KR100991154B1 - 산화세륨분말의 제조방법 - Google Patents

산화세륨분말의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산화세륨분말의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 입자분포가 매우 좁고, 그 크기 조절이 매우 용이한 산화세륨분말의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은, 탄산세륨수화물에 산화제를 교반하여 산화반응시킴으로써 산화세륨분말을 생성하고, 상기 산화세륨분말을 건조 내지 열처리하는 것을 특징으로 한다. 상기 산화제는 K, Na, NH4를 함유한 염기인 것을 특징으로 한다. 상기 산화제는 염기용액이고, 상기 염기용액의 염기농도는 1~55wt%인 것이 바람직하다.
산화세륨, 입자, 입도, 크기, 탄산세륨, 산화제, 교반, 반응

Description

산화세륨분말의 제조방법{PROCESS FOR PRODUCING A CERIUM OXIDE POWDER}
본 발명은 산화세륨분말의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 입자분포가 매우 좁고, 그 크기 조절이 매우 용이한 산화세륨분말의 제조방법에 관한 것이다.
산화세륨(CeO2)분말은 자동차배가스 정화용 촉매, 반도체 절연층 연마, 디스플레이의 유리 연마, 화장품, 고체연료전지 등에 널리 이용된다.
최근에는, 산화세륨분말은 반도체분야의 화학ㆍ기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing, 이하 'CMP'라 함) 현탁액(slurry)의 핵심 원료인 무기연마재로 각광을 받고 있으며, 이러한 CMP 현탁액은 산화규소막의 연마속도, 산화규소막과 질화규소막 사이의 선택적 연마특성과 연마면의 긁힘(scratch)방지 특성 등이 매우 중요하고, 이러한 슬러리를 제조하기 위해서는 연마재인 산화세륨분말의 입도, 크기, 형상, 산화특성, 결정성, 강도 등이 보다 정밀하게 제어되어야 한다.
한편, 종래의 산화세륨분말 제조방법에는 기상법, 액상법, 고상법 등으로 구분된다.
기상법에는 기상응축법, 용액연소법, 분무열분해법 등이 있으며, 이러한 기상법은 입자간의 응집이 심하여 3차원 망상의 응집이 많이 발생하여 스크래치성이 나쁘고, 그 제조장치가 매우 복잡해지는 단점이 있었다.
액상법에는 공침, 졸겔, 수열, 에멀전법 등이 있으며, 이러한 액상법은 그 공정이 복잡하여 경제적으로 분리한 단점이 있었다. 또한, 이러한 액상법은 입자의 표면이 상대적으로 평활하여 연마재로 사용할 경우 연마속도가 현저하게 저하될 수 있다. 그리고, 액상법은 그 반응속도가 빠르기 때문에 입자의 응집이 크게 일어나고, 그 입자 분포가 넓게 형성되는 단점이 있었다.
고상법에는 고상반응분쇄법, 용융염법 등이 있으며, 이러한 고상법은 상대적으로 큰 입자를 분쇄함으로써 그 입자 분포가 넓고 나노사이즈의 입자를 구현하기 어려운 단점이 있었다.
구체적으로, 고상반응분쇄법은 탄산세륨분말을 600~1000℃의 온도에서 소성함으로써 산화세륨분말을 1차적으로 만들고, 이 산화세륨분말을 기계적으로 분쇄하는 방법이다. 하지만, 이 방법은 불균질한 탄산세륨분말을 그대로 소성하여 만든 산화세륨분말을 기계적으로 분쇄함으로써 그 입자분포가 매우 넓고, 특히 반도체 수율과 관련된 스크래치를 일으킬 수 있는 0.5㎛ 이상의 큰 입자가 매우 많이 생성되는 단점이 있었다.
그리고, 용융염법은 용융염(산화세륨, 수산화세륨, 탄산세륨)에 용제(flux)를 혼합함으로써 세륨염의 표면에 용제를 코팅한 다음, 고온에서 소성함으로써 용제의 코팅막에 의해 그 미세한 구형입자를 형성하는 것이다. 하지만, 이와 같이 용 제를 이용한 산화세륨분말의 제조방법은 고온에서 소성과정을 거쳐야 함에 따라 제조공정이 복잡한 단점이 있었고, 또한 그 입자의 표면이 너무 평활하여 연마속도가 현저히 저하되는 단점이 있었다.
