KR0137492B1 - 수열법에 의한 티탄산납 미립자의 합성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수열합성법에 의해 제조되는 티탄산납(PbTiO₃)미립자의 수열합성에 관한 것으로서 보다 상세하게는 산화납(PbO)과 산화티탄(TiO₂)의 분말을 1 : 1 의 몰비로 혼합한 혼합물을 출발원료로 하여 수열법에 의해 티탄산납(PbTiO₃) 미립자를 합성하므로써 제조공정의 간단함과 보다 저렴한 가격으로 공급할 수 있도록한 것이다.

Description

수열법에 의한 티탄산납 미립자의 합성방법

제 1 도는 본 발명의 실시예 1에 따라 합성된 티탄산납 미립자의 X선 회절 분석 결과를 나타내는 그래프.

제 2 도는 본 발명의 실시예 1에 따라 합성된 티탄산납 미립자의 주사전자현미경 사진 (배율 : X 20,000).

제 3 도는 본 발명의 실시예 1에 따라 합성된 티탄산납 미립자의 열분석 결과를 나타내는 그래프.

제 4 도는 본 발명의 실시예 2에 따라 합성된 티탄산납 미립자의 주사전자현미경 사진(배율 : X 20,000).

제 5 도는 본 발명의 실시예 3에 따라 합성된 티탄산납 미립자의 주사전자현미경 사진 (배율 : X 10,000).

제 6 도는 본 발명의 비교예 4에 따라 합성된 티탄산납 미립자의 X선 회절 분석결과를 나타내는 그래프이다.

본 발명은 수열법에 의한 티탄산납(PbTiO₃) 미립자의 합성방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 산화납(PbO)분말과 산화티탄(TiO₂) 분말을 각각 1 : 1 의 몰비로 혼합한 분말을 출발원료로 하여 수열법에 의해 PbTiO₃미립자를 합성함으로써 제조공정의 간단함과 보다 저렴한 가격으로 공급할 수 있도록 한 결정성(結晶性)의 PbTiO₃미립자의 합성방법에 관한 것이다.

일반적으로 티탄산납(PbTiO₃)은 압전세라믹스의 원료로 압전착화소자, 각종 필타, 초음파소자에 이용되고 있다.

종래의 티탄산납의 합성법으로는 PbTiO(C₂O₄)₂· 4H₂O, TiO₂, MnO₂, La₂0₃등을 폴리에틸렌 용기중에서 지르코니아 볼밀(ball mill)을 이용하여 에탄올로 분산시킨 후 800℃에서 3시간 소성한 다음 다시 48시간 동안 습식 볼밀로 혼합하고 건조, 분쇄하여 제조하는 고상합성법(일본 세라믹스협회학술논문지, 98 [8], 864-69(1990)), 및 Pb(C₂H₃O₂)₂·3H₂O 와 Ti(OC₃H₇)₄를 출발원료로 하여 실온에서 3∼4주 건조시킨 후 600℃에서 열처리하는 졸겔법(J.of materials Science, 20 (1985) 4479-4483)이 있고, 또한 Pb(NO₃)₂와 TiCl₄를 출발원료로 하여 암모니아수(NH₄OH)로 중화반응시켜 얻은 침전물을 수세, 여과하여 건조시킨 후 이를 900℃에서 소성하여 합성하는 공침법(Ceramic Bulletin, Vol. 66, No.4. 1987)이 있다. 여기서 공침법의 경우 1000℃ 부근의 소성과정을 필요로 하므로 결국 고상합성법과 동일한 결과가 얻어진다.

상기와 같은 종래의 방법은 고온에서의 열처리를 필요로 하므로 합성된 티탄산납(PbTiO₃)미립자는 구형의 형상을 가지며 응집물로서 얻어지는 것이 일반적이다. 이러한 이유에서 분쇄 공정이 필요하게 돼는데, 이 분쇄공정에서 불순물이 혼입되는 문제점이 있다. 또한 반응용기 내에서 아세트산납(Pb(CH₃COO)₂)또는 질산납(Pb(NO₃)₂)으로부터 Pb⁺²을 얻고, 티타늄 이소프로폭사이드(Ti(OC₃H₇)₄)또는 티타늄 테트라클로라이드(TiCl₄)로 부터 Ti⁺⁴를 얻어서 티탄산납 화합물을 제조하는 수열침전법이 있지만, 이 방법은 출발물질이 매우 고가이므로 그 제조방법이 널리 사용되고 있지 못하는 문제점이 있다.

본 발명자들은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 예의 검토한 결과, 산화납(PbO)과 산화티탄(TiO₂)분말을 혼합한 혼합물을 300℃ 이하에서 수열법에 의해 결정성의 티탄산납(PbTiO₃)미립자를 합성함으로써 압전 특성을 높이고, 보다 경제적으로 합성할 수 있는 방법을 발견하여 본 발명을 완성하였다.

