KR100468050B1 - Process for silica particles with spherical shape - Google Patents
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Abstract
본 발명은 구형 실리카 분말의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 분무열분해법을 이용하여 실리카 분말을 제조함에 있어서, 실리카의 원료로서 나노 실리카(Fumed silica)와 테트라에틸 오르소실리케이트(Tetraethyl Orthosilicate, TEOS)를 적정 비율로 혼합하여 이를 증류수에 용해 또는 분산시켜 콜로이드 상의 전구체 용액을 제조한 다음, 분무장치를 이용하여 상기 용액을 액적으로 분무시키고, 분무된 액적을 열분해 시켜 실리카 분말을 제조함으로써, 기존의 일반적인 분무열분해법에 의해 제조된 실리카 분말의 깨짐 현상을 방지하고, 실리카 원료로 나노 실리카(fumed silica)를 사용함으로써 경제적이며, 특히 제조된 실리카 분말이 완벽한 구형의 형상을 가지면서 치밀한 구조를 가지는 실리카 분말의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing spherical silica powder, and more particularly, in preparing silica powder by spray pyrolysis, nano silica (Fumed silica) and tetraethyl orthosilicate (Tetraethyl Orthosilicate, TEOS) was mixed in an appropriate ratio to dissolve or disperse it in distilled water to prepare a precursor solution on a colloid, and then spray the solution into droplets using an atomizer, and pyrolyze the sprayed droplets to prepare silica powder. It is economical by preventing cracking of the silica powder prepared by the general spray pyrolysis method and using fumed silica as a silica raw material. In particular, the manufactured silica powder has a perfect spherical shape and a compact structure. It relates to a method for producing silica powder.
Description
본 발명은 구형 실리카 분말의 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 분무열분해법을 이용하여 실리카 분말을 제조함에 있어서, 실리카의 원료로서 나노 실리카(Fumed silica)와 테트라에틸 오르소실리케이트(Tetraethyl Orthosilicate, TEOS)를 적정 비율로 혼합하여 이를 증류수에 용해 또는 분산 시켜 콜로이드 상의 전구체 용액을 제조한 다음, 분무장치를 이용하여 상기 용액을 액적으로 분무시키고, 분무된 액적을 열분해 시켜 실리카 분말을 제조함으로써, 기존의 일반적인 분무열분해법에 의해 제조된 실리카 분말의 깨짐 현상을 방지하고, 실리카 원료로 나노 실리카(fumed silica)를 사용함으로써 경제적이며, 특히 제조된 실리카 분말이 완벽한 구형의 형상을 가지면서 치밀한 구조를 가지는 실리카 분말의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing spherical silica powder, and in detail, to preparing silica powder by spray pyrolysis, nano silica (Fumed silica) and tetraethyl orthosilicate (TEOS) are used as raw materials of silica. ) Is mixed in an appropriate ratio to dissolve or disperse it in distilled water to prepare a precursor solution of a colloid, and then spray the solution into droplets using a spray apparatus, and pyrolyze the sprayed droplets to prepare silica powder. It is economical by preventing cracking of silica powder produced by general spray pyrolysis and using fumed silica as a raw material of silica. Especially, the prepared silica powder has a perfect spherical shape and has a dense structure. It relates to a method for producing a powder.
구형 실리카는 디스플레이 및 반도체 에폭시 봉지재(epoxy moldingcompound, EMC)용 충전제로 사용되어지고 있다. 반도체용 EMC에 사용되어지는 실리카 충전제가 갖추어야 할 특성은 열팽창을 최소화하면서 강도를 높일 수 있어야 한다. 또한 이온의 함량이 적어야 하고 상대적으로 높은 열전도도를 갖는 것이 바람직하다. 현재 EMC 전체양의 약 80% 이상이 실리카 분말로 이루어지고 있는 실정인데, 이같은 특성을 만족시키기 위해 실리카 분말의 입자 크기와 분포, 형상을 조절하는 것은 매우 중요하다. 이들 특성은 반도체의 고집적화, 소형화, 박형화를 가능하게 하도록 하는 중요한 역할을 하고 있으며, 특히 봉지 공정 중에 유동성을 확보하기 위해서 뿐만 아니라 충전 밀도를 극대화하기 위해 구형을 유지하는 것은 매우 중요하다.Spherical silica is used as a filler for displays and semiconductor epoxy encapsulation (EMC). The properties of silica fillers used in EMC for semiconductors should be able to increase their strength while minimizing thermal expansion. It is also desirable that the content of ions be low and that they have a relatively high thermal conductivity. Currently, more than 80% of the total amount of EMC is made of silica powder. To satisfy these characteristics, it is very important to control the particle size, distribution, and shape of the silica powder. These characteristics play an important role in enabling high integration, miniaturization, and thinning of the semiconductor, and it is particularly important to maintain the spherical shape to maximize the filling density as well as to secure the fluidity during the encapsulation process.
