KR20120120150A - 합성 비정질 실리카 분말 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 합성 비정질 실리카 분말은, 실리카 분말에 구상화 처리를 실시한 후, 세정하지 않고 소성하여 얻어진 합성 비정질 실리카 분말로서, BET 비표면적을 평균 입경 D50 으로부터 산출한 이론 비표면적으로 나눈 값이 1.93 이하, 진밀도가 2.10 g/㎤ 이상, 입자 내 공간율이 0.05 이하이고, 원형도가 0.50 이상 및 구상화율이 0.20 이상이며, 표면에 실리카 미분말이 부착되어 있는 것을 특징으로 한다. 이 합성 비정질 실리카 분말은, 표면에 흡착되는 가스 성분, 분말 내부의 가스 성분이 적기 때문에, 이 분말을 사용하여 제조된 합성 실리카 유리 제품에서는, 고온 및 감압의 환경하에서의 사용에 있어서도, 기포의 발생 또는 팽창이 대폭 저감 된다.

Description

합성 비정질 실리카 분말{SYNTHETIC AMORPHOUS SILICA POWDER}
본 발명은, 반도체 산업 등에 있어서 고온 및 감압의 환경하에서 사용되는 배관이나 도가니 등의 합성 실리카 유리 제품을 제조하는 원료로서 바람직한 고순도의 합성 비정질 실리카 분말에 관한 것이다.
종래, 반도체 용도의 단결정 제조에 사용하는 도가니나 지그류는, 천연 석영이나 규사를 분쇄하고, 정제함으로써 얻어진 석영 분말을 원료로 하여 제조되고 있었다. 그러나, 천연 석영이나 규사는 여러 가지 금속 불순물을 포함하고 있으며, 상기 정제 처리를 실시해도 금속 불순물을 완전하게는 제거할 수 없기 때문에, 순도에 있어서 충분히 만족할 수 있는 것은 아니었다. 또, 반도체의 고집적화가 진행됨에 따라, 재료가 되는 단결정에 대한 품질 요구가 높아지고, 그 단결정의 제조에 사용되는 도가니나 지그류도 고순도품이 요망되게 되었다. 그 때문에, 천연 석영이나 규사 대신에, 고순도의 합성 비정질 실리카 분말을 원료로 한 합성 실리카 유리 제품이 주목되고 있다.
이 고순도의 합성 비정질 실리카 분말을 제조하는 방법으로는, 고순도의 사염화규소를 물로 가수 분해시키고, 생성된 실리카 겔을 건조, 정립, 소성하여 합성 비정질 실리카 분말을 얻는 방법이 개시되어 있다 (예를 들어, 특허문헌 1 참조). 또, 규산에스테르 등의 알콕시실란을 산과 알칼리의 존재하에서 가수 분해하여 겔화시키고, 얻어진 겔을 건조, 분쇄 후, 소성함으로써 합성 비정질 실리카 분말을 얻는 방법이 개시되어 있다 (예를 들어, 특허문헌 2, 3 참조). 상기 특허문헌 1 ? 3 에 기재된 방법으로 제조한 합성 비정질 실리카 분말은, 천연 석영이나 규사에 비해 고순도이며, 이들을 원료로 하여 제조된 도가니나 지그류 등의 합성 실리카 유리 제품으로부터의 불순물 혼입 저감이나 고성능화가 가능해졌다.
일본 특허공보 평4-75848호 (특허청구범위 제 1 항) 일본 공개특허공보 소62-176929호 (특허청구범위 제 1 항) 일본 공개특허공보 평3-275527호 (제 2 페이지 좌측 하단란 제 7 행 ? 제 3 페이지 좌측 상단란 제 6 행)
그러나, 상기 특허문헌 1 ? 3 에 기재된 방법으로 제조한 합성 비정질 실리카 분말을 원료로 하여 제조된 합성 실리카 유리 제품은, 합성 실리카 유리 제품이 사용되는 환경이 고온 및 감압의 환경하인 경우, 기포가 발생 또는 팽창하여, 그 합성 실리카 유리 제품의 성능을 대폭 저감시킨다는 결점을 갖고 있었다.
예를 들어, 실리콘 단결정 인상용 도가니는, 1500 ℃ 부근 및 7000 ㎩ 부근의 고온 및 감압의 환경하에서 사용되고 있어, 전술한 기포의 발생 또는 팽창에 의한 도가니의 대폭적인 성능의 저감이, 인상되는 단결정의 품질을 좌우한다는 것이 문제가 되어 있었다.
이와 같은 상기 고온 및 감압의 환경하에서의 사용에 있어서 발생하는 문제에 대해서는, 사염화규소의 가수 분해에 의해 얻어지는 합성 비정질 실리카 분말에 열 처리를 실시하여, 합성 비정질 실리카 분말 중의 수산기와 염소의 농도를 각각 감소시킴으로써, 또 알콕시실란의 졸겔법에 의해 얻어지는 합성 비정질 실리카 분말에 열 처리를 실시하여, 합성 비정질 실리카 분말 중의 수산기와 탄소의 농도를 각각 감소시킴으로써, 합성 비정질 실리카 분말 중의 가스 성분이 될 수 있는 불순물 농도의 저감을 실시하는 대응이 생각된다.
그러나, 상기 대응에서도, 고온 및 감압의 환경하에서 사용되는 합성 실리카 유리 제품의 기포의 발생 또는 팽창을 충분히 억제할 수 없었다.
본 발명의 목적은, 이와 같은 상기 종래의 과제를 극복하고, 고온 및 감압의 환경하에서의 사용에 있어서도, 기포의 발생 또는 팽창이 적은 합성 실리카 유리 제품을 위한 원료에 적합한 합성 비정질 실리카 분말을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 제 1 관점은, 실리카 분말에 구상화 처리를 실시한 후, 세정하지 않고 소성하여 얻어진 합성 비정질 실리카 분말로서, BET 비표면적을 평균 입경 D50 으로부터 산출한 이론 비표면적으로 나눈 값이 1.93 이하, 진밀도가 2.10 g/㎤ 이상, 입자 내 공간율이 0.05 이하, 원형도가 0.50 이상 및 구상화율이 0.20 이상이며, 표면에 실리카 미분말이 부착되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 1 관점의 합성 비정질 실리카 분말은, 실리카 분말에 구상화 처리를 실시한 후, 세정하지 않고 소성하여 얻어진 합성 비정질 실리카 분말로서, BET 비표면적을 평균 입경 D50 으로부터 산출한 이론 비표면적으로 나눈 값이 1.93 이하, 진밀도가 2.10 g/㎤ 이상, 입자 내 공간율이 0.05 이하, 원형도가 0.50 이상 및 구상화율이 0.20 이상이며, 표면에 실리카 미분말이 부착되어 있다. 이 때문에, 이 합성 비정질 실리카 분말을 사용하여 합성 실리카 유리 제품을 제조하면, 원료 분말의 표면에 흡착되는 가스 성분이 적어지고, 또 분말 내부의 가스 성분이 적어지기 때문에, 기포의 발생 또는 팽창을 저감시킬 수 있다.
도 1 은, 본 발명의 합성 비정질 실리카 분말의 대표적인 분말 입자를 나타내는 사진도이다.
도 2 는, 본 발명의 합성 비정질 실리카 분말의 제조 공정을 나타내는 프로세스 플로우도이다.
