KR20200030707A

KR20200030707A - 합성석영분말의 제조방법

Info

Publication number: KR20200030707A
Application number: KR1020180109098A
Authority: KR
Inventors: 김윤수; 박종락
Original assignee: 주식회사 삼에스코리아; 주식회사 삼에스머티리얼즈
Priority date: 2018-09-12
Filing date: 2018-09-12
Publication date: 2020-03-23
Also published as: CN110894072A; KR102141829B1; JP6783289B2; JP2020040868A

Abstract

본 발명은 합성석영분말의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 일실시 예에 따른 합성석영분말의 제조방법은 규산알카리수용액을 제조하는 단계, 규산알카리수용액을 희석 및 냉각시키는 단계, 규산알카리수용액을 이온 교환하여 콜로이드 실리카 졸 수용액을 제조하는 단계, 콜로이드 실리카 졸 수용액에 제1 첨가제를 첨가하여 해리 용출 및 이온 교환하는 단계, 콜로이드 실리카 졸 수용액에 제2 첨가제를 첨가하여 콜로이드 실리카의 입경을 성장시키는 단계, 콜로이드 실리카 졸 수용액을 여과, 농축, 첨가하여 습윤 겔을 제조하는 단계, 습윤 겔에 함유된 수분을 제거하여 건조 실리카겔을 제조하는 단계, 건조 실리카겔을 가공하여 합성석영분말을 제조하는 단계를 포함한다.

Description

합성석영분말의 제조방법{Manufacturing method of synthetic quartz powder}

본 발명은 합성석영분말의 제조방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 졸-겔 제조법을 통해 합성석영유리 분말을 제조하기 위한 합성석영분말의 제조방법에 관한 것이다.

최근 광통신 분야, 반도체 산업 등에 사용되는 석영유리 제품에 대해서는 그 순도에 관하여 매우 엄격한 관리가 이루어지고 있다.

이와 같은 고순도의 석영유리는 천연 석영을 분쇄하여 획득한 모래 형상의 천연 석영분말(또는 샌드(sand)라고 한다)을 원료로 사용하여 유리 제품의 소재를 제조하는 방법과, 사염화규소의 산수소염(散水素炎) 중에서의 분해로 발생한 증기를 기판에 부착 및 성장시켜 얻어진 증기 덩어리를 사용하여 유리 제품의 소재를 제조하는 방법이 있다.

그러나, 상기한 사염화규소의 산수소염을 이용한 합성석영의 제조 방법은 대량생산이 가능하지만, 미세한 기포등의 불순물들이 함유하고 있어 포토마스크, 단결정 성장용 도가니 등의 반도체 산업에서는 문제가 발생하였으며, 이러한 문제를 해결하고자 (특허문헌 1)을 통해 문제점을 해결하고자 하였으며, (특허문헌 1)을 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

(특허문헌 1)은 고순도합성 실리카 분말의 제조 방법에 관한 것으로, 이에 따르면, 흄드실리카를 수산화 알칼리 금속 수용액을 반응시켜 규산 알칼리 금속 염수용액을 생성시키는 제1 공정, 획득한 규산 알칼리 금속 염수용액을 탈알칼리 처리 해서 pH를 9~11의 범위내로 실리카 수용액을 획득하는 제2 공정, 획득한 실리카 수용액을 양 이온 교환 처리하고, 해당 수용액의 pH를 2~3으로 하는 제3 공정, 획득한 실리카 수용액을 농축하고, 겔화시키는 제4 공정, 획득한 겔화물을 건조시키는 제5 공정, 건조한 겔화물을 분쇄하여 분쇄물을 획득하는 제6 공정, 분쇄물을 산수용액으로 처리하는 제7 공정, 산수용액으로 처리된 분쇄물을 건조 가스를 사용하여 1100~1300도로 소성하는 제8 공정을 포함한다.

그러나, 전술한 (특허문헌 1)은 페하(pH)를 조절하여 실리카 수용액의 이온교환 통과 시의 이온교환수지의 점도 증가 및 그에 따른 겔화 막힘을 방지하지만, 그 효과가 미비하며, 실리카 수용액이 이온교환수지를 통해 이온 교환이 이루어질 때 이온교환수지의 내구성이 낮아 빈번하게 이온교환수지를 교체해야하는 번거로움이 있었으며, 이온교환수지를 빈번하게 교체하게 되면서 합성석영 분말가루의 가격이 상승하는 문제점이 있다.