이러한, 구형 실리카를 제조하는 방법에는 주로 액상법 및 기상법이 사용되어지고 있다. 그러나, 액상법에 의한 구형 실리카 분말 합성은 공정이 복잡하고 환경 친화적이지 않다는 문제점을 가지고 있다. 반면에 기상법에 의한 구형 실리카 분말 합성은 주로 나노미터 크기의 실리카 분말들을 합성하는데, 분말들간의 응집이 많이 이루어지는 단점을 가지고 있다.The liquid phase method and the vapor phase method are mainly used for the method of manufacturing such spherical silica. However, spherical silica powder synthesis by the liquid phase method has a problem that the process is complicated and not environmentally friendly. On the other hand, spherical silica powder synthesis by gas phase method mainly synthesizes nanometer-sized silica powders, and has a disadvantage in that agglomeration between powders is large.
또한, 구형의 실리카 분말을 제조할 수 있는 방법으로 분무열분해법이 활발히 연구되고 있다. 이러한, 분무열분해법에서는 실리카 분말을 합성하기 위해 TEOS를 물이나 알코올에 용해시켜 실리카를 합성하나, 상기 TEOS는 알콕사이드로서 가격이 비쌀 뿐만 아니라 다루기에 어려운 문제점을 가지고 있으며, 분해시에 독가스를 배출하는 문제점을 가지고 있다.In addition, spray pyrolysis has been actively studied as a method for producing spherical silica powder. In the spray pyrolysis method, silica is synthesized by dissolving TEOS in water or alcohol to synthesize silica powder, but TEOS is an alkoxide, which is expensive and difficult to handle, and emits poison gas during decomposition. I have a problem.
이에, 본 발명자들은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 분무열분해법을 이용하여 실리카 분말을 제조함에 있어서, 실리카의 원료로서 나노 실리카(Fumed silica)와 테트라에틸 오르소실리케이트(TEOS)를 적정 비율로 혼합하여 이를 증류수에 용해 또는 분산시켜 콜로이드 상의 전구체 용액을 제조한 다음, 분무장치를 이용하여 상기 용액을 액적으로 분무시키고, 분무된 액적을 열분해 시켜 실리카 분말을 제조함으로써 본 발명을 완성하였다.Thus, the present inventors in order to solve the above problems in the production of silica powder by spray pyrolysis method, as a raw material of silica mixed nano silica (Fumed silica) and tetraethyl orthosilicate (TEOS) in an appropriate ratio By dissolving or dispersing it in distilled water to prepare a precursor solution on a colloid, and then spraying the solution into a droplet using a spray device, and pyrolyzed the sprayed droplet to produce a silica powder.
따라서, 본 발명은 실리카 원료로 fumed silica를 사용함으로써 경제적이며, 제조된 실리카 분말이 완벽한 구형의 형상을 가지면서 치밀한 구조를 가지는 실리카 분말과 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention is economical by using fumed silica as a raw material of silica, and an object of the present invention is to provide a silica powder having a compact spherical shape and a fine structure, and a method for producing the silica powder.
도 1은 Fumed silica/TEOS의 중량비가 75/25일 때 제조되어진 실리카 분말의 전자현미경 사진이다.1 is an electron micrograph of a silica powder prepared when the weight ratio of fumed silica / TEOS is 75/25.
도 2는 Fumed silica/TEOS의 중량비가 50/50일 때 제조되어진 실리카 분말의 전자현미경 사진이다.Figure 2 is an electron micrograph of the silica powder prepared when the weight ratio of Fumed silica / TEOS is 50/50.
