KR20200095638A - 소결조제, 이의 제조방법 및 이를 이용한 소결체의 제조방법 - Google Patents

소결조제, 이의 제조방법 및 이를 이용한 소결체의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 세라믹 재료의 소결성을 향상시키기 위한 나노시트 형태인 소결조제에 관한 것으로, 구체적으로 하기 화학식 1로 표시되는 소결조제를 제공한다:
[화학식 1]
MOa
상기 식에서, M은 전이금속이고, a는 0.1 내지 3.0이다.
또한, 상기 소결조제의 제조방법 및 상기 소결조제를 이용한 소결체의 제조방법을 제공한다.

Description

소결조제, 이의 제조방법 및 이를 이용한 소결체의 제조방법{Sintering aid, method for manufacturing the same, and method for manufacturing sintered body using the same}
본 발명은 소결조제, 상기 소결조제의 제조방법 및 상기 소결조제를 이용하여 소결성이 향상된 소결체를 제조하는 방법에 대한 발명이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 나노시트 형태인 소결조제를 제공한다.
세라믹의 제조공정은 주로 원료 분말의 준비, 원하는 형태로의 성형, 그리고 고온 가열에 의한 소결로 나눌 수 있다. 소결과정은 세라믹스 재료의 전 제조공정에서 가장 중요한 부분을 차지하는 과정이다.
비교적 안정하고 낮은 에너지를 가지는 원료를 미분쇄하면, 표면적 증가에 따르는 표면 에너지의 증가로 분말은 높은 에너지를 가지게 된다. 이를 원하는 형태로 성형하게 되면 분말은 형태만 이룰 뿐, 그 에너지의 변화는 별로 없어서 여전히 높은 에너지 상태로 있다. 따라서, 이 성형체를 고온으로 가열하면 미분말 입자들은 서로 붙어서 소위 소결을 하게 되고, 낮은 에너지 상태가 된다.
즉, 소결이란 분말 성형체가 가열에 의해 조립화 또는 치밀화를 이루는 과정을 말한다. 조립화라는 것은 가열에 의해 밀도의 변화는 없이 입자끼리의 결합에 의한 표면적 감소와 높아진 강도를 나타내는 것이고, 치밀화라는 것은 가열에 의해 밀도의 증가와 함께 입자끼리의 결합에 의한 표면적 감소와 높아진 강도를 나타내는 것이다.
산화물을 포함한 세라믹 재료의 물성은 소재 치밀도에 크게 영향을 받는다. 따라서 소재 치밀도를 높이기 위한 다양한 노력들이 진행되어왔다. 치밀도를 높이기 위하여 원료 분말의 입자크기 분포를 균일하게 하는 방법; 반응성이 큰 나노 분말을 이용하는 방법; 소결전 고압으로 소결전밀도를 높이는 방법; 소결온도를 높이는 방법; 소결과 압력을 동시에 인가하는 방법; 및 소결조제를 첨가하는 방법 등 다양한 방법이 시도 되고 있다.
최근에는 상기 방법중 소결온도를 낮추는 소결조제 첨가법이 많이 사용되고 있다. 산화물 소재에서 사용되는 소결조제는 전이금속산화물계로, 대표적으로 망간산화물(MnO2), 코발트산화물(CoO2)등이 있다.
본 발명의 일 과제는 나노시트 형태인 소결조제를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 일 과제는 상기 소결조제의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 일 과제는 상기 소결조제를 이용하여 소결체를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 양태는 하기 화학식 1로 표시되고, 나노시트 형태인 소결조제를 제공한다:
[화학식1]
MOa
상기 식에서, M은 전이금속이고, a는 0.1 내지 3.0이다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 나노시트는 층상구조일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 M은 망간(Mn), 타이타늄(Ti), 코발트(Co) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 소결조제의 두께는 0.5nm 내지 100nm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 소결조제의 넓이는 0.001㎛2 내지 1,000㎛2일 수 있다.
