KR102257545B1 - 육각 판상 알루미나 단결정 입자 및 그 제조방법 - Google Patents

육각 판상 알루미나 단결정 입자 및 그 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102257545B1
KR102257545B1 KR1020190062869A KR20190062869A KR102257545B1 KR 102257545 B1 KR102257545 B1 KR 102257545B1 KR 1020190062869 A KR1020190062869 A KR 1020190062869A KR 20190062869 A KR20190062869 A KR 20190062869A KR 102257545 B1 KR102257545 B1 KR 102257545B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
single crystal
hexagonal plate
alumina single
shaped alumina
solution
Prior art date
Application number
KR1020190062869A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20200137102A (ko
Inventor
서원선
조중영
정대수
노동규
이명현
조형규
정민석
탁장렬
Original Assignee
한국세라믹기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국세라믹기술원 filed Critical 한국세라믹기술원
Priority to KR1020190062869A priority Critical patent/KR102257545B1/ko
Publication of KR20200137102A publication Critical patent/KR20200137102A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102257545B1 publication Critical patent/KR102257545B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B5/00—Single-crystal growth from gels
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/16—Oxides
    • C30B29/20—Aluminium oxides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/60—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape characterised by shape
    • C30B29/64—Flat crystals, e.g. plates, strips or discs
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B33/00—After-treatment of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure

Abstract

본 발명은, 수용성 염과 알루미늄 전구체(Aluminum precursor)를 제1 용매에 첨가하고 용해시켜 제1 용액을 형성하는 단계와, 알칼리를 제2 용매에 첨가하고 용해시켜 제2 용액을 형성하는 단계와, 상기 제1 용액과 상기 제2 용액을 혼합하여 반응시키는 단계와, 상기 제1 용액과 상기 제2 용액이 혼합되어 반응된 결과물에 씨드(Seed)로 나노 알루미나 단결정을 첨가하고 반응시켜 졸-겔(Sol-gel) 상태의 중간생성물을 얻는 단계와, 상기 졸-겔 상태의 중간생성물을 건조하여 분말화 하는 단계와, 분말화된 중간생성물을 제1 열처리하는 단계 및 제1 열처리된 결과물에 함유된 수용성 염을 제거하여 육각 판상 알루미나 단결정 입자를 수득하는 단계를 포함하는 육각 판상 알루미나 단결정 입자의 제조방법 및 이에 의해 제조된 육각 판상 알루미나 단결정 입자에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 판상의 육면체 구조를 가지면서 육각을 이루는 면의 한 내각이 100 ~ 140°를 이루는 육각 판상 알루미나 단결정 입자를 제조할 수 있고, 낮은 제조공정 온도에서 짧은 제조공정 시간으로 제조가 가능하므로 생산 단가의 절감이 가능하다.

Description

육각 판상 알루미나 단결정 입자 및 그 제조방법{Alumina single crystal particles having hexagonal plate type structure and manufacturing method of the same}
본 발명은 알루미나 단결정 입자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 판상의 육면체 구조를 가지면서 육각을 이루는 면의 한 내각이 100 ~ 140°를 이루는 육각 판상 알루미나 단결정 입자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
알루미나(Al2O3)는 여러 가지 세라믹스 원료 중에서 내열성, 내식성이 우수하고 고강도의 물리적 성질 등을 가지고 있기 때문에, 내마모제, 스파크 플러그, 절연애자, 연마제, 세라믹 타일, 절삭공구, 생체재료, 촉매담체 등 광범위한 용도로 쓰이고 있다.
알루미나는 소성온도가 높아짐에 따라 γ-알루미나, δ-알루미나, θ-알루미나, α-알루미나로 상전이가 일어나며, α-알루미나는 높은 강도를 요하는 구조세라믹 소재로 적합하다.
본 발명의 발명자들은 구형이 아닌 육각 판상의 알루미나 단결정 입자를 제조하는 방법을 연구하였다.
대한민국 공개특허공보 제10-2018-0039516호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 판상의 육면체 구조를 가지면서 육각을 이루는 면의 한 내각이 100 ~ 140°를 이루는 육각 판상 알루미나 단결정 입자를 제조할 수 있고, 낮은 제조공정 온도에서 짧은 제조공정 시간으로 제조가 가능하므로 생산 단가의 절감이 가능한 육각 판상 알루미나 단결정 입자의 제조방법 및 이에 의해 제조된 육각 판상 알루미나 단결정 입자를 제공함에 있다.
