[논문]기계화학공정을 이용한 Perovskite 구조의 (Pb, La)<tex>$TiO_3$</tex> 나노 분말 합성 및 특성

임보라미; 양재교; 이동석; 노태형; 서정혜; 이연승; 김희택; 좌용호

[국내논문] 기계화학공정을 이용한 Perovskite 구조의 (Pb, La)$TiO_3$ 나노 분말 합성 및 특성
Synthesis and characterization of perovskite nano-sized (Pb, La)$TiO_3$ powder using mechano chemical process 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.18 no.5, 2008년, pp.200 - 204

임보라미 (한양대학교 기능성 나노재료 연구실) , 양재교 (한양대학교 기능성 나노재료 연구실) , 이동석 ((주) 이노칩 테크놀로지 부설연구소) , 노태형 ((주) 이노칩 테크놀로지 부설연구소) , 서정혜 (한밭대학교 정보통신학) , 이연승 (한밭대학교 정보통신학) , 김희택 (한양대학교 기능성 나노재료 연구실) , 좌용호 (한양대학교 기능성 나노재료 연구실)

초록
AI-Helper

기계화학공정(MCP; Mechano Chemical Process)은 원료 분말이 기계적인 에너지로 인해 상 형성이 활성화되기 때문에 기존의 볼밀링을 이용한 고상반응에서 필수적인 높은 온도에서의 하소 공정이 필요하지 않다. 본 연구에서는 고 에너지 MCP 방법을 이용하여 perovskite 구조를 가지는 PLT 나노 분말을 제조하였다. 특히, 일반적으로 출발물질로 염을 이용하는 것과 달리 산화물을 원료 분말로 사용하여 어떠한 열처리 공정 없이 PLT 나노 분말을 합성하였다. 또한 건식으로 밀링을 하여 분말 건조 공정이 필요 없어서 공정이 간단하다. MCP 밀링은 시간 별로 12시간까지 진행하였으며, 제조된 분말의 상 분석과 결정면 분석 결과 3시간 이후에는 perovskite 구조의 순수한 PLT 상을 형성하였다. 또한 마이크로 크기의 원료 분말이 밀링 3시간이 지나자 약 20 nm 크기의 균일한 나노 입자가 생성되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Mechano Chemical Process (MCP) skips the calcinations steps at an intermediate temperature that is always required in the conventional solid-state reaction because forming phase from raw powder is activated by mechanical energy. In this study, we prepared (Pb, La)$TiO_3$ nanopowder with perovskite structure by only high energy MCP. Especially, the PLT nanopowder was synthesized without any thermal treatment using oxides, not salts as raw powder. This process is also very simple due to dry milling method, unnecessary to dry of powder. The oxide powder was milled up to 12 hr at intervals of an hour using MCP and the pure PLT phase of perovskite structure was formed after milling time of 3 hr. And the average particle size was 20 nm with narrow distribution after milling time of 3 hr from raw powder of several $\mu m$ with inhomogeneous distribution.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

마지막으로고 에너지 밀링으로 제조된 니노 분말은 상 형성 온도를낮춤으로써 원료 분말의 반응성을 더 향상시킨다[6-8]. 본 연구에서는 열처리 공정 없이 기계화학공정(MCP) 을 이용하여 원료 산화물 분말(PbO, La2O₃, TiQ)의 밀링만으로 perovskite 구조를 갖는 PLT 나노 분말을 합성하고자 하였다. 볼의 크기와 개수 및 볼과 분말의 질량비를 일정하게 하고 MCP 밀링 시간만 변화시켜서 생성되는 분말의 상 변화, 결정성 및 입자크기와 형태를조사하고자 한다.
본 연구에서는 열처리 공정 없이 기계화학공정(MCP) 을 이용하여 원료 산화물 분말(PbO, La2O₃, TiQ)의 밀링만으로 perovskite 구조를 갖는 PLT 나노 분말을 합성하고자 하였다. 볼의 크기와 개수 및 볼과 분말의 질량비를 일정하게 하고 MCP 밀링 시간만 변화시켜서 생성되는 분말의 상 변화, 결정성 및 입자크기와 형태를조사하고자 한다.

제안 방법

밀링 후 얻어진 분말은 밀링 시간에 따른 상의 변화 및 PLT 상의 형성을 X-Ray Diffractometer(XRD; Rigaku, D/MAX-2500)를 통해 분석하였다. 또한 분말의 입자 형상과 크기의 변화 및 결정성을 Field Emission Scanning Electron Microscope(FE-SEM; Hitachi, S-4800)와 High Resolution Transmission Electron Microscope(HR-TEM: JEOL, JEM-3010)를 이용하여 확인하였다.
통해 분석하였다. 또한 분말의 입자 형상과 크기의 변화 및 결정성을 Field Emission Scanning Electron Microscope(FE-SEM; Hitachi, S-4800)와 High Resolution Transmission Electron Microscope(HR-TEM: JEOL, JEM-3010)를 이용하여 확인하였다.
밀링 속도는 1060 cycles/min 으로 고정했다. 밀링 시간에 따른 perovskite 구조 생성및 입자의 크기의 경향성을 알아보기 위해 분말을 시간별로 각각 0시간, 1시간, 2시긴-, 3시간, 12시간 동안 밀링을 진행하였다.

