KR20060024104A - 에멀젼을 이용한 단분산 알루미나 미립자 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에멀젼을 이용한 단분산 알루미나 미립자 제조방법에 관한 것으로서, 상기 제조방법은 최종 혼합용매 중 40 내지 60부피%의 옥탄올에 알루미늄 알콕사이드를 용해하여 옥탄올 용액을 제조하는 단계; 상기 옥탄올 용액에 용매의 합이 90부피%가 되도록 30 내지 50부피%의 디메틸설폭사이드를 첨가하여 에멀젼 용액을 제조하는 단계; 및 상기 에멀젼 용액과, 10부피%의 메탄올에 물을 용해하여 얻어진 용액을 혼합하여 알루미나 미립자 핵을 생성시키고, 반응 용액을 교반하면서 미립자 핵을 성장시키는 단계를 포함한다.

본 발명의 제조 방법에 의해, 구상이면서 평균입경이 1미크론 이하이고 응집이 없는 단분산 알루미나 미립자를 얻을 수 있다.

알루미나, 에멀젼, 미립자, 단분산

Description

에멀젼을 이용한 단분산 알루미나 미립자 제조방법{A METHOD FOR PREPARING FINE PARTICLES OF MONODISPERSED ALUMINA USING EMULSION}

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 단분산 알루미나 미립자의 투과전자현미경 사진(TEM)이다.

도 2는 비교예 1에 따라 제조된 응집체 형태의 알루미나 미립자의 투사전자현미경 사진이다.

[산업상 이용분야]

본 발명은 에멀젼을 이용한 단분산 알루미나 미립자 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 구상이면서 단분산성이 높고 1미크론(μm) 이하의 크기를 갖는 단분산 알루미나 미립자를 제조 방법에 관한 것이다.

[종래 기술]

균일한 미세구조를 갖는 고밀도의 세라믹스 제품을 신뢰성 높고 재현성 좋게 만들기 위해서는 ① 구상일 것, ② 입도분포가 좁으면서 입자간 응집이 없는 즉, 단분산 일 것, ③ 1 미크론 이하의 미립자 일 것, ④ 조성이 균일하며 고순도 일 것 등의 조건을 갖춘 원료 분말이 필요하다. 이와 같은 원료 분말을 제조하는 수단으로서, 금속알콕사이드(metal alkoxide)를 유기용매 중에서 가수분해 시키는 방법이 최근 주목되고 있다.

이 방법은 알콕사이드법 혹은 가수분해 제어법이라고 일컬어지는데, 1968년 스퇴버(stober)가 에탄올 중에서 암모니아를 촉매로 사용하면서 실리콘 알콕사이드를 가수분해 시켜 0.5 내지 1.0 미크론 정도의 크기를 갖는 구상의 실리카 미립자를 제조하면서 시작되었다. 그 후 에탄올 용매를 사용하여 티타니아 미립자(일본 공개특허공보 소화62-91418, 평성1-33939)와 지르코니아 미립자(일본 공개특허공보 소화62-91421)가 제조되었다.

그러나 상기의 종래 방법으로는 단분산 알루미나 입자를 제조할 수 없었다. 그 가장 큰 이유는 출발물질(precursor)인 알루미늄 알콕사이드의 가수분해 속도가 매우 빠르기 때문이다. 즉, 종래의 방법에서 사용하고 있는 에탄올 등의 탄소수가 적은 저급 알코올 용매만을 단독으로 사용하여서는 매우 빠른 알루미늄 알콕사이드의 가수분해 속도를 적절히 제어할 수 없기 때문에 구상의 단분산 미립자를 얻을 수 없었다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 구상이면서 입도분포가 좁고 1미크론 이하의 크기를 갖는 단분산 알루미나 미립자를 제조할 수 있는 방법을 제공하는데 있다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 최종 혼합용매 중 40 내지 60부피%의 옥탄올에 알루미늄 알콕사이드를 용해하여 옥탄올 용액을 제조하는 단계; 상기 옥탄올 용액에 용매의 합이 90부피%가 되도록 30 내지 50부피%의 디메틸설폭사이드를 첨가하여 에멀젼 용액을 제조하는 단계; 및 상기 에멀젼 용액과, 10부피%의 메탄올에 물을 용해하여 얻어진 용액을 혼합하여 알루미나 미립자 핵을 생성시키고, 반응 용액을 교반하면서 미립자 핵을 성장시키는 단계로 이루어지는 단분산 알루미나 미립자의 제조방법을 제공한다.

