질산 알루미늄과 암모니아 용액을 출발물질로 하고 또한 금속 불화물을 첨가제로 사용하여 $\alpha$-알루미나 입자를 침전법으로 제조하였다. 이 때 제조과정에서 사용된 용매의 영향과 $AlF_3$, $CaF_2$, $MnF_2$ 등의 3 가지 금속 불화물 첨가제가 $\alpha$-알루미나로의 상전이 온도, 입자 크기 및 형태 등에 미치는 영향에 대해 조사하였다. $\alpha$-알루미나 제조시 사용된 용매는 상전이 온도에는 큰 영향을 미치지 않는 반면 입자 크기에 영향을 미쳤다. 첨가제 조성에 따라 $\alpha$-알루미나 상전이 온도가 차이가 났으나($AlF_3(800^{\circ}C)$ < $MnF_2(900^{\circ}C)$ < $CaF_2(950^{\circ}C)$), 첨가제를 사용하지 않은 경우($1,100^{\circ}C$)보다는 모두 상전이 온도가 낮음을 알 수 있었다. 3 가지 첨가제를 사용한 경우 모두 판상의 $\alpha$-알루미나 입자들이 얻어졌으나, 그 중 $MnF_2$를 첨가한 경우에 가장 작은 크기의 $\alpha$-알루미나 입자들이 생성되었다.
질산 알루미늄과 암모니아 용액을 출발물질로 하고 또한 금속 불화물을 첨가제로 사용하여 $\alpha$-알루미나 입자를 침전법으로 제조하였다. 이 때 제조과정에서 사용된 용매의 영향과 $AlF_3$, $CaF_2$, $MnF_2$ 등의 3 가지 금속 불화물 첨가제가 $\alpha$-알루미나로의 상전이 온도, 입자 크기 및 형태 등에 미치는 영향에 대해 조사하였다. $\alpha$-알루미나 제조시 사용된 용매는 상전이 온도에는 큰 영향을 미치지 않는 반면 입자 크기에 영향을 미쳤다. 첨가제 조성에 따라 $\alpha$-알루미나 상전이 온도가 차이가 났으나($AlF_3(800^{\circ}C)$ < $MnF_2(900^{\circ}C)$ < $CaF_2(950^{\circ}C)$), 첨가제를 사용하지 않은 경우($1,100^{\circ}C$)보다는 모두 상전이 온도가 낮음을 알 수 있었다. 3 가지 첨가제를 사용한 경우 모두 판상의 $\alpha$-알루미나 입자들이 얻어졌으나, 그 중 $MnF_2$를 첨가한 경우에 가장 작은 크기의 $\alpha$-알루미나 입자들이 생성되었다.
$\alpha$-Alumna particles were prepared by a precipitation method with metal fluoride additive. Aluminum nitrate and ammonia solution were used as starting materials. $AlF_3$, $CaF_2$, and $MnF_2$ were utilized as additives. The effects of precipitation so...
$\alpha$-Alumna particles were prepared by a precipitation method with metal fluoride additive. Aluminum nitrate and ammonia solution were used as starting materials. $AlF_3$, $CaF_2$, and $MnF_2$ were utilized as additives. The effects of precipitation solvent and metal fluoride on the phase transformation temperature, size and morphology of $\alpha$-alumna particles were investigated. The solvent for precipitation did not affect the phase transformation temperature, while it influenced the size of $\alpha$-alumna particles. The phase transformation temperature to $\alpha$-alumna was reduced by addition of metal fluoride and was different with metal cation in metal fluoride ($AlF_3(800^{\circ}C)$ < $MnF_2(900^{\circ}C)$ < $CaF_2(950^{\circ}C)$). The addition of each of three metal fluorides led to the formation of platelike particles and, among the three additives, $MnF_2$ additive resulted in the formation of relatively small particle.