본 발명은, 수용성 염과 알루미늄 전구체(Aluminum precursor)를 제1 용매에 첨가하고 용해시켜 제1 용액을 형성하는 단계와, 알칼리를 제2 용매에 첨가하고 용해시켜 제2 용액을 형성하는 단계와, 상기 제1 용액과 상기 제2 용액을 혼합하여 반응시키는 단계와, 상기 제1 용액과 상기 제2 용액이 혼합되어 반응된 결과물에 씨드(Seed)로 나노 알루미나 단결정을 첨가하고 반응시켜 졸-겔(Sol-gel) 상태의 중간생성물을 얻는 단계와, 상기 졸-겔 상태의 중간생성물을 건조하여 분말화 하는 단계와, 분말화된 중간생성물을 제1 열처리하는 단계 및 제1 열처리된 결과물에 함유된 수용성 염을 제거하여 육각 판상 알루미나 단결정 입자를 수득하는 단계를 포함하는 육각 판상 알루미나 단결정 입자의 제조방법을 제공한다.
상기 수용성 염은 클로라이드(chloride)계 염, 술포네이트(sulfate)계 염 및 포스페이트(phosphate)계 염으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 염을 포함할 수 있다.
상기 수용성 염은 LiCl, NaCl, KCl, Li2SO4, Na2SO4, K2SO4, Li3PO4, Na3PO4 및 K3PO4로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 알루미늄 전구체는 Al2(SO4)3·xH2O(여기서, x는 0∼18 범위의 정수), AlPO4, AlCl3, Al2(NO3)3·xH2O(여기서, x는 0∼9 범위의 정수) 및 PAC(Polyaluminum Chloride)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 알칼리는 Na2CO3, K2CO3, NaOH, KOH 및 NH3로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 씨드로 1∼10㎚ 크기의 Al2O3 단결정을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 제1 열처리는 750∼1150℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.
상기 육각 판상 알루미나 단결정 입자의 표면에 TiO2를 코팅하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 TiO2를 코팅하는 단계는, 상기 육각 판상 알루미나 단결정 입자를 제3 용매에 분산시키는 단계와, 상기 육각 판상 알루미나 단결정 입자가 분산되어 있는 분산액에 결합유도제와 티타늄 전구체를 첨가하여 혼합하는 단계와, 혼합된 결과물을 용기에 담은 후 수열합성을 진행하여 육각 판상 알루미나 단결정 입자 표면에 티타니아가 코팅되게 하는 단계와, 수열반응 후 침전된 결과물을 선택적으로 분리해내는 단계 및 선택적으로 분리해낸 결과물을 제2 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 결합유도제는 DETA(diethylenetriamine), EDA(Ethylenediamine) 및 TEA(Triethylenetetramine)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 티타늄 전구체는 TTIP(titanium isopropoxide), TiCl4(Titanium tetrachloride) 및 TBT(titanium butoxide)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 수열합성은 100∼250℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.
상기 제2 열처리는 400∼700℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조되고, 판상의 육면체 구조를 가지며, 육각을 이루는 면의 한 내각이 100 ~ 140°를 이루는 것을 특징으로 하는 육각 판상 알루미나 단결정 입자를 제공한다.
본 발명에 의하면, 판상의 육면체 구조를 가지면서 육각을 이루는 면의 한 내각이 100 ~ 140°를 이루는 육각 판상 알루미나 단결정 입자를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 낮은 제조공정 온도에서 짧은 제조공정 시간으로 제조가 가능하므로 생산 단가의 절감이 가능하다.
도한, 본 발명에 의하면, 공정이 간단하여 재현성이 높으며, 대량 생산이 가능하다는 장점이 있다.
도 1은 실시예 1에 따라 제조된 육각 판상 알루미나 단결정 입자의 X-선회절(XRD; X-ray diffraction) 패턴을 보여주는 도면이다.
도 2는 실시예 2에 따라 제조된 육각 판상 알루미나 단결정 입자의 X-선회절(XRD) 패턴을 보여주는 도면이다.
도 3은 실시예 3에 따라 제조된 육각 판상 알루미나 단결정 입자의 X-선회절(XRD) 패턴을 보여주는 도면이다.
도 4는 실시예 4에 따라 제조된 육각 판상 알루미나 단결정 입자의 X-선회절(XRD) 패턴을 보여주는 도면이다.
도 5는 시중에서 판매되고 있는 알루미나 입자(YFA02025)와, 실시예 1 내지 실시예 4에 따라 제조된 육각 판상 알루미나 단결정 입자를 각각 보여주는 주자전자현미경(SEM) 사진이다.
도 6a 내지 도 6d는 실시예 3에 따라 제조된 육각 판상 알루미나 단결정 입자를 광학현미경(Optical microscope)으로 관찰하여 나타낸 사진이다.
도 7은 실시예 3에 따라 제조된 육각 판상 알루미나 단결정 입자의 라만(Raman) 분석 결과를 보여주는 도면이다.
도 8은 시중에서 판매되는 있는 구형 다결정 알루미나 분말(DAM20)의 라만(Raman) 분석 결과를 보여주는 도면이다.
도 9는 실시예 1에 따라 제조된 육각 판상 알루미나 단결정 입자의 입도분석(PSA) 결과를 보여주는 도면이다.