도 3은 Fumed silica/TEOS의 중량비가 25/75일 때 제조되어진 실리카 분말의 전자현미경 사진이다.Figure 3 is an electron micrograph of the silica powder prepared when the weight ratio of Fumed silica / TEOS is 25/75.
도 4는 Fumed silica/TEOS의 중량비가 100/0일 때 제조되어진 실리카 분말의 전자현미경 사진이다.Figure 4 is an electron micrograph of the silica powder prepared when the weight ratio of Fumed silica / TEOS is 100/0.
도 5는 Fumed silica/TEOS의 중량비가 0/100일 때 제조되어진 실리카 분말의 전자현미경 사진이다.5 is an electron micrograph of a silica powder prepared when the weight ratio of fumed silica / TEOS is 0/100.
도 6은 실리카 전구체 용액의 농도가 0.1 M일 때 제조되어진 실리카 분말의 전자현미경 사진이다.6 is an electron micrograph of the silica powder prepared when the concentration of the silica precursor solution is 0.1 M.
도 7은 실리카 전구체 용액의 농도가 2 M일 때 제조되어진 실리카 분말의 전자현미경 사진이다.7 is an electron micrograph of the silica powder prepared when the concentration of the silica precursor solution is 2M.
도 8은 반응기 온도가 600 ℃ 일 때 제조되어진 실리카 분말의 전자현미경 사진이다.8 is an electron micrograph of the silica powder prepared when the reactor temperature is 600 ℃.
도 9는 반응기 온도가 1000 ℃ 일 때 제조되어진 실리카 분말의 전자현미경 사진이다.9 is an electron micrograph of the silica powder prepared when the reactor temperature is 1000 ℃.
본 발명은 분무열분해법으로 실리카를 제조하는 방법에 있어서,The present invention provides a method for producing silica by spray pyrolysis;
1) 나노 실리카(Fumed silica) 및 테트라에틸 오르소실리케이트(TEOS)를 물에 분산 또는 용해시켜 0.02 ∼ 3 M의 실리카 전구체 용액을 제조하는 공정;1) dispersing or dissolving nano silica (Fumed silica) and tetraethyl orthosilicate (TEOS) in water to prepare a silica precursor solution of 0.02 to 3 M;
2) 상기 전구체 용액을 분무장치에 투입하여 0.1 ∼ 100 ㎛ 직경의 액적을 생성시키는 공정; 및2) injecting the precursor solution into a spray device to generate droplets of 0.1 to 100 ㎛ diameter; And
3) 상기 생성된 액적을 고온의 관형 반응기(200 ∼ 1,500 ℃) 또는 화염반응기(1000 ∼ 2500 ℃)내로 투입하여 건조 및 열분해 시켜 실리카를 얻는 공정;3) obtaining the silica by drying and thermally decomposing the resulting droplets into a high temperature tubular reactor (200 to 1,500 ° C.) or a flame reactor (1000 to 2500 ° C.);
로 이루어진 구형 실리카 분말의 제조방법을 그 특징으로 한다.It characterized by a method for producing a spherical silica powder consisting of.
또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 구형 실리카 분말을 포함한다.In addition, the present invention includes spherical silica powder prepared by the above method.
이와 같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.The present invention will be described in more detail as follows.
본 발명은 분무열분해법으로 실리카를 제조하는 방법에 있어서, 실리카의 원료로써 나노 실리카(Fumed silica) 및 TEOS를 동시에 사용함으로써 완벽한 구형의 형상을 가지면서 속이 치밀한 구조를 가지는 실리카 분말 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing silica by spray pyrolysis, wherein a method of producing silica powder having a perfect spherical shape and compact structure by simultaneously using nano silica and TEOS as a raw material of silica. .
이하, 본 발명에 따른 구형 실리카 분말의 제조방법을 분무열분해법에 의거하여 각 공정별로 나누어 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the method for preparing the spherical silica powder according to the present invention will be described in more detail by dividing each process based on spray pyrolysis.
