KR20180016047A - Magnesium oxide structure and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 산화 마그네슘 재료에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 산화 마그네슘 구조체 및 그 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a magnesium oxide material, and more particularly, to a magnesium oxide structure and a manufacturing method thereof.
온실 효과로 인한 이상 기후에 대응하여, 이산화탄소 포집 및 저장 기술이 빠르게 확대되고 있다. 상기 이산화탄소 포집 및 저장 기술은 이산화탄소 포집 방법에 따라 산화 칼슘, 산화 마그네슘 같은 다양한 물질이 이용되고 있다. 종래의 이산화탄소 흡착제는 주로 뛰어난 흡착능을 지닌 산화 칼슘을 사용하였다. 하지만, 산화 칼슘을 이용한 이산화탄소 흡착 반응은 600℃ 이상의 고온에서 반응이 일어난다. 따라서, 상온에서 날숨으로 인해 발생하는 이산화탄소에 대해, 상기 산화 칼슘을 이용한 흡착 반응이 일어나지 않는다. In response to abnormal weather caused by the greenhouse effect, CO2 capture and storage technologies are rapidly expanding. Various materials such as calcium oxide and magnesium oxide have been used for the carbon dioxide capture and storage technology according to the carbon dioxide capture method. The conventional carbon dioxide adsorbent mainly uses calcium oxide having excellent adsorptivity. However, the carbon dioxide adsorption reaction using calcium oxide occurs at a high temperature of 600 ° C or higher. Therefore, the adsorption reaction using the calcium oxide does not occur with respect to the carbon dioxide generated due to the exhalation at room temperature.
이에 상온에서 이산화탄소 흡착 반응이 일어나는 산화 마그네슘이 흡착제로이 이용되고 있다. 그러나, 상기 산화 마그네슘은 고온에서 사용되는 산화 칼슘과 달리 상온에서도 이산화탄소 흡착이 가능하지만, 이산화탄소 흡착능이 상기 산화 칼슘에 비하여 떨어지는 문제가 있다. As a result, magnesium oxide in which carbon dioxide adsorption reaction occurs at room temperature is used as an adsorbent. However, the magnesium oxide can adsorb carbon dioxide even at room temperature, unlike calcium oxide used at a high temperature, but has a problem that the carbon dioxide adsorbing ability is lower than that of the calcium oxide.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 이산화탄소 흡착능을 향상시킨 산화 마그네슘 구조체를 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a magnesium oxide structure having improved carbon dioxide adsorbing ability.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 상기 이점을 갖는 산화 마그네슘 구조체를 포함하는 흡착제를 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide an adsorbent comprising a magnesium oxide structure having the above advantages.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 전술한 이점을 갖는 산화 마그네슘 구조체의 제조 방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a magnesium oxide structure having the above-described advantages.
본 발명의 일 측면(aspect)에 따르면, 마그네슘을 포함하는 유기 전구체를 제공하는 단계; 상기 유기 전구체에 용매를 혼합하여 혼합 전구체를 제공하는 단계; 및 상기 혼합 전구체로부터 겔화(gelation) 공정을 통해 나노 기공을 갖는 산화 마그네슘 구조체를 형성하는 단계를 포함하는 산화 마그네슘 구조체의 제조 방법이 제공된다. According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: providing an organic precursor comprising magnesium; Mixing the organic precursor with a solvent to provide a mixed precursor; And forming a magnesium oxide structure having nano pores through a gelation process from the mixed precursor.
산화 마그네슘 구조체의 제조 방법은 상기 겔화(gelation) 공정의 결과물을 숙성하는 단계; 및 상기 결과물을 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다. A method for preparing a magnesium oxide structure includes: aging a result of the gelation process; And drying the resultant.
상기 유기 전구체는 마그네슘 메톡사이드, 마그네슘 에톡사이드, 마그네슘 아세테이트, 마그네슘 설페이트, 마그네슘 나이트레이트 및 마그네슘 하이드록사이드, 수산화마그네슘, 탄산수소마그네슘, 및 탄산마그네슘 중 하나일 수 있다. The organic precursor may be one of magnesium methoxide, magnesium ethoxide, magnesium acetate, magnesium sulfate, magnesium nitrate and magnesium hydroxide, magnesium hydroxide, magnesium hydrogencarbonate, and magnesium carbonate.
상기 산화 마그네슘 전구체는, 플루오린 및 페닐기 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. The magnesium oxide precursor may further include at least one of fluorine and a phenyl group.
상기 겔화(gelation) 공정은 가수분해 및 축중합 중 적어도 어느 하나의 반응을 포함할 수 있다. The gelation process may include at least one of hydrolysis and polycondensation.
상기 용매는 알코올계, 카보네이트계, 에테르계 또는 케톤계 용매일 수 있다. The solvent may be alcohol-based, carbonate-based, ether-based or ketone-based daily.
상기 혼합 전구체에 산 촉매(acid catalyst)를 첨가하는 단계를 더 포함할 수 있다. And adding an acid catalyst to the mixed precursor.
상기 산 촉매는 아세트산 또는 질산을 포함할 수 있다. The acid catalyst may comprise acetic acid or nitric acid.
