실리콘이란？

“Silicon”과 “Silicone” 의 두개의 용어는 언뜻 보기에 서로 유사하나, 화학적으로 두개의 용어는 엄밀히 구별된다. 즉 전자의 Silicon은 원소기호 Si로 표시되는 규소를 의미하며, 물질로서는 암회색의 금속상이다. 반도체용 실리콘 웨이퍼, 합금 ferrosilicon등이 이러한 Silicon의 응용제품의 예다. 한편, 실리콘(Silicone)은 유기기를 함유한 규소(organosilicone)와 산소 등이 화학결합으로 서로 연결된 모양으로 된 폴리머를 의미한다. 실리콘은 유기성과 무기성을 겸비한 독특한 화학재로서 여러 형태로 응용되어지며, 대부분의 모든 산업분야에서 필수적인 고기능 재료로서 위치를 점하고 있다. 19세기 후반 실험실에서 합성한 Silicone의 화학식 R₂SiO가 케톤의 R₂CO와 유사하였던 관계로 Silico-Ketone(규소케톤)이라 불렀으며, 이것이 다시 줄여서 Silicone이 된 것이다. 단 케톤은 저분자량의 유기화합물인 반면, Silicone은 기술한 바와 같이 폴리머이며 양자에 화학구조상의 유사성은 없다.

 

 

1) 실리콘과 그 화합물

   실리콘은 이미 서술한 바와 같이 유기기가 결합되어 있는 규소가 실록산결합(Si-O-Si)에 의해 연결되어 생긴 폴리머를 가리킨다. 천연에는 존재하지 않으며 완전히 인공적으로 합성된 것이다. 실리콘을 그 성상에 따라 살펴보면 오일, 고무 및 레진의 3가지 기본형으로 분류된다. 각각 실리콘함유 100%의 폴리머로서 뿐만 아니라 사용목적에 따라서 타 재료를 배합한 복합물로서 제품화되어 있으며 그제품의 종류는 수천 가지이다. 그림 1.1에 실리콘 제품의 형태별 분류를 나타낸다.

 

그림1.1 실리콘제품의 형태별 분류

   

 

2) 유기규소화합물

   "유기규소화합물"이라는 명칭은 유기기에 직접 결합된 규소를 함유한 화합물 전부를 가리킨다. 그리고 “실리콘”은 그림 1.2에 나타나 있듯이 유기규소화합물의 일부에 지나지 않는다. 그러나 관용적으로는 실리콘이 유기규소화합물의 전체를 지칭하는 경우도 있다.

 

그림1.2 유기규소 화합물의 분류

 

 

   실리콘 오일은 통상 그림 1.3에 나타나 있는 것처럼 사슬모양의 분자구조를 갖고 있다. 이 분자의 골격을 형성하고 있는 것은 실록산 결합으로서, 이 구조를 갖고있는 분자가 집합하여 물질을 형성한 경우 개개의 분자가 독립해 있기 때문에 분자사슬은 상호간에 자유로이 움직일 수 있어서, 외견상으로는 유동성, 다시 말해서 액체의 성질을 나타내는 것이다.

 

그림1.3 실리콘 오일의 분자구조

 

 

   분자가 길수록 당연히 움직이기 어렵게 되어, 그 결과로서 점도는 높아지나 그림 1.3의 R이 methyl인 경우 즉, 메틸실리콘 오일 중합도(Si의 수)가  2인 것은 상온에서 0.65 cSt, 중합도가 2,000에서는 대략 50만 cSt가 된다. 각기 물과 물엿의 점도에 가깝고 중합도의 조절에 따라서 양자의 중간 점도의 것을 제조하는 것이 가능하다. 한편, 실리콘 고무는 그림 1.4에서 처럼 망상구조의 분자로 되어있다. 그리고 그물 결합점(가교점)의 수는 통상 수백개의 R₂SiO 마다 한 개의 포함된 느슨한 구조로 되어 있다.

 

그림1.4 실리콘 고무의 분자구조

 

 

   이와 같은 구조에서는 실리콘 오일과는 달리 분자사슬이 상호 이동할 수 없게 되기 때문에 유동성은 없어지나 오히려 분자의 자유도는 크게 되어 신축성이 생겨 고무의 성상을 나타낸다. 그리고, 고무의 가교가 진행되어감에 따라 분자의 자유도가 감소하며 신축성도 줄어들게 되어 딱딱하게 된다. 이 가교밀도를 극단으로 높인 것을 실리콘레진이라 부르고 있다. 레진의 경우 고무와는 달리 직쇄상 분자를 나중에 가교하는 것이 아니고, 가교하기 쉬운 구성단위를 초기에 선택하여 그림 1.5에서 처럼 망상구조의 것으로 되어있다.

 

그림1.5 실리콘 레진의 분자구조

  

 

 

1-4-1 Monomer 합성법

  실리콘의 모노머로서 가장 유용한 methylchlorosilane 및 그것에 버금가는 phenylchlorosilane에 대해서는 경제적으로 유리한 직접법이라 불리는 합성법이 1940년에 미국의 General Electric社에 의해서 발명되어 처음으로 상업적인 제조가 가능하게 되었다. 직접법이라 함은 탄화수소의 염화물 RCl과 금속규소 Si를 고온으로 직접 반응시켜 organochlorosilane으로 변화 시키는 반응으로, 예를 들면 methylchlorosilane은 다음 식으로 표시되는 바와 같이 염화메틸 CH₃Cl과 규소 Si로부터 합성될 수 있다. 그런데 이 반응은 공정상 1단계로 끝나므로 간단하나 반응의 내용 그 자체는 아주 복잡하여 아래식에 표시된 chlorosilane을 함유한 여러 가지 생성물이 부산물로 얻어진다. 이 혼합물로부터 유용한 chlorosilane을 단순하게 분리하기 위해서는 통상 이 직접법에 의한 합성공정 후에 증류공정이 계속된다. 증류로 분류(分流)하기 위해서는 성분의 비등점 차가 클수록 유리한 것은 말할 것도 없으나 methylchlorosilane은 상호의 비등점 차가 작아, 특히 CH₃SiCl 과 (CH₃)₂SiCl₂는 각각 66℃와 70℃로 그 차이가 불과 4℃밖에 안되기 때문에 그것들을 분류하기 위해서는 높이 100m에 달하는 고분리 기능의 증류탑이 필요하다.

