초음파 분무 열분해법을 이용한 실리카 기상합성

초음파 분무 열분해법을 이용한 실리카 기상합성 

독일의 Degussa사, Wacker Chemie사, 미국의 Cabot사 등에서 기본형 실리콘 분자

구조에서 유기물의 종류, 중합도, 가교밀도 등을 변화시키면서 가교제, 충전재, 배합

제 등의 변화에 따라 다양한 품목의 실리카를 합성 생산하고 있다.

열처리 및 화학처리 방법으로 나노 크기의 분말을 제조하여 열처리, 유기물 코팅,

기능성 부여 등으로 carbon black 첨가제, 특수도료, 타이어, 고무, 플라스틱, 전선

등의 충전재로 이용되고 있다(8).

Spray pyrolysis법(3,4,5,15)은 제조하고자 하는 물질의 전구체 용액을 분무하여 발생된

액적을 carrier gas에 의하여 반응부로 이동시켜서 건조, 열분해, 결정화, 소결 등의

과정을 거쳐서 고체의 입자를 만드는 과정을 말하며 <그림 2>에 도식하였다.

고온의 반응기로 이동한 액적은 용매의 증발에 의하여 농도가 높아지고 과포화되

면 농도가 가장 높은 표면으로부터 용질의 석출이 시작된다. 이때 반응부의 온도가

고온일수록 소결이 발생하여 더욱 치밀한 구조의 입자로 생성된다.

기존의 액상 및 고상 공정은 용질들이 석출되고 응축되는 속도가 서로 다르기 때

문에 균일한 조성의 입자를 생산하기 힘들다. 뿐만 아니라 밀링 과정을 수반하므로

이때 불순물이 함유되기 쉽다(6).

반면에 spray pyrolysis 법은 하나의 액적으로부터 하나의 입자가 제조되므로 액

적의 크기가 균일하면 크기 분포가 좁은 입자가 생성된다. 또한 전구체 용액으로부

터 발생된 액적은 동일한 조성을 가지기에 균일한 조성의 입자를 만들 수 있고, 경

우에 따라 첨가된 소량의 불순물은 고온에서의 반응에 의하여 없어지기 때문에 순

수한 입자의 제조가 가능하다.

초음파 분무는 진동자에서 발생하는 고주파의 초음파가 기상과 액상의 계면에 집

중되면서 액체의 표면에 geyser가 형성되며 geyser의 높이가 초음파의 강도에 따

라 증가하면서 액체 표면에서의 진동과 계면에서의 cavitation에 의해 geyser가 액적

으로 변하는 원리를 이용하는 것이다(7).

주파수가 증가하면 액적의 크기가 작아짐과 동시에 액적의 크기 분포가 매우 좁게

나타나며 액적의 수와 부피도 증가한다. 그러므로 초음파 진동자의 효율을 극대화

하는 것이 균일한 나노 크기의 입자를 합성하는데 있어서 기계적인 측면에서 가장

우선적으로 고려되어야 할 사항이다(9).

Tetraethyl orthosilicate(TEOS)와 같은 실리콘 알콕사이드 증기의 열산화에 의한 실

리카 나노 분말의 생성은 염화수소와 같은 산성 기체를 발생시키지 않는다는 점에

서 기상합성에 적합하다. 초음파로 분무된 액적은 Ar carrier gas에 의해 열처리 구

역으로 이동되어 건조, 열분해, 산화 반응을 거쳐 금속 필터로 포집된다.

<그림 3>은 초음파 분무 열분해법으로 합성한 입자들의 주사전자현미경 사진이다.

합성된 입자들의 표면은 2nm 이하의 작은 입자들이 뭉쳐져 있는 형태를 띠고 있고

합성된 나노 실리카의 비표면적은 191.28 m2/g 수준이다(10).