제 목 실리콘 종합 개요
1-1. 실리콘의 정의
실리콘(silicone)은 유기기를 함유한 규소(organo-silicone)와 산소 등이 화학결합으로 서로 연결된 모양으로 폴 리머를 의미한다. 실리콘은 무기성과 유기성을 겸비한 독특한 화학재로서 여러 형태로 응용되어지며, 대부분의 산업분야에서 필수적인 고기능재료로써 위치를 점하고 있다. 반면, silicon은 원소기호 Si로 표시되는 규소를 의 미하며, 물질로서는 암회색의 금속상이다. 반도체용 실리콘 웨이퍼, 합금 ferrosilicon 등이 이러한 silion의 응용 제품이다. 19세기 후반 실험실에서 합성한 silicone의 화학식 R2SiO가 케톤의 R2CO와 유사했던 관계로 Silico-Ketone(규소케톤)이라 불렀으며, 이것이 다시 줄어 Silicone이 된 것이다. 단, 케톤은 저분자량의 유기화 합물인 반면, Silicone은 폴리머이며 양자에 화학구조상의 유사성은 없다. 본 내용에서 다루는 화학제품은 Silicone을 의미한다.
1-2. 실리콘의 종류
실리콘은 유기기가 결합되어 있는 규소가 실록산결합(Si-O-Si)에 의해 연결돼 생긴 폴리머를 가리킨다. 천연에 는 존재하지 않으며 완전히 인공적으로 합성된 것이다. 실리콘을 성상에 따라 보면 오일, 고무, 레진의 3가지 기본형으로 분류된다. 각각 실리콘함유 100%의 폴리머로서 뿐만 아니라 사용목적에 따라서 타재료를 배합한 복합물로써 제품화돼 있으며, 제품의 종류는 수천가지다. "유기규소 화합물"이라는 명칭은 유기기에 직접 결합 된 규소를 함유한 화합물 전부를 가리킨다. 그리고 실리콘(폴리오르가노실록산)은 유기규소 화합물의 일부에 지 나지 않는다.
1-3. 실리콘의 화학구조
실리콘 오일은 사슬모양의 분자구조를 가지고 있다. 이 분자의 골격을 형성하고 있는 것은 실록산 결합으로써, 이 구조를 갖고 있는 분자가 집합하여 물질을 형성한 경우 개개의 분자가 독립해 있기 때문에 분자사슬은 상호 간에 자유로이 움직일 수 있어서 외견상으로는 유동성, 즉 액체의 성질을 나타내는 것이다. 분자가 길수록 당연 히 움직이기 어렵게 되어 그 결과로서 점도는 높아지나 메틸실리콘 오일에는 중합도(Si의 수) 2의 것이 상온에 서 0.65 cSt, 중합도 2000에서는 대략 50만 cSt가 된다. 각기 물과 물엿의 점도에 가깝고 중합도의 조절에 따라 양자의 중간점도의 것을 제조하는 것이 가능하다. 한편, 실리콘 고무는 망상구조의 분자로 되어 있다. 그리고 그물 결합점(가교점)의 수는 통상 수백개의 R2SiO마다 한 개씩 포함된 느슨한 구조로 되어있다. 이와같은 구조 에서는 실리콘오일과는 달리 분자사슬이 상호 이동할 수 없게 되기 때문에 유동성은 없어지나 오히려 분자의 자유도는 크게 개선되어 신축성이 생겨 고무의 성상을 나타낸다. 이러한 고무의 구조를 구성하는 방식에는 크 게 나누어 두 종류가 있다. 첫째는 앞에 설명한 실리콘 오일의 분자를 아주 길게한 Putty모양의 폴리머(중합도 5000~1만으로 실리콘 생고무라 한다)에 유기 과산화물 등을 배합하여 가열시켜 가교시키는 미라블(millable)형 실리콘 고무(열가류형 실리콘 고무)라고 부르는 타입이다.
또 하나는 말단에 활성기를 갖고 있는 실리콘 오일(액상실리콘 고무용 폴리머)에 가교제를 넣어 실온하에 혹은 열이나 자외선의 자극에 의하여 가교시키는 액상실리콘 고무라고 부르는 타입이다.(이전에는 RTV실리콘 고무 라고 총칭했음) 실리콘 고무는 거의 대부분이 실리카 등의 충전제를 배합한 복합물(컴파운드)로써 실제 용도로 공급하고 있다. 그런데 고무의 가교가 진행되어감에 따라 분자의 자유도가 감소하며, 신축성도 줄어 들게 돼 딱 딱하게 된다. 이 가교밀도를 극단으로 높인 것을 실리콘 레진이라고 부르고 있다. 레진의 경우 고무와는 달리 직쇄상 분자를 나중에 가교하는 것이 아니고 가교하기 쉬운 구성단위를 초기에 선택해 망상구조로 되어 있다.