이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

본 발명의 제조방법은, 옥탄올(octanol), 디메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide) 및 메탄올(methanol)의 3종류로 구성된 혼합용매 중에서 알루미늄 알콕사이드를 가수분해시켜 구상이면서 입경이 균일하고 1미크론(μm) 이하의 크기를 갖는 단분산 알루미나 미립자를 제조하는 방법으로, 3종의 유기용매를 사용하여 나노크기의 에멀젼을 생성시킨 후 이를 가수분해시킴으로써 입도가 균일한 미립자를 제조하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제조방법을 적용함에 있어서, 가장 중요한 제조 원리이면서 종래방법과의 차이점은, 제조시 중간단계에서 알콕사이드를 수십 내지 수백 나노미터(nanometer) 크기의 미세한 에멀젼 상태로 만드는 것이다. 종래방법에서는 유기용매 중에서 알콕사이드에 물을 혼합함으로써 알콕사이드를 가수분해시키고, 이때 생성된 올리고머(oligomer)들이 서로 합체하여 핵을 형성하고, 일단 생성된 핵에 용매 중의 올리고머가 달라붙어 성장하여 미립자가 생성되게 된다. 이에 비하여 본 발명에서는 알콕사이드가 용해되어 있는 옥탄올 용액에 디메틸설폭사이드를 섞어, 알콕사이드를 순시(瞬時)에 수십 내지 수백 나노 크기의 액체 구슬상태(이를 "에멀젼 상태"라 함)로 만든 다음, 이 에멀젼 상태의 용액에 메탄올로 희석시킨 물을 첨가함으로써 이미 생성되어 있는 에멀젼을 가수분해시키는 독특한 방법을 사용하는 것이다. 상기 에멀젼 상태란 액체용매 중에 액체용질이 분산되어 있는 상태로서, 본 발명에서는 옥탄올과 디메틸설폭사이드의 혼합용액이 용매가 되며, 수십~수백 나노 크기의 액체 구슬상태의 알콕사이드가 용질이 된다.

알콕사이드가 에멀젼 상태로 되는 이유는 다음과 같다. 알콕사이드는 옥탄올에 잘 용해되나 디메틸설폭사이드에는 거의 용해되지 않는다. 따라서, 알콕사이드가 녹아있는 옥탄올 용액에 디메틸설폭사이드를 첨가하면, 갑자기 알콕사이드의 용해도가 감소하고 따라서 상당량(용해도가 감소한 만큼)의 알콕사이드가 액상으로 석출하여 용액 중에 분산되게 된다. 본 방법을 채택하는 이유는, 알콕사이드의 가수분해 속도가 워낙 빠르기 때문에, 종래방법의 생성기구로서는 알루미나의 단분산 미립자를 얻을 수 없기 때문이다.

상기의 원리와 생성기구를 이용한 단분산 알루미나 미립자의 제조방법을 보다 상세하게 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 최종 혼합용매 중 40 내지 60부피%의 옥탄올에 알루미늄 알콕사이드를 용해하여 옥탄올 용액을 제조한다.

이때, 본 발명에서 사용되는 알루미늄 알콕사이드로서는 예를 들면, 알루미늄 메톡사이드, 알루미늄 에톡사이드, 알루미늄 프로폭사이드 및 알루미늄 부톡사 이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 사용하는 것이 바람직하다. 알루미늄 알콕사이드의 농도는 0.05 내지 0.75mol/l로 제어하는 것이 바람직하다. 0.05mol/l 미만에서는 가수분해 생성물의 농도가 낮아 알루미나 미립자의 전단계 물질인 핵생성이 일어나지 않으며, 0.75mol/l을 넘으면 오히려 용액중에 과다한 핵이 생성되어 입자 성장 과정에서 서로 달라붙어 응집체가 생성되게 된다.

