KR20040090258A - 비스무스나트륨산화티타늄 화합물 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 대표적인 강유전체 화합물인 티탄산지르콘산납 (PZT)을 대체할 수 있는 화합물로서 납을 함유하지 않은 비스무스나트륨산화티타늄 (Bi1/2Na1/2TiO3) 화합물을 합성하는 방법을 제시한 것이다. 비스무스 화합물 (산화비스무스, 질산비스무스, 비스무스아세테이트, 비스무스알콕시드 등)과 나트륨 화합물 (탄산나트륨, 나트륨, 나트륨아세테이트, 나트륨알콕시드 등)을 질산과 함께 혼합하는 제1공정과, 티타늄 화합물 (염화티타늄, 티탄산, 티타늄알콕시드 등)을 티타늄/(나트륨+비스무스) 몰비가 1:1이 되도록 첨가하고 알코올 류의 용매에 용해시킨 후 60℃ 정도에서 반응시키는 제2공정을 통하여 비스무스나트륨산화티타늄 화합물을 합성할 수 있다. 상기 비스무스나트륨산화티타늄 화합물을 건조/열처리 과정을 통하여 분말화 할 수 있고, 실리콘과 같은 기판 위에 코팅하여 건조/열처리 과정을 통하여 박막화할 수 있다.
Description
본 발명은 납을 함유하지 않는 압전소재인 비스무스나트륨산화티타늄 화합물의 제조방법에 관한 것이다.
현재 대부분의 압전소재로 사용되고 있는 Pb(ZrxTi1-x)O3 (이하 PZT라 한다)는 가장 우수한 압전특성을 보이는 것으로 알려져 있다. 그러나 상기의 물질이 우수한 압전특성을 가지고 있음에도 불구하고 인체 및 환경에 유해한 납(Pb)을 함유하는 소재이므로 그 사용이 유럽연합(EU)을 중심으로 규제하려는 움직임이 일어나고 있는 실정이다.
상기 PZT를 대체할 물질인 비스무스나트륨산화티타늄(BNT)은 1961년 구소련의 스몰렌스키에 의하여 처음으로 합성되었고 그 후 일본의 타케나카 등에 의해 PZT보다는 압전성능이 떨어지나 BaTiO3 보다는 우수하다는 사실이 발표되었다. 현재까지 비스무스나트륨산화티타늄 단결정제조 및 그 특성에 대한 연구논문(Y. M. Chiang. G.W.Farrey, and Andrey N. Soukhojak,Applied Phy. Lett., 73 (1998) 3683-3685 ), 그리고 소결체에 대한 연구논문(Seung-Eek Park and Kug Sun Hong,J. Appl. Phys., 79 (1996) 383-3) 등이 보고되어 있지만 분말형태나 박막형태의 비스무스나트륨산화티타늄에 대해서는 보고된 바가 없다.
따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 선행기술의 제반 문제점을 해소할 수 있는 것으로서 납을 함유하지 아니하는 압전소재를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여 본 발명자는 비스무스나트륨산화티타늄 화합물을 투명하고 균일한 솔 형태로 제조하면 분말형태나 기판에 균일한 박막상태로 응용할 수 있다는 것을 알게 되어 본 발명을 완성하게 된 것이다.
도 1은 본 발명에 의해 제조된 분말형 비스무스나트륨산화티타늄 화합물의 투과전자현미경사진이다.
도 2는 본 발명에 의해 제조된 비스무스나트륨산화티타늄 화합물의 온도에 따른 결정상의 변화를 나타낸 XRD 패턴사진이다.
도 3은 본 발명에 의해 제조된 박막형태의 비스무스나트륨산화티타늄 화합물의 XRD 패턴(a)과 비스무스나트륨산화티타늄 화합물의 소결체의 XRD 패턴사진이다.
도 4는 본 발명에 의해 제조된 박막형태의 비스무스나트륨산화티타늄 화합물의 투과전자현미경사진이다.
그러므로 본 발명에 의하면 비스무스화합물, 나트륨화합물 및 질산을 혼합시키는 제1공정과, 알코올계 용매 하에 용해시키고 티타늄화합물을 첨가하는 제2공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 비스무스나트륨산화티타늄 화합물의 제조방법이 제공된다.
이하 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 납을 함유하지 아니하는 압전소재인 비스무스나트륨산화티타늄 화합물을 제조하는 방법에 관한 것이다. 먼저 비스무스화합물과 나트륨화합물을 동일한 몰비율로 혼합한 후 질산(HNO3, 60%)을 첨가하는 제1공정을 한다. 상기 비스무스화합물은 질산화비스무스, 비스무스아세테이트, 산화비스무스, 비스무스알콕시드 중에서 선택한 물질을 사용할 수 있으며, 나트륨화합물은 탄산나트륨, 나트륨금속, 나트륨아세테이트, 나트륨알콕시드 중에서 선택한 물질을 사용할 수 있다. 만일 산화비스무스와 탄산나트륨의 혼합물인 경우에는 상기 질산을 다량 첨가하는 것이 상기 혼합물의 용해를 효과적으로 할 수 있다. 티타늄화합물의 경우는 티타늄테트라이소프로폭시드와 같은 티타늄 알콕시드, 염화티타늄, 티탄산 등의 물질 중에서 선택하여 사용할 수 있다. 상기 질산외에도 황산을 첨가하여 혼합물의 용해를 할 수 있다.
