KR101194273B1 - 분산 특성이 우수한 구형 철 분말 제조 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

분산 특성이 우수한 구형 철 분말 제조 장치 및 그 제조 방법 Download PDF

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김철주
윤호성
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Abstract

분산제를 이용하여 철 전구체의 표면을 음전하로 유도함으로써, 분산 특성이 우수한 구형의 순수한 철 분말을 제조할 수 있는 분산 특성이 우수한 구형 철 분말 제조 장치 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명의 실시예에 따른 분산 특성이 우수한 구형 철 분말 제조 방법은 (a) 분산제 100mg/L에 대하여 철 전구체를 0.8 ~ 1.2g/L로 혼합하여 철 슬러리 혼합 용액을 마련하는 단계; (b) 상기 철 슬러리 혼합 용액에 환원제를 1ml/min ~ 5ml/min의 속도로 투입하면서 교반하여 환원 반응시키는 단계; (c) 상기 환원 반응으로 침강된 철 침전물을 필터링한 후, 세척 용액으로 세척하는 단계; 및 (d) 상기 세척된 철 침전물을 건조하여 철 분말을 수득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

분산 특성이 우수한 구형 철 분말 제조 장치 및 그 제조 방법{MANUFACTURING APPARATUS FOR SPHERICAL IRON PARTICLES WITH EXCELLETN DISPERSIVE PROPERTY AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 철 분말 제조 장치 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 분산제를 이용하여 철 전구체의 표면을 음전하로 유도함으로써, 분산 특성이 우수한 구형의 순수한 철 분말을 제조할 수 있는 분산 특성이 우수한 구형 철 분말 제조 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
전자산업의 비약적인 발전과 전자기기의 보급 확대, 그리고 처리속도 향상을 위한 고밀도 전자회로 소자의 미소화, 고기능화, 다양화 그리고 정밀화를 위해서는 화학적으로 안정하고 전도성이 뛰어난 미립 금속분말 제조기술 확립이 반드시 필요하다. 이를 위하여 경제성이 있고 환경 친화적인 방법으로 미립금속분말을 합성하고 물성을 제어할 수 있는 원천기술의 개발이 요구된다.
조립 금속분말의 제조 및 활용에 관한 연구나 개발성과는 상당수 있으나 도전성 코팅을 위한 미립 금속분말의 제조 및 형상제어, 금속분말을 사용한 코팅제 제조 개발에 관한 연구는 아직 초보적인 수준에 불과하며 미립 금속분말의 형상제어기술이 전무하여 실용화의 걸림돌로 남아있다. 특히, 미립 금속분말의 형상(morphology)은 페이스트의 도전성, 코팅층의 접착성 및 젖음성, 열전도도 등에 미치는 영향이 매우 크기 때문에 원료금속분말의 형상제어기술 확립은 관련 산업의 지속적인 발전을 위하여 반드시 필요하다.
일반적으로, 금속입자의 최종 크기는 과포화도, 핵생성 단계에 관여한 용질의 양, 시스템에 관여한 금속의 양, 응집력 등에 따라 변하게 된다. 금속원자의 과포화도가 높으면 많은 수의 핵을 생성하게 되고 만일 응집반응기구가 억제되면 입자크기의 증가는 용액 중에 남아있는 금속의 소모에 의한 성장만을 기대할 수 있어서 최종 입자는 나노사이즈 크기가 된다. 결과적으로 안정화된 나노사이즈 입자의 분산을 달성하려면 충분히 안정화된 시스템에서 강력한 환원제로 금속이온을 환원하는 것이 바람직하다. 만일, 확산성장에 의하여 보다 큰 입자를 원하면 작은 수의 핵이 생성되어야만 한다. 이와 같은 조건은 느린 반응, 시드(seeds) 첨가 또는 점차적인 금속이온의 첨가에 의해 실현될 수 있으며 기존의 입자가 안정하고 따라서 응집이 억제되어야만 한다.
