JP2011045859A - Method for synthesizing powder and method for manufacturing electronic component - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、金属酸化物の粉体を製造するための粉体の合成及び電子部品の製造技術の分野に属し、特に、コンデンサやPTC素子などの電子部品を製造するために用いられる誘電材料、圧電材料、半導体などの電子材料となるチタン酸バリウム微粒子を製造するための粉体の合成方法及び電子部品の製造方法に関するものである。 The present invention belongs to the fields of powder synthesis for manufacturing metal oxide powder and manufacturing technology of electronic parts, and in particular, dielectric materials used for manufacturing electronic parts such as capacitors and PTC elements, The present invention relates to a powder synthesis method and an electronic component manufacturing method for manufacturing barium titanate fine particles to be used as an electronic material such as a piezoelectric material and a semiconductor.
従来より、正方晶チタン酸バリウム(BaTiO3)は、非常に高い比誘電率を有することから、積層セラミックコンデンサへ適用することにより、誘電体層の厚さを数μm程度に抑えることが可能となり、コンデンサを小型・大容量化し得ることが知られている。そして、コンデンサの小型化に伴い、誘電体層の厚みも益々薄層化されていく傾向にあり、このため、誘電体層に使用される誘電体材料となるチタン酸バリウム粉末をナノ粒子としてnmオーダに微粒子化する各種提案がなされている。 Conventionally, tetragonal barium titanate (BaTiO 3 ) has a very high relative dielectric constant, and therefore, when applied to a multilayer ceramic capacitor, the thickness of the dielectric layer can be suppressed to about several μm. It is known that capacitors can be made smaller and larger in capacity. And with the miniaturization of capacitors, the thickness of the dielectric layer also tends to become thinner, and for this reason, barium titanate powder, which is a dielectric material used for the dielectric layer, is nano-sized as a nanoparticle. Various proposals to make fine particles on the order have been made.
このようなチタン酸バリウム微粒子の製造方法としては、固相反応法、シュウ酸法、ゾルゲル法等の各種方式が提案されている。また、温度と圧力は、化学反応の重要なパラメータであるが、反応温度を液体媒体の沸点以上に加熱し、システムの圧力を上昇させて大気圧より高くして、液相を反応させる液相反応がある。このような液相反応としては、水熱合成法、ソルボサーマル法(反応)、超臨界水熱法等がある。なお、反応温度を液体媒体の沸点以上に加熱し、システムの圧力を上昇させて大気圧より高くして、液相を反応させる液相反応において、水を使う場合は“水熱反応”と、他の有機溶剤を反応媒体としたら“ソルボサーマル反応”と呼ばれる。また、ソルボサーマル法は、数ナノ程度のナノ粒子を作製することはできるが、ナノ粒子の作製に数時間ないし数日間かかるケースが良く見られる。このため、効率よく、数十ナノ程度の微粒子を作製することが困難である。 As a method for producing such barium titanate fine particles, various methods such as a solid phase reaction method, an oxalic acid method, and a sol-gel method have been proposed. Temperature and pressure are important parameters for chemical reactions, but the reaction temperature is heated above the boiling point of the liquid medium, the system pressure is raised above atmospheric pressure, and the liquid phase reacts. There is a reaction. Examples of such a liquid phase reaction include a hydrothermal synthesis method, a solvothermal method (reaction), and a supercritical hydrothermal method. In the liquid phase reaction in which the reaction temperature is heated above the boiling point of the liquid medium, the system pressure is increased to be higher than atmospheric pressure, and the liquid phase is reacted, when using water, “hydrothermal reaction”, If another organic solvent is used as a reaction medium, it is called “solvothermal reaction”. The solvothermal method can produce nanoparticles of several nanometers, but it often takes several hours to several days to produce nanoparticles. For this reason, it is difficult to efficiently produce fine particles of about several tens of nanometers.
これに対して、液体の臨界温度と臨界圧を越えた超臨界水熱法によれば、イオン反応速度が速く、ナノ粒子を作りやすく、大量生産向きの流通式製造プロセスにも適用可能であるという利点がある。超臨界水熱法は、チタン化合物水溶液とバリウム塩水溶液とを混合し、アルカリ水溶液を添加後、亜臨界または超臨界状態の水中にて水熱反応させることにより、30nm以下の立方晶または50nm以下の正方晶チタン酸バリウムのナノ粒子を製造するものである(例えば、特許文献1、2参照)。
In contrast, the supercritical hydrothermal method that exceeds the critical temperature and pressure of the liquid has a high ion reaction rate, facilitates the production of nanoparticles, and can be applied to a flow-type manufacturing process suitable for mass production. There is an advantage. In the supercritical hydrothermal method, a titanium compound aqueous solution and a barium salt aqueous solution are mixed, an alkali aqueous solution is added, and then hydrothermal reaction is performed in subcritical or supercritical water, thereby producing a cubic crystal of 30 nm or less or 50 nm or less. The tetragonal barium titanate nanoparticles are produced (see, for example,
特許文献1、2等に示される従来の流通式超臨界水熱法により粉体を合成する場合、室温である原料スラリーを急激に超臨界状態まで加熱するために、多量な高温水が必要となる。例えば、室温のスラリーと約500℃の高温水を混合する場合では、水の臨界温度374℃を超えるために、原料スラリー流量の約4倍以上の超臨界水が必要になる。このため、反応物の濃度が低くなり、合成効率が低下してしまう。一方、混合する前に、スラリーを加熱すると、加熱時に水熱合成が発生してしまい、超臨界反応を実現できないという課題がある。
When synthesizing powders by the conventional flow-type supercritical hydrothermal method shown in
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、従来の流通式超臨界水熱合成の場合よりも、反応領域における原料の濃度を高く(例えば約1桁高くすることができ、より多量なナノ粒子を作る方法、その粉体を用いた電子部品の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and the concentration of the raw material in the reaction region is higher (for example, about one digit higher than in the case of the conventional flow-type supercritical hydrothermal synthesis, and a larger amount can be obtained. An object of the present invention is to provide a method for producing a nanoparticle and a method for producing an electronic component using the powder.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる粉体の合成方法は、原料と、水単独の場合よりも低い圧力及び低い温度で超臨界状態になる溶媒が混合された原料スラリーが混合された原料スラリーを加圧及び加熱する第1の工程と、加圧及び加熱した原料スラリーと、水を含む反応加速剤を別々に反応経路に供給し、かつ、前記反応経路に加圧により亜臨界または超臨界状態の反応環境を生成する第2の工程と、生成された亜臨界または超臨界状態の前記反応環境を反応場として前記原料スラリーを該反応場に所定時間滞在させて粉体微粒子を生成する第3の工程と、生成した粉体微粒子を冷却し、前記粉体微粒子の成長を止める第4の工程と、を有することを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object, the method for synthesizing powder according to the present invention is a mixture of a raw material and a solvent that becomes a supercritical state at a lower pressure and lower temperature than water alone. A first step of pressurizing and heating the raw material slurry mixed with the raw material slurry, a pressurized and heated raw material slurry, and a reaction accelerator containing water are separately supplied to the reaction path, and the reaction path A second step of generating a reaction environment in a subcritical or supercritical state by pressurization; and the raw slurry is allowed to stay in the reaction field for a predetermined time using the generated reaction environment in the subcritical or supercritical state as a reaction field. A third step of generating fine powder particles, and a fourth step of cooling the generated fine powder particles and stopping the growth of the fine powder particles.
また、本発明にかかる粉体の合成方法は、上記発明において、前記第2の工程は、加熱した前記原料スラリーを、前記反応加速剤に含まれる水よりも高い体積比率で反応経路に供給することを特徴とする。 In the method for synthesizing powder according to the present invention, in the above invention, in the second step, the heated raw material slurry is supplied to the reaction path at a higher volume ratio than water contained in the reaction accelerator. It is characterized by that.
また、本発明にかかる粉体の合成方法は、上記発明において、さらに、前記反応加速剤を加熱する工程を有し、前記第2の工程は、加熱された前記反応加速剤を前記反応経路に供給することを特徴とする。 The method for synthesizing a powder according to the present invention further includes a step of heating the reaction accelerator in the above invention, and the second step uses the heated reaction accelerator as a reaction path. It is characterized by supplying.
