KR101104627B1 - Barium titanate nano powder and method for fabricating the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 나노크기를 갖는 티탄산바륨 입자 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 혼합비즈를 사용하여 균일분쇄와 분산효과를 동시에 얻을 수 있도록 하고, BaCO3 출발원료를 나노 분쇄한 후 나노크기의 TiO2와 혼합하는 방법을 사용하되, 1차 0.65mm, 1mm 혼합비즈와 1600rpm의 저속으로 고에너지밀에 의하여 분산을 행하고, 직렬로 연결된 0.1mm, 0.3mm 나노분쇄분산용 고에너지밀에 장입하여 분쇄 및 분산이 동시에 수행될 수 있도록 하는 발명에 관한 것이다.

아울러, 본 발명은 TiO2 출발원료를 사용하는 경우 루틸(58.2%) + 아나타제(41.8%)로 혼합된 것을 사용하여, 원활한 확산경로를 얻을 수 있도록 하고, 루틸 상의 높은 결정화도를 동시에 이용할 수 있도록 하여, 다른 출발원료를 즉 루틸이나 아나타제 단일상을 사용하는 것에 비하여 높은 반응성과 정방정비(c/a)를 얻을 수 있도록 하는 발명에 관한 것이다.

Figure R1020090051863

The present invention, by using the mixed beads and to obtain a uniform pulverization and dispersion effects at the same time, BaCO 3 nanosized after starting nano-milling the raw materials TiO 2 and about the barium titanate particles and a process for producing with a nanoscale Mixing method is used, but it is dispersed by high energy mill at the first 0.65mm, 1mm mixing beads and 1600rpm at low speed, and charged into a high-energy mill for 0.1mm and 0.3mm nano grinding dispersion connected in series to grind and disperse. It relates to an invention that can be performed at the same time.

In addition, the present invention uses a mixture of rutile (58.2%) + anatase (41.8%) when using a TiO 2 starting material, so that a smooth diffusion path can be obtained and high crystallinity of rutile phase can be used simultaneously The present invention relates to a method for obtaining high reactivity and tetragonality (c / a) compared to using other starting materials, ie, rutile or anatase single phase.

Figure R1020090051863

Description

나노크기를 갖는 티탄산바륨 입자 및 그의 제조 방법{BARIUM TITANATE NANO POWDER AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}BARUM TITANATE NANO POWDER AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME

본 발명은 나노 크기를 가지는 BaTiO3를 비용이 저렴하고, 공정이 용이한 고상반응법을 이용하여 형성하는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a technique for forming BaTiO 3 having a nano size by using a solid phase reaction method of low cost and easy processing.

티탄산바륨(BaTiO3)은 우수한 유전특성으로 인하여 산업적으로 가장 널리 사용되는 세라믹재료 중에 하나이다. 현재 티탄산바륨(BaTiO3)은 캐패시터 시장 중에 80 ~ 90%를 차지하고 있다. 전자부품의 소형화에 따라 대부분의 세라믹유전체는 적층세라믹콘덴서(Multi-Layer Ceramic Capacitor; 이하 MLCC)로 불리 우는 적층구조로 제작되며, 이러한 구조는 1947년 Howatt 등에 의해 개발된 후막제조기술인 테이프 캐스팅(Tape casting)방법에 의하여 제조되어왔다. 일반적으로 MLCC를 가장 많이 사용하는 전자기기로는 휴대폰이 250개, 노트북이 400여개 그리고 자동차분야가 1000개 이상 사용하고 있는 것으로 알려져 있다. MLCC는 유전체와 내부전극이 병렬로 연결된 구조를 가지고 있다.Barium titanate (BaTiO 3 ) is one of the most widely used ceramic materials in the industry due to its excellent dielectric properties. Currently, barium titanate (BaTiO 3 ) accounts for 80 to 90% of the capacitor market. According to the miniaturization of electronic components, most ceramic dielectrics are manufactured in a laminated structure called a multilayer ceramic capacitor (MLCC), and this structure is tape casting, a thick film manufacturing technology developed by Howatt et al. In 1947. casting method). In general, it is known that MLCC is the most widely used electronic device with 250 cell phones, 400 notebooks, and 1000 vehicles. The MLCC has a structure in which a dielectric and an internal electrode are connected in parallel.

도 1a 내지 도 1c는 종래 기술에 따른 적층세라믹콘덴서를 나타낸 단면도 및 개략도들이다.1A to 1C are cross-sectional views and schematic views illustrating a multilayer ceramic capacitor according to the related art.

도 1a는 적층세라믹콘덴서의 단면을 도시한 것으로, 유전막(10)이 번갈아 가면서 양 전극(40)에 각각 연결되도록 교번하여 적층되고, 그 사이의 영역에 절연 유전체층(20)이 형성된다. 그리고, 유전체층(20)의 외각은 케이스(30)와 전극(40)으로 감싸게 된다.FIG. 1A illustrates a cross-sectional view of a laminated ceramic capacitor, in which dielectric layers 10 are alternately stacked so as to be connected to both electrodes 40 alternately, and an insulating dielectric layer 20 is formed in a region therebetween. The outer surface of the dielectric layer 20 is surrounded by the case 30 and the electrode 40.

도 1b는 적층세라믹콘덴서의 외관 및 내부 구조를 사실적으로 묘사한 것으로, 유전막(10)과 유전체층(20), 그리고 케이스(30)와 전극(40)이 유기적으로 결합된 형태를 볼 수 있다.FIG. 1B realistically depicts the external appearance and internal structure of the multilayer ceramic capacitor. The dielectric film 10, the dielectric layer 20, and the case 30 and the electrode 40 may be organically coupled.

도 1c는 현재 사용되고 있는 적층세라믹콘덴서의 다양한 종류를 나타낸 사진으로, 일반 가전제품에 실제 적용되는 0603(1.6㎜ × 0.8㎜), 이동통신용으로 사용되는 0402(1.0㎜ × 0.5㎜) 및 0201(0.4㎜ × 0.2㎜)를 나타낸 것이다.FIG. 1C is a photograph showing various types of multilayer ceramic capacitors currently used. 0603 (1.6 mm × 0.8 mm) and 0402 (1.0 mm × 0.5 mm) and 0201 (0.4) which are actually used in general home appliances. Mm x 0.2 mm).

상기와 같은 MLCC는 1955년까지 대부분 값비싼 Pd나 Pd-Ag와 같은 내부전극을 사용하여 제작되었다. 그러나 최근 들어 Pd 값의 변동이 심하게 발생하여 부품 제작에 어려움이 있다.Such MLCCs were manufactured using internal electrodes such as Pd or Pd-Ag, which are mostly expensive until 1955. However, in recent years, the Pd value fluctuates severely, making it difficult to manufacture parts.

도 2는 Pd 전극과 다른 귀금속들의 가격 추이를 나타낸 그래프이다.2 is a graph showing the price trend of Pd electrodes and other precious metals.

도 2를 참조하면, 1990년 Pd값이 큰 폭으로 상승하였다. 따라서, Ni이나 Cu와 같은 값싼 전극(Base-Metal Electrode; 이하 BME)을 사용하려는 연구가 가속되 었다. Referring to FIG. 2, in 1990, the Pd value increased significantly. Therefore, research to use cheaper electrodes (Base-Metal Electrodes (BME)) such as Ni and Cu has accelerated.

Ni을 내부전극으로 사용할 경우 귀금속을 사용하는 것에 비하여 MLCC의 가격을 50 ~ 80%까지 낮출 수 있다. 그러나 BME를 사용할 경우 내부전극이 공기분위기에서는 완전히 산화되어 전극 역할을 수행할 수 없으므로, MLCC를 환원분위기에서 소결하여야 하는 문제점이 있으며, 이 경우 유전체가 환원되어 MLCC의 규격을 만족시킬 수 없는 이중적인 문제점을 가지고 있으며, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 내환원성을 확보하기위한 수많은 첨가제에 관련된 연구가 수행되어왔으며 그 일예를 살펴보면 다음과 같다.When Ni is used as the internal electrode, the MLCC price can be reduced by 50 to 80% compared to the use of precious metals. However, when BME is used, the internal electrode is completely oxidized in an air atmosphere and thus cannot serve as an electrode. Therefore, MLCC must be sintered in a reducing atmosphere. In this case, a dielectric problem is reduced and a dual problem in which the MLCC specification cannot be satisfied. In order to solve these problems, researches related to numerous additives for securing reduction resistance have been carried out.

