KR101663717B1 - 폴리염화알루미늄을 활용한 고순도 알루미나의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐자원인 폴리염화알루미늄을 이용하여 고순도의 알루미나를 저비용으로 간단하게 제조하는 방법에 관한 것이며, 본 발명에 따른 고순도 알루미나의 제조방법은 폐자원인 폴리염화알루미늄을 활용함으로써 알루미나 제조단가를 획기적으로 절감할 수 있는 장점이 있고 알루미늄 이외에 불순물의 함유량이 매우 낮은 폴리염화알루미늄을 이용함으로써 제조되는 알루미나의 순도가 매우 높은 장점 또한 지니며, 그 제조공정이 매우 단순하고 제조공정상에서 유해한 화학물질을 배출하지 않는바, 매우 경제적이고 친환경적인 장점 또한 갖는다. 또한, 본 발명에 따른 고순도 알루미나의 제조방법은 제조공정의 다양한 조건을 변경함으로써 수요자의 요구에 맞는 일정하고 다양한 입자 크기 및 형태를 갖는 고순도의 알루미나를 제조할 수 있는 장점 또한 갖는다.

Description

폴리염화알루미늄을 활용한 고순도 알루미나의 제조방법 {MANUFACTURING METHOD OF HIGH PURITY ALUMINA USING POLYALUMINIUM CHLORIDE}

본 발명은 폴리염화알루미늄을 활용한 고순도 알루미나의 제조방법에 관한 것이다.

알루미나는 높은 내열성과 내화학성, 내식성 및 고강도 등에 기인하여 내마모재, 스파크 플러그, 절연애자, 연마재, 내화물, 세라믹 타일, 유리, 절삭공구, 생체재료, 촉매담체, 필터, 열교환기 부품, 내화물, 수지의 필러, 섬유 등과 같이 광범위하게 사용되는 재료이며, 특히 우수한 기계적 강도, 내열성, 내마모성 및 내식성 등을 갖는 고순도 알루미나는 세라믹스, 전기, 전자, 광학, 기계, 화학 등 다양한 분야에서 첨단소재로 널리 사용되고 있으며, 특히 첨단 산업의 발전에 따라 그 수요가 점점 증가하고 있는 재료이다.

특히, 고순도 알루미나는 LED사파이어의 잉곳 소재, LCD, PDP 등에 사용되는 형광제 및 광학용 렌즈 원료, 구조 세라믹 원료, 인쇄용지 코팅제 등 활용 분야가 매우 다양하며, 현재 국내에서는 대부분의 고순도 알루미나를 수입에 의존하고 있는 실정이고 2013년도 국내 고순도 알루미나 수입액은 약 1,140억원에 이른다.

한편, 알루미나를 제조하는 방법으로는 베이어 (Bayer)법, 암모늄 명반의 열분해법, 알루미늄 알콕사이드 (aluminum alcoxide)의 가수 분해법, 리커 버닝법 (Liquor Burning), 습식 산화법 (Wet Oxidation), 가성화법 (causticizing method), 옥살산나트륨 제거법 (sodium oxalate removing) 등이 있으며, 대부분의 알루미나는 1888년 오스트리아의 K. J. 베이어에 의해 개발된 보오크사이트 (bauxite) 광물을 원료로 하는 베이어 공정을 통하여 제조된다.

그러나, 상기 베이어 공정은 고농도의 가성소다 (NaOH) 용액에서 이루어지기 때문에 이를 통하여 제조된 알루미나는 항상 상당량의 나트륨 (sodium)을 불순물로서 포함하고 있다. 따라서 베이어법으로 고순도 알루미나를 제조하기 위해서는 다양한 방법으로 상기 불순물을 제거하는 별도의 복잡한 공정을 거치게 되며, 이에 따라 고순도 알루미나의 제조 비용이 증가하는 문제가 있다.

하기 특허문헌 1에서는 저순도 수산화알루미늄을 이용하여 고순도 알루미나를 제조하는 방법을 개시하고 있으며, 하기 특허문헌 2에서는 일반 수산화알루미늄을 이용하여 고순도 알루미나를 제조하는 방법을 개시하고 있다.

