KR101180829B1 - Method of manufacturing crystalline barium titanate nanoparticles at low temperature - Google Patents

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Abstract

본 발명은 결정성 티탄산바륨 나노입자의 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 의한 저온에서의 결정성 티탄산바륨 나노입자의 제조방법은, 아세트산 또는 아세틸아세톤 중 적어도 하나와 티타늄알콕시드을 혼합하고 반응시켜, 상기 티타늄알콕시드를 킬레이트화함으로써 티타늄 전구체인 티타늄아실레이트를 제조하는 안정화단계; 상기 티타늄아실레이트에 바륨염 수용액을 첨가하여 교반하는 혼합단계; 상기 티타늄아실레이트-바륨염 혼합용액을 내부온도 30 내지 60℃인 밀폐용기 내에서 10 내지 30시간 동안 숙성하여 겔화시키는 숙성단계; 및 상기 겔화된 혼합용액에 염기성 수용액을 첨가한 후, 20 내지 60℃ 온도에서 반응시켜 결정성 티탄산바륨을 생성시키는 결정화단계를 포함한다.The present invention relates to a method for producing crystalline barium titanate nanoparticles, the method for producing crystalline barium titanate nanoparticles at low temperature according to the present invention, by mixing and reacting at least one of acetic acid or acetylacetone and titanium alkoxide, Stabilizing the titanium alkoxide to produce titanium acylate, which is a titanium precursor; A mixing step of adding and stirring an aqueous barium salt solution to the titanium acylate; A maturing step of gelling the titanium acylate-barium salt mixed solution for 10 to 30 hours in an airtight container having an internal temperature of 30 to 60 ° C .; And adding a basic aqueous solution to the gelled mixed solution, and then reacting at a temperature of 20 to 60 ° C. to produce crystalline barium titanate.

본 발명에 의하면, 바람직하게는 상온 수준의 저온에서 오직 가수분해와 축합 중합 반응에 의해 유기물질의 발생에 의한 불순물 발생을 초래하지 않고도 전자 부품의 기본 소재인 결정성 나노 BaTiO3 입자를 제조할 수 있다. According to the present invention, it is possible to produce crystalline nano BaTiO 3 particles, which are the basic materials of electronic components, preferably at low temperature at room temperature without causing impurities generated by the generation of organic materials only by hydrolysis and condensation polymerization. have.

티탄산바륨, 졸-겔 공정, 결정성 입자, MLCC, 전자 재료  Barium Titanate, Sol-Gel Process, Crystalline Particles, MLCC, Electronic Materials

Description

저온에서의 결정성 티탄산바륨 나노입자의 제조방법 {METHOD OF MANUFACTURING CRYSTALLINE BARIUM TITANATE NANOPARTICLES AT LOW TEMPERATURE} Method for manufacturing crystalline barium titanate nanoparticles at low temperature {METHOD OF MANUFACTURING CRYSTALLINE BARIUM TITANATE NANOPARTICLES AT LOW TEMPERATURE}

본 발명은 결정성 티탄산바륨 나노입자의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 휴대폰, 노트북 등 휴대형 가전기기와 캠코더, 디지털 카메라, CD-R, DVD 등 디지털 AV기기 그리고 멀티미디어 제품 등에 두루 사용되는 핵심 수동소자인 MLCC(multi-layer ceramic capacitor)를 비롯하여 세라믹필터 및 기타 정밀부품 제조에 있어서 주요 원료로 사용되는 결정성 티탄산바륨(Barium Titanate, BaTiO3) 입자를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing crystalline barium titanate nanoparticles, and more particularly, to be used throughout portable electronic devices such as mobile phones, laptops, digital AV equipment such as camcorders, digital cameras, CD-Rs, DVDs, and multimedia products. The present invention relates to a method for manufacturing crystalline barium titanate (BaTiO 3 ) particles, which are used as a main raw material in the manufacture of ceramic filters and other precision parts, including a multi-layer ceramic capacitor (MLCC), which is a core passive device.

1932년경 TiO2계 재료 개발의 기반 위에 1936년경 독일에서 MgTiO3, MgTiO4를 개발하였다. 유전율은 13 ~ 18로 낮지만 온도계수가 +150ppm/℃로 양의 값을 갖기 때문에 CaTiO3(유전율 150, 온도계수 -1500ppm/℃)와 혼합 계를 제조함으로써 유전율, 온도계수를 마음대로 조정할 수 있게 되었다. 1960년 일본에서 CaTiO3와 SrTiO3 를 이용한 온도보상용 재료를 개발하였으며 유전율은 낮지만 온도 특성이 양호하고 유전손실이 적어 실용화되었다. 그 후 BaO : TiO2(동 ㏖ %)에서 의외의 큰 유전율을 가짐을 발견하게 되었는데, 이것이 오늘날 고유전율을 갖는 캐패시터의 기본재료인 티탄산바륨(BaTiO3) 이다. MgTiO 3 and MgTiO 4 were developed in Germany around 1936 on the basis of TiO 2 material development around 1932. The dielectric constant is low as 13 ~ 18, but the temperature coefficient is positive with + 150ppm / ℃, allowing the mixing of CaTiO 3 (dielectric constant 150, temperature coefficient -1500ppm / ℃) and mixing system, allowing the dielectric constant and temperature coefficient to be adjusted freely. . We developed materials for temperature compensation using a CaTiO 3 and SrTiO 3 from the dielectric constant of the 1960, Japan was less practical but less favorable temperature characteristics and dielectric loss. Subsequently, it was found that BaO: TiO 2 (copper mol%) has a surprisingly large dielectric constant, which is barium titanate (BaTiO 3 ), which is the base material of a capacitor having a high dielectric constant.

이러한 티탄산바륨은 페롭스카이트 구조(perovskite structure)를 가지는 강유전체 물질로서, 유전상수가 1000 내지 30,000 정도로 아주 높다고 하는 장점을 가진다. 이러한 물질에는 BaTiO3 (Barium titanate)와 함께 (Pb,Zr)TiO3(Lead Zirconium Titanate), Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (Lead magnesium niobate-lead titanate) 등이 있다. 또한, 티탄산바륨은 MLCC(multi-layer ceramic capacitor) 칩을 비롯하여, 휴대폰, 노트북 등 휴대형 가전기기와 캠코더, 디지털 카메라, CD-R, DVD 등 디지털 AV기기 그리고 멀티미디어 제품 등에 두루 사용되는 핵심 전자소자(전자세라믹) 부품이다. 최근 전자기기의 소형 경량화 추세에 따라 전자부품의 기종도 소형화, 고용량화, 다기능화 되고 있으며, 앞으로도 이와 같은 추세는 계속 진행될 것이다. Such barium titanate is a ferroelectric material having a perovskite structure, and has an advantage that the dielectric constant is very high, such as 1000 to 30,000. Such materials include BaTiO 3 (Barium titanate) and (Pb, Zr) TiO 3 (Lead Zirconium Titanate), Pb (Mg, Nb) O3-PbTiO3 (Lead magnesium niobate-lead titanate). In addition, barium titanate is a core electronic device used in MLCC (multi-layer ceramic capacitor) chips, portable home appliances such as mobile phones and laptops, digital AV devices such as camcorders, digital cameras, CD-Rs, DVDs, and multimedia products. Electronic ceramic) parts. Recently, according to the trend of miniaturization and weight reduction of electronic devices, models of electronic components are also miniaturized, high capacity, and multifunctional, and this trend will continue in the future.

초소형 및 초고용량 MLCC(100㎌ 이상)의 제조를 위해서는 시트를 얇게 성형하는데 필요한 인쇄, 적층, 실장 등 공정기술과 티탄산바륨 입자가 균일하고 안정되게 분산된 슬러리 제조 기술 등의 뒷받침이 필요하지만, 근본적으로는 나노 수준의 입자 크기를 가지며 결정성이 우수한 티탄산바륨 나노입자의 제조가 가장 중요하다고 할 수 있다. 티탄산바륨도 다른 세라믹 나노입자와 같이 고상법, 액상법 그 리고 기상법 등 여러 가지 방법에 의하여 많이 연구되고 상용화되어 왔다. 기상법은 입자의 특성은 우수 하지만 장치 및 운전 비용의 증대 문제 때문에 아직은 상용화되어있지 않다.The production of ultra-small and ultra high-capacity MLCCs (100㎌ or more) requires the support of printing, laminating, and mounting processes required to form sheets thinly, as well as slurry production techniques in which barium titanate particles are uniformly and stably dispersed. For example, the production of barium titanate nanoparticles having a nano-particle size and excellent crystallinity is the most important. Like other ceramic nanoparticles, barium titanate has been studied and commercialized by various methods such as solid phase method, liquid phase method, and gas phase method. The gas phase method has excellent particle properties but is not yet commercialized due to increased equipment and operating costs.