본 발명의 일 양태는 전이금속산화물 및 알칼리카보네이트를 제공하는 단계; 상기 전이금속산화물 및 알칼리카보네이트를 반응시켜 하기 화학식 2로 표시되는 중간체를 제조하는 단계; 및 상기 중간체를 산 및 유기물로 처리하는 단계;를 포함하는 소결조제의 제조방법을 제공한다:
[화학식 2]
AxMOy
상기 식에서, 상기 A는 Li, Na, K, Rb 또는 Cs이고, M은 전이금속이고, x는 0.1 내지 2.0이고, y는 0.1 내지 4.0이다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 M은 망간(Mn), 타이타늄(Ti), 코발트(Co) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나를 포함 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 알칼리카보네이트는 Li2CO3, Na2Co3, K2CO3, Cs2CO3 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 소결조제는 하기 화학식 1로 표시될 수 있다:
[화학식 1]
MOa
상기 식에서, M은 전이금속이고, a는 0.1 내지 3.0이다.
본 발명의 일 양태는 상기 소결조제 및 세라믹 소재를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 및 상기 혼합물을 소결하는 단계를 포함하는 소결체의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 세라믹 소재는 산화물, 탄화물, 질화물 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 소결조제는 상기 혼합물의 총중량을 기준으로 0.01mol% 내지 10mol%로 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 소결하는 단계는 500℃ 내지 2,000℃에서 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 소결조제는 3차원 구조를 갖는 구형 형상의 분말인 기존의 소결조제와 달리 2차원 구조를 갖는 나노시트 형태인 소결조제를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 소결조제를 세라믹 소재의 소결에 이용하는 경우 세라믹 소재의 소결성을 향상시킬 수 있다. 이는 결과적으로 세라믹 소재의 치밀도를 높일 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1의 a) 및 b)는 각각 본 발명의 일 실시예에 따라 타이타늄산화물 및 망간산화물을 이용하여 제조된 소결조제의 틴들 효과 관찰 결과이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 소결조제의 함유량 및 소결온도를 달리하여 소결된 소결체의 사진이다.
도 3의 a)는 본 발명의 일 실시예에 따라 타이타늄산화물을 이용하여 제조된 소결조제의 전자현미경 사진이고, b)는 본 발명의 일 실시예에 따라 망간산화물을 이용하여 제조된 소결조제의 전자현미경 사진 및 결정구조 패턴의 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 타이타늄산화물을 이용하여 제조된 소결조제의 AFM 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 소결체 및 소결조제를 첨가하지 않은 대조군의 소결온도에 따른 소결후 상대밀도를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 소결조제의 함유량에 따른 소결체의 소결후 상대밀도를 도시한 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 발명의 일 양태는, 하기 화학식 1로 표시되고, 나노시트 형태인 소결조제를 제공한다:
[화학식 1]
MOa
상기 식에서, M은 전이금속이고, a는 0.1 내지 3.0이다.
본 명세서에서 “나노시트”는 나노미터 정도의 분자수준의 두께와 마이크로미터의 크기를 가진 2차원 단결정을 의미하며, 층상구조의 기본 유닛인 층 1매 및 이들의 층상구조를 포함한다.
상기 나노시트의 층상구조는 기본 유닛인 2차원의 나노시트가 층을 이루어 쌓여 있는 것을 의미한다.
상기 나노시트는 층상구조를 이루게 됨으로써 3차원 구조소재 대비 넓은 비표면적을 제공하고, 이러한 넓은 비표면적은 소결체의 소결성 향상에 기여할 수 있다.
본 명세서에서 “소결조제”는 소결체의 소결밀도를 높이기 위해 사용되는 첨가제를 의미한다. 상기 소결조제는 소결시의 액상생성, 입계 이동의 억제, 물질 수송속도의 촉진 등 다양한 역할을 한다.
예를 들면, 상기 소결조제는 세라믹 소재의 소결시 사용되어, 본래 소결온도에 비하여 낮은 온도에서 소결이 가능하게 한다. 따라서, 치밀도를 높이기 위하여 시도 되는 다양한 방법들에 비하여 경제성 및 안정성을 확보 할 수 있는 장점이 있다.