그러나, 이들 특허문헌은 단순히 수산화알루미늄을 이용하여 고순도 알루미나를 제조하는 방법을 개시하고 있을 뿐, 알루미늄 폐자원을 활용하여 고순도의 알루미나를 제조하는 방법에 대하여는 전혀 개시하고 있지 않다.

한편, 하기 특허문헌 3에서는 유독성 알루미늄 폐액을 재활용하여 알루미나를 제조하는 방법을 개시하고 있으나, 이는 중간 산물로 얻어지는 베마이트 결정상을 갖는 침전물을 선택적으로 걸러내는 복잡한 공정을 포함하고 있으며, 상기 특허문헌 3의 공정에 사용되는 알루미늄 폐액은 다양한 불순물을 함유하고 있어 최종 산물로 얻어지는 알루미나의 순도가 저하되며, 이를 통하여 고순도의 알루미나를 얻기 위하여 별도의 복잡한 불순물 제거 공정을 필요로 하는 문제가 있다.

따라서, 알루미늄 폐자원을 활용하여 간단한 공정으로 고순도의 알루미나를 제조할 수 있는 새로운 기술의 개발이 절실히 요구되는 실정이다.

[특허문헌]

특허문헌 1: 특허공개 제10-2010-0091557호

특허문헌 2: 특허공개 제10-2011-0115640호

특허문헌 3: 특허공개 제10-2013-0066717호

이에 본 발명에서는 상기 문제점을 해결하고자 폐자원인 폴리염화알루미늄을 활용하여 간단한 공정으로 고순도의 알루미나를 제조할 수 있음을 발견하였고, 본 발명은 이에 기초하여 완성되었다.

따라서, 본 발명의 하나의 관점은 제조공정이 단순하며 폐자원인 폴리염화알루미늄의 재활용을 통하여 환경오염의 문제를 해결함과 동시에 제조단가를 획기적으로 절감할 수 있는 고순도 알루미나의 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기 관점을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현 예에 따른 고순도 알루미나의 제조방법은 폴리염화알루미늄에 암모니아수 또는 묽은 수산화나트륨 용액을 첨가하여 수산화알루미늄용액을 생성시키는 단계; 상기 수산화알루미늄용액에 질산암모늄용액 및 요소용액을 첨가하여 혼합용액을 제공하는 단계; 상기 혼합용액을 교반하여 겔을 형성시키는 단계; 상기 겔을 승온시켜 알루미나 입자를 생성시키는 1차 소성단계; 및 상기 알루미나 입자를 포함하는 승온된 결과물을 더욱 높은 온도에서 강열하는 2차 소성단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 구현 예에 있어서, 상기 알루미나는 알파 알루미나인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 구현 예에 있어서, 상기 폴리염화알루미늄은 알루미늄 치환법을 통하여 생산되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 구현 예에 있어서, 상기 암모니아수는 용액의 수소이온농도 (pH)가 9 내지 9.5가 되도록 첨가하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 구현 예에 있어서, 상기 질산암모늄용액 및 요소용액은 상기 겔 형성에 필요한 최소한의 물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 구현 예에 있어서, 상기 첨가되는 요소용액 내의 요소는 상기 수산화알루미늄에 포함된 알루미늄의 4 내지 5배의 몰비를 가지며, 상기 질산암모늄용액 내의 질산암모늄은 상기 수산화알루미늄의 6 내지 8배의 질량비를 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 구현 예에 있어서, 상기 겔을 형성시키는 단계는 70 내지 110℃의 온도에서 겔화가 이루어질 때까지 1 내지 18시간 동안 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 구현 예에 있어서, 상기 제조방법은 상기 겔을 형성시키는 단계 이후에 상기 겔을 여과하여 물을 제거하는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 구현 예에 있어서, 상기 1차 소성단계에서 상기 겔의 급격한 승온은 상기 겔을 도가니에 넣은 후 상기 겔이 담긴 도가니를 300 내지 400℃, 예를 들어 350℃로 예열된 전기로에 넣음으로써 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 구현 예에 있어서, 상기 제조방법은 상기 알루미나 입자를 생성시키는 단계 이후에 상기 알루미나 입자를 냉각시키는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 구현 예에 있어서, 상기 2차 소성단계는 1,100 내지 1,300℃, 예를 들어 1,250℃의 온도에서 30분 내지 6시간, 예를 들어 1시간 동안 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 고순도 알루미나의 제조방법은 폐자원인 폴리염화알루미늄을 활용함으로써 알루미나 제조단가를 획기적으로 절감할 수 있는 장점을 갖는다.