이것은 불용불융성이나 이 가교가 미완성된 가용성 단계의 prepolymer를 용제에 녹인 것이 실리콘 바니스, 착 색안료를 배합한 것이 도료, 무기 충전제를 다량 배합하여 분말형으로 만든 것이 성형용 실리콘 레진이라 부르 는 제품으로 이것들을 열 및 촉매를 이용하여 경화시키면 앞서 말한 망상구조가 되는데 일종의 열경화성 수지 다. 이상 3 기본형형 실리콘 분자구조에서 유기기 R의 종류, 중합도, 기교밀도 등을 조금씩 변화하거나 가교제, 충전제, 기타 배합제의 종류 밑 양을 선택함에 따라 수천 품목에 이르는 실리콘 제품이 제조되고 있다.
1-4. 실리콘 제조법
세라믹 자성재료의 대표적인 것은 페라이트다. 페라이트는 철화합물의 소결체이고 전기저항이 높은 고주파에서 도 과류손실이 적은 것을 이용한 것으로, 자속통로로써 이용되는 소프트페라이트(Soft Ferrite, 스핀넬형 및 가 네트형)와 단자구조를 갖고 보자력을 증대시킨 영구자석의 하드페라이트(Hard Ferrite, Magnetoplumbite형)가 있다. 실용화되고 있는 대부분의 소프트페라이트는 망간 및 니켈 페라이트와 비자성의 아연 페라이트의 고용체 이고 각종의 고주파 자심으로 사용되고 있다. 소프트페라이트를 제조할 때에 약간의 Fe+2 이온을 첨가해서 유 전율을 높임과 동시에 CaO, SiO2 등을 미량 첨가해서 입자간에 고저항의 절연층을 만들고 교류저항을 높이는 세라믹 특유의 처리를 한다. 하드페라이트에는 바륨 페라이트보다도 항자력이 큰 스트론튬 페라이트가 연구되 고 있으며, 에너지적이 높고 또한 저온감지가 개선된 자석이 출현하고 있다. 페라이트 자석은 금속자석에 비해 경량이고 비교적 용이하게 여러 가지의 형태로 성형할 수 있으며, 가격도 싸기 때문에 여러분야에 사용할 수 있다. 최근 새로운 형의 기억소자로써 자기버블메모리가 실용화되었다. 이것은 GGG(Gd, Ga Garnet, Gd3Ga5O12)의 단결정판 위에 자기 가네트 박막을 성장시킨 디바이스용 기판(Epitaxial Wafer)이다.
(1) 모노머 합성법
일반적으로 합성고분자 재료는 분자량 1만이상의 거대분자(폴리머)의 집합체이다. 그 폴리머는 같은 형태의 소 단위가 반복된 화학구조를 보이는 것이 특징이며, 폴리머를 합성하기 위해서는 먼저 그 소단위의 근원(모노머) 을 만들어 다음으로 그것을 화학결합으로 결합해 가는 방법에 의한 것이 보통이다. 실리콘의 경우 기본적으로 되어 있는 소단위의 주요한 것은 4종류(4관능형의 [SiO2]는 유기기를 함유하고 있지 않으나 가교성분으로서 중 요)인데, 분자를 조립할 때 이들 소단위의 구성비율을 변화시켜 실리콘의 성상이 달라지게 된다. 그런데 구성단 위 중에서 1~3관능성의 것은 오르가노클로로실란이라 불리는 일련의 유기규소화합물을 기본으로 만드는 것이 가능하다. 여기에서 말하는 오르가노클로로실란은 일반식 RnSiCl4-n(n=1~3)으로 표시되는 화합물이고 실리콘 연구의 초기에는 여러 가지 복잡한 화학반응을 이용하여 합성돼 있었다. 그러나 실리콘 모노머로서 가장 유용 한 메틸클로로실란 및 그것에 버금가는 플리클로로실란에 대해서는 경제적으로 유리한 직접법이라 불리는 합성 법이 1940년에 미국의 GE사에 의해 발명돼 처음으로 상업적인 제조가 가능하게 되었다. 직접법이라 함은 탄화 수소의 염화물 RCl과 금속규소 Si를 고온으로 직접 반응시켜 오르가노클로로실란으로 변화시키는 반응으로, 예 를 들면 메틸클로로실란은 염화메틸(CH3Cl)과 규소(Si)로부터 합성될 수 있다.