본 발명의 다른 측면(aspect)에 따르면, 나노 기공들이 분포된 산화 마그네슘 구조체가 제공된다. According to another aspect of the present invention, there is provided a magnesium oxide structure in which nanopores are distributed.
상기 산화 마그네슘 구조체는 플루오린(fluorine) 및 페닐기(phenyl group) 중 적어도 하나를 함유할 수 있다. The magnesium oxide structure may contain at least one of fluorine and a phenyl group.
상기 산화 마그네슘 구조체는, 내부에 기공이 분포된 3차원 네트워크 구조를 갖는다. The magnesium oxide structure has a three-dimensional network structure in which pores are distributed.
상기 산화 마그네슘 구조체는 50 vol% 이상 95 vol%의 기공률을 갖는다. The magnesium oxide structure has a porosity of 50 vol% to 95 vol%.
상기 산화 마그네슘 구조체는 300 ㎡/g 내지 ~ 800 ㎡/g의 비표면적을 갖는 다. The magnesium oxide structure has a specific surface area of from 300 m 2 / g to 800 m 2 / g.
상기 산화 마그네슘 구조체의 평균 기공 직경(average pore diameter)은 10 nm 내지 50 nm 범위 내이다.The average pore diameter of the magnesium oxide structure is in the range of 10 nm to 50 nm.
본 발명의 또 다른 측면(aspect)에 따르면, 나노 기공들이 분포된 산화 마그네슘 구조체(porous structure)를 포함하는 흡착제가 제공된다. According to another aspect of the present invention there is provided an adsorbent comprising a porous structure in which nanopores are distributed.
본 발명의 실시예에 따르면, 졸-겔(sol-gel) 공정을 통해 나노 기공을 갖는 산화 마그네슘 구조체를 형성함으로써, 비표면적이 높아져 이산화탄소 흡착능이 향상된다. 또한, 상온에서도 이산화탄소 흡착이 가능하므로, 이산화탄소 흡착을 이용하는 방독면에 적용 가능하다. According to the embodiment of the present invention, by forming a magnesium oxide structure having nano pores through a sol-gel process, the specific surface area is increased and carbon dioxide adsorption ability is improved. Further, since carbon dioxide can be adsorbed even at room temperature, it can be applied to a gas mask using carbon dioxide adsorption.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 기공을 갖는 산화 마그네슘 구조체를 보여주는 도면이다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 기공을 갖는 산화 마그네슘 구조체의 제조 순서를 설명하기 위한 순서도이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 기공을 갖는 산화 마그네슘 구조체의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다. 1 is a view illustrating a magnesium oxide structure having nanopores according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart illustrating a manufacturing procedure of a magnesium oxide structure having nanopores according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
3A to 3D are views for explaining a method of manufacturing a magnesium oxide structure having nanopores according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.The embodiments of the present invention are described in order to more fully explain the present invention to those skilled in the art, and the following embodiments may be modified into various other forms, It is not limited to the embodiment. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be more faithful and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art.
도면에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 또한, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.Like numbers refer to like elements in the drawings. Also, as used herein, the term "and / or" includes any and all combinations of any of the listed items.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 또한, 본 명세서에서 단수로 기재되어 있다 하더라도, 문맥상 단수를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"이란 용어는 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.The terms used herein are used to illustrate the embodiments and are not intended to limit the scope of the invention. Also, although described in the singular, unless the context clearly indicates a singular form, the singular forms may include plural forms. Also, the terms "comprise" and / or "comprising" used herein should be interpreted as referring to the presence of stated shapes, numbers, steps, operations, elements, elements and / And does not exclude the presence or addition of other features, numbers, operations, elements, elements, and / or groups.
본 명세서에서 기판 또는 다른 층 "상에(on)" 형성된 층에 대한 언급은 상기 기판 또는 다른 층의 바로 위에 형성된 층을 지칭하거나, 상기 기판 또는 다른 층 상에 형성된 중간 층 또는 중간 층들 상에 형성된 층을 지칭할 수도 있다. 또한, 당해 기술 분야에서 숙련된 자들에게 있어서, 다른 형상에 "인접하여(adjacent)" 배치된 구조 또는 형상은 상기 인접하는 형상에 중첩되거나 하부에 배치되는 부분을 가질 수도 있다. Reference herein to a layer formed "on" a substrate or other layer refers to a layer formed directly on top of the substrate or other layer, or may be formed on intermediate or intermediate layers formed on the substrate or other layer Layer. ≪ / RTI > It will also be appreciated by those skilled in the art that structures or shapes that are "adjacent" to other features may have portions that overlap or are disposed below the adjacent features.
