증착 구간의 온도 제어에 의한 SiO2 초미립자의 균일한 증착

유수종, 김교선

강원대학교 공과대학 화학공학과

Uniform Deposition of Ultrafine SiO2 Particles

by Temperature Control in Deposition Zone

Soo-Jong You, Kyo-Seon Kim

Department of Chemical Engineering, College of Engineering

Kangwon National University

서론

본 연구에서는 튜브형 가열로 반응기를 이용한 실험 장치를 통하여 증착 구간 내에서의 균일한 두께의 SiO2 입자의 증착을 이루도록 시도하였으며 증착 구간의 내부 벽온도 분포를 농도, 유량, 반응 구간 온도 변화에 따라 제어함으로써 균일한 두께의 증착을 이루는 방법을 고찰하였다.

이론적 모델 연구를 위해 반응기 내에서의 SiCl4 산화 반응에 의한 SiO2 입자 생성, 충돌에 의한 입자 성장 및 열영동에 의한 증착 및 입자의 확산 등의 현상을 고려하였다.  또한 실험적으로 튜브형 가열로 반응기 끝에 Pyrex튜브로 만들어진 증착 구간을 연결하여 SiO2 입자의 증착 현상을 고찰하였으며 이론적 예측 결과와 비교 검토하였다.

본 연구에서의 공정 변수로서 반응물 농도, 반응기 온도, 전체 기체 유량 등을 선정하였으며 튜브형 가열로 반응기에서 생성되는 SiO2 미립자 분말의 특성(크기, 농도) 및 증착 특성에 관해 고찰하였다.

이론

본 반응기의 모델식을 위해 튜브형 가열로 반응기내에서의 열전달식, SiCl4 물질 수지식, SiO2 입자의 0차, 1차, 2차 모멘트 수지식을 풀었고, 모델식에서는 축방향의 열전달, 물질 전달 및 자연 대류의 영향은 무시하였으며 에어로졸 입도 분포식은 log-normal 분포식을 가정하였다[1-2].

에어로졸 동력학식에서는 화학 반응 속도, 에어로졸 생성 속도, 에어로졸의 충돌, 확산, 열영동 현상 등을 고려하였다.  반응기 모델식에서는 온도, 반응물 농도, 0차 1차, 2차 모멘트식을 'method of line'법을 이용하여 편미분 방정식을  상미분 방정식으로 변환하여 풀었다[3-6].

증착 구간에서의 벽온도 조절에 의해 열영동 현상에 의한 증착 속도를 조절하여 증착 구간에서의 균일한 증착을 얻도록 하였으며 증착 구간에서의 거리에 따른 증착 속도는 다음의 식으로 표시된다.

Deposition flux at z = [eqn: 2□K□( r M_1 {∂lnT OVER ∂r} )□_r=R]  at z

= [eqn: ( E_DZ OVER L_DZ ) ( 1000C_i Q□^* )]  = constant for uniform coating

(z=축방향 거리, K=열영동 계수, □=동점도, r=반경 방향 거리, T=온도,

M1=에어로졸 1차 모멘트, EDZ=증착구간의 증착 효율, LDZ=증착구간 길이,        Ci=SiCl4의 초기 농도, Q=전체 기체 유량, □*=SiO2 monomer 의 부피)

증착 구간 끝의 벽온도를 25℃로 가정하였으며 EDZ 값을 시행착오법으로 조절하여 증착 구간 끝의 튜브벽 온도가 25℃가 되는 EDZ를 얻었다.  구한 EDZ를 이용하여 constant deposition flux를 위한 증착 구간의 튜브벽 온도 분포를 공정 변수를 변화시키면서 계산하였다.

실험

본 실험 장치에서 증착 구간의 반응기 벽온도는 반응기 길이에 따라 온도 제어가 가능하도록 제작하여 초미립 SiＳ2 입자의 증착 제어가 가능하도록 하였다.

본 실험에서 사용된 운반 기체(O2)는 silica-gel을 통과시켜 수분을 충분히 제거한 후 반응기 입구 및 SiCl4 bubbler에 공급되도록 하였다.  bubbler 내의 SiCl4는 O2 기체 내에 포화되어 정량 공급하였고, SiCl4 반응 기체가 공급 line상에서 응축되는 것을 막기 위해서 heating-tape을 사용하여 공급 line을 일정한 온도로 유지시켰다.  공급된 반응 기체는 튜브형 가열로 반응기에서 가열되어 고온 상태에서 SiCl4가 산화되어 SiＳ2 입자로 생성되고, 생성된 SiＳ2 입자는 튜브형 가열로 반응기에 연결된 증착 구간에서 열영동 현상에 의해 튜브 내벽에 증착 된다[1].  증착 구간은 Pyrex 튜브로 되어 있으며 증착 구간은 생성물인 SiO2 입자의 증착 특성을 관찰하기 위해 분리가 가능한 여러 개의 단위관을 제작하여 증착 구간의 내부에 충진시켰다.

