튜브형 가열로 반응기에서 초미세 SiO2 미립자

제조 및 증착시의 기체 예열의 영향

유수종, 김교선

강원대학교 공과대학 화학공학과

Effects of Preheating the Gas Stream on Ultrafine SiO2 Particle

Generation and Deposition in Tube Furnace Reactor

Soo-Jong You, Kyo-Seon Kim

Department of Chemical Engineering, College of Engineering

Kangwon National University

서론

분체 과학의 기술이 발전함에 따라 최소한의 결점을 갖는 고기능성 파인 세라믹 제품의 수요가 급증하고 있다.  이러한 세라믹 제품의 원료가 되는 세라믹 미립자를 제조하는 방법은 에어로졸 공정을 통하여 원하는 고순도의 입자 제조, 표면적이 넓은 입자등 완전한 물성을 갖는 미세한 입자를 얻을 수 있다.  에어로졸 반응기중 튜브형 가열로 반응기는 세라믹 분체 제조에 이론적 및 실험적 연구에 광범위하게 활용되고 있다.  본 연구에서는 튜브형 가열로 반응기에서의 반응 기체 예열 효과를 분석할수 있도록 튜브형 가열로 반응기 앞에 예열기를 설치하여 증착 구간에서의 초미세 SiO2 입자의 증착을 이루는 과정을 통하여 예열의 효과가 증착 특성, 입자 특성에 미치는 영향에 관해 고찰하였다.  증착 구간의 내부 벽온도 분포를 농도, 유량, 반응 구간 온도 변화에 따라 제어함으로써 SiCl4 전환률, SiO2 입자(크기, 농도)등의 증착 특성등을 고찰하였다.

본 연구에서의 공정 변수로서 예열기 온도, SiCl4 농도, 가열로 설정 온도, 전체 기체 유량 등을 선정하였으며 튜브형 가열로 반응기에서 생성되는 SiO2 입자의 부피 분율, SiCl4 농도, 반응기내 기체 온도, SiCl4 전환률 및 증착 효율을 이론적으로 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 및 소멸 속도, 에어로졸의 충돌, 확산, 열영동 현상 등을 고려하였다.

실험

본 실험 장치에서 증착 구간의 반응기 벽온도는 반응기 길이에 따라 온도 제어가 가능하도록 제작하여 초미립 SiＳ2 입자의 증착 제어가 가능하도록 하였다.  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.  또한 튜브벽의 온도를 제어함으로써 원하는 증착 구배를   얻을 수 있도록 설계하였다[1].  본 실험장치에서 반응 및 증착 구간의 반응기 벽온도는 설정온도( Tws )가 1300℃일 경우의 식을 사용하었다[1].

본 실험에서 증착구간의 반응기 벽온도는 반응기 길이에 따라 온도 제어가 가능하도록 제작하여 초미립 SiＳ2 입자의 증착제어가 가능하도록 하였다.

결과 및 토론

수치 모사에서 반응 기체가 튜브형 가열로 반응기에 들어오기 전에 충분히 예열되었다고 가정하였으며 반응 및 증착 구간은 반응기 길이 방향으로 0<z≤62 일 때를 반응 구간, 62＠z□122 일 때를 증착 구간으로 가정하였다.  예열기에서는 반응 기체를 반응 온도 이하까지 가열하도록하며 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 예열 온도(900 K), SiCl4 초기 농도(0.5 □%), 가열로 온도(1300℃), 전체 기체 유량(4 l/min, STP 조건)으로 하였으며 SiCl4 초기 농도, 가열로 온도, 전체 기체 유량 변화의 영향을 고찰하였다.