도 10은 실시예 2에 따라 제조된 육각 판상 알루미나 단결정 입자의 입도분석(PSA) 결과를 보여주는 도면이다.
도 11은 실시예 3에 따라 제조된 육각 판상 알루미나 단결정 입자의 입도분석(PSA) 결과를 보여주는 도면이다.
도 12a 및 도 12b는 실시예 5에 따라 육각 판상 알루미나 단결정 표면에 TiO2가 코팅된 입자의 X-선회절(XRD) 패턴을 보여주는 도면이다.
도 13 및 도 14는 실시예 5에 따라 육각 판상 알루미나 단결정 표면에 TiO2가 코팅된 입자를 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
발명의 상세한 설명 또는 청구범위에서 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 당해 구성요소만으로 이루어지는 것으로 한정되어 해석되지 아니하며, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서, '나노'라 함은 나노미터 단위의 크기로서 1∼50㎚의 크기를 의미하는 것으로 사용한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 육각 판상 알루미나 단결정 입자의 제조방법은, 수용성 염과 알루미늄 전구체(Aluminum precursor)를 제1 용매에 첨가하고 용해시켜 제1 용액을 형성하는 단계와, 알칼리를 제2 용매에 첨가하고 용해시켜 제2 용액을 형성하는 단계와, 상기 제1 용액과 상기 제2 용액을 혼합하여 반응시키는 단계와, 상기 제1 용액과 상기 제2 용액이 혼합되어 반응된 결과물에 씨드(Seed)로 나노 알루미나 단결정을 첨가하고 반응시켜 졸-겔(Sol-gel) 상태의 중간생성물을 얻는 단계와, 상기 졸-겔 상태의 중간생성물을 건조하여 분말화 하는 단계와, 분말화된 중간생성물을 제1 열처리하는 단계 및 제1 열처리된 결과물에 함유된 수용성 염을 제거하여 육각 판상 알루미나 단결정 입자를 수득하는 단계를 포함한다.
상기 수용성 염은 클로라이드(chloride)계 염, 술포네이트(sulfate)계 염 및 포스페이트(phosphate)계 염으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 염을 포함할 수 있다.
상기 수용성 염은 LiCl, NaCl, KCl, Li2SO4, Na2SO4, K2SO4, Li3PO4, Na3PO4 및 K3PO4로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 알루미늄 전구체는 Al2(SO4)3·xH2O(여기서, x는 0∼18 범위의 정수), AlPO4, AlCl3, Al2(NO3)3·xH2O(여기서, x는 0∼9 범위의 정수) 및 PAC(Polyaluminum Chloride)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 알칼리는 Na2CO3, K2CO3, NaOH, KOH 및 NH3로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 씨드로 1∼10㎚ 크기의 Al2O3 단결정을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 제1 열처리는 750∼1150℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.
상기 육각 판상 알루미나 단결정 입자의 표면에 TiO2를 코팅하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 TiO2를 코팅하는 단계는, 상기 육각 판상 알루미나 단결정 입자를 제3 용매에 분산시키는 단계와, 상기 육각 판상 알루미나 단결정 입자가 분산되어 있는 분산액에 결합유도제와 티타늄 전구체를 첨가하여 혼합하는 단계와, 혼합된 결과물을 용기에 담은 후 수열합성을 진행하여 육각 판상 알루미나 단결정 입자 표면에 티타니아가 코팅되게 하는 단계와, 수열반응 후 침전된 결과물을 선택적으로 분리해내는 단계 및 선택적으로 분리해낸 결과물을 제2 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 결합유도제는 DETA(diethylenetriamine), EDA(Ethylenediamine) 및 TEA(Triethylenetetramine)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 티타늄 전구체는 TTIP(titanium isopropoxide), TiCl4(Titanium tetrachloride) 및 TBT(titanium butoxide)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 수열합성은 100∼250℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.
상기 제2 열처리는 400∼700℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 육각 판상 알루미나 단결정 입자는 상기 방법으로 제조되고, 판상의 육면체 구조를 가지며, 육각을 이루는 면의 한 내각이 100 ~ 140°를 이룬다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 육각 판상 알루미나 단결정 입자의 제조방법을 더욱 구체적으로 설명한다.
알루미늄 전구체(Aluminum precursor)와 수용성 염(Salt)을 제1 용매에 첨가하고 용해시켜 제1 용액을 형성한다.
상기 알루미늄 전구체는 Al2(SO4)3·xH2O(여기서, x는 0∼18 범위의 정수), AlPO4, AlCl3, Al2(NO3)3·xH2O(여기서, x는 0∼9 범위의 정수) 및 PAC(Polyaluminum Chloride)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 수용성 염은 클로라이드(chloride)계 염, 술포네이트(sulfate)계 염 및 포스페이트(phosphate)계 염으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 염인 것이 바람직하다. 상기 수용성 염은 LiCl, NaCl, KCl, Li2SO4, Na2SO4, K2SO4, Li3PO4, Na3PO4 및 K3PO4로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 알루미늄 전구체와 상기 수용성 염은 1:1∼1:10 정도의 몰비로 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 제1 용매는 상기 알루미늄 전구체와 상기 수용성 염을 용해시킬 수 있는 물질로서 물(H2O) 등을 그 예로 들 수 있다.