응집에 의해 성장하는 금속입자의 최종 크기는 분산된 이온의 세기, 초기입자의 표면전하, 첨가제의 성질에 따라 결정되며 이 같은 변수를 제어함으로써 다양한 크기의 단 분산 콜로이드 금속을 제조할 수 있다.
특히, NdFeB계의 폐 영구자석의 폐스크랩 침출액에서 80% 정도를 차지하는 철의 이온 상태의 거동은 분리정제 과정에서 에멀젼을 만들거나 크루드(crud)를 만들어서, 분리 정제의 수율을 떨어뜨리는 문제가 있다.
따라서, 희토류 원소인 네오디뮴을 재활용하기 위해서는, 반드시 분리 및 정제과정에서 철의 이온 거동을 정확하게 이해하고 컨트롤할 수 있는 방법에 대한 연구가 필요하다.
관련 선행 문헌으로는 대한민국 공개특허 10-2011-0109629호(2011.10.06 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 코어/쉘 구조를 갖는 철 나노 분말 제조방법 및 이에 의해 제조된 코어/쉘 구조를 갖는 철 나노 분말이 기재되어 있을 뿐, 분산 특성이 우수한 구형 철 분말 제조 장치 및 그 제조 방법에 대하여 개시하는 바가 없다.
본 발명의 목적은 분산제를 이용하여 철 전구체의 표면을 음전하로 유도함으로써, 분산 특성이 우수한 구형의 순수한 철 분말을 제조할 수 있는 분산 특성이 우수한 구형 철 분말 제조 장치 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 분산 특성이 우수한 구형 철 분말 제조 방법은 (a) 분산제 100mg/L에 대하여 철 전구체를 0.8 ~ 1.2g/L로 혼합하여 철 슬러리 혼합 용액을 마련하는 단계; (b) 상기 철 슬러리 혼합 용액에 환원제를 1ml/min ~ 5ml/min의 속도로 투입하면서 교반하여 환원 반응시키는 단계; (c) 상기 환원 반응으로 침강된 철 침전물을 필터링한 후, 세척 용액으로 세척하는 단계; 및 (d) 상기 세척된 철 침전물을 건조하여 철 분말을 수득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 분산 특성이 우수한 구형 철 분말 제조 장치는 철 슬러리 혼합 용액이 투입되는 반응 용기; 상기 반응 용기에 연통하도록 장착되어, 상기 반응 용기에 환원제를 공급하는 환원제 공급 수단; 상기 반응 용기의 하측에 장착되어, 상기 반응 용기를 가열하는 히터; 상기 반응 용기의 내부에 투입된 철 슬러리 혼합 용액의 온도를 측정하는 써모 커플; 상기 반응 용기의 천장에 설치되어, 상기 반응 용기 내에 투입되는 철 슬러리 혼합 용액과 환원제를 교반하는 임펠러; 상기 반응 용기의 외측 바닥면에 장착되는 자성체; 및 상기 환원제 공급 수단, 히터 및 임펠러의 구동을 각각 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 분산 특성이 우수한 구형 철 분말 제조 장치 및 그 제조 방법은 분산제를 이용하여 철 전구체의 표면을 음전하로 유도한 후 환원제인 NaBH4를 이용하여 환원 반응시킴으로써 분산성이 우수한 순수한 철 나노 분말을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 구형 철 분말 제조 방법을 활용하여, NdFeB계의 폐 영구자석의 폐스크랩 침출액에서 80% 정도를 차지하는 철의 이온 상태의 거동에 대하여 규명할 수 있다. 이를 통해, 철의 분리 및 정제 과정에서 에멀젼이나 크루드(crud)의 생성을 미연에 방지할 수 있으므로, 분리 및 정제 수율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 분산 특성이 우수한 구형 철 분말 제조 장치를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 분산 특성이 우수한 구형 철 분말 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1 ~ 3에 따라 제조된 시료들에 대한 제타 포텐셜 값을 나타낸 그래프이다.
