KR20010068796A - 압출 공정에 의한 실리카 글래스의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따라 솔을 압출기 내에 충진하는 충진 과정과, 상기 충진된 솔에 열을 가하는 가열 과정과, 상기 가열 과정을 통하여 형성된 젤을 압출하는 압출 과정을 포함하는 압출 공정에 의한 실리카 글래스의 제조 방법에 있어서, 상기 압출기 내에 충진되는 솔은 발연 실리카를 탈이온수와 혼합하고 분산제를 섞어 분산시킨 후에 2개의 알콕사이드기를 가진 실리콘 알콕사이드를 염기성 촉매하에서 가수분해시킨 가수 분해물과 혼합하여 형성된다.

Description

압출 공정에 의한 실리카 글래스의 제조 방법{MANUFACTURING METHOD OF SILICA GLASS BY EXTRUSION PROCESS}

본 발명은 솔-젤 공정(sol-gel process)을 이용한 실리카 글래스(silica glass)의 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 압출 공정(extrusion process)에 의한 실리카 글래스의 제조 방법에 관한 것이다.

솔-젤 공정은 액상 공정으로서 제품의 조성을 자유롭게 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 공정이 전반적으로 저온에서 이루어지므로 경제성이 매우 높다.

또한, 솔-젤 공정은 출발 물질(starting material)에서부터 고순도의 물질을 사용함으로써 반도체용 포토마스크(photomask), 고순도의 실리카 글래스 등의 제조시 매우 유용한 공정이다. 솔-젤 공정에 의한 실리카 글래스 제조 방법은 크게 하기한 6 단계들로 이루어진다.

제1 단계는 발연 실리카(fumed silica)를 탈이온수와 혼합하고, 분산제를 섞어 분산시킴으로써 균일한 솔을 만드는 과정이다.

상기 발연 실리카를 이용하는 방법은 존슨, 주니어(Johnson, Jr) 등에 의해 발명되어 특허허여된 미국특허번호 제4,419,115호(FABRICATION OF SINTERED HIGH-SILICA GLASSES)에 상세히 개시되어 있다.

제2 단계는 상기 제1 단계에 의해 생성된 솔을 젤화시키는 과정이다. 상기 솔의 젤화 반응을 가속하는 젤화 촉진제가 첨가된다.

제3 단계는 상기 젤을 숙성시키는 과정이다.

제4 단계는 상기 젤을 소정 건조 수단을 이용하여 건조시키는 과정이다.

제5 단계는 저온 열처리를 통해 상기 젤 내의 유기물, 알칼리 금속성 불순물및 수산화기(OH) 등을 제거하는 과정이다.

제6 단계는 상기 유기물 처리 과정을 거친 젤을 소결시켜 유리화하여 고순도의 실리카 글래스를 생산하는 과정이다.

상술한 바와 같은 실리카 글래스의 제조 방법은 그 공정 시간이 매우 길며, 연속적인 공정이 이루어지지 않는다는 단점을 가지고 있다. 클라센 등에 의해 발명되어 특허허여된 미국특허 제4,682,995호(METHOD FOR THE MANUFACTURE OF GLASS BODIES BY EXTRUSION)에서는 압출 공정을 이용하여, 연속 공정이 가능하고 공정 시간이 짧은 실리카 글래스의 제조 방법을 개시하였다. 그러나, 상기 압출 공정을 이용한 젤의 형성에 있어서, 솔의 실리카 파우더(powder)의 함량이 매우 중요하다.

용매, 즉 물의 양이 상대적으로 적은 경우에 생성된 젤의 강도가 강한 반면에 분산능이 떨어지고 공기가 포획될 가능성이 크다는 어려움이 있다. 반면에, 상대적으로 물의 양이 많은 경우에 분산능이 좋아지고 공기 제거에 유리하지만, 생성된 젤의 강도가 약하고 건조시 수축이 커서 크랙(crack)이 발생할 가능성이 높고 정확한 형태를 유지하는 것이 어렵다는 문제점이 있다. 상기 미국특허 제4,682,995호에서 클라센은 플루오린 이온(fluorine ion)이 들어 있는 암모늄 플루오라이드(ammonium fluoride) 등을 이용하여 솔의 딕소트로픽(thixotropic)한 성질을 향상시킴으로써 실리카 입자의 함량을 증가시키고 강도를 향상시켰다.

그러나, 비록 실리카 입자의 함량을 증가시키고 강도를 향상시켰지만, 여전히 장대형의 젤을 만들기에는 여전히 강도가 약하다는 문제점이 있다. 또한, 많은 양의 플루오린이 사용되고, 제조하려는 튜브나 로드의 길이가 긴 경우에 그 조성이불균일해질 위험성이 크다는 문제점이 있었다.

