KR100627632B1 - Wet- chemical synthesis of highly dispersible crystalline barium titanate into organic solvents - Google Patents

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석상일
찬 프라마닉 니마이
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Abstract

본 발명은 유기 용매 분산성이 우수한 결정성 바륨티타네이트(BaTiO3) 나노 입자를 제조하는 방법에 관한 것으로서 보다 상세하게는, (a) 티타늄알콕사이드를 용매에 용해한 후 β-디케톤화합물 혹은 유기 카르보닐 산을 적가하여 킬레이트된 티타늄 화합물을 형성하는 단계; (b) 수산화바륨 수용액에 (a) 용액을 천천히 첨가한 후 교반하여 바륨티타네이트를 형성하는 단계; 및 (c) 상기 바륨티타네이트를 분리하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a method for preparing crystalline barium titanate (BaTiO 3 ) nanoparticles having excellent organic solvent dispersibility, and more specifically, (a) after dissolving titanium alkoxide in a solvent, β-diketone compound or organic carbohydrate. Adding carbonyl acid dropwise to form a chelated titanium compound; (b) slowly adding the solution (a) to the aqueous barium hydroxide solution and then stirring to form a barium titanate; And (c) separating the barium titanate; Characterized in that it comprises a.

본 발명에 따른 제조 방법으로 제조된 결정형의 바륨티타네이트는 평균 입경이 100 nm 이하로, 입자의 크기가 작으면서도 균일하고, 유기 용매로의 분산성이 높아 고유전율과 유연성을 필요로 하는 무/유기 하이브리드형 고 유전 나노 복합체 제조에 적합하여 인쇄회로 기판(PCB)용 임베디드 캐패시터(embedded capacitor) 혹은 유기 반도체(OTFT) 등의 게이트 절연체용 막 과 같이 첨단 전자 산업 분야에 그 응용성이 높을 것으로 기대된다.The crystalline barium titanate prepared by the production method according to the present invention has an average particle diameter of 100 nm or less, which has a small particle size and uniformity and high dispersibility in an organic solvent, requiring high dielectric constant and flexibility. It is suitable for the manufacture of organic hybrid type high dielectric nanocomposite, and its application is expected to be applied to the advanced electronic industry such as embedded capacitor for printed circuit board (PCB) or gate insulator film such as organic semiconductor (OTFT). do.

바륨티타네이트, 액상 공정(wet-chemical process), 유기용매 분산성  Barium titanate, wet-chemical process, organic solvent dispersibility

Description

유기용매에 고분산성을 갖는 결정성 바륨티타네이트의 제조 방법{Wet- chemical synthesis of highly dispersible crystalline barium titanate into organic solvents}Method for producing crystalline barium titanate having high dispersibility in organic solvents {Wet- chemical synthesis of highly dispersible crystalline barium titanate into organic solvents}

도 1은 실시예1에서 제조된 바륨티타네이트의 X-선 회절 분석 결과이고,1 is an X-ray diffraction analysis of the barium titanate prepared in Example 1,

도 2는 실시예2에서 제조된 바륨티타네이트의 X-선 회절 분석 결과이고,2 is an X-ray diffraction analysis of the barium titanate prepared in Example 2,

도 3은 실시예3에서 제조된 바륨티타네이트의 X-선 회절 분석 결과이고,3 is an X-ray diffraction analysis of the barium titanate prepared in Example 3,

도 4는 실시예1에서 제조된 바륨티타네이트의 투과전자현미경(TEM)사진이고,4 is a transmission electron microscope (TEM) photograph of the barium titanate prepared in Example 1,

도 5는 실시예1에서 제조된 바륨티타네이트의 주사전자현미경(SEM)사진이며,5 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the barium titanate prepared in Example 1,

도 6은 실시예 1 및 비교예에서 제조된 바륨티타네이트의 분산성 실험 결과를 나타낸 그림이다.6 is a view showing the dispersibility test results of barium titanate prepared in Example 1 and Comparative Examples.

본 발명은 유기 용매에 분산성이 우수한 결정형의 바륨티타네이트(BaTiO3) 나노 입자를 저온의 용액상에서 제조하는 방법에 관한 것으로서 보다 상세하게는 β-디케톤화합물 혹은 유기 카르보닐 산에 의해 킬레이트된 티타늄 알콕사이드와 수산화바륨[Ba(OH)2)] 수용액을 이용하여 저온의 용매속에서 화학적 분해/결합 방법으로 나노 결정형의 바륨티타네이트를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of preparing crystalline barium titanate (BaTiO 3 ) nanoparticles having excellent dispersibility in an organic solvent in a low temperature solution, and more specifically, chelated with β-diketone compound or organic carbonyl acid. The present invention relates to a method for preparing nanocrystalline barium titanate by chemical decomposition / bonding method in a low temperature solvent using titanium alkoxide and barium hydroxide [Ba (OH) 2 )] solution.

바륨티타네이트(BaTiO3)와 같은 페로브스카이트(perovskite)상 혼합산화금속은 강유전성, 압전성, 촉매 및 산소운반자와 같은 화학적, 물리적 물성 측면에서 매우 우수한 특성을 가진다. 이러한 우수한 물성은 주로 결정의 크기, 구조, 모양, 화학양론적 측면, 균질성 및 표면과 계면 특성에 의존한다. 바륨티타네이트는 결정의 특성상 매우 높은 유전상수를 갖고 있기 때문에 캐패시터, 콘덴서 등 각종 전자 부품용 소재로 오래전부터 다량 사용되고 있다. 높은 유전 상수는 상대적으로 간단한 격자 구조의 높은 편극도(Polarizability)에 기인한 것으로서 TiO6-정팔면체 구조와 일치한다. 바륨티타네이트가 높은 편극도를 가지는 것은 작은 Ti(Ⅳ)이온들이 산소의 정팔면체 내에서 상대적으로 넓은 공간을 가지기 때문이다. 구조의 안정성은 큐리(Curie) 온도(130℃)와 매우 밀접한 관련이 있으며 큐리 온도보다 낮은 온도에서 Ti(Ⅳ) 이온은 중심에서 벗어난 위치를 점유한다. 따라서 결정구조의 변화를 가져오며, 5℃ 내지 130℃에서는 입방정(cubic)에서 정방정(Tetragonal)으로 구조가 변하며, -90℃ 내지 5℃에서는 사방정형(orthohombic)의 구조로, -90℃이하에서는 마름모형(rhombohedral) 구조로 변환된다. 따라서 바륨티타네이트의 유전상수 또한 결정 구조의 안정성에 따라 변하게 된다. 입방정과 정방정, 두 상 간의 안 정성은 또한 바륨티타네이트 나노 결정들의 크기에 의존한다(Y. Kobayashi, A. Nishikata, T. Tanase and M. Konno, J. Sol-Gel Sci. Technol., 2004, 29, 49)는 것은 주목할 만하며, 그 임계 크기는 50nm라고 보고되었다(K. Ishikawa, K. Yoshikawa and N. Okada, Phys. Rev., 1998, B 37, 5852 ; S. Schlag and H. -F. Eicke, Solid State Commun., 1994, 91, 883). 바륨티타네이트의 유전상수의 입자 크기에 대한 의존성에 대해서 다른 보고에서도 보고된 바 있다.(G. Arlt, D. Hennings and G. de With, J. Appl. Phys., 1985, 58, 1619 ; P. K. Dutta, R. Asiaie, S. K. Akbar and W. Zhu, Chem. Mater., 1994, 6, 1542 ; P. R. Arya, P. Jha and A. K. Ganguli, J. Mater. Chem., 2003, 13, 415)Perovskite phase mixed oxides such as barium titanate (BaTiO 3 ) have excellent properties in terms of ferroelectricity, piezoelectricity, chemical and physical properties such as catalysts and oxygen carriers. These good properties are mainly dependent on the size, structure, shape, stoichiometry, homogeneity, and surface and interface properties of the crystal. Since barium titanate has a very high dielectric constant due to the nature of crystals, barium titanate has been used for a long time in various materials for electronic components such as capacitors and capacitors. The high dielectric constant is due to the high polarizability of the relatively simple lattice structure, which is consistent with the TiO 6 -octahedral structure. Barium titanate has a high degree of polarization because small Ti (IV) ions have a relatively large space in the octahedron of oxygen. The stability of the structure is very closely related to the Curie temperature (130 ° C), and at temperatures below the Curie temperature, Ti (IV) ions occupy a position off-center. Therefore, the crystal structure is changed, and the structure is changed from cubic to tetragonal at 5 ° C. to 130 ° C., and is orthohombic at -90 ° C. to 5 ° C., below -90 ° C. Is transformed into a rhombohedral structure. Therefore, the dielectric constant of barium titanate also changes depending on the stability of the crystal structure. The stability between the cubic and tetragonal, two phases also depends on the size of the barium titanate nanocrystals (Y. Kobayashi, A. Nishikata, T. Tanase and M. Konno, J. Sol-Gel Sci. Technol ., 2004 , 29 , 49), and the critical size is reported to be 50 nm (K. Ishikawa, K. Yoshikawa and N. Okada, Phys. Rev. , 1998, B 37 , 5852; S. Schlag and H. F. Eicke, Solid State Commun ., 1994, 91 , 883). Dependence of the dielectric constant of barium titanate on particle size has been reported in other reports (G. Arlt, D. Hennings and G. de With, J. Appl. Phys. , 1985, 58 , 1619; PK Dutta, R. Asiaie, SK Akbar and W. Zhu, Chem. Mater. , 1994, 6 , 1542; PR Arya, P. Jha and AK Ganguli, J. Mater. Chem. , 2003, 13 , 415)