일본 등록특허공보 제6,141,710호

본 발명의 목적은 졸-겔 제조법을 통해 합성석영유리 분말을 제조하기 위한 합성석영분말의 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기 과제를 해결하기 위하여,

본 발명의 일실시 예에 따른 합성석영분말의 제조방법은

(a) 친수성 실리카와 수용성 알카리금속수산화물을 초순수에 가수분해시킨 이후, 1시간 이상 교반하여 이산화규소의 농도 15% 이상의 규산알카리수용액을 제조하는 단계;

(b) 상기 규산알카리수용액을 초순수로 희석시켜 이산화규소의 농도를 희석시키면서 1차 냉각을 실시한 이후, 칠러를 사용한 반응기 자체에서의 냉각 또는 별도의 칠러 유니트를 사용한 통액식 냉각 등을 사용하여 15 내지 20도의 범위 안으로 2차 냉각을 실시하며, 0 내지 5도 범위의 규산알카리수용액을 제조하는 단계;

(c) 상기 냉각된 규산알카리수용액을 이온교환탑에 주입하며, H+형 양 이온 교환 처리하여 콜로이드 실리카 졸 수용액을 제조하는 단계;

(d) 상기 콜로이드 실리카 졸 수용액에 제1 첨가제를 첨가하고, 이를 교반시켜 해리 용출 및 이온 교환 하는 단계;

(e) 상기 콜로이드 실리카 졸 수용액에 제2 첨가제를 첨가하고, 20 내지 80도 범위 안에서 교반시켜 콜로이드 실리카의 입경을 성장시키는 단계;

(f) 여과막에 상기 콜로이드 실리카 졸 수용액을 사용하여 이를 농축시키고, 암모니아수를 추가로 첨가하여 습윤 겔을 제조하는 단계;

(g) 상기 습윤 겔을 증발시킨 이후, 건조시켜 습윤 겔에 함유한 수분을 제거하며, 건조 실리카겔을 제조하는 단계;

(h) 상기 건조 실리카겔을 가공하여 합성석영분말을 제조하는 단계;

을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 합성석영분말의 제조방법에 있어서, 상기 (a) 단계의 친수성 실리카는 금속불순물의 함량이 1ppm미만 및 비표면적의 범위가 90~300m2/g인 흄실리카 또는 용융실리카 중 어느 하나를 선택할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 합성석영분말의 제조방법에 있어서, 상기 (a) 단계의 수용성 알카리금속수산화물은 수산화나트륨, 수산화칼륨 또는 수산화리튬 중에 어느 하나일 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 합성석영분말의 제조방법에 있어서, 상기 (a) 단계의 친수성 실리카 및 알카리금속수산화물의 몰비는 1 내지 4.5이며, 상기한 몰비로 상기 친수성 실리카 및 알카리금속수산화물을 반응시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 합성석영분말의 제조방법에 있어서, 상기 (b) 단계는 초순수의 온도가 0 내지 15도의 범위 이내일 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 합성석영분말의 제조방법에 있어서, 상기 (b) 단계에서 제조되는 규산알카리수용액은 이산화규소(SiO2)의 농도가 1 내지 6.5%의 범위 내로 제조될 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 합성석영분말의 제조방법에 있어서, 상기 (c) 단계의 이온교환탑은 공기 차단식 밀폐 구조로 이루어져 상기 규산알카리수용액의 이산화탄소를 흡수하여 규산이 겔로 석출되는 현상을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 합성석영분말의 제조방법에 있어서, 상기 (c) 단계의 이온교환탑은 상기 규산알카리수용액을 주입하기 전에 불활성 가스를 진공 치환 또는 압입송풍으로 주입하여 교환탑의 내부에 있는 공기를 제거할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 합성석영분말의 제조방법에 있어서, 상기 (d) 단계의 제1 첨가제는 염산, 질산, 황산 및 과산화수소 중 어느 하나를 선택하여 첨가할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 합성석영분말의 제조방법에 있어서, 상기 (d) 단계는 규산의 중합체 입자 내부에 결합된 알카리 금속 및 다가 금속 이온을 해리 용출 시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 합성석영분말의 제조방법에 있어서, 상기 (e) 단계의 제2 첨가제는 암모니아수 또는 아민 중 어느 하나를 선택하여 첨가할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 합성석영분말의 제조방법에 있어서, 상기 제2 첨가제는 전자급 이상의 약액을 사용하여 적하 속도를 분당 1L 미만으로 관리하여 상기 콜로이드 실리카의 국소 겔화를 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 합성석영분말의 제조방법에 있어서, 상기 (e) 단계에서 상기 콜로이드 실리카의 입경을 10nm 이상으로 성장시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 합성석영분말의 제조방법에 있어서, 상기 (f) 단계의 여과막은 공극 크기가 10 내지 15 nm로 구비되고, 내화학성의 소재로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 합성석영분말의 제조방법에 있어서, 상기 (f) 단계의 암모니아수는 전자급 이상의 약액을 사용하고, 적하 속도를 분당 1L 미만으로 제조할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 합성석영분말의 제조방법에 있어서, 상기 (f) 단계는 상기 암모니아수를 첨가한 이후, 고주파, 적외선 가열, 열풍 가열을 통해 습윤 겔을 제조할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 합성석영분말의 제조방법에 있어서, 상기 고주파, 적외선 가열, 열풍 가열은 160도 미만으로 가열하여 습윤 겔을 제조할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 합성석영분말의 제조방법에 있어서, 상기 (g) 단계는 수증기 분압이 낮은 불활성 가스에서의 적외선 히터로 상기 습윤 겔을 가열시켜 상기 습윤 겔에 함유된 수분을 증발시키고, 진공상태에서 건조시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 합성석영분말의 제조방법에 있어서, 상기 (h) 단계는