 

         

 

 Methylchlorosilane 증류탑

더구나 실리콘 고무의 가교, 유기재료와의 공중합화, 접착성 부여, 내유성 부여 등에는 특수한 모노머, 예를 들면 vinyl, aminopropyl, trifluoropropyl, 기타 독특한 유기기를 가진 silane류가 필요하다. 이들은 직접법으로는 합성할 수 없으며 일반적으로 유기합성화학의 수법에 의하여 제조된다.

 

1-4-2 실리콘 및 그 배합물의 제조법

각각의 organochlorosilane은 단독으로 혹은 적당한 비율로 혼합하여 물에 의해 가수분해 된다. 다음식에 표시한 것처럼 이 공정에서 silanol(SiOH)이 생성되어 이 silanol이 탈수, 축합하면 실리콘의 기본 골격인 siloxane으로 된다.

 

그림1.6 실리콘 제조공정의 개략

 

 

 

 1-5-1 규소원자의 성질

● 탄소와 규소원자의 원자각과 공유결합 반경

● 규소는 탄소와 달리 이중 및 삼중 결합을 만들기 힘들다.

● 규소는 탄소원자에 없는 d궤도를 빈 궤도로 갖고 있기 때문에, 4개의 원자가 채     워져도  다른원자의 전자를 d궤도로 끌어들여 배합하고자 하는 배위 결합성을     갖고 있다.

● 규소원자는 탄소원자에 비하여 전기음성도가 작아, Si - O 간의 결합이 이온성     을 많이 가지고 있다.

표 1.1 전기음성도

 

 

1-5-2 실리콘의 물리화학적 성질

● 열 및 산화안정도가 좋다.

 

표 1.2 결합에너지

결합에너지 Kcal/mol(KJ/mol)CSiC

Si

H

O83.2(349)

58 - 80(240 - 340)

98.8(414)

83.2(349)58 - 80240 - 340)

45.0(189)

72.6(304)

101(423)

 

● 실리콘의 주 사슬을 형성하는 Si - O 결합에 이온성이 있어 내가수분    해성이 약하다.

● 실리콘 오일의 표면장력은 기타 액체에 비하여 특이 하게 낮다.

 

표 1.3 각종액체의 표면 장력

 

● 실리콘폴리머는 분자간의 인력이 작기 때문에 낮은 온도에서도 고화    되지 않는다, 즉 내한성이 우수 하다. 일반적으로 실리콘 폴리머의    물리적 특성은

● 일반 유기계에 비하여 온도 의존성이 작다.

● 실리콘 폴리머는 유기계에 비하여 분자간의 거리가 커서 기체의 투과    성이 크다.

 

표 1.4 각종 재료의 산소 투과성

 

 

 

액상 실리콘 고무(RTV)

   액상 실리콘 고무의 특징은 유기적 특성인 고무탄성과 섭씨 -70 ~ 200℃의 넓은 온도 범위에서 유지되고, 전기적 성질 및 내후성 등이 우수한 무기 재료적 성질이다. 액상 실리콘 고무로서는 축합2성분형이 1950년 전반에 개발되었고 이어서 1950년대 후반에 축합형 1성분으로 초산 Type이, 60년 전반부에는 부가형인 2성분형이 개발 되었다. 그 후 축합 1성분에 분류되는 옥심, 알코올, 아미녹시형 등이 개발되어 액상 실리콘 고무의 기본을 갖추었다. 70년대에 들어와서는 주로 난연성이나 도전성등의 특수 기능의 부여 및 도막, 겔화, 폼등의 성상의 다양화와, LIM등 가공상의 개량이 주로 되었고 최근에는 자외선 경화 등의 새로운 가교방법이 개발 중에 있다. 액상 실리콘고무는 기계적 특성이 비교적 약한 것 외에는 고무에서 요구되는 대부분의 특성에서 우수하고 시공 및 가공이 용이하기 때문에 건축, 토목, 전기, 전자, 사무용 기기, 항공, 우주산업 등에 그 응용 분야가 넓어져 가고 있다

 

액상 실리콘 고무의 종류

A. 경화기구에 따른 분류

A-1. 축합형 - 수분(공기중)의 존재 하에서 가수분해 및 축합반응에 의해 가교 경        화한다.

A-2. 부가형 - 백금촉매의 존재하에서 불포화기에 Si-H를 함유하는 실록산의 부        가 반응에 따라 가교 경화된다.

A-3. 래디컬형 - 발생 라디칼의 재결합, 불균화 반응에 의하여 가교 결합한다.

B. 포장 형태에 따른 분류

B-1. 1성분형 - 제품을 단일의 밀폐용기(튜브, 카트리지, 기타 금속용기등)에 넣           어 그 상태로 사용할 수 있다.

B-2. 2성분형 - 제품이 주제와 경화제의 2가지 성분으로 되어 사용직전 혼합하여          사용한다.

C. 경화조건에 따른 분류