제 1 공정: 실리카 전구체 용액의 제조First Step: Preparation of Silica Precursor Solution
나노 실리카(Fumed silica) 및 테트라에틸 오르소실리케이트(TEOS)를 물에 분산 또는 용해시켜 0.02 ∼ 3 M의 실리카 전구체 용액을 제조하는 공정이다. 상기 실리카의 원료로 사용되는 Fumed silica는 일반적인 화염반응기에 의해 대량으로 생산되어지는 5 ∼ 30 nm의 크기를 가지는 것을 사용할 수 있으며, 본 발명에서는 독일 데구사의 Fumed silica(상품명 Aerosil)를 사용하였다. 이러한 특성의 Fumed silica는 용액에 분산시킨 상태로 첨가하고, TEOS는 산 용액에서 수화 반응을 일으켜 용해된 상태로 첨가시킨다. 이때, Fumed silica와 TEOS는 99:1 ∼ 1:99 중량비로 혼합하여 첨가하며, 만일 실리카 원료로 Fumed silica만을 사용하면 최종 실리카 분말의 강도가 약해 쉽게 부서지는 특성이 있으며, 실리카 원료로 TEOS만을 사용하면 구형의 형태가 일부 일그러지며 실리카 분말의 제조비용이 높아지는 등의 문제가 있다. 이와 같이, 본 발명은 실리카 분말의 형태를 조절하기위해 Fumed silica를 사용하고, 실리카 분말의 구조를 치밀하게 하기 위해 TEOS를 혼합 사용하는데 그 특징이 있다. 그리고, 상기한 전구체 용액은 콜로이드 상태로 실리카 분말 제조공정 중 액적의 건조 과정에서 액적 내부 전체적으로 동시에 용질들의 석출이 일어나게 함으로써 속이 찬 실리카 분말의 제조가 가능하게 한다.Nano silica (Fumed silica) and tetraethyl orthosilicate (TEOS) is dispersed or dissolved in water to prepare a 0.02 ~ 3 M silica precursor solution. Fumed silica used as a raw material of the silica may be used having a size of 5 to 30 nm produced in large quantities by a general flame reactor, in the present invention was used Fumed silica (trade name Aerosil) of Degu, Germany. Fumed silica with this property is added in a dispersed state, and TEOS is hydrated in an acid solution and added in a dissolved state. At this time, fumed silica and TEOS are mixed and added in a weight ratio of 99: 1 to 1:99. If only fumed silica is used as the silica raw material, the strength of the final silica powder is weak and easily broken, and only TEOS is used as the silica raw material. There is a problem that the spherical shape is partially distorted and the manufacturing cost of the silica powder is increased. As such, the present invention is characterized by using fumed silica to control the shape of the silica powder, and using TEOS to densify the structure of the silica powder. In addition, the precursor solution in the colloidal state, the precipitation of the solutes at the same time as the entire inside of the droplet occurs during the drying of the droplet during the silica powder manufacturing process enables the production of a hollow silica powder.
또한, 상기 전구체 용액의 농도에 따라 제조되는 실리카 분말의 크기가 결정되기 때문에 원하는 크기의 입자를 제조하기 위해서는 전구체 용액의 농도가 적절해야 하는 바, 전구체 용액의 총 농도는 0.02 ∼ 3.0 M 범위가 바람직하다. 전구체의 총 농도가 0.02 M에 이르지 못한 경우 생성되는 실리카 분말의 양이 너무 적어지는 문제가 있고, 전구체의 총 농도가 3.0 M을 초과하는 경우 전구체 용액을 만드는 물질들을 증류수에 용해시키거나 분산시키기 어려운 문제가 있다.In addition, since the size of the silica powder to be produced is determined according to the concentration of the precursor solution, the concentration of the precursor solution should be appropriate in order to produce particles of a desired size, and the total concentration of the precursor solution is preferably in the range of 0.02 to 3.0 M. Do. When the total concentration of the precursor does not reach 0.02 M, there is a problem that the amount of the silica powder produced is too small, and when the total concentration of the precursor exceeds 3.0 M, it is difficult to dissolve or disperse the substances that make the precursor solution in distilled water. there is a problem.
제 2 공정: 액적의 분무Second Process: Spraying Droplets
다음은 상기 제 1 공정에서 제조된 전구체 용액을 분무장치를 이용하여 액적으로 분무시키는 과정을 수행한다.Next, the precursor solution prepared in the first step is sprayed into a droplet using a spray apparatus.