고상법은 산화티타늄과 탄산바륨의 분말을 혼합하여 1000℃ 이상의 고온에서 반응시켜 티탄산바륨을 제조하는 방법이다. 이 방법은 티탄산바륨 분말의 생산단가가 낮다는 장점을 가지고 있기에, 많이 사용되고 있지만, 고온에서의 반응을 이용함에 따라, 제조되는 분말의 최소크기가 1㎛ 전후이고, 입자의 모양도 매우 불균일하여 엄격한 사양이 요구되고 소형 제품을 생산하기 위한 원료로는 적절하지 않다. The solid phase method is a method of producing barium titanate by mixing a powder of titanium oxide and barium carbonate and reacting at a high temperature of 1000 ° C or higher. This method has been widely used because it has a low production cost of barium titanate powder. However, by using the reaction at a high temperature, the minimum size of the powder to be produced is around 1 μm, and the shape of the particles is also very uneven. Specifications are required and are not suitable as raw materials for producing small products.

액상법으로서, 옥살레이트를 이용한 침전법이 있는데, 예를 들어 삼성정밀화학에서는 염화바륨, 사염화티탄 및 옥살산을 혼합한 후 그 수용액을 노즐 분사하여 BaTiO3 분말 제조하는 고품질 티탄산바륨계 파우더 제조방법을 제시하였다(등록 특허 ; 10-0562520, 10-0555399). 이 방법은 비교적 간단하고 수율이 높다는 장점이 있으나, 입자의 크기와 입자의 엉킴 정도를 조절하기가 용이하지 않다. 또한, 이 방법 역시 고온에서의 열처리가 필요하며, 생산되는 분말의 평균입경이 0.5㎛ 정도이다. As a liquid phase method, there is a precipitation method using oxalate. For example, Samsung Fine Chemicals proposes a high-quality barium titanate-based powder production method for producing BaTiO 3 powder by mixing barium chloride, titanium tetrachloride, and oxalic acid with a nozzle spray of an aqueous solution. (Registered patent; 10-0562520, 10-0555399). This method has the advantage of relatively simple and high yield, but it is not easy to control the particle size and entanglement of the particle. In addition, this method also requires heat treatment at a high temperature, the average particle diameter of the powder produced is about 0.5㎛.

이러한 BaTiO3의 제조방법 중에서도, 액상법에 속하는 수열합성법은 BaTiO3 입자의 크기나 결정성 면에서 가장 우수한 BaTiO3 제조방법으로 알려져 있다. 수열합성법은 수용액의 끓는점 이상(120℃ 이상)으로 온도를 올리면 밀폐된 공간에서 기상이 생성되어, 용기 내의 압력이 증가하게 되며, 이와 같은 압력의 증가로 인하 여 입자 내부의 금속과 산소의 배열이 결정성 입자의 그것과 유사하게 되어 결정도는 낮지만 결정질 입자가 생성되는 원리를 이용한 것이다. Among the methods for producing BaTiO 3 , the hydrothermal synthesis method belonging to the liquid phase method is known to be the best BaTiO 3 production method in terms of size and crystallinity of BaTiO 3 particles. In hydrothermal synthesis, when the temperature is raised above the boiling point of the aqueous solution (above 120 ℃), gaseous phase is generated in the closed space, and the pressure in the container increases, and the increase in pressure causes the arrangement of metal and oxygen inside the particle. It is similar to that of crystalline particles, so that the crystallinity is low but the principle that crystalline particles are produced is used.

그러나, 수열합성법으로 제조된 미세입자들은 매우 응집된 거대 입자가 포함되며, 이와 같은 거대 입자는 성형을 하기 위하여 열처리하는 경우 응집체 내부의 확산에 의한 반응이 응집체들 간의 확산보다 우세하여 높은 성형 밀도를 보이는 나노입자의 제조가 어렵다. 또한 수열합성법의 대표적인 장점으로 저온에서의 결정성 입자의 합성이 언급되고 있지만, 수열합성법에 적용되는 온도 범위는 150?300℃ 정도로서 일반적인 졸-겔법의 반응온도보다 높다. 입자의 크기가 줄어들수록 하소 공정에 기인한 입자성장은 매우 잘 일어나며, 미세 입자의 성장은 응용적인 측면에서 매우 불리한 조건이 된다. However, the microparticles prepared by hydrothermal synthesis include very agglomerated macroparticles. Such macroparticles have a high molding density because the reaction by diffusion inside the aggregates is superior to the diffusion between the aggregates when heat-treated for molding. The production of visible nanoparticles is difficult. In addition, although the synthesis of crystalline particles at low temperature is mentioned as a representative advantage of the hydrothermal synthesis method, the temperature range applied to the hydrothermal synthesis method is about 150-300 ° C, which is higher than the reaction temperature of the general sol-gel method. As the particle size decreases, the particle growth due to the calcination process occurs very well, and the growth of the fine particles becomes a very disadvantageous condition in terms of application.

수열합성법보다 입자의 외형(크기, 표면적, 기공 구조) 특성의 조절이 용이한 액상법의 대표적인 방법이 졸-겔법이다. 졸-겔법은, Ba, Ti의 원료로서 금속염이나 금속 알콕시드(M.N. Kamalasanan 등, J. Appl. Phys. 74(9), 0021 내지 8979(1993))를 유기 용매에 혼합하고, 기판상에 도포하여 결정화시키는 방법이다. The sol-gel method is a representative method of the liquid phase method in which the appearance (size, surface area, pore structure) characteristics of the particles are easier to control than the hydrothermal synthesis method. The sol-gel method mixes metal salts and metal alkoxides (MN Kamalasanan et al., J. Appl. Phys. 74 (9), 0021 to 8979 (1993)) as organic materials for Ba and Ti, and apply them onto a substrate. To crystallize.

졸-겔법은 저온에서 무기망상구조를 지닌 산화물의 제조가 가능하지만, 졸-겔 공정에 의해 제조된 금속 산화물 나노입자는 비정질이며, 따라서 결정성 입자를 얻기 위해서는 상술한 바와 같이 반드시 500℃ 이상에서의 하소 공정이 필요하다. 하소 공정을 거치게 되면 가장 먼저 나타나는 단점이 응집 현상이다. 응집된 거대 분말을 이용하면 현대 산업에서 요구하는 나노 구조를 지닌 최종 응용제품 제조에 적합하지 않다. 일반적인 액상법에 의한 나노입자 제조 공정은 출발물질(monomer) 로부터 시작하여 다이머(dimer) → 트리머(trimer) → 올리고머(oligomer) → 핵(nuclear) → 결정상을 가진 기본입자(pimary particle) → 최종입자(final particle) 혹은 겔(gel) 등의 단계를 거치게 된다. The sol-gel method allows the production of an oxide having an inorganic network structure at a low temperature, but the metal oxide nanoparticles prepared by the sol-gel process are amorphous, and thus, in order to obtain crystalline particles, the sol-gel method must be used at 500 ° C or higher as described above. Calcination process is required. The first disadvantage of the calcination process is agglomeration. The use of large aggregated powders is not suitable for the manufacture of end applications with nanostructures required by modern industry. In general, the process of preparing nanoparticles by the liquid phase method starts with a starter (dimer) → trimer → trimmer → oligomer → nucleus → primary particle having a crystal phase → final particle ( final particles) or gels.

