

도 2는 상기 HPFS^R수트의 입자를 나타내는 TEM 현미경사진으로, 상기 TEM은 입자가 20 nm 내지 400 nm의 크기를 갖는 구형이라는 것을 나타낸다.

이러한 우수한 특성으로, 상기 실리카 수트는 하기의 실시예에 나타난 바와 같이 다양한 최첨단 세라믹 제조시의 탁월한 개시물질이 된다.

실시예 1 - 고온 적용을 위한 고순도 기판

상기 수트는 고온 적용을 위한 고순도의 기판 또는 퍼니처(furniture)를 형성하기 위하여 캐스팅(casting), 펠릿타이징(palletizing), 분무 건조(spray drying) 및 압출과 같은 통상적인 세라믹 공정에 의해 펠릿(pellet), 플레이트(plate) 또는 다양한 형상의 용기로 가공될 수 있다.

실시예 2 - 높은 고체 적재량을 갖는 수용성 부유물

적절한 크기범위의 HPFS^R수트와 결합된 조밀한 구형의 특성은 유기/폴리머 안정제(stabilizer)를 필요로 하지않으면서 75중량%까지 높은 고체 적재량을 갖는 매우 안정되고, 낮은 점도의 물에 수용성 부유물의 생산을 가능하게 한다. 이러한 고순도의 실리카 부유물은 세라믹 뱃치의 제조(ceramic batch formulation)에 가치가 있고, 캐스팅 슬립(casting slip)에 유용하다.

실시예 3 - 네트 형상에 근접한(near net shape), 낮은 수축(shrinkage)의실리카 바디

조밀한 구형의 특성 및 적절한 크기범위를 이용하여, HPFS^R수트는 진공 캐스팅에 의해 이론값인 70%의 미가공 밀도를 갖는 바람직한 형상으로 가공되었다. 결과적으로, 상기 미가공 바디(green body)의 소결 선형수축(sintering linear shrinkage)은, 통상의 실리카 분말이 사용되는 경우의 17% 이상의 정규 선형 축소율과 비교하면, 12% 이하이다.

실시예 4 - 적외선 윈도우의 적용을 위한 건조 유리

유리내의 물(베타-OH) 함량은 적외선 광에 대한 강한 흡수를 나타낸다. 건조 HPFS^R유리는 검출 한계인 1 ppm 이하의 베타 OH 수준으로 제조되어 왔기 때문에 IR 윈도우 적용에 사용되고 있다.

실시예 5 - UV 투과 유리

248 nm에서 >90%의 투과율을 갖는 UV 투과 유리는 HPFS^R수트로 제조되었다. 도 3은 HPFS^R"수트" 유리의 투과도 곡선이 90%보다 큼을 나타낸다. 248 nm 내지 400 nm에서 90%를 초과하는 투과도가 달성되었다.

실시예 6 - 실리카 바디의 복합 형상

적절한 크기분포를 갖는 HPFS^R수트의 조밀한 구형의 특성은 압출에 적용할 수 있는 우수한 견실도(right consistency)를 갖는 페이스트(paste)로 제조될 수 있게 한다. 복합 하니컴 구조의 고순도 실리카가 용이하게 제조될 수 있으며, 바이오-반응기(bio-reactor), 모세관 흐름 조절기(capillary flow controller), 고성능 여과시스템, 맴브레인반응기(membrane reactor), 인시투 물관리(in-situ water management), 마이크로랜즈 어레이(microlens array), 경량 미러 서포트(light mirror support) 및 특수 유전체 물질과 같은 다양한 분야에 적용이 가능하다.

실시예 7 - 연마의 적용

기초유리와 같은 동일한 물리적 특성을 유지하고 구형의 모폴로지를 갖기 때문에, 상기 실리카 수트는 연마의 적용시에 이상적인 물질이다. 상기 수트는 종래의 콜로이드 또는 용융 실리카와 비교할 경우 큰 입자크기를 갖는다. 결과적으로, 상기 큰 입자크기는 보다 적은 표면 손상을 유발하며, 보다 높은(즉 빠른) 제거 속도를 갖는다. 또한, 상기 큰 입자크기는 초광택 표면(super polished surfaces)을 초래한다.

예를 들어, 실리카 기판의 최종 연마방법은 실리카 기판을 제공하는 단계; 6 내지 10Å의 표면거칠기 Ra 범위를 갖도록 기판의 표면을 적어도 하나의 금속산화물 연마제의 수용액으로 1차 연마하는 단계; 및 5Å 이하의 표면 거칠기 Ra를 갖도록 기판의 표면을 실리카 수트의 수용액으로 2차 연마하는 단계를 포함한다. 바람직하게, 경질의 연마 패드(pad)는 1차 연마 단계에, 연질의 연마 패드는 2차 연마 단계에 사용된다.