알칼리를 제2 용매에 첨가하고 용해시켜 알칼리 용액(제2 용액)을 제조한다.
상기 제2 용매는 알칼리를 용해시킬 수 있는 물질로서 물(H2O) 등을 그 예로 들 수 있다.
상기 알칼리는 Na2CO3, K2CO3, NaOH, KOH 및 NH3로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 알루미늄 전구체와 상기 수용성 염이 용해된 용액(제1 용액)과 상기 알칼리 용액(제2 용액)을 혼합하여 반응시킨다. 상기 알루미늄 전구체와 상기 알칼리가 1:1∼1:5 정도의 몰비를 이루도록 상기 제1 용액과 상기 제2 용액을 혼합하는 것이 바람직하다. 상기 알칼리 수용액(제2 용액)을 상기 제1 용매의 끓는점보다 낮고 상온(예컨대, 10∼30℃)보다 높은 온도(예컨대, 50∼85℃)로 유지하고 있는 상기 제1 용액(상기 알루미늄 전구체와 상기 수용성 염이 용해된 용액)에 천천히 혼합한 후, 반응을 위해 교반하는 것이 바람직하다. 상기 교반은 10∼100rpm 정도로 수행하는 것이 바람직하다.
상기 제1 용액과 상기 제2 용액이 혼합되어 반응된 결과물에 씨드(Seed)로 나노 알루미나 단결정을 첨가하고 반응시켜 졸-겔(Sol-gel) 상태의 중간생성물을 얻는다. 상기 씨드는 1∼50㎚, 바람직하게는 1∼20㎚, 더욱 바람직하게는 1∼10㎚ 크기의 Al2O3 단결정을 사용하는 것이 바람직하다. 알루미나 단결정의 씨딩(Seeding)에 의해 생성되는 육각 판상 알루미나 단결정 입자의 사이즈(Size) 제어가 가능하다. 상기 알루미늄 전구체와 상기 씨드가 2:1∼150:1 정도의 중량비를 이루도록 상기 씨드를 첨가하는 것이 바람직하다.
상기 졸-겔 상태의 중간생성물을 건조하여 분말화 한다. 상기 건조는 80∼150℃ 정도의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.
분말화된 중간생성물을 제1 열처리한다. 상기 제1 열처리는 750∼1150℃ 정도의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 제1 열처리의 온도까지는 1∼10℃/min 정도의 승온속도로 상승시키는 것이 바람직하고, 상기 제1 열처리의 온도에서 10분∼6시간 동안 유지하고, 냉각하는 것이 바람직하다. 상기 제1 열처리는 공기(air), 산소와 같은 산화 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다.
열처리된 결과물에 함유된 수용성 염을 제거한다. 예컨대, 열처리된 결과물을 증류수에 담그거나 증류수로 세정하는 등의 방법으로 남아있는 수용성 염을 제거할 수 있다.
열처리된 결과물을 증류수에 담그거나 하는 방법으로 수용성 염을 제거한 경우에, 불용성 입자(알루미나 단결정)를 여과(filtering)하여 선택적으로 분리해내고 건조한다.
이렇게 제조된 알루미나 단결정 입자는 육각 형상의 판상 알루미나 단결정(α-Al2O3 단결정) 입자이다. 상기 알루미나 단결정 입자는 육면체 이며, 내각의 범위가 100 ~ 140° 이내에 있다.
본 발명에 의하면, 낮은 제조공정 온도에서 짧은 제조공정 시간으로 제조가 가능하므로 생산 단가의 절감이 가능하다.
또한, 본 발명에 의하면, 알루미나 단결정의 씨딩(Seeding)에 의해 생성되는 육각 판상 알루미나 단결정 입자의 사이즈(Size) 제어가 가능하다. 알루미나 단결정 씨드의 적용으로 1 ~ 10㎛ 크기의 알루미나 단결정 입자 제조가 가능하다.
이하에서, 육각 판상 알루미나 단결정 입자의 표면에 TiO2를 코팅하는 방법을 구체적으로 설명한다.
육각 판상 알루미나 단결정 입자를 제3 용매에 분산시킨다. 상기 제3 용매는 메탄올, 에탄올, IPA(isopropyl alcohol) 등과 같은 알코올 등일 수 있다.
육각 판상 알루미나 단결정 입자가 분산되어 있는 분산액에 결합유도제와 티타늄 전구체를 첨가하여 혼합한다. 상기 결합유도제는 DETA(diethylenetriamine), EDA(Ethylenediamine), TEA(Triethylenetetramine) 또는 이들의 혼합물 등일 수 있다. 상기 티타늄 전구체는 TTIP(titanium isopropoxide), TiCl4(Titanium tetrachloride), TBT(titanium butoxide) 또는 이들의 혼합물 등일 수 있다.