물론, 수열합성법에서 TiO2 나노입자를 BaTiO3 나노입자의 Ti 출발물질로 사용하는 경우에는 위의 공정을 따르지 않고 TiO2 입자 표면으로부터 내부로 Ba 성분의 확산에 의하여 BaTiO3 나노입자가 생성된다. 그러나 용액법에 의한 나노입자 제조 공정에 있어서 출발물질 자체나 용매에 유기물질이 포함되어 있으므로, 용액 내의 화학 반응에 의하여 모든 유기 물질이 제거된 옥소-브리지(oxo-bridge(M-O-M : M= metal))만 존재하는 나노입자의 제조는 힘들다. 즉, 최종 입자 내부에는 반드시 유기 물질이 존재하게 된다.Of course, when TiO 2 nanoparticles are used as Ti starting materials of BaTiO 3 nanoparticles in the hydrothermal synthesis method, BaTiO 3 nanoparticles are generated by diffusion of Ba components from the TiO 2 particle surface to the inside without following the above process. However, in the process of manufacturing nanoparticles by the solution method, since the starting material itself or the solvent contains organic materials, oxo-bridge (MOM: M = metal) in which all organic materials are removed by chemical reaction in the solution. It is difficult to manufacture nanoparticles with only). In other words, an organic substance is necessarily present inside the final particle.

특히, BaTiO3 제조에 있어서 이러한 유기물은, 하소공정에서 발생하는 CO2가 가수분해 상태에 있는 Ba와 반응하여 BaCO3라는 불순물 또는 제2의 상의 생성을 초래하여 최종 생성물의 순도를 저하시키고, 이후 TiO2와 반응하여 CO2를 방출하면서 BaTiO3를 형성하기 때문에, CO2 방출시의 중량 변화가 커서 막의 수축률 증대에 따른 균열을 초래하고, 결국 제품의 전기적 특성을 현저하게 감소시킨다. In particular, in the production of BaTiO 3 , this organic material reacts with Ba in which the CO 2 generated in the calcination process is in a hydrolyzed state, resulting in the generation of impurities called BaCO 3 or a second phase, thereby lowering the purity of the final product. react with TiO 2 to form because of the BaTiO 3, releasing CO 2, CO 2 The weight change at the time of release is so great that it leads to cracking as the shrinkage of the membrane increases, which in turn significantly reduces the electrical properties of the product.

또한, 하소공정에는 많은 에너지가 소요되며, 대량생산 공정에 있어서 비용적인 면에서 상당한 부담으로 작용하게 된다. 또한 하소 공정 시 일어나는 입자들 사이의 응집에 의한 거대 입자의 생성은 실제 나노 크기의 MLCC 제조를 어렵게 하 며, 이들 거대 분자 제거를 위한 추가적인 분쇄 공정이 따르게 되므로 제조 공정의 복잡화와 추가적인 비용이 들게 된다. In addition, a large amount of energy is required for the calcination process, which is a significant burden in terms of cost in the mass production process. In addition, the formation of macroparticles by agglomeration between particles in the calcination process makes it difficult to manufacture nano-scale MLCCs, and additional crushing process for removing these macromolecules requires complexity and additional costs. .

아울러, 일반적인 액상법에 의해 유기물질의 상당량이 반응에 의하여 제거된다고 해도, 기본입자의 생성단계나 그 이후의 공정에 의하여 고체 결정 내의 원자 배열과 동일한 수준으로 원자들이 규칙적으로 축합 중합 반응에 의하여 제조된 나노입자 내의 금속과 산소원자의 공간적인 배열이 결정구조 내의 공간배열과 유사하게 결합되어 있어, 공정변수(온도, 조성, 농도, 촉매 등)의 조절만으로는 결정성을 나타내기가 매우 어렵다. 더욱이 BaTiO3와 같이 Ba와 Ti 출발물질의 용액 내에서의 반응속도가 다른 2성분계의 경우 Ba와 Ti 성분을 80℃ 이하의 저온에서의 화학반응에 의하여 공간적으로 균일하게 분포시켜 결정성을 지니도록 제조한다는 것은, 일반적인 용액법에 의해서는 거의 불가능한 일로 지금까지 알려져 왔다. In addition, although a considerable amount of organic material is removed by the reaction by a general liquid phase method, atoms are regularly produced by condensation polymerization reaction at the same level as the arrangement of atoms in the solid crystal by the production step of the basic particles or a subsequent process. Since the spatial arrangement of the metal and oxygen atoms in the nanoparticles is similar to the spatial arrangement in the crystal structure, it is very difficult to show crystallinity only by controlling process variables (temperature, composition, concentration, catalyst, etc.). Furthermore, in the case of two-component systems with different reaction rates in Ba and Ti starting materials, such as BaTiO 3 , the Ba and Ti components are uniformly distributed spatially by chemical reaction at a low temperature of 80 ° C. or lower to have crystallinity. Manufacturing has been known to be almost impossible by the general solution method until now.

이를 해결하기 위하여, 대한민국 등록특허 제10-288502호에서는, 티타늄아실레이트와 바륨화합물을 사용하여 티타늄의 반응성을 조절함으로써 안정성을 갖춘 졸 전구체를 제조한 후, 이를 강알칼리 용액에 분사하여 공침시키고, 침전용액으로부터 티탄산바륨 분말을 결정화시킨 후, 수세공정을 통해 정제하는 티탄산바륨 제조방법이 제시되었다. 그러나, 상기 특허문헌에 의하더라도, 결정화를 위해서는 침전용액을 오토클레이브 내에서 고온으로 가열하여 수열합성하는 반응을 필수적으로 거쳐야 하고, pH 14 이상인 강알칼리 용액을 사용할 때에는 수열합성방법을 배제한다고 기재되어 있으나, 실제로는 이러한 방법에 의하더라도 수열합성 없이는 Ba과 Ti 입자를 공간상에 균일하게 배열시키기 어려우며, 특히 티타늄아실레이트를 제조하기 위하여 티타늄알콜시드와 아세트산 또는 아세틸아세톤 중 적어도 하나 간의 리간드 치환반응을 수행할 때, BaCO3 등의 유기물에 의한 부산물이 생성되는 문제점이 있었다. In order to solve this problem, Korean Patent No. 10-288502 uses a titanium acylate and a barium compound to prepare a stable sol precursor by controlling the reactivity of titanium, and then spraying it on a strong alkali solution to coprecipitate and precipitate A method for producing barium titanate, which crystallizes barium titanate powder from a solution and then purifies through a washing process, has been proposed. However, according to the above patent document, for crystallization, the precipitation solution must be heated to a high temperature in an autoclave to undergo hydrothermal synthesis. When using a strong alkali solution having a pH of 14 or more, it is described that the hydrothermal synthesis method is excluded. In reality, even with this method, it is difficult to uniformly arrange Ba and Ti particles in a space without hydrothermal synthesis, and in particular, ligand substitution reaction between titanium alcohol and at least one of acetic acid or acetylacetone is performed to prepare titanium acylate. When, there was a problem that by-products are generated by organic materials such as BaCO 3 .

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 졸-겔법을 수행함에 있어서도 유기물질의 생성을 배제하여, 종래에 결정성 금속 산화물 제조 공정에 기본적으로 필요로 하였던 하소공정(calcination) 없이, 상온 부근의 저온에서의 화학 반응에 의하여 전자재료의 기본 물질로 많이 사용되고 있는 결정성 티탄산바륨(BaTiO3) 입자를 합성하는 방법을 제공하는데에 있다. The present invention is to solve the above problems, an object of the present invention, excluding the generation of organic substances in the sol-gel method, calcination process (calcination) which was basically required in the conventional crystalline metal oxide manufacturing process A method for synthesizing crystalline barium titanate (BaTiO 3 ) particles which are widely used as a basic material of an electronic material by a chemical reaction at a low temperature near room temperature.

또한, 수열합성법에 의하지 않고도 균일한 결정구조의 티탄산바륨 나노입자을 제조할 수 있는 결정성 티탄산바륨의 제조방법을 제공하는데 본 발명의 목적이 있다. It is also an object of the present invention to provide a method for producing crystalline barium titanate which can produce barium titanate nanoparticles having a uniform crystal structure without using a hydrothermal synthesis method.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 본 발명에 의한 저온에서의 결정성 티탄산바륨 나노입자의 제조방법은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 안정화단계(S10); 혼합단계(S20); 숙성단계(S30); 및 결정화단계(S40)를 포함한다. The present invention is derived to solve the above problems, the method for producing crystalline barium titanate nanoparticles at low temperature according to the present invention, as shown in Figure 1, the stabilization step (S10); Mixing step (S20); Aging step (S30); And a crystallization step (S40).

