[논문]고상법에 의한 100 nm BaTiO3 분말의 합성

김정환; 정한승; 조준엽; 홍정오; 김영태; 허강헌

doi:10.4191/kcers.2009.46.2.170

고상법에 의한 100 nm BaTiO3 분말의 합성
Synthesis of 100 nm BaTiO3 by Solid-state Reaction 원문보기

한국세라믹학회지 = Journal of the Korean Ceramic Society, v.46 no.2 = no.321, 2009년, pp.170 - 174

김정환 (삼성전기 LCR 개발팀) , 정한승 (삼성전기 LCR 개발팀) , 조준엽 (삼성전기 LCR 개발팀) , 홍정오 (삼성전기 LCR 개발팀) , 김영태 (삼성전기 LCR 개발팀) , 허강헌 (삼성전기 LCR 개발팀)

Abstract ▼ AI-Helper

$BaTiO_3$ powder was synthesized by the solid-state reaction of fine $BaTiO_3$ and $TiO_2$ raw materials. Fine grinding media of 50 and 300 microns were used for obtaining fine particulate mixture of $BaTiO_3$ and $TiO_2$ with high homogeneity. Effect of the size of grinding media on the synthesis mechanism of $BaTiO_3$ was discussed on the basis of the particulate morphology and thermogravimetry data for the mixture powders. By using the finer grinding media, $BaTiO_3$ was formed at the lower temperature and the particle size with the relatively narrower distribution could be obtained. $BaTiO_3$ powder with the average size of 100 nm was synthesized by the solid reaction in vacuum atmosphere.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 위 연구결과를 바탕으로 미립의 원료의 균일한 분산을 통하여, 위 반응식의 (1)반응을 증가시키고, (2), (3)반응을 억제함으로써, 저온에서의 BT 합성 가능한 슬러리의 혼합조건을 설계하고자 하였다. 이를 위하여 혼합매개체로서 0.

제안 방법

TG 분석은 T.A. instruments SDT Q600에서 10 mg의 시료에 대하여 100 ml/min의 Dried air 조건과 RT~1000oC까지 분당 10oC 승온 과정에서 진행되었다.
고상법에서의 BaTiO₃ 합성을 위한 원료의 혼합단계에서 원료의 미세화 및 분산성에 미치는 혼합매개체(비드)의 크기 효과를 조사하였으며, 혼합조건의 차이에 따른 BaTiO₃합성 반응거동 및 합성분말의 특성을 조사하였다. 본 연구에서 얻어진 주요 연구결과는 다음과 같다
본 연구에서는 위 연구결과를 바탕으로 미립의 원료의 균일한 분산을 통하여, 위 반응식의 (1)반응을 증가시키고, (2), (3)반응을 억제함으로써, 저온에서의 BT 합성 가능한 슬러리의 혼합조건을 설계하고자 하였다. 이를 위하여 혼합매개체로서 0.3 mm와 0.05 mm의 미립의 비드(bead)를 적용하여 원료의 혼합을 수행함으로써 원료의 미세화 및 분산성에 미치는 비드크기 효과를 조사하였으며, 이러한 혼합조건의 차이에 따른 BaTiO₃ 합성 반응거동 및 합성분말의 특성을 조사하였다.
를 사용하였으며, 순수용매에 분산제와 함께 Ba/Ti몰비=1이 되도록 칭량하였다. 이와 같이 준비된 원료의 혼합은 비드밀(bead mill)을 사용하여, 순환방식으로 비드밀 내에서 슬러리의 체류시간이 20 min이 되도록 진행하였다. 평균경이 0.
이와 같이 준비된 원료의 혼합은 비드밀(bead mill)을 사용하여, 순환방식으로 비드밀 내에서 슬러리의 체류시간이 20 min이 되도록 진행하였다. 평균경이 0.05와 0.3 mm 인 비드를 적용하여, 각 비드크기에서 비드밀의 주속(Rotor speed) 8, 10, 12 m/s의 조건으로 혼합을 진행하였다. 건조된 혼합분말을 감압하(> 10-3 기압) 820~860℃ 온도에서 3시간 하소 하여 BaTiO₃ 분말을 합성하였다.
합성된 BaTiO3 분말의 결정성은 XRD 이용하여 분석하였으며, 격자상수는 2θ=20~145o XRD 패턴을 Rietan-2000을 사용하여 정밀화하였다.