근래에 들어 임베디드 캐패시터, 다층 세라믹 캐캐시터(MLCC), 인쇄회로 기판(PCB) 등 전자 공학적으로 응용하기 위한 바륨티타네이트-고분자 나노 복합체 조성물을 제조하는 여러 가지 시도가 있었으며, 바륨티타네이트-고분자의 복합체 제조는 고분자 매질에 의한 공정 용이성과 유연성을 부여해준다 점과 무기 성분에 의한 전기적 물성을 향상시킨다는 점 때문에 주요 관심사가 되고 있다. 그러나 유기 고분자가 상대적으로 열적 안정성이 낮고, 무기 재료는 결정화하는데 높은 열에너지가 필요하기 때문에 바륨티타네이트를 고분자와 함께 제조하는 보고는 매우 적다. 따라서, 바륨티타네이트 나노 입자를 제조한 후 그 조성물의 열분해를 막기 위해 유기 폴리머 매질에 결정형 나노입자를 혼합하여 무/유기 하이브리드 소재를 제조하는 시도가 있었다(H. Hsiang, K. -Y. Lin, F. -S. Yen, C. -Y. Hwang, J. Mater. Sci., 2001, 36, 3809 ; Y. Rao and C. P. Wong, J. Appl. Polym. Sci., 2004, 92, 2228). 그러나, 균일한 동시 침전법, 수열 합성 및 졸-겔법과 같은 전통적인 방법으로 제조된 결정성 바륨티타네이트를 유기 매질에 단순 혼합하는 혼합체는 나노 입자의 응집과 무기 입자의 유기 매질로의 분산성이 나빠지므로, 결국 균일성이 우수한 무/유기 하이브리드형 복합 소재의 제조에 어려움을 가진다.Recently, various attempts have been made to prepare barium titanate-polymer nanocomposite compositions for electronic applications such as embedded capacitors, multilayer ceramic capacitors (MLCC), and printed circuit boards (PCBs). The preparation of the composite has been of major concern because of its ease of process and flexibility by the polymer medium and the improvement of electrical properties by the inorganic components. However, very few reports have been made of barium titanate with polymers because organic polymers have relatively low thermal stability and inorganic materials require high thermal energy to crystallize. Therefore, attempts have been made to produce inorganic / organic hybrid materials by preparing barium titanate nanoparticles and then mixing crystalline nanoparticles with an organic polymer medium to prevent thermal decomposition of the composition (H. Hsiang, K.-Y. Lin). , F.-S. Yen, C.-Y. Hwang, J. Mater. Sci ., 2001, 36 , 3809; Y. Rao and CP Wong, J. Appl. Polym. Sci ., 2004, 92 , 2228) . However, a mixture which simply mixes crystalline barium titanate prepared by conventional methods such as homogeneous co-precipitation, hydrothermal synthesis and sol-gel method with an organic medium has a high degree of dispersibility of agglomeration of nanoparticles and dispersibility of inorganic particles into an organic medium. As it becomes worse, there is a difficulty in producing a hybrid organic / organic hybrid material having excellent uniformity.

현재의 전자 부품의 기술적 요구 및 바륨티타네이트에 근거한 나노 입자에 대한 요구가 증가하고 있음을 고려할 때, 결정 입자의 유기물 매질로의 높은 분산성은 매우 중요하게 고려되어야 한다. 이러한 문제점을 극복하려는 몇 가지 시도가 있었는데, 예를 들어 올레산 또는 아세트산을 이용하여 미리 제조한 나노 입자 표면을 변성시키는 방법이 오래전부터 알려져 있으나, 비표면적이 높은 나노 입자의 응집을 제거하는 어려움 때문에 유기 매질내로의 고농도 분산에 한계를 가진다. 또한, Brieten 등은 Ba-Ti-알콕사이드 전구체를 이용하여 단분산된 바륨티타네이트를 합성하였으나, 제조된 바륨티타네이트는 결정성이 좋지 않아 낮은 유전 특성이 예상된다(S. O'Brien, L. Brus and C. B. Murray, J. Am. Chem. Soc., 2001, 123, 1208).Given the increasing technical demands of electronic components and the demand for nanoparticles based on barium titanate, the high dispersibility of crystal grains into the organic medium must be considered very important. Several attempts have been made to overcome this problem. For example, a method of denaturing the surface of nanoparticles prepared in advance using oleic acid or acetic acid has been known for a long time, but due to the difficulty of removing agglomeration of nanoparticles having a high specific surface area, There is a limit to the high concentration dispersion into the medium. In addition, Brieten et al. Synthesized a monodisperse barium titanate using a Ba-Ti-alkoxide precursor, but the prepared barium titanate has low crystallinity and low dielectric properties are expected (S. O'Brien, L. Brus and CB Murray, J. Am. Chem. Soc ., 2001, 123 , 1208).

본 발명자들은 상기의 문제점을 해결하기 위해 유기물에 친화성이 우수한 유기 기능기가 여전히 결정성 바륨티타네이트 표면에 존재하도록 하는 방법, 즉 바륨티타네이트 제조에 있어서 중요 출발 재료인 티타늄 알콕사이드에 β-디케톤화합물 혹은 유기 카르보닐 산을 적가하여 킬레이트된 티타늄 화합물을 제조하고 여기에 수용액에 용해된 수산화바륨 용액을 적가하여 낮은 온도에서 화학적 분해/합성법을 이용하여 용액 상에서 결정성의 바륨티타네이트 나노 입자를 제조하는데 성공하였 다. 이렇게 제조된 결정성 바륨티타네이트는 비싼 Ba-Ti-알콕사이드 전구체를 사용하지 않고도 Brieten 등에 의해 보고된 바 있는 바륨티타네이트에 비하여 결정성이 매우 우수하며, 바륨티타네이트-폴리머 시스템의 공정에 있어서 본질적인 특성이 될 수 있는 유기 용매로의 분산성이 크게 향상되었다.In order to solve the above problems, the present inventors have proposed a method of allowing organic functional groups having good affinity to organic materials to still exist on the surface of crystalline barium titanate, that is, β-diketone in titanium alkoxide, which is an important starting material for barium titanate production. Chelated titanium compound is prepared by dropwise addition of a compound or organic carbonyl acid, and a barium hydroxide solution dissolved in an aqueous solution is added dropwise to prepare crystalline barium titanate nanoparticles in solution by chemical decomposition / synthesis at low temperature. It was successful. The crystalline barium titanate thus prepared has excellent crystallinity as compared to barium titanate reported by Brieten et al. Without using expensive Ba-Ti-alkoxide precursors, and is essential in the process of barium titanate-polymer systems. Dispersibility in organic solvents, which can be a property, has been greatly improved.

따라서 본 발명의 목적은 고온에서 별도의 열처리 공정 없이도 결정성이 우수하여 높은 유전율을 가질 것으로 기대되는 바륨티타네이트를 특별히 고안된 출발 원료를 사용하여 용액 상에서 나노 결정의 바륨티타네이트를 제조하는 방법을 제공하는 것이다. Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for preparing nanocrystalline barium titanate in solution using a specially designed starting material for barium titanate, which is expected to have high dielectric constant due to high crystallinity without a separate heat treatment process at a high temperature. It is.