도 4는 실시예 1에 따라 제조된 시료에 대한 미세 조직 사진을 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 분산 특성이 우수한 구형 철 분말 제조 장치 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 분산 특성이 우수한 구형 철 분말 제조 장치를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 분산 특성이 우수한 구형 철 분말 제조 장치(100)는 반응 용기(110), 환원제 공급 수단(120), 히터(130), 써모 커플(140), 임펠러(150), 자성체(160) 및 제어부(170)를 포함한다.
반응 용기(110)는 외부와 밀폐되는 공간을 제공하며, 구 형태로 이루어질 수 있다. 이때, 반응 용기(110)는 세라믹 재질로 이루어질 수 있다. 이러한 반응 용기(110)의 내부에는 설정된 높이 및 농도로 철 슬러리 혼합 용액(115)이 투입된다. 이때, 상기 철 슬러리 혼합 용액(115)은 철 전구체와 분산제의 혼합 용액일 수 있다.
철 전구체로는 FeCl3 용액이 이용될 수 있고, 분산제로는 Na4P2O7 용액이 이용될 수 있다. 철 전구체인 FeCl3 용액은 분산제인 Na4P2O7 용액 100mg/L에 대하여 0.8 ~ 1.2g/L로 혼합하는 것이 바람직하다. 이는 철 전구체인 FeCl3의 표면을 음전하가 되도록 유도함으로써, 후술할 환원제와의 환원 반응시 철 입자들 간의 응집을 방지하기 위함이다. 실험 결과, 상기 범위에서 FeCl3 용액과 Na4P2O7 용액을 혼합했을 경우, FeCl3의 표면이 음전하로 유도되는 것을 확인하였다. 즉, 분산제인 Na4P2O7 용액 100mg/L에 대하여 철 전구체인 FeCl3 용액이 0.8g/L 미만으로 첨가되거나, 또는 1.2g/L를 초과할 경우에는 음전하로 유도하는 데 어려움이 따르는 것을 확인하였다.
환원제 공급 수단(120)은 반응 용기(110)에 연통하도록 장착되어, 상기 반응 용기(110)에 환원제(125)를 공급하는 역할을 한다. 도면으로 제시하지는 않았지만, 환원제 공급 수단(120)은 환원제(125)를 정해진 속도 및 공급량으로 공급하기 위한 펌프(미도시)를 구비할 수 있다.
환원제 공급 수단(120)은 환원제(125)로서 NaBH4 용액을 공급할 수 있다. 이때, 환원제(125)는 드롭와이즈(dropwise) 방식으로 지속적으로 공급되는 것이 바람직하다. 실험 결과, 환원제를 한번에 공급하는 배치식(batch) 방법보다 한 방울씩 지속적으로 공급하는 경우, 단 분산된 구형의 순수한 철 분말을 확보할 수 있었으며, 입자 사이즈의 조절이 용이하다는 것을 확인하였다.
또한, 환원제(125)는 1ml/min ~ 5ml/min의 속도로 첨가하는 것이 바람직하다. 환원제(125)의 첨가속도가 1ml/min 미만일 경우에는 핵생성이 적고 핵성장이 길어 입자의 크기가 조대해지는 문제가 있다. 반대로, 환원제(125)의 첨가 속도가 5ml/min를 초과할 경우에는 핵생성이 일정하나 입자의 응집이 심화되어 미세한 철 분말을 제조하는 데 어려움이 따를 수 있다.