도 3 은, 열 플라즈마에 의한 구상화 장치의 개략 단면도이다.
도 4 는, 입도?형상 분포 측정기의 개략도이다.
도 5 는, 구상화 처리를 실시하지 않은 대표적인 실리카 분말 입자를 나타내는 사진도이다.
다음으로 본 발명을 실시하기 위한 형태를 도면에 기초하여 설명한다.
본 발명의 합성 비정질 실리카 분말은, 실리카 분말에 구상화 처리를 실시한 후, 세정하지 않고 소성함으로써 얻어진다. 그리고, BET 비표면적을 평균 입경 D50 으로부터 산출한 이론 비표면적으로 나눈 값이 1.93 이하, 진밀도가 2.10 g/㎤ 이상, 입자 내 공간율이 0.05 이하, 원형도가 0.50 이상 및 구상화율이 0.20 이상이며, 표면에 실리카 미분말이 부착되어 있는 것을 특징으로 한다.
고온 및 감압하에 있어서 실리콘 단결정 인상용 도가니 등의 합성 실리카 유리 제품에 기포가 발생 또는 팽창하는 주된 원인으로는, 제품의 제조에 사용한 원료 분말의 표면에 흡착되어 있는 가스가 생각된다. 즉, 합성 실리카 유리 제품을 제조할 때에, 그 일 공정인 용융시에, 원료 분말의 표면에 흡착되어 있었던 가스 성분이 이탈된다. 그리고, 이 가스 성분이 합성 실리카 유리 제품 중에 잔류하여, 이것이 기포의 발생 또는 팽창의 원인이 된다.
합성 실리카 유리 제품의 원료가 되는 실리카 분말은, 통상적으로 분쇄 공정을 거치기 때문에, 도 5 에 나타내는 바와 같이 부정형 (분쇄 분말 형상) 의 입자를 많이 함유한다. 그 때문에, 비표면적이 커지고, 불가피적 가스 흡착량이 커지는 것으로 생각된다.
그래서, 본 발명의 합성 비정질 실리카 분말은, 분말에 구상화 처리를 실시함으로써, BET 비표면적을 평균 입경 D50 으로부터 산출한 이론 비표면적으로 나눈 값을 상기 범위로 한 것이다. BET 비표면적이란, BET 3 점법에 의해 측정한 값을 말한다. 또, 입자의 이론 비표면적은, 입자가 진구체이고, 표면이 평활하다고 가정한 경우, 다음 식 (1) 로부터 산출된다. 또한, 식 (1) 중, D 는 입자의 직경, ρ 는 진밀도를 나타낸다.
이론 비표면적 ＝ 6/(D × ρ) (1)
본 명세서 중, 분말의 이론 비표면적이란, 상기 식 (1) 에 있어서, D 를 분말의 평균 입경 D50, ρ 를 진밀도 2.20 g/㎤ 로 가정한 이론 진밀도로부터 산출한 값이다. 즉, 분말의 이론 비표면적은, 다음 식 (2) 로부터 산출된다.
분말의 이론 비표면적 ＝ 2.73/D50 (2)
BET 비표면적을 평균 입경 D50 으로부터 산출한 이론 비표면적으로 나눈 값이 1.93 을 초과하면, 비표면적이 커지고, 불가피적 가스 흡착량이 커진다. 이 중, 상기값은 1.70 이하가 바람직하고, 1.00 ? 1.50 의 범위가 특히 바람직하다.
또, 합성 비정질 실리카 분말의 원형도는 0.50 이상이다. 원형도는 1.00 에 가까워질수록, 분말 입자가 진구에 가까워지는 것을 의미하며, 다음 식 (3) 에 의해 산출된다.
원형도 ＝ 4 πS/L2 (3)
식 (3) 중, S 는 촬영한 입자 투영도의 면적, L 은 입자 투영도의 주위 길이를 나타낸다. 본 명세서 중 분말의 원형도란, 상기 식 (3) 으로부터 산출된 분말 입자 200 개의 평균값이다. 분말의 원형도가 0.50 미만에서는, 기포의 발생 또는 팽창의 저감 효과가 작다. 이 중, 분말의 원형도는 0.80 ? 1.00 의 범위가 바람직하다. 또, 합성 비정질 실리카 분말의 구상화율은 0.20 이상이다. 분말의 구상화율이란, 소정량의 분말 중에 원형도가 0.60 ? 1.00 인 입자가 함유되는 비율을 나타낸다. 구상화율이 0.20 미만에서는, 기포의 발생 또는 팽창의 저감 효과가 작다. 이 중, 분말의 구상화율은 0.80 ? 1.00 의 범위인 것이 바람직하다.
또, 합성 비정질 실리카 분말 1 개의 입자에 대해 주목하면, 입자 내에 공공이나 폐색된 크랙 등의 내부 공간이 존재하지 않는 것이 바람직하다. 즉, 합성 비정질 실리카 분말의 내부에 공간이 존재하면, 합성 실리카 유리 제품 중의 기포의 발생 또는 팽창의 원인이 되기 때문이다. 이 때문에, 진밀도는 2.10 g/㎤ 이상이며, 2.15 ? 2.20 g/㎤ 인 것이 바람직하다. 진밀도란 JIS R 7212 카본 블록의 측정 방법 (d) 진비중 측정에 준하여 진밀도 측정을 3 회 실시하고, 이의 평균값을 말한다. 또, 입자 내 공간율은 0.05 이하이며, 0.01 이하가 바람직하다. 입자 내 공간율이란, 50 개의 분말 입자에 대해 단면을 SEM (주사형 전자 현미경) 에 의해 관찰했을 때의 입자의 단면적과, 입자 내에 공간이 있으면 그 공간의 면적을 측정하여, 다음 식 (4) 로부터 산출한 값의 평균값이다.
입자 내 공간율 ＝ 입자 내 공간 총 면적/입자단 총 면적 (4)
또, 합성 비정질 실리카 분말의 평균 입경 D50 은 50 ? 1000 ㎛ 의 범위 내인 것이 바람직하다. 하한값 미만에서는, 분말 입자 사이의 공간이 작아, 이 공간에 존재하고 있는 기체가 잘 빠지기 않기 때문에, 작은 기포가 남기 쉽고, 한편, 상한값을 초과하면, 분말 입자 사이의 공간이 지나치게 커서, 큰 기포가 남기 쉽기 때문이다. 이 중, 평균 입경 D50 은 80 ? 600 ㎛ 의 범위 내인 것이 특히 바람직하다. 또한, 본 명세서 중 평균 입경 D50 이란, 레이저 회절 산란식 입자 분포 측정 장치 (형식명 : HORIBA LA-950) 에 의해 측정한 입자 분포 (직경) 의 중앙값을 3 회 측정하고, 이 평균값을 말한다. 합성 비정질 실리카 분말의 부피 밀도는 1.00 g/㎤ 이상인 것이 바람직하다. 하한값 미만에서는, 분말 입자 사이의 공간이 지나치게 커서, 큰 기포가 남기 쉽고, 한편, 상한값을 초과하면, 분말 입자 사이의 공간이 작기 때문에, 이 공간에 존재하고 있는 기체가 잘 빠지지 않아, 작은 기포가 남기 쉽기 때문이다. 이 중, 부피 밀도는 1.20 ? 1.40 g/㎤ 의 범위 내인 것이 특히 바람직하다.
