KR20150031128A - Process for preparing co-doped vanadium dioxide with transition materials by molten method - Google Patents

Process for preparing co-doped vanadium dioxide with transition materials by molten method Download PDF

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Abstract

The present invention relates to a method for preparing vanadium dioxide particles co-doped with 2 or more transition elements. The present invention provides the method for preparing vanadium dioxide having a phase transition effect which comprises: a mixing step which evenly mixes predetermined amount of vanadate with transition elements used for co-doping; a molten step which melts the mixed powder in a furnace at high temperatures; a quick freezing step which takes out the compound from the furnace and quick freezes the compound; a plasticizing step for removing absorbed moisture; a reduction step which reduces using ammonia and nitrogen gas; and a heat treating step which heat treats and stabilizes the reduced powder. The method for preparing vanadium dioxide co-doped with transition elements according to the present invention reduces transition temperature down to room temperature and can prepare stabilized vanadium dioxide powder using a general process. The prepared powder can be easily applied to a film for heat transition after being dispersed. Also the vanadium dioxide fine particles co-doped with transition elements can selectively transmit and reflect infrared ray according to temperature, thereby being able to be applied to glasses of buildings and and vehicles and highly reducing energy.

Description

용융법을 이용하여 전이원소가 코-도핑된 이산화바나듐의 제조 방법 {PROCESS FOR PREPARING CO-DOPED VANADIUM DIOXIDE WITH TRANSITION MATERIALS BY MOLTEN METHOD}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a method for producing vanadium dioxide in which a transition element is co-doped using a melting method,

본 발명은 전이금속이 코-도핑된 이산화바나듐의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 용융법을 이용하여 상전이 효과가 우수한 전이금속 코-도핑된 이산화 바나듐을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a process for preparing vanadium dioxide in which a transition metal is co-doped, and more particularly to a process for preparing a transition metal co-doped vanadium dioxide having a good phase transition effect by using a melting method.

최근 석유 등의 화학 에너지원의 가격이 급등하면서 에너지 소비를 조절하는 것이 중요하다. 실제로 일반 가정의 에너지 소비량 중 60% 이상은 냉 난방비로 사용되며, 특히 일반 주택 및 건물에서 창문을 통해 손실되는 에너지는 45%에 이른다.Recently, it is important to control energy consumption as the prices of chemical energy sources such as petroleum surge. In fact, more than 60% of household energy consumption is used for heating and cooling, and 45% of energy is lost through windows in general houses and buildings.

이와 같이 창문을 통해 소비되는 에너지를 줄이기 위하여 다양한 방법들이 시도되고 있다. 대표적으로 창문의 크기를 조절하는 방법에서부터 고단열 창유리를 설치하는 방법까지 에너지 절약을 위한 각종 노력을 하고 있다.Various methods have been attempted to reduce the energy consumed through windows. Typically, various efforts are made to save energy from the method of adjusting the window size to the method of installing the high insulating windowpane.

특히, 고단열 창유리 중에서 일정한 온도에서 상전이가 일어나는 써모크로믹(thermochromic) 소재를 유리에 코팅하여 가시광선 투과율을 통해 에너지 유입을 조절하는 써모크로믹 유리가 연구되고 있다. 이와 같은 써모크로믹 유리는 빛의 투과도나 반사율을 마음대로 조절활 수 있는 '스마트 윈도우(smart window)'라고 부른다. Especially, thermochromic glass which controls the energy inflow through visible light transmittance by coating a thermochromic material, which has a phase transition at a constant temperature, on a glass is studied. Such a thermochromic glass is called a 'smart window' that can control light transmittance and reflectance freely.

상기 써모크로믹 유리의 대표적인 재료는 바나듐 산화물의 여러 형태 중 하나인 이산화바나듐이 있으며, 이 이산화바나듐은 68 ℃의 상전이 온도를 기준으로 하여 적외선 영역의 광투과도 및 반사도가 크게 변하는 특성인 써모크로믹 특성을 갖고 있다. The representative material of the thermochromic glass is vanadium dioxide, which is one of various forms of vanadium oxide. The vanadium dioxide is thermochromic, which is a characteristic that the light transmittance and reflectivity in the infrared region are greatly changed based on the phase transition temperature of 68 캜 .

써모크로믹 특성을 가지는 이산화바나듐은 전이온도 이하에서는 단사정계(monoclinic) 구조를 가지고, 전이온도 이상에서는 정방정계 루타일(tetragonal rutile) 구조를 가지게 된다. 이와 같이 전이온도를 중심으로 상전이를 일으키는 전이재료는 온도가 감소함에 따라 전이온도 부근에서 상전이가 일어나며, 이산화바나듐의 전기적, 광학적 특성은 코팅층의 미세구조, 격자 변형(lattice strain)에 따라 전이온도, 히스테리시스(hysterisis) 폭, 비저항 차이 등에 영향을 받는다.The vanadium dioxide with thermochromic characteristics has a monoclinic structure below the transition temperature and a tetragonal rutile structure above the transition temperature. The electrical and optical properties of the vanadium dioxide depend on the microstructure of the coating layer and the lattice strain, and the transition temperature, which depends on the lattice strain, The hysteresis width, and the resistivity difference.

일반적으로 이산화바나듐 입자를 제조하는 방법으로는 수열합성(hydrothermal synthesis) 또는 졸-겔(sol-gel)을 통해 오산화바나듐(V2O5)을 바나듐 수화물 형태로 만들어 이산화바나듐 입자를 얻는 방법도 알려져 있다. 그러나, 이러한 경우 높은 이산화바나듐의 수율을 얻기 위해 반응 시 사용되는 다량의 용매와 결정화에서 장시간의 반응 시간을 요구한다. 또한, 물리적인 합성 변수의 최적화를 찾는데 있어 많은 시간을 필요하며, 양산시 발생되는 초기 공정 설치 비용이 고가인 문제가 있다.Generally, as a method for producing vanadium dioxide particles, it is known that vanadium pentoxide (V 2 O 5 ) is converted into vanadium hydrate form through hydrothermal synthesis or sol-gel to obtain vanadium dioxide particles have. However, in such a case, a large amount of solvent used in the reaction and a long reaction time in crystallization are required to obtain a high yield of vanadium dioxide. Also, it takes a lot of time to find the optimization of the physical synthesis parameters, and there is a problem that the initial process installation cost incurred in mass production is expensive.

한편, 환원제 들을 이용하여 반응 후 고온에서 열분해 하여 검푸른색의 이산화바나듐을 제조하거나 오산화바나듐(V2O5), 바나딜클로라이드(VOCl2), 바나듐설페이트(VOSO4) 등의 전구체를 높은 온도에서 용융하여 제조하는 방법이 있다. 환원제를 사용하는 방법의 경우에 전구체를 이용하여 이산화바나듐을 생성하는 과정에서 환원제가 상대적으로 과량으로 사용되어 경제적인 비용을 많이 초래하는 단점이 있다. On the other hand, after the reaction using the reducing agents, the vanadium dioxide vanadium (V 2 O 5 ), vanadyl chloride (VOCl 2 ) and vanadium sulfate (VOSO 4 ) precursors are pyrolyzed at a high temperature Followed by melting. In the case of using a reducing agent, a reducing agent is relatively excessively used in the process of producing vanadium dioxide using a precursor, which is disadvantageous in that it is economically costly.

따라서, 양산시 발생되는 초기 공정 설치 비용 및 고가의 텅스텐이나 환원제 사용에 따른 비용 증대를 최소화하며, 상전이 온도의 미세조정이 가능하여 실온 부근으로 상전이 온도를 낮출 수 있는 세라믹 입자 제조 공정 개발에 대한 연구가 필요하다.Therefore, a study on the development of a ceramic particle manufacturing process which can minimize the initial process installation cost and cost increase due to the use of expensive tungsten or reducing agent, which can be made at the time of mass production, need.