(h)-1. 상기 건조 실리카겔을 분쇄하여 실리카겔의 미립자를 생성하는 단계;

(h)-2. 상기 실리카겔의 미립자들을 산수용액 또는 초순수 중 어느 하나로 세정하는 단계;

(h)-3. 세정완료된 실리카겔을 건조하는 단계;

(h)-4. 건조실리카겔을 소성하는 단계;

를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 합성석영분말의 제조방법에 있어서, 상기 분쇄는 분쇄수단을 통해 분쇄되며, 상기 분쇄수단은 롤밀, 볼밀, 디스크밀, 젯트밀 중 어느 하나를 선택하여 상기 건조 실리카겔을 분쇄하며, 지르코늄 또는 합성석영의 소재로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 합성석영분말의 제조방법에 있어서, 상기 산수용액은 전자급 이상의 염산, 질산 황산 중 어느 하나를 선택하여 사용되고, 100도 이하의 온도에 가열 및 교반을 동시에 실시할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 다른 합성석영분말의 제조방법에 있어서, 상기 세정은 세정용기 내에서 이루어지며, 상기 세정 용기는 합성석영, 불소수지, 탄화구소, 질화규소 중 어느 하나인 소재일 수 있다.

본 발명의 일실시 예에 따른 합성석영분말의 제조방법에 있어서, 상기 건조는 진공 상태에서의 불활성가스를 주입시킨 이후, 300도 미만의 온도 내에서 건조시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 합성석영분말의 제조방법에 있어서, 상기 소성은 진공상태에서 건조공기 및 불활성 가스를 함께 주입시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 합성석영분말의 제조방법에 있어서, 상기 불활성 가스는 질소, 헬륨, 수소, 알곤 중 어느 하나를 선택하여 사용되며, 이슬점 -40도 이하의 가스를 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 합성석영분말의 제조방법에 있어서, 상기 소성온도는 100 내지 300도, 600 내지 1000도, 1200 내지 1300도로 구간을 구획하여 실시하며, 상기 건조실리카겔의 다공질을 폐공하여 합성석영분말을 제조할 수 있다.

