수열합성기(Hydrothermal Synthesis)란 무엇인가? 일신오토클레이브

수열합성기(Hydrothermal Synthesis)란 무엇인가? 일신오토클레이브

액상합성법의 하나로 고온고압하에서 물 또는 수용액(thermal solution or fluid)을 이용하여 물질을 합성하는 process를 총칭하여 말합니다. Hydrothermal Synthesis(수열합성)는 뜨거운 물과 높은 압력 하에서 mineral 들의 용해도에 의존하는 single crystal의 합성방법으로 직접용융이 어려울 때 많이 쓰이는 합성방법입니다.  

 

수열합성에서 Hydrothermal solution (or fluid) 의 역할은 수열합성시 열과 압력의 전달 매체로서 반응제, 용매, 표면흡착제, 촉매 등의 역할을 하며 화학반응과 결정화 촉진, 이온교환이나 추출시 반응용매 역할 침식 및 고화 작용제의 역할을 합니다. 
 

수열합성기 전면

 

수열합성기 전면

 

 

수열합성기 전면

 

수열합성의 장점
① 반응속도가 빠르고 분산성이 좋다. (균일한 결정상을 갖는 고용체나 화합물의 제조 용이)
② 입경, 형상, 입도분포, 조성 및 순도의 제어 가능 → 압력, 온도, 용액 및 첨가제의 조절
③ 균일한 결정상의 미세입자 제조
* 일반 액상합성법의 단점(ex. 공침법, 가수분해법)
- 용매제거의 단계에서 불균일화.
- 불균질한 결정상.
- 소결 및 분쇄시 응집이나 오염발생.

 수열합성의 분류

분 류	특 징
수열결정화법	비정질이나 저결정성의 침전을 열수 중에서 결정화시키는 방법
수열 침전법	수열조건하에서 알코올기나 염을 가수분해 혹은 중화시키고 결정성이 좋은 침전을 얻음
수열 반응법	용매와 함께 혹은 고체와 용액성분을 수열조건하에서 반응시켜 새로운 화합물 침전을 만드는 방법
수열 분해법	수열조건하에서 화합물을 분해시켜 유효한 화합물을 얻는 방법으로 광석으로부터 유용성분을 추출하는 가압습식제련도 이 방법의 응용의 하나라고 생각할 수 있음
수열 산화법	금속 등을 고온고압의 물로 직접 산화해서 산화물을 만드는 방법으로 도중에 수소화물 등을 경유하는 경우에는 반응 시에 화학적 분쇄가 일어나 미분체가 되기쉽다. 용해, 침전, 소결 등의 조작이 필요 없어 오염되지 않는 이점을 가짐.

특징
① 수 nm ~ 수 μm의 미립자 분말 합성이 가능
② 결정상의 분말을 합성할 수 있기 때문에 기존의 세라믹스 합성에서 이용되는 소성 등의 조작이 필요가 없어 입자성장 등의 해결용이
③ 원료중의 불순물이 열수에 용해되어 처리 후 분체의 순도 향상
④ 입자가 용액 중에 고분산 되어 있어 입도 분포가 조밀함
⑤ 적정 합성조건에 따라 입자크기 제어가능

 대표적인 수열합성 물질

1) 특성 : 높은 유전율과 열안정성 → 강유전성, 압전성
2) 활용분야 :
케페시터, 서미스터, 센서, 통신용 필터, 마이크로웨이브필터, 대용량 메모리(NVM), DRAM, 열 감지기, 광파가이드
3) 수열합성법에 의한 제조공정도

4) 분말의 특성분석 및 비교

Synthesis Method	Firing temp.(°C)	SSA(m2/g)	SSA D(μ)	X-ray D(μ)
Hydrothermal	-	8.5	0.12	0.09
	400	8.2	0.12	-
	600	7.2	0.14	-
	800	6.0	0.16	-
Co-precipitation	900	5.5	0.18	0.12
	1000	4.6	0.22	0.13
	1050	3.3	0.30	0.29
Solid-state reaction	1100	1.0	1.00	0.49

 

 

 1)출발물질 : zinc chloride (Zncl2) / zinc acetate (Zn(Ac)2)
① 출발물질이 Zinc chloride 일 때
ZnCl2 + 2NaOH → Zn(OH)2 + 2NaCl → ZnO + H2O + 2NaCl
② 출발물질이 Zinc acetate 일 때
Zn(AC)2 + 2NaOH → Zn(OH)2 + 2NaAc→ ZnO + H2O + 2NaAc
- 반응 온도 80도
- 시간 6시간
- 침전제 1M NaOH (dropping 10ml/min)
- 교반속도 2000rpm
2) 출발 물질에 따른 Zno 생성변화

출발물질이 Zinc chloride 일 때	출발물질이 Zinc acetate 일 때

3) 몰수에 따른 Zno의 변화

	(A) 0.2 M   (B) 1 M    (C) 2 M

4) 시간에 따른 Zno 의 변화

5) 온도 변화에 따른 Zno 변화

80도	150도

6) P.H 변화에 따른 Zno 변화