본 발명에서 액적으로 분무시키기 위한 분무장치로는 초음파 분무장치, 공기노즐 분무장치, 초음파노즐 분무장치 등이 사용될 수 있다. 여기서, 상기 초음파노즐 분무장치는 고농도에서 서브마이크론에서 수 마이크론 크기의 미세한 실리카 분말의 제조가 가능하고, 공기노즐과 초음파노즐 분무장치는 마이크론 크기의 입자들을 대량으로 생산이 가능하다.As the spray device for spraying droplets in the present invention, an ultrasonic spray device, an air nozzle spray device, an ultrasonic nozzle spray device, or the like may be used. Here, the ultrasonic nozzle sprayer can produce fine silica powder of several micron size in submicron at high concentration, and the air nozzle and ultrasonic nozzle sprayer can produce a large amount of micron-sized particles.
또한, 분무된 액적의 직경은 0.1 ∼ 100 ㎛가 되도록 하며, 만일 액적의 직경이 0.1 ㎛ 미만이면 생성되는 입자의 크기가 너무 작게 되는 문제점이 있고, 액적의 직경이 100 ㎛를 초과하는 경우에는 반대로 생성되는 입자의 크기가 너무 큰 문제가 발생한다.In addition, the sprayed droplets have a diameter of 0.1 to 100 μm, and if the diameter of the droplets is less than 0.1 μm, there is a problem that the size of the resulting particles is too small. If the diameter of the droplets exceeds 100 μm, on the contrary, The problem arises that the size of the particles produced is too large.
제 3 공정: 구형 실리카 분말의 생성Third Process: Production of Spherical Silica Powder
상기 공정에서 발생된 액적을 고온의 관형 반응기 또는 화염반응기 내부에서 건조와 열분해 시켜 얻고자 하는 실리카 분말로 전환시키는 과정을 수행한다.The droplet generated in the process is converted into silica powder to be obtained by drying and pyrolysis in a high temperature tubular reactor or flame reactor.
상기 관형 반응기 내부는 전기로 또는 화염 반응기에 의해 고온이 유지되며, 전기로의 온도는 전구체 물질들의 건조를 위해 200 ∼ 1,500 ℃가 바람직하며, 화염반응기를 사용하는 경우에 있어서는 1000 ∼ 2500 ℃가 좋다.The inside of the tubular reactor is maintained at a high temperature by an electric furnace or a flame reactor, the temperature of the electric furnace is preferably 200 to 1,500 ℃ for drying the precursor materials, in the case of using a flame reactor is preferably 1000 to 2500 ℃.
상기와 같은 분무열분해법에 의해 얻은 실리카 분말은 결정성이 낮기 때문에 결정성이 좋은 실리카 분말을 요구하는 응용에 있어서는 후처리 공정을 거쳐 분무열분해법에 의해 제조되어진 분말들을 결정화시키는 공정을 추가 할 수 있다. 상기 후처리 공정으로는 실리카 입자를 300 ∼ 1,500 ℃의 온도에서 1 ∼ 5시간 동안 열처리하는 방법을 사용한다.Since the silica powder obtained by the above-mentioned spray pyrolysis method is low in crystallinity, in an application requiring a good crystallinity, the silica powder may be further subjected to a post-treatment process to crystallize the powders produced by the spray pyrolysis method. have. As the post-treatment step, a method of heat treating silica particles at a temperature of 300 to 1,500 ° C. for 1 to 5 hours is used.
상기와 같은 방법에 의해 제조된 실리카 분말은 구형의 형상을 가지면서 치밀한 구조를 가지고, 또한 분말의 크기가 0.5 ∼ 20 ㎛이고, 비표면적이 1 ∼ 300 m2/g이다.The silica powder produced by the above method has a spherical shape, has a dense structure, and has a powder size of 0.5 to 20 µm and a specific surface area of 1 to 300 m 2 / g.
이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같은바, 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되지 않는다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following Examples, these examples are only for illustrating the present invention more specifically, the scope of the present invention in accordance with the gist of the present invention to these Examples It will be apparent to one of ordinary skill in the art that the present invention is not limited thereto.
