전기폭발법에 의한 금속 및 세라믹 나노분말제조

이남희 조선대학교 대학원 2001 국내석사

Nanostructured materials are the materials with a microstructure the characteristic length scale of which is the order of a few (typically 1-10nm) nanometers. Nanostructered materials may be in or far away from thermodynamic equlibrium. Nanostructured materials, which are structurally characterized by ultrafine grains and a large volume fraction of grain boundaries, have drawn increasing attention in recent years. Due to the high density of interface that may promote dynamic processing. Nanostructured materials exhibit apparently different physical, chemical, and mechanical properties from those of either the conventional polycrystalline or amorphous state. Therefore, the microstructure characteristic of the nanostructured materials interfaces, as well as there effects on the property enhancements are fundamentally important for this new class of materials. As a matter of fact, nanostructered materials exhibit different properties especially if they are generated by different preparation method. Among many techniques used to prepare nanostructured materials, the pulsed wire evaporation(PWE) method is a promising one. Provided a great impulse current, thin wires of metal or alloy in certain gas environment are exploded. This process is accompanied by an instantaneous discharge through energy release from capacitor banks. The advantage of this method are not only depended on its high productivity and time-saving, but also on its universal usage for preparing nanostructured materials, such as metals, florides, carbides and nitrides. Nanostructured materials prepared by pulsed wire evaporation process exhibit many special properties in comparison with those prepared by other methods. For example; (1) there intrinsically exists even high density of defects(vacancies, microvoids, dislocations etc); (2) exhibit more lower melting and sintering temperatures; (3) have a even larger volume fraction of amorphous; (4) exhibits high chemical activites; (5) stored even more enthalpy. The nanostructered materials prepared by PWE behave differently from other nanostructurecd materials due to these special characteristics, especially for their high-stored enthalpy and high chemical activities. Therefore, thermal stability and grain growth in nanostructured materials have attractered increasing scientific and technological interests since the appearance of nanostructured samples in recent year. To understand the structure of grain boundaries and the nature of grain growth in nanostructured materials, much intensive studies are highly needed in different kind of materials systems, as well as in nanostructured samples synthesized by means of various routes. In this study, produced metal and ceramic powder were characterized by several measuring methods. Transmission Electron Microscope(TEM) and Scanning Electron Microscope(SEM) showed particle shape and size. Also X-ray Diffraction patterns showed its crystal and measured particle size by Scherrer Equation.

세라믹 분말을 첨가한 탄소/탄소복합재료의 물성연구

김선웅 全北大學校 1995 국내석사

The mechanical and thermal properties of CFRC with MoSi_2 were investigated in this research. The CFRC was composed of carbon fibers, phenolic char and oxidation inhibitor. It was carbonized with the temperature profile of up to 1100℃. After the last reimpregnation and recarbonization, the thermal properties of the first carbonized samples[CZ] and the mechanical properties of CFRP[GB] and the carbonized samples[CZ, 1DF-5DF] were examined. DSC, TGA, SEM, porosity and density changes were measused to examine the properties of CFRC. The mcchanical properties such as bending strength, benging modulus and ILSS were also tested, and the following conclusions were obtained. When the CFRP was carbonized in the high purity nitrogen gas, the char yield of the phenolic resin increased. As the amount of MoSi_2 was increased, the decrement of density for the first carbonized samples was reduced, and the increment was increased for the samples(1DF - 5DF) after the fifth reimpregnation/recarbonization. The mechanical properties of the carbonized samples were imporved as the amount of MoSi_2 was increased. However, when CFRPs fabricated at the pressures of 3.5MPa and 10.5MPa were carbonized and tested for comparision, the changes of the mechanical strength was little. The particles of MoSi_2 increased the char yield of the phenolic resin by the examination of SEM for the surface of CFRC. Thermal properties were measured using TGA and iTGA, and the resistance against oxidation was reduced as the amount of MoSi_2 was increased.

