[논문]수열합성법을 이용한 BaTiO3 나노분말 합성

심영재; 최경진

doi:10.4313/jkem.2015.28.9.561

수열합성법을 이용한 BaTiO3 나노분말 합성
Synthesis of Nano-Size BaTiO3 Powder by Hydrothermal Reaction Method 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.28 no.9, 2015년, pp.561 - 564

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Nano-size $BaTiO_3$ powder was synthesized by relatively simple hydrothermal reaction method. Finely dispersed Ti hydroxide precursor was first precipitated using $Ti(SO_4)_2$ and NaOH solution by applying ultrasonic power and washed thoroughly to remove $SO_4{^{2-}}$ and $Na^+$ ion. Then hydrothermal reaction was done at $160^{\circ}C$ for 6 hrs using solution prepared by washed Ti hydroxide precursor slurry and $Ba(OH)_2{\cdot}8H_2O$ with Ti:Ba mole ratio of 1:1. 200 ~ 500 nm size and uniform size distributed $BaTiO_3$ powder was synthesized by relatively low temperature and simple process.

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AI 본문요약
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세척이 완료된 titanium hydroxide 전구체 slurry 약 100 ml에 건조된 titanium hydroxide를 TiO(OH)2로 가정한 후 Ti:Ba mole 비를 1:1로 Ba(OH)2·8H2O를 첨가하여 160℃에서 6시간 수열합성을 하였다.
NaOH는 강염기로 수용액에서 모두 Na⁺ 이온과 OH^– 이온으로 분리된다. 준비된 NaOH 용액의 초기의 pH는 13.66이며 Ti(OH)₄로 침전이 된다는 가정 하에 최종 pH는 12.75로 침전 과정 중 pH 변화 범위를 1 이하로 줄여 균질한 titanium hydroxide 전구체를 얻도록 하였다. 한편 침전 과정 중 초음파를 가하고 질소 기체를 넣어주어 침전되는 titanium hydroxide 전구체의 크기를 적게 하도록 하였다.

제안 방법

Titanium hydroxide 전구체로 침전한 slurry에 Ba(OH)2·8H2O 시약을 용해시킨 용액을 수열합 성용기에 넣은 후 저온에서 수열합성을 하여 입자의 크기가 나노 크기이며 입도 분포가 좁은 복합산화물 BaTiO3세라믹스 분말을 합성하여 분말 특성을 조사하였다.
이를 위하여 titanium hydroxide 전구체 slurry를 100℃에서 24시간 건조 후 고형량을 계산하였다. titanium hydroxide 전구체의 특성과 조성을 추측하기 위하여 TG-DTA분석을 행하였다.
본 연구에서는 위의 방법을 개선하여 간단하고 효율적인 침전법을 사용하였다. Titanium hydroxide 전구체로 침전한 slurry에 Ba(OH)₂·8H₂O 시약을 용해시킨 용액을 수열합 성용기에 넣은 후 저온에서 수열합성을 하여 입자의 크기가 나노 크기이며 입도 분포가 좁은 복합산화물 BaTiO₃세라믹스 분말을 합성하여 분말 특성을 조사하였다.
O를 첨가하여 160℃에서 6시간 수열합성을 하였다. 수열합성 용기는 Teflon을 사용하여 실험실에서 자체 제작하였다. 수열합성된 물질의 결정상은 X-선 회절 분석을 하여 BaTiO₃임을 확인하였으며, BaTiO₃ 세라믹스의 분말 특성은 주사전자현미경, 투과전자현미경을 사용하여 조사하였다.
수열합성 용기는 Teflon을 사용하여 실험실에서 자체 제작하였다. 수열합성된 물질의 결정상은 X-선 회절 분석을 하여 BaTiO₃임을 확인하였으며, BaTiO₃ 세라믹스의 분말 특성은 주사전자현미경, 투과전자현미경을 사용하여 조사하였다.
양을 알아야 한다. 이를 위하여 titanium hydroxide 전구체 slurry를 100℃에서 24시간 건조 후 고형량을 계산하였다. titanium hydroxide 전구체의 특성과 조성을 추측하기 위하여 TG-DTA분석을 행하였다.
75로 침전 과정 중 pH 변화 범위를 1 이하로 줄여 균질한 titanium hydroxide 전구체를 얻도록 하였다. 한편 침전 과정 중 초음파를 가하고 질소 기체를 넣어주어 침전되는 titanium hydroxide 전구체의 크기를 적게 하도록 하였다.