MLCC의 정전용량은 다음 [수학식 1]에 의하여 표현 된다.The capacitance of the MLCC is expressed by Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112009035347566-pat00001
Figure 112009035347566-pat00001

여기서, εo 는 진공 중에서의 유전율, εr 은 유전재료의 비유전율, N은 층수, A는 전극의 면적, d는 유전체 두께를 나타낸다. 단위부피당의 정전용량 값을 증가시키기 위해서는 유전체의 유전율을 높이는 방법과 유전체 각 층의 두께를 감소시키는 방법을 집중적으로 연구하고 있다. 여러 가지 유망한 재료들 중에 대부분의 재료에 비하여 높은 유전율을 갖는 티탄산바륨(BaTiO3)은 수천의 유전상수 값을 갖으며, 부피당 유전율 효율이 최대화 되어있는 재료이다. 따라서 현재 대부분의 MLCC들은 BaTiO3 원료를 기반으로 하여 생산되고 있으며, 전기적 · 열적 · 기계적 특성을 제어하기 위한 작은 양의 첨가제를 첨가하여 생산되고 있다. 하기 [표 1]에 EIA규격을 만족하는 여러 가지 MLCC제품의 특성을 나타내고 있으며, 각각의 제품에 포함된 BaTiO3의 양과 유전율 및 온도특성들을 표기하였다. Where εo is the dielectric constant in vacuum, εr is the dielectric constant of the dielectric material, N is the number of layers, A is the electrode area, and d is the dielectric thickness. In order to increase the capacitance value per unit volume, researches on increasing the dielectric constant of the dielectric material and reducing the thickness of each dielectric layer are intensively studied. Among other promising materials, barium titanate (BaTiO 3 ), which has a higher dielectric constant than most materials, has a dielectric constant value of several thousand and a dielectric constant efficiency per volume is maximized. Therefore, most MLCCs are produced based on BaTiO 3 raw materials, and are produced by adding small amounts of additives to control electrical, thermal and mechanical properties. Table 1 shows the characteristics of various MLCC products satisfying the EIA standard, and the amounts, dielectric constants, and temperature characteristics of BaTiO 3 included in each product are described.

[표 1] EIA규격을 만족하는 여러 가지 MLCC제품의 특성[Table 1] Characteristics of various MLCC products satisfying EIA standard

Figure 112009035347566-pat00002
Figure 112009035347566-pat00002

현재 최대의 부피당유전효율을 갖는 MLCC제품은 유전체층의 두께가 1㎛이며 수백 층으로 구성되어 있으며, Ta계열의 콘덴서나 전해콘덴서를 대체하기 위하여 향후 더욱 층 두께가 감소할 것으로 예상된다. EIA규격에 따라 가장 널리 사용되는 MLCC 크기는 일반 가전제품의 경우 0603(1.6㎜ × 0.8㎜)이며, 이동통신용으로는 0402(1.0㎜ × 0.5㎜) 과 0201(0.4㎜ × 0.2㎜)크기의 것이 실제 사용되고 있다. Currently, MLCC products with the maximum dielectric efficiency per volume are composed of hundreds of layers with a dielectric layer of 1 μm in thickness, and are expected to decrease further in the future to replace Ta-based capacitors or electrolytic capacitors. The most widely used MLCC size according to EIA standard is 0603 (1.6mm × 0.8mm) for general home appliances, and 0402 (1.0mm × 0.5mm) and 0201 (0.4mm × 0.2mm) size for mobile communication. It is actually used.

일반적으로 MLCC의 신뢰성을 확보하기 위해서는 하나의 유전체층에 최소 5개 의 그래인(grain)이 두께에 대한 수직방향으로 정렬되어야 하는 것으로 알려져 있다. 따라서, BaTiO3 의 원료는 엄격한 규격을 갖는 유전체층의 두께보다 더욱 미세한 크기를 가져야만 산업적으로 이용될 수 있다. In general, to ensure the reliability of MLCC, it is known that at least five grains should be aligned in a direction perpendicular to the thickness of one dielectric layer. Therefore, the raw material of BaTiO 3 can be used industrially only if it has a finer size than the thickness of the dielectric layer having strict specifications.

그러나, 고유전율의 기원이 되는 정방정비(tetragonality = c/a)는 BaTiO3(BT) 입자크기가 감소할수록 소멸되어지며, 임계크기에서는 완전히 사라지게 된다고 알려져 있다. 아울러, MLCC 제조공정이 원료공정, 슬립(slip)의 거동제어, 테이프 캐스팅(Tape Casting), 환원분위기하에서의 소결거동 등을 포함하는 여러 가지의 서로 다른 기술들을 통해서도 고유전율을 구현해야 하는 복잡성을 가지고 있으나, 기본적으로는 고품질의 나노크기를 갖으며, 정방정비가 높고, 구형의 균일한 입도분포를 갖는 BaTiO3 입자를 얻는 것이 가장 필수적인 선결조건이다. However, tetragonality, which is the origin of high dielectric constant (tetragonality = c / a), is known to disappear as the particle size of BaTiO 3 (BT) decreases and disappears completely at the critical size. In addition, the MLCC manufacturing process has the complexity of implementing a high dielectric constant through a variety of different technologies including raw material processing, slip behavior control, tape casting, and sintering behavior under reduced atmosphere. However, it is basically necessary to obtain BaTiO 3 particles having high quality nano size, high tetragonal ratio, and spherical uniform particle size distribution.

현재까지 나노급 원료로 사용되고 있는 BaTiO3는 손쉬운 분산을 위하여 구형의 형태가 요구되며, 고밀도를 갖는 저온소결특성, 고유전율, 낮은 손실계수, 랏(lot)변화에 따른 제품의 안정성들이 요구된다. 이를 위한 제조하는 방법으로 알려진 대표적인 기술을 소개하면 다음과 같다. BaTiO 3, which has been used as a nano raw material until now, requires a spherical shape for easy dispersion, low temperature sintering characteristics with high density, high dielectric constant, low loss coefficient, and stability of a product due to lot change. Representative techniques known as a manufacturing method for this is as follows.

1) 고상반응법1) Solid State Reaction Method

2) 공침법(Citrates, Oxalates)2) Citrates, Oxalates

3) 수열합성3) hydrothermal synthesis

4) 솔보써멀(solvothermal)4) solvothermal

5) 알콕사이드 가수분해(alkoxide hydrolysis)5) alkoxide hydrolysis

6) 카테콜레이트 프로세스(catecholate process)6) catecholate process

7) 유기금속 프로세스(metal-organic process)7) metal-organic process

등이며, 수열법과 고상반응법이 MLCC산업에 가장 널리 사용되고 있다.Hydrothermal and solid phase reaction methods are most widely used in the MLCC industry.

그 중에서 액상반응으로 알려진 수열법은 구형에 가까우며, 입도분포가 좁아 입도차이가 크지 않은 미세입자의 형태를 지니고 있다. 이러한 특징을 갖는 수열합성법은 고온고압에서 오토클래이브(autoclave)내에 불용성 염의 액상 서스펜션(suspension, 첨가제)을 넣고 가열하는 기술이다. 따라서 결정화도가 높다. 아울러, 수열합성반응의 장점은 반응을 위한 에너지가 적게 들며, 오염도가 낮고, 장비가 간단하며, 석출반응 속도가 높다는 것이 있다.Among them, the hydrothermal method known as liquid phase reaction is close to a spherical shape, and has a narrow particle size distribution and has a form of fine particles having a small particle size difference. The hydrothermal synthesis method having this feature is a technique of heating a liquid suspension of an insoluble salt (additive) in an autoclave at high temperature and high pressure. Therefore, the crystallinity is high. In addition, the advantages of hydrothermal reactions are low energy, low pollution, simple equipment, and high precipitation reaction rate.

통상 수열합성법에 의하여 제조된 입자크기는 200nm로 박막층(thin layer) 제조에 적합하다. Usually, the particle size prepared by the hydrothermal synthesis method is suitable for thin layer production at 200 nm.

그러나, 수열합성법은 상기와 같은 장점에도 불구하고 단점도 갖고 있는데, 높은 수압으로 인하여 양자(proton)와 수산화이온(hydroxyl ion)이 수열반응 중에 BaTiO3 결정격자 내에 끼어들어 단위격자의 크기를 증가시키며, 따라서 입자의 밀도를 낮추게 되는 단점이 있다. 더욱이 MLCC 소결 공정 중 마지막 단계에서 격자 내에 침투한 이들 결함은 방출로 인한 부풀어 오르는 현상을 유발시키고 있다. However, hydrothermal synthesis has disadvantages in spite of the above advantages. Due to the high water pressure, protons and hydroxide ions are intercalated in BaTiO 3 crystal lattice during hydrothermal reaction, increasing the unit lattice size. Therefore, there is a disadvantage in that the density of the particles is lowered. Moreover, these defects penetrating into the lattice at the end of the MLCC sintering process are causing swelling due to emissions.