Study on high-temperature densification forming process of ceramic powder

권영삼 Pohang Univ. of Science & Technology 1995 국내박사

세라믹 분말(Ceramic powders)이 약용식물의 생장과 이차대사산물 생산에 미치는 영향

김유정 전남대학교 대학원 1998 국내석사

두 종류의 원적외선 방사 세라믹(A: Fe₂O₃, 42.46%, ZnO, 9.97%; MgO, 38.9%; MnO₂, 7.6%; Dy₂O₃, 0.73%; RuO₂, 0.23%; B: Fe₂O₃, 61.4%; ZnO, 26.1%; MnO₂, 5.6%; Dy₂O₃, 0.62%; RuO₂, 2.3%)이 in vitro하에서 배양되고 있는 캘러스, 부정근과 모상근 및 유식물 등의 생장에 미치는 효과와 주요 이차대사산물의 생산에 미치는 효과를 조사하였다. 탈분화된 세포배양에서 생장률은 Achyranthes japonica(쇠무릎)가 0.1% B 처리구에서 대조구(light; 0.12 g, dark; 0.08 g)에 비해 증가(light; 0.23g, dark; O.13g)함을 보였으나, Centella asiatica(병풀)에서는 대조구(light; 0.21g)와 0.1% B 처리구(0.20g), A 처리구(0.22g) 모두 비슷하였다. 뿌리 배양의 경우, Hyoscyamus niger(가지과), Scopolia parviflorum(미치광이풀), Platycodon grandiflorum(도라지)에서 촉진효과를 보였으며, 특히 H. niger(가지과)는 대조구에 비해 2배 이상의 생장촉진효과를 보였다. 유식물에서는 세포배양에서 세라믹 촉진효과를 보였던 A. japonica(쇠무릎)이 0.05% B 처리구에서 약 1.75배라는 좋은 생장률을 보였으며, S. parviflorum(미치광이풀)은 약간의 촉진효과를 보인 반면 C. asiatica(병풀)에서는 유의할 만한 생장촉진효과가 나타나지 않았다. 이차대사산물의 생산에 대한 세라믹의 효과는 H. niger(가지과), P. grandiflorum(도라지)에서 조사되었으며, 0.05% B 처리구에서 H. niger(가지과)의 tropane alkaloids와 P. grandiflorum(도라지)의 polyacetylenes의 함량은 약 35%, 30% 각각 증가되었다. This study was attended to show effect of ceramic powders on growth and secondary metabolites production in vitro of medicinal plants. In this work, we were carried out to examine the effect of two kinds of ceramics(A: Fe₂O₃; 42.46%, ZnO; 9.97%, MgO; 38.9%, MnO₂; 7.6%, Dy₂O₃; 0.73%, RuO₂; 0.23%, B: Fe₂O₃; 61.4%, ZnO; 26.1%, MnO₂; 5.6%, Dy₂O₃; 0.62%, RuO₂; 2.3%) in being cultured samples; callus, adventitious root, hairy root, young plantlet. In case of disorganized callus culture, Achyranthes japonica slightly increased at the medium containing 0.05% B ceramic powder as compared with no ceramic powder. When Centela asiatica was cultured at the medium added control and 0.1% A, B ceramic powder, the growth rate generally was similar. In adventitious root or hairy root culture, there was also stimulation effect in Hyoscyamus niger, Platycodon grandiflorum, Scopolia parviflora. Especially, glowth of H. niger in 0.05% B treatment was 2 times higher than that of control. In young plantlets, A. japonica that enhanced at callus culture increased about 1.75 folds at 0.05% B ceramic treatment S. parviflora showed a bit enhancement but C. asiatica not changed. From these results, the effects of ceramics on total productivity of come secondary metabolites of samples being effect examined. In major tropane alkaloids production of H. niger and polyacetylene production of P. grandiflorum with ceramic 0.05% B treatment, yields increased about 35%, 30%, respectively.