이 반응의 경우 공정상은 1단계로 끝나므로 간단하나 반응의 내용 그 자체는 아주 복잡해 클로로실란을 함유한 여러 가지 생성물이 부산물로 얻어진다. 이 혼합물로부터 유용한 클로로실란을 단순하게 분리하기 위해서는 통 상 이 직접법에 의한 합성공정후에 증류공정이 계속된다. 증류로 분류하기 위해서는 성분의 비등점차가 클수록 유리한 것은 말할 것도 없으나 메틸클로로실란은 상호의 비등점차가 작아, 특히 CH3SiCl3와 (CH3)2SiCl2는 각 각 66℃와 70℃로 그 차가 불과 4℃밖에 안되기 때문에 그것들을 분류하기 위해서는 높이 100m에 달하는 고분 리기능의 증류탑이 필요하다. 더구나 실리콘 고무의 가교, 유기재료와의 공중합화, 접착성 부여, 내유성 부여 등 에는 특수한 모노머, 예를들면 vinyl, aminopropyl, trifluoropropyl, 기타 독특한 유기기를 가진 실란류가 필요하 다. 이들은 직접법으로 합성할 수 없으며 일반적으로 유기합성화학의 수법에 의해 제조된다.
(2) 실리콘 및 그 배합물의 제조법
합성, 분류된 각각의 오르가노클로로실란은 단독으로 혹은 적당한 비율로 혼합해 물에 의해 가수분해된다. 이 공정에서 silanol(SiOH)이 생성돼 이 silanol이 탈수, 축합하면 실리콘의 기본골격인 siloxane으로 된다. 이로부 터 유추할 수 있듯이 기본구성단위 [R3- SiO0.5][R2SiO] 및 [RSiO1.5]는 R이 CH3의 경우에는 각기 (CH3)3SiCl, (CH3)2SiCl2 및 CH3SiCl3로부터 만들어 진다. 이들을 오일, 고무, 레진의 화학구조와 대비해 보면, 오일에는 (CH3)3SiCl, (CH3)2SiCl2, 고무에는 (CH3)2Si-Cl2, 또 레진에는 (CH3)2SiCl2와 CH3SiCl3가 각각 원 료로써 사용되는 것을 알 수 있다. 더욱이 4관능형의 (SiO2)는 SiCl4, 정규산에틸, 물유리 등을 원료로써 만들어 져 레진 등에 사용된다.
이와같이 제조된 실리콘 폴리머는 다시 2차 가공되어 제품이 되는 경우가 많다. 예를들면 실리콘 오일은 그대 로 제품이 되는 외에 사용목적에 따라서 물, 유화제, 용제, 충진제 등이 배합돼 에멀젼, 용액, 오일콤파운드, 구 리스, 와스 등 2차제품으로 가공된다. 혹은 실리콘 고무용 폴리머는 충진제, 가류제, 경화제 등이 배합돼 미라블 형 실리콘 고무 컴파운드 및 액상실리콘 고무 컴파운드로써 제품화된다. 더욱이 실리콘 레진은 용제에 용해돼 실리콘 바니스가 되며 또는 안료 및 충진제가 배합돼 도료 및 성형용 레진으로 된다.
1-5. 실리콘의 역사
실리콘은 독특한 특성을 갖고 있는 재료로써 각종 산업으로부터 일상생활에 이르기까지 거의 모든 분야에서 이 용되고 있다. 여러 가지 특성 및 형상을 갖는 제품이 개발돼 시판되고 있는 제품은 수천품목에 이른다. 이와같 은 발전은 과학자의 길고도 꾸준한 연구와 산·학 양 분야의 강력한 연계에 의해 이루어졌다. 1823년에 스웨덴 의 화학자 J.J.Berzelius가 실리콘의 모체인 규소를 처음으로 분리하여 다시 사염화규소(SiCl4)를 합성했다. 1863 년에 C. Friedel과 J.M.Crafts는 SiCl4와 Zn(C2H5)2를 사용, Friedel Craft반응으로 Si(C2H5)4를 만든 이래 다수 의 유기규소 화합물이 A.Ladenburg 등에 의해 합성됐다. Ladenburg는 (C2H5)2SiCl2의 가수분해·탈수생성물 은 케톤(C2H5)2C=O와 유사 구조의 실리콘 제품(C2H5)2Si=O로 보고 이것을 실리콘 또는 실라논이라고 이름붙 였다. 그러나 1905년에 W.Dilthey는 탈수생성물은 Silico-Ketone이 아닌 환상으로 밝혀냈다.
Silicone이른 명칭은 그후 실록산을 나타내기 위해서 사용하는 것이 되었다. A.E.Stock은 실란 및 폴리실란을 합성하여 수소화 규소화학의 기술을 확립했다. 영국의 F.S.Kipping 1899년에 규소화학의 연구를 시작해 그후 반세기 가까이 연구에 의해 실리콘 발전의 기초를 만들었다. 1904년에 Kipping은 SiCl4를 사용하여 그리나드법 에 의해 유기규소 화합물을 합성하는 방법을 확립하여 실리콘산업의 기반을 다졌다. 1962년에 미국화학회는 그 업적을 칭송하여 유기규소화학의 분야에 Kipping상을 제정했다. 1930년대부터 1940년에 걸쳐 미국에서 Corning Glass사의 J.F.Hyde, GE사의 W.I.Patnode, E.G.Rochow, W.F.Gilliam 등에 의해 내열성 폴리머를 목표로 한 실 리콘 연구가 진행됐다. Rochow는 1940년에 오르가노클로로실란 합성의 직접법이라는 획기적인 기술을 발견하 여, 실리콘공업에 유리한 생산방법을 확립했다. 이에따라 세계의 주요국에 실리콘의 공업화가 개시됨과 동시에 세계 각 방면의 과학자에 의한 실리콘 및 유기규소 화합물의 광범위한 기초·응용연구가 행해지고 있다.