한편, 상술한 종래의 산화세륨분말 제조방법들은 산화세륨입자의 형상 및 표면조도 등을 조절하는 것이 매우 어려운 단점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 100℃이하의 저온상태에서 화학반응에 의해 균질한 입자분포를 형성하고, 다양한 크기 및 형상을 조절할 수 있는 산화세륨분말의 제조방법 및 그에 의한 산화세륨분말을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
탄산세륨에 산화제를 교반하여 산화반응시킴으로써 산화세륨을 생성하고, 상기 산화세륨을 건조하는 것을 특징으로 한다.
상기 산화제는 K, Na, NH4를 함유한 염기인 것을 특징으로 한다.
상기 산화제는 염기용액이고, 상기 염기용액의 염기농도는 1~55wt%인 것이 바람직하다.
이와 같이, 본 발명은 탄산세륨을 산화제와 교반하여 100℃ 이하의 저온에서 산화반응시킴으로써 탄산세륨을 반응분쇄하여 미세하고 균질한 산화세륨입자를 생성할 수 있다. 이러한 공법은 아직까지 보고된 바가 없다.
또한, 본 발명은 그 반응온도, 염기농도, 교반세기 등과 같은 공정변수를 적절히 조절함으로써 보다 다양한 크기 및 형상을 가진 입자를 얻을 수 있다.
상기 산화제와 탄산세륨을 교반한 후에 일정시간동안 숙성시킴으로써, 상기 탄산세륨은 상기 산화제와의 반응을 안정화시킬 수 있고, 이에 의해 보다 미세하고 균질한 산화세륨을 형성할 수 있다.
상기 산화세륨을 건조하기 전에 세정함으로써 불필요한 물질을 제거함으로써 고품질의 산화세륨분말을 생성할 수 있다.
한편, 본 발명은 상기 건조된 산화세륨분말을 다양한 온도에서 열처리하여 1차 입자(결정자 crystallites) 크기를 조절할 수 있다.
상기 분쇄과정 중에 분산제 및 증류수를 혼합하면서 분쇄함으로써 산화세륨분말의 입자제어 및 분산효율을 향상시킬 수도 있다.
상기와 같은 본 발명은, 산화제를 이용하여 탄산세륨을 산화반응시켜 반응분쇄시킴으로써 그 제조공정을 더욱 단순화할 수 있고, 이에 의해 그 제조비용이 절감되고, 그 분말의 입도 분포가 매우 좁으며, 0.5㎛ 이상의 입자를 극단적으로 줄일 수 있는 장점이 있다.
그리고, 본 발명은 그 반응온도, 염기농도, 교반세기 등과 같은 공정변수를 적절히 조절함으로써 보다 다양한 크기 및 형상을 가진 입자를 얻을 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 산화세륨분말의 제조방법을 도시한다.
도시된 바와 같이, 본 발명은 탄화세륨수화물(Cerium(Ⅲ) Carbonate Hydrate, Ce2(CO3)3ㆍxH20)을 산화제와 교반시킴으로써 탄화세륨수화물을 100℃의 저온에서 반응분쇄시키고, 이에 의해 산화세륨분말을 생성한다(S1).
산화제로서 K, Na, NH4를 함유한 염기가 바람직하고, 이러한 K, Na, NH4를 함유한 염기를 물에 용해시켜 염기용액을 생성하고, 이 염기용액은 염기의 농도가 1~55wt%인 수용액이 바람직하다. 이는 1wt% 이하에서는 수산화세륨의 산화반응이 너무 늦고, 55wt% 이상에서는 용해되지 않기 때문이다. 이 염기용액에 탄화세륨수화물을 혼합한 후에 일정시간동안 교반한다.
이러한 교반에 의해 탄화세륨수화물은 반응분쇄되어 미세한 크기의 산화세륨분말로 된다.
예컨대, 산화제로서 KOH(수산화칼륨)이 이용될 경우, 아래의 식(1) 또는 식(2)과 같은 화학반응이 일어남으로써 산화세륨이 생성된다.
Ce2(CO3)3ㆍxH2O + H2O + KOH = K2CO3 + CeO2 ...식(1) 또는
Ce2(CO3)3ㆍxH2O + H2O + KOH = CeO(OH)x + H2O...식(2)
한편, 산화제와 탄화세륨의 반응을 안정화하기 위하여 일정시간동안 숙성과정을 거치고, 이러한 숙성과정 도중에 산화제와 탄화세륨의 교반을 수행할 수 있다(S2).
이러한 교반 및 숙성과정을 거친 후에는 산화세륨분말을 초순수 등으로 세정함으로써 불필요한 물질을 제거한다(S3).
그런 다음, 산화세륨분말을 건조함으로써 산화세륨분말을 생성한다(S4).
