KR20210152782A - 실리콘 잉곳 성장로 Spill Tray용 내화단열재 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 실리콘 잉곳 성장로 Spill Tray용 내화단열재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 실리콘 잉곳 성장로 내부 히터에서 발생된 열이 챔버 하부로 방출되지 않도록 열을 차폐하기 위한 Spill Tray용 내화단열재에 관한 것이다.
본 발명에 따른 실리콘 잉곳 성장로 Spill Tray용 내화단열재는 제 1함침용 바인더에 실리카 섬유를 함침시켜 사이징된 실리카 섬유를 탄화처리하여 수득된 전처리 섬유를 펠트화하고, 제조된 펠트를 제 2함침용 바인더에 함침시킨 후 열가압성형하여 제조된 프리폼을 탄화 및 경화시킨 것임을 특징으로 한다.

Description

실리콘 잉곳 성장로 Spill Tray용 내화단열재{Refractory Insulation Material for Spill Tray of Single Crystal Silicon Ingot Growth}
본 발명은 실리콘 잉곳 성장로 Spill Tray용 내화단열재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 실리콘 잉곳 성장로 내부 히터에서 발생된 열이 챔버 하부로 방출되지 않도록 열을 차폐하기 위한 Spill Tray용 내화단열재에 관한 것이다.
실리콘 잉곳 성장로는 태양전지 및 반도체 제조공정에 사용되는 핵심원료인폴리실리콘(Poly Silicon)을 단결정 잉곳(Ingot)으로 성장시키기 위한 장비로, 단결정성장의 방법은 크게 도가니(Crucible)에서 실리콘 덩어리를 녹이는 CZ(Czochralski)법과 폴리실리콘 잉곳을 유도가열법으로 부분 용융시키는 FZ(Float Zone)법으로 구분된다.
그 중, 초크랄스키(Czochralski, CZ) 공법은 고순도가 요구되는 반도체용 단결정 실리콘 제조에 널리 이용되고 있는 공법으로, 공정의 안정성이 확보되어 있고 효율이 높아 태양전지용 단결정 실리콘의 제조에도 널리 적용 되고 있다.
초크랄스키 방법에 따르면, 석영 도가니에 다결정 실리콘을 장입하고, 이를 흑연 발열체에 의해 가열하여 용융시킨 후, 용융 결과 형성된 실리콘 용융액에 종자결정을 담그고 계면에서 결정화가 일어날 때 종자결정을 회전하면서 인상시킴으로써 단결정의 실리콘 잉곳을 성장시키는데, 단결정 실리콘 잉곳 성장 시 약 1,600℃ 이상의 고온에서 장시간 가열하여 제조되므로 성장로 내부에 진공, 불활성분위기 조건에서 고온에 안정한 고가의 흑연소재로 된 구성부품이 전량 사용되어지고 있다.
도 1은 실리콘 잉곳 성장로의 내부 구성을 보여주는 단면도로, 실리콘 잉곳 성장로는 흑연 도가니, 도가니 지지대, 히터, 열차단재, 단열재 등을 포함하며, 통상적으로 흑연소재로 이루어져 있다.
도 2에 따르면, 성장로 내부에서 상부구역(A)는 발열히터와 보조도가니, 도가니 커버 등이 위치하고 핵심구역으로 사용온도가 약 1,600℃ 이상으로 기계적, 전기적 특성이 우수하고, 최고사용온도 약 3000℃의 고사양의 흑연 부품을 사용하고 있다.
한편, 성장로 내부의 하부구역(B)는 Spill Tray 단열재, 슬리브, 전극보호커버 등이 위치하고 있는 구역으로 사용온도가 1,000℃ 미만임에도 불구하고 상부구역(A)과 동일하게 고사양의 흑연 제품이 사용되어지고 있는 실정이다.
종래 고온로 및 성장로의 단열재와 관련하여, 국내공개특허 제10-2015-0062278호에서는 챔버의 내부의 단열소재로 그라파이트 및 초내열성 몰리브덴 합금 재질의 단열재를 사용한 사파이어 초고온 단결정 성장로 단열구조체를 개시하고 있다.
또한, 국내등록특허 제10-1213658호에서는 배소 무연탄, 가소 코크스, 천연 흑연 또는 인조 흑연 중에서 1종 또는 2종 이상 이루어지는 탄소질 원료, 내화성 금속산화물, 금속 규소 및 카본 블랙을 포함하는 내화 원료에 유기 바인더를 가하고 혼련한 후에 성형하고, 비산화성 분위기에서 소성한 탄소질 내화물을 개시하고 있다.
또한, 국내등록특허 제10-1610094호에서는 일정 형태로 가공된 그라파이트 단열재에 대하여 그라파이트 코팅 및 건조, 탈지, 소결, 고순화처리를 실시함으로써 고품질의 그라파이트 단열재를 개시하고 있다.
이처럼 고온로 및 성장로에는 열적 및 기계적 특성이 우수한 탄소소재를 원료로 구성되는 단열재가 사용되고 있으며, 현재 실리콘 잉곳 성장로 챔버의 단열재는 대부분 탄소 단열재로 대부분 수입하여 사용하고 있다. 상술된 바와 같이 실리콘 잉곳 성장 시 챔버 내부의 온도 구배가 상부구역과 하부구역으로 구분되어지지만 동일한 고가의 탄소단열재를 사용하고 있는 실정이며, 약 5~6개월 일정한 주기로 교체되는 소모성 자재이기 때문에 단결정 실리콘 잉곳 성장을 위한 공정비용을 상승시키는 요인이 되고 있다.
이에, 본 발명자는 실리콘 잉곳 성장로의 고가 소모성 자재인 흑연 단열재를 대체할 수 있는 Spill Tray용 단열재를 개발하기 위한 연구의 일환으로, 사이징/탄화처리된 실리카 섬유를 펠트화한 후 바인더에 함침시켜 열가압성형하여 프리폼을 형성하고, 상기 프리폼을 탄화 및 경화시켜 내화단열재를 제조하였으며, 이로부터 열적?기계적 강도가 우수하며 1000℃ 이상에서도 열변형없이 사용가능함을 확인하여 본 발명에 이르게 되었다.