본 명세서에서, "아래로(below)", "위로(above)", "상부의(upper)", "하부의(lower)", "수평의(horizontal)" 또는 "수직의(vertical)"와 같은 상대적 용어들은, 도면들 상에 도시된 바와 같이, 일 구성 부재, 층 또는 영역들이 다른 구성 부재, 층 또는 영역과 갖는 관계를 기술하기 위하여 사용될 수 있다. 이들 용어들은 도면들에 표시된 방향뿐만 아니라 소자의 다른 방향들도 포괄하는 것임을 이해하여야 한다. 또한, 도면의 부재들의 참조 부호는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부재를 지칭한다. As used herein, the terms "below," "above," "upper," "lower," "horizontal," or " May be used to describe the relationship of one constituent member, layer or regions with other constituent members, layers or regions, as shown in the Figures. It is to be understood that these terms encompass not only the directions indicated in the Figures but also the other directions of the devices. In addition, reference numerals of members in the drawings refer to the same members throughout the drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 기공을 갖는 산화 마그네슘 구조체(100)를 보여주는 도면이다. FIG. 1 is a view showing a
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 나노 기공을 갖는 산화 마그네슘 구조체(100)는 서로 연결된 3차원 네트워크 구조를 가지며, 상기 3차원 네트워크 구조를 구성하는 골격들(frames) 사이 및 그 주위에 기공들이 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 산화 마그네슘 구조체(100)는 플루오린(F) 또는 페닐기를 더 포함할 수 있다. 상기 페닐기는 탄소와 수소로 이루어진 작용기로 -C6H5의 화학식을 지닌다. 또한, 산화 마그네슘 구조체(100)는 폴리머(바인더)나 섬유와 같은 별도의 보강을 위한 첨가물(additive)없이 산화 마그네슘의 선형 구조가 인접 선형 구조와 서로 일체화되어 연결되면서 3차원의 네트워크 골격을 형성할 수 있다. Referring to FIG. 1, a
일부 실시예에서, 산화 마그네슘 구조체(100)는 이에 함유된 플루오린 및/또는 페닐기에 의해 우수한 기계적 강도를 가질 수 있고, 이와 동시에 기공을 갖는 3차원 네트워크 구조에 의해 유연성(flexibility)한 특성을 가질 수 있다. 이는 상기 플루오린 또는 페닐기가 3차원 네트워크 구조 내에서 결함과 같이 작용하거나 유연성 있는 탄성체와 같이 작용하기 때문인 것으로 추측된다. 산화 마그네슘 구조체(100)가 유연성을 갖는다는 것은 산화 마그네슘 구조체(100)에 외력이 인가될 때, 어느 정도 수준의 외력까지는 이에 순응하여 산화 마그네슘 구조체(100)가 휘어졌다가 상기 외력이 제거될 때 원상태로 복원될 수 있다는 것을 의미한다. In some embodiments, the
산화 마그네슘 구조체(100)의 기공률은 10% 내지 99%의 범위 내이고, 바람직하게는 70% 내지 95%의 범위 내일 수 있으며, 요구되는 강도와 유연성을 고려하여 적절히 조절될 수 있다. 산화 마그네슘 구조체(100)가 높은 기공률을 갖는 경우, 산화 마그네슘 구조체(100)는 에어로겔(aerogel)이라 할 수 있다. 상기 기공률이 클수록 강도는 감소되지만 유연성은 강화될 수 있고, 기공률이 작아질수록 강도는 증가하면서 유연성은 약화될 수 있다. 그러나, 어느 경우에나, 본 발명의 실시예에 따르면, 3차원 네트워크 구조에 의해 높은 기공률을 가지면서도, 외부의 힘에 의해 쉽게 부서지거나 부러지지 않는 강도를 가질 수 있다. The porosity of the
일부 실시예에서, 산화 마그네슘 구조체(100)는 상기 플루오린 및/또는 페닐기에 의해 우수한 열 안정성을 가질 수 있다. 예를 들면, 페닐기는 약 600 ℃ 보다 높은 연소점을 가질 수 있고, 플루오린도 페닐기와 유사하게 높은 연소점(약 600℃ 이상)을 가질 수 있다. 따라서, 플루오린 및/또는 페닐기를 함유한 산화 마그네슘 구조체(100)는 약 500 ℃ 이상의 온도에서 붕괴 또는 분해되지 않는 고온 안정성을 가질 수 있다. 그러므로, 산화 마그네슘 구조체(100)는 우수한 기계적 강도 및 유연한 특성을 가지면서도, 이와 동시에, 우수한 열적 안정성을 가질 수 있다. In some embodiments, the
또한, 산화 마그네슘 구조체(100)가 폴리머(바인더)나 섬유와 같은 보강 첨가물을 포함하지 않는 경우, 상기 보강 첨가물에 의해 특성이 저하되는 문제, 예를 들면, 기공률 및 비표면적이 감소하고 열전도도 및 밀도가 상승하는 문제가 방지될 수 있다. 따라서, 산화 마그네슘 구조체(100)는 높은 기공률, 높은 비표면적, 낮은 열전도도 및 낮은 밀도를 가질 수 있다. In addition, when the
산화 마그네슘 구조체(100)는 약 300 ㎡/g 이상의 비표면적을 가질 수 있다. 또한, 산화 마그네슘 구조체(100)의 열전도도는 약 0.03 W/mk 이하로 낮을 수 있다. 한편, 산화 마그네슘 구조체(100)의 평균 기공 직경(average pore diameter)은, 10 nm 내지 0.5 mm 의 범위 내일 수 있다. 산화 마그네슘 구조체(100)의 기공들은 대체로 나노스케일(nanoscale)을 가질 수 있고, 이 경우, 산화 마그네슘 구조체(100)는 '나노 기공 구조체(nanopore structure)'라고 지칭될 수 있다. 경우에 따라, 산화 마그네슘 구조체(100)의 기공들 중 일부는 마이크로스케일(microscale)을 가질 수도 있다. The
또 다른 일부 실시예에서, 산화 마그네슘 구조체(100)는 함유된 플루오린이나 페닐기에 의해 소수성(hydrophobic property)을 가질 수 있다. 산화 마그네슘 구조체(100)가 소수성을 가질 때 수분 흡착에 의해 특성이 열화 또는 변성되는 문제를 감소 또는 억제할 수 있기 때문에, '소수성'은 다양한 응용 분야, 예를 들면 코팅 재료로 유용하게 작용할 수 있다. In some other embodiments, the