이러한 해결 수단은 첨부된 도면에 의거한 다음의 발명의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명의 일실시 예에 따르면, 규산알카리수용액의 이산화규소의 농도 및 온도를 조절함으로써 규산알카리수용액의 겔화를 방지하고, 이온교환수지의 내구성이 저하되는 것을 방지하며, 이온교환수지의 교체주기를 증가시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따르면, 수증기 분압이 낮은 불활성 가스에서 적외선 히터 가열하여 습윤 겔에 함유된 수분을 증발시킨 이후, 진공상태에서 건조시킴으로써 동결, 해동 공정보다 에너지 비용이 절감되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 합성석영분말의 제조방법의 전체 공정순서를 나타내 보인 순서도.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 합성석영분말의 제조방법의 건조 실리카겔에서 합성석영분말을 제조하는 공정을 나타내 보인 순서도.

본 발명의 특이한 관점, 특정한 기술적 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 구체적인 내용과 일실시 예로부터 더욱 명백해 질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 일실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

이하, 본 발명의 일실시 예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 일실시 예에 따른 합성석영분말의 제조방법은 규산알카리수용액을 제조하는 단계(S100)와, 규산알카리수용액을 냉각하는 단계(S200)와, 콜로이드 실리카 졸 수용액을 제조하는 단계(S300)와, 해리 용출 및 이온 교환하는 단계(S400)와, 실리카의 입경을 성장시키는 단계(S500)와, 습윤 겔을 제조하는 단계(S600)와, 습윤 겔에 함유된 수분을 제거하여 건조실리카겔을 제조하는 단계(S700) 및 합성석영분말을 제조하는 단계(S800)를 포함한다.

먼저, 친수성 실리카 및 수용성 알카리금속수산화물을 초순수에 가수분해를 실시한 이후, 이를 교반시켜 이산화규소의 농도가 15% 이상 함유된 규산알카리슈용액을 제조한다(S100).

여기서, 친수성 실리카는 금속불순물의 함량이 1ppm미만이고, 비표면적의 범위가 90 내지 300m2/g인 흄실리카 또는 용융실리카 중 어느 하나를 선택하여 알카리금속수산화물과 가수분해를 실시할 수 있다.

수용성 알카리금속산화물은 수산화나트륨, 수산화칼륨 또는 수산화리튬 중 어느 하나일 수 있으며, 이산화규소(SiO2)의 농도가 15%이상이 되도록 친수성 킬리카를 첨가하여 가수분해를 실시하며, 알카리금속수산화물과 물이 발열반응함으로써 40도 미만의 열이 발생하면서 용해가 반응한다.

아울러, 친수성 실리카 및 수용성 알카리금속산화물의 몰비는 1 내지 4.5의 범위 안이며, 상기한 몰비로 친수성 실리카 및 수용성 알카리금속산화물을 반응시킬 수 있다.

상기한 방법으로 규산알카리수용액을 제조한 이후, 초순수를 첨가하여 규산알카리수용액을 희석시켜 이산화규소의 농도를 1 내지 6.5%의 범위내로 조절하면서 1차 냉각을 실시하며, 칠러를 사용하여 2차 냉각을 실시함으로써 0 내지 5도 범위 안의 규산알카리수용액을 제조할 수 있다(S200).

구체적으로, 1차 냉각은 규산알카리수용액(이산화규소의 농도 15%이상 함유)의 온도가 40도 내외로 이루어져 있으며, 0 내지 15도의 초순수를 첨가함으로써 이산화규소가 1 내지 6.5%의 농도로 희석이 이루어지면서, 규산알카리수용액의 온도가 40도에서 25 내지 30도로 이루어진다.

즉, 1차 냉각은 규산알카리수용액에 초순수를 첨가함으로써 희석 및 냉각을 동시에 실시할 수 있다.

1차 냉각을 완료한 규산알카리수용액은 반응기에 구비된 칠러를 통해 냉각을 실시하거나, 또는 별도의 칠러유니트를 사용하여 통액식 냉각 중 어느 하나를 선택하여 2차 냉각을 실시하며, 2차 냉각을 실시한 이후의 규산알카리수용액은 0 내지 5도의 온도로 이루어진다.

즉, 규산알카리수용액은 이산화규소의 농도를 희석 및 냉각시킴으로써 이온교환탑에 통과시킬 때 규산알카리수용액의 점도가 증가되는 것을 방지 및 겔화를 방지하는 효과가 있다.