대상 데이터

원료 물질로 PbO는 99.5 %(단석산업), LaQ느 99.9% (이 영세라캠), Ti0는 98%(코스모 화학) 순도의 분말을사용하였으며 , 0.9 : 0.05 : 1의 몰비로 혼합하였다. 이때 , 지르코니아로 코팅된 용-기와 挣을 사용하여 불순물의 흔입을 최소화하였으며, 볼은 지름 10 mm와 5 mm를 2 : 1 의 질량비로 섞어서 밀링하였다.
40 ml 용기에 볼과 분말의 질량비를 18:1로 투입한 후 뚜껑과 용기 사이에가스켓을 넣어 밀링할 때 생성되는 열과 화학반응이 밖으로 나가지 않도록 장치에 고정시킨다. 실험에서 사용한 장치는 SPEX mill 8000M-15(SPEX SamplePrep LLC, IJnited State)로 vibrational shake mill이라고도불리며 MCP 공정 연구에 가장 널리 쓰이고 있다. 보통밀링 장비의 단순한 원운동과 달리 상하좌우로의 직선운동과혹은 久。형태로 축이 돌아가며 움직임에 따라 마치 용기가 진동하는 것처럼 보인斗.

이론/모형

4. SAD patterns of PLT powder milled for different time using MCP method.

성능/효과

둘째, 상온에서 진행되므로 Pb의 휘발로 인한조성 손실에 대한 우려도 없으며, 건식 밀링이므로 별도의 건조 공정이 필요 없다. 셋째.
Fig. 1(a)는 MCP 밀링 없이 원료 분말인 Pb。와 LaKL 그리고 Ti0가 혼합되어 있는 것으로 각각의 상의뚜렷하고 반가폭이 작은 피크를 통해 높은 결정성을 가지고 있음을 확인할 수 있었다. 이러한 원료 산화물 분말을 1시간 동안 밀링했을 경우 PLT 상이 나타나기 시작하였다.
1(a)와는 다르게 회절 피크의 강도가 1/ 10 이하로 급격히 감소하며 broad해지는 현상이 관찰되었다. 또한 1시간 밀링시 PLI와 PbO, La2O₃ 긱각의 주피크 크기가 비슷하지만, 2시간 밀링 이후에는 PbO (111>의 피크 크기가 점차 감소하면서 PLT의 피크 크기가 상대적으로 증가했음을 알 수 있었다. Fig.
8° (211)의 위치에서 PLT 피크가 확연해지면서 perovskite 구조의 PLT 나노 분말이 합성되었음을 확인할 수 있었다. 이후 12시간까지 밀링 시간을 증가시켜도 XRD 패턴에는 큰 변화가 관찰되지 않았으며, PLT 이외의 다른 상도 관찰되지 않았다. 또한 Scherrer 식 [1 이을사용하여 계산한 PLT 나노 분말의 평균 입자크기는 3시간 밀링하였을 경우 약 20nin를 나타내었다.
그러나 3시간 밀링한 후의 PLT 분말은 수십 nm 크기로 보이는 입자들이 응집한 형상으로 개개의 입자들은 구형에 가까운 형상을 보이고 있다. 또한 3시간보다 짧은 밀링 시간에서 관찰된 서브수 μm 크기의 입자가 혼합된 불균일한 입도분포는 관찰되지 않고 매우 균일한 나노 크기의 입자들로 존재함을 확인할 수 있었다. Fig.
특히 (111)면과 (200) 면은 한 두 개의 점을 이루어져 있다. 앞선 FE-SEM과 HR-TEM의 결과로부터 1시간 밀링한 분말의 경우 서브 -수 , um 크기의 입자가 혼합되어 있다는 사실을 확인하였다. 그러나 이렇게 큰 입자 크기에도 불구하고 희미한링 패턴은 MCP 밀링 시작 후 혼합 분말 혹은 PLT 분말의 비정질화가 진행되었음을 고려해 볼만하다.
그리하여 이러한 고 에너지 밀링의 특성을 고려할 때, 밀링은 두 번째 단계까지만 진행이 되도록 제어하는 것이 바람직하며, 이를 위한 밀링시간은 각각의 원료 분말의 특성과 더불어 분말의 양, 용기의 크기와 사용된 볼의 크기와 양 역시 중요한 요인으로 작용하게 된다. 앞서 관찰된 결과들을 종합하면, 이번 연구에서는 3시간의 밀링 시간이 PLT 나노 분말을제조하기 위해 최적의 밀링 시간으로 판단되며, 이보다짧은 시간에서는 PbO와 L&O₃의 미반응 상과 비정질상이 관찰되었으며, 그 이상의 긴 시간에서는 별다른 차이가 나타나지 않았다.
밀링시간이 3시간 미만일 경우 PLT 상뿐만 아니라 PbO가미반응상으로써 공존함을 확인하였고, 비정질화 역시 일부 진행되었음을 확인하였다. 한편 3시간 이상의 밀링후에는 미반응상의 존재 없이 순수한 PLT 상이 형성되었으며, PLT의 결정화 역시 진행되었다.
혼합된 원료 분말의 크기가 서브~수 크기의 불균일한 분포를 나타내었던 것에 비해 3시간 이상의 밀링 후에는 수십 nm 크기의 입자들이 응집하여 2차 입자를 형성하고 있었다. 이러한 결과는 Scherrer 식을 이용하여 계산된 입자크기와 잘 일치하며 , 3시간 밀링한 분말의 경우 약 20 nm 였다. 이번 연구에서는 3시간 미만의 경우 입자의 분쇄와 일부 비정질화가 진행되었으며, 3시간 이상의 경우핵 생성과 상 형성이 이루어진 것으로 사료된다.
이러한 결과는 Scherrer 식을 이용하여 계산된 입자크기와 잘 일치하며 , 3시간 밀링한 분말의 경우 약 20 nm 였다. 이번 연구에서는 3시간 미만의 경우 입자의 분쇄와 일부 비정질화가 진행되었으며, 3시간 이상의 경우핵 생성과 상 형성이 이루어진 것으로 사료된다. 결론적으로, MCP를 이용한 PLT 나노 분말의 합성은 3시간이상의 밀링 시간이 필요하며, 합성된 분말은 균일하고미세한 입자 크기를 가지고 있어서 소결 반응시 소결 온도를 감소시킬 수 있을 것으로 기대된다.
이번 연구에서는 3시간 미만의 경우 입자의 분쇄와 일부 비정질화가 진행되었으며, 3시간 이상의 경우핵 생성과 상 형성이 이루어진 것으로 사료된다. 결론적으로, MCP를 이용한 PLT 나노 분말의 합성은 3시간이상의 밀링 시간이 필요하며, 합성된 분말은 균일하고미세한 입자 크기를 가지고 있어서 소결 반응시 소결 온도를 감소시킬 수 있을 것으로 기대된다.