분말의 용융성을 균일하게 하기 위해, CuKα 선을 사용하여 분말 X 선 회절법으로 측정한 경우에 회절 피크가 브로드한, 결정질 실리카 분말이 확인되지 않는 분말인 것이 바람직하다. 비정질과 결정질의 실리카에서는, 용융에 있어서의 거동이 상이하고, 결정질의 실리카의 용융이 늦게 시작되는 경향이 있다. 이 때문에, 비정질과 결정질의 실리카가 혼재되어 있는 합성 비정질 실리카 분말을 사용하여, 합성 실리카 유리 제품 등의 제조를 실시하면, 합성 실리카 유리 제품 중에 기포가 남기 쉽기 때문이다.
합성 실리카 유리 제품의 불순물 혼입의 저감이나 고성능화를 위해, 합성 비정질 실리카 분말의 불순물 농도는, 수소 원자를 제외한 1A 족, 2A ? 8 족, 1B ? 3B 족, 탄소 및 규소를 제외한 4B 족, 5B 족, 산소를 제외한 6B 족, 염소를 제외한 7B 족의 농도가 1 ppm 미만인 것이 바람직하다. 이 중, 이들 불순물 농도는 0.05 ppm 미만인 것이 특히 바람직하다. 또, 고온 및 감압하에 있어서의 합성 실리카 유리 제품 중의 기포의 발생 또는 팽창을 억제하기 위해, 가스 성분이 될 수 있는 수산기가 50 ppm 이하, 염소 농도가 2 ppm 이하, 탄소 농도가 10 ppm 이하인 것이 바람직하다.
본 발명의 합성 비정질 실리카 분말은, 구상화 처리를 실시한 후, 세정하지 않고 소성함으로써 얻어진다. 이 때문에, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 분말 입자의 표면에 실리카 미분말이 부착되는 것이지만, 구상화 처리에 의해 상기 특성을 나타내기 때문에, 불가피적 가스 흡착량이 저감된다. 이 실리카 미분말은 평균 입경 D50 이 0.001 ? 0.1 ㎛ 이다.
계속해서, 본 발명의 합성 비정질 실리카 분말의 제조 방법에 대해 설명한다. 본 발명의 합성 비정질 실리카 분말의 제조 방법은, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 원료가 되는 실리카 분말에 구상화 처리를 실시하고, 소성함으로써 얻어진다. 각 공정에 대해, 이하, 상세하게 설명한다.
본 발명의 합성 비정질 실리카 분말의 원료가 되는 실리카 분말은, 예를 들어, 다음과 같은 방법에 의해 얻어진다. 제 1 방법으로는, 먼저 사염화규소 1 ㏖ 에 대해, 45 ? 80 ㏖ 에 상당하는 양의 초순수를 준비한다. 준비한 초순수를 용기 내에 넣고, 질소, 아르곤 등의 분위기에서 온도를 20 ? 45 ℃ 로 유지하며 교반하면서, 사염화규소를 첨가하여 가수 분해시킨다. 사염화규소를 첨가하고 나서 0.5 ? 6 시간 교반을 계속하여 실리카질의 겔을 생성시킨다. 이 때, 교반 속도는 100 ? 300 rpm 의 범위로 하는 것이 바람직하다. 다음으로, 상기 실리카질의 겔을 건조용 용기로 옮겨 이것을 건조기에 넣고, 건조기 내에 바람직하게는 1 ? 20 ℓ/min 의 유량으로 질소, 아르곤 등을 흐르게 하면서, 200 ℃ ? 300 ℃ 의 온도에서 12 ? 48 시간 건조시켜 건조 분말을 얻는다. 다음으로, 이 건조 분말을 건조기로부터 꺼내고, 롤 크러셔 등의 분쇄기를 사용하여 분쇄한다. 롤 크러셔를 사용하는 경우에는, 롤 간극 0.2 ? 2.0 ㎜, 롤 회전수 3 ? 200 rpm 으로 적절히 조정하여 실시한다. 마지막으로, 분쇄된 건조 분말을 진동 체 등을 사용하여 분급함으로써, 평균 입경 D50 이 바람직하게는 70 ? 1300 ㎛ 인 실리카 분말이 얻어진다.
제 2 방법으로는, 유기계 실리콘 화합물로서 테트라메톡시실란 1 ㏖ 에 대해, 초순수 0.5 ? 3 ㏖, 에탄올 0.5 ? 3 ㏖ 을 준비한다. 준비한 초순수, 에탄올을 용기 내에 넣고, 질소, 아르곤 등의 분위기에서 온도를 60 ℃ 로 유지하며 교반하면서, 테트라메톡시실란을 첨가하여 가수 분해시킨다. 테트라메톡시실란을 첨가하고 나서 5 ? 120 분간 교반한 후, 테트라메톡시실란 1 ㏖ 에 대해 1 ? 50 ㏖ 의 초순수를 추가로 첨가하고, 1 ? 12 시간 교반을 계속하여 실리카질의 겔을 생성시킨다. 이 때, 교반 속도는 100 ? 300 rpm 의 범위로 하는 것이 바람직하다. 다음으로, 상기 실리카질의 겔을 건조용 용기로 옮겨 이것을 건조기에 넣고, 건조기 내에 바람직하게는 1 ? 20 ℓ/min 의 유량으로 질소, 아르곤 등을 흐르게 하면서, 200 ℃ ? 300 ℃ 의 온도에서 6 ? 48 시간 건조시켜 건조 분말을 얻는다. 다음으로, 이 건조 분말을 건조기로부터 꺼내고, 롤 크러셔 등의 분쇄기를 사용하여 분쇄한다. 롤 크러셔를 사용하는 경우에는, 롤 간극 0.2 ? 2.0 ㎜, 롤 회전수 3 ? 200 rpm 으로 적절히 조정하여 실시한다. 마지막으로, 분쇄된 건조 분말을 진동 체 등을 사용하여 분급함으로써, 평균 입경 D50 이 바람직하게는 70 ? 1300 ㎛ 인 실리카 분말이 얻어진다.
제 3 방법으로는, 먼저, 평균 입경 D50 이 0.007 ? 0.030 ㎛, 비표면적이 50 ? 380 ㎡/g 인 퓸드 실리카 1 ㏖ 에 대해, 초순수 9.5 ? 20.0 ㏖ 을 준비한다. 준비한 초순수를 용기 내에 넣고, 질소, 아르곤 등의 분위기에서 온도를 20 ? 45 ℃ 로 유지하며 교반하면서, 퓸드 실리카를 첨가한다. 퓸드 실리카를 첨가하고 나서 0.5 ? 6 시간 교반을 계속하여 실리카질의 겔을 생성시킨다. 이 때, 교반 속도는 10 ? 50 rpm 의 범위로 하는 것이 바람직하다. 다음으로, 상기 실리카질의 겔을 건조용 용기로 옮겨 이것을 건조기에 넣고, 건조기 내에 바람직하게는 1 ? 20 ℓ/min 의 유량으로 질소, 아르곤 등을 흐르게 하면서, 200 ℃ ? 300 ℃ 의 온도에서 6 ? 48 시간 건조시켜 건조 분말을 얻는다. 다음으로, 이 건조 분말을 건조기로부터 꺼내고, 롤 크러셔 등의 분쇄기를 사용하여 분쇄한다. 롤 크러셔를 사용하는 경우에는, 롤 간극 0.2 ? 2.0 ㎜, 롤 회전수 3 ? 200 rpm 으로 적절히 조정하여 실시한다. 마지막으로, 분쇄된 건조 분말을 진동 체 등을 사용하여 분급함으로써, 평균 입경 D50 이 바람직하게는 70 ? 1300 ㎛ 인 실리카 분말이 얻어진다.