대상 데이터

BaTiO₃분말제조를 위한 원료로서 BET비표면적 30 m²/g급 BaCO₃와 50 m²/g급 TiO₂를 사용하였으며, 순수용매에 분산제와 함께 Ba/Ti몰비=1이 되도록 칭량하였다. 이와 같이 준비된 원료의 혼합은 비드밀(bead mill)을 사용하여, 순환방식으로 비드밀 내에서 슬러리의 체류시간이 20 min이 되도록 진행하였다.

이론/모형

건조된 혼합분말을 감압하(> 10-3 기압) 820~860℃ 온도에서 3시간 하소 하여 BaTiO₃ 분말을 합성하였다. 비표면적은 BET법으로 측정하였고, 분말의 입자형상은 FE-SEM으로 관찰하였다. TG 분석은 T.

성능/효과

3에 나타내었다. 0.05 mm 비드를 적용하여 혼합한 경우는 주속이 증가할수록, 1차 BaCO₃의 분해반응속도가 증가함을 알 수 있으며, 2차 BaCO₃의 분해반응의 종결 온도가 낮아지는 것을 알 수 있다. 하지만, 0.
1) 비표면적값과 입자형상관찰 결과로부터, 미립의 비드를 적용하여 혼합한 경우가 미립원료의 미세화에 효과적인 것을 확인하였다.
2) 열중량(TG)분석결과, 미립 비드를 적용하여 혼합한 경우가 1차 BaCO₃ 분해반응의 감량폭 컸으며, 2차 반응 종결온도가 낮아지는 것을 확인 하였다. 1차 BaCO₃의 분해반응의 감량폭이 커진것은, BaCO₃에 노출된 TiO₂의 표면적이 증가하여 반응에 참여하는 BaCO₃의 양이 많아졌기 때문으로 생각할 수 있으며, 2차 반응종결온도가 낮아지는 원인은 TiO₂가 잘 분산되어 Ba 이온의 Diffusion Path가 상대적으로 짧아졌기 때문으로 생각할 수 있다.
3) 미립 비드를 적용 혼합을 통하여, 낮은 온도에서 BaTiO₃의 합성이 가능하였으며, 평균입경 100 nm의 입도 분포가 좁고 고결정성 (c/a=1.0084)인 BaTiO₃를 합성하였다.
600℃ 부근의 감량변화는 TiO₂의 표면에서 일어나는 BaCO₃ 분해 반응(Reaction I)이며, 700℃ 부근의 감량변화는 TiO₂입자 내로 Ba 이온의 확산되면서 표면부근의 잔류 BaCO₃가 분해되는 반응(Reaction II)인 것으로 판단된다.^4,7) 0.05 mm비드를 적용하여 혼합한 경우는 주속이 증가함에 따라 1차 BaCO₃의 분해반응에 의한 감량 폭이 커지는 것을 볼 수 있지만, 0.3 mm비드를 적용하여 혼합 경우는 1차 BaCO₃의 분해반응과 주속간에는 큰 상관관계를 보이지 않았다. BaCO₃의 분해반응의 차이를 좀 더 명확히 비교하기 위해 TG 곡선을 일차 미분한 DTG 곡선을 Fig.
1 (b),(d),(f)) 모든 주속의 시료에서 분쇄되지 않은 BaCO₃가 관찰되었다. 비표면적 값은 주속이 증가될수록 증가하였으며, 0.05 mm 비드를 적용하여 혼합 경우가 주속에 따른 비표면적의 증가가 현저하여, 10 m/s 이상의 주속에서는 0.3 mm 비드를 적용하여 혼합한 경우보다 비표면적 값이 크게 나타났다. 이로부터 0.
Ando 등은⁵⁾ 원료의 균일한 혼합물에서는 Ba₂TiO₄ 중간상이 관찰되지 않았고, 2차 BaCO₃분해 반응이 위 식의 (2)에 의한 것이 아니라, 서로 분리된 미반응 BaCO₃와 TiO₂간의 확산에 의한 것으로 이때 BaCO₃와 TiO₂의 분산정도가 BT생성의 종결온도를 결정한다고 설명하였다. 위 연구결과를 정리하면, Ba₂TiO₄상은 BaTiO₃의 생성과정에서 생기는 중간상이 아니라, 원료가 조대하고 혼합이 충분하지 않은 경우에 조성의 불균일로 인하여 생성되는 국부적인 이차상인 것으로 생각할 수 있다.
6에 나타내었다. 평균입자경(D50)은 두 시료 모두 100 nm 정도로 유사한 크기를 나타내었으나, 0.3 mm 비드를 적용하여 혼합한 경우의 입도분포가 1차입자의 응집체 및 200 nm 정도의 큰 입자가 다소 관찰되어 다소 불균일하게 나타났다. 평균입자경이 100 nm인 두 시료의 2θ=44~46.