히터(130)는 반응 용기(110)의 하측에 장착되어, 상기 반응 용기(110)를 가열하는 역할을 한다. 히터(130)는 후술할 써모 커플(140) 및 제어부(170)와 전기적으로 연결되며, 반응 용기(110) 내부의 온도를 일정하게 유지시키는 역할을 한다. 이때, 히터(130)는 반응 용기(110)의 내부 온도를 30℃ ~ 70℃로 유지하는 것이 바람직하다. 상기 반응 용기(110)의 내부 온도는 슬리러 혼합용액(115)의 환원 반응에 관련된 온도로서, 실험결과 철 슬러리 혼합 용액(115)의 환원 반응은 30℃ ~ 70℃의 온도에서 실시되는 것이 바람직하다는 것을 확인하였다. 반응온도가 30℃ 미만일 경우 그 온도가 너무 낮은 관계로 환원 반응이 일어나지 않는 문제가 있다. 반대로, 반응온도가 70℃를 초과할 경우에는 더 이상의 온도 상승 효과 없이 공정 비용 및 시간만을 증가시키는 문제점이 있다.
써모 커플(140)은 반응 용기(110)의 내부에 투입된 철 슬러리 혼합 용액(115)의 내부 온도를 측정하는 역할을 한다. 이와 같이, 측정된 온도는 후술할 제어부(170)로 입력된다. 따라서, 상기 제어부(170)는 써모 커플(140)로부터 측정된 온도를 이용하여 히터(130)의 구동을 제어함으로써, 반응 용기(110) 내부, 구체적으로는 철 슬러리 혼합 용액(115)의 온도를 제어할 수 있게 된다.
임펠러(150)는 반응 용기(110)의 천장에 설치되어, 상기 반응 용기(110) 내에 투입되는 철 슬러리 혼합 용액(115)과 환원제(125)를 교반하는 역할을 한다. 이러한 임펠러(150)는 반응 용기(110)에 투입되는 철 슬러리 혼합 용액(115)과 환원제(125)를 교반하는 교반자(152)와, 상기 교반자(152)의 회전 운동을 제어하는 구동 모터(154)를 포함할 수 있다. 이때, 교반은 100 ~ 500rpm으로 실시하는 것이 바람직하다. 교반 속도가 100rpm 미만일 경우에는 균일한 혼합이 이루어지지 않을 우려가 있다. 반대로, 교반 속도가 500rpm을 초과할 경우에는 더 이상의 효과 없이 제조 비용만을 상승시키는 문제가 있다.
자성체(160)는 반응 용기(110)의 외측 바닥면에 장착된다. 이러한 자성체(160)는 철 슬러리 혼합 용액(115)과 환원제(125) 간의 환원 반응을 촉진시키는 역할을 한다. 이때, 자성체(160)로는 네오디늄 자성체가 이용될 수 있다.
제어부(170)는 환원제 공급 수단(120), 히터(130) 및 임펠러(150)의 구동을 각각 제어하는 역할을 한다. 이때, 제어부(170)는 히터(130)의 하부에 배치될 수 있으나, 반드시 이에 제한될 필요는 없다. 도면으로 도시하지는 않았지만, 제어부(170)는 반응 용기(110), 히터(130), 써모 커플(140) 등의 장치와 분리되는 형태, 즉 반응 용기(110)와 이격된 외측에 배치될 수도 있다.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 분산 특성이 우수한 구형 철 분말 제조 장치는 분산제를 이용하여 철 전구체의 표면을 음전하로 유도한 후, 환원제인 NaBH4를 이용하여 환원 반응시킴으로써 분산성이 우수할 뿐만 아니라, 구형으로 이루어지며, 입자의 평균 직경이 100nm 이하를 갖는 순수한 철 분말을 대량으로 제조할 수 있는 이점이 있다.
이에 대해서는, 본 발명의 실시예에 따른 분산 특성이 우수한 구형 철 분말 제조 방법을 통하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 실시에에 따른 분산 특성이 우수한 구형 철 분말 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 분산 특성이 우수한 구형 철 분말 제조 방법은 철 슬러리 혼합 용액 마련 단계(S210), 환원제 투입 단계(S220), 필터링/세척 단계(S230) 및 건조 단계(S240)를 포함한다.
철 슬러리 혼합 용액 마련
철 슬러리 혼합 용액 마련 단계(S210)에서는 철 전구체를 분산제에 녹여 슬러리 혼합 용액을 마련한다. 상기 철 전구체는 FeCl3 용액이 이용될 수 있고, 분산제는 Na4P2O7 용액이 이용될 수 있다.