본 명세서에서 “전이금속”은 장주기형 주기율표에서 3 내지 11족에 속하는 금속원소를 말한다. 상기 전이금속은 양이온을 생성하며, 예를 들면, 스칸듐(Sc), 타이타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 이트륨(Y), 지르코늄(Zr), 나이오븀(Nb), 몰레브데넘(Mo), 테크네륨(Tc), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 은(Ag)을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 망간(Mn), 타이타늄(Ti), 코발트(Co) 또는 이들의 조합일 수 있다. 전이금속도 일반금속과 마찬가지로 광택, 전기 전도성, 열 전도성을 가진다. 그 중에서도 비금속과 함께 이온 결합 화합물을 형성 하는데, 이때 일반금속과는 달리 일정수의 리간드와 함께 착이온 형태로 존재하는 특징이 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 소결조제의 두께는 0.5nm 내지 100nm, 예를 들면, 1nm 내지 50nm, 예를 들면, 1nm 내지 20nm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 소결조제의 넓이는 0.001㎛2 내지 1,000㎛2, 예를 들면, 0.01㎛2 내지 1㎛2, 예를 들면, 0.25㎛2 내지 100㎛2 일 수 있다.
본 발명의 일 양태는 전이금속산화물 및 알칼리카보네이트를 제공하는 단계; 상기 전이금속산화물 및 알칼리카보네이트를 반응시켜 하기 화학식 2로 표시되는 중간체를 제조하는 단계; 및 상기 중간체를 산 및 유기물로 처리하는 단계;를 포함하는 소결조제의 제조방법을 제공한다:
[화학식 2]
AxMOy
상기 식에서, 상기 A는 Li, Na, K, Rb 또는 Cs이고, M은 전이금속이고, x는 0.1 내지 2.0이고, y는 0.1 내지 4.0이다.
먼저, 본 발명에 따른 상기 전이금속산화물 및 알칼리카보네이트를 반응 시켜 중간체를 제조하는 단계를 포함한다.
본 명세서에서 “알칼리카보네이트”는 주기율표 1족에 해당하는 알칼리이온 및 탄산이온(CO3 2-)을 포함하는 이온결정을 의미한다. 알칼리카보네이트는, 예를 들면, Li2CO3, Na2CO3, K2CO3, Cs2CO3 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나를 포함한다.
상기 단계에서, 상기 중간체는 전이금속산화물 층 사이에 알칼리 양이온이 위치한 구조를 가진다.
상기 단계에서, 전이금속산화물 및 알칼리카보네이트는 1:10 내지 10:1 예를 들면, 1:1의 몰비로 반응할 수 있다. 전이금속산화물 및 알칼리카보네이트의 몰비가 1:10 미만인 경우 상기 화학식 2로 표시되는 층상구조의 중간체가 생성되지 않고 미반응된 알카리카보네이트가 과량 잔존할 수 있으며, 10:1 초과인 경우 상기 화학식 2로 표시되는 층상구조의 중간체가 생성되지 않고 미반응 금속산화물이 과량 잔존할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 상기 중간체를 상기 산 및 유기물로 처리하는 단계를 포함한다.
상기 단계에서, 산성 용액에서 하이드로늄(H3O+) 이온이 삼투압 현상으로 인해 층 사이에 삽입되고, 양이온보다 크기가 큰 하이드로늄 이온은 금속산화물의 전이금속산화물 층 간격을 넓힌다. 층간 거리가 확장된 전이금속산화물을 거대 유기물 수용액에 넣으면 거대 유기물은 금속산화물의 층간 거리를 더 확장시켜 금속산화물 층은 3차원 구조를 더이상 유지하지 못하고 박리화된다.
상기 거대 유기물은 전이금속산화물과 반응하지 않는 물질로서 용매에 용해되어 양이온을 띄는 거대분자일 수 있다. 예를 들면, 테트라뷰틸암모늄 하이드록사이드(Tetrabutylammonium hydroxide, TBAOH) 또는 테트라메틸암모늄 하이드록사이드(Tetramethylammonium hydroxide, TMAOH)일 수 있다. 이들은 물속에 용해되어 TBA+ / OH- 또는 TMA+ / OH-로 될 수 있다. 상기 TBA+는 금속산화물 간 층간을 공격하여 층과 층을 박리시킬 수 있다.
박리화 과정을 통해 합성된 전이금속산화물 나노시트의 층상구조는 박리화 과정 중 층 안에 있던 알칼리 양이온을 잃고 음의 표면전하를 띤다. 따라서 전이금속산화물 나노시트의 층상구조는 물에 균일하게 분산되어 있는 상태며 과량의 수산화 이온으로 인하여 염기성의 용액을 형성한다. 전이금속산화물 나노시트의 층상구조의 박리화 여부는 틴들(Tyndall) 현상으로 확인해볼 수 있다.
