KR101150075B1 - 건식 확산 붕괴 및 연속결정성장법을 이용한 나노 및 마이크로 티탄산칼륨 위스커 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산업용 티탄산칼륨 위스커의 나노 및 마이크로 사이즈 제조방법에 관한 것으로서, 붕괴효과를 이용한 티탄산칼륨 위스커나 티탄산칼륨 과립의 제조법으로 붕괴효과, 결정연속성장 효과, 또는 두 가지 결합하여 티탄산칼륨 위스커를 성장시키는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, K₂Ti₆O₁₃ 위스커의 생산원가를 대폭 낮출 수 있는 등 경제적인 효익이 아주 높다.

위스커, 티탄산칼륨, 확산붕괴법, 연속결정성장법

Description

건식 확산 붕괴 및 연속결정성장법을 이용한 나노 및 마이크로 티탄산칼륨 위스커 제조방법{Manufacturing Method of Nano and Micro Size Potassium Titanate Whisker Using Dry Diffusion Breaking and Continual Growth Crystallization Method}

본 발명은 산업용 6티탄산칼륨 위스커의 나노 및 마이크로 사이즈 제조방법에 관한 것으로, 특히 건식법에 의한 확산 붕괴효과를 이용한 티탄산 칼륨 위스커 또는 티탄산 칼륨 과립의 제조 준비 방법을 다루고 있을 뿐 아니라, 건식 직병렬 연속결정성장법에 의한 마이크로 K₂Ti₆O₁₃ 위스커 제조 방법에 대한 것이다.

K₂Ti₆O₁₃ 위스커는 역학 성능이 우수할 뿐 아니라, 특히 자체 터널구조로 인하여 아주 독특한 물리화학적 특성을 지니고 있다. 예를 들어서 높은 적외선반사율, 저열전도율, 고내열성, 고내마모성, 고전기절연성 및 저유전율, 화학안정성 등이 있다. K₂Ti₆O₁₃ 위스커는 성능이 뛰어나고, 기타 위스커에 비해 원가가 훨씬 낮으므 로 광범위하게 적용이 되며 전망이 좋아, 특히 자동차업계의 높은 관심을 받고 있는데, K₂Ti₆O₁₃ 위스커로 만든 마찰재료는 고급승용차 및 소형승용차의 brake block로 사용된다. 그 외, 보온자재, 내열단열자재 및 건축자재에도 적용이 되므로, 수요량이 수천 톤이 넘을 것으로 예상된다. 그리고, 위스커강화 열가소성, 열경화성 플라스틱 복합자재는 자동차 및 기타 정밀기기, 설비의 이상적인 중요 재료로 쓰이고 있다. 그 외, K₂Ti₆O₁₃ 위스커의 각종 기능 특성으로 도료, 군사, 화공, 제지 등에도 개발되어 적용이 되고 있다. 그러나 아직까지 고가의 생산원가는 K₂Ti₆O₁₃ 위스커 적용범위 확대에 가장 주요한 장애가 되고 있다. K₂Ti₆O₁₃ 위스커의 주요 생산방법은 소결법, 개선소결법(KDC법, 급냉각소결결정법, 일반냉각 소결 결정법 포함), 수열법, 용융법, 용제법, 압편법 등이 있다. 그중 소결법 및 개선 소결법은 공정이 간단하고, 연속적인 규모생산에 유리한 장점이 있어 현재 K₂Ti₆O₁₃ 위스커의 상업화 제조법에 주로 응용되고 있으며, 현재 절반 이상의 K₂Ti₆O₁₃ 위스커는 상기 두 가지 방법으로 생산되고 있다. K₂Ti₆O₁₃ 위스커는 상업화 응용에 어느 정도 성공한 몇 개 위스커 중 하나이긴 하지만, 양산까지는 아직도 거리가 멀다. 특히 고가의 생산원가는 적용 범위 확대를 제약하는 주원인이 되고 있는데, 따라서 통용 위스커로 적용하려면 생산원가의 절감이 필수적으로 이에 대한 대책이 요구되고 있다.

