KR20200059684A - 일차원 산화물계 전자화물 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산화물계 전자화물 및 개선된 재조 방법에 관한 것이다. 상세하게는 격자간 전자가 일차원으로 배열되어 있는 형태로, 기존에 보고가 되었던 삼차원, 이차원으로 격자간 전자가 배열된 전자화물과는 새로운 종의 전자화물로서 큰 의미를 갖는다. 본 발명의 물질인 산화물계 전자화물은 일차원 방향의 전기전도 및 자성특성이 필요한 소자에 응용되어 사용될 수 있다.
본 발명의 물질의 고비용 장시간의 기존 합성법을 본 발명을 통해 혁신적으로 제조비용과 시간을 단축시켰다.

Description

일차원 산화물계 전자화물 및 이의 제조방법 {1 Dimensional Oxide electride and preparation method thereof}

본 발명은 일차원 산화물계 전자화물 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 일차원으로 배열되어있는 격자 간 전자를 갖는 전자화물 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

전자화물은 전자가 원자핵 주위가 아닌 결정 내부의 빈 공간에 격자간 전자(Interstitial Electrons)로 존재하면서 구성 원소 및 구조적 요인에 상관없이 소재의 기능성을 직접 결정하는 역할을 하는 신개념의 물질이다.

전자화물은 낮은 일함수를 가져 전자방출소재로 활용 가능하고, 높은 자기 엔트로피 변화량으로 인해 자성소재(경자성 소재, 자기열 소재 등)로 활용 가능하며, 높은 전자전달 효율로 인해 촉매 소재로 널리 활용될 수 있는 물질이다.

실온에서 안정한 산화 전자화물은 2003년 개발된 C12A7 즉, 12CaO·7Al2O3이 대표적이다. 국내에서는 한국세라믹기술원에서 C12A7에 대하여 특허출원한 바 있으나(KR2013-0040232 등), 아직까지 타 구조의 산화 전자화물에 대해서는 보고된 바 없다.

또한, 전자화물은 기존 화학양론적 소재의 개념과는 전혀 다른 결정 내부의 특정 공간에 전자가 존재하는 특성의 소재로 구현 가능한 조성에 대한 설계 및 합성이 어렵고, 물성이 구성 원소 및 구조적 특성에 따라서 민감하게 변하여 그 기능적 특성을 예측하는 것에도 기술적인 제약이 있어 최근까지 연구 사례는 매우 드문 상황이다.

특히, 전자화물에서 격자간전자의 배열은 전자화물의 3차원, 2차원의 물질이 연구되었지만, 1차원의 전자배열을 가진 전자화물의 실험을 통한 연구 사례는 아직 보고되지 않은 상황이다.

본 발명에서 말하는, 물질의 기보고된 내용은 물질의 구조분석 연구만 진행되었다. 본 발명자들의 연구결과 이 물질을 전자화물로 규정할 수 있었다. 또한 기존 합성에는 고가의 탄탈륨 (Ta) 앰플과 3일의 긴 합성시간이 필요했다.

대한민국 등록특허번호 제 10-0814295호 대한민국 등록특허번호 제 10-1045186호

본 발명자들이 보고하는 물질은 격자간 전자가 일차원으로 배열된 전자화물을 배열된 산화물계 전자화물의 역할에 대한 합성소재를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 상기 산화 전자화물 소재를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

기존의 합성방법은 희귀금속인 탄탈륨 (Ta) 금속앰플에 정량의 가루형태의 합성재료를 넣고 금속앰플을 용접하여 외부공기와 밀폐시킨다. 이후 고온에서 열처리를 한다. 1700 K에서 8시간유지 후 1220 K에서 24 시간 유지하고 50 K/h 속도로 상온까지 냉각시키는 총 3일의 시간이 필요했다. 하지만, 본 발명자들은 연구를 통해 1시간 이내의 물질합성방법을 개발하였다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하기 화학식 1로 표현되는 전자화물을 제공한다.

<화학식 1>

Re₉Sb₅O₅

(여기서, 상기 Re은 La, Dy 또는 Tb이다).

본 발명은 또한,

(a) 용융-냉각 공정에 의해 La와 Sb, O를 포함하는 합성원료를 제조하는 단계; 및

(b) 단계(a)에서 얻어진 합성원료를 재용융-냉각하는 단계;

를 포함하는 산화 전자화물 물질의 제조방법을 제공한다.

상기 자기열 물질은 하기 화학식 1로 표현될 수 있다.

<화학식 1>

Re₉Sb₅O₅

(여기서, 상기 Re은 La, Dy 또는 Tb이다).

본 발명에 의한 일차원 전자화물의 사용 우선권을 가질 수 있게 된다.

