알루미나를 基底物質로 한 伝導性 眞珠光澤顔料의 合成
- Alternative Title
- A study on preparation of conductive pearlescent pigment using alumina substrate
- Abstract
- 본 연구에서는 -Al₂O₃의 진주광택안료 기저 물질로서의 특성을 연구하기 위해 먼저 -Al₂O₃ 판상체를 제조하였으며, 이 때 출발물질 및 가열방식, 즉 재래식 가열법 혹은 마이크로파 가열법, 등이 생성되는 -Al₂O₃ 의 형태에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 그리고 판상의 -Al₂O₃ 기저 물질상에서 TiOCl₂의 가수분해 및 소성 과정을 통해 TiO₂/기저 물질 형태의 진주광택안료 제조하였으며, 또한 기존의 진주광택 안료의 기저 물질로 널리 사용되는 천연 운모(muscovite) 및 합성 운모(fluorophologopite)를 기저 물질로 이용하여 진주광택안료를 합성하여 각각의 특성을 XRD, XRF, FE-SEM, XPS 측정을 통하여 상호비교 하였다.
특히 진주광택안료로서의 광학적 특성에 큰 영향을 미치는 TiO₂의 anatase 로부터 rutile로의 상전이(A-R phase transformation) 및 최종 TiO₂ 층에서의 anatase/rutile 비에 대해 기저 물질이 미치는 영향을 중점적으로 연구하였다.
또한 전도성 진주광택안료 제조에 있어서는 제조된 TiO₂/Al₂O₃ 진주광택 안료상에 ATO를 균일 침전법으로 코팅하였으며, 이 때 ATO 코팅량 및 ATO 내의 Sn/Sb 비 등이 전체 안료의 전기적 특성 및 광학적 물성에 미치는 영향에 대해 연구하였다.
1. α-Al₂O₃ 판상체 제조과정에 있어서, Al₂(SO₄)₃를 출발물질로 하는 경우보다 γ-Al₂O₃를 출발물질로 하는 경우가 보다 효율적으로 응집이 이루어지지 않은 육각형의 α-Al₂O₃ 판상체가 생성되었다. 또한 가열방식에 있어서도 재래식 가열방식보다는 마이크로파 가열방식이 입자크기가 상대적으로 일정하여 효과적인 것을 알 수 있었다.
2. 천연 운모, 합성 운모, α-Al₂O₃ 등의 기저물질에 따라 제조된 진주광택안료 표면 TiO₂ 층에서의 anatase/rutile 비가 변화하였으며 α-Al₂O₃ 표면 상에서 rutile의 함량이 높았다. 이와 같은 현상은 제조과정에서 기저 물질로부터 TiO₂ 층으로의 이온 확산이 기인한 것임을 알 수 있었다. 즉, XPS 분석결과 Al^(3+) 이온은 모든 기저 물질 상에 코팅된 TiO₂ 층에 존재하는 반면 K^(+), Si^(4+) 이온은 천연 운모와 합성 운모상의 TiO₂ 층에서만 검출되었다. 그리고 single cation 보다는 mixed cation이 A-R phase transformation을 억제하는 효과가 더욱 큰 것으로 판단되었다.
3. 진주광택안료에 ATO를 코팅하기 위한 최적의 pH는 1.6 인 것으로 판단되며, 이 이상으로 pH가 상승할 경우 표면의 불안정성으로 인해, 전도성과 광택도가 감소하였다.
4. 우수한 전도성과 광택을 가지는 안료를 합성하기 위해 진주광택안료의 표면에 코팅되는 ATO 첨가량을 약 17.5 wt%로 조절하여 합성된 전도성 진주광택안료는 최적의 전도성과 우수한 진주광택을 나타냈다.
5. ATO 용액중의 Sn과 Sb의 몰 비가 6.67일 때, 가장 우수한 전도성을 나타냈으며, 그 이하에서는 Sb₂O₃의 생성량이 작아 낮은 전도성을 나타냈다.
6. 열처리에 의한 전도성 안료의 물성 변화에 있어서는 600℃에서 소성한 경우가 가장 우수한 전도성을 나타냈으며, 400℃ 이하에서는 Sb2O₃가 생성되지 못해 낮은 전도성을 나타냈고, 600℃ 이상에서는 Sb₂O₃가 Sb₂O_(5)로 과산화되어 낮은 전도성을 나타낸 것으로 판단되었다.
