KR101451987B1 - 옥살레이트 공정에 의한 고결정성의 티탄산바륨 미분말의 제조방법 및 그 방법에 의하여 제조된 고결정성의 티탄산바륨 미분말 - Google Patents
옥살레이트 공정에 의한 고결정성의 티탄산바륨 미분말의 제조방법 및 그 방법에 의하여 제조된 고결정성의 티탄산바륨 미분말 Download PDFInfo
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Abstract
고결정성의 티탄산바륨 미분말의 제조방법 및 그 방법에 의하여 제조된 고결정성의 티탄산바륨 미분말이 개시된다. 개시된 고결정성의 티탄산바륨 미분말의 제조방법은, (a) 염화바륨(BaCl2) 수용액 및 사염화티탄(TiCl4) 수용액을 마련하는 단계, (b) 상기 수용액들을 분사하여 옥살산(H2C2O4) 수용액에 적가함으로써 바륨티타닐옥살레이트[BaTiO(C2O4)2·4H2O] 결정 덩어리를 생성시키는 단계, (c) 상기 바륨티타닐옥살레이트 결정 덩어리를 습식분쇄하는 단계, (d) 상기 습식분쇄된 바륨티타닐옥살레이트 분말을 건조시키는 단계, 및 (e) 상기 건조된 바륨티타닐옥살레이트 분말을 1차 열처리하여 티탄산바륨 결정 덩어리를 생성시키는 단계;를 포함하고, 상기 (e) 단계의 1차 열처리시 결정화도 지배인자(Governing factor of crystallinity)를 조절함으로써 티탄산바륨의 결정화도를 조절하며, 상기 결정화도 지배인자(m/A)는 상기 1차 열처리가 행해지는 가열로의 단위 밑면적(A)당 상기 가열로에 충진되는 상기 건조된 바륨티타닐옥살레이트 분말의 무게(m)로 정의되는 것을 특징으로 한다.
따라서, 상기 티탄산바륨 미분말의 제조방법에 의하여 제조된 티탄산바륨 미분말은 균일한 입도 분포를 가지면서도 결정성이 향상될 수 있다.
Description
본 발명은 고결정성의 티탄산바륨 미분말의 제조방법 및 그 방법에 의하여 제조된 고결정성의 티탄산바륨 미분말에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 균일한 입도 분포를 가지면서도 결정성이 향상된 옥살레이트 공정에 의한 티탄산바륨 미분말의 제조방법 및 그 방법에 의하여 제조된 티탄산바륨 미분말에 관한 것이다.
티탄산바륨 미분말은 종래에는 이산화티탄(TiO2)과 탄산바륨(BaCO3)을 혼합하여 고온에서 열처리하는 고상반응에 의해 제조되었지만, 최근에는 적층 세라믹 콘덴서 (Multi Layer Ceramic Condenser: MLCC)의 소형 대용량화(고유전율조성, 유전체 박층화 및 고적층화), 저온 소성화, 고주파 및 고성능화 등에 따라, 고순도/조성 균일성, 미립/입도 균일성, 비응집성/고분산성 등이 요구되어 수열법, 공침법 등 다양한 합성법에 의해 제조되고 있다. 특히, 적층 세라믹 콘덴서가 박층화 및 고적층화 되면서 입자 직경이 200nm이하인 경우에도 균일한 입도분포를 가지면서 아울러 높은 결정화도를 갖는 티탄산바륨 미분말이 요구되고 있다.
이러한 티탄산바륨 미분말을 제조하는 선행기술로는 대한민국공개특허 제2007-0031969호의 "퍼로브스카이트 구조를 갖는 세라믹 분말의 제조방법과, 퍼로브스카이트 구조를 갖는 세라믹 분말과 세라믹 전자부품 및 그 제조방법과 적층 세라믹 콘덴서 및 그 제조방법"이 있다. 여기에서 제시된 방법은 고상법으로서, 티탄산바륨을 합성한 후 합성된 티탄산바륨 미분말을 pH 7 이상의 물 또는 수산화바륨 수용액이 채워진 밀폐 가열로에 넣고 열처리하는 방법이다. 이러한 방법을 수행하기 위해서는 합성 후 재건조공정이 추가되어야 하므로 생산 비용이 상승하고 생산 수율이 저하되는 문제점이 있다. 아울러, 결정화도(c/a) 역시 입자 직경이 200nm급인 경우에 최대 1.009이하로서, 고용량의 소형화된 적층 세라믹 콘덴서를 제조하는데에 요구되는 1.01이상의 결정화도를 충족시키지 못할 뿐만 아니라, 저순도 및 조성 불균일성과 입도 불균일성 등의 고상 반응법의 근본적인 한계를 극복할 수 없다는 문제점이 있다. 또한 상기의 방법으로는 고결정성의 입자 직경이 100nm급인 티탄산바륨을 제조하지 못하는 문제점도 있다.