또한, 본 발명에 따른 알루미나 제조방법은 알루미늄 이외에 불순물의 함유량이 매우 낮은 폴리염화알루미늄을 이용함으로써 제조되는 알루미나의 순도가 매우 높은 장점을 갖는다.

또한, 본 발명에 따른 알루미나의 제조방법은 그 제조공정이 매우 단순하며 제조공정상에서 유해한 화학물질을 배출하지 않는바, 매우 경제적이고 친환경적인 장점 또한 갖는다.

또한, 본 발명에 따른 고순도 알루미나의 제조방법은 제조공정의 다양한 조건을 변경함으로써 수요자의 요구에 맞는 일정하고 다양한 입자 크기 및 형태를 갖는 고순도의 알루미나를 제조할 수 있는 장점 또한 갖는다.

도 1은 본 발명의 일 구현 예에 따라 제조된 알루미나의 표면 FE-SEM 사진이다.
도 2는 본 발명의 다른 구현 예에 따라 제조된 알루미나의 표면 FE-SEM 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 구현 예에 따라 제조된 알루미나의 X선 회절 분석 결과이다.
도 4는 본 발명의 다양한 구현 예에 따라 제조된 알루미나의 표면과 타사 제품 알루미나 표면을 비교한 FE-SEM 사진이다.

본 발명을 좀 더 구체적으로 설명하기 전에, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어서는 아니되며, 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예의 구성은 본 발명의 바람직한 하나의 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록, 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명한다. 아울러, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명은 제조공정이 단순하며 폐자원인 폴리염화알루미늄의 재활용을 통하여 환경오염의 문제를 해결함과 동시에 제조단가를 획기적으로 절감할 수 있는 고순도 알루미나의 제조방법에 관한 것이다.

알루미나 (alumina, Al₂O₃)는 분자량이 약 101.96이고, 비중이 3.965이며, 용융점이 2,072℃인 백색의 분말로서 육방정 (a=4.758, c=12.991Å)의 결정구조를 갖는다. 특히, 파인세라믹스용으로 널리 사용되는 고순도 알루미나는 일반적으로 99.5% 이상의 순도를 가지며 평균 입자크기가 1㎛ 이하인 미세한 분말로서 소결이 비교적 잘 이루어지는 알루미나 분말이다.

한편, 알루미나는 제조공정상의 소성 과정에서의 소성온도에 의해 알파 (alpha)상 알루미나, 베타 (beta)상 알루미나, 감마 (gamma)상 알루미나로 종류가 나뉘며, 이 중에서 비표면적이 가장 넓은 것이 감마(gamma) 알루미나이다. 이러한 세 가지 알루미나의 비표면적은 아래와 같다.

-알파 알루미나: < 10㎡/g

-베타 알루미나: 10 ~ 100㎡/g

-감마 알루미나: > 100㎡/g

전술한 바와 같이 대부분의 알루미나 제조공정으로 사용되는 베이어법은 보오크사이트 (bauxite)를 가열 가압 상태에서 고농도의 가성소다 (NaOH)용액에 녹여 소듐알루미네이트(NaAlO₂)를 만들고, 방치 및 여과 공정을 거쳐서 용해되지 않은 불순물을 제거한 후, 깁사이트 (gibbsite)를 종자 (seed)로 첨가하여, 온도에 따른 용해도 차이를 이용하여 소듐알루미네이트를 가수분해함으로써 수산화알루미늄 (Al(OH)₃)으로 석출시킨 후 이를 하소 (calcination)하여 알루미나를 제조하는 방법이고, 하소공정의 반응식은 하기 화학식 1과 같고 약 1,100 내지 1,200℃에서 이루어진다.

