[ $Al_2TiO_5$ ]has a high refractive index and good solubility of the chromophore in the $Al_2TiO_5$ lattice, which allows this structure to be a good candidate for the development of new ceramic pigments. However, pure $Al_2TiO_5$ is well known to decompose on firin...
[ $Al_2TiO_5$ ]has a high refractive index and good solubility of the chromophore in the $Al_2TiO_5$ lattice, which allows this structure to be a good candidate for the development of new ceramic pigments. However, pure $Al_2TiO_5$ is well known to decompose on firing at $900{\sim}1100^{\circ}C$. However, this process can be inhibited by the incorporation of certain metal cations into its crystalline lattice. In this study, the synthesis of gray ceramic pigment was performed by doping cobalt on the $Al_2TiO_5$ crystal structure. The $Al_2TiO_5$ was synthesized using $Al_2O_3$ and $TiO_2$, and doped with $Co_3O_4$ as a chromophore material. In order to prevent the thermal decomposition during the cooling procedure, MgO was added to samples by 0.05 mole, 0.1 mole, and 0.15 mole as a stabilizer. The samples were fired at $1500^{\circ}C$ for 2 hours and cooled naturally. The crystal structure, solubility limit, and color of the synthesized pigment were analyzed using XRD, Raman spectroscopy, UV, and UV-vis. $Al_2O_3$ was available for the formation of $CoAl_2O_4$, which should also be considered in order to explain the small amount of this phase detected in the sample with the higher $Co^{2+}$ content (${\geq}$ 0.03 mole). It was found that the solubility limit of $Co^{2+}$ in the $Al_2TiO_5$ crystal was 0.02 mole% through an analysis of Raman spectroscopy. Through the addition of a pigment with 0.02 mole% of $Co^{2+}$ to lime-barium glaze, stabilized gray color pigments with 66.54, -2.35, and 4.68 as CIE-$L^*a^*b^*$ were synthesized.
[ $Al_2TiO_5$ ]has a high refractive index and good solubility of the chromophore in the $Al_2TiO_5$ lattice, which allows this structure to be a good candidate for the development of new ceramic pigments. However, pure $Al_2TiO_5$ is well known to decompose on firing at $900{\sim}1100^{\circ}C$. However, this process can be inhibited by the incorporation of certain metal cations into its crystalline lattice. In this study, the synthesis of gray ceramic pigment was performed by doping cobalt on the $Al_2TiO_5$ crystal structure. The $Al_2TiO_5$ was synthesized using $Al_2O_3$ and $TiO_2$, and doped with $Co_3O_4$ as a chromophore material. In order to prevent the thermal decomposition during the cooling procedure, MgO was added to samples by 0.05 mole, 0.1 mole, and 0.15 mole as a stabilizer. The samples were fired at $1500^{\circ}C$ for 2 hours and cooled naturally. The crystal structure, solubility limit, and color of the synthesized pigment were analyzed using XRD, Raman spectroscopy, UV, and UV-vis. $Al_2O_3$ was available for the formation of $CoAl_2O_4$, which should also be considered in order to explain the small amount of this phase detected in the sample with the higher $Co^{2+}$ content (${\geq}$ 0.03 mole). It was found that the solubility limit of $Co^{2+}$ in the $Al_2TiO_5$ crystal was 0.02 mole% through an analysis of Raman spectroscopy. Through the addition of a pigment with 0.02 mole% of $Co^{2+}$ to lime-barium glaze, stabilized gray color pigments with 66.54, -2.35, and 4.68 as CIE-$L^*a^*b^*$ were synthesized.
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문제 정의
1) 본 연구에서는 합성된 Al2TiO5가 냉각 시 α-Al2O3와 TiO2으로 분해되는 현상을 억제하기 위하여 안정화제로 MgO를 첨가하여 고온에서 안정한 회색 안료를 개발하고자 하였다.
제안 방법
Al2TiO5결정상의 생성과 분해 여부를 확인하기 위해 X-선 회절분석(XRD-7000, Shimadzu, Japan)을 하였다. 2θ 범위 10~70°에서 scanning rate 10°/m로 측정하였고 이때 step size는 0.
로 분해가 일어나 이를 방지하기 위한 안정화제로 MgO를 사용하였다. MgO의 안정화제로서의 효과와 최적의 첨가량을 알아보기 위하여 첨가하지 않은 조성과 각각 0.05mole, 0.1 mole, 0.15 mole첨가한 조성을 1500℃로 소성하였다(Table 1). 소성한 시료의 XRD분석 결과를 Fig.
NaF의 2θ = 56.1° (220)면에서 보이는 Intensity값과 TiO2 2θ = 27.446o (110)면, α-Al2O3θ = 35.152º (104)면에서 보이는 Intensity를 비교하여 free 상태로 존재하고 있는 TiO2와 α-Al2O3비율을 알아보았다.