혼합된 결과물을 테플론 재질 등의 용기에 담은 후 수열합성을 진행하여 육각 판상 알루미나 단결정 입자 표면에 티타니아가 코팅되게 하였다. 상기 수열합성은 100∼250℃ 정도의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 수열합성은 1∼48시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.
수열반응 후 침전된 샘플은 원심분리 또는 필터 등을 통해 선택적으로 분리해내고, 에탄올 등을 이용하여 수차례 세척 후 건조하는 것이 바람직하다.
건조된 결과물은 400∼700℃ 정도의 제2 열처리를 수행하여 남은 유기물을 제거하고 결정성을 향상시키는 것이 바람직하다. 상기 제2 열처리의 온도까지는 1∼10℃/min 정도의 승온속도로 상승시키는 것이 바람직하고, 상기 제2 열처리의 온도에서 10분∼6시간 동안 유지하고, 냉각하는 것이 바람직하다. 상기 제2 열처리는 공기(air), 산소와 같은 산화 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실시예에 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
알루미늄 전구체(Aluminum precursor)와 수용성 염(Salt)의 혼합 수용액(제1 용액)을 준비하였다. 구체적으로는 황산알루미늄 112g, 염화나트륨 24g, 염화칼륨 20g((황산알루미늄:염화나트륨:염화칼륨의 몰비 1:2.4:1.6)을 각각 계량하여 300㎖의 증류수에 첨가하고 온도를 70℃로 유지시키면서 모든 고형물이 용해될 때까지 교반(stirring) 하여 제1 용액을 준비하였다.
알칼리 수용액(제2 용액)을 준비하였다. 구체적으로는 탄산나트륨 55g(황산알루미늄:탄산나트륨의 몰비 1:3.1)을 증류수 150㎖에 용해시켜 알칼리 수용액을 준비하였다.
상기 제2 용액을 70℃로 유지하고 있는 상기 제1 용액에 천천히 혼합 후, 완전히 반응이 종결될 때까지 교반하였다.
교반 후 씨드(Seed) 1g을 첨가하고 완전히 반응이 종결될 때까지 약 10분 이상 교반하면서 반응시켜 졸-겔(Sol-gel) 상태의 중간생성물을 얻었다. 상기 씨드로 2㎚ 크기의 Al2O3 단결정을 사용하였다.
상기 졸-겔(Sol-gel) 상태의 중간생성물을 120℃ 에서 24시간 동안 건조하여 분말화 하였다.
분말화된 중간생성물을 5℃/min으로 800℃까지 승온하고, 800℃에서 1시간 동안 유지하여 열처리한 후, 상온까지 냉각하여 최종생성물을 얻었다.
상기 최종생성물을 증류수에 담가 남아있는 수용성 염을 용해시키고, 불용성 입자(알루미나 단결정)를 여과(filtering)하여 선택적으로 분리해내고 건조하여 육각 판상 알루미나 단결정(α-Al2O3 단결정) 입자를 수득하였다.
<실시예 2>
분말화된 중간생성물을 얻는 공정까지는 상기 실시예 1과 동일하게 진행하였다.
분말화된 중간생성물을 5℃/min으로 900℃까지 승온하고, 900℃에서 1시간 동안 유지하여 열처리한 후, 상온까지 냉각하여 최종생성물을 얻었다.
상기 최종생성물을 증류수에 담가 남아있는 수용성 염을 용해시키고, 불용성 입자(알루미나 단결정)를 여과(filtering)하여 선택적으로 분리해내고 건조하여 육각 판상 알루미나 단결정(α-Al2O3 단결정) 입자를 수득하였다.
<실시예 3>
분말화된 중간생성물을 얻는 공정까지는 상기 실시예 1과 동일하게 진행하였다.
분말화된 중간생성물을 5℃/min으로 1000℃까지 승온하고, 1000℃에서 1시간 동안 유지하여 열처리한 후, 상온까지 냉각하여 최종생성물을 얻었다.
상기 최종생성물을 증류수에 담가 남아있는 수용성 염을 용해시키고, 불용성 입자(알루미나 단결정)를 여과(filtering)하여 선택적으로 분리해내고 건조하여 육각 판상 알루미나 단결정(α-Al2O3 단결정) 입자를 수득하였다.
<실시예 4>
분말화된 중간생성물을 얻는 공정까지는 상기 실시예 1과 동일하게 진행하였다.
분말화된 중간생성물을 5℃/min으로 1100℃까지 승온하고, 1100℃에서 1시간 동안 유지하여 열처리한 후, 상온까지 냉각하여 최종생성물을 얻었다.
상기 최종생성물을 증류수에 담가 남아있는 수용성 염을 용해시키고, 불용성 입자(알루미나 단결정)를 여과(filtering)하여 선택적으로 분리해내고 건조하여 육각 판상 알루미나 단결정(α-Al2O3 단결정) 입자를 수득하였다.