반면에, 상기와 같은 현상은 고상반응법에 의하여 제조된 원료의 경우 발생하지 않을 수 있다. 고상반응법은 가장 전통적인 BaTiO3 합성방법으로 통상적으로 TiO2분말과 BaCO3분말을 출발원료로 하여 혼합한 후 1100 ~ 1400℃에서 하소, 분쇄과정을 거쳐 제조되고 있다. On the other hand, the above phenomenon may not occur in the case of the raw material manufactured by the solid phase reaction method. Solid phase reaction method is the most traditional BaTiO 3 synthesis method is usually prepared by mixing the TiO 2 powder and BaCO 3 powder as a starting material, and then calcined at 1100 ~ 1400 ℃, milling process.

그러나, 종래의 고상반응법에 의하여 제조된 원료는 응집체와 화학적 불균일성의 문제와 고온에서 열처리됨에 따라 조대입자가 존재하는 문제점을 가지고 있다. 따라서, 고상반응법은 나노크기를 가지는 BaTiO3 분말 제조에 적합하지 못한 문제가 있다.However, the raw materials produced by the conventional solid-phase reaction method has a problem of coarse particles and chemical non-uniformity and coarse particles exist as heat treated at a high temperature. Therefore, the solid phase reaction method is not suitable for the production of BaTiO 3 powder having a nano-size.

본 발명은 고상반응법을 이용하되, 고에너지밀을 사용하고, 혼합비즈를 사용하여 균일분쇄와 분산효과를 동시에 얻을 수 있도록 하고, 분쇄 시간 및 온도를 조절함으로써, 상합성도가 우수하고, 100nm급의 균일한 평균입도를 가지며, 높은 정방정성을 갖는 BaTiO3 를 제조하는 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.The present invention uses a solid-phase reaction method, using a high energy mill, to achieve a uniform grinding and dispersing effect at the same time by using a mixed beads, by controlling the grinding time and temperature, excellent phase compatibility, 100nm It is an object of the present invention to provide a method for producing BaTiO 3 having a uniform uniform average particle size and high tetragonality.

본 발명에 따른 BaTiO3 분말 제조 방법은 BaCO3를 고에너지밀에 장입시킨 후, 입경이 서로 다른 두 종류의 혼합비즈를 사용하여 분쇄시키는 단계 및 TiO2를 분쇄된 상기 BaCO3에 혼합한 후 850 ~ 950℃의 온도에서 1시간 30분 ~ 2시간 동안 1차 하소한 후 950 ~ 1100℃의 온도에서 30분 ~ 1시간 동안 2차하소하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.BaTiO 3 powder manufacturing method according to the present invention is charged with BaCO 3 in a high energy mill, and then pulverized using two kinds of mixed beads having different particle diameters and after mixing TiO 2 to the pulverized BaCO 3 850 After the first calcination for 1 hour 30 minutes to 2 hours at a temperature of ~ 950 ℃ characterized in that it comprises a second calcination for 30 minutes to 1 hour at a temperature of 950 ~ 1100 ℃.

여기서, 상기 혼합비즈는 0.02 ~ 0.1mm의 입경을 갖는 비즈 및 0.3mm의 입경을 갖는 비즈를 사용하며, 상기 각 비즈들의 부피비로 1:1이 되도록 혼합되는 것을 특징으로 하고, 상기 고에너지밀은 3000 ~ 4200rpm의 회전속도를 갖는 것을 특징으로 하고, 상기 BaCO3를 분쇄시키는 단계는 90 ~ 120분 동안 수행하는 것을 특징으로 하고, 상기 TiO2를 분쇄된 상기 BaCO3에 혼합하는 단계는 상기 TiO2 및 분쇄된 상 기 BaCO3를 0.65mm 및 1mm의 혼합비즈를 포함하고 1500 ~ 1600rpm으로 회전하는 제 1 고에너지밀에 장입시킨 후 분산을 수행하는 단계 및 상기 분산이 수행된 분말을 상기 제 1 고에너지밀과 직렬 연결되면서, 0.02 ~ 0.1mm의 입경 및 0.3mm의 입경을 갖는 혼합비즈를 포함하고 3000 ~ 4200rpm으로 회전하는 제 2 고에너지밀에 장입시킨 후 분쇄분산을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 제 1 고에너지밀 및 상기 제 2 고에너지밀에 포함되는 혼합비즈는 각각 부피비로 1:1의 비율로 혼합되는 것을 특징으로 하고, 상기 제 2 고에너지밀에 포함되는 상기 혼합비즈는 3종류 이상의 입경을 갖는 비즈들을 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 TiO2는 루틸 55 ~ 60 중량% 및 아나타제 40 ~ 45 중량%로 미리 혼합된 물질을 사용하는 것을 특징으로 하고, 상기 TiO2를 분쇄된 상기 BaCO3에 혼합하는 몰비는 BaCO3:TiO2 = 1.003 ~ 1.007 : 1이 되도록 혼합하는 것을 특징으로 한다.Here, the mixed beads are beads having a particle size of 0.02 ~ 0.1mm and beads having a particle size of 0.3mm, characterized in that the mixing is so as to be 1: 1 in the volume ratio of each of the beads, the high energy mill Characterized in that the rotational speed of 3000 ~ 4200rpm, the step of grinding the BaCO 3 is carried out for 90 to 120 minutes, the step of mixing the TiO 2 to the pulverized BaCO 3 is the TiO 2 And loading the pulverized BaCO 3 into a first high energy mill including a mixed bead of 0.65 mm and 1 mm and rotating at 1500 to 1600 rpm, and then performing dispersion, and dispersing the powder on which the dispersion was performed. Further comprising the step of loading into a second high energy mill rotating at 3000 to 4200 rpm, including mixing beads having a particle diameter of 0.02 to 0.1 mm and a particle diameter of 0.3 mm while being connected in series with the energy mill, to perform pulverization dispersion. Characterized in that, the mixing beads contained in the first high energy mill and the second high energy mill are characterized in that each of the volume ratio is mixed in a ratio of 1: 1, the second high energy mill Mixing beads are characterized in that it comprises beads having a particle size of at least three, the TiO 2 is characterized in that using a material pre-mixed with 55 to 60% by weight rutile and 40 to 45% by weight of anatase, the TiO The molar ratio of mixing 2 to the pulverized BaCO 3 is characterized by mixing so that BaCO 3 : TiO 2 = 1.003 ~ 1.007: 1.

아울러, 본 발명에 따른 BaTiO3 분말은 상술한 고상반응법으로 제조되어 100nm 이하의 균질한 입경을 가지도록 분쇄 및 분산되는 것을 특징으로 한다.In addition, BaTiO 3 powder according to the present invention is characterized in that it is prepared by the solid-phase reaction method described above is pulverized and dispersed to have a homogeneous particle size of 100nm or less.

본 발명은 혼합비즈를 사용하여 균일분쇄와 분산효과를 동시에 얻을 수 있도록 하고, 직렬로 연결되는 나노분쇄분산용 고에너지밀에 장입하여 분쇄 및 분산이 동시에 수행될 수 있도록 하는 효과를 제공한다.The present invention allows to obtain a uniform grinding and dispersing effect at the same time by using a mixed beads, and provides an effect to be loaded into a high energy mill for dispersing nano-dispersion connected in series so that the grinding and dispersion can be performed simultaneously.

아울러, 본 발명은 TiO2 출발원료를 사용하는 경우 루틸(58.2%) + 아나타제(41.8%)로 혼합된 것을 사용함으로써, 원활한 확산경로를 얻을 수 있도록 하고, 루틸 상의 높은 결정화도를 동시에 이용할 수 있도록 하여, 다른 출발원료를 즉 루틸이나 아나타제 단일상을 사용하는 것에 비하여 높은 반응성과 정방정비(c/a)를 얻을 수 있는 효과를 제공한다.In addition, the present invention uses a mixture of rutile (58.2%) + anatase (41.8%) when using a TiO 2 starting material, so that a smooth diffusion path can be obtained and high crystallinity of rutile phase can be used simultaneously Compared to the use of other starting materials, ie, rutile or anatase single phase, it provides high reactivity and tetragonality (c / a).

본 발명은 나노 크기를 가지는 BaTiO3를 비용이 저렴하고, 공정이 용이한 고상반응법을 이용하여 형성하되, 육방정방정(cubic-tetragonal) 상전이에 대한 임계 입자크기를 얻을 수 있도록 하고, 200nm급 이하의 나노 크기를 가지는 BaCO3 또는 TiO3 와 같은 원료의 특성을 체계적으로 조사하여, 고용량에 적합한 BaTiO3 원료를 경제적인 방법을 통하여 제조할 수 있도록 한다.In the present invention, BaTiO 3 having a nano size is formed by using a low-cost, easy-to-process solid-phase reaction method, so as to obtain a critical particle size for cubic-tetragonal phase transition, and 200nm class By systematically examining the properties of raw materials such as BaCO 3 or TiO 3 having the following nano-size, it is possible to manufacture BaTiO 3 raw materials suitable for high capacity through an economical method.