또한 대한민국공개특허 제2005-0045580호는 "무중력 고온열처리에 의한 복합산화물의 제조방법"을 개시하고 있다. 상기 제조방법에 의해 입자 직경이 100nm급인 티탄산바륨을 제조하였으나 상기 티탄산바륨의 결정화도(c/a)는 1.005 정도로서 매우 낮았다.
본 발명은 입도 균일성이 향상된 티탄산바륨 미분말의 제조방법 및 그 방법에 의하여 제조된 티탄산바륨 미분말을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 결정성이 향상된 티탄산바륨 미분말의 제조방법 및 그 방법에 의하여 제조된 티탄산바륨 미분말을 제공하는 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,
(a) 염화바륨(BaCl2) 수용액 및 사염화티탄(TiCl4) 수용액을 마련하는 단계;
(b) 상기 수용액들을 분사하여 옥살산(H2C2O4) 수용액에 적가함으로써 바륨티타닐옥살레이트[BaTiO(C2O4)2·4H2O] 결정 덩어리를 생성시키는 단계;
(c) 상기 바륨티타닐옥살레이트 결정 덩어리를 습식분쇄하는 단계;
(d) 상기 습식분쇄된 바륨티타닐옥살레이트 분말을 건조시키는 단계; 및
(e) 상기 건조된 바륨티타닐옥살레이트 분말을 1차 열처리하여 티탄산바륨 결정 덩어리를 생성시키는 단계;를 포함하고,
상기 (e) 단계의 1차 열처리시 결정화도 지배인자(Governing factor of crystallinity)를 조절함으로써 티탄산바륨의 결정화도를 조절하며, 상기 결정화도 지배인자(m/A)는 상기 1차 열처리가 행해지는 가열로의 단위 밑면적(A)당 상기 가열로에 충진되는 상기 건조된 바륨티타닐옥살레이트 분말의 무게(m)로 정의되는 티 탄산바륨 미분말의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 한 구현예에 따르면, 상기 가열로는 Sagger 또는 Tray이다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 결정화도 지배인자는 0.52g/cm2 이하이다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 티탄산바륨 미분말의 제조방법은, 상기 1차 열처리 이전에 가스배출을 시행함으로서 결정화도 지배인자를 증가시킨다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 염화바륨 수용액 및 사염화티탄 수용액의 농도는 각각 0.2~2.0 mol/l이다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 티탄산바륨 미분말의 제조방법은, 상기 (b) 단계와 (c) 단계 사이에, 상기 생성된 바륨티타닐옥살레이트 결정을 숙성시키는 단계, 상기 숙성된 바륨티타닐옥살레이트 결정을 여과하는 단계, 및 상기 여과된 바륨티타닐옥살레이트 결정을 과량의 물로 세척하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 (c) 단계의 습식분쇄는 암모니아, 아민, 암모늄 화합물, 및 아미노산 중에서 선택된 질소함유 첨가제가 추가되어 수행된다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 (d) 단계의 건조는 상기 (c) 단계의 습식분쇄에 사용된 용매의 끓는점 보다 높은 온도로서 400℃ 이하의 온도에서 수행된다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 (e) 단계의 1차 열처리는 800~1000℃ 범위의 온도에서 수행된다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 (d) 단계의 건조 온도에서 상기 (e) 단계의 1차 열처리 온도로의 승온 속도는 0.5~10℃/min이다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 티탄산바륨 미분말의 제조방법은, 상기 (e) 단계 이후에, 상기 1차 열처리로 생성된 티탄산바륨 결정 덩어리를 상기 1차 열처리 온도 이하의 온도에서 2차 열처리하는 단계를 추가로 포함한다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 티탄산바륨 미분말의 제조방법은, 상기 (e) 단계의 1차 열처리와 상기 2차 열처리 사이에 상기 1차 열처리로 생성된 티탄산바륨 결정 덩어리를 분쇄하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 티탄산바륨 미분말의 제조방법은, 상기 (e) 단계의 1차 열처리와 상기 2차 열처리 사이에 탄산바륨(BaCO3)을 첨가하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 티탄산바륨 미분말의 제조방법은, 상기 2차 열처리는 600~1000℃ 범위의 온도에서 수행된다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 (e) 단계의 1차 열처리 후 상기 2차 열처리 온도로의 승온 속도는 0.5~10℃/min이다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 2차 열처리를 거친 티탄산바륨 결정 덩어리를 분쇄하는 단계를 더 포함한다.
또한 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,
상기 구현예들 중 어느 한 구현예의 제조방법에 의해 제조된 티탄산바륨 미분말을 제공한다.
본 발명에 의하면, 입도 균일성이 향상된 티탄산바륨 미분말의 제조방법 및 그 방법에 의하여 제조된 티탄산바륨 미분말이 제공될 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 결정성이 향상된 티탄산바륨 미분말의 제조방법 및 그 방법에 의하여 제조된 티탄산바륨 미분말이 제공될 수 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 구현예에 관하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 구현예에 따른 티탄산바륨 미분말의 제조방법을 단계적으로 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 도 1을 참조하여, 본 발명의 한 구현예에 따른 티탄산바륨 미분말의 제조방법을 설명한다.