국내공개특허 제10-2015-0062278호(사파이어 초고온 단결정 성장로 단열 구조) 국내등록특허 제10-1213658호(탄소질 내화물 및 그 제조 방법 및 고로의 노 바닥 또는 측벽) 국내등록특허 제10-1610094호(그라파이트 단열재 제조방법)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 실리콘 잉곳 성장로 내부 히터에서 발생된 열이 챔버 하부로 방출되지 않도록 열을 차폐하기 위한 Spill Tray용 내화단열재를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실리콘 잉곳 성장로 Spill Tray용 내화단열재는 제 1함침용 바인더에 실리카 섬유를 함침시켜 사이징된 실리카 섬유를 탄화처리하여 수득된 전처리 섬유를 펠트화하고, 제조된 펠트를 제 2함침용 바인더에 함침시킨 후 열가압성형하여 제조된 프리폼을 탄화 및 경화시킨 것임을 특징으로 한다.
상기 전처리 섬유는 제 1함침용 바인더에 실리카 섬유를 함침시켜 사이징된 실리카 섬유를 400 내지 600℃, 불활성 가스 분위기 하에서 1 내지 5시간 탄화처리한 것임을 특징으로 한다.
상기 펠트는 전처리된 섬유를 니들펀칭공법을 이용하여 펠트화한 것임을 특징으로 한다.
상기 프리폼은 제조된 펠트를 제 2함침용 바인더에 함침시킨 펠트를 건조한 후 건조된 펠트를 열가압하여 수득되는 것임을 특징으로 한다.
상기 제조된 프리폼은 탄화 전 체적 대비 60 내지 80%를 갖도록 탄화되는 것임을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 실리콘 잉곳 성장로 Spill Tray용 내화단열재에 의하면, 열적 안정성과 내구성이 우수하여 1000 ℃ 이상의 고온에서 열변형없이 사용가능하며, 종래 카본 파이버 펠트 내화단열재 대비 경제적인 효과가 있다.
도 1은 실리콘 단결정 잉곳 성장로 내부 구조를 보여주는 단면도.
도 2는 실리콘 단결정 잉곳 성장로 내부의 사용온도영역 및 영역에 따른 단열재의 구성을 보여주는 사진.
도 3은 본 발명에 따른 실리콘 잉곳 성장로 Spill Tray용 내화단열재의 제조방법을 보여주는 순서도.
도 4는 본 발명에 따른 실리콘 잉곳 성장로 Spill Tray용 내화단열재 제조방법의 섬유전처리단계(S100)의 순서를 보여주는 개념도.
도 5의 (A)실리카 섬유의 전처리 전과 (B)실시예 1에 따라 전처리된 후 탄화된 실리카 섬유의 평균직경을 보여주는 사진.
도 6은 본 발명에 따른 실리콘 잉곳 성장로 Spill Tray용 내화단열재의 제조방법에 의해 제조된 (A)내화단열재(실시예 1)와 (B)시판내화단열재(비교예)의 고온가열 후 외관을 비교한 사진.
본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 이하에서 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 구체적인 설명을 생략하기로 한다.
본 발명은 실리콘 잉곳 성장로 Spill Tray용 내화단열재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 실리콘 잉곳 성장로 내부 히터에서 발생된 열이 챔버 하부로 방출되지 않도록 열을 차폐하기 위한 Spill Tray용 내화단열재에 관한 것이다.
본 발명에 따른 실리콘 잉곳 성장로 Spill Tray용 내화단열재는 제 1함침용 바인더에 실리카 섬유를 함침시켜 사이징된 실리카 섬유를 탄화처리하여 수득된 전처리 섬유를 펠트화하고, 제조된 펠트를 제 2함침용 바인더에 함침시킨 후 열가압성형하여 제조된 프리폼을 탄화 및 경화시킨 것이다.
상기 전처리 섬유는 제 1함침용 바인더에 실리카 섬유를 함침시켜 사이징된 실리카 섬유를 400 내지 600℃, 불활성 가스 분위기 하에서 1 내지 5시간 탄화처리한 것이다.
사이징된 실리카 섬유는 제 1함침용 바인더에 실리카 섬유를 함침시켜 기질인 실리카 섬유를 사이징함으로써 실리카 섬유의 기공 및 표면에 제1함침용 바인더 조성물로 채워 밀도를 더욱 향상시키고, 추후 탄화공정시 크랙의 발생 및 성장을 방지할 수 있다.
상기 제 1함침용 바인더는 열경화성 수지 30 내지 50 wt% 와 유기용매 50 내지 70wt% 를 혼합한 것으로서, 상기 열경화성 수지는 페놀수지를 사용할 수 있으며, 상기 유기용매는 C1 내지 C4의 저급 알콜, 아세톤, 에틸아세테이트 및 이들의 조합 중 어느 하나를 사용할 수 있으며, 바람직하게는, 상기 유기용매는 에탄올, 메탄올, 아세톤 및 이들의 조합 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제 1함침용 바인더로 분말상의 페놀수지와 유기용매를 혼합 및 교반하여 용해시킨 레졸형의 페놀수지를 사용할 수 있다.
상기 실리카 섬유는 SiO2 함량 90 내지 99wt%인 것을 사용할 수 있으며, 바람직하게는, 95 내지 99wt%를 갖는 것을 사용할 수 있다. 또한, 실리카 섬유의 직경은 5 내지 30 ㎛, 바람직하게는, 10 내지 20 ㎛, 더욱 바람직하게는 10 내지 15 ㎛를 갖는 것을 사용할 수 있다.
또한, 실리카 섬유는 비중은 2 내지 2.7, 길이는 1 내지 10mm, 인장강도는 150 내지 200kg/㎟, 용융온도 1400 내지 2000 ℃을 갖는 것을 사용할 수 있다.
