KR20060134384A

KR20060134384A - 탄산세륨 나노 분말의 제조방법

Info

Publication number: KR20060134384A
Application number: KR1020050054020A
Authority: KR
Inventors: 정상윤; 최상순; 윤지호; 최정욱
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2005-06-22
Filing date: 2005-06-22
Publication date: 2006-12-28
Also published as: KR100815051B1

Abstract

본 발명은 탄산세륨 나노 분말의 제조방법에 관한 것으로, 특히 물 또는 물과 유기용매의 혼합용매 하에서 세륨염을 카보네이트 반응체와 침전반응시킴으로써 종래 수열반응보다 완화된 조건하에서 제조할 수 있으며, 동시에 최종 생성되는 입자의 형상 및 크기 조절이 용이한 탄산세륨 나노 분말의 제조방법에 관한 것이다.

탄산세륨, 나노 분말, 침전법, 카보네이트 반응체

Description

탄산세륨 나노 분말의 제조방법 {METHOD FOR PREPARING CERIUM CARBONATE NANO POWDER}

도 1은 본 발명의 일실시예에 의해 제조된 탄산세륨의 SEM 사진이다(배율: 2,000 배, 스케일 바(scale bar) 길이: 10 ㎛).

도 2는 본 발명의 일실시예에 의해 제조된 탄산세륨의 SEM 사진이다(배율: 10,000 배, 스케일 바(scale bar) 길이: 1 ㎛).

도 3은 본 발명의 일실시예에 의해 제조된 탄산세륨의 SEM 사진이다(배율: 20,000 배, 스케일 바(scale bar) 길이: 1 ㎛).

도 4는 본 발명의 일실시예에 의해 제조된 탄산세륨의 SEM 사진이다(배율: 50,000 배, 스케일 바(scale bar) 길이: 100 ㎚).

도 5는 본 발명의 일실시예에 의해 제조된 탄산세륨의 SEM 사진이다(배율: 5,000 배, 스케일 바(scale bar) 길이: 1 ㎛).

도 6은 본 발명의 일실시예에 의해 제조된 탄산세륨의 SEM 사진이다(배율: 2,000 배, 스케일 바(scale bar) 길이: 10 ㎛).

도 7은 본 발명의 일실시예에 의해 제조된 탄산세륨의 SEM 사진이다(배율: 5,000 배, 스케일 바(scale bar) 길이: 1 ㎛).

도 8은 비교예에 의해 제조된 탄산세륨의 SEM 사진이다(배율: 20,000 배, 스 케일 바(scale bar) 길이: 1 ㎛).

본 발명은 탄산세륨 나노 분말의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 종래 수열반응보다 완화된 조건하에서 제조할 수 있으며, 동시에 최종 생성되는 입자의 형상 및 크기 조절이 용이한 탄산세륨 나노 분말의 제조방법에 관한 것이다.

탄화세륨 분말을 고온에서 하소시키면서 산화세륨 분말을 얻을 수 있으며, 상기 산화세륨 분말은 유리를 색지움하고 연마용에 사용되는 외에 촉매, 자성재 등 합금으로도 많이 사용되고 있으며, 최근 반도체 산업이 발전하고 반도체의 고집적화가 진행됨에 따라 그 제조공정 중 CMP(chemical mechanical planarization) 공정에 사용되는 슬러리의 주요성분으로 주목받고 있다.

종래 산화세륨 입자의 합성방법은 기상합성법, 졸-겔법, 수열합성방법 등이 사용되었으며, 이중 수열합성방법으로 합성할 경우 구형의 나노 산화세륨을 합성할 수 있다는 장점이 있으나, 일반적으로 비표면적이 낮고 고온고압의 반응조건을 필요로 한다는 문제점이 있었다.

일반적으로 탄산세륨 제조에 이용되는 출발원료로는 염화세륨, 수산화세륨 등의 세륨염이 주로 사용되고 있으며, 특히 상기 수산화세륨은 원료가 저가인 장점이 있다.