먼저, 염화바륨(BaCl2) 수용액 및 사염화티탄(TiCl4) 수용액을 마련한다(S10). 염화바륨 수용액은 보통 BaCl2·2H2O를 물에 녹여 사용하는데, 바람직한 농도범위는 0.2~2.0mol/l이다. 염화바륨 수용액의 농도가 0.2mol/l 미만인 경우에는 염화바륨 수용액의 부피 대비 후술하는 티탄산바륨의 생산성이 낮아 바람직하지 않으며, 상기 농도가 2.0mol/l를 초과할 경우에는 물에 대한 염화바륨의 용해도 범 위를 벗어나 염화바륨이 석출될 가능성이 있어서 바람직하지 않다. 사염화티탄 수용액은 보통 고농도의 사염화티탄 용액을 희석하여 사용하는데, 바람직한 농도범위는 0.2~2.0mol/l이다. 사염화티탄 수용액의 농도가 0.2mol/l 미만인 경우에는 사염화티탄 수용액의 부피 대비 티탄산바륨의 생산성이 낮아 바람직하지 않으며, 상기 농도가 2.0mol/l를 초과할 경우에는 물에 대한 사염화티탄의 용해도 범위를 벗어나 사염화티탄이 석출될 가능성이 있어서 바람직하지 않다. 염화바륨 수용액과 사염화티탄 수용액은 몰비(염화바륨/사염화티탄) 기준으로 1~1.5의 비율로 혼합되는 것이 바람직하며, 1~1.1의 비율로 혼합되는 것이 더욱 바람직하다. 상기 몰비가 1미만인 경우에는 최종 제품인 티탄산바륨의 몰비가 1미만으로 낮아질 가능성이 매우 커서 바람직하지 않고, 상기 몰비가 1.5를 초과하는 경우에는 제2상(second-phase)(티탄산바륨 외의 다른 상, 예를 들면 Ba2TiO9)이 생성되어 바람직하지 않다. 최종 제품인 티탄산바륨의 몰비가 1미만으로 낮아질 경우에는 제2상의 생성 및 비정상 입성장(abnormal grain growth) 등이 유발되므로 바람직하지 않다.
다음에, 상기 염화바륨 수용액 및 사염화티탄 수용액의 혼합 수용액이나 이들 각각의 수용액을 고속분사 노즐을 사용하여 옥살산(H2C2O4) 수용액에 적가함으로써 바륨티타닐옥살레이트[BaTiO(C2O4)2·4H2O] 결정 덩어리를 생성시킨다(S20). 이때, 옥살산 수용액은 염화바륨 수용액이나 사염화티탄 수용액 보다 많은 양이 사용되는 것이 바람직하다. 옥살산 수용액의 바람직한 농도범위는 0.2~5.0 mol/l이다. 옥살산 수용액의 농도가 0.2mol/l 미만인 경우에는 옥살산 수용액의 부피 대비 티 탄산바륨의 생산성이 낮아 바람직하지 않으며, 상기 농도가 5.0mol/l를 초과할 경우에는 물에 대한 옥살산의 용해도 범위를 벗어날 가능성이 있어서 바람직하지 않다. 또한 이 경우, 옥살산 수용액의 온도는 20~100℃로 유지되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 50~90℃로 유지된다. 염화바륨 수용액과 사염화티탄 수용액이 혼합 용액의 형태로 또는 각각 별도로 옥살산 수용액에 노즐 분사되어 적가되는 시간은 1~3시간인 것이 바람직하다. 이러한 적가 시간은 노즐의 분사속도를 조절함으로써 달성될 수 있다. 분사노즐은 유체의 흐름에 따라 일류체 또는 이류체 노즐을 사용할 수 있으며, 일류체 노즐을 사용하는 것이 편리성 면에서나 균일한 침전물을 획득하는데 있어서 더욱 유리하다. 일류체 노즐로는 풀콘(full con), 할로우 콘(hollow con), 또는 플랫(flat) 등이 사용될 수 있다. 이와 같이 바륨(Ba)과 티타늄(Ti) 이온이 함유된 혼합용액을 옥살산에 첨가하여 바륨티타닐옥살레이트[BaTiO(C2O4)2·4H2O] 결정 덩어리를 생성하는 과정은 하기 반응식 1과 같이 표시될 수 있다.
[반응식 1]·
BaCl2·2H2O + TiOCl2· + 2H2C2O4 2H2O → BaTiO(C2O4)2·4H2O + 4HCl
다음에, 상기 생성된 바륨티타닐옥살레이트 결정을 숙성하고, 여과한 다음, 물로 세척한다(S30). 숙성시간은 0.5~2시간 행하는 것이 생산성 측면에서 유리하다. 여기서, 여과란, 구체적으로 원심분리기를 이용하여 바륨티타닐옥살레이트 함유 슬러리로부터 고상의 바륨티타닐옥살레이트만을 분리해내는 공정을 말한다. 이 후, 세척액의 pH가 중성이 될 때까지 과량의 물로 여과된 바륨티타닐옥살레이트를 세척한다.