In this study, the characteristics of -Al₂O₃ as substrate for pearlescent pigment and properties of conductive pearlescent pigment, ATO/TiO₂/-Al₂O₃ were investigated. The -Al₂O₃ platelets were prepared by flux method using Na₂SO₄ as flux and the influences of starting material and heating methods, such as conventional heating and microwave heating, on the morphology of resulting -Al₂O₃ platelet were studied. The pearlescent pigment was synthesized by the hydrolysis of TiOCl₂ on Al₂O₃ platelet substrate followed by a calcination process. Other pearlescent pigments were also prepared by using natural mica (muscovite) and synthetic mica (fluorophologopite) as substrates. The obtained pearlescent pigments were characterized using XRD, XRF, FE-SEM and XPS techniques and their properties were compared with each other.
Furthermore, the effect of substrate on phase transformation of anatase to rutile (A-R) was studied in detail since anatase and rutile proportion in the TiO₂ thin layer has a notable influence on the pearlescent appearance of TiO₂/substrate pigment.
The conductive pearlescent pigments, which characteristically possess both electrical conductivity and pearlescent effect, were prepared by covering a layer of ATO on pearlescent pigment using homogeneous precipitation method with TiO₂/Al₂O₃ substrate. Some experimental parameters pertaining to the influences on electrical conductivity and pearlescent effect of the pigment such as ATO coating quantity and molar ratio of Sn/Sb were studied.
1. It was found that using γ-Al₂O₃ as a starting material leads to the more effective formation of hexagonal-shaped α-Al₂O₃ platelets with less agglomeration as compared to Al₂(SO₄)₃. In addition, it was also observed that the size distribution of α-Al₂O₃ platelets produced by microwave heating is narrower than that obtained by conventional heating method.
2. The phase compositions of TiO₂ layer in each pearlescent pigment are quite different depending on the substrates. The TiO₂ layer deposited on α-alumina has higher rutile fraction than those on the natural and synthetic mica. The XPS analysis showed that the cations originally present in the substrates diffused into the TiO₂ layer. The TiO₂ layer deposited on α-alumina contains Al, while those on the natural and synthetic mica substrates contain Si and K in addition to Al. The metal cations diffusing from the substrate into TiO₂ layer might retard the A-R phase transformation of TiO₂. The suppressing effect on the A-R transformation of TiO₂ by mixed cations seems to be much stronger than that of single cation, resulting in relatively higher rutile fraction in the case of TiO₂ layer deposited on α-alumina.
3. The optimum pH during precipitation of ATO was found to be 1.6, and with increasing the pH the electrical conductivity and gloss of resultant pigment decreased. In order to get the pigments having both good electrical conductivity and ideal pearlescent effect, it is important to coat the appropriate ATO film on the surface of substrate. In this study, the optimum amount of ATO on TiO₂/Al₂O₃ substrate to obtain the best electrical conductivity and pearlescent effect was found to be 17.5 wt%.
4. The optimum molar ratio to get the conductive pearlescent pigment with good electrical conductivity was found to be 6.67. After this ratio the electrical conductivity decreased with the decreasing molar ratio and it may be resulted from lower formation of Sb₂O₃ which is known to form conductive current carrier.
5. Heat treatment also affected the properties of conductive pearlescent pigment and the pigment treated at 600℃ showed the highest electrical conductivity. It seems that Sb₂O₃ can not be formed by the heat treatment below 400℃ and Sb₂O₃ is likely to be oxidized to Sb₂O_(5) at the temperature higher than 600℃, resulting in lower electrical conductivity.