또한 본 발명의 또 다른 목적은 값이 비싼 Ba-Ti-알콕사이드 전구체를 사용하지 않고 종래에 보고된 바륨티타네이트에 비하여 결정성이 매우 우수하면서, 유기 용매로의 분산성이 높은 결정형 바륨티타네이트 나노 입자를 제조하는 경제적이고 효과적인 제조 방법을 제공하는 것이다.In addition, another object of the present invention is crystalline barium titanate nanoparticles having excellent crystallinity and high dispersibility in an organic solvent, compared to conventional barium titanate without using an expensive Ba-Ti-alkoxide precursor. It is to provide an economical and effective method for producing the particles.

본 발명은 아세틸아세톤과 같은 β-디케톤(β-diketone)화합물 혹은 아크릴산과 같은 유기카르보닐 산을 티타늄알콕사이드에 첨가하여 이로부터 유도된 [Ti(β-디케토네이트)3]+ 혹은 [Ti(카르보네이트)3]+과 수산화바륨 수용액을 이용한 화학 적 분해/합성 방법으로 결정형의 바륨티타네이트 나노 입자를 제조하는 방법에 의해 유기 용매에 분산성이 높은 균일한 입자 크기의 결정형 바륨티타네이트를 제공한다.The present invention adds a [beta (d-diketonate) 3 ] + or [Ti derived from a β-diketone compound such as acetylacetone or an organic carbonyl acid such as acrylic acid to titanium alkoxide. (Carbonate) 3 ] + Crystalline barium titanate of uniform particle size with high dispersibility in an organic solvent by a method for producing crystalline barium titanate nanoparticles by chemical decomposition / synthesis using an aqueous solution of barium hydroxide and + To provide.

본 발명에 따른 나노 결정형 바륨티타네이트 제조 방법은Nanocrystalline barium titanate production method according to the present invention

(a) 티타늄알콕사이드를 용매에 용해한 후 아세틸아세톤와 같은 β-디케톤(β-diketone)화합물 혹은 아크릴산과 같은 유기카르보닐산을 적가하여 [Ti(β-디케토네이트)3]+ 혹은 [Ti(카르보네이트)3]+ 화합물을 형성하는 단계;(a) Titanium alkoxide is dissolved in a solvent, and then a beta -diketone compound such as acetylacetone or an organic carbonyl acid such as acrylic acid is added dropwise to [Ti (β-diketonate) 3 ] + or [Ti ( Carbonate) 3 ] + forming a compound;

(b) 수산화바륨 수용액에 (a) 용액을 천천히 첨가한 후 교반하여 바륨티타네이트를 형성하는 단계; 및(b) slowly adding the solution (a) to the aqueous barium hydroxide solution and then stirring to form a barium titanate; And

(c) 상기 바륨티타네이트를 분리하는 단계;(c) separating the barium titanate;

를 포함하며, 상기의 모든 단계는 N2 분위기 하에서 제조하는 것을 특징으로 한다.It includes, all the above steps are characterized in that the production under N 2 atmosphere.

상기 [Ti(β-디케토네이트)3]+ 혹은 [Ti(카르보네이트)3]+를 형성하는 단계는 티타늄알콕사이드와 아세틸아세톤과 같은 β-디케톤(β-diketone)화합물 혹은 아크릴산과 같은 유기카르보닐 산과의 반응에 의해 Ti 전구체인 [Ti(β-디케토네이트)3]+ 혹은 [Ti(카르보네이트)3]+ 착물을 제조한다.The step of forming [Ti (β-diketonate) 3 ] + or [Ti (carbonate) 3 ] + is a β-diketone compound such as titanium alkoxide and acetylacetone or an acrylic acid such as The Ti precursor [Ti (β-diketonate) 3 ] + or [Ti (carbonate) 3 ] + complex is prepared by reaction with an organocarbonyl acid.

상기 티타늄알콕사이드는 티타늄메톡사이드[Titanium(IV)methoxide], 티타늄부톡사이드[titanium(IV)butoxide], 티타늄이소프로폭사이드[titanium(IV)isopropoxide] 등을 사용할 수 있으며 출발 원료의 종류에 상관없이 사용할 수 있지만, 수득이 용이하고 가격이 저렴한 티타늄알콕사이드를 사용하는 것이 바람직하다.The titanium alkoxide may include titanium methoxide [titanium (IV) methoxide], titanium butoxide [titanium (IV) butoxide], titanium isopropoxide [titanium (IV) isopropoxide] and the like regardless of the type of starting material. Although it can be used, it is preferable to use titanium alkoxide which is easy to obtain and inexpensive.

상기 β-디케톤(β-diketone) 화합물은 킬레이트로서 Ti(Ⅳ) 이온에 배위하여 [Ti(β-디케토네이트)3]+ 착물을 형성한다. 사용 가능한 β-디케톤(β-diketone) 화합물은 하기 화학식 1로 표시된다.The β-diketone compound coordinates with Ti (IV) ions as a chelate to form [Ti (β-diketonate) 3 ] + complex. Β-diketone compounds that can be used are represented by the following formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112005034539867-pat00001
Figure 112005034539867-pat00001

상기 식에서 R 및 R'은 독립적으로 C1~C10의 직쇄 또는 분지쇄의 알킬기이거나 아릴기이다. 상기 알킬기의 예를 들면 메틸기, 에틸기, 프로필기 또는 t-부틸기 등이며, 구체적인 화합물로는 2,4-펜탄디온(2,4-pentandione; acetylacetone), 2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵탄디온(2,2,6,6-tetramethyl -3,5-heptanedione)등이 있다. 상기 아릴기는 예를 들면, 페닐기, 벤질기 등이 있다. In the above formula, R and R 'are independently C 1 ~ C 10 linear or branched alkyl group or aryl group. Examples of the alkyl group include methyl group, ethyl group, propyl group or t-butyl group and the like, and specific compounds include 2,4-pentandione (acetylacetone), 2,2,6,6-tetramethyl -3,5-heptanedione (2,2,6,6-tetramethyl -3,5-heptanedione). The aryl group includes, for example, a phenyl group and a benzyl group.

디케톤(β-diketone) 화합물 중의 하나인 아세틸아세톤을 예로 들어 Ti 착물을 형성하는 과정을 설명하고자 한다. 아세틸아세톤과 같은 β-디케톤(β-diketone)은 하기 반응식 1에서와 같이 케토-엔올(keto-enol) 토토머 형태를 가지 며, 엔올(enol) 형태는 쉽게 금속 이온(Ti4+)과 배위하여 3배위 착화물, [Ti(acac)3]+을 형성한다(반응식 2).The process of forming a Ti complex will be described using, for example, acetylacetone, which is one of diketone compounds. Β-diketone, such as acetylacetone, has a keto-enol tautomer form, as shown in Scheme 1 below, and the enol form easily forms a metal ion (Ti 4+ ) and Coordination results in the formation of a triconfiguration complex, [Ti (acac) 3 ] + (Scheme 2).

또한, 상기 유기카르보닐 산으로는 아크릴산(acryl acid), 락틱산(lactic acid)등이 사용되어 β-디케톤(β-diketone)과 유사한 방법으로 Ti(카르보네이트)3]+ 착물을 형성한다. In addition, as the organic carbonyl acid, acrylic acid (acryl acid), lactic acid (lactic acid), etc. may be used to form Ti (carbonate) 3 ] + complex in a similar manner to β-diketone. do.

[반응식 1]Scheme 1

Figure 112005034539867-pat00002
Figure 112005034539867-pat00002

[반응식 2]Scheme 2

Figure 112005034539867-pat00003
Figure 112005034539867-pat00003

본 발명에 따른 제조방법에서 사용하는 용매는 반응하는 티타늄알콕사이드와 β-디케톤(β-diketone) 화합물 및 생성되는 Ti 착물을 모두 용해할 수 있는 용매이면 어떤 용매이든 사용 가능하며, 에탄올 및 이소프로판올, 프로판올 등의 알코올류의 용매가 수용액과의 반응 시 잘 혼합될 수 있으므로 바람직하다.The solvent used in the production method according to the present invention may be any solvent as long as it can dissolve all of the reacted titanium alkoxide and β-diketone compound and the resulting Ti complex, ethanol and isopropanol, Solvents of alcohols such as propanol are preferred because they can be mixed well with the aqueous solution.