이후, 상기와 같은 과정을 거쳐 얻어진 바륨티타닐옥살레이트 결정 덩어리를 습식분쇄한다(S40). 여기서, 습식분쇄란 소정의 용매와 함께 바륨티타닐옥살레이트 결정 덩어리를 비즈밀(beads mill), 볼밀(ball mill), 및 어트리션 밀(attrition mill) 등과 같은 습식분쇄기에 투입하여 분쇄하는 방식을 말한다. 여기서, 용매란 알코올과 같은 유기용매나 탈이온수(deionized water)와 같은 물을 의미하는 것으로, 유기용매를 사용하게 되면 분쇄효율이나 입도관리 측면에서는 유리하지만 비용이 증가하는 단점이 있고, 물을 사용하게 되면 공정이 단순해져 비용을 절감할 수 있는 잇점이 있다. 상기 용매로서 물을 사용하는 경우, 이의 사용량은 바륨티타닐옥살레이트 1중량부에 대하여 1~10 중량부가 바람직하다. 상기 물의 사용량이 1 중량부 미만인 경우에는 점도 증가로 인해 분쇄가 불가능하여 바람직하지 않고, 상기 사용량이 10 중량부를 초과할 경우에는 물의 부피 대비 바륨티타닐옥살레이트 입자의 생산성이 낮아 바람직하지 않다. 분쇄시간은 분쇄설비에 따라 분쇄력의 차이가 발생하여 적절히 제어될 필요가 있으나, 비즈밀을 사용하는 경우 통상 10~300분인 것이 바람직하다. 이와 같이 분쇄시간을 조절함으로써 최종 제품인 티탄산바륨 미분말의 입도를 적절하게 조절할 수 있다. 이러한 습식분쇄 과정 중에 질소함유 첨가제를 추가하는 것이 바람직한데, 이로써 분쇄 전후의 혼합물의 산성화, 분쇄 후의 슬러리의 고점도화, 생성된 바륨티타닐옥살레이트 내의 염소이온 존재로 인한 분말의 유전특성 감소 문제를 해결할 수 있다. 여기서, 질소함유 첨가제로는 아민, 암모니아, 암모늄 화합물, 아미노산, 및 이들의 혼합물이 사용될 수 있으며, 이중 암모늄 화합물로는 수산화암모늄, 탄산암모늄, 초산암모늄, 인산암모늄, 옥살산암모늄, 중탄산암모늄, 및 트리메틸암모늄히드록사이드 등이 사용될 수 있고, 아미노산으로는 아르기닌 및 라이신 등이 사용될 수 있다. 이러한 질소함유 첨가제의 함량은 바륨티타닐옥살레이트의 100몰부에 대하여 0.5~20몰부인 것이 바람직하다. 상기 함량이 0.5몰부 미만인 경우에는 분쇄후 슬러리의 산성화 및 고점도화 등의 현상이 나타나며, 20몰부를 초과할 경우에는 바륨티타닐옥살레이트 결정으로부터 티타늄 성분이 빠져나가 바륨/티타늄 몰비가 불균형해지는 문제가 발생한다.
다음에, 습식분쇄된 바륨티타닐옥살레이트를 400℃ 이하의 온도에서 건조하여 사용된 용매를 제거한다(S50). 결과로서, 건조된 바륨티타닐옥살레이트 분말을 얻는다. 이 경우, 사용된 용매를 증발시켜 제거하기 위해, 상기 건조 온도가 상기 용매의 끓는점 이상이 되어야 함은 당연하다.
다음에, 상기 건조된 바륨티타닐옥살레이트 분말을 1차 열처리한다(S60). 1차 열처리는 800~1000℃ 범위의 온도에서 수행된다. 상기 열처리 온도가 800℃ 미만인 경우에는 티탄산바륨이 거의 형성되지 않아 바람직하지 않으며, 1000℃를 초과하는 경우에는 형성되는 티탄산바륨 미분말의 입자 크기가 지나치게 커져서 바람직하지 않다. 상기 건조온도에서부터 1차 열처리 온도로의 승온속도는 0.5~10℃/min인 것이 바람직하며, 1~5℃/min인 것이 더욱 바람직하다. 상기 승온속도가 0.5℃/min 미만인 경우에는 티탄산바륨의 생산성이 저하되어 바람직하지 않고, 10℃/min를 초과할 경우에는 온도분포가 균일하지 않아 티탄산바륨 미분말의 입도가 불 균일해져서 바람직하지 않다. 이와 같이 1차 열처리를 행함으로써, 바륨티타닐옥살레이트 결정의 내부에 결정수로 존재하는 수분과 과량의 탄산가스를 제거하여 하기 반응식 2 내지 4와 같은 과정을 거쳐 수십~수백nm 크기의 티탄산바륨 미분말을 얻는다.
