[논문]액상환원공정을 이용한 나노 코발트 분말의 합성

홍현선; 고영대; 강이승; 김건홍; 정항철

doi:10.4150/kpmi.2011.18.3.244

액상환원공정을 이용한 나노 코발트 분말의 합성
Preparation of the Nano Cobalt Powder by Wet Chemical Reduction Method 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.18 no.3, 2011년, pp.244 - 249

홍현선 (고등기술연구원 플랜트엔지니어링센터) , 고영대 (고등기술연구원 플랜트엔지니어링센터) , 강이승 (고등기술연구원 플랜트엔지니어링센터) , 김건홍 (고등기술연구원 플랜트엔지니어링센터) , 정항철 (고등기술연구원 플랜트엔지니어링센터)

Abstract ▼ AI-Helper

Spherical nanosized cobalt powder with an average size of 150-400 nm was successfully prepared at room temperature from cobalt sulfate heptahydrate ($CoSO_4{\cdot}7H_2O$). Wet chemical reduction method was adopted to synthesize nano cobalt powder and hypophosphorous acid ($H_3PO_2$) was used as reduction agent. Both the HCP and the FCC Co phase were developed while $CoSO_4{\cdot}7H_2O$ concentration ranged from 0.7 M to 1.1 M. Secondary phase such as $Co(OH)_2$ and $CO_3O_4$ were also observed. Peaks for the crystalline Co phase having HCP and FCC structure crystallized as increasing the concentration of $H_3PO_2$, indicating that the amount of reduction agent was enough to reduce $Co(OH)_2$. Consequently, a homogeneous Co phase could be developed without second phase when the $H_3PO_2/CoSO_4{\cdot}7H_2O$ ratio exceeded 7.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

액상환원공정은 생성되는 분말의 미세구조 조절이 용이하여 나노 크기의 코발트 분말을 쉽게 얻을 수 있고 공정의 접근성이 우수하다는 장점을 가지고 있다. 나노 코발트를 제조하기 위한 기존의 액상환원공정은 고온의 반응 온도가 필요하지만, 본 연구에서는 상온에서도 합성이 가능한 액상환원법을 고안하여 나노 코발트 분말을 제조하였으며, 반응공정에서 주요 인자인 코발트 농도와 환원제의 첨가량에 따른 나노 코발트 분말의 특성에 대하여 고찰하였다.

제안 방법

본 연구에서는 상온에서도 합성이 가능한 액상환원 공정을 통해 나노 코발트 분말을 제조하였으며, 코발트 농도와 환원제 첨가량을 조절하여 코발트 분말의 특성 변화를 확인하였다.
제조된 나노 코발트 분말의 미세구조는 전계방사 주사전자현미경(FE-SEM, Field Emission Scanning Electron Microscope, S-4700) 및 투과전자현미경(TEM, Transmission Electron Microscope, JEM-2100F)을 이용하여 분석하였으며, 코발트 분말의 결정성은 X선 회절장치(XRD, X-Ray Diffractometer, D8 Advance)를 이용하여 분석하였다.
반응 실험은 5 L 비이커를 사용하여 상온에서 300 rpm의 교반속도로 실시하였다. 황산코발트 농도와 환원제인 차아인산 첨가량에 따른 코발트 분말의 특성을 관찰하기 위해 황산코발트 농도를 0.7~1.1 M로 조절하였다. 차아인산(50%)은 H₃PO₂/CoSO₄·7H₂O 비율을 5-9로 조절하고 정량펌프(Peristaltic pump, Masterflex L/S Economy Digital)를 이용하여 330 g/min 속도로 투입하였다.
황산코발트용액과 염산(HCl(35%), Junsei Chemical Co., LTD, Japan)을 반응시켜 염화코발트(CoCl2)를 생성한 후, 수산화나트륨(NaOH, Daejung Chemicals & Metals CO., Korea)을 사용하여 중간 생성물인 코발트 수화물(Co(OH)2)을 제조한 다음 차아인산으로 환원시켜 나노 코발트 분말을 제조하였다.

대상 데이터

나노 코발트 분말 제조 공정은 출발물질로 황산코 발트(CoSO4·7H2O, Daejung Chemicals & Metals CO., LTD, Korea) 수용액, 환원제로 차아인산(H3PO2(50%), Junsei Chemical Co., LTD, Japan)을 사용하는 액상 환원 공정을 이용하였으며 세부적인 실험공정도는 그림 1에 나타내었다.
황산코발트 수용액의 농도 변화 따른 경향성을 살펴보기 위해 1.1-0.7 M로 농도를 조절하여 나노 코발트 분말을 제조하였다. 그림 2의 농도변화에 따른 XRD 분석 결과를 살펴보면 전체적으로 HCP(JCPDS #89-4308) 와 FCC(JCPDS #89-4307) 구조가 혼재되어 있는 회절패턴을 확인할 수 있다.

이론/모형

입자 크기 변화를 알아보기 위해 Scherrer 공식을 이용하여 계산하였다[12].