(a)단계에서 제조된 [Ti(β-디케토네이트)3]+ 혹은 [Ti(카르보네이트)3]+ 착물은 수용액 상에서 매우 안정한 것으로 확인되었고, 제조된 Ti 착물을 수산화바륨 수용액에 첨가하면 [Ti(β-디케토네이트)3]+ 혹은 [Ti(카르보네이트)3]+ 착물과 Ba(OH)2 사이에 화학 반응이 일어남으로써 수용액 상에서 결정형의 바륨티타네이트가 생성된다.[Ti (β-diketonate) 3 ] + or [Ti (carbonate) 3 ] + complex prepared in step (a) was found to be very stable in aqueous solution, and the prepared Ti complex was added to the aqueous solution of barium hydroxide. When a chemical reaction occurs between [Ti (β-diketonate) 3 ] + or [Ti (carbonate) 3 ] + complex and Ba (OH) 2 , a crystalline barium titanate is produced in an aqueous solution.

상기 수산화바륨은 티타늄알콕사이드에 대해 2.5 내지 5몰비의 양으로 사용하는 것이 바람직하다. 용액 속에서 바륨티타네이트 결정의 형성은 Ba(OH)2의 농도(Ba/Ti의 몰비)에 크게 의존한다. Ba 이온 농도의 영향을 알아보기 위해 Ba/Ti의 몰비를 변화시키면서 실험한 결과 결정성 바륨티타네이트는 Ba/Ti의 몰비가 2.5이상이 되는 영역에서만 나타났으며, 반면에 Ba/Ti 몰비가 2.5 미만인 경우에는 어떠한 결정상도 관찰되지 않았다. 이 것은 Ba/Ti 몰비가 용액내에서 바륨티타네이트 결정을 생성하는데 중요한 역할을 하는 것임을 의미한다. XRD 결과로부터 높은 Ba(OH)2 농도(Ba/Ti 몰비는 2.5이상, pH는 13이상)에서는 Ti 착물이 Ba(OH)2에 의해 먼저 분해되어 [Ti(OH)6]2- 보다는 Ba[Ti(OH)6]을 형성한 후, 하기 반응식 3 내지 5에서 나타낸 바와 같이 용액 내에서 결정형의 바륨티타네이트를 형성한다고 추정된다. The barium hydroxide is preferably used in an amount of 2.5 to 5 molar ratio with respect to titanium alkoxide. The formation of barium titanate crystals in solution is highly dependent on the concentration of Ba (OH) 2 (molar ratio of Ba / Ti). Experimental results of varying the molar ratio of Ba / Ti to determine the effect of Ba ion concentration showed that the crystalline barium titanate appeared only in the region where the molar ratio of Ba / Ti was 2.5 or more, whereas the Ba / Ti molar ratio was 2.5 If less, no crystalline phase was observed. This means that the Ba / Ti molar ratio plays an important role in producing barium titanate crystals in solution. From the XRD results, at high Ba (OH) 2 concentrations (Ba / Ti molar ratio of 2.5 or more and pH of 13 or more), the Ti complex was first decomposed by Ba (OH) 2 , and thus Ba [OH ( 6 ) 2- than Ba [ After the formation of Ti (OH) 6 ], it is presumed to form crystalline barium titanate in solution as shown in Schemes 3 to 5 below.

[반응식 3]Scheme 3

2[Ti(β-디케토네이트)3]+ 혹은 [Ti(카르보네이트)3]+ + 5Ba(OH)2 + 2OH- 2 [Ti (β-diketonate) 3 ] + or [Ti (carbonate) 3 ] + + 5Ba (OH) 2 + 2OH

= 3Ba(β-디케토네이트)2 + 2Ba[Ti(OH)6] = 3Ba (β-diketonate) 2 + 2Ba [Ti (OH) 6 ]

[반응식 4]Scheme 4

2[Ti(카르보네이트)3]+ + 5Ba(OH)2 + 2OH- = 3Ba(카르보네이트)2 +2 [Ti (carbonate) 3] + + 5Ba (OH ) 2 + 2OH - = 3Ba ( carbonate) 2+

2Ba[Ti(OH)6] 2Ba [Ti (OH) 6 ]

[반응식 5]Scheme 5

Ba[Ti(OH)6] = BaTiO3 + 3 H2OBa [Ti (OH) 6 ] = BaTiO 3 + 3 H 2 O

강한 알칼리 조건하에 헥사히드록시티타네이트(Ⅳ), [Ti(OH)6]2- 형성은 Kiss 등에 의해 보고되었다. 중간물질 Ba[Ti(OH)6]은 상대적으로 낮은 Ba2+ 이온 농도(Ba/Ti 몰비가 2.5 미만)하에서는 생성될 수 없으며 그러한 경우는 직접 분해되어 Ti(OH)4가 되고 이것이 무정형의 TiO2가 된다.(반응식 6~8)Hexahydroxy titanate (IV), [Ti (OH) 6 ] 2- formation under strong alkaline conditions was reported by Kiss et al. Intermediate Ba [Ti (OH) 6 ] cannot be produced under relatively low Ba 2+ ion concentrations (Ba / Ti molar ratio of less than 2.5), in which case it is decomposed directly to Ti (OH) 4 , which is amorphous TiO. Becomes 2 (Scheme 6 ~ 8)

[반응식 6]Scheme 6

2[Ti(β-디케토네이트)3]+ 혹은 2[Ti(카르보네이트)3]+ + 3Ba(OH)2 + 2OH- 2 [Ti (β-diketonate) 3 ] + or 2 [Ti (carbonate) 3 ] + + 3Ba (OH) 2 + 2OH

= 3Ba(β-디케토네이트)2 + 2Ti(OH)4 = 3Ba (β-diketonate) 2 + 2 Ti (OH) 4

[반응식 7]Scheme 7

2[Ti(카르보네이트)3]+ + 3Ba(OH)2 + 2OH- = 3Ba(카르보네이트)2 + 2Ti(OH)4 2 [Ti (carbonate) 3] + + 3Ba (OH ) 2 + 2OH - = 3Ba ( carbonate) 2 + 2Ti (OH) 4

[반응식 8]Scheme 8

Ti(OH)4 = TiO2 + 2 H2OTi (OH) 4 = TiO 2 + 2 H 2 O

초기에 Ba/Ti 몰비가 높아야하는 이유는 Ba(OH)2 1.5mol이 바륨(β-디케토네이트)2 혹은 바륨(카르보네이트)2을 형성하는데 사용되기 때문이다. Ba(β-디케토네이트)2 혹은 바륨(카르보네이트)2 는 알칼리 매질에서 안정한 화합물로 Ba 농도가 낮은 경우에는 Ba[Ti(OH)6] 중간물질이 생성될 수 없고, 열적으로 안정한 Ti(OH)4을 생성하고 결국에는 Ti(OH)4의 축중합에 의해서 무정형의 TiO2로 변환된다. Ba/Ti 몰비가 1.0~1.5인 시료는 800℃에서 2시간 열처리한 결과 TiO2 결정이 생성되어 상기 반응식 5-6에서 예상한 바를 확인할 수 있었다.The reason why the Ba / Ti molar ratio should be high initially is that 1.5 mol of Ba (OH) 2 is used to form barium (β-diketonate) 2 or barium (carbonate) 2 . Ba (β-diketonate) 2 or barium (carbonate) 2 is a stable compound in alkaline media. At low Ba concentrations, Ba [Ti (OH) 6 ] intermediates cannot be produced and thermally stable Ti (OH) 4 is produced and eventually converted to amorphous TiO 2 by condensation polymerization of Ti (OH) 4 . Samples having a Ba / Ti molar ratio of 1.0 to 1.5 were heat treated at 800 ° C. for 2 hours to form TiO 2 crystals, which were confirmed by the reaction schemes 5-6.