본 발명은 용융(molten)법의 공정을 사용함으로써 비용 및 환경적인 부담을 경감시키면서 더 작은 입자 크기와 결정성이 좋고, 상전이 효율이 높은 전이금속이 코-도핑된 이산화바나듐의 제조 방법을 제공하고자 한다. The present invention provides a method for producing vanadium dioxide which is co-doped with a transition metal having a smaller particle size and crystallinity and a high phase transformation efficiency while reducing the cost and environmental burden by using a molten process do.

또한, 본 발명은 상기 방법에 따라 제조되는 전이금속 2종 이상이 코-도핑된 이산화바나듐을 제공하고자 한다. In addition, the present invention is intended to provide co-doped vanadium dioxide of at least two transition metals prepared according to the above process.

본 발명은 바나듐염과 2종 이상의 전이금속 화합물을 균일하게 혼합한 후에, 700 ℃ 내지 1,000 ℃의 온도에서 용융(molten)하는 단계; 상기 용융된 화합물을 급냉시킨 후에, 소성 공정을 통해 수분을 제거하는 단계; 상기 소성된 화합물을 암모니아와 질소가스에 의해 환원시키는 단계; 및 상기 환원된 화합물을 500 ℃ 내지 800 ℃의 온도에서 열처리하는 단계; 를 포함하고, 상기 바나듐염과 전이 금속 화합물은 바나듐 원소와 전이 금속 원소의 총합을 기준으로 전이 금속 원소의 함량이 0.01 at% 내지 5.5 at%가 되도록 반응시키는 전이금속이 도핑된 이산화바나듐의 제조 방법을 제공한다. The present invention relates to a process for producing a vanadium salt, which comprises homogeneously mixing a vanadium salt and two or more transition metal compounds, and then molten at a temperature of 700 ° C to 1,000 ° C; After the molten compound is quenched, removing moisture through a firing process; Reducing the calcined compound with ammonia and nitrogen gas; And heat treating the reduced compound at a temperature of 500 ° C to 800 ° C; Wherein the vanadium salt and the transition metal compound are reacted such that the content of the transition metal element is 0.01 at% to 5.5 at% based on the total of the vanadium element and the transition metal element, .

본 발명은 또한, 상기 방법에 따라 제조되는 전이금속이 도핑된 이산화바나듐을 제공한다. The present invention also provides vanadium dioxide doped with a transition metal prepared according to the method.

이하, 발명의 구체적인 구현예에 따른 전이금속이 코-도핑된 이산화바나듐의 제조 방법 및 이로부터 제조되는 전이금속이 코-도핑된 이산화바나듐에 대하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 이는 발명의 하나의 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니며, 발명의 권리범위 내에서 구현예에 대한 다양한 변형이 가능함은 당업자에게 자명하다. Hereinafter, a method for producing a co-doped vanadium dioxide according to a specific embodiment of the present invention and a transition metal co-doped vanadium prepared from the vanadium dioxide will be described in detail. It is to be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

본 명세서 전체에서 특별한 언급이 없는 한 "포함" 또는 "함유"라 함은 어떤 구성 요소(또는 구성 성분)를 별다른 제한 없이 포함함을 지칭하며, 다른 구성 요소(또는 구성 성분)의 부가를 제외하는 것으로 해석될 수 없다.&Quot; Including "or" containing ", unless the context clearly dictates otherwise throughout the specification, refers to any element (or component) including without limitation, excluding the addition of another component .

본 발명은 바나듐염과 코-도핑에 사용되는 전이금속의 2종을 균일하게 혼합하여 시초분말을 혼합시켜, 상기 혼합분말을 퍼니스에서 고온으로 용융(molten)을 시키고, 상기의 화합물을 퍼니스에서 꺼내어 증류수에 급냉시키는 단계, 흡습된 수분을 제거하기 위한 소성단계, 상기의 분말을 암모니아와 질소 가스에 의해 환원시키는 환원 단계 및 상기 환원된 분말 입자를 열처리하여 안정화시키는 열처리 단계를 통해 상전이 효과가 좋은 전이금속이 코-도핑된 이산화 바나듐 미세 입자를 효과적으로 제조할 수 있다. In the present invention, the vanadium salt and the transition metal used for co-doping are uniformly mixed to mix the starting powder, the molten mixture is molten at a high temperature in the furnace, the compound is taken out from the furnace A step of quenching the distilled water, a step of firing to remove the moisture absorbed, a step of reducing the powder by ammonia and nitrogen gas, and a step of heat treatment in which the reduced powder particles are heat- It is possible to effectively manufacture a metal-co-doped vanadium dioxide fine particle.

특히, 기존의 방식에서는 환원제를 과량 사용하여 경제적인 비용 증가시키는 문제가 있음에 따라, 본 발명은 용융법을 이용하여 상전이 효과가 우수한 전이금속 코-도핑된 이산화 바나듐을 제조하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에서와 같이 용융법을 적용하는 경우, 혼합 분말을 도가니에 넣어 퍼니스에 장입하고 퍼니스의 온도를 융점 보다 높은 온도에서 유지하여 바나듐염 분말을 용융시킨 후 열분해하여 이산화바나듐을 제조할 수 있다. 이 방법은 다른 제조 방법에 비해 상대적으로 용매의 사용량이 적어, 경제적으로 우수한 방법이다. 그리고, 특별한 제어 장치 없이 한번에 도핑물질 및 전구체를 모두 혼합하여 한번에 융점 보다 높은 온도에서 분말을 용융시키기 때문에 제조가 용이하다는 장점이 있다. In particular, in the conventional method, there is a problem that an excessive amount of a reducing agent is used to increase an economical cost. Accordingly, the present invention is characterized in that transition metal co-doped vanadium dioxide having excellent phase transition effect is produced using a melting method. In the case of applying the melting method as in the present invention, vanadium dioxide can be produced by charging the mixed powder into a crucible, charging the furnace into the furnace, holding the temperature of the furnace at a temperature higher than the melting point, melting the vanadium salt powder and pyrolyzing. This method is economically superior because it uses less solvent than other production methods. In addition, since the powder is melted at a temperature higher than the melting point at a time by mixing the doping material and the precursor all at once without special control device, the manufacturing is easy.

일반적으로 써모크로믹 특성을 가지는 이산화바나듐은 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 니오븀(Nb) 등의 높은 원자가를 갖는 전이금속을 적어도 하나 이상 도핑하여 사용하면 도핑되는 물질(불순물)이 이산화바나듐의 격자(lattice) 구조 사이에 침투되어 상전이 온도를 실온에 가까운 온도로 낮추며 첨가하는 양 조절을 통해 전이 온도 또한 조절할 수 있다. 또한, 전이금속들 중 텅스텐의 경우 텅스텐이 단일 도핑 된 경우에 비하여 텅스텐과 다른 전이금속을 코-도핑을 할 경우 두가지 원소가 독립적으로 작용함으로써 상전이온도의 미세조정이 가능하여 실온 부근으로 상전이온도를 내리는데 용이하다. 이와 더불어, 고가의 텅스텐의 사용량을 줄임으로써 세라믹 입자 제조 공정의 경제적인 부담을 낮출 수 있다.In general, when vanadium dioxide having thermochromic characteristics is doped with at least one transition metal having a high valence such as tungsten (W), molybdenum (Mo), or niobium (Nb), the doped material (impurity) The transition temperature can also be controlled by adjusting the amount of the impurity introduced between the lattice structure of the substrate and the phase transition temperature to a temperature close to room temperature. In addition, in the case of tungsten among the transition metals, when the tungsten and the other transition metal are co-doped, the two elements act independently of each other, so that the phase transition temperature can be finely adjusted and the phase transition temperature It is easy to get off. In addition, the economic burden of the ceramic particle manufacturing process can be reduced by reducing the amount of expensive tungsten used.