실시예 1 : Fumed silica 와 TEOS 첨가량 변화에 따른 구형 실리카 분말의 제조Example 1 Preparation of Spherical Silica Powder According to Fumed Silica and TEOS Addition
실리카의 원료인 Fumed silica와 TEOS[fumed silica:TEOS(중량비) 75:25(도 1), 50:50(도 2), 25:75(도 3)]의 첨가량에 따라 구형 실리카 분말을 제조하였다. fumed silica와 TEOS를 물에 분산 또는 용해시켜 전구체 용액의 총 농도가 1 M가 되게 하였다. 그런 다음, 초음파 분무장치를 이용하여 상기 준비된 전구체 용액으로부터 액적을 생성시키고, 반응기 온도 900 ℃에서 운반기체 건조 및 열분해 시켜 실리카 분말들을 제조하였다.According to the addition amount of silica fumed silica and TEOS (fumed silica: TEOS (weight ratio) 75:25 (Fig. 1), 50:50 (Fig. 2), 25:75 (Fig. 3)) were prepared spherical silica powder. . Fumed silica and TEOS were dispersed or dissolved in water so that the total concentration of the precursor solution was 1 M. Then, droplets were generated from the prepared precursor solution using an ultrasonic atomizer, and the carrier gas was dried and pyrolyzed at a reactor temperature of 900 ° C. to prepare silica powders.
이렇게 제조된 실리카 분말의 표면을 주사전자현미경(SEM)으로 측정하여 도 1 ∼ 3에 나타내었다. 도 1 ∼ 3에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 실리카 분말은 모두 완벽한 구형의 형상을 가지고 있으며 매우 다공성인 특성을 가지고 있음을 확인할 수 있었다. 특히, TEOS의 첨가량이 증가할수록 실리콘 성분이 Fumed silica 표면에 석출되어 분말의 다공성을 줄여주기 때문에 Fumed silica의 첨가량이 많은 도 1이 Fumed silica의 첨가량이 적은 도 3 보다 다공성인 표면 특성을 나타낸다.The surface of the silica powder thus prepared was measured with a scanning electron microscope (SEM) and shown in FIGS. 1 to 3. As shown in Figures 1 to 3, all of the silica powders according to the present invention was found to have a perfect spherical shape and very porous properties. In particular, as the amount of TEOS increases, the silicon component precipitates on the surface of the fumed silica, thereby reducing the porosity of the powder. Thus, FIG. 1 having a large amount of fumed silica shows a more porous surface than that of FIG.
비교예 1 : 순수한 Fumed silica와 TEOS로부터 실리카 분말 제조Comparative Example 1 Preparation of Silica Powder from Pure Fumed Silica and TEOS
실리카의 원료로서 100% Fumed silica(도 4)와 100% TEOS(도 5)를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실리카 분말을 제조하였다.Silica powder was prepared in the same manner as in Example 1, except that 100% Fumed silica (FIG. 4) and 100% TEOS (FIG. 5) were used as a raw material of silica.
이렇게 제조된 실리카 분말의 표면을 주사전자현미경(SEM)으로 측정하여 도 4 ∼ 5에 나타내었다. 도 4에 나타난 바와 같이, 100% Fumed silica로 제조한 실리카 분말은 구형의 형상을 가지지 않고 일부는 나노미터 크기의 형태를 가지고 있으며 일부는 마이크론 크기의 나노 응집체를 형성하고 있음을 확인할 수 있었다. 이처럼 분무열분해법에 의해 제조되어진 실리카 분말의 구형 형상이 깨어진 이유는 분무열분해 공정에서 얻어진 Fumed silica 분말들의 응집체가 구속력이 약하기 때문에 쉽게 부서지기 때문이다. 즉, 분무열분해 공정에서는 단순히 Fumed silica 분말들의 건조만이 이루어지고 반응이 일어나지 않기 때문에 서로간의 구속력이 약하기 때문이다. 따라서, 100% Fumed silica로 부터 제조된 실리카 분말은 구형의 형상을 유지하지 않기 때문에 적합하지 않다.The surface of the silica powder thus prepared was measured with a scanning electron microscope (SEM) and is shown in FIGS. 4 to 5. As shown in FIG. 4, the silica powder prepared from 100% fumed silica did not have a spherical shape, some had a nanometer sized form, and some formed micronized nano aggregates. The spherical shape of the silica powder produced by the spray pyrolysis method is broken because the aggregate of fumed silica powders obtained in the spray pyrolysis process is easily broken because of the weak binding force. That is, in the spray pyrolysis process, since only fumed silica powders are dried and no reaction occurs, the binding force is weak. Therefore, silica powder made from 100% fumed silica is not suitable because it does not maintain spherical shape.