용액 속에서 바륨티타네이트 결정의 형성은 온도에 크게 의존한다. [Ti(β-디케토네이트)3]+ 혹은 [Ti(카르보네이트)3]+ 착물과 Ba(OH)2 사이에 화학 반응이 일어나도록 하는 반응 온도는 70℃ 내지 95℃가 바람직하다. 상기 용액 내에서 바륨티타네이트의 형성에 관련된 온도의 영향성을 확인하기 위해 Ba/Ti 몰비를 2.5로 고정하고, 50℃ 내지 95℃로 변화시키면서 1시간 동안 실험을 수행하였다. 그 결과 70℃ 미만인 경우를 제외하고 모든 경우에서 바륨티타네이트 결정이 형성되었다. 킬레이트를 사용하지 않은 경우에는 50℃ 이하에서도 결정이 형성되었으나, β-디케톤 화합물과 같은 킬레이트를 사용하는 이번 경우에는 상대적으로 높은 온도 즉, 70℃ 이상에서만 결정이 형성되었다. 이것은 Ba(OH)2(pH≥13)와 같이 강한 알칼리 하에서 티타늄알콕사이드가 직접적으로 Ba[Ti(OH)6]를 생성시킨다는 것을 의미한다. 그러나 본 발명에서 [Ti(β-디케토네이트)3]+ 혹은 [Ti(카르보네이트)3]+ 는 Ti(OPri)4보다 꽤 안정하여 [Ti(β-디케토네이트)3]+ 혹은 [Ti(카르보네이트)3]+ 가 분해되어 Ba[Ti(OH)6]를 형성시키기 위해서는 좀 더 많은 활성화 에너지가 필요한 것으로 해석된다.The formation of barium titanate crystals in solution is highly dependent on temperature. The reaction temperature at which a chemical reaction takes place between [Ti (β-diketonate) 3 ] + or [Ti (carbonate) 3 ] + complex and Ba (OH) 2 is preferably 70 ° C. to 95 ° C. In order to confirm the influence of temperature related to the formation of barium titanate in the solution, the Ba / Ti molar ratio was fixed at 2.5, and the experiment was performed for 1 hour while changing from 50 ° C to 95 ° C. As a result, barium titanate crystals were formed in all cases except those below 70 ° C. When the chelate was not used, crystals were formed even below 50 ° C, but in this case using a chelate such as β-diketone compound, crystals were formed only at a relatively high temperature, that is, above 70 ° C. This means that the titanium alkoxide directly produces Ba [Ti (OH) 6 ] under strong alkali such as Ba (OH) 2 (pH ≧ 13). However, in the present invention, [Ti (β-diketonate) 3 ] + or [Ti (carbonate) 3 ] + is considerably more stable than Ti (OPr i ) 4 and thus [Ti (β-diketonate) 3 ] + Or it is interpreted that more activation energy is required to decompose [Ti (carbonate) 3 ] + to form Ba [Ti (OH) 6 ].

상기 바륨티타네이트를 형성하는 반응 시간은 Ba/Ti 몰비 및 온도와 관련이 있으며, 반응시간은 30분 내지 5시간의 범위에서 선정한다. 반응 온도가 높고 Ba/Ti 몰비가 높은 경우는 상대적으로 반응시간이 적어도 되며, 반응 온도가 낮고 Ba/Ti 몰비가 낮은 경우는 상대적으로 반응 시간이 길다.The reaction time for forming the barium titanate is related to the Ba / Ti molar ratio and temperature, the reaction time is selected in the range of 30 minutes to 5 hours. When the reaction temperature is high and the Ba / Ti molar ratio is high, the reaction time is relatively low, and when the reaction temperature is low and the Ba / Ti molar ratio is low, the reaction time is relatively long.

상기 (b) 단계에서 제조되는 바륨티타네이트는 원심분리기 등을 통해서 분리하고, 탈이온수로 세정하여 공기 중에서 건조하여 고체상태의 나노 결정형 바륨티타네이트를 제조한다.The barium titanate prepared in step (b) is separated through a centrifuge, washed with deionized water and dried in air to prepare a nanocrystalline barium titanate in solid state.

실온에서 건조된 후 얻어지는 고체상태의 결정형 바륨티타네이트를 X-선 분말 회절기를 이용하여 회절 패턴을 분석한 결과 도 1 내지 도 3과 같이 바륨티타네이트를 특징짓는 회절 피이크가 잘 관찰되었다. XRD 결과로부터 계산된 입방형 셀(cell)에 대한 격자 파라미터는 4.043~4.047± 0.0012의 범위를 가지는 것으로 확인되었고, 이는 표준값(a=4.031)에 비해 약간 큰 값이다. 나노 결정 바륨티타네이트의 결정입자 크기는 Scherer 방정식[D=kλ/h1/2cosθ, 여기서 k는 상수로 0.9이고, λ는 X-선의 파장으로 1.5418Å이며, h1/2는 각도θ에서 XRD 피크 중간 높이의 간격을 의미한다.]에 의해서 계산한 결과 반응 온도에 따라 33 ~ 50 nm의 범위를 가지는 것으로 관찰되었다. 결정 크기는 반응온도가 증가함에 따라 천천히 감소하며, 반응 시간이 증가함에 따라서는 매우 천천히 증가하였다. 시간에 따른 결정 크기의 미세한 감소는 오스왈드 숙성(Oswald ripening)이라고 불리는 시간에 따른 작은 입자의 손실로 인해 용액 내에 존재하는 나노 결정의 성장 속도가 매우 낮기 때문이다. 온도에 따른 결정 크기의 감소는 나노 결정이 형성되는 동안의 핵 생성과 성장 과정을 고려하여 설명할 수 있다. 용액 상에서 온도에 따른 결정 성장 속도는 고체 상태의 반응에서의 속도보다 훨씬 작다. 침전 과정에서 성장속도=k·a·s이고, 여기서 k는 특정 시스템 상수이고, a는 성장되는 고체의 면적이고, s는 과포화도이다. 높은 과포화도에서 많은 수의 핵이 생성되고, 경쟁적인 결정 성장 과정에서 결정 성장이 느려질 수 있다는 보고가 있다(S. D. Sathaye, K. R. Patil, D. V. Paranjape, A. Mitra, S. V. Awate and A. B. Mandale, Langmuir, 2000, 16, 3487). 현재의 경우 온도에 따른 바륨티타네이트의 결정 크기 감소는 상기의 현상처럼 온도 증가에 따라 생성되는 핵의 수가 많아서 이로 인해 결정크기가 작아지는 것으로 설명할 수 있다.As a result of analyzing the diffraction pattern of the solid crystalline barium titanate obtained after drying at room temperature using an X-ray powder diffractometer, the diffraction peaks characteristic of barium titanate were well observed as shown in FIGS. 1 to 3. The lattice parameters for the cubic cells calculated from the XRD results were found to have a range of 4.043 to 4.047 ± 0.0012, which is slightly larger than the standard value (a = 4.031). The grain size of the nanocrystalline barium titanate is the Scherer equation [D = kλ / h 1/2 cosθ, where k is a constant 0.9, λ is 1.5418 으로 in the wavelength of the X-ray, h 1/2 is the angle θ XRD peak mean the height of the interval.] It was observed to have a range of 33 ~ 50 nm depending on the reaction temperature. The crystal size decreased slowly with increasing reaction temperature and increased very slowly with increasing reaction time. The slight decrease in crystal size over time is due to the very low growth rate of the nanocrystals present in solution due to the loss of small particles over time called Oswald ripening. The decrease in crystal size with temperature can be explained by considering the process of nucleation and growth during nanocrystal formation. The rate of crystal growth with temperature in solution phase is much smaller than in the reaction in the solid state. In the precipitation process, the growth rate is k · a · s, where k is a specific system constant, a is the area of the solid being grown, and s is the degree of supersaturation. It has been reported that a large number of nuclei are produced at high supersaturation and crystal growth may be slowed down during competitive crystal growth (SD Sathaye, KR Patil, DV Paranjape, A. Mitra, SV Awate and AB Mandale, Langmuir , 2000, 16 , 3487). In the present case, the decrease in crystal size of barium titanate according to temperature can be explained by the fact that the number of nuclei generated as the temperature increases as the above phenomenon decreases the crystal size.

상기에서 제조된 바륨티타네이트 나노 입자의 미세 구조를 투과전자현미경(TEM)과 주사전자현미경(SEM)으로 확인하였고 각각 도 4 및 도 5에 나타내었다. 입자의 다결정성은 TEM 현미경사진에서 관찰되었고, SEM 사진은 입자의 형태가 거의 구형임을 보여주었다. TEM 및 SEM 사진으로부터 얻어진 입자의 크기는 50 내지 80 nm의 범위에 있으며, 이는 Scherer's 방정식에서 계산되는 값(33~50nm)에 비해 약간 큰 것이 확인되었다. 이것은 나노 입자에서 용매가 제거될 때 입자가 응집되기 때문이다.The microstructure of the barium titanate nanoparticles prepared above was confirmed by transmission electron microscope (TEM) and scanning electron microscope (SEM), respectively, and are shown in FIGS. 4 and 5, respectively. The polycrystalline nature of the particles was observed on the TEM micrographs and the SEM pictures showed that the particles were almost spherical in shape. The particle size obtained from the TEM and SEM photographs ranged from 50 to 80 nm, which was found to be slightly larger than the value calculated from Scherer's equation (33-50 nm). This is because the particles aggregate when the solvent is removed from the nanoparticles.