또한, 상기 실리카 섬유는 실란 커플링제로 개질처리된 것을 사용할 수 있는데, 개질처리를 통해 열경화성수지와의 계면 결합 특성을 향상시키고 분산성 및 물성을 더욱 향상시킬 수 있다.
실란커플링제를 이용한 개질처리는 용매에 실란커플링제를 5 내지 25 (w/v)% 첨가 후 150 내지 300rpm에서 5 내지 15분간 교반된 개질처리액에 실리카 섬유를 15분 내지 45분간 침지처리함으로써 수행된다.
이때, 용매는 C1 내지 C4의 저급 알콜을 사용하며, 바람직하게는, 에탄올, 메탄올 및 이들의 조합 중 어느 하나를 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는, 60 내지 90 (v/v)%의 에탄올수용액 또는 메탄올수용액을 사용할 수 있다.
상기 실란 커플링제는 비닐실란커플링제, 알콕시실란커플링제, 아미노실란커플링제, 에폭시실란커플링제, 메타아크릴옥시실란커플링제, 아크릴옥시실란커플링제, 우레이드실란커플링제, 메르캅토실란커플링제 및 이들의 조합으로 선택되는 그룹 중 어느 하나가 사용될 수 있다.
보다 상세하게는, 비닐트리에톡시실란, 3-글리시독시 프로필트리메톡시실란, 3-글리시독시 프로필트리에톡시실란, 3-메타크릴옥시프로필 트리메톡시실란, 3-메타크릴옥시프로필 트리에톡시실란, 3-아크릴록시프로필 트리메톡시실란, N-2-(아미노에틸)-3-아미노프로필트리메톡시실란, N-2-(아미노에틸)-3-아미노프로필트리에톡시실란, 3-아미노프로필트리메톡시실란, 3-아미노프로필트리에톡시실란, 3-우레이드 프로필트리에톡시실란, 3-클로로 프로필트리에톡시실란, 3-메르캅토 프로필 트리메톡시실란, 3-이소시아네이트 프로필트리에톡시실란 및 이들의 조합 중 어느 하나가 사용될 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
바람직하게는, 실란커플링제를 이용한 개질처리는 용매에 실란커플링제를 5 내지 25 (w/v)% 첨가 후 150 내지 300rpm에서 5 내지 15분간 교반된 개질처리액에 실리카 섬유를 15분 내지 45분간 침치처리시, 25 내지 35 kHz 세기의 초음파를 동시에 가함으로써 실리카 섬유에 대한 실란커플링제의 도입특성을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 제 1함침용 바인더의 점도는 30 내지 60 cps, pH는 9 내지 12로 제어될 수 있으며, 상기 조건 하에서 실리카 섬유에 대한 함침 특성이 우수하다.
상기 사이징된 실리카 섬유는 상기 제 1함침용 바인더에 실리카 섬유를 2 내지 6시간 함침처리하여 수득되며, 바람직하게는, 상기 실리카 섬유 표면에 존재하는 기포를 제거하고 제 1함침용 바인더의 함침특성을 향상시키기 위하여 1차로 10-2내지 1 torr에서 1 내지 3시간 감압하여 실리카 섬유 표면의 기포를 제거하고, 2차로 불활성 기체(N2, Ar 등)분위기 하에서 10 내지 20 bar 에서 가압하면서 1 내지 3시간 함침시켜 제 1함침용 바인더의 침투특성을 향상시킬 수 있다.
사이징된 실리카 섬유는 400 내지 600℃, 불활성 가스(N2, Ar 등) 분위기 하에서 1 내지 5시간 탄화처리하게 되는데, 실리카 섬유는 제1함침용 바인더를 이용한 사이징 처리 및 도포된 제1함침용 바인더의 탄화를 통해 팽창하여 다공막을 형성하게 되면서 직경이 증가하게 된다.
이때, 탄화된 실리카 섬유의 직경이 사이징 전 실리카 섬유 직경의 160 내지 180%를 갖도록 탄화시키게 되며, 탄화처리를 통해 화학적, 열적 특성을 안정화할 수 있으며, 높은 인성, 강도 및 비취성 파괴 등의 이점을 갖게 된다.
이후, 전처리된 섬유는 펠트화하게 되며, 니들펀칭, 열융착본드, 스펀레이스, 스티치본드, 초음파 및 이들의 조합 중 어느 하나의 방법을 이용할 수 있으며, 바람직하게는, 니들펀칭(needle punching)공법을 이용하여 펠트화할 수 있다.
펠트 제조시, 중량 100 내지 200 g/㎥, 바람직하게는, 중량 110 내지 150 g/㎥ 를 갖도록 펠트화할 수 있으며, 펠트의 두께는 함침성을 고려하여 5 내지 20mm를 갖도록 제어될 수 있다.
상기 프리폼은 제조된 펠트를 제 2함침용 바인더에 함침시킨 후 열가압성형하여 제조되며, 제조된 펠트를 제 2함침용 바인더에 함침시킨 후 함침된 펠트를 건조한 후 열가압하여 제조된다.
제조된 펠트를 제 2함침용 바인더에 함침시켜 펠트 내 섬유간의 결합특성 및 밀도를 향상시킬 수 있다.
상기 제 2함침용 바인더는 열경화성 수지 10 내지 50 wt%, 유기용매 30 내지 80wt%, 첨가제 10 내지 20 wt% 를 혼합한 것으로서, 상기 열경화성 수지는 페놀수지를 사용할 수 있으며, 상기 유기용매는 C1 내지 C4의 저급 알콜, 아세톤, 에틸아세테이트 및 이들의 조합 중 어느 하나를 사용할 수 있으며, 바람직하게는, 상기 유기용매는 에탄올, 메탄올, 아세톤 및 이들의 조합 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 첨가제는 우수한 물리적 강도 및 화학적 내성을 부여함과 동시에 열적으로 안정한 것이라면 한정하지 않으나, 바람직하게는, 실리카 섬유와 상용성이 우수함과 동시에 물리 ·화학적 특성이 우수하고, 내열성이 우수한 PVDF(Poly(vinylidene fluoride))를 첨가할 수 있다.