참고문헌 (10)

T.-Y. Kim and H.M. Jang, "B-site vacancy as the origin of spontaneous normal-to-relaxor ferroelectric transitions in La-modified $PbTiO_3$ ", Applied Physics Letters 77 (2000) 3824

상세보기
R. Tickoo, R.P. Tandon, N.C. Mehra and P.N. Kotru, "Dielectric and ferroelectric properties of lanthanum modified lead titanate ceramics", Materials Science and Engineering B94 (2002) 2
J. Chen, X. Xing, R. Yu, J. Deng and G. Liu, "Microstructural characterization of sol-gel derived $Pb_{1？x}La_xTiO_3$ ferroelectrics", Journal of Alloys and Compounds 388 (2005) 309
L. Seveyrat, M. Lemercier, B. Guiffard, L. Lebrun and D. Guyomar, "Temperature dependence of macroscopic and microscopic PZT properties studied by thermomechanical analysis, dielectric measurements and X-ray diffraction", Ceramics International In press
X. Junmin, J. Wang and T. Weiseng, "Synthesis of lead zirconate titanate from an amorphous precursor by mechanical activation", Journal of Alloys and Compounds 308 (2000) 139

상세보기
L.B. Kong, J. Ma, T.S. Zhang, W. Zhu and O.K. Tan, " $Pb(Zr_xTi_{1？x})O_3$ ceramics via reactive sintering of partially reacted mixture produced by a high-energy ball milling process", Journal of Materials Research 16 (2001) 1636

상세보기
S. Singh, O.P. Thakur, C. Prakash and K.K. Raina, "Improved piezoelectric properties via mechano-chemical activation in modified PCT ceramics", Materials Chemistry and Physics 94 (2005) 8
S.H. Ng, J.M. Xue and J. Wang, "High temperature piezoelectric strontium bismuth titanate from mechanical activation of mixed oxides", Materials Chemistry and Physics 75 (2002) 131

상세보기
L.B. Kong, T.S. Zhang, J. Ma and F. Boey, "Progress in synthesis of ferroelectric ceramic materials via highenergy mechanochemical technique", Progress in Materials Science 53 (2008) 217
B.D. Cullity, "Elements of X-ray diffraction", 2nd edition (Addison-Wesley, Cananda 1978)

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증