이하에서는 상술한 본 발명의 기술에 근거하여 나노크기를 갖는 티탄산바륨 입자 및 그의 제조 방법에 대해 상세히 설명하는 것으로 한다.Hereinafter, the barium titanate particles having a nano size and a method of manufacturing the same will be described in detail based on the technology of the present invention described above.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분 야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. Advantages and features of the present invention and methods for achieving them will be apparent with reference to the embodiments described below in detail. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various forms, and only the embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention, and are common in the art. It is provided to fully inform those skilled in the art of the scope of the invention, which is to be defined only by the scope of the claims.

도 3은 본 발명에 따른 BaTiO3 제조를 위한 고에너지밀을 도시한 개략도이다.Figure 3 is a schematic diagram showing a high energy mill for producing BaTiO 3 according to the present invention.

도 3에는 고에너지의 분쇄에 의하여 발생하는 기계-화학적 활성화과정을 이용하는 고에너지밀이 도시된다. 고에너지밀은 원료를 혼합하는 믹싱탱크(100)가 있고, 믹싱탱크(100)의 일측에는 분쇄기 실린더(120)와 연결되는 순환 관을 포함한다. 그리고, 분쇄기 실린더(120)는 제어장치(110)에 의해 정확하게 통제될 수 있도록 한다.3 shows a high energy mill using a mechanical-chemical activation process caused by high energy milling. The high energy mill has a mixing tank 100 for mixing the raw materials, and one side of the mixing tank 100 includes a circulation tube connected to the grinder cylinder 120. And, the grinder cylinder 120 is to be accurately controlled by the control device 110.

이와 같이, 본 발명에 따른 고에너지밀을 이용한 고상반응법은 미세 출발물질의 활성화 및 고상반응을 촉진시켜 반응온도를 낮추고 따라서 최종 합성원료의 입자크기를 감소시킨다. As such, the solid phase reaction method using the high energy mill according to the present invention promotes the activation of the fine starting material and the solid phase reaction to lower the reaction temperature and thus to reduce the particle size of the final synthetic material.

도 4는 본 발명에 따른 BaTiO3 제조를 위한 고에너지밀의 분쇄기 실린더 내부를 도시한 단면도이다.Figure 4 is a cross-sectional view showing the inside of the high energy mill mill cylinder for producing BaTiO 3 according to the present invention.

본 발명에 따른 고에너지밀은 분쇄기 실린더(120)의 연속공정에 의해 나노크기를 갖는 분말을 형성한다. 이를위하여 도 4의 분쇄기 실린더(120)는 수천 rpm의 고속회전이 가능하고 디스크 형태로 형성되는 로터(rotor, 200)와 그 외부를 보호 하는 형태로 구비되는 냉각 시스템(230)을 포함하고 있다. High energy mill according to the present invention forms a powder having a nano size by a continuous process of the mill cylinder (120). To this end, the grinder cylinder 120 of FIG. 4 includes a rotor 200 capable of rotating at a high speed of several thousand rpm and having a disk shape, and a cooling system 230 provided to protect the outside thereof.

주입구(210)에 출발원료 및 최종합성원료를 넣고 0.02 ~ 1.0mm 직경의 비즈(220)를 혼합한 후 로터(200)를 회전시켜 나노크기 입자로 분쇄 및 분산시키고, 세퍼레이터(240, 250)을 통하여 연속적으로 배출되도록 한다. 이때, 일반적인 볼밀법이나 아트리션 밀은 불연속적인 공정이며 원하는 입자크기로 분쇄하기 위하여 공정시간이 증가하는데, 본 발명에서는 고에너지밀을 이용함으로써, 효율적으로 나노입자크기를 가지는 분말을 형성할 수 있다. Insert the starting material and the final synthetic material into the inlet 210 and mix the beads 220 having a diameter of 0.02 ~ 1.0mm and then rotate the rotor 200 to pulverize and disperse into nano-sized particles, the separator (240, 250) To be discharged continuously. At this time, the general ball mill method or attrition mill is a discontinuous process and the processing time is increased to grind to the desired particle size. In the present invention, by using a high energy mill, it is possible to efficiently form a powder having a nano particle size. .

도 5a는 본 발명에 따른 BaTiO3 제조를 위한 BaCO3 출발원료를 나타낸 SEM사진이고, 도 5b는 본 발명에 따른 BaTiO3 제조를 위한 TiO2 아타나제를 나타낸 SEM사진이다.FIG. 5A is a SEM photograph showing BaCO 3 starting material for producing BaTiO 3 according to the present invention, and FIG. 5B is a SEM photograph showing TiO 2 atanase for producing BaTiO 3 according to the present invention.

도 5a를 참조하면, 본 발명에서 사용하는 출발원료로 사용되는 BaCO3원료의 형상과 크기를 나타내었다. BaCO3는 하기 도 5b에서와 같이 구형의 입자형상을 갖는 TiO2과 달리 막대(needle) 형태를 가지고 있으므로, 고에너지밀를 이용하여 혼합전 분쇄하여 입자크기를 감소시키는 것이 바람직하다. 입자크기를 감소시킴으로써, TiO2와의 접촉면적을 증가시키고자 하였으며, 이에 따라 확산경로를 균질하게 하여 균질입성장이 발생 하도록 할 수 있다. Referring to Figure 5a, it shows the shape and size of BaCO 3 raw material used as a starting material used in the present invention. Since BaCO 3 has a needle shape unlike TiO 2 having a spherical particle shape as shown in FIG. 5B, it is preferable to reduce the particle size by pulverizing before mixing using a high energy mill. By reducing the particle size, it was intended to increase the contact area with TiO 2 , thereby making the diffusion path homogeneous and allowing the homogeneous grain growth to occur.

이때, BaCO3의 적정분쇄조건을 구하기 위하여 고에너지밀에 사용되는 비즈 사이즈(Beads size) 및 로터의 회전 속도를 하기와 같이 변화시키면서, 시간별로 분말의 입자변화와 입경을 관찰하였다.At this time, while changing the beads size (Beads size) used in the high energy mill and the rotational speed of the rotor in order to obtain the appropriate grinding conditions of BaCO 3 as follows, the particle change and particle diameter of the powder was observed.

도 6a 내지 도 6f는 본 발명에 따른 고에너지밀을 사용하는 경우 0.65mm 비즈 사용시 분쇄 시간에 따른 BaCO3의 입자형상 및 입경변화를 나타낸 사진들이다.6a to 6f are photographs showing the particle shape and particle size change of BaCO 3 with the grinding time when using 0.65mm beads when using the high energy mill according to the present invention.

도 6a 는 분쇄전의 모습이고, 도 6b는 40분, 도 6c는 60분, 도 6d는 80분, 도 6e는 100분, 도 6f는 120분 분쇄한 것으로, 80 ~ 120nm의 크기를 갖는 구형 입자로 분쇄되려면 최소 120분은 경과해야 함을 알 수 있다. 그러나 여기서, 분쇄시간은 원료의 양 또는 고에너지밀의 용량에 따라서 변경될 수 있으므로, 본 발명이 상기 시간 범위에 의해 제한되는 것은 아니다. Figure 6a is a state before grinding, Figure 6b is 40 minutes, Figure 6c is 60 minutes, Figure 6d is 80 minutes, Figure 6e is 100 minutes, Figure 6f is a 120 minutes pulverized, spherical particles having a size of 80 ~ 120nm It can be seen that at least 120 minutes must elapse before the mill can be crushed. However, here, the grinding time can be changed depending on the amount of raw materials or the capacity of the high energy mill, the present invention is not limited by the time range.

도 7a 내지 도 7f는 본 발명에 따른 고에너지밀을 사용하는 경우 0.2mm 비즈 사용시 분쇄 시간에 따른 BaCO3의 입자형상 및 입경변화를 나타낸 사진들이다.7a to 7f are photographs showing the particle shape and particle size change of BaCO 3 according to the grinding time when using 0.2mm beads when using the high energy mill according to the present invention.

도 7a 는 분쇄전의 모습이고, 도 7b는 40분, 도 7c는 60분, 도 7d는 80분, 도 7e는 100분, 도 7f는 120분 분쇄한 것으로, 50 ~ 100nm의 크기를 갖는 구형 입자로 분쇄되는 120분을 비교하였을 때, 상기 도 6a 내지 도 6f의 경우 보다 동일 시간 대비 더 미세해지는 분쇄 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.Figure 7a is a state before crushing, Figure 7b is 40 minutes, Figure 7c is 60 minutes, Figure 7d is 80 minutes, Figure 7e is 100 minutes, Figure 7f is a pulverized 120 minutes, spherical particles having a size of 50 ~ 100nm When comparing the 120 minutes to be crushed, it can be seen that the finer crushing effect can be obtained compared to the same time than in the case of FIGS. 6A to 6F.