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 산화 마그네슘 구조체(100)는 고온 안정성과 유연성 및 우수한 기계적 강도를 가질 수 있고, 아울러, 높은 비표면적, 낮은 열전도도, 낮은 밀도(초경량성)와 소수성의 표면 특성을 가질 수 있다. 따라서, 산화 마그네슘 구조체(100)는 상용화 가능성 및 활용 가치를 크게 개선할 수 있다. As described above, the
또한, 본 발명의 실시예에서, 산화 마그네슘 구조체(100)의 높은 기공률과 높은 비표면적 특징을 이용하여, 상온에서 이산화탄소가 흡착이 가능한 흡착제로 활용할 수 있다. 이러한 흡착제는 방독면 기능향상을 위한 필터 흡착제로 이용가능 하다. 예컨대, 상기 방독면은 외부 유해 공기 유입을 차단시켜 호흡기를 보호하는 기구로써, 외부 공기 유입이 차단되어 산소 농도가 부족한 환경에서는 이용하기 어려울 수 있다. 따라서, 산소 농도가 부족한 환경에서도 방독면을 이용하기 위해서는 별도의 산소 공급 장치가 제공되거나 날숨을 필터링하는 모듈이 필요할 수 있다. 이를 위해, 상기 방독면 내에서 전술한 산화 마그네슘 구조체(100)를 활용하여 날숨에 의한 이산화탄소를 흡착 및 분리함으로써, 산소가 공급되지 않는 환경에서도 상기 방독면 이용이 가능하다. Further, in the embodiment of the present invention, utilizing the high porosity and high specific surface area characteristics of the
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화 마그네슘 구조체의 제조 순서를 설명하기 위한 순서도이다. FIG. 2 is a flowchart illustrating a procedure for manufacturing a magnesium oxide structure according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
도 2을 참조하면, 일 실시예에 따른 산화 마그네슘 구조체의 제조 방법은 산화 마그네슘 전구체를 제공하는 단계(S10), 상기 산화 마그네슘 전구체와 가수분해 및 축중합 중 적어도 어느 하나의 반응이 가능한 용매를 상기 산화 마그네슘 전구체에 첨가하여 혼합 전구체를 생성하는 단계(S20), 졸-겔(sol-gel) 공정을 통해 상기 혼합 전구체를 겔화(gelation) 시키는 단계(S30)를 포함한다. 상기 겔화 시키는 단계 이후에, 겔(gel)의 망목 구조를 강화하는 숙성 단계(S40) 및 상기 숙성된 겔을 건조하여 산화 마그네슘 구조체(100)를 형성하는 단계(S50)를 포함한다. Referring to FIG. 2, a method for preparing a magnesium oxide structure according to an exemplary embodiment of the present invention includes the steps of providing a magnesium oxide precursor (S10), adding a solvent capable of reacting with the magnesium oxide precursor to at least one of hydrolysis and polycondensation Adding a precursor to the magnesium oxide precursor to produce a mixed precursor (S20), and gelating the mixed precursor through a sol-gel process (S30). After the gelling step, an aging step (S40) for strengthening the mesh structure of the gel and a step (S50) for drying the aged gel to form the magnesium oxide structure (100).
S10 단계에서, 상기 산화 마그네슘 전구체는, 산화 마그네슘을 포함하는 유기 전구체일 수 있다. 상기 산화 마그네슘 전구체는 마그네슘 메톡사이드, 마그네슘 에톡사이드, 마그네슘 아세테이트, 마그네슘 설페이트, 마그네슘 나이트레이트 및 마그네슘 하이드록사이드를 포함할 수 있다. 그러나, 이는 예시적일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 상기 산화 마그네슘 전구체는, 수산화마그네슘, 탄산수소마그네슘 또는 탄산마그네슘, 브롬화에틸마그네슘, 디메틸마그네슘, 디에틸마그네슘, 할로겐화메틸마그네슘 중 하나일 수 있다. 상기 유기 전구체는 상온에서 액상 또는 고상일 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 산화 마그네슘 전구체는, 플루오린 및 페닐기 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 산화 마그네슘 유기 전구체는, 예를 들면, 상기 플루오린 및 상기 페닐기가 결합된 마그네슘 메톡사이드일 수 있다. In step S10, the magnesium oxide precursor may be an organic precursor including magnesium oxide. The magnesium oxide precursor may include magnesium methoxide, magnesium ethoxide, magnesium acetate, magnesium sulfate, magnesium nitrate, and magnesium hydroxide. However, it should be understood that the present invention is not limited thereto. For example, the magnesium oxide precursor may be one of magnesium hydroxide, magnesium hydrogencarbonate, magnesium carbonate, ethylmagnesium bromide, dimethylmagnesium, diethylmagnesium and magnesium halide magnesium. The organic precursor may be a liquid or solid at room temperature. In some embodiments, the magnesium oxide precursor may further comprise at least one of fluorine and a phenyl group. For example, the magnesium oxide organic precursor may be, for example, magnesium fluoride and magnesium methoxide to which the phenyl group is bonded.