[화학식 1]

2Al(OH)₃ → Al₂O₃ + 3H₂O

상기 방법은 고농도의 가성소다 용액에서 이루어지기 때문에 제조된 알루미나는 항상 상당량의 나트륨 (sodium)을 불순물로서 포함하고 있으며, 따라서 베이어법으로 고순도 알루미나를 제조하기 위해서는 공정 중 수산화 알루미늄의 석출시 산화나트륨 (Na₂O)의 공침을 최소화시키는 방법 또는 이미 석출된 수산화 알루미늄 속의 산화 나트륨을 화학적 방법으로 제거하는 방법 등과 같은 복잡한 불순물 제거 공정이 사용되고 있다.

한편, 최근 고순도 알루미나의 제조에 가장 많이 사용되는 두 가지 암모늄 명반 열분해법이 있다. 그 첫 번째 방법은 황산 알루미늄 (Al₂(SO₄)₃)과 황산암모늄 ((NH₄)₂SO₄)을 반응시켜서 암모늄 명반 (NH₄Al(SO₄)₂)을 만든 뒤 이를 하소시키는 방법이다. 두 번째 방법은 황산알루미늄을 황산 (H₂SO₄) 및 암모니아 (NH₃) 가스와 반응시켜서 암모늄 명반을 만든 뒤 이를 하소하는 방법이다. 암모늄 명반 열분해법에 사용되는 암모늄 명반은 열분해시 발포성을 지니기 때문에, 매우 작은 입자가 응집된 형상의 알루미나를 산출하며 이를 분쇄함으로써 소결이 비교적 용이한 알루미나를 제조할 수 있는 장점을 갖는다. 그러나, 상기 방법은 정제 비용이 많이 들고, 부산물로서 발생하는 암모니아 (NH₃)와 아황산 (SO₃)가스를 제거해야 하는 단점을 갖는다.

한편, 또 다른 고순도의 알루미나 제조방법으로 사용되는 알루미늄 알콕사이드 (aluminum alcoxide)의 가수 분해법은 현재까지 가장 고순도 알루미나를 제조할 수 있는 방법으로 알려져 있으며, 다음과 같은 공정이 사용된다. 먼저 금속 알루미늄과 알코올 (alcohol)로부터 알루미늄 알콕사이드 (Al(OC₄H₉)₃)를 합성한 후, 알루미늄 알콕사이드를 가수분해하여 수산화 알루미늄(Al(OH)₃)으로 만든다. 이렇게 제조된 수산화 알루미늄을 하소함으로써 고순도 알루미나를 제조하는 방법이다. 이 공정은 비교적 간단한 증류조작에 의해 알루미늄 알콕사이드의 정제가 가능하고, 사용한 알코올의 재사용이 가능한 장점을 갖는다.

또한, 가수분해에 의해 생성된 수산화알루미늄은 수십㎚의 초미립자이기 때문에 이를 하소하여 얻어진 알파 알루미나 (α-Al₂0₃)도 0.1㎛ 정도의 미세한 입자라는 장점 또한 갖는다.

그러나, 상기 방법을 통하여 알루미나를 제조하는 경우 초미립 수산화 알루미늄이 건조시 응집되기 쉽고, 응집된 입자는 하소시 단단한 응집체 (agglomerate)를 형성하므로 이것을 분쇄 및 제어하는 과정에서 많은 비용이 발생한다는 단점을 갖는다.