$\alpha$-Alumna particles were prepared by a precipitation method with metal fluoride additive. Aluminum nitrate and ammonia solution were used as starting materials. $AlF_3$, $CaF_2$, and $MnF_2$ were utilized as additives. The effects of precipitation solvent and metal fluoride on the phase transformation temperature, size and morphology of $\alpha$-alumna particles were investigated. The solvent for precipitation did not affect the phase transformation temperature, while it influenced the size of $\alpha$-alumna particles. The phase transformation temperature to $\alpha$-alumna was reduced by addition of metal fluoride and was different with metal cation in metal fluoride ($AlF_3(800^{\circ}C)$ < $MnF_2(900^{\circ}C)$ < $CaF_2(950^{\circ}C)$). The addition of each of three metal fluorides led to the formation of platelike particles and, among the three additives, $MnF_2$ additive resulted in the formation of relatively small particle.
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문제 정의
그러므로 본 연구에서는 판상의 a-알루미나 제조시 첨가되는 금속 불화물 중에서도 특히 불화물중의 금속 양이온에 따른 a-알루미나 결정생성 변화 즉, 상전이 온도, 입자의 크기 및 형상 등의 변화에 대해 중점을 두고 조사하였다. 이때 금속불화물 첨가제로는 가장 일반적인 금속불화물 첨가제로 사용되고 있는 AlF3 와 a-알루미나로의 상전이를 촉진시키는 것으로 알려진 Mn2+ 이온을 포함하는 MnF2 그리고 상전이를 지연시키는 것으로 알려진 Ca2+를 포함하는 CaF2를 각각 첨가제로 택하여 이들의 영향을 서로 비교하였다.
이때 금속불화물 첨가제로는 가장 일반적인 금속불화물첨가제로 사용되고 있는 AlF3 와 a-알루미나로의 상전이를 촉진시키는 것으로 알려진 Mn2+이온을 포함하는 MnF2 그리고 상전이를 지연시키는 것으로 알려진 Ca2+를 포함하는 CaF2를 각각 첨가제로 택하여, 이들 각각의 금속 불화물이 a-알루미나로의 상전이 온도, 입자의 크기 및 형태 등에 미치는 영향을 상호 비교하였다. 또한 세라믹입자들의 제조과정에서 생성 입자들의 크기와 응집상태에 영향을 미치는 것으로 알려진 용매의 영향에 대해서도 조사하.였다.
본 연구에서는 submicron 크기의 판상 a-알루미나 제조하기 위하여 금속 불화물 첨가제를 사용하였으며, 특히 불화물중의 금속 양이온에 따른 a-알루미나 결정생성변화에 대해 중점을 두고 연구를 수행하였다. 이때 금속불화물 첨가제로는 가장 일반적인 금속불화물첨가제로 사용되고 있는 AlF3 와 a-알루미나로의 상전이를 촉진시키는 것으로 알려진 Mn2+이온을 포함하는 MnF2 그리고 상전이를 지연시키는 것으로 알려진 Ca2+를 포함하는 CaF2를 각각 첨가제로 택하여, 이들 각각의 금속 불화물이 a-알루미나로의 상전이 온도, 입자의 크기 및 형태 등에 미치는 영향을 상호 비교하였다.
제안 방법
02o의 간격으로 측정하면서 X선 회절 분석을 실시하였다. 또한 최종 생성물의 미세 구조 즉, 입자 크기 및 입자 모양 등은 FE-SEM(JSM-6700F, JEOL, JAPAN)을 이용하여 관찰하였다. 이때 전처리과정에서 Os 코팅처리를 하여 charge 생성을 최소화함으로써 미세 입자 관찰을더욱 용이하게 하였다.
특히 최근에는 침전법을 이용한 y-알루미나 제조과정에서 출발물질인 알루미늄염을 녹이는 용매로 에탄올을 이용하는 경우 응집이 거의 발생하지 않은 나노크기의 y-알루미나 입자를 얻을 수 있다는 결과가 발표되기도 하였다 [14]. 본 연구에서도 출발물질인 질산알루미늄 용액을 제조하는 과정에서 용매로 물 혹은 에탄올을 사용하여 용매의 영향을 조사하였다.
