KR101979199B1 - 습식 결정성장법을 이용한 봉상의 티탄산칼륨의 제조장치 및 그 제조방법 - Google Patents

습식 결정성장법을 이용한 봉상의 티탄산칼륨의 제조장치 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

적은 비용으로 하소 초기조건까지 빠르게 승온하고, 마이크로파 발열체의 발열특성을 최적화하는 습식 결정성장법을 이용한 봉상의 티탄산칼륨의 제조장치 및 제조방법을 제시한다. 그 장치 및 방법은 케이스의 내부에 부착되며 단열을 위한 내열보드와, 내열보드의 안쪽에 위치하고, 내열보드로부터 일정한 간격을 두는 예열공간을 제공하며, 마이크로파에 의해 발열되는 몰리브덴계 발열체 및 케이스와 내열보드의 일부를 관통하여 화염통로를 통하여 예열공간을 데우는 버너를 포함하고, 800~1,100℃의 온도구간에서는 몰리브덴계 발열체로 하소한다.

Description

습식 결정성장법을 이용한 봉상의 티탄산칼륨의 제조장치 및 그 제조방법{Aparatus of manufacturing rod-type potassium titanate using wet growth crystallization and method of manufacturing the titanate}
본 발명은 티탄산칼륨의 제조장치 및 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 습식 결정성장법을 이용하여 봉상의 티탄산칼륨을 제조하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
티탄산칼륨은 자동차, 철도차량, 항공기 및 산업 기계류 등의 제동 장치를 구성하는 브레이크 라이닝, 디스크 패드, 클러치 페이딩 등의 마찰재로서 유용한 재료이다. 섬유 형상의 티탄산칼륨이 실용화되어 넓게 보급되어 있으나, 섬유 형태는 유동성이 나쁘고, 취급하기 어려우며, 분진이 발생하는 등 작업상의 문제도 있다. 종래의 티탄산칼륨 섬유는 평균 섬유지름이 0.1~0.5㎛, 평균 섬유길이가 10~20㎛의 것이 많아, 세계보건기구(WHO)에서 제시하고 있는 흡입성 섬유의 범주에 해당하고 있다. 상기 흡입성 섬유는 평균 섬유지름이 3㎛이하, 평균 섬유길이가 5㎛이상 및 어스펙트비가 3이상의 섬유형 화합물이다. 이러한 흡입성 섬유는 암을 유발하는 발암물질로 추정되고 있다. 이에 따라, 봉상의 티탄산칼륨의 필요한 실정이다.
한편, 티탄산칼륨을 습식법이나 건식법으로 제조한다. 건식법은 일반적으로 티타늄 화합물과 알칼리 금속화합물을 혼합한 혼합물을 열처리하여 얻는다. 그런데, 건식법은 열처리에 의해 알칼리 금속화합물이 휘발하여 손실되는 등으로 단상의 티탄산칼륨을 얻기가 어렵다. 또한 건식법은 티탄산칼륨의 용도나 안전성 관점에서 형상의 제어가 용이하지 않다. 이에 따라, 봉상의 티탄산칼륨은 습식법으로 제조하는 것이 바람직하다. 일본등록특허 제5222853호는 공정조건을 달리하면서 티탄산칼륨을 제조하는 방법을 제시하고 있다. 상기 특허에 의하면, 소성온도, 승온속도 및 냉각속도 등의 공정조건에 따라 티탄산칼륨의 형상이 달라진다고 하고 있다.
봉상의 티탄산칼륨을 제조하기 위해서는 약 800℃~1,300℃의 하소조건이 있어야 하며, 특히 약 800℃~1,100℃에서는 약 50℃/분의 승온속도를 요구하고 있다. 종래의 전기저항 방식의 발열체는 승온속도가 약 20℃/분이므로, 티산탄칼륨을 제조하는 데에는 적합하지 않다. 이를 해결하기 위하여, 국내등록특허 제10-1058376호는 상기 승온속도를 만족하는 마이크로파 가열방식을 제시하고 있다. 그런데, 종래의 방식은 하소의 하한온도인 약 800℃까지 승온하기 위하여 많은 시간 및 비용이 소요되며, 탄화규소 발열체의 발열특성이 불안정하여 상기 공정조건을 정밀하게 제어하기 어렵다. 이와 같은 이유로, 종래의 티탄산칼륨을 제조하는 방법은 경제적인 부담 및 불량률이 크다는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 적은 비용으로 하소 초기조건까지 빠르게 승온하고, 마이크로파 발열체의 발열특성을 최적화하는 습식 결정성장법을 이용한 봉상의 티탄산칼륨의 제조장치 및 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 과제를 해결하기 위한 습식 결정성장법을 이용한 봉상의 티탄산칼륨의 제조장치는 케이스와, 상기 케이스의 내부에 부착되며 단열을 위한 내열보드와, 상기 내열보드의 안쪽에 위치하고, 상기 내열보드로부터 일정한 간격을 두는 예열공간을 제공하며, 마이크로파에 의해 발열되는 몰리브덴계 발열체 및 상기 케이스 및 상기 내열보드의 일부를 관통하여, 화염통로를 통하여 상기 예열공간을 데우는 버너를 포함한다.