유전특성 향상을 위한 BaTiO3 전자 세라믹 분말의 합성법 연구

최성혁 부산대학교 대학원 2023 국내석사

Multi-Layer Ceramic Capacitor (MLCC) is a capacitor in which dielectric and internal metal layers are alternately stacked. It controls the flow of current in the circuit and prevents electromagnetic interference between components. In accordance with the trend of high integration and miniaturization of electronic devices, research for high permittivity of dielectrics and high stacking and thinning of sheets is being actively conducted. In particular, as the demand for MLCC for electric vehicles increases, high reliability becomes important, and a solid-state synthesis method of BaTiO3 is emerging. In the case of automotive components, reliability that satisfies AEC-Q200 is required because they are used in extreme situations compared to IT components. In general, BaTiO3 dielectrics are manufactured by hydrothermal synthesis, which is suitable for synthesis of ultra-fine powder, but defects such as pores inevitably exist, reducing reliability. Therefore, research on dielectrics for high-capacity, high-reliability MLCC through solid-state synthesis is actively underway. In this study, the synthesis method of BaTiO3 powder with high dielectric properties was studied and its properties were evaluated through solid-state synthesis. First, factors influencing the properties of BaTiO3 synthesized in the solid-state by disintegrating the starting materials BaCO3 and TiO2 under various conditions were analyzed and the dielectric properties of the sintered specimens were evaluated. Disintegration of BaCO3 and TiO2 was effective in improving tetragonality and crystallinity, reducing grain size and densification of the sintered body, and BaTiO3 having excellent insulation resistance and temperature stability characteristics was synthesized. In addition, in the case of the ultra-fine powder addition experiment, the properties according to the content were evaluated by adding 50 nm level BaTiO3 Seed powder together with the starting materials before solid-state synthesis. When BaTiO3 Seed was added, tetragonality and crystallinity were excellent, and it was effective in uniform particle size distribution and reduction in grain size of the sintered body. As the amount of BaTiO3 Seed increased, the sintered density tended to decrease, but when 25 wt% was added, the synthesis was completed at a lower temperature than general solid-state synthesis, and dielectric properties such as permittivity, dielectric loss, and temperature stability were the best. These results suggest that the BaTiO3 Seed powder served as a nucleation site during solid-state synthesis, contributing to the synthesis of particulate BaTiO3 with excellent dielectric properties by inducing uniform synthesis of the starting materials and suppressing grain growth. Therefore, the results of this study identified the direct and indirect effects between the disintegration conditions of the starting materials, the synthesized powder and the sintered specimen, and the possibility of low-temperature solid-state synthesis with the ultra-fine powder addition method and the non-uniform particle size distribution presented as a disadvantage of the solid-state synthesis method. By synthesizing particulate BaTiO3 with improved dielectric properties, the applicability of high permittivity, high stacking, and thinning for the realization of high capacity and high reliability of MLCC was confirmed. 적층 세라믹 커패시터 (Multi-Layer Ceramic Capacitor : MLCC)는 유전체와 내부금속 층을 교대로 쌓아 올린 형태의 커패시터로 회로의 전류 흐름을 조절하고 부품 간 전자파 간섭을 막아주는 역할을 한다. 전자기기의 고집적화, 소형화 추세에 따라 유전체의 고유전율화 및 Sheet의 고적층화, 박층화를 위한 연구가 활발히 진행 중이다. 특히, 전기 자동차용 MLCC의 수요가 증가함에 따라 고신뢰성이 중요해지며 BaTiO3의 고상 합성법이 대두되고 있다. 전장용 부품의 경우 IT용에 비해 극한 상황에서 사용되기 때문에 AEC-Q200을 만족하는 신뢰성이 요구된다. 일반적으로 BaTiO3 유전체는 수열 합성법으로 제조되는데 초미립 분말 합성에는 적합하나 기공과 같은 결함이 필연적으로 존재하여 신뢰성을 떨어뜨린다. 따라서 고상 합성을 통해 고용량, 고신뢰성의 MLCC를 위한 유전체의 연구가 활발히 진행 중이다. 본 연구에서는 고상 합성법을 통해 높은 유전특성을 가지는 BaTiO3 분말의 합성법을 연구하고 특성을 평가하였다. 먼저, 출발 물질인 BaCO3, TiO2를 다양한 조건으로 해쇄하여 고상 합성된 BaTiO3의 특성에 영향을 미치는 인자를 분석하고 소결 시편의 유전특성을 평가하였다. BaCO3와 TiO2의 해쇄는 결정성 (Tetragonality), 결정화도 (Crystallinity) 향상과 소결체의 grain size 감소 및 치밀화에 효과적이었으며 우수한 절연저항 및 온도 안정성 특성을 가지는 BaTiO3가 합성되었다. 또한, 초미립 분말 첨가 실험의 경우 고상 합성 전 출발 물질과 함께 50 nm 수준의 BaTiO3 Seed 분말을 첨가하여 함량에 따른 특성을 평가하였다. BaTiO3 Seed 첨가 시 결정성, 결정화도가 우수하며 균일한 입도 분포 및 소결체의 grain size 감소에 효과적이었다. BaTiO3 Seed의 첨가량이 증가할수록 소결 밀도는 감소하는 경향을 보였으나 25 wt% 첨가 시 일반적인 고상 합성보다 낮은 온도에서 합성이 완료되었으며 유전율, 유전 손실, 온도 안정성 등의 유전특성이 가장 우수하였다. 이와 같은 결과는 고상 합성 시 BaTiO3 Seed 분말이 핵 생성 사이트로 작용하여 출발 물질의 균일 합성 유도 및 입성장 억제로 유전특성이 우수한 미립 BaTiO3 합성에 기여하였다고 판단된다. 따라서 본 연구의 결과는 출발 물질의 해쇄 조건과 합성 분말 및 소결 시편 간의 직간접적인 영향을 규명하였으며 초미립 분말 첨가 공법으로 저온 고상 합성의 가능성 및 고상 합성법의 단점으로 제시되는 불균일한 입도 분포를 개선하고 유전특성이 향상된 미립 BaTiO3를 합성하여 MLCC의 고용량 및 고신뢰성 구현을 위한 고유전율화, 고적층화, 박층화의 응용 가능성을 확인하였다.