한편, 고에너지밀의 회전수에 따라서도 분쇄효율이 달라질 수 있으며, 이하에서는 동일 비즈(0.2mm)에 대한 분쇄효율을 측정하기 위하여 로터의 속도를 3000, 4200rpm으로 변화시켜 분쇄 시간에 따른 입자크기의 감소를 측정하였다.On the other hand, the grinding efficiency may also vary depending on the number of revolutions of the high energy mill, and in order to measure the grinding efficiency for the same beads (0.2 mm), the rotor speed is changed to 3000 and 4200 rpm to determine the particle size according to the grinding time. The reduction was measured.

도 8a 내지 도 8c는 본 발명에 따른 고에너지밀을 사용하는 경우 0.2mm 비즈를 사용하고, 로터의 속도를 3000rpm으로 할 때 분쇄 시간에 따른 BaCO3의 입자형상 변화를 나타낸 사진들이다.8A to 8C are photographs showing the change in particle shape of BaCO 3 according to the grinding time when 0.2 mm beads are used and the rotor speed is 3000 rpm when the high energy mill according to the present invention is used.

도 8a는 3000rpm의 속도로 30분간 분쇄한 것이고, 도 8b는 60분, 도 8c는 90분간 분쇄한 것이다.FIG. 8A is a 30 minute pulverization at a speed of 3000 rpm, FIG. 8B is a 60 minute pulverization, and FIG. 8C is a 90 minute pulverization.

도 9a 내지 도 9c는 본 발명에 따른 고에너지밀을 사용하는 경우 0.2mm 비즈를 사용하고, 로터의 속도를 4200rpm으로 할 때 분쇄 시간에 따른 BaCO3의 입자형상 변화를 나타낸 사진들로, 시간 조건은 상기 도 8a 내지 도 8c의 경우와 동일하게 하였다.9A to 9C are photographs showing the change in particle shape of BaCO 3 according to the grinding time when 0.2 mm beads are used and the rotor speed is 4200 rpm when the high energy mill according to the present invention is used. Is the same as the case of FIGS. 8A to 8C.

도 8c와 도 9c를 비교하면, 3000rpm의 경우 동일 시간대에서 100nm정도의 구형입지가 형성되는 반면, 4200rpm의 경우 50nm정도의 구형입자로 분쇄효율이 증가하는 것을 알 수 있다. 즉, 동일 비즈 사용시 로터의 회전 속도가 증가할 수 록 원료에 가해지는 에너지가 증가하여 분쇄효율이 증가하였다.Comparing FIG. 8C and FIG. 9C, it can be seen that in the case of 3000 rpm, spherical sites of about 100 nm are formed in the same time zone, while in the case of 4200 rpm, the grinding efficiency is increased to spherical particles of about 50 nm. That is, as the rotor speed increases when the same beads are used, the energy applied to the raw materials increases and the grinding efficiency increases.

한편, BaCO3와 TiO2를 초순수를 이용하여 습식으로 혼합할 경우 BaCO3가 물에 녹아 BaTiO3로 합성된다. 이때, Ba/Ti 몰비가 1:1에서 벗어나는 경우가 발생한다. 따라서 BaTiO3합성시 BaCO3의 양을 추가로 넣어 합성하여 합성후 Ba/Ti몰비가 가능한 1:1이 되도록 하여야한다. On the other hand, when BaCO 3 and TiO 2 are mixed wet using ultrapure water, BaCO 3 is dissolved in water and synthesized as BaTiO 3 . At this time, the Ba / Ti molar ratio is out of 1: 1 occurs. Therefore, when BaTiO 3 is synthesized, the amount of BaCO 3 must be added to synthesize the Ba / Ti molar ratio as 1: 1 as possible.

본 발명에서 BaTiO3합성을 위하여 최적의 Ba/Ti몰비를 찾기 위하여 혼합조건을 3000rpm, 12패스(pass)로 고정하여 합성한 후 Ba/Ti몰비를 ICP습식분석방법을 이용하여 조사하였다. 그 결과를 하기 [표 2]에 나타내었다. 결과로부터 알 수 있듯이 BaCO3:TiO2 = 1.003 ~ 1.007 : 1로 하여 혼합분쇄 할 경우 합성된 Ba/Ti의 몰비가 가장 1:1에 근접한 것을 알 수 있었다. 따라서, 본 발명에서는 BaCO3를 0.003mol 잉여로 첨가하여 BaTiO3합성을 하는 것이 바람직하다.In the present invention, in order to find the optimal Ba / Ti mole ratio for the synthesis of BaTiO 3, after mixing the mixture conditions to 3000rpm, 12 pass (pass), the Ba / Ti mole ratio was investigated using ICP wet analysis method. The results are shown in the following [Table 2]. As can be seen from the results, when mixed and pulverized with BaCO 3 : TiO 2 = 1.003 ~ 1.007: 1, it was found that the molar ratio of the synthesized Ba / Ti was close to 1: 1. Therefore, in the present invention, it is preferable to perform BaTiO 3 synthesis by adding BaCO 3 in an excess of 0.003 mol.

[표 2]TABLE 2

Figure 112009035347566-pat00003
Figure 112009035347566-pat00003

상기의 실험결과에서 0.2mm의 비즈를 사용한 BaCO3의 입자크기는 도 7f에서 알 수 있는 바와 같이 구형의 평균입경이 100nm의 크기까지 분쇄되는 것을 알 수 있다. 그러나, 입자크기의 균질성적인 면에서 50nm이하의 미세한분말도 존재하는 것을 알 수 있다. 이러한 미세한 분말은 반응성이 커서 TiO2와 합성후 반응시킬 때 입자성장이 지나치게 활발하게 발생되도록 하여 하소 후 BaTiO3입자의 균일한 성장을 저해할 수 있다. In the above experimental results, the particle size of BaCO 3 using the beads of 0.2 mm can be seen that the average particle diameter of the sphere is pulverized to the size of 100 nm as shown in FIG. 7F. However, it can be seen that there are also fine powders of 50 nm or less in terms of homogeneity of particle size. Such fine powders may have high reactivity, thereby causing excessive growth of particles when reacted with TiO 2 after synthesis, thereby inhibiting uniform growth of BaTiO 3 particles after calcination.

따라서, 본 발명에서는 균일한 입자성장을 이루기 위하여서 BaCO3의 균일한 분쇄를 유도하여야 하며, 이를 위하여 본 발명에서는 혼합비즈를 사용하여 분쇄를 행하는 것이 바람직하다. 이에 대한 임계적 의의를 증명하기 위해서 하기 도면에서 단일크기의 0.2mm비즈를 사용한 것과 혼합비즈를 사용하는 경우를 비교하는 것으로 한다.Therefore, in the present invention, in order to achieve uniform particle growth, the uniform grinding of BaCO 3 should be induced. For this purpose, in the present invention, the grinding is preferably performed using mixed beads. In order to prove the critical significance for this, it will be compared with the case of using a single size 0.2mm beads and mixed beads in the following drawings.

도 10a 및 도 10b는 본 발명에 따른 고에너지밀을 사용하는 경우 사용 비즈의 종류 및 패스(pass) 수에 따른 BaCO3의 입자형상 변화를 나타낸 사진들이다.10A and 10B are photographs showing the particle shape change of BaCO 3 according to the type of beads and the number of passes when using the high energy mill according to the present invention.

도 10a는 0.2mm의 단일 비즈를 사용하여 3000rpm에서 20pass를 통과시킨 후 입자형상을 나타내며, 도 10b는 0.3mm와 0.1mm비즈를 부피비로 1:1이 되도록 혼합하여 15apss를 통과시킨 후 입자형상을 나타내었다. Figure 10a shows the particle shape after passing 20pass at 3000rpm using a single 0.2mm beads, Figure 10b is a mixture of 0.3mm and 0.1mm beads in a volume ratio of 1: 1 to pass through 15apss after the particle shape Indicated.

그 결과 혼합비즈를 사용할 경우 BaCO3의 입자는 균일한 크기의 구형으로 분 쇄가 이루어진 반면에, 단일 비즈를 사용한 경우 입자크기의 균일도가 저하되는 것을 알 수 있다. As a result, when the mixed beads are used, the particles of BaCO 3 are pulverized into a sphere of uniform size, while the uniformity of the particle size is reduced when the single beads are used.

따라서, 혼합비즈를 사용한 경우 큰 직경의 비즈는 분쇄를 주도하고 작은 사이즈의 비즈는 분산을 주도하여 균일분산효과와 균일분쇄효과가 증가한 것을 알 수 있다. 여기서, 큰 크기의 입경을 갖는 비즈를 기준으로 할 때, 이 보다 작은 크기의 비즈 입경은 큰 크기의 입경의 0.06배 내지 0.35배가 되도록 하는 것이 바람직하다. 따라서, 큰 입자 크기를 갖는 비즈 0.3mm를 기준으로 할 때, 0.02 ~ 0.1mm의 입경을 갖는 비즈를 혼합하는 것이 바람직하다. Therefore, it can be seen that when the mixed beads are used, large diameter beads lead to grinding and small size beads lead to dispersion, thereby increasing the uniform dispersion effect and the uniform grinding effect. Here, based on the beads having a large particle size, it is preferable that the smaller particle size of the beads be 0.06 to 0.35 times the particle size of the large size. Therefore, based on 0.3 mm of beads having a large particle size, it is preferable to mix beads having a particle diameter of 0.02 to 0.1 mm.