상기 틴들 형상이란 다수의 입자가 불규칙하게 산재되어 있는 투명매질 속에 빛을 통과시켜 투과광의 방향과 다른 방향에서 관측했을 때, 빛의 통로가 입자의 산란광에 의해 밝게 빛나 보이는 현상을 말하며, 예를 들면, 콜로이드용액에 의한 빛의 산란을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제조된 소결조제의 두께는 0.5nm 내지 100nm, 예를 들면, 1nm 내지 20nm, 예를 들면, 1nm 내지 10nm일 수 있다.
본 발명의 일 양태는 본 발명의 일 실시예에 따른 소결조제 및 세라믹 소재를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 및 상기 혼합물을 소결하는 단계를 포함하는 소결체의 제조방법을 제공한다.
상기 소결체의 제조방법은 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 소결조제 및 세라믹 소재를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계를 포함한다.
상기 세라믹 소재는 산화물, 탄화물, 질화물 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 세라믹 소재는, 예를 들면, 2족산화물(마그네슘산화물, 칼슘산화물), 3족산화물(알루미늄산화물, 갈륨산화물), 4족산화물(지르코늄산화물, 실리콘산화물) 및 란탄계산화물(세륨산화물, 가돌리늄산화물 등), 3족질화물(보론질화물), 4족질화물(타이타늄질화물, 실리콘탄화물), 3족탄화물(보론탄화물), 4족탄화물(실리콘카바이드) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 세라믹 소재는, 예를 들면, 세륨산화물일 수 있다. 상기 세라믹 소재는 구형일 수 있다.
상기 혼합물을 제조하는 단계는 고체 형태의 상기 소결조제 및 세라믹 소재를 용매에서 균일하게 섞어주는 것을 의미한다. 예를 들면, 비커에서 마그네틱바를 이용하여 섞어 줄 수 있다.
상기 소결조제는 상기 혼합물의 총중량을 기준으로 0.01mol% 내지 10mol%, 예를 들면, 0.05mol% 내지 5mol%, 예를 들면, 0.1mol% 내지 2mol%일 수 있다.
상기 소결조제는 상기 소결조제의 총중량 기준으로 함유량이 0.01mol% 이하일 경우 소결효과가 나타나지 않을 수 있고, 10mol% 이상일 경우 과량의 첨가로 세라믹과 반응하여 이차상을 형성하거나 반응하지 않고 입계에 남아 있어 물성변화를 수 있다.
상기 혼합물은 소결전에 성형하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이와 같이 적합한 형태로 성형함으로써 소성이 용이하고 치밀한 소결체를 얻을 수 있다. 예를 들면, 상기 수득된 혼합물을 금속몰드를 이용하여 일정 형태, 예를 들면, 필라멘트, 구형, 부분 구형, 환형, 튜브형, 막대형, 다면체, 디스크 등의 형태로 성형함으로써 수행될 수 있다.
다음으로, 본 발명은 상기 혼합물을 소결하는 단계를 포함한다.
상기 소결이란 분체를 녹는점 이하 또는 부분적 용융 정도로 가열하여 단단한 결합체로 만드는 것을 의미한다.
상기 소결하는 단계에서 소결온도는 500℃ 내지 2,000℃ 일 수 있다. 예를 들면, 900℃ 내지 1,800℃ 일 수 있다. 예를 들면, 1,000℃ 내지 1,500℃ 일 수 있다.
상기 소결조제를 이용하여 소결하는 경우, 소결조제를 이용하지 않은 경우와 비교하여 최소 50℃ 내지 최대 700℃ 소결온도가 낮아질 수 있다.
상기 소결하는 단계에서 소결시간은 10분 내지 1,000분, 예를 들면, 60분 내지 600분 일 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 아님은 자명하다.
실시예
실시예 1. 소결조제의 제조
타이타늄산화물(TiO2)과 탄산리튬(Li2CO3)을 2:1의 몰비로 반응시켜 층상구조인 Li1.0TiO2.3를 합성하였다. 합성된 Li1.0TiO2.3를 물속에서 염산(1M, 1몰랄농도) 및 TBAOH로 처리하여 최종 두께 10nm 이하의 2차원 층상구조 소결조제 TiO2.3를 합성하였다.