일반적으로 사용되는 K₂Ti₆O₁₃ 위스커 소결법은 일반적으로 칼륨 화합물과 이산화티타늄 화합물을 일정 mole 비율대로 혼합하되, 대부분 TiO₂와 K₂CO₃를 원료로 하고 있으며, 고온에서 가열 후, 복잡한 후처리 과정을 거쳐 제작이 되는데 적당량의 보조성 재료를 첨가하는 방법에 의하여 제조되고 있다. 제조법에 따라 가열 합성시간에 차이가 많아 길 경우 100시간에 달하는 경우도 있다. 고온조건, 장시간의 가열 요구 및 번잡한 공정은 원가 상승의 주원인이 되고 있다. 일반적으로 K₂Ti₆O₁₃ 위스커는 1100℃ 정도의 고온에서 가열이 이루어지고 있는데, 이같이 높은 온도는 에너지 소모가 많으며, 칼륨 소모가 높을 뿐 아니라, 알카리성 합성조건으로 인하여 설비 부식 손상이 심하다. 때문에 가열온도를 낮추는 것이 생산원가 절감의 가장 효과적인 방법이며, 이에 대한 해결책이 요구되고 있다. 그러나, 원가절감을 위해서 소성온도를 낮추었을 때에는 1000℃ 이하의 경우, 과립형으로 이루어질 뿐 위스커가 만들어지지 않는다.

만일 비결정체인 TiO_2?nH₂O를 원료로 한다면, 1080~1123℃ 온도범위에서 K₂Ti₆O₁₃ 위스커로 합성이 되며, 결정체 루타일 또는 아나타제 TiO₂보다 합성온도를 50~100℃ 낮출 수 있어 기술적인 문제의 극복이 가능하다는 점에서 출발하였다.

또한, 원가절감을 위한 기술적인 문제로서도 위스커의 합성은 흔히 구할 수 있는 이산화티타늄과 칼륨 화합물을 원료로 하며, 가열로에서 고온 가열에 의한 붕 괴 과정을 통하여 나노급 또는 마이크로급 K₂Ti₆O₁₃ 위스커를 만드는 경제적인 제조법이 필요하다.

본 발명은 이와 같은 단점을 극복하고, 붕괴효과를 이용한 티탄산 칼륨위스커, 티탄산 칼륨 과립의 제작방법을 다루고 있으며, 특히 직병렬 연속결정성장법에 의한 마이크로 K₂Ti₆O₁₃ 위스커의 제조법에 대한 것이다. 즉, 본 발명은 건식 붕괴 효과와 직병렬 연속결정 성장 효과를 이용하여 티탄산 칼륨위스커를 합성하는 것으로, 위스커의 합성은 일반 이산화티타늄과 칼륨 화합물을 원료로 한다.

본 발명의 제조방법은 가열 과정에서의 다시 확산붕괴되어 위스커가 합성되거나, 나노사이즈에서 직병렬 연속결정 성장되어 마이크로급 K₂Ti₆O₁₃ 위스커로 합성된다. 아래 예를 통해, 본 발명을 다시 설명할 수 있다. C_d값 및 이와 관련된 이산화티타늄의 입도범위는 원료조건, 공정조건에 따라 다르므로 고정된 값이 아니며, 실제로 티탄산 칼륨위스커의 합성과정에 C_d값은 아래 요소의 영향을 받는다. 이산화티타늄의 결정체, 이산화티타늄 원료의 입도분포, 이산화티타늄의 순도 및 함유된 금속원소의 종류와 함유량, 원료중 칼륨와 이산화티타늄의 배합비율, 원료 중 기타 보조 원료성분의 함량, 가열공정과 기체환경, 가열환경 등의 영향을 받는다. 본 발명에서 제시하는 주요 합성절차는 아래와 같다.