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-6. 실리콘의 공업화
세계 주요 실리콘 생산업체 대부분은 클로로실란(모노머)부터 생산하고 있다. 이들은 모두 미국, 일본, 독일, 영 국, 프랑스 등 선진공업국에 소재하고 있다. Dow Corning사는 1943년에 설립돼 그라나드법에 의한 세계 최초 의 실리콘 공업생산을 시작했고 GE사는 1947년에 직접법에 의한 공장을 완성하여 생산을 개시했다. 한편, 東京芝浦電氣(현 Toshiba)는 1941년에 일본에서 최초로 실리콘 연구에 착수했으며 연구중에 2차대전이 발발했다. 종전후에 즉시 연구를 재개해 1953년 직접법에 의한 공업생산을 개시했다. 같은 해에 신에츠화학공업도 생산· 판매를 시작했다. 그후 Toshiba 실리콘사업은 1971년에 Toshiba와 GE사에 의해 설립된 Toshiba Silicone으로 계승됐다. 이보다 먼저 1967년에 DC사와 Toray사에 의해 합작회사 Toray Silicone이 설립됐다. 일본에는 이들 세 회사가 모노머로부터 실리콘을 일괄 생산하는 외에 중간원료로부터 츨발한 제조업체로 일본유니카, 다우코 닝, Waker-Chemical east-asia, Bayer합성실리콘, 일본Fransil 등이 있다.
2. 국내 실리콘 시장 현황
2-1. 실리콘 오일
후반산업이 고도화되고 전기·전자산업의 성장에 따라 스페샬티 실리콘제품의 수요가 증가하고 있다. 이에 따 라 이들 스페셜티 실리콘제품의 원료인 실리콘 오일의 수요가 매년 큰 폭으로 증가했으나 96년에는 다소 소강 상태를 보인 것으로 나타났다. 91년의 경우 국내 실리콘 오일의 수입규모는 금액기준 2827만5000달러(6540톤)로 90년대비 31.4%의 증가를 기록했으며, 96년에는 6200만2000달러(1만6063톤)로 91년대비 119.3% 증가했으나 95 년대비 6.5% 증가를 기록해 다소 부진한 실적을 기록했다. 실리콘 오일은 전기전자용 오일, 기계용 오일, 화장 품 오일 등으로 사용되고 있으며 2차 가공된 에멀젼 제품은 소포제, 발수제, 이형제, 유연제 등에 사용되고 있 다. 국내에 실리콘 오일을 공급하고 있는 기업은 한국다우코닝, 한국신에츠실리콘, 동양실리콘, Witco Korea, Wacker 등이 공급하고 있는데, 시장 우위를 지키고 있는 한국다우코닝과 Witco Korea의 경쟁이 치열하다.
또 세계시장의 30%를 점유하고 있는 독일의 Wacker는 국내에 동아시아지사를 설립하고 활발한 판매활동을 벌 이고 있다. 한편, 국내 실리콘업계가 합작형태를 청산하고 단독법인으로 전환하는 추세에 따라 실리콘오일 시장 에도 큰 변화가 일고 있는데, 단순한 리팩킹이나 모디파이 수준에서 다양한 실리콘 제품 생산에 관심을 갖고 있다. 특히 95년부터 실리콘 에멀젼이 수입선 다변화품목에서 해제됨에 따라 일본 실리콘제품도 국내에 더욱 활발하게 수입되고 있다. 이에따라 국내 실리콘 업계도 오일공급보다는 실리콘 에멀젼 시장에 더욱 많은 관심 을 갖고 있다.
2-2. 실리콘 에멀젼
(1) 실리콘 소포제
실리콘 소포제는 환경에 대한 관심고조로 높은 수요증가율을 기록했으나 97년에는 가격하락 및 공급과잉으로 어려움을 겪고 있다. 이는 국내수요가 정체된 가운데 96년부터 공급과잉이 지속되고 있고 96년 12월 대동상사 가 디보틀넥킹을 통해 월 200톤의 생산능력을 확장, 공급과잉이 심화됐기 때문이다. 여기에 청산화학 등 국내 생산기업들이 신증설을 고려하고 있어 국내 공급과잉이 상당기간 지속, 가격은 계속 바닥세를 유지하고 있다. 특히, 폐수용은 97년 6월기준 ㎏당 500선까지 떨어진 것으로 알려졌다. 업체별로 보면, 청산화학은 96년에 실리 콘계 소포제 3000톤을 생산해 70%를 폐수용으로 공급하고 비실리콘계는 120톤을 생산해 제지용으로 공급했다. 청산화학은 97년 중반 월 150톤 증설을 검토하고 있으며 인디아, 중국 등에 월 5톤 가량을 수출할 계획이다.
