판상형 α-알루미나 나노입자의 분산에 대한 암모늄 염 침전제의 영향

Abstract

세라믹의 광학적, 전기적 특성은 morphology와 입자크기를 포함하는 세라믹의 마이크로 구조에 영향을 많이 받는 것으로 잘 알려져 있다. 세라믹의 성능은 nano-scale structure의 생성에 의해 향상 될 수 있다 [1]. 게다가 최근 몇 년간 항공우주산업, 자동차, 전기전자 등의 많은 산업분야에서 nanocrystalline 세라믹은 상당한 잠재성을 가지고 있기 때문에 많은 주목을 받고 있다. 다양한 세라믹 중에서 nanocrystalline α-alumina는 전기전자, 금속, 고강도 물질, 세라믹 재료를 포함하는 현대 산업의 넓은 범위에 걸쳐 상당한 잠재력을 가지고 있기 때문에, 많은 응용분야에 가장 넓게 사용되는 세라믹 물질 중 하나이다 [2,3,4]. Alumina 입자의 morphology가 공학적 성질에 영향을 미치는 것 또한 증명됐다 [5]. 예를 들어, micro-size 입자에 비해 nano-size 입자를 가지는 알루미나는 촉매, 연마재, 도료도장 등과 같은 다양한 응용분야에 많은 이점을 가진다. 추가적으로, nano-sized plate-like alumina grain은 파괴인성 (fracture toughness)을 ball-like grain에 비해 상당히 증가시킬 수 있다. 그 이유는 판상형 입자는 ceramics matrix 안에 쉽게 크랙 브리징 (crack bridging)을 형성하기 때문이다 [6.7]. 나노결정 알파 알루미나는 침전 (precipitation), 증착 (gas phase deposition), 졸-겔 (sol-gel), 수열합성 (hydrothermal), 연소법 (combustion method) 등과 같은 다양한 공정과정을 거쳐 얻을 수 있다 [4, 8]. 이 중에서 침전법 (precipitation)은 나노 사이즈 알루미나 파우더 제조에 있어서 가장 널리 사용되고 비용이 적게 드는 공정이다 [5]. 하지만 수용액 상에서 침전공정으로 제조된 작은 파우더들은 아주 빈번하게 응집 (aggregation)되며 그 응집 되는 강도 또한 심하다 [9]. 더욱이, 나노사이즈 입자들은 작은 입자반경에 의한 고 비율의 비표면적을 가지기 때문에 강하게 응집하려는 경향이 있다. 이와 같이 알파 알루미나 결정의 응집현상 (agglomeration)은 산업용 알파 알루미나 파우더에서 아주 흔한 일이다 [10]. 대부분의 나노사이즈 파티클의 응용에 있어, 균일상을 형성하기 위해, 입자들은 매개 수단에 잘 분산되어야 하며, 건조된 나노 파티클이 응집을 내재할 때, 안정적인 분산과 단일 nano-particle 또는 nano-aggregates로 때어낼 필요가 있다. 그 이유는 입자들의 비 균일 응집은 생산물의 내부결함을 야기하기 때문이다. 동결건조 (freeze-drying), 초음파 처리 (ultrasonic treating), alcohol washing 등을 포함한 다양한 나노사이즈 세라믹 파우더 합성방법들이 응집현상 (agglomeration)을 피하기 위한 공정으로 제안되어왔으나, 아무런 효과를 거두지 못하였다 [12]. 본 연구에서, nano-sized α-Al2O3 platelet을 합성하기 위해 침전법 (precipitation method)을 이용하였으며, Al(NO3)3∙9H2O와 암모늄염 침전제 (ammonium salt precipitant)들을 사용하였다. 세 종류의 각각의 암모늄염 침전제들은 그 결과로 생성된 알파 알루미나 입자의 응집에 대한 침전제의 효과를 이해하기 위해 사용되었다.

The nano-sized α-Al2O3 platelet were prepared by the precipitation method. Aluminum nitrate and ammonium salts were used as a starting material and precipitants, respectively. The NH4OH, (NH4)2CO3 and NH4HCO3 were chosen as ammonium salt precipitants and their influences on the agglomeration of the resultant α-Al2O3 particles were investigated. In addition, the effect of aging duration on the agglomeration of the α-Al2O3 particles was also observed. Depending on the chemical composition of precipitant, the precipitate products with different crystal structure are formed. The precipitate obtained using NH4OH is composed of the mixture of poorly crystallized pseudo-boehmite (AlOOH) and bayerite (Al(OH)3), while that by NH4HCO3 precipitant has the pseudo-boehmite phase only. On the contrary, the precipitate formed by (NH4)2CO3 precipitant has ammonium aluminum carbonate hydroxide (AACH; NH4AlO(OH)HCO3) phase with low crystallinity. In consequence of different crystal structures of precipitates, the agglomeration of final α-Al2O3 particles is greatly affected by the precipitant. The α-alumina particles obtained using the (NH4)2CO3 precipitant revealed much lower agglomeration as compared with the particles prepared with the other precipitants. The aging time was also found to affect the agglomeration of α-alumina particles and the agglomeration of α-alumina particles was increased with increase of aging time.