한편, 균질입자성장이 발생하면 하소온도를 낮출 수 있는데, 이는 TiO2와도 관련된다. 예를 들어, 상기 도 5b와 같은 TiO2의 미립자는 BaCO3의 분해를 돕는 촉매로서 작용하는데, 아타나제(anatase)상의 TiO2(밀도 : 3.90 g/㎤)가 루틸(rutile)구조의 TiO2(밀도 : 4.23 g/㎤)에 비하여 밀도가 낮으므로, 하소온도를 보다 더 효율적으로 낮출 수 있다. 따라서, 이하에서는 TiO2의 종류에 따른 BaTiO3의 입자형상 변화를 조사하는 것으로 한다. On the other hand, if homogeneous particle growth occurs, the calcination temperature can be lowered, which is also related to TiO 2 . For example, the fine particles of TiO 2 as shown in FIG. 5B act as a catalyst to assist in the decomposition of BaCO 3 , wherein TiO 2 (density: 3.90 g / cm 3) on atanatase has a rutile TiO 2 structure. Since the density is lower than (density: 4.23 g / cm 3), the calcination temperature can be lowered more efficiently. Therefore, below, it is assumed that the particle shape change of BaTiO 3 according to the type of TiO 2 is investigated.

도 11은 본 발명에 따른 TiO2 종류 및 혼합후 BaTiO3의 입자형상 변화를 나타낸 사진들이다.Figure 11 is a photograph showing the particle shape change of BaTiO 3 after mixing and type of TiO 2 according to the present invention.

먼저, TiO2분말을 다음과 같은 3가지종류가 BaTiO3를 합성에 사용될 수 있다. 이때 사용한 BaCO3분말은 혼합비즈를 사용하여 분쇄한 상기 도 5a와 같은 것을 사용하였으며, 몰비는 상기 [표 2]에서와 같이 BaCO3 : TiO2 = 1.003 : 1이 되도록 혼합하였다.First, the following three kinds of TiO 2 powder may be used to synthesize BaTiO 3 . At this time, the BaCO 3 powder used was the same as that of Fig. 5a pulverized using the mixing beads, the molar ratio was mixed so that BaCO 3 : TiO 2 = 1.003: 1 as shown in the [Table 2].

1) 루틸(Rutile, 순도:99.97)1) Rutile (Purity: 99.97)

2) 아타나제(Anatase, 순도:99.74)2) Anatase (Purity: 99.74)

3) 루틸(58.2%) + 아타나제(41.8%)3) Rutile (58.2%) + Atanase (41.8%)

도 11은 각각의 TiO2에 대한 출발원료의 원료형상을 전자현미경으로 관찰한 결과를 나타낸다. 이들 출발원료를 사용하여 평량한 후 1mm, 0.65mm비즈를 사용한 고에너지밀을 이용하여 1600rpm에서 1차분산한 후, 0.3mm, 0.1mm비즈가 혼합된 고에너지밀을 시리즈로 연결하여 분쇄 및 분산을 수행하였으며, 그 결과는 하기 도 11에 나타내었다. 11 shows the results of observing the raw material shape of the starting material for each TiO 2 with an electron microscope. After weighing using these starting materials, 1st and 0.65mm beads were firstly dispersed at 1600rpm using a high-energy mill, and then a high-energy mill containing 0.3mm and 0.1mm beads was connected and ground in series. Was carried out, and the results are shown in FIG. 11.

TiO2의 출발원료가 100nm이하의 것으로 분쇄된 BaCO3와 유사한 크기를 가지므로 균일한 분포로 혼합될 수 있다. 이들 각각의 혼합원료에 대하여 하소온도가 입성장과 정방정비(c/a)에 미치는 영향을 조사하기 위하여 다음과 같은 조건으로 하소를 행하였다.The starting material of TiO 2 has a size similar to BaCO 3 pulverized to less than 100 nm and can be mixed in a uniform distribution. In order to investigate the effect of calcination temperature on grain growth and tetragonal maintenance (c / a) for each of these mixed raw materials, calcination was carried out under the following conditions.

여기서, 출발원료를 나노원료로 분쇄하여 사용하는 경우 일반 교반방식으로 분산이 어려워, 나노원료 분쇄를 위한 고에너지밀에 직접 장입하여야 한다. 이때, 응집현상으로 인하여 세퍼레이터가 막혀 공정이 불가능한 상황이 발생할 수 있다. 따라서, 1차 분산을 나노분쇄보다 큰 비즈를 사용하여 1600rpm으로 저속에서 분산한 후 나노분쇄를 수행하는 것이 중요하다.In this case, when the starting material is used to pulverize the nano-material, it is difficult to disperse by general stirring method, so it must be loaded directly into a high energy mill for crushing the nano-material. At this time, a situation in which the process is impossible due to the blockage of the separator due to the aggregation phenomenon may occur. Therefore, it is important to perform nano grinding after dispersing the primary dispersion at 1600 rpm using beads larger than nano grinding.

도 12는 본 발명에 따른 TiO2 종류 및 혼합 조건에 따른 BaTiO3의 입자형상 변화를 나타낸 사진들로, 각각의 합성온도에서 합성된 BaTiO3의 입자형태를 전자현미경으로 관찰한 결과를 나타낸 것이다. Figure 12 is a photograph showing the particle shape change of BaTiO 3 according to the TiO 2 type and mixing conditions according to the present invention, it shows the results of observing the particle shape of BaTiO 3 synthesized at each synthesis temperature with an electron microscope.

혼합 조건은 하기 3가지 경우로 나누어 수행하였다.Mixing conditions were carried out divided into three cases.

1) 950℃ 2시간1) 950 ℃ 2 hours

2) 950℃ 2시간 + 1000℃ 30분2) 950 ℃ 2 hours + 1000 30 minutes

3) 950℃ 2시간 + 1000℃ 1시간3) 950 ℃ 2 hours + 1000 1 hour

도시된 사진들을 비교하면, 합성온도가 높을수록, 유지시간이 증가할수록(즉, 1)에서 3)으로 합성온도가 변화할 때) 입자크기가 증가하며, 입자간 성장도 증가되는 것을 볼 수 있다.Comparing the photos shown, it can be seen that the higher the synthesis temperature, the longer the holding time (that is, when the synthesis temperature changes from 1) to 3), the particle size increases, and interparticle growth also increases. .

통상적으로 합성온도가 낮을 수 록 입자성장은 저하되나 정방정비(c/a)가 감소하여 유전율의 감소를 가져온다. 따라서, 본 발명에서는 낮은 온도에서도 높은 정방정비를 나타낼 수 있도록 하는 것이 중요하다. 또한, 입자의 성장은 시간에 따라 증가하므로, 본 발명에서는 높은 온도에서 짧은 시간 동안 유지할 수 있도록 한다.Generally, the lower the synthesis temperature, the lower the grain growth, but the tetragonal maintenance (c / a) decreases, resulting in a decrease in the dielectric constant. Therefore, in the present invention, it is important to be able to exhibit high tetragonal maintenance even at low temperatures. In addition, since the growth of the particles increases with time, the present invention allows to maintain for a short time at a high temperature.

도 13은 본 발명에 따른 TiO2 종류 및 상합성도와 정방정상의 비율을 해석하기 위한 XRD 분석결과를 나타낸 그래프이다.13 is a graph showing the results of XRD analysis for analyzing the ratio of TiO 2 type, phase synthesis and tetragonal phase according to the present invention.

도 13을 참조하면, 각각의 합성분말의 상합성도와 정방정비를 XRD로 관찰한 것으로, 정방정비(c/a)는 (002), (200)면의 피크(peak)가 뚜렷하게 분리될수록 높으므로, 합성온도가 높을수록, 유지시간이 증가할수록 입자크기가 증가하며, 입자간 성장이 증가하여 넥(neck) 두께가 증가하는 것을 알 수 있다. 넥(Neck)의 두께가 두꺼워질수록 입자크기가 증가하며, MLCC합성을 위하여 분쇄할 경우 미분이 발생하게 되어 실용화가 어려울 수 있다. Referring to FIG. 13, the phase synthesis and tetragonality of each synthetic powder were observed by XRD. Since tetragonal maintenance (c / a) is higher as the peaks of (002) and (200) planes are clearly separated, , The higher the synthesis temperature, the longer the retention time, the larger the particle size, and the greater the interparticle growth, the greater the neck thickness. As the thickness of the neck becomes thicker, the particle size increases, and when pulverized for MLCC synthesis, fine powder may be generated, which may be difficult to use.