이때, 철 전구체인 FeCl3 용액은 분산제인 Na4P2O7 용액 100mg/L에 대하여 0.8 ~ 1.2g/L로 혼합하는 것이 바람직하다. 이는 철 전구체인 FeCl3의 표면을 음전하가 되도록 유도함으로써, 후술할 환원제와의 환원 반응시 철 입자들 간의 응집을 방지하기 위함이다. 실험 결과, 상기 범위에서 FeCl3 용액과 Na4P2O7 용액을 혼합했을 경우, FeCl3의 표면이 음전하로 유도되는 것을 확인하였다. 즉, 분산제인 Na4P2O7 용액 100mg/L에 대하여 철 전구체인 FeCl3 용액이 0.8g/L 미만으로 첨가되거나, 또는 1.2g/L를 초과할 경우에는 음전하로 유도하는 데 어려움이 따르는 것을 확인하였다.
환원제 투입
환원제 투입 단계(S220)에서는 철 슬러리 혼합 용액에 환원제를 투입하면서 교반하여 환원 반응시킨다. 이때, 환원제로는 NaBH4 용액을 이용하는 것이 바람직하다.
본 단계에서, 철 슬러리 혼합 용액과 NaBH4 용액은 1 : 3 ~ 1 : 5의 몰비로 혼합하는 것이 바람직하다. 철 슬러리 혼합 용액과 NaBH4 용액의 몰비가 1 : 3 미만일 경우에는 NaBH4 용액 대비 철 슬러리 혼합 용액의 몰비가 낮은 관계로 환원 반응이 완전히 이루어지지 않을 우려가 있다. 반대로, 철 슬러리 혼합 용액과 NaBH4 용액의 몰비가 1 : 5를 초과할 경우에는 NaBH4 용액의 첨가에 따른 상승 효과 대비 비용 상승이 더 크게 작용하므로, 경제적이지 못하다.
이때, 교반은 100 ~ 500rpm의 속도로 실시하는 것이 바람직하다. 교반 속도가 100rpm 미만일 경우에는 균일한 혼합이 이루어지지 않을 우려가 있다. 반대로, 교반 속도가 500rpm을 초과할 경우에는 더 이상의 효과 없이 제조 비용만을 상승시키는 문제가 있다.
여기서, 환원제는 드롭와이즈(drop-wise) 방식으로 지속적으로 투입하는 것이 바람직하다. 환원제를 한번에 공급하는 배치식(batch) 방법보다 한 방울씩 지속적으로 공급하는 드롭와이드 방식으로 공급할 경우, 구 형상의 철 분말을 확보하는 데 유리할 뿐만 아니라, 입자 사이즈의 조절이 용이하다. 이때, 환원제인 NaBH4 용액을 철 슬러리 혼합 용액이 채워진 반응조 내에 드롭와이즈 방식으로 공급하자마자 즉시 거품이 발생하면서 검은색의 철 침전물이 형성된 후, 자성체에 즉시 달라붙는 것을 확인하였다.
특히, 환원제는 1ml/min ~ 5ml/min의 속도로 투입하는 것이 바람직하다. 환원제의 투입 속도가 1ml/min 미만일 경우에는 핵생성이 적고 핵성장이 길어 입자의 크기가 조대해지는 문제가 있다. 반대로, 환원제의 투입 속도가 5ml/min를 초과할 경우에는 핵생성이 일정하나 입자의 응집이 심화되어 미세한 철 분말을 제조하는 데 어려움이 따를 수 있다.
한편, 본 단계에서, 반응온도는 30 ~ 70℃에서 실시하는 것이 바람직하다. 반응온도가 30℃ 미만일 경우에는 그 온도가 너무 낮은 관계로 환원 반응이 일어나지 않는 문제가 있다. 반대로, 반응온도가 70℃를 초과할 경우에는 더 이상의 온도 상승 효과 없이 공정 비용 및 시간만을 증가시키는 문제점이 있다.