그러나, 상기와 같이 출발원료로서 3가의 수산화세륨을 사용할 경우 상기 수 산화세륨은 산화성이 강하여 대기상태에서 일부가 4가의 수산화세륨으로 산화되며, 이렇게 산화된 4가의 수산화세륨은 탄산세륨의 원료인 염화세륨 수용액 제조시 염산에 잘 용해되지 않아 제조수율을 저하시킬 수 있다는 문제점이 있다.

또한 탄산세륨의 제조를 위하여 요소 등과 같은 반응물을 사용한 수열합성법이 많이 이용되고 있으나, 반응이 진행될수록 반응압력이 급격히 증가하므로 상업화시 안전상의 문제점이 발생하므로 엄격하게 반응조건을 지켜야하는 등 합성조건이 까다롭다는 문제점이 있다.

상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 침전법을 이용함으로써 종래 수열반응보다 완화된 조건하에서 탄산세륨 나노 입자를 제조할 수 있는 탄산세륨 나노 분말의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 최종 생성되는 입자의 형상 및 크기 조절이 용이한 탄산세륨 나노 분말의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 탄산세륨 나노 분말의 제조방법에 있어서, 물 또는 물과 유기용매의 혼합용매 하에서 세륨염을 카보네이트 반응체와 침전반응시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄산세륨 나노 분말의 제조방법을 제공한다.

이하 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명의 탄산세륨 나노 분말은 물 또는 물과 유기용매의 혼합용매 하에서 세륨염을 카보네이트 반응체와 침전반응시켜 제조되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 사용되는 상기 세륨염은 세륨 나이트레이트 또는 세륨 아세테이트 등을 사용할 수 있다.

본 발명에서 사용되는 상기 카보네이트 반응체는 요소, 탄산암모늄, 또는 중탄산암모늄 등을 사용할 수 있다.

상기와 같은 세륨염과 카보네이트 반응체는 1 : 1 내지 20 : 1의 몰비로 혼합하여 반응시키는 것이 바람직하다. 상기 몰비가 상기 범위를 벗어나는 경우에는 수율이 낮아지거나 반응용액이 용해되지 않는다는 문제점이 있다.

상기와 같은 세륨염과 카보네이트 반응체는 물 단독 또는 물과 유기용매의 혼합용매 하에서 침전반응시킨다.

본 발명에서 사용되는 유기용매는 알코올계 유기용매인 것이 바람직하며, 구체적으로 에탄올, 프로판올, 또는 부탄올 등을 사용하는 것이 좋다.

상기 용매로 물과 유기용매의 혼합용매를 사용할 경우 물과 유기용매는 1 : 0.1 내지 1 : 10의 중량비로 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다. 상기 혼합이 상기 범위를 벗어나는 경우에는 반응용액이 용해되지 않는다는 문제점이 있다.

상기 물 단독 또는 물과 유기용매의 혼합용매는 세륨염과 1 : 1 내지 1 : 20의 비율로 혼합되는 것이 바람직하며, 그 혼합비율이 상기 범위를 벗어날 에는 세륨염이 용매에 용해되지 않거나 수율이 낮아지게 된다는 문제점이 있다.

상기와 같이 물 단독 또는 물과 유기용매의 혼합용매하에서 세륨염과 카보네이트 반응체는 침전반응시켜 최종 탄산세륨 나노 분말로 제조되는데, 이때 상기 침 전반응은 20 내지 100 ℃의 온도에서 실시되는 것이 바람직하다. 상기 반응온도가 20 ℃ 미만이거나 100 ℃를 초과할 경우에는 반응이 진행되지 않거나 반응시 압력이 발생할 수 있다는 문제점이 있다.

