KR20070040428A - 구형 실리카 나노 입자의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 졸-겔법을 이용하여 다양한 크기의 구형 실리카 입자를 선택적으로 제조할 수 있는 방법으로 실리카의 원료로 실리콘 알콕사이드(Silicon Alkoxide), 용매로는 알콜, 촉매로 암모니아수 그리고 물을 사용하여 반응물을 가수분해 및 축중합 반응을 통해 다양한 크기의 구형 실리카 나노 입자를 합성하였다. 합성된 실리카 나노입자는 실리콘 알콕사이드 및 알콜의 종류, 반응물/물/알콜의 비율, 반응물 농도, 반응온도에 따라 10~800㎚ 범위에서 조절 가능하였다. 이러한 구형의 실리카 나노입자는 실리콘 웨이퍼 CMP(Chemical Mechanical Polishing)용으로 평탄화를 향상시킬 수 있는 소재로 매우 유용하게 적용될 것으로 기대된다.
구형 실리카, 졸-겔법, 실리콘 알콕사이드, 입자크기 조절

Description

구형 실리카 나노 입자의 제조방법{Preparation method for silica nanospheres}
도 1은 본 발명의 일실시예에 의해 제조된 구형 실리카 입자의 SEM 사진이다.
본 발명은 구형 실리카 분말의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 졸-겔 법을 이용하여 다양한 크기의 구형 실리카 입자를 제조할 수 있는 방법으로 실리콘 알콕사이드(Silicon Alkoxide), 알콜, 암모니아수 그리고 물을 사용하여 가수분해 및 축중합 반응을 통해 다양한 크기의 구형 실리카 나노 입자 제조에 관한 것이다. 합성된 실리카 나노입자는 실리콘 알콕사이드 및 알콜의 종류, 반응물/물/알콜의 비율, 반응물 농도, 반응온도에 따라 10~800 ㎚ 범위에서 조절 가능하였다. 이러한 구형의 실리카 나노입자는 실리콘 웨이퍼 CMP(Chemical Mechanical Polishing)용으로 평탄화를 향상시킬 수 있는 소재로 매우 유용하게 적용될 것으로 기대된다.
마이크론 크기의 입자합성에는 졸-겔법, 금속 알콕사이드법, 에멀젼법 등과 같은 액상법을, 나노크기의 입자를 합성하는데 있어서는 기상법을 많이 사용하고 있는데, 액상법이 생산공정시 설치비가 저렴하다는 장점을 가지고 있는 반면, 기상법 대비 입자의 수율이 낮고 입경제어가 쉽지 않다는 단점이 있다.
SiO2는 유리 공업, 내화물 공업, 시멘트 공업 등 요업 분야에 전반적으로 사용되는 원료 중 하나이며 부식 방지용 도료, 분체 도료, 건축용 도료, 연마제 등에 광범위하게 응용되고 있다, 또한 균일한 크기와 모양을 가지는 입자들은 촉매. 도료, 의약품, 사진 감광제 등 매우 광범위한 분야에 활용되고 있어서 산업적인 부가가치가 높으므로 균일한 크기 분포를 갖는 입자 제조 분야에도 활발한 연구가 진행되고 있다. 특히 최근에는 트랜지스터 및 다이오드와 같은 미세회로 IC 등의 기판이 되는 실리콘 웨이퍼 및 배선이 설치된 반도체 디바이스 표면을 평탄화하는 화학적, 기계적 연마(Chemical and Mechanical Polishing) 과정의 연마제에 사용되는 중요한 원료이다. 더구나 구형의 실리카 입자는 연마속도를 유지하면서 평탄도를 향상시킬 수 있는 입자로 많은 관심의 대상이 되고 있으며, 기상법을 이용하여 제조된 실리카 입자는 크기 및 형상이 일정치 않고 형상이 날카로워 실리콘 산화막 연마제로 사용할 때 연마 후 평탄도가 일정치 않아 새로운 형상을 갖는 입자의 개발이 불가피한 상황이다.