즉, 본 발명은 산화납(PbO)과 산화티탄(TiO₂)분말을 혼합한 혼합물을 출발물질로 하고 이 혼합물을 수산화칼륨(KOH)용액 또는 수산화나트륨(NaOH)용액과 함께 밀폐용기 안에 충전시킨 후 150 ~ 300℃ 에서 5 ∼ 50시간 동안 수열반응시켜 합성함을 특징으로 한다.

이하 본 발명을 상세하게 설명한다.

일반적으로 수열반응이라 함은 밀폐용기 중에 수용액의 존재하에서 100℃ 이상의 고온, 고압하에서 일어나는 반응을 말하며, 이 수열반응을 이용하는 방법을 수열법이라 한다. 이 수열법은 특정의 수열조건하에서 용해-석출과정에 의해 새로운 화합물을 합성할 수 있다.

본 발명에 따른 티탄산납(PbTiO₃)미립자는 상기와 같은 수열법에 의해 제조된 것으로서, 산화납(PbO)과 산화티탄(TiO₂)분말을 1:1의 몰비로 혼합한 혼합물을 수열용매와 함께 밀폐용기 중에 충전시킨 후 150∼300℃에서 5∼50시간 동안 각각 수열반응시켜 결정성의 티탄산납(PbTiO₃)미립자를 얻는다. 여기서 수열용매의 양은 부피비로 출발원료 혼합물의 1∼5배가 바람직하다.

상기 반응온도가 150℃미만에서는 산화납(PbO)의 용해가 매우 느려 반응시간 이후에 산화납(PbO)의 석출이 그대로 일어나 PbTiO₃미립자를 거의 얻을 수가 없으며, 300℃를 초과하면 고온·고압에 의한 반응용기의 폭발 위험성으로 인하여 특수 재질이 요구되므로 바람직하지 못하다. 또한 수열합성법의 원리는 용매에 의한 용질의 용해-석출과정이므로 상기 반응시간 이하에서는 용질의 충분한 용해가 일어나지 않아 합성분말을 얻기가 곤란하다.

일반적으로 수열용매로서의 조건은 분해가 일어나지 않고, 용해도가 커야 하는데, 본 발명에 따른 수열용매는 수산화나트륨(NaOH)용액 또는 수산화칼륨(KOH)용액이 바람직하다.

이하 실시예에 의거 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

[실시예 1]

산화납(PbO) 11. 16g과 산화티탄(TiO₂)3.99g을 충분히 혼합한 다음 8몰의 수산화나트륨(NaOH)용액과 함께 밀폐용기 안에 충전시킨 후 250℃에서 20시간 동안 수열합성을 행한 후 수세, 여과하여 100℃에서 건조하여 미립자를 얻었다. 이 미립자의 X선 회절분석 결과를 제 1 도에 나타냈으며, 이로부터 상기 미립자가 완전히 정방정의 페로브스카이트 구조를 갖는 결정성 티탄산납(PbTiO₃)임을 알 수 있었다. 이와 같이 얻은 미립자의 주사전자현미경 사진을 제 2 도에, 열분석 측정결과를 제 3 도에 나타내었다.

[실시예 2]

반응온도를 270℃로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하여 미립자를 얻었다. 얻어진 미립자의 X선 회절분석 결과 실시예 1과 같은 결과를 얻었으며, 얻어진 미립자의 입자 형상은 제 4 도와 같다.

[실시예 3]

수산화나트륨 용액 대신 수산화칼륨 용액을 사용하고, 반응온도를 270℃로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하였으며, 얻어진 미립자의 X 선 회절분석 및 열분석 결과는 실시예 1과 같았으며, 그 미립자의 입자형상은 제 5 도와 같다.

[비교예 1]

수산화나트륨 용액 대신 암모니아수 용액을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하였으며, 얻어진 미립자의 X선 회절분석결과 PbO만이 석출되었음을 알았다(제6도 참조)

Claims (4)

1. 산화납(PbO)과 산화티탄(TiO₂)분말을 혼합한 혼합물을 출발물질로 하여 이를 수산화나트륨(NaOH)용액 또는 수산화칼륨(KOH)용액과 함께 밀폐용기 안에 충전시킨 후 150∼300℃에서 5∼50시간 동안 수열반응시켜 합성함을 특징으로 하는 티탄산납(PbTiO₃)미립자의 합성방법.
2. 제 1항에 있어서, 산화납(PbO)분말과 산화티탄(TiO₂) 분말을 1 : 1의 비율로 혼합함을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1항에 있어서, 수열용매는 3∼10몰에 수산화나트륨 또는 수산화칼륨 용액이고 수열용매의 양은 부피비로 혼합물의 1∼5배임을 특징으로 하는 방법.
4. 산화납과 산화티탄의 혼합물을 수열용매인 수산화나트륨 또는 수산화칼륨 용액과 함께 밀폐용기 중에 충전시킨 후 150∼300℃에서 5∼50시간 동안 수열반응시켜 판상과 침상으로 합성된 티탄산납(PbTiO₃)미립자.