KR101247558B1 - 고순도 알루미나의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
알콕사이드법에 의해 제조된 알루미늄 알콕사이드에 흡착제를 첨가하여 여과하고 감마-알루미나를 첨가하여 감압 증류를 통해 정제한 뒤 가수분해 및 하소하는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조된 알루미나는, 전이금속을 비롯한 불순물의 함량이 매우 적은 고순도를 나타내므로 반도체와 사파이어 주괴 등의 제조에 유용하게 사용될 수 있다.
Description
본 발명은 전이금속을 비롯한 불순물이 거의 함유되지 않은 고순도 알루미나의 제조방법에 관한 것이다.
알루미나는 절연성이 우수하고 내열성 및 내마모성이 좋기 때문에 각종 산업의 내화물, 충전재, 요업원료, 촉매제 및 전자부품 등에 폭 넓게 사용되는 매우 중요한 세라믹 원료 중의 하나이다. 알루미나는 원료물질인 수산화알루미늄을 소성하여 공업적으로 얻은 백색 결정 분말로서, 소성 온도를 높여가면 감마-알루미나 등의 각종 중간 알루미나를 거쳐 최종적으로는 α-알루미나가 되는데, α-알루미나는 알루미나 형태 중에서 화학적으로 가장 안정되고 융점이 높으며 기계적 강도가 큰 특징을 가지고 있다. 최근에는 99.99% 이상의 고순도 알루미나에 대한 전자산업 분야의 수요가 급증하여, 청색 LED, 탄성표면파 소자(device)용 기판, 반도체용 기판 용도 등으로의 고순도 알루미나 제품에 대한 수요가 크게 늘어나고 있다.
상용화되는 알루미나는, 알루미늄 금속을 알루미늄 알콕사이드(aluminum alkoxide) 등의 유기화합물 형태로 전환시킨 다음 이를 열분해함으로써 주로 제조된다. 현재 전세계적으로 생산되고 있는 알루미나는 대부분 이와 같이 알루미늄 알콕사이드를 중간체로 거쳐 제조되는데, 이러한 제법은 별도의 정제 과정 없이 알루미늄 알콕사이드를 단순히 열분해함으로써 비교적 고순도의 알루미나를 용이하게 제조할 수 있다는 장점이 있다(대한민국 공개특허공보 제2009-0064551호 및 제2011-0102229호 참조)
그러나, 원료 알루미늄 금속 내에 함유되어 있는 전이금속을 비롯한 각종 불순물이 최종 산물 알루미나에 여전히 잔존하고 있고, 알루미나의 제조공정 중에도 불순물이 혼입될 가능성이 있어서, 99.99% 이상의 고순도 알루미나를 제조하는 데에 장애가 되고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 전이금속을 비롯한 불순물을 거의 함유하지 않는 고순도 알루미나를 제조하는 방법 및 상기 고순도 알루미나를 제공하는 것이다.
상기 목적에 따라, 본 발명은 (1) 알루미늄과 탄소수 1~10의 알콜을 반응시켜 알루미늄 알콕사이드를 제조하는 단계; (2) 제조된 알루미늄 알콕사이드에 제1 흡착제를 첨가하여 반응시키고 여과한 후, 제2 흡착제를 첨가하고 감압 증류하여 정제하는 단계; (3) 정제된 알루미늄 알콕사이드를 가수분해하여 보헤마이트(boehmite)를 얻는 단계; 및 (4) 수득한 보헤마이트를 하소(calcination)하는 단계를 포함하는 고순도 알루미나의 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 전이금속 불순물의 총 함유량이 100 ppm 미만인 고순도 알루미나를 제공한다.
본 발명의 방법에 따르면 전이금속을 비롯한 불순물의 함량이 저감된 고순도의 알루미나를 용이하게 수득할 수 있으므로, 이와 같이 제조된 고순도 알루미나는 반도체와 사파이어 주괴(ingot) 등의 제조에 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 고순도 알루미나의 제조공정의 일례를 단계별로 나타낸 흐름도이다.
