알코올-물 혼합용액의 가열에 의해 Zirconia 나노입자의 제조시 Yttria 첨가량의 영향

정철원, 박시현, 김두현, 송기창, 이해형*, 오상천*, 동진근*

건양대학교 화학공학과, 원광대학교 치과대학*

Effect of Yttria Amounts in the Preparation of Zirconia Nanoparticles by Heating of Alcohol-Aqueous Salt Solution

Chul Won Cheong, Si Hyun Park, Du Hyun Kim, Ki Chang Song, Hae Hyoung Lee*, Sang Chun Oh*, Jin Kun Dong*

Department of Chemical Engineering, Konyang University

*School of Dentisty, Wonkwang University

서론

최근 고강도와 고인성을 지닌 yttria로 안정화된 tetragonal zirconia polycrystal (Y-TZP)에 대한 관심이 확대되고 있다. 좋은 물성을 지닌 Y-TZP를 생성하기 위해서는 제조된 분말의 크기가 가급적 작으며, 입도분포가 좁고, 고순도이며, 응집되지 않는 미세구조를 보이며, 안정화제인 Y2O3 가 균일하게 분포되어야 한다. 이런 특성을 지닌 Y-TZP 제조를 위해 공침법, 수열합성법, 금속알콕사이드 가수분해법과 같은 여러 액상법들이 연구되어 왔으나, 각 방법들은  나름대로의 단점들이 있어왔다. 따라서 분말의 형상 및 크기를 제어할 수 있는 새로운 분말 제조법의 개발이 주된 연구과제가 되고 있다.

최근에 Zirconia 염의 수용액에 일정양의 알코올을 첨가한 후 가열함에 의해 구형의 ZrO2 분말을 얻는 새로운 제조 방법이 보고되었으며 [1] 현재 이 방법에 의한 분말합성이 활발히 연구되고 있다. 이 방법에서는 낮은 유전상수를 가진 알코올의 첨가와 온도의 증가가 용액의 유전상수를 감소시켜 염의 용해도를 감소시키므로, 용액은 과포화 되어져 침전이 발생하게 된다 [2].

이 합성 과정 중 본 연구자들은 첨가제인 yttria 양의 변화가 생성된 zirconia 나노입자의 결정 상 및 기공특성에 큰 영향을 미침을 발견하고, 본 연구에서 이를 보고하고자 한다.

실험

본 실험에서는 출발물질로서 zirconyl chloride octahydrate (Junsei, 99%)와 yttrium nitrate (Aldrich, 99.9%)를 사용하였으며, 다양한 조성의  Y-TZP(0Y, 3Y, 5Y, 8Y)의 출발용액 제조를 위해 각각의 몰 비 조성으로 원료물질들을 조합한 뒤 증류수를 첨가하여 출발용액을 제조하였다. 이 출발용액에 일정양의 에탄올을 첨가한 후  수조에서 서서히 가열하면 백색의 침전물이 얻어지며 이때 반응온도를 75oC로 유지하며 NH4OH를 첨가해 pH9의 조건에서 침전물을 제조하였다. 생성된 침전물은 원심분리에 의해 염소이온이 제거될 때까지 증류수로 재분산하여 여러 번 세척하였고, 입자간의 강한 응집을 막기 위해 마지막으로 에탄올로 세척하였다. 세척된 분말을 100oC의 건조기에서 24h 건조시킨 후, 분쇄하여 미분말을 제조하였다. 제조된 분말은 FT-IR로 화학적 변화를  확인하고, X-ray diffraction (XRD)에 의해 결정상을 관찰하였으며, Scanning electron microscope (SEM)으로 입자 형상을 관찰하였다.

결과 및 토론

Fig.1은 위의 방법에 의해 서로 다른 yttria 첨가량 하에서 제조된 Zirconia 분말의 열처리 온도에 따른 XRD Pattern으로 모든 경우에 있어 400℃에서 비정질에서 tetragonal상으로 결정화가 일어나는 것을 알 수 있으며, 또한 600oC에서 monoclinic상으로의 결정화가 시작되었음을 알 수 있다. 한편 yttria가 전혀 첨가되지 않은 0Y-TZP에서는 800oC에서 tetragonal 상이 사라지는 반면 3mol%의 yttria가 첨가된 3Y-TZP에서는 1400oC 의 열처리 온도에서도 tetragonal상이 존재함을 알 수 있어, yttria가 첨가됨에  따라 더 넓은 온도 범위에서 tetragonal상이 존재함을 알 수 있다. 또한 1400oC 의 열처리 온도에서 0Y-TZP를 제외한 모든 분말들은 monoclinic 상과 tetragonal 상이 혼합된 결정 상을 보이고 있는데, 이때yttria 첨가량이 증가함에 따라 monoclinic상에 대한 tetragonal상의 상대강도가 더 커짐을 알 수 있다.

참고문헌

1. Y. T. Moon, D. K. Kim and C. H. Kim, J. Am. Ceram. Soc. 78(4), 1103 (1995).

2. Y. T. Moon, H. K. Park, D. K. Kim and C. H. Kim, ibid, 78(10), 2690 (1995).

Fig.1 Yttria 함유량이 서로 다른 조건에서 제조된 분말들의 열처리 온도 변화에 따라 결정상 구조의 변화.