실리콘

3. 화학적 특성

화학적으로 실리콘은 디클로로디메틸실란 등 여러 종류의 실란을 가수분해하여 생성된 실라놀(R₃Si-OH)이 탈수축합한 올리고머나 폴리머이다. 단량체가 10(또는 20) 이하로 비교적 분자량이 작은 것은 폴리실록산(polysiloxane) 또는 간단히 실록산이라고 부른다. 고분자로서 합성수지로 사용되는 것은 일반적으로 “실리콘수지” 또는 줄여서 “'''실리콘'''”이라고 불리는 경우가 많으므로, 원소인 규소(silicon)와 혼동하지 않도록 주의해야 한다.^[12]

주 골격인 실록산 결합(Si-O-Si)은 유기물의 골격을 형성하는 탄소-탄소 결합에 비해 결합 에너지, 원자간 거리, 결합각이 모두 크며, 분자 전체는 나선 구조를 이루고 있다. 이러한 특성으로 인해 일반적인 유기물에는 없는 다양한 특징을 갖는다.^[9]

주 골격의 결합이 강하다는 것은 가장 기본적인 특징인 내열성을 발휘하여 200°C를 초과하는(구조와 조건에 따라 400°C까지) 고온에도 견딘다. 더욱 고온에서는 점차 변성(산소에 의한 탈수 중합으로 고분자화)이나 분해(환상 실록산 생성에 의한 저분자화)되지만, 그 속도는 느리고, 연소나 폭발을 수반하지 않는다. 또한, 분해 생성물은 주로 실리카와 물(수증기)이며, 위험성이 낮다.

화학적으로 안정적이며 산화·분해되기 어려운 성질은 연구실부터 플랜트에 이르는 화학 분야에서 귀중하게 여겨지고 필수적인 것이 되어 있으며, 생리 활성이 낮기 때문에 인간을 포함한 생체에 대한 독성이 작은 요인이 되고 있다. (주의: 체내에 침윤되었을 경우 이물성 육아종 등 활성이 낮은 물질에서 일어나는 반응도 있다)

실록산 결합의 밴드갭이 크기 때문에 전기 절연성이 비교적 높다. 그런데 유전율이 작기 때문에 전기장을 방해하지 않고 발열하기 어렵다(마이크로파 가열을 받기 어렵다). 또한 내열성과 마찬가지 요인으로 절연 내력에 뛰어나고, 자외선이나 방사선에 의한 공격에도 어느 정도 견디기 때문에 내후성도 갖추고 있다.

나선형의 분자 구조는 내부의 주 골격(무기성)을 치환기(유기성)가 둘러싸고 있는 구조이다. 따라서 폴리실록산에서 볼 수 있는 수소 결합이 방해되어 분자간 힘이 상대적으로 작다. 이러한 성질은 액체에서는 표면 장력이나 온도에 따른 점성 변화를 작게 하고, 고체에서는 발수성이나 기체 투과성을 높인다.

일반적으로 무색·무취이며 발수성을 지닌다. 비슷한 탄소 골격 폴리머에 비해 내유성, 내산화성, 내열성이 높고, 부도체이다. 중합도나 치환기 등이 다른 다양한 형태의 제품이 제공되고 있다. 하지만 금속 산화물(염기)의 성질을 지니므로 강산에는 약하며, 변질(백화, 취화)될 수 있다. 또한 프레온, 프레온 대체물질, 톨루엔, 아세톤, 메틸에틸케톤 등 일부 용매에는 침식된다. 따라서 이러한 환경에 노출되는 경우에는 사용되지 않는다.

3. 1. 합성

3. 2. 구조 및 성질

• 낮은 열전도율
• 낮은 화학적 반응성
• 낮은 독성
• 열 안정성 (-100°C~250°C의 넓은 온도 범위에서 특성의 일관성)
• 물을 밀어내고 방수 밀봉을 형성하는 능력
• 많은 기질에는 달라붙지 않지만, 유리와 같이 다른 기질에는 매우 잘 부착됨
• 미생물 성장을 지지하지 않음
• 구김과 주름에 대한 저항성
• 산소, 오존 및 자외선에 대한 저항성. 이러한 특성으로 인해 실리콘은 건설업계(예: 코팅, 화재 방지, 유리 밀봉) 및 자동차 산업(외부 개스킷, 외부 트림)에서 널리 사용된다.
• 절연체 특성. 실리콘은 전기적으로 절연체 또는 도체가 되도록 제형화할 수 있으므로 광범위한 전기 응용 분야에 적합하다.
• 높은 투과성: 실온(25 °C)에서 산소와 같은 기체에 대한 실리콘 고무의 투과성은 부틸 고무의 약 400배이다.^[10] 이로 인해 실리콘은 통기성이 증가하는 것이 바람직한 의료 응용 분야에 유용하다. 반대로, 실리콘 고무는 고압 가스 또는 고진공용 밀봉과 같이 기밀 밀봉이 필요한 곳에는 사용할 수 없다.

3. 3. 변성 실리콘

• 페닐기의 양을 늘리면 저온에서 경화되기 어려워져 내한성이 증가한다.
• 불소를 포함하는 플루오로알킬기를 도입하면 내유성 및 소수성이 향상된다.
• 아미노기를 소량 도입하면 에멀션 특성이 크게 개선된다.
• 폴리에테르기는 윤활성 개선에 효과적이다.

4. 제조

건설업계에서는 실리콘 고무의 강도와 신뢰성이 널리 인정받고 있다. 1액형 실리콘(실란트) 및 실리콘 코킹은 건물의 틈, 이음매 및 갈라진 틈을 막는 데 일반적으로 사용된다. 1액형 실리콘은 대기 중의 수분을 흡수하여 경화되므로 설치가 간편하다. 배관에서는 실리콘 그리스를 일반적으로 황동 수도꼭지 및 밸브의 O-링에 도포하여 석회가 금속에 달라붙는 것을 방지한다.

1974년 시카고 미술원이 최초로 외장 유리를 이 소재로만 고정한 건물이 된 이후로 구조용 실리콘이 커튼월 건물 외벽에도 사용되어 왔다. 실리콘 막은 뛰어난 자외선 저항성과 수십 년 동안 방수 성능을 유지하는 능력 덕분에 산업용 지붕을 덮고 복원하는 데 사용되어 왔다.

4. 1. 실란 제조

4. 2. 폴리실록산 제조

4. 3. 저분자 성분 저감

5. 종류 및 용도

실리콘은 전기(절연체), 전자(코팅), 가정용(실란트, 조리 도구), 자동차(개스킷), 항공기(씰), 사무 기기(키보드 패드), 의료 및 치과(치아 인상틀), 섬유 및 종이(코팅) 등 다양한 분야에 사용된다. 1991년에는 이러한 용도로 약 40만 톤의 실리콘이 생산되었다.^[9]

실리콘은 우수한 밀봉 성능, 넓은 온도 범위(-70°C ~ 220°C)에서의 안정성, 내구성, 소음 및 진동 감소, 난연성 등으로 항공우주공학 분야에서 널리 사용된다.^[11] 항공기의 창문, 기내 문 개스킷, 엔진 개스킷 등에 사용되어 항공기 안전성과 유지 보수 비용 절감에 기여한다. 또한 조종석 계기판, 전기 시스템 밀봉, 전선 피복 등에도 사용되어 습기, 극저온, 먼지, 얼음 등으로부터 보호한다. 폴리디메틸실록산(PDMS) 기반 결합제와 과염소산암모늄(NH₄ClO₄)은 로켓의 고속 연소 고체 추진제로 사용된다.^[12]

액상 실리콘은 드라이클리닝 용매로 사용될 수 있으며, 전통적인 염소 함유 (퍼클로로에틸렌(perc)) 용매의 대안을 제공한다.

5. 1. 오일

5. 2. 고무

• 고무 컴파운드: 성형품으로서 각종 실링제, 다이어프램, 보호 부품 등에 널리 사용된다. 정확히는 고무가 아니므로 엘라스토머라고도 한다. 우수한 내구성 외에도 열 수축성이나 방열성을 강화한 것 등 다양하다.
• RTV 고무: 상온 경화형 고무로 일반적으로 액체 상태로 시판되며, 촉매를 첨가함으로써 실리콘의 중합 반응에 의해 경화된다. 일액형과 이액형이 있으며, 반응의 종류에 따라 첨가 반응형과 축합 반응형으로 크게 나뉜다. 접착성이 좋은 보호재나 방열재, 그리고 가라지 키트나 치과 의료 등의 틀 제작용으로 용도가 넓다.
• 의료 소재: 탄성 재료나 섬유 재료로 이용되고 있으며, 전자는 풍선 카테터로, 후자는 기체 투과성이 좋다는 점을 이용하여 인공 심폐막으로도 이용되고 있다.
• 실리콘 하이드로겔: 친수성 겔에 실리콘을 배합한 것으로, 산소 투과형 콘택트렌즈나 성형외과 수술의 충전제 등에도 사용되고 있다. 과거 대일본 스모의 신입 사범 검사에서 키가 부족한 사람이 합격 기준에 도달하기 위해 두부에 넣은 적도 있었다(대수구황, 무노우미 슈헤이).

5. 3. 수지 및 기타

• 실리콘 수지(규소수지라고도 함): 실록산 골격을 가진 분지 구조로, 또한 치환기로 메틸기(메틸기), 페닐기(페닐기) 등을 도입한다.
• 왁스(납): 직쇄 올레핀을 도입한 분자량 1000 이하의 분자는 왁스상이 되어 자동차 왁스 등에 사용된다.
• 의약품(의약품): 디메티콘(디메틸폴리실록산)이 소화기(소화기) 내 가스 제거제로 사용된다.
• 완구(완구): 가교 처리에 의해 점탄성(점탄성)을 갖게 한 실리콘을 주성분으로 하는 실리퍼티(실리퍼티)는 독특한 감촉을 가진 완구이다.

6. 시장 현황

2000년 현재 북미, EU, 동아시아를 중심으로 실리콘 시장 규모는 약 70억달러로 추정되며, 생산과 소비 모두 확대되는 추세이다.^[41] 주요 제조업체로는 다우 케미컬과 코닝의 합작회사인 다우코닝(Dow Corning), 모멘티브 퍼포먼스 매터리얼즈(Momentive Performance Materials)(일본 법인은 모멘티브 퍼포먼스 매터리얼즈 재팬: 구 GE 동시바 실리콘), 신에쓰화학공업, 와커 케미(Wacker Chemie)(독일), 로디아(Rhodia)(프랑스) 등이 있다. 국내에서는 도레이와 다우코닝의 합작회사인 도레이·다우코닝, 旭化成와 와커 케미의 합작회사인 旭化成ワッカー가 사업을 영위하고 있다.

7. 안전성 및 환경 고려 사항

실리콘은 낮은 열전도율, 낮은 화학적 반응성, 낮은 독성 등 여러 유용한 특성을 지니고 있어 다양한 산업 분야에서 활용된다.^[9] 특히 넓은 온도 범위(-100°C~250°C)에서 안정적인 특성을 유지하며, 물을 밀어내는 성질이 있어 방수 밀봉에 사용된다.^[9] 또한, 산소, 오존, 자외선에 대한 저항성이 뛰어나 건설업계와 자동차 산업에서 널리 사용된다.^[9]

실리콘은 절연체 특성을 가지면서도 전기 전도성을 갖도록 제형화할 수 있어 전기 응용 분야에도 적합하다. 높은 투과성으로 인해 의료용으로도 사용되지만,^[10] 기밀 밀봉이 필요한 곳에는 적합하지 않다.

실리콘은 식품 및 음료, 제약 산업에서 위생이 요구되는 분야, 드라이클리닝 용매등으로 사용되어 환경적 영향을 줄인다.

전자 부품의 안정성을 높이기 위해 실리콘으로 포팅(potting)하기도 한다. 극한 환경 조건에서 내구성과 고성능이 필요한 경우, 폴리우레탄이나 에폭시 대신 실리콘이 선택된다. 또한 써멀 페이스트의 구성 요소로 사용되어 열 전달을 개선한다.

하지만 실리콘은 비교적 고가이며, 특정 용매에 의해 손상될 수 있다. 또한 전기 스위치 접점의 실리콘 오염은 접촉 저항을 증가시켜 고장을 일으킬 수 있다.^[14][15]

북미 건물에서는 실리콘 폼을 사용하여 방화 처리를 하기도 하지만, 가연성, 연기 발생, 수축 및 균열 등의 문제로 인해 논란이 되기도 했다.

실리콘 그리스는 자전거 체인, 에어소프트 건 부품 등 다양한 기계 장치에 사용되며, 의료 절차나 성 활동에 사용되는 개인 윤활제도 있다.

실리콘은 미세유체역학, 밀봉재, 개스킷, 외피 및 기타 높은 생체적합성이 필요한 응용 분야에 사용되며, 젤 형태는 붕대, 드레싱, 유방 임플란트 등 의료 용도로 사용된다. 흉터 치료 시트는 의료용 실리콘으로 만들어지며, 폴리디메틸실록산(PDMS)이 주로 사용된다.

불법적인 화장품용 실리콘 주입은 피부과적 합병증을 유발할 수 있다.^[19] 안과에서는 실리콘 오일, 실리콘 인공수정체 등 다양한 제품에 사용된다. 첨가 및 축합 실리콘은 치과 인상재로 널리 사용된다.^[20][21][22]

실리콘 화합물은 환경에 널리 퍼져 있으며, 특히 고리형 실록산인 D₄와 D₅는 대기 및 수질 오염 물질이며, 실험 동물에게 부정적인 건강 영향을 미친다.^[32] 유럽 화학물질청(European Chemicals Agency)은 D₄는 지속성, 생물축적성 및 독성(PBT) 물질이며, D₅는 매우 지속성이 높고 생물축적성이 매우 높은(vPvB) 물질이라고 밝혔다.^[33][34] 다른 실리콘들은 생분해 과정을 통해 분해된다. 고리형 실리콘은 포유류의 생분해 과정에서 실라놀 생성을 유발하며, 생성된 실란디올과 실라네트리올은 테르몰리신, 아세틸콜린에스터라아제와 같은 가수분해 효소를 억제할 수 있다.^[36][37]

200°C 정도의 온도에서 폴리디메틸실록산은 미량의 포름알데히드를 방출하지만, 다른 일반적인 재료보다는 양이 적다.^[38][39] 250°C가 되면 모든 실리콘에서 다량의 포름알데히드가 생성된다.^[39]

일반적으로 실리콘은 무색, 무취이며 발수성을 지닌다. 내유성, 내산화성, 내열성이 높고 부도체이지만, 강산에는 약하며, 프레온, 프레온 대체물질, 톨루엔, 아세톤, 메틸에틸케톤 등 일부 용매에는 침식된다.

8. 마케팅

규모가 큰 실리콘 기반 소재 제조업체는 유럽 연합의 벨기에 브뤼셀에 있는 유럽 실리콘 센터(CES), 미국 버지니아주 허던에 있는 실리콘 환경, 보건 및 안전 센터(SEHSC), 일본 도쿄에 있는 일본 실리콘 산업 협회(SIAJ)의 세 지역 조직에 속해 있다. 다우 코닝 실리콘, 에보닉 인더스트리, 모멘티브 퍼포먼스 머티리얼즈, 밀리켄 앤드 컴퍼니(SiVance Specialty Silicones), 신에츠 실리콘, 바커 케미, 블루스타 실리콘, JNC Corporation, 바커 아사히카세이 실리콘, 다우 코닝 도레이가 이들 조직의 회원사를 대표한다. 네 번째 조직인 글로벌 실리콘 위원회(GSC)는 지역 조직들을 아우르는 상위 기구 역할을 한다. 이 네 조직은 모두 비영리 단체이며 상업적 역할을 하지 않는다. 주요 임무는 보건, 안전 및 환경적 관점에서 실리콘의 안전성을 홍보하는 것이다. 유럽 화학 산업이 화학물질의 등록, 평가 및 허가(REACH) 법규를 시행할 준비를 함에 따라, CES는 실리콘, 실란, 실록산 생산업체 및 수입업체들의 컨소시엄^[31] 구성을 주도하여 데이터와 비용 공유를 용이하게 하고 있다.

참조

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