상기와 같은 단계를 포함하는 본 발명의 탄산세륨 나노 분말의 제조방법은 침전법을 이용하여 종래 수열반응보다 완화된 조건하에서 탄산세륨 나노 입자를 제조할 수 있고, 최종 생성되는 입자의 형상 및 크기 조절이 용이하며, 특히 본 발명에 따라 제조된 탄산세륨 나노 분말은 평균입경은 10 ㎚ 내지 20 ㎛인 것이 바람직하고, 그 형상은 rod 형태, 구형, 각진 구형 등으로 제조될 수 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

실시예 1

1 L의 유리 반응기에 세륨 나이트레이트 260.5 g과 물 300 g을 투입하고 300 rpm의 교반속도로 교반하여 완전히 용해시켰다. 그 다음 요소 108.1 g을 물 300 g에 녹여 상기 반응기에 투입한 후, 300 rpm의 교반속도를 유지하면서 반응기의 내부온도를 90 ℃로 승온시켰다. 이때, 승온속도는 약 1 시간 동안 20 ℃에서 반응온도인 90 ℃까지 도달하도록 하였다. 상기 반응온도(90 ℃) 도달부터 16 시간 동안 더욱 반응시킨 후, 반응물을 배출시키고 자연냉각시켜 탄산세륨을 제조하였다.

실시예 2

1 L의 유리 반응기에 세륨 나이트레이트 325.6 g과 물 250 g을 투입하고 300 rpm의 교반속도로 교반하여 완전히 용해시켰다. 그 다음 요소 135.1 g을 물 250 g에 녹여 상기 반응기에 투입한 후, 300 rpm의 교반속도를 유지하면서 반응기의 내부온도를 96 ℃로 승온시켰다. 이때, 승온속도는 약 1 시간 동안 20 ℃에서 반응온도인 96 ℃까지 도달하도록 하였다. 상기 반응온도(96 ℃) 도달부터 16 시간 동안 더욱 반응시킨 후, 반응물을 배출시키고 자연냉각시켜 탄산세륨을 제조하였다.

실시예 3

1 L의 유리 반응기에 세륨 나이트레이트 65.1 g과 물 500 g을 투입하고 300 rpm의 교반속도로 교반하여 완전히 용해시킨 후, 여기에 중탄산암모늄 35.5 g을 20 분에 걸쳐 천천히 투입하였다. 이때, 중탄산암모늄 투입시 반응하면서 기체가 발생하므로 천천히 투입하여 반응액이 넘치지 않도록 하였다. 상기 중탄산암모늄을 분할 투입한 후, 300 rpm의 교반속도를 유지하면서 반응기의 내부온도를 90 ℃로 승온시켰다. 이때, 승온속도는 약 1 시간 동안 20 ℃에서 반응온도인 90 ℃까지 도달하도록 하였으며, 승온 중 약 20 분이 경과한 후에 물 200 g을 추가로 투입하여 교반이 지속적으로 이루어지도록 하였다. 상기 반응온도(90 ℃) 도달부터 16 시간 동안 더욱 반응시킨 후, 반응물을 배출시키고 자연냉각시켜 탄산세륨을 제조하였다.

실시예 4

1 L의 유리 반응기에 세륨 나이트레이트 65.1 g과 물 500 g을 투입하고 300 rpm의 교반속도로 교반하여 완전히 용해시킨 후, 여기에 탄산암모늄 43.2 g을 20 분에 걸쳐 천천히 투입하였다. 이때, 중탄산암모늄 투입시 반응하면서 기체가 발생하므로 천천히 투입하여 반응액이 넘치지 않도록 하였다. 상기 탄산암모늄을 분할 투입한 후, 300 rpm의 교반속도를 유지하면서 반응기의 내부온도를 88 ℃로 승온시켰다. 이때, 승온속도는 약 1 시간 동안 20 ℃에서 반응온도인 88 ℃까지 도달하도록 하였으며, 승온 중 약 20 분이 경과한 후에 물 200 g을 추가로 투입하여 교반이 지속적으로 이루어지도록 하였다. 상기 반응온도(88 ℃) 도달부터 16 시간 동안 더욱 반응시킨 후, 반응물을 배출시키고 자연냉각시켜 탄산세륨을 제조하였다.