Raman spectrum은 vector raman prove (RP532-US)를 사용하여 semiconductor 532 nm laser로 측정하였으며 spectral resolution은 3 cm−1로 상온에서 실시하였다.
XRD분석결과에서의 α-Al2O3와 TiO2의 Intensity ratio의 변화 확인하기 위하여 NaF를 표준시료로 하여 계산하였다.
2에 나타내었다. XRD측정 시 합성된 시료에 표준 시료로 NaF를 10wt%씩 첨가, 혼합하였다.
V PC optical color analysis software (P/N 206-67449)를 사용하여 수치화하였다. 산화마그네슘 및 코발트가 Al2TiO5의 Raman spectra에 미치는 영향을 알아보기 위하여 Raman spectroscopy (Dimension-P2 Raman)로 분석하였다. Raman spectrum은 vector raman prove (RP532-US)를 사용하여 semiconductor 532 nm laser로 측정하였으며 spectral resolution은 3 cm−1로 상온에서 실시하였다.
15 mole첨가하여 알코올로 습식혼합하였다. 안료를 합성하기 위하여 Al2O3와 TiO2를 동 mole로 혼합한 후, MgO는 0.05 mole, CoO는 0.01~0.05 mole의 조성 범위 내에서 첨가하여 알코올로 습식 혼합하였다. 이들을 각각 900℃까지 5℃/min, 1500℃까지 3℃/ min의 승온 속도로 하였고 최고온도에서 2시간 유지 했다.
05 mole의 조성 범위 내에서 첨가하여 알코올로 습식 혼합하였다. 이들을 각각 900℃까지 5℃/min, 1500℃까지 3℃/ min의 승온 속도로 하였고 최고온도에서 2시간 유지 했다.
발색단으로는 Co3O4 (JUNSEI, Japan, Chemical pure), 안정화제로서 MgO (JUNSEI, Japan, Extra Pure)를 사용하였다. 적절한 안정화제의 양을 알아보기 위하여 Al2O3와 TiO2를 동 mole로 한 기본조성에 MgO를 각각 0.05 mole, 0.1 mole, 0.15 mole첨가하여 알코올로 습식혼합하였다. 안료를 합성하기 위하여 Al2O3와 TiO2를 동 mole로 혼합한 후, MgO는 0.
합성된 안료의 발색특성 및 코발트의 원자가를 확인하기 위하여 UV-vis spectrophotometer (2401-PC, Shimadzu, Japan)로 분석하였다. 합성된 안료를 석회바륨유에 적용하여 1260℃에서 소성한 샘플을 200~800 nm범위에서 absorption mode로 측정하였다. 결과는 CIE-L*a*b* 표색계에 의해 U.
2°로 하였다. 합성된 안료의 발색특성 및 코발트의 원자가를 확인하기 위하여 UV-vis spectrophotometer (2401-PC, Shimadzu, Japan)로 분석하였다. 합성된 안료를 석회바륨유에 적용하여 1260℃에서 소성한 샘플을 200~800 nm범위에서 absorption mode로 측정하였다.
대상 데이터
Al2TiO5는 냉각과정에서 TiO2와 α-Al2O3로 분해가 일어나 이를 방지하기 위한 안정화제로 MgO를 사용하였다.
(JUNSEI, Japan, Guaranteed Reagent)를 사용하였다. 발색단으로는 Co3O4 (JUNSEI, Japan, Chemical pure), 안정화제로서 MgO (JUNSEI, Japan, Extra Pure)를 사용하였다. 적절한 안정화제의 양을 알아보기 위하여 Al2O3와 TiO2를 동 mole로 한 기본조성에 MgO를 각각 0.
코발트가 doping된 Al2TiO5 회색안료를 합성하기 위해 출발원료는 특급시약으로서 TiO2 (JUNSEI, Japan, Extra Pure)와 Al2O3 (JUNSEI, Japan, Guaranteed Reagent)를 사용하였다. 발색단으로는 Co3O4 (JUNSEI, Japan, Chemical pure), 안정화제로서 MgO (JUNSEI, Japan, Extra Pure)를 사용하였다.
데이터처리
합성된 안료를 석회바륨유에 적용하여 1260℃에서 소성한 샘플을 200~800 nm범위에서 absorption mode로 측정하였다. 결과는 CIE-L*a*b* 표색계에 의해 U.V PC optical color analysis software (P/N 206-67449)를 사용하여 수치화하였다. 산화마그네슘 및 코발트가 Al2TiO5의 Raman spectra에 미치는 영향을 알아보기 위하여 Raman spectroscopy (Dimension-P2 Raman)로 분석하였다.
이론/모형
고상법을 사용하여 Al2TiO5계 회색안료를 합성하였다.