도 2는 Al 원료의 표면적에 따른 반응시간별 반응온도의 변화이다.
도 3은 Al 원료의 초기 투입량에 따른 반응시간별 반응온도의 변화이다.
도 4a 및 4b는 반응 촉매에 따른 반응시간별 합성율의 변화이다.
도 5a 및 5b는 가수분해시 물 또는 알콜의 첨가량에 따라 수득되는 입자의 크기 분포를 나타낸 그래프이다.
도 6은 보헤마이트 하소시에 온도별로 수득되는 결정의 XRD 분석 결과이다.
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도 5a 및 5b는 가수분해시 물 또는 알콜의 첨가량에 따라 수득되는 입자의 크기 분포를 나타낸 그래프이다.
도 6은 보헤마이트 하소시에 온도별로 수득되는 결정의 XRD 분석 결과이다.
이하, 본 발명에 따른 고순도 알루미나의 제조방법의 일례를 도 1을 참조하여 단계별로 구체적으로 설명한다.
알루미늄 알콕사이드의 제조
본 단계에서는 원료 알루미늄(Al)과 알콜을 반응시켜 알루미늄 알콕사이드를 제조한다(도 1의 S1~S2 단계).
반응식 1
2Al + 6ROH -> 2Al(OR)3 + 3H2
상기 식에서, R은 탄소수 1~10의 알킬을 의미하며, 예를 들어 탄소수 2~4의 알킬이고, 보다 바람직하게는 이소프로필이다.
원료로 사용되는 Al은 순도가 99.0% 내지 99.9%일 수 있으며, 일반적으로 Si, P, Ca 등의 불순물 외에도 Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn 등과 같은 다양한 전이금속을 불순물로서 함유한다.
Al 원료는 사용하기에 적당한 크기로 절단된 주괴(ingot) 또는 와이어(wire)의 형태로 도입될 수 있다. 바람직하게는 원료 Al은 와이어 형태인 것이 표면적을 향상시켜 반응 효율면에서 유리하다. 또한, 반응 이전에 원료 Al을 가능한 많이 절단하여 표면적을 향상시키는 것이 유리하다. 구체적으로, 원료 Al의 비표면적은 20 ㎡/g 이상일 수 있으며, 예를 들어 20 내지 30 ㎡/g일 수 있다.
반응을 위해 첨가하는 알루미늄(Al)과 알콜(ROH)의 몰비는 1:3 내지 1:12 가 가능하며, 예를 들어 1:4 내지 1:6 일 수 있다.
Al 원료를 반응기에 투입하는 방법은, 초기에 모두(100%) 가하거나 초기에 일부분을 가한 뒤 이후에 나머지량을 수회에 걸쳐서 가하는 등 크게 제한되지는 않으나, 전체 Al 원료의 1 내지 40 중량%에 해당하는 양을 초기에 가한 뒤, 이후 1 내지 20 분 간격으로 1 내지 9 회에 걸쳐서 나머지량을 가하는 것이 반응 효율면에서 바람직하다. 예를 들어, 전체 Al 원료의 30 내지 40 중량%에 해당하는 양을 초기에 가한 뒤, 이후 1 내지 10 분 간격으로 6 내지 9 회에 걸쳐서 나머지량을 가할 수 있다.
반응시에, 촉매로서 염화수은(HgCl2), 요오드(I2) 등을 사용하면 반응 효율을 더욱 높일 수 있으며, 첨가량은 원료 Al 1 몰 대비 0.1 내지 10 몰로 사용할 수 있다. 또는 촉매로서, 반응물질인 알콜과 동일한 탄소수의 알루미늄 알콕사이드를 Al 1몰 대비 0.1 내지 1 몰로 사용할 수 있으며, 예를 들어 0.3 내지 0.5 몰로 사용할 수 있다.
