KR101701447B1 - 판상 자성 산화철의 제조방법 및 이에 의해 제조된 판상 자성 산화철 - Google Patents

판상 자성 산화철의 제조방법 및 이에 의해 제조된 판상 자성 산화철 Download PDF

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Abstract

본 발명은 판상 자성 산화철의 제조방법 및 이에 의해 제조된 판상 자성 산화철에 관한 것으로, 상기 판상 자성 산화철의 제조방법은 제2철염 및 알칼리 수용액을 혼합하여 판상 삼산화이철(Fe2O3) 전구체 용액을 제조하는 판상 삼산화이철(Fe2O3) 전구체 용액 제조단계; 상기 판상 삼산화이철(Fe2O3) 전구체 용액을 수열 반응시켜 판상 삼산화이철(Fe2O3)을 제조하는 판상 삼산화이철(Fe2O3) 제조단계; 및 상기 판상 삼산화이철(Fe2O3)을 환원 분위기에서 열처리하여 판상 사산화삼철(Fe3O4)로 변화시킴으로써, 판상 자성 산화철을 제조하는 판상 자성 산화철 제조단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 높은 보자력과 마이크론 크기의 자성을 가지는 판상 산화철을 간단하고 높은 안정성으로 제조할 수 있다.

Description

판상 자성 산화철의 제조방법 및 이에 의해 제조된 판상 자성 산화철{METHOD FOR PREPARING PLATE-SHAPED MAGNETIC IRON OXIDE AND PLATE-SHAPED MAGNETIC IRON OXIDE PREPARED BY THE SAME}
본 발명은 판상 자성 산화철의 제조방법 및 이에 의해 제조된 판상 자성 산화철에 관한 것으로, 보다 상세하게는 간단한 방법에 의하여 판상의 산화철을 제조하고, 그것의 환원을 통하여 판상 자성 산화철을 제조하는 방법 및 이에 의하여 제조된 판상 자성 산화철에 관한 것이다.
천연에 광범위하게 생산되는 적철광, 황철광 및 자철광 등의 산화철은, 각각 적색, 황색 및 흑색을 띄고 있으며, 기원전부터 착색제로서 사용되어 왔다. 이러한 산화철의 대부분은 합성품으로 제조되어, 선명한 색채, 우수한 내구성, 저가 및 낮은 독성의 고안정성 안료로서 많은 분야에 사용되고 있다. 예를 들어, 도료, 잉크, 고무, 플라스틱, 종이, 유리, 시멘트 등 많은 제품에 적용되고 있으며, 나아가 순도가 높은 것들은 인체에 무해하여 식품, 약품 및 화장품으로 사용되고 있다.
이러한 산화철 안료 중 사산화삼철(Fe3O4) 입자는 우수한 전기적, 자기적, 광학적 성질과 넓은 적용 범위로 인하여 주목 받고 있는 자성재료 중 하나로, 자성유체(ferrofluid)의 원료로 사용되고 있다.
자성유체는 미항공우주국에서 로켓연료를 자성유체화하여 무중력 상태에서도 연료탱크 속에 고정하기 위한 연구에서 개발되기 시작하였다. 그 후 높은 자속이 걸리는 부분의 자성유체를 주입시켜 밀봉(sealing) 작용을 하여, 우주복 등에 적용되었다. 현재에는 여러 가지 기계장치의 구동축이나 컴퓨터 하드드라이브 회전축의 윤활 및 밀봉, 자성잉크, 복사현상액, 자성도료 등의 기록재료, 발전기의 열교환기, 의료기, 스피커 등에 응용, 지폐의 종류와 진위 여부 판단, 마그네틱 유체씰(magnetic fluid seal) 등 다양한 분야에 사용되고 있다.
종래에는 사산화삼철(Fe3O4) 입자를 제조하기 위하여 졸-겔(Sol-Gel)법, 리버스 에멀전(Reverse emulsion)법, 수열합성법 등 다양한 방법이 사용되고 있으며, 나노크기의 구상 혹은 침상의 분말 혹은 졸의 제조에 적용되고 있다.