본 발명은 상기 (c)단계에서 분리된 바륨티타네이트를 NMP (N-methyl-2-pyrollidone) 또는 DMF(N,N-dimethyl formamide)에서 선택되는 유기용매를 투입하여 유기용매에 단분산된 액상의 바륨티타네이트를 제조하는 방법을 포함하며, 분산시키는 방법으로는 초음파 처리 등 통상적으로 사용되는 물리적인 방법을 사용할 수 있다.In the present invention, the barium titanate separated in the step (c) is added to an organic solvent selected from NMP (N-methyl-2-pyrollidone) or DMF (N, N-dimethyl formamide), and the liquid is monodispersed in the organic solvent. It includes a method for producing barium titanate, and as a method of dispersing, a physical method commonly used such as ultrasonication can be used.

입자의 크기와 분포를 시간의 함수로써 제공해 주는 동적 광산란(Dynamic Light Scattering ; DLS) 기술이 사용하여 분석한 결과 유기 용매에 분산된 바륨티타네이트는 70 내지 100 nm의 평균 입경을 가지는 것으로 확인되었다. 상기 입자 분포는 초기에는 10 nm 정도 더 큰 값을 가지나 6 ~ 8시간 후에는 평균 약 70 내지 100 nm로, 며칠 동안 거의 변하지 않고 안정한 상태를 유지하였다. 이것이 의미하는 바는 좀 더 작은 크기의 입자를 소비하는 반응(Ostwald repining)을 통해서 상대적으로 좀 더 큰 입자들이 생성되고 초기에 생성되는 큰 입자는 매우 빠르게 침전되어 결국 졸이 안정해진다는 것이다.Analysis using the Dynamic Light Scattering (DLS) technique, which provides the particle size and distribution as a function of time, has shown that barium titanate dispersed in an organic solvent has an average particle diameter of 70 to 100 nm. The particle distribution initially had a larger value of about 10 nm, but after 6 to 8 hours, on average, about 70 to 100 nm, it remained stable and almost unchanged for several days. This means that relatively larger particles are produced through the reaction of smaller particles (Ostwald repining), and the larger particles initially settle very quickly, resulting in a stable sol.

도 6은 NMP 용매 1g당 보유하는 바륨티타네이트 입자의 무게를 시간에 따라 도시한 것이다. 비교예에서와 같이 β-디케톤 화합물을 사용하지 않고 제조한 바륨티타네이트는 유기 용매에 분산시킨 후 24시간 내에 침전되어 용매에 잔존하는 무게가 급격히 감소하며, 그 후에도 점차적으로 감소하나, 본 발명에 따른 [Ti(β-디케토네이트)3]+ 혹은 [Ti(카르보네이트)3]+의 화학적 분해에 의해 제조된 바륨티타네이트는 7일을 경과한 후에도 잔존 무게를 그대로 유지하는 것을 확인하였다. 이것은 본 발명의 제조 방법에서 β-디케톤기 혹은 알킬카르보네이트기의 존재가 입자의 응집을 방지하는 데 도움을 주는 것을 의미하며, β-디케톤 혹은 알킬카르보네이트기를 함유하지 않는 입자의 응집은 빠른 속도로 진행되어 시간에 따라 계속된다는 것을 의미한다. 산화물 분말 입자의 표면에 β-디케톤 혹은 알킬카르보네이트 기로 배위하여 입자가 응집되는 것을 막아주어 유기 용매로의 분산성을 좋게 해 주는 역할을 한다. 그러나, 비교예에서 제조된 바륨티타네이트 졸에 아세틸아세톤을 첨가하는 것은 입자의 응집에 아무런 영향을 주지 않았다. 반응이 진행되는 동안 이미 큰 입자가 형성되었고, 이미 형성된 큰 입자의 표면에 β-디케톤기 혹은 알킬카르보네이트기로 후 처리하는 방법에 의해 유기 용매로 재 분산시킬 수 없음을 의미한다. 따라서, 결정형의 바륨티타네이트 입자의 제조 방법이 유기 용매로의 분산성에 중요한 역할을 한다는 것을 알 수 있고, [Ti(β-디케토네이트)3]+ 혹은 [Ti(카르보네이트)3]+ 의 수산화바륨 수용액에 의한 화학적 분해 방법을 통해서 용액 내에 잘 분산되며 결정성이 좋은 바륨티타네이트를 제공할 수 있으며, 상기 제조 과정에서 존재하는 β-디케톤기 혹은 알킬카르보네이트기는 바륨티타네이트의 NMP(M-methyl-2-pyrollidone) 또는 N,N-디메틸포름아미드(DMF)와 같은 유기 용매로의 분산성을 향상시켜준다는 것을 알 수 있다.FIG. 6 shows the weight of barium titanate particles retained per 1 g of NMP solvent over time. The barium titanate prepared without using the β-diketone compound as in Comparative Example is precipitated within 24 hours after dispersing in an organic solvent, and the weight remaining in the solvent rapidly decreases, and gradually decreases thereafter. Barium titanate prepared by chemical decomposition of [Ti (β-diketonate) 3 ] + or [Ti (carbonate) 3 ] + according to the present invention was confirmed to maintain the remaining weight after 7 days. It was. This means that the presence of β-diketone groups or alkylcarbonate groups in the production method of the present invention helps to prevent the aggregation of particles, and the aggregation of particles not containing β-diketone or alkylcarbonate groups Means that it runs at a high speed and continues over time. Coordination with β-diketone or alkylcarbonate groups on the surface of the oxide powder particles prevents the particles from agglomerating and serves to improve dispersibility in an organic solvent. However, adding acetylacetone to the barium titanate sol prepared in the comparative example had no effect on the aggregation of the particles. This means that large particles have already been formed during the reaction, and cannot be redispersed with an organic solvent by a post-treatment method with β-diketone groups or alkylcarbonate groups on the surface of the already formed large particles. Therefore, it can be seen that the method for producing the crystalline barium titanate particles plays an important role in the dispersibility in an organic solvent, and [Ti (β-diketonate) 3 ] + or [Ti (carbonate) 3 ] + Through chemical decomposition by the aqueous solution of barium hydroxide of barium titanate which is well dispersed in the solution and good crystallinity can be provided, and the β-diketone group or alkylcarbonate group present in the manufacturing process NMP of barium titanate It can be seen that it improves the dispersibility in an organic solvent such as (M-methyl-2-pyrollidone) or N, N-dimethylformamide (DMF).

이하, 본 발명을 실시예에 의하여 상세하게 설명하면 다음과 같으며, 다음의 실시예는 본 발명의 예시일 뿐, 본 발명이 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the following Examples, the following examples are merely illustrative of the present invention, the present invention is not limited by the examples.

[실시예 1]Example 1

본 발명에 사용하는 티타늄 이소프로폭사이드(Ti(OPri)4 or TTIP, 97% Aldrich사 제품), 수산화바륨·8수화물(98+%, Aldrich사 제품)은 추가의 정제 과정 없이 그대로 사용하였다. 모든 다른 화학물질 및 용매는 Sigma-Aldrich 사에서 판매하는 시약 등급으로, 추가의 정제 과정 없이 구매한 상태로 사용하였다. 탈이온수는 건조한 질소(N2)를 퍼지(purge)하여 CO2를 제거하여 사용하였다.Titanium isopropoxide (Ti (OPr i ) 4 or TTIP, 97% Aldrich) and barium hydroxide octahydrate (98 +%, Aldrich) used in the present invention were used without further purification. . All other chemicals and solvents were reagent grades sold by Sigma-Aldrich and used as purchased without further purification. Deionized water was used to purge dry nitrogen (N 2 ) to remove CO 2 .

티타늄 이소프로폭사이드(2.5 g, 8.8 mmol)을 2-프로판올(10g)에 용해시킨 후 아세틸아세톤(Hacac, 2.64 g, 26.4 mmol)을 적가하였다. 반응 혼합물을 실온에서 30분간 교반하면 상기 용액은 [Ti(acac)3]+이 생성됨에 따라 황노랑색으로 변하게 된다. 그 후 탈이온수(10 g)를 상기 용액에 넣고 30분 동안 계속하여 교반한다. 이 용액을 Ti 선구물질로 사용하였다.Titanium isopropoxide (2.5 g, 8.8 mmol) was dissolved in 2-propanol (10 g) and then acetylacetone (Hacac, 2.64 g, 26.4 mmol) was added dropwise. After stirring the reaction mixture at room temperature for 30 minutes, the solution turns yellowish yellow as [Ti (acac) 3 ] + is produced. Deionized water (10 g) was then added to the solution and stirring continued for 30 minutes. This solution was used as Ti precursor.