알루미늄 알콕사이드의 정제(불순물 제거)
본 단계에서는 이전 단계에서 수득한 알루미늄 알콕사이드 내에 함유되어 있는 불순물을 제거하여 순도를 높이기 위한 공정이다. 이 불순물은 Al 원료 내에 함유된 불순물에 해당한다.
먼저, 1차 정제로서 알루미늄 알콕사이드에 물을 소량 첨가하여 반응시킨 뒤 여과를 실시함으로써, 잔여물을 제거하고 선 가수분해(부분 가수분해) 효과를 얻는다(도 1의 S3 단계).
물의 첨가량은 알루미늄 알콕사이드 100 중량부를 기준으로 1 내지 12 중량부가 가능하고, 예를 들어 1 내지 10 중량부일 수 있으며, 다른 예로 1 내지 6 중량부일 수 있다.
다음으로, 2차 정제로서 알루미늄 알콕사이드에 이온 흡착제(제1 흡착제)를 첨가하여 반응시킨 뒤 여과를 실시한다(도 1의 S4 단계).
제1 흡착제로서는 카본 블랙(carbon black), 비결정질 보헤마이트(boehmite), 감마-알루미나(γ-alumina), 또는 이들의 혼합물이 가능하고, 이들 중 카본 블랙인 것이 가장 바람직하다.
또한, 제1 흡착제의 첨가량은 알루미늄 알콕사이드 100 중량부를 기준으로 0.5 내지 10 중량부가 가능하고, 예를 들어 1 내지 5 중량부일 수 있으며, 다른 예로 2.0 내지 2.5 중량부일 수 있다.
마지막으로, 3차 정제로서 감압 증류를 통해 잔류하는 알콜 및 불순물을 제거하여 순도를 더욱 높인다(도 1의 S5 단계).
감압 증류의 조건은 알콜과 알루미늄 알콕사이드의 끓는점(bp) 및 감압 정도를 고려하여 적절히 설정할 수 있다. 예를 들어, 알콜로서 이소프로필알콜(IPA)을 사용한 경우, 먼저 온도를 82.5℃로 유지하여 IPA를 회수하고, 이후 100mmHg 이하의 압력에서 150℃ 이상을 유지하여 순수한 알루미늄 알콕사이드를 수득할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 감압 증류시에 이온 흡착제(제2 흡착제)를 첨가하여 실시하는 것을 특징으로 하며, 제2 흡착제의 예시로는 감마-알루미나(γ-alumina), 비결정질 보헤마이트(boehmite), 알파-알루미나(α-alumina) 또는 이들의 혼합물이 가능하고, 이들 중 감마-알루미나가 흡착제에 의한 불순물 혼입 우려가 적고 비표적에 따른 불순물 흡착 능력이 우수하여 가장 바람직하다.
또한 상기 감마-알루미나는 비표면적이 100 ㎡/g 이상인 것이 바람직하며, 예를 들어 비표면적이 100 ㎡/g 이상 300㎡/g 이하일 수 있고, 또는 100 ㎡/g 이상 200㎡/g 이하일 수 있다.
제2 흡착제의 첨가량은 알루미늄 알콕사이드 100 중량부를 기준으로 5 내지 20 중량부가 가능하고, 예를 들어 5 내지 10 중량부일 수 있다.
가수분해를 통한 보헤마이트의 제조
본 단계에서는 이전 단계에서 정제된 알루미늄 알콕사이드에 물을 첨가하여 가수분해를 실시하여 보헤마이트를 얻으며, 이후 여과 및 건조를 추가로 거칠 수 있다(도 1의 S6~S8 단계).
반응식 2
2Al(OR)3 + 4H2O → Al2O3.H2O + 6ROH
상기 식에서, R은 탄소수 1~10의 알킬을 의미하고, 예를 들어 탄소수 2~4의 알킬이며, 보다 바람직하게는 이소프로필이다.