또한, 상기 첨가제는 분산성 향상 및 점도조절을 위한 분산매를 더 포함할 수 있으며, 상기 분산매는 NMP(N-methyl pyrrolidone), NEP(N-ethyl-pyrrolidone) 및 이들의 조합 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제 2함침용 바인더는 열경화성 수지 10 내지 50 wt%, 유기용매 30 내지 80wt%, PVDF 5 내지 15wt%, 분산매 5 내지 15wt%를 혼합한 것을 사용할 수 있다.
상기 제 2함침용 바인더의 점도는 20 내지 50 cps, pH는 9 내지 12로 제어될 수 있으며, 상기 조건 하에서 펠트에 대한 함침 특성이 우수하다.
상기 제 2함침용 바인더에 제조된 펠트를 넣어 2 내지 6시간 함침처리할 수 있으며, 바람직하게는, 상기 펠트 표면의 기포를 제거하고 제 2함침용 바인더의 함침특성을 향상시키기 위하여 1차로 10-2내지 1 torr에서 1 내지 3시간 감압하여 펠트 표면의 기포를 제거하고, 2차로 불활성 기체 분위기하(Ar, N2 등)에서 10 내지 20 bar 에서 가압하면서 1 내지 3시간 및 함침시켜 제 2함침용 바인더의 침투특성을 향상시킬 수 있다.
함침된 펠트를 15 내지 25℃에서 24 내지 48시간 건조하여 수분을 서서히 증발시키게 되며, 이후 건조된 펠트를 150 내지 200℃, 10 내지 30 bar에서 10 내지 15분간 열가압하여 표면을 균일화한다.
제조된 프리폼은 탄화 및 경화시켜 결합강도 및 물성을 더욱 향상시키게 되며, 제조된 프리폼을 탄화(Carbonzing) 전용전기로를 이용하여 불활성가스(Ar, N2 등) 분위기 하에서 탄화시키게 된다.
이때, 탄화 전 체적대비 60 내지 80%를 갖도록 탄화시키게 되는데, 탄화 전 체적대비 60% 미만이면 크랙 및 부서짐이 발생될 수 있으며, 탄화 후 체적대비 80% 초과할 경우 제 1함침용 바인더 및 제 2함침용 바인더가 실리카 섬유와 상호결합하지 못하며, 수분이 잔여하게 되어 물리적인 특성이 우수하지 못하기 때문에 상기 체적범위를 벗어나지 않는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 제조된 프리폼 내부의 잔여수분의 급격한 증발로 인한 휨 및 열변형 등이 발생되는 것을 방지하기 위하여, 단계적으로 탄화 온도 및 시간을 달리하여 탄화시킬 수 있으며, 700 내지 900℃에서 1 내지 2시간 탄화시키는 1차 탄화 후 1000 내지 1200℃에서 2 내지 3시간 탄화시키는 2차 탄화공정을 거칠 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 실리콘 잉곳 성장로 Spill Tray용 내화단열재를 제조하기 위한 제조방법을 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명에 따른 실리콘 잉곳 성장로 Spill Tray용 내화단열재의 제조방법을 보여주는 순서도이다.
본 발명에 따른 실리콘 잉곳 성장로 Spill Tray용 내화단열재의 제조방법은 제 1함침용 바인더에 실리카 섬유를 함침시켜 사이징된 실리카 섬유를 탄화처리하여 전처리된 섬유를 수득하는 섬유전처리단계(S100)와 전처리된 섬유를 펠트화하는 펠트화단계(S200)와 제조된 펠트를 제 2함침용 바인더에 함침시킨 후 열가압성형하여 프리폼을 형성하는 프리폼형성단계(S300)와 제조된 프리폼을 탄화 및 경화시키는 경화단계(S400)를 포함한다.
상기 섬유전처리단계(S100)는 제 1함침용 바인더에 실리카 섬유를 함침시켜 사이징된 실리카 섬유를 탄화처리하여 전처리된 섬유를 수득하는 단계로, 제 1함침용 바인더에 실리카 섬유를 함침시키는 섬유 사이징단계(S110)와 사이징된 실리카 섬유를 400 내지 600℃, 불활성 가스 분위기 하에서 1 내지 5시간 탄화처리하는 탄화단계(S120)를 포함한다.
도 4는 본 발명에 따른 실리콘 잉곳 성장로 Spill Tray용 내화단열재 제조방법의 섬유전처리단계(S100)의 순서를 보여주는 개념도이다.
섬유 사이징단계(S110)에서는 제 1함침용 바인더에 실리카 섬유를 함침시켜 기질인 실리카 섬유를 사이징함으로써 실리카 섬유의 기공 및 표면에 제1함침용 바인더 조성물로 채워 밀도를 더욱 향상시키고, 추후 탄화공정시 크랙의 발생 및 성장을 방지할 수 있다.
상기 제 1함침용 바인더는 열경화성 수지 30 내지 50 wt% 와 유기용매 50 내지 70wt% 를 혼합한 것으로서, 상기 열경화성 수지는 페놀수지를 사용할 수 있으며, 상기 유기용매는 C1 내지 C4의 저급 알콜, 아세톤, 에틸아세테이트 및 이들의 조합 중 어느 하나를 사용할 수 있으며, 바람직하게는, 상기 유기용매는 에탄올, 메탄올, 아세톤 및 이들의 조합 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제 1함침용 바인더로 분말상의 페놀수지와 유기용매를 혼합 및 교반하여 용해시킨 레졸형의 페놀수지를 사용할 수 있다.
상기 실리카 섬유는 SiO2 함량 90 내지 99wt%인 것을 사용할 수 있으며, 바람직하게는, 95 내지 99wt%를 갖는 것을 사용할 수 있다. 또한, 실리카 섬유의 직경은 5 내지 30 ㎛, 바람직하게는, 10 내지 20 ㎛, 더욱 바람직하게는 10 내지 15 ㎛를 갖는 것을 사용할 수 있다.