본 발명의 발명자는 수열합성법 등을 배제한 순수한 화학적 반응에 의하여 결정구조를 갖는 BaTiO3 나노입자의 제조는 불가능한 것인가에 대한 연구를 거듭한 결과, 종래 기술의 문제점을 해결하여 순수하게 상온 부근의 저온에서의 화학반응을 통하여 결정성 나노 BaTiO3 나노입자 생성이 가능하다고 판단되는 새로운 방법을 제시하고자 하며, 이것이 본 발명에서 제시하는 소위 "겔-졸 법"이다. The inventor of the present invention has repeatedly studied whether it is impossible to manufacture BaTiO 3 nanoparticles having a crystal structure by a pure chemical reaction excluding hydrothermal synthesis method, solve the problem of the prior art purely at low temperature near room temperature The present invention proposes a new method which is considered to be capable of producing crystalline nano BaTiO 3 nanoparticles through the chemical reaction of, which is the so-called "gel-sol method" proposed in the present invention.

일반적으로 겔은 구조적으로 고분자겔(polymeric gel)과 콜로이드겔(colloidal gel)로 구분된다. 고분자 겔은 입자의 형태가 존재하지 않으면서 3차원적으로 모든 원자들이 균일한 공간 배치를 갖고 결합되어 있는 것이고, 콜로이드겔은 출발물질의 화학반응에 의하여 올리고머(oligomer), 핵(nuclear)의 단계를 거쳐 기본 입자가 생성되고, 응집에 의하여 기본 입자가 3차원적으로 연결된 것이다. 즉, 콜로이드 겔은 TEM 또는 SEM 분석을 통하여 구형 입자의 측정이 가능한 것이다. Generally, the gel is structurally divided into a polymer gel and a colloidal gel. A polymer gel is one in which all atoms are bonded in a uniform space arrangement in three dimensions without the presence of particles, and a colloid gel is a step of oligomer and nucleus by chemical reaction of starting materials. Fundamental particles are generated via the three-dimensionally connected primary particles by agglomeration. That is, the colloid gel can measure the spherical particles through TEM or SEM analysis.

따라서 콜로이드 겔의 기본입자의 크기는 반응조건에 따라 1 내지 10nm 정도의 크기까지 조절이 가능하며, 겔 내부에 Ba와 Ti 성분은 공간적으로 균일하게 분포할 것이고, 겔화가 진행되는 동안 축합/중합 반응에 의하여 Ba-O-Ti 옥소브리지(oxo-bridge)의 형성도 가능하다. 따라서 반응 공정 변수의 조절에 의하여 공간적으로 Ba와 Ti가 균일하게 분포되며, 기본입자의 크기가 조절된 겔을 해교공정을 거쳐 다시 졸의 형태로 미세화시킨다면, 상온에서의 화학 반응만으로도 결정성BaTiO3 입자의 제조가 가능하다는 사실에 주목하게 되었다. 여기서, 겔을 졸로 전환하기 위해서는 촉매가 포함된 수용액의 첨가에 의한 반응이 필요하며, 반응조건에 따라서 입자의 크기, 형태 및 결정성이 영향을 받게 된다. Therefore, the size of the basic particles of the colloidal gel can be controlled to a size of about 1 to 10nm depending on the reaction conditions, and the Ba and Ti components will be uniformly distributed spatially inside the gel, and the condensation / polymerization reaction during the gelation process. It is also possible to form a Ba-O-Ti oxo-bridge (oxo-bridge). Therefore, if Ba and Ti are uniformly distributed spatially by the control of reaction process variables, and if the gel in which the size of the basic particles is controlled is refined in the form of a sol through a peptizing process, crystalline BaTiO 3 may be obtained by chemical reaction at room temperature alone. It has been noted that the preparation of the particles is possible. Here, in order to convert the gel into a sol, a reaction is required by the addition of an aqueous solution containing a catalyst, and the size, shape and crystallinity of the particles are affected by the reaction conditions.

본 발명은 크게 세 단계로 구분할 수 있다. 첫 번째 단계는 BaTiO3의 구성 성분인 Ba와 Ti 성분의 출발 물질을 이용하여 안정한 (Ba-Ti) 겔의 합성 공정으로 분자 단위의 균일한 혼합물이 생성될 수 있도록 출발 물질의 반응 속도의 조절을 수행하는 단계(S10 및 S20)이고, 두 번째 단계는 숙성 공정으로 축합 중합 반응에 기인하여 무기 망상구조가 생성되며 겔의 밀도를 증가시키는 단계(S30)이다. 마지막 세 번째 단계는 비정질의 겔을 강화제(촉매)와 반응시켜 결정성 입자를 합성하는 단계(S40)이다. 이하, 본 발명에 의한 저온에서의 결정성 티탄산바륨 나노입자의 제조방법의 각 단계에 대하여 상세하게 살펴보도록 한다. The present invention can be divided into three steps. The first step is the synthesis of stable (Ba-Ti) gels using the starting materials of Ba and Ti, the constituents of BaTiO 3 , to control the reaction rate of the starting materials so that a uniform mixture of molecular units can be produced Steps S10 and S20 are performed, and the second step is an aging process, in which an inorganic network is generated due to the condensation polymerization reaction and the density of the gel is increased (S30). The final third step is a step (S40) of synthesizing crystalline particles by reacting an amorphous gel with a reinforcing agent (catalyst). Hereinafter, each step of the method for producing crystalline barium titanate nanoparticles at low temperature according to the present invention will be described in detail.

1. 안정화단계(1. Stabilization stage ( S10S10 ))

안정화단계(S10)는, 아세트산 또는 아세틸아세톤 중 적어도 하나와 티타늄알콕시드을 혼합하고 반응시켜, 상기 티타늄알콕시드를 킬레이트화함으로써 티타늄 전구체인 티타늄아실레이트를 제조하는 단계이다.The stabilization step (S10) is a step of preparing titanium acylate as a titanium precursor by mixing and reacting at least one of acetic acid or acetylacetone with titanium alkoxide to chelate the titanium alkoxide.

본 발명에서 사용되는 티타늄(Ti) 원자의 출발물질로서는 티타늄알콕시드(titanium alkoxide, Ti(OR)4)를 사용하며, 바륨(Ba)의 출발물질로서, 바람직하게는 바륨아세테이트(barium acetate(Ba(O2C2H3)2)), 염화바륨(BaCl2), 질산바륨(Ba(NO3)2) 또는 수산화 바륨(Ba(OH)2)을 단독 또는 혼합한 형태의 바륨염을 사용한다. 여기서, 상기 티타늄알콕시드의 예로서는, 티타늄에톡시드(titanium ethoxide, Ti(O(CH3)4), 티타늄부톡시드(titanium butoxide, Ti(O(CH2)3CH3)4) 및 티타늄이소프로폭시드 (titanium isopropoxide, Ti(OCH(CH3)2)4) 등을 단독 또는 혼합 하여 사용할 수 있다. 더욱 바람직하게는 티타늄이소프로폭시드(이하, 'TIP'로 칭한다)를 사용한다. As a starting material of the titanium (Ti) atom used in the present invention, titanium alkoxide (Ti (OR) 4 ) is used, and as a starting material of barium (Ba), preferably barium acetate (Ba) (O 2 C 2 H 3 ) 2 )), barium chloride (BaCl 2 ), barium nitrate (Ba (NO 3 ) 2 ) or barium hydroxide (Ba (OH) 2 ) using a barium salt in the form of a single or mixed do. Here, examples of the titanium alkoxide include titanium ethoxide (Ti (O (CH 3 ) 4 ), titanium butoxide, Ti (O (CH 2 ) 3 CH 3 ) 4 ) and titanium iso Propoxide (titanium isopropoxide, Ti (OCH (CH 3 ) 2 ) 4 ), etc. may be used alone or in combination, more preferably titanium isopropoxide (hereinafter referred to as 'TIP').

또한, 본 발명에서는, 아세트산(AcOH), 아세틸아세톤(Acac)을 사용하는 것이 바람직하다.In the present invention, it is preferable to use acetic acid (AcOH) and acetylacetone (Acac).

본 발명에서 사용되는 티타늄알콕시드 등의 전이금속 알콕시드는 금속의 낮은 전기 음성도로 인하여 물과의 반응성이 매우 뛰어나며, 따라서 물과의 반응성을 약화시켜, 반응을 지연시켜 주는 것이 원하는 물리 화학적 특성을 갖는 최종 생성물 제조를 위해 가장 중요하다. Transition metal alkoxides such as titanium alkoxides used in the present invention have a very high reactivity with water due to the low electronegativity of the metal, and thus, have a desired physicochemical property to weaken the reactivity with water and delay the reaction. Most important for the final product preparation.