성능/효과
1) 냉각 시 Al2TiO5의 분해를 억제하기 위하여 Al2O3 TiO2기본 조성에 안정화제로 MgO를 첨가하여 Al2TiO5를 합성하는 경우 MgO의 최적의 첨가량은 0.05 mole이며 그 이상의 MgO가 첨가되는 경우 2차상으로 MgAl2O4가 생성되었다.
1) 또한 ATMC4부터 590cm−1에서 잉여로 존재하는 Co2+에 의한 특성밴드가 강해지는 것을 볼 수 있다.
doping된 Co2+이온이 다른 이온과 결합하여 2차 상을 생성하는 것과 Co2+이온이 미반응 상태로 존재하는 것은 고용한계범위를 지나친 것을 의미한다.12) 결과적으로 Al2TiO5결정 내에 고용될 수 있는 Co2+의 한계량은 0.02 mole인 것을 알 수 있다.
2) 1500℃에서 2h동안 소성하여 회색안료를 합성하는 경우 Al2TiO5에 고용될 수 있는 Co2+의 고용한계량은 0.02 mole이다.
3) 1500℃에서 2h 유지하여 합성한 안료를 석회바륨유 약에 6wt% 첨가하여 시유한 시편의 UV측정결과 전체적으로 gray발색을 나타냈다. Co2+가 고용한계량인 0.
tetrahedral coordination에서 Co2+이온에 대한 ligand field theory에 의해 3개의 흡수밴드를 갖는데 그 중 발색에 영향을 주는 것은ν3[4A2(F)→4T1(P)]전이에 의한 에너지로 540 nm, 590 nm 그리고 640 nm범위에서 흡수밴드가 나타난다.8) Fig. 7에 나타낸 UV-vis측정결과에서 octahedral coordination와 동시에 ATMC3부터 CoAl2O4의 생성에 의해 tetrahedral coordination에 의해 500nm부터 670nm까지 넓은 영역에서 흡수밴드가 강해지는 것을 볼 수 있었다.
Fig. 1, 2, 3의 결과를 통해 Al2TiO5의 안정화에 기여 하는 동시에 회색 안료의 발색에 영향을 미치지 않는 MgO의 첨가량은 0.05 mole임을 확인하였다.
MgO를 첨가하지 않은 조성에 비해 전체적으로 미반응의 TiO2와 α-Al2O3의 비율이 낮아지는 것으로 MgO가 Al2TiO5의 안정화제로서 작용하는 것을 확인하였다.
색상의 분석을 확인하기 위하여 U.V PC optical color analysis software 를 사용하여 수치화한 결과 ATM0.05의 L*a*b*값은 각각 66.54, −2.35, 4.68으로 회색의 발색을 보였으나, ATM0.1부터 b*값이 (-)로 낮아지면서 청색의 발색을 보였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
순수한 Tialite의 특징은 무엇인가?
Tialite (Al2TiO5)는 Pseudobrookite group에 해당하는 결정구조로, 고온에서 안정하고 낮은 열팽창계수 등의 특징을 가지는 새로운 세라믹 구조로서 많은 연구가 행해지고 있다.1-6) 그러나 순수한 Al2TiO5는 소성 후 냉각도중 출발재료인 α-Al2O3과 TiO2으로 분해되는 열 적인 불안정성을 가지고 있어 산업 응용에 많은 제약을 받고 있다.1-5) Al2TiO5의 열분해를 야기시키는 원인은 Al3+이온과 Ti4+이온의 크기차이와 소성 시 c축 방향으로 결정구조가 왜곡, 변형되기 때문이다.
Tialite는 어떤 구조인가?
Tialite (Al2TiO5)는 Pseudobrookite group에 해당하는 결정구조로, 고온에서 안정하고 낮은 열팽창계수 등의 특징을 가지는 새로운 세라믹 구조로서 많은 연구가 행해지고 있다.1-6) 그러나 순수한 Al2TiO5는 소성 후 냉각도중 출발재료인 α-Al2O3과 TiO2으로 분해되는 열 적인 불안정성을 가지고 있어 산업 응용에 많은 제약을 받고 있다.
Al2TiO5의 열분해를 야기시키는 원인은?
1-6) 그러나 순수한 Al2TiO5는 소성 후 냉각도중 출발재료인 α-Al2O3과 TiO2으로 분해되는 열 적인 불안정성을 가지고 있어 산업 응용에 많은 제약을 받고 있다.1-5) Al2TiO5의 열분해를 야기시키는 원인은 Al3+이온과 Ti4+이온의 크기차이와 소성 시 c축 방향으로 결정구조가 왜곡, 변형되기 때문이다. 열분해를 억제하기 위하여 고용 체를 형성시켜 구조적 변형을 완화시키는 방법이 많이 연구되고 있으며, 그 재료로 MgO, Fe2O3, SiO2등이 있다.
참고문헌 (12)
M. Dondi, T. S. Lyubenova, J. B. Carda and M. Ocana, J. Am. Ceram. Soc., 92(9), 1972 (2009).
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