실시예 5

1 L의 유리 반응기에 세륨 나이트레이트 52.45 g과 물 100 g 및 에탄올 70 g의 혼합용매를 투입하고 300 rpm의 교반속도로 교반하여 완전히 용해시켰다. 그 다음 요소 22.5 g을 물 80 g에 녹여 상기 반응기에 투입한 후, 300 rpm의 교반속도를 유지하면서 반응기의 내부온도를 96 ℃로 승온시켰다. 이때, 승온속도는 약 1 시간 동안 20 ℃에서 반응온도인 96 ℃까지 도달하도록 하였다. 상기 반응온도(96 ℃) 도달부터 16 시간 동안 더욱 반응시킨 후, 반응물을 배출시키고 자연냉각시켜 탄산세륨을 제조하였다.

실시예 6

1 L의 유리 반응기에 세륨 나이트레이트 54.25 g과 물 100 g 및 프로판올 70 g의 혼합용매를 투입하고 300 rpm의 교반속도로 교반하여 완전히 용해시켰다. 그 다음 요소 22.5 g을 물 80 g에 녹여 상기 반응기에 투입한 후, 300 rpm의 교반속도 를 유지하면서 반응기의 내부온도를 96 ℃로 승온시켰다. 이때, 승온속도는 약 1 시간 동안 20 ℃에서 반응온도인 96 ℃까지 도달하도록 하였다. 상기 반응온도(96 ℃) 도달부터 16 시간 동안 더욱 반응시킨 후, 반응물을 배출시키고 자연냉각시켜 탄산세륨을 제조하였다.

실시예 7

1 L의 유리 반응기에 세륨 나이트레이트 108.5 g과 물 200 g 및 부탄올 160 g의 혼합용매를 투입하고 300 rpm의 교반속도로 교반하여 완전히 용해시켰다. 그 다음 요소 45 g을 물 140 g에 녹여 상기 반응기에 투입한 후, 300 rpm의 교반속도를 유지하면서 반응기의 내부온도를 96 ℃로 승온시켰다. 이때, 승온속도는 약 1 시간 동안 20 ℃에서 반응온도인 96 ℃까지 도달하도록 하였다. 상기 반응온도(96 ℃) 도달부터 16 시간 동안 더욱 반응시킨 후, 반응물을 배출시키고 자연냉각시켜 탄산세륨을 제조하였다.

비교예 1

1 L의 고압 반응기에 세륨 나이트레이트 173.68 g과 물 200 g을 투입하고 300 rpm의 교반속도로 교반하여 완전히 용해시켰다. 그 다음 요소 72.072 g을 물 200 g에 녹여 상기 반응기에 투입한 후, 300 rpm의 교반속도를?? b지하면서 반응기의 내부온도를 160 ℃로 승온시켰다. 이때, 승온속도는 약 1 시간 동안 20 ℃에서 반응온도인 160 ℃까지 도달하도록 하였다. 상기 반응온도(160 ℃) 도달부터 2 시간 동안 더욱 반응시킨 후, 반응물을 배출시키고 자연냉각시켜 탄산세륨을 제조하였다. 이때 반응압력은 계속 증가하여 반응온도 2 시간 후에는 700 psi까지 상승 하였다.

상기 실시예 1 내지 7 및 비교예 1에서 제조한 탄산세륨의 평균입경과 입자의 형태 및 수득된 탄산세륨의 구조를 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 이때, 탄산세륨의 구조는 XRD 분석에 의해 측정하였다.

