소개글
"BaTiO3 고상합성"에 대한 내용입니다.
목차
1. 서론
2. BaTiO3 고상합성
2.1. 합성 과정 개요
2.2. 혼합 및 분쇄
2.3. 하소
2.4. 성형 및 소결
3. 특성 분석
3.1. XRD 분석
3.2. SEM 분석
3.3. 임피던스 분석
4. 결과 및 고찰
5. 결론
6. 참고 문헌
본문내용
1. 서론
BaTiO3 고상합성에 관한 실험보고서
BaTiO3는 Perovskite 구조의 세라믹 물질로 압전성, 강유전성을 나타내며 커패시터, 전자통신 기기의 변환기 등에 사용된다. BaTiO3의 합성 방법으로는 습식법, 공침법, 기상법, 겔법, 고상합성법(Solid State Reaction Method, SSRM), 수열합성법 등이 있으며, 본 실험에서는 고체 상태에서 입자의 확산을 통해 화학 반응을 일으키는 SSRM을 이용하여 TiO2와 BaCO3를 반응시켜 BaTiO3를 합성하였다.
BaTiO3는 BaCO3와 TiO2로부터 합성할 수 있는데, BaCO3는 orthorrombic structure이며 TiO2는 Rutile, Anatase, Brookite 등의 구조를 가진다. TiO2의 이러한 다양한 특성은 화학 반응 중에 Band gap 차이에 의한 광학적 특성을 발생시켜 광학적 촉매의 활성을 변화시키거나, 하소 과정 중에 표면 반응에 대한 기여도가 달라지면서 반응에 영향을 줄 수 있다. 또한 두 물질의 혼합물의 열처리 방법이나, 가열 및 냉각 속도와 같은 결정화 및 상의 안정화 메커니즘에 따라 합성된 BaTiO3의 거시적, 미시적 구조에 영향을 받을 수 있다.
혼합 및 분쇄 과정에서 밀링 방법과 시간에 따라서 고상 혼합물의 입자 크기가 결정되며 그것이 화학적 반응에 영향을 줄 수 있다. 이러한 경향성은 XRD 분석으로 확인할 수 있다. 합성된 BaTiO3에서 Ti 원소의 비율이 Ba 원소에 비해 1.0 이하의 비율로 첨가될 경우에는 그 물성에 영향을 줄 수 있다. 하소 과정에서 표면 반응에 기여도가 TiO2가 더 높으므로 그만큼 결정성이 더 커지게 될 수 있고 이는 전기전도성을 증가시키고 유전율을 감소시킬 수 있다. 또한 열적 안정성을 개선할 수 있으므로 Ti의 첨가 비율에 따라서 결정성과 열안정성, 전기적 특성 및 Curi point에 대한 제어가 가능하다.
볼밀링은 단단한 Zirconia 볼 등을 용기에 넣고 회전시킴으로써 충격, 전단력, 마찰력 등을 이용하여 원료를 분쇄하는 것이다. 분말의 입도는 볼밀링 시의 조건에 의존하는데, 볼의 크기, 경도, 강도, 무게, 양 등에 크게 의존하고, 회전속도, 밀링시간, 적재량 등의 조건에도 영향을 받는다. 밀링이 충분하게 일어나지 못하면 비대칭 입자가 만들어 질 수 있고, 이러한 방식으로 불균일하게 혼합 되면 Ba2TiO4 나 BaTi3O7 등의 중간상들이 잔류하게 될 수 있으며 이를 완전히 제거하기 위해서는 1500℃ 이상에서 장시간 소결해야 한다. 따라서 SSRM으로 제조된 BTO는 이러한 고온의 공정에 의하여 입경이 매우 크므로 Ball milling 과정을 적절히 실시하여 입도를 충분히 작게 하는 과정이 필수적이다.
하소 온도가 높고 열처리 시간이 길어질수록 결정의 크기가 커지며, 이는 밀도를 떨어뜨리며 벌크에 기공률을 증가시키는 원인이 될 수 있다. 반대로 하소의 온도가 너무 낮게 되면 충분한 화학 반응이 일어나지 못하여 상기한 Ba2TiO4 나 BaTi3O7 등의 중간상들이 잔류하게 될 수 있으므로 하소의 온도와 시간이 적절해야 한다.