또한, 알루미늄 알콕사이드를 옥탄올에 용해할 때, 상온에서 잘 녹지 않는 경우는 약 50℃ 정도로 가열하면서 교반하면 용이하게 용해할 수 있다.

상기에서 얻어진 옥탄올 용액에, 총 용매의 합이 90부피%가 되도록 30 내지 50부피%의 디메틸설폭사이드를 첨가하여 교반하면서 혼합하여 에멀젼 용액을 제조한다.

상기 옥탄올 용액과 디메틸설폭사이드의 혼합에 의해 에멀젼 용액이 생성되므로, 이 두 용액의 혼합비는 대단히 중요하다. 옥탄올과 디메틸설폭사이드를 혼합한 후의 부피 양을 90부피%로 할 때, 이 중 디메틸설폭사이드가 차지하는 부피비는 30 내지 50부피%인 것이 바람직하다. 디메틸설폭사이드가 차지하는 부피비가 30부피% 미만 혹은 50부피%가 넘는 범위에서는 혼합성이 나쁘게 되어 구상의 미립자가 아닌 응집체가 얻어지게 되기 때문에다.

상기 에멀젼 용액과, 10부피%의 메탄올에 물을 첨가하여 얻어진 용액을 혼합하여 알루미나 미립자 핵을 생성시키고, 반응 용액을 교반하면서 생성된 미립자 핵을 성장시켜 동일크기의 단분산 알루미나 미립자를 얻는다.

메탄올 용액 제조시 물의 농도는 0.07 내지 0.55mol/l가 되도록 제어하는 것 이 바람직하다. 0.07mol/l 미만에서는 용액중에 알루미나의 콜로이드 입자가 석출되기까지 시간이 많이 걸려 실용성이 없으며 0.55mol/l를 넘으면 알루미나 미립자의 입도분포가 넓게 되어 소위 다분산으로 되거나 구상의 미립자가 아닌 응집체가 생성되게 된다.

본 발명의 방법에 의하면, 일정량의 알루미나 미립자의 핵이 생성된 후에는, 이들을 핵으로 하는 입자 성장 과정만 진행되어 즉, 후속적인 핵생성이 억제되기 때문에 단분산성이 높은 알루미나 미립자가 얻어진다.

용액의 균일한 혼합과 입자 성장이 용액 전체에서 균일하게 일어나게 하기 위하여 용액을 교반하는 것이 바람직하다. 교반 방법으로서는, 예를 들면, 마그네틱 스터러(Magnetic Stirrer)에 의한 교반, 프로펠라형 교반기에 의한 교반, 초음파를 이용한 교반 등을 들 수 있는데, 특별히 교반 방법이나 장치를 제한할 필요는 없다.

알루미나 미립자의 성장속도는 옥탄올 용액과 디메틸설폭사이드의 혼합용액에 메탄올 용액을 첨가한 후 약 1분 정도까지는 대단히 빠르지만, 입자의 성장과 함께 완만하게 되는데, 이와 같은 입자 성장은 혼합 후 약 1시간까지 지속되며 5분 경과 후의 입자크기는 최종입경의 약 90%에 달한다. 따라서, 입자 성장 시간을 적당히 선택하는 것에 의해 입경이 다른 알루미나 입자를 얻을 수 있다. 예를 들어, 30분 입자성장 시킨 후 얻어진 미립자의 크기는 약 0.40미크론이다.

상기의 제조방법에 의해 얻고자 하는 크기로 성장시킨 알루미나 미립자를 원심분리에 의해 회수하고, 이를 약 200℃로 조절된 오븐 및 진공건조기 등에서 건조 시킴으로써 구상의 단분산 알루미나 미립자를 얻을 수 있다. 생성된 알루미나 미립자의 입도 분포는 정규분포를 하고 있으며 평균입경의 ±10%이내에 전체입자의 68% 이상이 포함되어 단분산성이 매우 높은 미립자가 얻어진다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나, 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시되는 것일 뿐 본 발명이 하기하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

(실시예 1)

알루미늄 sec-부톡사이드(0.05mol/l)를 40부피% 옥탄올에 50℃의 열을 가하면서 용해한 용액에 50부피%의 디메틸설폭사이드를 첨가하여 교반하면서 혼합하였다. 이 혼합용액에 10부피%의 메탄올에 용해한 재증류수(0.07mol/l)를 혼합하여 교반하면서 가수분해를 행하였다. 그 후 상온에서 1시간 입자 성장시킨 다음 원심분리기로 생성된 미립자와 용매를 분리하고, 분리된 침전물을 200℃의 진공건조기에서 6시간 건조하였다.

