졸-겔 공정의 화학

졸-겔 공정의 화학

 

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2-2. Sol-gel Process

 

2-2-1. Introduction

 

졸 (sol) 이란 액체 중에서 미세한 고체 입자가 안정한 상태로 흩어져 존재하는 콜로이드 서스펜션 (colloidal suspension) 을 말하며, 이때 고체 입자의 크기는 충분히 작아서 분산에 필요한 힘이 중력보다 크다 [13]. 콜로이드란 반투막을 통과할 수 없는 거시적 입자를 의미하지만 실제적으로는 2 nm에서 200 nm 범위의 입자를 의미하며, 입자당 약 10^3에서 10^9개의 분자가 존재한다. 겔 (gel) 이란 액체 분산매 내에 3차원적으로 연결된 망상구조를 가진 다공성의 고체를 의미하며, 특히 콜로이드 입자로부터 형성된 겔을 콜로이드 겔이라 한다. 또한 겔은 고체 망상구조 내에 액체가 존재하며, 이때 액체는 유동성을 갖지 못한다. 겔 내 액체의 대부분이 물일 경우에는 하이드로겔 또는 아쿠아겔이라고 하고, 알코올일 경우에는 알코겔이라고 한다. 대부분의 액체를 제거한 경우에는 건성겔이라고 하는데, 건조 방법에 따라 제로겔 (xerogel) 과 에어로겔 (aerogel) 로 나뉜다.

 

 

졸-겔 공정은 선정된 선구물질 (precursor) 로부터 안정한 콜로이드 입자인 졸을 형성시키고, 이 졸의 겔화 과정을 통해 고체상의 3차원 망상조직 (겔) 으로 변화시켜 무기재료를 만드는 과정을 말한다. 선구물질 분자로는 tetramethoxysilane, Si(OCH3)4와 tetraethoxysilane, Si(OC2H5)4 등의 다양한 금속 알콕사이드 (metal alkoxides) 가 많이 사용되는데, 그 이유는 물과 쉽게 반응하기 때문이다. 따라서 졸-겔 공정은 졸과 겔 상태의 중간단계를 거쳐 세라믹을 합성하는 콜로이드 과정으로 이해할 수 있으며, 얻어진 콜로이드 입자를 침전시켜 단결정, 섬유, 박막 및 단일 크기의 분말 등 원하는 형태로 제조가 가능하다.

 

 

이러한 졸-겔 공정의 대표적인 반응으로는 가수분해와 축합중합이 있다. 가수분해는 일반적으로 물을 첨가함으로써 일어나는데, 금속 (M = Si, Al, Ti, Sn 등) 에 결합된 알콕시기 (OR) 가 수산화기 (OH) 로 치환되는 과정이며, 축합중합은 생성된 M-OH 결합이 M-O-M 결합을 만들면서 부산물로 물과 알코올이 만들어지는 과정이다 [그림 2-1 참조]. M-O-M 결합의 수가 증가하면 각각의 분자들은 다리를 형성하여 졸 내에서 응집하거나 서로 엉켜 망상구조의 겔이 형성된다. 일반적인 조건에서는 가수분해가 완전히 끝나기 전에 축합중합이 시작되며, 역반응에 의해 에스테르화 반응과 해중합 (depolymerization) 반응이 일어나게 된다.

 

 

졸-겔 공정이 가장 많이 사용되는 곳은 주로 코팅분야에 한정되어 있다. 예를 들면, 눈부심 및 김서림 방지, 무반사, 광/적외선 흡수, 전도성 또는 내후성 부여 등의 응용에서부터 재료의 마모, 긁힘 및 산화 방지 등에 이용되고 있다.

 

 

 

 

Figure 2-1. General reaction of sol-gel process.

 

 

 

 

2-2-2. Precursor Molecules

[ https://ywpop.tistory.com/20469 ]

 

2-2-3. Hydrolysis

[ https://ywpop.tistory.com/20471 ]

 

2-2-4. Condensation

[ https://ywpop.tistory.com/20533 ]

 

 

 

 

2-3. References

 

13. Brinker, C. J. Sol-Gel Science; Academic Press: San Diego, CA, 1990.

 

 

 

 

 

[ 그림 출처 commons.wikimedia.org ] Schematic representation of the different stages and routes of the sol–gel technology.

 

 

 

 

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