기존에 알려진 판상의 자성입자는 판상 알루미나 입자 표면에 나노 사산화삼철 입자를 코팅하는 방법으로 코어쉘 형태의 판상 자성복합입자를 제조하고, 자기장을 이용하여 자성복합 입자를 폴리머 내에서 배향하여 유무기 복합소재 제조공정에 적용한 연구 결과가 보고된 바 있다(비특허문헌 1). 알루미나 입자에 판상 산화철을 코팅하는 방식으로 제조된 판상 자성입자는 미립의 Fe3O4 입자가 코팅되어 있어서 포화자화 값이 작아 자기장 배향에 불리하다.
수열합성법을 이용하여 합성 초기에 판상 이삼산화철이 생성되고, 반응시간이 경과함에 따라 산화철의 용해-재결정화에 의하여 자성을 가지는 마이크론 크기의 사산화삼철의 다면체 입자가 제조된다는 연구 보고가 있다(비특허문헌 2).
사산화삼철 입자의 배향을 통해 복합체의 강도, 경도, 내마모성, 인성 등의 특성이 향상될 수 있어 이방성 입자의 제조와 자성 부여를 통한 자기장 배향에 관심이 증가되고 있다.
Randall M. et al, Composites Reinforced in Three Dimensions by Using Low Magnetic Fileds, Science, 335(12) 199-204(2012) Jie-feng Lu and Cho-Jen Tsai, Hydrothermal phase transformation of hematite to magnetite Nanoscale Research Letters 2014
따라서, 본 발명은 판상 산화철을 간단하면서도 안정적으로 제조할 수 있는 방법을 제공하고, 판상 산화철의 환원을 통하여 포화자화 값이 높은 우수한 특성을 가진 판상 자성 산화철을 제조하는 방법을 제공하는데 목적이 있다.
또한 본 발명의 다른 목적은 본 발명의 판상 자성 산화철의 제조방법에 의해 제조된 포화자화 값이 높은 판상 자성 산화철을 제공하는 것이다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 판상 자성 산화철의 제조방법은 제2철염 및 알칼리 수용액을 혼합하여 판상 삼산화이철(Fe2O3) 전구체 용액을 제조하는 판상 삼산화이철(Fe2O3) 전구체 용액 제조단계; 상기 판상 삼산화이철(Fe2O3) 전구체 용액을 수열 반응시켜 판상 삼산화이철(Fe2O3)을 제조하는 판상 삼산화이철(Fe2O3) 제조단계; 및 상기 판상 삼산화이철(Fe2O3)을 환원 분위기에서 열처리하여 판상 사산화삼철(Fe3O4)로 변화시킴으로써, 판상 자성 산화철을 제조하는 판상 자성 산화철 제조단계를 포함할 수 있다.
상기 제2철염은 염화제2철(FeCl3), 황산제2철(Fe2(SO4)3), 질산제2철(Fe(NO3)3) 중 적어도 하나일 수 있다.
상기 알칼리 수용액은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 포함하는 수용액일 수 있다.
상기 판상 삼산화이철(Fe2O3) 전구체 용액 제조단계에서, 상기 제2철염 100중량부에 대하여 상기 알칼리 수용액 150 내지 500중량부를 혼합하여 판상 삼산화이철(Fe2O3) 전구체 용액을 제조할 수 있다.
상기 판상 삼산화이철(Fe2O3) 전구체 용액 제조단계에서, 상기 제2철염 및 상기 알칼리 수용액을 혼합한 후 초음파 분산한 후에 15 내지 200분동안 숙성시킬 수 있다.
상기 판상 삼산화이철(Fe2O3) 제조단계에서, 상기 수열 반응은 150 내지 250℃ 온도에서 2 내지 24시간동안 수행될 수 있다.
상기 판상 삼산화이철(Fe2O3) 제조단계를 통하여 제조된 상기 판상 삼산화이철(Fe2O3)은 헤마타이트(hematite)(α-Fe2O3) 상을 포함할 수 있다.