이를 해결하기 위해, 본 공정에서는 (Ba-Ti) 겔을 합성하기 전에 티타늄알콕시드(Ti(OR)4)를 아세트산 또는 아세틸아세톤 중 적어도 하나와 반응시켜 티타늄알콕시드를 킬레이트화함으로써, 티타늄 전구체인 티타늄아실레이트를 제조한다. 이렇게 함으로써, 티타늄알콕시드의 물과의 반응에 대한 안정성을 향상시키는 것이다. 티타늄알콕시드(Ti(OR)4)와 아세트산 또는 아세틸아세톤 중 적어도 하나와의 반응에 의하여 제조된 용액은, 킬레이트화에 기인한 티타늄 원자의 입체장해 효과에 의하여 물과의 반응성이 낮아진다. In order to solve this problem, in the present step, the titanium alkoxide (Ti (OR) 4 ) is reacted with at least one of acetic acid or acetylacetone to chelate the titanium alkoxide before synthesis of the (Ba-Ti) gel. Titanium acylate is prepared. By doing in this way, stability of the reaction with water of titanium alkoxide is improved. The solution prepared by the reaction of titanium alkoxide (Ti (OR) 4 ) with at least one of acetic acid or acetylacetone has a low reactivity with water due to the steric hindrance effect of the titanium atom due to chelation.

대표적인 티타늄 알콕시드인 티타늄 이소프로폭시드(titanium isopropoxide(Ti(OCH(CH3)2)4 이하 TIP로 표기)와 아세트산 또는 아세틸아세톤 중 적어도 하나와의 반응에 기인한 입체 장해 효과를 살펴보면 다음과 같다. The effects of steric hindrance due to the reaction of a typical titanium alkoxide, titanium isopropoxide (Ti (OCH (CH 3 ) 2 ) 4 or less), with at least one of acetic acid or acetylacetone are as follows. same.

순수한 TIP에서 티타늄 원자는 4배위체로 존재하지만, 아세트산과 반응하게 되면 티타늄의 배위수는 6으로 향상되면서 아세테이트기의 킬레이트화에 기인하여 물과 혼합하여도 침전물이 생성되지 않을 정도로 안정화된다. In pure TIP, the titanium atom is present as a tetragonal, but when reacted with acetic acid, the coordination number of titanium is increased to 6, and stabilized to the extent that no precipitate is formed even when mixed with water due to chelation of the acetate group.

TIP와 아세트산(AcOH)과의 혼합 용액에서 일어나는 반응은 다음과 같다. 가장 먼저 일어나는 반응은 아세트산의 아세테이트기가 IPA의 이소프로필기를 치환하는 반응으로 이소프로필알코올(IPA 또는 iPrOH)이 생성된다. The reaction taking place in a mixed solution of TIP and acetic acid (AcOH) is as follows. The first reaction is a reaction in which the acetate group of acetic acid replaces the isopropyl group of IPA to produce isopropyl alcohol (IPA or i PrOH).

Ti-OiPr(TIP) + HOAc(아세트산) ↔ iPrOH + Ti-OAc (1)Ti-O i Pr (TIP) + HOAc (Acetic acid) ↔ i PrOH + Ti-OAc (1)

그리고 다음과 같은 두 개의 에스테르 반응이 가능하다. And two ester reactions are possible:

iPrOH + HOAc ↔ iPrOAc + H2O (2) i PrOH + HOAc ↔ i PrOAc + H 2 O (2)

Ti-OiPr + Ti-OAc ↔ iPrOAc + Ti-O-Ti (3) Ti-O i Pr + Ti-OAc ↔ i PrOAc + Ti-O-Ti (3)

자유로운 아세트산과, Ti이 결합된 이소프로필기(iPr)의 반응, 또는 반대로 자유로운 알코올과 Ti이 결합된 아세트산염(acetate)의 반응도 가능하다.The reaction of free acetic acid with isopropyl group ( i Pr) bonded to Ti, or vice versa, is also possible with the reaction of free alcohol with acetate bound to Ti.

Ti-OiPr + HOAc ↔ iPrOAc + Ti-OH (4)Ti-O i Pr + HOAc ↔ i PrOAc + Ti-OH (4)

Ti-OAc + iPrOH ↔ iPrOAc + Ti-OH (5) Ti-OAc + i PrOH ↔ i PrOAc + Ti-OH (5)

상기 반응들에 의하여 높은 반응성을 가진 Ti-OH 기를 얻을 수 있으며, 나아가 축중합 반응을 통해 Ti-O-Ti 결합을 형성하게 될 것이다. 즉, 모든 결합에서 에스테르의 생성은 궁극적으로 Ti 원자들 사이의 산소 결합을 생성할 수 있다.   By the above reactions, a highly reactive Ti-OH group can be obtained, and further, Ti-O-Ti bonds will be formed through the polycondensation reaction. That is, the production of esters at all bonds can ultimately produce oxygen bonds between Ti atoms.

도 2는, [AcOH]/[TIP]=2의 조건에서 생성된 티타늄아실레이트 Ti6O4(OiPr)8(OAc)8의 구조를 나타낸 구조도이며, 이로부터 여러 리간드에 의하여 Ti 원자가 안정화되었음을 알 수 있다. FIG. 2 is a structural diagram showing the structure of titanium acylate Ti 6 O 4 (O i Pr) 8 (OAc) 8 produced under the condition of [AcOH] / [TIP] = 2. It can be seen that it is stabilized.

이와 같이, 안정화단계(S10)를 통하여 바륨 출발물질과의 반응 전에 TIP와 아세트산과 반응기구에 대하여 미리 살펴보았으며, 특히, 다양한 실험을 통하여 TIP와 아세트산과의 농도비가 안전화 정도에 많은 영향을 미치는 것을 확인하였는데, 물과의 반응성에 대하여 안정화되고, Ba 출발물질과 균일한 반응이 가능한 아세트산 또는 아세틸아세톤 중 적어도 하나와 티타늄알콕시드의 몰비(아세트산 또는 아세틸아세톤 중 적어도 하나/티타늄알콕시드, [AcOH]/[TIP])는, 1.5 내지 4였으며, 더욱 바람직하게는 2 내지 3이었다. Thus, before the reaction with the barium starting material through the stabilization step (S10), the TIP, acetic acid and the reactor sphere was examined in advance, and in particular, the concentration ratio of TIP and acetic acid through a variety of experiments affect the degree of safety It was confirmed that the molar ratio of at least one of acetic acid or acetylacetone and titanium alkoxide (at least one of acetic acid or acetylacetone / titanium alkoxide, [AcOH ] / [TIP]) was 1.5-4, More preferably, it was 2-3.

2. 혼합단계(2. Mixing step ( S20S20 ))

상기 안정화단계(S10)에 의하여 형성된 티타늄아실레이트에 바륨염 수용액을 첨가하여 교반하는 단계이다. 즉, 안정화단계(S10)에서 물에 대한 반응성을 일정부분 저하시킨 Ti 출발물질을 제조하고, 여기에 바륨염 수용액을 첨가하고 교반함으로써, 양자를 반응시키는 단계이다. 바륨염 화합물은 티타늄아실레이트와는 달리 가수분해에 민감하지 아니하므로, 물이나 유기용매 등 적절한 용매를 사용하여 용액을 제조할 수 있으며, 이 용액을 상기 티타늄아실레이트 용액에 소정의 몰비로 혼합함으로써 졸 형태의 혼합용액을 제조할 수 있다. It is a step of adding and stirring the barium salt aqueous solution to the titanium acylate formed by the stabilization step (S10). That is, in the stabilization step (S10) to prepare a Ti starting material which is partially reduced the reactivity to water, and by adding and stirring the barium salt aqueous solution to it, it is a step of reacting both. Unlike the titanium acylate, the barium salt compound is not sensitive to hydrolysis. Thus, the barium salt compound may be prepared by using a suitable solvent such as water or an organic solvent, and mixing the solution with the titanium acylate solution in a predetermined molar ratio. It is possible to prepare a mixed solution in sol form.