이에 본 발명자는 상기 고순도 알루미나 제조방법들이 갖는 단점들을 극복하고 연간 수천 톤씩 발생하는 산업폐기물인 폴리염화알루미늄을 이용함으로써 폐자원을 재활용함과 동시에 환경오염을 방지할 수 있는 매우 경제적이고도 획기적인 고순도 알루미나의 제조방법을 개발하였다.

폴리염화알루미늄 (polyaluminium chloride, PAC)은 알루미늄 (Al)이 염산 (HCl)과 접촉하는 공정이 포함된 다양한 산업공정에서 부산물로 생성되며 현재는 대부분 산업폐기물로 처리되거나 또는 연간 수천 톤씩 폐수처리용 응집제로 사용되고 있다.

한편, 상기 폴리염화알루미늄에는 통상적으로 적게는 6중량%에서 많게는 12 또는 13중량% 정도의 알루미늄 (Al)이 포함되어 있다.

본 발명에 따른 알루미나 제조방법을 통하여 제조되는 알루미나는 불순물이 5ppm미만으로 순도가 매우 높은 장점을 갖는다.

본 발명에 따른 고순도 알루미나 제조방법은 기본적으로 폴리염화알루미늄을 이용하여 형성된 수산화알루미늄에 질산암모늄 및 요소를 가한 후, 이를 교반하여 겔화시키고 이를 2단계에 걸쳐 소성시키는 과정을 포함한다.

본 발명에 따른 고순도 알루미나의 제조방법은 일 구현 예로 폴리염화알루미늄에 암모니아수 (NH₄OH)를 첨가하여 수산화알루미늄 (Al(OH)₃)용액을 생성시키는 단계; 상기 수산화알루미늄 (Al(OH)₃)용액에 질산암모늄 (NH₄NO₃)용액 및 요소 (CO(NH₂)₂)용액을 첨가하여 혼합용액을 제공하는 단계; 상기 혼합용액을 교반하여 겔을 형성시키는 단계; 상기 겔을 급격히 승온시켜 알루미나 입자를 생성시키는 1차 소성단계; 및 상기 알루미나 입자를 포함하는 승온된 결과물을 더욱 높은 온도에서 강열하는 2차 소성단계;를 포함한다.

한편, 본 발명에 따라 제조되는 고순도 알루미나는 비표면적이 비교적 작은 알파 알루미나이다. 알파 알루미나는 감마 알루미나에 비하여 비표면적이 작고 밀도가 높아 LED사파이어의 잉곳 소재, LCD, PDP에 사용되는 형광제, 광학용 렌즈 원료, 구조 세라믹 원료 및 인쇄용지 코팅제 등으로 사용될 수 있는 우수한 재질의 알루미나이다.

본 발명에 사용되는 폴리염화알루미늄은 알루미늄과 염산이 접촉하는 공정을 포함하는 다양한 산업공정의 부산물로 생산되는 것일 수 있으며, 특히 알루미늄 치환법을 통하여 생산되는 것일 수 있다. 이와 같이 알루미늄 치환법을 통하여 부산물로 생성되는 폴리염화알루미늄은 알루미늄 이외의 불순물이 거의 존재하지 않는 매우 고순도의 알루미늄 폐자원에 해당한다.

여기서, 알루미늄 치환법은 예를 들어 알루미늄 원판을 이용하여 여기에 다양한 금속이온을 환원시키는 등의 공정에서 금속이온이 환원되는 대신 알루미늄 이온이 산화되는 과정을 의미하며, 이와 같이 산화된 알루미늄 이온으로 말미암아 폴리염화알루미늄이 되는 것을 예로 들 수 있다.

따라서, 이와 같이 알루미늄 치환법을 통하여 생산되는 폴리염화알루미늄을 본 발명에 따른 알루미나의 제조방법에 사용할 경우 초고순도의 알루미나를 제조하는 것이 가능하다.

본 발명에 따른 알루미나의 제조방법에서, 수산화알루미늄 (Al(OH)₃)용액을 생성시키키 위하여 폴리염화알루미늄에 암모니아수 또는 묽은 수산화나트륨 용액을 첨가한다.