상기 제 1 ? 제 3 방법에 의해 얻어진 실리카 분말을 구상화하는 방법으로는, 2000 ℃ 이상으로 가열하여 용융시키고, 융체 입자의 표면 장력을 이용하여 응고 후의 분말 형상을 구상화할 수 있는 방법이면 되고, 열 플라즈마, 화염법 또는 용융 낙하법 등을 들 수 있다. 여기서는, 열 플라즈마에 의한 구상화 처리 방법에 대해 설명한다. 열 플라즈마에 의한 구상화 처리에서는, 예를 들어, 도 3 에 나타내는 장치를 사용할 수 있다. 이 장치 (30) 는, 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 토치 (31) 와, 이 플라즈마 토치 (31) 의 하부에 형성된 반응통인 챔버 (32) 와, 이 챔버 (32) 의 하부에 형성된 처리 후의 분말을 회수하는 회수부 (33) 를 구비한다. 플라즈마 토치 (31) 는, 챔버 (32) 에 연통되는 정상부가 봉지된 석영관 (34) 과, 이 석영관 (34) 을 감는 고주파 유도 코일 (36) 을 갖는다. 석영관 (34) 의 상부에는 원료 공급관 (37) 이 관통하여 형성되고, 또한 가스 도입관 (38) 이 접속된다. 챔버 (32) 의 측방에는 가스 배기구 (39) 가 형성된다. 플라즈마 토치 (31) 에서는, 고주파 유도 코일 (36) 에 통전되면 플라즈마 (40) 를 발생시키고, 가스 도입관 (38) 으로부터 석영관 (34) 에 아르곤, 산소 등의 가스가 공급된다. 원료 분말은 원료 공급관 (37) 을 통하여 플라즈마 (40) 중에 공급된다. 또, 챔버 (32) 내의 가스는, 챔버 (32) 측방에 형성된 가스 배기구 (39) 로부터 배기된다. 먼저, 장치 (30) 의 가스 도입관 (38) 으로부터 작동 가스의 아르곤을 15 ? 60 ℓ/min 의 유량으로 도입하고, 주파수 3 ? 5 ㎒, 출력 30 ? 120 ㎾ 의 고주파를 플라즈마 토치 (31) 에 인가시켜 플라즈마를 발생시킨다. 플라즈마가 안정된 후에, 산소를 20 ? 120 ℓ/min 의 유량으로 서서히 도입하여, 아르곤-산소 플라즈마를 발생시킨다. 다음으로 상기 제 1 ? 제 3 방법으로 얻어진 실리카 분말을, 원료 공급관 (37) 으로부터 공급 속도 1.5 ? 20 ㎏/hr 로, 아르곤-산소 플라즈마 중에 투입하여 실리카 분말을 용융시키고, 융체가 된 입자를 낙하시키고, 낙하된 입자를 회수부 (33) 로 회수함으로써, 구상화된 실리카 분말 (41) 을 얻을 수 있다.
구상화 처리 후의 실리카 분말은 세정하지 않고 소성을 실시한다. 먼저 구상화 처리 후의 실리카 분말을 소성용 용기에 넣고, 이 소성용 용기를 분위기 제어가 가능한 전기로, 즉 소성로에 투입한다. 소성 조건은, 산소, 건조 공기 등을 1 ? 20 ℓ/min 의 유량으로 흐르게 하면서, 1100 ℃ ? 1500 ℃ 에서 12 ? 48 시간으로 하는 것이 바람직하다.
이상의 공정에 의해, 본 발명의 합성 비정질 실리카 분말이 얻어진다. 이 합성 비정질 실리카 분말은 불가피적 가스 흡착량이 적어, 합성 실리카 유리 제품의 원료로서 바람직하게 사용할 수 있다.
실시예
다음으로 본 발명의 실시예를 비교예와 함께 상세하게 설명한다.
＜실시예 1＞
먼저, 사염화규소 1 ㏖ 에 대해, 55.6 ㏖ 에 상당하는 양의 초순수를 준비하였다. 이 초순수를 용기 내에 넣고, 질소 분위기에서 온도를 25 ℃ 로 유지하며 교반하면서, 사염화규소를 첨가하여 가수 분해시켰다. 사염화규소를 첨가하고 나서 3 시간 교반을 계속하여 실리카질의 겔을 생성시켰다. 이 때, 교반 속도는 150 rpm 으로 하였다. 다음으로, 상기 실리카질의 겔을 건조용 용기로 옮겨 이것을 건조기에 넣고, 건조기 내에 15 ℓ/min 의 유량으로 질소를 흐르게 하면서, 250 ℃ 의 온도에서 18 시간 건조시켜 건조 분말을 얻었다. 이 건조 분말을 건조기로부터 꺼내고, 롤 크러셔를 사용하여 분쇄하였다. 이 때 롤 간극을 0.2 ㎜, 롤 회전수를 50 rpm 으로 조정하여 실시하였다. 분쇄된 건조 분말을 메시 간격 75 ㎛ 및 메시 간격 125 ㎛ 의 진동 체를 사용해서 분급하여, 평균 입경 D50 이 112 ㎛ 인 실리카 분말을 얻었다.
계속해서, 도 3 에 나타내는 장치 (30) 를 사용하여 다음의 표 1 에 나타내는 조건으로, 상기 얻어진 실리카 분말에 구상화 처리를 실시하였다. 구체적으로는, 먼저, 장치 (30) 의 가스 도입관 (38) 으로부터 작동 가스의 아르곤을 도입하고, 고주파를 플라즈마 토치 (31) 에 인가시켜 플라즈마를 발생시켰다. 플라즈마가 안정된 후에, 산소를 서서히 도입하여 아르곤-산소 플라즈마를 발생시켰다. 상기 얻어진 실리카 분말을, 원료 공급관 (37) 으로부터 아르곤-산소 플라즈마 중에 투입하여 실리카 분말을 용융시키고, 융체가 된 입자를 낙하시키고, 낙하된 입자를 회수부 (33) 로 회수함으로써, 구상화된 실리카 분말 (41) 을 얻었다.
구상화 처리 후, 분말을 세정하지 않고 소성용 용기에 넣고, 이 소성용 용기를 소성로에 투입하여, 소성로 내에 질소를 10 ℓ/min 의 유량으로 흐르게 하면서, 1250 ℃ 의 온도에서 48 시간 유지함으로써, 표면에 실리카 미분말이 부착된 합성 비정질 실리카 분말을 얻었다.