혼합단계(S20)에 있어서, 분자 수준에서의 균일한 혼합물을 형성하기 위한 바륨(Ba)과 티타늄(Ti)의 바람직한 몰비([Ba)/(Ti)]는, 0.5 내지 2.0, 더욱 바람직하게는 1 내지 1.5 이며, 물과 티타늄의 몰비[(H20)/(Ti)]는, 5 내지 7인 것이 바람직하다. In the mixing step (S20), the preferred molar ratio (Ba) / (Ti) of barium (Ba) and titanium (Ti) for forming a homogeneous mixture at the molecular level is 0.5 to 2.0, more preferably is 1 to 1.5, the molar ratio of water and titanium [(H 2 0) / ( Ti)] is preferably from 5 to 7.

3. 숙성단계(3. Ripening step ( S30S30 ))

숙성단계(S30)는 혼합단계(S20)에 의하여 생성된 티타늄아실레이트-바륨염 혼합용액을 내부온도 30 내지 60℃인 밀폐용기 내에서 10 내지 30시간 동안 숙성하여 겔화시키는 단계로서, 축합 및 중합 반응에 의하여 무기 망상구조를 생성시켜, (Ba-Ti) 겔의 밀도를 증가시키는 단계이다. Aging step (S30) is a step of aging and gelling the titanium acylate-barium salt mixture solution produced by the mixing step (S20) for 10 to 30 hours in an airtight container having an internal temperature of 30 to 60 ℃, condensation and polymerization The inorganic network is produced by the reaction, thereby increasing the density of the (Ba-Ti) gel.

숙성단계(S30)는 본 발명에 있어서의 핵심이 되는 단계로서, 이러한 숙성단계로 인해 출발물질 혼합용액을 상온에 근접한 저온에서 겔화시켜 무기 망상구조를 형성시키고, 이를 이후의 단계에서 결정화시킴으로써, 고온에서의 하소공정 또는 수열합성 공정이 필요 없게 된다. The aging step (S30) is a key step in the present invention. Due to this aging step, the starting material mixed solution is gelled at a low temperature close to room temperature to form an inorganic network structure, and crystallized in a later step, thereby increasing the high temperature. No calcination process or hydrothermal synthesis process is required.

예를 들어, 바륨염 화합물로서의 고상의 바륨아세테이트에서, 아세테이트기는 Ba 원자와 브릿지(bridge) 형태로 결합되어 있지만, 물에 용해되면서 모노덴테이트(monodentate) 형태로 결합 방법이 바뀌게 된다. 또한, 상술한 바와 같이[AcOH]/[TIP]의 비가 1.5 내지 4의 범위에 있는 용액에 바륨아세테이트 수용액을 첨가하면, 물에 의해 Ti와 모노덴테이트 형태로 결합되어 있던 이소프로필기와, Ti와 브릿지 형태로 결합되어 있던 아세테이트기가 제거된다. 즉, 이로써 숙성을 통 한 겔화 과정에서 불순물의 원인이 되는 유기물질이 제거되고, Ba과 Ti 이온이 공간적으로 균일하게 분포되어 있는 겔을 형성할 수 있다. For example, in a solid barium acetate as a barium salt compound, the acetate group is bonded to the Ba atom in the form of a bridge, but the bonding method is changed to a monodentate form as it is dissolved in water. As described above, when an aqueous barium acetate solution is added to a solution having a ratio of [AcOH] / [TIP] in the range of 1.5 to 4, the isopropyl group bound to Ti and monodentate by water, and Ti and The acetate group bound in the form of a bridge is removed. That is, the organic material that causes impurities in the gelation process through aging is removed, and a gel in which Ba and Ti ions are spatially uniformly distributed can be formed.

따라서, 이러한 숙성단계(S30)의 도입으로 인하여, 균일한 결정구조를 부여하기 위하여 도입되었으나 입자의 응집현상이 심한 수열합성법이나, 입자에 응용성을 부여하기 위하여 도입되었으나 유기물질의 발생으로 인한 불순물 발생을 초래하는 하소공정 없이도, 저온에서의 화학반응, 즉 가수분해와 축합/중합반응만으로 티탄산바륨 나노입자를 제조할 수 있게 되었다. Therefore, due to the introduction of the aging step (S30), although introduced to give a uniform crystal structure, the coagulation phenomenon of the particles is introduced to give the applicability to the hydrothermal synthesis method or particles, but due to the generation of organic substances Barium titanate nanoparticles can be produced by chemical reactions at low temperatures, namely, hydrolysis and condensation / polymerization reactions, without causing calcining.

4. 결정화단계(4. Crystallization stage S40S40 ))

결정화단계(S40)는, 겔화된 혼합용액에 염기성 수용액을 첨가한 후, 20 내지 60℃ 온도에서 교반에 의하여 반응시켜 결정성 티탄산바륨을 생성시키는 단계로서, 비정질의 겔을 강화제(촉매)와 반응시켜 결정성 입자를 합성하는 단계이다. 즉, 숙성단계(S30)를 거쳐 공간적으로 Ba와 Ti가 균일하게 분포되며, 기본입자의 크기가 조절된 겔을 해교공정을 거쳐 다시 졸의 형태로 미세화시킴으로써, 최종적으로 미세입자로 이루어진 결정구조를 형성하는 공정이다. 이러한 결정화단계(S40)에서의 반응조건에 따라서 입자의 크기, 형태 및 결정성이 영향을 받게 된다. The crystallization step (S40) is a step of adding a basic aqueous solution to the gelled mixed solution and reacting by stirring at a temperature of 20 to 60 ℃ to produce crystalline barium titanate, the amorphous gel is reacted with a reinforcing agent (catalyst) To synthesize crystalline particles. In other words, Ba and Ti are uniformly distributed spatially through the aging step (S30), and by refining the gel in which the size of the basic particles is controlled through a peptizing process again in the form of a sol, finally the crystal structure consisting of fine particles It is a process of forming. Depending on the reaction conditions in this crystallization step (S40), the size, shape and crystallinity of the particles are affected.

여기서 사용되는 염기성 수용액은, 강염기를 나타내는 것을 사용하는 것이 바람직하며, 예를 들어 수산화칼륨(KOH) 또는 수산화나트륨(NaOH) 수용액을 사용할 수 있다. It is preferable to use what shows a strong base as the basic aqueous solution used here, For example, potassium hydroxide (KOH) or sodium hydroxide (NaOH) aqueous solution can be used.

본 발명에서는 티타늄알콕시드와 아세트산 또는 아세틸아세톤 중 적어도 하나와의 반응에 기인한 티타늄알콕시드의 반응성 조절과, 이와 같은 방법에 의해 안정화된 티타늄아실레이트에 바륨 아세테이트 수용액을 첨가 하여 바륨과 티타늄 이온이 공간적으로 균일하게 분포되어 있는 겔을 제조하였으며, 여기에 염기성 수용액을 첨가한 후 상온에서 교반하는 매우 간단한 제조공정에 의하여 전자재료로 많이 사용되는 결정성 BaTiO3 입자를 합성하였다. 본 발명의 가장 큰 장점으로서, 지금까지는 결정성 BaTiO3 입자를 합성하기 위해서는 1000℃ 정도에서의 하소 공정이 대부분 필요했으나, 본 발명에 의하면 하소 공정 없이 상온에서의 간단한 교반에 기인한 화학반응만을 통하여 결정성 입자를 합성하였다는 점이다. 이와 같은 결과는 하소 공정의 생략에 기인한 대량 생산성 향상을 도모하며, 고열의 발생을 줄여주어 환경적인 측면에도 많은 도움이 될 것으로 사료된다. 또한, 저온에서의 결정성 금속 산화물 입자의 합성은 BaTiO3 입자뿐만 아니라 TiO2, Al2O3 및 ZrO2 등 다른 금속산화물의 저온에서의 합성을 가능하게 함으로써 나노 금속 산화물 합성에 많은 이바지를 할 것으로 판단된다.In the present invention, the barium and titanium ions are formed by adding barium acetate aqueous solution to the titanium alkoxide stabilized by the above method and controlling the reactivity of the titanium alkoxide due to the reaction between the titanium alkoxide and acetic acid or at least one of acetylacetone. A uniformly distributed gel was prepared, and crystalline BaTiO 3 particles, which are frequently used as electronic materials, were synthesized by adding a basic aqueous solution and then stirring at room temperature. As the biggest advantage of the present invention, until now, most of the calcination process at about 1000 ° C. was required to synthesize crystalline BaTiO 3 particles, but according to the present invention, only a chemical reaction due to simple agitation at room temperature without a calcination process is required. Crystalline particles were synthesized. This result is expected to improve the mass productivity due to the omission of the calcination process, and to reduce the occurrence of high heat, it is also helpful to the environmental aspects. In addition, the synthesis of crystalline metal oxide particles at low temperatures enables the synthesis of not only BaTiO 3 particles but also other metal oxides such as TiO 2 , Al 2 O 3, and ZrO 2 at low temperatures, thereby contributing much to the nano metal oxide synthesis. It seems to be.