CO2 없는 탈이온수 50 g을 넣은 2구 둥근 플라스크에 50℃에서 Ba(OH)2·8H2O(6.94g, 22.0 mmol)를 넣어 용해시킨다.In a two-necked round flask containing 50 g of deionized water without CO 2 , Ba (OH) 2 .8H 2 O (6.94 g, 22.0 mmol) was dissolved at 50 ° C.

앞에서 제조한 [Ti(acac)3]+ 용액을 상기 수산화바륨 수용액에 50℃에서 공기 중 CO2에 의해 BaCO3가 생기지 않도록 N2를 불어넣어 주면서 천천히 첨가한 후 95℃에서 3시간 동안 교반한다. 고속 원심분리기에서 17,000 rpm으로 고체 입자를 분리한 후 CO2 없는 탈이온수로 세정하여 바륨티타네이트 분말을 얻었다.[Ti (acac) 3 ] + solution was added slowly to the barium hydroxide solution while blowing N 2 to prevent BaCO 3 from being generated by CO 2 in air at 50 ° C., and then stirred at 95 ° C. for 3 hours. . The solid particles were separated at 17,000 rpm in a high speed centrifuge and washed with deionized water without CO 2 to obtain barium titanate powder.

[실시예 2]Example 2

본 발명에 사용하는 티타늄 이소프로폭사이드(Ti(OPri)4 or TTIP, 97% Aldrich사 제품), 수산화바륨·8수화물(98+%, Aldrich사 제품)은 추가의 정제 과정 없이 그대로 사용하였다. 모든 다른 화학물질 및 용매는 Sigma-Aldrich 사에서 판매하는 시약 등급으로, 추가의 정제 과정 없이 구매한 상태로 사용하였다. 탈이온수는 건조한 질소(N2)를 퍼지(purge)하여 CO2를 제거하여 사용하였다. Titanium isopropoxide (Ti (OPr i ) 4 or TTIP, 97% Aldrich) and barium hydroxide octahydrate (98 +%, Aldrich) used in the present invention were used without further purification. . All other chemicals and solvents were reagent grades sold by Sigma-Aldrich and used as purchased without further purification. Deionized water was used to purge dry nitrogen (N 2 ) to remove CO 2 .

티타늄 이소프로폭사이드(2.5 g, 8.8 mmol)을 2-프로판올(10g)에 용해시킨 후 아크릴산(HAcr, 1.91 g, 26.5 mmol)을 적가 하였다. 반응 혼합물을 실온에서 30분간 교반하면 상기 용액은 [Ti(Acr)3]+이 생성됨에 따라 황노랑색으로 변하게 된다. 그 후 탈이온수(10 g)를 상기 용액에 넣고 30분 동안 계속하여 교반한다. 이 용액을 Ti 선구물질로 사용하였다.Titanium isopropoxide (2.5 g, 8.8 mmol) was dissolved in 2-propanol (10 g) and acrylic acid (HAcr, 1.91 g, 26.5 mmol) was added dropwise. After stirring the reaction mixture at room temperature for 30 minutes, the solution turns yellowish yellow as [Ti (Acr) 3 ] + is produced. Deionized water (10 g) was then added to the solution and stirring continued for 30 minutes. This solution was used as Ti precursor.

CO2 없는 탈이온수 50 g을 넣은 2구 둥근 플라스크에 50℃에서 Ba(OH)2·8H2O(6.94g, 22.0 mmol)를 넣어 용해시킨다. In a two-necked round flask containing 50 g of deionized water without CO 2 , Ba (OH) 2 .8H 2 O (6.94 g, 22.0 mmol) was dissolved at 50 ° C.

앞에서 제조한 [Ti(Acr)3]+ 용액을 상기 수산화바륨 수용액에 50℃에서 공기 중 CO2에 의해 BaCO3가 생기지 않도록 N2를 불어넣어 주면서 천천히 첨가한 후 70℃에서 5시간 동안 교반한다. 고속 원심분리기에서 17,000 rpm으로 고체 입자를 분리한 후 CO2 없는 탈이온수로 세정하여 바륨티타네이트 분말을 얻었다.[Ti (Acr) 3 ] + solution was added slowly to the barium hydroxide solution while blowing N 2 to prevent BaCO 3 from being generated by CO 2 in air at 50 ° C., and then stirred at 70 ° C. for 5 hours. . The solid particles were separated at 17,000 rpm in a high speed centrifuge and washed with deionized water without CO 2 to obtain barium titanate powder.

[실시예 3]Example 3

본 발명에 사용하는 티타늄 이소프로폭사이드(Ti(OPri)4 or TTIP, 97% Aldrich사 제품), 수산화바륨·8수화물(98+%, Aldrich사 제품)은 추가의 정제 과정 없이 그대로 사용하였다. 모든 다른 화학물질 및 용매는 Sigma-Aldrich 사에서 판매하는 시약 등급으로, 추가의 정제 과정 없이 구매한 상태로 사용하였다. 탈이온수는 건조한 질소(N2)를 퍼지(purge)하여 CO2를 제거하여 사용하였다. Titanium isopropoxide (Ti (OPr i ) 4 or TTIP, 97% Aldrich) and barium hydroxide octahydrate (98 +%, Aldrich) used in the present invention were used without further purification. . All other chemicals and solvents were reagent grades sold by Sigma-Aldrich and used as purchased without further purification. Deionized water was used to purge dry nitrogen (N 2 ) to remove CO 2 .

티타늄 이소프로폭사이드(2.5 g, 8.8 mmol)을 2-프로판올(10g)에 용해시킨 후 락틱산(HLa, 2.38 g, 26.42 mmol)을 적가 하였다. 반응 혼합물을 실온에서 30분간 교반하면 상기 용액은 [Ti(La)3]+이 생성됨에 따라 황노랑색으로 변하게 된다. 그 후 탈이온수(10 g)를 상기 용액에 넣고 30분 동안 계속하여 교반한다. 이 용액을 Ti 선구물질로 사용하였다. Titanium isopropoxide (2.5 g, 8.8 mmol) was dissolved in 2-propanol (10 g) followed by the dropwise addition of lactic acid (HLa, 2.38 g, 26.42 mmol). After stirring the reaction mixture for 30 minutes at room temperature the solution turns yellowish yellow as [Ti (La) 3 ] + is produced. Deionized water (10 g) was then added to the solution and stirring continued for 30 minutes. This solution was used as Ti precursor.

CO2 없는 탈이온수 50 g을 넣은 2구 둥근 플라스크에 50℃에서 Ba(OH)2·8H2O(6.94g, 22.0 mmol)를 넣어 용해시킨다. In a two-necked round flask containing 50 g of deionized water without CO 2 , Ba (OH) 2 .8H 2 O (6.94 g, 22.0 mmol) was dissolved at 50 ° C.

앞에서 제조한 [Ti(La)3]+ 용액을 상기 수산화바륨 수용액에 50℃에서 공기 중 CO2에 의해 BaCO3가 생기지 않도록 N2를 불어넣어 주면서 천천히 첨가한 후 80℃에서 4시간 동안 교반한다. 고속 원심분리기에서 17,000 rpm으로 고체 입자를 분리한 후 CO2 없는 탈이온수로 세정하여 바륨티타네이트 분말을 얻었다.[Ti (La) 3 ] + solution prepared above is slowly added to the barium hydroxide solution while blowing N 2 such that BaCO 3 is not produced by CO 2 in air at 50 ° C., and then stirred at 80 ° C. for 4 hours. . The solid particles were separated at 17,000 rpm in a high speed centrifuge and washed with deionized water without CO 2 to obtain barium titanate powder.