<실시예 5>
실시예 3에 따라 제조된 육각 판상 알루미나 단결정 입자 0.1g을 IPA(isopropyl alcohol) 20㎖에 분산시켰다.
분산액에 DETA(diethylenetriamine) 0.3㎖와 TTIP(titanium isopropoxide) 0.3㎖를 첨가 후 30분 동안 교반하였다.
교반된 결과물을 테플론 재질의 용기에 담은 후 200℃에서 24시간 동안 수열합성을 진행하여 육각 판상 알루미나 단결정 입자 표면에 티타니아가 코팅되게 하였다.
수열반응 후 침전된 샘플은 원심분리 또는 필터를 통해 수득하고, 에탄올을 이용하여 수차례 세척 후 건조하였다.
건조된 결과물을 500℃에서 1시간 동안 열처리를 수행하여 남은 유기물을 제거하고 결정성을 향상시켰다.
실시예 1 내지 실시예 4에 따라 제조된 알루미나 단결정 입자를 X-선 회절기(X-ray diffractometer)를 이용하여 결정구조를 분석하였다.
도 1은 실시예 1에 따라 제조된 육각 판상 알루미나 단결정 입자의 X-선회절(XRD; X-ray diffraction) 패턴을 보여주는 도면이고, 도 2는 실시예 2에 따라 제조된 육각 판상 알루미나 단결정 입자의 X-선회절(XRD) 패턴을 보여주는 도면이며, 도 3은 실시예 3에 따라 제조된 육각 판상 알루미나 단결정 입자의 X-선회절(XRD) 패턴을 보여주는 도면이고, 도 4는 실시예 4에 따라 제조된 육각 판상 알루미나 단결정 입자의 X-선회절(XRD) 패턴을 보여주는 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, X-선회절(XRD) 분석 결과 Rhombohedral R-3c (167) (JCPDS #10-0173) 구조를 가지는 α-Al2O3 단결정이 생성되었음을 확인할 수 있었다.
실시예 1 내지 실시예 4에 따라 제조된 육각 판상 알루미나 단결정 입자를 주사전자현미경(SEM; scanning electron microscope)을 통하여 형태를 분석하였다.
도 5는 시중에서 판매되고 있는 알루미나 입자(YFA02025)와, 실시예 1 내지 실시예 4에 따라 제조된 육각 판상 알루미나 단결정 입자를 각각 보여주는 주자전자현미경(SEM) 사진이다.
도 5를 참조하면, 실시예 1 내지 실시예 4에 따라 제조된 알루미나 단결정 입자의 주사전자현미경(SEM) 분석 결과 면(Facet)이 명확히 관찰되는 육각상의 판상형 알루미나 입자가 생성되었음을 확인하였다. 실시예 1 내지 실시예 4에 따라 제조된 알루미나 단결정 입자는 판상의 육면체 구조를 갖는 것으로 나타났다. 시중에서 판매되고 있는 알루미나 입자(YFA02025)는 육각 판상 구조가 아니라 불규칙적고 불균일한 형상으로서 부정형 형상(특정 형상이 아닌 비특정 형상)을 갖는 것으로 나타났다.
도 6a 내지 도 6d는 실시예 3에 따라 제조된 육각 판상 알루미나 단결정 입자를 광학현미경(Optical microscope)으로 관찰하여 나타낸 사진이다. 도 6a는 20배 배율로 관찰한 것이고, 도 6b 내지 도 6d는 100배 배율로 관찰한 것이다.
도 6a 내지 도 6d를 참조하면, 실시예 3에 따라 제조된 알루미나 단결정 입자는 육각상의 판상형 알루미나 입자인 것을 확인할 수 있었다.
도 7은 실시예 3에 따라 제조된 육각 판상 알루미나 단결정 입자의 라만(Raman) 분석 결과를 보여주는 도면이다. 라만 측정조건은 레이저(Laser) 532㎚, 그리드(grid) 1800g/㎜, 노출시간(exp time) 5sec, 누적횟수(number of accumulations) 1000X, 광학렌즈배율(optical lens magnification) 100X 였다.
도 7을 참조하면, 실시예 3에 따라 제조된 육각 판상 알루미나 단결정의 피크를 나타냄을 확인할 수 있었다. 단결정 알루미나 (α-Al2O3)에 기인하는 특징적인 라만 피크(418, 577, 645 cm-1)가 존재하는 것을 확인할 수 있었다.
도 8은 시중에서 판매되는 있는 구형 다결정 알루미나 분말(DAM20)의 라만(Raman) 분석 결과를 보여주는 도면이다. 라만 측정조건은 레이저(Laser) 532㎚, 그리드(grid) 1800g/㎜, 노출시간(exp time) 5sec, 누적횟수(number of accumulations) 1000X, 광학렌즈배율(optical lens magnification) 100X 였다.