본 발명의 방법은, 상기 판상 삼산화이철(Fe2O3) 제조단계를 통하여 제조된 상기 판상 삼산화이철(Fe2O3)을 여과, 세척 및 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 판상 자성 산화철 제조단계에서 상기 환원 분위기는 수소 가스, 수소 가스와 질소 가스의 혼합 가스 및 일산화탄소 가스 중 적어도 하나의 환원성 가스로 이루어진 분위기일 수 있다.
상기 판상 자성 산화철 제조단계에서 상기 열처리는 300 내지 900℃의 온도 하에서 수행될 수 있다.
상기 판상 자성 산화철 제조단계에서 상기 열처리는 5 내지 8시간동안 수행될 수 있다.
상기 판상 자성 산화철 제조단계를 통하여 제조된 판상 자성 산화철은, 사산화삼철(Fe3O4)로 이루어진 판상 구조이거나, 삼산화이철(Fe2O3)로 이루어진 코어 및 사산화삼철(Fe3O4)로 이루어진 쉘을 포함하는 코어-쉘 구조일 수 있다.
상기 코어-쉘 구조에서, 상기 사산화삼철(Fe3O4)로 이루어진 쉘의 두께는 10 내지 100nm일 수 있다.
상기 판상 삼산화이철(Fe2O3) 제조단계를 통하여 제조된 판상 삼산화이철(Fe2O3) 입자와 상기 판상 자성 산화철 제조단계를 통하여 제조된 판상 자성 산화철의 입자의 입경 변화율은 10% 미만일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 판상 자성 산화철은 상술한 방법에 의해 제조될 수 있다.
본 발명의 판상 자성 산화철은 보자력이 150 내지 260 Hci이고, 포화자화가 20 내지 95 emu/g일 수 있다.
본 발명에 의하면 판상 형태의 자성 산화철을 간단한 방법으로 제조할 수 있다.
또한, 환원 열처리의 조건을 최적으로 조절함으로써, 산화철 입자의 형태를 유지하면서 자성을 가지도록 안정적으로 상 변화시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 방법에 의하면 포화자화 값이 높은 우수한 특성을 가진 판상 자성 산화철을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 방법에 의하면, 환원처리 조건에 의하여 단일 결정상인 삼산화사철의 판상 자성 입자의 제조가 가능하고, 또는 삼산화이철의 코아, 및 삼산화이철 입자의 표면이 환원되어 형성된 삼산화사철의 자성 쉘을 가지는 복합 결정상의 자성 입자의 제조도 가능하다. 본 발명의 단일 결정상인 삼산화사철의 판상 자성 입자는 기존의 판상의 알루미나 코어- Fe3O4 쉘 복합 자성 입자에 비해 포화자화 값이 훨씬 크고, 직접 수열합성법으로 제조된 다면체 자성 입자보다는 폴리머, 액체 등의 매질에 대하여 입자 배향에 매우 유리한 소재이다.
또한, 본 발명에 의하여 제조된 판상 자성 산화철은 배향성 복합소재 필러로 적용이 가능하고, 이방성 입자는 복합소재 필러로 적용 시에 고 ?t량의 충진이 가능하여 복합체 물성을 극대화할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 판상 자성 산화철을 제조하는 방법을 순차적으로 나타낸 순서도이다.
도 2는 실시예 1의 중간에 제조된 판상 삼산화이철(Fe2O3)(a), 실시예 1에 의해 제조된 판상 자성 산화철(b), 실시예 2에 의해 제조된 판상 자성 산화철(c) 및 실시예 3에 의해 제조된 판상 자성 산화철(d)을 주사전사현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)으로 촬영한 이미지이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 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 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 본 발명의 판상 자성 산화철의 제조방법 및 이에 의해 제조된 판상 자성 산화철에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 판상 자성 산화철의 제조방법은 도 1을 참조하여 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 판상 자성 산화철의 제조방법은 판상 삼산화이철(Fe2O3) 전구체 용액 제조단계(S10), 판상 삼산화이철(Fe2O3) 제조단계(S20) 및 판상 자성 산화철 제조단계(S30)를 포함한다.