이때, 상기 암모니아수 또는 묽은 수산화나트륨 용액을 용액의 수소이온농도 (pH)가 9 내지 9.5가 되도록 첨가하는 경우 충분한 양의 수산화알루미늄을 생성시킬 수 있게 된다.

그 후, 이와 같이 생성된 수산화알루미늄용액에 질산암모늄 (NH₄NO₃)용액 및 요소 (urea, CO(NH₂)₂)용액을 첨가하여 혼합용액을 제조한다.

한편, 상기 요소용액에 포함되는 요소는 수산화알루미늄에 포함된 알루미늄의 4 내지 5배, 예를 들어 약 4배의 몰비를 갖도록 조절하고, 상기 질산암모늄용액 내의 질산암모늄은 상기 수산화알루미늄의 약 6 내지 8배, 예를 들어 약 7배의 질량비를 갖도록 조절한다.

또한, 상기 질산암모늄용액 및 요소용액에는 최소한의 물이 포함되도록 한다. 상기 질산암모늄용액 및 요소용액에 포함되는 물의 양이 많아지면, 후에 이루어지는 겔화가 어렵고, 겔화가 이루어지지 않으면 전기로 고온 반응시 격렬한 반응이 일어나게 되어 반응 물질이 대부분 소실되어 반응 결과물이 거의 남지 않게 되는 문제가 있다. 따라서, 질산암모늄 및 요소를 최소한의 물에 녹여 이들 용액을 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 질산암모늄 및 요소가 첨가된 수산화암모늄 혼합용액을 약 70 내지 110℃에서 약 1 내지 18시간 동안 교반함으로써 이를 겔화시킨다.

이때, 상기 교반 시간이 길어질수록 최종 생성되는 알루미나의 입자 크기가 커지게 된다. 따라서 상기 교반시간을 조절하여 제조하고자 하는 알루미나 입자의 크기를 조절할 수 있다. 또한, 상기 교반 온도가 높아질수록 최종 생성되는 알루미나 입자 크기가 작아지게 된다. 따라서 상기 교반온도를 조절하여 제조하고자 하는 알루미나 입자의 크기를 조절할 수 있다.

또한, 상기 교반 시간 및 교반 온도를 다양하게 변화시킴으로써 다양한 입자 형태를 갖는 고순도 알루미나를 제조하는 것이 가능하다. 즉, 고순도 알루미나는 입자의 크기 및 형태에 따라 그 응용되는 분야가 매우 다양하므로 상기 교반 조건을 조절하여 수요자의 다양한 요구에 부응하는 고순도 알루미나를 제조하는 것이 가능하다.

도 1 및 2는 이와 같이 조건을 달리하여 제조된 알루미나의 표면 FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) 사진을 나타낸다 (각각 ×50,000배).

그 후, 이와 같이 제조된 겔을 이용하여 1차 소성과정을 수행한다.

한편, 상기 겔을 형성하고 상기 1차 소성과정을 수행하기 전에 상기 겔을 여과하는 과정을 거칠 수도 있다. 즉, 만약 생성된 겔에 많은 양의 물이 포함되어 있는 경우라면, 상기 겔을 여과지 등을 이용하여 걸러줌으로써 물의 양을 줄일 수 있다. 이와 같이 물의 양을 줄이는 이유는 전술한 바와 같이 고온의 전기로 반응에서 격렬한 반응이 일어나 반응물이 대부분 소실됨으로써 반응결과물이 거의 남지 않게 되는 문제를 방지하기 위함이다.

상기 1차 소성과정은 미리 약 300 내지 400℃, 예를 들어 350℃정도로 예열된 전기로에서 수행될 수 있다. 구체적으로 상기 겔을 도가니에 넣은 후, 상기 겔이 담긴 도가니를 상기 온도로 예열된 전기로에 갑자기 투입한 후 약 10분 내지 1시간 동안 겔을 소성시킴으로써 상기 1차 소성과정이 수행된다.