실시예 2. 소결조제의 제조
상기 실시예 1에서 타이타늄산화물 대신 망간산화물(MnO2)을 사용하고, 탄산리튬(Li2CO3) 대신 탄산칼륨(K2CO3)를 사용하여 K0.3MnO2.6를 수득한 것을 제외하고 같은 방법으로 제조를 실행하였다.
이를 통해, 최종 두께 10nm 이하의 2차원 층상구조 소결조제 MnO2.6를 합성하였다.
실시예 3. 소결체의 제조
3.1. 혼합물의 제조
상기 실시예 1에서 합성한 소결조제 0.004g(1.5mol%) 및 ㈜Kceracell사에서 판매하는 세륨산화물(CeO2) 상용분말 0.596g(98.5ml%)을 섞어 비커에 넣어 주었다.
비커에 상기 분말 혼합물 및 용매 300ml(물 150 ml + 에탄올 150 ml)를 넣고 마그네틱바를 이용하여 골고루 섞어주면서 40℃에서 서서히 증발시켜 세륨산화물과 소결조제가 혼합되어있는 혼합물을 수득하였다.
3.2. 소결체의 소결
먼저, 상기 실시예 3.1.에서 합성한 혼합물을 금속몰드를 이용하여 지름 10mm 및 높이 1.94mm의 디스크 형태로 성형하였다. 성형 시 일축프레스를 이용하여 1ton의 압력을 1분간 인가하였다. 이후 금속몰드로부터 펠렛을 꺼내어 1,350℃에서 소결하였다.
실시예 4. 소결체의 제조
4.1. 혼합물의 제조
상기 실시예 3.1.에서, 실시예 1에서 수득한 소결조제 대신 실시예 2에서 수득한 소결조제를 이용한 것을 제외하고는 상기 실시예 3.1.과 같은 방법으로 혼합물을 수득하였다.
4.2. 소결체의 소결
상기 실시예 3.2.에서, 상기 실시예 3.1.에서 제조한 혼합물을 이용한 것 대신에 상기 실시예 4.1.에서 제조한 혼합물을 이용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 3.2.와 같은 방법으로 혼합물을 소결하여 소결체를 수득하였다.
실시예 5 내지 7. 소결체의 제조
상기 실시예 3.1.에서 소결조제를 1.5mol%의 조성비로 함유한 것 대신에 각각 0.2mol%, 0.5mol%, 1.0mol%의 조성비로 함유한 것을 제외하고는 상기 실시예 3과 같은 방법으로 혼합물 및 소결체를 수득하였다.
실시예 8 내지 10. 소결체의 제조
상기 실시예 4.1.에서 소결조제를 1.5mol%의 조성비로 함유한 것 대신에 각각 0.2mol%, 0.5mol%, 1.0mol%의 조성비로 함유한 것을 제외하고는 상기 실시예 4와 같은 방법으로 혼합물 및 소결체를 수득하였다.
실시예 11 내지 14. 소결체의 제조
상기 실시예 3.2.에서 소결온도를 1350℃로 한 것 대신에 각각 1050℃, 1150℃, 1250℃, 1450℃로 한 것을 제외하고는 상기 실시예 3과 같은 방법으로 혼합물 및 소결체를 수득하였다.
실시예 15 내지 18. 소결체의 제조
상기 실시예 4.2.에서 소결온도를 1350℃로 한 것 대신에 각각 1050℃, 1150℃, 1250℃, 1450℃로 한 것을 제외하고는 상기 실시예 4와 같은 방법으로 혼합물 및 소결체를 수득하였다.
비교예 1
상기 실시예 3.1.에서 소결조제를 0mol% 함유한 것을 제외하고는 상기 실시예 3과 같은 방법으로 혼합물 및 소결체를 수득하였다.
비교예 2 내지 5
상기 비교예 1에서 소결온도를 1,350℃로 한 것 대신에 각각 1,050℃, 1,150℃, 1,250℃, 1,450℃로 한 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 같은 방법으로 혼합물 및 소결체를 수득하였다.
실험예 1. 틴들현상의 확인
상기 소결조제가 나노크기로 잘 분산되어 있는지 확인하기 위하여, 상기 실시예 1 및 실시예 2에서 합성한 소결조제에 레이져를 비춰보았다.