상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 목적은 솔의 높은 분산능과, 젤의 우수한 건조 전 강도 및 건조 후 수축율 특성을 구현할 수 있는 압출 공정에 의한 실리카 글래스의 제조 방법을 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따라 솔을 압출기 내에 충진하는 충진 과정과, 상기 충진된 솔에 열을 가하는 가열 과정과, 상기 가열 과정을 통하여 형성된 젤을 압출하는 압출 과정을 포함하는 압출 공정에 의한 실리카 글래스의 제조 방법에 있어서,

상기 압출기 내에 충진되는 솔은 발연 실리카를 탈이온수와 혼합하고 분산제를 섞어 분산시킨 후에 2개의 알콕사이드기를 가진 실리콘 알콕사이드(silicon alkoxide)를 염기성 촉매하에서 가수분해시킨 가수 분해물과 혼합하여 형성된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 압출 공정에 의한 실리카 글래스의 제조 방법을 나타내는 흐름도,

도 2는 도 1에 도시된 충진 및 가열 과정을 설명하기 위한 도면,

도 3은 도 1에 도시된 압출 과정을 설명하기 위한 도면.

도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 압출 과정에 의해 형성된 젤을 나타내는 사시도,

도 5는 오버자켓팅 튜브를 형성하기 위한 충진 및 가열 과정을 설명하기 위한 도면,

도 6은 오버자켓팅 튜브를 형성하기 위한 압출 과정을 설명하기 위한 도면,

도 7은 오버자켓팅 튜브를 형성하기 위한 압출 과정에 의해 형성된 젤을 나타내는 사시도.

이하에서는 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능, 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 압출 공정에 의한 실리카 글래스의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다. 도시된 제조 방법은, 솔 형성 과정(110),가수 분해물 형성 과정(120), 혼합 과정(130), 충진 및 가열 과정(140), 압출 과정(150), 건조 과정(160), 저온 열처리 과정(170) 및 소결 과정(180)으로 이루어진다.

상기 솔 형성 과정(110)은 발연 실리카(111) 및 분산제(113)를 탈이온수 (Deionized water, 112)에 혼합하여 솔을 형성하는 과정이다. 이 때, 상기 솔의 pH값은 11 이상이어야 한다. 이러한 필요조건을 만족시키기 위하여. 상기 분산제 (113)로는 유기염기(organic base)를 사용한다. 앞서, 본 발명의 기술적 과제로 솔의 높은 분산능을 들었고, 본 발명은 상기 솔의 pH 값을 조절하여 상기 솔의 분산능을 향상시키는 것이다. 통상적으로, 발연 실리카를 이용하여 실리카 글래스를 제조하는 경우에, 분산된 솔은 높은 pH 값을 가지게 된다. 즉, 실리카의 입자 표면의 전하를 이용하여 균일하게 분산된 솔을 얻게 된다. 이러한 솔은 같은 농도의 실리카를 함유할 때, pH 값이 높을수록 높은 분산능을 가지게 된다. 이러한 현상은 실리카 입자의 제타 포텐셜(zeta potential)값을 통하여서도 알 수 있다. 이에 반해, 10 이하의 낮은 pH 값에서는 분산능이 급격히 떨어지게 된다. 그러므로, 솔의 실리카 함유 농도가 약 50 wt%일 때, 공정상의 편이성과 결과물인 실리카 글래스에 직접적인 영향을 미치는 분산능을 감안한다면 강염기 물질인 25 wt%의 테트라메틸암모늄 하이드록사이드(tetramethylammonium hydroxide)를 이용한 분산이 필요하다.

상기 가수 분해물 형성 과정(120)은 2 개의 알콕사이드기를 가진 실리콘 알콕사이드(121)에 염기성 촉매(122)를 부가하여 가수 분해하는 과정이다. 상기 2 개의 알콕사이드기를 가진 실리콘 알콕사이드(121)는 대칭되는 위치에 2 개의 알콕사이드기를 가진 물질로서, 염기성 촉매 하에서도 침전물 생성 없이 균일한 상을 얻을 수 있고 가수 분해에 필요한 물의 양이 적으며, 그에 따라 가수 분해시 발생하는 알코올(alcohol)의 양도 줄어들어, 젤의 강도 향상은 물론 건조할 때 알코올의 급속 휘발에 의한 크랙 현상도 방지한다.

상기 2 개의 알콕사이드기를 가진 실리콘 알콕사이드(121)는 디에톡시디에틸실란(diethoxydiethylsilane) 또는 디에톡시디페닐실란(diethoxydiphenylsilane) 등을 사용한다. 본 발명은 상기 가수 분해물 형성 과정(120)에서 염기성 촉매를 사용한다. 상기 염기성 촉매(122)로는 암모니아수 등을 사용한다.