대동물산은 실리콘계 소포제 월간 180톤, 비실리콘계 20톤을 생산하고 있으며 60%를 폐수용으로, 40%를 첨가 제용으로 공급하고 있다. 97년 생산능력은 증설분 200톤을 합쳐 월 400톤에 달해 신규시장확보에 많은 노력을 기울이고 있다. 증설분 200톤은 60% 이상을 폐수용으로 공급할 예정이다. 대동물산은 월 40~50톤을 사용하는 반월염색조합의 입찰에 참가, 청산화학보다 ㎏당 100원 저렴한 500원에 낙찰받은 것으로 알려졌다. 염색조합의 입찰자격 요건으로 소포제의 실리콘오일 함량을 12%로 규정했고 원료인 실리콘 오일 가격이 ㎏당 3000원임을 감안할 때 매우 저가인 것을 알 수 있다. 한국신에츠는 실리콘계 소포제를 에멀젼 타입으로 연간 800톤 생산하 고 있으며, 100톤 미만을 일본 신에츠에서 수입하고 있다. 판매는 5개 대리점을 통해 이루어지고 있으며 범용 그레이드(고형성분 15~ 20%)는 유효성분량에 따라 대리점가격이 1000~ 2000원선에 거래되고 있다. 동양실리콘 은 월 200톤의 생산능력을 보유하고 있으며, 월간 120톤을 공급하고 있다. 폐수용이 60%를 차지하고 있으며, 폐수용 소비자가격은 고형분 20%기준 ㎏당 1500원으로 대리점을 통해 판매하고 있다. ...
3. 국내 실리콘 업계 동향
국내 실리콘 산업은 미국의 매출액 규모로 1위인 G.E사와 일본의 도시바 그리고 한국의 동양화학이 합작하여 이루어진 동양실리콘, 일본 신에츠의 한국현지 법인, 미국의 다우코닝사의 한국 현지법인 등 3사를 주축으로 발전 되어왔으며, 지속적인 산업발달로 국내시장규모가 95년기준 연간 1800억원에 이를 정도로 성장해 왔다.
설현재 전세계적으로 사용되고 있는 실리콘제품은 5000여종 이나 되며, 국내에서 상용화된 제품이 500여종에 이른다. 실리콘은 우리생활에 여러가지 용도로 밀접하게 이용 되고 있으며, 최근 들어 특수한 기능을 갖는 기능성 고분자에 대한 수요가 급증하고 있는 실정이다.
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4. 세계 실리콘 시장 현황
세계 실리콘시장 규모는 96년기준 약 60억달러로 순조로운 성장을 지속한 것으로 나타났다. 이 중에서도 아시 아시장이 특히 고성장을 보여 세계 수요의 1/3을 차지한 것으로 조사됐다. 제품구성은 지역에 따라 다소 차이 가 있는데, 미국에서는 오일·2차가공제품이 50%이상을 차지하고 있으나 일본에서는 엘라스토머가 50%, 오 일·2차가공제품이 40%, 수지·기타가 10%를 차지하고 있다. 현재 일본의 실리콘시장 규모는 1300억엔으로 산 업분야별 용도구성을 보면, 전기·전자분야가 35%, 건축·토목분야 20%, 기기·자동차 15%, 고무·플라스틱· 도료·섬유·종이펄프·식품·화장품 등을 포함한 화학제품이 30%로 엘라스토머의 구성비가 높은 것으로 알려 졌다. 최근 몇 년동안 일본의 실리콘 생산량은 큰 폭으로 증가했는데 이는 한국, 대만, ASEAN 등 아시아국가 를 중심으로 한 수출이 증가했기 때문으로 풀이된다. 96년 수출은 중량기준 약 6만톤, 금액기준 300억엔 이상으 로 조사됐다.
일본의 실리콘 주 수출국은 아시아의 여러나라와 미국, 네덜란드로 이 중에서도 한국을 시작으로 한 대만, 홍 콩, 중국, 싱가폴, 말레이시아, 타이 등이 전체 수출량의 3/4을 차지했다. 세계적으로 상업생산되는 실리콘은 메 틸계가 중심을 보이고 있는데, 이 모노머에 해당하는 메틸클로로실란(조실란)은 금속규소와 염화메틸을 원료로 동을 촉매로 하는 직접법으로 합성된다. 이 메틸클로로실란을 가수분해함으로써 실리콘폴리머(실록산)를 얻는 다. 현재 실리콘시장은 어느정도 리스트럭처링이 마무리된 것으로 평가되는 가운데 아시아, 우크라이나, 중국 등에서 소규모 일관 생산이 진행되고 있다.