또한, 상기 실시예 1 내지 7 및 비교예 1에서 제조한 탄산세륨의 SEM 사진을 도 1 내지 8에 나타내었다. 이때, 실시예 1의 SEM 사진의 배율은 2,000 배로 스케일 바(scale bar) 길이는 10 ㎛로 표시하였고, 실시예 2의 SEM 사진의 배율은 10,000 배로 스케일 바 길이는 1 ㎛로 표시하였고, 실시예 3의 SEM 사진의 배율은 20,000 배로 스케일 바 길이는 1 ㎛로 표시하였고, 실시예 4의 SEM 사진의 배율은 50,000 배로 스케일 바 길이는 100 ㎚로 표시하였고, 실시예 5의 SEM 사진의 배율은 5,000 배로 스케일 바 길이는 1 ㎛로 표시하였고, 실시예 6의 SEM 사진의 배율은 2,000 배로 스케일 바 길이는 10 ㎛로 표시하였고, 실시예 7의 SEM 사진의 배율은 5,000 배로 스케일 바 길이는 1 ㎛로 표시하였고, 비교예 1의 SEM 사진의 배율은 20,000 배로 스케일바 길이는 1 ㎛로 표시하였다.

구분	평균입경	입자형태	입자구조
실시예 1	100 ㎚∼10 ㎛	rod 형태	Ce₂O(CO₃)₂H₂O
실시예 2	10 ㎚∼1 ㎛	rod 형태	Ce₂O(CO₃)₂H₂O
실시예 3	200 ㎚∼2 ㎛	rod 형태	Ce₂O(CO₃)₂H₂O
실시예 4	50 ㎚∼300 ㎚	구형	Ce(CO₃)OH
실시예 5	200 ㎚∼2 ㎛	각진 구형	Ce₂O(CO₃)₂H₂O
실시예 6	500 ㎚∼10 ㎛	rod 형태 + 구형	Ce₂O(CO₃)₂H₂O
실시예 7	500 ㎚∼5 ㎛	rod 형태	Ce₂O(CO₃)₂H₂O
비교예 1	100 ㎚∼1 ㎛	각진 구형	Ce(CO₃)OH

상기 표 1을 통하여, 본 발명에 따라 제조한 실시예 1 내지 7은 비교예 1과 비교하여 다양한 입자 형상의 탄산세륨 나노 분말을 제조할 수 있으며, 평균입경이 10 ㎚∼20 ㎛로 크기의 조절이 용이함을 확인할 수 있었다.

본 발명에 따른 탄산세륨 나노 분말의 제조방법은 종래 수열반응보다 완화된 조건하에서 탄산세륨 나노 입자를 제조할 수 있고, 최종 생성되는 입자의 형상 및 크기 조절이 용이한 효과가 있다.

이상에서 본 발명의 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만, 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims

탄산세륨 나노 분말의 제조방법에 있어서, 물 또는 물과 유기용매의 혼합용매 하에서 세륨염을 카보네이트 반응체와 침전반응시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄산세륨 나노 분말의 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 세륨염이 세륨 나이트레이트 또는 세륨 아세테이트인 것을 특징으로 하는 탄산세륨 나노 분말의 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 카보네이트 반응체가 요소, 탄산암모늄, 및 중탄산암모늄으로 이루어지는 군으로부터 1 종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 탄산세륨 나노 분말의 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 세륨염과 카보네이트 반응체가 1 : 1 내지 20 : 1의 몰비로 혼합하여 반응하는 것을 특징으로 하는 탄산세륨 나노 분말의 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 유기용매가 알코올계 유기용매인 것을 특징으로 하는 탄산세륨 나노 분말의 제조방법.
제5항에 있어서,

상기 알코올계 유기용매가 에탄올, 프로판올, 또는 부탄올인 것을 특징으로 하는 탄산세륨 나노 분말의 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 혼합용매가 물 : 유기용매 = 1 : 0.1 내지 1 : 10의 중량비로 혼합하여 사용되는 것을 특징으로 하는 탄산세륨 나노 분말의 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 물 단독 또는 물과 유기용매의 혼합용매가 세륨염과 1 : 1 내지 20 : 1의 비율로 혼합되는 것을 특징으로 하는 탄산세륨 나노 분말의 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 침전반응이 20 내지 100 ℃의 온도에서 실시되는 것을 특징으로 하는 탄산세륨 나노 분말의 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 탄산세륨 나노 분말의 평균입경이 10 ㎚ 내지 20 ㎛인 것을 특징으로 하는 탄산세륨 나노 분말의 제조방법.