＜실시예 2＞
먼저, 테트라메톡시실란 1 ㏖ 에 대해, 초순수 1 ㏖, 에탄올 1 ㏖ 을 준비하였다. 준비한 초순수, 에탄올을 용기 내에 넣고, 질소 분위기에서 온도를 60 ℃ 로 유지하며 교반하면서, 테트라메톡시실란을 첨가하여 가수 분해시켰다. 테트라메톡시실란을 첨가하고 나서 60 분간 교반한 후, 테트라메톡시실란 1 ㏖ 에 대해 25 ㏖ 의 초순수를 추가로 첨가하고, 6 시간 교반을 계속하여 실리카질의 겔을 생성시켰다. 이 때, 교반 속도는 100 rpm 으로 하였다. 다음으로, 상기 실리카질의 겔을 건조용 용기로 옮겨 이것을 건조기에 넣고, 건조기 내에 20 ℓ/min 의 유량으로 질소를 흐르게 하면서, 200 ℃ 의 온도에서 24 시간 건조시켜 건조 분말을 얻었다. 이 건조 분말을 건조기로부터 꺼내고, 롤 크러셔를 사용하여 분쇄하였다. 이 때 롤 간극을 0.2 ㎜, 롤 회전수를 55 rpm 으로 조정하여 실시하였다. 분쇄된 건조 분말을 메시 간격 100 ㎛ 및 메시 간격 150 ㎛ 의 진동 체를 사용해서 분급하여, 평균 입경 D50 이 120 ㎛ 인 실리카 분말을 얻었다.
계속해서, 도 3 에 나타내는 장치 (30) 를 사용하여 다음의 표 1 에 나타내는 조건으로, 상기 얻어진 실리카 분말에 구상화 처리를 실시하였다. 구체적으로는, 먼저, 장치 (30) 의 가스 도입관 (38) 으로부터 작동 가스의 아르곤을 도입하고, 고주파를 플라즈마 토치 (31) 에 인가시켜 플라즈마를 발생시켰다. 플라즈마가 안정된 후에, 산소를 서서히 도입하여 아르곤-산소 플라즈마를 발생시켰다. 상기 얻어진 실리카 분말을, 원료 공급관 (37) 으로부터 아르곤-산소 플라즈마 중에 투입하여 실리카 분말을 용융시키고, 융체가 된 입자를 낙하시키고, 낙하된 입자를 회수부 (33) 로 회수함으로써, 구상화된 실리카 분말 (41) 을 얻었다.
구상화 처리 후, 분말을 세정하지 않고 소성용 용기에 넣고, 이 소성용 용기를 소성로에 투입하여, 소성로 내에 산소를 15 ℓ/min 의 유량으로 흐르게 하면서, 1300 ℃ 의 온도에서 24 시간 유지함으로써, 표면에 실리카 미분말이 부착된 합성 비정질 실리카 분말을 얻었다.
＜실시예 3＞
먼저, 평균 입경 D50 이 0.020 ㎛, 비표면적이 90 ㎡/g 인 퓸드 실리카 1 ㏖ 에 대해, 초순수 13 ㏖ 을 준비하였다. 준비한 초순수를 용기 내에 넣고, 질소 분위기에서 온도를 25 ℃ 로 유지하며 교반하면서, 퓸드 실리카를 첨가하였다. 퓸드 실리카를 첨가하고 나서 3 시간 교반을 계속하여 실리카질의 겔을 생성시켰다. 이 때, 교반 속도는 30 rpm 으로 하였다. 다음으로, 상기 실리카질의 겔을 건조용 용기로 옮겨 이것을 건조기에 넣고, 건조기 내에 10 ℓ/min 의 유량으로 질소를 흐르게 하면서, 300 ℃ 의 온도에서 12 시간 건조시켜 건조 분말을 얻었다. 이 건조 분말을 건조기로부터 꺼내고, 롤 크러셔를 사용하여 분쇄하였다. 이 때 롤 간극을 0.5 ㎜, 롤 회전수를 30 rpm 으로 조정하여 실시하였다. 분쇄된 건조 분말을 메시 간격 375 ㎛ 및 메시 간격 450 ㎛ 의 진동 체를 사용해서 분급하여, 평균 입경 D50 이 417 ㎛ 인 실리카 분말을 얻었다.
계속해서, 도 3 에 나타내는 장치 (30) 를 사용하여 다음의 표 1 에 나타내는 조건으로, 상기 얻어진 실리카 분말에 구상화 처리를 실시하였다. 구체적으로는, 먼저, 장치 (30) 의 가스 도입관 (38) 으로부터 작동 가스의 아르곤을 도입하고, 고주파를 플라즈마 토치 (31) 에 인가시켜 플라즈마를 발생시켰다. 플라즈마가 안정된 후에, 산소를 서서히 도입하여 아르곤-산소 플라즈마를 발생시켰다. 상기 얻어진 실리카 분말을, 원료 공급관 (37) 으로부터 아르곤-산소 플라즈마 중에 투입하여 실리카 분말을 용융시키고, 융체가 된 입자를 낙하시키고, 낙하된 입자를 회수부 (33) 로 회수함으로써, 구상화된 실리카 분말 (41) 을 얻었다.
구상화 처리 후, 분말을 세정하지 않고 소성용 용기에 넣고, 이 소성용 용기를 소성로에 투입하여, 소성로 내에 산소를 15 ℓ/min 의 유량으로 흐르게 하면서, 1200 ℃ 의 온도에서 48 시간 유지함으로써, 표면에 실리카 미분말이 부착된 합성 비정질 실리카 분말을 얻었다.
＜실시예 4＞
평균 입경 D50 이 907 ㎛ 인 실리카 분말을 얻은 것, 및 이 실리카 분말에 다음의 표 1 에 나타내는 조건으로 구상화 처리를 실시한 것 이외에는, 실시예 1 과 동일하게 표면에 실리카 미분말이 부착된 합성 비정질 실리카 분말을 얻었다.
＜비교예 1＞
먼저, 사염화규소 1 ㏖ 에 대해, 55.6 ㏖ 에 상당하는 양의 초순수를 준비하였다. 이 초순수를 용기 내에 넣고, 질소 분위기에서 온도를 25 ℃ 로 유지하며 교반하면서, 사염화규소를 첨가하여 가수 분해시켰다. 사염화규소를 첨가하고 나서 3 시간 교반을 계속하여 실리카질의 겔을 생성시켰다. 이 때, 교반 속도는 150 rpm 으로 하였다. 다음으로, 상기 실리카질의 겔을 건조용 용기로 옮겨 이것을 건조기에 넣고, 건조기 내에 15 ℓ/min 의 유량으로 질소를 흐르게 하면서, 250 ℃ 의 온도에서 18 시간 건조시켜 건조 분말을 얻었다. 이 건조 분말을 건조기로부터 꺼내고, 롤 크러셔를 사용하여 분쇄하였다. 이 때 롤 간극을 0.2 ㎜, 롤 회전수를 50 rpm 으로 조정하여 실시하였다. 분쇄된 건조 분말을 메시 간격 75 ㎛ 및 메시 간격 125 ㎛ 의 진동 체를 사용해서 분급하여, 평균 입경 D50 이 112 ㎛ 인 실리카 분말을 얻었다.