연마 실험은 하기와 같이 수행되었다. 용융 실리카 유리 샘플은 최소의 하표면(subsurface) 손상을 갖는 평평한 표면을 형성하기 위하여 분쇄(grinding) 및 래핑(lapping) 공정을 통해 가공되었다. 1차 연마 단계는 세륨 산화물 연마제(FerroCorporation제, 제품코드 482) 및 경질의 연마 패드(Rodel Incorporated제, 제품 코드 MHC-14B)를 사용하여 수행되었으며, 결과적으로 Ra=8Å의 표면 마무리가 생성되었다. 상기 수트로부터 제조된 용액은 pH 10-11 사이의 칼륨 기초의 용액을 사용하여 버퍼되었으며, 상기 용액은 연질의 연마 패드(Rodel Incorporated제, 제품 코드 204)와 함께 사용되었다. 최종 표면 마무리를 원자력 현미경으로 측정하여 약 5Å의 Ra 표면거칠기를 가짐을 확인하였다. 상기 결과에서 가장 흥미로운 점은 상기 수트에 의한 큰 스크래치의 제거이며, 상기 스크래치 제거의 유익한 효과는 상기 수트의 큰 입자크기에 의한 것으로 확신된다.

상기 수트 물질은 유리 및 마이크로전기공학 산업에서 연마의 적용시에 이상적이다. 상기 결과로부터 5Å의 Ra를 갖는 최종 표면 마무리가 달성되었음을 알 수 있다. 특히, 최종 연마 표면의 AFM 이미지(image)는 상기 수트가 이전 연마 단계의 잔유물인 큰 스크래치 제거에 성공적이라는 것을 나타낸다.

당업자에 의해 이를 실시예 뿐만 아니라, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도에서의 다양한 변형 및 변화가 실시될 수 있다.

본 발명은 특별히 고안된 환경의 공정에서 고순도의 조밀하고 구형인 실리카 수트 입자를 제조하여, 연마의 적용과 같은 다양한 최첨단 세라믹 생산품의 탁월한 개시물질이 되고 있다.

Claims (18)

1. 퍼네이스를 제공하는 단계;

   상기 퍼네이스를 1600℃ 이상의 온도에서 유지시키는 단계;

   산소-탄화수소 또는 산소-수소 불꽃을 상기 퍼네이스에 도입시키는 단계;

   고순도의 실리콘 화합물을 상기 불꽃에 도입시키는 단계;

   고순도의 실리카 중간물질을 발생시키는 단계;

   상기 실리카 중간물질을 연장된 지체시간동안 1600℃ 이상의 온도로 유지시키는 단계; 및

   상기 퍼네이스로부터 배출되기 전에 고순도의 조밀한 실리카 수트로 상기 실리카 중간물질을 동시에 성장시키고 소결시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고순도의 조밀한 실리카 수트의 제조공정.
2. 제1항에 있어서, 상기 불꽃은 불꽃 가수분해 또는 불꽃 연소반응에 의해 상기 실리카 중간물질을 생성시키는 것을 특징으로 하는 공정.
3. 제1항에 있어서, 상기 불꽃은 고체 실리콘 이산화물, 기체 실리콘 일산화물 및 다른 중간체의 실리콘 함유 화합물의 씨드를 포함하는 실리카 중간물질을 생성시키는 것을 특징으로 하는 공정.
4. 제3항에 있어서, 상기 고체 실리콘 이산화물의 씨드는 퍼네이스로부터 배출되기 전에 고순도의 조밀한 실리카 수트로 동시에 성장 및 소결되는 것을 특징으로 하는 공정.
5. 제1항에 있어서, 상기 실리카 중간물질은 고순도의 조밀하고 구형인 실리카 수트로 성장하는 것을 특징으로 하는 공정.
6. 제1항에 있어서, 상기 실리카 중간물질은 실리카 수트로 성장하는 것을 특징으로 하는 공정.
7. 제1항에 있어서, 상기 실리카 중간물질은 20 nm 내지 500 nm의 평균 입자크기를 갖는 실리카 수트로 성장하는 것을 특징으로 하는 공정.
8. 제1항에 있어서, 상기 실리카 중간물질은 100 nm 내지 400 nm의 평균 입자크기를 갖는 실리카 수트로 성장하는 것을 특징으로 하는 공정.
9. 제1항에 있어서, 상기 실리카 중간물질은 250 nm 내지 350 nm의 평균 입자크기를 갖는 실리카 수트로 성장하는 것을 특징으로 하는 공정.
10. 제1항에 있어서, 상기 실리카 중간물질은 약 300 nm의 평균 입자크기를 갖는실리카 수트로 성장하는 것을 특징으로 하는 공정.
11. 제1항에 있어서, 상기 실리카 중간물질은 20m²/g 이하의 비표면적을 갖는 실리카 수트로 성장하는 것을 특징으로 하는 공정.
12. 제1항에 있어서, 상기 실리카 중간물질은 10 내지 20m²/g의 비표면적을 갖는 실리카 수트로 성장하는 것을 특징으로 하는 공정.
13. 제1항에 있어서, 상기 실리카 중간물질은 15 내지 20m²/g의 비표면적을 갖는 실리카 수트로 성장하는 것을 특징으로 하는 공정.
14. 제1항에 있어서, 상기 실리카 중간물질은 적어도 1 g/cc의 밀도를 갖는 실리카 수트로 성장하는 것을 특징으로 하는 공정.
15. 제1항에 있어서, 상기 실리카 중간물질은 적어도 2 g/cc의 밀도를 갖는 실리카 수트로 성장하는 것을 특징으로 하는 공정.
16. 제1항에 따른 공정에 의해 제조된 고순도의 조밀한 실리카 수트.
17. 적어도 1 g/cc의 밀도를 갖는 고순도의 조밀한 실리카 수트.
18. 제17항에 있어서, 상기 실리카 수트는 적어도 2 g/cc의 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 실리카 수트.