또한, 실리카 섬유는 비중은 2 내지 2.7, 길이는 1 내지 10mm, 인장강도는 150 내지 200kg/㎟, 용융온도 1400 내지 2000 ℃을 갖는 것을 사용할 수 있다.
또한, 상기 실리카 섬유는 실란 커플링제로 개질처리된 것을 사용할 수 있는데, 개질처리를 통해 열경화성수지와의 계면 결합 특성을 향상시키고 분산성 및 물성을 더욱 향상시킬 수 있다.
실란커플링제를 이용한 개질처리는 용매에 실란커플링제를 5 내지 25 (w/v)% 첨가 후 150 내지 300rpm에서 5 내지 15분간 교반된 개질처리액에 실리카 섬유를 15분 내지 45분간 침지처리함으로써 수행된다.
이때, 용매는 C1 내지 C4의 저급 알콜을 사용하며, 바람직하게는, 에탄올, 메탄올 및 이들의 조합 중 어느 하나를 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는, 60 내지 90 (v/v)%의 에탄올수용액 또는 메탄올수용액을 사용할 수 있다.
상기 실란 커플링제는 비닐실란커플링제, 알콕시실란커플링제, 아미노실란커플링제, 에폭시실란커플링제, 메타아크릴옥시실란커플링제, 아크릴옥시실란커플링제, 우레이드실란커플링제, 메르캅토실란커플링제 및 이들의 조합으로 선택되는 그룹 중 어느 하나가 사용될 수 있다.
보다 상세하게는, 비닐트리에톡시실란, 3-글리시독시 프로필트리메톡시실란, 3-글리시독시 프로필트리에톡시실란, 3-메타크릴옥시프로필 트리메톡시실란, 3-메타크릴옥시프로필 트리에톡시실란, 3-아크릴록시프로필 트리메톡시실란, N-2-(아미노에틸)-3-아미노프로필트리메톡시실란, N-2-(아미노에틸)-3-아미노프로필트리에톡시실란, 3-아미노프로필트리메톡시실란, 3-아미노프로필트리에톡시실란, 3-우레이드 프로필트리에톡시실란, 3-클로로 프로필트리에톡시실란, 3-메르캅토 프로필 트리메톡시실란, 3-이소시아네이트 프로필트리에톡시실란 및 이들의 조합 중 어느 하나가 사용될 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
바람직하게는, 실란커플링제를 이용한 개질처리는 용매에 실란커플링제를 5 내지 25 (w/v)% 첨가 후 150 내지 300rpm에서 5 내지 15분간 교반된 개질처리액에 실리카 섬유를 15분 내지 45분간 침치처리시, 25 내지 35 kHz 세기의 초음파를 동시에 가함으로써 실리카 섬유에 대한 실란커플링제의 도입특성을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 제 1함침용 바인더의 점도는 30 내지 60 cps, pH는 9 내지 12로 제어될 수 있으며, 상기 조건 하에서 실리카 섬유에 대한 함침 특성이 우수하다.
상기 섬유 사이징단계(S110)에서는 상기 제 1함침용 바인더에 실리카 섬유를 2 내지 6시간 함침처리할 수 있으며, 바람직하게는, 상기 실리카 섬유 표면에 존재하는 기포를 제거하고 제 1함침용 바인더의 함침특성을 향상시키기 위하여 1차로 10-2내지 1 torr에서 1 내지 3시간 감압하여 실리카 섬유 표면의 기포를 제거하고, 2차로 불활성 기체 분위기하에서 10 내지 20 bar 에서 가압하면서 1 내지 3시간 함침시켜 제 1함침용 바인더의 침투특성을 향상시킬 수 있다.
탄화단계(S120)에서는 사이징된 실리카 섬유를 400 내지 600℃, N2, Ar과 같은 불활성 가스 분위기 하에서 1 내지 5시간 탄화처리하게 되는데, 실리카 섬유는 제1함침용 바인더를 이용한 사이징 처리 및 도포된 제1함침용 바인더의 탄화를 통해 팽창하여 다공막을 형성하게 되면서 직경이 증가하게 된다.
탄화단계(S120)에서는 탄화된 실리카 섬유의 직경이 사이징 전 실리카 섬유 직경의 160 내지 180%를 갖도록 탄화시키게 되며, 탄화처리를 통해 화학적, 열적 특성을 안정화할 수 있으며, 높은 인성, 강도 및 비취성 파괴 등의 이점을 갖게 된다.
상기 펠트화단계(S200)에서는 전처리된 섬유를 펠트화하게 되며, 니들펀칭, 열융착본드, 스펀레이스, 스티치본드, 초음파 및 이들의 조합 중 어느 하나의 방법을 이용할 수 있으며, 바람직하게는, 니들펀칭(needle punching)공법을 이용하여 펠트화할 수 있다.
이때, 상기 펠트화단계(S200)에서는 중량 100 내지 200 g/㎥, 바람직하게는, 중량 110 내지 150 g/㎥ 를 갖도록 펠트화할 수 있으며, 펠트의 두께는 함침성을 고려하여 5 내지 20mm를 갖도록 제어될 수 있다.
상기 프리폼형성단계(S300)는 제조된 펠트를 제 2함침용 바인더에 함침시킨 후 열가압성형하여 프리폼을 형성하게 되며, 제조된 펠트를 제 2함침용 바인더에 함침시키는 함침단계(S310)와 함침된 펠트를 건조하는 건조단계(S320)와 건조된 펠트를 열가압하는 열가압단계(S330)를 포함한다.
함침단계(S310)에서는 제조된 펠트를 제 2함침용 바인더에 함침시켜 펠트 내 섬유간의 결합특성 및 밀도를 향상시킬 수 있다.