본 발명의 장치에 있어서, 상기 몰리브덴계 발열체는 상기 내열보드의 외측에 부착된 마이크로 발진기, 상기 내열보드를 관통하는 마이크로파 통로 및 상기 마이크로파 통로와 연결되고 상기 내열보드 내측에 위치하는 도파관에 의해 발열된다.
본 발명의 바람직한 장치에 있어서, 상기 몰리브덴계 발열체는 몰리브덴계 화합물을 기반으로 하는 몰리브덴계 유전체를 포함할 수 있다. 상기 몰리브덴계 유전체는 몰리브덴실리사이드(Molybdenum Silicide) 또는 몰리브덴설파이드(Molybdenum Sulfide) 또는 그들의 혼합물일 수 있다. 상기 몰리브덴계 유전체는 알루미늄(Al), 지르코늄(Zr), 구리(Cu), 타이타늄(Ti), 철(Fe), 니켈(Ni) 및 이트륨(Y) 중에 선택된 어느 물질의 산화물 또는 상기 산화물의 화합물 또는 상기 산화물을 기반으로 한 산화염물이 혼합될 수 있다.
본 발명의 장치에 있어서, 상기 몰리브덴계 발열체는 탄화규소 및 탄화규소 화합물 중의 어느 하나로 이루어진 모재에 혼합된 하이브리드 발열체일 수 있다. 상기 하이브리드 발열체는 상기 모재의 관통홀 및 패턴에 몰리브덴계 유전체를 물리적으로 삽입하거나, 몰리브덴계 유전체 분말을 상기 모재에 코팅된 발열체일 수 있다.
본 발명의 다른 과제를 해결하기 위한 습식 결정성장법을 이용한 봉상의 티탄산칼륨의 제조방법은 먼저, 탄산칼륨을 준비한다. 그후, 티타늄 소스인 이산화티타늄 및 탄산칼륨을 2:1~4:1 몰비로 혼합한다. 전체 중량 20~30중량%의 물을 사용하여 상기 이산화티타늄 및 탄산칼륨을 혼합하여 구모양의 과립을 만들어 건조한다. 상기 혼합된 분말을 버너에 의해 800℃까지 승온하고, 몰리브덴계 발열체로 800~1,100℃, 0.2~2시간 가열하여 하소하여 봉상의 티탄산칼륨 입자를 형성한다. 상기 봉상 티탄산칼륨 입자를 세척한 후 건조한다.
본 발명의 방법에 있어서, 상기 하소하는 조건은 1,000℃ 이하에서 1~2시간 가열하거나, 또는 800~1,000℃, 1시간 이내로 1차 하소하고 1,000~1,100℃ 조건에서 0.5~1시간으로 2차 하소하거나, 또는 800~850℃, 0.5~1시간의 조건으로 하소한 것을 건조 후 분쇄하고 분쇄된 파우더를 1,000~1,100℃으로 0.5~1시간 동안 가열하는 것일 수 있다.
본 발명의 습식 결정성장법을 이용한 봉상의 티탄산칼륨의 제조장치 및 그 제조방법에 의하면, 버너 및 몰리브덴계 발열체를 적용함으로써, 적은 비용으로 하소 하한온도까지 빠르게 승온하고, 제조과정에서 마이크로파 발열체의 발열특성을 최적화할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 습식 결정성장법을 이용한 봉상의 티탄산칼륨의 제조장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 의한 습식 결정성장법을 이용한 봉상의 티탄산칼륨의 제조장치에 적용되는 몰리브덴계 발열체의 시간에 따른 발열특성을 탄화규소 및 몰리브덴실리사이드와 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명에 의한 습식 결정성장법을 이용한 봉상의 티탄산칼륨의 제조장치에 적용되는 몰리브덴계 하이브리드 발열체의 시간에 따른 발열특성을 개략적으로 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명에 의한 습식 결정성장법을 이용한 봉상의 티탄산칼륨의 제조장치를 이용하여 봉상의 티탄산칼륨을 제조하는 과정을 개념적으로 나타내는 공정흐름도이다.
도 5는 본 발명에 의해 제조된 6 티탄산칼륨의 사진이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 한편, 상부, 하부, 정면 등과 같이 위치를 지적하는 용어들은 도면에 나타낸 것과 관련될 뿐이다. 실제로, 제조장치는 임의의 선택적인 방향으로 사용될 수 있으며, 실제 사용할 때 공간적인 방향은 제조장치의 방향 및 회전에 따라 변한다.
본 발명의 실시예는 버너 및 몰리브덴계 발열체를 적용함으로써, 적은 비용으로 하소 하한온도까지 빠르게 승온하고, 제조과정에서 마이크로파 발열체의 발열특성을 최적화하는 티탄산칼륨의 제조장치를 제시한다. 이를 위해, 버너 및 몰리브덴계 발열체를 포함하는 봉상의 티탄산칼륨의 제조장치의 구조를 상세하게 알아보고, 상기 장치를 이용하여 봉상의 티탄산칼륨을 제조하는 방법을 구체적으로 설명하기로 한다. 마이크로파 발열체를 이용한 가열장치는 가격이 저렴하고, 공정이 간단하며, 온도제어가 간편하고, 가열온도가 낮으며, 생산주기가 짧고, 적절한 규모로 생산하는 데 적합하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 습식 결정성장법을 이용한 봉상의 티탄산칼륨의 제조장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1에 의하면, 본 발명의 제조장치는 몰리브덴계 발열체(30, 32) 및 버너(70)를 포함하여 이루어진다. 몰리브덴계 발열체(30, 32)는 마이크로파에 의해 열이 발생되어 피가열체(60)를 가열한다. 몰리브덴계 발열체의 하나의 예는 도 2의 발열체(30)이고, 다른 예는 도 3의 하이브리드 발열체(32)일 수 있다. 경우에 따라, 몰리브덴계 발열체(30, 32)의 내면에는 발열 코팅막이 도포될 수 있다. 상기 발열 코팅막은 예를 들어, 세라믹 합성물 50~74중량%에 알루미나계 무기접착제 25~45중량%를 넣고 물 1~5중량%를 혼합한 후 점도가 약 2000cps가 될 때까지 교반하여 세라믹 코팅액을 조성한다. 이후, 상기 세라믹 코팅액을 몰리브덴계 발열체(30, 32)의 내벽에 두께가 대략 1~3㎜가 되도록 도포한 후 상온에서 건조시켜 발열 코팅막을 형성할 수 있다.
본 발명의 제조장치는 박스 형상이며 바람직하게는 금속으로 이루어진 케이스(10)를 구비하고, 케이스(10) 내부에는 단열을 위한 내열보드(20)를 배치한다. 상기 발열 코팅막이 형성된 발열체(30, 32)는 내열보드(20)의 좌우 측면으로부터의 일정한 간격이 되도록 이격되어 배치된다. 내열보드(20)의 좌우측면에는, 도시된 바와 같이, 대략 수백MHz~수십GHz의 마이크로파를 발생시킬 수 있는 마이크로파 발진기(40)가 장착된다. 발열체(30, 32)를 마이크로파 발진기(40)가 설치되어 있는 내열보드(20)의 좌우측면으로부터 이격시키는 이유는, 몰리브덴계 발열체(30, 32)가 마이크로파 발진기(40)에 과도하게 근접하면 마이크로파의 반사로 인한 동작 장애가 발생할 수 있기 때문이다. 몰리브덴계 발열체(30, 32)는 발열체 지지대(34)에 의해 내열보드(20)에 고정된다.
한편, 내열보드(20)의 외측 측면에는 마이크로파 발진기(40)로부터 방사되는 마이크로파가 방해받지 않고 직접 내열보드(20)를 통과하여 몰리브덴계 발열체(30, 32)에 닿을 수 있도록 바람직하게는 마이크로파 통로(42)를 형성한다. 마이크로파 통로(42)는 도파관(50)과 연결되는 것이 바람직하다. 그리고 몰리브덴계 발열체(30, 32)의 내부 중앙에는 내부 온도를 최대 2000℃까지 측정할 수 있도록 온도센서를 장착함이 바람직하다.
내열보드(20) 및 케이스(10)의 일부, 바람직하게는 본 발명의 제조장치의 하부에는 내열보드(20) 및 발열체(30, 32) 사이의 예열공간(a)을 데우는 버너(70)가 설치된다. 버너(70)의 화염은 화염통로(71)를 통하여 방출되어 예열공간(a)의 온도를 높인다. 버너(70)는 화염 형상의 열에너지를 예열공간(a)의 내부로 방출한다. 버너(70)는 청정연료인 프로판 가스, 브라운 가스의 혼합물 등을 열원으로 사용할 수 있다. 버너(70)에서의 연소를 위한 공기를 공급하기 위한 공기 공급기(air blower, 도시되지 않음)가 버너(70) 자체 또는 버너(70) 근처에 설치된다. 도면에서는, 버너(70)가 직접 예열공간(a)을 가열하는 직접 가열방식을 제시하였으나, 본 발명의 범주 내에서 예열공간(a)을 간접적으로 가열하는 간접 가열방식도 적용할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 따른 제조장치는 상기한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형하여 실시할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 몰리브덴계 발열체(30, 32)는 상기한 가열로 이외에 소성로, 대형 난방장치, 가스처리장치 등의 가열을 목적으로 하는 다양한 장치에 적용 가능하다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 습식 결정성장법을 이용한 봉상의 티탄산칼륨의 제조장치에 적용되는 몰리브덴계 발열체의 시간에 따른 발열특성을 탄화규소 및 몰리브덴 발열체와 비교하여 나타낸 그래프이다. 도면에서 A는 탄화규소의 발열특성, B는 상온에서의 손실 탄젠트값이 마이크로파 흡수범위 보다 낮은 어떤 유전 물질의 발열특성, C는 본 발명의 몰리브덴계 복합유전체의 발열특성 및 D는 가열로의 온도분포이다.
도 2에 의하면, 탄화규소는 약 700℃가 지나면 마이크로파의 흡수율이 떨어지면서 승온속도가 줄어들기 시작한다(A 참조). 이는 전술한 바와 같이 탄화규소의 손실 탄젠트값이 온도 증가에 따라 증가하면서 마이크로파 흡수범위를 벗어나기 때문이다. 한편 상온에서의 손실 탄젠트값이 마이크로파 흡수 범위 보다 낮은 어떤 유전 물질은 상한온도(T2), 약 1,100~1,200℃에서 비로소 손실 탄젠트값이 마이크로파의 흡수 범위 안에 위치하여 발열을 시작한다(B 참조). A곡선과 B곡선 사이의 차이로 인한 두 물질의 발열온도 상의 불연속성으로 인해, 두 물질을 동시에 적용하는 고온 영역까지의 고속 승온은 이론적으로 불가능하다.
몰리브덴계 발열체(30)의 경우, 마이크로파에 의한 발열(microwave heating or dielectric heating) 특성을 변화시킨다. 마이크로파에 의한 발열은 물질의 유전적(dielectric) 특성과 관련이 있는데, 이 발열특성은 유전 손실탄젠트(dielectric loss tangent, tan δ)값이 특정한 범위 내에 있는 유전체에서 발견된다. 이 범위보다 높은 손실 탄젠트값을 갖는 물질은 마이크로파를 반사하고, 이 보다 낮은 손실 탄젠트값을 갖는 물질은 이를 투과한다. 손실 탄젠트는 온도 의존적인 함수로 일반적으로 유전체의 온도에 비례한다. 따라서 유전체의 손실 탄젠트값을 인위적으로 조절한다면, 온도구간에 따라 마이크로파에 의해 순차적으로 급속 발열을 일으키는 발열체로서 적용이 가능하다. 본 발명의 몰리브덴 발열체(30)는 상기 발열특성을 근거로 한다.
본 발명의 몰리브덴계 발열체(30)는 몰리브덴계 화합물을 기반으로 하는 몰리브덴계 유전체이다. 구체적으로, 몰리브덴계 유전체는 몰리브덴실리사이드(Molybdenum Silicide) 또는 몰리브덴설파이드(Molybdenum Sulfide) 또는 그들의 혼합물에 다른 유전체가 복합된 복합유전체 중에서 선택된 어느 하나의 물질이다. 상기 다른 유전체는 알루미늄(Al), 지르코늄(Zr), 구리(Cu), 타이타늄(Ti), 철(Fe), 니켈(Ni) 및 이트륨(Y) 중에 선택된 어느 물질의 산화물 또는 상기 산화물의 화합물 또는 상기 산화물을 기반으로 한 산화염물일 수 있다.
그런데, 본 발명의 실시예에 의한, 몰리브덴계 발열체(30)는 몰리브덴실리사이드 또는 몰리브덴설파이드가 혼합됨으로써, 기존 유전 물질의 발열 온도 하강 효과를 얻을 수 있다(C 참조). 이렇게 되면, 도시된 바와 같이, 대략 하한온도(T1), 약 800℃ 부근에서 마이크로파 흡수 및 발열효과가 떨어지기 시작한 탄화규소를 대신하여 몰리브덴계 발열체(30)가 고온 영역까지의 발열을 유도하는 발열체로서 역할을 할 수 있게 되며, 물질의 배합을 통해 A와 C 두 물질의 온도 상의 연속성을 조절한다면, 몰리브덴계 발열체(30)의 고속 승온이 가능하다(D 참조).
티탄산칼륨을 하소할 때 시간-온도의 영역에서는 하한온도(T1) 및 상한온도(T2)에서 진행된다. 하한온도(T1)은 대략 800℃ 정도이고, 상한온도(T2)는 1,100℃ 정도라고 볼 수 있다. 먼저, 하한온도(T1)까지는 버너(70)로 구현한다. 구체적으로, 하한온도(T1)에 다다르는 시간(t1)까지 종래의 탄화규소 발열체 대신에 버너(70)로 예열공간(a)을 가열한다. 몰리브덴계 발열체(30)의 온도 증가는 버너(70)에 의한 복사열로 인하여 하한온도(T1)까지 서서히 진행되다가, 하한온도(T2)를 지나면서 마이크로파 흡수에 따른 자체적인 발열로 인하여 급격하게 상승한다. 다시 말해, 하한온도(T1)까지의 온도상승은 몰리브덴계 발열체(30보다 버너(70)의 영향이 크므로, 상기 온도상승은 버너(70)가 주도한다고 할 수 있다. 마찬가지로, 하한온도(T1)에서 상한온도(T2)까지의 온도상승은 몰리브덴계 발열체(30)가 주도한다. 여기서, 주도한다는 것은 온도상승에 상대적으로 큰 영향을 미치는 것을 말한다.
본 발명의 실시예에 의한 제조장치는 버너(70)를 활용함으로써, 적은 비용으로 하한온도(T1)까지 빠르게 승온할 수 있다. 왜냐하면, 버너(70)는 기존의 탄화규소에 비해 가열하는 데 소요되는 비용이 저렴하고, 빠른 승온을 구현할 수 있기 때문이다. 물론, 버너(70)에 의한 몰리브덴계 발열체(30, 32) 내부의 온도는 온도센서로 측정되며, 버너(70)에 의한 온도상승은 정확하게 하한온도(T1)을 도달하지 못하여도, 하한온도(T1) 근처까지 승온한다. 실질적인 정밀한 온도제어는 몰리브덴계 발열체(30)에 의해 진행된다. 이에 따라, 버너(70)의 온오프 및 몰리브덴계 발열체(30)의 동작을 제어하는 제어부를 별도로 구비할 수 있다. 또한, 몰리브덴계 발열체(30)는 봉상의 티탄산칼륨을 제조하기에 최적온도인 하한온도(T1) 및 상한온도(T2)에서 빠른 승온속도를 나타내므로, 상기 온도구간에서 마이크로파 발열특성을 최적화할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 습식 결정성장법을 이용한 봉상의 티탄산칼륨의 제조장치에 적용되는 몰리브덴계 하이브리드 발열체의 시간에 따른 발열특성을 개략적으로 나타내는 그래프이다. 이때, 티탄산칼륨의 제조장치는 도 1을 참조하기로 한다.
도 3에 의하면, 본 발명의 실시예에 의한 몰리브덴계 발열체(32)는 탄화규소 및 탄화규소 화합물 중의 어느 하나로 이루어진 모재에 혼합된 하이브리드(hybrid) 발열체를 포함할 수 있다. 상기 탄화규소 화합물은 그 질화물 또는 그 산화물이 혼합된 것이다. 상기 탄화규소 및 탄화규소 화합물에 별도의 산화물이 혼합될 수 있다. 상기 별도의 산화물은 산화철, 알루미나(Al2O3), 산화칼슘(CaO), 실리카(SiO2), 산화티타늄(TiO2), 산화마그네슘(MgO), 산화구리(CuO), 티탄산바륨(BaTiO3) 및 이트리아-안정화 지르코니아(Yttira Stabilized Zirconia, YSZ) 중에서 선택된 어느 하나의 산화물 또는 그들의 복합물일 수 있다.
몰리브덴 하이브리드 발열체(32)는 상기 모재의 관통홀 및 패턴에 몰리브덴계 유전체를 물리적으로 삽입하거나, 몰리브덴계 유전체 분말을 상기 모재에 코팅할 수 있다. 모재인 상기 탄화규소 및 탄화규소 화합물의 발열특성은 도 2에서 설명한 바와 같다(A 참조). 구체적으로, 상기 탄화규소 및 탄화규소 화합물은 하한온도(T1)까지 빠른 승온속도를 보이므로 이를 버너(70)와 함께 혼용하면, 하한온도(T1)까지 보다 빠르게 승온할 수 있다. 이와 같이, 본 발열의 실시예에 의한 하이브리드 발열체(32)는 상기 모재에서 몰리브덴계 발열체(30)가 차지하는 분율을 조절하면, 위와 같은 온도조절을 적절하게 수행할 수 있다.
티탄산칼륨을 하소할 때 시간-온도의 영역(a)에서는 하한온도(T1) 및 상한온도(T2)에서 진행된다. 하한온도(T1)은 대략 800℃ 정도이고, 상한온도(T2)는 1,100℃ 정도라고 볼 수 있다. 먼저, 하한온도(T1)까지는 버너(70)로 구현한다. 구체적으로, 하한온도(T1)에 다다르는 시간(t1)까지 버너(70)로 예열공간(a)을 가열한다. 몰리브덴계 하이브리드 발열체(32)의 온도 증가는 버너(70)에 의한 복사열로 인하여 하한온도(T1)까지 서서히 진행되다가, 하한온도(T2)를 지나면서 마이크로파 흡수에 따른 자체적인 발열로 인하여 급격하게 상승한다. 다시 말해, 하한온도(T1)까지의 온도상승은 몰리브덴계 하이브리드 발열체(32)보다 버너(70)의 영향이 크므로, 상기 온도상승은 버너(70)가 주도한다고 할 수 있다. 마찬가지로, 하한온도(T1)에서 상한온도(T2)까지의 온도상승은 몰리브덴계 하이브리드 발열체(32)가 주도한다. 여기서, 주도한다는 것은 온도상승에 상대적으로 큰 영향을 미치는 것을 말한다.
본 발명의 실시예에 의한 제조장치는 버너(70)를 활용함으로써, 적은 비용으로 하한온도(T1)까지 빠르게 승온할 수 있다. 왜냐하면, 버너(70)는 기존의 탄화규소에 비해 가열하는 데 소요되는 비용이 저렴하고, 빠른 승온을 구현할 수 있기 때문이다. 또한, 몰리브덴계 발열체(30, 32)는 봉상의 티탄산칼륨을 제조하기에 최적온도인 하한온도(T1) 및 상한온도(T2)에서 빠른 승온속도를 나타내므로, 상기 온도구간에서 마이크로파 발열특성을 최적화할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 습식 결정성장법을 이용한 봉상의 티탄산칼륨의 제조장치를 이용하여 봉상의 티탄산칼륨을 제조하는 과정을 개념적으로 나타내는 공정흐름도이다.
도 4에 의하면, 본 발명의 봉상의 티탄산칼륨은 습식 연속결정성장법(wet continual growth crystallization)을 이용한다. 습식 연속결정성장법으로 봉상의 6 티탄산칼륨(K2Ti6O13)이 형성하는 과정을 사례로 들면, 먼저 탄산칼륨 및 이산화티타늄을 2:1~4:1 몰비로 혼합한 다음, 습식(물)을 이용하여 혼합한다. 습식으로 혼합하면, 이산화티타늄을 탄산칼륨이 감싸는 구모양의 과립 형태가 된다. 이러한 구모양의 과립 형태는 대략 수mm의 직경을 가진다. 과립 형태를 앞에서 설명한 방식으로 마이크로파 가열을 하면, 이산화티타늄을 감싸는 외곽에서부터 2 티탄산칼륨(K2Ti2O3) 및 4 티탄산칼륨(K2Ti4O9)이 형성된다. 내부는 이산화티타늄의 융해가 시작된다. 계속하여 가열하면, 내부의 이산화티타늄이 소모되면서, 6 티탄산칼륨(K2Ti6O13)이 형성된다. 이산화티타늄이 모두 소모되면, 도 5와 같이 봉상의 6 티탄산칼륨이 얻을 수 있다.
제조된 6 티탄산칼륨의 형상은 봉상이고, 소성온도, 냉각속도 등의 변수를 조정함으로써, 그 크기를 제어할 수 있다. 예를 들면, 소성온도를 보다 고온에서 수행함으로써 보다 큰 6 티탄산칼륨을 얻을 수 있다. 단, 800℃보다 낮으면 충분히 반응이 진행되지 않는다. 1,100℃을 초과하면, 6 티탄산칼륨의 융점과 가깝게 되어 형상의 제어가 곤란해진다. 승온속도는 실온으로부터 상기 소성온도까지 0.5~20℃/분, 바람직하게는 1~10℃/분의 속도로 수행한다. 냉각속도는 상기 소성온도로부터 300℃까지 0.5~10℃/분, 바람직하게는 1~5℃/분의 비교적 늦은 냉각속도로 수행한다. 이러한 소성온도, 승온속도 및 냉각속도로 함으로써, 6 티탄산칼륨의 입자성장이 촉진된다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명하기 위해 실시예로 6 티탄산칼륨을 제조하는 과정을 설명하기로 한다. 하지만, 본 발명은 이하의 실시예에 특별히 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
(1) 탄산칼륨 K2CO3·1.5H2O를 준비한다.
(2) 입자직경 400~500nm, 평균직경 460nm인 이산화티탄과 탄산칼륨을 3:1 몰비로 전체 중량에 대하여 25중량%의 물을 사용하여 두 물질이 잘 혼합되도록 하여 구모양의 과립을 만들어 건조한 후, 압축으로 성형한다. 이때, 0.05몰 정도의 KCl이나 KF 등의 융점제를 사용하면, 성형물질의 입도를 균일하게 하고 성형시간을 단축할 수 있다.
(3) 압축성형된 파우더를 버너(70)로 800℃까지 승온하고, 몰리브덴 발열체(30, 32)로 이루어진 제조장치에서 950℃, 1시간 가열로 하소하여, 6 티탄산칼륨을 생성한다. 800℃에서 950℃까지의 승온속도 50℃/분보다 크다.
(4) 세척 및 건조를 실시한다. 하소 생성물은 후처리를 거쳐 직접 분쇄되거나, 또는 분쇄 후 물로 세척 및 건조되거나, 혹은 산성액 세척 및 물 세척 후 건조될 수 있다. 상기 분쇄는 드럼형 분쇄기 등 다양한 분쇄기를 사용할 수 있으며, 상기 파쇄 후 세정 건조 시에는 조크러셔를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 산성수 세척 건조방식으로 진행할 수도 있으며, 산성액은 황산, 초산 등을 묽게 희석하여 pH값을 7~8.5로 하는 것이 좋다.
<실시예 2>
(1) 탄산칼륨 K2CO3·1.5H2O에 탄산칼륨의 중량에 대하여, 2가의 염화마그네슘 1중량%를 부가한다.
(2) 입자직경 400~500nm, 평균직경 460nm인 이산화티탄과 탄산칼륨을 3:1 몰비로 전체 중량에 대하여 25중량%의 물을 사용하여 두 물질이 잘 혼합되도록 하여 구모양의 과립을 만들어 건조한 후, 압축으로 성형한다. 이때, 0.05몰 정도의 KCl이나 KF 등의 융점제를 사용하면, 성형물질의 입도를 균일하게 하고 성형시간을 단축할 수 있다.
(3) 압축성형된 파우더를 버너(70)로 800℃까지 승온하고 및 몰리브덴 발열체(30, 32)로 이루어진 제조장치에서 950℃, 1시간 가열로 1차 하소하고, 계속하여 1050℃에서 0.5~1시간으로 2차 하소하여, 6 티탄산칼륨을 제조한다. 800℃에서 950℃까지, 950℃에서 1050℃까지이 승온속도는 50℃/분보다 크다.
(4) 세척 및 건조를 실시한다. 하소 생성물은 후처리를 거쳐 직접 분쇄되거나, 또는 분쇄 후 물로 세척 및 건조되거나, 혹은 산성액 세척 및 물 세척 후 건조될 수 있다. 상기 분쇄는 드럼형 분쇄기 등 다양한 분쇄기를 사용할 수 있으며, 상기 파쇄 후 세정 건조 시에는 조크러셔를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 산성수 세척 건조방식으로 진행할 수도 있으며, 산성액은 황산, 초산 등을 묽게 희석하여 pH값을 7~8.5로 하는 것이 좋다.
<실시예 3>
(1) 탄산칼륨 K2CO3·1.5H2O에 탄산칼륨의 중량에 대하여, 2가의 산화마그네슘 1중량%를 부가한다.
(2) 황색이면서 평균직경 200nm인 이산화티탄과 탄산칼륨을 3:1 몰비로 전체 중량에 대하여 25중량%의 물을 사용하여 두 물질이 잘 혼합되도록 하여 구모양의 과립을 만들어 건조한 후, 압축으로 성형한다. 이때, 0.05몰 정도의 KCl이나 KF 등의 융점제를 사용하면, 성형물질의 입도를 균일하게 하고 성형시간을 단축할 수 있다.
(3) 압축성형된 파우더를 버너(70)로 800℃까지 승온하고 몰리브덴 발열체(30, 32)로 이루어진 제조장치에 넣어 800℃에서 0.5시간 건조 후 분쇄하고, 분쇄된 파우더를 가열로에서 1050℃으로 0.5시간 가열로 하소하여 6 티탄산칼륨을 생성한다. 800℃에서 1050℃까지의 승온속도는 50℃/분보다 크다.
(4) 세척 및 건조를 실시한다. 하소 생성물은 후처리를 거쳐 직접 분쇄되거나, 또는 분쇄 후 물로 세척 및 건조되거나, 혹은 산성액 세척 및 물 세척 후 건조될 수 있다. 상기 분쇄는 드럼형 분쇄기 등 다양한 분쇄기를 사용할 수 있으며, 상기 파쇄 후 세정 건조 시에는 조크러셔를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 산성수 세척 건조 방식으로 진행할 수도 있으며, 산성액은 황산, 초산 등을 묽게 희석하여 pH값을 7~8.5로 하는 것이 좋다.