판상 삼산화이철(Fe2O3) 전구체 용액 제조단계(S10)는 제2철염 및 알칼리 수용액을 혼합하는 단계로, 판상 삼산화이철(Fe2O3)의 전구체가 포함된 용액을 제조하기 위한 공정이다.
상기 제2철염은 Fe3 + 이온을 함유하는 염(salt)의 형태이며 특별히 한정되지 아니하나, 바람직하게는 염화제2철(FeCl3), 황산제2철(Fe2(SO4)3) 또는 질산제2철(Fe(NO3)3)를 사용할 수 있으며, 더 바람직하게는 질산제2철(Fe(NO3)3)을 사용할 수 있다. 상기 제2철염은 단독으로 사용하거나 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 알칼리 수용액은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 포함하는 수용액일 수 있으며, 구체적으로 수산화칼륨, 수산화나트륨, 수산화칼슘 또는 수산화리튬 중 어느 하나를 단독 또는 2종 이상을 혼합하여 사용한다.
상기 알칼리 수용액은 본 발명에서 pH를 조정하며 상기 제2철염을 알칼리 중화시키는 역할을 할 수 있다.
판상 삼산화이철(Fe2O3) 전구체 용액의 pH는 11 이상, 바람직하게는 13 이상일 수 있다.
상기 판상 삼산화이철(Fe2O3) 전구체 용액 제조단계에서, 상기 제2철염 100중량부에 대하여 상기 알칼리 수용액 150 내지 500중량부를 혼합하여 판상 삼산화이철(Fe2O3) 전구체 용액을 제조할 수 있다. 상기 범위로 첨가되는 경우 pH를 11 이상으로 조절하면서 제2철염을 효과적으로 알칼리 중화시킬 수 있다.
상기 제2철염과 상기 알칼리 수용액을 회전속도 200rpm 이상에서 교반하거나 균질장치, 볼밀링, 스테틱 혼합기, 초음파 장비 등을 사용할 수 있으며, 본 발명에서 바람직하게 상기 제2철염 및 상기 알칼리 수용액을 혼합한 후 초음파 분산을 사용할 수 있다.
초음파 분산을 통하여 제2철염과 알칼리 수용액의 분산성을 극대화함으로써 판상 삼산화이철(Fe2O3) 전구체 용액의 제조를 용이하게 할 수 있다.
상기 초음파 처리는 50 내지 500W의 크기로 1분 내지 60분 동안 실시될 수 있으며, 50W 미만에서 초음파 처리하면 알칼리 수용액 상에 제2철염의 분산이 잘 이루어지지 않으며, 500W를 초과하면 과도한 열이 발생하며 비경제적인 문제가 있다. 마찬가지로, 초음파 분산 시간이 1분 미만이면 제2철염이 효과적으로 분산되기 어려우며, 60분을 초과하는 경우에는 열이 과도하게 발생하는 문제가 있다.
제2철염과 알칼리 수용액을 혼합하여 초음파 분산을 실시한 후, 15 내지 200분 동안 숙성(aging)(에이징)하여 안정적으로 판상 삼산화이철(Fe2O3) 전구체가 생성될 수 있도록 할 수 있다.
판상 삼산화이철(Fe2O3) 제조단계(S20)는 상기 판상 삼산화이철(Fe2O3) 전구체 용액 제조단계(S10)에서 제조된 판상 삼산화이철(Fe2O3) 전구체 용액을 수열 반응시키는 단계로, 판상 삼산화이철(Fe2O3)을 제조하기 위한 공정이다.
상기 판상 삼산화이철(Fe2O3) 제조단계(S20)에서 수열 반응은 오토클레이브 장치에서 이루어질 수 있다.
구체적으로, 상기 수열 반응은 150 내지 250℃ 온도에서 2 내지 24시간동안 수행하는 것이 바람직하다. 알칼리 농도가 커질수록 얻어지는 판상 삼산화이철(Fe2O3) 입자를 생성하는 반응 온도는 낮아지는 경향이 있어 온도의 조절이 필요하다.