또한, 규산알카리수용액은 겔화를 방지하기 위해 이산화규소(실리카)의 농도, 페하(pH), 온도를 조절하는 방법 중 어느 하나를 선택하여 실시하는데, 페하(pH)로 조절하는 경우에는 이온교환수지의 내구성이 현저하게 낮아져 이온교환수지를 빈번하게 교체해줘야하는 단점이 있어, 이산화규소(실리카)의 농도 및 온도를 조절하는 방법을 이용하여 이온교환수지의 내구성을 보장하고, 실리카가 겔화되는 것을 방지할 수 있다.

0 내지 5도 범위의 규산알카리수용액은 이온교환탑에 주입하고, H+형 양 이온교환을 실시하여 콜로이드 실리카 졸 수용액을 제조할 수 있다(S300).

여기서, 이온교환탑은 이산화규소의 농도를 조절할 때 공기에 함유된 이산화탄소와 접촉하면 실리카의 겔화가 촉진(규산이 겔로 석출되는 현상)되므로, 공기차단식 밀폐구조로 이루어져 이온교환이 이루어진다.

또한, 규산알카리수용액은 이온교환탑에 주입하기 전에 교환탑의 내부를 불활성 가스를 진공 치환 또는 압입송풍으로 주입하여 교환탑의 내부에 공기를 제거함으로써 콜로이드 졸 실리카 수용액을 제조할 때 겔화현상을 방지할 수 있다.

이러한 공정으로 제조된 콜로이드 실리카 졸 수용액은 1 내지 3 페하(pH)의 범위 안에서 제조된다.

콜로이드 실리카 졸 수용액은 제1 첨가제를 첨가하고 이를 교반시켜 해리 용출 및 이온교환을 할 수 있다(S400).

제1 첨가제는 염산, 질산, 황산 및 과산화수소 중 어느 하나이며, 합성석영의 분말의 고순도화를 위하여 전자급 이상의 약액을 사용한다.

제1 첨가제를 콜로이드 실리카 졸 수용액에 첨가한 이후, 교반시켜 규산의 중합체 입자 내부에 결합된 알카리 금속 및 다가 금속 이온을 해리 용출한다.

해리 용출 시킨 이후, 이온교환을 실시할 때, 규산알카리수용액을 이온교환탑에 주입하여 콜로이드 졸 실리카 수용액을 제조할 때와 동일하게 공기 차단식 밀폐구조의 이온교환탑을 사용하고, 불활성 가스를 진공 치환 또는 압입송풍으로 이온교환탑의 내부에 주입하여 공기를 제거한 이후, 콜로이드 실리카 졸 수용액을 이온교환을 실시한다.

즉, S300 및 S400에서 실시하는 이온교환탑은 주입하는 용액(규산알카리수용액 및 콜로이드 실리카 졸 수용액)만 서로 상이할 뿐 제조되는 방법은 동일하다.

해리 용출 및 이온교환이 완료된 콜로이드 실리카 졸 수용액은 추가로 제2 첨가제를 첨가한 이후 이를 교반시켜 실리카의 입경을 성장시킬 수 있다(S500).

여기서 제2 첨가제는 전자급 이상의 약액의 암모니아수 또는 아민 중 어느 하나이며, 페하(pH)의 변화폭을 최소화하기 위해 적하 속도를 분당 1L로 제어함으로써 콜로이드 실리카 졸 수용액의 국소 겔화를 방지할 수 있다.

이러한 제2 첨가제는 콜로이드 실리카 졸 수용액에 첨가되어 20 내지 80도 범위의 온도에서 교반시켜 실리카의 입경을 10nm이상으로 성장시킬 수 있다.

이후, 콜로이드 실리카 졸 수용액은 여과, 농축, 첨가를 통해 습윤 겔을 제조할 수 있다(S600).

구체적으로, 콜로이드 실리카 졸 수용액은 별도의 여과막을 통해 콜로이드 실리카 졸 수용액을 여과시킨 이후, 이를 농축하여 실리카 입자의 농도를 증가시킬 수 있다.

또한, 콜로이드 실리카 졸 수용액을 여과시키는 여과막은 내화학성의 소재로 이루어져 콜로이드 실리카 졸 수용액의 산기에 따른 용출을 방지하며, 공극의 크기가 10 내지 15 nm의 범위로 이루어져 해당 공극 크기 미만의 수분만 여과시킬 수 있도록 구성된다.