발명의 일 구현예에 있어서, 본 발명은 용융법을 통해 분산 및 열전이 특성이 우수한 전이금속이 코-도핑된 이산화바나듐의 제조 방법을 제공한다. 상기 전이금속이 코-도핑된 이산화바나듐의 제조 방법은 바나듐염과 2종 이상의 전이금속 화합물을 균일하게 혼합한 후에, 700 ℃ 내지 1,000 ℃의 온도에서 용융(molten)하는 단계; 상기 용융된 화합물을 급냉시킨 후에, 소성 공정을 통해 수분을 제거하는 단계; 상기 소성된 화합물을 암모니아와 질소가스에 의해 환원시키는 단계; 및 상기 환원된 화합물을 500 ℃ 내지 800 ℃의 온도에서 열처리하는 단계;를 포함한다. In one embodiment of the present invention, the present invention provides a method for producing vanadium dioxide in which a transition metal having excellent dispersion and thermoelectric properties is co-doped through a melting process. The method for producing vanadium dioxide in which the transition metal is co-doped includes the steps of uniformly mixing a vanadium salt and two or more transition metal compounds, and then molten at a temperature of 700 ° C to 1,000 ° C; After the molten compound is quenched, removing moisture through a firing process; Reducing the calcined compound with ammonia and nitrogen gas; And heat treating the reduced compound at a temperature of 500 ° C to 800 ° C.

특히, 본 발명에 따른 전이금속이 도핑된 이산화바나듐의 제조 방법은 바나듐염과 전이 금속 화합물은 바나듐 원소와 전이 금속 원소의 총합을 기준으로 전이 금속 원소의 함량이 0.01 at% 내지 5.5 at%, 바람직하게는 0.1 at% 내지 5.3 at%, 좀더 바람직하게는 0.5 at% 내지 5.2 at%가 되도록 반응시킬 수 있다. 여기서, 전이 금속 화합물의 함량이 0.01 at% 미만으로 첨가될 경우에는 이산화바나듐 막의 전이온도 낮춤 효과가 미약하고, 5.5 at%를 초과하는 경우에는 이산화바나듐 막의 상전이 되는 온도 범위가 매우 넓게 나타나므로 열변색 소자로서의 특성이 좋지 않다. In particular, the method for producing vanadium dioxide doped with a transition metal according to the present invention is characterized in that the vanadium salt and the transition metal compound have a transition metal element content of 0.01 at% to 5.5 at% based on the total of the vanadium element and the transition metal element, The reaction can be carried out at 0.1 at% to 5.3 at%, more preferably at 0.5 at% to 5.2 at%. Here, when the content of the transition metal compound is less than 0.01 at%, the effect of lowering the transition temperature of the vanadium dioxide film is weak. When the content of the transition metal compound exceeds 5.5 at%, the phase transition temperature of the vanadium dioxide film is very wide. The characteristics as a device are not good.

본 발명은, 분말 상태가 안정하고 나노 크기를 갖는 입자로 이루어지며, 산화바나듐(VO2)막을 형성하였을 때, 전이온도가 68 ℃보다 낮은 값을 나타내는 전이금속이 코-도핑된 이산화바나듐의 제조방법을 제시한다. 여기서 나노 크기라 함은 나노미터(nm) 단위를 갖는 크기로서 100 nm 이상이고 1 ㎛ 미만의 크기를 의미하는 것으로 사용한다.The present invention relates to a process for the preparation of co-doped vanadium dioxide in which a transition metal exhibiting a transition temperature of lower than 68 ° C is formed of particles having a stable powder state and having a nano-size, and a vanadium oxide (VO 2 ) We suggest a method. Here, the nano size refers to a size having a unit of nanometer (nm), which means a size of 100 nm or more and less than 1 탆.

본 발명의 출발물질로서 바나듐 화합물 또는 이 화합물의 수화물이나 유도체를 사용하는데, 상기 바나듐염은 오산화바나듐(V2O5), 바나딜설페이트(VOSO4), 바나딜 클로라이드(VOCl2), 바나딜 아세틸아세토네이트[VO(C5H7O2]로 이루어지는 군에서 1종 이상을 선택하여 사용할 수 있다. 특히, 경제적인 측면에서 가격 대비 높은 수율을 얻을 수 있는 오산화바나듐(V2O5)이 사용되는 것이 바람직하다. As the starting material of the present invention, a vanadium compound or a hydrate or derivative of the compound is used. The vanadium salt may be at least one selected from vanadium pentoxide (V 2 O 5 ), vanadyl sulfate (VOSO 4 ), vanadyl chloride (VOCl 2 ) acetylacetonate [VO (C 5 H 7 O 2] groups in can be used to select one or more particular, vanadium pentoxide (V 2 O 5 to obtain a high yield for money economically made of a) a Is preferably used.

또한, 상기 출발물질 중 나머지 하나인 전이금속 화합물은 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 티타늄(Ti), 주석(Sn), 및 안티몬(Sb)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 전이금속 원소를 포함하는 화합물로 2종 이상을 사용할 수 있다. 이 중에서, 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo) 등이 성능 측면에서 바람직하다. 특히, 상기 전이금속 화합물은 텅스텐산, 텅스텐산 암모늄, 텅스텐산나트륨, 및 그의 수화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 텅스텐 화합물; 몰리브덴산암모늄, 몰리브덴산나트륨, 및 그의 수화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 몰리브덴 화합물; 이산화티타늄, 황산티타늄 및 그의 수화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 티타늄 화합물; 이산화주석, 주석염 및 그의 수화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 주석 화합물; 또는 삼산화안티몬, 사산화안티몬 및 그의 수화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 안티몬 화합물을 사용할 수 있다. 예컨대, 상기 전이금속 화합물은 텅스텐산수화물 (H2WO4ㆍnH2O), 텅스텐산암모늄 ((NH4)2WO4ㆍ5H2O), 텅스텐산나트륨 수화물 (Na2WO4ㆍ2H2O) 등의 텅스텐 화합물과, 몰리브덴산암모늄 [(NH4)6Mo7O24ㆍ4H2O], 몰리브덴산나트륨 (Na2MoO4) 등의 몰리브덴 화합물이 사용될 수 있다.The transition metal compound which is the other one of the starting materials may be at least one transition metal element selected from the group consisting of tungsten (W), molybdenum (Mo), titanium (Ti), tin (Sn), and antimony Two or more kinds of compounds may be used. Of these, tungsten (W), molybdenum (Mo) and the like are preferable from the viewpoint of performance. In particular, the transition metal compound may be at least one tungsten compound selected from the group consisting of tungstic acid, ammonium tungstate, sodium tungstate, and a hydrate thereof; At least one molybdenum compound selected from the group consisting of ammonium molybdate, sodium molybdate, and hydrate thereof; At least one titanium compound selected from the group consisting of titanium dioxide, titanium sulfate, and hydrates thereof; At least one tin compound selected from the group consisting of tin dioxide, tin salts and hydrates thereof; Or one or more antimony compounds selected from the group consisting of antimony trioxide, antimony tetraoxide and hydrates thereof. For example, the transition metal compound is tungsten arithmetic cargo (H 2 WO 4 and nH 2 O), tungstic acid, ammonium ((NH 4) 2 WO 4 and 5H 2 O), sodium tungstate hydrate (Na 2 WO 4 and 2H 2 O) and molybdenum compounds such as ammonium molybdate [(NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 .4H 2 O] and sodium molybdate (Na 2 MoO 4 ) can be used.