가수분해시 물의 첨가량은, 알루미늄 알콕사이드의 Al과 대비하여 Al:H2O = 1:3 내지 1:50 의 몰비가 가능하고, 예를 들어 1:3 내지 1:20 일 수 있고, 다른 예로 1:3 내지 1:6 일 수 있으며, 또 다른 예로 1:10 내지 1:50 일 수 있다.
또한, 가수분해시 물 이외에 탄소수 1~10의 알콜을 더 첨가할 수 있으며, 이때 상기 알콜의 첨가량은 알루미늄 알콕사이드 100 중량부 기준으로 10 내지 80 중량부가 가능하고, 예를 들어 10 내지 40 중량부일 수 있으며, 다른 예로 20 내지 40 중량부일 수 있다.
이와 같이 가수분해시의 조건을 변화시킴에 따라, 수득하는 입자의 성상 및 형상의 제어가 가능하다.
하소를 통한 알루미나의 제조
본 단계에서는 앞서 수득한 보헤마이트를 하소하여 알루미나 분말을 수득한다(도 1의 S9 단계).
반응식 3
Al2O3.H2O -> Al2O3 + H2O
하소 온도는 1000 내지 1600 ℃인 것이 적당하며, 예를 들어 1200 내지 1500 ℃일 수 있고, 하소 시간은 2 내지 5 시간이 적당하다.
이와 같은 하소 공정을 거치면, 보헤마이트는 감마-알루미나를 거쳐 안정된 알파-알루미나로 제조될 수 있다. 이어, 여과 및 건조 단계를 더 거칠 수 있다.
수득된 알루미나 분말은 추가로 분쇄(milling) 공정을 거칠 수 있으며(도 1의 S10 단계), 예를 들어 평균 입경이 5㎛ 미만으로 되도록 분쇄함으로써, 반도체 또는 사파이어 주괴의 제조 등에 사용될 수 있다.
상기와 같은 방법으로 제조된 최종 알루미나는 전이금속을 비롯한 불순물이 저감된 고순도의 알루미나이고, 특히 전이금속 불순물의 총 함량이 100 ppm 미만, 나아가 50 ppm 미만으로 매우 적으며, 예를 들어 전이금속 불순물의 총 함량이 5 내지 10 ppm일 수 있다.
그 결과, 최종 산물인 알루미나가 99.990% 이상, 보다 바람직하게는 99.995% 이상, 나아가 99.998% 이상의 고순도를 나타낼 수 있다.
또한, 상기 알루미나의 평균 입경은 0.5 내지 20 ㎛일 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 보다 상세히 설명한다. 단 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
제조예 1: 알루미늄(Al) 원료의 준비
Al 원료로서, (1) Al 주괴의 절단체(비표면적 5~8 ㎡/g, 순도 99.7%), 및 (2) Al 와이어(ø 2mm, 비표면적 20~30 ㎡/g, 순도 99.9%)를 준비하였다.
이들 Al 원료에 함유된 불순물들의 농도를 글로우방전-질량분석법(GD-MS)/유도결합 플라스마 원자 방출 분광법(ICP AES)을 이용하여 측정하여, 하기 표 1에 나타내었다.
| 원 료 |
주요 불순물 (ppm) | 순도 (%) |
||||||||||
| Si | P | Ca | Ti | V | Cr | Mn | Fe | Ni | Cu | Zn | ||
| Al 주괴 절단체 | 590 | 20 | 14 | 13 | 110 | <10 | 11 | 1300 | 50 | <10 | 54 | 99.7 |
| Al 와이어 | 490 | 16 | <10 | <10 | 14 | <10 | 18 | 1600 | 71 | 27 | 19 | 99.9 |
실시예 1: 알루미늄 이소프로폭사이드(AIP)의 제조
실시예 1-1: 표면적의 영향(i)
(1) Al 원료로서 Al 주괴의 절단체(비표면적 5~8 ㎡/g, 순도 99.7%)를 사용하고, 이를 이소프로필알콜(IPA)과 Al:IPA = 1:6의 몰비로 반응시켜, 알루미늄 이소프로폭사이드(AIP)를 얻었다. 이 때 반응 온도는 반응 시작으로부터 4~5시간 후에 83℃로 상승하였다.