여과 및 농축을 실시한 콜로이드 실리카 졸 수용액은 이후 암모니아수를 추가로 첨가하고, 고주파, 적외선 가열, 열풍 가열을 통해 습윤 겔을 제조할 수 있다.

여기서, 상기한 가열 수단은 160도 미만으로 가열함으로써 겔화반응을 촉진할 수 있고, 콜로이드 실리카 입자의 급격한 응집으로 인한 큰 공극 생성을 방지하며, 후에 제조할 합성석영유리의 기포 발생을 억제 할 수 있다.

이후, 습윤 겔은 증발 및 건조를 통해 습윤 겔에 함유된 수분을 제거하여 건조 실리카겔을 제조할 수 있다(S700).

구체적으로, 습윤 겔에서 건조 실리카겔을 제조할 수 있는 방법은 증발, 건조를 공정을 통해 건조 실리카겔을 제조하는 방법 및 동결, 해동 공정을 통해 건조 실리카겔을 제조하는 방법이 있으며, 수증기 분압이 낮은 불활성 가스에서 적외선 히터 가열을 가열하여 습윤 겔에 함유된 수분을 증발시킨 이후, 진공상태에서 건조시키는 공정이 동결, 해동 공정보다 에너지 비용이 절감되는 효과가 있으므로, 본 발명에서는 증발, 건조 공정을 통해 습윤 겔에 함유된 수분을 제거한다.

이러한 공정으로 습윤 겔은 건조 실리카겔로 제조할 수 있으며, 이후에 별도의 공정을 통해 합성석영분말을 제조할 수 있다(S800).

구체적으로, 건조 실리카겔은 분쇄하여 실리카겔의 미립자를 생성하고(S810), 생성된 실리카겔의 미립자를 산수용액 및 초순수로 세정하며(S820), 세정된 실리카겔의 미립자를 건조(S830) 및 소성(S840)순으로 공정하여 합성석영분말을 제조할 수 있다.

건조 실리카겔을 분쇄하는 단계(S810)는 분쇄 수단을 통해 건조 실리카겔을 분쇄하며, 분쇄 수단은 롤밀, 볼밀, 디스크밀, 젯트밀 중 어느 하나를 선택하여 구성될 수 있다.

분쇄 수단은 건조 실리카겔에 접촉되는 부분이 지르코늄, 합성석영의 소재로 이루어져 분쇄 수단의 산화를 방지하며, 내구도 향상의 효과가 있다.

이러한 분쇄 수단을 통해 분쇄된 건조 실리카겔의 분쇄물은 소성 시의 체적 수축을 고려하여 250 내지 500um의 범위의 입경으로 분쇄된다.

상기한 공정으로 분쇄된 건조 실리카겔의 분쇄물은 산수용액 또는 초순수 중 어느 하나를 선택하여 세정할 수 있다(S820).

산수용액은 전자급 이상의 염산, 질산, 황산 중 어느 하나이며, 100도 이하의 온도에서 가열 및 교반을 동시에 실시하여 분쇄물을 세정한다.

여기서, 세정을 실시하는 세정 용기는 합성석영, 불소수지, 탄화규소, 질화규소 중 어느 하나인 소재로 이루어져 세정 용기로부터의 불순물 용출 오염을 방지할 수 있다.

세정(S820)이 완료된 이후, 분쇄물은 세정하면서 유입된 수분을 제거하기 위해 건조한다(S830).

분쇄물은 진공상태에서 불활성 가스를 주입하여 고주파 가열 등의 가열 수단으로 분쇄물을 300도 미만의 온도 범위 안에서 가열하여 건조 실리카겔의 분쇄물의 세공이 폐공되지 않도록 한다.

또한, 분쇄물은 분급을 실시할 수 있다(S831).

분급에 사용되는 입도선별기의 망의 소재는 나일론, 불소수지, 폴리프로칠렌을 포함하는 고분자 플라스틱 및 상기한 플라스틱 소재로 코팅된 스테인레스(SUS) 중 어느 하나를 선택하여 건조 실리카겔의 강한 경도(모스경도5)에 의한 긁힘으로 인해 외부에서 불순물이 유입되는 것을 방지할 수 있다.