Witco, 골드스미트, 데구사, PCR, Chisso 등이 특수 실리콘폴리머 및 실란카플링제를 생산하고 있다. 실록산의 연간 생산량은 전 세계적으로 65만~70만톤으로 추산된다. 세계적으로 조실란의 수요가 지속적으로 감소하고 있 는 가운데, 94~95년에 실리콘 업체들이 대규모 생산설비 증설을 발표했고 96년에는 일부분이 완료됐다. 계획보 다 다소 늦은 감이 있으나 유럽과 미국을 중심으로 한 증설계획이 진행 중이고 Dow Corning은 영국의 설비증 설을, GE는 네덜란드에서 조실란설비 신설계획을 진행 중이다. 또한 Wacker도 미국에서 실록산설비 신설을 계 획 중이다. 또한 아시아지역의 경우, Dow Corning은 대만에 플랜트건설을 계획 중이고 프랑스 Rhone-Poulenc 도 중국 상해에 실리콘생산을 고려한 다목적 공장을 건설 중이다. 실란카플링제는 Witco와 Huels가 설비 증설 을 계획 중이며, 일본유니카가 제2의 생산공장을 건설했고 일본데구사는 실란제조설비를 건설, 실란카플링제 분 야에 본격적으로 참여해 왔다. 세계 실리콘 시장은 디메틸실리콘오일, 범용미러블형고무, 실리콘실링재 등 대형 기간제품의 상품화와 고기능화·세분화가 진행되고 있으며, 실리콘 전체로 볼 때 양극화가 더욱 가속화될 전망 이다. 또한 안전·환경에 대한 의식고취로 100% 인공물질인 실리콘에 대한 인식이 엄격해지고 있는 가운데, 지 난 93년에 세계 실리콘 업체들은 실리콘의 법규제, 안전 및 환경문제에 대해 글로벌 실리콘카운실을 설립, 검토 를 지속해 오고 있다. 실리콘은 내열성, 내한성, 내후성, 전기특성, 내형성 및 발수성 등 일반적인 유기계 폴리 머와는 다른 특성을 가지고 있으며, 새로운 용도개발이 활발히 진행돼 실리콘 제품의 그레이드수는 실리콘제조 업체당 수천개에 이르고 있다.
5. 실리콘의 원료 현황
실리콘은 각종 형태를 취하고 있지만 그 구성은 실록산 결합 =Si-O-Si=와 메틸기로 대표된다. 이들은 주원료 인 금속규소와 메탄올로부터 얻어지는데 어느 것이나 직접적으로는 석유에 의존하지 않는 풍부한 천연자원을 출발원료로 하고 있다. 규소는 지각중에서 산소에 버금가는 두번째로 풍부한 원소로 25.7%를 점하고 있으며 지 표에는 산소와 결합하여 산화물 및 규산염으로 존재한다.
금속규소는 고순도 규석(SiO2)을 전기로(아크로)에서 코크스 등의 탈소재로 환원하여 만들어진다. 금속규소 1톤 을 제조하기 위해서는 1만4000KWH의 전력이 소비되어 금속규소 생산비의 반이상이 전력비로 소비되는 것으 로 알려져 있다. 이 때문에 전력 단가가 높은 일본에서는 1982년말에 생산을 중지하고 있고 그 이후는 전량을 수입에 의존하고 있다. 1987년 세계 금속규소 생산량은 약 55만톤으로 추정되고 있고 일본에서는 이중 약 11만 톤을 수입하였다. 공업용 원료로써 사용되는 금속규소는 알루미늄 합금용과 화학공업용으로 크게 분류된다. 화 학공업용은 실리콘 제조용 원료가 중심으로 98%이상의 순도가 요구되고 있다. 반도체용 조원료도 화학공업용 에 포함된다.
알루미늄합금용과 화학공업용 비율은 대략 7:3 정도인 것으로 알려져 있다. 금속규소의 수입선은 중국을 비롯하 여 수십개에 이르고 있으나 화학공업용은 주로 유럽, 북미, 브라질 등이다. 따라서 국내에서도 금속규소의 생산 은 사실상 불가능하기 때문에 금속규소는 수입에 의존하고 나머지 부원료를 제조하여 합성하는 방법을 택해야 할 것으로 지적되고 있다. 메탄올은 염화메틸 형태로 실리콘제조원료로써 사용된다. 염화메틸은 실리콘 모노머 인 메틸클로로실란에 흡수되어 가수분해에 의하여 메틸기는 폴리머 중에 남으며 염소는 염산으로써 회수된다. 회수된 염산은 메탄올과 다시 반응하여 염화메틸이 되어 재이용된다. 메탄올은 천연가스로부터 제조되고 금속 규소와 같이 대부분 수입에 의존하고 있다. 기초화학원료인 메탄올의 국제가격은 원유가격에 따라 변하는 천연 가스 가격 및 국제 경제의 동향에 크게 영향을 받는 품목이다.
