일반기술

지르콘산납 나노분체의 제조방법

지르콘산납(lead zirconate, PbZrO3)은 반강유전체로 확인된 최초의 화합물로서, 유전율의 비정상 거동이 발생하는 상유전상으로의 상전이 온도가 약 230℃이다. 또한, 상기 지르콘산납은 납이온이 사방정 a축을 따라 있는 입방체면의 대각선을 따라 입방정위치에서 반대 방향으로 0.26Å만큼 변위되어 있고 지르코늄이온 또한 같은 방식으로 0.04Å 변위되어 있는 ABO3형 페로브스카이트 결정구조로서 극미세 전자기계 디바이스, 전계방출 소자, 초전 센서, 초음파 발생 모터 등에 사용되고 있다. 종래의 지르콘산납 제조방법은 고상반응법, 용융염석출법, 공침법 및 졸겔법이 주로 이용되고 있다. 고상반응법은 평형상태도적으로 엄격한 소성조건과 미세한 입자의 특성을 잃게하는 고온소성이 요구된다. 용융염석출법은 지르콘산납의 구성원소의 산화물과 용융온도를 낮추기 위해 융제를 혼합, 다단계의 열처리 공정을 거친 후 최종온도에서 완전히 용해시킨 다음 냉각시 분말을 제조하나, 이 방법은 매트릭스 성분이 합성물의 조성에 혼입되기 쉬운 단점이 있다. 공침법은 공업적으로 광범위하게 이용되는 방법으로, 납염 및 지르코늄염으로 이루어진 용액에 과산화수소와 암모니아를 첨가하여 적하시킨 후 열처리하는 것으로 이루어진다. 이 방법은 금속염이 포함된 용액에 외부에서 직접 침전제를 가하기 때문에 용액의 농도가 순간적, 국부적으로 변화하게 되어 생성 침전물의 균질성이 떨어지게 된다. 또한, 금속 알콕사이드의 가수분해와 비정질 사이트레이트 겔을 이용한 졸겔법은 매우 미세하고 활성이 좋은 불순물이 없는 지르콘산납 분말을 제조할 수 있으나 제조원가가 높고 낮은 수율 때문에 문제가 된다. 이를 극복하기 위한 요소를 이용한 균일 침전법이 제안되었으나, 이는 카보네이트를 형성하는 단점이 있다. 이에 카보네이트 형성을 억제하고 보다 낮은 결정화 온도를 갖는 지르콘산납 나노분체를 요소를 이용하여 균일침전법으로 제조하였다.본 기술은 납(II)염, 지르코늄(IV)염 및 산화제의 수용액을 가열 교반하는 단계, 상기 가열 교반 중에 요소를 첨가시켜 침전물을 얻는 단계, 상기 침전물을 냉각, 필터링 및 세척을 순차적으로 수행하여 지르콘산납 전구체를 얻는 단계, 상기 지르콘산납 전구체를 하소시켜 지르콘산납 나노분체를 얻는 단계를 구성되는 것이 특징이다. 즉, 요소를 이용한 균일 침전법에 의한 지르콘산납의 제조에 산화제를 첨가하므로 산화제의 작용에 의해 카보네이트 형성을 억제하며 결정화 온도가 크게 감소한다.제조중 카보네이트 생성을 억제하고, 결정화온도를 낮출 수 있으며, 낮은 pH에서도 제조가 가능하여 침전제의 선택폭이 넓어진다. 또한, 낮은 하소온도에서 구형의 결정질 및 우수한 결정성을 가지며, 균일한 입도분포 및 높은 비표면적은 물론 높은 소결력을 갖는 지르콘산납 나노분체를 제조할 수 있다.