수열 반응 온도가 150℃ 미만인 경우에는 판상 입자가 얻어지지 않을 수 있으며, 250℃를 초과하는 경우에는 판상 입자가 얻어지더라도 수열 처리 장치의 안정적인 운전과 경제적인 판상 삼산화이철(Fe2O3)의 제조를 위하여 250℃로 하는 것이 바람직하다.
상기 판상 삼산화이철(Fe2O3) 제조단계를 통하여 제조된 상기 판상 삼산화이철(Fe2O3)는 헤마타이트(hematite)(α-Fe2O3) 상을 포함할 수 있다.
상기 판상 삼산화이철(Fe2O3) 제조단계를 통하여 제조된 상기 판상 삼산화이철(Fe2O3)을 여과, 세척 및 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 판상 삼산화이철(Fe2O3) 제조단계를 통하여 제조된 판상 삼산화이철(Fe2O3)의 입경은 1 내지 100㎛일 수 있으며, 바람직하게는 5 내지 80㎛일 수 있다. 여기서, 입자의 입경에 관해서는 계측법에 의해 수치화하여 집단의 평균 크기를 표현하는 방법이 있지만, 범용적으로 사용되는 것으로 분포의 최대값을 나타내는 모드 직경, 적분 분포 곡선의 중앙값에 상당하는 메디안 직경, 각종 평균 직경(수평균, 길이 평균, 면적 평균, 질량 평균, 체적 평균 등)등이 있고 본 발명에 있어서는 특별히 언급하지 않는 한 평균 입경이란 체적평균이고, D50(분포율이 50% 되는 지점의 입경)을 측정한 것을 의미하다.
또한, 판상 삼산화이철(Fe2O3)의 종횡비는 20 이상일 수 있으며, 바람직하게는 25 이상일 수 있다.
판상 자성 산화철 제조단계(S30)는 상기 판상 삼산화이철(Fe2O3) 제조단계(S20)에서 제조된 판상 삼산화이철(Fe2O3)을 환원 분위기에서 열처리하는 단계로, 판상 자성 산화철을 제조하기 위한 공정이다.
상기 판상 자성 산화철 제조단계는 환원이 열처리와 동시에 일어날 수 있도록 함으로써, 효과적으로 판상 자성 산화철을 제조할 수 있다.
상기 판상 자성 산화철 제조단계에서 상기 환원 분위기는 수소 가스, 수소와 질소의 혼합 가스 및 일산화탄소 가스 중 적어도 하나의 환원 가스로 이루어진 분위기에서 이루어질 수 있다.
바람직하게는 질소 가스와 수소 가스를 동시에 흘려 보내주어 이루어질 수 있도록 할 수 있으며, 상기 질소 가스 및 상기 수소 가스가 80:20 내지 98:2의 비율로 혼합될 수 있다.
상기 열처리는 300 내지 900℃의 온도 하에서 수행될 수 있다.
또한, 상기 열처리는 5 내지 8시간동안 수행될 수 있으며, 열처리 시간이 5시간 미만이거나 8시간을 초과하면 판상 삼산화이철(Fe2O3)이 판상 자성 산화철로 상변화가 이루어지지 않는 문제가 있다.
상기 판상 자성 산화철 제조단계를 통하여 판상 삼산화이철(Fe2O3)은 사산화삼철(Fe3O4)로 상이 변화하여 자성을 띄는 판상 산화철이 된다.
구체적으로, 상기 판상 자성 산화철은 사산화삼철(Fe3O4)로 이루어진 판상 구조이거나, 삼산화이철(Fe2O3)로 이루어진 코어 및 사산화삼철(Fe3O4)로 이루어진 쉘을 포함하는 코어-쉘 구조일 수 있다. 상기 판상 자성 산화철의 형태는 환원 열처리 조건에 따라 제어할 수 있다.