실험결과 틴들현상이 나타나는 것을 볼 수 있었고, 소결조제가 나노크기로 분산되어 있는 것을 확인할 수 있었다(도 1).
실험예 2. 전자현미경 측정
상기 제조된 소결조제의 결정구조를 확인하기 위하여, 상기 실시예 1 및 실시예 2 에서 합성한 소결조제를 전자현미경으로 관찰하였다.
실험 결과, 미세구조 및 결정구조가 2차원 층상 구조인 것을 확인할 수 있었다(도 3).
실험예 3. AFM 측정
상기 제조된 소결조제의 형태를 확인하기 위하여, 상기 실시예 1에서 합성한 소결조제를 AFM으로 관찰하였다.
실험 결과, 상기 소결조제의 형태는 두께가 10nm 이하인 나노시트 형태임을 확인할 수 있었다(도 4).
실험예 4. 상대밀도의 측정
상기 제조된 소결체의 소결성을 확인하기 위하여, 세륨산화물(CeO2)의 이론밀도값(7.22g/cm3)에 대한, 상기 실시예 3 내지 10, 및 비교예 1 내지 5에서 합성한 소결체의 상대 밀도를 측정하였다.
세륨 산화물 소결체의 제조 방법에서 원료의 조성으로부터 구한 계산 밀도를 이론 밀도라고 했을 때, 각각 실시예의 상대 밀도를 아르키메데스법(JIS Z 8807)에 의해 측정하였다. 상기 측정된 각 실시예에 따른 상대밀도 값을 하기 표 1에 기재하였다.
실험결과, 온도가 증가할수록 이론밀도값에 근사해지는 것을 알 수 있었고, 소결조제를 첨가한 합성물이 이론밀도와 근사한 것을 알 수 있었다(도 5). 또한, 소결조제의 함유량(mol%)이 증가할수록 이론밀도값에 근사해지는 것을 알 수 있었다(도 6).
[표 1]
Figure pat00001
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들면, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (13)

  1. 하기 화학식 1로 표시되고, 나노시트 형태인 소결조제:
    [화학식 1]
    MOa
    상기 식에서, M은 전이금속이고, a는 0.1 내지 3.0이다.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 나노시트는 층상구조인 것을 특징으로 하는 소결조제.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 M은 망간(Mn), 타이타늄(Ti), 코발트(Co) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 소결조제.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 소결조제의 두께는 0.5nm 내지 100nm인 것을 특징으로 하는 소결조제.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 소결조제의 넓이는 0.001㎛2 내지 1,000㎛2인 것을 특징으로 하는 소결조제.
  6. 전이금속산화물 및 알칼리카보네이트를 제공하는 단계;
    상기 전이금속산화물 및 알칼리카보네이트를 반응시켜 하기 화학식 2로 표시되는 중간체를 제조하는 단계; 및
    상기 중간체를 산 및 유기물로 처리하는 단계;
    를 포함하는 소결조제의 제조방법:
    [화학식 2]
    AxMOy
    상기 식에서, 상기 A는 Li, Na, K, Rb 또는 Cs이고, M은 전이금속이고, x는 0.1 내지 2.0이고, y는 0.1 내지 4.0이다.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 M은 망간(Mn), 타이타늄(Ti), 코발트(Co) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 소결조제의 제조방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 알칼리카보네이트는 Li2CO3, Na2Co3, K2CO3, Cs2CO3 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하는 소결조제의 제조방법.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 소결조제는 하기 화학식 1로 표시되는 것을 특징으로 하는 소결조제의 제조방법:
    [화학식 1]
    MOa
    상기 식에서, M은 전이금속이고, a는 0.1 내지 3.0이다.
  10. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항의 소결조제 및 세라믹 소재를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 및
    상기 혼합물을 소결하는 단계를 포함하는 소결체의 제조방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 세라믹 소재는 산화물, 탄화물, 질화물로 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하는 소결체의 제조방법.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 소결조제는 상기 혼합물의 총중량을 기준으로 0.01mol% 내지 10mol% 포함되는 것을 특징으로 하는 소결체의 제조방법.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 소결하는 단계는 500℃ 내지 2,000℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 소결체의 제조방법.
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