계속해서, 도 3 에 나타내는 장치 (30) 를 사용하여 다음의 표 1 에 나타내는 조건으로, 상기 얻어진 실리카 분말에 구상화 처리를 실시하였다. 구체적으로는, 먼저, 장치 (30) 의 가스 도입관 (38) 으로부터 작동 가스의 아르곤을 도입하고, 고주파를 플라즈마 토치 (31) 에 인가시켜 플라즈마를 발생시켰다. 플라즈마가 안정된 후에, 산소를 서서히 도입하여 아르곤-산소 플라즈마를 발생시켰다. 상기 얻어진 실리카 분말을, 원료 공급관 (37) 으로부터 아르곤-산소 플라즈마 중에 투입하여 실리카 분말을 용융시키고, 융체가 된 입자를 낙하시키고, 낙하된 입자를 회수부 (33) 로 회수함으로써, 구상화된 실리카 분말 (41) 을 얻었다.
구상화 처리 후, 세정 용기에 상기 분말과 초순수를 넣고, 초음파 세정을 실시하였다. 초음파 세정을 실시한 후, 메시 간격 75 ㎛ 의 필터로 여과하였다. 실리카 분말의 입자 표면에 부착되는 미분말이 없어질 때까지, 이 조작을 반복하여 실시하였다.
마지막으로, 세정된 분말을 건조용 용기에 넣고, 이 건조용 용기를 건조기에 투입하여, 건조기 내에 질소를 10 ℓ/min 의 유량으로 흐르게 하면서, 200 ℃ 의 온도에서 48 시간 유지함으로써, 표면에 실리카 미분말이 부착되어 있지 않은 합성 비정질 실리카 분말을 얻었다.
＜비교예 2＞
먼저, 테트라메톡시실란 1 ㏖ 에 대해, 초순수 1 ㏖, 에탄올 1 ㏖ 을 준비하였다. 준비한 초순수, 에탄올을 용기 내에 넣고, 질소 분위기에서 온도를 60 ℃ 로 유지하며 교반하면서, 테트라메톡시실란을 첨가하여 가수 분해시켰다. 테트라메톡시실란을 첨가하고 나서 60 분간 교반한 후, 테트라메톡시실란 1 ㏖ 에 대해 25 ㏖ 의 초순수를 추가로 첨가하고, 6 시간 교반을 계속하여 실리카질의 겔을 생성시켰다. 이 때, 교반 속도는 100 rpm 으로 하였다. 다음으로, 상기 실리카질의 겔을 건조용 용기로 옮겨 이것을 건조기에 넣고, 건조기 내에 20 ℓ/min 의 유량으로 질소를 흐르게 하면서, 200 ℃ 의 온도에서 24 시간 건조시켜 건조 분말을 얻었다. 이 건조 분말을 건조기로부터 꺼내고, 롤 크러셔를 사용하여 분쇄하였다. 이 때 롤 간극을 0.2 ㎜, 롤 회전수를 55 rpm 으로 조정하여 실시하였다. 분쇄된 건조 분말을 메시 간격 100 ㎛ 및 메시 간격 150 ㎛ 의 진동 체를 사용해서 분급하여, 평균 입경 D50 이 120 ㎛ 인 실리카 분말을 얻었다.
계속해서, 도 3 에 나타내는 장치 (30) 를 사용하여 다음의 표 1 에 나타내는 조건으로, 상기 얻어진 실리카 분말에 구상화 처리를 실시하였다. 구체적으로는, 먼저, 장치 (30) 의 가스 도입관 (38) 으로부터 작동 가스의 아르곤을 도입하고, 고주파를 플라즈마 토치 (31) 에 인가시켜 플라즈마를 발생시켰다. 플라즈마가 안정된 후에, 산소를 서서히 도입하여 아르곤-산소 플라즈마를 발생시켰다. 상기 얻어진 실리카 분말을, 원료 공급관 (37) 으로부터 아르곤-산소 플라즈마 중에 투입하여 실리카 분말을 용융시키고, 융체가 된 입자를 낙하시키고, 낙하된 입자를 회수부 (33) 로 회수함으로써, 구상화된 실리카 분말 (41) 을 얻었다.
구상화 처리 후, 세정 용기에 상기 분말과 초순수를 넣고, 초음파 세정을 실시하였다. 초음파 세정을 실시한 후, 메시 간격 100 ㎛ 의 필터로 여과하였다. 실리카 분말의 입자 표면에 부착되는 미분말이 없어질 때까지, 이 조작을 반복하여 실시하였다.
마지막으로, 세정 후의 분말을 건조용 용기에 넣고, 이 건조용 용기를 건조기에 투입하여, 건조기 내에 아르곤을 10 ℓ/min 의 유량으로 흐르게 하면서, 300 ℃ 의 온도에서 12 시간 유지함으로써, 표면에 실리카 미분말이 부착되어 있지 않은 합성 비정질 실리카 분말을 얻었다.
＜비교예 3＞
먼저, 평균 입경 D50 이 0.020 ㎛, 비표면적이 90 ㎡/g 인 퓸드 실리카 1 ㏖ 에 대해, 초순수 13 ㏖ 을 준비하였다. 준비한 초순수를 용기 내에 넣고, 질소 분위기에서 온도를 25 ℃ 로 유지하며 교반하면서, 퓸드 실리카를 첨가하였다. 퓸드 실리카를 첨가하고 나서 3 시간 교반을 계속하여 실리카질의 겔을 생성시켰다. 이 때, 교반 속도는 30 rpm 으로 하였다. 다음으로, 상기 실리카질의 겔을 건조용 용기로 옮겨 이것을 건조기에 넣고, 건조기 내에 10 ℓ/min 의 유량으로 질소를 흐르게 하면서, 300 ℃ 의 온도에서 12 시간 건조시켜 건조 분말을 얻었다. 이 건조 분말을 건조기로부터 꺼내고, 롤 크러셔를 사용하여 분쇄하였다. 이 때 롤 간극을 0.5 ㎜, 롤 회전수를 30 rpm 으로 조정하여 실시하였다. 분쇄된 건조 분말을 메시 간격 375 ㎛ 및 메시 간격 450 ㎛ 의 진동 체를 사용해서 분급하여, 평균 입경 D50 이 417 ㎛ 인 실리카 분말을 얻었다.
계속해서, 도 3 에 나타내는 장치 (30) 를 사용하여 다음의 표 1 에 나타내는 조건으로, 상기 얻어진 실리카 분말에 구상화 처리를 실시하였다. 구체적으로는, 먼저, 장치 (30) 의 가스 도입관 (38) 으로부터 작동 가스의 아르곤을 도입하고, 고주파를 플라즈마 토치 (31) 에 인가시켜 플라즈마를 발생시켰다. 플라즈마가 안정된 후에, 산소를 서서히 도입하여 아르곤-산소 플라즈마를 발생시켰다. 상기 얻어진 실리카 분말을, 원료 공급관 (37) 으로부터 아르곤-산소 플라즈마 중에 투입하여 실리카 분말을 용융시키고, 융체가 된 입자를 낙하시키고, 낙하된 입자를 회수부 (33) 로 회수함으로써, 구상화된 실리카 분말 (41) 을 얻었다.
구상화 처리 후, 세정 용기에 상기 분말과 초순수를 넣고, 초음파 세정을 실시하였다. 초음파 세정을 실시한 후, 메시 간격 375 ㎛ 의 필터로 여과하였다. 실리카 분말의 입자 표면에 부착되는 미분말이 없어질 때까지, 이 조작을 반복하여 실시하였다.
