KR20110121020A - A method for reducing defects in spherical oxide particle alignment - Google Patents

A method for reducing defects in spherical oxide particle alignment Download PDF

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Abstract

PURPOSE: A method for reducing the generation of defects in a spherical oxide particle arranging process is provided to obtain three dimensionally large size of crystals and to regularly arrange silica particles on a wide area. CONSTITUTION: The weight reduction of spherical oxide particles is less than or equal to 12 weight% after a heating process is implemented at 550 degrees Celsius or more. The specific surface area increasing rate of the spherical oxide particles is less than or equal to 9 weight% after the heating process is implemented at 550 degrees Celsius or more. The size shrinkage of the spherical oxide particles is less than or equal to 2% after the heating process is implemented at 550 degrees Celsius or more. The transmittance of the spherical oxide particles at 960 cm^-1 is 9% lower than that of the spherical oxide particles at 1100cm^-1 in an infrared ray spectrum measuring process.

Description

구형 산화물 입자 배열시 결함 발생을 감소시키는 방법{A METHOD FOR REDUCING DEFECTS IN SPHERICAL OXIDE PARTICLE ALIGNMENT}A method for reducing defects in spherical oxide particles arrangement {A METHOD FOR REDUCING DEFECTS IN SPHERICAL OXIDE PARTICLE ALIGNMENT}

본 발명은 구형 산화물 입자 배열시 결함 발생을 감소시키는 방법, 그 방법에 의해 처리된 구형 산화물 입자, 그 구형 산화물 입자를 포함하는 광결정에 관한 것으로 더욱 상세하게는 단분산 실리카 입자의 체적 안정도를 개선시키고, 입자 배열시 균열(결함)의 발생을 최소화하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method of reducing the occurrence of defects in the arrangement of spherical oxide particles, to the spherical oxide particles treated by the method, to a photonic crystal comprising the spherical oxide particles, and more particularly to improving the volume stability of monodisperse silica particles The present invention relates to a method of minimizing the occurrence of cracks in particle arrangement.

단분산 구형 산화물 입자는 기능성 세라믹 재료의 원료로 중요한 역할을 한다. 특히 범용적으로 사용되고 있는 단분산 실리카 입자는 일정한 방향으로 배열된 입자의 배향에 따라 상이한 광물성, 결정성, 분광학적 특성이 나타나는 특징으로 인해 광결정 및 코팅제, (비)전도성 박막제 등의 원료로 널리 사용되고 있다. 따라서, 이러한 단분산 실리카 입자를 넓은 영역에서 결함 발생 없이 1차원, 2차원, 및 3차원적으로 제어하는 기술은 단분산 실리카 광결정을 여러가지 용도의 소자로 활용하는데 있어 매우 중요한 부분을 차지한다.Monodisperse spherical oxide particles play an important role as raw materials for functional ceramic materials. In particular, the monodisperse silica particles, which are widely used, are widely used as raw materials for photonic crystals, coatings, and (non-) conductive thin films due to the characteristics of different minerality, crystallinity, and spectroscopic characteristics depending on the orientation of the particles arranged in a certain direction. It is used. Accordingly, the technique of controlling monodisperse silica particles in a wide area in one dimension, two dimensions, and three dimensions without generating defects in a large area is an important part in utilizing monodisperse silica photocrystals as devices for various applications.

단분산 구형 실리카 입자의 제조방법으로는 여러가지가 있으나, 일반적인 방법 중 하나로서 스퇴버(Stoeber) 합성법이 공지되어 있다. 스퇴버 방법을 사용하는 경우 10 ~ 2,000 ㎚ 범위에 걸쳐 다양한 입자 크기로 단분산 실리카 입자를 제조할 수 있다. 단분산 실리카 입자는 일반적으로 테트라에틸오르토실리케이트(tetraethylorthosilicate, TEOS; Si(OC2H5)4) 전구체를 알코올, 물, 및 암모니아가 일정량 섞인 용액에서 가수분해시킨 후 암모니아 촉매의 작용으로 입자가 형성되는 졸겔법으로 합성된다. 졸겔법에 대해서는 이미 공개된 여러 문헌(예를 들면, Stoeber et al., J. Colloid and Interface Sci., vol 26, 1968, 62-69 및 Zukoski et al., J. Non-Cryst. Solids, vol 104, 1988, 95.)에 상세히 기재되어 있다. There are many methods for producing monodisperse spherical silica particles, but one of the general methods is known as the Stoeber synthesis method. When using the Stover method, monodisperse silica particles can be produced in a variety of particle sizes over a range of 10-2,000 nm. Monodisperse silica particles are generally formed by hydrolysis of tetraethylorthosilicate (TEOS; Si (OC 2 H 5 ) 4 ) precursor in a solution containing alcohol, water, and ammonia, followed by the action of an ammonia catalyst. It is synthesized by the sol-gel method. The sol-gel method has already been published in several publications (e.g. Stoeber et al., J. Colloid and Interface Sci., Vol 26, 1968, 62-69 and Zukoski et al., J. Non-Cryst.Solids, vol. 104, 1988, 95.).