S20 단계에서, 상기 용매는, 상기 산화 마그네슘 전구체와 가수분해 및 축중합 반응 중 적어도 어느 하나의 반응이 가능한 메탄올, 에탄올, 또는 이소프로필알코올과 같은 알코올계 용매일 수 있다. 그러나 용매(20)의 종류는 상기 알코올계 용매에 한정되지 않고, 상기 용매는, 예를 들면, 카보네이트계, 에테르계, 또는 케톤계 용매일 수 있다. 예를 들면, 상기 카보네이트계 용매는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트(DPC), 메틸프로필 카보네이트(MPC), 에틸프로필 카보네이트(EPC), 메틸에틸 카보네이트(MEC), 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 또는 부틸렌 카보네이트(BC)을 포함한다. 상기 에스테르계 용매는 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, n-프로필 아세테이트, 1,1-디메틸에틸 아세테이트, 메틸프로피오네이트, 에틸프로피오네이트, γ-부티로락톤, 데카놀라이드(decanolide), 발레로락톤, 메발로노락톤(mevalonolactone), 또는, 카프 로락톤(caprolactone)을 포함할 수 있다. In step S20, the solvent may be an alcohol-based solvent such as methanol, ethanol, or isopropyl alcohol capable of reacting with the magnesium oxide precursor and at least one of hydrolysis and polycondensation. However, the kind of the solvent 20 is not limited to the alcohol-based solvent, and the solvent can be, for example, a carbonate-based, ether-based, or ketone-based daily. For example, the carbonate-based solvent is selected from the group consisting of dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate (DPC), methylpropyl carbonate (MPC), ethylpropyl carbonate (EPC), methyl ethyl carbonate Ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), or butylene carbonate (BC). The ester solvent is selected from the group consisting of methyl acetate, ethyl acetate, n-propyl acetate, 1,1-dimethyl ethyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate,? -Butyrolactone, decanolide, , Mevalonolactone, or caprolactone. ≪ / RTI >
상기 유기 용매의 다른 예인, 상기 에테르계 용매는 디부틸 에테르, 테트라글라임, 디글라임, 디메톡시에탄, 2-메틸테트라히드로퓨란, 또는 테트라히드로퓨란을 포함할 수 있으며, 상기 케톤계 용매는 시클로헥사논을 포함할 수 있다. 상기 유기 용매는 단독으로 또는 하나 이상 혼합하여 사용할 수 있다. The ether solvent may include dibutyl ether, tetraglyme, diglyme, dimethoxyethane, 2-methyltetrahydrofuran, or tetrahydrofuran, and the ketone solvent may be cyclohexane Hexanone. ≪ / RTI > The organic solvents may be used alone or in combination.