한편, 상기 1차 소성과정에서 상기 겔을 상기 예열된 전기로에 갑자기 투입하여 겔을 급격히 승온시키는 이유는 비정질의 알루미나 입자 (즉, 알루미나 전구체)를 생성시키기 위함이다. 즉, 상기 겔을 서서히 가열시키게 되면, 알루미나의 결정화가 이루어지게 되며, 원하는 비정질 입자 (즉, 알루미나 전구체)를 형성하기가 어렵기 때문이다.

상기 1차 소성과정의 소성온도 및 소성시간을 조절함으로써 다양한 입자 크기 및 형태를 갖는 고순도 알루미나를 제조하는 것이 가능하다.

상기 1차 소성온도가 높아질수록 제조되는 알루미나 입자의 크기가 커지게 되며, 도 1 및 2를 통하여 이를 확인할 수 있다.

한편, 상기 1차 소성단계 이후에 선택적으로 상기 알루미나 입자를 냉각시키는 과정을 수행할 수도 있다. 이와 같이 냉각시키는 과정을 선택적으로 수행함으로써 수요자의 다양한 요구에 부응하는 다양한 입자 크기 및 형태를 갖는 고순도 알루미나를 제조하는 것이 가능하다.

그 후, 상기 1차 소성을 거친 결과물을 더욱 높은 온도에서 강열하는 2차 소성과정을 수행한다.

상기 2차 소성은 원하는 알루미나 이외의 다른 성분을 모두 연소시켜 제거하기 위한 과정이다.

상기 2차 소성은 약 1,100 내지 1,300℃, 예를 들어 1250℃의 온도에서 30분 내지 6시간, 예를 들어 1시간 동안 이루어질 수 있다.

이하 실시 예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보지만, 하기 예에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.

실시 예 1

알루미늄 치환공정을 통하여 부산물로 제조된 폴리염화알루미늄용액 50㎖에 암모니아수 (NH₄OH) 12.2㎖를 첨가하여 pH가 약 9.5인 제1 용액을 제조하였다. 그 후, 상기 제1 용액에 질산암모늄 (NH₄NO₃) 100g과 물 50㎖를 포함한 용액 및 요소 (CO(NH₂)₂) 95g과 물 200㎖를 포함한 용액을 첨가하여 제2 용액을 제조하였다. 이와 같이 제조된 제2 용액을 약 80℃에서 약 7시간 동안 교반 (reflux)하여 겔을 형성한 후, 이를 여과지 (5C)로 걸러 물을 제거하였다. 그 후, 물이 제거된 겔을 도가니에 넣은 상태에서 400℃로 예열된 전기로에 넣어 30분간 1차 소성시켰다. 그 후, 전기로의 온도를 1,250℃까지 15℃/분의 속도로 승온시켜 1,250℃에서 1시간 동안 2차 소성시켰다.

실시 예 2 내지 14

상기 실시 예 1과 동일한 과정을 통하여 알루미나를 제조하였으며, 다만 상기 실시 예 1의 교반 온도 및 시간, 1차 소성 온도 및 시간과 2차 소성 온도 및 시간을 달리하여 알루미나를 제조하였다.

[X선 회절 분석 (XRD)]

상기 실시 예 1을 통하여 제조된 알루미나를 이용하여 X선 회절 분석을 수행하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다.

도 3을 참고하면, 본 발명에 따라 제조된 알루미나는 전형적인 고순도 알루미나의 X선 회절 분석 패턴을 나타냄을 확인할 수 있다.