6. 실리콘 기술개발 동향
국내에서 자체 생산 기술력을 보유하지 못한 산업중의 하나인 실리콘은 여전히 꾸준한 성장세를 보이고 있는 것으로 나타났다. 그러나 제한된 시장에서 시장을 확보하기 위한 경쟁이 어느 산업분야보다 치열하기 때문에 가격은 몇년동안 제자리 걸음을 계속 유지하고 있고 연구개발투자는 거의 전무한 실정이다. 이러한 상황은 국 내에서 기존의 한국DC, 한국신에츠, 동양실리콘 등 3사 체제가 지속되고 새롭게 시장에 참여하는 기업이 출현 하지 않는 이상 당분간 유지될 것으로 전망되는데, 현재 실란트 분야에서 많은 시장을 점유하고 있는 고려화학 의 실리콘시장 참여설이 업계에서는 계속 꼬리를 물고 있다. 세계적으로는 실리콘시장이 91년이후부터 성장이 다소 둔화되고 있는데, 20세기말부터는 성장이 거의 정체를 보일 것으로 전망되고 있다. 다만, 현재도 산업화가 계속 진행되고 있는 개도국이 밀집한 아시아지역에서는 2000년까지 꾸준한 시장성장을 보일 것으로 예상된다.
한편, 실리콘의 연구개발은 지금도 계속 진행되고 있으며 미래에는 항공·우주 산업 등의 주요한 첨단 소재산 업으로 각광받을 것으로 보여 국내에서도 외국의 기술에 의존하는 현재의 산업구조를 탈피하고 자생력을 갖춘 산업으로 육성해야 한다는 주장이 각계에서 활발하게 제기되고 있다. 현재 실리콘의 제품수는 5000여 품목에 이르고 품목의 증가 경향은 산업의 분화, 다양화, 고도기술화에 수반하여 고기능재료, 고품질 요구의 가속과 더 불어 박차를 가하고 있다. 공업제품으로써의 실리콘은 실리콘레진, 오일을 비롯하여 미라블형 실리콘고무를 거 쳐 액상실리콘고무에 이르는 기본제품에 관해서는 거의 1960년대까지 개발되었다. 실리콘은 개량을 거듭하여 현재에 이르고 있지만 실리콘화학에 있어서도 일반화학과 똑같이 지금까지 없었던 혁신적인 제품군이 발생하기 어려운 상황에 와 있을지도 모른다. 그러나 실리콘이 극히 혜택을 받는 재료라고 말할 수 있는 것은 새로운 산 업기술이 발생하면 필히 응용의 기회가 생기고 또한 그곳에 적합한 형태의 제품이 개발되어 사용되는 소질을 갖추고 있다는 것이다.
예를 들면 광통신의 섬유코팅(부가형 액상실리콘 고무, 광경화 실리콘) 연결부품 및 OA기기의 키보드가 있다. 여기에 실리콘의 커다란 비밀이 있다. 실리콘의 다형태 제품군, 용도에 맞추어 개량하기 쉬운 점이 또 하나의 최대 강점이기도 하다. 과거의 실리콘 제품성장의 역사는 고객과 밀접하게 연결된 공동개발이 주류를 이루고 있다. 유기규소화학의 학계에서는 항상 탄소화학과 비교하여 연구가 진행되어 왔다. Si=Si, Si=C, Si=N 등의 이 중결합도 확인하였으며 다음 목표도 물색하고 있는 상황이다. 규소의 내산소 플라즈마성이 양호함을 기대한 규 소 광레지스트가 하나의 과제로 되어 있다. 수요업계에서는 복합재료로서의 실록산 폴리머의 응용과 더불어 실 란 및 실록산 올리고머와 같은 첨가제 및 변성제가 요구되고 있다. 한편, 모든 산업에서 요구되는 것은 원가절 감이며 그러기 위해서는 실리콘 제품의 저가격화 노력과 더불어 사용상에서의 기공기술 개혁에 의한 토탈메리 트를 실현할 필요가 있다. 이와같은 산업계의 요구를 만족시킬 수 있는 실리콘의 개발이 향후의 주요 관심사이 다. 현재 실리콘은 각종 첨가제를 배합하여 기계적 강도의 향상, 접착성이나 난연성의 개량이 시도되고 있다.
또한 배합기술의 진보와 신첨가제의 발견에 의하여 보다 고기능의 것이 추가될 것으로 보이며 방열특성, 도전 특성, 난연성, 내열성, 고투명성 등 많은 요청과 과제가 각 제품군에 남아 있다. 실리콘의 유기변성은 우레탄 폼 의 정포제(폴리에테르계)로 시작, 장쇄 알킬변성오일, 아미노변성오일, 에폭시변성오일과 같은 관능기를 실리콘 에 부착시킨 형태의 것이 여러가지 만들어지고 다시 용도에 맞춘 분자설계가 되고 있다. 한편 유기화합물의 실 리콘변성에는 본격적으로 공업화된 것으로 변성실리콘 실링재의 폴리머가 있다. 양 말단을 알콕시 실란으로 처 리한 폴리에테르가 있으며 다시 말단뿐만 아니라 주축에도 실록산을 결합시킨 블럭공중합체(예 실리콘 폴리아 미드) 등 여러가지에 이르는 연구가 계속되고 있다. 실리콘바니스 및 액상실리콘 고무의 가교(경화)시스템은 실 라놀기 및 알콕시기 같은 규소관능기간의 축합반응이 이용되고 있으나 그후 비닐기와 하이드록시기를 백금촉매 로 부가반응시킨 시스템이 발명되었다.