상기 혼합 과정(130)은 상기 솔 형성 과정(110)에서 생성된 솔에 상기 가수 분해물 형성 과정(120)에서 형성된 가수 분해물을 혼합하는 과정이다. 상기 솔은 2개의 알콕사이드기를 가진 실리콘 알콕사이드(121)의 가수 분해물이 혼합되어 있음으로 인하여, 망상 구조의 네트웍(network) 혹은 불규칙한 가지화(randomly branched polymer)가 방지되어 젤의 강도도 높아진다. 상기 혼합 과정(130)에서 형성된 솔에 젤화제(141)를 첨가할 수 있다. 상기 젤화제(141)는 솔이 젤화되는데 소요되는 시간을 단축한다. 상기 젤화제(141)로서는 메틸 락테이트(methyl lactate), 에틸 락테이트(ethyl lactate) 등을 사용할 수 있다. 또한, 진공 펌프(pump) 등을 이용하여 솔 내부에 함유된 기포를 제거할 수 있다.

상기 충진 및 가열 과정(140)은 압출기 내에 상기 솔을 채워넣고 가열하는 과정이다. 상기 젤화제를 투입함에 따라 상기 가열 과정에서 젤화를 수분 안에 이룰 수 있으며, 이에 따라 연속 공정에 유리하다.

도 2는 도 1에 도시된 충진 및 가열 과정(140)을 설명하기 위한 도면이다.

압출기는 솔의 저장 장소인 실린더 형태의 저장 용기(210), 상기 저장 용기(210)의 상단에 삽입된 착탈식 피스톤(220) 및 상기 저장 용기(210)의 하단에 삽입되는 착탈식 마개(230)로 구성된다. 상기 압출기에서 착탈식 피스톤(220)은 제거하고 상기 착탈식 마개(230)는 상기 저장 용기(210)에 삽입한다. 이후, 상기 저장 용기(210)에 도 1에 도시된 혼합 과정(130)에서 형성된 솔(240)을 상기 저장 용기(210)에 넣고, 상기 저장 용기(210)의 상단에 다시 피스톤(220)을 삽입한다. 상기 압출기의 가열 영역으로 열을 가하여 충진된 솔(240)을 젤화시킨다. 이때, 상기 가열 영역은 압출하고자 하는 젤의 길이보다 길어야 하며, 가열 온도는 물의 끓는점인 100℃ 이하로 하며, 가열 수단으로는 초고주파 공진기(microwave resonator), 전기 히터(heater) 등을 사용한다.

이와 같은 가열에 의해, 상기 솔(240)은 내부에서 2개의 알콕사이드기를 가진 실리콘 알콕사이드의 가수 분해 및 응축에 의한 중합 반응이 빠르게 진행되어, 결국 높은 강도를 가지게 된다.

도 1에 도시된 압출 과정(150)은 상기 충진 및 가열 과정(140)에서 형성된 젤을 압출하는 과정이다.

도 3은 도 1에 도시된 압출 과정(150)을 설명하기 위한 도면이다. 상기 충진 및 가열 과정(140)에 의해 압출기 내에 젤(250)이 형성되고 나면, 상기 압출기의 하단을 막고 있던 마개(230)를 제거하고 난 후 피스톤(220)을 하향으로 밀어 내린다. 그러면, 상기 압출기 내의 젤(250)은 상기 피스톤(220)에 의한 압력을 받아 상기 압출기 밖으로 빠져 나오게 된다.

도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 압출 과정에 의해 형성된 젤을 나타내는 사시도이다. 상기 봉 형상의 젤(410)은 이후 광섬유 모재의 코아 부분을 구성하게 된다.

도 1에 도시된 건조 과정(160)은 상기 압출 과정(150)에서 형성된 젤을 항온항습 챔버(chamber) 등을 이용하여 건조시키는 과정이다.

상기 저온 열처리 과정(170)은 상기 건조 과정(160)에서 형성된 젤을 염소, 헬륨, 수소, 산소 등의 가스를 공급하면서 열처리하여, 상기 젤 내의 잔류 수분 및 바인더(binder) 등의 유기물을 분해하고, 알칼리 금속성 불순물과 수산화기 등을 제거하는 공정이다. 상기 저온 열처리 과정은 상술한 바와 같이 젤 내의 불순물을 제거하는 공정이므로, 정제(purification) 공정이라 부르기도 한다.