[반응식 2]
BaTiO(C2O4)2·4H2O → BaTiO(C2O4)2 + 4H2O
[반응식 3]
BaTiO(C2O4)2 + 1/2 O2 → BaCO3 + TiO2 + 2CO2
[반응식 4]
BaCO3 + TiO2 → BaTiO3
상기 건조된 바륨티타닐옥살레이트 분말의 1차 열처리를 위해, 도 2에 도시된 것과 같은 Sagger 또는 Tray를 사용할 수 있다. 여기서, Sagger란 내화토(耐火土) 용기를 의미한다. 도 2를 참조하면, 상기 Sagger는 가로 및 세로의 길이가 모두 a인 정사각형 형태의 밑면을 갖는 육면체 형상의 용기이다. 그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 이 밖에 다른 다양한 형태, 다양한 재질의 가열로가 1차 열처리를 위해 사용될 수 있다. 본 발명자들은 Sagger와 같은 가열로의 단위 밑면적(A)당 상기 가열로에 충진되는 상기 건조된 바륨티타닐옥살레이트 분말의 무게(m)를 조절함으로써 최종 제품인 티탄산바륨의 결정화도(c/a)를 조절할 수 있다는 사실을 밝혀내었다. 이에, 하기와 같이 티탄산바륨의 결정화도 지배인 자(Governing factor of crystallinity)(이하, 간단히 결정화도 지배인자라고 함)를 정의하고, 이를 조절함으로써 원하는 값의 티탄산바륨의 결정화도(c/a)를 얻을 수 있다.
[수학식 1]
상기 결정화도 지배인자(m/A)는 0.52g/cm2 이하의 값을 갖는 것이 바람직하다. 상기 값이 0.52g/cm2를 초과하는 경우에는 상기 바륨티타닐옥살레이트 결정에 존재하는 수분 및 합성 시 발생하는 탄산 가스가 원활히 배출되기 어려워서 바람직하지 않다.
이후, 상기 1차 열처리 과정을 통해 생성된 티탄산바륨 결정 덩어리를 분쇄하는 것이 바람직하나(S70), 이러한 분쇄과정은 생략될 수도 있다. 이 경우 분쇄는, 소정의 용매와 함께 비즈밀(beads mill), 어트리션밀(Atrition mill), 및 볼밀(ball mill)과 같은 분쇄기를 사용하는 습식분쇄와, 젯밀(jet mill) 및 디스크밀(Disk mill)과 같이 용매를 사용하지 않은 상태에서 원료간의 충돌이나 분쇄기와의 마찰력을 이용하는 건식분쇄를 포함한다. 이 경우, 분쇄는 티탄산바륨 미분말의 입자간 응집을 해소하기 위한 것으로, 습식분쇄를 행한 후에는 건조과정이 추가로 필요하지만 건조를 위해 특별히 한정된 설비를 이용해야 하는 것은 아니다. 이 단계의 분쇄과정에서 분쇄효율이 지나치게 높은 설비를 사용할 경우, 입자의 파괴가 유발되어 작은 미분이 다량으로 발생하게 되고, 이로 인해 오히려 입도분포와 결정성이 저하될 가능성이 있으므로 가능한한 분쇄 강도를 낮춰서 입자 자체의 파괴없이 입자간의 결합(necking)만을 끊어주는 것이 바람직하다.
또한, 상기 1차 열처리 과정을 통해 생성된 티탄산바륨 결정에 탄산바륨(BaCO3)을 더 첨가하는 것이 바람직하나(S70), 이러한 탄산바륨의 첨가과정은 생략될 수도 있다. 이러한 탄산바륨 첨가과정은 티탄산바륨 분쇄과정과 병행하여 수행될 수도 있고, 상기 분쇄과정 없이 단독으로 수행될 수도 있다. 이하, 탄산바륨 첨가과정이 분쇄과정과 병행하여 수행되는 경우를 중심으로 살펴본다. 먼저, XRF 등의 분석기기를 이용하여 티탄산바륨 중의 바륨/티타늄(Ba/Ti) 몰비를 측정한 후 상기 몰비에 따라 적당량의 탄산바륨(BaCO3)을 티탄산바륨에 첨가하여 분쇄작업을 행한다. 예를 들어, 바륨/티타늄 몰비가 0.997~0.999 범위이면, 탄산바륨을 티탄산바륨 100중량부에 대하여 0.08~2.28중량부 범위에서 첨가하고, 상기 몰비가 0.999~1.001 범위이면 탄산바륨을 0.08~1.5중량부 범위에서 첨가하며, 상기 몰비가 1.001~1.003 범위이면 탄산바륨을 0.08~0.76중량부 범위에서 첨가한다.
이에 따라, 이후의 2차 열처리과정에서 입성장(grain growth)이 억제되어 티탄산바륨 미분말이 더욱 균일한 입도분포를 가질 뿐만 아니라 최종적인 바륨/티타늄 몰비를 일정하게 유지할 수 있다. 다만, 1차 열처리후 티탄산바륨의 바륨/티타늄 몰비가 목표하는 범위내에 있으면 추가적인 탄산바륨의 첨가는 불필요하고, 또한 티탄산바륨 미분말의 입자간 결합 현상이 두드러지지 않으면 별도의 분쇄가 불필요하다.