상기 제 2함침용 바인더는 열경화성 수지 10 내지 50 wt%, 유기용매 30 내지 80wt%, 첨가제 10 내지 20 wt% 를 혼합한 것으로서, 상기 열경화성 수지는 페놀수지를 사용할 수 있으며, 상기 유기용매는 C1 내지 C4의 저급 알콜, 아세톤, 에틸아세테이트 및 이들의 조합 중 어느 하나를 사용할 수 있으며, 바람직하게는, 상기 유기용매는 에탄올, 메탄올, 아세톤 및 이들의 조합 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 첨가제는 우수한 물리적 강도 및 화학적 내성을 부여함과 동시에 열적으로 안정한 것이라면 한정하지 않으나, 바람직하게는, 실리카 섬유와 상용성이 우수함과 동시에 물리 ·화학적 특성이 우수하고, 내열성이 우수한 PVDF(Poly(vinylidene fluoride))를 첨가할 수 있다.
또한, 상기 첨가제는 분산성 향상 및 점도조절을 위한 분산매를 더 포함할 수 있으며, 상기 분산매는 NMP(N-methyl pyrrolidone), NEP(N-ethyl-pyrrolidone) 및 이들의 조합 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제 2함침용 바인더는 열경화성 수지 10 내지 50 wt%, 유기용매 30 내지 80wt%, PVDF 5 내지 15wt%, 분산매 5 내지 15wt%를 혼합한 것을 사용할 수 있다.
상기 제 2함침용 바인더의 점도는 20 내지 50 cps, pH는 9 내지 12로 제어될 수 있으며, 상기 조건 하에서 펠트에 대한 함침 특성이 우수하다.
상기 함침단계(S310)에서는 상기 제 2함침용 바인더에 제조된 펠트를 넣어 2 내지 6시간 함침처리할 수 있으며, 바람직하게는, 상기 펠트 표면의 기포를 제거하고 제 2함침용 바인더의 함침특성을 향상시키기 위하여 1차로 10-2내지 1 torr에서 1 내지 3시간 감압하여 펠트 표면의 기포를 제거하고, 2차로 불활성 기체 분위기하(Ar, N2)에서 10 내지 20 bar 에서 가압하면서 1 내지 3시간 및 함침시켜 제 2함침용 바인더의 침투특성을 향상시킬 수 있다.
건조단계(S320)에서는 함침된 펠트를 15 내지 25℃에서 24 내지 48시간 건조하여 수분을 서서히 증발시키게 되며, 열가압단계(S330)는 건조된 펠트를 150 내지 200℃, 10 내지 30 bar에서 10 내지 15분간 열가압하여 표면을 균일화한다.
상기 경화단계(S400)에서는 제조된 프리폼을 탄화 및 경화시켜 결합강도 및 물성을 더욱 향상시키게 되며, 제조된 프리폼을 탄화(Carbonzing)전용전기로를 이용하여 불활성가스(Ar, N2 등) 분위기 하에서 탄화시키게된다.
이때, 탄화 전 체적대비 60 내지 80%를 갖도록 탄화시키게 되는데, 탄화 전 체적대비 60% 미만이면 크랙 및 부서짐이 발생될 수 있으며, 탄화 후 체적대비 80% 초과할 경우 제 1함침용 바인더 및 제 2함침용 바인더가 실리카 섬유와 상호결합하지 못하고 수분이 잔여하게 되어 물리적인 특성이 우수하지 못하기 때문에 상기 체적범위를 벗어나지 않는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 상기 경화단계(S400)에서는 제조된 프리폼 내부의 잔여수분의 급격한 증발로 인한 휨 및 열변형 등이 발생되는 것을 방지하기 위하여, 단계적으로 탄화 온도 및 시간을 달리하여 탄화시킬 수 있으며, 상기 경화단계(S400)는 700 내지 900℃에서 1 내지 2시간 탄화시키는 1차 탄화단계(S410)와 1000 내지 1200℃에서 2 내지 3시간 탄화시키는 2차 탄화단계(S420)을 포함한다.
이하, 본 발명을 바람직한 일 실시예를 참조하여 다음에서 구체적으로 상세하게 설명한다. 단, 다음의 실시예는 본 발명을 구체적으로 예시하기 위한 것이며, 이것만으로 한정하는 것은 아니다.
섬유의 전처리
제1함침용 바인더로는 분말형태의 MP(Melting Point) 55~75℃의 페놀수지 300g 과 에탄올 300g을 150~200rpm에서 60분간 교반하여 레졸형태의 페놀수지를 수득하였으며, 점도는 25℃에서 47cps로 측정되었고, pH는 10으로 확인되었다.
실리카 섬유로는 평균직경 약 9.5 ~11.5㎛, 용융온도 1600 ℃ 이상을 갖는 것을 사용하였으며, 하기의 표 1은 실리카 섬유의 성분 및 성분비를 보여준다.
성분 함량(%) 성분 함량(%)
SiO2 96 Al2O3 0.44~3.5
CaO 0.07 Na2O 0.02
Fe2O3 0.01 MgO 0.01
K2O 0.01 TiO2 0.36
실리카 섬유의 전처리 유무와 사이징 방법에 따른 열적 및 기계적 강도특성을 확인하기 위하여 하기의 표 2와 같이 실험설계하고, 프리폼 형성 후 열적 및 기계적 강도특성을 확인하였다.
구분 실리카 섬유의 전처리 유무 사이징 방법
실시예1 미처리 함침
실시예1-1 감압 + 가압 함침
실시예2 실란커플링제 처리 함침
실시예2-1 감압 + 가압 함침
실시예3 실란커플링제 처리 + 초음파처리 함침
실시예3-1 감압 + 가압 함침
실시예 1
미처리 실리카 섬유를 제 1함침용 바인더에 4시간 함침하였다.
실시예 1-1
미처리 실리카 섬유를 제 1함침용 바인더에 침지하고, 1차로 10-1 torr에서 90분간 감압처리하여 실리카 섬유 표면의 기포를 제거하고, 2차로 N2 분위기 하에서 10bar로 가압하면서 2시간 함침처리하였다.
실시예 2
80(v/v)%의 에탄올수용액 100g당 3-아미노프로필트리메톡시실란을 20g 첨가하여 200rpm에서 10분간 교반한 후 실리카 섬유를 30분간 침지처리하고, 제 1함침용 바인더에 4시간 함침하였다.