그러나, 반면 루틸 또는 아나타제 보다 이들의 결합된 형태에서 정방정비가 증가하여 고유전율의 BaTiO3가 합성되어짐을 알 수 있다. 따라서, 상합성은 XRD 스캔범위 2Θ=20 ~ 80°에서 측정한 피크(peak)로부터 2차상의 형성 없이 BaTiO3 완전 고용상이 얻어진 것을 알 수 있다. 또한, 정방정상의 비율을 구하기 위하여 2Θ=45 ~ 46.5°에서 스캔한 피크(peak)를 하단에 각각의 상합성 조건에 따라 하단에 나타내었다. On the other hand, it can be seen that tetragonality is increased in their bound form than rutile or anatase to synthesize BaTiO 3 of high dielectric constant. Accordingly, it can be seen that the BaTiO 3 complete solid solution phase was obtained without forming a secondary phase from the peak measured in the XRD scan range 2Θ = 20 to 80 °. In addition, the peaks scanned at 2Θ = 45 ~ 46.5 ° to show the ratio of the tetragonal phase is shown at the bottom in accordance with the respective synthesis conditions at the bottom.

다음으로는, 피크 세퍼레이션(Peak separation) 방법에 의하여 구한 각각의 조건에서 정방정비(c/a) 값을 정리하여 하기 [표 3]에 나타내었다.Next, tetragonal maintenance (c / a) values are summarized in the following conditions obtained by the peak separation method and are shown in the following [Table 3].

[표 3][Table 3]

Figure 112009035347566-pat00004
Figure 112009035347566-pat00004

먼저, 아나타제 상의 TiO2를 사용한 경우 950℃에서 2시간유지 후 1000℃ 1시간 유지한 경우 {002}peak이 분리되어 c/a=1.0054 인 정방정상이 형성되는 것을 알 수 있다. 그러나, 그 이하의 조건에서는 {002}peak이 분리되지 않으며, 따라서 유전율이 낮은 입방정상으로 존재하는 것을 알 수 있다. First, in the case of using TiO 2 on anatase, {002} peak may be separated and maintained at 1000 ° C. for 1 hour at 950 ° C. to form a tetragonal phase with c / a = 1.0054. However, {002} peak is not separated under the conditions below, and thus it can be seen that the dielectric constant is low in the cubic phase.

그러나, 루틸(Rutile) 상의 TiO2를 사용할 경우 950℃에서 2시간 유지한 경우 에도 {002}peak은 분리되어 c/a=1.0052의 정방정비를 나타내었다. 따라서, 저온 합성온도에서 정방정비를 높이기 위해서는 아나타제 상의 TiO2 보다 루틸 상의 TiO2가 유리한 것을 알 수 있다. However, when using TiO 2 on rutile ({{{{}}}}} {{}}} even when maintained at 950 ° C for 2 hours, a tetragonal maintenance of c / a = 1.0052 was obtained. Therefore, it can be seen that TiO 2 in rutile phase is more advantageous than TiO 2 in anatase in order to increase tetragonal maintenance at low temperature synthesis temperature.

그러나, 루틸 상의 TiO2를 사용한 경우 950℃ 2시간 + 1000℃ 1시간 합성한 경우 정방정비가 1.0067값으로 높은 값을 나타내지만, 도 13에서 보듯이 넥(neck)성장이 크게 일어나는 문제점을 나타내고 있다. 이러한 문제점을 해소하기 위하여 TiO2를 루틸(58.2%) + 아나타제(41.8%)로 혼합된 것을 사용하여 아나타제 상의 원활한 확산경로를 이용하고, 루틸 상의 높은 결정화도를 동시에 이용할 수 있는 가를 실험하였다. However, when TiO 2 on rutile is used, the tetragonal ratio is high as 1.0067 when synthesized at 950 ° C for 2 hours + 1000 ° C for 1 hour, but as shown in FIG. . In order to solve this problem, it was tested whether TiO 2 was mixed with rutile (58.2%) + anatase (41.8%) to use a smooth diffusion path on anatase and simultaneously use high crystallinity on rutile.

도 12에서 보듯이 950℃ 2시간만 유지한 경우 에도 정방정비는 1.0064로 루틸 상의 TiO2만을 이용하여 950℃ 2시간 + 1000℃ 30분 합성한 경우 정방정비와 거의 같은 만큼의 높은 정방정비를 얻을 수 있었다. As shown in FIG. 12, even when only 2 hours of 950 ° C. was maintained, the tetragonal maintenance was 1.0064. When the synthesis was performed for 2 hours + 1000 ° C. for 30 minutes using only TiO 2 of rutile phase, high tetragonal maintenance was obtained. Could.

그 다음으로, 도 13에서 알 수 있는 바와 같이 넥(neck)형성이 거의 없는 100nm급의 균일한 합성 BaTiO3 분말을 얻을 수 있었다. Next, as can be seen from FIG. 13, a 100 nm-class uniform synthetic BaTiO 3 powder having almost no neck formation was obtained.

또한 950℃ 2시간 + 1000℃ 30분 합성한 경우 정방정비는 1.0074의 가장 높은 값을 갖으며, 950℃ 2시간 + 1000℃ 1시간 합성한 경우 입성장과 더불어 정방정비는 1.0074로 950℃ 2시간 + 1000℃ 30분 합성한 경우와 유사한 값을 나타낸다, 그러나 950℃ 2시간 + 1000℃ 1시간 합성한 경우 비록 높은 정방정비를 갖으나 넥(neck)성장이 다른 것에 비하여 크게 증가한 것을 알 수 있다. In addition, when 950 ℃ was synthesized for 2 hours + 1000 ℃ for 30 minutes, tetragonal maintenance had the highest value of 1.0074, and when 950 ℃ was synthesized for 2 hours + 1000 ℃ for 1 hour, tetragonal maintenance was 1.0074 at 950 ℃ for 2 hours. + 1000 30 minutes synthesized shows similar values, but 950 ℃ 2 hours + 1000 1 hour synthesized even though it has a high tetragonal maintenance, it can be seen that the neck (neck) growth is significantly increased compared to the other.

따라서, TiO2 원료를 루틸(58.2%) + 아나타제(41.8%)를 사용하는 것이 다른 출발원료를 사용하는 것에 비하여 높은 반응성으로 인하여 낮은 합성온도에서 높은 정방정비(c/a)를 얻을 수 있으며, 구형의 100nm급의 균질한 BaTiO3를 합성할 수 있다.Therefore, the use of TiO 2 raw material (rutile (58.2%) + anatase (41.8%) compared to other starting raw materials, due to the high reactivity can obtain a high tetragonal maintenance (c / a) at low synthesis temperature, A spherical 100 nm homogeneous BaTiO 3 can be synthesized.

상술한 바와 같이, 본 발명은 세라믹 분말 제조를 위하여 고상반응법을 이용하되, 혼합비즈를 사용하여 BaCO3 출발원료의 균일한 분쇄 및 분산효과를 동시에 얻을 수 있도록 하고, 직렬로 연결되는 나노분쇄분산용 고에너지밀에 장입하여 분쇄 및 분산이 동시에 수행될 수 있도록 한다. 이때, TiO2 출발원료를 사용하는 경우 루틸(58.2%) + 아나타제(41.8%)로 혼합된 것을 사용함으로써, 원활한 확산경로를 얻을 수 있도록 하고, 루틸 상의 높은 결정화도를 동시에 이용할 수 있도록 하여, 루틸이나 아나타제 단일상을 사용하는 것에 비하여 높은 반응성과 정방정비(c/a)를 얻을 수 있도록 한다.As described above, the present invention uses a solid phase reaction method for producing a ceramic powder, using a mixed bead at the same time to obtain a uniform grinding and dispersing effect of BaCO 3 starting material, nano-dispersion is connected in series It is charged into the high energy mill to allow grinding and dispersion to be carried out simultaneously. In this case, when using a TiO 2 starting material, by using a mixture of rutile (58.2%) + anatase (41.8%), it is possible to obtain a smooth diffusion path and to simultaneously use a high crystallinity of rutile, rutile or Compared to using anatase single phase, high reactivity and tetragonal maintenance (c / a) can be obtained.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although the embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, the present invention is not limited to the above embodiments, but may be modified in various forms, and having ordinary skill in the art to which the present invention pertains. It will be understood by those skilled in the art that the present invention may be embodied in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive.

도 1은 본 발명에 따른 산화물층이 코팅된 티탄산바륨 분말을 모식적으로 나타낸 단면도.1 is a cross-sectional view schematically showing a barium titanate powder coated with an oxide layer according to the present invention.

도 2는 Pd 전극과 다른 귀금속들의 가격 추이를 나타낸 그래프.2 is a graph showing the price trend of Pd electrodes and other precious metals.