(2) 또한, Al 원료로서 Al 와이어(ø 2mm, 비표면적 20~30 ㎡/g, 순도 99.7%)를 사용하고, 이를 IPA와 Al:IPA = 1:6의 몰비로 반응시켜, AIP를 생성시켰다. 이 때 반응 온도는 반응 시작으로부터 3~4시간 후에 83℃로 상승하였다.
이로부터, Al 원료의 표면적이 보다 큰 Al 와이어를 원료로 할 경우에 반응의 효율성이 더욱 향상됨을 알 수 있다.
실시예 1-2: 표면적의 영향(ii)
Al 원료로서 10~20mm의 길이 및 1~5 mm의 직경을 갖는 형태의 Al을 사용하여 IPA와 Al:IPA = 1:6의 몰비로 반응시켜, AIP를 얻었다.
이때, Al 원료의 표면적을 다음과 같이 변화시켜가며 실시하였다:
(F1) Al 원료를 그대로 사용(총 12 ea)
(F2) Al 원료를 1/2로 절단하여 사용(총 28 ea)
(F3) Al 원료를 1/4로 절단하여 사용(총 51 ea)
상기 F1 내지 F3의 반응시의 반응 시간 경과에 따른 반응 온도의 변화를 도 2에 그래프로 비교하여 나타내었다.
도 2에서 보듯이, F3의 경우가 가장 빨리 83℃의 반응 온도에 도달함을 알 수 있다. 이로부터, Al 원료의 표면적을 크게 할 경우에 반응의 효율성이 더욱 향상됨을 알 수 있다.
실시예 1-3: 반응량의 영향
Al 원료로서 Al 와이어(ø 2mm, 비표면적 20~30 ㎡/g, 순도 99.9%)를 사용하여 IPA와 1:6의 몰비로 반응시켜, AIP를 얻었다.
이때, Al 원료의 첨가량을 다음과 같이 변화시켜가며 실시하였다:
(E1) 초기에 Al 원료를 모두(100%) 반응기에 가하여 반응 실시.
(E2) 초기에 Al 원료 총량의 35%를 반응기에 가하고, 이후 5분 간격으로 9회에 걸쳐서 나머지 Al 원료를 가하여 반응 실시.
(E3) 초기에 Al 원료 총량의 33%를 반응기에 가하고, 이후 1시간 간격으로 2회에 걸쳐서 나머지 Al 원료를 가하여 반응 실시.
상기 E1 내지 E3의 반응시의 반응 시간 경과에 따른 반응 온도의 변화를 도 3에 그래프로 비교하여 나타내었다.
도 3에서 보듯이, E2의 경우가 가장 빨리 83℃의 반응 온도에 도달함을 알 수 있다.
이로부터, 초기에 Al 원료를 모두 반응기에 가하는 것 보다는, 일부분만을 반응기에 가하고 이후 짧은 시간 간격으로 나머지량을 첨가하는 경우에 반응의 효율성이 더욱 향상됨을 알 수 있다.
실시예 1-4: 촉매의 영향
Al 원료로서 Al 와이어(ø 2mm, 비표면적 20~30 ㎡/g, 순도 99.9%)를 사용하여 IPA와 Al:IPA = 1:6의 몰비로 83℃에서 반응시켜, AIP를 얻었다.
이때, 촉매로서 HgCl2 또는 I2를 Al 1몰 대비 3~10몰로 첨가하거나, AIP를 Al 1몰 대비 각각 0.1, 0.4, 및 0.8 몰로 첨가하여 반응을 실시하였다.
상기 촉매를 첨가하여 실시한 반응 시간별로 합성율을 측정하여 도 4a 및 4b에 나타내었다.