상기 소결 과정(180)은 상기 저온 열처리 과정(170)을 거친 젤을 고온에서 소결시켜 유리화함으로써, 최종적으로 얻고자 하는 고순도 실리카 글래스를 생산하는 과정이다. 상기 소결 과정(180)은 저온 열처리된 젤을 헬륨(He) 가스 분위기하의 소결로 내에서 상하로 이동하는 퍼니스(furnace)를 이용하여 1400 ℃ 정도까지 가열함으로써 이루어진다. 상기 소결 과정(180)을 마치게 되면, 비로소 고순도의 실리카 글래스를 얻게 된다.

상술한 일실시예에서는 광섬유 모재의 코아를 형성하는 과정을 기술하였으나, 상기 광섬유 모재의 서브스트레이트 튜브(substrate tube)나 오버자켓팅 튜브(overjacketing tube)를 형성하는 과정을 이하 간략히 기술하기로 한다.

도 5는 오버자켓팅 튜브를 형성하기 위한 충진 및 가열 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도시된 압출기는 도 2에 도시된 압출기에서 마개(530)의 중앙부에 원형의 구멍이 형성되어 있으며, 상기 구멍으로 중심봉(540)이 삽입된 것을 제외하고는 도 2의 압출기와 동일한 구조를 가진다. 상기 중심봉(540)이 상기 압출기의 저장 용기(510) 내에 삽입되는 길이는 최소한 가열 영역의 길이보다 길어야 한다. 상기 압출기에서 착탈식 피스톤(520)은 제거하고 상기 착탈식 마개(530)는 상기 저장 용기(510)에 삽입한다. 이후, 상기 저장 용기(510)에 상기 혼합 과정에서 형성된 솔(550)을 상기 저장 용기(510)에 넣고, 상기 저장 용기(510)의 상단에 다시 상기 피스톤(520)을 삽입한다. 상기 압출기의 가열 영역으로 열을 공급하여 충진된 솔(550)을 젤화시킨다.

도 6은 오버자켓팅 튜브를 형성하기 위한 압출 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 5를 참조하여 설명하였던 충진 및 가열 과정에 의해 압출기 내에 젤(560)이 형성되고 나면, 상기 압출기의 하단을 막고 있던 마개(530)를 제거하고 난 후 피스톤(520)을 하향으로 밀어 내린다. 그러면, 상기 압출기 내의 젤(560)은 상기 피스톤(520)에 의한 압력을 받아 상기 압출기 밖으로 빠져 나오게 된다. 이 때, 상기 중심봉(540)은 상기 압출 과정이 끝날 때까지 초기 위치에서 조금도 움직이지 않는다.

도 7은 오버자켓팅 튜브를 형성하기 위한 압출 과정에 의해 형성된 젤을 나타내는 사시도이다. 상기 튜브 형상의 젤(710)은 이후 모재의 클래드 부분을 구성하게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 압출 공정에 의한 실리카 글래스의 제조 방법은 염기성 촉매하에서 가수분해시킨 2 개의 알콕사이드기를 가지는 실리콘 알콕사이드로 구성된 가수 분해물을 솔에 혼합함으로써 젤의 우수한 건조 전 강도 및 건조 후 수축율 특성을 구현한다는 이점이 있다.

더욱이, 본 발명에 따른 압출 공정에 의한 실리카 글래스의 제조 방법은 솔의 pH값을 11이상으로 유지함으로써, 상기 솔의 분산능을 향상시킨다는 이점이 있다.

Claims (5)

1. 솔을 압출기 내에 충진하는 충진 과정과, 상기 충진된 솔에 열을 가하는 가열 과정과, 상기 가열 과정을 통하여 형성된 젤을 압출하는 압출 과정을 포함하는 압출 공정에 의한 실리카 글래스의 제조 방법에 있어서,

   상기 압출기 내에 충진되는 솔은 발연 실리카를 탈이온수와 혼합하고 분산제를 섞어 분산시킨 후에 2개의 알콕사이드기를 가진 실리콘 알콕사이드를 염기성 촉매하에서 가수분해시킨 가수 분해물과 혼합하여 형성됨을 특징으로 하는 압출 공정에 의한 실리카 글래스의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 솔의 pH값은 11 이상임을 특징으로 하는 압출 공정에 의한 실리카 글래스의 제조 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 분산제는 유기염기임을 특징으로 하는 압출 공정에 의한 실리카 글래스의 제조 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 2개의 알콕사이드기를 가지는 실리콘 알콕사이드로는 디에톡시디에틸실란 또는 디에톡시디페닐실란을 사용함을 특징으로 하는 압출 공정에 의한 실리카 글래스의 제조 방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 염기성 촉매로는 암모니아수 등을 사용함을 특징으로 하는 압출 공정에 의한 실리카 글래스의 제조 방법.