1) 이산화티타늄과 칼륨화합물 mole 비율 1:1 ~ 8:1로 혼합한다.

2) 혼합한 powder를 800~1300℃ 조건에서 0.2 ~ 6시간 가열한다.

3) 물로 세척 후 건조시킨다.

본 발명의 6티탄산칼륨위스커의 제조기술의 주요 요소로서, 원료의 크기 조절에 의한 최종 제품을 조절할 수 있다는 특징을 갖는다. 여기서 이산화티타늄의 입도는 티탄산 칼륨위스커의 생장방식의 결정적인 요소가 되는데, 입도의 기준은 임계입도 C_d를 기준으로 한다. 이산화티타늄 입도가 C_d보다 클 경우, 이산화티타늄은 붕괴방식에 의해 티탄산 칼륨위스커로 성장한다. 이산화티타늄의 원료입도가 C_d보다 작을 경우 이산화티타늄은 직병렬 접속 방식으로 티탄산 칼륨위스커로 생장한다. 여기서 C_d는 60~300nm 사이로 정의할 수 있다.

이산화티타늄의 입도는 (1) 직접 나노 티탄산 칼륨위스커로 붕괴 합성하거나 또는 이 기초에서 다시 마이크로 티탄산 칼륨위스커로 직병렬 접속 합성할 경우, 입도는 C_d~500nm 사이, (2) 직접 마이크로 티탄산칼륨위스커로 붕괴합성할 경우, 입도는 500nm 이상, (3) 나노 티탄산칼륨위스커(직경 100nm 이하)로부터 직병렬 연속결정성장 합성할 경우 입도는 C_d보다 작아야 한다.

직접 나노 티탄산 칼륨위스커로 붕괴 합성 후, 이 기초에서 마이크로 티탄산 칼륨위스커로 직병렬 접속 합성할 경우, 아래 두 가지 공정을 선택할 수 있다.

(1) 2단계 온도로 조절하여 가열한다. 즉 먼저 900~1050℃ 조건에서 0.2~6시 간 가열하여, 나노 티탄산 칼륨위스커로 붕괴 합성한 후, 다시 1050~1300℃까지 온도를 높여 0.2~6시간 동안 가열하여 마이크로 티탄산 칼륨위스커로 연속결정 성장 합성한다.

(2) 일차적 가열공정으로는 직접 900~1300℃ 조건에서 0.2~6시간 가열하여 직접 마이크로 티탄산 칼륨위스커나 과립으로 합성한다.

이산화티타늄은 루틸형, 아나타제형 등, 또는 그중 1개 이상 혼합물을 말한다.

칼륨화합물은 공업용 탄산칼륨을 가리킨다. 가열로 기체환경은 공기 중에서 직접 가열하거나 또는 진공 조건에서 가열, 또는 칼륨화합물 조건에서 가열 또는 임의의 두 종류의 기체를 조합하여 가열한다.

본 발명은 건식법 붕괴 효과와 직병렬 연속결정성장 효과를 이용하여 티탄산 칼륨위스커의 성장을 컨트롤하는 새로운 제조법으로, 전혀 새로운 티탄산 칼륨위스커 합성방법이라 할 수 있다. 이 방법은 K₂Ti₆O₁₃ 위스커의 생산원가를 대폭 낮추며, 기존의 소결법이나 동종의 제품에 비해 시장전망이 좋으며, 경제적인 효익도 아주 높다. 그 장점은 아래와 같다.

(1) 본 발명에서 제시한 방법에 사용되는 원료는 모두 현재 흔히 구할 수 있는 공업화 원료이며, 가열로(마이크로웨이브) 가격도 저렴하여, 대규모 연속 산업 화 생산에 적합하다.

(2) 가열 합성온도를 100~200℃ 정도(1100℃의 참고온도와 비교) 대폭 낮추었고, 또한 가열합성 시간도 뚜렷하게 단축이 되었다.