도 4a에서 보듯이, 촉매를 사용하였을 경우가 사용하지 않은 경우보다 합성율이 훨씬 높았으며, 촉매로서 AIP를 사용하였을 경우 매우 적은 양으로도 많은 양을 사용한 다른 촉매(HgCl2 또는 I2)와 거의 동등한 수준의 합성율을 나타내었다.
또한 도 4b에서 보듯이, AIP의 첨가량에 따라 합성율이 조금씩 상승하기는 하지만, Al 1 몰 대비 AIP의 첨가량이 0.4 몰일 경우에 0.8 몰로 첨가한 경우와 거의 차이가 없으므로, 0.4 몰의 첨가가 바람직함을 알 수 있다.
실시예 2: 알루미늄 이소프로폭사이드(AIP)의 정제
실시예 2-1: 1차 정제 (부분 가수분해)
상기 실시예 1-2의 (F2)의 방법에 따라 제조된 AIP에 물을 가하여 잔여물을 제거함과 동시에 선 가수분해(부분 가수분해)를 실시하였다.
이때, 물의 첨가량은 AIP 100 중량부를 기준으로 1 내지 4 중량부로 하였고, 반응 후에 여과하여 1차 정제된 AIP를 수득하였다.
실시예 2-2: 2차 정제 (전이금속 불순물 흡착)
상기 실시예 2-1에서 1차 정제된 AIP 에 카본 블랙(Dp 50:0.018㎛, BET 250㎡/g, EVONIK사 제조)을 첨가하여 전이금속 불순물 흡착을 실시하였다.
이때, 카본 블랙의 첨가량은 2N AIP 100 중량부를 기준으로 1 내지 4 중량부로 하였고, 반응 후에 여과하여 2차 정제된 AIP를 수득하였다.
실시예 2-3: 3차 정제 (감압 증류)
상기 실시예 2-2에서 2차 정제된 AIP에 감마-알루미나(KC 주식회사, KH-101LC, 소성온도:300~350℃, 유지시간:30분, BET:250~300㎡/g, 평균입자크기(D50):1.6~1.9㎛)를 첨가하여 감압 증류를 실시하여 잔류 IPA를 제거하였다.
이때, 감마-알루미나의 첨가량은 2N AIP 100 중량부를 기준으로 5 내지 10 중량부로 하였고, 감압 증류시 1차적으로 82.5℃를 유지하여 IPA를 회수하고, 2차적으로 100mmHg의 압력하에서 약 150℃ 이상을 유지하여 순수한 AIP를 회수하였다.
실시예 3: 보헤마이트의 제조
실시예 3-1: 물에 의한 가수분해
상기 실시예 2에서 정제된 AIP에 물을 가해 가수분해를 실시하여 보헤마이트 슬러리를 얻은 뒤, 이를 여과 및 건조하였다.
이때, 물의 첨가량은 AIP에 함유된 Al과 대비하여, Al:H2O = 1:6, 1:12, 1:24, 및 1:50 의 몰비로 각각 첨가하였다.
상기 각각의 몰비로 첨가하여 수득한 보헤마이트를 건조시켜 분말을 얻은 뒤, 이들 각각의 입자크기분포(PSD)를 측정하여 도 5a에 나타내었다.
도 5a에서 보듯이, 물의 첨가량이 증가함에 따라, 수득되는 보헤마이트의 입자 크기가 점차로 작아짐을 알 수 있으며, 이는 물의 첨가량 증가가 입자 성장을 방지함을 의미한다.
실시예 3-2: 물 및 IPA에 의한 가수분해
상기 실시예 2에서 정제된 AIP에 물과 함께 이소프로필알콜(IPA)을 가해 가수분해를 실시하여 슬러리를 얻은 뒤, 이를 여과 및 건조하였다.