단분산 구형 실리카 입자는 발광 재료, 전자 재료, 생체 재료 등 그 용도가 다양하다. 그 중 특히 실리카 입자들이 이들이 갖는 자기조립 특성을 이용한 응용분야가 많은데, 예를 들면 육방조밀구조(hexagonally closed pack structure)로 자기조립된 실리카 배열은 광 밴드갭(photonic band gap)을 이용한 광결정 및 리소그래피 마스크(lithographic mask)로 활용될 수 있다. 전기통신 분야에서는 자기조립된 실리카 광결정이 새로운 스위칭(swtiching) 및 광도파로(wave-guiding) 매체로 주목받고 있다. Monodisperse spherical silica particles have various uses, such as light emitting materials, electronic materials, and biological materials. In particular, there are many applications in which silica particles use their self-assembly properties. For example, silica arrays self-assembled in hexagonally closed pack structures have photonic crystals and lithography using photonic band gaps. It can be used as a mask (lithographic mask). In the field of telecommunications, self-assembled silica photonic crystals are attracting attention as new switching and wave-guiding media.

이처럼 고기능성 실리카 광결정 매체를 생산하기 위하여 가장 중요한 부분은 실리카 입자의 배열을 제어하는 것이다. 이미 공지된 실리카 배열방법으로는 리소그래피 및 홀로그래피를 이용한 간접 제어법; 침강법(sedimentation), 수직증착법(vertical deposition), 스핀코팅(spin coating), 슬라이드 코팅(slide coating)등의 자기조립법이 있다. 그러나 이들 방법 대부분은 마이크론 크기 이상의 넓은 영역에서는 결함 없이 균일한 입자배열을 얻기 어렵고, 이러한 문제점으로 인해 본격적인 활용이 제한되고 있다. 특히, 넓은 범위에 걸친 3차원 배열을 필요로 하는 경우는 배열시 결함의 생성을 억제하는 것이 더욱 어려워 상용화하기 곤란하였다. In order to produce such a highly functional silica photonic crystal medium, the most important part is controlling the arrangement of the silica particles. Known silica array methods include indirect control methods using lithography and holography; There are self-assembly methods such as sedimentation, vertical deposition, spin coating, and slide coating. However, most of these methods are difficult to obtain a uniform particle arrangement without defects in a wide area of more than a micron size, and due to this problem, full-scale application is limited. In particular, in the case of requiring a three-dimensional array over a wide range, it is more difficult to suppress the generation of defects during the arrangement, making it difficult to commercialize.

본 발명자들은 단분산 실리카 입자를 결합 발생 없이 균일하게 배열하는 것이 어려운 이유가 배열공정 상의 어려움 뿐만 아니라 실리카 입자에 내재된 문제에도 있다고 착안하여 상기한 문제를 해결하는데 이르렀다. 즉, 상기 스퇴버 합성법으로 합성한 실리카 입자의 경우 상당량의 수분과 유기물을 내부와 표면에 포함하고 있으므로 이러한 실리카 입자를 별다른 처리 없이 그대로 배열하는 경우에는 배열 과정 혹은 이후의 소자 제작 과정에서 수분이나 유기물이 증발할 수 있다. 이러한 증발의 결과로 실리카 입자의 크기, 굴절률, 유전율, 밀도, 표면 거칠기(roughness) 등에 변화가 올 수 있으며 이는 배열된 입자의 규칙성을 해칠 가능성이 있다. 특히, 넓은 면적의 결정이나 큰 체적의 결정이 필요한 경우 증발의 결과로 나타나는 작은 변화가 결함으로 이어질 가능성은 매우 높다. The present inventors have come to solve the above-mentioned problem by thinking that the reason why it is difficult to arrange the monodisperse silica particles uniformly without the occurrence of bonding is not only in the difficulty in the arrangement process but also in the problems inherent in the silica particles. That is, in the case of silica particles synthesized by the Stover synthesis method, since a considerable amount of moisture and organic matter are contained inside and on the surface, when the silica particles are arranged as they are without any treatment, moisture or organic matter may be used during the arrangement process or subsequent device fabrication process. This can evaporate. As a result of this evaporation, the size, refractive index, dielectric constant, density, surface roughness, etc. of the silica particles may change, which may impair the regularity of the arranged particles. In particular, when large area crystals or large volume crystals are required, small changes resulting from evaporation are very likely to lead to defects.

본 발명의 목적은 단분산 산화물 입자, 바람직하게는 단분자 실리카 입자가 외부환경 변화(온도, 습도 등)에 따라 입자 특성(입자 크기, 밀도, 형상, 굴절률, 유전율, 표면 거칠기 등)이 변화하는 것을 억제함으로써 입자 배열시의 결함 발생이 최소화된 산화물 입자를 제조하는 방법, 및 이러한 방법을 통해 체적 안정도가 우수하여 입자 배열시 균열과 같은 결함 발생이 최소화된 단분산 산화물 입자를 제공하는 것이다. An object of the present invention is that mono-disperse oxide particles, preferably mono-molecular silica particles, change particle characteristics (particle size, density, shape, refractive index, dielectric constant, surface roughness, etc.) according to external environment changes (temperature, humidity, etc.). The present invention provides a method for producing an oxide particle having a minimum occurrence of defects in particle arrangement, and a monodisperse oxide particle having excellent volumetric stability and minimizing defect occurrence such as cracking during particle arrangement through this method.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 구형 산화물 입자를 상온보다 높은 온도에서 가열처리하는 것을 포함하는 구형 산화물 입자의 처리 방법을 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention provides a method for treating spherical oxide particles comprising heating the spherical oxide particles at a temperature higher than room temperature.