실시예 2-2
80(v/v)%의 에탄올수용액 100g당 3-아미노프로필트리메톡시실란을 20g 첨가하여 200rpm에서 10분간 교반한 후 실리카 섬유를 30분간 침지처리하였다. 이후 전처리된 실리카 섬유를 제 1함침용 바인더에 투입하여 1차로 10-1 torr에서 90분간 감압처리하여 실리카 섬유 표면의 기포를 제거하고, 2차로 N2 분위기 하에서 10bar로 가압하면서 2시간 함침처리하였다.
실시예 3
80(v/v)%의 에탄올수용액 100g당 3-아미노프로필트리메톡시실란을 20g 첨가하여 200rpm에서 10분간 교반한 후 실리카 섬유를 30분간 침지처리하되, 30kHz의 초음파를 동시에 가하였다. 이후 전처리된 실리카 섬유를 제 1함침용 바인더에 4시간 함침하였다.
실시예 3-1
80(v/v)%의 에탄올수용액 100g당 3-아미노프로필트리메톡시실란을 20g 첨가하여 200rpm에서 10분간 교반한 후 실리카 섬유를 30분간 침지처리하되, 30kHz의 초음파를 동시에 가하였다. 이후 전처리된 실리카 섬유를 제 1함침용 바인더에 투입하여 1차로 10-1 torr에서 90분간 감압처리하여 실리카 섬유 표면의 기포를 제거하고, 2차로 N2 분위기 하에서 10bar로 가압하면서 2시간 함침처리하였다.
사이징 후 탄화는 500℃, N2 분위기 하에서 3시간 탄화처리하였으며, 실시예 1, 실시예 1-1, 실시예 2, 실시예 2-1, 실시예 3 및 실시예 3-1 모두 동일한 조건 하에서 탄화처리하였다.
도 5의 (A)와 (B)는 각각 실리카 섬유의 전처리 전과 실시예 1에 따라 처리된 후 탄화된 실리카 섬유의 평균직경을 보여주는 것으로, 탄화처리 후 실리카 섬유의 직경이 약 16.6 ~16.9㎛를 가져 실리카 섬유 전처리 전 직경 대비 160~170% 증가됨을 확인할 수 있었다.
펠트화 및 프리폼 형성
실시예 1 내지 실시예 3-1에 의해 제조된 전처리 섬유를 니들펀칭공정으로 펠트화하여 두께 약 10mm, 130 ± 5 g/㎥ 를 갖도록 펠트화하였다.
제 2함침용 바인더는 분말형태의 MP(Melting Point) 55~75℃의 페놀수지 500g 과 에탄올 600g을 150~200rpm에서 60분간 교반하여 레졸형태의 페놀수지를 수득하고, 상기 혼합물에 PVdF (Polyvinylidene fluoride) 50g 과 NMP(N-methyl pyrrolidone)50g을 혼합하여 200~250rpm에서 30분간 교반하였으며, 점도는 25℃에서 35cps로 측정되었고, pH는 9로 확인되었다.
제 2함침용 바인더에 제조된 펠트를 23~25 ℃에서 36시간 건조한 후 표면 균일화를 위해 핫프레스기를 이용하여 180℃, 15bar에서 15분간 열가압하였다.
제조된 프리폼의 열적 및 기계적 강도특성을 확인하였으며, 하기의 표 3은 제조된 프리폼의 불연성, 열전도율, 압축강도를 보여준다.
불연성은 KS F ISO 1182 : 2016, KS F 2271 : 2016에 의거하여 측정하였으며, 고온열전도율은 ASTM C177에 의거하여 국내 GHP 열전도율 측정가능 최대온도는 550℃까지의 열전도율을 측정하였고, 압축강도는 KS L 3115에 의거하여 측정하였다.
구분 불연성 열전도율
W/mk		 압축강도
Mpa
실시예1 프리폼 불연 0.263 0.31
실시예1-1 프리폼 불연 0.259 0.32
실시예2 프리폼 불연 0.253 0.34
실시예2-1 프리폼 불연 0.249 0.36
실시예3 프리폼 불연 0.245 0.37
실시예3-1 프리폼 불연 0.239 0.39
그 결과, 실란커플링제 처리시 초음파 처리를 동시에 수행하고, 사이징시 감압처리 후 가압함침한 실시예 3-1 의 열전도율 및 압축강도가 가장 우수하게 측정되었으며, 이로부터 실리카 섬유의 전처리 및 사이징 방법에 따라 열적 및 기계적 강도에 영향을 줌을 확인할 수 있었다.
경화
탄화(Carbonzing)전용 전기로를 이용하여 Ar 분위기하에서 4시간 탄화를 진행하였다. 탄화온도 및 시간에 따른 내구성을 확인하기 위하여 실시예 1의 프리폼을 이용하여 고온에서 연속적으로 탄화를 진행(1100℃, 4시간)한 후와 단계적으로 탄화를 진행(800℃에서 2시간, 1100℃에서 2시간)한 후 외관을 확인하였다. 그 결과, 고온에서 연속적으로 탄화시킨 그룹에서 미세 크랙과 휨현상이 관찰되었으며, 이는 고온에서 연속적인 탄화공정이 급격한 수분의 증발 및 물성의 저하를 발생시킨 것에 기인한 것으로 판단하였다. 상기 결과를 토대로 이후 탄화공정시에는 상술된 바와 동일한 방법으로 단계적 탄화를 진행하였으며, 실시예 1과 실시예 3-1의 탄화처리 후 탄화전 체적 대비 각각 약 67%, 약 71% 로 확인되었다.
하기의 표 4는 실시예 1과 실시예 3-1의 프리폼을 이용하여 제조된 내화단열재의 열적 및 기계적 특성을 보여준다.
불연성은 KS F ISO 1182 : 2016, KS F 2271 : 2016에 의거하여 측정하였으며, 고온열전도율은 ASTM C177에 의거하여 국내 GHP 열전도율 측정가능 최대온도는 550℃까지의 열전도율을 측정하였고, 압축강도는 KS L 3115에 의거하여 측정하였으며, 열간수축온도는 KS L 9102 : 2014에 의거하여 측정하였고, 굽힘강도는 KS L 3503에 의거하여 측정하였으며, 강열감량은 850℃에서 4시간 가열하여 가열 전/후 중량감소율을 확인하였다.