이때, 환원 반응은 철 슬러리 혼합 용액에 NaBH4 용액을 투입한 후, 거품 발생이 더 이상 발생하지 않는 시점으로 하는 것이 바람직하며, 구체적으로는 1 ~ 5분 동안 실시하는 것이 바람직하다. 환원 반응 시간이 1분 미만일 경우에는 반응 시간이 너무 짧은 관계로 구형의 철 분말을 제조하는 데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 환원 반응 시간이 5분을 초과할 경우에는 환원 반응의 활성화를 위하여 NaBH4 용액을 다량으로 첨가해야 하는 데 따른 제조 비용의 상승 문제가 있다.
필터링/세척
필터링/세척 단계(S230)에서는 환원 반응으로 침강된 철 침전물을 필터링한 후, 세척 용액으로 세척한다.
이때, 본 단계에서는 환원 반응으로 침강된 철 침전물을 필터링하면서 세척 용액을 이용하여 세척하게 된다. 이때, 세척은 에탄올과 증류수의 혼합 용액으로 이루어진 세척 용액을 이용하여 3회 이상 반복 실시하는 것이 바람직하다.
건조
건조 단계(S240)에서는 세척된 철 침전물을 건조하여 철 분말을 수득한다.
이때, 건조는 40 ~ 80℃에서 5 ~ 25시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 본 단계에서, 건조 온도가 40℃ 미만이거나, 건조 시간이 5시간 미만일 경우에는 충분한 건조가 이루어지지 못하는 관계로 결정성이 나빠지는 문제가 있다. 반대로, 건조 온도가 80℃를 초과하거나, 건조 시간이 25시간을 초과할 경우에는 제조 비용의 상승 원인이 될 뿐만 아니라, 과도한 건조로 인해 비표면적이 감소하는 문제가 있다.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 분산 특성이 우수한 구형 철 분말 제조 방법은 분산제를 이용하여 철 전구체의 표면을 음전하로 유도한 후, 환원제인 NaBH4를 이용하여 환원 반응시킴으로써 분산성이 우수할 뿐만 아니라, 구형으로 이루어지며, 입자의 평균 직경이 100nm 이하를 갖는 순수한 철 분말을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기의 구형 철 분말 제조 방법을 활용하여, NdFeB계의 폐 영구자석의 폐스크랩 침출액에서 80% 정도를 차지하는 철의 이온 상태의 거동에 대하여 규명할 수 있다. 이를 통해, 철의 분리 및 정제 과정에서 에멀젼이나 크루드(crud)의 생성을 미연에 방지할 수 있으므로, 분리 및 정제 수율을 향상시킬 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 시료 제조
실시예 1
Na4P2O7(99%이상, Junsei, Japan) 용액 100mg/L에 대하여 FeCl3(anhydrous, 98 %이상, samchun, Korea) 0.8g/L를 혼합하여 슬러리 혼합 용액을 제조하였다. 이후, 임펠러(MS-5020, TOPS)를 이용하여 200rpm으로 회전시키면서, 환원제인 NaBH4(99% 이상, across, USA) 용액을 2ml/min의 속도로 방울방울 집어넣어서 NaBH4 용액과의 몰비를 1 : 3으로 조절한 후 40℃에서 5분 동안 환원 반응시켰다.
다음으로, 침강된 철 침전물을 필터링한 후, 에탄올 및 증류수의 혼합 용액을 이용하여 철 침전물을 3차례 세척하였다. 다음으로, 세척된 철 침전물을 40℃에서 22시간 동안 건조하여 철 분말을 수득하였다.