(The)analysis on densification behavior and grain growth of nanocrystalline ceramic powder under high temperature

김홍기 포항공과대학교 2000 국내박사

중저온형 고체산화물연료전지의 전해질로 사용되는 세리아 재료의 이온전도성 연구

김지현 세종대학교 대학원 2012 국내석사

Solid electrolytes on solid oxide fuel cells (SOFCs) is regarded as a new generation energy convertor which has high converting efficiency, flexibility for fuel, wide range of power output and available for combined generation. A typical SOFC is usally operated at a temperature above 1000℃, and such high temperatures will lead to a reaction between the components, thermal degradation, thermal expansion mismatch. The high-temperature operation is the main factor of the barrier to commercialization associated with relatively expensive manufacturing costs due to the high cost of heat-resisting materials. The thermal problem will be solved by reducing the operation temperature to intermediate range (500-700℃). In this study, we focus on improving the ionic conductivity of ceria(CeO2) electrolytes for intermediate temperature solid oxide fuel cells(IT-SOFCs). Ceria has a fluorite structure and oxygen vacancies as predominant ionic defect. The ionic conductivity of ceria can be significantly improved by the substitution of rare earth materials. In the past years, many research work has been reported the contradictory results about doping materials for ceria. This deviation is principally due to the processing variables and impurities within the electrolyte. Hence, to improve the ionic conductivity further, ceria based electrolytes should be studied systemically and comprehensively by a variety of synthesis techniques with various dopants and concentrations. Another scientific approach for enhancing the electrical conductivity of ceria electrolyte is nanostructured electroceramics for solid oxide electrolytes, due to their enhanced properties compared with bulk materials. On the basis of these contribution, we designed experimental set for improving the ionic conductivity of ceria electrolytes. The effects of doping material(Gd2O3, Sm2O3 and Nd2O3) and content (10 and 20mol.%) on the ionic conductivity are investigated comprehensively in the IT range. The chemical routes such as co-precipitation, combustion and hydrothermal methods are chosen for the synthesis of ceria nanopowders, including the conventional solid state method. The powders obtained via various synthesis methods are characterized by physicochemical analysis such as XRD, Raman, SEM, TEM and BET. The powder synthesized by solid state method shows micron size and irregular shape. For the case of combustion route, radical flaming ignition produces agglomerated irregular nanoparticles. The powders obtained by coprecipitation and hydrothermal methods show a homogeneous distribution of spherical nanoparticles. The grain sizes were approximately 9.375 μm of solid state (sintered at 1650℃ for 10 h), 1.55 μm of coprecipitation (sintered at 1650℃ for 10 h), 1.7 μm of hydrothermal (sintered at 1650℃ for 10 h) and 0.82 μm of combustion (sintered at 1450℃ for 4 h). However, co-precipitation and hydrothermal shows poor density level in spite of highest sintering condition. The Nd2O3 20mol.% doped ceria synthesized by combustion shows the highest ionic conductivity at 600℃ compare with the others. This result is related with the largest lattice parameter due to the largest Nd3+ ionic radius and lower sintering condition which is related with lower contamination in microstructure. Further investigations were carried out on an advanced electrolyte fabricated with combination powers (50:50) synthesized by coprecipitation and combustion methods in order to improve the electrical conductivity of the electrolyte. As a result, the composite method improves not only the relative density, also the total ionic conductivity which was 2.5-4 times higher than that of any singly processed electrolytes in the IT range. This was attributed to the homogenous and uniform distributions of submicron sized grains prepared by coprecipitation powders, as well as the enhanced grain boundary densification achieved by using combustion powders consisting of porous fractal and tightly agglomerated nanocrystallites. 미래의 에너지문제를 해결해줄 신․재생에너지 분야에서 고체산화물연료전지(solid oxide fuel cells : SOFCs)는 높은 효율성과 연료에 대한 유연성, 광범위한 출력특성, 복합발전 가능 등의 장점을 갖춘 차세대 에너지 변환장치이다. SOFC의 가장 큰 특징은 1000℃이상의 고온에서 작동하는 것으로, 이는 부품 간의 반응을 유발시키고, 장기간 사용시 고온에 의한 재료의 열화를 유발하며, 고내열성 재료를 사용해야 하므로 제조 단가를 상승시키는 등 상용화에 가장 커다란 장애를 가져온다. 이러한 문제는 SOFC의 작동온도를 중․저온(500-700℃)으로 낮추면 해결된다. 본 연구에서는 중․저온형 고체 산화물 연료전지의 전해질로 이용되는 세리아 물질의 전기전도성을 향상시키기 위한 연구를 계획하였다. 플로라이트(flourite) 구조를 가진 세리아 전해질은 4가의 세륨 이온 자리에 3가의 란탄계 희토류 금속(Ln계 rare earth materials)을 치환하게 되면, 격자 내부에 이온의 통로로 이용되는 산소 공공 결함을 발생시키고 그로인해 산소 이온 전도성이 비약적으로 향상된다. 세리아 도핑 물질에 대한 이슈는 수많은 연구 보고가 있었지만 상반된 연구결과들로 인해 현제까지도 논쟁이 되고 있다. 또한, 세리아 전해질은 세라믹 재료이기 때문에 이온 전도성은 세라믹 미세구조의 특징인 입내와 입계를 통해서 이루어지게 된다. 그러므로 미세구조에 따른 이온 전도성의 변화에 대한 연구도 전해질 성능 향상과 관련된 중요 이슈 중 하나이다. 최근의 연구결과는 입내의 크기를 최소화하여 입계의 영역을 넓힌 구조가 이온 전도성이 더욱 우수하다고 보고하였다. 이와 같은 기존의 연구 결과를 토대로 본 연구에서는 중‧저온형 고체산화물 연료전지의 전해질 재료인 도핑된 세리아(doped ceria)의 전기 전도성을 향상시키는 연구를 진행하였다. 많은 연구를 통해 알려진 도핑물질(Gd2O3, Sm2O3, Nd2O3)들과 조성(10, 20mol.%) 그리고 4가지의 분말 합성법(고상법, 용액연소법, 공침법, 수열합성법)을 적용시켜서 총 22가지의 전해질을 제작하여 가장 좋은 전도성을 보여주는 조건을 알아보았다. 물리화학적 분석(XRD, Raman, SEM, TEM, BET)를 통해서 각 시편이 형석구조의 세리아로 잘 합성 된 것을 확인 할 수 있었고, 합성법에 따라 서로 다른 파우더의 형상과 크기를 보여주었다. 고상법의 경우 마이크로 크기(~1μm)의 불규칙한 형태의 파우더가 높은 소결조건하(1650℃ 10h)에 큰 입내(~10μm)를 가지게 되었다. 용액 연소법은 수 나노 크기의 불규칙한 형태의 파우더가 낮은 소결조건(1450℃ 4h)에도 밀도가 확보되어서 작은 입내를 가진 pellet(≤1μm)을 형성하였다. 반면 공침법과 수열합성법으로 얻은 구형의 균일한 나노파우더는 고상법과 같은 높은 소결조건(1650℃ 10h)에도 밀도가 확보되지 않았다(≦95%). 전기 전도성을 비교한 결과, 도핑 물질의 경우 Nd2O3가 20mol.% 도핑했을 때 가장 좋은 결과를 보였고, 이를 용액연소법으로 제작했을때 모든 시편중 가장 좋은 전도성을 보여주었다. 이러한 결과는 이온 반경이 가장 큰 Nd로 인한 격자 상수의 영향과 용액연소법에 의한 가장 작은 입내크기, 낮은 소결조건의 요소로 인해 입내, 입계의 전도도에서 모두 높음을 확인하였다. 또한 공침법의 낮은 소결성과 입계전도성을 향상시켜주기 위해서 용액연소법과 혼합한 새로운 전해질을 설계하였다. 그 결과 비교적 낮은 소결조건(1550℃, 4h)에서 공침법의 소결성이 높은 수준으로 향상되었고(≥95%) 전기 전도성이 대폭 향상됨을 확인할 수 있었다. 특히 이러한 향상은 입계 전도도에서 두드러지게 나타났고, 이러한 결과는 높은 밀도를 확보한 공침법의 균일한 미세구조가 입계 전도성을 향상시킨 것으로 생각된다.

A study on the effects of powder surface modification on the outcomes at each stage of ceramic processing

페스타리아 시나가 경남대학교 대학원 2024 국내박사

This comprehensive study explores the intricate relationship between powder surface modification and its multifaceted impact on ceramics across various stages of production. The research aims to decipher how altering powder surfaces influences the properties, performance, and characteristics of ceramics throughout their journey, employing a combination of experimental analyses and computational simulations. Beginning with an extensive literature review on surface modification techniques, the investigation systematically explores the influence of surface treatments on particle behavior during powder preparation, shaping, and sintering. Firstly, a special attention is dedicated to the effects of modified powder surfaces on particle-particle interactions, agglomeration, and packing density during the mixing phase of slurry preparation. The study investigates the effects of surface modifier concentration and molecular properties. By utilizing various surface modifiers such as diammmonium citrate (DAC), ammonium poly-acrylate acid (APA), polyvinylpyrrolidone (PVP), and seawed extract-derived surface modifiers. The impact of surface modification on slurry properties is assessed by analyzing particle size, size distribution, zeta potential, and sedimentation behavior. Well-dispersed slurries, created through surface modification, find practical application in sunscreen products based on TiO₂ nanoparticles, exhibiting superior performance with higher SPF values and reduced skin whitening effects. The study further delves into the sintering stage, evaluating the impact of modified surfaces on densification, grain growth, and final microstructural properties of ceramic materials. The research reveals that surface-modified YSZ particles, especially those modified with a combination of DAC and PVP, demonstrate improved performance by highly reducing agglomeration not only in slurry state but also in powder state after drying process thus further affecting the sintering mechanism, resulting into small and uniform grain size distribution. Finally this study addresses the implications of surface modification on mechanical, thermal, and electrical properties, emphasizing the potential for tailoring ceramics for specific applications through strategic surface engineering. By providing nuanced insights into the effects of powder surface modification at each stage of ceramic processing, this study contributes valuable knowledge to the field of materials science and engineering. the findings lay a foundation for process optimization and the design of innovative ceramics with enhanced performance, paving the way for advancements in diverse industrial applications. 본 연구는 분말 표면 개질이 세라믹 제조의 다양한 단계에 미치는 영향을 탐구하고자 합니다. 실험적 분석과 계산 시뮬레이션을 결합하여 분말 표면을 변경하는 방법이 세라믹의 성능과 특성에 어떤 영향을 미치는지 확인하고자 합니다. 표면 개질 기술에 대한 광범위한 문헌 검토를 통해 표면 처리가 분말 준비, 성형, 및 소결 중 입자에 미치는 영향을 체계적으로 조사했습니다. 먼저 슬러리 준비의 혼합 단계에서 표면 개질된 분말의 입자 간 상호 작용, 응집, 및 포장 밀도에 특별한 주의가 기울여졌습니다. 연구에서는 표면 개질제 농도와 분자 특성의 영향을 조사하였으며, Diammmonium Citrate (DAC), Ammonium Poly-acrylate Acid (APA), Polyvinylpyrrolidone (PVP), 및 해조 추출물 기반의 다양한 표면 개질제를 사용하여 슬러리 특성에 미치는 표면 개질의 영향을 입자 크기, 크기 분포, 제타 전위, 및 침전 행동을 분석하여 평가했습니다. 표면 개질을 통해 분산된 슬러리는 TiO₂ 나노 입자를 기반으로 한 썬스크린 제품에서 SPF 값이 향상되고 피부 백색 효과가 감소하는 우수한 성능을 나타냅니다. 연구는 더 나아가 소결 단계로 진행되어 개질된 표면이 세라믹 재료의 조밀화, 곡물 성장, 및 최종 미세 구조적 특성에 미치는 영향을 평가합니다. 연구 결과, 표면 개질된 YSZ 입자, 특히 DAC와 PVP의 조합으로 개질된 입자는 슬러리 상태 뿐만 아니라 건조 프로세스 후 분말 상태에서 응집을 크게 줄이고 이에 따라 소결 메커니즘에 더 큰 영향을 미쳐 작고 균일한 입자 크기 분포를 나타냅니다. 마지막으로, 이 연구는 표면 개질이 기계적, 열 및 전기적 특성에 미치는 영향에 대해 다루며, 전략적인 표면 공학을 통해 특정 응용을 위해 세라믹을 맞춤화하는 잠재력을 강조합니다. 이 연구는 세라믹 처리의 각 단계에서 분말 표면 개질의 효과에 대한 세심한 통찰력을 제공하여 재료 과학 및 공학 분야에 가치있는 지식을 기여합니다. 연구 결과는 공정 최적화와 성능 향상이 담긴 혁신적인 세라믹의 설계를 위한 기초를 마련하며 다양한 산업 응용 분야에서의 진보를 위한 길을 열어둡니다.

금속 염화물 코팅을 이용한 Ni 입자의 소결 방지 열처리

신해정 고려대학교 대학원 2024 국내석사

적층세라믹콘덴서 (MLCC)는 모든 전자제품에 꼭 필요한 부품이다. 고성능, 집적전자소자에 대한 요구가 증가함에 따라 소형화, 대용량 MLCC 개발이 활발히 이루어지고 있다. 결정성이 낮고 탄소 함량이 높은 Ni 분말은 BaTiO3와의 동시 소성 공정에서 전극 연결성을 저하시킨다. 본 연구에서는 금속 염화물 (MCl)이 소결 억제제로 도입되어 안정적인 코어-쉘 구조의 Ni@MCl 입자를 합성하였다. 수세 용이성을 위한 용해도, 가수분해에 대한 안정성, 반응 가스/고온에 대한 물리적/화학적 안정성을 고려하여 금속 염화물 코팅 소재를 선정하였다. 후처리 코팅은 BaCl2을, 동시 코팅은 KCl을 선정하여 Ni 분말 표면에 쉘을 코팅하였다. BaCl2 후처리 코팅, 열처리, 세정을 거친 Ni 입자의 결정립 크기, 잔류 탄소 함량, 소결수축거동에 대한 분석을 수행했다. 400, 180 nm Ni 분말을 H2 분위기 열처리 시 결정립 크기는 각각 29, 55 nm에서 114, 124 nm로 증가되었고, 잔류 탄소 함량은 각각 4691, 3342 ppm에서 1727, 1068 ppm으로 낮아졌다. 이를 통해 180 nm Ni 분말은 H2 분위기에서 594 ℃에서 807 ℃로 수축개시온도가 높아졌다. Ni@MCl 코어-쉘 입자를 500 ℃에서 산화시킨 후 N2 열처리를 하였을 때 O2 함량은 3 wt%였으며, 잔류 탄소는 3342 ppm에서 770 ppm으로 낮아졌다. 화학 기상 합성을 통한 Ni 분말 합성 공정 중 NiCl2와 KCl 전구체 분말을 함께 주입하여 Ni분말이 합성되고 난 뒤, 냉각 과정 중 KCl의 온도에 의한 증기압차에 의해 KCl을 코팅하였다. 동시 코팅 합성하는 과정에서 자력 필터를 사용하여 반응기의 부하를 20% 줄이고, 자력 필터에 붙은 Ni 분말들은 Curie온도 이상의 온도로 열처리를 진행하여 탈 자화와 소결 억제 효과를 구현하였다. Multilayer ceramic capacitors (MLCC) are an essential component in all electronic devices. As the demand for high-performance, integrated electronic devices increases, the development of miniaturized, high-capacity MLCCs is actively taking place. Ni powder with low crystallinity and high carbon content reduces electrode connectivity in the co-calcination process with BaTiO3. In this study, metal chloride (MCl) is introduced as a sintering inhibitor to form Ni@MCl particles with a stable core–shell structure. Metal chloride coating materials have been selected considering solubility in water for washing, stability against hydrolysis, reacting gas/high temperature physical/chemical stability. The surfaces of Ni powders are coated with BaCl2 for post-treatment coating and with KCl for simultaneous coating. After BaCl2 post-treatment coating, heat treatment, and cleaning, analysis on crystallite size, residual carbon content, and sintering shrinkage behavior are conducted. After heat treatment under H2, 400 and 180 nm Ni powder’s grain size increase from 29 and 55 nm to 114 and 124 nm, respectively. Residual carbon contents decrease from 4691 and 3342 ppm to 1727 and 1068 ppm. As a result, 180 nm Ni powder starts to shrink at 807 after heat-treatment, which is ~250 ℃ higher than untreated sample. When Ni powder is oxidized at mild temperature (500 ℃) and subsequent N2 heat treatment, oxygen content was revealed to be 3 wt%, and residual carbon was effectively removed from 3342 ppm to 770 ppm. In the chemical vapor synthesis of Ni powder, KCl coating on the surface of Ni powder has been simultaneously achieved by vapor pressure difference of KCl along with Ni particle formation. In the process of simultaneous coating synthesis, a magnetic filter is used to reduce the bag filter load by 20 %, and the Ni powder attached to the magnetic filter have been annealed above the Curie temperature, leading to demagnetization with anti-sintering.

분무열분해법에 의한 나노크기의 BaTiO3 입자 제조에 관한 연구

이교광 연세대학교 대학원 2005 국내석사

Nano-sized BaTiO3 particles for MLCC (Multilayer Ceramic Capacitor) were prepared by spray pyrolysis. Liquid to particle conversion (i.e., spray pyrolysis) has been used multicomponent functional particles and has several advantage including simple and low-cost process. Phase transformation and crystallite size of the calcined powders were investigated as the function of the calcination temperature and citric acid amount by X-ray diffraction methods, and particle morphology and size distribution were studied by scanning electron microscopy and particle size distribution analyzer. Also, BaTi ratio of BaTiO3 powder was investigated by X-ray fluorescence spectrometer, and specific surface area was studied by BET. High agglomerated particles of irregular shape were produced after the calcination when they were prepared from the nitrate solution without organic additive. After using citric acid, ethylene glycol and polyethylene glycol as organic additives, citric acid as organic additive was introduced in the precursor solution to form the easily crushable BaTiO3 particles. It was found that controlling the spray solution with organic additive made great differences in the structure and morphology of BaTiO3 particles during the calcination. High agglomerated particles of irregular shape were produced after the calcination at 1050 oC when they were prepared from the nitrate solution without organic additive. In contrary, coarse aggregates consisting of nano-sized BaTiO3 primary crystallites were obtained when used the nitrate solution containing organic additive (citric acid, CA). The coarse aggregates were successfully disintegrated to nano-sized BaTiO3 particles with narrow particle size distribution after a simple ball-milling process. The use of CA additive also affected the crystallographic behavior of BaTiO3 nanoparticles. The CA additive prevented from the phase separation of barium and produced phase-pure BaTiO3 particles at the as-prepared state and enhanced the phase transformability of metastable cubic phase to the tetragonal one by the calcination. As increasing the amount of citric acid, primary particle size and crystallite size of BaTiO3 particles were decreased. Also, tetragonality and surface area of BaTiO3 particles were improved. Consequently, the BaTiO3 nanoparticles of about 150 nm with good tetragonallity were successfully obtained by applying a simply ball-milling process to coarse aggregates which were prepared from the CA-assisted spray pyrolysis and calcined at 1050°C. Also, the CA-assisted spray pyrolysis can apply to synthesize other multicomponent functional nano particles. 본 연구에서는 기상합성법의 하나인 분무열분해법을 이용하여 MLCC (Multilayer Ceramic Capacitor)의 유전체층에 사용되어지는 강유전체 물질인 나노크기의 BaTiO3 입자를 제조하였다. 제조된 BaTiO3 분말을 SEM, XRD, XRF, BET 및 PSA 분석을 통하여 해석하였다 유기첨가물이 없는 수용액으로부터 제조된 입자는 하소과정을 거친 후 불규칙적이며 응집이 심하였다. 본 연구에서는 나노입자를 합성하기 위하여 유기첨가제로 구연산, 에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜을 각각 첨가하였다. 이들 유기첨가물 중 BaTiO3 나노입자를 합성하는데 구연산이 가장 적합하였다. 유기첨가제인 구연산을 첨가하여 제조된 입자들은 하소과정에서 나노크기의 BaTiO3 일차입자들로 구성되어있는 응집체로 성장하는데, 이러한 응집체들이 간단한 밀링공정을 통하여 최종적으로 입도분포가 좁은 나노크기의 BaTiO3 입자들로 분리가능 하였다. 유기첨가제인 구연산은 BaTiO3 나노입자의 결정학적인 거동에 영향을 미쳤다. 유기첨가제인 구연산을 사용함으로서 바륨의 상분리를 억제하여 순수한 상의 BaTiO3 전구체 분말을 얻을 수 있었고 하소과정에서 입방정 구조에서 정방정 구조로 변화하는 상전이를 가속화시킴으로써 제조된 나노 BaTiO3의 tetragonality가 향상되었다. 구연산의 함양을 증가시킴으로서, BaTiO3의 일차입자와 결정자크기를 감소시키는 영향을 알 수 있었으며 또한 BaTiO3의 비표면적과 tetragonality를 향상시키는 영향도 알 수 있었다. 최종적으로, 유기첨가제인 구연산을 첨가하여 제조된 전구체 분말을 1050°C 온도에서 하소하고 밀링공정을 거친 나노 BaTiO3 분말은 우수한 tetragonality를 가지며 입자의 크기가 약 150nm 정도였다. 본 연구에서 시도된 나노분말 제조기술은 다른 다성분계 기능성 세라믹 분말합성에도 응용할 수 있을 것으로 기대된다.