마지막으로, 세정 후의 분말을 건조용 용기에 넣고, 이 건조용 용기를 건조기에 투입하여, 건조기 내에 질소를 20 ℓ/min 의 유량으로 흐르게 하면서, 200 ℃ 의 온도에서 36 시간 유지함으로써, 표면에 실리카 미분말이 부착되어 있지 않은 합성 비정질 실리카 분말을 얻었다.
＜비교예 4＞
다음의 표 1 에 나타내는 조건으로 구상화 처리를 실시한 것 이외에는, 비교예 3 과 동일하게 합성 비정질 실리카 분말을 얻었다.
＜비교예 5＞
평균 입경 D50 이 907 ㎛ 인 실리카 분말을 얻은 것, 및 이 실리카 분말에 다음의 표 1 에 나타내는 조건으로 구상화 처리를 실시한 것 이외에는, 비교예 1 과 동일하게 합성 비정질 실리카 분말을 얻었다.
＜비교예 6＞
먼저, 사염화규소 1 ㏖ 에 대해, 55.6 ㏖ 에 상당하는 양의 초순수를 준비하였다. 이 초순수를 용기 내에 넣고, 질소 분위기에서 온도를 25 ℃ 로 유지하며 교반하면서, 사염화규소를 첨가하여 가수 분해시켰다. 사염화규소를 첨가하고 나서 3 시간 교반을 계속하여 실리카질의 겔을 생성시켰다. 이 때, 교반 속도는 150 rpm 으로 하였다. 다음으로, 상기 실리카질의 겔을 건조용 용기로 옮겨 이것을 건조기에 넣고, 건조기 내에 15 ℓ/min 의 유량으로 질소를 흐르게 하면서, 250 ℃ 의 온도에서 18 시간 건조시켜 건조 분말을 얻었다. 이 건조 분말을 건조기로부터 꺼내고, 롤 크러셔를 사용하여 분쇄하였다. 이 때 롤 간극을 0.2 ㎜, 롤 회전수 50 rpm 으로 조정하여 실시하였다. 분쇄된 건조 분말을 메시 간격 50 ㎛ 및 메시 간격 150 ㎛ 의 진동 체를 사용해서 분급하여, 평균 입경 D50 이 100 ㎛ 인 실리카 분말을 얻었다.
마지막으로, 분쇄된 분말을 소성용 용기에 넣고, 이 소성용 용기를 소성로에 투입하여, 소성로 내에 질소를 10 ℓ/min 의 유량으로 흐르게 하면서, 1200 ℃ 의 온도에서 48 시간 유지함으로써, 합성 비정질 실리카 분말을 얻었다. 이 구상화 처리를 실시하지 않는 실리카 분말을 비교예 6 으로 하였다.
＜비교예 7＞
먼저, 테트라메톡시실란 1 ㏖ 에 대해, 초순수 1 ㏖, 에탄올 1 ㏖ 을 준비하였다. 준비한 초순수, 에탄올을 용기 내에 넣고, 질소 분위기에서 온도를 60 ℃ 로 유지하며 교반하면서, 테트라메톡시실란을 첨가하여 가수 분해시켰다. 테트라메톡시실란을 첨가하고 나서 60 분간 교반한 후, 테트라메톡시실란 1 ㏖ 에 대해 25 ㏖ 의 초순수를 추가로 첨가하고, 6 시간 교반을 계속하여 실리카질의 겔을 생성시켰다. 이 때, 교반 속도는 100 rpm 으로 하였다. 다음으로, 상기 실리카질의 겔을 건조용 용기로 옮겨 이것을 건조기에 넣고, 건조기 내에 20 ℓ/min 의 유량으로 질소를 흐르게 하면서, 200 ℃ 의 온도에서 24 시간 건조시켜 건조 분말을 얻었다. 이 건조 분말을 건조기로부터 꺼내고, 롤 크러셔를 사용하여 분쇄하였다. 이 때 롤 간극을 0.6 ㎜, 롤 회전수를 100 rpm 으로 조정하여 실시하였다. 분쇄된 건조 분말을 메시 간격 550 ㎛ 및 메시 간격 650 ㎛ 의 진동 체를 사용해서 분급하여, 평균 입경 D50 이 590 ㎛ 인 실리카 분말을 얻었다.
마지막으로, 분쇄된 분말을 소성용 용기에 넣고, 이 소성용 용기를 소성로에 투입하여, 소성로 내에 아르곤을 10 ℓ/min 의 유량으로 흐르게 하면서, 1200 ℃ 의 온도에서 48 시간 유지함으로써, 합성 비정질 실리카 분말을 얻었다. 이 구상화 처리를 실시하지 않는 실리카 분말을 비교예 7 로 하였다.
＜비교예 8＞
먼저, 평균 입경 D50 이 0.020 ㎛, 비표면적이 90 ㎡/g 인 퓸드 실리카 1 ㏖ 에 대해, 초순수 13 ㏖ 을 준비하였다. 준비한 초순수를 용기 내에 넣고, 질소 분위기에서 온도를 25 ℃ 로 유지하며 교반하면서, 퓸드 실리카를 첨가하였다. 퓸드 실리카를 첨가하고 나서 3 시간 교반을 계속하여 실리카질의 겔을 생성시켰다. 이 때, 교반 속도는 30 rpm 으로 하였다. 다음으로, 상기 실리카질의 겔을 건조용 용기로 옮겨 이것을 건조기에 넣고, 건조기 내에 10 ℓ/min 의 유량으로 질소를 흐르게 하면서, 300 ℃ 의 온도에서 12 시간 건조시켜 건조 분말을 얻었다. 이 건조 분말을 건조기로부터 꺼내고, 롤 크러셔를 사용하여 분쇄하였다. 이 때 롤 간극을 0.9 ㎜, 롤 회전수를 150 rpm 으로 조정하여 실시하였다. 분쇄된 건조 분말을 메시 간격 850 ㎛ 및 메시 간격 950 ㎛ 의 진동 체를 사용해서 분급하여, 평균 입경 D50 이 895 ㎛ 인 실리카 분말을 얻었다.
마지막으로, 분쇄된 분말을 소성용 용기에 넣고, 이 소성용 용기를 소성로에 투입하여, 소성로 내에 아르곤을 10 ℓ/min 의 유량으로 흐르게 하면서, 1200 ℃ 의 온도에서 48 시간 유지함으로써, 합성 비정질 실리카 분말을 얻었다. 이 구상화 처리를 실시하지 않는 실리카 분말을 비교예 8 로 하였다.
Figure pct00001
실시예 1 ? 4 및 비교예 1 ? 8 에서 얻어진 분말에 대해, 다음에 서술하는 방법에 의해 평균 입경 D50, BET 비표면적, 이론 비표면적, BET 비표면적/이론 비표면적, 진밀도, 입자 내 공간율 및 구상화율을 측정하였다. 이들 결과를 다음의 표 2 에 나타낸다.
(1) 평균 입경 D50 : 레이저 회절 산란식 입자 분포 측정 장치 (형식명 : HORIBA LA-950) 에 의해 측정한 입자 분포 (직경) 의 중앙값을 3 회 측정하고, 이 평균값을 산출하였다.
(2) BET 비표면적 : 측정 장치 (QUANTACHROME AUTOSORB-1 MP) 를 사용한 BET 3 점법에 의해 측정하였다. BET 3 점법은, 상대 압력 3 점에 대한 질소 흡착량으로부터 기울기 A 를 구하고, BET 식으로부터 비표면적값을 구하였다. 질소 흡착량의 측정은, 150 ℃, 60 분의 조건하에서 실시하였다.
