발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 기존 하이드로실릴화 반응은 일반적으로 백금, 로듐과 같은 고가의 귀금속 촉매에 의존해왔습니다.

• 귀금속 촉매는 실리콘 제품 제조 비용의 상당 부분을 차지하며, 최근 가격 상승으로 인해 경제적 부담이 가중되고 있습니다.

• 철(Fe)과 같은 저가 금속 촉매 대안은 고온 반응이 필요하거나 원치 않는 부차적 산물이 생성되는 문제가 있었습니다.

• 다른 비귀금속계 착물 촉매 역시 중금속을 함유하여, 최종 제품에 잔류하는 중금속 제거의 어려움이 여전히 문제로 남아있었습니다.

기술의 필요성

• 기존 귀금속 촉매의 높은 수율과 반응성을 유지하면서도 경제성을 향상시킬 수 있는 저비용 대체 촉매가 필요합니다.

• 제품의 안정성과 친환경성을 위해 최종 생성물에 중금속이 잔류하지 않는 새로운 촉매 시스템의 개발이 시급합니다.

구현 방법

기술의 원리

• 본 기술의 핵심은 디비닐 화합물과 디하이드로실란 화합물을 유기보론(organoboron) 촉매 존재 하에서 수소규소화(hydrosilylation) 반응시키는 것입니다.

• 비전이금속인 유기보론 촉매를 사용하여, 고가의 백금족 촉매 없이도 효율적으로 규소 고분자를 제조할 수 있습니다.

구체적인 구현 방법

1. 질소 분위기 하에서 유기보론 촉매와 유기용매(예: 클로로포름)를 혼합하여 촉매 용액을 준비합니다.

2. 준비된 촉매 용액에 디하이드로실란 화합물과 디비닐 화합물을 순차적으로 주입합니다.

3. 혼합물을 상온(20~40℃)에서 12~48시간 동안 교반하여 반응시킵니다.

4. 반응 종료 후, 메탄올을 첨가하여 생성된 침전물을 분리하고, 재침전 과정을 통해 최종 생성물인 규소 고분자를 정제합니다.

기술의 장점

• 우수한 경제성: 고가의 백금, 팔라듐, 로듐 등 백금족 촉매를 사용하지 않아 원료 비용을 크게 절감할 수 있습니다.

• 친환경 공정: 중금속 촉매를 사용하지 않아 제품 내 잔류 중금속 문제를 원천적으로 방지할 수 있습니다.

• 높은 수율 및 반응성: 유기보론 촉매를 사용하여 높은 반응 수율(실시예 1 기준 54%)과 우수한 반응성을 보입니다.

• 에너지 비용 절감: 별도의 가열 과정 없이 상온에서 반응이 진행되어 생산 공정에 필요한 에너지를 절감할 수 있습니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 실험은 비전이금속인 유기보론 촉매를 사용하여 규소 고분자를 제조하고, 기존의 백금족 금속 촉매를 사용한 경우와 반응 수율 및 분자량 등을 비교 분석하는 것을 목적으로 합니다. 이를 통해 제안된 기술의 경제성, 효율성 및 친환경성을 입증하고자 하였습니다.

실험 방법 및 과정

1. 질소 분위기 하에서 유기보론 촉매(B(C6F5)3)와 클로로포름 용매를 혼합합니다.

2. 디하이드로실란 화합물과 디비닐 화합물을 차례로 주입합니다.

3. 상온에서 24시간 동안 교반하며 반응을 진행합니다.

4. 반응이 끝난 후 메탄올을 첨가하여 침전물을 얻습니다.

5. 얻어진 침전물을 클로로포름에 다시 녹인 후 메탄올로 재침전하는 과정을 2회 반복하여 최종 생성물을 정제합니다.

실험 결과

실시예와 비교예에 따른 규소 고분자 제조 실험 결과

출처: 특허 본문 표 1

실험 결과, 유기보론 촉매를 사용한 실시예 1~8은 비교예(백금족 촉매 사용)에 비해 월등히 높은 반응수율(최대 54%)과 수평균분자량(최대 14,100)을 나타냈습니다. 반면, 백금족 금속 촉매를 사용한 비교예 1, 2에서는 반응이 거의 진행되지 않아(수율 <5%) 본 발명의 유기보론 촉매 시스템이 매우 효과적임을 확인했습니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 실란트(sealants), 접착제, 실리콘계 코팅 제품 등 다양한 산업용 기초 소재 제조에 직접 적용할 수 있습니다.

• 항균제, 열안정제, 산화방지제, 난연제 등 기능성 첨가제와 결합하여 고부가가치 특수 고분자 재료로 개발할 수 있습니다.

• 친환경 특성을 바탕으로 의료용 소재, 화장품 원료 등 인체 접촉이 필요한 분야로의 확대가 기대됩니다.

기대효과

• 경제적 효과: 고가의 백금족 촉매를 저렴한 유기보론 촉매로 대체하여 규소 고분자의 생산 비용을 획기적으로 절감할 수 있습니다.

• 친환경 제품 생산: 중금속을 포함하지 않는 공정을 통해 인체와 환경에 무해한 친환경 규소 고분자 제품을 생산할 수 있습니다.

• 에너지 절감 및 탄소 배출 감소: 고온 공정이 불필요한 상온 반응으로 에너지 소비를 줄여 탄소 중립에 기여할 수 있습니다.

• 생산 효율성 증대: 높은 수율과 반응성을 통해 단위 시간당 생산량을 늘려 제조 공정의 효율을 극대화할 수 있습니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

시장조사 기관 Precedence Research에 따르면, 글로벌 실리콘 산업은 2023년 170.8억 달러에서 연평균 7.00% 성장하여 2029년 256.3억 달러 규모에 이를 것으로 전망됩니다.(출처) 이는 규소 고분자 기술의 안정적인 성장 가능성을 뒷받침합니다.

• 불소 실리콘 시장: 고부가가치 소재인 불소 실리콘 시장은 2022년 2억 3,924만 달러 규모로, 연평균 7.15%의 높은 성장률을 보이며 꾸준히 증가하고 있습니다.(출처)

• 실리콘 음극재 시장: 2차전지 시장 성장에 힘입어 2032년까지 글로벌 수요가 연평균 60%라는 폭발적인 성장이 예상되는 유망 분야입니다.(출처)

주요 플레이어 및 경쟁 환경

국내 실리콘 산업은 2004년 KCC가 실리콘 모노머 생산에 진출하며 수직계열화가 진행되었고, 이후 동양제철화학(현 OCI)이 폴리실리콘 시장에 진출하는 등 국산화 및 다각화가 이루어지고 있습니다.(출처) 본 기술은 기존 플레이어들에게 원가 경쟁력을 높일 수 있는 새로운 제조법을 제시할 수 있습니다.

산업 동인 및 기회 요인

1. 전방산업의 다각화: 전기·전자, 자동차, 에너지, 의료, 화장품 등 다양한 산업군에 사용되어 특정 산업의 경기 변동성에 크게 민감하지 않고 안정적인 성장이 가능합니다.(출처)

2. 고기능성 소재 수요 증대: 자동차, 항공우주, 반도체 산업을 중심으로 내열성, 내화학성 등이 뛰어난 고기능성 실리콘의 수요가 지속적으로 증가하고 있습니다.(출처)

3. 전기차 및 신재생에너지 시장 확대: 2차전지용 실리콘 음극재, 태양전지용 폴리실리콘 등 친환경 에너지 분야에서 새로운 시장 기회가 빠르게 확대되고 있습니다.(출처)