이하에서는 본 발명의 바람직한 일 구현예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다. 도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전이원소 화합물 2종이 코-도핑된 이산화바나듐 분말의 제조 공정 순서도이다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a flow chart of a process for producing co-doped vanadium dioxide powder of two transition metal compound compounds according to a preferred embodiment of the present invention. FIG.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 이산화바나듐의 제조방법은 바나듐염과 코-도핑에 사용되는 전이원소를 균일하게 혼합하는 시초분말 혼합단계(P01), 상기 시초분말을 퍼니스에서 고온으로 용융(molten)시키는 단계(P02), 상기의 화합물을 퍼니스에서 꺼내어 증류수에 급냉시키는 단계(P03), 흡습된 수분을 제거하기 위한 소성단계(P04), 상기의 분말을 암모니아와 질소가스에 의해 환원시키는 환원단계(P05) 및 상기 환원된 분말입자를 열처리하여 안정화시키는 열처리단계(P06)를 구비하는 것을 특징으로 한다. As shown in FIG. 1, a method for producing vanadium dioxide according to the present invention includes a starting powder mixing step (P01) for uniformly mixing a vanadium salt and a transition element used for co-doping, a step for mixing the starting powder with a molten (P02), removing the compound from the furnace and quenching it with distilled water (P03), firing to remove moisture (P04), reducing the powder with ammonia and nitrogen gas A reducing step (P05), and a heat treatment step (P06) for stabilizing the reduced powder particles by heat treatment.

상기 시초분말 제조단계(P01)에서 사용되는 바나듐 화합물은 화학식1로 표시되는 바나딜염이 될 수 있다. 특히, 본 발명에서 상기 바나듐염은 오산화바나듐(V2O5), 바나듐 설페이트(VOSO4, vanadyl sulfate), 바나딜 클로라이드(VOCl2, vanadyl chloride), 및 바나딜 아세틸아세토네이트[VO(C5H7O2)2, vanadyl acetylacetonate] 등으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있으며, 가격 대비 높은 수율을 얻을 수 있는 경제적인 측면에서 바나듐 설페이트가 바람직하다. 여기에서 수화물(·nH2O, 여기서 n은 1 내지 20의 정수임) 형태로도 사용할 수 있다. The vanadium compound used in the starting powder preparation step (P01) may be the vanadyl salt represented by the formula (1). Specifically, the vanadium salt in the present invention are vanadium pentoxide (V 2 O 5), vanadium sulfate (VOSO 4, vanadyl sulfate), vanadyl chloride (VOCl 2, vanadyl chloride), and vanadyl acetylacetonate [VO (C 5 H 7 O 2 ) 2 , vanadyl acetylacetonate] and the like, and vanadium sulfate is preferable from the viewpoint of economical efficiency in obtaining a high yield relative to the price. Here, the hydrate (.nH 2 O, where n is an integer of 1 to 20) can also be used.

[화학식 1][Chemical Formula 1]

VOX2 VOX 2

식 중, X는 설페이트기, 할로겐기, 또는 아세틸아세토기이다. Wherein X is a sulfate group, a halogen group, or an acetylaceto group.

또한, 상기 출발물질 중 나머지 하나인 전이 금속 화합물은 텅스텐(W) 계열 중 텅스텐산 수화물(H2WO4·nH2O), 텅스텐산 나트륨 수화물(Na2WO4·2H2O) 및 텅스텐산 암모늄[(NH4)10H2(W2O7)6] 등을 포함하는 것들 중 1종 이상, 몰리브덴(Mo) 계열은 몰리브덴산 수화물 (MoO3ㆍH2O), 몰리브덴산 암모늄((NH4)2MoO4) 및 몰리브덴산 나트륨 수화물(Na2MoO4ㆍH2O)등을 포함하는 것들 중 1종 이상, 티탄(Ti)계열은 이산화티타늄(TiO2) 주석(Sn)계열은 이산화주석(SnO)등을 포함하는 것들 중 1종 이상, 안티몬(Sb)계열은 삼산화안티몬(Sb2O3) 등을 포함하는 것들 중 1종 이상이 있으며, 각 계열별로 이루어진 군에서 선택된 2종 이상이 될 수 있다. The transition metal compound, which is the other one of the starting materials, is selected from the group consisting of tungstic acid hydrate (H 2 WO 4 .nH 2 O), sodium tungstate hydrate (Na 2 WO 4 .2H 2 O) and tungstic acid Ammonium molybdate (MoO 3 .H 2 O), ammonium molybdate (((NH 4 ) 10 H 2 (W 2 O 7 ) 6 ] NH 4 ) 2 MoO 4 ) and sodium molybdate hydrate (Na 2 MoO 4 .H 2 O), and the titanium (Ti) series is one of titanium (TiO 2 ) tin (Sn) (SnO), and antimony (Sb) series include at least one of antimony trioxide (Sb 2 O 3 ) and the like, and two kinds Or more.

상기의 바나듐염 분말 1종 이상과 전이 금속 화합물 중 2종 이상의 분말을 정해진 무게 비에 따라 준비하고, 전이 금속 화합물의 경우 도핑량을 0.01 at% 내지 5.5 at%(atomic percent, 원자%)가 되도록 넣는다. 이때 전이 금속 화합물 분말의 함량이 0.01 at% 미만일 경우에는 이산화바나듐 막의 전이온도 낮춤 효과가 미약하고, 5.5 at%를 초과하는 경우에는 이산화바나듐 막의 상전이 되는 온도 범위가 매우 넓게 나타나므로 열변색 소자로서의 특성이 좋지 않다. At least one of the above-mentioned vanadium salt powders and at least two of the transition metal compounds are prepared according to a predetermined weight ratio, and in the case of the transition metal compound, the doping amount is set to 0.01 at% to 5.5 at% (atomic percent, atomic%) . When the content of the transition metal compound powder is less than 0.01 at%, the effect of lowering the transition temperature of the vanadium dioxide film is insufficient. When the content of the transition metal compound powder is higher than 5.5 at%, the phase transition temperature of the vanadium dioxide film is very wide. This is not good.

칭량된 산화물 분말들을 균일하게 혼합하여 퍼니스(furnace)에 넣는다.The weighed oxide powders are homogeneously mixed and placed in a furnace.

상기의 용융(molten)단계(P02)에서는 퍼니스의 온도를 바나듐염의 융점(melting point) 보다 높은 온도(예컨대, 700~1,000 ℃)로 올려준다. 퍼니스의 온도는 5~50 ℃/min의 승온 속도로 온도를 올려주는 것이 바람직하다. 예를들어, 오산화바나듐(V2O5)의 융점은 690 ℃ 이고, 퍼니스의 온도가 690 ℃ 이상이 되면 오산화바나듐(V2O5) 분말은 용융되기 시작한다. 바나듐염의 분말을 융점보다 높은 온도에서 일정 시간(예컨대 5분~1시간) 동안 유지하여 바나듐염 분말이 완전하게 용융될 수 있게 한다. 바나듐염 분말의 용융을 위한 퍼니스의 온도는 700~1,000 ℃ 정도인 것이 바람직하다. 700 ℃ 미만일 경우에는 미처 용융되지 않는 바나듐염 분말이 있을 수 있으므로 바람직하지 않고, 1,000 ℃를 초과하는 경우에는 에너지 소모가 많을 뿐만 아니라 생산 시간도 오래 걸려 비경제적이며 일부의 바나듐염이 휘발될 수도 있으므로 바람직하지 않다. In the molten step (P02), the temperature of the furnace is raised to a temperature higher than the melting point of the vanadium salt (for example, 700 to 1,000 DEG C). The temperature of the furnace is preferably raised at a temperature raising rate of 5 to 50 DEG C / min. For example, the melting point of vanadium pentoxide (V 2 O 5 ) is 690 ° C., and when the temperature of the furnace is higher than 690 ° C., vanadium pentoxide (V 2 O 5 ) powder starts to be melted. The powder of the vanadium salt is maintained at a temperature higher than the melting point for a predetermined time (for example, 5 minutes to 1 hour) so that the vanadium salt powder can be completely melted. The temperature of the furnace for melting the vanadium salt powder is preferably about 700 to 1,000 ° C. If the temperature is lower than 700 ° C, the vanadium salt powder may not be melted and may not be melted. If the temperature is higher than 1,000 ° C., not only the energy consumption is high but also the production time is long, It is not preferable.