상기 비스무스화합물과 나트륨화합물의 화합물을 에탄올, 메탄올, 에틸렌글리콜, 2-메톡시에탄올 등의 알코올 용매에 투입하면 비스무스와 나트륨이 함유된 화합물이 생성된다. 상기 화합물에 티타늄테트라이소프로폭시드를 티타늄/(나트륨+비스무스)의 몰비가 1:1의 비율이 되도록 첨가하고 60℃ 정도의 온도에서 교반하면 수화 및 응축반응(hydrolysis and condensation)이 일어나게 되어 비스무스나트륨산화티타늄 화합물을 얻을 수 있는 제2공정을 하는데 이때의 비스무스나트륨산화티타늄 화합물의 형태는 솔(Sol)형태가 된다. 혼합하는 시간과 금속이온대비 용매의 몰비에 따라 합성한 비스무스나트륨산화티타늄 화합물의 점도가 다르므로 적당한 점도가 되도록 금속이온/용매의 몰비를 조절하고 반응시간을 조절하는 것이 바람직하다. 한 예로써 금속이온/용매의 몰비가 1/10이고 60℃에서 1시간 교반하는 경우에 비스무스나트륨산화티타늄 화합물의 점도는 약 50cP 이었다. 이 경우 침전물이 생기지 않고 용기에 공기 중에서 보관하였을 때 약 6개월간 안정한 솔을 얻을 수가 있었다.
상기 비스무스나트륨산화티타늄 화합물은 기존의 소결공정으로 제조한 비스무스나트륨산화티타늄 화합물보다 화학양론적인 순수한 화합물을 합성할 수 있고, 600℃의 비교적 저온에서 합성이 가능하다는 점과, 1000nm 이하의 나노분말을 얻을 수 있고, 또한 여러 가지 기판 위에 코팅이 가능하여 박막을 형성할 수 있다는 장점이 있다.
또한 본 발명에서는 상기 비스무스나트륨산화티타늄 화합물을 100~300℃에서 소정시간 건조시킨 후 300∼1000℃에서 열처리하여 분말화하는 제3공정을 함으로써비스무스나트륨산화티타늄 화합물을 제공할 수 있다. 도1의 전자선회절패턴을 통하여도 이상과 같은 공정으로 합성된 분말의 결정상이 비스무스나트륨산화티타늄인 것이 확인되었다. 상기 분말형태의 비스무스나트륨산화티타늄은 DTA/TG 분석을 하게 되면 솔형태의 비스무스 나트륨산화티타늄에 남아있는 유기물, 물 등이 증발하여 비스무스나트륨산화티타늄 분말을 형성하는 온도를 추정할 수 있는데, 도 2에서 나타나듯이 300~600℃에서 약 4개의 강한 발열피크가 생겼으며 이는 잔류유기물이 산화하면서 피크가 생기는 것으로 추정되며 600℃근처에서 생긴 발열피크는 유기물의 산화 및 비스무스나트륨산화티타늄 결정이 생성되면서 발생된 것으로 보인다.
600℃이상에서는 질량감소가 더 이상 발생되지 않고 일정하게 되는 것으로 보아 600℃에서 결정화가 일어나는 것으로 생각된다. 이러한 특성은 고온 XRD 측정에서도 확인되는 것으로 건조한 비스무스나트륨산화티타늄 분말을 300, 500, 700, 900℃에서 1시간 유지하여 결정생성여부를 확인한바 500℃에서는 비정질이었으나 700℃에서는 비스무스나트륨산화티타늄 결정피크가 나타났으며 이를 통해서도 비스무스나트륨산화티타늄 결정화의 온도는 600~700℃로 사료된다. 상기 분말형태의 비스무스나트륨산화티타늄 화합물을 투과전자현미경(TEM)으로 확인한 바, 분말의 입경은 약 50~100nm인 것으로 확인되었다.
또한, 본 발명에서는 포름아마이드, 시트르산, 폴리에틸렌글리콜, 폴리비닐피로리돈을 더 첨가한 후 기판에 코팅하고 건조시켜 박막화하는 제3-1공정을 더 포함할 수 있다. 상기 솔 형태의 비스무스나트륨산화티타늄 화합물을 기판위에 도포하여 박막형태로 형성시키는 공정에서 박막에 균열이 생기는 것을 방지하기 위하여건조조절조제로써 포름아마이드, 시트르산, 폴리에틸렌글리콜 및 폴리비닐피로리돈 등을 첨가한다. 상기 솔 형태의 비스무스나트륨산화티타늄 화합물을 실리콘, 석영글래스, 알루미나 기판 등의 여러 가지 기판위에 스핀코팅, 딥코팅 및 스프레이코팅 등의 방법으로 코팅할 수 있다. 스핀코팅의 경우에는 기판홀더에 기판을 장착하고 그 위에 합성한 솔 형태의 비스무스나트륨산화티타늄 화합물 전구체를 적당량 투입한 후 500~5,000 rpm의 회전속도로 스핀코터의 기판홀더를 회전시켜 기판 위에 화합물이 균일하게 도포되도록 한다. 딥코팅의 경우에는 욕조에 합성한 솔 형태의 화합물을 투입하고 일정한 속도로 상하 움직이는 모터를 이용하여 기판을 욕조에 담갔다가 꺼내는데 이때 꺼내는 속도는 10~500mm/분의 속도로 꺼낸다. 스프레이코팅의 경우에는 압축공기를 이용하여 미세한 노즐로 합성한 솔이 뿜어져 나오도록 하고 기판 위에 분무하여 기판이 코팅되도록 한다.