이때, 물의 첨가량은 AIP에 함유된 Al에 대비하여, Al:H2O = 1:6의 몰비로 각각 첨가하였고, IPA의 첨가량은 AIP 100 중량부를 기준으로, 10 중량부, 20중량부, 및 40중량부의 양으로 첨가하였다.
상기 각각의 IPA 첨가량으로 첨가하여 수득한 보헤마이트를 건조시켜 분말을 얻은 뒤, 이들 각각의 입자크기분포(PSD)를 측정하여 도 5b에 나타내었다.
도 5b에서 보듯이, IPA의 첨가량이 증가함에 따라, 수득되는 보헤마이트의 입자 크기가 점차로 작아짐을 알 수 있으며, 이는 IPA의 첨가가 입자 성장을 방지함을 의미한다.
실시예 4: 알루미나의 제조
상기 실시예 3-2의 방법에 따라 AIP 100중량부 대비 IPA 20중량부를 첨가하여 가수분해를 실시함으로써 제조된 보헤마이트를 800℃, 1000℃, 및 1300℃로 점차 승온시키면서 하소를 실시하여, 알루미나를 얻었다.
하소 이전의 샘플과, 각각의 하소 온도, 즉 800℃, 1000℃, 및 1300℃에서 하소된 샘플을 각각 추출하여, 이들의 XRD 분석 결과를 도 6에 나타내었다.
도 6에서 보듯이, 하소 이전의 건조 직후 샘플에서는 보헤마이트의 피크가 나타났으나, 하소를 실시하면서 800℃에서는 보헤마이트 피크가 사라졌고, 1000℃로 승온하면서 감마-알루미나의 피크가 나타났다가, 1300℃에서 알파-알루미나의 피크가 선명히 나타남을 알 수 있다.
시험예 1: 알루미나의 순도 평가
상기 실시예를 통해 제조된 최종 알루미나의 순도를 글로우방전-질량분석법(GD-MS)/유도결합 플라스마 원자 방출 분광법(ICP AES)을 이용하여 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
| 구분 | 실시예 |
| 최종 알루미나의 순도 (%) | 99.9986 |
상기 표 2에서 보듯이, 본 발명의 실시예에서 제조된 알루미나는 주요 불순물의 함량이 적어 고순도의 물질임을 알 수 있다.
시험예 2: 알루미나의 불순물 함량 평가
상기 실시예를 통해 제조된 최종 알루미나에 함유된 불순물의 함량을 GD-MS/ICP AES을 이용하여 측정하여 하기 표 3에 나타내었다. 단, 정제 단계(실시예 2)에서 (T1) 1차 정제만 실시하거나, (T2) 1차 및 2차 정제만 실시하거나, (T3) 1차, 2차 및 3차 정제를 모두 실시하여, 수득한 알루미나에 대해 각각 불순물 함량을 측정하였다.
| 구분 | 주요 불순물 (ppm) | |||||||||||||
| Na | Si | Fe | Ga | Mn | Zn | Cr | Ca | K | Cu | V | Ti | Mg | Li | |
| T1 | 26 | 11 | 10 | 10 | 3.7 | 3.0 | 2.0 | 3.3 | <0.5 | <10 | 1.0 | 0.74 | 0.43 | 0.31 |
| T2 | 17 | 3.1 | 8.5 | 4.0 | 1.9 | 3.7 | 1.4 | 1.1 | 1.3 | <10 | 1.1 | 1.1 | 0.69 | 0.20 |
| T3 | 0.1 | 0.0 | 4.5 | 0.2 | <0.05 | <0.1 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.2 | 0.5 | 0.24 | 0.3 | <0.1 |
상기 표 2에서 보듯이, 1차 정제만 실시하기 보다는 2차 정제(이온 흡착 여과) 및 3차 정제(감압 증류)를 추가로 실시할수록, 최종 알루미나에 함유되는 불순물의 함량이 감소되고 있으며, 특히 전이금속의 함량이 매우 저감됨을 알 수 있다.