상기 판상 자성 산화철이 사산화삼철(Fe3O4)로 이루어진 판상 구조인 경우에는 판상 삼산화이철(Fe2O3)이 대부분 상 변화되어 입자 전체가 사산화삼철(Fe3O4)로 이루어진 형태이다.
또한, 상기 판상 자성 산화철이 코어-쉘 구조인 경우에는 판상 삼산화이철(Fe2O3)의 외부 표면에 상변화가 일어나 삼산화이철(Fe2O3)로 이루어진 코어 및 사산화삼철(Fe3O4)로 이루어진 쉘로 이루어진 형태이다. 상기 코어-쉘 구조에서, 상기 사산화삼철(Fe3O4)로 이루어진 쉘의 두께는 10 내지 100nm일 수 있다.
상기 판상 자성 산화철 제조단계에서 판상 삼산화이철(Fe2O3)을 환원 열처리하여 판상 자성 산화철로 변하도록 하면서, 크기 또는 형상의 변화가 거의 없어 판상 삼산화이철(Fe2O3)의 크기 및 형상을 그대로 유지할 수 있다.
구체적으로 상기 판상 삼산화이철(Fe2O3) 제조단계를 통하여 제조된 판상 삼산화이철(Fe2O3) 입자와 상기 판상 자성 산화철 제조단계를 통하여 제조된 판상 자성 산화철의 입자의 입경 변화율은 10% 미만일 수 있으며, 바람직하게는 8% 미만일 수 있으며, 더 바람직하게는 5% 미만일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 판상 자성 산화철은 상술한 방법에 의해 제조될 수 있다.
상기 판상 자성 산화철은 우수한 자성 특성을 가져, 보자력이 작고 포화자화가 크게 측정된다.
본 발명의 일 실시예에서, 본 발명의 판상 자성 산화철은 보자력이 150 내지 250 Hci이고, 포화자화가 20 내지 90 emu/g일 수 있다.
이하는 본 발명의 판상 자성 산화철의 제조방법 및 이에 의해 제조된 판상 자성 산화철의 우수성을 입증하기 위하여 실시한 실험 결과이다.
실시예 1
질산제2철(Fe(NO3)3 · 9H2O) 41.2g과 물 136.7g의 혼합, 교반한다. 다음으로 수산화나트륨(NaOH) 149.9g, 물 349.7g 혼합용액을 200rpm에서 교반하면서 분당 10㎖씩 질산제2철 혼합용액에 균일하게 투입하여 판상 삼산화이철(Fe2O3) 전구체 용액을 제조하고, 분산성을 높이기 위해 10분간 초음파, 1시간의 숙성(에이징) 시간을 진행하였다. 그런 다음, 상기 판상 삼산화이철(Fe2O3) 전구체 용액을 수열 반응기에 넣고, 180℃에서 12시간동안 열처리하였다. 수열반응 후 증류수로 세척하고, 100℃ 오븐에서 6시간 이상 건조하여 판상 삼산화이철(Fe2O3)을 제조하였다.
제조된 판상 삼산화이철(Fe2O3) 입자를 도가니에 10~12g을 넣은 후 승온 속도 분당 10℃로 600℃까지 올리고, 600℃에서 5시간동안 열처리 하였다. 이때 환원분위기는 N2 가스와 H2 가스의 비율이 95 : 5인 혼합가스를 50㎖/min의 속도로 흘려주어 환원과 열처리를 동시에 진행하여 판상 자성 산화철을 제조하였다.
실시예 2
실시예 1과 동일한 방법으로 판상 삼산화이철(Fe2O3)을 제조하였다.
제조된 판상 삼산화이철(Fe2O3) 입자를 도가니에 10~12g을 넣은 후 승온 속도 분당 10℃로 600℃까지 올리고, 600℃에서 6시간동안 열처리 하였다. 이때 환원분위기는 N2 가스와 H2 가스의 비율이 95 : 5인 혼합가스를 50㎖/min의 속도로 흘려주어 환원과 열처리를 동시에 진행하여 판상 자성 산화철을 제조하였다.