실시예 2
Na4P2O7(99%이상, Junsei, Japan) 용액 100mg/L에 대하여 FeCl3(anhydrous, 98 %이상, samchun, Korea) 1.0g/L를 혼합하여 슬러리 혼합 용액을 제조하였다. 이후, 임펠러(MS-5020, TOPS)를 이용하여 300rpm으로 회전시키면서, 환원제인 NaBH4(99% 이상, across, USA) 용액을 3ml/min의 속도로 방울방울 집어넣어서 NaBH4 용액과의 몰비를 1 : 4로 조절한 후 50℃에서 3분 동안 환원 반응시켰다.
다음으로, 침강된 철 침전물을 필터링한 후, 에탄올 및 증류수의 혼합 용액을 이용하여 철 침전물을 3차례 세척하였다. 다음으로, 세척된 철 침전물을 50℃에서 15시간 동안 건조하여 철 분말을 수득하였다.
실시예 3
Na4P2O7(99%이상, Junsei, Japan) 용액 100mg/L에 대하여 FeCl3(anhydrous, 98 %이상, samchun, Korea) 1.2g/L를 혼합하여 슬러리 혼합 용액을 제조하였다. 이후, 임펠러(MS-5020, TOPS)를 이용하여 400rpm으로 회전시키면서, 환원제인 NaBH4(99% 이상, across, USA) 용액을 5ml/min의 속도로 방울방울 집어넣어서 NaBH4 용액과의 몰비를 1 : 5로 조절한 후 70℃에서 1분 동안 환원 반응시켰다.
다음으로, 침강된 철 침전물을 필터링한 후, 에탄올 및 증류수의 혼합 용액을 이용하여 철 침전물을 3차례 세척하였다. 다음으로, 세척된 철 침전물을 70℃에서 8시간 동안 건조하여 철 분말을 수득하였다.
비교예 1
Na4P2O7 용액 100mg/L에 대하여 FeCl3 0.3g/L를 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 철 분말을 제조하였다.
비교예 2
Na4P2O7 용액 100mg/L에 대하여 FeCl3 0.5g/L를 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 철 분말을 제조하였다.
비교예 7
Na4P2O7 용액 100mg/L에 대하여 FeCl3 2.0g/L를 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 철 분말을 제조하였다.
2. 물성 결과
1) 입자 크기 및 모양은 전자현미경(Magellan400, FEI company or JSM6380, JEOL)을 이용하여 관찰하였다.
2) 입자 크기는 나노입도분석기(NANOPHOX, Sympatec GmbH)를 이용하여 분석하였다.
3) 제타 포텐셜은 ELS-8000(Otasuka Electronics Co)을 이용하여 측정하였다.
표 1은 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1 ~ 3에 따라 제조된 시료들에 대한 제타 포텐셜 값을 나타낸 것이고, 도 3은 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1 ~ 3에 따라 제조된 시료들에 대한 제타 포텐셜 값을 나타낸 그래프이다.
[표 1]
Figure 112012033886601-pat00001
표 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 실시예 1 ~ 3에 따라 제조된 시료들(1, 2, 3)은 제타포텐셜이 -1.8mV, -0.1mV, -0.2mV로 모두 음의 전하를 갖는 것을 확인하였다. 또한, 실시예 1 ~ 3에 따라 제조된 시료들(1, 2, 3)은 입자 평균직경이 목표값에 해당하는 100nm 이하를 모두 만족하는 것을 확인하였다.
반면, 비교예 1 ~ 3에 따라 제조된 시료들(e, f, g)의 경우에는 제타포텐셜이 6.7mV, 1.9mV, 7.1mV로 모두 양의 전하를 갖는 것을 확인하였다. 또한, 비교예 1 ~ 3에 따라 제조된 시료들(e, f, g)의 경우에는 입자 평균직경이 목표값에 모두 미달하는 것을 확인하였다.