성형 과정은 시편의 형태를 가공하는 과정으로 프레스, 사출 성형, 슬립 캐스팅 등의 공정이 있다. 각각의 방법에 따라서 가공성, 밀도, 소결 후의 결정성 등이 달라질 수 있다. 성형 압력이 너무 낮으면 분말이 적절하게 합쳐지지 않아 기공률이 높아질 수 있으며, 성형 압력이 너무 높으면 잔류응력이 발생하여 시편에 Crack이 발생할 수 있다. BTO 입자는 일반적으로 낮은 인력을 가지고 있기 때문에 성형 과정에서 분말이 형태를 형성할 수 있도록 Binder를 투입하는 것이 좋다. PVA(Polyvinyl alcohol)는 Binder로 사용할 수 있는 고분자이며 부분검화형과 완전검화형이 있다.
소결은 하소를 통해 화학반응 후 성형한 시편을 열적 활성화 과정을 거쳐 덩어리를 형성하는 과정이다. 소결 온도가 높을수록 밀도가 상승하고 접합이 증가되며 소결 시간이 길수록 충분한 반응 시간을 가지게 될 수 있으나, 결정립이 과도하게 성장되면 결정립 미세화에 의한 강화효과가 감소하고 첨가한 Dopant나 불순물에 의한 편석이 발생하는 등의 기계적 물성의 저하가 발생할 수 있다. 또한 이러한 특성들은 전기적인 특성에 영향을 주어 유전율을 감소시킬 수 있으므로 적절한 소결 온도와 열처리 시간이 중요하다.
아르키메데스법은 물의 밀도를 이용하여 부피와 밀도를 측정하는 방법이다. 샘플의 건조 무게와 포수 무게를 측정하고, 수상 무게를 측정하여 아르키메데스 원리를 이용하여 밀도를 계산할 수 있다. 이를 통해 기공률, 밀도를 파악할 수 있다.
X선 회절 분석법은 재료가 X선을 흡수하고 다시 방출하면서 발생하는 회절 현상을 이용하여 결정성 물질의 구조를 파악하는 방법이다. Bragg's Law에 따라 측정된 2Θ를 이용하여 면간 거리를 계산할 수 있고, 회절 빔의 강도를 고려하면 물질의 결정구조를 알 수 있다.
임피던스 분석기는 전기장의 주파수에 따른 유전특성을 분석하는 장비이다. BaTiO3가 전기장에 의해 발생시키는 전기장을 측정하여 전기용량, 유전율, 유전손실률을 계산할 수 있다.
2. BaTiO3 고상합성
2.1. 합성 과정 개요
BaTiO3(이하 BTO)는 페로브스카이트 구조의 세라믹 물질로, 압전성과 강유전성을 지니고 있어 커패시터, 전자통신 기기의 변환기 등에 사용된다. BTO의 합성 방법으로는 습식법, 공침법, 기상법, 겔법, 고상합성법(Solid State Reaction Method, SSRM), 수열합성법 등이 있으며, 본 실험에...
참고 자료
J.L. Clabel H (2020), Insights on the mechanism of solid state reaction between TiO2 and BaCO3 to produce BaTiO3 powders: The role of calcination, milling, and mixing solvent, Cermics International 46
J. Suntivich, K.J. May, H.A. Gasteiger, J.B. Goodenough, Y. Shao-Horn, A perovskiteoxide optimized for oxygen evolution catalysis from molecular orbital principles, Science 334 (2011) 1383–1385
H. Kominami, J.I. Kato, S.Y. Murakami, Y. Kera, M. Inoue, T. Inui, et al., Synthesis of titanium(IV) oxide of ultra-high photocatalytic activity: high-temperature hydrolysis of titanium alkoxides with water liberated homogeneously from solvent alcohols, J. Mol. Catal. A Chem. 144 (1999) 165–171
M. Bradley, Curve fitting in Raman and IR Spectroscopy : basic theory of line shapes and applications, thermo fish, Science 80 (2007) 0–3
S.W. Kwon, D.H. Yoon, Tetragonality of nano-sized barium titanate powder prepared with growth inhibitors upon heat treatment, J. Eur. Ceram. Soc. 27 (2007) 247–252
Y. Sakabe, N. Wada, Y. Hamaji, Grain size effects on dielectric properties and crystal structure of fine-grained BaTiO 3 ceramics, J. Korean Phys. Soc. 32 (1998) 260–264
Y. Shiratori, C. Pithan, J. Dornseiffer, R. Waser, Raman scattering studies on nanocrystalline BaTiO 3 Part I – isolated particles and aggregates, J. Raman Spectrosc.38 (2007) 1288–1299
C.H. Kim, K.J. Park, Y.J. Yoon, D.S. Sinn, Y.T. Kim, K.H. Hur, Effects of milling condition on the formation of core-shell structure in BaTiO3grains, J. Eur. Ceram. Soc. 28 (2008) 2589–2596
T. Ng, W. Zhou, G. Ma, X. Chang, International Journal of Solids and Structures Macroscopic and microscopic behaviors of binary mixtures of different particle shapes and particle sizes, Int. J. Solids Struct. 135 (2018) 74–84
Seong-Jun Kim, Design and Analysis of Mixture Experiments for Ball Mix Selection in the Ball Milling
Akkurt, S., Romagnoli, M., and Sutcu, M. 2007. "DOE and ANN models for powder mixture packing."American Ceramic Society Bulletin 86(7):9101-9111.