본 발명의 일실시태양에서 가열처리단계에서의 온도는 상온 초과, 바람직하게는 100 ℃ 이상, 더욱 바람직하게는 200 ℃ 이상, 더욱더 바람직하게는 400 ℃ 이상, 가장 바람직하게는 550 ℃ 이상이며, 통상적으로 1000 ℃ 이하, 바람직하게는 900 ℃ 이하, 바람직하게는 800 ℃ 이하, 가장 바람직하게는 750℃ 이하의 온도이다. In one embodiment of the invention the temperature in the heat treatment step is above room temperature, preferably at least 100 ° C, more preferably at least 200 ° C, even more preferably at least 400 ° C, most preferably at least 550 ° C, The temperature is 1000 ° C. or lower, preferably 900 ° C. or lower, preferably 800 ° C. or lower, and most preferably 750 ° C. or lower.

본 발명의 또다른 실시태양에서는 위 가열처리단계는 구형 산화물 입자의 중량 감소가 실질적으로 발생하지 않을 때까지 가열처리를 지속한다. In another embodiment of the invention, the heat treatment step continues the heat treatment until substantially no weight loss of the spherical oxide particles occurs.

본 발명의 바람직한 실시태양에서는 상기 구형 산화물 입자가 단분산 분포를 가지며, 바람직하게는 단분산 분포를 갖는 실리카 입자이다. In a preferred embodiment of the present invention, the spherical oxide particles have a monodisperse distribution, and are preferably silica particles having a monodisperse distribution.

본 발명은 또한 상기한 처리 방법에 의해 처리된 구형 산화물 입자에 관한 것으로, 이러한 처리 공정을 통해 산화물 입자에 포함된 수분 및 용매, 부산물 등이 증발 혹은 분해되어 산화물 입자로부터 제거된다. 본 발명에 따른 처리 방법을 통해 처리함으로써 얻어진 구형 산화물 입자는 다음과 같은 특성 중 하나 이상을 나타낸다. The present invention also relates to spherical oxide particles treated by the above treatment method, through which the water, solvent, by-products and the like contained in the oxide particles are evaporated or decomposed to remove them from the oxide particles. The spherical oxide particles obtained by treatment through the treatment method according to the present invention exhibit one or more of the following properties.

(1) 550 ℃ 이상의 가열처리 후 중량 감소가 12 중량% 이하, 바람직하게는 10% 이하, 가장 바람직하게는 9%이하.(1) The weight loss after heat treatment at 550 DEG C or higher is 12% by weight or less, preferably 10% or less, most preferably 9% or less.

(2) 550 ℃ 이상의 가열처리 후 비표면적 증가율이 9% 이하, 바람직하게는 8% 이하, 가장 바람직하게는 7%이하.(2) The specific surface area increase rate after heat treatment of 550 DEG C or higher is 9% or less, preferably 8% or less, most preferably 7% or less.

(3) 550 ℃ 이상의 가열처리 후 크기 수축(평균직경 변화 기준)이 1.5 % 이하, 바람직하게는 1.3% 이하, 가장 바람직하게는 1.2%이하.(3) The size shrinkage (based on average diameter change) after heat treatment of 550 DEG C or higher is 1.5% or less, preferably 1.3% or less, and most preferably 1.2% or less.

(4) 분말 상태에서 적외선 분광 스펙트럼 측정 시 960 ㎝-1에서의 투과율(transmittance)이 1100 ㎝-1에서의 투과율에 비해 9% 이하, 바람직하게는 8% 이하, 가장 바람직하게는 7%이하.(4) Transmittance at 960 cm -1 is 9% or less, preferably 8% or less, and most preferably 7% or less when compared to the transmittance at 1100 cm -1 when measuring infrared spectroscopic spectra in a powder state.

(5) 550 ℃ 이상의 가열처리 후 분말 상태에서 소각산란 X-선 분석 시 Q=0.7~2 ㎚-1영역에서의 기울기 증가값이 가열처리 전보다 8% 이하, 바람직하게는 7% 이하, 가장 바람직하게는 6%이하. (5) Incidence scattering in powder form after heat treatment of 550 ° C. or higher, the inclination increase value in the Q = 0.7 to 2 nm −1 region is 8% or less, preferably 7% or less, most preferably, before the heat treatment. Less than 6%.

본 발명은 또한, 상기한 구형 산화물 입자의 용도에 관한 것으로서, 본 발명의 구형 산화물 입자가 규칙적으로 배열된 광결정. 코팅제 등의 광소자에 관한 것이다. The present invention also relates to the use of the spherical oxide particles described above, wherein the spherical oxide particles of the present invention are regularly arranged. It relates to an optical element such as a coating agent.