Fig.1은 반응기 길이 (z)에 따른 벽온도를 측정하여 경계 조건으로 이용하였으며 표준 조건하에서 수치 모사한 반응기내 온도 분포 결과를 나타냈다.  예열된 기체가  반응 구간 전반부에서는 더욱 가열되며 반응기 길이(z)가 증가함에 따라 기체의 온도가 가열로 설정 온도에 접근하여 온도 구배가 점점 작아지고 있다.  반응 구간의 후반부(40≤z<60) 및 증착 구간(z≥60)에서는 튜브내 기체 온도가 튜브 내벽의 온도보다 높아서 기체가 냉각되며 z=120에서는 냉각이 거의 끝나서 튜브벽 온도와 기체 온도가 거의 같아지고 있다.

Fig.2는 z의 변화에 따른 반경 방향으로의 표준 조건하에서 수치 모사한 결과 반응기내 SiCl4 농도 구배를 보이고 있다.  반응기 초기에서는 튜브벽 부근의 기체 온도가 튜브 중앙 부근보다 높아 SiCl4 산화 반응 속도가 빠르므로 튜브벽 근처의 SiCl4 농도가 튜브 중앙보다 낮게 나타났다.  반응 구간의 후반부부터는 기체가 냉각되어 온도가 낮아지므로 z≥55구간부터 산화 반응이 더 이상 진행되지 않아 SiCl4 농도는 감소하지 않고 일정한 농도에 머무르게 된다.  Fig.3은 초기 SiCl4 농도에 대한 SiO2 입자의 무차원 부피를 반응기 길이에 따라 표준 조건하에서 수치 모사한 결과 반응기내 반경방향의 함수로 나타냈다.  반응초기에는 가열로 벽 근처의 온도가 높기 때문에 SiCl4의 산화반응 속도는 증가하게 된다.  반응 속도가 증가함에 따라 SiO2 입자 농도는 증가하나 SiCl4 농도는 낮게 나타났다.  반응기 중앙에 있는 SiCl4가 반응기 벽근처로 확산되어 반응기의 튜브벽 근처에서 반응하므로 이론적인 입자의 무차원 부피가 □1□ 보다 높게 나타났다.  증착 구간의 후반부에서는 기체 온도와 튜브벽 온도가 거의 평형 상태에 도달하여 더 이상의 열영동 현상이 없으므로 SiO2 무차원 부피의 변화는 거의 없음을 보이고 있다.

Fig.4와 Fig.5는 z=40일때의 예열기 설정 온도 변화에 따른 SiCl4 농도와 SiO2 입자의 무차원 부피를 각각 보이고 있다.  튜브벽 근처 SiCl4 농도가 튜브 중앙보다 낮게 나타났으며 예열기 설정 온도가 500K에서는 SiCl4 산화 반응에 필요한 충분한 온도가 되지 않아 SiCl4 농도가 높게 나타나고 있으나 온도가 증가함 따라 충분한 온도를 갖추어 SiCl4 농도가 낮게 나타남을 보이고 있다.  Fig.5에서튜브벽 근처의 SiO2 입자의 무차원 부피가 튜브 중앙에서 보다 높게 나타났으며 예열 온도가 높아질수록 산화 반응이 충분히 일어났으므로 SiO2 입자의 무차원 부피는 높게 나타남을 보이고 있다.

Fig.6은 예열기 설정 온도를 다양하게 변화시켰을 때 반응기 길이에 따른 전환률을 보이고 있다.  예열기 설정 온도가 증가할수록 기체가 빨리 가열되어 SiCl4 전환률이 빨리 증가함을 보이고 있다.  Fig.7는 예열기 설정 온도 변화에 따른 SiO2 입자의 증착 효율을 보이고 있다.  예열기 설정 온도가 증가할수록 기체 온도가 빨리 상승하여 튜브중앙 부근의 SiCl4가 튜브벽 쪽으로 확산되어 반응하지 못하고 튜브의 중앙 부근에서 산화 반응에 의해 SiO2 입자로 생성되므로 열영동에 의해 쉽게 증착되지 못하기 때문에 예열기 설정 온도가 높을수록 최종 증착 효율은 낮게 나타났다.

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).