KR20010105118A - 왕겨를 사용하여 실리콘을 추출하는 방법 및 추출된실리콘의 정제 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 왕겨로부터 실리콘 화합물을 추출하는 방법 및 실리콘을 정제하는 방법에 관한 것으로서, 회전할 수 있는 축과 연결되어 있고 진공과 가열에 유지될 수 있는 재질로 된 용기에 왕겨를 투입하여 상기 용기 압력이 10^-2내지 10^-3mmHg로 유지되고, 상기 용기 온도가 650 내지 700 ℃이며, 상기 용기의 분당 회전 속도가 80 내지 100회로 유지되면서 왕겨를 탄화시키는 것을 특징으로 하는 실리콘 화합물의 추출 방법 및 이와 같은 방법으로 제조된 실리콘 화합물을 정제하는 공정에 있어서, 백석이 재질인 쟁반 같은 모양의 용기가 위치된 반응기에 실리콘 화합물을 투입하여 불활성 조건에서 가열한 후 냉각시키는 공정을 포함하는 실리콘 화합물의 정제 방법을 제공함으로써 간단하고도 비용이 저렴하게 실리콘 화합물 및 실리콘을 제조할 수 있다.

Description

왕겨를 사용하여 실리콘을 추출하는 방법 및 추출된 실리콘의 정제 방법{A method for extracting silicone by using rice bran and A method for purifying the extracted silicone}

본 발명은 왕겨로부터 실리콘 화합물을 추출하는 방법 및 실리콘을 정제하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 실리카(SiO₂)가 많이 포함되어 있는 왕겨를 진공 상태에서 가열하여 탄화시킴으로써, 실리콘 화합물을 경제적으로 추출하고, 추출하여 얻은 실리콘 화합물을 정제하여 고순도의 실리콘을 얻는 방법에 관한 것이다.

왕겨는 농경 산업에서의 주요 폐기물의 하나이며 많은 고체 폐기물의 처분 문제를 야기한다. 처분의 한 방법으로서, 소각 방법은 별로 바람직하지 못한데 왜냐하면 이와 같은 방법은 대기 오염을 유발시키기 때문이다. 왕겨를 경작지로 되돌리는 것은 실행이 어려운데 왜냐하면 수확 방법상 왕겨가 낟알을 껍질로부터 분리하는 제분소 주위의 중심부에 쌓여 있기 때문이다. 이와 같은 분리 공정은 대부분의 다른 곡류와 같이 들판에서 일어나지 않는다. 따라서, 이러한 특수한 농업 폐기물은 세계의 미곡 생산 지역의 중심부에서 쉽게 이용할 수 있다.

왕겨의 가장 독특한 특성은 많은 재 함량인데, 이것은 벼의 종류, 기후, 연중 변동, 및 벼가 자라는 지리적 위치에 따라서 14 내지 23 %로 변화한다. 왕겨를 연소시킨 후 남는 이러한 재는 거의 모두가 실리카(SiO₂)로 되어 있으며 재 전체 중량의 약 95 %를 나타낸다. 왕겨를 연소시킬 때 실리카는 건강에 해로운 주요 물질의 하나인데 왜냐하면 실리카는 공기에 떠다니며 또한 독성이 있기 때문이다.

왕겨 내에 실리카는 매우 미세하게 분쇄된 상태이기 때문에 연소 공정에 의해 쉽게 공기로 운반되는 형태가 된다.

실리콘은 토양으로부터 용해성 형태로 벼의 뿌리를 통해 벼에 흡수된다. 다음에 이것은 벼의 줄기와 잎 부분으로 운반되어 퇴적되며, 특히 낟알을 싸고 있는 껍질에 퇴적된다. 전체 벼를 분석해 본 결과 제일 실리카가 많은 곳은 잎껍질(쌀겨)로 약 13 %이고, 제일 적은 곳은 꽃으로서 약 3 %임이 밝혀졌다. 이와 같이 퇴적된 실리콘은 일반적으로 불용성 형태로 퇴적된다. 벼의 세포 내의 수액은 실리콘을 용해성 규산 알칼리의 형태로 유지시킬 만큼 충분히 알칼리성이 아니며, 따라서 실리콘은 거의 중성의 알칼리성 매질 내에서 용해성이 크거나 또는 쉽게 분산될 수 있는 형태임이 틀림없다. 종전의 연구에 의해 왕겨 내의 실리콘의 일부는 왕겨의 폴리삭카라이드 부분과 결합하고 있다는 것이 알려졌다.