따라서, 본 발명의 목적은 다양한 반응조건하에서 실리카 구의 형상, 입자의 크기 및 분포를 조절하여 다양한 크기의 구형 실리카 입자를 제조할 수 있는 구형 실리카 나노 입자의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성한 본 발명은 구형 실리카 나노 입자의 제조에 있어서, 실리콘 알콕사이드(Silicon Alkoxides), 암모니아, 알콜 및 물을 혼합하여 되며, 일정비율의 실리콘 알콕사이드를 알콜에 녹이고, 다른 용기에는 암모니아 수, 물 및 알콜을 섞은 후 두 용액을 혼합 후 반응온도 15~80℃에서 촉매에 의해 실리콘 알콕사이드가 가수분해 및 축중합 반응을 통해 제조되며, 암모니아/실리콘 알콕사이드의 몰비가 0.1~7.0이고, 물/실리콘 알콕사이드의 몰비가 1.2~60인 것을 특징으로 하는 구형 실리카 나노 입자의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기와 같은 방법으로 제조되며 실리카 나노입자 크기가 10~800㎚인 것을 특징으로 하는 구형 실리카 나노 입자를 제공한다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 졸-겔법을 이용하여 다양한 크기의 구형 실리카 입자를 제조할 수 있는 방법으로 실리카의 원료로 실리콘 알콕사이드(Silicon Alkoxide), 용매로는 알콜, 촉매로 암모니아수 그리고 물을 사용하여 반응물을 가수분해 및 축중합 반응을 통해 다양한 크기의 구형 실리카 나노 입자를 합성하였다.
좀 더 구체적으로 설명하면 일정비율의 실리콘 알콕사이드를 알콜에 녹이고, 다른 용기에는 암모니아 수, 물, 알콜을 섞은 후 두 용액을 혼합 후 교반하면서 반응하였다. 교반되면서 실리콘 알콕사이드가 촉매인 암모니아수에 의해 가수분해 및 중합되어 용액이 뿌옇게 변하게 되는데 이는 용액에 실리콘 입자가 형성되기 때문이다.
상기 반응에 사용 실리콘 알콕사이드는 테트라메틸 오르소실리케이트(TMOS;Tetramethyl Orthosilicate), 테트라에틸 오르소실리케이트(TEOS; Tetraethyl Orthosilicate), 테트라프로필 오르소실리케이트(TPOS; Tetrapropyl Orthosilicate) 또는 테트라부틸 오르소실리케이트(TBOS; Tetrabutyl Orthosilicate)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 것을 사용하고, 알콜은 메탄올, 에탄올, 프로판올 또는 부탄올로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용하며, 반응온도는 15~80℃에서 실리카 입자를 제조한다.
본 발명에 있어서, 실리콘 알콕사이드의 농도는 0.01~5M인 것이 바람직하고, 반응물들의 혼합비는 암모니아수/실리콘 알콕사이드의 몰비가 0.1~7.0이고, 물/실리콘 알콕사이드의 몰비가 1.2~60인 것이 바람직하다.
또한, 상기 반응온도는 15~80℃에서 반응시키는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 25~60℃ 범위에서 반응시키는 것이 좋다.
본 발명에 따르면, 상기 혼합후의 반응은 4 시간 동안 실시하였으며, 반응 후 용액을 원심분리기를 이용하여 분리한 후 3~4차례 증류수를 이용하여 세척한 후 80℃에서 24시간 건조하여 제조하였다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같으며, 하기의 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1-3]
실시예 1은 실리카 원료로서 TEOS(Tetraethyl Orthosilicate) 0.5 M, 에탄올 10 ㎖, 물 6.0 M, 암모니아 수 0.7 M 조성하에서 25 oC에서 4시간 반응한 후 샘플링하여 입자를 분석하였다. 입자는 전반적으로 구형을 나타내었고 평균입자크기는 300㎚로 관찰되었다. 실시예 2와 3은 실시예 1과 동일조건으로 실리콘 알콕사이드를 TPOS(Tetrapropyl Orthosilicate)와 TBOS(Tetrabutyl Orthosilicate)를, 알콜을 프로판올과 부탄올을 각각 사용하여 실리카 입자를 제조하였다. 제조된 실리카 입자는 구형을 나타냈고 실리콘 알콕사이드의 길이가 증가할수록 구형의 실리카 입자 평균지름이 증가하였으며, 실리카입자의 평균입자크기는 하기의 표1에 나타내었다.
[실시예 4-5]
실시예 4는 실시예 1과 동일한 조건으로 단지 NH4OH/TEOS 비율을 1.4(실시예 1)에서 5(실시예 4)로 증가시켰을 때 평균입자 크기가 300㎚에서 430㎚로 증가하였다. 즉 촉매의 농도가 증가하였을 때 입자가 크게 성장하는 것으로 관찰되었다. 실시예 5는 H2O/실리콘 알콕사이드 비율을 감소하였을 때 구형 실리카 입자가 감소하 는 경향을 나타내었으며, 실리카입자의 평균입자크기는 하기의 표1에 나타내었다.
[실시예 6-8]
실시예 6-8은 실시예 4와 동일한 조건으로 단지 실리콘 알콕사이드의 농도를 0.5 M, 1.0 M, 2.0 M, 5.0 M로 증가하였을 때 입자의 형상 및 크기에 미치는 영향을 조사하였다. 즉 알콕사이드의 농도가 증가할수록 실리카 입자의 평균입자 크기가 감소하였다. 알콕사이드의 농도를 0.5 M, 1.0 M, 2.0 M, 5.0 M로 증가하였을 때 입자가 430㎚, 400㎚, 160㎚, 100㎚로 관찰되었다.