본 발명에 의하면, 바람직하게는 상온 수준의 저온에서 오직 가수분해와 축합 중합 반응에 의해 유기물질의 발생에 의한 불순물 발생을 초래하지 않고도 전자 부품의 기본 소재인 결정성 나노 BaTiO3 입자를 제조할 수 있다. 저온에서의 화학반응만으로 결정성 BaTiO3 나노입자 제조 공정의 개발은 낮은 반응온도와 하소 공정이 필요하지 않기 때문에 에너지 절약과 공정의 단순화에 기인한 환경오염의 방지에 상당한 기여를 할 것으로 기대되며, 생산원가 절감에 큰 도움이 될 것으로 예상된다.According to the present invention, it is possible to produce crystalline nano BaTiO 3 particles, which are the basic materials of electronic components, preferably at low temperature at room temperature without causing impurities generated by the generation of organic materials only by hydrolysis and condensation polymerization. have. The development of crystalline BaTiO 3 nanoparticles manufacturing process by low temperature chemical reaction alone is expected to make a significant contribution to the prevention of environmental pollution due to energy saving and simplification of the process because low reaction temperature and calcination process are not required. It is expected to be a great help to reduce production costs.

이하, 본 발명의 실시예를 통하여, 본 발명에 의한 저온에서의 결정성 티탄산바륨 나노입자의 제조방법에 대하여 설명하기로 한다. Hereinafter, the method for producing the crystalline barium titanate nanoparticles at low temperature according to the present invention will be described through examples of the present invention.

실시예1Example 1 - 티타늄 - titanium 알콕시드의Alkoxide 안정화  stabilize

티타늄이소프록시드titanium isopropoxide(Ti(OCH(CH3)2)4)와 아세트산(CH3COOH)을 몰비([AcOH]/[TIP])를 변화시키며 혼합한 후 저온에서 1시간 교반하여, 물과의 반응성이 낮아진 티타니움 알실레이트(Ti(OR)4-x(OAc)x를 합성하였다.Titanium isopropoxide (Ti (OCH (CH 3 ) 2 ) 4 ) and acetic acid (CH 3 COOH) were mixed in varying molar ratios ([AcOH] / [TIP]) and stirred at low temperature for 1 hour. Titanium acylate (Ti (OR) 4-x (OAc) x ) having a low reactivity with it was synthesized.

도 3은, 상기 [AcOH]/[TIP]를 변화시켜 반응시킨 시료에 대한 FT-IR 분석 결과이다. 도 3에 의하면, [AcOH]/[TIP] =0.5의 조건에서 상기 식(1)에 기인한 이소프로필알코올이 생성되었음을 알 수 있다. [AcOH]/[TIP]의 비를 2까지 증가시키자, TIP에 결합되어 있는 이소프로필기([OCH(CH3)2]에 기인한 흡수대는 감소하였으며, 이소프로필아세테이트[iPrOAcE]에 기인한 1741과 1247cm-1에서의 흡수대의 강도가 증가하였다. 그리고 [AcOH]/[TIP]의 비를 3 이상으로 증가시키자 Ti 원자에 결합 되어있는 이소프필기의 흡수대의 강도와 위치는 변화하지 않으면서, 순수한 아세트산에 기인한 1294.2에서의 흡수대가 나타났다. 이와 같은 결과는 1mole의 TIP에 2몰의 아세트산이 화학적인 결합을 하면서 물과의 반응성이 매우 빠른 TIP를 안정화시킴을 알 수 있다. 3 is a result of FT-IR analysis of a sample reacted by changing the above [AcOH] / [TIP]. 3, it can be seen that isopropyl alcohol resulting from the above formula (1) was produced under the condition of [AcOH] / [TIP] = 0.5. When the ratio of [AcOH] / [TIP] was increased to 2, the absorption band due to the isopropyl group ([OCH (CH 3 ) 2 ] bound to the TIP was decreased and was due to isopropyl acetate [ i PrOAcE]. The strength of the absorption bands at 1741 and 1247 cm -1 was increased, and increasing the ratio of [AcOH] / [TIP] to 3 or more did not change the strength and position of the absorption bands of isopropyl groups bound to Ti atoms. Absorption bands at 1294.2 resulted from pure acetic acid, which indicates that two moles of acetic acid are chemically bonded to 1 mole of TIP to stabilize TIP, which is highly reactive with water.

[AcOH]/[TIP]의 비가 3 이상으로 혼합된 액체의 경우 물을 첨가하여도 전혀 침전이 생기지 않으면서 장시간 유지되었다. 그러나, 이 경우 TIP가 아세트산과의 반응에 의하여 상당히 안정화는 될 수 있지만, [AcOH]/[TIP]의 비가 3 이상인 경우, 아세트산이 안정화에 기여하지 못하고, 오히려 불순물의 역할을 하게 되어, 하소 공정 동안에 BaCO3 생성의 주원인이 된다. 특히 [AcOH]/[TIP]의 비가 4 이상인 경우에는 아세트산이 TIP의 안정화에 미치는 영향보다는 불순물인 BaCO3 생성을 초래하는 영향이 더 크다.In the case of a liquid having a ratio of [AcOH] / [TIP] of 3 or more, water was added for a long time without precipitation. In this case, however, TIP can be stabilized considerably by the reaction with acetic acid, but when the ratio of [AcOH] / [TIP] is 3 or more, acetic acid does not contribute to stabilization, but rather acts as an impurity, and calcining process During the production of BaCO 3 . Especially when the ratio of [AcOH] / [TIP] is 4 or more, acetic acid has a greater effect of generating BaCO 3 as an impurity than the effect of stabilization of TIP.

FT-IR 분석 결과에 의하면 Ti 원자와 결합되어 있는 아세테이트기는 2개의 Ti 원자와 한 개의 아세테이트가 결합되는 브릿지(Bridge) 형태와, 하나의 Ti 원자와 하나의 아세테이트 원자가 결합된 킬레이트 형태로 존재함을 유추할 수 있다.According to the FT-IR analysis, the acetate group bonded to the Ti atom is present in the form of a bridge in which two Ti atoms and one acetate are bonded, and in the chelate form in which one Ti atom and one acetate atom are bonded. Can be inferred.

실시예Example 2- ( 2- ( BaBa -- TiTi ) ) 겔의Gel 합성과 숙성 Synthesis and Aging

[AcOH]/[TIP]의 비를 2 내지 4로 변화시킨 용액을 결렬히 교반하면서, 바륨 아세테이트 수용액을 첨가 한 후, 45℃에서 12~24시간 숙성 공정을 통하여 (Ba-Ti)겔을 합성하였다. 이와 같이 제조된 겔의 사진을 도 4에 나타내었다. After adding the barium acetate aqueous solution while stirring the solution which changed the ratio of [AcOH] / [TIP] to 2-4, the (Ba-Ti) gel was synthesize | combined through the aging process at 45 degreeC for 12 to 24 hours. It was. A photograph of the gel thus prepared is shown in FIG. 4.