(3) 공정 절차가 간단하고, 붕괴효과를 이용하여 한번에 K₂Ti₆O₁₃ 위스커 합성할 수 있어 대규모 산업화 생산에 적합하다.

(4) 원료소모, 설비손상 및 에너지 소모를 대폭 줄일 수 있다.

(5) 나노와 마이크로급 K₂Ti₆O₁₃ 위스커의 규모생산을 동시에 진행할 수 있으며, 또한 나노 K₂Ti₆O₁₃ 위스커의 원가가 오히려 마이크로 K₂Ti₆O₁₃ 위스커보다 더 저렴하다는 장점이 있다.

즉, 붕괴효과와 연속결정성장 효과는 4티탄산칼륨과 8티탄산칼륨위스커 또는 과립의 가열합성에 적용될 수 있는데, 본 발명은 가열생산설비(마이크로웨이브)로 생산이 가능하여 제조원가가 저렴하고, 공정이 간단하며, 컨트롤이 간편하고, 가열 온도가 낮으며, 생산주기가 짧고, 양산에 적용이 되는 등 유익한 효과가 있다. 또한 생산된 티탄산 칼륨위스커의 원가가 낮으며, 품질이 우수하고, 일반 설비나 일반 원료로도 마이크로, 나노 K₂Ti₆O₁₃ 위스커 합성을 완성할 수 있으며, 일반적인 이해와 달리 나노 K₂Ti₆O₁₃ 위스커의 생산원가가 오히려 마이크로 K₂Ti₆O₁₃ 위스커보다 저렴하다는 특징을 가지고 있다.

사진 1. 티탄산 칼륨 위스커(K ₂ Ti ₆ O ₁₃ ) 결정구조 및 TEM 사진

본 발명은 나노, 마이크로 위스커 제조 기술영역에 속하며 건식 확산붕괴 효과를 이용하여 티탄산칼륨위스커, 또는 티탄산 칼륨 과립을 제조하는 방법을 제시하고 있으며, 특히 직병렬 결정연속성장 효과를 이용하여 나노사이즈에서 마이크로 K₂Ti₆O₁₃ 위스커의 제조법을 특징으로 하고 있다. 이 방법은 붕괴효과와 직병렬 결정연속성장 효과를 이용하여 티탄산 칼륨위스커를 합성하는 것이다. 위스커의 합성에 필요한 원료는 흔히 구할 수 있는 이산화티타늄과 칼륨화합물이며, 가열로에서 고온 가열을 거쳐 직접 붕괴 합성하거나, 확산 붕괴와 결정연속성장 합성이 동시에 이루어져 나노 또는 마이크로 K₂Ti₆O₁₃ 위스커를 합성할 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 제시하고자 하는 나노, 마이크로 제조 기술영역에 속하며 건식 붕괴 및 결정연속성장 효과를 이용하여 티탄산칼륨위스커, 또는 티탄산 칼륨 과립 을 제조하는 방법을 아래와 같은 실시예로 제조할 수 있다.

실시예 1. 직접 나노 K₂Ti₆O₁₃ 위스커로 붕괴 합성할 수 있다.

(1) TiO₂(입자직경 100~300nm,평균 200nm)와 공업용 탄산칼륨을 mole 비율 3:1로 혼합한 후 압축성형 한다.

(2) 혼합된 powder를 급속 붕괴 가열에서 950℃ 조건으로 1시간 가열한다.

(3) 세척, 건조하여 나노 K₂Ti₆O₁₃ 위스커(직경 100nm 이하)를 얻을 수 있다.

실시예 2. 간접붕괴와 직병렬 연속결정성장 효과로 마이크로 K₂Ti₆O₁₃ 위스커를 합성할 수 있다.

(1) TiO₂(입자직경 100~300nm, 평균 200nm)와 공업용 탄산칼륨을 mole 비율 4:1로 건식 혼합한다.