이상과 같이 실리콘이 다량 포함되어 있는 왕겨를 이용하여 실리콘을 얻는 방법으로는 대한민국 특허공고 제76-300호에서 왕겨로부터 질화실리콘을 제조하는 방법이 개시되어 있다. 이 특허에서는 왕겨를 고온에서 질소와 함께 촉매 없이 또는 철을 포함하는 촉매 존재 하에 반응시켜 왕겨로부터 질화실리콘을 제조하는 방법에 대하여 개시하고 있다. 그러나, 이 방법은 질화실리콘을 제조하기 위해서는 촉매를 사용하고 있으며, 왕겨를 분쇄하거나 또는 미세하게 쪼개는 공정이 있는 것 등과 같이 그 공정단계가 복잡하다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 농경 산업의 폐기물인 왕겨를 사용하여 간단하면서도 경제적으로 유리하게 실리콘 화합물을 얻는 방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 얻어진 실리콘 화합물을 간단한 공정을 통하여 고순도의 실리콘으로 정제하는 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 왕겨를 진공과 가열하여 실리콘 화합물을 제조하는 진공 반응기를 나타내는 도면이다.

도 2는 제조된 실리콘 화합물을 불활성 분위기 하에서 가열하는 반응기의 개략도이다.

도 3은 가열과 냉각을 거친 실리콘 화합물을 정제하는 반응기의 개략도이다.

본 발명은 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여,

용기에 왕겨를 투입하여 상기 용기 압력이 10^-2내지 10^-3mmHg로 유지되고 상기 용기 온도가 650 내지 700 ℃이며, 상기 용기의 분당 회전 속도가 80 내지 100회로 유지하면서 왕겨를 탄화시키는 것을 특징으로 하는 실리콘 화합물의 추출 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 위와 같은 방법으로 제조된 실리콘 화합물을 정제하는 공정에 있어서,

백석이 재질인 쟁반 같은 모양의 용기가 위치된 반응기에 실리콘 화합물을 투입하여 불활성 조건에서 가열한 후 냉각시키는 공정을 포함하는 실리콘 화합물의 정제 방법을 제공한다.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1에서 나타낸 바와 같은 진공관(2)에 왕겨(1)를 투입한다. 왕겨는 일반적으로 쌀 생산 후 배출되는 왕겨를 사용한다.

상기 진공관(2)은 회전할 수 있는 축과 연결되어 있고, 진공과 가열에 유지될 수 있는 재료이면 어느 것이나 상관없다.

상기 진공관(2)의 조건은 압력이 10^-2내지 10^-3mmHg로 유지되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하기로는 5×10^-3mmHg이다.

상기와 같이 진공 상태로 유지되는 진공관을 온도 650 내지 700 ℃로 1시간 내지 2시간 정도 가열한다. 바람직하기로는 1시간 30분 정도 가열하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 진공관을 분당 10 내지 100회 회전하면서 가열한다. 바람직하기로는 분당 90회 회전하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 가열 과정이 종료된 후, 진공관으로 찬 공기를 주입하여 30 ℃ 전후로 냉각시킨 후 진공관의 뚜껑을 열어 검게 탄화된 검정 왕겨를 꺼낸다.

상기 검정 왕겨를 갈아서 Si_xC_yO_z(x = 2 ±0.01, y = 1 ±0.08, z = 2±0.08이다) 형태의 실리콘 화합물을 얻는다.

상기 실리콘 화합물의 입자 크기는 지경이 0.01 내지 0.1 ㎛이다.

이렇게 제조되어 얻을 수 있는 실리콘 화합물의 양은 왕겨 투입량에 대하여 약 50 내지 55 중량% 정도를 얻을 수 있다.

상기와 같이 제조된 실리콘 화합물은 그 상태로 고무 제품에 혼합하여 사용할 수 있으며, 이러한 경우에는 표 1과 같이 고무와 티타늄을 사용하여 제조된 고무 제품과 비교할 때 물성이 우수함을 알 수 있다.

분류 종목	TV Ⅱ-514	왕겨를 사용한 고무 제품
압력(단위:Pa)	14.6	15.2 - 16.5
인장력(%)	480	500 - 530
마찰력(ICN/M)	60	70 - 80
동력에 의한 충격 흡수력	4145	11900 - 21200

상기 상품명 TV Ⅱ-514 고무는 티타늄을 혼합하여 제조된 고무이다.

상기 제조된 실리콘 화합물인 Si_xC_yO_z는 정제하여 반도체로 사용할 수 있다.

정제 방법은 도 2와 같이 실리콘 화합물인 Si_xC_yO_z(4)를 가열 반응기에 투입한 후 100 내지 300 ℃로 불활성 조건에서 가열하여 상기 실리콘 화합물(4)을 용융시킨다. 상기 가열로에는 백석(Al₂O₃) 재질인 용기가 쟁반과 같이 놓여져 있어 실리콘 화합물을 백석 용기(3) 위에 놓고 가열한다. 이렇게 가열되어 용융화된 실리콘 화합물(4)을 대기 중에서 30 ℃에서 냉각시키면 고체로 변한다.