여기서, 분급이 완료된 건조 실리카겔의 입경은 소성 시 체적 수축을 고려하여 250 내지 500um의 범위 안에서 제조되는 것이 바람직하다.

분급, 건조 단계가 완료된 건조 실리카겔은 소성하여 합성석영분말을 제조할 수 있다(S840).

구체적으로, 건조 실리카겔은 진공 상태에서 건조공기 및 불활성 가스를 주입하여 소성을 실시하며, 실라놀기를 제거하기 위해 이슬점 -40 이하의 불활성 가스를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 불활성 가스는 질소, 헬륨, 수소, 알곤 중 어느 하나이며, 이 중 질소는 질화의 가능성이 있기 때문에 고온에서의 사용 시에는 주의가 필요하다.

소성온도는 표면흡착수 기인 실라놀기, 내부 실라놀기, 고립 실라놀기 제거를 실시하기 위해 100 내지 300도, 600 내지 1000도, 1200도 내지 1300도 구간으로 구획하여 소성을 실시하며, 건조 실리카겔의 다공질을 폐공하여 합성석영유리의 분말을 제조한다.

이상 본 발명을 일실시 예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 *는 이에 한정되지 않는다. 그리고 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다", 또는 "가지다", 등의 용어는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 해당 구성요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 하며, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.

또한, 이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형 가능하다. 따라서, 본 발명에 개시된 일실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 일실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