24시간 숙성하여 제조된 (Ba-Ti) gel에 대한 저각 XRD 분석(small angle XRD) 결과에 의하면, 약 9nm 정도의 미세 입자가 응집되어있으며, 메조포러스한 다공성 구조를 지니게 됨을 확인할 수 있다. 제조된 겔에 대한 FT-IR 분석 결과에 의하면 겔 내에 존재 하는 Ba와 Ti 원자의 공간적인 배열이 결정성 BaTiO3 입자 내에서의 위치와 유사한 위치에 존재함 을 알 수 있다.(도 5, 540nm와 405nm의 흡수대) According to the results of the small angle XRD of the (Ba-Ti) gel prepared by aging for 24 hours, it can be seen that the fine particles of about 9 nm are aggregated and have a mesoporous porous structure. The FT-IR analysis of the prepared gel shows that the spatial arrangement of Ba and Ti atoms present in the gel is at a position similar to that in the crystalline BaTiO 3 particles (FIG. 5, 540 nm). And absorption band of 405nm)

실시예Example 3- 결정성  3- crystalline BaTiOBaTiO 33 입자의 합성 Synthesis of Particles

실시예 2에서 제조된 (Ba-Ti) 겔에 KOH와 NaOH 염기성 용액을 첨가 한 후 상온에서의 교반에 의하여 결정성 BaTiO3 입자를 합성하였으며, 반응시간 경과에 따른 입자 생성 공정을 도 6에 나타내었다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 겔에 염기성 용액을 첨가하면 반응 시간이 경과 함에 따라 겔 덩어리는 감소하면서 백색의 입자가 생성됨을 알 수 있다. After adding KOH and NaOH basic solutions to the (Ba-Ti) gel prepared in Example 2, crystalline BaTiO 3 particles were synthesized by stirring at room temperature. It was. As shown in Figure 6, it can be seen that when the basic solution is added to the gel, as the reaction time elapses, the gel mass decreases and white particles are produced.

염기성 용액의 농도를 변화시킨 시료의 XRD 분석 결과에 의하면 1N의 KOH용액을 첨가하여 제조된 입자의 경우 결정성 입자가 제조되지 않았으나, 2N 이상의 KOH 용액을 첨가한 시료로부터 결정성 입자가 제조 되었다(도 7). 2N의 KOH 용액에서 제조된 입자의 경우, 제 2상으로 TiO2 결정도 약간 생성되었다. 또한 결정성은 3N인 경우가 가장 우수하며, 3N 이상으로 KOH 농도를 증가 시키는 경우 입자의 크기가 감소함을 알 수 있다. According to the XRD analysis results of the sample with the change of the basic solution concentration, the crystalline particles were not prepared for the particles prepared by adding the 1N KOH solution, but the crystalline particles were prepared from the sample to which the KOH solution of 2N or more was added ( 7). For particles prepared in 2N KOH solution, some TiO 2 crystals were also produced in the second phase. In addition, the crystallinity is best when the 3N, and when increasing the KOH concentration to 3N or more it can be seen that the size of the particle decreases.

도 8a 내지 도 8c는 각각 KOH 농도 3N, 4N, 5N 용액과 (Ba-Ti) 겔을 혼합 하 여 제조된 결정성 BaTiO3 입자의 SEM 분석 결과이다. 모두 구형이며, KOH 농도가 감소하면서 입자 크기도 감소함을 알 수 있다. 8a to 8c are SEM results of crystalline BaTiO 3 particles prepared by mixing KOH concentration 3N, 4N, 5N solution and (Ba-Ti) gel, respectively. All are spherical and the particle size decreases with decreasing KOH concentration.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 상세하게 설명하였다. 그러나 본 발명의 권리범위는 상기 실시예에 한정되는 것이 아니라, 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 가능한 다양한 변형 가능 범위까지 본 발명의 청구범위의 권리범위 내에 있는 것으로 본다. The foregoing has been described in detail with reference to preferred embodiments of the present invention. However, the scope of the present invention is not limited to the above embodiments, but may be embodied in various forms of embodiments within the appended claims. Without departing from the gist of the invention as claimed in the claims, any person skilled in the art to which the invention pertains is considered to be within the scope of the claims of the invention to the various possible modifications possible.

도 1은, 본 발명에 의한 저온에서의 결정성 티탄산바륨 나노입자의 제조방법을 순차적으로 나타낸 순서도1 is a flow chart sequentially illustrating a method for producing crystalline barium titanate nanoparticles at low temperature according to the present invention.

도 2는, [AcOH]/[TIP]=2의 조건에서 생성된 티타늄아실레이트의 구조를 나타낸 구조도2 is a structural diagram showing a structure of titanium acylate produced under the condition of [AcOH] / [TIP] = 2;

도 3은, 본 발명의 실시예 1에 의하여 [AcOH]/[TIP]를 변화시켜 반응시킨 시료에 대한 FT-IR 분석 결과FIG. 3 shows the results of FT-IR analysis on a sample reacted by changing [AcOH] / [TIP] according to Example 1 of the present invention.

도 4는, 본 발명의 실시예 2에 의하여 숙성되어 생성된 겔의 사진Figure 4 is a photograph of the gel produced by aging according to Example 2 of the present invention

도 5는, 본 발명의 실시예 2에 의하여 제조된 겔에 대한 FT-IR 분석 결과5 is an FT-IR analysis of the gel prepared by Example 2 of the present invention

도 6은, 본 발명의 실시예 3에 의한 반응시간 경과에 따른 입자 생성 공정을 나타낸 도면6 is a view showing a particle generation process with the reaction time according to Example 3 of the present invention.

도 7은, 본 발명의 실시예 3에 의한 염기성 용액의 농도를 변화시킨 시료의 XRD 분석 결과7 is an XRD analysis result of a sample in which the concentration of the basic solution according to Example 3 of the present invention is changed.

도 8a 내지 도 8c는, 각각 KOH 농도 3N, 4N, 5N 용액과 (Ba-Ti) 겔을 혼합 하여 제조된 결정성 BaTiO3 입자의 SEM 분석 결과8A to 8C are SEM results of crystalline BaTiO 3 particles prepared by mixing KOH concentration 3N, 4N, 5N solution and (Ba-Ti) gel, respectively.

Claims (5)

아세트산 또는 아세틸아세톤 중 적어도 하나와 티타늄알콕시드을 혼합하고 반응시켜, 상기 티타늄알콕시드를 킬레이트화함으로써 티타늄 전구체인 티타늄아실레이트를 제조하는 안정화단계;Stabilizing step of preparing titanium acylate as a titanium precursor by mixing and reacting at least one of acetic acid or acetylacetone with titanium alkoxide to chelate the titanium alkoxide; 상기 티타늄아실레이트에 바륨염 수용액을 첨가하여 교반하는 혼합단계;A mixing step of adding and stirring an aqueous barium salt solution to the titanium acylate; 상기 티타늄아실레이트-바륨염 혼합용액을 내부온도 30 내지 60℃인 밀폐용기 내에서 10 내지 30시간 동안 숙성하여 겔화시키는 숙성단계; 및A maturing step of gelling the titanium acylate-barium salt mixed solution for 10 to 30 hours in an airtight container having an internal temperature of 30 to 60 ° C .; And 상기 겔화된 혼합용액에 염기성 수용액을 첨가한 후, 20 내지 60℃ 온도에서 반응시켜 결정성 티탄산바륨을 생성시키는 결정화단계를 포함하며,Adding a basic aqueous solution to the gelled mixed solution and then reacting at a temperature of 20 to 60 ° C. to produce a crystalline barium titanate, 상기 안정화단계에서, 아세트산 또는 아세틸아세톤 중 적어도 하나와 티타늄알콕시드의 몰비(아세트산 또는 아세틸아세톤 중 적어도 하나/티타늄알콕시드)는, 2 내지 3이며,In the stabilization step, the molar ratio (at least one of acetic acid or acetylacetone / titanium alkoxide) of at least one of acetic acid or acetylacetone is 2 to 3, 상기 혼합단계에서의 바륨(Ba)과 티타늄(Ti)의 몰비([Ba)/(Ti)]는, 1 내지 1.5이며, 물과 티타늄의 몰비[(H20)/(Ti)]는, 5 내지 7인 것을 특징으로 하는 저온에서의 결정성 티탄산바륨 나노입자의 제조방법.The molar ratio ([Ba) / (Ti)] of barium (Ba) and titanium (Ti) in the mixing step is 1 to 1.5, and the molar ratio [(H 2 0) / (Ti)] of water and titanium is A method for producing crystalline barium titanate nanoparticles at low temperature, characterized in that 5 to 7. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 바륨염은, 바륨아세테이트, 염화바륨, 질산바륨 및 수산화바륨 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 저온에서의 결정성 티탄산바륨 나노입자의 제조방법.The barium salt is a method for producing crystalline barium titanate nanoparticles at low temperature, characterized in that at least one of barium acetate, barium chloride, barium nitrate and barium hydroxide. 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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