3 mm 비드를 적용하여 혼합한 경우에 비해 1차 BaCO₃분해반응속도는 컸으며, 주속의 증가에 따라 분해 반응속도는 더욱 증가하였다. 한편, 2차 BaCO₃의 분해반응의 종결온도는 주속이 증가할수록 낮아지는 경향을 보였으며, 0.05 mm 비드를 적용하여 혼합한 경우가 0.3 mm비드를 적용하여 혼합한 경우에 비해 반응종결온도가 낮은 것을 확인할 수 있다. 1차 BaCO₃의 분해반응에 의한 감량폭은 TiO₂와 BaCO₃의 접촉밀도에 의해 결정되는 Surface-reaction Controlled Step이라 할 수 있으며, 2차 BaCO₃의 분해반응에 의한 감량은 Ba 이온의 확산하여 TiO₂와 반응하는 정도에 의하여 결정되는 Diffusion Controlled Step이라 할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고상반응에 의한 BaTiO3의 합성기구의 장점은?	수열합성법이 일반적으로 미립의 입도분포가 좁은 BT 제조에 유리한 것으로 알려져 있지만, 고가의 설비가 필요하고 제조단가를 높다. 이에 비해 고상법의 경우, 저가의 대량생산이 가능하며, 최근에는 원료인 TiO2와 BaCO3의 미립화 및 분산기술의 발전으로 인해 고상법에 의한 100 nm 이하의 BT 제조가능성이 제기되고 있다.
	수산염법이란?	1) MLCC용 BT 분말의 산업용 제조방법으로는 수산염법2), 수열합성법3) 및 고상법4,5)이 주종을 이루고 있다. 수산염법은 원료인 수산염바륨티타닐(Barium Titanyl Oxalate:이하 BTO) 열분해를 통해 BT를 합성하는 방법으로 100 nm이하의 BT 합성을 위해서는 미립 BTO의 제조기술 등 아직 공업적으로 개선이 필요하다. 수열합성법이 일반적으로 미립의 입도분포가 좁은 BT 제조에 유리한 것으로 알려져 있지만, 고가의 설비가 필요하고 제조단가를 높다.
	수열합성법의 장단점은?	수산염법은 원료인 수산염바륨티타닐(Barium Titanyl Oxalate:이하 BTO) 열분해를 통해 BT를 합성하는 방법으로 100 nm이하의 BT 합성을 위해서는 미립 BTO의 제조기술 등 아직 공업적으로 개선이 필요하다. 수열합성법이 일반적으로 미립의 입도분포가 좁은 BT 제조에 유리한 것으로 알려져 있지만, 고가의 설비가 필요하고 제조단가를 높다. 이에 비해 고상법의 경우, 저가의 대량생산이 가능하며, 최근에는 원료인 TiO2와 BaCO3의 미립화 및 분산기술의 발전으로 인해 고상법에 의한 100 nm 이하의 BT 제조가능성이 제기되고 있다.

참고문헌 (8)

H. Kishi, Y. Mizuno, and H. Chazono, “Base-Metal Electrode-

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S. Wada, H. Yasuno, T. Hoshina, S. M. Nam, H. Kakemoto and T. Tsurumi, “Preparation of Nm-Sized Barium Titanate Fine Particles and Their Powder Dielectric Properties,” Jpn. J. Appl. Phys., 42 [9B] 6188-95 (2003).

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C. Ando, R. Yanagawa, H. Chazono, H. Kishi, and M. Senna, “Nuclei-growth Optimization for Fine-grained $BaTiO_3$ by Precision Controlled Mechanical Pretreatment of Starting Power Mixture,” J. Mater. Res., 19 [12] 3592-99 (2004).

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Y. Fujikawa, F. Yamane, and T. Nomura, “An Effect of Anion Addition on the Reaction Rate in the Solid State Reaction of $BaTiO_3$ and an Analysis of the Reaction Process( in Jpn)”, J. Jpn. Soc, Powder Metall, 50 751 (2003).

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저자의 다른 논문 :

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].

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