바나듐염 분말을 녹인 후, 바나듐염과 전이금속이 담긴 화합물을 퍼니스에서 꺼내어 준비해둔 탈이온수(DI Water)가 50~300 mL 담긴 용기(Bottle)에 급냉 시킨다. After dissolving the vanadium salt powder, the compound containing the vanadium salt and the transition metal is taken out of the furnace and quenched into a container containing 50 to 300 mL of prepared DI water.

상기의 증류수에 급냉시키는 단계(P03)는 급냉되어 형성된 전이금속 2종이 함유된 바나듐염의 졸 입자가 응집되는 것을 억제한다. The step (P03) of quenching the above-mentioned distilled water prevents quenching of the sol particles of the vanadium salt containing the two transition metals formed by rapid cooling.

이후 소성단계(P04)에서는 300~600 ℃의 온도 범위에서 수행하는 것이 적당하며, 30분~3시간 동안 유지하여 급냉 단계에서 흡습된 수분을 제거할 목적으로 이 단계를 거친다. In the subsequent firing step (P04), it is suitably carried out in the temperature range of 300 to 600 ° C, and is maintained for 30 minutes to 3 hours to carry out this step for the purpose of removing the moisture absorbed in the quenching step.

상기 환원단계(P05)에서는 상기의 소성단계(P04)를 거친 화합물을 5~50 mL/min의 암모니아(NH3)기체 흐름조건과 50~200 mL/min 의 질소(N2) 기체 흐름 조건으로 400~700 ℃의 온도조건에서 1~5 시간 동안 환원시킨다. 환원 조건에 도달하기 위하여 2~4 ℃/min의 조건으로 승온시키며, 환원이 완료되었을 때는 2~4 ℃/min의 조건으로 서냉하여 실온에 도달하게 한다.In the reduction step (P05) in a subjected to the firing step (P04) compound of ammonia 5 ~ 50 mL / min (NH 3) gas flow conditions, and 50 to nitrogen of 200 mL / min (N 2) gas flow conditions At a temperature of 400 to 700 ° C for 1 to 5 hours. The temperature is raised at a rate of 2 to 4 ° C / min to reach the reduction condition, and when the reduction is completed, the temperature is slowly cooled to 2 to 4 ° C / min to reach the room temperature.

이 과정에서 전이금속 원자는 이산화바나듐의 결정 속으로 균일하게 들어가게 되어 전이금속이 코-도핑된 이산화바나듐의 결정을 형성하게 된다.In this process, the transition metal atoms are uniformly introduced into the crystals of vanadium dioxide, so that the transition metal forms co-doped vanadium dioxide crystals.

상기 환원된 분말입자를 열처리하여 안정화시키는 열처리단계(P06)에서는 상기의 환원단계(P05)를 거친 화합물을 5~100 mL/min의 질소(N2) 기체 흐름 조건으로 500~800 ℃의 온도 조건에서 1~6 시간 동안 열처리 공정을 수행할 수 있다. A heat treatment step (P06) in a subjected to the reduction step of (P05) a compound of nitrogen of 5 ~ 100 mL / min (N 2) temperature of 500 ~ 800 ℃ the gas flow conditions to be stabilized by heat treatment to the reduced powder For 1 to 6 hours.

한편, 발명의 다른 일 구현예에 있어서, 본 발명은 상술한 바와 같은 방법으로 제조된 전이금속이 코-도핑된 이산화바나듐을 제공한다. 상기 전이금속이 도핑된 이산화바나듐은 상온에서 단사정계(monoclinic)의 결정구조를 가지며, 상전이 온도보다 높은 온도에서는 정방정계(tetragonal) 결정으로 변하게 된다. 또한, 상기 전이금속이 도핑된 이산화바나듐은 1 ㎛ 미만 또는 980 nm 이하, 예컨대, 30 내지 980 nm의 나노 크기를 갖는 미세 입자이다. 상기 전이금속이 도핑된 이산화바나듐은의 입자 크기는 바람직하게는 50 내지 900 nm, 좀더 바람직하게는 80 내지 800 nm, 더욱 바람직하게는 100 내지 600 nm가 될 수 있다. On the other hand, in another embodiment of the present invention, the present invention provides co-doped vanadium dioxide in which the transition metal prepared by the method as described above is co-doped. The vanadium dioxide doped with the transition metal has a monoclinic crystal structure at room temperature and turns into a tetragonal crystal at a temperature higher than the phase transition temperature. Further, the vanadium dioxide doped with the transition metal is a fine particle having a nano-size of less than 1 탆 or 980 nm or less, for example, 30 to 980 nm. The particle size of the transition metal-doped vanadium oxide can preferably be 50 to 900 nm, more preferably 80 to 800 nm, and still more preferably 100 to 600 nm.

또한, 본 발명의 전이금속이 도핑된 이산화바나듐은 상전이 온도는 상온(25도) 부근에서 미세 조정이 가능하고, 상기 온도에서의 적외선에 대한 투과 및 반사 특성을 가지는 상기 재료에 대한 상전이가 이루어진다. 특히, 상기 전이금속이 도핑된 이산화바나듐의 상전이 온도는 대략 39.5도 이하 또는 20 내지 39.5 ℃, 바람직하게는 25 내지 39 ℃, 좀더 바람직하게는 28 내지 38 ℃가 될 수 있다. The phase transition temperature of the vanadium dioxide doped with the transition metal of the present invention can be finely adjusted in the vicinity of room temperature (25 degrees), and the phase transition to the material having the transmission and reflection characteristics to infrared rays at the temperature can be performed. In particular, the transition temperature of the transition metal-doped vanadium dioxide may be about 39.5 degrees or less, or 20 to 39.5 degrees Celsius, preferably 25 to 39 degrees Celsius, more preferably 28 to 38 degrees Celsius.

상기 전이금속이 도핑된 이산화바나듐는 시차주사열량계(DSC, Differential Scanning Calorimeter) 분석을 통해 상전이 온도를 확인할 수 있다. DSC(Differential Scanning Calorimeter) 분석은 써모크로믹(thermochromic) 물질의 전이특성을 확인할 수 있는 분석으로서, 광학 및 전기적특성이 전이온도에서 급변할 때 금속산화물 결정은 단사정계(monoclinic) 결정에서 정방정계(tetragonal) 결정으로 변하게 되는데, 이 때 흡열(endothermic)이 나타나므로 이 흡열과정은 써모크로믹 물질을 나타내는 결정적인 단서가 된다. 이 흡열피크가 존재함으로써 전이온도에서 적외선차단, 전기전도도 증가 등의 써모크로믹 특성이 나타나게 된다. The vanadium dioxide doped with the transition metal can be analyzed by differential scanning calorimetry (DSC) analysis. DSC (Differential Scanning Calorimeter) analysis is an analysis to confirm the transition characteristics of thermochromic materials. When optical and electrical properties change rapidly at the transition temperature, the metal oxide crystals are converted from monoclinic crystals to tetragonal tetragonal crystals, which are endothermic, so this endothermic process is a definitive clue to the thermochromic material. The existence of this endothermic peak shows the thermochromic characteristics such as the blocking of infrared rays at the transition temperature and the increase of the electric conductivity.