다음에, 1차 열처리로 생성된 티탄산바륨 결정을 2차 열처리한다(S80). 이러한 2차 열처리 과정은 상기 1차 열처리 온도 이하의 온도에서 행해진다. 즉, 2차 열처리는 600~1000℃ 범위의 온도에서 수행된다. 상기 열처리 온도가 600℃ 미만인 경우에는 2차 열처리 효과가 거의 없어 바람직하지 않으며, 1000℃를 초과하는 경우에는 형성되는 티탄산바륨 미분말의 입자 크기가 지나치게 커져서 바람직하지 않다. 상기 1차 열처리 후 2차 열처리 온도로의 승온 속도는 0.5~10℃/min인 것이 바람직하며, 1~5℃/min인 것이 더욱 바람직하다. 상기 승온속도가 0.5℃/min 미만인 경우에는 티탄산바륨의 생산성이 저하되어 바람직하지 않고, 10℃/min를 초과할 경우에는 온도분포가 균일하지 않아 티탄산바륨 미분말의 입도가 불균일해져서 바람직하지 않다. 이와 같이 2차 열처리를 행함으로써, 균일한 입도분포와 높은 결정성을 갖는 티탄산바륨 미분말을 얻을 수 있다.
마지막으로, 2차 열처리 과정을 거친 티탄산바륨 결정을 추가로 분쇄할 수도 있는데, 이러한 분쇄과정은 생략될 수도 있다.
이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명이 이에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예
실시예 1~14
(바륨티타닐옥살레이트 결정 생성 및 숙성)
1mol/ℓ 농도의 염화바륨 수용액 1320ℓ와 1mol/ℓ 농도의 사염화티탄 수용 액 1200ℓ를 4M3 글래스-라인(Glass-lined) 반응조에서 잘 섞어서 혼합 수용액을 만들었다. 이후, 상기 혼합 수용액을 6M3 반응기에 충진된, 미리 만들어둔 1mol/ℓ 농도의 옥살산 수용액 2520ℓ에 풀콘(full con) 타입의 노즐을 이용하여 2.5ℓ/min의 속도로 분사하였다. 노즐 분사시 상기 혼합 수용액의 공급을 위해 다이아프램 펌프를 사용하였다. 이때, 옥살산 용액을 교반기로 교반하면서 분사하였으며, 교반기의 교반속도는 150rpm으로 유지하였고, 옥살산 용액의 온도는 90℃로 유지하였다.
2시간 동안 상기 혼합 수용액을 적가후 1시간 동안 반응온도를 유지한 다음, 교반을 유지한 채로 공냉시켜 1시간 동안 숙성시켰다. 결과로서, 바륨티타닐옥살레이트 결정을 함유하는 슬러리를 얻었다.
(생성된 바륨티타닐옥살레이트 슬러리의 여과 및 세척)
상기에서 제조된 바륨티타닐옥살레이트 슬러리를 원심분리기로 여과하고 과량의 물로 세척액의 pH가 6이상이 되도록 세척하여 바륨티타닐옥살레이트 결정 덩어리를 얻었다.
(생성된 바륨티타닐옥살레이트 결정 덩어리의 습식분쇄 및 건조)
상기 바륨티타닐옥살레이트 결정 덩어리 50kg에, 탈수이온 250kg과 29부피% 암모니아수 0.5kg(바륨티타닐옥살레이트 100몰부 대비 8.4 몰부)를 첨가하고 생성된 슬러리를 혼합조에서 교반하였다. 이때, 슬러리의 pH는 9.3이었다. 이후, 20ℓ의 수평식 비즈밀로 최대 입경이 5㎛이하가 되도록 상기 바륨티타닐옥살레이트 결 정 덩어리를 습식분쇄하였다. 분쇄 후, 슬러리의 pH는 5.1, 점도는 1800cP이었다. 이렇게 얻어진 바륨티타닐옥살레이트 슬러리를 오븐안에서 200℃의 온도로 12시간 동안 건조한 후 염소 이온 함량을 측정하였다. 측정 결과, 상기 염소 이온 함량은 200ppm이었다.
(1차 열처리)
건조된 바륨티타닐옥살레이트 결정 덩어리(무게=m)를 전기로(즉, 도 2와 유사한 형태를 가지며, 각 실시예별로 하기 표 1의 밑면적(A)을 갖는 Sagger)에서 800~1000℃의 온도범위 및 0.12~1.72의 m/A 범위에서 각 실시예별로 온도 및/또는 m/A를 변경시켜가면서 열처리를 실시하였다. 결과로서, 티탄산바륨 결정 덩어리를 얻었다. 상기 1차 열처리시 채택한 온도 및 m/A 값과 함께, 제조된 티탄산바륨 결정의 결정화도(c/a), 평균입경 및 입도분포(D10/D50, D90/D50)를 측정하여 하기 표 1에 나타내었다. 또한 실시예 1에서 제조한 티탄산바륨 결정 덩어리의 SEM 사진을 촬영하여(x50,000) 도 3에 나타내었다. 아울러, 실시예 1~14에서 제조한 각각의 티탄산바륨 결정에 대하여, 결정화도 지배인자(m/A)에 대한 결정화도(c/a) 그래프를 도시하여 도 4에 나타내었다.