また、本発明にかかる粉体の合成方法は、上記発明において、前記溶媒は、水単独の場合よりも低い圧力で超臨界状態になる溶媒であり、前記第2の工程は、加圧により亜臨界または超臨界状態を生成することを特徴とする。 In the method for synthesizing a powder according to the present invention, in the above invention, the solvent is a solvent that becomes a supercritical state at a lower pressure than that of water alone, and It is characterized by producing a critical or supercritical state.
また、本発明にかかる粉体の合成方法は、上記発明において、前記溶媒は、超臨界状態で水と連続溶解できる有機溶媒を含むことを特徴とする。 Moreover, the method for synthesizing powder according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the solvent contains an organic solvent that can be continuously dissolved in water in a supercritical state.
また、本発明にかかる粉体の合成方法は、上記発明において、前記反応加速剤は、水を含むことを特徴とする。 The powder synthesis method according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the reaction accelerator contains water.
また、本発明にかかる電子部品の製造方法は、上記発明の粉体の合成方法により生成された粉体微粒子用いて製造された電子材料を構成要素として含む電子部品を製造することを特徴とする。 The electronic component manufacturing method according to the present invention is characterized in that an electronic component including an electronic material manufactured using powder fine particles generated by the powder synthesis method of the above invention as a constituent element is manufactured. .
本発明によれば、水を含む反応加速剤を用いて、亜臨界または超臨界状態の反応環境を生成するようにしたので、亜臨界または超臨界状態とするための臨界温度及び/または臨界圧力を低くすることができ、よって、臨界条件の緩和により、反応容器等の腐食や、腐食による生成物中への不純物の混入を低減させたり、反応容器等の材質の選択肢を広げたりすることができるという効果を奏する。また、混合溶媒のアルコールの比率を増やすことで、純水合成の非常に高い反応速度を大幅に抑制し、合成された粒子が溶媒によりブラン運動等によって速く拡散し、よりよい分散状態を得ることが可能となる。 According to the present invention, since a reaction environment in a subcritical or supercritical state is generated using a reaction accelerator containing water, a critical temperature and / or a critical pressure for achieving a subcritical or supercritical state is obtained. Therefore, by relaxing the critical conditions, it is possible to reduce the corrosion of the reaction vessel, contamination of impurities in the product due to the corrosion, and widen the choice of materials for the reaction vessel. There is an effect that can be done. Also, by increasing the ratio of alcohol in the mixed solvent, the extremely high reaction rate of pure water synthesis is greatly suppressed, and the synthesized particles can be quickly diffused by the blanc motion etc. by the solvent to obtain a better dispersion state. Is possible.
さらに、アルコールなどの溶剤で調整した原料スラリーを先に高温高圧にさせてもあまり反応しないことを利用し、原料スラリーを加圧及び加熱した後、反応経路に投入することで、大量の反応加速剤により原料スラリーを加熱することなく亜臨界または超臨界状態を生成することができる。これにより、従来の超臨界水と原料スラリーの混合比を逆転、つまり、反応加速剤よりも原料スラリーの量を多くでき、従来の超臨界水熱合成の場合よりも、反応領域における原料の濃度を約1桁高くすることができ、より多量なナノ粒子を作ることができる。また、高温原料スラリーの採用によって、反応経路に投入する反応加速剤の温度を低くすることができる。例えば、混合後の温度を300℃にするときに、スラリー及び水の予熱温度を300℃以上に加熱する必要がなくなる。特に、水の比率が数%の場合は、室温の水を用いることも可能となる。このように、水を含む反応加速剤を400℃〜500℃まで予熱する必要がなくなることで、高温水による腐食を低減でき、高温高圧となる反応領域の安全性を向上させることができる。 Furthermore, utilizing the fact that the raw material slurry adjusted with a solvent such as alcohol does not react very much even if it is first heated to high temperature and pressure, the raw material slurry is pressurized and heated and then put into the reaction path to accelerate a large amount of reaction. A subcritical or supercritical state can be generated without heating the raw material slurry by the agent. As a result, the mixing ratio of the conventional supercritical water and the raw material slurry can be reversed, that is, the amount of the raw material slurry can be larger than that of the reaction accelerator, and the concentration of the raw material in the reaction region can be increased compared to the conventional supercritical hydrothermal synthesis. Can be increased by an order of magnitude, and more nanoparticles can be made. Moreover, the temperature of the reaction accelerator thrown into the reaction path can be lowered by adopting the high temperature raw material slurry. For example, when the temperature after mixing is 300 ° C., it is not necessary to heat the preheating temperature of the slurry and water to 300 ° C. or higher. In particular, when the water ratio is several percent, room temperature water can be used. Thus, since it is not necessary to preheat the reaction accelerator containing water to 400 ° C. to 500 ° C., corrosion due to high-temperature water can be reduced, and the safety of the reaction region at high temperature and high pressure can be improved.
以下、本発明の粉体の合成方法及び電子部品の製造方法を実施するための最良の形態について詳細に説明する。本発明は、実施の形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば、種々の変形が可能である。 Hereinafter, the best mode for carrying out the method for synthesizing powder and the method for producing electronic parts of the present invention will be described in detail. The present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
(本発明の概要)
本発明の粉体の合成方法は、水と、水単独の場合よりも低い温度及び低い圧力で超臨界状態になる溶媒との混合溶媒を用いて、加熱及び加圧により超臨界状態の反応環境を生成し、その反応環境で粉体を合成するようにしたものである。これにより、水単独の場合よりも、亜臨界または超臨界状態とするための臨界条件が緩和される。
(Outline of the present invention)
The powder synthesis method of the present invention uses a mixed solvent of water and a solvent that becomes a supercritical state at a lower temperature and lower pressure than in the case of water alone, and a supercritical reaction environment by heating and pressurization. And the powder is synthesized in the reaction environment. Thereby, the critical condition for setting to a subcritical or supercritical state is relaxed rather than the case of water alone.
このような溶媒として、純水よりも低い臨界温度・臨界圧力を有する極性有機溶媒がある。本発明に用いることができる有機溶媒としては、例えば、エタノール(約241℃、6MPa)メタノール(約239℃、8MPa)、イソプロパノール(約235℃、4.8MPa)、メチルエーテル(127℃、5.3MPa)、アセトン(235℃、4.6MPa)がある。ここでは、溶媒としてエタノールを用いる場合を例に挙げて説明する。図1−1及び図1−2は、水とエタノールとを混合した混合溶媒の臨界条件を示す特性図である。なお、図1−1は、臨界温度とエタノール濃度との関係を示し、図1−2は、臨界圧力とエタノール濃度との関係を示す。また、臨界条件は、文献「A. A. Abdurashidova, A. R. Bazaev, E. A. Bazaev and I. M. Abdulagatov、“The thermal properties of water-ethanol system in the near-critical and supercritical states”、High Temperature Vol.45 No.2, 2007, p178-186」(以下、参考文献1という。)に記載されている臨界条件を用いて算出した。まず、水単独の場合の臨界温度Twは約374℃、臨界圧力Pwは約22MPaである。一方、エタノール単独の場合、超臨界エタノールの分解力は超臨界水よりやや落ちるが、臨界温度Teは約241℃、臨界圧力Peは約6.1MPaであり、水の場合よりも低い臨界条件を有する。このような水とエタノールとを混合させた混合溶媒にあっては、エタノールの重量分率に応じて、図1−1及び図1−2に示すように、臨界温度Tmと臨界圧力Pmとが変化する。具体的には、水にエタノールを混合することで、水単独の場合よりも臨界温度及び臨界圧力が低下し、エタノールの重量分率が高くなるほど、臨界温度及び臨界圧力が低下する。 As such a solvent, there is a polar organic solvent having a critical temperature and a critical pressure lower than pure water. Examples of the organic solvent that can be used in the present invention include ethanol (about 241 ° C., 6 MPa), methanol (about 239 ° C., 8 MPa), isopropanol (about 235 ° C., 4.8 MPa), methyl ether (127 ° C., 5.MPa). 3 MPa) and acetone (235 ° C., 4.6 MPa). Here, a case where ethanol is used as a solvent will be described as an example. FIGS. 1-1 and 1-2 are characteristic diagrams showing critical conditions of a mixed solvent in which water and ethanol are mixed. FIG. 1-1 shows the relationship between the critical temperature and the ethanol concentration, and FIG. 1-2 shows the relationship between the critical pressure and the ethanol concentration. The critical conditions are described in the literature “AA Abdurashidova, AR Bazaev, EA Bazaev and IM Abdulagatov,“ The thermal properties of water-ethanol system in the near-critical and supercritical states ”, High Temperature Vol. 45 No. 2, 2007, p178-186 "(hereinafter referred to as Reference 1) was used for the calculation. First, the critical temperature Tw in the case of water alone is about 374 ° C., and the critical pressure Pw is about 22 MPa. On the other hand, in the case of ethanol alone, the decomposition power of supercritical ethanol is slightly lower than that of supercritical water, but the critical temperature Te is about 241 ° C. and the critical pressure Pe is about 6.1 MPa. Have. In such a mixed solvent in which water and ethanol are mixed, depending on the weight fraction of ethanol, as shown in FIGS. 1-1 and 1-2, the critical temperature Tm and the critical pressure Pm are Change. Specifically, by mixing ethanol with water, the critical temperature and critical pressure are lower than in the case of water alone, and the critical temperature and critical pressure decrease as the weight fraction of ethanol increases.