실시예 3
실시예 1과 동일한 방법으로 판상 삼산화이철(Fe2O3)을 제조하였다.
제조된 판상 삼산화이철(Fe2O3) 입자를 도가니에 10~12g을 넣은 후 승온 속도 분당 10℃로 600℃까지 올리고, 600℃에서 8시간동안 열처리 하였다. 이때 환원분위기는 N2 가스와 H2 가스의 비율이 95 : 5인 혼합가스를 50㎖/min의 속도로 흘려주어 환원과 열처리를 동시에 진행하여 판상 자성 산화철을 제조하였다.
비교예 1
실시예 1과 동일한 방법으로 판상 삼산화이철(Fe2O3)을 제조하였다.
제조된 판상 삼산화이철(Fe2O3) 입자를 도가니에 10~12g을 넣은 후 승온 속도 분당 10℃로 600℃까지 올리고, 900℃에서 2 시간동안 열처리 하였다. 이때 환원분위기는 N2 가스와 H2 가스의 비율이 95 : 5인 혼합가스를 50㎖/min의 속도로 흘려주어 열처리를 진행하여 입자를 얻었다.
실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 의해 제조된 입자에 대하여 XRD를 측정하여 데이터를 관찰한 결과, 각 입자에 포함된 성분을 하기 표 1에 기재하였다.
성분
실시예 1 α-Fe2O3, Fe3O4
2 α-Fe2O3, Fe3O4
3 Fe3O4
비교예 1 α-Fe2O3
상기 표 1에서, 실시예 1 및 2는 α-Fe2O3와 Fe3O4의 상이 함께 존재하며, 실시예 3은 Fe3O4 상이 존재하여, 자성을 띄는 산화철로 변화된 것을 확인할 수 있다. 이에 반해, 비교예 1의 경우 α-Fe2O3상이 존재하여 환원이 이루어지지 않음을 알 수 있다.
이를 통하여, 판상 삼산화이철(Fe2O3) 입자를 환원시킴에 있어서 열처리 시간이 주요한 요소임을 확인하였다.
도 2는 실시예 1에서 중간에 제조된 판상 삼산화이철(Fe2O3)(환원 열처리전)(a)과 실시예 1 내지 3에 의해 각각 제조된 판상 자성 산화철(환원 열처리 후)((b), (c), (d))의 SEM 이미지를 도시하였다.
또한, 실시예 3에서 중간에 제조된 판상 삼산화이철(Fe2O3)(환원 열처리 전)과 실시예 3에 의해 제조된 판상 자성 산화철(환원 열처리 후)의 입경 크기를 측정하여 하기 표 2에 기재하였다.
판상 삼산화이철(Fe2O3) 판상 자성 산화철
입자크기(㎛) 7.05 6.82
도 2 및 표 2를 참조하면, 판상 자성 산화철은 환원 열처리 전인 판상 삼산화이철(Fe2O3) 입자와 비교하여 형상이나 크기에 거의 변화가 없음을 확인할 수 있다. 이를 통하여 본 발명에 의하면, 환원 열처리의 조건을 최적으로 조절함으로써, 산화철 입자의 형태를 유지하면서 자성을 가지도록 상 변화시킬 수 있음을 알 수 있다.
실시예 1 내지 3에 의해 제조된 판상 자성 산화철의 자성을 확인하기 위하여 VSM 장비를 이용하여 보자력과 포화자화를 측정하여 하기 표 3에 기재하였다.
포화자화(Ms, positive) (emu/g) 보자력(Hci) (G)
실시예 1 21.76 250.52
실시예 2 84.92 176.87
실시예 3 92.16 156.57
상기 표 3을 참조하면, 실시예 1 내지 3에 의해 제조된 판상 자성 산화철은 포화자화 값이 높게 측정되어 자성을 띄는 판상 산화철이 효과적으로 제조되었음을 확인할 수 있고, 특히 삼산화이철(Fe2O3)이 포함되지 않고 모두 사산화삼철(Fe3O4) 상으로 변한 실시예 3이 포화자화 값이 가장 높았다.