본 발명의 전이금속이 도핑된 이산화바나듐은 상기 시차주사열량계(DSC, Differential Scanning Calorimeter) 분석에서 대략 39.5도 이하 또는 20 내지 39.5 ℃에서 흡열피크가 단일 피크로 나타날 수 있으며, 이로써 39.5도 이하에서 광학적, 전기적 특성이 급변하는 써모크로믹 물질임을 확인할 수 있다. 특히, 상기 흡열 피크는 샤프한 단일 피크로 나타남으로써, 전이금속 등이 결정성을 조절하여 상전이 온도를 최적화하는 정도에서만 작용하며, 다중 피크가 나타나는 혼합물 형태에서 이산화바나듐의 우수한 물성 등이 저하되는 문제를 방지할 수 있음을 알 수 있다. The transition metal-doped vanadium dioxide of the present invention may exhibit a single peak at an endothermic peak at about 39.5 degrees Celsius or at 20 to 39.5 Celsius in the differential scanning calorimetry (DSC) analysis, , It can be confirmed that the electrical characteristic is a rapidly changing thermochromic material. Particularly, since the endothermic peak appears as a sharp single peak, the transition metal acts only to the extent of optimizing the phase transition temperature by controlling the crystallinity, and the problem of deteriorating the excellent physical properties of vanadium dioxide in the form of a mixture in which multiple peaks appear Can be prevented.

한편, 발명의 또다른 일 구현예에 있어서, 본 발명은 상기 전이금속이 코-도핑 이산화바나듐을 포함하는 광학 제품을 제공한다. 특히, 상기 광학 제품은 적외선 흡수 및 반사 성능을 갖는 광학 하드 코팅 필름 형태가 될 수 있다. Meanwhile, in another embodiment of the present invention, the present invention provides an optical product wherein the transition metal comprises co-doped vanadium dioxide. In particular, the optical article may be in the form of an optical hard coat film having infrared absorption and reflection capabilities.

이때, 적외선 하드 코팅 필름의 제조시 상기 전이금속이 코-도핑 이산화바나듐 입자는 30 wt%까지 분산된 코팅제 제조가 가능하며, UV 코팅 경화제는 벤조페논(benzophenone)계 또는 아세토페논(aceto phenone)계를 사용하고 바인더는 우레탄 아크릴레이트(Urethane Acrylate)를 합성하여 사용하여 바코터(bar coater)를 통해 필름으로 제조하였다. At this time, it is possible to prepare a coating agent in which the transition metal is dispersed up to 30 wt% of the co-doped vanadium dioxide particles in the production of the infrared hard coat film, and the UV coating curing agent is benzophenone type or aceto phenone type And the binder was synthesized as a film through a bar coater by synthesizing Urethane Acrylate.

본 발명에 있어서 상기 기재된 내용 이외의 사항은 필요에 따라 가감이 가능한 것이므로, 본 발명에서는 특별히 한정하지 아니한다.In the present invention, matters other than those described above can be added or subtracted as needed, and therefore, the present invention is not particularly limited thereto.

본 발명에 따르면, 용융법을 이용하여 바나듐과 전이금속 화합물을 소정의 함량 범위로 반응시킴으로써, 비용 및 환경적인 부담을 경감시키면서 더 작은 입자 크기와 결정성이 좋고, 상전이 효율이 높은 전이금속이 코-도핑된 이산화바나듐을 제조할 수 있다. According to the present invention, by reacting vanadium and a transition metal compound in a predetermined content range using a melting method, a transition metal having a smaller particle size and crystallinity and a high phase transition efficiency can be obtained, -Doped vanadium dioxide can be prepared.

이렇게 제조된 본 발명의 전이금속이 코-도핑된 이산화바나듐은 건물 및 자동차 유리창에 부착이 용이한 열전이 필름으로 응용이 가능하며, 실질적인 온도 조건하에 따라 선택적으로 적외선 차단 및 투과 하는 특성으로 여름철 및 겨울철 냉·난방비 절감을 통한 효율적인 에너지 절감이 가능하다.The thus-prepared transition metal vanadium dioxide of the present invention can be applied to a thermally conductive film which is easy to adhere to a building or an automobile window, and selectively blocks and transmits infrared rays under a practical temperature condition. Efficient energy saving is possible by reducing cooling and heating costs in winter.

도 1은 본 발명에 따른 코-도핑된 이산화바나듐 제조 방법에 대한 공정 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따라 열분해 단계를 거쳐 생성된 코-도핑된 이산화바나듐의 X선회절 분석 결과를 나타내는 도면이다.
도 3는 본 발명의 실시예 1에 따라 열분해 단계를 거쳐 제조되어진 코-도핑된 이산화바나듐 입자의 TEM 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조되어 코-도핑된 이산화바나듐 입자의 DSC 분석 결과를 나타내는 도면이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 is a process flow diagram for a method for producing co-doped vanadium dioxide according to the present invention.
2 is a graph showing the results of X-ray diffraction analysis of the co-doped vanadium dioxide produced through the pyrolysis step according to Example 1 of the present invention.
FIG. 3 is a TEM photograph of co-doped vanadium dioxide particles produced through a pyrolysis step according to Example 1 of the present invention.
4 is a diagram showing DSC analysis results of co-doped vanadium dioxide particles prepared according to Example 1 of the present invention.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the scope of the present invention is not limited to the following examples.

실시예 1Example 1

하기 표 1과 같은 조성으로, 다음과 같은 방법으로 전이금속이 도핑된 이산화바나듐의 제조하였다. A vanadium dioxide doped with a transition metal was prepared in the following manner with the composition shown in Table 1 below.

전이금속인 텅스텐(W)과 몰리브데늄(Mo)가 함유된 이산화바나듐(VO2) 분말 제작에는 순도 97%의 오산화바나듐(V2O5) 분말(Aldrich chemical사의 제품), 순도 99% 텅스텐산 나트륨 수화물(Na2WO4ㆍ2H2O)의 분말(Aldrich chemical사의 제품), 순도 98% 몰리브덴산 나트륨 수화물(Na2MoO4ㆍ2H2O)의 분말(Aldrich chemical사의 제품)을 사용하였다. 오산화바나듐(V2O5) 분말 5 g, 텅스텐산 나트륨 수화물(Na2WO4ㆍ2H2O) 분말 2.5 at%, 몰리브덴산 나트륨 수화물(Na2MoO4ㆍ2H2O) 분말 2.5 at%를 칭량하고, 칭량된 분말들을 볼밀링기에 장입하여 균일하게 혼합하였다. 이때, 상기 바나듐염과 전이 금속 화합물은 바나듐 원소와 텅스텐 원소, 몰리브데늄 원소의 총합을 기준으로 전이 금속의 총함량이 5 at%가 되도록 칭량하여 반영시켰다. 볼 밀링기를 이용하여 200 rpm 내지 300 rpm 의 속도로 회전시켜 분말들을 기계적으로 분쇄하고 균일하게 혼합하였다. 볼 밀링은 24 시간 동안 실시하였다. The transition metal is tungsten (W) and molybdenum (Mo) containing dioxide vanadium (VO 2) powder produced, the vanadium pentoxide with a purity of 97% (V 2 O 5) powder (Aldrich chemical Company, Ltd.), purity 99% tungsten (Aldrich chemical Co., Ltd.) powder of sodium hydrate (Na 2 WO 4 .2H 2 O) and 98% sodium hydride sodium hydrate (Na 2 MoO 4 .2H 2 O) . 5 at% of a vanadium pentoxide (V 2 O 5 ) powder, 2.5 at% of sodium tungstate hydrate (Na 2 WO 4 .2H 2 O) powder and 2.5 at% of sodium sodium molybdate hydrate (Na 2 MoO 4 .2H 2 O) Weighed, weighed powders were charged into a ball mill and homogeneously mixed. At this time, the vanadium salt and the transition metal compound were weighed so that the total content of the transition metal was 5 at% based on the sum of the vanadium element, the tungsten element and the molybdenum element. The powder was mechanically pulverized and uniformly mixed by rotating it at a speed of 200 rpm to 300 rpm using a ball mill. The ball milling was carried out for 24 hours.