Choi, J., and Kim, S. J. 2011. “An optimal determination of ball mill mix using design of mixtureexperiments.” Proceedings at The Spring Meeting of the Korean Institute of Industrial Engineers 1369-1374, Incheon.
Kim, S. J. and Choi, J. 2012. “Determination of ball mill mix using design of mixture experiments.” Proceedings at The Spring Conference of Korean Society for Quality Management, Seoul.
Kim, S. J., Choi, J., and Shin, H. 2013. “A process improvement for ball milling using mixture experiments and Taguchi methods.” Proceedings at The Spring Meeting of the Korean Institute of Industrial Engineers, Yeosu.
Kim, S. J. and Park, J. I. 2010. “An optimal tolerancing of the mixture ratio with variance considerations.” Journal of the Korean Society for Quality Management 38(4):580-586.
Lim, Y. 2011. “Practical designs for mixture component-process experiments.” Journal of the Korean Society for Quality Management 39(3):400-411.
Mota, M., Teixeira, J. A., Bowen, W. R., and Yelshin, A. 2001. "Binary spherical particle mixed beds: porosity and permeability relationship measurement." Transactions of the Filtration Society 1(4):101-106.
Park, S. 2010. Design of Experiments, 10th ed. Minyoungsa.
Rhee, S. 2001. "A comparative analysis of three signal-to-noise ratios of dynamic characteristics parameter design." Journal of the Korean Society for Quality Management 29(3):82-91.
Shin, H. 2009. Fundamentals of Ceramic Engineering. Books Hill.
Shin, H., Lee, S., Jung, H. S., and Kim, J. B. 2013. Effect of ball size and powder loading on the milling efficiency of a laboratory-scale wet ball mill. Ceramic International 39, 8963-8968.
Yum, B. J., Kim, S. J., Seo, S. K., Byun, J. H., and Lee, S. H. 2013. “The Taguchi Robust Design Method : Current Status and Future Directions.” Journal of the Korean Institute of Industrial Engineers 39(5):325-341.
XRD
https://www.kistec.or.kr/kistec/LIB/download2.asp?name=x-ray.pdf
http://www.softdisc.co.kr/index.html
http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=2699461&cid=51610&categoryId=51610
jcpds 카드
http://blog.naver.com/ditto96/20095851774
SEM
http://joocyfresh.tistory.com/5
https://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_electron_microscope#Principles_and_capacities
http://labshop.tistory.com/1000
http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=sintering_of_ceramics
양희선 박사님 연구실 앞 SEM 정보
http://www.greennics.com/2012/bbs_form/download.html?code=gn_pds&name=%B3%AA%B3%EB%BA%D0%BB%EA%C0%CC%B6%F5_1347010054.pdf (ball milling 습식/건식 설명자료)
http://cafe.naver.com/ceramics/10056 원자량표(네이버 이미지)
http://www.adtec.com/korean/products/press/anvil.html (일축가압성형기)
http://www.koreaits.com/new/product/sub_main.htm?no=1 (XRD)
http://www.happycampus.com/doc/11562867/ (하소) (드림플러스,전자저울 사용법)
http://sinwontec.com/tech/tech4.html(Drying공정)
http://en.wikipedia.org/wiki/Ball_mill
http://www.softdisc.co.kr/xray.html (XRD 2.8.2)
http://preview.britannica.co.kr/spotlights/nobel/list/b10b2139a.html(XRD2.8.3)
http://www.softdisc.co.kr/xrda.html (XRD 2.8.4)
https://www.kistec.or.kr/kistec/LIB/download2.asp?name=jusa_01.pdf(SEM)
http://www.google.co.kr/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&ved=0CBwQFjAA&url=http%3A%2F%2Fcfile236.uf.daum.net%2Fattach%2F115FCF524D995B050AB005&ei=kxRXVcr4B4a4mwW0qIGICQ&usg=AFQjCNEJa9KFZULZg7SoCuRD_xZVKGiBtQ&sig2=vJdaV6fyntWsqr1ANBna8A&cad=rjt(세라믹 제조 공정)
http://en.wikipedia.org/wiki/Sintering(Sintering)
1
2
3
4
5
6
7
8
9