[실시예 9-10]
실시예 9-10은 실시예 4와 동일한 조건으로 단지 반응온도를 25℃에서 40℃, 60℃로 올렸을 때 실리카 입자의 형상 및 크기에 미치는 영향을 조사하였다. 반응온도가 증가할수록 입자는 점진적으로 감소하였다.
실시예 실리콘 알콕사이드(M) 알콜(㎖) H2O(M) NH4OH(M) 반응온도 (℃) 평균 구형 실리카 입자크기(㎚)
실시예1 TEOS 0.5 에탄올 10 6.0 0.7 25 300
실시예2 TPOS 0.5 프로판올 10 6.0 0.7 25 450
실시예3 TBOS 0.5 부탄올 10 6.0 0.7 25 1000
실시예4 TEOS 0.5 에탄올 10 6.0 2.5 25 430
실시예5 TEOS 0.7 에탄올 10 6.0 0.7 25 250
실시예6 TEOS 1.0 에탄올 10 6.0 2.5 25 400
실시예7 TEOS 2.0 에탄올 10 6.0 2.5 25 160
실시예8 TEOS 5.0 에탄올 10 6.0 2.5 25 100
실시예9 TEOS 0.5 에탄올 10 6.0 2.5 40 250
실시예10 TEOS 0.5 에탄올 10 6.0 2.5 60 150
이상 설명한 바와 같은 본 발명에 의하면, 다양한 조건하에서 합성된 실리카 나노입자는 실리콘 알콕사이드 및 알콜의 종류, 반응물/물/알콜의 혼합비율, 반응물 농도, 반응온도에 따라 10~800㎚ 범위에서 제조되었으며, 입자의 분포가 2중으로 분포된 것 또는 단일상으로 좁은 입도를 나타내었다.
또한, 본 발명에 의해 제조된 구형 실리카 입자는 500~800℃에서 12시간 소성하여도 형상이 유지되는 것을 알 수가 있었다.
이상에서 설명되지 않은 도 1은 본 발명의 일실시예에 의해 제조된 구형 실리카 입자의 SEM 사진을 도시한 것이다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명은 기존의 기상법으로 제조하기 어려운 구형의 실리카를 제조할 수 있고 입자의 분포도도 조절할 수 있다. 이러한 입자는 트랜지스터 및 다이오드와 같은 미세회로 IC 등의 기판이 되는 실리콘 웨이퍼 및 배선이 설치된 반도체 디바이스 표면을 평탄화하는 화학적, 기계적 연마(Chemical and Mechanical Polishing) 과정의 연마제에 사용될 수 있다. 연마제로 기존의 단점이었던 웨이퍼의 평탄도를 향상시킬 수 있어 중요한 원료로 사용될 수 있다.
본 발명에서 사용된 졸-겔 법을 활용하면 비교적 저온에서 일정한 크기를 갖는 좁은 분포의 실리카 구를 제조할 수 있고, 소성 후 기계적/화학적으로 안정한 실리카 구를 제조할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의해 제조된 구형 실리카 입자는 500~800℃에서 12시간 소성하여도 형상이 유지되는 장점이 있다.

Claims (4)

  1. 일정비율의 실리콘 알콕사이드를 알콜에 녹이고, 다른 용기에는 촉매인 암모니아 수와 물 및 알콜을 섞은 후, 두 용액을 혼합하여 반응온도 15~80℃에서 구형실리카 나노입자가 촉매에 의해 가수분해 및 축중합 반응을 통해 제조되며, 암모니아/실리콘 알콕사이드의 몰비가 0.1~7.0, 물/실리콘 알콕사이드의 몰비가 1.2~60인 것을 특징으로 하는 졸-겔법을 이용한 구형 실리카 나노 입자의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 실리콘 알콕사이드는 테트라메틸 오르소실리케이트(TMOS), 테트라에틸 오르소실리케이트(TEOS), 테트라프로필 오르소실리케이트(TPOS) 또는 테트라부틸 오르소실리케이트(TBOS)로 이루어진 군에서 선택되며, 상기 알콜은 메탄올, 에탄올, 프로판올 또는 부탄올로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 졸-겔법을 이용한 구형 실리카 나노 입자의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 실리콘 알콕사이드의 농도는 0.01~5M인 것을 특징으로 하는 졸-겔법을 이용한 구형 실리카 나노 입자의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 구형실리카 나노입자의 크기가 10~800㎚인 것을 특징으로 하는 졸-겔법을 이용한 구형 실리카 나노 입자의 제조방법.
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