성능/효과

의 환원정도가 커지는 것을 알 수 있고 이것은 그림 4의 결과와 일치한다. Scherrer 공식을 이용하여 결정립크기를 계산한 결과(그림 4 삽입) 황산코발트 대비 차아인산의 비율이 1:7 이하의 범위에서는 결정립 크기가 감소하는 경향을 보이지만, 1:7 이상에서는 결정립의 크기가 큰 차이를 보이지 않았다.
는 (111) 피크의 위치이다. 각 농도에 따른 결정립 크기 변화를 분석한 결과, 1.1 M=18.22 nm, 0.9 M=15.40 nm, 0.7 M=13.47 nm로 나타났다. 코발트의 농도가 낮아질수록 결정립 크기가 작아지는 경향을 나타냈다.
7 M 인 조건에서 200 nm 이하의 구형 나노 코발트 입자를 합성할 수 있었다. 액상환원에 의해 제조된 나노 코발트 분말은 HCP와 FCC가 혼재되어 있는 결정상을 나타냈으며, 코발트의 농도 감소에 따라 분말의 결정립 크기 또한 감소하는 경향을 보였다.
코발트의 농도가 감소함에 따라 코발트 입자의 크기는 나노화되는 경향을 보이며, 황산코발트의 농도가 0.7 M 인 조건에서 200 nm 이하의 구형 나노 코발트 입자를 합성할 수 있었다. 액상환원에 의해 제조된 나노 코발트 분말은 HCP와 FCC가 혼재되어 있는 결정상을 나타냈으며, 코발트의 농도 감소에 따라 분말의 결정립 크기 또한 감소하는 경향을 보였다.
코발트 농도에 따른 실험 결과와 마찬가지로 코발트 분말은 HCP 와 FCC 구조가 혼재되어있는 상태로 존재하며, Co(OH)₂ 이차상도 발견되었다. 하지만 차아인산의 첨가량이 증가함에 따라 코발트 분말의 결정성은 더욱 좋아지고, 동시에 Co(OH)₂ 상은 감소하는 것을 확인할 수 있었다. Co(OH)₂는 아래 식과 같은 환원 과정을 거친다.
황산코발트 대비 차아인산의 비율이 1:7인 조건에서 150~400 nm 크기를 갖는 구형 코발트 분말을 제조할 수 있으며, 차아인산의 첨가량이 증가함에 따라 코발트 분말의 결정성은 더욱 증가하고 Co(OH)₂ 등의 이차상이 감소하여 순수한 코발트 분말로 완전 환원이 일어났다.
황산코발트 대비 차아인산의 비율이 1:7인 조건에서 가장 균일한 입자형태를 나타냈으며, 이의 미세구조를 면밀히 관찰하기 위해 TEM 분석을 실시한 결과(그림 5(d)), 다결정체의 150~400 nm 크기를 갖는 구형 코발트 입자를 관찰할 수 있었다.

후속연구

본 연구에서 코발트 농도 감소에 따라 입자의 크기는 감소하지만, 생산성은 감소하는 단점을 지니고 있으므로 높은 코발트 이온 농도를 갖으면서 수율이 우수하고 저비용의 공정 개발이 필요하다. 이를 위해서는 고농도의 출발물질로부터 pH의 조절 및 공정의 최적화에 따른 반응속도 제어 기술에 대한 연구가 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	액상환원 공정이란?	액상법에는 액상환원법, 폴리올법(polyol method), 침전법, 수소가압법, 전해정련법 등이 있으며, 기상법으로는 화학적 증기 증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition), 스퍼터링(sputtering), 물리적 증기 증착법(PVD, Physical Vapor Deposition) 등이 있다[4-10]. 이 중 나노 분말 제조 방법에 있어서 가장 많이 적용되고 있는 액상환원 공정은 금속염을 출발물질로 하여 환원반응을 통해 결정을 얻는 방법으로서 용매에 있는 용질의 과포화에 따른 클러스터의 생성을 통해 핵생성 및 성장을 유도하여 입자를 생성한다[9].
	WC/Co 초경합금의 기계적 특성 향샹은 어떤 요인에 영향을 받는가?	특히 WC의 일차입자 크기 및 입계에 형성된 Co 층의 두께(mean free path)는 초경합금의 특성을 결정하는 가장 중요한 변수로서 작용하는 것으로 알려져 있다. 일반적으로 WC와 Co 입자 크기가 감소하고, mean free path가 짧아질수록 초경합금의 기계적 특성이 향상되므로 WC/Co 초경합금의 특성을 향상시키기 위해서는 WC와 Co 입자의 나노화가 필수적이다[3].
	액상환원법의 장점은?	액상환원공정은 생성되는 분말의 미세구조 조절이용이하여 나노 크기의 코발트 분말을 쉽게 얻을 수 있고 공정의 접근성이 우수하다는 장점을 가지고 있다. 나노 코발트를 제조하기 위한 기존의 액상환원공정은 고온의 반응 온도가 필요하지만, 본 연구에서는 상온에서도 합성이 가능한 액상환원법을 고안하여 나노 코발트 분말을 제조하였으며, 반응공정에서 주요 인자인 코발트 농도와 환원제의 첨가량에 따른 나노 코발트 분말의 특성에 대하여 고찰하였다.

참고문헌 (13)

H. C. Jung, G. H. Kim, H. S. Hong and D. W. Kim: J. Korean Powder Metall. Inst., 17 (2010) 175. (Korean)

원문보기 상세보기
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