도 3은 본 발명에 따른 BaTiO3 제조를 위한 고에너지밀을 도시한 개략도.Figure 3 is a schematic diagram showing a high energy mill for producing BaTiO 3 according to the present invention.

도 4는 본 발명에 따른 BaTiO3 제조를 위한 고에너지밀의 분쇄기 실린더 내부를 도시한 단면도.Figure 4 is a cross-sectional view showing the inside of the high energy mill mill cylinder for producing BaTiO 3 according to the present invention.

도 5a는 본 발명에 따른 BaTiO3 제조를 위한 BaCO3 출발원료를 나타낸 SEM사진.Figure 5a is a SEM photograph showing BaCO 3 starting material for producing BaTiO 3 according to the present invention.

도 5b는 본 발명에 따른 BaTiO3 제조를 위한 TiO2 아타나제를 나타낸 SEM사진.Figure 5b is a SEM photograph showing TiO 2 atanase for the production of BaTiO 3 according to the present invention.

도 6a 내지 도 6f는 본 발명에 따른 고에너지밀을 사용하는 경우 0.65mm 비즈 사용시 분쇄 시간에 따른 BaTiO3의 입자형상 및 입경변화를 나타낸 사진들.6a to 6f are photographs showing the particle shape and particle size change of BaTiO 3 with the grinding time when using 0.65mm beads when using the high energy mill according to the present invention.

도 7a 내지 도 7f는 본 발명에 따른 고에너지밀을 사용하는 경우 0.2mm 비즈 사용시 분쇄 시간에 따른 BaTiO3의 입자형상 및 입경변화를 나타낸 사진들.7a to 7f are photographs showing the particle shape and particle size change of BaTiO 3 with the grinding time when using 0.2mm beads when using the high energy mill according to the present invention.

도 8a 내지 도 8c는 본 발명에 따른 고에너지밀을 사용하는 경우 0.2mm 비즈를 사용하고, 로터의 속도를 3000rpm으로 할 때 분쇄 시간에 따른 BaTiO3의 입자형상 변화를 나타낸 사진들.8a to 8c are photographs showing the particle shape change of BaTiO 3 with grinding time when using a high energy mill according to the present invention using 0.2mm beads and the rotor speed is 3000rpm.

도 9a 내지 도 9c는 본 발명에 따른 고에너지밀을 사용하는 경우 0.2mm 비즈를 사용하고, 로터의 속도를 4200rpm으로 할 때 분쇄 시간에 따른 BaTiO3의 입자형상 변화를 나타낸 사진들.Figures 9a to 9c are photographs showing the change in particle shape of BaTiO 3 with the grinding time when using a high energy mill according to the invention 0.2mm beads, the rotor speed is 4200rpm.

도 10a 및 도 10b는 본 발명에 따른 고에너지밀을 사용하는 경우 사용 비즈의 종류 및 패스(pass) 수에 따른 BaTiO3의 입자형상 변화를 나타낸 사진들.10a and 10b are photographs showing the particle shape change of BaTiO 3 according to the type of beads and the number of passes when using a high energy mill according to the present invention.

도 11은 본 발명에 따른 TiO2 종류 및 혼합후 BaTiO3의 입자형상 변화를 나타낸 사진들.Figure 11 is a photograph showing the particle shape change of BaTiO 3 after mixing and TiO 2 type according to the present invention.

도 12는 본 발명에 따른 TiO2 종류 및 혼합 조건에 따른 BaTiO3의 입자형상 변화를 나타낸 사진들.12 is a photograph showing the particle shape change of BaTiO 3 according to the TiO 2 type and mixing conditions according to the present invention.

도 13은 본 발명에 따른 TiO2 종류 및 상합성도와 정방정상의 비율을 해석하기 위한 XRD 분석결과를 나타낸 그래프.13 is a graph showing the results of XRD analysis for analyzing the ratio of TiO 2 type, phase synthesis and tetragonal phase according to the present invention.

Claims (10)

BaCO3를 고에너지밀에 장입시킨 후, 입경이 서로 다른 두 종류의 혼합비즈를 사용하여 분쇄시키는 단계; 및Charging BaCO 3 into a high energy mill and pulverizing the mixture using two kinds of mixed beads having different particle diameters; And TiO2를 분쇄된 상기 BaCO3에 혼합한 후 850 ~ 950℃의 온도에서 1시간 30분 ~ 2시간 동안 1차 하소한 후 950 ~ 1100℃의 온도에서 30분 ~ 1시간 동안 2차하소하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 BaTiO3 분말 제조 방법.Mixing TiO 2 with the pulverized BaCO 3 and then calcining for 1 hour 30 minutes to 2 hours at a temperature of 850 to 950 ° C., and then calcining for 2 minutes to 30 minutes to 1 hour at a temperature of 950 to 1100 ° C. BaTiO 3 powder manufacturing method comprising a. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 혼합비즈는 0.02 ~ 0.1mm의 입경을 갖는 비즈 및 0.3mm의 입경을 갖는 비즈를 사용하며, 상기 각 비즈들의 부피비로 1:1이 되도록 혼합되는 것을 특징으로 하는 BaTiO3 분말 제조 방법.The mixed beads are beads having a particle size of 0.02 ~ 0.1mm and beads having a particle size of 0.3mm, and the method of producing BaTiO 3 powder, characterized in that they are mixed so as to be 1: 1 by volume ratio of each of the beads. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 고에너지밀은 3000 ~ 4200rpm의 회전속도를 갖는 것을 특징으로 하는 BaTiO3 분말 제조 방법.The high energy mill is BaTiO 3 powder manufacturing method, characterized in that having a rotational speed of 3000 ~ 4200rpm. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 BaCO3를 분쇄시키는 단계는 90 ~ 120분 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 BaTiO3 분말 제조 방법.The step of pulverizing the BaCO 3 BaTiO 3 powder manufacturing method, characterized in that performed for 90 to 120 minutes. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 TiO2를 분쇄된 상기 BaCO3에 혼합하는 단계는Mixing the TiO 2 to the pulverized BaCO 3 is 상기 TiO2 및 분쇄된 상기 BaCO3를 0.65mm 및 1mm의 혼합비즈를 포함하고 1500 ~ 1600rpm으로 회전하는 제 1 고에너지밀에 장입시킨 후 분산을 수행하는 단계; 및 상기 분산이 수행된 분말을 상기 제 1 고에너지밀과 직렬 연결되면서, 0.02 ~ 0.1mm의 입경 및 0.3mm의 입경을 갖는 혼합비즈를 포함하고 3000 ~ 4200rpm으로 회전하는 제 2 고에너지밀에 장입시킨 후 분쇄분산을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 BaTiO3 분말 제조 방법.Charging the TiO 2 and the pulverized BaCO 3 to a first high energy mill including a mixed bead of 0.65 mm and 1 mm and rotating at 1500 to 1600 rpm, and then performing dispersion; And a powder having the dispersion performed in series with the first high energy mill, the mixed beads having a particle diameter of 0.02 to 0.1 mm and a particle diameter of 0.3 mm, and loaded into a second high energy mill rotating at 3000 to 4200 rpm. BaTiO 3 powder manufacturing method characterized in that it further comprises the step of performing a grinding dispersion. 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, 상기 제 1 고에너지밀 및 상기 제 2 고에너지밀에 포함되는 혼합비즈는 각각 부피비로 1:1의 비율로 혼합되는 것을 특징으로 하는 BaTiO3 분말 제조 방법.Mixing beads contained in the first high energy mill and the second high energy mill are each mixed in a ratio of 1: 1 by volume ratio BaTiO 3 powder manufacturing method. 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, 상기 제 2 고에너지밀에 포함되는 상기 혼합비즈는 3종류 이상의 입경을 갖는 비즈들을 포함하는 것을 특징으로 하는 BaTiO3 분말 제조 방법.BaTiO 3 powder method which is characterized in that the mixed beads included in the second high-energy mill comprises beads having a particle diameter of three or more types. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 TiO2는 루틸 55 ~ 60 중량% 및 아나타제 40 ~ 45 중량%로 미리 혼합된 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 BaTiO3 분말 제조 방법.The TiO 2 is a method for producing BaTiO 3 powder, characterized in that using a pre-mixed material in rutile 55 to 60% by weight and anatase 40 to 45% by weight. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 TiO2를 분쇄된 상기 BaCO3에 혼합하는 몰비는 BaCO3:TiO2 = 1.003 ~ 1.007 : 1이 되도록 혼합하는 것을 특징으로 하는 BaTiO3 분말 제조 방법.The molar ratio of mixing the TiO 2 to the pulverized BaCO 3 is BaCO 3 : TiO 2 = 1.003 ~ 1.007: 1 so that the mixing method for producing BaTiO 3 powder. 삭제delete
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