대해 중점을 두고 조사하였다. 이때 금속불화물 첨가제로는 가장 일반적인 금속불화물 첨가제로 사용되고 있는 AlF3 와 a-알루미나로의 상전이를 촉진시키는 것으로 알려진 Mn2+ 이온을 포함하는 MnF2 그리고 상전이를 지연시키는 것으로 알려진 Ca2+를 포함하는 CaF2를 각각 첨가제로 택하여 이들의 영향을 서로 비교하였다.
이때 금속불화물 첨가제로는 가장 일반적인 금속불화물첨가제로 사용되고 있는 AlF3 와 a-알루미나로의 상전이를 촉진시키는 것으로 알려진 Mn2+이온을 포함하는 MnF2 그리고 상전이를 지연시키는 것으로 알려진 Ca2+를 포함하는 CaF2를 각각 첨가제로 택하여, 이들 각각의 금속 불화물이 a-알루미나로의 상전이 온도, 입자의 크기 및 형태 등에 미치는 영향을 상호 비교하였다. 또한 세라믹입자들의 제조과정에서 생성 입자들의 크기와 응집상태에 영향을 미치는 것으로 알려진 용매의 영향에 대해서도 조사하.
5 mol/L 농도의용액을 제조한 다음 분스산을 돕기 위해 소량의 polyethyleneglycol(분자량; 1,000)을 첨가하였다. 이때 알루미나 전구물질 즉 질산 알루미늄에 대한 용매로는 생성되는 입자들에 대해 분산효과가 큰 것으로 알려진 에탄올을 사용하였으몌12], 또한 알루미나 제조과정에서용매가 미치는 영향을 조사하는 과정에서는 용매로 물 혹은 에탄올을 사용하여 그 결과를 상호비교하였다. 그리고 알루미늄 화합물의침전을 위해 사용되는 암모니아 용액을 제조하는 과정에서도 진한암모니아 용액을 희석하는 과정 에서는 질산 알루미늄을 녹인 용매와동일한 용매를 사용하였다.
이 용액을 다시 1시간 동안 교반한 후, 세척과정 없이 단순히 여과만을 거쳐 겔을 얻은 다음, 이 겔을 50 oC 에서 24시간 건조하였다. 이와 같은 과정을 거쳐 얻어진 겔에 본 연구에서 사용한 금속불화물 첨가제, 즉 AlF3, CaF2 혹은 MnF2 등을 1 wt% 씩 투입하고 에탄올과 함께 알루미나 볼(99%)을 이용하여 48 시간동안 밀링 (milling)하였다. 밀링한겔을 50 oC에서 24시간 건조시킨 후, 알루미나 도가니에 일정량 넣고 전기로 내에서 10 oC/min의 속도로 승온하여 적정 소성온도에 도달한 다음 1시간 소성시켜 최종적으로 a-알루미나를 얻었다.
그리고 알루미늄 화합물의침전을 위해 사용되는 암모니아 용액을 제조하는 과정에서도 진한암모니아 용액을 희석하는 과정 에서는 질산 알루미늄을 녹인 용매와동일한 용매를 사용하였다. 제조된 질산 알루미늄 용액을 강하게 교반하면서 2.5 mol/L 농도의 암모니아 용액을 가하여 전체 용액의 pH 가 9가 되도록 조절하여 침전물이 생성되도록 하였다. 이 용액을 다시 1시간 동안 교반한 후, 세척과정 없이 단순히 여과만을 거쳐 겔을 얻은 다음, 이 겔을 50 oC 에서 24시간 건조하였다.
질산 알루미늄과 암모니아 용액을 사용하여 침전법으로 a-알루미나를 제조하는 과정에서 AIF3, CaF2, MnF2 등의 금속 불화물을 첨가하였으며 이들 첨가제가 a-알루미나로의 상전이 온도 및 입자 크기 및 형태 등에 미치는 영향에 대한 연구를 수행하여 다음과 같은결론을 얻었다.