(2) 혼합된 powder 쾌속붕괴 가열에서 950℃ 조건으로 0.5시간 가열한다.

(3) 계속하여 1050℃ 조건에서 1시간 가열한다.

(4) 세척, 건조하여 마이크로 K₂Ti₆O₁₃ 위스커(직경 100nm 이상)를 얻는다.

실시예 3. 간접붕괴와 직병렬 연속결정성장 효과로 마이크로 K₂Ti₆O₁₃ 위스커를 합성할 수 있다.

(1) TiO₂(입자직경 100~300nm,평균 200nm)와 공업용 탄산칼륨을 mole비율 5:1로 건식 혼합한다.

(2) 혼합된 powder를 쾌속붕괴 가열에서 1000℃ 조건으로 2시간 가열한다.

(3) 세척, 건조하여 마이크로K₂Ti₆O₁₃ 위스커(직경 100nm 이상)를 얻는다.

실시예 4. 직접 확산 붕괴하여 마이크로 K₂Ti₆O₁₃ 위스커를 합성할 수 있다.

(1) 이산화티타늄(입자평균직경 5nm)과 이산화칼륨을 mole 비율 3:1로 건식 혼합한다.

(2) 혼합된 powder를 쾌속 붕괴가열에서 1100℃ 조건으로 1시간 가열한다.

(3) 세척, 건조하여 마이크로 K₂Ti₆O₁₃ 위스커(직경 100nm 이상)를 얻을수 있다.

실시예 5. 간접붕괴와 직병렬 연속결정성장 효과로 마이크로 K₂Ti₆O₁₃ 위스커를 합성할 수 있다.

(1) 황색 TiO₂(평균입자직경 400nm)과 공업용 탄산칼륨 포화용액을 황색 TiO₂와 탄산칼륨의 mole 비율 3:1로 섞어 혼합 후, 가열로에 넣어 300℃ 조건에서 3시간 건조 후 분쇄한다.

(2) 분쇄 후 혼합 powder를 쾌속붕괴 가열에서 1050℃ 조건으로 0.5시간 가 열한다.

(3) 세척, 건조하여 마이크로 K₂Ti₆O₁₃ 위스커(직경100nm 이상)을 얻는다.

실시예 6. 나노 TiO₂를 원료로 하여 직접 나노 K₂Ti₆O₁₃ 위스커를 합성할 수 있다.

(1) 나노 TiO₂(평균입자직경 15nm)와 이산화칼륨을 mole 비율 3:1로 건식 혼합한다.

(2) 혼합 powder를 쾌속 붕괴 가열에서 850℃ 조건에서 2시간 가열한다.

(3) 세척, 건조하여 나노 K₂Ti₆O₁₃ 위스커(직경 100nm 이하)를 얻는다.

이상 실시예에서 다룬 티탄산 칼륨위스커의 성장구조에 대한 설명은 아래와 같다. 먼저, 이산화티타늄 과립이 확산 붕괴되어 티탄산 칼륨위스커로 성장하는 구조는 다음과 메카니즘으로 기술적 완성이 이루어진다.

(1) 마이크로급 티탄산칼륨위스커가 붕괴효과에 의해서 합성되는 원리를 보면, 먼저 티탄산칼륨위스커의 합성은 TiO₂ 과립의 붕괴로 이루어진다. 원료인 막대형 마이크로급 TiO₂(평균크기 1500×5000nm)를 가열 붕괴하여 마이크로급 K₂Ti₆O₁₃ 위스커를 합성한다. 그러나, 1000℃ 조건에서 3시간 가열 후 K₂Ti₆O₁₃ 위스커의 붕괴 합성상태가 완전하게 이루어지지 않고 있으며, 1100℃ 조건에서 20분간 더 가열하여야 완전 붕괴 합성되어 K₂Ti₆O₁₃ 위스커로 된다.