또한, 본 발명에서 제공하는 산화 전자화물의 개선된 제조 방법을 사용함으로써, 단순하지만 물질을 빠르게 대량 제조할 수 있고 합성에 필요한 에너지를 대폭 줄여 효율적인 제조가 가능하다.

도 1은 실시예 1에서 제조된 La₉Sb₅O₅ 결정구조 모식도이다
도 2는 실시예 1에서 제조된 La₉Sb₅O₅의 X-선 회절 분석 결과이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다.

본 명세서에서 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

따라서, 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 구성 요소, 잘 알려진 동작 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적 설명이 생략될 수 있다.

본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함하며, '포함(또는, 구비)한다'로 언급된 구성 요소 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적 으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명은, 하기 화학식 1로 표현되는 것을 특징으로 하는 일차원 전자화물 물질을 제공한다.

<화학식 1>

La₉Sb₅O₅

(여기서, 상기 La는 Dy 또는 Tb로도 대체할 수 있다.)

상기 산화 전자화물은 [도1]에서 나타난 바와 같은 구조를 가진다.

또한

(a) 용융-냉각 공정에 의해 La와 Sb, O를 포함하는 합성원료를 제조하는 단계; 및

(b) 단계(a)에서 얻어진 합성원료를 재용융-냉각하는 단계;

를 포함하는 산화 전자화물 물질의 제조방법을 제공한다.

상기 단계(a)는 Arc melting method를 통해 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 단계(b) 또한 Arc melting method를 통해 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 단계(a)는 불활성 가스 분위기에서 수행되는 것이 바람직하며, 상기 단계(b) 또한 불활성 가스 분위기에서 수행되는 것이 바람직하다.

상기 불활성 가스는 Argon, Helium 또는 Neon이 바람직하게 사용될 수 있다.

이하, 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예 및 실험예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예 및 실험예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명한 것이다.

< 실시예 1. Re ₉ Sb ₅ O ₅ 의 제조>

La (lanthanium piece), Sb(metal shot)과 La₂O₃(Lanthanium oxide)를 비율에 맞게 정량한다.

Arc beam이 발생될 수 있는 Argon 가스 분위기의 Arc melting furnace에서 Arc melting method를 통해 정량된 원료를 용융하여 물질을 혼합·합성 한다. 가열되어 용탕 상태인 원료는 상온의 Argon 가스 분위기 챔버 내에서 자연 냉각하여 응고 시키고 용융-응고된 물질은 Arc melting furnace 내부에서 위아래로 3 차례 뒤집어 상기 방법과 동일한 과정과 조건으로 재용융-냉각한다. 이를 통하여 균질성과 순도가 높은 산화 전자화물을 제조한다.

< 평가예 1. X-선 회절 패턴>

실시예 1에 따른 자기열 물질에 대하여 X-선 회절 패턴을 측정하였다. 이를 통해 [도2]의 X-선 회절 패턴을 얻었으며 그 결과, 제조된 물질은 La₉Sb₅O₅ 단일상임이 확인되었다.

Claims (10)

1. 하기 화학식 1로 표현되는 일차원 산화물계 전자화물
   <화학식 1>
   Re₉Sb₅O₅
   (여기서, 상기 Re은 La, Dy 또는 Tb이다).
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 Re₉Sb₅O₅ 는 각 La, Sb, O 원소의 위치가 구조적으로 안정한 위치에서 수 Å이내로 벗어나 국부적으로 변형(distorted structure)된 것을 특징으로 하는 산화물계 전자화물 물질.
   
3. (a) 용융-냉각 공정에 의해 La, Sb 및 O를 포함하는 합성원료를 제조하는 단계; 및
   (b) 단계(a)에서 얻어진 합성원료를 재용융-냉각하는 단계;
   를 포함하는 산화물계 전자화물 물질.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 자기열 물질은 하기 화학식 1로 표현되는 것을 특징으로 하는 자기열 물질의 제조방법.
   <화학식 1>
   Re₉Sb₅O₅
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 단계(a)는 Arc melting method를 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 산화물계 전자화물 물질의 제조방법.
   
6. 제 4항에 있어서,
   상기 단계(b)는 Arc melting method를 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 산화물계 전자화물 물질의 제조방법.
   
7. 제 4항에 있어서,
   상기 단계(a)는 불활성 가스 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 산화물계 전자화물 물질의 제조방법.
   
8. 제 4항에 있어서,
   상기 단계(b)는 불활성 가스 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 산화물계 전자화물 물질의 제조방법.
   
9. 제 10항 또는 제 11항에 있어서,
   상기 불활성 가스는 Argon, Helium 또는 Neon 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화물계 전자화물 물질의 제조방법.
   
10. 하기 화학식 1로 표현되는 일차원으로 격자간 전자가 배열된 전자화물
    <화학식 1>
    Re₉Sb₅O₅

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