상기 결정화도(c/a)는 XRD(Rigaku사의 D/Max 2000 series)를 이용하여 40kV, 200mA에서 2sec/step의 속도와 0.02의 step size의 조건으로, 2Θ = 44~46.5ㅀ를 측정하여 결정 격자의 a축과 c축의 d-spacing 값을 구한 후 이들의 비로써 티탄산바륨의 결정성을 평가한 지표이다. 또한, 상기 평균입경, 및 입도분포의 지표 인 D10/D50와 D90/D50는 Jeol사의 JSM-7400F을 이용하여 주사전자현미경(SEM) 사진을 30,000배로 촬영한 후 이미지 분석 프로그램을 이용하여 티탄산바륨 입자의 장축과 단축의 평균으로 티탄산바륨 입자의 크기를 계산하였으며, 측정한 티탄산바륨 입자의 개수는 800개 이상이었다. 여기서, D10/D50이 클수록, 그리고 D90/D50가 작을수록 입도분포가 좋다고 할 수 있다. 여기서 D10 , D50 , D90은 측정한 입자를 입경이 작은 것부터 큰 것 순으로 나열할 때 입자의 전체 개수 중 각각 10%, 50%, 90%의 순위에 해당하는 입자의 입경을 의미한다.
상기 표 1에서, c/a 값이 "-"인 것은 XRD 분석시 정방정상(tetragonal phase)이 아닌 입방정상(cubic phase)으로 관찰되어 값을 측정할 수 없는 경우이다.
상기 표 1 및 도 4를 참조하면, 결정화도 지배지수(m/A)의 값이 0.52g/cm2인 점을 기준으로 결정화도(c/a)가 급격히 변화한다는 사실을 확인할 수 있다. 즉, 상기 값이 0.52g/cm2이하인 경우에는 결정화도가 매우 높았지만(>1.008), 0.52g/cm2를 초과하는 경우에는 결정화도가 급격히 감소하였다. 이와 같은 결과는 상기 결정화도 지배지수(m/A)가 낮을수록 1차 열처리시 Sagger에 충진된 건조된 바륨티타닐옥살레이트 결정 덩어리의 적층 두께가 얇아져서 수분 및 탄산가스 배출이 용이해지기 때문인 것으로 판단된다. 또한, 실시예 1~4 및 실시예 11~14을 비교하여 보면, Sagger의 면적(A)이 달라지더라도(즉, A가 각각 87cm2 및 870cm2) 결정화 지배지수(m/A)가 같으면 결정화도(c/a)의 값도 거의 변화하지 않는다는 사실을 알 수 있다. 특히, 실시예 17의 경우에 결정화도(c/a)의 값이 가장 높은 것으로 나타났다(c/a=1.0106).
실시예 18~23
1차 열처리 이전에 400~650℃의 온도범위에서 먼저 가스 배출을 실시한 것을 제외하고는 상기 실시예 1~17에서와 동일한 방법으로 티탄산바륨 결정 덩어리를 제조하였다. 다만 가스배출하는 경우에 있어서, 결정화도 지배지수(m/A)의 값을 0.52g/cm2로 고정시켰으며, 1차 열처리 시에는 0.69g/cm2로 조절하였다. 즉, 가스배출 후 1차 열처리를 실시하기 전에, 가스배출한 분말을 다시 결정화도 지배인자가 0.69가 되도록 충진하였다. 또한 이 경우에 있어서 전술한 측정방법으로 상기 얻어진 티탄산바륨 입자의 결정화도, 평균입경, 및 입도분포를 측정하여, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
상기 표 2에서, c/a 값이 "-"인 것은 XRD 분석시 정방정상(tetragonal phase)이 아닌 입방정상(cubic phase)으로 관찰되어 값을 측정할 수 없는 경우이다. 또한, 잔류 가스량(wt%)은 가스 배출 전후에 바륨티타닐옥살레이트 분말이 충진된 전기로의 무게를 각각 측정하여, 가스 배출후의 무게를 가스 배출전의 무게로 나눈 값에 100을 곱하여 계산하였다.
상기 표 2를 참조하면, 가스 배출 온도가 증가할 경우 잔류 가스량이 감소하고 1차 열처리 후 입자의 크기를 동일하게 맞추었을 때, 동일한 입자 크기에서 결정화도 및 입도 분포가 향상되는 것을 확인할 수 있다. 또한 상기 표 1 및 표 2를 참조하면, 동일한 결정화도 지배지수(m/A=0.69)를 채택할 경우에 있어서 가스 배출을 하는 경우가 그렇지 않은 경우에 비해 결정화도 및 입도 분포가 개선된다는 사실을 알 수 있다. 이러한 결과는 전술한 바와 같이 수분 및 탄산가스의 효율적인 제거가 결정성 향상에 긍정적인 영향을 미침을 말해주는 것이다. 또한 이는 생산성의 향상으로 이어질 수 있다.