대상 데이터

8 wt%)에 증류수를 첨가하여 Ti⁴⁺ 이온 용액을 제조하여 linger bag에 넣었다. Sigma Aldrich사 NaOH를 Ti⁴⁺ 이온 농도의 6배를 취하여 침전용액을 제조하였다. OH^– 이온이 들어있는 용액 병을 초음파세척기에 넣은 후 질소기체를 병에 불어 넣어 주면서 Ti⁴⁺ 이온 용액을 바늘을 이용하여 천천히 떨어뜨리면서 titanium hydroxide 전구체를 침전시켰다.
Titanium hydroxide 전구체를 침전하기 위하여 일본 KANTO사의 titanium(IV) sulfate solution (Ti(SO4)2 함량 30.8 wt%)에 증류수를 첨가하여 Ti4+ 이온 용액을 제조하여 linger bag에 넣었다.
그러나 습식화학법에 의한 세라믹스 분말의 제조는 제조 과정과 사용하는 출발물질이 무기물, 유기물 등으로 다양하며, 침전법에 의한 세라믹스 분말의 제조는 pH 조절을 위한 염기의 선택의 어려움이 있으며 침전 과정에서 일정한 pH의 조절은 최종 세라믹스분말 특성에 큰 영향을 주는 것으로 알려져 있다 [5,6]. 본 실험실에서는 Ti(SO₄)₂와 NH₄OH를 사용하여 titanium hydroxide 전구체를 침전시킨 후 120℃에서 수열합성을 하여 아나타제상의 나노 크기의 TiO₂ 분말을 얻었다 [7].
본 연구에서는 비교적 간단한 공정과 낮은 수열합성 온도에서 BaTiO₃ 분말을 합성하였다. 결정이 잘 발달된 200~500 nm 정도의 균일한 입도의 분포를 갖는 BaTiO₃ 분말을 160℃, 6시간 수열합성을 하여 얻었다.

성능/효과

그림 2의 TG-DTA에서 일어나는 반응은 수열합성에서 일어나는 반응과는 다르지만 상온에서 400℃ 사이에서는 TiO(OH)₂ (TiO₂·H₂O) 결정수가 증발하면서 질량 감소가 일어나는 것으로 생각된다. TG-DTA 분석 후 분말의 X-선 회절 분석 결과는 TiO₂ 아나타제상 결정으로 확인되었으며, 이는 610℃ 근처에서는 TiO₂ 아나타제상 결정이 완성되는 것으로 추정된다.
X-선 회절 분석 피크는 PDF 89-2475번의 BaTiO₃로 확인되어 본 연구의 수열합성법에 의해 합성된 물질이 BaTiO₃ 산화물임을 확인하였다. 대부분의 침전물의 X-선회절 분석은 비정질 상으로 나오기 때문에 수열합성법에 의해 합성된 물질이 BaTiO₃ 산화물임을 확인되어 본 연구에서 titanium hydroxide 전구체의 조성이 TiO(OH)₂일 것으로 추정된다.
산화물임을 확인하였다. 대부분의 침전물의 X-선회절 분석은 비정질 상으로 나오기 때문에 수열합성법에 의해 합성된 물질이 BaTiO₃ 산화물임을 확인되어 본 연구에서 titanium hydroxide 전구체의 조성이 TiO(OH)₂일 것으로 추정된다. 한편 피크의 세기도 강하여 결성성이 우수한 BaTiO₃ 산화물이 합성되었음을 알 수 있었다.

후속연구

본 연구의 비교적 간단한 공정을 사용한 수열합성법을 사용하는 경우 수산화물 형태로 침전이 가능한 금속이온들의 다양한 산화물 복합체 제조가 가능할 것으로 생각되며 미량원소를 균일하게 첨가할 수 있는 장점도 있을 것으로 생각된다.
침전 시 Ti4+ 이온이 OH– 이온을 만나 Ti(OH)4의 형태로 침전이 되며, 침전물이 모여서 TiO(OH)2로 바뀌고 있는 것으로 추정이 되나 정확한 데이터는 아직 얻지 못하였으며, 본 실험실에서 현재 추가로 titanium hydroxide 전구체 slurry의 특성에 대하여 연구하고 있다.
한편 본 연구의 결과로 판단 시 수열합성 온도를 낮추어도 우수한 특성의 BaTiO₃ 분말 제조가 가능할 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고상합성법의 합성과정에서 오염, 입자의 불균질성 등 문제점을 개선하기 위한 방법은?	고상법의 단점을 개선하기 위하여 수열합성법 [3], 졸-겔법 [4] 등 습식화학법에 의한 세라믹스분말의 제조법이 사용되고 있다. 습식화학법에 의해 제조된 세라믹스 분말은 입자의 크기가 작고 입도 분포가 좁은 이상적인 특성을 갖는다.
	BaTiO3 세라믹스는 어떤 장점을 가지고 있는가?	BaTiO3 세라믹스는 높은 유전상수를 갖고 있으며 압전성, 초전성 등 전기적 광학적인 물성이 우수한 전자 세라믹스로 적층세라믹 콘덴서(MCLL), PTCR 소자 등의 용도가 지속적으로 성장하고 있다 [1].
	BaTiO3 세라믹스는 어떤 용도로 응용되는가?	BaTiO3 세라믹스는 높은 유전상수를 갖고 있으며 압전성, 초전성 등 전기적 광학적인 물성이 우수한 전자 세라믹스로 적층세라믹 콘덴서(MCLL), PTCR 소자 등의 용도가 지속적으로 성장하고 있다 [1].

참고문헌 (8)

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Y. J. Shim, D. H. Kim, and H. S. Kim, Manufacturing Method of Titanium Dioxide Having Nano Particles, Titanium Dioxide Having Nano Particles Manufactured Using the Same Method, and a Solar Battery Using the Same Titanium Dioxide, KR Patent 2008-0072260 (2011).
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