본 발명의 권리범위는 상술한 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 가지는 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

Claims (16)

  1. 제2철염 및 알칼리 수용액을 혼합하여 판상 삼산화이철(Fe2O3) 전구체 용액을 제조하는 판상 삼산화이철(Fe2O3) 전구체 용액 제조단계;
    상기 판상 삼산화이철(Fe2O3) 전구체 용액을 수열 반응시켜 판상 삼산화이철(Fe2O3)을 제조하는 판상 삼산화이철(Fe2O3) 제조단계; 및
    상기 판상 삼산화이철(Fe2O3)을 환원 분위기에서 열처리하여 판상 사산화삼철(Fe3O4)로 변화시킴으로써, 판상 자성 산화철을 제조하는 판상 자성 산화철 제조단계를 포함하고,
    상기 판상 삼산화이철(Fe2O3) 제조단계를 통하여 제조된 판상 삼산화이철(Fe2O3) 입자와 상기 판상 자성 산화철 제조단계를 통하여 제조된 판상 자성 산화철의 입자의 입경 변화율은 10% 미만인 판상 자성 산화철의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2철염은 염화제2철(FeCl3), 황산제2철(Fe2(SO4)3) 및 질산제2철(Fe(NO3)3) 중 적어도 하나인 판상 자성 산화철의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 알칼리 수용액은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 포함하는 수용액인 판상 자성 산화철의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 판상 삼산화이철(Fe2O3) 전구체 용액 제조단계에서, 상기 제2철염 100중량부에 대하여 상기 알칼리 수용액 150 내지 500중량부를 혼합하여 판상 삼산화이철(Fe2O3) 전구체 용액을 제조하는 판상 자성 산화철의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 판상 삼산화이철(Fe2O3) 전구체 용액 제조단계에서, 상기 제2철염 및 상기 알칼리 수용액을 혼합한 후 초음파 분산한 후에 15 내지 200분동안 숙성시키는 것을 포함하는 판상 자성 산화철의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 판상 삼산화이철(Fe2O3) 제조단계에서, 상기 수열 반응은 150 내지 250℃ 온도에서 2 내지 24시간동안 수행되는 것인 판상 자성 산화철의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 판상 삼산화이철(Fe2O3) 제조단계를 통하여 제조된 상기 판상 삼산화이철(Fe2O3)은 헤마타이트(hematite)(α-Fe2O3) 상을 포함하는 판상 자성 산화철의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 판상 삼산화이철(Fe2O3) 제조단계를 통하여 제조된 상기 판상 삼산화이철(Fe2O3)을 여과, 세척 및 건조하는 단계를 더 포함하는 판상 자성 산화철의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 판상 자성 산화철 제조단계에서 상기 환원 분위기는 수소 가스, 수소가스와 질소가스의 혼합가스 및 일산화탄소가스 중 적어도 하나의 환원성 가스로 이루어진 분위기인 판상 자성 산화철의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 판상 자성 산화철 제조단계에서 상기 열처리는 300 내지 900℃의 온도 하에서 수행되는 것인 판상 자성 산화철의 제조방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 판상 자성 산화철 제조단계에서 상기 열처리는 5 내지 8시간동안 수행되는 판상 자성 산화철의 제조방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 판상 자성 산화철 제조단계를 통하여 제조된 판상 자성 산화철은,
    사산화삼철(Fe3O4)로 이루어진 판상 구조이거나, 삼산화이철(Fe2O3)로 이루어진 코어 및 사산화삼철(Fe3O4)로 이루어진 쉘을 포함하는 코어-쉘 구조인 판상 자성 산화철의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 코어-쉘 구조에서, 상기 사산화삼철(Fe3O4)로 이루어진 쉘의 두께는 10 내지 100nm인 판상 자성 산화철의 제조방법.
  14. 삭제
  15. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조되고, 보자력이 150 내지 260 Hci이고, 포화자화가 20 내지 95 emu/g인 판상 자성 산화철.

  16. 삭제
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