S40 단계가 수행되는 경우, 상기 겔은 100 ℃ 이하의 상압에서 숙성될 수 있다. S50 단계가 수행되는 경우, 상기 겔은 상압에서 상압건조를 통하거나 또는 고온 및 고압의 상태에서 초임계 건조를 통하여 건조될 수 있다. 예컨데 초임계 건조는 고압 반응기 내에서 대략 300 ℃, 100 bar로 5 ~ 24 시간 동안 수행될 수 있다. 또한, S30 단계에서 전구체 용액에 소정의 촉매를 첨가하는 단계를 더 수행할 수 있다. 상기 촉매는, 예컨대, 아세트산(acetic acid)(C2H4O2)이나 질산(nitric acid)(HNO3) 등과 같은 산 촉매일 수 있다. 하지만, 본 발명에서는 이들에 제한되지 않는다. 예컨대, 상기 촉매는 NH4F 또는 염화수소(HCl) 또는 에틸렌 글리콜(ethylene glycol)일 수 있다. 이러한 전술한 과정들을 통해, 도 1에서 설명한 바와 같은 나노 기공을 갖는 산화 마그네슘 구조체(100)이 획득될 수 있다. When the step S40 is performed, the gel may be aged at an atmospheric pressure of 100 DEG C or lower. When the step S50 is performed, the gel may be dried through atmospheric pressure drying at normal pressure or through supercritical drying at high temperature and high pressure. For example, supercritical drying can be carried out in a high pressure reactor at about 300 DEG C, 100 bar for 5 to 24 hours. Further, in step S30, a step of adding a predetermined catalyst to the precursor solution may be further performed. The catalyst may be an acid catalyst such as, for example, acetic acid (C2H4O2) or nitric acid (HNO3). However, the present invention is not limited thereto. For example, the catalyst may be NH4F or hydrogen chloride (HCl) or ethylene glycol. Through these processes, a
이상에서 설명한 실시예들에 따른 나노 기공을 갖는 산화 마그네슘 구조체(100)는 이산화탄소 흡착제로 사용될 수 있다. 또한, 산화 마그네슘 구조체(100)는, 단열(초단열) 재료, 방음 재료, 저유전 재료, 또는 가요성 전지의 분리막으로 적용될 수 있다. 또한, 산화 마그네슘 구조체(100)는 첨단 전자기기 및 우주 재료까지 다양한 산업 분야에 여러 가지 목적으로 활용될 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에 따른 산화 마그네슘 구조체(100)는 기존의 단열 재료를 대체할 수 있는 친환경 소재로 활용될 수 있고, 이 경우, 개선된 단열 성능으로 인해 열 에너지 손실을 상당히 낮출 수 있을 것으로 기대된다. 나아가, 산화 마그네슘 구조체(100)는 초경량성 및 초단열성의 특성을 갖기 때문에, 우주 산업에서 우주복이나 우주선 내부의 전자기기를 보호하는 소재로도 활용될 수 있다. 또한, 산화 마그네슘 구조체(100)는 기존 플라스틱 제품의 일부를 대체할 수 있는 물질로 활용될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 우수한 기계적 강도 및 유연성을 가지면서 높은 비표면적을 갖는 산화 마그네슘 구조체(100)를 구현할 수 있기 때문에, 재료(즉, 산화 마그네슘 구조체/나노 기공 구조체)의 상용화 가능성 및 활용 가치를 크게 개선할 수 있다. 여기서 구체적으로 제시한 응용 분야들은 예시적인 것이고, 그 밖에 다른 분야에도 다양하게 활용될 수 있다. 부가해서, 산화 마그네슘 구조체(100)의 형태 및 크기는 다양하게 변화될 수 있다. 예컨대, 산화 마그네슘 구조체(100)는 벌크(bulk) 형태가 아닌 박막이나 파티클 형태를 가질 수 있고, 그 밖에도 다양한 형태를 가질 수 있다. The
전술한 바와 같이, 상기 산화 마그네슘 전구체와 상기 용매를 통해 졸(sol)을 겔(gel)화 시키는 졸-겔 반응 공정을 이용하여 산화 마그네슘이 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 산화 마그네슘 전구체는 상기 용매와 균일하게 혼합된 후 가수분해 및 축중합 반응을 통하여 겔화된다. 일부 실시예에서, 상기 겔의 망목 구조를 강화시키는 숙성과정을 거친 후 건조를 통하여 나노 기공을 갖는 산화 마그네슘 구조체이 형성될 수 있다. 상기 형성된 산화 마그네슘 나노 기공 구조체는 내부에 미세 기공들이 존재하게 되고, 이러한 미세기공의 존재로 인하여 높은 비표면적 특성을 갖게 된다. As described above, magnesium oxide may be formed using a sol-gel reaction process that gels the sol through the magnesium oxide precursor and the solvent. In one embodiment of the present invention, the magnesium oxide precursor is homogeneously mixed with the solvent and then gelled through hydrolysis and polycondensation. In some embodiments, after aging to enhance the mesh structure of the gel, the magnesium oxide structure having nanopores may be formed through drying. The formed magnesium oxide nanoporous structure has fine pores inside and has a high specific surface area due to the existence of such fine pores.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화 마그네슘 구조체(100)의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다. 3A to 3D are views for explaining a method of manufacturing the
도 3a를 참조하면, 소정의 용기(이하, 제1 용기)(C1) 내에 산화 마그네슘 전구체(10)를 마련할 수 있다. 상기 산화 마그네슘 전구체는 마그네슘 메톡사이드, 마그네슘 에톡사이드, 마그네슘 아세테이트, 마그네슘 설페이트, 마그네슘 나이트레이트 및 마그네슘 하이드록사이드 중 하나를 포함할 수 있다. 그러나, 이는 예시적일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 상기 산화 마그네슘 전구체는, 수산화마그네슘, 탄산수소마그네슘 또는 탄산마그네슘, 브롬화에틸마그네슘, 디메틸마그네슘, 디에틸마그네슘, 할로겐화메틸마그네슘 중 하나를 포함할 수도 있다. 일부 실시예에서, 상기 산화 마그네슘 전구체는, 플루오린 및 페닐기 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3A, a