본 발명은 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 티탄산바륨 미분말의 제조방법을 단계적으로 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 한 구현예에 따른 고결정성의 티탄산바륨 미분말의 제조방법에 있어서, 티탄산바륨 미분말의 결정화도 지배인자(governing factor of crystallinity)를 계산하는 방법을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 제조방법에 의해 제조된 입자직경이 100nm인 고결정성의 티탄산바륨 미립자를 촬영한 SEM 사진이다.
도 4는 도 2의 결정화도 지배인자에 따른 티탄산바륨 미분말의 결정화도(c/a)의 변화를 도시한 그래프이다.
Claims (18)
- (a) 염화바륨(BaCl2) 수용액 및 사염화티탄(TiCl4) 수용액을 마련하는 단계;(b) 상기 수용액들을 분사하여 옥살산(H2C2O4) 수용액에 적가함으로써 바륨티타닐옥살레이트[BaTiO(C2O4)2·4H2O] 결정 덩어리를 생성시키는 단계;(c) 상기 바륨티타닐옥살레이트 결정 덩어리를 습식분쇄하는 단계;(d) 상기 습식분쇄된 바륨티타닐옥살레이트 분말을 건조시키는 단계; 및(e) 상기 건조된 바륨티타닐옥살레이트 분말을 1차 열처리하여 티탄산바륨 결정 덩어리를 생성시키는 단계;를 포함하고,상기 (e) 단계의 1차 열처리시 결정화도 지배인자(Governing factor of crystallinity)를 조절함으로써 티탄산바륨의 결정화도를 조절하며, 상기 결정화도 지배인자(m/A)는 상기 1차 열처리가 행해지는 가열로의 단위 밑면적(A)당 상기 가열로에 충진되는 상기 건조된 바륨티타닐옥살레이트 분말의 무게(m)로 정의되는 티탄산바륨 미분말의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 가열로는 Sagger 또는 Tray인 것을 특징으로 하는 티탄산바륨 미분말의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 결정화도 지배인자는 0.52g/cm2이하인 것을 특징으로 하는 티탄산바륨 미분말의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 1차 열처리 이전에 가스배출을 시행함으로서 결정화도 지배인자를 증가시키는 것을 특징으로 하는 티탄산바륨 미분말의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 (b) 단계에서, 염화바륨 수용액 및 사염화티탄 수용액은 분사 전에 미리 혼합되는 것을 특징으로 하는 티탄산바륨 미분말의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 (b) 단계에서, 염화바륨 수용액 및 사염화티탄 수용액은 분사노즐에 의해 분사되면서 혼합되는 것을 특징으로 하는 티탄산바륨 미분말의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 (b) 단계와 (c) 단계 사이에는,상기 생성된 바륨티타닐옥살레이트 결정을 숙성시키는 단계; 상기 숙성된 바 륨티타닐옥살레이트 결정을 여과하는 단계; 및 상기 여과된 바륨티타닐옥살레이트 결정을 과량의 물로 세척하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 티탄산바륨 미분말의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 (c) 단계의 습식분쇄는 암모니아, 아민, 암모늄 화합물, 및 아미노산 중에서 선택된 질소 함유 첨가제가 추가되어 수행되는 것을 특징으로 하는 티탄산바륨 미분말의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 (d) 단계의 건조는 상기 (c) 단계의 습식분쇄에 사용된 용매의 끓는점 보다 높은 온도로서 400℃ 이하의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 티탄산바륨 미분말의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 (e) 단계의 1차 열처리는 800~1000℃ 범위의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 티탄산바륨 미분말의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 (d) 단계의 건조 온도에서 상기 (e) 단계의 1차 열처리 온도로의 승온 속도는 0.5~10℃/min인 것을 특징으로 하는 티탄산바륨 미분말의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 (e) 단계 이후에, 상기 1차 열처리로 생성된 티탄산바륨 결정 덩어리를 상기 1차 열처리 온도 이하의 온도에서 2차 열처리하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 티탄산바륨 미분말의 제조방법.
- 제12항에 있어서,상기 (e) 단계의 1차 열처리와 상기 2차 열처리 사이에 탄산바륨(BaCO3)을 첨가하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 티탄산바륨 미분말의 제조방법.
- 제12항에 있어서,상기 (e) 단계의 1차 열처리와 상기 2차 열처리 사이에 상기 1차 열처리로 생성된 티탄산바륨 결정 덩어리를 분쇄하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 티탄산바륨 미분말의 제조방법.
- 제12항에 있어서,상기 (e) 단계의 1차 열처리 후 상기 2차 열처리 온도로의 승온 속도는 0.5~10℃/min인 것을 특징으로 하는 티탄산바륨 미분말의 제조방법.
- 제12항에 있어서,상기 2차 열처리는 600~1000℃ 범위의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 티탄산바륨 미분말의 제조방법.
- 제12항에 있어서,상기 2차 열처리를 거친 티탄산바륨 결정 덩어리를 분쇄하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 티탄산바륨 미분말의 제조방법.
- 삭제
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