비교예로 전기로, 소둔로, 열처리로 등 로내 각 부위의 Lining 재료 및 팽창대의 충진재로 사용되는 시판 고온로용 세라믹계 내화보드를 준비하였다. 상기 시판 고온로용 세라믹계 내화보드는 통상적으로 Al2O3 40~45%, SiO2 54~59% 및 기타성분을 포함하며, 진공성형방식으로 제조된다.
주요 성능지표 단위 개발목표 실시예1 실시예 3-1 비교예
불연성 - 불연소재 불연소재 불연소재 불연소재
고온열전도율
(GHP)		 W/mk
(~550℃ 기준)		 0.25 이하 0.2234 0.2147 0.3152
열간수축온도 ℃ 900℃이상 1000 ℃이상 1000 ℃ 이상 900℃미만
압축강도 Mpa 0.4 이상 0.43 0.46 0.19
굴곡강도 Mpa 4 이상 4.13 4.74 1.84
강열감량 % 3% 미만 2.19% 2.13% 3.75%
그 결과, 실시예 1과 실시예 3-1 모두 개발목표를 만족하였으며, 비교예에 비하여 열적 및 기계적 특성을 우수함을 확인할 수 있었다. 특히, 실시예 3-1의 경우 실시예 1 보다 더욱 열적 및 기계적 특성이 우수하게 측정되었는데, 이는 실란커플링제 및 초음파를 이용한 실리카 섬유의 전처리와 감압 및 가압을 이용한 함침처리가 분산성 및 결합 특성을 향상시킨 것에 기인한 것으로 판단하였다.
도 6은 본 발명에 따른 실리콘 잉곳 성장로 Spill Tray용 내화단열재의 제조방법에 의해 제조된 (A)내화단열재(실시예 1)와 (B)시판내화단열재(비교예)의 외관을 비교한 사진으로, 비교예의 경우 1000℃ 미만에서 수축변형 및 크랙이 발생하여 실리콘 잉곳 성장로 Spill Tray용으로 적절한 열적, 기계적 강도를 보여주지 못한 반면, 실시예 1의 경우 1000℃까지 수축변형 및 크랙 등이 확인되지 않아 실리콘 잉곳 성장로 Spill Tray용으로 적절함을 확인할 수 있었다.
이상과 같이 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였지만 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형의 예들을 포함하도록 기술된 청구범위에 의해서 해석되어야 한다.

Claims (5)

  1. 제 1함침용 바인더에 실리카 섬유를 함침시켜 사이징된 실리카 섬유를 탄화처리하여 수득된 전처리 섬유를 펠트화하고, 제조된 펠트를 제 2함침용 바인더에 함침시킨 후 열가압성형하여 제조된 프리폼을 탄화 및 경화시킨 것임을 특징으로 하는
    실리콘 잉곳 성장로 Spill Tray용 내화단열재.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전처리 섬유는
    제 1함침용 바인더에 실리카 섬유를 함침시켜 사이징된 실리카 섬유를 400 내지 600℃, 불활성 가스 분위기 하에서 1 내지 5시간 탄화처리한 것임을 특징으로 하는
    실리콘 잉곳 성장로 Spill Tray용 내화단열재.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 펠트는
    전처리된 섬유를 니들펀칭공법을 이용하여 펠트화한 것임을 특징으로 하는
    실리콘 잉곳 성장로 Spill Tray용 내화단열재.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 프리폼은
    제조된 펠트를 제 2함침용 바인더에 함침시킨 펠트를 건조한 후 건조된 펠트를 열가압하여 수득되는 것임을 특징으로 하는
    실리콘 잉곳 성장로 Spill Tray용 내화단열재.
  5. 제 1항에 있어서,
    제조된 프리폼은 탄화 전 체적 대비 60 내지 80%를 갖도록 탄화되는 것임을 특징으로 하는
    실리콘 잉곳 성장로 Spill Tray용 내화단열재.

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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04219369A (ja) * 1990-12-18 1992-08-10 Hitachi Chem Co Ltd セラミック繊維強化炭素材料及びその製造法
JPH11314980A (ja) * 1998-02-18 1999-11-16 Ibiden Co Ltd 耐火性複合建築材料の製造方法
KR101213658B1 (ko) 2009-02-17 2012-12-18 니폰 덴꾜꾸 가부시끼가이샤 탄소질 내화물 및 그 제조 방법 및 고로의 노 바닥 또는 측벽
KR20150062278A (ko) 2013-11-29 2015-06-08 현빈테크 주식회사 사파이어 초고온 단결정 성장로 단열 구조
KR101610094B1 (ko) 2015-03-03 2016-04-07 목포대학교산학협력단 그라파이트 단열재 제조방법
KR20180071790A (ko) * 2016-12-20 2018-06-28 인하대학교 산학협력단 피치로 코팅된 유리섬유를 포함하는 에폭시 복합재료

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04219369A (ja) * 1990-12-18 1992-08-10 Hitachi Chem Co Ltd セラミック繊維強化炭素材料及びその製造法
JPH11314980A (ja) * 1998-02-18 1999-11-16 Ibiden Co Ltd 耐火性複合建築材料の製造方法
KR101213658B1 (ko) 2009-02-17 2012-12-18 니폰 덴꾜꾸 가부시끼가이샤 탄소질 내화물 및 그 제조 방법 및 고로의 노 바닥 또는 측벽
KR20150062278A (ko) 2013-11-29 2015-06-08 현빈테크 주식회사 사파이어 초고온 단결정 성장로 단열 구조
KR101610094B1 (ko) 2015-03-03 2016-04-07 목포대학교산학협력단 그라파이트 단열재 제조방법
KR20180071790A (ko) * 2016-12-20 2018-06-28 인하대학교 산학협력단 피치로 코팅된 유리섬유를 포함하는 에폭시 복합재료

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