최종 생성물의 결정을 조사하기 위해서 Cu Ka radiation과 curved graphite crystal monochromatator 을 장착한 X-선 회절 분석기 (PHILIPS, X'Pert-MPD System)를 이용하여 26의 범위를 5~80o까지 0.02o의 간격으로 측정하면서 X선 회절 분석을 실시하였다. 또한 최종 생성물의 미세 구조 즉, 입자 크기 및 입자 모양 등은 FE-SEM(JSM-6700F, JEOL, JAPAN)을 이용하여 관찰하였다.
대상 데이터
즉, a-알루미나 제조를 위한 출발 물질로는 질산 알루미늄 (JUNSEI Chem. Co., Ltd.)과 암모니아 용액 (JUNSEI Chem. Co., Ltd.)을 사용하였다. 먼저 질산 알루미늄을 적정 용매에 녹여 4.
이론/모형
본 연구에서는 a-알루미나를 침전법에 의해 제조하였다 [5, 6]. 즉, a-알루미나 제조를 위한 출발 물질로는 질산 알루미늄 (JUNSEI Chem.
성능/효과
s. 1과 2를 보면, 두 가지 용매 즉 물과 에탄올을 사용한 경우 모두 800 oC 에서 완전한 a-알루미나의 회절피크가 관찰됨을 알 수 있다. 따라서 a-알루미나 제조시 사용된 용매는 a-알루미나로의 상전이 온도나 상의 조성에는 큰 영향을 미치지 않는다는 것을 알 수 있었다.
1000 nm)와 유사한 경향을 보임을 알 수 있었다. 3가지 첨가제를 사용한 경우 모두 판상의 a-알루미나 입자들이 얻어졌으나, 동일한 량(1 wt%)의 첨가제를 사용한 경우에 있어서 MnF2를 첨가한 경우에 가장 작은 크기의 a-알루미나 입자들이 생성됨을 알 수 있었다. 이와 같은 결과들로부터 a- 알루미나 입자들을 생성시키는 과정에서 적절한 금속 불화물 촉진제를 사용하는 경우, 최종 입자들의 형상 및 크기 그리고 상전이 온도등을 조절할 수 있을 것으로 판단된다.
그러나 생성된 a-알루미나 입자 크기를 보면 물을 용매로 사용한 경우에 비해 에탄올을 사용한 경우가 입자들의 크기가 다소 작고 입자들 간의 응집이 적게 일어남을 알 수 있었다. 그리고 첨가제종류에 따라 즉 AlF3(800 oC) < MnF2(900 oC) < CaF2(950 oC)의 순서로 a-알루미나 상전이 온도가 높았으나, 첨가제를 사용하지 않은경우(1, 100 oC)보다는 모두 상전이 온도가 낮음을 알 수 있었다. 이와 같은 상전이 온도 변화 경향은 금속 양이온의 크기 순서, 즉 Al3+(0.
1과 2를 보면, 두 가지 용매 즉 물과 에탄올을 사용한 경우 모두 800 oC 에서 완전한 a-알루미나의 회절피크가 관찰됨을 알 수 있다. 따라서 a-알루미나 제조시 사용된 용매는 a-알루미나로의 상전이 온도나 상의 조성에는 큰 영향을 미치지 않는다는 것을 알 수 있었다. AlF3 첨가제를 사용하는 것을 제외하고는 본 연구에서의 반응조건과 동일한 조건에서 수행한 기존의연구에 의하면, AlF3 첨가제를 사용하지 않는 경우 약 1, 100 oC 에서 a-알루미나로의 완전한 전이가 일어남을 알 수 있다.
[16]. 따라서 a-알루미나로의 상전이 온도를 감소시키는 데에는 용매의 변화 보다는 적절한 첨가제의 사용이 더욱 효과적이라는 것을 알 수 있었다.