[비교예][Comparative Example]

본 발명에 사용하는 티타늄 이소프로폭사이드(Ti(OPri)4 or TTIP, 97% Aldrich사 제품), 수산화바륨·8수화물(98+%, Aldrich사 제품)은 추가의 정제 과정 없이 그대로 사용하였다. 모든 다른 화학물질 및 용매는 Sigma-Aldrich 사에서 판매하는 시약 등급으로, 추가의 정제 과정 없이 구매한 상태로 사용하였다. 탈이온수는 건조한 질소(N2)를 퍼지(purge)하여 CO2를 제거하여 사용하였다. Titanium isopropoxide (Ti (OPr i ) 4 or TTIP, 97% Aldrich) and barium hydroxide octahydrate (98 +%, Aldrich) used in the present invention were used without further purification. . All other chemicals and solvents were reagent grades sold by Sigma-Aldrich and used as purchased without further purification. Deionized water was used to purge dry nitrogen (N 2 ) to remove CO 2 .

티타늄 이소프로폭사이드(2.5 g, 8.8 mmol)을 2-프로판올(10g)에 용해시킨다. CO2 없는 탈이온수 50 g을 넣은 2구 둥근 플라스크에 50℃에서 Ba(OH)2·8H2O(3.3g, 10.56 mmol)를 넣어 용해시킨다. Titanium isopropoxide (2.5 g, 8.8 mmol) is dissolved in 2-propanol (10 g). In a two-necked round flask containing 50 g of deionized water without CO 2 , Ba (OH) 2 · 8H 2 O (3.3 g, 10.56 mmol) was dissolved at 50 ° C.

앞에서 제조한 티타늄 이소프로폭사이드 용액을 상기 수산화바륨 수용액에 50℃에서 공기 중 CO2에 의해 BaCO3가 생기지 않도록 N2를 불어넣어 주면서 천천히 첨가한 후 95℃에서 3시간 동안 교반한다. 고속 원심분리기에서 17,000 rpm으로 고체 입자를 분리한 후 CO2 없는 탈이온수로 세정하여 바륨티타네이트 분말을 얻었다.The titanium isopropoxide solution prepared above was slowly added to the barium hydroxide solution while blowing N 2 to prevent BaCO 3 from being generated by CO 2 in air at 50 ° C., and then stirred at 95 ° C. for 3 hours. The solid particles were separated at 17,000 rpm in a high speed centrifuge and washed with deionized water without CO 2 to obtain barium titanate powder.

[실시예 4]Example 4

실시예 1 내지 3에서 제조된 고상의 바륨티타네이트의 결정성과 구조를 분석하기 위해 CuKα(1.5418Å)를 이용하여 X-선 분말 회절 분석(XRD, Rigaku D/Max-2200V)을 진행하여 결과를 도 1 내지 도 3에 나타내었다. Ba/Ti 몰비가 2.5 이상인 경우에 결정성바륨티타네이트를 가지는 것으로 확인되었다.In order to analyze the crystallinity and structure of the solid barium titanate prepared in Examples 1 to 3 by X-ray powder diffraction analysis (XRD, Rigaku D / Max-2200V) using CuKα (1.5418 Å) 1 to 3 are shown. It was confirmed that the crystalline barium titanate had a Ba / Ti molar ratio of 2.5 or more.

[실시예 5]Example 5

실시예 1에서 제조된 고체상 바륨티타네이트의 형상 및 미세 구조는 주사 전자 현미경(SEM, Jeol JSM 6700 F)과 투과 전자 현미경(TEM, Tecnai GⅡ, FEI, 작동 전압 200kV)을 이용하여 분석을 진행하였고, 결과는 도 4 및 도 5에 나타내었다. 결정 입자의 형태는 거의 구형이며, 평균 입자의 크기는 50 내지 80 nm 이였다.The shape and microstructure of the solid barium titanate prepared in Example 1 were analyzed using a scanning electron microscope (SEM, Jeol JSM 6700 F) and a transmission electron microscope (TEM, Tecnai GII, FEI, operating voltage 200kV). , Results are shown in FIGS. 4 and 5. The shape of the crystal grains was almost spherical, and the average particle size was 50 to 80 nm.

본 발명에 따른 나노 결정형 바륨티타네이트 제조 방법은 [Ti(β-디케토네이트)3]+ 혹은 [Ti(카르보네이트)3]+를 수산화바륨 수용액을 이용하여 화학적 분해/합성하는 방법으로서, 본 발명에 따른 제조 방법으로 제조된 바륨티타네이트는 평균 입경이 100 nm이하로, 입자의 크기가 작으면서도 균일하고, 유기 용매로의 분산성이 높아 유기 고분자와 복합화한 유전체나 압전체 소자 등의 첨단 전자 재료 등 다양한 산업 분야에 그 응용성이 높을 것으로 기대된다.The method for producing nanocrystalline barium titanate according to the present invention is a method of chemically decomposing / synthesizing [Ti (β-diketonate) 3 ] + or [Ti (carbonate) 3 ] + using an aqueous solution of barium hydroxide, Barium titanate produced by the production method according to the present invention has an average particle diameter of 100 nm or less, the particle size is small and uniform, and the dispersibility in an organic solvent is high, such as a dielectric or piezoelectric element composited with an organic polymer It is expected to have high applicability in various industrial fields such as electronic materials.

Claims (7)

(a) 티타늄알콕사이드를 용매에 용해한 후 β-디케톤화합물 혹은 유기카르보닐산을 적가하여 [Ti(β-디케토네이트)3]+ 혹은 [Ti(카르보네이트)3]+를 형성하는 단계;(a) dissolving titanium alkoxide in a solvent, followed by the dropwise addition of β-diketone compound or organic carboxylic acid to form [Ti (β-diketonate) 3 ] + or [Ti (carbonate) 3 ] + . ; (b) 수산화바륨 수용액에 (a) 용액을 천천히 첨가한 후 교반하여 바륨티타네이트를 형성하는 단계; 및(b) slowly adding the solution (a) to the aqueous barium hydroxide solution and then stirring to form a barium titanate; And (c) 상기 바륨티타네이트를 분리하는 단계;(c) separating the barium titanate; 를 포함하는 분산성이 우수한 나노 결정형 바륨티타네이트의 제조 방법.Method for producing a nano-crystalline barium titanate excellent dispersibility comprising a. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 티타늄알콕사이드 : 수산화바륨의 몰비가 1 : 2.5 내지 5 인 것을 특징으로 하는 분산성이 우수한 나노 결정형 바륨티타네이트의 제조 방법.The method for producing nanocrystalline barium titanate having excellent dispersibility, wherein the molar ratio of titanium alkoxide to barium hydroxide is 1: 2.5 to 5. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 (c)단계의 반응온도는 70 내지 95℃이며, 반응시간은 0.5 내지 5시간인 것을 특징으로 하는 분산성이 우수한 나노 결정형 바륨티타네이트의 제조 방법.The reaction temperature of the step (c) is 70 to 95 ℃, the reaction time is a method for producing nanocrystalline barium titanate excellent in dispersibility, characterized in that 0.5 to 5 hours. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 바륨티타네이트를 분리하는 단계는 NMP 또는 DMF에서 선택되는 유기용매에 분산시키는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 분산성이 우수한 나노 결정형 바륨티타네이트의 제조 방법.Separating the barium titanate is a method for producing nanocrystalline barium titanate having excellent dispersibility, comprising the step of dispersing in an organic solvent selected from NMP or DMF. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 β-디케톤화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물인 것을 특징으로 하는 분산성이 우수한 나노 결정형 바륨티타네이트의 제조 방법.The β-diketone compound is a compound represented by the following formula (1), characterized in that the nanocrystalline barium titanate excellent dispersibility. [화학식 1][Formula 1]
Figure 112005034539867-pat00004
Figure 112005034539867-pat00004
(상기 식에서 R 및 R'은 독립적으로 C1~C10의 직쇄 또는 분지쇄의 알킬기이거나 아릴기이다.) (Wherein R and R 'are independently C 1 -C 10 linear or branched alkyl or aryl groups.)
제 5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 β-디케톤화합물은 2,4-펜탄디온 또는 2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵탄디온인 것을 특징으로 하는 분산성이 우수한 나노 결정형 바륨티타네이트의 제조 방법.The β-diketone compound is 2,4-pentanedione or 2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedone is a method for producing nanocrystalline barium titanate excellent in dispersibility. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 유기카르보닐산은 아크릴산 또는 락틱산인 것을 특징으로 하는 분산성이 우수한 나노 결정형 바륨티타네이트의 제조 방법.The organic carbonyl acid is acrylic acid or lactic acid, characterized in that the nanocrystalline barium titanate excellent dispersibility.
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WO2022027786A1 (en) * 2020-08-05 2022-02-10 深圳市华星光电半导体显示技术有限公司 Method for preparing optical film, and optical film

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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