이 부가반응을 이용한 제품은 수축률이 작은 것, 무부식성 반응속도 제어가 용이한 것, 가열에 의하여 속경화하 는 것 등의 특징에서 전기·전자공업을 중심으로 확산되었다. 실온경화형 실링재에는 탈옥심형을 중심으로 많 은 가교 시스템이 용도에 맞게 사용되었다. 최근은 보다 속성경화, 에너지 절약을 목적으로 자외선 및 전자선을 이용한 광반응에 의한 것이 출현될 예정이며 향후 광범위한 제품분야 및 용도에 응용될 것으로 보인다. 변성기 술 및 배합기술을 조합, 일치시켜 실리콘과 기타 유기재료의 복합재료를 만드는 노력도 전개되고 있다.
EPDM고무와 실리콘 고무의 복합고무, 아크릴 고무와의 복합체인 고무분야 뿐 아니라 플라스틱분야에도 향후 확산되는 양상을 보이고 있다. 게다가 두개의 경화시스템을 이용하여 완전히 다른 폴리머를 조합시켜 IPN (Interpenetrating Polymer Networks)이라는 신기능재료를 만드는 것도 행해지고 있다. 주목되는 실리콘가공기 술로서는 LIM(Liquid Injection Molding), FIPG(Formed In Place Gasket) 및 진공주형(프로트타입형뜨기) 등이 있다. LIM은 부가형의 두가지 성분 액상고무를 자동혼합토출하는 시스템으로 후처리 다듬기가 필요없는 성형, 일체성형과 같은 개량된 성형방법이 가능해지므로 미라블형 실리콘으로는 실현할 수 없는 성형특성을 갖는다. FIPG는 주로 자동차의 오일팬 등의 개스킷으로 사용되지만 정형개스킷에 비해 누유방지의 신뢰성, 생산성, 재 고감지 등 여러가지의 장점이 있다. 또한 진공주형은 시작금형 대신에 액상실리콘고무형을 이용하여 플라스틱 성형품의 플로트타입을 작성하는 시스템이다. 모델 변화가 많은 전기제품의 케이스 시작 및 소량생산에 대한 금형의 대용으로써 단기납기 원가절감을 달성할 수 있는 장점이 크고 평가가 좋은 시스템이므로 향후 확대가 기대된다. 시대의 흐름에 맞는 용도개발이 현저한 예는 SSG(Structural Sealant Glazing)건축공법이다. 최근 빌 딩의 디자인에는 괄목할 만한 것이 많다. Frameless에서 거울과 같은 창유리의 지탱에는 특수한 실리콘 실란트 및 실리콘 고무 가공법이 사용되고 있다.
열경화형 액상고무의 기술을 이용한 감압도전성 잉크를 이용한 실터치 역시 용도를 확대하고 있다. 도시바는 토스펄이라는 구상실리콘 수지 미분말을 독자적으로 개발하였다. 이것은 실리콘 레진, 오일, 미라블형 고무, 액 상고무 등의 종래 형태 실리콘과는 다르며 진구상 균일성, 저비중의 미분말이고 종래에 없었던 특징을 가지고 있다. 또한 두 액을 혼합하면 몇분안에 발포경화하고 난연 내열 스폰지를 얻을 수 있는 액상실리콘 고무 스폰 지가 있다. 이것은 원자력발전소의 배관 관동부의 Pen-etration Seal 등에 응용되고 있다. 향후 용도확대가 크 게 기대되는 제품으로 알려져 있다. 유기물의 실리콘변성용 첨가 개질제, 실링화에 의한 반응제어시약 등 특수 실란화합물은 최근의 용도개발이 괄목할 만한 것으로 알려지고 있다.
실리콘 기술은 당분간 전자를 중심으로 발전될 것으로 전망되는데, 그외에도 항공, 우주산업 등의 첨단 소재로 각광받을 것으로 보인다. 따라서 국내에서도 활발한 연구개발이 절실히 요구되고 있으나 선진국에 비해 연구실 적은 다소 미미한 것으로 나타났다. 다만, KIST에서는 기존의 산소고리를 탄소로 대체하는 실리콘 화합물을 소 개함으로써 세계적인 관심을 끌고 있어 향후 우리의 연구개발 성과에 대한 기대를 안겨주고 있다.
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