상기 코팅된 기판을 100~300℃의 핫플레이트나 오븐에서 5분 이상 건조시킨 후 건조된 코팅기판을 전기로나 적외선램프를 이용한 로에 넣은 후 500~1000℃에서 열처리하여 비스무스나트륨산화티타늄 박막을 얻을 수 있다. 이때 승온속도는 2~200℃/분으로 할 수 있는데 승온속도가 빠를수록 균열이 발생하지 않으며 결정성이 좋게 된다. 도 3에서는 상기 700℃에서 30분 열처리한 비스무스나트륨산화티타늄 박막과 분말형태의 비스무스나트륨산화티타늄 화합물을 각각 1150℃에서 2시간 가량 열처리한 후 소결체의 XRD패턴을 나타낸 것으로서 양자 모두 삼방결정계의 비스무스 나트륨 산화티타늄 결정상으로 나타났으며 이는 박막의 결정상이 기존의 소결체와 같다는 것을 나타내며, 원래 목적으로 하는 비스무스나트륨산화티타늄 박막이 형성되었음을 의미한다.
이하 다음의 실시 예에서는 본 발명인 비스무스나트륨산화티타늄 화합물의 제조방법에 대한 비한정적인 예시를 하고 있다.
[실시예 1]
산화비스무스와 탄산나트륨을 동일한 몰비율로 혼합하고 질산(HNO3, 60%)을 첨가시킨 후 에틸렌글리콜을 더 첨가하여 마그네틱 교반기에서 교반시킨다. 상기 용액에 티타늄테트라이소프로폭시드를 첨가하여 다시 마그네틱 교반기에서 60℃하에서 혼합하여 솔형태의 비스무스나트륨산화티타늄 화합물을 얻는다.
[실시예 2]
상기 실시예1에서 얻어진 비스무스나트륨산화티타늄 화합물을 250℃에서 24시간 건조시킨 후 전기로에서 700℃, 1시간 동안 가열하여 분말형태의 비스무스나트륨산화티타늄 화합물을 얻는다.
[실시예 3]
실시 예 1에서 얻어진 비스무스나트륨산화티타늄 화합물에 포름아마이드, 시트르산, 폴리에틸렌글리콜 및 폴리비닐피로리돈을 첨가한 후 스핀코팅장치를 이용하여 3000rpm으로 30초간 석영글래스에 코팅한 다음 200℃에서 10분간 건조시킨다. 건조시킨 다음 전기로를 이용하여 700℃에서 가열하여 박막형태의 비스무스나트륨산화티타늄 화합물을 얻는다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 제조방법에 의하면 납(Pb)를 함유하지 아니하는 비스무스나트륨산화티타늄 화합물을 화학적인 방법으로 합성할 수 있었으며, 건조 및 열처리 공정을 통하여 화학적으로 순수하며 나노미터 크기의 비스무스나트륨산화티타늄 분말을 제조하는 것이 가능하였고, 실리콘과 같은 기판 위에 코팅하고 건조 및 열처리함으로 표면균열이 발생하지 않는 균질한 비스무스나트륨산화티타늄 화합물의 박막을 제조하는 것도 가능하였다.
Claims (4)
- 비스무스화합물, 나트륨화합물 및 질산을 혼합시키는 제1공정과, 알코올계 용매 하에 용해시키고 티타늄화합물을 첨가하는 제2공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 비스무스나트륨산화티타늄 화합물의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 100~300℃에서 소정시간 건조시키고 500~1000℃에서 열처리하여 분말화하는 제3공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비스무스나트륨산화티타늄 화합물의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 포름아마이드, 시트르산, 폴리에틸렌글리콜, 폴리비닐피로리돈을 더 첨가한 후 기판에 코팅하고 건조시켜 박막화하는 제3-1공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비스무스나트륨산화티타늄 화합물의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 비스무스화합물은 질산화비스무스, 비스무스아세테이트, 산화비스무스, 비스무스알콕시드로 이루어진 군으로부터 선택한 것이고, 나트륨화합물은 탄산나트륨, 나트륨금속, 나트륨아세테이트, 나트륨알콕시드로 이루어진 군으로부터 선택한 것이고, 티타늄 화합물의 경우 염화티타늄, 티탄산, 티타늄 알콕시드로 이루어진 군으로부터 선택한 것을 특징으로 하는 비스무스나트륨산화티타늄 화합물의 제조방법.
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