(3) 이론 비표면적 : 다음 식 (1) 에 있어서, D 를 분말의 평균 입경 D50, ρ 를 진밀도 2.2 g/㎤ 로 가정하고, 다음 식 (2) 로부터 산출하였다.
이론 비표면적 ＝ 6/(D × ρ) (1)
분말의 이론 비표면적 ＝ 2.73/D50 (2)
(3) BET 비표면적/이론 비표면적 : 상기 측정한 비표면적 및 이론 비표면적으로부터 산출하였다.
(4) 진밀도 : JIS R 7212 카본 블록의 측정 방법 (d) 진비중 측정에 준하여, 진밀도 측정을 3 회 실시하고, 이 평균값을 산출하였다.
(5) 입자 내 공간율 : 얻어진 분말을 수지에 매립을 실시하고, 그것을 연마하여 분말 단면을 낸다. 분말 단면을 SEM (주사형 전자 현미경) 에 의해 관찰하였다. 50 개의 분말 입자에 대해 단면적과 입자 내에 공간이 있으면 그 공간의 면적을 측정하고, 다음 식 (4) 로부터 산출하였다.
입자 내 공간율 ＝ 입자 내 공간 총 면적/입자단 총 면적 (4)
(6) 구상화율 및 원형도 : 도 4 에 나타내는 입도?형상 분포 측정기 (주식회사 세이신 기업 PITA-1) 로 2 회 측정하고, 이 평균값을 산출하였다. 구체적으로는, 먼저, 분말을 액체에 분산시키고, 이 액체를 평면 신장 유동셀 (51) 에 흐르게 하였다. 평면 신장 유동셀 (51) 내로 이동하는 분말 입자 (52) 200 개를, 대물 렌즈 (53) 로 화상으로서 기록하고, 이 기록 화상 및 다음 식 (3) 으로부터 원형도를 산출하였다. 식 (3) 중, S 는 촬영한 기록 화상의 입자 투영도에 있어서의 면적, L 은 입자 투영도의 주위 길이를 나타낸다. 이와 같이 하여 산출된 입자 200 개의 평균값을 분말의 원형도로 하였다.
원형도 ＝ 4 πS/L2 (3)
구상화율은, 분말 입자 200 개 중에 함유되는 원형도가 0.60 ? 1.00 인 범위로 분류된 분말 입자의 비율이다.
＜비교 시험 및 평가 1＞
실시예 1 ? 4 및 비교예 1 ? 8 에서 얻어진 분말을 사용하여, 세로 20 ㎜ × 가로 20 ㎜ × 높이 40 ㎜ 의 직육면체의 블록재를 각각 제조하고, 블록재에 발생한 기포의 개수를 평가하였다. 이 결과를 다음의 표 2 에 나타낸다. 구체적으로는, 카본 도가니에 분말을 넣고, 이것을 2.0 × 104 ㎩ 진공 분위기하에서 카본 히터로 2200 ℃ 로 가열시키고, 48 시간 유지함으로써 블록재를 제조하였다. 이 블록재를 5.0 × 102 ㎩ 진공 분위기하에서 1600 ℃ 의 온도에서 48 시간의 열 처리를 실시하였다. 열 처리 후, 블록재의 높이 20 ㎜ 의 위치에서 가로세로 20 ㎜ × 20 ㎜ 의 단면으로 잘라내고, 연마를 실시하여 블록재의 표면으로부터, 깊이 2 ㎜, 폭 2 ㎜ 영역에서 관찰된 기포의 개수를 평가하였다.
Figure pct00002
표 1 및 표 2 로부터 분명한 바와 같이, 실시예 1 ? 4 의 분말을 사용하여 제조한 블록은, 구상화 처리를 실시하지 않는 종래의 분말을 사용하여 제조한 비교예 6 ? 8 과 비교하면, 발생한 기포의 수가 대폭 저감되어 있는 것을 알 수 있다. 또, 실시예 1 ? 4 와 비교예 1 ? 5 를 비교하면, 모두 구상화 처리를 실시하였음에도 불구하고, 실시예 1 ? 4 에서는, 비교예 1 ? 5 에 비해 발생한 기포의 수가 대폭 저감되어 있는 것을 알 수 있다.
＜비교 시험 및 평가 2＞
실시예 1 ? 4 및 비교예 1 ? 8 에서 얻어진 분말의 불순물 농도를 이하의 (1) ? (5) 의 방법에 의해 분석 또는 측정하였다. 그 결과를 다음의 표 3 에 나타낸다.
(1) Na, K, Ca, Fe, Al, P : 분말을 불화수소산 및 황산으로 가열 분해시키고, 가열 응축 후에 희질산을 사용하여 정용 액체를 제조하였다. 이 정용 액체에 대해, 고주파 유도 결합 플라즈마 질량 분석계 (형식명 : SII?나노테크놀로지 SPQ9000) 에 의해 분석을 실시하였다.
(2) B : 분말을 불화수소산으로 가열 분해시키고, 가열 응축 후에 초순수를 사용하여 정용 액체를 제조하였다. 이 정용 액체에 대해, 고주파 유도 결합 플라즈마 질량 분석계 (형식명 : SII?나노테크놀로지 SPQ9000) 에 의해 분석을 실시하였다.
(3) C : 분말에 조연제로서 철, 텅스텐, 주석을 첨가하고, 산소 분위기에서 고주파로 연소-적외선 흡수법 (형식명 : HORIBA EMIA-920V) 으로 분석을 실시하였다.
(4) Cl : 분말에 초순수를 혼합하고, 초음파하에서 Cl 을 침출시킨다. 원심 분리기에 의해 합성 비정질 실리카 분말과 침출액을 분리하고, 침출액을 이온 크로마토그래피 (형식명 : 다이오넥스 DX-500) 에 의해 분석을 실시하였다.
(5) OH : 푸리에 변환형 적외선 분광 분석계 (형식명 : 서모피셔 Nicolet 4700FT-IR) 에 의해, 3660 ㎝-1 부근의 피크 높이에 의해 측정하였다.
Figure pct00003
표 3 으로부터 분명한 바와 같이, 실시예 1 ? 4 의 분말은 비교예 1 ? 8 의 분말과 비교하여, 고온 및 감압하에 있어서의 합성 실리카 유리 제품 중의 기포의 발생 또는 팽창의 원인이 되는 가스 성분이 될 수 있는 수산기 및 탄소 농도가 낮은 것을 알 수 있다.
산업상 이용가능성
본 발명의 합성 비정질 실리카 분말은, 반도체 용도의 단결정 제조에 사용하는 도가니나 지그류 등의 합성 실리카 유리 제품을 제조하는 원료로서 사용된다.

Claims (1)

  1. 실리카 분말에 구상화 처리를 실시한 후, 세정하지 않고 소성하여 얻어진 합성 비정질 실리카 분말로서,
    BET 비표면적을 평균 입경 D50 으로부터 산출한 이론 비표면적으로 나눈 값이 1.93 이하, 진밀도가 2.10 g/㎤ 이상, 입자 내 공간율이 0.05 이하, 원형도가 0.50 이상 및 구상화율이 0.20 이상이며, 표면에 실리카 미분말이 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 합성 비정질 실리카 분말.
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