도 5에 나타난 바와 같이, 100% TEOS로 제조한 실리카 분말은 구형의 형상을 가지면서 매우 치밀한 구조를 가지고 있다. 이 경우는 콜로이드 용액을 사용하지 않기 때문에 깨끗한 용액으로부터 균일 침전에 의해 매우 치밀한 구조의 분말들을 제조할 수 있다. 그러나, 콜로이드를 사용하지 않기 때문에 일부 속이 빈 형태의 분말들이 얻어지기 때문에 도 5에 나타난 바와 같이 일부 구형의 형상이 일그러지고 움푹 패인 형태를 가지며, 또한 매우 치밀한 구조를 가지기 때문에 분말의 표면적이 적어 고표면적을 요하는 응용분야에 있어서는 적합하지 않다. 그리고, TEOS의 가격이 Fumed silica에 비해 비싸고 다루기 힘들기 때문에 Fumed silica에 비해 분무열분해법에 의한 구형 실리카를 제조하는 원료로서 적합하지 않다. 순수한 Fumed silica 로부터 제조되어지는 실리카 분말은 구형의 형상을 유지하지 않기 때문에 적합하지 않다.As shown in FIG. 5, the silica powder made of 100% TEOS has a spherical shape and has a very dense structure. In this case, since the colloidal solution is not used, powders of very dense structure can be produced by uniform precipitation from a clean solution. However, since some hollow powders are obtained because no colloid is used, some spherical shapes are distorted and recessed as shown in FIG. 5, and also have a very dense structure, so that the surface area of the powder is small. It is not suitable for applications requiring surface area. In addition, since TEOS is more expensive and difficult to handle than fumed silica, it is not suitable as a raw material for producing spherical silica by spray pyrolysis compared to fumed silica. Silica powders made from pure fumed silica are not suitable because they do not retain their spherical shape.
실시예 2 : 전구체 용액의 농도에 따른 실리카 분말의 제조Example 2 Preparation of Silica Powder According to Concentration of Precursor Solution
실리카 전구체 용액의 농도에 따른 실리카 분말의 형상을 알아보기 위하여 용액의 농도를 달리하여 실리카 분말을 제조하였다.In order to determine the shape of the silica powder according to the concentration of the silica precursor solution, the silica powder was prepared by varying the concentration of the solution.
Fumed silica와 TEOS의 첨가비를 50/50 중량비로 하고, 전구체 용액의 농도를 0.1 M(도 6), 2 M(도 7)로 한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실리카 분말을 제조하였다.The silica powder was prepared in the same manner as in Example 1 except that the addition ratio of fumed silica and TEOS was 50/50 by weight, and the concentration of the precursor solution was 0.1 M (FIG. 6) and 2 M (FIG. 7). Prepared.
이렇게 제조된 실리카 분말의 표면을 주사전자현미경(SEM)으로 측정하여 도 6 ∼ 7에 나타내었다. 도 6 ∼ 7에 나타난 바와 같이, 용액의 농도가 낮을수록 실리카 분말의 크기가 작음을 알 수 있었다. 또한 용액의 농도가 2 M로 고농도인 경우에 제조되어진 실리카 분말도 완벽한 구형의 형상을 가지고 있었다. 일반적인 분무열분해 공정하에서는 용액의 농도가 증가할수록 보다 속이 빈 형태의 분말이 제조되어지나, 본 발명에 따는 실리카 분말은 실리카의 원료로서 일부를 Fumed silica를 사용하여 콜로이드 용액을 전구체 용액으로 사용하기 때문에 고농도에서도 완벽한 구형의 형상을 가지는 치밀한 구조의 실리카 분말의 제조가 가능함을 확인할 수 있었다.The surface of the silica powder thus prepared was measured with a scanning electron microscope (SEM) and shown in FIGS. 6 to 7. As shown in FIGS. 6 to 7, the lower the concentration of the solution, the smaller the size of the silica powder. In addition, the silica powder prepared when the concentration of the solution was high at 2 M also had a perfect spherical shape. In general spray pyrolysis process, the hollow powder is prepared as the concentration of the solution increases, but the silica powder according to the present invention has a high concentration because the colloidal solution is used as a precursor solution using fumed silica as a raw material of silica. In addition, it was confirmed that the silica powder having a dense structure having a perfect spherical shape was possible.