(a) 친수성 실리카와 수용성 알카리금속수산화물을 초순수에 가수분해시킨 이후, 1시간 이상 교반하여 이산화규소의 농도 15% 이상의 규산알카리수용액을 제조하는 단계;
(b) 상기 규산알카리수용액을 초순수로 희석시켜 이산화규소의 농도를 희석시키면서 1차 냉각을 실시한 이후, 칠러를 사용한 반응기 자체에서의 냉각 또는 별도의 칠러 유니트를 사용한 통액식 냉각 등을 사용하여 15 내지 20도의 범위 안으로 2차 냉각을 실시하며, 0 내지 5도 범위의 규산알카리수용액을 제조하는 단계;
(c) 상기 냉각된 규산알카리수용액을 이온교환탑에 주입하며, H+형 양 이온 교환 처리하여 콜로이드 실리카 졸 수용액을 제조하는 단계;
(d) 상기 콜로이드 실리카 졸 수용액에 제1 첨가제를 첨가하고, 이를 교반시켜 해리 용출 및 이온 교환 하는 단계;
(e) 상기 콜로이드 실리카 졸 수용액에 제2 첨가제를 첨가하고, 20 내지 80도 범위 안에서 교반시켜 콜로이드 실리카의 입경을 성장시키는 단계;
(f) 여과막에 상기 콜로이드 실리카 졸 수용액을 사용하여 이를 농축시키고, 암모니아수를 추가로 첨가하여 습윤 겔을 제조하는 단계;
(g) 상기 습윤 겔을 증발시킨 이후, 건조시켜 습윤 겔에 함유한 수분을 제거하며, 건조 실리카겔을 제조하는 단계;
(h) 상기 건조 실리카겔을 가공하여 합성석영분말을 제조하는 단계;
을 포함하는 합성석영분말의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 (a) 단계의 친수성 실리카는 금속불순물의 함량이 1ppm미만 및 비표면적의 범위가 90~300m2/g인 흄실리카 또는 용융실리카 중 어느 하나인 합성석영분말의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 (a) 단계의 수용성 알카리금속수산화물은 수산화나트륨, 수산화칼륨 또는 수산화리튬 중에 어느 하나인 합성석영분말의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 (a) 단계의 친수성 실리카 및 알카리금속수산화물의 몰비는 1 내지 4.5이며, 상기한 몰비로 상기 친수성 실리카 및 알카리금속수산화물을 반응시키는 합성석영분말의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 (b) 단계는 초순수의 온도가 0 내지 15도인 합성석영분말의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 (b) 단계에서 제조되는 규산알카리수용액은 이산화규소(SiO2)의 농도가 1 내지 6.5%인 합성석영분말의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 (c) 단계의 이온교환탑은 공기 차단식 밀폐 구조로 이루어져 상기 규산알카리수용액의 이산화탄소를 흡수하여 규산이 겔로 석출되는 현상을 방지하는 합성석영분말의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 (c) 단계의 이온교환탑은 상기 규산알카리수용액을 주입하기 전에 불활성 가스를 진공 치환 또는 압입송풍으로 주입하여 교환탑의 내부에 있는 공기를 제거하는 합성석영분말의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 (d) 단계의 제1 첨가제는 염산, 질산, 황산 및 과산화수소 중 어느 하나인 합성석영분말의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 (d) 단계는 규산의 중합체 입자 내부에 결합된 알카리 금속 및 다가 금속 이온을 해리 용출 시키는 합성석영분말의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 (e) 단계의 제2 첨가제는 암모니아수 또는 아민 중 어느 하나인 합성석영분말의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제2 첨가제는 전자급 이상의 약액을 사용하여 적하 속도를 분당 1L 미만으로 관리하여 상기 콜로이드 실리카의 국소 겔화를 방지하는 합성석영분말의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 (e) 단계에서 상기 콜로이드 실리카의 입경을 10nm 이상으로 성장시키는 합성석영분말의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 (f) 단계의 여과막은 공극 크기가 10 내지 15 nm로 구비되고, 내화학성의 소재로 이루어지는 합성석영분말의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 (f) 단계의 암모니아수는 전자급 이상의 약액을 사용하고, 적하 속도를 분당 1L 미만으로 제조하는 합성석영분말의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 (f) 단계는 상기 암모니아수를 첨가한 이후, 고주파, 적외선 가열, 열풍 가열을 통해 습윤 겔을 제조하는 합성석영분말의 제조방법.
청구항 16에 있어서,
상기 고주파, 적외선 가열, 열풍 가열은 160도 미만으로 가열하여 습윤 겔을 제조하는 합성석영분말의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 (g) 단계는 수증기 분압이 낮은 불활성 가스에서의 적외선 히터로 상기 습윤 겔을 가열시켜 상기 습윤 겔에 함유된 수분을 증발시키고, 진공상태에서 건조시키는 합성석영분말의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 (h) 단계는
(h)-1. 상기 건조 실리카겔을 분쇄하여 실리카겔의 미립자를 생성하는 단계;
(h)-2. 상기 실리카겔의 미립자들을 산수용액 또는 초순수 중 어느 하나로 세정하는 단계;
(h)-3. 세정완료된 실리카겔을 건조하는 단계;
(h)-4. 건조실리카겔을 소성하는 단계;
를 더 포함하는 합성석영분말의 제조방법.
청구항 19에 있어서,
상기 분쇄는 분쇄수단을 통해 분쇄되며,
상기 분쇄수단은 롤밀, 볼밀, 디스크밀, 젯트밀 중 어느 하나를 선택하여 상기 건조 실리카겔을 분쇄하며, 지르코늄 또는 합성석영의 소재로 이루어지는 합성석영분말의 제조방법.
청구항 19에 있어서,
상기 산수용액은 전자급 이상의 염산, 질산 황산 중 어느 하나이며, 100도 이하의 온도에서 가열 및 교반하는 합성석영분말의 제조방법.
청구항 19에 있어서,
상기 세정은 세정용기 내에서 이루어지며,
상기 세정 용기의 소재는 합성석영, 불소수지, 탄화구소, 질화규소 중 어느 하나인 합성석영분말의 제조방법.
청구항 19에 있어서,
상기 건조는 진공 상태에서의 불활성가스를 주입시킨 이후, 300도 미만의 온도 내에서 건조시키는 합성석영분말의 제조방법.
청구항 19에 있어서,
상기 소성은 진공상태에서 건조공기 및 불활성 가스를 함께 주입시키는 합성석영분말의 제조방법.
청구항 19에 있어서,
상기 불활성 가스는 이슬점 -40도 이하의 질소, 헬륨, 수소, 알곤 중 어느 하나인 합성석영분말의 제조방법.
청구항 19에 있어서,
상기 소성온도는 100 내지 300도, 600 내지 1000도, 1200 내지 1300도로 구간을 구획하여 실시하며, 상기 건조실리카겔의 다공질을 폐공하여 합성석영분말을 제조하는 합성석영분말의 제조방법.