[순도측정]

상기 실시 예 1 내지 14를 통하여 제조된 알루미나의 실험조건을 하기 표 1에 나타내었으며, 실시 예 1과 10을 통하여 제조된 알루미나에 포함된 알루미나 이외의 불순물의 농도를 ICP (Inductively Coupled Plasma) 장치를 이용하여 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

실시예	교반		1차 소성		2차 소성
	온도(℃)	시간(hr)	온도(℃)	시간(분)	온도(℃)	시간(hr)
1	80	7	380	30	1,250	1
2	110	1	360	30	1,250	1
3	110	1	370	30	1,250	1
4	110	1	380	30	1,250	1
5	80	4	360	30	1,250	1
6	80	4	370	30	1,250	1
7	80	4	380	30	1,250	1
8	110	4	360	30	1,250	1
9	110	4	370	30	1,250	1
10	110	4	380	30	1,250	1
11	80	1	400	30	1,250	1
12	80	7	360	30	1,250	1
13	80	7	370	30	1,250	1
14	120	4	360	60	1,250	1

실시 예	불순물 (ppm)
	Na	Si	Fe	Mg	Cu	Zn
1	N.D	N.D	1.5	N.D	0.1	0.2
10	N.D	N.D	1.3	N.D	0.1	N.D

(N.D: 미검출)

상기 표 1 및 표 2의 결과를 살펴보면, 본 발명의 제조방법에 따라 다양한 조건으로 제조된 알루미나가 매우 높은 순도를 가짐을 확인할 수 있다.

도 4의 좌측에는 실시 예 1 및 10을 통하여 제조된 고순도 알루미나의 표면 FE-SEM (×50,000배) 사진 (각각 B 및 A)이 나타나 있으며, 도 4의 우측에는 각각 99.8% 및 99.99%의 순도를 갖는 A사의 알루미나의 FE-SEM (×50,000배) 사진 (각각 C 및D)이 나타나 있다. 도 4의 좌측과 우측을 비교하면, 본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 알루미나의 입자가 훨씬 더 균일한 것을 확인할 수 있다.

즉, 도 4에 나타난 사진은 본 발명에 따른 제조방법을 통하여 다양한 수요자의 요구에 부응하도록 일정한 입자 크기 및 형태를 갖는 알루미나를 제조할 수 있음을 증명하는 결과인 것으로 해석된다.

Claims (11)

1. 폴리염화알루미늄에 암모니아수를 첨가하여 수산화알루미늄 용액을 생성시키는 단계;
   상기 수산화알루미늄 용액에 질산암모늄용액 및 요소용액을 첨가하여 혼합용액을 제공하는 단계, 여기서 상기 첨가되는 요소용액 내의 요소는 상기 수산화알루미늄에 포함된 알루미늄의 4 내지 5배의 몰비를 가지며, 상기 질산암모늄용액 내의 질산암모늄은 상기 수산화알루미늄의 6 내지 8배의 질량비를 가지며;
   상기 혼합용액을 교반하여 겔을 형성시키는 단계;
   상기 겔을 여과하여 물을 제거하는 단계;
   상기 겔을 300 내지 400℃로 예열된 전기로에 넣어 알루미나 입자를 생성시키는 1차 소성단계; 및
   상기 알루미나 입자를 포함하는 승온된 결과물을 더욱 높은 온도에서 강열하는 2차 소성단계;를 포함하는 고순도 알루미나의 제조방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 알루미나는 알파 알루미나인 고순도 알루미나의 제조방법.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 폴리염화알루미늄은 알루미늄 치환법을 통하여 생산되는 고순도 알루미나의 제조방법.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 암모니아수는 용액의 수소이온농도 (pH)가 9 내지 9.5가 되도록 첨가하는 고순도 알루미나의 제조방법.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 질산암모늄용액 및 요소용액은 상기 겔 형성에 필요한 최소한의 물을 포함하는 고순도 알루미나의 제조방법.
6. 삭제
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 겔을 형성시키는 단계는 70 내지 110℃의 온도에서 겔화가 이루어질 때까지 1 내지 18시간 동안 이루어지는 고순도 알루미나의 제조방법.
8. 삭제
9. 삭제
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 1차 소성단계 이후에 상기 알루미나 입자를 냉각시키는 단계를 더욱 포함하는 고순도 알루미나의 제조방법.
11. 청구항 1에 있어서,
    상기 2차 소성단계는 1,100 내지 1,300℃의 온도에서 30분 내지 6시간 동안 이루어지는 고순도 알루미나의 제조방법.
    

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