실시예 3 : 반응기 온도에 따른 실리카 분말의 제조Example 3 Preparation of Silica Powder According to Reactor Temperature
반응기의 온도에 따른 실리카 분말의 형상을 알아보기 위하여 반응기의 온도를 달리하여 실리카 분말을 제조하였다.In order to determine the shape of the silica powder according to the temperature of the reactor, the silica powder was prepared by varying the temperature of the reactor.
Fumed silica와 TEOS의 첨가비를 50/50 중량비로 하고, 반응기의 온도를 600 ℃(도 8), 1000 ℃(도 9)로 한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실리카 분말을 제조하였다.A silica powder was prepared in the same manner as in Example 1 except that the addition ratio of fumed silica and TEOS was 50/50 by weight and the reactor temperature was 600 ° C. (FIG. 8) and 1000 ° C. (FIG. 9). It was.
이렇게 제조된 실리카 분말의 표면을 주사전자현미경(SEM)으로 측정하여 도 8 ∼ 9에 나타내었다. 도 8 ∼ 9에 나타난 바와 같이, 600 ℃의 낮은 온도에서 제조된 실리카 분말도 1000 ℃에서 얻어진 분말과 유사한 형태를 가지고 있었다. 즉, 반응기의 온도가 액적의 완벽한 건조가 일어나고 유기물의 분해가 일어나는 일정 온도 이상이면 제조된 실리카 분말은 모두 완벽한 구형의 형상을 가지고 치밀한 구조를 가짐을 확인할 수 있었다.The surface of the silica powder thus prepared was measured with a scanning electron microscope (SEM) and is shown in FIGS. 8 to 9. As shown in Figures 8 to 9, the silica powder prepared at a low temperature of 600 ℃ also had a similar form to the powder obtained at 1000 ℃. In other words, when the temperature of the reactor is a certain temperature or more than a certain temperature that the complete drying of the droplets and decomposition of the organic matter it can be confirmed that all of the prepared silica powder has a perfect spherical shape and has a compact structure.
이상에서 상세히 설명하고 입증하였듯이, 본 발명에 따른 구형 실리카 분말의 제조방법은 분무열분해법에 의한 실리카 분말의 제조에 있어서, 실리카의 원료로서 Fumed silica와 TEOS를 적절한 비율로 혼합 사용함으로써 완벽한 구형의 형상을 가지면서 치밀한 구조를 가지는 다공성의 실리카 분말의 제조가 가능하다. 또한, 본 발명의 방법에 따라 제조된 실리카 분말은 완벽한 구형의 형상을 가질 뿐만 아니라 서브마이크론에서 수 마이크론 사이의 크기를 가지고 고표면적을 가지기 때문에 디스플레이 및 반도체 에폭시 봉지재(epoxy molding compound, EMC)용 충전제로 유용하게 사용할 수 있으며, 실리카의 원료로서 값이 싼 Fumed silica를 사용함으로써 기존의 TEOS만을 사용하는 공정보다 매우 경제적인 장점이 있다.As described and demonstrated in detail above, the method for producing a spherical silica powder according to the present invention is a perfect spherical shape by using fumed silica and TEOS in an appropriate ratio as a raw material of silica in the production of silica powder by spray pyrolysis It is possible to produce a porous silica powder having a dense structure while having. In addition, silica powders prepared according to the method of the present invention not only have perfect spherical shapes, but also have a size between submicrons to several microns and have a high surface area for display and semiconductor epoxy molding compounds (EMCs). It can be usefully used as a filler, and by using inexpensive fumed silica as a raw material of silica, there is a very economic advantage than the process using only TEOS.
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