도 8을 참조하면, 시중에서 판매되는 있는 구형 다결정 알루미나 분말(DAM20)의 Raman 분석 결과, 백그라운드 노이즈가 강하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
도 9는 실시예 1에 따라 제조된 육각 판상 알루미나 단결정 입자의 입도분석(PSA) 결과를 보여주는 도면이고, 도 10은 실시예 2에 따라 제조된 육각 판상 알루미나 단결정 입자의 입도분석(PSA) 결과를 보여주는 도면이며, 도 11은 실시예 3에 따라 제조된 육각 판상 알루미나 단결정 입자의 입도분석(PSA) 결과를 보여주는 도면이다.
도 9 내지 도 11을 참조하면, 입도분석(PSA) 결과 협소한 입도 분포를 가지는 알루미나 입자들이 생성되었음을 확인할 수 있었다.
도 12a 및 도 12b는 실시예 5에 따라 육각 판상 알루미나 단결정 표면에 TiO2가 코팅된 입자의 X-선회절(XRD; X-ray diffraction) 패턴을 보여주는 도면이다.
도 12a 및 도 12b를 참조하면, TiO2가 코팅된 α-Al2O3 입자가 생성된 확인할 수 있었다.
도 13 및 도 14는 실시예 5에 따라 육각 판상 알루미나 단결정 표면에 TiO2가 코팅된 입자를 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 나노크기(nano sized) TiO2가 판상 알루미나 표면에 코팅된 것을 확인할 수 있었다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (13)

  1. 수용성 염과 알루미늄 전구체(Aluminum precursor)를 제1 용매에 첨가하고 용해시켜 제1 용액을 형성하는 단계;
    알칼리를 제2 용매에 첨가하고 용해시켜 제2 용액을 형성하는 단계;
    상기 제1 용액과 상기 제2 용액을 혼합하여 반응시키는 단계;
    상기 제1 용액과 상기 제2 용액이 혼합되어 반응된 결과물에 씨드(Seed)로 나노 알루미나 단결정을 첨가하고 반응시켜 졸-겔(Sol-gel) 상태의 중간생성물을 얻는 단계;
    상기 졸-겔 상태의 중간생성물을 건조하여 분말화 하는 단계;
    분말화된 중간생성물을 제1 열처리하는 단계;
    제1 열처리된 결과물에 함유된 수용성 염을 제거하여 육각 판상 알루미나 단결정 입자를 수득하는 단계; 및
    상기 육각 판상 알루미나 단결정 입자의 표면에 TiO2를 코팅하는 단계를 포함하며,
    상기 TiO2를 코팅하는 단계는,
    상기 육각 판상 알루미나 단결정 입자를 제3 용매에 분산시키는 단계;
    상기 육각 판상 알루미나 단결정 입자가 분산되어 있는 분산액에 결합유도제와 티타늄 전구체를 첨가하여 혼합하는 단계;
    혼합된 결과물을 용기에 담은 후 수열합성을 진행하여 육각 판상 알루미나 단결정 입자 표면에 티타니아가 코팅되게 하는 단계;
    수열반응 후 침전된 결과물을 선택적으로 분리해내는 단계; 및
    선택적으로 분리해낸 결과물을 제2 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 육각 판상 알루미나 단결정 입자의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 수용성 염은 클로라이드(chloride)계 염, 술포네이트(sulfate)계 염 및 포스페이트(phosphate)계 염으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 염을 포함하는 것을 특징으로 하는 육각 판상 알루미나 단결정 입자의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 수용성 염은 LiCl, NaCl, KCl, Li2SO4, Na2SO4, K2SO4, Li3PO4, Na3PO4 및 K3PO4로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 육각 판상 알루미나 단결정 입자의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 전구체는 Al2(SO4)3·xH2O(여기서, x는 0∼18 범위의 정수), AlPO4, AlCl3, Al2(NO3)3·xH2O(여기서, x는 0∼9 범위의 정수) 및 PAC(Polyaluminum Chloride)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 육각 판상 알루미나 단결정 입자의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 알칼리는 Na2CO3, K2CO3, NaOH, KOH 및 NH3로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 육각 판상 알루미나 단결정 입자의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 씨드로 1∼10㎚ 크기의 Al2O3 단결정을 사용하는 것을 특징으로 하는 육각 판상 알루미나 단결정 입자의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 열처리는 750∼1150℃의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 육각 판상 알루미나 단결정 입자의 제조방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서, 상기 결합유도제는 DETA(diethylenetriamine), EDA(Ethylenediamine) 및 TEA(Triethylenetetramine)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하고,
    상기 티타늄 전구체는 TTIP(titanium isopropoxide), TiCl4(Titanium tetrachloride) 및 TBT(titanium butoxide)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 육각 판상 알루미나 단결정 입자의 제조방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 수열합성은 100∼250℃의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 육각 판상 알루미나 단결정 입자의 제조방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제2 열처리는 400∼700℃의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 육각 판상 알루미나 단결정 입자의 제조방법.