이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
10; 케이스 20; 내열보드
30; 발열체 31; 발열체 지지대
40; 마이크로파 발진기 42; 마이크로파 통로
50; 도파관 60; 피가열체
70; 버너 71; 화염통로

Claims (13)

  1. 케이스;
    상기 케이스의 내부에 부착되며, 단열을 위한 내열보드;
    상기 내열보드의 안쪽에 위치하고, 상기 내열보드로부터 일정한 간격을 두는 예열공간을 제공하며, 마이크로파에 의해 발열되는 몰리브덴계 발열체; 및
    상기 케이스 및 상기 내열보드의 일부를 관통하여, 화염통로를 통하여 상기 예열공간을 데우고, 상기 몰리브덴계 발열체로 발열하기 이전에 가열하는 버너를 포함하며,
    상기 몰리브덴계 발열체는 몰리브덴계 화합물을 기반으로 하는 몰리브덴계 유전체를 포함하고, 상기 몰리브덴계 유전체는 몰리브덴실리사이드(Molybdenum Silicide) 또는 몰리브덴설파이드(Molybdenum Sulfide) 또는 그들의 혼합물인 것인 특징으로 하는 습식 결정성장법을 이용한 봉상의 티탄산칼륨의 제조장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 몰리브덴계 발열체는 상기 내열보드의 외측에 부착된 마이크로 발진기, 상기 내열보드를 관통하는 마이크로파 통로 및 상기 마이크로파 통로와 연결되고 상기 내열보드 내측에 위치하는 도파관에 의해 발열되는 것을 특징으로 하는 습식 결정성장법을 이용한 봉상의 티탄산칼륨의 제조장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 몰리브덴계 유전체는 알루미늄(Al), 지르코늄(Zr), 구리(Cu), 타이타늄(Ti), 철(Fe), 니켈(Ni) 및 이트륨(Y) 중에 선택된 어느 물질의 산화물 또는 상기 산화물의 화합물 또는 상기 산화물을 기반으로 한 산화염물이 혼합된 것을 특징으로 하는 습식 결정성장법을 이용한 봉상의 티탄산칼륨의 제조장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 몰리브덴계 발열체는 탄화규소 및 탄화규소 화합물 중의 어느 하나로 이루어진 모재에 혼합된 하이브리드 발열체인 것을 특징으로 하는 습식 결정성장법을 이용한 봉상의 티탄산칼륨의 제조장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 하이브리드 발열체는 상기 모재의 관통홀 및 패턴에 몰리브덴계 유전체를 물리적으로 삽입하거나, 몰리브덴계 유전체 분말을 상기 모재에 코팅된 발열체인 것을 특징으로 하는 습식 결정성장법을 이용한 봉상의 티탄산칼륨의 제조장치.
  8. 탄산칼륨을 준비하는 단계;
    티타늄 소스인 이산화티타늄 및 탄산칼륨을 2:1~4:1 몰비로 혼합하는 단계;
    전체 중량 20~30중량%의 물을 사용하여 상기 이산화티타늄 및 탄산칼륨을 혼합하여 구모양의 과립을 만들어 건조하는 단계;
    상기 혼합된 분말을 버너에 의해 800℃까지 승온하고, 몰리브덴계 발열체로 800~1,100℃, 0.2~2시간 동안 가열하여 하소하여 봉상의 티탄산칼륨 입자를 형성하는 단계; 및
    상기 봉상 티탄산칼륨 입자를 세척한 후 건조하는 단계를 포함하고,
    상기 몰리브덴계 발열체는 몰리브덴계 화합물을 기반으로 하는 몰리브덴계 유전체를 포함하고, 상기 몰리브덴계 유전체는 몰리브덴실리사이드(Molybdenum Silicide) 또는 몰리브덴설파이드(Molybdenum Sulfide) 또는 그들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 습식 결정성장법을 이용한 봉상의 티탄산칼륨의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 하소하는 조건은 1,000℃ 이하에서 1~2시간 가열하거나, 또는 800~1,000℃, 1시간 이내로 1차 하소하고 1,000~1,100℃ 조건에서 0.5~1시간으로 2차 하소하거나, 또는 800~850℃, 0.5~1시간의 조건으로 하소한 것을 건조 후 분쇄하고 분쇄된 파우더를 1,000~1,100℃으로 0.5~1시간 동안 가열하는 것을 특징으로 하는 습식 결정성장법을 이용한 봉상의 티탄산칼륨의 제조방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제8항에 있어서, 상기 몰리브덴계 유전체는 알루미늄(Al), 지르코늄(Zr), 구리(Cu), 타이타늄(Ti), 철(Fe), 니켈(Ni) 및 이트륨(Y) 중에 선택된 어느 물질의 산화물 또는 상기 산화물의 화합물 또는 상기 산화물을 기반으로 한 산화염물이 혼합된 것을 특징으로 하는 습식 결정성장법을 이용한 봉상의 티탄산칼륨의 제조방법.
  13. 제8항에 있어서, 상기 몰리브덴계 발열체는 탄화규소 및 탄화규소 화합물 중의 어느 하나로 이루어진 모재에 혼합된 하이브리드 발열체인 것을 특징으로 하는 습식 결정성장법을 이용한 봉상의 티탄산칼륨의 제조방법.
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