앞서 언급한 Okada 등 [10] 의 연구에 의하면, a-알루미나로의 상전이 과정에 첨가된 금속 양이온은 이온 반경이 클수록 상전이 과정에서 Al3+ 및。2- 이온의 확산을 억제하여 a-알루미나로의 상전이을 지연시킴으로써상전이 온도를 상승시키는 효과를 나타내는 것으로 보고되고 있다. 따라서 본 연구에서도 사용된 금속 불화물중의 금속 양이온, 즉 Al3+(0.0535 nm), Mn2+(0.0670 nm), Ca2+(0.1000 nm) 등의 이온 반경을 비교해 볼 때, 금속 양이온은 이온 반경이 클수록 상전이 온도가 상대적으로 높음을 볼 수 있다.
이러한 결과들로부터 MnF2와 CaF2 를 첨가하는 경우, 각각 900 및 950 oC 에서 a-알루미나로의 완전한 상전이가 일어남을 알 수 있다. 또한 AlF3 를 첨가제로 사용한 경우 (Fig. 2)의 a-알루미나 상전이 온도(800 oC)와 비교해 볼 때 상대적으로 상전이 온도가 높다는것을 알 수 있었다. 그러나 금속불화물 첨가제를 전혀 사용하지 않은 경우(1, 100 oC) 에 비해서는 3가지 첨가제를 사용한 경우가 모두낮은 상전이 온도를 보임을 알 수 있었다 [16].
알루미나 전구물질에 대한 용매로 물과 에탄올을 사용한 경우 모두 800 oC에서 완전한 a-알루미나로의 상전이가 일어남을 알 수 있었고, 따라서 a-알루미나 제조시 사용된 용매는 a-알루미나로의 상전이 온도나 상의 조성에는 큰 영향을 미치지 않는다는 것을 알 수 있었다. 그러나 생성된 a-알루미나 입자 크기를 보면 물을 용매로 사용한 경우에 비해 에탄올을 사용한 경우가 입자들의 크기가 다소 작고 입자들 간의 응집이 적게 일어남을 알 수 있었다.
또한 최종 생성물의 미세 구조 즉, 입자 크기 및 입자 모양 등은 FE-SEM(JSM-6700F, JEOL, JAPAN)을 이용하여 관찰하였다. 이때 전처리과정에서 Os 코팅처리를 하여 charge 생성을 최소화함으로써 미세 입자 관찰을더욱 용이하게 하였다.
이상의 결과들로부터 a-알루미나 입자들을 생성시키는 과정에서적절한 금속 불화물 촉진제를 사용하는 경우, 최종 입자들의 형상 및크기 그리고 상전이 온도 등을 조절할 수 있음을 알 수 있었다.
이와 같이 여러 문헌에서 발표된 결과들을 종합해 볼 때, 판상의그리고 비교적 크기가 작은 a-알루미나 입자들을 보다 용이하게 얻기 위한 방법으로는 불화물을 첨가제로 사용하는 것이 효과적인 것으로 판단된다. 실제로 이와 같은 목적으로 AlF3가 첨가제로 널리 사용되고 있으몌6, 7], 최근에는 LiF, ZnF, MgF2, CaF2, NaF 등과 같은다양한 금속 불화물을 첨가제로 사용한 a-알루미나 합성에 대한 연구결과들이 발표되었다 [8, 9].
그러나 금속불화물 첨가제를 전혀 사용하지 않은 경우(1, 100 oC) 에 비해서는 3가지 첨가제를 사용한 경우가 모두낮은 상전이 온도를 보임을 알 수 있었다 [16]. 즉 본 연구의 반응조건하에서는 a-알루미나 제조시 금속 불화물을 첨가하는 경우, 금속불화물 중의 금속 양이온이 상전이에 미치는 영향보다는 불소 음이온에 의한 상전이 촉진 효과가 상대적으로 더욱 크게 나타나는 것으로 생각된다. 그러나 이때 사용된 금속 불화물 중의 금속 양이온에따라서도 a-알루미나로의 상전이 온도가 차이가 남을 볼 수 있고, 이는 금속 양이온들에 의한 상전이 촉진 혹은 지연 효과가 어느 정도전체 상전이 과정에 영향을 미친 것으로 생각된다.
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