그리고, 필요에 따라 건조된 산화세륨분말을 25~1000℃의 다양한 온도에서 소성 등과 같은 열처리공정을 수행하여 입자의 물성 특히 수산화기를 제거하고 1차입자경을 변화시켜 산화세륨입자의 물성을 조정할 수 있으며, 경우에 따라서 2차 입자경이 커진 경우 열처리후 분쇄공정에 의해 산화세륨입자를 미세하게 할 수도 있다(S5).
보다 구체적으로, 상기 건조된 산화세륨분말을 공기 중에서 100~500℃의 저온 열처리할 수 있다. 상기 100~500℃의 온도는 원자의 확산에 의해 입자의 크기 및 형상이 변화하지 않는 조건이고, 이러한 저온 열처리에 의해 입자의 내부에 있는 입자 결정의 OH기를 제거함으로써 입자의 결정도를 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 건조된 산화세륨분말을 500~1000℃의 고온 열처리를 수행함으로써 입자의 강도를 높일 수 있으며, 이러한 고온 열처리 공정 후에는 기계적 분쇄에 의해 입자를 분쇄시킬 수도 있다.
이러한 기계적 분쇄과정 도중에 비이온성 고분자 또는 음이온성 고분자 등과 같은 분산제 및 증류수를 혼합하면서 분쇄함으로써 산화세륨분말의 입자제어 및 분산효율을 향상시킬 수도 있다.
[실시예]
증류수 400CC에 수산화칼륨(KOH) 160g이 용해된 염기용액에, 탄산세륨수화물(Ce2(CO3)3.xH2O, 도 2 참조)를 넣고 기계식 교반기를 이용하여 3000RPM 2시간 교반후 72시간을 숙성 반응시켰다. 이러한 숙성과정 도중에 매 24시간마다 2시간씩 교반하였다. 그런 다음 초순수 50Liter로 세정하여 불필요한 이온을 제거시킨 다음 시료를 60℃에서 건조하고, 이 건조분말(도 3 참조)을 800℃에서 열처리(도 4 참조)한후 비즈밀을 이용하여 분쇄함으로써 도 5에 나타난 산화세륨분말을 생성하였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화세륨분말의 제조방법을 도시한 공정도이다.
도 2는 본 발명의 제조방법에 이용되는 탄산세륨수화물의 입자 사진이다.
도 3은 본 발명의 제조방법에서 반응분쇄후 건조된 산화세륨분말의 입자 사진이다.
도 4는 본 발명의 제조방법에서 열처리된 산화세륨분말의 입자 사진이다.
도 5는 본 발명의 제조방법에서 비즈밀을 통해 분쇄된 산화세륨분말의 입자 사진이다.

Claims (8)

  1. 탄산세륨에 산화제를 교반하여 100℃ 이하에서 산화반응시킴으로써 산화세륨을 생성하고, 상기 산화세륨을 건조하는 것을 특징으로 하는 산화세륨분말의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 산화제는 K, Na, NH4를 함유한 염기인 것을 특징으로 하는 산화세륨분말의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 산화제는 염기용액이고, 상기 염기용액의 염기농도는 1~55wt%인 것을 특징으로 하는 산화세륨분말의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 산화제와 탄산세륨을 교반한 후에 일정시간동안 숙성시키는 것을 특징으로 하는 산화세륨분말의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 산화세륨을 건조하기 전에 세정하는 것을 특징으로 하는 산화세륨분말 의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 건조된 산화세륨분말을 열처리한 후에 기계적으로 분쇄하는 것을 특징으로 하는 산화세륨분말의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 분쇄과정 중에 분산제 및 증류수를 혼합하면서 분쇄하는 것을 특징으로 하는 산화세륨분말의 제조방법.
  8. 탄산세륨이 산화제와 교반되어 산화반응됨에 따라 산화세륨이 생성되고, 상기 산화세륨이 세정된 후에 건조됨으로써 생성되는 것을 특징으로 하는 산화세륨분말.
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