(2) 나노급 티탄산 칼륨위스커의 붕괴합성의 합성원리를 보면, 티탄산 칼륨위스커의 붕괴성장은 주로 K, O, Ti원자의 쾌속 확산을 통해 이루어진다. 그러므로 크기가 작은 TiO₂를 원료로 사용할 경우, 위스커 붕괴합성의 원자 확산경로가 짧아지기 때문에 실제로 소요되는 가열온도와 시간이 크게 줄어들며 또한 붕괴 후의 티탄산 칼륨위스커의 크기도 따라서 작아진다. 다시 말하면, 크기가 적당한 작은 입자의 TiO₂를 원료로 사용할 경우 K₂Ti₆O₁₃ 위스커의 나노 붕괴가 이루어지며, 또한 가열 온도와 시간을 단축할 수 있게 된다. 입자 직경이 100~300nm(평균 200nm)인 TiO₂과립을 원료로 하여 K₂Ti₆O₁₃ 위스커를 붕괴 합성할 경우, TiO₂의 붕괴는 나노 붕괴의 효과가 있어 나노급 K₂Ti₆O₁₃ 위스커(평균직경 60nm)를 얻을 수 있다. 또한, 900℃ 조건에서 0.5시간 가열하면 곧 나노급 K₂Ti₆O₁₃ 위스커로 완전 붕괴된다. 이는 전통 공정과 비하여 볼 때, 가열온도가 100~200℃ 정도 대폭 낮아진 것인데, 이에 따라 가열 생산 주기도 크게 단축되어 900℃ 조건에서 0.5~1시간 작업하면 된다.

두 번째로 티탄산 칼륨위스커의 결정연속성장 효과의 원리를 보면, 기존의 티탄산 칼륨(위스커붕괴 효과로 붕괴된 티탄산 칼륨위스커를 포함)는 서로 병렬되어 직병렬 방식으로 크기가 더 큰 위스커를 이룰 뿐 아니라, 또한 병합방식으로 위스커의 직경도 굵어진다. 위에서 붕괴된 나노 K₂Ti₆O₁₃ 위스커는 직병렬 접속방식으로 다시 더 크고 더 굵은 마이크로급 K₂Ti₆O₁₃ 위스커로 합성할 수도 있다.

그리고, 이산화티타늄 과립 또는 티탄산 칼륨 과립의 직병렬 접속으로 티탄 산 칼륨위스커의 성장이 TiO₂ 원료의 입도가 충분히 작을 때, calcining 과정에서 TiO₂의 붕괴현상이 점점 미약해진다. 이 때 주로 결정연속 성장으로 표현되는데, 모두 4가지 형식을 특징으로 한다.

(1) 아주 작은 TiO₂ 과립이 K, O, Ti의 원자 확산에 힘입어 직접 직병렬되어 티탄산 칼륨위스커를 형성한다.

(2) 아주 작은 TiO₂ 과립이 K, O, Ti의 원자 확산에 힘입어 먼저 티탄산 칼륨 과립이나 중간과 도산물을 형성하였다가, 다시 직병렬 접속으로 티탄산 칼륨위스커를 형성한다.

(3) 상기 두 가지 형식이 공존한다.

(4) 이미 형성된 티탄산 칼륨위스커가 직병렬을 통해 길어지거나 또는 병합을 통해 굵게 된다.

그러나, 결정연속성장 및 직병렬 접속성장 자체는 결정체가 다른 작은 TiO₂ 과립이나 티탄산 칼륨 과립이 끊임없이 조정되어가고 있음을 말해준다. 그러므로 반드시 대량의 지속적인 원자 확산이 있어야 이루어지기 때문에 가열 온도와 시간의 영향을 받게 된다.