- Issued Date
- 2009
- Awarded Date
- 2009. 2
- Type
- Dissertation
- Keyword
- 안료
- Publisher
- 부경대학교 대학원
- Alternative Author(s)
- Ryu, Young Cheol
- Affiliation
- 부경대학교 대학원
- Department
- 대학원 공업화학과
- Advisor
- 이근대
- Table Of Contents
- Ⅰ. 서론 = 1
Ⅱ. 이론 = 4
2. 1. 진주광택안료의 개요 = 4
2. 1. 1. 진주광택안료의 기저 물질 = 5
2. 1. 1. 1. 천연 운모(natural mica) = 7
2. 1. 1. 2. 합성 운모(synthetic mica) = 7
2. 1. 1. 3. 판상형 α-Al₂O₃ = 8
2. 1. 2. 진주광택안료의 코팅 물질 = 10
2. 1. 2. 1. TiO₂의 성질 = 12
2. 1. 2. 2. TiO₂의 결정 구조 = 13
2. 2. 진주광택안료의 색상 = 16
2. 3. 진주광택안료의 구조 = 20
2. 4. 진주광택안료의 광택적 특성 = 23
2. 5. TiO₂ / α-Al₂O₃ 진주광택안료의 제법 = 31
2. 5. 1. α-Al₂O₃ 제조 공정 = 31
2. 5. 2. TiO₂ / α-Al₂O₃ 수화물 합성 공정 = 33
가) 균일 침전법(Homogeneous hydrolysis) = 33
나) 적정법(Titration) = 33
다) 유동층 화학 증착법(CVD in a fluidized bed) = 34
라) 원자층 증착법(ALD, atomic layer deposition) = 34
2. 6. 진주광택안료의 특성 및 용도 = 35
2. 7. 전도성 진주광택안료의 제법 및 특성 = 37
2. 7. 1. 투명 전도성 산화물의 전기적 특성 = 37
2. 7. 2. 전도성 진주광택안료의 구조 = 39
Ⅲ. 실험 = 41
3. 1. 판상 α-Al₂O₃의 제조 = 41
3. 1. 1. Al₂(SO₄)3를 출발물질로 한 제조 = 42
3. 1. 2. γ-Al₂O₃를 출발물질로 한 제조 = 44
3. 1. 3. 마이크로파 가열에 의한 판상 α-Al₂O₃ 제조 = 46
3. 2. 진주광택안료의 제조 = 48
3. 2. 1. 티탄염 용액 제조 = 48
가) TiOSO₄ 제조 = 48
나) TiOCl₂ 제조 = 48
3. 2. 2. 기저 물질 slurry 제조 = 49
3. 2. 3. TiO₂ 피복 = 51
1) 균일 침전법에 의한 진주광택안료 제조 = 51
3. 3. 천연 운모, 합성 운모를 기저물질로 한 진주광택안료의 제조 = 53
3. 4. 전도성 진주광택안료의 제조 = 54
3. 4. 1. ATO 용액의 제조 = 54
3. 4. 2. 전도성 ATO slurry 제조와 열처리 = 55
3. 5. 안료의 특성 분석 = 57
3. 5. 1. 성분 및 결정상 XRD 분석 = 57
1) TiO₂ 결정의 함량 계산 = 57
2) TiO₂ 결정 입자의 크기 계산 = 58
3. 5. 2. XRF 분석 = 59
3. 5. 3. FE-SEM 분석 = 60
3. 5. 4. XPS 분석 = 61
3. 5. 5. 전도성 측정 = 62
3. 5. 6. 광택도 측정 = 64
Ⅳ. 결과 및 고찰 = 65
4. 1. 판상 알루미나의 제조 = 65
4. 1. 1. 출발물질과 가열방식에 따른 알루미나 특성 변화 = 65
4. 2. 진주광택안료 제조 = 80
4. 2. 1. 기저 물질의 조성 = 80
4. 2. 1. 1. 기저 물질에 대한 XRF 분석 결과 = 80
4. 2. 1. 2. FE-SEM 분석 = 82
4. 2. 1. 3. XRD 분석 = 84
4. 2. 2. 기저 물질에 따른 진주광택안료 특성 변화 = 86
4. 2. 2. 1. TiO₂가 코팅된 진주광택안료에 대한 FE-SEM 분석 = 86
4. 2. 2. 2. TiO₂가 코팅된 진주광택안료에 대한 XRD 분석 = 89
4. 2. 2. 3. TiO₂가 코팅된 진주광택안료에 대한 XPS 분석 = 93
4. 3. 전도성 진주광택안료 제조 = 97
4. 3. 1. 반응용액의 수소이온농도(pH)에 따른 안료 특성 변화 = 97
4. 3. 2. 반응용액의 온도에 따른 안료 특성 변화 = 101
4. 3. 3. ATO 코팅량에 따른 안료 특성 변화 = 105
4. 3. 4. Sn:Sb 함량에 따른 안료 특성 변화 = 110
4. 3. 5. 열처리 온도에 따른 안료 특성 변화 = 114
Ⅴ. 결론 = 119
Ⅵ. 참고문헌 = 122
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