본문내용
1. 고상분말 합성법
1.1. 실험 이론 및 원리
1.1.1. 세라믹 분말 합성법
세라믹 분말 합성법에는 3가지 합성법이 있다. 첫 번째로 고상합성법은 고체 상태의 출발 물질을 이용하여 고온에서 열처리를 함으로 원하는 분말을 합성하는 것이다. 두 번째 액상합성법은 여러 종류의 출발물질 원료를 용매에 녹인후, 용해도 감소 및 가수-축합 반응을 통하여 분말을 합성한다. 마지막 기상 합성법은 기체 상태의 출발물질의 응축을 이용하여 분말을 합성하는 방법이다.
고상분말합성법은 고체 상태의 출발 물질을 이용하여 고온에서 열처리함으로써 원하는 분말을 합성하는 것이다. 서로 다른 출발물질이 만나는 점에서 반응이 시작되므로, 완전한 반응을 위해 작은 출발 입자, 균일한 혼합, 균일한 입자크기, 만나는 부분 증가를 위한 적절한 압축이 필요하다. 고온에서 합성된 분말의 경우, 응집으로 인한 추가 밀링이 필요하며, 밀링시 볼에 의한 오염에 주의해야 한다.
밀링이란 크기가 큰 입자를 분쇄하거나, 응집된 입자를 분산시키는 과정이다. 밀링의 종류로는 건식법과 습식법이 있다. 이번 실험에 사용해볼 밀링은 '볼밀링'으로, 사전혼합이 불필요하며, 용매 휘발이 없고 간단하고 안전하다는 장점이 있다. 주로 사용되는 볼재료로는 알루미나, 탄화규소 등이 있다.
볼밀링의 적절한 회전속도는 중력과 원심력이 균형을 이룰 때의 속도, 즉 임계속도의 0.65~0.8배 속도이다. 임계속도는 중력과 원심력이 같을 때의 속도로, (g/R)^(1/2) /2π (rotation/sec.)로 계산할 수 있다. 여기서 g는 중력 가속도, R은 용기의 반경이다.
1.1.2. 고상 합성법
고상 합성법은 고체 상태의 출발 물질을 이용하여 고온에서 열처리함으로써 원하는 분말을 합성하는 방법이다. 세라믹 분말 합성법에는 고상 합성법, 액상 합성법, 기상 합성법이 있으며, 이번 실험에서는 고상분말 합성법을 사용할 것이다.
고상 합성법의 메커니즘은 다음과 같다. 먼저 BaCO3가 열분해되어 BaO와 CO2로 분해된다. 이후 BaO와 TiO2가 반응하여 BaTiO3가 생성된다. 그리고 BaTiO3와 BaO가 반응하여 Ba2TiO4가 생성되며, 최종적으로 Ba2TiO4와 TiO2가 다시 반응하여 2개의 BaTiO3가 형성된다.
이러한 고상 합성법은 비교적 재료 공정이 간단하다는 장점이 있다. 그러나 완전한 반응을 위해서는 작은 입자 크기, 균일한 혼합, 균일한 입자 크기, 그리고 만나는 부분을 증가시키기 위한 적절한 압축이 필요하다. 또한 고온에서 합성된 분말은 응집되어 있어 추가적인 밀링이 필요하며, 밀링 과정에서 볼에 의한 오염이 발생할 수 있다.
1.1.3. 액상 합성법
액상 합성법은 여러 종류의 출발물질 원료를 용매에 녹인 후, 용해도 감소 및 가수-축합 반응을 통하여 분말을 합성하는 방법이다. 액상 합성법의 대표적인 방법에는 공침법(Coprecipitation)과 수열합성법(Hydrothermal)이 있다.
공침법은 양이온/음이온 용액을 물이나 다른 용매를 이용하여 만든 후, 침전제를 넣거나 온도/압력으로 용해도를 변화시켜 침전물을 만든다. 이후 필터링과 세척을 통해 침전물을 걸러내고, 건조 및 열처리 과정을 거친다. 공침법의 장점은 용이하고 경제적이며, 나노분말 합성이 가능하고 균일한 분말과 높은 순도의 분말을 얻을 수 있다. 반면 단점으로는 생성 입자들 간의 응집, 세척의 필요성, 열처리 과정에서의 응집 발생 등이 있다.
수열합성법은 고온과 고압의 auto-clave를 이용하여 분말을 합성하는 방법이다. 온도는 100-350°C, 압력은 6-15MPa 수준이다. 수열합성법은 우수한 구형의 분말을 얻을 수 있으며, 첨가제의 도핑이 가능하고 균일한 입도 분포와 높은 순도의 미립 분말을 얻을 수 있다는 장점이 있다.
액상 합성법은 고상 합성법이나 기상 합성법에 비해 상대적으로 균일한 분포의 분말을 얻을 수 있고, 입자 크기와 모양을 더욱 정밀하게 제어할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 공정 제어가 어렵고 대량생산이 어렵다는 단점도 존재한다.
1.1.4. 기상 합성법
기상 합성법은 기체 상태의 출발물질의 응축을 이용하여 분말을 합성하는 방법이다. 기상 합성법은 균일한 입도 분포와 고순도의 분말을 제조할 수 있으며, 불순물 혼입의 위험이 적다는 장점이 있다. 하지만 장치가 복잡하고 대량생산이 어렵다는 단점도 있다. 기상 합성법은 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition, CVD)이나 플라즈마 분무 열분해(Plasma Spray Pyrolysis) 등의 방법으로 수행될 수 있다. CVD 방법은 기체 상태의 전구체를 기판 표면에 반응시켜...