SiCl4를 공급하기에 앞서 가열로를 원하는 실험 조건의 온도로 설정하고 O2 기체만을 충분한 시간 동안 반응기로 통과시켜서, 반응 구간과 증착 구간에서의 튜브벽 및 기체의 온도 분포가 정상 상태에 도달하도록 하였다.  또한 튜브벽의 온도를 제어함으로써 원하는 증착 구배를 얻을 수 있도록 설계하였다.  증착 구간에서 균일한 증착을 위한 온도 조절법으로는 단열 및 heating으로서 가능해진다.  pyrex tube 위에 단열재를 감아 외부로의 열전달을 차단하여 주거나 heating-tape을 감아 가열함으로서 원하는 온도 구배를 얻어 균일한 증착을 얻도록 하였다.

결과 및 토론

수치 모사 및 실험에 이용된 반응 및 증착 구간은 반응기 길이 방향으로는 0<z≤62 일 때를 반응 구간, 62＠z□122 일 때를 증착 구간으로 하였다.  반응 구간은 가열로 튜브에 의해 고온으로 가열되어 SiCl4 의 산화 반응이 일어나는 구간이며, 증착 구간은 반응 구간 뒤쪽에 연결되어 있으며 초미세 SiO2 입자가 주로 열영동 현상에 의해 증착되는 구간이다.  본 연구에서 실험 변수의 영향을 살피기 위해 표준 조건으로 SiCl4 초기 농도 0.5 □%, 가열로 온도 1300℃, 전체 기체 유량 4 l/min (STP 조건)으로 하였다.

모델식의 수치 모사를 위해 실험 장치 중의 반응 구간 튜브 벽온도를 측정하여 수치 모사의 온도에 대한 튜브벽에서의 경계 조건으로 활용하였다[1].  본 연구에서는 또한 공정 제어 변수 (가열로 온도, SiCl4 초기 농도, 전체 기체 유량 등)을 변화시키면서 생성된 SiO2 입자의 특성과 증착 상태를 고찰하였으며, 실험에 의해 측정된 초미립 SiO2 입자의 생성 및 증착 특성에 대한 결과와 수치 모사 결과를 비교하였다.

Fig.1은 전체 기체 유량을 변화시켰을때 증착 구간에서 균일한 증착을 얻기 위한 증착 구간 내부 벽온도 분포를 보여주고 있다.  기체 흐름이 빠를수록 중앙 부근보다 튜브벽 근처에서 더 많은 SiO2 입자가 생성되므로 균일한 증착을 위해서는 유량이 높아질수록 벽온도를 높게 유지함으로서 증착 속도를 늦추는 것이 좋다.  증착 구간 초기에는 튜브벽 근처에 튜브 중앙보다 더 많은 입자가 존재하므로 균일한 증착을 위하여 튜브벽 온도를 높여서 증착 속도를 낮추어야 하며 증착 구간 후반부에서는 튜브벽 온도를 낮추어서 증착 속도를 증가시켜야 한다.

Fig.2는 증착 구간에서의 가열로 설정 온도를 다양하게 변화시켰을 때의 증착 구간 길이에 따른 입자 크기의 결과를 보여주고 있다.  설정 온도가 증가함에 따라 산화 반응이 급격히 일어남으로서 입자 생성이 빨리 되어 충돌에 의해 입자가 성장하므로 입자 크기가 크게 나타났다.  증착 구간 초기에는 반응기 체류 시간이 작아서 입자 크기가 작게 나타났으며 후반부에서는 중앙 부분의 입자 농도가 상대적으로 낮아서 충돌에 의한 성장이 작으므로 입자 크기는 감소하는 경향을 보이고 있다.

Fig.3은 초기 SiCl4 농도의 변화에 따른 증착 구간 길이에 따른 입자 크기 분포를 보이고 있다.  SiCl4 농도가 증가함에 따라 입자 생성량 및 충돌 횟수도 증가하고 또한 농도 증가에 따른 반응열의 증가로 기체 온도가 빨리 상승되어 초기 입자가 일찍 생성되므로 입자 충돌에 의한 입자 크기가 증가함을 보이고 있다.  Fig.2와 마찬가지 이유로 입자 크기 분포가 증착 구간 초기에 증가하지만 후반부에서는 감소하는 경향을 보이고 있다.

참고문헌

1. Kim, K. S. and Hyun, B. S : Hwahak Konghak, 34(2), 243-248(1996).

2. Kim, K. S. and Pratsinis, S. E.: AIChE J., 34, 912(1988).

3. Friedlander, S. K.: 'Smoke, Dust and Haze', Wiley, New York (1977).

4. Seinfeld, J. H.: 'Atmospheric Chemistry and Physics of Air Pollution',

Wiely, New York (1986).

5. Friedlander, S. K.: Aerosol Sci. and Technol., 1, 3(1982).

6. Brock, J. R.: 'Simulation of Aerosol Dynamics in Theory of Disperse

Multiflow', Mayer, R. E. ed., Academic Press, New York(1983).