이상, 본 발명을 상기 실시예를 중심으로 하여 설명하였으나 이는 예시에 지나지 아니하며, 본 발명은 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 다양한 변형 및 균등한 기타의 실시예를 이하에 첨부한 청구범위 내에서 수행할 수 있다는 사실을 이해하여야 한다.
Claims (15)
- (1) 알루미늄과 탄소수 1~10의 알콜을 반응시켜 알루미늄 알콕사이드를 제조하는 단계;
(2) 제조된 알루미늄 알콕사이드에 제1 흡착제로서 카본 블랙을 첨가하여 반응시키고 여과한 후, 제2 흡착제로서 감마-알루미나(γ-alumina), 비결정질 보헤마이트(boehmite), 알파-알루미나(α-alumina) 및 이들의 혼합물로부터 선택되는 이온 흡착제를 첨가하고 감압 증류하여 정제하는 단계;
(3) 정제된 알루미늄 알콕사이드를 가수분해하여 보헤마이트(boehmite)를 얻는 단계; 및
(4) 수득한 보헤마이트를 하소(calcination)하는 단계를 포함하는 고순도 알루미나의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 단계 (1)에서 탄소수 1~10의 알콜이 이소프로필알콜인 것을 특징으로 하는, 고순도 알루미나의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 단계 (1)에서 원료인 상기 알루미늄의 1 내지 40 중량%에 해당하는 양을 먼저 상기 알콜에 가한 뒤, 이후 1 내지 20 분 간격으로 1 내지 9 회에 걸쳐 나머지 양의 알루미늄을 가하여, 반응을 실시하는 것을 특징으로 하는, 고순도 알루미나의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 단계 (1)에서 반응 촉매로서 상기 알콜과 동일한 탄소수의 알루미늄 알콕사이드를 알루미늄 원료 1몰 대비 0.1 내지 1 몰로 추가로 첨가하는 것을 특징으로 하는, 고순도 알루미나의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 단계 (1) 이후 및 단계 (2) 이전에,
상기 알루미늄 알콕사이드 100 중량부에 대해 물 1 내지 5 중량부를 첨가하여 알루미늄 알콕사이드를 부분 가수분해시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 고순도 알루미나의 제조방법.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 단계 (2)에서 제1 흡착제를 알루미늄 알콕사이드 100 중량부 대비 0.5 내지 10 중량부의 양으로 첨가하는 것을 특징으로 하는, 고순도 알루미나의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 단계 (2)에서 첨가되는 제2 흡착제가 비표면적 100 ㎡/g 이상의 감마-알루미나인 것을 특징으로 하는, 고순도 알루미나의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 단계 (2)에서 제2 흡착제를 알루미늄 알콕사이드 100 중량부 대비 5 내지 10 중량부의 양으로 첨가하는 것을 특징으로 하는, 고순도 알루미나의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 단계 (3)에서 물을 첨가하여 알루미늄 알콕사이드의 가수분해를 수행하고, 이 때 물의 첨가량이 알루미늄 알콕사이드의 Al과 대비하여 Al:H2O = 1:3 내지 1:6 의 몰비인 것을 특징으로 하는, 고순도 알루미나의 제조방법.
- 제 10 항에 있어서,
상기 가수분해시 탄소수 1~10의 알콜을 알루미늄 알콕사이드 100 중량부 기준으로 10 내지 40 중량부의 양으로 추가로 첨가하는 것을 특징으로 하는, 고순도 알루미나의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 단계 (4)에서 하소를 1000 내지 1600 ℃에서 수행하는 것을 특징으로 하는, 고순도 알루미나의 제조방법.
- 제 1 항 내지 제 5 항 및 제 7 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조되고, 전이금속 불순물의 총 함유량이 100 ppm 미만인 고순도 알루미나.
- 제 13 항에 있어서,
상기 고순도 알루미나가 0.5 내지 20 ㎛의 평균 입경을 갖는 것을 특징으로 하는, 고순도 알루미나.
- 삭제
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