상기의 혼합된 분말을 퍼니스(furnace)에 넣고, 20 분간 온도를 800 ℃까지 5 ℃/min의 승온 속도로 높여주었다. 용융된 분말들을 퍼니스에서 꺼내어 증류수(DI Water) 250 mL가 담긴 용기(Bottle)에서 급냉(Quenching)시켰다. 퍼니스에서 증류수에 급냉시키는 시간이 오래 걸리게 되면, 용융된 오산화바나듐(V2O5) 분말이 굳어 금속이 석출되어 결정화될 수 있으므로 용융된 혼합물을 빠르게 꺼내어 증류수에 급냉시켰다. The mixed powders were put in a furnace, and the temperature was raised to 800 DEG C at a heating rate of 5 DEG C / min for 20 minutes. The molten powders were removed from the furnace and quenched in a bottle containing 250 mL of distilled water (DI Water). If it takes a long time to quench the distilled water in the furnace, the molten vanadium pentoxide (V 2 O 5 ) powder hardens and the metal may precipitate and crystallize. Therefore, the molten mixture is quickly taken out and quenched in distilled water.

오산화바나듐(V2O5)과 텅스텐산 나트륨 수화물(Na2WO4ㆍ2H2O), 몰리브덴산 나트륨 수화물(Na2MoO4ㆍ2H2O)이 증류수에 급냉됨으로써, 이 물질들이 증류수에 분산되면서 졸이 형성되는 것이 관찰되었다. (V 2 O 5 ), sodium tungstate hydrate (Na 2 WO 4 .2H 2 O) and sodium molybdate hydrate (Na 2 MoO 4 .2H 2 O) are quenched in distilled water so that these substances are dispersed in distilled water The formation of sol was observed.

증류수에 급냉되어 형성된 상기의 졸은 흡습된 수분을 제거하기 위하여 1 시간 동안 400 ℃에서 다시 퍼니스에서 소성을 시킨다. The sol formed by quenching with distilled water is fired again in a furnace at 400 DEG C for 1 hour to remove moisture adsorbed.

소성된 혼합물은 암모니아가스(NH3) 와 질소가스(N2)에 의해 환원시키기 위해 각각 15 mL/min, 150 mL/min의 속도로 공급했다. 그리고 500 ℃에서 1 시간 동안 반응을 시켰다. 이렇게 상기 환원된 분말입자를 석영관을 사용한 전기로에서 650 ℃의 온도에서 5 시간 동안 질소가스(N2)를 50 mL/min의 속도로 공급하며 열처리단계를 수행하였다. 이때, 전기로의 승온 속도는 10 ℃/min으로 고정하여 진행하였다.
The calcined mixture was fed at a rate of 15 mL / min and 150 mL / min, respectively, for reduction by ammonia gas (NH 3 ) and nitrogen gas (N 2 ). The reaction was carried out at 500 ° C for 1 hour. The powder particles thus reduced were supplied with nitrogen gas (N 2 ) at a rate of 50 mL / min at 650 ° C. for 5 hours in an electric furnace using a quartz tube, and a heat treatment step was performed. At this time, the heating rate of the electric furnace was fixed at 10 ° C / min.

실시예 2~3Examples 2 to 3

하기 표 1에 나타낸 바와 같이 전이금속 성분 및 조성을 달리한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 전이금속이 도핑된 이산화바나듐을 제조하였다.
As shown in the following Table 1, vanadium dioxide doped with a transition metal was prepared in the same manner as in Example 1, except that the transition metal component and the composition were changed.

비교예 1Comparative Example 1

하기 표 1에 나타낸 바와 같이 별도의 전이금속 화합물을 사용하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 이산화바나듐을 제조하였다.
As shown in the following Table 1, vanadium dioxide was prepared in the same manner as in Example 1, except that no separate transition metal compound was used.

비교예 2~6Comparative Examples 2 to 6

하기 표 1에 나타낸 바와 같이 전이금속 성분 및 조성을 달리한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 전이금속이 도핑된 이산화바나듐을 제조하였다.
As shown in the following Table 1, vanadium dioxide doped with a transition metal was prepared in the same manner as in Example 1, except that the transition metal component and the composition were changed.

시험예Test Example

실시예 1~3 및 비교예 1~6에 따라 제조된 이산화바나듐 또는 전이금속이 도핑된 이산화바나듐에 대해 다음과 같은 방법으로 결정성 및 전이온도 관련 물성 평가를 수행하였다. Crystallinity and transition temperature-related properties were evaluated for vanadium dioxide or vanadium dioxide doped with transition metal prepared according to Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 6 in the following manner.

a) 결정성 평가a) Crystallization evaluation

열처리단계를 거쳐 제조된 이산화바나듐 또는 전이금속이 도핑된 이산화바나듐에 대해 결정성을 확인하기 위하여 X선 회절(XRD, x-ray diffraction) 분석을 수행하여 써모크로믹(thermochromic) 물질의 결정상이 나타나는 지를 확인하였다.X-ray diffraction (XRD) analysis was performed to confirm the crystallinity of the vanadium dioxide or vanadium dioxide doped with the transition metal prepared through the heat treatment step to determine the crystallographic appearance of the thermochromic material .

b) 형상 분석b) Shape analysis

열처리단계를 거쳐 제조된 이산화바나듐 또는 전이금속이 도핑된 이산화바나듐에 대해 합성된 입자의 형상 및 사이즈를 확인하기 위하여 투과전자현미경(TEM, Transmission Electron Microscopy) 분석을 수행하였다. Transmission electron microscopy (TEM) analysis was performed to confirm the shape and size of synthesized particles of vanadium dioxide or vanadium dioxide doped with transition metal prepared through the heat treatment step.

c) 전이 온도 분석c) Transition temperature analysis

열처리단계를 거쳐 제조된 이산화바나듐 또는 전이금속이 도핑된 이산화바나듐에 대해 시차주사열량계(DSC, Differential Scanning Calorimeter) 분석을 수행하여 써모크로믹(thermochromic) 물질의 전이특성을 확인하였다. Transition characteristics of thermochromic materials were confirmed by performing differential scanning calorimetry (DSC) analysis on vanadium dioxide or vanadium dioxide doped with transition metal prepared through a heat treatment step.

특히, 시차주사열량계(DSC, Differential Scanning Calorimeter) 분석에서 광학 및 전기적 특성이 전이온도에서 급변할 때 금속산화물 결정은 단사정계(monoclinic) 결정에서 정방정계(tetragonal) 결정으로 변하게 되는데, 이 때 흡열(endothermic)이 나타나므로 이 흡열과정은 써모크로믹 물질을 나타내는 결정적인 단서가 된다. 이 흡열피크가 존재함으로써 전이온도에서 적외선차단, 전기전도도 증가 등의 써모크로믹 특성이 나타나게 된다.
Particularly, when the optical and electrical properties are rapidly changed at the transition temperature in DSC (Differential Scanning Calorimeter) analysis, the metal oxide crystals change from monoclinic crystals to tetragonal crystals, endothermic), this endothermic process is a decisive clue to the thermochromic material. The existence of this endothermic peak shows the thermochromic characteristics such as the blocking of infrared rays at the transition temperature and the increase of the electric conductivity.

실시예 1~3 및 비교예 1~6에 따라 제조된 이산화바나듐 또는 전이금속이 도핑된 이산화바나듐의 조성 및 함량 범위와 전이온도 측정 결과를 하기 표 1에 나타내었다. The composition and content ranges of vanadium dioxide or vanadium dioxide doped with transition metal prepared according to Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 6 are shown in Table 1 below.