  13. 제1항에 기재된 방법으로 제조되고,
    판상의 육면체 구조를 가지며,
    육각을 이루는 면의 한 내각이 100 ~ 140°를 이루는 것을 특징으로 하는 육각 판상 알루미나 단결정 입자.
KR1020190062869A 2019-05-29 2019-05-29 육각 판상 알루미나 단결정 입자 및 그 제조방법 KR102257545B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190062869A KR102257545B1 (ko) 2019-05-29 2019-05-29 육각 판상 알루미나 단결정 입자 및 그 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190062869A KR102257545B1 (ko) 2019-05-29 2019-05-29 육각 판상 알루미나 단결정 입자 및 그 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200137102A KR20200137102A (ko) 2020-12-09
KR102257545B1 true KR102257545B1 (ko) 2021-05-27

Family

ID=73786872

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190062869A KR102257545B1 (ko) 2019-05-29 2019-05-29 육각 판상 알루미나 단결정 입자 및 그 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102257545B1 (ko)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100787191B1 (ko) * 2006-08-28 2007-12-21 한국화학연구원 각형비가 큰 판상 알파알루미나 결정체 및 이의 제조방법
JP2013507238A (ja) 2009-10-08 2013-03-04 ダブリュー・アール・グレイス・アンド・カンパニー−コネチカット 硫黄耐性アルミナ触媒担体

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101497561B1 (ko) * 2013-07-22 2015-03-04 영남대학교 산학협력단 α-알루미나의 제조방법 및 이로부터 얻어지는 α-알루미나
KR20180039516A (ko) 2016-10-10 2018-04-18 주식회사 엘지화학 구상 알파-알루미나 입자 분말의 제조 방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100787191B1 (ko) * 2006-08-28 2007-12-21 한국화학연구원 각형비가 큰 판상 알파알루미나 결정체 및 이의 제조방법
JP2013507238A (ja) 2009-10-08 2013-03-04 ダブリュー・アール・グレイス・アンド・カンパニー−コネチカット 硫黄耐性アルミナ触媒担体

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
J. Mater. Sci. Technol., 2011, 27(11), 1011-1015.*

Also Published As

Publication number Publication date
KR20200137102A (ko) 2020-12-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8088355B2 (en) Transitional alumina particulate materials having controlled morphology and processing for forming same
Lee et al. Preparation of TiO 2 sol using TiCl 4 as a precursor
JP2001163613A (ja) 鱗片状シリカ粒子、硬化性組成物、それからなる硬化体及びその製造方法
JP2011523966A (ja) 無機固体粒子、殊に二酸化チタン顔料粒子の表面被覆方法
Pérez-Maqueda et al. Preparation and characterization of nanosized zirconium (hydrous) oxide particles
Zhou et al. A facile solid phase reaction to prepare TiO 2 mesocrystals with exposed {001} facets and high photocatalytic activity
DE102006011965A1 (de) Verfahren zur Herstellung feiner Alpha-Aluminiumoxidteilchen
JP4281943B2 (ja) 板状アルミナ粒子の製造方法
Petrakli et al. α‐Alumina nanospheres from nano‐dispersed boehmite synthesized by a wet chemical route
CN111675238A (zh) 一种固相法制备多形貌纳米氧化锌的方法
JP4368118B2 (ja) ベーマイトスラリーの製造方法、ベーマイトゾルの製造方法、ベーマイトゾル、ベーマイト、記録媒体の製造方法、および記録媒体
KR102257545B1 (ko) 육각 판상 알루미나 단결정 입자 및 그 제조방법
WO2016013567A1 (ja) α－アルミン酸リチウムの製造方法
JPH10512231A (ja) メソ多孔性結晶性物質の調製方法
JP3775901B2 (ja) 非晶質シリカ系複合粒子及びその用途
KR102347578B1 (ko) 광흡수 기능성 판상 단결정 알루미나 분말의 제조방법
ZA200703961B (en) Transitional alumina particulate materials having controlled morphology and processing for forming same
JP2001163619A (ja) 酸化亜鉛粉末の製造方法及びそのための製造用中間体
Nishikawa et al. Preparation of monodispersed spherical silica-alumina particles by hydrolysis of mixed alkoxides
JP2008137845A (ja) 酸化マグネシウムの製造方法
KR20070010777A (ko) 판상 알파알루미나의 제조방법
KR101440473B1 (ko) 판상 알루미나의 제조방법
JP2014024711A (ja) スメクタイト被覆シリカ粒子及びその製造方法
Haq et al. Synthesis and characterization of uniform fine particles of nickel compounds
KR100285210B1 (ko) 사염화티타늄을 이용하여 미세하고 균일한 크기의 루틸상 ＴｉＯ₂구형 분말을 제조하는 방법

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant