바륨 티타네이트(BaTiO₃) 바륨 티타네이트 분말은 티탄산염 기반 전자 세라믹의 주요 원료입니다. 우수한 유전 특성을 지닌 대표적인 강유전체 물질로서, 다층 세라믹 커패시터(MLCC), 소나 장치, 적외선 검출기, 입계 세라믹 커패시터, 양의 온도 계수(PTC) 서미스터 등에 널리 사용됩니다. 폭넓은 응용 가능성을 가진 바륨 티타네이트는 전자 세라믹의 핵심 소재로 여겨집니다.
전자 부품의 소형화, 경량화, 고신뢰성 및 박막화 추세가 지속됨에 따라 고순도 및 초미세 티탄산바륨 분말 점점 더 시급해지고 있습니다.
바륨 티타네이트 개요
티탄산바륨은 1618°C의 녹는점을 갖는 균일 용융 화합물입니다. 육방정계, 입방정계, 정방정계, 직방정계, 능면체 등 다섯 가지 결정 구조를 나타냅니다. 상온에서 정방정계는 열역학적으로 안정한 상입니다.
바륨 티타네이트의 강유전성
BaTiO₃는 강한 전기장에 노출되면 약 120°C의 퀴리 온도 이하에서 지속적인 분극 현상을 나타냅니다. 분극된 바륨 티타네이트는 강유전성과 압전성이라는 두 가지 핵심적인 특성을 보입니다.
BaTiO₃ 강유전체 결정에는 자발 분극 방향이 서로 다른 수많은 작은 영역들이 존재합니다. 각 영역은 동일한 분극 방향을 가진 여러 개의 단위 격자로 이루어져 있으며, 이러한 영역들을 도메인이라고 합니다. 이러한 도메인 구조를 가진 결정을 강유전체 또는 강유전체라고 합니다. 외부 전기장이 가해지면 이러한 도메인의 크기와 모양이 그에 따라 변화합니다.
티탄산바륨의 퀴리 온도
BaTiO₃의 퀴리 온도(Tc)는 정방정계와 입방정계 상 사이의 상전이 온도를 말하며, 이 온도에서 강유전성 결정은 자발적인 분극을 잃고 도메인 구조가 사라집니다. BaTiO₃의 퀴리 온도는 약 120 °C입니다.
티탄산바륨 분말의 제조 방법
티탄산바륨 분말의 제조 방법은 크게 고체상 반응법, 수열 합성법, 졸-겔법의 세 가지로 나눌 수 있다.
고체 상태 방법
고온 고체상 합성법으로도 알려진 고체상 합성법은 티탄산바륨 분말을 제조하는 가장 고전적인 방법입니다. 기본 원리는 고온에서 고체 원료 물질 간의 확산 제어 반응을 이용하는 것입니다.
일반적으로 탄산바륨(BaCO₃)과 이산화티타늄(TiO₂)은 화학량론적 비율로 혼합한 후 분쇄하고, 고온(일반적으로 1100~1300°C)에서 수 시간 동안 펠릿화하거나 분말 형태로 소성하여 고체 상태 반응을 유도하고 BaTiO₃ 분말을 형성합니다. 반응식은 다음과 같습니다.
BaCO₃ + TiO2 → BaTiO₃ + CO2↑
이 방법은 장비가 간단하고 비용이 저렴하여 대규모 산업 생산에 널리 채택되어 왔습니다. 그러나 이렇게 얻은 분말은 일반적으로 입자 크기가 비교적 크고(마이크론 규모) 응집 및 불순물 오염이 발생하기 쉽습니다.
• 연삭 장비의 응용
- 볼밀: 원료 배합 단계에서 원료를 균일하게 혼합하고 감소시키기 위해 사용됩니다. 입자 크기, 그 결과 접촉 면적이 증가합니다.
- 비드 밀: 소성 후, 티탄산바륨은 종종 단단한 응집체를 형성합니다. 따라서 마이크론 또는 서브마이크론 크기의 제품을 얻기 위해 수평 비드 밀을 사용하여 집중적으로 분쇄하는 것이 일반적입니다.
장점과 단점:
비용이 저렴하고 생산량이 많지만, 마모로 인한 불순물이 유입될 가능성이 높고 비교적 거친 분말이 생성될 수 있습니다.
수열법
수열합성법은 고온 고압 조건의 수용액에서 수행되는 액상 합성 기술로, 나노 크기의 티탄산바륨 분말을 제조하는 데 널리 사용됩니다.
이 공정에서는 바륨염(예: 수산화바륨)과 티타늄염(예: 염화티타늄)을 물에 용해시키고, 광물화제(예: NaOH)를 첨가합니다. 그런 다음 혼합물을 수열 오토클레이브에서 150~250°C의 고온 고압 조건에서 수 시간 동안 반응시켜 결정성이 우수한 BaTiO₃ 분말을 직접 얻습니다.
이 방법은 고온 소성을 필요로 하지 않으며, 높은 결정성과 상 순도(정방정계 또는 입방정계)를 유지하면서 입자 크기(일반적으로 50~200nm)를 정밀하게 제어할 수 있습니다. 또한 환경 친화적입니다. 그러나 정교한 장비와 엄격한 반응 조건 제어가 필요합니다.
• 연삭 장비의 응용
- 전구체 확산: 오토클레이브 처리 전에 진동 밀이나 볼 밀을 사용하여 슬러리가 균일하게 분산되도록 하는 경우가 많습니다.
- 처리 후 응집 해제: 수열합성법으로 제조된 나노분말은 결정성이 높지만, 건조 과정에서 약한 응집 현상이 발생할 수 있다. 제트밀 이 단계에서는 일반적으로 사용됩니다. 연삭 매체 없이 입자 간 충돌을 통해, 제트 밀링 금속 오염을 방지하고 나노 규모 특성을 유지하면서 응집체를 효과적으로 분해합니다.
장점과 단점:
극도로 높은 순도와 나노 크기의 입자 크기를 특징으로 하는 이 방법은 고급 MLCC 생산에 가장 적합한 방법입니다.
졸-겔법
졸-겔법은 분자 수준의 제어를 통해 분말을 제조할 수 있는 액상 합성법의 일종입니다. 티타늄 알콕사이드(예: 테트라부틸 티타네이트)와 바륨염(예: 아세트산바륨)이 전구체로 사용됩니다. 유기 용매에서 가수분해를 통해 졸이 형성되고, 이 졸은 증발 또는 가열을 통해 겔로 변환됩니다. 건조 및 저온 소성(600~900°C) 후, BaTiO₃ 분말을 얻습니다.
이 방법은 나노 크기의 입자, 높은 순도, 그리고 우수한 조성 균일성을 갖는 분말을 생산하여 고성능 전자 세라믹에 적합합니다. 그러나 원료가 고가이며, 불균일한 침전을 방지하기 위해 pH와 온도를 엄격하게 제어해야 합니다.
• 연삭 장비의 응용
- 지구의 볼밀: 졸-겔 공정으로 얻은 건조된 겔은 매우 부서지기 쉽습니다. 균일한 나노분말을 얻기 위해 행성형 볼밀을 이용한 단시간 건식 또는 습식 분쇄가 종종 사용됩니다.
장점과 단점:
이 방법은 조성 균일성이 가장 우수하지만, 원료 비용이 높고, 용매의 독성이 있으며, 열처리 중 응집이 빠르게 진행되고, 공정 제어가 엄격해야 하므로 산업화가 어렵고 현재는 주로 실험실 연구 및 특수 박막 응용 분야에 국한되어 사용되고 있습니다.
결론
바륨 티타네이트 분말의 주요 제조 방법에는 고체상 반응법, 졸-겔법, 수열 합성법 세 가지가 있으며, 각각 뚜렷한 장점과 한계를 가지고 있습니다. 고체상 반응법은 대량 생산에 적합하지만 비교적 입자가 굵은 분말을 생성합니다. 반면, 졸-겔법과 수열 합성법은 나노 크기의 분말을 제조할 수 있어 고성능 전자 기기 응용 분야에 더 적합합니다.
분쇄 장비는 이러한 모든 방법에서 필수적인 역할을 합니다. 고체상 합성에서는 원료 혼합 및 입자 미세화에 필수적이며, 액상 공정에서는 후처리 분산에 중요한 역할을 합니다. 분쇄 매체의 재질, 회전 속도, 분쇄 시간 등의 분쇄 매개변수를 최적화함으로써 티탄산바륨 분말의 품질과 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다.
향후 분쇄 및 분산 기술의 발전, 특히 나노 스케일 분쇄 장비의 도입으로 티탄산바륨 분말 제조 효율이 더욱 높아져 전자 재료 산업의 혁신을 더욱 촉진할 것입니다.
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— 게시자 에밀리 첸