도 4는 실시예 1에 따라 제조된 시료에 대한 미세 조직 사진을 나타낸 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 실시예 1에 따라 제조된 시료의 경우, 전자현미경상에서 관찰한 평균 입자 크기가 대략 52nm이며, 전반적으로 잘 분산되어 있는 것을 확할 수 있다. 이는 분산제인 Na4P2O7가 제조되는 철 분말 입자들의 응집을 막아 개별단위의 입자로 분리시킨 데 기인한 것으로 파악된다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
100 : 철 분말 제조 장치 110 : 반응 용기
115 : 철 슬러리 혼합 용액 120 : 환원제 공급 수단
125 : 환원제 130 : 히터
140 : 서모커플 150 : 임펠러
152 : 교반자 154 : 모터
160 : 자성체 170 : 제어부
S210 : 철 슬러리 혼합 용액 마련 단계
S220 : 환원제 투입 단계
S230 : 필터링/세척 단계
S240 : 건조 단계

Claims (12)

  1. (a) 분산제 100mg/L에 대하여 철 전구체를 0.8 ~ 1.2g/L로 혼합하여 철 슬러리 혼합 용액을 마련하는 단계;
    (b) 상기 철 슬러리 혼합 용액에 환원제를 1ml/min ~ 5ml/min의 속도로 투입하면서 교반하여 환원 반응시키는 단계;
    (c) 상기 환원 반응으로 침강된 철 침전물을 필터링한 후, 세척 용액으로 세척하는 단계; 및
    (d) 상기 세척된 철 침전물을 건조하여 철 분말을 수득하는 단계;를 포함하며,
    상기 철 전구체는 FeCl3 용액을 포함하고, 상기 분산제는 Na4P2O7 용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 분산 특성이 우수한 구형 철 분말 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서,
    상기 환원제는
    NaBH4 용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 분산 특성이 우수한 구형 철 분말 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서,
    상기 철 슬러리 혼합 용액은
    상기 NaBH4 용액에 대하여 1 : 3 ~ 1 : 5의 몰비로 혼합하는 것을 특징으로 하는 분산 특성이 우수한 구형 철 분말 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서,
    상기 환원 반응은
    30 ~ 70℃에서 1 ~ 5분 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 분산 특성이 우수한 구형 철 분말 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서,
    상기 교반은 100 ~ 500rpm의 속도로 실시하는 것을 특징으로 하는 분산 특성이 우수한 구형 철 분말 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서,
    상기 건조는 40 ~ 80℃에서 5 ~ 25시간 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 분산 특성이 우수한 구형 철 분말 제조 방법.
  9. 철 슬러리 혼합 용액이 투입되는 반응 용기;
    상기 반응 용기에 연통하도록 장착되어, 상기 반응 용기에 환원제를 공급하는 환원제 공급 수단;
    상기 반응 용기의 하측에 장착되어, 상기 반응 용기를 가열하는 히터;
    상기 반응 용기의 내부에 투입된 철 슬러리 혼합 용액의 온도를 측정하는 써모 커플;
    상기 반응 용기의 천장에 설치되어, 상기 반응 용기 내에 투입되는 철 슬러리 혼합 용액과 환원제를 교반하는 임펠러;
    상기 반응 용기의 외측 바닥면에 장착되는 자성체; 및
    상기 환원제 공급 수단, 히터 및 임펠러의 구동을 각각 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 분산 특성이 우수한 구형 철 분말 제조 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 철 슬러리 혼합 용액은
    철 전구체인 FeCl3 용액과 분산제인 Na4P2O7 용액의 혼합 용액이며,
    상기 FeCl3 용액은 상기 Na4P2O7 용액 100mg/L에 대하여 0.8 ~ 1.2g/L로 혼합되는 것을 특징으로 하는 분산 특성이 우수한 구형 철 분말 제조 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 임펠러는
    상기 반응 용기에 투입되는 철 슬러리 혼합 용액과 환원제를 교반하는 교반자와,
    상기 교반자의 회전 운동을 제어하는 구동 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 분산 특성이 우수한 구형 철 분말 제조 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 자성체는
    네오디뮴 자성체인 것을 특징으로 하는 분산 특성이 우수한 구형 철 분말 제조 장치.
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