도 3b를 참조하면, 제2 용기(C2) 내에 용매(20)를 마련한 후, 산화 마그네슘 전구체(10)에 용매(20)를 혼합하여 혼합 전구체를 형성할 수 있다. 다음, 상기 혼합 전구체에 대한 교반 공정을 수행할 수 있다. 그 결과, 도 3c에 도시된 바와 같은 혼합 전구체(30)를 얻을 수 있다. 상기 용매(20)는, 상기 산화 마그네슘 전구체(10)와 가수분해 및 축중합 반응 중 적어도 어느 하나의 반응이 가능한 에틸렌 글리콜(ethylene glycol), 메탄올, 에탄올, 또는 이소프로필알코올과 같은 알코올계 용매일 수 있다. 그러나 용매(20)의 종류는 상기 알코올계 용매에 한정되지 않고, 상기 상기 용매는, 예를 들면, 카보네이트계, 에테르계, 또는 케톤계 용매일 수 있다.Referring to FIG. 3B, after the solvent 20 is provided in the second container C2, the solvent 20 may be mixed with the
도 3d를 참조하면, 일 실시예에서, 혼합 전구체(30)에 소정의 촉매(5)가 더를 첨가될 수 있다. 촉매(5)는 전구체 물질의 가수분해 반응을 유발 및/또는 촉진할 수 있다. 촉매(5)는, 예컨대, 산 촉매(acid catalyst)일 수 있다. 구체적인 예로, 촉매(5)는 아세트산(acetic acid)(C2H4O2), 또는 질산(nitric acid)(HNO3)을 포함할 수 있다. 그러나, 촉매(5) 물질은 이에 한정되지 않고 다양하게 변화될 수 있다. 촉매(5)를 첨가한 후, 분산을 위해 교반 공정이 더 수행될 수 있다. 상기 교반 공정은 수백 rpm 정도, 예컨대, 약 400 rpm 정도의 속도로 수행할 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. Referring to FIG. 3D, in one embodiment, a further
촉매(5)에 의한 혼합 전구체(30)의 가수분해 반응을 진행한 후, 축합 반응(condensation reaction)을 통한 겔화(gelation) 공정이 진행될 수 있다. 이러한 반응 공정(가수분해 반응 및 축합 반응)은 100 ℃ 이하의 상압에서 숙성 과정을 통해 수행될 수 있다. After the hydrolysis reaction of the
이후, 혼합 전구체(30)로부터 겔화된 물질에 대한 소정의 건조 공정을 수행하여, 겔화된 물질로부터 용매를 제거할 수 있다. 용매의 제거는 상압에서 상압건조를 통하거나 또는 고온 및 고압의 상태에서 초임계 건조를 통하여 수행될 수 있다. 초임계 건조의 경우 예를 들면, 약 300 ℃ 정도의 온도 및 약 100 bar 정도의 압력에서 5시간-24시간에 걸쳐 상기한 건조 반응 공정을 수행할 수 있다. 그러나, 이러한 온도 및 압력 조건은 예시적인 것에 불과하고, 반응 시간 및 반응 조건에 따라 다양하게 변화될 수 있다. 그 결과, 도 1에 도시된 바와 같은 산화 마그네슘 구조체(100)를 얻을 수 있다. 산화 마그네슘 구조체(100)의 3차원 네트워크는 플루오린 및 페닐기 중 적어도 하나가 함유할 수 있다. 산화 마그네슘 구조체(100)는 고온 안정성과 유연성 및 우수한 기계적 강도를 가질 수 있고, 아울러, 높은 비표면적, 낮은 열전도도, 낮은 밀도(초경량성)과 소수성의 표면 특성을 가질 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 산화 마그네슘 전구체(10), 용매(20) 및 촉매(5)의 종류, 농도, 사용양 등을 제어함으로써 산화 마그네슘 구조체(100)의 기공률, 기공 크기, 밀도, 기계적 강도가 조절할 수 있다. 예를 들면, 전구체(10)의 몰 농도 및 촉매(5)의 농도가 커질수록 기공률 및 기공 크기가 감소될 수 있으며, 그에 따라 경도가 증가될 수 있다. Thereafter, a predetermined drying process for the gelled material from the
도 3a 내지 도 3d를 참조하여 설명한 방법은 졸겔(sol-gel) 공정을 이용해서 산화 마그네슘 구조체(100)를 제조하는 방법이라고 할 수 있다. 도 3a 내지 도 3d에서 설명한 구체적인 공정 조건들은 예시적인 것에 불과하고, 경우에 따라, 다양하게 변화될 수 있다. The method described with reference to FIGS. 3A to 3D can be said to be a method of manufacturing the
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 구체적인 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 1의 산화 마그네슘 구조체 및 도 3a 내지 도 3d의 제조공정은 다양하게 변화될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한, 실시예들에 따른 산화 마그네슘 구조체는 단열 재료나 방음 재료, 우주 재료 이외에도 다양한 분야에 여러 가지 목적으로 적용될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 예컨대, 산화 마그네슘 구조체는 방독면의 흡착제로 활용될 수 있다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다. While many have been described in detail above, they should not be construed as limiting the scope of the invention, but rather as examples of specific embodiments. For example, those skilled in the art will appreciate that the magnesium oxide structure of FIG. 1 and the fabrication process of FIGs. 3a-3d may vary. In addition, it will be understood that the magnesium oxide structure according to the embodiments can be applied to various fields in addition to the heat insulating material, the sound insulating material, and the space material for various purposes. For example, the magnesium oxide structure can be utilized as an adsorbent on the respiratory surface. Therefore, the scope of the present invention is not to be determined by the described embodiments but should be determined by the technical idea described in the claims.