(1) 입자 직경이 60~150nm(입자평균직경 100nm)인 TiO₂를 원료로 할 경우, K₂Ti₆O₁₃ 위스커의 가열합성은 주로 결정연속성장효과로 성장한다. 1000℃ 조건에서 3시간 가열하여도 K₂Ti₆O₁₃ 위스커의 가열합성이 완전하게 이루어지지 않는다. 그러 므로 이 입도 범위 내에서 작은 입도의 TiO₂를 원료로 하여 티탄산 칼륨위스커 합성하는 것은 불가능하다.

(2) 입자 직경이 평균 10~20nm인 TiO₂를 원료로 사용할 경우, K₂Ti₆O₁₃ 위스커의 가열합성은 주로 결정연속성장 효과로 합성할 수 있는데, 이때 나노 TiO₂ 원료의 표면 에너지가 아주 크고, 확산거리가 극히 작기 때문에 800℃ 조건에서 2시간만 가열하여도 나노급 K₂Ti₆O₁₃ 위스커 합성이 가능하다는 특징이 있다.

또한, 티탄산 칼륨위스커의 확산붕괴 및 결정연속성장 합성에 대하여 합성되는 K₂Ti₆O₁₃ 위스커의 가열성장은 두 가지 전혀 다른 성장구조를 가지고 있다. 즉 크기가 아주 작은 나노 TiO₂과립을 원료로 할 때, K₂Ti₆O₁₃ 위스커의 생장은 직병렬 접속을 위주로 하며, 큰 준마이크로, 마이크로 또는 그 이상 크기의 TiO₂를 원료로 할 때, K₂Ti₆O₁₃ 위스커의 성장은 먼저 확산 붕괴 성장의 구조로 나타났다가, 다시 직병렬 접속으로 점차 커지고 굵어진다. 때문에 작은 TiO₂ 과립의 크기가 점점 커지고 큰 TiO₂과립의 크기가 점점 작아짐에 따라 반드시 한 인접크기 C_d가 있게 되는데, TiO₂과립의 크기가 C_d보다 작을 경우, K₂Ti₆O₁₃ 위스커의 성장은 먼저 직병렬 접속을 위주로 하며, TiO₂ 과립크기가 C_d보다 클 경우, K₂Ti₆O₁₃ 위스커의 생장은 먼저 확산 붕괴를 위주로 하여 성장할 수도 있다.

TiO₂과립의 크기는 K₂Ti₆O₁₃ 위스커 생장구조를 결정하는 핵심요소로, 본 발명은 일차적으로 TiO₂의 임계크기 C_d를 60~300nm 사이로 결정하였다. 그러나 상기 설명과 같이 C_d값이 원료조건과 공정조건에 따라 고정적인 것이 아니기 때문에 실제적으로 티탄산 칼륨위스커 합성과정에 C_d값은 아래 요소의 영향을 받는다. 이산화티타늄의 결정모양, 이산화티타늄의 입도분포, 이산화티타늄의 순도 및 함유된 금속원소 종류와 함량, 원료 중 칼륨와 이산화티타늄의 배합비율, 원료 중 기타 보조성분과 그 함량, 가열 공정 및 환경, 기체환경의 영향을 받는다.

TiO₂ 원료 크기가 K₂Ti₆O₁₃ 위스커의 가열 합성에 필요한 가열 온도와 시간에 뚜렷한 영향을 미치는 점과 또한 TiO₂ 원료 원가문제를 감안해 볼 때, 사이즈가 큰 TiO₂ 원료나 작은 TiO₂ 원료 모두 최적의 원료는 아니라고 본다. 본 발명은 K₂Ti₆O₁₃ 위스커의 확산 붕괴와 직병렬 접속성장 현상과 구조에 근거하여, 전혀 새로운 K₂Ti₆O₁₃ 위스커 합성방법을 제안하고 있는데, 주요 원리로서는 크기가 인접크기 C_d보다 약간 큰 이산화티타늄을 원료로 한다는 것과, 가열 과정에 먼저 나타나는 나노 붕괴 효과를 이용하여 나노 K₂Ti₆O₁₃ 위스커를 붕괴 합성한다는 특징이 있다. 다음 계속하여 직병렬 연속결정성장 구조(가열온도를 높이거나, 시간을 연장할 수 있다)를 이용하여 마이크로급 K₂Ti₆O₁₃ 위스커로 합성한다는 점이다. 그러면, 붕괴된 나노 효과로 인하여 가열 온도를 대폭 낮출 수 있으며, 또한 가열 시간도 크게 단축할 수 있다. 상기 결과는 기타 이산화티타늄에도 적용될 수 있는 특징이 있다.