이와 같이하여 얻어진 알루미나 미립자의 투사전자현미경(TEM) 사진을 도 1에 나타내었다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 얻어진 알루미나 미립자는 구상이면서 평균입경 0.4미크론이고 응집이 전혀 없는 단분산 미립자임을 알 수 있다.

(실시예 2)

알루미늄 sec-부톡사이드(0.75mol/l)를 60부피% 옥탄올에 50℃의 열을 가하면서 용해한 용액에 30부피%의 디메틸설폭사이드를 첨가하여 교반하면서 혼합하였다. 이 혼합용액에 10부피%의 메탄올에 용해한 재증류수(0.55mol/l)를 혼합하여 교반하면서 가수분해를 행하였다. 그 후 상온에서 1시간 입자 성장시킨 다음 원심분리기로 생성된 미립자와 용매를 분리하고, 분리된 침전물을 200℃의 진공건조기에서 6시간 건조하였다.

본 실시예에서 얻어진 알루미나 미립자도 실시예 1에서 얻어진 알루미나 미립자와 같이 구상이면서 평균 입경이 0.5미크론이고 응집이 전혀 없는 단분산 미립자임을 확인할 수 있었다.

(비교예 1)

알루미늄 sec-부톡사이드(0.80mol/l)를 70부피% 옥탄올에 50℃의 열을 가하면서 용해한 용액에 20부피%의 디메틸설폭사이드를 첨가하여 교반하면서 혼합하였다. 이 혼합용액에 10부피%의 메탄올에 용해한 재증류수(0.65mol/l)를 혼합하여 교반하면서 가수분해를 행하였다. 그 후 상온에서 1시간 입자 성장시킨 다음 원심분리기로 생성된 미립자와 용매를 분리하고, 분리된 침전물을 200℃의 진공건조기에서 6시간 건조하였다.

얻어진 알루미나 미립자의 투과전자현미경(TEM) 사진을 도 2에 나타냈다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 범위에서 벗어난 조건에서 얻어진 알루미나 미립자는 구상의 미립자가 아닌 응집체임을 알 수 있다.

본 발명의 제조 방법에 의해, 구상이면서 평균입경이 1미크론 이하이고 응집이 없는 단분산 알루미나 미립자를 얻을 수 있다. 이 알루미나 미립자는 균일 입경을 갖는 구상 미립자이기 때문에 세라믹스 소결체의 원료 분말로서 최적이다. 또한 전자재료, 안료, 화장품, 보석, 충진재 등의 여러가지 용도로도 이용될 수 있다.

본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (4)

1. 최종 혼합용매 중 40 내지 60부피%의 옥탄올에 알루미늄 알콕사이드를 용해하여 옥탄올 용액을 제조하는 단계;

   상기 옥탄올 용액에 용매의 합이 90부피%가 되도록 30 내지 50부피%의 디메틸설폭사이드를 첨가하여 에멀젼 용액을 제조하는 단계; 및

   상기 에멀젼 용액과, 10부피%의 메탄올에 물을 용해하여 얻어진 용액을 혼합하여 알루미나 미립자 핵을 생성시키고, 반응 용액을 교반하면서 미립자 핵을 성장시키는 단계

   로 이루어지는 단분산 알루미나 미립자의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 알콕사이드는 알루미늄 메톡사이드, 알루미늄 에톡사이드, 알루미늄 프로폭사이드 및 알루미늄 부톡사이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종인 단분산 알루미나 미립자의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 알콕사이드는 0.05 내지 0.75mol/l의 농도로 용해하는 것인 단분산 알루미나 미립자의 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 물은 0.07 내지 0.55mol/l의 농도로 용해하는 것인 단분산 알루미나 미립자의 제조방법.

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