よって、混合溶媒の組成(水とエタノール)の比率調整によって、混合溶媒の臨界温度・臨界圧力を調整することで、反応速度、粒子成長速度、結晶性の制御、生成物粉の分散性の制御などを実現することができる。例えば、原料蓚酸バリウムチタニルを100%のエタノールに入れて、300℃、20MPaの超臨界状態で1時間以上保持しても、分解反応がほとんど起こらず、チタン酸バリウムBaTiO3の合成ができなかった。一方、400℃、30MPaの超臨界水に入れると、1秒でもチタン酸バリウムを生成した。この特性により、水の比率を増やすことで、有機物の分解速度と反応物の反応速度を高めることができ、チタン酸バリウム微粒子等を高速で生成することが可能となる。また、高温高圧水のイオン積[H+][OH−]は、200℃〜300℃の温度帯で最大値約10−11となり、水の分解能力も最大となるとともに、イオン反応を促進することもできる。また、図1に示すように、エタノールのモル分率が約30%以上であれば、水とエタノールの混合溶媒が十分な分解力を持ちながら、約300℃以下、10MPa台の純水よりかなり低い臨界条件とすることができる。 Therefore, by adjusting the ratio of the composition of the mixed solvent (water and ethanol), the critical temperature and critical pressure of the mixed solvent are adjusted to control the reaction rate, particle growth rate, crystallinity, and product powder dispersibility. Etc. can be realized. For example, even when the raw material barium titanyl oxalate was put in 100% ethanol and kept in a supercritical state at 300 ° C. and 20 MPa for 1 hour or more, the decomposition reaction hardly occurred, and synthesis of barium titanate BaTiO 3 could not be performed. . On the other hand, when placed in supercritical water at 400 ° C. and 30 MPa, barium titanate was produced even for 1 second. With this characteristic, by increasing the ratio of water, it is possible to increase the decomposition rate of the organic matter and the reaction rate of the reactant, and it is possible to generate barium titanate fine particles and the like at high speed. In addition, the ionic product [H + ] [OH − ] of the high-temperature and high-pressure water has a maximum value of about 10 −11 in the temperature range of 200 ° C. to 300 ° C., and the water decomposition ability is maximized and promotes the ion reaction. You can also. In addition, as shown in FIG. 1, when the molar fraction of ethanol is about 30% or more, the mixed solvent of water and ethanol has a sufficient decomposing power, and is considerably lower than about 300 ° C. or less than 10 MPa pure water. Low critical conditions can be achieved.
また、エタノールの比率を増やせば、混合溶媒の臨界温度・臨界圧力を一層低下させることができ、分解速度や微粒子の生成速度を緩めることができ、取扱いが容易になることで操作性を向上させることが可能となる。また、臨界温度・臨界圧力を一層低下させ、温度、圧力条件の緩和することで、反応器での腐食の発生も低減できる。例えば、エタノールの比率の増加により、混合溶媒の臨界温度を374℃から260℃程度まで低下させ、臨界圧力を22MPaから6〜7MPa程度まで低下させることができる。この結果、例えばSUSや耐食性のハステロイ材質などによるFe、Ni系材質の反応容器や配管を使った場合でも、その腐食性が弱まり、生成物に対する不純物含有量が低減する。あるいは、混合溶媒の臨界温度・臨界圧力が大幅に低下し、例えば臨界温度を300℃以下に下げることができるので、反応容器等の材質の選択肢が広がり、耐食性に優れたTiを用いることも可能となる。なお、エタノールの比率を増やしても、水は必ず含まれるように調整することが必要である。水を含まないと、分解力が低下する又はイオン反応速度不足する恐れがあるからである。 In addition, if the ethanol ratio is increased, the critical temperature and pressure of the mixed solvent can be further lowered, the decomposition rate and the fine particle production rate can be reduced, and the handling is facilitated to improve the operability. It becomes possible. Moreover, the occurrence of corrosion in the reactor can be reduced by further lowering the critical temperature / critical pressure and relaxing the temperature and pressure conditions. For example, by increasing the ratio of ethanol, the critical temperature of the mixed solvent can be reduced from about 374 ° C. to about 260 ° C., and the critical pressure can be reduced from 22 MPa to about 6 to 7 MPa. As a result, even when a reaction vessel or piping made of Fe or Ni-based material such as SUS or corrosion-resistant Hastelloy material is used, its corrosiveness is weakened and the content of impurities in the product is reduced. Alternatively, the critical temperature and critical pressure of the mixed solvent are greatly reduced. For example, the critical temperature can be lowered to 300 ° C. or lower, so the choice of materials for reaction vessels and the like can be expanded, and Ti having excellent corrosion resistance can be used. It becomes. Even if the ratio of ethanol is increased, it is necessary to adjust so that water is always included. This is because if water is not included, the decomposition power may be reduced or the ion reaction rate may be insufficient.
すなわち、水とエタノールとの混合溶媒は、同じ温度・圧力であっても、単純な亜臨界水環境と同様の分解力を保持しながら、単一相の超臨界反応環境状態を提供することができるものである。よって、例えばチタン酸バリウムの製造に利用することで、均一性の高いチタン酸バリウムの形成に有利となり、事後に高温焼結しなくても高結晶性のチタン酸バリウムナノ粒子を製造することができる。 That is, a mixed solvent of water and ethanol can provide a single-phase supercritical reaction environment state while maintaining the same decomposition power as a simple subcritical water environment even at the same temperature and pressure. It can be done. Therefore, for example, by using it for the production of barium titanate, it is advantageous for the formation of highly uniform barium titanate, and it is possible to produce highly crystalline barium titanate nanoparticles without subsequent high-temperature sintering. it can.
加えて、エタノールなどのアルコールは、水より微粒子に対する優れた分散力を有するので、原料及び生成物の分散に役立つ。例えば、超臨界水だけで合成したチタン酸バリウム微粒子の場合、一次粒子が数十nmであるが、凝集によってサブミクロン程度の塊状となった場合もある。これに対して、エタノールを添加した混合溶媒による超臨界状態の反応環境とすることで、塊状のチタン酸バリウム微粒子が消えて、ほとんど分散した数十nmのチタン酸バリウム微粒子に合成することができる。つまり、チタン酸バリウム微粒子の凝集の発生を抑制することができる。 In addition, alcohols such as ethanol have a better dispersion power for fine particles than water, which helps to disperse raw materials and products. For example, in the case of fine particles of barium titanate synthesized only with supercritical water, the primary particles are several tens of nanometers, but there are cases in which they are agglomerated on the order of submicrons due to aggregation. On the other hand, by setting the reaction environment in a supercritical state with a mixed solvent to which ethanol is added, the massive barium titanate particles disappear and can be synthesized into almost dispersed tens of nanometers of barium titanate particles. . That is, the occurrence of aggregation of barium titanate fine particles can be suppressed.
水と混合する溶媒としては、エタノールに限らず、純水の場合よりも臨界温度・臨界圧力を下げることができ、水に可溶な有機溶剤であればよい。例えば、値段が安く毒性の低いアルコール(メタノール、エタノール、プロパノール、IPA、(イソプロパノール)ブタノールなど)や、アセトンなどのケトン類などを用いることができる。 The solvent to be mixed with water is not limited to ethanol, and any organic solvent that can lower the critical temperature and the critical pressure as compared with pure water and is soluble in water may be used. For example, alcohol (methanol, ethanol, propanol, IPA, (isopropanol) butanol, etc.) that is inexpensive and low in toxicity, or ketones such as acetone can be used.
ここで、水で調製した原料スラリーは、予熱されると、原料スラリー内で水熱反応が発生する。このため、従来の流通式超臨界反応では、室温の原料スラリーに高温水を混合することによって急速に超臨界反応環境を実現する。しかし、このように高温水を混合して超臨界状態とするためには、室温の原料スラリーの数倍程度の高温水が必要となる。つまり、超臨界状態とするためには、高温水に対して混合できる原料スラリーの割合に限界がある。そのため、合成できる原料の仕込み量に制限を受ける。これに対して、アルコールなどの有機溶媒で調製した原料スラリーは、水を含まない限り超臨界にしても、高温高圧水と原料との高速反応に比べて、原料スラリーの反応速度が非常に遅い。本発明では、この反応速度の差を利用し、水を含まない原料スラリーを加熱、加圧し目標温度及び目標圧力にさせてから、水を含む反応加速剤と混合して反応させる。このように、原料スラリーを予熱することで、高温水により原料スラリーを加熱する必要が無くなりまたは小さくなるため、従来の超臨界流通式反応の場合よりも原料スラリーの仕込み量を大幅に向上させることができる。この結果、量産性に優れる連続流通式による製造プロセスの適用に可能となり、チタン酸バリウム微粒子の製造プロセスの効率を大幅に向上させることができる。 Here, when the raw material slurry prepared with water is preheated, a hydrothermal reaction occurs in the raw material slurry. For this reason, in the conventional flow-type supercritical reaction, a supercritical reaction environment is rapidly realized by mixing high temperature water with a raw material slurry at room temperature. However, in order to mix high-temperature water into a supercritical state in this way, high-temperature water several times as much as the raw material slurry at room temperature is required. That is, in order to achieve a supercritical state, there is a limit to the ratio of the raw material slurry that can be mixed with high-temperature water. Therefore, there is a limit to the amount of raw materials that can be synthesized. In contrast, the raw material slurry prepared with an organic solvent such as alcohol has a very low reaction rate of the raw material slurry compared to the high-speed reaction between the high-temperature and high-pressure water and the raw material, even if it is supercritical as long as it does not contain water. . In the present invention, by utilizing this difference in reaction rate, the raw material slurry not containing water is heated and pressurized to a target temperature and a target pressure, and then mixed with a reaction accelerator containing water and reacted. In this way, by preheating the raw slurry, the need to heat the raw slurry with high-temperature water is eliminated or reduced, so the feed amount of the raw slurry is greatly improved over the conventional supercritical flow reaction. Can do. As a result, it becomes possible to apply a production process by a continuous flow type which is excellent in mass productivity, and the efficiency of the production process of barium titanate fine particles can be greatly improved.
(実施の形態1)
本実施の形態1は、超臨界状態を生成しやすい連続流通式による製造プロセスを用いたチタン酸バリウム微粒子の製造方法への適用例を示す。図2は、本実施の形態1に適用される連続流通式製造装置を模式的に示す概略構成図である。この連続流通式製造装置は、原料を含むスラリーを攪拌するスラリー攪拌機1からバルブ2を介して供給されるスラリーを加熱し、高温スラリーを生成するヒータ13と、ヒータ13による加熱を経て生成された高温スラリーを高圧高温スラリーとして反応場を構成する反応管3に供給するスラリーポンプ4と、タンク5からバルブ6を介して供給される純水を加熱し、高温水を生成するヒータ7と、該ヒータ7による加熱を経て生成された高温水を高温高圧スラリーと混合させて反応管3に供給する送液ポンプ8と、反応管3の排出側に配置された冷却槽9と、冷却槽9の排出側にバルブ10を介して連結された回収タンク11と、を備える。また、連続流通式製造装置は、反応管3の周囲にも、反応管3内部を超臨界状態(または、亜臨界状態)にするための加熱用のヒータ12を備える。
(Embodiment 1)
The first embodiment shows an application example to a method for producing barium titanate fine particles using a continuous flow production process that easily generates a supercritical state. FIG. 2 is a schematic configuration diagram schematically showing a continuous flow manufacturing apparatus applied to the first embodiment. This continuous flow type manufacturing apparatus was produced by heating a slurry supplied via a
なお、図2に示す連続流通式製造装置の例では、流体を下側から上側に流すようにしているが、上流側となる高温水と高温高圧スラリーの2つのラインを反応管3の上部に設置し、流体を上側から下側に流すようにしてもよい。また、反応管3の太さとしては、市販されている直径1/32インチないし数cmまでの配管を用いるようにしてもよい。
In the example of the continuous flow manufacturing apparatus shown in FIG. 2, the fluid is allowed to flow from the lower side to the upper side, but two lines of high-temperature water and high-temperature and high-pressure slurry on the upstream side are placed at the top of the
ここで、原料スラリーを加熱しない場合は、混合後の流体を高温高圧にさせるために、超臨界水を臨界条件よりも高い温度(例えば臨界温度よりも200℃から300℃高い温度)に予熱し、超臨界水と原料スラリーとの混合比を超臨界水の方が多い割合、つまり、予熱された超臨界水を原料スラリーより多く混合しなければならない。例えば、水の超臨界条件を超えるために、超臨界水:原料スラリーの混合比を約4:1以上とする必要がある。そのため、混合後流体中の原料の濃度が低くなってしまう。これに対して、ヒータ13により反応管3に供給するスラリーも高温高圧とすることで、水(超臨界水)によりスラリーを加熱する必要が少なくまたは必要がなくなり、原料スラリー:水の混合比を1:1以上、つまり、原料スラリーの量を水よりも多くすることが可能となる。なお、送液ポンプ8側から水と溶媒との混合溶液を供給する場合も同様に、原料スラリー:混合溶液の混合比を1:1以上とすることができる。つまり、(原料(金属塩原料)を含むスラリー全体の容積流量(cc/min))/(原料を含まない水(または混合溶液)の容積流量)を1以上とすることができる。これにより、反応部の原料濃度を高くすることができ、生産性を高くすることができる。
Here, when the raw slurry is not heated, the supercritical water is preheated to a temperature higher than the critical condition (for example, 200 ° C. to 300 ° C. higher than the critical temperature) in order to make the mixed fluid high temperature and high pressure. The supercritical water and the raw slurry should have a higher mixing ratio of the supercritical water, that is, more preheated supercritical water than the raw slurry. For example, in order to exceed the supercritical condition of water, the mixing ratio of supercritical water: raw material slurry needs to be about 4: 1 or more. Therefore, the density | concentration of the raw material in the fluid after mixing will become low. On the other hand, the slurry supplied to the
さらには、図2に示す例では、ヒータ7を用いて水を加熱するようにしたが、本発明はこれに限定されず、水を室温のまま、つまり室温水として反応管3に供給するようにしてもよい。原料スラリーを高温とし、かつ、混合させる水の割合を少なくすることができるため、反応管3に供給する水を室温水としても反応管3の内部を亜臨界または超臨界状態にすることができる。
Furthermore, in the example shown in FIG. 2, the
ついで、本実施の形態1のチタン酸バリウム微粒子の製造方法について説明する。図3は、図2に示したような連続流通式製造装置を用いたチタン酸バリウム製造方法を示す概略工程図である。 Next, a method for producing the barium titanate fine particles of the first embodiment will be described. FIG. 3 is a schematic process diagram showing a barium titanate production method using the continuous flow production apparatus as shown in FIG.
A.原料調製工程
まず、原料調製工程を行う。原料調製工程では、原料を用意し、原料の粉砕と、スラリーの調製と、スラリーの分散との各処理を順次行う。
A. Raw material preparation step First, a raw material preparation step is performed. In the raw material preparation step, the raw material is prepared, and the raw material pulverization, slurry preparation, and slurry dispersion are sequentially performed.
原料の粉砕処理では、スラリーポンプ4から送り出しやすくするため、ボールミル、ビーズミル、遊星粉砕のいずれかによって、原料粒子を数μm程度の大きさに粉砕する。生成物のバラツキを低減するため、さらにサブミクロン程度の大きさに粉砕するのが望ましい。ここで、本実施の形態1では、原料として市販のTiO2粉がサブミクロンになっているから、粉砕処理の必要がない。また、蓚酸バリウムチタニルを原料とした場合は、下記処理で原料粒子を粉砕する。粉砕方法としては、ボールにジルコニア、溶媒にイオン交換水及び極性溶媒であるエタノールを用いた湿式のボールミル方式を用いることができる。粉砕時間は24時間、体積比は原料:ボール:溶媒=1:4:8、ボールミルのポット容積は700mL、ポットに対する内容物体積率は70%以上、粉砕前原料粉サイズは平均で約70μm、粉砕後原料粉サイズは平均で約0.5μmとした。 In the raw material pulverization treatment, the raw material particles are pulverized to a size of about several μm by any of ball mill, bead mill, and planetary pulverization in order to facilitate delivery from the slurry pump 4. In order to reduce the variation of the product, it is desirable to further grind to a size of about submicron. Here, in the first embodiment, since the commercially available TiO 2 powder as a raw material is in the submicron, there is no need for pulverization. When barium titanyl oxalate is used as a raw material, the raw material particles are pulverized by the following treatment. As a pulverization method, a wet ball mill method using zirconia as a ball, ion-exchanged water as a solvent and ethanol as a polar solvent can be used. The grinding time is 24 hours, the volume ratio is raw material: ball: solvent = 1: 4: 8, the pot volume of the ball mill is 700 mL, the content volume ratio to the pot is 70% or more, and the raw material powder size before grinding is about 70 μm on average. The raw material powder size after pulverization was about 0.5 μm on average.
蓚酸バリウムチタニルスラリーの調製処理では、チタン酸バリウムの安定条件としてpH>12のアルカリ雰囲気とすることが必要なため、アルカリ性水溶液(電解質添加、あるいはアルカリ水またはアンモニア水)を添加してpHを調整する。本実施の形態1では、NaOHを添加する。NaOHの具体的な添加量は、原料に含まれるCO2の量に依存されるが、目安として、NaOH:CO2の比が2:1より大きくなるように設定される。BaCO3の形成を防止するためである。なお、TiO2とBa(OH)2を原料とする場合、アルカリ剤を入れないか、NaOHやTMAHなどのpH調整剤を添加しても良い。
The preparation of barium titanyl oxalate slurry requires an alkaline atmosphere with a pH> 12 as a stable condition for barium titanate, so the pH is adjusted by adding an alkaline aqueous solution (electrolyte added, or alkaline water or ammonia water) To do. In
スラリーの分散処理では、反応前に超音波により5分〜10分程度分散させる。そして、反応処理に際して、スラリー攪拌機1で攪拌しながらスラリーポンプ4側に送る。また、反応加速剤混合する前に、原料スラリー側の溶媒、例えばエタノールの臨界条件以上にして、低い表面張力を持つ超臨界エタノールの超臨界状態を実現する。反応前の原料粉を良い分散状態を保つ。
In the dispersion treatment of the slurry, it is dispersed for about 5 to 10 minutes by ultrasonic waves before the reaction. In the reaction process, the slurry is stirred by the
B.反応環境生成工程
反応環境生成工程は、亜臨界混合溶媒または超臨界混合溶媒状態の反応環境を生成する工程であり、混合溶媒臨界条件の調整、加熱と加圧と混合との各処理を行う。
B. Reaction environment generation step The reaction environment generation step is a step of generating a reaction environment in a subcritical mixed solvent or supercritical mixed solvent state, and performs adjustment of mixed solvent critical conditions, and heating, pressurization, and mixing.
混合溶媒臨界条件の調整処理としては、水と溶媒(エタノール)との比率を調整する。ここでは、重量%で、水の量を約5wt%〜95wt%とする。これにより、混合溶媒の臨界温度は、260℃〜370℃、臨界圧力は、8MPa〜22MPaの間で調整される。 As the adjustment process of the mixed solvent critical condition, the ratio of water and the solvent (ethanol) is adjusted. Here, the amount of water is about 5 wt% to 95 wt% by weight%. Thereby, the critical temperature of the mixed solvent is adjusted between 260 ° C. and 370 ° C., and the critical pressure is adjusted between 8 MPa and 22 MPa.
加熱処理では、スラリーをヒータ13により加熱し、高温スラリーの状態とする。また、純水をヒータ7により加熱して高温水の状態にする。また、高温水と有機溶媒(エタノールなど)を含むスラリーが混合される反応管3をヒータ12により、調整された混合溶媒の臨界温度以上に保持する。
In the heat treatment, the slurry is heated by the
加圧処理では、スラリー攪拌機1から、供給される原料、有機溶媒(エタノールなど)を含むスラリーをスラリーポンプ4により、前記有機溶媒の臨界圧力以上に加圧し、さらに、上述したようにヒータ13で加熱することで、原料スラリーを高温高圧スラリーとして反応管3側に供給させる。また、純水も、送液ポンプ8により加圧し、ヒータ7により加熱することで、純水を高温高圧水として反応管3側に供給させる。なお、純水は、加熱せず、室温高圧水としてもよい。
In the pressurizing process, the slurry containing the raw material to be supplied and the organic solvent (ethanol or the like) is pressurized from the
混合処理では、高温高圧水と高温高圧スラリーとを混合、または室温高圧水と高温高圧スラリーを混合させて反応管3に供給させる。混合状態において、反応管3内の反応環境は、混合溶媒の臨界条件に近い条件とし、臨界温度及び臨界圧力を超える超臨界状態とすることが望ましい。
In the mixing process, high-temperature high-pressure water and high-temperature high-pressure slurry are mixed, or room temperature high-pressure water and high-temperature high-pressure slurry are mixed and supplied to the
特に、正方晶のチタン酸バリウムに合成できる最低温度は215℃より大きく、最低圧力は5MPaよりも大きい。このため、正方性を向上させるには、反応管3内における反応環境としては、混合溶媒の臨界条件より高い温度及び圧力であることが望ましい。
In particular, the minimum temperature that can be synthesized into tetragonal barium titanate is greater than 215 ° C., and the minimum pressure is greater than 5 MPa. For this reason, in order to improve the squareness, it is desirable that the reaction environment in the
C.粉体生成工程
粉体生成工程は、超臨界混合溶媒状態(または、亜臨界混合溶媒状態)の反応環境として生成された反応管3中に、シュウ酸バリウムチタニルを含むスラリーを所定時間滞在させることでチタン酸バリウム微粒子を生成する工程であり、分解又は溶解工程と結晶化工程とが連続して行われる。
C. Powder production process In the powder production process, a slurry containing barium titanyl oxalate is allowed to stay in a
C−1.分解又は溶解工程
分解又は溶解工程では、反応管3中の超臨界混合溶媒状態(または、亜臨界混合溶媒状態)の反応環境に反応物(金属の酸化物、水酸化物又は複合金属錯体など)を含むスラリーを供給することにより、反応物成分は超臨界加溶媒分解により分解又は溶解される。より詳細には、例えば、TiO2+Ba(OH)2を原料としたら、Ba+2、TiO2水和物、Ti(OH)4水和物、Ti(OH)3 +1、Ti(OH)5 −1などのイオンとして溶解される。また、蓚酸塩を例としたら、分子と亜臨界混合溶媒または超臨界混合溶媒との激しい衝突による分解力によって、複雑な分子構造が完全に破壊される。例えば、酸化チタンは、Ti(OH)4(aq)又はTi(OH)3 +1やTi(OH)5 −1などのイオンになり、シュウ酸塩の有機成分はCO、CO2、H2Oのような簡単な分子レベルまで完全に分解される。そして、分解されたTi、Baなどの成分は、亜臨界混合溶媒または超臨界混合溶媒に溶解する。この結果、分解された無機成分は高い飽和度(過飽和度)を達成する。すなわち、粉末のTiO2、Ba(OH)2、シュウ酸バリウムチタニルを原料として用いているので、亜臨界混合溶媒または超臨界混合溶媒に分解したときには、局部により高い過飽和度を簡単に実現できるものであり、生成されるチタン酸バリウム微粒子のナノ化に好適となる。この分解又は溶解工程の所要時間は、温度、圧力、反応物の種類によって異なる。
C-1. Decomposition or dissolution process In the decomposition or dissolution process, reactants (metal oxides, hydroxides, complex metal complexes, etc.) in the reaction environment of the supercritical mixed solvent state (or subcritical mixed solvent state) in the
C−2.結晶化工程
結晶化工程では、シュウ酸バリウムチタニルが分解された後、反応管3中において亜臨界混合溶媒または超臨界混合溶媒状態の反応環境を反応場としてさらに所定の反応時間滞在させて、分解されたBaやTiを含むイオンを合成する超臨界混合溶媒の合成処理により、チタン酸バリウムの核を形成し結晶化することで、結晶性の高いnmオーダの粒径のチタン酸バリウムを生成する。
C-2. Crystallization Step In the crystallization step, after barium titanyl oxalate is decomposed, the reaction environment in the subcritical mixed solvent or supercritical mixed solvent state is allowed to stay in the
この際、反応場を構成する反応管3内に滞在する時間(反応時間)を調整制御する。結晶化工程の処理においては、上述したような亜臨界混合溶媒または超臨界混合溶媒状態となる温度と圧力の条件を同時に満たす条件下で、最低、数秒以上滞在することが必要である。そして、より高い結晶性を得るためには、亜臨界混合溶媒または超臨界混合溶媒状態下で数秒以上滞在させて安定して結晶化させることが望ましい。反応管長さの制限を受けないように(つまり、長さが長くなりすぎないようにし)、また、所望サイズの粒径以上に成長しないようにするため、反応時間を数十秒以内とすることが望ましい。これにより、50nm〜150nm程度の最適サイズで結晶性の高いチタン酸バリウムが生成される。チタン酸バリウムに関しては、50nm〜150nm程度が、最高比誘電率を持つ最適サイズとされており、このようなサイズより小さ過ぎても大き過ぎてもチタン酸バリウム粉の比誘電率は下がる傾向にあることが知られている。
At this time, the time for staying in the
ここで、チタン酸バリウムの結晶性と粒径を制御するために滞在させる反応時間は、反応管3の管径や長さの調整、或いはポンプ4、8やバルブ2、6調整による流速の調整、さらには、反応を停止させる急激な冷却タイミングの調整により制御される。
Here, the reaction time for staying in order to control the crystallinity and particle size of barium titanate is adjusted by adjusting the tube diameter and length of the
チタン酸バリウム(BaTiO3)粒子成長の停止は、冷却槽9を用いた急激な冷却により行われる。冷却速度は、例えば、約30℃/秒以上の急激なものであり、室温まで冷却させる。さらに、超臨界混合溶媒の中にある有機溶媒の優れた分散特性によって、生成されたチタン酸バリウム粒子を素早く超臨界混合溶媒に流して拡散し、チタン酸バリウム粒子を分散させる。このように、生成直後の粒子同士の接触を低減することで、粒子凝集を抑制することができる。なお、結晶化工程後の粒子凝集防止を重視する場合は、混合溶媒の有機溶媒の比率が高くなるように混合比を調整すればよい。 The stop of barium titanate (BaTiO 3 ) particle growth is performed by rapid cooling using the cooling bath 9. The cooling rate is, for example, a rapid rate of about 30 ° C./second or more, and is cooled to room temperature. Furthermore, due to the excellent dispersion characteristics of the organic solvent in the supercritical mixed solvent, the generated barium titanate particles are quickly flowed into the supercritical mixed solvent and diffused to disperse the barium titanate particles. Thus, particle aggregation can be suppressed by reducing contact between particles immediately after generation. When importance is attached to prevention of particle aggregation after the crystallization step, the mixing ratio may be adjusted so that the ratio of the organic solvent to the mixed solvent is increased.
D.回収工程
回収工程では、バルブ10により大気圧まで減圧し、気体を放出させることで、気液分離を行い、スラリーを回収タンク11に回収する。回収されたスラリーにつき、添加物Naなどを除去するために、イオン交換水で洗浄する。また、チタン酸バリウム粉と液体とを最低数千rpm以上の高速回転による遠心分離によって分離する。さらに、pH調整は、中性になるまで繰り返し行い、その後、乾燥機によって約100℃で乾燥することで、最終的にチタン酸バリウム微粒子が得られる。
D. Recovery Step In the recovery step, the pressure is reduced to atmospheric pressure by the
なお、本実施の形態では、混合溶媒を構成するエタノールを、イオン交換水とともにスラリーに混入させるようにしたが、これに限らず、例えば、高温水の供給経路中でエタノールを水と混合させるようにしてもよい。いずれの場合であっても、水とエタノールとの混合比率が分かる状態であればよい。なお、参考文献1によると、約350℃以下であれば、エタノール自身は超臨界水によって分解されない。また、実際の実験で、400℃〜500℃の温度でもエタノールの加水分解速度が遅いので、本発明の混合溶媒を生成できた。
In the present embodiment, the ethanol constituting the mixed solvent is mixed into the slurry together with the ion-exchanged water. However, the present invention is not limited to this. For example, ethanol is mixed with water in the high-temperature water supply path. It may be. In any case, it is sufficient that the mixing ratio of water and ethanol is known. According to
また、本実施の形態では、反応管(反応領域)3でスラリーと混合させる液体は、粉体の合成を加速させる水を少なくとも含む反応加速剤であればよく、上述したようにエタノール(有機溶媒)との混合溶媒としても、反応とは関係のない他の溶媒との混合溶液としてもよい。なお、スラリーと反応加速剤とが混合される反応管3内では、亜臨界または超臨界状態となる必要はある。また、スラリーは、水を含んでいなければ液体を含有している状態でもよい。本実施形態では、原料スラリーには、原料スラリーに含まれる結晶水やアルコールに含まれる水をより少ない状態とすることが望ましいが、Ba(OH)2・2H2O、Ba(OH)2・8H2Oのような結晶水のある反応物、市販されている約99%以上のアルコールも用いることができる。
In the present embodiment, the liquid mixed with the slurry in the reaction tube (reaction region) 3 may be a reaction accelerator containing at least water for accelerating the synthesis of the powder. As described above, ethanol (organic solvent) Or a mixed solution with another solvent not related to the reaction. In the
このように、水を含まないスラリーを攪拌するスラリー攪拌機1からバルブ2、スラリーポンプ4、ヒータ13を介して、供給されるスラリーを高温高圧スラリーとして反応場を構成する反応管3に供給する。このようにスラリーを高温にして反応場に供給することで、混合させる水でスラリーを加熱しなくとも亜臨界または超臨界状態とすることができる。これにより、溶媒の比率または原料の濃度が高い条件、つまり、スラリーと混合させる水の割合を少ない条件で粉体の合成を実施することが可能となる。また、基本的に、水によりスラリーを加熱する必要がなくなるため、水を高温にする必要がなくなる。また、大量の高温水によりスラリーを加熱し亜臨界または超臨界状態にする必要がなくなる。これにより、反応管に供給する水の温度を低くすることが可能となり、水を供給する配管が高温に加熱され、腐食等が発生することを抑制することができる。
In this way, the supplied slurry is supplied as a high-temperature and high-pressure slurry to the
また、スラリーは、加熱され亜臨界または超臨界状態となっても、水を含まない状態では反応速度(原材料が分解され、粒子が生成される速度)が遅いため、反応(原料分解又は粒子の生成)は進まない。これにより、先に加熱しても基本的に粉体の合成は進まず、反応管3で、水と混合され、かつ、亜臨界または超臨界状態となったときに合成され、粉体が生成される。
In addition, even if the slurry is heated to a subcritical or supercritical state, the reaction rate (the rate at which the raw material is decomposed and the particles are generated) is slow in the state that does not contain water. Generation) does not proceed. As a result, the powder synthesis does not proceed basically even if heated first, and is mixed with water in the
(実施の形態2)
本実施の形態2は、実施の形態1の製造方法により製造された粉体であるチタン酸バリウム微粒子を用いて製造した電子材料を構成要素として含む電子部品を製造する電子部品の製造方法への適用例を示す。本実施の形態2では、電子部品として積層セラミックコンデンサの例を示す。
(Embodiment 2)
The second embodiment is an electronic component manufacturing method for manufacturing an electronic component that includes an electronic material manufactured using barium titanate fine particles, which is a powder manufactured by the manufacturing method of the first embodiment, as a constituent element. An application example is shown. In the second embodiment, an example of a multilayer ceramic capacitor is shown as an electronic component.
図4は、積層セラミックコンデンサ30の構成例を示す断面図である。この積層セラミックコンデンサ30は、誘電体層31と内部電極層32とが交互に積層された構成のコンデンサ素子本体40を有する。コンデンサ素子本体40の両端部には、コンデンサ素子本体40の内部で交互に配置された内部電極層32とそれぞれ導通する一対の外部電極33が形成されている。
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of the multilayer
内部電極層32は、各端面がコンデンサ素子本体40の対向する2端部の表面に交互に露出するように積層されている。この内部電極層32に含有される導電材は特に限定されず、貴金属や卑金属(例えば、NiやNi合金)を用いることができる。また、一対の外部電極33は、交互に配置された内部電極層32の露出端面に接続されて、コンデンサ回路を構成している。この外部電極33に含有される導電材は特に限定されないが、安価なNi、Cuやこれらの合金を用いることができる。
The internal electrode layers 32 are laminated so that each end face is alternately exposed on the surface of the two opposite ends of the
誘電体層31は、実施の形態1の製造方法により製造されたチタン酸バリウム微粒子を原料とする誘電体材料の薄膜層である。
The
このような構成からなる積層セラミックコンデンサ30は、ペーストを用いた通常の印刷法やシート法によりグリーンチップを作製し、これを焼成した後、外部電極33を印刷または転写して焼成することにより製造される。
The multilayer
印刷法を用いる場合、誘電体層用ペースト及び内部電極層用ペーストを、PET等の基板上に印刷、積層し、所定形状に切断した後、基板から剥離してグリーンチップとする。また、シート法を用いる場合、誘電体層用ペーストを用いてグリーンシートを形成し、この上に内部電極層用ペーストを印刷した後、これらを積層してグリーンチップとする。また、焼成前には、グリーンチップに脱バインダ処理を施す。 When the printing method is used, the dielectric layer paste and the internal electrode layer paste are printed and laminated on a substrate such as PET, cut into a predetermined shape, and then peeled from the substrate to obtain a green chip. When the sheet method is used, a dielectric layer paste is used to form a green sheet, the internal electrode layer paste is printed thereon, and these are stacked to form a green chip. Further, before firing, the green chip is subjected to binder removal processing.
グリーンチップ焼成時の雰囲気は、内部電極層用ペースト中の導電材の種類に応じて適宜決定すればよいが、導電材としてNiやNi合金等の卑金属を用いている場合には、還元焼成雰囲気が好ましい。また、焼成時の保持温度は、好ましくは1000℃〜1400℃である。 The atmosphere at the time of firing the green chip may be appropriately determined according to the type of the conductive material in the internal electrode layer paste, but when a base metal such as Ni or Ni alloy is used as the conductive material, a reducing firing atmosphere Is preferred. The holding temperature during firing is preferably 1000 ° C to 1400 ° C.
上記のようにして得られたコンデンサ素子本体40に、端面研磨を施し、外部電極用ペーストを塗布して焼成し、外部電極33を形成する。そして、必要に応じて、外部電極33の表面にめっき等による被覆層を形成する。
The
チタン酸バリウム微粒子を原料とする誘電体材料の薄膜層を誘電体層31として含み、このようにして製造された積層セラミックコンデンサ30は、半田付け等によりプリント基板などに実装され、各種電子機器等に使用される。
A multilayer
なお、本実施の形態2では、実施の形態1の製造方法により製造されたチタン酸バリウム微粒子を誘電材料として用いるコンデンサなる電子部品の製造方法への適用例として説明したが、これに限らず、チタン酸バリウム微粒子を圧電材料、半導体などの電子材料として用いる電子部品、例えばPTC素子等についても同様に適用可能である。 Although the second embodiment has been described as an application example to a method of manufacturing an electronic component that is a capacitor using the barium titanate fine particles manufactured by the manufacturing method of the first embodiment as a dielectric material, the present invention is not limited thereto. The present invention can be similarly applied to an electronic component that uses barium titanate fine particles as an electronic material such as a piezoelectric material or a semiconductor, such as a PTC element.
また、製造装置は、原材料を反応させ粒子を合成する領域、つまり、原材料と接触する面に金メッキを施すことが好ましい。例えば、連続流通式製造装置の場合は、少なくとも反応管に金メッキを施すことが好ましい。このように、粒子、原材料の流路に金メッキを施すことで、粒子に混入する不純物を低減することができる。また、原材料や粒子が通過する領域、配管等にも金メッキを施すことがさらに好ましい。なお、原材料を反応させ粒子を合成する領域、さらには、原材料や粒子が通過する領域に施す処理は、金メッキに限定されず、反応性をより低減することができればよく、原材料と接触する面を白金や金で構成するようにしてもよい。また、本実施形態のようにチタン酸バリウムを合成する場合は、原材料と接触する面をチタンで構成するようにしてもよい。原材料と接触する面を、チタン酸バリウムと同一元素となるチタンで構成することで、生成される粒子に不純物が混入することを防止することができる。 Moreover, it is preferable that the manufacturing apparatus performs gold plating on a region where raw materials are reacted to synthesize particles, that is, a surface in contact with the raw materials. For example, in the case of a continuous flow manufacturing apparatus, it is preferable to perform gold plating at least on the reaction tube. As described above, by applying gold plating to the flow path of the particles and raw materials, impurities mixed in the particles can be reduced. Further, it is more preferable to apply gold plating to a region through which raw materials and particles pass, piping, and the like. Note that the treatment performed on the region where the raw materials are reacted to synthesize the particles, and further on the region where the raw materials and the particles pass, is not limited to gold plating, as long as the reactivity can be further reduced. You may make it comprise with platinum and gold | metal | money. Moreover, when synthesizing barium titanate as in the present embodiment, the surface in contact with the raw material may be made of titanium. By forming the surface in contact with the raw material with titanium which is the same element as barium titanate, impurities can be prevented from being mixed into the generated particles.
なお、上記実施形態では、チタン酸バリウムを合成して生成する場合として説明したが、本発明の方法は、チタン酸バリウム以外にも、さまざまな金属酸化物ナノ粒子の合成方法、例えば、フェライト、圧電材料、リチウム二次電池の正極材、蛍光体等の合成方法として用いることができる。 In addition, in the said embodiment, although demonstrated as a case where it produces | generates by synthesizing | combining barium titanate, the method of this invention is the synthesis | combining method of various metal oxide nanoparticles other than barium titanate, for example, ferrite, It can be used as a synthesis method of a piezoelectric material, a positive electrode material of a lithium secondary battery, a phosphor, and the like.
また、従来の超臨界水熱合成法を用いることで、誘電体、フェライト、リチウム二次電池の正極材、蛍光体などの微粒子の合成ができる。これら、各種微粒子を合成する場合も、同様に本発明の方法を適用することで、以上のよりよい特性のナノ粒子を作ることができる。例えば、誘電体ナノ粒子の合成例として、BaTiO3以外に、SrTiO3、(Ba、Sr)TiO3、(Ba、Ca)TiO3、(Ca0.25Cu0.75)TiO3が挙げられる。リチウム二次電池の正極材としてLiCoO2やLiFePO4の合成、フェライトナノ粒子の合成としてBaO・6F2O3などの合成にも用いることができる。 Further, by using a conventional supercritical hydrothermal synthesis method, fine particles such as a dielectric, ferrite, a positive electrode material of a lithium secondary battery, and a phosphor can be synthesized. In the case of synthesizing these various fine particles, by applying the method of the present invention in the same manner, nanoparticles having the above-mentioned better characteristics can be produced. For example, examples of the synthesis of dielectric nanoparticles include SrTiO 3 , (Ba, Sr) TiO 3 , (Ba, Ca) TiO 3 , (Ca 0.25 Cu 0.75 ) TiO 3 in addition to BaTiO 3. . It can also be used for synthesis of LiCoO 2 or LiFePO 4 as a positive electrode material of a lithium secondary battery, and synthesis of BaO · 6F 2 O 3 or the like as a synthesis of ferrite nanoparticles.
(測定例1)
測定例1として、図2に示すような連続流通式製造装置を用いて、室温のスラリーと高温高圧水の混合実験を行った。例えば、20MPa・480℃の高温高圧水とエタノールの混合液(エタノール約80%)を20cc/minの流量で、調整された室温の原料スラリー(シュウ酸バリウムチタニル、NaOH、エタノール)4cc/minと混合した。反応管3に導入した混合流体の温度は約280℃になった。このように、室温のスラリーを用い、20MPa〜35MPaの広い圧力で、混合後のエタノール比率を約4mol%〜74mol%にする場合に、混合後の温度を250〜300℃にさせるためには、室温スラリー:高温水溶液の混合比を約1:5〜8とする必要があった。
(Measurement Example 1)
As a measurement example 1, using a continuous flow manufacturing apparatus as shown in FIG. For example, a mixed liquid of 20 MPa / 480 ° C. high-temperature high-pressure water and ethanol (ethanol about 80%) at a flow rate of 20 cc / min and adjusted raw material slurry (barium titanyl oxalate, NaOH, ethanol) 4 cc / min Mixed. The temperature of the mixed fluid introduced into the
(実施例1)
次に、図2に示したような連続流通式製造装置を用い、原料スラリーを加熱した後、水を含む反応加速剤と混合してチタン酸バリウムの合成を行った場合について説明する。なお、配管の直径を1/8インチとした。実施例1では、まず、調整された室温の原料スラリー(メタノール、TiO2とBa(OH)2の仕込み量2g/L)を20MPaまでに増圧し、約400℃まで加熱し、20cc/minの流量で、反応管3側に供給した。また、室温のNaOH(4g/L)水溶液を約4cc/minの流量で反応管3側に流れるスラリーに合流させた。つまり、原料スラリー:水溶液=約5:1の混合条件で混合させた。反応管3に導入した混合流体の混合後の温度は、295℃になった。そして、反応管3の混合流体は、温度と圧力を推算した混合溶媒の臨界条件より高い値になり、反応管3内に超臨界混合溶媒による反応環境を生成した。また、スラリーを含む混合溶媒が反応管3を通過する通過時間は3秒程度とした。そして、反応管3を通過した混合流体(反応管3で生成された生成物)を、冷却槽9によって数秒で室温まで冷却させた。
Example 1
Next, the case where the raw slurry is heated using a continuous flow manufacturing apparatus as shown in FIG. 2 and then mixed with a reaction accelerator containing water to synthesize barium titanate will be described. The diameter of the piping was 1/8 inch. In Example 1, first, the adjusted room temperature raw material slurry (a charge amount of methanol, TiO 2 and Ba (OH) 2 of 2 g / L) was increased to 20 MPa, heated to about 400 ° C., and 20 cc / min. The flow rate was supplied to the
スラリーと水の混合比は約5:1にしたので、測定例1の場合より約10倍以上高い混合比(スラリーと水の割合)の条件下でチタン酸バリウムの合成することができた。これにより、高い混合比でも、同じ高い結晶性と数十ナノの平均サイズを持ちチタン酸バリウムを合成することができ、量産性を高くでき、反応管に供給する水に対する原料の量の割合を、約1桁向上することが可能となることがわかる。 Since the mixing ratio of the slurry and water was about 5: 1, it was possible to synthesize barium titanate under conditions of a mixing ratio (ratio of slurry and water) that was about 10 times higher than that in Measurement Example 1. This makes it possible to synthesize barium titanate with the same high crystallinity and an average size of several tens of nanometers even at a high mixing ratio. It can be seen that it can be improved by about one digit.
(実施例2)
さらに他の例として、実施例1と同様、図2に示したような連続流通式製造装置を用いて、スラリー:高温水の混合比を6:1とした測定も行った。具体的には、調整された原料スラリー(シュウ酸バリウムチタニル仕込み量2g/L、NaOH添加量1.5g/L、メタノール)を315℃に加熱し、18cc/minの流量で室温の水と6:1の比率で混合し、反応管3に導入した。そして、温度と圧力を、推算した混合溶媒の臨界条件より高い275℃、15MPaとして、反応管3内に超臨界混合溶媒による反応環境を生成した。また、スラリーを含む混合溶媒が反応管3を通過する通過時間は、3秒程度とした。そして、冷却槽9によって生成物を数秒で室温まで冷却した。
(Example 2)
As another example, as in Example 1, the continuous flow production apparatus as shown in FIG. 2 was used to measure the slurry: high temperature water mixing ratio at 6: 1. Specifically, the prepared raw material slurry (barium titanyl oxalate charge amount 2 g / L, NaOH addition amount 1.5 g / L, methanol) was heated to 315 ° C., and water and 6 at room temperature at a flow rate of 18 cc / min. The mixture was mixed at a ratio of 1 and introduced into the
以上の条件で生成した結果、粒子の平均サイズd50は約30nm、FWHM(111)は0.35、比表面積SSAが42.4m2/gであった。このように、合成された粒子は、混合比を6:1とした場合も好適に粒子を合成して生成することができた。これにより、高い混合比でも、同じ高い結晶性と数十ナノの平均サイズを持ちチタン酸バリウムを合成することができ、量産性を高くでき、反応管に供給する水に対する原料の量の割合を、約1桁向上することが可能となることがわかる。 As a result of the generation under the above conditions, the average particle size d50 was about 30 nm, FWHM (111) was 0.35, and the specific surface area SSA was 42.4 m 2 / g. Thus, the synthesized particles were able to be produced by suitably synthesizing the particles even when the mixing ratio was 6: 1. This makes it possible to synthesize barium titanate with the same high crystallinity and an average size of several tens of nanometers even at a high mixing ratio, increase mass productivity, and reduce the ratio of the amount of raw material to the water supplied to the reaction tube. It can be seen that it can be improved by about one digit.
以上のように、本発明にかかる粉体の合成方法及び電子部品の製造方法は、金属酸化物の粉体の合成に有用であり、特に、チタン酸バリウムの粉体の合成に適している。 As described above, the method for synthesizing powders and the method for producing electronic components according to the present invention are useful for synthesizing metal oxide powders, and are particularly suitable for synthesizing barium titanate powders.
1 スラリー攪拌機
2、10 バルブ
3 反応管
4 スラリーポンプ
5 タンク
6 バルブ
7、12、13 ヒータ
8 送液ポンプ
9 冷却槽
11 回収タンク
30 積層セラミックコンデンサ
31 誘電体層
32 内部電極層
33 外部電極
40 コンデンサ素子本体
DESCRIPTION OF
Claims (6)
加圧及び加熱した原料スラリーと、水を含む反応加速剤を別々に反応経路に供給し、かつ、前記反応経路に加圧により亜臨界または超臨界状態の反応環境を生成する第2の工程と、
生成された亜臨界または超臨界状態の前記反応環境を反応場として前記原料スラリーを該反応場に所定時間滞在させて粉体微粒子を生成する第3の工程と、
生成した粉体微粒子を冷却し、前記粉体微粒子の成長を止める第4の工程と、を有することを特徴とする粉体の合成方法。 A first step of pressurizing and heating a raw material and a raw material slurry mixed with a solvent that becomes a supercritical state at a lower pressure and lower temperature than in the case of water alone;
A second step of separately supplying a pressurized and heated raw material slurry and a reaction accelerator containing water to the reaction path, and generating a subcritical or supercritical reaction environment by pressurizing the reaction path; ,
A third step of generating fine powder particles by allowing the raw slurry to stay in the reaction field for a predetermined time using the generated reaction environment in the subcritical or supercritical state as a reaction field;
And a fourth step of cooling the generated fine powder particles and stopping the growth of the fine powder particles.
前記第2の工程は、加熱された前記反応加速剤を前記反応経路に供給することを特徴とする請求項1または2に記載の粉体の合成方法。 And further, heating the reaction accelerator.
The method for synthesizing a powder according to claim 1 or 2, wherein the second step supplies the heated reaction accelerator to the reaction path.
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