위와 같이 냉각된 실리콘 화합물(4)을 다시 백석이 쟁반같이 깔려 있는 반응기에 투입한다. 실리콘 화합물을 백석 위에 위치시킨다. 상기 반응기는 불활성 분위기로 유지하면서 저항이 높은 금속봉(5)을 도 3과 같이 백석 주위에 위치시킨다. 상기 금속봉(5)은 고정할 수도 있으며, 이동시킬 수도 있다.

그리고 나서, 실리콘을 얹어 놓은 백석 용기를 2 내지 3 mm/시의 속도로 이동시키면서 약 1300 ℃로 가열하여 실리콘을 용융시킨다. 이러한 속도는 금속봉이 고정되어 있을 때 백석의 이동속도이고, 만약 금속봉이 이동될 때는 금속봉의 이동 방향과 백석의 이동 방향은 서로 반대 방향으로 움직이며, 전체 상대 속도는 상기 속도인 2 내지 3 mm/시로 유지되도록 한다.

상기 금속봉(5)은 바람직하기로는 저항이 높은 금속이 바람직하며, 비용면에서 고려할 때 텅스텐, 몰리브덴을 사용하는 것이 바람직하다.

이렇게 용융된 실리콘 화합물은 금속봉을 거쳐 지나가는 경우 피에프안(Pfann W. G.) 이론에 의하여 실리콘은 실리콘끼리, 기타 산소나 탄소 화합물과 같은 불순물은 불순물끼리 모이게 된다. 그리고 나서, 약 30 ℃ 정도로 냉각시킨다. 이렇게 함으로써, 실리콘을 순수하게 고체 형태로 얻을 수 있다.

이렇게 하여 얻어지는 실리콘의 순도는 97.5 내지 88.3 %로 고순도의 실리콘을 얻을 수 있다.

위와 같이 얻어진 실리콘은 반도체 웨이퍼 등의 용도에 사용될 수 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 다만, 하기하는 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시되는 것일 뿐 본 발명이 하기하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

왕겨 3 t을 진공 상태의 가열 반응기에 투입하였다. 진공 상태는 압력이 5×10^-3mmHg로 유지시켰다. 버너를 사용하여 반응기 온도를 약 680 ℃로 유지하고, 1시간 30분 정도 가열하였다. 가열과 동시에 반응기를 분당 90회의 속도로 회전시켰다. 가열이 끝난 후 반응기에 찬 공기를 주입하여 냉각시켜 검게 탄 왕겨를 얻었다. 이렇게 얻은 왕겨를 섞어 갈아서 Si_xC_yO_z인 실리콘 화합물을 얻었으며, 그 수득율은 왕겨 투입량에 대하여 약 52 중량%이었다.

상기와 같이 얻어진 실리콘 화합물 1.5 kg을 백석(Al₂O₃)으로 된 쟁반 같이 생긴 용기가 배치된 반응기에 투입한 후 반응기를 불활성 가스 분위기로 유지하고, 1200 ℃로 1.5시간 가열하여 실리콘 화합물을 용융시킨 후 약 30 ℃로 냉각시켰다. 이렇게 냉각된 실리콘 화합물 고체를 다시 도 3과 같이 몰리브덴(Mo) 봉이 설치되어 있는 반응기에 투입하였다. 이 반응기는 불활성 가스 분위기로 유지하였다. 그리고, 백석 재질의 용기 위에 상기 실리콘 화합물 고체를 놓고, 몰리브덴 봉을 고정한 상태에서 실리콘 화합물이 담긴 용기를 2 mm/시의 속도로 이동시키면서, 약1300 ℃로 가열하였다. 상기 실리콘 화합물이 몰리브덴 봉을 모두 통과하여 용융된 후 약 30 ℃로 냉각시켜 실리콘을 얻었다.

본 발명은 실리콘이 많이 함유된 왕겨를 폐기 처리하는 대신에 이를 이용하여 실리콘 화합물을 간단하고도 비용이 적게 드는 방법을 채택하여 추출함으로써 농업 폐기물을 재활용할 수 있을 뿐만 아니라, 이와 같이 얻어진 실리콘 화합물을 정제하여 반도체용 실리콘으로 이용할 수도 있어, 경제적이고도 환경친화적으로 실리콘 화합물 및 실리콘을 제공할 수 있다.

Claims (4)

1. 용기에 왕겨를 투입하여 상기 용기 압력이 10^-2내지 10^-3mmHg로 유지되고 상기 용기 온도가 650 내지 700 ℃이며, 상기 용기의 분당 회전 속도가 80 내지 100회로 유지하면서 왕겨를 탄화시키는 것을 특징으로 하는 실리콘 화합물의 추출 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 가열 시간이 1시간 내지 2시간인 실리콘 화합물의 추출 방법.
3. 제 1항의 방법으로 제조된 실리콘 화합물을 정제하는 공정에 있어서,

   용기가 위치된 반응기에 실리콘 화합물을 투입하여 불활성 조건에서 가열한 후 냉각시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 화합물의 정제 방법.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 가열 온도가 1100 내지 1300 ℃인 실리콘 화합물의 정제 방법.