5 : 촉매
10 : 산화 마그네슘 전구체 20 : 용매
30 : 혼합 전구체
100 : 산화 마그네슘 구조체
C1 : 제1 용기
C2 : 제2 용기5: Catalyst
10: magnesium oxide precursor 20: solvent
30: mixed precursor 100: magnesium oxide structure
C1: first container C2: second container
Claims (15)
상기 유기 전구체에 용매를 혼합하여 혼합 전구체를 제공하는 단계; 및
상기 혼합 전구체로부터 겔화(gelation) 공정을 통해 나노 기공을 갖는 산화 마그네슘 구조체를 형성하는 단계를 포함하는 산화 마그네슘 구조체의 제조 방법. Providing an organic precursor comprising magnesium;
Mixing the organic precursor with a solvent to provide a mixed precursor; And
And forming a magnesium oxide structure having nanopores from the mixed precursor through a gelation process.
상기 겔화(gelation) 공정의 결과물을 숙성하는 단계; 및
상기 결과물을 건조하는 단계를 더 포함하는 산화 마그네슘 구조체의 제조 방법. The method according to claim 1,
Aging the result of the gelation process; And
And drying the resultant. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
상기 유기 전구체는 마그네슘 메톡사이드, 마그네슘 에톡사이드, 마그네슘 아세테이트, 마그네슘 설페이트, 마그네슘 나이트레이트 및 마그네슘 하이드록사이드, 수산화마그네슘, 탄산수소마그네슘, 및 탄산마그네슘 중 하나인 산화 마그네슘 구조체의 제조 방법.The method according to claim 1,
Wherein the organic precursor is one of magnesium methoxide, magnesium ethoxide, magnesium acetate, magnesium sulfate, magnesium nitrate and magnesium hydroxide, magnesium hydroxide, magnesium hydrogen carbonate, and magnesium carbonate.
상기 산화 마그네슘 전구체는, 플루오린 및 페닐기 중 적어도 하나를 더 포함하는 유기 전구체인 산화 마그네슘 구조체의 제조 방법. The method according to claim 1,
Wherein the magnesium oxide precursor is an organic precursor further comprising at least one of fluorine and a phenyl group.
상기 겔화(gelation) 공정은 가수분해 및 축중합 중 적어도 어느 하나의 반응을 포함하는 유기 전구체인 산화 마그네슘 구조체의 제조 방법. The method according to claim 1,
Wherein the gelation process is an organic precursor including at least one of hydrolysis and polycondensation.
상기 용매는 알코올계, 카보네이트계, 에테르계 또는 케톤계 용매인 산화 마그네슘 구조체의 제조 방법. The method according to claim 1,
Wherein the solvent is an alcohol-based, carbonate-based, ether-based or ketone-based solvent.
상기 혼합 전구체에 산 촉매(acid catalyst)를 첨가하는 단계를 더 포함하는 산화 마그네슘 구조체의 제조 방법. The method according to claim 1,
Further comprising adding an acid catalyst to the mixed precursor. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
상기 산 촉매는 아세트산 또는 질산을 포함하는 산화 마그네슘 구조체의 제조 방법.8. The method of claim 7,
Wherein the acid catalyst comprises acetic acid or nitric acid.
상기 산화 마그네슘 구조체는 플루오린(fluorine) 및 페닐기(phenyl group) 중 적어도 하나를 함유하는 산화 마그네슘 구조체. 10. The method of claim 9,
Wherein the magnesium oxide structure contains at least one of fluorine and a phenyl group.
상기 산화 마그네슘 구조체는, 내부에 기공이 분포된 3차원 네트워크 구조를 갖는 산화 마그네슘 구조체. 10. The method of claim 9,
Wherein the magnesium oxide structure has a three-dimensional network structure in which pores are distributed in the magnesium oxide structure.
상기 산화 마그네슘 구조체는 50 vol% 이상 95 vol%의 기공률을 갖는 산화 마그네슘 구조체. 10. The method of claim 9,
Wherein the magnesium oxide structure has a porosity of 50 vol% to 95 vol%.
상기 산화 마그네슘 구조체는 300 ㎡/g 내지 ~ 800 ㎡/g의 비표면적을 갖는 산화 마그네슘 구조체. 10. The method of claim 9,
Wherein the magnesium oxide structure has a specific surface area of from 300 m 2 / g to 800 m 2 / g.
상기 산화 마그네슘 구조체의 평균 기공 직경(average pore diameter)은 10 nm 내지 50 nm 범위 내인 산화 마그네슘 구조체. 10. The method of claim 9,
Wherein the average pore diameter of the magnesium oxide structure is in the range of 10 nm to 50 nm.
An adsorbent comprising a porous structure having nano pores distributed therein.
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Non-Patent Citations (2)
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Journal of Sol-Gel Science and Technology, Vol.13, pp.1043-1047 (1998)* * |
Thermochimica Acta, Vol.604, pp.45-51 (2015.01.28.)* * |
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