조성Furtherance 전이 금속의
도핑 함량
(at%)
Transition metal
Doping content
(at%)
전이 온도(℃)Transition temperature (캜)
실시예 1Example 1 W-Mo-VO2 W-Mo-VO 2 55 32.632.6 실시예 2Example 2 W-Nb-VO2 W-Nb-VO 2 55 3838 실시예 3Example 3 W-Mo-VO2 W-Mo-VO 2 33 38.938.9 비교예 1Comparative Example 1 VO2 VO 2 55 6868 비교예 2Comparative Example 2 W -VO2 W-VO 2 55 4040 비교예 3Comparative Example 3 Mo-VO2 Mo-VO 2 55 5252 비교예 4Comparative Example 4 W-Mo-VO2 W-Mo-VO 2 66 -- 비교예 5Comparative Example 5 W-Mo-VO2 W-Mo-VO 2 77 -- 비교예 6Comparative Example 6 W-Mo-VO2 W-Mo-VO 2 88 --

한편, 실시예 1에 따라 제조된 전이금속이 도핑된 이산화바나듐에 대한 X선 회절 분석 및 TEM 분석 사진, DSC 분석 결과를 각각 도 2~4에 나타내었다. 특히, 도 2를 참조하면 여러 피크 중에서 이산화바나듐의 여러 결정면에 대한 회절피크가 나타나고 있으며, 전이금속 입자의 피크도 나타나고 있다. 이로써 환원단계(P05)를 통해 전이금속 원자가 이산화바나듐의 결정 속으로 균일하게 들어가 있음을 알 수 있다. 또한, 도 3을 참조하면 약간 눌린 사각형 모양의 전이금속이 코-도핑된 이산화바나듐 결정이 잘 생성되었고, 그 크기도 100~200 nm 범위의 결정 크기를 갖고 있음을 알 수 있다. 도 4의 DSC 분석 결과에 따르면, 실시예 1의 32.6 ℃에서 광학적, 전기적 특성이 급변하는 써모크로믹 물질임을 알 수 있다.On the other hand, the X-ray diffraction analysis, the TEM analysis and the DSC analysis of the vanadium dioxide doped with the transition metal prepared according to Example 1 are shown in FIGS. 2 to 4, respectively. In particular, referring to Fig. 2, diffraction peaks are shown for various crystal planes of vanadium dioxide in various peaks, and peaks of transition metal particles are also shown. As a result, it can be seen that the transition metal atoms are uniformly introduced into the crystal of vanadium dioxide through the reduction step (P05). Also, referring to FIG. 3, it can be seen that a slightly pressed square-shaped transition metal co-doped vanadium dioxide crystal is well formed and its size has a crystal size in the range of 100 to 200 nm. According to the results of the DSC analysis of FIG. 4, it can be seen that the optical and electrical properties of the thermochromic material rapidly change at 32.6 ° C. in Example 1.

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1~3의 전이금속이 코-도핑된 이산화바나듐 미세 입자는 텅스텐이 단일 도핑 된 경우에 비하여 두가지 원소가 독립적으로 작용함으로써 상전이온도의 미세조정이 가능하여 실온 부근으로 상전이온도를 내리는 등 우수한 특징을 갖는 것을 알 수 있다. As shown in Table 1 above, the transition metal co-doped vanadium dioxide particles of Examples 1 to 3 according to the present invention exhibit a fine adjustment of the phase transition temperature due to the fact that the two elements act independently as compared with the case where tungsten is single- And the phase transition temperature is lowered to the vicinity of room temperature.

반면에, 기존의 방법에 따라 합성한 비교예 1~3의 이산화바나듐은 상전이온도의 미세조정 등이 현저하게 저하됨을 알 수 있다. 이러한 경우에 실온 부근으로 미세 조정이 불가능 하여 필름에 적용하지 못하는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 비교예 4~6에서와 같이 전이금속의 총함량이 6~8 at%으로 과량 도핑하는 경우에는 VO2의 입자 구조에 큰 변화가 생겨 일정한 온도에서 상전이가 일어나는 써모크로믹의 특성을 잃어버림을 알 수 있다. 따라서, 비교예 4~6의 전이금속이 도핑된 이산화바나듐은 상전이온도가 나타나지 않게 됨으로써, 입자가 형성되더라도 필름에 적용하지 못하는 문제가 발생할 수 있다. On the other hand, it can be seen that the vanadium dioxide of Comparative Examples 1 to 3 synthesized according to the conventional method is remarkably deteriorated in fine adjustment of the phase transition temperature and the like. In such a case, fine adjustment to the vicinity of room temperature can not be performed, which may result in a problem that the film can not be applied to the film. Also, as in Comparative Examples 4 to 6, when the total content of the transition metal is excessively doped to 6 to 8 at%, a large change occurs in the VO 2 particle structure and the characteristic of the thermochromic phase transition at a constant temperature is lost The discard can be seen. Therefore, vanadium dioxide doped with transition metal of Comparative Examples 4 to 6 does not exhibit a phase transition temperature, so that even if particles are formed, a problem that the vanadium dioxide can not be applied to a film may occur.

Claims (8)

바나듐염과 2종 이상의 전이 금속 화합물을 균일하게 혼합한 후에, 700 ℃ 내지 1,000 ℃의 온도에서 용융(molten)하는 단계;
상기 용융된 화합물을 급냉시킨 후에, 소성 공정을 통해 수분을 제거하는 단계;
상기 소성된 화합물을 암모니아와 질소가스에 의해 환원시키는 단계; 및
상기 환원된 화합물을 500 ℃ 내지 800 ℃의 온도에서 열처리하는 단계;
를 포함하고,
상기 바나듐염과 전이 금속 화합물은 바나듐 원소와 전이 금속 원소의 총합을 기준으로 전이 금속 원소의 함량이 0.01 at% 내지 5.5 at%가 되도록 반응시키는 전이금속이 도핑된 이산화바나듐의 제조 방법.
Uniformly mixing a vanadium salt and two or more transition metal compounds, and then molten at a temperature of 700 ° C to 1,000 ° C;
After the molten compound is quenched, removing moisture through a firing process;
Reducing the calcined compound with ammonia and nitrogen gas; And
Heat treating the reduced compound at a temperature of 500 ° C to 800 ° C;
Lt; / RTI >
Wherein the vanadium salt and the transition metal compound are reacted such that the content of the transition metal element is 0.01 at% to 5.5 at% based on the sum of the vanadium element and the transition metal element.
제1항에 있어서,
상기 바나듐염은 오산화바나듐, 바나딜설페이트, 바나딜 클로라이드, 바나딜 아세틸아세토네이트 및 그의 수화물이나 유도체로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 전이금속이 도핑된 이산화바나듐의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the vanadium salt is at least one transition metal selected from the group consisting of vanadium pentoxide, vanadyl sulfate, vanadyl chloride, vanadyl acetylacetonate and hydrates thereof and derivatives thereof.
제1항에 있어서,
상기 전이금속 화합물은 텅스텐, 몰리브덴, 티타늄, 주석, 및 안티몬으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 전이금속 원소를 포함하는 것인 전이금속이 도핑된 이산화바나듐의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the transition metal compound comprises at least one transition metal element selected from the group consisting of tungsten, molybdenum, titanium, tin, and antimony.
제1항에 있어서,
상기 소성 단계는 300 ℃ 내지 600 ℃의 온도 범위에서 수행하는 전이금속이 도핑된 이산화바나듐의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the baking step is performed at a temperature ranging from 300 ° C to 600 ° C.
제1항에 있어서,
상기 환원 단계는 비활성 가스 분위기 하에서 400 ℃ 내지 700 ℃의 온도 범위에서 수행하는 전이금속이 도핑된 이산화바나듐의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the reducing step is carried out in an inert gas atmosphere at a temperature ranging from 400 ° C to 700 ° C.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 제조되는 전이금속이 도핑된 이산화바나듐.A transition metal doped vanadium dioxide produced by the process according to any one of claims 1 to 5. 제6항에 있어서,
단사정계의 결정구조를 갖고, 입자 크기는 980 nm 이하인 전이금속이 도핑된 이산화바나듐.
The method according to claim 6,
Vanadium dioxide doped with a transition metal having a monoclinic crystal structure and a particle size of 980 nm or less.
제6항에 있어서,
상전이 온도가 39.5 ℃ 이하인 전이금속이 도핑된 이산화바나듐.
The method according to claim 6,
Vanadium dioxide doped with a transition metal having a phase transition temperature of 39.5 DEG C or lower.
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