본 발명의 바람직한 실시태양에서는 졸겔법으로 합성한 단분산 실리카 입자를 가열처리하여 표면 및 내부에 포함되어 있는 수분 및 유기물을 증발 혹은 분해시켜 제거하고 고온에서 발생할 수 있는 내부 및 표면의 구조 변화를 미리 유도함으로써, 입자배열시 혹은 배열된 입자들이 건조 분위기나 고온 환경에 노출되었을 때에도 기하학적인 변화(크기 및 형상의 변화)를 발생하지 않게 함으로써 넓은 범위에 걸쳐 결함 발생 없이 안정적인 배열이 가능하도록 한다. In a preferred embodiment of the present invention, the monodisperse silica particles synthesized by the sol-gel method are heat-treated to remove or remove moisture and organic matter contained in the surface and the interior, and to change the internal and surface structural changes that may occur at high temperature in advance. By inducing, it is possible to perform stable arrangements without generating defects over a wide range by not causing geometrical changes (changes in size and shape) even when the particles are arranged or when the arranged particles are exposed to a dry atmosphere or a high temperature environment.

가열처리한 실리카 입자를 액상 매체에 분산시켜 규칙적인 배열을 유도할 때 크기 및 형상의 변화가 없기 때문에 배열 도중 혹은 배열 후 건조하는 동안에 실리카 입자의 수축이나 모양 변화에 따른 결합 발생을 최소화할 수 있다. 따라서 넓은 면적에 실리카 입자를 규칙적으로 배열할 수 있으며 3차원적으로 큰 결정을 제조할 수 있다. 또한, 가열처리함에 따라 실리카 입자의 안정성이 크게 증가하므로 공정시간을 길게 할 수 있고 공정 온도도 상온으로부터 수백℃까지 선택할 수 있는 장점이 있다. Since there is no change in size and shape when the heated silica particles are dispersed in a liquid medium to induce a regular arrangement, it is possible to minimize the occurrence of bonding due to shrinkage or shape change of the silica particles during or after drying. . Therefore, silica particles can be regularly arranged in a large area, and three-dimensional large crystals can be produced. In addition, since the stability of the silica particles is greatly increased by the heat treatment, the process time can be increased, and the process temperature can be selected from room temperature to several hundred degrees Celsius.

도 1은 실시예 1에서 제조된 실리카 분말(a)과 가열처리되지 않은 실리카 분말(b)의 열중량 분석 결과이며,
도 2에서 a)는 실시예 1에서 가열처리한 실리카 분말의 주사현미경 사진이고, (b)는 가열처리하지 않은 분말의 주사현미경 사진이다.
도 3은 실리카 분말의 적외선 분광 스펙트럼들로서 (a)는 실시예 1에서 가열처리한 실리카 분말을, (b)는 가열처리하지 않은 분말을 나타낸다.
도 4는 투과전자현미경으로 관찰한 실리카 입자의 이미지로서, (a)와 (b)는 실시예 1에서 가열처리한 실리카 분말을, (c)와 (d)는 가열처리하지 않은 분말을 나타낸다.
도 5(a)는 실리카 분말의 소각산란 X-선 분석 스펙트럼으로서, 점선은 실시예 1에서 가열처리한 실리카 분말을, 실선은 가열처리하지 않은 분말을 나타낸다.
도 5(b)는 60℃, 150℃, 250℃, 350℃, 450℃, 550℃, 700℃, 800℃, 900 ℃ 및 1000 ℃에서 각각 열처리된 분말들의 소각산란 X-선 분석 스펙트럼이다.
도 6는 1000 ℃에서 가열처리한 실리카 입자의 투과전자현미경 사진이다.
도 7은 실리콘 웨이퍼 기판 상에 배열된 가열처리 후의 실리카 입자의 주사전자현미경 사진((a)와 (b)는 1,000 배로 확대한 것이며 (c)와 (d)는 5,000 배로 확대한 것임)이다.
도 8은 실리콘 웨이퍼 기판 상에 배열된 가열처리하지 않은 실리카 입자의 주사전자현미경 사진((a)와 (b)는 1,000 배로 관찰한 것이며 (c)와 (d)는 5,000 배로 관찰한 것임)이다.
1 is a thermogravimetric analysis result of the silica powder (a) and the unheated silica powder (b) prepared in Example 1,
In Figure 2, a) is a scanning micrograph of the silica powder heat-treated in Example 1, (b) is a scanning micrograph of the powder not heat-treated.
3 is infrared spectral spectra of silica powder, (a) shows a silica powder heat treated in Example 1, and (b) shows a powder not heat treated.
4 is an image of silica particles observed with a transmission electron microscope, (a) and (b) shows the silica powder heat-treated in Example 1, (c) and (d) shows the powder not heat-treated.
Fig. 5 (a) is an incineration scattering X-ray analysis spectrum of silica powder, in which the dotted line shows the silica powder heated in Example 1, and the solid line shows the powder without heat treatment.
5 (b) shows incineration scattering X-ray spectra of powders heat-treated at 60 ° C., 150 ° C., 250 ° C., 350 ° C., 450 ° C., 550 ° C., 700 ° C., 800 ° C., 900 ° C. and 1000 ° C., respectively.
6 is a transmission electron microscope photograph of silica particles heated at 1000 ° C. FIG.
7 is a scanning electron micrograph ((a) and (b) enlarged by 1,000 times and (c) and (d) enlarged by 5,000 times) of silica particles after heat treatment arranged on a silicon wafer substrate.
8 is a scanning electron micrograph ((a) and (b) of 1,000 times observed and (c) and (d) of 5,000 times observed) of unheated silica particles arranged on a silicon wafer substrate. .

이하 실시예에서 본 발명을 상세히 설명하고자 하며 하기 실시예가 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the following examples, which do not limit the scope of the present invention.

[실시예 1] 실리카 입자의 가열처리 Example 1 Heat Treatment of Silica Particles

단분산 구형 실리카 입자(각각의 직경이 230 ㎚(스퇴버 합성법으로 제조), 450 ㎚(스퇴버 합성법으로 제조), 및 980 ㎚(Polysciences, Inc.에서 구입))를 상온에서 24 시간 건조시킨 후, 2 ℃/분의 속도로 550℃까지 대기 중에서 가열하였다. 550℃에서 4 시간 온도를 유지한 후 30 분에 걸쳐 25℃까지 온도를 낮추었다.Monodisperse spherical silica particles (each having a diameter of 230 nm (manufactured by Stubber synthesis), 450 nm (manufactured by Stubber synthesis), and 980 nm (purchased from Polysciences, Inc.) at room temperature for 24 hours And heated to 550 ° C. in air at a rate of 2 ° C./min. The temperature was lowered to 25 ° C. over 30 minutes after maintaining the temperature at 550 ° C. for 4 hours.

가열처리 동안 실리카 분말의 변화를 정성적으로 비교분석하기 위하여 가열처리한 실리카 분말의 질량 변화를 열중량 분석기(TA Instruments, Inc.사의 Q600 SDT)를 사용하여 측정하였다. 측정 결과를 가열처리하지 않은 실리카 분말에서 얻어진 결과와 함께 도 1에 나타내었다. 가열처리 후 실리카 분말(a)은 210~280℃ 범위에서 약 2.1 중량%의 감소만을 보이는 반면, 가열처리하지 않은 실리카 분말(b)은 동일한 온도 범위에서 9.2 중량%의 무게 감소를 보였다. 또한 280℃ 이상 가열하였을 경우, 가열처리하지 않은 실리카 분말은 계속해서 질량 감소를 보였으며 550℃에서는 총 11.6 중량%의 무게 감소를 보였다. 반면, 가열처리한 실리카 분말은 280℃ 이상의 온도에서 중량 변화 없이 불과 총 2.1 중량%의 무게 감소를 나타내었다. 이러한 중량 변화 거동의 차이는 실리카 입자를 가열처리하는 동안 실리카 표면과 내부에 포함된 수분이나 합성 후 잔류하고 있는 유기물 또는 부산물이 상당량 제거되었음을 의미한다. 가열 초기 210℃ 이하의 온도에서 나타나는 2.1 중량%의 중량 감소는 실리카 입자를 보관하는 동안 실리카 입자의 표면 또는 표면으로 열려 있는 기공벽에 흡착된 수분이 제거됨으로 나타나는 양으로 볼 수 있다. In order to qualitatively compare the change of the silica powder during the heat treatment, the mass change of the heat treated silica powder was measured using a thermogravimetric analyzer (Q600 SDT from TA Instruments, Inc.). The measurement results are shown in FIG. 1 together with the results obtained on unheated silica powder. After the heat treatment, the silica powder (a) showed only a decrease of about 2.1 wt% in the range of 210 to 280 ° C., while the unheated silica powder (b) showed a weight loss of 9.2 wt% in the same temperature range. In addition, when heated to more than 280 ℃, unheated silica powder continued to reduce the mass, at 550 ℃ total weight loss of 11.6% by weight. On the other hand, the heat treated silica powder showed a total weight loss of only 2.1 wt% without changing the weight at a temperature of 280 ° C. or higher. The difference in the weight change behavior means that a considerable amount of moisture contained in the surface and interior of silica and organic matter or by-products remaining after synthesis are removed during the heat treatment of the silica particles. The weight loss of 2.1% by weight at temperatures below 210 ° C. at the beginning of heating can be seen as the amount indicated by the removal of moisture adsorbed on the surface of the silica particles or the pore walls open to the surface during the storage of the silica particles.

이와 관련하여 가열처리 전과 후 실리카 분말의 비표면적을 측정하였다. 비표면적 측정은 BEL Japan, Inc사의 Surface Area Analyzer기기, 모델명: BELSORP-max을 사용하여 100℃ 진공분위기에서 1시간 열처리 후 질소분위기 중에서 표면적을 측정하였다. 평균 직경이 230 ㎚인 실리카 분말의 경우, 가열처리한 것은 20.35 ㎡/g, 가열처리하지 않은 것은 18.62 ㎡/g의 비표면적을 각각 나타내었다. 이는 실리카 입자의 표면 및 기공벽에 잔재해 있던 수분 및 유기물이 가열과정 중 상당량 제거되어 9% 가량의 비표면적이 늘어났음을 의미한다. In this regard, the specific surface area of the silica powder before and after the heat treatment was measured. The specific surface area was measured using a surface area analyzer device of BEL Japan, Inc., model name: BELSORP-max, and the surface area was measured in a nitrogen atmosphere after 1 hour heat treatment in a vacuum atmosphere at 100 ° C. In the case of silica powder having an average diameter of 230 nm, the specific surface area of the heat treated 20.35 m 2 / g and the unheated 18.62 m 2 / g were respectively shown. This means that the moisture and organic matter remaining on the surface of the silica particles and the pore walls were removed during the heating process, thereby increasing the specific surface area by about 9%.

가열처리시 나타나는 질량 감소와 함께 실리카 입자의 크기 변화를 주사전자현미경(SEM, FEI사의 ESEM기기, 모델명: XL-30 FEG을 사용하여 코팅 없이 Environmental SEM 모드로 측정)을 통하여 관찰한 결과를 도 2에 나타내었다. 가열처리한 실리카 분말입자 196 개의 수직관찰 이미지(a)로부터 직경을 측정하여 평균치를 얻었다. 비교를 위하여 동일한 방법으로 가열처리하지 않은 실리카 분말입자 189 개의 수직관찰 이미지(b)로부터 같은 방법으로 평균 직경을 구하였다. 측정 결과 가열처리한 것은 960 ㎚의 평균 직경을 보였고, 가열처리 하지 않은 것은 980 ㎚의 평균 직경을 보여, 가열처리 과정에서 직경이 약 2% 감소함을 알 수 있다. The change in the size of the silica particles along with the mass loss during the heat treatment was observed through a scanning electron microscope (SEM, ESEM equipment of FEI, model name: XL-30 FEG, measured in Environmental SEM mode without coating). Shown in The diameter was measured from the vertical observation image (a) of 196 heat-treated silica powder particles, and the average value was obtained. For comparison, the average diameter was determined by the same method from the vertical observation image (b) of 189 silica powder particles not heated by the same method. As a result of the heat treatment, the average diameter was 960 nm, and the heat treatment did not show the average diameter of 980 nm, indicating that the diameter decreased by about 2% during the heat treatment.

도 3은 실시예 1에서 가열처리한 실리카 분말(a)을 Mattson사의 FT-IR spectrometer, 모델명: IR300을 사용하여 KBr 펠렛을 만들어서 측정한 적외선 분광 스펙트럼 곡선이고, 가열처리하지 않은 실리카 분말의 것(b)과 비교하여 나타내었다. 도 3으로부터 실리카 분말은 가열처리 후 3100~3700 ㎝-1에서 나타나는 수분의 양이 현저히 줄었고, 960 ㎝-1에서 나타나는 실리콘 수산기(Si-OH)가 줄어든 대신 1100 ㎝-1과 820 ㎝-1에서 나타나는 실리콘-산화물기(Si-O-Si)가 늘어남을 확인하였다. 이는 도 1에서 설명한 가열처리 동안 수분이 제거되는 것을 보여주는 것이며 실리카 입자 표면의 수산기가 제거되면서 실리콘 원자 사이에 축합반응이 일어나 실리콘 산화물기가 증가되는 것으로 해석할 수 있다. 3 is an infrared spectral curve measured by making a KBr pellet using a silica powder (a) heat-treated in Example 1 using Mattson's FT-IR spectrometer, model name: IR300, and the silica powder without heat treatment ( Shown in comparison with b). Silica powder from Figure 3 is significantly decreased in the amount of water appearing in the 3100 ~ 3700 ㎝ -1 after the heat treatment, decreased from the silicon hydroxyl groups (Si-OH) instead of 1100 ㎝ -1 and 820 ㎝ -1 it appears at 960 ㎝ -1 The silicon-oxide group (Si-O-Si) which appeared appeared to increase. This shows that water is removed during the heat treatment described in FIG. 1, and it can be interpreted that condensation reaction occurs between silicon atoms due to removal of hydroxyl groups on the surface of silica particles, thereby increasing silicon oxide groups.

도 4는 실시예 1에서 가열처리한 실리카 입자를 투과전자현미경(TEM, FEI사, 모델명:Tecnai G2)으로 관찰한 이미지[(a)와 (b)]로, 가열처리하지 않은 실리카 입자의 이미지[(c)와 (d)]와 비교하였을 때 입자 표면이 상당히 매끄러워진 것을 보여준다. 이는 도 3에서 설명한 바와 같이 가열처리 과정에서 표면의 수분과 유기물이 증발하고 실리콘 수산기가 축합반응을 거쳐 실리콘 산화물기로 변화하는 과정에서 표면이 평탄하게 바뀌는 것으로 볼 수 있다. FIG. 4 is an image [(a) and (b)] of the silica particles heat-treated in Example 1 using a transmission electron microscope (TEM, FEI company, model name: Tecnai G2). Compared with [(c) and (d)], the surface of the particle is considerably smoother. As described in FIG. 3, it can be seen that the surface is flattened in the process of changing the silicon oxide group through the condensation reaction of moisture and organic matter on the surface during the heat treatment and the condensation reaction of the silicon hydroxyl group.

소각산란 X-선 분석(small angle X-ray scattering, SAXS, Anton Paar사, 모델명 SAXSess mc2, 고체상태로 측정)을 사용하여 가열처리에 따른 실리카 입자의 크기 및 기공 표면의 거친 정도의 변화를 측정하였다. 가열처리한 실리카 분말(점선)을 가열처리하지 않은 것(실선)과 비교하여 도 5(a)에 나타내었다. 도 5에서 낮은 Q값 부분(Q < 0.4 ㎚-1)을 Guinier 영역이라 하고 높은 Q값 부분(0.7 < Q < 2 ㎚-1)을 Porod 영역이라 한다. 그 두 영역 사이 부분이 Fractal 영역이며, 이 부분에서 두 영역의 구간 전이(transition)가 관찰되는데 이는 입자의 크기와 연관이 있다. 도 5(a)에서 가열처리하지 않은 실리카 분말(실선)은 그 전이가 0.46 ㎚-1에서 나타나고 가열처리한 것(점선)은 0.54 ㎚-1에서 나타남을 보여준다. 이러한 전이의 증가는 분말의 크기가 열처리 후 작아진 현상에 의해 나타나는 결과이다. 또한, Porod 영역에 해당하는 음의 기울기를 보이는 구간에서 기울기를 통해 표면의 거친 정도를 파악할 수 있는데, 도 5(a)에서 가열처리된 실리카 분말(점선)이 가열처리하지 않은 것(실선)에 비해 기울기가 증가하였음을 보여준다. 이는 가열처리한 실리카 입자의 기공 표면이 가열처리하지 않은 경우에 비해 매끄러워졌음을 의미한다. Small-angle X-ray scattering (small angle X-ray scattering, SAXS, Anton Paar, model name SAXSess mc 2 , measured in solid state) was used to determine the change of silica particle size and pore surface roughness by heat treatment. Measured. The heat treated silica powder (dotted line) is shown in Fig. 5 (a) as compared with the unheated one (solid line). In FIG. 5, the low Q value portion (Q <0.4 nm −1 ) is called a Guinier region and the high Q value portion (0.7 <Q <2 nm −1 ) is called a Porod region. The part between the two regions is the Fractal region, where the transition between the two regions is observed, which is related to the particle size. The unheated silica powder (solid line) in FIG. 5 (a) shows the transition at 0.46 nm −1 and the heat treated (dashed line) at 0.54 nm −1 . This increase in transition is a result of the size of the powder becoming smaller after heat treatment. In addition, it is possible to determine the roughness of the surface through the slope in the section showing the negative slope corresponding to the Porod region, in which the silica powder (dotted line) heated in FIG. 5 (a) is not heated (solid line). Shows an increase in the slope. This means that the pore surface of the heat treated silica particles is smoother than when not heat treated.

소각산란 X-선 분석을 통해 온도별 열처리된 실리카 분말들을 관찰하였다. 60 ℃, 150 ℃, 250 ℃, 350 ℃, 450 ℃, 550 ℃, 700 ℃, 800 ℃, 900 ℃ 및 1000 ℃에서 각각 열처리된 분말들의 소각산란 X-선 분석을 도 5(b)에 나타내었다. 800 ℃까지는 그 분말의 크기 및 표면 거친 정도가 점진적으로 변화하나, 그 이상의 온도에서는 급격한 변화를 보이는데 이는 800 ℃ 이상에서 상변이를 통해 입자들이 응집되는 현상으로 인한 결과이다. 이와 관련하여 1000 ℃에서 열처리된 실리카 분말을 투과전자현미경으로도 관찰한 이미지를 도 6에 나타내었다. 각 입자의 형체를 알 수 없고, 응집되어 큰 덩어리 형태로 존재함을 잘 보여준다. Incineration scattering X-ray analysis of the temperature-treated silica powders were observed. Incineration scattering X-ray analysis of powders heat-treated at 60 ° C., 150 ° C., 250 ° C., 350 ° C., 450 ° C., 550 ° C., 700 ° C., 800 ° C., 900 ° C. and 1000 ° C., respectively, is shown in FIG. 5 (b). . The powder size and surface roughness of the powder gradually change up to 800 ° C., but suddenly change at a higher temperature, which is a result of agglomeration of particles through phase change at 800 ° C. or higher. In this regard, the image of the silica powder heat-treated at 1000 ° C. was also observed in a transmission electron microscope. The shape of each particle is unknown and shows that they are agglomerated and present in large chunks.

[실시예 2] 실리카 입자의 자기조립에 의한 평면 배열Example 2 Planar Arrangement by Self-Assembly of Silica Particles

실시예 1에서 가열처리한 실리카 입자를 일부 취하여 1 중량% 수용액 20 ㎖를 만든 후 초음파 중탕을 1 시간 동안 하여 입자를 분산시켰다. 실리카 입자가 분산된 흰색의 콜로이드 수용액에 1 × 5 ㎠ 크기의 실리콘 웨이퍼 기판을 수직으로 담근 후 60℃로 유지된 오븐에서 18 시간 동안 수분을 서서히 증발시키면서 실리카 입자를 기판 표면에 배열하였다. 실리카 입자가 배열된 기판을 용액에서 분리하여 상온에서 1시간 동안 건조시킨 후 60 ℃ 오븐에서 24 시간 동안 건조시켰다. Some of the silica particles heated in Example 1 were taken to form 20 ml of a 1 wt% aqueous solution, and the particles were dispersed by an ultrasonic bath for 1 hour. After immersing the silicon wafer substrate of 1 × 5 cm 2 size vertically in a white colloidal aqueous solution in which silica particles were dispersed, silica particles were arranged on the substrate surface while slowly evaporating moisture for 18 hours in an oven maintained at 60 ° C. The substrate on which the silica particles were arranged was separated from the solution, dried at room temperature for 1 hour, and then dried at 60 ° C. in an oven for 24 hours.

대조군으로서, 동일한 방법으로 가열처리하지 않은 실리카 입자를 실리콘 웨이퍼에 배열한 후 건조하였다. As a control, silica particles not heat-treated in the same manner were arranged on a silicon wafer and then dried.

실리콘 기판 표면에 배열된 실리카 입자의 배열 정도를 비교하기 위하여 주사전자현미경으로 관찰한 각각의 이미지를 도 7(가열처리한 실리카 입자를 배열한 경우)과 도 8(가열처리하지 않은 실리카 입자를 배열한 경우)에 나타내었다. 도 7과 도 8을 비교하면 가열처리한 본 발명에 따른 실리카 입자의 경우 배열상태가 안정하여 갈라짐 현상이 거의 관찰되지 않는데 반해, 가열처리하지 않은 실리카 입자의 경우 배열면 상에서 작게는 입자 직경의 0.5 배, 크게는 15 배에 해당하는 균열이 관찰되었다. 따라서, 본 발명에 따른 처리 방법을 통해 처리된 입자들의 경우 결함없이 배열된 것을 알 수 있다.
In order to compare the degree of arrangement of the silica particles arranged on the surface of the silicon substrate, each image observed with a scanning electron microscope is shown in FIGS. 7 (when the heat-treated silica particles are arranged) and FIG. 8 (the heat-treated silica particles are arranged In one case). In comparison with FIG. 7 and FIG. 8, in the case of the silica particles according to the present invention, the arrangement is stable and almost no cracking is observed, whereas in the case of the silica particles without the heat treatment, the particle size is smaller than 0.5 on the arrangement surface. Folds, up to fifteen times, were observed. Thus, it can be seen that the particles treated through the treatment method according to the invention are arranged without defects.

균열 없이 규칙적으로 배열된 실리카 입자로 구성된 광결정은 많은 영역에 응용될 수 있다. 특히, 광통신 분야에서 필요로 하는 광도파로, 확산 브래그 반사(distributed Bragg reflector, DBR) 등으로 활용될 수 있으며, 그 외에 광결정(예: 오팔), 광학코팅, 방전막, 센서 등의 다양한 분야의 재료로 활용될 수 있다.Photonic crystals composed of silica particles arranged regularly without cracking can be applied to many areas. In particular, it can be used as an optical waveguide, a distributed Bragg reflector (DBR) required in the optical communication field, and other materials such as photonic crystal (eg, opal), optical coating, discharge film, and sensor. It can be used as.

Claims (8)

구형 산화물 입자를 상온보다 높은 온도에서 가열처리하는 것을 포함하는 하기의 특성들 중 하나 이상을 만족하는 구형 산화물 입자의 제조 방법.
(1) 550 ℃ 이상의 가열처리 후 중량 감소가 12 중량% 이하.
(2) 550 ℃ 이상의 가열처리 후 비표면적 증가율이 9% 이하.
(3) 550 ℃ 이상의 가열처리 후 크기 수축(평균직경 변화 기준)이 2 % 이하.
(4) 분말 상태에서 적외선 분광 스펙트럼 측정 시 960 ㎝-1에서의 투과율(transmittance)이 1100 ㎝-1에서의 투과율에 비해 9% 이하.
(5) 550 ℃ 이상의 가열처리 후 분말 상태에서 소각산란 X-선 분석시 Q=0.7~2 ㎚-1영역에서의 기울기 증가 값이 가열처리 전보다 8% 이하.
A method of producing a spherical oxide particle that satisfies one or more of the following properties, including heating the spherical oxide particle at a temperature higher than room temperature.
(1) The weight loss after heat treatment of 550 DEG C or higher is 12% by weight or less.
(2) The specific surface area increase rate is 9% or less after heat treatment of 550 ° C. or higher.
(3) The size shrinkage (based on average diameter change) after heat treatment of 550 DEG C or higher is 2% or less.
(4) Transmittance at 960 cm -1 was 9% or less compared to the transmittance at 1100 cm -1 in the infrared spectroscopy measurement in the powder state.
(5) Incineration scattering X-ray analysis in powder state after heat treatment of 550 ° C. or higher, the inclination increase value in the region of Q = 0.7˜2 nm −1 is 8% or less than before heat treatment.
제1항에 있어서, 상기 상온보다 높은 온도가 상온 초과 내지 900℃의 온도인 방법. The method of claim 1, wherein the temperature higher than the room temperature is a temperature higher than room temperature to 900 ℃. 제1항에 있어서 가열처리를 구형 산화물 입자의 중량 감소가 실질적으로 발생하지 않을 때까지 지속하는 방법. The method of claim 1, wherein the heat treatment is continued until substantially no weight loss of the spherical oxide particles occurs. 제1항에 있어서, 상기 구형 산화물 입자가 단분산 분포를 갖는 것인 방법. The method of claim 1, wherein the spherical oxide particles have a monodisperse distribution. 제1항에 따른 방법에 의해 제조된 구형 산화물 입자. Spherical oxide particles produced by the method according to claim 1. 제5항에 있어서, 구형 실리카 입자인 구형 산화물 입자. Spherical oxide particles according to claim 5, which are spherical silica particles. 제5항에 따른 구형 산화물 입자가 규칙적으로 배열된 광결정. A photonic crystal in which the spherical oxide particles according to claim 5 are arranged regularly. 제5항에 따른 구형 산화물 입자가 규칙적으로 배열된 코팅제. A coating agent in which the spherical oxide particles according to claim 5 are arranged regularly.
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