사진 2. 합성된 K2Ti6O13 위스커 사진	사진 3. 합성된 K2Ti6O13 위스커 사진

Claims (10)

1. 티탄산칼륨 위스커 제조방법으로, 상기 방법은

   (1) 이산화티타늄과 칼륨화합물을 1:1~8:1의 몰비로 혼합하여 혼합분말을 제조하는 단계;

   (2) 상기 혼합분말을 800~1300℃ 조건에서 0.2~6시간 가열하여 티탄산칼륨 위스커를 제조하는 단계; 및

   (3) 상기 티탄산칼륨 위스커를 물로 세척하는 단계를 포함하며, 여기에서 상기 티탄산칼륨 위스커 크기 및 합성방식은 상기 이산화티타늄 입도의 임계크기(C_d)에 따라 결정되며, 상기 이산화티타늄 입도가 상기 임계크기(C_d) 이상 500nm 이하이면, 직경 100nm 이상의 마이크로 티탄산칼륨 위스커가 직병렬 접속 합성되며, 상기 이산화티타늄 입도가 상기 임계크기(C_d) 이하이면, 직병렬 연속 결정성장된 직경 100nm 이하의 나노 타탄산칼륨위스커가 합성되며, 이때 상기 임계크기(C_d)는 60 내지 300nm인 것을 특징으로 하는 티탄산칼륨 위스커 제조방법.
2. 제 1항에 있어서,

   마이크로 티탄산칼륨 위스커가 직병렬 접속 합성하는 경우, 상기 단계 (2)의 가열은

   (4) 900℃ 내지 1050℃의 온도로 상기 혼합분말을 제 1 가열하여, 나노 티탄산 칼륨위스커를 합성하는 단계; 및

   (5) 상기 합성된 나노 티탄산 칼륨 위스커를 1050℃ 내지 1300℃의 온도로 제 2 가열하여, 마이크로 티탄산 칼륨위스커로 성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 티탄산칼륨 위스커 제조방법.
3. 제 1항에 있어서,

   단계 (1)의 혼합분말로부터 직경 100nm 이상의 마이크로 티탄산칼륨 위스커를 직접 합성하는 경우, 상기 이산화티타늄의 입도는 500nm 이상인 것을 특징으로 하는 티탄산칼륨 위스커 제조방법.
4. 제 2항에 있어서,

   상기 제 1 가열은 0.2 내지 6시간 동안 진행되며, 상기 제 2 가열은 0.2 내지 6시간 동안 진행되는 것을 특징으로 하는 티탄산칼륨 위스커 제조방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 이산화티타늄은 루타일형, 아나타제형 또는 황색 이산화티타늄 중 1가지 이상의 소재인 것을 특징으로 하는 티탄산칼륨 위스커 제조방법.
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,

   상기 칼륨 화합물은 공업용 탄산칼륨 또는 이산화칼륨인 것을 특징으로 하는 티탄산칼륨 위스커 제조방법.
8. 제1항에 있어서,

   상기 단계 (2)의 가열은 공기, 진공, 또는 칼륨화합물을 포함하는 기체 환경에서 진행되는 것을 특징으로 하는 티탄산칼륨 위스커 제조방법.
9. 제1항에 있어서,

   상기 단계 (2)의 가열은 마이크로웨이브 설비를 이용하는 것을 특징으로 하는 티탄산칼륨 위스커 제조방법.
10. 삭제